WO2005105376A1 - 大型部品の研磨方法およびこれに用いる研磨粒 - Google Patents

Abstract

弾性を有する比重０．５～１．８ｇ／ｃｍ3、弾性率１０～２００ｃｋｇ／ｍ2の石油化学系高分子材料、あるいは弾性を有する天然素材（１１１）と砥粒（１１２）からなる研磨粒（１１０）を分速６００ｍ～３８００ｍの速度で且つ単位面積あたり５～３００ｃｃ／ｃｍ2・ｓｅｃの体積量となるように大型部品の被研磨面に投射、衝突させて該研磨粒（１１０）を滑動させることにより、大型部品の被研磨面を研磨する。

Description

書

大型部品の研磨方法および - れに用いる研磨粒 技術分野

本発明は、 大型部品の表面に研磨粒を投射し、 衝突させて 研磨する大型部品の研磨方法およびこの方法に用いる研磨粒 明

に関する。

背景技術 糸 1田

大型部品の代表的なも のである 気タ一ビンや蒸気タービ ンにおける、 特に動静翼、 タ一ビン口一タ、 流体通路部の部 品 （蒸気弁、 蒸気管、 ク ロスォーパ管 、 タ一ビン入口部、 出 口部、 ノ ズルボ ッ ク ス内部） は 、 その表面粗さの状態がター ビン性能に大き な影響を与える こ と から、 これらの表面状態 を研磨によ り 改善する必要がめ 。

こ こで、 大型部品の代表的なものである一般的な蒸気ター ビンを例にと り その概略構成を図 6及び図 7 によ り述べる。

図 7 は蒸気ター ビン全体を概略的に示す斬面図である。 タ 一ビンロータ 1 には、 その 方向に動翼がおよそ百枚前後植 設されて翼列を形成する と と もに、 この翼列は 、 そこに通過 する蒸気の圧力おょぴ温度に応じて、 軸方向に動翼 1 a の長 さ を異にして数列程度互いに間隔を有して配 されている。 一方、 ター ビンケーシング 2 には図 6 に示すノ ズルダィァ フラム 3 が配設されてお りヽ 刖記各翼列間に配置されている ノ ズルダイ ア フ ラ ム 3 は、 ノ ズノレダィアフラム内輪 4 および ノ ズルダイアフ ラ ム外輪 5 から形成されてお り 、 その間に静 翼 6 が挟持されている。 そ して、 タ一ビンケ一シ グ 2 を設置する こ と によ り 、 タ 一ビン ロ ータ 1 の軸方向に 前記翼列間にノ ズルダイ アフラ ム 3 の静翼 6 が配設される と になる。

その結果ヽ タービン π一 1 の軸方向に対しては動翼 1 a と静翼 6 が交互に並ぴヽ ^ ~ - 動翼と静翼の 1 組の組合せで段 落を形成している。

この よ う な段落を数段並 る こ と によ りヽ 高圧ター ビン 7 中圧タービン 8 、 低圧タ一 ン 9 が形成されている。

次に、 こ のよ う な 気タ ビンにおける蒸気の流れについ て説明する

図 7 に いて 、 図示しないボイ ラカゝら導入される高温高圧 の蒸気は 、 最初に高圧タ一ビンに送られ、 熱ェネルギが機械 的な回 ェネルギに前記各段落によ り 変換され、 高圧タービ ン 7 を回転させる

高圧タ一ビン 7 で仕事を した蒸気は、 再度ボイ ラ内の再熱 器で再ぴ高 高圧の蒸気にな り 、 中圧タービンに導入される でヽ 中圧タ一ビン 8 を回転させて仕事を した 気はヽ そのまま ク 口 スォ ■ ~ /く 1 0 に排気される と と もにその内部 を流れて低圧タ一ビン 9 に導入される。

低圧タ一ビンに導入された蒸気は、 前述同様に低圧タービ

- ン 9 を回転させて仕事を した後、 復水器 1 1 に排気され、 こで凝縮されて復水と して水 民 れる。 こ の復水は再度ポ イ ラに戻されて蒸気と な り 、 タービンに導入される とい う循 環を繰返している

このよ 5 な 成の蒸気タービンにおいてヽ その性能を向上 3 させるためには、 タービン部品の表面粗さが極力少なく なる よ う に研磨して、 蒸気が流れる際の流路抵抗を低下させる必 要がある。

図 8 は、 蒸 タービンの熱効率と通路部表面粗さの相関図 であ り 、 現在の設計仕様である表面粗さ R y 6 • 3 における 段落の効率を 1 0 0 と した場合、 さ らに表面粗さ を改善した 際の段落効率を表している。

■ この図力 ら 動翼と静翼で構成される段落内の蒸気力 ^s通過 する部分をよ り 滑らかに仕上げる こ と によ り 、 現在よ り 約 3

5 %の効率改 につながる こ と が分かる。

現在、 さま ざまな手段で、 蒸気タービンの効率改善ひいて は発電効率の改善のための技術開発を行っているが 、 このよ う な大きな設計変更や機器の改造を必要と しない方法は注目 され、 既に実機に適用 され始めている o

しカゝしなが ら 、 例えば動翼 1 本が 1 mも越えるなど、 その 形状が極めて 雑で、 狭隘な部分を研磨しなければな らない ため、 自動化や機械化が困難である。

こ のため、 従来のタービン部品の研磨作業と しては、 圧縮 空気や電動によ るグライ ンダなどと呼ばれる回転工具によ る もの、 若しく は研磨効果のある液体、 紙、 布、 化学繊維等に よるパフ研磨と 呼ばれる手作業研磨が行われていた。

しかし、 このよ う なタービン部品の研磨方法では、 多く の コス ト と時間を要する とい う 問題がある。

最近の被研磨材の研磨方法と しては、 圧縮空気によ り セラ ミ ック ス系の投射材を投射して被研磨部材の表面を研磨する 2004/006174

4 サン ドプラス ト法がある

しかし、 このサン ド、ブラス 卜法は 、 投射範囲全域に いて、 表面の洗浄、 皮膜などの除去の処理が可能である力 S 加ェ性 がよい反面、 表面の減肉量が多レ、こ と 、 表面粗さの亜化 、 粉 等の環境についての問題があ o 特にタ ビン部 Β

ΡΡのよ う に表面粗さについて 仕上り で R y 6 . 3若しく は R a 1 .

