JP2011200990A - アブレイシブウォータージェット加工装置及びアブレイシブウォータージェット加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アブレイシブウォータージェットにより、安定した加工を実現する。
【解決手段】本発明のアブレイシブウォータージェット加工装置１０は、高圧水供給部１２から高圧水Ｗを混合室１４に供給し、研磨材貯蔵容器１１から供給パイプ１３を経て研磨材Ｇを混合室１４内の高圧水流に混合して懸濁液を形成し、噴射ノズル１５からジェット噴射流ＪをワークＰにあてて加工を行うもので、研磨材Ｇを噴射ノズル１５に供給する際に、研磨材貯蔵容器１１から研磨材Ｇをスクリュー等の連続動作で機械的押出により送出し、研磨材貯蔵容器１１の送出口１１ｂから混合室１４の間に、混合室１４中の高圧水流の吸引力が及ばず、研磨材Ｇを実質的に重力のみにより下降させる下降部位を設けて、そこに研磨材Ｇを導き、その後、研磨材Ｇを重力と高圧水流の吸引力により混合室１４に供給するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、アブレイシブウォータージェット加工装置と、この加工装置を用いる加工方法に関する。

ウォータージェット加工は、高圧水を対象物に噴射して、研削や切断などを行う加工方法である。ホイール研削・切断や、レーザー切断とともに、適用範囲の広い加工技術として、現在では広く知られている。加工対象となる材料は、多岐に渡っており、金属、石材、木材、プラスチック等、ほぼ不問である。特に、強度や摩擦の異なる複合材料の切断で、その能力を発揮する。

現在、ウォータージェット加工は、高圧水流に研磨材を引込ませたアブレイシブ型が主流であり、アブレイシブウォータージェット加工と呼ばれる。この研磨材の導入により、ウォータージェット加工は、高い研削能力や切断能力を備え、加工手段として飛躍的に広まった。例えば、特許文献１には、高圧流体ジェット流に研磨材を０．５〜９．９ｋｇｆ／ｃｍ^２ の加圧流体に添加する際に、研磨材の高速ジェット流に対する供給量の基準値を重量比で０．１〜０．６の範囲内に設定し、かつ研磨材の供給量を基準値に対して±３０％以内に制御するものであって、研磨材タンクに重量計を設けて単位時間当たりのノズルへの搬送量を計測し、設定基準値に応じて研磨材の流量調整弁を調整する発明が開示されている。

また、ウォータージェット加工では、そのジェット噴射を制御することが、加工品位を制御する上で非常に重要である。例えば、特許文献２には、高圧水吐出の脈動を低減するため、高圧条件下へ流体を供給する往復動型ポンプを用いて吐出流量を一定に制御して流体を供給する方法であって、ポンプの吐出側にキャピラリーチューブ又はオリフィスからなる圧力損失発生機構を設けて前後差圧を測定し、その圧力損失から流量を算出し、そのデータからポンプの吐出流量を一定に制御して、脈動を抑制し、安定的に流体を供給する流体供給方法及びその装置の発明が開示されている。

また、特許文献３には、ガーネットサンド等を含むアブレイシブウォータージェット加工に供された後のスラリー状の研磨材を再供給する際に、研摩材をキャッチャータンクで沈澱させ、通路により回収分離装置により再使用可能な粒度分布のものを回収し、研摩材スラリータンクに送給してミキサーにより均一分散状態に攪拌し、循環通路によりポンプを介し均一分散状態のまま循環しヘッダーを介しミキシングチャンバに送給することにより、中断後の再稼働に際しての目詰り等がなく、安定して研摩材の供給が行えるという発明が開示されている。

さらに、特許文献４には、ノズル側の研磨材供給チューブをノズルヘッド取付部から一旦上方へ立ち上げて略垂直部を設け、該垂直部の頂上より研摩材を供給して、その下方に、加工開始時はウォータージェットＯＮより所定時間早く開となり加工終了時にはウォータージェットＯＦＦより所定時間早く閉となるよう制御される開閉弁を設けた研磨材供給装置の発明が開示されている。この研磨材供給装置により、ジェット噴射の停止や開始に際して、研磨材供給の停止や開始の時期をずらし、噴射ノズルでの研磨材詰りや、ジェット噴射開始時の研磨材供給不足を解消するという内容である。

また、特許文献５には、研磨材供給タンクからノズルヘッド部への研磨材の供給経路中に開閉弁を配設するとともに、開閉弁の下流側に逆流防止用のエアを供給するエア供給路を接続したウォータージェット加工機の研磨材供給装置の発明が開示されている。この研磨材供給装置は、ジェット噴射水の研磨材供給パイプへの流入を、エア供給を用いて防止するというものである。

