JP7716734B2 - Porous metal bond grinding wheel and its manufacturing method - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 1.刊行物名 精密工学会春季大会学術講演会講演論文集 発行日 2020年3月1日 発行者 一般社団法人精密工学会 該当ページ 第490頁~第491頁 公開者 櫻井孝之 村岡潤一 泉妻孝迪 後藤仁 公開のタイトル 「エアー放出機構を持つCFRP加工用砥石の開発」 2.刊行物名 2020年度 砥粒加工学会 学術講演会講演論文集 発行日 令和2年8月21日 発行者 社団法人砥粒加工学会 該当ページ 第95頁~第96頁 公開者 櫻井孝之 村岡潤一 公開のタイトル 「CFRP加工用エア放出型砥石の加工性能評価」Article 30, paragraph 2 of the Patent Act applies 1. Publication name Proceedings of the Japan Society for Precision Engineering Spring Meeting Academic Lecture Series Publication date March 1, 2020 Publisher Japan Society for Precision Engineering Relevant pages Pages 490-491 Disclosed by Takayuki Sakurai, Junichi Muraoka, Takayoshi Izumi, Hitoshi Goto Title of publication "Development of a grinding wheel with an air release mechanism for CFRP machining" 2. Publication name Proceedings of the Japan Society for Abrasive Technology Academic Lecture Series 2020 Publication date August 21, 2020 Publisher Japan Society for Abrasive Technology Relevant pages Pages 95-96 Disclosed by Takayuki Sakurai, Junichi Muraoka Title of publication "Evaluation of the machining performance of an air release type grinding wheel for CFRP machining"
本発明は、ポーラスメタルボンド砥石及びその製造方法に関し、砥粒間を結合するボンド材として、連続的に気孔が形成された連通孔を有すると共に、高い気孔率を有する金属ポーラス体を用いた、ポーラスメタルボンド砥石及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a porous metal bonded grinding wheel and its manufacturing method. The bond material that bonds the abrasive grains together is a porous metal body with continuous, interconnected pores and a high porosity, and the method for manufacturing the same.
軽量・高剛性を特徴とする炭素繊維強化樹脂(CFRP)は、自動車、医療、航空宇宙分野などに材料として広く利用されている。CFRPにより形成される製品は、CFRP板を積層し成形した後、余剰部分の除去(トリミング加工)が必須である。
このCFRPは、硬い炭素繊維を加工しなければならないため、切れ刃の消耗が激しい材料として知られている。
このような切れ刃の消耗に対して高い耐性を有する砥石としては、ダイヤモンドの多数の切れ刃を有し、切れ刃の消耗に強い、ダイヤモンド砥石が知られている。
Carbon fiber reinforced plastic (CFRP), characterized by its light weight and high rigidity, is widely used as a material in the automotive, medical, aerospace, etc. Products made from CFRP require the removal of excess material (trimming) after laminating and molding CFRP plates.
CFRP is known to be a material that causes rapid wear on the cutting edge because it requires processing of hard carbon fibers.
Known grinding wheels that have high resistance to wear of the cutting edges include diamond grinding wheels that have many diamond cutting edges and are resistant to wear of the cutting edges.
しかしながら、ダイヤモンド砥石をCFRPの加工に用いると、多数の切れ刃の間にCFRPの切り屑が堆積しやすく、しかも乾式で加工しなければならないCFRP加工では容易に目詰まりすることが知られている。即ち、CFRPは、加工熱により炭素繊維をつなぐ樹脂層が融解し、ダイヤモンド砥石を目詰まりさせるという問題があった。 However, when diamond grinding wheels are used to process CFRP, CFRP chips tend to accumulate between the numerous cutting edges, and it is known that CFRP processing, which requires dry processing, can easily clog. In other words, with CFRP, the resin layer that connects the carbon fibers melts due to the heat generated during processing, causing the diamond grinding wheel to clog.
このような目詰まりを解決する方法として、砥石中に気孔を形成させることにより、砥石の自生作用を促進し、目詰まりを抑制する方法が提案されている。
例えば、特許文献1には、溶剤に可溶で融点が500℃以上の物質(スペーサー)と、超砥粒とをメタルボンド粉末に混入し、この混合物をホットプレスにより焼結した後、焼結体を溶剤に浸漬して、前記物質(スペーサー)を除去して焼結体中に気孔を形成する方法が開示されている。
As a method for solving such clogging, a method has been proposed in which pores are formed in the grinding wheel to promote the self-sharpening action of the grinding wheel and suppress clogging.
For example, Patent Document 1 discloses a method in which a substance (spacer) that is soluble in a solvent and has a melting point of 500°C or higher and superabrasive grains are mixed into a metal bond powder, the mixture is sintered by hot pressing, and the sintered body is then immersed in a solvent to remove the substance (spacer) and form pores in the sintered body.
また、砥石ではないが多孔質金属材料として、特許文献2には、例えば亜硝酸ナトリウムなどの無機化合物を所定形状に成形して焼結したのちに、焼結体の空隙に溶融した金属を圧入し、凝固させた後、溶剤で処理して前記無機化合物を溶出させ、三次元網目構造の細孔を有するポーラス金属の形成方法が開示されている。 In addition, as a porous metal material, although not a grinding wheel, Patent Document 2 discloses a method for forming porous metal with pores in a three-dimensional network structure, in which an inorganic compound such as sodium nitrite is formed into a predetermined shape and sintered, and then molten metal is injected into the voids of the sintered body, solidified, and then treated with a solvent to elute the inorganic compound.
ところで、特許文献1に開示されたメタルボンド砥石にあっては、焼結体中に気孔が形成されるものの、気孔が繋がること無く、独立孔として分散するために、メタルボンド砥石の内部をエア(空気)あるいは切削油が流動しない。そのため、切り屑の良好な排出が行えず、目詰まりを抑制できないという課題があった。
また、焼結体中に形成される気孔は独立孔であるため、スペーサーにNaClを用いた場合、焼結体内にNaClが残存する虞がある。その場合、砥石が著しく酸化するため、保存に難があるという課題があった。
In the metal bonded grinding wheel disclosed in Patent Document 1, although pores are formed in the sintered body, the pores are not connected but are dispersed as independent pores, so air or cutting oil does not flow inside the metal bonded grinding wheel, which means that chips cannot be discharged well and clogging cannot be suppressed.
