JP2012250341A

JP2012250341A - 高圧ジェット切断加工用組成物

Info

Publication number: JP2012250341A
Application number: JP2012095701A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Inagaki; 秀和稲垣
Original assignee: Moresco Corp
Current assignee: Moresco Corp
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2012-12-20

Abstract

【課題】ウォータージェット（ＷＪ）加工、アブレシブジェット（ＡＪ）加工等の高圧ジェット切断加工において、加工速度の向上及び凹凸の大きい複雑な加工物への対応が可能な切断加工用組成物及びそれを用いたスラリー並びにそれらを用いた切断加工方法を提供する。
【解決手段】（Ａ）成分単独、又は（Ａ）及び（Ｂ）の成分を含む高圧ジェット切断加工用組成物、並びに（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の成分を含む高圧ジェット切断加工用スラリー。
（Ａ）多価アルコール
（Ｂ）水
（Ｃ）研磨粒子
【選択図】なし

Description

本発明は、ウォータージェット（以下ＷＪ）加工機、アブレシブジェット（以下ＡＪ）加工機等に用いられる高圧ジェット切断加工用組成物及びそれを用いたスラリーに関する。更に詳しくは、鉄、非鉄等の金属、炭素繊維強化プラスティック（以下ＣＦＲＰ）等の複合材などの切断加工において、切断速度の向上及び圧縮効率の向上を可能とする、高集束性で低圧縮率の高圧ジェット切断加工用組成物及びそれを用いたスラリー並びにそれらを用いた切断加工方法に関する。

昨今、日本のものづくりにおける国際競争力を高める為に、種々の加工技術が検討され生産効率の向上が進められている。様々な母材を目的の形状に切断する技術として、プラズマ加工、レーザー加工やＷＪ加工及びＡＪ加工などがある。何れの加工方法も平板からの切り出し加工を得意としている。しかし、プラズマ加工とレーザー加工は切断部周辺が加工熱による硬化等の熱影響を受ける。更に加工時のＣＯ２の排出や不活性ガスの排出量が多い事が問題である。それら問題の少ない加工方法としてＷＪ加工やＡＪ加工が注目されている。
ＷＪ加工及びＡＪ加工は主に水又は水に研磨材を混合させたスラリーを用いて加工対象物を切断するため、加工熱による硬化等の影響が無い。よって後工程での硬化部の除去工程が必要ない。更に一般的な切削加工とは違い工具の代わりに水単独、若しくは水と研磨材を使用するため同じく加工熱による影響が無い、更に工具磨耗の問題も無いという利点を有している。これら効果により生産効率の改善が期待できる加工方法としてＷＪ加工及びＡＪ加工は注目されている。

更に次世代型と呼ばれる航空機の一次構造材として大規模に採用されているＣＦＲＰは炭素繊維を樹脂で固めた部材のため熱影響を受けやすい材料である。その為加工熱の影響の無いＷＪ加工及びＡＪ加工が適している。更に、２０１１年度生産が開始されたＢＯＥＩＮＧ社のＢ−７８７型機では機体重量の５０％にＣＦＲＰが採用されている。その加工方法としてＷＪ加工及びＡＪ加工が採用されている。しかし、今後の航空機の増産が計画されており目標を達成するためには加工効率の向上が必須となっている。また、その他の航空機メーカーにおいても今後ＣＦＲＰの採用が進められる。更にジョーナルジェット等の中小型機の開発も活発化しており国際競争が激しくなっている。こちらについては生産コストが重要な課題とされ、同じくＷＪ加工及びＡＪ加工の加工効率の向上が課題とされている。

しかし、上記切断加工用組成物の検討はあまりされておらず、その殆どが一般的な水道水や工業用水が用いられている。（例えば特許文献１及び特許文献２参照）

加工能力の増加及びジェットノズルの磨耗低減を可能とする加工液として、例えば特許文献３には、加工液に切削油を混入する事が提案されている。しかし、切削油の成分は様々であり、用途、目的に応じて違う。更に、一般的に切削油剤に配合されている組成物は微生物の影響を受けやすく腐敗しやすい等の課題から長期安定性に乏しい。また、泡立ち、腐食、シール材への影響などの問題が考えられる。

