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工作物目視特性を備えた砥粒ホイール及びその製造方法 - 特開2008−6583 | j-tokkyo
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【発明の名称】 工作物目視特性を備えた砥粒ホイール及びその製造方法
【発明者】 【氏名】コンリー,カレン エム.

【氏名】ハマーストロム,ジャネット エル.

【氏名】ビジャント,ブルース イー.

【要約】 【課題】表面研削のための改良された砥粒ホイール及びその製造方法を提供する。

【構成】砥粒ホイール110は、自らを貫通する不規則な外周形状又は孔を有し、それにより通常の面仕上げ操作、バリ取り及び又は溶接ブレンディングにおいて研削される工作物の表面の目視が可能になる。砥粒ホイールの各々は、ホイールの円形外周部にある間隔で配置される1つ以上のギャップ112を有することができる。ギャップに加えて又はギャップの代わりに、ホイールに等間隔で同じ様に配置される複数の孔を設けることもできる。ギャップ及び孔の位置は、ホイールのバランスを保つように選定可能である。ホイールが自らの軸線の回りを回転しているときに、ホイールを工作物の表面から動かすことなく、研削中の工作物の表面状態を監視することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
工作物から材料を除去するために自らの軸線の回りを回転操作される砥粒ホイールであって、
取付孔と、
砥粒を有する基体と、
前記回転操作中に見かけ上の円筒を画定する周縁と、
前記基体を通って軸方向に延びるとともに前記回転操作中に見かけ上の窓を画定する少なくとも1つのボイドであって、前記窓を通して前記工作物が目視可能である、ボイドとを有し、
加えられた20Nの軸方向荷重に対して1〜5mmの範囲の可撓性を有する、
砥粒ホイール。
【請求項2】
25%未満のボイド体積をさらに有する請求項1に記載の砥粒ホイール。
【請求項3】
前記ボイドが、前記見かけ上の円筒の周縁から径方向内側に延びる少なくとも1つの見通し可能なギャップを有する請求項1に記載の砥粒ホイール。
【請求項4】
前記砥粒を有する基体内に一体的に配置されたハブを有する請求項1に記載の砥粒ホイール。
【請求項5】
前記砥粒を有する基体が一体的強化材をさらに有する請求項1に記載の砥粒ホイール。
【請求項6】
前記見かけ上の円筒の半径が、該円筒の半径の18%以下の軸方向厚さを有する請求項1に記載の砥粒ホイール。
【請求項7】
前記ギャップは非対称であり、前記ギャップは後方エッジを有し、該後方エッジが前記見かけ上の円筒の最も近い接線に対して配置される角度は、前記ギャップの前方エッジが前記接線に対して配置される角度よりも小さい請求項3に記載の砥粒ホイール。
【請求項8】
少なくとも140SMPSの破壊強度を有する請求項1に記載の砥粒ホイール。
【請求項9】
工作物から材料を除去するために自らの軸線の周りを回転操作される砥粒ホイールの製造方法であって、
砥粒を有する基体を用意することと、
前記基体をホイールに成形することと、
前記基体を軸方向に貫通するとともに、前記回転操作中に、前記工作物を目視可能にする見かけ上の窓を画定する、少なくとも1つのボイドを形成することと、
前記ホイールを、加えられた20Nの軸方向荷重に対して1〜5mmの範囲の可撓性を有するような大きさ、外形及び形状に成形することと、
を有する製造方法。
【請求項10】
工作物から材料を除去するために回転操作される砥粒ホイールであって、
取付孔と、
砥粒を有する基体と、
前記回転操作中に見かけ上の円筒を画定する周縁と、
前記基体を通って軸方向に延びるとともに前記回転操作中に見かけ上の窓を画定する複数のボイドであって、前記窓を通して前記工作物が目視可能である、ボイドとを有し、
前記複数のボイドは少なくとも1つの覗き孔と、前記見かけ上の円筒の周縁から径方向内側に延びる少なくとも1つの見通し可能なギャップとを有する、
砥粒ホイール。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本出願は、2000年12月9日に出願された米国仮出願60/254,478号の利益を主張するものである。
【0002】
本発明は、砥粒を有する砥粒ホイール又は研削ホイール(abrasive or grinding wheels)の分野に関し、特に、研削中に工作物の観察を容易にする砥粒ホイール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0003】
砥粒ホイール(すなわち研削ホイール)は、通常の研削機及び携帯型アングルグラインダーにおいて広く使用される。これらの機械に使用される場合、ホイールはその中心にて支持され、ワーク(すなわち工作物)に対して押圧されている間、比較的高速で回転する。研削ホイールの砥粒面は、研削ホイールの砥粒の集団的な研削作用によってワークの表面を研削する。
【0004】
研削ホイールは、粗い研削及び精密研削のいずれの操作にも使用される。粗い研削は、表面仕上げ及び表面焼き加工とは特に関係なく、急速な研削を行うときに使用される。粗い研削の例には、鋼片(ビレット)からの不純物の急速な除去、溶接線の形成及び鋼の切断が含まれる。精密研削は、除去される研削量の制御に関し、所望の寸法公差及び表面仕上げの少なくとも一方を達成する。精密研削の例には、正確な量の材料の除去、シャープニング(sharpening)、成形(shaping)、並びにポリシング(polishing)及びブレンディング(blending;すなわち溶接ビードの平滑化)のような一般的な表面仕上げ操作が含まれる。
【0005】
