アルミニウムの研磨技術の新展開

アルミニウムのワークピースを手動で研削するのは困難な場合があります。 作業専用に設計された研磨剤を使用すると、最良の結果が得られます。

近年、輸送業界では製品の「軽量化」を目指してアルミニウムへの注目が高まっています。 その結果、金属加工業者は、この困難な材料を扱うための新しいツールを必要としています。

アルミニウム合金は、従来の鋼合金と比較して、強度重量比が向上しています。 輸送部門全体の軽量化傾向により、アルミニウムを研削するための高速かつ効率的なツールの必要性が高まっています。 スチール用に設計された一般的な直角グラインダーホイールは、研磨剤に付着した金属片でホイールの表面がすぐに詰まる可能性があるため、アルミニウムには使用できません。

金属チップが研磨ホイールの表面に付着（負荷）するメカニズムを研究することにより、金属の負荷を回避する戦略を研磨設計に適用できます。 これにより、ワックスや潤滑剤を必要とせず、研削速度が大幅に向上し、性能が長持ちする新しいアルミニウム研削製品が生まれます。

産業で使用されるアルミニウムは、通常、純粋な元素ではなく、最終用途に応じてさまざまなアルミニウム合金ファミリーの 1 つです。 特定のアルミニウム合金の特性は大きく異なる可能性がありますが、次のように一般化しても問題ありません。

アルミニウムの生産と使用量は増加しています。 現在、鉄鋼の総生産量はアルミニウムの生産量を上回っていますが、アルミニウムの生産量の伸び率は鉄鋼のそれよりも約60％高いです。 2008 年から 2018 年にかけて、世界のアルミニウム生産量は年平均成長率 (CAGR) 4.8% で増加しましたが、世界の鉄鋼生産量は CAGR 3.0% で増加しました。

アルミニウムの使用量の増加は主に自動車産業と輸送産業によって促進され、次に航空宇宙産業、防衛産業、海洋産業が続きます。 自動車および輸送産業は、高強度アルミニウム合金の世界的な使用額の約 80% を占めており、2018 年から 2023 年までの CAGR は 7.7% と推定されています。

軽量化の傾向により、自動車および輸送業界におけるアルミニウムへの強いニーズが高まっています。 自動車メーカーは車両の燃料効率を向上させるという常にプレッシャーにさらされているため、当然のことながら、より強くてより軽い材料を求めています。 商用トラック運送業界では、トレーラーの軽量化により、燃料の節約に加えて、1回の旅行で運ぶ貨物の重量も増加します。 アルミニウムは船舶の重量を軽減するためにも使用され、船舶の速度、操縦性、安定性、燃料の節約に役立ちます。 軽量な船体により、浅瀬での運航も可能です。

また、アルミニウム合金は、鋼合金と比較して硬度が低く、延性が高く、融点が低くなります（アルミニウムの場合は 932 °F ～ 1,112 °F であるのに対し、鋼の場合は約 2,732 °F）。 これらの違いは、鉄鋼加工に使用される金属加工ツールや技術が、必ずしもアルミニウム加工に最適化されていないことを意味する可能性があります。

アルミニウムのワークピースを手動で研削する場合によくある問題の 1 つは、アルミニウムの切りくずが砥石自体に付着する傾向があることです。 ホイールに金属の切りくずが溜まる（詰まる）と、ワークピースからそれ以上金属を除去することができなくなります。 図 1 は、アルミニウム上でわずか数分間使用した後の標準的な砥石車を示しています。 この研削砥石はアルミニウムではなく鋼に使用するように設計されていたため、負荷が発生し、砥石が効果的に研削できなくなりました。

金属の付着の開始を遅らせる 1 つの方法は、砥石車にワックスを塗布することです。 ホイール表面に滑りやすい物質を塗布することで、一時的にアルミの切りくずが付きにくくなります。 ただし、ホイールを使用するとワックスが摩耗するため、再塗布する必要があります。 このオプションは理想的ではありません。ワックスの塗布により研削に時間がかかり、ワークピースにさらなる汚染が生じるため、研削が完了したらクリーンアップする必要があります。 ワックスがワークピースから完全に除去されていない場合、溶接に欠陥が生じる可能性があります。

図 1. これは、アルミニウムの研削に使用された後の、アルミニウムに使用するために特別に設計されたものではない標準的な研削砥石の例です。 銀色の（負荷がかかった）金属部分がすべて固着しており、砥石車の効果がなくなっていることに注目してください。

使用済みの砥石車の表面の負荷がかかった領域に焦点を合わせた高倍率カメラ (図 2 を参照) からは、設計上の役割を果たせない研磨面が明らかになります。 明るい部分はホイールの表面に貼り付けられたアルミニウム金属です。 白い塊状の部分は砥粒です。 黄色の領域はボンドが露出して摩耗した領域で、茶色はその下にあるボンドと毛穴です。

