JP5034427B2 - 研削加工における研削液の動圧開放方法、その方法を利用した研削方法およびその研削方法に用いる砥石 - Google Patents

Description

本発明は、砥石の研削面と工作物との接触面に向けて研削液を供給しながら砥石によって工作物を研削する研削加工に関するものである。

従来、工作物を砥石車で研削するときには、工作物と砥石車との研削点に研削液を供給して冷却及び潤滑することにより研削熱による工作物の研削焼け、熱歪み等を防止している。しかし、工作物と砥石車との研削点に向けて研削液を過剰に供給した場合、工作物と砥石車との間で研削液に動圧が発生し、また、工作物に穴や溝がある場合には、穴や溝により圧力が変化し、工作物と砥石車との間で相対変位を生じ、工作物の加工精度が低下するという問題があった。かかる研削液に発生する動圧による加工精度の低下を防ぐための技術が、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載の技術では、砥石と工作物とが接触する研削点に研削液を供給するクーラントノズルに供給するクーラント液圧を高低２段階に切替え可能な研削液供給装置を設け、砥石車の工作物への送り速度が大きい粗研削時には研削液圧を高圧に、送り速度が小さい仕上げ研削時、スパークアウト研削時には低圧に切替えることにより、研削液に生じる動圧によって加工精度が悪化することを防止している。
実開昭５７−１５７４５８号公報（第１−３頁、図２）

上記従来技術では、砥石の研削面と工作物とが接触する接触面に向けて供給された研削液に生じた動圧を開放することができず、特に、砥石および工作物の回転数を上げて研削能率を高くした場合、研削液に生じる動圧によって加工精度が悪化する。所望の加工精度を得るためには、砥石および工作物の回転数を下げなければならず研削能率が低下する問題があった。

本発明は、少なくとも１本の傾斜溝を、砥石と工作物とが接触する接触面を上下に貫通させることにより、接触面に向けて供給された研削液に発生する動圧を開放し、工作物の加工精度を高めて研削能率を向上させることである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、回転駆動される砥石の研削面と工作物とが接触する接触面に向けて研削液を供給しながら、前記工作物を前記砥石によって研削するに際して、前記砥石の研削面の前記工作物との接触面と前記工作物との間に発生する前記研削液の動圧を開放する研削加工における研削液の動圧開放方法であって、前記研削面に砥石円周方向に対して所定の角度傾斜した複数の傾斜溝を等間隔に、且つ、前記傾斜溝と前記接触面の砥石円周方向と平行な一方の縁の延長線との交点を一方交点、他方の縁の延長線との交点を他方交点と定義した場合、一の傾斜溝の他方交点と、一の傾斜溝と隣接する傾斜溝の一方交点とが砥石円周方向において所定のオーバラップ量だけオーバラップするように刻設し、前記砥石の研削面の前記工作物との接触面の砥石円周方向長さが前記オーバラップ量よりも小さくなるように、前記工作物に対する前記砥石の切込み量と、前記傾斜溝の傾斜角度および間隔を設定することである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１に記載の研削加工における研削液の動圧開放方法を利用した研削方法であって、前記砥石の研削面に刻設された前記傾斜溝の傾斜角度および間隔に対して、前記砥石の研削面の前記工作物との接触面の砥石円周方向長さが前記オーバラップ量よりも小さくなるような前記工作物に対する前記砥石の切込み量で研削することである。

請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１に記載の研削加工における動圧開放方法を利用した研削方法に用いる砥石であって、前記工作物に対する前記砥石の所定の切込み量において、前記砥石の研削面の前記工作物との接触面の砥石円周方向長さが前記オーバラップ量よりも小さくなるような傾斜角度および間隔の前記傾斜溝が前記研削面に刻設されていることである。

請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１に記載の研削加工における研削液の動圧開放方法において、請求項１に記載の研削加工における研削液の動圧開放方法において、前記工作物はベース円部、トップ部、前記ベース円部と前記トップ部とを接続する一対のリフト部とを含むカムであり、前記砥石の研削面の前記工作物との接触面の砥石円周方向長さは、前記リフト部を研削する際の前記砥石の研削面の前記リフト部との接触面の砥石円周方向長さであることである。

