JP2004034261A

JP2004034261A - 超砥粒ホイール

Info

Publication number: JP2004034261A
Application number: JP2002197341A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Oki; 沖　宏; Norihito Seiza; 星座　紀仁
Original assignee: Asahi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Asahi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2002-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: JP4199964B2

Abstract

【課題】切れ味がよく、かつ耐摩耗性に優れ、特に硬度の低い被削材の研削加工に好適な超砥粒ホイールを提供する。
【解決手段】ポリイミド樹脂を結合剤とする超砥粒層を有するホイールであって、前記超砥粒層がコバルト及び／又はコバルト基合金粉末を含む超砥粒ホイールである。
【選択図】　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超砥粒ホイールに関する。さらに詳しくは、本発明は、切れ味がよく、かつ耐摩耗性に優れ、特に硬度の低い鉄系材料の研削加工に好適な、ポリイミド樹脂を結合剤とするレジンボンド超砥粒ホイールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドやｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）などを使用した超砥粒ホイールは、金属、セラミックス、ガラス、プラスチックス、ゴム、複合材料などの研削に広く用いられている。超砥粒ホイールは、一般に砥粒層部の結合剤の種類によって分類することができ、例えばレジノイド結合剤（Ｒｅｓｉｎｏｉｄ　ｂｏｎｄ）を用いたレジンボンドホイール、メタル結合剤（Ｍｅｔａｌ　ｂｏｎｄ）を用いたメタルボンドホイール、ビトリファイド結合剤（Ｖｉｔｒｉｆｉｅｄ　ｂｏｎｄ）を用いたビトリファイドボンドホイールなどがある。
これらの中で、メタルボンド超砥粒ホイールは、砥粒保持力と耐摩耗性に優れているが、切れ味は劣る。ビトリファイドボンド超砥粒ホイールは、一般に切れ味がよく、耐摩耗性も良好であるが、脆くて欠けやすいという欠点がある。
一方、レジンボンド超砥粒ホイールは、成形が容易であって適当な硬度を有し、耐衝撃性に優れる上、発熱も比較的少ないなどの特徴を有し、結合剤の種類に応じて、湿式研削、乾式研削、重研削加工などに用いられており、例えば粗研削から精密研削、やわらかい金属から硬い高速度鋼の研削まで、広い範囲にわたって利用されている。
特に、硬くて脆性破壊を起こしやすい超硬合金やサーメット、セラミックス、ガラスなどの研削加工には、一般にレジンボンド超砥粒ホイールが用いられる。その理由は、レジノイド結合剤は、圧縮弾性率が比較的小さく、弾性変形がある程度生じやすいために、研削時の食い込みが少なく、研削による被加工物のカケが発生しにくいからである。
このようなレジンボンド超砥粒ホイールにおいては、レジノイド結合剤として、主にフェノール樹脂やポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂が、機械的強度や耐熱性などの点から用いられている。そして、結合剤としてフェノール樹脂を用いたホイールは、通常湿式又は乾式研削加工に用いられ、ポリイミド樹脂を用いたホイールは、主に湿式重研削加工に用いられている。しかしながら、結合剤としてフェノール樹脂を用いたレジンボンド超砥粒ホイールは、切れ味がよく、高硬度材を始め、広い用途に使用されているものの、メタルボンド超砥粒ホイールやビトリファイドボンド超砥粒ホイールに比べて耐摩耗性に劣り、研削比が低いという欠点を有している。
一方、結合剤としてポリイミド樹脂を用いたレジンボンド超砥粒ホイールにおいては、該ポリイミド樹脂は、フェノール樹脂に比べて、より高い耐熱性と機械的強度及び耐摩耗性を有することから、前述のように重研削加工に適している。そして、該ポリイミド樹脂を結合剤とする超砥粒層には、充填材として、炭化ケイ素やアルミナなどの無機粉末、あるいはブロンズなどの金属粉末が一般に用いられている。
しかしながら、被削材が硬度の低い材料である場合には、研削加工時に流れ形の長い切粉が発生し、レジン系の結合剤では摩耗が激しいために、レジンボンド超砥粒ホイールは使用しにくいという問題があった。したがって、このような被削材の研削加工には、メタルボンドｃＢＮホイールが一般に用いられるが、メタルボンド超砥粒ホイールは、前述のように耐摩耗性は高いものの、切れ味が劣る上、ドレッシングもしにくいという欠点を有している。
このような事情から、切れ味がよく、かつ耐摩耗性に優れ、しかも硬度の低い被削材の加工が可能な超砥粒ホイールが求められていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような状況下で、切れ味がよく、かつ耐摩耗性に優れ、特に硬度の低い被削材の研削加工に好適な超砥粒ホイールを提供することを目的としてなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の優れた機能を有する超砥粒ホイールを開発すべく鋭意研究を重ねた結果、超砥粒層の結合剤にポリイミド樹脂を用い、かつ該超砥粒層に特定の金属系粉末を含有させることにより、その目的を達成し得ることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
（１）ポリイミド樹脂を結合剤とする超砥粒層を有するホイールであって、前記超砥粒層がコバルト及び／又はコバルト基合金粉末を含むことを特徴とする超砥粒ホイール、
（２）超砥粒層が、超砥粒とポリイミド樹脂粉末とコバルト及び／又はコバルト基合金粉末を含む粉末混合物を焼成することにより形成されたものであり、かつ該粉末混合物において、ポリイミド樹脂粉末とコバルト及び／又はコバルト基合金粉末との容量比が１０：９０ないし７０：３０である第１項記載の超砥粒ホイール、
（３）超砥粒がｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）である第１項又は第２項記載の超砥粒ホイール、
（４）被削材が硬度Ｈ_ＲＢ９０以下の鉄系材料である第１項、第２項又は第３項記載の超砥粒ホイール、及び
（５）両頭研削加工用として用いられる第４項記載の超砥粒ホイール、
を提供するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の超砥粒ホイールは、超砥粒がポリイミド樹脂からなる結合剤で保持された超砥粒層を有するレジンボンドホイールである。
本発明の超砥粒ホイールにおいて、超砥粒層に用いる超砥粒としては、ダイヤモンド砥粒及びｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）砥粒を挙げることができる。ダイヤモンド砥粒及びｃＢＮ砥粒は、それぞれ１種を単独で用いることができ、あるいは、ダイヤモンド砥粒とｃＢＮ砥粒を併用した混合砥粒として用いることもできるが、本発明においては、これらの中で、特にｃＢＮ砥粒が好適である。
