JP4424807B2 - 粉体噴射装置および粉体噴射ノズル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工物に粉体を噴射して文字、図形の剥離（研削）加工を行なう粉体噴射装置もしくは噴射ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまでにガラス、シリコン、セラミックスなどに、鉄、砂、ガラスなどの微粒な粒子（噴射砥粒）を吹き付けて、被加工物の表面を改質したり、溝、穴などを形成する加工が知られている（ブラスト加工）。 ブラスト加工はバリ取りや、
塗装、錆の剥離、被加工物の表面を荒らすなど精密加工とはかけ離れた分野で利用されてきた。しかし、硬脆材料を低コスト、高効率で除去加工できる点などから、精密な加工方法としてとらえ様々な加工装置が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ブラスト加工において、加工量の定量化、安定化、高精度化を実現したブラスト加工装置はこれまでに存在していないのが現状である。
本発明は、ブラスト加工を行なう粉体噴射装置あるいは粉体噴射ノズルにおいて、加工量を定量化でき、加工品質が安定的あり、高精度な加工を実現する粉体噴射装置あるいは粉体噴射ノズルを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために、本出願人が先に提案した特願平１０−２６７６７２号における粉体噴射ノズルを粉体の供給用として使用し、別に設けた加工ノズルへ粉体の供給を行なう。供給された粉体は、加工ノズルの加工ガスと共に排出され、被加工物に衝突し、除去加工を行なうものである。
【０００５】
加工量の定量化、加工品質の安定化のために、粉体供給用ノズルから噴射する噴射量を限りなく小さくすることによって、１回当たりの加工量をできるだけ小さな量とする。この最小加工量を積み上げることによって、加工量の定量化、加工品質の安定化を実現することができる。１回当たりの加工量が小さいので、粉体の供給・停止を高速に行なうことによって単位時間当たりの加工量を大きくすることができる。
【０００６】
特願平１０−２６７６７２号においては、粉体の吸入と加速を一つのノズルで行っているため、流体制御装置の開閉時間が短い場合、立ち上がり及び立ち下がり時に粉体を十分に加速できないことによる、加工効率の低下が発生するが、本発明の場合、粉体は供給された時点から加速流体にて加速されるので、加工効率が向上する。
【０００７】
さらに、特願平１０−２６７６７２号においては、圧縮流体供給パイプにセラミックパイプを被せた構造であるので、噴射ノズルは圧縮流体供給パイプよりも小さくできない。本発明の場合、噴射ノズルと供給ノズルは独立しているので、加工ノズルを極細にすることができる。
また本発明の場合、粉体が供給されないと加工ガスのみが噴射されるので、除去加工の際に発生する滞留した粉体を除去する効果があり、加工効率、加工品質、定量性、高精度化に効果がある。ゆえに、粉体供給ノズルから加工ノズルに対する粉体の供給を断続的に行なうことによって、理想状態の除去加工を行なうことができる。
【０００８】
さらに、同じピッチで構成された多くの加工対象物を効率的に加工するために、断続粉体噴射ノズルを複数個集積化させることによって加工効率を上昇させることができる。
また、ノズル形状、加工特性のことなった複数のノズルを集積化させることによって加工対象物に一定の加工のみではなく、異なった複数の加工（穴形状、深さなど）を速やかに効率的に行なうことができるようになる。
【０００９】
