(57)【要約】【課題】  ウォータジェット切断加工方法において、切断線に沿ってガイド溝を形成することによって、切断速度が速くなるとともに切断面の仕上りを向上させること。【解決手段】  噴射ノズル４の下端の噴射口は約０．１ｍｍφ〜約０．４５ｍｍφであり、極めて細い高速水流５が音速の約３倍の高速で噴き出されるが、それでも噴射口から出ると少し拡がる。その拡がった高速水流５も、断面Ｖ字形状のガイド溝２Ａによってガイドされてガイド溝２Ａの底部（先端）に集中させられ、さらに真球に近く摩耗・破砕し難いモース硬度７の球状ジルコンビーズが、高速水流５とともにガイド溝２Ａの底部に高速で噴き付けられることによって、高速水流５による切削力は格段に向上して、しかも、アルミニウム金属板１の切断厚さは、ガイド溝２Ａ，２Ｂの分だけ１０ｍｍ−（２ｍｍ×２）＝６ｍｍと少なくなっているので、アルミニウム金属板１は高速で切断されて行く。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウォータジェットによる切断加工において、被切断材料の切断線に沿って予めガイド溝を設けておくことを特徴とするウォータジェット切断加工方法。
【請求項２】
前記ガイド溝は切断線の裏側にも対になって設けられていることを特徴とする請求項１に記載のウォータジェット切断加工方法。
【請求項３】
前記ガイド溝は断面形状がＶ字形状またはＵ字形状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のウォータジェット切断加工方法。
【請求項４】
前記ガイド溝はプレス金型を用いたプレス加工によって形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載のウォータジェット切断加工方法。
【請求項５】
前記ガイド溝はフライス盤を用いたミーリング加工によって形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載のウォータジェット切断加工方法。
【請求項６】
前記被切断材料を切断する高圧水に研磨材として球状ジルコンビーズを混入することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載のウォータジェット切断加工方法。
【請求項７】
前記被切断材料を端面から離れた部分から切断する場合には、切断の基点に約１ｍｍφ〜約２ｍｍφのピァシング（パイロット穴）を穿設することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載のウォータジェット切断加工方法。
【請求項８】
被切断材料の切断線に沿って予めガイド溝を設けておき、前記被切断材料を切断する高圧水に研磨材として球状ジルコンビーズを混入し、ウォータジェットにより切断することを特徴とするウォータジェット切断加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧水のみ、または高圧水に研磨材を混入して材料に高速で噴射することによって切断するウォータジェット切断方法において、短時間で精度良く切断することができるウォータジェット切断加工方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高圧水噴射を加工に応用したウォータジェット加工は、レーザ加工、放電加工等とともに高エネルギー密度の加工方法として既に様々な分野において実用化されている。特に、ウォータジェット加工は、加工時の発熱が極めて少ないこと、加工工具として作用する高圧水噴流が加工時において方向性が全くないこと、加工しろが極めて小さくて済むこと、加工屑の発生が極めて少ないこと等の特長を有しており、エレクトロニクス、機械加工、医療、原子力等、幅広い分野において切断・洗浄・バリ取り・掘削・剥離等の各種用途に利用されている。
【０００３】
