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技術 流体キャビテーション研磨表面仕上げのための方法および装置

出願人 ザ・ボーイング・カンパニー
発明者 サンダーズ,ダニエルゴードン
出願日 2018年8月29日 (1年2ヶ月経過) 出願番号 2018-159850
公開日 2019年5月16日 (6ヶ月経過) 公開番号 2019-072834
状態 未査定
技術分野 砥粒による吹付け加工の細部
主要キーワード 指向性エネルギー 集水容器 広角ノズル キャビテーション流 圧縮パッド 表面仕上げ装置 密閉区画 材料表
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (11)

課題

ワークピースの表面がピーニングされ、残留応力および疲労強度を改善し、洗浄され、塗装または使用の準備をすることができる加工方法を提供する。

解決手段

ワークピース36の表面から材料を除去する方法は、複数のキャビテーション気泡を形成するのを促進する圧力および流量でワークピース36に向けて流体フローを放出することと、研磨媒体40を導入することと、を含む。本方法は、キャビテーション気泡で研磨媒体40を活性化させることと、キャビテーション気泡および研磨媒体40と、ワークピース36の表面との間の相互作用によって材料をワークピース36から除去することと、を含む。

概要

背景

指向性エネルギー堆積および粉末床溶融などの付加製造方法は、以前の方法によって製造するのは現実的でないまたは実行可能でない複雑な形状および特徴を有する新しい部品の効率的な製造を可能にした。しかしながら、付加製造によって製造された製品表面仕上げは、従来の製造方法によって製造された部品よりも粗い。電子ビーム粉末床溶融は、1,000μMを超える表面粗さ平均(Ra)を生じさせることがあり、これは、典型的な飛行機構造部品に要求される滑らかな仕上げの10倍以上である。付加製造された複雑な部品の機械仕上げは、費用がかかりすぎるか不可能であり、グリットブラストケミカルミーリングショットピーニングなどの表面仕上げ方法は、表面粗さを十分に改善しない。

キャビテーションピーニングは、表面を機械的に処理する有望な新しい方法である。キャビテーション気泡が、流速の増加に起因する気相への転移によって流体中に形成され、その後、流速が減少すると崩壊する。キャビテーション気泡が崩壊すると、いくつかの例では1,500m/sの速度を有することがあるマイクロジェットが生成される。Soyama US6855208B1に開示されているように、高速ウォータージェット、すなわちキャビテーションジェットを水中に噴射することにより、キャビテーションクラウドが生成される。キャビテーション気泡は、渦の中を移動し、得られたマイクロジェットの多方向の衝撃は、表面をショットピーニングよりも一層よく硬化させる。しかし、キャビテーションピーニングは、洗浄して、疲労強度を向上させるが、表面粗さは、多くの用途で十分に改善されない。

概要

ワークピースの表面がピーニングされ、残留応力および疲労強度を改善し、洗浄され、塗装または使用の準備をすることができる加工方法を提供する。ワークピース36の表面から材料を除去する方法は、複数のキャビテーション気泡を形成するのを促進する圧力および流量でワークピース36に向けて流体のフローを放出することと、研磨媒体40を導入することと、を含む。本方法は、キャビテーション気泡で研磨媒体40を活性化させることと、キャビテーション気泡および研磨媒体40と、ワークピース36の表面との間の相互作用によって材料をワークピース36から除去することと、を含む。

目的

本開示は、ワークピースから材料を除去するための方法および装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

材料を除去する方法であって、複数のキャビテーション気泡を形成するのを促進する圧力および流量でワークピースに向けて流体フローを放出することと、研磨媒体を前記複数のキャビテーション気泡の中に導入することと、前記キャビテーション気泡で前記研磨媒体を活性化させることと、前記研磨媒体を伴う前記キャビテーション気泡と前記ワークピースの表面との間の相互作用に基づいて材料を前記ワークピースから除去することとを含む方法。

請求項2

前記方法が、流体環境で実施される、請求項1に記載の方法。

請求項3

前記流体環境が、タンクに入れられた流体の塊である、請求項2に記載の方法。

請求項4

前記放出するステップが、第1の圧力レベルで第1の流体ストリームポンプ供給することを含み、前記流体環境が、前記第1の圧力レベルよりも低い第2の圧力レベルで前記第1の流体ストリームを囲む第2の流体ストリームを含む、請求項2または3に記載の方法。

請求項5

前記流体が、水を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。

請求項6

前記導入するステップが、前記研磨媒体を供給源から前記複数のキャビテーション気泡の中に送ることを含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。

