JP5639633B2 - 難加工性材料のウォータージェット加工方法 - Google Patents
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Description
また、強化材はガラス繊維の他、炭素繊維を用いる場合もあり、航空機、自動車の主要な構造部材、建築、橋梁の耐震補強など、建設分野でも広く使われるようになっている。これらの複合材は、機械強度が高く、切削加工等が難しく、難加工性材料と言われる。
従って、丸鋸での切断加工は熱の発生に留意しながら時間をかけて徐々に切断加工されている。また、一般に丸鋸の刃の厚みは2〜3mmと厚いために、切削幅も2〜3mmとなる。この刃の厚み分がロス材となり、材料歩留まりを低下させる原因になることがあった。
このウォータージェット加工をパイプ状のエンジニアリングプラスチックの加工に適用した場合、例えば、パイプの外周方向から水流を噴射すると、噴射された高圧力水の水流はパイプの肉厚部分を貫通した瞬間に、その反対側のパイプの内面に達し、水流もわずかながら末広がりになることから貫通後の先の肉厚部分にも設計外の切削傷を発生させる不具合があった。
更に、ワークを切断し製品部材を順次切り出して行く場合には、切断分離された部材が、高圧水をノズルに供給する管に引っ掛かるために、切断した製品部材の回収に課題がある。
更には、噴射した水流の跳ね返りや切削屑の飛散によるワーク内面の細かな傷やノズルの損傷を防止し、ワークから製品部材を順次切り出す加工方法を提供することにある。
(1)無機繊維を使用する難加工性の複合材料または難加工性樹脂で形成され、中空部を有するパイプ状のワークをウォータージェットの噴射によって切断加工するウォータージェット加工方法において、前記パイプ状のワークの外周方向から中心へ向かってウォータージェットの噴射を行なう噴射手段と、前記ワークの一端を支持する支持手段と、該支持手段をワークと共に回転させる回転手段と、前記ワークの中空部に挿入し、噴射されたウォータージェットの水流による衝撃を吸収する衝撃吸収手段を備える装置を用い、前記支持手段と相対する側のワークの端から所定寸法の製品部材を順次切断加工を行ない、前記回転手段の回転速度と、前記噴射手段の噴射するウォータージェットの圧力を調整し、前記ワークが1回転する間に切削深さを0.5mm以下で切り進み切断することを特徴とする難加工性材料のウォータージェット加工方法。
(2)前記衝撃吸収手段が、ワークの中空部に導きいれた流動性のある衝撃吸収媒体であることを特徴とする(1)記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
(3)前記衝撃吸収手段が、ワークの中空部に挿入した可動式のキャッチャーであることを特徴とする(1)記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
(4)前記キャッチャーが、ウォータージェットの水流を導入する空部を内方へ備え、該空部内に水流の当たる面を傾斜面で形成し、水流のワークへの跳ね返りを防止することを特徴とする(3)記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
(5)前記キャッチャーが、ウォータージェットの水流を導入する空部を内方へ備え、該空部内に水流の当たる球形の受け材を有し、水流のワークへの跳ね返りを防止することを特徴とする(3)記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
(6)前記球形の受け材を空部内に複数個備えることを特徴とする(5)記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
(7)前記キャッチャーの外周部へ、ワーク切断後のリング状の被切断材を落下させずに受け取る材料保持部を備え、該材料保持部が凹部形状に形成されていることを特徴とする(3)記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
(8)円筒形ワークの先端部の円形端面部とセンサーとの距離を測定する切断確認センサーを用いて、測定距離の変動を検知することによりワークの切断終了を確認することを特徴とする(1)から(7)のいずれかに記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
