WO2024004035A1 - キャビテーション装置及びキャビテーション処理方法 - Google Patents

キャビテーション装置及びキャビテーション処理方法 Download PDF

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cavitation
fluid
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direction switching
workpiece
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洋雄 上坂
章 佐藤
世一 徳道
純 澤越
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株式会社スギノマシン
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P17/00—Metal-working operations, not covered by a single other subclass or another group in this subclass

Definitions

  • the present invention relates to a device and a cavitation treatment method for performing cavitation treatment on the surface of a component.
  • Cavitation treatment is a general term for surface treatment, peening, cleaning, peeling, cutting, deburring, etc.
  • a system for surface treatment of the inner surface of a part a tank in which the part can be positioned, a fluid in the tank, which can submerge the part when the part is positioned in the tank.
  • a system is disclosed having a deflection tool having a deflection surface redirecting from a first direction to a second direction, the first direction being away from an inner surface of the part and the second direction being toward an inner surface of the part.
  • the cavitation treatment will occur not at the targeted position of the workpiece, but around the targeted position. Sometimes I put it away.
  • the cavitation fluid injected from the nozzle in the liquid contains cavitation bubbles. It is known that cavitation bubbles temporarily remain in the liquid. Even if cavitation fluid collides with a workpiece in a state in which cavitation bubbles are dispersed, it is not possible to impart an optimal cavitation effect (residual stress, etc.) to a targeted position on the workpiece. That is, even if the cavitation fluid is made to collide with the workpiece in a state in which cavitation bubbles are dispersed, the number of times of processing is increased and a long time is required in order to provide the optimum cavitation effect at the targeted position of the workpiece.
  • An object of the present invention is to provide a cavitation treatment device and a cavitation treatment method that provide an optimal cavitation effect (residual stress, etc.) at an appropriate treatment position.
  • the cavitation treatment device of the present invention includes: a nozzle that injects cavitation fluid; a direction switching section that changes the flow direction of the cavitation fluid, the direction switching section having a groove section that guides the flow direction of the cavitation fluid and suppresses diffusion of cavitation bubbles inherent in the cavitation fluid; a work fixing part for placing the work; has.
  • the cavitation treatment method of the present invention includes: Injecting cavitation fluid (C1) from a nozzle (2), guiding the flow direction of the cavitation fluid (C1) injected from the nozzle (2), and suppressing the diffusion of cavitation bubbles (C2) inherent in the cavitation fluid (C1) in the groove (5); The cavitation bubbles (C2) induced in the groove (5) are made to collide with the workpiece (W).
  • an optimal cavitation effect (residual stress, etc.) can be given to an appropriate treatment position.
  • a side view showing the cavitation treatment device of the first embodiment A perspective view showing the cavitation treatment device of the first embodiment during normal times.
  • a perspective view showing the groove portion of the first embodiment (a) is a diagram showing a triangular groove, and (b) is a diagram showing an arc-shaped groove.
  • a perspective view showing the groove portion of modification 1 A perspective view showing the groove portion of modification 2
  • a perspective view showing a cavitation treatment device according to a second embodiment A perspective view showing a cavitation treatment device according to a third embodiment Diagram showing test results of Comparative Example 1 Diagram showing test results of Example 1 Diagram showing measurement results of residual stress in Comparative Example 1 and Example 1
  • the cavitation treatment apparatus 1 of this embodiment performs cavitation treatment on the surfaces of high-performance members used in the nuclear energy field, general metal members, and the like.
  • the cavitation treatment device 1 includes a nozzle 2, a direction switching section 3, a workpiece fixing section 6, and an angle adjustment section 7.
  • Nozzle 2 injects cavitation fluid C1.
  • the direction switching unit 3 changes the flow direction of the cavitation fluid C1.
  • the workpiece fixing section 6 arranges the workpiece W in the flow direction of the cavitation fluid C1 supplied from the direction switching section 3.
  • the angle adjustment section 7 adjusts the angle of the workpiece fixing section 6.
  • the direction switching section 3 has a groove section 5 .
  • the groove portion 5 guides the flow direction of the cavitation fluid C1 and suppresses the diffusion of cavitation bubbles C2 forming the cavitation fluid C1.
  • the nozzle 2 injects cavitation fluid C1 supplied from a high-pressure fluid supply source (not shown).
  • a high-pressure fluid supply source not shown.
  • the direction switching unit 3 primarily receives the flow of the cavitation fluid C1. Therefore, in order to prevent the surface of the direction switching section 3 from being eroded or damaged by cavitation, the surface of the direction switching section 3 is preferably made of a material with high strength.
  • the groove portion 5 has a shape that guides the flow direction of the cavitation fluid C1 and suppresses the diffusion of cavitation bubbles C2 that constitute the cavitation fluid C1. As shown in FIG. 4, when the cavitation fluid C1 collides with the groove portion 5 arranged on the surface of the direction switching portion 3, the flow direction of the cavitation fluid C1 is switched.
