JP6433199B2 - ブラスト加工装置及びブラスト加工方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ブラスト加工装置及びブラスト加工方法に関する。

従来、航空機等の部品の材料として用いられるガラス繊維強化プラスチック(GFRP: Glass fiber reinforced plastics)や炭素繊維強化プラスチック(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics)等の複合材を塗装又は接着する場合には、前処理として複合材表面のブラスト加工が行われる。

特に航空機用の外板（パネル）等の部品はサイズのオーダがメートル単位であり、非常に大きい。このため、多関節アームを備えた従来のブラスト加工装置でブラスト加工を行おうとすると、極めて長い大規模なアームを準備することが必要となる。

そこで、サイズの大きいワークや形状が複雑なワークを対象としてフレキシブルにブラスト加工を行うことができるように、ブラスト加工のメディアを噴射させるためのノズルと、ワークとの相対位置をスライド機構によって移動させるようにしたブラスト加工装置が考案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−２１５８２６号公報

本発明は、より良好な条件でブラスト加工を行うことが可能なブラスト加工装置及びブラスト加工方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係るブラスト加工装置は、ノズル、第１のタンク、移動機構及び第２のタンクを備える。ノズルは、ワークに向けて前記ワークの塗装又は接着前における表面の活性化を目的とするブラスト加工用のメディアを圧縮空気によって噴射する。第１のタンクは、前記ノズルと第１のホースで連結され、前記ノズルに前記圧縮空気によって前記メディアを供給する。移動機構は、前記ノズル及び前記第１のタンクを鉛直方向及び水平方向を含む複数の軸方向に移動させる。第２のタンクは、着脱機構を有する第２のホースであって、前記ワークに向けて前記メディアを噴射するために前記移動機構で前記ノズル及び前記第１のタンクを移動している間は取外される前記第２のホースで前記第１のタンクと連結され、前記第１のタンクに前記メディアを供給し、前記移動機構によって移動しない。
また、本発明の実施形態に係るブラスト加工方法は、着脱機構を有するホースで第１のタンクと第２のタンクを連結し、前記第１のタンクに前記第２のタンクから前記ワークの塗装又は接着前における表面の活性化を目的とするブラスト加工用のメディアを供給するステップと、前記第１のタンクへの前記第２のタンクからの前記メディアの供給後に、前記着脱機構を有するホースを取外すステップと、前記着脱機構を有するホースを取外した後に、前記第１のタンク及びノズルを鉛直方向及び水平方向を含む複数の軸方向に移動させながら前記ノズルに前記第１のタンクから長さが一定のホースを介して圧縮空気によって前記メディアを供給し、供給された前記メディアを前記圧縮空気によってワークに向けて噴射することにより被ブラスト加工品を製造するステップとを有するものである。

本発明の実施形態に係るブラスト加工装置の正面図。 図１に示すブラスト加工装置の加工エリアにおける上面図。 図１に示す不純物分離部の詳細構成例を示す図。 図１に示すブラスト加工装置によるブラスト加工の流れの一例を示すフローチャート。

本発明の実施形態に係るブラスト加工装置及びブラスト加工方法について添付図面を参照して説明する。

（構成および機能）
図１は本発明の実施形態に係るブラスト加工装置の正面図であり、図２は図１に示すブラスト加工装置の加工エリアにおける上面図である。

ブラスト加工装置１は、所望の材質で構成されるワークＷを対象として所望の目的を有するブラスト加工を行う装置である。ここでは、CFRPやGFRP等の複合材で構成されるワークＷの塗装又は接着前における表面の活性化を目的とするショットブラスト加工を行う場合について説明するが、他の目的でブラスト加工を行う場合においても同様な方法でブラスト加工を行うことができる。

複合材で構成されるワークＷの塗装又は接着前における表面の活性化を目的とするブラスト加工を行う場合には、粒体のメディア（投射材）ＭをワークＷに衝突させて表面を粗面化することによって、塗料や接着剤の濡れ性の向上が図られる。複合材を対象とするブラスト加工用のメディアＭとしては、セラミックス等の硬質粒子が代表的である。より具体的には、アルミナ、シリカ、炭化ケイ素、ジルコニア粒子等のセラミックス粒子をブラスト加工用のメディアＭとして用いることができる。

