JP2000263337A - 金属部品等の表面改質および洗浄方法およびその装置 - Google Patents

金属部品等の表面改質および洗浄方法およびその装置

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JP2000263337A
JP2000263337A JP11322561A JP32256199A JP2000263337A JP 2000263337 A JP2000263337 A JP 2000263337A JP 11322561 A JP11322561 A JP 11322561A JP 32256199 A JP32256199 A JP 32256199A JP 2000263337 A JP2000263337 A JP 2000263337A
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Hitoshi Soyama
均 祖山
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ショットピ−ニングを用いて表面改質（残留応
力を圧縮に改善、疲労強度改善、加工効果など）してい
る機械加工業、および、部品洗浄を要する分野に好適な
金属部品等の表面改質方法およびその装置を提供する。 【解決手段】被加工部品Ｗを液体を満たした第１容器１
内に設置し、前記部品の表面から離れたノズル４から第
１容器１内に流入する液体と第１容器から流出する液体
の流量を制御して第１容器１を加圧し、キャビテ−ショ
ン気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表
面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗
浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗
浄方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、歯車、ばね、金型
等の金属部品の表面改質方法およびその装置に関するも
のであり、特にショットピ−ニングを用いて表面改質
（残留応力を圧縮に改善、疲労強度改善、加工硬化な
ど）している機械加工業、および、部品洗浄を要する分
野に好適な金属部品等の表面改質および洗浄方法および
その装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来よりショットピ−ニングを用いて各
種金属部品の表面改質（残留応力を圧縮に改善、疲労強
度改善、加工硬化など）が行われている。また、最近で
は原子炉圧力容器などの応力腐食割れを阻止および防止
するために、複数個のスロ−トから構成されるノズルを
用いて水中に加圧水を吹き出して、キャビテ−ションを
発生させて、被加工物表面の残留応力を圧縮にする技術
等もある。
【０００３】しかし前記加圧水を吹き出して表面改質を
行う技術は、キャビテ−ションの圧潰衝撃力を利用して
いるかのように開示されているが、実際には「キャビテ
−ション噴流」を空気中に噴射する「一般のウォ−タ−
ジェット」と混同して使用されている。即ち「一般のウ
ォ−タ−ジェット」は、表面改質の程度（改善される残
留応力の値、改善される疲労強度の程度、加工硬化する
程度、など）は噴射する加圧水の圧力に依存するとし、
ポンプの吐き出し圧力を高価な高圧ポンプを使用して高
くしているが、表面改質の点で満足しうる加工能力を得
ていない。また、表面改質におけるキャビテ−ション圧
潰衝撃力の支配因子を把握しておらず、キャビテ−ショ
ン気泡の圧潰衝撃力およびキャビテ−ション噴流による
表面改質効果を有効に活用していない、等の問題点があ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者はこ
うしたキャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力およびキャビ
テ−ション噴流による表面改質の現象について研究を進
めた結果、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力およびキ
ャビテ−ション噴流による表面改質効果（残留応力改
善、加工硬化、疲労強度向上）は、加圧水の圧力ばかり
でなく被加工物を設置する水槽の圧力に依存すること、
加圧水の圧力と水槽の圧力の比に最適値が存在するこ
と、キャビテ−ション圧潰衝撃力は液温の温度により増
減すること、こうした条件を満足できればキャビテ−シ
ョンの圧潰衝撃力が増大することを確認した。本発明は
こうした知見をもとに成されたものであり、水またはオ
イル等の液体で満たした槽に設置した被加工物にキャビ
テ−ション噴流を噴射して加工し、キャビテ−ション噴
流の加工能力を増大させるために被加工物を設置した槽
を加圧し、短時間で被加工物を設置した槽を加圧制御す
ることにより、部品の表面改質を行うことができる金属
部品等の表面改質および洗浄方法およびその装置を提供
する。また、被加工物上にキャビテーション噴流を噴射
する加圧容器を移動自在に設けることで、大型構造物の
表面加工ができる金属部品等の表面改質および洗浄方法
およびその装置を提供する。さらに、パイプ内にキャビ
テーション噴流を噴射する加圧区間を形成し、この区間
をパイプ内面に沿って移動させながら、パイプ内面の表
面加工、洗浄を行うことができる金属部品等の表面改質
および洗浄方法およびその装置を提供する。そして上記
洗浄方法および装置により、上述した問題点を解決する