特開平６−１４３１４５号公報特開平６−１４３１４６号公報特開平８−２４３９２３号公報

本発明の課題は、ＷＪ加工、ＡＪ加工等の高圧ジェット切断加工において、加工速度の向上が可能な切断加工用組成物及びそれを用いたスラリー並びにそれらを用いた切断加工方法を提供することにある。

本発明者は、特定の切断加工用組成物及びそれを用いたスラリーが、高圧ジェットの拡散の抑制（収束性の向上）と組成物を高圧にした時の圧力損失の低減が可能なことを見出し、上記課題を解決するに至った。

すなわち、本発明は、下記の発明に係る。
１．（Ａ）の成分を含む高圧ジェット切断加工用組成物。
（Ａ）多価アルコール
２．（Ａ）及び（Ｂ）の成分を含む高圧ジェット切断加工用組成物。
（Ａ）多価アルコール
（Ｂ）水
３．（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の成分を含む高圧ジェット切断加工用スラリー。
（Ａ）多価アルコール
（Ｂ）水
（Ｃ）研磨粒子
４．多価アルコールが２〜４価のアルコールである上記１〜２に記載の高圧ジェット切断加工用組成物。
５．２〜４価のアルコールが、プロピレングリコール、エチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン、ポリグリセリン、ペンタエリスリトール、それら物質の重縮合物である上記４に記載の高圧ジェット切断加工用組成物。
６．（Ａ）を５〜９０重量％、（Ｂ）を残部、からなる上記２に記載の高圧ジェット切断加工用組成物。
７．研磨粒子がダイヤモンド、シリカ、アルミナ又はガーネットである、上記３に記載の高圧ジェット切断加工用スラリー。
８．上記の切断加工用組成物又は切断加工用スラリーを超高圧に加圧しノズルから吐出させて部材を切断する加工方法。

本発明の切断加工用組成物及び切断加工用スラリーは、ＷＪ、ＡＪ等の切断加工において、高圧ジェットの集束性が向上することによって、該高圧ジェットが集中的に加工点に集められるため加工速度が向上する。また集束性が高いため切断対象物とノズルの距離を離しても加工精度に影響が少ない為、凹凸の大きい複雑な加工物の切断への対応が可能となる。更に、高圧にした時の組成物やスラリーの圧縮率が小さい為、送液時に発生する圧力損失が低減され効率的に昇圧（加圧）できる。更に僅かに粘性を有しており昇圧によるポンプシリンダー等からの液漏れが抑制されるため圧縮効率が改善される。これら効果により高圧送液ポンプの消費電力量を削減することができる。

集束角度を求めるスプレーバイアル試験法を表す図である。高圧ジェットの圧縮率測定装置を表す図である。高圧ジェットによる凹凸部材の切断を表す概略図である。Ａ図は従来技術による、切断、Ｂ図は本発明による切断を表す。本発明により従来加工が困難であった凹凸部材の加工が可能となる。

本発明の高圧ジェットによる切断加工用組成物及び切断加工用スラリーは、ウォータージェット（ＷＪ）加工機、アブレシブジェット（ＡＪ）加工機、或いはアクアジェット（ＡＱＪ）加工機と言われる加工機等に用いられるが、これらに限定されるものではない。例えば、水を使用しない多価アルコールのみの高圧ジェットによる加工機にも用いることができる。高圧には超高圧も含み、通常０.１Ｍｐａ以上を高圧とし、２００〜８００Ｍｐａが好ましく、更に３００〜６００Ｍｐａの範囲が好ましい。
本発明の組成物或いはスラリーの各成分について以下に詳しく説明する。

