JPH05221673A - 割断加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 板体の割断加工方法において、チッピング
が無く、加工断面が滑らかで、希望する曲線に沿って脆
性材料性板体を容易に分割できるようにすること。 【構成】 脆性材料製の板体（Ｗ）の外周部分に部分的
切断溝（３）を形成し、前記部分的切断溝（３）を始点
とする割断目標ライン（Ｌ）に沿って割断用加熱体
（５）を移動させながら前記部分的切断溝（３）を始点
とする板体の割断を進展させる割断加工方法において、
前記板体（Ｗ）の前記割断目標ライン（Ｌ）に沿う部分
を予加熱する。また、前記割断目標ライン（Ｌ）に沿っ
て前記板体（Ｗ）表面に予め微細な加工溝（４）を形成
しておく。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ガラス、タイル、セラ
ミック等の脆性材料製の板体の外周部分に部分的切断溝
を形成し、前記部分的切断溝を始点とする割断目標ライ
ンに沿って割断用加熱体を移動させながら前記部分的切
断溝を始点とする板体の割断を進展させる割断加工方法
に関する。本発明は、ステンドグラス製作時の任意形状
の割断加工、ガラス工芸およびガラス工業におけるガラ
スの切断加工、一般家庭におけるタイルの割断、エンジ
ニアリングセラミックスの曲線状割断等に利用すること
ができる。

【０００２】

【従来の技術】従来、ステンドグラスやガラス工芸の分
野においては、ダイヤモンドガラス切りやオイルカッタ
を用い、洗練された工具を併用し、熟練と労力によって
曲線切りの要求に答えており、これらの分野において最
近、小型品の切断加工にダイヤモンドハンドソーが用い
られるようになったが、チッピングの問題や大型品の加
工等未だ多くの問題を残している。レーザ加工法を代表
とするハイテク技術においても、５mm程度以上の厚いセ
ラミックス板の溶断、溶断面近傍の微細損傷、溶断面の
仕上り、大型品の加工等の問題が未解決のままである。

【０００３】脆性材料であるガラス、タイル等の板体を
チッピングが生じず、しかも滑らかな切断面に切り抜く
加工方法として古くから次のような割断加工方法が用い
られている。すなわち前記割断加工方法は、ダイヤモン
ドガラス切りを用いて平板上に割断しようとする形状に
切欠き溝（微細加工溝）をつけたのち、主に曲げ応力を
作用させ、切欠き底に応力集中を生じせしめて折断する
方法である。この従来の割断加工方法は、大きな曲率を
有する曲線の割断においてさえ、熟練と多大の労力を要
する。

【０００４】また、ガラスの曲線上の割断加工には高ア
ンペア（約５０Ａ）の電流を所定の形状に配置されたニ
クロム線に通電加熱し、水つけによって一端に局部収縮
を生じせしめ割れを発生させる方法もあるが、この割れ
の伝ぱ速度は極めて高速（約５００m/sec）となるた
め、製作者の望む形状の割断が容易ではないことから、
汎用されるに至っていない。

