JP5506141B2 - 耐候性鋼のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具およびその製造方法ならびにそれを用いた耐候性鋼の素地調整方法 - Google Patents
耐候性鋼のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具およびその製造方法ならびにそれを用いた耐候性鋼の素地調整方法 Download PDFInfo
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- Polishing Bodies And Polishing Tools (AREA)
Description
具体的には、さび除去および素地調整に優れた回転研削工具およびその製造方法ならびにそれを用いたさび除去および素地調整方法に関する。
ちなみに非特許文献1によると動力工具の組み合わせによる耐食低合金鋼材の厚いさび除去工程は、いずれも塗装下地処理としては不十分と評価されるに至っている。そのため、密着さびの除去にはブラスト法を用いることが標準として提案されている。しかしながら、一般のブラスト法は騒音が大きい上に粉塵を撒き散らすため、環境への配慮から、今後は使いにくいといわれている。また、動力工具による処理に比べ装置が大掛かりであり高コストである点も問題視されている。改良されたブラスト法として、例えば真空ブラスト法と呼ばれる方法がある。研掃と同時にブラスト粒子や粉塵を真空吸引する方法であるが、装置がさらに大掛かりなものとなり、結果として処理コストの増大を招いてしまう。研掃材にスポンジ状の樹脂と硬質粒子が混合されたものを用いるスポンジブラスト法もあるが、研掃材寿命が短く、結果的に高コスト化してしまう。
(1)回転駆動装置の回転軸に取付けるための中心部の取付部および研削盤面と研削周面で構成される研削面を有する金属回転盤からなる回転研削工具であって、金属回転盤の研削面の一部または全部に、20個/cm2以上の面密度となるようモース硬度9を超える硬質粒子が蝋付け接合され、この硬質粒子と蝋材により形成された突起部の高さをH、直径をDとしたとき、平均Hは300μm以上、平均H/D比は0.3以上であって、突起部の硬質粒子に外接する仮想球を用いて蝋材の表面から露出している硬質粒子の露出表面積を求めたとき平均露出表面積率が10%以上であり、かつ前記金属回転盤が160〜900gの質量を有し、前記蝋材はチタン、クロムおよびジルコニウムのうち1種以上を0.5質量%以上含有し、前記モース硬度9以上の硬質粒子の平均粒子径が200μm以上1000μm以下、平均シェア強度が20N/個以上であることを特徴とする、耐候性鋼のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具。
(2)前記モース硬度9以上の硬質粒子が平均粒子径200μm以上1000μm以下のダイヤモンドまたはキュービックボロンナイトライドであり、前記金属回転盤の材質がステンレス鋼であることを特徴とする(1)に記載の耐候性鋼のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具。
(3)研削盤面と研削周面で構成される前記の金属回転盤の研削面に、研削盤面は研削盤面の法線と回転中心軸とのなす角度が1°以上45°以下となる部分を有し、研削周面は、回転中心に平行な断面の曲率半径がR1mm以上R10mm以下となる部分を有することを特徴とする(1)〜(2)のいずれか1つに記載の耐候性鋼のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具。
(4)前記金属回転盤の円周部から中心部に向って、中心対象に、偶数個の切れ込みを設けたことを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1つに記載の耐候性鋼のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具。
(5)前記金属回転盤の直径が50mm以上であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1つに記載の耐候性鋼のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具。
本発明の素地調整とは、物質表面の状態や形態を望ましい状態に調整することを言う。
また、本発明の回転研削工具は、回転研削工具の取付部を電動回転など回転駆動装置を有する研削工具或いは研削装置の回転軸に取り付け、回転させることによりさび除去及び塗装下地処理としての素地調整を行うものである。回転駆動装置を有する研削工具或いは研削装置としては、ディスクグラインダーが一般的であり、その他にアームの先端に回転駆動装置を設けた移動式の研削装置、ロボットアームの先端に回転駆動装置を設けた研削装置などにも適用できることはいうまでもない。