請求項１の発明は、粉体を貯蔵するタンク（１２）と；前記タンクに貯蔵された前記粉体を噴射する加工ノズル（３）と；を含む粉体噴射装置であって、前記加工ノズルに粉体供給用の圧縮流体を間欠的に供給するために電気信号により開閉可能な粉体流体供給手段（１８）と；前記粉体流体供給手段から前記加工ノズルへの粉体圧縮流体供給路として、前記粉体流体供給手段から前記圧縮流体が供給され、該圧縮流体を前記粉体と共に前記加工ノズルに供給する粉体供給ノズル（７）と；前記粉体供給用の圧縮流体とは別に、連続圧縮流体を前記加工ノズルに対して常時連続的に供給する連続流体供給手段（２０）と；前記連続流体供給手段からの加速用流体を前記加工ノズルに供給する加速用流体供給路と；を備え、前記粉体供給用の圧縮流体が供給されるときは前記粉体が前記加工ノズルから噴射され、前記粉体供給用の圧縮流体が供給されないときは前記粉体を含まない流体のみが前記加工ノズルから噴射されるというものである。
【００１０】
請求項２の発明は、タンク内圧縮流体を供給するタンク加圧用流体供給手段（２４）をさらに含むというものである。
請求項３の発明は、粉体供給用の圧縮流体Ｐ１と連続圧縮流体Ｐ２とタンク内圧縮流体Ｐ３とのそれぞれの設定圧力が、Ｐ３＜Ｐ２＜Ｐ１の関係を満たすというものである。
【００１１】
請求項４の発明は、同一特性のノズルが複数個集積化されるというものである。
請求項５の発明は、ノズル特性の異なったノズルが複数個集積化されるというものである。
請求項６の発明は、ノズル（３）にタンク（１２）から粉体を供給するための粉体供給口にカバーを設けたものである。
【００１２】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために実施の形態の部材番号を用いたが、これによって本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して実施の形態を説明する。本実施の形態における粉体噴射装置（アブレイシブジェット−Abrasive Jet Machining−装置）の特徴は、粉体（砥粒）の間欠噴射である。すなわち、粉体を含まないガスが噴射ノズルから常時噴射されており、粉体供給用の流体制御装置の高速電磁弁がオンとなったときのみ粉体がガス噴流の中に混合される。したがって、高速電磁弁のオン時のみ加工が行なわれ、オフ時には加工が停止すると共に、加工面からの切り屑、残留粉体の除去、クリーニングが行なわれるというものである。この過程が高速で繰り返し行なわれ、加工が進行する。
【００１４】
図４は本発明の断続粉体噴射ノズルの断面図である。なお、噴射装置および噴射ノズルの基本的構成は本出願人が先に提案した特願平１０−２６７６７２号において開示されるものと同一である。
粉体供給用のノズルとして、パイプフォルダー５に圧縮流体供給パイプ６を挿入して接着し粉体供給ブロック２にねじ込み固定する。次に粉体供給ノズルフォルダー８に粉体供給ノズル７を挿入して接着し、カバー２５を粉体供給ノズル７に接着固定し、粉体供給ノズルフォルダー８を粉体供給ブロック２に接着固定する。これにより、粉体吸入室１０からの粉体が粉体供給口へ自然落下するのを防げる。粉体供給ブロック２に粉体供給継ぎ手１１をねじ込み固定すると共に粉体タンク１２をねじ込み固定する。粉体タンク１２にＯリング１５を取り付けて、粉体タンクカバー１４をねじで固定する。さらに、粉体供給ブロック２にＯリング１５を取り付け、加速ブロック１をねじ込み固定する。加工ノズル３を加工ノズルフォルダー４に接着し、加速ブロック１にねじ込み固定する。粉体供給ブロック２には、加速用流体供給用継ぎ手１９をねじ込み固定する。パイプフォルダー５と流体制御装置１８をチュウブ１７にて接続し、加速用流体供給継ぎ手１９と流体制御装置２０をチュウブ１７にて接続する。粉体タンクの上部にタンク加圧用の圧力供給口を設け、フィルター２２と継ぎ手２３を固定する。継ぎ手２３とタンク加圧用流体制御装置２４をチュウブ１７にて接続する。粉体供給用の流体制御装置１８と粉体加速用の流体制御装置２０、タンク加圧用の流体制御装置２４の各流体制御装置には、各々独立に異なった圧力を設定することが可能である。
