JP4682592B2

JP4682592B2 - 砥石車

Info

Publication number: JP4682592B2
Application number: JP2004329625A
Authority: JP
Inventors: 昌史頼経; 伸司相馬; 賀生若園; 隆行吉見
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2024-11-12
Also published as: JP2006136987A

Description

本発明は、回転するワークを研削加工する研削盤の砥石車に関し、特に、回転する砥石車が回転力により遠心膨張しても加工面である砥石表面が均等に膨張するだけでテーパ状になることがなく、ツルーイングまたはドレッシング（以下、ツルーイングという）が低回転数で容易に行え、かつ、加工精度に優れた研削盤の砥石車に関するものである。

従来、研削盤の砥石車としては、円盤状の砥石コアの外周面に砥石層が形成され、中心部に砥石軸への取付穴およびその取付穴の周囲に砥石車を砥石軸等へ固定するための固定用穴部が形成されているものが知られている（例えば、特許文献１）。そして、この砥石車は、固定用穴部から取付ボルト等により前記の砥石軸の取付けハブ部あるいはフランジ部へ取付けられ、または別部材の取付け用フランジ等を介して砥石軸に取付けられている。

また、砥石車の砥石形状を修正するためのツルーイング装置が知られている（例えば、特許文献２）。
特開２００２−１０３２３６号公報（図１、図２）特許第２７４９１５４号公報

しかし、砥石車のツルーイングは、加工を開始する前に砥石形状を修正し、砥石の切れ味を再生するために行われるが、上記特許文献１に示したような従来の砥石車の断面形状は、砥石車が停止している場合についてのみ考慮され、回転時の形状変化は考慮されていない。

すなわち、回転する砥石車には、遠心力が働き、その結果、砥石コアは遠心力により膨張する。砥石コアの軸線方向の各部に働く遠心力は各部各々の回転速度、半径及び重量（砥石層を含む、以下同じ）による。砥石車はフランジ等を介して砥石軸に取付けられているが、砥石コアが砥石軸側に当接して拘束力が発生する拘束領域は砥石コアの両面で異なっている。そして、砥石コアの遠心力による膨張は、上記の遠心力と砥石コアの各部各々の剛性および上記の砥石コアの拘束力との関係で決まる。

図７は、従来の砥石車の停止時と回転時の形状変化を示す図である。図７（ａ）に示すように、従来の砥石車は停止時には形状変化はないが、砥石車の回転時には、砥石コアの軸線方向の各部に働く遠心力と前記拘束力との関係に従い、砥石車、すなわち砥石コアは一般に不均等に遠心膨張し、図７（ｂ）に示すように、砥石外周面がテーパ状になったりする。これは、砥石車の回転時に、砥石コアが砥石軸に拘束されている側と砥石軸に拘束されていない側とで拘束力が異なり、拘束されていない側の方が拘束されている側よりも砥石コアの半径方向への弾性変形に係る剛性が小さくなることによる。この結果、砥石コアが拘束力が大きい方向へ変形し、砥石コアおよびその外周部に形成された砥石層が不均等に遠心膨張する。この形状変化は、砥石車の回転数にも依存するので、ツルーイングは、砥石車の加工時と同一の回転数で行う必要がある。

最近のＣＢＮ（立方晶窒化硼素：Cubic Boron Nitrid）砥粒を用いた砥石車を装着した研削盤では、砥石車の周速度を速くして研削効率を向上するために砥石車は高速で回転駆動される。砥石車を切れ味よくツルーイングするために、砥石車とツルーイングロールとの周速比は、一般的に、０．７５〜０．８に設定される。

例えば、砥石車の周速を１２０ｍ／ｓにすると、ツルーイングロールの直径は１００ｍｍ程度であるので、ツルーイングロールの回転数は１５，０００〜２０，０００ｒｐｍとなり、ツルーイングロールをきわめて高速回転することができる回転軸に取り付ける必要がある。しかし、このような高速回転可能なツルアは高価であり、比較的低速でしか回転できないツルアを採用した場合、加工時の回転速度以下の条件でツルーイングし、そのツルーイングされた砥石車で加工することになるので、工作物にこの形状誤差が転写されることになり、研削精度の低下を招くことになる。

