(57)【要約】【課題】金属板の表面残留応力を、回転砥石による研削のみで圧縮応力にする。【解決手段】回転砥石3のみに向かって冷却ノズル7から窒素ガス7Gを吹き付け、該回転砥石3のみを冷却しながら金属板20の表面20aを研磨し、該表面20aの残留応力を圧縮応力にする。【選択図】図2
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研削物を回転砥石で研削する研削方法において、冷却媒体により前記回転砥石のみを冷却しながら研削することを特徴とする被研削物の研削方法。
【請求項２】
冷却媒体が、冷却気体、冷却液体、又は、冷却固体であることを特徴とする請求項1記載の被研削物の研削方法。
【請求項３】
冷却気体が、冷却ノズルから吹き出される窒素、空気、ヘリウム、アルゴン、又は、炭酸ガスであることを特徴とする請求項１記載の被研削物の研削方法。
【請求項４】
冷却液体が、回転砥石内に形成した、冷却路に供給される冷却水であることを特徴とする請求項1記載の被研削物の研削方法。
【請求項５】
冷却固体が、回転砥石の一部が挿入される、冷凍ボックスに収容されたドライアイスであることを特徴とする請求項1記載の被研削物の研削方法。
【請求項６】
回転砥石の熱伝導率が、被研削物のそれより高いことを特徴とする請求項1記載の被研削物の表面研削方法。
【請求項７】
被研削物が、溶接された金属板の溶接部の表面であることを特徴とする請求項1記載の被研削物の研削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学プラントや原子力プラント等で用いられる、被研削物の研削方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、金属材料、例えば、化学プラントや原子力プラント等で多用されるオーステナイト系ステンレス鋼は、溶接により引張残留応力が導入され、更に、溶接部を整形するグラインダ研削によって表面引張残留応力が一層助長される。
【０００３】
このような引張応力の存在下で、腐食因子が作用すると応力腐食割れを発生することが知られている。また、上記のような引張残留応力のある状態に、繰返し応力が付加すると、金属疲労強度を大きく損なうことが知られている。
【０００４】
従来、このような状況を改善するため、溶接部をグラインダ(回転砥石)で整形した後、金属粒子やガラスビーズを用いたショットブラストを施工することで、金属表面に圧縮の残留応力を導入している。更に他の手段として、炭素鋼や低合金鋼の溶接部に応力除去焼鈍を適用したり、オーステナイト系ステンレス鋼には固溶化熱処理を実施することもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のショットブラストや焼鈍或いは固溶化熱処理は、溶接やグラインダの作業に追加で行う必要があり、処理用の装置を現場に設置して実施するか或いは装置のある工場などに製品や半製品を輸送して施工する必要がある。このため、工事日数が増加すると共に、処理費用もかさむ事になる。また熱処理の場合には、それに伴う材質の劣化や、変形を伴う事も有る。
【０００６】
この発明は、前記従来技術の問題点を解決するため、被研削物の研削のみで、金属表面の残留応力を圧縮応力にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、被研削物を回転砥石で研削する研削方法において、冷却媒体により前記回転砥石のみを冷却しながら研削することを特徴とする。
【０００８】
この発明の冷却媒体が、冷却気体、冷却液体、又は、冷却固体であることを特徴とする。この発明の冷却気体が、冷却ノズルから吹き出される窒素、空気、ヘリウム、アルゴン、又は、炭酸ガスであることを特徴とする。この発明の冷却液体が、回転砥石内に形成した、冷却路に供給される冷却水であることを特徴とする。この発明の冷却固体が、回転砥石の一部が挿入される、冷凍ボックスに収容されたドライアイスであることを特徴とする。
【０００９】
この発明の回転砥石の熱伝導率が、被研削物のそれより高いことを特徴とする。この発明の被研削物が、溶接された金属板の溶接部の表面であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明は、冷却媒体により回転砥石のみを冷却しながら被研削物を研削するので、熱応力の発生を防止、又は、緩和することができる。そのため、被研削物の表面の残留応力を圧縮応力とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本件発明者は、「金属材料の表面研削による残留応力」について研究実験を重ねた結果、次の結論を得た。即ち、研削による残留応力は、次に述べる3つの要因による作用の複合効果として発生すると考えられる。
Ｉ：砥粒による金属の局部破壊、
II：砥粒が金属表面を押さえながら運動するいわゆる「バニシ効果」、
III：砥粒による金属の局部破壊や砥粒と金属との摩擦に伴う発熱。
【００１２】
このうち、前記要因Ｉは、引張残留応力を発生し、前記要因IIは、圧縮の残留応力を発生し、前記要因IIIは引っ張りの残留応力を発生する。また、これらの要因の作用する順序は、要因Ｉ→要因II→要因IIIである。
【００１３】