図1に示すように、回転研削工具1は、金属回転盤の表面に突起部5が形成された研削盤面3と研削周面4とから構成された研削面2と、金属回転盤の中心部に設けられた取付部を備えている。この取付部6は、回転研削工具1を研削工具或いは研削装置の回転駆動装置の回転軸(図示せず)に取り付けるためのものである。この取付部は、図1の例では、取付孔として示されており、回転駆動装置の回転軸に係合するようにしているが、この例に限らず、取付部6を回転駆動装置の回転軸の孔と係合する回転軸を備えるようにし、取付部の軸を回転駆動装置の回転軸の孔と係合させても良いことはいうまでもない。
図2(a)から判るように突起部5は、金属回転盤1’の研削面2’において、蝋材9とモース硬度が9超の硬質粒子7とにより、金属回転盤の表面から突出するように形成されている。すなわち、モース硬度が9超の硬質粒子7は研削材として機能するものであり、蝋材9により金属回転円盤1’に接合されている。この硬質粒子7は、その一部7a(硬質粒子の露出部)が蝋材の表面から露出し、残りの部分7b(硬質粒子の埋没部)が蝋材の内部に埋没して接合されている。仮想球8は、後述するように、硬質粒子の露出表面積部分の割合(露出表面積率)を規定するためのものである。すなわち、仮想球は硬質粒子7の凸部の1つ以上、好ましくは3以上が外接するように仮想した球体である。
すなわち、図2(a)(b)に示すように、突起部の直径Dは、平面視において、計測する突起部5の頂点を通過し隣接する2以上の突起部を含む線分lにおいて切断し、得られた断面形状曲線の凹部の底部a,bを結ぶ線分の長さとする。なお、1つの突起部に対して2本以上の線分で測定し、その平均値としても良い。また、突起部の高さHは、上記の線分lにより切断した断面での凹部の底部a,bのいずれか低い方から突起部の頂点cまでの垂直方向の長さとする。なお2本以上の線分で切断した断面で測定しその平均値としても良い。
本発明において、突起部の形状を規定する平均Hおよび平均H/D比は、研削面の5mm×5mm(0.25cm2)の大きさの任意の4つの範囲に含まれる各突起部について、上述の方法でD,Hをそれぞれ測定し、それらの平均値を平均D、平均Hとし、平均D、平均Hを用いて平均H/Dを算出することが好ましい。
なお、この面密度は、任意の10mm×10mmの範囲内に存在する突起部の数を測定することにより求めることができる。
本発明において、突起部の硬質粒子の平均露出表面積率は、研削面の10mm×10mm(1cm2)の範囲に存在する任意の20個以上の各突起部について、上述の方法で露出表面積率を算出し、それらの平均したものを平均露出表面積率とする。
その中で、融点なども考慮してニッケルベースの蝋材(例えば、BNi−1,BNi−1A,BNi−2,BNi−5,BNi−7など)が多く用いられる。ダイヤモンド或いはキュービックボロンナイトライドなどの硬質粒子と接合性を向上させるために、チタン、クロム及びジルコニウムの1種以上を0.5質量%以上添加した蝋材を用いることが好ましい。
また、蝋材にチタン、クロムおよびジルコニウムのうち1種以上を0.5質量%以上含有する蝋材を用い、金属回転盤の材質にステンレス鋼を用いると、金属回転盤へのモース硬度9以上の硬質粒子の接合強度が高まる。これは、硬質粒子および金属回転盤と蝋材との各接合界面において冶金学的反応が起こり、中間相が形成するためである。この材料的組み合わせは、後述するモース硬度9以上の硬質粒子のシェア強度として20N/個以上を実現するのに有効に作用する。チタン、クロム、ジルコニウムの1種以上を含有するニッケル蝋材を用いてダイヤモンドまたはキュービックボロンナイトライドの硬質粒子を堅牢に接合するためには、蝋材と金属基材との接合強度も高める必要があるがチタン、クロムおよびジルコニウムの1種以上を含有するニッケル蝋材は、ステンレス鋼との相性がよく、合金化して堅牢な接合が得られる。金属回転盤の材質にSUS304などのオーステナイト系ステンレス鋼を用いると、接合の堅牢性も上がり、さらに、厚いさびを除去する作業は、塩害環境におかれた鋼材上でおこなわれることが多いので、工具自体の耐食性を確保する点からも有利である。
