JPS59134664A - 高速液体研磨ジエツト形成方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体ジェットに関し、特に研磨剤を含む液体ジ
ェットに関し、より特定的には、高速の研磨液体切削ジ
ェットに関する。

高速の流体ジェットを用いて、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。

この種のジェットは、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プラスチングが行
われる。該方法は全て、被研磨材料の表面のみの切削を
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。

硬質材料を切削する為、研磨粒子を液体ジェット内に閉
じ込める方法も提案されている。又、材料の選択及び設
計を最適化すれば、３０００　ｆｔ／ｓｅｃもの高速液
体ジェットが可能であることも既に実証されている。該
ジェットは、多種の比較的軟質の材料の切削に適し、さ
らに、研磨粒子を装填すれば、鋼、ガラス等、極めて硬
質の材料を高速で切削するにも適する。しかし、該ジェ
ット流を作成せんとする試みは、以下の理由から成功に
達っていない。第一に、高速研磨流は極めて浸食性が強
く、このようなグロセスを実用化し得ない程、ノズルの
破壊が速いこと。第二に、既存の設計のノズルでは、研
磨粒子をジェット速度に加速すること、即ち、実質的に
ジェットの一部とすることが不可能であり、結果として
理論上の切削能力をはるかに下延る切削力しか得られな
いこと。最後に、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ないので、切削力が不
足し大きな切り溝がついてしまうことである。

研磨液体ジェット切削用として有効なノズルを製造する
には、まず第一に研磨剤装填液の凝集流を作り出し、次
に該凝集流中の粒子速度を最大とし、最後に、ノズルの
摩耗を最小に抑えつ〜該二つの要求事項を達成する必要
があるとの判断がなされてきた。

本発明は、研磨剤を装填した高速の液体の凝集流を作り
出す方法及び装置を提供するものである。

本発明は、研磨粒子の射出速度を最大とし、ノズルの摩
耗度を減少させて寿命を延ばす。

本発明の方法によれば、まず高速の液体の流れを形成す
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ューブの入口へ向わせ
、ここで粒子と高速のウォータージェットがランダムに
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、中心部に
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は！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。

本発明の装置は、該方法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。

サンドプラスチング即ち研磨ジェットの機械加工では、
通常二種類のノズルが使用される。第１図は、第一のタ
イプのノズルを示す。このノズルは、先細−末広型即ち
ベンチュリ型のノズルである。このタイプのノズルは、
ノズルの浸食問題から、高速研磨ウォーターシェツト切
削には不適であることが判明している。第一図の第二の
タイプのノズルの方が、や−良好である。このノズルは
、ストレートノズルと呼ばれ、先細区間１と、長さくａ
）及び直径（ｄ）の直線区間２とを有する。直線区間２
と先細区間１０合計が、ノズルの全長（Ｌ）となる。

現在のノズルでは、比率（ａ）　／　（ｄ）は２０以下
で、該比率が０．０乙０乃至０．　／　、！　５インチ
のノズルよりも小さい。

第３図は、研磨ウォータージェット切削に用いられる構
成部品の代表的配置例であり、解り易いように破断図と
しである。直径（ｄｎ　）のオリフィス７を有する高圧
ウォータージェットノズルは、高圧液体源（図示せず）
から、圧力（Ｐ）を有する高圧の液体を供給される。該
高圧液体源は、増圧器又はこれに相当する装置とする。

ジェット８はオリフィス７からノズル１１の先細区間９
に入る０ノズル１１の先細区間９は、所定のサイズ（ｄ
ｐ）及び流速に）を有する研磨粒子１０の源（図示せず
）にも接続されている。シェツト８がノズル１１の先細
区間９に入ると、ノズル１１に至る入口に低圧の区域１
２が生じる。良好なノズルを得る為には、使用する材料
及び装置の設計を上に限定した・母うメータに適合させ
なければならない。

第≠図は、高圧液体シェツトノズル２１の内部の液体の
特性を図解したものであり、解り易いように破断図とし
である。高圧の液体のジェット２２はオリフィス２３か
ら供給される。代表的なオリフィスの直径は、０．００
／乃至ｏ、ｏ　ｒ　ｏ　　インチで、動作圧力は、Ｓ、
ＯＯθ乃至ｉｏｏ、ｏｏθｐｓｉ又はこれ以上である。

このシェツトは、ウォータージェット切削に用いられる
のと同様のジェットであり、オリスイス２３は、代表的
には合成す７アイヤで構成される。ジェット２２は、オ
リフィス２３から排出される時、やや末広がりになって
いるのが判る。研磨粒子は、ノズル２１の導入口２６に
導入される。研磨粒子は、代表的には、ランダムな方向
及び速度を有するが、乱流を最小に抑え・排出点２９の
方向に向わせることが望ましい。シェツト２２がノズル
２１に入ると、低圧の区域がノズル２１の点２６と２７
の間の先細区間に生じる。この区域の圧力が減少すると
、ジェット２２は研磨粒子を内部に取込む。ノズル２１
の点２７と２８の間の研磨粒子の方向及び速度に６１ま
たランダムな要素が残っており、シェツトを点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
２１０点２７と２８の間で、研磨粒子の方向はジェット
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、ジェット２２
よりも遅い。これは、比較的軽い液体から！１覧密な研
磨粒子に運動量を伝達するのに時間がかかる為である。

