JP2009090443A - Surface reformer and surface reforming method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属などの被改質材の表面改質技術に係り、特に低圧の噴流を用いて一定の距離を有する被改質材に対してピーニング効果を付与する表面改質装置およびその改質方法に関する。 The present invention relates to a surface modification technique for a material to be reformed such as metal, and in particular, a surface reforming apparatus for imparting a peening effect to a material to be reformed having a certain distance using a low-pressure jet and a modification thereof. On quality methods.
従来、キャビテーション気泡を伴う水中高速噴流を施工物表面に衝突させることにより、水中物体の残留応力改善などを行うウォータジェットピーニング装置およびウォータジェットピーニング法が提案されている(特許文献1参照)。これによれば、水中高速噴流を得るためにポンプで高圧に加圧された多量の高圧水の噴流中に、キャビテーション気泡を発生させる。さらに、この高圧水をノズルから噴射し、この高圧水に含まれるキャビテーション気泡を施工物表面に衝突させ崩壊させることにより発生する衝撃波を照射し、ピーニング効果を付与するものであった。 Conventionally, there has been proposed a water jet peening apparatus and a water jet peening method for improving a residual stress of an underwater object by colliding a high-speed underwater jet accompanied by cavitation bubbles with the surface of a work (see Patent Document 1). According to this, cavitation bubbles are generated in a jet of a large amount of high-pressure water pressurized to a high pressure by a pump in order to obtain an underwater high-speed jet. Furthermore, this high pressure water was sprayed from the nozzle, and the cavitation bubble contained in this high pressure water collided with the surface of a construction object, and the shock wave generated by collapsing was irradiated, and the peening effect was provided.
また、振動板を高周波振動させることにより発生したキャビテーション気泡を発生させる表面改質方法および装置も提案されている(特許文献2参照)。これによれば、振動板に対向配置された施工物表面に対してキャビテーション気泡の崩壊により発生する衝撃波を照射することでピーニング効果を付与するものであった。
特許文献1に示すウォータジェットピーニング装置およびウォータジェットピーニング法は、高速噴流を利用してキャビテーション気泡を発生し運搬するため、噴出口から被改質材までの距離の高精度な維持の必要はなかった。しかし、水中高速噴流を得るために数十MPaの高圧水を多量に使用するため、被改質材の形状に応じて衝突する噴流の流れ方が異なり、キャビテーション気泡の発生を加工最適な一定条件に維持することが困難であった。また、複雑に変化する曲面への効果的な加工、曲面に対して均一かつ一定の深さの圧縮残留応力を付与することが困難であった。さらに、噴流の制御が難しく、穴や円筒内面などの狭隘な空間部への施工は困難であった。またさらに、高圧水を利用するため、施工面以外への過大な圧力荷重が作用するという悪影響もあった。
Since the water jet peening apparatus and the water jet peening method shown in
また、特許文献2に示す表面改質方法および装置は、高周波振動する振動板によりキャビテーション気泡を発生させるため、高圧水を必要としない点で制御性が良く有効であった。しかし、振動板から発生するキャビテーション気泡の崩壊により数百MPaもの衝撃波を発生させるためには、キャビテーション気泡の発生を高密度状態で行う必要があった。これにともない、振動板と被改質材との距離は10mm以下、望ましくは0.1mm〜数mmという微細な距離に精度良く維持する必要があった。また、振動板から10mm以上、例えば20mmや30mm程度の距離を有する被改質材に対しての施工は困難であった。
Further, the surface modification method and apparatus shown in
このため、特許文献2に示す表面改質方法および装置の特徴である被改質材に対する衝撃波の制御性を生かしつつ、特許文献1に示すウォータジェットピーニング装置およびウォータジェットピーニング法の特徴である噴流を用いてキャビテーション気泡を被改質材まで運搬できる能力を備えたピーニング技術が求められていた。
For this reason, the jet which is the characteristic of the water jet peening apparatus and the water jet peening method disclosed in
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、低圧の噴流を用いて一定の距離を有する被改質材に対してピーニング効果を付与する表面改質装置およびその改質方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a surface reforming apparatus and a method for reforming the same that give a peening effect to a material to be reformed having a certain distance using a low-pressure jet. The purpose is to do.
