JP2022154378A - パルスウォータージェット加工装置および加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃力が高く断続的な（パルス状の）ウォータージェットを安定的に生成することのできるパルスウォータージェット加工装置および加工方法を提供する。【解決手段】パルスウォータージェット加工装置は、第１のノズルから第１の高圧流体Ｌ１を噴射する第１のノズルユニット４と、第２のノズルから第２の高圧流体Ｌ２を噴射する第２のノズルユニット４と、を備え、第２のノズルユニットは、ノズル本体の周囲に配置され、噴射孔が形成された回転体を有し、第２の高圧流体が第１の高圧流体方向に所定の周期で噴射され、ワークに対して、断続的な高圧流体を噴射する。【選択図】図１

Description

本発明は、パルスウォータージェット加工装置および加工方法に関する。

従来、ノズルから、高圧ポンプで生成される高圧流体（ウォータージェット）をワークに対して噴射することによって、ワークを加工するウォータージェット加工装置が存在する。しかし、アルミやステンレス等の金属材料を加工する場合、高圧流体だけでは加工することができないため、高圧流体に研磨剤を混入させることによって、切断能力を維持していることが多い。

また、高圧流体の衝撃力を最大限引き出すために、超音波発信器から発生させた超音波によって液滴化した超音波ウォータージェットを用いた装置が開示されていた。

例えば、特許第４７１８３２７号公報（以下、「特許文献１」）に記載の超音波ウォータージェット装置は、高周波電気パルスを発生する発電モジュールと、高周波電気パルスを伝達する超音波発電機と、超音波発電機を制御するための制御ユニットと、高圧水の供給源に結合された高圧水入口と、高圧水入口に結合された高圧水出口と、を備える。
さらに、高圧水出口には高圧水ホースを介してガンを備えており、ガン（超音波ノズル）内部において、トランスデューサで電気パルスを振動へ変換し、パルス化された弾丸状のウォータージェットを創り出し、目的物の表面にウォーターハンマーの圧力を加えられるようになっている。

また、周辺技術として、特許第３００３０７２号（以下、「特許文献２」）に記載の洗浄ノズル装置には、遮蔽部材が本体部の公転に同期して、回転検知用ノズルから噴射される流体の噴射流を周期的に遮断／通過させる構造が開示されていた。

特許第４７１８３２７号公報 特許第３００３０７２号

しかし、ウォータージェットの衝撃力を向上させるためには、高圧ポンプやノズル等の構造を改良する必要があり、実現性の難易度が高かった。

また、特許文献１のように、超音波ウォータージェットの衝撃力を改善するために超音波を組み合わせる場合、ウォータージェットと超音波が連動するタイミングを合わせることや衝撃力をコントロールすることは、技術的に困難であった。

また、特許文献２のように、遮蔽部材を利用して、パルス状のウォータージェットを生成することも想定できるが、その場合、遮蔽部材の摩耗や損傷によって、部品交換やメンテナンスが必要であり、より効率的な装置が求められていた。

本発明は、衝撃力が高く断続的な（パルス状の）ウォータージェットを安定的に生成することのできるパルスウォータージェット加工装置および加工方法を提供することを目的とする。

本発明のパルスウォータージェット加工装置は、第１のノズルから第１の高圧流体を噴射する第１のノズルユニットと、第２のノズルから第２の高圧流体を噴射する第２のノズルユニットと、を備え、前記第２のノズルユニットは、ノズル本体の周囲に配置され、噴射孔が形成された回転体を有し、前記第２の高圧流体が前記第１の高圧流体方向に所定の周期で噴射され、ワークに対して、断続的な高圧流体を噴射する。

本発明によれば、衝撃力が高く断続的な（パルス状の）ウォータージェットを安定的に生成することのできるパルスウォータージェット加工装置および加工方法を提供することができる。

本発明に係る実施形態のパルスウォータージェット加工装置を示す斜視図 本発明に係る第２の実施形態のパルスウォータージェット加工装置を示す斜視図 （ａ）本発明に係る実施形態のパルスウォータージェット加工装置のノズルヘッドの詳細を示す断面図、（ｂ）本発明に係る実施形態のパルスウォータージェット加工装置の第２のノズルの詳細を示す断面図