略平面を工作物に適用する通常の面研削ホイール又は表面研削ホイールは、通常の平面グラインダー又は工作物に対して最大約6°の角度に方向付けられた平面を有するアングルグラインダーを用いて、粗い研削及び精密研削の双方に使用可能である。表面研削操作の例としては、米国特許第5,951,378号に開示されるような、2種金属からなるエンジンブロックのファイヤーデッキの研削がある。通常の面研削ホイール又は表面研削ホイールの多くは、一体物の剛性の固定砥粒ホイールを形成するために、砥粒及び結合剤の混合物の成形によって作製され、繊維強化はされてもされなくてもよい。適当な固定砥粒の例には、樹脂結合基体のアルミナ砥粒が含まれる。固定砥粒の他の例としては、ガラス結合剤又は金属結合剤のダイヤモンド砥粒、立方晶窒化ホウ素(CBN)砥粒、アルミナ砥粒、又はシリコンカーバイド砥粒が挙げられる。ANSI(アメリカ規格協会)により指定された種々のホイールの形態は、面又は表面研削操作に広く使用される。これらのホイールの種類には、平形(ANSIタイプ1)、リング形(タイプ2)、凹み形(タイプ5及び7)、平形及びテーパカップ(flaring cup)形(タイプ10及び11)、皿(dish and saucer)形(タイプ12及び13)、二番取り(relieved)及び/又は凹み形(タイプ20〜26)、並びに中央窪み形(タイプ27、27A及び28)が含まれる。ANSIタイプ29のような上述のホイールの変形例も、面又は表面研削に適するものである。
【0006】
通常の面又は表面研削ホイールに関する欠点は、作業者は研削されている工作物の表面を実際の操作中に見ることができず、ホイールに覆われていない材料しか見ることができないことである。操作中の工作物を繰返し検査することなく正確な操作を実行して、所望の結果により近い結果を得ることは、多くの場合は困難である。アングルグラインダーのような携帯型工具は正確に再適用することができないので、反復的検査は細かい作業に対して良い方法ではない。
【0007】
複数の穿孔を有するホイールは、中速から高速での回転時は人間の目の残像すなわち「視覚の存続」効果によって半透明に見える。回転する穿孔を有するホイールを通して見える画像は、回転するホイールとその背景及び前景の少なくとも一方との間に光及び色の少なくとも一方のコントラストがある場合はさらに強められる。ホイールが回転しているときの「窓」の幅又は透けて見える効果を高めるために、通常は複数の穿孔は互いに重なるように構成される。この現象を利用する砥粒研削ホイールは、例えば米国特許第6,159,089号、6,077,156号、6,062,965号及び6,007,415号に示されている。これらの全てはこの参照をもって本願明細書への記載に変えるものとする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
一体物の樹脂/砥粒複合ホイールについては、破損及び隆起の少なくとも一方によって大きな穴が開いてしまうという破滅的な結果が予想されるために、これまでそのような「窓」の使用は、複数の構成要素からなる金属製切断刃及び可撓性研削ホイールの少なくとも一方に限定されていた。
【0009】
従って、表面研削のための改良された工具及び方法の少なくとも一方が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明のある実施形態によれば、自らの軸線に沿って回転操作されて工作物から材料を除去する砥粒ホイールが提供される。砥粒ホイールは、取付孔、砥粒を有する基体及び回転操作中に見かけ上の円筒を画定する周縁を有する。砥粒ホイールは基体を通って軸方向に延びる少なくとも1つのボイドを有し、そのボイドは回転操作中に見かけ上の窓を画定し、その窓を通して工作物が目視可能である。砥粒ホイールはまた、実質的に一体物であり、加えられた20Nの軸方向荷重に対して約1〜5mmの範囲の可撓性を有する。
【0011】
本発明の他の態様は、自らの軸線に沿って回転操作されて工作物から材料を除去する砥粒ホイールの作製方法を有する。この方法は、砥粒を有する基体を用意すること及びその基体をホイールに形成することを有する。この方法はまた、基体を通って軸方向に延びる少なくとも1つのボイドを形成することを有し、そのボイドは回転操作中に見かけ上の窓を画定し、その窓を通して工作物が目視可能である。ホイールは一体物に形成され、加えられた20Nの軸方向荷重に対して約1〜5mmの範囲の可撓性を有するような寸法、形状及び構造を有する。
【0012】
本発明のさらなる態様において、砥粒ホイールは回転操作されて工作物から材料を除去するために提供される。砥粒ホイールは、取付孔、砥粒を有する基体及び回転操作中に見かけ上の円筒を画定する周縁を有する。複数のボイドは基体を通って軸方向に延び、回転操作中に見かけ上の窓を画定し、その窓を通して工作物が目視可能である。複数のボイドは少なくとも1つの覗き孔と、見かけ上の円筒のマージンから径方向内側に延びる少なくとも1つの見通し可能なギャップとを有する。砥粒ホイールは実質的に一体物である。
【0013】
本発明の上述の及び他の特徴及び長所は、添付図面に関連する本発明の種々の形態についての以下の詳細な説明を読むことにより直ちに明らかになるであろう。
【発明の効果】
【0014】
ギャップ及び/又は孔は、通常の研削ディスク(すなわち上記引例‘521公報に開示されるような実質的剛性の基材に固定された略環状シートのサンドペーパーを用いたもの)に設けられる。しかし、それらは一体物の固定砥粒研削ホイールには利用されていない。研削操作中にホイールの中心付近に生じる応力集中が比較的大きいため、ホイールを貫通する孔を設けることは、許容できないホイール強度低下を招くことが考えられる。しかし、適切なホイール構造によれば、それらのホイールの平坦な研削面に覗き開口部(すなわち孔)を配置することが可能であることが見出された。
【0015】
さらに、従来技術にて利用可能なことにより示される恐れ、すなわち外周のギャップが工作物表面からの突起物を捕えること、又は最終的にホイールの故障に至る応力集中を生じさせることは、試験では見出されないことがわかった。図10に関して以下により詳しく述べるように、任意にギャップを傾斜させること、並びにギャップ112及び/又は孔322、622の後方エッジ120等を引き上げることの少なくとも一方を伴う比較的高い回転速度は、通常の回転速度で回転するホイールのギャップに突起物が入ることの防止に適していると考えられる。
【0016】
本発明の使用中及び開発中になされた観察の結果、研削操作の効率及び能力の向上が達成可能であり、部分的には、回転する研削面と研削される工作物表面との間の乱気流の生成によって冷却効果が生じ得ることがわかった。断続的な切削(短い測定時間が切削インターバルの間に経過することを可能にする)からも利益が得られる。我々の改良された研削ホイールの1つが1回転する間に、「休息時間(rest time)」が何回か生じる。最良の結果はホイールのマージンにギャップを等間隔で配置することにより得られ、それによりホイールは名目的に一様にバランスを保たれることがわかった。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
