WO2016136443A1 - ノズル組立体及びこのノズル組立体を用いた表面処理方法 - Google Patents

ノズル組立体及びこのノズル組立体を用いた表面処理方法 Download PDF

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幸徳 鈴木
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新東工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a nozzle assembly and a surface treatment method using the nozzle assembly, and in particular, to treat a surface of a workpiece by injecting an injection material mixed with compressed air as a solid-gas two-phase flow.
  • the present invention relates to a surface treatment method using the nozzle assembly.
  • Patent Document 1 A pressure type that injects as a flow (see Patent Document 1) and a suction type that sucks an injection material by a suction force generated by a compressed air flow introduced into an air nozzle and injects it as a solid-gas two-phase flow with compressed air (Patent Document) 2).
  • the pressure type nozzle assembly can inject the spray material at a higher speed than the suction type nozzle assembly, so that the processing capability is high in blasting and deeper in shot peening. A compressive residual stress can be applied, and a film with higher adhesion can be formed in film formation.
  • the pressure type nozzle assembly has a problem that it cannot be continuously injected over a long period of time because the injection amount and injection time of the injection material are limited by the volume of the pressure tank.
  • the suction type nozzle assembly has an advantage that the injection material can be continuously injected because it is not necessary to seal the container for storing the injection material.
  • the suction type nozzle assembly sucks the spray material in the atmosphere together with the air, a pressure loss occurs, and therefore there is a problem that the spray speed of the spray material is slower than that of the pressure type nozzle.
  • a stronger compressed air supply source is required, which leads to an increase in equipment costs and an increase in operating energy of the compressed air supply source.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and is a nozzle set capable of treating the surface of a workpiece by injecting an injection material toward the workpiece at a high speed. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional surface treatment method using the nozzle assembly.
  • the present invention provides a nozzle assembly for processing a surface of a workpiece by injecting an injection material mixed with compressed air as a solid-gas two-phase flow.
  • a nozzle body provided with a jetting material suction port for sucking the jetted material and a jet outlet for jetting the sucked jetting material together with the compressed air, and an air nozzle for jetting compressed air into the nozzle body.
  • a mixing chamber forming a space for mixing the spray material sucked into the nozzle body from the spray material suction port with the compressed air sprayed from the air nozzle, and a path from the spray material suction port toward the mixing chamber.
  • a third path, and The third path is inserted in the nozzle body so that the third path is located on the same axis as the second path of the nozzle body and the compressed air injection portion is located in the mixing chamber of the nozzle body.
  • the compressed air injection portion is provided with a contracted flow portion having an opening cross section smaller than that of the third path.
  • the nozzle assembly of the present invention since the expansion in the width direction of the jet flow of the compressed air is suppressed by the contracted flow portion, the deceleration due to the collision with the wall surface of the mixing chamber is suppressed. As a result, according to the nozzle assembly of the present invention, the flow rate of the solid-gas two-phase flow is increased even if the flow rate of compressed air is the same as that of the conventional nozzle assembly, so that the efficiency of the surface treatment is improved.
  • the third path of the air nozzle includes a rectifying unit having the same continuous cross-sectional area, and the rectifying unit is connected to the rectifying unit, and the cross-sectional area of the rectifying unit (S2 / S1), is set to 0.3 to 0.8.
  • the cross-sectional area ratio (S2 / S1) which is the ratio of the cross-sectional area (S2) of the opening of the contracted flow portion to S1), is set to 0.3 to 0.8.
  • the contracted portion ratio (L2 / D2) which is the ratio of the opening length (L2) to the opening diameter (D2) in the contracted portion of the air nozzle, is 0.1 to 0.5. Set to range.
  • the straightness of the jet flow of the compressed air injected from the compressed air injection section can be improved, the flow velocity of the solid-gas two-phase flow is increased, and the efficiency of the surface treatment is increased. improves.
  • the rectifying unit ratio (L1 / D2) which is the ratio of the length (L1) of the rectifying unit to the diameter (D2) of the rectifying unit of the air nozzle, is preferably set in the range of 2-50.
  • the straightness of the jet flow of the compressed air can be further improved, and the solid-gas two-phase flow As a result, the surface treatment efficiency is improved.
  • a nozzle assembly is a nozzle assembly which injects the blast used for a blast processing apparatus as an injection material.
  • the spray material can be sprayed without pulsation by the nozzle assembly.
  • the blasting capability is increased. That is, by mounting the nozzle assembly of the present invention on a blasting apparatus, efficient and stable blasting can be performed.
  • the present invention is a surface treatment method for treating the surface of a workpiece using the above-described nozzle assembly, and jets compressed air from an air nozzle to a mixing chamber of a nozzle body to make the mixing chamber have a negative pressure.
  • the step of sucking the injection material into the mixing chamber from the injection material suction port of the nozzle body by the negative pressure of the mixing chamber of the nozzle body, and mixing with the compressed air injected from the air nozzle A step of injecting the injection material as a solid-gas two-phase flow from an injection port of the nozzle body, and a step of performing surface treatment of the workpiece by the injection of the injected injection material against the surface of the workpiece.
  • expansion of the jet stream of compressed air is controlled by the contraction part of an air nozzle.
  • the compressed air jetted by the air nozzle has a higher flow velocity toward the outer edge.
  • the straightness is increased at the outer edge. Therefore, since expansion is suppressed by the jet flow at the outer edge even if it is going to expand at the central portion where the speed is low, the straightness of the entire compressed air jet flow is improved.
  • the nozzle assembly of the present invention it is possible to satisfy both the high processing capability that is an advantage of the pressure type and the continuous processing that is the advantage of the suction type. Thereby, surface treatments such as blasting, shot peening, and film formation can be continuously performed in a dry manner.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. It is a side view which shows the classification mechanism of the blast processing apparatus of FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3. It is sectional drawing which shows the storage hopper and injection material transfer mechanism of the blast processing apparatus of FIG. 1 is a partial cross-sectional view illustrating a nozzle assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating an air nozzle of a nozzle assembly according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a front view showing a blasting apparatus using a nozzle assembly according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line II-II in FIG.
  • the blasting apparatus 1 includes a nozzle assembly 2 according to the present embodiment for blasting, a housing 4 that houses the nozzle assembly 2, and an interior of the housing 4.
  • an injection material transfer mechanism 12 for transferring the projected material to the nozzle assembly 2.
  • the housing 4 includes an upper casing 14, a lower casing 16 provided below the upper casing 14, and an outer frame 18 fixed to the outside of the lower casing 16.
  • the upper casing 14 and the outer frame 18 are connected by a hinge 20 and a latch lock 22, and the upper casing 14 can be opened and closed with respect to the lower casing 16 by opening the latch lock 22.
  • the space inside the upper casing 14 and the lower casing 16 is a blasting chamber 24.
  • the nozzle assembly 2 is disposed in the blast processing chamber 24.
  • a working unit 26 is provided in front of the upper casing 14.
  • the working unit 26 serves as an intake port for taking outside air into the blasting chamber 24 and a loading port for an operator to put his hand into the blasting chamber 24 during blasting.
  • a rubber plate 26a is fixed to the working portion 26, and a plurality of cuts 26b extending radially from the central portion are formed in the rubber plate 26a.
  • a processing plate 28 on which the workpiece W is placed when blasting is fixed is fixed.
  • the processed plate 28 is provided with a plurality of openings so that the granular material containing the propellant can pass therethrough.
  • An operation panel 30 and a pressure operation valve 32 are attached to the front side of the housing 4.
