JP6592403B2 - 劣化した立体複雑形状の金属構造物の薄肉部分の試験体を模擬的に製作する金属構造物の減肉加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、劣化した立体複雑形状の金属構造物の薄肉部分の試験体を模擬的に製作する金属構造物の減肉加工方法に関し、より詳細には、電柱を支持する支線の支持力を得るために地中に打設し定置する電柱用下部支線アンカの減肉加工方法に関する。

我々の生活を支えるインフラ構造物の中で、電柱を支持する支線の下部に取り付けられ、電柱の支持力を得るために地中に打設し定置する、電柱用下部支線アンカがある。図１は、電柱用下部支線アンカの構成を示す図である。図１の電柱用下部支線アンカ１００は、ワイヤ等を介して電柱に接続されるロッド部１０１と、ロッド部１０１に接続され、地中内に配置される案内板１０２と、案内板１０２に取り付けられ、引っ張りの力に対抗して案内板１０２が地中から引き抜かれないようにする抵抗板１０３及び安定板１０４とを備える。抵抗板１０３及び安定板１０４は、金属板を加工して製作されたものである。

電柱用下部支線アンカ１００は、打設後地中に長期間埋設されたものが大きくなってきており、電柱用下部支線アンカ１００の抵抗板１０３及び安定板１０４の部分に腐食による減肉が生じ、強度の低下を来す恐れがある。そこで、これら地中内の金属構造物の高い信頼性及び安全性を担保するために、腐食劣化と強度低下の関連性を適切に把握し、点検診断に資することは大変重要になってきている。

そのような状況において、電柱用下部支線アンカ１００の抵抗板１０３及び安定板１０４の腐食減肉に伴う強度低下について把握するために、抵抗板１０３及び安定板１０４の腐食減肉状況を模擬的に設定する。この場合、抵抗板１０３及び安定板１０４の試験体を製作し、その引抜き試験等各種実験に利用するための電柱用下部支線アンカ加工方法が必要である。

一方で、非特許文献１に見られるように、高性能マシニングセンタなど自動化切削加工機が急速に高性能及び低価格化して普及し、月産数百万個の切削筐体が製造できるなど事例が報告されている。デザイン性に富んだ切削筐体の加工には、立体複雑形状の薄肉化など高度な加工を、超高速で実行する必要があり、切削による高速薄肉加工が実用化されているなど、切削技術の発展著しい。

SOKEIZAI Vol.54 (2013) No.6, pp50-58 中川威雄著「中国最大の製造業「フォックスコン」のものづくり」（インターネット http://sokeizai.or.jp/japanese/publish/200706/201306nakagawa.pdf）

種々の実験的検討を実施する上で、様々な条件設定が必要となる場合は少なくない。そのようなケースの一つとして、電柱用下部支線アンカ１００の構造強度の実験用供試体の条件設定のために、複雑かつ立体的な形状を有する金属構造物である電柱用下部支線アンカ１００の抵抗板及び安定板の形状を追加工する必要が生じる場合がある。ここで、電柱用下部支線アンカ１００の抵抗板１０３及び安定板１０４は、例えば、切断、曲げ、溶接、及び組み立てなど複雑な一連の工程を経て加工製作されている。電柱用下部支線アンカ１００を地中埋設した場合、地中等設置環境にも依存するが、３０年程度実用に供した後には、抵抗板１０３及び安定板１０４が一定の腐食減肉が進んだ状態になる。電柱用下部支線アンカ１００の構造強度の実験のためには、製造直後の新品支線アンカを追加工して、抵抗板１０３及び安定板１０４をこの腐食減肉状態を模擬した所望の板厚寸法等、例えば３０年程度腐食減肉が進んだ状態に模擬する必要がある。このような腐食減肉状態を模擬するための薄肉加工は、抵抗板１０３及び安定板１０４が複雑な立体形状であるために、どのような加工方法を採用しても簡易なものとはならない。