ブラスト加工装置１は、ブラスト噴射部２、第１のタンク３、移動機構４、第２のタンク５及び循環システム６を有する。

ブラスト噴射部２は、ワークＷに向けてメディアＭを噴射するノズル７と、ノズル７をワイパーのように円弧状の軌跡に沿って揺動させるノズル揺動部８とを有する。図示された例では、２つのノズル７がブラスト噴射部２に設けられている。また、２つのノズル７を揺動させるためのリンク機構がノズル揺動部８として設けられている。但し、ノズル揺動部８を省略してもよい。

第１のタンク３は、各ノズル７にメディアＭを供給するための貯留タンクである。第１のタンク３と各ノズル７との間は、長さが一定の第１のホース９で連結することが適切である。各ノズル７は、第１のタンク３の他、圧縮空気を生成して供給するエア供給系１０とエア供給ホース１１によって連結される。エア供給ホース１１は、典型的には、第１のホース９と接続される。このため、エア供給系１０からエア供給ホース１１を介して供給される圧縮空気によって、各ノズル７からメディアＭを噴射することができる。尚、メディアＭが第１のタンク３外に放出されないように第１のタンク３内にフィルタ１２を設けることが望ましい。

一方、第２のタンク５は、第１のタンク３にメディアＭを供給するための貯留タンクである。第１のタンク３と第２のタンク５との間は、望ましくはカプラ等の着脱機構１３Ａを有する第２のホース１３で連結される。これは、第１のタンク３と第２のタンク５との間を着脱機構１３Ａを有する第２のホース１３で連結すれば、第２のタンク５から第１のタンク３へのメディアＭの供給時以外は干渉防止のため第２のホース１３を取外すことができるためである。

移動機構４は、各ノズル７及び第１のタンク３を移動させる機能を有する。また、ワークＷを設置するためのテーブル１４を移動機構４によって移動できるようにしてもよい。但し、第２のタンク５は、移動機構４によって移動しない。図示された例では、移動機構４は、ブラスト噴射部２及び第１のタンク３を固定する保持部１５と、保持部１５をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸方向に移動させる駆動機構１６とを有している。すなわち、移動機構４は、ブラスト噴射部２及び第１のタンク３を保持部１５に固定して駆動機構１６で水平方向及び鉛直方向に移動させるゴンドラ式の移動機構４である。

但し、ブラスト噴射部２及び第１のタンク３を単一又は複数の所望の軸方向に移動させることが可能な構造であれば、移動機構４の構造は任意である。従って、移動機構４は、リンク機構、スライド機構、多関節アーム等の様々な構成要素を用いて構成することができる。実用的な例として、各ノズル７をワークＷに対して所望の方向にチルトできるようにすることができる。

また、第１のタンク３の容量を、第２のタンク５の容量よりも小さくすることが移動機構４の規模の簡易化の観点から望ましい。すなわち、第２のタンク５に十分な量のメディアＭを貯留しておき、ブラスト加工に必要な量のメディアＭを第１のタンク３に随時供給するようにすれば、第１のタンク３のサイズを小型にすることができる。その結果、保持部１５及び移動機構４に要求される剛性を減らすことができる。

循環システム６は、噴射後のメディアＭを回収して第２のタンク５及びブラスト噴射部２に供給するシステムである。循環システム６は、例えば、落下したメディアＭを回収するダクト１７、ダクト１７の出口から排出されたメディアＭを第２のタンク５まで移動させる回収ホース１８及び回収ホース１８内においてメディアＭを移動させるための空気の流れを形成する送風機１９によって構成することができる。また、ダクト１７には、メディアＭを振い落とすための振動装置２０を設けてもよい。この他、循環システム６には、図示されるようにメディアＭを搬送するベルトコンベア２１等の所望の装置を用いることもできる。尚、送風機１９は、循環システム６に限らず、メディアＭの経路上の任意の位置に必要に応じて設けることができる。

