JPH068146A - 水ジェット切削装置に使用する改良型水ジェット混合管およびその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 研磨性水ジェット切削装置に使われる、耐ク
ラック性及び大きなＬ／Ｄ比をもったダイヤモンド製水
ジェット混合管。 【構成】 本発明は２つの部材で構成され実質的にクラ
ックのない改良型水ジェット混合管およびその製法に係
る。本発明の方法は、漏斗状の支持部材上にダイヤモン
ドの層を化学蒸着させて混合管の内側部材を形成し、こ
の内側部材を支持部材から分離し、内側部材の外面上に
外側部材を形成した後冷却して、内側部材上におけるク
ラックの生成を実質的に抑制する圧縮応力を内側部材上
に生成せしめることからなっている。内側部材の内面は
微晶組織を有する滑らかなボアをもっており、外側部材
はダイヤモンドより大きい熱膨張係数をもっている。ま
た、上記した改良型水ジェット混合管を組み込んだ水ジ
ェット切削装置にも関する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に水‐機械加工(h
ydro-machining) によって材料を切削・切断するのに使
用する改良された切削装置に係り、特に、向上した耐ク
ラック性をもち長さと直径の比（Ｌ／Ｄ）が大きい改良
されたダイヤモンド製水ジェット混合管の製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、水ジェット切削を始めとする水‐
機械加工法が著しく進歩した。その理由は明白である。
高圧の液体ジェット、たとえば水ジェットは数種の材料
を極めて容易に切断・切削することができ、コンピュー
ターソフトウェアによって、複雑なパターンを切削・形
成できるようにプログラム化することもできる。また、
水‐機械加工法は、衣料産業、段ボール箱製造業、航空
機産業、電子工業などのようないろいろな産業分野でパ
ターンを切削・形成するのにも広く使用されている。水
‐機械加工法の他の応用については、１９８９年１０
月、米国オハイオ州クリーブランド(Cleveland) のペン
トン・パブリッシング社(Penton Publishing, Inc.)
刊、アメリカ機械工(American Machinist)、「湿式粗粒
研磨性ウォータージェット(Wet Grit, Abrasive Waterj
ets)」の第８４〜９７頁（援用する）のうち第９１〜９
５頁にリストが挙げられている。水ジェット切削法を始
めとする各種水‐機械加工法の概要については、上記
「湿式粗粒研磨性ウォータージェット(Wet Grit, Abras
ive Waterjets)」に関する専門報文、および、１９９０
年、セラミック誌(Ceramic Bulletin)、第６９巻、第６
号、第１０２７〜１０２９頁のグーハ(Guha, J.)著「高
圧ウォータージェット切削−序(High-Pressure waterje
t Cutting: An Introduction) 」（いずれも援用する）
を参照されたい。

【０００３】水‐機械加工技術における主たる欠点のひ
とつは水‐機械加工装置に使用する水ジェット混合管の
寿命が短いことである。これらの混合管の寿命を短くす
るのは、水‐機械加工装置に使用する水ジェット中に存
在する研磨材粒子による摩耗である。しかし、これらの
混合管の寿命は、混合管をダイヤモンドから製造するこ
とによって大きく延ばすことができる。ダイヤモンド
は、一定の原子間距離１．５４５オングストロームで四
面体状に配列している共有結合した鎖状ｓｐ³ 混成炭素
原子から主としてなる結晶学的網目組織を示す炭素の同
素体であり、極めて硬くてモース(Mohs)硬度は１０であ
る。

【０００４】環体の環状内面の耐摩耗性を改善する方法
はすでに開示されている。そのような方法では環状の内
面にダイヤモンドのような耐摩耗性の物質を化学蒸着す
る。この内面は、環体材料とＣＶＤ蒸着したダイヤモン
ド層の熱膨張係数の差により圧縮状態に置かれる。しか
しこのような方法はＬ／Ｄ比が大きい（約５０）耐クラ
ック性の物品を製造するのには適さない。その理由は、
Ｌ／Ｄ比が大きい物品の環状内面に沿ってダイヤモンド
を化学蒸着させるのが困難だからである。たとえば、外
径が約０．５００mmで長さが約７５mmである小径細長足
部を有する漏斗状の物品の内壁にダイヤモンドを蒸着さ
せるのは困難である。本発明は、そのような大きいＬ／
Ｄ比を有する耐クラック性の漏斗状物品を作成する問題
に対処するものである。

