JP2005153135A

JP2005153135A - 鉄鋼材料の研削切断加工法

Info

Publication number: JP2005153135A
Application number: JP2004245467A
Authority: JP
Inventors: Katsuo Shoji; 克雄庄司; Shigekazu Yamazaki; 繁一山崎
Original assignee: Allied Material Corp
Current assignee: Allied Material Corp
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2004-08-25
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】超高速研削切断における工作物の研削焼けを抑止する。
【解決手段】チタン合金コアのメタルボンド超砥粒ホイールを用い、砥石外周部に円弧状の溝を設けて研削点へのクーラント到達を実現し、砥石両側面に互いに千鳥状に配置した矩形の溝を設けて工作物の切断面と、切断面に遮蔽された領域の砥石側面へのクーラント到達を実現した。
【選択図】図１

Description

本発明は、造船重機産業などの分野で不可欠な鉄鋼材料の切断加工方法に関し、特に高能率である新しい加工法を提供するものである。

従来、鋳鉄管やシームレスパイプの切断では、在来砥石を使用した研削切断が行われており、一方で板材などはシェアカットが行われていた。これら鉄鋼材料の切断加工においては、ダイヤモンドやＣＢＮを砥粒とする超砥粒ホイールによる研削切断加工は採用されていなかった。在来砥石を用いた研削切断による鉄鋼材料の切断加工において問題となるのは、砥石の磨耗である。この砥石磨耗は、砥石の切れ味を持続する効果を有する反面、砥石の結合材成分が周囲に粉塵として拡散し、作業環境の悪化をもたらしている。また、磨耗量の多い工具は消耗品としての価値が非常に低い。この砥石を超砥粒ホイールにすることにより、砥石磨耗を極めて小さく抑えられるので、作業環境も改善される。すなわち、ラインの自動化には不可欠の要素である。砥石を超砥粒化するもう一つの利点として、金属コアを搭載できることもあげられる。金属コアの砥石は遠心破壊強度が極めて高く、一般砥石では６０ｍ／ｓの周速度が限界であったところ、金属コアの超砥粒ホイールを用いることにより、２００ｍ／ｓ以上の周速度が可能であることがよく知られている。しかも、砥石周速度を高速化すれば、研削能率が飛躍的に向上することも知られている。この長所を利用する研究として、周速度３００ｍ／ｓまでの超高速研削において研削特性を評価した報告もある。周速度３００ｍ／ｓの研削には、ＣＦＲＰコアの超砥粒ホイールが使用されていたが、それ以上の周速度では砥石とコアとの接着面の剥離の問題があり実施されていなかった。しかし、周速度３００ｍ／ｓにおいても、超高速研削の利点は顕著に表れ、鋳鉄の研削では研削能率Ｑ’ｗ＝１０００ｍｍ^２／ｓが達成された。これは、切込み量Δ ＝１０ｍｍとすると、テーブル速度ｖ＝６ｍ／ｍｉｎの研削に相当する。（非特許文献１参照）また軟鋼の研削において問題となっていた切り屑の溶着、堆積による砥石の異常磨耗が、周速度２００ｍ／ｓ以上で解消され、正常な研削が可能となる利点が報告されている。（非特許文献２参照）
精密工学会誌、Ｖｏｌ．６６、Ｎｏ．７、２０００砥粒加工学会誌、Ｖｏｌ．４２、Ｎｏ．１０、１９９８

そこで、両発明者らが、さらに超高速研削の長所を引き出すために、特許第３４１０４３８号において、周速度３００ｍ／ｓ以上に耐える強度を有する、チタン合金コアのメタルボンドホイールを開発し、さらに特開２００３−７１７２７において、チタン合金製のフランジで保持する方法を考案し、超高速研削の利点を応用した超高速研削切断を試みてきた。
しかし、研削切断を超高速化する場合の問題として、研削熱の発生があげられる。研削熱の増大により、周速度３００ｍ／ｓ以上の超高速研削切断は、非常に困難であった。砥石周速度を高速化すれば、切断加工のために投入するエネルギーが増大するので、熱に変換されるエネルギーも必然的に大きくなる。そのため、超高速研削における研削熱の増大は非常に顕著であり、工作物は著しい研削焼けを呈する。さらに砥石も研削熱の影響で結合材がダメージを受け欠損する場合がある。平面研削においては、この研削熱は、高圧ノズルを使用したクーラントにより排除できるが、研削切断は高切り込みのクリープフィード研削に似ており、さらに切断面により加工点が遮断された状態であるため、クーラントの供給が非常に困難であった。