Furthermore, since the pores formed in the sintered body are closed pores, if NaCl is used as a spacer, there is a risk that NaCl will remain in the sintered body, causing the grinding wheel to oxidize significantly, making it difficult to store.
本発明者らは、CFRP等の切れ刃の消耗が激しい材料においても、目詰まりが抑制され、好適に研削できる砥石を鋭意研究した。
この検討において、特許文献2に開示された方法についても検討したが、工程数が多く、各工程に時間を要するため、製造コストが高くなるという課題があった。また、スペーサーを形成する例えば亜硝酸ナトリウムが有害物質であるため、環境負荷が大きいという課題があった。
そして、この問題を解決するには、熱伝導率に優れるメタルボンド砥石を採用し、さらにメタルボンドをポーラス体とし(連通した気孔により形成し)、その内部から砥石表面にエア等の流動体を供給することにより、目詰まりを抑制することを知見し、本発明を完成するに至った。
The present inventors have conducted extensive research into a grinding wheel that can suppress clogging and perform suitable grinding even on materials such as CFRP, which are subject to rapid wear of the cutting edge.
In this study, the method disclosed in Patent Document 2 was also considered, but there were problems with the method, such as the large number of steps and the time required for each step, resulting in high manufacturing costs, and there was also the problem of a large environmental load, since the spacer-forming materials, such as sodium nitrite, are hazardous substances.
To solve this problem, we discovered that clogging can be suppressed by using a metal bonded grinding wheel with excellent thermal conductivity, making the metal bond porous (formed with interconnected pores), and supplying a fluid such as air to the surface of the grinding wheel from inside, which led to the completion of this invention.
本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、内部に連通した気孔が形成され、且つ高い気孔率を有し、目詰まりを抑えることのできるポーラスメタルボンド砥石、及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in light of the above-mentioned circumstances, and aims to provide a porous metal-bonded grinding wheel that has interconnected pores formed inside, has a high porosity, and is able to suppress clogging, as well as a method for manufacturing the same.
前記課題を解決するためになされた、本発明に係るポーラスメタルボンド砥石は、複数の球形金属粒子が焼結により連結され、水溶性の無機塩又は有機塩からなる複数のスペーサーを融解することにより形成された流動体が流動する連通孔を有する、砥粒のボンド材である金属ポーラス体と、前記金属ポーラス体中に配置された複数の砥粒とを備えるポーラスメタルボンド砥石において、前記金属ポーラス体は、球形金属粒子がCuまたはCuより融点の高い金属元素、或いはCuを元にした合金元素の金属からなり、前記金属ポーラス体には、複数の前記球形金属粒子同士がその接点において焼結により連結され、隣り合う球形金属粒子の間には隙間が気孔として存在し、更に、前記金属ポーラス体には、流動体が流動しない独立孔は存在せず、前記金属ポーラス体の内周面と外周面とを結ぶように、前記気孔が複数連続的に繋がって、幅が大きくとも1mmの長尺の複数の連通孔が形成され、且つ、金属ポーラス体の気孔率が40%~60%であり、前記連通孔が、酸素、窒素などの気体、或いは切削油などの液体の流動体の通路として機能することに特徴を有する。
The porous metal bonded grinding wheel according to the present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, comprises a porous metal body as a bond material for abrasive grains, in which a plurality of spherical metal particles are connected by sintering and have through holes through which a fluid flows, formed by melting a plurality of spacers made of water-soluble inorganic salts or organic salts, and a plurality of abrasive grains arranged in the porous metal body. In the porous metal body, the spherical metal particles are made of Cu or a metal element having a melting point higher than Cu, or a metal of an alloy element based on Cu, and the porous metal body In the porous metal body, a plurality of the spherical metal particles are connected to each other at their contact points by sintering, and gaps exist as pores between adjacent spherical metal particles. Furthermore, the porous metal body does not have any independent pores through which fluid does not flow, and a plurality of the pores are continuously connected to connect the inner and outer surfaces of the porous metal body, forming a plurality of long communicating pores with a width of at most 1 mm. The porous metal body has a porosity of 40% to 60%, and the communicating pores function as passages for fluids such as gases such as oxygen and nitrogen, or liquids such as cutting oil.
このような構成によれば、金属ポーラス体中には気孔が連続的に繋がるように形成された連通孔を有しており、気孔率は40%~60%であるため、砥石内部にエア等を流しながら研削することで被研削材の目詰まりを防止することができる。また、金属ポーラス体中には複数の気孔が繋がって前記連通孔が形成されているため、砥石内部にスペーサー(NaCl等)が残ることがなく、砥石の酸化を防止することができる。
また、砥粒のボンド材である金属ポーラス体は、Cu、またはCuより融点の高い金属元素、或いはCuを元にした合金元素からなる複数の球形金属粒子を焼結して形成することにより、高い熱伝導率と高強度を得ることができる。
また、ポーラス体が熱伝導率の大きい金属体であるため、熱による弊害が大きいプラスチックや耐熱金属の加工に大きな効果を奏することができる。
With this configuration, the porous metal body has interconnected pores, and the porosity is 40% to 60%, so that grinding can be performed while air or the like is flowing through the grinding wheel to prevent clogging of the material to be ground. Furthermore, because the interconnected pores are formed by connecting multiple pores in the porous metal body, no spacers (such as NaCl) remain inside the grinding wheel, preventing oxidation of the grinding wheel.
In addition, the metal porous body, which is the bond material for the abrasive grains, can be formed by sintering multiple spherical metal particles made of Cu, or a metal element with a higher melting point than Cu, or an alloy element based on Cu, thereby achieving high thermal conductivity and high strength.
Furthermore, since the porous body is a metal body with high thermal conductivity, it is very effective for processing plastics and heat-resistant metals, which are highly susceptible to heat damage.
