JPH11267954A

JPH11267954A - 研削加工法

Info

Publication number: JPH11267954A
Application number: JP9228598A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Ishikawa; 憲一石川; Hirofumi Yamada; 弘文山田
Original assignee: Muratani Machine Manufacture Co Ltd
Current assignee: Muratani Machine Manufacture Co Ltd
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 1999-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】砥石車を高速回転して工作物を研削する加工
法、特にアルミナ系砥石で鉄鋼材料を研削する方法に関
し、砥粒切れ刃の切れ味を長く維持することができ、仕
上げ面の粗さや加工能率を向上できる研削加工法を提供
する。【解決手段】アルミナ系砥石を用いる研削において、
非酸化性ガス雰囲気中で鉄鋼材料を研削することによ
り、上記課題を解決した。非酸化性ガスとして、アルゴ
ンガス又は窒素ガスを用いた場合について試験を行い、
上記課題が解決されることを確認した。酸素が存在しな
い雰囲気中で研削加工をすれば、研削点では工作物Ｆｅ
と砥粒切れ刃（Ａｌ₂Ｏ₃）のみの接触となり、中間体
ＦｅＯの生成を抑制できるから、複酸化物ＦｅＡｌ₂Ｏ
₄の生成を回避でき、砥粒切れ刃の摩耗を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、砥石車を高速回転
させて工作物を研削する研削加工法、特にアルミナ系砥
粒を有する砥石で鉄鋼材料を研削する方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】研削加工法は、高精度、高品質の加工が
可能であり、通常の加工工程での最終機械加工法として
多用されている。一方、研削加工法は、ラッピングや超
仕上げ加工法と対比すると、工作物に熱的な変形を生ず
ること、加工変質層が大きいこと、工作物表面が熱的損
傷を受けること、廃棄される多量の研削液によって公害
を発生すること等の問題が指摘されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、研削加工法は
ラッピングや超仕上げ加工法に比べて数倍の加工能率を
持つため、上記の欠点の幾つかを改善すれば効果的な最
終加工法となる可能性が大きい。また、研削液を使用し
ないですめば、公害の発生も回避できる。

【０００４】本発明は、従来の研削加工法の上記問題を
解決することを課題としており、砥粒切れ刃の切れ味を
良好な状態に長く維持することができ、仕上げ面の粗さ
や加工能率を向上させることができる研削加工法を提供
するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明では、アルミナ
系砥石を用いる研削において、非酸化性ガス雰囲気中で
鉄鋼材料を研削することにより、上記課題を解決しよう
とするものである。非酸化性ガスとして、アルゴンガス
又は窒素ガスを用いた場合について、試験を行い、上記
課題が解決されることを確認した。

【０００６】

【作用】研削加工は、高圧高温下での材料除去作用及び
摩擦作用としてモデル化できる。研削に影響を与える雰
囲気としては、研削点の温度ならびに空気の有無を考え
る必要がある。温度雰囲気については、研削点温度は乾
式、湿式いずれの場合もほぼ等しく、通常の方法では制
御不可能と考えられる。

【０００７】砥石車を高速回転させて鉄鋼材料を研削加
工したときに砥石が摩耗するのは、砥粒切れ刃Ａｌ₂Ｏ
₃と鉄Ｆｅとが反応して複酸化物ＦｅＡｌ₂Ｏ₄を生成
して摩耗するためである。上記反応は段階的に起こって
いると推測され、まず、研削点付近で鉄が酸化してＦｅ
＋1/2 Ｏ₂→ＦｅＯとなり、中間体ＦｅＯが砥粒切れ刃
と反応して複酸化物ＦｅＡｌ₂Ｏ₄を生成するものと推
測される。従来の研削加工は大気中で行われており、研
削点での中間体ＦｅＯの生成には大気中の酸素が関与し
ていると推測される。複酸化物の生成により砥粒切れ刃
が摩耗すると、工作物の表面を切れ味の悪い刃物で削り
取ったような状態となり、仕上げ粗さに悪影響を与え
る。

