JP4286102B2 - 軸付き砥石 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料やセラミックス材料の中ぐり加工や溝入れ加工に使用される軸付き砥石に関する。

従来、金属材料やセラミックス材料の中ぐり加工や溝入れ加工に用いられる砥石として、円筒状の台金の外周面および端面にろう付け法により砥粒を一層固着した軸付き砥石が知られている。
本出願人もこのような軸付き砥石として、台金端面の砥粒層の外周寄りに１個または複数個の耐摩耗部材を配置した軸付き砥石（特許文献１参照）、台金の外周面に、台金回転方向に対して傾斜角をもたせ、かつ砥粒の平均粒径と配列間隔を特定の関係を満たすように配置した軸付き砥石（特許文献２参照）、台金端面に配置される砥粒のうち端面の最外周側の砥粒の一部分を台金端面の外周より突出させて配置した軸付き砥石（特許文献３参照）、台金端面と台金外周面との境界である稜部に面取り部を形成し、この面取り部に台金端面および台金外周面に配置した砥粒よりも粒径の大きい砥粒を配置した軸付き砥石（特許文献４参照）を提案している。

特許文献１から４に記載の軸付き砥石は、主として加工精度を向上させる目的のために砥粒層の構成条件を改良したものであり、特許文献１記載の軸付き砥石では、台金端面の砥粒層の外周寄りの部分にたとえばダイヤモンド焼結体チップからなる耐摩耗部材を配置したことにより、砥粒の摩耗や破砕、脱落によって生じる削り残し部を除去することができ、加工対象である溝のコーナー曲面部の加工精度を高めることができ、砥石の寿命も延長させることができるという効果がある。
特許文献２記載の軸付き砥石では、特定の条件でダイヤモンド砥粒Ｄを配置することにより、切れ味が良く、削り残しのない研削ができるという効果がある。
また、特許文献３記載の軸付き砥石では、最外周側の列の砥粒の一部分が端面外周から突出するように配置されているので、コーナー曲面部に接して加工に関与する砥粒を確保することができ、加工対象の溝のコーナー曲面部の加工精度を向上させることができるという効果がある。
さらに、特許文献４記載の軸付き砥石では、加工時のコーナー曲面部の削り残しが無くなり、コーナー曲面部の加工精度を長期間維持でき、砥石の寿命も延長させることができるという効果がある。
また、特許文献５には、砥石台金の表面部にＶ溝を設け、当該Ｖ溝内に、ダイヤモンド及び立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）のうち、少なくともいずれか一方のものにて形成される砥粒を設置したメタルボンド砥石が記載されている。この構成によって、各砥粒は、上記砥石台金のＶ溝内に強固に保持されることとなり、砥粒の早期脱落等が防止される、とされている。
特開２００３−５３６７１号公報 特開２００３−５３６７２号公報 特開２００３−５３６７３号公報 特開２００３−５３６７４号公報 特開平１０−３４５４０号公報

ところで、金属材料やセラミックス材料の中ぐり加工や溝入れ加工において、軸付き砥石は穴や溝の側面と底面を同時に高精度に加工するのに使用される。この種の加工では、穴や溝の底面は加工後の面粗さとしてＲａ０．５μｍ程度以内の面粗さが要求され、コーナー曲面部の加工精度としてＲ０．２ｍｍ以内程度の精度が要求される。特許文献１〜４に記載の軸付き砥石は、このような加工精度を得るための砥粒層の構成条件を提示するものである。

ところが、特許文献１〜４に記載の軸付き砥石は、加工中の砥粒の脱落がない状態での加工精度は良好であるが、実際の加工においては砥粒の脱落が生じて、所定の加工精度が得られない事態が時折発生した。加工時に砥粒が脱落すると、脱落した砥粒が引きずられるように被加工材の面上を移動し、その結果、加工面に大きな掻き傷が発生する。砥粒の脱落による掻き傷の発生時期を予測することは難しく、掻き傷の発生を防止するために、砥石を早めに取り替えて砥粒の脱落を防止するしかない。その結果、砥石寿命が短くなり、砥石のコストが高くなってしまう。

本発明者らは、軸付き砥石の円筒状台金の端面にろう付けにより固着した砥粒の加工中の脱落現象について鋭意検討した結果、砥粒の脱落は、台金端面の最外周領域と最内周領域、すなわちコーナーの近傍で発生しやすいということを確認した。台金端面の外周側コーナーの近傍に配置された砥粒は、砥粒の台金端面外周側に形成されるろう材層は裾野の短いかたちとなって、ろう材による十分な砥粒の保持力が得られずに、加工中に脱落しやすくなる。同様に台金端面の内周側コーナーの近傍に配置された砥粒も、台金端面内周側のろう材による砥粒の保持力が不十分となって脱落しやすくなる。
従来の軸付き砥石においては、専ら加工精度の向上に主眼がおかれ、砥粒脱落防止に注目した対策を講じることがなかったので、砥粒の脱落に起因する加工精度の低下を確実に防止することは困難であった。

