JP2022104132A - キャビテーション処理装置およびキャビテーション処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部品の表面および深部に対して、均等にキャビテーション効果（残留応力等）を与えるキャビテーション処理装置を提供する。【解決手段】キャビテーション処理装置は、キャビテーション流体ＣをワークＷに噴射するノズル２と、ワークＷに衝突して分岐したキャビテーション流体Ｃの流れ方向を内側に囲い込むように変える方向切換部３と、回転軸４ａを有する駆動装置４であって、回転軸４ａとともにワークＷを回転させる駆動装置４と、回転軸４ａの一端を支持する支持部５と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、部品の表面にキャビテーション処理をするためのキャビテーション処理装置およびキャビテーション処理方法に関する。

従来、航空機部品等の高機能部品に対して、キャビテーション処理をすることによって、各種部品の表面に圧縮残留応力を付加することや、ディンプル形状を形成させることで、摩擦を緩和するとともに潤滑油の保持等が行われる。キャビテーション処理は、表面処理、ピーニング、洗浄、剥離、切断、バリ取り等の総称である。

しかし、液体（例えば、水）を利用したキャビテーションは、原理的に解明されていないことも多く、キャビテーションを安定的に制御するための方法の確立や装置化は容易ではない。

例えば、部品の内面を表面処理するためのシステムであって、内部に部品が位置付け可能なタンク、タンク内の流体であって、部品がタンク内に位置付けられたときに、部品を沈めることができる流体、流体内に沈められたノズルであって、第１の方向に向けられたキャビテーション流体の流れを生成するノズル、及び流体内に沈められた偏向ツールであって、キャビテーション流体の流れを、第１の方向から第２の方向に再方向付けする偏向面を有し、第１の方向が部品の内面から離れ、第２の方向が部品の内面に向かう偏向ツールを有する、システムが開示されている。（例えば、特開２０２０－１５７４７０号公報、以下、「特許文献１」参照）。

特許文献１のように、偏向ツールによってキャビテーション流体の流れ方向を変えることによって、複雑な形状のワーク内部にキャビテーション処理をすることができる。しかし、キャビテーション処理対象となるワークの狙った位置に確実にキャビテーションを与えるためには、改良の余地がある。

例えば、キャビテーション流体を直接ワークに衝突させた場合や、単にキャビテーション流体の流れ方向を変えて直接ワークに衝突させた場合、ワークの狙った位置ではなく、狙った位置の周囲にキャビテーション処理がされてしまうことがある。

また、液中においてノズルから噴射されたキャビテーション流体は、キャビテーション気泡を内在している。キャビテーション気泡は、一時的に液中に滞留することが知られている。キャビテーション気泡が分散した状態でキャビテーション流体をワークに衝突させても、ワークの狙った位置に最適なキャビテーション効果（残留応力等）を与えることができない。最適なキャビテーション効果を与えるためには、多くの処理回数や時間を要する。

また、円筒形状の部品（の表面）に対して均等にキャビテーション効果を与えるためには、ワークの位置調整やキャビテーション効果（残留応力）の深さの確認等が必要であり、処理回数や時間を要する。

本発明は、部品の表面および深部に対して、均等にキャビテーション効果（残留応力等）を与えるキャビテーション処理装置およびキャビテーション処理方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点は、
キャビテーション流体をワークに噴射するノズルと、
前記ワークに衝突して分岐した前記キャビテーション流体の流れ方向を内側に囲い込むように変える方向切換部と、
回転軸を有する駆動装置であって、前記回転軸とともに前記ワークを回転させる駆動装置と、
前記回転軸の一端を支持する支持部と、
を有する、キャビテーション処理装置である。

