JP4240972B2 - 金属部品等の表面改質および洗浄方法およびその装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯車、ばね、金型等の金属部品の表面改質方法およびその装置に関するものであり、特にショットピ−ニングを用いて表面改質（残留応力を圧縮に改善、疲労強度改善、加工硬化など）している機械加工業、および、部品洗浄を要する分野に好適な金属部品等の表面改質および洗浄方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりショットピ−ニングを用いて各種金属部品の表面改質（残留応力を圧縮に改善、疲労強度改善、加工硬化など）が行われている。
また、最近では原子炉圧力容器などの応力腐食割れを阻止および防止するために、複数個のスロ−トから構成されるノズルを用いて水中に加圧水を吹き出して、キャビテ−ションを発生させて、被加工物表面の残留応力を圧縮にする技術等もある。
【０００３】
しかし前記加圧水を吹き出して表面改質を行う技術は、キャビテ−ションの圧潰衝撃力を利用しているかのように開示されているが、実際には「キャビテ−ション噴流」を空気中に噴射する「一般のウォ−タ−ジェット」と混同して使用されている。
即ち「一般のウォ−タ−ジェット」は、表面改質の程度（改善される残留応力の値、改善される疲労強度の程度、加工硬化する程度、など）は噴射する加圧水の圧力に依存するとし、ポンプの吐き出し圧力を高価な高圧ポンプを使用して高くしているが、表面改質の点で満足しうる加工能力を得ていない。また、表面改質におけるキャビテ−ション圧潰衝撃力の支配因子を把握しておらず、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力およびキャビテ−ション噴流による表面改質効果を有効に活用していない、等の問題点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者はこうしたキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力およびキャビテ−ション噴流による表面改質の現象について研究を進めた結果、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力およびキャビテ−ション噴流による表面改質効果（残留応力改善、加工硬化、疲労強度向上）は、加圧水の圧力ばかりでなく被加工物を設置する水槽の圧力に依存すること、加圧水の圧力と水槽の圧力の比に最適値が存在すること、キャビテ−ション圧潰衝撃力は液温の温度により増減すること、こうした条件を満足できればキャビテ−ションの圧潰衝撃力が増大することを確認した。
本発明はこうした知見をもとに成されたものであり、水またはオイル等の液体で満たした槽に設置した被加工物にキャビテ−ション噴流を噴射して加工し、キャビテ−ション噴流の加工能力を増大させるために被加工物を設置した槽を加圧し、短時間で被加工物を設置した槽を加圧制御することにより、部品の表面改質を行うことができる金属部品等の表面改質および洗浄方法およびその装置を提供する。
また、被加工物上にキャビテーション噴流を噴射する加圧容器を移動自在に設けることで、大型構造物の表面加工ができる金属部品等の表面改質および洗浄方法およびその装置を提供する。
さらに、パイプ内にキャビテーション噴流を噴射する加圧区間を形成し、この区間をパイプ内面に沿って移動させながら、パイプ内面の表面加工、洗浄を行うことができる金属部品等の表面改質および洗浄方法およびその装置を提供する。そして上記洗浄方法および装置により、上述した問題点を解決することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため本発明が採用した課題解決手段は、
被加工部品を液体を満たした第１容器内に設置し、前記部品表面から離れたノズルから第１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量を制御して第１容器を加圧し、前記ノズルから噴出する高圧水によって発生するキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、被加工部品を液体を満たした第１容器内に設置し、前記第１容器を液体を満たした第２容器内に設置し、前記部品表面から離れたノズルから第１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量を制御して第１容器を加圧し、前記ノズルから噴出する高圧水によって発生するキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、前記第１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量をそれぞれ圧力制御弁を制御して第１容器を加圧し、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、前記第１容器と第２容器内との間に音響インピーダンスの異なる物質を入れたことを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、前記第１容器と第２容器内との間に満たす液体の温度を制御して第１容器内の液体の温度を制御することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、第１容器内に注入するキャビテーション噴流液を、第１容器から冷却手段に送って冷却後、キャビテーション噴流用のポンプに戻すようにしたことを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、被加工部品を収納できる第１容器と、第１容器を密閉状態にする蓋と、前記第１容器を収納できる第２容器と、第１容器内に加圧液体を噴出するノズルと、前記ノズルからの噴出圧力を制御する流量制御弁と、第１容器内の液圧を制御する圧力制御弁とからなることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記ノズルは複数設けてあることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第２容器は第１容器の高さよりも深い容器として構成されていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第１容器と第２容器内との間に音響インピーダンスの異なる物質を配置したことを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第１容器の蓋は所定の力で閉じられていることを特徴とする金属部品等の表面改質装置である。
また、前記第２容器内の液体を加熱もしくは冷却する手段を備えていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記被加工物部品は、被加工部品を移送する移送手段上に載置されていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、被加工部品上に液体を満たした第１容器を配置し、ノズルから第１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量を制御して第１容器を加圧し、該加圧された第１容器を間隔制御手段により被加工部品上を間隔を制御しながら移動させ、さらに、前記ノズルから噴出する高圧水によって発生するキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、被加工部品上に配置した第１容器と、第１容器内に加圧液体を注入するノズルと、前記第１容器と被加工部品表面との間隔を制御する間隔制御手段と、第１容器内の加圧液体内にキャビテーション噴流を噴出するノズルとを備え、キャビテーション気泡の圧潰衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第１容器と第１容器内に加圧液体を注入するノズルと第１容器内の加圧液体内にキャビテーション噴流を噴出するノズルとを一体で構成したことを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第１容器内の液圧は弁等の液圧調整手段によって制御されるべく構成されていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記被加工部品は第２容器内の液体内に浸漬されていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記被加工部品は第２容器内に入れた液体の表面より上に配置してなることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、第１容器内に注入するキャビテーション噴流液を冷却する手段を備えていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第１容器内にキャビテーション噴流液を囲むように加圧液体を注入することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、パイプ状または管路等の被加工部品において、被加工部品内に液体加圧室を形成し、該加圧液体内にキャビテーション噴流を噴出し、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、この衝撃力により被加工部品内面にピ−ニング効果を与えて被加工部品内面の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、パイプまたは管路内に液体加圧室を形成する第１部材と第２部材と、該第１部材と第２部材との間に加圧液体を注入するノズルと、前記液体加圧室内にキャビテーション噴流を噴出するノズルとを備え、キャビテーション気泡の圧潰衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、第１部材と第２部材のいずれか一方には、液体加圧室内の液圧を調整する弁等の液圧調整手段が設けられていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