請求項7

前記研磨媒体が、(a)金属、(b)ガラス、(c)セラミック、(d)酸化ケイ素、(e)酸化アルミニウム、(f)軽石、(g)ナッツ殻、(h)トウモロコシ穂軸、および(i)プラスチック研磨材のうちの1つ以上を含む粒子を含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。

請求項8

前記研磨媒体が、約16〜1200ANSIグリットサイズ寸法範囲の粒子を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。

請求項9

前記研磨媒体の供給源から延びている導管を通って前記複数のキャビテーション気泡に前記研磨媒体を送ることを、さらに含む、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。

請求項10

前記導入するステップの間、前記導管の動きを回転させる、または他の方法で作動させることを、さらに含む、請求項9に記載の方法。

請求項11

前記研磨媒体を前記導管内のコルクスクリュー構造を通って移動させることを、さらに含む、請求項10に記載の方法。

請求項12

前記研磨媒体を前記導管の遠位端にある広角ノズルを通って分散させることを、さらに含む、請求項9から11のいずれか一項に記載の方法。

請求項13

前記研磨媒体を複数の導管を通って前記複数のキャビテーション気泡の中に送ることを、さらに含む、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。

請求項14

前記放出するステップが、50〜10,000ポンド平方インチの範囲の圧力で実行される、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。

請求項15

請求項1から14のいずれか一項に記載の方法を実施するように動作可能な、ワークピースから材料を除去するための装置。

技術分野

0001

本開示は、表面仕上げに関する。より具体的には、開示される実施形態は、キャビテーション流体による材料の除去的な仕上げ洗浄、およびピーニングのためのシステムおよび方法に関する。

背景技術

0002

指向性エネルギー堆積および粉末床溶融などの付加製造方法は、以前の方法によって製造するのは現実的でないまたは実行可能でない複雑な形状および特徴を有する新しい部品の効率的な製造を可能にした。しかしながら、付加製造によって製造された製品の表面仕上げは、従来の製造方法によって製造された部品よりも粗い。電子ビーム粉末床溶融は、1,000μMを超える表面粗さ平均(Ra)を生じさせることがあり、これは、典型的な飛行機構造部品に要求される滑らかな仕上げの10倍以上である。付加製造された複雑な部品の機械仕上げは、費用がかかりすぎるか不可能であり、グリットブラストケミカルミーリングショットピーニングなどの表面仕上げ方法は、表面粗さを十分に改善しない。

0003

キャビテーションピーニングは、表面を機械的に処理する有望な新しい方法である。キャビテーション気泡が、流速の増加に起因する気相への転移によって流体中に形成され、その後、流速が減少すると崩壊する。キャビテーション気泡が崩壊すると、いくつかの例では1,500m/sの速度を有することがあるマイクロジェットが生成される。Soyama US6855208B1に開示されているように、高速ウォータージェット、すなわちキャビテーションジェットを水中に噴射することにより、キャビテーションクラウドが生成される。キャビテーション気泡は、渦の中を移動し、得られたマイクロジェットの多方向の衝撃は、表面をショットピーニングよりも一層よく硬化させる。しかし、キャビテーションピーニングは、洗浄して、疲労強度を向上させるが、表面粗さは、多くの用途で十分に改善されない。

0004

ワークピースの表面から材料を除去する方法が、開示される。本方法は、複数のキャビテーション気泡を形成することを促進する圧力および流量でワークピースに向けて流体のフローを放出することと、次いで気泡の中または周囲に研磨媒体を導入することとを含む。本方法は、キャビテーション気泡と研磨媒体との混合物を形成し、次いで混合物をワークピースの表面に向けて送ることを含んでもよい。本方法は、キャビテーション気泡で研磨媒体を活性化させ、キャビテーション気泡と研磨媒体とワークピースの表面との間の相互作用によって材料をワークピースから除去することを含む。

0005

ワークピースから材料を除去するための装置も、開示される。本装置は、流体フローデバイスと研磨媒体吐出デバイスとを含む。流体フローデバイスは、複数のキャビテーション気泡を発生させるためにノズルを通って流体をポンプ供給するように構成される。研磨媒体吐出デバイスは、研磨媒体をキャビテーション気泡の中に供給するように構成される。

0006

本開示は、ワークピースから材料を除去するための方法および装置を提供する。いくつかの実施形態では、本方法は、複数のキャビテーション気泡を形成し、研磨媒体を気泡の中に導入することを含むことができる。いくつかの実施形態では、本方法は、キャビテーション気泡と研磨媒体との混合物を形成することを含むことができる。いくつかの実施形態では、本装置は、流体フローデバイスと研磨媒体吐出デバイスとを含むことができる。特徴、機能、および利点は、本開示の様々な実施形態において独立に達成されてもよく、またはさらに他の実施形態において組み合わせられてもよく、そのさらなる詳細は、以下の説明および図面を参照して理解することができる。

