JP4342361B2 - センタレス研削砥石 - Google Patents

Description

本発明は、ニードルベアリング、超硬ピン、モーターシャフト、フェルール等の丸棒状や円筒状の被加工物をセンタレス研削する際に使用されるセンタレス研削砥石に関する。

小径の丸棒やパイプなどの外周研削に適した研削加工としてセンタレス研削がある。このセンタレス研削は図３に示すように、被加工物Ｗを研削する研削砥石２０と、被加工物Ｗを挟持するかたちで研削砥石２０と向き合い被加工物Ｗに制動力を付与する調整車２１と、研削砥石２０と調整車２１の間に設置され被加工物Ｗを支持するブレード２２を備えたセンタレス研削盤による研削加工であり、図中矢印で示すように研削砥石２０と調整車２１を同方向に回転させ、被加工物Ｗを反対方向に回転させて、研削砥石２０で被加工物Ｗの外周を研削するものである。

このセンタレス研削において、調整車２１が研削砥石２０に対してその軸線が傾斜して配置されていることから、被加工物Ｗがブレード２２の頂面２２ａ上を摺動しながら矢印Ａ方向に進行する。

センタレス研削においては、一つのホイール内で切込負荷を変化させることができるため、砥粒層の各部位において粗研削、仕上げ研削等の役割分担が可能となる。そのため、砥粒の粒度を段階的に変えて役割の応じた砥粒層を形成することで、被削材の送り速度を速くして加工面粗さを向上することができ、高能率、高精度、高品質な加工ができる。

加工精度や加工コストの削減に対する要求は近年厳しくなっており、これに応じて砥粒粒度のみならず、砥粒のコーティングの有無、砥粒の集中度、ボンドの種類等を変更して
ホイールが設計されている。このようにしてホイールを作製すると、組成の異なる砥粒層が隣接することとなり、砥粒層間で線熱膨張の差を生じ、加工精度が低下することが問題となっている。

この問題点について、特許文献１では、台金の材料を線熱膨張係数の小さいガラス等のビトリファイド砥石を用いることで、加工精度の安定化を図っている。しかし、研削時の直接的な熱の発生による寸法変化に対する対策ではない。

Ｍ／Ｃ始動時、研削開始時、研削安定時におけるＭ／Ｃや研削液の温度変化のレベルは、１０〜２０℃程度と小さく、砥粒層厚みは３〜５ｍｍ程度であるため、線熱膨張の影響は小さいと予想される。しかし、研削点の温度は５００℃〜１０００℃以上と言われており、熱源近くの砥粒層の線熱膨張係数によって、ホイールの外径が研削開始時と研削安定時とで変化していることが予想される。

また、砥粒層の組成がホイールの各部によって異なっているため、線熱膨張係数が異なっており、各ホイールで発生する熱量も異なっているため、ホイール外径の差が生じ、砥粒層の違いによる段差がホイールにおいて生じる。
センタレスホイールの製造においては、ホイールの長さは通常５０ｍｍ程度であり、それ以上の長さのホイールを製造する場合には、３０〜５０ｍｍのホイールを継いで製造されている。この場合、それぞれのホイールごとに組成を変えて砥粒層が形成されているため、ホイールの継目において線熱膨張の差による段差を生じる。

特開昭５７−８０７７号公報

このように、粒度の異なる砥粒を用いて形成された硬質砥粒層は、研削によって発生する熱によって硬質砥粒層毎に熱膨張が異なる。例えば、図４（ａ）に示すように、硬質砥粒層５２を、それぞれのホイールの外周に設けられた５２ａ〜５２ｃの硬質砥粒をホイールの継目５３で接するようにして長手方向に配設し、硬質砥粒層５２ａから硬質砥粒層５２ｃの順に砥粒粒度を高くした場合、図４（ａ）において○で囲んで示す部分の拡大図である図４（ｂ）に示すように、ホイールの継目において熱膨張差による段差が生じる。ホイールの継目にこのような段差が生じると、高精度の研削ができない。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、ホイールの継目において熱膨張差による段差の発生を抑制して、高精度の研削が可能なセンタレス研削砥石を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明は、被加工物を研削する研削砥石と、被加工物を挟持して前記研削砥石と向き合い被加工物に制動力を付与する調整車と、前記研削砥石と前記調整車との間に設置され被加工物を支持するブレードを備えたセンタレス研削盤による研削加工で用いられるセンタレス研削砥石であって、前記研削砥石は複数のホイールを軸方向（長手方向）に順次配設し、その外周端には厚みがほぼ一様な硬質砥粒層が設けられ、前記硬質砥粒層は、それぞれ１つのホイール内におけるホイールの外周端に設けられた線熱膨張係数の異なる複数の砥粒領域を一体成形した砥粒部を、ホイールの継目を挟んで隣接させることで形成され、前記ホイールの継目を挟んで隣接する砥粒部と砥粒部との互いの線熱膨張係数の差が５×１０^-6Ｋ^-1以下であることを特徴とするセンタレス研削砥石である。

