JP7395397B2

JP7395397B2 - 超仕上げ砥石及び研磨装置

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Publication number: JP7395397B2
Application number: JP2020052417A
Authority: JP
Inventors: 勝二砂川; 宏幸河西; 貴一北川
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2023-12-11
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: JP2021151673A

Description

本発明は、超仕上げ砥石及び研磨装置に関する。

超仕上げ加工に用いられる砥石としては、通常は、砥粒と結合剤とを混ぜ合わせることにより形成された全体にわたって一様な構造を有する砥石が用いられる。

従来から、複数の層を有する構造の砥石として、特許文献１（特開昭６０－００６３５７号公報）に記載の処理砥石が知られている。特許文献１に記載の処理砥石は、砥粒と、結合剤とにより構成されている。特許文献１の処理砥石は、内部に気孔を含んでいる。

特許文献１に記載の処理砥石は、第１層と、第２層とを有している。第１層は、処理砥石の厚さ方向において、第２層よりも表面に近い位置に配置されている。第１層中に含まれる気孔には、第１充填剤が充填されている。第２層中に含まれる気孔には、第２充填剤が充填されている。第１充填剤は、第２充填剤とは異なる材料により構成される充填剤である。第１充填剤は、第２充填剤よりも硬度が高い。その結果、第１層の強度は、第２層の強度よりも高くなり、処理砥石の強度が改善される。

特開昭６０－００６３５７号公報

超仕上げ加工においては、加工の進行に伴って砥石と加工対象部材との接触面積が増加することにより、超仕上げ砥石に加わる引張応力が増加する。このような引張応力の増加は、超仕上げ砥石の欠損、折損の原因になる。特許文献１に記載の処理砥石は、強度の向上は図られているものの、加工の進行に伴う経時的な引張応力の増加に伴う欠損、折損については考慮されていない。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、加工の進行に伴う砥石の折損、欠損を抑制することができる超仕上げ砥石及び研削装置を提供するものである。

本発明の一態様に係る超仕上げ砥石は、砥石保持層と、応力緩和層と、砥石保持層と応力緩和層とに挟み込まれる砥石層とを備える。砥石保持層のヤング率が砥石層のヤング率よりも小さい。本発明の一態様に係る超仕上げ砥石によると、砥石層が砥石保持層及び応力緩和層により補強されるため、加工の進行に伴う砥石の折損、欠損を抑制することができる。

また、砥石保持層のヤング率が砥石層のヤング率よりも小さいため、砥石保持層は、加工対象部材に付勢された際に、変形して加工対象部材の表面に密着しやすい。その結果、加工対象部材の表面に付着した切粉が加工対象部材の回転に伴って加工箇所付近に戻ってきた際に加工箇所付近に入り込むことを抑制することができる。

上記の超仕上げ砥石において、応力緩和層の耐摩耗性は、砥石層の耐摩耗性よりも低くてもよい。この場合、加工の進行に伴い、砥石層よりも磨滅しやすく、砥石と加工対象部材との接触面積の増加及びそれによる引張応力の増加が生じにくいため、加工の進行に伴う砥石の折損、欠損をさらに抑制することができる。

砥石保持層が樹脂材料のように可撓性がある材料により構成されている場合には、砥石保持層がさらに加工対象部材の表面に密着しやすくなる。その結果、加工対象部材の表面に付着した切粉が加工対象部材の回転に伴って加工箇所付近に戻ってきた際に加工箇所付近に入り込むことを、さらに抑制することができる。

上記の超仕上げ砥石において、応力緩和層は、第１硬度の第１砥粒を含有していてもよい。砥石層は、第１硬度以上の第２硬度の第２砥粒を含有していてもよい。この場合、応力緩和層が砥石層と比較して磨滅しやすくなるため、加工の進行に伴う砥石と加工対象部材との接触面積の増加による引張応力の増加及びそれに伴う砥石の折損、欠損をさらに抑制することができる。

上記の超仕上げ砥石において、応力緩和層中における砥粒の含有量は、砥石層中における砥粒の含有量よりも少なくてもよい。この場合には、応力緩和層が砥石層と比較して磨滅しやすくなるため、加工の進行に伴う砥石と加工対象部材との接触面積の増加による引張応力の増加及びそれに伴う砥石の折損、欠損をさらに抑制することができる。

