WO2014010540A1 - 空洞管の研磨用電極とそれを用いた電解研磨方法 - Google Patents

Description

空洞管の研磨用電極とそれを用いた電解研磨方法

　本発明は空洞管の内面を電解研磨するための電極と、その電極を用いた電解研磨方法に関する。

　陽電子と電子を衝突させ、ビッグバン状態を形成する装置としてリニアコライダが建設されようとしている（ILC計画）。リニアコライダには図１３に示すように、両端にフランジ１０１ａ、１０１ｂを有し、軸方向に周期的に径が変化するニオブの空洞管１００が使用される。この実験で所定の効果を得るための要素の１つとして、このニオブの空洞管１００の内面が平滑になっているか否かがある。

　ところが、空洞管１００は、成形時に過大な圧力や熱を掛けるところから、その内表面の組織は不均一に歪んだ状態となっている。この表面状態をこのままにしておくと、電気的特性、磁気的特性も不均一な状態となり、結果として、電子や陽子に所定の速度を与えることができなくなる。そこで、空洞管の内面を所定の厚さ、研磨する方法が開発されている。

　ニオブ空洞管を研磨する方法としては、化学的に研磨する方法（以後「化学研磨」と称す）及び電気化学的に研磨する方法（以後「電解研磨」と称す）の２種類が知られている。

　化学研磨法としては、例えば特開昭５７－１１４６６９号公報に開示されているように、フッ酸、硫酸、水からなる酸の混合液を利用し、その中にニオブ材を浸漬して、その全面を化学的に平滑に研磨することが知られている。また、同―目的に利用する研磨液として、フッ酸、リン酸、硝酸からなる混合液を利用することも周知である。いずれにしても、これらの方法は空洞管全体を研磨液に浸漬するので、作業自体は簡便であるものの、本来不要な空洞管の外面まで研磨され、液の不要な汚染や老化・劣化を促し、また研磨対象物の浸漬方向によって研磨量に著しい差異を生ずるという問題がある。

　この現象は発生するガスによる研磨液の掻き混ぜ作用が関与しており、また、発生するガスが空洞管の形状によっては、その内表面に付着して研磨外観を損ねる等難点が多い。

　電解研磨については以下のような例がある。

　特公昭５５－１２１１６号には、ニオブの空洞管の両端開口部を水平にした状態で、フッ酸、硫酸、水からなる研磨液中に空洞管の下半分を部分浸漬して、停止状態で短時間通電して部分電解研磨し、次いで通電を停止したのち回転させ、酸化膜を溶解除去することを何回も繰り返して行う間歇的な電解研磨が開示されている。

　この方法も本来、研磨を必要としない空洞管の外面をも同時に研磨することになり、空洞管の不要な溶解ロスが発生するとともに、研磨液が不要に消耗し、また汚染することになる。また、研磨が間歇的であることによる、研磨段差が発生し、加えて、揮散性が高く有害なガスを発生するフッ酸と、発熱性の高い硫酸を扱う極めて危険性の高い作業となっている。

　特開昭６１－２３７９９号に開示の発明は、ニオブの空洞管を回転させながら、通液パイプに連通する吹出孔から研磨液を送液し、部分浸漬状態で連続電解しようとするようになっている。この構成で、研磨時間の短縮が計れると同時に無駄にニオブ材の溶解を起こさず、従って、研磨液の不要な汚染や消耗が抑制されることになる。

　しかながら、通液パイプに設けた吹出孔を研磨液中に開口して、研磨液を貯留した研磨液中に吐出させるようにしているので、研磨液の流速の差が研磨の状態に現れ、ニオブの空洞管の内面に研磨外観ムラを生じるという問題があった。

　特開平１１－３５０２００に開示の発明は、基本的に上記特開昭６１－２３７９９号に開示の発明と同じであるが、前記通液パイプに設けた吹出孔を、研磨される側と反対側である研磨液の上側に開口させて、貯留した研磨液に直接研磨液が流れ込まないようにして、研磨の均一化を図ろうとしている。

