JP2000141299A - 噴流による硬質物の加工装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 噴流による硬質物の加工手段において、簡便
な加工手段で、シールや弁の耐久性及び加工精度と加工
速度を向上させる。 【解決手段】 第１圧力発生装置１２と、第２圧力発生
装置３０が主液路９の途中で合流し、主液路９の下流に
少なくとも１つ以上のノズル２０を有する系において、
第１圧力発生装置１２が水を主成分とする流体Ｐの圧力
発生部であり、第２圧力発生装置３０が微粉粒体を粘性
流体に支持させた混成粘性流体Ｑの圧力発生部であり、
主液路９を経てノズル２０から噴出させ、硬質物７０に
衝突した後の噴出流体Ｓの粘度が、主流路下流９ｃ内の
粘度より低下するようにしてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は噴流による硬質物
の加工装置及び加工方法に関し、特にアブレシブサスペ
ンションジェット（ＡＷＳＪ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】 ウォータージェット技術およびその応
用は、近年急速に発達・拡大し、その地位を確立しつつ
ある。機械工業の分野においても、ウォータージェト技
術の特長を生かして、部品の洗浄，ばり取り，各種材料
の切断や穿孔などに広く使用されるようになってきてい
る。また、従来の技術とは異なる新技術の開発や各種加
工への応用に関する研究も盛んに行われており、既存の
方法では困難な加工、熱変形，熱変質が問題となる物質
例えば皮や軟質シートの曲線切断、あるいはガラス，複
合材料，セラミックス，難削材料など加工が困難な材料
の加工へのウォータージェット技術の利用が期待されて
いる。

【０００３】研磨材を含む高速の水噴流をアブレシブジ
ェットといい、金属，岩石，コンクリートなどの硬質材
料の切断や穿孔に用いられている。特に、研磨材を水に
混入してスラリーとし、それを直接加圧することによっ
て噴出させるアブレシブサスペンションジェット（ＡＷ
ＳＪ）は、研磨材をノズル出口部で高速の水噴流に混入
する従来型アブレシブインジェクションジェット（ＡＷ
ＩＪ）と比較して優れた加工能力を有している。アブレ
シブサスペンションジェットを形成する方法としては大
別して３つの方法がある。直接ポンポング方式は研磨材
を含む液体を特殊なポンプで直接加圧する方式であり、
本件発明者が知る限りでは実験室レベルでの装置試作が
伝えられるのみである。本方法では研磨材を含む高圧ス
ラリ−用シール及び弁が問題となる。間接加圧方式は、
研磨材を含む液体をピストンを介して水圧で加圧するこ
とで、高圧スラリー用シール及び弁に伴う問題を回避で
きない。バイパス方式は、あらかじめ研磨材を充填した
圧力容器底部に向かって高圧ポンプで加圧した清水を噴
出させ研磨材を攪拌、スラリーを生成するもので、アブ
レシブジェットは生成されたスラリーをノズルから噴出
することによって形成する。これまで報告されている本
方法によるシステムのほとんどがバッチシステムであ
り、連続稼動を実現するためには高圧のスラリー用シー
ル及び弁が必要である。

【０００４】またＡＷＳＪ加工方法においては、研磨材
を水に混入したスラリーを圧力容器に入れて加圧、ある
いは直接ポンプで加圧する方法があるが、研磨材が水と
同程度の速度を獲得すること、及び高濃度の研磨材を含
むアブレシブジェットを形成することが可能となること
から、比較的低圧でも大きな加工能力を持つ噴流を形成
することができる。

【０００５】しかしながら、このような工法ではシール
や弁の開発が不可否で連続使用する事ができなかった
し、加工精度が低く、加工速度が遅いという欠点があっ
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】 本発明の課題は、上
述した問題点、欠点を改善して、簡便な装置と工法で、
シールや弁の耐久性及び加工精度と加工速度を向上させ
ることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】 本発明の第１の解決手
段は、第１圧力発生装置１２と、第２の圧力発生装置３
０が主液路９の途中で合流し、主液路９の下流に少なく
とも１つ以上のノズル２０を有する系において、第１圧
力発生装置１２が水を主成分とする流体Ｐの圧力発生部
であり、第２圧力発生装置３０が微粉粒体を粘性流体に
支持させた混成粘性流体Ｑの圧力発生部であり、主液路
９を経てノズル２０から噴出させ、硬質物７０に衝突し
た後の噴出流体Ｓの粘度が、主流路下流９ｃ内の粘度よ
り低下するようになしたことを特徴とする噴流による硬
物質の加工装置である。

