(57)【要約】      （修正有）【課題】ワークピースの表面がピーニングされ、残留応力および疲労強度を改善し、洗浄され、塗装または使用の準備をすることができる加工方法を提供する。【解決手段】ワークピース３６の表面から材料を除去する方法は、複数のキャビテーション気泡を形成するのを促進する圧力および流量でワークピース３６に向けて流体のフローを放出することと、研磨媒体４０を導入することと、を含む。本方法は、キャビテーション気泡で研磨媒体４０を活性化させることと、キャビテーション気泡および研磨媒体４０と、ワークピース３６の表面との間の相互作用によって材料をワークピース３６から除去することと、を含む。【選択図】図２
2019072834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料を除去する方法であって、
複数のキャビテーション気泡を形成するのを促進する圧力および流量でワークピースに向けて流体のフローを放出することと、
研磨媒体を前記複数のキャビテーション気泡の中に導入することと、
前記キャビテーション気泡で前記研磨媒体を活性化させることと、
前記研磨媒体を伴う前記キャビテーション気泡と前記ワークピースの表面との間の相互作用に基づいて材料を前記ワークピースから除去することと
を含む方法。
【請求項２】
前記方法が、流体環境で実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記流体環境が、タンクに入れられた流体の塊である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記放出するステップが、第１の圧力レベルで第１の流体ストリームをポンプ供給することを含み、前記流体環境が、前記第１の圧力レベルよりも低い第２の圧力レベルで前記第１の流体ストリームを囲む第２の流体ストリームを含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
前記流体が、水を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記導入するステップが、前記研磨媒体を供給源から前記複数のキャビテーション気泡の中に送ることを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記研磨媒体が、（ａ）金属、（ｂ）ガラス、（ｃ）セラミック、（ｄ）酸化ケイ素、（ｅ）酸化アルミニウム、（ｆ）軽石、（ｇ）ナッツ殻、（ｈ）トウモロコシ穂軸、および（ｉ）プラスチック研磨材のうちの１つ以上を含む粒子を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記研磨媒体が、約１６〜１２００ＡＮＳＩグリットサイズの寸法範囲の粒子を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記研磨媒体の供給源から延びている導管を通って前記複数のキャビテーション気泡に前記研磨媒体を送ることを、さらに含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記導入するステップの間、前記導管の動きを回転させる、または他の方法で作動させることを、さらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記研磨媒体を前記導管内のコルクスクリュー構造を通って移動させることを、さらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記研磨媒体を前記導管の遠位端にある広角ノズルを通って分散させることを、さらに含む、請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記研磨媒体を複数の導管を通って前記複数のキャビテーション気泡の中に送ることを、さらに含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記放出するステップが、５０〜１０，０００ポンド／平方インチの範囲の圧力で実行される、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法を実施するように動作可能な、ワークピースから材料を除去するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、表面仕上げに関する。より具体的には、開示される実施形態は、キャビテーション流体による材料の除去的な仕上げ、洗浄、およびピーニングのためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
