(57)【要約】【課題】金属などの被改質材の表面改質技術に係り、特に一定距離を有する被改質材に対し過大な圧力加重をかけることなくピーニング効果を付与する表面改質装置およびその改質方法を提供する。【解決手段】本発明に係る表面改質装置１は、高周波振動を発生させる高周波振動発生手段２と、高周波振動発生手段２に連結され高周波振動を行う高周波振動手段２ｅと、被改質材９の施工面９ａと高周波振動手段の先端部２ｆとを対向する位置に間隙を設けて支持する支持手段３と、高周波振動手段２ｅの少なくとも先端部２ｆの外表面に保持された噴流生成手段５と、噴流生成手段５に、圧力水７ａを供給する圧力水供給手段６と、少なくとも噴流生成手段５の先端部５ｂと被改質材９との間隙に液体１１ａを介在させる液体保持手段１１とを備えたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波振動を発生させる高周波振動発生手段と、
前記高周波振動発生手段に連結され高周波振動を行う高周波振動手段と、
被改質材の施工面と前記高周波振動手段の先端部とを対向する位置に間隙を設けて支持する支持手段と、
前記高周波振動手段の少なくとも先端部の外表面に保持された噴流生成手段と、
前記噴流生成手段に、圧力水を供給する圧力水供給手段と、
少なくとも前記噴流生成手段の先端部と前記被改質材との間隙に液体を介在させる液体保持手段とを備えたことを特徴とする表面改質装置。
【請求項２】
前記高周波振動発生手段は、超音波領域で振動を発生させることを特徴とする請求項１記載の表面改質装置。
【請求項３】
前記圧力水供給手段によって前記噴流生成手段に供給される圧力水の圧力は、１乃至数十ｋｇｆ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項１記載の表面改質装置。
【請求項４】
前記圧力水供給手段は、前記圧力水を気液二相流とするため前記圧力水に空気を混合する空気混合手段をさらに設けたことを特徴とする請求項１記載の表面改質装置。
【請求項５】
前記噴流生成手段の噴出口は、スロート状に構成されたことを特徴とする請求項１記載の表面改質装置。
【請求項６】
前記高周波振動発生手段は、超磁歪材料または圧電型セラミックス材料により構成された振動部を備えたことを特徴とする請求項１記載の表面改質装置。
【請求項７】
前記高周波振動手段の先端部は、高硬度材料により構成されたことを特徴とする請求項１記載の表面改質装置。
【請求項８】
高周波振動を発生させる高周波振動発生工程と、
前記高周波振動発生工程で発生した前記高周波振動により、キャビテーション気泡を発生させる工程と、
前記キャビテーション気泡を発生させる工程で発生したキャビテーション気泡に、圧力水を供給し、混合する混合工程と、
前記混合工程において前記キャビテーション気泡と混合された前記圧力水を被改質材の施工面に噴出し、前記キャビテーション気泡を崩壊させることにより衝撃波を発生させ、ピーニング効果を付与する工程とを含むことを特徴とする表面改質方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属などの被改質材の表面改質技術に係り、特に低圧の噴流を用いて一定の距離を有する被改質材に対してピーニング効果を付与する表面改質装置およびその改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、キャビテーション気泡を伴う水中高速噴流を施工物表面に衝突させることにより、水中物体の残留応力改善などを行うウォータジェットピーニング装置およびウォータジェットピーニング法が提案されている（特許文献１参照）。これによれば、水中高速噴流を得るためにポンプで高圧に加圧された多量の高圧水の噴流中に、キャビテーション気泡を発生させる。さらに、この高圧水をノズルから噴射し、この高圧水に含まれるキャビテーション気泡を施工物表面に衝突させ崩壊させることにより発生する衝撃波を照射し、ピーニング効果を付与するものであった。