【０００８】特に主流路下流９ｂ，９ｃに温度制御装置
２５又は２５ａを付加したことを特徴とする。

【０００９】本発明の第２の解決手段は、水を主成分と
する流体Ｐに第１の圧力が印加され、混成粘性流体Ｑに
第２の圧力が印加され、流体Ｐ，Ｑを混合して主液路９
からノズル２０へ噴出させて、硬質物７０へ衝突させて
加工を行い、硬質物７０へ衝突した後の噴出流体Ｓの粘
度が、主流路下流９ｃよりも低下するようになすことを
特徴とする噴流による硬質物の加工方法である。

【００１０】特に主液路９内の噴出流体Ｓの温度を所定
範囲内に入れることを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】 本発明の実施の形態の噴流によ
る硬質物の加工装置及び加工方法を示す図１を参照する
と、主タンク１０に取入路１１を介して第１圧力発生装
置１２の入側が接続されている。略４９Ｍｐａを発生す
る第１圧力発生装置１２の出側には主液路９が接続され
ており、主液路９の先端には、ノズル２０が取付けられ
ている。

【００１２】主シリンダー３１内に主ピストン３２・シ
ール部３２ａを摺動自在に密嵌した第２圧力発生装置３
０のピストンロッド３３は副シリンダー４０中の副ピス
トン４１に連結されている。

【００１３】副ピストン４１を上昇することによって副
タンク５０から第３逆止弁５２を介してシリンダー室３
４に混成粘性流体Ｑを供給するようになっており、また
シリンダー室３４は第４逆止弁３５付通管３６を介して
主液路９の途中に接続されている。

【００１４】第１圧力発生装置１２と通管３６との間に
位置する主液路９ａから出た第１逆止弁６１付通路６０
は、主シリンダー３１の背圧室３７に接続されており、
主シリンダー３１の背圧室３７には副ピストン４１を上
昇させた時に背圧室３７の水を主成分とする流体Ｐを吐
出する為の第２逆止弁３８が取付けてある。

【００１５】主管９６とノズル２０との間には加温・冷
却可能な温度制御装置２５，２５ａが取付けられている
ことが好ましい。

【００１６】第１圧力発生装置１２内には、水を主成分
とする流体Ｐが、略４９Ｍｐａの高圧で貯えられてい
る。水を主成分とする流体Ｐからなる。水溶性樹脂は、
水に可溶な樹脂のことであり、分子中に−ＣＯＮＨ_２，
−ＣＯＯＨ，−ＯＨ基などを持つ線状高分子で、ポリア
クリルアミド，ポリアクリル酸，ポリイタコン酸，ポリ
ビニルアルコール，ポリエチレンオキシド，ポリビニル
ピロリドン，ポリビニルメチルエーテル等がある。

【００１７】混成粘性流体Ｑは、水と水溶性樹脂と砥粒
とからなる。

【００１８】第１圧力発生装置１２により、上述した高
圧の水を主成分とする流体Ｐとなり、主流路上流９ａか
ら主流路中流に向け放出される。この間に、第１逆止弁
６１を介在した通路６０があり、背圧室内３７に流体Ｐ
が同様な高圧で導入される。

【００１９】副タンク５０内の混成粘性流体Ｑは、副ピ
ストン４１を上昇する事によって、第３逆止弁５２を介
して、シリンダー室３４内に導入される。この際の混成
粘性流体Ｑに加えられる全圧縮力は、通路６０からの加
圧力に加算される形で、副シリンダー４０内の副ピスト
ン４１の加圧力が加わる。これにより、水を主成分とす
る流体Ｐと混成粘性流体Ｑとに、いずれも必要な圧力が
印加されて、主流路中流９ｂにて第４逆止弁３５を有す
る通管３６からの混成粘性流体Ｑと主液路９の水を主成
分とする流体Ｐとが混合され主流路の下流９ｃに向か
い、所定の断面形状のノズル２０から、噴出流体Ｓを噴
出し、収束した状態で、金属や石，セラミック等の硬質
物７０へ向かって放出される。

【００２０】ノズル２０は１個の場合もあるが、複数の
場合もある。第１圧力発生装置１２は水を主成分とする
流体Ｐの圧力発生部であり、第２圧力発生装置３０は混
在粘性流体Ｑの圧力発生部である。

【００２１】主流路下流９ｃに、温度制御装置２５，２
５ａを付加して、噴出流体Ｓの温度を一定以上に保持す
ることが、加工上、粘性上、噴出流体Ｓの収束上好まし
い。

【００２２】背圧室３７内には流体Ｐを導入し、主ピス
トン３２の上下の力のバランスを保つ。ここで、副ピス
トン４１を所定の速さで下方に動かせばシリンダー室３
４の混成粘性流体Ｑは通管３６を介して主液路９に押出
され、水を主成分とする流体Ｐと混合される。

