JP2005046930A - 切断砥石及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工液を使用しない乾式加工において使用可能な切断砥石を提供すること。
【解決手段】砥粒と、結合剤と、充填剤と、により構成される切断砥石に、充填剤として粉末観点を添加した切断砥石。砥石へ粒径２００ミクロン以下の粉末寒天を加える。更に、この粉末寒天の多孔質部へ分子量１０００以上のポリエチレングリコールを含浸させる。これにより、粉末寒天の多孔質構造が断熱材の効果を提供し、高速回転により発生する摩擦熱の伝搬を抑制し、含浸されたポリエチレングリコールが摩擦熱の発生程度にあわせて軟化して切削作用面ににじみ出て潤滑効果を提供して摩擦熱の発生を抑制し、加工液を使用しない乾式加工が可能となる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属材料から成る丸棒又は板材等の金属部材を所定の寸法又は形状に切断加工する際に有用に使用される切断手段に関し、より詳細には金属部材を切断加工するための切断砥石、特に薄刃切断砥石及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、金属部材を切断するための切断砥石は、ダイヤモンド砥石等一部の特殊な台金部を有する砥石を除き、被切断部材を切削する砥粒と、砥粒を切削作用面へ固定結合する結合剤と、結合剤の強度を上げたり、被加工金属材料から発生する金属材料の切粉の付着を防止したりする充填材とにより構成され、充填剤は通常鉱物質材料から形成されている。これらの切断砥石が切断作用を行なう際には、砥石の切削作用面に現れた砥粒が高速回転しながら金属材料を削り取ることにより金属部材の切断を行う。この時、砥石の切削作用面と金属部材の間に摩擦熱が発生する。この摩擦熱は、切削作用面へ砥粒を固定している結合剤の作用力を劣化させてその結合力を低下させる。このため金属材料を削り取る能力の低下した砥粒や上記充填材が切削作用面から少しずつ脱落し、そして順次新しい切断作用面を出現させることにより切断能力を維持している。更にまた上記摩擦熱は、加工される部材の金属組織を劣化させ、その上、耐熱性に限界がある結合剤の耐熱強度を劣化させる。そのため、これらの劣化を防止して金属組織の変化を低減させかつ耐熱強度を維持するため、通常は、冷却剤の役目を果たす加工液を砥石と金属部材の両方に振りかけながら切削加工する方式いわゆる湿式切断加工方式が広く採用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−０９１５４４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
金属切削加工用の砥石、特に薄刃切断砥石は一般にその厚さが１〜１．５ｍｍ以下と極めて薄く、砥石自体の強度も低く、更に、通常１５００〜２５００ＲＰＭの高速回転で使用されるため、激しい摩擦熱の発生により砥石の結合剤が劣化して破損しやすくなる。これを防止するために、加工液を砥石及び／又は金属部材に振りかけ、砥石を冷却しながら使用しなければならないという課題がある。このことは更に製造現場で使用される原材料屑や加工補助剤の発生が環境を破壊するという問題が世界的規模で指摘されている昨今において、金属切断加工においても例外ではなく、冷却剤として使用される加工液の廃液を適切に処理しなければならないという課題を派生している。
【０００５】
上記課題を回避するため加工液を使用しない切断加工方法、即ち乾式切断加工も可能であろう。しかし、そのような乾式切断加工においては、切断砥石の厚さが１〜１．５ｍｍ以下と極めて薄く、砥石自体の強度も低い薄刃切断砥石においては、このような砥石を、１５００〜２５００ＲＰＭの高速度で回転しながら金属部材を切断しようとすると、激しい摩擦熱の発生により砥石の表面に金属が焼け付いて砥石としての切断能力が低下し、更に強い摩擦熱が発生することから薄刃切断砥石が極めて短時間に破断し、その上、被切断材料の金属組織が熱的変化を受けると言う課題がある。
【０００６】