また、従来の軸付き砥石は、台金端面の全体形状が、水平な平坦面であるか、あるいは外周側の一部のみに傾斜面を形成した形状であるが、このような端面形状では、研削加工時に境界部に最も大きな負荷がかかるので、砥粒が脱落しやすい。また、研削加工時の抵抗が増大して加工能率が低下し、砥石コストが高くなる、という問題点がある。

本発明が解決すべき課題は、従来の軸付き砥石の加工精度を維持したうえで、台金端面に固着した砥粒のろう材による保持力をより増大させて、加工中における砥粒の脱落を防止することにある。

本発明の軸付き砥石は、円筒状の台金の外周面および端面にろう付け法により砥粒が一層に固着された軸付き砥石であって、台金端面の全体形状が、台金端面の外周側から内周側に向かって高くなる曲面または傾斜面で、かつ、凹部が同心円状に複数列形成された形状であり、前記凹部に砥粒が配置され、ろう材により固着されている軸付き砥石である。

ここで、前記凹部の１列の半径方向の幅が砥粒平均粒径の２〜１０倍であることが望ましい。これは、ろう材の裾野を砥粒の周囲に充分に形成するためには、砥粒間隔を上記の範囲とすることが好ましいからである。また、前記凹部に配置された砥粒の砥石回転方向後方に台金端面の盛り上げ部が形成されていることが望ましい。

軸付き砥石で中ぐり加工や溝入れ加工を行う場合、砥石の台金端面の砥粒層で穴や溝の底面を研削することになるが、本発明では、この底面の加工精度を高めるために、台金端面の全体形状を、台金端面の外周側から内周側に向かって高くなる曲面または傾斜面となるように形成する。砥石を使用した実際の加工においては、回転する砥石を加工面内で移動させることによって、まず台金端面の外周側の砥粒層により加工面が粗研削され、ついで内周側の砥粒層により加工面が仕上げ研削される。この際、台金端面の全体形状が、外周側から内周側に向かって高くなる曲面または傾斜面となっていることにより、外周側の砥粒層によって粗研削された後の加工面が、外周側の砥粒層より高くなっている内周側の砥粒層によって確実に仕上げ研削が行われ、加工精度が向上する。

また、砥粒は凹部に配置されているので、ろう材層による十分な砥粒保持力が得られ、とくに、砥粒が配置される凹部の１列の半径方向の幅を砥粒平均粒径の２〜１０倍とすることにより、砥粒周りのろう材層の裾野が長くなり、ろう材層による砥粒保持力が高くなり、加工中における砥粒の脱落が防止される。１列の凹部の半径方向の幅が砥粒平均粒径の２倍より小さいと、砥粒周りのろう材層が少なくなって砥粒保持力の増大効果が小さくなる。一方この幅を砥粒平均粒径の１０倍より大きくすると、砥粒保持力は増大するものの、砥粒配置間隔が大きくなりすぎ、加工面粗さが低下する。
さらに、凹部に配置された砥粒の砥石回転方向後方に台金端面の盛り上げ部を形成することにより、加工中に砥粒にかかる砥石回転方向の負荷に対する抗力が高くなり、砥粒の脱落が防止される。

本発明の軸付き砥石における台金端面の構成は、従来公知の軸付き砥石の円筒状台金に適用することができる。台金端面の全体形状は、台金端面の外周側から内周側に向かって高くなるかたちになっていれば曲面状でも傾斜面状でも階段状でもよく、平坦部または凹部は、同心円状に複数列形成されていれば連続状でも不連続状でもよい。端面の全体形状が曲面状や傾斜面状の場合は、そのままでは砥粒周りのろう材層が少なく砥粒が脱落しやすいので、曲面部や傾斜面部に部分的な平坦部や断面円弧状の凹部を形成して、砥粒周りのろう材層が多くなるようにする。また階段状の場合も、平坦面に断面円弧状の凹部を形成して、砥粒周りのろう材層が多くなるようにするとよい。

