JP2008006583A - 工作物目視特性を備えた砥粒ホイール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面研削のための改良された砥粒ホイール及びその製造方法を提供する。
【解決手段】砥粒ホイール１１０は、自らを貫通する不規則な外周形状又は孔を有し、それにより通常の面仕上げ操作、バリ取り及び又は溶接ブレンディングにおいて研削される工作物の表面の目視が可能になる。砥粒ホイールの各々は、ホイールの円形外周部にある間隔で配置される１つ以上のギャップ１１２を有することができる。ギャップに加えて又はギャップの代わりに、ホイールに等間隔で同じ様に配置される複数の孔を設けることもできる。ギャップ及び孔の位置は、ホイールのバランスを保つように選定可能である。ホイールが自らの軸線の回りを回転しているときに、ホイールを工作物の表面から動かすことなく、研削中の工作物の表面状態を監視することができる。
【選択図】図１

Description

本出願は、２０００年１２月９日に出願された米国仮出願６０／２５４，４７８号の利益を主張するものである。

本発明は、砥粒を有する砥粒ホイール又は研削ホイール（abrasive or grinding wheels）の分野に関し、特に、研削中に工作物の観察を容易にする砥粒ホイール及びその製造方法に関する。

砥粒ホイール（すなわち研削ホイール）は、通常の研削機及び携帯型アングルグラインダーにおいて広く使用される。これらの機械に使用される場合、ホイールはその中心にて支持され、ワーク（すなわち工作物）に対して押圧されている間、比較的高速で回転する。研削ホイールの砥粒面は、研削ホイールの砥粒の集団的な研削作用によってワークの表面を研削する。

研削ホイールは、粗い研削及び精密研削のいずれの操作にも使用される。粗い研削は、表面仕上げ及び表面焼き加工とは特に関係なく、急速な研削を行うときに使用される。粗い研削の例には、鋼片（ビレット）からの不純物の急速な除去、溶接線の形成及び鋼の切断が含まれる。精密研削は、除去される研削量の制御に関し、所望の寸法公差及び表面仕上げの少なくとも一方を達成する。精密研削の例には、正確な量の材料の除去、シャープニング（sharpening）、成形（shaping）、並びにポリシング（polishing）及びブレンディング（blending；すなわち溶接ビードの平滑化）のような一般的な表面仕上げ操作が含まれる。

略平面を工作物に適用する通常の面研削ホイール又は表面研削ホイールは、通常の平面グラインダー又は工作物に対して最大約６°の角度に方向付けられた平面を有するアングルグラインダーを用いて、粗い研削及び精密研削の双方に使用可能である。表面研削操作の例としては、米国特許第５，９５１，３７８号に開示されるような、２種金属からなるエンジンブロックのファイヤーデッキの研削がある。通常の面研削ホイール又は表面研削ホイールの多くは、一体物の剛性の固定砥粒ホイールを形成するために、砥粒及び結合剤の混合物の成形によって作製され、繊維強化はされてもされなくてもよい。適当な固定砥粒の例には、樹脂結合基体のアルミナ砥粒が含まれる。固定砥粒の他の例としては、ガラス結合剤又は金属結合剤のダイヤモンド砥粒、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）砥粒、アルミナ砥粒、又はシリコンカーバイド砥粒が挙げられる。ＡＮＳＩ（アメリカ規格協会）により指定された種々のホイールの形態は、面又は表面研削操作に広く使用される。これらのホイールの種類には、平形（ＡＮＳＩタイプ１）、リング形（タイプ２）、凹み形（タイプ５及び７）、平形及びテーパカップ（flaring cup）形（タイプ１０及び１１）、皿（dish and saucer）形（タイプ１２及び１３）、二番取り（relieved）及び／又は凹み形（タイプ２０〜２６）、並びに中央窪み形（タイプ２７、２７Ａ及び２８）が含まれる。ＡＮＳＩタイプ２９のような上述のホイールの変形例も、面又は表面研削に適するものである。

通常の面又は表面研削ホイールに関する欠点は、作業者は研削されている工作物の表面を実際の操作中に見ることができず、ホイールに覆われていない材料しか見ることができないことである。操作中の工作物を繰返し検査することなく正確な操作を実行して、所望の結果により近い結果を得ることは、多くの場合は困難である。アングルグラインダーのような携帯型工具は正確に再適用することができないので、反復的検査は細かい作業に対して良い方法ではない。

複数の穿孔を有するホイールは、中速から高速での回転時は人間の目の残像すなわち「視覚の存続」効果によって半透明に見える。回転する穿孔を有するホイールを通して見える画像は、回転するホイールとその背景及び前景の少なくとも一方との間に光及び色の少なくとも一方のコントラストがある場合はさらに強められる。ホイールが回転しているときの「窓」の幅又は透けて見える効果を高めるために、通常は複数の穿孔は互いに重なるように構成される。この現象を利用する砥粒研削ホイールは、例えば米国特許第６，１５９，０８９号、６，０７７，１５６号、６，０６２，９６５号及び６，００７，４１５号に示されている。これらの全てはこの参照をもって本願明細書への記載に変えるものとする。

一体物の樹脂／砥粒複合ホイールについては、破損及び隆起の少なくとも一方によって大きな穴が開いてしまうという破滅的な結果が予想されるために、これまでそのような「窓」の使用は、複数の構成要素からなる金属製切断刃及び可撓性研削ホイールの少なくとも一方に限定されていた。

従って、表面研削のための改良された工具及び方法の少なくとも一方が必要とされる。

本発明のある実施形態によれば、自らの軸線に沿って回転操作されて工作物から材料を除去する砥粒ホイールが提供される。砥粒ホイールは、取付孔、砥粒を有する基体及び回転操作中に見かけ上の円筒を画定する周縁を有する。砥粒ホイールは基体を通って軸方向に延びる少なくとも１つのボイドを有し、そのボイドは回転操作中に見かけ上の窓を画定し、その窓を通して工作物が目視可能である。砥粒ホイールはまた、実質的に一体物であり、加えられた２０Ｎの軸方向荷重に対して約１〜５ｍｍの範囲の可撓性を有する。

