JPH033775A - 小穴あけ用および薄溝切削用の研磨剤ジェットノズル組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高速研磨剤同伴液体ジェットを利用した切削装
置に関する。

〔従来技術および発明が解決しようとする課題〕種々の
材料を正確に切削するのに、高速研磨剤同伴液体ジェン
Ｉ・を使用することばよく知られている。簡単に述べる
と、まず、液体を２４．６０．５ｋｇ／ｃＪ　（３５，
０００ｐｓｉ　）　〜４９２１ｋｇ／ｃＪ（７０，００
０ｐｓｉ）の作用圧力まで圧縮し、この圧縮液体を人間
の髪の毛の直径程の直径、すなわち、０、０２５〜０．
３７５重量（０，００１〜０１０１５インチ）の直径を
有するオリフィスに通すことによって高速ウォータジェ
ットを形成する。得られた非常に干渉性のジェットを音
速と同等かあるいは音速を越える速度でオリフィスから
吐出させる。

ジェットを形成するのに最も頻繁に使用される液体は水
であり、従ってここに記載の高速ジェットは水ジェツト
であるとみなすことができる。しかしながら、当業者は
本発明の範囲を逸脱することなしに多くの他の液体を使
用することができ、水よりなるものとしてのジェットの
詳述が限定として解釈すべきでないことをわかるであろ
う。

研磨剤同伴水ジェットを生しさせるには、高速ジェット
が混合領域を通り、この際、ヘルヌーイの定理により流
れている液体を取り巻く低圧領域により成る量の研磨剤
がジェットに同伴される。

研磨剤は代表的には（しかし、限定されるわけではない
）、微細シリカまたはガーネットであり、また代表的に
は、ベルヌーイ誘発吸引により外部ホッパから導管を経
て混合領域に吸入される。

次いで、研磨剤同伴水ジェットを、ノズルハウジングの
吐出端部にごく隣接して支持された加工片に吐出する。

研磨剤ジェットの技術に関する更に別の情報および詳細
は、米国特許第４，６４８，２１５号に記載されている
。語「研磨剤ジェット」は、ここでは当業界の標準学術
用語による「研磨剤同伴水ジェット」についての簡略表
現として使用する。

エレクトロニクスおよび航空宇宙産業における新しい用
途は、脆い材料、複合体および積層体から形成された加
工片に小さい穴をあけることおよび／または最小の溝を
形成することを必要としている。例えば、多くの航空宇
宙機用構成要素は、熱保護のためにセラミックで被覆さ
れた金属基質よりなる。種々の材料を切削するのに研磨
剤ジェットが使用されてきたが、脆い材料、複合体およ
び積層体に小径（すなわち、０．０２５４　ｃｍ（０，
０１０インチ）位の小さい直径）の穴をあけたり、かか
る材料に最小（すなわち、０．０２５４　ｃｍ　（０，
０１０インチ）の幅）の溝を切削したりするのに、どの
市販装置も役立たなかった。実際、これらの上記の材料
は研磨剤ジェットが当ると、チッピング、亀裂、破断ま
たは離層を生じる傾向がある。

小さい穴あけおよび最小の溝の切削は素人には直径の小
さい研磨剤ジェットの使用を必要とするだけであると思
われるが、そうではない。実際、ジェットの直径を小さ
くすると、加工片が非均−に切削されたり、離層された
り、あるいは切削速度が不適格に低下したりしていた。

０ 〔課題を解決するだめの手段〕 本発明は脆い材料、複合体および積層材料に直径の小さ
い穴をあけたり及び／又は幅の小さい溝を切削したりす
るための研磨剤ジェンＩ・切削装置に使用する研磨剤ジ
ェットノズル組立体である。

このノズル組立体は高圧液体を受け入れるための入口端
部およびこの入口端部より下流の出口端部を有するハウ
ジング手段を備えている。入口端部と出口端部との間に
は、高圧液体から高速液体ジェットを形成するためのオ
リフィス構成手段が位置決めされている。