添付図面に示される図を参照しつつ、本発明の例示的実施形態を以下に詳細に説明する。説明の明確化のために、添付図面に示される同様の特徴には同様の参照符号が付され、図面の択一的実施形態に示される類似の特徴には類似する参照符合が付される。
【0018】
本願明細書に使用される「ホイール」という用語は、回転可能なスピンドル又は心棒に取付けられるように構成された一体的(後に詳述)物品をいい、本願明細書においては単なる円形又は円筒形に限定されない。この用語には、表面グラインダー又はアングルグラインダーに使用可能な物品が含まれる。
【0019】
用語「ギャップ」及び「スロット」はいずれも、ある物体を少なくとも一方向に貫通する一方でその物体の材料に完全には囲繞されない窪み又は凹みをいう。これらの用語には、ホイールの円形の外側エッジがセグメント(後に詳述)又はセグメントの一部を失う形状、すなわち、「開口部」の一部がエッジを越えて延びるまでその「開口部」を観念的に移動させることにより得られる形状が含まれる。
【0020】
同様に「孔」には、ある物体を少なくとも一方向に貫通する一方でその物体の材料に完全に囲繞される窪み、凹み又は開口部が、それらの特定の形状又は外形に関わらず含まれる。
【0021】
「ギャップ」、「スロット」及び「孔」の少なくとも1つは、本願明細書においては一まとめに「ボイド」と称される。
【0022】
「一体的」及び「一体物」の少なくとも1つは、成形(例えば鋳型成形)されたような単一の一体的な構成単位として形成された物体をいう。一体的な又は一体物の研削ホイールの例には、強化及び非強化の固定砥粒研削ホイールの双方が含まれる。典型的な強化の例には、ガラス又はカーボンのような繊維、又は研削ホイールの個別の層として(すなわち結合剤及び研削材料を用いて層を元の位置に形成することによって)形成された支持プレートが含まれる。択一的に、強化材には、結合材及び研削材料を用いて実質的均質に混合された繊維又は他の材料が含まれる。本願明細書における「一体的」及び「一体物」からは、受け板に取外し可能に固定されたサンドペーパーを有する通常の研削ディスクは明確に除外され、また、ホイールのリムの上にブレーズ加工又は電気鍍金された砥粒の層を有する金属製のホイールも除外される。
【0023】
本願明細書における「研削」とは、工作物の表面の材料除去又は粗さ変更を行う研削又は仕上げ操作の全てをいう。
【0024】
「セグメント」とは、周縁と弦との間に位置する円の一部を意味する。
【0025】
「軸方向」とは、ホイールの軸線に実質的に平行な方向をいう。同様に、「横方向」又は「横方向平面」とは、上記軸方向に実質的に直交する方向又は平面をいう。
【0026】
「マージン(margin)」という用語には、ホイール又はホイールの回転により形成される見かけ上の円筒が有する径方向に最も外側のエッジ及び/又は表面が含まれる。ホイールのマージンは、そこに配置される全てのギャップ又はスロットを有する。
【0027】
ホイールの「周縁」には、マージン、研削面及びその反対側の面(例えば非研削面)を含むホイールの全ての外側表面が含まれる。
【0028】
図示されるように、簡潔に述べれば本発明には、不規則な(すなわちギャップを有する)外周形状及びそこを貫通する一連の孔の少なくとも一方を有し、面又は表面研削操作に関して典型的な通常の表面仕上げ、バリ取り及び/又はブレンディング操作において研削中の工作物表面の目視を可能にする一体物の砥粒ホイールが含まれる。例えば、図1〜図4に示されるように、砥粒ホイール(110、310及び410)の各々は、ホイールの円形外周部にある間隔で配置される1つ以上のギャップ112、312及び412を有する。これらのホイールはまた、図3に破線で示される孔322のような覗き孔を有することができる。択一的に、図22〜図24に示されるようにホイールは外周のギャップを有さずに孔を有してもよい。図1及び図22を参照すると、3つのギャップ112又は孔2222が中心から等距離にて使用可能であるが、他の多くの組み合わせも可能である。ギャップ及び/又は孔は、多様な形状に形成可能であり、丸み(例えば面取り)を有することによりシャープ又は狭い角部の使用を避けてクラックの伝播傾向を低減させることができる。ギャップ及び/又は孔の位置は、ホイールのバランスを保つように選定可能である。ホイールはギャップエッジから材料を除去することによって力学的にバランスをとることができる。
【0029】
ギャップ及び/又は孔により、ホイールは自らの軸線116、316及び416の回りを回転中に、上述した「視覚の存続」効果によって半透明に見える。従って、ホイールが矢印で示される方向に自らの軸線の回りを回転しているときは、人又は機械(すなわち研削機の作業者又は機械視認装置)は、砥粒ホイールを工作物の表面から動かすことなく、研削中の工作物の表面状態を監視することができる。ギャップ及び/又は孔はまた、空気流れを改善して接触摩擦領域を低減させ、従来技術の外周が環状の砥粒ホイールが使用されるときに比べて工作物表面を有意に低温に保つことができると考えられる。
【0030】
これより本発明の研削ホイールを図面を参照しながらより詳細に説明する。ギャップ及び/又は孔を除けば、本発明のホイールは、業界基準の有機又は無機の固定砥粒ホイール(上述したタイプ1、2、5、7、10〜13、20〜26、27、27A、28及び29)として製造可能である。本発明のホイールはまた、本明細書において図15〜図19に関して説明されるような、タイプ27及びタイプ28のハイブリッドホイール(以下、「ハイブリッドタイプ27/28」ホイール)と称する)として製造可能である。これらのホイールはまた、通常の直径を有するように製造可能であり、通常の繊維強化又は支持板強化はされてもされなくてもよい。有機の結合材料の例には樹脂、ゴム、セラック又は他の類似の結合剤が含まれる。無機の結合材料には土、ガラス、フリット、陶材、珪酸ナトリウム、マグネシウム酸塩化物又は金属が含まれる。例えば成形(molding)のような通常の研削ホイール製造技術が使用可能である。本発明に従って修正される通常の研削ホイール製造技術の特殊例は、以下に詳細に説明される。
【0031】
本発明のホイールの典型的な構成は、図1及び図2に示される。図1は底面図、すなわちホイールの平坦な研削面を見た図である。図示されるように、ホイール110は3つのギャップ112及び通常の中央取付孔111を有する。