【０００８】このような知見から、本発明者は、酸素が
存在しない研削雰囲気中で研削加工をすれば、研削点で
は工作物Ｆｅと砥粒切れ刃（Ａｌ₂Ｏ₃）のみの接触と
なり、中間体ＦｅＯの生成を抑制できるから、複酸化物
ＦｅＡｌ₂Ｏ₄の生成を回避でき、砥粒切れ刃の摩耗を
防止できると考え、その推論にもとづく各種試験を行っ
て本願発明を完成した。上記の結果として、砥粒切れ刃
の切れ味を良好に維持できることから、研削加工の仕上
面粗さや加工能率等を向上させることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１ないし図４は本発明の第１実
施例を示したものである。研削装置は、砥石車１が回転
自在に装着された研削部２と研削部を非酸化性ガス雰囲
気下に維持するシールド部３とを備えている。研削部２
は研削抵抗を測定できる測定装置４を設けた工作物保持
体５を備えており、工作物保持体５の基端はレール６に
摺動自在に装着されたスライダ７に固着されている。工
作物保持体５の先端に取り付けた工作物（鋼材）８を砥
石車１に押し付けて研削する。押し付け力は滑車１１、
１２を介した錘１３によって与えられる。

【００１０】測定装置４は、工作物保持体５に連結した
銅板にこれと平行な歪みゲージを接着し、その上から湿
気防止のためのロウを塗布したものである。歪みゲージ
は、接線方向及び法線方向の平行板バネ２枚にそれぞれ
取り付け、２ゲージ法を用いてブリッジボックスに接続
した。歪みゲージとコードの間にターミナルを設けて、
コードに微妙な力が加わったときに歪みゲージが破損す
るのを防止した。歪みゲージの抵抗の変化による出力変
化、すなわち研削抵抗の変化は、アンプを通してペン書
きオシロスコープにより記録した。ペン書きオシロスコ
ープの使用レンジはそれぞれ２Ｖ／ｃｍ、１Ｖ／ｃｍで
ある。

【００１１】シールド部３は、アルゴンガスや窒素ガス
等の非酸化性ガス雰囲気下で研削加工を行うための空間
を形成するもので、所定形状に加工したアクリル製の透
明板１５及びコンパネ板製の遮蔽板１６を接着剤及びね
じで固定して直方体の箱を形成し、すみ肉部にシリコン
ゴムを流し込んで完全密封して不活性ガス雰囲気を保持
できるようにしてある。なお、アルゴンガスは、窒素ガ
スと異なり、空気より重いため、注入口を雰囲気制御装
置の下方に取り付け、排出口は上方に取り付けた。

【００１２】次に上記装置による研削加工を説明する。
工作物は、焼入れを行ったＳＫ−３を４×８×４０ｍｍ
の角形に加工して、砥石車との接触面の摩耗の均一化を
図った。工作物の硬度をビッカーズ硬さ試験機で測定し
たところ、ｄ（μｍ）の平均値は２３０．３であり、Ｈ
Ｖ（Ｇｐａ）は３．４３である。研削砥石としては、Ｐ
Ａ４６Ｊ７Ｖ（Ａｌ₂Ｏ₃系砥石）を用い、押し付け荷
重を１８、２１、２８Ｎとした場合について、それぞれ
研削速度を６３０、７９０、９４０、１１３０、１５７
０ｍ／ｍｉｎとして研削加工を行った。研削雰囲気は、
大気中、アルゴンガス中（Ｏ₂分圧は１０^-3ａｔｍ。純
度は９９．９９９％）、窒素ガス中である。研削加工前
に行うドレッシングには、ダイヤモンド単石ドレッサ
ー、１２０°円錐を用い、送り速度５ｃｍ／ｍｉｎ、切
込み後スパークアウトで行った。研削加工においては、
工作物８の温度上昇を防ぐために水道水を用い、加工部
分に水道水がかからないようにカラー１４を設けた。

