(57)【要約】【課題】効率的で低コストなバリ取り方法を提供する。【解決手段】金属加工品である被処理物にマイクロバブルを付着させた状態で、パルス放電による液中衝撃波を発生させ、前記マイクロバブルに、前記液中衝撃波を干渉させて、前記マイクロバブルのリバウンド衝撃波を発生させ、前記リバウンド衝撃波により、前記被処理物のバリを除去するバリ取り方法。【選択図】図１
2020032505.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を入れる処理槽と、
前記処理槽中で、パルス放電による液中衝撃波を発生するパルス放電装置と、
前記液体の少なくとも一部を、マイクロバブル分散液とするマイクロバブル発生装置と、
を有し、
金属加工品である被処理物にマイクロバブルが付着した状態で、前記液中衝撃波を発生し、前記マイクロバブルのリバウンド衝撃波により、前記被処理物のバリを除去することを特徴とするバリ取り装置。
【請求項２】
前記マイクロバブルの直径が、５μｍ以上４５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のバリ取り装置。
【請求項３】
前記マイクロバブル発生装置から前記マイクロバブル分散液を供給する供給口と、前記マイクロバブル分散液を前記処理槽の外へ移送する取込口とが、その間に前記被処理物が位置するように同軸上に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のバリ取り装置。
【請求項４】
金属加工品である被処理物にマイクロバブルを付着させた状態で、パルス放電による液中衝撃波を発生させ、
前記マイクロバブルに、前記液中衝撃波を干渉させて、前記マイクロバブルのリバウンド衝撃波を発生させ、
前記リバウンド衝撃波により、前記被処理物のバリを除去することを特徴とするバリ取り方法。
【請求項５】
前記マイクロバブルの直径が、５μｍ以上４５μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載のバリ取り方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロバブルのリバウンド衝撃波を利用したバリ取り装置とバリ取り方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属加工品は、その製造工程によっては、バリが付着する。従来、バリ取り方法として、手作業、ブラスト研磨、ウォータージェットや超音波による除去等が行われている。これらの方法は、いずれもバリ付着部以外の金属表面を過剰に傷つけてしまう、加工品を変形させてしまう、コストがかかるという問題がある。
短時間で広い範囲に亘ってバリ取り洗浄を行う方法として、特許文献１には、処理液に浸漬された被処理体の近傍でアーク放電を発生させ、アーク放電により発生する衝撃波によって被処理物に付着するバリを除去する方法が提案されている。
特許文献１に記載された方法は、アーク放電による衝撃波を直接的に被処理物に作用させるものであり、衝撃波圧力が強すぎると被処理物の形状が塑性変形してしまい、衝撃波圧力が弱すぎるとバリを除去できず、バリを除去できる放電電極からの被処理物の設置の距離範囲が狭いという問題がある。また、衝撃波が作用できる単純形状面のバリの除去に対応しているが、加工穴が複雑に交差する箇所に付着したバリの除去が困難である問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１５０４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、効率的で低コストなバリ取り方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための手段は以下のとおりである。
１．液体を入れる処理槽と、
前記処理槽中で、パルス放電による液中衝撃波を発生するパルス放電装置と、
前記液体の少なくとも一部を、マイクロバブル分散液とするマイクロバブル発生装置と、
を有し、
金属加工品である被処理物にマイクロバブルが付着した状態で、前記液中衝撃波を発生し、前記マイクロバブルのリバウンド衝撃波により、前記被処理物のバリを除去することを特徴とするバリ取り装置。
２．前記マイクロバブルの直径が、５μｍ以上４５μｍ以下であることを特徴とする１．に記載のバリ取り装置。
