液体ホーニングによる脆性硬質物質の加工に就て 利用統計を見る

谷口紀男

金丸吉夫

赤池俊二

Machining of Hard and Brittle Materials by

the Liquid Honing Method

NorioTaniguchi YoshioKanemaru ShunjiAkaike

Synopsis：We have already asserted that the machining of brittle materials ought to work by the impulsive crashing method． On the other hand liquid hon曇ng method which machines the workS by browed abrasive partiρles’impact has been used mainly to the finiShing of metal surface． So we reached to the next conclusion that this method should be applied to hard brittle material machining， why the browed high speed abrasive particles could wo，rk the pieaces by the impulsive crack《ng action． Under this idea we tested the tungsten carbide by carborundum， abrasives and P・・v・dth・t・thi・m・th・d was ab1・t・be av・i1・b1・’ 垂窒?狽狽凵@w・11 t・hard・b・itt1・m・teri・1 machi・i・g・

1 緒  言

 本実験は現在行はれている液体ボー・・＝ソグが主とし て表面仕上加工を目的としてゐるのにたいし、之を脆 性硬質物質の成形加工に利用する目的をもつて行つた ものである’。液体ホーニソグは周知の如く基本的には 高速度の砥粒を被加工物に衝突せしめて、その砥粒に よつて被加工物を加工するものである。然しその加工 機構については現在種々の見解が行はれてゐるが我々 は砥粒が被加工物を衝撃的に切削或は破砕してその加 工を行ふものと考へてゐるので、，脆性物質にたいして は破碑加工が行はれ易い様な砥粒の吹付けを考へる可 きものと考へてゐるのである。郎ち砥粒による破砕加 工を脆性物質に行ふには工具は砥粒と考へて、その双 先が鏡いこと、硬度の高いζと、叉靱性の大きいこと 等の条件をもつ砥粒を被加工物に垂直に当てることが 最も破砕の能率が良いと考へられる筈であり。この考 へ方で液体ホーニングの設備を少し改造することによ つて例へばイゲタロイ等の成形加工を行はんとするも のであるo

  2 襲  置

装置の主要部はキヤピネツト、．砥粒混合液を入れる タソク、ノズルを装着したガン等から成つている。     1 @   212    3 1一 10   4 P1 5 @   6 @   7 @   8 @   9 @  10 @  11 @  12 Fig．1−Apparatus 1 Exhaust pipe  Abrasive tank 3Adjusting rod 4Mi’xing nozzle  Guard berrow 6Blasting nozzle 7 Peeping hole

 Vice

 Cabinet

10Air hose ll Door with  91as＄ 12Glas“scleanih 9

 shower

 Fig．1は本実験の爲に設計製作した装置の主要図で 1は排気管、2は混合液タソク、3は吹付距離調節 棒、4は撹拝ノズル、5はべロ｛、6はノズル、7は 採光丸窓、8は試料取付台、9はキヤビネツト、10は

昭和30年7月

_{山梨大学工学部研究報告}

第  6 号 噴射塞気用ホ・・ x、11は扉兼採光窓である。加工物は 試料取付台の万力に依つて保持し、同時に吹付角度も 定める。混合液タソク内は室気の噴出に依つて常に撹 拝されているので均一な混合率を保つてガソに供給さ れる。室気ノズルに送る室気量は二｛ドルバルブの開 閉に依つて調節し、叉混合液の流量ぱタソク低部のニ ードルバルブに依り加減する。実験中加工面の観察を 容易にする爲採光用丸窓の外側に電燈照明を施すと同 時に観察窓の硝子面には水を流し曇りを防ぎ、叉キヤ ビネツト内の霧状の微細粒子は排気管に依り排出す る。

3 ノズル

 ノズルは粒子に方向性を與えて、加工面に粒子を分 布若しくは集中させる役目を果す。気流を噴射する’と き、混合液を導管から吸引する爲のべソチユリ作用を 行なわせるには室気ノズルと噴射ノズルの口径との間 に適当な関係がある筈である。この組合せが不適当な 場合には、気流が混合液導入管に逆流する事がある6 科学研究所の木下直治氏の実験結果に依ると噴射ノズ ルのロ径3．5mm以一ドは加工不能、4．5mmで最大と なりこれ以上では吹第に加工量が減少すると云う事 から本実験のノズルロ径には4mmを採用した。叉室 気ノズルと噴射ノズルの開口面積の比は吸引性大なる 1／4と決め従つて室気ノズルロ径は・2mmとする。噴 射ノズルは砥粒の連続的排出｛に依つて磨耗し、口径が 操拡げられるので硬質な材料を使用し交換式とする。  Fi・9・ 2は本実験に使用したノズルの構造図である。 図中1ノズル締付キヤツプ、2噴射ノズル、3ノズル ライナe、4胴体、5室気ノズル、6室気管でおる。 Fig．2 −Blasting Nozzle