なお、先に説明したように、回転研削工具1は、基板である金属回転盤1’の研削面2となる研削面2’にモース硬度が9超の硬質粒子7と蝋材9により突起部5が形成されて構成されている。図3〜図5において示すように、回転研削工具1の金属回転盤1’は、研削盤面3’と研削周面4’からなる研削面2’を有する円盤であり、その中央部には、回転研削工具としてこれを回転駆動させる駆動装置の回転軸(図示せず)に取り付けるための取付部6’が設けられている。このように、図3〜図5においては、研削工具1の基材として金属回転盤を示すものとして、研削工具の符号1〜5に対応させた符号、1’〜5’として示し、説明している。なお、研削面を構成する研削盤面と研削周面の区分は、一応便宜的に設定しているものであり、回転研削工具周端からおおむね10〜15mmの範囲を研削周面とし、残る研削面を研削盤面として扱えばよい。
研削盤面3’と研削周面4’で構成される前記の金属回転盤の研削面2’のうち、研削盤面3’の法線Xと回転中心軸Yとのなす角度θは、0°であっても良いが、図3(b)、図4(b)、図5(b)から判るように、本発明の(3)に記載するように1°以上45°以下となる部分を有するようにすることが好ましい。これは、作業者が扱いやすい形状として作業効率と安全性を高めるためである。すなわち、例えば、市販のディスクグラインダー駆動装置の全体的形状を考慮しつつ、作業者が楽に大面積の鋼構造物に生じた厚いさびの除去を行えるようにするためには、研削盤面部3’の法線Xと回転中心軸Yとのなす角度θが0°となる面ばかりだと、被研削面に対し作業者が電動工具を傾斜させて保持することができなくなり作業効率が低下し、また危険性も増すからである。一方、θが45°を超える面ばかりにすると、ディスクグラインダーの扱いが困難となり、作業効率および安全性が低下する。
また、金属回転盤の研削盤面3’と研削周面4’との境界近傍が鋭角的な断面形状であっても良いが、好ましくは、両者間の境界近傍にR1mm以上R10mm以下の断面曲率がある部分を有するものとする。これは、研削周面4’と研削盤面3’との境界近傍の断面曲率が全部R1mm未満だと厚いさびに切り込みが入りやすくなりすぎて面的な破壊効率が低下し、逆に、全てがR10mmを超えるものであると研削工具の円周部を使った厚いさびへの切り込み作業の効率が低下するためである。効果的な範囲としてはR3〜R7mmが望ましい。
本発明の(4)に記載のように、金属回転盤の円周部から中心対称に切れ込みを設けるのは、厚い層状さびへの衝撃力を高めるためである。これによりハンマーで厚いさびを粗く落とす作業を軽減ないしは不要にできる。切れ込みの数は奇数個でも良いが、高速回転する本発明の回転研削工具が、作業中にバランスを崩さないよう、中心対象に偶数個配置するのが好ましい。切れ込み10の形状は任意に設定できるが、回転する金属製円盤の質量バランスを考慮して、同一形状のものを偶数個配備するのが良い。
金属回転盤の質量を160g以上とすることにより、厚いさびへの衝撃力を高めることができる。回転研削工具の回転数は、ディスクグラインダー駆動装置の動力部の仕様で決定されるが、衝撃力は回転研削工具の質量に依存するため、質量は大きければ大きいほうが効果的となる。しかしながら、金属回転盤の質量が900gを超えると、回転モーメントが高まって、作業者が回転研削工具の向きを変化させづらくなるので作業者が扱う場合は、これを上限として設定するのが良い。最も扱いやすい質量は、250gから750gの範囲である。しかしながらロボット等の機械的保持装置に取付けて作業させる場合においては、上限を設定する必要はない。
すなわち、これは、市販のディスクグラインダー駆動装置やハンドドリル駆動装置等の電動回転装置に装着して作業が行えるようにするためである。直径が50mm未満だと市販の電動回転装置に取り付けることが難しくなると同時に、大きな面積に広がる厚いさびを効率的に除去することが難しくなる。これにより、市販の電動回転装置への装着を可能となるので、現場でハンディに塗装下地処理作業が行え、大掛かりなブラスト装置等を用いる必要がなくなる。なお、市販のディスクグラインダー駆動装置に取り付ける場合、最も一般的で使いやすい金属回転円盤の直径は、90〜115mmであり、100mmが標準的である。また、市販のディスクグラインダー駆動装置の仕様によっては、金属回転盤の直径180mmまたはそれ以上のものも適用可能である。ロボット等の機械的に保持される回転駆動装置に取付ける場合は、さらに効率化のためより大きな金属回転盤を用いることもできる。
被削鋼材面に例えばモース硬度10のダイヤモンドが高速で衝突すると、ダイヤモンドが熱疲労で破壊を起こすことが多いが、従来はこの対策が十分ではなく、硬質粒子(砥粒)が根こそぎ脱離してしまうため、鋼面への作業を行うと短寿命となってしまっていた。しかしながら、硬質粒子の平均シェア強度20N/個とすれば、硬質粒子が熱疲労破壊しても接合部に硬質粒子(ダイヤモンド)の根が突起部に残留し、研削作業を継続することができる。すなわち、このシェア強度は、突起部での硬質粒子と蝋材との接合強度を評価するものである。シェア強度の測定は、硬質粒子が蝋付けされた金属回転盤をステージ上に保持し、ロードセルに接続された超硬のつめ状ツールを用いて硬質粒子の露出部を保持し、ステージに横方向から荷重をかけて、硬質粒子が離脱した時の荷重を求めることによって行われる。例えば、測定装置として、レスカ社製ボンディングテスタを用いればシェア強度の測定が行える。
