JP2020138253A - 砥石及び砥石の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切れ味の低下を抑制でき、寿命を向上できる砥石及び砥石の製造方法を提供する。【解決手段】砥石１０は、複数の多面体の形状の砥粒１２と、複数の砥粒１２のそれぞれを架橋するブリッジ状に形成され、複数の砥粒１２のそれぞれを結合する結合剤１４と、を備える。そして、砥粒１２は、多面体のそれぞれの面が一つの結晶面１２ａを構成し、一つの結晶面１２ａの一部の領域に形成される凹凸部１２ｂ及び他部の領域に形成される非凹凸部１２ｃを有し、結合剤１４は、一つの結晶面１２ａにおいて、少なくとも非凹凸部１２ｃの一部に密着しておらず且つ少なくとも凹凸部１２ｂに密着してブリッジ状に形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、砥石及び砥石の製造方法に関する。

特許文献１には、砥粒の結晶面の全領域に凹凸を形成して表面積を増加させ、被膜材を凹凸に沿って被覆させた砥粒層を有する砥石が記載されている。この砥石によれば、砥粒層の強度が向上するため、研削時の砥粒の脱落を防止でき、砥石の寿命を向上できる。特許文献２には、多面体の形状の砥粒を結合剤で結合した砥粒層を有する砥石が記載されている。この砥粒は、複数の結晶面のうち一部の結晶面が粗面となり、粗面以外の複数の結晶面のうち一部の結晶面が平滑面となっている。粗面は、結合剤との濡れ性が良く、結合剤との密着力が強く、平滑面は、結合剤との濡れ性が悪く、結合剤との密着力が弱い。この砥石によれば、粗面の結晶面同士の結合で砥粒層の強度が向上するため、研削時の砥粒の脱落を防止でき、砥石の寿命を向上できる。

特開２００２−１６６３７０号公報 特開２００６−８８２４３号公報

特許文献１の砥石では、砥粒の全表面が被膜材に覆われることになる。特許文献２の砥石では、一つの結晶面全体が粗面であるため、結合剤が一つの結晶面全体を被覆することになる。よって、特許文献１，２の砥石の表面の砥粒は、結合剤が砥粒刃先を鈍化させるため、切れ味が低下する。

本発明は、切れ味の低下を抑制でき、寿命を向上できる砥石及び砥石の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る砥石は、複数の多面体の形状の砥粒と、前記複数の砥粒のそれぞれを架橋するブリッジ状に形成され、前記複数の砥粒のそれぞれを結合する結合剤と、を備え、前記砥粒は、前記多面体のそれぞれの面が一つの結晶面を構成し、前記一つの結晶面の一部の領域に形成される凹凸部及び他部の領域に形成される非凹凸部を有し、前記結合剤は、前記一つの結晶面において、少なくとも前記非凹凸部の一部に密着しておらず且つ少なくとも前記凹凸部に密着して前記ブリッジ状に形成される。

この砥石によれば、結合剤は、砥粒の一つの結晶面の全領域に密着して複数の砥粒のそれぞれを架橋することはなく、一つの結晶面の一部の領域に密着して複数の砥粒のそれぞれを架橋することになる。よって、砥石表面の砥粒は、結晶面を大きく露出した状態になるため、切れ味が良くなる。また、架橋部は、砥粒の凹凸部に密着しているため、結合力は強固となるので、研削時の砥粒の脱落を抑制でき、砥石の寿命を向上できる。

本発明に係る砥石の製造方法は、複数の多面体の形状であって前記多面体のそれぞれの面が一つの結晶面を構成する砥粒と、前記複数の砥粒のそれぞれを架橋するブリッジ状に形成され、前記複数の砥粒のそれぞれを結合する結合剤と、を備える砥石の製造方法であって、前記砥粒の前記一つの結晶面の一部の領域に凹凸部を形成するとともに他部の領域に非凹凸部を形成する凹凸形成工程と、前記凹凸部及び前記非凹凸部が形成された砥粒及び前記結合剤を混合して中間成形体を作成する混合工程と、前記中間成形体を成形型に投入し加圧して加圧成形体を作成する加圧工程と、前記加圧成形体を加熱して前記結合剤を溶融させ、前記一つの結晶面において、溶融させた前記結合剤を少なくとも前記非凹凸部の一部に密着させず且つ少なくとも前記凹凸部に密着させ前記ブリッジ状に形成して砥石層を作成する加熱工程と、を備える。これにより、切れ味の低下を抑制でき、寿命を向上できる砥石が得られる。