  • the shape of the groove portion 5 is preferably an uneven shape. Since the groove portion 5 has an uneven shape, the cavitation bubbles C2 easily enter the concave portions, and a state in which the cavitation bubbles C2 are difficult to diffuse is easily created, and the cavitation effect (residual stress, etc.) is improved. Furthermore, since it is easy to create a state in which the cavitation bubbles C2 are difficult to diffuse, the cavitation treatment of the workpiece W can be performed in a shorter time than conventionally.
  • the shape, width, depth, number, etc. of the groove portion 5 are not limited, and may be any shape that functions as a flow path for the cavitation fluid C1.
  • the triangular shape shown in FIG. 5(a), the circular arc shape shown in FIG. 5(b), etc. can be selected as appropriate.
  • the groove portion 5 is a flow path that guides the cavitation fluid C1 to the workpiece W.
  • the cavitation fluid C1 can be caused to directly collide with the workpiece W.
  • the groove portion 5 When a single concave groove or circular arc groove is formed in the groove portion 5, by making the groove width relatively wide, the cavitation fluid C1 can be made to collide with the workpiece W as one flow, and a locally higher cavitation effect can be obtained. It will be done.
  • the groove portion 5 has a groove width W1 and a groove height H1. By making the groove width W1 and the groove height H1 larger than the diameter WC of the cavitation fluid C1, diffusion of the cavitation bubbles C2 is suppressed.
  • the cavitation fluid C1 can be made to collide with the workpiece W as a plurality of flows, and a higher cavitation effect can be obtained over a wide width.
  • a plurality of grooves 5 are formed in the direction switching section 3.
  • the cavitation fluid C1 injected from the nozzle 2 branches into a plurality of grooves 5, and the flow direction of the branched cavitation fluid C1 is guided to each groove 5.
  • the diameter WC of the cavitation fluid C1 flowing through each groove portion 5 branches into diameters WC2 to WC8, and collides with the workpiece W below the groove height H1.
  • the groove portion 5 is a flow path that guides the cavitation fluid C1 to the workpiece W, but in order to guide the cavitation fluid C1 more easily, it is desirable to tilt the nozzle 2.
  • the inclination angle of the nozzle 2 is adjusted within the range of 0 to 180°. By tilting the nozzle 2, cavitation effects are suppressed from being imparted to the groove portion 5.
  • the cavitation fluid C1 can be made to flow only in the direction of the work W by having the groove portion 5 have a slope portion 5a.
  • a collision distance adjustment section 8 is arranged in the direction switching section 3, as shown in FIGS. 2 and 3.
  • the collision distance adjustment unit 8 adjusts the collision distance of the cavitation fluid C1 to the workpiece W.
  • the collision distance adjustment section 8 adjusts the width and length of the direction switching section 3 in the front, rear, left and right directions.
  • FIG. 2 shows the collision distance adjustment section 8 of the cavitation treatment apparatus 1 in normal operation.
  • FIG. 3 shows the cavitation treatment device 1 in a state where the width of the collision distance adjustment section 8 is narrowed by adjusting it with the collision distance adjustment section switch 8a.
  • the specific internal structure of the collision distance adjustment section 8 includes a slide mechanism and a cylinder mechanism. Further, the collision distance adjustment section switch 8a may be either a manual type or an automatic type.
  • the collision distance adjustment unit 8 adjusts the collision distance according to cavitation processing conditions.
  • the direction switching section 3 may have a unit structure and a plurality of direction switching sections 3 may be arranged.
  • the collision distance adjustment unit 8 causes an optimal amount of cavitation bubbles C2 (aggregation thereof) to collide with the workpiece W, thereby performing cavitation processing.
  • the workpiece fixing section 6 fixes the workpiece W.
  • the workpiece fixing section 6 is, for example, one that fixes the end of the workpiece W with fasteners such as a plurality of bolts, or one that fixes a part of the workpiece W by sandwiching it therein.
  • the angle adjustment section 7 adjusts the inclination angle of the workpiece W.
  • the angle adjustment section 7 is connected to the workpiece fixing section 6.
  • the angle adjustment section 7 is connected to the lower part of the workpiece fixing section 6, for example.
  • the angle adjustment section 7 is positioned at an angle of 0 to 180 degrees, more preferably 45 to 135 degrees, by adjusting the angle adjustment section switch 7a.
  • the specific internal structure of the angle adjustment section 7 includes a slide mechanism and a cylinder mechanism. Further, the angle adjustment section switch 7a may be either a manual type or an automatic type.
  • An elevating section 9 may be arranged below the direction switching section 3.
  • the elevating support section 9b expands and contracts by adjusting the elevating section adjustment switch 9a, thereby adjusting the height of the direction switching section 3.
  • the elevating section 9 has a slide mechanism and a cylinder mechanism.
  • the elevating section 9 adjusts the height of the direction switching section 3 according to cavitation processing conditions.
  • the elevating section 9 causes the cavitation bubbles C2 to collide with the workpiece W at a targeted position in the vertical direction, thereby performing cavitation treatment.
  • a secondary direction switching section 4 may be provided to further change the flow direction of the cavitation fluid C1 switched by the direction switching section 3.
  • the secondary direction switching section 4 is fixed to the workpiece fixing section 6, for example.
