JP2010214477A - Surface treatment method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は表面処理方法及び表面処理装置に関し、詳しくはキャビテーションピーニングを利用して凸曲面よりなる被処理面を処理する表面処理方法及び表面処理装置に関する。 The present invention relates to a surface treatment method and a surface treatment apparatus, and more particularly to a surface treatment method and a surface treatment apparatus for treating a surface to be processed having a convex curved surface using cavitation peening.
従来、金属材料や半導体材料等の表面の強化、洗浄や残留応力の改善等を目的として、キャビテーションピーニングを利用した表面処理が行われている。また、キャビテーションピーニングの処理効率を高めるための技術として、キャビテーションをより多く発生させる噴射ノズルや、広い面積を処理するために、噴射ノズルを多数配置した技術が開示されている(例えば、特許文献1、2、3参照)。 Conventionally, surface treatment using cavitation peening has been performed for the purpose of strengthening the surface of a metal material or a semiconductor material, cleaning, improving residual stress, and the like. Moreover, as a technique for improving the processing efficiency of cavitation peening, there are disclosed a technique for ejecting nozzles that generate more cavitation and a technique for arranging a large number of ejection nozzles in order to process a large area (for example, Patent Document 1). 2, 3).
キャビテーションは、流動している水などの液体の圧力が局部的に低下して、液体の飽和蒸気圧まで圧力が減少した結果、液体が気泡になる現象である。多くの場合、水中に溶け込んでいる微細な気泡などがキャビテーション核となって、噴流の高速領域(低圧領域)でキャビテーション気泡となる。液体の圧力が低下することで発生したキャビテーション気泡は、流速の低下により液体の圧力が再び高くなれば、液体の表面張力等の影響も受けて、崩壊する。この気泡崩壊は、数マイクロ秒オーダの短時間で起こる。このため、気泡崩壊時には、数百から数千気圧にも達する衝撃圧力が発生する。 Cavitation is a phenomenon in which liquid becomes bubbles as a result of the pressure of a liquid such as flowing water being locally reduced and the pressure decreasing to the saturated vapor pressure of the liquid. In many cases, fine bubbles dissolved in water serve as cavitation nuclei and become cavitation bubbles in a high-speed region (low-pressure region) of the jet. The cavitation bubbles generated by the decrease in the pressure of the liquid will collapse due to the influence of the surface tension of the liquid and the like if the pressure of the liquid is increased again due to the decrease in the flow velocity. This bubble collapse occurs in a short time on the order of several microseconds. For this reason, an impact pressure that reaches several hundred to several thousand atmospheres is generated at the time of bubble collapse.
キャビテーションピーニングによる表面処理では、キャビテーション気泡の崩壊時に発生する衝撃圧力を利用して、被処理物の表面の強化等を行う。すなわち、図14に示すように、噴射ノズル71から噴射する液体のキャビテーション噴流(キャビテーション気泡を含む水等の液体の噴流)73を被処理物72の表面に衝突させる。被処理物72に衝突した後のキャビテーション噴流73は被処理面72aに沿って流れ、その過程でキャビテーション噴流73の流速が低下する。これにより、キャビテーション噴流73の圧力が上昇し、気泡崩壊が起こる。そして、このとき発生する衝撃圧力により被処理面72aの強化等を行う。
In the surface treatment by cavitation peening, the surface of the object to be treated is strengthened by using the impact pressure generated when the cavitation bubbles collapse. That is, as shown in FIG. 14, a liquid cavitation jet (a jet of water such as water containing cavitation bubbles) 73 ejected from the
ここで、キャビテーション噴流73の径(すなわち噴射ノズル71の噴射口の口径)に対して、被処理物72の曲率半径が大きいほど、被処理物72に衝突した後のキャビテーション噴流73の流速低下領域が長くなり、良好な処理効率を確保することが可能となる。
Here, as the radius of curvature of the
ところで、キャビテーションピーニングによる表面処理において、表面の強化等をより効率的に行うためには、被処理物の被処理面の近傍でより多くのキャビテーション気泡を崩壊させて、そのとき発生する衝撃圧力をより多く被処理面に付与することが重要となる。 By the way, in the surface treatment by cavitation peening, in order to enhance the surface more efficiently, more cavitation bubbles are collapsed in the vicinity of the treated surface of the workpiece, and the impact pressure generated at that time is reduced. It is important to apply more to the surface to be processed.
ところが、図15に示すように、被処理物82の被処理面82aが凸曲面で、しかもその曲率半径が小さい場合、被処理物82に衝突した後のキャビテーション噴流83の流速が、被処理面82aの近傍で、気泡崩壊が起こる程度まで低下しないことがある。
However, as shown in FIG. 15, when the
例えば、被処理面82aが5mm程度よりも小さい曲率半径の凸曲面である場合、被処理物82に衝突した後のキャビテーション噴流83の一部は、気泡崩壊が起こる程度まで流速を低下させることなく、被処理面82aから離れて流れ去ってしまう。そうすると、気泡崩壊が十分に起こらず、被処理面82aの強化等の処理が不十分となる。
For example, when the surface to be processed 82a is a convex curved surface having a radius of curvature smaller than about 5 mm, a part of the
なお、この場合であっても、処理時間を長くすれば、被処理面82aの十分な強化等を図れることもあるが、これでは処理効率の低下を招く。また、被処理面82aの小さな曲率半径に合わせて、噴射ノズル81の噴射口の口径を小さくすると、処理領域も小さくなり、やはり処理効率の低下を招く。
Even in this case, if the processing time is lengthened, the
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、キャビテーションピーニングを利用した表面処理において、凸曲面よりなる被処理面を処理する場合であっても、十分な気泡崩壊を発生させて、十分な表面処理効果を達成することを解決すべき技術課題とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and in the surface treatment using cavitation peening, even when a surface to be processed having a convex curved surface is processed, sufficient bubble collapse is generated and sufficient. It is a technical problem to be solved to achieve the surface treatment effect.
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき、必要に応じて作用効果等を付記しつつ説明する。 Hereinafter, each means suitable for solving the above-described problems will be described with additional effects and the like as necessary.
(1)上記課題を解決する請求項1に記載の表面処理方法は、凸曲面よりなる被処理面を有する被処理物にキャビテーション噴流を衝突させてキャビテーション気泡を崩壊させ、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力により該被処理面を処理する方法であって、噴射ノズルから噴射される前記キャビテーション噴流の噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも上流側に配置されると共に、該キャビテーション噴流を自己の表面に沿って流すことによって、該キャビテーション噴流の流れを渦流に変換する渦流発生機能を有する立体からなる渦流発生治具、及び前記噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも下流側に配置されると共に、前記キャビテーション噴流を自己の表面で堰き止めることによって、該キャビテーション噴流に含まれている渦流が下流側に流されるのを抑制する渦流堰止機能を有する立体からなる渦流堰止治具、のうちのいずれか一方又は両方を用い、前記渦流発生機能及び/又は前記渦流堰止機能によって、前記被処理物の前記被処理面の近傍に前記渦流を集めて、該渦流内の前記キャビテーション気泡を該被処理面の近傍で崩壊させることを特徴とする。
(1) In the surface treatment method according to
被処理面が凸曲面よりなる被処理物にキャビテーション噴流が衝突すると、衝突した後のキャビテーション噴流は被処理面に沿って流れる過程でその流速を低下させる。しかし、凸曲面よりなる被処理面の曲率半径が小さいと、キャビテーション噴流の一部は、気泡崩壊が起こる程度まで流速を低下させることなく、被処理面から離れて流れ去ってしまう場合がある。そうすると、十分な気泡崩壊が起こらない。 When a cavitation jet collides with a workpiece whose surface to be processed is a convex curved surface, the velocity of the cavitation jet after the collision decreases in the process of flowing along the surface to be processed. However, if the radius of curvature of the surface to be processed, which is a convex curved surface, is small, a part of the cavitation jet may flow away from the surface to be processed without reducing the flow velocity to the extent that bubble collapse occurs. Then, sufficient bubble collapse does not occur.