0以下の表面粗さ を得る こ と は非常に難しい。

方、 蒸気タ ビンにおいては 定期間 '毋に定期点検が行 なわれ、 その際には内部の動翼 1 a ゃ静翼 6 を初めとす 咼 の森 5¾力、通過する部分の検查が行なわれ 0

こ の よ う な には ごく 微量なが らいわゆる酸化スケー ルと呼ばれる不純物が含まれ これが長期の運転に伴い %\\記 動翼 1 a ゃ静翼 6 に堆ネ貝した する 。 そのため酸化皮膜がそ の表面に付着する と が多々 める。

そ して、 これらの酸化スケ ノレや酸化皮膜は 、 定期点検時 に行なわれる非破壌検査に対する ft度を著しく 落とすと言わ れている。 すなわち 非破壌検查は 表 ¾ ら液体を内部に 浸透させた り X線や超音波などを照射して内部からの反射 波などで内部の状態を検查した り してレヽるため 、 いわば内部 からの情報の なる表面の粗さの状態が悪いと、 これら内 部からの情報が表面で乱され 検査精度が落ちる

よつて、 定期点検時の検査には、 必ずこれら酸化スケ ル や酸化皮膜を落と してから行なわれてお り 、 その表面粗さ を 極力少なく するために手作業で行なわれていた 。 そのために 時間およぴ手間がかかつていたが、 人手の作業であるがゆ免 JP2004/006174

に場所によ り 表面の粗さの程度が異な り 、 検査精度が必ずし も良いと は言えなかった。

さ らに、 上記動翼 1 a と静翼 6 に付着した酸化スケールな どは、 設計時の翼断面形状を変化させて しま う ため、 蒸気タ 一ビンそのものの性能を落とす原因にもなる。 そのため、 定 期点検時には、 これらの酸化スケール等を剥ぎ取る作業が行 なわれるが、 特に翼の後縁端は非常に薄い構造のため、 上記 サン ドプラス ト法ではかえって変形が増 して しま う とい う 不 具合があった。

と ころで、 ワーク表面の研削方法と して、 弾力性のある多 孔質の植物繊維からなる担体に、 植物繊維に含まれる脂肪分 又は糠分を粘着剤と して研削紛を付着させてなる砥粒を、 研 削液を混合した上でワーク表面に斜めから多数噴射して衝突 させ、 担体を塑性変形させなが ら上記砥粒をワーク表面で滑 動させて、 研削紛によ り ワーク表面を仕上げる よ う に したも の （例えば、 特許第 2 9 5 7 4 9 2 号公報） がある。

発明の開示

しかし、 この研削方法では、 歯科補綴物のよ う な小型のヮ ーク研磨には適しているが、 タービン部品のよ う に大形であ る と 同時に、 蒸気流入の特性上、 その形状が極めて複雑で、 狭隘な部分の表面を研磨する こ と は困難である。

本発明の 目 的は、 研磨の難しかったター ビン部品の狭隘部、 嵌合部を含む表面研磨を可能と し、 しかも表面研磨を悪化さ せる こ と なく 、 表面の酸化皮膜を除去する こ と を可能にして 非破壌検査の品質向上を図る こ とができ る大型部品の研磨方 法およびこの方法に用いる研磨粒を提供する こ と にある。 第 1 の発明は、 研磨材である砥粒が投射材の周囲に添付さ れたも しく はこの投射材の内部に分散した 0 . 1 m m以上 1 0 . 0 m m以下の粒状体の研磨粒を、 分速 6 0 0 m以上 3 , 8 0 0 m以下で、 単位面積当 た り 5 〜 3 0 0 c m ³ / c m ² · s e c なる量を、 被研磨面に吹き付ける こ と によ り 、 前 記研磨粒がこ の被研磨面上をごく 短時間滑動し、 これによ り 前記研磨粒に添付も しく は分散した砥粒が前記研磨面を研磨 する こ と を特徴とする。

第 2 の発明は、 第 1 の発明に対応する大型部品の研磨方法 において、 投射材は比重が 0 . 5 〜 1 . 8 X 1 0 ³ k g Z c m ³で、 弾性率が 1 0 〜 2 0 0 k g Z c m ²である合成繊 維、 合成樹脂、 合成ゴムな どで形成される石油化学系高分子 材料も し く は天然ゴム、 植物性繊維、 植物性種子などで形成 される天然素材からなる こ と を特徴とする。

第 3 の発明は、 第 1 または第 2 の発明に対応する大型部品 の研磨方法において、 研磨粒は、 被研磨面の法線方向に対し て 3 0 ° 〜 8 0 ° の方向力、ら吹き付ける こ と を特徴とする。

第 4 の発明は、 第 1 の発明に対応する大型部品の研磨方法 において、 砥粒は、 S i C、 S i 〇 ₂、 A 1 ₂ 0 ₃、 Z r O 2 のいずれかである こ と を特徴とする。

第 5 の発明は、 第 1 又は第 2 の'発明に対応する大型部品の 研磨方法において、 投射材および砥粒は、 少なく と も塩素、 硫酸、 シリ カ、 ホウ素、 鉄、 銅、 ニッケル、 ク ロ ム、 コパル ト以外の成分から構成されている こ と を特徴とする。 第 6 の発明は、 第 2 の発明に対応する大型部品の研磨方法 に用いる研磨粒は、 核と なる投射材の周囲にこの投射材自体 が有する粘着力で研磨材である砥粒が添付されているか、 こ の投射材周囲に弾性を有する接着材を塗布し、 これを介して 研磨材でめる砥粒が添付されている力 この投射材内に研磨 材である砲粒を分散させ添付されているかのいずれかの方法 で形成されている こ と を特徴とする。