図面の簡単な説明

0007

機械加工プロセスによって作製されたジェットエンジンナセル圧縮パッドの等角図である。
付加製造プロセスによって作製されたジェットエンジンナセル圧縮パッドの等角図である。
流体キャビテーション研磨表面仕上げ装置の一例のブロック図である。
研磨媒体供給源の一例の概略図である。
図2に示されるタイプの装置による研磨キャビテーションクラウドの生成の概略図である。
図4の研磨キャビテーションクラウド中で表面仕上げを受けているワークピースの概略図である。
流体キャビテーション研磨表面仕上げ装置の他の例のブロック図である。
図6に示されるタイプの装置による仕上げを受けている表面の概略図である。
ワークピースの表面から表面粗さを除去するために異なるサイズの研磨媒体が使用されている概略図である。
材料除去の方法を示すフローチャートである。

実施例

0008

概観
表面仕上げ方法ならびに流体フローデバイスおよび研磨媒体を有する表面仕上げ装置の様々な実施形態が、以下で説明され、関連する図面に示される。特に断らない限り、表面仕上げ装置および/またはその様々な構成要素は、本明細書に記載、図示および/または組み込まれた構造、構成要素、機能および/または変形の少なくとも1つを含むことができるが、必須ではない。さらに、本教示に関連して本明細書に記載、図示、および/または組み込まれた構造、構成要素、機能および/または変形は、他の表面仕上げ装置に含まれてもよいが、必須ではない。以下の様々な実施形態の説明は、本質的に単なる例示に過ぎず、本開示、その用途、または使用法を限定するものでは決してない。さらに、以下に説明されるような、実施形態によって提供される利点は、本質的に例示であり、すべての実施形態が、同じ利点または同じ程度の利点を提供するわけではない。

0009

図1Aは、チタンのブロックを機械加工することによって製造されたジェットエンジンナセル圧縮パッド2を示す。パッド原材料は、約15ポンドの重量であり得るが、図示の仕上げられた構成要素は、わずか1.5ポンドの重量であり得る。対照的に、図1Bは、付加製造によって製造された同じジェットエンジンナセルの圧縮パッド4を示す。すべての原材料をこの設計で使用することができ、設計の柔軟性により、より構造上効率的な構成が可能になる。

0010

しかし、製造完了時には、図1Bに示す圧縮パッドは、エンジンの構造部品としての使用に許容されない。付加製造プロセスは、1,000μMを超える表面粗さ平均(Ra)をもたらす。圧縮パッドは、機械仕上げは費用がかかりすぎるか、または不可能でさえあるような複雑さで設計されていることに、留意されたい。

0011

付加製造によって提供される製造効率および設計自由度の向上は、費用を削減し、新しい技術を可能にするために、幅広い分野にわたって非常に望ましい。表面粗さは、このような技術の採用にとって大きな障害であり、流体キャビテーション研磨表面仕上げによって克服され得る。

0012

実施例、構成要素、代替案
以下のセクションでは、ワークピースから材料を除去するための例示的な装置ならびに関連するシステムおよび/または方法の選択された態様について説明する。これらのセクションの例は、説明のためのものであり、本開示の範囲全体を限定するものとして解釈されるべきではない。各セクションは、1つ以上の別個の発明、ならびに/または文脈上のもしくは関連する情報、機能、および/もしくは構造を含むことができる。

0013

実施例1:
図2は、流体キャビテーション研磨表面仕上げのための例示的な装置のブロック図であり、全体として10で示されている。高圧ポンプ12が、導管16に沿って加圧水14を供給する。分岐導管18が、制御弁20によって調節される。制御弁のこのような配置は、導管16に沿ってノズル22に供給される水の圧力および流量を正確に制御することを可能にする。

0014

ノズル22は、水26で満たされた加圧タンク24内に配置されている。タンク24の蓋28は、タンクから集水容器30へあふれるのを可能にするように開いてもよい。蓋は、タンク内の圧力を維持するために、バネによってタンク24に結合されてもよいし、または重しによって制約されてもよい。水はまた、制御弁34によって調節される導管32に沿ってタンク24から排出される。