そこで本発明は、超砥粒ホイールにより、ホイール周速度３００ｍ／ｓ以上で鉄鋼材料を研削切断することを特徴とする鉄鋼材料の研削切断加工法である。

そして、超砥粒ホイールとして、チタン合金のコアを有し、コアの外周部に超砥粒をメタルボンドで保持したホイールを用いることを特徴とする鉄鋼材料の研削切断加工法である。

さらに、超砥粒ホイールの固定方法として、超砥粒ホイールをチタン合金製のフランジを用いて研削盤のホール軸に固定して用いることを特徴とする鉄鋼材料の研削切断加工法である。

そして、超砥粒ホイールの超砥粒層には、外周部に砥石直径の１／３０〜１／２０の半径Ｒを有する、１８〜７２個の円弧状の溝を有し、その深さＨ１は前記円弧直径の１／５〜１／３である。
さらに、ホイール両側面に互いに千鳥状に前記円弧状の溝と同組数配置した矩形の溝を有し、矩形の溝のホイール軸方向の深さＷは、前記ホイール幅の１／５〜１／２であり、半径方向の深さＨ２は、超砥粒層厚みの１／２〜５／６、周方向の溝幅Ｌは、前記円弧半径の１／３〜１／６であるホイールを用いたことを特徴とする鉄鋼材料の研削切断加工法である。
ここで、ホイール幅とは、超砥粒層外周のホイール軸方向の幅寸法を指すものである。そして超砥粒層厚みとは、超砥粒層のホイール半径方向の厚み寸法を指すものである。

以上説明したように、チタン合金コアのメタルボンド超砥粒ホイールと、高出力スピンドルと高圧クーラントシステムを搭載した超高速研削盤を用いた、周速度３００ｍ／ｓ以上の超高速研削切断において、本発明によれば超砥粒ホイールの砥石外周部に円弧状の溝を設け、砥石側面に矩形の溝を設けたことにより、クーラントシステムの性能を十分に発揮でき、鉄鋼材料を工作物とした場合において、工作物切断面に一切の焼けを排除することができる。この加工方法は、上記加工システム同等か、各要素が上記加工システムの性能を上回る装置がすべて配備された環境においてのみ実現可能な加工方法であり、鉄鋼材料の応用分野の発展に大きく貢献する。

周速度３００ｍ／ｓ以上で高速回転可能な切断用ホイールとして、両発明者が開発したチタン合金コアのメタルボンド超砥粒ホイールが不可欠である。前記チタン合金コアのメタルボンド超砥粒ホイールを、周速度３００ｍ／ｓ以上で高速回転させるためには、高出力スピンドルを搭載した研削盤を用いることが望ましい。クーラントシステムは、砥石外周の接線方向から高圧ノズルを、研削点にクーラントを供給するために装着し、砥石側面に向けたノズルを、砥石側面と工作物に噴射して加工した工作物を直接冷却するために装着することが望ましい。これらの加工システムを配備したことに加え、前記チタン合金コアのメタルボンド超砥粒ホイールの砥石部にクーラントの供給を促す工夫を施した。すなわち、砥石外周部に円弧状の溝を設けて研削点へのクーラント到達を実現し、砥石両側面に互いに千鳥状に配置した矩形の溝を設けて工作物の切断面と、切断面に遮蔽された領域の砥石側面へのクーラント到達を実現した。前記円弧形状の溝の数は１８から７２個とし、半径は砥石直径の１／３０〜１／２０、深さは前記円弧直径の１／５〜１／３とする。また前記矩形の溝のの深さは、前記ホイール幅の１／５〜１／２とし、断面は半径方向には砥石厚みの１／２〜６／５、周方向には前記円弧半径の１／３〜１／６とした。前記加工システムを用いて、鉄鋼材料の超高速研削切断を行えば、研削焼けを生じず、かつ、高能率な研削切断加工が実現できる。