この点、請求項1に記載の表面処理方法では、渦流発生治具の渦流発生機能及び/又は渦流堰止治具の渦流堰止機能によって、被処理物の被処理面の近傍に渦流を集めて、渦流内のキャビテーション気泡を被処理面の近傍で崩壊させることが可能である。
In this regard, in the surface treatment method according to
渦流は液体の流速が速いため渦流内の圧力は低い状態となる。この圧力が液体の飽和蒸気圧まで低下することによって渦流内にキャビテーション気泡が発生する。渦流の流速は時間の経過とともに低下し、渦流が減衰するのにしたがって渦流内の圧力が高まるためキャビテーション気泡が崩壊する。 Since the flow speed of the vortex is high, the pressure in the vortex is low. As this pressure drops to the saturated vapor pressure of the liquid, cavitation bubbles are generated in the vortex. The vortex flow velocity decreases with time, and as the vortex flow attenuates, the pressure in the vortex increases and the cavitation bubbles collapse.
なお、渦流内のキャビテーション気泡には、渦流が形成される以前からキャビテーション噴流中に存在していた気泡、渦流の形成による圧力低下にともなってこの気泡の径が更に大きくなった気泡、及び渦流の形成にともなって新たに発生した気泡のいずれもが含まれる。 The cavitation bubbles in the vortex flow include bubbles that existed in the cavitation jet before the formation of the vortex flow, bubbles that have become larger in diameter due to pressure drop due to the formation of the vortex flow, and vortex flow. Any bubbles newly generated as a result of formation are included.
したがって、請求項1に記載の表面処理方法によると、被処理面が凸曲面よりなり、しかもその曲率半径が小さい場合であっても、被処理面の近傍で十分な気泡崩壊を発生させることができる。よって、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力を十分に被処理面に付与することができ、被処理面を確実に処理すると共に、処理効率を向上させることが可能となる。
Therefore, according to the surface treatment method of
また、この表面処理方法では、キャビテーション噴流の流れの中に渦流発生治具を配置するという簡易な方法によって、効率良く渦流を発生させることができる。渦流発生治具の断面形状は、効率良く渦流を発生させることができる形状であれば特に限定されないが、円形、噴流中心軸方向に長軸をもつ楕円形、噴流中心軸上に頂角をもつ鋭角二等辺三角形等の断面形状とすることができる。 Further, in this surface treatment method, the eddy current can be efficiently generated by a simple method of arranging the eddy current generating jig in the flow of the cavitation jet. The cross-sectional shape of the eddy current generating jig is not particularly limited as long as it can efficiently generate eddy currents, but is circular, elliptical with a major axis in the direction of the jet central axis, and has an apex angle on the jet central axis. A cross-sectional shape such as an acute isosceles triangle can be used.
また、この表面処理方法では、キャビテーション噴流の下流側に渦流堰止治具を配置するという簡易な方法によって、効率良く渦流を堰き止めて、渦流を被処理物の近傍により長く滞留させることができる。渦流発生治具の断面形状は、被処理物の被処理面に沿って流れてきたキャビテーション噴流を渦流堰止治具の表面で漏れなく受け止めることができる形状であれば特に限定されないが、渦流堰止治具の表面(堰止面)の長さが、被処理物の直径よりも十分に大きく設定された板状の断面形状とすることが好ましい。 Further, in this surface treatment method, the eddy current can be efficiently dammed by a simple method of arranging a vortex damming jig on the downstream side of the cavitation jet, and the vortex can be retained longer in the vicinity of the workpiece. . The cross-sectional shape of the eddy current generating jig is not particularly limited as long as the cavitation jet flowing along the processing surface of the workpiece can be received without leakage on the surface of the eddy current blocking jig. The length of the surface (damming surface) of the fixing jig is preferably a plate-like cross-sectional shape that is set sufficiently larger than the diameter of the workpiece.
(2)請求項2に記載の表面処理方法は、請求項1に記載の表面処理方法において、前記被処理物が前記噴流中心軸から離れた両側に複数個配置されており、前記渦流発生治具によって、複数個の前記被処理物の各前記被処理面の近傍に前記渦流を集めることを特徴とする。
(2) The surface treatment method according to
この表面処理方法では、単一の噴射ノズルから噴射されるキャビテーション噴流を分岐して、複数個の被処理物の表面処理を同時に行うことができるため、処理効率を向上させることが可能となる。また、複数個の噴射ノズルを必要としないため、設備費用の削減に寄与する。 In this surface treatment method, since the cavitation jet jetted from a single jet nozzle can be branched and the surface treatment of a plurality of workpieces can be performed simultaneously, the processing efficiency can be improved. Moreover, since a plurality of injection nozzles are not required, it contributes to a reduction in equipment costs.
(3)上記課題を解決する請求項3に記載の表面処理装置は、凸曲面よりなる被処理面を有する被処理物にキャビテーション噴流を衝突させてキャビテーション気泡を崩壊させ、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力により該被処理面を処理する装置であって、前記キャビテーション噴流を噴射する噴射ノズルと、前記噴射ノズルから噴射される前記キャビテーション噴流の噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも上流側に配置されると共に、該キャビテーション噴流を自己の表面に沿って流すことによって、該キャビテーション噴流の流れを渦流に変換する渦流発生機能を有する立体からなる渦流発生治具、及び前記噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも下流側に配置されると共に、前記キャビテーション噴流を自己の表面で堰き止めることによって、該キャビテーション噴流に含まれている渦流が下流側に流されるのを抑制する渦流堰止機能を有する立体からなる渦流堰止治具、のうちのいずれか一方又は両方を備え、前記渦流発生機能及び/又は前記渦流堰止機能によって、前記被処理物の前記被処理面の近傍に前記渦流を集めて、該渦流内の前記キャビテーション気泡を該被処理面の近傍で崩壊させることを特徴とする。
(3) The surface treatment apparatus according to
この表面処理装置により、被処理物の表面処理を施すことによる作用効果は、請求項1に記載の表面処理方法における作用効果と同様である。
The effect by performing the surface treatment of the object to be processed by this surface treatment apparatus is the same as the effect in the surface treatment method according to
(4)請求項4に記載の表面処理装置は、請求項3に記載の表面処理装置において、前記渦流発生治具及び/又は前記渦流堰止治具の前記被処理面と対向する前記表面が、前記被処理面の軸芯方向の曲率に沿って成形されていることを特徴とする。
(4) The surface treatment apparatus according to
この表面処理装置により、被処理物の表面処理を施すことによって、被処理物の被処理面が、被処理物の軸芯方向に曲率をもつ、すなわち、被処理物の軸芯方向に被処理物の断面形状が変化する棒状の被処理物であっても、渦流発生治具及び/又は渦流堰止治具の被処理面と対向する表面と、被処理物の被処理面との間隔が、被処理物の軸芯方向にわたって一定間隔に保たれるため、被処理物の被処理面の軸芯方向に均一な表面処理を施すことが可能となる。 By performing the surface treatment of the object to be processed by this surface treatment apparatus, the surface to be processed has a curvature in the axial direction of the object to be processed, that is, the object is processed in the axial direction of the object to be processed. Even if the cross-sectional shape of the object is a rod-shaped object to be processed, the distance between the surface of the object to be processed of the eddy current generating jig and / or the eddy current blocking jig and the surface of the object to be processed is Since a constant interval is maintained over the axial direction of the object to be processed, it is possible to perform a uniform surface treatment in the axial direction of the surface of the object to be processed.
したがって、本発明の表面処理方法及び表面処理装置によると、凸曲面よりなる被処理面を処理する場合であっても、十分な気泡崩壊を発生させて、十分な表面処理効果を達成することができる。 Therefore, according to the surface treatment method and the surface treatment apparatus of the present invention, even when a surface to be processed having a convex curved surface is processed, sufficient bubble collapse can be generated to achieve a sufficient surface treatment effect. it can.
よって、例えば5mm程度以下の曲率半径の凸曲面よりなる被処理面に対しても、十分な表面処理効果を達成することができる。 Therefore, for example, a sufficient surface treatment effect can be achieved even for a surface to be processed which is a convex curved surface having a radius of curvature of about 5 mm or less.