本発明の他の態様は、自らの軸線に沿って回転操作されて工作物から材料を除去する砥粒ホイールの作製方法を有する。この方法は、砥粒を有する基体を用意すること及びその基体をホイールに形成することを有する。この方法はまた、基体を通って軸方向に延びる少なくとも１つのボイドを形成することを有し、そのボイドは回転操作中に見かけ上の窓を画定し、その窓を通して工作物が目視可能である。ホイールは一体物に形成され、加えられた２０Ｎの軸方向荷重に対して約１〜５ｍｍの範囲の可撓性を有するような寸法、形状及び構造を有する。

本発明のさらなる態様において、砥粒ホイールは回転操作されて工作物から材料を除去するために提供される。砥粒ホイールは、取付孔、砥粒を有する基体及び回転操作中に見かけ上の円筒を画定する周縁を有する。複数のボイドは基体を通って軸方向に延び、回転操作中に見かけ上の窓を画定し、その窓を通して工作物が目視可能である。複数のボイドは少なくとも１つの覗き孔と、見かけ上の円筒のマージンから径方向内側に延びる少なくとも１つの見通し可能なギャップとを有する。砥粒ホイールは実質的に一体物である。

本発明の上述の及び他の特徴及び長所は、添付図面に関連する本発明の種々の形態についての以下の詳細な説明を読むことにより直ちに明らかになるであろう。

ギャップ及び／又は孔は、通常の研削ディスク（すなわち上記引例‘５２１公報に開示されるような実質的剛性の基材に固定された略環状シートのサンドペーパーを用いたもの）に設けられる。しかし、それらは一体物の固定砥粒研削ホイールには利用されていない。研削操作中にホイールの中心付近に生じる応力集中が比較的大きいため、ホイールを貫通する孔を設けることは、許容できないホイール強度低下を招くことが考えられる。しかし、適切なホイール構造によれば、それらのホイールの平坦な研削面に覗き開口部（すなわち孔）を配置することが可能であることが見出された。

さらに、従来技術にて利用可能なことにより示される恐れ、すなわち外周のギャップが工作物表面からの突起物を捕えること、又は最終的にホイールの故障に至る応力集中を生じさせることは、試験では見出されないことがわかった。図１０に関して以下により詳しく述べるように、任意にギャップを傾斜させること、並びにギャップ１１２及び／又は孔３２２、６２２の後方エッジ１２０等を引き上げることの少なくとも一方を伴う比較的高い回転速度は、通常の回転速度で回転するホイールのギャップに突起物が入ることの防止に適していると考えられる。

本発明の使用中及び開発中になされた観察の結果、研削操作の効率及び能力の向上が達成可能であり、部分的には、回転する研削面と研削される工作物表面との間の乱気流の生成によって冷却効果が生じ得ることがわかった。断続的な切削（短い測定時間が切削インターバルの間に経過することを可能にする）からも利益が得られる。我々の改良された研削ホイールの１つが１回転する間に、「休息時間（rest time）」が何回か生じる。最良の結果はホイールのマージンにギャップを等間隔で配置することにより得られ、それによりホイールは名目的に一様にバランスを保たれることがわかった。

添付図面に示される図を参照しつつ、本発明の例示的実施形態を以下に詳細に説明する。説明の明確化のために、添付図面に示される同様の特徴には同様の参照符号が付され、図面の択一的実施形態に示される類似の特徴には類似する参照符合が付される。

本願明細書に使用される「ホイール」という用語は、回転可能なスピンドル又は心棒に取付けられるように構成された一体的（後に詳述）物品をいい、本願明細書においては単なる円形又は円筒形に限定されない。この用語には、表面グラインダー又はアングルグラインダーに使用可能な物品が含まれる。

用語「ギャップ」及び「スロット」はいずれも、ある物体を少なくとも一方向に貫通する一方でその物体の材料に完全には囲繞されない窪み又は凹みをいう。これらの用語には、ホイールの円形の外側エッジがセグメント（後に詳述）又はセグメントの一部を失う形状、すなわち、「開口部」の一部がエッジを越えて延びるまでその「開口部」を観念的に移動させることにより得られる形状が含まれる。

同様に「孔」には、ある物体を少なくとも一方向に貫通する一方でその物体の材料に完全に囲繞される窪み、凹み又は開口部が、それらの特定の形状又は外形に関わらず含まれる。

「ギャップ」、「スロット」及び「孔」の少なくとも１つは、本願明細書においては一まとめに「ボイド」と称される。

「一体的」及び「一体物」の少なくとも１つは、成形（例えば鋳型成形）されたような単一の一体的な構成単位として形成された物体をいう。一体的な又は一体物の研削ホイールの例には、強化及び非強化の固定砥粒研削ホイールの双方が含まれる。典型的な強化の例には、ガラス又はカーボンのような繊維、又は研削ホイールの個別の層として（すなわち結合剤及び研削材料を用いて層を元の位置に形成することによって）形成された支持プレートが含まれる。択一的に、強化材には、結合材及び研削材料を用いて実質的均質に混合された繊維又は他の材料が含まれる。本願明細書における「一体的」及び「一体物」からは、受け板に取外し可能に固定されたサンドペーパーを有する通常の研削ディスクは明確に除外され、また、ホイールのリムの上にブレーズ加工又は電気鍍金された砥粒の層を有する金属製のホイールも除外される。

本願明細書における「研削」とは、工作物の表面の材料除去又は粗さ変更を行う研削又は仕上げ操作の全てをいう。

「セグメント」とは、周縁と弦との間に位置する円の一部を意味する。

「軸方向」とは、ホイールの軸線に実質的に平行な方向をいう。同様に、「横方向」又は「横方向平面」とは、上記軸方向に実質的に直交する方向又は平面をいう。

「マージン（margin）」という用語には、ホイール又はホイールの回転により形成される見かけ上の円筒が有する径方向に最も外側のエッジ及び／又は表面が含まれる。ホイールのマージンは、そこに配置される全てのギャップ又はスロットを有する。