切断ホイールとして、図１に示す形状のチタン合金コアのメタルボンドＣＢＮホイール（溝つき）を用い、工作物として厚さ２ｍｍの鋳鉄板（ＦＣ２００）を用い、図５のように１００ｍｍの長さを研削切断した。前記超砥粒ホイールの外径は２５０ｍｍで、砥石幅は１ｍｍとした。前記工作物の厚さに対して、切り込み量を２．５ｍｍ与え、下記条件で工作物を分断する切断加工を３０パス行った。また、研削盤としては、高出力スピンドルを搭載した研削盤を用い、クーラントシステムは、砥石外周の接線方向から高圧ノズルを、研削点にクーラントを供給するために装着し、砥石側面に向けたノズルを、砥石側面と工作物に噴射して加工した工作物を直接冷却するために装着した。さらに、砥石には、外周部に円弧状の溝を円周等配に３６個設け、両側面には千鳥状に矩形状の溝を３６組設けた。それぞれの寸法は、図６、図７の記号において、Ｒ＝５ｍｍ、Ｈ１＝２．５ｍｍ、Ｈ２＝３ｍｍ、Ｌ＝２ｍｍ、Ｗ＝０．２ｍｍ、Ｘ１＝Ｘ３＝２ｍｍ、Ｘ２＝３ｍｍとした。
前記条件で加工を行ったところ、工作物の切断面には一切研削焼けが起こらず、良好な研削切断加工を行うことができた。図８に各周速度について、法線方向研削抵抗の変化を示す。この結果より、研削抵抗が安定しており、正常な加工が維持される様子がわかった。また、加工に寄与した砥粒の状態を１パス毎に追跡したところ、砥粒先端の摩滅も起こらず、切り屑が溶着することもなかった。適度に自生発靭する状態で、良好な状態を持続できることがわかった。

実施例１と同一仕様の超砥粒ホイールを用い、ホイール周速度は２００ｍ／ｓｅｃとし、その他の研削条件、クーラント、工作物はすべて実施例１と同一として実験を行った。
前記条件で加工を行ったところ、工作物の切断面には一切研削焼けが起こらず、良好な研削切断加工を行うことができた。図８に各周速度について、法線方向研削抵抗の変化を示す。この結果より、研削抵抗が安定しており、正常な加工が維持される様子がわかった。また、加工に寄与した砥粒の状態を１パス毎に追跡したところ、砥粒先端の摩滅も起こらず、切り屑が溶着することもなかった。適度に自生発靭する状態で、良好な状態を持続できることがわかった。

実施例１と同一仕様の超砥粒ホイールを用い、ホイール周速度は１００ｍ／ｓｅｃとし、その他の研削条件、クーラント、工作物はすべて実施例１と同一として実験を行った。
前記条件で加工を行ったところ、工作物の切断面には一切研削焼けが起こらず、良好な研削切断加工を行うことができた。図８に各周速度について、法線方向研削抵抗の変化を示す。この結果より、研削抵抗が安定しており、正常な加工が維持される様子がわかった。また、加工に寄与した砥粒の状態を１パス毎に追跡したところ、砥粒先端の摩滅も起こらず、切り屑が溶着することもなかった。適度に自生発靭する状態で、良好な状態を持続できることがわかった。

切断ホイールとして、結合材の材質を抗折強度１０ＭＰａ以上の焼結合金とし、図９に示す形状のチタン合金コアのメタルボンドＣＢＮホイール（溝つき）を用い、ホイール周速度は３７０ｍ／ｓｅｃとして、その他の研削条件、クーラント、工作物はすべて実施例１と同一として実験を行った。さらに、超砥粒層には、外周部には円弧状の溝を円周等配に18個設け、両側面には千鳥状に矩形状の溝を９組設けた。それぞれの寸法は、図１３、図１４の記号において、Ｗ２＝０．１ｍｍ、Ｘ４＝１６．５ｍｍとし、その他、Ｒ、Ｌ、Ｈ１、Ｈ２は実施例１と同一とした。
前記条件で加工を行ったところ、工作物の切断面には一切の研削焼けが起こらず、良好な研削切断加工を行うことができた。

実施例４と同一仕様の超砥粒ホイールを用い、ホイール周速度は３５０ｍ／ｓとして、その他の研削条件、クーラント、工作物はすべて実施例１と同一として実験を行った。
前記条件で加工を行ったところ、工作物の切断面には一切の研削焼けが起こらず、良好な研削切断加工を行うことができた。