本発明において、平均シェア強度は、10mm×10mm(1cm2)の範囲の存在する任意の20個以上の突起部について、上述の方法で各突起部の硬質粒子のシェア強度を測定し、それらの平均したものを平均シェア強度とすることが好ましい。
実施例1
図1に示すような回転研削工具について、突起部を形成する硬質粒子の種類、平均粒径、面密度、H/D、硬質粒子の露出率を変化させ、回転研削工具の研削性能を調査した。
回転研削工具としては、図3に示すような切込みのないSUS304の直径100mmの金属回転盤(質量290g)を用いた。研削面となる金属回転盤の表面に、BNi−1,BNi−1A,BNi−2、BNi−7のいずれかの蝋材粉末に有機バインダーとしてポリビニールアルコールを加えたペーストを塗布し、この上に、表1に示した平均粒径の硬質粒子を所定の面密度となるように付与し、10-5torrの減圧下で、1020℃で30分保持し、硬質粒子を金属回転盤の表面に接合して突起部を形成し、回転研削工具とした。
突起部の形状は、触針式3次元形状測定機(表面粗さ計)(東京精密サーフコム575A−3D)を用いて測定しH,Dを得た。また、硬質粒子の露出表面積率は、顕微鏡や拡大鏡などで突起部を観察し、硬質粒子の露出部直径の硬質粒子の直径に対する比率を求め、硬質粒子径を直径とする外接近似仮想球の表面積を数値積分することにより算出した。表1に示したH/D値は、代表的な部分から任意に選択した0.25cm2の3つの面の中の突起物についてH値およびD値を求め、それらを平均してH/D値を求めた。面密度は、代表的な部分から任意に選択した1cm2の面の中の突起部の個数を数えることにより求めた。硬質粒子の露出表面積率およびシェア強度は、任意の1cm2の研削面の代表的な突起物20個を任意に選択し、前述の測定および評価をおこなって得た値を平均して求めた。回転研削工具の突起部の性状を表1に示す。回転研削工具の突起部の性状を表1に示す。
次にこの回転研削工具について研削性能を評価した。この回転研削工具の研削性能の評価方法は、塩水散布を半年間行って約2mm程度の厚さの層状さびが生成した耐候性鋼(JIS G3114 SMA490)の試験材を対象とし、上記の回転研削工具をディスクグラインダー駆動装置に取付け、作業者によってこの試験材のさびを除去し、1m2のISO−Sa2相当の素地表面を得るための作業時間によった。その結果を表1に示す。
回転研削工具において、金属回転盤の質量および金属回転盤のスリットの有無による研削性能(作業時間の差異)への影響を調査した。金属回転盤は直径が100mmのSUS304とし、突起部は、硬質粒子として平均粒子径が500μmの工業用ダイヤモンドを、蝋材として82.5質量%Ni−7質量%Cr−3質量%B−4.5質量%Si−3質量%Fe合金(BNi−2)の粉末とポリビニルアルコールを主成分とする有機バインダーとからなるペーストを用いて金属回転盤に付着させ、10-5torrの減圧下、1020℃に30分保持して、減圧蝋付け接合した。これをディスクグラインダーの駆動装置に取り付け、作業者により試験材を研削した。なお、得られた各回転研削工具の研削面の性状は、いずれも表1に示した実施例1における本発明4と同様であった。すなわち、比較5、6および本発明9〜17の回転研削工具の研削面の性状は、平均粒子径:500μm、面密度:100個/cm2、平均H:1100μm、平均H/D:0.6、硬質粒子の平均露出表面積率50(%)、平均シェア強度36(N/個)であり、金属回転盤の質量と金属回転盤のスリットの有無のみが異なっている。研削性能を評価するための試験材および評価の方法は、実施例1の場合と同じとしたが、さらに、この回転研削工具をグラインダー駆動装置に取り付けて作業者が研削作業した場合の操作性についても評価した。評価は、×不安定。△:使用可能である。○:良好、◎:極めて良好、とした。その結果を表2に示す。
また、金属回転盤の円周部にスリットを付与すると、作業効率が向上する。1m2あたりの時間で見ると効果が小さい様に見えるが、実構造物となると巨大な面積を作業することになるため、この差は小さくない。総合的に見ると、この実施例の中では本発明13の回転研削工具が最良であることが判る。
