JP2014004674A - 砥石の製造方法および砥石 - Google Patents

Abstract

【課題】砥粒と空孔が所望の密度を備え均一に分散する砥石の製造方法と砥石を提供する。
【解決手段】ｃＢＮ砥粒１に第１被覆層２を成形した後に、第１被覆層２の外側に第１被覆層２より小さな圧力で塑性変形する第２被覆層３を形成することにより被覆粒子４を製造する。
この被覆砥粒４を用いて所定形状に加圧成形する際の圧力を、第２被覆層３を塑性変形させる圧力以上の圧力とする。この加圧により、第２被覆層３は変形流動し、第１被覆層２同士が接触し、流動した第２被覆層３は被覆砥粒４の隙間に移動した構造の成形物６を成形する。
これを焼結することで、ｃＢＮ砥粒１は第１被覆層２の外形半径の大きさで決まる所定の距離を隔てて分散し、その間に空孔が所望の密度で配置された構造を備えた砥石を製造できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、砥石の製造方法および砥石に関するものである。

ｃＢＮ又はダイヤモンドの砥粒を用いたビトリファイドボンド砥石において、砥粒の分散性を向上するために、被覆層を1層形成した被覆砥粒を加圧形成後に焼結して空孔を含む砥石を製造する従来技術（例えば、特許文献１参照）がある。

特開平９−１３２７７１号公報

上述の従来技術では、被覆層の厚さを変えることで砥粒の分布密度は変更できるが、添加物の分布密度を場所により変えることや、空孔の分布密度を一定の値以下にすることが困難である。これは、被覆層が1層であるため成形後には被覆層内に砥粒が均一に分散した組織となるからである。また、空孔は加圧形成時の被覆砥粒の隙間の空間を元にして生成されるが、この空間は被覆砥粒を最稠密充填したときの隙間より小さくできないことも、分布密度を一定値以下にすることが困難な理由である。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、添加物の分布場所と分布密度を所望の値にでき、さらに、空孔の密度を所望の値にできる砥石の製造方法および砥石の提供を目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の特徴は、砥粒の外側に第１被覆層を成形した後に、前記第１被覆層の外側に前記第１被覆層より小さな圧力で変形する少なくも１層の外被覆層を形成して被覆砥粒を製造する被覆工程と、
前記被覆砥粒を、所定形状に充填した後に、前記外被覆層が変形する以上の圧力で加圧して成形物を製造する加圧成形工程と、
前記成形物を焼結する焼結工程からなることである。

請求項２に係る発明の特徴は、請求項１に係る発明において、前記外被覆層の厚さを調整することで、前記砥石における空孔の密度を調整することである。

請求項３に係る発明の特徴は、請求項１および請求項２に係る発明において、前記第１被覆層に含まれる可塑剤の量が、前記外被覆層に含まれる可塑剤の量より少ないことである。

請求項４に係る発明の特徴は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に係る発明において、前記第１被覆層が、ガラスを含み、前記ガラスの軟化点以上の温度で焼結して成形されることである。

請求項５に係る発明の特徴は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に係る発明において、前記第１被覆層がガラスから成り、前記外被覆層がガラスと添加物の混合物から成ることである。

請求項６に係る発明の特徴は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に係る発明において、前記第１被覆層がガラスとｃＢＮ粒から成り、前記外被覆層がガラスのみまたはガラスと添加物の混合物から成ることである。

請求項７に係る発明の特徴は、ｃＢＮまたはダイヤモンドの砥粒に第１被覆層を成形した後に、前記第１被覆層の外側に前記第１被覆層より小さな圧力で変形する少なくも１層の外被覆層を形成して被覆砥粒を製造し、
前記被覆砥粒を所定形状に充填した後に、前記外被覆層が変形する以上の圧力で加圧して成形物を製造し、
前記成形物を焼結して製造することである。