以下、本発明の表面処理方法及び表面処理装置の具体的な実施形態について詳しく説明する。なお、説明する実施形態は一実施形態にすぎず、本発明の表面処理方法及び表面処理装置は、下記実施形態に限定されるものではない。本発明の表面処理方法及び表面処理装置は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。 Hereinafter, specific embodiments of the surface treatment method and the surface treatment apparatus of the present invention will be described in detail. In addition, embodiment described is only one Embodiment, The surface treatment method and surface treatment apparatus of this invention are not limited to the following embodiment. The surface treatment method and the surface treatment apparatus of the present invention can be carried out in various forms that have been modified or improved by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.
(実施形態1)
図1(a)に示す実施形態1に係る表面処理装置は、噴射ノズル1と、噴射ノズル1と被処理物2との間に配置された渦流発生治具5とを備えている。これら噴射ノズル1及び渦流発生治具5は、被処理物2と共に図示しない処理槽(水槽)内に満たされた水中に没入されている。
(Embodiment 1)
The surface treatment apparatus according to the first embodiment shown in FIG. 1A includes an
噴射ノズル1の噴流中心軸C上に、被処理物2の軸芯O、及び渦流発生治具5の軸芯O1が一直線状に配置されている。噴射ノズル1は、渦流発生治具5の噴流中心軸C上の衝突中心部P1を目がけて、所定の圧力でキャビテーション噴流3を噴射する。噴射ノズル1は、図示しない噴射ノズル移動装置により、噴射ノズル1から噴射するキャビテーション噴流3の噴流中心軸Cと垂直方向かつ被処理物2の長手方向(図1(a)において、紙面と垂直方向)に往復移動可能とされている。
The
被処理物2は、アルミ合金等の金属材料よりなり、半径rの丸棒(円柱)である。被処理物2の外周側面(円柱側面)が被処理面2aとなる。被処理面2aは、曲率半径rの凸曲面(円柱側面)よりなる。被処理物2は、図示しない回転駆動装置により、被処理物2の軸芯O周りに、正方向及び逆方向(図1(a)において、時計回り方向及び反時計回り方向)に回転可能とされている。
The
渦流発生治具5は、ステンレス等の金属材料よりなり、半径r1の丸棒(円柱)である。上流側の渦流発生治具5が下流側の被処理物2を大きく遮蔽することがないように、渦流発生治具5の半径r1は、被処理物2の半径rと同程度以下に設定されている。また、半径r1を小さくしすぎると渦流発生治具5の渦流発生機能が著しく損なわれるため、半径r1の下限値としては所望の渦流発生機能が得られる大きさを確保する必要がある。渦流発生治具5は、図示しない支持具により、被処理物2の噴流中心軸C上の衝突中心部Pと、渦流発生治具5の噴流中心軸C上の下流側の中心部Q1との間隔がD1となるように配設されている。
ここに、被処理物2の形状や大きさとしては、所定の凸曲面よりなる被処理面2aを有するものであれば、特に限定されない。本実施形態の表面処理装置によれば、被処理物2の被処理面2aの近傍で多くのキャビテーション気泡を崩壊させることが可能であるため、従来、良好な処理効率を確保するのが困難とされてきた5mm程度よりも小さい曲率半径の凸曲面を有する被処理物2に適用することで、従来のキャビテーションピーニングと比べて良好な処理効率を確保することが可能となる。
Here, the shape and size of the object to be processed 2 are not particularly limited as long as the
好ましくは被処理面2aを構成する凸曲面の曲率半径rが1mm〜5mmである場合、より好ましくは曲率半径rが2mm〜4mmである場合において、従来のキャビテーションピーニングに対して処理効率の改善効果が顕著となる。
Preferably, when the radius of curvature r of the convex curved surface constituting the
なお、被処理面2aを構成する凸曲面の曲率半径rが小さすぎると、これに合わせて渦流発生治具5の半径r1も小さくする必要がある。渦流発生治具5の半径r1が小さすぎると、渦流発生治具5の渦流発生機能が著しく損なわれると共に、渦流発生治具5によってキャビテーション噴流3の流速を低下させる効果も小さくなる。これにより、被処理面2a近傍でのキャビテーション気泡の崩壊が少なくなる。
Incidentally, the radius of curvature r of the convex curved surface constituting the treated
一方、被処理面2aを構成する凸曲面の曲率半径rが大きすぎると、渦流発生治具5が配置されていない場合であっても、被処理物2に衝突したキャビテーション噴流3は衝突後に流速が十分に低下するため、被処理面2a近傍でのキャビテーション気泡の崩壊が多くなる。したがって、渦流発生治具5を配置したことによって、より多くのキャビテーション気泡を崩壊させることが可能となったとしても、渦流発生治具5を配置したことによる処理効率の改善効果は顕著とはならない。
On the other hand, if the radius of curvature r of the convex curved surface constituting the surface to be processed 2a is too large, even if the eddy
上記構成を有する表面処理装置を用いた本実施形態に係る表面処理方法について、以下説明する。 A surface treatment method according to this embodiment using the surface treatment apparatus having the above configuration will be described below.
水中において、渦流発生治具5の噴流中心軸C上の衝突中心部P1から距離L1だけ離れた噴射ノズル1から衝突中心部P1を目がけて、所定の圧力で所定時間、キャビテーション噴流3を噴射する。このとき、被処理物2を回転させながらキャビテーション噴流3を噴射してもよいし、また、噴射ノズル1から噴射するキャビテーション噴流3の噴流中心軸Cと垂直方向かつ被処理物2の長手方向(図1(a)において、紙面と垂直方向)に噴射ノズル1を移動させながらキャビテーション噴流3を噴射してもよい。
In water, on him the swirl generating jig jet central axis collision center P 1 from the collision center P 1 from the distance L 1 apart
渦流発生治具5の衝突中心部P1にキャビテーション噴流3が衝突すると、衝突した後のキャビテーション噴流3は、渦流発生治具5の外周側面(円柱側面)5aに沿って流れ、その過程でキャビテーション噴流3の流速が若干低下する。また、キャビテーション噴流3が、渦流発生治具5の外周側面5aの下流側へ流れる過程でキャビテーション噴流3の流れが外周側面5aから剥離して、キャビテーション噴流3の一部は渦流4となる。
When the
渦流4内は圧力が低い状態であるためキャビテーション気泡が発生する。渦流4が下流側に流される間に時間が経過して渦流4が減衰し、渦流4が減衰するのにしたがって圧力が高まるためキャビテーション気泡が崩壊する。渦流4が減衰する位置が被処理物2の被処理面2aの近傍となるように、被処理物2の衝突中心部Pと、渦流発生治具5の下流側の中心部Q1との間隔D1が設定されていることにより、被処理物2の被処理面2aに広い処理領域2bが形成される。
Since the pressure in the
噴射ノズル1から噴射するキャビテーション噴流3の圧力、噴射ノズル1の噴射口から渦流発生治具5の衝突中心部P1までの距離L1、被処理物2の衝突中心部Pと渦流発生治具5の下流側の中心部Q1との間隔D1、及び処理時間等は、被処理物2の材料や被処理面2aに対する処理の種類等に応じて適宜設定可能である。
The pressure of the
例えば、被処理物2が半径rが1mm〜5mmのアルミ合金丸棒よりなり、渦流発生治具5が半径r1が1mm〜5mmのステンレス丸棒よりなり、被処理物2の被処理面2aの強化を目的として処理する場合は、キャビテーション噴流3の圧力:10MPa〜30MPa程度、噴射ノズル1の噴射口から渦流発生治具5の衝突中心部P1までの距離L1:10mm〜80mm程度、被処理物2の衝突中心部Pと渦流発生治具5の下流側の中心部Q1との間隔D1:1mm〜3mm程度、被処理物3の長さ1mm当たりの処理時間:5秒〜30秒程度とすることができる。
For example, the
したがって、本実施形態に係る表面処理方法によると、被処理物2の上流側に配置された渦流発生治具5によって、被処理物2の形状や大きさに左右されずに、被処理物2の上流側の被処理面2aの近傍に、渦流4によるキャビテーション気泡を発生させることができる。このため、被処理物2の被処理面2aが凸曲面よりなり、しかもその曲率半径rが小さい場合であっても、被処理面2aの近傍で十分な気泡崩壊を発生させることができる。よって、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力を被処理面2aの広い処理領域2bに付与することができ、被処理面2aを確実に処理すると共に、処理効率を向上させることが可能となる。
Therefore, according to the surface treatment method according to the present embodiment, the
(実施形態2)
図1(b)に示す実施形態2に係る表面処理装置は、噴射ノズル1と、被処理物2の下流側に配置された渦流堰止治具6とを備えている。これら噴射ノズル1及び渦流堰止治具6は、被処理物2と共に図示しない処理槽(水槽)内に満たされた水中に没入されている。
(Embodiment 2)
The surface treatment apparatus according to
噴射ノズル1の噴流中心軸C上に、被処理物2の軸芯O、及び渦流堰止治具6の堰止面6aの中心P2が一直線状に配置されている。噴射ノズル1は、被処理物2の噴流中心軸C上の衝突中心部Pを目がけて、所定の圧力でキャビテーション噴流3を噴射する。噴射ノズル1は、図示しない噴射ノズル移動装置により、噴射ノズル1から噴射するキャビテーション噴流3の噴流中心軸Cと垂直方向かつ被処理物2の長手方向(図1(b)において、紙面と垂直方向)に往復移動可能とされている。
The
被処理物2の材質、形状、好ましい寸法及び動作は、実施形態1で示した被処理物2と同じであるため説明を省略する。
Since the material, shape, preferable dimensions, and operation of the
渦流堰止治具6は、ステンレス等の金属材料よりなる板であり、渦流堰止治具6の堰止面6aが噴流中心軸Cに対して垂直となるように配置されている。被処理物2の被処理面2aに沿って流れてきたキャビテーション噴流3を渦流堰止治具6の堰止面6aで漏れなく受け止めるために、渦流堰止治具6の堰止面6aの半分の長さb2は、被処理物2の半径rよりも十分に大きく設定されている。渦流堰止治具6は、図示しない支持具により、被処理物2の噴流中心軸C上の下流側の中心部Qと、渦流堰止治具6の堰止面6aの中心P2との間隔がD2となるように配設されている。
The
上記構成を有する表面処理装置を用いた本実施形態に係る表面処理方法について、以下説明する。 A surface treatment method according to this embodiment using the surface treatment apparatus having the above configuration will be described below.