第 7 の発明は、 第 6 の発明に対応する発明の大型部品の研 磨方法に用いる研磨粒において、 砥粒は、 S i C、 S i o ₂、 A 1 ₂ 0 ₃、 Z r 0 ₂のいずれかである こ と を特徴とする。

第 8 の発明は、 第 6 の発明に対応する大型部品の研磨方法 に用いる研磨粒において、 投射材およぴ砥粒は、 少なく と も 塩素、 硫酸、 シリ カ、 ホウ素、 鉄、 銅、 ニッケル、 ク ロ ム、 コパル ト以外の成分から構成されている こ と を特徴とする。 本発明は、 研磨の難しかった大型部品の狭隘部、 嵌合部を 含む表面研磨を可能にし、 しかも表面研磨面を悪化させる こ と な く 、 表面に成長した酸化皮膜を除去する こ と を可能にし て非破壊検査の品質向上を図る こ とができ る

図面の簡単な説明

図 1 は本発明によ る大型部品の研磨方法の第 1 および第 2 の実施形態を説明するための研磨粒の概略構成を示す断面図。

図 2 は研磨材を被研磨面に衝突させて研磨効果を創出 させ るため原理を説明するための模式図。

図 3 は本発明によ る大型部品の研磨方法の第 1 の実施形態 を説明するための投射材速度と研磨効率の相関を示すグラフ。 図 4 は本発明によ る大型部品の研磨方法の第 3 の実施形態 を説明するための投射角度と研磨効率の相関を示すグラフ。

図 5 は本発明によ る大型部品の研磨方法の第 1 乃至第 3 の 実施形態において、 研磨工程で研磨粒の衝突によ る翼表面か らの深さ方向における残留応力分布を示すグラフ。

図 6 は蒸気タ ー ビ ン の ノ ズルダイ ァ フ ラ ム の半分 ( 1 8 0 ° 分） を示す斜視図。

図 7 は蒸気タービン設備全体を概略的に示す断面

図 8 は蒸気タービンの熱効率と蒸気通路部の表面粗さ の相 関を示すダラ フ。

発明を実施するための最良の形態

図 1 は、 本発明に使用 される研磨粒の断面構造図でめ 。 研磨粒 1 1 0 は 、 中心にコァ と なる投射材 1 1 1 を配し、 その周囲に研磨材である砥粒 1 1 2 を添付したものでめ O ₀ 図 2 は本研磨方法の特徴を概略的に示した図である 研磨粒 1 1 0 は 、 被研磨面 1 1 3 に対してある角度を有し て吹き付け られ被研磨面 1 1 3 に衝突するが 、 研磨粒 1 1 0 は弹性変形しなが らその表面上を極 時間ではあるが滑る。 そ して、 再ぴ研磨面 1 1 3 に対してある角度を有して飛ばさ れてゆく 。

こ の被研磨面 1 1 3上を滑る際に 、 研磨粒 1 1 0 の表面に 添付された砥粒 1 1 2 が被研磨面 1 1 3 を研磨して く とい う ものである。 このよ う な原理から 、 研磨粒 1 1 0 のコアで ある投射材 1 1 1 は、 被研磨面の材質よ り あ軟らか < 、 被研 磨面 1 1 3 に吹き付けられた際に 度な弾性を有して跳ね返 る ものであれば 的には材 は問わなレ、

と ころでヽ 本発明の対象とする被研磨材は、 大型の部品を 対象と して り 、 その代表的なもの と される蒸気タ一ビンの 構成部品である動翼ヽ 翼ヽ 一タ、 蒸 弁、 大口径の蒸気 配管類、 な どでめ ό

そ して Ρ

、 これらの部 ΡΠの研磨作業は手 に置いても しく は 手に持ちなが ら研磨作業するのではな < ώ|7

、 |Sロ口ロのある と ころ まで研磨機 を移動させるか 、 大型の作業台の上に载せて研 磨作業するのが一般的である

そのため 、 本発明ではヽ 先の研磨原理の関係から lu記研 磨粒が研磨機 から被研磨面まであるェネルギを持つて届力 なければヽ 全 < 研磨作業は出来ない。

すなわち 、 研磨粒の比重が大さいあの と小さいもの と を同 じ速度で吹さ付けた場 a にはヽ 研磨粒の比重が大きいものほ ど運動ェネルギが大き < な り く まで飛ぶこ と がでさ るため、 遠く に被研磨面を設定でき ヽ かつ被研磨面での速度も落ちず 効率良い研磨ができる

一方、 比重の小さレ、ものは 、 空気抵抗等によ り 、 届 く 距離 は短く さ らに被研磨面での 度も落ちるため、 効率のよい研 磨作業を行 う には被研磨面を近づける必要力 Sある。

そこでヽ 発明者等は本発明の研磨方法の最適な投射材の物 性値を見出すベく 以下のよ な 験を みた。

すなわち 、 投射材の初速を 1 , 4 5 0 m / m i m 、 投射距 離 （すなわちヽ 被研磨面までの距離） を 1 ， 2 0 0 m mと し て、 比重 0 5 の発泡ゥ レタ ンと比重 1 7 のポ リ 塩化ビ二 T/JP2004/006174

10 リ デンでその研磨効果を調べた。

その結果、 この範囲の比重であれば研磨効果は良好である こ と が分かった。 すなわち、 これ以上の比重のものである と 研磨が進み過ぎ、 かえつて表面が粗く なる場合があ り 一方 これ以下の比重である と、 被研磨面で投射材の速度が落ちて しまい満足な研磨が出来ないためで

そこで、 本発明では投射材の比重を 0 . 5 1 . 8 g / C m ³に限定した。

次に、 被研磨面への衝突時の変形量 （すなわち被研磨面で の扁平率） 、 被研磨面を滑る時間、 被研磨面に衝突した後に 跳ね返る度合い等を表す弾性率に関しても実験を行つた

