JP4164836B2 - 投射分布の調整法および該調整法を用いるブラスト装置 - Google Patents

Description

本発明は投射分布の調整法および該調整法を用いるブラスト装置に関する。さらに詳しくは、処理製品に適した投射材の投射分布を所定の形状に調整（変更）することができる投射分布の調整法および該調整法を用いるブラスト装置に関する。

従来、ブラスト装置において、処理製品に適した投射分布に変更する装置は、公知である。たとえば、処理対象部より広い投射分布で投射し、ブラスト装置と処理製品とのあいだに投射材を制限するベーンと呼ばれるライナーを設置し投射分布を制限するようにしたショットピーニング装置がある（特許文献１参照）。また、ベーンを使用せずブレード長さを変更、たとえば短くすることによって投射の方向を一定にし、投射分布を集中させる装置がある（特許文献２参照）。

特開平１−２６４７７３号公報 特開２００３−３４０７２１号公報

しかしながら、前記特許文献１記載の装置では、ベーンは投射材によって摩耗し制限範囲の変化が品質低下を招くことがあり、頻繁に部品交換をする必要がある。また、ベーンに反射した投射材が投射室内で投射するため、投射室の摩耗保護も必要である。一方、特許文献２記載の装置では、投射分布を集中させるためにブレードの長さが極端に短くしているが、投射材の供給がばらついていると各投射材が衝突する時のブレード位置にバラツキが生じ、投射分布は拡散してしまうことから、投射材供給バラツキの影響を受けやすくなる。また、インペラーの回転数が遅い場合は、供給した投射材のうち、ブレードに衝突することなくインペラーの外部へ飛散する投射材も出現し処理効率を低下することが考えられる。さらに、ブレードは投射材との衝突により摩耗が生じ、ブレード形状の摩耗による変化が発生すると、投射分布の精度に大きく影響を及ぼすため部品交換を頻繁に行う必要がある。

そこで、本発明は、叙上の事情に鑑み、処理製品に適した投射材の投射分布を集中型の形状に調整することができる投射分布の調整法および該調整法を用いるブラスト装置を提供することを目的とする。

本発明の投射分布の調整法は、複数のブレードを高速回転させて、投射材を放出する開口窓から放出された投射材を前記ブレードにより被処理品に投射するブラスト装置のための投射分布の調整法であって、前記放出された投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを用いて、前記放出された個々の投射材がブレード上で跳ね返る回数のバラツキが０．３以下となるように、前記ブレードの内径に対する外径の比が１．７５〜２．０、２．５〜２．９および３．６〜４．１のうち、いずれかの範囲を設定することにより、前記投射材の投射分布を集中型の形状に調整することを特徴としている。

また、本発明の投射分布の調整法は、複数のブレードを高速回転させて、投射材を放出する開口窓から放出された投射材を前記ブレードにより被処理品に投射するブラスト装置のための投射分布の調整法であって、前記放出された投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを用いて、前記放出された個々の投射材がブレード上で跳ね返る回数のバラツキが０．３以下となるように、前記ブレードの内径に対する外径の比が１．７５〜２．０、２．５〜２．９および３．６〜４．１のうち、いずれかの範囲、投射材を放出する開口窓の投射材放出位置の範囲を５°〜２０°およびブレードの回転数を２５００ｒｐｍ以上に設定することにより、前記投射材の投射分布を集中型の形状に調整することを特徴としている。

本発明のブラスト装置は、複数のブレードを高速回転させて、投射材を放出する開口窓から放出された投射材を前記ブレードにより被処理品に投射するブラスト装置において、投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを用いて、前記投射材の投射分布を集中型の形状に調整されているか否かを検知する検知機能を有するブラスト装置であって、前記投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを行うプログラムを登録するプログラム登録手段と、前記ブレードの内径に対する外径の比として少なくとも１．７５〜２．０、２．５〜２．９および３．６〜４．１のうちから選択された範囲を記憶する記憶手段と、前記放出された個々の投射材がブレード上で跳ね返る回数のバラツキを演算する演算手段と、前記バラツキが０．３以下であるか否かを判定する判定手段と、該判定手段の判定結果を表示する表示手段とを含むことを特徴としている。
また、本発明のブラスト装置は、複数のブレードを高速回転させて、投射材を放出する開口窓から放出された投射材を前記ブレードにより被処理品に投射するブラスト装置において、投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを用いて、前記投射材の投射分布を集中型の形状に調整されているか否かを検知する検知機能を有するブラスト装置であって、前記投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを行うプログラムを登録するプログラム登録手段と、前記ブレードの内径に対する外径の比として少なくとも１．７５〜２．０、２．５〜２．９および３．６〜４．１のうちから選択された範囲、投射材を放出する開口窓の投射材放出位置の範囲として５°〜２０°およびブレードの回転数として２５００ｒｐｍ以上を記憶する記憶手段と、前記放出された個々の投射材がブレード上で跳ね返る回数のバラツキを演算する演算手段と、該判定手段の判定結果を表示する表示手段とを含むことを特徴としている。