また、前記課題を解決するためになされた、本発明に係るポーラスメタルボンド砥石の製造方法は、複数の球形金属粒子が焼結により連結され、水溶性の無機塩又は有機塩からなる複数のスペーサーを融解することにより形成された流動体が流動する連通孔を有する、砥粒のボンド材である金属ポーラス体と、前記金属ポーラス体中に配置された複数の砥粒とを備える、上記ポーラスメタルボンド砥石の製造方法であって、
複数の砥粒と、水溶性の無機塩又は有機塩からなる、粒径が75μm以上300μm以下の範囲であるスペーサーと、CuまたはCuより融点の高い金属元素、或いはCuを元にした合金元素の金属からなる、粒径が75μm以上300μm以下の範囲である複数の球形金属粒子と、を混合し混合体を成形する工程と、前記混合体を焼結し、第一の焼結体を形成する工程と、前記第一の焼結体から前記スペーサーを融解することにより除去する工程と、を備え、前記混合体を成形する工程において、前記スペーサーの添加量を40~60vol.%とすることに特徴を有する。
Further, the manufacturing method of the porous metal bonded grinding wheel according to the present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, comprises a porous metal body as a bond material for abrasive grains, in which a plurality of spherical metal particles are connected by sintering and have communicating holes through which a fluid flows, formed by melting a plurality of spacers made of a water-soluble inorganic salt or organic salt, and a plurality of abrasive grains arranged in the porous metal body,
The method comprises the steps of mixing a plurality of abrasive grains, spacers made of a water-soluble inorganic or organic salt and having a particle size in the range of 75 μm to 300 μm, and a plurality of spherical metal particles made of Cu or a metal element having a melting point higher than Cu, or a Cu-based alloy element, and having a particle size in the range of 75 μm to 300 μm, and molding the mixture; sintering the mixture to form a first sintered body; and removing the spacers from the first sintered body by melting them, wherein the amount of the spacers added in the molding step of the mixture is 40 to 60 vol.%.
尚、前記球形金属粒子は、前記スペーサーと同じ粒径に形成されたものであることが望ましい。また、前記第一の焼結体から前記スペーサーを除去する工程の後、前記第一の焼結体を再度加熱処理し、第一の焼結体より強度が向上した第二の焼結体を形成する工程をさらに備えることが望ましい。 It is preferable that the spherical metal particles are formed to have the same particle size as the spacers. Also, it is preferable that the method further comprises a step of heat-treating the first sintered body again after the step of removing the spacers from the first sintered body to form a second sintered body having improved strength than the first sintered body .
このような方法によれば、前記ポーラスメタルボンド砥石を得ることができ、また、例えば放電焼結により製造することにより、製造工程を簡略化し、高速化を実現でき、製造コストを低減することができる。 This method makes it possible to obtain the porous metal bonded grinding wheel. Furthermore, by manufacturing it by, for example, discharge sintering, the manufacturing process can be simplified, speeded up, and manufacturing costs reduced.
本発明によれば、内部に連通した気孔が形成され、且つ高い気孔率を有し、目詰まりを抑えることのできるポーラスメタルボンド砥石、及びその製造方法を提供することができる。 The present invention provides a porous metal bonded grinding wheel with interconnected pores formed inside, a high porosity, and reduced clogging, as well as a method for manufacturing the same.
以下、本発明に係るポーラスメタルボンド砥石、及びその製造方法について説明する。
本発明に係るポーラスメタルボンド砥石は、その内部に酸素、窒素などの気体、或いは切削油などの液体が連続的に供給され、砥粒及びボンド材表面(砥石表面)を冷却するとともに、切り屑を排出しながら研削加工する砥石である。
The porous metal bonded grinding wheel according to the present invention and the method for manufacturing the same will be described below.
The porous metal bonded grinding wheel of the present invention is a grinding wheel into which a gas such as oxygen or nitrogen, or a liquid such as cutting oil, is continuously supplied to cool the abrasive grains and the bond material surface (grinding wheel surface) and to perform grinding while discharging chips.
図1は、本発明に係るポーラスメタルボンド砥石の一部を拡大して示す断面図である。図1に示すようにポーラスメタルボンド砥石1は、複数の球形金属粒子が焼結により連結された金属ポーラス体2と、金属ポーラス体2中に配置された複数の砥粒3(例えばダイヤモンド砥粒)と、金属ポーラス体2中に形成された長尺の連通孔4とにより構成されている。
前記金属ポーラス体2において、前記連通孔4は、複数の気孔が連続的に繋がって形成されたものであり、ポーラスメタルボンド砥石1の気孔率は40%~60%である。
この連通孔4は、酸素、窒素などの気体、或いは切削油などの液体の通路として機能する。
Fig. 1 is an enlarged cross-sectional view of a portion of a porous metal bonded grinding wheel according to the present invention. As shown in Fig. 1, the porous metal bonded grinding wheel 1 is composed of a porous metal body 2 in which a plurality of spherical metal particles are connected by sintering, a plurality of abrasive grains 3 (e.g., diamond abrasive grains) disposed in the porous metal body 2, and long communicating holes 4 formed in the porous metal body 2.
In the porous metal body 2, the communicating holes 4 are formed by a plurality of pores continuously connected together, and the porosity of the porous metal bond grinding wheel 1 is 40% to 60%.
The communication hole 4 functions as a passage for gases such as oxygen and nitrogen, or liquids such as cutting oil.
金属ポーラス体2は、Cu、またはCuよりも融点の高い金属、或いはそれらを元に形成された合金よりなる。
具体的には、Cuよりも融点の高い金属としては、W、Fe、Ni、Co、Mo等が挙げられる。また、Cuと、前記したCuよりも融点の高い金属の合金であっても良い。
これら金属を用いることにより、熱伝導性に優れた砥石1を得ることができる。
The metal porous body 2 is made of Cu, a metal having a melting point higher than that of Cu, or an alloy formed from Cu or a metal having a melting point higher than that of Cu.
Specifically, examples of metals having a melting point higher than that of Cu include W, Fe, Ni, Co, and Mo. Also, an alloy of Cu and any of the above metals having a melting point higher than that of Cu may be used.
By using these metals, it is possible to obtain a grinding wheel 1 having excellent thermal conductivity.
金属ポーラス体2は、複数の球形金属粒子同士が、その接点において焼結により連結されているため、長尺の連通孔4の配置箇所を除き、均等に配置され、隣り合う球形金属粒子の間には隙間(図示せず)が、前記連通孔4よりも微少な気孔として均一に存在する。
また、前記連通孔4は、金属ポーラス体2の内周面と外周面とを結ぶように形成され、幅数十μm~1mmに形成されている。これにより砥石1内における空気などの気体、或いは切削油などの液体等の流動性を格段に向上することができる。
The metal porous body 2 is made up of multiple spherical metal particles connected to each other at their contact points by sintering, and so is evenly arranged except for the locations where the long communicating holes 4 are located, and gaps (not shown) exist uniformly between adjacent spherical metal particles as pores smaller than the communicating holes 4.