更に、摩擦熱の発生を低くするため砥石表面や砥石内部の空隙に潤滑剤をしみこませる事も考えられるが、これらの切断砥石では、表面や空隙に含浸されていた潤滑剤が、発生する熱によって容易に液化し、急速に砥石表面に現れて薄刃砥石の回転に伴う遠心力で簡単に飛散してしまうと言う課題がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、冷却用加工液を使わないで高速回転しながら金属材料を切断する乾式切断加工に耐えられる切断砥石を提供するため、切断砥石の摩擦熱の発生を少なくする充填材として所定の大きさと量の、好ましくは粒径２００ミクロン以下の粉末寒天を２０〜２５体積％添加する。また、砥石内部の空隙へしみ込ませた潤滑剤が摩擦熱で容易に液化し砥石表面から遠心力で消失するのを防止するため、上記粉末寒天の網目構造部に望ましくは分子量１０００以上のポリエチレングリコールを含浸する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について述べる。本発明では、冷却用の加工液を使用しない所謂乾式加工条件下で１５００〜２５００ＲＰＭの高速回転で金属を切断した場合、激しい摩擦熱の発生により砥石の表面に金属が焼け付いて砥石としての切断能力が低下し、また強い摩擦熱により結合剤の強度が低下して薄刃切断砥石が破断し易くなり、更には被切断金属の組織が熱的変化を受けると言う諸課題を解決するために、砥粒と、結合剤と、充填材と、により構成される切断砥石、特に薄刃切断砥石において充填材として粉末寒天を添加するものである。
【０００９】
結合剤は砥粒や充填材を保持する目的に加え、切断能力を低下させてしまった砥粒を砥石本体から脱落させ、新しい砥粒を出現させて切断能力を回復させる目的がある。従って、結合剤の強度が高すぎると切断能力を低下させてしまった砥粒を脱落させることがなく、切粉が砥石へ付着して目詰まりを起こし、これにより更に激しい摩擦熱が発生して加工される金属材料を変質させる原因となる。一方、結合剤の強度が低すぎると砥粒が金属を切削する前に砥粒が砥石本体から脱落して砥石の摩耗が激しくなる。よって結合剤の強度を適正値に維持することは極めて重要である。
【００１０】
本発明の発明者らは、上述の乾式条件下で使用する砥石に粉末寒天を充填材の目的で２０〜２５体積％添加することにより、結合剤の強度がやや低下し、その結果、砥石の摩耗量が増えるが、金属を切断しながらそれに伴う摩擦熱の発生を低くすること、そして粉末寒天をこの体積％以上に添加すると、砥石の製造途中の成形工程や焼成工程で砥石の歪みやソリの原因となり、これ以下の添加では結合剤の強度が低下しないため摩擦熱が激しく発生することを発見した。
【００１１】
更に、本発明者らは、乾式条件下で使用する切断砥石に添加する粉末寒天としては、公知の充填材として使用されている鉱物質より硬度が低いものを使用することにより、砥石表面に対する切粉の付着がしにくくなり、これにより切粉の目詰まりによる摩擦熱の発生を抑制することが出来ることを発見した。
【００１２】
また、粉末寒天は水分の存在しない条件下で熱を受けても軟化したり溶解したりすることなく、更には発火することもなく網目構造の多孔質を保持している。従って、粉末寒天自体が優れた断熱材の役目を果たし、発生した摩擦熱の結合剤や充填剤への熱伝導を抑制することが判明した。
【００１３】
発明者らは、種々の実験の結果、切断砥石に充填材として添加する粉末寒天の粒径は小さいほど単位体積当たりの粒子数が多くなって砥石全体に分散し易くなることから鑑み、砥石の厚さを１ｍｍ以下の薄刃にするためには少なくとも２００ミクロン以下が望ましいことを確認した。
【００１４】
摩擦熱の発生を低くする目的で砥石表面や内部の空隙に潤滑剤をしみこませた切断砥石においては、空隙に含浸されていた潤滑剤が、発生する熱で容易に液化し、急速に砥石表面に現れて薄刃砥石の回転に伴う遠心力で簡単に消失してしまったが、充填材の目的で添加した粉末寒天の網目構造部に分子量が１０００以上のポリエチレングリコールを含浸することにより、上記潤滑剤の液化及び遠心力による潤滑剤の消失が完全に防止出来ることが確認された。
【００１５】
なお、ポリエチレングリコールはその分子量により常温で液体から半固体（ペースト状）そして固体へと変化することは知られている。即ち、分子量が１０００以下のポリエチレングリコールは、粘度に幅はあるものの、液体の性状を示す。分子量が１０００以上のポリエチレングリコールは常温で固体の様相を呈し、分子量の増加に従って硬くなるが、溶媒への溶解度は低くなり、更に、温度の上昇に伴い分子量により液化からペースト状に変化する。特に、分子量が４０００以上６０００以下のポリエチレングリコールは常温で強固な固体であり、温度の上昇に伴い軟化してペースト状に変化する性質を有している。市販品として分子量が２００００のポリエチレングリコールも存在するようであるが、溶媒への溶解度が大幅に低下するため、含浸用の溶解液として使用するには適当ではない。
【００１６】