被加工部品を液体を満たした第１容器内に設置し、前記第１容器を液体を満たした第２容器内に設置し、前記部品表面から離れたノズルから第１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量を制御して第１容器を加圧し、前記ノズルから噴出する高圧水によって発生するキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、前記第１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量をそれぞれ圧力制御弁を制御して第１容器を加圧し、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、前記第１容器と第２容器内との間に満たす液体の温度を制御して第１容器内の液体の温度を制御することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、被加工部品を収納できる第１容器と、第１容器を密閉状態にする蓋と、前記第１容器を収納できる第２容器と、第１容器内に加圧液体を噴出するノズルと、前記ノズルからの噴出圧力を制御する流量制御弁と、第１容器内の液圧を制御する圧力制御弁とからなることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記ノズルは複数設けてあることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第２容器は第１容器の高さよりも深い容器として構成されていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第１容器の蓋は所定の力で閉じられていることを特徴とする金属部品等の表面改質装置である。
また、前記第２容器内の液体を加熱もしくは冷却する手段を備えていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記被加工物部品は、被加工部品を移送する移送手段上に載置されていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記被加工部品は第１容器内の液体内に浸漬されていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記被加工部品を浸漬した第１容器内の液体は第１容器の上縁から第２容器内にあふれ出る構成としたことを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、パイプ状または管路状の被加工部品において、被加工部品内に液体加圧室を形成し、該加圧液体内にキャビテーション噴流を噴出し、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、この衝撃力により被加工部品内面にピ−ニング効果を与えて被加工部品内面の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。 また、パイプまたは管路内に液体加圧室を形成する第１部材と第２部材と、該第１部材と第２部材との間に加圧液体を注入するノズルと、前記液体加圧室内にキャビテーション噴流を噴出するノズルとを備え、キャビテーション気泡の圧潰衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、第１部材と第２部材のいずれか一方には、液体加圧室内の液圧を調整する弁等の液圧調整手段が設けられていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
【０００７】
被加工物Ｗは、容易に出し入れおよび密閉可能な水またはオイル等の液体で満たした第１容器１に入れられ、また、第１容器１と第２容器３との間にも水またはオイル等の液体が満たされている。
上記流量制御弁６、圧力制御弁８およびポンプＰ等は図示せぬ電子制御装置と接続され、第１容器１内に配置して図示せぬ圧力、温度センサー等からの信号をもとに最適値となるように制御される。
【０００８】
上記実施形態の具体的作用（作動）
被加工物Ｗを第１容器１内に入れたあと、開閉可能な蓋２によって密閉し、ノズル４から高圧水を噴出して、噴流まわりにキャビテ−ション９を発生させて、キャビテ−ション気泡を被加工物Ｗに当てる。キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力が被加工面に作用して、被加工面の加工硬化、残留応力改善、疲労強度向上などをもたらす。
【０００９】
キャビテ−ション気泡９の圧潰衝撃力を増大させるために、ノズル４から第１容器１に流入する加圧水の流量を流量制御弁６でまた第１容器１から流出する流量を圧力制御弁８によって制御し、第１容器１内の加圧液圧を制御する。
また、第１容器１に気相部分があると、気相部分が加圧水により圧縮されるために、加圧するために一定時間を要する。このため、本形態では第１容器１を短時間で加圧するために第２容器３の深さを深くし、第２容器３に充満した液体の圧力で第１容器１に所定の圧力を与えておく。こうすることで第１容器１内を短時間で加圧し、第１容器１内の気相部分を短時間で極力少なくすることができる。
【００１０】
以上のように本発明では、加圧する第１容器１の気相部分を極力小さく出来るので、第１容器１を加圧するのに要する時間を短縮出来る。
例えば、第１容器内の最適液圧が５気圧の場合、第１容器内に１２リットル程度の空気が入っているとすると、１０リットル／ｍｉｎの高圧ポンプで１分間程度加圧に要し、実際に加工する時間（数十秒程度〜数分程度、ノズルの配置によりさらに短縮が可能）と同程度の時間が無駄になる。本発明では、予め第１容器１を第２容器３に充満した液体内に沈めておくために、第１容器内の空気を１／１０以下に少なくできるので加圧時間も１／１０以下に短縮できる。また第２容器の深さに比例して、第１容器に所定の圧力を与えておくため、例えば、上記の場合では、第１容器内に１２リットル程度の空気が入っていても第２容器の水深が５０ｍあれば加圧時間は０となり、加圧時間を１００％短縮することができる。
【００１１】
以上にように第１容器１を加圧しない場合に比べて、本形態では残留応力を大きく改善でき、疲労強度も改善できる、圧縮残留応力を被加工面の表面から奥深くまで入れられる、加圧しない場合に比べて、加工効率が高い（短時間で行える）、被加工物表面を加工硬化できる等の効果を奏することができる。
図３に加圧データを示す。加圧しない場合に比べて加圧した場合は、圧縮残留応力が被加工面に入る深さは２倍から１０倍以上であり、加工に要する時間は１／２から１／１０以下となる（この値は噴流の吐出圧力が２０Ｍｐａ、ノズル口径が０．４〜０．８ｍｍ程度のものであり、ノズルが大きく、また吐出圧力が増大するほど加圧による効果は顕著となる）。
【００１２】
キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力は、液温にも依存する。第１容器１の周囲に、第２容器３を設置し、さらに第２容器３に対して液温制御装置を付加することで第１容器１の液温を一定に保つことができ、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力が最適となる液温３０°Ｃ〜６０°Ｃに制御できる。第２容器３を設置しない場合、第１容器１が昇温してキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力が減衰するとともに、高圧水のポンプおよび配管、第１容器が漏れたり、破壊しやすくなり危険である。
なお、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力は、水を用いた場合、沸点と融点の中間である５０°Ｃで最大となる。実用上、高圧ポンプや配管は高温（８０°Ｃ以上）になると耐圧力が極端に低下するので危険である。このため第１容器１の水温を３０°Ｃから６０°Ｃにした方が良い。
【００１３】
第２容器３の設置により、第１容器内で生じるキャビテ−ション騒音を低減できる。第１容器と第２容器との間にさらに音響インピ−ダンスの異なる物質を入れることにより、防音（消音）の効果が増す。