  • the secondary direction switching section 4 may have a groove like the direction switching section 3. In that case, the groove of the secondary direction switching section 4 may change the flow direction of the cavitation fluid C1 within the plane.
  • control device 12 may have a control device 12 that can adjust the amount of cavitation bubbles C2.
  • cavitation bubbles C2 are affected by temperature changes.
  • the control device 12 is, for example, a commercially available temperature adjustment device. The optimum temperature is 40 to 50° C., but the control device 12 adjusts the temperature depending on the environment in the liquid and the cavitation effect desired for the workpiece.
  • the workpiece fixing section 6 may include a rotation mechanism 10 that supports or rotates the workpiece W, as shown in FIGS. 8 and 9.
  • the rotation mechanism 10 has, for example, a rotation shaft in an axially symmetrical shape (for example, a cylinder, a round bar, etc.) that can be inserted into and fixed at the center of the workpiece W, and rotates the rotation shaft as driven by a drive source (not shown). do.
  • a drive source not shown.
  • the cavitation treatment position can be sequentially changed by the rotation mechanism 10. This eliminates the need to fix the workpiece W each time, reducing the working time.
  • FIG. 8 in addition to the method of fixing the workpiece W only by the rotation shaft of the rotation mechanism 10, as shown in FIG.
  • the cavitation treatment may be performed with both ends of the substrate supported.
  • the rotation shaft of the rotation mechanism 10 may be configured to adjust its position with respect to the workpiece fixing part 6 or the workpiece W.
  • the rotation axis of the rotation mechanism 10 may be arranged on the upstream side of the workpiece fixing part 6 (on the direction switching part 3 side), the cavitation fluid C1 whose flow direction is guided in the groove part 5 collides with the workpiece W over a short distance. do.
  • the rotation axis of the rotation mechanism 10 on the downstream side of the workpiece fixing part 6 (the side away from the direction switching part 3), the cavitation fluid C1 whose flow direction is guided in the groove part 5 can flow over a long distance to the workpiece W. collide with The position of the rotation axis of the rotation mechanism 10 is appropriately selected depending on the relationship with the distance from the nozzle 2 to the direction switching section 3 and the groove section 5.
  • First embodiment: one-step direction switching First, the fixing work of the workpiece W and the conditions for cavitation treatment are performed. First, the length and height of the direction switching section 3 are adjusted by the collision distance adjustment section 8 and the lifting section 9, and the workpiece W is fixed to the workpiece fixing section 6. Next, the angle of the angle adjustment section 7 is set to an optimal condition among 0 to 180 degrees, more preferably 45 to 135 degrees, and fixed. Note that before or after this fixing work, the tank T is filled with liquid (for example, water). By performing the cavitation treatment in the liquid, the cavitation bubbles C2 (aggregates thereof) can be stably enclosed in the groove portion 5. Therefore, an optimal amount of cavitation bubbles C2 are caused to collide with the workpiece W, and an optimal cavitation effect can be obtained.
  • liquid for example, water
  • a high-pressure water supply source (not shown) is activated, the position of the nozzle 2 is fixed, and the cavitation fluid C1 is injected from the nozzle 2 toward the direction switching unit 3.
  • the injected cavitation fluid C1 collides with the groove portion 5 of the direction switching portion 3 and is decelerated.
  • Cavitation treatment is performed by entering the cavitation fluid C1 into the recess of the groove portion 5, advancing toward the workpiece W, and colliding with the workpiece W.
  • the cavitation fluid C1 is decelerated, and the highly concentrated cavitation bubbles C2 collide with the workpiece W. Therefore, the cavitation treatment is suppressed from being performed at a location that is not a cavitation treatment target due to the speed of the cavitation fluid C1 being too high, and the cavitation treatment can be performed at a targeted position of the workpiece W.
  • the fixing work of the workpiece W and the conditions for cavitation treatment are performed.
  • the length and height of the direction switching section 3 and the secondary direction switching section 4 are adjusted by the collision distance adjustment section 8 and the lifting section 9, and the workpiece W is fixed to the workpiece fixing section 6.
  • the angle of the angle adjustment section 7 is set to an optimal condition among 0 to 180 degrees, more preferably 45 to 135 degrees, and fixed.
  • the tank T is filled with liquid (for example, water).
  • a high-pressure water supply source (not shown) is activated, the position of the nozzle 2 is fixed, and the cavitation fluid C1 is injected from the nozzle 2 toward the direction switching unit 3.
  • the injected cavitation fluid C1 collides with the groove portion 5 of the direction switching portion 3 and is decelerated.
  • the cavitation fluid C1 enters the recess of the groove portion 5, collides with the secondary direction switching portion 4, and is further decelerated.
  • Cavitation treatment is performed by the cavitation fluid C1 traveling toward the workpiece W along the surface of the secondary direction switching section 4 and colliding with the workpiece W.
  • the cavitation fluid C1 is decelerated, and (an aggregate of) highly concentrated cavitation bubbles collide with the workpiece W. Therefore, the cavitation treatment is suppressed from being performed at a location that is not a cavitation treatment target due to the speed of the cavitation fluid C1 being too high, and the cavitation treatment can be performed at a targeted position of the workpiece W.
