研削形態の種類と理論:研削加工の基礎知識3

研削加工の基礎知識

更新日:2017年4月7日(初回投稿)
著者:基盤加工技術研究所代表 工学博士 海野 邦昭

前回は、研削抵抗や熱による工作物の変形について解説しました。研削は、切削と比べると発熱が大きく切れ味の悪い加工法です。また、研削焼けや割れによる熱損傷や、研削抵抗や熱膨張による変形も生じやすく、これらの影響をよく理解し作業することが大切です。今回は、研削形態を紹介します。研削形態を観察・評価することは、研削結果の改善につながります。

1. 研削形態の種類

研削時の砥石には、目こぼれ形、目つぶれ形、目詰まり形など、さまざまな研削形態が観察されます。

目こぼれ形

目こぼれ形の研削形態は、砥粒保持力が小さな砥石で重研削を行った場合に生じます。このタイプの研削は、砥粒の脱落により、砥石内部から常に新しい切れ刃が生じるので、研削抵抗は小さく、研削温度も低くなります(図1)。そのため、研削面に生じる熱的損傷や加工変質層は小さいのが特徴です。しかし、砥石の摩耗量が多く、寸法精度や形状精度の維持は困難です。工具費も増大します。

図1:目こぼれ形研削

図1:目こぼれ形研削(引用:海野邦昭、研削加工基礎のきそ、日刊工業新聞社、2006年、P.28)

目つぶれ形

目つぶれ形の研削形態は、砥粒保持力が大きな砥石で軽研削を行った場合に生じます。このタイプの研削は、研削時に砥粒先端が摩耗し平滑化するので、砥石の切れ味が悪く、研削温度が高くなります。そのため、工作物表面に研削焼けや割れなどが発生しやすくなります(図2)。しかし、砥石の摩耗量が少ないので、寸法精度や形状精度が維持しやすく、研削比(研削量/砥石摩耗量)も大きくなります。

図2:目つぶれ形研削

図2:目つぶれ形研削(引用:海野邦昭、研削加工基礎のきそ、日刊工業新聞社、2006年、P.29)

目詰まり形

目詰まり形の研削形態は、鉛や銅などの軟質金属を研削した場合に生じます。砥粒切れ刃が鋭利にもかかわらず、チップポケットに切りくずが詰まり、研削の継続が困難になります(図3)。このタイプの研削は、一種の目つぶれ形研削と見なすことができます。目詰まりした砥石で研削を続けると、研削焼けや割れなどの熱的損傷や、びびり振動(砥石と工作物の間で継続的に発生する振動。工作物上に痕跡が残り、仕上げ面を悪くする)が発生しやすくなります。

図3:目詰まり形研削

図3:目詰まり形研削(引用:海野邦昭、研削加工基礎のきそ、日刊工業新聞社、2006年、P.30)

2. 平均切りくず断面積と研削抵抗

目こぼれ形や目つぶれ形などの研削形態は、研削砥石の砥粒保持力と、切れ刃に作用する研削抵抗に依存します。また、砥粒研削抵抗(単一砥粒当たりの研削抵抗)は、工作物の材質と切削断面積に依存します。本稿では、平面研削を例に、平均切りくず断面積を求めます(図4)。

図4:平均切りくず断面積

図4:平均切りくず断面積(引用:海野邦昭、研削加工基礎のきそ、日刊工業新聞社、2006年、P.37)

研削量Qは、研削幅B、工作物速度v、設定切り込みtおよび時間τ(単位時間=1)に依存します。すなわち、Q=B・v・tです。また、研削量Qを除去するのに作用した切れ刃数nは、切れ刃密度λ、研削幅B、砥石周速度V、時間τに依存します。すなわち、n=λ・B・Vです。

ここで、作用した切れ刃の数だけ切りくずが生成されると仮定すると、1個の切りくず体積は、研削量を切れ刃数で割った値となります。すなわち、1個の切りくず体積q=Q/nです。したがって、q=(1/λ)・(v/V)・tとなります。

また、切りくず1個の形状を、近似的に断面積a、切削長さℓの三角柱とすれば、a=q/ℓとなります。この場合、長さℓは接触弧の長さと仮定します。Dは砥石径です。したがって、a=(1/λ)・(v/V)・(t/D)0.5となります。この切削断面積を、平均切りくず断面積と呼びます。

平均切りくず断面積aに、工作物の比研削抵抗k0を掛けると、単一砥粒当たりの研削抵抗fが求められます。すなわち、f=k0・aです。この場合の比研削抵抗とは、切りくずの単位面積当たりの接線研削抵抗で、工作物の材質に依存します。

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3. 砥粒間隔と有効切れ刃間隔

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4. 作用硬さと研削形態

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