第２容器３の設置により第１容器１内の気相部分（圧縮性気体）を極力排除できるので、第１容器１から漏れを生じた場合にも、圧縮された部分がほとんど存在せず、漏れても第１容器内の液体は非圧縮性なので、瞬時に第１容器内の圧力は減衰するので安全である。第１容器１内に気相部分が存在すると、気相部分が膨張して、漏れた箇所より噴出し続けて危険である。
【００１４】
キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力は、第１容器１内の液体の空気含有度にも依存する。第１容器内の液体が大気に触れて空気含有量が大きくなると、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力は減衰、すなわちキャビテ−ション噴流の加工能力が小さくなる。第２容器３の設置により、第１容器１内の液体が直接大気に触れないので、第１容器１内の液体の空気含有量の変化が少なく、キャビテ−ション噴流の加工能力はほぼ一定である。
【００１５】
つづいて本発明の第２実施の形態を図面に基づいて説明すると、
図２は第２実施形態に係わる金属部品等の表面改質装置の構成図である。
第２実施形態のものは、第１実施形態のものに比較して第２容器の深さが浅くなっており、第１容器１の上縁から液体が溢れ出る構成となっており、加工の作用は第１実施形態と同様である。
第２実施形態のものも第１容器１内を加圧する必要があるため第１実施形態の場合と同様に蓋２を閉じ、蓋２の隙間から液体が溢れ出るようにする。なお、第１容器１の蓋２の上に錘を乗せたり、あるいは蓋と容器とを所定のバネ定数のバネ等で連結しておくことにより、蓋の開放に抵抗を与え第１容器１内を機械的に加圧することもできる。なお、この加圧力も当然のことながら電子制御装置等により制御することが可能である。
【００１６】
さらに本発明の第３実施形態を図４を参照して説明する。
第３実施形態は、第１実施形態、第２実施形態とは第１容器からの液体の排出方法が異なっている。即ち、第３実施形態では第１容器からの液体は流量制御弁を介して第２容器内に排出し、さらに第２容器内の液体を流量制御弁を介して容器外に排出するようになっており、このような構成とすることにより、キャビテーション気泡崩壊後に第１容器内に残留する気泡を効果的に除去することができる。
【００１７】
つづいて本発明の第４〜第６実施形態を図面に基づいて説明する。
上述した第１〜第３実施形態は、水等の液体を満たした密閉可能な圧力容器に加工物全体を入れる必要があるため、被加工物よりも大きな第１容器を必要とする。このため、長尺の被加工物などの表面加工は困難である。また、床、や道路、橋梁などの構造物への適用は不可能であった。さらに、パイプ内部の表面加工、洗浄なども行うことができないなどの問題もある。
そこで、ここでは、加圧する第１容器が被加工物より小さい場合でも、上記実施形態と同様にキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力が被加工面に作用して、被加工面の加工硬化、残留応力改善、疲労強度向上などをもたらすことができる第４、第５実施形態について、さらにパイプ内部の内面加工を行うことができる第６実施形態について説明する。
【００１８】
図５は本発明に係る第４実施形態であり、図６は第４実施形態に係わる第１容器部の拡大構成図である。
図５において、２１は被加工物の表面改質を行う第１容器であり、その大きさは図に示すように被加工物２２の表面の一部を覆うことができるものとして形成されている。第１容器２１は被加工物２２上を移動できるように図６に示すように下部にローラ３１等が配置された脚部材３０に支持されており、脚部材３０は被加工物２２を跨ぐによう設けられる。第１容器２１内には同容器内にキャビテーション噴流２８を噴射するノズル２４が配置され、このノズル２４に連通する流路には流量制御弁２５が設けられている。また第１容器２１には容器内に高圧液体を注入するノズル２６が配置され、このノズル２６に連通する流路には圧力制御弁２７が配置されている。第１容器には図示せぬポンプ（遠心ポンプ、渦巻きポンプ等）から前記ノズル２６を介して高圧液（圧力０．１〜１０ｋｇ／ｃｍ2 ）が注入され、これによって所定の圧力を維持できるようになっている。また、図中２９は被加工物を自由に出し入れできる第２容器である。
【００１９】
なお、本例ではローラ３１を有する脚部材３０に第１容器２１を支持する構成を採用しているが、必要に応じて被加工物２２上を移動できるローラ３１を第１容器下面に直接設けることもできる。いずれの場合も第１容器２１が容器内に注入された高圧液の作用で浮き上がり被加工物２２の表面と第１容器２１下面との間隔が開きすぎないようにする適宜な間隔制御手段（例えば磁石等）が設ける。また、脚部材３０と第１容器２１との間にはスプリング等の弾性材を入れ、第１容器を被加工物側に付勢しておくことも可能である。
【００２０】
上記第４実施形態の作用を説明する。
被加工物２２を第２容器２９内の液中に配置し、被加工物２２の表面上に第１容器２１を載置する。この状態で第１容器２１内に加圧液を注入し、またノズル２４から第１容器２１内にキャビテーション噴流２８を噴射し、噴流まわりにキャビテ−ションを発生させて、キャビテ−ション気泡を被加工物２２に当てる。この時、第１容器２１内の液圧は圧力制御弁２７により、またキャビテーション噴流２８の圧力は流量制御弁２５によって制御される。キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力が被加工面に作用して、被加工面の加工硬化、残留応力改善、疲労強度向上などをもたらす。また汚れを伴った液は、第１容器と被加工物との間から外に排出される。
【００２１】
本実施形態では、第２容器内の液中に没した被加工物２２に載置した小型の第１容器２１内の加圧液体内においてキャビテーション噴流２８を生じさせ、被加工部分の一部を加工するようにしているため、加圧する第１容器部分を極力小さく出来、第１容器を加圧するのに要する時間を短縮出来る。また被加工物の表面の一部を順に加工してゆくため、大きな加工物でも容易に処理することができる。
【００２２】
なお、本実施形態では当然のことながら、第１容器２１と被加工物２２の間から漏れを生じるので、この漏れを上回る流量を第１容器内にキャビテーション噴流を生じる高圧液とは別のポンプにより加圧液を注入する必要がある。この加圧のためのポンプからの注液はキャビテーションを生じさせる必要はないので比較的低吐出し圧力（キャビテーション噴流用ポンプの１／１００〜１／５０以下の吐き出し圧力、０．１〜１０kg／ｃｍ2 程度）のポンプでよい。ただし流量を要するので、キャビテーション噴流用ポンプ（一般にはプランジャポンプ、１０〜１０００ｋｇ／ｃｍ2 程度）とは形式が異なる（遠心ポンプ、渦巻きポンプなど）ポンプを用いたほうが良い。キャビテーション噴流用ポンプは、通常、数リットル／ｍｉｎ〜数十リットル／ｍｉｎ程度の流量なので、被加工物表面に押し付けた第１容器から漏れ流量全てを補うことは困難である。そこでキャビテーション噴流高圧液と別の比較的低圧の高圧液を第１容器に注液する。
【００２３】
以上のように本実施形態は、キャビテーション噴流用高圧液とは別に第１容器内を加圧するための高圧液を小型の第１容器に注入して第１容器内を加圧する点に大きな特徴がある。なお、第１容器内の液圧制御は、第１容器側に開閉弁を取り付け、この開閉弁を制御することで行うことも可能である。
【００２４】
次に第５実施形態の説明をする。
第５実施形態は、第４実施形態のように被加工物２２を第２容器２９内の液中に没することなく、液表面より上方に配置した例である。この例では図に示すように第２容器２９内の水位を被加工物表面よりも低くした点を除いて、他の構成は第４実施形態と同様である。なお、この形態の発展形としては、第２容器を無くし、被加工物の表面上に第１容器のみを配置したものも含まれる。
ところで、上記第４、第５実施形態は、ベルトコンベア等の移送手段の上にのせられ移送される被加工物にも適用できる。例えば、移送手段上に被加工物をのせ、移送手段によって被加工物を１容器の下に移動し、ついで移送手段を停止し、第１容器を下降して第１容器内に被加工物を収納し、この状態で第１容器内にキャビテーション噴流用高圧液を注入することで、上記各実施形態と同様に移送手段上の被加工物の加工、洗浄が可能となる。
【００２５】
第６実施形態の説明をする。
第６実施形態は、パイプあるいは部材に形成した管路内部の表面を加工する例である。この例では、パイプ（管路）内部に第１部材（第１栓）と第２部材（第２栓）を設け、これら二つの部材間にある管路表面を加工するものである。
図８において、４１は被加工物としてのパイプであり、このパイプ４１内には、第１栓４２と第２栓４３が連結棒４４によって所定の間隔をもって配置される。
第１栓４２は、パイプ内面と液密状態にシールされ、かつ摺動自在に配置されており、この第１栓４２には流体排出孔４５が形成され、この孔４５には孔を塞ぐことができる弁４６が設けられている。この弁４６は図示のようにバネ４７等の付勢力によって孔４５に向けて押しつけられており、内部の液圧が所定圧以上になると、孔４５から高圧液が排出される構成となっている。なお、弁の形態としては同様の機能を奏する他の形態のものを使用することもできる。