従って、本発明の目的は、所定の回転数で回転する砥石車が回転力により遠心膨張しても加工面である砥石表面が均等に膨張するだけでテーパ状等になることがなく、ツルーイングが低回転数で容易に行え、かつ、加工精度に優れた研削盤の砥石車を提供することにある。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、砥石コア部とその外周部に形成された砥石層とを有して構成され、回転可能に支持され取付けのためのフランジ部を有する砥石軸に取付けられて所定の回転数で回転する砥石車において、前記砥石コア部は、前記砥石軸の前記フランジ部へのボルト固定のための複数の固定用穴部と、前記複数の固定用穴部の内側に設けられて前記砥石軸を貫通させる取付穴と、前記砥石軸のフランジ部側の端面に前記砥石軸と同心状に周設された切欠き溝とを有し、前記フランジ部側の端面の剛性が、前記フランジ部とは反対側の端面の剛性よりも小さいことを特徴とする研削盤の砥石車を提供することである。

本発明によれば、所定の回転数で砥石コア部をその軸線方向の各位置において遠心膨張力が等しくなる形状に構成するので、回転する砥石車が回転力により遠心膨張しても加工面である砥石表面はほぼ均等に膨張する。そのことによって、研削盤の砥石車において、ツルーイングが低回転数で容易に行え、かつ、加工時において高精度の砥石形状が得られる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態に係る砥石車および砥石車が装着される研削盤の全体構成について説明する。

（研削盤の全体の構成）
図１は、研削盤の全体構成の概略を示す平面図である。以下に、第１の実施の形態に係る研削盤の全体構成の概略について説明する。

研削盤１００は、コンピュータ数値制御装置（ＣＮＣ）により全体の駆動が制御されるものである。研削盤１００の基台部分を構成するベッド１０の上面には、Ｚ軸レール１１が設けられており、このＺ軸レール１１を介してベッド１０上の後部側にＺ軸移動体２０が載置され、Ｚ軸方向（左右方向）に移動駆動される。Ｚ軸移動体２０の上面には、Ｘ軸レール２１が設けられており、このＸ軸レール２１を介してＺ軸移動体２０上にＸ軸移動体である砥石台３０が載置され、Ｘ軸方向（前後方向）に移動駆動される。そして、この砥石台３０は、砥石駆動モータ５３を搭載する砥石台本体５０を備えている。また、砥石台本体５０には砥石軸ユニット５１が搭載され、この砥石軸ユニット５１には回転可能に支持される砥石軸５２に取付けられ、砥石駆動モータ５３から駆動ベルト５４を介して回転駆動される砥石車Ｔが備えられている。ベッド１０上の前部側に載置されたワークテーブル４０には、ワークＷを支持すると共に回転駆動する左右一対の主軸台４１が設けられている。また、この左右一対の主軸台４１は、ワークＷの端部を支持する主軸４２を具備しており、この主軸４２を回転させることで、支持したワークＷを回転駆動する。

主軸台４１の主軸４２には、円盤状のツルア４３が同心的に設けられている。このように加工点に近い位置にツルアを設けることにより加工時に近い振動状態でツルーイングすることができる。また、別体のツルアを設置するよりも部品点数を削減して小型化を図ることができるとともに、コスト削減もできる。ただし、主軸４２により回転されるので、ツルアは比較的低速回転である。

