ウォータージェット切断技術：プロセス、利点、材料、用途の概要

ウォータージェット切断は非熱切断プロセスです。この方法では、高圧の水を用いて材料を切断します。

ウォータージェット切断技術は、スラグの変形がなく、廃棄物も少ないため、製造業者にとって非常に有利です。複雑な製品を最高の精度で製造できるようになります。

以下でウォータージェット切断技術の詳細を学びましょう。

重要なポイント

ウォータージェット切断では熱影響部は発生しません。
この技術は、温度に敏感な材料や厚い材料を切断するのに適しています。
ウォータージェット切断機は、30,000 ～ 90,000 psi の加圧水流を生成できます。
このプロセスは複雑なデザインをカットするのに経済的です。

ウォータージェット切断：洞察

ウォータージェット切断は、ハイエンドの金属加工プロセスです。この技術は、高圧の水流を特定の材料に噴射して精密な切断を行います。ウォータージェット切断は外部加熱を必要としないため、冷間切断技術とも呼ばれます。

ウォータージェット切断は操作の複雑さから、多額の投資を必要とします。そのため、精密さが極めて重要な複雑な部品の加工には、ウォータージェット切断機は費用対効果に優れています。例えば、航空宇宙、自動車、医療、建築業界の部品などが挙げられます。

図：ウォータージェット切断技術

ウォータージェット切断の種類

前述の通り、ノズルから強力な水流をワークピースに噴射することで、所定のサイズや形状に切断します。しかし、高圧水流だけでは必ずしも十分ではありません。

厚い素材に水流を通そうとすると、水は勢いを失います。これは、この微細切断技術の信頼性に疑問を投げかけるだけです。

このような状況を考慮し、水に研磨材を混ぜて水の力を高めることがあります。これにより、水流は厚く硬い材料にも浸透できるようになります。

したがって、ウォータージェット切断プロセスは 2 つの基本的なタイプに分けられます。

1. ピュアウォータージェット切断

名前の通り、純水を用いて強力なジェット圧力を発生させます。ピュアウォータージェット切断技術は、通常、薄いプラスチック、フォーム、ゴムなどの柔らかい材料に適しています。

2. 研磨ウォータージェット切断

切断用の研磨水を調製するには、ガーネット、酸化アルミニウム、懸濁グリットなどの薬剤を使用する必要があります。厚い金属、硬質プラスチック、石材、セラミックなどは、研磨ウォータージェットカッターで簡単に切断できます。

ウォータージェット切断の動作原理

ウォータージェットカッターの仕組みはシンプルです。高圧の水が対象物の表面から材料を削り取り、切断します。

より詳しく言うと、まず高圧ポンプを用いて高速水流（30,000～90,000psi）を発生させます。この水流はオリフィスからミキシングチャンバーへと押し出され、そこで研磨粒子が添加されます。

図：ウォータージェット切断の動作原理

このスラリー混合物は混合チューブに押し込まれ、最終的に小さなノズルを通過してワークピースに送られます。通常、ノズルはタングステンカーバイド製で、高圧と摩耗に耐えられる粗い素材です。

上記は研磨ウォータージェット切断プロセスに関する説明です。ピュアウォータージェット切断技術の場合は、ミキシングチャンバーのないシンプルなウォータージェットカッターを使用できます。

高圧水がワーク表面に接触すると、浸食作用によって材料を分解し始めます。水は小さなノズルを通して送られるため、カッターは狭い位置を高精度に狙います。

ウォータージェット切断工程全体は、自動化されたコンピュータシステムで実行できます。コマンドを入力するだけで、残りの作業は自動的に正確に実行されます。

ウォータージェットカッターの部品

一般的なウォータージェットカッターには、5つの主要部品があります。例えば、

1. 高圧水入口

入口には、油圧増圧ポンプまたは三連プランジャーポンプから高圧水が流入します。入口の水圧は通常、3,000～9,000ポンド/平方インチ（psi）以上です。

2. 宝石の開口部

ルビーやダイヤモンドは、硬度と耐摩耗性が高いため、給水口オリフィスに適しているようです。宝石をちりばめたオリフィスを設置することで、安定した切断とカッターのダウンタイムの最小化が実現します。