  • the compressed air supplied from the pressure operation valve 32 is supplied to the nozzle assembly 2 by a hose 34. Further, the injection material of the storage hopper 10 is transferred to the nozzle assembly 2 by the hose 36.
  • FIGS. 3 is a side view showing a classification mechanism of the blasting apparatus of FIG. 1, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of FIG.
  • the classification mechanism 8 is a mechanism that separates the granular material in the blasting chamber 24 into reusable spray material and dust.
  • the dust here refers to cutting powder generated by blasting, an injection material having a size that cannot be reused due to collision, or the like.
  • the classification mechanism 8 is provided in the middle of a path from the blasting chamber 24 toward the suction mechanism 6 that sucks the blasting chamber 24, and is separated by wind force generated by the suction mechanism 6.
  • the classification mechanism 8 includes a cylindrical rectifying member 38 having a circular longitudinal section and one end surface (right side in FIG. 4) closed by a closing plate 38a, and FIG.
  • the upper part in the longitudinal section viewed from the side direction shown in FIG. 3 is a circle having a diameter larger than the diameter of the rectifying member 38, and the lower part is extended so that the interval is narrowed toward the lower end (that is, the area of the transverse section is continuous toward the lower end). 4
  • the classification member 40 having a shape in which the lower end surface of the rectangle is opened, and the rectifying member 38 is concentric with the rectifying member 38 inside.
  • a cylindrical suction member 42 which is open at both ends, and a charging member 44 provided on a side surface of the rectifying member 38.
  • the suction mechanism 6 is connected to the suction member 42.
  • the powder body including the spray material is transferred together with the outside air to the classification mechanism 8 by the operation of the suction mechanism 6 connected to the suction member 40, and is transferred to the inner wall surface of the rectifying member 38 and the outer wall surface of the suction member 42.
  • the rectification part 38b formed in this way flows in a spiral toward the classification member 40 along the inner wall of the rectification member 38.
  • the granular material containing the injection material that has passed through the rectifying unit 38b further advances while turning and reaches the classification member 40. Then, the vehicle further advances while decelerating while continuing to turn (a in FIG. 4).
  • the reusable propellant which is heavy particles, falls to the bottom of the classification member 40 due to gravity and accumulates on the storage hopper 10 fixed to the bottom of the classification mechanism 8 (b in FIG. 4).
  • the non-reusable propellant that is light particles and the cutting powder generated by blasting are sucked by the suction mechanism 6 from the suction member 42 and collected by a collection filter provided inside the suction mechanism 6 ( C) in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a storage hopper and an injection material transfer mechanism of the blasting apparatus of FIG.
  • the storage hopper 10 is provided with an injection material transfer mechanism 12 that is a mechanism for transferring the injection material stored in the storage hopper 10 to the nozzle assembly 2.
  • the injection material transfer mechanism 12 includes a tubular injection material extraction pipe 46 fixed so as to penetrate the side wall (the left side wall in FIG. 5) of the storage hopper 10, and a side wall facing the injection material extraction pipe 46 in the storage hopper 10. (A right side wall in FIG.
  • the injection material take-out pipe 46 is connected to an injection material suction port 70 (see FIG. 6) described later of the nozzle assembly 2 through the hose 36 described above.
  • an airflow flowing toward the nozzle assembly 2 is generated by the suction force generated in the nozzle assembly 2.
  • outside air is sucked from the outside air introduction pipe 50. That is, an external air current is jetted at the tip of the external air introduction pipe 50. Due to this air flow, an air flow toward the injection material suction port 70 is generated in the vicinity of the right end of the injection material take-out pipe 46.
  • the propellant in the storage hopper 10 is sucked into the propellant take-out pipe 46 and transferred to the nozzle assembly 2 by riding on this airflow.
  • FIGS. 6 is a partial cross-sectional view illustrating a nozzle assembly according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating an air nozzle of the nozzle assembly according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. It is sectional drawing which respectively shows the 1st example, the 2nd example, and the 3rd example of the contraction part of the air nozzle of the nozzle assembly by the embodiment of this invention.
  • the nozzle assembly 2 of the present embodiment includes a nozzle body 60 and an air nozzle 62 that injects compressed air into the nozzle body 60.
  • the nozzle body 60 includes a nozzle holder 64 and a cylindrical injection nozzle 66 that is fixedly inserted and fixed from one end side (the lower end surface side in FIG. 3) of the nozzle holder 64.
  • An air nozzle 62 is inserted and fixed to the other end side (the upper end surface side in FIG. 3) of the nozzle holder 64 of the nozzle body 60.
  • a mixing chamber 68 that forms a space inside the nozzle body 60 is provided.
  • the upper part of the nozzle holder 64 is formed with an injection material suction port 70 for sucking the injection material and a first path 72 that is a route from the injection material suction port 70 toward the mixing chamber 68.
  • a circular injection port 74 for injecting a solid-gas two-phase flow is formed at the lower end of the injection nozzle 66, and a second path 76 that is a path from the mixing chamber 68 to the injection port 74 is formed. ing.
  • the above-described injection material suction port 70, the first path 72, the mixing chamber 68, the second path 76, and the injection port 74 are in communication.
  • the air nozzle 62 has a cylindrical shape, and a third path 78, which is a path for compressed air, is formed in the interior of the nozzle.
  • the third path 78 of the air nozzle 62 includes a compressed air introduction portion 82 having a continuous diameter, an acceleration portion 84 that communicates with the compressed air introduction portion 82 and gradually decreases in diameter toward the tip, and the acceleration portion 84.
  • a rectifying unit 86 having a constant communication diameter. Note that the acceleration unit 84 may be omitted if the difference between the cross-sectional area of the compressed air introduction part 82 and the cross-sectional area of the rectifying part 86 is such that the flow of the compressed air is not hindered.
  • the air nozzle 62 is fixed by being inserted into the nozzle holder 64 so that the compressed air injection portion 80 is located in the mixing chamber 68 of the nozzle body 60.
  • the other end (the upper end in FIGS. 6 and 7) of the air nozzle 62 is connected to a compressed air supply source (not shown) via the hose 34 and the pressure regulating valve 32, and the compressed air is activated by the operation of the compressed air supply source.
  • a compressed air supply source not shown
  • the mixing chamber 68 Since this jet flow goes straight while entraining the surrounding air, the mixing chamber 68 has a negative pressure and a suction force is generated. The suction force varies depending on the distance between the compressed air injection portion 80 and the inner wall surface of the injection nozzle 66.
  • the air nozzle 62 is adjusted by moving the air nozzle 62 in the vertical direction so as to obtain an optimum suction force. It fixes to the nozzle holder 64 with etc. By this suction force, the spray material is sucked from the spray material suction port 70 toward the mixing chamber 68.
  • the injection material that has reached the mixing chamber 68 is mixed with compressed air, and the mixed compressed air and the injection material pass through the second path 76 and are injected as a solid-gas two-phase flow from the injection port 74.
  • the compressed air injection unit 80 includes a contracted flow part 88 having a circular opening smaller than the cross-sectional area of the third path 78 in the vicinity of the rectifying unit 86. Is provided.
  • the compressed air that has passed through the rectifying unit 86 is accelerated in the contracted flow part 88. Furthermore, the compressed air injected through the constricted flow part 88 has a higher flow rate and higher straightness as the outer edge. This is because the compressed air that has passed through the third path 78 is rapidly compressed in the contracted flow portion 88, and the outer edge of the flow of the compressed air is relatively accelerated by this compression. Therefore, even if the central portion of the jet flow jetted from the compressed air jet section 80 expands in the width direction, the jet flow at the outer edge suppresses this, so that the straightness is improved in the entire compressed air, and the wall surface of the mixing chamber 68 Energy loss due to collisions can be suppressed.
