JP2006341318A

JP2006341318A - 表面加工処理方法

Info

Publication number: JP2006341318A
Application number: JP2005166308A
Authority: JP
Inventors: Eiko Kuroe; 栄光黒江; Hiromitsu Morita; 森田　　浩充; Fumiyoshi Kano; 史義加納; Noriyasu Inomata; 憲安猪俣; Yoshifumi Ito; 美文伊藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: JP4525475B2

Abstract

【課題】所望の位置に効率的に表面加工処理を行うことができる表面加工処理方法を提供すること。
【解決手段】本発明の表面加工処理方法においては、まず、第１噴出口１１と第１噴出口１１を取り囲む第２噴出口１２とを有する二層ノズル１を水中に配置する。第１噴出口１１から高速水流２１を気中へ向かって噴出すると共に、第２噴出口１２から高速水流２１よりも低速の低速水流２２を気中へ向かって噴出する。高速水流２１と高速水流２１を取り囲む低速水流２２とからなる二層水流２は、キャビテーション気泡２３を含む。二層水流２を、気中に配置した被加工体３の表面に当てる。
【選択図】図１

Description

本発明は、キャビテーション気泡を含む高圧水流を被加工体の表面に衝突させて、被加工体の表面への圧縮応力付与、バリ取り、或いは洗浄等を行う、表面加工処理方法に関する。

金属材料へ圧縮応力を付与したり、金属材料の加工部分に生じるバリを除去したり、金属材料の表面に付着した汚れを洗浄したりするにあたり、キャビテーション気泡を含む高圧水流を金属材料の表面に当てる方法がある。即ち、キャビテーション気泡が金属材料の表面において崩壊する際に局部的に生ずる大きな衝撃圧力によって、金属材料の表面に圧縮応力を与えるなどの加工を行うことができる。
そして、気中において高圧水流を金属材料に向かって噴射することにより、金属材料に圧縮応力を付与する技術が開示されている（特許文献１参照）。この技術においては、高速水流とこれを取り囲む低速水流とからなる二層水流を気中において噴射する。これにより、高速水流と低速水流との速度差によって二層水流にキャビテーション気泡を発生させている。

しかしながら、上記技術においては、金属材料に充分な圧力を付与するためには、ノズルと金属材料との距離を比較的大きくする必要がある。これは、キャビテーション気泡は、ノズルからの距離がある程度確保された位置において充分に発生するからである。
その結果、狭い空間において、金属材料の表面加工処理を行うことが困難となるおそれがある。また、上記二層水流は、ノズルから離れるに従って流れが不安定となり、所望の位置に集中して二層水流を当てることが困難となる。そのため、金属材料における必要な部分に効率的に表面加工処理を行うことが困難となるおそれがある。

特許第２９５７９７６号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、所望の位置に効率的に表面加工処理を行うことができる表面加工処理方法を提供しようとするものである。

本発明は、第１噴出口と該第１噴出口を取り囲む第２噴出口とを有する二層ノズルを水中に配置し、
上記第１噴出口から高速水流を気中へ向かって噴出すると共に、上記第２噴出口から上記高速水流よりも低速の低速水流を気中へ向かって噴出し、
上記高速水流と該高速水流を取り囲む上記低速水流とからなる二層水流は、キャビテーション気泡を含み、
上記二層水流を、気中に配置した被加工体の表面に当てることを特徴とする表面加工処理方法にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記表面加工処理方法においては、上記二層ノズルを用い、上記第１噴出口から噴出する高速水流と、上記第２噴出口から噴出する低速水流とからなる二層水流を形成する。これにより、上記高速水流と上記低速水流との間の速度差及び圧力差によりキャビテーション気泡が、上記二層水流の中に発生する。そして、このキャビテーション気泡が被加工体の表面付近において崩壊する。このとき、極めて大きな衝撃圧力が局部的に発生し、被加工体の表面に充分な大きさの圧縮応力を付与することができる。また、被加工体の表面にバリが生じていればこのバリを除去することができ、汚れが付着していればこの汚れを洗浄することができる。