【０００５】ガラス、タイル、アルミナの如き比較的強
度の低いエンジニアリングセラミックスの切断加工に近
年継目無しダイヤモンドバンドソーが実用化されたが、
大型のガラスの切断や強度の高いセラミックスの加工
は、これによってもなお困難のまま残されている。前述
の従来の各種の加工方法では、ガラス、タイル、セラミ
ック等の脆性材料製の板体を、チッピングが生じずしか
も曲線に沿った滑らかな切断面で切り抜くことは不可能
である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで最近、脆性の
板体に割断始点となる微細な割断部分を形成し、その微
細加工割れ部分を始点とする割断目標ラインに沿って割
断用加熱体を移動させながら前記始点を起点とする板体
の割断を進展させる割断加工方法（日本機械学会論文
集、５５巻５０９号、１９８９−１、論文ＮＯ.８８−
０１５７Ｂ、「ぜい性材料の熱応力による割断加工の可
能性」、および、日本機械学会論文集、１９９０−４、
論文ＮＯ.８９−０２８４Ｂ、「円状均一加熱下の熱応
力によるき裂の進展」、等参照）が提案されている。し
かしながら、これらの文献に記載された割断加工方法に
より、脆性材料性の板体を曲線状に割断しようとしても
思い通りの曲線状に割断することはできなかった。その
理由は次のようであると考えられる。すなわち、予加熱
を行わない従来の割断加工方法では、割断（き裂）は板
厚の２〜５倍程度の長さに渡って直線的に高速で進展
（不安定破壊）し、停止する。これは割断（き裂）が進
展し始める際のイニシエーションのエネルギーが大きい
ためと考えられる。このため、例えば円形に割断したい
場合でも、実際の割断加工は多角形の割断となり、滑ら
かな曲線状の割断を行うことが困難である。

【０００７】脆性材料から形成された板体の切断加工に
おいて特に必要なことは、工学的、技術的には形状の複
雑な所謂曲線上の切断が可能なこと、並びに切断時に切
断断面及びその近傍にチッピングや微細な損傷割れが伴
なわぬことの二点に集約される。特に前記チッピングや
微細割れは製品の強度を著しく低下させるため、製品強
度を保持するためには、加工面の状態を良好に（傷が無
く且つ滑らかに）保持する必要がある。

【０００８】本発明は、前述の事情に鑑み、チッピング
が無く、加工断面が滑らかで、希望する曲線に沿って脆
性材料性板体を容易に分割できるようにすることを課題
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】次に、前記課題を解決す
るために案出した本出願の発明を説明するが、本発明の
構成要素には、後述の実施例の構成要素との対応を明か
にするため、実施例の構成要素の符号をカッコで囲んだ
ものを付記している。なお、本発明を後述の実施例の符
号と対応させて説明する理由は、本発明の理解を容易に
するためであり、本発明の範囲を実施例に限定するため
ではない。本出願の第１発明の板体の割断加工方法は、
脆性材料製の板体（Ｗ）の外周部分に部分的切断溝
（３）を形成し、前記部分的切断溝（３）を始点とする
割断目標ライン（Ｌ）に沿って割断用加熱体（５）を移
動させながら前記部分的切断溝（３）を始点とする板体
の割断を進展させる割断加工方法において、前記板体
（Ｗ）の前記割断目標ライン（Ｌ）に沿う部分を予加熱
することを特徴とする。

【００１０】また、本出願の第２発明の板体の割断加工
方法は、前記第１発明の板体の割断加工方法において、
前記割断目標ライン（Ｌ）に沿って前記板体（Ｗ）表面
に予め微細な加工溝（４）を形成しておくことを特徴と
する。

【００１１】

【作用】前記本出願の第１発明の割断加工方法では、脆
性材料製の板体（Ｗ）の割断目標ライン（Ｌ）の一部あ
るいは全部が予加熱される。前記脆性材料はガラス、セ
ラミック等の無機材料であり、そのような材料の殆どが
低い熱伝導性を示す。したがって、脆性材料製の板体
（Ｗ）の割断目標ライン（Ｌ）に沿った部分を局所的に
予加熱することができる。予加熱温度は板体（被加工
物）（Ｗ）の弾性率、熱膨張率によって決まるが、大略
５０〜２５０゜Ｃである。板体（Ｗ）を予加熱する手段
としては、割断目標ライン（Ｌ）と同じ形状の電熱線
（予加熱体）（２）を板体（Ｗ）下側の表面に接触させ
る方法、または予加熱用の温度に保持された物体（予加
熱体）（１２）を板体（Ｗ）表面の割断目標ライン
（Ｌ）に沿って接触または非接触で移動させる方法等を
採用することが可能である。