【０００５】

【発明の概要】本発明は、研磨性水ジェット切削装置に
使用する２つの部材で構成され実質的にクラックのない
水ジェット混合管を製造するための改良された方法に関
する。本発明の方法は、支持部材上にダイヤモンド層を
化学蒸着させて混合管の内側部材を形成し（ただし、こ
の内側部材は微晶組織を有するダイヤモンドの滑らかな
内面をもっている）、この内側部材を支持部材から分離
し、ダイヤモンドより熱膨張係数の大きい外側部材用材
料を内側部材の外面上に付着させて混合管の外側部材を
形成し、混合管を冷却して外側部材を収縮させ、内側部
材におけるクラックの生成を実質的に抑制するのに充分
な強度の圧縮応力を内側部材上に誘起することからなっ
ている。

【０００６】また本発明は、改良された研磨性水ジェッ
ト切削装置にも関する。本発明の装置は、中にオリフィ
スが配置されている水タンクと、このオリフィスを通る
水のジェットを生成する手段と、水のジェットの通り道
に配置されている漏斗状の二層式水ジェット混合管（た
だし、この混合管は、微晶組織の滑らかな内面をもち圧
縮応力下にあるダイヤモンド層でできた実質的にクラッ
クのない内側部材と、内側部材の外面上に配置されたダ
イヤモンドより熱膨張係数の大きい材料の外側部材とか
らなる）と、混合管の漏斗に沿って研磨材粒子を導入し
て、混合管から出て行く水のジェットの中に研磨材粒子
が引き込まれて研磨性水ジェットを形成するようにする
手段と、研磨性水ジェットの研磨特性を制御する手段と
からなっている。

【０００７】

【好ましい態様の詳細な説明】連続して流れる水はそれ
が接触する表面を徐々に浸食する。この作用により、大
小の河川が山や谷を貫く流路を形成するのである。水の
ジェットによって得られる力を増大することによって、
天然のゆっくりした浸食過程を高速の切削・切断作用に
変換することができる。水を約３７ＭＰａ（約２０−６
０，０００ｐｓｉ）のような超高圧に圧縮して直径が約
０．０１〜０．０２mm（約０．００３〜０．１００イン
チ）の小さい開口を通して放出すると、広がっていく水
の流れの速さは音速の３倍にも達する。こうした水のジ
ェットは、推定によると約８６９ｍ／秒（１９４５マイ
ル／時）の速度で飛行し、セラミクスや硬化金属および
その合金のような切削困難な材料でさえそのほとんどを
切削するのに充分な運動エネルギーを放出する。

【０００８】水が工作物表面に衝突した時にその水の運
動エネルギーの変換によって得られる力が切断される材
料の圧縮強度を越えると切削作用が生ずる。実際の切削
は、工作物材料の性質により、急速に変化する局在化し
た応力場の下での表面浸食、剪断または破壊の結果とし
て起こる。以上の切削過程では工作物の熱的または機械
的歪みが少ないし、ほとんどほこりが出ない。

【０００９】水ジェットが浸食により切削作用を示す能
力はその運動エネルギーによって表わされる。 運動エネルギー（ＫＥ）＝ＭＶ² ／２ （１） ただし、Ｍは水分子の質量であり、Ｖは次式で与えられ
る水ジェット中の水の速度である。

【００１０】Ｖ＝Ｇ／Ｄ² ここで、Ｇは一定圧力の水が直径Ｄのオリフィスを通過
する時の体積流量である。水ジェットの研磨作用の効力
は、水ジェットの流れに微細な研磨材粒子を添加するこ
とによって顕著に増大することができる。水ジェット流
中に懸濁した粒子は水と同じ高速で動く。水ジェット中
の粒子の質量は水分子よりずっと大きいので、水ジェッ
トが工作物に衝突する時の全運動エネルギーもはるかに
大きくなるであろう。すなわち、研磨材粒子を水に加え
ると弾道（衝撃）効果が生じる。これらの粒子は小さい
粒子と同様に工作物表面に衝突するが、そのエネルギー
はこれらを運搬する水媒体より数倍高い。水と研磨材粒
子の質量が違うことから、切削困難な材料に対して極め
て有効なパルス浸食プロセスが生まれる。このプロセス
は研磨性水ジェット（ＡＷＪ）切削・切断といわれるこ
とがあり、この研磨性の水ジェット中に存在する粒子は
切削作用のほぼ９０％を担っている。

【００１１】このＡＷＪ切削プロセスに使用する典型的
な研磨材粒子は、メッシュサイズが約３６〜１５０で変
化するガーネット、酸化アルミニウム、窒化ケイ素また
はダイヤモンドである。メッシュサイズが約８０〜１０
０のガーネットが好ましい。通常のＡＷＪノズルの直径
は約０．０７５〜２．５０mmの範囲であり、約１．００
mmが好ましく、またＡＷＪノズルと工作物表面との間の
間隔は通常約０．０５〜１．５０mmの範囲である。この
ＡＷＪプロセスは非常に強力な切削工具となり、その剪
断作用によって厚さが１５０mmを越えるセラミクスのよ
うな金属やその他の硬い材料を切削することができる。