ここで、背景技術で触れたような切削筐体の高速大量生産が可能な技術がある。しかし、電柱用下部支線アンカ１００は一品ものに近い少量生産であることから、既に製造された電柱用下部支線アンカ１００の完成品の抵抗板１０３及び安定板１０４に追加工する必要がある。

特に、抵抗板１０３及び安定板１０４の切削加工においては、以下に記載のような立体複雑構造であり、かつ薄肉板で製作されているがゆえの特別な課題がある。抵抗板１０３及び安定板１０４は、約３．２ｍｍの金属板を、それぞれ２０００ｍｍ及び１１００ｍｍの曲率半径を付けて加工してある。このため、この大きな曲率半径をもった板の切削面の曲線ならい設定法（加工計画）は、精度の点で大変高度な技術を要する。長さ約５００ｍｍに渡って、２０００ｍｍの曲率半径を有する抵抗板１０３及び１１００ｍｍの曲率半径を有する安定板１０４を高精度に切削加工するためには、加工原点（曲率半径の中心）を厳格に特定した上で支点を設けなければならない。ところが、通常は加工コストの観点からこのような加工原点を設けることは困難であり、仮想的な原点を想定した測定を行った結果を用いたならい加工を行うのが通例である。さらに加工仕上がりが０．５ｍｍ以下の薄肉において減肉加工する際には、板の弾性変形による逃げを考慮に入れた加工が必要であるという事情もある。

従って、通常抵抗板１０３及び安定板１０４は、薄板のためにバネ効果を有するため、減肉加工の結果得られる薄肉板厚には、完全な一定厚さを期待することは難しく、局部的に板厚が誤差（不均一厚さ）をもった仕上げとなる。その上さらに薄肉加工を加えるように、抵抗板１０３及び安定板１０４にエンドミル等の刃物を当てると、新品製作時の焼入れ硬化熱処理のために、応力のかかり具合次第では、板の割れを生じやすい。

そうすると、本課題においては、電柱用下部支線アンカ１００の抵抗板１０３及び安定板１０４の曲線のならい設定法も手間暇をかけて特別に設定しなければならないし、通常は前述のように厳格な加工原点を設ける等の新規投資がしづらいため、既存設備をもって製造加工法を工夫しなければならない。

また、その他の加工法として、ベルトサンダなどによる研削加工、フライス盤などによる切削加工、ケミカルエッチング加工などが考えられる。しかし、切削加工では、電柱用下部支線アンカ１００の抵抗板１０３及び安定板１０４（被加工物）が０．５ｍｍ厚程度の厚さになった場合に、抵抗板１０３及び安定板１０４に予期せぬ割れや皺を生じてしまうという問題がある。また、ケミカルエッチング加工では、加工速度が１時間当たり０．１〜０．２ｍｍ厚程度と低速になるために、加工に時間を要するという問題がある。

一方で、新品製造工程において、所要の条件設定のために、例えば、所要の薄い板厚の鋼板を用いて、溶接により抵抗板１０３及び安定板１０４を組み立てる方法も考えられる。しかし、一定の板厚（約１．０ｍｍ）以下の鋼板を用いると、鋼板の溶接及びその後の熱処理工程を経る中で、仕上げ直前で変形及び皺を来す等試験体として不適当なものしか得られないという問題がある。

このような問題を解決するために、本発明の第１の態様は、劣化した立体複雑形状の金属構造物の薄肉部分の試験体を模擬的に製作する金属構造物の減肉加工方法であって、前記試験体にフライス盤による切削加工を施すステップと、前記切削加工が施された前記試験体に第二塩化鉄溶液によるエッチング加工を施すステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様の方法であって、前記切削加工を終了し前記エッチング加工へと移る際の判断とする前記試験体の残存肉厚を１．０±０．２ｍｍとすることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１又は２の態様の方法であって、前記切削加工の加工量は、前記エッチング加工の減肉予定量を越えない板厚さをみて設定することを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第１乃至第３のいずれか一つの態様の方法であって、前記金属構造物は、電柱用下部支線アンカの抵抗板及び安定板であることを特徴とする。