望ま しい投射材の弾性率は、 その投射材に与えられる ェネルギに対する影響 (速度依存性） と、 被研磨面上に け る滑動時に生じる摩 熱によ る影響 (温度依存性） の 2 点に 依存し、 被研磨面に早い速度で衝突する場合は低い弾性率の ものが、 被研磨面に ける滑動時に温度が高く なる場 には 高い弾†生率のものが 良好な研磨効率を示す。

また、 こ の速度依存性と温度依存性と は互いに影響を及ぼ しあってレヽるが、 発明者等は実験の結果、 速度依存性の方が 温度依存性よ り も研磨効果によ り影響を及ぼすこ と を実験の ロ 見 p しプ

すなわち、 投射距離を一定と し、 投射速度 （初速） を 6 0

0 / m i n とする と弾性率 2 0 0 k g Z c m ²程度の比較 的硬質なも のでも研磨効果が認め られ、 一方、 投射速度 (初 速） 3 , 8 0 0 m / m i n に上げる と弾性率 1 0 k g / c m ²程度の軟質なも のでも研磨効 J が得られた。

そこで、 本発明の投射材の弾性率は、 1 0 2 0 0 k g c m ² の範囲に限定した。

本発明の投射材は、 基本的には弾性を有する も のであれば 何でも使用可能である。

よって、 上記実験の結果から工業的に広く 用い られている 石油化学系高分子材料、 すなわちヽ 上 美験の用いた発泡ポ リ ウ レタ ンやポ リ 塩化ビニリ デン、 軟質塩化ビ二ノレな どの合 成樹脂、 合成繊維、 合成ゴム な どや、 弾性を有する天然素材、 例えば軟化させた米粒、 へちま 、 海綿、 ゼラチンなどが挙げ られる。

本発明の研磨方法においては研磨粒を用いて研削を行 う た め、 同 じ研磨粒を用いて比較した場合、 よ り 研磨効率の高レヽ 研磨作業を行 う 場合には、 投射速度 （初速） が同一であれば、 研磨粒の噴射量が多く 単位時間および単位面 あた り に衝突 させる研磨粒の量が多い方が、 また、 同 じ量の研磨粒であれ ば投射速度が速い方が、 それぞれ効率のよい研磨が可能であ る。

そ こ で、 発明者等は こ の投射速度 （初速） の最適値を見出 すために、 実験を行った。

図 3 は、 本発明の研磨方法の最適な投射速度 (初速） に する実験の結果を示している。

図中、 縦軸は研磨後の被研磨面の表面粗さ を 、 横軸は投射 材の投射速度 （初速） をそれぞれ表している α そ して、 縦軸 の R y = 6 . 3 は現状の蒸気タ一 =ηι

ビン部品のロス計時における 6174

12 表面粗さ許容値を示してお り 、 この値以下であれば性能上問 題ないとする値である。

こ の図から分かる よ う に投射速度 （初速） 6 0 0 mZ s e c 未満では表面粗さの改善は見られない。 こ の速度は、 従来 の研削作業である ビ ト リ フアイ ド砥石を用いた内面研削時の 下限周速と一致し、 本発明の研磨方法でも顕著な研削効果が 得られない。

一方、 投射速度 （初速） 3 , 8 0 0 mZ s e c 以上では、 表面粗さの改善効果は限界に達している。 この速度は、 従来 のネジ研削や溝研削で用いられるエラスティ ッ ク砥石におけ る周速のほぼ上限値であるが、 本発明の研磨方法では、 この 速度では投射材が被研磨面与えるダメ ージや投射装置の構造 を考える と、 ほぼ 3 ， O O O m s e c が上限と考え られる。

そこで、 本発明では投射材の投射速度 （初速） を 6 0 0 〜 3 , 8 0 0 m/ s e c と 限定した。

投射量の体積は、 被研磨物の形状、 投射距離、 研磨粒の密 度によって大き く 変化する。

狭隘部における微小領域の研磨では、 投射量を減ら し、 投 射速度を小さ く し、 5 c c / c m ² · s e c 程度で研磨を行 5。

比較的広い領域の研磨を行 う 場合は、 3 0 0 c c / c m ² · s e c もの投射量を確保できれば、 非常に効率的である。

基本的には、 被研磨物が小さな部品である場合、 研磨領域 が狭い場合は、 投射速度を大き く し、 投射量を絞って研磨を 行い、 研磨によ る変形が懸念される場合は、 投射速度を小さ 2004/006174

13 く し、 投射量を大き く して研磨を行 う。

投射距離が大きい場合は比重の大きな研磨粒を使う方が、 研磨効果が大きい。

以上の結果から研磨粒の比重で変化するが、 本実施形態で は単位面積あた り 5 〜 3 0 0 c c / c m ² · s e c に特定し た。

こ の よ う に弾性を有する比重 0 . 5 〜 ： 1 . 8 g / c m ³、 弾性率 1 0 〜 2 0 0 k g / c m ² の石油化学系高分子材料 (合成繊維、 合成樹脂、 合成ゴム） あるいは、 弾性を有する 天然素材 （天然ゴム、 植物性繊維、 植物性種子） の投射材と 砥粒からなる研磨粒を分速 6 0 O m以上 3 8 0 O m以下の速 度で単位面積あた り 5 〜 3 0 0 c c / c m ² · s e c の体積 查で投射、 衝突させる こ と によ り 、 被研磨材の表面の表面粗 さ を向上させる こ とができ る。

次に本発明の第 2 の実施形態と して、 本発明の研磨方法に 用いる研磨粒の創出について説明する。

図 1 に示した研磨粒 1 1 0 のコア と なる投射材 1 1 1 の物 性値については上記した通 り 石油化学系高分子材料、 すなわ ち、 上記実験の用いた発泡ポリ ウ レタ ンやポ リ 塩化ビ - リ デ ンな どの合成樹脂、 合成繊維、 合成ゴムなどや、 弾性を有す る天然素材、 例えば軟化させた米粒、 へちま、 海綿、 ゼラチ ンなどが用い られる。