平坦部または凹部を連続状に形成する場合は、周方向に所定の間隔で砥粒を配置する。平坦部または凹部を不連続状に形成する場合は、砥粒を配置する所定の間隔に応じて必要なろう材層の裾野長さが得られる広さの平坦部または凹部を間欠的に形成して当該部位に砥粒を配置する。砥粒の砥石回転方向後方に盛り上げ部を形成するときは、予め砥粒配置位置に隣接させて盛り上げ部を形成しておくとよい。盛り上げ部の大きさはとくに限定されるものではないが、半径方向の幅は砥粒平均粒径と同程度以上、周方向の長さは砥粒平均粒径の２倍程度以上、高さは砥粒平均粒径の１／３〜１／２程度とするのが好ましい。

台金の端面および外周面に固着する砥粒としては、従来公知のダイヤモンド砥粒やｃＢＮ砥粒を使用することができる。使用する砥粒の平均粒径は、被加工材の材質や要求される加工精度に応じて１００〜５００μｍの範囲の中で適宜の平均粒径を選択すればよい。砥粒の配置間隔は、砥粒の脱落防止のための砥粒周りのろう材層の広がりと切り粉排出のためのチップポケットの大きさを確保でき、かつ個々の砥粒にかかる負荷が大きくなりすぎることがなく、加工精度を維持できる範囲内で、適宜の間隔に設定すればよい。台金端面の砥粒配置に関しては、端面の半径方向の砥粒配置間隔は平坦部または凹部の半径方向の間隔と同じになり、平坦部または凹部を周方向に不連続状に形成する場合は、端面の周方向の砥粒配置間隔は、平坦部または凹部の周方向の間隔と同じになる。

図１〜図３は本発明の第１の実施例における軸付き砥石を示す図であり、図１は軸付き砥石の全体斜視図、図２は台金端面の平面図、図３は台金部分の縦断面図である。なお各図において砥粒は配置状態をわかりやすくするために模式的に示している。

本実施例の砥石１０は、セラミックスの溝入れ加工用の軸付き砥石であり、回転機械の駆動軸に取り付けられる軸１の先端側に円筒状の台金２が連設されており、台金２の側面３に砥粒層４が、端面５に砥粒層６がそれぞれ形成されている。台金２の外径は２０ｍｍ、側面３の砥粒層４の台金長手方向の幅は２０ｍｍであり、端面５の砥粒層６の半径方向の幅は４．５ｍｍである。

側面３の砥粒層４は、平均粒径４００μｍのダイヤモンド砥粒Ｄを０．９ｍｍの砥粒間隔で側面３に配置し、ろう材により台金側面３に固着したものである。
端面５の砥粒層６も、側面３の砥粒層４と同じダイヤモンド砥粒Ｄを端面５に同心円状に形成した３列の凹部７ａ，７ｂ，７ｃに配置し、ろう材により固着したものである。

端面５に形成した凹部７ａ，７ｂ，７ｃは、図２および図３に示すように、断面円弧状の連続した凹部を同心円状に３列形成したものであり、端面５の全体形状は、外周側から内周側に向かって高くなる曲面状となっている。凹部７ａには等間隔に１６個の砥粒Ｄが配置され、凹部７ｂには等間隔に１２個の砥粒Ｄが配置され、凹部７ｃには等間隔に８個の砥粒Ｄが配置されている。凹部７ａ，７ｂ，７ｃの半径方向の幅は１．５ｍｍ、深さは１５０μｍであり、砥粒Ｄ周りのろう材層Ｓの裾野の長さは、最短の半径方向でも砥粒Ｄの粒径の約１．４倍となって、ろう材層Ｓによる高い砥粒保持力が維持され、加工中における砥粒Ｄの脱落が防止される。

さらに端面５の砥粒層６の先端の連なりは、端面５の外周側から内周側に向かって高くなる曲面となるように形成されているので、砥石１０を使用した実際の加工では、はじめに端面外周側の砥粒層すなわち凹部７ａに配置された砥粒により加工面が粗研削され、最後に端面内周側の砥粒層すなわち凹部７ｃに配置された砥粒により加工面が仕上げ研削されることになり、溝の底面の加工精度が向上する。

図４は本発明の第２の実施例における軸付き砥石を示す図で、同図（ａ）は台金端面の平面図、（ｂ）は周方向の部分拡大縦断面図である。この図４においても砥粒は配置状態をわかりやすくするために模式的に示し、図１〜図３の部材と同じ部材には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施例において、端面５の凹部７ａ，７ｂ，７ｃへの砥粒Ｄの配置は第１の実施例の場合と同じであるが、本実施例の場合は、砥粒Ｄの砥石回転方向（図中、矢印Ａで示す）後方に盛り上げ部８を形成している。盛り上げ部８の大きさは、半径方向の幅は凹部７ａ，７ｂ，７ｃの幅と同じ１．５ｍｍ、周方向の長さは砥粒Ｄの粒径の２倍強で１ｍｍ、高さは砥粒Ｄの粒径の１／２で２００μｍである。