本発明の第２の観点は、
キャビテーション流体をノズルから噴射してワークの上表面に衝突させることにより、前記キャビテーション流体の流れ方向を分岐させ、
分岐した前記キャビテーション流体を方向切換部の側壁に衝突させることにより、前記キャビテーション流体の流れ方向を変え、
前記側壁で流れ方向を変えた前記キャビテーション流体を前記方向切換部の底部に衝突させることにより、前記キャビテーション流体の流れ方向を変え、
前記底部で流れ方向を変えた前記キャビテーション流体を前記ワークの下表面に衝突させる、
キャビテーション処理方法である。

本発明のキャビテーション処理装置およびキャビテーション処理方法によれば、部品の表面および深部に対して、均等にキャビテーション効果（残留応力等）を与えることができる。

第１実施形態のキャビテーション処理装置を示す斜視図 第１実施形態のキャビテーション処理装置を示す正面図 第２実施形態のキャビテーション処理装置を示す正面図 検証テスト１のテスト結果を示す図 検証テスト２のテスト結果を示す図 検証テスト３のテスト結果を示す図

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態のキャビテーション処理装置１は、原子力分野等で利用される高機能部材や、一般的な金属部材等の表面に対して、キャビテーション処理を行う。キャビテーション処理装置１は、図１に示すように、ノズル２と、方向切換部３と、駆動装置４と、支持部５と、を有する。ノズル２は、ワークＷに対してキャビテーション流体Ｃ１を噴射する。方向切換部３は、ワークＷに衝突および分岐したキャビテーション流体Ｃ２の流れ方向を変える。駆動装置４は、回転軸４ａを有する。回転軸４ａは、例えば、軸対称形状（円筒、丸棒等）を有し、ワークＷの中心に挿入し固定される。駆動装置４の駆動に伴って、回転軸４ａが回転する。支持部５は、回転軸４ａの先端に配置され、回転軸４ａを支持する。

ノズル２は、高圧流体供給源（不図示）から供給されるキャビテーション流体Ｃ１を噴射する。キャビテーション流体Ｃ１は、ワークＷの上表面に衝突する。そして、キャビテーション流体Ｃ１は分岐し、流れ方向が切り換わる。ここで、ワークＷの上表面に対するキャビテーション効果が一次的に与えられる。

キャビテーション流体Ｃ１が、ワークＷの中心よりも偏心した位置に衝突することで、キャビテーション流体Ｃの速度や分岐後のキャビテーション流体Ｃの流れ方向が安定する。例えば、ノズル２の延長線がワークＷの回転中心からずれた位置を通るようにノズル２を配置したり、ノズル２から噴射されるキャビテーション流体Ｃ１の噴射角度を傾けたりすることにより、キャビテーション流体Ｃ１をワークＷの中心よりも偏心させる。

例えば、キャビテーション流体Ｃ１をワークＷの中心よりも左右のどちらか一方に偏心させる場合、偏心させた側に分岐するキャビテーション流体Ｃ２の量が多くなり、反対側に分岐するキャビテーション流体Ｃ２の量は少なくなる。キャビテーション流体Ｃ２の量が多ければ、流れ方向に与える影響も大きく、さらに、キャビテーション流体Ｃ２に内包されるキャビテーション気泡ＣＡの拡散を抑制できる。そのため、キャビテーション流体Ｃ２の衝撃力を維持できる。

また、ノズル２からワークＷの上表面までの距離Ｓ（スタンドオフ距離）を調整することによって、ワークＷの表面に対する衝撃力が変化する。

方向切換部３は、ワークＷに衝突して分岐したキャビテーション流体Ｃ２の流れ方向を、方向切換部３の内側に囲い込むように変える。方向切換部３は、側壁３ａと、底部３ｂを有する。側壁３ａは、ワークＷに衝突して分岐したキャビテーション流体Ｃ２の流れ方向を二次的に変える。底部３ｂは、側壁３ａに衝突して流れ方向が変わったキャビテーション流体Ｃ３の流れ方向を三次的に変える。側壁３ａおよび底部３ｂにより、方向切換部３は凹形状を形成することが望ましい。ただし、凹形状でなくとも、キャビテーション流体Ｃ１がワークＷの上表面に衝突した際に発生するキャビテーション流体Ｃの周囲を取り巻くキャビテーション気泡ＣＡや、キャビテーション流体Ｃ２の流れ方向を方向切換部３の内側に囲い込む形状であればよい。

