JPH0344452Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、高速液体研磨ジエツト形成装置に関
する。

〔従来の技術および考案が解決しようとする課題〕

高速の流体ジエツトを用いて、研磨粒子を加速
させる方法及び装置が提案されてすでに久しい。
この種のジエツトは、清掃及び表面仕上げ等の用
途に用いられ、通常、乾式及び湿式のサンドブラ
スチングが行われる。該方法は全て、被研磨材料
の表面のみを切削を目的とするもので、材料内部
に深く浸透することを狙うものではない。該用途
に使用される流体は通常空気又はガスである。

硬質材料の切削に使用することができる研磨粒
子を液体ジエツト内に閉じ込める方法も提案され
ている。材料を適当に選択し設計を最適にすれ
ば、3000ft／secの速度を有する液体ジエツトを
作り出すことが可能であることが分かつている。
かかるジエツトは、広範囲の比較的軟質の材料を
切削するのに使用される。かかるジエツトに研磨
粒子を装填すれば、鋼又はガラスのような極めて
硬質の材料でさえも短時間で切削することができ
る。

しかしながら、かかるジエツト流を作り出そう
とする試みは、以下のような幾つかの理由のため
成功に至つていない。第１に、高速研磨流は極め
て浸食性が強く、かかる方法を実用化し得ない程
にノズルの摩耗が速い。第２に、既存のノズルで
は研磨粒子をジエツト速度に到達させることはで
きず（実質的にはこのジエツト速度の何分の１の
速度までしか到達させることができない）、従つ
て、理論上の切削能力を遥かに下回る切削力しか
得ることができない。第３に、既存のノズルは、
研磨剤を装填した粒子の凝集流を作り出すことが
できず、従つて、切削力が不十分となり大きな切
り溝がついてしまう。

研磨液体ジエツト切削用の有用なノズルを製造
するためには、第１に、研磨剤を装填した液体の
凝集流を作り出し、第２に、凝集流内の粒子の速
度を最大にし、第３に、ノズルの摩耗を最小に抑
えつつ上記の２つの要件を達成することが必要で
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本考案は、高速の研磨剤装填流体凝集流を作り
出すための装置を提供することである。本考案
は、研磨粒子の射出速度を最大にするとともに、
ノズルの摩耗度を減少させて寿命を延ばす。

本考案の装置においては、まず高速の液体の流
れが形成される。この流れは、室に流入する。室
には、低速でランダムな方向に研磨粒子が供給さ
れる。室内の空気の流れが粒子を混合チユーブの
入口へ向わせ、ここで粒子と高速のウオータージ
エツトがランダムに衝突し、高速の液体とランダ
ムな方向及び速度を有する研磨剤の粒子との混合
流ができ上る。この混合流は引き続き流れて再配
向ゾーンへ流入し、ここで研磨剤の粒子の向きが
液体の向きと整合される。この結果、中心部の研
磨粒子を閉じ込めた液体の流れができ上る。この
流れは粒子が液体の流速とほゞ等速に加速される
迄、ノズルの中を流れる。最後に、流体の流れ及
び急速移動する粒子がノズルから射出される。

本考案の装置は、上述を遂行するに不可欠な曲
率及び輪郭のゾーンを有するノズルを有する。導
入ゾーンは先細の円錐部で、この円錐部は粒子自
体の作用により作り出される。先細の円錐形が終
り、外形が変る地点から再配向ゾーンが始まり、
次に加速ゾーンが続く。加速ゾーンは直線状の区
間とすることが可能である。

〔実施例〕

従来、サンドブラスト及び研磨ジエツト機械加
工おいては、一般的に２つの種類のノズルが使用
されている。第１図は、従来技術の第１の種類の
ノズル（先細−末広型、即ちベンチユリ型ノズ
ル）を示している。この種類のノズルは、ノズル
の浸食が甚だしいため、高速研磨ジエツト切削に
使用するには不適当であることが分かつている。
第２図に示した従来技術の第２の種類のノズル
は、第１の種類のノズルと比較すると幾分良好で
ある。このノズルはストレートノズルと呼ばれ、
先細部分１と、長さａで直径がｄの直線部分２と
を有する。直線部分２と先細部分１との合計がノ
ズルの全長Ｌとなる。従来技術のノズルでは、
ａ／ｄの比率は20以下であり、 0.060〜0.125inのノズルの場合には、これより
もさらに小さい。