（Ａ）多価アルコールとして、例えば、２〜４価のアルコールが使用でき、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、ポリプロピレングリコール、ヘキシレングリコール、ブタンジオール、ブチルジグリコール、グリセリン、ポリグリセリン、ペンタエリスリトール等が挙げられる。好ましくは、プロピレングリコール、エチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン、ポリグリセリン、ペンタエリスリトール等が挙げられる。これら多価アルコールの中でも２価アルコール及び３価アルコールが好ましい。尚、上記多価アルコールは単独でも２種以上を混合したものでもよい。また、ポリアルキレングリコールの重縮合物などの誘導体も使用できる。ただし、実使用上において粘度は１〜３２ｍＰa・ｓ程度の比較的低いものが好ましい。ポリアルキレングリコールの重縮合物などの誘導体としてはポリエチレンポリプロピレンブロックポリマー、ポリエチレンポリプロピレンランダムポリマー、ポリエチレンポリプロピレンリバースブロックポリマー等を挙げることができる。
（Ｂ）水としては、水道水、工業用水、イオン交換水もしくは純水等の精製水が使用できる。

（Ｃ）研磨粒子としては特に限定しないが、例えばダイヤモンド、シリカ、アルミナ、ガーネット等が使用できる。切断効率を高める為には粒子径の大きな研磨粒子（例えば８０メッシュ、平均粒子径２５０〜３１５μｍ程度）を用いると良い。また、切断面精度を改善する為には粒子径の小さな研磨粒子（例えば１２０メッシュ、平均粒子径１００〜１２５μｍ程度）を用いると良い。

成分（Ａ）の含有量は特に限定されず、１００重量％でも良いが、５〜９０重量％が好ましく、１０〜７０重量％がより好ましい。成分（Ａ）の含有量が上記範囲であれば、切断加工時に十分な加工精度及び加工速度の向上が得られる。水（Ｂ）の含有量は、残部である。

研磨粒子（Ｃ）の含有量は特に限定されないが、組成物全体を１００重量部としたとき、０.１〜２０重量部が好ましく、１〜１０重量部がより好ましい。

本発明の高圧ジェット切断加工用組成物は上記成分（Ａ）と成分（Ｂ）を混合することにより得られる。混合は予め容器中で行なっても良く、又はジェットノズルに別々に導入しても良い。また本発明の高圧ジェット切断加工用スラリーは上記切断加工用組成物に研磨粒子（Ｃ）を混合しても良く、或いはジェットノズルに別ラインで研磨粒子（Ｃ）を供給してスラリーとしても良い。例えば、研磨粒子をノズルにインジェクターにて負圧吸引式で供給することもできる。高圧ジェットにするには、例えば、高圧ポンプで加圧した加工液をアキュムレータに蓄えノズルから吐出し高圧ジェットにする。

本発明の切断加工用組成物又は切断加工用スラリーによって切断される部材はとくに限定されないが、例えばアルミニウム及びそれらの合金、鉄及びステンレス、炭素鋼等の合金、ガラス及びセラミックス等の脆性材、炭素繊維強化プラスティック及びガラス繊維強化プラスティック等の複合材、ゴム及びプラスティック等の樹脂材及びこれらの複合材料などが挙げられる。

本発明の切断加工用組成物又は切断加工用スラリーは、ＷＪ加工機、ＡＪ加工機等の加工機に使用されるものであって、通常の鉄やアルミ材料の水溶性切削液、水溶性研削液、水溶性研磨液とは、区別されるものである。

以下に示す実施例、及び、比較例により本発明について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

実施例１〜１５及び比較例１〜５
表１〜４に示す割合（重量部）で各成分を混合槽中、室温で撹拌して切断加工用の組成物又はスラリーを作成した。これらの加工液について、以下の集束性評価、圧縮率評価、切断加工速度評価及び昇圧効率評価を行った。

集束性評価
スプレー装置を用いて、評価液を一定高さ（２０ｃｍ）から一定圧力（０.１Ｍｐａ）、一定時間（０.１秒）で噴霧し、不織布上の噴霧痕の直径から集束角度を求めた。（図１参照）