0015

高圧水14が、タンク24内に沈められたワークピース36に向けられたキャビテーションジェットとして、ノズル22によってタンク24の水26の中に噴射される。キャビテーションジェットと水26との間の相互作用は、複数のキャビテーション気泡を含む、渦を巻くキャビテーションクラウド38を形成する。キャビテーションクラウド38がワークピースの一部または全部を取り囲み、崩壊するキャビテーション気泡がワークピースの表面に衝突するように、ワークピース36を配置してもよい。キャビテーション気泡の崩壊衝撃力は、噴射された水14の圧力、タンク24内の水26の圧力、2つの圧力間の比、ならびに水14およびタンク24の水26の温度によって部分的に決定される。高圧水14は、50〜10,000ポンド/平方インチ、または任意の有効な圧力であってよい。好ましくは、水14は、タンク24の水26が大気圧にあるとき、約4,000ポンド/平方インチであってもよい。

0016

これらのパラメータを最適化するために、圧力および温度センサを、タンク24内に、または導管12、18、もしくは32のいずれかに含めることができる。制御弁20,34および蓋28ならびに高圧ポンプ12および温度制御システムは、装置10全体の圧力および温度状態の正確な調整された制御を可能にする電子制御装置または他のそのような構成要素に接続されてもよい。

0017

図示の例では、キャビテーション流体は水である。しかしながら、任意の所望の流体を使用することができる。使用される流体の粘度などの特性が、キャビテーション気泡の崩壊力に影響を及ぼすことがあり、衝撃を改善するように、すなわち所望の衝撃レベルに必要な圧力に圧力を低下させるように、流体が選択されてもよい。加圧流体をノズル22を通ってポンプ供給するために、任意の有効な流体フローデバイスが使用されてもよい。

0018

図2に示すように、研磨媒体40が、ノズル22とワークピース36との間のキャビテーションクラウド38の中に導入される。研磨媒体は、ホッパー、すなわち研磨媒体供給源44からの導管42によって供給される。供給源44の一例が、図3により詳細に示されている。供給源は、複数のホッパー48を有する密閉区画46を含み、各ホッパーは、異なるタイプの研磨媒体または研磨材料を収容する。図示された例では、区画46は、グリットサイズが減少している6つの研磨媒体を有する6つのホッパーを含む。供給源44は、任意の所望のタイプの媒体または任意の所望の数のタイプの媒体を含むことができる。媒体は、任意のグリットサイズ、好ましくは約16〜1200ANSIグリットサイズの範囲内であってもよい。

0019

各ホッパー48は、所望の媒体を導管42に導入するために開けることができるホッパードア50を含む。ドア50は、手動で制御されてもよく、または装置10の他の構成要素と一体化された電子制御装置によって作動されてもよい。異なる媒体の供給の間で移行することができる他の単純なスイッチング機構が存在し、任意の有効な機構を使用することができる。

0020

空気ホース52が、密閉区画46を加圧するために、供給源44に接続されている。それにより、研磨媒体40は、より自由にかつ容易に流れることができ、導管42内に入って、導管42に沿って流れるように付勢されることができる。いくつかの例では、密閉区画46を加圧するために空気の代わりに水または他の流体を使用することができる。他の例では、プッシュロッドなどの機構を使用して、研磨媒体40を、導管42を通って移動させてもよい。研磨媒体は、粘りがなくてもよいし、またはペーストもしくは懸濁液の形態であってもよい。

0021

導管42はまた、図4に示すように、媒体がキャビテーションクラウド38に導入される前に、媒体に回転または渦巻き運動を引き起こすためのコルクスクリュー構造54を含む。いくつかの例では、研磨媒体40がキャビテーションクラウドに導入されている間、導管42は、キャビテーションクラウド38に対して回転または他の方法で動かされてもよい。

0022

ノズル22が、ガイドパイプ58内に配置されたノズルキャップ56を含んで、より詳細に図4に示されている。キャビテータ60が、スペーサ64によってノズルプレート62から離間され、ノズルキャップ56内に配置されて、ノズル22を通る高圧水14のフローを変更する。水14の流量の変化およびタンク水26との相互作用により、キャビテーションクラウド38が生じ得る。クラウドを構成する複数のキャビテーション気泡は、渦または竜巻のような形状で渦を巻き得る。

0023

研磨媒体供給源44からの導管42が、研磨媒体40の複数の粒子66をキャビテーションクラウド38の中に導入する。研磨媒体40は、キャビテーションクラウドから速度、運動量、および運動エネルギーを得て、キャビテーション気泡と混合することができる。図示された例では、研磨媒体40は、導管42の遠位端にある、外向きに広がる表面の少なくとも一部を有する広角ノズル68によって導入される。図3に示すように、キャビテーションクラウド38との混合を容易にするために、研磨媒体40は、コルクスクリュー54によって回転させられる。広角ノズル68は、キャビテーションクラウド38の可能な限り最も多くの部分を研磨媒体40で満たすように、ガイドパイプ58の端部に近接して配置される。

