CN112166008B - 用于切割敏感材料的磨料流体射流切割***、部件和相关方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于产生相对低负载的磨料流体射流的流体射流切割***、部件和相关方法，所述磨料流体射流特别良好地适合于切割易碎、脆性或其它敏感材料。示例性方法包括在至少60,000psi的操作压力下将流体供应至具有直径小于或等于0.010英寸的圆形横截面轮廓的孔口，以产生流体射流，使流体射流穿过具有直径小于或等于0.015英寸的圆形横截面轮廓的射流通道离开流体射流切割头。

Description

用于切割敏感材料的磨料流体射流切割***、部件和相关 方法
技术领域
本公开涉及流体射流切割***和相关方法，并且更具体地涉及便于利用低负载的磨料水射流(abrasive waterjet)切割脆性、易碎或其它敏感材料的磨料水射流***、部件和相关方法。
背景技术
水射流或磨料水射流切割***用于切割各种材料，包括石材、玻璃、陶瓷和金属。在典型的水射流切割***中，高压水流过切割头，该切割头具有将切割射流引导到工件上的喷嘴。该***可以将磨料介质吸入或供给到高压水射流中以形成高压磨料水射流。然后，切割头可以可控地移动经过工件以根据需要切割工件，或者工件可以可控地移动到水射流或磨料水射流的下方。用于产生高压水射流的***目前是可获得的，例如由本申请的受让人Flow International Corporation制造的Mach 4TM五轴水射流切割***。在Flow的美国专利5,643,058中示出和描述了水射流切割***的其它示例。
当切割由特别硬的材料制成的工件以满足严格标准时，有利地使用磨料水射流切割***；然而，磨料的使用引入了复杂性，并且磨料水射流切割***可能遭受其他缺点，包括需要容纳和管理用过的磨料。已知的磨料水射流切割***可能不是特别适合于切割或加工一些类型的易碎或脆性材料，例如印刷电路板(其可包括金属和/或塑料的多个层压层)。
用于切割易碎或脆性材料(例如印刷电路板或玻璃)的已知选择包括用碳化物和金刚石涂覆的碳化物切割工具(例如钻头、刳刨机)来加工(例如钻孔、刳刨)这种材料。然而，来自这种切割工具的加工力会促进工件失效，例如分层、碎裂、破裂等。这些类型的切割工具也可能易于过早磨损，并且必须频繁地更换以确保可接受的光洁度，从而增加操作成本。此外，用切割工具进行加工产生粉尘，其可产生环境危害并负面地影响加工性能。
因此，申请人相信，用于切割脆性、易碎或其它敏感材料的改进的***和方法是期望的。
发明内容
本文公开的流体射流切割***、部件和相关方法的实施例特别良好地适合于切割或加工脆性、易碎或其它敏感材料至严格标准。
作为一个示例，特别良好地适合于切割或加工脆性、易碎或其它敏感材料至严格标准的流体射流切割头可概括为包括：喷嘴主体；孔口支座，其容纳在喷嘴主体内，孔口支座包括孔口单元，孔口单元具有用于在操作期间产生流体射流的孔口，孔口具有直径小于或等于0.010英寸的圆形横截面轮廓；流体输送主体，其具有流体输送导管，以将高压流体流供应至孔口支座的孔口，以在操作期间产生流体射流；混合室，其在流体射流的路径中设置在孔口支座的下游，混合室被配置成接收磨料，磨料将与由孔口支座的孔口产生的流体射流混合以形成磨料流体射流；以及；喷嘴，其具有射流通道，在操作期间，从射流通道排出来自流体射流切割头的磨料流体射流，射流通道具有直径小于或等于0.015英寸的圆形横截面轮廓。在一些情况下，孔口的直径可小于或等于0.005英寸、小于或等于0.003英寸、小于或等于0.002英寸、或小于或等于0.001英寸。在一些情况下，射流通道的直径可以小于或等于0.010英寸、小于或等于0.008英寸、或者小于或等于0.006英寸。在一些情况下，孔口的直径可以小于或等于0.005英寸，射流通道的直径可以小于或等于0.010英寸，孔口的直径可以小于或等于0.003英寸，射流通道的直径可以小于或等于0.008英寸，或者孔口的直径可以小于或等于0.002英寸，射流通道的直径可以小于或等于0.006英寸。在一些情况下，射流通道的直径与孔口支座的孔口的直径的比率可以小于或等于3.0并且大于或等于1.5。在一些情况下，孔口支座的孔口和喷嘴的射流通道可以以小于0.001英寸的偏移偏差轴向对准。
流体射流切割头还可以包括多个孔口支座调节器，孔口支座调节器被配置成调节孔口支座在横向于由孔口限定的轴线的平面中的位置，以使在孔口处产生的流体射流与喷嘴的射流通道对准。
流体射流切割头还可以包括混合室***件。混合室***件可以包括在操作期间流体射流穿过其的混合室、在操作期间磨料流穿过其至混合室的磨料入口导管、以及在操作期间磨料穿过其从混合室流出的磨料出口导管。磨料入口导管与混合室的相交位置可以从磨料出口导管与混合室的相交位置竖直地偏移。混合室***件可以包括位于磨料入口导管与混合室的相交处的磨料入口端口和位于磨料出口导管与混合室的相交处的磨料出口端口，并且磨料出口端口可以比磨料入口端口更靠近混合室***件的射流入口，使得在操作期间磨料出口端口相对于通过混合室***件的流体射流的流动路径位于磨料入口端口的上游。
喷嘴主体可以包括：磨料进入通道，其从喷嘴主体的外部延伸到混合室，用于供应磨料以在操作期间与在孔口处产生的流体射流混合，磨料进入通道限定磨料进入方向；以及磨料离开通道，其从喷嘴主体的外部延伸到混合室，用于抽出未与流体射流混合的磨料，磨料离开通道限定磨料离开方向，并且其中，由磨料进入方向和磨料离开方向限定的投射到参考平面上的扩展角在30度和150度之间，该参考平面垂直于由流体射流限定的轴线。
流体射流切割***可以包括流体射流切割头和磨料材料源，该磨料材料源联接到喷嘴主体的磨料进入通道，用于供应待与流体射流混合的磨料。流体射流切割***还可以包括真空源，该真空源联接到喷嘴主体的磨料离开通道，以帮助将磨料吸入混合室中并且用于抽出未与流体射流混合的磨料。流体射流切割***还可以包括磨料供给管线，磨料供给管线将磨料材料源联接到喷嘴主体并且具有用于将磨料供应到混合室***件的磨料进入通道。流体射流切割***还可以包括磨料抽吸管线，该磨料抽吸管线将真空源联接到喷嘴主体并且具有磨料离开通道，该磨料离开通道用于在操作期间帮助将磨料吸入混合室***件中并且将未与流体射流混合的磨料从混合室***件抽出。磨料供给管线的磨料进入通道的横截面面积可以小于(例如，至少小10％)抽吸管线的离开通道的横截面面积。
流体射流切割***可包括流体射流切割头和高压泵，该高压泵与流体射流切割头流体连通，并且可操作成在至少60,000psi、至少70,000psi、至少80,000psi、至少90,000psi、至少100,000psi或至少110,000psi的操作压力下将高压流体供应到孔口。
根据一个实施例，一种操作流体射流切割***的方法可概括为包括：将处于至少60,000psi的操作压力下的流体流供应至设置在流体射流***的切割头内的孔口支座的孔口单元的孔口，以产生在穿过位于混合室下游的喷嘴的射流通道之前穿过混合室的流体射流，该孔口具有直径小于或等于0.010英寸的圆形横截面轮廓，射流通道具有直径小于或等于0.015英寸的圆形横截面轮廓；在混合室内将磨料与流体射流混合以形成将经由喷嘴的射流通道从切割头排出的磨料流体射流；以及从切割头排出磨料流体射流以处理工件或工作表面。
该方法还可包括在供应流体流之前，调节孔口支座的孔口相对于喷嘴的射流通道的对准，使得孔口和射流通道以小于0.001英寸的偏移偏差轴向对准。
将磨料与流体射流混合可以包括将最大颗粒直径为射流通道直径的三分之一的磨料颗粒与流体射流混合。将磨料与流体射流混合可以包括在磨料流体射流的整个排出期间将磨料颗粒连续地供应到混合室。从切割头排出研磨流体射流以处理工件或工作表面可以包括从切割头间歇地排出研磨流体射流，并且该方法还可以包括：在整个间歇排出磨料流体射流期间，将磨料连续地供给到混合室而没有中断。将磨料与流体射流混合可以包括在磨料流体射流的整个排出期间中以约或小于或等于0.5磅/分钟的速率将磨料颗粒连续地供应到混合室。
将流体流供应到孔口支座的孔口可以包括在至少60,000psi、至少70,000psi、至少80,000psi、至少90,000psi、至少100,000psi或至少110,000psi的操作压力下供应流体流。
