JPH0645120B2

JPH0645120B2 - ウォータジェット切断の精密形状切断方法

Info

Publication number: JPH0645120B2
Application number: JP18138390A
Authority: JP
Inventors: 繁朋松井; 裕之松村; 喜和池本; 英樹清水; 京史辻田; 庸高田
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1990-07-11
Filing date: 1990-07-11
Publication date: 1994-06-15
Anticipated expiration: 2009-06-15
Also published as: JPH0469198A

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉開示技術は、高圧の噴流水でプラスチック，ゴム，FRP
や金属材料等の被切断材を比較的厚板のものまで、高精
度、且つ、高能率に切断加工を行うウォータジェット切
断、又は、高圧の噴流水に珪砂，ガーネットサンドやア
ルミナ等の研削研粒を混合したアブレイシブウォータジ
ェットによるネットシェイプ、或いは、ニアネットシェ
イプ切断加工する技術分野に属する。

〈要旨の概要〉而して、この出願の発明は高圧水のウォータジェット自
身により、更には所定の研削砥粒を混合したアブレイシ
ブウォータジェットにより金属材料等の被切断材を高精
度に切断するウォータジェット切断の精密形状切断方法
に関する発明であり、特に、寸法精度をより向上させ、
高速切断が可能で、経済的に安定し、切断効率を上げる
ことが出来るようにしたウォータジェット切断の精密形
状切断方法に係る発明である。

〈従来の技術〉周知の如く、近代社会はさまざまな機械，電気等の各種
設備装置に負うところが大であり、これらの機械設備装
置類はさまざまの研究改良が加えられて、ますます複
雑、且つ精密になってきており、したがって、かかる装
置設備類の製造，組立ても複雑な様相を有するようにな
ってきている。

而して、これらの装置設備類の製造，保守点検整備はそ
れらの機能が経時的に変らず、安定して維持されねばな
らないために、その精密さの度合は、ますます厳しく求
められるようになってきている。

そして、これらの機械設備等の各ユニットや部品は多く
の切断面や切削加工面を有しており、しかも、耐久性が
大きく求められていることからそれらの加工面，切削面
の精密さはますます強く求められてきている。

しかも、これらの要求に応えるために新素材の研究開発
も強く求められ、切削加工，切断剥離等の技術も新しい
局面を迎えようとしている。

而して、旧来技術における切断，剥離や切削の手段はカ
ッター等による機械的な手段やガスバーナー，アーク等
による溶接断、更には、プラズマ等による物理的切断等
も開発されているが、要求される複雑形状部分の切削切
断や分子結合状態の剥離切削等による要求条件のオーダ
ーがますます厳しくなり、母材変質を避けるために、
又、非接触的な加工を求められる等の点から、上述旧来
の技術手段にはさまざまなネックがあって、実使用にそ
ぐわない面がでてきており、これを対処する数百キロ、
数千キロにおよぶような高圧のビーム状のウォータジェ
ットを用いて、塗装の切削剥離，材料の切断加工等を行
う切断技術がクローズアップされ、木材，合成樹脂材は
勿論のこと、金属材料に対する適用も可能になるように
なってさまざまな研究，開発，改良がなされ、実用化さ
れるに至っているが、高圧のウォータジェットを用いる
ために、ハードウエアやソフトウエアにさまざまな更な
る解決されるべきな問題が猶多く横たわっている。

かかるウォータジェットによる切断等の加工は、加工時
に熱の発生等がほとんどないため、被切断材の変質や変
形を伴うことなく極めて平滑な切断等の加工面が設計通
りに得られる利点がある。

したがって、ウォータジェットは所謂ネットシェイプ、
或いは、ニアネットシェイプの加工等に非常に有望な切
断加工手段であり、これまでさまざまな研究，開発がな
され、一部かなりの程度の実用化に至っている。

しかしながら、実状にあってはウォータジェットによる
切断、就中、アブレイシブウォータジェットによる切断
は、従来、高精度を要求される切断にはあまり利用され
ていなかった。