１つのホイール内において線熱膨張係数の異なる複数の砥粒領域を一体成形して砥粒部を形成することによって、１つの砥粒部内において熱膨張差は生じるものの、連続的に形成された砥粒部内での熱膨張差であるため、被削材の引っ掛かりを生じることがない。また、ホイールの継目においては線熱膨張係数の差が５×１０^-6Ｋ^-1以下となるようにしているため、ホイールの継目で熱膨張差による段差の発生を抑制することができる。従って、本発明の構成によって、粗研削から仕上げ研削までを１つの研削砥石で行えるとともに、ホイールの継目において段差を一定範囲内に抑えることができるために被削材の引っ掛かりを生じることがなく、加工精度を向上することができる。

本発明によると、粗研削から仕上げ研削までを１つの研削砥石で行えるとともに、ホイールの継目において段差が生じないために被削材の引っ掛かりを生じることがなく、加工精度を向上することができる。

図１（ａ）は本発明の実施形態に係る研削砥石の構成を示す。被加工物Ｗは研削砥石２０と調整車２１との間に挟まれて研削される。

本実施形態の研削砥石２０は、本体１の外周端に硬質砥粒層２を形成したものである。硬質砥粒層２は加工条件や被研削材の材質等に応じて、ダイヤモンド、ｃＢＮ等を用いて形成される。硬質砥粒層２はそれぞれのホイールの外周に設けられた２ａ〜２ｄの砥粒部を、ホイールの継目３で接するようにして長手方向に配設したものである。

図１（ｂ）に、硬質砥粒層２の詳細を示す。本発明においては、線熱膨張係数の異なる複数の領域からなる硬質砥粒層２を有するホイールを形成し、ホイールの継目３で接する砥粒部の互いの線熱膨張係数の差が５×１０^-6Ｋ^-1以下となるようにして、複数のホイールを長手方向に順次配設して硬質砥粒層２の線熱膨張係数を段階的に変化させている。
例えば、硬質砥粒層２の線熱膨張係数については次のようになっている。硬質砥粒層ご
との線熱膨張係数は、砥粒部２ａでは全ての領域において同一である。砥粒部２ｂのうち、継目３を挟んで砥粒部２ａと接する砥粒領域２ｂ ₁ の線熱膨張係数は、砥粒部２ａの線熱膨張係数との差が５×１０^-6Ｋ^-1以下となるように設定されている。
このように、継目３を挟んで隣接する砥粒部の線熱膨張係数の差を５×１０^-6Ｋ^-1以下とすることは、例えば、以下の方法によって可能である。

粒度の異なる砥粒を用いて硬質砥粒層を形成する場合の一例として、砥粒層Ａを粒度＃１０００のｃＢＮで形成し、砥粒層Ｂを粒度＃１５００のｃＢＮで形成すると、粒度＃１５００のｃＢＮ砥粒で金属被覆がなされたものは現在のところ存在しないため、砥粒層Ａと砥粒層Ｂとでは、通常５×１０^-6Ｋ^-1以上の線熱膨張係数差を生じる。砥粒層Ａと砥粒層Ｂの組成の詳細の一例を表１に示す。
これに対し、表１の砥粒層Ｃのように、Ｎｉ粉末を添加して充填材の配合割合を調整することで、砥粒層Ａと砥粒層Ｃの線熱膨張係数差が５×１０^-6Ｋ^-1以下の小さな値となるように調整することができる。

