JPWO2005000512A1 - 回転減面ヘッド、電解減面装置および電解減面方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば鋼材を装飾用に加工するためには、当該鋼材の表面研磨が行われるが、精密な寸法までは要求されない。すなわち、このような表面研磨においては、製造時に避けられないうねりやトラフ等は残したまま、酸洗肌や微小表面欠陥層を取り除くための表面光沢生成が行われていることが多い。
当該表面光沢生成として、例えば砥石研削、機械研削、全面不織布低電流密度電解研磨(全面を不織布で覆われた電解研磨用ヘッドを用い、低い電流密度の状態下で行われる電解研磨)等が用いられており、全面不織布低電流密度電解研磨については、日立造船技法第42巻第3号第15〜第22頁(非特許文献1)に具体的に記載されている。
しかしながら、全面不織布低電流密度電解研磨では、電流密度が低い(例えば、0.05〜5A/cm2)ため、研磨力が弱く大きな減面処理が行えない上に、研磨の速度が極めて遅く、その結果、多大なコストがかかっていた。他方、研磨ヘッドの全面を不織布で覆う全面不織布電解研磨を高電流密度(例えば5〜100A/cm2)で行うと水素ガスや、溶出金属イオンが大量に発生し、これらを直ちに排除して電解研磨を継続して行うことができない、という問題もある。
また本発明は、たとえば、凹部と凸部を同時に減面することを可能とする。さらに本発明は、たとえば、複数の被減面材を並列に減面することを可能とする。また本発明は、たとえば、わん曲表面における表面欠陥を除去し、減面時間の短縮を可能とする。
ここで、減面とは被減面材(減面させる対象物)の表面を減らすことを意味し、具体的には研磨または研削を意味するものである。すなわち、回転減面ヘッドとは研磨ヘッドまたは研削ヘッドを、減面装置とは研磨装置または研削装置を、減面方法とは研磨方法または研削方法を意味するものである。
すなわち、本発明の第1の態様は、ヘッド台座と回転軸とを有する回転減面ヘッドであって、前記ヘッド台座の下面に、2以上の電極部および砥石部が配置されていることを特徴とする、回転減面ヘッドである。当該回転減面ヘッドにおいて、前記ヘッド台座が円盤状であり、前記ヘッド台座の下面の外周部に、前記電極部および前記砥石部が配置され、前記ヘッド台座の下面の中央部に、前記電極部と前記砥石部とヘッド台座とで形成される液溜部を有することができる。また、前記砥石部の下面が前記電極部よりも下方向に突出するように、前記電極部および前記砥石部が前記ヘッド台座に配置されていることが好ましい。さらに、前記砥石部が弾性砥石である、または弾性砥石を含むことが好ましい。また、前記回転軸が管状であり、液溜部と連通していることができる。さらに、当該回転減面ヘッドは、電解砥粒減面に用いることができる。
本発明の第2の態様は、ヘッド台座と回転軸とを有する回転減面ヘッドであって、前記ヘッド台座の下面に、2以上の電極部、砥石部およびフレキシブル砥粒ユニット部が配置されていることを特徴とする、回転減面ヘッドである。当該回転減面ヘッドであって、前記ヘッド台座が円盤状であり、前記ヘッド台座の下面の外周部に、前記電極部、前記砥石部および前記フレキシブル砥粒ユニット部が配置され、前記ヘッド台座の下面の中央部に、前記電極部と前記砥石部と前記フレキシブル砥粒ユニット部とヘッド台座とで形成される液溜部を有することができる。また、前記フレキシブル砥粒ユニット部、前記砥石部、および前記電極部の下面が、この順に、下方向に突出するように、前記電極部、前記砥石部および前記フレキシブル砥粒ユニット部が前記ヘッド台座に配置されていることが好ましい。また、前記回転軸が管状であり、液溜部と連通していることができる。さらに、当該回転減面ヘッドは、電解砥粒減面に用いることができる。
本発明の第3の態様は、本発明の第1〜第2の態様の回転減面ヘッド、前記回転減面ヘッドに電解液を供給する電解液供給手段、前記電極部に電圧を印加する通電部、