指向性エネルギー堆積および粉末床溶融などの付加製造方法は、以前の方法によって製造するのは現実的でないまたは実行可能でない複雑な形状および特徴を有する新しい部品の効率的な製造を可能にした。しかしながら、付加製造によって製造された製品の表面仕上げは、従来の製造方法によって製造された部品よりも粗い。電子ビーム粉末床溶融は、１，０００μＭを超える表面粗さ平均（Ｒａ）を生じさせることがあり、これは、典型的な飛行機構造部品に要求される滑らかな仕上げの１０倍以上である。付加製造された複雑な部品の機械仕上げは、費用がかかりすぎるか不可能であり、グリットブラスト、ケミカルミーリング、ショットピーニングなどの表面仕上げ方法は、表面粗さを十分に改善しない。
【０００３】
キャビテーションピーニングは、表面を機械的に処理する有望な新しい方法である。キャビテーション気泡が、流速の増加に起因する気相への転移によって流体中に形成され、その後、流速が減少すると崩壊する。キャビテーション気泡が崩壊すると、いくつかの例では１，５００ｍ／ｓの速度を有することがあるマイクロジェットが生成される。Ｓｏｙａｍａ  ＵＳ６８５５２０８Ｂ１に開示されているように、高速のウォータージェット、すなわちキャビテーションジェットを水中に噴射することにより、キャビテーションクラウドが生成される。キャビテーション気泡は、渦の中を移動し、得られたマイクロジェットの多方向の衝撃は、表面をショットピーニングよりも一層よく硬化させる。しかし、キャビテーションピーニングは、洗浄して、疲労強度を向上させるが、表面粗さは、多くの用途で十分に改善されない。
【発明の概要】
【０００４】
ワークピースの表面から材料を除去する方法が、開示される。本方法は、複数のキャビテーション気泡を形成することを促進する圧力および流量でワークピースに向けて流体のフローを放出することと、次いで気泡の中または周囲に研磨媒体を導入することとを含む。本方法は、キャビテーション気泡と研磨媒体との混合物を形成し、次いで混合物をワークピースの表面に向けて送ることを含んでもよい。本方法は、キャビテーション気泡で研磨媒体を活性化させ、キャビテーション気泡と研磨媒体とワークピースの表面との間の相互作用によって材料をワークピースから除去することを含む。
【０００５】
ワークピースから材料を除去するための装置も、開示される。本装置は、流体フローデバイスと研磨媒体吐出デバイスとを含む。流体フローデバイスは、複数のキャビテーション気泡を発生させるためにノズルを通って流体をポンプ供給するように構成される。研磨媒体吐出デバイスは、研磨媒体をキャビテーション気泡の中に供給するように構成される。
【０００６】
本開示は、ワークピースから材料を除去するための方法および装置を提供する。いくつかの実施形態では、本方法は、複数のキャビテーション気泡を形成し、研磨媒体を気泡の中に導入することを含むことができる。いくつかの実施形態では、本方法は、キャビテーション気泡と研磨媒体との混合物を形成することを含むことができる。いくつかの実施形態では、本装置は、流体フローデバイスと研磨媒体吐出デバイスとを含むことができる。特徴、機能、および利点は、本開示の様々な実施形態において独立に達成されてもよく、またはさらに他の実施形態において組み合わせられてもよく、そのさらなる詳細は、以下の説明および図面を参照して理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】機械加工プロセスによって作製されたジェットエンジンナセル圧縮パッドの等角図である。
【図１Ｂ】付加製造プロセスによって作製されたジェットエンジンナセル圧縮パッドの等角図である。
【図２】流体キャビテーション研磨表面仕上げ装置の一例のブロック図である。
【図３】研磨媒体供給源の一例の概略図である。
【図４】図２に示されるタイプの装置による研磨キャビテーションクラウドの生成の概略図である。
【図５】図４の研磨キャビテーションクラウド中で表面仕上げを受けているワークピースの概略図である。
【図６】流体キャビテーション研磨表面仕上げ装置の他の例のブロック図である。
【図７】図６に示されるタイプの装置による仕上げを受けている表面の概略図である。
【図８】ワークピースの表面から表面粗さを除去するために異なるサイズの研磨媒体が使用されている概略図である。
【図９】材料除去の方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
概観
