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ウォータージェット用語集

ウォータージェットに関する用語を一覧にしましたので、是非お役立てください。

Hypressure™とは、75,000 psi(517 MPa)以上の圧力を出力するウォータージェットポンプのことを言います。超高圧(Ultrahigh-pressure=UHP)ポンプの圧力は、通常40,000-75,000 psi(270-517 MPa)です。一般的に、スタンダード機で標準的な加工をする場合は、定格圧力55,000-60,000 psi(380-414 MPa)の超高圧ポンプ、よりパワフルでハイスペックな加工が必要な場合は最高圧力94,000 psi(648 MPa)のポンプの使用をお勧めしています。

アブレイシブウォータージェット(別称:アブレイシブジェット)は、超高圧水によって加速された研磨材粒子が、音速を超える速度で被切削物に衝突することで材料を切削する加工技術です。アブレイシブウォータージェットは、ピュアウォータージェットよりも切断能力が高く、ピュアでは切断できない金属、ガラス、石材、複合材などの硬質材料の切断が可能です。また、標準パラメータ使用時で、酸化アルミセラミック(アルミナ 99.9%)の硬度の材料も切断することができます。
 

アブレイシブウォータージェットの特性

  • 多様な加工が可能
  • 熱影響を受けない
  • 機械的応力が発生しない
  • プログラミングが簡単
  • 細い水流(直径0.5~1mm)
  • 超微細な形状寸法
  • 薄板材の切断
  • 300mm厚の材料の切断が可能
  • 重ね切断が可能
  • 切断による材料ロスがほとんどない
  • 材料の固定が簡単
  • 切断時の押し当て力が小さい(切断時0.45kg以下)
  • 多くのアブレイシブジェット化工で共通のジェット設定
  • シングルヘッドからマルチヘッドへの変換が簡単
  • ピュアウォータージェットとアブレイシブウォータージェットの交換が簡単
  • 二次加工は最小限
  • バリがほとんど生じない

インテンシファイアポンプは、ウォータージェット切断加工で使用される、最も一般的なオリジナルの技術であり、「増圧の原理(intensification principle)」を利用して水を加圧します。

「増圧の原理」は、ポンプのシリンダー内にあるビスケットとプランジャーの表面積の比率を利用します。まず、油圧作動油が加圧されてロープレッシャーシリンダー内のビスケットを押し出し、その力を受けてハイプレッシャーシリンダー内のプランジャーが水を押し出します。この時、プランジャーの表面積がビスケットの表面積の1/20であるため、プランジャーが水を押し出す圧力は20倍に増圧され、その結果、超高圧水が生成されるという仕組みです。このように、ビスケット:プランジャー=20:1という表面積比率を使えば、たとえ油圧が3,000 psiだったとしても、生成される水圧は60,000 psiにも増圧されるということになるのです。

ウォータージェットスリッティングシステムとは、紙製品を高速で効率的に切断するために開発されたシステムで、高い収益率と経費削減が考慮された設計となっています。粉塵が発生しない切断技術により、安全な作業環境と高品質な仕上がりを保証いたします。また、ティッシュペーパーやペーパータオルなどロール形状のものを切断する場合は、本来必要な巻き取り作業が不要となるため、それに掛かる設備投資の節減ができ非常に経済的です。スリッターは加工機に直接取り付け可能で、紙加工における全ての必要条件をクリアした高いエッジ品質を提供します。

セットアップに手間が掛からず、高い操作性を持つウォータージェットは、切削工具を持たない非接触・非熱加工で、熱影響を受けません。試作から小ロット生産、大量生産、難関プロジェクトでの加工作業まで、幅広い用途でご利用いただけます。ピュアウォータージェットは、刃物でも切ることのできるような軟質材料の切断が得意で、アブレイシブウォータージェットは、あらゆる硬質材料の切断が可能です。

天然研削材のガーネットは、性能、均一性、コスト、ミキシングチューブの摩耗率、環境や人にやさしい性質などの観点から多くのユーザーに選ばれており、ウォータージェット切断システムで使用されている研磨材の99%を占めています。今日のウォータージェット切断で使用されているガーネットのサイズは、50~220メッシュで、最も一般的なのは80メッシュと言われています。メッシュの数字(粒度の番手)が大きいほど、砥粒の粒の大きさは小さくなり、320メッシュだと埃よりも小さくなります。

