CN106132634B - 复合准直管 - Google Patents

Abstract

用于磨料水射流切割机的切割头的复合准直管(1,20,80,140,200)，包括保持在保持器(3,21,81,141,203)中的气相沉积金刚石(CVDD)管(2,22,201)。通过在CVDD管(2,22,201)的壁和通道(6,23)的壁之间的容积内填充理想地是粘结剂(7,207)的聚合物，或者低熔点的金属或者合金，将CVDD管(2,22,201)保持在延伸穿过保持器(3,21,81,141,203)的通道(6,23)中，这将CVDD管(2,22,201)支撑并保持在适当位置且不向其施加明显的应力。CVDD管(2,22,201)的内孔(4,204)的纵向轴线与保持器(3,21,81,141,203)的中心线重合以允许精确的定位和对准从CVDD管(2,22,201)排出的磨料水射流(150)。CVDD管(2,22,201)具有粗糙的外刻面且可具有可变的壁厚。保持器(141)可以是切割头(140)的主体。还公开了用于组装复合准直管(1,20,80,140,200)的组装夹具(40,100)和方法。

Description

复合准直管

技术领域

本发明涉及由保持器中的气相沉积金刚石管构成的准直管，该准直管用在磨料水射流切割机的切割头中。

背景技术

在磨料水射流切割机的切割头中，高速的水射流将承载流体内的磨粒卷入准直管内孔中，在那里水射流和磨粒间发生动量交换以在准直管出口产生切割射流。准直管内孔的长径比通常为80到120且通过电火花加工(EDM)来钻孔。为了有效地将磨粒卷入准直管内孔，在准直管内孔的进口端加工出锥形进口。

当前最好性能的准直管由单个细长柱形的实质上不包括粘合材料的专有碳化钨制成，这种管的示例是由美国Latrobe,Pa.的肯纳金属公司(Kennametal Inc)出售的商品名称为

的管。这些准直管具有约28GPa的硬度且当使用具有约13GPa的硬度的石榴石磨料进行切割时，通常具有40到80小时的使用寿命。具有长的使用寿命的准直管将为现有的高级切割机带来相当大的益处且减少部件超出公差的问题。

为了有效的切割，有必要使用硬度为待切割材料的硬度的约1.2倍的磨料，这意味着加工工程陶瓷具有相当大的难度且不能使用石榴石磨料来高效地切割复合物。当采用具有20GPa硬度的氧化铝切割时，碳化钨准直管具有约一个小时的使用寿命且使用具有28GPa硬度的碳化硅磨料时仅有几分钟的使用寿命。存在提供能够数小时使用具有高达28GPa硬度的磨料进行切割的准直管的需求。

与碳化钨相比，烧结多晶金刚石(PCD)和化学气相沉积金刚石(CVDD)具有好得多的耐磨性。通过使用金刚石准直管来获得益处是如此的显而易见，使得在超过20多年的时间段内，人们做出了制造金刚石准直管的大量尝试，然而金刚石准直管仍未得到商业化的利用。

由于可制造出的PCD和CVDD片的尺寸限制，并不能利用单片的PCD或CVDD片来制作准直管。因此金刚石准直管的两个或更多部件结构是必需的。在申请号US2010/0088894的专利文件中，回顾了与制造多部件金刚石准直管有关的专利文件并公开了一种意图降低制造多部件金刚石准直管的高生产成本的制造方法。

目前提出的多部件金刚石准直管中大部分在内孔中沿纵向或径向具有的一个或多个的接点。接点是经受高速磨粒攻击的薄弱位置，除非接点非常精确，但由于加工金刚石的难度，实现接点精确是高成本的。在其内孔中带有接头的准直管具有精加工的表面以相对于彼此定位多个部件且利用包括收缩和压配合，夹钎焊，焊接和粘结剂在内的多种方法将多个部件保持在一起。

在丝线或者形成器上生长CVDD管并将丝线或者形成器刻蚀掉是现有制造内孔内无接头的准直管的方法。可以在具有直径小至25微米的丝线和纤维上生长CVDD管并成功地将丝线和纤维刻蚀掉。因此，存在生产等于或者小于25微米孔径的CVDD准直管的潜力。由于CVDD的生长率仅为每小时1微米，需要将CVDD管的厚度保持至必需的最小值，以在管不失效的情况下，允许高速水射流与磨粒间的动量交换。实现这一功能的管相当的薄且易于为外力破坏并需要保护在保持器中，形成在此所述的复合准直管。

在1990年代，Ohio,Worthington的通用电气公司进行了大量的工作(“GE系列”)以开发CVDD复合准直管。授予GE系列的专利公开了所面对的问题和克服CVDD管失效的尝试。在专利号US5175929的专利文件中，描述了如何生长带有通往内孔的一体锥形进口的CVDD管，并认为加工通往内孔的锥形进口是不切实际的。在专利号US5363556的专利文件中，描述了如何通过绕CVDD管热收缩壳体来将带有一体锥形进口的CVDD管置于径向压载下以克服管的失效-认为CVDD管的失效是由作为张力波反射自金刚石管的外表面的压缩应力波造成的。

在GE系列的另一件专利号US5387447的专利文件中，描述了在生长CVDD的反应器中生长率如何随着位置变化，导致管壁厚度绕管的周向显著地变化。还描述了一种通过连续旋转和移动反应器中正在生长的管来基本解决这一问题的装置。然而，实际上，这种装置是昂贵且难于实施的并且并不能消除金刚石厚度的局部变化，这种变化归因于金刚石颗粒生长过程中的竞争天性以及反应器中在纵向位置上的金刚石生长率的变化。

在GE系列的另一件专利号US5468934的专利文件中，描述了对金刚石准直管退火以释放生长过程中所产生的应力的方法。其假设由磨料射流在靠近中间点位置贯穿侧壁造成的失效是由内在的金刚石沉积应力造成的。在中间点附近贯穿准直管与准直管相对于水射流出现错位密切相关。