The communication holes 4 are formed to connect the inner and outer peripheral surfaces of the metal porous body 2 and have a width of several tens of μm to 1 mm, thereby significantly improving the fluidity of gases such as air or liquids such as cutting oil within the grinding wheel 1.
前記ポーラスメタルボンド砥石1を用いてCFRP材を研削加工する場合、例えば図2のような装置構成において用いられる。
図2において、ポーラスメタルボンド砥石1は、円環状に形成され、例えば鉛直方向に延びる回転軸10が砥石1の中心に挿嵌され、回転軸10の周りに固定される。
回転軸10は管状に形成され、管中に高圧エアが流されるようになっている。
また、管側面に複数の連通孔10aが形成されており、この連通孔10aをエア(空気)が流れ、ポーラスメタルボンド砥石1の中心側から径外側方向に向かって砥石1中をエアが流れるように構成されている。
When the porous metal bonded grinding wheel 1 is used to grind a CFRP material, it is used in an apparatus configuration such as that shown in FIG.
In FIG. 2, the porous metal bond grinding wheel 1 is formed in an annular shape, and a rotating shaft 10 extending in the vertical direction, for example, is inserted into the center of the grinding wheel 1 and fixed around the rotating shaft 10 .
The rotating shaft 10 is formed in a tubular shape, and high-pressure air is allowed to flow through the tube.
In addition, multiple communication holes 10a are formed on the side of the tube, and air flows through these communication holes 10a, allowing air to flow through the grinding wheel 1 from the center side of the porous metal bond grinding wheel 1 toward the radially outward direction.
回転軸10が所定の速度(例えば188m/min)で回転され、被研削対象であるCFRP材20が回転するポーラスメタルボンド砥石1に接触され、研削加工が行われる。
このとき、高圧エア(入力圧0.5MPaのエア)がポーラスメタルボンド砥石1の連通孔4を主に通って外に噴出される(砥石1の内周面から外周面にエアが流れ、外周面から外に噴出される)ため、CFRP材20の切り屑が目詰まりすること無く研削を行うことができる。
また、連通孔4を通るエア(空気)によって、砥粒3及びポーラス金属体2が冷却され、砥石の熱によるCFRP材20への悪影響が抑制される。
尚、研削される対象物である被研削体によっては、エア(空気)以外の切削油を用いることもできる。
The rotating shaft 10 is rotated at a predetermined speed (for example, 188 m/min), and the CFRP material 20 to be ground is brought into contact with the rotating porous metal bond grinding wheel 1, and grinding is performed.
At this time, high-pressure air (air with an input pressure of 0.5 MPa) is sprayed out mainly through the communicating holes 4 of the porous metal bond grinding wheel 1 (air flows from the inner surface to the outer surface of the grinding wheel 1 and is sprayed out from the outer surface), so grinding can be performed without clogging with chips of the CFRP material 20.
In addition, the abrasive grains 3 and the porous metal body 2 are cooled by the air passing through the communication holes 4, and the adverse effects of the heat of the grinding wheel on the CFRP material 20 are suppressed.
Depending on the object to be ground, a cutting oil other than air may be used.
続いて、このポーラスメタルボンド砥石1の製造方法について説明する。
最初に、図3に示すようにCu、またはCuより融点の高い金属元素、またはCuとそれらの金属元素の合金元素のいずれからなる球形金属粒子11と、無機塩のスペーサー12と、例えばCu-Ni被覆ダイヤモンドからなる砥粒3とを混合し成形する(混合体の形成)。
無機塩としては、例えば、NaCl、KCl等を用いることができる。特にスペーサー12としては、常温の水等に融解しやすい等の理由から、NaClを用いるのが好ましい。
尚、前記NaClやKClは、前記Cu等からなる球形金属粒子11よりも融点が低いが、後述の焼結工程において通電焼結法を用いることにより、通常のホットプレス法等における焼結温度よりも低い温度での焼結が可能となる。そのため、スペーサー12の融点が低いことによる悪影響を受けにくい。
Next, a method for manufacturing the porous metal bonded grinding wheel 1 will be described.
First, as shown in FIG. 3, spherical metal particles 11 made of Cu, a metal element with a melting point higher than Cu, or an alloy element of Cu and any of these metal elements, inorganic salt spacers 12, and abrasive grains 3 made of, for example, Cu-Ni coated diamond are mixed and molded (forming a mixture).
Examples of inorganic salts that can be used include NaCl, KCl, etc. In particular, it is preferable to use NaCl as the spacer 12 because it is easily dissolved in water at room temperature.
Although NaCl and KCl have a lower melting point than the spherical metal particles 11 made of Cu or the like, by using an electric current sintering method in the sintering step described below, sintering can be performed at a temperature lower than the sintering temperature in a normal hot press method, etc. Therefore, the spacers 12 are less likely to be adversely affected by their low melting point.
ここで、本発明にあっては、前記混合体中にスペーサー12の粒子を連続的に配置しやすくし、連通孔4を形成する点に特徴を有する。
スペーサー12を連続して配置するには、粒径が75μm以上300μm以下の範囲のスペーサー12を添加量40vol%以上60vol%以下の配合量とし、混合することにより、図3に示すようにスペーサー12を連続して配置しやすくすることができる。
Here, the present invention is characterized in that the particles of the spacer 12 are easily arranged continuously in the mixture, and the communicating holes 4 are formed.
In order to arrange the spacers 12 continuously, the spacers 12 having a particle size in the range of 75 μm or more and 300 μm or less are mixed in an amount of 40 vol% or more and 60 vol% or less, which makes it easier to arrange the spacers 12 continuously as shown in Figure 3.