前記回転減面ヘッドを回転させるヘッド回転モータ、および、前記回転減面ヘッドの高さと減面時の圧力を調整するための回転減面ヘッド昇降手段、を含む電解減面装置である。
本発明の第4の態様は、前記第3の態様の電解減面装置を用いた電解減面方法であって、被減面材と前記電極部との間に電解液を流しながら前記電極部に電圧を印加して電解減面を行うことを特徴とする電解減面方法である。
本発明の第5の態様は、ヘッド台座と回転軸とを有する電解砥粒減面用回転減面ヘッドにおいて、前記ヘッド台座の下面に、2以上の電極部および砥石部が配置されている、電解砥粒減面用回転減面ヘッドを用いた電解減面方法であって、前記電極部と被減面材との間に電解液を流しながら、前記電極部に電圧を印加して電解減面を行うことを特徴とする電解減面方法である。
本発明の第6の態様は、ヘッド台座と回転軸とを有する電解砥粒減面用回転減面ヘッドにおいて、前記ヘッド台座の下面に、2以上の電極部、砥石部およびフレキシブル砥粒ユニット部が配置されている、電解砥粒減面用回転減面ヘッドを用いた電解減面方法であって、前記電極部と被減面材との間に電解液を流しながら、前記電極部に電圧を印加して電解減面を行うことを特徴とする電解減面方法である。
これらの電解減面方法においては、前記電極部と前記被減面材との間を流れる電流の電流密度が5〜100A/cm2であることが好ましい。また、前記電極部と前記被減面材との間を流れる電解液の流速が5〜10m/秒であることが好ましい。
ヘッド台座の材質は特に限定されるものではなく、ステンレス製、アルミニウム製等の台座が用いられる。電極の材質は特に限定されるものではなく、ステンレス製、アルミニウム製、銅メッキ製、銅製等の電極が用いられる。砥石の材質は特に限定されるものではなく、一般に市販されている通常の砥石を用いることができる。フレキシブル砥粒ユニットは特に限定されるものではなく、たとえば弾性体に研磨布を貼り付けたものをユニットとして用いることができる。また、電解液としては、電解研磨に一般的に使用される電解液であれば特に限定されるものではなく、硝酸ソーダ水溶液、硫酸ソーダ水溶液等を用いることができる。
本発明は、2以上の電極と砥石部を有する回転減面ヘッドが鋼材の凹部も凸部も擦過し、当該擦過された表面を電解減面することによって、表面全体を減面することが可能になった。また本発明によって、減面力が増大し、大きな減面処理が可能となり、その結果減面速度が向上し、H型鋼、コラム、角パイプ、フラットバー、鋼板等の鋼材の表面の酸洗肌、微小表面欠陥層、溶接変形部等の減面を低コストで行うことが可能になった。
また、前記回転減面ヘッドがフレキシブル砥粒ユニットを含むことによって、さらに高速かつ低コストでトラフを有する湾曲表面をも減面することが可能になった。
さらに、本発明によって、複数の被減面材を並列に減面することが可能となった。また、本発明によって、湾曲表面における表面欠陥を除去できることによって、短時間の減面が可能になった。
図1Bは、電極部と砥石部が配置されている電解砥粒減面用回転減面ヘッドの底面を示す概念図である。
図1Cは、図1BのA−A線断面図である。
図2Aは、電極部と砥石部とフレキシブル砥粒ユニット部が配置されている電解砥粒減面用回転減面ヘッド斜視図である。
図2Bは、電極部と砥石部とフレキシブル砥粒ユニット部が配置されている電解砥粒減面用回転減面ヘッドの底面を示す概念図である。
図2Cは、図2BのB−B線断面図である。
図3は、減面装置を示す全体図である。
図4は、回転減面ヘッドを用いて被減面材を減面する際の電極の作用を示す概念図である。
図5は、回転減面ヘッドを用いて被減面材を減面する際のフレキシブル砥粒ユニットの作用を示す概念図である。
電極部と砥石部が配置されている電解砥粒減面用回転減面ヘッド
まず、図1A〜図1Cを用いて、電極部と砥石部が配置されている電解砥粒減面用回転減面ヘッド210について説明する。図1Aは回転減面ヘッド210の斜視図、図1Bは回転減面ヘッド210の底面を示す概念図、図1Cは図1BのA−A線断面図である。