また、特許文献６には、研磨材を貯留する圧力容器からなる研磨材供給タンクと、この研磨材供給タンク内に、空気圧を負荷させるための空気圧縮機と、研磨材供給タンクに基端部を接続して研磨材供給タンク内の研磨材を研磨剤ホッパに圧送するための供給配管とを備えた研磨材供給装置の発明が開示されている。この研磨材供給装置の供給配管は、先端部の空気圧が圧力損失によって大気圧近くまで減衰する長さに形成されている。

特開平７−２４７３７号公報 特開２００８−１３８５６３号公報 特開平７−１２４８６５号公報 特開平５−３０１１６６号公報 特開平７−１３３８号公報 特開２００８−１９４７７３号公報

特許文献３〜５に記載の方法は、いずれも、ジェット噴射の制御性を高めるための技術である。しかし、これらの特許文献では、高圧水流に研磨材を合流させる点において、研磨材を安定して供給するという課題及び手段について具体的な開示はしていない。

また、特許文献６は、研磨材供給タンク内の研磨材を研磨材ホッパまで送るのに、圧送との工夫を施しているが、研磨材ホッパから噴射ノズル先端までの研磨材の安定供給を考える場合には、対策としては不十分である。特に、研磨材ホッパと噴射ノズル先端との間が離れている時には、依然として研磨材詰りの問題は残る。

研磨材が細かく微粉になると、研磨材の供給経路では凝集や蓄積が生じ、脈動や詰まりが発生し易くなる。研磨材の供給が、過少になると切削力が低下し、過剰になると詰りが発生し易くなる。研磨材が供給経路で詰ると、切削対象物には、研磨材無しの水だけが噴射されるため、切削力不足により切削不良や破損が生じてしまう。また、研磨材の供給量に脈動があると、噴射流の切削力が変動し、材料の破損に至らなくても、切削面に予定外の凹凸が発生するという不具合が発生する。

本発明は、このような状況に鑑み、研磨材が細かい微粉の場合でも、その供給経路に研磨材の詰りや研磨材の移送量に脈動を発生させず、研磨材を安定して供給するアブレイシブウォータージェット加工装置、及び、この加工装置を用いる加工方法を提供することを課題とする。

本発明者らは、アブレイシブウォータージェットにより安定して加工を行うための方法を探究した。種々の加工テストや評価を行った結果、安定した加工には、ジェット噴射の安定性が必須であることがわかった。ここで、アブレイシブウォータージェット加工には、研削や切断などがあり、ジェット噴射が安定するとは、ジェット噴射の切削能力や形状などが時間的に変動しないことを意味する。

そして、ジェット噴射の安定には、高圧水の安定供給も必要だが、研磨材の安定供給の確保が重要であることがわかった。高圧水の供給については、現在は技術開発も進み、高い安定性が一般的にも提供されている。しかし、研磨材の供給については、粉体制御で技術的に難しい点もあり、依然として不安定性が生じ易いという課題が残っている。

そこで我々は、この点に着目して、研磨材供給の流れを観察した結果、研磨材の供給に不安定性を発生させる要因を把握するに至った。そして、研磨材の供給経路中に、機械的制御、重力、吸引力を、適切に配分することにより、研磨材の安定供給の課題を達成することができることを見出し、ここに本発明として提供する。

本発明に係るアブレイシブウォータージェット加工装置は、高圧水を供給する高圧水供給部と、該高圧水供給部に接続され高圧水を案内する高圧パイプと、研磨材を貯蔵する研磨材貯蔵容器と、該研磨材貯蔵容器から送出される研磨材を導く供給パイプと、高圧パイプ及び供給パイプが接続され、高圧水に研磨材を混合して懸濁液を形成する混合室と、該混合室に接続され、ワークに懸濁液を高圧噴射して加工を行う噴射ノズルと、を備えるアブレイシブウォータージェット加工装置であって、前記研磨材貯蔵容器が、機械的押出により送出口から研磨材を送り出す送出機構を有し、前記研磨材貯蔵容器の送出口から前記混合室に至る間の経路中に、前記混合室の高圧水流の吸引力が実質的に及ばず、研磨材を重力により下降させる下降部位が設けられていることを特徴とする。

この前記混合室の高圧水流の吸引力が実質的に及ばず、研磨材を重力により下降させる下降部位については、研磨材がパイプ内壁、ガイド溝、その他の構造物等と接して摩擦力を受けても支障はない。ここで研磨材を重力により下降させるというのは、混合室の高圧水流による吸引力が及ばずに重力による作用で下降することを意味する。また、混合室の高圧水流の吸引力が実質的に及ばずとは、重力により研磨材を下降させる場合に、研磨材の下降量に実質的に変動が生じない僅かな吸引力が及んでもよいことを意味している。