また、ボンド材である球形金属粒子11は、スペーサー12と同じ粒径に形成されたものである(粒径は均一であることが望ましい)。
これは、球形金属粒子11の径よりスペーサー12の粒径が大きい場合、スペーサー12が焼結後に焼結体内で大きな孔となり、均一な流路が得られ難いためである。反対に、球形金属粒子11の径よりスペーサー12の粒径が小さい場合、スペーサー12が球形金属粒子11を取り巻き、焼結を妨げる恐れがあるためである。
また、砥粒3であるダイヤモンド添加量は、例えば12.5vol.%、スペーサー12の添加量は、好ましくは40vol.%以上60vol.%以下である。
The spherical metal particles 11 serving as the bonding material are formed to have the same particle size as the spacers 12 (it is desirable that the particle size is uniform).
This is because if the particle size of the spacers 12 is larger than the diameter of the spherical metal particles 11, the spacers 12 will become large pores in the sintered body after sintering, making it difficult to obtain uniform flow paths. Conversely, if the particle size of the spacers 12 is smaller than the diameter of the spherical metal particles 11, the spacers 12 will surround the spherical metal particles 11, which may hinder sintering.
The amount of diamond added as the abrasive grains 3 is, for example, 12.5 vol. %, and the amount of spacer 12 added is preferably 40 vol. % or more and 60 vol. % or less.
次いで、前記混合体を所定形状に成形する。
そして、この成形体に対して、プラズマ放電焼結装置を用い、真空状態で炉内圧力10.2MPaとして、650℃で15min仮焼結する。これにより成形体は仮焼結体(第一の焼結体)となる。
前記仮焼結体を蒸留水に浸してスペーサー12(NaCl)を除去(脱塩)し、図4に示すように連通孔4を形成する。
最後に、真空状態で加圧無し、750℃或いは820℃で2時間焼結して、ポーラスメタルボンド砥石1(第二の焼結体)が得られる。このように再度の加熱処理により、強度が向上する。
Next, the mixture is molded into a predetermined shape.
Then, this compact is pre-sintered using a plasma discharge sintering apparatus under a vacuum condition with an internal furnace pressure of 10.2 MPa at 650° C. for 15 minutes, thereby forming a pre-sintered compact (first sintered compact).
The pre-sintered body is immersed in distilled water to remove (desalt) the spacers 12 (NaCl), and the through holes 4 are formed as shown in FIG.
Finally, the porous metal bonded grinding wheel 1 (second sintered body) is obtained by sintering the grinding wheel 1 at 750°C or 820°C for 2 hours in a vacuum without pressure. This additional heat treatment improves the strength.
尚、この本焼結により砥石強度が増すが、研削対象に応じて砥石強度(ボンド材強度)を調整することも可能である。
即ち、研削加工においては、ボンド材の強度を落とし、切れ刃の自生を促すことで切れ味を向上させ、被研削材へのダメージを抑えることが必要な場合がある。
そのため、上記製造工程における、焼結時間や加熱温度を調整して、あえてポーラスメタルボンド砥石1(第二の焼結体)の強度を低くしても良い。
Although the strength of the grinding wheel is increased by this sintering, it is also possible to adjust the strength of the grinding wheel (bond material strength) depending on the object to be ground.
That is, in grinding, it may be necessary to reduce the strength of the bond material and encourage the cutting edge to grow naturally, thereby improving sharpness and minimizing damage to the material being ground.
Therefore, the strength of the porous metal bonded grinding wheel 1 (second sintered body) may be intentionally reduced by adjusting the sintering time and heating temperature in the above manufacturing process.
以上のように本実施の形態によれば、金属ポーラス体2中には長尺の連通孔4が形成されており、気孔率は40%~60%であるため、砥石内部にエア等を流しながら研削することで、被研削材の目詰まりを防止することができる。また、金属ポーラス体2中には複数の気孔が繋がって前記連通孔4が形成されているため、砥石内部にスペーサー12(NaCl等)が残ることがなく、砥石の酸化を防止することができる。
また、砥粒3のボンド材である金属ポーラス体2は、Cu、またはCuより融点の高い金属元素、或いはCuを元にした合金元素からなる複数の球形金属粒子を焼結したものであるため、高い熱伝導率と高強度を得ることができる。
更に、ポーラス体2は熱伝導率の大きい金属体であるため、熱による弊害が大きいプラスチックや耐熱金属の加工に大きな効果を奏することができる。
また、放電焼結により製造することにより、製造工程を簡略化し、高速化を実現でき、製造コストを低減することができる。
As described above, according to this embodiment, the porous metal body 2 has long communicating holes 4 formed therein and a porosity of 40% to 60%, so that grinding can be performed while flowing air or the like inside the grinding wheel to prevent clogging of the material to be ground. Furthermore, since the porous metal body 2 has a plurality of pores connected to form the communicating holes 4, no spacer 12 (such as NaCl) remains inside the grinding wheel, preventing oxidation of the grinding wheel.
Furthermore, the metal porous body 2, which is the bond material for the abrasive grains 3, is made by sintering multiple spherical metal particles made of Cu, or a metal element with a higher melting point than Cu, or an alloy element based on Cu, and therefore can achieve high thermal conductivity and high strength.
Furthermore, since the porous body 2 is a metal body with high thermal conductivity, it is very effective in processing plastics and heat-resistant metals, which are highly susceptible to heat damage.
Furthermore, by manufacturing the element by discharge sintering, the manufacturing process can be simplified, the manufacturing speed can be increased, and the manufacturing cost can be reduced.
尚、前記実施の形態においては、球形金属粒子11として、CuまたはCuより融点の高い金属元素、或いはCuを元にした合金元素を例に説明したが、本発明にあってはそれに限定されるものではない。例えば、球形金属粒子11として、Fe、Ni、Mo、W、Sn及びそれらの合金を用いてもよい。
また、前記実施の形態においては、スペーサーとして、NaCl等を例に説明したが、それに限定されず、KClなどの水溶性結晶材料を用いてもよい。また、水溶性であれば、無機塩に限らず有機塩でもよい。また、結晶形状が長尺な形状、例えば針状の結晶を有する塩をスペーサーとして用いてもよい。
In the above embodiment, the spherical metal particles 11 are made of Cu, a metal element with a melting point higher than that of Cu, or an alloy element based on Cu, but the present invention is not limited to this. For example, the spherical metal particles 11 may be made of Fe, Ni, Mo, W, Sn, or alloys thereof.
