ウォータージェット切断品の発注——JIS B 0417 が使えない理由と、テーパ・切断面・水の扱い

この記事は、ウォータージェットで切った板や部品を発注する側の目線で書く。設備の選び方ではなく、切断を外注するときに図面と注文書に何を書き、受け取るときに何を確かめるかに絞る。対象は工業用の部品で、金属板・樹脂板・複合材・ゴムなどを含む。

ウォータージェットで何が切れるか

コンクリート工学誌の解説は、ウォータージェットによる作業を、ノズル径 0.1〜2 mm 程度の細孔から 50〜500 MPa の圧力で水を吐出させて行うもので、その水噴流の速度は音速を超えることもある、と説明している^[1]。清水だけを使う方式（解説ではアクアジェット）は研磨材を出さずノズルの摩耗が少ない一方で、切る効果は小さい。研磨材を混ぜる方式（アブレシブジェット）では、研磨材の硬さ・比重・粒度・粒子の角が切る効果に影響するので、硅砂、ガーネット、鋳鉄のグリットの類が使われる^[1]。

砥粒加工学会誌の論文は、高圧水の噴流に研磨材を加えて切断能力を高めたアブレシブウォータージェット（AWJ）が、コンクリートや岩石のようなもろい材料だけでなく、アルミや鋼材などの金属でも能力を発揮すると書いている^[2]。同じ論文の装置では、高圧水が内径 0.75 mm のウォータノズルから混合室へ噴射され、研磨材と混ざって内径 1.0〜4.0 mm のアブレシブノズルから噴き出す^[2]。

発注側から見ると、ウォータージェットは「熱を入れずに、厚みのある材料や、熱に弱い材料を形に切る」方法として候補に上がる。ただし、切断の条件は材料と板厚で大きく変わるので、仕入先の設備と経験で切れる範囲が決まる。

熱切断の規格は当てはまらない

JIS Z 3001-1（溶接用語－第 1 部：一般）は、熱切断を「熱を用い，材料を局部的に溶融又は燃焼して切断する方法の総称」と定義している^[4]。ガス切断・プラズマ切断・レーザー切断は熱切断に入るが、水と研磨材で材料を削り取って切るウォータージェットは、この定義の外にある。

板の切断品の普通公差の JIS は、切断方法ごとに分かれている。並べると次のとおりである。

表から分かるのは、ウォータージェットで切った板に「普通公差は JIS B 0417 による」と書いても、規格の適用範囲から外れるということである。JIS B 0417 は、切断面が垂直な長方形の加工鋼板以外や、焼入れ焼もどしをした鋼板とコイル鋼板にも適用しないとしている^[3]。ウォータージェットで切った部品は、必要な寸法に個別の公差を書くか、機械加工の普通公差（JIS B 0405）の等級を当てるかを、仕入先と合意しておく。レーザー切断の場合の考え方はレーザー切断品の発注で扱った。

切断の品質を変えるもの

同じ解説は、被切削材料の硬さや強さ以外にウォータージェットの処理条件だけを見ると、吐出圧力、吐出流量、ノズル径、スタンドオフ（ノズルの先端と被切削面の距離）、ノズルの移動速度が大きな要因で、アブレシブでは研磨材の混入量とその種類が主要因になる、としている^[1]。スタンドオフは「極めて重要」とされ、水噴流は上流から下流に向かって広がりをもち、鋭利に切るには噴流の初期の区域を使う、と説明されている^[1]。

送りを速くすると、切断は浅くなる

砥粒加工学会誌の論文は、厚さ 25 mm の鋼材（SS400）をガーネットの研磨材（平均粒径 0.5 mm）で切る実験で、送り速度を 1 mm/s から 7 mm/s まで上げていくと切断深さが浅くなる傾向を確かめ、厚さ 100 mm の材料での実験でも、切断速度の増加に伴って切断深さが対数的に減少する傾向を示している^[2]。この実験では AWJ だけでは鋼材を完全には分断できず、残りを鋸で切っている^[2]。

これは、ウォータージェットでは「速く切る」と「深く切る」がぶつかることを示している。見積の金額は切断の時間に効くので、仕入先が速度を上げれば安くなるが、厚い材料では切り抜けなかったり、下側の切断面が荒れたりしうる。厚い材料の部品では、見積の段階で板厚と切断面の要求を伝え、仕入先が想定する条件で求める品質が出るかを確かめる。

噴流は下流ほど広がり、テーパが出うる

日本機械学会論文集の論文は、研磨材を水に混ぜて噴き出す方式（アブレシブサスペンションジェット）の大気中での切断で、ノズル出口から試験片までの距離が大きくなるにつれて切断深さが一次関数的に減少し、試験片の入口側の表面の損傷の幅は逆に増えることを示している。その理由として、下流ほど噴流が分裂して直径が大きくなり、周りに散った液滴が急に減速して材料を削る力を失うことを挙げている^[5]。

材料の中に深く入るほど、噴流は広がり、削る力は落ちる。このため、厚い材料では切断面の入口側と出口側で幅が変わり、切断面が板面に対して斜めになる（テーパ）ことがある。炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の小径の穴あけでは、アブレシブウォータージェットの穴がテーパ状になることが、ドリル・レーザーとの比較として挙げられている^[6]。同じ比較では、レーザー加工には穴の周りに熱の影響が出るという課題が挙げられている^[6]。