【００１２】しかしこのＡＷＪプロセスには重大な欠点
がある。すなわち、ＡＷＪを出て行く研磨材粒子は、研
磨材粒子の混合・混入（巻込み）が行なわれるＡＷＪの
水ジェット混合管を激しく摩耗する。従来の炭化物から
なる水ジェット混合管は２〜４時間毎、時にはもっと頻
繁に交替しなければならない。しかしながら、水ジェッ
ト混合管の寿命は、これらをダイヤモンドから作成する
ことによって大幅に、すなわち約２０〜１００時間まで
延ばすことができる。図１に、典型的な部分的ＡＷＪア
センブリ装置（番号１で示す）をその主要な成分要素と
共に示す。液体タンク１１２は流体（通常は水）を収容
しており、この水はオリフィス１１８を通る水ジェット
１１６を生成するためにポンプ手段１１４によって高圧
に保たれている。水ジェット１１６は通常、水ジェット
混合管１２０のボアの中で共通の中心をもつように配置
されている。水ジェット混合管１２０は通常漏斗状であ
り、研磨材粒子送出系１２４を介して漏斗状の混合管１
２０中に導入される研磨材粒子１２２の容易な流動が可
能になる。計測手段（図示してない）を設けて、混合管
１２０の漏斗に入る研磨材粒子１２２の流れを制御す
る。

【００１３】作動の際、高圧の水ジェット１１６がオリ
フィス１１８から流出して漏斗状の混合管１２０中に入
ると、部分的な真空が漏斗内に生成し、そのため混合管
１２０の出口端１２１に向かう研磨材粒子１２２の流れ
が誘起される。以上の作用によって粒子１２２の混合・
混入も達成されてＡＷＪ流１２６が生じるので、これを
使用して工作物１２８を切削する。

【００１４】最適な切削作用を得るためには、粒子１２
２が出口端１２１（足部端ともいう）から噴出する前に
それらの粒子をＡＷＪ流１２６と充分に混和させなけれ
ばならない。この混入・混和プロセスの始まりの時点で
は、粒子１２２は静止しており、水ジェット１１６は極
めて高速である。粒子１２２は水ジェット１１６内に入
ると混合管１２０の足部の壁に当たって跳ね返り、さら
にまた跳ね返って水ジェット１１６中に入る。このよう
な激しい反復過程は、粒子１２２が水ジェット１１６の
速度に達してＡＷＪ流１２６を形成するまで続く。この
ように、漏斗状混合管１２０の足部壁が存在することが
粒子１２２の混入を容易にしているのである。

【００１５】図２は上記プロセスをグラフで説明してい
る。図２は、研磨材粒子の速度を図１の混合管１２０の
足部の長さに対してプロットしたグラフである。Ｖは水
ジェット１１６の速度を示す。図２のグラフから、粒子
１２２の速度は混合管１２０の足部長さに沿って増大す
ること、また、すでに述べたように、粒子１２０が水ジ
ェット１１６の速度に達してＡＷＪ流１２６を形成する
まで足部の壁には繰り返して引っ張り荷重がかかること
を確認することができる。したがって、混合管１２０の
足部のかなりの長さの部分が粒子１２２の激しい反跳作
用にさらされる。

【００１６】すでに述べたように、水ジェット混合管１
２０の耐用寿命はダイヤモンドから作成することによっ
て延長することができるが、ダイヤモンド製の混合管で
さえ、その寿命は上記の反跳作用による大きな影響をこ
うむることになる。それは、粒子１２２の反跳作用によ
って混合管１２０の壁に生じるクラックのためである。
図３に示されているように、研磨材粒子３０２が図１の
混合管１２０の足部壁３０６の内側表面３０４に当たる
と、足部の壁３０６内部に圧縮波３０８が発生する。圧
縮波３０８が壁３０６の外側の表面３１０に突き当たる
と、反射によって張力波３１２が足部壁３０６中に戻
る。ダイヤモンドが圧縮には極めて強いが引張りには弱
いことはよく知られている。その結果、張力波３１２が
足部壁３０６にクラックを発生せしめる。すなわち、ダ
イヤモンドでできた混合管は従来のサファイヤ管よりず
っと長い寿命をもっているとはいっても、張力波３１２
によって生じるクラックによる損傷はやはり受けるので
ある。