ハウジング手段は、研磨剤がジェン１へに同伴されるよ
うに、研磨剤をノズル組立体の外側の源からジェット形
成オリフィスより下流の混合領域まで導びくための研磨
剤誘導入口通路を有している。

この研磨剤誘導入口通路の少なくとも一部は、研磨剤の
移動方向に先細になっている。

ハウジング手段は更に、混合領域と流体連通し、研磨剤
をノズル組立体からジェットの通る通路とは別の通路に
沿って導びくための研磨剤出口導管と、混合領域より下
流に吐出導管を構成し、研磨剤同伴液体切削ジェットを
ノズル組立体から導びくための手段とを有しており、吐
出導管は１００〜５００の範囲の長さ対幅の比を有して
いる。

本発明の他の特徴によれば、ノズルハウジングに使用す
る取りばずし可能に固着されるインサートは一対の交差
貫通路を持つ耐摩耗性材料のボディを有しており、これ
らの貫通路のうち一方はジェットの直径の１０〜５０倍
の範囲の横断面を有している。他方の通路は、一端が交
差部に向う方向に先細に成形されている。

本発明の更に別の詳細および特徴は、好適な実施例の下
記説明で明らかになるであろう。

〔実施例〕

初めに第１図を参照すると、本発明により構成された研
磨剤ジェットノズル組立体が示されており、この組立体
ば水ジエツトオリフィスハウジング１０および研磨ジェ
ットハウジング１２を備えている。水ジエツトオリフィ
スハウジング１０は、上流端領域１６から延びた軸線方
向通路１４を有１ ２ している。上流端領域１６における入口ポート（図示せ
ず）により、高圧水（または他の適当な液体）を通路１
４に流入させることができる。代表的には、この通路は
直径がほぼ６．３ｍｍ（０，２５インチ）である。語「
高圧」とは、２４６０．５　ｋｇ／ｃＪ　（３５，ＯＯ
０ｐｓｉ）〜３８６６．５ｋｇ／ｃｎｌ（５５，ＯＯ０
ｐｓｉ）の範囲の圧力を示すのに使用するものである。

当業者は、ごのような高圧加圧水の源が代表的には研磨
剤ジェット切削装置の一部を構成する増圧ポンプである
ごとをわかるであろう。これらのポンプの説明はこの明
細書の範囲を越えるので、簡単化のために省略する。

第２図の拡大図でよりはっきり示したシュエルオリフィ
ス構成部材１８は、直径がほぼ０．０７６〜０．４５７
鶴（０，０３〜０．０１８インチ）のジェット形成オリ
フィス２０を有しており、このオリフィスは、これを通
過する高圧水から非常に干渉性の高速切削ジェットを生
じるように通路１４の下流端領域に位置決めされている
。シュエルオリフィス構成部材１８は、好ましくは合成
サファイヤおよびダイヤモンドのような極めて硬質の材
料から形成される。シュエル部材１８はＯリングずなわ
ちシール２６によってホルダ部材２４の凹部２２内にし
っかり封入され、また当業界で知られているように、通
路１４内の高圧液体によってホルダ部材に封止されてい
る。

第１図に戻ると、研磨剤ジェットボディ１２は上方およ
び下方のボディ部分２８．３０よりなるものとして示さ
れており、これらのボディ部分は３つのねじ３２によっ
て互いに固着されている。

３つのねじは上方ボディ部材の頂部のまわりに１２０°
間隔をへたてられているが、目視でわかるために、１つ
のかかるねじのみが第１図に現われている。上方ボディ
部分２８ば、好ましくは水ジエツトハウジング１０の下
流端を囲む雄ねじ山に螺合する円筒形の雌ねじ空洞３４
によって、水ジエツトハウジング１０に固着されている
。

上方および下方ボディ部材２８．３０の当接面は、調整
ねじ３２の選択回転によって下方部材の吐出管３８の軸
線方向通路３６をジェット形成第３ ４ リフイス１８と軸線方向に整合させることができるボー
ル／ソケット構造体を構成するように成形されている。

