JP3733302B2 - 超砥粒ホイール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車部品等の研削加工に用いられる超砥粒ホイールの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＢＮ砥粒或いはダイヤモンド砥粒等の超砥粒を台金上に固着させた超砥粒ホイールが、高能率研削や粗研削等に多用されている。これ等の超砥粒ホイールは使用目的に応じて、例えば周速１００ｍ／ｓ以上の回転速度で用いられることがあり、かかる超高速研削に関して、円盤状の台金の外周面に砥粒が固着された円筒状の研削面を備えた超砥粒ホイールでは、被削材との接触面積が小さいので何ら問題が生じなかったが、円盤状の台金の平面部に超砥粒が固着された平面状の研削平面を備えた超砥粒ホイールでは、被削材と研削平面の接触面積が大きい為、大量に発生する摩擦熱に起因する研削焼けが避けられなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これに対し、外部から研削平面と被削材との間に研削液を供給する方法が考えられるが、周速１００ｍ／ｓ以上といった超高速研削においては、外部から研削液を大量に且つ高圧で供給しても、回転の遠心力により研削液が円周方向に飛ばされてしまい研削平面に十分に到達しない。また、研削液の流入と切粉の排出を向上させる為に、研削平面と被削材との間のうちに複数の放射状溝或いは格子状溝を設けたものが考案されているが、周速が高速度である為、研削液の供給口付近でしか効果がなかった。
【０００４】
更に、研削液を研削平面と被削材との接触面全体に潤沢に行き渡らせる為にホイール内部から研削液を研削平面に供給するものや、研削平面に複数の環状溝を同心円状に形成させたものが考案されている。しかし、ホイール内部から研削液を研削平面に提供するものでは、ホイールの構造が複雑なものとなってしまい超高速研削では問題が生じ易く、また、台金の研削平面に環状溝を形成させたものは、周速が高速度である為に環状溝のエッジ部分等からカルマン渦が生じて騒音や振動が発生するといった新たな問題を生じさせるものであった。この為、簡単な構造で問題なく超高速研削に使用可能な平面状の研削面を備えた超砥粒ホイールは未だ開発されていないのが実情である。
【０００５】
本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、例えば周速１００ｍ／ｓ以上といった超高速研削においても、研削液を研削平面と被削材との間に潤沢に行き渡らせることが可能であり、簡単な構造を備え且つ騒音や振動といった問題を生じさせない超砥粒ホイールを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成する為に、本発明の要旨とするところは、円盤状の台金の平面部に超砥粒が固着された研削平面を備え、周速１００ｍ／ｓ以上の超高速研削に用いられる超砥粒ホイールであって、その研削平面に、その研削平面に対するそれぞれの傾斜角度が４５〜６０°の範囲内で傾斜する一対の相対向する側壁面を有する複数の環状溝が同心円状に形成されていることを特徴とするものである。
【０００７】
このようにすれば、研削平面付近に研削液の通液溝として機能する複数の環状溝が同心円状に形成されている為、例えば周速１００ｍ／ｓ以上といった超高速研削においても、かかる簡単な構造によって研削液を研削平面と被削材との間に潤沢に行き渡らせることが可能であり、また、それ等複数の環状溝は、研削平面に対するそれぞれの傾斜角度が４５〜６０°の範囲内で傾斜する一対の相対向する側壁面を有するものである為、カルマン渦の発生が抑制され騒音や振動といった問題を生じさせない超砥粒ホイールを提供することができる。
【０００８】
【発明の他の態様】