一方、結合剤におけるポリイミド樹脂としては、特に制限はなく、従来ポリイミド樹脂を用いたレジンボンド超砥粒ホイールにおいて慣用されているものの中から、任意のものを適宜選択して用いることができるが、特に直鎖型ポリイミド樹脂が好適である。この直鎖型ポリイミド樹脂には、直鎖熱可塑型及び直鎖非熱可塑型があり、本発明においてはいずれも用いることができる。
本発明の超砥粒ホイールにおける超砥粒層には、コバルト及び／又はコバルト基合金粉末を含有させることが必要である。このコバルトやコバルト基合金粉末を含有させることにより、耐摩耗性が向上し、硬度の低い被削材を研削加工する際に発生する流れ形の長い切粉による摩耗を効果的に抑制することができる。
前記超砥粒層は、超砥粒とポリイミド樹脂粉末とコバルト及び／又はコバルト基合金粉末を含む粉末混合物を焼成することにより形成されるが、本発明においては、該粉末混合物におけるポリイミド樹脂粉末とコバルト及び／又はコバルト基合金粉末との容量比は１０：９０ないし７０：３０であることが好ましい。この容量比が上記範囲を逸脱すると、所望の機能を有する超砥粒ホイールが得られにくい。より好ましいポリイミド樹脂粉末とコバルト及び／又はコバルト基合金粉末との容量比は２０：８０ないし６０：４０の範囲である。
【０００６】
該超砥粒層には、本発明の目的が損なわれない範囲で、所望により他の金属粉末を含有させることができる。他の金属粉末としては、例えばタングステンやチタンなどの粉末を用いることができる。
本発明の超砥粒ホイールにおける超砥粒層には、さらに本発明の目的が損なわれない範囲で、所望により従来超砥粒ホイールの砥粒層に慣用されている添加成分、例えば他の充填剤を始め、潤滑剤などを適宜含有させることができる。ここで、他の充填剤としては、例えば炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化タングステンなどの炭化物、窒化ケイ素、窒化チタンなどの窒化物、酸化ケイ素、酸化セリウム、酸化鉄、酸化クロムなどの酸化物等の粉末を挙げることができる。これらの充填剤は、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、潤滑剤としては、例えば六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、二硫化タンタル、グラファイト、フッ化黒鉛、窒化ホウ素、フタロシアニン、雲母などの層状固体、フッ化カルシウム、フッ化ナトリウム、フッ化バリウム、フッ化ランタン、フッ化イットリウムなどのフッ化物、硫化鉄などの硫化物、酸化アルミニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化鉄、酸化ケイ素などの酸化物等を挙げることができる。これらの中で、六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイト、フッ化カルシウム及びフッ化バリウムは、潤滑効果が大きいので特に好適に使用することができる。この潤滑剤は、微粉末状として使用することが好ましい。これらの潤滑剤は１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
超砥粒層における超砥粒、結合剤及び気孔などの占める割合としては特に制限はなく、ホイールの使用目的やその他様々な状況に応じて適宜選択することができる。
本発明の超砥粒ホイールの形状としては特に制限はなく、例えば、カップ型の超砥粒ホイールとすることができ、あるいは、ストレート型の超砥粒ホイールとすることもできる。図１は、カップ型の超砥粒ホイールの１例の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）であり、図２は、ストレート型の超砥粒ホイールの１例の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。カップ型の超砥粒ホイールにおいては、台金１の中心軸と直交する平面上に超砥粒層２が存在し、ストレート型の超砥粒ホイールにおいては、台金１の外周に超砥粒層２が存在する。
また、図３は、両頭研削加工用のカップ型のレジンボンド超砥粒ホイールの１例の断面図であり、両頭研削加工においては、このホイール２枚を、超砥粒層２を対面させた配置で使用される。
【０００７】
本発明の超砥粒ホイールは、以下のようにして製造することができる。
本発明においては、まず超砥粒と結合剤であるポリイミド樹脂粉末と、コバルト及び／又はコバルト基合金粉末と、必要に応じて用いられる他の充填材や潤滑剤などの添加剤粉末を、それぞれ所定の割合で均質に混合して粉末混合物を調製する。次いで、この粉末混合物を金型内に充填し、２０〜２００ＭＰａ程度の圧力で冷間加圧したのち、炉中で３５０〜５００℃程度の温度にて無加圧成形するか、あるいは、該粉末混合物を金型内に充填し、温度３５０〜５００℃程度、圧力２０〜２００ＭＰａ程度の条件でホットプレス成形する方法などにより、所望形状、例えばリング状などの超砥粒層を形成したのち、この超砥粒層をエポキシ系接着剤などにより、適当な台金の作用部に接着し、超砥粒ホイールを作製する。あるいは、金型内の適当な台金の作用面に、上記粉体混合物を載置し、温度３５０〜５００℃程度、圧力２０〜２００ＭＰａ程度の条件でホットプレス成形することにより、超砥粒ホイールを作製する。
このようにして得られた本発明の超砥粒ホイールは、切れ味がよく、かつ耐摩耗性に優れ、特に硬度の低い被削材、例えば硬度がロックウエルＢスケールでＨ_ＲＢ９０以下の鉄系材料の研削加工に好適に用いることができる。Ｈ_ＲＢ９０以下の鉄系材料としては、例えば鋳鉄、鉄系焼結金属、低高度の炭素鋼などを挙げることができる。研削加工法としては、通常の平面研削を始め、両頭研削のいずれも採用することができるが、特に両頭研削加工において、本発明の効果が有効に発揮される。
【０００８】
【実施例】
次に、本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
実施例１
ポリイミド樹脂［デュポン社製、商品名「ベスペルＧＰ」］粉末とコバルト粉末との容量比５０：５０の混合粉末に、粒度１７０／２００のｃＢＮ砥粒を３．８０ｃｔ／ｃｍ^３相当量混合して粉体混合物を調製した。次いで、この粉体混合物を金型に充填し、温度４００℃、圧力２００ＭＰａ、保持時間３０分間の条件で加圧焼成し、リング状の超砥粒層を形成した。
次に、この超砥粒層を、寸法１６９Ｄ−６Ｔ−５０．８Ｈのアルミニウム合金製台金の外周にエポキシ系接着剤で固着し、１７５Ｄ−６Ｔ−３Ｘ−５０．８Ｈ（１Ａ１）のストレート型ｃＢＮホイールを製作した。
実施例２
実施例１において、ポリイミド樹脂粉末とコバルト粉末との容量比を３０：７０に変更した以外は、実施例１と同様にして、１７５Ｄ−６Ｔ−３Ｘ−５０．８Ｈのストレート型ｃＢＮホイールを製作した。
比較例１
実施例１において、コバルト粉末の代わりに銅粉末を用いた以外は、実施例１と同様にして、１７５Ｄ−６Ｔ−３Ｘ−５０．８Ｈのストレート型ｃＢＮホイールを製作した。
【０００９】
試験例１
実施例１、２及び比較例１で製作したｃＢＮホイールについて、横軸平面研削盤を用い、下記の条件でＳＳ４１の湿式プランジ研削試験を行い、法線研削抵抗値Ｆｎ（Ｎ）及びホイール半径摩耗高さ（μｍ）を求めた。結果を第１表に示す。
〈研削条件〉
試験機：長島精工（株）製横軸平面研削盤
加工方式：湿式プランジ研削
ホイール周速：３０ｍ／ｓ
切込み：５μｍ／ｐａｓｓ
左右速度：１５ｍ／ｍｉｎ
総切込み：２０ｍｍ
被削材：ＳＳ４１（Ｈ_ＲＢ７７〜７８）、３．０５Ｔ−１１９．６Ｌ
【００１０】
【表１】