本発明は、フライス盤などによる切削加工、ケミカルエッチング加工とを組み合わせ、逐次継続して実施していくことにより、劣化した金属構造物の試験体を模擬的に製作する際に、仕上げ直前での変形及び皺の発生を避けつつ、高精度の残存肉厚を、比較的短時間で得ることが可能な方法である。

電柱用下部支線アンカの構成を示す図である。 本発明の一実施形態を説明するための電柱用下部支線アンカの構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電柱用下部支線アンカ抵抗板の減肉加工方法の第一段階の詳細を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電柱用下部支線アンカ安定板の減肉加工方法の第一段階の詳細を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電柱用下部支線アンカ抵抗板及び安定板の減肉加工方法の第二段階の詳細を示す図である。 第一段階の加工及び第二段階の加工における加工量の関係を示す図で、（ａ）は第一段階の加工における加工量を示し、（ｂ）は第二段階の加工における加工量を示している。

以下、本発明の一実施形態について説明する。本発明の一実施形態に係る金属構造物の劣化を判断する試験に使用する試験体の減肉加工方法であって、特に電柱用下部支線アンカ抵抗板及び安定板の減肉加工方法である。本減肉加工方法は、フライス盤などによる切削加工と、ケミカルエッチング加工とを組み合わせ、逐次継続して実施するものである。詳細には、フライス盤による機械的な切削加工（第一段階）とケミカルエッチングによる化学的な減肉加工（第二段階）とを逐次継続して実施する。

ここで、まず、電柱用下部支線アンカの構成を示す。図２に、本発明の一実施形態を説明するために、再度電柱用下部支線アンカの構成図を示す。図２の電柱用下部支線アンカ２００は、ワイヤ等を介して電柱に接続されるロッド部２０１と、ロッド部２０１に接続され、地中内に配置される案内板２０２と、案内板２０２に取り付けられる抵抗板２０３及び安定板２０４とを備える。抵抗版２０３及び安定版２０４は、図２の紙面垂直方向に幅を有し、金属板から加工されている。抵抗版２０３及び安定版２０４が地中に配置されることにより、自然のまま既成層土壌が持つ巨大な土圧を活用して強い地耐力（地上からの引張りに耐える力）を発揮することができる。

以下、各段階の工程について詳細に説明する。

［第一段階］
本実施形態の第一段階においては、まず、フライス盤の切削機械等により電柱用下部支線アンカ抵抗板及び安定板の機械的な加工を行う。図３は、本発明の一実施形態に係る電柱用下部支線アンカ抵抗板の減肉加工方法の第一段階の詳細を示す図である。第一段階であるフライス盤による電柱用下部支線アンカ抵抗板２０３の切削加工においては、まず、フライス盤テーブルに、電柱用下部支線アンカ抵抗板２０３を固定する。電柱用下部支線アンカ抵抗板２０４は、その上部側に電柱用下部支線アンカ案内板２０２が締結接続されている立体複雑形状になるために、特別な固定治具を設計製作の上、これを用いて、切削加工力の反力によってワーク（抵抗板）が逃げなど微細な移動も生じないようにしっかりとフライス盤テーブルに固定する必要がある。その上で、所期の減肉量を得るために、加工工具エンドミル３０１を、電柱用下部支線アンカ抵抗板２０３の表面に接触させ、比較的低速かつ高精度で、図３の矢印の方向に動かして、又は必要に応じて複数回の往復動作をもって、切削加工を実施する。

