JP2012200847A - ビトリファイド超砥粒砥石 - Google Patents

Abstract

【課題】研削熱の発生が少ないビトリファイド超砥粒砥石を提供する。
【解決手段】ビトリファイド砥石片( ビトリファイド超砥粒砥石) ２６は、主砥粒としてのＣＢＮ砥粒３４と補助砥粒としてのダイヤモンド砥粒３６とを含み、そのダイヤモンド砥粒３６は、そのＣＢＮ砥粒３４の１／２乃至１／１０の平均粒径を有し、３〜１３体積％の体積比率で含まれることから、ＣＢＮ砥粒３４の２倍程度、アルミナ砥粒４０の２０倍程度の熱伝導率を有するダイヤモンド砥粒３６の存在によって研削熱が効率よく砥石に吸収されるとともに、ヌープ硬度が５０００ｋｇ／ｍｍ² 以上のダイヤモンド砥粒３６の存在によって砥石磨耗が抑制されて研削精度および砥石寿命が高められるので、被削材１０４の製品仕様や研削能率に拘わらず、研削熱の発生が抑制されて被削材１０４の変質が抑制される。
【選択図】図３

Description

本発明は、超砥粒をビトリファイドボンドを用いて結合させて成るビトリファイド砥石に関し、特に研削熱による被削材の変質、硬度低下、残留応力の発生を抑える技術に関するものである。

ビトリファイド超砥粒砥石は、たとえば５００乃至１０００℃程度の焼成温度で無機質のビトリファイドボンドを溶融させることで超砥粒を結合させるため、有機質のレジンボンドを用いる場合に比較して、砥粒保持力すなわち超砥粒とビトリファイドボンドとの間に高い接着力が得られる。たとえば、ＣＢＮ砥粒では、Ｂ元素やその合成工程で添加された触媒中のＫ或いはＮａ元素等がその表面に存在することから、それらの元素がビトリファイドボンドと反応し、その化学的結合力が砥粒保持力を高めていると考えられている。

従来から鋼材製被削材の中でも自動車のエンジンの主要部品であるカムシャフトやクランクシャフトなどの軸部品はエンジンの性能向上のために高精度の研削加工が適用されているが、研削時に発生する研削熱によって被削材である軸部品の加工変質、硬度低下、残留応力が発生するという問題があった。この問題の発生を解消するための一般的な対策としては、(a) 切れ味のよい砥石を用いること、(b) ポーラスな砥石を用いて研削時の切込み量を少なくすること、(c) 結合度の低い軟質な砥石を用いて加工条件を軽減すること、(d) 研削点にクーラントを十分に供給して冷却すること等が、提案されている。たとえば特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載された砥石がそれである。

特開２００９−０７２８３５号公報 特開２００３−０３００１９号公報 特開２０００−１５８３４７号公報

このような特許文献１、特許文献２、特許文献３にて提案されている砥石は、いずれも研削時において研削熱が発生し難くしているため、研削焼けには効果がある。しかし、それらの提案は、いずれも定性的であって、製品仕様、生産能率すなわち研削能率が変化する毎に、高品質且つ高効率の得られる最適条件の作込みに多くの工数を必要とするため、被削材の製品仕様、生産能率すなわち研削能率が変化すると、構造的な制限が発生し、加工精度、砥石寿命を始めとして被削材の品質に大きく影響するという問題があった。

本発明は以上の事情を背景としてなされたものであり、その目的とするところは、被削材の製品仕様や研削能率に拘わらず、研削熱の発生し難いビトリファイド超砥粒砥石を提供することにある。

本発明者等は、上記事情を背景とし、ビトリファイド超砥粒砥石の熱伝導率を高めて上記研削熱を抑制することについて種々検討を重ねた結果、従来は鋼材製被削材の研削には不向きとされていたダイヤモンド粒子をその高熱伝導率に着目して、ＣＢＮ砥粒を主砥粒としている用いられていたビトリファイド超砥粒砥石に所定の割合で混入すると、高精度且つ高能率の研削性能を維持しつつ、従来よりも研削熱の発生が抑制され、残留応力が小さくなるという事実を見いだした。本発明はこの知見に基づいて為されたものである。

すなわち、第１発明の要旨とするところは、(a) 超砥粒をビトリファイドボンドを用いて結合したビトリファイド超砥粒砥石であって、(b) 前記超砥粒は、主砥粒としてＣＢＮ砥粒を、補助砥粒としてダイヤモンド砥粒を含み、(c) その補助砥粒は、その主砥粒の１／２乃至１／１０の平均粒径を有し、３〜１３体積％の体積比率で含まれることにある。

また、第２発明の要旨とするところは、第１発明において、前記ビトリファイドボンドは、１５〜３０体積％の体積比率で含まれることにある。

また、第３発明の要旨とするところは、第１発明または第２発明において、円筒状の外周面を有するコアと、該コアの外周面に貼り付けられた複数個のセグメント砥石とを有し、そのセグメント砥石のうちの少なくとも外周側層は、前記超砥粒が前記ビトリファイドボンドを用いて結合されたものである。