【0032】
複数のギャップは、サイズ及び形状を何通り有してもよいし、その個数は妥当な個数の全てが可能である。例えば、様々な3つのギャップを有するホイールが図1〜図5、図8及び図9に示される。4つのギャップを有する実施形態は図6及び図7に、5つのギャップを有する変形例は図8cに示される。(エッジから除去されるバランス用セグメントを備えた)1つのギャップを有するホイール(図示せず)も使用可能である。
【0033】
図3を参照すると、ホイール310が概ねステップ形又はホタテガイ形の外周を有するように、複数のギャップ312を非対称にすることが可能である。図示されるように、ギャップ312は前方エッジ318を有し、前方エッジ318は、ホイール最大半径rmaxから、rmaxにおける接線319に関して比較的急な角度α(すなわち実質的直交)で径方向内側に延びる。前方エッジ318は、初期半径rminを有する後方エッジ320に成形される。後方エッジ320は、徐々に最大半径rmaxになるように(すなわち比較的小さい接線方向角度βが減少していくように)成形される。この徐々に変化する後方エッジ320の半径は、ホイールが例えば工作物のシャープなエッジに捕えられる可能性を低減させる有利な傾向がある。この徐々に変化する半径はまた、図10に関して後述するように、研削面を有する平面からの後方エッジの引き上げと組み合わせて使用することもできる。
【0034】
図4は、非対称ギャップの変形例を示す。この実施形態において、ホイール410は、ギャップ412を有することにより概ね鋸歯状の外周を有する。ホイール310の場合と同様の方法によって、ホイール410の後方エッジ420は、90°より小さい角度β′で延びることが好ましい。
【0035】
図5は、対称ギャップ512′及び512″(図5a及び図5b)を有する2つのさらなる変形例と、非対称ギャップ512″′(図5c)を有する他の実施形態とを含む。
【0036】
図6〜図9は、さらなる実施形態であるホイール(610、710、810、810′、810″及び910)を示しており、これらのホイールは、ホイールのセグメントを欠除又は除去して形成されたギャップ(それぞれ612、712、812、812′、812″及び912)を有する。これらのセグメントは直線(612及び812)、曲線(812′)又は鋸歯状(812″及び912)のいずれであってもよい。セグメントは1つ以上が可能であり、3つ又は4つが好ましく、5つ(810″を参照)又はそれ以上も適当である。
【0037】
さらに、ギャップの後方エッジに沿う研削面のエッジは、面取りエッジ部(本願明細書では「翼端(wing tip)」とも称する)を626、726、826及び926に有する。これらの翼端は、ホイールと研削される材料との間の空気流を増大させ、同時に、図10の引き上げられた後方エッジと同様の方法によってリム接触部の衝撃を低減させる。翼端はさらに、ホイールのエッジ上に意図的に形成された羽根を有し、これらの羽根は研削ホイールの周囲付近に空気を流すために使用可能である。これらの羽根は、アングルグラインダーのガードの周りの空気を含んだ「スカート」とともに使用され、それにより塵埃が全方向よりも一方向に排出される。塵埃又は削り屑の実質的な量を維持するために、塵埃又は削り屑の捕集装置を設置することができる。
【0038】
目視
上述したように、ホイールのギャップ又はスロット(112、312、412…)により、作業者はグラインダー使用中に、回転するホイールを介して研削される工作物を見ることができる。これに関し、進行中の研削動作を目視及び監視できることは非常に有益である。上述したように、多くの研削ホイールにおいては、研削中の目視はできない。通常の平面グラインダー又はアングルグラインダーの構造では、回転するホイールの外側部分を介しての目視はできず、本発明のホイールはこの欠点を克服するために開発された。通常の不透明なホイールを用いて研削する場合は、作業者は一連のテスト研削を行い、その結果を見るためにはその度に工具を除去しなければならず、また作業が完了に近づくとこれらの検査による中断はより頻繁になる。作業完了工程はある種の逐次近似であり、研削工程の実施が過度に行われる可能性がある。本発明を利用すれば、作業者は研削操作を工具の1回の適用で実行でき、研削が過度に行われる危険性は殆どない。
【0039】
ホイールが有するこれらのギャップ及び/又は孔により、突起物がギャップを引っかけて研削工程において破滅的な破壊が生じることが(期待通りに)防止されることは驚くべきである。
【0040】
本発明のホイールは、回転するホイールを介して見るとともにその後ろの工作物を見るための持続的画像を頼りにする人に対し、視覚的コントラストを強めるために黒色であることが好ましい。この色は白色よりも目立たないので、結果として、白色又は他の明るい色のホイールを介して見える工作物表面の画像が灰色に見える(gray out)傾向がある。その結果、ある場所の除去されたセグメントがホイールの他の場所でギャップに重なった場合に、ホイール下方の工作物はホイールのエッジまで正確に見え、ホイールの作業部分全体が使用中に「灰色」になる。
【0041】
空気冷却
典型的には4.5インチ/115mmのアングルグラインダーにおいて典型的には8000〜11000rpmで回転する、本発明に従って作製された回転ホイールの周りには、検出可能な略接線方向の空気流を生じさせることができる。斜めギャップは、砥粒面及び削り屑において重要な乱気流を生じさせ、削り屑は径方向外側に放出される。
【0042】
図10を参照すると、ギャップ112(及び/又は後述する覗き孔)は図示されるように傾斜する。便宜上、以降は特にギャップについて説明するが、この説明は本願明細書に記載される全ての覗き孔にも完全に適用されることは理解すべきである。図示されるように、ホイール110の好適な回転方向は矢印14で示され、砥粒研削面は下向きである。ギャップ112の前方エッジ118は、(軸方向に対して)傾斜して、砥粒研削面の最も近い(すなわち隣接する)部分と鋭角を形成する。一方、後方エッジ120は、傾斜して研削面の隣接部分と鈍角を形成する。(図10bの後方面120′は、さらなる傾斜形状を有し、ホイールが突起物を捕える危険性をさらに最小化するために使用される。)
【0043】
ギャップが実際には傾斜していなくても、ホイールが高速で回転しているときは基板の開口部の動作により、一般に重要かつ有益な乱気流が生じる。それにより工作物が有利に冷却される。