請求項８に係る発明の特徴は、請求項７に係る発明において、前記第１被覆層が、ガラスを含み、前記ガラスの軟化点以上の温度で焼結して成形されることである。

請求項９に係る発明の特徴は、請求項７および請求項８に係る発明において、前記第１被覆層がガラスから成り、前記外被覆層がガラスと添加物の混合物から成ることである。

請求項１０に係る発明の特徴は、請求項７および請求項８に係る発明において、前記第１被覆層がガラスとｃＢＮ粒から成り、前記外被覆層がガラスのみまたはガラスと添加物の混合物から成ることである。

請求項１１に係る発明の特徴は、請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に係る発明において、前記外被覆層の厚さを調整することで、空孔の密度を調整することである。

請求項１に係る発明によれば、外被覆層が変形する以上の圧力を加えて加圧成形すると、外被覆層は変形して隙間を埋めるように移動する一方、第１被覆層は変形しにくいため、第１被覆層が互いに接触し、第１被覆層の隙間に外被覆層が充填された状態の成形物となる。加圧力の高精度な制御をしなくても、第１被覆層の厚さを制御することにより砥粒相互間の距離を所望の値とする砥石を製造できる。また、加圧成形により外被覆層が一定以上の接触面積で連続している成形物となるので、焼結時間が短くても結合強度が強い砥石を製造できる。

請求項２に係る発明によれば、外被覆層の厚さを調整することで隙間を埋めるように移動する外被覆層の量を制御でき、隙間を埋める率を所望の値とすることで所望の空孔の密度を備える砥石を製造できる。

請求項３および請求項４に係る発明によれば、第１被覆層が変形する圧力が外被覆層の変形する圧力より大きな被覆砥粒を容易に製造できる。

請求項５および請求項６に係る発明によれば、焼成工程において第１被覆層の流動性がよいので砥粒と密着性の良い砥粒保持層を形成でき、砥粒保持力の大きな砥石を製造できる。

請求項７および請求項８に係る発明によれば、外被覆層が変形する以上の圧力を加えて加圧成形すると、外被覆層は変形して隙間に移動し第１被覆層は変形しにくいため、第１被覆層が互いに接触し、第１被覆層の隙間に外被覆層が充填された状態の成形物となる。加圧力の高精度な制御をしなくても、第１被覆層の厚さを制御することにより砥粒相互間の距離を所望の値とできる。また、加圧成形により外被覆層が一定以上の接触面積で連続している成形物となるので、焼結時間が短くても結合強度が強い砥石となる。

請求項９および請求項１０に係る発明によれば、焼成工程において第１被覆層の流動性が良いので砥粒と密着性の良い砥粒保持層を形成でき、砥粒保持力の大きな砥石となる。

請求項１１に係る発明によれば、外被覆層の厚さを調整することで隙間に移動する外被覆層の量を制御でき、隙間を埋める率を所望の値とすることで所望の空孔の密度を備える砥石となる。

第１実施形態の被覆砥粒の断面模式図である。 第１実施形態の被覆砥粒を充填した組織の模式図である。 第１実施形態の被覆砥粒を加圧成形した成形物の模式図である。 第１実施形態のビトリファイドボンド砥石の模式図である。 第２実施形態の被覆砥粒の断面模式図である。 第２実施形態の被覆砥粒を加圧成形した成形物の模式図である。 第２本実施形態のビトリファイドボンド砥石の模式図である。 第３実施形態の被覆砥粒の断面模式図である。 第３実施形態のビトリファイドボンド砥石の模式図である。 第３実施形態のビトリファイドボンド砥石による研削の模式図である。 第４実施形態の被覆砥粒の断面模式図である。 第４実施形態の被覆砥粒を加圧成形した成形物の模式図である。 第４本実施形態のビトリファイドボンド砥石の模式図である。

