JP7310708B2

JP7310708B2 - 複合砥石及びそれを備えた研削装置

Info

Publication number: JP7310708B2
Application number: JP2020088230A
Authority: JP
Inventors: 智也須永
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2023-07-19
Anticipated expiration: 2040-05-20
Also published as: CN113714893A; JP2021181147A; US20210362299A1; CN113714893B

Description

本発明は、複合砥石及びそれを備えた研削装置に関する。

特許文献１は、ウォーム砥石車を使用して歯車ワークピースを創成研削する技術を開示している。

特開２０１９－１８１６８８号公報

ところで、研削砥石の外周面を加工対象物に接触させることで加工対象物の被加工面を研削加工するに際し、図１に示すように、異なる研削砥石を軸方向で結合させた複合砥石１００が用いられることがある。

複合砥石１００は、典型的には、ビトリファイド砥石１０１と弾性砥石１０２が軸方向で接着して構成される。図１には、ビトリファイド砥石１０１と弾性砥石１０２の接着領域Ｐを示している。ビトリファイド砥石１０１は被加工面を粗研及び精研するものであり、弾性砥石１０２は被加工面を鏡面加工するものである。加工対象物は、まず、ビトリファイド砥石１０１の外周面に接触して粗研及び精研され、次いで、弾性砥石１０２の外周面に接触して鏡面加工される。このように異なる研削砥石を組み合わせることで、研削加工の高い生産性が得られる。

しかしながら、弾性砥石１０２のヤング率は、ビトリファイド砥石１０１のヤング率よりも低い。また、弾性砥石１０２の密度は、ビトリファイド砥石１０１の密度よりも小さい。従って、図２に示すように、複合砥石１００を回転させることで発生する遠心力により、弾性砥石１０２は、ビトリファイド砥石１０１よりも径方向外方に大きく（約１０倍）伸び易い。そして、この弾性砥石１０２の径方向外方への伸びに起因してビトリファイド砥石１０１には、ビトリファイド砥石１０１が単独で研削砥石を構成する場合と比較して径方向外方に大きな引張応力が発生することになる。

図３に示すように、ビトリファイド砥石１０１に許容される引張応力には当然に上限が定められており、この上限を厳守しようとすると、ビトリファイド砥石１０１が単独で研削砥石を構成する場合と比較して複合砥石１００の回転数を意図的に落とす必要があった。図３の例では、ビトリファイド砥石１０１が単独で研削砥石を構成する場合に許容される最高の回転数はｎ１であり、複合砥石１００に許容される最高の回転数はｎ２である。なお、回転数は生産性に直結するパラメータとされる。

本発明の目的は、ヤング率が異なる研削砥石を軸方向に並べて結合させた複合砥石に許容される回転数を高める技術を提供することにある。

本願発明の観点によれば、円筒状の第１研削砥石と、前記第１研削砥石に対して前記第１研削砥石の軸方向に隣接するように配置され、前記第１研削砥石のヤング率よりも高いヤング率を有し、前記第１研削砥石の外径と同じ外径を有する、円筒状の第２研削砥石と、前記第１研削砥石の内周面に取り付けられ、前記第１研削砥石のヤング率よりも高いヤング率を有するスリーブと、を含み、前記第２研削砥石は、前記スリーブに取り付けられている、複合砥石が提供される。以上の構成によれば、ヤング率が異なる研削砥石を軸方向に並べて結合させた複合砥石に許容される回転数が高まる。
好ましくは、前記スリーブの内径は、前記第２研削砥石の内径と等しい。以上の構成によれば、複合砥石１の内周面が軸方向でストレート面となる。
好ましくは、前記第２研削砥石は、前記スリーブの軸端面に取り付けられている。以上の構成によれば、前記複合砥石の製造が容易となる。
好ましくは、前記第１研削砥石の軸方向における寸法と、前記スリーブの軸方向における寸法は等しい。以上の構成によれば、前記複合砥石の構造が簡素化される。
好ましくは、前記スリーブは、前記第１研削砥石の径方向内方に配置される第１スリーブ部と、前記第２研削砥石の径方向内方に配置される第２スリーブ部と、を含み、前記第１スリーブ部の外径は、前記第２スリーブ部の外径よりも大きく、前記第１スリーブ部の内径は、前記第２スリーブ部の内径と等しい。以上の構成によれば、軸方向で異径となるスリーブが実現される。
好ましくは、前記第２研削砥石は、前記第２スリーブ部の外周面に取り付けられている。以上の構成によれば、前記複合砥石の製造が容易となる。
好ましくは、前記スリーブのヤング率は、前記第２研削砥石のヤング率よりも高い。以上の構成によれば、前記第２研削砥石に発生する引張応力が低減する。
好ましくは、前記第１研削砥石は、弾性砥石である。
好ましくは、前記第２研削砥石は、ビトリファイド砥石である。
好ましくは、前記スリーブは、前記第１研削砥石に接着されている。
好ましくは、前記スリーブは、前記第２研削砥石に接着されている。
好ましくは、前記第１研削砥石の外周面、及び、前記第２研削砥石の外周面には、歯車研削加工用の螺旋溝が形成されている。以上の構成によれば、前記複合砥石を歯車研削加工用とすることができる。
好ましくは、上記の複合砥石を備えた研削装置が提供される。以上の構成によれば、生産性に優れた研削装置が実現される。