ホイールの「周縁」には、マージン、研削面及びその反対側の面（例えば非研削面）を含むホイールの全ての外側表面が含まれる。

図示されるように、簡潔に述べれば本発明には、不規則な（すなわちギャップを有する）外周形状及びそこを貫通する一連の孔の少なくとも一方を有し、面又は表面研削操作に関して典型的な通常の表面仕上げ、バリ取り及び／又はブレンディング操作において研削中の工作物表面の目視を可能にする一体物の砥粒ホイールが含まれる。例えば、図１〜図４に示されるように、砥粒ホイール（１１０、３１０及び４１０）の各々は、ホイールの円形外周部にある間隔で配置される１つ以上のギャップ１１２、３１２及び４１２を有する。これらのホイールはまた、図３に破線で示される孔３２２のような覗き孔を有することができる。択一的に、図２２〜図２４に示されるようにホイールは外周のギャップを有さずに孔を有してもよい。図１及び図２２を参照すると、３つのギャップ１１２又は孔２２２２が中心から等距離にて使用可能であるが、他の多くの組み合わせも可能である。ギャップ及び／又は孔は、多様な形状に形成可能であり、丸み（例えば面取り）を有することによりシャープ又は狭い角部の使用を避けてクラックの伝播傾向を低減させることができる。ギャップ及び／又は孔の位置は、ホイールのバランスを保つように選定可能である。ホイールはギャップエッジから材料を除去することによって力学的にバランスをとることができる。

ギャップ及び／又は孔により、ホイールは自らの軸線１１６、３１６及び４１６の回りを回転中に、上述した「視覚の存続」効果によって半透明に見える。従って、ホイールが矢印で示される方向に自らの軸線の回りを回転しているときは、人又は機械（すなわち研削機の作業者又は機械視認装置）は、砥粒ホイールを工作物の表面から動かすことなく、研削中の工作物の表面状態を監視することができる。ギャップ及び／又は孔はまた、空気流れを改善して接触摩擦領域を低減させ、従来技術の外周が環状の砥粒ホイールが使用されるときに比べて工作物表面を有意に低温に保つことができると考えられる。

これより本発明の研削ホイールを図面を参照しながらより詳細に説明する。ギャップ及び／又は孔を除けば、本発明のホイールは、業界基準の有機又は無機の固定砥粒ホイール（上述したタイプ１、２、５、７、１０〜１３、２０〜２６、２７、２７Ａ、２８及び２９）として製造可能である。本発明のホイールはまた、本明細書において図１５〜図１９に関して説明されるような、タイプ２７及びタイプ２８のハイブリッドホイール（以下、「ハイブリッドタイプ２７／２８」ホイール）と称する）として製造可能である。これらのホイールはまた、通常の直径を有するように製造可能であり、通常の繊維強化又は支持板強化はされてもされなくてもよい。有機の結合材料の例には樹脂、ゴム、セラック又は他の類似の結合剤が含まれる。無機の結合材料には土、ガラス、フリット、陶材、珪酸ナトリウム、マグネシウム酸塩化物又は金属が含まれる。例えば成形（molding）のような通常の研削ホイール製造技術が使用可能である。本発明に従って修正される通常の研削ホイール製造技術の特殊例は、以下に詳細に説明される。

本発明のホイールの典型的な構成は、図１及び図２に示される。図１は底面図、すなわちホイールの平坦な研削面を見た図である。図示されるように、ホイール１１０は３つのギャップ１１２及び通常の中央取付孔１１１を有する。

複数のギャップは、サイズ及び形状を何通り有してもよいし、その個数は妥当な個数の全てが可能である。例えば、様々な３つのギャップを有するホイールが図１〜図５、図８及び図９に示される。４つのギャップを有する実施形態は図６及び図７に、５つのギャップを有する変形例は図８ｃに示される。（エッジから除去されるバランス用セグメントを備えた）１つのギャップを有するホイール（図示せず）も使用可能である。

図３を参照すると、ホイール３１０が概ねステップ形又はホタテガイ形の外周を有するように、複数のギャップ３１２を非対称にすることが可能である。図示されるように、ギャップ３１２は前方エッジ３１８を有し、前方エッジ３１８は、ホイール最大半径ｒ_maxから、ｒ_maxにおける接線３１９に関して比較的急な角度α（すなわち実質的直交）で径方向内側に延びる。前方エッジ３１８は、初期半径ｒ_minを有する後方エッジ３２０に成形される。後方エッジ３２０は、徐々に最大半径ｒ_maxになるように（すなわち比較的小さい接線方向角度βが減少していくように）成形される。この徐々に変化する後方エッジ３２０の半径は、ホイールが例えば工作物のシャープなエッジに捕えられる可能性を低減させる有利な傾向がある。この徐々に変化する半径はまた、図１０に関して後述するように、研削面を有する平面からの後方エッジの引き上げと組み合わせて使用することもできる。

図４は、非対称ギャップの変形例を示す。この実施形態において、ホイール４１０は、ギャップ４１２を有することにより概ね鋸歯状の外周を有する。ホイール３１０の場合と同様の方法によって、ホイール４１０の後方エッジ４２０は、９０°より小さい角度β′で延びることが好ましい。

図５は、対称ギャップ５１２′及び５１２″（図５ａ及び図５ｂ）を有する２つのさらなる変形例と、非対称ギャップ５１２″′（図５ｃ）を有する他の実施形態とを含む。

図６〜図９は、さらなる実施形態であるホイール（６１０、７１０、８１０、８１０′、８１０″及び９１０）を示しており、これらのホイールは、ホイールのセグメントを欠除又は除去して形成されたギャップ（それぞれ６１２、７１２、８１２、８１２′、８１２″及び９１２）を有する。これらのセグメントは直線（６１２及び８１２）、曲線（８１２′）又は鋸歯状（８１２″及び９１２）のいずれであってもよい。セグメントは１つ以上が可能であり、３つ又は４つが好ましく、５つ（８１０″を参照）又はそれ以上も適当である。

