ウォータージェットカッター

ウォータージェットカッターは、ウォータージェットまたはウォータージェットとも呼ばれ、超高圧の水のジェット、または水と研磨剤の混合物を使用してさまざまな材料を切断できる産業用ツールです。研磨ジェットという用語は、特に水と研磨剤の混合物を使用して金属、石、ガラスなどの硬い材料を切断することを指します。一方、純粋なウォータージェットおよび水のみの切断という用語は、追加の研磨剤を使用しないウォータージェット切断を指し、木材やゴムなどの柔らかい材料によく使用されます。^[1]

ウォータージェット切断は、機械部品の製造によく使用されます。切断される材料が他の方法で発生する高温に敏感な場合、この方法が好ましい方法です。このような材料の例には、プラスチックやアルミニウムなどがあります。ウォータージェット切断は、鉱業や航空宇宙を含むさまざまな業界で、切断、成形、リーミングに使用されています。^[2]

高圧水による浸食は1800年代半ばの水力採鉱にまで遡りますが、細い水流が工業用切断装置として登場したのは1930年代になってからでした。1933年、ウィスコンシン州のペーパー・パテント・カンパニーは、斜めに動くウォータージェットノズルを使用して水平に動く連続紙を切断する、紙の計量、切断、巻き取り機を開発しました。^[3]これらの初期の用途は低圧で、紙などの柔らかい材料に限定されていました。

ウォータージェット技術は、世界中の研究者が効率的な切断システムの新しい方法を模索する中で、戦後に進化しました。1956年、ルクセンブルクのデュロックスインターナショナルのカール・ジョンソンは、細い水流の高圧ウォータージェットを使用してプラスチックの形状を切断する方法を開発しましたが、それらの材料は紙などの柔らかい材料でした。^[4] 1958年、ノースアメリカンアビエーションのビリーシュワッハは、超高圧液体を使用して硬い材料を切断するシステムを開発しました。^[5]このシステムは、100,000 psi（690 MPa）のポンプを使用して、PH15-7-MOステンレス鋼などの高強度合金を切断できる極超音速液体ジェットを送り出しました。マッハ3のノースアメリカンXB-70ヴァルキリーのハニカムラミネートを切断するために使用されたこの切断方法は、高速で剥離する結果となり、製造プロセスの変更が必要になりました。 ^[6]

XB-70プロジェクトには効果的ではなかったものの、そのコンセプトは有効であり、さらなる研究がウォータージェット切断の進化を続けました。1962年、ユニオンカーバイド社のフィリップ・ライスは、最大50,000psi（340MPa）のパルスウォータージェットを使用して金属、石材、その他の材料を切断することを研究しました。^[7] 1960年代半ばのSJリーチとGLウォーカーによる研究では、従来の石炭ウォータージェット切断を拡張して、石材の高圧ウォータージェット切断に最適なノズルの形状を決定し、^[8]ノーマン・フランツは1960年代後半に、長鎖ポリマーを水中に溶解してジェット流の凝集性を向上させることで柔らかい材料をウォータージェット切断することに焦点を当てました。^[9] 1970年代初頭、ウォータージェットノズルの耐久性を向上させたいという思いから、ベンディックス社のレイ・チャドウィック、マイケル・クルコ、ジョセフ・コリヴォーは、コランダム結晶を使用してウォータージェットオリフィスを形成するというアイデアを思いつきました。^[10]一方、ノーマン・フランツはこれを発展させ、最大70,000 psi (480 MPa)の圧力で動作する、0.002インチ (0.051 mm) という小さなオリフィスを持つウォータージェットノズルを作成しました。^[11]ジョン・オルセンは、フローリサーチ社 (後のフローインダストリーズ社) のジョージ・ハールバートとルイス・カプサンディとともに、事前に水を処理することでノズルの動作寿命を延ばすことができることを示して、ウォータージェットの商業的可能性をさらに高めました。^[12]