  • cavitation fluid C1 of 40 MPa supplied from a high-pressure water supply source (not shown) was applied to the verification workpiece W from a nozzle (same as nozzle 2 of this embodiment) without using the cavitation treatment device 1. (aluminum plate) for 15 seconds.
  • the position of the nozzle 2 is fixed using the cavitation treatment device 1, and the cavitation fluid C1 of 40 MPa supplied from a high-pressure water supply source (not shown) is directed from the nozzle 2 toward the direction switching unit 3. It was injected.
  • the cavitation fluid C1 was passed through the groove 5 of the direction switching unit 3 and collided with the verification work W (aluminum plate) for 15 seconds.
  • FIG. 10A shows the results of verification test 1 of comparative example 1.
  • FIG. 10B shows the results of verification test 1 of Example 1. Comparing Comparative Example 1 and Example 1, Example 1 has more dents. It can be assumed that this is because the cavitation bubbles C2 (aggregation of them) in the cavitation fluid C1 were maintained in a state in which they were not diffused, thereby providing an optimal cavitation effect.
  • Verification test 2 Verification Test 1 alone can only judge the superficial (apparent) effect.
  • the residual stress applied to each of the workpieces W subjected to the verification tests of Comparative Example 1 and Example 1 was measured using a commercially available residual stress measuring device.
  • FIG. 11 shows the results of verification test 2.
  • the vertical axis represents the residual stress
  • the horizontal axis represents the depth from the surface of the work W.
  • a tensile effect acts, and as the numerical value increases in the negative direction, a compressive effect acts.
  • the untreated samples are plotted as ⁇ , Comparative Example 1 as ⁇ , and Example 1 as ⁇ . Comparing Comparative Example 1 and Example 1, the compressive stress remains deeper in Example 1.

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Abstract

適切な処理位置に最適なキャビテーション効果を与えるキャビテーション処理装置を提供する。キャビテーション処理装置は、キャビテーション流体Ｃ１を噴射するノズル２と、キャビテーション流体Ｃ１の流れ方向を変える方向切換部３であって、キャビテーション流体Ｃ１の流れ方向を誘導するとともに、キャビテーション流体Ｃ１に内在するキャビテーション気泡Ｃ２の拡散を抑制する溝部５を有する方向切換部３と、ワークＷを配置するワーク固定部６と、を有する。

Description

キャビテーション装置及びキャビテーション処理方法
　本発明は、部品の表面にキャビテーション処理をするための装置及びキャビテーション処理方法に関する。