整合機構に関する更に別の詳細は、１９８５年１０月３
１日出願の出願中の米国特許出願第７９４　、２３４号
（木譲受人に譲渡）に示されている。

更に、下方ボディ部材３０は、研磨剤を外部のホッパ（
または他の源）から下方ボディ部材内の今後領域４２ま
で導びくための研磨剤誘導入口通路４０を有している。

当業界で知られているように、研磨剤は代表的には微細
ガーネットまたはシリカ粉末よりなり、ヘルヌーイの定
理により移動ジェットを取り巻く低圧によって組立体に
吸入される。研磨剤は、移動液体を取り巻く低圧領域に
よりジェットと同伴されるように、ジェット発生オリフ
ィス２０より下流で高速ジェットに隣接した混合領域へ
導びかれる。研磨剤ジェットの形成に関する更にの詳細
は、１９８７年３月１０日に発行された米国特許第４，
６４８，２１５号（ハシソシュ等）に記載されている。

また、下方ボディ部材３０には、研磨剤および／または
研磨剤同伴液体を導びくための研磨剤出口通路４４が形
成されている。この研磨剤出口通路４４は一端が混合領
域４２と連通しており、好ましくは入口研磨剤通路４０
に直径方向に対向し、この通路４０と同軸に整合されて
いる。出口通路４４は真空装置に連結されており、この
真空装置は流れているジェット５５を取り巻くベルヌー
イ効果が十分な切削および／または穴あけを生じる研磨
剤の流れのレヘルを維持するのに不十分である間中、外
部のホッパから入口通路４ｏを通るほぼ一定の流入量を
保つ。真空助成研磨剤流の使用に関する詳細は、本出願
人の出願中の米国特許出願第３０８．７３０号（１９８
９年２月９日出願）により詳細に述べられている。

本発明の一特徴によれば、入口通路４０内の研磨剤の流
れは、インサート部拐４６に形成された透孔４６ａの先
細壁部によって集中される。透孔４６　ａはジェットの
移動方向と直角に延びて混合領域４２内のジェット路と
交差している。実際、５ ６ 透孔４６ａの先細部分は、最も広い直径がほぼ３．８〜
６．３璽墓（０，１５〜０．２５インチ）であり、最も
狭い直径がほぼ２．５１ｍ　（０，１インチ）である。

研磨剤を直径の小さい流れ形態にすることにより、研磨
剤は薄いジェットを迂回して研磨剤出口通路４４を経て
流出するか、あるいはノズルハウジング内に蓄積するか
のいずれかであると思われる。

フラッシング入口通路４８を混合領域の上流の研磨剤誘
導通路と連通状態に設けることにより、ハウジング内の
研磨剤の蓄積が更に最小になる。

作動中、フラッシング水口４８ば低圧水または他の適当
な液体の源に連結されている。実際７．０３ｋｇ／　ｃ
Ｊ　（１００ｐｓｉ）までの圧力で３．７８５４！／分
までの水を流せる低圧管路が連結に適していることがわ
かった。フラッシングオリフィス４９を付設すると、通
常の水道水を使用する場合、好適な研磨剤ジェットが生
じる。好ましくは、低圧フラッシング液体は研磨剤出口
通路４４に連結された真空源の作用下で切削ノズル組立
体に流入し、穴あけおよび／または切削操作が終了した
後に残留研磨剤材料の挿入物をフラッシュする。

研磨剤ジェットボディの下方部材３０は、更に混合領域
の下流で研磨剤誘導出口通路４４と連通ずる第２フラッ
シング通路５９を有している。実際、７．０３　ｋｇ／
ｃｆｆｌ　（１０（ｌｐｓｉ）までの圧力で７．５７１
／分までの水を流せる低圧管路が連結に適しているとわ
かった。好ましくは、混合領域に研磨剤が蓄積しないよ
うにするために、切削または穴あけが進行中である間、
低圧フラ・ノシング流体が真空源の作用下でノズル組立
体に流入する。下流のフラッシング水を混合領域に流入
させてはならず、その流量を調整してそれが起らないよ
うにすることができる。

