JP2005342836A - 超砥粒工具及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】砥粒率の制御が容易に行えて適宜な砥粒率で製造でき、良好な切味が得られる、活性ロウ材で結合した多層多孔質の加工工具用超砥粒層及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 超砥粒３と骨材５とを攪拌混合し、流動性とある程度の粘性の有る媒体を加えて超砥粒と骨材の表面を濡らし、次いで粉末状の活性ロウ材７を超砥粒と骨材の表面に被覆する。その状態で所定の型の中に入れ、炉中に入れて燒結する。著砥粒と骨材とはブリッジ状になった活性ロウ材により相互に結合され、空隙を備えた、砥粒が多層に配置された超砥粒層が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明はダイヤモンド或いはＣＢＮ等の超砥粒を使用した加工工具用の超砥粒層及びその製造方法に関する。さらに詳細に言えば、加工工具に備えられる超砥粒層であって、超砥粒を活性ロウ材で結合した超砥粒層であり、研削、穴あけ、切断などの広い用途に適用可能な、切味に優れ、寿命の長い、多孔質構造を備えた超砥粒層及びその製造方法に関する。さらには、そのような超砥粒層を備えた加工工具に関する。なお、本明細書及び特許請求の範囲において、加工工具に備えられる超砥粒層即ち加工工具用超砥粒層とは、ストレートホイール、カップ型ホイール等の砥石、軸付き砥石、カッター、コアドリル、ドリル等その形式を問わず、加工工具の、被加工物に切削、研削等の加工を施す為に被加工物に直接作用する作用部或いは作用部材を言う。

ダイヤモンド砥粒或いはＣＢＮ砥粒など超砥粒を活性ロウ材で結合した場合、超砥粒と活性ロウ材との間の結合は化学結合となるため、非常に強固な結合となる。特開平１−３０１０７０には、ダイヤモンド砥粒を単層で活性ロウ材を用いて基体に固着したダイヤモンド工具が開示されている。しかし単層では工具寿命に問題がある。

超砥粒を活性ロウ材で多層に相互に結合固定して層を構成した加工工具も知られている。例えば特開平５−１０４４４３号は、ダイヤモンド或いはＣＢＮ等の砥粒をチタン入り銀蝋材等の金属蝋材により被覆した後燒結するメタルボンド多孔性砥石の製造方法を開示している。また特許第３１５１７０５号は、酸素存在下で鉄鋼材の切削或いは研削を行う多孔質ダイヤモンド層であって、ダイヤモンドと、ダイヤモンドを接合する活性ロー層と、活性ロー層で接合されたダイヤモンドを支持する支持基板とからなり、活性ロー層は、隣接するダイヤモンドを小接点で接続し、ダイヤモンドの露出率を大きく形成した、多孔質ダイヤモンド層の構造などを開示している。

しかし、超砥粒を活性ロウ材で多層構造にする場合、砥粒率の制御が難しく、それはかなり高いものとなり、例えば７５％もの高い砥粒率になってしまう。これだけの砥粒率になると、超砥粒自体が高価な材料だけに、出来上がる工具も相当高価なものとなってしまう。また、砥粒率が高いことは砥粒間隔が狭くなることであり、この場合切味が悪くなってしまう。また、超砥粒がある程度磨耗すると切味が悪くなるので、その磨耗した砥粒は脱落し、下の層の新しい砥粒が現れる、すなわち適宜な自生作用が起こることが望ましい。レジンボンド、メタルボンド等を超砥粒を結合したものではこれらのボンドが切粉により削られ、それにより砥粒を保持する力が弱まり、砥粒が脱落し、ある程度の自生作用が生じる。しかし活性ロウ材を使用した場合には前述の通り結合力が強く、容易には脱落せず、自生作用が起き難く、やはり切味の悪化につながる。

特開平１−３０１０７０号公報 特開平５−１０４４４３号公報 特許第３１５１７０５号特許公報

本願発明は上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、砥粒率の制御が容易に行えて適宜な砥粒率で製造でき、良好な切味が得られる、活性ロウ材で結合した多層多孔質の加工工具用超砥粒層及びその製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明においては、超砥粒と粒状の骨材とが混合された状態で活性ロウ材で結合し、空隙が形成されている、多層構造を備えた超砥粒層を提供する。

ある実施の形態では、使用する骨材はＧＣ、Ｃ、ＷＡ、Ａ、炭化硼素、酸化セリウムなどの砥粒、粒状のセラミックス、ガラス、黒鉛、炭化タングステン、タングステンから選ばれた１或いは２以上の組合せからなる。