【0044】
この効果は、図示されるようなギャップ112の傾斜によって、空気が矢印1030(図10a)で示されるように工作物の表面に運ばれることで強められることができる。この空気流は工作物の冷却を促進し、塵埃及び削り屑を砥粒部位から吹き飛ばし、脱落した砥粒の粒子を作業領域から除去する。この効果は、後方エッジ120′を引き上げて図10bに示されるような空気取り入れ口を形成することによってさらに強められることができる。空気が研削される表面に達すると、重要な空気圧縮が生じ得る。この空気はまた、一種のベアリングとして作用し、空気ベアリングと類似した方法で、回転するホイールと静止した工作物との間に力を生じさせる。この場合、乱流は工作物表面に生じることができ、削り屑の除去を促進する。
【0045】
我々は、(部分的には、使用中(10,000rpm)は約2ms毎に新たなギャップが現れるという理由によって、)ギャップの後方エッジ又はその他同種のものにおいて突起物を捕える可能性は殆どないことを確認したが、図10に示される構造は、急な角部よりもなだらかな斜面を有して突起物を逸らすことによって、(工具が減速しているときのような)リスクの最小化に寄与する傾向がある。
【0046】
上述の内容に加え、本発明の砥粒ホイールは種々の択一的実施形態にて使用可能である。例えば、簡潔に上述したように、上述した全てのホイールは、図3、図6及び図7等に破線で示された1つ以上の覗き孔322、622、722等を有することができ、それらに加えて又は組み合わせて、ギャップ又はスロット(112、312、412…)を有することができる。さらに、本発明はいかなる外周のギャップをも用いずに、覗き孔を有することができる。それらの覗き孔は、図22〜図24のホイール2210、2310及び2410が有するようなものであり、また上述した仮出願(‘478)及び日本特許出願H11−259371「研削面観察用透視孔が開けられたオフセット型フレキシブル砥石」に開示されるようなものである。実質的にはこれらの覗き孔は、円形(すなわち図3、図9及び図22に図示)又は非円形(すなわち図23及び図24の卵形孔2322及び2422)を含むどのような形状でもよい。図23及び図24をより詳細に参照すると、卵形又は楕円形の孔が使用される場合は、それらの孔は所望の全ての方向に向けることができる。例えば図23に示されるように、孔2322は、横方向面におけるその長軸が径方向に延びるように配置される。択一的に、図24に示されるように、長軸を径方向から角度γだけずらして配置することもできる。図示された実施例では、角度γは約45°である。楕円形の孔を有して製造されたホイールは、その楕円形の孔の長軸寸法に等しい直径の円形孔を有して製造された類似のホイールに比べて、実質的に強度が上がるという試験結果がある。さらに、楕円形の孔を45°の角度に向けることは、「実施例」にてより詳しく後述するように、ホイール強度をさらに高める。
【0047】
さらに、図2及び図10に関して前述したように、また図6、図7及び図8aに破線で示したように、上述した覗き孔322、622等の全ては傾斜可能である。また上述したように、覗き孔は、上述したギャップと実質的に同様の作用をし、作業者が工作物を研削操作中に覗き孔を介して見ることを可能にする。
【0048】
孔322、622等の個数及び配置は、ホイールのバランスを保つように選定されることが好ましい。1つの覗き孔を有しかつ回転バランスを保つようにホイールを成形することは可能であるが、一般には複数の孔をホイールの回転軸の回りにある間隔で配置して、所望のホイールバランスを得ることが好ましい。孔の個数はいくつでもよいが、ホイールの直径及び孔の大きさに依存する。例えば、最外直径が6インチのホイールは3〜6個の孔を有することができ、一方、より大きい直径(すなわち9〜20インチ)のホイールは10〜20又はそれ以上の孔を有することができる。ホイールは、ホイールのマージンから材料を除去することにより、力学的にバランスを保つことができる。例示された実施形態においては特に、覗き孔は、ホイールの回転によって画定される見かけ上の円筒の半径の少なくとも60%と、ホイールのマージンから少なくとも約2mmとの間の領域内に形成可能である。
【0049】
本発明は実質的にいかなるタイプ又は構成の研削ホイールにも具体化可能であるが、一般に「薄型ホイール」として知られるホイールにて実施されることが望ましい。薄型ホイールは、結合基体(典型的には有機樹脂基体)に含有された砥粒を有する。本願明細書で使用されるときの「薄型ホイール」という用語は、(軸方向の)厚さtが見かけ上の円筒の半径rの約18%以下(すなわちt≦18%r)であるホイールをいう。薄型ホイールには、例えば厚さtの範囲が、約1/8インチから約1/4〜1/2インチまで(ホイールの(最外)直径による)のホイールが含まれる。そのような薄型ホイールの例には、上述のタイプ27、27A、28、29及びハイブリッドタイプ27/28のホイールが含まれる。タイプ27、27A、28及び29のホイールは、例えばANSI規格のB7.1−2000に規定されている。前述したように、ハイブリッドタイプ27/28のホイールはタイプ27及び28に類似しており、図16、図18及び図19に示されるように僅かに湾曲した軸方向断面を有する。これについては後に詳述する。
【0050】
上述したように、本発明の実施形態を製造するためには、研削ホイール製造技術分野の当業者に公知の様々な製造技術が、使用又は修正の上使用可能である。使用可能な技術例は、Timmの米国特許5,895,317号及びAbrahamsonの米国特許5,876,470号に開示されており、これらはこの引用をもって全体の記載に変えるものとする。いくつかの製造技術例は、図15〜図21を参照しながらこれより説明する。簡潔にするために、これらの技術の殆どは、3つの覗き孔を有するハイブリッドタイプ27/28ホイールの製造に関して図示及び説明される。しかし当業者には、これらの技術が、型の大きさ及び形状、並びに混合金型の内容物の少なくとも一方を含めて修正可能であり、本願明細書に記載された全ての個数のギャップ及び/又は孔を有する上述した全ての種類のホイールを製造できることは明らかである。
【0051】