吐出管３８は、下方ボディ部材３０に形成された軸線方
向に延びたボアに位置決めされている。

管３８は炭化タングステンまたは他の極めて硬質の材料
から形成され、０．２５〜５鰭（０，０１０〜０．１０
インチ）の内径、１０〜２５ｃＩｌ（４〜１０インチ）
の代表的長さ、および１００〜５００の長さ対直径の比
を有している。吐出管３８の下流７ ８ 端部は切削作業中、加工片にごく隣接して位置決めされ
、研磨剤同伴ジェットを加工片に吐出する。

実際、０．２５〜２．５５ｍｍ　（０，０１〜０．１０
インチ）の離間距離がよい。

吐出管３８の外側下流端部は、好ましくは最小の離間距
離で傾斜表面に対しての作業を可能とするために円錐形
状をなすように加工されている。

代表的な円錐角は、２０°〜４５°の傾斜角である。吐
出管の平らな端部３８ａの直径は好ましくは非常に小さ
く、例えば、吐出管３８の内径の１．１〜２倍の範囲で
ある。

作業中、研磨剤がジェットとともにオリフィスを通して
吸い込まれるとき、特に速作動開閉弁を使用するとき、
研磨剤材料がジェット形成オリフィス部材に蓄積してそ
の破損率を厳しく促進することが分かった。これらの条
件下では、ジェノ１〜形成オリフイスは研磨剤粒子の衝
撃を受け、すくに破損されたり、摩耗されたりして公差
からはずれる。この問題の原因は、ジェットの高速動作
の結果としてのノズル組立体ハウジング外の環境とジェ
ットを取り巻く低圧環境との間の差圧にある。

この差圧により、空気はオリフィス部材に向けて通路５
６を上方に流れて成る量の研磨剤ダストを収集する。高
圧のウォータジェットの流れをすくに遮断すると、液圧
過渡現象によりジェット形成部材１８の上方に低圧が発
生する。これによりダストはシュエル要素に蓄積する。

高圧ジェットを再び活発化すると、ダストは高圧流体に
より吸収され、ジェット形成オリフィスを通過する。同
伴研磨剤はオリフィス部材を早く損傷する。

吐出管下方の研磨剤材料の逆流を実質的に除去するため
に、オリフィス保持部材２４には、半径方向に延びた通
路５０が設けられており、この通路の一端はジェットと
連通し、その他端はノズルハウジング外の環境と連通し
ている。

外部環境との連通は上方ボディ部材２８の排水孔５２を
介して行なわれ、この排水孔５２により漏れ水をウォー
タジェットノズルハウジング１０とオリフィス支持部材
２４との間から逃がすことができる。ウォータジェット
の直径の３〜１０倍９ ０ の直径を有する半径方向の通路５０がよいというがわか
り、広い範囲のジェットの直径には、１龍（０，０４０
インチ）の直径が適しているということがわかった。

ジェット吐出通路５６の側部を上昇する研磨剤ダストの
移動を更に制限するために、第２オリフイス５７が混合
領域の上流でジェンＩ・通路に位置決めされている。こ
の第２オリフイスは、ウォータジェットのわずかな広が
りを考慮してジェット形成オリフィスの直径のほぼ１．
５〜５倍である。

第２オリフイスの大きさは、空気の向流を物理的に妨げ
るのに十分な程、水ジェツトの大きさに近い。従って、
上記の差圧により、その空気の実質的にすべてを通路５
０を通して吸入する。第２オリフイスの軸線方向長さが
最小であるので、その類似寸法による水ジェツトに作用
する抗力はほとんどまたは全く効果がない。対照的に、
ジェット形成オリフィスを第２オリフイスに連結する軸
線方向に延びたチャンネル５４の直径はシェフ　ｈの直
径の５〜５０倍であって、ジェットを自由に移動させる
ことができる。

