JP5499619B2 - 砥石コアの製造方法及び砥石の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム（Ａｌ）とケイ素（Ｓｉ）の合金にて鋳造した砥石コアの製造方法、及び当該砥石コアに砥石セグメントを貼り付けて砥石を製造する砥石の製造方法に関する。

近年、研削盤等で用いる回転砥石は、一般的には略円盤形状の金属製の砥石コアの外周面に砥粒を含んだ砥石セグメントを貼り付けて構成されている。
従来、砥石コアの材料は、主に鉄（Ｆｅ）を主成分とした棒鋼を鍛圧して製造しており、直径が数十［ｃｍ］となるような砥石コアの場合は、主成分が鉄であるため、重量が大きい。このため、砥石の運搬や交換の際の作業性が悪く、またエネルギー効率等の観点からも軽量化が求められている。

軽量化のアプローチとして材料を鉄よりも軽い材料に置換する方法が考えられる。鉄よりも軽い材料としてアルミニウムを用いた場合、アルミニウムは鉄よりも線膨張係数が大きいので、砥石の高速回転により砥石コアが鉄の場合より大きく遠心膨張する。このため、このような砥石で研削加工を行うと、加工精度が低下するという問題がある。
そこで、アルミニウムの線膨張係数を小さくするためにケイ素（Ｓｉ）を含有させるが、鉄の線膨張係数と同等の線膨張係数とするためには、ケイ素を３０〜４０重量％の割合で含有させる必要がある。なお、アルミニウムとケイ素の合金における共晶点は、ケイ素の含有割合が１２．６重量％の点である。

このようにケイ素の含有割合が高い（共晶点より高い）砥石コアの製造方法としては、特許文献１や特許文献２に開示されているように、合金粉末を焼結する方法が採用されている。
なお、砥石コアとは異なる機械部品としてではあるが、ケイ素を９〜１３重量％含有したアルミニウム合金の製造方法が特許文献３に開示されている。

特開平７−１７１７６７号公報 特開平８−２５７９１７号公報 特開２００５−０８９８２７号公報

特許文献１や特許文献２に記載された従来技術により製造された砥石コアは、線膨張係数が鉄に近いので、これを用いた研削加工では高精度な加工を行うことができる。しかしながら、アルミニウムとケイ素の合金粉末を大型プレス等にて加圧しながら焼結するため、直径が数十［ｃｍ］にも及ぶ砥石コアを製造する場合、非常に大型のプレス機が必要となる。また、粉体を加圧焼結する方法では、内部に気泡が発生し、これを完全に排除することはできないので、強度が低下するという課題がある。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、２０重量％を超えるような高いケイ素含有率のアルミニウム砥石コアを低コストで高品質に製造できる製造方法を提供することを課題とする。また、この砥石コアの外周に砥石セグメントを貼り付けてなる砥石の効率的な製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための手段として、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの砥石コアの製造方法である。
請求項１に記載の砥石コアの製造方法は、砥石回転軸回りに回転させる砥石に用いる略円盤形状の砥石コアの製造方法であって、前記砥石コアの材料として、２０重量％以上のケイ素（Ｓｉ）を含有するアルミニウム（Ａｌ）を用い、液相の溶湯状態でなく、かつ液相と固相が混在した溶湯状態でなく、バター状態にした前記材料を、高圧で型に押し込んで鋳造するセミソリッドダイキャスト法を用いて前記砥石コアを鋳造する。

また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりの砥石コアの製造方法である。
請求項２に記載の砥石コアの製造方法は、砥石回転軸回りに回転させる砥石に用いる略円盤形状の砥石コアの製造方法であって、前記砥石コアの材料として、３０重量％以上かつ４０重量％以下のケイ素（Ｓｉ）を含有するアルミニウム（Ａｌ）を用い、液相の溶湯状態でなく、かつ液相と固相が混在した溶湯状態でなく、バター状態にした前記材料を、高圧で型に押し込んで鋳造するセミソリッドダイキャスト法を用いて前記砥石コアを鋳造する。

