JP2004050331A - 超砥粒ホイール - Google Patents

Abstract

【課題】ポリイミド樹脂を結合剤とする超砥粒ホイールであって、超砥粒層と台金との接着強度が高く、切れ味がよい上、耐摩耗性に優れ、特に薄い切断用カッタなどとして好適な研削用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と、その超砥粒層を固定する台金とからなるホイールであって、前記超砥粒層が金属系フィラーを含むと共に、前記台金が金属系材料の粉末焼結体からなり、かつ該超砥粒層と台金とが、加圧焼成によって同時に一体的に成形されてなる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、台金と、ポリイミド樹脂を結合剤とする超砥粒層とを加圧焼成により、同時に一体的に成形したホイールであって、超砥粒層と台金との接着強度が高く、切れ味がよい上、耐摩耗性に優れ、特に薄い切断用カッタなどとして好適な研削用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。しかしながら、該ポリイミド樹脂は、台金、例えばアルミニウム合金や炭素鋼系材料などからなる台金との接着性に劣るため、超砥粒層を成形する際に、台金に同時接着させることができにくいという欠点を有している。したがって、台金の作用部に超砥粒層を設けるには、例えばリング状の超砥粒層用部材を成形したのち、エポキシ系などの接着剤で台金の作用部に固着させることにより、超砥粒層を設ける方法が、一般に用いられている。
ところが、ポリイミド樹脂を結合剤とする超砥粒層を台金の作用部に設けた超砥粒ホイールは、上記のような方法で製造されるため、例えばＪＩＳ　Ｂ　４１３１．１９９８の表１７に規定するタイプ１Ａ１Ｒで厚みＴが３ｍｍ以下の薄い切断用などのカッタタイプのホイールは、超砥粒層と台金との接着部の面積が小さいため、十分な接着力が得られず、製作することができないという問題があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情のもとで、ポリイミド樹脂を結合剤とする超砥粒層と、その超砥粒層を固定する台金とからなるホイールであって、超砥粒層と台金との接着強度が高く、切れ味がよい上、耐摩耗性に優れ、特に薄い切断用カッタなどとして好適な研削用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、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、金属系フィラーを含み、かつポリイミド樹脂を結合剤とする超砥粒層と、金属系材料の粉末焼結体からなる台金とを、加圧焼成により同時に一体的に成形することにより、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と、その超砥粒層を固定する台金とからなるホイールであって、前記超砥粒層が金属系フィラーを含むと共に、前記台金が金属系材料の粉末焼結体からなり、かつ該超砥粒層と台金とが、加圧焼成によって同時に一体的に成形されてなることを特徴とする超砥粒ホイール、
（２）台金を構成する金属元素の少なくとも１つが、超砥粒層に含まれる金属元素と同じものである第１項記載の超砥粒ホイール、
（３）超砥粒層が、金属系フィラーとして少なくともコバルト又はコバルト基合金を含み、かつ台金がコバルト又はコバルト基合金を少なくとも含む金属系材料からなるものである第２項記載の超砥粒ホイール、及び
（４）円板状台金の外周部に超砥粒層を有し、該超砥粒層の軸方向の厚みが３ｍｍ以下である第１項、第２項又は第３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、かつ金属系フィラーを含む超砥粒層が、台金に固定された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。
一方、結合剤であ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、金属系フィラーを含有させることが必要である。本発明においては、該超砥粒層と後述の台金とを、加圧焼成法により、同時に一体的に成形させ、台金に超砥粒層を固定させるが、この超砥粒層と台金との接着性を良好にするために、該超砥粒層に金属系フィラーを含有させるものである。そして、該金属系フィラーとしては、超砥粒層と台金との接着性の点から、台金を構成する金属元素を少なくとも含むものが好ましく用いられる。また、台金は、超砥粒層を加圧焼成により形成させる際に、同時に金属系材料の粉末焼結体として形成されるため、ポリイミド樹脂を結合剤とする超砥粒層の加圧焼成条件で、粉末焼結可能な金属系材料が用いられる。このような金属系材料としては、例えばコバルト、コバルト基合金又はこれらを主体とする他の金属との混合物、例えばタングステンやチタンなどとの金属混合物、さらには銅及び銅基合金、Ｃｕ−Ｓｎ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金などのＦｅ基合金等を挙げることができるが、これらの中で焼結性及び形成される台金の機械的強度（硬度）などの点から、コバルト、コバルト基合金及びコバルトとタングステンとの金属混合物などが好ましい。なお、台金には、これらの金属系材料以外に、炭化ケイ素やアルミナなどを含有させることができる。