以下、本発明の実施形態としてｃＢＮ砥粒の外側に第１被覆層を備え、第１被覆層の外側に１層の外被覆層（以下第２被覆層と称する）を備えたビトリファイドボンド砥石の例で説明する。
第1実施形態として、第２被覆層が第１被覆層より小さな圧力で変形する場合の説明をする。
はじめに、被覆工程の詳細を説明する。
図１において、第１被覆層２は、粒径数μｍ以下のガラス粉末とポリアクリル酸アンモニウム塩などのバインダーと可塑剤としてポリエチレングリコールなどを混合したものであり、ｃＢＮ砥粒１（砥粒）に付着させて形成する。
次に、第１被覆層２と構成材料は同じであるが可塑剤であるポリエチレングリコールの量が第１被覆層２に含まれる量より多く配合された第２被覆層３を、第１被覆層２の上に付着させて被覆砥粒４を形成する。
この被覆砥粒４は以下の特性を備えている。第２被覆層３は、第１被覆層２より可塑性が大きく、被覆砥粒４に第２被覆層３が塑性変形する圧力以上の圧力を加えると、第２被覆層３は大きく塑性変形する。一方、第１被覆層２は変形しないか、したとしても変形量は小さい。

次に加圧成形工程の詳細を説明する。
被覆砥粒４を所望の形状をした金型に充填すると、図２に示すように、各被覆砥粒４は第２被覆層３の外周で互いに接触し、被覆粒子４の粒径と形状に応じた所定の隙間５を備えた状態となる。
次に、押し型を介して加圧して成形物６を成形する（図３参照）。加圧力は第２被覆層３が塑性変形する最低の圧力より大きな圧力であればよいが、ここではさらに、第１被覆層２の塑性変形する最低の圧力より小さな圧力とする。こうすることで、図３に示すように、成形物６は、第２被覆層３が塑性変形して第１被覆層２の外周で互いに接触した組織となる。この時、接触部の第２被覆層３は隙間５を埋めるように流動し、隙間５の体積を減少させる。この減少の度合いは第２被覆層３の厚さを調整することで制御できる。例えば、被覆砥粒４の形状が球に近い場合は、第２被覆層３を備えないとき、つまり第２被覆層３の厚さがゼロのときの隙間の体積比率は２５％程度となる。第２被覆層３の厚さを第１被覆層２の外形半径の６％程度の厚さとしたときの隙間の体積比率は０％となる。この２つの条件の間で、第２被覆層３の厚さを選定することで２５％以下の所望の隙間の体積比率を備えた成形物６を製造できる。
成形物６を成形後バインダーと可塑剤の揮発温度以上の所定温度で脱脂処理する。

次に、この成形物６を焼結すると、図４に示すような、第１被覆層２と第２被覆層３が融合してできたガラスから成るボンド層８を備えたビトリファイドボンド砥石９ができる。このビトリファイドボンド砥石９は、ボンド層８内に、ｃＢＮ砥粒１同士は第１被覆層２の外形半径の大きさで決まる所定の距離を隔てて分散し、隙間５を元に生じた空孔７は所望の比率で均等に分散した構造を備えている。

第１実施形態のビトリファイドボンド砥石９を用いて研削を行うと、ｃＢＮ砥粒１と空孔７が所望の密度で均一に分散されているため、砥石のどの位置でも同一の研削性能を発揮できる。

本実施形態では、第２被覆層３に含まれる可塑剤の量を第１被覆層２より多くすることで、第２被覆層３の塑性変形量を第１被覆層２より大きくしたが、砥粒にガラスを含む被覆層を接着した後にガラスの軟化点以上の温度で焼結することで第１被覆層を成形してもよい。こうすると、第１被覆層の変形する最低圧力が増し、第２被覆層の塑性変形する最低圧力との差を大きくできるので、加圧成形工程の圧力設定がより容易になる。
また、可塑剤としてポリエチレングリコールを配合した例を示したが、グリセリン、プロピレングリコールなどを可塑剤として用いてもよい。
加圧力を第１被覆層が変形する圧力より大きくしてもよい、この場合は第１被覆層、第２被覆層共に変形するが、第１被覆層の変形量は小さいので、同様の効果を期待できる。
第２被覆層の変形として塑性変形の例を示したが、割れや破砕による変形でもよい。
また、ｃＢＮ砥粒１に換えてダイヤモンド砥粒を用いてもよい。