混合室の高圧水流による吸引力が、送出管や貯蔵容器に及ぶと、研磨材の引込みによって送出量が変動する。送出管や貯蔵容器では、研磨材が密に存在し、研磨材の粒子間に引力が働いている。そのため、ある時間帯は研磨材が纏まって吸引される。一方、ある時間帯は研磨材の吸引流出量が少ないといった時間的変動が生じる。

混合室の高圧水流による吸引力の影響は、研磨材貯蔵容器や送出管に、機械的押出による送出機構を備えていても生じる。吸引力は、スクリュー内部の研磨材に作用し、吸引力が強力な場合には、研磨材貯蔵容器内部にまで影響が及ぶ。このような場合、送出管内や貯蔵容器内では、研磨材の存在状態が吸引力の具合で不定期に変化するため、機械的押出により定量送出を試みても、安定供給は達成できなくなる。

そこで、本発明のように、混合室の高圧水流の吸引力が実質的に及ばず、重力のみで下降する下降部位を確実に設けることにより、研磨材貯蔵容器からの研磨材の送出量の安定化が可能となる。

また、本発明の加工装置は、下降部位として、研磨材貯蔵容器の研磨材を送り出す送出口と、供給パイプの受入口とが１０ｍｍ以上の落差を有することが混合室の高圧水流の吸引力の影響を防ぐ上でさらに好ましい。

送出管の送出口の下方には、研磨材の受入口として捕集ロート部を設ける。捕集ロート部は、送出管から流れ出る研磨材を集めて、噴射ノズルに送るための物である。よって、捕集ロート部の研磨材を受ける側は広口にし、供給パイプに接続する側は、供給パイプの径に合わせて狭くしておくと良い。捕集ロート部の具体的な構造としては、研磨材を滑らかに通すため、下部が先細りになった円筒状が好ましい。

捕集ロート部の設置位置については、送出管出口から捕集ロート部入口まで重力のみで研磨材が落下する区間を、１０ｍｍ以上設けることが好ましい。

一方、機械的押出により定量的に捕集ロート部に送られた研磨材を、混合室に供給するには、混合室の高圧水流による負圧による吸引力を用いると都合が良い。捕集ロート部に落下して供給される研磨材は、研磨材貯蔵容器や送出管の内部にある場合と比べると、個別の粒子が離れ、相互に摩擦や引力が作用しない離散状態にある。このような離散状態の粉体は、気流に乗せると定量的に運び易い。このとき、混合室の高圧水流による吸引力を利用すると、その吸引気流に乗った研磨材の粉体は、そのまま高圧水の噴射流に合流して、加工対象物に噴射される。このような機構は、研磨材の損失も無く、エネルギー効率も高いため、非常に都合が良い。

ここで、研磨材の流れの概略を整理する。研磨材は、前半は機械的に定量的に押し出され、後半は負圧による吸引力により気流に乗って搬送される。この前半と後半を繋ぐ中間箇所が、捕集ロート部の部分に該当する。この部分では、前半の機械的な力も、後半の負圧も基本的に及ばないが、ここでは、重力を利用して研磨材を搬送する。

捕集ロート部は、研磨材の輸送に重力を用いるため、捕集ロート部の設置する際には、ある程度立てる必要がある。具体的な捕集ロート部の設置角度としては、粉末が流れる内面の平均斜角度が、水平に対して３０度以上であることが好ましい。

また、本発明では、アブレイシブウォータージェット加工において、研磨材は、研磨材貯蔵容器に設けた機械的押出により送り出す送出機構により容器外に送り出される。研磨材貯蔵容器は、サイロ型が使い易いが、枠付の平板や椀など、任意のものを使用することができる。また、研磨材貯蔵容器の送出口には、送出管を設けて接続しておくと、研磨材の送出量を制御し易い。送出管は樋状などの解放形でもよい。また、送出管の研磨材が流れ出す端部については、切込みを入れておくと、研磨材の流れに脈動が生じ難くなるために好ましい。切込みの形は、Ｕ型やＶ字など任意でよく、その大きさは、機械的押出し機構や流出量などに応じて適宜調整すると良い。

研磨材を機械的押出により送り出す送出機構としては、送出管内に設けるスクリューや、その他にも、反復運動する板や櫂、羽根車等の機械的押出による任意の機構を利用することができる。特に、スクリューを用いると、研磨材貯蔵容器外への研磨材の送り出しを、安定して行い易い。スクリューは、一般的には回転を加えて用いるが、軸方向の前後運動をさせてもよく、または回転と前後運動を組み合わせて作用させてもよい。なお、本発明の送出機構には、機械的押出を全く用いない振動や吸引力などを利用するもの等を含まないことが送出機構を簡素化する上で好ましい。

スクリューは、バネのように鋼を巻いた形状のものでもよい。スクリューの先端位置については、送出管の切込みとの位置関係を調整すると、研磨材流の脈動を軽減できる場合が多い。具体的には、切込みの根元位置よりも流出側に、スクリュー先端が位置するように調整すると良い。