図1A〜図1Cにおいて、電極部と砥石部が配置されている電解砥粒減面用回転減面ヘッド210は、ヘッド台座21、回転軸22、および、ヘッド台座に設けられた電極25a〜25fと、砥石26a〜26fとを有する。回転軸22は中空の構造であり、電解液を通すための管部23を有する。また、ヘッド台座21と回転軸22とは一体成型されている。
図1Bが示すとおり、底面が円形のヘッド台座21上の円周に沿って電極25および砥石26が順に配置され、その中央部には凹状の液溜部24が設けられている。管部23に流れてきた電解液が液溜部24に流れるように、液溜部24は管部23とは連通している。通常、電極25および砥石26のセットをこの順に配置し、当該セットを複数回繰り返すように、ヘッド台座21上の円周部の全体を覆うように配置される。
図1Cは図1BのA−A線断面図である。図1Cにおいて、説明のために、被減面材9が回転減面ヘッド2と向き合う様子を示した。
図1Cは、電極25、砥石26のヘッド台座21への取付状態、および被減面材との位置関係を示すものである。したがって、図1Cには被減面材9も一緒に図示する。
図1Cに示すように、電極25および砥石26は、砥石26の下面(被減面材9に向き合う面)が被減面材9に近く、電極25の下面が被減面材9と接触しないように配置される。なお、当該配置は減面していないときの状態を示すものである。
ここで、6つの電極25a〜25fは、導電時の電流密度を一定に保つためにそれぞれ同じ高さになるように配置されることが好ましい。また砥石26a〜26fは、減面精度を一定にするために、それぞれ同じ高さになるように配置されることが好ましい。
このように、砥石26を電極25よりも高く配置することにより、電極25と被減面材(非図示)との間に所定の距離を保つことができ、電解減面中に発生し得る電極と被減面材(非図示)との間のスパークを防止すると共に電解液の流路を確保することができる。
本発明で用いられる電極25としては、電解減面で用いられるものであれば特に限定されないが、たとえば、ステンレス等を用いることができる。また、本発明で用いられる砥石26としては、一般に市販されている通常の砥石が用いられる。また、電極部と砥石部が配置されている電解砥粒減面用回転減面ヘッド210で用いられる砥石26は弾性砥石であることが好ましい。
当該回転減面ヘッド210を用いることによって、特に0.1mm以下のトラフを効率よく減面することができる。
電極部と砥石部とフレキシブル砥粒ユニット部が配置されている電解砥粒減面 用回転減面ヘッド
次に、図2A〜図2Cを用いて、電極部と砥石部とフレキシブル砥粒ユニット部が配置されている電解砥粒減面用回転減面ヘッド220について説明する。図2Aは回転減面ヘッド220の斜視図、図2Bは回転減面ヘッド220の底面を示す概念図、図2Cは図2BのB−B線断面図である。
図2A〜図2Cにおいて、回転減面ヘッド220は、ヘッド台座21、回転軸22、および、ヘッド台座に設けられた電極25a〜25fと、砥石26a〜26fと、フレキシブル砥粒ユニット27a〜27fを有する。。回転軸22は中空の構造であり、電解液を通すための管部23を有する。また、ヘッド台座21と回転軸22とは一体成型されている。
図2Bが示すとおり、底面が円形のヘッド台座21上の円周に沿って電極25、砥石26およびフレキシブル砥粒ユニット27が順に配置され、その中央部には凹状の液溜部24が設けられている。管部23に流れてきた電解液が液溜部24に流れるように、液溜部24は管部23とは連通している。通常、電極25、砥石26およびフレキシブル砥粒ユニット27のセットをこの順に配置し、当該セットを複数回繰り返すように、ヘッド台座21上の円周部の全体を覆うように配置される。なお、電極部、砥石部およびフレキシブル砥粒ユニット部の配置順は問わない。
図2Cは図2BのB−B線断面図である。図2Cにおいて、説明のために、被減面材9が回転減面ヘッド220と向き合う様子を示した。
図1Cと同様に、図2Cは、電極25、砥石26およびフレキシブル砥粒ユニット27のヘッド台座21への取付状態、および被減面材との位置関係を示すものである。