【０００３】
また、振動板を高周波振動させることにより発生したキャビテーション気泡を発生させる表面改質方法および装置も提案されている（特許文献２参照）。これによれば、振動板に対向配置された施工物表面に対してキャビテーション気泡の崩壊により発生する衝撃波を照射することでピーニング効果を付与するものであった。
【特許文献１】特開平７−３２８８５８号公報
【特許文献２】特開２００３−２２０５２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示すウォータジェットピーニング装置およびウォータジェットピーニング法は、高速噴流を利用してキャビテーション気泡を発生し運搬するため、噴出口から被改質材までの距離の高精度な維持の必要はなかった。しかし、水中高速噴流を得るために数十ＭＰａの高圧水を多量に使用するため、被改質材の形状に応じて衝突する噴流の流れ方が異なり、キャビテーション気泡の発生を加工最適な一定条件に維持することが困難であった。また、複雑に変化する曲面への効果的な加工、曲面に対して均一かつ一定の深さの圧縮残留応力を付与することが困難であった。さらに、噴流の制御が難しく、穴や円筒内面などの狭隘な空間部への施工は困難であった。またさらに、高圧水を利用するため、施工面以外への過大な圧力荷重が作用するという悪影響もあった。
【０００５】
また、特許文献２に示す表面改質方法および装置は、高周波振動する振動板によりキャビテーション気泡を発生させるため、高圧水を必要としない点で制御性が良く有効であった。しかし、振動板から発生するキャビテーション気泡の崩壊により数百ＭＰａもの衝撃波を発生させるためには、キャビテーション気泡の発生を高密度状態で行う必要があった。これにともない、振動板と被改質材との距離は１０ｍｍ以下、望ましくは０．１ｍｍ〜数ｍｍという微細な距離に精度良く維持する必要があった。また、振動板から１０ｍｍ以上、例えば２０ｍｍや３０ｍｍ程度の距離を有する被改質材に対しての施工は困難であった。
【０００６】
このため、特許文献２に示す表面改質方法および装置の特徴である被改質材に対する衝撃波の制御性を生かしつつ、特許文献１に示すウォータジェットピーニング装置およびウォータジェットピーニング法の特徴である噴流を用いてキャビテーション気泡を被改質材まで運搬できる能力を備えたピーニング技術が求められていた。
【０００７】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、低圧の噴流を用いて一定の距離を有する被改質材に対してピーニング効果を付与する表面改質装置およびその改質方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る表面改質装置は、上述した課題を解決するために、高周波振動を発生させる高周波振動発生手段と、前記高周波振動発生手段に連結され高周波振動を行う高周波振動手段と、被改質材の施工面と前記高周波振動手段の先端部とを対向する位置に間隙を設けて支持する支持手段と、前記高周波振動手段の少なくとも先端部の外表面に保持された噴流生成手段と、前記噴流生成手段に、圧力水を供給する圧力水供給手段と、少なくとも前記噴流生成手段の先端部と前記被改質材との間隙に液体を介在させる液体保持手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る表面改質方法は、上述した課題を解決するために、高周波振動を発生させる高周波振動発生工程と、前記高周波振動発生工程で発生した前記高周波振動により、キャビテーション気泡を発生させる工程と、前記キャビテーション気泡を発生させる工程で発生したキャビテーション気泡に、圧力水を供給し、混合する混合工程と、前記混合工程において前記キャビテーション気泡と混合された前記圧力水を被改質材の施工面に噴出し、前記キャビテーション気泡を崩壊させることにより衝撃波を発生させ、ピーニング効果を付与する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る表面改質装置およびその改質方法は、低圧の噴流を用いて一定の距離を有する被改質材に対してピーニング効果を付与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る表面改質装置およびその改質方法の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１２】
