(57)【要約】  ノズル組立体（１）が研摩性ウォータジェット切削ヘッドで使うための水または水に懸濁した研摩粒子のジェット（９）を発生する。このノズル組立体（１）は、貫通する先細内腔（７）を備えて、キャリヤ（２、２５）にこの内腔（７）がこのキャリヤ（２、２５）を通る通路（４）と同軸に結合されるように取付けてある、ノズル素子（５、８０、８４、８６、９１）を含み、この内腔（７）および通路（４）は、それらが交わるところで同じ直径であるのが好ましい。このノズル素子は、固形体（５、８１、８３、８６）またはコーティング（９０）の形の、ダイヤモンドのような、超硬材料を含む。このノズル素子は、この通路（４）および内腔（７）の縦軸に垂直に拡がる、ろう付けまたははんだ付け接合（６）によってこのキャリヤ（２、２５）に取付けてある。
2009514688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研摩性ウォータジェット切削ヘッドで使うための水または水に懸濁した研摩粒子のジェットを発生するようになっているノズル組立体であって、前記切削ヘッドに取付け可能であり且つ貫通する細長い通路手段を有するキャリヤ手段、および超硬材料を含み、はんだ付けまたはろう付け接合手段によってこのキャリヤ手段に封止するように取付けてあり且つ貫通する細長い異形内腔を有し、前記ジェットを発生するために水または水に研摩粒子の懸濁液が加圧されて前記通路手段および前記内腔を通れるように前記通路手段に結合されたノズル素子を含むノズル組立体。
【請求項２】
請求項１に記載のノズル組立体に於いて、前記通路手段および前記異形内腔は、それらが交わる点における各々の直径が実質的に同じであるノズル組立体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のノズル組立体に於いて、前記異形内腔が前記通路手段に結合された第１端からジェットを出すようになっている第２端へ先細になるノズル組立体。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載のノズル組立体に於いて、前記接合手段の少なくとも一部が前記通路手段の縦軸と実質的に垂直に拡がるノズル組立体。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載のノズル組立体に於いて、前記接合手段の面積は、前記通路手段および前記内腔が交わる点における前記通路手段の断面積の少なくとも約１０倍であり、随意に前記断面積の少なくとも２０倍であるノズル組立体。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５の何れか一項に記載のノズル組立体に於いて、前記超硬材料のモース硬度が９ないし１０であるノズル組立体。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６の何れか一項に記載のノズル組立体に於いて、前記超硬材料がダイヤモンド、立方窒化硼素、炭化硼素、タングステンカーバイド、シリコンカーバイドまたは酸化アルミニウムを含むノズル組立体。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７の何れか一項に記載のノズル組立体に於いて、前記超硬材料が多結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、天然ダイヤモンドまたは化学蒸着によって作ったダイヤモンドの少なくとも一つを含むノズル組立体。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８の何れか一項に記載のノズル組立体に於いて、前記ノズル素子がダイヤモンドまたはその他の超硬材料のブロックを含むノズル組立体。
【請求項１０】
請求項９に記載のノズル組立体に於いて、前記超硬ブロックがそれに反応するように接着した材料、随意にチタンのような金属またはルテチウムのような希土類元素のコーティングを備えるノズル組立体。
【請求項１１】
請求項９に記載のノズル組立体に於いて、前記超硬ブロックがタングステンカーバイドまたはその他の超硬材料の支持要素に一体に結合してありおよびこの支持要素が前記接合手段によってこのキャリヤ手段に取付けてあるノズル組立体。
【請求項１２】
請求項９に記載のノズル組立体に於いて、前記超硬ブロックが硬質金属または異なる超硬材料のケーシング手段を備え、および前記接合手段が前記ケーシング手段および前記超硬ブロックの両方を前記キャリヤ手段に結合するノズル組立体。
【請求項１３】
請求項１ないし請求項１２の何れか一項に記載のノズル組立体に於いて、前記超硬材料がノズル素子本体上に支持した、コーティングまたは厚膜、好ましくはダイヤモンドコーティングまたは厚膜を含み、随意に前記コーティングまたは厚膜が前記異形内腔の内側表面を覆いまたは形成し、および前記ノズル素子の表面がこのキャリヤ手段と反対の方向を向いているノズル組立体。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３の何れか一項に記載のノズル組立体に於いて、前記接合手段が前記ノズル素子に反応するように接着したおよび前記キャリヤ手段に反応するようにまたは金属のように接着した、延展性溶加金属を含むノズル組立体。
【請求項１５】
請求項１ないし請求項１４の何れか一項に記載のノズル組立体に於いて、前記接合手段が、随意に他の金属をドープした、錫・銀・チタン合金および／またはルテチウム、エルビウムおよびセリウムのような活性希土類元素を含む活性はんだを含むノズル組立体。
【請求項１６】
請求項１ないし請求項１４の何れか一項に記載のノズル組立体に於いて、前記接合手段が、随意に他の金属をドープした、亜鉛・銀・アルミニウム合金および／または活性希土類元素を含む活性はんだを含むノズル組立体。
【請求項１７】
請求項１ないし請求項１４の何れか一項に記載のノズル組立体に於いて、前記接合手段が、随意に他の金属をドープした、銀・銅・チタンベースおよび／またはハフニウムおよびジルコニウムのような希土類元素を含む活性ろうを含むノズル組立体。