骨材が中空の骨材を含んでいるいてもよい。骨材は、超砥粒とほぼ同じ粒度の骨材を含んでいる。また、その骨材は、超砥粒より大きい粒度の骨材をも含んでいてもよい。さらに繊維状の骨材を含んでいてもよい。

本発明は、上記したような超砥粒層を備えた加工工具をも提供する。

さらに本発明は、加工工具用超砥粒層の製造方法を提供し、その方法は、
超砥粒と骨材とを混合する工程と、
前記超砥粒と骨材の表面を流体の媒体で濡らす工程と、
前記表面が前記媒体で濡れた超砥粒と骨材の表面に活性ロウ材を被覆する工程と、
前記活性ロウ材が被覆された超砥粒と骨材とを所定の型に充填し、燒結する工程と
を含んでいる。

ある実施の形態では、超砥粒と骨材の表面を流体の媒体で濡らす工程は、超砥粒と骨材とを混合しながら媒体を加えることにより行われる。また、活性ロウ材の超砥粒と骨材の表面への被覆も、超砥粒と骨材とを混合しながら粉末状の活性ロウ材を加えることにより行われてもよい。

ある実施の形態では、その流体の媒体は、流動パラフィン、ポリビニルアルコール、デキストリン、液状レジン、ポリエチレングリコールのいずれかである。

本願発明では上記のような構成としたので、砥粒率を所望の範囲に設定することが可能であり、冷却性に優れ、目詰まりを防止でき、切味に優れ、長寿命を確保できる、超砥粒が多層に配置された、加工工具用超砥粒層を提供できる。

以下、本願発明の具体的な実施の形態について図面を参照しながら説明する。図1は本発明の第１の実施形態に係る加工工具用の超砥粒層１の構成を示す部分断面図である。超砥粒層１は、超砥粒３と骨材５とが規則性無しに混在した形で位置し、それらがブリッジ状になった活性ロウ材７により相互に結合されている。そしてこの超砥粒層１では、例えばレジンボンド、メタルボンドを用いて燒結成形した超砥粒層などとは異なり、図示の通り、超砥粒３と骨材５との間のスペースは活性ロウ材７で完全に埋められてはおらず、空隙或いは気孔９が形成されている。従って超砥粒層の被加工物に作用する作用面での砥粒の露出度が高くなる。

超砥粒３としてはダイヤモンド砥粒、ＣＢＮ砥粒などが使用される。その場合の粒度は、その超砥粒層の使用目的等により適宜選ばれる。

骨材５としては、各種のものが使用可能であるが、基本的に超砥粒より強度が低く、脆性が有って砕けやすいものが使用され、例えばＪＩＳ Ｒ ６１１１に規格されているＧＣ、Ｃ等の炭化珪素系或いはＷＡ、Ａ等のアルミナ系の砥粒、炭化硼素、酸化セリウムなどの砥粒、或いはセラミックス、ガラス、黒鉛、炭化タングステン、タングステン等の粒状物、粉末が使用可能である。

活性ロウ材７としては各種のものが使用可能であるが、例えば、Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉ系、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ系、Ｎｉ−Ｃｒ系の活性ロウ材が特に適している。

次に上記の如き構成を備えた超砥粒層１の製造方法について説明すると、先ず第１の工程において、超砥粒３と骨材５とを所定の割合で容器に入れてこれを攪拌混合する。次に容器中のこの混合粉に所定量の流動パラフィンを徐々に滴下しながらさらに攪拌を続ける。流動パラフィンは後に加える活性ロウ材が超砥粒及び骨材の周囲に付着し易くする媒体として機能するものであり、流動パラフィンが全ての超砥粒、骨材の外表面を均一に濡らすこととなるように、充分に攪拌しながら滴下を続ける必要がある。なお、使用する媒体としては、流動パラフィンの他ポリビニールアルコール、デキストリン、液状レジンなど、適宜な流動性と粘性を有し、燒結の際にその熱により燃焼或いは蒸発し、焼成された超砥粒層には実質的に残留しないものを使用する。

次いで活性ロウ材の粉末を添加混合する。この際にも全ての超砥粒、骨材の外表面に活性ロウ材が満遍なく付着するように充分に攪拌する。このようにして得た混合紛を、製作する工具に応じて製作される型の中に所定量だけ充填し、真空又はアルゴンガスなどの活性雰囲気中で加熱し、燒結する。