In the above embodiment, NaCl and the like are used as spacers, but the present invention is not limited to this, and water-soluble crystalline materials such as KCl may also be used. Furthermore, as long as the salt is water-soluble, it is not limited to inorganic salts and organic salts may also be used. Furthermore, salts having elongated crystal shapes, such as needle-like crystals, may also be used as spacers.
本発明に係るポーラスメタルボンド砥石及びその製造方法について、実施例に基づきさらに説明する。 The porous metal bond grinding wheel and its manufacturing method according to the present invention will be further explained based on examples.
(実験1)
本実験1では、本実施の形態に沿ってポーラスメタルボンド砥石を製造した。具体的には、球形金属粒子に青銅(Cu-10Sn:ベース金属Cuに対してSnを10wt%配合したもの)、スペーサーにNaCl、ダイヤモンド砥粒を用いてポーラスメタルボンド砥石を作製し、性能を評価した。
(Experiment 1)
In Experiment 1, a porous metal bonded grinding wheel was manufactured according to the present embodiment. Specifically, a porous metal bonded grinding wheel was manufactured using bronze (Cu-10Sn: a base metal Cu mixed with 10 wt% Sn) as spherical metal particles, NaCl as a spacer, and diamond abrasive grains, and its performance was evaluated.
(実施例1)
実施例1では、青銅(Cu-10Sn)を25.2vol%、スペーサーにNaClを40vol%、ダイヤモンド砥粒を34.8vol%の割合で混合し、成形体を形成した。青銅の金属粒子径は、75μm以上125μm以下の範囲とし、スペーサーの粒径は金属粒子径と同じとした。
その後、前記成形体を仮焼結温度650℃、本焼結温度750℃として、気孔率40%、砥粒の集中度100のポーラスメタルボンド砥石を作製した。尚、作製した砥石の気孔率は、「JISR1634(1998)ファインセラミックスの焼結体密度・開気孔率の測定方法」に沿って測定した。
ポーラスメタルボンド砥石は、円環状に形成し、図2に模式的に示した装置において、エアを0.5MPaの入力圧で流しながらCFRP材を研削加工し、研削距離(mm)に対する法線研削抵抗(N)を測定した。
その結果を図5に示す。
Example 1
In Example 1, a compact was formed by mixing 25.2 vol% bronze (Cu-10Sn), 40 vol% NaCl as a spacer, and 34.8 vol% diamond abrasive grains. The metal particle diameter of the bronze was in the range of 75 μm to 125 μm, and the particle diameter of the spacer was the same as the metal particle diameter.
Thereafter, the compact was subjected to a preliminary sintering temperature of 650°C and a main sintering temperature of 750°C to produce a porous metal bond grinding wheel having a porosity of 40% and an abrasive grain concentration of 100. The porosity of the produced grinding wheel was measured in accordance with "JIS R1634 (1998) Method for measuring sintered density and open porosity of fine ceramics."
The porous metal bonded grinding wheel was formed into a circular ring shape, and in the apparatus shown schematically in Figure 2, a CFRP material was ground while air was flowing at an input pressure of 0.5 MPa, and the normal grinding resistance (N) relative to the grinding distance (mm) was measured.
The results are shown in Figure 5.
実施例2では、実施例1と同様の配合比で青銅(Cu-10Sn)、NaCl、ダイヤモンド砥粒を混合し、成形体を形成した。青銅の金属粒子径は75μm以上125μm以下の範囲とし、スペーサーの粒径は金属粒子径と同じとした。
その後、前記成形体を仮焼結温度650℃、本焼結温度750℃として、気孔率40%、砥粒の集中度100のポーラスメタルボンド砥石を作製し、図2に模式的に示した装置において、内部にエアを流さず、CFRP材を研削加工し、研削距離(mm)に対する法線研削抵抗(N)を測定した。
その結果を図5に示す。
In Example 2, a compact was formed by mixing bronze (Cu-10Sn), NaCl, and diamond abrasive grains in the same compounding ratio as in Example 1. The metal particle diameter of the bronze was in the range of 75 μm to 125 μm, and the particle diameter of the spacer was the same as the metal particle diameter.
Thereafter, the molded body was subjected to a preliminary sintering temperature of 650°C and a main sintering temperature of 750°C to produce a porous metal bond grinding wheel with a porosity of 40% and an abrasive grain concentration of 100. In the apparatus shown schematically in Figure 2, without air flowing inside, a CFRP material was ground and the normal grinding resistance (N) versus grinding distance (mm) was measured.
The results are shown in Figure 5.
実施例3では、青銅(Cu-10Sn)を42.6vol%、スペーサーにNaClを40vol%、ダイヤモンド砥粒を17.4vol%の割合で混合し、成形体を形成した。青銅の金属粒子径は75μm以上125μm以下の範囲とし、スペーサーの粒径は金属粒子径と同じとした。
その後、前記成形体を仮焼結温度650℃、本焼結温度750℃として、気孔率40%、砥粒の集中度50のポーラスメタルボンド砥石を作製し、図2に模式的に示した装置において、にエアを0.5MPaの入力圧で流しながらCFRP材を研削加工し、研削距離(mm)に対する法線研削抵抗(N)を測定した。
その結果を図5に示す。
In Example 3, a compact was formed by mixing 42.6 vol% bronze (Cu-10Sn), 40 vol% NaCl as a spacer, and 17.4 vol% diamond abrasive grains. The metal particle diameter of the bronze was in the range of 75 μm to 125 μm, and the particle diameter of the spacer was the same as the metal particle diameter.
Thereafter, the molded body was subjected to a preliminary sintering temperature of 650°C and a main sintering temperature of 750°C to produce a porous metal bond grinding wheel with a porosity of 40% and an abrasive grain concentration of 50. In the apparatus shown schematically in Figure 2, a CFRP material was ground while air was flowing at an input pressure of 0.5 MPa, and the normal grinding resistance (N) versus grinding distance (mm) was measured.
The results are shown in Figure 5.