さらに、ギャップの後方エッジに沿う研削面のエッジは、面取りエッジ部（本願明細書では「翼端（wing tip）」とも称する）を６２６、７２６、８２６及び９２６に有する。これらの翼端は、ホイールと研削される材料との間の空気流を増大させ、同時に、図１０の引き上げられた後方エッジと同様の方法によってリム接触部の衝撃を低減させる。翼端はさらに、ホイールのエッジ上に意図的に形成された羽根を有し、これらの羽根は研削ホイールの周囲付近に空気を流すために使用可能である。これらの羽根は、アングルグラインダーのガードの周りの空気を含んだ「スカート」とともに使用され、それにより塵埃が全方向よりも一方向に排出される。塵埃又は削り屑の実質的な量を維持するために、塵埃又は削り屑の捕集装置を設置することができる。

目視
上述したように、ホイールのギャップ又はスロット（１１２、３１２、４１２…）により、作業者はグラインダー使用中に、回転するホイールを介して研削される工作物を見ることができる。これに関し、進行中の研削動作を目視及び監視できることは非常に有益である。上述したように、多くの研削ホイールにおいては、研削中の目視はできない。通常の平面グラインダー又はアングルグラインダーの構造では、回転するホイールの外側部分を介しての目視はできず、本発明のホイールはこの欠点を克服するために開発された。通常の不透明なホイールを用いて研削する場合は、作業者は一連のテスト研削を行い、その結果を見るためにはその度に工具を除去しなければならず、また作業が完了に近づくとこれらの検査による中断はより頻繁になる。作業完了工程はある種の逐次近似であり、研削工程の実施が過度に行われる可能性がある。本発明を利用すれば、作業者は研削操作を工具の１回の適用で実行でき、研削が過度に行われる危険性は殆どない。

ホイールが有するこれらのギャップ及び／又は孔により、突起物がギャップを引っかけて研削工程において破滅的な破壊が生じることが（期待通りに）防止されることは驚くべきである。

本発明のホイールは、回転するホイールを介して見るとともにその後ろの工作物を見るための持続的画像を頼りにする人に対し、視覚的コントラストを強めるために黒色であることが好ましい。この色は白色よりも目立たないので、結果として、白色又は他の明るい色のホイールを介して見える工作物表面の画像が灰色に見える（gray out）傾向がある。その結果、ある場所の除去されたセグメントがホイールの他の場所でギャップに重なった場合に、ホイール下方の工作物はホイールのエッジまで正確に見え、ホイールの作業部分全体が使用中に「灰色」になる。

空気冷却
典型的には４．５インチ／１１５ｍｍのアングルグラインダーにおいて典型的には８０００〜１１０００ｒｐｍで回転する、本発明に従って作製された回転ホイールの周りには、検出可能な略接線方向の空気流を生じさせることができる。斜めギャップは、砥粒面及び削り屑において重要な乱気流を生じさせ、削り屑は径方向外側に放出される。

図１０を参照すると、ギャップ１１２（及び／又は後述する覗き孔）は図示されるように傾斜する。便宜上、以降は特にギャップについて説明するが、この説明は本願明細書に記載される全ての覗き孔にも完全に適用されることは理解すべきである。図示されるように、ホイール１１０の好適な回転方向は矢印１４で示され、砥粒研削面は下向きである。ギャップ１１２の前方エッジ１１８は、（軸方向に対して）傾斜して、砥粒研削面の最も近い（すなわち隣接する）部分と鋭角を形成する。一方、後方エッジ１２０は、傾斜して研削面の隣接部分と鈍角を形成する。（図１０ｂの後方面１２０′は、さらなる傾斜形状を有し、ホイールが突起物を捕える危険性をさらに最小化するために使用される。）

ギャップが実際には傾斜していなくても、ホイールが高速で回転しているときは基板の開口部の動作により、一般に重要かつ有益な乱気流が生じる。それにより工作物が有利に冷却される。

この効果は、図示されるようなギャップ１１２の傾斜によって、空気が矢印１０３０（図１０ａ）で示されるように工作物の表面に運ばれることで強められることができる。この空気流は工作物の冷却を促進し、塵埃及び削り屑を砥粒部位から吹き飛ばし、脱落した砥粒の粒子を作業領域から除去する。この効果は、後方エッジ１２０′を引き上げて図１０ｂに示されるような空気取り入れ口を形成することによってさらに強められることができる。空気が研削される表面に達すると、重要な空気圧縮が生じ得る。この空気はまた、一種のベアリングとして作用し、空気ベアリングと類似した方法で、回転するホイールと静止した工作物との間に力を生じさせる。この場合、乱流は工作物表面に生じることができ、削り屑の除去を促進する。

我々は、（部分的には、使用中（１０，０００ｒｐｍ）は約２ｍｓ毎に新たなギャップが現れるという理由によって、）ギャップの後方エッジ又はその他同種のものにおいて突起物を捕える可能性は殆どないことを確認したが、図１０に示される構造は、急な角部よりもなだらかな斜面を有して突起物を逸らすことによって、（工具が減速しているときのような）リスクの最小化に寄与する傾向がある。