本実施例の砥石では、砥粒Ｄの砥石回転方向後方に盛り上げ部８を形成しているので、加工中に砥粒Ｄにかかる砥石回転方向の負荷に対する抗力が高くなり、砥粒Ｄの脱落が防止される。

図５は本発明の第３の実施例における軸付き砥石を示す図で、同図（ａ）は台金端面の平面図、（ｂ）は半径方向の部分拡大縦断面図である。この図５においても砥粒は配置状態をわかりやすくするために模式的に示し、図１〜図３の部材と同じ部材には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施例では、端面５の砥粒層形成部を、階段状に高さを変えた平坦面７ｄ，７ｅ，７ｆを同心円状に３列形成し、砥粒Ｄを配置する部分に断面円弧状の凹部５ａを形成して、この凹部５ａにろう材層Ｓにより砥粒Ｄを固着している。凹部５ａの上部形状は円形で、上部の直径は１ｍｍ、深さは１５０μｍである。ろう材層Ｓは、凹部５ａと砥粒Ｄ周りのみに存在する。これにより、不必要なろう材層をなくし、砥粒Ｄの脱落防止をはかるとともに、チップポケットの拡大による切り粉の排出効果が発生する。

〔試験例〕
図１〜図３に示した実施例１の砥石（発明品１）と、図４に示した実施例２の砥石（発明品２）と、凹部７ａ，７ｂ，７ｃを除いて発明品１と同様な台金に同様な砥粒配置とした砥石（比較品）とを使用して研削試験を行った。

試験条件
工作機械：立形フライス盤
回転速度：８０００ｍｉｎ^-1
切り込み量：０．１ｍｍ／ｐａｓｓ
送り速度：２０００ｍｍ／ｍｉｎ
被研削材：アルミナセラミックス
研削加工面：外径２０ｍｍの軸付き砥石により被研削材に幅２０ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝を形成し、この溝の側面と底面を同時研削した。溝の底面の加工面粗さがＲａ０．５μｍを超えた時点で砥石寿命と判定した。試験結果を表１に示す。

表１からわかるように、発明品１の砥石は比較品の砥石に比べて砥粒の脱落が少なく、加工面の面粗さが良好で、砥石寿命は比較品の砥石の８倍近くに向上している。発明品２は砥粒の脱落が皆無で、砥石寿命はさらに向上している。切れ味は発明品１，２とも比較品と同程度であった。

本発明の軸付き砥石は金属材料やセラミックス材料の中ぐり加工や溝入れ加工を主たる適用対象とするものであるが、被加工材の材質に合わせて適正な凹部の寸法を設定することによって、金属やセラミックスのほかにもアルミニウム合金や樹脂の加工にも適用することができ、また、中ぐりや溝入れ以外のフライス加工にも適用することができる。

本発明の第１の実施例における軸付き砥石の全体斜視図である。 図１の軸付き砥石の台金端面の平面図である。 図１の軸付き砥石の台金部分の縦断面図である。 本発明の第２の実施例における軸付き砥石を示す図で、図（ａ）は台金端面の平面図、（ｂ）は周方向の部分拡大縦断面図である。 本発明の第３の実施例における軸付き砥石を示す図で、図（ａ）は台金端面の平面図、（ｂ）は半径方向の部分拡大縦断面図である。

符号の説明

１ 軸
２ 台金
３ 側面
４ 砥粒層
５ 端面
５ａ 凹部
６ 砥粒層
７ａ，７ｂ，７ｃ 凹部
７ｄ，７ｅ，７ｆ 平坦面
８ 盛り上げ部
１０ 砥石
Ｄ 砥粒
Ｓ ろう材層

Claims (2)

1. 金属材料やセラミックス材料の中ぐり加工や溝入れ加工に使用され、円筒状の台金の外周面および端面にろう付け法により砥粒が一層に固着された軸付き砥石であって、台金端面の全体形状が、台金端面の外周側から内周側に向かって高くなる曲面または傾斜面で、かつ、凹部が同心円状に複数列形成された形状であり、前記凹部に砥粒が配置され、ろう材層により固着され、前記凹部に配置された砥粒の砥石回転方向後方のみに台金端面の盛り上げ部が形成され、前記盛り上げ部は、前記凹部の底面に対して略垂直な面であって、砥粒と接する接触面として機能する面を有し、前記ろう材層の表面が砥石回転方向に向かって下り勾配をなしている軸付き砥石。
2. 前記凹部の１列の半径方向の幅が砥粒平均粒径の２〜１０倍である請求項１記載の軸付き砥石。

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