【請求項１８】
請求項１ないし請求項１７の何れか一項に記載のノズル組立体に於いて、前記キャリヤ手段は、熱膨張係数が前記ノズル素子のダイヤモンドまたはその他の超硬材料のそれと類似する材料を含むノズル組立体。
【請求項１９】
請求項１８に記載のノズル組立体に於いて、前記類似の熱膨張の材料は、前記ノズル素子がはんだ付けまたはろう付けしてある薄板を含み、前記薄板が前記キャリヤ手段の残りに、前記ノズル素子を取付けるために使ったものより溶融温度が高いはんだまたはろうではんだ付けまたはろう付けしてあるノズル組立体。
【請求項２０】
請求項１ないし請求項１９の何れか一項に記載のノズル組立体を含む研摩性ウォータジェット切削ヘッド。
【請求項２１】
研摩性ウォータジェット切削ヘッド用ノズル組立体を作る方法であって、前記切削ヘッドに取付け可能なキャリヤ手段を用意する工程、ダイヤモンドのような超硬材料を含むノズル素子を用意する工程、および前記ノズル素子を前記キャリヤ手段にはんだ付けまたはろう付け接合によって封止するように取付ける工程を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス、または蒸気または液体で切削ヘッドまで運ばれる研摩粒子を使う研摩性ウォータジェットを発生する切削ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡＷＪ切削ヘッドとして知られる、先行技術の研摩性ウォータジェット切削ヘッドは、オリフィスから４００ＭＰａ位の超高圧水を噴出して空中を音速の二倍以上で進むウォータジェットを作る。チャンバを横切ってウォータジェットをウォータジェットのジェット直径の４０ないし８０倍投射して集束管内腔へ入れる。研摩粒子と共に空気を集束管通路および内腔へ引込むウォータジェットによって、空中に浮遊した研摩粒子をチャンバ内に誘導する。ウォータジェットから収束管内の研摩粒子へ運動量が移転され、管出口に切削ジェットを作る。
【０００３】
高速ウォータジェットを停止するための閉止弁の閉鎖中の過渡事象が、オリフィスを通して研摩粒子を運べるウォータジェット・オリフィスで水／空気流の瞬間的逆転を生じる。水流を言換えると、その様な粒子がオリフィスを高速で通過し、オリフィスを侵食することがあり、およびオリフィスの縁に衝突する粒子がオリフィスを破損することがある。破滅的ケージ損傷は、加圧水でオリフィスに達する粒子からも生じる。特に厄介なことは、破損が予測できず、重大な財政上および生産上の損失を生じることである。
【０００４】
ウォータジェット・オリフィスは、超高水圧に耐えられる実質的キャリヤの前面にある。水圧がオリフィスをキャリヤに押付けてオリフィスをキャリヤに封止するように作用する。ウォータジェット・オリフィス付近に達する研摩粒子の数は、ウォータジェットをジェットがチャンバに入る前にキャリヤ内の狭い通路に沿ってジェット直径の１０倍位離して投射することによって大きく減少することができる。
【０００５】
研摩粒子がウォータジェット・オリフィスを損傷するリスクは、切削ヘッドから研摩剤を取除くようにウォータジェットを止める前にしばらくの間切削ヘッドへの研摩剤流を切ることによって最少になる。切削ヘッドチャンバ内の空気および研摩剤の再循環のために、切削ヘッドから研摩剤を取除くためにはかなりの時間遅延が必要である。この時間遅延は、ウォータジェットを出した後の研摩剤流を確立するための時間遅延と組合わさって、先行技術の研摩性ウォータジェットが切削ジェットを急速に断続する必要がある機械加工作業に使われるのを妨げ、且つこれがそれらを多くの用途に使われるのを排除する。
【０００６】
米国特許出願２００５／００１７０９１は、空気が運ぶ研摩粒子がウォータジェット・オリフィスに達するのを避けるために、空気を大気からオリフィスの下流の通路へ引込む、ＡＷＪ切削ヘッドを記述する。その様な空気流を設けることは、研摩粒子がオリフィスおよびそのホルダに達して損傷するのを防げるが、それは切削ヘッドの設計を複雑にし且つ研摩粒子を切削ヘッドへ運ぶために利用できる空気の量に悪影響する。
【０００７】
英国特許出願第ＧＢ２４２２５６６Ａ号は、蒸気を集束管で凝縮すべきであるので、研摩粒子を切削ヘッドまで運ぶためのキャリヤ流体として蒸気を使う研摩性ウォータジェットを発生する方法を記述する。集束管入口より前に、蒸気を凝縮することは、その様な切削ヘッドで最小にする必要があるかも知れず、これは集束管入口がウォータジェット発生手段のウォータジェット直径の２０倍位以内にあることを要する。蒸気中に浮遊している研摩剤は、ウォータジェット発生手段の出口面の上を素通りする。研摩粒子がウォータジェット発生手段と直接接触しているので、粒子は、水流を止めると流れの過渡現象中におよびウォータジェット発生手段を貫流する水がないときに研摩粒子を運ぶ蒸気が切削ヘッドへ流れるとき、このウォータジェット発生手段の上流へ運ばれる。
【０００８】
研摩粒子を高速ウォータジェットに引込むことによって直径が３００μｍ位未満の研摩性ウォータジェットを発生するためには、ＡＷＪ切削ヘッドに使うように粒子を流動空気で動的に運ぶのではなく、切削ヘッドへ流れる水中に研摩粒子を浮遊させることが必要である。水中に浮遊した研摩剤を高速ウォータジェットに混入することは、切削ヘッド性能が悪いために精密機械加工には利用されていなかった。
【０００９】
研摩剤キャリヤ流体として水を使う先行技術の切削ヘッドの構造は、ウォータジェットと濃い研摩剤／水混合物の間に混合物が集束管内腔に入る前に不利な流体の動的相互作用を誘発する。不利な流体の動的相互作用を避けるための要件は、ウォータジェット発生手段の出口が集束管入口からウォータジェット直径の２０倍位以内にあることである。これは、研摩粒子にウォータジェット発生手段の出口の上を素通りさせ、水流が止り且つ加圧水がウォータジェット発生手段を貫流することなく研摩剤混合物が切削ヘッドに入るとき、研摩粒子がウォータジェット発生手段の入口側に達する結果となる。
【００１０】