ことを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】このため本発明が採用し
た課題解決手段は、被加工部品を液体を満たした第１容
器内に設置し、前記部品の表面から離れたノズルから第
１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の
流量を制御して第１容器を加圧し、キャビテ−ション気
泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面に
ピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄す
ることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方
法であり、被加工部品を液体を満たした第１容器内に設
置し、前記第１容器を液体を満たした第２容器内に設置
し、前記部品の表面から離れたノズルから加圧液体を噴
出させてキャビテ−ションを発生させ、キャビテ−ショ
ン気泡の圧潰衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を
与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴とす
る金属部品等の表面改質および洗浄方法であり、前記第
１容器内に流入する液体と第１容器から流出する液体の
流量を制御して第１容器を加圧し、キャビテ−ション気
泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面に
ピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄す
ることを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方
法であり、前記第１容器と第２容器内との間に音響イン
ピーダンスの異なる物質を入れたことを特徴とする金属
部品等の表面改質および洗浄方法であり、前記第１容器
と第２容器内との間に満たす液体の温度を制御して第１
容器内の液体の温度を制御することを特徴とする金属部
品等の表面改質および洗浄方法であり、第１容器内に注
入するキャビテーション噴流液を、第１容器から冷却手
段に送って冷却後、キャビテーション噴流用のポンプに
戻すようにしたことを特徴とする金属部品等の表面改質
および洗浄方法であり、被加工部品を収納できる第１容
器と、第１容器を密閉状態にする蓋と、前記第１容器を
収納できる第２容器と、第１容器内に加圧液体を噴出す
るノズルと、前記ノズルからの噴出圧力を制御する流量
制御弁と、第１容器内の液圧を制御する圧力制御弁とか
らなることを特徴とする金属部品等の表面改質装置であ
り、前記ノズルは複数設けてあることを特徴とする金属
部品等の表面改質装置であり、前記第２容器は第１容器
の高さよりも深い容器として構成されていることを特徴
とする金属部品等の表面改質装置であり、前記第１容器
と第２容器内との間に音響インピーダンスの異なる物質
を配置したことを特徴とする金属部品等の表面改質装置
であり、前記第１容器の蓋は所定の力で閉じられている
ことを特徴とする金属部品等の表面改質装置であり、前
記第２容器内の液体を加熱もしくは冷却する手段を備え
ていることを特徴とする金属部品等の表面改質装置であ
り、前記被加工物部品は、被加工部品を移送する移送手
段上に載置されていることを特徴とする金属部品等の表
面改質装置であり、被加工部品上に液体を満たした第１
容器を配置し、前記第１容器内に液体を流入して第１容
器内を加圧し、該加圧された第１容器内にキャビテーシ
ョンを発生させるための加圧液体を噴出してキャビテ−
ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部
品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強
化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質お
よび洗浄方法であり、被加工部品を液体を満たした第１
容器内に設置し、前記第１容器内に液体を流入して第１
容器内を加圧し、該加圧された第１容器内にキャビテー
ションを発生させるための加圧液体を噴出してキャビテ
−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により
部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強
化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質お
よび洗浄方法であり、被加工部品上に配置した第１容器
と、第１容器内に加圧流体を注入するノズルと、第１容
器内の加圧液体内にキャビテーション噴流を噴出するノ
ズルとを備え、キャビテーション気泡の圧潰衝撃力によ
り部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を
強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質
および洗浄装置であり、前記第１容器と第１容器内に加
圧流体を注入するノズルと第１容器内の加圧液体内にキ
ャビテーション噴流を噴出するノズルとを一体で構成し
たことを特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装
