(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
均一な不織繊維強化円盤を用いた薄型研磨ホイールを製造する方法で、
ａ）複数の支持手段に繊維の第１部分を巻き付けて、円形周縁を有する第１のジグザグ状平行繊維列を形成し、
ｂ）前記複数の支持手段に、第１のジグザグ状平行繊維列に対して約45度〜約135度の範囲の角度だけ異なった方向に前記繊維の少なくとも一部の付加的な第２部分を巻き付けて、円形の周縁を有する少なくとも一つの付加的なジクザグ状平行繊維列を形成し、それによって均一な不織繊維列を有する強化円盤を形成し、
ｃ）砥粒と有機結合剤成分の混合物の少なくとも一つの層を少なくとも一つの強化円盤に付加して、均一な積層体を形成し、
ｄ）該均一積層体を加圧下で成形して不織繊維で強化された薄型研磨ホイールを形成し、
ｅ）該不織繊維で強化された薄型研磨ホイールを硬化させる各ステップを含む方法。
【請求項２】
更に、繊維の第２部分を巻き付ける前に、最初の位置から約90度ずれた位置に第１のジグザグ状平行繊維列のための前記支持手段を回転させ、これによって繊維の前記第１部分との組み合わせによって繊維の第２部分が均一な交差パターンが完成させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
更に、繊維の第２部分を巻き付ける前に、最初の位置から45度ずれた位置まで第１のジグザグ状平行繊維列のための支持手段を回転させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
更に、繊維の第３部分を巻き付ける前に、最初の位置から90度ずれた位置まで第１のジグザグ状平行繊維列のための支持手段を回転させるステップをふくむ、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
更に、繊維の第４部分を巻き付ける前に、最初の位置から135度ずれた位置まで第１のジグザグ状平行繊維列のための支持手段を回転させるステップをふくむ、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
複数の支持手段が移動するベルトの一部に設けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
複数の支持手段が、薄型研磨ホイールの直径にほぼ等しい直径を有する円形プラットフォームの周縁上に設けられたセットピンである、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記複数の支持手段が、ずれて配置された二列の複数の可動ピンであって、該複数の可動ピンは、ピンを平行方向に動かすように構成された対応する複数の調節可能なアームにそれぞれ装着されている、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
繊維が前記可動ピンの列に巻き付けられ、可動ピンの各列は繊維を横切って他方の列とは反対方向に平行に動かされ、繊維を引き出して円形の周縁を有するジグザグ状の平行な繊維列となす、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
不織繊維強化円盤によって薄型研磨ホイールを補強する方法であって、
ａ）円形周縁を有する支持プラットフォームを横切って、複数の支持手段によって把持された第１の組の平行な繊維を引き出し、円形周縁を有する平行に並んだ不連続繊維の第１の組を形成し、前記各繊維は充分な距離を引き出され、支持プラットフォームの円形周縁に沿って設けられた始点と終点に交差し、
ｂ）前記不連続繊維の第１の列の平行な姿勢を維持しつつ、支持プラットフォームの円形周縁に沿って存在する前記交差点において繊維を切断し、
ｃ）円形周縁を有する支持プラケットフォームを横切って、複数の支持手段によって把持された第２の組の平行な繊維を、前記不連続繊維の第１の列にほぼ直角な方向に引き出し、円形周縁を有する平行に並んだ不連続繊維の第２の組を形成し、前記各繊維は充分な距離を引き出され、支持プラットフォームの円形周縁に沿って設けられた始点と終点に交差し、
ｄ）前記不連続繊維の第２の列の平行な姿勢を支持しつつ、維持プラットフォームの円形周縁に沿って存在する前記交差点において繊維を切断し、
ｅ）前記不連続繊維の第１の列を前記不連続繊維の第２の列に接着して、円形周縁を有する均一な不織繊維列を具えた強化円盤を形成し、
ｆ）前記複数の支持手段と支持プラットフォームから前記強化円盤を取り外し、
ｇ）砥粒と有機結合剤との混合物の少なくとも一つの層を少なくとも一つの強化円盤に付加して均一な積層体を形成し、