本発明によれば、ヤング率が異なる研削砥石を軸方向に並べて結合させた複合砥石に許容される回転数が高まる。

典型的な複合砥石の断面図である。（比較例）弾性砥石とビトリファイド砥石の伸び量を示すグラフである。（比較例）ビトリファイド砥石と複合砥石の引張応力を示すグラフである。（比較例）複合砥石の一部切り欠き斜視図である。（第１実施形態）複合砥石の断面図である。（第１実施形態）弾性砥石とビトリファイド砥石、スリーブの伸び量を示すグラフである。（第１実施形態）複合砥石の引張応力を示すグラフである。（第１実施形態）弾性砥石の断面図である。（第２実施形態）弾性砥石の断面図である。（第３実施形態）

（第1実施形態）
以下、図４から図７を参照して、第１実施形態を説明する。

図４に示すように、本実施形態の複合砥石１は、中心線Ｃを有する円筒形状であって、中心線Ｃまわりに回転して用いられる研削砥石である。具体的には、複合砥石１の外周面に加工対象物を接触させながら複合砥石１を回転することにより、加工対象物を切削加工する。

複合砥石１は、第１研削砥石としての弾性砥石２と、第２研削砥石としてのビトリファイド砥石３と、スリーブ４と、を含む。

弾性砥石２は、例えばダイヤモンドや酸化アルミニウム、炭化ケイ素などから成る多数の砥粒を、例えばポリビニルアルコールやポリウレタンなどの結合剤で結合したものである。弾性砥石２は、加工対象物を鏡面加工するための研削砥石である。図５に示すように、弾性砥石２は、外周面２ａと内周面２ｂを有し、中心線Ｃを中心軸とする円筒形状に形成されている。弾性砥石２は、更に、２つの軸端面２ｃを有する。２つの軸端面２ｃは、複合砥石１の軸方向に対して直交する端面である。弾性砥石２のヤング率は、例えば、200MPaから5000MPaである。

ビトリファイド砥石３は、弾性砥石２に対して、弾性砥石２の軸方向に隣接するように配置される。ビトリファイド砥石３は、例えばダイヤモンドや酸化アルミニウム、炭化ケイ素などから成る多数の砥粒を、結合剤としてのビトリファイドで結合したものである。ビトリファイド砥石３は、加工対象物を粗研及び精研するための研削砥石である。図５に示すように、ビトリファイド砥石３は、外周面３ａと内周面３ｂを有し、中心線Ｃを中心軸とする円筒形状に形成されている。ビトリファイド砥石３は、更に、２つの軸端面３ｃを有する。２つの軸端面３ｃは、複合砥石１の軸方向に対して直交する端面である。ビトリファイド砥石３のヤング率は、例えば、20GPaから60GPaである。

弾性砥石２とビトリファイド砥石３は、複合砥石１の軸方向で隣接している。即ち、弾性砥石２の２つの軸端面２ｃの一方とビトリファイド砥石３の２つの軸端面３ｃの一方が互いに対向するように面接触しており、しかしながら互いに接着されていない。

複合砥石１の無負荷状態、即ち、複合砥石１が回転していない状態において、弾性砥石２の外径とビトリファイド砥石３の外径は、好ましくは等しい。複合砥石１の無負荷状態、即ち、複合砥石１が回転していない状態において、弾性砥石２の内径は、好ましくはビトリファイド砥石３の内径よりも大きい。