上記の説明は当業者が本発明を実施することができる詳
細を含むが、この説明が事実上例示的なものであり、当
業者には、これらの教示を利用して多くの変更例および
変形例が明らかになることはわかるべきである。従って
、本発明は特許請求の範囲によってのみ定められ、諸請
求項は従来技術をかんがみて行なえるほどに広く解釈さ
れるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により構成された研磨剤ノズル組立体の
断面正面図；第２図は第１図に示すジェット形成オリフ
ィスの拡大図である。 １０・・・・・・水ジエツトオリフィスハウジング、１
２・・・・・・研磨剤ジェットハウジング、１４・・・
・・・軸線方向に延びた通路、１６・・・・・・上流端
領域、１８・・・・・・オリフィス構成部材、２０・・
・・・・ジェット形成オリフィス、３８・・・・・・吐
出管、４０・・・・・・研磨剤誘導入口通路、４２・・
・・・・混合領域、４４・・・・・・研磨剤出口通路、
４６・・・・・・インサート部材、４６ａ１ ２ ・・・・・・透孔、４８・・・・・・フラッシング入口
通路、４９・・・・・・フランシングオリフィス、５９
・旧・・第２フラッシング通路。 ３ ４３ Ｆ／Ｇ 手 続 補 正 書 （方式） １、事件の表示 平成２年特許願第９ １９３５号 ３補正をする者 事件との関係 出 願 人 ４、代 理 人 ５、補正命令の日付 自 発