GE系列专利并未公开如何实现准直管内孔的中心线与水射流的中心线对准。在GE系列专利提交申请时，即使对于单片的碳化钨准直管来说，将准直管的中心线和水射流对准也是成问题的，在磨好的碳化钨柱状物的中心线上通过电火花加工来钻出碳化钨准直管的内孔。与单片碳化钨准直管相比，GE系列的复合准直管将使得实现避免过早的管失效所需的对准精度更具有挑战性，该准直管形成带有不均匀金刚石壁厚和经由离子镀或金属喷镀或铸造施加的外部层。

对于高效形成磨料切割射流，尤其是对于微机械加工而言，重要的是将准直管内孔的中心线与水射流的中心线对准在微米范围内。作为一个示例，穿过100微米直径的准直管内孔的水射流的直径通常为50微米，从而在水射流和孔壁之间产生了在输入时的25微米的平均环隙宽度。水射流产生设备的中心线与准直管的中心线间5微米的错位会导致环状间隔在20微米和30微米间变化。这种变化的结果是对绕水射流的磨料的不均匀卷吸、劣化的切割性能和准直管的局部磨损。由于在CVDD管的壁厚上生长条件和生长过程的周向变化已经远超过中心线对准所能允许的公差。必须为保持在保持器中的CVDD管提供装置以使得准直管的中心线与保持器的中心线基本上重合。

GE系列专利并没有公开用于测试复合CVDD准直管的试验装置，但其认为这些装置在当时已经存在于磨料水射流工业中。由于超高压力泵的改进以及使用更低准直管内孔直径和水射流直径，允许磨料切割射流的能量密度已经是自GE系列专利提交申请以来的两倍多。CVDD金刚石准直管必须能够经受更高磨粒流能量密度所产生的力。

GE系列专利并没有公开是否需要保护以及如何保护环绕复合CVDD准直管的材料免受反射切割射流的侵害。在对工件钻孔的期间，仅有少量切割功率损失的射流会反射回到准直管上。由碳化钨制成的准直管的外径通常是孔径的五到十倍，以使得反射射流冲击管的端部并被端部挡开。由于生长CVDD金刚石管的高成本和难度，复合准直管的金刚石部分通常约为孔径的两倍且由与金刚石相比差的耐腐蚀性材料所围绕。必须通过设计复合准直管以及安装它们的切割头来提供适于抵消切割射流反射的装置。

已知的是带有单个锥形进口的准直管的切割性能起初能够改进，并随后持续下降直至磨损，从进口到出口，到达准直管的出口且切割射流的直径快速地超出公差范围。在腐蚀进口区域改进切割性能时，由于时间段非常短，在碳化钨准直管中加工进口是不经济的，这是复制最初的磨损形貌。

用磨料水射流进行研磨的技术发展是极其困难的，这是因为随着切割射流穿越工件表面，会产生大体为V形的槽。V形槽归因于在垂直于切割射流行进方向的射流***处的相当数量的磨粒冲击力大体降低到零。在随后的穿越中，射流往往为V形槽的壁面所折射以使得不太可能规划切割头的运动以产生低粗糙度的研磨表面。假使磨料在切割射流中的分布是均匀的，更易于控制矩形横截面的切割射流来产生低粗糙度表面。在碳化钨中钻准直管内孔的方法要求内孔的横截面由进口到出口保持基本相同。已经在试验中发现带有方形横截面内孔的碳化钨准直管所产生的切割射流在射流的角落处具有高浓度的颗粒，这产生一系列与使用圆形射流研磨所不同的严重问题。因此期望能够沿准直管的长度改变内孔的横截面以产生带有均匀颗粒分布的非圆形切割射流。

发明内容

根据本发明的复合CVDD准直管避免了上述问题并在通过比石榴石更硬的磨粒时提供经济的管使用寿命。该复合管还提供改进的切割性能且能够产生截面形状适于研磨的切割射流。

在本发明中通过不向金刚石管施加明显力的装置将CVDD管定位和保持在保持器中，也就是说以软的方式保持金刚石管。尽管直觉上硬的固定方法看上去更理想，但考虑到现有技术所使用的硬固定有助于复合CVDD管失效或是现有复合CVDD管失效的原因。

在本发明中使用的CVDD管可通过能导致柱状微观结构的工艺产生。金刚石粒竞相生长导致在粒径和形状上具有大的变化，使颗粒需要胜出相邻的颗粒进而减少颗粒的数目且粒径随着管壁厚度的增长而增长。所产生的材料具有多种缺陷并在沿颗粒边界或边界附近具有薄弱点。形成在管的外侧的生长表面是带角的粗糙小平面。

CVDD成核表面处的颗粒之间的结合非常强以使得磨粒冲击不会造成金刚石的内在缺陷扩大，然而在具有准直管所需壁厚的生长表面附近，如果颗粒受到明显力的作用，则会扩大内在缺陷。考虑到依现有技术的具体保持方法将径向压力施加到CVDD管的带角的粗糙小平面将会不可避免地导致在单个金刚石颗粒的级别上产生剪切力和弯曲力，这造成由已存在于颗粒边界或者其附近的缺陷所形成的裂纹扩大。还认为在硬固定方法的冷却期间，金刚石的热膨胀系数和钎焊料与保持器的热膨胀系数间的不匹配会造成纵向收缩运动，该运动在单个颗粒间和颗粒组间产生拉力，从而进一步促进已有缺陷的恶化。已知当线电火花切割CVDD时，可将颗粒组从切割边缘处移除，这表明造成沿颗粒边界的失效所需的力是相当小的。现有技术中通过绕金刚石管的高热膨胀系数材料的热收缩来施加压载很有可能会造成边界裂纹和内在缺陷扩大。

钎焊是使硬金属与金刚石保持连接的优选方法。基于将金刚石钎焊到多个基底上的经验，认为在钎焊后伴随高长径比的CVDD管会出现大体侧向和径向的力。这些力起因于在钎焊的凝固相期间钎焊材料向钎焊点内的特定位置的优先迁移。并不清楚这种迁移的原因但认为其与在金刚石上形成钎焊点的复杂化学反应有关。由于钎焊间隔宽度的变化，当将CVDD管在生长的CVDD管上固有的可变壁厚中固定时，钎焊迁移的潜在可能性将会非常高。与施加力到CVDD管以相对于保持器的中心线定位管内孔的中心线的安装结构相比，形成钎焊节点所产生的力要大得多。