そ して、 これらの投射材 1 1 1 の周囲に研磨材である砥粒 を添付 （付与） して研磨粒とする ものであるが、 その添付の 方法と して、 本発明では下記 4つの方法がある。 第 1 の研磨粒は、 投射材 1 1 1 に用いる材料そのものが有 する粘着性を利用する ものである。 すなわち、 投射材 1 1 1 がフタル酸エステルのよ う な可塑材を添力 P した軟質塩化ビニ ' ルの よ う な場合には、 それ自体が接着性、 粘着性を有するた め、 これを利用 して砥粒を こ の投射材 1 1 1 の周囲に添付

(付与） する。

第 2 の研磨粒は、 投射材 1 1 1 に用いた高分子材料に接着 性、 粘着性が無い場合であ り 、 通常のプラスチッ ク と呼ばれ る材料全般に適用 される方法である。 こ の よ う な場合には、 投射材 1 1 1 の周囲に弾性を有する接着材を用いて砥粒を添 付する。

このよ う な弾性を有する接着材の代表的なもの と して、 い わゆる木工用のボン ドの 1 種である酢酸ビュル樹脂ェマルジ ョ ン接着材がある。 これは硬化後に半透明の外観を呈し十分 な弾性を有している。

その他、 ウ レタ ン系、 ェマルジョ ン系、 合成ゴム系の接着 材ゃシリ コ ンポ リ マ ーを含む接着材が適用可能である。

また、 工業的に広く 使われている砥石の結合材であるエラ スティ ッ ク ボン ド と 呼ばれる ラ ノ 一ボン ド、 レジノ ィ ドボン ド、 シェ ラ ッ ク ボン ド、 ポ リ ビニーノレアノレコーノレポン ドも適 用でき る。

第 3 の研磨粒は、 投射材 1 1 1 に物理的に砥粒を投錨させ るか、 静電気を用いて付与 （添付） する方法である。

第 4 の研磨粒は、 投射材 1 1 1 が合成ゴムや天然ゴム、 合 成繊維や植物繊維な どの材料から構成されている場合である。 T/JP2004/006174

15 上記第 1 から第 3 の研磨粒では、 砥粒は投射材 1 1 1 の周 囲にしか添付されないが 、 第 4 の研磨粒では 、 研磨粒を製作 する際に砥粒を投射材 1 1 1 の内部にまで分散させる と 力 S 簡単に可能と なる。

そ して、 本発明の研磨方法における これら第 1 の研磨粒力 ら第 4 の研磨粒のいずれも、 その研磨効果を投射材 1 1 1 に 持たせるのではなく 、 その周囲も しく は内部に分散させた砥 粒に持たせている こ と に特徴がある

さ らに、 本発明の研磨方法では、 従来のよ う に研削液など を用いる こ と な く 、 研磨粒のみの乾燥状態で研磨作業を行 う 点にも特徴がある。 研削液を用いないこ と によ り 、 上記第 2 の研磨粒のよ う に、 水分に弱いと されてレ、る接着材を使用 し ての砥粒の投射材への添付 （付与） が可目 と なる。

上記方法で創出された研磨粒の大さ さは 、 被研磨面の状況 に応じて適宜選択可能でめる。

し力、し、 上記したよ う に本発明の研磨方法では、 研磨粒を 被研磨面に投射する関係から、 0 . 1 m m以下の研磨粒では、 微小領域の研磨には最適ではあるが 、 投射する際に空 の抵 抗等の関係から、 高速に投射する こ と が難しい。

一方、 1 0 m m以上の研磨粒では 、 むしろ被研磨面に与え るダメ ージが大き く な り 、 また投射装置が大型化するため作 業性が著しく 低下する。

よって、 本発明では研磨粒の大き さ を 0 • 1 〜 ： L 0 • 0 m mと限定した。

また、 研磨粒の形状と しては 、 球状に近いこ とが研磨原理 4 006174

16 上望ま しいが、 実質的には粒状であれば工業的に十分適用可 能である。

さ らに、 コアである投射材の周囲に添付する砥粒材質と し ては、 酸化物系セラ ミ ッ ク ス、 炭化物系セラ ミ ッ ク ス、 ダイ ャモン ド等の高硬度のものであれば基本的に どのよ う なもの でも適用可能であるが、 こ こでは工業的に広く 使用 されてい る S i C， S i O 2 , A 1 ₂ 0 3 , Z r 〇 ₂を選定した。

上記第 1 ないし第 4 の研磨粒において、 研磨効果を創出 し ている投射材表面の砥粒は、 研磨施工中の連続的な噴射、 衝 突によ り投射材表面から徐々 に脱落していく 。 こ の砥粒の脱 落に起因する研磨効果の低下は、 砥粒を再度投射材表面に付 与する こ と で、 十分再生可能である。

なお、 研磨粒の大き さ、 形状の範囲とその化学成分を次の よ う にしても よい。 .

第 1 ないし第 4 の研磨粒の大き さ、 形状については、 微小 領域研磨用の 0 . 2 m mから 5 . O m mの範囲の粒状と し、 化学成分については投射材、 砥粒の化学成分を原子力機器で 厳密に管理されている塩素、 硫酸、 シリ カ、 ホ ウ素、 鉄、 銅、 ニッケル、 ク ロ ム、 コパノレ ト を含まないよ う に しても よい。

このよ う な寸法、 形状と化学成分からなる研磨粒とする こ と によ り 、 原子力機器にも適用でき る。

さ らに、 前述した第 1 の実施形態又は第 2 の実施形態の大 型部品の研磨方法において、 被研磨対象物である大型部品の 表面状態、 表面硬さ、 表面粗さ によって前述した第 1 ないし 第 4 の研磨粒の砥粒を変える こ とで段階的に表面粗さを改善 2004/006174