表面仕上げ方法ならびに流体フローデバイスおよび研磨媒体を有する表面仕上げ装置の様々な実施形態が、以下で説明され、関連する図面に示される。特に断らない限り、表面仕上げ装置および／またはその様々な構成要素は、本明細書に記載、図示および／または組み込まれた構造、構成要素、機能および／または変形の少なくとも１つを含むことができるが、必須ではない。さらに、本教示に関連して本明細書に記載、図示、および／または組み込まれた構造、構成要素、機能および／または変形は、他の表面仕上げ装置に含まれてもよいが、必須ではない。以下の様々な実施形態の説明は、本質的に単なる例示に過ぎず、本開示、その用途、または使用法を限定するものでは決してない。さらに、以下に説明されるような、実施形態によって提供される利点は、本質的に例示であり、すべての実施形態が、同じ利点または同じ程度の利点を提供するわけではない。
【０００９】
図１Ａは、チタンのブロックを機械加工することによって製造されたジェットエンジンナセル圧縮パッド２を示す。パッドの原材料は、約１５ポンドの重量であり得るが、図示の仕上げられた構成要素は、わずか１．５ポンドの重量であり得る。対照的に、図１Ｂは、付加製造によって製造された同じジェットエンジンナセルの圧縮パッド４を示す。すべての原材料をこの設計で使用することができ、設計の柔軟性により、より構造上効率的な構成が可能になる。
【００１０】
しかし、製造完了時には、図１Ｂに示す圧縮パッドは、エンジンの構造部品としての使用に許容されない。付加製造プロセスは、１，０００μＭを超える表面粗さ平均（Ｒａ）をもたらす。圧縮パッドは、機械仕上げは費用がかかりすぎるか、または不可能でさえあるような複雑さで設計されていることに、留意されたい。
【００１１】
付加製造によって提供される製造効率および設計自由度の向上は、費用を削減し、新しい技術を可能にするために、幅広い分野にわたって非常に望ましい。表面粗さは、このような技術の採用にとって大きな障害であり、流体キャビテーション研磨表面仕上げによって克服され得る。
【００１２】
実施例、構成要素、代替案
以下のセクションでは、ワークピースから材料を除去するための例示的な装置ならびに関連するシステムおよび／または方法の選択された態様について説明する。これらのセクションの例は、説明のためのものであり、本開示の範囲全体を限定するものとして解釈されるべきではない。各セクションは、１つ以上の別個の発明、ならびに／または文脈上のもしくは関連する情報、機能、および／もしくは構造を含むことができる。
【００１３】
実施例１：
図２は、流体キャビテーション研磨表面仕上げのための例示的な装置のブロック図であり、全体として１０で示されている。高圧ポンプ１２が、導管１６に沿って加圧水１４を供給する。分岐導管１８が、制御弁２０によって調節される。制御弁のこのような配置は、導管１６に沿ってノズル２２に供給される水の圧力および流量を正確に制御することを可能にする。
【００１４】
ノズル２２は、水２６で満たされた加圧タンク２４内に配置されている。タンク２４の蓋２８は、タンクから集水容器３０へあふれるのを可能にするように開いてもよい。蓋は、タンク内の圧力を維持するために、バネによってタンク２４に結合されてもよいし、または重しによって制約されてもよい。水はまた、制御弁３４によって調節される導管３２に沿ってタンク２４から排出される。
【００１５】
高圧水１４が、タンク２４内に沈められたワークピース３６に向けられたキャビテーションジェットとして、ノズル２２によってタンク２４の水２６の中に噴射される。キャビテーションジェットと水２６との間の相互作用は、複数のキャビテーション気泡を含む、渦を巻くキャビテーションクラウド３８を形成する。キャビテーションクラウド３８がワークピースの一部または全部を取り囲み、崩壊するキャビテーション気泡がワークピースの表面に衝突するように、ワークピース３６を配置してもよい。キャビテーション気泡の崩壊衝撃力は、噴射された水１４の圧力、タンク２４内の水２６の圧力、２つの圧力間の比、ならびに水１４およびタンク２４の水２６の温度によって部分的に決定される。高圧水１４は、５０〜１０，０００ポンド／平方インチ、または任意の有効な圧力であってよい。好ましくは、水１４は、タンク２４の水２６が大気圧にあるとき、約４，０００ポンド／平方インチであってもよい。
【００１６】
これらのパラメータを最適化するために、圧力および温度センサを、タンク２４内に、または導管１２、１８、もしくは３２のいずれかに含めることができる。制御弁２０，３４および蓋２８ならびに高圧ポンプ１２および温度制御システムは、装置１０全体の圧力および温度状態の正確な調整された制御を可能にする電子制御装置または他のそのような構成要素に接続されてもよい。
【００１７】