第３図は、研磨液体ジエツト切削に使用する本
考案の構成要素の代表的な構造を示す図である。
図面は簡単のため破断図とされている。直径d_jの
オリフイス７を有する高圧ウオータージエツトノ
ズルが、増圧器等の高圧液体源（図示せず）から
圧力Ｐの高圧液体を受け入れる。ジエツト８がオ
リフイス７から出て、ノズル１１の先細部分９に
入る。ノズル１１の先細部分９は、所定寸法がd_p
で流速ｍの研磨粒子１０の源（図示せず）に連結
されている。ジエツト８がノズル１１の先細部分
９に入ると、ノズル１１の入口に低圧領域１２が
作り出される。満足すべきノズルを製造するため
に、使用材料及び装置の形状寸法を上述のパラメ
ータに適合させなければならない。

第４図は、本考案による高速液体ジエツトノズ
ル２１における液体の特性を示す図である。第４
図は、第３図と同様に、簡単のため破断図とされ
ている。高速液体ジエツト２２が、オリフイス２
３から出る。かかるオリフイスの代表的な直径
は、5000〜100000psi以上の作動圧力において
0.001〜0.050inである。このジエツトはウオータ
ジエツト切削に使用されるのと同様なジエツトで
あり、オリフイス２３は代表的には合成サフアイ
ヤで構成されいる。ジエツト２２は、オリフイス
２３から出るとき僅かに末広がりになる。研磨粒
子は、ノズル２１の入口部分２６に導入される。
研磨粒子は代表的には無秩序な方向及び速度を有
するが、乱流を最少にして出口個所２９の方へ差
し向けるのが望ましい。ジエツト２２がノズル２
１に入ると、ノズル２１の２６の個所と２７の個
所との間の先細部分に、低圧領域が作り出され
る。この低圧領域での減圧により、研磨粒子がジ
エツトに同伴される。ノズル２１の点２７と２８
の間の研磨粒子の方向及び速度には、まずランダ
ムな要素が残つており、ジエツトを点２７で射出
したとすれば、切削効率は低くなるであろう。ノ
ズル２１の点２７と２８の間で、研磨粒子の方向
はジエツト２２により揃えられ、主たる軸方向の
速度が確立される、即ち、方向のランダム性が除
かれ点２９に向う。しかし、この時点でも研磨粒
子の移動速度は、ジエツト２２よりも遅い。これ
は、比較的軽い液体から緻密な研磨粒子に運動量
を伝達するのに時間がかかる為である。従つて、
ノズルの点２８から２９迄の区間は是非とも設け
る必要がある。点２８から２９迄の区間の長さ
は、ジエツトの中の閉込められた粒子の速度が、
点２９に達する迄にジエツト２２の速度とほゞ等
しくなるに足る長さとしなければならない。ノズ
ル２１を点２９以上に長くすると、摩擦損が生
じ、研磨粒子の速度が落ち、結果として切削力に
損失が生じる。これに対して、従来技術のノズル
は、２３と２６との間で水と粒子を混合し加速さ
せ、軸線方向に整列する前に、或いは、研磨粒子
がジエツトの速度とほぼ同じ速度に到達する前
に、ジエツトを射出しようとするものであつた。
本願考案のノズルでは、ジエツト２２は、２８の
箇所において初めてノズル壁に接触している点に
留意されたい。一度接触すると、ジエツト２２
は、チユーブを高速で流れ下り、流体の流れ特性
を発揮する。従つてこの流体は、ノズルの壁と接
触する面に於ては、境界層が形成される為、比較
的低速となる。ノズルの直径の中心部に向つて進
むにつれ、流速は速くなつていく。この速度勾配
により、研磨粒子は、ジエツト２２の中央部に集
まる。比較的低速の境界層が形成されること、及
び、研磨粒子の集団が中心部に沈むことにより、
ノズルの寿命が大幅に延び、ノズル２１の点２８
と２９の間の区間を比較的安価な材料で製造する
ことも可能となる。従来の設計では、粒子がジエ
ツトの中央に集まる前に射出していたので、摩耗
率が高かつた。