図２および図３に示すように、キャビテーション流体Ｃ１がワークＷの上表面に衝突した際に発生するキャビテーション流体Ｃの周囲を取り巻くキャビテーション気泡ＣＡや、方向切換部３がキャビテーション流体Ｃ２の流れ方向を方向切換部３の内側に囲い込む形状が重要である。側壁３ａおよび底部３ｂは、例えば、平面状や円弧状である。図２は、側壁３ａおよび底部３ｂが平面状の例を示す。図３は、側壁３ａが平面状で、底部３ｂが円弧状の例を示す。図２と図３では、方向切換部３の内側におけるキャビテーション流体Ｃの流れ方向やワークＷへの衝突位置が異なる。

方向切換部３が凹形状である場合、以下に説明する高さＨ１～Ｈ３と、幅Ｗ１、Ｗ２が重要である。

高さＨ３は、側壁３ａの高さである。高さＨ２は、ワークＷにキャビテーション流体Ｃが衝突する高さである。高さＨ３を高さＨ２よりも高くすることで、キャビテーション流体Ｃ１がワークＷに衝突して分岐したキャビテーション流体Ｃ２が方向切換部３の外部（外側）に漏れ出ることを防止できる。

幅Ｗ１は、底部３ｂの内面の幅である。幅Ｗ２は、ワークＷと側壁３ａとの水平方向の距離である。キャビテーション流体Ｃの周囲を取り巻くキャビテーション気泡ＣＡや、キャビテーション流体Ｃ２を、複数回の流れ方向の切り換えによってワークＷの下表面に衝突させることが好ましい。そのため、キャビテーション流体Ｃの周囲を取り巻くキャビテーション気泡ＣＡや、ワークＷに衝突して分岐したキャビテーション流体Ｃ２が通過する幅Ｗ２は、ワークＷの半径以下であることが好ましい。これにより、より効果的にキャビテーション流体Ｃを囲い込むことができる。

例えば、ワークＷが円筒形の場合、回転軸４ａの回転により、キャビテーションの処理位置が順次変わる。ノズル２から噴射されるキャビテーション流体ＣがワークＷの表面に衝突することで、一次的にワークＷの表面に対するキャビテーション効果を与えることができる。更に、ワークＷが回転することにより、一次的にキャビテーション効果が与えられた表面が下方に回り込み、方向切換部３の内側に囲い込んだキャビテーション流体Ｃの周囲を取り巻くキャビテーション気泡ＣＡや、キャビテーション流体Ｃ４をワークＷの表面に再び衝突させることで、二次的にワークＷの表面に対するキャビテーション効果を与えることができる。すなわち、一次的なキャビテーション効果に加えて、よりワークＷの深い位置にキャビテーション効果を与えることができる。

支持部５は、回転軸４ａを支持する。支持部５は、回転軸４ａの回転を止めないように、内部に回転支持機構を有する。

キャビテーション処理装置１は、キャビテーション気泡ＣＡの量を調整する制御装置６を有してもよい。例えば、液中内において、キャビテーション気泡ＣＡは、温度変化による影響を受ける。制御装置６は、例えば、市販の温度調整装置である。最適な温度は、例えば、４０～５０℃である。制御装置６は、液中内の環境やワークＷに対して求めるキャビテーション効果に応じて、温度を調整する。

次に、本実施形態のキャビテーション処理工程について説明する。
最初にワークＷを回転軸４ａに固定するとともに、ノズル２の高さ等のキャビテーション処理の条件出しを行う。なお、ワークＷの固定作業の前または後で、タンクＴ内を液体（例えば、水）で満たす。キャビテーション処理を液中で行うことによって、キャビテーション気泡ＣＡやキャビテーション流体Ｃを安定的に囲い入れることに繋がり、最適な量のキャビテーション気泡ＣＡをワークＷに衝突させ、最適なキャビテーション効果が得られる。

