本发明涉及一种水射流喷丸硬化(waterjetpeening)方法。
背景技术：
以往，已知有为了金属加工物的表面硬化，使小钢球(喷丸)撞击加工物表面并施加压缩残留应力的喷丸硬化。并且，已知有利用空泡(cavitation)喷流所产生的空泡的冲击力的水射流喷丸硬化(例如，日本专利特许第2991545号公报，以下称为“专利文献1”，日本专利特许第3162104号公报，以下称为“专利文献2”)。
在水射流喷丸硬化中，利用了因流体的速度增大而压力降低，频繁出现的气泡在成长后，随着压力恢复而收缩消失时产生的冲击力。因此，不需要液体以外的处理材料，在处理后不需要将喷丸分离回收然后清洗的工序。
并且，对于具有难以进行喷丸中的冲撞处理的狭小部分的复杂的表面形状，也能够进行喷丸硬化处理。此外，在小球冲撞中，作为喷丸硬化印迹的凹陷根据小球的外部形状而变大、成为整体粗糙的处理面，与此相对，在水射流喷丸硬化中，由于凹陷的口径小且与周围的界限也连续且模糊，因此处理面整体变得光滑。水射流喷丸硬化也用于原子炉压力容器构造物的残留应力改善(例如，日本专利特开平7-328860号公报，以下称为“专利文献3”，日本专利第2840027号公报，以下称为“专利文献4”)。
在以往的水射流喷丸硬化中，在液体中将60～70mpa的高压水从喷嘴向下方喷射而形成强力的空泡喷流。多为从液面至对象物的处理面确保600mm左右或者1.5m(日本材料学会期刊“材料”vol.45,no.7,pp.740-745,july1996论文“关于sus304钢的耐腐蚀性以及疲劳强度的水射流喷丸硬化的影响”，以下称为“非专利文献1”)的充足的水深的情况，即使在比此浅的情况下，也为如专利文献1、2中公开的300mm。这是因为通过利用高压的喷流而不会从液面吸入空气，从而促进了空泡的产生。
进行水射流喷丸硬化的水槽的水深需要比至处理部位的水深更深。因此，喷丸硬化施工的装置会大型化。
另一方面，金属制的切削加工物等在加工工序之后喷射清洗液将切削屑等洗掉。这时，使用定位在上方的喷射喷嘴向清洗槽内的加工物喷射从罐供给的高压清洗液的水中清洗机。
对于清洗后的加工物，通过水射流喷丸硬化施加压缩残留应力，但这时，若能够使加工物不移动地于水中清洗机中在清洗工序随后进行喷丸硬化工序，则工作效率大幅度提高。然而，由于现有的水中清洗机太小，在水中清洗机中，无法像这样采用以往的水射流喷丸硬化的方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种能够在比以往小的小型装置中简便地进行水射流喷丸硬化，并且能够利用现有的水中清洗机的水射流喷丸硬化方法。
实施方式所涉及的水射流喷丸硬化方法，
以从清洗槽的水系清洗液的液面至对象物的处理对象面的距离为100mm以上300mm之下的方式将所述对象物浸渍于所述水系清洗液中，
在所述清洗槽内的所述水系清洗液中从喷嘴朝下地向所述对象物喷射所述水系清洗液。
发明效果：根据本发明的水射流喷丸硬化方法，能够从液面至处理对象面的距离比以往浅地进行水射流喷丸硬化。因此，能够进行利用清洗机械部件的水中清洗机的水射流喷丸硬化，工作效率提高。
附图说明
图1为表示进行实施方式的水射流喷丸硬化的水中清洗机的例子的概略结构图。
图2a为带整流器喇叭型喷射喷嘴的概略截面图，图2b为从整流器的下游侧观察的立体图。
图3为表示急速扩大型的喷射喷嘴的概略截面图。
图4为设置了循环阻碍体的载置台的立体图。
图5为表示评价a、评价b、评价c的水射流喷丸硬化试验的标准的照片代用附图。
符号说明
1：水中清洗机
2：清洗槽
3：载置台
c：清洗液
w：对象物(机械部件)