＜本実施形態の変形態様＞
第２実施形態について説明する。これは、第１被覆層と第２被覆層の構成材料を異ならせることで所望の材料が所望の場所に分布した砥石の構造を実現するものである。
図５において、第１被覆層１２は、粒径数μｍ以下のガラス粉末とポリアクリル酸アンモニウム塩などのバインダーと可塑剤としてポリエチレングリコールなどを混合したものであり、ｃＢＮ砥粒１１に付着させて形成する。
次に、第１被覆層１２の上に、粒径数μｍ以下のガラス粉末とムライト、アルミナ、酸化チタン、珪酸ジルコニウム等の粒径数μｍ以下の硬質粒子の混合粉と、上記バインダーと、第１被覆層２に含まれる量より多くの上記可塑剤が配合された第２被覆層１３を形成する。

次に、上記により製造した被覆砥粒１４を所定の形状に加圧成形した後、バインダー揮発温度以上の所定温度で脱脂処理する。このときの組織は図６に示すように、ｃＢＮ砥粒１１の外側にガラス粉末層１５を備え、その外側にガラス粉末と硬質粒子の混合層１６を備え、被覆砥粒１４の間に隙間５を備えている。

ここで、焼結時にガラスは軟化して流動し、砥粒と密着するが、上記の硬質粒子のような添加粒子が混在するとガラスの流動性が妨げられ砥粒との密着性が低下することが知られている。
しかし、本実施形態の被覆砥粒においては、ｃＢＮ砥粒１１の周囲はガラスのみであるため、焼成時に軟化したガラスが十分に流動してｃＢＮ砥粒１１の全面に密着する。このため、このビトリファイドボンド砥石１９は、図７に示すように、ｃＢＮ砥粒１１の全面に密着したガラス層１７と、ｃＢＮ砥粒１１から離れた部分ではガラスに添加粒子が混在する混合層１８から成るボンド層が形成され、混合層１８の中に空孔７が分散した構造を備えている。
すなわち、本実施形態のビトリファイドボンド砥石１９は、ｃＢＮ砥粒１１と密着性が良いため砥粒保持力が強いガラス層１７と、硬質粒子を含むため耐磨耗性が高い混合層１８の２層構造から成るボンド層を備えている。

第２実施形態のビトリファイドボンド砥石１９を用いて研削を行うと、ｃＢＮ砥粒１１に研削力が作用するが、ガラスが密着して砥粒保持力が強いためｃＢＮ砥粒１１の抜け落ちを生じにくい。また、混合層１８は切屑の流動により磨耗作用を受けるが、硬質粒子が混在するため磨耗が少ない。結果として、高能率研削においても消耗の少ないビトリファイドボンド砥石１９を実現できる。

上記の実施形態では、第２被覆層１３の添加物に硬質粒子を用いて混合層１８の耐摩耗性を向上したが、中空粒子等の破砕性の大きな粒子を添加して混合層のドレッシング性を良くしてもよい。
また、ｃＢＮ砥粒１１に換えてダイヤモンド砥粒を用いてもよい。

第３実施形態について説明する。これは、研究の結果、ｃＢＮ微粉末を添加した場合は焼結時のガラスの流動性の低下が少ないことを見出し、この知見を応用したものである。
第１被覆層の組成が異なる以外は第２実施形態と同じなので、製造方法については被覆工程のみについて説明する。
図８に模式的に示すように、被覆砥粒２４はｃＢＮ砥粒２１の外側にガラス粉末と、ｃＢＮ粉末と、ポリアクリル酸アンモニウム塩などのバインダーと、可塑剤としてポリエチレングリコールなどを混合した第１被覆層２２を備える。第１被覆層２２の外側にガラスと硬質粒子（添加物）と、上記バインダーと、第１被覆層２に含まれる量より多くの上記可塑剤が配合された第２被覆層２３を備えている。