次に、高圧水供給源（不図示）を起動し、ノズル２の位置を固定する。そして、キャビテーション流体Ｃ１をノズル２から噴射してワークＷの上表面に衝突させ、キャビテーション流体Ｃ１の流れ方向を分岐させる（第１の方向切換）。なお、キャビテーション流体Ｃ１を、ワークＷの中心よりも偏心した位置に衝突させることで、よりキャビテーション効果を与えることができる。
次に、分岐したキャビテーション流体Ｃ２を方向切換部３の側壁３ａに衝突させ、キャビテーション流体Ｃ２の流れ方向を変える（第２の方向切換）。そして、キャビテーション流体Ｃ３を方向切換部３の底部３ｂに衝突させ、キャビテーション流体Ｃ３の流れ方向を変える（第３の方向切換）。
最後に、キャビテーション流体Ｃ４をワークＷの下表面に衝突させる。これによって、ワークＷの上表面に対する一次的なキャビテーション効果（表面に対する残留応力の付与）と、ワークＷの下表面に対する二次的なキャビテーション効果（深部に対する残留応力の付与）を段階的に付与することができ、ワークＷに過度の負荷をかけずに従来よりも短時間で圧縮応力を残留させることができる。

次に、実施形態のキャビテーション処理装置１を利用したキャビテーション効果の検証テストについて、説明する。

（検証テスト１）
キャビテーション処理装置１を利用して、ノズル２の位置を固定した。高圧水供給源（不図示）から供給される７０ＭＰａのキャビテーション流体Ｃ１を、回転軸４ａに固定した検証用のワークＷ（ステンレス丸棒）の上表面に対して、ダイレクトに５分間衝突させた。
図４Ａは、検証テスト１のテスト結果である。目視でワークＷの左側表面が薄く剥がれていることがわかる。市販の残留応力測定装置を利用して残留応力を測定した結果、マイナス４００ＭＰａの圧縮応力が残留していた。

（検証テスト２）
キャビテーション処理装置１を利用して、ノズル２の位置を固定した。高圧水供給源（不図示）から供給される７０ＭＰａのキャビテーション流体Ｃ１を、回転軸４ａに固定した検証用のワークＷ（ステンレス丸棒）の上表面に対して衝突させた。その後、キャビテーション流体Ｃ２は、方向切換部３の側壁３ａおよび底部３ｂに衝突し、方向切換部３の内側を介して、キャビテーション流体Ｃ４をワークＷの下表面に対して、５分間衝突させた。
図４Ｂは、検証テスト２のテスト結果である。目視でワークＷの表面に凹凸形状のディンプルが形成されていることがわかる。市販の残留応力測定装置を利用して残留応力を測定した結果、マイナス５５０ＭＰａの圧縮応力が残留していた。

検証テスト１と検証テスト２を比較した場合、検証テスト２の方が表面に比較的大きなディンプルが多く形成されるとともに、圧縮応力の数値がより深い値になっていることが判明した。そのため、ワークＷの上表面に対する一次的なキャビテーション効果と、ワークＷの下表面に対する二次的なキャビテーション効果には、違いがあることが判明した。

検証テスト１で行ったワークＷの上表面に対する一次的なキャビテーション効果の付与を長時間継続することで、検証テスト２で行ったワークＷの下表面に対する二次的なキャビテーション効果のレベルまで至らせるには、かなり時間を要する。また、時間をかけ過ぎた場合、ワークＷ自体が脆くなってしまうこともある。