３．前記マイクロバブル発生装置から前記マイクロバブル分散液を供給する供給口と、前記マイクロバブル分散液を前記処理槽の外へ移送する取込口とが、その間に前記被処理物が位置するように同軸上に配置されていることを特徴とする１．または２．に記載のバリ取り装置。
４．金属加工品である被処理物にマイクロバブルを付着させた状態で、パルス放電による液中衝撃波を発生させ、
前記マイクロバブルに、前記液中衝撃波を干渉させて、前記マイクロバブルのリバウンド衝撃波を発生させ、
前記リバウンド衝撃波により、前記被処理物のバリを除去することを特徴とするバリ取り方法。
５．前記マイクロバブルの直径が、５μｍ以上４５μｍ以下であることを特徴とする４．に記載のバリ取り方法。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のバリ取り装置は、被処理物に付着させたマイクロバブルのリバウンド衝撃波により、バリを除去することができる。本発明のバリ取り装置は、従来の方法ではバリ取りが困難である複雑な形状や狭小領域に付随するバリを、効率的に取り除くことができる。さらに、本発明のバリ取り装置は、バリを有さない部分に付着したマイクロバブルのリバウンド衝撃波により、その表面を研磨することができる。
本発明のバリ取り装置は、マイクロバブルが付着する大きさのバリを除去することができるため、マイクロバブルの直径を５μｍ以上４５μｍ以下とすることにより、ミクロンオーダーの微細なバリを除去することができる。
【０００７】
マイクロバブル分散液を供給する供給口と、マイクロバブル分散液を処理槽の外へ移送する取込口とを、その間に被処理物が位置するように同軸上に配置したバリ取り装置は、被処理物と放電電極との間に浮遊するマイクロバブルによる液中衝撃波の減衰が小さいため、液中衝撃波を効率的に被処理物表面に付着したマイクロバブルに干渉させることができる。この際、取込口から取り込んだマイクロバブル分散液の少なくとも一部を排水することにより、液体の導電率の増大を抑えることができるため、放電電圧を高く維持し、液中衝撃波の圧力を高く維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第一の実施態様であるバリ取り装置の模式図。
【図２】本発明の第二の実施態様であるバリ取り装置の模式図。
【図３】本発明の第三の実施態様であるバリ取り装置の模式図。
【図４】実施例１と比較例１における累積放電回数とバリの最大高さとの関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
マイクロバブルに液中衝撃波を干渉させると、マイクロバブルは急激に収縮し、バブル内の気体が圧縮され、バブル崩壊時に、液中衝撃波圧力の１０倍以上の高圧力であるリバウンド衝撃波が発生することが知られている。
本発明は、この高圧力なリバウンド衝撃波を金属加工品である被処理物のバリに作用させ、バリを破砕することにより、バリ取りを行うものである。すなわち、被処理物の表面にマイクロバブルを付着させると、バリは表面積が広いため、より多くのマイクロバブルが付着する。被処理物表面に付着したマイクロバブルからリバウンド衝撃波を発生させると、バリには、多くのマイクロバブルからのリバウンド衝撃波が作用するため、バリは、少しずつ破砕される。
【００１０】
本発明において、バリ取りを行う被処理物は、バリを有する金属加工品であれば特に制限されない。本発明のバリ取り装置は、バリにマイクロバブルを付着させ、液中衝撃波をこのマイクロバブルに干渉させることにより、バリを破砕するため、従来の方法ではバリ取りが困難な箇所に位置するバリを除去することができる。そのため、被処理物としては、加工穴が複雑に交差する金属加工品、表面の平滑性が要求される金属加工品、精密加工品等が好適である。また、本発明のバリ取り装置は、後述するように全面を研磨することができるため、被処理物として、平滑な表面が要求される医療機器および部品、医療器具部品、医療用インプラント、分析器部品、半導体製造装置部品等が挙げられる。なお、本発明の被処理物は、金属加工品である。樹脂成形品は、撓むように変形することができるため、リバウンド衝撃波が変形のエネルギーとして消費されてしまい、バリの破砕が進みにくい。
【００１１】