0024

他の例では、研磨媒体40は、クラウドの周囲に分布した位置に配置された複数の導管によって、キャビテーションクラウド38に供給されてもよい。図4において、ノズル68は、ガイドパイプ58によって定められる軸に対して鋭角配向されて示されている。他の例では、ノズル68は、軸に垂直に、または斜めの角度に配向されてもよい。任意のタイプのノズルを導管42と共に使用することができる。供給源44は、研磨媒体が装置10で使用されるための任意の適切な供給システムまたは吐出デバイスを、さらに含むことができる。

0025

図示の例では、研磨媒体40は、渦を巻いているキャビテーション気泡の中に、キャビテーションクラウド38の縁部で導入される。他の例では、研磨媒体40は、キャビテーションクラウド38の中心付近に、またはキャビテーションクラウド38のすぐ外側のタンク24の水26の中に、または研磨媒体とキャビテーション気泡との効果的な混合を促進する任意の点に導入することができる。

0026

図5は、キャビテーション気泡と研磨媒体40との、渦を巻いている混合物中の、ステージ70によって支持されたワークピース36を示す。ノズル22(図5には示されていない)が、ステージ70に向けられていてもよい。混合物の気泡が崩壊すると、媒体の粒子66が、活性化され、エネルギーを与えられ得る。気泡を崩壊させることによって生成されたマイクロジェットは、粒子66の運動を集合的に加速させることができる。気泡と媒体の混合物がワークピース36の粗い表面72に接触すると、粒子66が表面に衝突して、材料を除去し得る。すなわち、研磨媒体40は、粗い表面72を滑らかにするように、キャビテーションクラウドの強い力によって作用され得る。キャビテーションクラウド38の渦を巻く多方向の運動により、研磨媒体40は、露出した上部領域のみならず、表面72の狭いコーナー部、隙間、および内部特徴部と接触することができる。

0027

キャビテーション気泡が、ワークピース36の表面72と直接相互作用するので、通常のキャビテーションピーニングも起こり得る。それによって表面72がピーニングされ、残留応力および疲労強度を改善し、洗浄され、塗装または使用の準備をすることができる。

0028

実施例2:
図6は、流体キャビテーション研磨表面仕上げのための他の例示的な装置のブロック図であり、全体として110で示されている。上述した装置10と同様の構成要素には、対応する参照番号が付されている。図示のように、高圧ポンプ112が、加圧水114を導管116に沿ってノズル122に供給する。分岐導管118が、制御弁120によって調節される。

0029

ノズル122は、空気環境に配置されたワークピース136の方に向けられている。ノズルは、2つの水のストリームである、高圧内側キャビテーションジェットおよび低圧外側ジェットを供給する。それによって、キャビテーションクラウド138が、共流ノズルと呼んでもよいノズル22によって生成され得る。

0030

研磨媒体140が、ノズル122とワークピース136との間のキャビテーションクラウド138の中に導入される。研磨媒体は、供給源144からの導管142によって供給される。図7は、結果として生じたキャビテーション気泡と研磨媒体140との混合物を、より詳細に示す。

0031

図7に示すように、共流ノズル122は、内側キャビテーションジェット176を生成する内側ノズル174と、低圧外側ジェット180を生成する外側ノズル178とを含む。内側ノズル174は、高圧水114のフローを変更してキャビテーションクラウド138を生成するためのキャビテータ160、スペーサ164、およびノズルプレート162を含み、外側ノズル178は、外側ジェット180のために水114の圧力を低下させるのに適した形状を有する。すなわち、内側ノズル174は、キャビテーションジェット176用の内側チャネル画定し、内側ノズル174と外側ノズル178との間に画定された外側チャネルは、外側ジェット180用である。いくつかの例では、共流ノズル122には、図6に示すような、ポンプ112からの高圧水114に加えて、低圧水を別個に供給してもよい。

0032

再び図7を参照すると、キャビテーションジェット176および外側ジェット180が、共流ノズル122を離れると、外側ジェットは、キャビテーションジェットおよび結果として生じるキャビテーションクラウド138を実質的に取り囲む水または流体環境シェルを形成する。研磨媒体140が、広角ノズル168によって導入され、クラウドによってエネルギーを与えられる。ワークピース136の粗い表面172の一部が、研磨媒体140およびキャビテーションクラウド138によって仕上げられ、ピーニングされ得る。

