JP3629491B2 - メタルコートロール - Google Patents

Description

本発明は、軽量で慣性が小さく且つ高い剛性を有するロールに関し、特にフィルム、紙、箔等の製造工程に使用される搬送ロール、ダンサーロール、計測ロール、糊付けロール、ラミネーティングロール等として適したロールに関する。

これまで、フィルム、紙、箔等の製造工程で用いられる上記のような各種のロールは、鋼、アルミニウム等の金属製のものがほとんどであった。しかし、これら金属製ロールは重量が重く、しかも慣性モーメントも大きいため、フィルム、紙、箔等の加工工程において被処理物に対する追従性が悪く、被処理物に擦り傷等を発生させたり、起動・停止に長時間を要する等の欠点があった。

近年、上記金属製ロールによる問題を解消するため、金属よりも軽量、低慣性で且つ比弾性率（剛性）の高い炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を用いた、いわゆるコンポジットロールが開発され、業界で高い評価を受け盛んに用いられるようになった。コンポジットロールを使用することにより、フィルム、紙、箔等の加工工程において大幅なスピードアップが可能になるばかりでなく、製品の品質も向上した。そして、このようにコンポジットロールの効果、有用性が一般に認知されるようになるとともに、コンポジットロールを大型のロールにも適用する要望が高まってきた。

コンポジットロールを上記用途に用いるためには、ロールの外周面に良好な平滑性と高い耐久性を付与するために、電解メッキによるクロムメッキ（硬質クロムメッキ）が施される。
しかし、コンポジットロールを大型ロールに適用するとその製造に際して、特に電解クロムメッキ時に下記の問題があることが分かった。

図１を参照して、従来のコンポジットロールの製造手順を具体的に説明する。なお、同図（ｂ）は同図（ａ）のＭの部分を拡大して示したものである。
コンポジットロール１０は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製の円筒状ロール芯体１１の両端内部に、ロール回転軸１２Ａを有する金属製端部材（ヘッダー）１２が挿入・接合されており、且つ実質的にロール全長にわたってロール外周面が金属メッキ皮膜１３で被覆されている構造を有し、通称としてメタルコートロールと呼ばれている。金属メッキ皮膜１３は、ＣＦＲＰ１１の表面に導電処理層１４を形成した上に、通常は銅メッキ層１５を形成し、その上にクロムメッキ層１６を形成する。また場合によっては、銅メッキ層１５の上に更にニッケルメッキ（図示せず）を行ってから、クロムメッキ１６を行う。

電解クロムメッキを行う際、被メッキ面となるロール外周面へのメッキ電流の供給はロール端のヘッダー部１２にあるロール軸１２Ａに電極を装着して行い、ロール外周面の主要部に均一なメッキ層が形成されるようにする。ロール軸１２Ａから供給されたメッキ電流Ｃは、図１（ｂ）に示したヘッダー１２内を通りＣＦＲＰ１１、導電処理層１４、銅メッキ層１５を介してクロム電着部１６に供給される。

ＣＦＲＰ１１自体は導電性があるとはいえ、ＣＦＲＰ１１と銅メッキ層１５との密着性は必ずしも良くないので両者の界面で電気抵抗が大きくなるため、ロールが大型化しメッキ電流が大きくなるとメッキ実施中に上記界面でかなりの発熱があり、ヘッダー部にメッキ不良等が発生することがあった。
その対策として、クロムメッキ時のメッキ治具をコンポジットロール専用の特殊なものを用い、メッキ電流も従来の金属ロールのクロムメッキ時の電流に比べて少ない電流値とする等の工夫を行っていた。そのため、メッキ作業が煩雑になるばかりでなく、メッキに長時間を要し、しかもメッキ品質が不安定になり生産性も低下するという問題があった。

本発明は、クロムメッキ時のロール端部での発熱を低減することにより、煩雑な作業や長時間のメッキ処理を必要とせず、高い生産性と高品質を確保できるように構造を改良したメタルコートロールを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のメタルコートロールは、炭素繊維強化プラスチック製の円筒状ロール芯体の両端内部に、ロール回転軸を有する金属製端部材が挿入・接合されており、且つ実質的にロール全長にわたってロール外周面が金属メッキ皮膜で被覆されているメタルコートロールにおいて、
上記金属製端部材の少なくとも一つが、その外周面にニッケルメッキ又は銅メッキが直接施されており、このニッケルメッキ又は銅メッキの層を介して上記ロール全長にわたってロール外周面に被覆した上記金属メッキ皮膜の内周面と直接接触した部分を有することを特徴とする。