また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりの砥石コアの製造方法である。
請求項３に記載の砥石コアの製造方法は、請求項１または２に記載の砥石コアの製造方法であって、前記セミソリッドダイキャスト法を用いて鋳造した時点において、前記砥石コアの外周面には複数の溝が形成されている。

また、本発明の第４発明は、請求項４に記載されたとおりの砥石の製造方法である。
請求項４に記載の砥石の製造方法は、請求項３に記載の砥石コアの製造方法にて鋳造した砥石コアを用いた砥石の製造方法であって、前記砥石コアの外周面に形成されている溝に接着剤を充填させるステップ、及び、接着剤を充填させた溝の上から、砥粒を含む砥石セグメントを貼り付けるステップとからなる砥石の製造方法である。

請求項１または請求項２に記載の砥石コアの製造方法を用いれば、セミソリッドダイキャスト法を用いて鋳造することで、ケイ素を含有するアルミニウムにおいて、ケイ素の含有量が共晶点である１２．６重量％よりも大きな２０重量％を超える場合であっても、液相と固相が混在した溶湯状態でなく、バター状態（セミソリッド状態）にした合金を用いて鋳造することで、大型のプレス機を必要とすることなく、均一な鋳造品を製造することができる。

また、請求項３に記載の砥石コアの製造方法によれば、従来の一般的な鍛圧や加圧焼結法では、型に材料を充填することが困難であった外周部の溝形状を実現することができる。

また、請求項４に記載の砥石の製造方法によれば、砥石コアの外周部に形成した溝に接着剤を充填することで、砥石セグメントを貼り付ける際の接着剤の量（厚さ）の管理を容易にすることが可能であり、安定した品質を得ることができるとともに、製造時間をより短縮化することができ、効率的に砥石を製造することができる。

本発明の砥石コアの製造方法を用いて鋳造した砥石コアの外観の例を説明する図である。 セミソリッドダイキャスト法の概略を説明する図である。 アルミニウムとケイ素の二元系平衡状態図である。 砥石コア１への砥石セグメントＴＳの貼り付けを説明する図である。

以下に本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の「砥石コアの製造方法」を用いて鋳造した砥石コア１の概略外観図（斜視図）の例を示しており、図２はセミソリッドダイキャスト法の概略説明図である。また図３は、アルミニウムとケイ素の二元系平衡状態図の例を示しており、（Ａ）領域は液相、（Ｂ）領域は液相＋固相（アルミニウムの固相）、（Ｃ）領域は液相＋固相（ケイ素の固相）、（Ｄ）領域は固相、を示している。

●［鋳造する砥石コア１の外観（図１）とセミソリッドダイキャスト法の概略（図２）］
本実施の形態にて説明するセミソリッドダイキャスト法にて鋳造された砥石コア１は、研削盤等にて砥石回転軸回りに回転させて用いる砥石であり、略円盤形状を有している。また、材料として、３０〜４０重量％のケイ素（Ｓｉ）を含むアルミニウム（Ａｌ）の合金を用いて鋳造される。３０〜４０重量％のケイ素を含有させることで、線膨張係数を鉄（Ｆｅ）と同等にすることができる。また、アルミニウムを主成分とすることで、鉄を主成分とした場合よりも大幅な軽量化を実現することができる。