さらに、ウォータジェット加工の応用として、特許文献１に示されるように、高圧水にガーネット粒子等の研磨材粒子を混入して被加工材に噴射するアブレシブジェット加工技術がある。研磨材粒子の衝突によって被加工材を研削摩耗するため、加工対象の制約が殆どなく、高圧水のみのウォータジェット加工では切れない被加工材でも切ることができるため、主に種々の材料の切断加工に利用されている。本明細書及び特許請求の範囲並びに要約書においては、アブレシブジェット加工も含めた高圧水による加工を広く「ウォータジェット加工」或いは「ウォータジェット切断加工方法」と呼ぶものとする。
【特許文献１】特開平５−２４５７５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載されたような従来のウォータジェット加工においては、金属材料を切断する場合、高圧水のみで切断する場合よりも研磨材を混入して切断した方が切断速度は向上するが、それでもレーザ加工、放電加工等と比較するとまだ切断速度が遅いという問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明は、切断線に沿ってガイド溝を形成することによって、切断速度が速くなるとともに切断面の仕上りを向上させることができるウォータジェット切断加工方法及びその装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明にかかるウォータジェット切断加工方法は、ウォータジェットによる切断加工において、被切断材料の切断線に沿って予めガイド溝を設けておくものである。
【０００７】
請求項２の発明にかかるウォータジェット切断加工方法は、請求項１の構成において、前記ガイド溝は切断線の裏側にも対になって設けられているものである。
【０００８】
請求項３の発明にかかるウォータジェット切断加工方法は、請求項１または請求項２の構成において、前記ガイド溝は断面形状がＶ字形状またはＵ字形状であるものである。
【０００９】
請求項４の発明にかかるウォータジェット切断加工方法は、請求項１乃至請求項３のいずれか１つの構成において、前記ガイド溝はプレス金型を用いたプレス加工によって形成されるものである。
【００１０】
請求項５の発明にかかるウォータジェット切断加工方法は、請求項１乃至請求項３のいずれか１つの構成において、前記ガイド溝はフライス盤を用いたミーリング加工によって形成されるものである。
【００１１】
請求項６の発明にかかるウォータジェット切断加工方法は、請求項１乃至請求項５のいずれか１つの構成において、前記被切断材料を切断する高圧水に研磨材として球状ジルコンビーズを混入するものである。
【００１２】
請求項７の発明にかかるウォータジェット切断加工方法は、請求項１乃至請求項６のいずれか１つの構成において、前記被切断材料を端面から離れた部分から切断する場合には、切断の基点に約１ｍｍφ〜約２ｍｍφのピァシング（パイロット穴）を穿設するものである。
【００１３】
請求項８の発明にかかるウォータジェット切断加工装置は、被切断材料の切断線に沿って予めガイド溝を設けておき、前記被切断材料を切断する高圧水に研磨材として球状ジルコンビーズを混入し、ウォータジェットにより切断するものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明にかかるウォータジェット切断加工方法は、被切断材料のウォータジェット加工による切断線に沿って予めガイド溝を設けておくものである。かかるガイド溝は、プレス加工、切削加工等、種々の方法によって設けることができる。このガイド溝に沿って噴射ノズルから高速水を噴き付けることによって、ガイド溝の底に高速水の切削力が集中して切断速度が向上する。さらに、ガイド溝を設けた分だけ被切断材料の厚さが薄くなっているため、より一層速く切断することができ、ウォータジェットによる高速水流によって切断面の面取りの効果も得られる。
【００１５】
また、アルミニウム、鉄鋼等の金属材料からなる部材において、軽量化等のために抜き穴を設ける切断の場合には、ガイド溝を設ける際に溝の縁にＲを付けておくことによって、作業者が抜き穴を持った場合に鋭いエッジやバリによって手を傷つけたり、抜き穴にロープを通して金属材料からなる部材を引き上げる場合にロープが切れてしまったりする事故を未然に防止することができる。
【００１６】