請求項１に係る発明によれば、砥石の研削面と工作物とが接触する接触面に向けて研削液を供給しながら工作物を研削するに際して、砥石の研削面の工作物との接触面と工作物との間に発生する研削液の動圧を開放するために、研削面に刻設された傾斜溝と、接触面の砥石円周方向と平行な一方の縁の延長線との交点を一方交点、他方の縁の延長線との交点を他方交点と定義した場合、一の傾斜溝の他方交点と、一の傾斜溝と隣接する傾斜溝の一方交点とが砥石円周方向において所定のオーバラップ量だけオーバラップし、接触面の砥石円周方向長さがオーバラップ量よりも小さくなるようにするので、少なくとも１本の傾斜溝が砥石の研削面と工作物とが接触する接触面を上下方向に貫通し、上方から供給された研削液が傾斜溝を通って下方から流出し、研削面と工作物との間に発生する研削液の動圧を開放することができる。これにより、仕上げ研削において研削液の供給量を減少させなくても、工作物が研削液の動圧よって砥石から離間する方向に変位され、或いは研削液に発生する動圧が変動して工作物が砥石から離間する距離が変化することがなくなり、工作物の加工精度を高めて研削能率を向上することができる。

請求項２に係る発明によれば、砥石の研削面に刻設された傾斜溝の傾斜角度および間隔に対して、砥石の研削面の工作物との接触面の砥石円周方向長さが隣接する傾斜溝のオーバラップ量よりも小さくなるような工作物に対する砥石の切込み量で研削するので、砥石の研削面と工作物との接触面に上方から供給された研削液は、接触面を貫通する傾斜溝を通って下方から流出し、研削面と工作物との間に発生する研削液の動圧を開放することができる。

請求項３に係る発明によれば、工作物に対する砥石の所定の切込み量において、砥石の研削面の工作物との接触面の砥石円周方向長さが隣接する傾斜溝のオーバラップ量よりも小さくなるような傾斜角度および間隔の傾斜溝が研削面に刻設されているので、かかる砥石を使用する研削加工において研削面と工作物とが接触する接触面に上方から供給された研削液は接触面を貫通する傾斜溝を通って下方から流出し、研削面と工作物との間に発生する研削液の動圧を開放することができる。

請求項４に係る発明によれば、カムのリフト部を研削するとき、砥石の研削面のリフト部との接触面の砥石円周方向長さが一番長くなるので、この一番長い砥石円周方向長さが隣接する傾斜溝の前記オーバラップ量よりも小さくなるようにしている。これにより、上方から供給された研削液は接触面を貫通する傾斜溝を通って下方から流出し、研削面とカムとの間に発生する研削液の動圧を開放することができる。従って、仕上げ研削において研削液の供給量を減少させなくても、カムが研削液の動圧よって砥石から離間する方向に変位され、或いは研削液に発生する動圧が変動してカムが砥石から離間する距離が変化することがなくなり、カムの加工精度を高めて研削能率を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態に係る研削方法およびそれに用いる砥石を図面に基づいて説明する。図１は、セグメントタイプの砥石チップ１１を含む砥石１０を示し、この砥石１０の砥石チップ１１は、超砥粒をビトリファイドボンドで結合した砥粒層１２が外周側に形成され、超砥粒を含まない下地層１３が砥粒層１２の内側に重ねて一体的に形成されている。砥石１０は、砥粒層１２と下地層１３からなる複数の円弧状の砥石チップ１１が、鉄またはアルミニウム等の金属、或いは樹脂等で成形された円盤状のコア１４の外周面に並べられ、下地層１３の底面で接着剤によりコア１４に貼付されて構成されている。砥石１０は、図２に示す研削盤３０の砥石台３１に軸線Ｏ回りに回転駆動可能に軸承された砥石軸３２にコア１４で装着される。研削盤３０の工作物支持装置３３には工作物Ｗが回転駆動可能に支承され、砥石台３１の前進により砥石１０の砥粒層１２に形成された研削面１５が工作物Ｗに接触面Ｓで当接して工作物Ｗの外周面を研削加工する。

