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

ウォータージェットによる精密研削の研究＊
竹山

隆仁＊１

Study on Precision Grinding technique by Water Jet Machining
Takahito TAKEYAMA
現在板金構造物等の端面研削は手作業に依存しているのが実状であり非能率的である。そこでウォータージェット加工をワーク端面の研削に応用する研究を行った。材料端面に対して平行にジェットを噴射することによる影響について調査した結果、研磨材粒度を大きくするに従い加工表面粗さが改善されること、またノズル移動速度による差が小さくなるという結果を得た。
キーワード：ウォータージェット、研削加工
１ はじめに
現在、板金構造物等の端面の研削を行う場合、手作業に依存しているのが実状であり、非能率的である。このような状況を鑑み、ウォータージェッ

２

実験方法

２−１

CNCウォータージェット加工機

本実験で使用したCNCウォータージェット加工機の性能を表１に示す。

ト加工をワーク端面の研削に応用する技術につい
表１て研究を行った。
金属加工業においてウォータージェット加工は加工機性能最大圧力（MPa）

350

材料の切断、塗装の剥離、ショットピーニングなノズル送り速度（mm min）

どに用いられている。一般的には他の工作機械で加工エリア（mm）

切断することが難しい難削材を切断加工するケー

テーブル面とノズルの距離（mm）

0〜5,000
1,000×1,000
0〜300

スが大部分を占める。本研究においては材料を広範囲に除去加工することが目的ではなく、材料端２−２試験片面の表面粗さ改善と寸法調整を念頭に置いている。

材料は機械構造用炭素鋼（S45C、板厚９mm）

ウォータージェット加工の特徴である被削材種をとアルミニウム（A5052、板厚10mm）を用いた。

選ばないことと、水の力を利用して加工を行うた

２−３

実験方法

め熱の発生が少なく熱歪が小さいという点を活かジェットを噴射しながら材料の端面に対して平して、端面研削の高能率化に応用できるよう検討行にノズルを移動し、その際の加工面粗さ及び壊した。またNCにより幾何学的形状のものについ食量を測定した（図１）。ても対応可能である。本研究では、鋼やアルミニウムといった材料について加工実験を行い基本的性状を調査したので、その結果について報告する。

＊＊１

ウォータージェットによる精密研削の研究（第２報）
現 宮崎県機械技術センター

図１

実験概略図
83

ウォータージェットによる精密研削の研究

70×30mmの大きさに切断し、表面を研磨した試料に対し端面に平行にノズルを移動させながらジェットを噴射した。

噴射ノズル

各実験条件については、昨年度の実験で、噴射圧力は最高圧力である350MPaのときが表面粗さはもっとも小さかった。しかし常に最高圧力でのポンプの使用はメンテナンスサイクルを著しく短試料くさせるに至り、ポンプ内部部品にもクレーター状のへこみが発見された。この状況を鑑み機械のダメージの低減を考えて、噴射圧力は300MPaと図２した。

噴射位置

噴射位置については、図２のように、ノズル中心軸と材料端面が重なる位置を±０とし、中心軸上面がそれよりも材料内側の時を＋方向、逆を−方向とした。内径1.0mmのノズルを使用した場合、噴射位置＋0.5mmでは噴流のほとんどが材料に衝突し、−0.5mmでは噴流のごく一部しか衝突しない状態になる。今回の実験では、昨年度内径1.0mmのアブレシブノズルを使用した際もっと下面も表面粗さが小さかった−0.5mmに固定して実図３験を行った。

壊食幅測定

ノズル高さ（材料表面とノズル先端との距離）
は噴流の広がりを極力抑えるために1.0mmとし３

実験結果及び考察た。

３−１

壊食幅についてウォーターノズル及びアブレシブノズルは最も噴流によって壊食された幅について図４，５に基本的な メーカー 仕様である 内径0.33mm 1.0示す。研磨材粒度により差異はあるが、S45Cであmmの組み合わせを使用した。研磨材はガーネッ

れば10〜20mm min、アルミでは40〜50mm min

トの＃80、＃120、＃150、＃220を使用し、こののノズル移動速度の範囲では上面と下面が同程度研磨材を180g minの割合で供給した。の幅だけ壊食される。その速度よりも小さければ、２−４下面側が多く壊食されテーパーが生じる。逆に移評価方法