研磨材の送出管の内面と、その中に設置するスクリューの外周との隙間は、できるだけ少ない方が研磨材の流れを制御し易くなり好ましい。

スクリューの回転数は、低過ぎると大きな波の流動脈動が生じ易く、送出管の切込み形状や、研磨材の流動摩擦などにもよるが、毎分３０回転以上であると概ね研磨材の送出が安定して好ましい。一方、スクリューの回転数が高過ぎると研磨材が舞い上がり、飛散してしまう。

また、本発明の加工装置は、前記貯蔵容器の送出機構が、研磨材を送出する際に、連続的に動作するものであることが研磨材流の脈動を軽減する上で好ましい。

また、本発明のアブレイシブウォータージェット加工装置は、供給パイプの全長の５０％以上の領域に、研磨材を重力により下降させる下向き傾斜部位が設けてあり、該下向き傾斜部位の２０％以上の領域が水平に対して下向きに３度以上の傾斜角を有することが、研磨材の輸送を滑らかに行う上で好ましい。

供給パイプの上流端部は、供給パイプの区間中、最も吸引力が小さい。これは、吸引力の発生源である噴射ノズルから離れた位置にあり、また供給パイプ上流端が接続される捕集ロート部の口が、大気に解放されているためである。そこで、供給パイプの上流端において、研磨材の輸送を滑らかに行うためには、重力による推進力を与える必要がある。捕集ロート部と同じく、立てて設置するのが好ましい。具体的には、供給パイプの上流端１００ｍｍの区間は、水平に対して平均斜角度で３０度以上を設けるのが好ましい。

供給パイプの上流端部では、主として重力により研磨材が加速されるが、その先の供給パイプの中流域や下流域では、混合室からの吸引力が研磨材の搬送に大きく作用する。

よって、上記のような研磨材の搬送を考えると、供給パイプの配置としては、上流部は下向き傾斜角度を大きくし、下流部では水平もしくはそれに近い下向き傾斜角度で良い。すなわち、供給パイプの全長の５０％以上の領域に、研磨材を重力により下降させる下向き傾斜部位が設けてあり、該下向き傾斜部位の２０％以上の領域が水平に対して下向きに３度以上の傾斜角を有することである。

供給パイプの配置では、下向き凸の撓み部が無いことが好ましい。特に、傾斜角が０度になる下向き凸の撓み部があると、重力と摩擦の作用によって研磨材の滞留が起こり易くなる。研磨材の滞留が生じると、その部分で研磨材が詰ったり、堆積した研磨材が供給パイプの動きや振動をきっかけに一気に流出し、噴射ノズルを詰らせてしまう。

上記のように、供給パイプの傾斜を制御するには、剛性の高い金属構造を用いると達成することができる。ただし、この場合には、供給パイプが接続される噴射ノズルが、その動作性や動作域において、大きな制限を受けてしまう。

噴射ノズルを研磨材貯蔵容器と一体化して、その連結構造を動かして噴射ノズル走査する場合には、高剛性の金属構造を供給パイプに用いても問題は生じない。しかし、このような連結構造の走査系を整えるには、大きな費用が掛かるとの問題が生じる。

これを解決するには、噴射ノズルの走査を許容するように、弾力性を有する材料を供給パイプに用いると良い。

また、供給パイプ内での研磨材での流れを確認できるように、供給パイプには、透明性を確保することが好ましい。ただし、供給パイプの透明性については、完全に透明であることは必須ではない。研磨材の流れが確認できるならば、半透明であってもよい。

研磨材の詰りは、供給パイプを監視していれば、決定的な詰りの前段階を検知することができる。このとき、研磨材が偏在し易い部分や、滞留が起こり易い部分を、監視しておけば良い。目視観察では、適宜、照明や拡大鏡を用いると、異常を検知し易い。また、画像や赤外線などを用いると、安定した監視を実現することができる。研磨材が詰る際には、ジェット噴射の切削性が大きく低下して、切削音も変化する。よって、この切削音を傾聴することも、研磨材詰りの異常監視には有用である。

透明性としては、可視光による透明性を用いると最も簡便だが、可視光以外に研磨材の流れを確認できる機構を用いてもよい。例えば、音波や赤外線などを用いた検出器があれば、音波や赤外線などに対する透明性があればよい。

また、本発明の加工装置は、前記供給パイプが、透明性を有する材料からなる可視部位を有することが好ましく、その可視部位が、透明樹脂からなることが、柔軟性及び透明性を兼備する点でさらに好ましい。

以上の供給パイプへの要求を簡便に整理すると、供給パイプには、柔軟性と透明性が求められる。これを実現する材料としては、ナイロン、フッ素樹脂、塩化ビニール、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリオレフィンなど、各種の樹脂材料を用いることができる。