図３は、円弧状の砥石チップ１１を示すもので、砥粒層１２は、ＣＢＮ、ダイヤモンド等の超砥粒１６をビトリファイドボンド１７で３〜５ｍｍの厚さに結合したものであり、集中度調整用に超砥粒の代わりに酸化アルミニウム（Al₂O₃）等の粒子が骨材として混入されている場合もある。また、前記下地層１３は、下地粒子１９をビトリファイドボンド１７で１〜３ｍｍの厚さに結合したものである。ビトリファイドボンド１７を採用すると、有気孔の特性から、切り屑の排出性に優れ、切れ味が良好となるため、砥石摩耗量を少なくして良好な表面あらさに研削加工することができる。しかしながら、結合剤としては、ビトリファイドボンド１７の他に、レジンボンドまたはメタルボンド等を使用することもできる。

図４乃至図６に示すように、砥石１０の研削面１５には、複数の傾斜溝２０が、研削面１５から下地層１３に至るまでの深さｈで砥石周方向と平行な砥粒層１２の両側面２１，２２をつき抜けて砥粒層１２に設けられている。即ち、研削面１５には、砥石円周方向に対して所定の傾斜角度αだけ傾斜した複数の傾斜溝２０が、等間隔に、且つ、傾斜溝２０と、接触面Ｓの砥石円周方向と平行な一方の縁Ｓａの延長線２３との交点を一方交点２０ａ、他方の縁Ｓｂの延長線２４との交点を他方交点２０ｂと定義した場合、一の傾斜溝２０の他方交点２０ｂと、一の傾斜溝２０と隣接する傾斜溝２０の一方交点２０ａとが砥石円周方向においてオーバラップ量Ｖだけオーバラップするように刻設されている。そして、砥石１０の研削面１５と工作物Ｗとの接触面Ｓの砥石円周方向長さＬがオーバラップ量Ｖよりも小さくなるように、工作物Ｗに対する砥石の切込み量ｔと、傾斜溝２０の傾斜角度αおよび間隔Ｐとの少なくとも一方が設定されている。接触面Ｓは、砥石１０の外周円と工作物Ｗの外周円とが交差する交点と工作物Ｗの幅Ａとによって区画される砥石１０の研削面１５の領域であり、砥石円周方向と平行な一方縁Ｓａ、他方縁Ｓｂ、および砥石軸線方向と平行な一方縁Ｓｆ、他方縁Ｓｒによって囲まれている。

砥石１０の研削面１５と工作物Ｗとの接触面Ｓの砥石円周方向長さＬがオーバラップ量Ｖよりも小さくされているので、接触面Ｓに上方から供給された研削液が接触面Ｓを貫通する傾斜溝２０を通って上方及び下方から流出し、研削面１５と工作物Ｗとの間に発生する研削液の動圧を開放することができる。これにより、工作物Ｗが研削液の動圧よって砥石１０から離間する方向に変位され、或いは研削液に発生する動圧が変動して工作物Ｗが砥石１０から離間する距離が変化することがなくなり、研削された工作物Ｗの加工精度を高めることができる。

砥石１０の研削面１５を展開して示した図４、図６から明らかなように、一の傾斜溝２０が接触面Ｓの他方の縁Ｓｂの延長線２４と交差する他方交点２０ｂと、一の傾斜溝２０と隣接する傾斜溝２０が接触面Ｓの一方の縁Ｓａの延長線２３と交差する一方交点２０ａとが砥石円周方向においてオーバラップするオーバラップ量Ｖと、傾斜溝２０の傾斜角度αと、隣接する傾斜溝２０の間隔Ｐ、例えば円周方向ピッチと、接触面Ｓの軸線方向長さである工作物Ｗの幅Ａとの関係は、
Ｖ＝Ａ／ｔａｎα−Ｐ・・・（１）
となる。従って、オーバラップ量Ｖより接触面Ｓの円周方向長さＬが小さい条件、
Ｌ＜Ａ／ｔａｎα−Ｐ・・・（２）
を満たせば、砥石１０の回転位相に拘らず、少なくとも１本の傾斜溝２０が接触面Ｓを上下方向に貫通することとなり、接触面Ｓに流入した研削液により研削面１５と工作物Ｗとの間に発生する動圧を接触面Ｓの上方及び下方の両方から開放することができる。これに対し、この条件を満たさないと、砥石１０の回転位相によっては、いずれの傾斜溝２０も接触面Ｓを上下方向に貫通しないので、すなわち、接触面Ｓに対して傾斜溝２０が上方にしか開口していないと接触面Ｓの下方では動圧が開放されず、同様に傾斜溝２０が下方にしか開口していないと接触面Ｓの上方では研削液の動圧は開放されない。