置であり、前記第１容器内の液圧は弁等の液圧調整手段
によって制御されるべく構成されていることを特徴とす
る金属部品等の表面改質および洗浄装置であり、前記被
加工部品は第２容器内の液体内に浸漬されていることを
特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置であ
り、前記被加工部品は第２容器内に入れた液体の表面よ
り上に配置してなることを特徴とする金属部品等の表面
改質および洗浄装置であり、第１容器内に注入するキャ
ビテーション噴流液を冷却する手段を備えていることを
特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置であ
り、前記第１容器内にキャビテーション噴流液を囲むよ
うに加圧流体を注入することを特徴とする金属部品等の
表面改質および洗浄装置であり、パイプ状または管路等
の被加工部品において、パイプあるいは管路内に液体加
圧室を形成し、該加圧液体内にキャビテーション噴流を
噴出し、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大さ
せ、この衝撃力によりパイプ内面にピ−ニング効果を与
えてパイプ内面の表面を強化、洗浄することを特徴とす
る金属部品等の表面改質および洗浄方法であり、パイプ
または管路内に液体加圧室を形成する第１部材と第２部
材と、該第１部材と第２部材との間に加圧流体を注入す
るノズルと、前記液体加圧室内にキャビテーション噴流
を噴出するノズルとを備え、キャビテーション気泡の圧
潰衝撃力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工
部品の表面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品
等の表面改質および洗浄装置であり、第１部材と第２部
材のいずれか一方には、液体加圧室内の液圧を調整する
弁等の液圧調整手段が設けられていることを特徴とする
金属部品等の表面改質および洗浄装置である。
【０００６】
【実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面に基づい
て説明すると、図１は第１実施形態に係わる金属部品等
の表面改質装置の構成図である。図１において、１は被
加工物を容易に出し入れでき、蓋２によって密閉可能に
構成された被加工部品の表面改質を行う第１容器、３は
同第１容器１を収納できかつ第１容器１の高さよりも深
く形成され第１容器周囲に対して適当な空間Ｓを形成す
ることができる第２容器、４は第１容器１内にキャビテ
ーション噴流を噴射するノズル、５はノズルにポンプＰ
からの高圧液体を供給するための管路、６は高圧液体の
流量制御弁、７は第１容器１内の流体を容器外に排出す
る管路、８は同管路に設けられ第１容器１内の圧力を調
整する圧力制御弁である。なお、ノズルは第１容器１に
複数設けることができ、また流量制御弁６は高圧ポンプ
Ｐとノズル４とを接続する管路５に直接設けるよりも分
岐した管路５ａ内の設ける方が好ましい。
【０００７】被加工物Ｗは、容易に出し入れおよび密閉
可能な水またはオイル等の液体で満たした第１容器１に
入れられ、また、第１容器１と第２容器３との間にも水
またはオイル等の液体が満たされている。上記流量制御
弁６、圧力制御弁８およびポンプＰ等は図示せぬ電子制
御装置と接続され、第１容器１内に配置して図示せぬ圧
力、温度センサー等からの信号をもとに最適値となるよ
うに制御される。
【０００８】上記実施形態の具体的作用（作動） 被加工物Ｗを第１容器１内に入れたあと、開閉可能な蓋
２によって密閉し、ノズル４から高圧水を噴出して、噴
流まわりにキャビテ−ション９を発生させて、キャビテ
−ション気泡を被加工物Ｗに当てる。キャビテ−ション
気泡の圧潰衝撃力が被加工面に作用して、被加工面の加
工硬化、残留応力改善、疲労強度向上などをもたらす。
【０００９】キャビテ−ション気泡９の圧潰衝撃力を増
大させるために、ノズル４から第１容器１に流入する加
圧水の流量を流量制御弁６でまた第１容器１から流出す
る流量を圧力制御弁８によって制御し、第１容器１内の
加圧液圧を制御する。また、第１容器１に気相部分があ
ると、気相部分が加圧水により圧縮されるために、加圧
するために一定時間を要する。このため、本形態では第
１容器１を短時間で加圧するために第２容器３の深さを
深くし、第２容器３に充満した液体の圧力で第１容器１
に所定の圧力を与えておく。こうすることで第１容器１
内を短時間で加圧し、第１容器１内の気相部分を短時間
で極力少なくすることができる。
【００１０】以上のように本発明では、加圧する第１容
器１の気相部分を極力小さく出来るので、第１容器１を
加圧するのに要する時間を短縮出来る。例えば、第１容
器内の最適液圧が５気圧の場合、第１容器内に１２リッ
トル程度の空気が入っているとすると、１０リットル／
ｍｉｎの高圧ポンプで１分間程度加圧に要し、実際に加
工する時間（数十秒程度〜数分程度、ノズルの配置によ
りさらに短縮が可能）と同程度の時間が無駄になる。本
発明では、予め第１容器１を第２容器３に充満した液体
内に沈めておくために、第１容器内の空気を１／１０以
下に少なくできるので加圧時間も１／１０以下に短縮で
きる。また第２容器の深さに比例して、第１容器に所定
の圧力を与えておくため、例えば、上記の場合では、第
１容器内に１２リットル程度の空気が入っていても第２
容器の水深が５０ｍあれば加圧時間は０となり、加圧時
間を１００％短縮することができる。
【００１１】以上にように第１容器１を加圧しない場合