该方法还可以包括：以对准压力水平供应流体流穿过孔口支座的孔口以产生低压流体射流；观察低压流体射流与射流通道的对准；以及基于观察结果调节孔口支座的位置，直到孔口与射流通道对准。
在混合室内将磨料与流体射流混合可以包括在第一位置处将磨料引入混合室中，并且在第二位置处从混合室移除磨料，第二位置相对于在操作期间流体射流穿过混合室的流动路径在第一位置的上游。
根据另一实施例，流体射流切割头可概括为包括：喷嘴主体，其具有孔口支座容纳腔；孔口支座，其容纳在喷嘴主体的孔口支座容纳腔内，孔口支座包括孔口单元，孔口单元具有用于在操作期间产生流体射流的孔口；流体输送主体，其具有流体输送导管，以穿过孔口支座的孔口供应流体流，以在操作期间产生流体射流；喷嘴，其具有射流通道，来自流体射流切割头的流体射流从射流通道排出；以及多个孔口支座调节器，孔口支座调节器被配置成调节孔口支座在横向于由孔口限定的轴线的平面中的位置，以使在孔口处产生的流体射流与喷嘴的射流通道对准。
多个孔口支座调节器可包括多个紧定螺钉，其联接到喷嘴主体，并且可操作以使孔口支座在横向于孔口的轴线的平面中移位。孔口支座调节器还可包括多个定位销，该多个定位销可由多个紧定螺钉轴向移位以接合和移位孔口支座。
流体射流切割***还可以包括：混合室***件，该混合室***件包括在操作期间流体射流穿过其的混合室、在操作期间磨料流穿过其至混合室的磨料入口导管、以及在操作期间磨料穿过其从混合室流出的磨料出口导管。混合室***件还可以包括将磨料入口导管联接到混合室的磨料入口端口和将磨料出口导管联接到混合室的磨料出口端口，磨料出口端口相对于在操作期间流体射流穿过混合室的流动路径位于磨料入口端口的上游。
根据一个示例性实施例，一种操作流体射流切割头的方法可概括为包括：将孔口支座定位在流体射流切割头的喷嘴主体内，孔口支座包括孔口单元，孔口单元具有用于在操作期间产生流体射流的孔口；以对准压力水平供应流体流穿过孔口支座的孔口以产生低压流体射流；观察低压流体射流与流体射流切割头的喷嘴的射流通道的对准；以及基于观察结果调节孔口支座的位置，直到孔口与喷嘴的射流通道对准。
该方法还可以包括：在调节孔口支座的位置之后，将处于操作压力下的流体流供应至孔口支座的孔口，操作压力高于对准压力水平，以产生用于处理工件或工作表面的高压流体射流。该方法还可以包括：在以对准压力水平供应流体流穿过孔口支座的孔口之前，推动孔口支座与流体输送主体密封接合，流体输送主体具有用于将流体供应至孔口支座的流体输送导管。推动孔口支座与流体输送主体密封接合可包括将密封构件压缩至第一程度，并且该方法还可包括：在以操作压力供应流体流穿过孔口支座的孔口以产生用于处理工件或工作表面的高压流体射流之前，进一步推动孔口支座与流体输送主体密封接合，以将密封构件压缩至高于第一程度的第二程度。
调节孔口支座的位置可包括调节多个紧定螺钉中的至少一个，该多个紧定螺钉联接到喷嘴主体，并且可操作以使孔口支座在横向于孔口的轴线的平面中移位。调节多个紧定螺钉中的至少一个可包括推进紧定螺钉中的至少一个以轴向移动多个相应的定位销中的一个，从而接合并移位孔口支座。
该方法还可以包括：在调节孔口支座的位置之后，使用低压流体射流确认孔口支座与流体射流切割头的喷嘴的射流通道的期望对准。该方法还可以包括：在调节孔口支座的位置并确认孔口支座的期望对准之后，通过相对于流体输送主体操纵喷嘴主体而将孔口支座牢固地固定就位，流体输送主体具有用于将流体供应至孔口支座的流体输送导管。当相对于流体输送主体操纵喷嘴主体时，可以实现将孔口支座牢固地固定就位而不向孔口支座施加扭矩。相对于流体输送主体操纵喷嘴主体可包括相对于流体输送主体扭转喷嘴主体。调节孔口支座的位置直到孔口与喷嘴的射流通道对准可以包括移动孔口支座直到孔口和射流通道以小于0.001英寸的偏移偏差轴向对准。
根据另一实施例，流体射流切割头的喷嘴主体可概括为包括：孔口支座容纳腔，其尺寸和形状被设计成容纳具有孔口单元的孔口支座，孔口单元具有用于在操作期间当高压流体穿过其中时产生流体射流的孔口；混合室，其邻近孔口支座容纳腔定位；磨料进入通道，其从喷嘴主体的外部延伸到混合室，用于供应磨料以在操作期间与由孔口产生的流体射流混合，磨料进入通道限定磨料进入方向；以及磨料离开通道，其从喷嘴主体的外部延伸到混合室，用于抽出未与流体射流混合的磨料，磨料离开通道限定磨料离开方向，并且其中，由磨料进入方向和磨料离开方向限定的投射到参考平面上的扩展角在30度和150度之间，该参考平面垂直于由流体射流限定的轴线。
在一些情况下，扩展角可在45度与135度之间、在60度与120度之间或约90度。由磨料进入通道限定的磨料进入方向和由磨料离开通道限定的磨料离开方向可以各自垂直于由流体射流限定的轴线。流体射流切割头可以包括喷嘴主体，并且还可以包括：磨料材料源，其联接到磨料进入通道，用于供应待与流体射流混合的磨料；以及真空源，其联接到磨料离开通道，以帮助将磨料吸入混合室中并且用于抽出未与流体射流混合的磨料。
流体射流切割头可以包括喷嘴主体，并且还可以包括：孔口支座，其容纳在喷嘴主体的孔口支座容纳腔内；流体输送主体，其具有流体输送导管，以穿过孔口支座的孔口供应流体流，以在操作期间产生流体射流；以及喷嘴，其具有射流通道，来自流体射流切割头的流体射流从射流通道排出。流体射流切割头还可以包括多个孔口支座调节器，孔口支座调节器被配置成调节孔口支座在横向于由孔口限定的轴线的平面中的位置，以使由孔口产生的流体射流与喷嘴的射流通道对准。流体射流切割头还可以包括：混合室***件，其限定混合室并且还包括：磨料入口通道，其从混合室***件的外部延伸到混合室；磨料出口通道，其从混合室***件的外部延伸到混合室；以及射流通道，其从混合室***件的外部延伸到混合室，并且其中磨料出口通道在抽回位置处与混合室相交，抽回位置相对于流体射流穿过射流通道和混合室的流动路径在磨料入口通道与混合室相交的入口位置的上游。
根据又一实施例，流体射流切割头的混合室***件可概括为包括：混合室；磨料入口通道，其从混合室***件的外部延伸到混合室；磨料出口通道，其从混合室***件的外部延伸到混合室；以及射流通道，其从混合室***件的外部延伸到混合室，并且其中磨料出口通道在抽回位置处与混合室相交，抽回位置相对于流体射流穿过射流通道和混合室的流动路径在磨料入口通道与混合室相交的入口位置的上游。
磨料入口通道可以限定磨料入口方向，磨料出口通道可以限定磨料出口方向，并且由磨料入口方向和磨料出口方向限定的投射到参考平面上的扩展角在30度和150度之间，该参考平面垂直于由射流通道限定的轴线。流体射流切割头可以包括混合室***件，并且还可以包括：喷嘴主体，所述混合室***件容纳在喷嘴主体内；磨料供给管线，其联接到喷嘴主体并且具有用于将磨料供应到混合室***件的磨料进入通道；以及磨料抽吸管线，其联接到喷嘴主体并且具有磨料离开通道，磨料离开通道用于在操作期间帮助将磨料吸入混合室***件中并且将未与流体射流混合的磨料从混合室***件中抽出，并且其中磨料进入通道的横截面面积小于磨料离开通道的横截面面积。
流体射流切割头可以包括混合室***件，并且还可以包括：喷嘴主体，其具有孔口支座容纳腔；孔口支座，其容纳在喷嘴主体的孔口支座容纳腔内，孔口支座包括孔口单元，孔口单元具有用于在操作期间产生流体射流的孔口，孔口具有直径小于或等于0.010英寸的圆形横截面轮廓；以及喷嘴，其具有射流通道，从射流通道排出来自流体射流切割头的流体射流，射流通道具有直径小于或等于0.015英寸的圆形横截面轮廓。
流体射流切割头可以包括混合室***件，并且还可以包括：喷嘴主体，其具有孔口支座容纳腔；孔口支座，其容纳在喷嘴主体的孔口支座容纳腔内，孔口支座包括孔口单元，孔口单元具有用于在操作期间产生流体射流的孔口；喷嘴，其具有射流通道，来自流体射流切割头的流体射流从射流通道排出；以及多个孔口支座调节器，孔口支座调节器被配置成调节孔口支座在横向于由孔口限定的轴线的平面中的位置，以使由孔口产生的流体射流与喷嘴的射流通道对准。
附图说明
图1是根据一个实施例的示例性流体射流切割***的视图，该流体射流切割***包括多轴操纵器(例如，龙门运动***)，该多轴操纵器在切割头组件的工作端处支撑切割头组件以用于切割工件。
图2是根据一个实施例的示例性切割头组件的立体图，该切割头组件特别良好地适合于切割脆性、易碎或其他敏感工件，并且可以与图1的***一起使用。
图3是图2的切割头组件沿图2中的线3-3截取的横截面图。
图3A是图3的切割头组件的横截面图的一部分的放大细节图。
图4是图2的切割头组件沿图2中的线4-4截取的横截面图。