(9)円筒形ワークの先端部の円周曲面部とセンサーとの距離を測定するワーク芯ブレ確認センサーを用いて、測定距離の変動を検知することによりワークの回転による芯ブレの有無を確認することを特徴とする(1)から(7)のいずれかに記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
(10)前記難加工性材料が、エンジニアリングプラスチックであることを特徴とする(1)から(9)いずれかに記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
ウォータージェットのノズルは切断対象のパイプの外側に配置できるため、噴射した水流がパイプの肉厚部を貫通するまでの間に問題となる水流の跳ね返りや切削屑の飛散によるワーク内面の細かな傷やノズルの損傷を防止できる。
また、パイプ径に影響され難く、中実棒状のエンジニアリングプラスチックへの適用も可能である。
さらには、ウォータージェットにおいて切断加工の直後に起こる貫通した水流の衝撃を吸収するキャッチャーをパイプ内部に挿入し可動式にすることで、ワークから、製品部材を連続的に順次切り出して行くことが可能となり、生産性が向上する。
本発明に係るウォータージェットによる切断加工装置は、パイプ状のエンジニアリングプラスチック製であるワークの一端を支持する支持手段と、該支持手段をワークと共に回転させる回転手段と、前記ワークの中空部に挿入し、噴射されたウォータージェットの水流による衝撃を吸収する衝撃吸収手段で構成される。
パイプ状のワークの一端を支持する支持手段は、ワークをチャッキングするものであり、把持爪をパイプ状のワークの内側から拡げるようにチャッキングしても良く、ワークの外周からチャッキングしても良い。
また、ワークを回転させた際の回転軸の芯振れを抑えるために、前記支持手段に加えて、一対の2個以上の支持ローラーを備えた支持台を設け、パイプ状のワークを載せても良い。
ウォータージェットの水の加圧は100〜400MPa程度で、概ねワークの回転速度が遅い場合には低圧側で使用し、ワークの回転速度が速い場合には高圧側で使用することが出来るが、本発明では、前記ワークの回転速度と、前記ワークの外周方向からワークの回転軸方向(中心方向)に向かって噴射する水流の圧力の調整により、前記ワークが1回転する間に0.5mm以下の切削深さで切り進み切断するようにする。
前記ワークが1回転する間の切削深さが0.5mm以下と僅かであっても、ワークの回転速度を上げることで、例えば、肉厚20mmのパイプ状のエンジニアリングプラスチックのワークの場合、ワークが1回転する間の切削深さ、即ち、切り進む長さが0.5mmで、ワークの回転速度120rpmの条件で、20秒程度で切断できる。
この時、ワークの肉厚部が切断されるまでの間、噴射された水流の跳ね返りと切削屑の飛散は、ワークの円周上の切断面に沿って水平方向に生じるため、ワークの切断面以外の部位に傷を付けることがない。尚、噴射された水流の跳ね返りと切削屑の飛散方向に、カバーを取り付け、水と切削屑を回収するようにしても良い。
本発明に係る衝撃吸収手段としては、水、粘性のある液体、あるいは、微粒子スラリー等の流動性のある衝撃吸収媒体が挙げられる。例えば、ポリビニルアルコール等の高分子を溶かした溶液、シリコンオイル、グリセリン、デンプン粒子を分散させたスラリー等を用いることが出来る。これらの衝撃吸収媒体は流動性があるため、例えば、ワークを衝撃吸収媒体を入れた水槽に浸すことで、ワークの中空部に簡単に挿入できる。また、衝撃吸収媒体は機械的な干渉が起きないことから、ワークから製品部材を連続的に順次切り出して行くことが容易である。
可動式のキャッチャーは、金属やセラミック等の噴射されたウォータージェットの水流の圧力に耐える材質からなり、水流を受ける部分に、ステンレス製の小球を詰めた容器や、金網等の積層材を設けることが好ましく、ワークの回転軸方向に対して水平に動かすことで、切断加工された製品部材をキャッチャー自体に引っ掛けることなく、順次回収できるようになる。
また、可動式のキャッチャーに圧力センサーを設けることも出来る。これにより噴射されたウォータージェットの水流がワークの肉厚部分を貫通し、切断加工が完了したタイミングを知ることが出来、水流の噴射の停止制御が行えるようになる。
本発明に係る実施例の装置の構成概略図を図1及び図5に示す。