研摩剤／水混合物を使う切削ヘッドが不当な摩耗なしに研摩剤懸濁液を通せるウォータジェット発生手段を持つことが特に重要である。これらの切削ヘッド用の研摩剤は、水中に静的に浮遊していて、それで水流を止める前にウォータジェット発生手段付近から容易に除去することはできない。むしろ、研摩剤が絶えず存在することは、動的機械加工作業を行うために切削ジェットを毎秒複数回起動および停止できるので、有利である。切削ヘッドが動的切削モードで作動しているとき、ウォータジェット発生手段の中への研摩剤の管理した侵入は、水流が再開すると薄く、脆い加工物材料の歪み、亀裂および層関剥離を避けながら瞬間的に切削が始るので利点で有り得る。
【００１１】
ＡＷＪ切削ヘッドは、空気を大気より低い圧力で集束管入口の方へ引込むためにチャンバを横切ってウォータジェットをウォータジェット直径の４０ないし８０倍の距離に投射する。十分な空気を集束管へ引込むために、集束管に入るよりかなり多くの空気を集束管の方へ流れさせる。集束管の方へ動く、研摩粒子を伴う過剰な空気がチャンバで精力的に再循環し、それがチャンバ壁およびウォータジェット・オリフィスホルダを侵食する。再循環する空気は、水滴で濡れた粒子を含むかも知れない。粒子の濡れのために、研摩粒子がオリフィスおよびそのホルダ内の通路壁に付着し、水流を止めて水／空気流が逆転するとき、オリフィスを通して外されるかも知れない。
【００１２】
もし、研摩粒子を引込む空気がそれと共に制御可能圧力差によって駆動されて集束管に入るならば、ＡＷＪ切削ヘッドの切削性能を改善でき、並びにチャンバおよび集束管の摩耗を減少できる。大気圧の上０．１ＭＰａ位の静的圧力が空気を集束管の初めで音速に加速させる。空気および研摩粒子の集束管の中への効率的加速は、ウォータジェット発生手段の出口と集束管入口の間の距離が、研摩粒子が集束管入口に滑らかに流れ込むために必要な最小限であることを要する。これは、研摩粒子がウォータジェット発生手段の出口の上を素通りし、水流が止るときこのウォータジェット発生手段の上流に入り込む結果となる。
【００１３】
ダイヤモンドは、ウォータジェット発生手段用に使うとき他の超硬材料よりかなり寿命が長い。ダイヤモンドで作った先行技術のウォータジェット・オリフィスは、キャリヤ内の燒結金属にセットするかも知れない。燒結金属とダイヤモンドの間の結合力は弱く、燒結金属は引張りに比較的弱いので、ダイヤモンド片の保持および封止は、鋼またはその他の強い材料で作ったキャリヤによってこの燒結金属に設けた支持体に頼る。ダイヤモンドまたはその他の超硬材料を燒結金属で包むことは、この燒結金属を適切に支持し且つ侵食から保護するためにはウォータジェット発生手段と集束管の間のスペースが足りないので、この特許出願で記述する研摩性ウォータジェット切削ヘッド用には満足でない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
この様に損傷なく研摩性またはその他の粒子を通せるウォータジェット発生手段を設けられ、この手段がキャリヤの出口に位置し、取付けてありおよび封止してあることには幾つかの利点がある。この特許出願では、研摩粒子を通すとき容易に損傷されないウォータジェット・ノズルを、４００ＭＰａを超えることがある水圧に耐えるようにキャリヤの出口に取付け且つ封止する方法を説明する。その上、上記ウォータジェット発生手段は、研摩粒子がこのキャリヤを損傷するのを防ぐようにそのキャリヤの表面を覆うかも知れない。
本発明は上記課題を解決するための切削ヘッドを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１態様によれば、研摩性ウォータジェット切削ヘッドで使うための水または水に懸濁した研摩粒子のジェットを発生するようになっているノズル組立体であって、この切削ヘッドに取付け可能であり且つ貫通する細長い通路手段を有するキャリヤ手段、並びに超硬材料を含み、はんだ付けまたはろう付け接合手段によってこのキャリヤ手段に封止するように取付けてあり且つ貫通する細長い異形内腔を有し、上記ジェットを発生するために水または水に研摩粒子の懸濁液が加圧されてこの通路手段およびこの内腔を通れるようにこの通路手段に結合された、ノズル素子を含む組立体が提供される。
【００１６】
上記通路手段および上記異形内腔は、それらが交わる点で各々直径が実質的に同じであるのが好ましい。
上記異形内腔は、この通路手段に結合された第１端からこのジェットを出すようになっている第２端へ先細になるのが都合がよい。
上記接合手段の少なくとも一部は、この通路手段の縦軸と実質的に垂直に拡がってもよい。
【００１７】
この接合手段の面積は、この通路手段およびこの内腔が交わる点でこの通路手段の断面積の少なくとも約１０倍であり、随意に上記断面積の少なくとも２０倍であるのが好ましい。
この超硬材料のモース硬度が９ないし１０であるのが好ましい。
この超硬材料がダイヤモンド、立方窒化硼素、炭化硼素、タングステンカーバイド、シリコンカーバイドまたは酸化アルミニウムを含むのが都合がよい。
【００１８】
この超硬材料は、多結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、天然ダイヤモンドまたは化学蒸着によって作ったダイヤモンドの少なくとも一つを含んでもよい。
このノズル素子は、ダイヤモンドまたはその他の超硬材料のブロックを含むのが好ましい。
上記超硬ブロックは、それに反応するように接着した材料、随意にチタンのような金属またはルテチウムのような希土類元素のコーティングを備えるのが都合がよい。
【００１９】
上記超硬ブロックは、タングステンカーバイドまたはその他の超硬材料の支持要素に一体に結合してありおよびこの支持要素が上記接合手段によってこのキャリヤ手段に取付けてあってもよい。
上記超硬ブロックは、硬質金属または異なる超硬材料のケーシング手段を備え、上記接合手段がこのケーシング手段およびこの超硬ブロックの両方をこのキャリヤ手段に結合してもよい。
この超硬材料は、ノズル素子本体上に支持した、コーティング、好ましくはダイヤモンドコーティングを含み、随意に上記コーティングがこの異形内腔の内側表面を覆い、およびこのノズル素子の表面がこのキャリヤ手段と反対の方向を向いていてもよい。