本発明の実施形態に係る砥石の全体構成を示す図である。 砥石を構成する砥石層の部分拡大図である。 砥石層の砥粒の拡大斜視図である。 砥石による初期の研削状態を示す図である。 図４の状態から切屑が離脱した状態を示す図である。 砥石の製造方法を説明するためのフローチャートである。 砥石の製造方法の混合工程における砥粒と結合剤の状態図である。 砥石の製造方法の加圧工程における砥粒と結合剤の状態図である。 砥石の製造方法の加熱工程における砥粒と結合剤の状態図である。 砥石層の別形態の砥粒の拡大斜視図である。

（１．砥石の全体構成）
本発明の実施形態に係る砥石の全体構成について説明する。砥石の種類としては、超砥粒ホイール等がある。砥石の形状としては、平形、テーパ形、ストレートカップ形等がある。砥石を構成する砥石層は、砥粒と、結合剤と、気孔等を備える。超砥粒ホイールの砥石層の砥粒としては、例えば、ＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）砥粒あるいはダイヤモンド粒等の超砥粒がある。結合剤としては、例えば、ビトリファイドボンド、レジノイド、メタル等がある。

ここでは、砥石は、平形の超砥粒ホイールを例にあげ、砥石層の砥粒は、ＣＢＮ砥粒、結合剤は、ビトリファイドボンドを例にあげる。従って、図１に示すように、砥石１０は、円板状のコア２１と、リング状の砥石層２２を備える。

コア２１は、鋼、アルミニウム、チタン等の金属材料あるいはＦＲＰ（繊維強化プラスチック）材、セラミックス等によって形成される。砥石層２２は、リング状に焼成され、コア２１の外周に接着剤あるいは焼結によって固着され形成される。また、砥石層２２は、複数の砥石セグメントを、コア２１の外周に接着してリング状になるように形成してもよい。

コア２１の中心には、中心穴２３が貫通して形成される。中心穴２３は、図略の砥石台が備える砥石軸の軸端に突出する芯合わせボスに嵌合する。中心穴２３の周囲には、ボルト孔２４が、複数（本実施形態では４個）形成される。複数のボルト孔２４には、砥石軸の軸端に開口する螺子孔に螺合するボルトが挿通する。これらのボルト孔２４にボルトを挿通し、ボルトを螺子孔に螺入することにより、砥石１０が砥石軸に固着される。

（２．砥石層の構造）
図２に示すように、砥石層２２は、砥粒１２と、結合剤１４と、気孔１６等を備える。図３に示すように、砥粒１２は、多面体の形状であり、多面体のそれぞれの面が一つの結晶面１２ａを構成する。すなわち、砥粒１２の表面は、複数の結晶面１２ａで形成される。一つの結晶面１２ａは、平面状に形成される。この平面状とは、本例では、凹凸の無い平滑な状態の意味ではなく、微小の凹凸を含む状態の意味で用いている。砥粒１２の平均粒径φＡは、例えば、１００μｍ程度である。

砥粒１２は、一つの結晶面１２ａの一部の領域に形成される凹凸部１２ｂ及び他部の領域に形成される非凹凸部１２ｃを有する。すなわち、凹凸部１２ｂ及び非凹凸部１２ｃは、多面体における全ての結晶面１２ａに形成される。凹凸部１２ｂには、結晶面１２ａ同士の境界線のような大きな凹凸は無く、微小な凹凸が有る。非凹凸部１２ｃには、大小の凹凸が無い。本例では、凹凸部１２ｂは、一つの結晶面１２ａの中央の領域に一つ形成され、非凹凸部１２ｃは、一つの結晶面１２ａの中央の領域以外の領域に形成される。そして、凹凸部１２ｂの占有面積は、非凹凸部１２ｃの占有面積よりも小さくなるように形成される。

なお、凹凸部１２ｂ及び非凹凸部１２ｃは、多面体における一部の結晶面１２ａに形成するようにしてもよく、この場合の残部の結晶面１２ａは、もともとの面状態（平滑面もしくは粗面等）のままでよい。また、一つの結晶面１２ａにおいて、凹凸部１２ｂと非凹凸部１２ｃともともとの面状態が混在した状態でもよく、凹凸部１２ｂともともとの面状態が混在し非凹凸部１２ｃが無い状態でもよい。