第１発明のビトリファイド超砥粒砥石によれば、その超砥粒は、主砥粒としてＣＢＮ砥粒と補助砥粒としてダイヤモンド砥粒とを含み、その補助砥粒は、その主砥粒の１／２乃至１／１０の平均粒径を有し、３〜１３体積％の体積比率で含まれることから、ＣＢＮ砥粒の２倍程度、フィラーに用いられるアルミナ砥粒の２０倍程度の熱伝導率を有するダイヤモンド砥粒の存在によって研削熱が効率よく砥石に吸収されるとともに、ヌープ硬度が５０００ｋｇ／ｍｍ² 以上のダイヤモンド砥粒の存在によって砥石磨耗が抑制されて研削精度および砥石寿命が高められるので、被削材の製品仕様や研削能率に拘わらず、研削熱の発生が抑制されて被削材の変質が抑制される。また、ダイヤモンド砥粒はＣＢＮ砥粒の１／２乃至１／１０の平均粒径という分散性に最適な範囲を有していてその分散性が高められ、しかもビトリファイドボンドとの濡れ性が低く表面に露出し易いので、上記の効果が一層高められている。なお、ダイヤモンド砥粒の平均粒径がＣＢＮ砥粒の１／２を上まわると、研削に対するダイヤモンド砥粒の支配率が相対的に高くなって切れ味や研削精度が低下する。反対に、ダイヤモンド砥粒の平均粒径がＣＢＮ砥粒の１／１０を下まわると、ダイヤモンド砥粒がビトリファイドボンドに埋没して上記ダイヤモンド砥粒の熱伝導機能が低下しその存在に由来する効果が十分に得られ難くなる。また、ダイヤモンド砥粒の体積比率が３体積％を下まわると、上記のダイヤモンド砥粒の存在に由来する効果が十分に得られ難くなる。反対に、ダイヤモンド砥粒の体積比率が１３体積％を上まわると、ダイヤモンド砥粒も砥粒として機能して砥粒の集中度が高くなり過ぎて切れ味や研削精度が低下する。

また、第２発明のビトリファイド超砥粒砥石によれば、前記ビトリファイドボンドは、１５〜３０体積％の体積比率で含まれることから、上記ダイヤモンド砥粒の存在に由来する効果が得られる。ビトリファイドボンドの体積比率が１５体積％を下まわると、ビトリファイドボンドの表面に露出する割合が高くなり研削に対するダイヤモンド砥粒の支配率が相対的に高くなって切れ味や研削精度が低下する。反対に、ビトリファイドボンドの体積比率が３０体積％を上まわると、ダイヤモンド砥粒がビトリファイドボンドに埋没して上記ダイヤモンド砥粒の機能が低下しその存在に由来する効果が十分に得られ難くなる。

また、第３発明のビトリファイド超砥粒砥石によれば、円筒状の外周面を有するコアと、そのコアの外周面に貼り付けられた複数個のセグメント砥石とを有し、そのセグメント砥石のうちの少なくとも外周側層は、前記超砥粒が前記ビトリファイドボンドを用いて結合されたものであることから、高価な超砥粒は専らビトリファイド超砥粒砥石のうちの研削に関与する領域に配設、他の部分は一般砥粒などの無機フィラーを用いることができるので、ビトリファイド超砥粒砥石が安価となる。

本実施例の製造方法によって製造された超砥粒砥石車を示す正面図である。 図１のビトリファイド砥石片を示した斜視図である。 図２のビトリファイド砥石片の表面層の構造を拡大して説明する模式図である。 超砥粒砥石の製造方法の要部を説明する工程図である。 図１のビトリファイド超砥粒砥石ホイールの使用状態の一例を示す図であって、超砥粒砥石が装着された円筒研削盤により被削材であるカムシャフトを研削している状態を要部を切り欠いて示した側面図である。 図２のビトリファイド砥石片に含まれるアルミナ砥粒、ＣＢＮ砥粒、ダイヤモンド砥粒のビトリファイドボンドに対する濡れ性を評価する試験片の加熱前の状態を示す斜視図である。 図６の試験片の加熱後の状態を示す斜視図である。 アルミナ砥粒のビトリファイドボンドに対する濡れ性を説明する模式図である。 ＣＢＮ砥粒のビトリファイドボンドに対する濡れ性を説明する模式図である。 ダイヤモンド砥粒のビトリファイドボンドに対する濡れ性を説明する模式図である。 ワーク残留応力、ワーク面粗さ、ワーク段差磨耗量、ホイール半径磨耗量について研削性能試験を行った、試料１乃至５すなわち比較例１乃至４および実施例１の組成をそれぞれ示す図である。 試料１乃至５を用いた研削試験において、被削材の残留応力の加工本数に対する変化を示す図である。 試料１乃至５を用いた研削試験において、被削材の面粗さの加工本数に対する変化を示す図である。 試料１乃至５を用いた研削試験において、被削材の表面に形成される段差磨耗量の加工本数に対する変化を示す図である。 試料１乃至５を用いた研削試験において、超砥粒砥石車の表面における半径磨耗量の加工本数に対する変化を示す図である。 主砥粒の平均粒径に対して補助砥粒の平均粒径を異ならせて作成した試料６乃至１４を用いて研削試験を行ったときの研削結果の評価を示す図表である。 補助砥粒の体積比率を異ならせて作成した試料１５乃至２３を用いて研削試験を行ったときの研削結果の評価を示す図表である。 ビトリファイドボンドの体積比率を異ならせて作成した試料２４乃至３３を用いて研削試験を行ったときの研削結果の評価を示す図表である。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明の一実施例の製造方法によって製造された超砥粒砥石車１０を示す正面図である。超砥粒砥石車１０は、たとえば炭素鋼、アルミニウム合金などの金属製の円盤状であってその中央部に研削装置（たとえば後述の円筒研削盤１２）に取り付けるための取付穴１４を有する取付部１６が設けられたコアすなわち台金１８と、その台金１８の回転軸心Ｗを曲率中心とする円弧に沿って湾曲させられた円弧板状であってその外周面にあたる研削面２０とそれに対して反対側の内周面にあたる貼着面２２とを有し、その貼着面２２が台金１８の外周面２４に隙間なく貼着された複数個（本実施例では１２個）のビトリファイド砥石片( セグメント砥石) ２６とを、備えている。その大きさは用途により適宜設定されるが、本実施例の超砥粒砥石車１０は、たとえば、外径寸法Ｄが３８０ｍｍφ、取付部１６を除く厚みが１０ｍｍ程度の寸法に構成されたものである。