【００２０】
この超硬材料コーティングは、厚膜を作るようにこの異形内腔の所望の形状を有するフォーマの上に化学蒸着させ、次にこのフォーマを腐食除去し、および超硬材料または金属をこの厚膜上に蒸着させてこのノズル素子本体を作ってもよい。
上記接合手段は、このノズル素子に反応するように接着したおよびこのキャリヤ手段に反応するようにまたは金属のように接着した、延展性溶加金属を含むのが好ましい。
この接合手段は、随意に他の金属をドープした、錫・銀・チタン合金および／またはルテチウム、エルビウムおよびセリウムのような活性希土類元素を含む活性はんだを含むのが都合がよい。
【００２１】
この接合手段は、随意に他の金属をドープした、亜鉛・銀・アルミニウム合金および／または活性希土類元素を含む活性はんだを含んでもよい。
この接合手段は、随意に他の金属をドープした、銀・銅・チタンベースおよび／またはハフニウムおよびジルコニウムのような希土類元素を含む活性ろうを含んでもよい。
このキャリヤ手段は、熱膨張係数がこのノズル素子のダイヤモンドまたはその他の超硬材料のそれと類似する材料を含むのが好ましい。
上記類似の熱膨張の材料は、このノズル素子がはんだ付けまたはろう付けしてある薄板を含み、この薄板がこのキャリヤ手段の残りに、このノズル素子を取付けるために使ったものより溶融温度が高いはんだまたはろうではんだ付けまたはろう付けしてあるのが都合がよい。
【００２２】
本発明の第２態様によれば、第１態様で説明したようなノズル組立体を含む研摩性ウォータジェット切削ヘッドが提供される。
本発明の第３態様によれば、研摩性ウォータジェット切削ヘッド用ノズル組立体を作る方法であって、この切削ヘッドに取付け可能なキャリヤ手段を用意する工程、ダイヤモンドのような超硬材料を含むノズル素子を用意する工程、およびこのノズル素子をこのキャリヤ手段にはんだ付けまたはろう付け接合によって封止するように取付ける工程を含む方法が提供される。
【００２３】
本発明の第４態様によれば、成形中央通路を備える全体として円筒形のキャリヤが提供され、その通路は、上記キャリヤにはんだ付けまたはろう付け接合によって流体負荷が最小になるように取付け且つ封止した超硬材料片の成形内腔に繋がる。
上記超硬材料の入口の直径は、万一ノズル内腔が塞がれるようになっても、ノズル対キャリヤ接合が受ける最大流体負荷がノズル内腔入口領域に作用する流体圧力によるように、理想的には上記キャリヤの結合通路と同じである。
上記接合は、この超硬と溶加金属の間の反応性接着およびこの溶加金属とこのキャリヤの間の反応性／金属性接着を伴ってもよい。
上記接合の形成は、拡散接着を誘発するための一軸または平衡圧力の印可を含んでもよい。
このキャリヤは、それを加圧流体源に封止するために封止手段を有してもよい。
【００２４】
上記超硬材料片にある内腔は、加圧水を受ける入口から水を高速ウォータジェットとして放出する出口まで全体として収縮している。
もしこの加圧水がかなりの数の研摩粒子を含むならば、このノズルから出るジェットは、研摩性ウォータジェットを形成する。
この超硬材料は、ダイヤモンド、立方炭化硼素、タングステンカーバイド、シリコンカーバイドまたは酸化アルミニウム以上の硬度の他の超硬材料であるのが好ましい。
【００２５】
本発明の第５態様によれば、円筒形キャリヤで、この円筒の第１端から上記キャリヤの第２端の表面に接合および封止した超硬材料片に通じる縦通路を備えるキャリヤが提供される。加圧水または加圧水／研摩粒子懸濁液をこのキャリヤの第１端に供給するとき、ウォータジェットまたは研摩性ウォータジェットを作るように、縦通路が上記超硬材料に機械加工し且つこのキャリヤの縦通路と整列した。
【００２６】
この超硬ノズル材料は、ダイヤモンド、または随意に立方炭化硼素、タングステンカーバイド、シリコンカーバイド若しくはモース硬度９以上の他の材料であるのが都合がよい。
このダイヤモンドは、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、単結晶ダイヤモンド、化学蒸着（ＣＶＤ）ダイヤモンドまたは天然ダイヤモンドの種類でもよい。
上記超硬材料片は、好ましくはチタンのような金属またはこの超硬材料の反応するように接着するルテチウムのような希土類元素を含むコーティングでプリコートしても都合がよい。
【００２７】
上記超硬材料片は、タングステンカーバイドまたはキャリヤへの接合の生成を助ける他の超硬材料で化学蒸着法によってプリコートしてもよい。
超硬材料を介してこのキャリヤに接合するように、ノズル内腔を、タングステンカーバイド支持体または他の超硬材料支持体に一体に接着したダイヤモンド片に作ってもよい。
ノズルは、ダイヤモンドの上に成長または蒸着した硬質金属または超硬材料ケースによって支持したダイヤモンド片に作り、このダイヤモンドおよび／またはケースを反応性接合でこのノズルキャリヤに接合してもよい。
【００２８】
ダイヤモンドまたはその他の超硬材料は、金属または別の超硬材料を含む支持体に入れてもよくおよび接合をこのダイヤモンドまたは他の超硬材料および／またはその支持体を介してキャリヤに作ってもよい。
超硬材料とノズルキャリヤの間の接合は、超硬材料の表面と反応してこの超硬材料と延展性金属溶加材料の間に完全に結合した遷移区域を作る、活性はんだまたはろう付け材料を使って作るのが好ましい。金属結合は、延展性金属溶加材料と金属または超硬キャリヤの間に作る。
【００２９】
活性はんだは、他の金属および／またはルテチウム（Ｌｕ）、エルビウム（Ｅｒ）およびセリウム（Ｃｅ）のような活性希土類元素でドープしたＳｎ−Ａｇ−Ｔｉベース合金から成ってもよい。
活性はんだは、他の金属および／または活性希土類元素でドープしたＺｎ−Ａｇ−Ａｌベース合金から成ってもよい。
活性ろうは、他の金属および／またはＨｆおよびＺｒを含んでもよい活性希土類元素でドープしたＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉベース合金から成ってもよい。