ｈ）前記均一な積層体を加圧下で成形して不織繊維で強化された薄型研磨ホイールを形成し、
ｉ）前記不織繊維で強化された薄型研磨ホイールを硬化させる各ステップを含む方法。
【請求項１１】
更に、繊維の引き出しに先立って、繊維に樹脂コーティングを施すステップを含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
更に、繊維上の樹脂コーティングを加熱し、不連続繊維の第１列を不連続繊維の第２列に接着するステップを含む、請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
薄型研磨ホイール用の不織繊維強化円盤を製造する装置であって、
ａ）円形周縁と前記薄型研磨ホイールの直径にほぼ等しい直径とを有する支持プラットフォームと、
ｂ）それぞれが所定量の繊維を有する複数の供給リールと、
ｃ）平行な列をなして配置されたクランプであって、それぞれが繊維の端を充分な力で把持して供給リールから繊維を引き出し、前記支持プラットフォームを横切って繊維を引っ張り、そして繊維を解放するように構成されたクランプと、
ｄ）前記クランプを支持プラットフォームを横切って移動させつつ、クランプを平行に維持する手段と、
ｅ）クランプが支持プラットフォームを横切る際に、各クランプの移動距離を制御する手段と、
ｆ）支持プラットフォームの円形周縁に沿って位置決めされた点において各繊維を切断する手段と、
ｇ）支持プラットフォーム上で、不連続繊維の第１列を不連続繊維の第２列に接着して、均一な不織繊維強化円盤を形成する手段と、
ｈ）前記不織繊維強化円盤を装置から取り外す手段とを具えた装置。
【請求項１４】
更に、最初の位置から約45度〜135度ずれた位置まで、前記複数のクランプに対して前記支持プラットフォームを回転させる手段を具えている、請求項13に記載の装置。
【請求項１５】
クランプが支持プラットフォームを横切る際に、各クランプの移動距離を制御する前記手段が、軌道として役立つ一組の平行な溝を具えた可動の上部プレートであり、前記軌道内をクランプが移動して支持プラットフォームを横切って繊維を引き出す、請求項13に記載の装置。
【請求項１６】
前記クランプを支持プラットフォームを横切って移動させつつ、クランプを平行に維持する前記手段が、軌道として役立つ一組の平行な溝を具えた可動の下部プレートであり、前記軌道内をクランプが移動して支持プラットフォームを横切って繊維を引き出す、請求項13に記載の装置。
【請求項１７】
支持プラットフォームの円形周縁に沿って位置決めされた点において各繊維を切断する前記手段が、支持プレートの回転軸に沿って垂直運動するように構成された支持フレーム上に装着された円形ナイフである、請求項13に記載の装置。
【請求項１８】
更に、樹脂浴と、繊維を該樹脂浴を通って引き出して繊維に樹脂コーティングを施す手段とを具えている、請求項13に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
研磨工具は繊維によって補強され、特に金属の切断、ばりの除去、粗研磨の際に高い回転速度でも安全な作業が可能になるように強化されている。これらの作業用に構成された研磨工具は、一般に「薄型研磨ホイール」と呼称されている。
こうした研磨工具を製造するための従来のプロセスにおいては、ガラス繊維織物の円盤が布シートから裁断され、砥粒と結合剤の混合物の上下に載せられて研磨ホイール用の成形型の中に入れられる。次にこの研磨ホイールは型内で圧縮されて硬化せしめられる。ガラス繊維織物で補強された製品の代表的な製造プロセスが、Haynesの米国特許第4,800,685、Oideの米国特許4,401,442に記載されている。これらの技術は研磨ホイールの直径方向に均一な補強を与え、中心の取付けハブから周縁部までを連続的に被覆するが、材料の無駄が多く（例えば最低で22％にも達する）、且つ労働コストも高い欠点を有する。
Akita他の米国特許5,431,596には、ガラス繊維織物によって部分的に補強された積層複合体の新規な研磨ホイールの構成が開示されている。Lakhaniの米国特許3,838,543には、ガラス繊維のロービング（無撚の糸）の織物を用いて、高い研磨ホイール速度が達成されたことが開示されている。Walzerの米国特許4,259,089とBinkleyの米国特許4,021,209では、ガラス繊維よりも高い強度と性能を有する繊維の織物が研磨ホイールを補強するために使用され、Pichler他の米国特許4,338,359では、繊維織物を含む研磨ホイールを改善するために繊維の被覆が使用されている。
