JP2010131699A - ビトリファイドボンド砥石 - Google Patents

Abstract

【課題】砥粒の保持力が強く、かつドレス性が良好である低コストで長寿命なビトリファイドボンド砥石を提供する。
【解決手段】立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）粒またはダイヤモンド粒からなる超砥粒１４をビトリファイドボンド結合剤１５により結合及び保持してなるビトリファイドボンド砥石１３において、ビトリファイドボンド結合剤１５は酸化物粒子１５ａと非結晶ガラス１５ｂとからなり、ビトリファイドボンド結合剤１５内部には外気に連通する連続気孔を有しない。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）粒またはダイヤモンド等の超砥粒を非結晶ガラス結合剤で結合したビトリファイドボンド砥石に関するものである。

従来より、ビトリファイドガラスを結合剤に用いた研削砥石としてビトリファイドボンド砥石がある。ビトリファイドボンド砥石は一般的に超砥粒間を非結晶ガラス結合剤でボンドブリッジと呼ばれる状態にて結合するが、ボンドブリッジ同士の間には外気に連通する大きな連続気孔があり、そのため砥粒の保持強度上、課題があり、砥粒の脱落が早く重切削等には不向きであった。そこで特許文献１に示すように、非結晶ガラス結合剤を無気孔とし超砥粒の保持強度を高め、重切削にも対応可能なようにしたビトリファイドボンド砥石がある。
特開２００２−２２４９６３

しかしながら、特許文献１に示すビトリファイドボンド砥石においては、非結晶ガラス結合剤が無気孔であるためドレッシングが困難となり、ドレッシング作業に多大な時間を要するという課題がある。

本発明は、かかる従来の不具合を解消するためになされたもので、砥粒の保持力が強く、かつドレス性が良好である低コストで長寿命なビトリファイドボンド砥石を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）粒またはダイヤモンド粒からなる超砥粒をビトリファイドボンド結合剤により結合及び保持してなるビトリファイドボンド砥石において、前記ビトリファイドボンド結合剤は酸化物粒子と非結晶ガラスとからなり、該結合剤内部には外気に連通する連続気孔を有しないことである。

請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記ビトリファイドボンド結合剤の内部には外気に連通しない微細孤立気孔が設けられたことである。

請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、前記ビトリファイドボンド砥石における前記ビトリファイドボンド結合剤の占める体積Ａと、前記立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）粒またはダイヤモンド粒からなる超砥粒の占める体積Ｂとの比率Ａ／Ｂが1〜６であることである。

請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３のいずれか1項において、前記ビトリファイドボンド結合剤を構成する前記酸化物粒子と、前記非結晶ガラスとの体積比が３：７〜４：６の範囲にあることである。

請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項４のいずれか1項において、前記酸化物粒子および前記非結晶ガラスの線熱膨張係数は共に（３．５±２）×１０^−６（１／℃）であることである。

請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項２乃至請求項５のいずれか1項において、前記微細孤立気孔の直径は前記超砥粒の粒径に対し１％〜１０数％の粒径であることである。

請求項７に係る発明の構成上の特徴は、請求項２乃至請求項６のいずれか1項において、前記微細孤立気孔は、８％±４％の体積割合で前記ビトリファイドボンド結合剤内に封入されていることである。

請求項８に係る発明の製造上の特徴は、請求項２乃至請求項７のいずれか1項において、前記微細孤立気孔は粉末状の発泡剤が焼成前の前記ビトリファイドボンド結合剤に所定量混入され、焼成時に前記発泡剤と前記非結晶ガラスとが反応し発泡されることによってビトリファイドボンド砥石内に形成されることである。

上記のように構成した請求項１による発明によれば、ビトリファイドボンド結合剤は非結晶ガラスと、砥石製造時の形状保持および非結晶ガラスの強度向上のために混入された酸化物粒子とからなり、該結合剤内部には外気に連通する連続気孔を有しない。これにより砥粒の保持力は向上し砥粒の脱落による摩耗が抑制され、長寿命化しコストの低減が図られる。

