JP2003160349A - セラミックス製の円筒体の分割方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミックス製の円筒体を、分割後に接合し
ても実質的に寸法に差異を生じることのないように軸線
に沿って分割する。 【解決手段】 セラミックス製の円筒体（１）に表面の
少なくとも２箇所に軸線方向に延びる切欠き部（Ｎ１
１、Ｎ１２）を形成し、次いで直径方向に圧縮荷重
（Ｗ）を負荷し、円筒体（１）を切欠き部（Ｎ１１，Ｎ
１２）に沿って分割する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス製の
円筒体の分割方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、シャフトのカップリング等に用
いるスリーブ状のケーシングにはセラミックス製の円筒
体が用いられている。かかるスリーブ状の円筒体は、軸
線方向（縦方向）に２分割し、これらをシャフトに組み
付けて両者を接合すると修理や保守が容易となる。

【０００３】しかしながら、円筒体を例えば鋸で軸線方
向に切断すると、その鋸の刃厚分が除去されるため円筒
体の製作時と切断した後の接合時とは、寸法、特に内径
の寸法が異なってしまう。

【０００４】勿論、切断された寸法を勘案して円筒体を
作ることは可能であるが、切断時の誤差が多く、正確な
スリーブとして使用するには不適である。

【０００５】なお、特公昭５８−５５３８８号公報に
は、メカニカルシールの密封摺動環の製造に関する技術
が開示されている。この技術は、円筒体の内側に熱膨張
係数の大きな治具を挿入し、その治具を加熱膨張させて
円筒体を分割する、あるいは円筒体の内側空間部を半径
方向外方に加圧して円筒体を分割するものであり、どち
らも、円筒体の内側全面に半径方向外方に荷重を負荷
し、円周方向に引張応力を生じさせて分割するものであ
る。前者では円筒体の内径に適する治具を必要とし、ま
た後者では加圧のための圧力漏れを防止する必要があ
る。このため各部の精度が重要となり容易に円筒体を分
割することはできない。

【０００６】また、特公昭３９−１６８５４号公報に
は、直径方向に伸びる密封面を有する２本のシールリン
グがそれぞれハウジングと軸とに密封面を対向して支持
され、それらのシールリングはそれぞれ円弧状に分割さ
れてその分割部を互いに接近させて設けられている密封
装置についての技術が開示されている。しかし、この技
術に示された分割は円筒体の長さに依存し、長い円筒体
を分割できるものではない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、セラミックス製の円筒体を軸線方向に沿って容
易に分割し、分割後に接合しても実質的に寸法に差異を
生じることのないセラミックス製の円筒体の分割方法を
提供することである。

【０００８】

【知見】本発明者は、種々の研究の結果、円筒体の軸線
方向に切欠き部を形成し、そして直径方向に静荷重すな
わち圧縮力を負荷すると、円筒体は切欠き部に沿って分
割切断され、しかも接合面を加工しなければ、密着した
状態で両者を接合できることを見出した。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミックス製
の円筒体の分割方法によれば、セラミックス製の円筒体
に表面の少なくとも２箇所に軸線方向に延びる切欠き部
を形成し、次いで直径方向に圧縮荷重を負荷し、円筒体
を切欠き部に沿って分割するようにしている。

【００１０】セラミックス製の円筒体の直径方向に圧縮
荷重を負荷すると、円筒体の各断面には曲げ応力が生
じ、中でも図１に示すように、鉛直直径方向の２点に圧
縮荷重Ｗを負荷すると、円筒体１の荷重負荷方向の内表
面Ａとその直角方向の外表面Ｂの位置にそれぞれ最大引
張応力が発生する。一方、セラミックスの引張強さは圧
縮強さに比べて小さいという特徴がある。本発明の分割
方法は、円筒体に誘起する引張応力とセラミックスの引
張破壊時に発生する亀裂を有効に利用し、一度の圧縮工
程で円筒体を縦断面で分割するものである。