4 基礎的実験

液  （1）察気流量測定  室気噴出量を加減するニードルバルブと圧力計との 間にベソチユリ計を設け、ニードルバルブの開度を変 えた場合の圧力差を水柱に依り読みとり塵気流量を求 める。Fig．3は本実験に使用したべソチユリ計であ る。この室気流量測定に於て水柱圧力差から流量を女 ＼ Fig．3−Venturimeter 式により求めた。

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^莞耀・7w・福

但しW：室気流量9／sec

   h：水柱の圧力差mm

   A1：ベソチユリの絞る前の断面積cm2    A2：ベソチュリ絞った所の断面積cm2    ッw：水の比重（1と見倣す）    7a：室気の比重  7aは温度及び圧力に依り変化するので補正する必要 があり、その補正式は       P     γa＝頁「F  で示される  但しP：圧縮塞気の絶対圧力kg／cm2     T：圧縮空気の絶対温度 ゜K     R：ガス定数（2927・1kgcm／kg．°K）

バルブ開度

（ピッチ1．8mm）

圧 力 差

（水柱）mm

流 量⊥

_sec  0  1 10  2 10  5 正0 旦一， 10

旦

10  6 10  7 10  8 ］σ ．2、 10  1

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10 0 1．9 54．4 111．2 123．4 129．4 133．2 134．4 136．2 137．4 138．6 i39．0 0 0．589 3．147 4．500 4．740 4．855 4．919 4．949 4．975 4．996 5．304 5．039

12−． 10

13

10 1，4− 10

15

10 139．0 139．0 139．0 139．0 5．039 5．039 5．039 5．039 第 1 表  第1表は室気圧力6∼6．5kg／cm2，バルブ開度0 ∼1i／2とした場合の室気流量を示す。 この表よりバ ルブ開度0∼1迄は流量が増加するがそれ以上では最 早増加せず一定となる。  （2）室気の噴出速度測定  噴射ノズルの中心線延長の下にピトー管を取付けノ ズル中心線より水平に移動させて圧力差を水銀柱に依 つて読みとる。室気圧力は6∼6．5kg／CM2，バルブ開 度は1とし噴射ノズルからピトー管先端迄の垂直距離 を変えて速度分布を調べる。  この室気噴出速度測定に於て水銀の圧力差から次式 により速度を求めた。

  ・イ2㍗・告で示される。

 但しu：噴出速度m／sec

   h ：水銀の圧力差mm

   γHg：水銀の比重（13．6）  γaは噴射後に於て大気圧と見倣し得るから、噴出室 気の温度補正のみ行う。その補正式は

    273

  γa＝］万≡〔’γ  で表わされるも  但し t：室温゜C     γ：0°C1気圧に於ける室気の比重  「      （γ≒1・293kg／m3＝1．293×10−39／cm3）  Fing．4は噴射ノズルからの距離を20mm，30mm， 40mm，50mmとした場合の速度分布曲線である。 弩i ぎ．

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  5 吹付実験の条件

 液体・1…一ニソグに依り研創量を左右する基礎条件と しては試料の材質、吹付速度、吹付距離、吹付角度、 吹付粒度、研磨剤と水との混合率等の影響がある。  本実験に於ては次に示す条件を一定とする。   吹付距離：20mm   吹付速度：270m／sec       ， ，   吹付圧力：6∼6．5kg／cm2   バルブ開度：1（室気量調節ニードルバルブ1回        転を以つて1とする）   混合率：20％粒子（重量）   吹付粒子：カーボラソタム100善   吹付角度：90°，60°，45°，30°   室気ノズス径：2mm   噴射ノズル径：4mm   吹付量：各種試料に応じて適当量を定める。