4：清洗液罐
5：清洗液供给流路
6：活塞泵
7：清洗液供给用阀
8：压力变换器
9、9a、9b：挡板(循环阻碍体)
9ar：加强肋
n：切取孔
10：喷射喷嘴(喇叭型)
11：喷嘴主体
12：扼流部
13：喷口
14：喷射口
15：整流器
20：喷射喷嘴(急速扩大型)
21：喷嘴主体
22：扼流部
23：喷口
24：喷射口
30：回收用罐
31：离心泵
32：过滤器
33：回收流路
40：清洗槽用清洗液供给流路
50：排水流路
51：排水用阀
具体实施方式
图1表示实施本实施方式的水射流喷丸硬化(waterjetpeening：水射流喷丸、水射流喷丸强化)方法的水中清洗机。图1为表示水中清洗机的概要的侧截面图。另外，图2a、图2b和图3为表示安装在图1的水中清洗机上的喷射喷嘴的示意图。图2a为喇叭型喷嘴的概略截面图，图2b为从下游侧观察配置在喷嘴主体的上游侧的整流器的立体图。图3为急速扩大型喷嘴的概略截面图。并且，图4表示在图1的清洗槽内作为载置固定清洗对象物w的载置台而安装了抑制清洗液的循环的挡板的立体图。
水中清洗机1具有清洗槽2、清洗液罐4、回收用罐30。在清洗槽2中，配置有机械部件等的被处理的对象物w，贮留有清洗液c。清洗液罐4为清洗液c的供给源。使用完的清洗液c流入回收用罐30中。清洗液c从清洗液罐4经由清洗槽用清洗液供给流路40被供给至清洗槽2。
在清洗槽2的上方，可升降地设置有喷射喷嘴10，喷嘴下端的喷射口14被配置在任意的高度。利用活塞泵6，从清洗液供给流路5经清洗液供给用阀7向喷射喷嘴10供给高压清洗液。在清洗液供给流路5上，配置有压力变换器8。控制部(图中未示出)基于测定的压力对压力进行调整。
在从清洗液供给流路5分支出的排水流路50中，能够使清洗液经由排水用阀51从清洗液罐4流向直接回收用罐30。回收到回收用罐30内的使用后的清洗液c被离心泵汲取上来，利用回收流路33而通过过滤器32被过滤杂质后返回清洗液罐4。
清洗液供给用阀7为平常关闭的单动电磁阀。排水用阀51为平常打开的单动电磁阀。这些电磁阀基于来自控制部的指令而被驱动控制，通过连动控制各个泵，控制清洗液的供给喷射。
对象物w被载置固定在载置台3上，通过载置台3的驱动而出入清洗槽2。并且，载置台3在喷丸硬化工序中使对象物w相对于被从喷射喷嘴10喷射的水射流作相对移动。控制部与喷射喷嘴10的清洗液喷射连动，使载置台3相对移动。
如图2a所示，在喷射喷嘴10的喷嘴主体11上，形成有扼流部12和喷口13。扼流部12在从上游侧缩径的流路的下游以一定口径延伸。喷口13从扼流部12的下游端扩径成倒锥状。喷口13从中心轴线以15度以上30度以下的角度扩张。通过具有喷口13的喷射喷嘴10，在水中喷射时喷流的流线以倒锥状扩大并在喷流的周围产生乱流，使喷流内的空泡更多。
也可以用图3所示的喷口形状不同的喷射喷嘴20来代替图2a所示的喷射喷嘴10。在喷射喷嘴20的喷嘴主体21上，形成有圆筒状的喷口23，其口径从扼流部22的下游端急速扩大后以固定口径延伸至喷射口24。优选的是，喷口23的直径为扼流部22的直径的三倍以上五倍以下。喷口23的长度优选为扼流部22的长度的一倍以上三倍以下。利用具有喷口23的喷射喷嘴20，在水中喷射时喷流的流线急速扩大并在喷流的周围产生乱流，使喷流内的空泡更多。喷射喷嘴20公开在例如日本专利特开平5-212317号公报中。