図 2 の右側の画像は、表面がアルミニウム金属でコーティングされた単一粒子の切断点を示しています。 切断点の背後には、アルミニウムの糸状の切りくずが多数集められています。 これらの切りくずは研削ゾーンから取り除かれていなかったため、砥粒がワークピースに当たる際に発生する摩擦と熱によって溶融しました。 この塊の中心に沿った縞模様は、アルミニウムのワークピースと砥石に付着したアルミニウムとの間のこすり跡を示しています。 アルミニウムが砥石車の表面に溜まると、切削チップによるさらなる切りくずの除去が妨げられ、金属除去プロセスが詰まりました。

この砥石車の断面図 (図 3 を参照) を顕微鏡で観察すると、側面から見た金属の負荷がわかります。

ホイールの表面から除去されたアルミニウムのチップを電子走査型顕微鏡で詳しく調べると、さらに多くのことが明らかになります (図 3、右を参照)。 チップの上面を拡大して見ると、こすったり耕した跡が見られ、半固体のような挙動を示しています。 チップの下側は、アルミニウムがどのように変形して砥石の表面全体に付着し、粒子と結合の両方に適合するかを示しています。 これらの変形の特徴は、金属がホイールの表面に付着したときにその金属が融点付近で軟化したこと、および他のアルミニウムの破片が付着するにつれて塊が凝集して成長したことを示しています。

図4は、砥粒、砥粒を保持するボンド、および研削されるワークピースが、切断（材料除去）、プラウ（材料移動）、および滑り（表面改質）プロセスにおいてどのように相互作用するかという枠組みを示しています。 ホイールの表面で観察される特徴は、主に砥粒がアルミニウムのワークピースに接触したときの滑り相互作用を示しています。 滑り相互作用は金属除去 (切りくず形成) プロセスには寄与せず、研削プロセスの効率を低下させるだけです。

アルミニウムの研削中 (図 4 を参照)、砥粒は延性のあるワークピースを通過し、砥粒の先端が金属で覆われます。 砥粒先端がコーティングされると、（砥粒に付着した）チップとワークピースとの間の摩擦相互作用により、付着した金属チップが凝集して成長し始めます。 固着した金属パッチが大きくなるにつれて、接着部とワークピース間のさらなる相互作用により熱が蓄積され、その結果、金属負荷の影響を受ける面積が大きくなります。

使用中に砥石車に金属が詰まり、研削効率が低下します。そのため、オペレータは自然な反応として、研削盤をより強く押して砥石車をさらに破壊し、表面を開いて新しい砥粒を露出させようとします。 しかし、この一般的なアプローチは機能しません。研削圧力の増加により熱が蓄積され、アルミニウムのチップが軟化してホイールの表面に付着するプロセスが継続するからです。 これによりフィードバック ループが発生し、研削できなくなり交換が必要になるまでホイールにさらなる負荷がかかる悪循環として機能します。

荷重機構のフィードバック ループを断ち切るには、砥粒の金属荷重に対する耐性を高める必要があります。 これは、荷重機構が砥粒の先端から始まり、凝集して成長して砥石車の広い領域をカバーするためです。

研削中、個々の砥粒はワークピースに継続的に衝突するため、熱的および機械的ストレスを受けます。 これらの応力により、粒子にさまざまな亀裂や破壊が生じる可能性があります (図 5 を参照)。 粒子破壊の種類と粒子破壊の全体的な速度は粒子の微細構造に依存し、硬度や熱、衝撃、衝撃に対する耐性などのいくつかの粒子特性と相関しています。 すぐに割れたり壊れたりする穀物は脆いものとして知られ、ゆっくりと磨耗するものは耐久性があるものとして知られています。

粒子の破壊は新しい切断面を露出させるため、自己研磨されます。 アルミニウムの研削の場合、粒子が砕けると、飛び出た破片が固着したアルミニウム金属の破片を持ち上げて取り除き、新鮮できれいな切断点を残します。

図 2. 使用済みの砥石セクションの上面図が示されています。

研削速度 (金属除去率) および負荷の程度に対する破砕性の影響を実証するために、異なるレベルの破砕性を持つ砥粒タイプを含む砥石が準備され、研削テストが行​​われました。 他のすべての実験パラメーターは同じに保たれました。

研削試験が完了したら、各ホイールのスタブを画像化し、固着金属で覆われたベベル領域の合計を計算することで金属負荷の範囲を決定しました (図 6 を参照)。

その結果、金属の添加量が少なく、研削速度が高い、非常に砕けやすい砥粒タイプを含む研削砥石の間には、強い相関関係があることが判明しました。

これにより、過大な圧力と熱が発生する直前に破断して金属の堆積を防ぐことができる、特別な超砕けやすい砥粒を備えたアルミニウム砥石の開発が行われました（図 7 を参照）。 これらの研磨ホイールは強力なので、アルミニウム除去用に特別に設計されていない研磨ディスクを使用する場合と比較して、手動グラインダーをより少ない労力で作業できます。