特公昭５５-１２１１６ 特開昭６１-２３７９９ 特開平１１－３５０２００

　しかしながら、上記いずれの電解研磨方法においても、陰極となる通液パイプは直線状であり、研磨対象物である空洞管の内表面は、前記したように波形状に内径が変化している。したがって、陽極となる空洞管の内表面の各部分と陰極との距離が均一ではなく、電流は距離の短い部分に集中し、距離の大きい部分について、所定の厚みの研磨を使用とすると、膨大な時間を要することになり、コストが上がることになる。

　また、上記いずれの電解研磨方法においても、空洞管を水平に保ち、下側に研磨液を貯留して、研磨をする構成となっている。このとき、研磨液の上側に空洞を残しており、この部分にフッ化水素等、研磨液からでるガスが一時的であっても溜まることになり、研磨が進んだとしても、発生したガスにより研磨された表面が変質する怖れがある。

　更に、特開平１１-３５０２００に開示の技術では、空洞管を設置したり、研磨液を充填するときは当該空洞管を縦にし、研磨作業時は横にし、さらに廃液作業時は再び縦にする等、作業工程が非常に複雑になる。

　本発明は、空洞管の内面を均一に研磨するとともに、ガスによる新たな変質現象を抑え、しかも、装置の組み立て、取り外し作業を簡単にすることができる研磨電極とそれを用いた電解研磨方法を提供することを目的とするものである。

　本発明は内径が位置によって変化する空洞管を研磨する電極において、以下の構成を採っている。

　電極軸の軸方向に所定幅で先端が、空洞管の内面形状に対応する単翼を少なくとも１枚、複数舞の場合は周方向に等間隔に配置した翼電極を構成する。更に、前記電極軸と同心に、前記各単翼が電極軸に巻回された状態で、翼電極を収納するように収納筒が配置される。更に、当該収納筒の各単翼に対応する位置に、軸方向のスリットが設けられ、当該スリットに各単翼を挿通した状態で、電極軸と収納筒とを相対的に回転することによって、各単翼を径方向に拡縮可能な径調整手段を構成する。もちろん、電解処理を行う前のいずれかの時点で電解液が充填されていることになる。

　このように構成した研磨用電極を、初期の段階で、収納筒に翼電極を収納した状態として、空洞管に挿入する。ついで、収納筒に対して電極軸を回転させて、各単翼の先端が空洞管の内面と、研磨を行うに適切な距離になるまで収納筒から押し出す。更に、前記空洞管と翼電極の間に研磨に応じた極性の電圧・電流を印加する。これによって、空洞管と電極の距離は空洞管のいずれの部分をとっても均一となり、空洞管の全域に渡って短時間で均一な研磨ができることになる。

　更に、研磨を終了した後に、収納筒に対して電極軸を前記とは逆に回転させて、翼電極の各単翼を収納筒に収納し、翼電極を空洞管から引き抜くことができる。

　これによって、空洞管と電極の距離は空洞管のいずれの部分をとっても均一となり、空洞管の全域に渡って短時間で、かつ、均一な研磨ができることになる。従って、空洞管の内面組織が均一になり、当該空洞管が電子や陽子の加速器として用いられる場合には、より質の高い加速ができることになる。この発明は、内面形状が均一でない空洞管の研磨に利用でき、空洞管の用途は加速器に限定されることはない。更に、この発明は、電解研磨だけではなく、電解メッキに利用できることはもちろんである。

図１は、本発明の電極の使用状態を示す側面図。 図２は、本発明の単位の電極の使用前の状態を示す平面図。 図３は、図２の側面図。 図４は、本発明の単位の電極の使用時を示す平面図。 図５は、図４の側面図。 図６は、本発明の電極の別に実施形態を示す斜視図。 図７は、図６の分解斜視図。 図８は、翼電極が複数の場合の実施の形態を示す斜視図。 図９は、図８の分解斜視図。 図１０は、単翼の別の実施例を示す斜視図。 図１１は、本発明の電極を横にして使用する場合の図。 図１２はスクリュウ効果を持たせた翼電極の単翼の例を示す図。 図１３は、空洞管の正面図

　図１は本発明の係る電極を用いて、空洞管の電界研磨をしている状態を示す図であり、図２～図５は本発明に使用する電極の１単位（空洞管の１つの膨らみに対応）を示す基本的な概念図であり、以下、まず、単位の電極について、説明する。

　図２は、電極を空洞管に装着した状態であって、使用状態に至る前の状態を示す状態を示す平面図、図３はその側面図、図４は空洞管に装着しかつ、使用状態を示す平面図、図５はその側面図である。