【００２３】第３逆止弁，第４逆止弁を通過する流体は
混成粘性流体Ｑであり、金属とスラリーが直接接触し難
く、又粘性を有する為、清水中のスラリーと異なり、金
属に傷をつける事がない。

【００２４】ノズル２０から噴出している状態では背圧
室３７とシリンダー室３４は等圧となり、主ピストン３
２のシール部３２ａをＯ−リング等の簡便な手法で構成
する事ができる。

【００２５】第１，第２圧力発生装置１２，３０を停止
させたとき、シリンダー室３４内には圧力が加わってい
ない。この状態で主ピストン３２を上昇させると副タン
ク５２内の混成粘性流体Ｑが第３逆止弁５２内を介して
シリンダー室３４内に吸込まれる

【００２６】上述した実施の形態において、噴出流体Ｓ
が加工される硬質物７０に衝突した後は、主流路下流９
ｃ内の粘度の８０％以下に低下することも観測され、好
ましい例である。

【００２７】

【実施例】 本評価試験で用いたアブレシブ・サスペン
ション・ジェットシステムは、本件発明者が開発したも
ので、研磨材を懸濁させたポリマー水溶液を水圧および
油圧によって主高圧水回路に押出し、アブレシブ・サス
ペンションジェットを形成する。本装置では高圧スラリ
ー用シール及び弁に伴う問題が軽減されており、連続稼
動アブレシブ・サスペンション・ジェットシステムとし
て有望である。

【００２８】以下では開発したアブレシブ・サスペンシ
ョン・ジェットシステムの総合評価実験について述べ
る。実験を行った項目は、研磨材濃度測定，噴流流動構
造観察，ステンレス鋼製試験片を用いた穿孔特性であ
る。

【００２９】穿孔実験では、噴流を下方に噴射し、試験
片取付け台に固定された試験片７０に垂直に衝突させ
る。ノズル２０取付け部はステンレス鋼製であり、取付
け部をスライドさせることによって、スタンドオフ距離
（ノズル２０出口と試験片７０表面までの距離）を最長
２００mmまでの範囲で設定することができる。噴射圧力
はノズル２０入口の上流約３３０mmの位置に取付けた圧
力変換器によって測定する。噴流中の研磨材濃度は、補
足用ステンレス鋼管から排出されたスラリーを採取し、
その体積と質量を測定することによって算出する。

【００３０】ノズル２０を図２に示す。頂角３６゜の円
錐状収縮部をもち、フォーカス部（断面積一定の円筒状
部分）は直径１．０mm、フォーカス部長さと直径の比は
３．８である。収縮部出口およびフォーカス部は焼結ダ
イヤモンド製で、耐摩耗性に優れている。研磨材は昭和
電工製モランダムＡ４０＃２２０である。試験片は直径
３２mm、高さ３０mmの円筒状で、ステンレス鋼製（ＪＩ
ＳＳＵＳ３０４）である。

【００３１】研磨材濃度測定実験；研磨材濃度は、ステ
ンレス鋼製管中にアブレシブサスペンションジェットを
噴出させ、排出されたスラリーの体積および質量を計測
することによって算出した。図３に研磨材濃度と噴射時
間の関係を示す。図中の白丸は５ｓ間、黒丸は３０ｓ間
スラリーを採取した場合である。約５ｗｔ％濃度のアブ
レシブサスペンションジェットが形成されていることが
わかる。

【００３２】噴流の流動構造観；噴射圧力は４０ＭＰａ
で、清水，ポリマー水溶液（研磨材を懸濁させないポリ
マーのみを高圧水回路に押出して形成），アブレシブサ
スペンション（研磨材を懸濁させたポリマーを高圧水回
路に押出して形成）を噴射した場合である。清水の噴流
の場合、写真の範囲では噴流中心の連続的コアは保持さ
れているものの、ノズル２０噴出直後から気液界面には
微細な液滴が発生し、微細な液滴を含む領域の直径は下
流側ほど増大している。ポリマー水溶液噴流では気液界
面における微細な液滴の発生はほとんど認められず滑ら
かな気液界面が保たれており、液柱状の噴流直径もノズ
ル２０からの距離による変化がほとんどない。アブレシ
ブサスペンションジェットはポリマー水溶液噴流と同様
な様相を呈しており、噴流直径はポリマー水溶液噴流よ
りも小さい傾向が認められる。