【００１３】研削雰囲気については、大気中ではそのま
ま加工し、アルゴンガス中及び窒素ガス中ではシールド
部３にアルゴンガスボンベ又は窒素ガスボンベよりレギ
ュレータを通して、アルゴンガス又は窒素ガスを装置下
部から注入・与圧した。アルゴンガスの場合は上方の排
出口から余気を外へ排出し、窒素ガスの場合は下方の排
出口から排出して、装置内がアルゴンガス又は窒素ガス
で完全に置換された状態で研削加工を開始した。モータ
を駆動してスピンドルを介して砥石を回転させ、工作物
保持体５を一定の荷重（錘）で引っ張り、工作物を側方
から垂直に砥石車に押し付けた。研削加工時間は約２０
秒間で、加工前にドレッシングを行っている。上記装置
で加工した工作物を以下の評価基準ａ〜ｅに基づき評価
した。

【００１４】ａ．研削抵抗について研削抵抗の測定方向は、接線方向と法線方向であり、図
２の上側の出力が法線研削抵抗Ｆｎ、下側の出力が接線
研削抵抗Ｆｔを表す。接線研削抵抗は研削を始めて約５
〜１０秒間に初期摩耗が生じ、その後安定した研削が続
き、そのまま続けるとびびりが生じた。図３は各雰囲気
下での研削抵抗の変化を示したものであり、砥石回転数
１８００ｒ．ｐ．ｍ．、黒丸は大気中、白丸はアルゴン
ガス中、黒四角は窒素ガス中で研削したときの値であ
る。押し付け荷重と研削抵抗の関係は、押し付け荷重が
大きくなるほど法線研削抵抗Ｆｎ、接線研削抵抗Ｆｔと
も大きくなっており、この傾向は大気中、アルゴンガス
中及び窒素ガス中に関わらず同じである。また、各雰囲
気下での研削抵抗を比較すると、アルゴンガス中の方が
大気中よりも研削抵抗が大きくなっている。これはアル
ゴンガス中の方が砥粒を摩耗させずに、より効率よく工
作物を研削しているものと思われる。また、大気中より
窒素中の方が研削抵抗が大きくなっている。これは窒素
中の方が砥粒を摩耗させずにより効率よく工作物を研削
したものと思われる。図４は各雰囲気下での２分力比を
比較したものであり、砥石回転数２５００ｒ．ｐ．
ｍ．、黒丸は大気中、白丸はアルゴンガス中、黒四角は
窒素ガス中で研削したときの値である。２分力比とは接
線研削抵抗を法線研削抵抗で除したものであり、同図よ
り大気中、アルゴンガス中、窒素中の順で２分力比が大
きくなっている。これは同じ荷重に対して研削抵抗が順
に大きくなっていることを示している。

【００１５】ｂ．研削比について研削比は加工量を砥石の摩耗量で除した数値で、空気中
に比べてアルゴンガス中が１．５倍程度良いことが分か
る。すなわち、アルゴンガス中の方があまり砥石を減ら
さずに工作物を加工できることを意味する。窒素ガス中
での切削比は測定していない。

【００１６】ｃ．仕上げ面粗さについて仕上げ面粗さは、大気中がＲａ＝１．２μｍ、アルゴン
ガス中がＲａ＝１．５μｍ、窒素中ではＲａ＝１．７μ
ｍであった。大気中では切れ刃の逃げ面摩耗が大きいた
め仕上げ面粗さが向上したものと思われる。

【００１７】ｄ．切れ刃の摩耗状況研削加工後の表面を撮影した写真を比較したところ、窒
素中の方が大気中、アルゴンガス中よりも仕上げ面粗さ
が粗いということが分かった。これは、窒素中、アルゴ
ンガス中では、空気中に比べて砥粒があまり摩耗せずに
確実に工作物を削っているためであると思われる。ま
た、空気中では逃げ面摩耗が大きく、アルゴンガス中で
は摩耗が少ないことが分かる。