水中において、被処理物2の衝突中心部Pから距離L2だけ離れた噴射ノズル1から衝突中心部Pを目がけて、所定の圧力で所定時間、キャビテーション噴流3を噴射する。このとき、被処理物2を回転させながらキャビテーション噴流3を噴射してもよいし、また、噴射ノズル1から噴射するキャビテーション噴流3の噴流中心軸Cと垂直方向かつ被処理物2の長手方向(図1(b)において、紙面と垂直方向)に噴射ノズル1を移動させながらキャビテーション噴流3を噴射してもよい。
In water, on him a collision center P from the
被処理物2の衝突中心部Pにキャビテーション噴流3が衝突すると、衝突中心部Pの近傍でキャビテーション噴流3の一部のキャビテーション気泡が崩壊し、被処理物2の上流側の被処理面2aに狭い処理領域2bが形成される。なお、被処理物2の衝突中心部Pの近傍では、キャビテーション噴流3の流速が十分に低下していないため、キャビテーション気泡が崩壊し難い。このため、衝突中心部Pの近傍は、衝突中心部Pの両側に形成される処理領域2bよりも表面処理が進み難い部分となっている。
When the
衝突中心部Pに衝突した後のキャビテーション噴流3は、被処理物2の被処理面2aに沿って流れ、その過程でキャビテーション噴流3の流速が若干低下する。また、キャビテーション噴流3が、被処理物2の被処理面2aの下流側へ流れる過程でキャビテーション噴流3の流れが被処理面2aから剥離して、キャビテーション噴流3の一部は渦流4となる。
The
渦流4内は圧力が低い状態であるためキャビテーション気泡が発生する。渦流4は時間の経過とともに減衰し、渦流4の減衰するのにしたがって圧力が高まるためキャビテーション気泡が崩壊する。渦流4が減衰する位置が被処理物2の被処理面2aの近傍となるように、渦流堰止治具6の堰止面6aで下流側へ流れ去ろうとする渦流4を堰き止めると共に、渦流堰止治具6の堰止面6aにキャビテーション噴流3が衝突して反射することによって、更なる渦流4を発生させる。これにより、被処理物2の下流側の被処理面2aに広い処理領域2bが形成される。
Since the pressure in the
噴射ノズル1から噴射するキャビテーション噴流3の圧力、噴射ノズル1の噴射口から被処理物2の衝突中心部Pまでの距離L2、被処理物2の下流側の中心部Qと渦流堰止治具6の堰止面6aの中心P2との間隔D2、及び処理時間等は、被処理物2の材料や被処理面2aに対する処理の種類等に応じて適宜設定可能である。
The pressure of the
例えば、被処理物2が半径rが1mm〜5mmのアルミ合金丸棒よりなり、被処理物2の被処理面2aの強化を目的として処理する場合は、キャビテーション噴流3の圧力:10MPa〜30MPa程度、噴射ノズル1の噴射口から被処理物2の衝突中心部Pまでの距離L2:10mm〜80mm程度、被処理物2の下流側の中心部Qと渦流堰止治具6の堰止面6aの中心P2との間隔D2:1mm〜3mm程度、被処理物3の長さ1mm当たりの処理時間:5秒〜30秒程度とすることができる。
For example, when the
したがって、本実施形態に係る表面処理方法によると、被処理物2の下流側に配置された渦流堰止治具6によって、下流側へ流れ去ろうとする渦流4を堰き止めると共に、更なる渦流4を発生させることができるため、被処理物2の下流側の被処理面2aの近傍に、渦流4によるキャビテーション気泡を発生させることができる。このため、被処理物2の被処理面2aが凸曲面よりなり、しかもその曲率半径rが小さい場合であっても、被処理面2aの近傍で十分な気泡崩壊を発生させることができる。よって、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力を被処理面2aの広い処理領域2bに付与することができ、被処理面2aを確実に処理すると共に、処理効率を向上させることが可能となる。
Therefore, according to the surface treatment method according to the present embodiment, the eddy
(実施形態3)
図2に示す実施形態3係る表面処理装置は、実施形態1に示した渦流発生治具5、及び実施形態2に示した渦流堰止治具6の両方を備えている。
(Embodiment 3)
The surface treatment apparatus according to the third embodiment shown in FIG. 2 includes both the eddy
本実施形態に係る表面処理装置におけるその他の構成は、実施形態1及び2と同様であるため説明を省略する。 Other configurations in the surface treatment apparatus according to the present embodiment are the same as those in the first and second embodiments, and thus description thereof is omitted.
本実施形態においては、被処理物2の上流側では実施形態1と同様の表面処理方法を実施すると共に、被処理物2の下流側では実施形態2と同様の表面処理方法を実施する。これにより、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力を被処理物2の被処理面2aの上流側及び下流側に形成された広い処理領域2bに付与することができ、被処理面2aを確実に処理すると共に、処理効率を向上させることが可能となる。すなわち、本実施形態の作用効果は、実施形態1及び2の作用効果を兼ね備えたものとなる。
In the present embodiment, the surface treatment method similar to that of the first embodiment is performed on the upstream side of the
(実施形態4)
図3に示す実施形態4に係る表面処理装置は、実施形態1における渦流発生治具5の形状を変更したものである。
(Embodiment 4)
The surface treatment apparatus according to the fourth embodiment shown in FIG. 3 is obtained by changing the shape of the eddy
すなわち、本実施形態に係る表面処理装置における渦流発生治具7は、ステンレス等の金属材料よりなり、噴流中心軸Cの方向に長軸をもつ楕円形の断面形状を呈している。渦流発生治具7の短軸の長さは、実施形態1で示した円形の断面形状よりなる渦流発生治具5の直径(半径r1の2倍)と同程度の長さであり、渦流発生治具7の短軸の長さは、実施形態1で示した渦流発生治具5の直径の1.5倍程度の長さである。
That is, the eddy
本実施形態に係る表面処理装置におけるその他の構成は、実施形態1と同様であるため説明を省略する。 Other configurations of the surface treatment apparatus according to the present embodiment are the same as those of the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
本実施形態においては、渦流発生治具7の断面形状が楕円形であるため、実施形態1で示した渦流発生治具5と比較すると、渦流発生治具7がキャビテーション噴流3の抵抗になり難い。したがって、キャビテーション噴流3が、渦流発生治具7の外周側面7aに沿って流れる過程でのキャビテーション噴流3の流速の低下が小さい。また、実施形態1で示した渦流発生治具5と比較すると、キャビテーション噴流3の流れが渦流発生治具7の外周側面7aから剥離し難く、渦流4の形成が若干少ない。
In this embodiment, since the cross-sectional shape of the eddy
また、実施形態1で示した渦流発生治具5と比較すると、渦流発生治具7がキャビテーション噴流3の流れを遮り難いため、キャビテーション噴流3が被処理物2の衝突中心部P及びその近傍まで届き易く、被処理物2の被処理面2aに形成される処理領域2bを衝突中心部Pに近づけることが可能となる。
Further, as compared with the eddy
このような本実施形態に係る表面処理装置は、渦流発生治具7がキャビテーション噴流3の抵抗になり難いため、噴射ノズル1から噴射されるキャビテーション噴流3の流速が小さい場合に好適に利用できる。その他の作用効果は実施形態1と同様である。
Such a surface treatment apparatus according to this embodiment can be suitably used when the flow velocity of the
(実施形態5)
図4に示す実施形態5に係る表面処理装置は、複数個の被処理物2の表面処理を同時に行うための装置であり、被処理物2の個数と配置を変更したものである。
(Embodiment 5)
The surface treatment apparatus according to the fifth embodiment shown in FIG. 4 is an apparatus for simultaneously performing the surface treatment of a plurality of objects to be processed 2, and the number and arrangement of the objects to be processed 2 are changed.