【００１２】予加熱された板体（Ｗ）表面の、前記部分
的切断溝（３）を始点とする割断目標ライン（Ｌ）に沿
って割断用加熱体（５）が移動させられる。前記割断用
加熱体（５）の移動は、割断用加熱温度に保持された物
体（割断用加熱体）（５）を板体（Ｗ）表面に接触また
は非接触で近接させた状態で行うことができる。前記割
断用加熱体（５）により割れ前方（板厚の０，５〜３倍
程度）を接触あるいは非接触に加熱し、局所的熱応力場
を先の予加熱によるそれに重畳しながら割断用加熱体を
割断目標ライン（Ｌ）に沿って移動させると、割断用加
熱体（５）の移動により前記部分的切断溝（３）を始点
とする板体（Ｗ）の割断が進展する。

【００１３】割断の速度は予加熱温度および割断用加熱
温度、被割断物（脆性材料製板体）（Ｗ）の物性、割断
目標ライン（Ｌ）の曲率等に依存するため定式化は困難
であるが、割断を行う際の各パラメータ（被割断物（脆
性材料製板体）の物性、厚さ、割断目標ラインの曲率等
に応じた、板体の予加熱温度、割断用加熱温度、または
割断用加熱体の移動の速度等）の最適条件は、短時間の
経験によって比較的容易に見いだすことができる。

【００１４】前述の特徴を備えた本出願の第２発明の割
断加工方法は前記第１の発明の割断加工方法において、
前記割断目標ライン（Ｌ）に沿って前記板体（Ｗ）表面
に予め微細な加工溝（４）が形成されるので、実際の割
断ラインを割断目標ライン（Ｌ）に一致させることが容
易である。この第２発明の場合、高強度あるいは厚い脆
性材料製の板体（Ｗ）を割断加工する際、昇温特性を上
げるため割断用加熱体（５）による加熱面積を大きくし
た場合でも、実際の割断ラインが希望する割断目標ライ
ン（Ｌ）からずれることが少なくなる。前記割断目標ラ
イン（Ｌ）に沿って予め板体（Ｗ）表面に形成される微
細な加工溝（４）は、ダイアモンド工具あるいは噴射加
工等によって形成することができる。

【００１５】

【実施例】次に図面を参照しながら、本発明の割断加工
方法の実施例を説明するが、本発明は以下の実施例に限
定されるものではない。

【００１６】〔実施例１〕図１は、本発明の割断加工方
法を実施するための割断加工装置の実施例１の平面図、
図２は同実施例１の側断面図で図１のII−II線断面図で
ある。図２において、台座１の上面には、予加熱体２が
設けられている。予加熱体２はハート型の電熱線によっ
て構成されており、給電ラインにより電力が供給される
と発熱し、温度が上昇する。台座１の上面には予加熱体
２に接して脆性材料であるセラミックス製の板体Ｗ（図
１参照）が載置されている。この板体Ｗの前記予加熱体
２に接する部分が割断目標ラインＬである。

【００１７】板体Ｗの外周部分には、前記割断目標ライ
ンＬに接続する部分的切断溝３が形成されている。この
部分的切断溝３は、板体Ｗの割断をスムースに開始させ
るためのもので、ダイヤモンドガラス切りまたは圧子等
により形成される。また、前記板体Ｗの表面には、製品
の寸法精度を上げる為、予め希望する割断目標ラインＬ
に沿ってダイヤモンド圧子や噴射加工により板厚の（１
／２０）〜（１／５０）程度の微細な加工溝４（図３,
４参照）が形成されている。