【００１７】本発明は、ダイヤモンド製混合管に圧縮応
力を生じさせる外層を混合管に設けることによって、従
来のダイヤモンド製混合管で見られた上記クラックの問
題を処理する。図４Ａは、研磨性水ジェット４０４によ
って生成した張力波にさらされた場合のダイヤモンド層
４０２に何が起こるかを示したものである。厚み約０．
０７６mmのダイヤモンド層４０２は１０秒未満の短時間
内に切断された。しかし、図４Ｂに示してあるように、
ダイヤモンド層４０２の裏面に金属の１種のような外側
部材４０６を設けると、ダイヤモンド層４０２は圧縮状
態にあるので極めて強くなり、水ジェット４０４の研磨
材粒子の反跳作用によって発生する張力波に起因するク
ラック損傷はまったく認められなかった。この試験は、
図１の水ジェット混合管１２０の足部の内壁に作用する
通常のベクトル力より厳しいことに注意されたい。

【００１８】そこで図５Ａと５Ｂを参照すると、本発明
の好ましい具体例が番号５で示されている。本発明の水
ジェット混合管５は２つの部材から構成され実質的にク
ラックをもたない。混合管５はダイヤモンド製の内側部
材５０２を含んでいる。内側部材５０２の内面５０６は
滑らかな表面になっており、表面粗さが約１０ミクロン
未満であるのが好ましい。図５Ｂの詳細Ｃ（図６に示
す）は内面５０６の拡大図である。内面５０６は緻密で
ほぼ等軸の微晶結晶粒組織５０８をもっている。内面５
０６に沿ったダイヤモンド微結晶の粒度は約１／１０〜
約２ミクロンである。このような結晶粒組織は通常基板
表面上へのＣＶＤダイヤモンド層の蒸着の間に形成され
る。このように緻密で滑らかな表面は、図１に示したＡ
ＷＪ流１２６に対する摩擦抵抗を低下させるというだけ
でなく、内面５０６に対するクラック損傷を低減すると
いう点でも非常に有用である。ＣＶＤダイヤモンド層の
蒸着が進行するにつれて、（＜１１０＞方向に）放射状
に配向した柱状結晶粒組織５１０は一般に微晶結晶粒組
織５０８をとるようになる。＜０１０＞、＜１１０＞お
よび＜１１１＞配向間を識別する原子の結晶面を記載し
たミラー(Miller)指数に関する詳細な議論は、１９６４
年米国マサチューセッツ州レディング(Reading) のアデ
ィソン・ウィズリー・パブリッシング社(Addison Wisle
y Publishing Co.) のバンブラック(Lawrence H. VanVl
ack)による材料科学の要素(Elements ofMaterial Scien
ce)第二版の第６５〜６９頁（援用する）に示されてい
る。柱状結晶粒組織５１０の粒子は約１００〜約３００
ミクロンである。内側部材５０２の外面５１２は内面５
０６よりずっと粗い。

【００１９】内側部材５０２は漏斗の形状であるのが好
ましく、その漏斗形部分（首部）を除いた足部の長さは
約６０〜約９０mmであり、約７５mmが好ましい。内側部
材５０２の足部の端のボア（穴）は約０．１０〜約５．
００mmであり、約１．００mmが好ましい。内側部材５０
２の足部の長さ対内径の比として定義されるＬ／Ｄ比は
約４５〜５５であり、約５０が好ましい。内側部材の漏
斗（首部）の直径は約１．０〜約１５．０mmであり、約
４．５mmが好ましく、その角度は約１０〜約４５°であ
る。内側部材５０２の壁の厚みは約０．３mmより大き
い。しかしながら、図２のグラフに鑑みて、当業者は上
記寸法のすべてを図１に示したＡＷＪ流１２６の研磨材
粒子サイズ、水ジェット速度およびその他の作動変数に
応じて変更するであろうし、また本発明は上記の寸法を
有する内側部材５０２に限定されるものではないことを
理解されたい。

【００２０】また、当業者は、漏斗形状内に蓄えられる
研磨材粒子の量を増大させるための円筒状突起を有する
漏斗や、六角形のような多角形の漏斗のように他の漏斗
形状および矩形の足部を利用することも考えられる。内
側部材５０２の外面５１２上に外側部材５０４が配置さ
れており、これはダイヤモンドより熱膨張係数の大きい
物質でできている。内側部材５０２はこの外側部材５０
４のおかげで圧縮状態にある。内側部材５０２に圧縮力
が存在すると、図１に示したＡＷＪ流１２６内に存在す
る研磨材粒子１２２の反跳作用によって繰り返して衝撃
されたときに内面５０６のクラック発生が抑制される。
外側部材５０４として適した物質はタングステン、チタ
ン、炭化タングステン、モリブデン、レニウム、ニオ
ブ、タンタル、ニッケル、ジルコニウム、ハフニウム、
バナジウム、クロム、黄銅、亜鉛、銅、スズ、アルミニ
ウムまたはこれらの合金である。実際に外側部材５０４
を製造するのに使用する材料は、外側部材５０４を内側
部材５０２の外面５１２上に設ける際の前記プロセスに
依存するものと理解されたい。外側部材５０４の外面５
１４は旋削、フライス削りなどのような機械加工法によ
って所望の形状に合わせることができる。あるいはま
た、外面５１４には、従来のＡＷＪ切削装置の標準容器
に合致するようにリブ、ねじ山、フィレット、スクリュ
ー取付け穴などのような保持手段に沿って所望の形状を
もたせてもよい。