上記のように構成した請求項２による発明によれば、ビトリファイドボンド結合剤の内部には外気に連通しない微細孤立気孔が設けられる。これにより砥粒の保持力を低下させることなく砥石のドレス性を向上させることができる。

上記のように構成した請求項３による発明によれば、ビトリファイドボンド砥石におけるビトリファイドボンド結合剤の占める体積Ａと、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）粒または前記ダイヤモンド粒からなる超砥粒の占める体積Ｂとの比率Ａ／Ｂが1〜６であり、この超砥粒の低集中度化により初期から研削抵抗が低減され、研削焼けが抑制されて、品質が向上するとともに長寿命化が図られる。

上記のように構成した請求項４による発明によれば、ビトリファイドボンド結合剤を構成する酸化物粒子と、非結晶ガラスとの体積比を３：７〜４：６の範囲内とする。これにより非結晶ガラスの流動性を抑制し、ビトリファイドボンド砥石の形状を所望の形状に成形できる。

上記のように構成した請求項５による発明によれば、酸化物粒子および非結晶ガラスの線熱膨張係数は共に（３．５±２）×１０^−６（１／℃）である。この値は砥粒の線熱膨張係数とほぼ同じ値であり、よって砥粒と、酸化物粒子および非結晶ガラスとは温度の変化によって剥離する恐れはなく、砥石は安定した品質の維持が図られる。

上記のように構成した請求項６による発明によれば、微細孤立気孔の直径は超砥粒の粒径に対し１％〜１０数％の粒径である。これにより安定して砥粒の保持力を維持しつつ、一層砥石のドレス性を向上させることができる。

上記のように構成した請求項７による発明によれば、微細孤立気孔は、ビトリファイドボンド結合剤内に８％±４％の体積割合で混入される。これによりビトリファイドボンド砥石は立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）粒またはダイヤモンド粒からなる超砥粒を安定して強固に保持し、かつ短時間でドレッシング作業ができる良好なドレス性を有する。

上記のように構成した請求項８による発明によれば、微細孤立気孔は、粉末状の発砲剤が焼成前のガラス剤に混入され焼成時に発砲剤が反応し、発砲されることによってビトリファイドボンド砥石内に形成される。これによって容易に、所定量の微細孤立気孔をビトリファイドボンド砥石内に得ることができ低コストで超砥粒を強固に保持し、かつ短時間でドレッシング作業ができる性能を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、砥石車１１は、鉄又はアルミニウム等の金属で成形された円盤状の基体１２の外周面に厚さ５〜１０mmの円弧状のビトリファイドボンド砥石１３が複数個接着されて構成されている。

ビトリファイドボンド砥石１３は図２の模式図に示すように立方晶窒化ホウ素（CBN）粒、またはダイヤモンド等の超砥粒１４と、酸化物粒子１５ａおよび結合剤である非結晶ガラス１５ｂからなるビトリファイドボンド結合剤１５とから構成される。超砥粒１４はビトリファイドボンド結合剤１５によって外周を覆われ、かつビトリファイドボンド結合剤１５内には微細孤立気孔１８が所定量設けられている。しかし外気に連通される連続気孔は形成されていない。

酸化物粒子１５ａは、非結晶ガラス１５ｂの強度を高めるために添加されるものであり例えばケイ酸塩鉱物であるＺｒＳｉＯ₄（ジルコン）やＴｉＯ₂（チタニア）、ＺｒＯ₂（ジルコニア）、Ｃｒ₂Ｏ₃（クロミア）等が用いられ、非結晶ガラス１５ｂは例えばホウケイ酸ガラス等が用いられる。酸化物粒子１５ａと、非結晶ガラス１５ｂの線熱膨張係数は、結合される超砥粒１４の線熱膨張係数とほぼ同じ値である（３．５±２）×１０^−６（１／℃）の範囲内にあるものが好ましい。この値は超砥粒１４の線熱膨張係数とほぼ同じ値であり、よって超砥粒１４と、酸化物粒子１５ａおよび非結晶ガラス１５ｂとは温度の変化によって剥離する恐れはなく、ビトリファイドボンド砥石１３は品質の維持が図られる。なお、酸化物粒子１５ａは例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等でもよく、非結晶ガラス１５ｂは例えばリン酸塩ガラスや、ホウ酸塩ガラス等であってもよい。