本発明のメタルコートロールは、金属製端部材（ヘッダー）の少なくとも一つが、その外周面に、金属メッキ皮膜の内周面と直接接触した部分を有するので、従来のようにＣＦＲＰと金属層（例えば銅メッキ層）との界面すなわち高抵抗部を介さず、導電性の良い金属部分のみを介して電着部へメッキ電流を供給することができるため、従来ＣＦＲＰ／金属界面での高抵抗により発生したような発熱を生ずることなく、クロムメッキを行うことができる。

本発明は、ロール端部に電極を装着してロール外周面の金属皮膜を電解メッキにより形成する構造のコンポジットロールあるいはメタルコートロールであれば、どのようなロールに適用しても効果があるが、特に金属メッキ皮膜の最外層として電解クロムメッキを行う場合は、従来構造での発熱が大きいので本発明の効果が顕著に現れる。

最外層としてクロムメッキ層を形成する場合、一般的な金属メッキ皮膜の構造は、最内層から順にニッケルメッキ層、銅メッキ層およびクロムメッキ層または最内層から順に銅メッキ層およびクロムメッキ層から成る。

一般に、炭素繊維強化プラスチック製円筒状ロール芯体は、その外周面を特公平３−１２５４１号公報に記載されているように導電処理した上に金属メッキを行うと良好なメッキ処理を行う上で有利である。
以下に、実施例によって本発明を更に詳細に説明する。

〔実施例〕
本発明により、ロール面長さ３５００ｍｍ、ロール全長３９６０ｍｍ、外径２２０ｍｍ、内径２００ｍｍで、ロール面がハードクロムメッキされたロールを製作した。得られたロール構造を図２に示す。同図（ｂ）は同図（ａ）の部分Ｍを拡大して示したものである。

図２（ａ）において、本発明のメタルコートロールあるいはコンポジットロール２０は、炭素繊維強化プラスチック製の円筒状ロール芯体２１の両端内部に、ロール回転軸２２Ａを有する金属製端部材２２が挿入・接合されており（２２Ｃの部分）、且つ実質的にロール全長にわたってロール外周面が金属メッキ皮膜２３で被覆されている構造において、上記金属製端部材２２の少なくとも一つが（図示の例では両方共に）、その外周面に、上記金属メッキ皮膜２３の内周面と直接接触した部分２２Ｂを有する。

図２（ａ）および図２（ｂ）を参照してメタルコートロール２０の製造手順を以下に説明する。

〔炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）芯体の作製〕
ＣＦＲＰ芯体２１は、フィラメントワインディング成形により成形した。用いた炭素繊維は、繊維弾性率４０Ｔｏｎ／ｍｍ² の三菱レイヨン製「パイロフィル」（登録商標）ＨＲＸ４０を用いた。マトリックス樹脂はエポキシ樹脂を用いた。芯体２１は硬化後にマンドレルから脱型し、長さ３４５０ｍｍに切断した。

〔金属製端部材（ヘッダー）の作製〕
ヘッダー部２２として、先ずアルミニウム材料を機械加工により外径２１９ｍｍ（ロール端面寄りの部分２２Ｂ）および１９９ｍｍ（ロール内部寄りの部分２２Ｃ）の段付きに仕上げた。次に、外周面のうちロール端面寄りの部分２２Ｂに厚さ０．０３ｍｍの電気ニッケルメッキ２７を施した。

〔ＣＦＲＰ芯体とヘッダーの接合〕
このヘッダー２２のロール内部寄りの部分２２ＣをＣＦＲＰ芯体２１の両端に挿入し接着剤で接合した。これにより、ヘッダー部２２のロール端面寄りの部分２２Ｂの外周面はＣＦＲＰ芯体２１の両端から露出した状態になっている。

〔ＣＦＲＰ芯体の外径研磨および導電処理〕
このようにＣＦＲＰ芯体２１の両端にヘッダー２２を接合した状態で、円筒研磨機によりＣＦＲＰ芯体２１の外径を２１９．２ｍｍに研磨仕上げした後、銀粉体を配合したエポキシ樹脂の導電樹脂を塗布硬化せしめて銅メッキのための下地処理（導電処理）２４を施した。

〔電気銅メッキおよび外周研磨〕
ＣＦＲＰ芯体２１と両端のヘッダー部２２とから成るロール外周面全長に電気銅メッキ２５を施した後、外径を研磨して２１９．９４ｍｍに仕上げた。これによりロール外周は全面研磨仕上げされた銅メッキ面となっている。