【００１１】すなわち、円筒体の内表面または外表面の
希望する分割位置に、例えばガラス切りやダイヤモンド
ホイールなどの工具で切欠き部を形成する。次に切欠き
部に最大引張応力が誘起するように円筒体を配設して圧
縮荷重を負荷すれば、円筒体の切欠き部に誘起する応力
が引張強さに達したとき、円筒体の切欠き部から亀裂が
発生する。この切欠き部から発生する亀裂を円筒体の分
割に利用し、縦断面において２点に圧縮荷重を負荷する
と円筒体を２等分割することができ、また、切欠き部を
設ける位置を選択することにより４等分割、あるいは１
／４分割を行うことができる。

【００１２】また、本発明によれば、切欠き部の位置を
適切に選択し、縦断面における３点に直径方向の圧縮荷
重を負荷することで３等分割やあるいは任意の角度での
分割（３点圧縮分割）を行うこともできる。上記縦断面
における直径方向の圧縮荷重は、円筒体を所定の荷重点
で接するＶ字形状の溝に挿入して付加するようにしても
よい。

【００１３】本発明の実施に際して、切欠き部は円筒体
の軸線方向の全長に亘って設ける必要はなく、また、切
欠き部の断面形状は、通常Ｖ字状であるが、これに限定
されるものではない。この他、円筒体に予じめＶ字状の
ような形状の溝を成形しておいた切欠き部でもよい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図２において、セラミックス製の
円筒体１を準備し、例えばガラス切りのような工具Ｔを
用いて角度的に１８０度離れている円筒体１の内表面Ｓ
１の位置Ａ、Ａに軸線方向に延びる直線状の切欠き部Ｎ
１１、Ｎ１２を形成する。

【００１５】次いで、図３および図４に示すように切欠
き部Ｎ１１、Ｎ１２を形成した外径Ｄ０、内径Ｄ１、長
さＬのセラミックス製の円筒体１を加圧装置、例えばプ
レスの下板２上に置き、図示しないラムで作動する上板
３により全体的に均一な圧縮荷重Ｗを負荷する。

【００１６】図示のように切欠き部Ｎ１１、Ｎ１２の位
置に圧縮荷重Ｗを徐々に増大させると、円筒体１内に圧
縮荷重Ｗに比例した曲げモーメントが発生し、しかも円
筒体１の内表面Ｓ１に設けた切欠き部Ｎ１１、Ｎ１２の
所では最大引張応力が発生し、かつ切欠き部Ｎ１１、Ｎ
１２があるために集中応力が重畳される。

【００１７】そのために、圧縮荷重Ｗがある値に達する
と、切欠き部Ｎ１１、Ｎ１２に亀裂が発生し、その亀裂
が半径方向外方に伝播し、図５に示すように円筒体１は
半部１ａと１ｂとに分割される。その際、円筒体１は弾
性変形するため、半部１ａ、１ｂに分割されてもその円
筒状の形状は保たれている。

【００１８】したがって、半部１ａ、１ｂは、接合する
ことによって円筒体１と同じ寸法を再現できる。

【００１９】また、別の実施形態を図６に示す。図示の
ように円筒体１Ａの外表面Ｓ０に入れた切欠き部Ｎ０
１、Ｎ０２が引張応力の最大値となるようにするため、
円筒体１Ａを配置して圧縮荷重Ｗを負荷する。このとき
切欠き部Ｎ０１、Ｎ０２に誘起する応力がセラミックス
の引張強さに達すれば、切欠き部から亀裂が円筒体１Ａ
の内表面Ｓ１に向かって伝播し、一度の圧縮工程により
円筒体１Ａの水平直径方向で円筒体１Ａは２等分割され
る。

【００２０】円筒体の４等分割の場合は、図７に示すよ
うに円筒体１Ｂの外表面Ｓ０と内表面Ｓ１とにそれぞれ
設けた切欠き部Ｎ０１、Ｎ０２およびＮ１１、Ｎ１２が
引張応力の最大値となるようにするため円筒体１Ｂを配
置して圧縮荷重Ｗを負荷する。このとき各切欠き部Ｎ０
１、Ｎ０２、Ｎ１１、Ｎ１２に誘起する応力がセラミッ
クスの引張強さに達すれば、切欠き部から亀裂が円筒体
の外表面Ｓ０ならびに内表面Ｓ１に向かって伝播し、一
度の圧縮工程により円筒体１Ｂは４等分割される。

