JP3482467B2 - ウォータージェット装置 - Google Patents

ウォータージェット装置

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JP3482467B2
JP3482467B2 JP2001067270A JP2001067270A JP3482467B2 JP 3482467 B2 JP3482467 B2 JP 3482467B2 JP 2001067270 A JP2001067270 A JP 2001067270A JP 2001067270 A JP2001067270 A JP 2001067270A JP 3482467 B2 JP3482467 B2 JP 3482467B2
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water
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孝 竹原
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、意識的に作られ
た”小孔”(本明細書においては「ノズル孔」とい
う。)から噴出される高圧水噴流(本明細書において
は、「ウォータージェット」という。)により、被加工
体を破壊したり加工するウォータージェット装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来よりウォータージェット技術を使用
して、岩盤、コンクリート、金属、木材、無機または有
機繊維、プラスチック複合体等の加工を行うことが広範
に行われている。これは、高速の流体が持つ種々の力学
的作用と液体本来の性質に由来するためであり、ウォー
タージェットの応用範囲は極めて広汎である。
【0003】ウォータージェットは細い噴流であるが、
単位面積当たりの加工エネルギーがきわめて大きいとい
う特徴を持っている。また、噴流の直径が小さいので所
用動力が少なく、水を使用するため維持費も安い。加工
対象に作用する力が局所的、衝撃的であるため、材料の
切断に適している。
【0004】近年、ウォータージェットの工業的応用研
究の活発化は目ざましいものがあり、材料破壊のメカニ
ズムや噴流の本質的な解明も活発化しつつある。また、
ノズルより噴出させたウォータージェットと研磨材を混
合させ著しく研磨効果を高めるように工夫した研磨剤添
加水噴流が登場してからは、その工業的応用範囲も一層
の広がりを呈している。
【0005】特に、基礎研究の分野において壊食は噴流
構造に依存し、噴流が液滴化した段階で壊食効果が高ま
ることが明らかになってきたが、そのメカニズムは十分
に解明されているとは言えない。
【0006】ところで、従来のウォータージェット技術
の分野では、まだ、ノズルは規格化されておらず、ウォ
ータージェット装置には、例えば、図11に示すように
先端に1つのノズル孔を備えた構造の基本ノズル(本明
細書においては、「シングル円筒型ノズル」という。)
などが用いられている。
【0007】このシングル円筒型ノズル20において
は、噴射口にオリフィス状の小さなダイヤモンドのチッ
プ22を用いた口径0.6mmの1つのノズル孔21を
有し、該ノズル孔21から約80mm離れた被加工物表
面に鉛直下向きに100MPa程度に加圧された水噴流
が発射されて被加工物表面を加工すると、最も効率よく
加工が出来ると報告されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シング
ル円筒型ノズル20は、その構造からして材料の切断に
は適しているものの、金属材料のハツリのように壊食す
る量を必要とする場合において必ずしも満足できるもの
ではない。
【0009】本発明は、従来技術の有する課題を解決す
るために提案されたものであり、ウォータージェットの
噴流構造と壊食形態を解明することにより、ハツリ等に
適した高い壊食性を有するウォータージェット装置を提
供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明によるウォータージェット装置は、被加工体を
ウォータージェットにより加工するウォータージェット
装置において、複数のノズル孔を形成したマルチウォー
ターノズルを用いたことを特徴とする。また、本発明に
よるウォータージェット装置は、複数のノズル孔を形成
したマルチウォーターノズルの一側にノズル孔と連通す
る凹部を設けたことを特徴とする。
【0011】また、本発明によるウォータージェット装
置は、マルチウォーターノズルより噴射する噴流の形態
を分散型としたことを特徴とする。また、本発明による
ウォータージェット装置は、凹部が噴出側に位置するよ
うにマルチウォーターノズルを配置したことを特徴とす
る。
【0012】また、本発明によるウォータージェット装
置は、マルチウォーターノズルより噴射する噴流の形態
を収束型としたことを特徴とする。また、本発明による
ウォータージェット装置は、凹部が圧力源側に位置する
ようにマルチウォーターノズルを配置したことを特徴と
する。
