JPH0724735A - アブレイシブウォータージェット用ノズルアセンブリー - Google Patents

アブレイシブウォータージェット用ノズルアセンブリー

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JPH0724735A
JPH0724735A JP17177193A JP17177193A JPH0724735A JP H0724735 A JPH0724735 A JP H0724735A JP 17177193 A JP17177193 A JP 17177193A JP 17177193 A JP17177193 A JP 17177193A JP H0724735 A JPH0724735 A JP H0724735A
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JP
Japan
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nozzle
abrasive
nozzle assembly
mixing
dia
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Pending
Application number
JP17177193A
Other languages
English (en)
Inventor
Kazumi Daitoku
一美 大徳
Kazuma Inaoka
数磨 稲岡
Tomoharu Shimokasa
知治 下笠
Fujiya Nogami
不二哉 野上
Hiroyuki Matsumura
裕之 松村
Kiwa Ikemoto
喜和 池本
Chikafumi Tsujita
京史 辻田
Hidenao Tanaka
秀尚 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kawasaki Heavy Industries Ltd
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Kawasaki Heavy Industries Ltd
Nippon Steel Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 アブレイシブウォータージェット加工におい
て、研磨材を含有する高圧ジェット流とノズル内壁面と
の流体摩擦を少なくして加工効率を上げ、噴流の適度な
分散、ノズル長寿命化を図る。 【構成】 混合加速導管4の出口側内面をダイバージェ
ント形状に形成した。 ダイバージェント状としては、
ノズル入口側から出口に向かって面積で2倍の範囲内で
内径を徐々に拡大させ、内径の拡大態様としては、入口
側から出口側に向かって直線状、階段状あるいは曲線状
のいずれかあるいはこれらを組合せる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高速流体のジェット流
に研磨材を添加して切断・研削能力を高めて、金属、セ
ラミックス、プラスチック等の切断・研削加工を行うア
ブレイシブウォータージェット加工装置のノズルアセン
ブリーに関する。
【0002】
【従来の技術】このアブレイシブウォータージェット切
断・研削加工装置におけるノズルアセンブリーの方式と
しては高圧液体源をノズル開口部で高速ジェット流と
し、このジェット流に研磨材を添加するタイプと、予め
高圧状態で高圧流体と研磨材を混合して両者を同時にノ
ズルより噴射するタイプの2種類に大別される。そし
て、これら研磨液体ジェットの出口ノズル形状として
は、気体を用いるサンドブラスト用ノズル等では、通
常、末広がりのダイバージェントノズルが用いられるの
に対して、ストレートノズルが専ら使用されてきた。こ
れは、ウォータージェットのような液体ジェットは気体
と異なり非圧縮性流体であるという理由によっている。
【0003】しかしながら、前者のアブレイシブウォー
タージェット用ノズルアセンブリーにおいては、アブレ
イシブノズル内で出口の下流に向って高速液体ジェット
流から砥粒への運動量伝達(あるいはエネルギー伝達)
が行われ、砥粒は加速され液体ジェット流自体は若干減
速し、この結果、上記在来態様のストレートノズルにあ
っては、下流部での内圧が増加し、流体摩擦ロスが増加
し、エネルギー効率を低下させて加工効率が低くなり、
さらに、ノズル摩耗を促進させるという欠点があった。