图5是图2的切割头组件沿图2中的线5-5截取的横截面图。
图6是图2的切割头组件的放大立体图，其中移除了喷嘴主体和切割头组件的其它部件以揭示另外的细节。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了某些具体细节以便提供对各种公开的实施例的透彻理解。然而，相关领域的普通技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下实践实施例。在其它情况下，与流体射流切割***相关的公知结构及其操作方法可能未被详细示出或描述，以避免不必要地使实施例的描述模糊。例如，公知的控制***和驱动部件可以集成到流体射流切割***中，以便于切割头组件相对于待处理的工件或工作表面的运动。这些***可包括驱动部件，以围绕多个旋转轴线和平移轴线操纵切割头，如在流体射流切割***的多轴操纵器中常见的。示例性流体射流切割***可包括切割头组件，切割头组件联接到如图1所示的龙门式运动***、机械臂运动***或用于使切割头相对于工件移动的其它运动***。在其它情况下，机械臂运动***或其它运动***可相对于切割头操纵工件。
除非上下文另有要求，否则在整个说明书和所附权利要求书中，词语“包括”及其变体，例如“包含”和“含有”应被解释为开放的、包括性的含义，即“包括但不限于”。
在整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在本说明书中的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必然全部指代同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合在一个或多个实施例中。
如本说明书和所附权利要求书中所用，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代物，除非上下文另外明确指出。还应当注意，术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非上下文另外清楚地指明。
尽管本文所讨论的一些方面可以就水射流和磨料水射流来讨论，但是相关领域的技术人员将认识到，本发明的方面和技术可以应用于由高压或低压产生的其它类型的流体射流，而不管是否使用添加物或磨料。
如本文所用，术语切割头或切割头组件可总体上指在流体射流机器或***的工作端处的部件的组件，并且可包括例如孔口单元(例如宝石孔口单元)、用于排放加压流体射流的喷嘴部件以及直接或间接地联接到其以与其一致地移动的周围结构和装置，在操作期间流体(例如水)穿过该孔口单元以产生加压流体射流(例如水射流)。切割头也可以被称为末端执行器。
流体射流切割***可以在支撑结构附近操作，该支撑结构被配置成支撑将由该***处理的工件。支撑结构可以是刚性结构或可重新配置的结构，其适于将一个或多个工件支撑在待切割、修整或以其他方式处理的位置。
图1示出了水射流切割***10的一个示例性实施例。水射流切割***10包括具有工件支撑面13(例如板条装置)的收集箱组件11，工件支撑面被配置成支撑待被***10加工的工件14。水射流切割***10还包括桥组件15，桥组件可沿一对基轨16移动并横跨收集箱组件11。在操作中，桥组件15可沿基轨16相对于平移轴线X前后移动，以定位***10的切割头组件12，用于加工工件14。工具托架17可移动地联接到桥组件15，以沿着垂直于上述平移轴线X的另一平移轴线Y前后平移。工具托架17可被配置成沿着另一平移轴线Z升高和降低切割头组件12，以使切割头组件12朝向和远离工件14移动。一个或多个可操纵连杆或构件也可设置在切割头组件12和工具托架17中间，以提供附加功能。
作为一个示例，水射流切割***10可包括前臂18，其可旋转地联接到工具托架17，用于使切割头组件12围绕旋转轴线旋转，以及腕部19，其可旋转地联接到前臂18，以使切割头组件12围绕不平行于前述旋转轴线的另一旋转轴线旋转。前臂18和腕部19的旋转轴线的组合可使得切割头组件12能够在相对于工件14的宽范围的定向中***纵，以便于例如切割复杂的轮廓。旋转轴线可以在焦点处会聚，在一些实施例中，该焦点可以从切割头组件12的喷嘴部件的端部或尖端偏移。
在操作过程中，切割头组件12相对于每个平移轴线和一个或多个旋转轴线的移动可以通过各种常规驱动部件和适当的控制***20来实现。该控制***通常可以包括但不限于一个或多个计算装置，例如处理器、微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)等。为了存储信息，控制***还可包括一个或多个存储装置，例如易失性存储器、非易失性存储器、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)等。存储装置可以通过一个或多个总线联接到计算装置。控制***还可以包括一个或多个输入设备(例如，显示器、键盘、触摸板、控制器模块或用于用户输入的任何其他***设备)和输出设备(例如，显示屏、光指示器等)。控制***可以存储一个或多个程序，用于根据各种切割头移动指令处理任何数量的不同工件。控制***还可以控制其它部件的操作，例如，联接到本文所述的水射流切割头组件和部件的次级流体源、真空装置和/或加压气体源。根据一个实施例，控制***可以以通用计算机***的形式提供。计算机***可以包括诸如CPU、各种I/O组件、存储装置和存储器之类的组件。I/O组件可以包括显示器、网络连接、计算机可读介质驱动器和其它I/O设备(键盘、鼠标、扬声器等)。控制***管理器程序可以在存储器中执行，例如在CPU的控制下，并且可以包括与以下内容有关的功能：引导加压水通过本文所述的水射流切割***，提供次级流体流以调节或修改排出的流体射流的一致性，和/或提供加压气流以提供工件的无阻碍水射流切割。
美国专利6,766,216中描述了用于水射流切割***的进一步的示例性控制方法和***，其包括例如CNC功能，并且可应用于本文描述的流体射流切割***。通常，计算机辅助制造(CAM)工艺可以用来沿着指定路径有效地驱动或控制切割头，例如通过使得使用计算机辅助设计(即CAD模型)生成的工件的二维或三维模型能够用来生成驱动机器的代码。例如，在一些情况下，CAD模型可以用于生成指令以驱动流体射流切割***的适当控制器和马达，从而围绕各种平移轴线和/或旋转轴线操纵切割头以切割或加工如CAD模型中反映的工件。然而，与流体射流切割***相关的控制***、传统驱动部件和其它公知***的细节没有详细示出或描述，以避免不必要地使实施例的描述模糊。与流体射流切割***相关的其它已知***包括例如加压流体源(例如，具有至少60,000psi、至少90,000psi或至少110,000psi的额定压力的直接驱动泵和增压泵)，用于将加压流体供应至切割头。
根据一些实施例，水射流切割***10包括泵，例如直接驱动泵或增压泵，以选择性地提供处于至少60,000psi、至少90,000psi或至少110,000psi的操作压力下的加压水源。水射流切割***10的切割头组件12被配置成接收由泵供应的高压水并产生用于加工工件的高压水射流。提供与泵和切割头组件12流体连通的流体分配***，以帮助将加压水从泵引导到切割头组件12。
图2至图6示出了特别适合于切割相对脆性、易碎或其它敏感材料的水射流切割***的切割头组件100。如图2所示，切割头组件100包括流体输送主体102，例如高压或超高压流体输送主体102。流体输送主体102可具有流体输送导管142，如图3和图4所示，其可将加压水(或其它加压流体)供应到孔口143(图3A)以产生待通过切割头组件100排出的流体射流，以切割或以其它方式处理工件或工作表面。例如，流体输送主体102可以从加压水源接收加压水，例如高压或超高压流体源(例如，具有至少60,000psi、至少90,000psi或至少110,000psi的额定压力的直接驱动泵或增压泵)。
为了本公开的目的，流体输送主体102可代表切割头组件100的上端部，切割头组件100的其余部件定位在流体输送主体102处或下方。切割头组件100还包括喷嘴主体104，其可容纳切割头组件100的附加部件，切割头组件100的其它部件可联接到该附加部件，并且加压水和磨料可行进通过该附加部件并混合，如本文中别处进一步详细描述的。