  6 吹付角度と加工量

吹付角度については、被加工材質に依つて傾向が違 い、粒子が切削加工を行う場合と破砕加工を行う場合 とで加工状泥は大変異るのである。  今種々の試料について吹付角度と加工量との関係を 求めた結果を示す。こXで試料の一部分のみを集中加 工した場合と試料を15mm移動して加工した場合を比 較した。  （i）曹達硝子、光学硝子（BK7），水晶  Fig．5は曹達硝子、 Fig．6は光学硝子（BK7）， Fig．7は水晶に粒子を309吹付けた時の吹付角度と加 工量との関係を示す。

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昭和30年7月

_{山梨大学工学部研究報告}

第  6 号

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Fig． 6

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30 40 50 60 ア080 90’    θψ畑紋（Btasti・sA”le）     Fig，7  図より明らかな通りこれらは吹付面に対してノズル の射出線が加工面に直角の場合が加工量最大で、吹付 角がこれより小さくなると加工量は減少する。硝子の 様な脆い材料に対しては顯微鏡にて検鏡すれば明らか であるが、粒子は面に衝突すると貝殼状に表層を破砕 し去る。従つて直角方向での衝突が最も能率が能いも のと考へられる。EPち吹付角度が減少すると粒子は吹 付面を多少滑る事になり衝撃力は減り破葎量（加工 量）は減少するものと思はれる。  又試料を移動したものは移動しなかつたものに比し 三種の試料共加工量が増しており二つの曲線は大体平 行している。  （2）軟鋼、銅、黄銅、アルミニウム、錯、 ノε00

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Φ 』 奎卿 璽3。。 竺 な 斥 zoo A．料  一芦一￠店（Laq”．  −a− ’＄銅《θ聴ノ  ー〇一一矧  一←一一派綱ω1幽匂）       ミniA       碗寧脚り 30・ φ・ 9’ 60° ？6’ 80’ W θ・欠竹紋個邸畑Aψ）     Fig．8  Fig． 8は軟鋼、銅、黄銅、アルミニウム、鉛に粒子 を300g吹付けた時の吹付角度と加工量との関係を示 す。  軟銅は吹付角45°附近の加工量が最大であるが、 銅、黄銅、アルミニウム、鉛等は吹付角度が小さい方 が加工量は多くなり、最大値は見当らなかつた。この 場合粒子は試料の面を引掻きながら切創を行う爲に適 当な角度で加工量が多くなるものと思はれる。即ち粘 い材料は衝突で破碑しなく水乎方向で切創することに よつて加工されることを推測させるものである。  （3） イゲタロイ（G2）   2⑰ ぷ 墓  も  ぎ 20●

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40’ぶげ 6。’70’・。’デθ’  θ．欠4寸笥度ωlad町句e） Fig．9  Fig． 9はイゲタロイに粒子を900g吹付けた時の吹 付角度と加工量との関係を示す。  イゲタロイは吹付角度90°で研創量が最大となり角 度が小さくなると減少する。即ち硝子等と類似の特性

をもつていることがわかり所謂脆性硬質物質の一群に 入れうるものと考へられる。  （4）単位砥粒に対する加工量  9種類の試料に対して粒子吹付量100轄力Pボラソ ダム300g当りの加工量を各角度につき比較した結果 をFig．10に示し、その時の加工体積を各角度につき 比較した結果をFig．11に示す。 lp・ † き加 ］：

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  Fig．10

7 吹付面の観察

 塑性材としての軟鋼板に粒子を吹付けてその面を顯 微鏡で検鏡した所、吹付角30°の場合には吹付方向に 文、 旨暮 寸a ：s pa 」中▲。

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θ吹付南庄8煽r勺句』・  F丞g．11 切創作用が行なわれて居り、吹付角90°では粒子が垂 直に投射されて、くぼみの周囲に隆起を生じている事 がわかる。吹付粒子は真球状のものは少く楕円形型、 長方形型、角堆形等種々のものがまじつている。従つ てこれに伴う粒子の加工面に対する衝突状態は複雑 で、まず表面の傾斜に依つて衝突と同時に種々の方向 に転動する事も考えられる。軟鋼板に於て吹付角90° と30°の場合、吹付粒子の形状とくぼみの形状を測定 して見ると第2表の通りである。

