金属研削の基礎:起源、切削動作、業界の洞察
この記事では以下について説明します。- 1. 研削の概要 2. 研削の起源 3. 研削における切削動作 4. 研削における切削動作のメカニズム 5. 研削における温度 6. 研削砥石の自己研磨特性 7. 研削における残留応力 8. 砥石の摩耗が早すぎる原因 9. 砥石のグレージングの原因 10. 運転条件とその他の詳細。
内容:
<オル>1. 研削の概要:
研削は機械加工プロセス、つまり金属を除去するプロセスと考えることもできますが、比較的少量です。グラインドとは、「摩耗する」、「摩擦」によってすり減る、または「研ぐ」を意味します。研削では、回転する砥石車によって材料が除去されます。砥石の動作はフライスと非常によく似ています。
砥石は、砥石の中に砥粒が突き出て構成された多数の切削工具で構成されています。除去された材料を顕微鏡で検査すると、サイズが 0.4 ～ 0.8 mm の明確な細長い金属片が確認できます。
現在、研削は主に次の目的で使用されています。
(i) すべての粗仕上げおよび熱処理作業が実行された後、ワークピースから非常に少量の金属を除去して、その寸法を非常に厳しい公差内に収めること。したがって、これは基本的に、近い寸法および幾何学的精度を生み出すために採用される仕上げプロセスです。
(ii) 表面の仕上げを良くするために使用される場合があります。
(iii) 場合によっては、高速度鋼工具や超硬カッターでは加工が困難な硬い表面の加工に使用されます。
(iv) 刃物を研ぐのにも使用されます。
(v) 精度の高い公差とより良い仕上げを実現するために、ねじ山の研削にも使用されます。
(vi) 場合によっては、より高い材料除去速度 (研磨加工) にも適用されます。
研削は生産作業において極めて重要な工程の一つです。他の切断プロセスに比べて、特定の利点があります。
次のような利点があります:
(i) 硬化鋼などの切断に非常に適しています。硬い表面が必要な部品は、まず焼きなまし状態で機械加工され、材料のサイズ、形状、熱処理中の反りの傾向に応じて、研削のために少量だけ残されます。
(ii) 研削砥石の多数の切れ刃により、接触面および軸受面で望ましい非常に滑らかな仕上げを研削作業のみで得ることができます。
(iii) 車輪の幅が大きいため、送り跡がありません。
(iv) 非常に正確な寸法とより滑らかな表面仕上げを非常に短時間で達成できます。
(v) 比較的安価なツルーイング テンプレートを使用して、複雑なプロファイルを正確に作成できます。
(vi) このプロセスではほとんど圧力が必要ないため、工具から飛び散ってしまうような非常に軽い作業にも使用できます。この特性により、多くの研削作業でワークを保持するために磁気チャンクを使用することができます。
(vii) 研磨剤は非常に高い硬度を持っています。他の素材に比べて熱に弱く、高温に耐えることができます。したがって、これらはより高い切削速度で加工することができます。研削砥石には、鈍くなった砥粒が解放され、新しい鋭い砥粒が露出するため、自己研磨特性があります。
(viii) 研削は、硬化後に材料から材料を除去する便利な方法です。
(ix) 従来の機械加工とは異なり、研削加工は鍛造品などの硬い肌を切断する必要がありません。
2. 研削の起源:
初期段階では、「ノミ」は金属を除去するための最も便利なツールであると考えられていました。ノミには刃先が 1 つしかないため、より多くの材料を除去できますが、仕上がりは非常に悪くなります。材料をより良く仕上げるために、人はヤスリを使い始めました。やすりには複数の切れ刃があります。
これを使用すると、除去される材料は少なくなりますが、より良い仕上がりが得られます。技術の進歩に伴い、金属の除去を制御するためにノミはシングルポイント切削工具に置き換えられ、金属除去の作業は旋盤、シェーパー、フライス盤などのさまざまな工作機械で実行されます。
同様に、多刃工具による切り屑の除去を制御し、より良い仕上げを得るために、研削が使用されます。研削プロセスにより、コンポーネントの幾何学的精度が向上し (± 0.02 mm)、表面仕上げが向上します (0.1 μm Ra)。