このようにして、切断線に沿ってガイド溝を形成することによって、切断速度が速くなるとともに切断面の仕上りを向上させることができるウォータジェット切断加工方法となる。
【００１７】
請求項２の発明にかかるウォータジェット切断加工方法は、ガイド溝が切断線の裏側にも対になって設けられているものである。これによって、両面にガイド溝を設けた分だけ被切断材料の厚さがさらに薄くなっているため、より一層速く切断することができるとともに、裏側の切断面の縁にもＲを付けておくことができて仕上りが一層向上する。
【００１８】
このようにして、切断線に沿ってガイド溝を形成することによって、切断速度が速くなるとともに表裏の切断面の仕上りを向上させることができるウォータジェット切断加工方法となる。
【００１９】
請求項３の発明にかかるウォータジェット切断加工方法は、ガイド溝の断面形状がＶ字形状またはＵ字形状であるものである。断面形状がＶ字形状またはＵ字形状であるガイド溝は、被切断材料が金属材料等の場合にはプレス金型を用いたプレス加工や切削工具を用いた切削加工によって容易に形成することができ、かつウォータジェットによる切断時に高速水流がガイド溝の底部に集中し易く、切断速度がさらに向上する。そして、エッジの処理のためには、Ｖ字形状またはＵ字形状の縁にＲを付けておくことによって作業者の怪我等を未然に防ぐことができる。
【００２０】
このようにして、切断線に沿ってＶ字形状またはＵ字形状のガイド溝を形成することによって、切断速度がより一層速くなるとともに切断面の仕上りを向上させることができるウォータジェット切断加工方法となる。
【００２１】
請求項４の発明にかかるウォータジェット切断加工方法は、ガイド溝がプレス金型を用いたプレス加工によって形成されるものである。この方法は、主に金属材料に適用されるもので、プレス金型が高価になるが、一度金型を作ってしまえばどのような複雑な切断線についても短時間でＲ付きのガイド溝を表裏に形成することができるので、大量生産に向いている。
【００２２】
このようにして、プレス金型を用いたプレス加工によって切断線に沿ってガイド溝を形成することによって、ガイド溝を短時間で形成することができ、切断速度が速くなるとともに表裏の切断面の仕上りを向上させることができるウォータジェット切断加工方法となる。
【００２３】
請求項５の発明にかかるウォータジェット切断加工方法は、ガイド溝がフライス盤を用いたミーリング加工によって形成されるものである。この方法は、主に金属材料に適用されるもので、プレス加工よりも時間は掛かるが低コストでできるので、多品種少量生産向きである。
【００２４】
このようにして、フライス盤を用いたミーリング加工によって切断線に沿ってガイド溝を形成することによって、低コストでガイド溝を形成することができ、切断速度が速くなるとともに表裏の切断面の仕上りを向上させることができるウォータジェット切断加工方法となる。
【００２５】
請求項６の発明にかかるウォータジェット切断加工方法は、被切断材料を切断する高圧水に研磨材として球状ジルコンビーズを混入するものである。前述の如く、「ウォータジェット切断加工方法」には研磨材粒子を高圧水に混入して噴射する「アブレシブジェット切断加工方法」も含まれるので、請求項１乃至請求項５の発明においても、ガーネット粒子等の研磨材粒子を混入して噴射する場合も含まれる。しかし、球状ジルコンビーズは真球に近い球状のため摩耗・破砕し難く、噴射エネルギーが効率良く被切断材料の切断に用いられるので、より一層切断速度が速くなる。さらに、切断面の凹凸が少なくなって滑らかになる。
【００２６】
このようにして、切断線に沿ってガイド溝を形成して被切断材料を切断する高圧水に研磨材として球状ジルコンビーズを混入することによって、切断速度がより一層速くなるとともに切断面の仕上りをより一層向上させることができるウォータジェット切断加工方法となる。
【００２７】
請求項７の発明にかかるウォータジェット切断加工方法は、被切断材料を端面から離れた部分から切断する場合には、切断の基点に約１ｍｍφ〜約２ｍｍφのピァシング（パイロット穴）を穿設するものである。このように、切断の基点に貫通穴を開けておくことによって、被切断材料を端面から切断する場合と同じように速く切断することができる。