0033

いくつかの例では、装置110は、固定されて、すなわち静止して使用するように構成することができる。ワークピース136は、キャビテーションクラウド138内に完全に囲まれてもよい。あるいは、ワークピース136は、移動ステージによって支持されて、表面仕上げが完了したときに表面72の新しい部分をキャビテーションクラウド138の中に持ってきてもよい。他の例では、装置110が、ワンドまたは他の可動構造に一体化されて、オペレータがノズル122を所望の方向に向けることができてもよい。

0034

いくつかの例では、装置110は、スポット処理、または修理作業の仕上げに適していてもよい。この装置は、作業現場輸送されるように構成されてもよく、様々な外部システムから加圧水を受け取るためのアダプタまたはコネクタを含んでもよく、または他の方法で持ち運びできるようにされてもよい。他の例では、装置110は、流体のタンク内にワークピースを入れるのは費用がかかりすぎるような大規模プロジェクトでの使用に適していてもよい。

0035

実施例3:
図8a〜図8dは、多段階流体キャビテーション研磨表面仕上げプロセスを受けている表面210を示す。図8aにおいて、キャビテーションクラウドによってエネルギーを与えられた第1の研磨媒体212が、表面210の突き出たピーク214と相互作用し、材料を表面から除去し、ピークを低下させる。

0036

図8bは、ある程度滑らかにされた表面210と相互作用する第2の研磨媒体216を示す。第2の媒体214は、第1の媒体212よりも小さいグリットサイズを有し、エネルギーを与えられた媒体は、表面210をさらに滑らかにし、突き出たピーク214を減少させる。同様に、図8Cに示すように、第3の研磨媒体218が、追加の材料を除去し、表面210をさらに滑らかにする。最後に、図8Dに示すように、表面210は、所望の滑らかさのレベルに仕上げられている。任意の数の異なる媒体が、任意の数の段階のこのような多段階プロセスのために使用されてもよい。

0037

研磨媒体212,216,218は、任意のグリットサイズの任意の有効な材料の粒子を含むことができ、または材料の混合物を含むことができる。例えば、媒体は、金属、ガラスセラミック酸化ケイ素酸化アルミニウム軽石ナッツ殻トウモロコシ穂軸、またはプラスチック研磨粒子を含むことができる。各媒体は、好ましくは約16〜1200ANSIグリットサイズの範囲内の粒子を含んでもよい。

0038

先に論じ図3に示すように、研磨媒体供給源44は、複数の研磨媒体を供給するように構成されてもよい。媒体間の移行は、オペレータによって制御されてもよいし、またはセンサによってタイミングが決められ作動されてもよいし、または自動多段階流体キャビテーション研磨表面仕上げプロセスの一部として、トリガされてもよい。

0039

媒体の最も有効な組み合わせが、仕上げされるべき特定の表面の材料および粗さに基づいて、供給源44で利用可能な複数の材料から選択されてもよい。あるいは、処理時におけるある特定の表面のための適切な媒体が、供給源44にストックされてもよい。例えば、Ra100μMの金属表面が、100および500グリットサイズのガラス研磨材で仕上げられ、Ra1,000μMのプラスチック表面が、10グリットサイズのナッツ殻研磨材、その後、50および100グリットサイズの軽石研磨材で仕上げられてもよい。

0040

動作/使用方法
図9は、全体として300で示された、表面仕上げのための方法の複数のステップを記載する。方法300は、図1〜図8を参照して説明した装置、ノズル、またはプロセスのいずれかと共に使用することができる。方法300の様々なステップを以下で説明し、図9に示すが、ステップは、必ずしもすべて実行される必要はなく、場合によっては、示された順序とは異なる順序で実行されてもよく、場合によっては、同時に実行されてもよい。

0041

方法300の第1のステップ302は、流体環境においてワークピースに向けて流体のフローを放出することを含む。流体は、複数のキャビテーション気泡を形成することを含むステップ304を促進する圧力および流量で放出されてもよい。流体は、キャビテーション気泡のクラウドを生成するように圧力および流量を変更するように構成されたノズルから放出されてもよい。

0042

流体は、高圧で、好ましくは50〜10,000ポンド/平方インチで放出されてもよい。放出される流体および流体環境のいずれかまたは両方が、水であってもよい。

0043

流体環境は、タンクに入れられた流体の塊であってもよく、圧力下であってもよい。そのような場合、ワークピースは、タンク内に沈められていてもよい。代替的に、流体のフローを放出することは、第1の流体ストリームを第1の圧力でポンプ供給し、第2の流体ストリームを第2のより低い圧力でポンプ供給することをさらに含むことができる。第1の流体ストリームは、流体環境を形成し得る第2の流体ストリームによって包含されてもよい。