［第１の実施形態］
この表面改質装置は、金属などの被改質材の表面にキャビテーション気泡の崩壊により発生する衝撃波を照射し、ピーニング効果を付与するものであって、これにより被改質材の表面改質を行い疲労強度を向上させるものである。
【００１３】
なお、ピーニング効果は、被改質材の表面に圧縮応力を付与することで、表面の疲労強度や耐磨耗性、耐応力腐食特性などを向上させる効果とする。
【００１４】
図１は、本実施形態における表面改質装置の一例を示す構成図である。
【００１５】
図１における表面改質装置１の主な構成は、高周波振動発生手段としての高周波電源装置２、および振動部としての圧電素子２ａ、高周波振動手段としてのホーン２ｅ、噴流生成手段としてのノズルホルダ５、ノズルホルダ５の噴出口５ｂおよび被改質材９を清水１１ａで浸漬させる水槽１１などからなる。また、圧力水供給手段であって、ノズルホルダ５に設けられた清水供給口５ｃからノズルホルダ５に圧力水である清水７ａを供給する供給ポンプ６、および清水７ａを貯留する水槽７などからなる。
【００１６】
高周波電源装置２は、ケーブル２ｄで接続された圧電素子２ａに高周波の交番電流を供給する。圧電素子２ａは、超磁歪材料または圧電型セラミック材料により構成され、高周波電源装置２から供給された高周波電流により高周波振動を発生させる。圧電素子２ａは、締結体２ｂで軸２ｃに固定される。
【００１７】
ホーン２ｅは、取付フランジ２ｈによって軸２ｃと固定されており、圧電素子２ａの振動が伝達されることにより、被改質材９の施工面９ａと垂直である縦方向（ｙ軸方向）に振動するようになっている。ホーン２ｅは、高周波振動を行うことによりホーン先端部２ｆにキャビテーション気泡８ａを発生させる。また、ホーン先端部２ｆは、キャビテーション気泡８ａによる壊食を防止するため、超硬合金またはセラミックスなどの高硬度材料で構成される。
【００１８】
ここで、高周波振動の振動数は、例えば５００Ｈｚ以上であり、好ましくは超音波領域である２０ｋＨｚ〜８０ｋＨｚである。
【００１９】
取付フランジ２ｈは、軸２ｃにおけるノーダルポイント（軸振動の節）に設けられる。また、取付フランジ２ｈはボルト３ａによって取付アーム３と接続され、静止部４に固定される。また、これらは被改質材９の施工面９ａとホーン先端部２ｆとを対向する位置に間隙を設けるように構成され、支持手段として機能する。
【００２０】
ノズルホルダ５は、ホーン２ｅの周囲を覆うように設置されており、ホーン先端部２ｆから発生するキャビテーション気泡８ａを含んだキャビテーション噴流８を発生させる機能を有する。ノズルホルダ５は、ホーン２ｅの外表面に保持され、本実施形態ではホーン２ｅと非接触状態で構成される。
【００２１】
ノズルホルダ５の上端には、ホーン２ｅとの微小な隙間であるシール部５ａが設けられている。ノズルホルダ５の下端には噴出口５ｂが設けられており、この噴出口５ｂから被改質材９に向けて噴流８ｄが噴出される。また、ノズルホルダ５内部であって、ホーン先端部２ｆの下部に構成された空間部５ｄから噴出口５ｂにかけては、スロート状の形状を有しており噴流８ｄを効果的に発生させることができる。
【００２２】
ノズルホルダ５には、圧力水供給手段が設けられる。この圧力水供給手段は、圧力水としての清水７ａを貯留する水槽７、水槽７から清水７ａを昇圧し供給パイプ６ａを通り、清水供給口５ｃからノズルホルダ５に圧力水としての清水７ａを供給する供給ポンプ６から構成される。
【００２３】