被覆砥粒２４を用いて、成形・焼結すると、ｃＢＮ砥粒２１の近傍には第１被覆層に含まれていたガラス粉末とｃＢＮ粉末が分布しているため、焼結時にガラスが十分に流動しｃＢＮ砥粒２１に密着する。このため、このビトリファイドボンド砥石２７は、図９に示すように、ｃＢＮ砥粒２１の全面に密着したｃＢＮ添加層２５、ｃＢＮ砥粒２１から離れた部分ではガラスに添加粒子が混在する混合層２６から成るボンド層が形成され、混合層２６の中に空孔７が分散した構造を備えている。

第３実施形態のビトリファイドボンド砥石２７を用いて工作物Ｗの研削を行うと、図１０に示すように、研削された切屑ＣがｃＢＮ添加層２５と混合層２６に接触しながら成長し、チップポケット２８に貯留した後に工作物Ｗとビトリファイドボンド砥石２７の接触が終了した後に排出される。この時、ｃＢＮ砥粒２１に研削力が作用するが、ｃＢＮ添加層２５がｃＢＮ砥粒２１に密着して砥粒保持力が強いためｃＢＮ砥粒２１の抜け落ちを生じにくい。また、混合層２６は切屑の流動により磨耗作用を受けるが、硬質粒子が混在するため磨耗が少ない。さらに、ｃＢＮ添加層２５も切屑の流動により磨耗作用を受けるが、ｃＢＮ微粉末が混在するため磨耗が少ない。
結果として、高能率研削において第２実施形態よりもさらに消耗の少ないビトリファイドボンド砥石２７を実現できる。

第４実施形態について説明する。これは、被覆層を３層にすることで、砥粒の密着性の向上と所望の砥粒分布密度と所望の空孔密度を実現するものである。

図１１に示すように、第１被覆層３２は、粒径数μｍ以下のガラス粉末とポリアクリル酸アンモニウム塩などのバインダーなどを混合したものであり、ｃＢＮ砥粒３１に薄く付着させて形成する。
次に、第１被覆層３２の上に、粒径数μｍ以下のガラス粉末とムライト、アルミナ、酸化チタン、珪酸ジルコニウム等の粒径数μｍ以下の硬質粒子と、上記バインダーと、可塑剤としてポリエチレングリコールの混合物を接着後乾燥させて第２被覆層３３を形成する。
さらに、第２被覆層３３の上に、第２被覆層３３と構成材料は同じであるが可塑剤であるポリエチレングリコールの量が第２被覆層３３に含まれる量より多く配合された第３被覆層３４を、第２被覆層３３の上に付着させて被覆砥粒３５を形成する。

この被覆砥粒３５は以下の特性を備えている。第３被覆層３４は、第２被覆層３３より可塑性が大きく、被覆砥粒３５に第３被覆層３４が塑性変形する圧力以上の圧力を加えると、第３被覆層３４は大きく塑性変形するが、第２被覆層３３は変形しないか、したとしても変形量は小さい。このため、第２実施形態と同様に、加圧して成形物３６を成形すると、図１２に示すように、第３被覆層３４が塑性変形して第２被覆層３３の外周で互いに接触した組織となる。この時、接触部の第３被覆層３４は隙間５へ流動し、隙間５の体積を減少させる。この減少の度合いは第３被覆層３４の厚さを調整することで制御でき所望の隙間５の体積比率を備えた成形物３６を製造できる。
その後バインダーと可塑剤の揮発温度以上の所定温度で脱脂処理する。