上述の内容に加え、本発明の砥粒ホイールは種々の択一的実施形態にて使用可能である。例えば、簡潔に上述したように、上述した全てのホイールは、図３、図６及び図７等に破線で示された１つ以上の覗き孔３２２、６２２、７２２等を有することができ、それらに加えて又は組み合わせて、ギャップ又はスロット（１１２、３１２、４１２…）を有することができる。さらに、本発明はいかなる外周のギャップをも用いずに、覗き孔を有することができる。それらの覗き孔は、図２２〜図２４のホイール２２１０、２３１０及び２４１０が有するようなものであり、また上述した仮出願（‘４７８）及び日本特許出願Ｈ１１−２５９３７１「研削面観察用透視孔が開けられたオフセット型フレキシブル砥石」に開示されるようなものである。実質的にはこれらの覗き孔は、円形（すなわち図３、図９及び図２２に図示）又は非円形（すなわち図２３及び図２４の卵形孔２３２２及び２４２２）を含むどのような形状でもよい。図２３及び図２４をより詳細に参照すると、卵形又は楕円形の孔が使用される場合は、それらの孔は所望の全ての方向に向けることができる。例えば図２３に示されるように、孔２３２２は、横方向面におけるその長軸が径方向に延びるように配置される。択一的に、図２４に示されるように、長軸を径方向から角度γだけずらして配置することもできる。図示された実施例では、角度γは約４５°である。楕円形の孔を有して製造されたホイールは、その楕円形の孔の長軸寸法に等しい直径の円形孔を有して製造された類似のホイールに比べて、実質的に強度が上がるという試験結果がある。さらに、楕円形の孔を４５°の角度に向けることは、「実施例」にてより詳しく後述するように、ホイール強度をさらに高める。

さらに、図２及び図１０に関して前述したように、また図６、図７及び図８ａに破線で示したように、上述した覗き孔３２２、６２２等の全ては傾斜可能である。また上述したように、覗き孔は、上述したギャップと実質的に同様の作用をし、作業者が工作物を研削操作中に覗き孔を介して見ることを可能にする。

孔３２２、６２２等の個数及び配置は、ホイールのバランスを保つように選定されることが好ましい。１つの覗き孔を有しかつ回転バランスを保つようにホイールを成形することは可能であるが、一般には複数の孔をホイールの回転軸の回りにある間隔で配置して、所望のホイールバランスを得ることが好ましい。孔の個数はいくつでもよいが、ホイールの直径及び孔の大きさに依存する。例えば、最外直径が６インチのホイールは３〜６個の孔を有することができ、一方、より大きい直径（すなわち９〜２０インチ）のホイールは１０〜２０又はそれ以上の孔を有することができる。ホイールは、ホイールのマージンから材料を除去することにより、力学的にバランスを保つことができる。例示された実施形態においては特に、覗き孔は、ホイールの回転によって画定される見かけ上の円筒の半径の少なくとも６０％と、ホイールのマージンから少なくとも約２ｍｍとの間の領域内に形成可能である。

本発明は実質的にいかなるタイプ又は構成の研削ホイールにも具体化可能であるが、一般に「薄型ホイール」として知られるホイールにて実施されることが望ましい。薄型ホイールは、結合基体（典型的には有機樹脂基体）に含有された砥粒を有する。本願明細書で使用されるときの「薄型ホイール」という用語は、（軸方向の）厚さｔが見かけ上の円筒の半径ｒの約１８％以下（すなわちｔ≦１８％ｒ）であるホイールをいう。薄型ホイールには、例えば厚さｔの範囲が、約１／８インチから約１／４〜１／２インチまで（ホイールの（最外）直径による）のホイールが含まれる。そのような薄型ホイールの例には、上述のタイプ２７、２７Ａ、２８、２９及びハイブリッドタイプ２７／２８のホイールが含まれる。タイプ２７、２７Ａ、２８及び２９のホイールは、例えばＡＮＳＩ規格のＢ７．１−２０００に規定されている。前述したように、ハイブリッドタイプ２７／２８のホイールはタイプ２７及び２８に類似しており、図１６、図１８及び図１９に示されるように僅かに湾曲した軸方向断面を有する。これについては後に詳述する。

上述したように、本発明の実施形態を製造するためには、研削ホイール製造技術分野の当業者に公知の様々な製造技術が、使用又は修正の上使用可能である。使用可能な技術例は、Timmの米国特許５，８９５，３１７号及びAbrahamsonの米国特許５，８７６，４７０号に開示されており、これらはこの引用をもって全体の記載に変えるものとする。いくつかの製造技術例は、図１５〜図２１を参照しながらこれより説明する。簡潔にするために、これらの技術の殆どは、３つの覗き孔を有するハイブリッドタイプ２７／２８ホイールの製造に関して図示及び説明される。しかし当業者には、これらの技術が、型の大きさ及び形状、並びに混合金型の内容物の少なくとも一方を含めて修正可能であり、本願明細書に記載された全ての個数のギャップ及び／又は孔を有する上述した全ての種類のホイールを製造できることは明らかである。

図１５及び図１６を参照すると、ハイブリッドタイプ２７／２８ホイール１５１０は、支持プレート２８を適当な大きさ及び形状の型に配置することにより製造可能であり、所望の孔１５２２（図１５）及び／又はギャップ（図１５に破線で図示）が形成される。支持プレート２８は、プレートに一体化された中央ブッシング３０を有するか、又はプレートに取り付けられる別個の部材を有することができる。（図示されるように、支持プレート２８及び強化層３６（図１８）は公知の方法によって僅かに湾曲する。択一的に、これらの構成要素はタイプ２７、２７Ａ及び／又は２８ホイールの製造の場合のように実質的平坦であってもよい。）プレート２８のこれらの孔は、型に配置された複数のプラグ（図示せず）を受容してこれらと係合する。プラグは、所望の孔を形成するための大きさ及び形状を有する。次に型は、所望の砥粒及び結合材の混合物で満たされて研削層２９を形成する。この型を満たすステップは、重量送り技術を用いて実行可能であり、択一的に、射出成形のような他の技術も使用可能である。次に熱及び圧力の少なくとも一方が加えられる。次にホイールが型から取り出されてプラグから分離され、所望の孔１５２２及び／又はギャップ１５１２を有するホイールが得られる。次に、ホイールの動的釣り合わせのような他の汎用ステップを行うことができる。

図１７及び図１８を参照すると、類似の技術はガラス強化ホイールの製造に使用可能である。図示されるように、型の適所にガラスクロス３６が配置される。ガラスクロスは、（全てのギャップ１７１２（図１７）を含む）型に適合する大きさ及び形状の外周を有することが好ましい。型における所望の孔１７２２（図１７）の場所にはプラグが配置される。以降のステップは、図１５及び図１６に関して上述したように行われる。ガラスクロス層は、１つ以上のボイドにおいて切断されて孔を有し、その孔を通して妨害のない目視が容易になる。任意に、１つ以上の（図示される孔１７２２のような）ボイドの上をクロス層（ガラス層又は類似の繊維強化層）が連続的に延びることにより、構造的な強化を行うことができる一方、その層が比較的開いた織物を有することから、作業者はその層を通して目視することができる。