図15及び図16を参照すると、ハイブリッドタイプ27/28ホイール1510は、支持プレート28を適当な大きさ及び形状の型に配置することにより製造可能であり、所望の孔1522(図15)及び/又はギャップ(図15に破線で図示)が形成される。支持プレート28は、プレートに一体化された中央ブッシング30を有するか、又はプレートに取り付けられる別個の部材を有することができる。(図示されるように、支持プレート28及び強化層36(図18)は公知の方法によって僅かに湾曲する。択一的に、これらの構成要素はタイプ27、27A及び/又は28ホイールの製造の場合のように実質的平坦であってもよい。)プレート28のこれらの孔は、型に配置された複数のプラグ(図示せず)を受容してこれらと係合する。プラグは、所望の孔を形成するための大きさ及び形状を有する。次に型は、所望の砥粒及び結合材の混合物で満たされて研削層29を形成する。この型を満たすステップは、重量送り技術を用いて実行可能であり、択一的に、射出成形のような他の技術も使用可能である。次に熱及び圧力の少なくとも一方が加えられる。次にホイールが型から取り出されてプラグから分離され、所望の孔1522及び/又はギャップ1512を有するホイールが得られる。次に、ホイールの動的釣り合わせのような他の汎用ステップを行うことができる。
【0052】
図17及び図18を参照すると、類似の技術はガラス強化ホイールの製造に使用可能である。図示されるように、型の適所にガラスクロス36が配置される。ガラスクロスは、(全てのギャップ1712(図17)を含む)型に適合する大きさ及び形状の外周を有することが好ましい。型における所望の孔1722(図17)の場所にはプラグが配置される。以降のステップは、図15及び図16に関して上述したように行われる。ガラスクロス層は、1つ以上のボイドにおいて切断されて孔を有し、その孔を通して妨害のない目視が容易になる。任意に、1つ以上の(図示される孔1722のような)ボイドの上をクロス層(ガラス層又は類似の繊維強化層)が連続的に延びることにより、構造的な強化を行うことができる一方、その層が比較的開いた織物を有することから、作業者はその層を通して目視することができる。
【0053】
図19を参照すると、上述の製造方法はいずれも、通常のバックアップパッド32の適用によって変形可能である。バックアップパッド32は、ホイールの硬化前又は後に支持プレート又は強化層に作用する速度固定装置を有する。
【0054】
さらなる択一的実施形態として、図20及び図21に示されるように、成形された芯又はハブ34が、ガラスクロス又は類似の繊維強化層36′を埋め込むように予め形成される。この組体は、成形及び/又は機械的組立操作を含む全ての公知の方法により製造可能である。次にそのハブ/ガラス組体は型内の適所に配置されて成形され、次に、上述したように砥粒/結合材の混合物が加えられて熱及び圧力等がかけられて、一体的なハブ34及び強化砥粒層29′を有するホイール2110が形成される。ホイール2110は通常の平形ホイールとして図示されているが、択一的に、図16、図18及び図19に示されるような僅かに湾曲した横断方向断面を有するハイブリッドタイプ27/28ホイールとして製造されてもよい。
【0055】
本発明の実施形態は、1つの強化層36、36′を有して製造されるものとして図示されているが、さらに層36、36′を追加することも可能である。例えば、1つの層36、36′を内部に、他の層をホイールの外表面に配置することが可能である。ガラス繊維クロス層36、36′が使用される場合、その(被覆されていない)クロスは、約160〜320グラム/平方メートル(g/m2)の重量(通常はグリージ重量(griege weight)と呼ばれる)を有する。例えば、1つのクロス層が使用される場合、約1/16〜1/4インチ(約2〜6mm)の範囲の厚さのホイールに対しては、中程度(230〜250g/m2)から重い(320〜500g/m2)グリージ重量を有するクロスが使用可能である。2つ以上の層36、36′が使用される場合、1つ以上の層を軽量(約160g/m2)にすることができる。
【0056】
以降の例示的な実施例は、本発明の一形態を示すものである。これらの実施例は限定的に解釈すべきでないことを理解されたい。
【実施例1】
【0057】
この実施例においては、2つのホイールの研削性能が比較される。第1のホイール(B)は従来技術のホイールであり、11.4cm(4.5インチ)の直径と、典型的従来技術の方法で使用される中央取付孔とを有する。第2のホイール(A)は、本発明に従って、直線状セグメントが外周から除去されて図8aに示されるようなホイールに変更されていることを除いては、ホイール(B)と同一である。ホイールは、フェノール樹脂内に結合された50グリット(50 grit)の溶融アルミナ砥粒と、一体的な繊維ガラスクロス強化層とから製造される。
【0058】
これらのホイールは、OkumaのID/ODグラインダーを用いて評価される。このグラインダーは、工作物がホイールのエッジよりも面に適用されるように、軸方向送りモードで使用される。
【0059】
使用される工作物は、12.7cm(5インチ)の外径及び11.4cm(4インチ)の内径を有する円筒形状の1018軟鋼であり、その端面は砥粒ホイールに面する。砥粒ホイールは10,000rpmで操作され、使用される送込み速度は0.5mm/分である。工作物は約12rpmで回転する。冷却剤は使用されておらず、工作物は、覗きギャップが本発明の実施形態に従って配置されるホイール部分に位置決めされる。ホイールは、試験の前後に重量測定される。
【0060】
参照点を定めるために、軸方向の力が0.22kg(1ポンド)に達するまで工作物がホイールに当接される。この参照点から、その軸方向力がホイールの耐用寿命の終了に相当する1.98kg(9ポンド)に達するまで、研削が続けられる。従って、その参照点と終了点との間の研削時間は、ホイールの耐用寿命と考えることができる。
【0061】
図11〜図14に結果をグラフ表示する。図11から、9ポンドの垂直力までの急激な上昇は、三角形状に変形されたホイールAの方が実質的に遅いことがわかる。垂直力が9ポンドの点は、この点では殆どの砥粒が除去又は摩耗されて金属の除去が殆ど発生しないことから、終了点と考えられる。このホイールAは、他方のホイールよりも約2倍の寿命を有する。このことは、ホイールAはより多くの砥粒面が除去されていることから、直感に反する。
【0062】
図12には、各々のホイールにより生じる動力が時間の関数として表示されている。この図は、図11と同じパターンを示しており、ホイールAにより生じる動力は、ホイールが実際に研削している時間にわたって有意義に低いことを示している。従ってホイールAは、より少ない力を必要とし、より少ない動力を生じさせる。