比較例１

切断ホイールとして、図１５に示す形状のチタン合金コアのメタルボンドＣＢＮホイール（溝なし）を用い、工作物として厚さ２ｍｍの鋳鉄板（ＦＣ２００）を用い、実施例１と同様に１００ｍｍの長さを研削切断した。前記超砥粒ホイールの外径は２５０ｍｍで、砥石幅は１ｍｍとした。前記工作物の厚さに対して、切り込み量を２．５ｍｍ与え、下記条件で工作物を分断する切断加工を１パス行った。また、研削盤としては、高出力スピンドルを搭載した研削盤を用い、クーラントシステムは、砥石外周の接線方向から高圧ノズルを、研削点にクーラントを供給するために装着し、砥石側面に向けたノズルを、砥石側面と工作物に噴射して加工した工作物を直接冷却するために装着した。
前記条件で加工を行ったところ、超高速研削の高能率性は示されたが、工作物の切断面には著しい研削焼けが起こり、工作物が熱変形するなど大きなダメージを与える結果となった。

比較例２

比較例１と同一仕様の超砥粒ホイールを用い、ホイール周速度は２００ｍ／ｓｅｃ、テーブル速度は１ｍ／ｍｉｎとし、その他の研削条件、クーラント、工作物はすべて比較例１と同一として実験を行った。
前記条件で加工を行ったところ、高速研削の高能率性は示されたが、工作物の切断面には著しい研削焼けが起こり、工作物が熱変形するなど大きなダメージを与える結果となった。

比較例３

比較例１と同一仕様の超砥粒ホイールを用い、ホイール周速度は１００ｍ／ｓｅｃ、テーブル速度は１ｍ／ｍｉｎとし、その他の研削条件、クーラント、工作物はすべて比較例１と同一として実験を行った。
前記条件で加工を行ったところ、工作物の切断面には著しい研削焼けが起こり、工作物が熱変形するなど大きなダメージを与える結果となった。以下の表に実施例１〜５および比較例１〜３の結果をまとめて示す。

実施例１〜３における、チタン合金コアのメタルボンドＣＢＮホイール（溝つき）の工具形状を示す図図１の外周部拡大図図１のホイールを外周からみた場合の外周部拡大図図１のホイールを裏面からみた場合の外周部拡大図実施例および比較例の加工模式図図１のホイールの砥石の溝部拡大図図１のホイールを外周からみた場合の砥石の溝部拡大図実施例１〜３の研削抵抗を示す図実施例４および５における、チタン合金コアのメタルボンドＣＢＮホイール（溝付き）の工具形状を示す図図９の外周部拡大図図９のホイールを外周からみた場合の外周部拡大図図９のホイールを裏面からみた場合の外周部拡大図図９のホイールの砥石の溝部拡大図図９のホイールを外周からみた場合の砥石の溝部拡大図比較例における、チタン合金コアのメタルボンドＣＢＮホイール（溝つき）の工具形状を示す図図１５の外周部拡大図比較例の研削抵抗を示す図

符号の説明

１超砥粒ホイール
２超砥粒層部
２ａ外周側溝
２ｂ側面溝（表側）
２ｃ側面溝（裏側）
３コア
４フランジ
５工作物
６加工点冷却用クーラント供給ノズル
７砥石側面及び工作物冷却用クーラント供給ノズル

Claims

超砥粒ホイールにより、ホイール周速度３００ｍ／ｓ以上で鉄鋼材料を研削切断することを特徴とする鉄鋼材料の研削切断加工法。
上記超砥粒ホイールとして、チタン合金のコアを有し、コアの外周部に超砥粒をメタルボンドで保持したホイールを用いることを特徴とする、請求項１に記載の鉄鋼材料の研削切断加工法。
上記超砥粒ホイールの固定方法として、超砥粒ホイールをチタン合金製のフランジを用いて研削盤のホイール軸に固定して用いることを特徴とする、請求項１〜２に記載の鉄鋼材料の研削切断加工法。
上記超砥粒ホイールの超砥粒層には、外周部にホール直径の１／３０〜１／２０の半径Ｒを有する１８〜７２個の円弧状の溝を有し、その深さＨ１は前記円弧直径の１／５〜１／３であり、
さらに、ホイール両側面に互いに千鳥状に前記円弧状の溝と同組数配置した矩形の溝を有し、矩形の溝のホイール軸方向の深さＷは、前記ホイール幅の１／５〜１／２であり、半径方向の深さＨ２は、超砥粒層厚みの１／２〜５／６、周方向の溝幅Ｌは、前記円弧半径の１／３〜１／６であるホイールを用いたことを特徴とする、請求項１〜３に記載の鉄鋼材料の研削切断加工法。