ウォータージェットのカッティングヘッドは、圧力を速度に変換させる役割を果たします。高圧水がヘッド内の鉱物製オリフィスを通ることで、音速を超える速度のジェット水流として噴射されるのです。

アブレイシブウォータージェット加工には、さらにミキシングチャンバーとミキシングチューブ、場合によってはOn/Offバルブが含まれます。ちょうどオリフィスの上部に位置するOn/Offバルブは、いわゆるポペット式のバルブで、ウォータージェットのジェット水流を噴射させたり止めたりする役割を持ちます。

ピュアウォータージェットのジェット水流を作るためには、水圧を速度に変換する必要があります。その変換が行われるタイミングは、水流が細径のジュエルオリフィスを通過する時です。オリフィスの内側にサファイア、ルビー、ダイヤモンドなどの鉱物が使用され、その径のサイズはおよそ0.08~0.5mm(最も一般的なサイズは0.35mm[0.014インチ])で展開されています。オリフィスのサイズが大きくなると、圧力維持のために、より多くの流量と馬力が必要になります。

ただし、最高水圧はオリフィスのサイズで決まるのではなく、馬力とポンプの種類によって決まります。

Flowのウォータージェットに使用するオリフィスは、上部が鋭いエッジになっているため、ウォータージェットの水流を安定的に生成することができます。もしエッジが丸みを帯びていたり、破損したりしていると、水流が乱れたり、予期せぬ方向に噴射されたりしてしまいます。オリフィスの破損や摩耗は、主に次の二つの要因によって引き起こされます。一つ目は、水に含まれるカルシウムがオリフィスに付着・蓄積し、それが剥がれる時に生じる瞬間的破損。そして二つ目は、微粒子衝突によって生じるエッジの摩耗や破損です。ウォータージェットにおけるオリフィスは、良くも悪くも、徐々に劣化していく例はあまり見られません。加工する材料と使用圧力にも因りますが、良質な水を使えば、サファイヤとルビーのオリフィスの寿命は40~200時間程です。

Flowの特許技術ダイナミックウォータージェット®は、スタンダードウォータージェットの2~5倍の速さで、より高精度な加工が可能です。

ウォータージェット加工には、水流の遅れとテーパーという2つのウォータージェット特有の問題が存在します。水流の遅れは、切削開始点と材料を抜けた時の水流の速度の違いにより発生し、テーパーは、切断時に水流の力が弱くなるためにV状に発生します。水流の遅れ及びテーパーの発生は、加工速度を低速(最高速度の15~20%の速さ)にすることで最小限に抑えることができますが、完全になくすことはできません。

ダイナミックウォータージェットでは、カッティングへッドを自動傾斜させて水流の遅れとテーパーを補正することで高速切断を可能にします。従来、水流の遅れとテーパーを加味して角度等を設定をしていた作業を、ダイナミックウォータージェットなら自動で制御してくれるため、オペレータの作業が軽減します。また、加工速度に合わせてヘッドの傾斜角度も自動で制御されるため、角部の加工や円形加工も高精度に行うことができます。

ダイレクトドライブポンプは、今まで世界中で納入されたウォータージェットの20%に使用されているポンプです。インテンシファイアポンプとは違い、ダイレクトドライブポンプは油圧回路を持ちません。トリプレックスポンプとも呼ばれ、電気モータが3連ピストンの往復運動を回転運動に変換し、加工に必要な超高圧水を生成します。

チェックバルブは、ウォータージェットのポンプ内に取り付けられている部品です。逆止弁とも呼ばれ、水(一般的には流体)が一方向にのみ流れ、逆流を阻止する役割を持ちます。

