平成13年度〔2001〕№46
宮崎県工業技術センター・宮崎県食品開発センター研究報告

精密ウォータージェット加工技術の研究＊
竹山

隆仁＊１

Study on Precision Cutting technique by Water Jet Machining
Takahito TAKEYAMA
ウォータージェット加工の特徴を生かし新分野進出や高品質・高機能製品製造をすすめる上でネックとなっている、切断加工の高能率化・高精度化という課題に取り組んだ。壊食幅の狭い加工、小径穴加工を実現するためにノズル形状の最適化に取り組み、研磨材供給部を改善し切断実験を行った。
キーワード：ウォータージェット、切断加工
１ はじめにも１桁以上劣ることから改善が求められた。ウォー

近年金属加工業においては、より精度の高い加タージェット加工は材料板厚という観点からはワ工技術が求められている一方、チタン、ニッケルイヤ放電加工と同等の厚みのものを切断でき、加等の難削材の加工が魅力的な進出分野として考え工速度もワイヤ放電加工を上回る。またレーザーられている。このような中、ウォータージェット加工と比較すると数倍の厚みの材料を切断するこ加工は水の力を利用して加工を行うために刃物加とが可能である。また熱歪の発生も少ない。一般工や熱加工と比較して金属の種類を選ばず加工す的に言われているウォータージェット加工の精度ることができ、熱の発生が少ないため歪が生じには0.1mmオーダーであるが、特殊金属を切断すくいという利点がある。このような特徴を生かする際にこれ以上の精度で、かつできるだけ短時間ことで新分野進出や高品質・高機能製品製造をターで加工を行うことが求められた。以上のような観ゲットとすることが可能となる。

点から、本研究に取り組んだ。

本研究では、ウォータージェット加工を行う上でネックとなっている部分を解決し、支援地域中

２

実験方法

小企業への技術の普及をはかることで、需要の期

本実験で使用したCNCウォータージェット加待できる特殊金属加工分野等への進出を促すこと

工機の性能を表１に示す。この加工機を用いて実を目標とした。

験を行った。

現状におけるウォータージェット加工の課題と表１して、切断加工の高能率化・高精度化という課題について抽出した。これはこれまで工業技術セン

加工機性能最大圧力（MPa）

ターにおいて企業に対して指導を行ってきた中で、改善要望の高い課題であった。ウォータージェッ

ノズル送り速度（mm min）

ト加工の切断速度はレーザー加工とワイヤ放電加加工エリア（mm）工の中間でありながら、その形状精度が両者より＊＊１

精密ウォータージェット加工技術の研究（第１報）（集積活性化支援特定中小企業強化事業）
現 宮崎県機械技術センター

テーブル面とのノズル距離
（mm）

３350
0〜5,000
1,000×1,000
0〜300

実験結果及び考察

切断加工の高精度化・高能率化を視野に入れ、107

精密ウォータージェット加工技術の研究

ノズル形状の最適化について取り組んだ。

ターノズルにあわせて数種類使い分けた方がベター

表２に、現時点でウォータージェット加工機メーではあるが、現状では対応していない。研磨材供カーが取り扱っているウォーターノズルとアブレ給管の径と長さも負圧の発生に関連する部分で、シブノズルの標準的組み合わせを示す。通常切断長さはできるだけ短く、急角度の屈折部分がない加工に用いられる組み合わせとしては、 0.33ようにした。なお、今回は研磨材の供給は高圧水1.0mmが一般的で、 そのノズルを使用して研磨噴射により発生する負圧により行っているが、今材は＃80のガーネットを用いる。アブレシブノズ

後の課題としては負圧では吸引しきれない量を加ル内径が1.0mmであるので、 1.0mm以下の穴加圧して供給するようなシステムの構築が挙げられ工や1.0mm以下の壊食幅の切断加工は事実上不る。