【００１１】
第１表から分かるように、本発明のｃＢＮホイール（実施例１及び２）は、比較例１のｃＢＮホイール（ポリイミド樹脂粉末：銅粉末容量比＝５０：５０）に比べて、ホイール半径摩耗高さが著しく小さく、極めて耐摩耗性に優れている。また、法線研削抵抗値も、比較例１のものに比べて小さい。
実施例３
実施例１と同様にして、ストレート型ｃＢＮホイールの代わりに、寸法３０５Ｄ−７５Ｗ−３Ｘ−５０Ｔ−８０Ｈの両頭研削加工用のカップ型ｃＢＮホイール２枚を製作した。
実施例４
実施例２と同様にして、ストレート型ｃＢＮホイールの代わりに、寸法３０５Ｄ−７５Ｗ−３Ｘ−５０Ｔ−８０Ｈの両頭研削加工用のカップ型ｃＢＮホイール２枚を製作した。
比較例２
フェノール樹脂粉末と銅粉末との容量比７０：３０の粉末混合物を調製した。次いで、この粉末混合物を金型に充填し、温度２００℃、圧力８０ＭＰａ、保持時間２０分間の条件で加圧焼成し、リング状の超砥粒層を形成した。
次に、この超砥粒層を台金の作用面にエポキシ樹脂で固着し、寸法３０５Ｄ−７５Ｗ−３Ｘ−５０Ｔ−８０Ｈの両頭研削加工用のカップ型ｃＢＮホイール２枚を製作した。
比較例３
比較例１と同様にして、ストレート型ｃＢＮホイールの代わりに、寸法３０５Ｄ−７５Ｗ−３Ｘ−５０Ｔ−８０Ｈの両頭研削加工用のカップ型ｃＢＮホイール２枚を製作した。
試験例２
実施例３及び比較例２、３で製作したｃＢＮホイールについて、立形両頭平面研削盤を用い、下記の条件で鉄系焼結金属の両頭研削試験を行い、研削動力値（ｋＷ）及び被削材の寸法変化（μｍ）を求めた。結果を第２表に示すと共に、研削動力値の推移曲線及び被削材の寸法変化の推移曲線を、それぞれ図４及び図５に示す。
〈研削条件〉
試験機：立形両頭平面研削盤、光洋機械社製「ＫＶＤ３００」（インフィードオシュレート方式）
ホイール回転速度：１５００／ｍｉｎ
ホイール回転方向：上軸；正転、下軸；逆転
切込み速度：２０μｍ／ｓ
取り代：０．５ｍｍ
加工個数：５０個
被削材：鉄系焼結金属、寸法１００Ｄ−４５Ｈ、Ｈ_ＲＢ６０
【００１２】
【表２】