【００２１】図５Ａと５Ｂの２つの部材で構成され実質
的にクラックのない水ジェット混合管５を製造するに
は、内側部材５０２のダイヤモンドを、通常タングステ
ン、モリブデン、レニウム、ニオブ、タンタル、ジルコ
ニウム、ハフニウム、ニッケル、バナジウム、クロムま
たはチタン、好ましくはモリブデンからできている中空
の支持部材上に化学蒸着させる。この支持部材には漏斗
形のような所望の形状をもたせられる。次に支持部材
（図５Ａと５Ｂには示してない）を内側部材５０２から
分離する。このためには、エッチング浴中でエッチング
して支持部材を除去するのが好ましい。このエッチング
浴は、エッチング作用中に支持部材の壁に形成される泡
を除くために超音波で攪拌するのが好ましい。支持部材
上に内側部材を形成する上記工程および内側部材５０２
から支持部材を分離する工程の詳細は、１９９１年６月
１２日に出願され本出願人に譲渡されている同時係属中
の米国特許出願第０７／７１３，４９９号（援用する）
に開示されている。

【００２２】外側部材５０４は、内側部材５０２の外面
５１２上にプラズマ蒸着させるのが好ましい。通常の低
圧高周波プラズマ溶射法が最も好ましい。そのようなプ
ロセスの詳細は、本出願人に譲渡されている米国特許第
４，７８６，５６６号、第４，９７８，５８５号、第
４，９８１，６４３号および第５，０４２，７１０号な
らびに１９９０年５月１９日に出願され本出願人に譲渡
されている米国特許出願第０７／５２４，５２７号（す
べて援用する）に開示されている。上記プラズマ蒸着プ
ロセスには、タングステン、炭化タングステン、モリブ
デン、レニウム、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハ
フニウム、ニッケル、バナジウム、クロム、チタンまた
はこれらの合金のような外側部材５０４用の材料が使用
できる。チタンが好ましい。外側部材５０４の厚みは内
側部材５０２上に一定で持続性の圧縮圧力をもたらすの
に充分でなければならない。この外側部材５０４の厚さ
は次式で計算できる。 （外側部材５０４の厚さ）／（ダイヤモンド製内側部材
５０２の厚さ）≧ダイヤモンドのヤング率（Ｅ_d ）／外
側部材５０４材料のヤング率（Ｅ_m ） 上記プロセスにより内側部材５０２上に外側部材５０４
が形成されると、外側部材５０４が冷却するときに、内
側部材の内面５０６が図１のＡＷＪ流１２６中に存在す
る研磨材粒子１２２による衝撃に繰り返してさらされた
場合に内側部材５０２の内面５０６のクラック発生を抑
制する圧縮応力が内側部材５０２上に生成する。

【００２３】本発明のもうひとつの具体例においては、
内側部材５０２上に外側部材５０４を設けるのに、電鋳
により、最初に無電解的に第一の金属層を設け、次に電
解的に第二の金属層を設けてもよい。この電鋳プロセス
を調節して内側部材５０２上の圧縮応力を発生させる。
この電鋳プロセスは１９９１年６月１２日に出願され本
出願人に譲渡されている米国特許出願第０７／７１３，
４９９号（援用する）に開示されている。第一の金属層
は銅、ニッケルまたは銀であることができ、ニッケルが
好ましい。第二の金属層は銅またはニッケルからできて
いてもよく、銅が好ましい。

【００２４】本発明のさらに別の具体例では、内側部材
５０２上に外側部材５０４を設けるのに金属または金属
合金を内側部材５０２の回りに鋳造（注型）してもよ
い。モノリシックおよびシェルインベストメント鋳造、
高圧ダイ鋳造、低圧鋳造ならびに遠心充填モールディン
グのような通常の鋳造法が本発明で使用するのに適して
いる。金属または金属合金は炭化物を形成しない低融点
金属とするべきである。そのような低融点金属を用いる
ことによって、冷却の間金属の熱間割れの発生を回避で
きる。熱間割れとは、溶融金属層がダイヤモンドのよう
な強くて非降伏性の表面上で冷却する間に起こるその金
属層の亀裂または割れと定義される。外側部材５０４の
鋳造に適した材料はニッケル、黄銅、銅、アルミニウ
ム、亜鉛またはスズである。黄銅が好ましい。