选择硬固定方法的原因在于将CVDD管紧密地接合到材料上，该材料具有与金刚石相近或高于金刚石的声阻抗。通过匹配材料，将传导来自颗粒冲击的声阻抗应力波而不是反射成张力波；已知的是当通过高速水滴冲击时，在自非冲击表面反射的应力波所形成的张力波作用下，CVDD金刚石会失效。可通过碳化钨保持器来围绕CVDD管，与金刚石相比该保持器具有更高的声阻抗，但实际上已有用于在金刚石和碳化钨间形成连接的材料传导不了多少应力波能量。例外情况是黄金，但由于成本、形成声接点以及在制作接点时相对于保持器参考中心线保持CVDD管的中心线的不可实践性，排除了使用黄金的可能性。

准直管内孔的磨损是由每秒约百万的磨粒以高达两倍音速穿过准直管内孔时对孔壁进行多次冲击所形成的。与具有适当厚度的优质CVDD金刚石的强度相比，就压缩应力波和反射张力波两方面而言，单个冲击力是小的。在满足以下标准的情况下，通过本专利所基于的实验显示出这一看法是真实的：

在将管保持在保持器的方法中，CVDD管不经受大的外力。

CVDD管具有适合其孔径的壁厚。

CVDD管内孔的中心线与水射流产生设备的中心线精确地对准。

通过所有已知的CVDD金刚石生长工艺可在丝线或形成器上生长根据本发明的带有复合准直管的金刚石管。这些生长工艺包括掺杂硼或者其他合适的掺杂剂使金刚石导电以使得可通过电火花来对其进行处理。

可以在形成器、丝线上生长根据本发明所使用的CVDD金刚石管或者由那些从事CVDD金刚石生产的本领域技术人员证明是合适的材料制成管，这些材料例如是硅、碳化硅和包括钼和钨在内的金属碳化物。可以在长杆、丝线或者管上生长CVDD金刚石且在移除丝线或管之前或之后从得到的CVDD管处切除单个CVDD管的材料或者可以在形成器上生长CVDD管。形成器可以是杆，管或丝线，其适合蚀刻、磨耗或以其他方式沿着其长度进行处理来形成各独立的管状从而生长多个CVDD管，其中各管后续从已生长的CVDD材料处切割而得。可以通过使用钨或者其他合适材料3D打印制成形成器。通过酸刻蚀、电火花加工、电化学加工、磨料水射流加工或者这些或其他方法的组合来移除丝线和形成器。

当加工可以是通过电火花加工或者激光加工或者是两种方法的组合时，除非CVDD能够导电，否则优选通过激光加工来加工根据本发明的CVDD金刚石管。实施本发明是在CVDD管的壁中加工有锥形进口。

本发明中CVDD管的周向壁厚的变化能够超过孔径的100％但优选小于孔径的25％且更优选地小于10％。在最小CVDD管壁厚度的位置管壁厚度优选大于管孔直径的50％且更优选地大于管孔直径。

实施本发明在CVDD在形成器上的生长工艺期间将连到准直管内孔的锥形进口成形为使到内孔的过渡在与当实践中可行的电火花加工碳化钨准直管时相比时的准直管延长长度上出现。这允许以与现有的准直管相比以更加令人满意的方式实现高速水射流和磨粒间的最初的剧烈的相互作用。

为了生成非圆形切割射流，并且尤其是用于研磨的大体方形横截面切割射流，在其上生长CVDD准直管的形成器的横截面形状可以沿着形成器变化以生长带有横截面形状从进口到出口变化的CVDD管，形状的变化方式能够在非圆形切割射流中提供令人满意的磨粒分布。

以实质上减轻应力的方式将本发明的CVDD准直管定位和保持在保持器中。在一些实施中由单件材料加工或成形得到保持器而在其他实施中保持器是两个或多个元件的组合。在其他实施中保持器还是切割头的主体。本发明中经受磨粒腐蚀的保持器的部分优选由碳化钨、多晶硅金刚石或其他高耐腐蚀材料制成，该磨粒腐蚀源自由工件反射的切割射流。

实施本发明时使用定位-保持-固定工序以定位并保持CVDD管，使得其内孔中心线位于保持器的参考中心线上。定位-保持-固定工序包括使用带有定位销或丝线或其他定位装置的夹具将CVDD管定位在其保持器中，在封装材料固体化、凝固或固化或其它方式硬化时，将CVDD管内孔的中心线定位和保持在保持器的参考中心线上。

本发明的另一种定位-保持-固定工序包括将CVDD准直管定位在模具中，从而得在基本无应力的封装材料固体化、凝固或固化或其它方式硬化时，将管的中心线保持在模具中的细长内孔的中心线上。然后将封装后的准直管从模具移除且保持在保持器的内孔中。

优选用于封装和保持CVDD准直管的材料是聚合物且尤其是聚合物粘结剂。粘结剂的特性可以包括：快速凝固；良好的导热和/或导电性；高强度和/或高耐腐蚀性。可以在两个或更多个阶段中实施管在保持器中的封装和保持。可以使用快速凝固或固化的粘结剂来执行CVDD管在其部分长度上在保持器的适当位置处的初始封装和保持。可以使用带有添加剂的聚合物或其他材料来实现第二或者进一步的封装和保持工序，其中该添加剂例如是可以为封装材料提供耐腐蚀性能的陶瓷颗粒。

实施本发明所选用的聚合物具有间隔填充能力以适于在接头处的可变间隔宽度，该可变间隔宽度由CVDD管壁厚在周向上的变化和表面粗糙度所形成。为了适应CVDD管壁的周向壁厚的实质变化，保持器中用于CVDD管定位和保持的内孔可以相对于保持器的参考中心线错位，CVDD管的中心线参考该参考中心线。

根据本发明中将CVDD管封装和保持在保持器中的替代方法，通过使用易熔金属合金或焊接材料以在保持管时管的中心线与保持器的参考中心线重合。优选使用凝固时膨胀的易熔合金来填充CVDD管外侧的空穴而无需向金刚石施加明显的应力。可将焊接材料或者易熔合金接头与粘合剂接头联合使用以将CVDD管保持和固定在单个保持器或者多部件保持器中。