17 可能と しても よい。

従来の手法で鏡面研磨する場合におレヽて、 粗い粒度を用い て粗研磨を し、 徐々 に砥粒粒度を細かく して表面粗さ を改 させている。 本実施形態においても 、 研磨粒の選択によつて 研磨後の表面粗さ レベルを コ ン ト 口一ルする こ とが可能であ る。 そのためには、 投射材に付与してある砥粒を変えるヽ あ るいは付与してある砥粒の異なる研磨粒を多種類準備して く 必要が

次に本発明の第 3 の実施形態について説明する。

本実施の形態は、 前述の第 1 の実施形態および第 2 の実施 形態で説明 した研磨粒 1 1 0 を用いた大型部品の研磨方法に おいて、 被研磨面法線方向に対して 3 0 ⁰ 〜 8 0 ° の角度方 向力 ら研磨粒 1 1 0 を投射する こ と によ り 、 被研磨面の表面 粗さ を向上させる よ う にしたものである o

本発明によ る研磨方法は上記したよ う に、 研磨粒を被研磨 面に投射する こ と によ り 、 その衝突の際に極短時間だけ研磨 粒が被研磨面を滑動する こ と を利用 したものであるにめ 、 被 研磨面と投射された研磨粒と の成す角度が研磨効果に与える 影響は大きレヽ

図 4 は 、 研磨粒の投射角度 (被研磨面の法線角度） と単位 時間投射後の表面粗さの関係を示したものである o

こ の図よ り ヽ 法線角度が大きい場合 、 すなわち被研磨面に 対して研磨粒を接線方.向に近い角度から投射した方が 面粗 さの改 効果が大き こ と を表している o

これは 、 研 粒が被研磨面に対して接線に近い方が 、 表面 を滑動する時間が長く なるためである。 逆に角度が大き く な り過ぎる と、 投射時に研磨粒に与えられたエネルギが、 滑動 方向にのみ働き被研磨面方向に対してはほと んど働かなく な るため、 研磨効果が得られ'な く なる。

一方、 法線角度が小さい場合、 すなわち被研磨面に対して 研磨粒が垂直方向に近い角度から投射される場合には、 研磨 粒が滑動する時間がよ り 短時間になる。 また、 投射時に研磨 粒に与えられたエネルギが、 非被研磨面の面方向に対して多 く働きすぎ、 滑動方向にはほと んど働かな く なるため、 研磨 粒が被研磨面をほとんど滑動しなく なる。 その結果、 研磨粒 外周に添付 （付与） された砥粒による研磨効果が得られなく なる。

発明者等の実験では、 法線方向角度 4 5 ° 〜 8 0 ° で十分 な研磨効果を確認しているが、 実際の 3次元形状を有する大 型部品の研磨作業を考慮する と、 研磨粒の投射方向が必ずし も上記効果のある角度で可能である と は限らない。

そのため、 本発明の研磨方法では、 多少研磨効果は悪化す るが、 十分現状の表面粗さ を改善でき る法線方向角度 3 0 ° 〜 8 0 ° を研磨粒の投射角度と定めた。

次に、 前述した第 1 の実施形態ないし第 3 の実施形態の研 磨方法によ り 、 代表的な大型部品であるガスタービンや蒸気 タービン部品、 特に長期間運転に供されて、 その表面粗さの 悪化したタービンの動静翼、 タービンロータ及ぴ蒸気や燃焼 ガスなどの流体流通路部の部品 （蒸気弁、 蒸気配管、 ク ロ ス オーバ管、 ター ビン入口部、 出 口部、 ノ ズルボ ッ ク ス内部） 2004/006174

19 を研 した場合のタカ果について Ki! へる

タ一 ビン部品の研磨ではヽ その 目的とする と · - ろは対象物 表面に付着、 生成してレ、るスケ一ル若し < は酸化物を除去す る と 時に表面粗さを回復 、 向上させる こ と にある

刖述したよ う に動静翼ヽ タ、 燃焼ガスや -ハ、、 通路部の の多く は、 車5中に高温高圧の蒸 やガスに晒され 、 表 面に酸化皮膜が生成されヽ れに加 て燃焼器やボィ ラ側か ら飛来した鲭びや汚れも表 - 面に つ ろ 状に付着する。

これらは点検時の非破壊検査の外乱要素と なってお り 、 従 来ではセラ 、

へ V ク系投射材を用いるェァ一ブラ ス ト法によ り 除去されてさた 。 従来手法でも有口要因の除去は可能である が、 表面粗さ を悪化させてしま ラ ケ一ス も めつた。

またヽ 回 Is部品へのセラ ミ -yクス系投射材を用いるエアー ブラス 卜法の 用は 、 被対象物の研削且

里が大きいこ と力ゝら回 転体本体の重量パラ ンス を壌す可台匕

目匕性があ り 、 実際に蒸気タ 一 ビン 翼の洗浄作業によるァ ンパランスが起った事例もあ 。

刖述した第 1 の実施形態乃至第 3 の実施形態の研磨方法に よればヽ 硬質な酸化物、 スケ一ルを含む上記の有害要因を除 去しつつ 、 また回転体のバランスを壊すこ と な く 、 表面粗さ を回復させ 、 向上させる こ と が可能でめ 、 健全な洗浄効果 に加免て研磨効果も享受する とがでさ る

また 刖述した第 1 の実施形態乃 第 3 の実施形態の研磨 方法に り 、 既設の タ一ビン 翼をタ一 ビ ンロータ力、ら 抜き取る · - と な < 、 植込んだ状 で表面粗さ を回復させ、 向 上させる こ と もでき る。

蒸気タ一ビンの動翼は、 発電機と直 ?ί、Ρ しタ一ビン 一タを 回転させる上で極めて重要な働きを してお り 、 反動タ一ビン、 衝動タ一ビンのタイ プの違いに関わらず動翼の表面粗さがタ 一ビン性能に影響を与える。 特に高 im曰.高圧の蒸気流 路部の 表面粗さは 、 ター ビン性能への影響が顕著であるが 、 髙 曰