中空部11を有するパイプ状のエンジニアリングプラスチックで形成されたワーク1の一端を、支持手段3により、前記ワーク1の内側から拡げるようにチャッキングしたものである。支持手段3は、回転手段4と連結され、所定の回転速度で回転させるようになっている。
また、図1では、ワーク1の回転軸方向の芯振れを抑えるために、2個のローラーで構成された1対の支持ローラー5を備えている。ウォータージェットのノズル2は、ワーク1の外周方向から回転軸方向に向けてウォータージェットを噴射できるように配置されており、回転手段4によりワーク1を所定の回転速度で回転させた状態で、ノズル2からウォータージェットを噴射することで切断加工が開始される。この時、ワーク1の回転速度と、ワーク1の外周方向から回転軸方向に向かって噴射するウォータージェットの圧力の調整により、ワーク1が1回転する間に0.5mm以下の切削深さで切り進み切断するようにする。
図7に可動式キャッチャー6bの断面図を示している。この実施例のキャッチャー6bは、キャッチャー内部へ空部15を有している。
この空部15は、上部に開口された水流流入部21を備え、この水流流入部21から導入した水流が当たる部分へ角度を有して傾斜面16を形成している。
傾斜面16は、垂直に噴射される水流に対して傾斜されており、当たった水流が真上へ跳ね返らないようになされ、跳ね返った水流がワークの内面へ当たらないようになされている。これにより、水流の跳ね返りがワークの内面へ切削傷を付けることがない。
キャッチャー6bに導入された水流は、空部15の下部へ開口されて設けられる水流流出部22によりキャッチャー6bの外方へ排出される。この排出される水は、一度傾斜面16へ当たっていて噴射された時の圧力が軽減されており、ワークの内面は傷付かない。
この実施例におけるキャッチャー6bは、空部15の内方へ球形の受け材17aを備えている。この球形の受け材17aは、空部15へ導入された水流が直接当たるように配置されており、キャッチャー6bの空部15に導入された水流は球形の受け材17aに当たり、水圧で受け材17aが回転することにより、水流の圧力が軽減される。
この時、水流の跳ね返りは上方へ上がらず、ワーク1の内面を傷つけることがない。
図9には、キャッチャー6bの構造において、複数の球形の受け材17bを用いる例を示している。
キャッチャー6bの空部15の内方へ多数の小型の球形の受け材17bを配置している。これらの受け材17bは、多数設けられることにより、水流の流れを分散でき、より水流の水圧を軽減することができ、水流による受け材17の磨耗を小さくすることができる。
図6には、2つの確認センサー24、25を備えた装置を示している。
ウォータジェット加工によってワーク1が切断されると、図10に示すように、ワーク1から離れた被切断材23が落下し、キャッチャー6bに引っかかり保持される。
この時、ワークの端面部は切断された後の切断面となり、切断確認センサー24で測定される確認センサー24とワークの端面部との間の距離に変動が生じる。この距離数値の変動を検知することにより、被切断材23が切断されたことを検知できる。
ワークの切断工程の終了を検知することで、ノズル2の次の切断位置への移動や、キャッチャー6bの移動を自動で制御することが可能となる。
このようにキャッチャーの外周部へ、ワーク切断後のリング状の被切断材を落下させずに受け取る材料保持部を備えており、この材料保持部が凹部20として形成されているので、リング状の被切断材23がキャッチャー6bの凹部20に引っかかって静置されるようになり、落下する被切断材23を確実に保持することができる。
本実施例において、円筒形状のワーク1の先端部での外周面である円周局面部へ向けて、確認センサー25とワーク1の円周局面部との間の距離を測定するレーザー発信式の距離測定器を用いるワーク芯ブレ確認センサー25を備えている。
ウォータジェット加工時には、ワーク1は高速回転で回転されている。このワーク1はチャック等の支持手段によりワーク1の一方側端部を支持されて回転しているが、一方端側の片持ち状態であるので、ワーク1の回転数や、ワーク長さ、ワーク支持状態等の加工条件により、加工側のワーク他方側端部はワークの芯ブレを起こす場合がある。
このワークの芯ブレが発生すると、加工精度の悪化等の要因となるため、芯ブレ発生時には直ちにワーク1の回転を止め、加工作業を停止する必要がある。
ワーク1の回転による芯ブレの発生を検知することにより、芯ブレ発生時のワーク1の回転停止や加工作業の休止を自動で制御することが可能となる。