3. 研削における切削動作:
図 20.1 から、砥石は砥粒、結合材、空隙から構成されていることがわかります。突き出た研磨粒子が切削工具の先端のように作用し、金属を除去します。適切に選択された砥石は自動研磨作用を発揮します。
切削が進むと、刃先の砥粒が鈍くなり、最終的には切削に抵抗する被削材の抵抗により、劈開面に沿って亀裂が生じます。したがって、さらなる切断動作を実行する新しい切断点が生成されます。
このプロセスは、砥粒が摩耗して結合レベルに達するまで続けられます。この時点で、結合により摩耗した砥粒の残りが砥石から剥がれ、以前は砥石の表面の下にあった新しい砥粒が露出し、新しい砥粒がさらなる切削作用を発揮します。
砥石車の間違った選択や不適切な切削条件によってよく遭遇する 2 つの問題は、砥石車のグレージングと砥石車への負荷です。ホイールグレージングとは、砥粒が結合レベルまで磨耗し、効率的に切断するには長時間保持されすぎる状態を指します。これは、硬いホイール（結合強度が強く、粒子が細かすぎるホイール）を使用したことが原因で発生します。
この問題はホイールを交換したり、場合によっては切削条件を変更したりすることで解決できます。ホイールローディングは、ワークの切りくずがホイールのすくい面に埋め込まれるときに発生し、侵入深さが減少するため切削速度が低下します。これはボイドが小さすぎるために発生しますが、ホイールの速度を上げるか、別のホイールを使用することで解決できます。
したがって、正しく連続的かつ効率的に切断するための砥石車の選択には、砥粒の種類、粒子のサイズ、結合剤の種類とその強度、空隙のサイズを正しく選択する必要があります。さらに、砥石の挙動は被削材の材質、切削速度、切込み深さ、送り速度によっても影響されます。
ダイヤモンドは最も硬い材料ですが、高価であるため、その用途は限られています。 Al2O3、SiC、B4Cは焼き入れ鋼に比べて硬度が高いため、塑性変形による金属除去に使用できます。切削工具の材料は、塑性変形による材料除去のために、またその形状を維持して摩耗を少なくするために、より硬くなければならないことが挙げられるかもしれません。
これらの材料は通常の形状の刃物を作ることができないため、自然のままの形である粒状で作られています。これらの材料（研磨材）の粒子を何らかの結合材でホイール状に結合させたものです。砥石表面の砥粒が切れ刃の働きをします。これらはランダムに分散され、ランダムに配向されます。
4. 研削における切削動作のメカニズム:
図20.2(a)は研削工程における砥粒の切削動作を示しています。簡単にするために、すべての粒子は同一であると仮定できます。
図20.2(b)に平面研削時の切りくず生成の様子を詳細に示します。未切断のチップの断面は、厚さ t、幅 w のほぼ三角形であることがわかります。ただし、切り残しの厚みと幅は変化するので、その最大値をtmaxとwmaxとする。平均値はこれらの半分になる可能性があります。切りくずの平均長さ l =D/2 x θ (D =砥石の直径、θ は非常に小さい)
f が送り (通常の値は 0.2 ～ 0.6 m/秒)、W =切断幅 (mm) の場合、単位時間当たりに除去される材料の総体積 =fdW
1 つのチップの平均体積 =f(1/6) wmax tmax l。
N が砥石車の rpm である場合、ρ =表面密度 (粒子/mm2)、砥石の境界上の活性粒子の数、したがって単位時間当たりに生成される切りくずの数 =πNDW ρ となります。
ここから、N、D、ρ が減少するか、f または d が増加すると、Fav の値が増加して砥粒の脱落が頻繁に発生するため、砥石はより柔らかく見えることがわかります。平面研削加工では、ラジアル力 FR =2F となります。 (図20.3参照)
5. 研削時の温度:
切断時に砥粒の先端は非常に高温になります。ただし、このような高温は非常に短時間であり、砥粒の切断面での温度勾配が非常に急であるため、ホイールの深刻な加熱は発生しません。