【0004】また、アブレイシブノズルの摩耗は、通常
ノズル上流部より始まり、上流から下流に向って略V字
型に内径が拡大する。ところが、このアブレイシブノズ
ルの上流部は、添加された砥粒が高圧液体ジェットと合
流して加速され始める部分であり、砥粒の加速機構上、
非常に重要な部分であり、この部分が摩耗して内径が拡
大すると砥粒の加速が有効に行なわれなくなり、たとえ
未だ出口部分のノズル径の拡大が認められず、加工精度
の上ではほとんど問題の無いような比較的早期の摩耗の
段階から、加工能率の低下となって現われる。特に、在
来態様のストレートノズルではこの影響を受け易いとい
うデメリットもあった。
【0005】さらに、本ノズルアセンブリーにおいて
は、研磨材は自然吸引、高圧あるいは低圧の搬送媒体に
より研磨材混合室に搬送させるようになっているが、と
くに搬送媒体として高圧気体を利用する場合は、高速流
体ジェット流に対する気体の混合割合が大きくなり、ノ
ズルからジェット流を大気中に噴出した場合には、収束
性の良好なジェット流を形成しにくく、かつ加工能力も
低下する場合があるなどの欠点があった。
【0006】一方、後者のタイプのアブレイシブウォー
タージェット用ノズルアセンブリーにおいては、前述の
如く、高圧状態で高圧液体と研磨材の混合物をノズルよ
り同時に噴射するが、この場合、常圧近傍ではほとんど
非圧縮性と見做される加圧媒体の液体も圧力が高くなる
につれて、圧縮性流体としての挙動をある程度呈するよ
うになる。
【0007】効率化のためにはこの部分的な圧縮性を考
慮に入れた高圧液体ジェット特有の効率的なノズル設計
が必要であるにもかかわらず、現在の在来態様では上述
の如くストレートノズルが専ら用いられエネルギー効率
の向上の余地を残しているという不都合があった。
【0008】さらにまた、このアブレイシブウォーター
ジェットによる加工は素材の切断のみならず、例えば、
特開平3−233724号公報に記載のように、鋼板等
の表面研削加工にも使用され始めているが、いずれのノ
ズルアセンブリーにあっても在来態様のストレートノズ
ルではエネルギー密度が高く、集中し過ぎるため切断に
は向いても素材平面あるいは曲面の広範囲に対して平滑
な加工、いわゆる切削加工を行なうのは容易ではななっ
た。この鋼板のような広面の表面研削に使用するために
は、とくに、この欠点を解消して、研削効率の良いノズ
ルアセンブリーが必要とされていた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、アブレイシ
ブウォータージェット切断・加工における上記問題点を
解決すべき技術課題として、機械製造産業および素材製
造産業等における加工技術分野に益する優れた高圧研磨
流体ジェット用ノズルアセンブリーを提供しようとする
ものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、高圧流体源を
高速ジェット流とするノズル開口部と、同ノズル開口部
に続く高速ジェット流に研磨材を混合・加速して研磨流
体ジェットを形成する混合加速導管部とを有するアブレ
イシブウォータージェット用ノズルアセンブリーにおい
て、前記混合加速導管の出口側内面をダイバージェント
形状に形成したことによって、その目的を達成した。
【0011】ダイバージェント形状としては、ノズル入
口側から出口側に向かって例えば面積で2倍の範囲内で
内径を徐々に拡大させ、内径の拡大態様としては、入口
側から出口側に向かって直線状、階段状あるいは曲線状
のいずれかあるいはこれらの組合せで良い。
【0012】入口部の最小直径は研磨粒子の少なくとも
例えば1.1倍であり、入口側から出口側にかけての距
離、すなわちダイバージェント部の長さは入口部直径の
例えば約20〜100倍の範囲とし、ダイバージェント
部を形成する主部の内径が面積で2倍までの範囲内で徐
々に拡大させた形状とする。
【0013】本発明は、高速流体ジェットの圧力が10
0〜10000kgf/cm2 の範囲内で適用できる。
【0014】なお、ノズルアセンブリーの主部である本
ダイバージェントノズル部に必要に応じて、例えば入口
部分にさらにロート状導入部を分離あるいは一体構造的
に付加する。また、このノズルアセンブリーの材質には
一般的には耐磨耗性の高いセラミックスあるいは超硬合
金等を用いる。
【0015】
【作用】アブレイシブノズルの出口部分を、従来のスト
レート状から本発明のダイバージェント状とすることに
より、研磨材の加速過程での運動量伝達が無理なくスム
