在水刀前混合磨料射流系統(tǒng)中，由于磨料和水混合后加壓，直接進(jìn)入噴嘴噴射作業(yè)，其結(jié)構(gòu)相對比較簡單，因此本章主要介紹后混合磨料噴頭。依據(jù)不同磨料與射流混合方式，磨料噴頭分為磨料側(cè)進(jìn)式與磨料中進(jìn)式。磨料側(cè)進(jìn)式噴頭應(yīng)用較廣，同中進(jìn)式相比水噴嘴結(jié)構(gòu)簡單，可多樣化，因而其種類也最多。根據(jù)水噴嘴類型可分單孔式、多孔式，而多孔式又有多孔平行式與多孔匯聚式之分。中進(jìn)式主要包括多孔式和環(huán)形兩種。具體分類如下： 典型磨料噴頭應(yīng)包括水噴嘴、混合腔、磨料噴嘴三部分。兩種典型的清洗用磨料噴頭。水噴嘴直接嵌進(jìn)噴頭體中，高壓水管直接壓緊噴嘴，中間用紫銅墊密封。磨料噴頭裝入一護(hù)套內(nèi)，用螺紋擰在噴頭體上，并可調(diào)節(jié)其位置，以確保射流性能。水噴嘴可做成單孔、多孔等形式。圖b為磨料中進(jìn)式多孔噴頭，成形噴頭直接套在噴頭體內(nèi)，兩端加有密封；磨料噴嘴裝在護(hù)套內(nèi)，用螺紋與噴頭體連接，并壓緊水噴嘴。
一典型的水切割用磨料噴頭。護(hù)套2上嵌有水噴嘴，置于連接管1下，采用錐面或平面密封。磨料噴嘴6直接插入螺套5內(nèi)，用鎖緊螺母壓緊。磨料混合管4通過螺套直接壓接在噴頭體3內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，但護(hù)套加工要求高。
為了確保磨料噴嘴的對中性，有的設(shè)計(jì)將磨料噴嘴嵌入一球面套內(nèi)，通過其上分布的螺釘來調(diào)節(jié)。這種型式由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)節(jié)繁瑣，實(shí)際中并不多用。
影響磨料射流性能的主要參數(shù)是磨料噴嘴直徑、長度及其與水噴嘴的距離等。由于流動(dòng)的復(fù)雜性，確定這些尺寸十分困難，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)水射流壓力、流量、磨料性質(zhì)、耗量等，經(jīng)過大量試驗(yàn)來優(yōu)化，以確保射流能力。
水切割磨料噴頭的噴嘴尺寸搭配推薦如下：
水噴嘴d。/mm：0. 17 0.25 0.30 0.35
磨料噴嘴d。/mm:0. 54 0.76 1.10 1.10
近年來常見對準(zhǔn)直管噴頭的報(bào)道。它實(shí)質(zhì)上是將磨料噴嘴加長放大。根據(jù)使用條件其內(nèi)徑可大至15mm，而長度可達(dá)1. 5m。準(zhǔn)直管有兩個(gè)功能：其一，可使磨料與水充分混合；其二，可充當(dāng)鉆桿，用于鉆孔。準(zhǔn)直管的出口是兩塊擋板，它由耐磨碳化鎢制成。用于鉆孔時(shí)，通過皮帶輪帶動(dòng)準(zhǔn)直管旋轉(zhuǎn)。早期試驗(yàn)：壓力70MPa、流量80L/min、旋轉(zhuǎn)速度600r/min，鉆孔速度對花崗巖10cm/min、對大理石15cm/min、對石灰石75cm/min。
一種旋轉(zhuǎn)磨料噴頭。水噴嘴以一定角度深入磨料供給管中，射流斜向噴出，與磨料混合后進(jìn)人磨料噴嘴，由于反沖力作用，而帶動(dòng)噴頭旋轉(zhuǎn)。這一裝置最初用于在混凝土中切割深槽，經(jīng)過改進(jìn)后用于鉆孔。試驗(yàn)壓力240MPa，水噴嘴直徑0.762mm，磨料噴嘴直徑2. 3mm，磨料耗量45g/s，旋轉(zhuǎn)速度50r/min。
磨料噴嘴是形成磨料射流的關(guān)鍵。長期以來高壓磨料射流噴嘴一直困擾著我國的水射流界，迄今為止切割用磨料噴嘴及前混合磨料射流噴嘴的使用壽命仍未達(dá)到滿意的程度。