上記の超仕上げ砥石において、砥石保持層は、第１厚さを有していてもよい。応力緩和層は、第２厚さを有していてもよい。砥石層は、第３厚さを有していてもよい。第３厚さの第１厚さ、第２厚さ及び第３厚さの合計に対する比率は、４０パーセント以上６０パーセント以下であってもよい。

砥石層が薄くなると砥石層に欠損、折損が生じやすくなる。しかしながら、上記の超仕上げ砥石は、砥石保持層及び応力緩和層の存在により、砥石層が相対的に薄くなっても加工の進行に伴う砥石と加工対象部材との接触面積の増加による引張応力の増加及びそれによる砥石の折損、欠損を抑制することができる。砥石層が相対的に薄くなると、シリンダによる砥石への押圧力を下げたとしても、加工時の砥石層における面圧を確保することができるため、シリンダ等を小型化することができる。シリンダの小型化は、シリンダを駆動するエアの消費量の低減につながる。また、シリンダの小型化は、砥石を保持する揺動ヘッドの慣性モーメントの低減につながるため、揺動ヘッドの過剰な揺れの発生を抑制することができる。

本発明の一態様に係る研削装置は、上記の超仕上げ砥石と、中心軸周りに回転するリング状の加工対象部材の外周面に付勢するように超仕上げ砥石を保持する揺動ヘッドとを備える。揺動ヘッドは、砥石保持層が外周面に接触した後に砥石層が外周面に接触し、かつ砥石層が外周面に接触した後に応力緩和層が外周面に接触するように超仕上げ砥石を保持する。

本発明の一態様に係る研削装置においては、砥石保持層が砥石層よりも先に加工対象部材の外周面と接触する。そのため、加工対象部材の表面に付着した切粉が砥石層と加工対象部材の外周面との間に入り込む前に、砥石保持層により遮断される。そのため、この場合には、加工対象部材の表面に付着した切粉が加工箇所付近に入り込むことをさらに抑制することができる。

加工の進行に伴う砥石と加工対象部材との接触面積の増加による引張応力の増加及びそれに伴う砥石の折損、欠損を抑制することができる。

実施形態に係る超仕上げ砥石１０の上面図である。図１のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。実施形態に係る研削装置１００の正面図である。加工対象部材の上面図である。図４のＶ－Ｖにおける断面図である。

本発明の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の符号を付し、重複する説明は繰り返さない。

（実施形態に係る超仕上げ砥石の構成）
以下に、実施形態に係る超仕上げ砥石１０の構成を説明する。

図１は、実施形態に係る超仕上げ砥石１０の上面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩにおける断面図である。図１及び図２に示されるように、超仕上げ砥石１０は、柱状の形状を有している。なお、超仕上げ砥石１０の長手方向は、第１方向ＤＲ１として図１中に示されている。

超仕上げ砥石１０は、上面１０ａと、底面１０ｂとを有している。底面１０ｂは、上面１０ａの反対面である。超仕上げ砥石１０は、第１側面１０ｃと、第２側面１０ｄとを有している。第１側面１０ｃ及び第２側面１０ｄは、第１方向ＤＲ１と直交する方向において、互いに対向している。なお、以下においては、第１方向ＤＲ１と直交する方向を第２方向ＤＲ２とする。第２方向ＤＲ２は、超仕上げ砥石１０の幅方向である。

超仕上げ砥石１０は、第３側面１０ｅと、第４側面１０ｆとを有している。第３側面１０ｅは、第１方向ＤＲ１における超仕上げ砥石１０の一方端に配置されている。第３側面１０ｅは、円筒面により構成されていることが好ましい。第４側面１０ｆは、第１方向ＤＲ１における超仕上げ砥石１０の他方端に配置されている。

図２に示されるように、超仕上げ砥石１０は、砥石保持層１１と、応力緩和層１２と、砥石層１３とを有している。砥石層１３は、砥石保持層１１と応力緩和層１２とにより挟み込まれている。砥石保持層１１は、上面１０ａに配置されており、応力緩和層１２は、底面１０ｂに配置されている。

砥石保持層１１は、第１厚さＴ１を有している。第１厚さＴ１は、第１方向ＤＲ１及び第２方向ＤＲ２に直交する第３方向ＤＲ３における砥石保持層１１の厚さである。応力緩和層１２は、第２厚さＴ２を有している。第２厚さＴ２は、第３方向ＤＲ３における応力緩和層１２の厚さである。砥石層１３は、第３厚さＴ３を有している。第３厚さＴ３は、第３方向における砥石層１３の厚さである。