【0063】
図13には、ホイールの摩擦係数の時間変化が表示されている。最も低い摩擦係数はホイールAにおいて見られる。
【0064】
図14は、ある時間にわたりホイールによって切削された金属の量を比較した図である。ホイールAはホイールBの約2倍の材料を研削することが示されている。
【0065】
従って本発明に係る例示されたホイールは、少なくとも従来技術のホイールと同程度の研削が期待されるとともに、研削と研削の間よりもむしろ研削が進行しているときの、研削される領域の目視を可能にするという利益を提供する。このことは、研削面の量が覗きギャップの提供によって削減されている場合であっても、達成可能である。さらにこの長所によって、研削ホイールのエッジまでの工作物の表面の画像が改善され、一方、より低い動力でのより長時間にわたるより多くの金属研削が可能になる。このことは、直感に反するとともに非常に有利である。
【実施例2】
【0066】
タイプ27ホイールの実施例は、実質的には図22、図23及び図24に示されるように、すなわちそれぞれが円形孔、径方向に延びる楕円形孔及び斜めに延びる楕円形孔を有して製造される。楕円形孔の横方向面でのアスペクト比(長さ対幅)は約2:1であり、すなわち横方向面において楕円形孔の長軸寸法はそれに直交する寸法の約2倍である。図22のホイールは、孔を有さない通常の調整ホイールの約80%のプッシュアウト強度を有し、一方、図23のホイールはその調整ホイールの約87%のプッシュアウト強度を有する。斜め方向の孔を有する図24のホイールは、その調整ホイールの約95%というさらに高いプッシュアウト強度を有する。プッシュアウト強度は、米国特許5,913,994号(この引用をもって本願明細書への全体の記載に変える)に記載されるような、横方向応力から最大中央荷重を求める通常のANSI試験規格を用いて測定される。簡潔に言えば、プッシュアウト強度試験は、ホイールが通常のセンターフランジに取り付けられてホイールのマージンがリングに支持されるような、通常のリングオンリング(ring on ring)強度試験を含む。軸方向荷重は、通常のテスト機を用いて荷重速度0.05インチ/分にてフランジに与えられる。この荷重は、ゼロ荷重から破滅的なホイール破損(例えばホイールの破断)に至るまで与えられる。
【実施例3】
【0067】
さらなる試験サンプルは、実質的には図1、図3、図22及び図25に示される、形成する見かけ上の円筒が直径5インチ(12.7cm)であるハイブリッドタイプ27/28ホイールとして製造される。各々のホイールはまた、図18に示されるように、被覆されていないときのグリージ重量が約230〜250g/m2の範囲内である繊維ガラスクロス層36を有する。1/8インチ(3mm)の厚さ及び7/8インチ(2.2cm)の中央孔を有する9つの変形例のホイール(変形例1〜9)が製造された。これらのホイール変形例について、可撓性及び破壊強度が試験された。これらの試験の結果は、図26及び以下の表1に示される。
【0068】
これらの実施例において、ホイール変形例1は、実質的には図22に示されるように3つの等間隔配置された約3/4インチ(1.9cm)の孔2222を有して製造された。これらの孔は、ホイールのマージンから約3/8インチ(0.9cm)より近くには延びない。ホイール変形例2は、実質的にはホイール変形例1に類似し、約3/8インチ(0.9cm)の複数の孔を有する。ホイール変形例3は、実質的にはホイール変形例1に類似するが、6つの等間隔配置された孔2222を有する。ホイール変形例4は、実質的にはホイール変形例1に類似するが、図1に示されるように、孔の代わりに複数のスロット112を有する。これらのスロット112は、マージンから径方向内側に約7/8インチ(2.2cm)延び、約3/8インチ(0.95cm)の幅を有する。ホイール変形例5は、実質的にはホイール変形例4に類似するが、幅が約3/4インチ(1.9cm)の複数のスロット112を有する。ホイール変形例6は、実質的にはホイール変形例5に類似するが、6つの等間隔配置されたスロット112を有する。ホイール変形例7は、実質的にはホイール変形例1(3つの孔を有する)に類似するが、図3に示されるように複数のギャップ312によって形成されるホタテガイ形状のマージンを有する。ホイール変形例8は、通常の従来技術のホイールであり、実質的には孔2222を有さないホイール変形例1に類似する。ホイール変形例9は、実質的にはホイール変形例2に類似するが、図25及び先に参照した仮出願‘478に示されるように、複数の同心のリングの各々に沿って間隔を空けて配置される8つの孔を有する。変形例1〜9の各々について3つのホイールを製造し試験した。
【0069】
各々のホイールの可撓性は、先に参照した仮出願‘478に記載されているように測定された。すなわち可撓性は、研削ホイールを半径15mmのフランジに取り付けて、プローブ(半径5mmのコンタクトチップを有する)によって20Nの軸方向荷重が静止状態の砥粒ホイールの中心から47mmの場所に加えられたときの、軸方向の弾性変形(ミリメートル)として測定された。(弾性変形も同様に、ホイール中心から47mmの径方向位置において測定された。)各々のホイールの体積は、ホイール重量をホイール材料密度(2.54g/cm3)で割ることにより得られる。ホイール変形例1〜9の各々の体積及び可撓性を、以下の表1に示す。
【0070】
【表1】


【0071】
これらの試験結果は、本発明の実施形態は、孔及び/又はギャップ(すなわちボイド)の合計体積がホイール全体体積に占める割合が約25%未満、より好ましくは約3〜20%の範囲内になるような大きさ及び形状であることが有利であることを示す。(本願明細書においては便宜上、この体積又は体積割合をそれぞれボイド体積又はボイド体積割合と称する。)
【0072】
試験された各々のホイール変形例は変形例6を除き、ボイド体積割合が約25%未満である。ホイール変形例6は、ボイド体積割合が約25〜34%の範囲である。ボイド体積割合は、各ホイール変形例1〜7及び9の体積を各ホイール全体体積から引き、その結果を各ホイールの全体体積で除して100を乗ずることにより得られる。各ホイールの全体体積とは、ボイドが無いときのホイール体積、すなわち回転中の各ホイールにより画定される見かけ上の円筒の体積である。便宜上、通常のホイール変形例8(ボイドの無い変形例)は、ボイド体積の計算における全体体積として使用されている。