（検証テスト３）
検証テスト１と検証テスト２の処理の双方を行なうテストを行った。具体的には、キャビテーション処理装置１を利用し、駆動装置４を駆動させることで、回転軸４ａとワークＷを回転させる。そして、ノズル２の位置を固定し、高圧水供給源（不図示）から供給される７０ＭＰａのキャビテーション流体Ｃ１を、回転軸４ａに固定した検証用のワークＷ（ステンレス丸棒）の上表面に対して衝突させる。その後、方向切換部３の側壁３ａおよび底部３ｂに衝突して方向切換部３の内側を介してキャビテーション流体Ｃ４を、ワークＷの下表面に対して１９分間衝突させた。

図４Ｃは、検証テスト３のテスト結果である。検証テスト１におけるワークＷの左側表面が薄く剥がれている状態と、検証テスト２におけるワークＷの表面に凹凸形状のディンプルの両方が混在していることがわかる。市販の残留応力測定装置を利用して残留応力を測定した結果、マイナス５５０ＭＰａの圧縮応力が残留していた。
検証テスト３によれば、ワークＷの上表面に対する一次的なキャビテーション効果（表面に対する残留応力の付与）と、ワークＷの下表面に対する二次的なキャビテーション効果（深部に対する残留応力の付与）を段階的に付与することができ、ワークＷに過度の負荷をかけずに従来よりも短時間で圧縮応力を残留させることができる。

以上、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることは言うまでもない。

１ キャビテーション処理装置
２ ノズル
３ 方向切換部
４ 駆動装置
５ 支持部
６ 制御装置
Ｃ１～４ キャビテーション流体
ＣＡ キャビテーション気泡
Ｓ スタンドオフ距離
Ｈ１～３ 高さ
Ｗ１～３ 幅
Ｗ ワーク
Ｔ タンク

Claims (9)

1. キャビテーション流体をワークに噴射するノズルと、
   前記ワークに衝突して分岐した前記キャビテーション流体の流れ方向を内側に囲い込むように変える方向切換部と、
   回転軸を有する駆動装置であって、前記回転軸とともに前記ワークを回転させる駆動装置と、
   前記回転軸の一端を支持する支持部と、
   を有する、キャビテーション処理装置。
2. 前記方向切換部は、
   前記ワークに衝突して分岐した前記キャビテーション流体の流れ方向を変える側壁と、
   前記側壁に衝突して流れ方向が変わった前記キャビテーション流体の流れ方向を変える底部と、を有する、
   請求項１に記載のキャビテーション処理装置。
3. 前記方向切換部は、凹形状である、
   請求項１又は２に記載のキャビテーション処理装置。
4. 前記ノズルは、前記ワークの中心よりも偏心した位置に、前記キャビテーション流体を噴射して衝突させる、
   請求項１～３のいずれかに記載のキャビテーション処理装置。
5. 前記側壁の高さは、前記ワークに前記キャビテーション流体が衝突する高さよりも高い、
   請求項１～４のいずれかに記載のキャビテーション処理装置。
6. 前記ワークと前記側壁との水平方向の距離は、前記ワークの半径の半分以下である、
   請求項１～５のいずれかに記載のキャビテーション処理装置。
7. キャビテーション流体をノズルから噴射してワークの上表面に衝突させることにより、前記キャビテーション流体の流れ方向を分岐させ、
   分岐した前記キャビテーション流体を方向切換部の側壁に衝突させることにより、前記キャビテーション流体の流れ方向を変え、
   前記側壁で流れ方向を変えた前記キャビテーション流体を前記方向切換部の底部に衝突させることにより、前記キャビテーション流体の流れ方向を変え、
   前記底部で流れ方向を変えた前記キャビテーション流体を前記ワークの下表面に衝突させる、
   キャビテーション処理方法。
8. 駆動装置により前記ワークを回転させる、
   請求項７に記載のキャビテーション処理方法。
9. 前記ワークの中心よりも偏心した位置に、前記ノズルから噴射した前記キャビテーション流体を衝突させる、
   請求項７又は８に記載のキャビテーション処理方法。

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