に比べて、本形態では残留応力を大きく改善でき、疲労
強度も改善できる、圧縮残留応力を被加工面の表面から
奥深くまで入れられる、加圧しない場合に比べて、加工
効率が高い（短時間で行える）、被加工物表面を加工硬
化できる等の効果を奏することができる。図３に加圧デ
ータを示す。加圧しない場合に比べて加圧した場合は、
圧縮残留応力が被加工面に入る深さは２倍から１０倍以
上であり、加工に要する時間は１／２から１／１０以下
となる（この値は噴流の吐出圧力が２０Ｍｐａ、ノズル
口径が０．４〜０．８ｍｍ程度のものであり、ノズルが
大きく、また吐出圧力が増大するほど加圧による効果は
顕著となる）。
【００１２】キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力は、液
温にも依存する。第１容器１の周囲に、第２容器３を設
置し、さらに第２容器３に対して液温制御装置を付加す
ることで第１容器１の液温を一定に保つことができ、キ
ャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力が最適となる液温３０
°Ｃ〜６０°Ｃに制御できる。第２容器３を設置しない
場合、第１容器１が昇温してキャビテ−ション気泡の圧
潰衝撃力が減衰するとともに、高圧水のポンプおよび配
管、第１容器が漏れたり、破壊しやすくなり危険であ
る。なお、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力は、水を
用いた場合、沸点と融点の中間である５０°Ｃで最大と
なる。実用上、高圧ポンプや配管は高温（８０°Ｃ以
上）になると耐圧力が極端に低下するので危険である。
このため第１容器１の水温を３０°Ｃから６０°Ｃにし
た方が良い。
【００１３】第２容器３の設置により、第１容器内で生
じるキャビテ−ション騒音を低減できる。第１容器と第
２容器との間にさらに音響インピ−ダンスの異なる物質
を入れることにより、防音（消音）の効果が増す。第２
容器３の設置により第１容器１内の気相部分（圧縮性気
体）を極力排除できるので、第１容器１から漏れを生じ
た場合にも、圧縮された部分がほとんど存在せず、漏れ
ても第１容器内の液体は非圧縮性なので、瞬時に第１容
器内の圧力は減衰するので安全である。第１容器１内に
気相部分が存在すると、気相部分が膨張して、漏れた箇
所より噴出し続けて危険である。
【００１４】キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力は、第
１容器１内の液体の空気含有度にも依存する。第１容器
内の液体が大気に触れて空気含有量が大きくなると、キ
ャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力は減衰、すなわちキャ
ビテ−ション噴流の加工能力が小さくなる。第２容器３
の設置により、第１容器１内の液体が直接大気に触れな
いので、第１容器１内の液体の空気含有量の変化が少な
く、キャビテ−ション噴流の加工能力はほぼ一定であ
る。
【００１５】つづいて本発明の第２実施の形態を図面に
基づいて説明すると、図２は第２実施形態に係わる金属
部品等の表面改質装置の構成図である。第２実施形態の
ものは、第１実施形態のものに比較して第２容器の深さ
が浅くなっており、第１容器１の上縁から液体が溢れ出
る構成となっており、加工の作用は第１実施形態と同様
である。第２実施形態のものも第１容器１内を加圧する
必要があるため第１実施形態の場合と同様に蓋２を閉
じ、蓋２の隙間から液体が溢れ出るようにする。なお、
第１容器１の蓋２の上に錘を乗せたり、あるいは蓋と容
器とを所定のバネ定数のバネ等で連結しておくことによ
り、蓋の開放に抵抗を与え第１容器１内を機械的に加圧
することもできる。なお、この加圧力も当然のことなが
ら電子制御装置等により制御することが可能である。
【００１６】さらに本発明の第３実施形態を図４を参照
して説明する。第３実施形態は、第１実施形態、第２実
施形態とは第１容器からの液体の排出方法が異なってい
る。即ち、第３実施形態では第１容器からの液体は流量
制御弁を介して第２容器内に排出し、さらに第２容器内
の液体を流量制御弁を介して容器外に排出するようにな
っており、このような構成とすることにより、キャビテ
ーション気泡崩壊後に第１容器内に残留する気泡を効果
的に除去することができる。
【００１７】つづいて本発明の第４〜第６実施形態を図
面に基づいて説明する。上述した第１〜第３実施形態
は、水等の液体を満たした密閉可能な圧力容器に加工物
全体を入れる必要があるため、被加工物よりも大きな第
１容器を必要とする。このため、長尺の被加工物などの
表面加工は困難である。また、床、や道路、橋梁などの
構造物への適用は不可能であった。さらに、パイプ内部
の表面加工、洗浄なども行うことができないなどの問題
もある。そこで、ここでは、加圧する第１容器が被加工
物より小さい場合でも、上記実施形態と同様にキャビテ
−ション気泡の圧潰衝撃力が被加工面に作用して、被加
工面の加工硬化、残留応力改善、疲労強度向上などをも
たらすことができる第４、第５実施形態について、さら
にパイプ内部の内面加工を行うことができる第６実施形
態について説明する。
【００１８】図５は本発明に係る第４実施形態であり、
図６は第４実施形態に係わる第１容器部の拡大構成図で
ある。図５において、２１は被加工物の表面改質を行う
第１容器であり、その大きさは図に示すように被加工物
２２の表面の一部を覆うことができるものとして形成さ
れている。第１容器２１は被加工物２２上を移動できる