3. 研磨材入口（オプション）

この入口には、酸化アルミニウムやガーネットなどの研磨剤が投入されます。

4. 混合室（オプション）

このチャンバー内で、高速の水が研磨剤と混合されます。

5. カッティングヘッド

カッティングヘッドのノズル先端は直径が小さくなっています。これにより、高圧水流を狭い範囲に導くことができます。

図：ウォータージェット切断機の部品

これらに加えて、高速水流下でワークピースを固定するためのクランプや固定具が必要になる場合があります。また、作業全体を通してコンピュータコンソールを操作するオペレーターも必要です。

ウォータージェット切断技術のプロセスパラメータ

いくつかのプロセスパラメータを設定することで、最終カットの品質と効率を制御できます。例えば、

1. 水圧

これはウォータージェット切断プロセスにおける重要な要素です。圧力が高いほど切断速度が速くなり、より厚い材料にも切断が可能になります。

2. 研磨剤の流量

最近の研究では、研磨剤の流量を増やすことで、切削面の完全性が向上することが明らかになりました。さらに、材料除去率も向上します。

3. ノズル径

切断ノズルの寸法によってウォータージェットの強度が決まります。オリフィスが小さいほど切断面積は小さくなり、オリフィスが大きいほど厚い材料も容易に切断できます。

4. スタンドオフ距離

ジェットノズルと作業面の間の距離です。スタンドオフ距離が長いほど、研磨材が拡散し、断面積が増加します。ただし、ジェット速度は低下します。

5. トラバース速度

カッターヘッドの動き、つまりトラバース速度は、精密な切断に役立ちます。トラバース速度が速いほど、切断速度も速くなります。ただし、エッジ周辺の品質が損なわれるリスクは常に存在します。

6.切削送り速度

これは切削工具がワークピース上を移動する速度です。生産性と品質を確保するには、切削送り速度を適切に制御する必要があります。

7. 研磨剤の種類とサイズ

研磨材の種類とサイズは、加工物の硬度と厚さに応じて選択する必要があります。通常、柔らかい研磨材は切断に時間がかかり、厚い材料を加工できません。一方、粗く硬い研磨材は、より速く、より深く、高品質な切断を実現します。

8. 水質

ポンプに通す前に不純物をろ過することで、ワークピースへの不要な損傷を防ぎ、機械の寿命を延ばすことができます。

ウォータージェット切断を選択するメリット

あらゆる製造工程における切断技術の中で、なぜウォータージェット切断を優先すべきなのでしょうか？この技術には、他にはないメリットが数多くあります。いくつか例を挙げてみましょう。

1. より高い精度

カッターの仕様を厳密に管理することで、最大0.025mmという厳しい公差を実現できます。厚さ1インチ未満の材料では、0.075mm～0.125mmの厚さが一般的です。

2. スラグの変形なし

熱影響部は放電加工やレーザー切断でよく見られます。そのため、切断されたワークピースには熱による歪み、変色、そしてエッジの硬化が見られます。しかし、ウォータージェット切断ではそのような現象は発生しません。

ウォータージェット切断は加熱を必要としないため、熱影響部は発生しません。ワークピースの巻き付きや弱点を考慮する必要はもうありません。

3. 優れた切断品質

ウォータージェット切断は、滑らかなエッジと優れた仕上がりを実現します。バリ取りなどのエッジ平滑化作業が不要になります。

図：ウォータージェット切断の利点

4. 幅広い素材に対応

研磨剤、水流量、カッティングヘッドの送り速度、ノズル径を変更することで、あらゆる厚さの材料を切断できます。

5. メーカーにとって便利

メーカーとして、異なる種類やサイズの切削工具やノズルを在庫する必要はありません。ストリームパラメータを調整することで、同じノズルで様々な材料を切断できます。

6. 環境に優しい

ウォータージェット切断は、他の切断技術と比較して、環境に優しい持続可能なソリューションを提供します。このプロセスではドロス廃棄物は発生せず、外部加熱も発生しません。そのため、製造中に発生する有毒ガスや煙の量が大幅に削減されます。

この工程では大量の水が使用されるのではないかと心配されるかもしれませんが、ウォータージェット切断で使用される水はリサイクル可能です。

ウォータージェット切断加工に適した材料

ウォータージェット切断技術は、様々な材料の切断に応用できます。一般的な材料としては、

1. 金属

ウォータージェット切断機は、薄い金属から厚い金属まで切断できます。実際、このウォータージェット技術では、インコネルやチタンのような非常に硬い金属も切断可能です。

毎分180mmの速度で動く30馬力のポンプは、厚さ12mmのチタンを素早く切断できます。ステンレス鋼や炭素鋼などの一般的な金属の場合、ウォータージェットは約12インチ（約30cm）の切断が可能です。