本発明によれば、処理製品に適した投射材の投射分布を集中型に調整することができるため、処理対象部以外へのムダな投射を低減し、エネルギーの低減や摩耗量を低減させるブラスト装置を得ることができる。

以下、添付図面に基づいて、本発明の投射分布の調整法および該調整法を用いるブラスト装置を説明する。本実施の形態では、まず、コントロールケージから回転するブレードの中に自由に放たれた投射材の挙動を調べるために、遠心投射装置において、感圧紙を貼り付けたブレードを用いた初期実験を行った。前記遠心投射装置は、図１に示されるように、装置本体の研掃室の天井に配された上壁１に配置されるハウジング（インペラーケース）２と、該ハウジング２の側部２ａの外側である前記上壁１に配設される駆動手段３と、該駆動手段３の駆動軸３ａ側に取り付けられるインペラー４と、該インペラー４の内周空間Ｓに前記駆動軸３ａと同軸に取り付けられるディストリビュータ５と、前記ハウジング２の側部２ａに対向する側部２ｂに取り付けられる円筒状のコントロールケージ６と、前記ハウジング２の側部２ｂに取付けられる導入筒７とを備えている。

前記インペラー４は、前記駆動軸３ａにハブ１０を介してボルト１１により取り付けられており、前記駆動手段３の駆動軸３ａ側の側板１２ａと、該側板１２ａにより前記導入筒７側に所定幅離れた位置の側板１２ｂと、側板１２ａと側板１２ｂとのあいだに放射状に挾着固定された複数枚のブレード１３とから構成されている。

前記ディストリビュータ５は、投射材を攪拌する部品であってボルト１４により前記側板１２ａに固定されており、前記ブレード１３の枚数と同一の数、該枚数より少ない数または該枚数より多い数の開口（切り欠き）１５を周方向にほぼ等間隔に有している。

前記コントロールケージ６は、先端部６ａの円筒部に形成される四角形状の開口窓１７により投射方向を規制する部品であって、前記ディストリビュータ５と前記ブレード１３とのあいだに延設されており、前記ハウジング２の側板２ｂ側に取り付けられている。

前記初期実験の結果、図２に示されるように、投射材の挙動は滑走ではなく、２〜３ヵ所に集中して圧力がかかっていることから、導入筒から供給された投射材は、回転するディストリビュータで攪拌されたのち、その外側に固定されたコントロールケージの開口窓より放出され、さらにその外側に配置され回転するブレードの根元側に供給されたのち、ブレード上で跳ねながら加速し、ブレードの先端側、すなわち外周方向へ向かい、投射されていることがわかる。

このため、投射分布は、遠心投射装置の回転軸と直行する面における２次元モデル（解析モデル）にて投射材の動きをシミュレーションすることにより、推定および分析できる。

この投射材の跳ね返りによる解析モデルにおける、投射材の衝突後の速度は、図３に示されるように、投射材の移動ベクトルＶ_０とブレード面上の衝突点の移動ベクトルＶ_１より、Ｘ軸とＹ軸の各方向成分の相対速度（Ｖ_０ｘ、Ｖ_０ｙ、Ｖ_１ｘ、Ｖ_１ｙ）に分け、式（１）、（２）に示されるように、垂直成分Ｖ_１ｙは反発係数を用いた跳ねかえり、水平成分Ｖ_１ｘは摩擦抵抗による速度損失としてそれぞれに係数を設定して表現する。
Ｖ_１ｙ＝−ｅ・Ｖ_０ｙ ・・・（１）
Ｖ_１ｘ＝（１−μ）・Ｖ_０ｘ ・・・（２）
ここで、ｅは跳ね返り係数であり、μは摩擦抵抗係数である。