蓋し、例えば、アブレイシブウォータジェットによる切
断が遊離砥粒による噴流加工であることから、噴流径が
無視出来ないサイズであることにより切断中心（ノズル
中心）とワークの切断線が一致し難い難点があり、又、
ノズルの摩耗のために経時的に切断線が変動するという
不具合があり、更に一般に切断溝幅は表裏で異なるた
め、切断面にテーパ状の所謂面倒れがつく不都合さがあ
り、加えて、下面の切断前縁が引きずるような状態で上
面よりも遅れるため（切断遅れ）、曲線切断にあって
は、切断下部が扇形に拡大して曲率半径が大きくなる等
の切断誤差につながる好ましくない特性を有するためで
ある。

ここで、ウォータジェット切断における切断誤差の発生
要因について説明すると、第１２図は切断溝幅に基づく
切断誤差要因を示すものであり、被切断材 1に対する実
際の切断は切断中心線（切断予定線） 2に対してノズル
中心 3を切断幅Ｗの1/2 だけずらして行なわれるが、ウ
ォータジェット切断、特に、アブレイシブウォータジェ
ットの場合はノズル径と噴流径が比較的大きいため、切
断幅Ｗは無視出来ないものである。

而して、第１３図は切断面の面倒れに基づく切断誤差要
因を示すものであり、被切断材 1の切断溝のノズル 4の
軸線 5に対する幅は板厚方向に必ずしも一定ではなく、
切断面に面倒れ角ψを有する場合が多い。

該面倒れ角ψは被切断材 1の板厚と切断速度に依存して
おり、第１４図（上面1′，下面1″）に示す様に、切断
速度ｕが（ｕ_１＜…＜ｕ_５）が充分低速（例えば、
ｕ_１）の場合は、切断幅は上面1 ′側より下面1 ″側の
方が大きくなり、高速（例えば、ｕ_５）の場合はこの逆
となる。

この中間の速度（例えば、ｕ_２）においては上下面
1′、1″の切断幅が一致し、切断面の面倒れ角ψが０と
なるが、かかる速度ｕは金属のような延性材料では、切
断限界速度の1/10〜1/20であり、石材，セラミックス等
の脆性材料では更に低速側にある。

第１５図はウォータジェットによる切断時に生ずる切断
遅れの状況を示すものであり、図に於てウォータジェッ
トは被切断材 1に垂直に噴射され、ノズル 4は左側から
右側へと移動しているが切断面の下部では上部よりも遅
れて切断が行われるため、ウォータジェットは材料 1中
で切断進行方向と反対側に切断線 6に沿って曲げられ
る。

このため、材料 1の上面1′から見た場合、下面1″に於
けるジェットの出口は上面 1′の入口に対して切断進行
方向の後方にずれ、切断遅れδを生じる。

該、切断遅れδは切断特性上、被切断材 1の板厚と切断
速度が大きくなるほど増大する。

曲線を切断する場合、切断遅れは切断線の接線方向後方
に生じるため、切断線の曲率半径が小さいほど下面に於
けるジェットの出口は切断線を大きく外れ、大きな切断
誤差Δが生じる。

ところで、純粋に切断遅れだけによって生じる上面 1′
の寸法と下面 1″の差、即ち、切断誤差Δは第１６図に
示す様な位置関係で生じ、次式で与えられる（尚、Ａは
上面 1′側の噴流中心、Ｂは下面 1″側の噴流中心、Ｏ
は切断線 6の曲率半径Ｒの中心、δは切断遅れ）。

ここで、切断遅れδは上面 1′の切断線 6の接線方向に
生じるため三角形OAB は直角三角形（＜OAB ＝90゜）と
なり、 OA＝R ＋W/2 AB＝δ OB＝R ＋W/2 ＋Δ OB^２＝AB^２＋OA^２から切断誤差Δを求めるに、が導かれるが、本式は切断線の曲率半径Ｒが非常に大きい場合（Ｒ→
∞）は切断誤差Δは無視出来る程度に小さいが、曲率半
径が小さい場合や切断遅れδが大きい場合に切断誤差Δ
が増大することを示している。

而して、このような切断面の倒れや切断遅れ等の切断誤
差は、切断速度に大きく依存しており、特に、切断速度
を上げて高能率裡に切断しようとする場合により顕著な
影響を及ぼすようになる。

したがって、現在のウォータジェット技術により可能な
限り高精度の切断を行おうとする場合、速度を遅くして
切断する態様が一般に用いらていれるが、これは切断限
界速度に比較して（例えば、金属材料の場合は前記した
如く1/10〜1/20程度等と）極端に低速であり、非常に効
率が悪いという欠点がある。