【００２５】通常の鋳造法ではインベストメント鋳造用
金型を製造し、この金型の中央コアとして内側部材５０
２を使用する。たとえばセラミック粉末のような熱的に
安定な物質を内側部材５０２に詰めることによって、溶
融した外側部材材料が図６の内面５０６に沿って溶浸す
るのを防ぐ。あるいはまた、混合管５の内径に合った電
線のような細長い部材を混合管５の内側に入れてもよ
い。そのような電線はまた、内側部材５０２を鋳造用金
型のキャビティー内に正確に入れるために取付け治具と
して使用することもできるであろう。すでに述べたよう
に、上記の鋳造法で作成された外側部材５０４は、混合
管５をＡＷＪ切削装置内に容易に設置できるようにスク
リュー取付け穴、ラグ、止め具などのような付属物を有
する所望の形状にすることができる。本発明はまた、水
ジェット混合管５の生産速度を増大するために多数のキ
ャビティーを有する上述のようなインベストメント金型
も提供するものである。

【００２６】本発明はまた、すでに述べた２つの部材で
構成される漏斗状の水ジェット混合管５を利用する研磨
性水ジェット切削装置にも関する。図７には、水（好ま
しくは脱イオン水）をブースターポンプ７０４に供給す
る水ライン７０２が示されている。場合によっては、こ
の加圧下にある水をポンプにより水濾過装置７０６に通
してこの水中の汚染レベルを好ましくは約０．４５〜約
０．５０μｍ粒径に減少させる。この水中の汚染レベル
を低く保つことによって、図５Ａの混合管５と図１のオ
リフィス１１８の目詰まりが防がれる。切削装置７の心
臓部は高圧の増圧ポンプおよびアキュムレータ７０８で
ある。高圧ポンプ７０８は約５ガロン／分の流速で水圧
を約２０，０００〜６０，０００ｐｓｉという超高圧に
上げる。一般に、高圧ポンプ７０８は液圧駆動式往復プ
ランジャータイプのポンプである。増圧ポンプ７０８
は、液圧系において、小さい方のピストンに作用する大
きい方のピストンが、小さいピストンにかかっている圧
力をそれぞれのピストン領域に反比例して増大させると
いう原理に基づいている。増圧ポンプ比は通常約１０：
１から２０：１までの範囲である。次に、高圧の水は高
圧ポンプ７０８のアキュムレータ部分に送出される。ポ
ンプ７０８のアキュムレータ部分は水圧の変動をならし
て約±５％未満にすることによって均一な流速で一定の
圧力の水の流れを確保する。高圧の水は回転高圧パイプ
７１０を通って、Ｘ−Ｙ−Ｚ軸橋形ロボット運動制御系
７２０の上に載置された研磨性ジェット切削ヘッド７１
２に送出される。橋形系７２０によりヘッド７１２は３
つの軸方向に運動できる。研磨性ジェットアセンブリ７
１４がヘッド７１２に取付けられており、ホッパー７１
６からの研磨材粒子が絞り弁７１８を通ってジェットア
センブリ７１４中に送出される。工作物７２２は、ロボ
ット橋形系７２０の下で装置７のテーブル上に置かれ
る。図５Ａと５Ｂの水ジェット混合管５を組み込んだ図
１の部分的研磨性水ジェットアセンブリ１は、ジェット
アセンブリ７１４の一部であり、アセンブリ７２０の内
部に設置される。図１に示した研磨性ジェット１２６の
研磨特性はコンピューター制御パネル７２４によって制
御するのが好ましい。通常装置７のテーブルの下に水収
集タンク７２６が設置されていて廃棄水と使用済研磨材
粒子を捕獲する。

【００２７】また本発明では、工作物があらかじめ設定
したプログラムに従って動き、ＡＷＪ切削ヘッドは静止
している水ジェット切削装置も考えられる。

【００２８】

【実施例の記載】実施例１ 以下に記載する実施例のプロセスは前記した工程によっ
て実施した。通常の低圧化学蒸着によって水ジェット混
合管のダイヤモンド製内側部材を製造した。このダイヤ
モンド製内側部材の外面は直径１／８インチ、足部長さ
は１．５インチであった。この内側部材は０．０４０イ
ンチのボアをもっていた。