不織ガラス繊維による従来の補強技術では、均一な効果的な補強パターンが得られない。例えば、Rectorのカナダ特許2,108,094に開示されている湾曲した、好ましくは螺旋状又は呼吸運動記録計型に配置されたガラス繊維強化材料は、接線方向に強化された研磨ホイールを提供するが、側面荷重の応力には抵抗できない。この研磨ホイールはまた研磨面に平行な繊維ストランドを有するが、これは研磨作業において種々の問題（例えば斜め傷）を生じる。不均一な補強、破裂速度仕様への不適合、研磨ホイールの研磨面における不充分な補強は、Kistler他のドイツ特許1,291,648に示された「自転車のスポーク」状の繊維配列及びSeymour他の米国特許3,262,230に開示された環境の繊維パターンに起因している。
Henmiの米国特許4,989,375、Licht他の米国特許4,657,563、Rue他の米国特許4,253,850、Randsの英国特許2,137,220及びReggebergのドイツ特許公開公報1,502,655等開示されている短いチョップトファイバ強化材料の使用は、更に高速の研磨作業が要求される薄型研磨ホイールに充分な強度を与えることはできない。
好ましいホイール強度を与えることのできる不織繊維による公知の他の強化技術は、多大な労力を伴う又は設備コストが高い複雑な作業を必要するので、好ましくない。例えば、Hurstの米国特許3,121,981に開示されているホイール補強プロセスは、砥粒を含んだ繊維シート材料を接着剤でコーティングし、その粘着面に補強繊維の平行なストランドを載せ、この補強繊維を砥粒／有機結合剤の混合物でコーティングし、得られた積層体を乾燥してホイールの形状に裁断し、この結合体の複合の層を異なる方向に配向させた補強繊維と重ね、この積み重ねたものを成形してホイールを形成する各ステップを必要とする。Akitaの米国特許4,164,098に開示されているように、ガラス繊維織物補強材料による長短の「花弁」を有する花の形が、ホイールのハブの近傍の補助的な補強としてホイールのハブから周縁まで設けられている。これらの不織繊維によるプロセスは、ホイールの補強を行うのに多くの高価なステップを必要とする。
発明の概要
比較的安価な装置によって不織繊維のパターンを形成する方法を用いて、均一に強化された薄型研磨ホイールを得ることができることが見出された。均一なパターンの不織繊維によって強化された、隆起したハブを有する薄型研磨ホイールは、研磨作業の際にハブの押し出し破損に対して著しく改善された抵抗を有する。これらの不織繊維の列を効率的に製造するための装置が開発された。
図面の説明
図1A〜1Dは、レーキ（rake）とセットピンを具えた回転プレートとを用いて、一つ又は二つの繊維スプールからジグザク・パターンの不織繊維列を形成する方法を示している。
図2A〜2Cは、円形プラットフォーム上の可動ピンを使用して一つ又は二つの繊維スプールからジグザク・パターンの不織繊維列を形成する第２の方法を示している。
図３は、セットピンを具えたプレート上のシャットルを用いて、一つ又は二つの繊維スプールから不織繊維のジクザク・パターンを形成するのに有用な方法を示している。
図4A〜4Fは、可動の繊維ガイドに連結された複数の繊維スプールから、交差パターンを有する不織繊維列を形成する方法を示している。
図５と６は、可動の繊維ガイドに連結された複数の繊維スプールから、交差パターンを有する不織繊維列を形成するのに有用な装置を示している。
好適実施例の説明
本発明によれば、ホイールのハブからホイールの周縁まで均一な空間配列で均一な量の補強繊維が存在していれば、繊維を配向させるのにどんな方法と装置を使用して薄型研磨ホイール用の不織繊維強化材料を製造してもよい。ここで使用されている「均一」と言う用語は、２本以上の繊維の交差によって形成された区分空間の規則正しいパターンのことを称し、例えば互いに90度の角度で配置された二つの平行な繊維列によって形成された正方形の交差パターンであり、織物の外見に似たパターンである。ホイールの安全と研磨速度とを最大にするために、この方法と装置は、約45度〜135度の範囲の角度、好ましくは約90度の繊維交差角で交差配列された実質的に平行な繊維からなる補強材料を作ることができる。
この方法と装置は、原価効率の良好な、自動化された、繊維の無駄の少ない製造技術となるように選ばれることが望ましい。好適な方法と装置の構成が図１〜６に示されている。図１〜３に示されたジグザグ法においては、繊維の配向を行うのに一つ又は二つだけの繊維スプールが使用されている。図4A〜4Fに示された多数の不連続繊維を用いる方法においては、繊維をプロセス内に供給するのに複数のスプールが使用されている。