図2Cに示すように、電極25、砥石26およびフレキシブル砥粒ユニット27は、フレキシブル砥粒ユニット27の下面(被減面材9に向き合う面)が最も被減面材9に近く、それについで砥石26の下面が被減面材9に近く、電極25の下面が被減面材9と最も遠くなるように配置される。換言すれば、ヘッド台座21の下面(被減面材9に向き合う面)から、フレキシブル砥粒ユニット27、砥石26、電極25の順に下方向(被減面材9の方向)に突出するように電極25、砥石26およびフレキシブル砥粒ユニット27が配置される。なお、当該配置は減面していないときの状態を示すものである。
また、回転減面ヘッド220の特徴の1つは、電解減面を行う面を構成する部材として、電極部と砥石部に加えてフレキシブル砥粒ユニット部を用いることにある。ここで用いられるフレキシブル砥粒ユニット部は、弾性を有するために、被減面材の表面の凹凸とくに凹部の減面を効率的に行うことができる。そこで、本発明で用いられるフレキシブル砥粒ユニット27としては、たとえば、発泡ゴム等の弾性体271に減面布272を貼り付けたユニットである。
特に言及しない限り、ヘッド台座21、回転軸22、管部23、液溜部24、電極25a〜25f、砥石26a〜26fは、電極部と砥石部が配置されている電解砥粒減面用回転減面ヘッド210の構成と同様である。
電解減面装置および電解減面方法
次に、図3及び図4に基づいて、電極部と砥石部とフレキシブル砥粒ユニット部が配置されている電解砥粒減面用回転減面ヘッド220を用いた電解減面装置およびそれを用いた電解減面方法を説明する。
図3は、本発明の減面装置1を示す全体図である。図4に示すように、減面装置1は主に、回転減面ヘッド220、電解液供給部4、通電部5、絶縁カップリング6、ヘッド回転モータ7および昇降装置8を有する。
電解液供給部4は、電解液に所定の圧力を加えて、回転減面ヘッド2に電解液を供給する手段である。これによって、図4に示すように回転減面ヘッド2の回転軸22を通じて液溜部24に電解液が供給される。電解液としては、例えば、硝酸ソーダ水溶液、硫酸ソーダ水溶液等を用いることができる。
また通電部5によって、回転減面ヘッド220の電極25と被減面材9との間に電位差を生じさせ、それらの間を流れる電解液に所定の電流密度の電流が流れる。絶縁カップリング6は、電流漏洩防止のための手段である。また、ヘッド回転モータ7の回転力が回転減面ヘッド220に伝わるように、両者は直接的または間接的に連結されている。
被減面材9は回転減面ヘッド220の下方に対面するように置かれ、昇降装置8によって回転した回転減面ヘッド220を被減面材9に所定の圧力で押圧し、被減面材が電解減面される。
次に、図4および図5を用いて、回転減面ヘッド2を有する電解減面装置1による被減面材9の電解減面方法を説明する。
回転している回転減面ヘッド220が昇降装置8によって下降し、被減面材9に所定の圧力で接触させることによって、電解減面が行われる。
上述のとおり、回転減面ヘッド220の底面には、電極25、砥石26およびフレキシブル砥粒ユニット27が設けられそれら3つの部分によって減面が行われる。
以下、電解減面について上記3つの部位に分けて説明する。
(1)電極
図4は、回転減面ヘッド220の中心軸(回転軸)と電極25を含む面とを切断面とした断面図の一部であり、回転減面ヘッド220を用いて被減面材9を減面する際の電極25の作用を示す概念図である。
図4に示された矢印は電解液の流れる様子を示している。すなわち回転減面ヘッド220が取り付けられる減面装置1の電解液供給部4から供給された電解液が、回転軸22中の管部23を通って凹状の液溜部24に供給されるように、管部23と液溜部24とが連通している。液溜部24に供給された電解液は、電解液供給部4で印加される圧力と遠心力によって、所定の流速で電極25と被減面材9との間の間隙を流れる。前記流速は、電極25の表面や被減面材9の表面から生成される水素や電解排出物を直ちに排除されるように、5〜10m/秒であることが好ましく、6〜7m/秒であることがさらに好ましい。