実施例4では、青銅(Cu-10Sn)を22.6vol%、スペーサーにNaClを60vol%、ダイヤモンド砥粒を17.4vol%の割合で混合し、成形体を形成した。青銅の金属粒子径は125μm以上250μm以下の範囲とし、スペーサーの粒径は金属粒子径と同じとした。
その後、前記成形体を仮焼結温度650℃、本焼結温度750℃として、気孔率60%、砥粒の集中度50のポーラスメタルボンド砥石を作製し、図2に模式的に示した装置において、にエアを0.5MPaの入力圧で流しながらCFRP材を研削加工し、研削距離(mm)に対する法線研削抵抗(N)を測定した。
その結果を図5に示す。
In Example 4, a compact was formed by mixing 22.6 vol% bronze (Cu-10Sn), 60 vol% NaCl as a spacer, and 17.4 vol% diamond abrasive grains. The metal particle diameter of the bronze was in the range of 125 μm to 250 μm, and the particle diameter of the spacer was the same as the metal particle diameter.
Thereafter, the molded body was subjected to a preliminary sintering temperature of 650°C and a main sintering temperature of 750°C to produce a porous metal bond grinding wheel with a porosity of 60% and an abrasive grain concentration of 50. In the apparatus shown schematically in Figure 2, a CFRP material was ground while air was flowing at an input pressure of 0.5 MPa, and the normal grinding resistance (N) versus grinding distance (mm) was measured.
The results are shown in Figure 5.
実施例5では、実施例4と同様の配合比で青銅(Cu-10Sn)、NaCl、ダイヤモンド砥粒を混合し、成形体を形成した。青銅の金属粒子径は125μm以上250μm以下の範囲とし、スペーサーの粒径は金属粒子径と同じとした。
その後、前記成形体を、仮焼結温度650℃、本焼結温度820℃として、気孔率60%、砥粒の集中度50のポーラスメタルボンド砥石を作製し、図2に模式的に示した装置において、にエアを0.5MPaの入力圧で流しながらCFRP材を研削加工し、研削距離(mm)に対する法線研削抵抗(N)を測定した。
その結果を図5に示す。
In Example 5, a compact was formed by mixing bronze (Cu-10Sn), NaCl, and diamond abrasive grains in the same compounding ratio as in Example 4. The metal particle diameter of the bronze was in the range of 125 μm to 250 μm, and the particle diameter of the spacer was the same as the metal particle diameter.
Thereafter, the molded body was subjected to a preliminary sintering temperature of 650°C and a main sintering temperature of 820°C to produce a porous metal bond grinding wheel with a porosity of 60% and an abrasive grain concentration of 50. In the apparatus shown schematically in Figure 2, a CFRP material was ground while air was flowing at an input pressure of 0.5 MPa, and the normal grinding resistance (N) versus grinding distance (mm) was measured.
The results are shown in Figure 5.
図5のグラフの横軸は研削距離(mm)、縦軸は垂直研削抵抗(N)である。
図5に示すように、実施例1では、研削距離400mmまでは法線研削抵抗が低く抑えられており、エア供給の効果が見られた。しかしながら、実施例2では、エア供給を行わなかったため、加工当初から目詰まりし、法線研削抵抗が高くなった。
The horizontal axis of the graph in FIG. 5 represents the grinding distance (mm), and the vertical axis represents the normal grinding force (N).
As shown in Figure 5, in Example 1, the normal grinding resistance was kept low up to a grinding distance of 400 mm, demonstrating the effect of air supply. However, in Example 2, because air was not supplied, clogging occurred from the beginning of processing, and the normal grinding resistance increased.
また、実施例3では、砥粒集中度が50であったため、研削距離にかかわらず、垂直研削抵抗が低く抑えられた。
また、実施例4、5では、気孔率が60%と大きいため、研削距離にかかわらず、垂直研削抵抗がより低く抑えられ、目詰まりも抑制することができた。
以上により本発明を用いた砥石は、従来の気孔のない砥石と比べ数倍の寿命を持っていると認められる。
In addition, in Example 3, the abrasive grain concentration was 50, so the vertical grinding resistance was kept low regardless of the grinding distance.
Furthermore, in Examples 4 and 5, the porosity was as large as 60%, so that the vertical grinding resistance was kept lower regardless of the grinding distance, and clogging could also be suppressed.
From the above, it can be seen that the grinding wheel using the present invention has a lifespan several times longer than that of a conventional grinding wheel without pores.
(実験2)
実験2では、気孔率60%のポーラスメタルボンド砥石を作製し、図2に示した構成でCFRP研削加工を実施した後、電子顕微鏡により表面の状態を観察した。
具体的には、図6(a)に示すポーラスメタルボンド砥石は、青銅(Cu―10Sn)を22.6vol%、スペーサーにNaClを60vol%、ダイヤモンド砥粒を17.4vol%の割合で混合し、成形体を形成した。その後、前記成形体を仮焼結温度650℃として、本焼結を行わず、気孔率60%、砥粒の集中度50のポーラスメタルボンド砥石を作製した。
一方、図6(b)に示すポーラスメタルボンド砥石は、青銅(Cu―10Sn)を22.6vol%、スペーサーにNaClを60vol%、ダイヤモンド砥粒を17.4vol%の割合で混合し、成形体を形成した。その後、前記成形体を仮焼結温度650℃として、本焼結温度を750℃として、気孔率60%、砥粒の集中度50のポーラスメタルボンド砥石を作製した。
(Experiment 2)
In Experiment 2, a porous metal bond grinding wheel with a porosity of 60% was produced, and after CFRP grinding was carried out using the configuration shown in Figure 2, the surface condition was observed using an electron microscope.
Specifically, the porous metal bonded grinding wheel shown in Figure 6(a) was made by mixing 22.6 vol% bronze (Cu-10Sn), 60 vol% NaCl as a spacer, and 17.4 vol% diamond abrasive grains to form a compact. The compact was then pre-sintered at a temperature of 650°C, but no main sintering was performed. A porous metal bonded grinding wheel with a porosity of 60% and a concentration of abrasive grains of 50 was produced.
On the other hand, the porous metal bonded grinding wheel shown in Figure 6(b) was made by mixing 22.6 vol% bronze (Cu-10Sn), 60 vol% NaCl as a spacer, and 17.4 vol% diamond abrasive grains to form a compact. The compact was then pre-sintered at 650°C and then sintered at 750°C to produce a porous metal bonded grinding wheel with a porosity of 60% and a grain concentration of 50.