　従来、航空機部品等の高機能部品に対して、キャビテーション処理をすることによって、各種部品の表面に圧縮残留応力を付加することや、ディンプル形状を形成させることで、摩擦を緩和するとともに潤滑油の保持等が行われる。キャビテーション処理は、表面処理、ピーニング、洗浄、剥離、切断、バリ取り等の総称である。
　しかし、液体（例えば、水）を利用したキャビテーションは、原理的に解明されていないことも多く、キャビテーションを安定的に制御するための方法の確立や装置化は容易ではない。
　例えば、部品の内面を表面処理するためのシステムであって、内部に部品が位置付け可能なタンク、タンク内の流体であって、部品がタンク内に位置付けられたときに、部品を沈めることができる流体、流体内に沈められたノズルであって、第１の方向に向けられたキャビテーション流体の流れを生成するノズル、及び流体内に沈められた偏向ツールであって、キャビテーション流体の流れを、第１の方向から第２の方向に再方向付けする偏向面を有し、第１の方向が部品の内面から離れ、第２の方向が部品の内面に向かう偏向ツールを有する、システムが開示されている。（例えば、特開２０２０－１５７４７０号公報、以下、「特許文献１」参照）。
　特許文献１のように、偏向ツールを利用して、キャビテーション流体の流れ方向を変えることによって、複雑形状のワーク内部にキャビテーション処理をすることができる。しかし、キャビテーション処理対象となるワークの狙った位置に確実にキャビテーションを与えるためには、改良の余地がある。
　例えば、キャビテーション流体を直接ワークに衝突させた場合や、単にキャビテーション流体の流れ方向を変えて直接ワークに衝突させた場合、ワークの狙った位置ではなく、狙った位置の周囲にキャビテーション処理がされてしまうことがある。
　また、液中においてノズルから噴射されたキャビテーション流体は、キャビテーション気泡を内在している。キャビテーション気泡は、一時的に液中に滞留することが知られている。キャビテーション気泡が分散した状態でキャビテーション流体をワークに衝突させても、ワークの狙った位置に最適なキャビテーション効果（残留応力等）を与えることができない。すなわち、キャビテーション気泡が分散した状態でキャビテーション流体をワークに衝突させても、ワークの狙った位置に最適なキャビテーション効果を与えるために、処理回数が多くなり、長い時間を要する。
　本発明は、適切な処理位置に最適なキャビテーション効果（残留応力等）を与えるキャビテーション処理装置及びキャビテーション処理方法を提供することを目的とする。
　本発明のキャビテーション処理装置は、
　　キャビテーション流体を噴射するノズルと、
　前記キャビテーション流体の流れ方向を変える方向切換部であって、前記キャビテーション流体の流れ方向を誘導するとともに、前記キャビテーション流体に内在するキャビテーション気泡の拡散を抑制する溝部を有する方向切換部と、
　ワークを配置するワーク固定部と、
　を有する。
　本発明のキャビテーション処理方法は、
　キャビテーション流体（Ｃ１）をノズル（２）から噴射し、
　前記ノズル（２）から噴射された前記キャビテーション流体（Ｃ１）の流れ方向を誘導するとともに、前記キャビテーション流体（Ｃ１）に内在するキャビテーション気泡（Ｃ２）を溝部（５）での拡散を抑制し、
　前記溝部（５）で誘導された前記キャビテーション気泡（Ｃ２）をワーク（Ｗ）に衝突させる。
　本発明のキャビテーション処理装置及びキャビテーション処理方法によれば、適切な処理位置に最適なキャビテーション効果（残留応力等）を与えられる。
第１実施形態のキャビテーション処理装置を示す側面図 平常時の第１実施形態のキャビテーション処理装置を示す斜視図 衝突距離調整部で調整した状態の第１実施形態のキャビテーション処理装置を示す斜視図 第１実施形態の溝部を示す斜視図 （ａ）は、三角形状の溝部を示す図であり、（ｂ）は、円弧形状の溝部を示す図である。 変形例１の溝部を示す斜視図 変形例２の溝部を示す斜視図 第２実施形態のキャビテーション処理装置を示す斜視図 第３実施形態のキャビテーション処理装置を示す斜視図 比較例１のテスト結果を示す図 実施例１のテスト結果を示す図 比較例１と実施例１の残留応力の測定結果を示す図
　本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
　本実施形態のキャビテーション処理装置１は、原子力分野等で利用される高機能部材や、一般的な金属部材等の表面に対して、キャビテーション処理を行う。キャビテーション処理装置１は、図１および図２に示すように、ノズル２と、方向切換部３と、ワーク固定部６と、角度調整部７と、を有する。ノズル２は、キャビテーション流体Ｃ１を噴射する。方向切換部３は、キャビテーション流体Ｃ１の流れ方向を変える。ワーク固定部６は、方向切換部３から供給されるキャビテーション流体Ｃ１の流れ方向にワークＷを配置する。角度調整部７は、ワーク固定部６の角度を調整する。方向切換部３は、溝部５を有する。溝部５は、キャビテーション流体Ｃ１の流れ方向を誘導するとともに、キャビテーション流体Ｃ１を構成するキャビテーション気泡Ｃ２の拡散を抑制する。
　ノズル２は、高圧流体供給源（不図示）から供給されるキャビテーション流体Ｃ１を噴射する。
　ノズル２から噴射されるキャビテーション流体Ｃ１が方向切換部３の表面に衝突することで、キャビテーション流体Ｃ１の流れ方向が切り換わる。方向切換部３は、キャビテーション流体Ｃ１の流れを一次的に受ける。そのため、方向切換部３の表面がキャビテーションで壊食、損傷することを避けるために、方向切換部３の表面は、強度の高い材質が望ましい。