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら説明する。

（パルスウォータージェット加工装置の構成）
本実施形態のパルスウォータージェット加工装置１は、図１および図２に示すように、高圧水Ｌを加工対象のワークＷに噴射して加工する装置である。
パルスウォータージェット加工装置１は、ノズルヘッド２と、第１のノズルユニット３と、第２のノズルユニット４と、高さ調整部５と、間隔調整部６と、圧力調整部７と、研磨剤供給部８と、吸引部９と、を有する。
なお、図１に示すパルスウォータージェット加工装置の場合は、研磨剤供給部８を備えておらず、図２に示す研磨剤を用いる形態のパルスウォータージェット加工装置の場合は研磨剤供給部８を備えている。

ノズルヘッド２は、第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４を固定する固定部である。ノズルヘッド２は、第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４を同時に固定する場合や、図１に示すように、第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４を別々に固定する場合（ノズルヘッド２を、第１のノズルユニット３を固定する第１のノズルヘッド２ａと、第２のノズルユニット４を固定する第２のノズルヘッド２ｂと、に分割する場合）等がある。

高圧ポンプＰから供給される高圧流体Ｌは、第１のノズルヘッド２ａ内に形成される第１の流路Ｆ１を通過し、第１のノズルユニット３（第１のノズル３ａ）から第１の高圧流体Ｌ１を噴射するとともに、第２のノズルヘッド２ｂ内に形成される第２の流路Ｆ２を通過し、第２のノズルユニット４（第２のノズル４ａ）から第２の高圧流体Ｌ２を噴射する。

また、第１の流路Ｆ１と第２の流路Ｆ２に対する高圧流体Ｌの供給経路としては、第１のノズルヘッド２ａと第２のノズルヘッド２ｂそれぞれに上流で供給する場合や、図３に示すような、第１の流路Ｆ１と第２の流路Ｆ２を連結する連結流路Ｆ３を介して、高圧流体Ｌの分岐する場合等がある。

また、第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４の振動を抑制するために、ノズルヘッド２を第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４の上方に形成する場合や下方に形成する場合等がある。

第１のノズルユニット３は、第１のノズル３ａから高圧ポンプＰから供給される第１の高圧流体Ｌ１をワークＷに対して噴射する。第１のノズルユニット３は、第１の高圧流体Ｌ１を直射や平射で噴射するものであり、ワークＷに噴射するための高圧流体Ｌの根幹を生成する。
第１のノズル３ａは、第１の高圧流体Ｌ１（水等）を噴射するためのオリフィスを有しており、穴の大きさ、個数等は、適宜選択できる。なお、高圧ポンプＰから供給される第１の高圧流体Ｌ１は、７０～５００ＭＰａの範囲で用いる。

第２のノズルユニット４は、第２のノズル４ａから高圧ポンプＰから供給される第２の高圧流体Ｌ２を第１の高圧流体Ｌ１に対して噴射する。
第２のノズルユニット４は、第２の高圧流体Ｌ２を直射や平射で噴射するものであり、第１のノズルユニット３とは異なり、回転ノズルである。
第２の高圧流体Ｌ２を第１の高圧流体Ｌ１に対して噴射することで、より効果的に断続的な（パルス状の）高圧流体Ｌ３を生成するための補助的な役割を果たす。
回転ノズルの形態としては、断続的に第２の高圧流体Ｌ２を噴射できるものであればよく、本実施形態で説明するような回転体４ｃ自ら回転する構成に限られるものではない。

ノズル４ａは、第２のノズルユニット４の先端に配置される。ノズル４ａは、ノズル本体４ｂと、回転体４ｃと、噴射孔４ｄと、キャップ４ｅと、空洞４ｆを有する。
第２のノズルユニット４は、ノズル本体４ｂの周囲に配置され、噴射孔４ｄが形成された回転体４ｃを有し、第２の高圧流体Ｌ２が第１の高圧流体Ｌ１方向に所定の周期で噴射され、ワークＷに対して、断続的な高圧流体Ｌ３を噴射する。なお、高圧ポンプＰから供給される第２の高圧流体Ｌ２は、７０～５００ＭＰａの範囲で用いる。