また、ポリエチレングリコールは潤滑性を有するため、摩擦係数を引き下げる効果があり、更には、分子量が４０００以上６０００以下のポリエチレングリコールは水への溶解度が高い性質を有しているため容易に５０重量％もの高濃度の水溶液を作製でき、更に、そのような高濃度でも粘度が低く、減圧下で突沸減少を起こしたりしないため、容易に含浸できる。
【００１７】
このような性質を有する分子量１０００以上、望ましくは、分子量４０００以上のポリエチレングリコールの５０重量％の溶解液を作製し、その溶液の中に本発明の砥粒、粉末寒天、結合剤からなる薄刃切断砥石を浸し、減圧（真空）下で保持すると、薄刃切断砥石に含まれる粉末寒天の網目構造部の中にポリエチレングリコールの５０重量％の溶解液が取り込まれる。減圧（真空）含浸後にこの薄刃切断砥石を通風乾燥すると、粉末寒天の網目構造の中にポリエチレングリコールと共に取り込まれていた水分が蒸発し、ポリエチレングリコールは固化して残留する。
【００１８】
ポリエチレングリコールを含浸した本発明の切断砥石を使用して金属部材を乾式条件で切断すると、作用面に現れた砥粒や充填材や結合剤と金属との間に摩擦を生ずるが、含浸工程で砥石表面に付着、固化しているポリエチレングリコールの潤滑性で摩擦が低減され、砥石の温度の上昇はポリエチレングリコールが含浸されていない場合より低く抑えられる。更に、砥石の温度が上昇すると粉末寒天の網目構造の中に含浸されているポリエチレングリコールが軟化して流動性を帯びたペースト状になり、粉末寒天の網目構造部から砥石表面に滲み出して更に潤滑性を増す。その結果、切断される金属の発熱が抑えられ金属組織の熱的劣化も生じないか、生じても許容範囲内に抑えることが出来ることが判明した。
【００１９】
以下に、本件発明についての具体例について述べる。表１に示す配合で常法通り均質に混合し、その混合粉をプレス成形後焼成して切断砥石を作製した。
【００２０】
【表１】

次いで、焼成が完了した薄刃切断砥石を５０重量％のポリエチレングリコール（分子量４０００）溶液の中に浸し、減圧下で粉末寒天の網目構造やその他の開気孔部にポリエチレングリコール溶液を含浸させた後、通風下で完全に乾燥した。
【００２１】
このようにして得られた切断砥石の切断能力を判定するために、表２に示す加工条件で金属丸棒を切断しながら切断途中の研削抵抗を微小動力計にて測定した。更に、切断して得られた加工品の砥石との接触面の金属組織を調べ、摩擦熱による金属の変質の具合を判定した。なお、現在市販されている公知の砥石を同一条件にて同様の試験を行った。それらの結果を図１及び図２に示す。
【００２２】
【表２】

図１は本発明による方法で得られた切断砥石を表２に示す条件での４回目の切断中の研削抵抗の変化を表したグラフであり、１回目から１０回目まで切断加工を行ったが、いずれの切削抵抗値も４回目と近似の傾向を示し安定していた。一方、図２は他社製品の切断砥石を表２に示す条件での切断中の研削抵抗の変化を表したグラフであるが、１回目の切断途中で破損してしまった。なお、図１及び図２において、横軸は時間（秒）であり、縦軸は切削抵抗値（ニュートン）である。
【００２３】
図１から明らかなように、切断を開始すると研削抵抗値が時間の経過と共に僅かに高くなり、５ニュートン近くの値を示すが、通常、丸棒のような形状を加工すると、金属丸棒の断面の形状に合わせて砥石と金属棒の接触面積が最大径までは増え、その後は減るため研削抵抗が僅かずつ上がる円弧状の曲線を示すものである。しかるに、公知の砥石における研削抵抗を調べてみると、図２に示すように、グラフ途中までは研削抵抗が僅かずつ上がる円弧状の曲線を示し、砥石の破断前で２０ニュートンの値を示していたが、突然１４０ニュートン以上の値を示し砥石が破断してしまった。図１に示すように、本件発明の切断砥石が５ニュートン程度の低い切削抵抗値を示すのは、砥石に含浸させたポリエチレングリコールが摩擦熱により軟化しながら砥石の作用面ににじみ出し、加工されている金属と砥石との潤滑性を発揮して摩擦を抑制し、更なる摩擦による金属棒の温度上昇を抑制していることを示しているものと思考される。
【００２４】
本発明による切断砥石と公知の切断砥石の乾式加工条件下での切削抵抗を測定している途中において、本発明による切削砥石での加工では砥石と金属の間に発生する摩擦音は小さく、飛び散る火花の発生も少なかった。一方、公知の切削砥石による加工では、砥石と金属の間に発生する摩擦音は次第に大きくなり、飛び散る火花が大量に発生し、やがて結合剤の焼け焦げる臭いが強くなって砥石が破断した。
【００２５】