ースに行われるようになる。
【0016】ノズルが入口から出口にかけて内径がわず
かに徐々に拡大するので、噴流の加速と拡散とが同時に
行われる。
【0017】研磨材用の加圧搬送媒体として気体を使用
する場合は、ダイバージェント部で気体が断熱膨張し、
また、砥粒と高圧液体を同時に噴射する場合には加圧さ
れた高圧液体が断熱膨張し、いずれも加速効率ならびに
噴流の収速性向上等、砥粒加速に有効に寄与する。
【0018】また、ノズル内径を上流から下流に向って
略逆V字状(ダイバージェント状)とすることにより、
略V字状に進行するノズル摩耗による効率低下への影響
を少なくし、ノズルをより長時間使用できる。
【0019】また、ノズル長さの比が20倍以下だと砥
粒が十分加速されない。一方100倍以上だと流体の摩
擦抵抗の損失により効率が低下する。研磨材粒子との比
が1.1より小さいとノズル詰りとなる等の理由によ
る。
【0020】
【実施例】
実施例1 図1は、本発明の第1の実施例を示す。
【0021】図中、1は高圧流体用導管、2はノズル開
口部(ウォーターノズル)、3はノズルボディ、4は混
合加速導管部(アブレイシブノズル)、5は研磨材混合
室であり、混合加速導管部4の内壁面の内径を、入口側
6で一旦絞った後、出口側7に向かって直線状に広げた
ダイバージェント部8を形成している。
【0022】このノズルアセンブリーを用いて下記条件
で研削を行った。
【0023】ウォーターノズル径は0.33mmとし、
スタンドオフ距離を2mm、投射角度を45°、トラバ
ース速度を2000mm/minと設定して、水圧が3
000kgf/cm2 で、砥粒として60メッシュの鋳
鉄製グリットを用いてSUS鋼板に投射した。ダイバー
ジェント部の寸法は、入口側最小断面部の内径dを1.
2mm径、出口部内径Dを1.6mm、長さを100m
mとした。また、比較に用いた従来態様のノズルとし
て、1.2mm内径、長さ100mmのストレートノズ
ルを用いた。
【0024】その研削能を示す運動量伝達効率を従来ノ
ズルのそれと共に、図2に示す。
【0025】図2のA曲線はノズル内壁による摩擦等の
ない理論効率を示し、B曲線は本発明の実施例の場合
を、また、曲線Cは従来のストレート型のノズルによる
運動量伝達効率を示す。
【0026】同図に示すように、ダイバージェントノズ
ルBの方が、従来ノズルCの場合より約20%研削能率
が高くなることが分かる。また、図示しない研削幅wも
従来のストレートノズルの場合の約1.5倍となり、研
削加工にも有利な結果が得られた。
【0027】実施例2 図3は本発明の第2実施例を示す。
【0028】本実施例は、混合加速導管部4の内面のダ
イバージェント部分8は、入口側6から出口側7に向か
って曲線状に拡大している。
【0029】このダイバージェント部分8の曲線形状は
研磨材の粒径、比重量、供給量等の条件によって、適切
に選ぶことによって直線状に拡大された場合に比較し
て、さらに、内壁面との摩耗量は低減し、さらに、研削
効率も向上する。
【0030】上記の各実施例は、混合室で加圧流体によ
って搬送された研磨材を混合する型のノズルに適用した
例について説明したが、高圧状態で予め高圧流体と研磨
材を混合して両者を同時にノズルより噴射するタイプの
ノズルアセンブリーにも本発明は適用できる。
【0031】本発明は、ノズル出口側内面を末広がりの
ダイバージェント状に拡大して加工効率の改善等に寄与
するものであり、上記実施例に限らず、直線と曲線を組
合せること、あるいはストレート部の径を段階的に変化
させて末広がりとすることなどは、すべて当然本発明の
範囲に含まれるものである。
【0032】
【発明の効果】本発明のダイバージェント部分を有する
ノズルによって、以下の効果を奏する。
【0033】(1) 流体摩擦ロスの減少とエネルギー
効率の向上に寄与すると共に、ノズル内壁の摩耗軽減に
も寄与し、ストレート型のノズルと比較して加工効率は
格段に向上する。
【0034】(2) ノズルが入口から出口にかけて内
径がわずかに徐々に拡大するので、態様によって、噴流
の加速と拡散効果を同時に期待でき、広範囲の素材表面
を平滑に加工することが可能となる。
【0035】(3) 研磨材用の加圧搬送媒体として気
体を使用する場合は、ダイバージェント部で気体が断熱
膨張されて、ジェット流がさらに加速され、整流されて
効率が向上すると共に加工面の面粗度も向上する。
【0036】(4) ノズル摩耗による砥粒の加速効率
