JP4569462B2 - 流体研磨加工方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、流体研磨加工方法及びそれを実施するための流体研磨加工装置に係り、より特別には、研磨材スラリーを使用した、微小孔の高精度加工方法及び加工装置に関する。

燃料噴射器ノズル先端、気化器噴出孔、流体流量調整用オリフィス、印字機噴射ノズル等、高精度の微小孔が設けられた装置は数多く存在する。このような微小孔を加工する方法として、レーザ加工、電子ビーム加工、放電加工等があるが、これらの方法によっても十分な精度が達成できない場合、流体研磨加工方法が採用される場合がある。流体研磨加工方法が使用される例として、例えば、ディーゼルコモンレール燃料インジェクタ用のオリフィスの微小孔の加工があげられる。近年ディーゼルはコモンレール化が進み、出力８０ｋＷ程度の小型乗用車から大型トラックまで搭載されているが、燃料インジェクタに流量誤差が生じると、燃料効率が低下して経済性に悪影響を与えるとともに、排ガス中の環境汚染物が増加し、環境上も好ましくない。

ディーゼルコモンレールインジェクタの流量誤差は、その構成部品であるオリフィスの静的オイル流量精度の影響が大きく、流体研磨による調量加工が行われている。流体研磨では、シリンダからピストンの移動により吐出されたスラリー（砥粒と油を混ぜたもの）をオリフィスに流し、径の拡大と入り口Ｒの形成を行っている。

細孔の流体研磨加工においては、細孔を一定圧力で所定の流体を流した場合の流量を計測することによって、細孔の径を計測する計測方法がとられる場合がある。燃料噴射ノズル等の流体を所定流量で流す機能を有する製品では、流量によって加工目標値を判断することで、製品の機能を直接的に判断できる場合があり、流体研磨加工において、研磨流体の流量を計測することにより、製品が所定の性能で加工された完成状態を判断することが適しており、この様な方法がとられる場合がある。

例えば、自動車等の燃料噴射ノズルにおいて、燃料を噴射する噴孔の流量規格は、非常に厳しい精度が求められており、そのため従来は、研磨剤であるスラリーの流量、もしくは流量に相当するピストン運動変位量を監視し所定の流量もしくは流量相当値に到達した時に加工を停止することが一般的であった（例えば、特許文献１又は２参照）。しかしながら、従来方式では、高価な流量計又は監視装置が必要になり、設備費が高額となる問題点があった。

また、流体研磨加工方法について提案する別の従来技術がある（例えば、特許文献３参照）が、本発明の提案を開示するものではない。
特表平１１−５１０４３７号 特公平７−８５８６６ 特開２００４−２８４０１４号

本発明は、上述した事情に鑑みなされたもので、高価な流量計を用いずに、流体研磨加工を制御できる流体研磨加工方法及びそれを実施するための装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の形態では、上述した目的を達成するために、研磨流体であるスラリー（７）を供給装置（２）により被加工物に供給して、被加工物（５）に微小孔を研磨加工する流体研磨加工方法は、前記供給装置によりスラリーを被加工物に送る手順と、供給装置の吐出側で上流における第１の圧力（Ｐ1）を計測する手順と、前記第１の圧力（Ｐ1）の計測地点より下流で被加工物の上流側における第２の圧力（Ｐ2）を計測する手順と、前記第１の圧力と前記第２の圧力の差圧（ｄＰ）を算出する手順と、前記差圧（ｄＰ）が所定値に到達した場合に、加工を停止する手順とを具備する。流体研磨加工中において、第１の圧力（Ｐ1）が常に実質的に一定となるように制御することを特徴とする。

この様に構成することにより、被加工物に微小孔を、流体研磨加工方法により、高価な流量計を用いることなく、精度良く加工することができる。

本形態によれば、第１の圧力（Ｐ1）が常に実質的に一定となるように制御して、第２の圧力（Ｐ2）を監視して、第２の圧力（Ｐ2）が所定圧力値に到達した場合に、加工を停止すれば、精度良く所定の流量性能の微小孔が加工できる。