すなわち、本実施形態に係る表面処理装置においては、2個の被処理物2の表面処理を同時に行うために、各被処理物2を、渦流発生治具8の下流側で、かつ噴流中心軸Cを挟んで噴流中心軸Cから等間隔に配置すると共に、各被処理物2の各軸芯O同士を結ぶ線が噴流中心軸Cに対して垂直となるように配置している。したがって、被処理物2の軸芯Oと渦流発生治具8の軸芯O2とを結ぶ線は、噴流中心軸Cに対して角度θの傾きを有している。例えば、被処理物2と渦流発生治具8の大きさが同程度である場合には、角度θを25°〜45°の範囲で適宜設定するとよい。なお、被処理物2の材質、形状、好ましい寸法及び動作は、実施形態1で示した被処理物2と同じであるため説明を省略する。
That is, in the surface treatment apparatus according to the present embodiment, in order to simultaneously perform the surface treatment of the two
渦流発生治具8は、ステンレス等の金属材料よりなり、半径r2の丸棒(円柱)である。渦流発生治具8の軸芯O2は噴流中心軸C上に配置されている。渦流発生治具8の半径r2は、被処理物2の半径rと同程度以上となっている。
本実施形態に係る表面処理装置におけるその他の構成は、実施形態1と同様であるため説明を省略する。 Other configurations of the surface treatment apparatus according to the present embodiment are the same as those of the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
本実施形態においては、実施形態1で示した表面処理方法と同様に、キャビテーション噴流3が、渦流発生治具8の外周側面8aに沿って流れる過程でキャビテーション噴流3の流速が若干低下する。また、キャビテーション噴流3が、渦流発生治具8の外周側面8aの下流側へ流れる過程でキャビテーション噴流3の流れが外周側面8aから剥離して、キャビテーション噴流3の一部は渦流4となる。
In the present embodiment, similarly to the surface treatment method shown in the first embodiment, the flow velocity of the
渦流4は、渦流発生治具8の上方の外周側面8aの下流側及び下方の外周側面8aの下流側の2箇所で形成される。上方の渦流4が、噴流中心軸Cの上方に配置した被処理物2の被処理面2aの近傍で減衰すると共に、下方の渦流4が、噴流中心軸Cの下方に配置した被処理物2の被処理面2aの近傍で減衰するように、渦流発生治具8に対して各被処理物2が配置されている。
The
したがって、渦流発生治具8の上方と下方の2箇所で形成される各渦流4によるキャビテーション気泡を、各被処理物2の各被処理面2aの近傍で崩壊させて、気泡崩壊時に発生する衝撃圧力を各被処理面2aの処理領域2bに付与することができる。よって、本実施形態に係る表面処理方法によると、単一の噴射ノズル1によって、2個の被処理物2の表面処理を同時に行うことで、処理効率を向上させることが可能となる。また、複数個の噴射ノズル1を必要としないため、設備費用の削減に寄与する。
Accordingly, the cavitation bubbles generated by the vortex flows 4 formed at two locations above and below the eddy
なお、渦流発生治具8の半径r2を大きくすることによって、キャビテーション噴流3が、渦流発生治具8の外周側面8aに沿って流れる過程でキャビテーション噴流3の流速を大きく低下させることができる。キャビテーション噴流3の流速の低下により液体の圧力が高くなれば、キャビテーション気泡が崩壊する。このキャビテーション気泡の崩壊位置を各被処理物2の各被処理面2aの近傍とすることによって、被処理物2の被処理面2aが凸曲面よりなり、しかもその曲率半径rが小さい場合であっても、被処理面2aの近傍で十分な気泡崩壊を発生させることができる。
In addition, by increasing the radius r 2 of the
(実施形態6)
図5に示す実施形態6に係る表面処理装置は、実施形態5と同様に2個の被処理物2の表面処理を同時に行うための装置であり、実施形態5で示した渦流発生治具8の形状を変更したものである。
(Embodiment 6)
The surface treatment apparatus according to the sixth embodiment shown in FIG. 5 is an apparatus for simultaneously performing the surface treatment of two
すなわち、本実施形態に係る表面処理装置における渦流発生治具9は、ステンレス等の金属材料よりなり、鋭角二等辺三角形の断面形状を呈している。渦流発生治具9の頂角aの角度は、底角b及びcよりも小さく、頂角a、底角b及びcには面取りによる曲面加工が施されている。渦流発生治具9の頂角aは噴流中心軸C上にあり、底角b及びcが噴流中心軸Cに対して軸対称となるように配置されている。 That is, the eddy current generating jig 9 in the surface treatment apparatus according to the present embodiment is made of a metal material such as stainless steel, and has an acute angle isosceles triangular cross-sectional shape. The apex angle a of the eddy current generating jig 9 is smaller than the base angles b and c, and the apex angle a and the base angles b and c are subjected to curved surface processing by chamfering. The apex angle a of the eddy current generating jig 9 is on the jet central axis C, and the base angles b and c are arranged so as to be symmetrical with respect to the jet central axis C.
噴流中心軸Cから底角bまでの距離、及び噴流中心軸Cから底角cまでの距離は、いずれも被処理物2の半径rと同程度以上となっている。
The distance from the jet central axis C to the base angle b and the distance from the jet central axis C to the base angle c are both equal to or greater than the radius r of the
本実施形態に係る表面処理装置におけるその他の構成は、実施形態5と同様であるため説明を省略する。 Other configurations in the surface treatment apparatus according to the present embodiment are the same as those in the fifth embodiment, and thus the description thereof is omitted.
本実施形態においては、実施形態5で示した表面処理方法と同様に、渦流発生治具9の上方と下方の2箇所で渦流4が形成される。すなわち、本実施形態の作用効果は、実施形態5の作用効果と同様である。
In the present embodiment, as in the surface treatment method shown in the fifth embodiment, the
(その他の実施形態)
実施形態1〜6では、被処理物2の断面形状が円形である場合について説明したが、渦流4によるキャビテーション気泡が崩壊する時に発生する衝撃圧力は非常に強力であることから、被処理物の断面形状が矩形や板状である場合であっても、効率良く表面処理を施すことが可能である。
(Other embodiments)
Although Embodiment 1-6 demonstrated the case where the cross-sectional shape of the to-
また、実施形態1〜6では、被処理物2の長手方向に断面形状が変化しない棒状の被処理物2を対象として説明したが、被処理物の被処理面が紙面に対して垂直方向にも曲率をもつ場合(すなわち、被処理物の長手方向に断面形状が変化する棒状の被処理物)を対象として表面処理を施すことも可能である。この場合、渦流発生治具5、7、8、9、及び渦流堰止治具6の被処理面と対向する表面が、被処理面の紙面に対して垂直方向の曲率に沿って成形された治具を用いればよい。
In the first to sixth embodiments, the rod-shaped
また、実施形態1〜6では、噴射ノズル1が、被処理物2の長手方向に往復移動可能とされている表面処理装置について説明したが、これとは逆に、噴射ノズル1が固定されており、被処理物2と、渦流発生治具5、7、8、9、及び渦流堰止治具6とが、被処理物2の長手方向に往復移動可能とされている表面処理装置を用いてもよい。
Moreover, although Embodiment 1-6 demonstrated the surface treatment apparatus in which the
加えて、実施形態1〜6では、噴流に水を用いる例について説明したが、これに限定されることなく、油、エマルジョン(乳濁液)やその他の液体を用いてもよい。 In addition, although the example which uses water for a jet is demonstrated in Embodiment 1-6, you may use oil, an emulsion (emulsion), and another liquid, without being limited to this.