　溝部５は、キャビテーション流体Ｃ１の流れ方向を誘導するとともに、キャビテーション流体Ｃ１を構成するキャビテーション気泡Ｃ２の拡散を抑制する形状である。
　図４に示すように、キャビテーション流体Ｃ１が方向切換部３の表面に配置される溝部５に衝突することで、キャビテーション流体Ｃ１の流れ方向が切り換わる。
　溝部５の形状は、凹凸形状が望ましい。溝部５が凹凸形状であることにより、凹形状の箇所にキャビテーション気泡Ｃ２が入り込みやすくなり、キャビテーション気泡Ｃ２が拡散しにくい状態を作りやすく、キャビテーション効果（残留応力等）が向上する。さらに、キャビテーション気泡Ｃ２が拡散しにくい状態が作りやすいため、従来よりも短い時間でワークＷのキャビテーション処理を行える。
　なお、溝部５の形状、幅、深さ、個数等は、限定されるものではなく、キャビテーション流体Ｃ１の流路として機能する形状であればよい。例えば、図５（ａ）で示す三角形状や、図５（ｂ）で示す円弧形状等を適宜選択できる。
　溝部５は、ワークＷまでキャビテーション流体Ｃ１を誘導する流路である。直線形状の流路の場合は、ワークＷに対してダイレクトにキャビテーション流体Ｃ１を衝突させることができる。
　溝部５に単数の凹溝や円弧溝を形成した場合は、比較的溝幅を広くすることでキャビテーション流体Ｃ１を１つの流れとしてワークＷに衝突させることができ、局部的により高いキャビテーション効果が得られる。
　具体的には、図４に示すように、溝部５は、溝幅Ｗ１、溝高さＨ１を有する。溝幅Ｗ１と溝高さＨ１をキャビテーション流体Ｃ１の直径ＷＣよりも大きくすることによって、キャビテーション気泡Ｃ２の拡散が抑制される。
　溝部５に複数の凹溝や円弧溝を並列に形成した場合は、キャビテーション流体Ｃ１を複数の流れとしてワークＷに衝突させることができ、広い幅に対してより高いキャビテーション効果が得られる。
　具体的には、図６に示すように、方向切換部３に複数の溝部５を形成する。ノズル２から噴射されたキャビテーション流体Ｃ１は、複数の溝部５に分岐し、分岐したキャビテーション流体Ｃ１の流れ方向は、各溝部５に誘導される。この場合、各溝部５を流れるキャビテーション流体Ｃ１の直径ＷＣは、直径ＷＣ２～８で分岐するとともに、溝高さＨ１以下でワークＷに衝突する。
　その他、直線形状の複数の流路をワークＷに近い箇所で合流させる形状にする場合は、ワークＷに対するキャビテーション処理の幅は狭くなるが、キャビテーション気泡Ｃ２の量が増えるため、より高いキャビテーション効果が得られる。
　また、溝部５は、ワークＷまでキャビテーション流体Ｃ１を誘導する流路であるが、キャビテーション流体Ｃ１をより誘導しやすくするためには、ノズル２を傾斜させることが望ましい。ノズル２の傾斜角度は、０～１８０°の範囲で調整する。ノズル２を傾斜させることによって、溝部５に対してキャビテーション効果が付与されることが抑制される。
　また、ノズル２を傾斜させる方法以外にも、図７で示すように、溝部５が傾斜部５ａを有することで、キャビテーション流体Ｃ１がワークＷの方向だけに流れるようにできる。
　方向切換部３には、図２および図３に示すように、衝突距離調整部８が配置される。衝突距離調整部８は、キャビテーション流体Ｃ１のワークＷまでの衝突距離を調整する。衝突距離調整部８は、方向切換部３の前後左右方向の幅や長さを調整する。図２は、キャビテーション処理装置１の通常時における衝突距離調整部８を示す。図３は、衝突距離調整部用スイッチ８ａで調整することによって、衝突距離調整部８の幅を狭くした状態のキャビテーション処理装置１を示す。具体的な衝突距離調整部８の内部構造としては、スライド機構やシリンダ機構を有する。また、衝突距離調整部用スイッチ８ａは、手動式、自動式どちらでもよい。衝突距離調整部８は、キャビテーションの処理条件に応じて、衝突距離を調整する。その他、方向切換部３をユニット構造として、複数の方向切換部３を配置してもよい。衝突距離調整部８によって、最適な量のキャビテーション気泡Ｃ２（の集合体）をワークＷに衝突させ、キャビテーション処理を行える。
　ワーク固定部６は、ワークＷを固定する。ワーク固定部６は、例えば、ワークＷの端部を複数のボルト等の締結具で固定するものや、ワークＷの一部を挟み込んで固定するものである。
　角度調整部７は、ワークＷの傾斜角度を調整する。角度調整部７は、ワーク固定部６と連結する。角度調整部７は、例えば、ワーク固定部６の下部に連結する。角度調整部７は、角度調整部用スイッチ７ａで調整することによって、０～１８０°、より好ましくは４５～１３５°の角度で位置決めを行う。具体的な角度調整部７の内部構造としては、スライド機構やシリンダ機構を有する。また、角度調整部用スイッチ７ａは、手動式、自動式どちらでもよい。
　方向切換部３の下部に、昇降部９を配置してもよい。昇降部９は、昇降部用調整スイッチ９ａで調整することによって、昇降用支持部９ｂが伸縮し、方向切換部３の高さを調整する。具体的には、昇降部９は、スライド機構やシリンダ機構を有する。昇降部９は、キャビテーションの処理条件に応じて、方向切換部３の高さを調整する。昇降部９によって、上下方向のワークＷの狙った位置に対してキャビテーション気泡Ｃ２をワークに衝突させ、キャビテーション処理を行える。
　方向切換部３で切り換えられたキャビテーション流体Ｃ１の流れ方向を、さらに変える２次方向切換部４を有してもよい。２次方向切換部４は、例えば、ワーク固定部６に固定される。２次方向切換部４は、方向切換部３と同様、溝部を有してもよい。その場合、２次方向切換部４の溝部が、キャビテーション流体Ｃ１の流れ方向を面内で変えてもよい。