また、たとえば電極25に陰圧を、被減面材9に陽圧を印加することによって、電極25と被減面材9との間の電解液における電流密度が5〜100A/cm2となるように電流が流れる。前記電流密度は、10〜40A/cm2であることがさらに好ましい。この電流によって電極25の表面から水素が発生し、被減面材9の表面からは電解溶出物が生成されるが、これらの水素や電解溶出物は電解液と一緒に排出される。
(2)砥石
上述のとおり、ヘッド台座21に配置された砥石26は電極25よりも被減面材9に近接するように配置されている。ここで、砥石26は圧力によって変形しにくいため、減面の際に、昇降装置8によって被減面材9に圧力を加えられても、電極25と被減面材9との間に所定の距離を保つことができ、電解減面中のスパークを防止すると共に電解液の流路を確保することができる。
(3)フレキシブル砥粒ユニット
図5は、回転減面ヘッド220の中心軸(回転軸)とフレキシブル砥粒ユニット27を含む面とを切断面とした断面図の一部であり、回転減面ヘッド220を用いて被減面材9を減面する際のフレキシブル砥粒ユニット27の作用を示す概念図である。具体的には、フレキシブル砥粒ユニット27が昇降装置8からの圧力により圧縮変形され、被減面材9に接触している様子を示している。
このように、回転減面ヘッド220は砥石26に加えてフレキシブル砥粒ユニット27を有するため、被減面材9の表面にある凸部と凹部を同時に電解減面することができる。
また、本発明の回転減面ヘッド220の底部全面に不織布で覆い、電解減面を行うことも可能である。
研磨ヘッド直径 240mm
電極 ステンレス製
砥石 弾性砥石
フレキシブル砥粒ユニット 発泡ゴムに研磨布を貼り付けたユニット
研磨ヘッド回転スピード 600rpm
研磨ヘッドに加えられる圧力 1kg/cm2
電解液 30重量%濃度の硝酸ソーダ水溶液
電解液の流速 6m/秒
電流密度 20A/cm2
上記条件の下で、市販されているSUS304製角パイプ(酸洗肌)を1パス研磨した。研磨の前後のRaとRyを測定した。測定結果は次の通りである。
また、研磨前に目視で認められた酸洗肌は、研磨後の表面には確認できなかった。
(実施例3と比較例1)
実施例3は、前記実施例2と同様に行った。
比較例1は、SUS304製角パイプ(酸洗肌)を被研磨材として、従来行われてきた砥石研磨による粗研磨及び仕上げ研磨を行った。具体的には、粗研磨には粒度#150の粗研磨用砥石を、仕上げ研磨には粒度#400の仕上げ用砥石を用い、回転数320rpmで研磨を行った。
これらの試験例について、被研磨材を1m研磨するのに必要な研磨時間、研磨後のRa(中心線平均粗さ(μm))とRy(最大粗さ(μm))を測定した。また、研磨後の表面トラフを確認した。なお、SUS304製角パイプ(酸洗肌)の研磨前のRaは4.5、Ryは24.0であった。
その結果は、表2の通りである。
このように、本発明を用いた実施例3の方が比較例1に比べて研磨時間が極めて短かった。
実施例3の研磨ヘッドのフレキシブル砥粒ユニットが鋼材の凹部も凸部も接触するため、研磨ヘッドの回転により被研磨材の表面全体(凹部も凸部を含む表面)が擦過される。電解研磨では、擦過された表面が集中的に研磨されるので、実施例3では、被研磨材の表面全体を一律に研磨することができる。また凹部も凸部も含む表面全体を研磨するため、研磨後も表面トラフが残存している。
他方、比較例1は、鋼材の表面の凸部を集中的に砥粒研磨するため、鋼材の表面全体を研磨するには凸部全体を研磨して取り除く必要があるため、極めて長い研磨時間を要する。
産業上利用可能性
本発明は、H型鋼、コラム、角パイプ、フラットバー、鋼板等の鋼材の表面の酸洗肌、微小表面欠陥層、溶接変形部等の減面に用いることができる。また、それらの鋼材の湾曲表面における表面欠陥の除去に用いることができる。
220 電解砥粒減面用回転減面ヘッド
21 ヘッド台座
22 回転軸
23 管部
24 液溜部
25 電極
26 砥石
27 フレキシブル砥粒ユニット
271 弾性体
272 減面布
4 電解液供給部