外径90mm、内径60mmで、肉厚15mmのパイプ状のエンジニアリングプラスチック(商品名:MCナイロン、クオドラントポリペンコ株式会社製)のワークについて、図4に示す方法で切断加工試験を行った。ウォータージェットの水圧を350MPaに固定し、ワークの回転速度を45rpm、100rpm、143rpm、250rpm、500rpmの条件で切断加工を行なった結果を表1に示す。尚、切断面の状態は、◎、○、△、×の3段階で評価した。
評価結果に示すように、ワークが1回転する間に0.5mm以下の切削深さで切り進み切断すると切断面の状態が良くなり、実用的な切断加工が出来る。
2 噴射手段(ノズル)
3 支持手段(チャック)
4 回転手段
5 支持ローラ
6 衝撃吸収手段
6a 衝撃吸収媒体
6b キャッチャー
7 モータ
8 水槽
11 中空部
15 空部
16 傾斜面
17 受け材
20 凹部
23 被切断材
24 切断確認センサー
25 ワーク芯ブレ確認センサー
Claims (10)
- 無機繊維を使用する難加工性の複合材料または難加工性樹脂で形成され、中空部を有するパイプ状のワークをウォータージェットの噴射によって切断加工するウォータージェット加工方法において、
前記パイプ状のワークの外周方向から中心へ向かってウォータージェットの噴射を行なう噴射手段と、
前記ワークの一端を支持する支持手段と、該支持手段をワークと共に回転させる回転手段と、
前記ワークの中空部に挿入し、噴射されたウォータージェットの水流による衝撃を吸収する衝撃吸収手段とを備える装置を用い、
前記支持手段と相対する側のワークの端から所定寸法の製品部材を順次切断加工を行ない、前記回転手段の回転速度と、前記噴射手段の噴射するウォータージェットの圧力を調整し、前記ワークが1回転する間に切削深さを0.5mm以下で切り進み切断することを特徴とする難加工性材料のウォータージェット加工方法。 - 前記衝撃吸収手段が、ワークの中空部に導きいれた流動性のある衝撃吸収媒体であることを特徴とする請求項1記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
- 前記衝撃吸収手段が、ワークの中空部に挿入した可動式のキャッチャーであることを特徴とする請求項1記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
- 前記キャッチャーが、ウォータージェットの水流を導入する空部を内方へ備え、該空部内に水流の当たる面を傾斜面で形成し、水流のワークへの跳ね返りを防止することを特徴とする請求項3記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
- 前記キャッチャーが、ウォータージェットの水流を導入する空部を内方へ備え、該空部内に水流の当たる球形の受け材を有し、水流のワークへの跳ね返りを防止することを特徴とする請求項3記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
- 前記球形の受け材を空部内に複数個備えることを特徴とする請求項5記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
- 前記キャッチャーの外周部へ、ワーク切断後のリング状の被切断材を落下させずに受け取る材料保持部を備え、該材料保持部が凹部形状に形成されていることを特徴とする請求項3記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
- 円筒形ワークの先端部の円形端面部とセンサーとの距離を測定する切断確認センサーを用いて、測定距離の変動を検知することによりワークの切断終了を確認することを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
- 円筒形ワークの先端部の円周曲面部とセンサーとの距離を測定するワーク芯ブレ確認センサーを用いて、測定距離の変動を検知することによりワークの回転による芯ブレの有無を確認することを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
- 前記難加工性材料が、エンジニアリングプラスチックであることを特徴とする請求項1から9いずれかに記載の難加工性材料のウォータージェット加工方法。
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