实施本发明时，或者在将复合CVDD准直管安装到切割头前，或者因为准直管在进口或者出口端处的部分封装和保持材料经由在切割头操作期间的磨粒所腐蚀，部分长度的CVDD准直管可不由保持和固定材料支撑。

实施本发明时经由单片超硬材料加工保持器，在给工件钻孔期间反射回的磨料射流不会过度腐蚀该超硬材料。在其他实施例中，在保持器的出口端将超硬材料部分连接到保持器主体，或者将超硬材料部分连接到切割头主体以使损坏最小化。

实施本发明时先于锥形进口将耐腐蚀保持器提供到CVDD准直管以保护CVDD管封装和保持材料免于在该位置处的腐蚀。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于磨料水射流切割机的切割头的复合化学气相沉积金刚石(CVDD)准直管，所述复合CVDD准直管包括：

带有光滑贯通内孔的细长的CVDD管，所述光滑贯通内孔在所述CVDD管的进口端和所述CVDD管的出口端之间纵向地延伸；以及

带有细长的通道的保持装置，所述通道延伸穿过所述保持装置以容置所述细长的CVDD管；

其中通过固体的浇注材料将所述细长的CVDD管封装在所述通道内，将所述浇注材料在液态下输送到所述通道内以便随后的凝固。

在第一优选实施例中，通过发生化学反应使所述浇注材料凝固。

有利的是，所述浇注材料包括在所述通道内可现场固化的塑料材料。

所述浇注材料包括粘结剂。

所述浇注材料包括强化的粘结剂，可选地用诸如陶瓷颗粒或聚合材料的固体颗粒加强。

所述粘结剂包括氰基丙烯酸盐粘结剂，环氧粘结剂和/或聚氨酯粘结剂中的一种或多种。

可替代地或可附加地，通过在冷却后发生的相变使所述浇注材料凝固。

有利的是，所述浇注材料包括金属，可选地为金属合金。

所述浇注材料包括易熔合金，可选地具有等于或低于200摄氏度的熔点。

细长的CVDD管的外表面涂覆有金属以增强液态的所述浇注材料对所述外表面的浸润。

优选地，细长的CVDD管的内孔包括大体锥形部，所述锥形部自所述进口端倾斜以与所述内孔的余部相交，所述内孔的所述余部可选地具有大体恒定的直径。

优选地将细长的CVDD管保持在保持装置的通道内以使得细长的CVDD管的所述贯通内孔的纵向轴线与保持装置的参考中心线重合

细长的CVDD管的壁厚周向地和/或纵向地改变。

细长的CVDD管的外表面优选为粗糙的小平面，以与所述浇注材料接触，所述浇注材料将所述细长的CVDD管封装在通道内。

将所述浇注材料选择成当围绕所述细长的CVDD管凝固时，所述浇注材料保持所述细长的CVDD管且不向其上施加明显的应力。

保持装置包括所述磨料水射流切割机的所述切割头的主体。

复合CVDD准直管可包括通往CVDD管的进口端的通道装置，可选地所述通道装置延伸穿过所述保持装置，所述通道装置适于将位于承载流体中的磨粒运送到所述细长的CVDD管的内孔中。

所述通道装置和CVDD管的进口端一起成形成将磨料引导入CVDD管的进口端，以使得所述磨粒在所述CVDD管的所述进口端绕所述内孔的周向大体均匀地分布。

所述细长的CVDD管的金刚石被掺杂处理，可选地掺杂有硼，以改善金刚石的导电性。

细长的CVDD管的所述内孔具有内部轮廓，所述内部轮廓沿所述CVDD管的长度朝向所述CVDD管的所述出口端变化，从而自所述出口端射出非圆形截面的水射流。

根据本发明的第二方面，提供一种用于磨料水射流切割机的切割头的复合化学气相沉积金刚石(CVDD)准直管，所述复合CVDD准直管包括：

带有光滑的贯通内孔的细长的CVDD管，所述光滑的贯通内孔在所述CVDD管的进口端和所述CVDD管的出口端之间纵向地延伸；以及

带有细长的通道的保持装置，所述细长的通道延伸穿过所述保持装置以容置所述细长的CVDD管；

其中以大体地不将应力施加到所述细长的CVDD管上的方式通过浇注材料将所述细长的CVDD管封装在所述通道内。

根据本发明的第三方面，提供一种用于磨料水射流切割机的切割头的复合化学气相沉积金刚石(CVDD)准直管，所述复合CVDD准直管包括：

带有光滑的贯通内孔的细长的CVDD管，所述光滑的贯通内孔在所述CVDD管的进口端和所述CVDD管的出口端之间纵向地延伸；以及

带有细长的通道的保持装置，所述细长的通道延伸穿过所述保持装置以容置所述细长的CVDD管；

其中通过浇注材料将所述细长的CVDD管保持在所述通道内以使得所述细长的CVDD管的所述内孔的纵向轴线与所述保持装置的参考中心线重合。

根据本发明的第四方面，提供一种制作用于磨料水射流切割机的切割头的复合CVDD准直管的方法，所述方法包括以下步骤：

提供带有光滑的贯通内孔的细长的CVDD管，所述光滑的贯通内孔在所述CVDD管的进口端和所述CVDD管的出口端之间纵向地延伸；

提供带有细长的通道的保持装置，所述细长的通道延伸穿过所述保持装置以容置所述细长的CVDD管；

将所述细长的CVDD管定位在所述通道内；且

将液态的浇注材料自所述细长的CVDD管的外部送到所述通道内，而后使所述浇注材料凝固。

优选地，将所述细长的CVDD管定位在所述保持装置的所述通道内以使得所述细长的CVDD管的所述贯通内孔的纵向轴线与所述保持装置的参考中心线重合，并将所述CVDD管保持在该位置直至所述浇注材料完成凝固。