また、本実施の形態にて説明する砥石コア１は、鋳造された時点における形状にも特徴がある。
ケイ素の含有量を共晶点である１２．６重量％よりも多い３０〜４０重量％とした場合、温度を一般的な６８０℃の近傍に設定して鍛圧にて溶湯を鋳型に流し込んで鋳造する方法では、溶湯が液相（液体状のアルミニウムとケイ素）と固相（粒子状の固体のケイ素）の混合状態となり、溶湯が不均一となり易く、砥石コア１の外周部に形成した溝Ｍの形状に溶湯を十分に充填させることは非常に困難であった。ケイ素の含有量が３０〜４０重量％の場合、６８０℃では図３に示す平衡状態図における（Ｃ）領域となるため、固相となったケイ素を含む。
なお、ケイ素が３０〜４０重量％であっても溶湯を９００℃以上とすれば、液相のみの均一な溶湯を得ることが可能であるが、設備の大幅な改造を伴うとともに、鋳造の冷却時間が増加して作業効率が低下し、鋳型の耐久性も低下するので好ましくない。
また、ケイ素が３０〜４０重量％であるため、液相を急冷しなければケイ素の偏析が発生する。液相を急冷するには鋳型を急冷する必要があるが、鋳型を急冷するのは非常に困難である。従って、ケイ素を３０〜４０重量％の割合で含有させた場合、均一な鋳造品を製造することは非常に困難である。
また、加圧焼結法を用いても、アルミニウムとケイ素の合金の粉末を型の端部となる溝Ｍの形状に十分に充填させながら加圧焼結することは非常に困難であった。

本願では、図２の略図に示すように、型Ｓ１とＳ２にて形成された型空間Ｋに、バター状態（セミソリッド状態）にした材料を、ピストンＰ等にて高圧で押し込んで鋳造するセミソリッドダイキャスト法を用いて、砥石コア１を鋳造する。
この方法を用いることで、ケイ素の含有量が３０〜４０重量％であっても、型空間Ｋ内に均一に材料を充填することができるので、砥石コア１の外周部に形成した溝Ｍを、鋳造時点において適切に形成することができる。また、ケイ素が固相とならないように９００℃以上の温度に設定する必要もない。

●［砥石コア１への砥石セグメント２０の貼り付け手順（図４）］
次に図４（Ａ）〜（Ｃ）を用いて、外周部に溝Ｍが形成された砥石コア１に砥石セグメントを貼り付けて砥石を製造する手順について説明する。
従来より、例えば非常に硬度が高いＣＢＮ砥石は、ＣＢＮ砥粒を含んだ砥石セグメントを、砥石コアの外周面に接着剤にて貼り付けて製造されている。
従来の製造方法は、鍛圧または焼結時点において砥石コアの外周面に溝を形成することは非常に困難であったため、外周面は平面状であった。
そこで従来では、まず砥石コアの外周面にショットブラスト等にて細かい凹凸を形成していた。
そして図４（Ｄ）に示すように、砥石コアの外周面にテグスＴＧを固定して、当該テグスＴＧの径Ｒと同じ均一な厚さとなるように接着剤Ａを塗布し、砥石セグメントを貼り付けていた。このように、従来では接着剤Ａの厚さを均一とするために非常に手間がかかっていた。

これに対して本実施の形態にて説明する砥石コア１は、鋳造時点において外周面に溝Ｍを形することが可能であるため、ショットブラスト処理を行う必要はない。
まず最初のステップでは、図４（Ａ）に示すように、この溝Ｍに接着剤Ａを充填させる。
また、従来のようにテグスＴＧ等を用いて接着剤Ａの厚さを管理する必要がなく、溝Ｍの周囲の凸部とほぼ同じ高さとなるように接着剤Ａを充填させる（すりきり状態となるように充填させる）だけでよいので、短時間に、且つ安定的に、接着剤Ａを溝Ｍに充填することができる。
そして次のステップでは、図４（Ｂ）に示すように、砥粒を含んだ砥石セグメントＴＳを砥石コア１の外周面に貼り付けていく（接着剤Ａを充填させた溝Ｍの上から砥石セグメントＴＳを貼り付けていく）。