【００１８】図３において、作業者の手で取り扱われる
割断用加熱ユニットＵは、前記部分的切断溝３を始点と
する割断目標ラインＬに沿って板体Ｗ表面を移動させら
れる。この割断用加熱ユニットＵは手動で簡単に操作で
きるように全体としてアイロンの形状をしている。前記
割断用加熱ユニットＵは、割断用加熱体５、この割断用
加熱体５を支持する加熱体支持部材６を備えている。前
記割断用加熱体５は、全体として棒状に形成されてお
り、先端側の発熱部５aおよび基端側の耐熱材料製の被
ガイド部５bを備えている。前記加熱体支持部材６は、
ハンドル７およびガイド筒８を有している。ガイド筒８
には、前記割断用加熱体５の被ガイド部５bが斜め上下
方向にスライド可能に支持されている。

【００１９】前記割断用加熱体５と加熱体支持部材６の
間には、圧縮スプリング９が設けられている。この圧縮
スプリング９は、前記割断用加熱体５を常時下方に押圧
して、発熱部５aを前記板体Ｗに接触させる機能を有し
ている。なお、前記下方に押圧される割断用加熱体５に
は、位置決め用の突起５cが設けられており、その突起
５cにより割断用加熱体５の下限位置が規制されてい
る。

【００２０】次に図５〜８の作用説明図を用いて、前記
実施例１の作用を説明する。図５に示すごとく脆性材料
製の板体Ｗの下面を割断目標ラインＬに沿って前記予加
熱体２（図２参照）により予加熱する。この予加熱によ
って割断目標ラインＬに沿った部分の温度がＴsになっ
たとすると端面に引帳応力σsが生じ、この応力値σsは
大略αＥＴs（α、Ｅは各々板体Ｗの線膨張係数並びに
縦弾性率）となる。この応力σsが物体（板体Ｗ）の引
張強度に達するにはガラスで大略Ｔs*＝５０〜１５０゜
Ｃ、アルミナやジルコニア等のエンジニアリングセラミ
ックでＴs*＝１５０〜２５０゜Ｃである。（実際に割断
を行う場合は上述のような理想的な線状加熱は出来ない
故、Ｔs*は５０％程度高いと推定できる。）しかしなが
ら温度がこのＴs*以上になると破壊は超高速で伝パする
不安定破壊の形態をとり、割断の形状を厳密にコントロ
ールすることは殆どの場合不可能に近い。それ故本方法
ではこの予加熱温度を室温〜（2／3）Ｔs*程度に設定す
る。

【００２１】次に板体Ｗの片面を図６のごとく割断用加
熱体４で加熱すると、新しい熱応力場が先の応力場に重
畳される。この割断用加熱体４による熱応力場は図７に
示されるごとく局所的なものであり、加熱前のハッチ部
は割断用加熱体４の加熱によって点線部のごとく熱膨張
し、これによって新たに図５のＡＢ部に引張応力が誘起
され、材料の引張強度に達し、割れの進展が始まる。こ
の割断用加熱体５を図８の矢印Ａの方向に割断目標ライ
ンＬにそって移動させると割れはこの熱応力によって引
きずられて安定的に進展し、板体（被加工物）Ｗは自在
の形状に割断される。割断のスピードは、上述の予加熱
温度および予加熱体２による加熱面積と、割断用加熱温
度および割断用加熱体５による加熱面積を適度に組合せ
ることによつて、コントロールされる。

【００２２】また、本実施例においては、図２〜４に示
すように、板体Ｗの外周部分には、前記割断目標ライン
Ｌに接続する部分的切断溝３が形成されているので、板
体Ｗの割断は極めてスムーズに開始される。さらに、本
実施例では、板体Ｗ表面に微細な加工溝４が形成されて
いるので、極めて良好な割断加工を行うことができる。

【００２３】〔実施例２〕次に、図９，１０により本発
明の実施例２を説明する。この実施例２は、前記実施例
１の台座１上面に設けた予加熱体２の代わりに凹溝１１
が設けられた点、および割断用加熱ユニットＵに予加熱
体１２が設けられた点等で前記実施例１と相違してい
る。なお、この実施例２の説明において、前記実施例１
の構成要素に対応する構成要素には同一の符号を付し
て、その詳細な説明を省略する。