【0013】また、本発明によるウォータージェット装
置は、マルチウォーターノズルを平行送りとしたことを
特徴とする。また、本発明によるウォータージェット装
置は、マルチウォーターノズルを対角送りとしたことを
特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明による実施の形態を
図面に基づき説明する。図1、2は、本発明の実施の形
態に係るマルチウォーターノズル1を示したものであ
り、一側に凹部3を設け、該凹部3連通して軸方向にノ
ズル孔2を4個、等間隔に配置・形成している。1つの
ノズル孔2の径はd=0.35mmであり、ノズル孔2
間の距離をピッチrとし、r=0.6mmとしてある。
【0015】このように4つのノズル孔2を形成してい
るため、直径の大きな液滴噴流を得ることができる。
【0016】なお、ノズル孔の径、ピッチおよびノズル
孔2の数は、使用するウォータージェット発生装置(プ
ランジャーポンプなど)の仕様により適宜、変更可能で
ある。
【0017】マルチウォーターノズル1により噴出され
る噴流の形態は、マルチウォーターノズル1の設置方向
により異なる。図3に示すように凹部3が噴出側になる
ように設置した場合は、噴流4が分散方向に噴出する分
散型マルチノズルとなり、また、図4に示すように凹部
3が圧力源側になるように設置した場合は、噴流5が収
束方向に噴出する収束型マルチノズルとなる。
【0018】送り切削においては、マルチウォーターノ
ズル1の送り方向に対して、ノズル孔2の配置が材料の
壊食形状に大きく影響を与えることが判明した。送り方
向とノズル孔の配置との関係は、基本的に図5に示す2
通りが考えられる。
【0019】すなわち、第一は、図5の左側に示す、送
り方向に対してノズル孔2の配置が平行な平行送りであ
り、第二は、図5の右側に示す、ノズル孔2の配置が対
角な対角送りである。平行送りにおいては、同一軌道を
2つのノズル孔2が通過し、対角送りにおいては、左右
の軌道は1つのノズル孔2が、また、中央の軌道は2つ
のノズル孔2が通過することになる。
【0020】
【実施例】本発明に係るウォータージェット装置の実施
例を以下説明する。本発明の実施例として、ウォーター
ジェット発生装置を用いて、マルチウォーターノズル1
によるウォータージェットの壊食実験を行った。この実
施例に係るウォータージェット発生装置の装置全体図を
図6に示す。
【0021】マルチウォーターノズル1を用いたウォー
タージェットは、マルチウォーターノズル1から下方に
噴射され、荷重計の上に設置した壊食試料の表面に垂直
に衝突する仕組みである。また、送り装置により図面垂
直方向の送り切削実験が可能である。
【0022】ポンプユニットはスギノマシン社製スギノ
ジェット2000(JCM−150008E型、最大吐
出圧力135MPa、最大吐出量6600cm/mi
n)の横型3連プランジャーポンプを使用した。また、
マルチウォーターノズル1はマルチノズルヘッド固定装
置に固定されたスギノマシン社製アクアヘッド(AQH
2002)の内部に設置されている。
【0023】まず、図6に示した実験装置を用いたマル
チウォーターノズル1によるウォータージェットの噴流
特性を評価するため、ノズルの流量係数の測定、噴流の
衝突力測定、吐出圧力と噴流速度の関係および噴流速度
の距離減衰の評価を実験および解析によって実施した。
【0024】壊食特性の評価には、試料に対する送り切
削実験を実施し、送り切削実験後の試料の壊食形状の測
定には、レーザー変位計とXYステージを併用したシス
テムを構築し、壊食量Mmmを算定した。
【0025】この実施例に係る実験パラメータは、吐出
圧力pI、ノズルの送り速度V、スタンドオフディスタ
ンスL、ノズルの形式および送り方向である。送り切削
における壊食試料にはアルミニウム(A5025P)を
用いた。また、本装置における噴流特性を検討した結
果、ノズル孔の径d=0.35mm、孔と孔とのピッチ
r=0.6mmを採用した。
【0026】つぎに送り切削において各ノズルの送り方
向のパターンを変えた壊食形態の分析として、スタンド
オフディスタンスの影響(L=16〜200mm)、吐
出圧力の影響(pI=29〜98MPa)、送り速度の
影響(V=4〜300mm)を調べるため、それぞれの
パラメータを組み合わせた実験を実施し、送り切削溝形
状より壊食量を算定した。図7にそれぞれのノズルの形
態による壊食例を、図8に分散型および収束型送り切削
によるスタンドオフディスタンスと壊食量の関係を示
す。また、図9に吐出圧力と壊食量の関係および図10
に送り速度と壊食量の関係を示す。
【0027】本実験において送り切削による壊食形態は
ノズルの形式、ノズルの送り方向、スタンドオフディス
タンス、吐出圧力、送り速度によって多様に変化するこ
とが明らかとなった。
【0028】図8に示すpI=98MPa、V=10m
m/minにおける実験では、分散型の壊食量は、平行
送りの最も壊食量が多いL=82mmのときに対角送り
とほぼ同量の壊食量となる以外は、すべて対角送りの方
が壊食量は多いことが明らかとなった。対角送りの壊食
量が多い原因として、送り方向に対して噴流がお互いに