本発明に係る表面改質装置は、上述した課題を解決するために、高周波振動を発生させる高周波振動発生手段と、前記高周波振動発生手段に連結され高周波振動を行う高周波振動手段と、被改質材の施工面と前記高周波振動手段の先端部とを対向する位置に間隙を設けて支持する支持手段と、前記高周波振動手段の少なくとも先端部の外表面に保持された噴流生成手段と、前記噴流生成手段に、圧力水を供給する圧力水供給手段と、少なくとも前記噴流生成手段の先端部と前記被改質材との間隙に液体を介在させる液体保持手段とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a surface modification apparatus according to the present invention includes a high-frequency vibration generating unit that generates high-frequency vibrations, a high-frequency vibration unit that is connected to the high-frequency vibration generating unit, and that performs high-frequency vibrations; A support means for supporting the construction surface of the material and the tip portion of the high-frequency vibration means with a gap therebetween, a jet generating means held on at least the outer surface of the high-frequency vibration means, and the jet flow The generating means includes pressure water supplying means for supplying pressure water, and liquid holding means for interposing liquid in at least a gap between the tip of the jet generating means and the material to be reformed.
また、本発明に係る表面改質方法は、上述した課題を解決するために、高周波振動を発生させる高周波振動発生工程と、前記高周波振動発生工程で発生した前記高周波振動により、キャビテーション気泡を発生させる工程と、前記キャビテーション気泡を発生させる工程で発生したキャビテーション気泡に、圧力水を供給し、混合する混合工程と、前記混合工程において前記キャビテーション気泡と混合された前記圧力水を被改質材の施工面に噴出し、前記キャビテーション気泡を崩壊させることにより衝撃波を発生させ、ピーニング効果を付与する工程とを含むことを特徴とする。 In addition, in order to solve the above-described problems, the surface modification method according to the present invention generates cavitation bubbles by a high-frequency vibration generation step that generates high-frequency vibration and the high-frequency vibration generated in the high-frequency vibration generation step. And a mixing step of supplying and mixing pressure water to the cavitation bubbles generated in the step of generating the cavitation bubbles, and a construction of the material to be modified using the pressure water mixed with the cavitation bubbles in the mixing step. And a step of generating a shock wave by applying a peening effect by ejecting to the surface and collapsing the cavitation bubbles.
本発明に係る表面改質装置およびその改質方法は、低圧の噴流を用いて一定の距離を有する被改質材に対してピーニング効果を付与することができる。 The surface modification apparatus and the modification method according to the present invention can impart a peening effect to a material to be modified having a certain distance using a low-pressure jet.
本発明に係る表面改質装置およびその改質方法の実施形態を添付図面に基づいて説明する。 Embodiments of a surface modification apparatus and a modification method thereof according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[第1の実施形態]
この表面改質装置は、金属などの被改質材の表面にキャビテーション気泡の崩壊により発生する衝撃波を照射し、ピーニング効果を付与するものであって、これにより被改質材の表面改質を行い疲労強度を向上させるものである。
[First Embodiment]
This surface modification device irradiates the surface of a material to be reformed such as metal with a shock wave generated by the collapse of cavitation bubbles, and imparts a peening effect. To improve fatigue strength.
なお、ピーニング効果は、被改質材の表面に圧縮応力を付与することで、表面の疲労強度や耐磨耗性、耐応力腐食特性などを向上させる効果とする。 The peening effect is an effect of improving surface fatigue strength, wear resistance, stress corrosion resistance, and the like by applying compressive stress to the surface of the material to be modified.
図1は、本実施形態における表面改質装置の一例を示す構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram illustrating an example of a surface modification apparatus according to the present embodiment.