第３厚さＴ３の第１厚さＴ１、第２厚さＴ２及び第３厚さＴ３の合計に対する比率は、４０パーセント以上６０パーセント以下であることが好ましい。すなわち、第３厚さＴ３を第１厚さＴ１、第２厚さＴ２及び第３厚さＴ３の合計で除した値は、０．４以上０．６以下であることが好ましい。

砥石保持層１１のヤング率は、砥石層１３のヤング率よりも小さい。このことを別の観点からいえば、応力緩和層１２は、砥石層１３よりも相対的に変形しやすい。砥石保持層１１の強度は、砥石層１３の強度よりも高いことが好ましい。砥石保持層１１の強度と砥石層１３の強度との大小関係は、３点曲げ試験機により測定することができる。

砥石保持層１１は、砥石層１３よりも可撓性のある材料で構成されていることが好ましい。砥石保持層１１は、樹脂材料により構成されていることが好ましい。砥石保持層１１は、例えば、合成樹脂材料により構成されている。砥石保持層１１に用いられる樹脂材料は、例えば、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂である。砥石保持層１１に用いられる樹脂材料は、好ましくは、フェノール樹脂である。

応力緩和層１２の耐摩耗性は、砥石層１３の耐摩耗性以下であることが好ましい。応力緩和層１２の耐摩耗性及び砥石層１３の耐摩耗性の大小関係は、一定の粗さを有する材料を用いて応力緩和層１２及び砥石層１３を研磨し、その際の摩耗量を評価することにより決定することができる。

応力緩和層１２は、第１砥粒を含有していてもよい。砥石層１３は、第２砥粒を有していてもよい。なお、砥石層１３は、上記の第２砥粒に加え、結合剤を含んでいる。第１砥粒の硬度は、第１硬度である。第２砥粒の硬度は、第２硬度である。第２硬度は、第１硬度以上であることが好ましい。第１硬度及び第２硬度は、例えば、ヌープ硬度計により測定することができる。第１硬度及び第２硬度は、ビッカース硬度計により測定されてもよい。

第２砥粒は、例えば白色酸化アルミニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素、緑色炭化ケイ素、ＣＢＮ（Cubic Boron Nitride、立方晶窒化ホウ素）、ダイヤモンド等により構成されている砥粒である。

応力緩和層１２は、砥粒を含んでいなくてもよい。すなわち、応力緩和層１２は、結合剤のみで構成されていてもよい。応力緩和層１２は、例えば、ゴム、樹脂材料等により構成されていてもよい。

応力緩和層１２中における砥粒の含有量は、砥石層１３中における砥粒の含有量よりも少ないことが好ましい。応力緩和層１２中における砥粒の含有量（砥石層１３中における砥石の含有量）は、断面視において、応力緩和層１２（砥石層１３）に含まれる砥石の面積比率を画像処理で算出することにより測定される。なお、「応力緩和層１２中における砥粒の含有量が砥石層１３中における砥粒の含有量よりも少ない」には、応力緩和層１２中に砥粒が含まれておらず、砥石層１３中に砥粒が含まれている場合も含む。

（実施形態に係る超仕上げ砥石１０の製造方法）
実施形態に係る超仕上げ砥石１０の製造においては、第１に、砥石保持層１１、応力緩和層１２及び砥石層１３が、それぞれ別個に作製される。第２に、砥石保持層１１、応力緩和層１２及び砥石層１３は、それぞれ、所定の大きさに仕上げられるとともに、相互に貼り合わせられる。なお、応力緩和層１２と砥石層１３が同じ材料のボンドからなる場合は、これらの２層を同時に成形するとともに所定の大きさに仕上げられるとともに、砥石保持層１１に接着されてもよい。さらに、砥石保持層１１、応力緩和層１２及び砥石層１３が同種のボンドからなる場合は、これらの３層を同時成形することも可能である。第３に、貼り合わせられた砥石保持層１１、応力緩和層１２及び砥石層１３は、必要とされる寸法に応じて切断されるとともに、仕上げが行われる。

（実施形態に係る研削装置１００の構成）
以下に、実施形態に係る研削装置１００の構成を説明する。

図３は、実施形態に係る研削装置１００の正面図である。図３に示すように、研削装置１００は、超仕上げ砥石１０と、揺動ヘッド２０と、バッキングプレート３０と、クランプロール４０とを有している。