图2还示出了切割头组件100包括磨料供给管线106，该磨料供给管线具有纵向且同轴地延伸穿过其中的磨料进入通道108，并且该磨料进入通道可以限定进入喷嘴主体104的磨料进入方向。在使用中，磨料颗粒可以被供给到喷嘴主体104中以通过磨料进入通道108被混合成水射流。例如，磨料颗粒可以从磨料源(例如磨料料斗和分配***)被供给到喷嘴主体104中。示例性切割头组件100还包括抽吸管线110，其具有纵向且同轴地延伸穿过其中的离开通道112，该离开通道可限定离开喷嘴主体104的磨料离开方向。在使用中，未混合到水射流中的过量或未用完的磨料颗粒可通过离开通道112从喷嘴主体104移除。在使用中，可以例如通过真空装置将真空施加到离开通道112，以帮助将磨料颗粒从磨料源经由磨料进入通道108吸入喷嘴主体104中，以促进磨料颗粒混合到水射流中。在一些实施方式中，磨料进入通道108的平均横截面面积可以小于离开通道112的平均横截面面积，以帮助从喷嘴主体104有效地移除过量或未用过的磨料。在磨料流动但水射流未从切割头100排出的期间，磨料颗粒也可以从喷嘴主体104高效地移除。
图2示出了磨料供给管线106和抽吸管线110各自以角度β、γ布置，该角度垂直于切割头组件100的中心纵向轴线128，并且垂直于水总体沿其流动通过切割头组件100的总体方向。因此，磨料进入通道108和离开通道112也被布置成与中心纵向轴线128以及水总体沿其流动通过切割头组件100的总体方向大致成直角地接近并会合喷嘴主体104。在其它实施例中，磨料供给管线106和抽吸管线110可各自以角度β、γ布置，该角度是倾斜的且可彼此相同或不同。
图2还示出了磨料供给管线106和抽吸管线110相对于彼此以约90度的扩展角θ(如围绕中心纵向轴线128测量的)布置，使得磨料进入通道108和离开通道112也被布置，并且相对于彼此以约直角(如围绕中心纵向轴线128测量的)接近和会合喷嘴主体104的相应端口。在其他实施例中，可以分别限定磨料进入方向和离开方向的磨料进入通道108和离开通道112可以相对于彼此以任何合适的扩展角布置并与喷嘴主体104的相应端口会合，该扩展角例如为大约150°、大约135°、大约120°、大约60°、大约45°、大约30°或在大约150°和大约30°之间、或在大约135°和大约45°之间、或在大约120°和大约60°之间。在磨料进入通道108和离开通道112以倾斜角度进入喷嘴主体104的情况下，扩展角θ可以通过将进入方向和离开方向投影到垂直于轴线128的参考平面上来确定。具有上述扩展角θ的这种实施例可以是有利的，因为它们可以导致磨料遵循穿过切割头组件100和混合室146的较少直接(即，更迂回或回旋)的流动路径，如图3和图4所示，这可以增加或改善磨料在切割头组件100和混合室146内的停留时间，并且可以增加或改善磨料混合或夹带到水射流中，并减少浪费或未用过的磨料的量。
图2还示出切割头组件100包括磨料进入冲洗管道114，其具有纵向且同轴地延伸穿过其中的磨料进入冲洗管道116。在使用中，水或另一种流体可以通过磨料进入冲洗管道116被供给到磨料进入通道108中，以冲洗可能已经在磨料进入通道108内被卡住或以其他方式积聚的任何废弃磨料或任何其他积聚的残留物，如从图3的视图中可以容易地理解的。切割头组件100还包括磨料离开冲洗管道118，其具有纵向且同轴地延伸穿过其中的磨料离开冲洗管道120。在使用中，水或其它流体可以通过磨料离开冲洗导管120被供给到离开通道112中，以冲洗可能已经在离开通道112内被卡住或以其它方式积聚的任何废弃磨料或任何其它积聚的残留物，如从图4的视图中可以容易地理解的。
图2示出了磨料进入和离开冲洗管道114和118各自被布置成与中心纵向轴线128成小于直角(例如，成30°、45°、60°、或在30°和60°之间)并且使得磨料进入和离开冲洗管道114和118从磨料进入和离开管道106和110上方接近喷嘴主体104。因此，磨料进入冲洗导管116和磨料离开冲洗导管120也被布置，并且以与中心纵向轴线128成小于直角(例如，成30°、45°、60°、或在30°和60°之间)且从磨料进入和离开导管108和112上方接近并会合喷嘴主体104。
图2还示出了磨料进入和离开冲洗管道114和118分别布置在磨料进入和离开管道106、110的正上方。因此，磨料进入和离开冲洗管道114和118被布置成相对于彼此成大约直角，如围绕中心纵向轴线128所测量的，使得磨料进入和离开冲洗导管116和120也被布置成相对于彼此成大约直角，如围绕中心纵向轴线128所测量的，接近并会合喷嘴主体104的对应端口。
图2还示出了切割头组件100包括第一对准螺钉122A和第二对准螺钉122B(统称为对准螺钉122)。对准螺钉122在别处参照图5进一步详细讨论。图2还示出切割头组件100包括喷嘴124(在磨料水射流切割的情况下也称为混合管)，水射流或磨料水射流可从该喷嘴高速离开切割头组件100，以及围绕喷嘴124的护罩126，该护罩可保护切割头组件100的其它部件免受水和磨料在与工件或工作表面碰撞之后朝向切割头组件100喷回的情况。为了本公开的目的，喷嘴124可以代表切割头组件100的底端部分，切割头组件100的其余部件定位在喷嘴124处或上方。喷嘴124将在别处参照图6进一步详细讨论。
图3示出了沿图2中的线3-3截取的切割头组件100的横截面图，从而示出了切割头组件100的内部部件，诸如磨料供给管线106和磨料进入冲洗管道114的布置。图4示出了沿图2中的线4-4截取的切割头组件100的横截面图，从而示出了切割头组件100的内部部件，诸如抽吸管线110和磨料离开冲洗管道118的布置。图3A是图3的横截面图的一部分的放大细节图，示出了孔口单元139(例如，宝石孔口单元)，其包括用于产生高压流体射流的孔口143，该孔口由孔口支座138承载。尽管图3A示出了孔口单元139为由孔口支座138承载的单独的、不同的部件，但是应当理解，在一些情况下，用于产生高压流体射流的孔口143可以一体地形成在孔口支座138中。
参照图3和图4，切割头组件100包括定位在喷嘴主体104的孔口支座容纳腔内的孔口支座138，诸如红宝石、蓝宝石或金刚石孔口单元的孔口单元139可承载或支承在孔口支座容纳腔上或孔口支座容纳腔内。孔口支座138可定位在流体输送主体102正下方并与其密封接触。切割头组件100还包括混合室***件140，其可以定位在孔口支座138正下方并与其接触，并且其可以定位在喷嘴124正上方并与其接触。
同样如图3和图4所示，流体输送主体102可包括纵向且同轴地延伸穿过其中的流体输送导管142，孔口支座138可包括纵向且同轴地延伸穿过其中的孔口导管144，混合室***件140可包括纵向且同轴地延伸穿过其中的混合室146，喷嘴124可包括纵向且同轴地延伸穿过其中的射流通道148。流体输送主体102、其流体输送导管142、孔口支座138、其孔口143(图3A)和孔口导管144、混合室***件140、其混合室146、喷嘴124和其射流通道148可以具有各自的大致圆柱形轮廓，所述轮廓彼此同轴布置并且沿着轴线128同轴布置。因此，经由流体输送主体102供应的高压水可以穿过由孔口支座138承载的孔口单元139的孔口143，以产生高压水射流，该高压水射流穿过孔口支座138的孔口导管144、穿过混合室***件140(磨料可以在该处被引入射流中)、穿过喷嘴124、并且离开切割头组件100，以切割或以其他方式处理工件或工作表面。
图3和图4还示出了混合室***件140包括在磨料入口端口150处流体地联接到混合室146的磨料入口导管154(见图3)和在磨料出口端口152处流体地联接到混合室146的磨料出口导管156(见图4)。如图3和图4所示，磨料入口端口150位于磨料出口端口152的下方。在一些情况下，将磨料出口端口152定位在磨料入口端口150上方可有助于减少或防止磨料颗粒进入孔口导管144或卡在其中。此外，将磨料出口端口152定位成与磨料入口端口150竖直地偏移可以产生相对更迂回或回旋的路径，以帮助增加磨料颗粒在混合室146中的停留时间，这可以导致磨料颗粒在水射流中更有效且一致地夹带。
在一些情况下，磨料出口端口152可以与抽吸通道112流体连通，该抽吸通道的平均横截面面积大于与磨料入口端口150流体连通的磨料供给通道108的平均横截面面积，例如大于约10％、20％、30％或更大，这可以提高切割头组件100从混合室146移除过量或未用完的磨料颗粒的能力。