进一步地，喷射喷嘴10也可以具有配置在喷嘴主体(11、21)的上游侧的整流器15。整流器15在圆筒框状的筒体15c的内侧具有截面为大致v字状的突起15a。优选的是，筒体15c的内径为外径的80％以上100％之下。突起15a配置在筒体15c的上游侧。突起15a的高度优选为筒体15c的内径的30％以上45％以下。筒体15c的中心轴线方向的突起15a的长度优选为筒体15c的长度的30％以上60％以下。在筒体15c的下游侧，设置有无突起的圆筒状的整流室15b。作为整流器15，可使用例如日本专利特开2016-56834号公报、日本专利特开2006-122834号公报中公开的整流器。
如图4所示，在对象物w的周围，设置有阻碍清洗槽2内的清洗液c循环的循环阻碍体9。循环阻碍体9也可以设置在载置台3上或清洗槽2的内壁。在载置台3上形成有大的切取孔n的情况下，可将从喷射喷嘴10的喷射方向观察配置在切取孔n的开口投影面内的挡板9b用作循环阻碍体9。并且，也可以使用垂直地设置在载置台3的载置面上的挡板9a。也可以在挡板9a上设置加强肋9ar。
当浸渍在清洗槽2的清洗液c内的喷射喷嘴10喷射清洗液c时，贮留在清洗槽2中的清洗液c在清洗槽2内循环、被搅拌。当喷射压力变大时，清洗液c也被大幅度循环、搅拌，清洗槽2的清洗液c的液面大幅度摇动。当清洗液c的液面大幅度变动时，阻碍空泡的产生。推测是因为，从清洗液c的液面至对象物w的水深越浅，清洗液越会循环拍波，在喷射喷嘴10生成的喷流及其周围卷入空气。
在清洗槽2的内部设置了循环阻碍体9的情况下，在清洗槽2的清洗液c中抑制从喷射喷嘴10喷射清洗液c时的液面的拍波。并且，也提高了水射流喷丸硬化效果。推测原因是从喷射喷嘴10喷射的水射流内的空泡的生成得以促进。
另外，循环阻碍体9也可以固定在安装喷嘴主体11的图中未示出的喷嘴块体(喷嘴座体)或喷嘴安装配管上。在这种情况下，循环阻碍体9以从喷嘴主体11喷射清洗液c时浸渍于清洗槽2内的清洗液c中的方式设置。
【实施例】
以下表示利用图1所示的水中清洗机进行水射流喷丸硬化的实施例。首先，用淡水，在深水槽中将从液面至处理对象面的水深设为以往的500mm和比以往浅的200mm。在比以往低的15mpa、27mpa、35mpa的喷射压力下，对于作为对象物w的各种铝材(a5052)和铁材(s50c)的平板，进行了通过用无图2a、图2b的整流器的喇叭型的喷射喷嘴10朝下喷射的水射流喷丸硬化试验。在处理对象面上产生的喷丸硬化印迹的评价结果在表1中表示。
另外，喷丸硬化评价如图5的示意图所示，将处理对象面整体上观察到高密度且非全体可见的喷丸硬化印迹的情况作为优异的喷丸硬化效果而设为评价a，将比评价a的喷丸硬化印迹的密度小的情况设为评价b，并将喷丸硬化印迹零散且浅的情况设为评价c。并且，将喷丸硬化印迹本身由于更微小且数量少而难以通过目视进行确认的情况设为评价d(图中未示出)。
【表1】
如表1所示，若对象物w为铝材(试验no.1～4)，则即使在比以往低的15～35mpa的喷射压力下，也获得了评价a的优异的喷丸硬化效果。特别是即使在从液面至处理对象面的水深d为200mm(试验no.4)这样的比以往浅的条件下，也确认有优异的喷丸硬化效果。在评价a的情况下，从水面至喷嘴下端的水深d均为100mm。对象物w为铁材的情况下，即使至喷嘴下端的水深d为50mm，评价d也不会发生变化。
在以往的浅的水深下，来自喷嘴的喷流从液面卷入空气，抑制空泡的产生，抑制了喷丸硬化效果。对此，通过将喷射压力设为比以往低的15mpa以上35mpa以下，获得了充分的喷丸硬化效果。