ように図６に示すように下部にローラ３１等が配置され
た脚部材３０に支持されており、脚部材３０は被加工物
２２を跨ぐによう設けられる。第１容器２１内には同容
器内にキャビテーション噴流２８を噴射するノズル２４
が配置され、このノズル２４に連通する流路には流量制
御弁２５が設けられている。また第１容器２１には容器
内に高圧液体を注入するノズル２６が配置され、このノ
ズル２６に連通する流路には圧力制御弁２７が配置され
ている。第１容器には図示せぬポンプ（遠心ポンプ、渦
巻きポンプ等）から前記ノズル２６を介して高圧液（圧
力０．１〜１０ｋｇ／ｃｍ 2 ）が注入され、これによっ
て所定の圧力を維持できるようになっている。また、図
中２９は被加工物を自由に出し入れできる第２容器であ
る。
【００１９】なお、本例ではローラ３１を有する脚部材
３０に第１容器２１を支持する構成を採用しているが、
必要に応じて被加工物２２上を移動できるローラ３１を
第１容器下面に直接設けることもできる。いずれの場合
も第１容器２１が容器内に注入された高圧液の作用で浮
き上がり被加工物２２の表面と第１容器２１下面との間
隔が開きすぎないようにする適宜な間隔制御手段（例え
ば磁石等）が設ける。また、脚部材３０と第１容器２１
との間にはスプリング等の弾性材を入れ、第１容器を被
加工物側に付勢しておくことも可能である。
【００２０】上記第４実施形態の作用を説明する。被加
工物２２を第２容器２９内の液中に配置し、被加工物２
２の表面上に第１容器２１を載置する。この状態で第１
容器２１内に加圧液を注入し、またノズル２４から第１
容器２１内にキャビテーション噴流２８を噴射し、噴流
まわりにキャビテ−ションを発生させて、キャビテ−シ
ョン気泡を被加工物２２に当てる。この時、第１容器２
１内の液圧は圧力制御弁２７により、またキャビテーシ
ョン噴流２８の圧力は流量制御弁２５によって制御され
る。キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力が被加工面に作
用して、被加工面の加工硬化、残留応力改善、疲労強度
向上などをもたらす。また汚れを伴った液は、第１容器
と被加工物との間から外に排出される。
【００２１】本実施形態では、第２容器内の液中に没し
た被加工物２２に載置した小型の第１容器２１内の加圧
液体内においてキャビテーション噴流２８を生じさせ、
被加工部分の一部を加工するようにしているため、加圧
する第１容器部分を極力小さく出来、第１容器を加圧す
るのに要する時間を短縮出来る。また被加工物の表面の
一部を順に加工してゆくため、大きな加工物でも容易に
処理することができる。
【００２２】なお、本実施形態では当然のことながら、
第１容器２１と被加工物２２の間から漏れを生じるの
で、この漏れを上回る流量を第１容器内にキャビテーシ
ョン噴流を生じる高圧液とは別のポンプにより加圧液を
注入する必要がある。この加圧のためのポンプからの注
液はキャビテーションを生じさせる必要はないので比較
的低吐出し圧力（キャビテーション噴流用ポンプの１／
１００〜１／５０以下の吐き出し圧力、０．１〜１０kg
／ｃｍ2 程度）のポンプでよい。ただし流量を要するの
で、キャビテーション噴流用ポンプ（一般にはプランジ
ャポンプ、１０〜１０００ｋｇ／ｃｍ2 程度）とは形式
が異なる（遠心ポンプ、渦巻きポンプなど）ポンプを用
いたほうが良い。キャビテーション噴流用ポンプは、通
常、数リットル／ｍｉｎ〜数十リットル／ｍｉｎ程度の
流量なので、被加工物表面に押し付けた第１容器から漏
れ流量全てを補うことは困難である。そこでキャビテー
ション噴流高圧液と別の比較的低圧の高圧液を第１容器
に注液する。
【００２３】以上のように本実施形態は、キャビテーシ
ョン噴流用高圧液とは別に第１容器内を加圧するための
高圧液を小型の第１容器に注入して第１容器内を加圧す
る点に大きな特徴がある。なお、第１容器内の液圧制御
は、第１容器側に開閉弁を取り付け、この開閉弁を制御
することで行うことも可能である。
【００２４】次に第５実施形態の説明をする。第５実施
形態は、第４実施形態のように被加工物２２を第２容器
２９内の液中に没することなく、液表面より上方に配置
した例である。この例では図に示すように第２容器２９
内の水位を被加工物表面よりも低くした点を除いて、他
の構成は第４実施形態と同様である。なお、この形態の
発展形としては、第２容器を無くし、被加工物の表面上
に第１容器のみを配置したものも含まれる。ところで、
上記第４、第５実施形態は、ベルトコンベア等の移送手
段の上にのせられ移送される被加工物にも適用できる。
例えば、移送手段上に被加工物をのせ、移送手段によっ
て被加工物を１容器の下に移動し、ついで移送手段を停
止し、第１容器を下降して第１容器内に被加工物を収納
し、この状態で第１容器内にキャビテーション噴流用高
圧液を注入することで、上記各実施形態と同様に移送手
段上の被加工物の加工、洗浄が可能となる。
【００２５】第６実施形態の説明をする。第６実施形態
は、パイプあるいは部材に形成した管路内部の表面を加
工する例である。この例では、パイプ（管路）内部に第
１部材（第１栓）と第２部材（第２栓）を設け、これら
二つの部材間にある管路表面を加工するものである。図
８において、４１は被加工物としてのパイプであり、こ
のパイプ４１内には、第１栓４２と第２栓４３が連結棒
４４によって所定の間隔をもって配置される。第１栓４
２は、パイプ内面と液密状態にシールされ、かつ摺動自
在に配置されており、この第１栓４２には流体排出孔４
５が形成され、この孔４５には孔を塞ぐことができる弁
