JP2009039846A

JP2009039846A - 鉄鋼加工用工具

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Publication number: JP2009039846A
Application number: JP2007210437A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Koiwa; 政浩小岩; Shinichi Kizawa; 眞一木澤
Original assignee: NC DIAMOND CO Ltd
Current assignee: NC DIAMOND CO Ltd
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: JP5527926B2

Abstract

【課題】ダイヤモンド粒を使用した鉄鋼加工用工具を提供する。
【解決手段】シャンク２０とダイヤモンド砥粒３１とを有し、前記シャンク上に前記多数のダイヤモンド砥粒が分散配置され、ろう付け固定された鉄鋼加工用工具であって、前記シャンクは、平面円形で、８００℃〜１１００℃の加熱処理後の降伏点が３００N／mm^２以上である耐熱性材料で構成され、前記ダイヤモンド砥粒は、＃１４０以上の大きさの粒径で結晶形がよく、ろう付け温度８５０℃以上の高熱を経ても高強度を保つ合成ダイヤモンドであって、前記ダイヤモンド砥粒は前記シャンク上に平均粒径の０．５〜３倍の距離にて単層に分配配置され、溶融タイプのＮｉロウ４０にて固定保持される。
【選択図】図４

Description

本発明は、表面にダイヤモンド砥粒の砥粒層が形成された鉄鋼加工用工具に関するものである。

ダイヤモンドは天然鉱物の中で最も硬いことから、以前からダイヤモンドを砥粒に用いて鉄鋼を加工することが試みられている。しかし、今日まで、ダイヤモンドでは鉄鋼の加工はできないとの考えがいわば常識化し、そのためにダイヤモンドを用いた鉄鋼加工用工具の実用化はほとんど進んでいなく、従来から、パイプの切断、溶接後のビードの研削、板金加工品のバリ取に代表される鉄鋼加工では、レジノイド砥石が使用され、また、精密加工の鉄鋼研削用としてＣＢＮ砥粒が使用されている。ダイヤモンド砥粒を使用したものは、主として鋳物や石・コンクリート・セラミック・タイル等のいわゆる脆性材料等の加工に使用されているのみである。

しかしながら、鉄鋼加工においてレジノイド砥石を使用する場合には、加工部材のみならず砥石自体の研削屑などの粉塵が発生するため、集塵機等を設備したり、マスク等の防護具が必要とされ、また粉塵に伴う火花の発生により火災が起こりやすいという問題や、加工にあたり砥石を使用した後には、大量の廃棄物が発生し、砥石の摩耗が早いため初期の形状が維持できず、加工の自動化に不適という問題があった。

また、ＣＢＮ砥粒は、ダイヤモンド粒に比較すると圧倒的に強度が劣るため（例えばダイヤモンドがヌープ硬度７０００に対して、ＣＢＮ砥粒は４７００）、精密加工の分野に限られ、また値段も高いため、上述のパイプの切断等の荒加工では使用されてこなかった。
特開平１１−２０７６３１号

ダイヤモンド粒を用いた鉄鋼加工用工具が実用化されない理由は色々あるが、高温作業環境下で繰り返し使用しうるようなダイヤモンド粒（砥粒）の選定条件、ダイヤモンド粒の配置条件、あるいはダイヤモンド粒をシャンク（台金）上に高温作業環境下でも堅固に保持するための材料の選定条件等、いくつかの条件を同時に満たすものが得られなかったことが理由の一つとして挙げられる。また、ダイヤモンド粒は空気中で６００℃程度から酸化が始まり熱安定性に劣り、高温化では被削材中の元素と化学反応を起こし、ダイヤモンド粒中の炭素がＦｅ中に拡散し摩耗が急速に進行する（即ち、炭素と鉄の強い親和性によりＦｅ_３Ｃが形成される）こと等により切削不可能と言われていたことも理由の一つとして考えられる。