【０００６】
一方、超砥粒層に含有させる金属系フィラーとしては、前記台金を構成する金属系材料と同じものが好ましく、したがって特にコバルト、コバルト基合金及びコバルトとタングステンとの金属混合物などが好適である。また、この超砥粒層には、本発明の目的が損なわれない範囲で、台金を構成する金属系材料とは事なる金属系フィラー、例えば銅、ニッケル、銀、亜鉛などの中から選ばれる少なくとも１種を含有させることができる。
超砥粒層におけるポリイミド樹脂と金属系フィラーとの含有割合については特に制限はないが、焼成前の粉末混合物において、ポリイミド樹脂と金属系フィラーとの容量比が３０：７０ないし９０：１０の範囲が好ましい。この容量比が上記範囲を逸脱すると、超砥粒層と台金との接着強度が高く、切れ味がよい上、耐摩耗性に優れる超砥粒ホイールが得られにくい。特に好ましいポリイミド樹脂と金属系フィラーとの容量比は、４０：６０ないし８０：２０の範囲である。
さらに、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、例えば金属系フィラー以外のフィラーや潤滑剤などを適宜含有させることができる。ここで、金属系フィラー以外のフィラーとしては、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。
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。
【０００７】
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。
本発明の超砥粒ホイールは、加圧焼成により、台金と超砥粒層とを同時に一体的に成形することによって製造される。まず、超砥粒と、結合剤であるポリイミド樹脂粉末と、金属系フィラー粉末と、必要に応じて用いられる他のフィラー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超砥粒層形成用粉末混合物を調製すると共に、台金形成用金属系材料粉末を調製する。
次に、金型内に前記の台金形成用金属系材料粉末を充填し、さらに台金に超砥粒層が固定されるように、前記の超砥粒層形成用粉末混合物を充填したのち、好ましくは温度３５０〜５００℃程度、圧力２０〜２５０ＭＰａ程度の条件で加圧焼成することにより、金属粉末焼結体からなる台金に超砥粒層が固定された本発明の超砥粒ホイールが得られる。
【０００８】
このようにして得られた本発明の超砥粒ホイールは、以下に示す効果を奏する。
（１）超砥粒層と台金とを、同時に一体的に成形できるので、厚みが３ｍｍ以下の薄い切断用などのカッタタイプのホイールの製作が可能である。
（２）超砥粒層と台金を同時に一体的に成形する際に、台金の厚みを所定寸法に設定できるので、成形後の台金部の研削、切削などの機械加工が不要となる。
（３）台金として、コバルト系金属材料を用いた場合、一般的なアルミニウム合金や炭素鋼材からなる台金に比べて強度が高く、切断精度に優れる超砥粒ホイールが得られる。
（４）台金を構成する金属元素の少なくとも１つが、超砥粒層に含まれる金属元素と同じである場合、超砥粒層と台金との接着強度の高い超砥粒ホイールが得られる。
（５）結合剤としてポリイミド樹脂を用いているので、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に比べて、重研削に適しており、また耐摩耗性に優れ、寿命が長く、かつメタルボンド超砥粒ホイールよりも切れ味が良い。
【０００９】
【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
直鎖型ポリイミド樹脂粉末［デュポン社製、商品名「ベスペルＳＰ」］８０容量％とコバルト粉末２０容量％からなる混合粉末に、粒度♯１４０／１７０の人造ダイヤモンド砥粒を３．８ｃｔ／ｃｍ^３相当量混合して超砥粒層形成用粉末混合物を調製した。一方、コバルト粉末単独からなる台金形成用粉末を調製した。
次に、金型に前記の台金形成用粉末を充填し、さらにその外周部に前記の超砥粒層形成用粉末混合物を充填したのち、温度４５０℃、圧力１７０ＭＰａの条件で加圧焼成を行い、図２に示す形状を有する１５０Ｄ−６Ｘ−１．０Ｔ−０．８Ｅ−５０．８Ｈのカッティングホイールを製作した。