【００２６】
また第２栓４３は、パイプ加圧液注入用のパイプ４８と、キャビテーション噴流用高圧液を注入するパイプ４９を保持しており、第２栓４３はその周囲がパイプ内面との間に僅かな隙間５０を持って配置されている。なお、パイプ４８およびパイプ４９には上記実施形態と同様に圧力制御弁、流量制御弁が配置され、それぞれのパイプから供給される液圧を調整することができる。図中、５１はパイプ内面に付着した汚れである。
この形態ではパイプ内に連結棒で連結された第１栓４２および第２栓４３を図のように配置し、これらの栓４２、４３の間にパイプ内加圧用の液を注入し、両栓の間を所定の液圧に保持しながら、キャビテーション噴流用高圧液をいれ、パイプ内部の洗浄を行う。また、キャビテーション噴流をパイプ内面に当てると、パイプ内面の表面加工を行うことができる。また、加工中、第１栓４２と第２栓４３との間の液体は汚れとともに第２栓４３とパイプ４１の間５０から排出されることになる。こうして、第１栓４２、第２栓４３の位置を適宜手段によって徐々に移動させて行くことで、パイプ内面全周を洗浄、あるいは表面加工することができる。なお、第１栓４２と第２栓４３との間の液圧は何れかの栓に弁を設け、これらの弁を開閉することにより制御することも可能である。
【００２７】
また、この実施形態では第１栓と第２栓とを連結棒４４によって連結しているが、連結棒の代わりに連結紐等も使用することもできる。さらに状況によっては第１栓および第２栓は必ずしも棒や紐等で連結する必要はなく、この場合には、第１栓と第２栓は、加工中の高圧液の作用によってパイプ内面を移動することのないよう摩擦力などの適宜固定手段によってパイプ内に固定しておく必要がある。
【００２８】
図９に本発明を使用して合金工具鋼を処理した時の圧縮残留応の様子、図１０に本発明を使用して浸炭歯車材を処理した時の圧縮残留応の様子を示すグラフを示す。図９において、第１容器を加圧した場合には１０分間で強化処理できるが、加圧しないばあいには１５０分間を有し、圧縮残留応力値も６０％程度である。また図１１に加工硬化の比較例を示す。
【００２９】
以上のように第５実施形態では加圧する第１容器が被加工物よりも小さくてすむため、第１容器に入れられない長尺の鋼鈑、大型の金型などでも容易に表面改質が可能になる。また本方法は、キャビテーション噴流による床の洗浄などにも適用できる。また第１容器の加圧用注水をキャビテーション噴流用の加圧水と別に設置することにより大流量のプランジャポンプを必要とせず、設備が安価になる。
また、第６実施形態では、パイプ内に加圧区間を形成することで容易にパイプ内面を加工、洗浄することができる。
【００３０】
以上本発明に係わる種々の実施の形態について説明したが、流量制御弁、圧力制御弁等は手動によるもの、自動制御によるもの等を使用することができる。また液体は水、オイル等を使用することができる。また、上記各実施形態において第１容器にキャビテーション噴流を注入する際に、モータのパワーがキャビテーション噴流を通して熱に変わり、水温が上昇しすぎるということがある。この場合には、第１容器内の圧力を利用して、第１容器内の液を第１容器外の公知の各種冷却手段に送って液を冷却し、その後、再びポンプに供給することもできる。このように第１容器内の液圧を利用して液を冷却手段に供給する手法を採用すると第１容器内の液を冷却手段におくるための新たなポンプは不要であり、液の冷却を簡単に実現できる。
また、第１容器へのキャビテーション噴流と加圧水の注入方法として、上記各実施形態のようにキャビテーション噴流のノズルと加圧水注入用のノズルを隣接して配置する方法の他に、容器の中心部にキャビテーション噴流ノズルを配置しそのノズルを囲むように加圧水注入用のノズルを配置し、キャビテーション噴流を加圧水で囲むようにして被加工物に当てることもできる。
さらにキャビテーション噴流ノズルと加圧水注入ノズルの位置関係については必要に応じてその他の形態に自由に変更することも可能である。また、第１容器内への被被加工物の配置については当然のことながら被加工物の形状などをもとに自由に設定することも可能であり、例としてノズル自身を容器と一体に成形したりする形態も当然のことながら可能である。
さらに本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００３１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、被加工物を第１容器内に入れたあと、密閉し、ノズルから高圧水を噴出して、噴流まわりにキャビテ−ションを発生させて、キャビテ−ション気泡を被加工物に当てることにより、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力が被加工面に作用して、被加工面の加工硬化、残留応力改善、疲労強度向上などの表面改質効果および洗浄効果を奏することができる。また、第１容器を被加工物上に載置する方法を採用した場合には長尺の鋼鈑、大型の金型なども容易に表面改質することができる。さらにキャビテーション噴流による床の洗浄などにも適用できる。また、パイプあるいは管路内に加圧区間を形成することで容易にパイプ内面を加工、洗浄することもできる。さらに、第１容器の加圧用注水をキャビテーション噴流用の加圧水と別に設置することにより大流量のプランジャポンプを必要とせず、設備が安価になる、等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる表面改質装置の構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係わる表面改質装置の構成図である。
【図３】本発明に係わる加圧データを示す。
【図４】本発明の第３実施形態に係わる表面改質装置の構成図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係わる表面改質装置の構成図である。
【図６】図５中、第１容器の加工物への押しつけ方法を説明する図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係わる表面改質装置の構成図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係わる表面改質装置の構成図である。
【図９】本発明を使用して合金工具鋼を処理した時の圧縮残留応の様子を示すグラフである。
【図１０】本発明を使用して浸炭歯車材を処理した時の圧縮残留応の様子を示すグラフである。
【図１１】加工硬化の比較例の表である。
【符号の説明】
１ 第１容器
２ 蓋
３ 第２容器
４ ノズル
５ 管路
５ａ 分岐管路
６ 流量制御弁
７ 管路
８ 圧力制御弁
９ キャビテーション噴流
Ｗ 被加工物
Ｐ 高圧ポンプ
２１ 第１容器
２２ 被加工物
２４ キャビテーション噴流用のノズル
２５ 流量制御弁
２６ 高圧液圧注入用のノズル
２７ 圧力制御弁
２８ キャビテーション噴流
２９ 第２容器
３０ 脚部材
３１ ローラ
４１ パイプ
４２ 第１栓
４３ 第２栓
４４ 連結棒
４５ 孔
４６ 弁
４７ バネ
４８ 加圧液注入用のパイプ
４９ キャビテーション噴流用のパイプ
５０ 隙間
５１ 汚れ
【発明の属する技術分野】
本発明は、歯車、ばね、金型等の金属部品の表面改質方法およびその装置に関するものであり、特にショットピ−ニングを用いて表面改質（残留応力を圧縮に改善、疲労強度改善、加工硬化など）している機械加工業、および、部品洗浄を要する分野に好適な金属部品等の表面改質および洗浄方法およびその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりショットピ−ニングを用いて各種金属部品の表面改質（残留応力を圧縮に改善、疲労強度改善、加工硬化など）が行われている。
また、最近では原子炉圧力容器などの応力腐食割れを阻止および防止するために、複数個のスロ−トから構成されるノズルを用いて水中に加圧水を吹き出して、キャビテ−ションを発生させて、被加工物表面の残留応力を圧縮にする技術等もある。
【０００３】
しかし前記加圧水を吹き出して表面改質を行う技術は、キャビテ−ションの圧潰衝撃力を利用しているかのように開示されているが、実際には「キャビテ−ション噴流」を空気中に噴射する「一般のウォ−タ−ジェット」と混同して使用されている。
即ち「一般のウォ−タ−ジェット」は、表面改質の程度（改善される残留応力の値、改善される疲労強度の程度、加工硬化する程度、など）は噴射する加圧水の圧力に依存するとし、ポンプの吐き出し圧力を高価な高圧ポンプを使用して高くしているが、表面改質の点で満足しうる加工能力を得ていない。また、表面改質におけるキャビテ−ション圧潰衝撃力の支配因子を把握しておらず、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力およびキャビテ−ション噴流による表面改質効果を有効に活用していない、等の問題点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者はこうしたキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力およびキャビテ−ション噴流による表面改質の現象について研究を進めた結果、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力およびキャビテ−ション噴流による表面改質効果（残留応力改善、加工硬化、疲労強度向上）は、加圧水の圧力ばかりでなく被加工物を設置する水槽の圧力に依存すること、加圧水の圧力と水槽の圧力の比に最適値が存在すること、キャビテ−ション圧潰衝撃力は液温の温度により増減すること、こうした条件を満足できればキャビテ−ションの圧潰衝撃力が増大することを確認した。