従って、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
ェットの中に閉込められた粒子の速度が、点２９に達す
る迄にジェット２２の速度とは丈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。従来のノズルの設計は２３と２６の間で粒子を水と
混合・加速し、軸方向の配向が行なわれる前、又は、研
磨粒子が液体ジェットとは丈等速になる前に、ジェット
を射出しようと試みるものであった。点２８に於て、ジ
ェット２２が初めてノズル２１の壁に接触している点に
注目されたい。一度接触すると、ジェット２２は、チュ
ーブを高速で流れ下り、流体の流れ特性を発揮する。従
ってこの流体は、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
の中心部に向って進むにつれ、流速は速くなっていく。

この速度勾配により、研磨粒子は、ジェット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
の集団か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、粒子がジェットの中央に集まる前に射出していたの
で、摩耗率が高かった。

雫の中や外部を流れる混合位相の高速の流れが複雑であ
る為、上記要求事項に適合するノズルの設計を可能とす
る一般方程式が確立できるのかさえ末だ実証されていな
い。しかし、満足のいくノズルを製造する為の・ぞラメ
ータに領域を限定することは可能である。、まず、ノズ
ル２２は、研磨剤をジェット２２の速度の少くとも了０
％迄加速し、チューブの壁とは！平行する如く配向し、
点２９に於て、凝集し、かつ、は！平行な研磨ジェット
を提供するに足る長さとしなければならない。第二に、
点２７と２９の区間の直径は、研磨粒子が液体との接触
を保ち続ける程度に小さく、研磨剤と液体を通過させる
程度に大きく構成することとする。例えば、０．０３イ
ンチ（Ｉｎｃｈ　）のジェット及び／６メツシユ（ｍｅ
ｓｈ　）の研磨剤には、直径０．０ｚインチのチューブ
が適当である。この孔は直線状の孔とし、チューブはヌ
ーグ硬度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７００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４７倍ＣＤ＞／、／ｄｐ）とする。最後
に、この区間の直径は、オリスイス２３の直径の／、／
乃至７０倍（１０ｄｊ＞ｄ＞７．／　ｄｊ　）とする。

例えば、オリスイス２３の直径が３５ミル（ｍｌｌ）以
上の場合、ノズルの点２７と２９の間の長さは、少くと
も≠インチとする必要がある。

同様に、オリフィス２３が２０ミル以上の場合は、２イ
ンチ以上のチューブが必要となる。オリフィスの直径が
／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
えるヌーグ硬度（ｋｎｏｏｐ　ｈａｒ＋ｊｎｅｓｓ　）
　の材料で構成できる。ヌーグ硬度１０００を越える材
料には、カーノぐイド、セラミック、及び、これらと同
種の材料がある０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１−の導入口区
間をノズルワメ入口の形状に浸食できるように厚い壁で
覆うこととする。

第５図は、本発明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）から供給チューブ゛３１を介して供給される。供
給チューブ３１は、グランド３３及びカラ３４によりノ
ズル日？ディ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池の
コネクタで代用することもできる。高圧の液体は、次に
、ノズルボディ３２の内部を流れ下りる。ノズルボディ
３２の供給チューブ３１と反対の端は、宝石ホルダー３
６で封止される。宝石ホルダ＝３６はノズルボディ３２
を封止し、宝石オリフィス３７を受入れる為の凹みを、
有する。宝石オリフィス３７は、０．００／乃至０．０
ｊインチのオリフィス径を有する合成す７アイヤ等の硬
質材料で構成される。

該オリフィス３７は高圧ウォータージェット切削に用い
られるのと同種の宝石オリフィスである０供給水は宝石
オリフィス３７から出て）高圧シェツト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、ノズルボディ３２を取付る為の
ねじ切り取付ポイント４１と、研磨材の粒子の導入ポー
ト４２とを有する。研磨材の粒子は、貯蔵タンク（図示
せず）とポート４２を結ぶライン（図示せず）を流れ落
ちてくる。ジェット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
子及びジェット３８は、次に、先細スリーブ４４を通っ
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乃至了インチ、内径（１０３
乃至０．　／　ｊ　０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、スチールアダゲタ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
であるが、他のこれに相当する取付其を用いてもかまわ
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。

第３図は、本発明の方法を示すブロック図である。６１
：まず、高速のウォーターノエットを発生させる。この
ジェットは、現在、ウォータージェット切削で行われて
いるのと同様の方法で発生させることができる。６２：
次に研磨粒子を流れに導入して、配向チューブへ送る。