図示の例では、キャビテーション流体は水である。しかしながら、任意の所望の流体を使用することができる。使用される流体の粘度などの特性が、キャビテーション気泡の崩壊力に影響を及ぼすことがあり、衝撃を改善するように、すなわち所望の衝撃レベルに必要な圧力に圧力を低下させるように、流体が選択されてもよい。加圧流体をノズル２２を通ってポンプ供給するために、任意の有効な流体フローデバイスが使用されてもよい。
【００１８】
図２に示すように、研磨媒体４０が、ノズル２２とワークピース３６との間のキャビテーションクラウド３８の中に導入される。研磨媒体は、ホッパー、すなわち研磨媒体供給源４４からの導管４２によって供給される。供給源４４の一例が、図３により詳細に示されている。供給源は、複数のホッパー４８を有する密閉区画４６を含み、各ホッパーは、異なるタイプの研磨媒体または研磨材料を収容する。図示された例では、区画４６は、グリットサイズが減少している６つの研磨媒体を有する６つのホッパーを含む。供給源４４は、任意の所望のタイプの媒体または任意の所望の数のタイプの媒体を含むことができる。媒体は、任意のグリットサイズ、好ましくは約１６〜１２００ＡＮＳＩグリットサイズの範囲内であってもよい。
【００１９】
各ホッパー４８は、所望の媒体を導管４２に導入するために開けることができるホッパードア５０を含む。ドア５０は、手動で制御されてもよく、または装置１０の他の構成要素と一体化された電子制御装置によって作動されてもよい。異なる媒体の供給の間で移行することができる他の単純なスイッチング機構が存在し、任意の有効な機構を使用することができる。
【００２０】
空気ホース５２が、密閉区画４６を加圧するために、供給源４４に接続されている。それにより、研磨媒体４０は、より自由にかつ容易に流れることができ、導管４２内に入って、導管４２に沿って流れるように付勢されることができる。いくつかの例では、密閉区画４６を加圧するために空気の代わりに水または他の流体を使用することができる。他の例では、プッシュロッドなどの機構を使用して、研磨媒体４０を、導管４２を通って移動させてもよい。研磨媒体は、粘りがなくてもよいし、またはペーストもしくは懸濁液の形態であってもよい。
【００２１】
導管４２はまた、図４に示すように、媒体がキャビテーションクラウド３８に導入される前に、媒体に回転または渦巻き運動を引き起こすためのコルクスクリュー構造５４を含む。いくつかの例では、研磨媒体４０がキャビテーションクラウドに導入されている間、導管４２は、キャビテーションクラウド３８に対して回転または他の方法で動かされてもよい。
【００２２】
ノズル２２が、ガイドパイプ５８内に配置されたノズルキャップ５６を含んで、より詳細に図４に示されている。キャビテータ６０が、スペーサ６４によってノズルプレート６２から離間され、ノズルキャップ５６内に配置されて、ノズル２２を通る高圧水１４のフローを変更する。水１４の流量の変化およびタンク水２６との相互作用により、キャビテーションクラウド３８が生じ得る。クラウドを構成する複数のキャビテーション気泡は、渦または竜巻のような形状で渦を巻き得る。
【００２３】
研磨媒体供給源４４からの導管４２が、研磨媒体４０の複数の粒子６６をキャビテーションクラウド３８の中に導入する。研磨媒体４０は、キャビテーションクラウドから速度、運動量、および運動エネルギーを得て、キャビテーション気泡と混合することができる。図示された例では、研磨媒体４０は、導管４２の遠位端にある、外向きに広がる表面の少なくとも一部を有する広角ノズル６８によって導入される。図３に示すように、キャビテーションクラウド３８との混合を容易にするために、研磨媒体４０は、コルクスクリュー５４によって回転させられる。広角ノズル６８は、キャビテーションクラウド３８の可能な限り最も多くの部分を研磨媒体４０で満たすように、ガイドパイプ５８の端部に近接して配置される。
【００２４】
他の例では、研磨媒体４０は、クラウドの周囲に分布した位置に配置された複数の導管によって、キャビテーションクラウド３８に供給されてもよい。図４において、ノズル６８は、ガイドパイプ５８によって定められる軸に対して鋭角に配向されて示されている。他の例では、ノズル６８は、軸に垂直に、または斜めの角度に配向されてもよい。任意のタイプのノズルを導管４２と共に使用することができる。供給源４４は、研磨媒体が装置１０で使用されるための任意の適切な供給システムまたは吐出デバイスを、さらに含むことができる。
【００２５】