切断面の倒れと粗さは、自分で数値を決める

ガス切断の JIS B 0417 は、寸法の許容差のほかに、切断面の「倒れ」（板の表面に垂直な直線と、切断面に接する直線のなす角）と、切断面の粗さの普通許容値を定めている。たとえば板厚 6 mm 以上 50 mm 以下では、倒れの普通許容値が A 級 2 度、B 級 5 度とされている^[3]。ウォータージェットの切断品にこの数値は当てはまらないが、「倒れ」という考え方は使える。

ここからは規格の要求ではなく、発注する側の実務の提案である。ウォータージェットで切った部品で、切断面がほかの部品と当たる、すき間を管理する、溶接の開先になる、といった機能をもつ場合は、図面に次のどれかを書く。

• 切断面の倒れ（テーパ）の許容値。角度か、入口と出口の寸法差で書く
• どちらの面（入口側か出口側か）の寸法を図面の寸法とするか
• 切断面の粗さを、表面性状の記号で書くか、見本で合わせるか

何も書かなければ、どちらの面で寸法を測るかが仕入先によって違い、テーパの分だけ寸法が食い違うことがある。切断面に機能が無いなら、書かずに済ませてよい。そのぶん安く速く切れる条件を選べる。

熱を入れないことの利点と、水を使うことの注意

ウォータージェットは熱で溶かす切断ではないので、熱切断で問題になる切断縁の焼けや硬化を避けたい場合に候補になる。熱処理をした材料や、熱で性質が変わる樹脂・複合材を切るときの候補になる。ただし、熱の影響がないことを品質の条件にするなら、その部品のどの性質（硬さ、組織、樹脂の変色など）を見るのかを決めて、初回品で確かめる。

一方で、切断は水と研磨材の中で行われる。鋼の部品は切断後に水が残れば錆びることがあるし、切断面や表面に研磨材が付いて残ることもありうる。切断の後に塗装・めっき・溶接・組立がある部品では、注文書に「切断後の水切り・乾燥・防錆の方法」と「研磨材の付着がないこと（確認の方法）」を書いておく。防錆の指定は出荷時の防錆の指定で扱っている。

テーブルの上で板を支える部分や、ノズルの噴流が板の裏に抜ける部分で、裏面に傷や汚れがつくこともある。意匠面がある部品では、どちらの面を上にして切るか、裏面の傷をどこまで許すかを決めておく。

発注書と図面に書くこと

切断のあとに機械加工で仕上げる部品は、切断の段階では削り代を見込んだ寸法で発注し、仕上げ後の寸法で検査する、という形にもできる。その場合は、どこに削り代を残すかを図面に書く。

よくある質問

ウォータージェットとレーザーのどちらを指定すべきですか

切断面に熱の影響を残したくない、厚くてレーザーでは切りにくい、熱に弱い材料である、といった理由があれば、ウォータージェットを指定する理由になる。そうでなければ方法は指定せず、仕上がりの条件（寸法、切断面、熱の影響の有無）を書いて仕入先に選ばせるほうが、見積の幅が広がる。CFRP の小径穴の比較のように、どの方法にも課題がある場合もある^[6]。

図面に「JIS B 0417 による」と書いてあるウォータージェットの部品はどう扱いますか

JIS B 0417 はガス切断機で切った熱間圧延鋼板が対象で、プラズマ切断にも適用しないとしている^[3]。ウォータージェットの部品に当てると、規格の外の使い方になる。設計部門に確かめ、どの寸法をどの公差で読むかを決め直す。

切断面が下の方だけ荒れています

送り速度が速すぎる、ノズルと材料の距離が大きい、といった条件で、深い部分ほど削る力が落ちることが考えられる^[2][5]。切断面の粗さが機能に効くなら、要求を数値か見本で示し、条件を変えたときは初回品で確かめる。

まとめ

ウォータージェットは高い圧力の水で切る方法で、金属は研磨材を混ぜて切る^[1][2]。熱切断ではないので、ガス切断の JIS B 0417 は当てはまらない^[3][4]。品質は圧力・流量・ノズル径・スタンドオフ・送り速度・研磨材で変わり^[1]、速く送るほど切断は浅くなり^[2]、下流ほど噴流が広がるのでテーパが出うる^[5][6]。寸法公差、測る面、倒れと粗さ、切断後の水と研磨材の扱いを、図面と注文書で決めておく。

同じ束では、タレットパンチプレス加工品、溶接ひずみの許容と矯正、ステンレスの溶接焼けの除去、調質（焼入焼戻し）の指示を、それぞれ発注する側の目線で書いている。ワイヤ放電で切る場合はワイヤーカット品の発注を参照してほしい。

出典・参考資料

1. ウォータージェット技術の土木分野への応用（足立一郎／コンクリート工学 39 巻 6 号／2001 年）
2. アブレシブウォータジェットによる高温鋼材の切断特性（山下浩二・舘野純一・石野和成／砥粒加工学会誌 64 巻 12 号／2020 年）
3. JIS B 0417:1979 ガス切断加工鋼板普通許容差（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2024 年 6 月 20 日確認）
4. JIS Z 3001-1:2018 溶接用語－第 1 部：一般（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／2018 年 2 月 20 日改正・2022 年 10 月 20 日確認）
5. アブレシブサスペンションジェットの水中切断特性（清水誠二ほか／日本機械学会論文集 81 巻 831 号／2015 年）
6. ブラストによる CFRP の穴あけ加工技術の開発（深川仁・廣垣俊樹・加藤隆雄／砥粒加工学会誌 56 巻 4 号／2012 年）
7. JIS B 0410:1991 金属板せん断加工品の普通公差（日本産業標準調査会 JIS 検索で閲覧／1991 年 2 月 1 日改正・2025 年 6 月 20 日確認）

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