  • the cross-sectional area ratio (S2 / S1) which is the ratio of the cross-sectional area S2 of the opening of the reduced flow portion 88 to the cross-sectional area S1 of the rectifying portion 86
  • the cross-sectional area ratio (S2 / S1) which is the ratio of the cross-sectional area S2 of the opening of the contracted flow part 88 to the cross-sectional area S1 of the rectifying part 86, is 0.3 to 0.8 It is preferable to set the range.
  • the compressed air passes through the contracted flow part 88, the compressed air is rectified so as to go straight.
  • the constricted flow part 88 is too long, it becomes a resistance when the compressed air passes, and the injection speed decreases. Therefore, it is preferable that the length L2 of the opening with respect to the diameter D2 of the opening in the contracted flow portion 88 is as short as possible so that the straightness of the jet flow of compressed air can be obtained. Therefore, in the present embodiment, in the air nozzle 62, the contracted portion ratio (L2 / D2), which is the ratio of the length L2 of the opening to the diameter D2 of the opening in the contracted portion 88, is 0.1-0. It is preferable to set in the range of 5.
  • the third path 78 of the air nozzle 62 includes the rectifying unit 86 as described above, the straightness of the compressed air ejected from the compressed air ejecting unit 80 is further improved, and thereby the blasting process is performed. The ability is further improved. Further, since the rectification unit 86 can suppress the generation of the pulsation (shock wave) of the jet flow, the suction force generated in the mixing chamber 68 is constant. Accordingly, since the suction amount of the spray material sucked from the spray material suction port 70 of the nozzle body 60 is always constant, stable blasting can be performed. In order to obtain these effects, it is preferable to set the rectifying unit ratio (L1 / D1), which is the ratio of the length L1 of the rectifying unit to the diameter D1 of the rectifying unit 86, in the range of 2-50.
  • the shape of the contracted portion 88 is not limited to the shape of the same diameter on the inlet side and the other parts shown in FIGS. 7 and 8.
  • the shape may be an enlarged shape, or may be a shape having an R shape on the inlet side and an enlarged diameter as shown in FIG.
  • the operation panel 30 is operated, the suction mechanism 6 is operated, and the inside of the blast processing chamber 24 is sucked.
  • the latch lock 22 is unlocked, and the upper casing 14 is opened.
  • a predetermined amount of the injection material is put into the blast processing chamber 24, and the injection material is transferred to the storage hopper 10 through the classification mechanism 8.
  • the upper casing 14 is closed and locked by the latch lock 22 to fix the upper casing 14 and the lower casing 16, and the blasting chamber 24 is made a closed space. Since the blasting chamber 24 is sucked by the suction mechanism 6, the blasting chamber 24 has a negative pressure, and the outside air flows into the blasting chamber 24 from the working unit 36. Due to the flow of the outside air, even if the injection material is injected from the nozzle assembly 2 as will be described later, the granular material containing the injection material (injection material and dust) does not leak out of the blast processing chamber 24.
  • the spray material may be a powder ordinarily used in blasting.
  • a powder ordinarily used in blasting for example, ferrous and non-ferrous metal shots and cut wires and grids, ceramic particles (eg, alumina, silicon carbide, zircon, etc.), glass particles, resin particles (eg, nylon resin or melamine resin) Or urea resin), plant seed particles (for example, walnuts and peaches), and the like can be used.
  • the worker wears gloves and inserts his / her hand from the working unit 26 to grip the nozzle assembly 2.
  • the foot switch (not shown) is turned “ON” to inject a solid-gas two-phase flow containing the injection material from the injection port 74.
  • the operator operates the pressure adjustment valve 32 to adjust the pressure to a predetermined injection pressure, and then operates the foot switch to “OFF” to stop the injection of the injection material and put the hand on the working unit 26. Pull out from.
  • the latch lock 22 is unlocked, the upper casing 14 is opened, and the work W is placed on the processed plate 28. Then, the upper casing 14 is closed, and the latch lock 22 is used to lock the upper casing 14 and the lower casing. 16 is fixed.
  • the operator inserts his / her hand through the operation panel 30 and grips the workpiece W placed on the nozzle assembly 2 and the processed plate 28, and then operates the foot switch to “ON” to fix the gas.
  • a two-phase flow is injected from the injection port 74.
  • the workpiece W is scanned by the operator himself / herself through the gloves with respect to the ejection port 74, whereby the workpiece W is polished.
  • the operator moves the nozzle 10 device in the horizontal direction while holding the workpiece W on the machining plate 28 by hand, and machining the workpiece W, On the other hand, when the demand for processing accuracy is not high, the operator may perform processing by moving the nozzle 10 device closer to or away from the workpiece W.
  • the granular material containing the injection material injected from the injection port 74 is transferred to the classification mechanism 8 by the suction force of the suction mechanism 6.
  • the reusable propellant and the dust are separated, and the reusable propellant is deposited on the storage hopper 10.
  • the reusable injection material accumulated in the storage hopper 10 is transferred to the nozzle assembly 2 by the injection material transfer mechanism 12 and is again injected from the injection port 74.
  • light dust is sucked by the suction mechanism 6 and collected by a collection filter in the suction mechanism 6.
  • the foot switch When the solid-gas two-phase flow is injected toward the workpiece W for a predetermined time, the foot switch is operated to “OFF” to stop the injection of the solid-gas two-phase flow, and the hand is extracted from the working unit 26. Thereafter, the latch lock 22 is unlocked, the upper casing 14 is opened, and the workpiece W is collected. A series of blasting processes are completed by removing the spray material and dust adhering to the workpiece W.
  • Example 1 In the nozzle assembly 2 according to the present embodiment, (1) Ratio of the sectional area (S2) of the opening of the contracted flow part 88 to the sectional area (S1) of the rectifying part 86 (cross-sectional area ratio: S2 / S1), (2) The ratio of the length (L2) of the opening to the diameter (D2) of the opening of the contracted part 88 (contracted part ratio: L2 / D2), (3) The ratio (rectifier ratio: L1 / D2) of the length (L1) of the rectification unit to the diameter (D2) of the contracted flow part 88, The suction force at the injection material suction port 70 was measured while changing each of them. Hereinafter, the measurement result will be described.
  • Example 1 as the suction force, “maximum static pressure” indicating the maximum value of the suction force of the nozzle assembly 2 and “variation range of static pressure” indicating the stability of the suction force of the injection (degree of pulsation) are used. It was measured.
  • the maximum static pressure is when the injection material suction port 70 is closed, a pressure sensor (manufactured by Keyence Corporation; AP-44) is connected to this, and compressed air (0.2 MPa) is injected from the air nozzle 62 for 10 minutes. The average value was used.
  • a hole is provided in the side surface of the injection material suction port 70, and a pressure sensor (manufactured by Keyence Corporation; AP-44) is connected to the injection material, and compressed air (0.2 MPa) is injected from the air nozzle 62 for 10 minutes and injected.
  • compressed air 0.2 MPa
  • a suction force was generated at the material suction port 70.
  • the static pressure was measured when the propellant was introduced into the propellant suction port 70 at 1 kg / min and sucked into the mixing chamber 68 by the suction force.