砥石１０が工作物Ｗと接触する接触面Ｓの砥石円周方向長さＬは、図７（ｂ）に示すように、砥石１０の外周円と工作物Ｗの外周円とが交差する交点を結ぶ線分の長さとする。接触面Ｓの砥石円周方向長さＬは、砥石１０および工作物Ｗの直径に比して極めて小さいので、砥石１０の外周円と工作物Ｗの外周円とが交差する交点を結ぶ線分の長さで近似することができる。

工作物Ｗの半径をＲ１、砥石１０の半径をＲ２、砥石１０の工作物Ｗへの切込み量をｔとすると、図７（ｃ）に示すように、工作物Ｗと砥石１０との中心間距離Ｃは、
Ｃ＝Ｒ１＋Ｒ２−ｔ・・・（３）
となる。砥石１０の外周円と工作物Ｗの外周円とが交差する交点Ｄから工作物Ｗの中心Ｅと砥石１０の中心Ｆとを結ぶ線分ＥＦに垂直に下ろした線分が線分ＥＦと交差する点をＨとし、線分ＤＨ、ＥＨ、ＦＨの長さを夫々ｘ、ｙ、ｚとすると、
Ｒ１^２＝ｘ^２＋ｙ^２・・・（４）
Ｒ２^２＝ｘ^２＋ｚ^２・・・（５）
となり、
Ｃ＝ｙ＋ｚからｙ^２＝（Ｃ−ｚ）^２・・・（６）
となる。式（４）、（５）、（６）をｘについて解くと、
ｘ＝√（Ｒ２^２−（（Ｃ^２＋Ｒ２^２−Ｒ１^２）／２Ｃ）^２）・・・（７）
となる。そして、砥石１０が工作物Ｗと接触する接触面Ｓの円周方向長さＬは、Ｌ＝２ｘ・・・（８）
となる。

接触面Ｓの円周方向長さＬがオーバラップ量Ｖと等しい場合、式（１）、（８）から、Ｌ＝２ｘ＝Ｖ＝Ａ／ｔａｎα−Ｐとなり、そのときの切込み量ｔは、
ｔ０＝Ｒ１＋Ｒ２−√（Ｒ１^２−（（Ａ／ｔａｎα−Ｐ）／２）^２）−√（Ｒ２^２−（（Ａ／ｔａｎα−Ｐ）／２）^２）・・・（９）
となる。従って、工作物Ｗおよび砥石１０の半径Ｒ１，Ｒ２、工作物Ｗの幅Ａ、傾斜溝２０の傾斜角度αおよび円周方向ピッチＰが決まっている場合は、砥石１０の工作物Ｗへの切込み量をｔをｔ０より小さく設定すると、接触面Ｓの円周方向長さＬがオーバラップ量Ｖより小さくなる。

また、工作物Ｗおよび砥石１０の半径Ｒ１，Ｒ２、工作物Ｗの幅Ａ、砥石１０の工作物Ｗへの切込み量ｔ、および傾斜溝２０の傾斜角度αおよび円周方向ピッチＰの一方が決まっている場合は、式（９）が成立するように、傾斜溝２０の傾斜角度α０および円周方向ピッチＰ０の他方を設定し、円周方向ピッチＰまたは傾斜角度αを、この設定した円周方向ピッチＰ０または傾斜角度α０より小さく設定すると、接触面Ｓの円周方向長さＬがオーバラップ量Ｖより小さくなる。このように設定された傾斜溝２０の本数ｎは、ｎ＝２π×Ｒ２／Ｐとなる。