此外，磨料入口端口150和磨料出口端口152可以相对于彼此以围绕中心纵向轴线128测量的扩展角定位，以对应于磨料供给管线106和抽吸管线110的布置。
如图3所示，磨料供给管线106与形成在喷嘴主体104一侧的磨料入口端口130联接，磨料入口冲洗管道114与形成在喷嘴主体104一侧的冲洗端口132联接。特别地，磨料供给管线106联接到磨料入口端口130，以允许流体从导管108通过磨料入口导管154和磨料入口端口150流入喷嘴主体104和混合室146，并且磨料入口冲洗导管116在冲洗端口132处流体联接到弹簧加载的球形止回阀136的入口，以使得在操作期间选择性地冲洗磨料入口导管154和周围区域。
如图4所示，抽吸管线110与形成在喷嘴主体104一侧的抽吸端口158联接，磨料离开冲洗管道118与形成在喷嘴主体104一侧的冲洗端口160联接。特别地，抽吸管线110联接到抽吸端口158，以允许流体从喷嘴主体104和混合室146通过磨料出口端口152和磨料出口导管156流入离开通道112，并且磨料离开冲洗导管120在冲洗端口160处流体联接到弹簧加载的球形止回阀162的入口，以使得在操作期间选择性地冲洗磨料出口导管156和周围区域。
因此，磨料颗粒可以通过磨料供给管线106、通过入口导管154和入口端口150被供给到切割头组件100中，并且进入混合室146，在混合室中，磨料颗粒的一部分可以在水射流穿过混合室146时混合并夹带到水射流中，以形成磨料水射流。磨料颗粒的没有夹带在水射流中的剩余部分可以从切割头组件100移除，例如在由施加到抽吸管线110的真空产生的抽吸作用下，从混合室146通过出口端口152和出口导管156，并且通过抽吸管线110。此外，根据一个或多个实施例，磨料颗粒可通过磨料供给管线106连续地供给到切割头组件100中，包括在射流未从切割头组件100排出的期间，例如可在间歇切割活动期间发生。以这种方式，射流可以循环地打开和关闭，而不会中断磨料向切割头组件100的供给。
参照图3，磨料供给管线106包括上游冲洗导管134，该上游冲洗导管从磨料进入通道108径向向外延伸到磨料供给管线106的外表面。上游冲洗导管134还通过止回阀136的出口流体联接到冲洗端口132。因此，通过在足够的压力下将水或另一种流体供应至磨料进入冲洗导管116以打开止回阀136，使得水或其他流体可以进入磨料进入通道108中并且从磨料进入通道108内移除碎屑，上游冲洗导管134可以用于冲洗相对于磨料穿过切割头组件100的流动路径，在混合室146的上游的位置中，切割头组件100内随时间积聚的磨料。
参照图4，抽吸管线110包括下游冲洗导管164，其从磨料离开通道112径向向外延伸到抽吸管线110的外表面。下游冲洗导管164还通过止回阀162的出口流体联接到冲洗端口160。因此，通过在足够的压力下将水或另一种流体供应至磨料离开冲洗导管120以打开止回阀162，使得水或其他流体可以进入磨料离开通道112中并且从磨料离开通道112内移除碎屑，下游冲洗导管164可以用于冲洗在相对于磨料穿过切割头组件100的流动路径，在混合室146的下游的位置中，切割头组件100内随时间积聚的磨料。
图3和图4还示出了切割头组件100包括在切割头组件100的各种部件之间的界面处的多个密封件。例如，切割头组件100包括面密封件166，其可以是O形环密封件，其围绕轴线128和水穿过切割头组件100的路径周向地延伸，并且密封流体输送主体102和孔口支座138之间的界面，以防止或减少高压水从流体输送主体102和孔口支座138之间的供应导管142逸出。
图3还示出喷嘴主体104可包括减压导管190，其通向周围环境以防止压力在喷嘴主体104内围绕孔口支座138积聚。图3和图4示出了面密封件166主要座置在流体输送主体102的底表面中的凹槽内，但是在其它实施例中，面密封件166可以主要座置在孔口支座138的上表面中的凹槽内，或者可以座置在流体输送主体102的底表面中的凹槽和孔口支座138的上表面中的凹槽内。
此外，参照图3和图4，示例性切割头组件100还包括筒夹170和致动器172。致动器172与喷嘴主体104螺纹接合，使得致动器172能够围绕轴线128旋转并且被螺纹连接到喷嘴主体104中，从而推动筒夹170沿着轴线128向上移动并且穿过喷嘴主体104中的直径减小(例如，渐缩)的开口朝向混合室***件140移动。当筒夹170向上移动时，其被挤压在喷嘴主体104的内表面和喷嘴124的外表面之间，并因此夹紧喷嘴124，将喷嘴124固定在喷嘴主体104内，并将喷嘴124的上表面定位成抵靠混合室***件140的下表面。
切割头组件100还包括密封件168，该密封件坐置在形成于致动器172的内表面中的凹槽内，使得密封件168和其坐置在其中的凹槽围绕轴线128和水穿过切割头组件100的路径周向地延伸，并且使得密封件168密封喷嘴124与致动器172之间的界面。
此外，参照图3，切割头组件100包括密封件174，该密封件在磨料进入通道108与混合室***件140的磨料入口导管154之间的磨料流动路径过渡处围绕磨料流动路径周向地延伸，并且密封磨料供给管线106与混合室***件140之间的界面，以防止穿过磨料供给管线106的磨料或其它材料在磨料供给管线106与混合室***件140之间逸出。类似地，参照图4，切割头组件100包括密封件176，该密封件在混合室***件140的磨料出口导管154与抽吸管线110之间的磨料流动路径过渡处围绕磨料流动路径周向地延伸，并且密封抽吸管线110与混合室***件140之间的界面，以防止穿过抽吸管线110的磨料或其它材料在抽吸管线110与混合室***件140之间逸出。密封件168、174和176可以允许在混合室146内更有效地抽真空。
此外，参照图3，切割头组件100包括密封件178，该密封件相对于磨料流动路径在上游冲洗导管134的正上游围绕磨料流动路径周向地延伸，并且密封磨料供给管线106和喷嘴主体104之间的界面，以防止磨料、水或其它材料在磨料供给管线106和喷嘴主体104之间逸出，并且尤其是防止从磨料进入冲洗导管116流到磨料进入通道108的水逸出。切割头组件100还包括密封件180，该密封件相对于磨料流动路径在上游冲洗导管134的正下游围绕磨料流动路径周向地延伸，并且密封磨料供给管线106和喷嘴主体104之间的界面，以防止磨料、水或其它材料在磨料供给管线106和喷嘴主体104之间逸出，并且尤其是防止从磨料进入冲洗导管116流到磨料进入通道108的水逸出。
类似地，参照图4，切割头组件100包括密封件182，该密封件相对于磨料流动路径在下游冲洗导管164的正上游围绕磨料流动路径周向地延伸，并且密封抽吸管线110和喷嘴主体104之间的界面，以防止磨料、水或其它材料在抽吸管线110和喷嘴主体104之间逸出，并且尤其是防止从磨料离开冲洗导管120流到离开通道112的水逸出。切割头组件100还包括密封件184，该密封件相对于磨料流动路径在下游冲洗导管164的正下游围绕磨料流动路径周向地延伸，并且密封抽吸管线110和喷嘴主体104之间的界面，以防止磨料、水或其它材料在抽吸管线110和喷嘴主体104之间逸出，并且尤其是防止从磨料离开冲洗导管120流到磨料离开通道112的水逸出。
图5提供了切割头组件100沿图2中的线5-5截取的横截面图。如图5所示，喷嘴主体104包括三个导管186a、186b和186c(统称为导管186)，它们从喷嘴主体104的外表面径向向内延伸到喷嘴主体104的内表面，该内表面与孔口支座138相邻。导管186围绕孔口导管144彼此周向等距地间隔开，例如相对于轴线128彼此间隔开约120°。图5还示出切割头组件100包括三个调节销188a、188b、188c(统称为调节销188)，每个调节销具有大致圆柱形形状，分别定位在导管186a、186b和186c的内部或中心部分内，并且与孔口支座138接触。
第一、第二和第三对准螺钉122a、122b和122c(统称为对准螺钉122)定位在导管186a、186b和186c的外部或周边部分内，并且与相应的调节销188接触。第一对准螺钉122a和第一调节销188a可以被共同地称为第一孔口支座调节器，第二对准螺钉122b和第二调节销188b可以被共同地称为第二孔口支座调节器，第三对准螺钉122c和第三调节销188c可以被共同地称为第三孔口支座调节器。