そして、本発明においては、水中に配置した上記二層ノズルから二層水流を噴射する。これにより、二層水流の中にキャビテーション気泡を早い段階において発生させる、即ち二層ノズルのノズル先端に近い位置においてキャビテーション崩壊エネルギを発生させることができる。そのため、被加工体と二層ノズルとの間の距離を小さくしても、充分にキャビテーション気泡による表面加工処理を行うことができる（後述する実施例２参照）。

その結果、狭い空間において、被加工体の表面加工処理を行うことが可能となる。また、二層ノズルからの距離が近く流れの安定した二層水流を被加工体の表面に当てることができるため、所望の位置に集中して二層水流を当てることができる。そのため、被加工体における必要な部分に効率的に表面加工処理を行うことができる。

以上のごとく、本発明によれば、所望の位置に効率的に表面加工処理を行うことができる表面加工処理方法を提供することができる。

本発明（請求項１）の表面加工処理方法は、例えば、被加工体の表面に圧縮応力を付与（ピーニング）したり、被加工体の表面に生じているバリを除去したり、被加工体に付着した汚れを洗浄したりする場合等に用いる。
また、上記二層ノズルのノズル先端と水面との距離が１５ｍｍ以下となる位置に、上記二層ノズルを配置することが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記二層水流が被加工体の表面に当たる際の衝撃力を充分に確保することができ、被加工体の表面加工処理をより効率的に行うことができる。

上記ノズル先端と水面との距離が１５ｍｍを超える場合には、二層水流が被加工体の表面へ与える衝撃力の向上を図ることが困難となり、被加工体の表面加工処理の効果を向上させることが困難となるおそれがある。
また、二層ノズルと被加工体との間の距離を小さくしても高い加工処理能力を確保できるという本発明の効果を充分発揮するという観点から、ノズル先端と水面との距離は、例えば２ｍｍ以上であることが好ましい。

また、上記表面加工処理方法は、上記被加工体の表面のピーニング、バリ取り、又は洗浄を行う方法とすることができる（請求項３）。
この場合には、被加工体における所望の位置に効率的にピーニング、バリ取り、又は洗浄を行うことができる。

また、上記被加工体は、金属、樹脂、又はセラミックからなるものとすることができる（請求項４）。
この場合には、金属、樹脂、又はセラミックからなる被加工体における所望の位置に効率的に表面加工処理を施すことができる。

（実施例１）
本発明の実施例に係る表面加工処理方法につき、図１、図２を用いて説明する。
図１に示すごとく、第１噴出口１１と該第１噴出口１１を取り囲む第２噴出口１２とを有する二層ノズル１を水中に配置する。
上記第１噴出口１１から高速水流２１を気中へ向かって噴出すると共に、上記第２噴出口１２から上記高速水流２１よりも低速の低速水流２２を気中へ向かって噴出する。
上記高速水流２１と該高速水流２１を取り囲む上記低速水流２２とからなる二層水流２は、キャビテーション気泡２３を含む。
上記二層水流２を、気中に配置した金属からなる被加工体３の表面に当てる。

上記二層ノズル１は、第１噴出口１１に繋がる高圧水ノズル１３１と、第２噴出口１２に繋がる低圧水ノズル１３２とを有する。該低圧水ノズル１３２は、上記高圧水ノズル１３１を囲むように同軸状に配置されている。なお、高圧水ノズル１３１と低圧水ノズル１３２とを互いに偏心させてもよい。この場合には、キャビテーション崩壊エネルギの分布を変えることができる。

高圧水ノズル１３１は、第１噴出口１１にオリフィス１３３を設けてなる。また、オリフィス１３３の外側部分には、先端へ向かうほど縮径する第１テーパ部１３４が形成されている。
また、低圧水ノズル１３２は、上記第１テーパ部１３４の外側部分において、先端へ向かうほど縮径する第２テーパ部１３５が形成されている。
上記高圧水ノズル１３１には高圧水２１０が供給され、低圧水ノズル１３２には低圧水２２０が供給される。高圧水２１０の供給圧力は例えば１０〜５０ＭＰａであり、低圧水２２０の供給圧力は例えば０．０５〜０．１５ＭＰａである。