この際、電柱用下部支線アンカ抵抗板２０３は、新品製作時（厚さ約３．２ｍｍ）に焼入れ硬化熱処理が施されている。そのため、１．０〜０．８ｍｍ以下の厚さになって大きな切削抵抗力が生じた場合に、割れが生じ大きな形状欠損等に至る恐れある。従って、本抵抗板の切削加工は、残存板厚１．０ｍｍ程度、より詳細に１．０±０．２ｍｍの板厚をもって終了することが適当である。

図４は、本発明の一実施形態に係る電柱用下部支線アンカ安定板の減肉加工方法の第一段階の詳細を示す図である。第一段階であるフライス盤による安定板２０４の切削加工においては、まず、フライス盤テーブルに、電柱用下部支線アンカ安定板２０４を固定する。電柱用下部支線アンカ安定板２０４は、電柱用下部支線アンカ２００の本体（案内板２０２及び抵抗板２０３等）から、取り外すことが可能になっている。しかし電柱用下部支線アンカ安定板２０４は立体複雑形状であるため、安定版２０４単独でも特別な固定治具を設計製作の上しっかりとフライス盤テーブルに固定する必要がある。加工工具エンドミル３０１を、電柱用下部支線アンカ安定板２０４の表面に接触させ、比較的低速かつ高精度で、図４の矢印の方向に動かして、又は必要に応じて複数回の往復動作をもって、切削加工を実施する。

この際、第一段階を終了し第二段階へと移る際の判断とする残存肉厚が１．０ｍｍ程度とするのがよい。電柱用下部支線アンカ安定板２０４は、新品製作時（厚さ約３．２ｍｍ）に焼入れ硬化熱処理が施されている。そのため、１．０〜０．８ｍｍ以下の厚さになって大きな切削抵抗力が生じた場合に、割れが生じ大きな形状欠損等に至る恐れある。従って、本抵抗板の切削加工は、残存板厚１．０ｍｍ程度、より詳細に１．０±０．２ｍｍの板厚をもって終了することが適当である。

［第二段階］
本実施形態の第二段階においては、電柱用下部支線アンカ抵抗板及び安定板のフライス盤等による機械的な加工を行なった後に、ケミカルエッチング等により化学的な加工を行う。

第一段階で、残存板厚１．０ｍｍ程度にまで薄肉加工された電柱用下部支線アンカ抵抗板２０３及び安定板２０４は、さらに所期の残存板厚０．５ｍｍ以下程度にまで加工する。この工程には、塩化第二鉄溶液（エッチング液）を用いたケミカルエッチング加工を行う。ケミカルエッチング加工を実施すると、電柱用下部支線アンカ抵抗板２０３及び安定板２０４に割れの発生等による大きな形状欠損等が発生する恐れもなく、かつ、比較的短時間をもって所期の残存肉厚に到達することができる。

図５は、本発明の一実施形態に係る電柱用下部支線アンカ抵抗板及び安定板の減肉加工方法の第二段階の詳細を示す図である。ケミカルエッチング加工の方法は、図５に示すように、エッチング液受槽５０１に満たした第二塩化鉄溶液を電動ポンプ５０２によって、シャワーヘッド５０３に導き、電柱用下部支線アンカ抵抗板２０３及び安定板２０４の被加工表面にシャワー状に吹き掛け、流下させる。この際、エッチング加工量が、抵抗板２０３及び安定板２０４全面において均一になるように加工作業者がシャワーヘッド５０３を一定速度で、むらなく回しかけるように操作する必要がある。

また、エッチング液濃度等にもよるが、エッチング加工の加工速度は０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ／時間であり、仕上がり残存肉厚はある程度時間管理が可能である。しかし、本実施形態において、０．１ｍｍ程度の精度をもって電柱用下部支線アンカ抵抗板及び安定板の減肉加工の仕上げ管理するためには、加工動作を中断し、マイクロメータ、ノギス等によって、残存肉厚を測定しながら、所要の残存肉厚に仕上げる必要がある。さらに、電柱用下部支線アンカ抵抗板及び安定板面積が広く、立体複雑形状であるために、均一なエッチング液吹き掛けが実現しづらいためどうしても加工むら（残存肉厚のむら）が生じる。したがって、例えば機械加工又はエッチング加工により肉厚が薄くなりすぎてしまった部位にはシャワー吹き掛けを少なくし、肉厚が厚く残っている部位にはシャワー吹き掛けを多くするといった作業者の工夫が必要となる。