0044

ワークピースに向けて流体のフローを放出することは、生成されたキャビテーション気泡のクラウドでワークピースを囲むことを含むことができ、またはワークピースの表面の一部分にフローを向けることを含むことができる。ワークピースは、ステージによって支持されてもよく、ノズルが、ステージまたはワークピースに向けられてもよい。

0045

方法300のステップ306は、研磨媒体を複数のキャビテーション気泡の中に導入することを含む。研磨媒体を導入することにより、ワークピースに向けて導かれるキャビテーション気泡と研磨媒体との混合物を形成し得る。

0046

研磨媒体は、供給源から延びる導管を通って送られてもよく、導管内のコルクスクリュー構造を通って移動してもよい。次いで、媒体は、導管の遠位端にある広角ノズルを通って分散されてもよく、ノズルは、キャビテーション気泡に向けられる。研磨媒体が導入されるときに、導管は、回転するか、または他の方法で動いてもよい。研磨媒体供給源は、導管を通って研磨媒体を移動させるように加圧されてもよい。いくつかの例では、研磨媒体は、研磨媒体供給源または複数の供給源からの複数の導管を通って送られてもよい。

0047

研磨媒体は、金属、ガラス、セラミック、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、軽石、ナッツ殻、トウモロコシ穂軸、およびプラスチック研磨材のうちの1つ以上の粒子を含むことができる。好ましくは、含まれる粒子は、約16〜1200ANSIグリットサイズの寸法範囲内にあってもよい。任意の有効な研磨媒体、媒体の組み合わせ、または媒体もしくは粒子の混合物が、使用されてもよい。いくつかの例では、研磨媒体を導入するステップ306は、グリットサイズが減少していく一連の研磨媒体に対して繰り返されてもよい。

0048

ステップ308は、キャビテーション気泡で研磨媒体を活性化させることを含む。キャビテーション気泡によって形成されたキャビテーションクラウドは、速度、運動量、および運動エネルギーを研磨媒体に与える渦を巻く渦運動を有してもよい。キャビテーション気泡はまた、崩壊して、研磨媒体の運動を集合的に加速して、衝突時にワークピースの表面から材料を除去するための高速かつ十分な運動エネルギーを達成し、これにより、ワークピースから材料を除去することを含む方法300のステップ310を促進することができる。

0049

キャビテーションクラウドおよび気泡は、渦を巻く多方向の運動を研磨媒体に与えるので、材料が、ワークピースの狭いコーナー部、隙間、および内部特徴部から除去され得る。キャビテーション気泡は、ワークピースの表面のキャビテーションピーニングおよび洗浄をさらに行うことができる。

0050

追加の実施例
このセクションでは、限定されることなく一連のパラグラフとして提示された実施例の追加の態様および特徴について説明し、その一部または全部が、明瞭および効率のために英数字で指定され得る。これらのパラグラフのそれぞれが、1つ以上の他のパラグラフと、および/または任意の適切な方法で本出願の他の箇所からの開示と組み合わせることができる。以下のパラグラフのいくつかは、他のパラグラフを明示的に参照し、さらに限定し、適切な組み合わせのいくつかの例を限定なしに提供する。

0051

A.
材料を除去する方法であって、
複数のキャビテーション気泡を形成するのを促進する圧力および流量でワークピースに向けて流体のフローを放出することと、
研磨媒体を複数のキャビテーション気泡の中に導入することと、
キャビテーション気泡で研磨媒体を活性化させることと、研磨媒体を伴うキャビテーション気泡とワークピースの表面との間の相互作用に基づいて材料をワークピースから除去することと、を含む方法。

0052

A1.
流体環境において実施される、Aの方法。

0053

A2.
流体環境が、タンクに入れられた流体の塊である、A1の方法。

0054

A3.
放出するステップが、第1の圧力レベルで第1の流体ストリームをポンプ供給することを含み、流体環境が、第1の圧力レベルよりも低い第2の圧力レベルで第1のストリームを囲む流体の第2のストリームを含む、A1の方法。

0055

A4.
流体が水を含む、Aの方法。

0056

A5.
導入するステップが、研磨媒体を供給源から複数のキャビテーション気泡に送ることを含む、Aの方法。

0057

A6.
研磨媒体が、(a)金属、(b)ガラス、(c)セラミック、(d)酸化ケイ素、(e)酸化アルミニウム、(f)軽石、(g)ナッツ殻、(h)トウモロコシ穂軸、および(i)プラスチック研磨材のうちの1つ以上を含む粒子を含む、Aの方法。