　電極軸２１には、基端が軸方向に所定幅で外周端が、研磨対象物の空洞管１００のふくらみ部の内面形状に対応する形状となっており、少なくとも外周端が金属で構成された薄板よりなる単翼２２a、２２ｂ・・を、１枚もしくは複数枚（図示では４枚）、周方向に等間隔に配置して翼電極２２を形成する。

　翼電極２２を構成する各単翼２２a、２２ｂ・・は、可撓性を有しており、電極軸２１に巻回された状態で、最小径となり、この状態で、電極軸２１と同心に配置された収納筒２９に収納されるようになっている。前記収納筒２９に収納された状態の各単翼２２a、２２ｂ・・の先端に対応する位置に、軸方向のスリット群２３（２３ａ、２３ｂ・・）が設けられ、当該スリット群を構成する各スリット23ａ、２３ｂ・・に、各単翼２２a、２２ｂ・・の先端部が、収納筒２９の外部に僅かに出る程度に挿通しておく。これによって、電極軸２１と収納筒２９とを相対的に回転することによって、各単翼２２a、２２ｂ・・の先端を径方向に挿抜することができ、各単翼２２a、２２ｂ・・の先端の径を調整できる構成（径調整手段：電極軸２１＋翼電極２２＋収納筒２９＋スリット群23）とする。

　尚、前記電極軸２１に収納筒２９を同心に配置する構成として、例えば、電極軸２１に当該電極軸２１より径が大きく、収納筒２９の径に符号するスペーサ３０を嵌める構成とすることが考えられる。

　上記のように翼電極２２は、収納状態と、稼動状態の２つの態様を採る。すなわち、図２、図３に示すように、各単翼２２a、２２ｂ・・の先端が、収納筒２９の各スリット２３ａ、２３ｂ・・から僅かに出た状態が収納状態であり、また、図４、図５に示すように、電極軸２１と収納筒２９を相対的に回転させ、各単翼２２a、２２ｂ・・の外周端が、空洞管１００の内周面近くに押し出された状態（各単翼２２a、２２ｂ・・の外周端と空洞管１００の内周面との距離が例えば１cm前後）が稼動状態である。

　図６は、前記図２～図５に示した翼電極２２のより具体的な実施形態を示す斜視図であり、図７はその分解図である。

　前記のように電極軸２１には空洞管１００のふくらみに対応する形状の単翼２２ａ、２２ｂ・・が周方向に少なくとも１枚取り付けられて翼電極２２を構成する。当該翼電極２２を構成する各単翼２２ａ、２２ｂ・・は金属（例えばアルミ、銅）の網体で形成される。当該各単翼２２ａ、２２ｂ・・は可撓性を持たすための薄い金属製、あるいは合成樹脂製の保形材２２１ａ、２２１ｂ・・が、各単翼２２、２２ｂａ・・の基端（電極軸２１側）から先端に渡って（径方向）に溶接あるいは溶着で貼り付けられる。

　あるいは、図１０に示すように、金属の網体の端縁２２２を除く表裏前面２２３に合成樹脂を含浸することによって、各単翼に可撓性を持たすとともに、網体表面の絶縁性と端縁の導電性を確保する構成としてもよい。

　このように電極軸２１に各単翼２２ａ、２２ｂ・・・を取り付けた状態で、当該電極軸２１より径の大きいスペーサ３０を電極軸２１の前記翼電極２２の上下の位置に固定しておく。

　上記のように翼電極２２を構成する一方、前記収納筒２９を、その径は前記スペーサ３０に符号し、前記スリット２３ａ、２３ｂ・・・が下側に解放された状態で構成しておく。

　更に、上記のように構成した収納筒２９を、スペーサ３０を介して電極軸２１の周囲にはめ込むことになるが、このとき、前記各単翼２２ａ、２２ｂ・・・が各スリット２３ａ、２３ｂ・・・に差し込まれるようにする。これによって、電極２０（電極軸２１+翼電極２２+収納筒２９）が構成されたことになる。