４６が設けられている。この弁４６は図示のようにバネ
４７等の付勢力によって孔４５に向けて押しつけられて
おり、内部の液圧が所定圧以上になると、孔４５から高
圧液が排出される構成となっている。なお、弁の形態と
しては同様の機能を奏する他の形態のものを使用するこ
ともできる。
【００２６】また第２栓４３は、パイプ加圧液注入用の
パイプ４８と、キャビテーション噴流用高圧液を注入す
るパイプ４９を保持しており、第２栓４３はその周囲が
パイプ内面との間に僅かな隙間５０を持って配置されて
いる。なお、パイプ４８およびパイプ４９には上記実施
形態と同様に圧力制御弁、流量制御弁が配置され、それ
ぞれのパイプから供給される液圧を調整することができ
る。図中、５１はパイプ内面に付着した汚れである。こ
の形態ではパイプ内に連結棒で連結された第１栓４２お
よび第２栓４３を図のように配置し、これらの栓４２、
４３の間にパイプ内加圧用の液を注入し、両栓の間を所
定の液圧に保持しながら、キャビテーション噴流用高圧
液をいれ、パイプ内部の洗浄を行う。また、キャビテー
ション噴流をパイプ内面に当てると、パイプ内面の表面
加工を行うことができる。また、加工中、第１栓４２と
第２栓４３との間の液体は汚れとともに第２栓４３とパ
イプ４１の間５０から排出されることになる。こうし
て、第１栓４２、第２栓４３の位置を適宜手段によって
徐々に移動させて行くことで、パイプ内面全周を洗浄、
あるいは表面加工することができる。なお、第１栓４２
と第２栓４３との間の液圧は何れかの栓に弁を設け、こ
れらの弁を開閉することにより制御することも可能であ
る。
【００２７】また、この実施形態では第１栓と第２栓と
を連結棒４４によって連結しているが、連結棒の代わり
に連結紐等も使用することもできる。さらに状況によっ
ては第１栓および第２栓は必ずしも棒や紐等で連結する
必要はなく、この場合には、第１栓と第２栓は、加工中
の高圧液の作用によってパイプ内面を移動することのな
いよう摩擦力などの適宜固定手段によってパイプ内に固
定しておく必要がある。
【００２８】図９に本発明を使用して合金工具鋼を処理
した時の圧縮残留応の様子、図１０に本発明を使用して
浸炭歯車材を処理した時の圧縮残留応の様子を示すグラ
フを示す。図９において、第１容器を加圧した場合には
１０分間で強化処理できるが、加圧しないばあいには１
５０分間を有し、圧縮残留応力値も６０％程度である。
また図１１に加工硬化の比較例を示す。
【００２９】以上のように第５実施形態では加圧する第
１容器が被加工物よりも小さくてすむため、第１容器に
入れられない長尺の鋼鈑、大型の金型などでも容易に表
面改質が可能になる。また本方法は、キャビテーション
噴流による床の洗浄などにも適用できる。また第１容器
の加圧用注水をキャビテーション噴流用の加圧水と別に
設置することにより大流量のプランジャポンプを必要と
せず、設備が安価になる。また、第６実施形態では、パ
イプ内に加圧区間を形成することで容易にパイプ内面を
加工、洗浄することができる。
【００３０】以上本発明に係わる種々の実施の形態につ
いて説明したが、流量制御弁、圧力制御弁等は手動によ
るもの、自動制御によるもの等を使用することができ
る。また液体は水、オイル等を使用することができる。
また、上記各実施形態において第１容器にキャビテーシ
ョン噴流を注入する際に、モータのパワーがキャビテー
ション噴流を通して熱に変わり、水温が上昇しすぎると
いうことがある。この場合には、第１容器内の圧力を利
用して、第１容器内の液を第１容器外の公知の各種冷却
手段に送って液を冷却し、その後、再びポンプに供給す
ることもできる。このように第１容器内の液圧を利用し
て液を冷却手段に供給する手法を採用すると第１容器内
の液を冷却手段におくるための新たなポンプは不要であ
り、液の冷却を簡単に実現できる。また、第１容器への
キャビテーション噴流と加圧水の注入方法として、上記
各実施形態のようにキャビテーション噴流のノズルと加
圧水注入用のノズルを隣接して配置する方法の他に、容
器の中心部にキャビテーション噴流ノズルを配置しその
ノズルを囲むように加圧水注入用のノズルを配置し、キ
ャビテーション噴流を加圧水で囲むようにして被加工物
に当てることもできる。さらにキャビテーション噴流ノ
ズルと加圧水注入ノズルの位置関係については必要に応
じてその他の形態に自由に変更することも可能である。
また、第１容器内への被被加工物の配置については当然
のことながら被加工物の形状などをもとに自由に設定す
ることも可能であり、例としてノズル自身を容器と一体
に成形したりする形態も当然のことながら可能である。
さらに本発明はその精神または主要な特徴から逸脱する
ことなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、
前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定
的に解釈してはならない。
【００３１】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、被加工物を第１容器内に入れたあと、密閉し、
ノズルから高圧水を噴出して、噴流まわりにキャビテ−
ションを発生させて、キャビテ−ション気泡を被加工物
に当てることにより、キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃
力が被加工面に作用して、被加工面の加工硬化、残留応
力改善、疲労強度向上などの表面改質効果および洗浄効
果を奏することができる。また、第１容器を被加工物上