図1における表面改質装置1の主な構成は、高周波振動発生手段としての高周波電源装置2、および振動部としての圧電素子2a、高周波振動手段としてのホーン2e、噴流生成手段としてのノズルホルダ5、ノズルホルダ5の噴出口5bおよび被改質材9を清水11aで浸漬させる水槽11などからなる。また、圧力水供給手段であって、ノズルホルダ5に設けられた清水供給口5cからノズルホルダ5に圧力水である清水7aを供給する供給ポンプ6、および清水7aを貯留する水槽7などからなる。
The main structure of the
高周波電源装置2は、ケーブル2dで接続された圧電素子2aに高周波の交番電流を供給する。圧電素子2aは、超磁歪材料または圧電型セラミック材料により構成され、高周波電源装置2から供給された高周波電流により高周波振動を発生させる。圧電素子2aは、締結体2bで軸2cに固定される。
The high frequency
ホーン2eは、取付フランジ2hによって軸2cと固定されており、圧電素子2aの振動が伝達されることにより、被改質材9の施工面9aと垂直である縦方向(y軸方向)に振動するようになっている。ホーン2eは、高周波振動を行うことによりホーン先端部2fにキャビテーション気泡8aを発生させる。また、ホーン先端部2fは、キャビテーション気泡8aによる壊食を防止するため、超硬合金またはセラミックスなどの高硬度材料で構成される。
The
ここで、高周波振動の振動数は、例えば500Hz以上であり、好ましくは超音波領域である20kHz〜80kHzである。 Here, the frequency of the high-frequency vibration is, for example, 500 Hz or more, and preferably 20 kHz to 80 kHz which is an ultrasonic region.
取付フランジ2hは、軸2cにおけるノーダルポイント(軸振動の節)に設けられる。また、取付フランジ2hはボルト3aによって取付アーム3と接続され、静止部4に固定される。また、これらは被改質材9の施工面9aとホーン先端部2fとを対向する位置に間隙を設けるように構成され、支持手段として機能する。
The
ノズルホルダ5は、ホーン2eの周囲を覆うように設置されており、ホーン先端部2fから発生するキャビテーション気泡8aを含んだキャビテーション噴流8を発生させる機能を有する。ノズルホルダ5は、ホーン2eの外表面に保持され、本実施形態ではホーン2eと非接触状態で構成される。
The
ノズルホルダ5の上端には、ホーン2eとの微小な隙間であるシール部5aが設けられている。ノズルホルダ5の下端には噴出口5bが設けられており、この噴出口5bから被改質材9に向けて噴流8dが噴出される。また、ノズルホルダ5内部であって、ホーン先端部2fの下部に構成された空間部5dから噴出口5bにかけては、スロート状の形状を有しており噴流8dを効果的に発生させることができる。
At the upper end of the
ノズルホルダ5には、圧力水供給手段が設けられる。この圧力水供給手段は、圧力水としての清水7aを貯留する水槽7、水槽7から清水7aを昇圧し供給パイプ6aを通り、清水供給口5cからノズルホルダ5に圧力水としての清水7aを供給する供給ポンプ6から構成される。
The
供給ポンプ6によって昇圧され、清水供給口5cからノズルホルダ5に供給される圧力水としての清水7aは、1〜数十kgf/cm2程度の低圧水である。従来のウォータジェットピーニング方法では、高圧水を用いて高圧噴流を発生させていたため、多量の清水が必要であったのに対し、本実施形態における表面改質装置においては、低圧水を使用するため清水量を低減することができる点で有効である。
The
ノズルホルダ5には、ホーン先端部2fから発生したキャビテーション気泡8aが定常的に存在する範囲により形成される、キャビテーション発生部12が存在する。このキャビテーション発生部12では、ホーン先端部2fから発生したキャビテーション気泡8aと、供給ポンプ6により低圧水として供給された清水7aが混合、撹拌された状態となっている。また、ホーン先端部2fではキャビテーション気泡8aの発生と共に、ホーン2eの高周波振動により圧力波が発生する。混合、撹拌されたキャビテーション気泡8aおよび清水7aは、この圧力波の影響を受けることでキャビテーション噴流8となり、低圧状態でノズルホルダ5の噴出口5bから被改質材9の施工面9aに噴出されるようになっている。
The
液体保持手段としての水槽11は、ノズルホルダ5の噴出口5bの下部に設けられる。水槽11には清水11aが貯留され、水槽11の例えば底部に設置された被改質材9とノズルホルダ5との間隙に流体を介在させるようになっている。
The
次に、表面改質装置1の作用について説明する。
Next, the operation of the
図2は、表面改質装置1におけるノズルホルダ5の噴出口5bから噴出された噴流8dが被改質材9の施工面9aに作用する際の拡大図である。被改質材9である施工面9aは、水槽11に貯留された清水9中に浸漬され、固定されている。