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、研磨剤ジェット切削装置に使用する研磨剤ジェット
   ノズル組立体において、 高圧液体を受入れるための入口端部、および入口端部よ
   り下流の出口端部を有するハウジング手段と、 入口端部と出口端部との間に位置決めされていて、高圧
   液体から高速液体ジェットを形成するためのオリフィス
   構成手段と、 研磨剤がジェットに同伴されるように、研磨剤をノズル
   組立体の外側の源からジェット形成オリフィスより下流
   の混合領域まで導びくための研磨剤誘導入口通路を有す
   るハウジング手段とを備え、研磨剤誘導入口通路は研磨
   剤移動方向に先細になっており、 ハウジング手段は更に、混合領域と流体連通し、研磨剤
   をノズル組立体からジェットが通る通路から分離した通
   路に沿って導びくための研磨剤出口導管を有しており、 混合領域より下流の吐出導管を定めていて、研磨剤同伴
   液体切削ジェットをノズル組立体から導びくための手段
   を備え、吐出導管は１００〜５００の範囲の長さ対幅の
   比を有することを特徴とする研磨剤ジェットノズル組立
   体。 ２、ハウジング手段は、ジェット形成オリフィスと混合
   領域との間にジェット受入れ通路を有しており、ジェッ
   トの方向と直角な方向におけるジェット受入れ通路の寸
   法は、ジェットの直径の１０〜５０倍の範囲であること
   を特徴とする請求項１記載のノズル組立体。３、研磨剤
   誘導入口通路の先細部分は、上記通路の横断面を３０％
   〜７０％だけ減じていることを特徴とする請求項２記載
   のノズル組立体。 ４、研磨剤誘導入口通路の先細部分は、上記通路の横断
   面をジェット受入れ通路の横断面とほぼ同じ寸法まで減
   じていることを特徴とする請求項２記載のノズル組立体
   。 ５、ハウジング手段は混合領域のすぐ上流で研磨剤誘導
   入口通路と流体連通しているフラッシング通路を有して
   いることを特徴とする請求項１記載のノズル組立体。 ６、フラッシング通路は、研磨剤誘導入口通路に対して
   斜めの軸線のまわりに形成されていることを特徴とする
   請求項５記載のノズル組立体。 ７、ハウジング手段は、混合領域のすぐ下流で研磨剤出
   口導管と流体連通している第２フラッシング通路を有し
   ていることを特徴とする請求項７記載のノズル組立体。 ８、第２フラッシング通路は、研磨剤出口導管に対して
   斜めの軸線のまわりに形成されていることを特徴とする
   請求項７記載のノズル組立体。 ９、吐出導管手段は、ほぼ円錐形の外側下流端領域を持
   つほぼ管状の吐出要素を有していることを特徴とする請
   求項１記載のノズル組立体。 １０、円錐形領域の下流端部の外径は、その端部の管状
   吐出要素の内径のほぼ２倍であることを特徴とする請求
   項９記載のノズル組立体。 １１、混合領域の上流のジェット通路への研磨剤材料の
   導入が最小になるように、ジェット形成オリフィスに向
   う外部環境ガスのベルヌーイ誘発流用の、吐出導管およ
   び混合領域を通して構成された通路に代る通路を形成す
   る手段を有することを特徴とする請求項１記載のノズル
   組立体。 １２、ハウジング手段は、一端がジェット形成オリフィ
   スと混合領域との間の領域で高速ジェットと流体連通す
   るガス抜き通路を有しており、該ガス抜き領域はその他
   端がノズル組立体の外側の環境と流体連通していること
   を特徴とする請求項１１記載のノズル組立体。 １３、高圧液体を受け入れるための入口端部および該入
   口端部より下流の出口端部を有するハウジング手段と、 入口端部と出口端部との間に位置決めされていて、高圧
   液体から高速液体ジェットを形成するためのオリフィス
   構成手段と、 混合領域より下流に吐出導管を構成し、ノズル組立体か
   ら研磨剤同伴液体切削ジェットを導びくための手段とを
   備え、 ハウジング手段がジェット形成オリフィスより下流で研
   磨剤をノズル組立体の外側の源から混合領域に向けて導
   びくための研磨剤誘導入口通路を有しており、 ハウジング手段が更に、混合領域と流体連通し、研磨剤
   をノズル組立体からジェットが通る通路とは別の通路に
   沿って導びくための研磨剤出口導管を有している種類の
   研磨剤ジェットノズル組立に使用する取りはずし可能に
   固着されるインサートにおいて、 一対の交差貫通路を有する耐摩耗性材料のボディを備え
   、上記貫通路のうち一方はジェットの直径の１０〜５０
   倍の範囲の横断面を有しており、 他方の通路は交差部に向う方向の一端が先細に成形され
   ていることを特徴とするインサート。 １４、上記他方の通路の先細部分は、交差部に隣接した
   第１通路の横断面とほぼ同等な最小の横断面を有するこ
   とを特徴とする請求項１３記載のインサート。 １５、上記他方の通路の先細部分は、その最大直径の３
   ０％〜７０％にほぼ同等な最小横断面を有することを特
   徴とする請求項１３記載のインサート。 １６、両通路は互いに概ね直角であることを特徴とする
   請求項１３記載のインサート。 １７、研磨剤ジェット切削装置に使用する研磨剤ジェッ
   トノズル組立体において、 高圧液体を受入れるための入口端部、および該入口端部
   より下流の出口端部を有するハウジング手段と、 入口端部と出口端部との間に位置決めされていて、高圧
   液体から高速液体ジェットを形成するためのオリフィス
   構成手段とを備え、 ハウジング手段は、研磨剤がジェットに同伴されるよう
   に研磨剤をノズル組立体の外側の源からジェット形成オ
   リフィスより下流の混合領域まで導びくための研磨剤誘
   導入口通路を有しており、 ハウジング手段は更に、研磨剤同伴液体切削ジェットを
   ノズル組立体から導びくための吐出導管を混合領域より
   下流に有しており、 ハウジング手段は更に、一端がノズル組立体の外側の環
   境と連通し、他端がジェット形成オリフィスと混合領域
   との間の領域における高速ジェットと連通しているガス
   抜き通路を有し、それにより吐出導管を通って構成され
   た通路とは異なる、ジェット形成オリフィスに向う外部
   環境ガスのベルヌーイ誘発流用の別の通路を形成してい
   ることを特徴とする研磨剤ジェットノズル組立体。