に載置する方法を採用した場合には長尺の鋼鈑、大型の
金型なども容易に表面改質することができる。さらにキ
ャビテーション噴流による床の洗浄などにも適用でき
る。また、パイプあるいは管路内に加圧区間を形成する
ことで容易にパイプ内面を加工、洗浄することもでき
る。さらに、第１容器の加圧用注水をキャビテーション
噴流用の加圧水と別に設置することにより大流量のプラ
ンジャポンプを必要とせず、設備が安価になる、等の優
れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係わる表面改質装置の
構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係わる表面改質装置の
構成図である。
【図３】本発明に係わる加圧データを示す。
【図４】本発明の第３実施形態に係わる表面改質装置の
構成図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係わる表面改質装置の
構成図である。
【図６】図５中、第１容器の加工物への押しつけ方法を
説明する図である。
【図７】本発明の第５実施形態に係わる表面改質装置の
構成図である。
【図８】本発明の第６実施形態に係わる表面改質装置の
構成図である。
【図９】本発明を使用して合金工具鋼を処理した時の圧
縮残留応の様子を示すグラフである。
【図１０】本発明を使用して浸炭歯車材を処理した時の
圧縮残留応の様子を示すグラフである。
【図１１】加工硬化の比較例の表である。
【符号の説明】
１ 第１容器 ２ 蓋 ３ 第２容器 ４ ノズル ５ 管路 ５ａ 分岐管路 ６ 流量制御弁 ７ 管路 ８ 圧力制御弁 ９ キャビテーション噴流 Ｗ 被加工物 Ｐ 高圧ポンプ ２１ 第１容器 ２２ 被加工物 ２４ キャビテーション噴流用のノズル ２５ 流量制御弁 ２６ 高圧液圧注入用のノズル ２７ 圧力制御弁 ２８ キャビテーション噴流 ２９ 第２容器 ３０ 脚部材 ３１ ローラ ４１ パイプ ４２ 第１栓 ４３ 第２栓 ４４ 連結棒 ４５ 孔 ４６ 弁 ４７ バネ ４８ 加圧液注入用のパイプ ４９ キャビテーション噴流用のパイプ ５０ 隙間 ５１ 汚れ

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】被加工部品を液体を満たした第１容器内に
    設置し、前記部品の表面から離れたノズルから第１容器
    内に流入する液体と第１容器から流出する液体の流量を
    制御して第１容器を加圧し、キャビテ−ション気泡の圧
    潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表面にピ−ニ
    ング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄すること
    を特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄方法。
  2. 【請求項２】被加工部品を液体を満たした第１容器内に
    設置し、前記第１容器を液体を満たした第２容器内に設
    置し、前記部品の表面から離れたノズルから加圧液体を
    噴出させてキャビテ−ションを発生させ、キャビテ−シ
    ョン気泡の圧潰衝撃力により部品表面にピ−ニング効果
    を与えて加工部品の表面を強化、洗浄することを特徴と
    する金属部品等の表面改質および洗浄方法。
  3. 【請求項３】前記第１容器内に流入する液体と第１容器
    から流出する液体の流量を制御して第１容器を加圧し、
    キャビテ−ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃
    力により部品表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の
    表面を強化、洗浄することを特徴とする請求項２に記載
    の金属部品等の表面改質および洗浄方法。
  4. 【請求項４】前記第１容器と第２容器内との間に音響イ
    ンピーダンスの異なる物質を入れたことを特徴とする請
    求項２または３に記載の金属部品等の表面改質および洗
    浄方法。
  5. 【請求項５】前記第１容器と第２容器内との間に満たす
    液体の温度を制御して第１容器内の液体の温度を制御す
    ることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項
    に記載の金属部品等の表面改質および洗浄方法。
  6. 【請求項６】第１容器内に注入するキャビテーション噴
    流液を、第１容器から冷却手段に送って冷却後、キャビ
    テーション噴流用のポンプに戻すようにしたことを特徴
    とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の金属部品
    等の表面改質および洗浄方法。
  7. 【請求項７】被加工部品を収納できる第１容器と、第１
    容器を密閉状態にする蓋と、前記第１容器を収納できる
    第２容器と、第１容器内に加圧液体を噴出するノズル
    と、前記ノズルからの噴出圧力を制御する流量制御弁
    と、第１容器内の液圧を制御する圧力制御弁とからなる
    ことを特徴とする金属部品等の表面改質装置。
  8. 【請求項８】前記ノズルは複数設けてあることを特徴と
    する請求項７に記載の金属部品等の表面改質装置。
  9. 【請求項９】前記第２容器は第１容器の高さよりも深い