理論上のおおよその平均チップ/ツール界面温度は次の式で求められます。
∴ 精密研削の場合、砥石の速度と切りくずの厚さの両方を下げることによって、切りくず/工具の温度を下げることができます。
通常の研削では、ホイール速度を下げることで温度を下げることができますが、切りくずの厚さを減らすことによって温度を下げることはできません。実際、軽い仕上げのカットでは熱損傷が発生する可能性があります。
研削に流体を使用することにより、ワークの温度が下がり、砥石の磨耗が減少するだけでなく、砥石への負荷が軽減され、砥石のドレッシングの頻度が減ります。ただし、流体は瞬間的な高温によるワークの表面損傷を防ぐことはできません。
6. 砥石の自己研磨特性:
研削砥石では、刃物 (刃先) が不規則な形状でランダムに配置されています。ホイールの外周の鋭利なエッジは、材料の除去プロセスに参加し、徐々に鈍くなり、つまり摩耗（鈍くなり）します。機械加工中にかかる大きな力により、それらは破損して新しい鋭い刃先を形成するか、突き出てその下の新しい粒子が露出して材料の除去に関与します。
このプロセスにより、砥石に自動研磨の特性が与えられます。結合の強さ（グレードと呼ばれる）が砥粒が耐えられる最大の力を決定し、これが砥石車の重要な特性であることが理解されます。結合力が強いホイールをハードと呼びます。
研削作業中に生成される小さくて熱い切りくずは、砥石やワークピースに溶着する傾向があります。さらに、多数の砥粒は、ランダムな砥粒の配向により大きな負のすくい角を有する可能性があり、これらは切断の代わりに擦られる可能性があります。これらの要因により、粉砕プロセスが非効率になり、高い比エネルギーを消費します。
7. 研削時の残留応力:
研削中の砥粒とチップの界面の温度は非常に高い値（約 1500°C）に達します。高温のため、急速な加熱と急冷（切削液による）により微細構造の変化が発生する可能性があります。熱的および機械的影響は、地表面に約 0.2 mm の深さまで影響を与える可能性があります。
これらにより、高い残留引張応力が発生し、これらが高い値に達すると、表面亀裂が発生する可能性があります。図 20.7 は、平面研削後のワークピースの砥石の速度が異なるさまざまな深さで残留応力がどのように発生するかを示しています。粉砕温度は、地面の単位表面積あたりに費やされるエネルギーに比例すると仮定できます。
したがって、温度と、高い研削温度によって引き起こされる欠陥は、d、D、ρ、または N を減らすか、f を増やすことによって減らすことができます。
砥粒がチップと接触したままになる時間:
これは 0.0001 秒程度です。
粒子チップの界面温度は次のようになります。
ここで、V =ホイールの表面速度
R =被削材の熱伝導率
ρc =被削材の体積比熱。
8. ホイールの摩耗が早すぎる原因:
私。ホイールが柔らかすぎる
ii.ホイールの面が狭すぎます
iii.車輪の速度が遅すぎます
iv.作業スピードが速すぎる
v. ホイールの混雑
vi.ワークに穴や溝があること。
9. ホイールの光沢の原因:
私。硬すぎるホイール
ii.粒子が細かすぎます
iii.車輪の速度が速すぎます
iv.作業スピードが遅すぎる
v. 切りくずを積んだホイール
10. 動作条件:
あらゆる研削作業を成功させるには、さまざまな動作条件を適切に選択することが非常に重要です。
さまざまな動作条件と、それらが研削動作に及ぼす影響を以下に示します。
(i) 車輪速度:
砥石速度が増加すると（送り速度が一定の場合）、単一の砥粒によって除去される切りくずのサイズが減少し、それによって砥石の摩耗が減少します。砥石速度の高速化は、砥石の設計、結合剤の種類、研削作業、研削盤の出力と剛性などによって制限されます。砥石速度は通常、結合剤の種類とさまざまな研削作業に応じて 20 ～ 40 m/秒の間で変化します。
(ii) 作業速度:
作業速度の増加によりホイールの摩耗は増加しますが、発生する熱は減少します。高い作業速度は、ホイールの早期摩耗と摩耗によって引き起こされる振動によって制限されます。作業速度が低いと局所的な過熱が発生し、硬化したワークピースが変形/焼き戻され、機械的特性に影響を与えます。
車輪の磨耗を減らすためには、作業速度を下げる必要があります。発熱量が多い場合、特に硬い車輪の場合は詰まりが発生するため、作業速度を上げる必要があります。円筒研削の場合、荒加工の場合は11～50m/min、仕上げ加工の場合は6～30m/minの作業速度となります。作業速度は内面研削の場合は15～30m/min、平面研削の場合は8～15m/minとなります。
(iii) フィード:
ダウンフィードまたはインフィード速度を増加させると材料除去速度が増加しますが、その結果ホイールの磨耗が大きくなり、仕上げが悪くなり、寸法および幾何学的精度に影響します。
トラバースフィードまたはクロスフィードが増加すると、砥石の摩耗が増加し、加工面が悪化します。通常、鋼の研削の場合は砥石幅の2/3～3/4、鋳鉄のワークの場合は砥石幅の3/4～5/6に調整されます。
(iv) 研削接触の領域:
接触面積が大きい場合（内径研削、表面研削、小径砥石による大径ワークの場合など）、単位圧力は低く、連続快削動作にはソフトグレード砥石が使用されます。砥粒間に適切なチップクリアランスを提供するために、より粗いグリットが使用されます。接触面積が小さい場合は、より細かい粒度のより硬いグレードのホイールが使用されます。
11. 研削中の切削液の使用:
研削加工中、砥石とワークの接触部で多量の熱が発生し、その大部分がワークに伝わります。研削液は、ワークピースの過度の加熱を防ぎ、ホイールをフラッシュするのに役立ちます。
硫黄または塩素添加剤を含む研削液は、切削抵抗を軽減し、表面仕上げを改善し、砥石車の寿命を延ばすのに役立ちます。通常、この目的には、水ベースのエマルションと十分な量の研削油 (通常の中型研削盤の場合は 15 ～ 20 リットル/分) が使用されます。
流体はホイールとワークピースの間の界面に導かれ、ホイールとワークの間に低せん断強度の膜を形成できます。流体は特殊なノズルを使用して圧力下で供給されるため、高速によるホイール表面の周囲の空気膜が浸透します。微粒子による砥石の目詰まりを防ぐため、研削液は細かくろ過されています。
12. 研削における安全性:
研削における安全でない行為は、作業に危険を及ぼす可能性があるため、細心の注意を払う必要があります。
さまざまな重要な側面は次のとおりです:
(i) 砥石の取り付け:
ホイールはスピンドルに正しく取り付けられ、ガードで囲まれている必要があります。ホイールのボアがスリーブにぴったりとフィットしないようにしてください。
(ii) 車輪速度:
最大砥石速度は砥石の極限破裂強度によって決まり、使用する砥粒、粒度、結合剤、構造、グレード、砥石の形状、サイズによって異なります。その値はメーカーによって指定されており、決して超えてはなりません。
(iii) ホイールの検査:
取り付ける前にホイールに輸送中の損傷、亀裂、その他の欠陥がないか確認する必要があります。ビトリファイドボンドはリンギング試験で十分です。ホイールの音は、プラスチックハンマーで垂直線から 45 度の角度で軽く叩くと、透明な金属の音が鳴りますが、ひび割れたホイールは鳴りません。
ホイールを使用しないときは、乾燥した場所に保管し、ラックの端に置いてください。
(iv) ホイールガード:
これらは研削中に常に使用し、砥石の磨耗を補うために定期的に調整する必要があります。
(v) 集塵と健康上の注意:
乾式研削の場合は、研削粉を排出するための準備をする必要があります。機械の使用中は、機械の保護カバーを決して取り外さないでください。作業者は、飛散する研磨粒子や粉塵から目や体を保護するための安全装置を着用する必要があります。
(vi) ホイール操作:
研削盤には適切なパワーが不可欠です。パワーが十分でない場合、ホイールの速度が低下し、フラットスポットが発生し、ホイールのバランスが崩れます。
湿式研削中は、ホイールのバランスが著しく崩れるため、ホイールの一部が浸水しないようにしてください。