FIG. 2 is an enlarged view when the
図2における噴流8dは、キャビテーション発生部12において発生したキャビテーション噴流8がノズルホルダ5の噴出口から噴出されることで発生する。この噴流8dは、低圧水としての清水7aと多量のキャビテーション気泡8aとが混合、撹拌された状態で噴出され、施工面9aに衝突する。施工面9aに衝突すると、噴流8dに含まれたキャビテーション気泡8aは衝撃により崩壊し、この崩壊により衝撃波を瞬間的に発生させ、施工面9aにピーニング効果を付与する。
The
図3は、表面改質装置1における施工面9a上で作用するピーニング効果を説明した図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a peening effect that acts on the
キャビテーション気泡8aを多量に含んだ噴流8dが施工面9aに衝突すると、キャビテーション気泡8aは、周囲の圧力作用により施工面9aにて崩壊し崩壊泡8bとして破裂する。この崩壊泡8bは、崩壊泡8bの周囲に向かって数百MPaの大きな衝撃波8cを瞬間的に発生させる。施工面9aの近傍にあるキャビテーション気泡8aが崩壊する時には、これらの衝撃波8cの一部が施工面9aに直接作用しキャビテーション効果を付与する。
When the
一つのキャビテーション気泡8aで発生する衝撃波8cの発生時間は、数μ秒と非常に短い時間であるが、高密度状態である多量のキャビテーション気泡8aを連続して崩壊させることにより、施工面9aに連続して衝撃波8cを作用させることが可能となる。
The generation time of the
このようにキャビテーション気泡8aの崩壊によって発生したこのような衝撃波8aを、施工面9aに作用させることにより、施工面9aを硬化させると共に被改質材9表面に圧縮残留応力を付与し、また被改質材9の疲労強度、耐磨耗性、耐応力腐食特性などを向上させことができる。
The
この表面改質装置および表面改質方法によれば、ノズルホルダ5を設けて噴流8dを発生させることにより、従来のように制御性に欠けていた高圧噴流を用いることなく、平坦な施工面はもちろん複雑な施工物に対しても低圧噴流によってキャビテーション気泡8aを運搬し、ピーニング効果を付与することができる。
According to this surface modification apparatus and surface modification method, the flat work surface can be obtained without using a high-pressure jet that lacks controllability as in the prior art by providing the
また、低圧噴流を施工面9aに照射するため、従来のように高速の流れが発生せず、複雑な施工面に対しても噴流の照射が可能となり、高圧噴流の2次流れによる被改質材以外の構造物への過大な圧力加重などの悪影響を及ぼすことがない。
In addition, since the low-pressure jet is irradiated onto the
さらに、噴流8dを利用して被改質材9の施工面9aまでキャビテーション気泡8aを運搬し崩壊させるため、特許文献2に示した表面改質方法および装置のように、ノズルホルダ5と施工面9aとの距離は微小な隙間を精度良く維持する必要がない。このため、この距離が多少変化してもピーニング効果には大きな影響を与えることはなく、一定距離、例えば20mm〜30mm程度の距離を有するものであってもピーニング効果を付与できる点で有効である。
Further, in order to convey and collapse the cavitation bubbles 8a to the
[第2の実施形態]
第2実施形態では、表面改質装置から発生する噴流に含まれるキャビテーション気泡をさらに多量に存在させることで、被改質材に対しさらに高密度な衝撃波の照射が可能な表面改質装置およびその改質方法について説明する。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, a surface modifying device capable of irradiating a material to be reformed with a higher density of shock waves by causing a larger amount of cavitation bubbles contained in a jet generated from the surface modifying device to exist, and its The reforming method will be described.