【００２９】モリブデン線を内側部材のボアに通して、
ダイヤモンド製内側部材の外面上にチタンをプラズマ溶
射する間内側部材を保持した。モリブデン線は通常の低
圧ＲＦプラズマ溶射装置の回転および並進機構に取付け
た。このモリブデン線保持治具とチタン合金との反応を
防ぐために、モリブデン線およびその保持用治具を空気
プラズマ溶射法を用いてセリア安定化ジルコニアを付着
させて被覆した。プラズマ溶射装置のプラズマ溶射チャ
ンバを水銀柱２１ミクロンの圧力に排気し、残留圧力が
２５０トルとなるようにアルゴンを満たした後、内側部
材の外面にチタン合金（Ｔｉ‐６Ａｌ‐４Ｖ−組成は重
量％）の層をＲＦプラズマ蒸着した。プラズマ溶射の条
件を下記に示す。

【００３０】銃／基板条件 銃と基板の距離 ３５．５ｃｍ 粉末 Ｔｉ‐６Ａｌ‐４Ｖ ストローク長 ２０．３ｃｍ 粉末サイズ −８０＋１４０メッシュ 回転速度 １３０ｒｐｍ タンク圧力 ２５０トル プレート電圧 ６．１キロボルト 蒸着時間 １３分 プレート電流 ８．５アンペア 粉末供給速度 ３１グラム／分 入力 ５１．９ｋｗ グリッド電流 １．０アンペアプラズマ銃ガス流 アルゴン渦流 １６リットル／分 アルゴン半径流 ９７リットル／分 ヘリウム半径流 ７４リットル／分 ヘリウム粉末流 ４．５リットル／分実施例２ 足部の長さが３インチのダイヤモンド製内側部材に対し
て実施例１の手順を繰り返した。プラズマ蒸着した外側
部材の粗い外表面を紙やすりで磨いて表面を滑らかにし
た。

【００３１】実施例３ 長さ３インチのダイヤモンド製内側部材の両端を酸化ア
ルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ ₃ ）コアピンで塞いで、鋳造プロ
セス中溶融金属が内側部材の内面上に溶浸するのを防い
だ。石膏で結合したシリカ製のインベストメント鋳造用
プラスターを使用してコアピンを内面に接合した。石膏
で結合したシリカ製のインベストメント鋳造用プラスタ
ーから作成した所望の形状のキャビティーを有する金型
のコアとして前記集合体を用いた。この金型とコアを１
４８℃からゆっくり５３７℃まで加熱した後、１４時間
２６０℃に下げてコアと金型キャビティーから湿気を除
いた。８．４重量％のアルミニウム、１．０重量％の
銅、０．０２重量％のマグネシウムおよび残部の亜鉛か
らなる５００℃の溶融金属を、２６０℃に保った金型キ
ャビティー中に注いだ。１時間の硬化時間の後、外側に
鋳造された部材を有する内側部材を金型から取出し、集
合体からコアピンを分離して混合管を形成した。

【図面の簡単な説明】

【図１】研磨性水ジェットアセンブリの一部の断面図で
ある。

【図２】図１の研磨性水ジェットアセンブリの水ジェッ
ト混合管の足部長さに対して研磨材粒子速度をプロット
したグラフである。

【図３】図１の水ジェット混合管の内壁面に研磨材粒子
が衝突したときにその壁を通って伝送される圧縮波と反
射張力波を示す図である。

【図４】図４Ａは、図１の水ジェット混合管のダイヤモ
ンド層と類似の大きさと特性をもつ単独のダイヤモンド
層を研磨性の水ジェットに暴露したときにそのダイヤモ
ンド層で起こるクラック損傷を示す図である。図４Ｂ
は、図４Ａのダイヤモンド層と類似の厚みと特性をもつ
ダイヤモンド層を有する２つの部材からなる基体（ただ
し、外側部材によってもたらされる圧縮力によって保護
されている）を研磨性の水ジェットに暴露したとき、そ
の２つの部材からなる基体ではクラック損傷がないこと
を示している図である。

【図５】図５Ａは本発明の好ましい具体例の水ジェット
混合管の側面断面図である。図５Ｂは、図５Ａの水ジェ
ット混合管を図５ＡのＢ−Ｂ線で切断して見た断面平面
図である。

【図６】図５Ｂの詳細Ｃの拡大図であり、図５Ａの水ジ
ェット混合管の内側部材のダイヤモンドの結晶組織を示
している。

【図７】好ましい具体例の水ジェット混合管を利用した
研磨性水ジェット装置を示す図である。

【符号の説明】

１ 研磨性水ジェットアセンブリ、 ５ 本発明の水ジェット混合管、 ７ 本発明の切削装置、 １１２ 水タンク、 １１６ 水ジェット、 １１８ オリフィス、 １２０ 水ジェット混合管、 １２２、３０２ 研磨材粒子、 １２６、４０４ 研磨性水ジェット流、 １２８、７２２ 工作物、 ４０２ ダイヤモンド層、 ４０６、５０４ 外側部材、 ５０２ ダイヤモンド製内側部材、 ５０６ 内側部材の内面、 ５０８ 緻密でほぼ等軸の微晶結晶粒組織、 ５１０ 放射状に配向した柱状結晶粒組織、 ５１２ 内側部材の外面、 ７０８ 高圧増圧ポンプ／アキュムレータ、 ７１２ 研磨性ジェット切削ヘッド、 ７１４ 研磨性ジェットアセンブリ。