また、好適には、前記超砥粒ホイールの研削平面は、前記円盤状の台金の平面部に粒径が０．０５〜０．２５ｍｍφの範囲内である超砥粒が固着されたものである。このようにすれば、研削平面に同心円状に形成された複数の環状溝のエッジ部分から生ずるカルマン渦が、平面部に固着された粒径が０．０５〜０．２５ｍｍφの範囲内である超砥粒による微小凹凸によって細分化される為、騒音や振動といった問題の発生を更に抑制することができる。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の一実施例である超砥粒ホイール１０を研削平面１４に対して垂直な方向から見た図である。超砥粒ホイール１０は、例えば全体がφ４００×φ１５０×ｔ２０（ｍｍ）程度の大きさの穴空き円盤状を成したものであり、例えば厚さが２０ｍｍ程度のスチール等から形成された台金１２の平面部に、例えば粒径が０．０５〜０．２５ｍｍφの範囲内であるダイヤモンド砥粒やＣＢＮ砥粒等の超砥粒が部分的に固着された研削平面１４を備え、更にその研削平面１４に複数の環状溝１６が形成されている。この環状溝１６は、例えば、底幅３ｍｍ、深さ１ｍｍの溝が、研削平面１４に対するそれぞれの傾斜角度が４５〜６０°の範囲内で傾斜する一対の相対向する側壁面１６ｂを有して同心円状に形成されたものである。
【００１１】
図２は、上記超砥粒ホイール１０を研削に用いる際の被削材１８との相対位置を示す斜視図である。上記超砥粒ホイール１０は、前記の中央部に設けられた穴空き部において図示しない研削機械に取り付けられ、研削平面１４に水等の研削液を供給しつつ、図示しない保持装置に取り付けられ研削平面１４上に載せられた例えばエンジンバルブ等の被削材１８を研削平面１４に押しつけた状態で軸心回りに自転させる一方、自身も軸心ａ回りに回転されて用いられる。これにより、被削材１８の被削面が研削平面１４により平坦に研削される。
【００１２】
ここで、超砥粒ホイール１０は使用目的に応じて、例えば周速１００ｍ／ｓ以上の回転速度で用いられることがあり、かかる超高速研削に関して、円盤状の台金１２の平面部に超砥粒が固着された平面状の研削平面１４を備えた超砥粒ホイール１０では、被削材１８と研削平面１４とが面接触にてその接触面積が大きい為、大量に発生する摩擦熱に起因する研削焼けが生じ易い。この為、研削液の流入と切粉の排出を向上させる目的で、研削平面１４に放射状或いは格子状の溝２２が形成された超砥粒ホイール２０が考案されている。図３（ａ）は、そのような超砥粒ホイール２０の断面を示す図である。このような超砥粒ホイール２０は、切粉の排出を向上させる目的では機能するが、例えば周速１００ｍ／ｓ以上といった超高速研削で使用される場合には、研削液が図３（ｂ）の鎖線矢印で示す円周方向に回転の遠心力により飛ばされてしまい、研削平面１４と被削材１８との間に研削液が十分に到達せず、大量に発生する摩擦熱を抑える為には十分に機能しない。
【００１３】
また、図４（ａ）は、研削平面１４に複数の環状溝２４を軸心ａを中心に同心円状に形成させた超砥粒ホイール３０の断面を示す図である。このような超砥粒ホイール３０によれば、図４（ｂ）に示すように研削平面１４付近に研削液の通液溝として機能する複数の環状溝２４が形成されている為、例えば周速１００ｍ／ｓ以上といった超高速研削においても研削液を研削平面１４と被削材１８との間に潤沢に行き渡らせることが可能である。しかし、研削平面１４にこのような環状溝２４を形成させた超砥粒ホイール３０を１００ｍ／ｓ以上といった超高速度で回転させると騒音や振動といった新たな問題が生じる。この騒音や振動の発生する原因は、超砥粒ホイール３０の回転周速が高速度である為に図４（ａ）に示すように、研削平面１４に設けられた環状溝２４のエッジ部分２４ａから放出されるカルマン渦２６であると考えられる。カルマン渦とは、一定の条件下に発生する直線渦の二重列であり、この直線渦列は最初は物体の片側から、次はもう一方の側から、という順に周期的に発生するものである為、その渦を放出する物体に振動を引き起こすものである。