在第一方面，提供一种用于磨料水射流切割机的切割头的复合CVDD准直管,复合CVDD准直管包括：

细长的CVDD管，其具有为粗糙小平面的外径、由进口端到出口端的光滑的贯通内孔以及位于进口端通往内孔的大体锥形的渐缩；以及

带有细长内孔的保持器，

所述复合准直管的特征在于：

在CVDD管的外径上以基本无应力的方式将CVDD管封装和保持在所述保持器的所述内孔中。

在第二方面，当还作为保持材料的封装材料固体化、凝固或固化或其它方式硬化时，将第一方面中的CVDD准直管的内孔的中心线与保持器的参考中心线对准和保持。

在第三方面，当无应力的封装材料固体化、凝固或固化或其它方式硬化且将封装的CVDD准直管从模具处移除且保持在第一方面的保持器的孔中时，将第一方面中的CVDD准直管的内孔的中心线与模具中的内孔的参考中心线同轴的方式对准和保持。

在第四方面，以基本无应力的方式将第一方面的CVDD准直管封装在聚合物或者金属或者聚合物和金属的组合物中。

在第五方面，使用聚合物或金属或者聚合物和金属的组合物在CVDD管的部分或全部长度上将第一方面中的CVDD准直管封装和保持在保持器中。

在第六方面，第二方面中的封装和保持材料为氰基丙烯酸盐粘结剂、环氧粘结剂和/或聚氨酯粘结剂。

在第七方面，第一方面中的保持器为磨料水射流切割头的主体。

在第八方面，第一方面中的CVDD管的壁厚周向地和/或纵向地改变。

在第九方面，加工出进入在第一方面中的保持器的进口端的通道以便于承载流体中的磨粒流入。

在第十方面，将第四方面中的壁的通道成形为引导磨粒，以使得磨粒绕进口的外周以合理均匀分布的方式穿过大体锥形进口进入准直管内孔。

在第十一方面，第一方面的CVDD管被掺杂处理以使金刚石导电。

在第十二方面，当可以通过激光或者电火花加工进口时，除非将金刚石掺杂有硼或者其它掺杂剂以使金刚石导电，否则通过激光在CVDD管的壁中加工到第一方面的CVDD管的大体锥形进口。

在第十三方面，沿CVDD管的长度改变在第一方面中的CVDD准直管的内孔的横截面形状以在准直管出口处产生带有理想磨粒分布的非圆形的射流。

附图说明

将利用示例并参考附图来描述本发明的特定实施例，其中：

图1是本发明中第一复合CVDD准直管的纵向横截面图；

图2是本发明中第二复合CVDD准直管的纵向横截面图，其中CVDD管具有可变的壁厚；

图3是本发明中用于组装复合CVDD准直管的夹具的纵向横截面图；

图4a是本发明中第三复合CVDD准直管的纵向横截面图，其中内孔具有可变的横截面轮廓；

图4b是在图4a中示出的准直管的CVDD管的上部的放大的剪贴图；

图4c到4e是在图4a中示出的准直管的CVDD管的内孔位于不同点处的剪贴径向截面图；

图5a是本发明中第四复合CVDD准直管的纵向横截面图，在准直管的每一端设置有耐腐蚀部；

图5b是本发明中第五复合CVDD准直管的纵向横截面图，在准直管的每一端设置有耐腐蚀部；

图6是本发明中磨料水射流切割工具的切割头主体的纵向横截面图，其中切割头主体也作用本发明中的CVDD管的保持器；

图7a是根据本发明中的方法封装在模具中的CVDD准直管的示意性的纵向横截面图；以及

图7b是在图7a中示出的CVDD管和模具的剪贴径向截面图。

具体实施例

现在参见附图，尤其是图1，第一复合气相化学沉积金刚石(CVDD)准直管1包括带有纵向内孔4的细长的CVDD管2，在细长的CVDD管的进口端具有收敛的锥形进口5，通过封装/保持材料7(下面详述)，将CVDD管2牢固地保持在延伸穿过保持器3的通道内。将封装/保持材料7充满CVDD管2的外表面和通道6的内壁间的全部容积。

保持器3具有限定出保持器3的轴向中心线的精确形成的恒定外径8。在生产期间(如下述)CVDD管2的纵向内孔4的轴向中心线精确地与保持器3的该轴向中心线对准。保持器3具有与CVDD管2的进口端齐平延伸的平的进口表面9，同时保持器3的锥形出口端和CVDD管2的出口端一起形成复合准直管1的出口端11。保持器3优选由诸如碳化钨的超硬材料制成。

CVDD管2通常由金刚石沉积在支撑丝线上制成，随后将支撑丝线刻蚀掉以保留围绕CVDD壁的光滑内孔。由于形成CVDD管2的壁的颗粒的生长特性，生长保留的CVDD管2的外表面为有角度的粗糙小平面。

在本发明中发现有用的封装/保持材料7包括聚合物和低熔点温度金属或合金，CVDD管2的外表面可能首先需要涂覆帮助金属或合金浸润的材料。例如，已经发现在CVDD外表面的化学镀镍薄涂层是有价值的。所使用的聚合物(迄今为止)能够浸润和涂覆CVDD的表面且无需预处理。

在本发明中使用的聚合物包括那些已知的瞬间粘着剂和结构粘结剂，并包括氰基丙烯酸酯粘合剂、环氧胶结剂和/或聚氨酯胶粘剂。优选为通过引入聚合物固体颗粒、陶瓷颗粒或其他添加物粗化的粘结剂，因为这些粘结剂往往具有诸如改善的抗冲击、耐腐蚀性和气候耐久性的令人满意的特性。

据信合适的低熔点金属和合金包括通常被称为是钎料的合金，在本文中“低熔点”显示为低于450摄氏度(钎料和焊料间的边界的一个定义)或者优选低于200摄氏度。选择在固化时不明显膨胀或者明显收缩的合金是可能的，以避免将应力作用到CVDD管2上。具有高铋组分的合金据信是有利的。

在图1中示出的第一复合准直管1包括具有恒定壁厚的CVDD管2，然而在图2中示出了更常见的构造。在此，将绕其周长具有可变壁厚的细长的CVDD管22保持在保持器21中，以形成第二复合准直管20。