図1A〜1Dは繊維をジグザグ状に配列させる方法の各ステップを示す。図示されているように、繊維スプール１はアンカー３に先端を取付けられた繊維２を供給している。この繊維２は加熱された樹脂浴４を通過して、繊維を樹脂でコーティングするようにしてもよい。繊維２は円形の回転プラットフォーム５に対する接線に沿って配向され、この回転プラットフォーム５はその周縁７に沿って位置決めされた複数のセットピン６を具えている。湾曲したレーキ８が前記回転プラットフォームの周縁７に隣接して位置決めされ、繊維２は、図1Aに示された初期ステップにおいて、レーキ８と周縁７との間を通過する。次にレーキ８は回転プラットフォーム４に向かって方向8aに移動し、繊維２をレーキ８に最も近いセットピン６の部分で捕捉して繊維２を回転プラットフォーム５を横切って搬送し、次いでレーキ８と回転プラットフォーム５のいずれかが垂直に移動して繊維２を残りのセットピン６上に引っ掛ける。図1Bに示されているように、レーキ８は次に方向8bの方に後退して元の位置に戻り、平行なジグザグ方向（０度）の繊維列９を残す。加熱樹脂浴を通って繊維を引っ張る代わりに、又はそれに加えて繊維列９に樹脂のスプレー又はコーティングが施される。繊維の配向を行うために、図1Bと1Cに示されているように回転プラットフォームはその初期位置5aから第２位置5bまで、例えば90度回転し、レーキ８は再び繊維２を横切って回転プラットフォーム５の上の静止ピン６の一部の間を通って残りのセットピン６の上方まで移動し、これに繊維２を引っ掛けて図1Dに示されるように平行なジグザグ方向（例えば90度）の繊維列11を形成する。次にこれらの繊維列は、例えば熱によって及び必要に応じて繊維列９と11をコーティングする樹脂のスプレーによって、そして更に必要に応じて加圧によって共に接合される。補強のために望ましい場合には、補助的な繊維列を形成して最初の繊維列９と11に接合してもよい。得られた不織交差繊維で補強された円盤は、機械的手段（例えば空気の吹き付け、フィンガや真空による持ち上げ、反転等）によってセットピン６と回転プラットフォーム５から取り外され、薄型研磨ホイールに補強用として使用される。
図2A〜2Cは繊維強化円盤を形成する別の二つの方法を示し、ここでは繊維のジグザグ状の列と、この方法を行うのに選ばれた装置に応じて回転する又は回転しない支持円盤14の上の可動ピンとが用いられている。この方法の一つの実施例においては、可動ピンの第１の組12が支持円盤14の中心点14a又はその近傍において支持円盤14の直径上に一列に配列されている。可動ピンの第２の組13が中心点14a又はその近傍において、可動ピンの第１組12に平行に支持円盤の直径上に一列に配列されている。可動ピン12のそれぞれは12aで示された方向に可動のアーム16に取付けられている。可動ピン13のそれぞれは13aで示された反対方向に可動の同じようなアーム（図示しない）に取付けられている。繊維２は、先端をアンカー３に固定された状態で供給スプール１からこれら二列の可動ピン12と13の間に引き込まれる。
図2Aに示されているように、ピン12を繊維２の方に移動させ、繊維を引っ掛けて半円状をなすように支持円盤14の周縁15の方に引っ張るのに、アーム16が使用されている。これと同時に可動ピン13が繊維２を横切って可動ピン12の移動方向とは180度をなす方向に移動し、繊維２を引っ掛けて半円状をなすように支持円盤14の周縁15の方に引っ張る。周縁15における繊維２、ピン12及びアーム16の位置は、図2Aに破線で示されている。このステップにおいて繊維の張力を調節するのに、一つ以上の張力付与装置10を用いてもよい。更に、繊維を引っ張る際の張力を小さくするために、可動ピン12と13を順次に可動させてもよい。周縁15において、繊維２は可動ピン12と13から解放される。この方法を行うのに選ばれた装置に応じて、第２の組のピンを用いて第２の繊維列を配列させ、これらのステップを繰り返してもよい。別のやり方として、同じピンの組を用いて、第１のジクザグ状の平行（０度方向の）繊維列を担持している可動ピン12と13又は支持円盤14のいずれかを、最初の状態から45〜135度好ましくは90度回転させ、前述の繊維の引き出し・引っ張りステップを繰り返して、第１繊維列の上に一つ以上の追加のジクザグ状の平行（例えば90度方向の）繊維列を形成する。得られた不織交差繊維列は、図1A〜1Dに示された方法について述べたように処理され、薄型研磨ホイールを作るのに使用される。
異なるタイプの装置を使用したこの方法の第２実施例においては、可動ピン12の列の始動位置と運動方向が可動ピン13の列の始動位置と運動方向と切り替えられ、繊維２は反対方向に移動するピン12と13の列によって、図2Aに示されるように周縁15の方に引っ張られる代わりに周縁15の方に押される。