【００１４】
ここで、前述の本実施例の超砥粒ホイール１０では、図５（ａ）に示すように、研削平面１４に対するそれぞれの傾斜角度θ（°）が４５〜６０°の範囲内で傾斜する一対の相対向する側壁面１６ｂを有する複数の環状溝１６が同心円状に形成されている。この複数の環状溝１６は、図５（ｂ）に示すように、被削材１８の研削に際して研削液の通液溝として機能する為、例えば周速１００ｍ／ｓ以上といった超高速研削においても研削液を研削平面１４と被削材１８との間に潤沢に行き渡らせることが可能である。
【００１５】
図６（i）は、本実施例の超砥粒ホイール１０の研削平面１４を示す図であり、図６（ii）は、その超砥粒ホイール１０を図６（i）に示す一点鎖線で切断した断面の形状を示す図である。本実施例の超砥粒ホイール１０では、図６（i）に示すように、研削平面１４に複数の環状溝１６が超砥粒ホイール１０の軸心ａを中心とする同心円状に設けられ、台金１２の平面部における環状溝１６を除く部分に超砥粒が固着された研削部２８が断続的な円環状に形成され、研削平面１４を構成している。図６（iii）は、図６（ii）に示す超砥粒ホイール１０の断面図を更に拡大して示す図であり、この図６（iii）に示すように、側壁面１６ｂの研削平面１４に対する傾斜角度をθ（°）とおくと、環状溝１６のエッジ部分１６ａのエッジ角は（１８０−θ）°となる。この傾斜角度θが９０°に近づけばエッジ部分１６ａのエッジ角θも同様に９０°に近づく為、カルマン渦２６が発生する可能性が高くなり、また、この傾斜角度θが０°に近づけば、環状溝１６が研削液を研削平面１４と被削材１８との間に潤沢に行き渡らせる研削液の通液溝として機能しなくなる。
【００１６】
本発明者等は、以下に示す研削実験の結果から、本実施例のように超砥粒ホイール１０の研削平面１４に、研削平面１４に対するそれぞれの傾斜角度θが４５〜６０°の範囲内で傾斜する一対の相対向する側壁面１６ｂを有する複数の環状溝１６を同心円状に形成することにより、例えば周速１００ｍ／ｓ以上といった超高速研削においても、研削液を研削平面１４と被削材１８との間に潤沢に行き渡らせ摩擦熱を十分に抑え、且つ、カルマン渦２６の発生が抑制され騒音や振動といった問題を生じさせない超砥粒ホイール１０が得られることを見出した。以下、本発明者等が行ったこの研削実験について説明する。
【００１７】
すなわち、本発明者等は、側壁面１６ｂの研削平面１４に対する傾斜角度θがどういった角度範囲内ならば十分に摩擦熱を抑える研削液の通液溝として機能し、且つ、カルマン渦２６の発生を適切に抑制するものであるのかを確認する為に、研削平面１４に対して０〜９０°の傾斜角度θを有する側壁面１６ｂを有する複数の環状溝１６を備えた超砥粒ホイール１０を作成し、以下に示す条件で研削実験を行い、側壁面１６ｂの研削平面１４に対する傾斜角度θ（°）と、研削抵抗（Ｎ）、被削材温度（℃）、騒音（ｄＢ）、及び機械振動振幅（μｍ）との関係を調べた。
【００１８】
［研削条件］
使用機械：超高速円筒研削盤
ホイール：ＣＢ８０ＰＡ５ φ４００×φ１５２．４×ｔ２０（ｍｍ）
加工材料：ＳＣＭ４３５ φ３０×１００Ｌ（ｍｍ） ＨＲｃ．４８
ホイール周速：１２０（ｍ／ｓ）
加工物周速：１（ｍ／ｓ）
切り込み速度：０．１（ｍｍ／ｓ）
総切り込み量：０．５（ｍｍ）
研削液：ソリュブルタイプ
【００１９】
図７は、この研削実験の結果得られた側壁面１６ｂの研削平面１４に対する傾斜角度θと、研削抵抗（Ｎ）との関係を示したグラフであり、図８は、側壁面１６ｂの研削平面１４に対する傾斜角度θと、被削材１８の温度（℃）との関係を示したグラフである。この図７及び図８のグラフに依れば、環状溝１６が研削抵抗を低下させ、十分に摩擦熱を抑える研削液溜まりとして機能する為には側壁面１６ｂの研削平面１４に対する傾斜角度θが４５°以上の角度をとることが必要であるとわかる。