上述のように、噴射ノズルの操作において、供給パイプは、それに追従すべく動く。これは、供給パイプの柔軟性によって得られる効果だが、同時に、柔軟性は重力により前記した下向き撓み部の形成も引き起こす。そのため、供給パイプには、柔軟性により変形を許容すると同時に、下向き凸の撓み部が生じないような仕組みが必要となる。

そこで、本発明の加工装置は、前記供給パイプの可視部位を支持して傾斜を制御する傾斜制御機構を有することが好ましい。

上記傾斜制御は、樹脂パイプ単体では非常に困難であるため、周囲からの機械的機構を利用すると良い。具体的な機械的機構としては、吊下げ線、バネ、棒、などが挙げられ、それらで供給パイプを部分的に支持してやればよい。ただし、吊下げ線、バネ、棒の類だけでは、供給パイプの稼動範囲が大きい場合には、目的達成は困難である。

そこで、供給パイプの傾斜制御の実現には、その外周を全体的に支持できような、変形可能な構造体を付与してやると良い。構造は、重力変形に対して抵抗できるような材料や構造であればよく、形状は管、樋、棒、板状や、それらの組合せでよい。好ましい形態としては、キャタピラ構造体など、関節を多数有する構造が良い。折り畳み定規のような関節が少ない構造でも間に合うこともあるが、関節を多数有するキャタピラ構造体の方が、供給パイプの動きや傾斜を細やかに制御できる点で好ましい。

上記のキャタピラ構造体は、断面形状は、特に指定は無く、円や楕円、多角形状でよい。また、樋のように断面外周が開いていてもよい。

また、キャタピラ構造体の節については、数や間隔は任意でよい。供給パイプの動作範囲に合わせて、節間長を調整してもよい。噴射ノズルを走査しても供給パイプがあまり動かなくて済む部分では、節間を長く確保すると、供給パイプの傾斜制御を安定して行い易い場合もある。

さらに、キャタピラ構造体は、供給パイプに複数装着してもよい。複数に分割すると、供給パイプの傾斜制御を設定する上で、自由度が高くなる。キャタピラ構造体の複数設置については、予め、複数のキャタピラ構造体を用意してもよいが、関節の脱着が可能な１本の長いキャタピラがあれば、状況に応じて適宜分割して調整することができるため好ましい。

また、キャタピラ構造体の屈曲限界も重要である。曲率下限が重要であるが、これによって、供給パイプの屈曲に制限を設けることが可能となる。

キャタピラ構造体自身の可動は、ある平面に限定されていることが望ましい。しかし、実際には、関節の構造的緩み等により、設置距離が長いと、自重による下向き撓みが生じ易い。そこで、キャタピラ構造体の設置では、吊下げ線、バネ、板、棒などを用いて、キャタピラの自重撓みを防止するような対策を施すと良い。板や棒の場合は、キャタピラを下方から支えることになるが、供給パイプの動きを見て、その設置する数や角度などを調整すると良い。

供給パイプは、下向き凸の撓み部を発生させないことが必須であるが、水平方向などにおいても極端な屈曲を防止することが重要である。極端な屈曲があると、供給パイプ中の研磨材は、慣性によって屈曲外側の供給パイプ内壁に押し付けられ、研磨材が供給パイプ内で偏在してしまう。この供給パイプ内での研磨材の偏在は、研磨材の詰りの要因になる他、ジェット噴射の断面における研磨材が多い部分では切削力は高いが、研磨材の少ない部分では切削力が低くなるという切削力に分布を発生させてしまう。そのため、安定した加工が困難となる。

このような、ジェット噴射断面での切削力に大きな分布があると、切削面の様子や切削音に、通常とは異なる変化が生じる。これらの様子から異常を認識することができる。

そこで、供給パイプの曲率の下限値については、曲率半径で１０ｍｍ以上が好ましく、３０ｍｍｍ以上であれば、さらに好ましい。

供給パイプの屈曲の影響は、噴射ノズルに近くなるほど大きくなる。噴射ノズルから５００ｍｍ以上離れた部分では、経路中での分散効果が期待できるが、ノズル噴射口の５００ｍｍよりも手前では、研磨材偏在の影響がノズル噴射に発生し易い。特に、ノズル噴射口の直前の５０ｍｍ区間での研磨材の偏在は、ジェット噴射に影響が及ぶことは決定的で、是非とも避けなければならない。

このジェット噴射直前における研磨材の偏在を防ぐため、噴射ノズル手前の混合室に接続する供給パイプの先端を固定することが必要となる。固定の方法は、供給パイプの外周を機械的に固定してもよいが、供給パイプの先端部に該当する部分を、連絡パイプとし、金属などの剛性の高い材料で置き換えれば良い。この高剛性の連絡パイプには、ガラスのような透明性を有する材料を用いてもよい。