本発明は、上記問題を解決し、鉄鋼加工現場において、ダイヤモンド砥粒を使用した鉄鋼加工用工具を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明では、シャンクとダイヤモンド砥粒とを有し、前記シャンク上に前記多数のダイヤモンド砥粒が分散配置され、ろう付け固定された鉄鋼加工用工具であって、前記シャンクは、平面円形で、８００℃〜１１００℃の加熱処理後の降伏点が３００Ｎ／ｍｍ^２以上である耐熱性材料で構成され、前記ダイヤモンド砥粒は、＃１４０以上の大きさの粒径で結晶形がよく、ろう付け温度８５０℃以上の高熱を経ても高強度を保つ合成ダイヤモンドであって、前記ダイヤモンド砥粒は前記シャンク上に平均粒径の０．５〜３倍の距離にて単層に分配配置され、溶融タイプのＮｉロウにて固定保持された鉄鋼加工用工具を提供する。

前記シャンクは、平面円形で中央に円形凹部を有する鉄鋼加工用工具であってもよい。

前記シャンクは、平面円形で外周端面の断面が凸弧状を有する鉄鋼加工用工具であってもよい。

本発明によれば、従来、実用化ができなかったダイヤモンド砥粒を使用した鉄鋼加工用工具を提供することができる。特に、本発明ではダイヤモンド砥粒角で研削することから研削時の火花を少なく抑えることができるため、引火性の強い物質を扱うような火花の発生を極力回避する必要がある場所での鉄鋼加工に使用することができる。また、本発明では、研削時のダイヤモンド砥粒自体の摩耗が僅かなため、有害物質や放射能等に汚染された装置等の解体、修理等において、汚染された廃棄物の発生量を大量に減らすことができる。また本発明では工具の寿命が長いため、鉄鋼加工の自動化も可能となる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。

図１は本発明の鉄鋼加工用工具１０の平面図であり、図２は本発明の断面図であり、図３は図２Ｃ部の部分拡大図である。

鉄鋼加工用工具１０は、プレス加工により形成されるシャンク（台金）２０と、このシャンク２０の表面に設けられたダイヤモンド砥粒層３０を有する。本願実施形態において、鉄鋼加工用工具１０の直径は約１００ｍｍ、幅は約１０ｍｍである。なお、シャンク２０の形状、材質、及び大きさは、本実施形態に示されたものに限定されることはなく、規格あるいは使用目的に応じて、任意の形状とすることができる。

シャンク２０は、図１に示すように、平面円形で、リング状をなし、図２に示すように、中心に取付孔２１、中心部に円形凹部２２が設けられ、段差部２３を介し、半径方向外側に平坦な環状部２４を有する。また、シャンク２０は、円形凹部のない平板な円形であって良い。図３に示すように、環状部２４の外周端面は、凸弧状２５であるが、例えば、外周端面は、全幅に渡り滑らかに湾曲した半円形状であっても良い。

上記の図２に示す、中心部に円形凹部を有する円形状の鉄鋼加工用工具１０は、「削る」及び「切る」の両方に使用され、凹凸のない平板な円形である鉄鋼加工用工具１０の場合は、切断専用に使用される。

また、図３に示すように、外周端面の凸弧状２５と環状部２４の表面には多数のダイヤモンド砥粒３１が単層に分配配置され、Niロウ材４０によりろう付け固定されている。

シャンク２０は、８００℃〜１１００℃の加熱処理後の降伏点が３００Ｎ／ｍｍ^２以上となる耐熱性を備えた耐熱性材料から構成される。例えば、高張力鋼あるいはＮｉ基耐熱合金を使用する。これらにより、シャンク２０を成形加工することが比較的容易となる。また８００℃〜１１００℃の加熱処理後の降伏点が３００Ｎ／ｍｍ^２以上となる耐熱性を有しているので、ダイヤモンド砥粒３１をＮｉロウ材４０でろう付けする際に、シャンク２０を８００℃〜１１００℃まで加熱しても、その剛性を確保することができる。

また、シャンク２０を８００℃〜１１００℃程度まで加熱することができるので、高融点のＮｉロウ材４０を使用してダイヤモンド砥粒３１をろう付けすることで、シャンク２０にダイヤモンド砥粒３１を強固に固定することが可能となり、鉄鋼加工用工具１０の寿命を長くすることができる。