図2A〜2Cに示されたこの第２方法においては、図2Bと図2Cに示されるように不織繊維円盤が作られる。半円状に配置された可動ピン12の第１の組は、初期には支持円盤14の周縁15に位置している可動アーム17に接続されている。供給スプール１からの繊維２は、支持円盤14の周縁15に沿って半円状にセットされた可動ピン13の第２の組を横切って引き出され、この繊維の先端はアンカー３に取付けられる。可動アーム17が繊維２の方に動かされ、繊維２、可動ピン13及び支持円盤14を横切って周縁15に達し、繊維２を図2Cに示すように第１ジグザ状平行（０度方向）繊維列になるように引っ張る。次に可動アーム17は引っ込む。この方法を実施するのに使用される装置に応じて、次のステップのために別の組のピンが使用され、又は第１繊維列を担持した支持円盤14或いは可動ピン12と13が可動アーム17と共に45度〜135度好ましくは90度回転させられる。繊維引っ張りステップが繰り返され、一つ以上の付加的なジグザグ状の平行（例えば90度の）繊維列を形成し、これらの繊維列は前述のように仕上げられて、薄型研磨ホイールを作るのに適した不織交差繊維強化円盤を形成する。
図３は、薄型研磨ホイール用の均一な不織繊維強化円盤を作る第３のジグザグ形成方法を示す。この方法においては、シャットルアーム18が、ニードル19に通された繊維２を支持円盤14を横切って案内し、支持円盤14の周縁15に位置決めされた複数のセットピン６のそれぞれの周囲に引っ掛けて、第１のジグザグ状平行（０度の）繊維列を形成する。シャットルアーム18の動きを規制する装置を使用して、このジグザグ状繊維列の周縁の限界を規定することができる。
支持円盤14は、製造ラインのコンベアベルトの一部、回転プラットフォーム、研磨ホイール用成形型等、又は、補強円盤が意図している研磨ホイールとほぼ同じサイズと形状を有する他の種々の構造体であってもよい。使用される装置に応じて、シャットルアーム18、ニードル19及び繊維２を含むアセンブリを第１ジグザグ状繊維列に対して約45〜135度好ましくは90度回転させるか、又は支持円盤14を目標とする距離だけ回転させて、一つ以上の付加的なジグザグ状繊維列を構成してこれらを結合し、最終的な交差不織繊維強化円盤が作られる。
図１〜３に示された方法は例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。各タイプの繊維のための一つの繊維供給源を利用してジグザグ状の繊維列を形成し、各繊維列同士を接合して研磨ホイールとなし、横方向の応力に対する二方向強度と杭力を有する不織繊維パターンを形成し、得られた繊維強化円盤の中心から周縁まで均一な繊維量と繊維間隔を提供しさえすれば、本発明の方法はその他のやり方でも行うことができる。同様に、当業者であれば種々の装置を選択して不織繊維強化円盤を製造し、この強化円盤を含んだ薄型研磨ホイールを作ることができる。
図１〜３は円全体に繊維列を作るやり方を示しているが、繊維列を円全体より少ない部分、例えば支持プラットフォームの円周の1/4又は1/3の上に配列し、次にこの被加工物を例えば45度回転させ、第１繊維列の一部の上に引き続く繊維部分を配列するようにしてもよい。このようにして、強化円盤の中心孔の上に繊維が設けられず、研磨機に研磨ホイールを取付け可能にするために研磨ホイールに中心孔を切り出さなくてもよい。
ジグザグ状の繊維配列を得るには、繊維列同士を互いに接合することが好ましい。しかし、一つだけのジグザグ状の繊維列を一つの構成片として用い、その上に一つ以上の付加的な交差パターンの繊維列を配置し、これらを研磨ホイール用成形型の中に入れて強化円盤を形成することもできる。これは、研磨ホイール用形成型をベルトの載せて運び、第１及び第２の繊維配向ステーションを通過させ、そこで第１及び第２の繊維列を型に入れることによって行うことができる。ベルト上の型がラインを移動するにつれ、砥粒と結合剤との混合物が繊維列の上面に載せられ、続いて第３、第４の繊維列が型に入れられる。
好ましい結合不織繊維強化円盤の製造に際には、半製品の繊維列の上に樹脂がスプレーその他のやり方でコーティングされることが望ましい。コーティングされない繊維は、樹脂の粘着性が無いので繊維の動きに対して抵抗性がなく、列の中で自由に引き伸ばされたり引っ張られたりし、処理中に繊維の受ける力に対して充分な張力を形成することができずに切れてしまう。しかし、適宜な張力手段とタイミング機構を具えた装置上で樹脂浴が使用され、繊維列を形成する前に繊維を樹脂でコーティングしてもよい。いずれのコーティング方法の場合でも、樹脂は加熱されて固体状のものは液化し、液状の樹脂はその粘度が低下し、又は樹脂は溶剤や希釈剤で溶かされたり薄められ、次いで蒸発せしめられて適当な繊維コーティングを可能にする。強化円盤の引き続く取リ扱いのためには、室温では基本的に固体状の樹脂が好ましい。繊維の樹脂コーティングは、取り扱いの際の繊維の損傷を防ぎ、強化円盤と研磨ホイールの部材との接合を改善し、研磨ホイールの製造の際に繊維の配向を固定する手段として好ましい。