【００１５】
次にこの粉体噴射ノズルの動作について説明する。図６において、パイプフォルダー５に粉体供給用流体Ｗ１（圧力Ｐ１）、 加速用流体供給用継ぎ手１９に加速用流体（連続圧縮流体）Ｗ２（圧力Ｐ２）、 タンク加圧用流体供給継ぎ手２３に加圧用流体Ｗ３（圧力Ｐ３）を供給するが、各々の圧力の関係はＰ３＜Ｐ２＜Ｐ１である。この圧力関係によって粉体の逆流を防止することができる。流体制御装置２０は電気信号にて開閉され、粉体１３を加速するための圧縮流体は加速用流体供給用継ぎ手１９に供給される。
【００１６】
一方、流体制御装置１８も電気信号によって開閉され、粉体１３を供給するための圧縮流体はパイプフォルダー５に供給される。パイプフォルダー５に供給された圧縮流体は圧縮流体供給パイプ６から粉体供給ノズル７に噴射され、圧縮流体供給パイプ６と粉体供給ノズル７の内径差によって負圧が発生し、粉体吸入室１０に存在する粉体１３が粉体供給ノズル７に吸入され、圧縮流体と共に、加速チャンバー９に噴射される。加速チャンバー９に噴射された粉体１３は、加速用流体供給継ぎ手１９から供給されている加速用の圧縮流体によって加速され、加工ノズル３から噴射される。粉体タンク１２のタンク内圧を流体制御装置２４を用いることによって、開放状態・加圧状態と高速に変化させることが可能である。
【００１７】
加速用の圧縮流体を流した状態で、粉体供給用の流体制御装置１８（詳細には電磁弁）を制御して断続的に粉体の供給を行なうことによって、粉体が供給されれば粉体と加速用圧縮流体が噴射され、粉体が供給されなければ、加速用圧縮流体のみが噴射される。噴射加工において、先に噴射された粉体に後から噴射された粉体が衝突して加工効率が低下したり、滞留した粉体によって加工精度が低下する現象が発生する。本実施の形態においては、粉体の噴射量が極めて小さく、高速な断続噴射であり、粉体が噴射されなければ加速用圧縮流体によってブロー（加工面からの切り屑、残留砥粒の除去、クリーニング）が行われるので、滞留粉体による加工効率の低下を防ぎ、加工精度を向上させることができる。
【００１８】
本実施の形態において、粉体供給用圧縮流体制御装置１８と圧縮流体供給パイプ６までの流体供給路の体積が大きいと粉体の断続供給の応答性が悪くなるので粉体供給用圧縮流体制御装置１８と圧縮流体供給パイプ６間の体積を極小にするか、チェックバルブを挿入するなどの構造としても良い。
本実施の形態においては、粉体供給ノズル７と加工ノズル３の内径が同等であり、加速チャンバー９に供給された粉体が、加工ノズル３の一定方向に偏ることはないが、粉体供給ノズル７に比べて加工ノズル３が非常に大きい場合、供給された粉体の分布を均一化するために、加工ノズル手前に適切な大きさの混合室を設ける構造としても良い。
【００１９】
また、加工ノズル３の内径が微少な場合において、加工終了時に粉体タンク１２の圧力が高い場合、開放して、加工ノズルのつまりを防止する必要があるため、粉体タンク１２に加圧・開放機構を設ける構造とした。
さらに、粉体の供給量は圧縮流体供給パイプ６と粉体供給ノズル７の内径差によって発生する負圧の値、粉体供給用圧縮流体の圧力、噴射時間によって決まる。圧縮流体供給パイプ６の先端位置を変化させることによって、発生する負圧の値を調整できるので、圧縮流体供給パイプ６の先端位置を移動できる構造としても良い。
粉体供給ノズル７に設けてある粉体給入口の向きが上向きであったり、横向きであった場合、また、ノズルを縦型とした場合、粉体吸入室１０に存在する粉体が、自然に粉体給入口に落下し、排出されることを防ぐために、粉体供給ノズル７にカバー２５を設ける構造とした。また、粉体供給ノズル７が水平の場合、粉体供給口を下向きにセットして固定する構造としてもよい。