【００２４】図９，１０において、前記割断用加熱ユニ
ットＵは、前記実施例１と同様の加熱体支持部材６およ
び割断用加熱体５以外に予加熱体１２を備えている。前
記予加熱体１２は、全体として棒状に形成されており、
先端側の発熱部１２aおよび基端側の耐熱材料製の被ガ
イド部１２bを備えている。前記加熱体支持部材６は、
前記予加熱体１２を支持するガイド筒１３を有してお
り、ガイド筒１３には、前記予加熱体１２の被ガイド部
１２bが斜め上下方向にスライド可能に支持されてい
る。

【００２５】前記予加熱体１２と加熱体支持部材６の間
には、圧縮スプリング１４が設けられている。この圧縮
スプリング１４は、前記予加熱体１２を常時下方に押圧
して、発熱部１２aを前記板体Ｗに接触させる機能を有
している。なお、前記下方に押圧される予加熱体１２に
は、位置決め用の突起１２cが設けられており、その突
起１２cにより予加熱体１２の下限位置が規制されてい
る。この実施例２において、前記予加熱体１２の消費電
力は５０〜１００Ｗ、割断用加熱体４の消費電力は１０
０〜２００Ｗで可変に設定されている。

【００２６】この実施例２は、台座１上面の凹溝１１が
割断目標ラインＬに沿って設けられているので、割断用
加熱ユニットＵを移動させたとき、前記圧縮スプリング
８，１４の作用により板体Ｗに曲げ応力が作用する。こ
のため、割断が円滑に行われる。

【００２７】前記各実施例では、板体Ｗを予加熱する手
段および板体Ｗに対して割断用加熱を行う手段として電
熱による発熱体を用いているので、レーザビームを用い
た場合に比べて取扱が容易である。このため、前記各実
施例は、安全性、経済性にすぐれている。

【００２８】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求
の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の設
計変更を行うことが可能である。たとえば、前記実施例
２において、割断用加熱ユニットＵを移動させる代わり
に、板体Ｗを移動させることも可能である。

【００２９】

【発明の効果】前述の本発明の割断加工方法は、板体の
割断目標ラインに沿う部分を予加熱するので、チッピン
グが無く、加工断面が滑らかで、希望する曲線に沿って
脆性材料性板体を容易に分割することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明の割断加工方法を実施するた
めの割断加工装置の実施例１の平面図である。

【図２】 図２は同実施例１の側断面図で前記図１のII
−II線断面図である。

【図３】 図３は同実施例１の割断用加熱ユニットＵの
説明図である。

【図４】 図４は同実施例１で使用する板体Ｗの説明図
である。

【図５】 図５は同実施例１の割断工程における作用説
明図である。

【図６】 図６は同実施例１の割断工程における作用説
明図である。

【図７】 図７は同実施例１の割断工程における作用説
明図である。

【図８】 図８は同実施例１の割断工程における作用説
明図である。

【図９】 図９は、本発明の割断加工方法を実施するた
めの割断加工装置の実施例２の説明図である。

【図１０】 図１０は同実施例２の説明図で、前記図９
のＸ−Ｘ線断面図である。

【符号の説明】

Ｌ…割断目標ライン、Ｕ…割断用加熱ユニット、Ｗ…板
体、２…予加熱体、３…部分的切断溝、４…加工溝、５
…割断用加熱体、１２…予加熱体

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 脆性材料製の板体の外周部分に部分的切
   断溝を形成し、前記部分的切断溝を始点とする割断目標
   ラインに沿って割断用加熱体を移動させながら前記部分
   的切断溝を始点とする板体の割断を進展させる割断加工
   方法において、 前記板体の前記割断目標ラインに沿う部分を予加熱する
   ことを特徴とする板体の割断加工方法。
2. 【請求項２】 前記割断目標ラインに沿って前記板体表
   面に予め微細な加工溝を形成しておくことを特徴とする
   請求項１記載の割断加工方法。