揺動ヘッド２０は、本体部２１と、砥石保持部２２とを有している。なお、図３中において図示されていないが、揺動ヘッド２０は、シリンダを有している。本体部２１は、中心軸２１ａ周りに回転可能に構成されている。砥石保持部２２は、本体部２１の外周から中心軸２１ａの方向に沿って延在している。砥石保持部２２の先端部には、超仕上げ砥石１０が保持されている。

シリンダは、超仕上げ砥石１０を、加工対象部材の外周面（後述する内輪５０の外周面５０ｄ）に向かって付勢する。砥石保持部２２に保持されている超仕上げ砥石１０は、本体部２１を中心軸２１ａ周りに回転させることにより、中心軸２１ａに直交する面内において揺動する。

図４は、加工対象部材の上面図である。図５は、図４のＶ－Ｖにおける断面図である。図４及び図５に示すように、加工対象部材は、リング状の部材である。例えば、加工対象部材は、深溝玉軸受の内輪５０である。以下においては、内輪５０を、加工対象部材の例として説明する。内輪５０は、上面５０ａと、底面５０ｂと、内周面５０ｃと、外周面５０ｄと、中心軸５０ｅとを有している。

上面５０ａ及び底面５０ｂは、中心軸５０ｅの方向における端面を構成している。底面５０ｂは、上面５０ａの反対面である。内周面５０ｃ及び外周面５０ｄは、上面５０ａ及び底面５０ｂに連なっている。内周面５０ｃは、外周面５０ｄよりも、中心軸５０ｅとの距離が近くなっている。外周面５０ｄには、軌道溝が形成されている。

内輪５０は、バッキングプレート３０及びクランプロール４０に挟み込まれることにより、固定されている。バッキングプレート３０は、内輪５０を、中心軸５０ｅ周りに回転させるように構成されている。

超仕上げ砥石１０は、上面１０ａが図中において上方を向くように、砥石保持部２２に保持されている。内輪５０は、図中において反時計回りに回転することが好ましい。すなわち、超仕上げ砥石１０は、上面１０ａ側が底面１０ｂ側よりも先に内輪５０の外周面５０ｄに接触するように、揺動ヘッド２０（砥石保持部２２）に保持されていることが好ましい。このことを別の観点からいえば、超仕上げ砥石１０は、第１に砥石保持層１１が内輪５０の外周面５０ｄに接触し、第２に砥石層１３が内輪５０の外周面５０ｄに接触し、第３に応力緩和層１２が内輪５０の外周面５０ｄに接触するように、揺動ヘッド２０（砥石保持部２２）に保持されていることが好ましい。

（実施形態に係る超仕上げ砥石１０及び研削装置１００の効果）
以下に、実施形態に係る超仕上げ砥石１０の効果を説明する。

超仕上げ砥石１０においては、砥石層１３が砥石保持層１１及び応力緩和層１２により補強されるため、砥石の折損、欠損を抑制することができる。

超仕上げ砥石１０において、砥石保持層１１が砥石層１３よりもヤング率が小さい場合には、超仕上げ砥石１０が加工対象部材に付勢された際に、砥石保持層１１が変形して加工対象部材の表面に密着しやすい。その結果、超仕上げ砥石１０は、加工対象部材の表面に付着した切粉が加工対象部材の回転に伴って加工箇所付近に戻ってきた際に、加工箇所付近に入り込むことを抑制することができる。

砥石保持層１１は、砥石層１３よりも強度が高い場合、砥石層１３は、砥石保持層１１によりさらに補強される。応力緩和層１２の耐摩耗性が砥石層１３よりも耐摩耗性が低い場合、超仕上げ加工を行う際に応力緩和層１２の磨滅が進行しやすくなることにより、超仕上げ加工の進行に伴う加工対象部材との接触面積の増加及びそれに基づく引張応力の増加が生じにくくなる。したがって、この場合には、砥石の折損、欠損をさらに抑制することができる。

なお、超仕上げ砥石１０においては、応力緩和層１２は、加工対象部材との接触により削り出される際に、加工対象部材から発生した切粉を巻き込みながら排出されるため、超仕上げ砥石１０によると、切粉の除去を促進することができる。

超仕上げ砥石１０において、砥石保持層１１が樹脂材料のように可撓性がある材料により構成されている場合には、砥石保持層１１がさらに加工対象部材の表面に密着しやすくなる。そのため、この場合には、加工対象部材の表面に付着した切粉が加工対象部材の回転に伴って加工箇所付近に戻ってきた際に加工箇所付近に入り込むことをさらに抑制することができる。