【００２８】
このようにして、切断線に沿ってガイド溝を形成するとともに切断の基点にパイロット穴を穿設することによって、切断速度がより一層速くなるとともに切断面の仕上りを向上させることができるウォータジェット切断加工方法となる。
【００２９】
請求項８の発明にかかるウォータジェット切断加工装置は、被切断材料の切断線に沿って予めガイド溝を設けておき、前記被切断材料を切断する高圧水に研磨材として球状ジルコンビーズを混入し、ウォータジェットにより切断するものである。したがって、球状ジルコンビーズは真球に近い球状のため摩耗・破砕し難く、噴射エネルギーが効率良く被切断材料の切断に用いられるので、より一層切断速度が速くなる。さらに、切断面の凹凸が少なくなって滑らかになる。このようにして、切断線に沿ってガイド溝を形成して被切断材料を切断する高圧水に研磨材として球状ジルコンビーズを混入することによって、切断速度がより一層速くなるとともに切断面の仕上りをより一層向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図１及び図２を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態にかかるウォータジェット切断加工方法におけるＶ字形状のガイド溝を示す縦断面図、（ｂ）はＵ字形状のガイド溝を示す縦断面図である。図２は本発明の実施の形態にかかるウォータジェット切断加工方法の概略を示す斜視図である。
【００３１】
図１（ａ）に示されるように、本実施の形態にかかるウォータジェット切断加工方法の被切断材料１は金属材料であり、特にアルミニウム金属板１を被切断材料としている。このアルミニウム金属板１は厚さが約１０ｍｍであり、切断線に沿って表裏に断面Ｖ字形状のガイド溝２Ａ，２Ｂが設けられている。これらの断面Ｖ字形状のガイド溝２Ａ，２Ｂは、上型及び下型に対応する突起が設けられたプレス金型を用いて、プレス加工によって１工程で形成されたものであり、ガイド溝２Ａ，２Ｂの深さは各２ｍｍである。さらに、図１（ａ）に示されるように、ガイド溝２Ａ，２Ｂの角部にはＲが付けられており、プレス金型の上型及び下型に設けられた対応する突起の根元に対応するＲ形状を設けることによって形成されたものである。
【００３２】
また、図１（ｂ）に示されるように、本実施の形態にかかるウォータジェット切断加工方法の別例においては、アルミニウム金属板１の切断線に沿って表裏に断面Ｕ字形状のガイド溝３Ａ，３Ｂが設けられている。これらの断面Ｕ字形状のガイド溝３Ａ，３Ｂは、フライス盤を用いたミーリング加工によって形成されたものである。断面Ｕ字形状のガイド溝３Ａ，３Ｂの深さは各１．５ｍｍであり、ガイド溝３Ａ，３Ｂの角部にもＲが付けられている。ミーリング加工に用いられるフライス刃に対応するＲ形状の刃を設けておくことによって、一度のミーリング加工で断面Ｕ字形状のガイド溝３Ａ，３Ｂを切削するとともにその角部にＲを付けることができる。
【００３３】
それでも、フライス盤を用いたミーリング加工は、アルミニウム金属板１の切断線に沿って表裏１回ずつ行わなければガイド溝３Ａ，３Ｂを形成することができないので、プレス加工によるガイド溝２Ａ，２Ｂの形成よりは遥かに時間が掛かる。その代わり、専用のプレス金型を用意するのはコスト高になるので、プレス加工によるガイド溝２Ａ，２Ｂの形成は大量生産に適しており、フライス盤を用いたミーリング加工によるガイド溝３Ａ，３Ｂの形成は多品種少量生産に適している。
【００３４】
次に、このようにして断面Ｖ字形状のガイド溝２Ａ，２Ｂが形成された被切断材料としてのアルミニウム金属板１のウォータジェット切断加工方法について、図２を参照して説明する。図２に示されるように、本実施の形態にかかるウォータジェット切断加工方法においては、図示しない高圧ポンプから供給される高圧水に、図示しない研磨材供給装置から供給される球状ジルコンビーズが混入されて、噴射ノズル４から高速水流５としてアルミニウム金属板１の端面からガイド溝２Ａの中に噴き付けられる。
【００３５】