本発明の請求項２に記載の形態では、研磨流体であるスラリー（７）を供給装置（２）により被加工物に供給して、被加工物（５）に微小孔を研磨加工する流体研磨加工方法は、前記供給装置によりスラリーを被加工物に送る手順と、供給装置の吐出側で上流における第１の圧力（Ｐ1）を計測する手順と、前記第１の圧力（Ｐ1）の計測地点より下流で被加工物の上流側における第２の圧力（Ｐ2）を計測する手順と、前記第１の圧力と前記第２の圧力の差圧（ｄＰ）を算出する手順と、前記差圧（ｄＰ）が所定値に到達した場合に、加工を停止する手順とを具備する。更に、流体研磨加工中において、第２の圧力（Ｐ2）が常に実質的に一定となるように制御することを特徴とする。
本形態によれば、第２の圧力（Ｐ2）が常に実質的に一定となるように制御して、第１の圧力（Ｐ1）を監視して、第１の圧力（Ｐ1）が所定圧力値に到達した場合に、加工を停止すれば、精度良く所定の流量性能の微小孔が加工できる。

本発明の請求項３に記載の形態では、上記請求項１又は２に記載の形態において、加工対象は、ディーゼルエンジン用燃料インジェクタの微小孔であることを特徴とする。
本形態によれば、本発明の流体研磨加工方法の用途を具体化する。

上記の本発明の説明において、カッコ（）内の記号又は数字は、以下に示す実施の形態との対応を示すために添付される。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態の流体研磨加工装置及び流体研磨加工方法を詳細に説明する。

先ず、本発明の原理について説明する。
図２に示す様に、製品（本実施の形態においては、ディーゼルエンジンの燃料噴射ノズル）の流量は、流体研磨加工装置の配管上流側（例えば、スラリー（研磨流体）供給側）と配管下流側（例えば、製品直前）の圧力損失Δｐに比例することが、実験により確認できている。この現象は、求めたい製品の流量が、配管径固定の場合、上流側平均流速に比例し、一方で層流の場合、上流側平均流速は、配管の上流側と下流側の圧力損失ΔＰに比例することにより起こり、これは、ハーゲン・ポアズイユ式で下記の様に表される。

［式 １］
ΔＰｆ＝32μＬｕ／Ｄ²

ここで、ΔＰｆは圧力損失、Ｄは配管内径、Ｌは管長さ、μはスラリーの粘性係数、ｕは配管内平均流速である。
即ち、流体研磨加工装置において、研磨加工時にスラリーが流れる任意の配管の圧力損失を監視すれば、製品流量を制御できることを示唆する。

図１は、本発明に係る流体研磨加工装置の第１の実施の形態の構成を図解的に示す。第１の実施の形態の流体研磨加工装置１００は、攪拌器４を具備し研磨流体であるスラリー７を貯蔵するスラリータンク１と、スラリータンク１からスラリー７を吸引して被加工物５に送るスラリー供給装置２と、流体研磨加工装置１００を制御するための制御部２０とを具備する。本実施の形態において、被加工物５はエンジン用の燃料噴射ノズルである。また、スラリー供給装置２はシリンダ２であり、シリンダ２は、ピストン６を具備しており、ピストン６の往復動により、スラリー７を吸引、圧送する。流体研磨加工装置１００は、３つの制御弁を具備しており、第１の制御弁１１はシリンダ２の上流側に、第２の制御弁１２はシリンダ２の下流側に、第３の制御弁１３はノズル５の上流側に、図１に示すようにそれぞれ配置される。また、流体研磨加工装置１００は、第２の制御弁１２付近でそれの下流側に配置される第１の圧力センサ１４と、第３の制御弁１３付近でそれの上流側に配置される第２の圧力センサ１５とを具備する。スラリータンク１、シリンダ２及びノズル５は、配管により接続され、その配管に制御弁１１，１２，１３及び圧力センサ１４，１５が配置される。

制御部２０は例えば、圧力センサ１４，１５からの圧力信号が入力されてその圧力信号を増幅するセンサーアンプ２１と、アナログの圧力信号をデジタル信号に変換するデジタル変換器２２と、圧力センサの信号を取り込んでいて且つ制御プログラムを具備するシーケンサ２３とを具備する。制御部２０は、圧力センサ１４，１５からの圧力信号を受信して、その圧力値を処理、演算し、流体研磨加工装置１００を制御する。但し、制御部２０は、例えば、制御回路を具備する構成、パソコンを具備する構成等の、これ以外の既知の構成であっても良い。