接着，在图1所示的水中清洗机中，使用市场出售的含防锈剂清洗液在20～40℃的范围内对铝材(a5052)进行了水射流喷丸硬化试验。结果在表2中表示。首先，利用图2a、图2b所示的喷射喷嘴10的无整流器15的喇叭喷嘴，在从液面至处理对象面的水深d为200mm、喷射压力为7～35mpa、从液面至喷嘴下端的水深d为50～150mm的范围内喷射并进行了水射流喷丸硬化试验(试验no.7～15)。并且，将喷射压力设为7～40mpa、从液面至处理对象面的水深d设为80～300mm、至喷嘴下端的水深d设为30～100mm而喷射并进行了水射流喷丸硬化试验(试验no.16～19)。接着，将从液面至处理对象面的水深d设为300mm，从具有整流器15的喷射喷嘴10(表2中带*1标记)的喇叭喷嘴喷射并进行了水射流喷丸硬化试验(试验no.20～22)。
并且，在将图4所示的作为循环阻碍体9的挡板9a、9b安装在载置台3上(表2中带*2标记)的情况下，通过喇叭型的喷射喷嘴10，在至处理面的水深d为150mm～300mm、至喷嘴下端的水深d为50～250mm下喷射并进行了水射流喷丸硬化试验(试验no.23～27)。并且，也进行了使用图3所示的急速扩大型的喷射喷嘴20的情况下的水射流喷丸硬化试验(试验no.28、29)。
第一清洗液为洗涤剂l-120a(商品名、株式会社尼欧斯(neos)制、原液成分；二乙醇胺(少于3％)和三乙醇胺合计10～20％、可溶化材料少于1％、有机酸胺盐类10～20％、表面活性剂少于1％、防腐剂少于1％、防锈材料(防蚀材料)少于3％、水65％～75％)的3重量％稀释液。第二清洗液为vp-w(商品名、株式会社尼欧斯(neos)制、原液成分；三乙醇胺3～10％、有机酸胺盐类5～15％、无机盐类10～20％、防锈剂10～20％、水45～55％)的3重量％稀释液。喷嘴喷射口径为1.4mm～2.1mm的范围，根据喷射压力、流量适当选择。
【表2】
*1：有整流器，*2：有挡板
第一清洗液：l-120a，第二清洗液：vp-w
在图1的水中清洗机中，用淡水在喷射压力15mpa的低压条件下的水射流喷丸硬化试验(no.9)中，能够确认与表1的情况相同为评价a的喷丸硬化印迹，与此相对，当使用第一清洗液在喷射压力35mpa下进行水射流喷丸硬化试验时，将至喷嘴下端的水深d设为100mm的情况以及50mm的情况(no.7，8)几乎没有产生喷丸硬化印迹。与此相对，在使用第二清洗液的情况下，即使在与第一清洗液的情况相同的35mpa的喷射压力下，也会看到评价b的良好的喷丸硬化效果(no.15)，进而在15mpa的喷射压力下至喷嘴下端的水深d为100mm的与淡水(no.9)相同的条件的情况下(no.12)，为与淡水相同的评价a。将至喷嘴下端的水深d设为150mm(no.10)或50mm(no.11)的情况也分别产生了评价b和评价c的喷丸硬化印迹。
可知这些清洗液的不同在于是否含有表面活性剂。这是因为，含有表面活性剂的清洗液会促进空气的溶解，抑制空泡的产生。在不含表面活性剂的第二清洗液中，能够确认的是，即使在从液面至处理对象面的水深d为200mm的比以往浅的条件下，也能够进行与淡水同等程度的水射流喷丸硬化。
并且，关于第二清洗液，在比较根据喷射压力的不同所产生的水射流喷丸硬化的结果时，太低的7mpa的喷射压力时(no.13,19)仅稍微地产生喷丸硬化印迹，虽然在高的40mpa的喷射压力情况下(no.16)也评价为d，但在15～30mpa的喷射压力的范围(no.12,14,20,21,23,24,26～29)获得了优异的结果。
关于获得良好的结果的第二清洗液，当从液面至处理对象面的水深d设为250mm以上的比较大的距离，且喷射压力设为比较低的25mpa以下时，通过将如图2b所示的作为空泡稳定器的整流器15设置在喷嘴主体的上游，在喇叭型、急速扩大型的任意一种喷射喷嘴的情况下(no.20～23,28)也获得了评价a或评价b的良好的结果。特别是，若喷射压力为25mpa，则通过利用整流器15获得了评价a的优异的喷丸硬化效果(no.20,23)。并且，在30mpa的比较高的喷射压力下设置挡板(9a、9b)而抑制液面变动的情况下(no.24,26,27)，除了至喷嘴下端的水深d为50mm的浅的情况(no.25的评价b)以外也均获得了评价a的优异的结果。