本発明のバリ取り装置において、除去するバリの大きさは特に制限されないが、本発明のバリ取り装置は、マイクロバブルが付着できる大きさのバリを除去するため、マイクロバブルと同等の大きさであるマイクロオーダーの微細なバリ取りに好適に用いることができる。具体的には、加工品表面からのバリの最大高さが１００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましく、３０μｍ以下であることがさらに好ましく、２０μｍ以下であることが最も好ましい。
【００１２】
以下、本発明のバリ取り装置とバリ取り方法を、実施態様を例に説明する。
「第一の実施態様」
本発明の第一の実施態様であるバリ取り装置を図１に示す。
第一の実施態様であるバリ取り装置は、処理槽１と、パルス放電装置２と、マイクロバブル発生装置３とを有し、処理槽１とマイクロバブル発生装置３との間で液体４が循環している。
【００１３】
処理槽１は、液体４を入れ、この液体に被処理物５を浸漬するものである。処理槽の大きさは、被処理物のバリ取りを行う部分を、液体中に浸漬できるものであれば、特に制限されない。また、その材質も特に制限されず、金属製、ガラス製、プラスチック製、セラミック製等のものを用いることができる。
【００１４】
パルス放電装置２は、パルス電源２１、放電電極２２、リード線２３、アース線を有し、液体中に配置された放電電極２２間に高電圧パルスを印加し、アーク放電を誘起させるものである。そして、液体中でアーク放電が誘起されると、放電点からプラズマが発生し、液中衝撃波が発生し、さらに、高温のプラズマで液体が蒸発して単一気泡が生じる。
【００１５】
本発明において、パルス放電装置は、特に制限されず、市販されているものを適宜用いることができる。ここで、放電エネルギーが大きくなると、液中衝撃波が強くなるため、被処理物が塑性変形してしまう場合がある。本発明のバリ取り装置は、液中衝撃波ではなく、この液中衝撃波の１０倍以上の圧力を有するリバウンド衝撃波によりバリを破砕するものであるため、強力な放電エネルギーは不要であり、２０Ｊ／ｐｕｌｓｅ以下で十分である。そのため、パルス放電装置としては、家庭用の１００Ｖ電源で作動する、放電電圧が５０ｋＶ以下、かつ、放電電流値が５ｋＡ以下であるパルス放電装置を、好適に利用することができる。
【００１６】
パルス幅は、狭いほど放電誘起の液中衝撃波の圧力が増加し、液中衝撃波の負荷を受けたマイクロバブル崩壊時のリバウンド衝撃波の圧力が大きくなるため、１０ｎｓｅｃ以上１０μｓｅｃ以下であることが好ましく、１μｓｅｃ以上５μｓｅｃ以下であることがより好ましい。パルス回数、パルス周波数は、バリを破砕するだけの圧力を作用できればよく特に制限されないが、処理時間を短くするために、パルス周波数は１Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下であることが好ましい。周波数が１Ｈｚより低いと、処理時間が長くなりすぎる。周波数が１００Ｈｚより高いと、マイクロバブルが被処理物に付着する前に、液中衝撃波により崩壊してしまう場合がある。
【００１７】
本発明において、放電電極の材質、形状、配置は、特に制限されない。ただし、本発明のバリ取り装置は、放電電極間で生じた液中衝撃波を被処理物表面に付着したマイクロバブルに干渉させるものであり、被処理物の位置を液中衝撃波が届く範囲内で調整することを容易にするために、放電電極は、被処理物の下方に水平に配置することが好ましい。
【００１８】
マイクロバブル発生装置３は、マイクロバブル発生器３１とポンプ３２とを備え、液体４の少なくとも一部を、マイクロバブル分散液４１とするものである。
マイクロバブルを発生させる機構は特に制限されず、加圧溶解式、旋回液流式、スタティックミキサー式、エゼクター式、ベンチュリ式、極微細孔式、超音波付加中空針状ノズル式、蒸気凝縮式、加圧・旋回式、キャビテーション式等により、マイクロバブルを発生させることができる。なお、ポンプは、必須の構成ではなく、マイクロバブルを発生させる機構によっては、不要である。また、マイクロバブルを分散させる液体は、液体中でパルス放電が可能なものであれば特に制限されず、純水、蒸留水、精製水、水道水、工業用水、油、放電加工油、シリコーンオイル等を用いることができる。これらの中で、低コストであるため、水道水、または、工業用水が好ましい。
【００１９】