超仕上げ砥石１０において、応力緩和層１２が第１硬度の第１砥粒を含有し、砥石層１３が第１硬度以上の第２硬度の第２砥粒を含有している場合には、応力緩和層１２が砥石層１３と比較して磨滅しやすくなるため、加工の進行に伴う砥石と加工対象部材との接触面積の増加による引張応力の増加及びそれに伴う砥石の折損、欠損を抑制することができる。

超仕上げ砥石１０において、応力緩和層１２中における砥粒の含有量は、砥石層１３中における砥粒の含有量よりも小さくてもよい。この場合には、応力緩和層１２が砥石層１３と比較して磨滅しやすくなるため、加工の進行に伴う砥石と加工対象部材との接触面積の増加による引張応力の増加及びそれに伴う砥石の折損、欠損を抑制することができる。

超仕上げ砥石１０において、第３厚さＴ３の第１厚さＴ１、第２厚さＴ２及び第３厚さＴ３の合計に対する比率が４０パーセント以上６０パーセント以下である場合には、加工の進行に伴う砥石と加工対象部材との接触面積の増加による引張応力の増加及びそれに伴う砥石の折損、欠損を抑制しつつ、シリンダの小型化を図ることが可能になる。シリンダが小型化されることにより、エアの消費量の低減及び揺動ヘッドの慣性モーメントの低減を行うことができる。

以下に、実施形態に係る研削装置１００の効果を説明する。

研削装置１００においては、砥石保持層１１が砥石層１３よりも先に加工対象部材の外周面と接触する。そのため、加工対象部材の表面に付着した切粉が砥石層１３と加工対象部材の外周面との間に入り込む前に、砥石保持層１１により遮断される。そのため、研削装置１００によると、加工対象部材の表面に付着した切粉が加工箇所付近に入り込むことをさらに抑制することができる。

以上のように本発明の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

上記の実施形態は、超仕上げ砥石及びそれを用いた研削装置に特に有利に適用される。

１０超仕上げ砥石、１０ａ上面、１０ｂ底面、１０ｃ第１側面、１０ｄ第２側面、１０ｅ第３側面、１０ｆ第４側面、１１砥石保持層、１２応力緩和層、１３砥石層、２０揺動ヘッド、２１本体部、２１ａ中心軸、２２砥石保持部、３０バッキングプレート、４０クランプロール、５０内輪、５０ａ上面、５０ｂ底面、５０ｃ内周面、５０ｄ外周面、５０ｅ中心軸、１００研削装置、ＤＲ１第１方向、ＤＲ２第２方向、ＤＲ３第３方向、Ｔ１第１厚さ、Ｔ２第２厚さ、Ｔ３第３厚さ。

Claims

超仕上げ砥石と、
中心軸周りに回転するリング状の加工対象部材の外周面に付勢するように前記超仕上げ砥石を保持する揺動ヘッドとを備え、
前記超仕上げ砥石は、砥石保持層と、応力緩和層と、前記砥石保持層と前記応力緩和層とに挟み込まれる砥石層とを有し、
前記砥石保持層のヤング率は、前記砥石層のヤング率よりも小さく、
前記砥石保持層は、樹脂材料で構成されており、
前記応力緩和層は、第１硬度の第１砥粒を含有し、
前記砥石層は、前記第１硬度以上の第２硬度の第２砥粒を含有し、
前記応力緩和層中における前記第１砥粒の含有量は、前記砥石層中における前記第２砥粒の含有量よりも少なく、
前記揺動ヘッドは、前記砥石保持層が前記外周面に接触した後に前記砥石層が前記外周面に接触し、かつ前記砥石層が前記外周面に接触した後に前記応力緩和層が前記外周面に接触するように前記超仕上げ砥石を保持する、研削装置。
前記応力緩和層の耐摩耗性は、前記砥石層の耐摩耗性以下である、請求項１に記載の研削装置。
前記砥石保持層は、第１厚さを有し、
前記応力緩和層は、第２厚さを有し、
前記砥石層は、第３厚さを有し、
前記第３厚さの前記第１厚さ、前記第２厚さ及び前記第３厚さの合計に対する比率は４０パーセント以上６０パーセント以下である、請求項１又は請求項２に記載の研削装置。