図２は、ビトリファイド砥石片２６を示す斜視図である。図１乃至図２において、ビトリファイド砥石片２６は、熔融アルミナ質、炭化珪素質、またはムライト質等のセラミック質の一般砥粒或いは無機フィラーがガラス質のビトリファイドボンド３２により結合されて成る内周側層すなわち下地層２８と、ＣＢＮ砥粒３４およびそれよりも小径のダイヤモンド砥粒３６がガラス質の無機結合剤により結合されて成る外周側層すなわち表面層３０とから一体的に構成されている。上記下地層２８は、専ら表面層３０を機械的に支持するための基台として機能するものである。

表面層３０は、専ら被削材１０４を研削するための砥石として機能するものであり、主砥粒として機能するＣＢＮ砥粒３４と、補助砥粒或いはフィラーとして機能するダイヤモンド砥粒３６と、気孔３８とを含んでいる。ＣＢＮ砥粒３４は、立方晶窒化硼素粒子であり、たとえば６０メッシュ( 平均粒子径２５０μｍ) 乃至３２００メッシュ( 平均粒子径５μｍ) の範囲内の大きさのものが好適に用いられる。ダイヤモンド砥粒３６は、ＣＢＮ砥粒３４よりも小径で、ある程度は砥粒として機能するが、研削熱の熱伝導体として機能するとともに研削面２０に露出して砥石磨耗を抑制する機能をも有している。この機能を効率良く発生させるために、ダイヤモンド砥粒３６は、たとえばＣＢＮ砥粒３４の平均粒径の１／２乃至１／１０の平均粒径を有し、たとえば３乃至１３体積％の体積比率となるように混入されている。すなわち、表面層３０において、たとえば、ＣＢＮ砥粒３４の体積比率は３０乃至４０体積％、ダイヤモンド砥粒３６の体積比率は３乃至１３体積％、ビトリファイドボンドの体積比率は２０乃至３０体積％、残部の気孔３８の体積比率は１７乃至４７体積％である。

ビトリファイドボンド３２は、たとえばホウ珪酸ガラス或いは結晶化ガラスから好適に構成される。結晶化ガラスとしては、例えばウイレマイトを析出するものなどがある。砥粒の保持力を十分なものとするため、好適には、ＣＢＮ砥粒３４に対して±２×１０^-6( １／Ｋ）（室温〜５００℃) とされる。上記ビトリファイドボンド３２として好ましいガラス組成は、たとえば、ＳｉＯ₂ ：４０〜７０重量部、Ａｌ₂ Ｏ₃ ：１０〜２０重量部、Ｂ₂ Ｏ₃ ：１０〜２０重量部、ＲＯ（アルカリ土類金属) ：２０〜１０重量部、Ｒ₂ Ｏ：２〜１０重量部である。

図３は、ビトリファイド超砥粒砥石組織により構成された上記表面層３０の断面の一例を拡大して示す模式図であって、その内部におけるビトリファイドボンド３２とＣＢＮ砥粒３４およびダイヤモンド砥粒３６との結合状態を説明する模式図である。図３において、ビトリファイドボンド３２内および表面には、ＣＢＮ砥粒３４よりも小径のダイヤモンド砥粒３６が分散されている。ダイヤモンド砥粒３６は、アルミナ砥粒 (アランダムＷＡ) などの一般砥粒やＣＢＮ砥粒３４よりも、ビトリファイドボンド３２に対する濡れ性が相対的に低くビトリファイドボンド３２により被覆され難く、ビトリファイドボンド３２の表面や表面層３０の表面すなわち砥石の表面に露出する傾向にある。このため、被削材１０４と表面層３０の研削面２０との間の研削点に発生する研削熱を、熱伝導率の高いダイヤモンド砥粒３６を介して、効率良く金属製の台金１８側へ吸収させることができる。