そして、投射分布の解析モデルの初期条件として、たとえばブレードの外径、内径、長さ、幅、枚数、回転数（インペラー回転数）などや、図４に示されるように、コントロールケージの開口窓からの投射材放出位置の範囲（角度α）、投射方向、投射材の初速度およびそれらのバラツキ範囲など設定可能な要因を取り上げることができる。前記投射材放出位置の範囲は、投射材がコントロールケージから放出される範囲に相当し、角度で表され、開口窓やディストリビュータの形状によって決定される。また、前記バラツキ範囲とは、投射材がコントロールケージから放出される際の投射方向、および初速度の分布範囲に相当することを意味している。さらに前記分布は、コントロールケージの開口窓やディストリビュータ形状により変化するため、バラツキ範囲内で確率密度が等しい矩形分布であったり、バラツキ範囲を標準偏差として与えることにより正規分布としてもよい。また、解析モデルにおいて、跳ね返り係数および摩擦抵抗係数については、実際の投射材とブレードを用い、ブレード上における投射材の跳ね返り量の測定結果から実際の跳ね返り係数を求める。

また、前記初期条件のもとに解析モデルは、ブレードが点対称であることを前提とし、投射材を加速する任意のブレード１枚についての演算とし、各投射材に投射方向、投射材の位置および速度の情報を与えることにして、サンプリング時間（たとえば演算の精度を考慮すると、１００μs以下が望ましい）における投射材とブレードの移動量を計算し、衝突条件を満たす投射材について衝突演算を順次行う。すなわち、投射材の位置を極座標（ｒａ，θａ)で表した時、半径ｒａに相当するブレード面の角度θｂが投射材の角度θａを超えた場合に衝突とみなし、ブレード面を基準とした垂直成分と水平成分における前記式（１）、（２）を求めたのち、図５に示されるように、ブレードの衝突点における移動ベクトルと投射材の相対移動ベクトルとによる、ブレード衝突点における移動ベクトルの和の大きさ（実際の投射材の移動ベクトル）によって、ブレードとの衝突により速度と方向を再計算する（衝突演算を繰り返す）。

また、ブレードからの投射材の投射分布および投射速度については、各投射材の移動ベクトルの方向を角度で表し、それらをヒストグラムで表したものが投射分布（１°あたりの投射量割合）である。また、投射分布の拡散具合を数値化するため、各投射材の飛散方向を角度で示し、それらの標準偏差を、投射材投射方向のバラツキとした。また、前記移動ベクトルの大きさの平均値を算出したものが投射速度であり、標準偏差を算出したものが投射速度のバラツキである。

本実施の形態では、後述するように前記放出された個々の投射材がブレード上で跳ね返る回数のバラツキが０．３以下となるように、前記ブレードの内径に対する外径の比が１．７５〜２．０、２．５〜２．９および３．６〜４．１のうち、いずれかの範囲、投射材を放出する開口窓の投射材放出位置の範囲を５°〜２０°およびブレードの回転数を２５００ｒｐｍ以上に設定することにより、前記投射材の投射分布を集中型の形状に調整することができる。なお、本発明のブラスト装置は、遠心投射装置であることから、投射材の投射分布の集中型の調整は、とくに跳ね返る回数のバラツキとブレードの内径に対する外径の比に影響される。しかも、かかる調整は前記放出された投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを用いて行うことができる。

したがって、本実施の形態では、前記投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを行うプログラムを登録するプログラム登録手段と、ブレードの内径に対する外径の比として少なくとも１．７５〜２．０、２．５〜２．９および３．６〜４．１のうちから選択された範囲、投射材を放出する開口窓の投射材放出位置の範囲として５°〜２０°およびブレードの回転数として２５００ｒｐｍ以上を記憶する記憶手段と、前記放出された個々の投射材がブレード上で跳ね返る回数のバラツキを演算する演算手段と、前記バラツキが０．３以下であるか否かを判定する判定手段と、該判定手段の判定結果を表示する表示手段とを備えており、前記投射材の投射分布を集中型の形状に調整されているか否かを検知する検知機能を有する遠心投射装置にされている。なお、前記表示手段は、通常用いられる演算・表示機能を有するコンピュータを搭載した機種のタッチパネルや、制御盤上のディスプレイなどの表示画面に表示するものであれば、とくに限定されるものではない。

つぎに、各投射材の跳ね返り回数の標準偏差を跳ね返り回数のバラツキとし、跳ね返り回数のバラツキと投射材投射方向のバラツキの関係を図６で示す。その結果、跳ね返り回数のバラツキが大きくなると、前記投射材投射方向のバラツキは大きくなる。すなわち、投射材投射方向の投射角度が拡散し、跳ね返り回数のバラツキは０．３以下にすることによって投射角度を集中することができる。

