ウォータージェット加工：仕組み、構成部品、メリット、用途 – PDFガイド

The Mechanical Postでは今日は、「研磨ウォータージェット加工」と「ウォータージェット加工」という高度な製造プロセス、そしてそれらの違いについて見ていきます。

ウォータージェット加工とは何か、どう機能するかを理解することから始め、その後その利点、欠点、用途について議論します。

記事の最後にウォータージェット加工に関するPDFを入手できます。それでは早速始めましょう！

ウォータージェット加工とは？

ウォータージェット加工（WJM）は、高速の水流がワークピースに衝突し、ワークピース材料の浸食によって加工を行う、高度な製造、非従来型の加工プロセスです。

WJMプロセスでは、ノズルから出る水の圧力は60,000 psiまたは4136.85 barの範囲です。

これは、通常の大気圧（1 bar）の約4000倍の圧力を意味します。

シンプルなウォータージェット加工プロセスでは硬い材料を加工できません。ゴム、ABS、革、木材、プラスチックなどの軟らかい材料にのみ使用できます。

そのため、アルミニウム、鋼、花崗岩、鋳鉄などの硬い材料を加工するには、研磨粒子を水流に混ぜてウォータージェット加工プロセスの加工能力を高めます。

このプロセスは、超音波加工や研磨ジェット加工と同様に、機械的手段でワークピースを加工します。この加工プロセスは、精密で自動化された制御のためにCNCマシンと組み合わされます。

WJMの作動原理

ウォータージェット加工プロセスは、高速の水流がワークピースに衝突すると、ワークピース材料の浸食によってワークピースの加工が行われるという原理で動作します。

シンプルなウォータージェットマシンの構造と動作は、その研磨剤版とほぼ似ています。それでは、研磨ジェットマシンの構造と動作を見てみましょう。

ウォータージェットマシンの構造

ウォータージェット加工プロセスの主な部品は以下の通りです：

• 水タンク
• 油圧ポンプ
• 油圧増圧器
• アキュムレーター
• 方向制御弁
• 流量制御弁
• 混合室
• ノズル
• 研磨粒子供給装置
• キャッチャー

水タンク

水タンクは、ウォータージェット加工プロセスで使用する水を貯蔵するために使用されます。

油圧ポンプ

ポンプは水の循環を担当し、水圧を大気圧から約5 barに上げて油圧増圧器に送るために使用されます。

油圧増圧器

これは、金属を切断できる巨大な圧力を生み出す装置です。油圧増圧器は、ポンプから約5 barの加圧水を受け取り、約4000 bar、つまりおよそ60,000 psiまで増圧します。

アキュムレーター

高圧水はアキュムレーターに貯蔵され、必要時にノズルに供給されます。アキュムレーターはプロセス中の水供給の変動も防ぎます。ウォータージェット加工のアキュムレーターは、均一な吐出圧力を維持するために水の「圧縮性」という特性に依存しています。

方向制御弁

名前の通り、方向制御弁は水の方向を制御し、ウォータージェット加工プロセスを制御するために使用されます。

流量制御弁

方向制御弁の後、流量制御弁が配置され、ノズルから出る水の流量または速度を制御するために使用されます。

混合室

研磨粒子が水流と混合される場所です。

ノズル

ノズルは断面積が減少する装置で、その機能は水の圧力エネルギーを運動エネルギーに変換して水の運動エネルギーを増加させることです。

ノズルは水の速度を超音速まで高めます。ダイヤモンドやタングステンカーバイドなどの硬い材料で、水流によるノズル自体の浸食を防ぎます。

これは、研磨粒子と水流の混合を示すノズルの詳細図です。図に示されている部品は：

• 1：高圧水流
• 2：硬い材料（ルビーまたはダイヤモンド）
• 3：研磨粒子（ガーネット）
• 4：混合チューブ
• 5：ガード
• 6：切削水流
• 7：ワークピース

研磨粒子供給装置

研磨粒子が供給されるホッパーです。研磨粒子供給装置は、水流に研磨粒子を連続的に供給します。

炭化ケイ素、砂、酸化アルミニウムなどがウォータージェット加工の研磨材として使用されます。

キャッチャー

使用後の水流はキャッチャーによって回収され、適切なろ過と処理の後、再利用できます。

ウォータージェット加工の動作

油圧ポンプはタンクから大気圧で水を受け取り、約4〜5 barに増圧します。

この水は油圧増圧器に送られ、水圧が最大4000 barまで大幅に上昇します。

加圧水はアキュムレーターに送られ、一部は制御弁を経由してノズルに供給されます。

アキュムレーターは水を貯蔵し、必要時に供給します。

流量制御弁はノズルに到達する水量を制御します。

この水はノズルと混合室を通過し、研磨粒子を含む超音速水流が生成されます。

この水流がワークピースに衝突し、研磨作用と高速ジェットによりワークピースが加工されます。

水はキャッチャーによって回収され、再利用または安全に廃棄されます。これがウォータージェット加工プロセスの動作です。

ウォータージェット加工で加工可能な材料

• アルミニウム
• 鋼
• 鋳鉄
• コンクリート
• 石材
• 花崗岩
• 金属合金
• 木材
• 革
• セラミックス
• プラスチック
• ゴム
• ガラス
• 複合材料など

ウォータージェット加工の用途

ウォータージェット加工の用途には：

• 航空宇宙部品の製造
• エンジン部品の製造
• 鋼、アルミニウムなどの厚板加工
• 穴あけと切断作業
• 従来のプロセスでは加工困難な材料

ウォータージェット加工の利点

• 高精度が達成可能
• 加工時にクーラント不要
• 複雑な形状と切断が可能
• 良好な表面仕上げが得られる
• 加工部品は水流で洗浄されるため粉塵フリー
• 有害な副産物が生成されないため環境に優しい
• 他の非従来型プロセスと比較して運用コストが低い
• 水を使用してワークピースを加工するため、発熱がほぼ無視できるレベル

ウォータージェット加工の欠点

• 非常に厚い材料は加工できない
• 高額な初期投資が必要
• 従来プロセスと比較して所要時間が大幅に長い

「Waterjet channel」による鋳鉄製アンビルを2つに切断する動画をご覧ください。彼らのチャンネルは完全にウォータージェット加工に基づいており、YouTubeチャンネルでWJMを使用して様々な製品を切断している様子をチェックできます。

ウォータージェット加工に関するFAQ

高度加工プロセスにおけるWJMの正式名称は？

高度加工プロセスにおけるWJMはWater Jet Machiningの略です。

WJMにおいて、MRRに影響を与えるジェット流体の特性は？

粘度、流量、速度が金属除去率に影響を与える特性です。

ウォータージェット加工における材料除去の鍵となる要素は？

ウォータージェットが材料除去の鍵となる要素です。

研磨ウォータージェット加工では材料はどう除去される？

研磨粒子と水流による浸食で材料が除去されます。

ウォータージェット加工（WJM）と研磨ウォータージェット加工（AWJM）の違いは？

ウォータージェット加工	研磨ウォータージェット加工
材料除去は水流のみで達成	材料除去は水流と研磨粒子の両方で達成
混合室不要	水と研磨粒子を混合するため混合室が必要
革、木材、プラスチックなどの軟らかい材料を加工可能	鋼、セラミックス、アルミニウムなどの硬い材料を加工可能
比較的安価	研磨粒子を使用するためWJMよりコスト増

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