フロントページの続き (72)発明者 ロバート・スニー・ギルモア アメリカ合衆国、ニューヨーク州、バーン ト・ヒルズ、３・シェアウッド・レーン、 ピー・オー・ボックス・386（番地なし) (72)発明者 ポール・アルフレッド・シーマース アメリカ合衆国、ニューヨーク州、クリフ トン・パーク、バリー・スパー、５番 (72)発明者 ジョン・チャールス・マッククロスキー アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ノ ース・アットルボロ、マウント・ポープ・ ストリート、296番

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨性水ジェット切削装置の、２つの部
   材から構成され実質的にクラックのない水ジェット混合
   管を製造する方法であって、 支持部材上にダイヤモンド層を化学蒸着させて前記混合
   管の内側部材（この内側部材は微晶組織を有するダイヤ
   モンドの滑らかな内面をもっている）を形成し、 前記内側部材を前記支持部材から分離し、 ダイヤモンドより大きい熱膨張係数を有する外側部材材
   料を前記内側部材の外面上に付着させて前記混合管の外
   側部材を形成し、 前記混合管を冷却して前記外側部材を収縮させ、前記内
   側部材におけるクラックの形成を実質的に抑制するのに
   充分な強度の圧縮応力を前記内側部材上に誘起すること
   からなる方法。
2. 【請求項２】 前記支持部材を前記内側部材から分離す
   る前記工程が、エッチング浴中でエッチングして前記支
   持部材を除去することからなる、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 前記外側部材を付着させる前記工程が、
   さらに、前記内側部材の前記外面上に前記外側部材材料
   をＲＦプラズマ溶射で付着させることを含んでいる、請
   求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 前記外側部材を付着させる前記工程が、
   さらに、前記内側部材の前記外面上に第一の金属層を無
   電解的に付着させ、前記第一の金属層の上に第二の金属
   層を電解的に付着させる電鋳工程を含んでいる、請求項
   １記載の方法。
5. 【請求項５】 前記外側部材を付着させる前記工程が、
   さらに、金型内に入れた前記内側部材の回りに外側部材
   材料を注型することを含んでいる、請求項１記載の方
   法。
6. 【請求項６】 微晶組織の滑らかな内面をもち、圧縮応
   力下にあるダイヤモンド層からなる実質的にクラックの
   ない内側部材と、 前記内側部材の外面上に配置されていてダイヤモンドよ
   り大きい熱膨張係数を有する材料からなる外側部材とか
   らなる研磨性水ジェット切削装置の二層式水ジェット混
   合管。
7. 【請求項７】 前記外側部材の前記材料が、タングステ
   ン、炭化タングステン、モリブデン、レニウム、ニオ
   ブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、ニッケル、
   バナジウム、クロム、黄銅、銅、亜鉛、アルミニウムお
   よびチタンより成る群の中から選択されたものである、
   請求項６記載の混合管。
8. 【請求項８】 漏斗状である、請求項７記載の混合管。
9. 【請求項９】 前記漏斗状の混合管が、直径約１．０〜
   １５．０ミリメートルの円形漏斗と、内径が約０．１０
   〜５．００ミリメートルでＬ／Ｄ比が約４５〜５５の円
   筒状足部とを有している、請求項８記載の混合管。
10. 【請求項１０】 オリフィスを有する水タンクと、 前記オリフィスを通る水のジェットを生成する手段と、 微晶組織の滑らかな内面をもち圧縮応力下にあるダイヤ
    モンド層からなる実質的にクラックのない内側部材、お
    よび、前記内側部材の外面上に配置されていてダイヤモ
    ンドより大きい熱膨張係数を有する材料の外側部材から
    なり、前記水のジェットの通り道に位置する漏斗状の二
    層式水ジェット混合管と、 前記混合管の前記漏斗に沿って研磨材粒子を導入して、
    前記水のジェット中に同伴された前記研磨材粒子が前記
    混合管から出て研磨性水ジェットを形成するようにする
    手段と、 前記研磨性水ジェットの研磨特性を制御する手段とから
    なる改良された研磨性水ジェット切削装置。