型の中に充填された混合粉の状態は、図２に示される状態にある。即ち、充分に攪拌され、規則性無く、且つ偏在することなく混在した超砥粒３と骨材５とは、それぞれその外表面を活性ロウ材７の粉末が満遍なく覆い、隣合った同士がその活性ロウ材７を介して互いに部分的に接触した状態で位置し、非接触部において超砥粒３、骨材５との間にの空隙が生じている。

そしてこの状態で焼成すると、超砥粒３と骨材５とが点接触している部分で活性ロウ材７と超砥粒３、骨材５との化学反応による結合が生じ、活性ロウ材７を介して超砥粒３と骨材５とが結合される。その際、超砥粒３と骨材５の表面のうち、超砥粒３と骨材５とが接触していない部分に付着していたロウ材は接触点の方へと流れ、最終的に図１に示すようにある程度の太さを持ったブリッジ状態となって硬化し、超砥粒３と骨材５とを結合する。超砥粒３と骨材５の表面上の流動パラフィンは、焼成の際に燃焼或いは蒸発してしまい、超砥粒３及び骨材５の表面上には残らない。

このようにして製作した超砥粒層１では、混合する超砥粒と骨材との量を適宜設定することにより、超砥粒の砥粒率を所望のものとすることが可能である。従って従来のように超砥粒の砥粒率は必要以上に高くなく、望ましい砥粒率を得ることが出来る。また、これにより、高価な超砥粒を大量に使用することを避け、従来のように超砥粒のみで製作する場合より安価に加工工具を製作することが出来る。

また、骨材を含めることにより、超砥粒のみで形成した場合より超砥粒間の間隔を広げることが出来、切味の向上を図れる。

また、この超砥粒層では空隙が形成されるので比表面積が大きくなり、放熱性に優れる。そして冷却液が空隙内に入り込むことも期待できるので、その冷却効果は一層高まる。さらに、作用面にも空隙が現れることとなり、その空隙は切粉の逃げ場となり、目詰まりが防止できる。これにより良好な切味を維持することが出来る。

またこの層では、強固な構造体を維持する一方で、作用面で磨耗が進行した超砥粒を固定する固定力を弱め、自生作用を促進することができる。すなわちこの層では１個の超砥粒を数個の他の超砥粒或いは骨材が取り囲み、活性ロウ材で互いに結合されることとなり、結合力は高く、構造体としては強固である。そして、作用面に露出している超砥粒３が磨耗して来ると、それにつれて、その砥粒に結合してはいるが、作用面或いは被加工物の加工面から離れていた骨材が被加工物に近づき、被加工物に接触することにより崩壊してしまう。従って、この骨材と磨耗した砥粒との結合が無くなり、磨耗した砥粒を固定する力が弱くなり、この砥粒が脱落しやすくなる。即ち、超砥粒の自生作用が従来の超砥粒のみで形成したものより起こりやすくなり、良好な切味を維持することができる。また、この作用面に現れた骨材が崩壊することにより、作用面での空隙が広げられ、目詰まり防止の効果が高められる。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る超砥粒層の構成を示す、図１と同様の部分断面図である。第１の実施の形態では中実体の骨材が使用されていたのに対し、この実施の形態では中空体の骨材１５が使用されている。これにより、内部により多くの空所が形成される。そして作用面に現れて被加工物に接触することにより崩壊すると、直ちにその部分が空所となって外部に向かって開放されることとなり、作用面に大きな空隙を形成することが出来る。本実施の形態で使用できる中空体の骨材としては、例えば鈴木油脂工業株式会社から商品名「ゴッドボール（商標）」で販売されているシリカバルーンがある。なお、本実施の形態では中空体の骨材のみ使用したが、中実体の骨材と併せて使用しても良い。

上記の説明においては特に言及しなかったが、一つの超砥粒層の構成に使用する骨材は全てがその粒度が同じものである必要はなく、小さい粒度のものに一定の割合でより粒度の大きいものを混ぜても良い。例えば超砥粒と同じ程度の粒度の骨材に、それより大きな粒度の骨材を併せて用いても良い。この大きな骨材が崩壊することにより、大きな空隙が形成される。

さらに、粒状の骨材に混ぜてグラスファイバ、カーボンファイバなど繊維状の骨材を適宜な量だけ混ぜても良い。これにより、構造体としての強度を増すことが可能となる。

図４は本発明の超砥粒層を使用した加工工具であるコアドリル２１を示す縦断面図と平面図でありであり、図５はその超砥粒層２３の製造方法を示す断面図である。コアドリル２１自体は公知のコアドリルと同じ構成であり、円筒状のシャンク２２と、その上端部に取付けられた超砥粒層２３からなる。なお、この実施例では円筒状の超砥粒層２３を使用しているが、扇型のチップタイプの超砥粒層を複数個所定の間隔で取付ける構成とすることも勿論可能である。超砥粒層２３の製作は以下のように行った。