次に、本実施の形態に係る砥石１０を用いて工作物Ｗを研削する方法について説明する。砥石１０は図２に示す研削盤３０の砥石台３１に軸承された砥石軸３２にコア１４で装着されて回転駆動され、工作物Ｗは主軸台及び心押台からなる工作物支持装置３３に支承されて回転駆動される。砥石カバー３４に取り付けられたクーラントノズル３５から砥石１０の研削面１５と工作物Ｗとの間の接触面Ｓに向けて研削液が供給され、砥石台３１が工作物Ｗに向かって研削送りされ、砥石１０により工作物Ｗが研削加工される。この場合、砥石１０の回転位相に拘らず、少なくとも１本の傾斜溝２０が接触面Ｓを上下方向に貫通するので、研削面１５と工作物Ｗとの間に発生する研削液の動圧を接触面Ｓの上方および下方から開放することができる。これにより、工作物Ｗが研削液に生じる動圧によって砥石から離間する方向に変位され、或いは研削液に生じる動圧が変動して工作物Ｗが砥石１０から離間する距離が変化することがなくなり、工作物Ｗの加工精度を高めることができる。

研削加工の一例として、粒径が♯１２０のＣＢＮ砥粒が集中度１５０でビトリファイドボンド１７によって結合されて砥粒層１２が形成され、該砥粒層１２の内側に超砥粒を含まない下地層１３が重ねて一体的に形成された砥石チップ１１がスチール製コア１４に貼付された外径３５０ｍｍの砥石により、幅１５ｍｍの焼入れ鋼製カム（工作物Ｗ）を研削加工した場合の法線方向の研削抵抗、プロフィル精度を夫々１００とすると、同砥石の外周研削面１５に溝幅ｂが１ｍｍ、溝深さｈが６ｍｍ、傾斜角度αが１５度の傾斜溝２０を３９本刻設した傾斜溝入り砥石１０により、同一カムを研削加工した場合、法線方向の研削抵抗が７７に減少し、プロフィル精度が２０に向上した（図８参照）。

図９に示すように、ベース円部Ｗｂ、トップ部Ｗｔ、ベース円部Ｗｂとトップ部Ｗｔとを接続する一対のリフト部Ｗｌとを含むカムを研削する場合、カムのリフト部Ｗｌは曲率が小さいので、砥石１０との接触面Ｓの円周方向長さが一番長くなる。このように接触面Ｓの円周方向長さが長くなるときは、接触面Ｓに向けて供給された研削液の動圧が大きくなる。しかし、隣接する傾斜溝２０の前記オーバラップ量Ｖをこの一番長い砥石円周方向長さよりも大きくすることにより、砥石１０の回転位相に拘らず、少なくとも１本の傾斜溝２０が接触面Ｓを上下方向に貫通するので、研削面と工作物との間に発生する研削液の動圧を接触面Ｓの上方および下方から開放することができる。これにより、仕上げ研削において研削液の供給量を減少させなくても、カムが研削液の動圧よって砥石から離間する方向に変位され、或いは研削液に発生する動圧が変動してカムが砥石から離間する距離が変化することがなくなり、カムの加工精度を高めて研削能率を向上することができる。

上記実施の形態では、工作物Ｗの幅が砥石１０の幅より小さい場合であり、接触面Ｓの軸線方向長さが工作物Ｗの幅Ａと等しいとして傾斜溝２０の諸元を求めているが、工作物Ｗの幅が砥石１０の幅Ａより大きい場合は、接触面Ｓの軸線方向長さが砥石の幅と等しいとして傾斜溝２０の諸元を求める。

上記実施の形態では、接触面Ｓの砥石円周方向長さＬは、砥石１０の外周円と工作物Ｗの外周円とが交差する交点を結ぶ線分の長さで近似しているが、砥石１０が工作物Ｗに切込み量ｔだけ切り込まれた状態で工作物Ｗが回転駆動されるとき、実際の接触面Ｓの砥石円周方向長さは、図７（ａ）に示すように、砥石１０の工作物Ｗへの切込みによって厳密にはＬｓになるので、接触面Ｓの砥石円周方向長さを、Ｌｓ<Ｌ＝Ａ／ｔａｎα−Ｐとなるようにしてもよい。