从以上结果可知，即使使用水系清洗液，也能够在从液面至处理对象面的水深d为100mm以上300mm以下进行充分的水射流喷丸硬化，更优选150mm以上250mm以下的水深d。因此，在比以往的水槽浅的清洗槽中，在比300mm浅的水深d的情况下，即水深d为150mm以上300mm之下，例如至250mm的情况下，也能够进行良好的水射流喷丸硬化。这时，喷射压力优选为15mpa以上35mpa以下，更优选为15mpa以上25mpa以下。另外，在以上结果中，通过将从液面至喷嘴下端的水深d设为50mm以上250mm以下，获得了评价a至评价c的良好的结果。这里的意思是，通过确保以基于比以往低的喷射压力的向下的喷射和作为从液面至喷嘴的顶端的距离的一定程度的水深，会获得良好的喷丸硬化效果。
当将铝合金或铁合金的金属制的机械部件浸渍于纯水或自来水中时会产生腐蚀。因此，当在水中进行水射流喷丸硬化时，随着时间流逝部件原材料熔析在液体中，因腐蚀而损坏机械部件。
对此，在本实施例中，作为不含表面活性剂的水系清洗液，确认能够使用含防锈剂清洗液。由此，对于在水中清洗机中清洗的机械部件，能够在同一水中清洗机中使用同种清洗液进行喷丸硬化处理。
另外，若能够限定有助于空泡喷流的产生的清洗液的含有成分，则通过选择含有该成分的清洗液或该成分的添加调整，可获得更好的喷丸硬化效果。因此，即使是铝合金制的机械部件，也能够在进行清洗的水中清洗机用相同的清洗液进行良好的水射流喷丸硬化，有望工作效率的进一步提高。
在第二清洗液中，作为有助于空泡喷流的产生的成分，可知有三乙醇胺。胺化合物广泛用作防锈剂。其防锈性是基于胺化合物的包含氮元素的极性部分吸附在金属表面的同时用除此之外的非极性链朝向外侧排列的构造的吸附层覆盖金属表面的成膜作用。因此，在市售品中，利用仅含有胺化合物且不含其他成分的水溶液在图1的水中清洗机中进行了水射流喷丸硬化试验。
具体而言，第三清洗液为ph调节剂(商品名、株式会社尼欧斯(neos)制、原液成分；单-正-丙醇胺40％～45％和二异丙醇胺不足10％的胺类合计45％～55％、水45％～55％)的2.5重量％稀释液。第四清洗液为quakerclean(商标)680vda(商品名、quakerchemicalcorporation制、原液成分；单乙醇胺10～15％、水85～90％)的3重量％稀释液。对于铝材(a5052)，在15mpa和20mpa的喷射压力下、从液面至处理对象面的水深d为200mm左右、从液面至喷嘴下端的水深d为70～155mm的上述优选的条件范围内进行了水射流喷丸硬化试验(试验no.30～33)。其结果在表3中表示。
【表3】
*1：有整流器，*2：有挡板，*3：有变色
第三清洗液：ph调节剂，第四清洗液：quakerclean
从表3的结果可知，如第三清洗液和第四清洗液那样，即使是仅含有胺化合物的清洗液，也获得了一定程度以上的喷丸硬化效果。并且，即使是相同的第三清洗液，在将喷射压力和至处理对象面的水深d、至喷嘴下端的水深d从为评价b的条件(no.30)稍微变更，并且设置了挡板的情况下(no.31)，获得了评价a的优异的喷丸硬化效果。在本试验中，仅探讨了两种只含胺的清洗液和各自一种的浓度，但利用其他胺化合物、浓度等的条件设定，有望能够获得更优异的喷丸硬化效果。