高压磨料水射流除锈装置及除锈工艺

技术领域

本发明涉及除锈领域，尤其涉及到高压磨料水射流装置及除锈工艺。

背景技术

钢铁材料裸露在空气钟会腐蚀，这是自然现象，不可避免。但是，钢铁材料作为应用最广泛的材料之一，其因锈蚀造成的损失十分巨大，因此，探究除锈装置及除锈工艺非常必要。

现有的除锈方法有化学除锈法和物理除锈法等，其中化学除锈法由于其高功耗、高污染、除锈过程不好控制、易产生欠洗或者过洗等原因，国家已经严格限制了化学除锈在工程实际中的应用。物理除锈法是现今工程实际中最常用的除锈方法。主要包括：传统手工和动力工具除锈，火焰清理，气体喷砂除锈，超声波除锈，水射流除锈，激光除锈等。

高压喷射水除锈现在应用的越来越多，主要有高压纯水射流和高压磨料水射流。高压纯水射流主要是把水用高压泵加压到几百kPa，用喷枪直接喷在所要处理的工件上，成本较低，但是在清洗过程中几百kPa的高压水与所要处理的工件碰撞产生巨大的噪音,对操作人员的身体产生一定伤害，而且处理的也不是很干净。

高压磨料水射流除锈是利用高速的磨料射流冲击锈层使其从基体材料剥离的方法，磨料与水混合后加压经喷嘴喷出对工件进行除锈，该种方法会造成喷嘴的磨损严重，同时造成输送浆料的管道的堵塞，导致连续送料不及时；同时，磨料水射流主要对工件表面锈蚀层进行处理，在工作中影响工件表面处理的参数很多，不同的工艺方法对表面除锈质量的改善也不尽相同。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种高压磨料水射流装置，通过对喷头结构进行设计，从而克服喷嘴的磨损严重、输送浆料的管道的堵塞及连续送料不及时的问题；

本发明还提供一种高压磨料水射流工艺方法，该方法通过调节工艺参数从而提高除锈效率、降低除锈成本。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

高压磨料水射流装置，包括高压水管、喷嘴和输料管道；高压水经高压管道输送至喷嘴内，输料管道将磨料输送至喷嘴内，高压水和磨料在喷嘴内混合后经磨料喷嘴喷射到工件上；所述工件置于三坐标移动平台上。

上述方案中，所述喷嘴为渐缩状中空结构，所述喷嘴上端面上开设有进水口，侧壁开设有进料口，渐缩段的末端开设有磨料喷嘴；进水口引入高压水管，高压水管末端设置有高压水喷嘴，其中，高压水喷嘴低于进料口；所述进料口为倾斜孔。

上述方案中，所述喷嘴内腔为磨料混合室。

上述方案中，所述喷嘴为渐缩状中空结构，喷嘴内设置有分离结构，其中，分离结构下端为倒锥形开口结构，所述喷嘴内腔与分离结构之间的区域为磨料混合室；所述喷嘴侧壁开设有进料口，物料从进料口进入磨料混合室内并与分离结构内喷出的高压水在磨料混合室内混合后经磨料喷嘴喷出到工件上。

上述方案中，分离结构内设置有高压水管。

上述方案中，还包括水箱、高压泵和阀门；所述水箱内的水通过管道被高压泵泵入升压后进入高压水管，高压水管上设置有阀门，阀门用来控制高压水流的流动。

一种高压磨料水射流工艺，采用高压磨料水射流装置，设定工艺参数：喷射压力、靶距、喷头相对移动速度、磨料流量、入射角度和除锈路径间隔；其中，磨料水射流压力是指高压泵到达喷头的压力，后混合压力过小除锈不彻底、太大则会对除磷喷头的磨耗过大，因此，磨料水射流压力为40Mpa～80Mpa；

靶距是指喷头到工件的距离，磨料高压水喷射到工件上会形成射流束，靶距太小工作面太小，则效率较低，靶距过大，射流束分散效果不佳，工件表面粗糙，因此，靶距为30mm～90mm；

喷头相对移动速度是指工件的进给速度，主要影响磨料的冲击时间，速度太慢，除磷喷头可以长时间对同一位置重复加工，不但降低工作效率，而且会造成磨料对工件表面过加工，工件表面反而变得粗糙；进给速度过快，则会造成局部未加工，因此，喷头相对移动速度为300mm/min～800mm/min；

磨料流量是指搅拌器到除磷喷头的量，磨料量太少，冲击能量小，除锈效果不好,磨料量太大冲击能量大，但是如果磨料太大，磨料颗粒之间有干涉，会使冲击速度下降，影响除锈效果，因此，磨料流量为300g/min～700g/min；

入射角度为射流曲线与被加工表面之间所夹的锐角，水射流打击到锈层表面，会产生纵向打击力和横向打击力，在这两种打击力作用的共同作用下，锈层从基体上脱落，射流入射角度不同，所产生的纵向打击力和横向打击力不同，造成除锈损伤深度和表面粗糙度不同。对于水射流剥层加工，横向打击力要求入射角度在30°～60°，纵向打击力要求入射角度为60°～90°；