〈発明が解決しようとする課題〉上記切断誤差を積極的に補正する対処手段が切断溝幅Ｗ
に対しては行なわれている。

即ち、切断中心（ノズル中心 3）を切断溝幅Ｗに対して
1/2 だけスクラップ側に移動して設定する手段であり、
この場合、切断溝幅Ｗは切断条件が一定の場合は摩耗す
るノズル 4の径にのみ依存するため、適宜の時間間隔で
補正を変更すれば良い。

この際、高度な制御が可能なNC（或いは、CNC ）システ
ムを用いればこれらの補正を自動的に行える場合もあ
る。

さりながら、該種対処手段は被切断材が薄板の切断加工
等に対してはある程度有効であるが、厚板になると前述
した如く切断面の倒れ，切断遅れ等の影響が大となっ
て、切断溝幅の補正のみでは所定の寸法精度を確保する
ことが困難である難点があり、その可能な条件範囲が著
しく限定される不都合さがある。

上述のようにウォータジェットによる切断加工は噴流加
工の一種であることから、第一に高速で加工すると、切
断幅が板厚方向に面倒れを有するようになり、表裏面で
寸法差を生じる虞がある。

又、切断遅れのために、曲線切断の場合には、切断下部
が扇状に拡大して曲率が大きくなり、寸法精度が悪くな
る等のため、現状ではあまり精密な切断加工の用途には
利用されていない限界がある。

第二にウォータジェットによる切断を行う切断加工装置
は高圧を加えた水を細径のノズルより超音速等の高速で
吹き出すため摩耗を受け易く、特に、高速噴流に研削材
を添加して切断能力を高めるアブレイシブウォータジェ
ット切断では、研削材を高速噴流に混合，加速を行うア
ブレイシブノズル部の摩耗が大きく、このため、該アブ
レイシブノズルの摩耗の進行に伴って、切断幅，テーパ
角，切断遅れが増大し、切断精度が経済的に劣化するこ
とから長時間の安定した連続的な切断が不可能であり、
又、精度を維持するためにはアブレイシブノズルを交換
する頻度を高くする必要があり、多大な労力を要し、メ
ンテナンスが煩瑣で稼動率の低下を招来するデメリット
がある。

〈発明の目的〉この出願の発明の目的は上述従来技術に基づくアブレイ
シブタイプ等のウォータージェットによる精密切断の問
題点を解決すべき技術的課題とし、被切断材の材質，板
厚にかかわりなく、設計通りの精密切断が安定状態で高
い効率で行えるようにして機械製造産業における加工技
術利用分野に益する優れたウォータジェット切断の精密
形状切断方法を提供せんとするものである。

〈課題を解決するための手段・作用〉上述目的に沿い先述特許請求の範囲を要旨とするこの出
願の発明の構成は、前述課題を解決するために、被切断
材に対し切断形状に対して切断中心を切断溝幅Ｗの1/2
だけ法線方向外側に設定（切断幅補正）し、併せて、ノ
ズルの軸線方向を切断方向と直角な方向に切断面の面倒
れを補正するに必要な角度だけ傾斜（切断面倒れ補正）
させ、加えて、ノズルの軸線方向を切断方向前方に切断
遅れを補正するに必要な角度だけ傾斜（切断遅れ補正）
させる。

これらの補正量を上述の如く、板厚，切断速度とノズル
径、及び、ノズル摩耗等によって変化し、又、切断線の
形状（曲率半径）や切断誤差の許容値、更には材質によ
っても変化するがこれらを勘案してノズルの位置と姿勢
を三次元的に制御することによって被切断材の板厚方向
にも一様な所定の寸法，形状の切断を得るようにした技
術的手段を講じたものである。

そして、第４図に切断時のノズル姿勢の態様を模式的に
示す（内容については後述実施例に示す）。

尚、上記補正量は被切断材の材質，板厚と圧力，ノズル
径，スタンドオフ距離（被切断材とノズルとの距離）、
更に、アブレイシブウォータジェットの場合には研磨材
の種類，粒度，供給量等の切断パラメータの影響を考慮
するものであるが、通常は圧力，ノズル径，スタンドオ
フ距離，研磨材関係等のパラメータは切断対象の被切断
材によって決定され、切断中は一定値に保持される場合
が多いので、切断箇所に応じて変化させる必要のあるパ
ラメータは切断速度のみである。