また、本発明の回転研削工具の代表的なものについて、使用性能を定性的に評価した。すなわち、塗装下地処理としての厚いさび除去しうる種々の研削工具に対する作業者の定性的評価を、表1に示した本発明4、本発明8および、表2に示した本発明13(研削面の性状は本発明4と同じで、金属円盤のスリットの数及び重量が本発明4と異なる)の研削工具と従来の研削工具(比較7〜17)の場合とで比較した。研削性能を評価するための試験材は、実施例1の場合と同じとしたが、評価は、厚いさびの破壊状況、固着さびの除去状況、作業の安全性、作業効率、騒音の発生程度、粉塵の発生程度に関して行い、さらにこれらを総合評価した。評価の程度は、◎極めて良好、○良好、△改善が必要、×問題が多い、とした。その結果を表3に示す。
また、本発明の回転研削工具の代表的なものについて、作業効率を確認した。すなわち、ISO−Sa2相当のメタル素地面を得るための作業速度を従来からの研削工具を組み合わせた場合(比較18〜23)と表1に示した本発明4および表2に示した本発明13(研削面の性状は本発明4と同じで、金属円盤のスリットの数及び重量が本発明4と異なる)の研削工具を用いた場合とで比較した。評価のために処理した試験材は、実施例1の場合と同じである。その結果を表4に示す。
1’ 金属回転盤(回転研削工具の基材)
2,2’ 研削面
3,3’ 研削盤面
4,4’ 研削周面
5 突起部
6,6’ 取付部
7 硬質粒子
7a 硬質粒子(露出部)
7b 硬質粒子(埋没部)
8 硬質粒子の外接近似仮想球
9 蝋材
10 切れ込み
a,b 凹部の底部
c 突起部の頂点
l 突起部の頂点を通る線分
Claims (7)
- 回転駆動装置の回転軸に取付けるための中心部の取付部、および研削盤面と研削周面とから構成される研削面を有する金属回転盤からなる回転研削工具であって、金属回転盤の研削面の一部または全部に、20個/cm2以上の面密度となるようモース硬度9を超える硬質粒子が蝋付け接合され、この硬質粒子と蝋材により形成された突起部の高さをH、直径をDとしたとき、平均Hは300μm以上、平均H/D比は0.3以上であって、突起部の硬質粒子に外接する仮想球を用いて蝋材の表面から露出している硬質粒子の露出表面積を求めたとき、平均露出表面積率が10%以上であり、かつ前記金属回転盤が160〜900gの質量を有し、前記蝋材はチタン、クロムおよびジルコニウムのうち1種以上を0.5質量%以上含有し、前記モース硬度9以上の硬質粒子の平均粒子径が200μm以上1000μm以下、平均シェア強度が20N/個以上であることを特徴とする耐候性鋼のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具。
- 前記モース硬度9以上の硬質粒子がダイヤモンドまたはキュービックボロンナイトライドであり、前記金属回転盤の材質がステンレス鋼であることを特徴とする請求項1に記載の耐候性鋼のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具。
- 研削盤面と研削周面で構成される前記の金属回転盤の研削面に、研削盤面は研削盤面の法線と回転中心軸とのなす角度が1°以上45°以下となる部分を有し、研削周面は、回転中心に平行な断面の曲率半径がR1mm以上R10mm以下となる部分を有することを特徴とする請求項1〜2のいずれか1項に記載の耐候性鋼のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具。
- 前記金属回転盤の円周部から中心部に向って、中心対象に、偶数個の切れ込みを設けたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の耐候性鋼のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具。
- 前記金属回転盤の直径が50mm以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の耐候性鋼のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具の製造方法であって、金属回転盤の研削面に、モース硬度9を超える硬質粒子の平均粒子径が200μm以上1000μm以下であり、該平均粒径の20〜60%の厚さとなるように、有機バインダーを混ぜた蝋材粉末を塗布し、前記蝋材粉末はチタン、クロムおよびジルコニウムのうち1種以上を0.5質量%以上含有し、その上にモース硬度9を超える硬質粒子を20個/cm2以上の面密度となるように付与し、10-4Torr以下の減圧下で、1000℃以上1040℃以下の温度に10分以上50分以下保持することを特徴とする耐候性鋼のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のさび除去および素地調整に優れた回転研削工具を用いて、耐候性鋼のさびの研削を行うことを特徴とする耐候性鋼の素地調整方法。
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