ウォータージェットの場合、低圧水が低圧ホースを通ってポンプへと送り込まれ、高圧水が生成されます。チェックバルブは、その高圧水が低圧ホースへと逆流するのを防ぐ役割を果たします。もし逆流すれば、低圧ホースは瞬時に破裂してしまうからです。このように圧力差を利用して、高圧側(二次側)から低圧側(一次側)への逆流を防いでいるのがチェックバルブです。その後、別の高圧用チェックバルブが開弁し、ステンレス鋼の高圧配管を通って、カッティングヘッドへと高圧水を供給します。

モーションシステムの一つ、ドライブモーターは、CNCのドライブアンプによって正逆回転が制御されます。ドライブモーターの回転により、装置が動きます。

ウォータージェットで滑らかな切断面を得るには、カッティングヘッドの動きが滑らか且つ精密である必要があります。通常、加工速度が最高速度のおよそ50%を超えると、切断面の底部にうねりが発生します。これをストリエーション(線条痕)と言います。そして、そのストリエーションが生じる深さをトランジションゾーンと言います。最高加工速度の70%の速度で加工する場合、最高速度60%の時よりもトランジションゾーンは表面に近いところに生じます。

ピュアウォータージェットは、ウォータージェット加工の原点となる加工方法です。1970年代前半から半ばにかけて製造業に導入され始め、はじめは段ボールなどの切断を行っていました。ピュアウォータージェットの主な用途として、使い捨ておむつやサニタリー製品、ティッシュペーパー、自動車や新幹線の内装材製品などの切断加工が挙げられます。ウォータージェットでおむつやティッシュペーパーを加工する際に発生する湿気は、水を使用しているのにも関わらず、手で触れたり息を吹きかけたりする時よりも少ないのが特徴です。

また、ピュアウォータージェットは、船舶の塗装剥離などの表面処理にも使用することができます。 表面処理についての詳細はこちらをクリックしてください。.

ピュアウォータージェットの特性

  • 極めて細い水流(通常直径0.1~0.2mm)
  • 超微細な形状寸法
  • 切断による材料ロスが非常に少ない
  • 熱影響を受けない
  • 超厚板の切断が可能
  • 超薄板の切断が可能
  • 高速切断
  • 軟質、軽量な材料の切断が可能
  • (例:最大609mm厚のファイバーグラス断熱材)
  • 切断時の押し当て力が非常に小さい
  • 材料固定が簡単
  • 1日24時間の稼動にも対応

モーションシステムの一つ、フィードバックシステムは、ノズル位置と移動速度のフィードバックをCNC制御システムに反映する役割を持ちます。

ドライブ、モータ、フィードバックシステムの機能が高いと、より精密な加工が可能になります。モータに付いているエンコーダや、機械フレームに取り付けられているノズルの位置検出をするスケールなども、フィードバックシステムだと言うことができます。

プログラミングソフトウェアは、CAM(Computer Aided Manufacturing)ソフトウェアとも呼ばれ、通常PCにインストールして使用しますが、たいていの工作機械においては、付属の操作盤ユニットにて直接プログラムが作成できるようになっています。プログラマは前もってCADで設計したデータ(.dxfまたは.dwgなどのファイル形式)をインポートするか、CAMのソフトウェアパッケージで新たにパターン設計をします。

ウォータージェットにおいて、プログラマは、プログラミングソフトウェアで加工の開始・停止位置、進行方向、水流の補正、ノズルの移動速度などの情報を入力します。その後、入力したデータは制御システムへ転送され、そのデータに基づいて加工作業が実施されます。

ベンチュリ効果とは、配管内の流体の流れを絞ることによって、流速を増加させ、その流速の上がった部分の圧力が下がる現象のことを言います。アブレイシブウォータージェットでは、ピュアウォータージェットの水流が管径の広いミキシングチャンバーから、管径の狭いミキシングチューブ(ノズル)を通り抜ける時に、このベンチュリ効果が発生します。

これにより、研磨材粒子がミキシングチャンバーに引き込まれてライフル銃の銃弾のように加速し、高速でノズルから被切削物に衝突して材料を切削をします。これがアブレイシブウォータージェットの仕組みです。

ミキシングチューブとは、カッティングヘッドの最先端に位置する部品で、水流が最後に通るチューブ(ノズル)を指します。アブレイシブウォータージェットのカッティングヘッド内部の流れとして、まず高圧ポンプで生成された高圧水がジュエルオリフィスを通過することにより、水圧が速度へと変換されます。