【００２０】
本実施の形態において、圧縮流体供給パイプ６は外形０．８mm、内径０．４０mmのステンレスパイプ、粉体供給ノズル７は外形１．２ｍｍ、内径０．８ｍｍのセラミックスパイプを、加工ノズル３は外形１．２ｍｍ、内径０．８ｍｍのセラミックスパイプを用いた。加速ブロック１、粉体供給ブロック２はアクリルを、継ぎ手１９及びパイプフォルダー５は真鍮を用いた。粉体１３は粒径２５μｍのホワイトアランダムを、加工ガス及び粉体供給用流体にはドライエアー（圧力１〜１２Ｋｇ／ｃｍ２）、各々の流体制御装置として電磁弁を用いた。
【００２１】
本実施の形態において、粉体の断続供給による、加工・クリーニングの繰り返しを高速に行なった場合と連続加工を行なった場合の、加工量について実験した。噴射条件は図８に示すとおりである。
噴射条件における電磁弁の総開放時間を５００（ｍｓｅｃ）として、Ａの連続噴射、Ｂ〜Ｅの断続噴射で穿孔実験を行なった。なお、ＦはＥの総加工時間（ｏｎ／ｏｆｆを含めた総加工時間）と同じ４５００（ｍｓｅｃ）の連続噴射である。この実験結果を図７に示す。図７をみると、Ａ〜Ｅにおいては電磁弁の総開放時間が全て一定であるのに関わらず、連続噴射の場合の加工量が一番小さく、断続噴射の間隔が長いほど加工量が多くなっている。
【００２２】
ＥとＦを比べると、Ｅの場合、砥粒の噴射量がＦの１／９であるのにも関わらず、加工深さはＦとほぼ同じである。これは条件Ａ及びＦの場合、連続的に粉体が噴射され、加工に寄与しない砥粒が穴底部に堆積し砥粒の加工エネルギーを有効に被加工物に伝えられない現象が発生し、加工効率が低下するためである。これに対し、粉体を断続的に噴射し、加工とクリーニングを交互に行いながら加工を進行させることによって加工効率が上昇することが分かる。この実験結果から本方法の有効性が実証された。
【００２３】
また、同じ間隔で構成された複数の加工対象物を効率的に加工するために、同じ特性のノズルを複数個集積化させたノズル構造とすることによって、複数の加工対象物を同時に加工することができる。
さらに、加工対象物に複数の異なった形状の加工を行なう場合、ノズル径や、ノズルの形状、加工能力などのノズル特性が異なったノズルを複数個集積化させることによって、効率のよい、高精度な加工を段取りなしで行なうことができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は、以下のような作用効果を達成する。
請求項１に記載の発明によれば、ノズルに粉体供給用の圧縮流体を間欠的に供給する粉体流体供給手段と；連続圧縮流体を粉体供給用の圧縮流体とは別に常時連続的に供給する連続流体供給手段と；を備え、粉体供給用の圧縮流体が供給されるときは粉体が噴射され、粉体供給用の圧縮流体が供給されないときは粉体を含まない流体のみが噴射されるので、粉体の断続供給による、加工・エアーブローの繰り返し（間欠噴射）によって、加工効率が高く、精密な加工を実現できる。加工の高能率化、高精度化が可能であって、粉体の噴射量を正確に制御することができる。
【００２５】
請求項２に記載の発明によれば、タンク内圧縮流体を供給するタンク加圧用流体供給手段を備えるので、加工ノズルの内径が極細な場合において、タンク内圧が高い場合、これを開放し加工ノズルのつまりを防止することができる。
請求項３に記載の発明によれば、粉体供給用の圧縮流体Ｐ１と連続圧縮流体Ｐ２とタンク内圧縮流体Ｐ３とのそれぞれの設定圧力が、Ｐ３＜Ｐ２＜Ｐ１の関係を満たすので、粉体の逆流を防止することができる。
【００２６】
請求項４に記載の発明によれば、同一特性のノズルが複数個集積化されているので、複数の加工対象物を同時に効率的に加工することができる。