図示の例では、研磨媒体４０は、渦を巻いているキャビテーション気泡の中に、キャビテーションクラウド３８の縁部で導入される。他の例では、研磨媒体４０は、キャビテーションクラウド３８の中心付近に、またはキャビテーションクラウド３８のすぐ外側のタンク２４の水２６の中に、または研磨媒体とキャビテーション気泡との効果的な混合を促進する任意の点に導入することができる。
【００２６】
図５は、キャビテーション気泡と研磨媒体４０との、渦を巻いている混合物中の、ステージ７０によって支持されたワークピース３６を示す。ノズル２２（図５には示されていない）が、ステージ７０に向けられていてもよい。混合物の気泡が崩壊すると、媒体の粒子６６が、活性化され、エネルギーを与えられ得る。気泡を崩壊させることによって生成されたマイクロジェットは、粒子６６の運動を集合的に加速させることができる。気泡と媒体の混合物がワークピース３６の粗い表面７２に接触すると、粒子６６が表面に衝突して、材料を除去し得る。すなわち、研磨媒体４０は、粗い表面７２を滑らかにするように、キャビテーションクラウドの強い力によって作用され得る。キャビテーションクラウド３８の渦を巻く多方向の運動により、研磨媒体４０は、露出した上部領域のみならず、表面７２の狭いコーナー部、隙間、および内部特徴部と接触することができる。
【００２７】
キャビテーション気泡が、ワークピース３６の表面７２と直接相互作用するので、通常のキャビテーションピーニングも起こり得る。それによって表面７２がピーニングされ、残留応力および疲労強度を改善し、洗浄され、塗装または使用の準備をすることができる。
【００２８】
実施例２：
図６は、流体キャビテーション研磨表面仕上げのための他の例示的な装置のブロック図であり、全体として１１０で示されている。上述した装置１０と同様の構成要素には、対応する参照番号が付されている。図示のように、高圧ポンプ１１２が、加圧水１１４を導管１１６に沿ってノズル１２２に供給する。分岐導管１１８が、制御弁１２０によって調節される。
【００２９】
ノズル１２２は、空気環境に配置されたワークピース１３６の方に向けられている。ノズルは、２つの水のストリームである、高圧内側キャビテーションジェットおよび低圧外側ジェットを供給する。それによって、キャビテーションクラウド１３８が、共流ノズルと呼んでもよいノズル２２によって生成され得る。
【００３０】
研磨媒体１４０が、ノズル１２２とワークピース１３６との間のキャビテーションクラウド１３８の中に導入される。研磨媒体は、供給源１４４からの導管１４２によって供給される。図７は、結果として生じたキャビテーション気泡と研磨媒体１４０との混合物を、より詳細に示す。
【００３１】
図７に示すように、共流ノズル１２２は、内側キャビテーションジェット１７６を生成する内側ノズル１７４と、低圧外側ジェット１８０を生成する外側ノズル１７８とを含む。内側ノズル１７４は、高圧水１１４のフローを変更してキャビテーションクラウド１３８を生成するためのキャビテータ１６０、スペーサ１６４、およびノズルプレート１６２を含み、外側ノズル１７８は、外側ジェット１８０のために水１１４の圧力を低下させるのに適した形状を有する。すなわち、内側ノズル１７４は、キャビテーションジェット１７６用の内側チャネルを画定し、内側ノズル１７４と外側ノズル１７８との間に画定された外側チャネルは、外側ジェット１８０用である。いくつかの例では、共流ノズル１２２には、図６に示すような、ポンプ１１２からの高圧水１１４に加えて、低圧水を別個に供給してもよい。
【００３２】
再び図７を参照すると、キャビテーションジェット１７６および外側ジェット１８０が、共流ノズル１２２を離れると、外側ジェットは、キャビテーションジェットおよび結果として生じるキャビテーションクラウド１３８を実質的に取り囲む水または流体環境のシェルを形成する。研磨媒体１４０が、広角ノズル１６８によって導入され、クラウドによってエネルギーを与えられる。ワークピース１３６の粗い表面１７２の一部が、研磨媒体１４０およびキャビテーションクラウド１３８によって仕上げられ、ピーニングされ得る。
【００３３】
いくつかの例では、装置１１０は、固定されて、すなわち静止して使用するように構成することができる。ワークピース１３６は、キャビテーションクラウド１３８内に完全に囲まれてもよい。あるいは、ワークピース１３６は、移動ステージによって支持されて、表面仕上げが完了したときに表面７２の新しい部分をキャビテーションクラウド１３８の中に持ってきてもよい。他の例では、装置１１０が、ワンドまたは他の可動構造に一体化されて、オペレータがノズル１２２を所望の方向に向けることができてもよい。
【００３４】