したがって、通常の切断においては、切断箇所の板厚に
よって決まる切断速度とノズル摩耗量のみから補正値を
決定することが出来る。又、被切断材を二次元的に切断
する場合には、二次元図形データと５軸加工用座標デー
タとは比較的単純な座標変換式によって対応させられる
ので、複雑な５軸加工等を意識することなく、２軸加工
のイメージで高精度加工を行うことが出来る。

〈実施例〉次に、この出願の発明の実施例を第１〜１１図に従って
説明すれば以下の通りである。

この出願の発明によるウォータジェット切断を行うに
は、通常、５軸以上の自由度を有する加工機が必要であ
り、第１〜５図に示す実施例においては同時５軸制御に
よるシステム態様を示している。位置制御はＸ，Ｙ，Ｚ
３軸を基本軸とする直交型の座標系でノウル軸線の姿勢
制御はＡ軸（Ｘ軸回り回転）とＣ軸（Ｚ時回り回転）の
２軸の回転軸径で行う。

第２図、及び、第３図に示す態様は当該実施例における
加工ヘッドを示しており（Ｒは位置制御点、Ｐは工具先
端位置、ＨはＣ軸回転半径、ＬはＡ軸回転半径、ＱはＡ
軸回転中心）、該加工ヘッドは図示するように回転指令
しても、ヘッドの先端位置が変化しないゼロオフセット
式か（この場合、Ｐ点とＲ点は一致する）、回転指令す
るとヘッドの先端位置も変化してヘッドの姿勢制御とヘ
ッド先端位置制御とは干渉するものの、機構が単純であ
り、姿勢領域も広いオフセット式かのいずれかが採用可
能なものである。

そして、被切断材 1のワークの切断形状に対し切断溝幅
Ｗに対し切断中心を1/2 だけ法線外にオフセットし、
又、ノズル 4の軸線を面倒れ補正角だけ直角方向に傾斜
させ、併せて、ノズル軸線を切断遅れ角だけ傾斜させ、
これらを三次元的に組合せ補正する。

第４図は上述システムを使用してノズル軸線 5を姿勢制
御する場合の前進角（切断遅れ補正角）α、並びに、テ
ーパ補正角βと姿勢制御角φ，γとの関係を示してい
る。角度φは被切断材のワーク平面（ｘｙ平面）に於け
る切断線の接線と同平面に対するノズル4 の軸線 5の投
影線とがなす角度であり、これはノズル4 の軸線 5のＣ
軸（Ｚ軸回り）回転角である。角度γはワーク平面とノ
ズル軸線 5のなす角度である。

第５図に示す様にφ，γはα，βによって比較的単純な
次の式で表わされる。

ゼロオフセット式加工ヘッドの場合は上記φ，γを直接
回転指令して姿勢制御出来る（尚、φとγとの相互干渉
は考慮する必要がある）。

第５図はオフセット式加工ヘッドにおける座標変換態様
を示している。この場合の座標変換式は、二次元（準二
次元を含む）ワーク平面上のノズル 4の先端位置Ｐと位
置制御点Ｒの三次元座標との変換式のことであり、ワー
ク平面上のノズル 4の先端位置を切断線の外側法線方向
に切断溝幅Ｗの約1/2 ずらした位置に設定し、この点の
座標を（ｘ，ｙ）とすると、位置制御点Ｒの座標（，
，ｚ，φ，γ）は次式で与えられる。

＝-Hcos（Θ +φ）+Lcosγ・sin(Θ +φ)+x ＝-Hsin（Θ +φ）-Lcosγ・cos(Θ +φ)+y ＝Lsinγ 第６図は切断幅補正、第７図は切断面倒れ（テーパ角）
補正、第８図は切断遅れ補正法を示している。第９図は
これらの補正効果を模式的に示したものであり、被切断
材 1中で曲った噴流の上面入口と下面出口の位置を、切
断線に対して同一の進行具合に調整したため、切断遅れ
補正の結果として、被切断材 1の板厚中央付近では切断
が最も速く進行し、切断前縁が張り出した形状となって
切断進みδ′が生じる。