本発明はこうした知見をもとに成されたものであり、水またはオイル等の液体で満たした槽に設置した被加工物にキャビテ−ション噴流を噴射して加工し、キャビテ−ション噴流の加工能力を増大させるために被加工物を設置した槽を加圧し、短時間で被加工物を設置した槽を加圧制御することにより、部品の表面改質を行うことができる金属部品等の表面改質および洗浄方法およびその装置を提供する。
また、被加工物上にキャビテーション噴流を噴射する加圧容器を移動自在に設けることで、大型構造物の表面加工ができる金属部品等の表面改質および洗浄方法およびその装置を提供する。
さらに、パイプ内にキャビテーション噴流を噴射する加圧区間を形成し、この区間をパイプ内面に沿って移動させながら、パイプ内面の表面加工、洗浄を行うことができる金属部品等の表面改質および洗浄方法およびその装置を提供する。そして上記洗浄方法および装置により、上述した問題点を解決することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため本発明が採用した課題解決手段は、
被加工部品を液体を満たした第１容器内に設置し、前記部品表面から離れたノズルから第１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量を制御して第１容器を加圧し、前記ノズルから噴出する高圧水によって発生するキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、被加工部品を液体を満たした第１容器内に設置し、前記第１容器を液体を満たした第２容器内に設置し、前記部品表面から離れたノズルから第１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量を制御して第１容器を加圧し、前記ノズルから噴出する高圧水によって発生するキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、前記第１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量をそれぞれ圧力制御弁を制御して第１容器を加圧し、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、前記第１容器と第２容器内との間に音響インピーダンスの異なる物質を入れたことを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、前記第１容器と第２容器内との間に満たす液体の温度を制御して第１容器内の液体の温度を制御することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、第１容器内に注入するキャビテーション噴流液を、第１容器から冷却手段に送って冷却後、キャビテーション噴流用のポンプに戻すようにしたことを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、被加工部品を収納できる第１容器と、第１容器を密閉状態にする蓋と、前記第１容器を収納できる第２容器と、第１容器内に加圧液体を噴出するノズルと、前記ノズルからの噴出圧力を制御する流量制御弁と、第１容器内の液圧を制御する圧力制御弁とからなることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記ノズルは複数設けてあることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第２容器は第１容器の高さよりも深い容器として構成されていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第１容器と第２容器内との間に音響インピーダンスの異なる物質を配置したことを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第１容器の蓋は所定の力で閉じられていることを特徴とする金属部品等の表面改質装置である。
また、前記第２容器内の液体を加熱もしくは冷却する手段を備えていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記被加工物部品は、被加工部品を移送する移送手段上に載置されていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、被加工部品上に液体を満たした第１容器を配置し、ノズルから第１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量を制御して第１容器を加圧し、該加圧された第１容器を間隔制御手段により被加工部品上を間隔を制御しながら移動させ、さらに、前記ノズルから噴出する高圧水によって発生するキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、被加工部品上に配置した第１容器と、第１容器内に加圧液体を注入するノズルと、前記第１容器と被加工部品表面との間隔を制御する間隔制御手段と、第１容器内の加圧液体内にキャビテーション噴流を噴出するノズルとを備え、キャビテーション気泡の圧潰衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第１容器と第１容器内に加圧液体を注入するノズルと第１容器内の加圧液体内にキャビテーション噴流を噴出するノズルとを一体で構成したことを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第１容器内の液圧は弁等の液圧調整手段によって制御されるべく構成されていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記被加工部品は第２容器内の液体内に浸漬されていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記被加工部品は第２容器内に入れた液体の表面より上に配置してなることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、第１容器内に注入するキャビテーション噴流液を冷却する手段を備えていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第１容器内にキャビテーション噴流液を囲むように加圧液体を注入することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、パイプ状または管路等の被加工部品において、被加工部品内に液体加圧室を形成し、該加圧液体内にキャビテーション噴流を噴出し、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、この衝撃力により被加工部品内面にピ−ニング効果を与えて被加工部品内面の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、パイプまたは管路内に液体加圧室を形成する第１部材と第２部材と、該第１部材と第２部材との間に加圧液体を注入するノズルと、前記液体加圧室内にキャビテーション噴流を噴出するノズルとを備え、キャビテーション気泡の圧潰衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、第１部材と第２部材のいずれか一方には、液体加圧室内の液圧を調整する弁等の液圧調整手段が設けられていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
被加工部品を液体を満たした第１容器内に設置し、前記第１容器を液体を満たした第２容器内に設置し、前記部品表面から離れたノズルから第１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量を制御して第１容器を加圧し、前記ノズルから噴出する高圧水によって発生するキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、前記第１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量をそれぞれ圧力制御弁を制御して第１容器を加圧し、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、前記第１容器と第２容器内との間に満たす液体の温度を制御して第１容器内の液体の温度を制御することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。