図4A〜4Fは、薄型研磨ホイール用の均一な不織繊維強化円盤を製造するための複数の不連続繊維を使用した方法を示す。図4Aに示されているように、繊維列クランプ21によって平行に保持されている複数の繊維２のそれぞれは、複数の繊維ガイド20によって個々に把持されている。これらの繊維２は、複数の繊維供給スプール１から引き出され、加熱された樹脂浴４を通って繊維に樹脂をコーティングされる。ジグザグ状繊維配列法とは異なり、この複数不連続繊維による方法では、樹脂浴は繊維張力がはるかに均一であり且つ制御し易く、繊維の予備的コーティングが効率的に行えるので、後で行われるスプレー法又はコーティング法よりも好ましい。
図4Aに示されているように、繊維ガイド20は最初は回転プラットフォーム５の周縁７に半円形にセットされているが、周縁７の最初の半円上の点から周縁７の反対側の半円上の点まで、回転プラットフォーム５の上方を通って平行な軌道（図示しない）に沿って前後に往復可能である。回転プラットフォーム５の中心における中途点までの個々の繊維ガイド20の動き、次いで周縁７の反対側の半分までの動きは、図4Bと4Cに示されている。円形ナイフの刃22の半円形部分が、図4Dに示すように周縁７の初めの半円において繊維２を切断し、繊維ガイド20は周縁７の最初の半分の位置まで後退し、ここで、カム（図示しない）によって繊維ガイド20に新たな繊維２が供給される。この段階で、回転プラットフォーム５の上には、強化対象の薄型研磨ホイールとほぼ同じサイズと形状を有する不連続繊維の平行方向（０度の）列が形成される。不連続繊維の列23は、図4Eに示されるように、０度の初期位置から約45〜135度の範囲、好ましくは90度回転させられる。繊維ガイド20によって複数の繊維２を引き出して切断するプロセスは、不連続繊維列24の交差パターンが完成するまで繰り返される。不織繊維パターンは、前述のジグザグ状繊維形成方法と同様に更に処理され、薄型研磨ホイールを作るのに使用される不織繊維強化円盤が得られる。
この複数不連続繊維列形成方法の利点の一つは、種々のタイプの繊維を強化円盤中に使用できる点にある。例えば、ガラス繊維と炭素繊維をいっしょに使用できるし、ガラスロービングとガラス繊維の糸とを混ぜて使用することもできる。このプロセスから個々の繊維供給スプールを省略するだけで、使用される繊維の量は半分に減らすことが可能である。
図５は、図4A〜4Fに示された方法を行うのに適した装置を示す。この装置は回転駆動手段26に装着された回転プラットフォーム25と、支持のための静止手段27とを具え、更に可動支持アーム33上に装着された一組の平行な下部溝29を具えた下部プレート29と、これに同期して運動する可動支持アーム32上に装着された一組の同期する平行な上部溝31を有する上部プレート30とを具え、下部プレートは回転プラットフォーム25の上方に所定の距離を置いて位置決めされている。
これの作用は次の通りである。上部プレート30の支持アーム32の動きによって、上部プレート30のスロット31の一つに係合している各繊維ガイド20は動かされ、各スロット31の長さは、これに対応する係合繊維ガイド20の走行距離を規定する。繊維ガイド20の走行距離は、プラットフォーム25上に置かれる繊維２の長さを決める。各繊維ガイド20は下部プレート28のスロット29の一つにも係合し、これらのスロット29は作業の間、繊維２を平行な列に維持する。
図５の装置の繊維ガイド20は、図６に更に詳細に描かれている。ナット37が繊維ガイド20を下部プレート27に対して固定し、繊維ガイド20は下部プレート28の係合スロット29によって規定された軌道内を移動する。繊維ガイドのヘッド38は、上部プレート30（図示しない）の係合スロット31によって規定される軌道内を移動し、繊維２を繊維ガイド20のスプリング鋼の顎部39に把持する。繊維２はカム40によって顎部39に入れられる。カム40が前進すると顎部39が開かれ、カム40に接続されたフック41に担持されていた繊維２の端が解放される。これらの構成部品の動きは同期して行われ、図５と６に示された装置は自動的且つ連続的に作動することができる。