図２は、第１の実施の形態の砥石車の断面図である。以下の説明において、ｘ軸を砥石軸５２の中心軸方向とし、ｙ軸を外周へ向かう半径方向としており、原点は、砥石軸５２の中心軸線上と砥石コア５５のフランジ部５２ｆと反対側の端面５５ｇとの交点としている。砥石車Ｔは、円盤状の砥石コア５５と、砥石コア５５の外周面に形成される砥石層５６と、中心部に砥石軸５２への取付穴５２ｈおよびその取付穴の周囲に砥石コア５５を砥石軸５２等へ固定するための固定用穴部５５ｈとを有する。この砥石車Ｔは、固定用穴部５５ｈから取付ボルトＢ等の固着手段により前記砥石軸５２の取付けハブ部あるいはフランジ部５２ｆへ取付けられる。または、別部材の取付け用フランジ等を介して砥石軸５２に取付けてもよい。

砥石コア５５には、砥石コア５５のフランジ部５２ｆ側の端面５５ｆに取付穴５２ｈを中心に同心状に周設された切欠き溝５７が形成されている。

（砥石車Ｔの動作）
砥石車Ｔが回転すると、遠心力が働き、その結果、砥石コア５５は遠心力により膨張する。ここで、砥石コア５５に作用する力は次のようである。砥石コア５５のｘ軸方向の各部に遠心力が作用し、これは回転速度、半径及び重量により決まる。また、砥石コア５５のｘ軸方向の各部には、切欠き溝５７よりも内径側（ｙ軸方向内側）で、砥石軸５２への固定によって拘束力が発生し、端面５５ｆで大きく、端面５５ｇでより小さい。また、砥石コア５５のｘ軸方向の各部は、剛性を有し、これは主に砥石コア５５の形状と縦弾性係数で決まる。従って、砥石コア５５および砥石層５６の遠心膨張量は、ｘ軸方向の各部における遠心力、拘束力および剛性で決定されることになる。

砥石コア５５に形成された切欠き溝５７は、上記述べた砥石コア５５のｘ軸方向の各部の重量と剛性に影響を与え、切欠き溝５７の大きさで重量が決まる。また、切欠き溝５７によってこれより外径側（ｙ軸方向外側）の砥石コア５５自体の拘束力が決まって剛性が決まる。

第１の実施の形態では、砥石コア５５の切欠き溝５７は、フランジ部５２ｆ側の端面５５ｆに設けられているので、砥石コア５５は端面５５ｆの方に位置する部分の方が重量が小さく、切欠き溝５７より外径側では砥石コア５５自体の拘束力が小さくて剛性も小さく、一方で上記述べたように、切欠き溝５７よりも内径側では砥石コア５５の砥石軸５２への固定によって拘束力は大きい。従って、切欠き溝５７を適当に設けることで、取付穴５２ｈを起点として図７（ｂ）のように図２中右へ反る遠心膨張量と、切欠き溝５７を起点として図２中左へ反る遠心膨張量が合成される。よって、遠心力と拘束力と剛性で決定される遠心膨張の量あるいは力をｘ軸方向の各部においてほぼ均等にすることが可能となる。ここで、切欠き溝５７の形状は、砥石コア形状（砥石幅、砥石径）や砥石回転速度によって決定するが、これらを変化させて解析あるいは設計することで砥石コア５５および切欠き溝５７の形状の最適化を行うことができる。

（第１の実施の形態の効果）
上記した第１の実施の形態によると、砥石車Ｔが所定の回転数で回転した場合、回転による遠心膨張力が等しく加工面である砥石表面は均等に膨張するので、砥石の形状精度がよく加工精度が向上する。また、砥石表面は遠心膨張によって停止時と相似的に膨張し、テーパ状等になることがないので、所定の回転数以下でツルーイングを行ってもそれによる砥石表面の形状精度低下への影響は小さい。従って、ツルーイングが低回転数で可能となることから、ツルーイング用のモータが小型化でき、省スペース、コスト削減、省エネルギー、低振動および熱による変位が低減できる効果を有する。また、ＣＢＮ砥石を使用した高速回転の研削盤において特に効果が大きい。