壁の中及び壁の外側を流れる混合相の高速流が
複雑であるため、上述の要件に合つたノズルの設
計を可能にする一般式が未だ確立されていない。
しかしながら、満足すべきノズルを製造する上述
のパラメータの範囲を決定することはできる。す
なわち、本願考案の装置では、第１に、ノズル２
の長さは、研磨剤をジエツト２２の速度の少なく
とも80％まで加速させるのに十分なものでなけれ
ばならず、かつ、参照符号２９の個所のところで
凝集した略平行な研磨ジエツトを提供するために
研磨剤が管壁と略平行な方向を有するのに十分な
ものでなければならない。第２に、点２７と２９
との間の部分の直径は、研磨粒子が液体との接触
を保持し続ける程小さく、かつ、研磨粒子及び液
体を通過させることができる程大きなければなら
ない。例えば、0.03インチ（inch）のジエツト及
び16メツシユ（mesh）の研磨剤には、直径0.06
インチのチユーブが適当である。この孔は直線状
の孔とし、チユーブはヌープ硬度1000を越える材
料で構成して摩耗を防ぐ。前述の要求事項を満足
する為には、ノズル２２の点２７と２９間の長さ
を直径の25乃至100倍とすれば良いことが実証さ
れている。この区間の直径は、研磨粒子の直径の
少くとも1.1倍（Ｄ＞1.1dp）とする。最後に、こ
の区間の直径は、オリフイス２３の直径の1.1乃
至10倍（10dj＞1.1dj）とする。例えば、オリフ
イス２３の直径が35ミル（mil）以上の場合、ノ
ズルの点２７と２９の間の長さは、少くとも４イ
ンチとする必要がある。同様に、オリフイス２３
が20ミル以上の場合は、２インチ以上のチユーブ
が必要となる。オリフイスの直径が１ミルの場合
は、ノズルの点２７と２９の間の長さは、少くと
も0.5インチなくてはならない。前述の如く、ノ
ズル２１の点２８から２９迄の区間は、1000を越
えるヌープ硬度（knoop hardness）の材料で構
成できる。ヌープ硬度1000を越える材料には、カ
ーバイド、セラミツク、及び、これらと同種の材
料がある。

ノズル２１の上部の点２６から２８迄の区間
は、研磨粒子が、点２６と２７の間の導入口区間
をノズル導入口の形状に浸食できるうに厚い壁で
覆うこととする。

第５図は、本考案を内蔵するノズルの断面立面
図である。高圧の液体は、増圧器又はこれに相当
する装置（図示せず）から供給チユーブ３１を介
して供給される。供給チユーブ３１は、グランド
３３及びカラ３４によりノズルボデイ３２に取付
けられる。該グランド３３及びカラ３４は、本ノ
ズルに用いられる圧力に耐え得る他のコネクタで
代用することもできる。高圧の液体は、次に、ノ
ズルボデイ３２の内部を流れ下りる。ノズルボデ
イ３２の供給チユーブ３１と反対の端は、宝石ホ
ルダー３６で封止される。宝石ホルダー３６はノ
ズルボデイ３２を封止し、宝石オリフイス３７を
受入れる為の凹みを有する。宝石オリフイス３７
は、0.001乃至0.05インチのオリフイス径を有す
る合成サフアイヤ等の硬質材料で構成される。該
オリフイス３７は高圧ウオータージエツト切削に
用いられるのと同種の宝石オリフイスである。供
給水は宝石オリフイス３７から出て、高圧ジエツ
ト３８としてノズルホルダー３９の中に入る。ノ
ズルホルダー３９は、ノズルボデイ３２を取付る
為のねじ切り取付ポイント４１と、研磨材の粒子
の入口部分４２とを有する。研磨剤の粒子は、貯
蔵タンク（図示せず）と入口部分４２を結ぶライ
ン（図示せず）を流れ落ちてくる。ジエツト３８
及び研磨粒子は、次に、ノズルホルダー３９の内
部のカラ４３を通過する。カラ４３は、ノズルホ
ルダー３９の浸食性摩耗を防ぐ。研磨剤の粒子及
びジエツト３８は、次に、先細スリーブ４４を通
つてノズル４６に入る。ノズル４６は、カーバイ
ド他の硬質材料で構成され、長さ２乃至８イン
チ、内径0.03乃至0.150インチ、外径0.363インチ
である。ノズル４６は、圧縮嵌合ナツト４８と圧
縮嵌合スリーブ４９で、スチールアダプタ４７に
取付ける。アダプタ４７は、ノズルホルダー３９
にねじ止め式に接続してあるが、他のこれに相当
する取付具を用いてもかまわない。カラ４３、先
細スリーブ４４、及び、ノズル４６の上部は、本
装置の混合室となる。最後に、研磨剤を装填した
液体の流れ５０が、ノズル４６の端５１から射出
され、鋼又はガラス等の硬質材料の切削に用いら
れる。