このホイールにおける超砥粒層と台金との接着性は極めて良好であった。また、この台金の硬度はロックウエルＣスケールで、Ｈ_ＲＣ４０であった。なお、ＳＫ材からなる台金の硬度はＨ_ＲＣ１０程度、ＳＫＨ材からなる台金の硬度はＨ_ＲＣ２０〜３０程度である。
実施例２
実施例１において、直鎖型ポリイミド樹脂粉末とコバルト粉末の混合割合を、それぞれ５０容量％ずつに変更した以外は、実施例１と同様にして、１５０Ｄ−６Ｘ−１．０Ｔ−０．８Ｅ−５０．８Ｈのカッティングホイールを製作した。
このホイールにおける超砥粒層と台金との接着性は極めて良好であった。
実施例３
実施例１において、台金形成用粉末として、コバルト８０容量％とタングステン２０容量％とからなる混合金属粉末を用いた以外は、実施例１と同様にして、１５０Ｄ−６Ｘ−１．０Ｔ−０．８Ｅ−５０．８Ｈのカッティングホイールを製作した。
このホイールにおける超砥粒層と台金との接着性は極めて良好であった。またこの台金の硬度はＨ_ＲＣ４２であった。
比較例１
実施例１において、コバルト粉末を用いずに超砥粒層形成用粉末混合物を調製した以外は、実施例１と同様にして、カッティングホイールを製作しようとしたが、超砥粒層と台金とが接着せず、目的のホイールが得られなかった。
比較例２
フェノール樹脂粉末に、粒度♯１４０／１７０の人造ダイヤモンド砥粒３．８ｃｔ／ｃｍ^３相当量混合して超砥粒層形成用粉末混合物を調製した。
次に、金型において、炭素鋼ＳＫ（ＪＩＳ　Ｇ　４４０４）からなる台金の外周部に上記粉末混合物を充填したのち、温度２００℃、圧力８０ＭＰａの条件で加圧焼成を行い、１５０Ｄ−６Ｘ−１．０Ｔ−０．８Ｅ−５０．８Ｈのカッティングホイールを製作した。
【００１０】
試験例１
実施例３及び比較例２で製作したカッティングホイールについて、平面研削盤を用い、下記の条件で窒化ケイ素の溝入れ試験を行い、法線研削抵抗を求めると共に、研削加工後のカッティングホイールの外周角度の摩耗（Ｒ）を、カーボン転写法により測定した。
＜ドレッシング条件＞
加工方式：駆動方式２０°傾斜法
ホイール回転数：１８００ｍｉｎ^−１
砥石回転速度：４００ｍｉｎ^−１
前後送り速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ
切込み：１０μｍ／ｐａｓｓ
使用砥石：ＧＣ１８０−Ｇ
＜研削条件＞
試験機：岡本工作平面研削盤ＫＳＫ−ＺＩ（３．７ｋＷ）
加工方式：湿式クリープフィード研削
ホイール回転数：３２７０ｍｉｎ^−１
テーブル送り：２５ｍｍ／ｍｉｎ
切込み：５ｍｍ×１０ｐａｓｓ
研削液流量：１５リットル／ｍｉｎ
図３に、法線研削抵抗の変化をグラフで示す。この図３から分かるように、実施例３及び比較例２で製作したカッティングホイールの切れ味は、ほぼ同等である。
また、研削加工後のカッティングホイール外周角部の摩耗は、比較例２のカッティングホイールがＲ０．３であるのに対し、実施例３のカッティングホイールはＲ０．２であり、摩耗が少なく、耐摩耗性に優れていることが確認された。
【００１１】
【発明の効果】
本発明の超砥粒ホイールは、台金と、ポリイミド樹脂を結合剤とする超砥粒層とを加圧焼成により、同時に一体的に成形したホイールであって、超砥粒層と台金との接着強度が高く、切れ味がよい上、耐摩耗性に優れ、特に薄い切断用カッタなどとして好適に用いられる。
【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、実施例３及び比較例２で製作したカッティングホイールにおける、法線研削抵抗の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１　台金
２　超砥粒層

Claims (4)

1. ポリイミド樹脂を結合剤とする超砥粒層と、その超砥粒層を固定する台金とからなるホイールであって、前記超砥粒層が金属系フィラーを含むと共に、前記台金が金属系材料の粉末焼結体からなり、かつ該超砥粒層と台金とが、加圧焼成によって同時に一体的に成形されてなることを特徴とする超砥粒ホイール。
2. 台金を構成する金属元素の少なくとも１つが、超砥粒層に含まれる金属元素と同じものである請求項１記載の超砥粒ホイール。
3. 超砥粒層が、金属系フィラーとして少なくともコバルト又はコバルト基合金を含み、かつ台金がコバルト又はコバルト基合金を少なくとも含む金属系材料からなるものである請求項２記載の超砥粒ホイール。
4. 円板状台金の外周部に超砥粒層を有し、該超砥粒層の軸方向の厚みが３ｍｍ以下である請求項１、２又は３記載の超砥粒ホイール。

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