ビトリファイドボンド結合剤１５を構成する酸化物粒子１５ａと、非結晶ガラス１５ｂは体積比で３：７〜４：６の範囲内で混合され形成される。これは酸化物粒子１５ａの混合割合を３０％以下にすると、非結晶ガラス１５ｂの流動性が抑制できず焼成前或いは焼成中にビトリファイドボンド砥石１３の形状を保てず角部がだれてしまう。また混合割合を４０％以上にすると、酸化物粒子１５ａを含んだ状態での非結晶ガラス１５ｂが強くかつ硬くなり過ぎ、ドレス性が悪くなるとともに研削時の発熱量が多くなり研削焼けを生じる可能性があるためである。本発明に係るビトリファイドボンド砥石１３では、酸化物粒子１５ａの混合割合を３０〜４０容量％とすることにより適切な硬さの砥石１３を所望形状に焼成している。

またビトリファイドボンド砥石１３内においてビトリファイドボンド結合剤１５の占める体積Ａと超砥粒１４の占める体積Ｂとの比率Ａ／Ｂは、１〜６の範囲で形成されるのがよい。この体積の比率は超砥粒１４の集中度に換算すると５０〜２００に相当し、この低集中度によって、ビトリファイドボンド砥石１３は初期から大きな研削抵抗を受けることなく、研削焼けの起きる恐れがない。

酸化物粒子１５ａである例えばＺｒＳｉＯ₄（ジルコン）粒子が混入され焼成されたビトリファイドボンド結合剤１５は超砥粒１４の外周を覆って隣接する各超砥粒１４間の隙間を埋め各超砥粒１４と結合している。隙間部に埋められたビトリファイドボンド結合剤１５内には所定体積比の微細孤立気孔１８が形成されている。微細孤立気孔１８とは外気と連通することなく形成された微細な孤立した気泡であり、所定体積比とはビトリファイドボンド結合剤１５の超砥粒１４に対する保持力を維持するとともに、かつビトリファイドボンド結合剤１５に対する良好なドレス性を維持するのに適した体積比であって、その体積比はビトリファイドボンド結合剤１５を構成する非結晶ガラス１５ｂの体積に対し８％±４％とされるのがよい。微細孤立気孔１８の体積のコントロールは後述する製造過程で混入される発泡剤の量を調整することによって行なわれる。また微細孤立気孔１８の平均粒径はビトリファイドボンド結合剤１５の超砥粒１４に対する保持力を維持するとともに、かつビトリファイドボンド結合剤１５に対する良好なドレス性を維持するために超砥粒１４の粒径の１〜１０数％になるよう形成されるのが望ましい。

次に、ビトリファイドボンド砥石１３の製造法について説明する。まず、ビトリファイドボンド結合剤１５の原材料となる酸化剤粒子１５ａの粉末と、非結晶ガラス１５ｂの粉末とを体積比が３：７〜４：６の範囲内になるように均一に混ぜ合わせる。

次に、ビトリファイドボンド結合剤１５の中に立方晶窒化ホウ素（CBN）粒、またはダイヤモンド等の超砥粒１４を混入し均等に分散させる。混入する比率はビトリファイドボンド結合剤１５の体積Ａと超砥粒１４の体積Ｂとの体積比Ａ／Ｂが１〜６の範囲になるようにする。