ダイヤモンド砥粒層３０は、図２に示すように、シャンク２０の環状部２４の表面から凸弧状２５の表面にダイヤモンド砥粒３１がろう付けにより固定されている。すなわち、図３に示すように、ダイヤモンド砥粒３１は、凸弧状２５の下面の一部まで分配配置されている。ダイヤモンド砥粒層３０の厚さは約０．５ｍｍ〜１ｍｍである。

ダイヤモンド砥粒３１は、結晶形が良いものであって、後述するろう付け温度が、８５０℃以上の高熱を経ても高強度を保つ合成ダイヤモンドを使用する。結晶形が良いものを使用するのは、結晶形が良くないと切削しにくくなるためである。本実施形態では、六・八面体、八・六面体の高品位なダイヤモンドを使用している。

また、このダイヤモンド砥粒３１は、ＦＥＰＡ（ＦｅｄｅｒａｔｉｏｎｏｆＥｕｒｏｐｅａｎＰｒｏｄｕｃｅｒｓｏｆＡｂｒａｓｉｖｅｓ）基準の破壊検査方法（ＦＲＩＡＴＥＳＴ）による測定値が、粒度４０／５０ものであり、ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＩｎｄｅｘ（ＰＩ）が２００以上、ＴｏｕｇｈｎｅｓｓＩｎｄｅｘ（ＴＩ）が１５０以上のグレードを使用する。

また、そのダイヤモンド砥粒３１の大きさはＡＳＴＭ（ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙＦｏｒＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ）規格ＵＳメッシュ♯１４０以上の大きさ、即ち平均粒径１２５μｍ以上の大きさのものを使用する。本実施形態においては、＃３０／４０、平均粒径５４５μｍを使用している。

ダイヤモンド砥粒層３０は、図４に示すように、ダイヤモンド砥粒３１を平均粒径の０．５〜３倍の距離にて、単層に分配配置する。即ち、ダイヤモンド砥粒３１と隣のダイヤモンド砥粒３１との距離Ｌは、ダイヤモンド砥粒の粒径ｄの０．５〜３倍とする。好適には、１．０倍前後である。このようにダイヤモンド砥粒３１を分配配置するのは、研削等の加工をする際に、研削屑がダイヤモンド砥粒３１の間に入り込み、目詰まりするのを避けるためである。これにより、寿命の長い鉄鋼加工用工具を提供することが可能となる。

また、単層とは、シャンク２０の表面上に一層のみダイヤモンド砥粒３１が配置され、多数のダイヤモンド砥粒３１の一つひとつが重ならないように分配配置された状態をいう。単層にすることで、ダイヤモンド砥粒３１どうしの重なりを防ぎ、ダイヤモンド砥粒３１が重なったため、シャンク２０と強固に接合されなかったダイヤモンド砥粒３１の研削加工の際の脱落を防ぐことが可能となる。

上記のようにダイヤモンド砥粒３１を単層に分配配置する方法は、一つひとつのダイヤモンド砥粒３１をシャンク２０上に手作業にて配置する方法や、ふるいなどを利用して配置する方法がある。

ダイヤモンド砥粒３１は、Ｎｉ合金の溶融タイプのＮｉロウ材を用いてシャンク２０にろう付けされる。Ｎｉロウ材は、ニッケル系統の耐熱・耐食・耐摩耗肉盛合金から発展して出来たロウ材であり、自溶性があり鉄系母材に濡れ性がよく、耐食性もよい。本発明では、８００℃〜１１００℃の高融点のＮｉロウ材４０でろう付けする。好適には１０００℃〜１０５０℃のもの、更に好適には１０２５℃前後のものが良い。ろう付けは真空炉内を用いて、Ｎｉロウ材４０に適合した温度に加熱して行う。溶融タイプのものは、ダイヤモンド砥粒３１をシャンク２０の表面に加熱により溶着させるためダイヤモンド砥粒３１との固定が強固になり、シャンク２０の表面上のダイヤモンド突出量も大きくなる。また、Ｎｉロウ材４０は、ダイヤモンドとの濡れ性に優れるため、高い固着力が得られる。