合同結合面積は、水圧を受ける入口ノズルの面積の１０倍以上であるのが都合がよい。
ノズルキャリヤは、キャリヤ入口に結合した流れ導管にそれを封止するための手段を備えてもよい。
【００３０】
本発明の第６態様によれば、切削ヘッド組立体であって：
入口をこの入口と反対端のキャリヤに接合手段によって取付け且つ封止する超硬材
料片に接続する内部通路を有する円筒形ノズルキャリヤで、通常この超硬材料を接
合する端で外面の直径が精密なキャリヤ；
オリフィス本体の外面上で精密直径の中心線上に正確に位置する、上記超硬材料に
ある成形内腔；
加圧水または水に研磨剤の懸濁液をこのノズルキャリヤへ送るための管とこのキャ
リヤ入口の間の流体を封止するための手段；
中に上記ノズルキャリヤ本体を設置できる精密内腔を有する切削ヘッド本体で、研
摩粒子を運ぶキャリヤ流体を入れるために切削ヘッド本体の縦軸と大体垂直な結合
部を有する本体；
切削ヘッド内腔の反対端にノズルキャリヤに向って嵌る超硬集束管；
切削ヘッド本体内腔の中にノズルと集束管の間にあり、上記ノズルの出口をこの集
束管入口に接続する通路およびこの切削ヘッド本体の研磨剤／キャリヤ流体入口結
合部をこのノズルとこの集束管入口の間の通路に接続する通路を有するインサート
；並びに
このノズルキャリヤ、このインサートおよびこの切削ヘッド本体の中の集束管を個
々に位置付け且つ固定するための手段を含む組立体が提供される。
【００３１】
この超硬ノズル材料は、ダイヤモンドであるのが好ましい。
ダイヤモンドノズルは、金属合金とダイヤモンドとキャリヤの間に化学結合を可能にするためにダイヤモンドおよびノズルキャリヤ基板と反応するチタンまたは他の活性元素を含む金属合金を使って真空または不活性ガス炉ではんだ付けまたはろう付けによってノズル本体に取付けるのが好ましい。
【００３２】
このキャリヤは、モリブデン、コーバル、アンバまたはダイヤモンド若しくはこのノズルに使う他の超硬材料と熱膨張が類似する銅／タングステン合金のような材料でもよい。
ノズル材料と矛盾のない熱膨張を有する材料の薄い部分は、ノズルをこの材料にはんだ付けまたはろう付けするために使うよりも溶融温度が高いはんだまたはろうを使ってキャリヤにはんだ付けまたはろう付けしてもよい。
【００３３】
本発明の第７態様によれば、ガスで、または蒸気でまたは蒸気／ガス混合物で、または液体で運ぶ研摩粒子で作動する切削ヘッドを構成するために、交換可能ウォータジェット・ノズル組立体および集束管が組込んである本体を有する切削ヘッドが提供される。もし研摩粒子が切削ヘッドへ加圧液体の懸濁液として流れるならば、この切削ヘッド本体、このインサートおよびこの集束管を除去してこのノズル組立体を切削ヘッドとして作用させることができる。
【実施例】
【００３４】
本発明を具体化するノズルおよび切削ヘッドの例を、次に、例としておよび添付の図面を参照して説明する。
【００３５】
最初に、従来のＡＷＪ技術を理解するための、図８を参照すると、ウォータジェット・オリフィス１０１が、切削ヘッド本体１０３内にある実質的キャリヤ１０２の前面に位置し且つ封止してある。キャリヤ１０２上のシート１０４がオリフィス１０１へ超高圧水を送る管１０５と結合し、金属間シールを形成する。このオリフィスを貫流する水が収縮してジェット１１０を形成する。このジェット１１０は、チャンバ１０７を横断して集束管１０８の内腔１０９に入る前にキャリヤ１０２の中央通路１０６を通過する。チャンバ１０７を通過するウォータジェット１１０によって生じる抗力が研摩粒子を引込む空気を通路１１１から入らせ且つ集束管１０８の方へ加速させてそれに入らせる。収束管入口１１２の方へ動く空気の量は内腔１０９へ入れるものより多く、過剰な空気はチャンバ１０７内を再循環し、研摩粒子を強い渦成分によって不安定な方法で運ぶ。集束管内腔１０９内で、運動量がこのウォータジェットから研摩粒子へ伝達して切削ジェット１１３を作る。
【００３６】
オリフィス１０１は、サファイア、ルビーまたはダイヤモンド製である。サファイア、ルビーおよびダイヤモンドは、非常に硬いが脆くもあり、それでオリフィスの縁が高速で動く粒子によって損傷することがある。ウォータジェット１１０が狭い通路１０６を通過するようにオリフィス１０１を位置付けることは、研摩粒子がオリフィス付近に達して水流を止めたときの過渡事象中にオリフィスの上流を移動するリスクをかなり減少する。
【００３７】
先行技術の有利な特徴は、水圧がこの手段をキャリヤに保持し且つ封止するように作用する、キャリヤ１０２の前面上のウォータジェット発生手段１０１の位置決めである。先行技術の切削ヘッドの更なる有利な特徴は、ダイヤモンド片の大きさが、高品質天然または人造ダイヤモンドを経済的に使えるように、水圧圧縮負荷に耐えるに十分であるだけしか必要ないことである。
【００３８】
しかし、キャリヤの前面にあるウォータジェット発生手段では、切削ヘッドでの逆流体動的プロセスを防ぎ、または所望の流体動的プロセスを誘発することは不可能である。逆流体動的プロセスは、先行技術の引込み切削ヘッドが水または蒸気に混入した研摩剤では効果的に機能しないほど厳しい。
【００３９】
次に、内腔が研摩粒子によって容易に損傷されない形状の、ダイヤモンドまたはその他の超硬材料から作ったウォータジェット発生ノズルを、４００ＭＰａを超えることがある水圧に耐えるように、キャリヤの出口に取付け且つ封止する方法を説明する。４００ＭＰａの負荷は、ダイヤモンドと金属またはその他の超硬材料の接合方法の引張り強度の１０倍位である。周期的水圧による異常疲れ負荷を考慮に入れると、水圧を受けるノズル面積の２０倍くらいの接合面積が望ましい。きわどく、加圧水が接合箇所に入り、それによって接合箇所への流体負荷を増すのを防ぐために、この接合材料は、キャリヤとノズルの間に水不浸透性シールを形成しなければならない。
【００４０】
超硬材料を金属またはその他の超硬材料にはんだ付けまたはろう付けによって接合することは、この技術で知られている。しかし、超高水圧によって生じる異常引張り負荷および水が接合箇所に入り込んだ場合の負荷の破滅的増加は、ウォータジェット・ノズル材料とキャリヤ材料の各組あわせに対してはんだ付けおよびろう付け方法を確立するために実験が必要であることを意味する。