請求項５に記載の発明によれば、ノズル特性の異なったノズルが複数個集積化されているので、加工対象物に複数の異なった形状の加工を、同時に効率的にかつ高精度に行なうことができる。
請求項６に記載の発明によれば、粉体供給ノズルにカバーを設けることによって、粉体供給ノズルの向きに自由度が与えられる。 ゆえに、粉体粉体噴射ノズル及び粉体噴射装置の構造、取り付け方法などが比較的自由になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 断続粉体噴射ノズルの正面図である。
【図２】 断続粉体噴射ノズルの側面図である。
【図３】 断続粉体噴射ノズルの後面図である。
【図４】 （ａ）は、断続粉体噴射ノズルのＡ−Ａ’断面図であり、（ｂ）は、Ａ部の拡大図である。
【図５】 断続粉体噴射ノズルのＢ−Ｂ’方向視である。
【図６】 断続粉体噴射ノズルの制御ブロック図である。
【図７】 断続粉体噴射ノズルの実験結果である。
【図８】 断続粉体噴射ノズルの実験条件である。
【符号の説明】
１ 加速ブロック
２ 粉体供給ブロック
３ 加工ノズル
４ 加工ノズルフォルダー
５ パイプフォルダー
６ 圧縮流体供給パイプ
７ 粉体供給ノズル
８ 粉体供給ノズルフォルダー
９ 加速チャンバー
１０ 粉体吸入室
１１ 粉体供給継ぎ手
１２ 粉体タンク
１３ 粉体
１４ 粉体タンクカバー
１５、１６ Ｏリング
１７ チュウブ
１８ 流体制御装置
１９ 加速用流体供給継ぎ手
２０ 流体制御装置
２１ 加速用流体供給路
２２ フィルター
２３ 粉体タンク加圧用圧縮流体供給継ぎ手
２４ 粉体タンク加圧用圧縮流体制御装置
２５ カバー

Claims (6)

1. 粉体を貯蔵するタンクと；前記タンクに貯蔵された前記粉体を噴射する加工ノズルと；を含む粉体噴射装置であって、
   前記加工ノズルに粉体供給用の圧縮流体を間欠的に供給するために電気信号により開閉可能な粉体流体供給手段と；
   前記粉体流体供給手段から前記加工ノズルへの粉体圧縮流体供給路として、前記粉体流体供給手段から前記圧縮流体が供給され、該圧縮流体を前記粉体と共に前記加工ノズルに供給する粉体供給ノズルと；
   前記粉体供給用の圧縮流体とは別に、連続圧縮流体を前記加工ノズルに対して常時連続的に供給する連続流体供給手段と；
   前記連続流体供給手段からの加速用流体を前記加工ノズルに供給する加速用流体供給路と；を備え、
   前記粉体供給用の圧縮流体が供給されるときは前記粉体が前記加工ノズルから噴射され、前記粉体供給用の圧縮流体が供給されないときは前記粉体を含まない流体のみが前記加工ノズルから噴射されることを特徴とする粉体噴射装置。
2. タンク内圧縮流体を供給するタンク加圧用流体供給手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の粉体噴射装置。
3. 前記粉体供給用の圧縮流体Ｐ１と前記連続圧縮流体Ｐ２と前記タンク内圧縮流体Ｐ３とのそれぞれの設定圧力が、
   Ｐ３＜Ｐ２＜Ｐ１の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の粉体噴射装置。
4. 前記ノズルは、同一特性のものが複数個集積化されていることを特徴とする請求項１に記載の粉体噴射装置。
5. 前記ノズルは、ノズル特性の異なったものが複数個集積化されていることを特徴とする請求項１に記載の粉体噴射装置。
6. 前記ノズルに前記タンクから粉体を供給するための粉体供給口に、カバーが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の噴射ノズル。

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