（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態の砥石車の断面図である。以下に本発明の第２の実施の形態に係る砥石車について説明する。尚、以下の説明で、第１の実施の形態と同一の構成および機能を有する部分においては同一の符号を付している。

砥石コア５５は、図３に示すように、端面５５ｆにおいて外周側の方がｘ位置が大きく、端面５５ｇにおいても外周側の方がｘ位置が大きく、断面として非対称な形状である。あるいは、断面としてｙ軸に対して傾斜した形状ともいえる。このような形状であると、図３において、砥石層５６が存在するｘ位置で考えると、ｘ位置が小さい部分すなわち端面５５ｇの近傍では、ｙ方向（径方向）において砥石コア５５自体の拘束力が大きく剛性が大きい。一方、ｘ位置が大きい部分すなわち端面５５ｆの近傍では、ｙ方向（径方向）内側において砥石コア５５が存在せず砥石コア５５自体の拘束力が小さく剛性が小さい。従って、取付穴５２ｈを起点として図３中右へ反る遠心膨張量と、端面５５ｆの傾斜開始点を起点として図３中左へ反る遠心膨張量とが合成される。よって、端面５５ｇの近傍と端面５５ｆの近傍とで、所定の砥石車Ｔの回転数における遠心膨張力を等しくするような断面形状とすることができる。よって、第１の実施の形態と同様に、遠心膨張力をｘ軸方向の各部においてほぼ均等にすることが可能となる。

（第２の実施の形態の効果）
上記した第２の実施の形態によると、第１の実施の形態による好ましい効果に加えて、第１の実施の形態のような切欠き溝を有しないので、応力集中が生じにくく、高速回転において破壊強度の向上が図られる。

（比較例）
図４に、第１の実施の形態で示した切欠き溝付形状の砥石車と、第２の実施の形態で示した傾斜形状の砥石車と、従来例で示したストレート形状の場合の回転に伴う形状変化の１例を示す。解析条件を、砥石コア材質としてチタン（Ｔｉ）、砥石周速として１２０ｍ／ｓ、砥石径として１６０ｍｍとした。

グラフの左端ｘ＝０は端面５５ｇの位置であり、グラフの右端ｘ＝２０は端面５５ｆの位置である。これら両端の砥石遠心膨張量の差は、従来例で示したストレート形状の砥石車の場合は、１．４２μｍであるのに対して、第１の実施の形態で示した切欠き溝付形状の砥石車の場合は、０．０３μｍ、第２の実施の形態で示した傾斜形状の砥石車の場合は、０．３７μｍであった。これより、第１の実施の形態で示した切欠き溝付形状または第２の実施の形態で示した傾斜形状の砥石車とすることで、大幅な形状精度の向上が図られていることがわかる。

（第３の実施の形態）
図５は、第３の実施の形態の砥石車の断面図である。以下に、本発明の第３の実施の形態に係る砥石車について説明する。

砥石コア５５は、図５に示すように、網掛けで図示した硬化層領域Ｓにおいて、端面５５ｇの表面から所定の深さまで高周波焼入れ等の硬化処理が施されている。具体的には、レーザ光を照射して端面５５ｇの表層部のみを加熱し、レーザ光が通り過ぎた後、自己冷却により急冷し、その部分を焼入れ改質するもので、焼入れ部の硬度が大きくなりその部分の縦弾性係数が大きくなっている。従って、図５において、ｘ位置が小さい部分すなわち端面５５ｇの近傍では、剛性が大きい。

一方、ｘ位置が大きい部分すなわち端面５５ｆの近傍では、剛性が小さい。従って、拘束力が小さく剛性が大きい端面５５ｇの近傍と、拘束力が大きく剛性が小さい端面５５ｆの近傍とで、所定の砥石車Ｔの回転数における遠心膨張力を等しくすることができる。よって、第１の実施の形態と同様に、遠心膨張力をｘ軸方向の各部においてほぼ均等にすることが可能となる。