　方向切換部３と２次方向切換部４の２段階でキャビテーション流体Ｃ１の流れ方向を調整することによって、キャビテーション流体Ｃ１の速度が最適となる。また、複雑な構成のワークＷに対してキャビテーション処理できるとともに、ワークＷの狙った位置や衝突力の調整等のバリエーションが増える。
　キャビテーション気泡Ｃ２の量を調整することのできる制御装置１２を有してもよい。例えば、液中内において、キャビテーション気泡Ｃ２は、温度変化による影響を受ける。制御装置１２は、例えば、市販の温度調整装置である。最適な温度は、４０～５０℃であるが、液中内の環境やワークに対して求めるキャビテーション効果に応じて、制御装置１２は、温度を調整する。
　ワーク固定部６は、図８および図９に示すように、ワークＷを支持または回転させる回転機構１０を有してもよい。回転機構１０は、例えば、ワークＷの中心に挿入し固定できる軸対称形状（例えば、円筒、丸棒等）の回転軸を有し、駆動源（不図示）の駆動に伴って回転軸を回転する。回転機構１０により、例えば、ワークＷが円筒形の場合にキャビテーションの処理位置を順次変えられる。これにより、ワークＷを都度固定する必要がなくなり、作業時間を短縮できる。図８に示すように、回転機構１０の回転軸のみでワークＷを固定する方法だけでなく、図９に示すように、回転機構１０の回転軸の先端に支持部１１を配置し、ワークＷの両端を支持した状態でキャビテーション処理を行なってもよい。
　また、回転機構１０の回転軸は、ワーク固定部６またはワークＷに対する位置を調整する構成としてもよい。例えば、回転機構１０の回転軸を、ワーク固定部６の上流側（方向切換部３側）に配置することで、溝部５で流れ方向が誘導されたキャビテーション流体Ｃ１が短い距離でワークＷに衝突する。また、回転機構１０の回転軸を、ワーク固定部６の下流側（方向切換部３から離れる側）に配置することで、溝部５で流れ方向が誘導されたキャビテーション流体Ｃ１が長い距離でワークＷに衝突する。こうした回転機構１０の回転軸の位置は、ノズル２から方向切換部３および溝部５の距離との関係性によって、適宜選択する。
　次に、本実施形態のキャビテーション処理工程について説明する。
（第１実施形態：１段階の方向切換）
　最初にワークＷの固定作業とキャビテーション処理の条件出しを行う。まずは、方向切換部３の長さや高さを衝突距離調整部８、昇降部９で調整し、ワークＷをワーク固定部６に固定する。次に、角度調整部７の角度を０～１８０°、より好ましくは４５～１３５°のうち最適な条件を設定し、固定する。
　なお、この固定作業の前または後で、タンクＴ内を液体（例えば、水）で満たす。キャビテーション処理を液中で行うことによって、キャビテーション気泡Ｃ２（の集合体）を安定的に溝部５に囲い入れることに繋がる。そのため、最適な量のキャビテーション気泡Ｃ２をワークＷに衝突させ、最適なキャビテーション効果が得られる。
　次に、高圧水供給源（不図示）を起動し、ノズル２の位置を固定し、ノズル２からキャビテーション流体Ｃ１を方向切換部３に向けて噴射する。噴射されたキャビテーション流体Ｃ１は、方向切換部３の溝部５に衝突し、減速される。溝部５の凹みにキャビテーション流体Ｃ１が入り込んで、ワークＷに向かって進行し、衝突することで、キャビテーション処理が行われる。
　なお、キャビテーション流体Ｃ１は減速した状態で、濃度の高いキャビテーション気泡Ｃ２がワークＷに衝突する。そのため、キャビテーション流体Ｃ１の速度が速すぎてキャビテーション処理対象ではない箇所にキャビテーション処理が行われるのを抑制し、ワークＷの狙った位置にキャビテーション処理を行える。
（第２実施形態：２段階の方向切換）
　最初にワークＷの固定作業とキャビテーション処理の条件出しを行う。まずは、図８に示すように、方向切換部３や２次方向切換部４の長さや高さを、衝突距離調整部８や昇降部９で調整し、ワークＷをワーク固定部６に固定する。次に、角度調整部７の角度を０～１８０°、より好ましくは４５～１３５°のうち最適な条件を設定し、固定する。なお、この固定作業の前または後で、タンクＴ内を液体（例えば、水）で満たす。
　次に、高圧水供給源（不図示）を起動し、ノズル２の位置を固定し、ノズル２からキャビテーション流体Ｃ１を方向切換部３に向けて噴射する。噴射されたキャビテーション流体Ｃ１は、方向切換部３の溝部５に衝突し、減速される。溝部５の凹みにキャビテーション流体Ｃ１が入り込んで、２次方向切換部４に衝突し、さらに減速される。キャビテーション流体Ｃ１が２次方向切換部４の表面に沿ってワークＷに向かって進行し、衝突することで、キャビテーション処理が行われる。
　なお、キャビテーション流体Ｃ１は減速した状態で、濃度の高いキャビテーション気泡（の集合体）がワークＷに衝突する。そのため、キャビテーション流体Ｃ１の速度が速すぎてキャビテーション処理対象ではない箇所にキャビテーション処理が行われるのを抑制し、ワークＷの狙った位置にキャビテーション処理を行える。
　次に、実施形態のキャビテーション処理装置１を利用した場合のキャビテーション効果の検証テストについて、説明する。
（検証テスト１）
　キャビテーション処理装置１を利用しないテスト（比較例１）と、キャビテーション処理装置１を利用するテスト（実施例１）の２種類を行った。