【0073】
ボイド体積割合を約25%未満に維持することは、ホイールの可撓性を約5mm以下に維持し、面研削操作を容易にすることに有利に役立つ。本発明の特定の実施形態は約1〜5mmの範囲の可撓性を有し、他の実施形態は上述の試験結果に示されるように約2〜5mmの範囲の可撓性を有する。
【0074】
また各ホイール変形例の2つのホイールについて、破損するまで回転速度(rpm)を上昇させることによる破壊試験を行った。これらの試験結果を図26に示す。
【0075】
この試験結果は、全てのホイール変形例が、少なくとも約21,000rpm、又は約27,500SFPM(surface feet per minutes)若しくは140SMPS(surface meter per second)の破壊速度を有することを示している。SFPM及びSMPSは以下の式(1)及び(2)により与えられる。
(1) SFPM = 0.262 x ホイール直径(インチ) x rpm
(2) SMPS = SFPM/196.85
この形態により、直径5インチのハイブリッドタイプ27/28ホイールとして製造された本発明の実施形態が、典型的には16,000rpmの最高速度で操作される携帯型研削機にて有利に操作可能になる。
【0076】
これらのテスト結果はまた、(例えば変形例3と変形例4及び7との比較において、)少なくともいくつかのギャップ及びスロットを使用することによって得られるような、ホイールの比較的外周の近くに配置された少なくとも若干のボイド体積を有することが有利な場合がある。このことは、上述の半径方向位置の範囲内(すなわち見かけ上の円筒半径の60%からホイールのマージンから少なくとも2mmまでの間)に全ての孔を配置することによっても達成可能である。
【0077】
上記説明の意図は、主として例示目的である。本発明を例示的実施形態に関して図示及び説明したが、当業者には、それらの形状及び詳細について上述及び種々の他の変更、削除及び付加が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく実施可能であることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【0078】
【図1】本発明の外周成形された研削ホイールの底面(研削面側)図である。
【図2】図1の2−2線に沿う側立面図である。
【図3】本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図1に類似する図である。
【図4】本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図1に類似する図である。
【図5a】本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図1に類似する図である。
【図5b】本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図1に類似する図である。
【図5c】本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図1に類似する図である。
【図6】本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図1に類似する図である。
【図7】本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図1に類似する図である。
【図8a】本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図1に類似する図である。
【図8b】本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図1に類似する図である。
【図8c】本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図1に類似する図である。
【図9】本発明に係る研削ホイールの種々の択一的実施形態を示すとともに任意の貫通孔を破線で示した、図1に類似する図である。
【図10a】図2に類似する図であるが、逆方向から倍尺で示す図である。
【図10b】図2に類似する図であるが、逆方向から倍尺で示す図である。
【図11】本発明と比較した従来技術の種々のホイールの予測性能を示すグラフである。
【図12】本発明と比較した従来技術の種々のホイールの予測性能を示すグラフである。
【図13】本発明と比較した従来技術の種々のホイールの予測性能を示すグラフである。
【図14】本発明と比較した従来技術の種々のホイールの予測性能を示す棒グラフである。
【図15】本発明に係る択一的実施形態の平面図である。
【図16】本発明に係る択一的実施形態の側立面図である。
【図17】本発明に係る他の実施形態の平面図である。
【図18】本発明に係る択一的実施形態の側立面図である。
【図19】本発明のさらなる実施形態の側立面図である。
【図20】本発明のさらなる実施形態の側立面図である。
【図21】本発明のさらなる実施形態の側立面図である。
【図22】図1に類似し、本発明に係るさらなる実施形態を示す図である。
【図23】図1に類似し、本発明に係るさらなる実施形態を示す図である。
【図24】図1に類似し、本発明に係るさらなる実施形態を示す図である。
【図25】図1に類似し、本発明に係るさらなる実施形態を示す図である。
【図26】従来技術と比較した本発明の種々の実施形態の試験結果を示すグラフである。
【出願人】 【識別番号】391010770
【氏名又は名称】サンーゴバン アブレイシブズ,インコーポレイティド
【出願日】 平成19年9月5日(2007.9.5)
【代理人】 【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤

【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一

【識別番号】100102819
【弁理士】
【氏名又は名称】島田 哲郎

【識別番号】100112357
【弁理士】
【氏名又は名称】廣瀬 繁樹


【公開番号】 特開2008−6583(P2008−6583A)
【公開日】 平成20年1月17日(2008.1.17)
【出願番号】 特願2007−230650(P2007−230650)