ノズル本体４ｂは、高圧ポンプＰから供給される第２の高圧流体Ｌ２を通過させる流路を有している。回転体４ｃは、ノズル本体４ｂの周囲に配置され、第２の高圧流体Ｌ２が噴射孔４ｄから噴射される際に、３６０°回転する。

噴射孔４ｄは、第２の高圧流体Ｌ２を噴射するための孔である。噴射孔４ｄの個数は、２～８つ等、複数選択することができる。また、噴射孔４ｄの大きさ、角度等は適宜変更することができる。さらに、噴射孔４ｄの位置としては、周方向に均一な間隔で配置することが望ましい。図３（ｂ）に示すように、噴射孔４ｄの位置を均等にずらしておくことによって、回転体４ｃのための回転を強制的に行う駆動源が不要で、第２の高圧流体Ｌ２の噴射に伴って、回転体４ｃ自ら回転する構成が望ましい。

キャップ４ｅは、回転体４ｃが脱落することを防ぎ、ノズル本体４ｂの先端に固定される。回転体４ｃの脱落を防ぐことのできる素材であればよく、ノズル本体４ｂとキャップ４ｅにネジ等の溝を形成し、螺合させることによって固定する。

空洞４ｆは、ノズル本体４ｂの先端に形成する切欠け部によって、ノズル本体４ｂと回転体４ｃの間に形成される空洞であり、第２の高圧流体Ｌ２がノズル先端で一時的に滞留することで、噴射孔４ｄから第２の高圧流体Ｌ２が安定的に噴射することができる。

高さ調整部５は、ノズルヘッド２に配置される上下方向の高さを調整できる機構であり、第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４の少なくとも一方のワークＷ表面からの高さＨを調整する。例えば、図１や図２に示すような、第１のノズルユニット３を固定する第１のノズルヘッド２ａと、第２のノズルユニット４を固定する第２のノズルヘッド２ｂの上下方向の高さを調整できる機構であり、第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４の少なくとも一方の高さＨを調整する。ボールねじ等の直動的な機構、スライド機構、その他、シリンダ機構と組み合わせたもの等である。

また、高さ調整部５は、第１のノズルヘッド２ａを上下方向に移動させるための第１の高さ調整部５ａ（不図示）と、第２のノズルヘッド２ｂを上下方向に移動させるための第２の高さ調整部５ｂ（不図示）に分割し、第１の高さ調整部５ａと第２の高さ調整部５ｂを連結することで高さを調整する形態や、それぞれを独立した機構として機能させることもできる。

高さ調整部５で第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４の少なくとも一方を上下方向に高さ調整することによって、ワークＷに対して噴射する高圧流体Ｌの衝撃力を調整できる。

ノズルヘッド２における第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４の両方について、高さ調整部５の上下方向の高さを調整した場合は、第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４のワークＷ表面からの高さＨを調整できる。第１のノズルユニット３の位置を調整するということは、第１の高圧流体Ｌ１と第２の高圧流体Ｌ２によって生成される断続的な高圧流体Ｌ３とワークＷとの間隔を調整するということになり、ワークＷに対する衝撃力を調整する。この場合、ノズルヘッド２は、第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４を同時に固定する構成が望ましい。

ノズルヘッド２における第１のノズルユニット３のみについて、高さ調整部５の上下方向の高さを調整した場合は、第１のノズルユニット３のワークＷ表面からの高さＨを調整できる。第１のノズルユニット３の位置を調整するということは、第１の高圧流体Ｌ１と第２の高圧流体Ｌ２によって生成される断続的な高圧流体Ｌ３とワークＷとの間隔を調整するということになり、ワークＷに対する衝撃力を調整する。この場合、第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４を別々に固定する（ノズルヘッド２を分割する）構成が望ましい。

ノズルヘッド２における第２のノズルユニット４のみについて、高さ調整部５の上下方向の高さを調整した場合は、第２のノズルユニット４のワークＷ表面からの高さＨを調整できる。第２のノズルユニット４の位置を調整するということは、第１の高圧流体Ｌ１に対して噴射する第２の高圧流体Ｌ２の位置を変更することであり、断続的な高圧流体Ｌ３の衝撃力を調整する。この場合、第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４を別々に固定する（ノズルヘッド２を分割する）構成が望ましい。