  • the measured value is indicated by the maximum value and the minimum value of the pressure with respect to the average pressure for 10 minutes in%, and this is defined as the fluctuation range of the static pressure.
  • the fluctuation range is a fluctuation range that can be processed without any problem for processing that does not require strict management of the finishing degree (for example, deburring, casting sand removal, surface roughening, etc.). That is, as long as the cross-sectional area ratio (S2 / S1), the contracted part ratio (L2 / D2), and the rectifying part ratio (L1 / D2) are within the above-described ranges, the injection material can be stably stabilized regardless of the conditions. Although it can be sucked, it was suggested that blasting can be performed depending on the conditions even if it deviates from the above-mentioned range.
  • Example 2 The results of blasting using the nozzles of Examples 1-1, 1-4, and 1-5 in Example 1 (hereinafter referred to as “nozzle A”, “nozzle B”, and “nozzle C” in order) will be described.
  • Aluminous abrasive grains manufactured by Shinto Kogyo Co., Ltd .: AF120 (average particle size 125 ⁇ m)
  • AF120 average particle size 125 ⁇ m
  • the distance between the injection port 74 and the workpiece W was 100 mm, and the injection pressure was 0.2 to 0.4 MPa.
  • the weight of the workpiece W before and after machining was measured with an electronic balance (manufactured by A & D Co., Ltd .: GH-200), and the amount of cutting was calculated. Moreover, the same processing and measurement were performed using a conventional suction type nozzle assembly (the contracted portion 88 in this embodiment is not provided), and the cutting amount was calculated. From these cutting amounts, the processing efficiency was calculated using the following equation.
  • the nozzle assembly of the present invention can also be applied to other surface treatments.
  • a shot of steel or non-ferrous metal as a spray material toward a work piece at a high speed
  • it is applied to a “shot peening” process in which work hardening or plastic residual stress is imparted by plastic deformation of the work piece.
  • a film-forming material powder for example, a metal such as tin, zinc or aluminum, a metal compound such as molybdenum disulfide or metal oxide, etc.
  • the present invention can be applied to a “film formation” process in which a film is formed on a workpiece by plastic deformation of the granular material.

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Abstract

　本発明は、圧縮空気と混合された噴射材を噴射して被加工物の表面を処理するためのノズル組立体である。このノズル組立体は、噴射材を吸引する噴射材吸引口とこの噴射材を圧縮空気と共に噴出する噴出口を備えたノズル本体と、このノズル本体内に圧縮空気を噴射する空気ノズルと、有する。ノズル本体は、噴射材吸引口より噴射材を圧縮空気と混合するための空間を形成する混合室と、噴射材吸引口から混合室に向かう経路である第一の経路と、混合室から噴射口に向かう経路である第二の経路と、を有する。空気ノズルは、その先端に形成された圧縮空気噴射部と、この圧縮空気噴射部に向かう経路である第三の経路と、を備えると共に、この第三の経路が、圧縮空気噴射部がノズル本体の混合室に位置するように、ノズル本体に挿入されており、空気ノズルの圧縮空気噴射部には、第三の経路の断面より小さい開口の断面を持つ縮流部が設けられている。

Description

ノズル組立体及びこのノズル組立体を用いた表面処理方法
　本発明は、ノズル組立体及びこのノズル組立体を用いた表面処理方法に係り、特に、圧縮空気と混合された噴射材を固気二相流として噴射して被加工物の表面を処理するためのノズル組立体このノズル組立体を用いた表面処理方法に関する。
　噴射材として「砥粒（ブラスト）」や「ショット」や「皮膜形成材料等の粉粒体」を圧縮空気と共に被加工物に向けて噴射して被加工物の表面処理（ブラスト加工、ショットピーニング、皮膜形成、等）を行なうことは、古くから知られている。このような被加工物の表面処理を行なうためのノズル組立体として、噴射材が装填された圧力容器を圧縮空気等で加圧して噴射材を圧縮空気流に送り、圧縮空気と共に固気二相流として噴射する加圧式（特許文献１参照）と、空気ノズルに導入した圧縮空気流により発生した吸引力によって噴射材を吸引し、圧縮空気と共に固気二相流として噴射する吸引式（特許文献２参照）と、が知られている。