(実施例1)
実施形態1で説明した表面処理装置を用いて、図6及び以下に示す条件で、被処理物2に表面処理を施した。なお、以降に説明する全ての実施例及び比較例において、キャビテーション噴流として水を使用した。
Example 1
Using the surface treatment apparatus described in
被処理物2:外径φ6mmで長さ20mmのアルミ合金よりなる丸棒
渦流発生治具50:外径φ6mmのステンレスよりなる丸棒
噴射ノズル1の噴射口から渦流発生治具50の外周側面50aまでの距離:70mm
渦流発生治具50の外周側面50aと被処理物2の被処理面2aとの間隔:2mm
噴射ノズル1の噴射口の口径:φ2mm
キャビテーション噴流3の圧力:10MPa
キャビテーションピーニング処理時間:15分
被処理物2の回転:無し
噴射ノズル1の移動:無し
被処理物2の表面処理が終了した後に、被処理面2aについて、壊食領域の面積(処理面積)を測定した。
Processed object 2: Round bar made of aluminum alloy with outer diameter φ6 mm and
Distance between the outer
The diameter of the
Pressure of cavitation jet 3: 10 MPa
Cavitation peening treatment time: 15 minutes Rotation of the workpiece 2: None Movement of the injection nozzle 1: None After the surface treatment of the
(実施例2)
実施形態5で説明した表面処理装置を用いて、複数個の被処理物2に表面処理を施した。
(Example 2)
Using the surface treatment apparatus described in the fifth embodiment, a plurality of
図7に示すとおり、被処理物2が2個あることと、被処理物2の軸芯と渦流発生治具50の軸芯とを結ぶ線が、噴流中心軸Cに対して35°の角度で配置されていること以外の条件は、実施例1と同一の条件とした。
As shown in FIG. 7, the line connecting the two
被処理物2の表面処理が終了した後に、被処理面2aについて、壊食領域の面積(処理面積)を測定した。
After the surface treatment of the
(実施例3)
実施形態1で説明した表面処理装置を用いて、図8及び以下の条件で被処理物2を被処理物2の軸芯周り(図8の時計回り)に回転させると共に、噴射ノズル1を被処理物2の長手方向(図8において、紙面と垂直方向)に移動させること、及びキャビテーションピーニング処理時間の設定以外は、実施例1と同一の条件として、被処理物2に表面処理を施した。
Example 3
Using the surface treatment apparatus described in the first embodiment, the
被処理物2の回転速度:3rpm
噴射ノズル1の移動速度:6mm/分
キャビテーションピーニング処理時間:全被処理面2aの表面処理が終了するまで
被処理物2の全被処理面2aの表面処理が終了するまでに要した処理時間を計測すると共に、表面処理が終了した後に、図示しないX線残留応力測定装置を用いて、被処理面2aの残留応力を測定した。
Rotation speed of workpiece 2: 3 rpm
Movement speed of the injection nozzle 1: 6 mm / min Cavitation peening processing time: Until the surface treatment of the
(実施例4)
実施形態2で説明した表面処理装置を用いて、図9及び以下に示す条件で、被処理物2に表面処理を施した。
Example 4
Using the surface treatment apparatus described in
被処理物2:外径φ6mmで長さ20mmのアルミ合金よりなる丸棒
渦流堰止治具60:堰止面60aの長さが100mmのステンレスよりなる平板
噴射ノズル1の噴射口から被処理物2の被処理面2aまでの距離:70mm
被処理物2の被処理面2aと渦流堰止治具60の堰止面60aとの間隔:2mm
噴射ノズル1の噴射口の口径:φ2mm
キャビテーション噴流3の圧力:10MPa
キャビテーションピーニング処理時間:15分
被処理物2の回転:無し
噴射ノズル1の移動:無し
被処理物2の表面処理が終了した後に、被処理面2aについて、壊食領域の面積(処理面積)を測定した。
Processed object 2: Round bar made of an aluminum alloy with an outer diameter of 6 mm and a length of 20 mm. Eddy current blocking jig 60: Flat plate made of stainless steel with a blocking
Distance between the
The diameter of the
Pressure of cavitation jet 3: 10 MPa
Cavitation peening treatment time: 15 minutes Rotation of the workpiece 2: None Movement of the injection nozzle 1: None After the surface treatment of the
(実施例5)
実施形態2で説明した表面処理装置を用いて、図10及び以下の条件で被処理物2を被処理物2の軸芯周り(図10の時計回り)に回転させると共に、噴射ノズル1を被処理物2の長手方向(図10において、紙面と垂直方向)に移動させること以外は、実施例4と同一の条件として、被処理物2に表面処理を施した。
(Example 5)
Using the surface treatment apparatus described in the second embodiment, the
被処理物2の回転速度:3rpm
噴射ノズル1の移動速度:6mm/分
被処理物2の全被処理面2aの表面処理が終了するまでに要した処理時間を計測すると共に、表面処理が終了した後に、図示しないX線残留応力測定装置を用いて、被処理面2aの残留応力を測定した。
Rotation speed of workpiece 2: 3 rpm
The moving speed of the
(比較例1)
渦流発生治具や渦流堰止治具を備えていない従来の表面処理装置を用いて、以下に示す条件で、被処理物2に表面処理を施した。
(Comparative Example 1)
Using a conventional surface treatment apparatus that does not include a vortex generating jig or a vortex damming jig, surface treatment was performed on the
被処理物2:外径φ6mmで長さ20mmのアルミ合金よりなる丸棒
噴射ノズル1の噴射口から被処理物2の被処理面2aまでの距離:15mm
噴射ノズル1の噴射口の口径:φ0.7mm
キャビテーション噴流3の圧力:10MPa
キャビテーションピーニング処理時間:15分
被処理物2の回転:無し
噴射ノズル1の移動:無し
被処理物2の表面処理が終了した後に、被処理面2aについて、壊食領域の面積(処理面積)を測定した。
Processed object 2: Round bar made of an aluminum alloy having an outer diameter of φ6 mm and a length of 20 mm Distance from the injection port of the
The diameter of the
Pressure of cavitation jet 3: 10 MPa
Cavitation peening treatment time: 15 minutes Rotation of the workpiece 2: None Movement of the injection nozzle 1: None After the surface treatment of the
(比較例2)
噴射ノズル1の噴射口の口径がφ2mmであることと、噴射ノズル1の噴射口から被処理物2の被処理面2aまでの距離が70mmであること以外は、比較例1と同一の条件として、被処理物2に表面処理を施した。被処理物2の表面処理が終了した後に、被処理面2aについて、壊食領域の面積(処理面積)を測定した。
(Comparative Example 2)
The same conditions as in Comparative Example 1 except that the diameter of the injection port of the
(比較例3)
以下の条件で被処理物2を被処理物2の軸芯周りに回転させると共に、噴射ノズル1を被処理物2の長手方向に移動させること、噴射ノズル1の噴射口から被処理物2の被処理面2aまでの距離の設定、及びキャビテーションピーニング処理時間の設定以外は、比較例1と同一の条件として、被処理物2に表面処理を施した。
(Comparative Example 3)
The
噴射ノズル1の噴射口から被処理物2の被処理面2aまでの距離:23mm
被処理物2の回転速度:3rpm
噴射ノズル1の移動速度:1mm/分
キャビテーションピーニング処理時間:全被処理面2aの表面処理が終了するまで
被処理物2の全被処理面2aの表面処理が終了するまでに要した処理時間を計測すると共に、表面処理が終了した後に、図示しないX線残留応力測定装置を用いて、被処理面2aの残留応力を測定した。
Distance from the injection port of the
Rotation speed of workpiece 2: 3 rpm
Movement speed of spray nozzle 1: 1 mm / min Cavitation peening treatment time: Until the surface treatment of all the treated
(比較例4)
以下の条件で被処理物2を被処理物2の軸芯周りに回転させると共に、噴射ノズル1を被処理物2の長手方向に移動させること、及びキャビテーションピーニング処理時間の設定以外は、比較例2と同一の条件として、被処理物2に表面処理を施した。
(Comparative Example 4)
A comparative example except that the
被処理物2の回転速度:3rpm
噴射ノズル1の移動速度:6mm/分
キャビテーションピーニング処理時間:全被処理面2aの表面処理が終了するまで
被処理物2の全被処理面2aの表面処理が終了するまでに要した処理時間を計測すると共に、表面処理が終了した後に、図示しないX線残留応力測定装置を用いて、被処理面2aの残留応力を測定した。
Rotation speed of workpiece 2: 3 rpm
Movement speed of the injection nozzle 1: 6 mm / min Cavitation peening processing time: Until the surface treatment of the