また、被加工部品を収納できる第１容器と、第１容器を密閉状態にする蓋と、前記第１容器を収納できる第２容器と、第１容器内に加圧液体を噴出するノズルと、前記ノズルからの噴出圧力を制御する流量制御弁と、第１容器内の液圧を制御する圧力制御弁とからなることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記ノズルは複数設けてあることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第２容器は第１容器の高さよりも深い容器として構成されていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記第１容器の蓋は所定の力で閉じられていることを特徴とする金属部品等の表面改質装置である。
また、前記第２容器内の液体を加熱もしくは冷却する手段を備えていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記被加工物部品は、被加工部品を移送する移送手段上に載置されていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記被加工部品は第１容器内の液体内に浸漬されていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、前記被加工部品を浸漬した第１容器内の液体は第１容器の上縁から第２容器内にあふれ出る構成としたことを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、パイプ状または管路状の被加工部品において、被加工部品内に液体加圧室を形成し、該加圧液体内にキャビテーション噴流を噴出し、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、この衝撃力により被加工部品内面にピ−ニング効果を与えて被加工部品内面の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法である。 また、パイプまたは管路内に液体加圧室を形成する第１部材と第２部材と、該第１部材と第２部材との間に加圧液体を注入するノズルと、前記液体加圧室内にキャビテーション噴流を噴出するノズルとを備え、キャビテーション気泡の圧潰衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
また、第１部材と第２部材のいずれか一方には、液体加圧室内の液圧を調整する弁等の液圧調整手段が設けられていることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
【０００７】
被加工物Ｗは、容易に出し入れおよび密閉可能な水またはオイル等の液体で満たした第１容器１に入れられ、また、第１容器１と第２容器３との間にも水またはオイル等の液体が満たされている。
上記流量制御弁６、圧力制御弁８およびポンプＰ等は図示せぬ電子制御装置と接続され、第１容器１内に配置して図示せぬ圧力、温度センサー等からの信号をもとに最適値となるように制御される。
【０００８】
上記実施形態の具体的作用（作動）
被加工物Ｗを第１容器１内に入れたあと、開閉可能な蓋２によって密閉し、ノズル４から高圧水を噴出して、噴流まわりにキャビテ−ション９を発生させて、キャビテ−ション気泡を被加工物Ｗに当てる。キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力が被加工面に作用して、被加工面の加工硬化、残留応力改善、疲労強度向上などをもたらす。
【０００９】
キャビテ−ション気泡９の圧潰衝撃力を増大させるために、ノズル４から第１容器１に流入する加圧水の流量を流量制御弁６でまた第１容器１から流出する流量を圧力制御弁８によって制御し、第１容器１内の加圧液圧を制御する。
また、第１容器１に気相部分があると、気相部分が加圧水により圧縮されるために、加圧するために一定時間を要する。このため、本形態では第１容器１を短時間で加圧するために第２容器３の深さを深くし、第２容器３に充満した液体の圧力で第１容器１に所定の圧力を与えておく。こうすることで第１容器１内を短時間で加圧し、第１容器１内の気相部分を短時間で極力少なくすることができる。
【００１０】
以上のように本発明では、加圧する第１容器１の気相部分を極力小さく出来るので、第１容器１を加圧するのに要する時間を短縮出来る。
例えば、第１容器内の最適液圧が５気圧の場合、第１容器内に１２リットル程度の空気が入っているとすると、１０リットル／ｍｉｎの高圧ポンプで１分間程度加圧に要し、実際に加工する時間（数十秒程度〜数分程度、ノズルの配置によりさらに短縮が可能）と同程度の時間が無駄になる。本発明では、予め第１容器１を第２容器３に充満した液体内に沈めておくために、第１容器内の空気を１／１０以下に少なくできるので加圧時間も１／１０以下に短縮できる。また第２容器の深さに比例して、第１容器に所定の圧力を与えておくため、例えば、上記の場合では、第１容器内に１２リットル程度の空気が入っていても第２容器の水深が５０ｍあれば加圧時間は０となり、加圧時間を１００％短縮することができる。
【００１１】
以上にように第１容器１を加圧しない場合に比べて、本形態では残留応力を大きく改善でき、疲労強度も改善できる、圧縮残留応力を被加工面の表面から奥深くまで入れられる、加圧しない場合に比べて、加工効率が高い（短時間で行える）、被加工物表面を加工硬化できる等の効果を奏することができる。
図３に加圧データを示す。加圧しない場合に比べて加圧した場合は、圧縮残留応力が被加工面に入る深さは２倍から１０倍以上であり、加工に要する時間は１／２から１／１０以下となる（この値は噴流の吐出圧力が２０Ｍｐａ、ノズル口径が０．４〜０．８ｍｍ程度のものであり、ノズルが大きく、また吐出圧力が増大するほど加圧による効果は顕著となる）。
【００１２】
キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力は、液温にも依存する。第１容器１の周囲に、第２容器３を設置し、さらに第２容器３に対して液温制御装置を付加することで第１容器１の液温を一定に保つことができ、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力が最適となる液温３０°Ｃ〜６０°Ｃに制御できる。第２容器３を設置しない場合、第１容器１が昇温してキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力が減衰するとともに、高圧水のポンプおよび配管、第１容器が漏れたり、破壊しやすくなり危険である。
なお、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力は、水を用いた場合、沸点と融点の中間である５０°Ｃで最大となる。実用上、高圧ポンプや配管は高温（８０°Ｃ以上）になると耐圧力が極端に低下するので危険である。このため第１容器１の水温を３０°Ｃから６０°Ｃにした方が良い。
【００１３】
第２容器３の設置により、第１容器内で生じるキャビテ−ション騒音を低減できる。第１容器と第２容器との間にさらに音響インピ−ダンスの異なる物質を入れることにより、防音（消音）の効果が増す。
第２容器３の設置により第１容器１内の気相部分（圧縮性気体）を極力排除できるので、第１容器１から漏れを生じた場合にも、圧縮された部分がほとんど存在せず、漏れても第１容器内の液体は非圧縮性なので、瞬時に第１容器内の圧力は減衰するので安全である。第１容器１内に気相部分が存在すると、気相部分が膨張して、漏れた箇所より噴出し続けて危険である。
【００１４】
キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力は、第１容器１内の液体の空気含有度にも依存する。第１容器内の液体が大気に触れて空気含有量が大きくなると、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力は減衰、すなわちキャビテ−ション噴流の加工能力が小さくなる。第２容器３の設置により、第１容器１内の液体が直接大気に触れないので、第１容器１内の液体の空気含有量の変化が少なく、キャビテ−ション噴流の加工能力はほぼ一定である。
【００１５】
つづいて本発明の第２実施の形態を図面に基づいて説明すると、
図２は第２実施形態に係わる金属部品等の表面改質装置の構成図である。
第２実施形態のものは、第１実施形態のものに比較して第２容器の深さが浅くなっており、第１容器１の上縁から液体が溢れ出る構成となっており、加工の作用は第１実施形態と同様である。
第２実施形態のものも第１容器１内を加圧する必要があるため第１実施形態の場合と同様に蓋２を閉じ、蓋２の隙間から液体が溢れ出るようにする。なお、第１容器１の蓋２の上に錘を乗せたり、あるいは蓋と容器とを所定のバネ定数のバネ等で連結しておくことにより、蓋の開放に抵抗を与え第１容器１内を機械的に加圧することもできる。なお、この加圧力も当然のことながら電子制御装置等により制御することが可能である。
【００１６】
さらに本発明の第３実施形態を図４を参照して説明する。