粒子 と く ぼみ の比較

吹付面＝軟鋼、吹付粒子＝カーボランダム100韓，タソク圧力＝6∼6．5kg／cm2 ノズル径＝4mm．

＆t距離＝20mm

吹付角

長径A短径B｛含ID一学長径・1雌bばld一禁

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6．85 第 2 表

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第 6 号

 まず粒径を異にする種々の粒子の長径と短径の比を とると1・7∼2．0となる。くぼみの形状について長径 と短径の比を表より見れば吹付角90°のとき約1．8， 吹付角30°のときは約4．0となる。吹付角90°のとき のくぼみの長径と短径の比と粒子のそれとは大体篭し く、吹付角30°のときはくぼみの長径と短径の比は粒 子のそれの2倍位になつている。次にd／Dは吹付角 90°のときは約10で粒子の径の1／10のくぼみが出 来る事がわかる。  次に脆性材としての水晶、曹達硝子、光学硝子、 （BK 7）の表面に吹付けた場合、これらの表面の微 小破壊状況を顯微鏡で見れば、くぼみの周囲に隆起を 左ずる事なく微塵に破壊が見られる。この形を詳細に 観察するとくぼみは大㈱、貝殻状に破壊される傾向が あり、衝撃破砕と考へられる。大きな貝殻の付け根は 微細に崩されているが、その付け根の破壊状況を倍率 の高い顯微鏡で観察すると、この微細なくぼみも矢張 小さい貝殻状の破壊の集団である。イゲタロイ等は本 来焼結されて居り加工面では破砕加工とは認め難いが 前節の吹付角度より法れが推定される。  谷の角度は約150°となつている。宙くぼみの深さは  基準面より圧下された部分と隆起した部分との和であ  つて上記の場合は大約隆起の40％に対し圧下量60％に  相当する。又くぼみが密集して粗さが定常状態に達し  た部分の表面粗さをFig．13に示す。       幸綱・吋角3ず         Mikに1￠olθ＝ Boe      ’

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        Brass   θ●30g       i『倒ロ欠4寸角30°          C坤・θ・…  翻成舳30° r’ 撃煤E／Vl／N ／gni．u．e．30 v｝tewhti」（i“opO’．

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         tecd   e＝Soe       〆鐸』 Ptk 4寸角30e Fig．13 8 吹付面の表面粗さ  粒度100善のカーボラソダム粒子300gを軟鋼、黄 銅、銅、アルミニウム、鉛板上に吹付けてくぼみの 粗なる部分の粗さを触針式粗さ検査機で記録した。       曲id st・el 9・3’マ赦醐或1耐〕オ 8グass  θ・・soo 輿鋼．・κ儲P。’       C“t，per  θtlPt     4β1，峻窮r爾30・ 一・

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       ！       At・が脚θ迦 醐。鮒h，グ        L⑳4θ．3〆∨金ロ劇惰3’一 Fig．12 Fig．12はその表面粗さを示し、くぼみの左右に盛上 りが察知出来る。この線図は縦横の倍率を異にするの で縦横を同倍率に換算して見ると吹付角30°の場合、  倫イゲタロイの粗さが定常状態に達した部分の表面 粗さはFig14に示す。破砕加工ではあるが一粒によつ て加工される量が少ないので粗さも小である。      can3eeel  o＝・9り●   イゲタ。イ噺角？ロ

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        Fig．14 申ass BFワ e‘¶o° Bκ7⑬欠イ寸角90・

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        Fig．15  次に光学硝子（BK 7）の乎滑面に吹付けた場合の くぼみの形状はFig・15に示す様に、硝子の表面では 基準面より下方にのみくぼみを生じており、くぼみの 周囲には隆起が生Dなく塑性加工でないことを示して いる。更に光学硝子、水晶、曹達硝子のくぼみ数が密 になるとFig．16の如く粒子特有の粗さにはる。   9 吹付加工効率に及ぼす材質の影響 第3表に示す様に各材質に対する加工効率を測定し て比較した。軟鋼を正味1cm3加工するに要する カーボラソタム100＃ t＊ 40・7kg，之に対して光学硝子

単位体積当り1（光学硝子）一、と

＃

㎏⇒して吹付量の比

ピツカース碑度数 吹付粒子エネル Mー kgm． m 材    質 比   重

単位体積cm3

軟  剛

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銅 1・況 1258 ｛45・・ l l・2 196・・

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錯 ［11・34 ／ ω ll・・5 i 28 122・4，