図１９を参照すると、上述の製造方法はいずれも、通常のバックアップパッド３２の適用によって変形可能である。バックアップパッド３２は、ホイールの硬化前又は後に支持プレート又は強化層に作用する速度固定装置を有する。

さらなる択一的実施形態として、図２０及び図２１に示されるように、成形された芯又はハブ３４が、ガラスクロス又は類似の繊維強化層３６′を埋め込むように予め形成される。この組体は、成形及び／又は機械的組立操作を含む全ての公知の方法により製造可能である。次にそのハブ／ガラス組体は型内の適所に配置されて成形され、次に、上述したように砥粒／結合材の混合物が加えられて熱及び圧力等がかけられて、一体的なハブ３４及び強化砥粒層２９′を有するホイール２１１０が形成される。ホイール２１１０は通常の平形ホイールとして図示されているが、択一的に、図１６、図１８及び図１９に示されるような僅かに湾曲した横断方向断面を有するハイブリッドタイプ２７／２８ホイールとして製造されてもよい。

本発明の実施形態は、１つの強化層３６、３６′を有して製造されるものとして図示されているが、さらに層３６、３６′を追加することも可能である。例えば、１つの層３６、３６′を内部に、他の層をホイールの外表面に配置することが可能である。ガラス繊維クロス層３６、３６′が使用される場合、その（被覆されていない）クロスは、約１６０〜３２０グラム／平方メートル（ｇ/ｍ²）の重量（通常はグリージ重量（griege weight）と呼ばれる）を有する。例えば、１つのクロス層が使用される場合、約１／１６〜１／４インチ（約２〜６ｍｍ）の範囲の厚さのホイールに対しては、中程度（２３０〜２５０ｇ/ｍ²）から重い（３２０〜５００ｇ/ｍ²）グリージ重量を有するクロスが使用可能である。２つ以上の層３６、３６′が使用される場合、１つ以上の層を軽量（約１６０ｇ/ｍ²）にすることができる。

以降の例示的な実施例は、本発明の一形態を示すものである。これらの実施例は限定的に解釈すべきでないことを理解されたい。

この実施例においては、２つのホイールの研削性能が比較される。第１のホイール（Ｂ）は従来技術のホイールであり、１１．４ｃｍ（４．５インチ）の直径と、典型的従来技術の方法で使用される中央取付孔とを有する。第２のホイール（Ａ）は、本発明に従って、直線状セグメントが外周から除去されて図８ａに示されるようなホイールに変更されていることを除いては、ホイール（Ｂ）と同一である。ホイールは、フェノール樹脂内に結合された５０グリット（50 grit）の溶融アルミナ砥粒と、一体的な繊維ガラスクロス強化層とから製造される。

これらのホイールは、OkumaのＩＤ／ＯＤグラインダーを用いて評価される。このグラインダーは、工作物がホイールのエッジよりも面に適用されるように、軸方向送りモードで使用される。

使用される工作物は、１２．７ｃｍ（５インチ）の外径及び１１．４ｃｍ（４インチ）の内径を有する円筒形状の１０１８軟鋼であり、その端面は砥粒ホイールに面する。砥粒ホイールは１０，０００ｒｐｍで操作され、使用される送込み速度は０．５ｍｍ／分である。工作物は約１２ｒｐｍで回転する。冷却剤は使用されておらず、工作物は、覗きギャップが本発明の実施形態に従って配置されるホイール部分に位置決めされる。ホイールは、試験の前後に重量測定される。

参照点を定めるために、軸方向の力が０．２２ｋｇ（１ポンド）に達するまで工作物がホイールに当接される。この参照点から、その軸方向力がホイールの耐用寿命の終了に相当する１．９８ｋｇ（９ポンド）に達するまで、研削が続けられる。従って、その参照点と終了点との間の研削時間は、ホイールの耐用寿命と考えることができる。

図１１〜図１４に結果をグラフ表示する。図１１から、９ポンドの垂直力までの急激な上昇は、三角形状に変形されたホイールＡの方が実質的に遅いことがわかる。垂直力が９ポンドの点は、この点では殆どの砥粒が除去又は摩耗されて金属の除去が殆ど発生しないことから、終了点と考えられる。このホイールＡは、他方のホイールよりも約２倍の寿命を有する。このことは、ホイールＡはより多くの砥粒面が除去されていることから、直感に反する。

図１２には、各々のホイールにより生じる動力が時間の関数として表示されている。この図は、図１１と同じパターンを示しており、ホイールＡにより生じる動力は、ホイールが実際に研削している時間にわたって有意義に低いことを示している。従ってホイールＡは、より少ない力を必要とし、より少ない動力を生じさせる。

図１３には、ホイールの摩擦係数の時間変化が表示されている。最も低い摩擦係数はホイールＡにおいて見られる。

図１４は、ある時間にわたりホイールによって切削された金属の量を比較した図である。ホイールＡはホイールＢの約２倍の材料を研削することが示されている。

従って本発明に係る例示されたホイールは、少なくとも従来技術のホイールと同程度の研削が期待されるとともに、研削と研削の間よりもむしろ研削が進行しているときの、研削される領域の目視を可能にするという利益を提供する。このことは、研削面の量が覗きギャップの提供によって削減されている場合であっても、達成可能である。さらにこの長所によって、研削ホイールのエッジまでの工作物の表面の画像が改善され、一方、より低い動力でのより長時間にわたるより多くの金属研削が可能になる。このことは、直感に反するとともに非常に有利である。