　比較例１では、キャビテーション処理装置１を利用せず、高圧水供給源（不図示）から供給される４０ＭＰａのキャビテーション流体Ｃ１を、ノズル（本実施形態のノズル２と同様）から検証用のワークＷ（アルミ板）に対してダイレクトに１５秒間衝突させた。
　実施例１では、キャビテーション処理装置１を利用して、ノズル２の位置を固定し、高圧水供給源（不図示）から供給される４０ＭＰａのキャビテーション流体Ｃ１をノズル２から方向切換部３に向けて噴射した。キャビテーション流体Ｃ１を方向切換部３の溝部５を通過させて、検証用のワークＷ（アルミ板）に１５秒間衝突させた。
　図１０Ａは、比較例１の検証テスト１の結果である。図１０Ｂは、実施例１の検証テスト１の結果である。比較例１と実施例１を比較すると、実施例１の方が打痕の量が多い。これは、キャビテーション流体Ｃ１内のキャビテーション気泡Ｃ２（の集合体）が拡散されない状態が保たれたことによって、最適なキャビテーション効果が与えられたためと推測できる。
（検証テスト２）
　検証テスト１だけでは表面上（見た目上）の効果しか判断できない。検証テスト２では、市販の残留応力測定装置を利用して、比較例１と実施例１の検証テストを施したそれぞれのワークＷに付与された残留応力を計測した。
　図１１は、検証テスト２の結果を示す。縦軸が残留応力で、横軸がワークＷ表面からの深さを示す。なお、縦軸の残留応力は、数値がプラス方向に大きくなるにつれて引っ張り作用が働き、数値がマイナス方向に大きくなるにつれて圧縮作用が働く。未処理を◇、比較例１を□、実施例１を〇でプロットした。比較例１と実施例１を比較すると、実施例１の方が深くまで圧縮応力が残留している。
　検証テスト１と検証テスト２の結果より、実施例１の方が大きなキャビテーション効果が得られている。
　以上、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることは言うまでもない。
　１　　　キャビテーション処理装置
　２　　　ノズル
　３　　　方向切換部
　４　　　２次方向切換部
　５　　　溝部
　５ａ　　傾斜部
　６　　　ワーク固定部
　７　　　角度調整部
　７ａ　　角度調整部用スイッチ
　８　　　衝突距離調整部
　８ａ　　衝突距離調整部用スイッチ
　９　　　昇降部
　９ａ　　昇降部用スイッチ
　９ｂ　　昇降用支持部
　１０　　回転機構
　１１　　支持部
　１２　　制御装置
　Ｃ１　　キャビテーション流体
　Ｃ２　　キャビテーション気泡
　Ｗ　　　ワーク
　Ｔ　　　タンク
　Ｗ１　　溝幅
　Ｈ１　　溝高さ
　ＷＣ　　キャビテーション流体の直径
 
 

Claims (12)

  1. 　キャビテーション流体を噴射するノズルと、
    　前記キャビテーション流体の流れ方向を変える方向切換部であって、前記キャビテーション流体の流れ方向を誘導するとともに、前記キャビテーション流体に内在するキャビテーション気泡の拡散を抑制する溝部を有する方向切換部と、
    　ワークを配置するワーク固定部と、
    　を有する、キャビテーション処理装置。
  2. 　前記溝部の溝幅および溝高さは、前記キャビテーション流体の直径よりも大きい、
    　請求項１に記載のキャビテーション処理装置。
  3. 　前記方向切換部は、複数の前記溝部を有し、
    　前記ノズルから噴射された前記キャビテーション流体は、複数の前記溝部に分岐し、分岐した前記キャビテーション流体の流れ方向を前記各溝部に誘導される、
    　請求項１に記載のキャビテーション処理装置。
  4. 　前記溝部は、凹凸形状である、
    　請求項１～３のいずれかに記載のキャビテーション処理装置。
  5. 　前記方向切換部は、前記キャビテーション気泡の前記ワークまでの衝突距離を調整する衝突距離調整部を有する、
    　請求項１～４のいずれかに記載のキャビテーション処理装置。
  6. 　前記ワーク固定部の角度を調整する角度調整部を更に有する、
    　請求項１～５のいずれかに記載のキャビテーション処理装置。
  7. 　前記方向切換部の下部に、前記方向切換部の高さを調整する昇降部を有する、
    　請求項１～６のいずれかに記載のキャビテーション処理装置。
  8. 　前記方向切換部で切り換えられた前記キャビテーション流体の流れ方向を更に変える２次方向切換部を有する、
    　請求項１～７のいずれかに記載のキャビテーション処理装置。
  9. 　前記ワーク固定部は、前記ワークを回転させる回転機構を有する、
    　請求項１～８のいずれかに記載のキャビテーション処理装置。
  10. 　液体を貯留するタンクであって、少なくとも前記ノズルと、前記方向切換部と、前記ワーク固定部とを貯留した液体中に配置するタンクを更に有する、
    　請求項１～９のいずれかに記載のキャビテーション処理装置。
  11. 　前記キャビテーション気泡の量を調整する制御装置を更に有する、
    　請求項１～１０のいずれかに記載のキャビテーション処理装置。
  12. 　キャビテーション流体をノズルから噴射し、
    　前記ノズルから噴射された前記キャビテーション流体の流れ方向を誘導するとともに、前記キャビテーション流体に内在するキャビテーション気泡を溝部での拡散を抑制し、
    　前記溝部で誘導された前記キャビテーション気泡をワークに衝突させる、
    　キャビテーション処理方法。
     
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