具体的には、噴射ノズルが接続される混合室の手前に、長さ５０ｍｍ以上の高剛性の連絡パイプを接続し、その連絡パイプに供給パイプを接続すれば良い。連絡パイプの噴射ノズルへの接続は、溶接でもよいが、ネジ切り構造にして装着すると、脱着が容易で固定性も高くて好ましい。

本発明に係るアブレイシブウォータージェット加工方法は、高圧水供給部から高圧パイプを経て混合室に高圧水を供給するとともに、研磨材貯蔵容器の送出口から供給パイプを経て混合室に研磨材を供給し、混合室において高圧水に研磨材を混合して懸濁液を形成し、該懸濁液を噴射ノズルからワークに高圧噴射して加工を行う加工方法であって、前記研磨材貯蔵容器の送出口から前記供給パイプへの研磨材の移送を、実質的に重力のみで行うことを特徴とする。

本発明に係る加工方法では、研磨材貯蔵容器の送出口から前記供給パイプへの研磨材の移送を、実質的に重力のみで行うことが、上記加工装置で説明したように、混合室の高圧水流の吸引力の影響を防ぎ、研磨材の送出安定化を図る上で重要である。

また、研磨材貯蔵容器の送出口から機械的押出により研磨材を送り出すことが、上記加工装置で説明したように、研磨材の送出安定化を図る上で好ましい。

さらに、下降部位を経由した後の該研磨材を重力と高圧水流の吸引力とにより混合室に供給することも、研磨材の送出安定化を図る上で好ましい。

また、本発明の加工方法では、研磨材の平均粒度が１００μｍ以下であると、効果が大きく、研磨材が、主にガーネットで構成されていることが好ましい。

本発明の効果は、平均粒度が２００〜３００μｍ程度の一般的な研磨材粒度でも、効果が明確に認められるが、具体的には、研磨材の平均粒度が１００μｍ以下の場合に、本発明を用いると、研磨材送給及び切削加工の安定性に対して、顕著な改善効果が得られる。

研磨材に用いる無機粉末としては、基本的には、アブレイシブウォータージェットで一般的に使用されるガーネット（旧モース高度８）が好ましい。ただし、微粉の場合は、研磨材による切断力が落ちるため、旧モース高度で９に相当するアルミナ、ジルコニア、ジルコンなどの硬い粒子を用いると切断力を高められて良い。ただし、硬い粒子を用いる場合は、長期使用では噴射ノズルなどの損耗が大きくなるため留意が必要である。また、切断力が低いモース高度で７に相当する石英結晶も、切削力が過剰と思われる場合には有効に使用することができる。

以上のように、本発明のアブレイシブウォータージェット加工装置及び加工方法では、研磨材を用いたアブレイシブウォータージェット加工において、その研磨材供給経路に研磨材の詰りや研磨材の搬送に脈動を発生させずに、研磨材を安定して供給することができ、仮に研磨材の詰りがあっても、容易に見知が可能である。そのため、アブレイシブウォータージェット加工を高効率で安定して行うことができる。特に、微粉の研磨材を使用する場合に、研磨材送給の安定性と、これに伴う切削加工の安定性について顕著な改善効果が得られる。

本発明で使用するアブレイシブウォータージェット加工装置の説明図。

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されない。

実施例として、本発明を組み込んだアブレイシブウォータージェット加工装置を図１に模式的に示す。研磨材Ｇの貯蔵容器としては、断面が３００ｍｍ×３００ｍｍ、高さが４００ｍｍの準矩形中空体の供給サイロ１１を用いた。

供給サイロ１１の下部は、三角屋根を逆さにした形状になっており、供給サイロ１１に投入した研磨材Ｇは、逆三角屋根の頂点線に落下集合するようになっている。

供給サイロ１１下部には、長さ２００ｍｍで内径２０ｍｍの金属製の送出パイプ１１ａが取付けられ、その先端は研磨材Ｇの送出し口１１ｂになっている。この送出し口１１ｂに対面するように、研磨材サイロ１１内の下部には、図示しない研磨材送出用の外径１８ｍｍのスクリューが送出パイプ１１ａ中を貫通するように取り付けられており、送出し口１１ｂの反対側には、スクリューを回転させるための図示しないモーターが取り付けられている。

送出パイプ１１ａの先端の下側には、開き幅３ｍｍ×長さ５ｍｍの図示しないＶ字型の切込みが設けられている。回転スクリューの先端は、研磨材Ｇの流出時の脈動を低減すべく、送出パイプ１１ａの先端よりも前方に２ｍｍ程度突出させている。

送出パイプ１１ａの先端より５０ｍｍ下方には、瓶形状の金属製の捕集ロート部１３ａが取り付けられている。捕集ロート部１３ａの広口部分は内径５０ｍｍで、上記の送出パイプ１１ａ先端を向くように設置される。捕集ロート部１３ａの口の狭い方は、下方に向けられ、その先端には、供給パイプ１３が接続されている。