2. 陶芸

研磨ウォータージェットカッターは、耐摩耗性および耐火性セラミックを複雑な形状に切断できます。適切な圧力をかけることで、ウォータージェット切断機は石材やタイルも切断できます。花崗岩、磁器、石灰岩、トラバーチン、モザイク、採石場タイルなど。

3. ガラス

ウォータージェット切断技術は、ひび割れやクレーターを残さずにガラスを切断できます。このジェット気流により、厚さ50mmの防弾ガラスも切断可能です。

図：ウォータージェットカッターによるセラミックの切断

4. ゴム

ダイカッターとは異なり、ウォータージェットカッターは凹状のエッジを残しません。純水ジェット切断は、スポンジゴム（最大50mm）と硬質ゴム（25mm超）を切断できます。

5. プラスチック

ウォータージェット切断は、ABS、PVC、ナイロン、アセタール、UHMW、ポリカーボネートなどのプラスチックを極めて高精度に切断できます。この技術は、あらゆる硬度、密度、組成のプラスチックを加工できます。

6. 木材

ウォータージェット水流は、厚さ125mmの厚木を最大15m/分の速度で切断できます。水流は表面を濡らさない速度で通過するため、木材の膨張や剥離は深刻な問題になりません。

ウォータージェット切断アプリケーション

ウォータージェット切断は、複雑な形状を加工する限り経済的です。例えば、

1. 航空宇宙産業: ウォータージェット流を利用して、タービンブレード、着陸装置、翼セクション、ブレーキ部品を切断できます。この高速水流は、8インチを超える金属や複合材料をエラーなく切断できます。

2. 自動車産業ウォータージェット切断機を使用して、タイヤ、ヘッドライニングなどの自動車部品を成形することが可能です。

3. 医療業界: 手術器具、インプラント、補綴物、顕微手術ツールは、ウォータージェットマシンで厳密な許容誤差で切断されます。

4. 電子産業: ウォータージェット切断を使用すると、電子システムに損傷を与えることなく、配線を剥がしたり、回路基板を切断したりできます。

図: 産業用途向けウォータージェット切断

ウォータージェット切断プロセスの限界

ウォータージェット切断は最先端の技術を活用していますが、いくつかの大きな限界があります。例えば、

素材の厚さ: ウォータージェット切断では、厚さ25～30cmの材料を切断することが可能です。さらに厚い材料も切断可能ですが、切断速度は低下します。
材質の硬度: ウォータージェット切断で非常に硬い材料を切断するには、特殊な方法を採用する必要があります。
脆性材料のエッジ品質: ウォータージェット加工では、超脆性材料のエッジに微小な亀裂や欠けが生じる場合があります。このような場合、滑らかなエッジを得るために、更なる仕上げ工程が必要となる場合があります。
テーパーとカーフ幅: ウォータージェット切断では、V字型の切断面にテーパーが生じる場合があります。また、材料の種類、厚さ、切断速度によって、切断幅が異なる場合があります。
セットアップとメンテナンスの複雑さ: ウォータージェット切断機の操作には専門家が必要です。研磨材供給システム、精密動作制御部品、高圧ポンプ、ろ過システムは定期的なメンテナンスと校正が必要です。

ウォータージェット切断、レーザー切断、プラズマ切断の比較

特徴	ウォータージェット切断	レーザー切断	プラズマ切断
非金属材料を切断可能	はい	はい	いいえ
複数の層をカット可能	はい	はい	いいえ
材料の硬化につながる	いいえ	はい	はい
材料の巻き付きを引き起こす	いいえ	はい	はい
バリ変形につながる	いいえ/最小	はい	はい
材料廃棄物	いいえ/最小	はい	はい
平均切削深さ	最大12インチ	0.98インチ未満	3.15インチ未満
環境に優しい	はい	いいえ	いいえ

結論

ウォータージェット切断は、ほぼあらゆる厚さの材料に使用できる、確実な技術です。厳しい公差で精密な切断を実現します。

Tulingでは、様々な製造ソリューションをご提供しています。図面をお送りいただければ、当社のエンジニアが最適な製造アドバイスを提供いたします。