　上記のように構成された電極２０を、空洞管１００に装着て、空洞管の内面を電解研磨する手順を以下に説明する。

　まず、電極２０の初期の状態は収納状態であり、この状態で空洞管１００に挿入する。ついで、収納筒２９が回らないように手で押さえて電極軸２１のみを回して、空洞管１００の内面と各単翼２２ａ、２２ｂ・・・の周端が電解研磨に適した距離（例えば１cm程度）になるまで、各単翼２２ａ、２２ｂ・・を径方向に延伸させて稼動状態にする。更に、空洞管１００の内部に電解液を充填し、翼電極２２と空洞管１００との間に研磨に必要な電界を掛けて、駆動手段１２０で電極２０を回転（このとき収納筒２９もともに回転）すると、空洞管１００の内面は電解研磨される。研磨が終わると、収納筒２９が回らないように手で押さえて前記稼動状態を形成するのとは逆の方向に電極軸２１のみを回して、収納状態に戻して、空洞管１００から引き上げることになる。

　尚、収納筒２９のスリット２３ａ、２３ｂ・・・と各単翼２２ａ、２２ｂ・・は、通常は摩擦力で相互に滑らないようになっており、稼動状態から収納状態（またはその逆）を形成するためには、前記摩擦力を超える力を必要とし、電解研磨時に電極軸２１を回転させるときは、前記摩擦力で電極軸２１と収納筒２９は共に回転する構成となっている。

　前記図６、図７の構成ではさらに、各単翼２２ａ、２２ｂ・・の先端に、周方向に所定の長さを備えた所定幅の補助電極２２０ａ、２２０ｂ・・が設けられる。この補助電極２２０ａ、２２０ｂ・・は各単翼２２ａ、２２ｂ・・が開いたときには、研磨対象の空洞管１００の内周面のふくらみ部の先端付近の周形状に沿った状態となる。もちろんこの補助電極２２０ａ、２２０ｂ・・は図１０に示す単翼に設けることも可能である。

　上記のように先端に補助電極２２０ａ、２２０ｂ・・が設けられていると、電解研磨時に、各単翼２２ａ、２２ｂ・・を延伸したとき、通常では一番電流の流れ難い空洞管１００のふくらみ部の最も奥の部分にも、補助電極２２０ａ、２２０ｂ・・を介して充分に電流を流すことができることになる。また、当該補助電極２２０ａ、２２０ｂ・・は前記スリット２３ａ、２３ｂ・・の間隙より長さが長いので、各単翼２２ａ、２２ｂ・・を収納筒２９に巻回して収納する際に、ストッパとなり、スリット２３ａ、２３ｂ・・より奥に各単翼２２ａ、２２ｂ・・の先端が入り込むことがなく、次回の作業がしやすくなる。

　以上のように単位の電極２０を構成するが、空洞管１００の内周面のふくらみの数は１つではなく、図１３に示すように軸方向に周期的に複数個ある。従って、実際の電極２０は、図８、図９に示すように、電極軸２１の長さを空洞管１００の軸の長さに対応させ、翼電極２２の数は、空洞管１００の内面のふくらみの数に対応させて設けられる。更に、図８、図９に示すように、収納筒２９も、電極軸２１と略同じ長さとし、１組のスリット群２３（２３ａ、２３ｂ、・・）が設けられるとともに、当該スリット群が軸方向の複数の単翼に共通に設けられる。

　図１は、上記のように構成した電極を使用して、空洞管の内面を研磨する装置を示した側面図である。

　基台１０上に、架台１１が設けられ、当該架台１１の中央下側には、液導入口１４が設けられ、当該液導入口１４には研磨液タンク１５からの研磨液がポンプ１６を介して供給され、さらに、当該液導入口１４を介して架台１１上に載置される空洞管１００の内部に研磨液が導入できるようになっている。

　上記架台１１の上側には、研磨対象物である空洞管１００が一方のフランジ１０１ａを利用して固定される。この状態で、上記収納状態の電極２０が空洞管１００の上端から差し込まれる。このとき、電極２０の電極軸２１は、前記液導入口１４の下側にまで液密にかつ回転自在に貫通され、その下端にリードとの接続具１９が取り付けられる。尚、空洞管１００は縦に長いので、架台１１上での安定性を確保するために空洞管１００を固定する支持枠１８が図示しない支柱で支えられる。