スリーブ４は、弾性砥石２の内周面２ｂに取り付けられている。スリーブ４は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金製であって、外周面４ａと内周面４ｂを有し、中心線Ｃを中心軸とする円筒形状に形成されている。スリーブ４は、典型的には、弾性砥石２の内周面２ｂに対して接着剤によって接着されている。具体的には、スリーブ４の外周面４ａが弾性砥石２の内周面２ｂに対して接着剤によって接着されている。図５では、弾性砥石２とスリーブ４の接着箇所Ｑを二点鎖線で示している。しかし、スリーブ４は、例えばネジ締結や熱溶着などにより弾性砥石２の内周面２ｂに取り付けられていてもよい。スリーブ４は、更に、２つの軸端面４ｃを有する。２つの軸端面４ｃは、複合砥石１の軸方向に対して直交する端面である。スリーブ４のヤング率は、好ましくはビトリファイド砥石３のヤング率以上であって、例えば、69GPaから76GPaである。

そして、ビトリファイド砥石３は、スリーブ４に対して取り付けられている。具体的には、ビトリファイド砥石３の２つの軸端面３ｃの一方が、スリーブ４の２つの軸端面４ｃの一方に取り付けられている。ビトリファイド砥石３の２つの軸端面３ｃの一方は、典型的には、スリーブ４の２つの軸端面４ｃの一方に対して接着剤によって接着されている。図５では、ビトリファイド砥石３とスリーブ４の接着箇所Ｒを二点鎖線で示している。しかし、ビトリファイド砥石３は、例えばネジ締結や熱溶着などによりスリーブ４の２つの軸端面４ｃの一方に取り付けられていてもよい。

スリーブ４の外径は、好ましくは、ビトリファイド砥石３の内径よりも大きい。スリーブ４の内径は、好ましくは、ビトリファイド砥石３の内径と等しい。

スリーブ４の軸方向における寸法は、好ましくは、弾性砥石２の軸方向における寸法と等しい。従って、ビトリファイド砥石３の内周面３ｂは、スリーブ４によって覆われることなく、径方向内方に露出する。

本実施形態の複合砥石１は、連続創成歯車研削用のネジ状砥石である。従って、弾性砥石２の外周面２ａ及びビトリファイド砥石３の外周面３ａには、歯車研削加工用の螺旋溝（不図示）が形成されている。ただし、この螺旋溝は省略してもよい。

以上の複合砥石１は、図４に示す研削装置１０に供給される。研削装置１０は、回転シャフト１１と、回転シャフト１１を回転駆動するモータ１２と、モータ１２を支持する図示しないフレームと、を含む。複合砥石１は、回転シャフト１１に回転不能に取り付けられる。

以上の構成で、複合砥石１を所望の回転数で回転させた状態で、加工対象物をまずビトリファイド砥石３の外周面３ａに接触させる。これにより、加工対象物が粗研及び精研される。次に、一度、加工対象物を複合砥石１から離し、加工対象物を複合砥石１に対して軸方向で相対的に移動させ、加工対象物を弾性砥石２の外周面２ａに接触させる。これにより、加工対象物が鏡面加工される。

図６には、図１に示す複合砥石１００における弾性砥石１０２及びビトリファイド砥石１０１の伸び量、図５に示すスリーブ４の伸び量を示している。各伸び量は、同一の回転数で各部材を回転させた際の伸び量である。図６に示すように、本実施形態の複合砥石１におけるビトリファイド砥石３の伸び量とスリーブ４の伸び量との差分は、図１に示す比較例の複合砥石１００におけるビトリファイド砥石１０１の伸び量と弾性砥石１０２の伸び量との差分の２０分の１になった。従って、複合砥石１の回転数を上げてもビトリファイド砥石３の引張応力が抑えられる。結果として、図７に示すように、複合砥石１の許容される回転数を１．４倍に引き上げることができ（ｎ２からｎ３へ上昇）、複合砥石１を用いた研削加工の生産性が向上する。

以上に、第１実施形態を説明したが、上記第１実施形態は、以下の特徴を有する。

複合砥石１は、円筒状の弾性砥石２（第１研削砥石）と、弾性砥石２に対して弾性砥石２の軸方向に隣接するように配置され、弾性砥石２のヤング率よりも高いヤング率を有し、弾性砥石２の外径と同じ外径を有する、円筒状のビトリファイド砥石３（第２研削砥石）と、弾性砥石２の内周面２ｂに取り付けられ、弾性砥石２のヤング率よりも高いヤング率を有するスリーブ４と、を含む。ビトリファイド砥石３は、スリーブ４に取り付けられている。以上の構成によれば、ビトリファイド砥石を弾性砥石と組み合わせて複合砥石としても、ビトリファイド砥石に新たに発生する引張応力が抑制されるので、複合砥石の許容される回転数を高められる。