タイプ２７ホイールの実施例は、実質的には図２２、図２３及び図２４に示されるように、すなわちそれぞれが円形孔、径方向に延びる楕円形孔及び斜めに延びる楕円形孔を有して製造される。楕円形孔の横方向面でのアスペクト比（長さ対幅）は約２：１であり、すなわち横方向面において楕円形孔の長軸寸法はそれに直交する寸法の約２倍である。図２２のホイールは、孔を有さない通常の調整ホイールの約８０％のプッシュアウト強度を有し、一方、図２３のホイールはその調整ホイールの約８７％のプッシュアウト強度を有する。斜め方向の孔を有する図２４のホイールは、その調整ホイールの約９５％というさらに高いプッシュアウト強度を有する。プッシュアウト強度は、米国特許５，９１３，９９４号（この引用をもって本願明細書への全体の記載に変える）に記載されるような、横方向応力から最大中央荷重を求める通常のＡＮＳＩ試験規格を用いて測定される。簡潔に言えば、プッシュアウト強度試験は、ホイールが通常のセンターフランジに取り付けられてホイールのマージンがリングに支持されるような、通常のリングオンリング（ring on ring）強度試験を含む。軸方向荷重は、通常のテスト機を用いて荷重速度０．０５インチ／分にてフランジに与えられる。この荷重は、ゼロ荷重から破滅的なホイール破損（例えばホイールの破断）に至るまで与えられる。

さらなる試験サンプルは、実質的には図１、図３、図２２及び図２５に示される、形成する見かけ上の円筒が直径５インチ（１２．７ｃｍ）であるハイブリッドタイプ２７／２８ホイールとして製造される。各々のホイールはまた、図１８に示されるように、被覆されていないときのグリージ重量が約２３０〜２５０ｇ/ｍ²の範囲内である繊維ガラスクロス層３６を有する。１／８インチ（３ｍｍ）の厚さ及び７／８インチ（２．２ｃｍ）の中央孔を有する９つの変形例のホイール（変形例１〜９）が製造された。これらのホイール変形例について、可撓性及び破壊強度が試験された。これらの試験の結果は、図２６及び以下の表１に示される。

これらの実施例において、ホイール変形例１は、実質的には図２２に示されるように３つの等間隔配置された約３／４インチ（１．９ｃｍ）の孔２２２２を有して製造された。これらの孔は、ホイールのマージンから約３／８インチ（０．９ｃｍ）より近くには延びない。ホイール変形例２は、実質的にはホイール変形例１に類似し、約３／８インチ（０．９ｃｍ）の複数の孔を有する。ホイール変形例３は、実質的にはホイール変形例１に類似するが、６つの等間隔配置された孔２２２２を有する。ホイール変形例４は、実質的にはホイール変形例１に類似するが、図１に示されるように、孔の代わりに複数のスロット１１２を有する。これらのスロット１１２は、マージンから径方向内側に約７／８インチ（２．２ｃｍ）延び、約３／８インチ（０．９５ｃｍ）の幅を有する。ホイール変形例５は、実質的にはホイール変形例４に類似するが、幅が約３／４インチ（1．９ｃｍ）の複数のスロット１１２を有する。ホイール変形例６は、実質的にはホイール変形例５に類似するが、６つの等間隔配置されたスロット１１２を有する。ホイール変形例７は、実質的にはホイール変形例１（３つの孔を有する）に類似するが、図３に示されるように複数のギャップ３１２によって形成されるホタテガイ形状のマージンを有する。ホイール変形例８は、通常の従来技術のホイールであり、実質的には孔２２２２を有さないホイール変形例１に類似する。ホイール変形例９は、実質的にはホイール変形例２に類似するが、図２５及び先に参照した仮出願‘４７８に示されるように、複数の同心のリングの各々に沿って間隔を空けて配置される８つの孔を有する。変形例１〜９の各々について３つのホイールを製造し試験した。

各々のホイールの可撓性は、先に参照した仮出願‘４７８に記載されているように測定された。すなわち可撓性は、研削ホイールを半径１５ｍｍのフランジに取り付けて、プローブ（半径５ｍｍのコンタクトチップを有する）によって２０Ｎの軸方向荷重が静止状態の砥粒ホイールの中心から４７ｍｍの場所に加えられたときの、軸方向の弾性変形（ミリメートル）として測定された。（弾性変形も同様に、ホイール中心から４７ｍｍの径方向位置において測定された。）各々のホイールの体積は、ホイール重量をホイール材料密度（２．５４ｇ/ｃｍ³）で割ることにより得られる。ホイール変形例１〜９の各々の体積及び可撓性を、以下の表１に示す。

これらの試験結果は、本発明の実施形態は、孔及び／又はギャップ（すなわちボイド）の合計体積がホイール全体体積に占める割合が約２５％未満、より好ましくは約３〜２０％の範囲内になるような大きさ及び形状であることが有利であることを示す。（本願明細書においては便宜上、この体積又は体積割合をそれぞれボイド体積又はボイド体積割合と称する。）

試験された各々のホイール変形例は変形例６を除き、ボイド体積割合が約２５％未満である。ホイール変形例６は、ボイド体積割合が約２５〜３４％の範囲である。ボイド体積割合は、各ホイール変形例１〜７及び９の体積を各ホイール全体体積から引き、その結果を各ホイールの全体体積で除して１００を乗ずることにより得られる。各ホイールの全体体積とは、ボイドが無いときのホイール体積、すなわち回転中の各ホイールにより画定される見かけ上の円筒の体積である。便宜上、通常のホイール変形例８（ボイドの無い変形例）は、ボイド体積の計算における全体体積として使用されている。

ボイド体積割合を約２５％未満に維持することは、ホイールの可撓性を約５ｍｍ以下に維持し、面研削操作を容易にすることに有利に役立つ。本発明の特定の実施形態は約１〜５ｍｍの範囲の可撓性を有し、他の実施形態は上述の試験結果に示されるように約２〜５ｍｍの範囲の可撓性を有する。