即ち、粒度１４０／１７０の人造ダイヤモンド砥粒２５重量部と、同じく粒度１４０／１７０のＧＣ砥粒２５重量部とを容器中で攪拌、混合し、混合粉を作成した。

その混合粉を引続き容器中で攪拌しながら流動パラフィンを徐々に滴下し、ダイヤモンドとＧＣ砥粒の表面が略均一に流動パラフィンで濡れるまで攪拌を継続した。この時加えた流動パラフィンの量は、混合粉に対して重量比で約３％であった。

続いて５０重量部のＣｕ−Ｓｎ−Ｔｉ−Ｚｒ系の活性ロウ材の粉末を混合粉に加え、攪拌し、ダイヤモンド砥粒とＧＣ砥粒の表面に流動パラフィンを介して活性ロウ材の粉末が被覆された、合計１００重量部の被覆混合粉２６が得られた。

この混合粉を図５に示す黒鉛製の型３１で成形した。型３１は、円筒状の型本体３２、円柱状の中子３３、円筒状の押しパンチ３５とで図示のように構成されている。そしてこの場合、シャンク２２も型３１の一部を構成する。すなわち、受けパンチとしてのシャンク２２を図示のように型本体３２と中子３３との間に所定の位置まで挿入し、混合粉２６を本体３２と中子３３との間の空所に所定量充填し、押しパンチで軽く押して均した。

この状態で型３１を真空炉内に入れ、１０^−５Ｐａ、９００℃で１０分保持して燒結し、外形２０ｍｍ，内径１５ｍｍ、長さ５ｍｍのリング状の超砥粒層２３を得ると同時に、これをシャンク２２に固着してコアドリル２１を得た。砥粒層２３の気孔率は容積比で約50％であった。

このコアドリル２１をボール盤に取付けて回転速度３、０００／ｍｉｎで青板ガラスの孔明けを乾式で行った。その結果、切味が良く安定した加工が出来た。また、砥粒層の磨耗はきわめて少なかった。なお、砥粒層２３だけを先に燒結し、それをシャンク２２に固着するようにしても良い。

図６は本発明の層を使用した加工工具である軸付き砥石４１を示す正面図と左側面図であり、図７はその砥石即ち超砥粒層４３の製造方法を示す断面図である。軸付き砥石４１自体は公知の軸付き砥石と同じ構成であり、円柱状の軸４２と、その上端部に取付けられた円筒状の砥石４３とからなる。砥石４３の製作及び軸４２への取付けを以下のように行った。

下に示す表１に示す４種類の粒度のダイヤモンド砥粒に、それぞれ同じ粒度の骨材（Ｃ砥粒またはＧＣ砥粒）をそれぞれ重量比１：１で混合して４種類の混合粉を作成した。それぞれの混合粉４０重量部に対して、活性ロウ材６０重量部を混合して、実施例１と同様の方法で活性ロウ材を被覆した混合紛４６を製作した。

型５１は黒鉛製であり、円筒状の本体５２と、本体内に嵌り、軸４２の嵌る孔を備えたな中子５３とで構成され、図７に示される構成となっている。

軸４２を中子５３の孔に差込んで配置し、その周囲に所定量の混合粉４６を充填して均した。そして実施例１と同様にして砥石４３を燒結して形成すると共に、軸４２に固定した。取出した後、軸４２の砥石４３より突出した先端部分を切り落し、軸付き砥石４１を得た。得られた軸付き砥石４１の砥石４３の気孔率はいずれも約45％であった。これら４種類の粒度の軸付き砥石を手持ち式電動工具（無負荷回転数１５、０００／ｍｉｎ）に取付け、４種類の被削材について乾式研削を行った。結果を表２に示す。

粒度２００／２３０の人造ダイヤモンド砥粒５０重量部と、骨材としての同じく２００／２３０のシリカバルーン５０重量部を用いて混合粉を得て、以下、実施例１と同様の方法でコアドリルを製作した。得られたコアドリルの砥粒層の気孔率は約５０％であった。

粒度５０／６０の人造ダイヤモンド砥粒５０重量部と、同じく粒度５０／６０のＧＣ砥粒５０重量部と、平均粒径１ｍｍの中空黒鉛球５重量部を容器中で攪拌、混合して１０５重量部の混合粉を作成した。以下実施例１と同様の手順で活性ロウ材を用いてコアドリルを作成した。超砥粒層の構成は、図８に示されるようにダイヤモンド砥粒６１とＧＣ砥粒６２の結合体の中に黒鉛球６３が分散していた。なお、活性ロウ材の図示は省略してある。得られた砥粒層の気孔率は約５０％であった。