【００１８】ｅ．切り屑形状大気中で排出された切屑は溶融型の切屑が混在してお
り、アルゴンガス中及び窒素ガス中での切屑は流れ型の
切屑となっている。ここで砥粒切れ刃の切削状態をみる
と、大気中では砥粒切れ刃が摩耗し逃げ面が拡大されて
切れ味が低下するため局部的な発熱があり、切屑は鋼の
融点付近の温度にまで加熱されているものと考えられ
る。一方、アルゴンガス中では切れ刃の摩耗が少なく、
従って逃げ面の拡大も少ないばかりでなく切れ味も持続
するため、あたかもバイト切削において発生する切屑と
同じ形状のものが得られると考えられる。

【００１９】以上の第１実施例の研削加工法では、以下
に示すような事柄が明らかとなった。（１）Ａｌ₂Ｏ₃系砥石で切れ味を持続させて鉄鋼材料
を研削するには、アルゴンガス雰囲気中で実施するほう
が良い。（２）アルゴンガス中では、流れ型切屑を排出する良好
な研削状態が持続する。（３）窒素中では、アルゴンガス中と同じような流れ型
の切屑が排出され、良好な研削状態が持続する。

【００２０】図５ないし図８は本発明の第２実施例を示
したものである。研削装置のシールド部３は、拡大砥石
カバー３とその下方の図示しない密閉用タンクからな
る。密閉用タンクには、粘度の高いオイルが満たされて
おり、砥石車１を下げると拡大砥石カバー３がタンク内
に漬かり、拡大砥石カバー内が密閉状態になる。アルゴ
ンガスは拡大砥石カバー上部から注入する。ベッド１７
の上には図示しないモータによって水平方向に往復動す
るテーブル１８が配置され、テーブルの上面に工作物８
が固定される。砥石車１は下動して工作物を研削する。

【００２１】本実施例では、研削抵抗の変化を測定する
測定装置として八角リング動力計を使用した。八角リン
グ動力計は、研削力に対応する数百μｍ程度のリングの
弾性変位を、これに貼付した歪みゲージの抵抗変化から
検出する受動的動力計で、一般に剛性が低い。電磁チャ
ックに八角リング動力計を取り付け、その動力計に歪み
ゲージを接着して、湿気防止のためにロウ封印を行っ
た。また砥石車１の回転数を一定にするためにインバー
タを使用した。

【００２２】研削加工に際して、接線方向は９．８、１
９．６、２９．４Ｎで、法線方向は１３．０、３２．
４、４５．３Ｎの荷重で、八角リング動力計に一定の力
で押し付け、ペン書きオシロスコープの出力との関係を
求めた。ペン書きオシロスコープの使用レンジは、接線
方向が１００ｍＶ／ｃｍ、法線方向が２００ｍＶ／ｃｍ
である。研削条件は、研削速度１５７０ｍ／ｍｉｎで、
切込み量を２、４、５、６、８、１０μｍとし、テーブ
ル送り速度は６．５ｍ／ｍｉｎとした。研削雰囲気は大
気中及びアルゴンガス中（Ｏ₂：１０^-3ａｔｍ。純度９
９．９９９％）であり、ドレッシングはダイヤモンド単
石ドレッサー、１２０°円錐である。

【００２３】研削雰囲気については、大気中ではそのま
ま加工し、アルゴンガス中では砥石カバーをオイルの入
った密閉用タンクに浸し、密閉状態でアルゴンガスを注
入・与圧し、排出口から余気を外へ排出して装置内がア
ルゴンガスで満たされた時点で加工を開始した。砥石の
回転数は簡易インバータで制御して一定の回転数を保つ
ようにした。テーブル１８は油圧を用いて左右に動か
し、切込みを入れてプランジカット研削をする。その時
の研削抵抗を測定するために八角リング動力計を用い、
歪みゲージの抵抗の変化を動歪計を通しペン書きオシロ
スコープで記録した。