    容器として構成されていることを特徴とする請求項６〜
    請求項８のいずれか１項に記載の金属部品等の表面改質
    装置。
  10. 【請求項１０】前記第１容器と第２容器内との間に音響
    インピーダンスの異なる物質を配置したことを特徴とす
    る請求項６〜請求項９のいずれか１項に記載の金属部品
    等の表面改質装置。
  11. 【請求項１１】前記第１容器の蓋は所定の力で閉じられ
    ていることを特徴とする請求項６〜請求項１０のいずれ
    か１項に記載の金属部品等の表面改質装置。
  12. 【請求項１２】前記第２容器内の液体を加熱もしくは冷
    却する手段を備えていることを特徴とする請求項６〜請
    求項１１のいずれか１項に記載の金属部品等の表面改質
    装置。
  13. 【請求項１３】前記被加工物部品は、被加工部品を移送
    する移送手段上に載置されていることを特徴とする請求
    項６〜請求項１２のいずれかに記載の金属部品等の表面
    改質装置。
  14. 【請求項１４】被加工部品上に液体を満たした第１容器
    を配置し、前記第１容器内に液体を流入して第１容器内
    を加圧し、該加圧された第１容器内にキャビテーション
    を発生させるための加圧液体を噴出してキャビテ−ショ
    ン気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表
    面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗
    浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗
    浄方法。
  15. 【請求項１５】被加工部品を液体を満たした第１容器内
    に設置し、前記第１容器内に液体を流入して第１容器内
    を加圧し、該加圧された第１容器内にキャビテーション
    を発生させるための加圧液体を噴出してキャビテ−ショ
    ン気泡の圧潰衝撃力を増大させ、該衝撃力により部品表
    面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗
    浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および洗
    浄方法。
  16. 【請求項１６】被加工部品上に配置した第１容器と、第
    １容器内に加圧流体を注入するノズルと、第１容器内の
    加圧液体内にキャビテーション噴流を噴出するノズルと
    を備え、キャビテーション気泡の圧潰衝撃力により部品
    表面にピ−ニング効果を与えて加工部品の表面を強化、
    洗浄することを特徴とする金属部品等の表面改質および
    洗浄装置。
  17. 【請求項１７】前記第１容器と第１容器内に加圧流体を
    注入するノズルと第１容器内の加圧液体内にキャビテー
    ション噴流を噴出するノズルとを一体で構成したことを
    特徴とする請求項１６に記載の金属部品等の表面改質お
    よび洗浄装置。
  18. 【請求項１８】前記第１容器内の液圧は弁等の液圧調整
    手段によって制御されるべく構成されていることを特徴
    とする請求項１６または請求項１７に記載の金属部品等
    の表面改質および洗浄装置。
  19. 【請求項１９】前記被加工部品は第２容器内の液体内に
    浸漬されていることを特徴とする請求項１６〜請求項１
    ８のいずれかに記載の金属部品等の表面改質および洗浄
    装置。
  20. 【請求項２０】前記被加工部品は第２容器内に入れた液
    体の表面より上に配置してなることを特徴とする請求項
    １９に記載の金属部品等の表面改質および洗浄装置。
  21. 【請求項２１】第１容器内に注入するキャビテーション
    噴流液を冷却する手段を備えていることを特徴とする請
    求項７〜請求項２０のいずれかに記載の金属部品等の表
    面改質および洗浄装置。
  22. 【請求項２２】前記第１容器内にキャビテーション噴流
    液を囲むように加圧流体を注入することを特徴とする請
    求項１６〜請求項２１の何れかに記載の金属部品等の表
    面改質および洗浄装置。
  23. 【請求項２３】パイプ状または管路等の被加工部品にお
    いて、パイプあるいは管路内に液体加圧室を形成し、該
    加圧液体内にキャビテーション噴流を噴出し、キャビテ
    −ション気泡の圧潰衝撃力を増大させ、この衝撃力によ
    りパイプ内面にピ−ニング効果を与えてパイプ内面の表
    面を強化、洗浄することを特徴とする金属部品等の表面
    改質および洗浄方法。
  24. 【請求項２４】パイプまたは管路内に液体加圧室を形成
    する第１部材と第２部材と、該第１部材と第２部材との
    間に加圧流体を注入するノズルと、前記液体加圧室内に
    キャビテーション噴流を噴出するノズルとを備え、キャ
    ビテーション気泡の圧潰衝撃力により部品表面にピ−ニ
    ング効果を与えて加工部品の表面を強化、洗浄すること
    を特徴とする金属部品等の表面改質および洗浄装置。
  25. 【請求項２５】第１部材と第２部材のいずれか一方に
    は、液体加圧室内の液圧を調整する弁等の液圧調整手段
    が設けられていることを特徴とする請求項２４に記載の
    金属部品等の表面改質および洗浄装置。
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