以上の説明では、単純な板状形状の砥石セグメントＴＳを、砥石コア１の外周面の形状に沿って湾曲させて貼り付ける例を説明した。
次に図４（Ｃ）を用いて、砥石セグメントＴＳの形状を特殊な形状とした例を説明する。図４（Ｃ）に示す砥石セグメントＴＳは、砥石コア１における隣り合う凸部Ｎに嵌合するように、砥石セグメントＴＳの内周側における砥石コア１の円周方向の両端部に切欠部が形成されている。
溝Ｍには接着剤Ａが適切な厚さで塗布されている（余分な接着剤は砥石セグメントＴＳを嵌め込んだ際に周囲から押出される）。そして、砥石セグメントＴＳの切欠部を隣り合う凸部Ｎの間に嵌め込み、砥石を製造する。
図４（Ｃ）に示す構造は、図４（Ｂ）に示す構造に対して、砥石セグメントＴＳにおける円周方向の強度が高いという効果がある。

以上、本実施の形態にて説明した砥石コアの製造方法、及び砥石の製造方法では、ケイ素の含有量が３０〜４０重量％のアルミニウムを材料とした例で説明したが、本実施の形態にて説明したセミソリッドダイキャスト法では、ケイ素の含有量が２０重量％以上のアルミニウムを材料として鋳造することが十分可能である。
また、加圧焼結では非常に大型なプレス機等が必要となる大型の砥石コアであっても、大型な設備を必要とすることなくコストを抑制することができる。また、加圧焼結法では発生し易い内部欠陥（気泡）の発生等もなく、十分な強度を確保することができる。
更に、従来の鍛圧や加圧焼結法では形成が非常に困難であった外周部の溝Ｍを、鋳造時点にて形成することができるので、接着剤を用いて砥石セグメントを貼り付ける際の、接着剤の塗布（充填）工程をより短時間にすることが可能である。
以上により、従来の鉄を主成分とする砥石コアに対して、線膨張係数を同等としたアルミニウムを主成分とした砥石コア１の重量を約１／３に軽量化することを実現できた。

本発明の砥石コアの製造方法、及び砥石の製造方法は、本実施の形態で説明した手順、処理等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
砥石コア１の外周面に形成する溝Ｍの寸法は、数百［μｍ］〜数［ｍｍ］等、種々の寸法に設定することができる。
本発明の砥石コアの製造方法は、砥石コアに限定されることなく、種々の鋳造品に適用することが可能である。
また、以上（≧）、以下（≦）、より大きい（＞）、未満（＜）等は、等号を含んでも含まなくてもよい。

１ 砥石コア
Ａ 接着剤
Ｍ 溝
Ｎ 凸部
ＴＳ 砥石セグメント

Claims (4)

1. 砥石回転軸回りに回転させる砥石に用いる略円盤形状の砥石コアの製造方法であって、
   前記砥石コアの材料として、２０重量％以上のケイ素（Ｓｉ）を含有するアルミニウム（Ａｌ）を用い、
   液相の溶湯状態でなく、かつ液相と固相が混在した溶湯状態でなく、バター状態にした前記材料を、高圧で型に押し込んで鋳造するセミソリッドダイキャスト法を用いて前記砥石コアを鋳造する、
   砥石コアの製造方法。
2. 砥石回転軸回りに回転させる砥石に用いる略円盤形状の砥石コアの製造方法であって、
   前記砥石コアの材料として、３０重量％以上かつ４０重量％以下のケイ素（Ｓｉ）を含有するアルミニウム（Ａｌ）を用い、
   液相の溶湯状態でなく、かつ液相と固相が混在した溶湯状態でなく、バター状態にした前記材料を、高圧で型に押し込んで鋳造するセミソリッドダイキャスト法を用いて前記砥石コアを鋳造する、
   砥石コアの製造方法。
3. 請求項１または２に記載の砥石コアの製造方法であって、
   前記セミソリッドダイキャスト法を用いて鋳造した時点において、前記砥石コアの外周面には複数の溝が形成されている、
   砥石コアの製造方法。
4. 請求項３に記載の砥石コアの製造方法にて鋳造した砥石コアを用いた砥石の製造方法であって、
   前記砥石コアの外周面に形成されている溝に接着剤を充填させるステップ、及び、
   接着剤を充填させた溝の上から、砥粒を含む砥石セグメントを貼り付けるステップとからなる砥石の製造方法。

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