影響しているため壊食効果が増していると考えられ、平
行送りは2本の壊食溝が独立してできるため壊食効率が
良くないと考えられる。
【0029】収束型では分散型と同様に対角送りの方が
壊食量は多いが、平行送りとほとんど同じ壊食量の増減
をしていることが明らかとなった。これは、平行送りで
は壊食溝が独立するほど噴流が離れないため壊食効率が
減少しないためと考えられる。
【0030】マルチウォーターノズル1による分散型お
よび収束型、対角送りと平行送りの壊食量を検討した結
果、対角送り、平行送りともに収束型の方が壊食量は多
い傾向にあり、L=52〜82mmの周辺でもっとも壊
食量が多く、その後減少するという傾向が見られた。ま
た、収束型の方がLの大きな領域で、収束型と分散型の
差が増大していることから、収束型は遠い距離まで比較
的高い壊食性を維持するものと考えられる。
【0031】また、図9の条件では分散型対角送り、収
束型対角送りおよび収束型平行送りはほとんど同じ壊食
量が確認され、壊食量はpの3乗にほぼ比例すると考
えられる。また、図10の条件では、送り速度V=10
mm/minのとき同量の壊食量になっており、壊食量
は送り速度V−1に比例していると考えられる。
【0032】したがって、壊食量は吐出圧力の3乗にほ
ぼ比例し、ノズルの送り速度に反比例することが見いだ
された。また、収束型マルチノズルの方が分散型より大
きい壊食量を与え、スタンドオフディスタンスが大きい
領域での両者の差が拡大することから、収束型マルチノ
ズルは遠い距離まで高い壊食性を維持することが明らか
となった。
【0033】以上本発明の実施形態を実施例に基づいて
図面を参照して説明したが、本発明はこのような実施例
に限定されることはなく、上記特許請求範囲の技術事項
の範囲内であればいろいろな実施の形態があることは言
うまでもない。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、マ
ルチウォーターノズルを用いることにより、直径の大き
な液滴噴流を得ることができ、その結果、壊食効果を高
めることができる。
【0035】また、分散型マルチノズルあるいは収束型
マルチノズルを平行送りあるいは対角送りと適宜組み合
わせ用いることにより、種々の壊食形態を実現すること
ができる。
【0036】特に、収束型マルチノズルを採用した場合
は、より大きい壊食量を得ることができるとともに遠い
距離まで高い壊食性を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係るマルチウォーターノ
ズルの側面断面図である。
【図2】図1のA−A視を示した図である。
【図3】本発明の実施の形態に係るマルチウォーターノ
ズルを分散型マルチノズルとして配置した場合の側面断
面図である。
【図4】本発明の実施の形態に係るマルチウォーターノ
ズルを収束型マルチノズルとして配置した場合の側面断
面図である。
【図5】本発明の実施の形態に係るマルチウォーターノ
ズルの送り方向を示した図である。
【図6】本発明の実施例に係るウォータージェット発生
装置の装置全体図である。
【図7】本発明の実施例に係るマルチウォーターノズル
のノズル形式と送り方向を変化させた場合の切削形状例
を示した図である。
【図8】本発明の実施例に係るスタンドオフディスタン
スと壊食量の関係を示した図である。
【図9】本発明の実施例に係る吐出圧力と壊食量の関係
を示した図である。
【図10】本発明の実施例に係る送り速度と壊食量の関
係を示した図である。
【図11】従来のシングル円筒型ノズルを示した図であ
る。
【符号の説明】
1 マルチウォーターノズル 2 ノズル孔 3 凹部 4 分散型噴流 5 収束型噴流
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B26F 3/00 B23P 17/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被加工体をウォータージェットにより加
    工するウォータージェット装置において、複数のノズル
    孔を形成したマルチウォーターノズルを用いるとともに
    該マルチウォーターノズルより噴射する噴流の形態を収
    束型としたことを特徴とするウォータージェット装置。
  2. 【請求項2】 凹部が圧力源側に位置するようにマルチ
    ウォーターノズルを配置することにより噴射する噴流の
    形態を収束型としたことを特徴とする請求項1記載のウ
    ォータージェット装置。
  3. 【請求項3】 被加工体をウォータージェットにより加
    工するウォータージェット装置において、複数のノズル
    孔を形成したマルチウォーターノズルを用いるとともに
    該マルチウォーターノズルを対角送りとしたことを特徴
    とするウォータージェット装置。
JP2001067270A 2001-03-09 2001-03-09 ウォータージェット装置 Expired - Lifetime JP3482467B2 (ja)

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