【００４１】
ダイヤモンドは、その摩耗特性のために好ましいが、強い接合は、タングステンカーバイドおよびその他の材料で作ることができ且つこれらの材料は、はんだ付けおよびろう付けが容易であることは勿論、ノズル内腔を作るために容易に機械加工することができる。従って、多くの要因に基づいて超硬ノズル材料を選択することが望ましい。
【００４２】
例示のために、はんだ付けおよびろう付けを使う、ダイヤモンドの金属または別の超硬材料への接合を説明するが、他の超硬ノズル材料を金属またはその他の超硬材料に接合するために類似の接合方法を使えることは勿論である。
明確にするために、ここでは超硬材料をモース硬度で９以上の硬さの材料と定義する。
【００４３】
さて、本発明を具体化するノズル組立体を示す、図１ａを参照すると、ウォータジェット・ノズル１は、ノズル５を形成するブランクの形でダイヤモンド材料片にある成形内腔７に収縮する通路４を備えるキャリヤ２を有する。このノズル５は、接合箇所６によってキャリヤ２に接合し且つ封止してある。接合箇所６への流体負荷を最小にするために、キャリヤ２の流路４の出口直径は、通常、水の速度がキャリヤ２の材料の侵食速度以下であることおよびノズル内腔７を作るための孔明けおよび研摩作業を実施するための要求と矛盾しない実用的最小限に選択する。
【００４４】
ダイヤモンドブランク５とノズルキャリヤ２の間の接合６は、活性元素を添加したはんだまたはろう付け合金を使って行う。その様なはんだの例は、活性元素チタン（Ｔｉ）、ガリウム（ＧＡ）およびセリウム（Ｃｅ）を含む錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）合金である。活性ろう付けの例は、チタン（Ｔｉ）およびその他の活性元素を含む銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）合金である。これらの活性元素は、酸化物層および表面と反応して濡れを可能にする。よい接合は、はんだまたはろう付け材料、ダイヤモンドおよびキャリヤ材料の間に、望ましくない界面合成物および脆さその他の接合弱化層の形成が最小限で、広範囲の化学的結合力を持つ。
【００４５】
はんだは、一般的に約４５０°Ｃの融点を持つと定義するが、はんだ付けサイクルの一部を高温で行うことが有利なことがある。その様な場合、残留熱誘発応力がろう付け接合によって生じたより低い接合を作るために温度を下げる前に、８５０°Ｃ位までの温度を使って濡れをもたらしてもよい（超硬材料のろう付けは、一般的に７００°Ｃを超える固相温度を伴う）。
【００４６】
キャリヤ２は、接合強度を最大化するためにキャリヤの接合面が機械加工面の肌理を有する状態で、ノズル５ブランクを取付ける前に完全に機械加工することができる。ノズルのバッチでのろう付けは、通常真空または不活性ガス炉で行う。箔から切離したはんだまたはろう付けプレホームをホルダ２とダイヤモンドブランク５の間に配置する。はんだ付けまたはろう付け温度／時間サイクルを使用し、それがよい接合特性を保証し、脆いダイヤモンドの残留応力を最少化する。ろう付けは、強い接合をもたらし、８００°を超えるろう付け温度で熱的に安定なダイヤモンドを接合するために好ましい。超音波またはその他の振動手段を使って満足な接合を達成するのを手伝ってもよい。
【００４７】
はんだおよびろう付け材料は、ダイヤモンドに対して毛管および濡れ特性が悪く、濡れが時間依存性である。この悪い濡れ特性は、成功した接合箇所形成の指標として使ってもよい。はんだまたはろう付けレジストの中心孔を通路４の出口より少しばかり大きく機械加工する。はんだまたはろう付けサイクルの後、接合箇所６とキャリヤ通路内腔４の間に決定的なシールを作るために成功した接合材料の流れを観察できる。
ＣＶＤダイヤモンドの成長側を磨かず且つ接合拘束面積を増すためにこのダイヤモンドの粗成長面を接合面として使うことは有利である。
【００４８】
品質管理のためおよびコストを最少化するために、異常圧力および疲労負荷に耐えられる接合箇所を作る際に一つの作業しかないのが望ましい。しかし、もし特定のダイヤモンド・ノズルブランク５で接合箇所を作る際に問題が生じるならば、これらのブランクを、このブランクと反応した化学結合を作り且つはんだ付けまたはろう付け中に濡れる、チタンベースまたはその他のコーティングでプリコートしてもよい。その代りに、ブランクを、キャリヤへの接合の形成を助けるタングステンカーバイドまたはその他の適当な材料で化学蒸着プロセスによってプリコートしてもよい。
【００４９】
直径が４００μｍ位のまでのウォータジェット、および直径が２００μｍ位以下の研摩剤懸濁液ウォータジェットを発生するためには、厚さ１ないし３ｍｍおよび直径３ないし６ｍｍのダイヤモンドまたはその他の超硬材料ブランクが適当である。
【００５０】
ノズルブランク５に機械加工した内腔７の形状は、用途に依る。加圧水の研摩剤懸濁液を通すノズル用の内腔７は、典型的に単純な円形または円錐入口を有し、長さが内腔直径の４倍位に等しく、ほぼ一定直径で長さが直径の１０ないし１２倍の内腔が続くだろう。
【００５１】
ウォータジェット・ノズル出口への接近で内腔の各直径での摩擦損失は、切削ヘッド入口での水力の２％位である。ねらいは、研摩粒子を集束管に引込んで、ウォータジェットから集束管内腔にあるこれらの粒子へ運動エネルギーを伝えるのに有効であるウォータジェット特性を創ることに対してノズルでの摩擦エネルギー損失を釣合わせることである。研摩剤を浮遊物として水中に引込む切削ヘッドに対して、ノズル出口と集束管の間の距離は、ウォータジェットの直径の二三倍に過ぎず、ノズルからの出口でジェットの引込み能力を最大化することを望ましくするかも知れない。これは、ウォータジェット・ノズル出口の前に直径の２倍くらいの平行部が続く、１５°位の円錐絞りを使って達成する。この構造は、キャビテーションと摩擦による連流面を有するジェットを創成する。
【００５２】