皿髙 圧の蒸 ¾通路部に位置する動翼 （いわゆる高圧タ一ビン ) は、 有効部と呼ばれる蒸気に晒される部分が短 < シュ ラ ゥ ド、と呼 ばれる外周側の拘束板が大きいためヽ 狭隘個所が多 < 、 研 作業が極めて難しい。

刖 ¾N した第 1 の実施形態乃至第 3 の実施形態の研磨方法に よれば 、 研磨粒を所定の角度で被研磨対象物に衝突させて研 磨する こ とができ るので、 動翼をタ一ビン π一タ に植込んだ 状態でもタ一ビン翼の狭隘部を研磨する こ と が可能でめる o さ らに、 本発明の研磨方法においては、 蒸気タ一ビンの静 翼を円環状のノ ズノレダイ アフラムそのままの状態又はそれを 半リ ングの状態 （ 1 8 0 ° の位置で分割 した状態） でヽ 研磨 時の後縁 ¾5の変形量が 2 m m以下と な り 、 酸化スケ一ルの付 着や腐食など経年的に新設時に較べ薄く なつた後縁端部の研 磨も十分可能で、 形状を壊すこ と な < 、 表面粗さ を回復させ、 向上させる こ と ができ る。

同様に研磨粒を所定の角度で被研磨対象物に衝突させる と によ り 、 研磨する こ とができ るので 、 作業の難しい狭隘部 の研磨力 ^S可能である。

よつて、 従来手法では困難であつた 気タ ビン 翼の翼 面、 蒸気通路部の壁面、 ノ ズルダィ ァフ ラ ム と壁 ¾嵌 A口 £R の狭隘部を分解する こ と なく 研磨が可能であ

一方、 刖： した第 1 の実施形態乃至第 3 の実施形態の研磨 方法によ り 、 耐食、 耐摩耗コーティ ングを施してめるタ一ビ ン動静翼、 ター ビン口 —-タ、 その他のタービン部品の耐食、 耐摩耗コーティ ング表面の表面粗さ も回復させ、 向上させる こ とができ る。

而ォ食コーティ ングは 電気的、 化学的腐食 下における 母材の腐食防止を 目 的と して施工されてお り 、 特に地熱発電 に供される蒸気タービン部材に多く 用 されている。

また、 耐摩耗コーティ ングは、 ボィ ラースケ一ル等の固体 粒子エロージョ ンによ る もの、 摺動、 衝撃、 振動等による機 械的な減肉対策と して、 様々 な材質が適用 されている。

大型部品の う ち特にター ビン部品のよ う に複雑な形状部品 に施工されたこれらのコーティ ングは、 皮膜の欠落や剥離等 を起こ し易く 、 通常は皮膜層へのダメ ージも回避するため、 施工後の皮膜に対しては表面粗さに対する処理は行われてい ない。

しかし、 第 1 の実施形態乃至第 3 の実施形態の研磨方法に よれば、 摩耗による減肉量が極めて少ないこ と 、 被研磨面へ の物理的、 機械的影響が小さいこ とから、 複雑な形状でコー ティ ング施工後のター ビン部品であってもその表面粗さの改 善を図る こ とができ る。

また、 前述した第 1 の実施形態乃至第 3 の実施形態の研磨 方法によれば、 研磨粒の衝突効果によ り 被研磨対象物の極表 層部に圧縮応力を付与する こ と が可能である o

例えば 、 動翼の新製品部品において 、 従来では素材の機械 加工後に形状の最終調整と表面の研磨を 目的 と して主と して 回転工具によ る研磨を翼有効部全面に行つてレ、た。

このよ Ό な従来の製作方法では、 新製動翼有効部の極表層 部に引張り の残留応力が残る 。 特に 転時の動翼には 、 タ一 ビンロ ータ回転に伴う遠心力によ る引張応力が常に負荷され るため、 静止時にも この引張の残留応力が残る こ と は 、 回転 時の応力に対する余裕を無 < すこ と になるため 、 設計上好ま しく ない ο

前述した第 1 の実施形態乃至第 3 の実施形態の研磨方法で は、 図 5 に示す翼表面からの深さ方向に ける残留応力分布 のよ う にヽ 研磨工程において 、 研磨粒の衝突効果によ り残留 応力の レベノレは小さいものの 、 従来の ピ一二ング効果に似た 圧縮の残留応力を翼の表層部に与える こ と がで含 る。

さ らに 、 前述した第 1 の実施形態乃至第 3 の実施形態の研 磨方法に いて、 被研面に付着、 生成している硬質の酸化皮 膜を除去する と共に、 表面粗さ を向上させる と によ り 、 非 破壌検査の品質を向上させる こ と ができ る o

すなわち 、 運転に供されてレヽる蒸気タ一ビンは、 予め決め られた一定期間毎に 目 的に応じて多種多様の非破壊検查を行 つている o その中でも特に高温高圧下で使用 される部品は、 高度な検查技術と精度が要求されている。

しカゝしヽ 現状では運転中に付着、 生成した硬質の酸化皮膜 の除去が難しく 、 検査精度に限界があった。 刖述した第 丄 の実施形態乃至第 3 の実施形 、ヒの研 it方法に よれば、 表面の酸化皮膜を除去する と 同時に表面粗さ を向上 させる こ とカ 可能であ り 、 結果的に非破壊検查の品質向上を 図る こ と ができ る

次に本発明の第 4 の実施形態について ¾! ベる

第 4 の実施形態では、 前述した第 1 ない し第 3 の実施形態 によ る研磨方法で特に代表的な大型部 P

PPであるタ ビン動 を研磨する際 、 後縁線に対しては略直交方向から研 粒を 投射 、 衝突させる ものである。

こ の第 4 の実施形態によれば タ一ビン動 翼の後縁 線に略直交方向ヽ すなわち の流れ方向に平行に研磨を行

>- と で 、 研磨による微細な傷 (研磨痕 ) が蒸気の流れ方向 と平行にな り 流体 (蒸気） える表面粗さの影響を最小限 にする こ と がでさ 。

従つて 、 ]Ρ! し表面粗さにおいても、 後縁線に略直交方向で 研磨しなかつた場合に比較して流体への抵抗が大さ < なる と を防止でき る

· - こで 、 本発明による大型部 Ρ

ΡΡの研磨方法によ 気タ一 ビン動翼を研磨する場合の実施例について 明する

蒸気タ一ビン動翼は、 1 2 C r 鋼の圧延若しく は鍛造の素 材から動翼形状に削 り 出され、 取終的な段階で表面研磨され、 タ ビン 一タに組み込まれる こ の時 、 表面状態は R y 6 .