〔電気クロムメッキ〕
研磨仕上げされたロール外周銅メッキ層２５の上に、電気クロムメッキ２６を施した後、最終仕上げ研磨を行い、外周全面が均一にクロムメッキ皮膜２６で被覆されたメタルコートロールを得た。
この電気クロムメッキは、金属製ロールのメッキ時に用いたものと同一のメッキ治具を用い、メッキ電流密度２５Ａ／ｄｍ² 、全メッキ電流約６０００Ａ共に非常に大きい値で行った。クロムメッキ処理の所要時間は２．２時間であった。

メッキ実施中、メッキ浴温度は５５℃に維持した。ヘッダー２２に設けた測温用の穴に熱電対を差し込んでヘッダーの温度を連続的に測定した。その結果、ヘッダーの温度は最高でも６１．２℃であり、メッキ浴温度５５℃に対する昇温は６．２℃であって、メッキ処理に支障のない範囲の昇温であった。
上記最終仕上げ研磨後にロール外周全体のクロムメッキ皮膜２６を肉眼により検査した結果、メッキ不良部は全く認められず、均一なメッキ皮膜であることが確認された。

なお本実施例では、ヘッダー２２の外周２２Ｂの部分は、アルミニウム製ヘッダー材の上にニッケルメッキ２７を施した後ＣＦＲＰ芯体２１と接合し、両者同時に電気銅メッキ２５を施したが、接合前のアルミニウムヘッダー材の上に直接に予め銅メッキを施しておいてもよい。
ニッケルメッキ、銅メッキは電解メッキまたは無電解メッキのいずれでもよいが、クロムメッキ時の大電流と高温に耐え得るメッキ層が形成される必要がある。

本発明に用いる金属製端部材（ヘッダー）の材質は、ロール全体の軽量化を考えるとアルミニウムが最も適しているが、ステンレス鋼等、ヘッダーとして十分な剛性、耐久性を有する材質であればよい。

また、ロール芯体を構成する炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）も上記実施例に限定されることなく、ロール芯体として十分な剛性、耐久性を有する材質であればよい。

〔従来例〕
比較のため、図１の構造の従来ロールを作製した。ロールの基本寸法およびロール外周のハードクロムメッキは実施例と同じである。
図１（ａ）において、メタルコートロールあるいはコンポジットロール１０は、炭素繊維強化プラスチック製の円筒状ロール芯体１１の両端内部に、ロール回転軸１２Ａを有する金属製端部材１２が挿入・接合されており、且つ実質的にロール全長にわたってロール外周面が金属メッキ皮膜１３で被覆されている。金属製端部材１２はその外周全体がＣＦＲＰ芯体１１の内部に挿入されており、金属メッキ皮膜１３と金属製端部材１２との間にＣＦＲＰ芯体１１が介在している。

図１（ａ）および図１（ｂ）を参照してメタルコートロール１０の製造手順を以下に説明する。

〔炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）芯体の作製〕
ＣＦＲＰ芯体１１を、実施例のＣＦＲＰ芯体２１と同様に作製した。

〔金属製端部材（ヘッダー）の作製〕
ヘッダー部１２として、先ずアルミニウム材料を機械加工により外径２１９ｍｍに仕上げた。

〔ＣＦＲＰ芯体とヘッダーの接合〕
このヘッダー１２をＣＦＲＰ芯体１１の端部に挿入し、ヘッダー１２の外周全体を接着剤で接合した。これにより、金属メッキ皮膜１３と金属製端部材１２との間にＣＦＲＰ芯体１１が介在した状態になっている。

〔ＣＦＲＰ芯体の外径研磨および導電処理〕
実施例と同様に、円筒研磨機によりＣＦＲＰ芯体１１の外径を２１９．２ｍｍに研磨仕上げした後、銅メッキのための下地処理（導電処理）１４を施した。

〔電気銅メッキおよび外周研磨〕
実施例と同様に、ＣＦＲＰ芯体１１と両端のヘッダー部１２とから成るロール外周面全長に電気銅メッキ１５、外径研磨仕上を行った。

〔電気クロムメッキ〕
研磨仕上げされたロール外周銅メッキ層１５の上に、電気クロムメッキ１６を施した後、最終仕上げ研磨を行った。
この電気クロムメッキは、金属製ロールのメッキ時に用いるものとは異なるメタルコートロール専用のメッキ治具を用い、メッキ電流密度１５Ａ／ｄｍ² 、全メッキ電流約３６３０Ａ共に非常に小さい値で行った。クロムメッキ処理の所要時間は３．６時間であった。

メッキ実施中、メッキ浴温度は５５℃に維持した。ヘッダー１２に設けた測温用の穴に熱電対を差し込んでヘッダーの温度を連続的に測定した。その結果、ヘッダーの温度は最高８５℃に達し、メッキ浴温度５５℃に対して３０℃も昇温した。
上記最終仕上げ研磨後にロール外周全体のクロムメッキ皮膜１６を肉眼により検査した結果、ヘッダー１２の位置のロール外周部でメッキ不良が発生していた。