第１０図に於て、被切断材 1に於ける噴流入口と噴流出
口を結んだ直線から切断前縁張り出し部分までの距離
δ″と切断遅れδを比較すると、δ″はδの1/3 以下で
あり、実際に切断を行う場合の切断進みδ′はδ″より
小さいことは明らかで、現実のデータでは切断進みδ′
は切断遅れδの1/4 程度の大きさとなる。

更に、切断誤差Δを比較すると、例えば、Ｒ＝５mm，Ｗ
＝２mm，δ＝１６mmの場合、前述の切断誤差の計算式よ
りΔ＝11.1mmとなるが、切断遅れ補正を行えばδ′＝４
mm，δ＝1.2 mmとなり、切断遅れ補正の効果が大きいこ
とが分る。

第１１図はこの出願の発明の他の実施例を示すものであ
り、当該実施例は６自由度の多関節ロボットを使用した
場合の態様である。位置、並びに、姿勢に対する指令の
方法は上述実施例の直交型の場合と異なるが、ノズル軸
線の姿勢制御角は同じである。

尚、上述各実施例ではこの出願の発明の典型的な実施例
のみを示したが、この出願の発明の本質はノズル先端の
位置制御とノズル軸線の姿勢制御とを併用することによ
って切断誤差を補正し、高精度、且つ、高能率なウォー
タジェットによる切断を可能とするものであり、この出
願の発明の精神に包含される切断法はすべてこの出願の
発明の技術的範囲に属するものである。

〈発明の効果〉以上、この出願の発明によれば、ウォータジェットによ
る被切断材の切断面の面倒れ、並びに、切断遅れのない
高精度の切断加工が可能であるので、切断後、後加工な
しの製品化が可能となり、製品に対する信頼性が高まる
という優れた効果が奏される。

又、仕上げ加工の程度を少なくすることが出来るため、
工数が削減され、それだけ効率が上がり、歩留りも向上
する効果があり、加えて、切断速度も従来態様と比較し
て向上するので生産コストの低減が可能である利点があ
る。

又、ノズル摩耗による切断精度の劣化を制御によって補
償することが出来るので、ノズル交換に伴って発生する
位置ずれや生産ラインの停止がなく、長時間安定した切
断が可能であることから施設の稼動効率が向上するとい
う効果も奏される。

【図面の簡単な説明】

第１〜１０図はこの出願の発明の１実施例の説明図であ
り、第１図はその全体ブロック線図、第２図、及び、第
３図は同装置の加工ヘッドの模式図、第４図は前進角，
テーパ補正角とそれに対するノズル軸線の姿勢制御角と
の関係を示す模式斜視図、第５図は第３図に示すオフセ
ット式加工ヘッドにおけるノズル先端から位置制御点へ
の座標変換の模式図、第６図は切断溝幅の補正模式図、
第７図は切断面の倒れ補正模式図、第８図は切断遅れ補
正模式図、第９図はこれらの補正効果の定量的表示図、
第１０図は補正によって発生する切断進みによる誤差と
初期の切断遅れによる誤差の関係図、第１１図は他の実
施例の機構図であり、第１２図は切断溝幅に起因する切
断誤差要因模式図、第１３図は切断面の倒れによる切断
誤差要因模式図、第１４図は切断速度と切断溝幅形状模
式図、第１５図は切断遅れ現象模式図、第１６図はそれ
による切断誤差の定量的模式図である。 1……被切断材、 2……切断中心線 3……ノズル中心位置、 4……ノズル 5……ノズル軸線、 6……ドラグライン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池本喜和兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番１号川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者清水英樹兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番１号川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者辻田京史兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番１号川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者高田庸東京都千代田区内幸町１丁目１番３号東京電力株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ウォータジェット切断に際し精密切断用の
ノズルの位置、及び、姿勢の最適自動制御を行うウォー
タジェット切断の精密形状切断方法において、切断溝幅
補正に対する位置制御と、切断面の面倒れ補正、並び
に、切断遅れ補正に対するノズル軸線の姿勢制御とを三
者併行的に組合せることを特徴とするウォータジェット
切断の精密形状切断方法。
【請求項２】上記各補正量を切断箇所の板厚、並びに、
形状に対応して可変制御するようにしたことを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載のウォータジェット切断の
精密形状切断方法。
【請求項３】使用するノズルの摩耗程度に応じて、上記
各補正量を所定に可変制御するようにしたことを特徴と
する特許請求の範囲第１，２項いづれか記載のウォータ
ジェット切断の精密形状切断方法。