除锈时，喷嘴相对靶件移动的轨迹为直线，多次往复移动后形成面，除锈路径间隔即为喷嘴每次往复运动时垂直于路径方向的偏移量，除锈路径间隔a为0.5mm～0.8mm。

上述方案中，喷头相对移动速度为800mm/min，射流压力为40MPa，入射角度为90°，靶距为90mm和磨料流量为500g/min。

上述方案中，对工件除锈后，通过泰勒轮廓仪测量工件表面粗糙度；螺旋测微器测量除锈损伤程度。

有益效果：

1.本发明装置通过对喷头结构进行设计，从而克服喷嘴的磨损严重、输送浆料的管道的堵塞及连续送料不及时的问题。

2.本发明喷嘴为中空渐缩状结构，上边大下方小，且在喷嘴上端面上开设有进口孔和斜的进料孔，高压水管下方设置高压水喷嘴，高压泵将水泵至一定压强后从高压水喷嘴内喷出后与磨料混合后由磨料喷嘴喷出到工件上，因为高压水和磨料是在喷嘴内才混合的，喷出磨料时磨料的压力要求会比在喷嘴外已经混合的压力要小，从而能够克服喷嘴的磨损严重，输送浆料的管道的堵塞及连续送料不及时的问题。

3.本发明装置中在高压水管外设置分离结构，从而使得高压水管外侧壁与磨料分开不发生接触，从而可以防止高压水管的磨损，方便更换，同时在分离结构最末端设置倒锥形喷嘴，可以提高喷出水的喷射速度和压力，从而进进一步的克服喷嘴的磨损严重，输送浆料的管道的堵塞及连续送料不及时的问题。

4.本发明方法中通过设置影响除锈的工艺参数，从而可以获得工件表面光滑，符合加工要求或者使用要求的除锈件，进而提高了除锈效率、降低了除锈成本。

附图说明

图1为本发明实施例涉及到的高压磨料水射流装置工作原理示意图；

图2为图1中涉及到的喷头高压水管的结构示意图；

图3为图1中涉及到的喷头与分离结构及高压水管的结构示意图；

图4为除锈路径间隔示意图，其中，a表示除锈路径间隔。

附图标记：

1-水箱；2-高压泵；3-阀门；4-输料装置；5-输料管道；6-工件；7-三坐标移动平台；8-喷头；8-1-高压水喷嘴；8-2-磨料喷嘴；8-3-磨料混合室；9-分离结构；21-高压水管；22-进料口。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

高压磨料水射流装置，包括高压水管21、喷嘴8和输料管道5；高压水经高压管道21输送至喷嘴8内，输料管道5将磨料输送至喷嘴8内，高压水和磨料在喷嘴8内混合后经磨料喷嘴8-2喷射到工件6上；所述工件6置于三坐标移动平台7上。

上述方案中，所述喷嘴8为渐缩状中空结构，所述喷嘴8上端面上开设有进水口，侧壁开设有进料口22，渐缩段的末端开设有磨料喷嘴8-2；进水口引入高压水管21，高压水管21末端设置有高压水喷嘴8-1，其中，高压水喷嘴8-1低于进料口22；所述进料口22为倾斜孔。

上述方案中，所述喷嘴8内腔为磨料混合室8-3。

上述方案中，所述喷嘴8为渐缩状中空结构，喷嘴8内设置有分离结构9，其中，分离结构9下端为倒锥形开口结构，所述喷嘴内腔与分离结构9之间的区域为磨料混合室8-3；所述喷嘴8侧壁开设有进料口22，物料从进料口22进入磨料混合室8-3内并与分离结构9内喷出的高压水在磨料混合室8-3内混合后经磨料喷嘴8-2喷出到工件6上。

上述方案中，分离结构9内设置有高压水管21。

本发明装置中在高压水管外设置分离结构，从而使得高压水管外侧壁与磨料分开不发生接触，从而可以防止高压水管的磨损，方便更换，同时在分离结构最末端设置倒锥形喷嘴，可以提高喷出水的喷射速度和压力，从而进进一步的克服喷嘴的磨损严重，输送浆料的管道的堵塞及连续送料不及时的问题。

上述方案中，还包括水箱1、高压泵2和阀门3；所述水箱1内的水通过管道被高压泵2泵入升压后进入高压水管21，高压水管21上设置有阀门3，阀门3用来控制高压水流的流动。

本发明喷嘴为中空渐缩状结构，上边大下方小，且在喷嘴上端面上开设有进口孔和斜的进料孔，高压水管下方设置高压水喷嘴，高压泵将水泵至一定压强后从高压水喷嘴内喷出后与磨料混合后由磨料喷嘴喷出到工件上，因为高压水和磨料是在喷嘴内才混合的，喷出磨料时磨料的压力要求会比在喷嘴外已经混合的压力要小，从而能够克服喷嘴的磨损严重，输送浆料的管道的堵塞及连续送料不及时的问题。