第３実施形態は、第１実施形態、第２実施形態とは第１容器からの液体の排出方法が異なっている。即ち、第３実施形態では第１容器からの液体は流量制御弁を介して第２容器内に排出し、さらに第２容器内の液体を流量制御弁を介して容器外に排出するようになっており、このような構成とすることにより、キャビテーション気泡崩壊後に第１容器内に残留する気泡を効果的に除去することができる。
【００１７】
つづいて本発明の第４〜第６実施形態を図面に基づいて説明する。
上述した第１〜第３実施形態は、水等の液体を満たした密閉可能な圧力容器に加工物全体を入れる必要があるため、被加工物よりも大きな第１容器を必要とする。このため、長尺の被加工物などの表面加工は困難である。また、床、や道路、橋梁などの構造物への適用は不可能であった。さらに、パイプ内部の表面加工、洗浄なども行うことができないなどの問題もある。
そこで、ここでは、加圧する第１容器が被加工物より小さい場合でも、上記実施形態と同様にキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力が被加工面に作用して、被加工面の加工硬化、残留応力改善、疲労強度向上などをもたらすことができる第４、第５実施形態について、さらにパイプ内部の内面加工を行うことができる第６実施形態について説明する。
【００１８】
図５は本発明に係る第４実施形態であり、図６は第４実施形態に係わる第１容器部の拡大構成図である。
図５において、２１は被加工物の表面改質を行う第１容器であり、その大きさは図に示すように被加工物２２の表面の一部を覆うことができるものとして形成されている。第１容器２１は被加工物２２上を移動できるように図６に示すように下部にローラ３１等が配置された脚部材３０に支持されており、脚部材３０は被加工物２２を跨ぐによう設けられる。第１容器２１内には同容器内にキャビテーション噴流２８を噴射するノズル２４が配置され、このノズル２４に連通する流路には流量制御弁２５が設けられている。また第１容器２１には容器内に高圧液体を注入するノズル２６が配置され、このノズル２６に連通する流路には圧力制御弁２７が配置されている。第１容器には図示せぬポンプ（遠心ポンプ、渦巻きポンプ等）から前記ノズル２６を介して高圧液（圧力０．１〜１０ｋｇ／ｃｍ2 ）が注入され、これによって所定の圧力を維持できるようになっている。また、図中２９は被加工物を自由に出し入れできる第２容器である。
【００１９】
なお、本例ではローラ３１を有する脚部材３０に第１容器２１を支持する構成を採用しているが、必要に応じて被加工物２２上を移動できるローラ３１を第１容器下面に直接設けることもできる。いずれの場合も第１容器２１が容器内に注入された高圧液の作用で浮き上がり被加工物２２の表面と第１容器２１下面との間隔が開きすぎないようにする適宜な間隔制御手段（例えば磁石等）が設ける。また、脚部材３０と第１容器２１との間にはスプリング等の弾性材を入れ、第１容器を被加工物側に付勢しておくことも可能である。
【００２０】
上記第４実施形態の作用を説明する。
被加工物２２を第２容器２９内の液中に配置し、被加工物２２の表面上に第１容器２１を載置する。この状態で第１容器２１内に加圧液を注入し、またノズル２４から第１容器２１内にキャビテーション噴流２８を噴射し、噴流まわりにキャビテ−ションを発生させて、キャビテ−ション気泡を被加工物２２に当てる。この時、第１容器２１内の液圧は圧力制御弁２７により、またキャビテーション噴流２８の圧力は流量制御弁２５によって制御される。キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力が被加工面に作用して、被加工面の加工硬化、残留応力改善、疲労強度向上などをもたらす。また汚れを伴った液は、第１容器と被加工物との間から外に排出される。
【００２１】
本実施形態では、第２容器内の液中に没した被加工物２２に載置した小型の第１容器２１内の加圧液体内においてキャビテーション噴流２８を生じさせ、被加工部分の一部を加工するようにしているため、加圧する第１容器部分を極力小さく出来、第１容器を加圧するのに要する時間を短縮出来る。また被加工物の表面の一部を順に加工してゆくため、大きな加工物でも容易に処理することができる。
【００２２】
なお、本実施形態では当然のことながら、第１容器２１と被加工物２２の間から漏れを生じるので、この漏れを上回る流量を第１容器内にキャビテーション噴流を生じる高圧液とは別のポンプにより加圧液を注入する必要がある。この加圧のためのポンプからの注液はキャビテーションを生じさせる必要はないので比較的低吐出し圧力（キャビテーション噴流用ポンプの１／１００〜１／５０以下の吐き出し圧力、０．１〜１０kg／ｃｍ2 程度）のポンプでよい。ただし流量を要するので、キャビテーション噴流用ポンプ（一般にはプランジャポンプ、１０〜１０００ｋｇ／ｃｍ2 程度）とは形式が異なる（遠心ポンプ、渦巻きポンプなど）ポンプを用いたほうが良い。キャビテーション噴流用ポンプは、通常、数リットル／ｍｉｎ〜数十リットル／ｍｉｎ程度の流量なので、被加工物表面に押し付けた第１容器から漏れ流量全てを補うことは困難である。そこでキャビテーション噴流高圧液と別の比較的低圧の高圧液を第１容器に注液する。
【００２３】
以上のように本実施形態は、キャビテーション噴流用高圧液とは別に第１容器内を加圧するための高圧液を小型の第１容器に注入して第１容器内を加圧する点に大きな特徴がある。なお、第１容器内の液圧制御は、第１容器側に開閉弁を取り付け、この開閉弁を制御することで行うことも可能である。
【００２４】
次に第５実施形態の説明をする。
第５実施形態は、第４実施形態のように被加工物２２を第２容器２９内の液中に没することなく、液表面より上方に配置した例である。この例では図に示すように第２容器２９内の水位を被加工物表面よりも低くした点を除いて、他の構成は第４実施形態と同様である。なお、この形態の発展形としては、第２容器を無くし、被加工物の表面上に第１容器のみを配置したものも含まれる。
ところで、上記第４、第５実施形態は、ベルトコンベア等の移送手段の上にのせられ移送される被加工物にも適用できる。例えば、移送手段上に被加工物をのせ、移送手段によって被加工物を１容器の下に移動し、ついで移送手段を停止し、第１容器を下降して第１容器内に被加工物を収納し、この状態で第１容器内にキャビテーション噴流用高圧液を注入することで、上記各実施形態と同様に移送手段上の被加工物の加工、洗浄が可能となる。
【００２５】
第６実施形態の説明をする。
第６実施形態は、パイプあるいは部材に形成した管路内部の表面を加工する例である。この例では、パイプ（管路）内部に第１部材（第１栓）と第２部材（第２栓）を設け、これら二つの部材間にある管路表面を加工するものである。
図８において、４１は被加工物としてのパイプであり、このパイプ４１内には、第１栓４２と第２栓４３が連結棒４４によって所定の間隔をもって配置される。
第１栓４２は、パイプ内面と液密状態にシールされ、かつ摺動自在に配置されており、この第１栓４２には流体排出孔４５が形成され、この孔４５には孔を塞ぐことができる弁４６が設けられている。この弁４６は図示のようにバネ４７等の付勢力によって孔４５に向けて押しつけられており、内部の液圧が所定圧以上になると、孔４５から高圧液が排出される構成となっている。なお、弁の形態としては同様の機能を奏する他の形態のものを使用することもできる。
【００２６】
また第２栓４３は、パイプ加圧液注入用のパイプ４８と、キャビテーション噴流用高圧液を注入するパイプ４９を保持しており、第２栓４３はその周囲がパイプ内面との間に僅かな隙間５０を持って配置されている。なお、パイプ４８およびパイプ４９には上記実施形態と同様に圧力制御弁、流量制御弁が配置され、それぞれのパイプから供給される液圧を調整することができる。図中、５１はパイプ内面に付着した汚れである。
この形態ではパイプ内に連結棒で連結された第１栓４２および第２栓４３を図のように配置し、これらの栓４２、４３の間にパイプ内加圧用の液を注入し、両栓の間を所定の液圧に保持しながら、キャビテーション噴流用高圧液をいれ、パイプ内部の洗浄を行う。また、キャビテーション噴流をパイプ内面に当てると、パイプ内面の表面加工を行うことができる。また、加工中、第１栓４２と第２栓４３との間の液体は汚れとともに第２栓４３とパイプ４１の間５０から排出されることになる。こうして、第１栓４２、第２栓４３の位置を適宜手段によって徐々に移動させて行くことで、パイプ内面全周を洗浄、あるいは表面加工することができる。なお、第１栓４２と第２栓４３との間の液圧は何れかの栓に弁を設け、これらの弁を開閉することにより制御することも可能である。
【００２７】
また、この実施形態では第１栓と第２栓とを連結棒４４によって連結しているが、連結棒の代わりに連結紐等も使用することもできる。さらに状況によっては第１栓および第２栓は必ずしも棒や紐等で連結する必要はなく、この場合には、第１栓と第２栓は、加工中の高圧液の作用によってパイプ内面を移動することのないよう摩擦力などの適宜固定手段によってパイプ内に固定しておく必要がある。
【００２８】
図９に本発明を使用して合金工具鋼を処理した時の圧縮残留応の様子、図１０に本発明を使用して浸炭歯車材を処理した時の圧縮残留応の様子を示すグラフを示す。図９において、第１容器を加圧した場合には１０分間で強化処理できるが、加圧しないばあいには１５０分間を有し、圧縮残留応力値も６０％程度である。また図１１に加工硬化の比較例を示す。