また、上記の方法の他にも、Ｎｉ粉末の替りに、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃などの一般砥粒や、銅などの金属、螢石、氷晶石、ガラス等の金属化合物、金属酸化物等を、目標とする研削性能を考慮してボンドに添加することによって、線熱膨張係数を調整することができる。

また、砥粒部２ｃのうち、継目３を挟んで砥粒部２ｂと接する砥粒領域２ｃ₁の線熱膨張係数は、砥粒領域２ｂ₂の線熱膨張係数との差が５×１０^-6Ｋ^-1以下となるように設定されている。砥粒部２ｄでは全ての領域において線熱膨張係数が、砥粒領域２ｃ₂の線熱膨張係数との差が５×１０^-6Ｋ^-1以下となるように設定されている。
なお、上記の研削砥石２０においては、砥粒部２ａから砥粒部２ｄの順に砥粒粒度を変えて砥粒の平均粒径を小さくしていることは、従来のものと同様である。

ホイールの継目３において段差を生じないためには、継目３を挟んで隣接する２つの砥粒部の組成を同等にするのが最も良い。本発明の実施の形態では、ホイールの継目３において、被削材の引っ掛かりを抑制するために許容できる段差の大きさを検討した結果、継目３を挟んで隣接する２つの砥粒部の線熱膨張係数の差を５×１０^-6Ｋ^-1以下としている。その理由について、以下に説明する。
レジンボンドホイールにおいては、硬質砥粒層の線熱膨張係数は通常３×１０^-6〜２５×１０^-6Ｋ^-1の範囲に設定されている。例えば、線熱膨張係数が５×１０^-6Ｋ^-1の砥粒部（砥粒部Ａ）と、線熱膨張係数が１０×１０^-6Ｋ^-1の砥粒部（砥粒部Ｂ）とを継目３を挟んで隣接させ、砥粒部の厚みを０．１ｍｍとしてホイールを形成する。
研削ポイントからの距離が０．１ｍｍであり、その研削ポイントでの温度が５００℃以上であると想定すると、硬質砥粒層の温度が１００℃変化したときに、砥粒部Ａの厚みは０．０５μｍ膨張し、砥粒部Ｂの厚みは０．１０μｍ膨張する。その結果、砥粒部Ａと砥粒部Ｂとの間に、０．０５μｍの段差を生じる。

一方、入口側から出口側へ順に砥粒の粒度を、例えば、＃２７０，＃６００、＃１５００とし、それぞれの砥粒部の長さを５０ｍｍとしたときに、センタレス研削における切り込み量は、それぞれの砥粒部において３μｍ程度であり、硬質砥粒層の長さ当たりにすると、０．０６μｍ／ｍｍとなる。センタレス研削における実際の使用状況を考えると、硬質砥粒層の長さ当たりの切り込み量と同程度の大きさを超える段差が、ホイールの継目において生じると、ホイールの継目における被削材の引っ掛かりが顕著となり、加工精度が低下する。このような事情から、継目３を挟んで隣接する２つの砥粒部の線熱膨張係数の差を５×１０^-6Ｋ^-1以下とすることで、段差の大きさを小さくして、ホイールの継目における被削材の引っ掛かりの発生を抑制している。

このように砥粒部２ｂと砥粒部２ｃは、線熱膨張係数の異なる複数の砥粒領域を一体成形したものであり、１つの砥粒部内においては熱膨張差を生じるものの、連続的な砥粒部内での熱膨張差であるため、被削材の引っ掛かりを生じることがない。
また、ホイールの継目３においては隣接する砥粒部の互いの線熱膨張係数の差が５×１０^-6Ｋ^-1以下となるように設定されているため、ホイールの継目３で熱膨張差による段差を一定範囲内に抑えることができる。

ホイールの継目３において段差を一定範囲内に抑えることができることにより、段差によって被研削材が引っ掛かることがなくなり、被研削材の面精度が低下することがなく、加工精度が向上する。

なお、上記の実施形態は本発明の研削砥石の一例を示すものであり、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、研削砥石の全体形状、硬質砥粒層の形状、個数などは適宜変更することができる。