水圧が速度へと変換された水流は、音速を超える速さのジェット水流となり、ベンチュリ効果によって引き込まれた研磨材粒子と共にミキシングチャンバーへと入ります。そして最後に、合わさった水と研磨材がミキシングチューブを通り、少量の空気を含んだ状態で外へと噴射されて材料を切削します。

ミキシングチューブのサイズは、内径約0.4~1.8mm、長さは約38~152mmで展開されています。最も一般的なサイズは内径約1mm、長さ約100mmで、80メッシュの研磨材と共に使用されることが多いです。高品質素材(耐侵食性を最大限に高めるため粘結剤を極力使用していないナノカーボン複合材)で作られたミキシングチューブは、通常の加工時において、ランタイムの6~8時間ごとに直径が約0.025mmずつ同心円状に摩耗します。

ウォータージェット加工のパワー密度は、どれだけのエネルギーをどのくらいの範囲に放出するかに関係します。高圧力+細い水流の場合、低圧力+太い水流よりも高速で動き、加工のパワー密度も明らかに高くなります。

メッシュサイズは、研粒の正確な砥粒径ではなく、粒度分布で表します。ふるいでの選別・分級によってメッシュの粒度が決められているため、80メッシュの粒度には、正確な80メッシュよりも大きいサイズの砥粒や小さいサイズの砥粒が含まれていることがあります。アブレイシブウォータージェットで使用されているメッシュサイズの種類(番手)は、通常50~220メッシュで、80~120メッシュのものが一般的によく使用されます。粒度の番手が大きいほど、砥粒の粒は小さくなります。

ウォータージェットでは、ポンプで生成された高圧水をカッティングヘッドへ安全に届けるために高圧配管が使用されています。特殊なステンレス材で作られており、外径が1/4インチ、3/8インチ、9/16インチの配管、高圧ジョイント、回転用スイベルジョイント、コイル配管などがあります。HyperPressure™用の配管は、通常の加工時に使用される超高圧配管よりもより強度・耐性の高い設計が施されています。

ウォータージェット切断において、圧力の上昇は、水流速度の増加へと結びつきます。

高圧水がオリフィスから噴出される瞬間、その圧力は全て速度へと変換されます。つまりオリフィスを通った後の水流は、圧力がない状態になるのです。

アブレイシブウォータージェットにおいて、水流速度が大きいと研磨材粒子の移動速度が増し、研磨材粒子の移動速度が増すと切断速度も増します。さらに切断速度の増加に伴って、より細いジェット水流が生成されるようになるため、結果的に研磨材の使用量が減り、材料費の節約に繋がります。

モーションシステムの一つ、制御システムは、部品のプログラミング、加工速度、ジェットのOn/Offコマンドを受け、それを電気系統が認識できる言語に変換します。一般的に、CNC(Computer Numerical Control=コンピュータ数値制御)制御システム、PCベースの制御システム、もしくはその両方のハイブリッドシステムが使用されます。

例えば;エンジニアもしくは設計者が、AutoCAD®のようなCAD(Computer Aided Design)プログラムでウォータージェット加工用に正方形を作図したとします。そしてプログラマ(作図者と同一人物可)が、作図した正方形のデータを.dxfもしくは.dwgのファイル形式で保存し、CAM(Computer Aided Manufacturing)のソフトウェアパッケージに取り込みます。

ここでプログラマは、加工の開始・停止位置、進行方向、水流の補正、ノズルの移動速度などの情報を入力します。その後、このファイルはオペレータ(これも同一人物可)の操作する機械装置の制御システムに送られます。オペレータはファイルを開き、カッティングヘッドをワークの加工開始位置にセッティングし、サイクル・スタートボタンを押します。

サイクル・スタートのボタンを押すと、制御システムドライブからの指令により各軸のモータを駆動し、水および研磨材をデジタル出力により自動制御します。

切り幅とは、切断幅もしくは、切断によって生じる溝やスリットのことを言います。アブレイシブウォータージェット加工における切り幅の大きさは、ミキシングチューブの直径に直接影響しており、チューブ直径の約10%大きく生じます。