【００３３】固液２相流において微細な固体粒子が液相
の乱れを制御するためであると考えられているが、本実
験のように研磨材にさらにポリマーが添加されている場
合、研磨材による乱れ抑制効果にポリマーによる乱れ抑
制効果が加わり、非常に収束性の高い噴流が形成される
といえる。

【００３４】穿孔特性；穿孔性能に及ぼすスタンドオフ
距離の影響について；図４，図５，図６に噴射圧力４０
ＭＰａの場合について、スタンドオフ距離が壊食質量，
壊食ピット深さ，および壊食ピット等価直径に及ぼす影
響をそれぞれ示す。噴射時間は６０ｓである。ここで、
壊食ピット等価直径Ｄ_ｅは次式で定義する。 Ｄ_ｅ＝（４Ｍ／（πρＨ））^１／２ ・・・・・・（１）式 Ｍは壊食質量、Ｈは壊食ピット深さ、ρは試験片材料の
密度である。壊食質量、壊食ピット深さはＸ／ｄ＝１０
０（Ｘはスタンドオフ距離、ｄはノズル直径）で最大と
なり、等価直径は最小となる。分裂せず液柱状噴流が形
成されているので、ノズルから噴出した後の噴流中でも
研磨材粒子が加速されるものと考えられる。一般にＡＷ
ＩＪの穿孔性能はノズル直下流で最大となる。収束した
液柱状の固液２相噴流が形成されつＡＷＳＪは、切りし
ろが小さく、スタンドオフ距離が増加しても切りしろが
あまり変化しないという特性を有し、切断・穿孔作業に
適したアブレシブジェットであるといえる。

【００３５】穿孔特性に及ぼす噴射圧力の影響につい
て；図７，図８，図９に噴流を６０ｓ間衝突させた場合
の、壊食質量，壊食ピット深さ，および壊食ピット等価
直径に及ぼす噴射圧力の影響を示す。スタンドオフ距離
はＸ／ｄ＝１００である。壊食質量および壊食ピット深
さは噴射圧力とともに一時的に増加しており、本ＡＷＳ
Ｊの穿孔性能は噴射圧力が大きいほど向上するといえ
る。ノズル直径，研磨材の種類・粒度・供給量が異なる
ので単純な比較を行うことには疑問が残るが、噴射圧力
４０ＭＰａの場合における本ＡＷＳＪの穿孔性能は、噴
射圧力１００ＭＰａのＡＷＩＪ（アブレシブインジョク
ションジェット）のそれを凌駕している。また、図５に
示したように加工に有効なスタンドオフ距離範囲も広
い。ＡＷＳＪは従来型アブレシブジェットよりも優れた
加工能力を有することが分かる。

【００３６】穿孔特性に及ぼす液温の影響について；こ
れまでの穿孔実験は、液温３０．４±で行ってきた。液
温を変化させた場合、穿孔特性はどのように変化するか
を図１０，図１１，図１２に示す。それぞれ、壊食質
量，壊食ピット深さおよび壊食ピット等価直径と液温の
関係であり、噴射時間は６０ｓ、スタンドオフ距離はＸ
／ｄ＝１００である。壊食質量および壊食ピット深さは
３５〜４５℃で最大となる。壊食ピット等価直径は液温
によってほとんど変化しない。壊食ピット等価直径が液
温によって変化していないことは、液温が噴流の流動構
造に影響を及ぼしていないことを示している。（噴流が
分裂すると等価直径は急増する）。ところで、液体の粘
度を増加させることは、ＡＷＳＪシステムにおける研磨
材粒子加速について相反する影響を及ぼすものと考えら
れる。すなわち、粘度増加によって固体粒子の液相に対
する追従性は向上するが、管路およびノズル内の摩擦抵
抗の増大により液相の速度は減少する。ポリマー水溶液
の粘度は液温が増加とともに減少する。本実験で用いた
ポリマーの場合（種類，濃度）、前述の温度範囲が最適
であったものと考えられる。

【００３７】主要な結論を以下に示す。 （１）研磨材濃度約５〜９ｗｔ％のＡＷＳＪを形成する
ことができる。 （２）実験を行った噴射圧力範囲では収束した固液２相
噴流（ＡＷＳＪ）を形成することができる。 （３）本システムで形成されたＡＷＳＪの穿孔能力は、
ＡＷＩＪのそれと比較してはるかに高く、加工に有効な
スタンドオフ距離範囲も広い。 （４）実験を行った噴射圧力範囲では、噴射圧力が高い
ほど穿孔能力は向上する。 （５）本システムにおける最適液温範囲は、３５〜４５
℃である。