図４は、上記超砥粒砥石車１０の製造方法の一例の要部を説明する工程図である。図４において、先ず、原料混合工程Ｐ１では、ビトリファイド砥石片２６を構成する下地層２８用の原料と、ビトリファイド砥石片２６を構成する表面層３０用の原料とをそれぞれ用意する。すなわち、アルミナ砥粒として知られるＡｌ₂ Ｏ₃ 系などの一般砥粒、ＺｒＯ₂ −Ｂ₂ Ｏ₃ 系、Ｂ₂ Ｏ₃ −Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ 系、ＬｉＯ−Ａｌ₂ Ｏ₃ −ＳｉＯ₂ 系などのガラス質のビトリファイドボンド( 無機結合剤) 、成形時においてある程度の相互粘結力を発生させるためのデキストリンなどの成形用バインダー( 粘結剤或いは糊量）を、下地層２８として予め設定された割合で秤量して、それぞれ混合し、下地層２８用の原料を用意する。また、ＣＢＮ砥粒３４、ダイヤモンド砥粒３６、ビトリファイドボンド３２、必要に応じて適宜混入される有機物あるいは無機バルーンなどの気孔形成剤、成形時においてある程度の相互粘結力を発生させるためのデキストリンなどの成形用バインダー( 粘結剤或いは糊量）を、表面層３０として予め設定された割合で秤量して、それぞれ混合し、表面層３０用の原料を用意する。

［表１］
原材料名 割合
ＣＢＮ砥粒 (#100/120) ４０容量部
ダイヤモンド砥粒 (#700/800) ５容量部
ビトリファイドボンド ２０容量部
糊量 ６容量部

［表２］
原材料名 割合
球状ムライト ３５容量部
電溶ムライト １４容量部
ビトリファイドボンド ２０容量部
糊量 ６容量部

次いで、成形工程Ｐ２では、所定の成形金型の成形キャビティー内に上記混合された表面層３０用の原料および下地層２８用の原料を順次充填し、加圧することにより、図２に示す形状の成形体を成形する。次いで、焼成工程Ｐ３では、上記成形体をたとえば１０００℃以下の温度で５時間焼成することにより、たとえば長さが４０ｍｍ、幅が１０．４ｍｍ、厚みが７．４ｍｍのビトリファイド砥石片２６を作製する。上記焼成により、原料に含まれる粘結剤等の有機物が消失させられるとともに無機結合剤が熔融させられ、その後固まった無機結合剤によって砥粒が相互に結合される。これにより、作製されたビトリファイド砥石片２６には、超砥粒が無機結合剤により結合された多数の連続気孔を有する多孔質のビトリファイド砥石組織が形成される。

次いで、貼着工程Ｐ４では、予め作製された台金１８の円筒状の外周面２４にビトリファイド砥石片２６をたとえばエポキシ樹脂接着剤等を用いて隙間無く貼着する。次いで、仕上げ工程Ｐ５では、上記ビトリファイド砥石片２６が貼着された台金１８すなわち超砥粒砥石車１０の表面をドレッシング工具や切削工具を用いて、その超砥粒砥石車１０の外径寸法Ｄやその外径寸法Ｄの真円度、および厚み寸法などを整える。なお、ビトリファイド砥石片２６は、焼成工程Ｐ３を終えた時点において上記の削り代だけ大きい所定の寸法となるように作製する。以上の各工程を経ることによって、図１に示すような、超砥粒が無機結合剤により結合されたビトリファイド砥石片２６が台金１８の外周面２４に貼着された超砥粒砥石車１０が製造される。

図５は、上記製造された超砥粒砥石車１０の使用状態の一例を示す図であって、上記超砥粒砥石車１０が装着された円筒研削盤１２により、鋼材製の被削材（カムシャフト）１０４の外周面であるカム面を研削している状態を示した側面図である。図５において、円筒研削盤１２は、基台であるベッド１０６と、そのベッド１０６の上に設けられ図示しない心押台の心押軸との間で楕円型カム形状の被削材１０４を挟持して紙面に垂直な軸心Ｗ２まわりに回転駆動する主軸を有する主軸台１０８と、サーボモータ１１０により一対のレール１１２に沿って軸心Ｗ２と平行な方向に移動可能且つサーボモータ１１４により一対のレール１１６に沿って軸心Ｗ２に直行する方向Ｙに移動可能なテーブル１２０と、そのテーブル１２０の上に設けられモータ１２２によりプーリー１２４、ベルト１２６、およびプーリー１２８を介して紙面に垂直な軸心Ｗ３まわりに回転駆動させられる回転主軸１３０を備える砥石台１３２と、図示しないポンプにより供給されるクーラント（兼研削液）が所定の圧力で噴射させられる一対のノズル１３４、１３６とを、備えている。超砥粒砥石車１０は、自身の回転軸心Ｗと上記軸心Ｗ３を一致させた状態で回転主軸１３０に取り付けられている。この円筒研削盤１２による研削加工は、一方のノズル１３４から回転している超砥粒砥石車１０と被削材１０４との間の研削点Ｐにクーラントが供給されるとともに他方のノズル１３６から超砥粒砥石車１０の研削面２０にクーラントが噴射されながら、砥石台１３２が被削材１０４に向かって方向Ｙに移動されることによって、回転する超砥粒砥石車１０の研削面２０により被削材１０４が研削されるようになっている。この際、超砥粒砥石車１０には、ノズル１３６により研削点Ｐから超砥粒砥石車１０の回転方向Ｒと逆方向の離れた位置でクーラントが吹き付けられることにより研削面２０が洗浄されるようになっている。