例えばチューブの直径が0.5mmなら、切り幅は0.55mmということです。もちろん、ミキシングチューブの摩耗によって直径が拡大された場合、切り幅もその分大きくなります。チューブは、ランタイムの8時間ごとに約0.025mmずつ摩耗します。

ウォータージェットの細い切り幅は、ウォータージェット切断の大きな特長の一つであり、これによって微細加工や複雑な形状の加工が可能になります。ピュアウォータージェットの水流は、約0.07~0.35mm、アブレイシブウォータージェットの水流は、約0.35~1.7mm(一般的には約1mm)程の切り幅です。

ウォータージェット業界では、圧力レベルの違いによって異なる定義を持ちます。超高圧は、40,000 psi (276 Mpa)から75,000 psi (517 Mpa)と定義され、ウォータージェット切断には、55,000-60,000 psi (379-412 Mpa)まで加圧できるポンプが多く使用されています。

非常停止ボタンは、オペレータが装置を停止したり、瞬時に安全モードに切り替える機能があります。ボタンは一目で分かるよう赤色です。ボタンを押すと、ポンプを駆動している電気系統が全て遮断され、加工作業を停止します。さらにブリードダウンバルブによって、ポンプ内及び高圧配管経路の残圧を抜き、安全性を確保する仕組みとなっています。

部品の精度は、プロセス誤差(ウォータージェット)、機械誤差(XYテーブルの切断速度、面粗度、経路精度)、加工ワークの安定性(固定、平坦度、均質性、温度安定性)のよって変わります。

ウォータージェットの水流はノズルから真っ直ぐ噴射されますが、材料に水流が入ると曲がったり偏向したりすることがあります。このような特性によって、水流の遅れやV型のテーパーが発生したり、研磨材の流動率などに影響を及ぼしたりするため、長年ウォータージェットのサプライヤーは水流の制御技術の改良に注力してきました。

その結果、誕生したのがダイナミックウォータージェット®です。ダイナミックウォータージェット®は、水流の遅れとテーパーを自動補正してくれるだけでなく、スタンダードウォータージェットよりも2~5倍の加工速度と+/-0.025~0.075mmの部品精度を実現した画期的な加工技術なのです。

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)とは、炭素繊維強化プラスチックです。炭素繊維の複合材は、テニスラケット、ゴルフクラブ、補綴装置、そして最近では航空機にも用いられています。航空機を例に挙げると、ボーイングやエアバスの複合材翼、スパー、ストラット、尾翼部などに、アルミではなくより機能性の高い素材として、CFRPが採用されています。従来のフライス加工やルーター加工などで複合材を切断すると、層間剥離、微小亀裂、ウィスカ、繊維の引き抜きなどの様々な問題が発生しますが、ウォータージェットならそのような問題が発生しません。

軽量でありながらも鉄鋼のように高い強度と、ゴムのようにしなやかさを持つ最先端の複合材は、超音速飛行でのストレスにも耐えることができます。しかし、非常に強度が高く頑丈である反面、それらを加工することは極めて困難です。それにも関わらず複合材料技術者は、今後も従来の機械加工の能力を超える、新しい画期的な複合材を生み出していきます。

近年まで、複合材は、ダイヤモンドやカーバイドチップのフライス加工やルーター加工、バンドソー、カットオフソー、研削砥具などの従来の加工法で加工されていました。しかし、複合材には素材の構造や繊維配向の関係で、その従来の加工法で加工すると、熱影響部が形成されたり、層間剥離や微小亀裂などの損傷が生じてしまいます。さらに、加工速度は遅く、多くの場合、費用の掛かる二次加工が必要となります。

複合材は、様々な形で使用されており、例えば高温のエンジン部には、繊維強化金属(金属マトリックス複合材)が採用されています。技術者は、より高い強度で、より優れた柔軟性と耐熱性を持ちながら、どうやって材料を軽量化するかを日々研究しています。高い機能性を持つ一方で、複合材は難削材とも言われています。しかし、Flowのウォータージェットであれば、素材に影響を及ぼすことなく、高速で、高精度な加工が実現できるのです。