【００１３】
第２表及び図４、図５から分かるように、実施例３の本発明のｃＢＮホイールは、研削動力値の推移については、比較例２のホイール（フェノール樹脂粉末：銅粉末容量比＝７０：３０）よりも上昇度が低く、また、比較例３のホイール（ポリイミド樹脂粉末：銅粉末容量比＝５０：５０）とほぼ同等である。一方、被削材の寸法変化の推移については、実施例３のホイールは、比較例２及び比較例３のホイールに比べて寸法変化度が小さい。
試験例３
実施例３、４及び比較例２で製作したｃＢＮホイールについて、立形両頭平面研削盤を用い、下記の条件で鋳鉄の両頭研削試験を行い、研削動力値（ｋＷ）及び被削材の寸法変化（μｍ）を求めた。結果を第３表に示すと共に、研削動力値の推移曲線及び被削材の寸法変化の推移曲線を、それぞれ図６及び図７に示す。
〈研削条件〉
試験機：立形両頭平面研削盤、光洋機械社製「ＫＶＤ３００」（インフィードオシュレート方式）
ホイール回転速度：１５００／ｍｉｎ
ホイール回転方向：上軸；正転、下軸；逆転
切込み速度：粗；４０μｍ／ｓ、仕；５μｍ／ｓ
取り代：０．５ｍｍ（粗；０．４８ｍｍ、仕；０．０２ｍｍ）
加工個数：１００個
被削材：鋳鉄（ＦＣ２５０）、寸法１００Ｄ−６０Ｈ、Ｈ_ＲＢ８０
【００１４】
【表３】