そして、それぞれの砥石について、CFRP研削を行った。加工の研削条件は、縦横50mm、厚さ5mmのCFRP積層板をワークとし、砥石周速度188m/min、送り速度200mm/min、切り込み0.5mmとした。加工パス数は、20パスとした。
その結果を図6に示す。尚、図6(a)に脱塩後の再焼結処理なしの場合の顕微鏡写真を示し、図6(b)に脱塩後の再焼結処理ありの場合の顕微鏡写真を示す。
Then, CFRP grinding was performed using each grinding wheel. The grinding conditions for processing were as follows: a CFRP laminated plate measuring 50 mm in length and width and 5 mm in thickness was used as the workpiece; the grinding wheel peripheral speed was 188 m/min, the feed rate was 200 mm/min, and the cutting depth was 0.5 mm. The number of processing passes was 20.
The results are shown in Figure 6. Figure 6(a) shows a micrograph of the case where the re-sintering treatment after desalination was not performed, and Figure 6(b) shows a micrograph of the case where the re-sintering treatment after desalination was performed.
図6の写真に示すように、いずれの砥石も全く目詰まりしていないことが認められた。また、図6(a)では、点線で囲った場所のような砥粒、ボンド材の脱落が見られた。一方、図6(b)では、脱落は見られず、強度の向上を確認することができた。
尚、研削加工においては、あえてボンド材の強度を落とし、切れ刃の自生を促すことで切れ味を向上させ加工ワークへのダメージを抑えることが必要な場合もある。本発明による砥石の製造方法では、ボンド材の強度を調整することができるため、様々な用途の砥石を製造することができる。
As shown in the photographs in Figure 6, none of the grinding wheels were found to be clogged. Also, in Figure 6(a), the abrasive grains and bond material were found to have fallen off, as shown in the area surrounded by the dotted line. On the other hand, in Figure 6(b), no falling off was observed, confirming the improvement in strength.
In grinding, it may be necessary to lower the strength of the bond material to encourage the cutting edge to grow naturally, thereby improving sharpness and minimizing damage to the workpiece.The method for manufacturing a grinding wheel according to the present invention makes it possible to adjust the strength of the bond material, making it possible to manufacture grinding wheels for a variety of uses.
1 ポーラスメタルボンド砥石
2 ポーラス体
3 砥粒
4 連通孔
1 Porous metal bond grinding wheel 2 Porous body 3 Abrasive grains 4 Through holes
Claims (4)
前記金属ポーラス体は、球形金属粒子がCuまたはCuより融点の高い金属元素、或いはCuを元にした合金元素の金属からなり、
前記金属ポーラス体には、複数の前記球形金属粒子同士がその接点において焼結により連結され、隣り合う球形金属粒子の間には隙間が気孔として存在し、
更に、前記金属ポーラス体には、流動体が流動しない独立孔は存在せず、前記金属ポーラス体の内周面と外周面とを結ぶように、前記気孔が複数連続的に繋がって、幅が大きくとも1mmの長尺の複数の連通孔が形成され、
且つ、金属ポーラス体の気孔率が40%~60%であり、
前記連通孔が、酸素、窒素などの気体、或いは切削油などの液体の流動体の通路として機能することを特徴とするポーラスメタルボンド砥石。 A porous metal bonded grinding wheel is provided, which comprises a porous metal body serving as a bond material for abrasive grains, the porous metal body being formed by sintering a plurality of spherical metal particles together and having through holes through which a fluid flows, the through holes being formed by melting a plurality of spacers made of a water-soluble inorganic salt or organic salt, and a plurality of abrasive grains disposed in the porous metal body,
The metal porous body is made of spherical metal particles of Cu, a metal element having a melting point higher than that of Cu, or a metal of an alloy element based on Cu,
In the metal porous body, the spherical metal particles are connected to each other at their contact points by sintering, and gaps exist as pores between adjacent spherical metal particles,
Furthermore, the metal porous body does not have any independent pores through which a fluid does not flow, and the pores are continuously connected to connect the inner and outer peripheral surfaces of the metal porous body, forming a plurality of long communicating pores each having a width of at most 1 mm;
The porosity of the metal porous body is 40% to 60%;
A porous metal bonded grinding wheel, wherein the communicating holes function as passages for a gas such as oxygen or nitrogen, or a liquid such as cutting oil.
複数の砥粒と、水溶性の無機塩又は有機塩からなる、粒径が75μm以上300μm以下の範囲であるスペーサーと、CuまたはCuより融点の高い金属元素、或いはCuを元にした合金元素の金属からなる、粒径が75μm以上300μm以下の範囲である複数の球形金属粒子と、を混合し混合体を成形する工程と、
前記混合体を焼結し、第一の焼結体を形成する工程と、
前記第一の焼結体から前記スペーサーを融解することにより除去する工程と、
を備え、
前記混合体を成形する工程において、
前記スペーサーの添加量を40~60vol.%とすることを特徴とするポーラスメタルボンド砥石の製造方法。 A method for manufacturing the porous metal bond grinding wheel according to claim 1, comprising : a porous metal body as a bond material for abrasive grains, the porous metal body being formed by sintering a plurality of spherical metal particles together and having through holes through which a fluid flows , the through holes being formed by melting a plurality of spacers made of a water-soluble inorganic salt or organic salt; and a plurality of abrasive grains disposed in the porous metal body,
a step of mixing a plurality of abrasive grains, spacers made of a water-soluble inorganic salt or organic salt and having a particle size in the range of 75 μm to 300 μm, and a plurality of spherical metal particles made of Cu or a metal element having a melting point higher than Cu, or a metal of an alloy element based on Cu, and having a particle size in the range of 75 μm to 300 μm, and molding the mixture;
sintering the mixture to form a first sintered body;
removing the spacer from the first sintered body by melting it;
Equipped with
In the step of molding the mixture,
A method for manufacturing a porous metal bonded grinding wheel, characterized in that the amount of spacer added is 40 to 60 vol. %.
前記第一の焼結体を再度加熱処理し、第一の焼結体より強度が向上した第二の焼結体を形成する工程をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載されたポーラスメタルボンド砥石の製造方法。 After the step of removing the spacer from the first sintered body,
The method for manufacturing a porous metal bonded grinding wheel according to claim 2, further comprising a step of heat-treating the first sintered body again to form a second sintered body having improved strength than the first sintered body.
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