加工した試料の寸法を万能投影機にて計測し、動速度を大きくすると上面側が多く壊食されるよ表面粗さ輪郭形状測定システムにて加工面の粗さうになり、S45Cにおいては50mm minの移動速を測定した。また加工表面の性状について、三次度では下面側はほとんど壊食されない。

元干渉測定顕微鏡を用いて調査した。寸法につい研磨材粒度による壊食幅の差はそれほど大きくては、図３において色の付いた部分が噴流によりない。切断加工においては研磨材粒径の大きなも壊食された部分とすると、材料の上面側と下面側のの方が運動エネルギーが大きいために、垂直切を加工前と加工後に測定し比較した。表面粗さは、断速度、最高切断速度共に粒径の小さな研磨材の材料上面から１mm、板厚の中心、材料下面から場合よりも大きくなる。しかし本実験においては１mmの位置を測定した。参考までに、S45Cの流速の大きいノズル中心軸からオフセットさせて切断加工時の表面粗さはRaが上から2.07、2.37、噴射しているために、研磨材粒度の影響が小さく2.78であった（加工条件：圧力350MPa、切断速なったものと予想される。

度10mm min、研磨材＃80、供給量 180g min）。
84ウォータージェットによる精密研削の研究

図４

壊食される幅の変化（S45C）

図５

壊食される幅の変化（A5052）

３−２

図６

算術平均粗さRaの変化（S45C）

図７

最大高さRyの変化（S45C）

表面粗さについて

S45CとA5052の算術平均粗さRaと、最大高さRyについて図６〜９に示す。
表面粗さは、研磨材粒度が大きくなるにつれて小さくなっている。また、＃80ではノズル移動速度が大きくなるにつれて加工表面粗さが大きくなりその差が明確であるのに対し、粒度を大きくしていくと際だった差が見られなくなる。現段階では、機構的には一般的な研削と同じで粒度の大きい研磨材でそれよりも大きい傷を削っていくと考図８

算術平均粗さRaの変化（A5052）

えている。被削材を摩耗させるためには被削材の靱性よりも研磨材のエネルギーが大である必要があるが、研磨材供給量が変わらなければ粒度が大きい方が粒子ごとのエネルギーは小さくなり、これが被削材の靱性を上回ればよいことになる。すなわち、粒度が小であれば加工能力も高くなるであろうが、その分破壊的な応力が被削材に加わり加工面粗さも粗くなると思われる。従って粒度を大きくすればするほど表面粗さも小さくなると考えられる。S45CとA5052を比較するとA5052の表

図９

最大高さRyの変化（A5052）
85

ウォータージェットによる精密研削の研究

図10

三次元干渉測定顕微鏡による観察結果（S45C ＃150）

図11

三次元干渉測定顕微鏡による観察結果（S45C ＃220）

面が粗いのは、靱性に対して加工の際加わるエネ表面粗さ測定の結果を裏付けるものである。ただ、ルギーが高いからで、改善を要する部分である。

＃220では溝状に谷が形成されている部分が観察

過去の実験結果では噴射圧力を下げても表面粗さされる。の改善には寄与しなかったので、ガーネットよりも軟らかい研磨材を使用したり粒度を大きくする必要があると考えている。
３−３

三次元干渉測定顕微鏡による観察

４

まとめウォータージェットによるワーク端面の研削を行ったところ、次のような結果を得た。

図10、11に三次元干渉測定顕微鏡によるS45C

研磨材粒度による壊食幅の差は小さい。またの加工表面観察結果を示す。加工条件については、切断加工の時と同様にノズル移動速度により材噴射圧力300MPa、ノズル移動速度20mm min、料端面にテーパーが生じる。

ノ ズ ル 高 さ １ mm と い う 点 が 共 通 で 、 図 10 は

表面粗さは、研磨材粒度が大きくなるにつれ＃150、図11は＃220の研磨材を使用している。上て小さくなる。また、粒度が大きくなるとノズから上面、中面、下面の観察結果である。これはル移動速度による表面粗さの差が小さくなる。

測定データにフィルターをかけ粗さ成分を抽出している。
両者共に、上面から下面に行くに従って山高さが低くなっており、谷深さの変化は小さい。また両者を比較すると、山谷共に＃220の方が小さく86