さて、これまで本考案を特定の実施例に沿つて
説明してきたが本考案の範囲を逸脱せずに、多く
の変更が可能であることは容易に理解されよう。
従つて、添付の実用新案登録請求範囲内に正しく
包含される変更及びこれに相当するものは全て本
考案に包含されるものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は、先細−末広形ノズルの断面図であ
る。第２図は、先細ノズルの断面図である。第３
図は、本考案を内蔵した高速水噴射切削システム
の概略を示す断面図である。第４図は、本考案を
内蔵した高速水噴射切削システムの概略を示す断
面図である。第５図は、本考案を内蔵したノズル
組立体の断面図である。 参照符号（第５図）、３１……供給チユーブ、
３２……ノズルボデイ、３３……グランド、３４
……カラ、３６……宝石ホルダー、３７……宝石
オリフイス、３８……ジエツト、３９……ノズル
ホルダー、４１……ねじ切り取付ポイント、４２
……入口部分、４３……カラ、４４……先細スリ
ーブ、４６……ノズル、４７……スチールアダプ
タ、４８……圧縮嵌合ナツト、４９……圧縮嵌合
スリーブ、５０……研磨材を装填した液体の流
れ、５１……ノズルの端。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 研磨液体のジエツトを作り出すための装置で
   あつて、 圧力範囲が5000〜100000psi（351.5〜7030
   Kg／cm²）の高速液体のジエツトを作り出すよう
   に形成された液体ジエツトノズルと、 研磨粒子をジエツトに導入するように形成さ
   れた入口部分と、 ジエツトを受け入れるようにノズルに取付け
   られ、かつ、研磨粒子を受け入れるように入口
   部分に取付けられた混合室とを含み、該混合室
   は更に、高速液体ジエツトと研磨粒子を一緒に
   混合するように形成されており、 前記混合室から出る高速液体ジエツトと研磨
   粒子が流れるように混合室に連結され、研磨粒
   子の速度ベクトルを配向させる配向チユーブ
   と、 該配向チユーブに連結されこれから延びてお
   り、出力端部で終わる最下流の円筒形ボアを有
   するノズルを形成する一定長さのチユーブとを
   さらに含み、前記円筒形ボアは、ジエツトが前
   記出口端部に存在するとき研磨粒子をジエツト
   中央に集中させるのに十分な程に研磨粒子にジ
   エツト中央の方への運動成分を与えるため、出
   口端部での高速液体ジエツトの速度の少なくと
   も80％の速度まで研磨粒子を加速させるのに十
   分な長さの直線部分を備えた壁部によつて構成
   されており、円筒形ボアの直線部分は、その直
   径の約25倍〜約100倍の長さを有することを特
   徴とする装置。 (2) 前記直線部分の直径は、ジエツトの直径の少
   なくとも1.1倍である、請求項(1)記載の装置。 (3) 前記直線部分の直径は、ジエツトの直径の
   1.1倍〜10倍である、請求項(2)記載の装置。 (4) 前記直線部分の直径は、研磨粒子のうち最大
   の粒子の直径の少なくとも1.1倍である、請求
   項１記載の装置。 (5) 前記ノズルは、幅狭の高速液体ジエツトを発
   生させるための宝石オリフイスを有する、請求
   項(1)記載の装置。 (6) 前記直線部分は、これの中心線に沿つて差し
   向けられる液体ジエツトと接触するようになつ
   ている、請求項(1)記載の装置。