【００２４】ａ．研削抵抗図６は切込み量２、４、６、８及び１０μｍで研削した
ときの切込み抵抗を示すグラフであり、白丸が大気中、
黒丸がアルゴンガス中での法線研削抵抗及び接線研削抵
抗である。アルゴンガス中で切込み２μｍずつ研削する
と、切込み量と研削抵抗とが比例する。図７は切込み量
５μｍで切込み回数を０〜１１０回研削したときのもの
であり、白丸が大気中、黒丸がアルゴンガス中で研削し
たときの法線研削抵抗及び接線研削抵抗である。切込み
回数が増すにつれ抵抗が上昇する。

【００２５】ｂ．研削比各雰囲気における研削比は、アルゴンガスの方が２．５
倍程度良かった。これはアルゴンガス中の方が砥石を減
らさずに工作物を研削できることを示している。研削条
件は、砥石回転数２５００ｒ．ｐ．ｍ．、切込み量５μ
ｍで１１０回である。これを定圧研削（第１実施例）に
おける研削比と比べると、定切込み研削の場合の方が約
５割程度高い研削比を示している、定切込み研削におけ
る加工能率が高いことが分かる。研削後得られた仕上げ
面粗さを考慮すると定切込み研削では、砥石切込み量と
ほぼ等しい程度の工作物除去が行われ（研削抵抗も高
い）るのに対し、定圧研削では、砥粒切れ刃の切れ味が
良いため研削開始後まもなく砥石前面での研削状態が生
起し、砥粒切込みに必要な最小限押し付け荷重（臨界押
し付け荷重）に達するため、砥粒切れ刃が上滑りし加工
量が低下するためと考えられる。

【００２６】ｃ．仕上げ面粗さ表１に示した大気中及びアルゴンガス中における仕上げ
面粗さを比較すると、切込みを増すにつれて表面粗さが
粗くなっていることが分かる。また大気中とアルゴンガ
ス中を比べると、大気中の方が仕上げ面粗さが良い。こ
れはアルゴンガス中に比べ切れ刃の逃げ面摩擦が大きい
ためであると思われる。研削条件は砥石回転数２５００
ｒ．ｐ．ｍ、切込み量５μｍでプランジカット研削した
ものである。

【００２７】

【表１】

【００２８】以上の第２実施例の加工方法では、（１）Ａｌ₂Ｏ₃系砥石で鉄鋼材料を研削するために
は、アルゴンガス中で実施するほうが良い。（２）定圧研削での試験結果によれば、アルゴンガス中
で鋼を研削すれば砥粒切れ刃の摩耗も少なく研削能率も
高い。（３）アルゴンガス中の研削では流れ形の切屑が得られ
るが、仕上げ面粗さは大気中のそれよりも劣る。（４）試験では部分的な密閉方式の研削盤を試作した
が、加工装置の主要部分を完全密閉し、自動化する方が
好ましいと考える。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の研削装置の斜視図

【図２】接線研削抵抗及び法線研削抵抗を示すグラフ

【図３】荷重に対する接線研削抵抗及び法線研削抵抗を
示すグラフ

【図４】２分力比の比較図

【図５】第２の研削装置の斜視図

【図６】切込み量に対する接線研削抵抗及び法線研削抵
抗を示すグラフ

【図７】切込み回数に対する接線研削抵抗及び法線研削
抵抗を示すグラフ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石川憲一石川県金沢市額新保３丁目272−５ (72)発明者山田弘文石川県金沢市光が丘２丁目236番地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミナ系砥石を用いて鉄鋼材料を研削
する研削加工法において、非酸化性ガス雰囲気中で研削
することを特徴とする、研削加工法。
【請求項２】非酸化性ガスがアルゴンガスである、請
求項１記載の研削加工法。
【請求項３】非酸化性ガスが窒素ガスである、請求項
１記載の研削加工法。