一种高压磨料水射流工艺，采用高压磨料水射流装置，设定工艺参数：喷射压力、靶距、喷头相对移动速度、磨料流量、入射角度和除锈路径间隔；其中，磨料水射流压力是指高压泵到达喷头8的压力，后混合压力过小除锈不彻底、太大则会对除磷喷头的磨耗过大，因此，磨料水射流压力为40Mpa～80Mpa；

靶距是指喷头到工件的距离，磨料高压水喷射到工件上会形成射流束，靶距太小工作面太小，则效率较低，靶距过大，射流束分散效果不佳，工件表面粗糙，因此，靶距为30mm～90mm；

喷头相对移动速度是指工件的进给速度，主要影响磨料的冲击时间，速度太慢，除磷喷头可以长时间对同一位置重复加工，不但降低工作效率，而且会造成磨料对工件表面过加工，工件表面反而变得粗糙；进给速度过快，则会造成局部未加工，因此，喷头相对移动速度为300mm/min～800mm/min；

磨料流量是指搅拌器到除磷喷头的量，磨料量太少，冲击能量小，除锈效果不好，磨料量太大冲击能量大，但是如果磨料太大，磨料颗粒之间有干涉，会使冲击速度下降，影响除锈效果，因此，磨料流量为300g/min～700g/min。

入射角度为射流曲线与被加工表面之间所夹的锐角，水射流打击到锈层表面，会产生纵向打击力和横向打击力，在这两种打击力作用的共同作用下，锈层从基体上脱落，射流入射角度不同，所产生的纵向打击力和横向打击力不同，造成除锈损伤深度和表面粗糙度不同。对于水射流剥层加工，横向打击力要求入射角度在30°～60°，纵向打击力要求入射角度为60°～90°；

除锈时，喷嘴相对靶件移动的轨迹为直线，多次往复移动后形成面，除锈路径间隔即为喷嘴每次往复运动时垂直于路径方向的偏移量，除锈路径间隔a为0.5mm～0.8mm。

上述方案中，喷头相对移动速度为800mm/min，射流压力为40MPa，入射角度为90°，靶距为90mm和磨料流量为500g/min。

上述方案中，对工件6除锈后，通过泰勒轮廓仪测量工件6表面粗糙度；螺旋测微器测量除锈损伤程度。

本发明实施例针对喷射压力、靶距、喷头相对移动速度、磨料流量和入射角度对除锈效率的影响。

实施例1

采用如下工艺参数：靶距50mm，喷头相对移动速度300mm/min，入射角度为90°，磨料流量为500g/min，除锈路径间隔a为0.5mm，磨料水射流压力为20Mpa～80Mpa。

通过对普通碳钢工件进行单次除锈，通过泰勒轮廓仪测量工件6表面粗糙度；螺旋测微器测量除锈损伤程度。

在一定条件下，射流压力小于40MPa时，有效除锈宽度都为零。随着射流压力的继续升高，有效除锈宽度增大。在起初阶段，射流压力较小时，有效宽度随射流压力增加较快；随着射流压力的不断增大，有效除锈宽度的增大速度也开始变缓；当压力超过80MPa后，有效除锈宽度基本保持不变，不再随压力的增大而增大。

泰勒轮廓仪测量工件6表面粗糙度得到除锈等级高于Sa2.5级。

采用如下工艺参数：靶距30mm～50mm，喷头相对移动速度300mm/min，入射角度为90°，磨料流量为500g/min，除锈路径间隔a为0.5mm，磨料水射流压力为40Mpa。

在一定条件下，随着靶距的变大，有效除锈宽度先增大后减小。当靶距较小时，随着靶距的增大，有效除锈宽度快速增大。这是因为随着靶距的增大，射流越来越发散，打击半径增大；并且，水射流从高压喷嘴内喷出，进入到大气环境中，由于压力突变，水的体积会膨胀，导致水射流的速度变大，造成所以有效除锈宽度增大。当靶距在30mm到50mm时，水射流进一步扩散，纵向打击面积不断增大，但是水射流在空气中的速度开始衰减，尤其是水射流边界层的速度衰减严重，导致在水射流纵向打击区域边界周围产生的压力没有达到锈层的极限压力，所以有效除锈宽度不会继续增大。当靶距继续升高时，水射流与空气作用剧烈。

泰勒轮廓仪测量工件6表面粗糙度得到除锈等级高于Sa2.5级，符合除锈要求。

实施例3

采用如下工艺参数：靶距50mm，喷头相对移动速度300mm/min，入射角度为90°，磨料流量为300g/min～700g/min，除锈路径间隔a为0.5mm，磨料水射流压力为40Mpa。

在一定条件下，随着磨料流量的变大，有效除锈宽度增大，在磨料流量为300g/min～700g/min范围内，有效除锈宽度增大趋势。

泰勒轮廓仪测量工件6表面粗糙度得到除锈等级高于Sa2.5级，符合除锈要求。

结合实施例1至实施例3，可以得出通过设置影响除锈的工艺参数，从而可以获得工件表面光滑，除锈等级高于Sa2.5级，符合除锈要求。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。