間隔調整部６は、図１や図２に示すような、第１のノズルユニット３を固定する第１のノズルヘッド２ａと、第２のノズルユニット４を固定する第２のノズルヘッド２ｂの左右方向の間隔を調整できる機構であり、第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４の間隔を調整する。ボールねじ等の直動的な機構、スライド機構、その他、シリンダ機構と組み合わせたもの等である。

また、間隔調整部６は、第１のノズルヘッド２ａを左右方向に移動させるための第１の間隔調整部６ａ（不図示）と、第２のノズルヘッド２ｂを左右方向に移動させるための第２の間隔調整部６ｂ（不図示）に分割し、第１の間隔調整部６ａと第２の間隔調整部６ｂを連結することで間隔調整する形態や、それぞれを独立した機構として機能させることもできる。

圧力調整部７は、図３（ａ）に示すように、第１のノズルユニット３と第２のノズルユニット４の少なくとも一方に、第１の高圧流体Ｌ１または第２の高圧流体Ｌ２の圧力を調整する。圧力調整部７は、圧力調整弁や圧力調整バルブである。図３（ａ）に示すように、第１のノズル３ａと第２のノズル４ａに対して、それぞれ第１の高圧流体Ｌ１と第２の高圧流体Ｌ２を供給するノズルヘッド２内の流路内に配置する。図３（ａ）においては、２か所配置したが、第１のノズル３ａと第２のノズル４ａのどちらか一方のみに配置することもできる。

研磨剤供給部８は、図２に示すように、第１のノズルユニット３に研磨剤を供給する。研磨剤供給部８は、タンク（不図示）内に研磨剤を保有しており、第１のノズルユニット３に研磨剤を適宜供給する箇所である。研磨剤としては、ガーネット、サファイヤ、超硬合金等、一般的なものを使用できる。

吸引部９は、第１の高圧流体Ｌ１および第２の高圧流体Ｌ２の周囲の水蒸気や空気を吸引する。第１の高圧流体Ｌ１と、第２の高圧流体Ｌ２は、流体同士であり、衝突した際に水蒸気状に飛散することがあり、飛散した状態のままでワークＷを加工すると、ワークＷの加工精度に悪影響を及ぼす可能性もあることから、吸引部９によって、そうした周囲の水蒸気や空気を吸い込み、作業環境を調整する。水蒸気や空気の吸引量については、第１の高圧流体Ｌ１と第２の高圧流体Ｌ２の衝突の状況によって、変化することから、適宜、調整する。

また、第２の高圧流体Ｌ２の流量Ｑ２および圧力Ｐ２は、第１の高圧流体Ｌ１の流量Ｑ１および圧力Ｐ１よりも大きくすることによって、より効果的に断続的な（パルス状の）高圧流体ＬをワークＷに対して噴射できる。
ワークＷに対する最適な衝撃力を得るためには、最適な断続的な高圧流体Ｌ３を形成する必要がある。第１の高圧流体Ｌ１の流量Ｑ１および圧力Ｐ１と、第２の高圧流体Ｌ２の流量Ｑ２および圧力Ｐ２がお互いにエネルギーを損失しないように組み合わせる必要があるが、第２の高圧流体Ｌ２は、第１の高圧流体Ｌ１を分断し、パルス状にする必要があるため、第２の高圧流体Ｌ２のエネルギーが高くすることで、確実な分断を行うことができる。

また、制御装置１０を用いて、高圧ポンプＰから供給される第１の高圧流体Ｌ１と第２の高圧流体Ｌ２の圧力や流量、圧力調整部７の切り換え、研磨剤供給部８の研磨剤供給量、吸引部９の吸引量、高さ調整部５の位置（高さ）、間隔調整部６の位置（間隔）等を制御できる。
具体的には、例えば、制御装置１０と連動して操作を行うことのできる操作端末を用いて、高圧ポンプＰから供給される第１の高圧流体Ｌ１と第２の高圧流体Ｌ２の圧力や流量、圧力調整部７の切り換え、研磨剤供給部８の研磨剤供給量、吸引部９の吸引量、高さ調整部５の位置（高さ）、間隔調整部６の位置（間隔）等の数値を遠隔で適宜調整することによって、ワークＷに対して、最適な加工を施すことができる。