【００２０】
また、図９は、側壁面１６ｂの研削平面１４に対する傾斜角度θと、研削時に発生する騒音（ｄＢ）との関係を示したグラフであり、更に、図１０は、側壁面１６ｂの研削平面１４に対する傾斜角度θと、研削機械の振動振幅（μｍ）との関係を示したグラフである。この図９及び図１０のグラフに依れば、環状溝１６からのカルマン渦２６の発生を適切に抑制する為には、側壁面１６ｂの研削平面１４に対する傾斜角度θが６０°以下の角度をとるべきであることがわかる。
【００２１】
この実験の結果から、環状溝１６の側壁面１６ｂの研削平面１４に対する傾斜角度θを４５〜６０°の範囲内とすれば、例えば周速１００ｍ／ｓ以上といった超高速研削においても、研削液を研削平面１４と被削材１８との間に潤沢に行き渡らせることが可能であり、且つ、カルマン渦２６の発生が抑制され騒音や振動といった問題を生じさせない超砥粒ホイール１０が得られることがわかる。
【００２２】
本発明者等は、更に、台金１２の平面部に固着された超砥粒の粒径（ｍｍ）と、かかる超砥粒ホイール１０を回転させることによって研削機械から生じる騒音（ｄＢ）との関係を調べる為に、研削平面１４に対するそれぞれの傾斜角度θが５０°である一対の側壁面１６ｂを有する複数の環状溝１６が同心円状に形成された超砥粒ホイール１０を用いて、上記研削条件で更に研削実験を行った。
【００２３】
図１１は、この実験の結果を示すグラフであり、この図１１のグラフに依れば、台金１２だけの状態よりも超砥粒を固着させた状態の方が、騒音が小さくなる傾向にあり、更に発生する騒音は、超砥粒の粒径が０．０５〜０．２５ｍｍφの範囲内である場合に低く抑えられていることがわかる。これは、環状溝１６のエッジ部分１６ａから発生するカルマン渦２６が固着された超砥粒の微小な凹凸で小さな渦に分散されたことを示すものと考えられ、この結果から、台金１２の平面部に粒径が０．０５〜０．２５ｍｍφの範囲内である超砥粒を固着させて研削平面１４を構成することにより、カルマン渦２６の発生がより効率的に抑制される超砥粒ホイール１０が得られることがわかる。
【００２４】
このように、本実施例の超砥粒ホイール１０は、研削平面１４に研削液の通液溝として機能する複数の環状溝１６が同心円状に形成されている為、例えば周速１００ｍ／ｓ以上といった超高速研削においても、かかる簡単な構造によって研削液を研削平面１４と被削材１８との間に潤沢に行き渡らせることが可能であり、また、それ等複数の環状溝１６は、研削平面１４に対するそれぞれの傾斜角度θが４５〜６０°の範囲内で傾斜する一対の相対向する側壁面１６ｂを有するものである為、カルマン渦２６の発生が抑制され騒音や振動といった問題を生じさせないものである。
【００２５】
また、本実施例の超砥粒ホイール１０における研削平面１４は、前記円盤状の台金１２の平面部に粒径が０．０５〜０．２５ｍｍφの範囲内である超砥粒が固着されたものである為、台金１２の研削平面１４に同心円状に形成された複数の環状溝１６のエッジ部分１６ａから生ずるカルマン渦２６が、平面部に固着された粒径が０．０５〜０．２５ｍｍφの範囲内である超砥粒による微小凹凸によって細分化される為、騒音や振動といった問題の発生を更に抑制することができる。
【００２６】
以上、本発明の一実施例を図面を用いて説明したが、本発明は他の態様においても適用される。
【００２７】
例えば、前述の実施例の超砥粒ホイール１０における研削平面１４は、前記円盤状の台金１２の平面部に粒径が０．０５〜０．２５ｍｍφの範囲内である超砥粒が固着されたものであったが、本発明はこれ限定されるものではなく、例えば粒径が０．３０ｍｍφである超砥粒が固着された研削平面１４を備えた超砥粒ホイール１０についても好適に適用され得る。
【００２８】