　この状態で、作業者は、収納筒２９を手で持って電極軸２１を回転させ、各単翼２２ａ、２２ｂ・・の径を延伸して、前記稼動状態を形成しておく。次いで、空洞管１００の他方のフランジ１０１ｂ上に液導出口１９が固定される。このとき、電極軸２１が、液導出口１９の上端の上に液密にかつ回転自在に突出するようになっている。

　上記、空洞管１００の取り付け構造、電極２０の設置構造は上記以外に種々考えることができるのでここではさらなる説明を省略するが、上記のように差し込まれた電極２０（電極軸２１、翼電極２２、収納筒２９）は、電極軸２１に回転力を与えると空洞管１００に対して回転できる構成となっており、電極軸２１が回転すると、各単翼２２ａ、２２ｂ・・・が空洞管１００の内部で回転することになる。また、上記回転力は駆動手段１２０より与えられる攻勢としてもよい。

　上記の構成で、給液ポンプ１６で液導入口１４から所定の流速で研磨液を導入し、空洞管１００に充填し、さらに液導出口１９から排出する状態を形成し、電極軸２１と空洞管１００との間に研磨に必要な電界を掛け、電極軸２１をゆっくり回転させると、空洞管１００の内面が研磨されることになる。電解液の流入速度、電界の強度等の種々の条件は本発明の要旨ではないのでここでは詳しい説明を省略する。

　上記のようにして研磨が終了すると、研磨液を排出して（例えば、液導入口１４に設けたドレン（図示しない）から）、洗浄水を給液ポンプ１６から空洞管１００に送り込んで洗浄する。その後、電極２０を収納状態にして、空洞管１００から抜き取ることによって作業は終了することになる。

　図１１は、本発明の電極を横向きに使用する場合の図である。

　空洞管１００のフランジ１０１ａ、１０１ｂを回転自在にかつ液密に受け止める回転空洞受け１０２ａ、１０２ｂが基台１０上の架台１１に設けられる。「回転自在かつ液密」に空洞管１００のフランジ１０１ａ、１０１ｂを受け止める構成は種々あり、ここでの本質ではないので詳しい説明は省略する。ただ、一方の回転空洞受け（例えば１０２ａ）は、基台１０に対して位置が固定されるが、他方の回転空洞受け（例えば１０２ｂ）は、架台１１とともに、基台１０上を空洞管１００の軸方向に水平に移動できる構成とし、以下に説明するように空洞管１００を回転空洞受け１０２ａ、１０２ｂの間に挟み込んだ状態で固定できる構成とする。

　一方の回転空洞受け１０２ａの外側（回転空洞受け１０２ｂの反対側）には前記液導入口１４が固定され、当該液導入口１４の空洞管１００の軸に対応する高さ位置に、流入口１４１が設けられる。この流入口１４１には前記給液ポンプ１６から電解液がパイプ３１ａを介して液導入口１４に供給できる構成となっている。また、他方の回転空洞受け１０２ｂの外側には液導出口１７が固定され、当該液導出口１７の空洞管１００の軸に対応する高さ位置に、流出口１７１が設けられパイプ３１ｂを解して電解液がタンク１５に排出できる構成となっている。

　翼電極２０の各単位翼２２ａ、２２ｂ・・・は軸電極２１の軸方向に対して図１２（図１２（ａ）は正面図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の側面図）に示すように若干傾斜させたり、あるいは先端を捻った形状とし、スクリュウ機能を持たせるようにする。もちろんこのとき、前記収納状態から稼動状態（あるいはこの逆）への遷移する機能を損なわないようにしておく。

　以上のように電解研磨装置、翼電極を構成しておいて、まず、空洞管１００のフランジ１０１ａを一方の回転空洞受け１０２ａに回転自在にかつ液密に固定する（液導入口１４と空洞管１００との連通性は確保した状態で）。次いで、電極２０を収納状態で空洞管１００の他方端から挿入する。このとき、電極軸２１は液密にかつ回転自在に液導入口１４に貫通され、その先端にリード接続具１９が取り付けられる。この状態で、前記縦型と同様収納筒２９を手で押さえ、電極軸２１を回すことによって稼動状態を形成する。その後、他方の回転空洞受け１０２ｂを移動させて、他方のフランジ１０１ｂに押さえて、空洞管１００を回転自在にかつ液密に位置を固定する（液導出口１７と空洞管１００との連通性は確保した状態で）。