以下に、試験結果を示す。
図２に、試験に使用したホイールの構成を示す。図２（ａ）は、従来品であり、ホイールの継目３を挟んで、砥粒部２ａの線熱膨張係数を５×１０^-6Ｋ^-1、砥粒部２ｂの線熱膨張係数を１０×１０^-6Ｋ^-1、砥粒部２ｃの線熱膨張係数を２０×１０^-6Ｋ^-1としている。

発明品１は、図２（ｂ）に示す構成の砥粒層を有し、砥粒領域２ａ₁の線熱膨張係数を５×１０^-6Ｋ^-1、砥粒領域２ａ₂の線熱膨張係数を１０×１０^-6Ｋ^-1、継目３を挟んで形成されている砥粒領域２ｂ₁の線熱膨張係数を１０×１０^-6Ｋ^-1、砥粒領域２ｂ₂の線熱膨張係数を２０×１０^-6Ｋ^-1としている。
発明品２は、図２（ｂ）に示す構成の砥粒層を有し、砥粒領域２ａ₁の線熱膨張係数を５×１０^-6Ｋ^-1、砥粒領域２ａ₂の線熱膨張係数を１０×１０^-6Ｋ^-1、継目３を挟んで形成されている砥粒領域２ｂ₁の線熱膨張係数を１５×１０^-6Ｋ^-1、砥粒領域２ｂ₂の線熱膨張係数を２０×１０^-6Ｋ^-1としている。
比較品は、図２（ｂ）に示す構成の砥粒層を有し、砥粒領域２ａ₁の線熱膨張係数を５×１０^-6Ｋ^-1、砥粒領域２ａ₂の線熱膨張係数を１０×１０^-6Ｋ^-1、継目３を挟んで形成されている砥粒領域２ｂ₁の線熱膨張係数を１８×１０^-6Ｋ^-1、砥粒領域２ｂ₂の線熱膨張係数を２０×１０^-6Ｋ^-1としている。

試験条件を以下に示す。
Ｍ／Ｃ センタレス研削盤
ホイール寸法 ４００^D×１５０^T
被削材 ＳＵＪ−２、径３×長さ１０
送り速度 ８ｍ／ｍｉｎ
取り代 ４０μｍ（片側２０μｍ）

図２（ｃ）に試験結果を示す。
被削材の面粗さがＲａ０．１μｍとなるまでの加工時間（ドレスインターバル）は、従来品において８０時間、発明品１において２００時間、発明品３において１７０時間、比較品において１００時間であった。この結果から、ホイールの継目における硬質砥粒層の線熱膨張係数の差を５×１０^-6Ｋ^-1以内とすることにより、ドレスインターバルが改善していることがわかる。

本発明は、丸棒状や円筒状の被加工物をセンタレス研削する際に使用されるセンタレス研削砥石として利用することができる。

本発明の実施形態に係るセンタレス研削砥石を示す図である。 試験に用いたセンタレス研削砥石の砥粒層の構成と、試験結果を示す図である。 センタレス研削砥石を用いて研削する様子を示す図である。 従来のセンタレス研削砥石の一例を示す図である。

符号の説明

１ 本体
２ 硬質砥粒層
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ 砥粒部
２ａ ₁ ，２ａ ₂ ，２ｂ ₁ ，２ｂ ₂ ，２ｃ ₁ ，２ｃ ₂ 砥粒領域
３ 継目
２０ 研削砥石
２１ 調整車
２２ ブレード
Ｗ 被加工物

Claims (1)

1. 被加工物を研削する研削砥石と、被加工物を挟持して前記研削砥石と向き合い被加工物に制動力を付与する調整車と、前記研削砥石と前記調整車との間に設置され被加工物を支持するブレードを備えたセンタレス研削盤による研削加工で用いられるセンタレス研削砥石であって、
   前記研削砥石は複数のホイールを軸方向に順次配設し、その外周端には厚みが一様な硬質砥粒層が設けられ、
   前記硬質砥粒層は、それぞれ１つのホイール内におけるホイールの外周端に設けられた線熱膨張係数の異なる複数の砥粒領域を一体成形した砥粒部を、ホイールの継目を挟んで隣接させることで形成され、前記ホイールの継目を挟んで隣接する砥粒部と砥粒部との互いの線熱膨張係数の差が５×１０^-6Ｋ^-1以下であることを特徴とするセンタレス研削砥石。

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