蒸気動力の出現により、高圧容器とポンプは手頃な価格で信頼できるものになりました。1800年代半ばまでに、蒸気機関車が一般的になり、最初の効率的な蒸気駆動の消防車が稼働しました。^[13]世紀の変わり目までに、高圧の信頼性が向上し、機関車の研究によりボイラー圧力が6倍に増加し、1,600 psi（11 MPa）に達するものもありました。ただし、当時のほとんどの高圧ポンプは、約500〜800 psi（3.4〜5.5 MPa）で動作していました。

高圧システムは、航空、自動車、石油産業によってさらに形作られました。ボーイングなどの航空機メーカーは、1940年代に油圧ブースト制御システム用のシールを開発し、^[14]自動車の設計者は油圧サスペンションシステムについて同様の研究を行いました。^[15]石油産業の油圧システムの高圧化により、漏れを防ぐための高度なシールとパッキングも開発されました。^[16]

シール技術の進歩と戦後のプラスチックの台頭により、最初の信頼性の高い高圧ポンプが開発されました。フィリップス石油会社のロバート・バンクスとジョン・ポール・ホーガンによるマーレックスの発明には、ポリエチレンに注入する触媒が必要でした。^[17]カンザス州バクスタースプリングスのマッカートニー製造会社は、1960年にポリエチレン業界向けにこれらの高圧ポンプの製造を開始しました。^[18]ワシントン州ケントのフローインダストリーズは、1973年にジョン・オルセンが高圧流体増圧器を開発し、ウォータージェットの商業的実現の基礎を築きました。^[19]この設計は1976年にさらに改良されました。^[20]フローインダストリーズはその後、高圧ポンプの研究とウォータージェットノズルの研究を組み合わせ、ウォータージェット切断を製造業界に持ち込みました。^[要出典]

柔らかい材料であれば水で切断することも可能ですが、研磨剤を加えることでウォータージェットはあらゆる材料に使用できる近代的な加工ツールとなりました。これは1935年にエルモ・スミスが液体研磨ブラスト用に水流に研磨剤を加えるというアイデアを考案したときに始まりました。^[21]スミスの設計は1937年にハイドロブラスト社のレスリー・ティレルによってさらに改良され、ウェットブラスト用に高圧水と研磨剤の混合物を作り出すノズル設計が生まれました。^[22]

現代の研磨ウォータージェット（AWJ）切断に関する最初の出版物は、 1982年のBHR会議録でモハメド・ハシッシュによって発表され、比較的少量の研磨剤を使用したウォータージェットが鋼鉄やコンクリートなどの硬い材料を切断できることが初めて示されました。1984年3月のMechanical Engineering誌には、チタン、アルミニウム、ガラス、石など、AWJで切断された材料の詳細と材料がさらに掲載されました。モハメド・ハシッシュは、1987年にAWJの形成に関する特許を取得しました。^{[23]ハシッシュは、「}研磨ウォータージェット」という新しい用語も作り出し、彼のチームはAWJ技術と多くの用途向けのハードウェアの開発と改良を続けました。重要な開発は、高圧AWJの力に耐えられる耐久性のある混合チューブの作成であり、Boride Products（現Kennametal）によるROCTECシリーズのセラミックタングステンカーバイド複合チューブの開発により、AWJノズルの動作寿命が大幅に延長されました。^[24] AWJノズルに関する現在の研究は、直径0.015インチ（0.38mm）未満のジェットによる切断を商品化できるようにするためのマイクロ研磨ウォータージェットに関するものである。

マイケル・ディクソンはインガソル・ランド・ウォータージェットシステムズと協力し、チタンシートを切断する最初の実用的な生産手段、つまり今日広く使用されているものと非常によく似た研磨ウォータージェットシステムを実装しました。^[23] 1989年1月までに、このシステムはオハイオ州ニューアークにあるロックウェルのノースアメリカンアビエーション施設で主にB-1B用のチタン部品を24時間生産していました。