図２に示すように、結合剤１４は、砥粒１２の一つの結晶面１２ａにおいて、少なくとも非凹凸部１２ｃの一部に密着しておらず且つ少なくとも凹凸部１２ｂに密着してブリッジ状に形成される。本例では、砥粒１２の結晶面１２ａの凹凸部１２ｂのみに密着して、隣接する砥粒１２間をブリッジ状に架橋して結合し、架橋部１８を形成する。つまり、架橋部１８は、砥石層２２において、複数の砥粒１２を相互に非接触となるように結合する。このとき、架橋部１８の長さ、すなわち隣接する砥粒１２間の平均離間距離Ｌは、砥粒１２の平均粒径φＡとほぼ同じ大きさである。ただし、平均離間距離Ｌは、砥粒１２の平均粒径φＡと同じ大きさである必要はなく、砥石１０に対する所望の集中度に応じて任意に設定される。

図２に示すように、気孔１６は、架橋部１８で結合された砥粒１２間の周囲に形成される。つまり、気孔１６は、複数の砥粒１２及び架橋部１８（結合剤１４）以外の部分に形成される。砥石層２２の表面に出現した気孔１６が露出して穴となった部分は、砥石１０が工作物を研削したとき、排出される切屑を一次的に保持するためのチップポケット１６ａとなる。

（３．砥石層の研削状態）
砥石１０の砥石層２２の研削状態について図を参照して説明する。図４に示すように、砥石１０を時計回りに回転させ、工作物Ｗを反時計回りに回転させ、砥石１０を工作物Ｗに接触させる。すると、工作物Ｗに接触する砥粒１２Ａ（１２）が工作物Ｗの表面を研削して切屑Ｖを発生させる。そして、図５に示すように、研削が進んで工作物Ｗから離脱した切屑Ｖは、工作物Ｗに接触していた砥粒１２Ａ（１２）と、砥石１０の回転方向に隣接する砥粒１２Ｂ（１２）と、これらの砥粒１２Ａ，１２Ｂを架橋する架橋部１８Ａ（１８）とで形成されるチップポケット１６ａに一次的に保持される。

この砥石１０によれば、結合剤１４は、砥粒１２の一つの結晶面１２ａの全領域に密着して複数の砥粒１２のそれぞれを架橋することはなく、一つの結晶面１２ａの一部の領域に密着して複数の砥粒１２のそれぞれを架橋することになる。よって、砥石１０の表面の砥粒１２は、結晶面１２ａを大きく露出した状態になり、砥石１０の切れ味の低下を抑制できる。また、架橋部１８は、砥粒１２の凹凸部１２ｂに密着しているため、結合力は強固となるので、研削時の砥粒１２の脱落を抑制でき、砥石１０の寿命を向上できる。また、さらにチップポケット１６ａは、大きく形成されて切屑Ｖを大量に保持できるので、砥石１０の切れ味の低下を抑制できる。

（４．砥石の製造方法）
次に、砥粒１２としてＣＢＮ砥粒及び結合剤１４としてビトリファイドボンドで成る砥石層２２を備える砥石１０の製造方法について説明する。砥石１０の製造方法は、図６のフローチャートに示すように、凹凸形成工程Ｓ１２と、混合工程Ｓ１４と、加圧工程Ｓ１６と、加熱工程Ｓ１８と、固着工程Ｓ２０を備える。

凹凸形成工程Ｓ１２では、砥粒１２の一つの結晶面１２ａの一部（例えば、略中央）の領域に凹凸部１２ｂを形成するとともに他部の領域に非凹凸部１２ｃを形成する。これにより、図３に示すように、凹凸部１２ｂ及び非凹凸部１２ｃを有する砥粒１２が得られる。凹凸部１２ｂ及び非凹凸部１２ｃは、具体的には、ダイヤモンド粉末によるブラスト加工、薬剤によるエッチング加工、レーザ光によるレーザ加工、プラズマによるプラズマエッチング加工等の種々の加工によって形成できる。

ここで、ＣＢＮ砥粒（砥粒１２）の結晶面１２ａは、ミラー指数で示す（１００）面と（１１１）面と（１１０）面等で構成される。（１００）面は、平滑面であり、結合剤１４との濡れ性が悪く、結合剤１４との結合力が弱い。（１１１）面は、粗面であり、結合剤１４との濡れ性が良く、結合剤１４との結合力が強い。（１００）面に対しては、上述の種々の加工によって凹凸部１２ｂを形成する。（１１１）面に対しては、凹凸部１２ｂとなる領域以外を上述の種々の加工によって平滑面に形成する。

混合工程Ｓ１４では、凹凸形成工程Ｓ１２で凹凸部１２ｂが形成された複数の砥粒１２と、粉末状態の結合剤１４とを、攪拌羽根を回転させて攪拌する混合器やエアーを用いて攪拌する混合器等で混合する。これにより、図７に示すように、複数の砥粒１２の間に粉末状の結合剤１４が粗に介在する中間成形体３２が作成される。