噴射ノズル４の下端の噴射口は内径約０．１ｍｍφ〜約０．４５ｍｍφの範囲内であり、極めて細い高速水流５が音速の約３倍（マッハ３）の高速で噴き出されるが、それでも噴射口から出ると少し拡がる。その拡がった高速水流５も、断面Ｖ字形状のガイド溝２Ａによってガイドされてガイド溝２Ａの底部（先端）に集中させられ、さらに真球に近く摩耗・破砕し難いモース硬度７の球状ジルコンビーズが、高速水流５とともにガイド溝２Ａの底部にマッハ３の高速で噴き付けられることによって、高速水流５による切削力は格段に向上して、アルミニウム金属板１は高速で切断されて行く。
【００３６】
しかも、アルミニウム金属板１の切断厚さは、１０ｍｍ−（２ｍｍ×２）＝６ｍｍと少なくなっているので、高圧水の圧力等が同じ条件下でガイド溝なしの厚さ１０ｍｍのアルミニウム金属板の切断速度が約５０ｃｍ／分であるのに対して、ガイド溝２Ａ，２Ｂが形成されたアルミニウム金属板１の切断速度は１ｍ／分以上と２倍以上に向上している。さらに、球状ジルコンビーズを研磨材として用いているため切断面は滑らかで仕上がりが良く、さらにガイド溝２Ａ，２Ｂの角部にはＲが付いているので、鋭い切断部で作業者が怪我をするという恐れもない。
【００３７】
このようにして、本実施の形態にかかるウォータジェット切断加工方法においては、切断線に沿って断面Ｖ字形状の深さ２ｍｍのガイド溝２Ａ，２Ｂを形成して、被切断材料としてのアルミニウム金属板１を切断する高圧水流５に研磨材として球状ジルコンビーズを混入することによって、切断速度が飛躍的に速くなるとともに切断面の仕上りをより一層向上させることができる。なお、真球に近い球状ジルコンビーズは高速水流の流速に乗るため、従来の研磨剤を用いたアブレシブジェット処理においては１００ＭＰａ〜１５０ＭＰａの高圧水を用いる必要があったのに対して、高圧水の圧力を３０ＭＰａ〜５０ＭＰａに下げても同等の効果が得られるため、高圧ポンプ、高圧配管及び噴射ノズルの寿命が大幅に延びるという効果も得られる。また、チタン等の難削材も容易に研削・切断することができるという特長をも有している。
【００３８】
本実施の形態においては、高圧水流５に研磨材として球状ジルコンビーズを混入した場合について説明したが、研磨材を用いず高圧水流のみで切断した場合でも、またガーネット粒子・アルミナ粒子・ルビーやサファイアの屑といった他の研磨材を混入した場合でも、ガイド溝２Ａ，２Ｂを設けたことによる切断速度向上の効果を得ることができる。
【００３９】
また、本実施の形態においては、切断線が直線である場合について説明したが、切断線がどのような複雑な曲線であっても、同様にガイド溝を設けることによって切断速度向上の効果を得ることができる。なお、ウォータジェット切断加工装置において、噴射ノズル４をガイド溝２Ａ（複雑な曲線の場合も含む）に沿って移動させる制御方法としては、ＮＣ制御（同時２〜５軸ＮＣ同時制御等）、ティーチングによる倣い制御等を用いることもできるが、油圧・電気等のスタイラス（２点でガイド）の倣い駆動方式によるのが、安価に構成できるため好ましい。
【００４０】
本発明を実施するに際しては、ウォータジェット切断加工方法のその他の工程についても、また被切断材料の構成、形状、数量、材質、大きさ、接続関係等についても、本実施の形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１（ａ）は本発明の実施の形態にかかるウォータジェット切断加工方法におけるＶ字形状のガイド溝を示す縦断面図、（ｂ）はＵ字形状のガイド溝を示す縦断面図である。
【図２】図２は本発明の実施の形態にかかるウォータジェット切断加工方法の概略を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  被切断材料
２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ  ガイド溝
４  噴射ノズル
５  高速水流
【図１】
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【図２】
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