いくつかの例では、装置１１０は、スポット処理、または修理作業の仕上げに適していてもよい。この装置は、作業現場へ輸送されるように構成されてもよく、様々な外部システムから加圧水を受け取るためのアダプタまたはコネクタを含んでもよく、または他の方法で持ち運びできるようにされてもよい。他の例では、装置１１０は、流体のタンク内にワークピースを入れるのは費用がかかりすぎるような大規模プロジェクトでの使用に適していてもよい。
【００３５】
実施例３：
図８ａ〜図８ｄは、多段階流体キャビテーション研磨表面仕上げプロセスを受けている表面２１０を示す。図８ａにおいて、キャビテーションクラウドによってエネルギーを与えられた第１の研磨媒体２１２が、表面２１０の突き出たピーク２１４と相互作用し、材料を表面から除去し、ピークを低下させる。
【００３６】
図８ｂは、ある程度滑らかにされた表面２１０と相互作用する第２の研磨媒体２１６を示す。第２の媒体２１４は、第１の媒体２１２よりも小さいグリットサイズを有し、エネルギーを与えられた媒体は、表面２１０をさらに滑らかにし、突き出たピーク２１４を減少させる。同様に、図８Ｃに示すように、第３の研磨媒体２１８が、追加の材料を除去し、表面２１０をさらに滑らかにする。最後に、図８Ｄに示すように、表面２１０は、所望の滑らかさのレベルに仕上げられている。任意の数の異なる媒体が、任意の数の段階のこのような多段階プロセスのために使用されてもよい。
【００３７】
研磨媒体２１２，２１６，２１８は、任意のグリットサイズの任意の有効な材料の粒子を含むことができ、または材料の混合物を含むことができる。例えば、媒体は、金属、ガラス、セラミック、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、軽石、ナッツ殻、トウモロコシ穂軸、またはプラスチック研磨粒子を含むことができる。各媒体は、好ましくは約１６〜１２００ＡＮＳＩグリットサイズの範囲内の粒子を含んでもよい。
【００３８】
先に論じ図３に示すように、研磨媒体供給源４４は、複数の研磨媒体を供給するように構成されてもよい。媒体間の移行は、オペレータによって制御されてもよいし、またはセンサによってタイミングが決められ作動されてもよいし、または自動多段階流体キャビテーション研磨表面仕上げプロセスの一部として、トリガされてもよい。
【００３９】
媒体の最も有効な組み合わせが、仕上げされるべき特定の表面の材料および粗さに基づいて、供給源４４で利用可能な複数の材料から選択されてもよい。あるいは、処理時におけるある特定の表面のための適切な媒体が、供給源４４にストックされてもよい。例えば、Ｒａ１００μＭの金属表面が、１００および５００グリットサイズのガラス研磨材で仕上げられ、Ｒａ１，０００μＭのプラスチック表面が、１０グリットサイズのナッツ殻研磨材、その後、５０および１００グリットサイズの軽石研磨材で仕上げられてもよい。
【００４０】
動作／使用方法
図９は、全体として３００で示された、表面仕上げのための方法の複数のステップを記載する。方法３００は、図１〜図８を参照して説明した装置、ノズル、またはプロセスのいずれかと共に使用することができる。方法３００の様々なステップを以下で説明し、図９に示すが、ステップは、必ずしもすべて実行される必要はなく、場合によっては、示された順序とは異なる順序で実行されてもよく、場合によっては、同時に実行されてもよい。
【００４１】
方法３００の第１のステップ３０２は、流体環境においてワークピースに向けて流体のフローを放出することを含む。流体は、複数のキャビテーション気泡を形成することを含むステップ３０４を促進する圧力および流量で放出されてもよい。流体は、キャビテーション気泡のクラウドを生成するように圧力および流量を変更するように構成されたノズルから放出されてもよい。
【００４２】
流体は、高圧で、好ましくは５０〜１０，０００ポンド／平方インチで放出されてもよい。放出される流体および流体環境のいずれかまたは両方が、水であってもよい。
【００４３】
流体環境は、タンクに入れられた流体の塊であってもよく、圧力下であってもよい。そのような場合、ワークピースは、タンク内に沈められていてもよい。代替的に、流体のフローを放出することは、第１の流体ストリームを第１の圧力でポンプ供給し、第２の流体ストリームを第２のより低い圧力でポンプ供給することをさらに含むことができる。第１の流体ストリームは、流体環境を形成し得る第２の流体ストリームによって包含されてもよい。
【００４４】
ワークピースに向けて流体のフローを放出することは、生成されたキャビテーション気泡のクラウドでワークピースを囲むことを含むことができ、またはワークピースの表面の一部分にフローを向けることを含むことができる。ワークピースは、ステージによって支持されてもよく、ノズルが、ステージまたはワークピースに向けられてもよい。