また、スリーブ４の内径は、ビトリファイド砥石３の内径と等しい。以上の構成によれば、複合砥石１の内周面を軸方向でストレート面となる。

また、ビトリファイド砥石３は、スリーブ４の軸端面４ｃに取り付けられている。以上の構成によれば、複合砥石１の製造が容易となる。

また、弾性砥石２の軸方向における寸法と、スリーブ４の軸方向における寸法は等しい。以上の構成によれば、複合砥石１の構造が簡素化される。

また、スリーブ４のヤング率は、ビトリファイド砥石３のヤング率よりも高い。以上の構成によれば、ビトリファイド砥石３に発生する引張応力が抑えられる。

また、弾性砥石２は、弾性砥石である。

また、ビトリファイド砥石３は、ビトリファイド砥石である。

また、スリーブ４は、弾性砥石２に接着されている。

また、スリーブ４は、ビトリファイド砥石３に接着されている。

また、弾性砥石２の外周面２ａ、及び、ビトリファイド砥石３の外周面３ａには、歯車研削加工用の螺旋溝が形成されている。以上の構成によれば、複合砥石１を歯車研削加工用とすることができる。

また、上記の複合砥石１を備えた研削装置１０が提供される。以上の構成によれば、生産性に優れた研削装置１０が実現される。

なお、弾性砥石２の内周面２ｂから中心線Ｃまでの距離は、複合砥石１の内径と、弾性砥石２及びビトリファイド砥石３、スリーブ４の変形量と、に基づいて設定され得る。具体的には、複合砥石１を回転させたときの、スリーブ４の外周面４ａの径方向外方への変位量が、ビトリファイド砥石３のうちスリーブ４の外周面４ａと対応する部分の径方向外方への変位量が等しくなるように、弾性砥石２の内周面２ｂから中心線Ｃまでの距離は設定される。ここで、各変位量は、各部材の半径、各部材のヤング率及び密度に基づいて算出され得る。以上の設定によれば、複合砥石１を回転させた際にスリーブ４とビトリファイド砥石３が同程度に径方向外方に変形するので、ビトリファイド砥石３に遠心力以外の外力が発生することがない。

（第２実施形態）
次に、図８を参照して、第２実施形態を説明する。以下、本実施形態が上記第１実施形態と相違する点を中心に説明し、重複する説明は省略する。

本実施形態において、スリーブ４は、弾性砥石２の径方向内方に配置される第１スリーブ部６と、ビトリファイド砥石３の径方向内方に配置される第２スリーブ部７と、を含む。

第１スリーブ部６の外径は、第２スリーブ部７の外径よりも大きい。即ち、弾性砥石２の内径は、ビトリファイド砥石３の内径よりも大きい。

第１スリーブ部６の内径は、第２スリーブ部７の内径と等しい。

従って、スリーブ４は、複合砥石１の軸方向において外径が変化する異径スリーブと言える。換言すれば、複合砥石１の軸方向で異径となるスリーブ４が実現される。

そして、第２スリーブ部７の軸方向における寸法は、ビトリファイド砥石３の軸方向における寸法と等しい。従って、ビトリファイド砥石３の内周面３ｂの全体は、第２スリーブ部７によって覆われており、径方向内方には一切露出していない。

そして、弾性砥石２は、第１スリーブ部６の外周面６ａに接着剤により接着されている。図８には、弾性砥石２とスリーブ４の第１スリーブ部６との接着領域Ｑを二点鎖線で示している。また、ビトリファイド砥石３は、第２スリーブ部７の外周面７ａに接着剤により接着されている。図８には、ビトリファイド砥石３とスリーブ４の第２スリーブ部７との接着領域Ｓを二点鎖線で示している。以上の構成によれば、複合砥石１の製造が容易となる。

（第３実施形態）
次に、図９を参照して、第３実施形態を説明する。以下、本実施形態が上記第２実施形態と相違する点を中心に説明し、重複する説明は省略する。

本実施形態において、第２スリーブ部７は、第２実施形態と同様に、ビトリファイド砥石３の径方向内方に配置されている。

上記第２実施形態では、第２スリーブ部７の軸方向における寸法が、ビトリファイド砥石３の軸方向における寸法と等しい。従って、ビトリファイド砥石３の内周面３ｂの全体が、第２スリーブ部７によって覆われており、径方向内方には一切露出していない。