また、前述の実施例の超砥粒ホイール１０は、図１に示すように、円盤状の台金１２の上底面及び下底面のうち片面のみに超砥粒が固着されることにより、片面のみに研削平面１４が構成されていたが、本発明は台金１２の上底面及び下底面の両面に超砥粒が固着されることにより、両面に研削平面１４が構成された超砥粒ホイール１０についても好適に適用され得る。
【００２９】
また、前述の実験例の超砥粒ホイール１０における研削平面１４には、その研削平面１４に対するそれぞれの傾斜角度θが共通する傾斜角度例えば５０°で傾斜する一対の相対向する側壁面１６ｂを有する複数の環状溝１６が同心円状に形成されていたが、この傾斜角度θは相対向する側壁面１６ｂのそれぞれで異なる傾斜角度θをとるものであってもよく、例えば相対向する側壁面１６ｂの軸心ａ側の側壁面１６ｂの研削平面１４に対する傾斜角度θが５５°であり、外周側の側壁面１６ｂの研削平面１４に対する傾斜角度θが５０°である環状溝１６を備えた超砥粒ホイール１０であってもよい。また、この傾斜角度θは複数の環状溝１６毎にそれぞれ異なるものであってもよい。
【００３０】
その他一々例示はしないが、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々の変更が加えられ実施されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である超砥粒ホイールを研削平面に対して垂直な方向から見た図である。
【図２】前記超砥粒ホイールを研削に用いる際の被削材との相対位置を示す斜視図である。
【図３】研削平面に複数の放射状溝或いは格子状溝を設けた従来技術である超砥粒ホイールと、その超砥粒ホイールを研削に用いる際の被削材との相対位置を示す断面図である。
【図４】研削平面に複数の環状溝を設けた従来技術である超砥粒ホイールと、その超砥粒ホイールを研削に用いる際の被削材との相対位置を示す断面図である。
【図５】本実施例の超砥粒ホイールと、その超砥粒ホイールを研削に用いる際の被削材との相対位置を示す断面図である。
【図６】本実施例の超砥粒ホイールの形状を示す図であって、（i）は超砥粒ホイールの研削平面を示し、（ii）はその超砥粒ホイールの断面の形状を示し、（iii）はその断面の形状を更に拡大して示している。
【図７】研削実験の結果得られた側壁面の研削平面に対する傾斜角度と、研削抵抗との関係を示したグラフである。
【図８】研削実験の結果得られた側壁面の研削平面に対する傾斜角度と、被削材温度との関係を示したグラフである。
【図９】研削実験の結果得られた側壁面の研削平面に対する傾斜角度と、研削時に発生する騒音との関係を示したグラフである。
【図１０】研削実験の結果得られた側壁面の研削平面に対する傾斜角度と、研削機械の振動振幅との関係を示したグラフである。
【図１１】研削実験の結果得られた台金上に固着した砥粒の粒径と、研削時に発生する騒音との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１０：超砥粒ホイール
１２：台金
１４：研削平面
１６：環状溝
１６ｂ：環状溝側壁面
θ：環状溝側壁面の研削平面に対する傾斜角度

Claims (2)

1. 円盤状の台金の平面部に超砥粒が固着された研削平面を備え、周速１００ｍ／ｓ以上の超高速研削に用いられる超砥粒ホイールであって、
   該研削平面に、該研削平面に対するそれぞれの傾斜角度が４５〜６０°の範囲内で傾斜する一対の相対向する側壁面を有する複数の環状溝が同心円状に形成されていることを特徴とする超砥粒ホイール。
2. 前記超砥粒ホイールの研削平面は、前記円盤状の台金の平面部に粒径が０．０５〜０．２５ｍｍφの範囲内である超砥粒が固着されたものである請求項１の超砥粒ホイール。

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