3若し く は R y 1 . 0程度に仕上げられる

従来技術によ る研磨では 、 3 次元的な曲線を持つ翼の有効 部を ¾の流れ方向に沿つて手研磨を行 5 と で研磨によ る 表面粗さの方向性を一定にしている。 こ こで言 う 方向性と は、 直交する 2方向の表面粗さを測定した場合に、 表面粗さが最 大になる方向を蒸気の流れ方向 と直交させる よ う な研磨であ る。 即ち 、 蒸気の流れる方向に平行 こ研磨によ る傷 (研磨 痕） が存在する よ う に研磨が行なわれていた。

本発明によ る大型部品の研磨方法では、 従来手法の研磨で は避けられなかった研磨傷 （研磨痕） がなく なる こ と 、 研磨 による被研磨面側の減肉量が極めて小さいこ と によ り精密で 高精度な表面研磨が可能と なった。

研磨傷 (研磨痕） が無く なる こ と は 、 研磨による方向性が なく なる こ と を意味し、 高度な技術を要する手作業による研 磨作業 の依存度を大き く 低減させる こ とが可能と なる。

またヽ 研磨による被研磨面側の減肉量が極めて小さいこ と は、 研磨を行わない部分に対する養生を簡素化する こ とがで さ る。 さ らにヽ 密で咼精度な 面研磨が可能である こ と は

、

n密検查目 U の 面処理にも大きな効果をもた らすこ とができ o

なお、 上記各実施形態では主に 気ター ビンやガスタ一ビ ンの主要部 P である タ一ビンの動翼や静翼を研磨する場合を 中心に説明 したが 、 本発明によ る研磨方法の適用部品はこれ に限らず 、 中型から大型の部ロ Pロ めれば特に限定しない。 こ のよ う な部 P

PPの例と して回奉 s駆動機器類の車軸回転部 、 油圧 機器のピス 卜 ンの外表面 、 鉄道車輪の レール接角虫面などが挙 げられる o

産業上の利用可台匕

目匕性 本発明によれば、 研磨の難しかった大型部品の狭隘部、 嵌 合部を含む表面研磨を可能にし、 しかも表面研磨面を悪化さ せる こ と なく 、 表面に成長した酸化皮膜を除去する こ と を可 能にして非破壌検査の品質向上を図る こ と ができ る。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 研磨材である砥粒が投射材の周囲に添付されたも しく はこの投射材の内部に分散した 0 . 1 m m以上 1 0 . O m m 以下の粒状体の研磨粒を分速 6 0 O m以上 3 , 8 0 O m以下 で単位面積当た り 5 〜 3 0 0 c m ³ / c m ² . s e c なる量 を被研磨面に吹き付ける こ と によ り 、 前記研磨粒がこの被研 磨面上に衝突し、 滑動する こ と によ り前記研磨粒に添付も し く は分散した砥粒が前記研磨面を研磨する こ と を特徴とする 大型部品の研磨方法。

2 . 前記投射材は比重が 0 . 5 〜 1 . 8 X 1 0 — ³ k g / c m ³で、 弾性率が 1 0 〜 2 0 0 k g Z c m ²である合成繊 維、 合成樹脂、 合成ゴムな どで形成される石油化学系高分子 材料も しく は天然ゴム、 植物性繊維、 植物性種子な どで形成 される天然素材からなる こ と を特徴とする請求項 1 記載の大 型部品の研磨方法。

3 . 前記研磨粒は、 被研磨面の法線方向に対して 3 0 ° 〜 8 0 ° の方向から吹き付ける こ と を特徴とする請求項 1 また は 2記載の大型部品の研磨方法。

4 . 前記砥粒は、 S i C、 S i 〇 ₂、 A 1 ₂ 0 ₃、 Z r O 2 のいずれかである こ と を特徴とする請求項 1 記載の大型部品 の研磨方法。

5 . 前記投射材および前記砥粒は、 少なく と も塩素、 硫酸、 シリ カ、 ホウ素、 鉄、 銅、 ニッケル、 ク ロ ム、 コバル ト以外 の成分から構成されている こ と を特徴とする請求項 1 又は請 求項 2 に記載の大型部品の研磨方法。

6 . 前記研磨粒は、 核と なる投射材の周囲にこ の投射材自 体が有する粘着力で研磨材である砥粒が添付されているか、 こ の投射材周囲に弾性を有する接着材を塗布しこれを介して 研磨材である砥粒が添付されているか、 この投射材内に研磨 材である砥粒を分散させ添付されているかのいずれかの方法 で形成されている こ と を特徴とする請求項 2記載の大型部品 の研磨方法に用いる研磨粒。

7 . 前記砥粒は、 S i C、 S i 〇 ₂、 A 1 ₂ 0 ₃、 Z r O 2 のいずれかである こ と を特徴とする請求項 6記載の大型部品 の研磨方法に用いる研磨粒。

8 . 前記投射材および前記砥粒は、 少なく と も塩素、 硫酸、 シリ カ、 ホウ素、 鉄、 銅、 ニッケル、 ク ロム、 コパル.ト以外 の成分から構成されている こ と を特徴とする請求項 6記載の 大型部品の研磨方法に用いる研磨粒。