イゲタ・イ（G・）ll485 144・3 177・・ 1 1817 1164・

曹達硝∋ ・Ω 」 ・…51 1・411 515 i3・・

水  ∋ ・・65− ・・99・1 1・・4｝13・5 134

光‥∋ ・・53 1 ・・57・1 1・ 1 681 1・・1

ノズルロ径4mm  吹付粒子力一ボラソダム100‖（0．0083 mg／粒） 吹付圧力6∼6・5kg／cm2

ｽ均吹付室気速度270m／sec 吹付距離20mm

第 3 表      4tGss（8Kのθ。¶♂ θκ7吹仰角9ぴ     Q蜘rt7 5ぬ・“〈Hagsθ・鯉 髄ゐ郁吹イ漸。° 耳ig．16 （BK 7）は0．57kgとなる。比較を容易にする爲、光 学硝子の吹付効率を1とすれば例へば軟鋼は約71．3と なりイゲタロイは77．2之に対しビツカ’−sス硬度数を見 ると光学硝子681に対し軟鋼202で、，イゲタロイは1817 で吹付加工効率はビツカ…ス硬度数の如き押込硬度を 以って推測する事は出来ない事が明らかであり、吹付 加工のための物性は別に定めねばならないことが推測 される。邑Pち完全な脆性破砕の性質か又塑性変形（切 創）の性質か叉両者の中間的なものかにょって最適吹 付角度も異るのであってそのいみで破碑硬度と塑性硬 度の二っの特性を示してその胆み合せで加工方法を定 める等のことを考へねばならないのではないかと思は れる。   10 吹付面の形状愛化  吹付圧力6∼6．5kg／cm2，吹付粒子カーボラソダム 10011，ノズルロ径4mm，吹付速度270 m／sec，吹付 量300g，吹付角度を90°，60°，45°，30°にっいて吹付 けた時、軟鋼のくぼみをダイヤルゲージで測定し、縦 40倍、横4倍に拡大して図示するとFig．17となり・、 θ＝吹句角6♂ θ・吹嫡4∫’ θ・ gk埆3。’ 軟雀岡面のくぼみ

（㌫鷲‘鑑・綱巨離21−）

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_{第 6 号}

くぼみの深さは吹付角45°に於て最大となり、加工断 面積も最大である。  これは前述の吹付角と加工量の関係と言う節の結果 と完全に一致している。  中央部の加工が大なる原因として粒子の分布密度と 個々の粒子の衝撃力とが考えられる△先ず分布状況を 知る爲曹達硝子の表面に粒子を2秒間吹付けて粒子の 吹付状況を見るとFig．18となり、明らかに中央部に 粒子が集中している事が解る。 Fig．18  吹に衝撃力は粒子速度の大なる方が同じ材質にっい て大であることは衝突理論の示す通りであって、（弾 性衝突暢合は粒子の鞠のエネルギーの号乗に鋼 ずる）前述のノズルから噴出する室気の速度分布曲線 と略ぼ似た形になるものと推測される。吹付面の中央 部が深くくぼむ様な状態変化は粒子の分布状態と個々 の粒子の衝撃力の両者に強く左右され、中央部附近は 粒子が密で、且っ吹付ける粒子の衝撃力は大なるもの と考えられる。

  11 結  語

 以上の実験の結果吹の如きことが言ひ得られる。  1・イゲタロイ、硝子、水晶、等の脆性硬質物質は  吹付角が90°近辺が加工能率が最大であり、軟鋼は  45°近辺が最大、叉銅、黄銅、アルミニー・一ムはこの  実験の範囲では吹付角の小の方が大である。  2・塑性変形をすると考へられる軟鋼は他の同様な  塑性変形物質銅、黄銅、アルミニユ・一ム等と異って  45°辺に最大値が出ゐのは吹付角45°の時のくぼみ  が一番大きくなることと考へ合せてみて、垂直押込  力と水平切創力との配分の問題と思はれる。従って  押込硬度の低い銅、黄銅、アルミニe…ムが之より小  さい角度といふこともそれを考へれば推測される。  3．イゲタロイ等の押込硬度の高いものが軟鋼の如  き比較的押込硬度の低いものと同じ様な加工能率を  示すことは興味のあることで吹付加工が脆性硬質物  質の加工に意味のあることは粒子の衝撃破砕によっ  てこれら脆性硬質物質は能率よく加工されることを  いみし、塑性物質はこの方式では必ずしも能率の良  くないことを示してゐる。  以上のべた如くで脆性硬質物質の加工に液体ホPtニ ソグ装置を用ひて成形加工を行ひうることを示したも のである。本実験に当り種々御指導賜りました科学研 究所木下直治氏に厚く感謝の意を表します。