【００４５】
方法３００のステップ３０６は、研磨媒体を複数のキャビテーション気泡の中に導入することを含む。研磨媒体を導入することにより、ワークピースに向けて導かれるキャビテーション気泡と研磨媒体との混合物を形成し得る。
【００４６】
研磨媒体は、供給源から延びる導管を通って送られてもよく、導管内のコルクスクリュー構造を通って移動してもよい。次いで、媒体は、導管の遠位端にある広角ノズルを通って分散されてもよく、ノズルは、キャビテーション気泡に向けられる。研磨媒体が導入されるときに、導管は、回転するか、または他の方法で動いてもよい。研磨媒体供給源は、導管を通って研磨媒体を移動させるように加圧されてもよい。いくつかの例では、研磨媒体は、研磨媒体供給源または複数の供給源からの複数の導管を通って送られてもよい。
【００４７】
研磨媒体は、金属、ガラス、セラミック、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、軽石、ナッツ殻、トウモロコシ穂軸、およびプラスチック研磨材のうちの１つ以上の粒子を含むことができる。好ましくは、含まれる粒子は、約１６〜１２００ＡＮＳＩグリットサイズの寸法範囲内にあってもよい。任意の有効な研磨媒体、媒体の組み合わせ、または媒体もしくは粒子の混合物が、使用されてもよい。いくつかの例では、研磨媒体を導入するステップ３０６は、グリットサイズが減少していく一連の研磨媒体に対して繰り返されてもよい。
【００４８】
ステップ３０８は、キャビテーション気泡で研磨媒体を活性化させることを含む。キャビテーション気泡によって形成されたキャビテーションクラウドは、速度、運動量、および運動エネルギーを研磨媒体に与える渦を巻く渦運動を有してもよい。キャビテーション気泡はまた、崩壊して、研磨媒体の運動を集合的に加速して、衝突時にワークピースの表面から材料を除去するための高速かつ十分な運動エネルギーを達成し、これにより、ワークピースから材料を除去することを含む方法３００のステップ３１０を促進することができる。
【００４９】
キャビテーションクラウドおよび気泡は、渦を巻く多方向の運動を研磨媒体に与えるので、材料が、ワークピースの狭いコーナー部、隙間、および内部特徴部から除去され得る。キャビテーション気泡は、ワークピースの表面のキャビテーションピーニングおよび洗浄をさらに行うことができる。
【００５０】
追加の実施例
このセクションでは、限定されることなく一連のパラグラフとして提示された実施例の追加の態様および特徴について説明し、その一部または全部が、明瞭および効率のために英数字で指定され得る。これらのパラグラフのそれぞれが、１つ以上の他のパラグラフと、および／または任意の適切な方法で本出願の他の箇所からの開示と組み合わせることができる。以下のパラグラフのいくつかは、他のパラグラフを明示的に参照し、さらに限定し、適切な組み合わせのいくつかの例を限定なしに提供する。
【００５１】
Ａ．
材料を除去する方法であって、
複数のキャビテーション気泡を形成するのを促進する圧力および流量でワークピースに向けて流体のフローを放出することと、
研磨媒体を複数のキャビテーション気泡の中に導入することと、
キャビテーション気泡で研磨媒体を活性化させることと、研磨媒体を伴うキャビテーション気泡とワークピースの表面との間の相互作用に基づいて材料をワークピースから除去することと、を含む方法。
【００５２】
Ａ１．
流体環境において実施される、Ａの方法。
【００５３】
Ａ２．
流体環境が、タンクに入れられた流体の塊である、Ａ１の方法。
【００５４】
Ａ３．
放出するステップが、第１の圧力レベルで第１の流体ストリームをポンプ供給することを含み、流体環境が、第１の圧力レベルよりも低い第２の圧力レベルで第１のストリームを囲む流体の第２のストリームを含む、Ａ１の方法。
【００５５】
Ａ４．
流体が水を含む、Ａの方法。
【００５６】
Ａ５．
導入するステップが、研磨媒体を供給源から複数のキャビテーション気泡に送ることを含む、Ａの方法。
【００５７】
Ａ６．
研磨媒体が、（ａ）金属、（ｂ）ガラス、（ｃ）セラミック、（ｄ）酸化ケイ素、（ｅ）酸化アルミニウム、（ｆ）軽石、（ｇ）ナッツ殻、（ｈ）トウモロコシ穂軸、および（ｉ）プラスチック研磨材のうちの１つ以上を含む粒子を含む、Ａの方法。
【００５８】
Ａ７．
研磨媒体が、約１６〜１２００ＡＮＳＩグリットサイズの寸法範囲の粒子を含む、Ａの方法。
【００５９】
Ａ８．
研磨媒体の供給源から延びる導管を通って複数のキャビテーション気泡に研磨媒体を送ることを、さらに含む、Ａの方法。
【００６０】
Ａ９．