図4は、第2実施形態における表面改質装置1の構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram of the
なお、第1実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 In addition, about the structure and part corresponding to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図4における表面改質装置1には、図1に示す第1実施形態における表面改質装置1の構成に加え、圧力水供給手段に空気混合手段が設けられる。具体的には、圧力供給手段である供給ポンプ6や水槽7などに、さらに空気混合装置10、吸気管10aが設けられる。
In addition to the configuration of the
空気混合装置10は、吸気管10aから吸気された空気と、水槽7から供給ポンプ6によって昇圧された清水7aを混合するために設けられる。空気混合装置10にて空気と一次混合された清水7aは、気液二相流を生成し、清水供給口5cからノズルホルダ5に供給される。
The
ノズルホルダ5に供給された気液二相流の状態である圧力水としての清水7aは、キャビテーション発生部12にてさらに微細なキャビテーション気泡8aとして生成される。このため、キャビテーション噴流8中にはより多量のキャビテーション気泡8aが含まれることになる。この結果、被改質材9の施工面9aに作用する噴流8d中にも多量のキャビテーション気泡8aを含ませることができ、この多量のキャビテーション気泡8aの崩壊により高密度状態の衝撃波8cを施工面9aに照射させることが可能となる。
表面改質装置1の作用については、第1実施形態と同様であるため、説明は省略する。
Since the operation of the
この表面改質装置およびその改質方法によれば、第1実施形態で生じた効果に加え、圧力水供給手段に空気混合手段を設けたことにより、さらに多量のキャビテーション気泡8aを発生させることができ、高密度状態の衝撃波を施工面に照射させることができる。これにより、被改質材に対してより効果的にピーニング効果を作用させることができ、被改質材の表面の疲労強度や耐磨耗性、耐応力腐食特性などをより向上させることができる。
According to this surface reforming apparatus and its reforming method, in addition to the effects produced in the first embodiment, a larger amount of
1 表面改質装置
2 高周波電源装置
2a 圧電素子
2c 軸
2e ホーン
2f ホーン先端部
3 取付アーム
3a ボルト
4 静止部
5 ノズルホルダ
5a シール部
5b 噴出口
5c 清水供給口
6 供給ポンプ
7 水槽
7a 清水
8 キャビテーション噴流
8a キャビテーション気泡
8b 崩壊泡
8c 衝撃波
8d 噴流
9 被改質材
9a 施工面
10 空気混合装置
10a 吸気管
11 水槽
11a 清水
12 キャビテーション発生部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記高周波振動発生手段に連結され高周波振動を行う高周波振動手段と、
被改質材の施工面と前記高周波振動手段の先端部とを対向する位置に間隙を設けて支持する支持手段と、
前記高周波振動手段の少なくとも先端部の外表面に保持された噴流生成手段と、
前記噴流生成手段に、圧力水を供給する圧力水供給手段と、
少なくとも前記噴流生成手段の先端部と前記被改質材との間隙に液体を介在させる液体保持手段とを備えたことを特徴とする表面改質装置。 High-frequency vibration generating means for generating high-frequency vibration;
High-frequency vibration means coupled to the high-frequency vibration generating means for performing high-frequency vibration;
A supporting means for supporting the construction surface of the material to be modified and the tip of the high-frequency vibration means by providing a gap at a position facing each other;
Jet generation means held on the outer surface of at least the tip of the high-frequency vibration means;
Pressure water supply means for supplying pressure water to the jet flow generating means;
A surface reforming apparatus comprising: a liquid holding unit for interposing a liquid in at least a gap between the tip of the jet generating unit and the material to be reformed.
前記高周波振動発生工程で発生した前記高周波振動により、キャビテーション気泡を発生させる工程と、
前記キャビテーション気泡を発生させる工程で発生したキャビテーション気泡に、圧力水を供給し、混合する混合工程と、
前記混合工程において前記キャビテーション気泡と混合された前記圧力水を被改質材の施工面に噴出し、前記キャビテーション気泡を崩壊させることにより衝撃波を発生させ、ピーニング効果を付与する工程とを含むことを特徴とする表面改質方法。 A high-frequency vibration generating step for generating high-frequency vibration;
A step of generating cavitation bubbles by the high-frequency vibration generated in the high-frequency vibration generation step;
A mixing step of supplying pressure water to the cavitation bubbles generated in the step of generating the cavitation bubbles and mixing them;
And jetting the pressure water mixed with the cavitation bubbles in the mixing step onto a construction surface of the material to be reformed, generating a shock wave by collapsing the cavitation bubbles, and providing a peening effect. A characteristic surface modification method.
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