噴射後のメディアＭを再利用する場合には、特に、粒度範囲（平均粒径の範囲）を表す呼び番号が100番（#100）のアルミナを使用することがメディアＭの回収率の向上に寄与する。#100のアルミナは粒度範囲が106μmから150μmのアルミナの粒子である。

#100のアルミナは、従来、複合材のブラスト加工用のメディアとして好適であると考えられてきた粒度範囲が53μmから90μmの#180のアルミナに比べて平均粒径が大きい。従って、#100のアルミナを使用すれば、#180のアルミナを使用する場合に比べて、湿気を帯びたセラミックス粒子同士が固まり、メディアの経路において目詰まりが生じる事態を良好に防止することができる。

例えば、第１のタンク３内に設けられるフィルタ１２におけるメディアＭの目詰まりを防止することができる。その他、様々な部位に設けられるフィルタにおけるメディアＭの目詰まりについても防止することができる。その結果、第１のタンク３、第１のホース９、第２のタンク５及び第２のホース１３を含むメディアＭの経路上における構成要素の構造を簡易にすることができる。また、メディアＭの経路上におけるフィルタの交換回数や各構成要素の清掃回数を減らすこともできる。これにより、メディアＭの経路上における構成要素のメンテナンスも容易となる。

加えて、#100のアルミナの重量は、#180のアルミナの重量よりも大きい。このため、#100のアルミナのダクト１７外への飛散量は#180のアルミナのダクト１７外への飛散量よりも少ない。つまり、#100のアルミナをメディアＭとして使用すれば、#180のアルミナを使用する場合に比べて、噴射にダクト１７に向かって落下するメディアＭの量を増やすことができる。その結果、メディアＭの回収率を向上させることができる。

また、アルミナに限らず、粒度範囲が106μmから150μmのセラミックス粒子であれば、メディアＭの経路における目詰まりを防止できると考えられる。加えて、粒度範囲が106μmから150μmのセラミックス粒子であれば、ダクト１７に向かって落下させるために十分な重量が得られると考えられる。従って、粒度範囲が106μmから150μmのアルミナ又はアルミナ以外のセラミックス粒子をメディアＭとして使用することが好適である。

循環システム６には、更に、回収されたメディアＭに含まれる不純物及び粒度が小さくなったメディアＭの少なくとも一方を除去する不純物分離部２２を設けることができる。不純物分離部２２は、サイクロン分離器（粉体分離器）２３及び振動ふるい機２４の少なくとも一方で構成することができる。但し、不純物分離部２２を、サイクロン分離器２３及び振動ふるい機２４の双方で構成することが、メディアＭからの良好な不純物の分離能を確保する観点から好適である。

図３は、図１に示す不純物分離部２２の詳細構成例を示す図である。

図３に示すようにサイクロン分離器２３の後段に振動ふるい機２４を連結することによって不純物分離部２２を構成することができる。

サイクロン分離器２３は、メディアＭ及び不純物等の粉体を含む空気を円筒２３Ａの内部に流し込んで空気の渦を形成し、遠心力を利用することによって空気中の粉体を分離する遠心分離器である。サイクロン分離器２３にメディアＭ及び不純物等の粉体を含む空気が導かれると、ブラスト加工によって複合材から削り取られた樹脂の粉塵や細かくなったメディアＭ等の重量が軽い粉体については空気とともに上方に排出される。一方、遠心力によってサイクロン分離器２３内の壁面に衝突したメディアＭ等の重量の重い粉体は、重力の作用で落下する。その結果、空気中におけるメディアＭ等の重量の重い粉体を選択的に回収することができる。

サイクロン分離器２３で、メディアＭと樹脂の粉塵とを良好に分離するためには、メディアＭの重量と、樹脂の粉塵の重量との差を大きくすることが重要である。従って、複合材から脱落する樹脂の粉塵に対して閾値以上又は閾値を超える重量差を有するメディアＭをワークＷに向けて噴射することが適切である。メディアＭと樹脂との間における重量差を決定するための閾値は、ブラスト加工試験を行って実験的に決定することができる。