金属に存在する残留応力は、最後のプロセスが最も大きな効果をもつ。そのため、最後の要因IIIが大きいと引張残留応力となり、要因IIIが非常に弱いか、又は、無視できるときには、要因IIが主役となり圧縮残留応力となる、と考えられる。
【００１４】
一般に工業界では、研削液で研削部を冷却しながら加工される。この場合、研削液は砥粒と金属の間の摩擦を低減することや被研削物の研削部近傍を直接冷却することで、当該部分近傍の温度上昇を低く押さえるのに寄与している。
しかし、液体による冷却方法は、研削液が飛び散ることから、溶接現場での適用は困難である。
【００１５】
又、近年研削部近傍を気体で冷却する方法も研究されている。しかし、この場合も冷却は、研削部を冷却する方法が採られている。
液体、気体を問わず研削部とその近傍を冷却する方法は、残留応力低減効果は十分ではない。その理由を図1により説明する。
【００１６】
回転砥石Ｇの砥粒Ｔと金属材(母材)Ｍの接触は、砥粒Ｔの大きさにも依存するが、数μｍから100μmと考えられる。研削に伴う発熱は、この接触部Ｃで発生する。この発熱に伴う熱応力は、発熱部Ｆとその周りＲの温度差で生じる。
【００１７】
従って、接触部Ｃを含む周りＲ全体を冷却した場合、発熱部Ｆの温度も低下するが、周りＲの温度も低下しているので、両者間の温度差は小さくはならないので、熱応力を低く押さえる効果は十分ではない。
【００１８】
更に、砥粒Ｔ、母材Ｍ、および発熱部Ｆ(被研削部)の温度と熱の移行の関係について詳細に説明すると、
（１）発熱部Ｆの温度Ｔｃは、最も高く、発生した熱は母材Ｍと砥粒Ｔに熱伝導により移行する。砥粒（CBN「立方晶窒化ホウ素」）Ｔと母材（SUS304,又は、SS400）Ｍの熱伝導率を比較すると、表１に示すように、CBNの方が圧倒的に大きいので、もし両者の温度が同じであれば、熱は主にCBNの方に移行する。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
（２）砥粒Ｔおよび母材Ｍの温度を低くすると、発熱部Ｆの熱は、より多く砥粒Ｔや母材Ｍに移行するため、発熱部Ｆの温度も低下する。しかし、母材Ｍも発熱部Ｆ共に温度は低くなるので、両者の温度差はあまり小さくならない。
【００２１】
（３）CBN砥粒Ｔのみを冷却すると、熱伝導係数が大きく、かつ温度が低いので、発熱部Ｆの熱は、圧倒的に砥粒Ｔのほうに移行する。母材Ｍは、冷却していないので、室温のままである。したがって、発熱部Ｆと母材Ｍの温度差は小さい。以上をまとめると、表２の通りとなる。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
そこで、「熱応力が、残留応力を引張とする原因」と考えられるから、砥粒のみの冷却が最も優れていると結論される。この発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、冷却媒体により回転砥石のみを冷却しながら被研削物を研削することにより、該被研削物の表面残留応力を圧縮応力にすることを特徴とするものである。
【実施例】
【００２４】
この発明の第１実施例を第２図及び第３図により説明する。
切削装置1は、回転砥石3を取り付けたグラインダ5と、前記回転砥石3の左上半部3L側に設けられた冷却ノズル7と、を備えている。前記グラインダ5として、例えば、日立社製のGP7Yを用い、又、回転砥石3として、例えば、旭ダイヤモンド社製のCBN砥石(直径65mm)を用いる。
【００２５】
冷却ノズル7は、前記回転砥石3にのみ冷却ガスを吹き付けるもので、その軸心7cは、回転砥石3の中心線3cと平行に、即ち、金属板20に対して垂直に、配設され、その噴出口7aは、回転砥石3の研削面3aに、所定間隔をおいて対向している。この冷却ノズル7の配設位置、噴出方向等は、必要に応じて適宜選択される。
【００２６】
冷却ノズル7は、フレキシブルチューブ11、ボルテックスチューブ12、流量計13、外圧装置16を介してガスボンベ17に連結されている。前記ポルテックスチューブ12として、例えば、サンワ・エンタープライズ社製のものを使用する。
【００２７】
ガスボンベ17内には、窒素ガス(N2ガス)7Gが充填されている。窒素ガス流量は、流量計13で計測しながら調整されるが、例えば、その流量は、ガスボンベ17の出口で180NL/minとなるように調整してある。
【００２８】
被研削物である金属板20は、厚さ12mmの18-8クロム・ニッケルオーステナイト系ステンレス鋼(JIS  SUS304)で、板の製造時の残留応力を除去するために、固溶化熱処理(1050℃に於いて30分保持、空中冷却)を実施し、更に、表面の酸化スケールを除去するため、酸洗いを実施している。
【００２９】
次に、この実施例の作動について説明する。
研削装置1を始動させ、回転砥石3を矢印A3方向に回転させるとともに、冷却ノズル7の噴出口7aから窒素ガス7Gを、回転砥石3の切削面3aに向かって吹き付け、該砥石3を冷却する。この時の窒素ガス7Gの温度は、必要に応じて適宜選択されるが、室温より50℃位低い温度が好適であり、例えば、-30℃〜-40℃の範囲で選択される。
【００３０】
この状態で前記回転砥石3を金属板(SUS304)20に近接させ、その切削面3aを該金属板20の表面20aに当接させるとともに、所定方向A20に移動させ、例えば、研磨範囲(面積)約100mm×100mmを5分間で研磨する。