以上のように構成された超砥粒砥石車１０のビトリファイド砥石片( ビトリファイド超砥粒砥石) ２６は、主砥粒としてのＣＢＮ砥粒３４と補助砥粒としてのダイヤモンド砥粒３６とを含み、そのダイヤモンド砥粒３６は、そのＣＢＮ砥粒３４の１／２乃至１／１０の平均粒径を有し、３〜１３体積％の体積比率で含まれることから、ＣＢＮ砥粒３４の２倍程度、アルミナ砥粒４０の２０倍程度の熱伝導率を有するダイヤモンド砥粒３６の存在によって研削熱が効率よく砥石に吸収されるとともに、ヌープ硬度が５０００ｋｇ／ｍｍ² 以上のダイヤモンド砥粒３６の存在によって砥石磨耗が抑制されて研削精度および砥石寿命が高められるので、被削材１０４の製品仕様や研削能率に拘わらず、研削熱の発生が抑制されて被削材１０４の変質が抑制される。また、ダイヤモンド砥粒３６はＣＢＮ砥粒３４の１／２乃至１／１０の平均粒径という分散性に最適な範囲を有していてその分散性が高められ、しかもビトリファイドボンド３２との濡れ性が低く表面に露出し易いので、上記の効果が一層高められている。なお、ダイヤモンド砥粒３６の平均粒径がＣＢＮ砥粒３４の１／２を上まわると、研削に対するダイヤモンド砥粒３６の支配率が相対的に高くなって切れ味や研削精度が低下する。反対に、ダイヤモンド砥粒３６の平均粒径がＣＢＮ砥粒３４の１／１０を下まわると、ダイヤモンド砥粒３６がビトリファイドボンド３２に埋没して上記ダイヤモンド砥粒３６の機能が低下しその存在に由来する効果が十分に得られ難くなる。また、ダイヤモンド砥粒３６の体積比率が３体積％を下まわると、上記のダイヤモンド砥粒３６の存在に由来する効果が十分に得られ難くなる。反対に、ダイヤモンド砥粒３６の体積比率が１３体積％を上まわると、ダイヤモンド砥粒３６も砥粒として機能して砥粒の集中度が高くなり過ぎて切れ味や研削精度が低下する。

また、本実施例のビトリファイド砥石片２６によれば、前記ビトリファイドボンド３２は、１５〜３０体積％の体積比率で含まれることから、上記ダイヤモンド砥粒３６の存在に由来する効果が得られる。ビトリファイドボンド３２の体積比率が１５体積％を下まわると、ビトリファイドボンド３２の表面に露出する割合が高くなり研削に対するダイヤモンド砥粒３６の支配率が相対的に高くなって切れ味や研削精度が低下する。反対に、ビトリファイドボンド３２の体積比率が３０体積％を上まわると、ダイヤモンド砥粒３６がビトリファイドボンド３２に埋没して上記ダイヤモンド砥粒３６の機能が低下しその存在に由来する効果が十分に得られ難くなる。

また、本実施例のビトリファイド砥石片２６によれば、円筒状の外周面２４を有するコアすなわち台金１８と、その台金１８の外周面に貼り付けられた複数個のビトリファイド砥石片２６とを有し、そのビトリファイド砥石片２６のうちの少なくとも表面層３０は、ＣＢＮ砥粒３４およびダイヤモンド砥粒３６がビトリファイドボンド３２を用いて結合されたものであることから、高価な超砥粒は専らビトリファイド砥石片２６のうちの研削に関与する領域に配設され、他の部分は一般砥粒などの無機フィラーを用いることができるので、超砥粒砥石車１０が安価となる。

図６および図７は、ＣＢＮ砥粒３４、ダイヤモンド砥粒３６、およびフィラーとして用いる一般砥粒の、ビトリファイドボンド３２に対する濡れ性を確認した実験を説明するためのものである。この実験は、以下の工程で行われた。先ず、ビトリファイドボンド３２の粉体をプレス成形によってペレット状に成形したボタン５０の上に、ＣＢＮ砥粒３４、ダイヤモンド砥粒３６、アルミナ砥粒４０を載置する。次いで、そのボタン５０を耐火物プレート５２上に載置した状態で焼成炉内でたとえば７５０℃にて加熱し、図７に示すようにボタン５０を溶融する。そして、溶融されたボタン５０上のＣＢＮ砥粒３４、ダイヤモンド砥粒３６、アルミナ砥粒４０を、走査型電子顕微鏡( ＳＥＭ）を用いて砥粒とビトリファイドボンド３２との境界を観察する。この観察により以下の結果が得られた。アルミナ砥粒４０とビトリファイドボンド３２との境界は、液体が界面を競り上がって( 這い上がって) いるようにぼやけて観察される。これにより、アルミナ砥粒４０のビトリファイドボンド３２対する接触角が小さく、相互の親和性が高いとことが推認される。次いで、ＣＢＮ砥粒３４とビトリファイドボンド３２との境界は、液体が界面を競り上がって( 這い上がって) いるようにぼやけて観察されるが、アルミナ砥粒４０の場合よりも程度が低い。これにより、ＣＢＮ砥粒３４のビトリファイドボンド３２対する接触角は小さく相互の親和性が高いが、アルミナ砥粒４０ほど大きくはないということが推認される。そして、ダイヤモンド砥粒３６とビトリファイドボンド３２との境界は、液体が界面を競り上がって( 這い上がって) いるような部分がなく、液体がはじいているように観察される。これにより、ダイヤモンド砥粒３６のビトリファイドボンド３２対する接触角は相対的に大きく、相互の親和性は相対的に低いことが推認される。