通过将对准螺钉122拧入或拧出相应的导管186，操作者可使用对准螺钉122和销188来精细地调节喷嘴主体104内的孔口支座138及其孔口143的位置，例如在横向于或垂直于由孔口143限定的轴线或轴线128的平面内，例如以使由孔口143产生的流体射流与喷嘴124的射流通道148对准。例如，操作者可以使用螺钉122和销188来调节孔口支座138的位置，使得孔口支座138与混合室***件140和喷嘴124两者横向对准，并且使得孔口143与混合室146和射流通道148两者对准，使得水射流可以穿过孔口导管144、混合室146和射流通道148，而不接触或最低限度地接触混合室***件140或喷嘴124。
如下文进一步描述的，在一些实施例中，操作者可以在通过向供应导管142提供相对低压的水(例如，以1,000psi)来测试各种部件的对准的同时进行这种调节，并且一旦已经实现部件的适当对准，就向供应导管142提供更高压的水以开始使用切割头组件100来切割或以其他方式处理工件或工作表面。在喷嘴124的射流通道148的内径接近穿过喷嘴124的磨料水射流的直径的实施例中，这种技术可变得越来越重要。
图6提供了切割头组件100的一部分的放大等距视图，其中喷嘴主体104、磨料供给管线106、磨料抽吸管线110、磨料进入冲洗管道114、磨料离开冲洗管道118和其他部件被移除，以更清楚地示出切割头组件100的其他特征。
例如，示出了具有调节装置(例如，螺钉122a-122c和销188a-188c)的孔口支座138，该调节装置围绕孔口支座138的周向轮廓定位，以能够精细调节由此承载的孔口单元139的孔口143相对于喷嘴124的射流通道148的轴向位置。在一些情况下，调节装置可以被配置成使得孔口143能够相对于喷嘴124的射流通道148以小于0.0010英寸的偏移偏差轴向对准，或者以小于或等于0.0005英寸的偏移偏差轴向对准。孔口143与射流通道148的精确轴向对准可通过避免或最小化射流/材料界面处的偏置而有助于减小被切割材料上的射流流体动力载荷，这继而可在切割特别敏感的材料时减小、最小化或消除表面和次表面缺陷。
作为另一示例，混合室***件140示出为在磨料入口导管154的端部处具有一个暴露的支承面，用于将磨料供给管线106联接到混合室***件140以在操作期间向其供应磨料，并且在磨料出口导管156的端部处具有另一暴露的支承面，用于将抽吸管线110联接到混合室***件140以帮助在操作期间将磨料吸入混合室***件140中并抽出未使用的磨料。
图6还示出喷嘴124的远端可与轴线128成角度α渐缩，其中α可大于5°、10°、15°、20°、25°或30°，和/或其中α可小于35°、30°、25°、20°、15°、10°或5°。
如流体射流切割领域的普通技术人员将容易明白的，可结合本文所公开的各种***和部件提供操作流体射流切割***的各种方法。
例如，操作切割头组件100以切割工件或一系列工件的方法可以包括通过磨料供给管线106将磨料颗粒供应到切割头组件100，并且通过向磨料抽吸管线110施加真空而将磨料颗粒抽吸穿过切割头组件100，包括沿着磨料流动路径穿过混合室***件140，并且穿过磨料抽吸管线110从切割头组件100抽出。这种方法可包括在切割头组件100的操作期间连续地将磨料供应至切割头组件100并将磨料抽吸穿过切割头组件，同时水射流穿过混合室146，并且水射流不穿过混合室146，使得水射流可循环地打开和关闭，同时磨料颗粒继续流动经过切割头组件100。
这种方法可以减少建立合适的磨料水射流所花费的时间量，并且可以改善磨料水射流在多次切割操作过程中的一致性。例如，这种方法可以将在工件中进行切割所花费的时间减少几秒，这可以相当于随时间的大量成本节省，特别是当切割高容量和/或高生产量工件例如印刷电路板时。
操作切割头组件100以切割工件或一系列工件的方法还可以包括在足够的压力下选择性地将水供应到磨料进入冲洗导管116和磨料离开冲洗导管120以打开止回阀136和162。这种方法可以包括将水冲入导管108和112中，同时在磨料离开通道112上抽真空，以将积聚在切割头组件100内的磨料或其它残留物以磨料和其它残留物的浆料的形式从切割头组件100中清除和冲出。这种冲洗可以周期性地执行，例如以规则的间隔，或者在切割头组件100不产生水射流以切割工件时执行。即使在切割头组件100正在产生水射流并切割工件时，也可以连续地执行经由磨料出口冲洗导管120的这种冲洗。这种技术可以提高穿过切割头组件100的磨料流动的一致性。
操作切割头组件100以切割工件或一系列工件的方法还可包括使用调节装置(例如，螺钉122和销188)来调节孔口支座138在喷嘴主体104内的位置和对准。例如，孔口支座138可大致定位在喷嘴主体104内，喷嘴主体104可相对宽松地联接到流体输送主体102，使得孔口支座138可在喷嘴主体104内移动，但足够牢固地接合面密封件166，以在流体输送主体102和孔口支座138之间形成至少低压密封。然后，可将相对低压的水(例如，在1,000psi的对准压力下)提供到供应导管142以产生相对低压的水射流，从而测试孔口支座138、混合室***件140和喷嘴124的对准。然后可以观察到低压水射流与喷嘴124的射流通道148的对准，并且然后可以调节螺钉122的位置以推动销188穿过导管186，从而基于测试和观察根据需要调节孔口支座138的位置。
一旦已经实现了孔口支座138与其它部件的适当对准并且确认了孔口支座138的期望对准(例如，在孔口143的轴线和喷嘴124的射流通道148的轴线之间的偏移偏差小于0.001英寸)，喷嘴主体104可以更牢固地联接到流体输送主体102(例如通过将喷嘴主体104进一步螺纹连接到流体输送主体102上)，使得孔口支座138固定并且不能在喷嘴主体104内移动，并且使得面密封件166在流体输送主体102和孔口支座138之间产生高压密封。流体输送主体102与喷嘴主体104的更牢固的联接可通过相对于流体输送主体102操纵喷嘴主体104来实现，例如通过向喷嘴主体104施加扭矩以将喷嘴主体104螺纹连接到流体输送主体102上。在其它情况下，流体输送主体102和喷嘴主体104可以无扭矩方式或不向孔口支座138施加扭矩的方式联接在一起。
这种方法可用于将孔口支座138的孔口143相对于喷嘴124的射流通道148定位，使得孔口143和射流通道148以小于0.0020英寸、小于0.0015英寸或小于0.0010英寸的偏移偏差轴向对准。在孔口支座138已在喷嘴主体104内适当地定位和对准之后，此类技术可减少或消除此类操作干扰孔口支座138在喷嘴主体104内的定位的程度。同样，孔口支座138的孔口143相对于喷嘴124的射流通道148的精确定位可有助于在切割时通过避免在射流/材料界面处的偏置来减小材料上的射流流体动力载荷。
根据一些实施例，在相对较高的压力下产生磨料水射流，以在利用特别小的射流的同时维持合适的功率水平。例如，可以向供应导管142提供处于高得多的压力(例如，至少90,000psi的操作压力)的水流，以在孔口143处产生高压水射流，用于利用相对小的磨料水射流切割特别敏感材料的工件。
例如，操作切割头组件100以切割工件或一系列工件的方法还可包括使用相对小直径的喷嘴124(例如，具有射流通道的混合管，射流通道具有直径小于或等于0.015英寸、0.010英寸、0.008英寸或0.006英寸的圆形横截面轮廓)和相对小的磨料颗粒直径以产生相对小直径的磨料水射流(例如，具有小于或等于0.015英寸、0.010英寸、0.008英寸或0.006英寸的直径的水射流)，以减小由磨料水射流施加到工件的冲击力。此外，这样的方法还可以包括向流体输送导管142供应相对高压的水(例如，大于90,000psi)，并且使用相对低的水流率至供应导管142，以进一步减小由磨料水射流施加到工件的冲击力。通常较低的水流速，或在相同功率水平下相对于传统切割技术较低的水流速，在切割特别易碎的材料如印刷电路板时，呈现较低的分层或碎裂风险。
这种方法可包括使用喷嘴124，其射流通道148的内径为约或小于0.015英寸、约或小于0.010英寸、约或小于0.008英寸、约或小于0.006英寸，使用具有圆形横截面轮廓的孔口143，其直径为约或小于0.010英寸、约或小于0.005英寸、约或小于0.003英寸、约或小于0.002英寸、或约或小于0.001英寸，使用磨料颗粒，其直径为约或小于喷嘴124的射流通道148的内径的三分之一、或在220目或更细的范围内，以约或小于半磅/分钟的速率使用磨粒，并以约或大于60,000psi、约或大于70,000psi、约或大于80,000psi、约或大于90,000psi的压力将水供应至供应导管142。用相对小的孔口143和射流通道148并且用相对于常规切割技术增加的压力进行切割可以提供合适的切割功率，同时在工件上的射流负载减小，以使得能够以可接受的生产率切割敏感材料，而几乎没有或没有明显的损坏，例如碎裂和分层。