供給パイプ１３には、内径６ｍｍで外径１０ｍｍの市販のビニールチューブを用いている。ビニールチューブは、２．５ｍの長さを有し、その先端は、噴射ノズル１５上部の高圧水Ｗと研磨材Ｇの混合室１４に接続される。

供給パイプ１３の外周には、プラスチック製のキャタピラ１３ｂが装着されている。このキャタピラ１３ｂは、市販の電気コード収納用のキャタピラ構造のフレキシブル角型チューブを転用したものである。このキャタピラ１３ｂの節間長は、２５ｍｍである。キャタピラ１３ｂは、背骨にあたる１面以外は、中抜きの構造となっており、キャタピラ１３ｂ内に挿入するビニールチューブが見えるようになっている。

ここで用いたキャタピラ１３ｂは、人の指の関節のような可動方向を有し、ある一方向にのみの屈曲が可能である。動作方向が限られるが、供給パイプ１３の動きを制御し易い。

この装置では、ワーク固定台Ｔの短辺をＸ軸、長辺をＹ軸とするとき、噴射ノズル１５のＸ軸走査は、ワーク固定台Ｔ上方に位置するＸ軸アームに沿って動くことで達成される。噴射ノズル１５のＹ軸走査は、噴射ノズル１５を取り付けたＸ軸アームを有する構造体が、Ｙ軸方向に水平移動することで達成される。

よって、Ｙ軸操作では、噴射ノズル１５と供給サイロ１１の間における位置変化は無い。供給パイプ１３の制御検討では、噴射ノズル１５のＸ軸操作における供給パイプ１３の動きを考えればよい。供給パイプ１３の傾斜制御用のキャタピラ１３ｂは、このＸ軸操作を許容しつつ、下向き撓みを防ぐように取り付けられている。

供給パイプ１３には、水平に対して平均約２０度の傾斜角を設けている。供給パイプ１３の上流先端では、ほぼ直立に近い角度としており、重力による研磨材Ｇの流下促進効果を大きく得られるようにしている。

供給パイプ１３の傾斜角は、下流側の先端では５度ぐらいと小さい。これは供給パイプ１３の下流側では、混合室１４からの吸引力は大きく作用して詰り難いためである。

上記のように、供給パイプ１３に傾斜分布を持たせて制御する点では、キャタピラ１３ｂは非常に効果的に作用する。キャタピラ１３ｂは、多数の関節により多少の撓みが発生するが、これは上述の円弧状のような傾斜分布を設けて固定するという目的には、非常に都合よく作用する。

供給パイプ１３の下流端は、連絡パイプ１４ａに接続されている。この連絡パイプ１４ａは、１００ｍｍの長さを有する内径６ｍｍの金属管である。連絡パイプ１４ａは、噴射ノズル１５上部の混合室１４にネジ構造により接続されている。そのため、噴射ノズル１５の走査により、供給パイプ１３が動いても、連絡パイプ１４ａの部分は固定していて動かない。

噴射ノズル１５の径は１．０ｍｍφとした。噴射ノズル１５上部に高圧水Ｗを噴出する図示しないノズルの径は０．３５ｍｍφとした。研磨材Ｇの供給量は、概ね２００ｇ／分とした。高圧水Ｗの供給圧力は３００ＭＰａである。高圧水Ｗの供給流量は約５リットル／分である。切断速度は１００〜１０００ｍｍ／分とした。ノズル１５と切断試料Ｐとの距離は２ｍｍとした。

研磨材Ｇには、粒度調整を行ったガーネット粉末を使用した。このガーネット粉末は、ボールミルで適宜粉砕したものを、篩により粒度を整えたものである。

切削試料Ｐとしては、ガラス積層品を用いた。ガラス積層品には、日本電気硝子製の無アルカリガラス板（ＯＡ−１０）を使用し、ガラス板の間に、ＰＶＢ樹脂のシートを挟んで、オートクレーブにより加圧加熱して密着させた。ガラス単板は、厚さ０．７ｍｍを有する。ＰＶＢ樹脂シートは、厚さ０．７ｍｍ厚を有する。積層数は全１１層で、ガラス６層とＰＶＢ樹脂シート５層を、一層ずつ重ねて接着した。積層体の厚さは８ｍｍであり、サイズは２ｍ×１ｍである。切断に際して、この１ｍ辺をＸ軸とし、２ｍ辺をＹ軸とした。

平均粒度５０μｍの研磨材Ｇを用いて、上記条件において、Ｘ軸、Ｙ軸を入替えつつ、９０分間の切断加工を行った。結果、全く詰りは見られず、時間中、良好な切断を維持できた。供給パイプ１３における研磨材Ｇの滞留も見られなかった。研磨材Ｇが詰るとジェット噴射流Ｊや切削音が変化するが、その類の変化は全く見られなかった。