供給ポンプ６によって昇圧され、清水供給口５ｃからノズルホルダ５に供給される圧力水としての清水７ａは、１〜数十ｋｇｆ／ｃｍ２程度の低圧水である。従来のウォータジェットピーニング方法では、高圧水を用いて高圧噴流を発生させていたため、多量の清水が必要であったのに対し、本実施形態における表面改質装置においては、低圧水を使用するため清水量を低減することができる点で有効である。
【００２４】
ノズルホルダ５には、ホーン先端部２ｆから発生したキャビテーション気泡８ａが定常的に存在する範囲により形成される、キャビテーション発生部１２が存在する。このキャビテーション発生部１２では、ホーン先端部２ｆから発生したキャビテーション気泡８ａと、供給ポンプ６により低圧水として供給された清水７ａが混合、撹拌された状態となっている。また、ホーン先端部２ｆではキャビテーション気泡８ａの発生と共に、ホーン２ｅの高周波振動により圧力波が発生する。混合、撹拌されたキャビテーション気泡８ａおよび清水７ａは、この圧力波の影響を受けることでキャビテーション噴流８となり、低圧状態でノズルホルダ５の噴出口５ｂから被改質材９の施工面９ａに噴出されるようになっている。
【００２５】
液体保持手段としての水槽１１は、ノズルホルダ５の噴出口５ｂの下部に設けられる。水槽１１には清水１１ａが貯留され、水槽１１の例えば底部に設置された被改質材９とノズルホルダ５との間隙に流体を介在させるようになっている。
【００２６】
次に、表面改質装置１の作用について説明する。
【００２７】
図２は、表面改質装置１におけるノズルホルダ５の噴出口５ｂから噴出された噴流８ｄが被改質材９の施工面９ａに作用する際の拡大図である。被改質材９である施工面９ａは、水槽１１に貯留された清水９中に浸漬され、固定されている。
【００２８】
図２における噴流８ｄは、キャビテーション発生部１２において発生したキャビテーション噴流８がノズルホルダ５の噴出口から噴出されることで発生する。この噴流８ｄは、低圧水としての清水７ａと多量のキャビテーション気泡８ａとが混合、撹拌された状態で噴出され、施工面９ａに衝突する。施工面９ａに衝突すると、噴流８ｄに含まれたキャビテーション気泡８ａは衝撃により崩壊し、この崩壊により衝撃波を瞬間的に発生させ、施工面９ａにピーニング効果を付与する。
【００２９】
図３は、表面改質装置１における施工面９ａ上で作用するピーニング効果を説明した図である。
【００３０】
キャビテーション気泡８ａを多量に含んだ噴流８ｄが施工面９ａに衝突すると、キャビテーション気泡８ａは、周囲の圧力作用により施工面９ａにて崩壊し崩壊泡８ｂとして破裂する。この崩壊泡８ｂは、崩壊泡８ｂの周囲に向かって数百ＭＰａの大きな衝撃波８ｃを瞬間的に発生させる。施工面９ａの近傍にあるキャビテーション気泡８ａが崩壊する時には、これらの衝撃波８ｃの一部が施工面９ａに直接作用しキャビテーション効果を付与する。
【００３１】
一つのキャビテーション気泡８ａで発生する衝撃波８ｃの発生時間は、数μ秒と非常に短い時間であるが、高密度状態である多量のキャビテーション気泡８ａを連続して崩壊させることにより、施工面９ａに連続して衝撃波８ｃを作用させることが可能となる。
【００３２】
このようにキャビテーション気泡８ａの崩壊によって発生したこのような衝撃波８ａを、施工面９ａに作用させることにより、施工面９ａを硬化させると共に被改質材９表面に圧縮残留応力を付与し、また被改質材９の疲労強度、耐磨耗性、耐応力腐食特性などを向上させことができる。
【００３３】
この表面改質装置および表面改質方法によれば、ノズルホルダ５を設けて噴流８ｄを発生させることにより、従来のように制御性に欠けていた高圧噴流を用いることなく、平坦な施工面はもちろん複雑な施工物に対しても低圧噴流によってキャビテーション気泡８ａを運搬し、ピーニング効果を付与することができる。
【００３４】
また、低圧噴流を施工面９ａに照射するため、従来のように高速の流れが発生せず、複雑な施工面に対しても噴流の照射が可能となり、高圧噴流の２次流れによる被改質材以外の構造物への過大な圧力加重などの悪影響を及ぼすことがない。