在一些实施例中，喷嘴124的射流通道148的直径与孔口单元139的孔口143的直径的比率可以小于或等于3.0并且大于或等于1.5。例如，在一些实施例中，所述方法可以包括使用喷嘴124，其射流通道148的内径约为孔口143的直径的两倍，以增加磨料在磨料水射流中的浓度，并减小要在工件中形成的切口宽度。
在切割头组件100用于在工件中切割狭槽的实施方式中，这种方法可包括使用喷嘴124，该喷嘴的射流通道148的内径与待切割的狭槽的宽度相对应或近似，使得切割头组件100可在一个行程中切割狭槽，而不需要在切割头组件100的不同行程中切割狭槽的每一侧。例如，这种喷嘴124的内径可以在这种狭槽的宽度的10％以内，例如比该狭槽的宽度小10％。其它特征可以用相应尺寸的射流切割以增加切割效率。
该方法还可以包括产生如别处讨论的高度同心的磨料水射流，以通过避免射流/材料界面处的偏置来帮助降低切割时材料上的射流流体动力载荷。
该方法还可包括以与常规切割技术相比相对较高的磨料浓度将磨料供应到混合室146。例如，在一些情况下，该方法可以包括建立磨料的质量流率，其为穿过混合室146的水的质量流率的约13％、15％、20％或25％或更大。
该方法可包括在约或小于2mm的间隔距离(stand-off distance)处切割工件。该方法还可包括使用空气流来保持工件的待切割区域清洁并且没有水和来自切割操作的碎屑。
这种方法还可以包括在工件中的随后将定位有孔或开口的位置处开始、起始或终止工件中的切割，以减少或防止在切割的开始或结束时在工件中形成键孔，并且还可以包括规划切割路径以及规划水射流的开始和停止的定时以防止工件在切割路径的端部处碎裂。在一些情况下，工件中的这种孔或开口可在待形成的孔或开口的内部内产生切口之后通过磨料水射流来产生。
在一些实施方式中，切割头组件100可包括照相机，并且这样的方法可包括使用照相机来识别工件上的参考基准，并且使用这样的识别来至少部分地控制磨料水射流的切割路径。
本文所公开的方法可用于切割印刷电路板、玻璃片或其它易碎、脆性或其它敏感材料。在一个具体实施方式中，这种方法可包括使用直径为0.0030±0.0005英寸的孔口143、使用射流通道148的内径为0.008±0.001英寸或0.010±0.001英寸的喷嘴124、使用320目的磨粒、以及在约90,000psi的标称操作压力下将水供应至供应导管142，以产生研磨水射流，该研磨水射流的特征在于相对低的负载，从而以较小至没有明显损坏(例如，碎裂、分层)的方式切割印刷电路板或玻璃片。已经发现，当以90度偏离角(standoff angle)切割时，这种实施方式导致大约0.9磅的冲击力被施加到工件。这与施加三到四倍冲击力的负载的传统技术形成对比。
总之，本文公开的磨料水射流***、部件和相关方法的各种实施例的特征和方面可以便于用相对低负荷的磨料水射流切割脆性、易碎或其它敏感材料，以最小化或基本上消除边缘缺陷，例如碎裂或分层。与现有的加工技术相比，磨料水射流***、部件和相关方法的各种实施例的特征和方面也可提高切割操作的效率。
此外，应当理解，上述各种实施例的特征和方面可以组合以提供另外的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其它改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求中公开的具体实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所授权的等同物的全部范围。
于2018年5月25日提交的，发明名称为“ABRASIVE FLUID JET CUTTING SYSTEMS,COMPONENTS AND RELATED METHODS FOR CUTTING SENSITIVE MATERIALS(用于切割敏感材料的磨料流体射流切割***、部件和相关方法)”的美国专利申请15/990,375通过引用将其全部内容并入本文。

Claims (29)

1.一种流体射流切割头，包括：
喷嘴主体；
孔口支座，其容纳在所述喷嘴主体内，所述孔口支座包括孔口单元，所述孔口单元具有用于在操作期间产生流体射流的孔口，所述孔口具有直径小于或等于0.010英寸的圆形横截面轮廓；
流体输送主体，其具有流体输送导管，以将高压流体流供应至所述孔口支座的孔口，以在操作期间产生流体射流；
混合室，其在所述流体射流的路径中设置在所述孔口支座的下游，所述混合室被配置成接收磨料以与由所述孔口支座的孔口产生的所述流体射流混合以形成磨料流体射流；以及
喷嘴，其具有射流通道，在操作期间，从所述射流通道排出来自所述流体射流切割头的所述磨料流体射流，所述射流通道具有直径小于或等于0.015英寸的圆形横截面轮廓；
其中，所述流体射流切割头还包括混合室***件，所述混合室***件包括在操作期间流体射流穿过其中的混合室、在操作期间磨料穿过其中流动至所述混合室的磨料入口导管、以及在操作期间磨料从所述混合室穿过其中流动的磨料出口导管，所述磨料入口导管与所述混合室的相交处的位置相对于所述流体射流的路径设置在所述磨料出口导管与所述混合室的相交处的位置的下游。
2.根据权利要求1所述的流体射流切割头，其中，所述孔口支座的孔口和所述喷嘴的射流通道以小于0.001英寸的偏移偏差轴向对准。
3.根据权利要求1所述的流体射流切割头，其中，所述孔口的直径小于或等于0.005英寸，并且所述射流通道的直径小于0.010英寸。
4.根据权利要求1所述的流体射流切割头，其中，所述孔口的直径小于或等于0.003英寸，并且所述射流通道的直径小于0.008英寸。
5.根据权利要求1所述的流体射流切割头，其中，所述孔口的直径小于或等于0.002英寸，并且所述射流通道的直径小于0.006英寸。
6.根据权利要求1所述的流体射流切割头，还包括：
多个孔口支座调节器，所述孔口支座调节器被配置成调节所述孔口支座在横向于由所述孔口限定的轴线的平面中的位置，以使在所述孔口处产生的流体射流与所述喷嘴的射流通道对准。
7.根据权利要求1所述的流体射流切割头，其中，所述喷嘴主体包括：
磨料进入通道，其从所述喷嘴主体的外部延伸至所述混合室，以便在操作期间供应磨料以与在所述孔口处产生的流体射流混合，所述磨料进入通道限定磨料进入方向；以及
磨料离开通道，其从所述喷嘴主体的外部延伸至所述混合室，以便抽出未与所述流体射流混合的磨料，所述磨料离开通道限定磨料离开方向，以及
其中，由所述磨料进入方向和所述磨料离开方向限定的投射到参考平面上的扩展角在30度和150度之间，所述参考平面垂直于由所述流体射流限定的轴线。
8.一种流体射流切割***，包括根据权利要求7所述的流体射流切割头，并且还包括：
磨料供给管线，其将磨料材料源联接到所述喷嘴主体并且具有用于将磨料供应到所述混合室***件的磨料进入通道；以及
磨料抽吸管线，其将真空源联接到所述喷嘴主体并且具有磨料离开通道，所述磨料离开通道用于在操作期间帮助将磨料吸入所述混合室***件中并且将未与所述流体射流混合的磨料从所述混合室***件中抽出，以及
其中，所述磨料供给管线的所述磨料进入通道的横截面面积小于所述磨料抽吸管线的所述磨料离开通道的横截面面积。
9.一种操作流体射流切割***的方法，包括：
以至少60,000psi的操作压力将流体流供应至设置在所述流体射流***的切割头内的孔口支座的孔口单元的孔口，以产生流体射流，所述流体射流在穿过位于混合室下游的喷嘴的射流通道之前穿过所述混合室，所述孔口具有直径小于或等于0.010英寸的圆形横截面轮廓，所述射流通道具有直径小于或等于0.015英寸的圆形横截面轮廓；
在所述混合室内将磨料与所述流体射流混合以形成将经由所述喷嘴的所述射流通道从所述切割头排出的磨料流体射流；以及
从所述切割头排出所述磨料流体射流以处理工件或工作表面，
其中，在所述混合室内将磨料与所述流体射流混合包括在第一位置处将磨料引入所述混合室中，并且在第二位置处从所述混合室移除磨料，所述第二位置与所述第一位置竖直地偏移并且相对于在操作期间所述流体射流穿过所述混合室的流动路径在所述第一位置的上游。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