一方、比較例として、研磨材貯蔵容器の送出口から機械的押出により研磨材を送り出すという本発明の対策、及び混合室の高圧水流の吸引力が実質的に及ばない重力により研磨材が下降する下降部位を経由させる本発明の対策を行わなかった場合は、２分から５分の間隔で、研磨材Ｇの詰りが発生した。詰りの箇所は、最終的には噴射ノズル１５の先端であるが、その前段階として、供給パイプ１３での滞留や偏在が見られた。この様子は、ガーネット研磨材Ｇは、灰色から茶色の粉末で、供給パイプ１３が透明であるため、明確に確認できた。研磨材Ｇの詰りが発生すると、噴射ノズル１５の清掃や供給パイプ１３の取外しや再接続などで、作業が１０分から２０分間中断した。これは、実際の生産では、生産性低下に繋がる不具合である。

切断試料Ｐには合わせガラス以外にも、厚さが４ｍｍの板ガラス単板の連続切断にも適用した。この場合、研磨材Ｇのガーネット粉末には、平均粒度３００μｍのものを使用した。従来は２時間おきに１回ぐらい研磨材Ｇの詰りが発生したが、本対策後は研磨材Ｇの詰りは全く見られなくなった。

本発明は、脆性材料の板ガラスの切断方法及び合わせガラスを構成する板ガラスを切断する加工方法を示したが、カーボンやガラス等の無機繊維を使用した難加工性の複合材等にも適用可能である。

１０ アブレイシブウォータージェット加工装置
１１ 研磨材供給サイロ（研磨材貯蔵容器）
１１ａ 送出パイプ（送出管）
１１ｂ 送出口
１２ 高圧水供給装置
１３ 研磨材の供給パイプ
１３ａ 捕集ロート部
１３ｂ キャタピラ
１４ 混合室
１４ａ 連絡パイプ
１５ 噴射ノズル
Ｇ 研磨材
Ｊ ジェット噴射流
Ｐ 切断試料（ワーク）
Ｔ ワーク固定台
Ｗ 高圧水

Claims (10)

1. 高圧水を供給する高圧水供給部と、該高圧水供給部に接続され高圧水を案内する高圧パイプと、研磨材を貯蔵する研磨材貯蔵容器と、該研磨材貯蔵容器から送出される研磨材を案内する供給パイプと、高圧パイプ及び供給パイプが接続され、高圧水流に研磨材を混合して懸濁液を形成する混合室と、該混合室に接続され、ワークに懸濁液を高圧噴射して加工を行う噴射ノズルと、を備えるアブレイシブウォータージェット加工装置であって、
   前記研磨材貯蔵容器が、機械的押出により送出口から研磨材を送り出す送出機構を有し、前記研磨材貯蔵容器の送出口から前記混合室に至る間の経路中に、前記混合室の高圧水流の吸引力が実質的に及ばず、研磨材を重力により下降させる下降部位が設けられていることを特徴とするアブレイシブウォータージェット加工装置。
2. 下降部位として、研磨材貯蔵容器の送出口と、供給パイプの受入口とが１０ｍｍ以上の落差を有することを特徴とする請求項１に記載のアブレイシブウォータージェット加工装置。
3. 研磨材貯蔵容器の送出機構が、研磨材を送出する際に、連続的に動作するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアブレイシブウォータージェット加工装置。
4. 供給パイプの全長の５０％以上の領域に、研磨材を重力により下降させる下向き傾斜部位が設けてあり、該下向き傾斜部位の２０％以上の領域が水平に対して下向きに３度以上の傾斜角を有することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載のアブレイシブウォータージェット加工装置。
5. 供給パイプが、透明性を有する材料からなる可視部位を有することを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載のアブレイシブウォータージェット加工装置。
6. 供給パイプの可視部位が、透明樹脂からなることを特徴とする請求項５に記載のアブレイシブウォータージェット加工装置。
7. 供給パイプの可視部位を支持して傾斜を制御する傾斜制御機構を有することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のアブレイシブウォータージェット加工装置。
8. 高圧水供給部から高圧パイプを経て混合室に高圧水を供給するとともに、研磨材貯蔵容器の送出口から供給パイプを経て混合室に研磨材を供給し、混合室において高圧水に研磨材を混合して懸濁液を形成し、該懸濁液を噴射ノズルからワークに高圧噴射して加工を行うアブレイシブウォータージェット加工方法であって、
   前記研磨材貯蔵容器の送出口から前記供給パイプへの研磨材の移送を、実質的に重力のみで行うことを特徴とするアブレイシブウォータージェット加工方法。
9. 研磨材の平均粒度が１００μｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載のアブレイシブウォータージェット加工方法。
10. 研磨材が、主にガーネットで構成されていることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のアブレイシブウォータージェット加工方法。