本実施形態によれば、電柱用下部支線アンカ抵抗板及び安定板等の金属構造物の減肉加工を高効率、短時間で、かつ、所期の薄肉（厚さ）まで加工することが可能である。電柱用下部支線アンカ抵抗板及び安定板は、新品製作時に焼入れ硬化熱処理が施されているために、１．０ｍｍ以下の厚さになって大きな切削抵抗力が生じた場合に、割れの発生等による大きな形状欠損等に至る恐れがあるが、このような欠損を避けることができる１．０ｍｍ以上の肉厚を残し、第二段階のケミカルエッチング加工に移るために、割れを生じる心配もなく、かつ、第一段階の切削加工によって、所期の残存肉厚近くまでに、予め加工してあるために、比較的短時間のケミカルエッチング加工時間をもって所期の残存肉厚に到達することができる。

なお、図５に示したエッチング加工方法では省略したが、エッチング加工液によって浸食されることを避ける必要がある部位には、レジスト液塗布によって被覆し、エッチング液が支線アンカ当該部位に接触しないように、前処理を施す必要があることは当然に必要な処理である。

また、前記第一段階の機械加工においては、刃物を使用した切削によって板の肉厚を減少させるために、刃物とその送り量によって、加工終了後に、微細ではあるが、どうしても切削痕（削マーク）と呼ばれる粗れ（表面構造）が残ってしまう。これに対して、第二段階のケミカルエッチング加工は、この粗れ（表面構造）を滑らかに均す（均一化する）効果が期待できる。すなわち、第一段階の切削加工の際に刃物によって板表面（被加工物）上に生じた微細かつ鋭い切削マークを、第二段階のケミカルエッチング加工の際に均一に均すことができる。

図６は、第一段階の加工及び第二段階の加工における加工量の関係を示す図で、図６（ａ）は第一段階の加工における加工量を示し、図６（ｂ）は第二段階の加工における加工量を示している。図６に示すように、第一段階及び第二段階の加工方法の加工量（総減肉量）に関して、第一段階の切削量（切削切り込み量（深さ））が、第二段階のエッチング減肉（予定）量を越えない範囲（肉厚）プラス若干の余裕分の肉厚さをみて設定すると、加工量（総減肉量）の均一化が有効に機能する。

なお、エッチング液は、鉄鋼類の溶解に有効であれば、第二塩化鉄溶液に限るものではない。

本発明により、金属構造物の劣化を判断する試験の試験体の他、強度を判断する試験の試験体等も製作することができ、完成した供試体を持って、実引張試験をすることができる。

１００、２００ 電柱用下部支線アンカ
１０１、２０１ ロッド部
１０２、２０２ 案内板
１０３、２０３ 抵抗板
１０４、２０４ 安定板
３０１ エンドミル
５０１ エッチング液受槽
５０２ ポンプ
５０３ シャワーヘッド

Claims (4)

1. 劣化した立体複雑形状の金属構造物の薄肉部分の試験体を模擬的に製作する金属構造物の減肉加工方法であって、
   前記試験体にフライス盤による切削加工を施すステップと、
   前記切削加工が施された前記試験体に第二塩化鉄溶液によるエッチング加工を施すステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記切削加工を終了し前記エッチング加工へと移る際の判断とする前記試験体の残存肉厚を１．０±０．２ｍｍとすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記切削加工の加工量は、前記エッチング加工の減肉予定量を越えない肉厚をみて設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記金属構造物は、電柱用下部支線アンカの抵抗板及び安定板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。

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