（第３の実施の形態の効果）
上記した第３の実施の形態によると、第１の実施の形態による好ましい効果に加えて、第１の実施の形態のような切欠き溝５７を有しないので、応力集中が生じにくく、高速回転において破壊強度の向上が図られる。また、第２の実施の形態による好ましい効果に加えて、第２の実施の形態のように断面において非対称な形状とする必要がなく製作が容易である。また、焼入れ深さを調節することで容易に微調整が可能である。

（第４の実施の形態）
図６は、第４の実施の形態の砥石車の断面図である。以下に、本発明の第４の実施の形態に係る砥石車について説明する。

砥石コア５５は、図６に示すように、端面５５ｇの表面に砥石コア５５の材質よりも縦弾性係数の大きな材質の補強版５８が一体的に固着されている。補強版５８は、取付ボルトＢにより砥石コア５５と共締めで固定されていてもよく、また、補強版５８が端面５５ｇに接着あるいは溶接等によって固定されていてもよい。従って、図６において、ｘ位置が小さい部分すなわち端面５５ｇの近傍では、剛性が大きい。一方、ｘ位置が大きい部分すなわち端面５５ｆの近傍では、剛性が小さい。従って、拘束力が小さく剛性が大きい端面５５ｇの近傍と、拘束力が大きく剛性が小さい端面５５ｆの近傍とで、所定の砥石車Ｔの回転数における遠心膨張力を等しくすることができる。よって、第１の実施の形態と同様に、遠心膨張力をｘ軸方向の各部においてほぼ均等にすることが可能となる。

（第４の実施の形態の効果）
上記した第４の実施の形態によると、第１の実施の形態による好ましい効果に加えて、第１の実施の形態のような切欠き溝５７を有しないので、応力集中が生じにくく、高速回転において破壊強度の向上が図られる。また、第２の実施の形態による好ましい効果に加えて、第２の実施の形態のように断面において非対称な形状とする必要がなく製作が容易である。また、補強版５８の取付け時に、砥石車の静的バランスあるいは動的バランスをとることが可能になり、砥石車の交換に伴う振動をさらに低減することが可能になる。

研削盤の全体構成の概略を示す平面図である。第１の実施の形態の砥石車の断面図である。第２の実施の形態の砥石車の断面図である。第１の実施の形態で示した切欠き溝付形状の砥石車と、第２の実施の形態で示した傾斜形状の砥石車と、従来例で示したストレート形状の場合の回転に伴う形状変化の１例を示す比較図である。第３の実施の形態の砥石車の断面図である。第４の実施の形態の砥石車の断面図である。従来の砥石車の停止時と回転時の形状変化を示す図である。

符号の説明

１０ベッド
１１Ｚ軸レール
２０Ｚ軸移動体
２１Ｘ軸レール
３０砥石台
４０ワークテーブル
４１主軸台
４２主軸
４３ツルア
５０砥石台本体
５１砥石軸ユニット
５２ｆフランジ部
５２ｈ取付穴
５２砥石軸
５３砥石駆動モータ
５４駆動ベルト
５５砥石コア
５５ｈ固定用穴部
５５ｆ、５５ｇ端面
５６砥石層
５７切欠き溝
５８補強版
１００研削盤
Ｂ取付ボルト
Ｓ硬化層領域
Ｔ砥石車
Ｗワーク

Claims

砥石コア部とその外周部に形成された砥石層とを有して構成され、回転可能に支持され取付けのためのフランジ部を有する砥石軸に取付けられて所定の回転数で回転する砥石車において、
前記砥石コア部は、前記砥石軸の前記フランジ部へのボルト固定のための複数の固定用穴部と、前記複数の固定用穴部の内側に設けられて前記砥石軸を貫通させる取付穴と、前記砥石軸のフランジ部側の端面に前記砥石軸と同心状に周設された切欠き溝とを有し、前記フランジ部側の端面の剛性が、前記フランジ部とは反対側の端面の剛性よりも小さいことを特徴とする砥石車。