の低下を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例を示すもので、ダイバー
ジェントが直線状の例を示す。
【図2】 本発明の第1実施例の効果を示す。
【図3】 本発明の第2実施例を示すもので、ダイバー
ジェントが曲線状の例を示す。
【符号の説明】
1 高圧流体導管 2 ノズル開口部(ウォーターノズル) 3 ノズルボディ 4 混合加速導管部(アブレイシブノズル) 5 研磨材混合室 6 混合加速導管部の入口側 7 混合加速導管部の出口側 8 ダイバージェント部分
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲岡 数磨 福岡県北九州市戸畑区飛幡町1番1号 新 日本製鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者 下笠 知治 福岡県北九州市戸畑区飛幡町1番1号 新 日本製鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者 野上 不二哉 福岡県北九州市戸畑区飛幡町1番1号 新 日本製鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者 松村 裕之 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 池本 喜和 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 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 田中 秀尚 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

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高圧液体源を高速ジェット流とするノズ
    ル開口部と、同ノズル開口部に続く高速ジェット流に研
    磨材を混合・加速して研磨液体ジェットを形成する混合
    加速導管部とを有するアブレイシブウォータージェット
    用ノズルアセンブリーあるいは、高圧状態で高圧液体と
    研磨材とを予め混合し、スラリー流となし、両者を同時
    にノズルより噴出するタイプのアブレイシブウォーター
    ジェット用ノズルアセンブリーにおいて、前記混合加速
    導管の出口側内面の主要部を出口側に向って徐々に拡大
    する形状に形成してなるアブレイシブウォータージェッ
    ト用ノズルアセンブリー。
  2. 【請求項2】 混合加速導管の主要部内面が、その入口
    側において絞られ、出口側に向って徐々に拡大する形状
    に形成してなる請求項1記載のアブレイシブウォーター
    ジェット用ノズルアセンブリー。
  3. 【請求項3】 混合加速導管の入口側最小直径が上記高
    速ジェット流の直径の少なくとも1.1倍以上、かつ研
    磨粒子のうち最大の粒子の直径の少なくとも1.1倍で
    あり最小直径部から出口側に向ってその主要部内径が面
    積で2倍の範囲内で徐々に拡大するとともにこの部分
    が、入口部直径の20〜100倍の長さを有することを
    特徴とする請求項1あるいは請求項2のいずれかに記載
    のノズルアセンブリー。
  4. 【請求項4】 混合加速導管の形状が最小直径部から出
    口側に向って直線状あるいは階段状あるいは曲線状に徐
    々に拡大する請求項3記載のノズルアセンブリー。
  5. 【請求項5】 圧力範囲が100〜10000kgf/
    cm2 の高速液体ジェットを形成する請求項3あるいは
    請求項4のいずれかに記載のノズルアセンブリー。
JP17177193A 1993-07-12 1993-07-12 アブレイシブウォータージェット用ノズルアセンブリー Pending JPH0724735A (ja)

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Cited By (6)

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Legal Events

Date Code Title Description
A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 19970418