　このように両回転空洞受け１０２ａ、１０２ｂに空洞管１００を保持した状態で、導電ラバーローラ１１０が空洞管１００の外側に当接して駆動手段１２０の駆動によって当該導電ラバーローラ１１０が空洞管１００を回転するようになっている。

　この状態で、給液ポンプ１６を作動させて、電解液を空洞管１００の軸位置近辺にまで充填し、電極軸２１と空洞管１００の間に研磨に必要な電界を掛けるとともに、駆動手段１２０で、空洞管１００をゆっくり回転する。これによって電解研磨が進行することになる。このとき、前記のように傾斜している（あるいは捻られている）単翼２２ａ、２２ｂ・・のスクリュウ効果で、電解液は空洞管１００の回転にともなって導出口１７方向に押し出されるようにする。もちろんこととき、前記電解液の押し出し効果を高めるために翼電極２０を積極的に回転することでもよい。尚、空洞管１００へは前記導電ラバーローラ１１０を介して電界の供給がなされる。

　電解研磨が終了すると、電解液を排出することになるが、このためには、基台１０ごと、あるいは空洞管１００のみを縦にして、電解液を抜きとる構成とするのが好ましい。さらに、翼電極２０を収納状態にしてよく電極を抜き取って、研磨作業が終了することになる。

　以上、翼電極２２の単翼が複数である場合について述べたが、単翼の数は少なくとも１枚で足りる。

　本発明において、研磨液としては従来と同様の研磨液（例えばフッ酸、硫酸、水からなる研磨液）が使用されることは勿論である。また、ここで研磨される厚みは、当該空洞管が高速加速器である場合には、５０μm～１００μmである。更に、研磨時に掛かる電圧は１５Ｖ前後、流れる電流は２０Ａ／ｄｍ²程度である。

　また、本願発明に使用する電極は、ニオブの電解研磨だけでなく、種々の金属管の内面を電解研磨するときに使用でき、更に、電解研磨だけでなく、電解メッキにも利用できる。

　以上説明したように、本発明は、内径が部分によって変化する空洞管であっても、その内径に合わせた単翼を持った翼電極を広げる構成の電極を備えることによって、その内面を短時間に均一に研磨することができる。高速加速器をはじめ、より高い精度を必要とする製品に適用することができる。また、電解研磨だけでなく電解メッキに応用できることは勿論であり。この面でもより精密な製品の仕上がりが期待でき、産業上の利用可能性は極めて高い。

　１０　基台
　１１　架台
　１４　液導入口
　１７　液導出口
　２１　電極軸
　２０　電極
　２１　電極軸
　２２　翼電極
　２２a、２２ｂ・・　単翼
　２３　スリット群
　２３ａ、２３ｂ・・　スリット
　２９　収納筒
　１００　空洞管

Claims (3)

1. 　電極軸と、
   　前記電極軸の軸方向に所定幅で先端が、空洞管の内周面形状に対応する単翼を少なくとも１枚、周方向に等間隔に配置した翼電極と、
   　前記各単翼が電極軸に巻回された状態で、翼電極を収納する電極軸と同心に配置された収納筒と、
   　前記収納筒の各単翼に対応する位置に、軸方向のスリットを設け、当該スリットに各単翼を挿通した状態で、電極軸と収納筒とを相対的に回転することによって、各単翼を径方向に拡縮可能な径調整手段と、
   　を備えた、空洞管の研磨用電極。
2. 　第１項記載の空洞管の研磨用電極を最初の段階で、収納筒に翼電極を収納した状態として、空洞管に挿入するステップ、
   　収納筒に対して電極軸を回転させて、各単翼の先端が空洞管の内周面と、研磨を行うに適切な距離になるまで収納筒から押し出すステップ、
   　前記空洞管と翼電極の間に研磨に応じた極性の電圧・電流を印加するステップ、
   　を備えた空洞管の電解研磨方法。
3. 　更に、研磨を終了した後に、収納筒に対して電極軸を前記とは逆に回転させて、翼電極の各単翼を収納筒に収納するステップ
   　翼電極を研磨対象の空洞管から引き抜くステップ
   　を備えた請求項２に記載の空洞管の電解研磨方法。

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