図８、図９、図１０は、ビトリファイドボンド３２の粉体中の同じ場所に位置する砥粒のビトリファイドボンド３２の溶融後の状態を、上記の結果に基づいて、ＣＢＮ砥粒３４、ダイヤモンド砥粒３６、およびアルミナ砥粒４０のビトリファイドボンド３２に対する濡れ性を説明する模式図である。最も濡れ性のよいアルミナ砥粒４０は、図８に示すように、ビトリファイドボンド３２の溶融後ではビトリファイドボンド３２により覆われている。アルミナ砥粒４０ほどではないが比較的濡れ性のよいＣＢＮ砥粒３４は、図９に示すように、ビトリファイドボンド３２の溶融後ではビトリファイドボンド３２から一部露出し、突き出した状態で覆われている。ＣＢＮ砥粒３４よりも濡れ性の低いダイヤモンド砥粒３６は、図１０に示すように、ＣＢＮ砥粒３４よりも多く一部が露出し、突き出した状態で、ビトリファイドボンド３２により覆われている。

図１１は、ワーク残留応力、ワーク面粗さ、ワーク段差磨耗量、ホイール半径磨耗量について研削性能試験を行った、試料１乃至５すなわち比較例１乃至４および実施例１の組成をそれぞれ示している。図１１に示すように、各比較例１乃至４および実施例１は、平均粒径が１２５μｍ、（＃１２０、ヌープ硬度４７００ｋｇ／ｍｍ² 、熱伝導率１２００ｗ／ｍ・ｋ）のＣＢＮ砥粒を４０体積％、補助砥粒を９体積％、ＺｒＯ₂ −Ｂ₂ Ｏ₃ 系ビトリファイドボンドを２６体積％を含む点は共通しているが、補助砥粒がそれぞれ相違している。比較例１の補助砥粒は平均粒径が３０μｍのアルミナ砥粒ＷＡ（＃５００、熱伝導率１００ｗ／ｍ・ｋ）、比較例２の補助砥粒は平均粒径が１８８μｍのアルミナ砥粒ＷＡ（＃８０、熱伝導率１００ｗ／ｍ・ｋ）、比較例３の補助砥粒は平均粒径が１９μｍのアルミナ砥粒ＷＡ（＃８００，熱伝導率１００ｗ／ｍ・ｋ）、比較例４の補助砥粒は平均粒径が３０μｍのＣＢＮ砥粒（＃５００、ヌープ硬度４７００ｋｇ／ｍｍ² 、熱伝導率１２００ｗ／ｍ・ｋ）、実施例１の補助砥粒は平均粒径が３０μｍのダイヤモンド砥粒（＃５００、ヌープ硬度６０００ｋｇ／ｍｍ² 、熱伝導率２０００ｗ／ｍ・ｋ）である。比較例１乃至４および実施例１は、図４に示す工程に従って同じ条件で製作された寸法３５０ｍｍφ×３５ｍｍＴ×２０ｍｍＨ、集中度２００、結合度Ｍのビトリファイド超砥粒砥石である。なお、上記平均粒径は、＃４００より粗い粒子にはロータップ試験機を用いてＪＩＳ規格のＢ４１３０に従って測定した値である。また、＃４００以細の粒子にはレーザ式粒度分析計を用いて測定した値である。

[ 研削性能評価試験１]
上記比較例１乃至４および実施例１の砥石を用いて、以下の研削条件に従って被削材( ＦＣＤ７００カムシャフト) を研削し、その被削材のワーク残留応力、ワーク面粗さ、ワーク段差磨耗量、ホイール半径磨耗量を、以下に示す測定方法にしたがって測定した。

[ 研削試験条件]
・Ｍ／Ｃ ＮＴＣカムプロファイル研削盤ＮＴＧ−ＣＭＱＩＩ２０６０
・砥石寸法 ３５０ｍｍφ×３５ｍｍＴ×２０ｍｍＨ
・被削材 ＦＣＤ７００カムシャフト
・切込み １μｍ／１パス
・送り速度 １５０〜１０ｍｍ／ｍｉｎ( ４ステップ研削)
・研削液 株式会社ノリタケカンパニーリミテド製のＮＫ−Ｚ（３０倍希釈)
・ドレス １２０ｍｍφシャープナーを用いた５μｍ／切込、
リード０．２８ｍｍ／ｒｅｖ

[ ワーク残留応力の測定]
株式会社リガク製のＸ線応力測定装置ＡｕｔｏＭＡＴＥを用いて、被削材のカム面のうちカムリフト部の残留応力( ＭＰａ）を、加工本数の増加に伴って所定の間隔で測定した。
[ ワーク面粗さの測定]
テーラーホブソン社製の表面形状粗さ測定器ＰＧＩ１２５０Ａを用いて、被削材のカム面のうちべース円部の表面粗さＲｚ( ＪＩＳ）を、加工本数の増加に伴って所定の間隔で測定した。
[ ワーク段差の測定]
株式会社ミツトヨ製の輪郭形状測定器ＣＶ−２０００を用いて被削材のカム面のうちべース円部において幅違いのカムを研削する砥石の研削面の凹凸の影響で形成される回転軸心方向の段差( μｍ）を、加工本数の増加に伴って所定の間隔で測定した。
[ ホイール半径磨耗量の測定]
テーラーホブソン社製の表面形状粗さ測定器ＰＧＩ１２５０Ａを用いて、研削試験に用いた砥石の研削面においてカムシャフトに摺接することで形成される凹みの深さに相当する回転軸心方向の段差( μｍ）を、加工本数の増加に伴って所定の間隔で測定した。