以上説明したように、本発明のメタルコートロールは、クロムメッキ時のロール端部での発熱を低減することができるので、煩雑な作業や長時間のメッキ処理を必要とせず、高い生産性と高品質を確保できる。

従来のメタルコートロール（コンポジットロール）の構造を示す断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の部分Ｍを拡大して示したものである。 本発明のメタルコートロール（コンポジットロール）の構造の一例を示す断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のヘッダー部近傍部分Ｍを拡大して示したものである。

符号の説明

１０…従来のメタルコートロールあるいはコンポジットロール
１１…炭素繊維強化プラスチック製の円筒状ロール芯体
１２…金属製端部材（ヘッダー）
１２Ａ…金属製端部材１２のロール回転軸
１３…金属メッキ皮膜（銅メッキ層１５およびクロムメッキ層１６）
１４…銅メッキのための下地処理（導電処理）層
１５…銅メッキ層
１６…クロムメッキ層
２０…本発明のメタルコートロールあるいはコンポジットロール
２１…炭素繊維強化プラスチック製の円筒状ロール芯体
２２…金属製端部材（ヘッダー）
２２Ａ…金属製端部材２２のロール回転軸
２２Ｂ…金属製端部材２２のロール端面寄りの外周面（金属メッキ皮膜の直接接触する外周部分）
２２Ｃ…金属製端部材２２のロール芯体２１内挿入・接合部分
２３…金属メッキ皮膜（銅メッキ層２５およびクロムメッキ層２６、但し部分２２Ｂ上では銅メッキ層２５の下のニッケルメッキ層２７も含む）
２４…銅メッキのための下地処理（導電処理）層
２５…銅メッキ層
２６…クロムメッキ層
２７…ニッケルメッキ層

Claims (6)

1. 炭素繊維強化プラスチック製の円筒状ロール芯体の両端内部に、ロール回転軸を有する金属製端部材が挿入・接合されており、且つ実質的にロール全長にわたってロール外周面が金属メッキ皮膜で被覆されているメタルコートロールにおいて、
   上記金属製端部材の少なくとも一つが、その外周面にニッケルメッキ又は銅メッキが直接施されており、このニッケルメッキ又は銅メッキ層を介して上記ロール全長にわたってロール外周面に被覆した金属メッキ皮膜の内周面と接触した部分を有することを特徴とするメタルコートロール。
2. 炭素繊維強化プラスチック製の円筒状ロール芯体にのみ、その外周面に導電処理を施され、この導電処理層の上に前記ロール全長にわたってロール外周面に被覆した金属メッキ皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載のメタルコートロール。
3. 前記ロール全長にわたってロール外周面に被覆した金属メッキ皮膜は、最外層がクロムメッキ層であることを特徴とする請求項１または２記載のメタルコートロール。
4. 前記ロール全長にわたってロール外周面に被覆した金属メッキ皮膜が、最内層から順にニッケルメッキ層、銅メッキ層およびクロムメッキ層または最内層から順に銅メッキ層およびクロムメッキ層から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のメタルコートロール。
5. 下記の工程（１）〜（６）：
   （１）円筒状ロール芯体の両端にそれぞれ挿入・接合されて回転する一対の金属製端部材を作製する工程、
   （２）前記一対のうち少なくとも一方の金属製端部材の外周面にニッケルメッキまたは銅メッキを施すことにより第１メッキ層を形成する工程、
   （３）前記一対の金属製端部材を、炭素繊維強化プラスチック製の前記円筒状ロール芯体の両端にそれぞれ挿入・接合する工程、
   （４）前記炭素繊維強化プラスチック製の円筒状ロール芯体の外周面に導電樹脂を塗布した後、硬化させる工程、
   （５）前記金属製端部材の外周面と前記円筒状ロール芯体の外周面によって構成されるロール外周面に、ロール全長にわたって、電気銅メッキを施すことにより第２メッキ層を形成し、前記第１メッキ層の外周面と前記第２メッキ層の内周面とを直接接触させる工程、および
   （６）前記第１メッキ層が外周面に形成された一方の金属製端部材を通して給電して前記第２メッキ層の上に電気メッキを施すことにより第３メッキ層を形成する工程
   を順次行なうことを特徴とするメタルコートロールの製造方法。
6. 前記銅メッキ層の上に施す電気メッキが、クロムメッキである請求項５記載のメタルコートロールの製造方法。

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