磨料噴嘴的結(jié)構(gòu)十分簡單，基本上由兩段構(gòu)成，即錐狀入口和柱狀出口，唯不同用途噴嘴其尺寸略有差別。對于清洗噴嘴，由于內(nèi)孔尺寸較大，一般均可用金剛石內(nèi)圓磨頭予以加工，從而確保所需精度與粗糙度。而切割噴嘴內(nèi)孔直徑很小，一般不可能進(jìn)行二次加工。
磨料噴嘴由于受到高速磨料粒子的沖刷，其選材十分重要。一般來講，噴嘴材質(zhì)必須具有高硬度、高耐磨性，兩者缺一不可。幾種常見磨料噴嘴材料性能，其中ROCTECIOO是美國DOW公司近年開發(fā)的噴嘴材料，在標(biāo)準(zhǔn)磨料水射流切割工況下其壽命可達(dá)50—100h。該公司新近又推出了更耐磨的ROCTEC500磨料噴嘴。可看出，SiC、B。C硬度雖高，但耐磨性一般；而Si。N4、A120。、2ro2等硬度不高，耐磨性更差，無法使用；唯鈷基碳化鎢的耐磨性僅次于ROCTECIOO，是目前國內(nèi)應(yīng)用最多的材料，其基本成分及性能。
通常，硬質(zhì)合金中，wc作為主要耐磨相以顆粒形式存在，而Co只是作為黏合劑。但這種軟金屬黏合劑的存在顯然對其耐磨性有很大的影響，因此一般Co的含量應(yīng)限制在6%以下。碳化物的形狀、尺寸、種類、工藝條件對材料的耐磨性有很大影響。
材料耐磨性試驗(yàn)可在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬進(jìn)行。現(xiàn)行磨損試驗(yàn)機(jī)種類很多，美國材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ASTM)將其中的于砂橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)和濕式磨料磨損試驗(yàn)機(jī)( Abrasive Slury)分別列入試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM G-65及ASTM B-611）。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)規(guī)定了試驗(yàn)機(jī)各零部件的主要尺寸和試驗(yàn)方法，供參照執(zhí)行。試驗(yàn)機(jī)的選用必須盡量模擬實(shí)際磨損情況。美國ASTM G-65規(guī)定的干砂橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)。類似的試驗(yàn)機(jī)國內(nèi)也有生產(chǎn)。
各種材料的磨損試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)ASTMB-611濕式磨料磨損試驗(yàn)的結(jié)果，根據(jù)ASTM G-65干砂橡膠輪磨損試驗(yàn)的結(jié)果。從中可看出，硬質(zhì)合金中Co的含量越低，耐磨性越好。
高速磨料粒子對噴嘴的磨損，性質(zhì)上屬于磨料磨損的范疇。磨料磨損包括有滑動(dòng)磨料磨損、沖擊破碎和高應(yīng)力碾碎式磨料磨損、沖蝕磨損等。對磨料噴嘴的磨損起決定作用的是滑動(dòng)磨料磨損，磨損的主要方式有微切削、微變形或疲勞。它不僅與噴嘴的材料、形狀有關(guān)，而且磨料的粒度、形狀、硬度、滑動(dòng)速度等都對其有影響，因此磨料噴嘴的磨損過程十分復(fù)雜。各種因素對磨料噴嘴磨損的影響。因此，合理選擇射流壓力、磨料材質(zhì)和粒度可有效地提高噴嘴的使用壽命；在設(shè)計(jì)和裝配過程中，應(yīng)確保水噴嘴和磨料噴嘴的對中性，以使水刀射流處于最佳位置，防止偏磨。
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