ここで、マイクロバブルとは、直径がおよそ１μｍ〜１００μｍの気泡を意味する（ＩＳＯ／ＴＣ２８１参照）。本発明において、マイクロバブルの直径は、特に制限されないが、被処理物の微細なバリの表面に付着するためには、マイクロバブルの直径は小さい方が好ましく、４５μｍ以下であることが好ましく、４０μｍ以下であることがより好ましい。マイクロバブルの直径は、小さい方が好ましいが、微細なマイクロバブルを発生させる装置は高価であり、また、その気泡径を維持するためのメンテナンスの手間がかかるため、マイクロバブルの直径は５μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましい。
なお、本発明において、マイクロバブルの直径は、マイクロバブル分散液を粒度分布測定装置により測定した主含有気泡の直径を意味する。
【００２０】
ここで、マイクロバブルの直径が小さいほど、リバウンド衝撃波のピーク圧力は強くなるが、リバウンド衝撃波の作用する時間は短くなり、一つのマイクロバブルに由来する力積は小さくなる。本発明のバリ取り装置は、マイクロバブルを連続的に供給し、パルス放電により繰り返しリバウンド衝撃波を作用させるため、マイクロバブル一つの力積は小さくとも、ピーク圧力が大きいリバウンド衝撃波を繰り返し作用させることにより、効率的にバリを除去することができる。
【００２１】
本発明において、マイクロバブルは、被処理物の表面に付着して、液中衝撃波が干渉することにより圧縮し、バブル崩壊時に高圧力なリバウンド衝撃波を発生する。バリは、その表面積が大きいため、多くのマイクロバブルが付着する。そして、多くのマイクロバブルが付着するほど、多数回のリバウンド衝撃波が作用するため、バリは少しずつ破砕される。なお、被処理物のバリ以外の部分にも、付着したマイクロバブルのリバウンド衝撃波が作用する。そのため、被処理物の表面は、リバウンド衝撃波により、いわば研磨されたように、均一に平滑化される。
【００２２】
被処理物は、アーク放電による液中衝撃波が届く範囲内に設置する。被処理物は、一個に限定されず、液中衝撃波が届く範囲内に複数個の被処理物を設置し、同時にバリ取りを行うこともできる。
被処理物は、放電電極との距離が、放電電極間の距離よりも長くなるように設置する。被処理物と放電電極との距離が、放電電極間距離よりも短いと、アーク放電が、放電電極と被処理物の間で起きてしまい、被処理物が損傷してしまう。被処理物と放電電極との距離は、放電電極間距離の２倍以上であることが好ましく、３倍以上であることがより好ましい。また、被処理物と放電電極間との距離は、液中衝撃波の発生後に生じる単一気泡の気泡径の範囲内であることが好ましい。この範囲内とすることで、単一気泡の衝突による直接的な圧力を被処理物に作用させることができ、より効率的にバリ取りを行うことができる。
【００２３】
「第二の実施態様」
第二の実施態様であるバリ取り装置を、図２に示す。なお、図２において、第一の実施態様と同一部材には、同一の符号を付す。
第二の実施態様であるバリ取り装置は、マイクロバブル発生器３１から供給されるマイクロバブル分散液４１の供給口３３と、マイクロバブル分散液４１を処理槽１の外へ移送する取込口３４とを、その間に被処理物５が位置するように同軸上に配置し、取込口３４から取り込んだマイクロバブル分散液４１をマイクロバブル発生器３１に戻して循環させる以外は、第一の実施態様と同一である。
【００２４】
パルス放電による液中衝撃波は、被処理物の表面に付着したマイクロバブルのみならず、液体中に浮遊するマイクロバブルにも干渉する。そして、気体の音響インピーダンスは、液体の音響インピーダンスより小さいため、バブル内の気体を透過した衝撃波の圧力は減衰する。そのため、第一の実施態様であるバリ取り装置では、電極と被処理物の間に浮遊するマイクロバブルによる圧力減衰作用により、被処理物表面に付着するマイクロバブルに干渉する液中衝撃波の圧力が弱くなってしまう。
【００２５】
それに対し、第二の実施態様であるバリ取り装置は、電極と被処理物の間に浮遊するマイクロバブルが少なく、液中衝撃波の減衰が小さいため、液中衝撃波を効率的に被処理物表面に付着したマイクロバブルに干渉させることができる。そのため、第二の実施態様であるバリ取り装置は、より低いエネルギー量で、第一の実施態様と同一圧力のリバウンド衝撃波を発生させることができる。
【００２６】
「第三の実施態様」
第三の実施態様であるバリ取り装置を、図３に示す。なお、図３において、第一の実施態様と同一部材には、同一の符号を付す。