在供应所述流体流之前，调节所述孔口支座的孔口相对于所述喷嘴的射流通道的对准，使得所述孔口和所述射流通道以小于0.001英寸的偏移偏差轴向对准。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，将磨料与所述流体射流混合包括将最大颗粒直径为所述射流通道的直径的三分之一的磨料颗粒与所述流体射流混合。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，从所述切割头排出所述磨料流体射流以处理所述工件或工作表面包括从所述切割头间歇地排出所述磨料流体射流，并且所述方法还包括：
在整个间歇排放磨料流体射流期间，将磨料连续地供给至所述混合室而没有中断。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，将磨料与所述流体射流混合包括在所述磨料流体射流的整个排出期间以小于或等于0.5磅/分钟的速率将所述磨料颗粒连续地供应至所述混合室。
14.根据权利要求9所述的方法，还包括：
以对准压力水平供应流体流穿过所述孔口支座的孔口以产生低压流体射流；
观察所述低压流体射流与所述射流通道的对准；以及
基于所述观察的结果来调节所述孔口支座的位置，直到所述孔口与所述射流通道对准。
15.一种流体射流切割头，包括：
喷嘴主体，其具有孔口支座容纳腔；
孔口支座，其容纳在所述喷嘴主体的孔口支座容纳腔内，所述孔口支座包括孔口单元，所述孔口单元具有用于在操作期间产生流体射流的孔口；
流体输送主体，其具有流体输送导管，以穿过所述孔口支座的孔口供应流体流，以在操作期间产生流体射流；
喷嘴，其具有射流通道，来自所述流体射流切割头的流体射流从所述射流通道排出；以及
多个孔口支座调节器，所述孔口支座调节器被配置成调节所述孔口支座在横向于由所述孔口限定的轴线的平面中的位置，以使在所述孔口处产生的流体射流与所述喷嘴的射流通道对准，
混合室***件，所述混合室***件包括在操作期间所述流体射流穿过其中的混合室、在操作期间磨料流穿过其中至所述混合室的磨料入口导管、以及在操作期间磨料穿过其中从所述混合室流出的磨料出口导管；
其中，所述混合室***件还包括将所述磨料入口导管联接到所述混合室的磨料入口端口，以及将所述磨料出口导管联接到所述混合室的磨料出口端口，所述磨料出口端口与所述磨料入口端口竖直地偏移并且相对于在操作期间所述流体射流穿过所述混合室的流动路径位于所述磨料入口端口的上游。
16.根据权利要求15所述的流体射流切割头，其中，所述多个孔口支座调节器包括多个紧定螺钉，所述多个紧定螺钉联接到所述喷嘴主体并且可操作以使所述孔口支座在横向于所述孔口的轴线的平面中移位。
17.根据权利要求15所述的流体射流切割头，其中：
所述孔口的横截面轮廓是圆形的，直径小于或等于0.010英寸；以及
所述喷嘴的射流通道的横截面轮廓是圆形的，直径小于或等于0.015英寸。
18.一种操作流体射流切割头的方法，包括：
将孔口支座定位在所述流体射流切割头的喷嘴主体内，所述孔口支座包括孔口单元，所述孔口单元具有用于在操作期间产生流体射流的孔口；
以对准压力水平供应流体流穿过所述孔口支座的孔口以产生低压流体射流；
观察所述低压流体射流与所述流体射流切割头的喷嘴的射流通道的对准；以及
基于所述观察的结果来调节所述孔口支座的位置，直到所述孔口与所述喷嘴的射流通道对准，
其中，所述流体射流切割头包括混合室***件，所述混合室***件包括在操作期间所述流体射流穿过其中的混合室、在操作期间磨料流穿过其中至所述混合室的磨料入口导管、以及在操作期间磨料穿过其中从所述混合室流出的磨料出口导管，
其中，所述混合室***件还包括将所述磨料入口导管联接到所述混合室的磨料入口端口，以及将所述磨料出口导管联接到所述混合室的磨料出口端口，所述磨料出口端口与所述磨料入口端口竖直地偏移并且相对于在操作期间所述流体射流穿过所述混合室的流动路径位于所述磨料入口端口的上游。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
在调节所述孔口支座的位置之后，将处于操作压力下的流体流供应至所述孔口支座的孔口，所述操作压力高于所述对准压力水平，以产生用于处理工件或工作表面的高压流体射流。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，调节所述孔口支座的位置包括调节多个紧定螺钉中的至少一个，所述多个紧定螺钉联接到所述喷嘴主体，并且可操作以使所述孔口支座在横向于所述孔口的轴线的平面中移位。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括：
在调节所述孔口支座的位置之后，使用低压流体射流确认所述孔口支座与所述流体射流切割头的喷嘴的射流通道的期望对准。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：
在调节所述孔口支座的位置并确认所述孔口支座的期望对准之后，通过相对于流体输送主体操纵所述喷嘴主体而将所述孔口支座牢固地固定就位，所述流体输送主体具有用于将流体供应至所述孔口支座的流体输送导管。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，当相对于所述流体输送主体操纵所述喷嘴主体时，实现将所述孔口支座牢固地固定就位而不向所述孔口支座施加扭矩。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，相对于所述流体输送主体操纵所述喷嘴主体包含相对于所述流体输送主体扭转所述喷嘴主体。
25.一种流体射流切割头的混合室***件，所述混合室***件包括：
混合室；
磨料入口通道，其从所述混合室***件的外部延伸至所述混合室；
磨料出口通道，其从所述混合室***件的外部延伸至所述混合室；
射流通道，其从所述混合室***件的外部延伸至所述混合室，以及
其中，所述磨料出口通道在抽回位置处与所述混合室相交，所述抽回位置相对于流体射流穿过所述射流通道和所述混合室的流动路径在所述磨料入口通道与所述混合室相交的入口位置的上游。
26.根据权利要求25所述的混合室***件，其中：
所述磨料入口通道限定磨料入口方向，
所述磨料出口通道限定磨料出口方向，以及
由所述磨料入口方向和所述磨料出口方向限定的投射到参考平面上的扩展角在30度和150度之间，所述参考平面垂直于由所述射流通道限定的轴线。
27.一种流体射流切割头，包括根据权利要求25所述的混合室***件，并且还包括：
喷嘴主体，所述混合室***件容纳在喷嘴主体内；
磨料供给管线，其联接到所述喷嘴主体并且具有用于将磨料供应到所述混合室***件的磨料进入通道；以及
磨料抽吸管线，其联接到所述喷嘴主体并且具有磨料离开通道，所述磨料离开通道用于在操作期间帮助将磨料吸入所述混合室***件中并且将未与所述流体射流混合的磨料从所述混合室***件中抽出，以及
其中，所述磨料进入通道的横截面面积小于所述磨料离开通道的横截面面积。
28.一种流体射流切割头，所述流体射流切割头包括根据权利要求25所述的混合室***件，并且还包括：
喷嘴主体，其具有孔口支座容纳腔；
孔口支座，其容纳在所述喷嘴主体的孔口支座容纳腔内，所述孔口支座包括孔口单元，所述孔口单元具有用于在操作期间产生流体射流的孔口，所述孔口具有直径小于或等于0.010英寸的圆形横截面轮廓；以及
喷嘴，其具有射流通道，从所述射流通道排出来自所述流体射流切割头的流体射流，所述射流通道具有直径小于或等于0.015英寸的圆形横截面轮廓。
29.一种流体射流切割头，包括根据权利要求25所述的混合室***件，并且还包括：
喷嘴主体，其具有孔口支座容纳腔；
孔口支座，其容纳在所述喷嘴主体的孔口支座容纳腔内，所述孔口支座包括孔口单元，所述孔口单元具有用于在操作期间产生流体射流的孔口；
喷嘴，其具有射流通道，来自所述流体射流切割头的流体射流从所述射流通道排出；以及
多个孔口支座调节器，所述孔口支座调节器被配置成调节所述孔口支座在横向于由所述孔口限定的轴线的平面中的位置，以使由所述孔口产生的流体射流与所述喷嘴的射流通道对准。
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