加圧工程Ｓ１６では、混合工程Ｓ１４で作成された中間成形体３２（砥粒１２＋結合剤１４）を成形型に投入し、成形型内を加圧する。これにより、図８に示すように、各隣接する砥粒１２間に結合剤１４が密に介在する加圧成形体３４が作成される。加圧成形体３４は、中間成形体３２が、加圧力によって一体的に成形された構造体である。本実施形態においては、加圧成形体３４は、砥石層２２に対応するリング状を呈する。

加熱工程Ｓ１８では、加圧工程Ｓ１６で作成された加圧成形体３４を成形型から抜き出し、結合剤１４の適正な焼成温度（例えば、１，０００°Ｃ前後）で加熱する。この加熱によって、温度が６００°Ｃ以上に上昇すると、結合剤１４が溶融して隣接する砥粒１２の凹凸部１２ｂ間を架橋して架橋部１８を形成する。また、気孔１６が、結合剤１４が架橋された砥粒１２間の周囲に形成される。このようにして、図９に示すように、砥石層２２が作成される。その後、固着工程では、焼成された砥石層２２をコア２１の外周に接着剤を用いて固着させる。これにより、図１に示すように、平形の砥石１０が完成する。

（５．その他）
上記実施形態では、砥粒１２の凹凸部１２ｂは、一つの結晶面１２ａの中央の領域に形成し、非凹凸部１２ｃは、上記中央の領域以外の領域に形成するようにしたが、図１０に示すように、凹凸部１２ｂは、一つの結晶面１２ａに点在する複数の領域に形成し、非凹凸部１２ｃは、上記複数の領域以外の領域に形成するようにしてもよい。

１０；砥石、 １２；砥粒、 １２ａ；結晶面、 １２ｂ；凹凸部、 １２ｃ；非凹凸部、 １４；結合剤、１６；気孔、 １６ａ；チップポケット、 １８；架橋部、 ２１；コア、 ２２；砥石層

Claims (7)

1. 複数の多面体の形状の砥粒と、
   前記複数の砥粒のそれぞれを架橋するブリッジ状に形成され、前記複数の砥粒のそれぞれを結合する結合剤と、
   を備え、
   前記砥粒は、前記多面体のそれぞれの面が一つの結晶面を構成し、前記一つの結晶面の一部の領域に形成される凹凸部及び他部の領域に形成される非凹凸部を有し、
   前記結合剤は、前記一つの結晶面において、少なくとも前記非凹凸部の一部に密着しておらず且つ少なくとも前記凹凸部に密着して前記ブリッジ状に形成される、砥石。
2. 前記凹凸部は、前記一つの結晶面の中央の領域に一つ形成され、前記非凹凸部は、前記一つの結晶面の中央の領域以外の領域に形成される、請求項１に記載の砥石。
3. 前記凹凸部は、前記結晶面に点在する複数の領域に形成される、請求項１に記載の砥石。
4. 前記凹凸部及び前記非凹凸部は、前記多面体における全ての前記結晶面に形成される、請求項１−３の何れか一項に記載の砥石。
5. 前記凹凸部及び前記非凹凸部は、前記多面体における一部の前記結晶面に形成される、請求項１−３の何れか一項に記載の砥石。
6. 前記凹凸部の占有面積は、前記非凹凸部の占有面積よりも小さくなるように形成される、請求項１−５の何れか一項に記載の砥石。
7. 複数の多面体の形状であって前記多面体のそれぞれの面が一つの結晶面を構成する砥粒と、前記複数の砥粒のそれぞれを架橋するブリッジ状に形成され、前記複数の砥粒のそれぞれを結合する結合剤と、を備える砥石の製造方法であって、
   前記砥粒の前記一つの結晶面の一部の領域に凹凸部を形成するとともに他部の領域に非凹凸部を形成する凹凸形成工程と、
   前記凹凸部及び前記非凹凸部が形成された砥粒及び前記結合剤を混合して中間成形体を作成する混合工程と、
   前記中間成形体を成形型に投入し加圧して加圧成形体を作成する加圧工程と、
   前記加圧成形体を加熱して前記結合剤を溶融させ、前記一つの結晶面において、溶融させた前記結合剤を少なくとも前記非凹凸部の一部に密着させず且つ少なくとも前記凹凸部に密着させ前記ブリッジ状に形成して砥石層を作成する加熱工程と、
   を備える、砥石の製造方法。

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