【００２１】円筒体の１／４分割の場合は、図８に示す
ように円筒体１Ｃの外表面Ｓ０と内表面Ｓ１とに入れた
切欠き部Ｎ０１とＮ１１とが引張応力の最大値となるよ
うにするため円筒体１Ｃを配置して圧縮荷重Ｗを負荷す
る。このとき切欠き部Ｎ０１とＮ１１とに誘起する応力
がセラミックスの引張強さに達すれば、各切欠き部から
亀裂が伝播し、一度の圧縮工程により円筒体１Ｃは１／
４分割される。

【００２２】以上、円筒体の鉛直直径方向の２点に圧縮
荷重Ｗを負荷して円筒体を縦断面で分割した実施形態に
ついて説明した。この実施形態によると切欠き部を円筒
体の外表面Ｓ０に設けた場合と内表面Ｓ１に設けた場合
とでは内表面Ｓ１に設けた方が分割時の圧縮荷重を小さ
くすることができる。 したがって切欠き部を円筒体の
内表面Ｓ１に設けた場合に注目し、図９〜１１に示すよ
うに円筒体の３点に圧縮荷重Ｗ（Ｗ、Ｗ′）を負荷し、
円筒体の縦断面での３等分割あるいは任意角度での分割
について次に説明する。

【００２３】図９に示すように円筒体の３等分割の場合
は、円筒体１Ｄを一度の圧縮工程で３等分割するため円
筒体１Ｄの内表面Ｓ１に３箇所の切欠き部Ｎ１１〜Ｎ１
３を設け、各切欠き部Ｎ１１〜Ｎ１３に最大引張応力が
誘起するように円筒体１Ｄを配置し、圧縮荷重Ｗを静的
に負荷する。このとき圧縮荷重Ｗがある値になると各切
欠き部Ｎ１１〜Ｎ１３から亀裂が伝播し、円筒体１Ｄは
一度の圧縮工程で３等分割される。

【００２４】また、円筒体の任意の角度での分割の場合
は、円筒体１Ｅを任意の角度θにおける縦断面で分割す
るため、円筒体１Ｅの内表面Ｓ１に切欠き部Ｎ１１と、
それとなす角θの位置に切欠き部Ｎ１２を設け、図１０
に示すように円筒体１Ｅの３点に圧縮荷重Ｗとｗとを負
荷する。このときの圧縮荷重Ｗとｗとの値は角度αに依
存するが、いまα＜６０°とすればＷ＞ｗとなる。この
状態で圧縮荷重Ｗを負荷すると切欠き部Ｎ１１で最初に
第１分割が起こる。次に圧縮荷重Ｗを除荷して、再度、
図１１に示すように切欠き部Ｎ１２で分割するために円
筒体１Ｅを配置し直し、引き続き第２分割のため圧縮荷
重Ｗを負荷する。このようにするとある値の圧縮荷重Ｗ
で切欠き部Ｎ１２から亀裂が伝播し、希望した任意の角
度θで分割することができる。なお、この場合には２度
の圧縮工程となる。

【００２５】

【実験例１】以下、上記実施形態に対する各実験例を説
明する。試験片としてはオールドセラミックスであるガ
ラス《パイレックス（登録商標）ガラス》を選び、円筒
体に切欠き部をその円筒体の内表面または外表面に設け
て圧縮荷重を静的に負荷し、円筒体を縦断面で上記種々
の分割方法により一度の圧縮工程で２分割した。図４に
おいて、円筒体１の寸法は外径Ｄ０＝６０ｍｍ、内径Ｄ
１＝５１ｍｍ、軸長Ｌ＝３０ｍｍである。分割の位置を
指定するために切欠き部を設ける工具は市販のダイヤモ
ンドペンであり、そのときの切欠き部の幅は４μｍで、
その深さは２８１μｍであった。以下、準備した円筒体
１による分割の実験例をそれぞれ説明する。

【００２６】２等分割の実験例としては、円筒体１の切
欠き部Ｎ１１、Ｎ１２を図３に示すように円筒体１の内
表面Ｓ１に設けて圧縮荷重Ｗを円筒体１に負荷した。円
筒体１は圧縮荷重Ｗ＝２０ｋｇｆでピシッという微弱音
をほぼ同じ圧縮荷重で２度発して切欠き部Ｎ１１、Ｎ１
２を通る縦断面で２等分割された。このときの分割面は
いずれも平滑であった。