また、上記二層ノズル１は、水槽４１に貯留された貯留水４２の中に配置されている。そして、第１噴出口１１及び第２噴出口１２は鉛直上方を向いており、貯留水４２の中、即ち水面４２１の下方に位置している。
具体的には、二層ノズル１のノズル先端１４と水面４２１との距離ｄが１５ｍｍ以下となる位置に、二層ノズル１を配置している。

また、図２に示すごとく、二層ノズル１の高圧水ノズル１３１には高圧ポンプ５３から高圧水２１０が供給され、低圧水ノズル１３２には低圧ポンプ５４から低圧水２２０が供給される。高圧ポンプ５３及び低圧ポンプ５４は、上記水槽４１とは異なる給水槽５１に貯留された供給用水５２の中に配置されている。そして、この供給用水５２を高圧ポンプ５３及び低圧ポンプ５４によって、それぞれ高圧水２１０及び低圧水２２０として、二層ノズル１に供給している。

また、加工対象である被加工体３は、二層ノズル１の上方における気中に配置する。即ち、上記水槽４１の上方に配設された固定用治具６１に、被加工体３を固定する。固定用治具６１と二層ノズル１とは、図示を省略した加工装置のフレーム等を介して間接的に固定されている。また、被加工体３を固定した固定用治具６１の周囲には、水や金属屑の飛散を防ぐための飛散防止カバー６２が配設されている。
そして、被加工体３における所望の部分に対して適切な時間、二層水流２を当てる。また、表面加工処理を施したい部分が連続して存在する場合には、被加工体３を二層ノズル１に対して相対的に移動させながら二層水流２を当てることができる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記表面加工処理方法においては、上記二層ノズル１を用い、上記第１噴出口１１から噴出する高速水流２１と上記第２噴出口１２から噴出する低速水流２２とからなる二層水流２を形成する。これにより、上記高速水流２１と上記低速水流２２との間の速度差及び圧力差によりキャビテーション気泡２３が、上記二層水流２の中に発生する。そして、このキャビテーション気泡２３が被加工体３の表面付近において崩壊する。このとき、極めて大きな衝撃圧力が局部的に発生し、被加工体３の表面に充分な大きさの圧縮応力を付与することができる。また、被加工体３の表面にバリが生じていればこのバリを除去することができ、汚れが付着していればこの汚れを洗浄することができる。

そして、本例においては、水中に配置した上記二層ノズル１から二層水流２を噴射する。これにより、二層水流２の中にキャビテーション気泡２３を早い段階、即ち二層ノズル１のノズル先端１４に近い位置においてキャビテーション崩壊エネルギを発生させることができる。そのため、被加工体３と二層ノズル１との間の距離Ｌを小さくしても、充分にキャビテーション気泡２３による表面加工処理を行うことができる（実施例２参照）。

その結果、狭い空間において、被加工体３の表面加工処理を行うことが可能となる。また、二層ノズル１からの距離Ｌが近く流れの安定した二層水流２を被加工体３の表面に当てることができるため、所望の位置に集中して二層水流２を当てることができる。そのため、必要な部分に効率的に表面加工処理を行うことができる。

また、二層ノズル１のノズル先端１４と水面４２１との距離ｄが１５ｍｍ以下であるため、二層水流２が被加工体３の表面に衝突する際の衝撃力を充分に確保することができ、被加工体３の表面加工処理を充分に行うことができる。

以上のごとく、本例によれば、所望の位置に効率的に表面加工処理を行うことができる表面加工処理方法を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図３に示すごとく、本発明の表面加工処理方法の加工処理能力の特性を評価した例である。
本発明の表面加工処理方法としては、実施例１に示した方法を用いた。また、比較例として、実施例１と同様の二層ノズル１を気中に配置した状態で使用して、同様の表面加工処理を行った。