0058

A7.
研磨媒体が、約16〜1200ANSIグリットサイズの寸法範囲の粒子を含む、Aの方法。

0059

A8.
研磨媒体の供給源から延びる導管を通って複数のキャビテーション気泡に研磨媒体を送ることを、さらに含む、Aの方法。

0060

A9.
導入するステップの間、導管の動きを回転させること、または他の方法で作動させることを、さらに含む、A8の方法。

0061

A10.
研磨媒体を導管内のコルクスクリュー構造を通って移動させることを、さらに含む、A9の方法。

0062

A11.
研磨媒体を導管の遠位端にある広角ノズルを通って分散させることを、さらに含む、A8の方法。

0063

A12.
研磨媒体を複数の導管を通って複数のキャビテーション気泡に送ることを、さらに含む、Aの方法。

0064

A13.
放出するステップが、50〜10,000ポンド/平方インチの範囲の圧力で行われる、Aの方法。

0065

B.
材料を除去する方法であって、
キャビテーション気泡と研磨媒体との混合物を形成することと、
混合物を表面に向けることによって、ワークピース上の表面から材料を除去することと、を含む方法。

0066

B1.
ワークピースに向けられたノズルを通って流体を高圧で放出することと、
放出するステップによって生成されたキャビテーション気泡の中に研磨媒体を導入することと、を含むBの方法。

0067

B2.
導入するステップが、キャビテーション気泡に向けられた広角ノズルを通って研磨媒体を分散させることを含む、B1の方法。

0068

C.
ワークピースから材料を除去するための装置であって、
ノズルを通って流体をポンプ供給し、ワークピースに向けられた複数のキャビテーション気泡を生成するように構成された流体フローデバイスと、
流体フローデバイスによって生成されたキャビテーション気泡の中に研磨媒体を供給するように構成された研磨媒体吐出デバイスと、を備える装置。

0069

C1.
流体の塊を入れるためのタンクと、
ワークピースを流体の塊の中で支持するためのステージであって、流体フローデバイスがステージに向けられている、ステージと、をさらに備える、Cの装置。

0070

C2.
流体フローデバイスが、複数のキャビテーション気泡を生成するのに十分な第1の圧力レベルで流体の第1のストリームを供給するように構成された内側チャネルと、第1の圧力レベルよりも低い第2の圧力レベルで流体の第2のストリームを供給するように構成された外側チャネルと、を有するノズルを含み、流体の第2のストリームは、流体の第1のストリームを実質的に囲む、Cの装置。

0071

利点、特徴、利益
本明細書に記載の表面仕上げのための方法および装置の様々な実施形態は、材料表面を仕上げるための既知の解決策に比べていくつかの利点を提供する。例えば、本明細書に記載の方法の例示的な実施形態は、複雑で不規則な形状の表面の仕上げを可能にする。加えて、数ある利益の中でも特に、本明細書に記載された方法の例示的な実施形態は、1つのプロセスで表面を滑らかにし、洗浄し、ピーニングすることを可能にする。特にそのような広範囲表面形状および材料に対して、既知のシステムまたは装置は、これらの機能を実行することができない。したがって、本明細書に記載される例示的な実施形態は、付加製造によって製造される部品の仕上げに特に有用である。しかしながら、本明細書に記載された全ての実施形態が、同じ利点または同じ程度の利点を提供するわけではない。

0072

結び
上述の開示は、独立した有用性を有する複数の異なる発明を包含しているかもしれない。これらの発明の各々が、好ましい形態で開示されているが、本明細書に開示され例示されたその特定の実施形態は、多くの変形が可能であるため、限定的な意味で考慮されるべきではない。本開示内でセクションの見出しが使用される限り、そのような見出しは、構成的な目的のみのためのものであり、特許請求する発明の特徴づけを構成するものではない。本発明の主題は、本明細書に開示されている様々な要素、特徴、機能、および/または特性のすべての新規かつ非自明のコンビネーションおよびサブコンビネーションを含む。以下の特許請求の範囲は、新規かつ非自明と見なされる特定のコンビネーションおよびサブコンビネーションを特に指摘する。特徴、機能、要素、および/または特性の他のコンビネーションおよびサブコンビネーションで具体化された発明が、本出願または関連する出願からの優先権を主張する出願において特許請求されてもよい。そのような請求項もまた、異なる発明または同一の発明に向けられているかどうかにかかわらず、また最初の請求項に対して範囲が広いか、狭いか、等しいかまたは異なるかにかかわらず、本開示の発明の主題に含まれるものとみなされる。

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