本発明の実施の形態を示すセグメントタイプの砥石チップからなる砥石の全体図。 傾斜溝入り砥石を装着した研削盤で工作物を研削する状態を示す図。 砥石チップを示す図。 砥石の研削面１５を展開して示した図。 砥粒層に傾斜溝が刻設された状態を示す図。 研削溝のオーバラップ量と、傾斜角度αと、円周方向ピッチＰと、接触面Ｓの軸線方向長さＡとの関係を示す図。 接触面の円周方向長さを示す図。 傾斜溝入り砥石により法線方向の研削抵抗、プロフィル精度が向上する割合を示す図。 砥石とカムの側面部分との接触面を示す図。

符号の説明

１０・・・砥石、１１・・・砥石チップ、１２・・・砥粒層、１３・・・下地層、１４・・・コア、１５・・・研削面、１６・・・超砥粒、１７・・・ビトリファイドボンド、２０・・・傾斜溝、２１，２２・・・側面、２３，２４・・・延長線、３０・・・研削盤、３１・・・砥石台、３２・・・砥石軸、３３・・・工作物支持装置、３５・・・クーラントノズル、５０・・・溝加工装置、５１・・・溝加工用砥石（工具）、５８・・・冶具、５９・・・主軸、Ｓ・・・接触面、Ｗ・・・工作物、Ｗｌ・・・リフト部、α・・・傾斜角度、Ｌ・・・円周方向長さ、Ｐ・・・円周方向ピッチ（間隔）。

Claims (4)

1. 回転駆動される砥石の研削面と工作物とが接触する接触面に向けて研削液を供給しながら、前記工作物を前記砥石によって研削するに際して、前記砥石の研削面の前記工作物との接触面と前記工作物との間に発生する前記研削液の動圧を開放する研削加工における研削液の動圧開放方法であって、
   前記研削面に砥石円周方向に対して所定の角度傾斜した複数の傾斜溝を等間隔に、且つ、前記傾斜溝と前記接触面の砥石円周方向と平行な一方の縁の延長線との交点を一方交点、他方の縁の延長線との交点を他方交点と定義した場合、一の傾斜溝の他方交点と、一の傾斜溝と隣接する傾斜溝の一方交点とが砥石円周方向において所定のオーバラップ量だけオーバラップするように刻設し、
   前記砥石の研削面の前記工作物との接触面の砥石円周方向長さが前記オーバラップ量よりも小さくなるように、前記工作物に対する前記砥石の切込み量と、前記傾斜溝の傾斜角度および間隔を設定することを特徴とする研削加工における研削液の動圧開放方法。
2. 請求項１に記載の研削加工における研削液の動圧開放方法を利用した研削方法であって、
   前記砥石の研削面に刻設された前記傾斜溝の傾斜角度および間隔に対して、前記砥石の研削面の前記工作物との接触面の砥石円周方向長さが前記オーバラップ量よりも小さくなるような前記工作物に対する前記砥石の切込み量で研削することを特徴とする研削方法。
3. 請求項１に記載の研削加工における動圧開放方法を利用した研削方法に用いる砥石であって、
   前記工作物に対する前記砥石の所定の切込み量において、前記砥石の研削面の前記工作物との接触面の砥石円周方向長さが前記オーバラップ量よりも小さくなるような傾斜角度および間隔の前記傾斜溝が前記研削面に刻設されていることを特徴とする砥石。
4. 請求項１に記載の研削加工における研削液の動圧開放方法において、
   前記工作物はベース円部、トップ部、前記ベース円部と前記トップ部とを接続する一対のリフト部とを含むカムであり、
   前記砥石の研削面の前記工作物との接触面の砥石円周方向長さは、前記リフト部を研削する際の前記砥石の研削面の前記リフト部との接触面の砥石円周方向長さであることを特徴とする研削加工における研削液の動圧開放方法。

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