表１は、本発明の鉄鋼加工用工具１０の研削性能を評価するための実験例である。

実験は、旋盤機を改良しこれに工具を固定し、送り速度５０ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み０．１ｍｍを条件に、一般構造用圧延鋼材ＳＳ４００（２４．８×２４．８×３００ｍｍ）を研削対象として、Ｎｉコーティングしたダイヤモンドサイズ＃４０、＃５０、及び＃６０を用いた工具で行った。また比較としてレジノイド砥石を使用して行った。

実験方法として、工具を回転駆動するモーターの負荷電流の値を測定し、また研削中の工具の温度を、放射温度計をあてることにより測定した。さらに、研削後のダイヤモンド砥粒角の様子を光学顕微鏡、及び走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて観察した。最高研削回数については、電流値と温度から調査を行い、最高電流値及び最高温度を示すところで、最高研削回数をカウントした。研削回数が増加するにしたがって、電流値及び温度が上昇するが、これは工具のダイヤモンド砥粒角の周りにＳＳ材の研削屑が付着し、研削抵抗が高くなるためである。

なお、ダイヤモンドの間隔は、ダイヤモンドの粒径分だけ間隔をあけているため、＃６０＜＃５０＜＃４０とダイヤモンドの間隔は広くなっている。また、通常規定されている安全基準よりも条件を厳しくして研削回数をカウントした。

まず表１に示すとおり、実験例1で、ダイヤモンドサイズ＃４０を使用して実験をおこなったところ、研削回数１４２回で最高電流値、最高温度を計測し、実験例２の＃５０の場合には６４回、実験例３の＃６０の場合には５７回だった。なお、研削後のダイヤモンド砥粒を観察したところ、ダイヤモンド砥粒角は僅かに摩耗しているが、ダイヤモンド砥粒の周りにＳＳ材の研削屑が付着し、ダイヤモンドを覆いつくすことで研削が終了していることが判明した。また、実験の結果から、ダイヤモンドサイズが大きくなるほど、研削回数が増えることが明らかになった。

また、比較例としてレジノイド砥石を使用した実験では１７回で最高電流値、最高温度を示した。レジノイド砥石とダイヤモンドを用いた工具では大幅に研削回数が異なり、ダイヤモンド工具の方が、寿命が長くなることが明らかになった。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、この発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明は鉄鋼加工用工具に利用可能である。

本発明の鉄鋼加工用工具１０の平面図である。図１の鉄鋼加工用工具１０の平面図におけるＡ−Ａ’断面図である。図２の鉄鋼加工用工具１０の断面図におけるＣの拡大図である。本発明の鉄鋼加工用工具のダイヤモンド砥粒の保持状態を示す説明図である。

符号の説明

１０鉄鋼加工用工具
２０シャンク
３０ダイヤモンド砥粒層
３１ダイヤモンド砥粒
４０Ｎｉロウ材

Claims

シャンクとダイヤモンド砥粒とを有し、前記シャンク上に前記多数のダイヤモンド砥粒が分散配置され、ろう付け固定された鉄鋼加工用工具であって、
前記シャンクは、平面円形で、８００℃〜１１００℃の加熱処理後の降伏点が３００Ｎ／ｍｍ^２以上である耐熱性材料で構成され、
前記ダイヤモンド砥粒は、＃１４０以上の大きさの粒径で結晶形がよく、ろう付け温度８５０℃以上の高熱を経ても高強度を保つ合成ダイヤモンドであって、
前記ダイヤモンド砥粒は前記シャンク上に平均粒径の０．５〜３倍の距離にて単層に分配配置され、溶融タイプのＮｉロウにて固定保持された鉄鋼加工用工具。
前記シャンクは、平面円形で中央に円形凹部を有する請求項１記載の鉄鋼加工用工具。
前記シャンクは、平面円形で外周端面の断面が凸弧状を有する請求項１または２に記載の鉄鋼加工用工具。