空気で切削ヘッドへ運ばれる研摩粒子に対し、ウォータジェットは、集束管に入る前にジェット直径の１０倍以上を移動するかも知れない。この状況で、ノズルの平行に近い出口長さは、水圧負荷および粒子衝撃に耐えるためにこのノズル出口に対し十分である必要がある。
【００５３】
図１ｂ、１ｃ、１ｄは、代替キャリヤおよびノズル装置を示す。
図１ｂは、キャリヤ／ホルダ２の上にろう付け６したタングステンカーバイドまたはその他の基板８２上に一体の層８１として作ったダイヤモンド製のノズル８０を示す。
【００５４】
図１ｃは、タングステンカーバイド８４に入れた、ＰＣＤのような、ダイヤモンド片８３から成るノズルを示し、それはこのダイヤモンド８３とこのタングステンカーバイド８４の両方を介してキャリヤ２にろう付けしてある。このタングステンカーバイドケース８４の外部８８は、ノズルホルダ直径８ができるように、非常に厳しい公差に機械加工でき、このホルダ２の内腔４とこのダイヤモンド８３の内腔７を予め孔明けしてろう付け中に正確に一致させることを可能にする。このタングステンカーバイドケース８４は、このダイヤモンド８３上に成長させまたは蒸着してもよい。硬質金属をある場合にはタングステンカーバイドまたは類似の超硬材料の代りに使ってもよい。
【００５５】
図１ｄは、水に研摩剤の混合物がノズル出口に達するために適切な流路を設けるのが困難な小型切削ヘッドに特に適するノズル装置を示す。ダイヤモンド片８６が水シールをもたらすようにその入口面でろう付けしてあり、流体負荷の大部分をこのダイヤモンドの側面にろう付けした接合箇所９７によって負担する。このダイヤモンドは、断面が矩形またはその他の形状でもよい。
【００５６】
図１ｅは、接合箇所６によってキャリヤ２に接合および封止した本体９１内の内腔７にＣＶＤダイヤモンドまたはその他の超硬材料の層９０の蒸着または成長によって作ったノズルを示す。この超硬材料の層９０は、キャリヤ２を研摩粒子による侵食から保護するためにこの本体９１の出口面の上に伸びてもよい。
【００５７】
ＣＶＤダイヤモンドまたはその他の超硬材料をこの内腔７内に成長させる代りに、厚膜を内腔７の所望の形状を有するフォーマの上に成長させ、このフォーマを腐食除去し、および金属または超硬材料ケースをこの厚膜の外側に蒸着または成長させて本体９１を作ってもよい。
【００５８】
ノズル５、８０および８３に使うＰＣＤおよびその他のダイヤモンドまたは超硬材料ブランクは、シート材料からキャリヤ流体の中の研摩剤が流れてウォータジェットが離れる内腔７に引込まれる通路の一部を形成する特徴を含む外部形状に切取ってもよい。
【００５９】
タングステンカーバイドを超硬材料として使う場合、特に適する形は、米国ミネソタ州トラバース市のケンナメタル社が研摩性ウォータジェット集束管に使うような、登録商法ＲＯＣＴＥＣで市販する合成カーバイドである。
【００６０】
図２は、キャリヤ流体で運ばれる研摩粒子を引込むための切削ヘッドを示す。図１ａないし１ｅの何れかで示すようなウォータジェット・ノズル１が切削ヘッドの本体１０内に位置し、且つねじ１３によって取付け本体１０内で平行管に加える負荷によって平行管１２上のシート１１に対して封止してある。この切削ヘッド本体１０は、ウォータジェット・ノズル１の外径８を位置付け且つその中にスペーサ１５および集束管１６を組付ける内腔１４を有する。シール１９によって本体１０に封止した位置決め装置１７がこのスペーサ１５を本体１０内の通路１８に対して位置決めする。ねじ２２のあるパッキン押えナット２１が集束管１６を本体１０の内腔１４内に保持し且つ封止するために封止および保持リング２３を装着する。
【００６１】
平行管１２への加圧水源流２５は、通路３および４を経てノズル内腔７へ流れてウォータジェット９を発生する。このウォータジェット９は、スペーサ１５に作ってあるチャンバ２９を通過し、集束管１６の入口２０および内腔２４に入る。キャリヤ流体２６の中の研摩粒子は、切削ヘッド本体１０の通路１８への結合部２７をチャンバ２９へおよび続けて集束管１６の入口２０の中へ貫流する。この集束管内腔２４の中で、運動エネルギーがこのウォータジェット９から研摩粒子へ伝えられて集束管１６出口に切削ジェット２５をもたらす。ノズルウォータジェット・ノズル１の内腔７と集束管１６の内腔２４の縦方向整列は、それらの内腔軸がそれらの直径と同心であること、およびそれらの外径が本体１０の内腔１４内で精密公差であることによって達成する。結合部２７は、シール２８によって本体１０に封止してある。
【００６２】
図３は、加圧水を切削ヘッドへ送る平行管１２にノズルキャリヤ３０を直接付けた、コンパクトな切削ヘッドを示す。この切削ヘッドは、流体力学的には基本的に図２の切削ヘッドと同じである。このノズルキャリヤ３０は、図１のキャリヤ２と比較してその入力端上へ伸び且つ内ねじ部３２および外ねじ部３１を有する。このキャリヤ３０と平行管１２の間の金属間シール３９は、キャリヤ３０の絞り内腔に作ってある。切削ヘッド本体３３は、図示する構成でねじ３１によってノズルキャリヤ３０に取付けてある。この集束管３５は、キャリヤ３４に固定してある。ねじ３１による本体３３のノズルキャリヤ３０へのねじ止めが集束管キャリヤ３４およびスペーサ３６を適所に保持する。
【００６３】
キャリヤ流体２６に含まれる研摩粒子の流れは、本体３３への結合部を加工物から跳ね返った研摩剤から離して置くために斜めに通路３７へ入る。このノズルキャリヤは、シール４６によって切削ヘッド本体３３に封止してある。
【００６４】
図４は、図３に示す切削ヘッドに適するスペーサ４０を示す。スペーサ４０は、切削ヘッド本体３３の通路３７に結合する入口絞り４１および計量部４４を有する。計量部４４は、チャンバ４３に結合し、それを介してウォータジェット９がノズル７から集束管３５へ流れる。スペーサ４０の平らな部分４２またはその他の形態がこの通路４１を通路３７に対して位置付けるために切削ヘッド本体３３の形態と整合するかも知れない。その代りに、通路３７およびチャンバ３９を集束管キャリヤ３４および集束管３５に機械加工することができる。
【００６５】