(処理面積の評価)
実施例1,2及び4、並びに比較例1及び2において、表面処理後の被処理面2aについて、壊食領域(キャビテーション気泡の崩壊により表面が損傷してボロボロになっている領域)の面積を測定した。その結果を図11に示す。なお、図11の縦軸は、比較例1の壊食領域の面積(処理面積)を10とした指数で表記している。
(Evaluation of processing area)
In Examples 1, 2 and 4, and Comparative Examples 1 and 2, the
比較例1は、狭い領域でキャビテーション気泡の崩壊を生じさせるために、噴射口の口径φ0.7mmの噴射ノズル1を用いて、被処理物2に噴射ノズル1から噴射されたキャビテーション噴流3を直接衝突させた場合であるが、当然ながら処理面積は小さい。また、キャビテーション噴流3が被処理物2の被処理面2aに衝突した近傍のみに壊食痕が見られた。
In Comparative Example 1, in order to cause collapse of cavitation bubbles in a narrow region, the
比較例2は、噴射口の口径φ2mmの噴射ノズル1を用いて、被処理物2に噴射ノズル1から噴射されたキャビテーション噴流3を直接衝突させた場合であるが、キャビテーション噴流3が被処理物2の被処理面2aに衝突した近傍に比較例1の壊食痕よりも更に小さな壊食痕が見られた。更に、被処理面2aの上方の側面の上流側及び下方の側面の上流側には、キャビテーション噴流3が被処理物2の被処理面2aに衝突した近傍の壊食痕よりも大きな壊食痕が見られた。このため、比較例2の処理面積は比較例1よりも大きく、比較例1の5倍程度となった。
The comparative example 2 is a case where the
これに対して、実施例1では、被処理物2に噴射ノズル1から噴射されたキャビテーション噴流3が直接衝突しない。このため、噴流中心軸C上の被処理物2の被処理面2aの近傍には壊食痕が見られないが、被処理面2aの上方の側面の上流側及び下方の側面の上流側には、渦流発生治具50により生じた渦流4の影響により、キャビテーション気泡の崩壊が盛んに生じたため、比較例2の側面の壊食痕よりも、広い領域に激しく壊食された壊食痕が見られた。このため、実施例1の処理面積は比較例1及び2よりも大きく、比較例1の12倍程度となった。
On the other hand, in Example 1, the
実施例2は、渦流発生治具50の上方の下流側で発生したキャビテーション気泡、及び渦流発生治具50の下方の下流側で発生したキャビテーション気泡を、それぞれ異なる被処理物2の被処理面2aの近傍で崩壊させる場合である。実施例1では、被処理面2aの上方の側面の上流側及び下方の側面の上流側に同じように壊食痕が見られたが、実施例2では、被処理面2aの上方の側面及び下方の側面のうちの、噴流中心軸Cから遠い一側面にのみ壊食痕が見られた。実施例2における1個の被処理物2の処理面積は比較例1の7倍程度となった。
In the second embodiment, the cavitation bubbles generated on the downstream side above the eddy
実施例4は、被処理物2の下流側に配置された渦流堰止治具60によって、下流側へ流れ去ろうとする渦流4を堰き止めて、渦流4によって発生したキャビテーション気泡を、被処理物2の被処理面2aの近傍で崩壊させる場合である。比較例2と同様に、キャビテーション噴流3が被処理物2の被処理面2aに衝突した近傍と、被処理面2aの上方の側面の上流側及び下方の側面の上流側に、キャビテーション気泡の崩壊によって激しく壊食された壊食痕が見られた。更に、実施例4においては、比較例1及び2では見られなかった壊食痕として、被処理面2aの下流側にも、やや弱く壊食された壊食痕が見られた。このため、実施例4の処理面積は比較例1及び2よりも大きく、比較例1の12倍程度となった。
In the fourth embodiment, the eddy
(残留応力の評価)
実施例3及び5、並びに比較例3及び4において、表面処理後の被処理面2aについて、X線残留応力測定装置を用いて、被処理面2aの残留応力を測定した。その結果を図12に示す。
(Evaluation of residual stress)
In Examples 3 and 5 and Comparative Examples 3 and 4, the residual stress of the
比較例3では、被処理面2aの全体にわたって実施例3及び5と同程度の140MPa程度の圧縮残留応力が発生した。比較例3においては、噴射ノズル1の噴射口の口径がφ0.7mmと小さく、また、噴射ノズル1の噴射口から被処理物2の被処理面2aまでの距離が23mmと近いために、被処理面2aの狭い領域に集中的に気泡崩壊時に発生する衝撃圧力が作用する。このため、被処理面2aが激しく壊食するため、圧縮残留応力も大きい値となっている。
In Comparative Example 3, a compressive residual stress of about 140 MPa, which is the same level as in Examples 3 and 5, occurred over the
比較例4においては、噴射ノズル1の噴射口の口径が比較例3よりも大きくφ2mmであり、また、噴射ノズル1の噴射口から被処理物2の被処理面2aまでの距離は比較例3よりも遠く70mmであるために、被処理面2aの広い領域に気泡崩壊時に発生する衝撃圧力が作用する。このため、比較例3よりも被処理面2aの壊食が弱く、比較例3よりも圧縮残留応力が小さい値となっている。
In Comparative Example 4, the diameter of the injection port of the
これに対して、実施例3では、渦流発生治具50により生じた渦流4の影響により、キャビテーション気泡の崩壊が盛んに生じるため、被処理面2aの広い領域に気泡崩壊時に発生する衝撃圧力が激しく作用する。このため、実施例3では、被処理面2aの圧縮残留応力が大きく150MPa程度となった。すなわち、実施例3の圧縮残留応力は、渦流発生治具50を備えていない従来の表面処理装置を用いた比較例4の圧縮残留応力の2倍程度となった。
On the other hand, in Example 3, the collapse of the cavitation bubbles occurs actively due to the influence of the
実施例5では、渦流堰止治具60によって、下流側へ流れ去ろうとする渦流4を堰き止めて、渦流4によって発生したキャビテーション気泡を、被処理面2aの近傍で盛んに崩壊させることができるため、被処理面2aの広い領域に気泡崩壊時に発生する衝撃圧力が激しく作用する。このため、実施例5では、被処理面2aの圧縮残留応力が大きく150MPa程度となった。すなわち、実施例5の圧縮残留応力は、渦流堰止治具60を備えていない従来の表面処理装置を用いた比較例4の圧縮残留応力の2倍程度となった。
In the fifth embodiment, the
なお、上記の実施例とは別途に実施した他の実施例において、被処理物2の回転方向の違いが圧縮残留応力の値に及ぼす影響について検証したが、被処理物2の回転方向の違いが圧縮残留応力の顕著な差となることはなかった。
In addition, in another Example implemented separately from said Example, it verified about the influence which the difference in the rotation direction of the to-
(処理時間の評価)
実施例3及び5、並びに比較例3及び4において、被処理物2の全長にわたって表面処理が完了するまでに要した処理時間を測定した。その結果を図13に示す。
(Evaluation of processing time)
In Examples 3 and 5 and Comparative Examples 3 and 4, the treatment time required until the surface treatment was completed over the entire length of the
比較例3では、40分程度の長い処理時間を要した。比較例3においては、噴射ノズル1の噴射口の口径がφ0.7mmと小さく、噴射ノズル1を動かさないで被処理物2の表面処理を行った場合の被処理面2aの処理領域が狭いため、被処理物2の全長にわたって表面処理が完了するまでに長い処理時間を要した。
In Comparative Example 3, a long processing time of about 40 minutes was required. In Comparative Example 3, the diameter of the injection port of the
比較例4の処理時間は、実施例3及び5と同程度の4分程度であった。比較例4においては、噴射ノズル1の噴射口の口径が比較例3よりも大きくφ2mmであるため、噴射ノズル1を動かさないで被処理物2の表面処理を行った場合の被処理面2aの処理領域が比較例3の処理領域よりも広い。このため、被処理物2の全長にわたって表面処理が完了するまでに要する処理時間は比較例3よりも短い。
The processing time of Comparative Example 4 was about 4 minutes, which was the same as in Examples 3 and 5. In Comparative Example 4, since the diameter of the injection port of the
なお、比較例4において、噴射ノズル1を動かさないで被処理物2の表面処理を行った場合の被処理面2aの処理領域は、図11に示した比較例2の処理面積と同様である。また、実施例3において、噴射ノズル1を動かさないで被処理物2の表面処理を行った場合の被処理面2aの処理領域は、図11に示した実施例1の処理面積と同様である。したがって、比較例4の処理領域は、実施例3の処理領域の半分程度以下となっている。しかし、比較例4と実施例3の処理時間に顕著な差は見られなかった。
In the comparative example 4, the processing area of the