【００１５】
第３表、図６及び図７から分かるように、研削動力値の推移については、本発明のｃＢＮホイールである実施例３及び実施例４は、いずれも比較例２のホイールに比べて、研削動力値の上昇度が低い。一方、被削材の寸法変化の推移についても、実施例３及び実施例４のホイールは、いずれも比較例２のホイールに比べて、寸法変化の上昇度が小さい。
【００１６】
【発明の効果】
本発明の超砥粒ホイールは、超砥粒層に結合剤としてポリイミド樹脂を用い、かつコバルトやコバルト基合金粉末を充填材として含有させたレジンボンド超砥粒ホイールであり、耐摩耗性に優れ、かつメタルボンド超砥粒ホイールよりも切れ味がよく、ドレッシングもしやすい。また、硬度の低い鉄系材料を研削加工してもレジンボンドの摩耗が少なく、形状維持に優れているので、両頭研削加工に好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、カップ型のレジンボンド超砥粒ホイールの１例の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図２】図２は、ストレート型のレジンボンド超砥粒ホイールの１例の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図３】図３は、両頭研削加工用のカップ型のレジンボンド超砥粒ホイールの１例の断面図である。
【図４】図４は、実施例３、比較例２及び比較例３で得られたｃＢＮホイールを用い、鉄系焼結金属を両頭研削加工した際における研削動力値の推移曲線を示すグラフである。
【図５】図５は、実施例３、比較例２及び比較例３で得られたｃＢＮホイールを用い、鉄系焼結金属を両頭研削加工した際における被削材の寸法変化の推移曲線を示すグラフである。
【図６】図６は、実施例３、実施例４及び比較例２で得られたｃＢＮホイールを用い、鋳鉄を両頭研削加工した際における研削動力値の推移曲線を示すグラフである。
【図７】図７は、実施例３、実施例４及び比較例２で得られたｃＢＮホイールを用い、鋳鉄を両頭研削加工した際における被削材の寸法変化の推移曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
１　台金
２　超砥粒層

Claims

ポリイミド樹脂を結合剤とする超砥粒層を有するホイールであって、前記超砥粒層がコバルト及び／又はコバルト基合金粉末を含むことを特徴とする超砥粒ホイール。
超砥粒層が、超砥粒とポリイミド樹脂粉末とコバルト及び／又はコバルト基合金粉末を含む粉末混合物を焼成することにより形成されたものであり、かつ該粉末混合物において、ポリイミド樹脂粉末とコバルト及び／又はコバルト基合金粉末との容量比が１０：９０ないし７０：３０である請求項１記載の超砥粒ホイール。
超砥粒がｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）である請求項１又は２記載の超砥粒ホイール。
被削材が硬度Ｈ_ＲＢ９０以下の鉄系材料である請求項１、２又は３記載の超砥粒ホイール。
両頭研削加工用として用いられる請求項４記載の超砥粒ホイール。