現在、研磨ウォータージェットには 2 つの種類があります。

研磨水サスペンションジェット（AWSJ）は、「スラリージェット」または「水研磨サスペンション（WAS）ジェット」とも呼ばれ、ウォータージェット切断に使用される研磨水ジェットの特定のタイプです。研磨水インジェクタージェット（AWIJ）とは対照的に、研磨水サスペンションジェット（AWSJ）^[25]は、研磨材と水の混合がノズルの前で行われるという特徴があります。これにより、AWIJとは対照的に、ジェットは水と研磨材の2つの成分のみで構成されます。

AWSJには2つのコンポーネント（水と研磨剤）しかないため、水による研磨粒子の加速はAWIJに比べて大幅に効率化されます。^[26]システムの同じ油圧出力の場合、WASSの方がWAISよりも研磨粒子が速くなります。そのため、AWSJでは比較的深く、またはより速く切断することができます。

AWSJ切断は、後述するAWIJ切断プロセスとは対照的に、要求の厳しい材料の加工に加えて、移動切断アプリケーションや水中切断にも使用できます。^{[27] [28] [25]}例としては、爆弾処理^[29] 、海上施設の解体^[30]、原子力発電所の原子炉圧力容器設備の解体などがあります。^[31]

AWIJ ^[32]は、水ノズルから出た水ジェットが混合室（キャビティ）を通過し、混合室の出口にある集束管に入ることで発生します。混合室内の水ジェットと内部の空気との相互作用により負圧が発生し、水ジェットが空気粒子を巻き込みます。この負圧は、研磨剤をチャンバー内に空気輸送するために使用されます（研磨剤はホースによって混合室の横方向の開口部（ボア​​）に導かれます）。

混合チャンバー内の研磨材と水ジェットが接触した後、個々の研磨粒子は加速され、集束チューブの方向に引き込まれます。研磨材を混合チャンバーに輸送するためのキャリア媒体として使用される空気も、3 つのコンポーネント (水 - 研磨材 - 空気) で構成される AWIJ の一部になります。この目的のために長さが最適化されている (最適化されている必要があります) 集束チューブ内で、研磨材はさらに加速され (エネルギーが水から研磨粒子に伝達されます)、AWIJ は理想的には最大可能な研磨粒子速度で集束チューブから出ます。

ウォータージェット切断が伝統的な製造現場に導入されると、カッターを確実に正確に制御することが不可欠になりました。初期のウォータージェット切断システムは、機械式パンタグラフや、ジョン・パーソンズの1952年製NCフライス盤と実行Gコードに基づくCNCシステムなどの従来のシステムを採用していました。^[33]ウォータージェット技術に固有の課題により、従来のGコードの不十分さが明らかになりました。精度は、コーナーや細部に近づくときにノズルの速度を変えることに依存します。^[34]これらの変数を組み込むモーションコントロールシステムを作成することは、1990年代初頭に大手ウォータージェットメーカーにとって大きな革新となり、OMAX Corporationのジョン・オルセンは、ウォータージェットノズルを正確に配置するシステムを開発し^[35]、パスに沿ったすべてのポイントで速度を正確に指定し、^[36]一般的なPCをコントローラーとして使用しました。最大のウォータージェット製造会社であるFlow International（Flow Industriesのスピンオフ）は、このシステムの利点を認識し、OMAXソフトウェアのライセンスを取得しました。その結果、世界中のウォータージェット切断機の大部分は使いやすく、高速で、正確になりました。^[37]

すべてのウォータージェットは、ノズルによってビーム状に集中された高圧水を使用するという同じ原理に従います。ほとんどの機械は、最初に高圧ポンプに水を流すことによってこれを実現します。この高圧を生成するために使用されるポンプには、増圧ポンプとダイレクトドライブまたはクランクシャフトポンプの2種類があります。ダイレクトドライブポンプは、クランクシャフトに取り付けられたプランジャーを使用して高圧チューブに水を押し込む、自動車のエンジンとよく似た働きをします。増圧ポンプは、油圧オイルを使用してピストンを動かし、小さな穴に水を押し込むことで圧力を生成します。^{[38] [39]}次に、水は高圧チューブに沿ってウォータージェットのノズルに移動します。ノズルでは、水は宝石オリフィスによって細いビーム状に集中されます。この水ビームはノズルから噴射され、マッハ3、約2,500フィート/秒（760メートル/秒）の速度のジェットを噴射して材料を切断します。^[40]研磨ウォータージェットの場合も、水がノズルに到達するまでのプロセスは同じです。ここでは、ガーネットや酸化アルミニウムなどの研磨剤が研磨剤入口からノズルに供給されます。その後、研磨剤は混合管内で水と混合され、高圧で端から押し出されます。^{[41] [42]}