さらにビトリファイドボンド結合剤１５中に微細孤立気孔１８を形成するため上述した発泡剤である例えばＨＢＮ（６方晶窒化ホウ素）等を粉末状態にて均等に混ぜ合わせる。このとき発泡剤の投入量は非結晶ガラス１５ｂの体積に対し０．５％〜２％とするのが望ましい。なお発泡剤はホタル石（ＣａＦ_２）や炭酸カルシウム（ＣａＣｏ_３）等でもよい。

次にビトリファイドボンド結合剤１５を型内で所定の圧力にてプレスし成形した後、焼成する。なお、プレス圧を調整することによりビトリファイドボンド結合剤の強度を若干調整することが可能である。そして、焼成段階において発泡剤である例えばＨＢＮ（６方晶窒化ホウ素）と、非結晶ガラス１５ｂとが反応しガスが発生する。発生したガスは微細孤立気孔１８としてビトリファイドボンド結合剤１５内に所定量が形成されビトリファイドボンド砥石１３が得られる。

このとき微細孤立気孔１８の平均粒径は前述の通り超砥粒１４の平均粒径に対し１％〜１０数％程度になるよう形成されるのが望ましい。具体的には例えば超砥粒１４の粒径が１００μｍであれば数μｍ〜十数μｍとするのがよく、発泡剤の混入量を調整して対応する。そして図１に示すように、ビトリファイドボンド砥石１３を基体１２の外周面に接着剤で貼り付けて、砥石車１１ を得る。

次に、本発明に係るビトリファイドボンド砥石１３の研削加工時における作用について説明する。砥石車１１を回転可能に軸承された研削盤の砥石軸に固定して回転駆動し、工作物を主軸台及び心押台間に挟持して回転駆動し、砥石車１１と工作物との間にクーラントを供給しながら砥石台を工作物に向かって研削送りして、砥石車１１の外周面に接着された本発明に係るビトリファイドボンド砥石１３により工作物を研削加工する。なお、このときビトリファイドボンド砥石１３はツルーイング及びドレッシング作業によって研削面２０に超砥粒１４が突出され、突出された各超砥粒１４間にはチップポケットが形成されている。

工作物は、ビトリファイドボンド砥石１３の研削面２０に突出する超砥粒１４によって表面が研削除去され切粉が発生される。発生された切粉は研削面２０に突出する各超砥粒１４間のチップポケットに排出される。チップポケットに排出された切粉は工作物と接触しないため工作物表面を傷つける恐れがない。またビトリファイドボンド砥石１３の超砥粒１４は低集中度で成形されているため工作物との接触による発熱が抑制され研削焼けが防止される。その後研削加工が進み、やがて超砥粒１４が摩耗されて、研削面２０からの超砥粒１４の突出量ｔ（図２参照）が減少してきたら、ドレッシングを実施し研削面２０を後退させる。このときビトリファイドボンド結合剤１５は微細孤立気孔１８を所定量有しているとともに微細孤立気孔１８は外気と連通する連続気孔がないように形成されているので、良好なドレス性を有し短時間でドレッシング作業が行なえるとともに、超砥粒１４の保持力も十分有しているため、早期での砥粒の脱落による摩耗の恐れもない。

ここで、本発明に係るビトリファイドボンド砥石１３の超砥粒１４に対する保持力を確認するために研削比を測定した実験結果を図３に示す。図３は縦軸を砥石の単位長さあたりの摩耗体積（ｍｍ^３／ｍｍ）とし、横軸を工作物の単位長さあたりの研削量Ｒ（ｍｍ^３／ｍｍ）としたグラフであり、従来のビトリファイドボンド砥石（破線）と本発明に係るビトリファイドボンド砥石１３（実線）との２つの結果が示されている。グラフをみて明らかなように本発明に係るビトリファイドボンド砥石１３の工作物の研削量Ｒに対する砥石の摩耗体積の値は、従来のビトリファイドボンド砥石の摩耗体積の値に比べて、大幅に少ないことが確認できる。すなわち、本発明に係るビトリファイドボンド結合剤１５の強度が向上されたため、従来と同様の研削作業を行なってもビトリファイドボンド砥石１３の摩耗、つまり超砥粒１４の脱落を伴った摩耗は少なく、ビトリファイドボンド結合剤１５による超砥粒の保持力が向上されていることがわかる。結果を見ると従来にくらべ保持力は５倍以上に向上されたことがわかり、良好なドレス性を維持しながら、超砥粒１４の保持力を十分確保し、ビトリファイドボンド砥石１３が長寿命化されているのがわかる。