通过封装/保持材料7将CVDD管22封装和保持在穿过保持器21的纵向通道23中，该封装/保持材料7可以包括上述图1中的任何封装/保持材料7。如同第一复合准直管1，第二复合准直管20具有CVDD管22的内孔4的中心轴线，该中心轴线与保持器21的外表面所限定的中心轴线精确地对准。因此在通道23内的封装/保持材料7的厚度与CVDD管22的局部壁厚成反比。

CVDD管22的最小壁厚优选大于内孔4的直径的一半，但更优选地它大于内孔4的整个直径。

图3中示出了用于将CVDD管2定位在保持器21中的夹具40，并且使用封装/保持材料7将其固定在适当位置。典型的组装和固定方法始于根据使用材料的需要准备CVDD管22的外表面和穿过保持器21的通道23的内表面。丝线44定位成延伸穿过CVDD管22的孔4，并且将液态或者部分固态的封装/保持材料7施加到CVDD管22和/或通道23的内表面。然后将CVDD管22纵向地***穿过保持器21的通道23。

下一步，将设置有构造成接纳丝线44的引导孔45的引导块43在保持器21的每一端处穿设到丝线44上。将引导块43，保持器21和CVDD管22一起加载进入延伸穿过夹具40的主体41的通道42中。丝线44紧密地配合在CVDD管22的孔4和每个引导块43的引导孔45中，但具有足够的余地使CVDD管22和引导块43可以沿丝线44纵向地滑动。附注：优选地，丝线44和引导块43的全部表面具有表面涂层以防止封装/保持材料7附着其上(例如，氟化涂层能降低一些聚合物粘结剂的附着)。

保持丝线44拉伸，这确保不管CVDD管22的外径/轮廓如何，CVDD管22的内孔4的中心轴线都保持在与保持器21和穿过保持器21的通道23的中心轴线重合的适当位置。

然后允许封装/保持材料7在围绕CVDD管22的通道23中凝固/凝结。移除夹具40和丝线44以获得在图2中示出的第二复合CVDD准直管20。

在替代实施例中(未示出)将丝线44替换为细长的定位销，该定位销中的每一个自每个引导块轴向地延伸进入CVDD管22的内孔4的对应端部。当内孔4具有大于0.3mm的直径时，这种布置特别合适，以使得具有适于配合到内孔4的直径的定位销将具有足够的强度和刚度以提高可靠的对准且不易损坏。

在图4a中，示出了第三复合准直管200，其大体类似于第二复合准直管20，但其包括CVDD管201，在生长CVDD管201的工艺期间，在CVDD管201中形成有引导到其内孔204的收敛的锥形进口205。

为了容置CVDD管201的锥形进口205，第三复合准直管200的保持器在穿过保持器203的通道的进口端具有对应的收敛的锥形部206。如上，通过与如上提出的用于第二复合准直管20的方法类似的方法，利用封装/保持材料207(对应于上述封装/保持材料7)将CVDD管保持和固定在穿过保持器203的通道中。

图4b更详细地示出了CVDD管201的锥形进口205，在一个示例中，这种方法允许延伸的锥形进口轮廓215的形成，当碳化钨管处于最大切割性能时，该锥形进口轮廓位于在操作的头几个小时内通常磨损的轮廓附近。通道内的切割流体在该进口区域内的流动动力学仍是缺乏认识的。已知的是在准直管的内孔中的静压力下降至低于使气流在准直管内孔中产生阻塞所需的压力，且在喉部出现音速气流。随着水射流沿着内孔的中心线以大于两倍音速的速度流动，并随着进口的横截面直径的渐缩，很可能不出现传统意义上的阻塞。无论是否出于这种原因，已知的是，如图4b所示的自圆锥形进口205到恒定孔径在准直管轮廓215的更加明显的渐变会改进水射流与磨粒间的动量传递过程。

出于方便，同样已知的是在图4a中示出的CVDD管201带有可变的横截面轮廓的内孔204(根据期望，该特征和进口轮廓215可以独立地或组合地使用)。这通过在成形的形成器上生长CVDD管201来实现，其目的是为了在复合准直管200的出口端11产生非圆形的磨粒切割射流，且结果是在射流内获得理想的磨粒分布。

在内孔204的进口端210(图4a，4b)和中间点211(图4a，4c)，孔的横截面是圆形的，这实现了水射流和磨粒间的有效的动量传递。

自中间点211，穿过下部点(图4a，4d)至邻近于出口11的点(图4a，4e)，孔204的横截面轮廓渐变为期望的切割射流横截面轮廓，在这里示出的示例为方形截面。可以优化从211到213的距离以控制磨粒集中到内孔204的内部角落的趋势，从而提供能够控制成在工件上产生大体平的研磨表面的磨料切割射流，其中在上述距离上发生了圆形截面到方形截面的变化。

在图5a中示出了第四复合准直管80，在第四准直管80的出口端11设置带有出口保护元件90，以及在第四准直管80的进口端9设置带有进口保护元件85。第四准直管80包括与上述相同的CVDD管22，使用两种不同的封装/保持材料82和84将该管封装和保存在第四准直管80的保持器81中。使用封装/保持材料84，沿着CVDD管22的远端，朝向出口端11，以上述的与图2和3中的第二复合准直管20有关的方法执行CVDD管22的封装和保持。封装/保持材料84优选为速凝的具有相对低粘度的强化粘合材料。这实现了对CVDD管22的快速保持和固定，且其中心轴线与保持器81的中心轴线重合，可是仍能包括具有足够强度和吸收震动能力的封装材料。

常见的情形是，如果通过机加工来形成CVDD管22的锥形进口5，在将CVDD管固定在保持器81后，选择具有诸如高导热性的具体特性的封装/保持材料82(附注：对CVDD材料进行硼掺杂将影响其传导性，允许使用电火花加工来机加工CVDD材料)。此外，如果不使用进口保护元件85，则应该选择高耐腐蚀性的封装/保持材料82。典型的封装/保持材料82为填充有陶瓷或者金属的耐磨环氧混合物。这种环氧混合物通常具有相对高的粘性。随后可能需要在一定压力下将环氧混合物注射进入CVDD管22的外壁和保持器21的内壁间的容积中，且在这个例子中，设置有用于注射环氧混合物的侧向通道83。