【００３５】
さらに、噴流８ｄを利用して被改質材９の施工面９ａまでキャビテーション気泡８ａを運搬し崩壊させるため、特許文献２に示した表面改質方法および装置のように、ノズルホルダ５と施工面９ａとの距離は微小な隙間を精度良く維持する必要がない。このため、この距離が多少変化してもピーニング効果には大きな影響を与えることはなく、一定距離、例えば２０ｍｍ〜３０ｍｍ程度の距離を有するものであってもピーニング効果を付与できる点で有効である。
【００３６】
［第２の実施形態］
第２実施形態では、表面改質装置から発生する噴流に含まれるキャビテーション気泡をさらに多量に存在させることで、被改質材に対しさらに高密度な衝撃波の照射が可能な表面改質装置およびその改質方法について説明する。
【００３７】
図４は、第２実施形態における表面改質装置１の構成図である。
【００３８】
なお、第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００３９】
図４における表面改質装置１には、図１に示す第１実施形態における表面改質装置１の構成に加え、圧力水供給手段に空気混合手段が設けられる。具体的には、圧力供給手段である供給ポンプ６や水槽７などに、さらに空気混合装置１０、吸気管１０ａが設けられる。
【００４０】
空気混合装置１０は、吸気管１０ａから吸気された空気と、水槽７から供給ポンプ６によって昇圧された清水７ａを混合するために設けられる。空気混合装置１０にて空気と一次混合された清水７ａは、気液二相流を生成し、清水供給口５ｃからノズルホルダ５に供給される。
【００４１】
ノズルホルダ５に供給された気液二相流の状態である圧力水としての清水７ａは、キャビテーション発生部１２にてさらに微細なキャビテーション気泡８ａとして生成される。このため、キャビテーション噴流８中にはより多量のキャビテーション気泡８ａが含まれることになる。この結果、被改質材９の施工面９ａに作用する噴流８ｄ中にも多量のキャビテーション気泡８ａを含ませることができ、この多量のキャビテーション気泡８ａの崩壊により高密度状態の衝撃波８ｃを施工面９ａに照射させることが可能となる。
【００４２】
表面改質装置１の作用については、第１実施形態と同様であるため、説明は省略する。
【００４３】
この表面改質装置およびその改質方法によれば、第１実施形態で生じた効果に加え、圧力水供給手段に空気混合手段を設けたことにより、さらに多量のキャビテーション気泡８ａを発生させることができ、高密度状態の衝撃波を施工面に照射させることができる。これにより、被改質材に対してより効果的にピーニング効果を作用させることができ、被改質材の表面の疲労強度や耐磨耗性、耐応力腐食特性などをより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１実施形態における表面改質装置を示す構成図。
【図２】ノズルホルダの噴出口から噴出された噴流が被改質材の施工面に作用する際の拡大図。
【図３】表面改質装置における施工面上で作用するピーニング効果を説明した図。
【図４】第２実施形態における表面改質装置を示す構成図。
【符号の説明】
【００４５】
１  表面改質装置
２  高周波電源装置
２ａ  圧電素子
２ｃ  軸
２ｅ  ホーン
２ｆ  ホーン先端部
３  取付アーム
３ａ  ボルト
４  静止部
５  ノズルホルダ
５ａ  シール部
５ｂ  噴出口
５ｃ  清水供給口
６  供給ポンプ
７  水槽
７ａ  清水
８  キャビテーション噴流
８ａ  キャビテーション気泡
８ｂ  崩壊泡
８ｃ  衝撃波
８ｄ  噴流
９  被改質材
９ａ  施工面
１０  空気混合装置
１０ａ  吸気管
１１  水槽
１１ａ  清水
１２  キャビテーション発生部
【図１】
2009090443.tif 000003
【図２】
2009090443.tif 000004
【図３】
2009090443.tif 000005
【図４】
2009090443.tif 000006