13. 研削欠陥:
砥石の選択の誤りまたは研削条件の誤りに起因する 2 つの一般的な障害は次のとおりです:
(i) ロードと
(ii) グレージング。
目詰まりは、研磨中の金属の粒子が砥粒間の空間に詰まると発生します。そのため、粒子は効率的な切断を促進するのに十分に突き出ていません。これは、オープン構造砥石による軟質金属の研削によって発生します。グレージングは、ホイール表面の光沢のある外観によって簡単に認識できます。
砥粒が鈍くなり、結合が剥がれなくなることで発生します。これは、ホイールが研削対象の材料に対して硬すぎる場合に発生します。砥石の付着はホイールまたは作業速度を上げることで軽減できます。
表面仕上げと特定の動力要件も、研削砥石の全体的な性能を評価するために組み込むことができます。この場合の研削比は、砥石摩耗量に対する研削材料の量の比と、比研削力と試験片の表面仕上げとの積に等しい。
14. 研削による熱の影響:
研削のプロセス中、切削工具とワークピースの間で多量の熱が発生します。熱の大部分はワークピース内で放散され、残りは砥石車によって保持されます。
研削による熱影響は次の 2 つです:
1. 砥石への影響:
熱の発生により、研削割れと呼ばれる亀裂が発生します。亀裂は研削痕に対して垂直です。
2. ワークへの影響:
(a) 変色:
表面の酸化は 200°C で起こり、金属酸化物が生成されます。これらの酸化物は、親金属とは異なり、異なる色を持っています。つまり、ワークの変色に繋がると言えます。鈍い粒子によって熱が発生し、表面が焼けてしまいます。
(b) 機械的損傷:
砥粒の鋭さにより、金属表面に傷がつきます。
(c) 冶金的損傷:
熱の発生により表面に脆性亀裂が形成されます。
(d) 化学的損傷:
熱の発生により、化学酸化物が形成されます。
15. 研削加工における表面粗さに影響を与える要因:
研削における面粗さは、砥石の径（砥石径、砥粒、硬度、ドレッシング、摩耗）と研削条件（砥石速度、ワーク速度、縦送り、ワーク径）によって決まります。図。 20.14は、さまざまなパラメータの変化に伴う研削時の表面粗さの変化を示しています。
16. 研削におけるトラブルシューティング:
研削中に発生する可能性のあるさまざまな障害と、それらを克服するためのさまざまな解決策を以下に示します。
(i) ホイールの摩耗が早い:
これは次の方法で処理できます。
(a) より硬いホイールを使用する、
(b) 車輪速度を上げる、
(c) 横送り速度と作業速度を下げ、切込み量を若干浅くします。
(ii) ホイール グレージング:
これは、不適切なドレッシング、間違ったホイールの選択、低速の移動と高い作業速度の使用によって発生します。これは、砥石を鋭く保つ、柔らかい砥石または粗い砥石を使用する、砥石速度を下げて高速トラバースする、切り込みを深くして切込み深さを増やすなどの方法で対処できます。
(iii) チャターマーク:
これらは次の方法で処理できます。
(a) ホイールのバランスを適切に調整する、
(b) 適切なドレッシングツールを使用する。
(c) より柔らかいグレードまたはより粗いグリットを使用する。
(d) ベアリングと基礎をチェックし、スピンドルベアリングを調整して機械の振動を低減します。
(e) 締め付けプーリー、
(f) 大規模な作業には適切なサポートまたはクランプを使用します。
(iv) 粗仕上げ:
これは、使用したホイールが粗すぎるか、または柔らかすぎることが原因である可能性があります。
(v) ホイールローディング:
これは、より柔らかい、または多孔質構造のホイールを使用することで対処できます。より鋭利なドレッサーを使用し、大量のきれいなクーラントを使用します。クーラントが汚れていると、長さや幅が異なる不規則な跡が発生する可能性があります。ホイールフランジの緩みにより深い凹凸跡が発生します。
(vi) ワークピースの過熱:
これはホイールの選択が間違っているために発生します。これを克服するには、より柔らかいホイールを使用し、十分なクーラントを使用する必要があります。
産業技術