【００２７】また、図６に示すように、円筒体１Ａの切
欠き部Ｎ０１、Ｎ０２を円筒体１Ａの外表面Ｓ０に設け
て圧縮荷重Ｗを円筒体１Ａに負荷した。円筒体１Ａは圧
縮荷重Ｗ＝８５ｋｇｆでピシッという微弱音を２度発し
て切欠き部Ｎ０１、Ｎ０２を通る縦断面で２等分割され
た。このときの分割面も平滑であった。

【００２８】分割時の圧縮荷重Ｗに注目してみると、切
欠き部Ｎ０１、Ｎ０２を円筒体の外表面Ｓ０に設けた場
合の方が、切欠き部Ｎ１１、Ｎ１２を円筒体の内表面Ｓ
１に設けた場合のものよりも４倍ほど高く与えられた。
したがって円筒体を分割する場合には、切欠き部を内表
面Ｓ１に設けた図３の場合の方が分割時の圧縮荷重Ｗを
小さくすることができる。

【００２９】また、４等分割の実験例としては、円筒体
１Ｂの外表面Ｓ０と内表面Ｓ１とに切欠き部Ｎ０１、Ｎ
０２およびＮ１１、Ｎ１２を図７に示すように設け、さ
らに各切欠き部が引張応力の最大値となるようにするた
め円筒体１Ｂを配置して圧縮荷重Ｗを負荷した。円筒体
１Ｂは圧縮荷重Ｗ＝１６ｋｇｆで円筒体１Ｂの内表面Ｓ
１に２つ設けた切欠き部Ｎ１１、Ｎ１２で分割がほぼ同
時に起こり円筒体１Ｂが２等分された。このとき円筒体
１Ｂは切欠き部Ｎ１１、Ｎ１２で最初に分割されても円
筒体１Ｂはその形状を保つ。したがってこの状態で圧縮
荷重Ｗをさらに負荷し、圧縮荷重Ｗ＝１７ｋｇｆで円筒
体１Ｂの外表面Ｓ０に２箇所設けた切欠き部Ｎ０１、Ｎ
０２で分割が引き続き起こり、円筒体１Ｂは希望する縦
断面で４等分割された。

【００３０】そして、１／４分割の実験例としては、円
筒体１Ｃの外表面Ｓ０と内表面Ｓ１とに切欠きＮ０１部
とＮ１１部とを図８に示すように設け、さらに各切欠き
部が引張応力の最大値となるようにするため円筒体１Ｃ
を配置して圧縮荷重Ｗを負荷した。円筒体１Ｃは圧縮荷
重Ｗ＝１８ｋｇｆで円筒体１Ｃの内表面Ｓ１に設けた切
欠き部Ｎ１１で亀裂が最初に伝播し、さらに圧縮荷重Ｗ
を負荷すると圧縮荷重Ｗ＝４１ｋｇｆで引き続き円筒体
１Ｃの外表面Ｓ０に設けた切欠き部Ｎ０１で亀裂が伝播
し、円筒体１Ｃは希望したように１／４分割された。

【００３１】

【実験例２】次に、３点圧縮分割の実験例を説明する。
準備した試験片は前記実験例１の場合と同様にガラスか
らなる円筒体で、その寸法は外径Ｄ０＝６０ｍｍ、内径
Ｄ１＝５１ｍｍ、軸長Ｌ＝３０ｍｍである。円筒体の切
欠き部は円筒体の内表面に設け、圧縮荷重は静的に負荷
した。切欠きを設ける工具も前記実験例１と同様に市販
のダイヤモンドペンである。

【００３２】３等分割の実験例としては、図９に示すよ
うに円筒体１Ｄを３等分割するため円筒体１Ｄの内表面
Ｓ１に切欠き部Ｎ１１〜Ｎ１３を設け、円筒体１Ｄに圧
縮荷重Ｗを負荷した。円筒体１Ｄは圧縮荷重Ｗ＝２７ｋ
ｇｆで各切欠き部Ｎ１１〜Ｎ１３から亀裂が伝播して３
等分割された。得られた各分割面はいずれも良好であっ
た。