これに対し、本実施形態では、第２スリーブ部７の軸方向における寸法が、ビトリファイド砥石３の軸方向における寸法よりも小さい。ビトリファイド砥石３の内周面３ｂであって、弾性砥石２寄りの部分には径方向外方に窪む窪み３ｄが形成されている。そして、スリーブ４の第２スリーブ部７は、ビトリファイド砥石３の窪み３ｄに収容されている。スリーブ４の第２スリーブ部７は、ビトリファイド砥石３の窪み３ｄの内面に接着剤により接着されている。図９には、第２スリーブ部７とビトリファイド砥石３との接着領域Ｔ及び接着領域Ｕを二点鎖線で示している。

以上の構成によれば、ビトリファイド砥石３の内周面３ｂの全体が第２スリーブ部７によって覆われることがないので、ビトリファイド砥石３の内周面３ｂを部分的に径方向内方へ露出させることができる。

１複合砥石
２弾性砥石
３ビトリファイド砥石
４スリーブ
２ａ外周面
２ｂ内周面
２ｃ軸端面
３ａ外周面
３ｂ内周面
３ｃ軸端面
３ｄ窪み
４ａ外周面
４ｂ内周面
４ｃ軸端面
６第１スリーブ部
６ａ外周面
７第２スリーブ部
７ａ外周面
１０研削装置
１１回転シャフト
１２モータ
Ｃ中心線
Ｑ接着箇所
Ｒ接着箇所
Ｑ接着領域
Ｓ接着領域
Ｔ接着領域
Ｕ接着領域

Claims

円筒状の第１研削砥石と、
前記第１研削砥石に対して前記第１研削砥石の軸方向に隣接するように配置され、前記第１研削砥石のヤング率よりも高いヤング率を有し、前記第１研削砥石の外径と同じ外径を有する、円筒状の第２研削砥石と、
前記第１研削砥石の内周面に取り付けられ、前記第１研削砥石のヤング率よりも高いヤング率を有するスリーブと、
を含み、
前記第２研削砥石は、前記スリーブに取り付けられている、
複合砥石であって、
前記複合砥石の径方向における前記第１研削砥石の前記内周面と前記複合砥石の中心線との間の距離は、前記複合砥石の回転時において、前記スリーブの外周面の径方向外方への変位量と、前記第２研削砥石のうち前記スリーブの前記外周面と対応する部分の径方向外方への変位量と、が互いに等しくなるように設定されている、
複合砥石。
請求項１に記載の複合砥石であって、
前記スリーブの内径は、前記第２研削砥石の内径と等しい、
複合砥石。
請求項２に記載の複合砥石であって、
前記第２研削砥石は、前記スリーブの軸端面に取り付けられている、
複合砥石。
請求項２又は３に記載の複合砥石であって、
前記第１研削砥石の軸方向における寸法と、前記スリーブの軸方向における寸法は等しい、
複合砥石。
請求項１に記載の複合砥石であって、
前記スリーブは、前記第１研削砥石の径方向内方に配置される第１スリーブ部と、前記第２研削砥石の径方向内方に配置される第２スリーブ部と、を含み、
前記第１スリーブ部の外径は、前記第２スリーブ部の外径よりも大きく、
前記第１スリーブ部の内径は、前記第２スリーブ部の内径と等しい、
複合砥石。
請求項５に記載の複合砥石であって、
前記第２研削砥石は、前記第２スリーブ部の外周面に取り付けられている、
複合砥石。
請求項１から６までの何れか１項に記載の複合砥石であって、
前記スリーブのヤング率は、前記第２研削砥石のヤング率よりも高い、
複合砥石。
請求項１から７までの何れか１項に記載の複合砥石であって、
前記第１研削砥石は、弾性砥石である、
複合砥石。
請求項１から８までの何れか１項に記載の複合砥石であって、
前記第２研削砥石は、ビトリファイド砥石である、
複合砥石。
請求項１から９までの何れか１項に記載の複合砥石であって、
前記スリーブは、前記第１研削砥石に接着されている、
複合砥石。
請求項１から１０までの何れか１項に記載の複合砥石であって、
前記スリーブは、前記第２研削砥石に接着されている、
複合砥石。
請求項１から１１までの何れか１項に記載の複合砥石であって、
前記第１研削砥石の外周面、及び、前記第２研削砥石の外周面には、歯車研削加工用の螺旋溝が形成されている、
複合砥石。
請求項１から１２までの何れか１項に記載の複合砥石を備えた研削装置。