図５に示すように、円形の切断ナイフ22と押圧プレート35が、回転プラットフォーム25の上方の可動支持構造36に装着されている。切断ナイフ22と押圧プレート35は不連続繊維列が形成された後に垂直に移動して、繊維２を切断し、必要に応じて熱を付与し、交差繊維列同士を接合して強化円盤を形成する。支持構造36は必要に応じて直線状又は円形の可動クランプ（図示しない）を具え、切断ステップ、付加的引き出しステップ、繊維ガイド引っ込みステップ、接合ステップ、円盤取り外しステップ等の際に、繊維を所定位置に保持する。切断ナイフ22、押圧プレート35及び支持構造36の動きは、回転プラットフォーム25、繊維ガイド20、カム40及び装置のその他の構成部品と同期して行われ、自動的な連続作業が可能となる。
好適実施例においては、回転式アクチュエータ、ピストン、その他の移動部材の空気を利用した操作が装置全体に使用され、精密な作業を可能にしている。別の例では、種々の駆動機構に接続された電気式モータが装置に使用されている。このプロセスは一つ以上のコンピュータ化されたコントローラによって操作される。
所与の製造装置又は研磨ホイールにとって必要ならば、図５と６に示された装置に他の部品を付加することも可能である。例えば、17.8cm（７インチ）又は22.9cm（９インチ）の研磨ホイールを補強する場合には、不連続繊維列を後工程での処理の際に所定位置に保持するのに円形クランプは普通は不要であるが、更に大きい径のホイールの場合には望ましい。垂直運動が可能な回転プラットフォーム上の引っ込み可能な歯又は溝を付加して、特定のステップのために繊維列を所定位置に保持し、次いで不必要な場合にはこれを引っ込めてもよい。
この装置の構成部品は種々の形状や設計を選ぶことができる。例えば、下部プレート28と上部プレートは長方形のものとして図示されているが、円形でもよく、又は別の形状やサイズにして装置を使い易いように改造することも可能である。この装置は種々のホイール用に異なるサイズの円盤を製造するように構成可能である。このように、好適実施例では、この装置は交換可能な部品を具え、ホイールの強化に要する最大と最小の円盤に対する要望を受け入れるように構成されている。装置の寿命を長くするために、この装置は耐久性を有する金属、例えばステンレス等で作られることが望ましいが、装置の製造、コスト、補修、使用の点て耐久性金属では好ましくない場合には、他の材料を使用してもよい。
本発明に有用な繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、ホウ素繊維、アラミド繊維、ポリアクリロニトリル繊維、高密度ポリエチレン繊維、又は炭化珪素アルミナ等とのセラミック繊維、及びこれらの組み合わせを含むが、これらに限定はされない。ガラス繊維と有機高分子繊維との混合ロービングが本発明に適していることが見出された。単一の又は無撚の繊維ストランド（ロービング）又は複数の加撚繊維ストランド（糸）及びこれら両者の組み合わせを使用することができる。好ましい実施例では、ガラス繊維のロービングが使用されている。好ましいガラス繊維材料は、CertainTeed Corporation、Owens−Corning Fiberglass、PPG Corporationその他から入手可能である。繊維に樹脂コーティングを施すことは必須ではないが、特にガラス繊維の場合には好ましいことである。
本発明に有用な樹脂は、架橋剤を有する又は有しない種々のグレードと仕様のフェノール材料、レゾール及び／又はノボラック、エポキシ樹脂、アセテート樹脂、ポリエチレン、これらの組み合わせ及び誘導体を含むが、これらに限定されるものではない。好ましい樹脂は熱可塑性樹脂であり、この樹脂は繊維の交差点で繊維同士を接着し、強化円盤の製造の際にこれらを所定位置に維持し、得られた強化円盤同士を接合して研磨ホイールを製造する場合に取り扱いを容易にすることができる。好ましい樹脂は劣化することなしに約180℃までの温度に耐え、強化研磨ホイールの製造に多く使用されるホットプレスの後でも機能性を維持するものである。繊維重量に対して約10〜60重量％、好ましくは25〜45重量％の樹脂のコーティングが好ましい。