被加工体３としては、アルミニウム（ＡＬ１０５０）の板状体を用いた。また、高圧水２１０の圧力を３０ＭＰａ、低圧水２２０の圧力を０．０６ＭＰａとして、連続１８０秒間被加工体３に対して二層水流２を当てた。また、本発明の方法においては、ノズル先端１４と水面４２１との距離ｄは２ｍｍとした。
そして、二層ノズル１のノズル先端１４と被加工体３との間の距離Ｌを変化させたときの壊食量を測定した。この壊食量を加工処理能力として評価した。即ち、壊食量が大きいほど、キャビテーション気泡２３を含む二層水流２による加工エネルギーが高く、加工処理能力が高いといえる。

測定結果を図３に示す。図３において、●にてプロットしたものが本発明の方法を用いた場合の結果であり、◆にてプロットしたものが比較例の方法を用いた場合の結果である。
図３から分かるように、いずれの方法の場合にも、距離Ｌが小さすぎても大きすぎても壊食量が低下する。そして、ピークの壊食量としては、本発明と比較例とでは同等であるが、そのときのノズル先端１４と被加工体３との距離Ｌについては、本発明の方法を用いる場合の方が、５ｍｍ程度短くなる。

この結果から、本発明によれば、二層水流２の中にキャビテーション気泡２３を早い段階、即ち二層ノズル１のノズル先端１４に近い位置においてキャビテーション崩壊エネルギを発生させることができることがわかる。そして、比較例に比べて、被加工体３と二層ノズル１との間の距離Ｌを小さくして、キャビテーション気泡２３による表面加工処理を効率的に行うことができる。

（実施例３）
本例は、図４に示すごとく、ノズル先端１４と水面４２１との距離ｄと、表面加工処理能力との関係を調べた例である。加工処理能力の評価としては、上記実施例２と同様の方法で壊食量を測定することにより行った。
このとき、ノズル先端と被加工体との距離Ｌは３０ｍｍとした。そして、距離ｄを０〜２０ｍｍまで変化させて、壊食量の測定を行った。この測定は、各水準について３回ずつ行い、その平均をとった。
測定結果を図４に示す。
図４から分かるように、距離ｄが大きくなるほど壊食量が小さくなる、即ち表面加工処理能力が低下する。また、距離ｄが１５ｍｍ以下であれば、充分な表面加工処理能力を得ることができることが分かる。

実施例１における、表面加工処理方法を示す断面説明図。実施例１における、表面加工処理方法を示す斜視説明図。実施例２における、測定結果を示す線図。実施例３における、測定結果を示す線図。

符号の説明

１二層ノズル
１１第１噴出口
１２第２噴出口
１４ノズル先端
２二層水流
２１高速水流
２２低速水流
２３キャビテーション気泡
３被加工体
４１水槽
４２貯留水

Claims

第１噴出口と該第１噴出口を取り囲む第２噴出口とを有する二層ノズルを水中に配置し、
上記第１噴出口から高速水流を気中へ向かって噴出すると共に、上記第２噴出口から上記高速水流よりも低速の低速水流を気中へ向かって噴出し、
上記高速水流と該高速水流を取り囲む上記低速水流とからなる二層水流は、キャビテーション気泡を含み、
上記二層水流を、気中に配置した被加工体の表面に当てることを特徴とする表面加工処理方法。
請求項１において、上記二層ノズルのノズル先端と水面との距離が１５ｍｍ以下となる位置に、上記二層ノズルを配置することを特徴とする表面加工処理方法。
請求項１又は２において、上記表面加工処理方法は、上記被加工体の表面のピーニング、バリ取り、又は洗浄を行う方法であることを特徴とする表面加工処理方法。
請求項１〜３のいずれか一項において、上記被加工体は、金属、樹脂、又はセラミックからなることを特徴とする表面加工処理方法。