実際にブラスト加工試験を行ったところ、CFRP等の複合材を対象としてブラスト加工を行う場合には、#100のアルミナをメディアＭとして使用することが、湿気による目詰まりの防止、ダクト１７外への飛散量の低減化によるメディアＭの回収率の向上並びに樹脂の削り屑との良好な分離の観点から好ましいことが確認できた。これは、アルミナ以外のセラミックス粒子であっても、粒度範囲が106μmから150μmであれば、樹脂の削り屑との重量差が十分に得られることから同様であると考えられる。

サイクロン分離器２３で、樹脂の切屑等の重量が軽い不純物が除去された一定量のメディアＭが回収されると、回収後のメディアＭが振動ふるい機２４に入れられる。

振動ふるい機２４は、振動体２４Ａでふるい２４Ｂ、２４Ｃを振動させることによって粒径の異なる粉体を分離する装置である。典型的な振動ふるい機２４では、モータ２４Ｄの回転がベルト２４Ｅを介して駆動スプリング２４Ｆに伝達されることによって振動体２４Ａとともにふるい２４Ｂ、２４Ｃが振動するように構成されている。

特に、目のサイズが異なる２枚の網を備えた２段式の振動ふるい機２４を用いれば、特定の粒度範囲を有するメディアＭを選別することが可能となる。

具体例として、#100のアルミナ等の粒度範囲が106μmから150μmのセラミックス粒子をメディアＭとして使用する場合であれば、粒度範囲が106μmから150μmのセラミックス粒子を選択的に抽出する振動ふるい機２４を不純物分離部２２に設ければよい。すなわち、粒度範囲が106μmから150μmの粒子を選別できるように、150μmよりも目が粗い第１のふるい２４Ｂの下に106μmよりも目が細かい第２のふるい２４Ｃを配置した２段式の振動ふるい機２４を用いることができる。

このような振動ふるい機２４を用いれば、メディアＭの粒度範囲よりも粒度が粗い不純物を第１のふるい２４Ｂで分離する一方、粒度が小さくなったメディアＭ等の、メディアＭの粒度範囲よりも粒度が細かい不純物を第２のふるい２４Ｃで分離することができる。これにより、適切な粒度範囲を有し、かつ純度の高いメディアＭを取得して、ブラスト加工に再利用することが可能となる。

（動作および作用）
次にブラスト加工装置１を用いたブラスト加工方法について説明する。

図４は、図１に示すブラスト加工装置１によるブラスト加工の流れの一例を示すフローチャートである。

まずステップＳ１において、第２のタンク５が#100のアルミナ等のメディアＭで充填される。次に、ステップＳ２において、第２のタンク５から第２のホース１３を介して第１のタンク３にメディアＭが供給される。次に、ステップＳ３において、第１のタンク３と第２のタンク５との間における第２のホース１３が取外される。これにより、ブラスト加工の準備が完了する。このため、ブラスト加工の対象となるワークＷを設置することができる。

次に、ステップＳ４において、移動機構４の駆動機構１６は、ブラスト噴射部２及び第１のタンク３を固定した保持部１５を、ワークＷのブラスト加工位置に応じて移動させる。更に、ノズル揺動部８が駆動し、２つのノズル７が左右に揺動する。一方、エア供給系１０からエア供給ホース１１を介して第１のホース９に圧縮空気が供給される。これにより、第１のタンク３から第１のホース９を介して揺動中の２つのノズル７に供給される。そして、揺動中の２つのノズル７からそれぞれメディアＭがワークＷに向けて噴射される。この結果、ワークＷの表面にブラスト加工が施される。

ワークＷのブラスト加工は、ノズル揺動部８によるノズル７の揺動に限らず駆動機構１６によるブラスト噴射部２の移動中においても実行することができる。すなわち、駆動機構１６によって第１のタンク３及びノズル７を移動させながら第１のタンク３からノズル７にメディアＭを供給し、供給されたメディアＭをワークＷに向けて噴射することができる。このため、航空機部品のようにサイズが大きなワークＷを対象としてメディアＭの噴射位置を変えながら連続的にブラスト加工を行うことができる。

しかも、第１のタンク３と各ノズル７との間は、長さが一定の第１のホース９で連結されている。このため、第１のタンク３と各ノズル７との間におけるメディアＭの経路の長さが一定となっている。従って、ブラスト噴射部２の移動中において常に同等な圧力でメディアＭを噴射することができる。