次に、焼結すると、図１３に示すようなビトリファイドボンド砥石３９ができる。このビトリファイドボンド砥石３９は、焼成時に軟化したガラスが十分に流動してｃＢＮ砥粒３１の全面に密着した薄いガラス層３７、ｃＢＮ砥粒３１から離れた部分では第２被覆層３３と第３被覆層３４が融合してガラスと添加粒子が混在するボンド層３８が形成される。
さらに、ｃＢＮ砥粒３１同士は第１被覆層３２の外形半径の大きさで決まる所定の距離を隔ててボンド層３８に分散し、ボンド層３８の中に隙間５を元に生じた空孔７が所望の比率で分散配置された構造を備えている。
すなわち、ｃＢＮ砥粒３１と密着性が良いため砥粒保持力が強いが耐摩耗性に劣るガラス層３７の厚さを薄くすることで、添加粒子が混在しているため耐磨耗性の高いボンド層３８をｃＢＮ砥粒３１にできるだけ接近させ摩耗に弱い部分を少なくし、結果として耐磨耗性の高いビトリファイドボンド砥石３９を実現している。

以上の４つの実施形態に示すように、砥粒の外側に組成の異なる複数の被覆を備えた被覆砥粒を用いてビトリファイドボンド砥石を製造することで、砥粒と空孔の均一な分散と、それらの分布密度を所望の値に設定でき、さらに、添加粒子を所定の場所に分布させることで、所望のボンド強度を備えたビトリファイドボンド砥石を製造することができる。

１、１１、２１：ｃＢＮ砥粒 ２、１２、２２：第１被覆層 ３、１３、２３：第２被覆層 ４、１４、２４：被覆砥粒 ５：隙間 ６：成形物 ７：空孔 ８：ボンド層 ９、１９、２７：ビトリファイドボンド砥石

Claims (11)

1. 砥粒の外側に第１被覆層を成形した後に、前記第１被覆層の外側に前記第１被覆層より小さな圧力で変形する少なくも１層の外被覆層を形成して被覆砥粒を製造する被覆工程と、
   前記被覆砥粒を、所定形状に充填した後に、前記外被覆層が変形する以上の圧力で加圧して成形物を製造する加圧成形工程と、
   前記成形物を焼結する焼結工程からなる砥石の製造方法。
2. 前記外被覆層の厚さを調整することで、前記砥石における空孔の密度を調整する請求項１に記載の砥石の製造方法。
3. 前記第１被覆層に含まれる可塑剤の量が、前記外被覆層に含まれる可塑剤の量より少ない請求項１または請求項２に記載の砥石の製造方法。
4. 前記第１被覆層が、ガラスを含み、前記ガラスの軟化点以上の温度で焼結して成形される請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の砥石の製造方法。
5. 前記第１被覆層がガラスから成り、前記外被覆層がガラスと添加物の混合物から成る請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の砥石の製造方法。
6. 前記第１被覆層がガラスとｃＢＮ粒から成り、前記外被覆層がガラスのみまたはガラスと添加物の混合物から成る請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の砥石の製造方法。
7. ｃＢＮまたはダイヤモンドの砥粒に第１被覆層を成形した後に、前記第１被覆層の外側に前記第１被覆層より小さな圧力で変形する少なくも１層の外被覆層を形成して被覆砥粒を製造し、
   前記被覆砥粒を所定形状に充填した後に、前記外被覆層が変形する以上の圧力で加圧して成形物を製造し、
   前記成形物を焼結して製造する砥石。
8. 前記第１被覆層が、ガラスを含み、前記ガラスの軟化点以上の温度で焼結して成形される請求項７に記載の砥石。
9. 前記第１被覆層がガラスから成り、前記外被覆層がガラスと添加物の混合物から成る請求項７または請求項８に記載の砥石。
10. 前記第１被覆層がガラスとｃＢＮ粒から成り、前記外被覆層がガラスのみまたはガラスと添加物の混合物から成る請求項７または請求項８に記載の砥石。
11. 前記外被覆層の厚さを調整することで、空孔の密度を調整する請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載の砥石。

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