圧縮率評価
耐圧容器に評価液を充填し、油圧ポンプで圧力（３０Ｍｐａ）を加える。その時の圧縮率を測定した。（図２参照）

切断加工速度評価
スギノマシン製：加工機（Ｃ２０１５ＮＮ−ＡＢ）、高圧ポンプ（ＡＪＰ−３５０２５Ｓ）、吐出圧力３００Ｍｐａ、ノズル径０.２５ｍｍ、Ｚ２.０、被削材：ＣＦＲＰ±４５°ＰＸ材、Ａ−１０５０、ＳＵＳ３０４、板厚５ｍｍ、研磨材：１８０ｇ／ｍｉｎ（ガーネット８０メッシュ）の条件で、送り速度を調整し限界切断加工速度の測定を行なった。

昇圧効率評価
評価液が圧力０.１Ｍｐａから４００Ｍｐａに到達するまでの時間を測定した。

結果を表１〜４に示す。

実施例１〜８の集束角度は１７〜２９°であり、比較例１の集束角度４０°に対して、集束性が充分大きいことが確認された。さらに実施例９〜１２については比較例２に対して、圧縮率が最大で１／２に低下することが確認された。

実施例１３は比較例３に対して、加工速度がＣＦＲＰで３.２倍、Ａ−１０５０で２.６倍、ＳＵＳ３０４においては切断不可能であったものが切断可能であることが確認された。更に実施例１４は比較例４に対して、ＣＦＲＰで１.３５倍、Ａ−１０５０で１.１９倍、ＳＵＳ３０４で１.３９倍になることが確認された。

実施例１５は比較例５に対して昇圧時間が大幅に短縮され圧縮効率が向上していることが確認された。

実施例より本発明の高圧ジェット切断加工用組成物の単体及び研磨材混合のスラリーの双方において顕著な加工速度の向上が確認できた。更には多価アルコールを用いることにより圧力損失が低減され、高圧ポンプによる昇圧効率が飛躍的に向上し消費電力の削減が可能である。

本発明によれば、ＷＪ加工、ＡＪ加工等の高圧ジェット切断加工において加工速度が向上する。さらには切断面精度の改善と凹凸の大きな複雑な加工物の高精度切断への対応が可能となる。また、圧縮効率が向上することにより送液ポンプの消費電力量の削減が可能である。
本発明の高圧ジェット切断加工用組成物及びそれを用いたスラリーは、アルミニウム又はＣＦＲＰ等のハニカムコア構造を有する部材の切断にも適用できる。

１スプレーノズル
２耐圧容器
３電磁弁装置
４噴霧ミスト
５集束角度
６噴射高さ
７不織布
８噴射範囲
９噴射範囲半径
１０圧力計
１１温度計
１２耐圧容器
１３サンプル
１４手押しポンプ
１５ダイアルゲージ
１６ノズル
１７切断部材
１８切断精度（従来）
１９切断精度（本発明）
２０従来の高圧ジェット
２１本発明の高圧ジェット

Claims

（Ａ）の成分を含む高圧ジェット切断加工用組成物。
（Ａ）多価アルコール
（Ａ）及び（Ｂ）の成分を含む高圧ジェット切断加工用組成物。
（Ａ）多価アルコール
（Ｂ）水
（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の成分を含む高圧ジェット切断加工用スラリー。
（Ａ）多価アルコール
（Ｂ）水
（Ｃ）研磨粒子
多価アルコールが２〜４価のアルコールである請求項１又は２に記載の高圧ジェット切断加工用組成物。
２〜４価のアルコールが、プロピレングリコール、エチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、グリセリン、ポリグリセリン又はペンタエリスリトールである請求項４に記載の高圧ジェット切断加工用組成物。
多価アルコールが２〜４価のアルコールの重縮合物である請求項１又は２に記載の高圧ジェット切断加工用組成物。
（Ａ）を５〜９０重量％、（Ｂ）を残部からなる請求項２に記載の高圧ジェット切断加工用組成物。
研磨粒子がダイヤモンド、シリカ、アルミナ又はガーネットである、請求項３に記載の高圧ジェット切断加工用スラリー。
請求項１又は２の切断加工用組成物を超高圧に加圧しノズルから吐出させて部材を切断する加工方法。
請求項３の切断加工用スラリーを超高圧に加圧しノズルから吐出させて部材を切断する加工方法。