また各ホイール変形例の２つのホイールについて、破損するまで回転速度（ｒｐｍ）を上昇させることによる破壊試験を行った。これらの試験結果を図２６に示す。

この試験結果は、全てのホイール変形例が、少なくとも約２１，０００ｒｐｍ、又は約２７，５００ＳＦＰＭ（surface feet per minutes）若しくは１４０ＳＭＰＳ（surface meter per second）の破壊速度を有することを示している。ＳＦＰＭ及びＳＭＰＳは以下の式（１）及び（２）により与えられる。
（１） ＳＦＰＭ ＝ ０．２６２ ｘ ホイール直径（インチ） ｘ ｒｐｍ
（２） ＳＭＰＳ ＝ ＳＦＰＭ／１９６．８５
この形態により、直径５インチのハイブリッドタイプ２７／２８ホイールとして製造された本発明の実施形態が、典型的には１６，０００ｒｐｍの最高速度で操作される携帯型研削機にて有利に操作可能になる。

これらのテスト結果はまた、（例えば変形例３と変形例４及び７との比較において、）少なくともいくつかのギャップ及びスロットを使用することによって得られるような、ホイールの比較的外周の近くに配置された少なくとも若干のボイド体積を有することが有利な場合がある。このことは、上述の半径方向位置の範囲内（すなわち見かけ上の円筒半径の６０％からホイールのマージンから少なくとも２ｍｍまでの間）に全ての孔を配置することによっても達成可能である。

上記説明の意図は、主として例示目的である。本発明を例示的実施形態に関して図示及び説明したが、当業者には、それらの形状及び詳細について上述及び種々の他の変更、削除及び付加が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく実施可能であることが理解されよう。

本発明の外周成形された研削ホイールの底面（研削面側）図である。 図１の２−２線に沿う側立面図である。 本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図１に類似する図である。 本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図１に類似する図である。 本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図１に類似する図である。 本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図１に類似する図である。 本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図１に類似する図である。 本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図１に類似する図である。 本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図１に類似する図である。 本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図１に類似する図である。 本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図１に類似する図である。 本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図１に類似する図である。 本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図１に類似する図である。 図２に類似する図であるが、逆方向から倍尺で示す図である。 図２に類似する図であるが、逆方向から倍尺で示す図である。 本発明と比較した従来技術の種々のホイールの予測性能を示すグラフである。 本発明と比較した従来技術の種々のホイールの予測性能を示すグラフである。 本発明と比較した従来技術の種々のホイールの予測性能を示すグラフである。 本発明と比較した従来技術の種々のホイールの予測性能を示す棒グラフである。 本発明に係る択一的実施形態の平面図である。 本発明に係る択一的実施形態の側立面図である。 本発明に係る他の実施形態の平面図である。 本発明に係る択一的実施形態の側立面図である。 本発明のさらなる実施形態の側立面図である。 本発明のさらなる実施形態の側立面図である。 本発明のさらなる実施形態の側立面図である。 図１に類似し、本発明に係るさらなる実施形態を示す図である。 図１に類似し、本発明に係るさらなる実施形態を示す図である。 図１に類似し、本発明に係るさらなる実施形態を示す図である。 図１に類似し、本発明に係るさらなる実施形態を示す図である。 従来技術と比較した本発明の種々の実施形態の試験結果を示すグラフである。

Claims (10)

1. 工作物から材料を除去するために自らの軸線の回りを回転操作される砥粒ホイールであって、
   取付孔と、
   砥粒を有する基体と、
   前記回転操作中に見かけ上の円筒を画定する周縁と、
   前記基体を通って軸方向に延びるとともに前記回転操作中に見かけ上の窓を画定する少なくとも１つのボイドであって、前記窓を通して前記工作物が目視可能である、ボイドとを有し、
   加えられた２０Ｎの軸方向荷重に対して１〜５ｍｍの範囲の可撓性を有する、
   砥粒ホイール。
2. ２５％未満のボイド体積をさらに有する請求項１に記載の砥粒ホイール。
3. 前記ボイドが、前記見かけ上の円筒の周縁から径方向内側に延びる少なくとも１つの見通し可能なギャップを有する請求項１に記載の砥粒ホイール。
4. 前記砥粒を有する基体内に一体的に配置されたハブを有する請求項１に記載の砥粒ホイール。
5. 前記砥粒を有する基体が一体的強化材をさらに有する請求項１に記載の砥粒ホイール。
6. 前記見かけ上の円筒の半径が、該円筒の半径の１８％以下の軸方向厚さを有する請求項１に記載の砥粒ホイール。
7. 前記ギャップは非対称であり、前記ギャップは後方エッジを有し、該後方エッジが前記見かけ上の円筒の最も近い接線に対して配置される角度は、前記ギャップの前方エッジが前記接線に対して配置される角度よりも小さい請求項３に記載の砥粒ホイール。
8. 少なくとも１４０ＳＭＰＳの破壊強度を有する請求項１に記載の砥粒ホイール。
9. 工作物から材料を除去するために自らの軸線の周りを回転操作される砥粒ホイールの製造方法であって、
   砥粒を有する基体を用意することと、
   前記基体をホイールに成形することと、
   前記基体を軸方向に貫通するとともに、前記回転操作中に、前記工作物を目視可能にする見かけ上の窓を画定する、少なくとも１つのボイドを形成することと、
   前記ホイールを、加えられた２０Ｎの軸方向荷重に対して１〜５ｍｍの範囲の可撓性を有するような大きさ、外形及び形状に成形することと、
   を有する製造方法。
10. 工作物から材料を除去するために回転操作される砥粒ホイールであって、
    取付孔と、
    砥粒を有する基体と、
    前記回転操作中に見かけ上の円筒を画定する周縁と、
    前記基体を通って軸方向に延びるとともに前記回転操作中に見かけ上の窓を画定する複数のボイドであって、前記窓を通して前記工作物が目視可能である、ボイドとを有し、
    前記複数のボイドは少なくとも１つの覗き孔と、前記見かけ上の円筒の周縁から径方向内側に延びる少なくとも１つの見通し可能なギャップとを有する、
    砥粒ホイール。

Images