在使用磨料水射流切割或研磨期间，自工件反弹回的反射射流具有足够强的切割能量以快速地腐蚀任何不是超硬材料的材料。如果在用于切割的磨料水射流中使用诸如氧化铝或者碳化硅的超硬磨料材料，即使是超硬材料载体，最后也将被反射射流腐蚀。因为CVDD管是易碎的且即使与工件间轻微的碰撞也容易损坏，理想的是使CVDD准直管22的出口端环绕有出口磨损保护元件90，该保护元件由高耐腐蚀材料制成且至少能够经受中度的冲击载荷。反射和反弹的磨粒将快速地腐蚀任何封装/保持材料84，该材料能延伸进入在准直管出口端11附近的准直管80和环绕的出口磨损保护元件90间的间隔92。结果是，无法存留进入间隔92的任何封装/保持材料84，因而在间隔92中填充该封装/保持材料84没有什么益处。可以将间隔92的宽度与其长度的比值选择成在磨粒到达封装/保持材料84，更进一步到达第四复合准直管80前通过冲击来耗散任何进入间隔92的反射磨料的能量。通过在互相接触表面91上遍布相对弱的粘结剂，通过推入配合或过盈配合、螺纹接头、或允许出口磨损保护元件90与第四复合准直管80分离的任何其他装置，将出口磨损保护元件90安装到保持器81，以允许一旦对出口磨损保护元件过度破坏时，通过替代的出口磨损保护元件90来实现替换。替代地，可以绕保持器81和出口磨损元件90的外部，在两者外部接触的外周线89附近使用带或者其他保持装置。

进口保护元件85也可由耐腐蚀/耐受材料制成，且可以是压配合或者可以通过其他单独的紧固设置保持在保持器81中，且用于防止对封装/保持材料82和CVDD准直管22的进口端的物理损坏或腐蚀损坏。由于形成锥形进口5，减薄了CVDD准直管22的壁使其也易于受到物理损坏或腐蚀损坏的影响，并且进口保护元件85还提供对这些损坏和腐蚀的保持。

图5b示出了替代性的布置，其带有第二进口保护元件93。该元件具有大体收缩或者锥形的孔95，在图5a中实现CVDD管22的锥形进口5的功能。在第二进口保护元件93中的大体收缩的孔95与CVDD管22的恒定直径的通孔4接触的地方，优选地使收缩孔95的直径比CVDD管22的孔的对应直径小2％到5％。这种进口保护元件93的材料的轻微“悬垂”有助于保护CVDD管22的近端/进口端。优选地第二进口保护元件93由金刚石制成，并且其外径等于或者大于保持器81的外径。

和用于注射封装/保持材料82的通道83一样，加工穿过第二进口保护元件93的大体径向的通道(未示出)是可能的以使得可将在承载流体中的磨粒运送到收缩孔95中，以将它们卷吸入沿着复合准直管80喷射的水射流中。

图6示出了磨料水射流切割工具的完整的切割头140，其带有还用作用于CVDD管22的保持器的主体141。在切割头主体141中封装和保持CVDD管22的工序类似于关于图3中所述的内容。然而，切割头主体141包括在定位水射流喷嘴143的更外端处的进口孔148，以生成射入CVDD准直管22的水射流。可使用进口孔148来接收和限制第一引导件(未图示出)，第一引导件与在切割头主体141的出口端处、在精确的外径基准凸起上定位的第二引导件(未示出)相配合。这些引导件分别在CVDD管的进口端和出口端限定和固定CVDD管22的孔4的中心线轴线。当封装/保持材料125绕管凝固/固化时，从而将CVDD管22保持在穿过主体140的通道127中的适当位置。

切割头140在其出口端126处设置带有由诸如多晶硅金刚石或碳化钨的超硬材料制成的保护器121。在将CVDD管22布置在主体141中前，可将保持器焊接或钎焊到切割头主体141。重要的是相对软的、可锻的和/或回弹性的封装/保持材料125并不延伸进入在CVDD准直管22的出口部分的外表面和穿过保护器121的对应缝隙的间隔中，该保护器设置成接纳CVDD准直管22的所述出口部分。

通过将悬浮在水中的磨料浆料卷吸入水射流中，在图6中示出的切割头140特别地适合于生成切割射流150。来自源142的超高压水通过水射流喷嘴143释放以形成水射流147。使承载流体中的磨粒自对应的源145穿过在切割头主体141中的通道146进入腔室144。水射流147穿过该腔室144，随着它穿过腔室144将这些磨粒卷吸带入CVDD准直管22的锥形进口5并向前进入孔4。在CVDD准直管22的孔4中，水射流与磨粒间进行动量交换，产生自CVDD准直管22的出口端11处喷出的切割射流150。保护器121保护CVDD准直管22免于物理冲击损坏并保护切割头140的主体141免于反射和反弹磨粒的腐蚀。

图7a和7b示出了包含在本发明中的封装CVDD准直管22的替代方法。该方法包括当封装材料绕CVDD准直管22固体化、凝固或固化或其它方式硬化时，在模具中定位和保持CVDD管22。图7a示出了第二夹具100，其是在图3中示出的夹具40的变型例。使用两件式分离模具101(最佳见于图7b)，而不是带有延伸穿过保持器以容纳CVDD管22的保持器3。模具101由不与待考虑的封装材料粘结的材料制成，或者模具涂覆有脱模剂或其类似物，以确保封装材料不与模具101粘结。CVDD准直管22的孔4的中心线轴线与带有封装材料的CVDD准直管22的外表面的层以大体如关于图3中上述的内容来实现。然而，一旦封装材料固体化、凝固或固化，将分离模具101和CVDD准直管22从第二夹具100处移除且分离模具101脱开，余下封装在封装材料中的CVDD准直管22。然后在更多量的作为保持材料的粘结剂的帮助下，可将其***到延伸穿过保持器、诸如图1中的保持器3的具有合适尺寸的通道23中。