一方、第１のタンク３と第２のタンク５との間における第２のホース１３については、ブラスト加工前に取外されている。すなわち、第１のタンク３と第２のタンク５との間におけるメディアＭの経路は、第１のタンク３への第２のタンク５からのメディアＭの供給後から第１のタンク３及びノズル７の移動前までに非接続状態とされる。従って、第１のタンク３が移動しても第２のホース１３の干渉は回避される。

ノズル７の揺動及びブラスト噴射部２の移動によって、ワークＷの全ての噴射位置に対してメディアＭを必要な回数だけ噴射すると、ブラスト加工後における複合材として被ブラスト加工品を製造することができる。このため、ブラスト加工後の被ブラスト加工品はブラスト加工装置１から取出される。

次に、ステップＳ５において、循環システム６により噴射後のメディアＭが回収される。図１に示す構成を有するブラスト加工装置１の場合であれば、振動装置２０がダクト１７を振動させる。これにより、ダクト１７上に落下したメディアＭがダクト１７の出口から回収ホース１８に排出される。一方、送風機１９が回転し、回収ホース１８内のメディアＭが移動する。

次に、ステップＳ６において、不純物分離部２２により、回収されたメディアＭに含まれる不純物及び粒度が小さくなったメディアＭが除去される。不純物等の除去には、サイクロン分離器２３及び振動ふるい機２４を用いることができる。

サイクロン分離器２３では、重量の軽い樹脂の切屑や細かくなったメディアＭ等の不純物をメディアＭから分離することができる。一方、振動ふるい機２４では、適切な粒度範囲を有するメディアＭを選別することができる。特に、#100のアルミナ又は#100のアルミナと粒度範囲が同等なセラミックス粒子をメディアＭとして使用すれば、樹脂の切屑等の不純物との重量差及び不純物との体積差が十分に得られるため、メディアＭから不純物を容易に分離することができる。

次に、ステップＳ７において、不純物及び粒度が小さくなったメディアＭの除去後におけるメディアＭが第２のタンク５に供給される。これにより、回収されたメディアＭが次のブラスト加工用に保存される。

但し、メディアＭの回収率によっては、第２のタンク５に充填されるメディアＭの量が不足する場合がある。その場合には、ステップＳ８において、メディアＭの不足分が第２のタンク５に補充される。第２のタンク５に十分な量のメディアＭが充填されると、ステップＳ９において、第１のタンク３と第２のタンク５との間が第２のホース１３で連結される。これにより、メディアＭの再利用によるブラスト加工の再開が可能となる。

つまり以上のようなブラスト加工装置１及びブラスト加工方法は、ブラスト加工用のメディアＭを貯留するためのタンクを、移動機構４によって移動するブラスト噴射部２の近傍及び移動機構４によって移動しない任意の位置の双方に設け、移動機構４によって移動しない第２のタンク５からブラスト噴射部２の近傍に配置された第１のタンク３に一旦メディアＭを供給してからブラスト噴射部２の移動を伴ってブラスト加工を実行できるようにしたものである。

（効果）
このため、ブラスト加工装置１及び上述したブラスト加工方法によれば、ブラスト加工中にブラスト噴射部２をどの位置に移動させても第１のタンク３から各ノズル７までの距離を常に一定にすることができる。加えて、ブラスト噴射部２がノズル７を揺動させる構造を有する場合であっても、ノズル７の揺動中において第１のタンク３から各ノズル７までの距離を常に一定にすることができる。

従って、メディアＭの噴射圧力を、ブラスト噴射部２及び各ノズル７の位置に関わらず常に一定にすることができる。その結果、安定的なメディアＭの供給及び噴射が可能となる。仮に、第２のタンク５からブラスト噴射部２にメディアＭを直接供給している最中にブラスト噴射部２の高さが変化すると、第２のタンク５とブラスト噴射部２との間における高低差が変化するため、メディアＭの噴射圧力も変化する恐れがある。