ウォータージェットの重要な利点は、熱影響部（HAZ）がないため、材料の本来の構造に干渉することなく材料を切断できることです。熱の影響を最小限に抑えることで、金属を歪ませたり、焼き入れに影響を与えたり、固有の特性を変えたりすることなく切断できます。^[43]鋭い角、斜面、穴あけ、最小限の内径を持つ形状などが可能です。^[44]

ウォータージェットカッターは材料に複雑なカットを施すことも可能です。専用のソフトウェアと3D加工ヘッドを使用すれば、複雑な形状も作ることができます。^[45]

切断のカーフ、つまり幅は、ノズルの部品を交換したり、研磨剤の種類やサイズを変更したりすることで調整できます。一般的な研磨剤による切断のカーフは 0.04 ～ 0.05 インチ (1.0 ～ 1.3 mm) ですが、0.02 インチ (0.51 mm) まで狭くなることがあります。非研磨剤による切断は通常 0.007 ～ 0.013 インチ (0.18 ～ 0.33 mm) ですが、0.003 インチ (0.076 mm) まで狭くなることがあります。これは、人間の髪の毛とほぼ同じです。これらの小さなジェットにより、幅広い用途で細かい部分も加工できます。

ウォータージェットは、0.005インチ（0.13 mm）までの精度と0.001インチ（0.025 mm）までの再現性を達成することができます。^[45]

ウォータージェット切断は比較的狭い切断幅のため、従来の切断方法よりも未切断部品をより密接にネストできるため、生成されるスクラップ材料の量を減らすことができます。ウォータージェットは、切断ヘッドのオリフィスサイズに応じて、1分あたり約0.5〜1 USガロン（1.9〜3.8 L）を使用し、水は閉ループシステムを使用してリサイクルできます。廃水は通常、ろ過して排水溝に捨てられるほどきれいです。ガーネット研磨材は無毒の材料であり、大部分は繰り返し使用するためにリサイクルできますが、そうでなければ、通常は埋め立て地に処分できます。ウォータージェットは、空気中の粉塵粒子、煙、煙霧、汚染物質の発生も少なく、^[45]作業者の危険物質への曝露を減らします。^[46]

ウォータージェット技術を使用した肉の切断では、接触媒体が廃棄されるため、交差汚染のリスクが排除されます。 ^{[引用が必要]}

切断ストリームの性質は簡単に変更できるため、ウォーター ジェットはほぼすべての業界で使用できます。ウォーター ジェットで切断できる材料は多種多様です。材料の中には、切断時に特別な注意を必要とする独特の特性を持つものもあります。

ウォータージェットで切断される一般的な材料には、繊維、ゴム、フォーム、プラスチック、皮革、複合材、石、タイル、ガラス、金属、食品、紙などがあります。^[47]「ほとんどのセラミックは、使用する研磨剤よりも柔らかい材料（モース硬度7.5～8.5）であれば、研磨ウォータージェットで切断することもできます。」^[48]ウォータージェットで切断できない材料の例としては、強化ガラスやダイヤモンドがあります。^[46] ウォータージェットは、金属を最大6インチ（150 mm）まで、ほとんどの材料を18インチ（460 mm）まで切断できますが、^[49]特殊な石炭採掘用途では、^[50]ウォータージェットは1インチ（25 mm）のノズルを使用して最大100フィート（30 m）まで切断できます。^[51]