また、跳ね返り回数の平均値と投射材投射方向のバラツキの関係を図７に示す。跳ね返り回数の平均値が２回未満であるとコントロールケージからの投射材放出位置のバラツキの影響を受け投射角度は拡散しやすく、かつ投射材を安定して加速することができず、投射速度にバラツキを生じてしまうため、跳ね返り回数の平均値は２回以上であることが望ましい。ここでは、跳ね返り回数のバラツキおよび、跳ね返り回数の平均値を変化させるために、ブレードの外径、ブレードの内径および回転数のそれぞれを変化させて演算を行った。

したがって、投射分布および速度を決定する要因として、跳ねた回数が大きく影響している。個々の投射材はブレード上で数回跳ねることから、跳ねる回数が多いほど投射方向はブレードの回転方向に変化し、かつ衝突による加速が充分である。逆に跳ねる回数が少ないほど投射方向はブレードの回転方向と逆向きに変化し、かつ衝突が少なく加速が充分でない。よって、投射材の跳ねる回数が複数に混在するほど個々の投射方向がバラツキ、つまり投射分布が広がってしまう。そのため個々の投射材がブレード上で跳ねる回数のバラツキを０．３以下とすることによって、投射材の投射分布を集中させることができる。

つぎに、コントロールケージからの投射材放出位置の範囲（放出範囲）を３５°、１０°としたときの投射分布の分析を図８に示す。実施に使用した条件として、ブレードの外径を３６０ｍｍ、ブレードの内径を１３５ｍｍおよび回転数を３０００ｒｐｍに設定した。その結果、投射材放出位置の範囲が狭いほど投射分布は集中している。

また、同様の条件において投射材投射方向のバラツキについて、投射材放出位置の範囲の影響を確認するため、投射材放出位置の範囲を変化させたときの投射材投射方向のバラツキを図９で示す。その結果、投射材放出位置の範囲が狭いほど投射材投射方向のバラツキが小さくなる。ただし、投射材放出位置の範囲を狭くしすぎると、コントロールケージの開口窓の抵抗が大きくなり、遠心式投射装置の最大投射の可能な量の低下や運転中に投射材がコントロールケージ内で閉塞してしまうなどの問題があるため、投射材放出位置の範囲は５°〜２０°が望ましい。この結果は、使用した条件、すなわちブレードの外径、ブレードの内径および回転数によらず、同様の結果が得られる。

つぎに、ブレードの内径に対する外径の比と投射材投射方向のバラツキ、および跳ね返り回数のバラツキの関係を図１０に示す。ブレードの内径に対する外径の比が変化することによって、跳ね返り回数のバラツキが大きく変化し、それに伴い投射材投射方向のバラツキも変化する。したがって、ブレードの内径と外径の関係を特定させることによって投射分布を集中させることができる。
すなわち、ブレードの内径に対する外径の比が１．７５〜２．０、２.５〜２．９または３．６〜４．１のいずれかの範囲とすることにより、前述のとおり、跳ね返り回数のバラツキが０．３以下となり、投射分布を集中することが可能である。なお、ブレードの内径に対する外径の比が前記特定の範囲とすることにより、跳ね返り回数のバラツキが小さくなるのは、跳ね返り回数の平均値が整数に近くなるときであるため、前記範囲が分かれているのはこのためであり、前記範囲に対応する跳ね返り回数の平均値ｎはそれぞれ、２、３、４の近傍である。ここで実際に使用するブレードの寸法値を考慮しｎ＝５以上については指定していないが、それらの整数の近傍におけるブレード内径に対する外径の比の範囲においても同様のことが言える。

実施に使用した条件として、回転数を３０００ｒｐｍ、投射材放出位置の範囲を１０°とし、ブレードの外径および内径を変化させた。この発明の効果を得るために回転数は２５００ｒｐｍ以上が望ましく、それ未満であると投射材を充分に加速できないほか、投射材の初速の影響を受けて、投射材がブレードに衝突するまでの投射材移動量は大きくなり、投射材の位置のバラツキも大きくなるため、投射材がブレード上で分散しやすくなり、投射材投射方向のバラツキも大きくなってしまう。また、同様に、前述のとおり投射材放出位置の範囲は５°〜２０°が望ましい。

なお、本実施の形態では、ブラスト装置である遠心投射装置について説明したが、本発明は、駆動モータで回転する回転板と、該回転板に取付けた複数枚のブレードと、そのブレードに投射材を放出（供給）する開口窓を有した流入管とを含むブラスト装置などに適用することもできる。