次に、本実施形態のパルスウォータージェット加工方法について説明する。

高圧ポンプＰから７０～５００ＭＰａの範囲で指定した高圧流体Ｌをノズルヘッド２に供給する。次に、第１のノズル３ａから第１の高圧流体Ｌ１を噴射した後、第２のノズル４ａから第２の高圧流体Ｌ２を第１の高圧流体Ｌ１方向に所定の周期で噴射し、断続的な高圧流体Ｌ３を形成する。ワークＷの位置まで断続的な高圧流体Ｌ３を移動させて、所定時間、所定の作業が完了するまで加工を行う。

なお、加工時に、第１の高圧流体Ｌ１と第２の高圧流体Ｌ２の衝突によって発生する水蒸気や空気を吸引部９によって吸引しながら加工を行うこともできる。

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 パルスウォータージェット加工装置
２ ノズルヘッド
２ａ 第１のノズルヘッド
２ｂ 第２のノズルヘッド
３ 第１のノズルユニット
３ａ 第１のノズル
４ 第２のノズルユニット
４ａ 第２のノズル
４ｂ ノズル
４ｃ 回転体
４ｄ 噴射孔
４ｅ キャップ
４ｆ 空洞
５ 高さ調整部
６ 間隔調整部
７ 圧力調整部
７ａ 第１の圧力調整部
７ｂ 第２の圧力調整部
８ 研磨剤供給部
９ 吸引部
１０ 制御装置
Ｐ 高圧ポンプ
Ｌ 高圧流体
Ｌ１ 第１の高圧流体
Ｌ２ 第２の高圧流体
Ｌ３ 断続的な高圧流体
Ｗ ワーク
Ｈ ワーク表面からの高さ

Claims (8)

1. 第１のノズルから第１の高圧流体を噴射する第１のノズルユニットと、第２のノズルから第２の高圧流体を噴射する第２のノズルユニットと、を備え、
   前記第２のノズルユニットは、ノズル本体の周囲に配置され、噴射孔が形成された回転体を有し、
   前記第２の高圧流体が前記第１の高圧流体方向に所定の周期で噴射され、ワークに対して、断続的な高圧流体を噴射する、パルスウォータージェット加工装置。
2. 前記第２の高圧流体の流量Ｑ２および圧力Ｐ２は、前記第１の高圧流体の流量Ｑ１および圧力Ｐ１よりも大きい、請求項１記載のパルスウォータージェット加工装置。
3. 前記第１のノズルユニットと前記第２のノズルユニットの少なくとも一方の前記ワーク表面からの高さを調整する高さ調整部と、を有する請求項１または請求項２記載のパルスウォータージェット加工装置。
4. 前記第１のノズルユニットと前記第２のノズルユニットの間隔を調整する間隔調整部と、を有する、請求項１～３のいずれか１項記載のパルスウォータージェット加工装置。
5. 前記第１のノズルユニットと前記第２のノズルユニットの少なくとも一方に、前記第１の高圧流体または前記第２の高圧流体の圧力を調整する圧力調整部を有する、請求項１～４のいずれか１項記載のパルスウォータージェット加工装置。
6. 前記第１のノズルユニットに研磨剤を供給する研磨剤供給部を有する、請求項１～５のいずれか１項記載のパルスウォータージェット加工装置。
7. 前記第１の高圧流体および前記第２の高圧流体の周囲の水蒸気や空気を吸引する吸引部と、を有する、請求項１～６のいずれか１項記載のパルスウォータージェット加工装置。
8. 前記請求項１～７のいずれかのパルスウォータージェット加工装置を用いて、
   前記第１のノズルから前記第１の高圧流体を噴射する工程と、
   前記第２のノズルから前記第２の高圧流体を前記第１の高圧流体方向に所定の周期で噴射する工程と、
   前記ワークに対して、前記断続的な高圧流体を噴射する工程を含む、加工方法。

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