図５は、特に小径研摩性ウォータジェットを発生するために適するノズル装置５９を示す。加圧研摩剤／水の源流が平行管５１の通路５３を通ってノズルホルダ５２の通路５６へノズル５へ流れる。ノズルキャリヤ５２がねじ５４によって平行管５１に保持され且つシール５５によって平行管５１に封止されている。通路５３と５６の間の界面は、研摩粒子がデッドスペース内に堆積できないようになっている。ノズル５に使うダイヤモンドブランクの直径は、研摩性ウォータジェット５８が加工物から跳ね返るとき、ホルダ５２を研摩剤から保護するように選ぶことができる。
【００６６】
図６は、図５に示すようなノズル組立体５９およびこの研摩粒子キャリヤ流体が空気であるとき使うに適するスペーサ６１を備える引込み切削ヘッドを示す。ノズルキャリヤ５２上の直径５７は、ノズル５の内腔と同心であり且つスペーサ６１および集束管１６が嵌る切削ヘッド本体６０の内腔６５内に位置する。スペーサ６１は、本体６０の通路６６と整列する通路６２を有する。通路６６は、キャリヤ流体に懸濁した研摩粒子の源流２６に接続してある。
【００６７】
通路６６に接続してある本体６０の一つ以上の通路６７は、集束管１６の中に必要なキャリヤ流体流れ２６が研摩粒子を源流から通路６６へ運ぶために不十分なとき、このキャリヤ流体流れを抜取るために使ってもよい。通路６６は、通路６７を通過する粒子運動量を増し、それによって通路６７に入る研摩粒子を最少化するような形状であってもよい。キャリヤ流体を通路６７から抜取ることは、このキャリヤ流体が空気であるとき、直径が５００μｍ未満の切削ジェットを発生するために特に有利である。
【００６８】
集束管内腔直径が１００μｍ位以下で、ノズルと集束管の内腔の整列は、５μｍ位に維持する必要がある。図７は、ノズルと集束管の内腔の整列を良くするために特に適する構成を示す。集束管３５がキャリヤ７４内に位置し、ノズルキャリヤ１の外径７７に締り嵌めする延長部７５を備える。このノズル内腔の位置を外径７７におよび集束管内腔をこの延長部７５の内側内腔関係付けることによって５μｍより良い整列を達成できる。
【００６９】
ノズルキャリヤ１は、ねじ７１によってカラー７０に取付けた本体７２によって保持する。カラー７０は、ねじ７３によって平行管１２に取付けてある。本体７２およびカラー７０を結合するねじ７１は、ノズルキャリヤ１と平行管１２の間の負荷を解放するために、カラー７０を僅かに緩めることによって、本体７２を一部回転して解除できるように、急速解除中断ねじまたはその他の急速解除機構で置換えてもよい。
【００７０】
集束管３５は、焼嵌め、接着剤、ろう付けまたはその他の接合・封止手段によって集束管キャリヤ７４内に保持してもよい。シール７６は、集束管キャリヤ７２を本体７２に封止する。位置決めねじ７８は、集束管キャリヤ７４の通路７９が通路８０と整列するように集束管キャリヤを保持する。本体７２内の通路８０は、キャリヤ流体の中の研摩粒子の源流２６に接続した。この切削ヘッドの流体力学的作用は、一般的に図２に関して説明した通りである。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１ａ】ノズル組立体を示す。
【図１ｂ】ノズル組立体を示す。
【図１ｃ】ノズル組立体を示す。
【図１ｄ】ノズル組立体を示す。
【図１ｅ】ノズル組立体を示す。
【図２】引込み切削ヘッドを示す。
【図３】引込み切削ヘッドを示す。
【図４】スペーサを示す。
【図５】研摩剤懸濁液切削ヘッドを示す。
【図６】引込み切削ヘッドを示す。
【図７】引込み切削ヘッドを示す。
【図８】先行技術の切削ヘッドを示す。
【図１ａ】
2009514688.tif 000003
【図１ｂ】
2009514688.tif 000004
【図１ｃ】
2009514688.tif 000005
【図１ｄ】
2009514688.tif 000006
【図１ｅ】
2009514688.tif 000007
【図２】
2009514688.tif 000008
【図３】
2009514688.tif 000009
【図４】
2009514688.tif 000010
【図５】
2009514688.tif 000011
【図６】
2009514688.tif 000012
【図７】
2009514688.tif 000013
【図８】
2009514688.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成20年7月15日(2008.7.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
研摩性ウォータジェット切削ヘッドで使うための水または水に懸濁した研摩粒子のジェット（９）を発生するようになっているノズル組立体（１）であって、前記切削ヘッドに取付け可能であり且つ貫通する細長い通路手段（４）を有するキャリヤ手段（２、２５）および
超硬材料を含み、はんだ付けまたはろう付け接合手段（６）によって前記キャリヤ手段（２、２５）に封止するように取付けてあり且つ貫通する細長い異形内腔（７）を有し、前記ジェット（９）を発生するために水または水に研摩粒子の懸濁液が加圧されて前記通路手段（４）および前記内腔（７）を通れるように前記通路手段（４）に結合された、ノズル素子（５、８０、８４、８６、９１）を含むノズル組立体。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２１】
研摩性ウォータジェット切削ヘッド用ノズル組立体（１）を作る方法であって、
切削ヘッドに取付け可能なキャリヤ手段（２、２５）を用意する工程、
ダイヤモンドのような超硬材料を含むノズル素子（５、８０、８４、８６、９１）を用意する工程、および
前記ノズル素子（５、８０、８４、８６、９１）を前記キャリヤ手段（２、２５）にはんだ付けまたはろう付け接合（６）によって封止するように取付ける工程を含む方法。
【国際調査報告】
2009514688.tif 000015
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2009514688.tif 000017