特別に設計されたウォーター ジェット カッターは、バインダー フラッシングの対象となった道路表面から余分なビチューメンを除去するためによく使用されます。フラッシングは、暑い天候で骨材がビチューメン バインダー層と同じ高さになり、雨天時に危険なほど滑らかな道路表面を形成するときに発生する自然現象です。^{[引用が必要]}

商業用ウォータージェット切断システムは、世界中のメーカーから、さまざまなサイズとさまざまな圧力に対応できるウォーターポンプを備えたものが販売されています。一般的なウォータージェット切断機の作業範囲は、数平方フィートほどの小さなものから、数百平方フィートまであります。超高圧ウォーターポンプは、40,000 psi (280 MPa) から 100,000 psi (690 MPa) まで利用できます。^[45] また、10kpsi 未満の圧力で動作する小型のデスクトップサイズの機械も増えています。

ウォータージェット切断には、主に 6 つのプロセス特性があります。

1. 高圧ポンプによって生成される 30,000～90,000 psi (210～620 MPa) の超高圧水の高速ストリームを使用します。このストリームには研磨粒子が浮遊している可能性があります。
2. 熱に敏感な材料、繊細な材料、非常に硬い材料など、さまざまな材料の加工に使用されます。
3. ワークピースの表面やエッジに熱による損傷を与えません。
4. ノズルは通常タングステンカーバイドで作られています。^[52]
5. ほとんどの切断で1°未満のテーパーが生成されますが、切断プロセスを遅くしたり、ジェットを傾けたりすることで、テーパーを減らすか完全に排除することができます。^[53]
6. ノズルからワークピースまでの距離は、切り口のサイズと材料の除去率に影響します。標準的な距離は 0.125 インチ (3.2 mm) です。

使用される水は冷却剤としても機能するため、温度は大きな要因にはなりません。

ウォータージェット切断部品のエッジ品質は、品質番号Q1からQ5で定義されます。数値が低いほどエッジ仕上げが粗く、数値が高いほど滑らかになります。薄い材料の場合、Q1の切断速度の差はQ5の速度の3倍にもなります。厚い材料の場合、Q1はQ5の6倍速くなることがあります。たとえば、厚さ4インチ（100 mm）のアルミニウムの場合、Q5は0.72インチ/分（18 mm/分）で、Q1は4.2インチ/分（110 mm/分）となり、5.8倍速くなります。^[54]

1987 年、Ingersoll-Rand Waterjet Systems は、Robotic Waterjet System と呼ばれる 5 軸純水ウォータージェット切断システムを提供しました。このシステムはオーバーヘッド ガントリー設計で、全体の大きさは HS-1000 とほぼ同じでした。

^{制御および動作技術の最近}の進歩により^{、 5 軸ウォーター ジェット切断(}研磨および純粋) が現実のものとなりました。ウォーター ジェットの通常の軸は Y (前後)、X (左右)、Z (上下) と名付けられていますが、5 軸システムでは通常、A 軸 (垂直からの角度) と C 軸 (Z 軸の周りの回転) が追加されます。切断ヘッドに応じて、A 軸の最大切断角度は垂直から 55 度、60 度、または場合によっては 90 度になります。このように、5 軸切断により、ウォーター ジェット切断機で加工できる幅広い用途が開かれます。

5 軸カッティングヘッドは、4 軸パーツの切断に使用できます。この場合、底面の形状は、適切な角度を生成するために一定量シフトされ、Z 軸は 1 つの高さのままになります。これは、後で溶接されるパーツのすべての側面でベベル角度を切断する必要がある溶接準備などの用途や、切り口角度を廃材に転送してウォータージェット切断パーツによく見られるテーパーを排除するテーパー補正の目的に役立ちます。5 軸ヘッドは、Z 軸も他のすべての軸とともに移動するパーツを切断できます。この完全な 5 軸切断は、成形パーツのさまざまな表面の輪郭を切断するために使用できます。

切断できる角度によっては、部品をシートから切り離すために部品プログラムに追加の切断が必要になる場合があります。適切なリリーフ カットがないと、複雑な部品をプレートから急角度でスライドさせるのは困難です。

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