導入するステップの間、導管の動きを回転させること、または他の方法で作動させることを、さらに含む、Ａ８の方法。
【００６１】
Ａ１０．
研磨媒体を導管内のコルクスクリュー構造を通って移動させることを、さらに含む、Ａ９の方法。
【００６２】
Ａ１１．
研磨媒体を導管の遠位端にある広角ノズルを通って分散させることを、さらに含む、Ａ８の方法。
【００６３】
Ａ１２．
研磨媒体を複数の導管を通って複数のキャビテーション気泡に送ることを、さらに含む、Ａの方法。
【００６４】
Ａ１３．
放出するステップが、５０〜１０，０００ポンド／平方インチの範囲の圧力で行われる、Ａの方法。
【００６５】
Ｂ．
材料を除去する方法であって、
キャビテーション気泡と研磨媒体との混合物を形成することと、
混合物を表面に向けることによって、ワークピース上の表面から材料を除去することと、を含む方法。
【００６６】
Ｂ１．      
ワークピースに向けられたノズルを通って流体を高圧で放出することと、
放出するステップによって生成されたキャビテーション気泡の中に研磨媒体を導入することと、を含むＢの方法。
【００６７】
Ｂ２．
導入するステップが、キャビテーション気泡に向けられた広角ノズルを通って研磨媒体を分散させることを含む、Ｂ１の方法。
【００６８】
Ｃ．
ワークピースから材料を除去するための装置であって、
ノズルを通って流体をポンプ供給し、ワークピースに向けられた複数のキャビテーション気泡を生成するように構成された流体フローデバイスと、
流体フローデバイスによって生成されたキャビテーション気泡の中に研磨媒体を供給するように構成された研磨媒体吐出デバイスと、を備える装置。
【００６９】
Ｃ１．      
流体の塊を入れるためのタンクと、
ワークピースを流体の塊の中で支持するためのステージであって、流体フローデバイスがステージに向けられている、ステージと、をさらに備える、Ｃの装置。
【００７０】
Ｃ２．
流体フローデバイスが、複数のキャビテーション気泡を生成するのに十分な第１の圧力レベルで流体の第１のストリームを供給するように構成された内側チャネルと、第１の圧力レベルよりも低い第２の圧力レベルで流体の第２のストリームを供給するように構成された外側チャネルと、を有するノズルを含み、流体の第２のストリームは、流体の第１のストリームを実質的に囲む、Ｃの装置。
【００７１】
利点、特徴、利益
本明細書に記載の表面仕上げのための方法および装置の様々な実施形態は、材料表面を仕上げるための既知の解決策に比べていくつかの利点を提供する。例えば、本明細書に記載の方法の例示的な実施形態は、複雑で不規則な形状の表面の仕上げを可能にする。加えて、数ある利益の中でも特に、本明細書に記載された方法の例示的な実施形態は、１つのプロセスで表面を滑らかにし、洗浄し、ピーニングすることを可能にする。特にそのような広範囲の表面形状および材料に対して、既知のシステムまたは装置は、これらの機能を実行することができない。したがって、本明細書に記載される例示的な実施形態は、付加製造によって製造される部品の仕上げに特に有用である。しかしながら、本明細書に記載された全ての実施形態が、同じ利点または同じ程度の利点を提供するわけではない。
【００７２】
結び
上述の開示は、独立した有用性を有する複数の異なる発明を包含しているかもしれない。これらの発明の各々が、好ましい形態で開示されているが、本明細書に開示され例示されたその特定の実施形態は、多くの変形が可能であるため、限定的な意味で考慮されるべきではない。本開示内でセクションの見出しが使用される限り、そのような見出しは、構成的な目的のみのためのものであり、特許請求する発明の特徴づけを構成するものではない。本発明の主題は、本明細書に開示されている様々な要素、特徴、機能、および／または特性のすべての新規かつ非自明のコンビネーションおよびサブコンビネーションを含む。以下の特許請求の範囲は、新規かつ非自明と見なされる特定のコンビネーションおよびサブコンビネーションを特に指摘する。特徴、機能、要素、および／または特性の他のコンビネーションおよびサブコンビネーションで具体化された発明が、本出願または関連する出願からの優先権を主張する出願において特許請求されてもよい。そのような請求項もまた、異なる発明または同一の発明に向けられているかどうかにかかわらず、また最初の請求項に対して範囲が広いか、狭いか、等しいかまたは異なるかにかかわらず、本開示の発明の主題に含まれるものとみなされる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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