本発明の不織繊維円盤は、種々のサイズと形状のホイールを強化するのに使用可能である。ホイールの補強強度要求に応じて、強化円盤の繊維の交差点によって規定される開放区分空間（cells of open space）のサイズは、約0.1mm〜10mmの範囲、最も好ましくは約1mm〜5mmの範囲にある。これらの円盤は、高い金属除去速度を要する粗研磨、ばり取り作業、切断作業、その他の非常に高速な研磨作業のための薄型研磨ホイールの補強に最も有用に使用される。このクラスの代表的なホイールは、米国特許4,253,850、4,338,357、4,230,461、4,657,563及び4,800,685に記載されており、これらの内容はその番号を参照することによって本明細書中に組み入れられている。これらのホイールは、代表的には、溶融残酸化アルミニウム、溶融アルミナジルコニア、焼結アルミナ−ジルコニア、焼結アルミナ（ゾル／ゲル・プロセス又は核入りゾル／ゲルプロセスによる）、焼結ボーキサイト及び炭化珪素等の一種以上の砥粒（約24〜60容積％）と、フェノール又はエポキシ樹脂結合剤等の有機又は樹脂結合剤（約30〜70容積％）、及び氷晶石、藍晶石、炭化珪素、硫化物、硫酸塩、ハロゲン化物、塩化物、フッ化物、及びこれらの混合物等の種々の充填剤、空間維持材及び処理用添加剤を含んでいる。
この強化ホイールを組み立てるには、成形型の底部に一枚の不織繊維強化円盤を置き、砥粒、結合剤その他のホイール構成材を型に入れ、第２の不織繊維強化円盤を型内の平らな上表面に重ね、型を密閉し、押圧し、約130〜200℃で加熱して硬化させ、出来上がったホイールを型から取り外す。当業者であれば、この基本プロセスから派生して、選択された領域に異なる程度の補強を行った種々のタイプのホイールを製造することが可能である。
本発明の不織繊維列によって補強されたホイールは、同量の繊維織物によって補強された同種のホイールよりも大きい強度を有する。如何なる理論にも拘束されることを望むものではないが、繊維織物の織構造は繊維の交差点に応力を発生させ、製造中の取り扱いによってこれが悪化するものと考えられるのに対し、不織繊維列の場合にはこうした応力が存在しない。これらの応力は繊維を弱くし、低い荷重でも、特に滑り荷重状態では繊維による補強がうまく行かない。
実施例１
この実施例は、本発明方法によって補強された薄型研磨ホイールの製造プロセスを示し、このホイールが横方向の応力に対してハブが破損しないように改善された抵抗を有していることを示している。
不連続繊維の列の90度方向の交差パターンを有する強化円盤が、Industrial Polymers and Chemicalから供給されたStyle 184材料によって得られたガラス繊維ロービングから、人手によって作られた。強化円盤内の繊維の配列は、図4A〜4Fに示された方法に関して説明したものと実質的に同じやり方で人手によって行われた。
比較例として、ガラス繊維織物（Industrial Polymers and Chemicalから得られたStyle 184織物）から強化円盤が裁断された。
研磨ホイール（タイプ１、平らで直径７インチ（17.78cm）、厚さ1/8インチ（0.32cm）が、褐色アルミナ（36グリット）（Washington Mills）の砥粒72.9重量％と、有機結合剤（ノボラック樹脂、Oxychem）と充填材（硫酸カリウム及び硫化鉄）との混合物27.1重量％とで作られた。強化円盤は7 1/8インチ（18.1cm）のホイール用成形型の中に入れられ、砥粒と結合剤とが混合されて型に入れられ、別の強化円盤がこの混合物の上に置かれた。これらの構成部品は室温で５トン／平方インチ（703.1kg/cm2）の圧力で10秒間加圧され、次いで200℃まで昇温して硬化された。得られたホイールは型から取り出され、A.N.S.Iのテスト仕様に基づく表面速度破損テスト、横方向応力による最大中心荷重テスト（万能材料試験機上での0.05インチ／分荷重速度におけるリング−オン−リング強度試験、ホイールのフランジにゼロからホイールが飛び散るまで荷重を掛けて行われた。）、グラインダのスピンドルに12kgの荷重を掛けた状態で炭素鋼のパイプ上で測定したＧ比のテスト（金属材料除去速度／ホイール磨耗速度）、及び研磨の際の動力のテストを受けた。
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上の表に示されているように、これらの結果は織物による強化円盤と不織繊維による強化円盤とは実質的に同じ研磨性能を与えることを示し、本発明の方が中心部の押し出しによるホイールの破損に対する抵抗性が著しく増加（約25％）している。本発明の不織繊維強化円盤を薄型研磨ホイールに使用することによって、織物で強化されたものによって得られるよりも強力なホイールが得られた。
【図１Ａ】
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【図４Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５】
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【図６】
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