６３：粒子は流れの方向に配向される。６４：次に粒子
を加速して、流れの速度に近づける。次に流れは追加・
母イブ部分に押出される。このパイプの内部では、流体
の境界層の流速が遅いので、粒子はジェットの中央部に
集中する。６５：そこで加速が完了し、Ｒ１後に粒子を
含むシェツトが射出されて、当該装置の目的たる機ｆｊ
ｔ＝を遂行する。

さて、これまで本発明を特定の実施例に沿って説明して
きたが、本発明の筒口を逸脱せずに、多くの変更が可能
であることは容易に理解されよう。

従って、添付の特許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発明に包含されるもの
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、本発明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≠図は、本発明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、本発明を内蔵したノズル組立体の断面図であ
る。 第６図は、本発明の方法を示すブロック図である０ 参照符号（第５図） ３１・・・供給チューブ、 ３２川ノズルがディ、 ３３山グランド、 ３４・・・カ　ラ、 ３６・・・宝石ホルダー、 ３７・・・宝石オリスイス、 ３８・・・シ２エツト、 ３９・・・ノズルホルダー、 ４１・・・ねじ切り取付ポイント、 ４２・・・導入ポート、 ４３・・・カ　ラ、 ４４・・・先細スリーブ、 ４６・・・ノズル、 ４７自・スチールアダゲタ、 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. 【特許請求の範囲】 ／、　研磨剤を装填した高速の液体シェツトをｇｊＩ造
   する方法であって、 高速の液体のジェットを発生させる段階、研磨材の粒子
   を該ジェットに導入する段階、′１該粒子の速度ベクト
   ルを該ジェットの速度ベクトルに合わせて配向する段階
   １及び 該粒子を該ジェットとは！等速に加速する段階よりなる
   方法。 、２．　　特許請求範囲第１項に記載の方法に於て、該
   粒子が該ジェットの速度の少くともＩＯ％迄加速される
   ことを特徴とする方法。 ３、　特許請求範囲第１項に記載の方法に於て、さらに
   、該研磨粒子を該ジェットの中央に集中させる段階を含
   む方法。 ｔＡ　　％許請求範囲第３項記載の方法に於て、該集中
   が、該ジェットを壁に接触させて速度勾配を形成し、該
   壁の区域に減速区域を提供する段階により遂行されるこ
   とを特徴とする方法。 ぶ　特許請求範囲第１項記載の方法に於て、該配向が、 該研磨粒子を装填したシェツトをノズルの先細区間に導
   入する段階、及び 該粒子に、該ノズルの中で該ジェットのベクトル速度と
   同じベクトル速度を与える段階により遂行されることを
   特徴とする方法。 乙、　特許請求範囲第７項記載の方法に於て、該加速が
   、 該配向された研磨剤を装填した流れをノズルの直線区間
   に導入する段階、及び 該シェツトが、該ノズルから射出される前に、該粒子を
   該シェツトの速度とはヌｉしい速度に加速する段階によ
   り遂行されることを特徴とする方法。 Ｚ　研磨剤を装填した液体のジェットを製造する為の装
   置であって、 高速の液体のジェットを製造するジェット手段と、 研磨剤の粒子を導入する導入口手段と 該ジェット手段及び該導入口手段に取付けられ、該高速
   の液体のジェットと該研磨剤の粒子を混合する混合手段
   と、 該混合手段に接続され、該研磨剤粒子の速度ベクトルを
   配向する配向手段と、 該配向手段に接続され、該研磨剤粒子を該高速の液体の
   ジェットとは！等速に加速する加速手段 とよりなる装置。 乙　特許請求範囲第７項記載の装置に於て、該混合及び
   加速手段が、先細区間と直線区間を有するノズルで構成
   されることを特徴とする装置。 ２　特許請求範囲ｍｇ項記載の装置に於て、該ノズルの
   該直線区間の長さが、少くともその直径の２０倍である
   ことを特徴とする装置。 ＩＯ０特許請求範囲第７項記載の装置に於て、該直線区
   間の直径がその長さの２０倍乃至１００倍であることを
   特徴とする装置。 ／／、特許請求範囲第ｇ項記載の装置に於て、該直線区
   間の直径が該高速の液体のジェットの直径の少くとも／
   、７倍であることを特徴とする装置。 ／２．特許請求範囲第１／項記載の装置に於て、該直線
   区間の直径が、該高速の液体のジェットの直径のＡ／乃
   至７０倍であることを特徴とする装置。 ／３．特許請求範囲第♂項記載の装置に於て、該直線区
   間の直径が、最大の該粒子の直径の少くとも／、７倍で
   あることを特徴とする装置。 ／４Ｉ！Ｉ　研磨粒子液体切削ジェット装置に用いる為
   のノズルであって、 導入口に低圧の区域を作り出す為の先細区間１及び 液体中の粒子の速度を加速させる為の直線区間を有し、
   該直線区間が、その直径の少くとも２０倍の長さとなっ
   ているノズル。 ／よ特許請求範囲第１１Ａ項記載のノズルに於て、該直
   線区間がその直径の２０倍乃至７００倍の長さになって
   いることを特徴とするノズル。