【００３３】また、種々の角度での分割の実験例として
は、円筒体１Ｅの種々の角度θ＝３０°、６０°、９０
°、１２０°、１５０°で分割するため円筒体１Ｅの内
表面Ｓ１に切欠き部Ｎ１１、Ｎ１２を設け、図１０に示
すように円筒体１Ｅに圧縮荷重Ｗを負荷した。このとき
の角度αの値はα＝４５°とした。最初、圧縮荷重Ｗ１
で切欠き部Ｎ１１から第１分割による亀裂が伝播した。
次に圧縮荷重Ｗを除荷して、再度、図１１に示すように
円筒体１Ｅを配置し直し、引き続き切欠き部Ｎ１２で第
２分割のために圧縮荷重Ｗを負荷した。分割は圧縮荷重
Ｗ２で起こった。

【００３４】これらの切欠き部Ｎ１１とＮ１２における
分割時の圧縮荷重Ｗ１とＷ２とはそれぞれ

【表１】に示す値であった。なお、この場合の分割は２
度の圧縮工程が必要であるが、希望した角度θで分割す
ることができたばかりでなく、得られた分割面も良好で
あった。

【００３５】

【発明の効果】以上の通り本発明によれば、以下の作用
効果を奏する。 （１） 脆性材料の破壊作用を利用しているので、切削
屑や熱の発生がなく、そのため環境に与える影響が少な
く、きれいな職場環境を維持できる。 （２） また、荷重が負荷されている円筒体は分割まで
弾性変形するので、分割に必要なエネルギーは僅かであ
り、省エネルギー的な分割方法である。 （３） しかも、分割後の接合が確実で寸法上の変化が
ないので、軸スリーブ等の分割に有効である。 （４） 切欠き部や荷重を負荷する位置を選択すること
で、縦断面における２等分割、４等分割、１／４分割、
あるいは、３等分割、任意の角度での分割を行うことが
できる。 （５） オールドセラミックスのガラスを含めてニュー
セラミックスの分割に適用でき、岩石などのような脆性
材料も分割可能である。 （６） またストレート状の円筒体のみならずメカニカ
ルシールの密封摺動環のような異形環や異形円筒体に対
しても適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】最大引張応力の発生位置を示す正面図。

【図２】本発明を実施するために円筒体に切欠き部を形
成する一実施形態を示す斜視図。

【図３】切欠き部を形成した円筒体に圧縮荷重を負荷す
る状態を示す正面図。

【図４】図３の側断面図。

【図５】分割された円筒体を示す斜視図。

【図６】外表面に切欠き部を設けて２等分割する場合を
説明する正面図。

【図７】４等分割する場合を説明する正面図。

【図８】１／４分割する場合を説明する正面図。

【図９】３等分割する場合を説明する正面図。

【図１０】任意角度での分割の第１分割工程を説明する
正面図。

【図１１】図１０の第２分割工程を説明する正面図。

【符号の説明】

１、１Ａ〜１Ｅ・・・円筒体 Ｎ０１〜・・・（円筒体の外表面の）切欠き部 Ｎ１１〜・・・（円筒体の内表面の）切欠き部 ２・・・下板 ３・・・上板 Ｓ０・・・円筒体の外表面 Ｓ１・・・円筒体の内表面 Ｗ、ｗ、ｗ′・・・荷重

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス製の円筒体に表面の少なく
   とも２箇所に軸線方向に延びる切欠き部を形成し、次い
   で直径方向に圧縮荷重を負荷し、円筒体を切欠き部に沿
   って分割することを特徴とするセラミックス製の円筒体
   の分割方法。
2. 【請求項２】 前記切欠き部は圧縮荷重による円筒体の
   弾性変形の範囲内であって曲げモーメントによる引張応
   力によって亀裂する寸法である請求項１記載のセラミッ
   クス製の円筒体の分割方法。
3. 【請求項３】 前記圧縮荷重として円筒体外表面に３方
   向から直径方向の圧縮荷重を負荷する請求項１または２
   記載のセラミックス製の円筒体の分割方法。