更に、本発明による切断砥石の乾式加工条件下での切削抵抗を測定している途中において、１回目の切断加工終了後、砥石の作用面の円周に沿って極めて狭い幅を持つ白色の帯が認められ、その後、切断回数を重ねるに従ってこの白色の帯の幅が徐々に広がって行くのが観察出来た。これは切断砥石に含まれる粉末寒天の多孔質構造部に含浸されているポリエチレングリコールが摩擦熱により軟化して作用面ににじみ出したことを示しており、ポリエチレングリコールが砥石の回転に伴う遠心力で吹き飛ばされていなかったこと、及び、発生する摩擦熱が砥石作用面に極めて近いところだけに限定され、それ以上に熱が伝わらない断熱効果を提供していること、が認められた。
【００２６】
図３は本発明による薄刃切断砥石を用いた乾式加工における加工品の金属組織の顕微鏡写真であり、図４は同様の寸法形状を有する市販の砥石を使用して湿式加工により加工した加工品の金属組織の顕微鏡写真である。黒く写っている斑点は金属のフェライト組織中に現れたパーライトで、熱による変化を受けると、その程度によりパーライトの出現の様相が異なることは当業者間では広く知られている。図３の組織写真より明らかなように、本発明による切断砥石を用いた乾式切断加工において、図４に示す湿式加工の場合と比較しても金属の加工品は熱的な組織の変化を殆ど受けていないことが判る。
【００２７】
【発明の効果】
本発明においては、粉末寒天が水分の存在しない条件下で熱を受けても軟化したり溶解したりすることなく、更には発火することもなく網目構造の多孔質を保持しているので、粉末寒天自体が優れた断熱材の役目を果たし、発生した摩擦熱の結合剤や充填材への熱伝導を抑制することが出来る。また、粉末寒天の網目構造部に分子量が１０００以上のポリエチレングリコールを含浸することにより、金属部材を乾式条件で切断することにより作用面に現れた砥粒や充填材や結合剤と金属との間に摩擦を生ずるが、充填材として添加されている粉末寒天の網目構造の中に含浸されているポリエチレングリコールの潤滑性で摩擦が低減され、砥石の温度の上昇はポリエチレングリコールが含浸されていない場合より低く抑えられる。更に、砥石の温度が上昇すると含浸されているポリエチレングリコールが軟化して流動性を帯びたペースト状になり、粉末寒天の網目構造部から砥石表面に滲み出して更に潤滑性を増す。その結果、切断される金属の発熱が抑えられ金属組織の熱的劣化も生じないか、生じても許容範囲内に抑える事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる切断加工砥石の切断途中の時間と研削抵抗値との関係を示す図である。
【図２】公知の切断加工砥石の切断途中の時間と研削抵抗値との関係を示す図である。
【図３】本発明の切断加工砥石を使用して乾式加工によって切断した加工品の切断表面の金属組織を示す顕微鏡写真である。
【図４】公知の切断加工砥石を使用して湿式加工によって切断した加工品の切断表面の金属組織を示す顕微鏡写真である。

Claims (9)

1. 砥粒と、結合剤と、充填材と、により構成される切断砥石において、充填材として粉末寒天を添加したことを特徴とする切断砥石。
2. 粉末寒天が充填材として２０〜２５体積％添加されていることを特徴とする請求項１に記載の切断砥石。
3. 砥石の厚みが１ｍｍ以下であり、粉末寒天の平均粒径が少なくとも２００ミクロン以下の寸法を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の切断砥石。
4. 粉末寒天が有する多孔質構造部にポリエチレングリコールを含有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の切断砥石。
5. ポリエチレングリコールの分子量が１０００以上６０００以下であることを特徴とする請求項４に記載の切断砥石。
6. ポリエチレングリコールの分子量が４０００以上６０００以下であることを特徴とする請求項４に記載の切断砥石。
7. 砥粒、充填材、粉末寒天及び結合剤を混合して得られる原料粉末をプレス成形により切断砥石の原形を形成すること、該原形を焼成処理すること、切断砥石に含まれる粉末寒天の有する多孔質構造部にポリエチレングリコール溶解液を減圧含浸させること、乾燥すること、の諸工程により成形されることを特徴とする切断砥石の製造方法。
8. 分子量１０００以上のポリエチレングリコールの５０重量％溶解液を作製すること、該溶液の中に、砥粒と、結合剤と、充填材と、により構成される切断砥石を浸すこと、減圧下に保持すること、減圧含浸後、該切断砥石を通風乾燥すること、の諸工程により成形されることを特徴とする切断砥石の製造方法。
9. 請求項８において、ポリエチレングリコールの分子量が４０００以上６０００以下であることを特徴とする切断砥石の製造方法。

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