【００３８】

【発明の効果】 本発明によれば、水を主成分とする流
体Ｐと混成粘性流体Ｑとを略４９Ｍｐａの高圧で噴出流
体Ｓを硬質物７０に衝突させることにより、ノズル２０
の吐出後に、噴出流体Ｓが飛散せず、収束性が大幅に改
善される。

【００３９】上述したウォータージェット工法用添加剤
を添加することにより、切断などの加工精度が大幅に向
上すると共に、加工能力も向上するため、ノズル移動速
度を従来の２倍以上とすることが可能となる。また加工
対象物とノズルとの距離を十分大きく確保できるので、
作業が容易となる。用途としては、鉄筋コンクリート構
造物の切断や補修工事や、建造物等の外壁面等の表面処
理，各種ボードの切断，非結晶金属の加工熱劣化や熱変
質等が挙げられる。

【００４０】尚、粘度は雰囲気温度変化により±２０％
程度相違するので、一定温度で使用することが好まし
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態を示す配置図である。

【図２】 本発明の実施例のノズルを示す断面図であ
る。

【図３】 本発明の実施例の研磨材濃度と噴射時間との
関係を示す特性図である。

【図４】 本発明の実施例の壊食質量とスタンドオフ距
離との関係を示す特性図である。

【図５】 本発明の実施例の壊食ピット深さとスタンド
オフ距離との関係を示す特性図である。

【図６】 本発明の実施例の壊食ピット等価直径とスタ
ンドオフ距離との関係を示す特性図である。

【図７】 本発明の実施例の壊食ピット等価直径と噴射
圧力との関係を示す特性図である。

【図８】 本発明の実施例の壊食質量と噴射圧力との関
係を示す特性図である。

【図９】 本発明の実施例の壊食ピット深さと噴射圧力
との関係を示す特性図である。

【図１０】 本発明の実施例の壊食質量と液温度との関
係を示す特性図である。

【図１１】 本発明の実施例の壊食ピット深さと液温度
との関係を示す特性図である。

【図１２】 本発明の実施例の壊食ピット等価直径と液
温度との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

９ 主液路 ９ａ 主流路上流 ９ｂ 主流路中流 ９ｃ 主流路下流 １０ 主タンク １１ 取入路 １２ 第１圧力発生装置 ２０ ノズル ２５ 温度制御装置 ３０ 第２圧力発生装置 ３１ 主シリンダー ３２ 主ピストン ３２ａ シール部 ３３ ピストンロッド ３４ シリンダー室 ３５ 第４逆止弁 ３６ 通管 ３７ 背圧室 ３８ 第２逆止弁 ４０ 副シリンダー ４１ 副ピストン ５０ 副タンク ５２ 第３逆止弁 ６０ 通路 ６１ 第１逆止弁 ７０ 硬質物 Ｐ 水を主成分とする流体 Ｑ 混成粘性流体 Ｓ 噴出流体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１圧力発生装置（１２）と、第２圧力
   発生装置（３０）が主液路（９）の途中で合流し、主液
   路（９）の下流に少なくとも１つ以上のノズル（２０）
   を有する系において、第１圧力発生装置（１２）が水を
   主成分とする流体（Ｐ）の圧力発生部であり、第２圧力
   発生装置（３０）が微粉粒体を粘性流体に支持させた混
   成粘性流体（Ｑ）の圧力発生部であり、主液路（９）を
   経てノズル（２０）から噴出させ、硬質物（７０）に衝
   突した後の噴出流体（Ｓ）の粘度が、主流路下流（９
   ｃ）内の粘度より低下するようになしたことを特徴とす
   る噴流による硬物質の加工装置。
2. 【請求項２】 主流路下流（９ｃ）に温度制御装置（２
   ５）を付加した請求項１記載の噴流による硬質物の加工
   装置。
3. 【請求項３】 水を主成分とする流体（Ｐ）に第１の圧
   力が印加され、混成粘性流体（Ｑ）に第２の圧力が印加
   され、流体（Ｐ，Ｑ）を混合して主液路（９）からノズ
   ル（２０）へ噴出させて、硬質物（７０）へ衝突させて
   加工を行い、硬質物（７０）へ衝突した後の噴出流体
   （Ｓ）の粘度が、主流路下流（９ｃ）よりも低下するよ
   うになすことを特徴とする噴流による硬質物の加工方
   法。
4. 【請求項４】 主液路（９）内の噴出流体（Ｓ）の温度
   を所定範囲内に入れる請求項３記載の噴流による硬質物
   の加工方法。