作为包含在本发明中的复合CVDD金刚石准直管的耐磨性的一个示例，选定长度为6毫米，孔径为0.125毫米的复合CVDD准直管22。在传统的使用石榴石磨料的磨料水射流切割工具中，磨损率低到几乎难以探测到，且使用23微米平均粒径的碳化硅作为磨料进行进一步的测试。在8小时的切割时间后，CVDD准直管22的出口端的直径长大到0.137毫米，且仍然大体为圆形且适于进一步的切割操作。在同样的测试条件下，长度为5毫米，孔径为0.125毫米的碳化钨管的直径甚至在测试条件稳定前就快速增大，孔径长大到平均为0.19毫米且明显不成圆形。

因而本发明提供在实践中使用CVDD准直管的装置，该装置在性能和耐久性方面产生重大飞跃，而不存在已经发现的由CVDD准直管太易碎所产生的问题，尤其是将易碎的CVDD准直管刚性地安装到其对应的保持器上时。使用高性能聚合物粘结剂或者低熔点金属和合金允许对精确无衬里的复合准直管快速且准确的组装，且封装/保持材料固体化时不将额外的应力施加到CVDD管上。与切割头余部相比较软且有弹性的材料不仅用于使CVDD管隔震，它还用于避免形成能导致CVDD管突然失效的局部应力中心。尽管在原理上可能认为这些材料在切割头的结构上形成了薄弱点，在实践中明确的是在结构中包含能防止磨粒等攻击这些薄弱点的构造。该安装方法还允许CVDD管的轮廓存在一定的变化，例如形成非圆形截面的磨料水射流。

Claims (25)

1.用于磨料水射流切割机的切割头的复合化学气相沉积金刚石准直管，所述复合化学气相沉积金刚石准直管包括：

带有光滑的贯通内孔的细长的化学气相沉积金刚石管，所述光滑的贯通内孔在所述化学气相沉积金刚石管的进口端和所述化学气相沉积金刚石管的出口端之间纵向地延伸；以及带有细长的通道的保持装置，所述通道延伸穿过所述保持装置以容置所述细长的化学气相沉积金刚石管；

其特征在于：通过固化的浇注材料将所述细长的化学气相沉积金刚石管封装在所述通道内，可将所述浇注材料在液态下输送到所述通道内以便随后凝固；并且

其中将所述浇注材料选择成当围绕所述细长的化学气相沉积金刚石管凝固时，所述浇注材料保持所述细长的化学气相沉积金刚石管且不向其上施加明显的应力。

2.如权利要求1所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中通过发生化学反应使所述浇注材料凝固。

3.如权利要求1或2所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述浇注材料包括在所述通道内可现场固化的塑料材料。

4.如权利要求1所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述浇注材料包括粘结剂。

5.如权利要求4所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述浇注材料包括强化的粘结剂。

6.如权利要求5所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述强化的粘结剂用固体颗粒加强。

7.如权利要求6所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述固体颗粒为陶瓷颗粒或聚合材料。

8.如权利要求4所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述粘结剂包括氰基丙烯酸酯粘结剂，环氧粘结剂和/或聚氨酯粘结剂中的一种或多种。

9.如权利要求1所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中通过在冷却后发生的相变使所述浇注材料凝固。

10.如权利要求9所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述浇注材料包括金属。

11.如权利要求9所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述浇注材料包括金属合金。

12.如权利要求10所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述浇注材料包括易熔合金。

13.如权利要求12所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述易熔合金具有等于或低于200摄氏度的熔点。

14.如权利要求1所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述细长的化学气相沉积金刚石管的外表面涂覆有金属以增强液态下的所述浇注材料对所述外表面的浸润。

15.如权利要求1所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述细长的化学气相沉积金刚石管的所述内孔包括锥形部，所述锥形部自所述进口端渐缩以与所述内孔的余部相交。

16.如权利要求15所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述内孔的所述余部具有恒定的直径。

17.如权利要求1所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中将所述细长的化学气相沉积金刚石管保持在所述保持装置的所述通道内以使得所述细长的化学气相沉积金刚石管的所述内孔的纵向轴线与所述保持装置的参考中心线重合。

18.如权利要求1所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述细长的化学气相沉积金刚石管的壁厚周向地和/或纵向地改变。

19.如权利要求1所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述细长的化学气相沉积金刚石管的外表面为粗糙的小平面，以与所述浇注材料接触，所述浇注材料将所述细长的化学气相沉积金刚石管封装在所述通道内。

20.如权利要求1所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述保持装置包括所述磨料水射流切割机的所述切割头的主体。

21.如权利要求1所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述细长的化学气相沉积金刚石管的金刚石被掺杂处理以改善所述金刚石的导电性。

22.如权利要求21所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述细长的化学气相沉积金刚石管的金刚石被掺杂有硼。

23.如权利要求1所述的复合化学气相沉积金刚石准直管，其中所述细长的化学气相沉积金刚石管的所述贯通的内孔具有内部轮廓，所述内部轮廓沿所述化学气相沉积金刚石管的长度朝向所述化学气相沉积金刚石管的所述出口端变化，从而自所述出口端射出非圆形截面的水射流。

24.用于磨料水射流切割机的切割头的复合化学气相沉积金刚石准直管的制作方法，所述方法包括以下步骤：

提供带有光滑的贯通内孔的细长的化学气相沉积金刚石管，所述光滑的贯通内孔在所述化学气相沉积金刚石管的进口端和所述化学气相沉积金刚石管的出口端之间纵向地延伸；

提供带有细长的通道的保持装置，所述细长的通道延伸穿过所述保持装置以容置所述细长的化学气相沉积金刚石管；

将所述细长的化学气相沉积金刚石管定位在所述通道内；且

将浇注材料在液态下自所述细长的化学气相沉积金刚石管的外部送到所述通道内，而后使所述浇注材料凝固，其中将所述浇注材料选择成当围绕所述细长的化学气相沉积金刚石管凝固时，所述浇注材料保持所述细长的化学气相沉积金刚石管且不向其上施加明显的应力。

25.如权利要求24所述的复合化学气相沉积金刚石准直管的制作方法，其中将所述细长的化学气相沉积金刚石管定位在所述保持装置的所述通道内以使得所述细长的化学气相沉积金刚石管的所述贯通内孔的纵向轴线与所述保持装置的参考中心线重合，并将所述化学气相沉积金刚石管保持在这一位置直至所述浇注材料完成凝固。

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