可能である。従って、それ以下のアブレシブノズルを用いることが必要となる。

また、研磨材粒径も自ずから細かいものを使用することとなり、＃120（粒径0.2mm程度）以下の粒径のものを使用することとなった。上述した

表２

ウォーターノズルとアブレシブノズルの標
準的組み合わせウォーターノズル［mm］
0.33

アブレシブノズル
［mm］
1.0

0.254

0.75

0.1780.5

ように研磨材供給量を減量する必要があったため、供給量を調節するオリフィスを製作した。研磨材を供給する際研磨材をオリフィスで絞ることにより供給量が決定されるのだが、メーカー純正では内径 3.8mmまでのものしかなく、180g min以下の調整ができない状態であった。アルミ板の中心に穴を加工して穴径による供給量の調査を行い、研磨材粒度ごとにオリフィス内径を調整した。こそこでメーカーが製作している最も内径の小されは研磨材粒度により多少の誤差が出てくるため、いアブレシブノズルを用いて実験を行った。具体供給量を粒度に関係なく一定にするために行った。

的にはウォーターノズルとアブレシブノズルの組

表３にオリフィス内径と供給量について調査した

み合わせは 0.178 0.5である。この組み合わせを結果の一部を示す。

用いて加工するには、 0.33 1.0や 0.254 0.75と比較して細かな制御が必要となってくる。まず高表３

オリフィス内径と研磨剤供給量

圧水と研磨材との混合に関する点であるが、ウォーターノズル径が小さいため噴射流量が少なく、こ研磨剤供給量オリフィス内径＃150［g min］

＃220［g min］

う。即ち流量が少ないために負圧が低く、研磨材2.558.556.8を必要量吸引せず高圧水と混合できない。従って

2.871.870.80.33mmのウォーターノズルでは180g min以上

3.093.5

89.9

3.2111.5

109.5

れにより研磨材を吸引しづらい状況となってしまの研磨材を供給していたのに対し、60g min程度まで減量する必要があった。実験過程ではそれ以上の供給量でも試してみたが、供給管の中に堆積研磨材タンクは通常使用する＃80のガーネットしてしまい高圧水と正常に混合することができなを貯留しているが、粒度を変更する毎に入れ替えかった。高圧水と研磨材の混合という観点で考えるのが困難であるので別にタンクを設けてそこかてみると、重要な役割を果たすのが混合室形状、ら研磨材を供給するようにした。この際負圧の影研磨材供給管の径及び長さである。混合室形状は

響により供給量が変動しないように、ノズルユニッ使用するウォーターノズル径に合わせて、負圧がトにつながるラインと研磨材供給量調整部分は切発生しやすく研磨材と高圧水が混ざりやすい形状り離した。この別タンクをノズルユニット近傍にとした方がよい。従って混合室を使用するウォー設置することにより研磨材供給管の長さを可能な108精密ウォータージェット加工技術の研究限り短くすることができた。

つの部品でも必要な部分だけこのノズルで加工す

このノズル（ウォーターノズル 0.178 アブレるようにして、他の部分は通常のセッティングでシブノズル 0.5mm）を使用して高圧水噴射実験加工するようにすれば、このノズルだけで加工すを行った。 噴射圧力は200MPaとし、 研磨材はるよりも加工時間を短縮することができる。

＃120、＃180、＃220のガーネットを使用した。
研磨材の供給量は60g minとした。この条件で噴４まとめ射してみたところ、脈動により研磨材が均一に吸ウォータージェット加工の特徴を生かし、新分引されないという現象は発生しなかった。アルミ

野進出や高品質・高機能製品製造をすすめる上でニウムA5052、３tをノズル送り速度100mm min

ネックとなっている切断加工の高能率化・高精度で切断加工したところ、 壊食幅は0.6mm程度で化という課題に取り組んだ。特殊金属を高精度、あった。切断速度については、研磨材粒径の小さ短時間で加工することを念頭に置き、壊食幅の狭なものを使用していることと噴射圧力を200MPa

い加工、小径穴加工を実現するためにノズル形状で抑えていることから、通常のセッティングと比の最適化に取り組み、研磨材供給部を改善し切断較すると送り速度をかなり低速とせざるを得なかっ実験を行った。

た。たとえ研磨材を減量せずに同等の量を供給しウォーターノズル 0.178mm、アブレシブノズたとしても、粒径が小さくなると運動エネルギー

ル 0.5mmを使用して、より壊食幅の狭い切断加が小さくなることから壊食する能率は低下してし工実験を行ったところ、切断自体には問題はないまう。したがって、このノズルを使用する場合はものの加工時間という点で課題が残った。この点

壊食幅を狭くしたい場合や１mm以下の穴を加工を改善するためには、研磨材を加圧供給するなどする場合に限定した方が能率的である。即ち、一の対策が必要である。

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