これに対して、ブラスト加工装置１及び上述したブラスト加工方法では、ブラスト噴射部２及び第１のタンク３が同一の保持部１５に固定されている。従って、各ノズル７の揺動に伴う僅かな高さの変化を無視すれば、第１のタンク３とブラスト噴射部２との間における高低差が実質的に一定となる。このため、ブラスト噴射部２の移動中であってもメディアＭを安定的に供給することによって、より均一なブラスト加工を行うことが可能となる。特に、サイズが大きいワークＷのブラスト加工を均一に行うことができる。

また、移動機構４によって移動しない第２のタンク５をブラスト加工装置１に設けることによって、循環システム６によるメディアＭの再利用及び第１のタンク３の小型化が容易となる。

以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１ ブラスト加工装置
２ ブラスト噴射部
３ 第１のタンク
４ 移動機構
５ 第２のタンク
６ 循環システム
７ ノズル
８ ノズル揺動部
９ 第１のホース
１０ エア供給系
１１ エア供給ホース
１２ フィルタ
１３ 第２のホース
１３Ａ 着脱機構
１４ テーブル
１５ 保持部
１６ 駆動機構
１７ ダクト
１８ 回収ホース
１９ 送風機
２０ 振動装置
２１ ベルトコンベア
２２ 不純物分離部
２３ サイクロン分離器
２４ 振動ふるい機
Ｍ メディア
Ｗ ワーク

Claims (7)

1. ワークに向けて前記ワークの塗装又は接着前における表面の活性化を目的とするブラスト加工用のメディアを圧縮空気によって噴射するノズルと、
   前記ノズルと第１のホースで連結され、前記ノズルに前記圧縮空気によって前記メディアを供給する第１のタンクと、
   前記ノズル及び前記第１のタンクを鉛直方向及び水平方向を含む複数の軸方向に移動させる移動機構と、
   着脱機構を有する第２のホースであって、前記ワークに向けて前記メディアを噴射するために前記移動機構で前記ノズル及び前記第１のタンクを移動している間は取外される前記第２のホースで前記第１のタンクと連結され、前記第１のタンクに前記メディアを供給し、前記移動機構によって移動しない第２のタンクと、
   を備えるブラスト加工装置。
2. 前記第１のタンクの容量を、前記第２のタンクの容量よりも小さくした請求項１記載のブラスト加工装置。
3. 噴射後の前記メディアを回収して前記第２のタンクに供給する循環システムを更に有する請求項１又は２記載のブラスト加工装置。
4. 前記循環システムに、回収された前記メディアに含まれる不純物及び粒度が小さくなったメディアの少なくとも一方をサイクロン分離器及び振動ふるい機の少なくとも一方で除去する不純物分離部を設けた請求項３記載のブラスト加工装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のブラスト加工装置を用いて前記メディアをワークに向けて噴射することにより被ブラスト加工品を製造するブラスト加工方法。
6. 着脱機構を有するホースで第１のタンクと第２のタンクを連結し、前記第１のタンクに前記第２のタンクから前記ワークの塗装又は接着前における表面の活性化を目的とするブラスト加工用のメディアを供給するステップと、
   前記第１のタンクへの前記第２のタンクからの前記メディアの供給後に、前記着脱機構を有するホースを取外すステップと、
   前記着脱機構を有するホースを取外した後に、前記第１のタンク及びノズルを鉛直方向及び水平方向を含む複数の軸方向に移動させながら前記ノズルに前記第１のタンクから長さが一定のホースを介して圧縮空気によって前記メディアを供給し、供給された前記メディアを前記圧縮空気によってワークに向けて噴射することにより被ブラスト加工品を製造するステップと、
   を有するブラスト加工方法。
7. 前記メディアとして平均粒径が106μmから150μmのセラミックス粒子を使用し、
   噴射後の前記メディアを回収するステップと、
   回収された前記メディアに含まれる不純物及び粒度が小さくなったメディアをサイクロン分離器及び振動ふるい機で除去するステップと、
   前記不純物及び前記粒度が小さくなったメディアの除去後における前記メディアを前記第２のタンクに供給するステップと、
   を更に有する請求項５又は６記載のブラスト加工方法。

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