　加圧式のノズル組立体は、吸引式のノズル組立体に比べて、噴射材を高速で噴射することができるので、ブラスト加工においては加工能力が高く、また、ショットピーニングにおいては、より深い位置まで圧縮残留応力を付与することができ、さらに、皮膜形成においては、より密着力の高い皮膜を形成することができる。しかしながら、加圧式のノズル組立体は、噴射材の噴射量及び噴射時間が、加圧タンクの容積によって制限されるので、長時間にわたって連続して噴射することができないという問題がある。
　これに対し、吸引式のノズル組立体は、噴射材を貯留する容器を密封する必要がないので、噴射材を連続して噴射できるという利点がある。しかしながら、吸引式のノズル組立体は、大気下にある噴射材を空気と共に吸引するので、圧力損失が生じ、そのため、加圧式のノズルに比べて噴射材の噴射速度が遅いという問題がある。噴射速度を速くするためには、圧縮空気の圧力を高くして圧縮空気の圧力損失分を補うことにより、噴射材の噴射速度を速くすることが考えられる。しかしながら、より強力な圧縮空気供給源が必要になるので設備費用の増大や圧縮空気供給源の稼働エネルギーの増大につながる。
特開平０２－１６０５１４号公報 特開平０８－２６７３６０号公報
　本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、噴射材を被加工物に向けて高速で噴射して、被加工物の表面を処理することができるノズル組立体及びこのノズル組立体を用いた表面処理方法を提供することを目的としている。
　上記の目的を達成するために、本発明は、圧縮空気と混合された噴射材を固気二相流として噴射して被加工物の表面を処理するためのノズル組立体であって、噴射材を吸引する噴射材吸引口とこの吸引した噴射材を圧縮空気と共に噴出する噴出口を備えたノズル本体と、このノズル本体の内部に圧縮空気を噴射する空気ノズルと、有し、ノズル本体は、噴射材吸引口よりノズル本体の内部に吸引された噴射材を空気ノズルから噴射された圧縮空気と混合するための空間を形成する混合室と、噴射材吸引口から混合室に向かう経路である第一の経路と、混合室から噴射口に向かう経路である第二の経路と、を有し、空気ノズルは、その先端に形成された圧縮空気噴射部と、この圧縮空気噴射部に向かう経路である第三の経路と、を備えると共に、この第三の経路が、ノズル本体の第二の経路と同一軸心上に位置し且つ圧縮空気噴射部がノズル本体の混合室に位置するように、ノズル本体に挿入されており、空気ノズルの圧縮空気噴射部には、第三の経路の断面より小さい開口の断面を持つ縮流部が設けられている。
　このように構成された本発明によるノズル組立体においては、空気ノズルの圧縮空気噴射部に縮流部を設けたので、圧縮空気噴射部から噴射される圧縮空気の噴射流の流速が速くなる。また、縮流部により圧縮空気の噴射流の幅方向の膨張が抑制されるので、混合室の壁面との衝突による減速を抑制される。この結果、本発明のノズル組立体によれば、従来のノズル組立体と同等の圧縮空気の流量であっても固気二相流の流速が速くなるので、表面処理の効率が向上する。
　本発明において、好ましくは、空気ノズルの第三の経路は、連続した同一の断面積を有する整流部を備え、この整流部に前記縮流部が連結されており、この整流部の断面積（Ｓ１）に対する前記縮流部の開口の断面積（Ｓ２）の比である断面積比（Ｓ２／Ｓ１）が０．３～０．８に設定されている。
　このように構成された本発明においては、圧縮空気が圧縮空気噴射部の縮流部を通過して噴射される際に、その流れを乱すことなく噴射流の流速を速くすることができる。その結果、本発明によれば、固気二相流の流速を速くなり、表面処理の効率が向上する。
　本発明において、好ましくは、空気ノズルの縮流部における開口の径（Ｄ２）に対する開口の長さ（Ｌ２）の比である縮流部比（Ｌ２／Ｄ２）が０．１～０．５の範囲に設定されている。
　このように構成された本発明においては、圧縮空気噴射部から噴射される圧縮空気の噴射流の直進性を向上させることができ、固気二相流の流速を速くなり、表面処理の効率が向上する。
　本発明において、好ましくは、空気ノズルの整流部の径（Ｄ２）に対する整流部の長さ（Ｌ１）の比である整流部比（Ｌ１／Ｄ２）が２～５０の範囲に設定されている。
　このように構成された本発明においては、圧縮空気の流れが縮流部を通過する前に整流されるので、圧縮空気の噴射流の直進性をより向上させることができ、固気二相流の流速を速くなり、表面処理の効率が向上する。
　本発明において、好ましくは、ノズル組立体は、噴射材としてブラスト加工装置に用いられるブラストを噴射するノズル組立体である。
　このように構成された本発明によれば、ノズル組立体により、噴射材を脈動なく噴射することができる。また、噴射速度が速いので、ブラスト加工能力が高くなる。即ち、本発明のノズル組立体をブラスト加工装置に搭載することにより、効率がよく且つ安定したブラスト加工を行うことができる。
　本発明は、上述したノズル組立体を用いて被加工物の表面を処理する表面処理方法であって、空気ノズルより圧縮空気をノズル本体の混合室に噴射してこの混合室を負圧にする工程と、ノズル本体の混合室の負圧により噴射材をノズル本体の噴射材吸引口より混合室に吸引して空気ノズルから噴射された圧縮空気と混合する工程と、この圧縮空気と混合された噴射材を固気二相流としてノズル本体の噴射口より噴射する工程と、この噴射された噴射材が被加工物の表面に衝突することにより被加工物の表面処理を行う工程と、を有し、空気ノズルにより圧縮空気を噴射する工程において、空気ノズルの縮流部により圧縮空気の噴射流の膨張が抑制されていることを特徴としている。
　本発明において、好ましくは、空気ノズルにより噴射される圧縮空気の噴射流は、外縁に向かって流速が速くなっている。
　このように構成された本発明においては、噴射流の外縁の流速が速くなるので、外縁では直進性が高くなる。したがって、速度の低い中心部で膨張しようとしても外縁での噴射流により膨張が抑制されるので、圧縮空気の噴射流全体としての直進性が向上する。
　本発明のノズル組立体によれば、加圧式の有利点である高い加工能力と、吸引式の有利点である連続処理の双方を満足することができる。これによって、ブラスト加工、ショットピーニング、皮膜形成等の表面処理を乾式で連続して行うことができる。
本発明の実施形態によるノズル組立体を用いたブラスト加工装置を示す正面図である。 図１のII－II線に沿って見た断面図である。 図１のブラスト加工装置の分級機構を示す側面図である。 図３のIV－IV線に沿って見た断面図である。 図１のブラスト加工装置の貯留ホッパ及び噴射材移送機構を示す断面図である。 本発明の実施形態によるノズル組立体を示す部分断面図である。 本発明の実施形態のよるノズル組立体の空気ノズルを示す断面図である。 本発明の実施形態のよるノズル組立体の空気ノズルの縮流部の第１例を示す断面図である。 本発明の実施形態のよるノズル組立体の空気ノズルの縮流部の第２例を示す断面図である。 本発明の実施形態のよるノズル組立体の空気ノズルの縮流部の第３例を示す断面図である。 本発明の実施形態によるノズル組立体における吸引力の変動幅を示すグラフである。
　以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるノズル組立体を説明する。最初に、図１及び図２により、本発明の実施形態によるノズル組立体を用いたブラスト加工装置の概要を説明する。図１は本発明の実施形態によるノズル組立体を用いたブラスト加工装置を示す正面図であり、図２は図２のII－II線に沿って見た断面図である。
　図１及び図２に示すように、ブラスト加工装置１は、ブラスト加工用の本実施形態によるノズル組立体２と、このノズル組立体２を収納する筐体４と、この筐体４の内部を吸引するための吸引機構６と、筐体４の下部に設けられ噴射材を分級するための分級機構８と、分級された噴射材を貯溜するための貯留ホッパ１０と、この貯留ホッパ１０に貯留された投射材をノズル組立体２に移送するための噴射材移送機構１２と、を備えている。