【００３１】
この時、金属板20は冷却されず、回転砥石3のみが冷却されているので、金属板20より回転砥石3の砥粒3Ｔの方が低温になる。また、この砥粒3ＴはCBNであるので、その熱伝導係数は、金属板20のそれに比べ数十倍も大きい(表1参照)。
【００３２】
この場合、砥粒3Ｔと金属板20の接触部Cで発生した熱は、金属板(母材)3に移行するよりも、温度が低く、熱伝導係数の大きい砥粒3Ｔ側に移行する方が圧倒的に多くなる。
【００３３】
従って、金属板20例の接触部Ｃの温度上昇は低く、周りの金属は冷却を受けていないので、ほぼ室温となっている。それゆえ、発熱部Ｆとその周り(母材)との温度差は小さくなり、発生する熱応力は小さくなる。その結果、砥粒3Ｔが金属板20表面20aを押さえながら運動するいわゆる「バニシ効果」が残留し、圧縮応力を得ることが出来る。
【００３４】
前記研削面積を前記研削時間で研削したときの回転砥石3の研削面3aの温度上昇(研削直前および直後に接触式温度計で計測)を測定したところ、回転砥石3が冷却されていない場合は約30℃であったが、それを冷却した場合には約20℃となった。即ち、回転砥石3の冷却の有無により、約10℃の温度差が発生した。
【００３５】
又、研削した極表面の残留応力を、X線回折法(Cｒ-Kβ=波長0.208nｍ)を用いて、回転砥石(グラインダ)の目に平行な方向と、それに直角な方向について計測したところ、表３の結果を得た。
【００３６】
【表３】
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【００３７】
前記表３から明らかな様に、回転砥石3の気体冷却を行わない場合、回転砥石(グラインダ)の目に沿った残留応力はかなり高い引張の残留応力となる。しかし、回転砥石3の冷却を行いながら研削する場合には、グラインダの目に沿った方向でも圧縮の残留応力となる。
【００３８】
この発明の第２実施例を図４により説明する。
この実施例と第１実施例との相違点は、冷却媒体として、冷却個体を用いることである。この冷却個体として、例えば、冷凍ボックス25に収納された、ドライアイス26が用いられる。このボックス25は、断面逆台形状に形成され、その上面には、ドライアイス出入口(図示省略)が設けられ、その底面25bには砥石挿入口25ｃが設けられている。この挿入口25cには、回転砥石3の上部3uが挿入され、該上部3uはドライアイス26により直接冷却される。
【００３９】
回転砥石3の矢印A3方向への回転に伴い、研磨を終えた研削面3aは、次々と冷凍ボックス25内に入り、ドライアイス26と直接接触しながら冷却される。
【００４０】
この発明の第３実施例を図５により説明する。この実施例と第１実施例との相違点は、冷却媒体として、冷却液体を用いることである。この冷却液体として、例えば、冷却水Wが用いられ、この冷却水Ｗは回転砥石3内に設けられた冷却路30内に供給される。
【００４１】
この冷却路30は、切削面3aに沿ってリング状に形成され、図示しない冷却液給排室から冷却水Ｗが供給されることによって、前記切削面3aを内側から冷却する。そのため、冷却水Wか周囲に飛散することがないので、好適な作業環境を維持することができる。
【００４２】
この発明の実施例は、上記に限定されるものではなく、例えば、次のようにしても良い。
(1)冷却ガスとして、窒素ガスの代わりに、空気、ヘリウム、アルゴン、炭酸ガスなど、不燃性の非毒性ガスを用いること。
(2)冷却ガスの製造設備として、窒素ガスの充填されたガスボンベを用いる代わりに、液体窒素の利用、ドライアイスの利用、その他熱交換器による製造をすること。
【００４３】
(3)冷却ガス流量を必要に応じて適宜選択し、例えば、180NL/min以下、又は、それ以上にすること。
(4)冷却ノズルの方向を回転砥石の中心や回転方向に向けること、冷却ノズルを複数個にすること、ノズル先端を砥石に沿った扁平形状とすること、研削部以外の砥石部分を冷却気体に接するようなフード状のノズルとすること。
【００４４】
(5)被研削物を、溶接された金属板の溶接部の表面とすること。
(6)この発明は、金属板等の被研削物の切断にも用いることができる。従って、本件明細書における「研削」には、切断も含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】発熱部のモデルを示す縦断面図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す図である。
【図３】図２の要部拡大図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す縦断面図である。
【図５】本発明の第３実施例を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
1   研削装置
3   回転砥石
5   グラインダ
7   冷却ノズル
7G  窒素ガス
20  金属板（被研削物）
25  冷凍ボックス
26  ドライアイ
30  冷却路
Ｗ  冷却水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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