5 通電部
6 絶縁カップリング
7 ヘッド回転モータ
8 昇降装置
9 被減面材
Claims (15)
- ヘッド台座と回転軸とを有する回転減面ヘッドであって、
前記ヘッド台座の下面に、2以上の電極部および砥石部が配置されていることを特徴とする、回転減面ヘッド。 - 請求項1に記載の回転減面ヘッドであって、
前記ヘッド台座が円盤状であり、
前記ヘッド台座の下面の外周部に、前記電極部および前記砥石部が配置され、
前記ヘッド台座の下面の中央部に、前記電極部と前記砥石部とヘッド台座とで形成される液溜部を有することを特徴とする、回転減面ヘッド。 - 請求項1または2に記載の回転減面ヘッドであって、
前記砥石部の下面が前記電極部よりも下方向に突出するように、前記電極部および前記砥石部が前記ヘッド台座に配置されていることを特徴とする、回転減面ヘッド。 - 前記砥石部が弾性砥石を含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の回転減面ヘッド。
- ヘッド台座と回転軸とを有する回転減面ヘッドであって、
前記ヘッド台座の下面に、2以上の電極部、砥石部およびフレキシブル砥粒ユニット部が配置されていることを特徴とする、回転減面ヘッド。 - 請求項5に記載の回転減面ヘッドであって、
前記ヘッド台座が円盤状であり、
前記ヘッド台座の下面の外周部に、前記電極部、前記砥石部および前記フレキシブル砥粒ユニット部が配置され、
前記ヘッド台座の下面の中央部に、前記電極部と前記砥石部と前記フレキシブル砥粒ユニット部とヘッド台座とで形成される液溜部を有することを特徴とする、回転減面ヘッド。 - 請求項5または6に記載の回転減面ヘッドであって、
前記フレキシブル砥粒ユニット部、前記砥石部、および前記電極部の下面が、この順に、下方向に突出するように、前記電極部、前記砥石部および前記フレキシブル砥粒ユニット部が前記ヘッド台座に配置されていることを特徴とする、回転減面ヘッド。 - 請求項1〜7のいずれかに記載の回転減面ヘッドであって、
前記回転軸が管状であり、液溜部と連通していることを特徴とする、回転減面ヘッド。 - 電解砥粒減面に用いることを特徴とする、請求項1〜8に記載の回転減面ヘッド。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の回転減面ヘッド、
前記回転減面ヘッドに電解液を供給する電解液供給手段、
前記電極部に電圧を印加する通電部、
前記回転減面ヘッドを回転させるヘッド回転モータ、および
前記回転減面ヘッドの高さと減面時の圧力を調整するための回転減面ヘッド昇降手段、
を含む電解減面装置。 - 請求項10に記載の電解減面装置を用いた電解減面方法であって、
被減面材と前記電極部との間に電解液を流しながら前記電極部に電圧を印加して電解減面を行うことを特徴とする電解減面方法。 - ヘッド台座と回転軸とを有する電解砥粒減面用回転減面ヘッドにおいて、前記ヘッド台座の下面に、2以上の電極部および砥石部が配置されている、電解砥粒減面用回転減面ヘッドを用いた電解減面方法であって、
前記電極部と被減面材との間に電解液を流しながら、前記電極部に電圧を印加して電解減面を行うことを特徴とする電解減面方法。 - ヘッド台座と回転軸とを有する電解砥粒減面用回転減面ヘッドにおいて、前記ヘッド台座の下面に、2以上の電極部、砥石部およびフレキシブル砥粒ユニット部が配置されている、電解砥粒減面用回転減面ヘッドを用いた電解減面方法であって、
前記電極部と被減面材との間に電解液を流しながら、前記電極部に電圧を印加して電解減面を行うことを特徴とする電解減面方法。 - 前記電極部と前記被減面材との間を流れる電流の電流密度が5〜100A/cm2である、請求項11〜13のいずれかに記載の電解減面方法。
- 前記電極部と前記被減面材との間を流れる電解液の流速が5〜10m/秒である、請求項11〜14のいずれかに記載の電解減面方法。
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