比較例１乃至４および実施例１の測定結果に関して、図１２はワーク残留応力を、図１３はワーク面粗さを、図１４はワーク段差磨耗量を、図１５はホイール半径磨耗量をそれぞれ示している。図１２乃至図１５において、△印は比較例１の測定値を、□印は比較例２の測定値を、×印は比較例３の測定値を、○印は比較例４の測定値を、●印は実施例１の測定値をそれぞれ示している。

図１２乃至図１５に示すように、ワーク残留応力、ワーク面粗さ、ワーク段差磨耗量、ホイール半径磨耗量のいずれにおいても、実施例１は比較例１乃至４よりも小さく、高い研削性能が得られている。すなわち、ＣＢＮ砥粒の２倍程度、アルミナ砥粒の２０倍程度の熱伝導率を有するダイヤモンド砥粒の存在によって研削熱が効率よく砥石に吸収されるとともに、ヌープ硬度が５０００ｋｇ／ｍｍ² 以上のダイヤモンド砥粒の存在によって砥石磨耗が抑制されて研削精度および砥石寿命が高められるので、被削材の製品仕様や研削能率に拘わらず、研削熱の発生が抑制されて被削材の変質が抑制されている。

ここで、図１２に示されるワーク残留応力に関して、平均粒径が１８８μｍ（＃８０）という粗いアルミナ砥粒を用いた試料２の値が大きい理由は、アルミナ砥粒がＣＢＮ砥粒からの研削熱の伝導の妨げとなり、研削熱の吸収が不十分となる点、アルミナ砥粒の粒径が大きいため分散性が低く、局所的に研削熱が高くなる点であると推定される。しかし、切れ味に関しては、試料２に含まれる平均粒径が１８８μｍのアルミナ砥粒はダイヤモンド砥粒に比較して抗折強度が低く相対的に軟質であるので、試料２の方が試料５より切れ味が高い。また、平均粒径が１９μｍ（＃８００）というアルミナ砥粒を用いた試料３の値と、平均粒径が３０μｍ（＃５００）というアルミナ砥粒を用いた試料１の値とが、同等である理由は、平均粒径が１９μｍのアルミナ砥粒は、平均粒径が３０μｍのアルミナ砥粒と同様に、ビトリファイドボンドの溶解時に埋没して表面での存在割合が同様であるため、研削熱吸収に関して同様に低いと考えられる。

上記図１２の実験結果は、以下の推定方向と略一致する。先ず、それぞれの組成についての熱伝導指数を、それらの熱伝導率に基づいて、ＤＩＡ（ダイヤモンド砥粒):１０、ＣＢＮ( ＣＢＮ砥粒):６、ＷＡ( アルミナ砥粒):０．５、Ｂ（ビトリファイドボンド):０．０５とし、それに砥石表面の研削点Ｐにおける補助砥粒の想定作用比率をかけた値を下式に従って評価値Ｈを算出する。そして、その評価値Ｈで相互に評価できる。試料５の評価値Ｈは、試料１、３に対して２倍、試料２に対して３倍となる。上記補助砥粒の想定作用比率は、ビトリファイドボンドからの露出状態に基づいて予め実験的に設定されたものである。
・試料２( 平均粒径が１８８μｍのアルミナ砥粒)
Ｈ＝ＣＢＮ×３＋ＷＡ×４＋Ｂ×３＝２０．１５
・試料１、３( 平均粒径が３０μｍ、１９μｍのアルミナ砥粒)
Ｈ＝ＣＢＮ×５＋ＷＡ×１＋Ｂ×４＝３０．７０
・試料５( 平均粒径が３０μｍのダイヤモンド砥粒)
Ｈ＝ＣＢＮ×５＋ＷＡ×３＋Ｂ×２＝６０．１０

[ 研削性能評価試験２]
研削性能評価試験２では、試料１に対して同じ組成および体積％という条件下で、ＣＢＮ砥粒の平均粒径に対してダイヤモンド砥粒の平均粒径を相違させて試料６乃至１４を作成し、それら試料６乃至１４を用いて上記と同様の研削試験を行った。図１６はその結果を示している。図１６に示すように、ＣＢＮ砥粒の平均粒径に対してダイヤモンド砥粒の平均粒径が０．５倍、０．３８倍、０．２５倍、０．２倍、０．１倍である試料９、試料１０、試料１１、試料１２、試料１３による研削結果は製品として満足すべきものであった。しかし、ＣＢＮ砥粒の平均粒径に対してダイヤモンド砥粒の平均粒径が１．５倍、１倍、０．７５倍である試料６、試料７、試料８による研削では、研削に寄与するダイヤモンド砥粒の支配率が高くなり過ぎて、切れ味低下傾向となり、形状精度が十分に得られなかった。反対に、ＣＢＮ砥粒の平均粒径に対してダイヤモンド砥粒の平均粒径が０．２倍、０．１倍、０．０５倍である試料１２、試料１３、試料１４による研削では、ダイヤモンド砥粒が小さ過ぎて熱伝導や磨耗抑制に対して十分に寄与できないので、研削熱の熱伝導や磨耗抑制が十分に得られず、残留応力や磨耗について不十分となっていた。従って、ダイヤモンド砥粒の平均粒径については、ＣＢＮ砥粒の平均粒径に対してダイヤモンド砥粒の平均粒径が０．５倍乃至０．１倍の範囲で、好適な結果が得られた。