次に、この様な構成における本実施の形態の流体研磨加工装置１００の作動を説明する。
本実施の形態は、配管上流側で制御を行う方式Ａである。即ち、上流側の圧力（第１の圧力センサ１４の計測圧力）を一定に保持し、下流側の圧力（第２の圧力センサ１５の計測圧力）が所定の値になった時に流体研磨加工を停止することで、要求される製品流量を満足させる方式である。

先ず、シリンダ２は、ピストン６をロッド側に移動させて、スラリータンク１からスラリー７を吸引する。この際、第１の制御弁１１は開いており、第２の制御弁１２は閉じられている。シリンダ２がスラリー７で十分に充填された状態で、第１の制御弁１１は閉じられ、第２の制御弁１２が開けられる。更に、第３の制御弁１３が開けられて、シリンダ２においてピストン６がシリンダ方向に移動して、スラリー７をノズル５に向けて圧送する。この際、ピストン６は、第１の圧力センサ１４の圧力Ｐ1が一定となるように移動する。スラリー７の性状、配管長さ等は分かっているので、スラリーの目標流量とその時の第１のセンサ１４における概略の圧力は、予め分かっている。第１と第２の圧力センサ１４，１５の圧力は、常に制御部２０に送られて、制御部２０により監視される。

研磨加工において、当初ノズル５の口径は小さいため、ノズル５における圧力損失が大きいため、スラリー７の流量は小さく、第１の圧力センサ１４の圧力Ｐ1と第２の圧力センサ１５の圧力Ｐ2との差ｄＰは小さい。加工が進むにつれ、ノズル５の口径が増大し、流れるスラリー７の流量も増大し、ｄＰも大きくなる。Ｐ1を一定に保持しているので、Ｐ2を監視し、制御部２０に予め記憶された所定圧力値と比較する。Ｐ2が所定圧力値に達した時、即ちｄＰが所定差圧に達すると、第３の制御弁１３を閉じて、シリンダ２を停止する。ｄＰが所定値に達したので、上記で説明したごとく、ノズル５を流れる流量も所定値に達しているはずである。このようにして、被加工物であるノズル５は、所定性能となるように研磨加工される。加工停止時に、第３の制御弁１３を閉じて、シリンダ２からのスラリー７をバイパスさせるように流体研磨加工装置１００が形成されても良い。

本発明の第２の実施の形態を次に説明する。第２の実施の形態の流体研磨加工装置の構成は、第１の実施の形態と同じであり、図１に示された構成である。第１の実施の形態と第２の実施の形態は、その加工における加工の制御方法が異なるだけである。従って、第２の実施の形態の流体研磨加工装置の構成の説明は省略する。
本第２の実施の形態は、配管下流側で制御を行う方式Ｂである。即ち、第１の実施の形態とは逆に、下流側の圧力Ｐ2を一定に保持し、上流側の圧力Ｐ1が所定の値になった時に、流体研磨加工を停止することで、要求された製品流量を満足させる方式である。

研磨加工方法又は図１に示す流体研磨加工装置１００の作動は基本的には、第１の実施の形態と同様である。第２の圧力センサ１５の圧力Ｐ2が一定になるように、シリンダ２を制御する点、及び第１の圧力センサ１４の圧力を監視し、第１の圧力センサ１４の圧力が予め記憶された所定値になった時に、第３の制御弁１３を閉じ、シリンダ２を停止することにより、流体研磨加工を停止する点が、第１の実施の形態と相違する。

本実施の形態においては、第２の圧力センサ１５の圧力Ｐ2を一定に保ちながら、圧力差ｄＰが増大するように、即ち第１の圧力センサ１４の圧力が増大するように、シリンダ２を制御し、最終的に、Ｐ1が所定値に到達すれば、ｄＰも所定値に達し、その場合ハーゲン・ポアズイユ式に従って、スラリー流量も所定値に到達する。