これに対して、実施例3の処理時間は4分程度と短かった。前述の残留応力の評価で述べたとおり、実施例3の残留応力と比較例3の残留応力は近い値となっている。したがって、実施例3の表面処理方法は、比較例3の表面処理方法と比較して、10分の1程度の短い処理時間で、被処理面2aに比較例3と同等以上の残留応力を発生させることができる。すなわち、効率良く表面処理を施すことができる。 In contrast, the processing time of Example 3 was as short as about 4 minutes. As described in the evaluation of the residual stress described above, the residual stress in Example 3 and the residual stress in Comparative Example 3 are close to each other. Therefore, the surface treatment method of Example 3 generates a residual stress equal to or greater than that of Comparative Example 3 on the surface to be treated 2a in a treatment time as short as 1/10 compared with the surface treatment method of Comparative Example 3. Can be made. That is, the surface treatment can be efficiently performed.
実施例5の処理時間も実施例3と同様に4分程度と短かった。前述の残留応力の評価で述べたとおり、実施例5の残留応力と比較例3の残留応力は近い値となっている。したがって、実施例5の表面処理方法は、比較例3の表面処理方法と比較して、10分の1程度の短い処理時間で、被処理面2aに比較例3と同等以上の残留応力を発生させることができる。すなわち、効率良く表面処理を施すことができる。
The processing time of Example 5 was as short as about 4 minutes as in Example 3. As described in the evaluation of the residual stress described above, the residual stress in Example 5 and the residual stress in Comparative Example 3 are close to each other. Therefore, the surface treatment method of Example 5 generates a residual stress equivalent to or greater than that of Comparative Example 3 on the
1 … 噴射ノズル 2 … 被処理物
2a … 被処理面 2b … 処理領域
3 … キャビテーション噴流 4 … 渦流
5 … 渦流発生治具 5a … 外周側面
6 … 渦流堰止治具 6a … 堰止面
7 … 渦流発生治具 7a … 外周側面
8 … 渦流発生治具 8a … 外周側面
9 … 渦流発生治具 9a … 外周側面
50 … 渦流発生治具 50a … 外周側面
60 … 渦流堰止治具 60a … 堰止面
C … 噴流中心軸 O … 軸芯
P … 衝突中心部 Q … 下流側の中心部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
噴射ノズルから噴射される前記キャビテーション噴流の噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも上流側に配置されると共に、該キャビテーション噴流を自己の表面に沿って流すことによって、該キャビテーション噴流の流れを渦流に変換する渦流発生機能を有する立体からなる渦流発生治具、
及び前記噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも下流側に配置されると共に、前記キャビテーション噴流を自己の表面で堰き止めることによって、該キャビテーション噴流に含まれている渦流が下流側に流されるのを抑制する渦流堰止機能を有する立体からなる渦流堰止治具、
のうちのいずれか一方又は両方を用い、
前記渦流発生機能及び/又は前記渦流堰止機能によって、前記被処理物の前記被処理面の近傍に前記渦流を集めて、該渦流内の前記キャビテーション気泡を該被処理面の近傍で崩壊させることを特徴とする表面処理方法。 A method of treating a surface to be treated with an impact pressure generated when a bubble collapses by colliding a cavitation jet against a workpiece having a surface to be processed having a convex curved surface to collapse the cavitation bubble,
The cavitation jet flow is arranged on the central axis of the cavitation jet jetted from the jet nozzle and on the upstream side of the object to be processed, and by flowing the cavitation jet along its own surface. Eddy current generating jig consisting of a solid with eddy current generating function to convert
And the vortex included in the cavitation jet is caused to flow downstream by damming the cavitation jet on its own surface on the central axis of the jet and downstream of the workpiece. Eddy current damming jig consisting of a solid with eddy current damming function to suppress
Using one or both of
The eddy current generation function and / or the eddy current blocking function collects the eddy current in the vicinity of the surface to be processed of the workpiece, and collapses the cavitation bubbles in the vortex near the surface to be processed. A surface treatment method characterized by the above.
前記渦流発生治具によって、複数個の前記被処理物の各前記被処理面の近傍に前記渦流を集めることを特徴とする請求項1に記載の表面処理方法。 A plurality of the objects to be processed are disposed on both sides away from the jet central axis,
The surface treatment method according to claim 1, wherein the eddy current is collected in the vicinity of each of the surfaces to be processed of the plurality of objects to be processed by the eddy current generating jig.
前記キャビテーション噴流を噴射する噴射ノズルと、
前記噴射ノズルから噴射される前記キャビテーション噴流の噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも上流側に配置されると共に、該キャビテーション噴流を自己の表面に沿って流すことによって、該キャビテーション噴流の流れを渦流に変換する渦流発生機能を有する立体からなる渦流発生治具、
及び前記噴流中心軸上で、かつ前記被処理物よりも下流側に配置されると共に、前記キャビテーション噴流を自己の表面で堰き止めることによって、該キャビテーション噴流に含まれている渦流が下流側に流されるのを抑制する渦流堰止機能を有する立体からなる渦流堰止治具、
のうちのいずれか一方又は両方を備え、
前記渦流発生機能及び/又は前記渦流堰止機能によって、前記被処理物の前記被処理面の近傍に前記渦流を集めて、該渦流内の前記キャビテーション気泡を該被処理面の近傍で崩壊させることを特徴とする表面処理装置。 A device for collapsing a cavitation jet against a workpiece having a surface to be processed having a convex curved surface to collapse a cavitation bubble, and processing the surface to be processed by an impact pressure generated at the time of bubble collapse,
An injection nozzle for injecting the cavitation jet;
The cavitation jet is arranged on the jet central axis of the cavitation jet jetted from the jet nozzle and on the upstream side of the object to be processed, and by flowing the cavitation jet along its own surface, An eddy current generating jig consisting of a solid with a vortex generating function that converts the flow into a vortex;
And the vortex included in the cavitation jet is caused to flow downstream by damming the cavitation jet on its own surface on the central axis of the jet and downstream of the workpiece. Eddy current damming jig consisting of a solid with eddy current damming function to suppress
One or both of
The eddy current generation function and / or the eddy current blocking function collects the eddy current in the vicinity of the surface to be processed of the workpiece, and collapses the cavitation bubbles in the vortex near the surface to be processed. A surface treatment apparatus characterized by the above.
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