[ 研削性能評価試験３]
研削性能評価試験３では、組成は試料１に対して同じであるが、ダイヤモンド砥粒の体積％のみを相違させて試料１５乃至２３を作成し、前記と同様の研削試験を行った。図１７はその結果を示している。図１７に示すように、ダイヤモンド砥粒の体積％が３体積％、５体積％、７体積％、９体積％、１２体積％、１３体積％である試料１７、試料１８、試料１９、試料２０、試料２１、試料２２による研削結果は製品として満足すべきものであった。しかし、ダイヤモンド砥粒の体積％が１．５体積％、２．７５体積％である試料１５、試料１６による研削では、ダイヤモンド砥粒が少な過ぎてビトリファイドボンドから十分に表れないので、ダイヤモンド砥粒の熱伝導や磨耗抑制が十分に得られなかった。反対に、ダイヤモンド砥粒の体積％が１４体積％である試料２３による研削では、ダイヤモンド砥粒の数が多くなり過ぎて、切れ味低下傾向となり、形状精度が十分に得られなかった。従って、ダイヤモンド砥粒の割合については、３体積％乃至１３体積％の範囲で、好適な結果が得られた。

[ 研削性能評価試験４]
研削性能評価試験４では、組成は試料１に対して同じであるが、ビトリファイドボンドの体積％のみを相違させて試料２４乃至３３を作成し、前記と同様の研削試験を行った。図１８はその結果を示している。図１８に示すように、ビトリファイドボンドの体積％が１５体積％、１８体積％、２１体積％、２４体積％、２７体積％、３０体積％である試料２６、試料２７、試料２８、試料２９、試料３０、試料３１による研削結果は製品として満足すべきものであった。しかし、ビトリファイドボンドの体積％が１４体積％、１６体積％である試料２４、試料２５による研削では、ビトリファイドボンドの割合が少な過ぎてビトリファイドボンドからのダイヤモンド砥粒の突出し量が７０％以上、６０％以上となってダイヤモンド砥粒の保持が不安定となり、脱落するので、ダイヤモンド砥粒の熱伝導や磨耗抑制が十分に得られなかった。反対に、ビトリファイドボンドの体積％が３１体積％、３３体積％、である試料３２、試料３３による研削では、ビトリファイドボンドからのダイヤモンド砥粒の突出し量が２０％、１０％以下となり、ダイヤモンド砥粒の熱伝導効果が低下傾向となり、残留応力が十分に低くならなかった。従って、ビトリファイドボンドの割合については、１５体積％乃至３０体積％の範囲で、好適な結果が得られた。

以上、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、別の態様でも実施され得る。

たとえば、前述の実施例では、本発明のビトリファイド超砥粒砥石が、ビトリファイド砥石片２６の表面層３０に適用されていたが、下地層２８を備えないビトリファイド砥石片２６の全体に対して適用されてもよく、また、円板形砥石、カップ状砥石、ホーニング砥石、ブロック状砥石の全体または表層に対して適用されてもよい。

また、前述の実施例のビトリファイド砥石片２６の表面層３０では、補助砥粒としてダイヤモンド砥粒３６のみが用いられていたが、その他の砥粒或いはフィラーが添加されていてもよい。

なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、その他一々例示はしないが、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づいて種々変更、改良を加えた態様で実施することができる。

１０：超砥粒砥石車
１８：台金( コア)
２４：外周面
２６：ビトリファイド砥石片( セグメント砥石、ビトリファイド超砥粒砥石)
３０：表面層
３２：ビトリファイドボンド
３４：ＣＢＮ砥粒( 超砥粒)
３６：ダイヤモンド砥粒( 超砥粒)
３８：気孔

Claims (3)

1. 超砥粒をビトリファイドボンドを用いて結合したビトリファイド超砥粒砥石であって、
   前記超砥粒は、主砥粒としてＣＢＮ砥粒を、補助砥粒としてダイヤモンド砥粒を含み、
   該補助砥粒は、該主砥粒の１／２乃至１／１０の平均粒径を有し、３〜１３体積％の体積比率で含まれる
   ことを特徴とするビトリファイド超砥粒砥石。
2. 前記ビトリファイドボンドは、１５〜３０体積％の体積比率で含まれることを特徴とする請求項１または２のビトリファイド超砥粒砥石。
3. 円筒状の外周面を有するコアと、該コアの外周面に貼り付けられた複数個のセグメント砥石とを有し、
   該セグメント砥石のうちの少なくとも外周側層は、前記超砥粒が前記ビトリファイドボンドを用いて結合されたものである請求項１または２のビトリファイド超砥粒砥石。

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