　筐体４は、上部ケーシング１４と、この上部ケーシング１４の下方に設けられた下部ケーシング１６と、この下部ケーシング１６の外側に固定された外枠１８と、を備えている。上部ケーシング１４と外枠１８とは蝶番２０及びラッチ錠２２により連結されており、ラッチ錠２２を開放することにより、上部ケーシング１４が下部ケーシング１６に対して開閉可能となっている。
　上部ケーシング１４と下部ケーシング１６の内部の空間が、ブラスト加工室２４となっている。このブラスト加工室２４に、ノズル組立体２が配置される。
　上部ケーシング１４の正面には、作業部２６が設けられている。この作業部２６は、ブラスト加工室２４に外気を取り込むための吸気口と、ブラスト加工時に作業者がブラスト加工室２４に手を入れるための装入口と、を兼ねている。この作業部２６には、ゴム板２６ａが固定され、このゴム板２６ａには、中心部より放射状に延びる複数本の切込み２６ｂが形成されている。
　ブラスト加工室２４には、ブラスト加工を行う際にワークＷが載置される加工板２８が固定されている。加工板２８には、噴射材を含む粉粒体が通過することができるように複数の開口が設けられている。
　筐体４の正面側には、操作パネル３０と、圧力操作弁３２が取り付けられている。この圧力操作弁３２から供給された圧縮空気は、ホース３４により、ノズル組立体２に供給されるようになっている。また、貯留ホッパ１０の噴射材は、ホース３６により、ノズル組立体２に移送されるようになっている。
　次に、図３及び図４により、分級機構８を詳細に説明する。図３は図１のブラスト加工装置の分級機構を示す側面図であり、図４は図３のIV－IV線に沿って見た断面図である。
　分級機構８は、ブラスト加工室２４の粉粒体を再使用可能な噴射材と粉塵とに分離する機構である。ここでの粉塵は、ブラスト加工で生じた切削粉や衝突により再使用できない大きさになった噴射材等を指す。分級機構８は、ブラスト加工室２４からブラスト加工室２４を吸引する吸引機構６に向かう経路の途中に設けられており、吸引機構６により生じる風力により分離するようになっている。
　ブラスト加工装置１においては、再使用可能な噴射材が粉塵より重い粒子であるので、分級により、再使用可能な噴射材を粉塵から分離している。具体的には、図３に示すように、分級機構８は、縦断面が円形であり一端面（図４では右側）が閉止板３８ａにより閉止されている円筒状の整流部材３８と、図３に示す側面方向からみた縦断面における上方が整流部材３８の径より大きな径の円形であり、下方は下端に向かって間隔が狭まるように伸延され（即ち、下端に向かって横断面の面積が連続して縮小され）、図４に示す正面方向からみた縦断面が縦長の四角形であり、四角形の下端面が開口された形状の分級部材４０と、整流部材３８の内側に整流部材３８と同心状に配設され両端が開口している円筒形状の吸引部材４２と、整流部材３８の側面に設けられた投入部材４４と、を備えている。この吸引部材４２には、上述した吸引機構６が連結されている。
　分級機構８においては、吸引部材４０に連結された吸引機構６の作動により噴射材を含む粉粒体は外気と共に分級機構８に移送され、整流部材３８の内壁面と吸引部材４２の外壁面にて形成される整流部３８ｂにおける整流部材３８の内壁に沿って分級部材４０に向かって螺旋状に流れる。整流部３８ｂを通過した噴射材を含む粉粒体は、更に旋回しながら前進し分級部材４０に到達する。そして、旋回を続けながら減速しつつ更に前進を続ける（図４におけるａ）。減速する際に、重い粒子である再使用可能な噴射材は重力により分級部材４０の底部に落下し、分級機構８の底部に固定された貯留ホッパ１０に堆積する（図４におけるｂ）。一方、軽い粒子である再使用できない噴射材やブラスト加工で生じた切削粉は、吸引部材４２より吸引機構６に吸引され、吸引機構６の内部に設けられた捕集フィルタに捕集される（図４におけるｃ）。
　次に、図５により、貯留ホッパ１０及び噴射材移送機構１２を詳細に説明する。図５は図１のブラスト加工装置の貯留ホッパ及び噴射材移送機構を示す断面図である。
　図５に示すように、貯留ホッパ１０には、貯留ホッパ１０に貯留された噴射材をノズル組立体２に移送するための機構である噴射材移送機構１２が配置されている。噴射材移送機構１２は、貯留ホッパ１０の側壁（図５では左側壁）を貫通するように固定された円管状の噴射材取出管４６と、貯留ホッパ１０における噴射材取出管４６と対向する側壁（図５では右側壁）を貫通するように固定された円管状の外気導入管取付部材４８と、外気導入管取付部材４８に挿貫して固定された円管状の外気導入管５０と、を備えている。噴射材取出管４６は上述したホース３６を介してノズル組立体２の後述する噴射材吸引口７０（図６参照）に連結されている。
　この噴射材取出管４６の内部には、ノズル組立体２の内部で発生した吸引力により、ノズル組立体２に向かって流れる気流が発生する。その際、外気導入管５０より外気が吸引される。即ち、外気導入管５０の先端では外気流が噴射された状態となる。この気流によって噴射材取出管４６の右端近傍では噴射材吸引口７０に向かう気流が発生する。この気流に乗って、貯留ホッパ１０内の噴射材は噴射材取出管４６に吸引され、ノズル組立体２に移送されるようになっている。
　次に、図６乃至図１０により、本発明の実施形態によるノズル組立体２について詳細に説明する。図６は本発明の実施形態によるノズル組立体を示す部分断面図であり、図７は本発明の実施形態のよるノズル組立体の空気ノズルを示す断面図であり、図８乃至図１０は、それぞれ、本発明の実施形態のよるノズル組立体の空気ノズルの縮流部の第１例、第２例、第３例を示す断面図である。
　図６に示すように、本実施形態のノズル組立体２は、ノズル本体６０と、このノズル本体６０の内部に圧縮空気を噴射する空気ノズル６２と、を備えている。ノズル本体６０は、ノズルホルダ６４と、このノズルホルダ６４の一端側（図３では下端面側）より挿嵌して固定された円筒形状の噴射ノズル６６を備えている。このノズル本体６０のノズルホルダ６４の他端側（図３では上端面側）には、空気ノズル６２が挿嵌して固定される。ノズル本体６０の内部の空気ノズル６２の下端と噴射ノズル６６の上端の近傍には、ノズル本体６０の内部の空間を形成する混合室６８が設けられている。
　ノズルホルダ６４の上部には、噴射材を吸引するための噴射材吸引口７０及びこの噴射材吸引口７０から混合室６８に向かう経路である第一の経路７２が形成されている。
　噴射ノズル６６には、その下端に固気二相流を噴射するための円形の噴射口７４が形成され、さらに、混合室６８から噴射口７４に向かう経路である第二の経路７６が形成されている。
　ノズル本体６０において、上述した噴射材吸引口７０、第一の経路７２、混合室６８、第二の経路７６、噴射口７４は、連通されている。
　図７に示すように、空気ノズル６２は、円筒形状であり、その内部には圧縮空気の経路である第三の経路７８が形成され、さらに、圧縮空気が噴射される先端（図７における下端）に圧縮空気噴射部８０が設けられている。空気ノズル６２の第三の経路７８は、連続した径を持つ圧縮空気導入部８２と、この圧縮空気導入部８２と連通し先端に向かって徐々に縮径する加速部８４と、この加速部８４に連通し径が一定の整流部８６と、を備えている。なお、圧縮空気導入部８２の断面積と整流部８６の断面積の差が、圧縮空気の流れが阻害されない程度の大きさであれば、加速部８４を省略してもよい。