なお、上記実施例１、３、４においては（砥粒＋骨材）とロウ材の重量比が５：５であり、実施例２ではそれは４：６である。そして、気孔率はロウ材の比率の小さい実施例１、３、４の方が高くなっている。これは、燒結した際に砥粒、骨材を結ぶブリッジが細くなるためである。なお、気孔率は超砥粒、骨材及び活性ロウ材の重量比を適宜に設定することにより変えることが可能である。なお、気孔率を４０％以上にすることが、超砥粒層の性能、製造コストなど各種の観点からきわめて望ましいことが判明した。

本発明の第１の実施の形態に係る超砥粒層の構成を示す部分断面図である。 活性ロウ材で表面を被覆され、混合された超砥粒と骨材の状態を示す断面である。 第２の実施の形態にかかる超砥粒層の構成を示す部分断面図である。 加工工具の一例であるコアドリルの縦断面図と平面図である。 図４のコアドリル用の超砥粒層の製造方法を示す図である。 他の加工工具の例である軸付き砥石の正面図と左側面図である。 図６の軸付き砥石の製造方法を示す図である。 大径の中空黒鉛球を骨材の一部として混入した実施例を示す部分断面図である。

符号の説明

１：超砥粒層 ３：超砥粒 ５：骨材 ７：活性ロウ材
２１：コアドリル ２２：シャンク ２３：砥粒層
４１：軸付き砥石 ４２：軸 ４３：砥石

Claims (12)

1. 加工工具用超砥粒層において、超砥粒と骨材とが混合された状態で活性ロウ材で結合され、空隙が形成されている、多層構造を備えたことを特徴とする、超砥粒層。
2. 請求項１記載の超砥粒層において、前記骨材がＧＣ、Ｃ、ＷＡ、Ａ、炭化硼素、酸化セリウムなどの砥粒、または、粒状のセラミックス、ガラス、黒鉛、炭化タングステン、タングステンから選ばれた１或いは２以上の組合せからなることを特徴とする、超砥粒層。
3. 請求項１又は２記載の超砥粒層において、骨材が中空の骨材を含んでいることを特徴とする、超砥粒層。
4. 請求項１乃至３のいずれか１に記載の超砥粒層において、前記骨材が、前記超砥粒とほぼ同じ粒度の骨材を含んでいることを特徴とする、超砥粒層。
5. 請求項４記載の超砥粒層において、前記骨材が、前記超砥粒より大きい粒度の骨材をも含んでいることを特徴とする、超砥粒層。
6. 請求項１乃至５のいずれか１に記載の超砥粒層において、さらに繊維状の骨材を含んでいることを特徴とする、超砥粒層。
7. 請求項１乃至６のいずれか1に記載の超砥粒層において、気孔率が４０％以上であることを特徴とする、超砥粒層。
8. 請求項１乃至７のいずれか１に記載の超砥粒層を備えたことを特徴とする加工工具。
9. 加工工具用超砥粒層の製造方法において、
   超砥粒と骨材とを混合する工程と、
   前記超砥粒と骨材の表面を流体の媒体で濡らす工程と、
   前記表面が前記媒体で濡れた超砥粒と骨材の表面に活性ロウ材を被覆する工程と、
   前記活性ロウ材が被覆された超砥粒と骨材とを所定の型に充填し、燒結する工程と
   を含んでなることを特徴とする、加工工具用超砥粒層の製造方法。
10. 請求項９記載の加工工具用超砥粒層の製造方法において、前記超砥粒と骨材の表面を前記流体の媒体で濡らす工程は、前記超砥粒と骨材とを混合しながら媒体を加えることにより行われることを特徴とする、加工工具用超砥粒層の製造方法。
11. 請求項９又は１０に記載の加工工具用超砥粒層の製造方法において、前記活性ロウ材の前記超砥粒と骨材の表面への被覆は、前記超砥粒と骨材とを混合しながら粉末状の活性ロウ材を加えることにより行われることを特徴とする、加工工具用超砥粒層の製造方法。
12. 請求項９乃至１１のいずれか１に記載の加工工具用超砥粒層の製造方法において、前記流体の媒体は、流動パラフィン、ポリビニルアルコール、デキストリン、液状レジン、ポリエチレングリコールのいずれかであることを特徴とする、加工工具用超砥粒層の製造方法。