【００２９】
以上のように第５実施形態では加圧する第１容器が被加工物よりも小さくてすむため、第１容器に入れられない長尺の鋼鈑、大型の金型などでも容易に表面改質が可能になる。また本方法は、キャビテーション噴流による床の洗浄などにも適用できる。また第１容器の加圧用注水をキャビテーション噴流用の加圧水と別に設置することにより大流量のプランジャポンプを必要とせず、設備が安価になる。
また、第６実施形態では、パイプ内に加圧区間を形成することで容易にパイプ内面を加工、洗浄することができる。
【００３０】
以上本発明に係わる種々の実施の形態について説明したが、流量制御弁、圧力制御弁等は手動によるもの、自動制御によるもの等を使用することができる。また液体は水、オイル等を使用することができる。また、上記各実施形態において第１容器にキャビテーション噴流を注入する際に、モータのパワーがキャビテーション噴流を通して熱に変わり、水温が上昇しすぎるということがある。この場合には、第１容器内の圧力を利用して、第１容器内の液を第１容器外の公知の各種冷却手段に送って液を冷却し、その後、再びポンプに供給することもできる。このように第１容器内の液圧を利用して液を冷却手段に供給する手法を採用すると第１容器内の液を冷却手段におくるための新たなポンプは不要であり、液の冷却を簡単に実現できる。
また、第１容器へのキャビテーション噴流と加圧水の注入方法として、上記各実施形態のようにキャビテーション噴流のノズルと加圧水注入用のノズルを隣接して配置する方法の他に、容器の中心部にキャビテーション噴流ノズルを配置しそのノズルを囲むように加圧水注入用のノズルを配置し、キャビテーション噴流を加圧水で囲むようにして被加工物に当てることもできる。
さらにキャビテーション噴流ノズルと加圧水注入ノズルの位置関係については必要に応じてその他の形態に自由に変更することも可能である。また、第１容器内への被被加工物の配置については当然のことながら被加工物の形状などをもとに自由に設定することも可能であり、例としてノズル自身を容器と一体に成形したりする形態も当然のことながら可能である。
さらに本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００３１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、被加工物を第１容器内に入れたあと、密閉し、ノズルから高圧水を噴出して、噴流まわりにキャビテ−ションを発生させて、キャビテ−ション気泡を被加工物に当てることにより、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力が被加工面に作用して、被加工面の加工硬化、残留応力改善、疲労強度向上などの表面改質効果および洗浄効果を奏することができる。また、第１容器を被加工物上に載置する方法を採用した場合には長尺の鋼鈑、大型の金型なども容易に表面改質することができる。さらにキャビテーション噴流による床の洗浄などにも適用できる。また、パイプあるいは管路内に加圧区間を形成することで容易にパイプ内面を加工、洗浄することもできる。さらに、第１容器の加圧用注水をキャビテーション噴流用の加圧水と別に設置することにより大流量のプランジャポンプを必要とせず、設備が安価になる、等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる表面改質装置の構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係わる表面改質装置の構成図である。
【図３】本発明に係わる加圧データを示す。
【図４】本発明の第３実施形態に係わる表面改質装置の構成図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係わる表面改質装置の構成図である。
【図６】図５中、第１容器の加工物への押しつけ方法を説明する図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係わる表面改質装置の構成図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係わる表面改質装置の構成図である。
【図９】本発明を使用して合金工具鋼を処理した時の圧縮残留応の様子を示すグラフである。
【図１０】本発明を使用して浸炭歯車材を処理した時の圧縮残留応の様子を示すグラフである。
【図１１】加工硬化の比較例の表である。
【符号の説明】
１ 第１容器
２ 蓋
３ 第２容器
４ ノズル
５ 管路
５ａ 分岐管路
６ 流量制御弁
７ 管路
８ 圧力制御弁
９ キャビテーション噴流
Ｗ 被加工物
Ｐ 高圧ポンプ
２１ 第１容器
２２ 被加工物
２４ キャビテーション噴流用のノズル
２５ 流量制御弁
２６ 高圧液圧注入用のノズル
２７ 圧力制御弁
２８ キャビテーション噴流
２９ 第２容器
３０ 脚部材
３１ ローラ
４１ パイプ
４２ 第１栓
４３ 第２栓
４４ 連結棒
４５ 孔
４６ 弁
４７ バネ
４８ 加圧液注入用のパイプ
４９ キャビテーション噴流用のパイプ
５０ 隙間
５１ 汚れ
Claims (14)
- 被加工部品を液体を満たした第１容器内に設置し、前記第１容器を液体を満たした第２容器内に設置し、前記部品表面から離れたノズルから第１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量を制御して第１容器を加圧し、前記ノズルから噴出する高圧水によって発生するキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法。
- 前記第１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量をそれぞれ圧力制御弁を制御して第１容器を加圧し、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする請求項１に記載の金属部品等の表面改質および洗浄方法。
- 前記第１容器と第２容器内との間に満たす液体の温度を制御して第１容器内の液体の温度を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属部品等の表面改質および洗浄方法。
- 被加工部品を収納できる第１容器と、第１容器を密閉状態にする蓋と、前記第１容器を収納できる第２容器と、第１容器内に加圧液体を噴出するノズルと、前記ノズルからの噴出圧力を制御する流量制御弁と、第１容器内の液圧を制御する圧力制御弁とからなることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置。
- 前記ノズルは複数設けてあることを特徴とする請求項４に記載の金属部品等の表面改質および洗浄装置。
- 前記第２容器は第１容器の高さよりも深い容器として構成されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の金属部品等の表面改質および洗浄装置。
- 前記第１容器の蓋は所定の力で閉じられていることを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載の金属部品等の表面改質装置。
- 前記第２容器内の液体を加熱もしくは冷却する手段を備えていることを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれかに記載の金属部品等の表面改質および洗浄装置。
- 前記被加工物部品は、被加工部品を移送する移送手段上に載置されていることを特徴とする請求項４〜請求項８のいずれかに記載の金属部品等の表面改質および洗浄装置。
- 前記被加工部品は第１容器内の液体内に浸漬されていることを特徴とする 請求項４〜請求項８のいずれかに記載の金属部品等の表面改質および洗浄装置。
- 前記被加工部品を浸漬した第１容器内の液体は第１容器の上縁から第２容器内にあふれ出る構成としたことを特徴とする請求項１０に記載の金属部品等の表面改質および洗浄装置。
- パイプ状または管路状の被加工部品において、被加工部品内に液体加圧室を形成し、該加圧液体内にキャビテーション噴流を噴出し、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、この衝撃力により被加工部品内面にピ−ニング効果を与えて被加工部品内面の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法。
- パイプまたは管路内に液体加圧室を形成する第１部材と第２部材と、該第１部材と第２部材との間に加圧液体を注入するノズルと、前記液体加圧室内にキャビテーション噴流を噴出するノズルとを備え、キャビテーション気泡の圧潰衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置。
- 第１部材と第２部材のいずれか一方には、液体加圧室内の液圧を調整する弁等の液圧調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の金属部品等の表面改質および洗浄装置。
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