　空気ノズル６２は、その圧縮空気噴射部８０がノズル本体６０の混合室６８に位置するように、ノズルホルダ６４に挿嵌して固定されている。空気ノズル６２の他端（図６及び図７における上端）はホース３４及び圧力調整弁３２を介して圧縮空気供給源（図示せず）と連結されており、圧縮空気供給源の作動により圧縮空気が混合室６８に噴射されるようになっている。この噴射流は周囲の空気を巻き込みながら直進するため、混合室６８は負圧となり、吸引力が発生する。この吸引力は圧縮空気噴射部８０と噴射ノズル６６の内壁面との距離によって大きさが変わるので、最適な吸引力となるように空気ノズル６２を上下方向に移動させて調整し、図示しないボルト等でノズルホルダ６４に固定する。この吸引力により、噴射材は噴射材吸引口７０より混合室６８に向かって吸引される。混合室６８に到達した噴射材は、圧縮空気と混合され、この混合された圧縮空気と噴射材は、第二の経路７６を通り、噴射口７４より固気二相流として噴射される。
　ここで、従来の装置では、圧縮空気噴射部より圧縮空気が噴射する際、噴射直後に噴射流が膨張して混合室の壁面に衝突し、噴射のエネルギーの損失が発生していた。この噴射のエネルギーの損失により、噴射材を吸引するための吸引力及び固気二相流の流速が低下し、加工能力が低下していた。このエネルギーの損失を抑えるために、本実施形態のノズル組立体２においては、整流部８６近傍の第三の経路７８の断面積より小さな円形の開口を持つ縮流部８８が圧縮空気噴射部８０に設けられている。縮流部８８の開口径が小さいので、整流部８６を通過した圧縮空気が縮流部８８において加速される。更に、縮流部８８を通過して噴射された圧縮空気は、外縁ほど流速が速く、且つ直進性が高い。これは、第三の経路７８を通過した圧縮空気が縮流部８８において急激に圧縮され、この圧縮により、圧縮空気の流れの外縁が相対的に加速されるためである。よって、圧縮空気噴射部８０から噴射される噴射流の中心部が幅方向に膨張しようとしても外縁の噴射流がこれを抑えるので、圧縮空気全体で直進性が向上し、混合室６８の壁面との衝突によるエネルギーの損失を抑えることができる。
　空気ノズル６２において、整流部８６の断面積Ｓ１に対する縮流部８８の開口の断面積Ｓ２の比である断面積比（Ｓ２／Ｓ１）が小さすぎると圧縮空気が縮流部８８を通過する際に抵抗となり、大きすぎると圧縮空気が縮流部８８を通過する際に加速することができない。圧縮空気を良好に加速するためには、整流部８６の断面積Ｓ１に対する縮流部８８の開口の断面積Ｓ２の比である断面積比（Ｓ２／Ｓ１）を０．３～０．８の範囲に設定することが好ましい。
　縮流部８８を圧縮空気が通過する際、圧縮空気は直進するように整流される。しかし、縮流部８８が長すぎると圧縮空気が通過する際に抵抗となり、噴射速度が低下する。したがって、縮流部８８における開口の径Ｄ２に対してこの開口の長さＬ２は、圧縮空気の噴射流の直進性が得られる程度に可及的に短い方が好ましい。このため、本実施形態においては、空気ノズル６２において、縮流部８８における開口の径Ｄ２に対するこの開口の長さＬ２の比である縮流部比（Ｌ２／Ｄ２）は０．１～０．５の範囲に設定することが好ましい。
　また、空気ノズル６２の第三の経路７８は上述したように整流部８６を備えているので、圧縮空気噴射部８０より噴射される圧縮空気の直進性が更に向上し、それにより、ブラスト加工の能力がさらに向上する。更に、整流部８６により、噴射流の脈動（衝撃波）の発生を抑えることができるので、混合室６８で発生する吸引力は一定となる。従って、ノズル本体６０の噴射材吸引口７０から吸引される噴射材の吸引量が常に一定となるので、安定したブラスト加工を行うことができる。これらの効果を得るには、整流部８６の径Ｄ１に対する整流部の長さＬ１の比である整流部比（Ｌ１／Ｄ１）を２～５０の範囲に設定することが好ましい。
　縮流部８８の形状は図７及び図８に示された入口側と他の部分が同一の径の形状に限定されず、例えば、図９に示すような、入口側がテーパ形状であり径が拡大されているような形状でもよく、さらに、図１０に示すような、入口側がＲ形状であり径が拡大されているような形状でもよい。
（ブラスト加工方法）
　次に、本実施形態によるノズル組立体２を備えたブラスト加工装置１によるブラスト加工方法について説明する。
　最初に、操作パネル３０を操作し、吸引機構６を作動させて、ブラスト加工室２４内を吸引する。次に、ラッチ錠２２を開錠し、上部ケーシング１４を開ける。次に、所定量の噴射材をブラスト加工室２４に投入し、噴射材を分級機構８を介して貯留ホッパ１０に移送する。その後、上部ケーシング１４を閉め、ラッチ錠２２にて施錠して上部ケーシング１４と下部ケーシング１６とを固定し、ブラスト加工室２４を閉じられた空間とする。ブラスト加工室２４は、吸引機構６により吸引されているので負圧となり、外気が作業部３６よりブラスト加工室２４に流入する。この外気の流れにより、後述するようにノズル組立体２より噴射材を噴射しても、噴射材を含む粉粒体（噴射材及び粉塵）はブラスト加工室２４の外部に漏出することがない。
　噴射材は、ブラスト加工で一般的に用いられる粉粒体であればよい。例えば、噴射材として、鉄系及び非鉄金属系のショット及びカットワイヤ及びグリッド、セラミックスの粒子（例えば、アルミナや炭化珪素やジルコン等）、ガラスの粒子、樹脂の粒子（例えば、ナイロン樹脂やメラミン樹脂やユリア樹脂等）、植物種子の粒子（例えば、くるみやピーチ等）、等を用いることができる。
　作業者は、手袋を装着し、作業部２６より手を差し入れて、ノズル組立体２を把持する。次に、フットスイッチ（図示せず）を「ＯＮ」操作して噴射材を含む固気二相流を噴射口７４より噴射する。その際、作業者は、圧力調整弁３２を操作して、所定の噴射圧力となるように調整した後、フットスイッチを「ＯＦＦ」操作して噴射材の噴射を停止し、手を作業部２６から抜出する。
　次に、ラッチ錠２２を開錠し、上部ケーシング１４を開け、加工板２８上にワークＷを載置した後、上部ケーシング１４を閉め、ラッチ錠２２にて施錠して上部ケーシング１４と下部ケーシング１６とを固定する。
　作業者は、操作パネル３０し、作業部２６より手を差し入れて、ノズル組立体２及び加工板２８上に載置されたワークＷを把持した後、フットスイッチを「ＯＮ」操作して固気二相流を噴射口７４より噴射する。そして、手袋を介して作業者自身でワークＷを噴射口７４に対して走査することで、ワークＷの研掃が行われる。このワークＷの研掃は、加工精度が要求される場合には、作業者が、ワークＷを加工板２８に手で押さえて固定した状態でノズル１０装置を水平方向に移動させて加工し、一方、加工精度の要求が高くない場合には、作業者が、ノズル１０装置をワークＷに近づけたり遠ざけたりして加工するようにしてもよい。
　噴射口７４より噴射された噴射材を含む粉粒体は吸引機構６の吸引力によって分級機構８に移送される。分級機構８において、再使用可能な噴射材と粉塵とに分離され、この再使用可能な噴射材は貯留ホッパ１０に堆積される。貯留ホッパ１０に堆積された再使用可能な噴射材は、噴射材移送機構１２によりノズル組立体２に移送され、再び噴射口７４より噴射される。一方、重量の軽い粉塵は、吸引機構６に吸引され、吸引機構６内の捕集フィルタに捕集される。
　固気二相流をワークＷに向けて所定の時間噴射したら、フットスイッチを「ＯＦＦ」操作して固気二相流の噴射を停止し、手を作業部２６から抜出する。その後、ラッチ錠２２を開錠し、上部ケーシング１４を開け、ワークＷを回収する。このワークＷに付着した噴射材や粉塵を除去して一連のブラスト加工が完了する。
　次に、本実施形態によるノズル組立体１０による効果を確認するために行なった実施例及び参考例を使用した実験の結果について説明する。
（実施例１）
　本実施形態によるノズル組立体２において、
（１）整流部８６の断面積（Ｓ１）に対する縮流部８８の開口の断面積（Ｓ２）の比（断面積比：Ｓ２／Ｓ１）、
（２）縮流部８８の開口の径（Ｄ２）に対する開口の長さ（Ｌ２）の比（縮流部比：Ｌ２／Ｄ２）、
（３）縮流部８８の径（Ｄ２）に対する整流部の長さ（Ｌ１）の比（整流部比：Ｌ１／Ｄ２）を、
それぞれを変化させて、噴射材吸引口７０における吸引力を測定した。以下、その測定結果について説明する。実施例１では、吸引力として、ノズル組立体２の吸引力の最大値を示した「最大静圧」及び噴射の吸引力の安定性（脈動の程度）を示す「静圧の変動幅」を測定した。