第三の実施態様であるバリ取り装置は、マイクロバブル発生器３１に外部から水道水、工業用水等を供給し、取込口３４から取り込んだマイクロバブル分散液を循環させることなく処理槽１の外に排水する以外は、第二の実施態様と同一である。
【００２７】
放電電極は、アーク放電の際に僅かずつ溶出してイオン化するため、アーク放電を繰り返すと液体の導電率が大きくなる。液体の導電率が大きくなると、アーク放電が誘起される放電電圧が低くなるため、アーク放電により生じる液中衝撃波の圧力が弱くなる。
第三の実施態様は、放電電極の近傍から液体を排水することにより、放電電極が溶出して生じるイオンを処理槽内から取り除き、液体の導電率の増大を抑えることができるため、アーク放電により生じる液中衝撃波の圧力を強く維持することができる。
【００２８】
「他の実施態様」
本発明のバリ取り装置は、上記第一〜三の実施態様に限定されない。
例えば、第二の実施態様のバリ取り装置において、取込口３４から取り込んだマイクロバブル分散液４１を分岐し、一方をマイクロバブル発生器３１に循環させ、他方を処理槽１の外部に排水することもできる。この際、排水した液体と同量の液体を、処理槽１またはマイクロバブル発生器３１に供給する。
【実施例】
【００２９】
「実施例１」
第一の実施態様であるバリ取り装置を用い、被処理物である医療用インプラントのバリ取りを行った。
被処理物であるインプラントは、直径２．１ｍｍ、長さ１２０ｍｍのＳＵＳ製の円柱であり、その先端は、三角錐となっている。そして、ＳＵＳ製の丸棒材の先端を三角錐形状とする旋盤加工に伴い、三角錐部分には最大高さ（Ｈｚ）が２０μｍ程度のバリが付着している。
【００３０】
処理槽（アクリル製、内寸：３００×３００×３００ｍｍ）内に、精製水を満たし、マイクロバブル発生装置（関西オートメ機器株式会社製、装置名：ＭＢＬＬ−１０２Ｖ−Ｓ）を用いて、直径４０μｍのマイクロバブルを発生させ、マイクロバブル分散液を処理槽とマイクロバブル発生装置との間で循環させた。
【００３１】
パルス電源（株式会社末松電子製作所製、装置名：ＣＵＳ３０１０Ｓ−５Ｊ）を用い、電源出力の平均電圧３５．６ｋＶ、コンデンサ容量１１．５６ｎＦ、理論上の出力放電エネルギーを７．３２Ｊ／ｐｕｌｓｅとし、パルス幅５．６μｓｅｃ、周波数１０Ｈｚ、放電電極間距離１．５ｍｍとした。
放電電圧３５ｋＶの場合、液体として水を用いると直径およそ９ｍｍの単一気泡が生じる。そのため、被処理物であるインプラントを、その先端が下方となり、被処理物先端と放電電極との距離が、９．０ｍｍとなるように設置した。
【００３２】
パルスカウンタを用いて累積放電回数（Ｎｃ）を測定しながら、Ｎｃ＝０、６８、２９５１、３９８５ｓｈｏｔのパルス放電を行った。
【００３３】
「比較例１」
マイクロバブルを発生しない以外は、実施例１と同様にして、Ｎｃ＝０、１０２、２８４４、３９９４ｓｈｏｔのパルス放電を行った。
【００３４】
・バリ取り評価
３次元デジタル顕微鏡（株式会社キーエンス製、装置名：ＶＨＸ−２０００）を用いて、被処理物の放電前、及び各放電回数において、バリが存在していた領域（４８０×１２０μｍ）を観察し、バリの最大高さ（Ｈｚ）を測定した。
図４に、実施例１と比較例１での、累積放電回数とバリの最大高さＨｚとの関係を示す。
【００３５】
本発明である実施例１は、最大高さ（Ｈｚ）が１８．５１μｍであったバリが、約４０００回のパルス放電後に、最大高さ１２．４０μｍと６．１１μｍ小さくなった。また、バリの表面積も小さくなった。
それに対し、マイクロバブルを用いずに、液中衝撃波と単一気泡のみを用いた比較例１は、最大高さ（Ｈｚ）が１９．５７μｍであったバリが、約４０００回のパルス放電後に、最大高さ１６．８０μｍと、２．７７μｍしか小さくならなかった。
【符号の説明】
【００３６】
１    処理槽
２    パルス放電装置
２１  パルス電源
２２  放電電極
２３  リード線
３    マイクロバブル発生装置
３１  マイクロバブル発生器
３２  ポンプ
３３  供給口
３４  取込口
４    液体
４１  マイクロバブル分散液
５    被処理物
【図１】
2020032505.tif 000003
【図２】
2020032505.tif 000004
【図３】
2020032505.tif 000005
【図４】
2020032505.tif 000006