さらに、図３に示す実験以外に超砥粒の保持強度は曲げ強度に比例するという仮定のもとビトリファイドボンド砥石に対しＪＩＳＧ０２０２に示される曲げ強度試験を実施した。結果として本発明に係るビトリファイドボンド砥石１３は従来のビトリファイドボンド砥石に対し約６０％の曲げ強度の向上を示し、この結果においても本発明に係るビトリファイドボンド砥石１３の超砥粒１４に対する保持強度が向上されたのが証明された。

ビトリファイドボンド超砥粒砥石を基体の外周に接着した砥石車を示す図である。 本発明に係るビトリファイドボンド砥石の構成を示す模式図である。 研削による砥石の摩耗体積と、工作物の研削体積との関係を示すグラフである。

符号の説明

１１・・・砥石車、１２・・・基体、１３・・・ビトリファイドボンド砥石、１４・・・超砥粒、１５・・・ビトリファイドボンド結合剤、１５ａ・・・酸化物粒子、１５ｂ・・・非結晶ガラス、１８・・・微細孤立気孔、２０・・・研削面。

Claims (8)

1. 立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）粒またはダイヤモンド粒からなる超砥粒をビトリファイドボンド結合剤により結合及び保持してなるビトリファイドボンド砥石において、
   前記ビトリファイドボンド結合剤は酸化物粒子と非結晶ガラスとからなり、該結合剤内部には外気に連通する連続気孔を有しないことを特徴とするビトリファイドボンド砥石。
2. 請求項１において、前記ビトリファイドボンド結合剤の内部には外気に連通しない微細孤立気孔が設けられたことを特徴とするビトリファイドボンド砥石。
3. 請求項１または請求項２において、前記ビトリファイドボンド砥石における前記ビトリファイドボンド結合剤の占める体積Ａと、前記立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）粒またはダイヤモンド粒からなる超砥粒の占める体積Ｂとの比率Ａ／Ｂが1〜６であることを特徴とするビトリファイドボンド砥石。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか1項において、前記ビトリファイドボンド結合剤を構成する前記酸化物粒子と、前記非結晶ガラスとの体積比が３：７〜４：６の範囲にあることを特徴とするビトリファイドボンド砥石。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか1項において、前記酸化物粒子および前記非結晶ガラスの線熱膨張係数は共に（３．５±２）×１０^−６（１／℃）であることを特徴とするビトリファイドボンド砥石。
6. 請求項２乃至請求項５のいずれか1項において、前記微細孤立気孔の直径は前記超砥粒の粒径に対し１％〜１０数％の粒径であることを特徴とするビトリファイドボンド砥石。
7. 請求項２乃至請求項６のいずれか1項において、前記微細孤立気孔は、８％±４％の体積割合で前記ビトリファイドボンド結合剤内に封入されていることを特徴とするビトリファイドボンド砥石。
8. 請求項２乃至請求項７のいずれか1項において、前記微細孤立気孔は粉末状の発泡剤が焼成前の前記ビトリファイドボンド結合剤に所定量混入され、焼成時に前記発泡剤と前記非結晶ガラスとが反応し発泡されることによってビトリファイドボンド砥石内に形成されることを特徴とするビトリファイドボンド砥石。

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