次に上記実施の形態の効果及び作用について説明する。
本発明の第１の実施の形態の流体研磨加工方法及び流体研磨加工装置により以下の効果が期待できる。
・燃料噴射ノズル等の微細穴の流量を流体研磨加工によって調整するプロセスにおいて、高価な流量計を用いることなく、加工に伴って生じる圧力の変化を安価な圧力センサーで監視し所定の圧力に達した時に加工を停止させることにより、高精度で加工できると共に、加工装置のコストダウンを図ることができる。
・また、流量計を用いた加工制御方法に比べると、一般的に圧力計は流量計に比べ体格も小さく、取付け性も良いことから、ワークまでの配管長を短くして、よりワークに近接させることができ、高精度に加工することが可能となる。
・さらに流量計を用いない本方式は、耐久性にも優れている。

本発明の第２の実施の形態の流体研磨加工方法及び流体研磨加工装置により、第１の実施の形態の方法及び装置と同様の効果が期待できる。

また、上記において記載した、あるいは添付図面に示した実施の形態において、スラリーを被加工物であるオリフィスに供給する供給装置は、プランジャ式ポンプであるシリンダであったが、供給装置はプランジャ式ポンプ以外の種々な既知のポンプ又は流体供給装置であっても良く、スラリー供給装置（シリンダ２）は１基具備されたが、２基以上具備されてもよい。

これとは別に、本実施例では本発明がディーゼルエンジンの燃料インジェクタ用のオリフィスの加工に適用された例を示したがこれに限定されず、それ以外のオリフィスの加工、あるいは前述したように燃料噴射器ノズル先端、気化器噴出孔、流体流量調整用オリフィス、印字機噴射ノズル等の微小孔の加工に適用されてもよい。

上記の実施の形態は本発明の例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。

図１は、本発明に係る流体研磨加工装置の実施の形態の構成を図解的に示す。 図２は、流体研磨加工方法において、スラリー流量と配管圧力損失の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ スラリータンク
２ シリンダ
４ 攪拌器
５ ノズル
６ ピストン
１１ 第１の制御弁
１２ 第２の制御弁
１３ 第３の制御弁
１４ 第１の圧力センサ
１５ 第２の圧力センサ
２０ 制御部
１００ 流体研磨加工装置

Claims (3)

1. 研磨流体であるスラリー（７）を供給装置（２）により被加工物に供給して、前記被加工物（５）に微小孔を研磨加工する流体研磨加工方法であって、
   前記供給装置によりスラリーを前記被加工物に送る手順と、
   前記供給装置の吐出側で上流における第１の圧力（Ｐ1）を計測する手順と、
   前記第１の圧力（Ｐ1）の計測地点より下流で前記被加工物の上流側における第２の圧力（Ｐ2）を計測する手順と、
   前記第１の圧力と前記第２の圧力の差圧（ｄＰ）を算出する手順と、
   前記差圧（ｄＰ）が所定値に到達した場合に、加工を停止する手順と、
   を具備する、流体研磨加工方法において、
   流体研磨加工中において、前記第１の圧力（Ｐ1）が常に実質的に一定となるように制御する、ことを特徴とする流体研磨加工方法。
2. 研磨流体であるスラリー（７）を供給装置（２）により被加工物に供給して、前記被加工物（５）に微小孔を研磨加工する流体研磨加工方法であって、
   前記供給装置によりスラリーを前記被加工物に送る手順と、
   前記供給装置の吐出側で上流における第１の圧力（Ｐ1）を計測する手順と、
   前記第１の圧力（Ｐ1）の計測地点より下流で前記被加工物の上流側における第２の圧力（Ｐ2）を計測する手順と、
   前記第１の圧力と前記第２の圧力の差圧（ｄＰ）を算出する手順と、
   前記差圧（ｄＰ）が所定値に到達した場合に、加工を停止する手順と、
   を具備する、流体研磨加工方法において、
   流体研磨加工中において、前記第２の圧力（Ｐ2）が常に実質的に一定となるように制御することを特徴とする流体研磨加工方法。
3. 加工対象は、ディーゼルエンジン用燃料インジェクタの微小孔であることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体研磨加工方法。

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