　最大静圧は噴射材吸引口７０を閉止し、ここに圧力センサ（キーエンス株式会社製；ＡＰ－４４）を接続し、圧縮空気（０．２ＭＰａ）を空気ノズル６２からに１０分間噴射したときの平均値とした。
　また、噴射材吸引口７０の側面に孔を設け、ここに圧力センサ（キーエンス株式会社製；ＡＰ－４４）を接続し、圧縮空気（０．２ＭＰａ）を空気ノズル６２から１０分間噴射すると共に噴射材吸引口７０に吸引力を発生させた。噴射材を１ｋｇ／ｍｉｎで噴射材吸引口７０に投入し、吸引力により混合室６８に吸引させたときの静圧を測定した。この測定値を、１０分間の平均圧力に対する圧力の最大値及び最小値を％にて示し、これを静圧の変動幅とした。
　測定結果を表１及び図１１に示す。最大静圧は－４０ｋＰａであれば、概ね噴射材の種類を問わず良好に吸引することができることを確認した。実施例１－１～１－７の条件においては、良好に吸引できることが確認された。また、変動幅は±５％以内であれば噴射が脈動しないため仕上がり程度に影響を及ぼすことがなく、実施例１－１～１－７の条件においても良好に吸引できることも確認された。
　一方、断面積比（Ｓ２／Ｓ１）、縮流部比（Ｌ２／Ｄ２）、整流部比（Ｌ１／Ｄ２）が上述した範囲を逸脱している比較例１－１～１－６においては、最大静圧の不足又は変動幅の基準からの逸脱が生じていた。しかし、吸引力については比較的軽い噴射材（例えば、粒子径が１００μｍ以下の金属系の噴射材、粒子径が２００μｍ以下のセラミックス系の噴射材、ガラス粒子、樹脂の粒子、植物系の粒子、等）については良好に吸引できる吸引力であった。また、変動幅については、仕上げ程度の厳密な管理が要求されない加工（例えば、バリ取り、鋳物の砂落とし、面粗し等）については問題なく加工できる変動幅であった。即ち、断面積比（Ｓ２／Ｓ１）、縮流部比（Ｌ２／Ｄ２）、整流部比（Ｌ１／Ｄ２）が上述した範囲内であれば、条件を選ばず良好に噴射材を安定して吸引できるが、たとえ上述した範囲を逸脱していても条件次第ではブラスト加工を行うことができることが示唆された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
（実施例２）
　実施例１における実施例１－１、１－４、１－５のノズル（以降、順に「ノズルＡ」「ノズルＢ」「ノズルＣ」と記す）を用いてブラスト加工を行った結果について説明する。アルミナ質の砥粒（新東工業株式会社製：ＡＦ１２０（平均粒径１２５μm））を噴射材とし、ワーク（６０×６０×ｔ６ｍｍのＳＳ４００材）に向けて１分間噴射した。なお、噴射口７４とワークＷとの距離は１００ｍｍとし、噴射圧力を０．２～０．４ＭＰａとした。加工前後のワークＷの重量を電子天秤（株式会社エー・アンド・デイ製：ＧＨ－２００）にて測定し、切削量を算出した。また、従来の吸引式のノズル組立体（本実施形態における縮流部８８が設けられていない）を用いて同様の加工及び測定を行い、切削量を算出した。これらの切削量から、次式を用いて、加工効率を算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　結果を表２に示す。実施例２-１～実施例２－９として示すように、いずれの条件においても加工効率が１００％を超えており、従来のノズル組立体より加工能力が向上していることが確認された。また、本実施形態のノズル組立体２は、噴射圧力が低いほど、加工効率の向上が顕著に表れた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　上述の実施形態では、本発明のノズル組立体をブラスト加工に適用した場合を例に説明したが、本発明のノズル組立体は、その他の表面処理にも適用することができる。例えば、噴射材として鋼鉄または非鉄金属のショットを被加工物に向けて高速で噴射することにより、被加工物の塑性変形による加工硬化や圧縮残留応力の付与を行う「ショットピーニング」処理に適用することができる。他の例として、皮膜形成材料の粉粒体（例えば、錫や亜鉛やアルミニウム等の金属、二硫化モリブデンや酸化金属等の金属化合物、等）を被加工物に向けて高速に噴射することにより、該粉粒体の塑性変形により被加工物に皮膜を形成する「皮膜形成」処理に適用することができる。
　１　ブラスト加工装置
　２　ノズル組立体
　４　筐体
　６　吸引装置
　８　分級機構
１０　貯留ホッパ
１２　噴射材移送機構
１４　上部ケーシング
１６　下部ケーシング
２４　ブラスト加工室
２６　作業部
２８　加工板
６０　ノズル本体
６２　空気ノズル
６４　ノズルホルダ
６６　噴射ノズル
６８　混合室
７０　噴射材吸引口
７２　第一の経路
７４　噴射口
７６　第二の経路
７８　第三の経路
８０　圧縮空気噴射部
８２　圧縮空気導入部
８４　加速部
８６　整流部
８８　縮流部

Claims (7)

  1. 　圧縮空気と混合された噴射材を固気二相流として噴射して被加工物の表面を処理するためのノズル組立体であって、
    　噴射材を吸引する噴射材吸引口とこの吸引した噴射材を圧縮空気と共に噴出する噴出口を備えたノズル本体と、
    　このノズル本体の内部に圧縮空気を噴射する空気ノズルと、有し、
    　前記ノズル本体は、前記噴射材吸引口より前記ノズル本体の内部に吸引された噴射材を前記空気ノズルから噴射された圧縮空気と混合するための空間を形成する混合室と、前記噴射材吸引口から前記混合室に向かう経路である第一の経路と、前記混合室から前記噴射口に向かう経路である第二の経路と、を有し、
    　前記空気ノズルは、その先端に形成された圧縮空気噴射部と、この圧縮空気噴射部に向かう経路である第三の経路と、を備えると共に、この第三の経路が、前記ノズル本体の第二の経路と同一軸心上に位置し且つ前記圧縮空気噴射部が前記ノズル本体の混合室に位置するように、前記ノズル本体に挿入されており、
    　前記空気ノズルの圧縮空気噴射部には、前記第三の経路の断面より小さい開口の断面を持つ縮流部が設けられている、ノズル組立体。
  2. 　前記空気ノズルの第三の経路は、連続した同一の断面積を有する整流部を備え、この整流部に前記縮流部が連結されており、この整流部の断面積（Ｓ１）に対する前記縮流部の開口の断面積（Ｓ２）の比である断面積比（Ｓ２／Ｓ１）が０．３～０．８に設定されている請求項１記載のノズル組立体。
  3. 　前記空気ノズルの縮流部における開口の径に対する開口の長さの比である縮流部比が０．１～０．５に設定されている請求項１又は２に記載のノズル組立体。
  4. 　前記空気ノズルの整流部の径に対する整流部の長さの比である整流部比が２～５０に設定されている請求項２又は３に記載のノズル組立体。
  5. 　前記ノズル組立体は、噴射材としてブラスト加工装置に用いられるブラストを噴射する請求項１乃至４の何れか１項に記載のノズル組立体。
  6. 　請求項１乃至４の何れか１項に記載のノズル組立体を用いて被加工物の表面を処理する表面処理方法であって、
    　前記空気ノズルより圧縮空気を前記ノズル本体の混合室に噴射してこの混合室を負圧にする工程と、
    　前記ノズル本体の混合室の負圧により噴射材を前記ノズル本体の噴射材吸引口より混合室に吸引して前記空気ノズルから噴射された圧縮空気と混合する工程と、
    　この圧縮空気と混合された噴射材を固気二相流として前記ノズル本体の噴射口より噴射する工程と、
    　この噴射された噴射材が前記被加工物の表面に衝突することにより被加工物の表面処理を行う工程と、を有し、
    　前記空気ノズルにより圧縮空気を噴射する工程において、前記空気ノズルの縮流部により圧縮空気の噴射流の膨張が抑制されていることを特徴とする表面処理方法。
  7. 　前記空気ノズルにより噴射される圧縮空気の噴射流は、外縁に向かって流速が速くなっている請求項６に記載の表面処理方法。
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