本実施の形態にかかわる遠心投射装置の一例を示す要部断面図である。 ブレード上の投射材の挙動を示す図である。 ブレードへの衝突前後の速度を示す模式図である。 解析モデルにおける初期条件の放出を説明するための模式図である。 投射材の衝突後の速度を示す模式図である。 跳ね返り回数のバラツキと投射材投射方向のバラツキの関係を示す図である。 跳ね返り回数平均値と投射材投射方向のバラツキの関係を示す図である。 投射材放出位置の範囲の違いによる投射分布を示す図である。 投射材放出位置の範囲を変化させたときの投射材投射方向のバラツキを示す図である。 ブレードの内径に対する外径の比と投射材投射方向のバラツキ、および跳ね返り回数のバラツキの関係を示す図である。

符号の説明

１ 上壁、２ ハウジング、２ａ、２ｂ 側部、３ 駆動手段、３ａ 駆動軸、４ インペラー、５ ディストリビュータ、６ コントロールケージ、６ａ 先端部、７ 導入筒、１０ ハブ、１１、１４ ボルト、１２ａ、１２ｂ 側板、１３ ブレード、１５ 開口、１７ 開口窓

Claims (5)

1. 複数のブレードを高速回転させて、投射材を放出する開口窓から放出された投射材を前記ブレードにより被処理品に投射するブラスト装置のための投射分布の調整法であって、
   前記放出された投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを用いて、前記放出された個々の投射材がブレード上で跳ね返る回数のバラツキが０．３以下となるように、
   前記ブレードの内径に対する外径の比が１．７５〜２．０、２．５〜２．９および３．６〜４．１のうち、いずれかの範囲を設定することにより、
   前記投射材の投射分布を集中型の形状に調整することを特徴とする投射分布の調整法。
2. 複数のブレードを高速回転させて、投射材を放出する開口窓から放出された投射材を前記ブレードにより被処理品に投射するブラスト装置のための投射分布の調整法であって、
   前記放出された投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを用いて、前記放出された個々の投射材がブレード上で跳ね返る回数のバラツキが０．３以下となるように、
   前記ブレードの内径に対する外径の比が１．７５〜２．０、２．５〜２．９および３．６〜４．１のうち、いずれかの範囲、投射材を放出する開口窓の投射材放出位置の範囲を５°〜２０°およびブレードの回転数を２５００ｒｐｍ以上に設定することにより、
   前記投射材の投射分布を集中型の形状に調整することを特徴とする投射分布の調整法。
3. 複数のブレードを高速回転させて、投射材を放出する開口窓から放出された投射材を前記ブレードにより被処理品に投射するブラスト装置において、投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを用いて、前記投射材の投射分布を集中型の形状に調整されているか否かを検知する検知機能を有するブラスト装置であって、
   前記投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを行うプログラムを登録するプログラム登録手段と、
   前記ブレードの内径に対する外径の比として少なくとも１．７５〜２．０、２．５〜２．９および３．６〜４．１のうちから選択された範囲を記憶する記憶手段と、
   前記放出された個々の投射材がブレード上で跳ね返る回数のバラツキを演算する演算手段と、
   前記バラツキが０．３以下であるか否かを判定する判定手段と、
   該判定手段の判定結果を表示する表示手段
   とを含むことを特徴とするブラスト装置。
4. 複数のブレードを高速回転させて、投射材を放出する開口窓から放出された投射材を前記ブレードにより被処理品に投射するブラスト装置において、投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを用いて、前記投射材の投射分布を集中型の形状に調整されているか否かを検知する検知機能を有するブラスト装置であって、
   前記投射材が回転するブレードと衝突を繰り返す解析モデルを行うプログラムを登録するプログラム登録手段と、
   前記ブレードの内径に対する外径の比として少なくとも１．７５〜２．０、２．５〜２．９および３．６〜４．１のうちから選択された範囲、投射材を放出する開口窓の投射材放出位置の範囲として５°〜２０°およびブレードの回転数として２５００ｒｐｍ以上を記憶する記憶手段と、
   前記放出された個々の投射材がブレード上で跳ね返る回数のバラツキを演算する演算手段と、
   前記バラツキが０．３以下であるか否かを判定する判定手段と、
   該判定手段の判定結果を表示する表示手段
   とを含むことを特徴とするブラスト装置。
5. 前記演算手段が、サンプリング時間における投射材とブレードの移動量を計算し、衝突条件を満たす投射材について衝突後の速度を、投射材の移動ベクトルとブレード面上の衝突点の移動ベクトルより、Ｘ軸とＹ軸の各方向成分の相対速度に分け、垂直成分は反発係数を用いた跳ねかえり、水平成分は摩擦抵抗による速度損失としてそれぞれに係数を設定して求めたのち、前記ブレードへの衝突後の速度と方向をブレード衝突点におけるブレードの移動ベクトルとの和によって演算する請求項３または４記載のブラスト装置。