JP3359482B2 - 超砥粒ホイール及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超硬、セラミック
ス、硝子あるいは工具鋼等の各種研削作業に使用され
る、台金に砥粒層を固定した超砥粒ホイールに関する。

【０００２】

【従来の技術】高速回転で使用される超砥粒ホイール
は、取付孔周りに最大の応力がかかるため、通常取付孔
周りが台金材料の破壊強度に達した場合に破壊する。こ
のため、超砥粒ホイールには、破損する危険が少ない台
金の強度、研削盤に負担をかけないホイールの軽量性、
さらには安価で容易に製造可能なこと等が要求される。

【０００３】超砥粒ホイールは、結合剤の種類によっ
て、レジンボンドホイール、メタルボンドホイール及び
ビトリファイドボンドホイール等に分類される。樹脂系
の結合剤を用いるレジンボンドホイールは、低弾性率、
低強度の特性を活かして、切れ味に富み良好な仕上面を
与える。また、金属系の結合剤を用いるメタルボンドホ
イールは、高弾性率、高強度の特性を活かして、ホイー
ルの寿命が長く加工物の寸法精度が良好である。ガラス
系の結合剤を用いるビトリファイドボンドホイールは、
高弾性率、低強度の特性を活かして、切れ味に富み加工
物の寸法精度が良好である。

【０００４】このような超砥粒ホイールにおいて、近年
の加工能率および加工精度向上の要請から、従来の周速
度である３０ｍ／ｓｅｃ程度から、さらに高速の６０〜
２００ｍ／ｓｅｃ程度に耐え得る材料の開発が要求され
るようになった。

【０００５】１９６０年代の後半には高速研削用研削盤
の実用機が公表され、特に、Ｓｈｅｆｆｉｅｌｄ社は、
外径７６０ｍｍのホイールを使用して９０ｍ／ｓｅｃの
周速を実現した。ホイール周速が１５０ｍ／ｓｅｃを越
える超高速研削用研削盤は１９９０年代に実用化され、
１９９５年時点では豊田工機より、外径２５０ｍｍのホ
イールで１６０ｍ／ｓｅｃ、また三菱重工より外径３８
０ｍｍのホイールで２００ｍ／ｓｅｃの研削盤が実用化
された。今後さらに研削盤の改良により、２００ｍ／ｓ
ｅｃを越える周速の実用化も近いと思われる。

【０００６】超砥粒ホイールを回転させると、回転速度
の２乗に比例して急激に遠心力が増加し、これによって
合金及び砥粒層が変形、破損する危険性が高まる。この
ため、高速研削用超砥粒ホイールには、高強度の砥粒層
を使用すること、砥粒層と台金の接着強度を確保するこ
とは勿論のこと、特に台金自体の安全を確保することが
重要になる。

【０００７】この対策として、台金材料にアルミニウム
合金や鋼材を熱処理した高強度のものを用い、また台金
と砥粒層の接着強度を向上させるため、砥粒層の成形と
台金への接着とを同時に行う、いわゆる直付け法が採用
されている。

【０００８】しかしながら、合金鋼はホイールの重量が
重いため、低速回転の場合には特に問題がないものの、
これを高速で回転させるためには、研削盤のスピンドル
剛性及び主軸モータの出力を飛躍的に大きくする必要が
あり実用的ではない。

【０００９】このような欠点を解消するため、台金の材
料として比強度に優れた炭素繊維強化熱硬化プラスチッ
ク（以下、ＣＦＲＰという）等の、繊維強化プラスチッ
クを使用する方法が、特開平６−９１５４１号公報，特
開平６−９１５４２号公報に開示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このＣＦＲＰは、マト
リクスとして、熱変形温度が１３０℃であるエポキシ等
の樹脂を使用しているため、砥粒層の成形と同時に台金
に焼付け接着する直付け法を用いた場合、焼結時の熱に
よってＣＦＲＰが熱劣化を起こし、砥粒層と台金の接着
力が弱くなり、またＣＦＲＰ台金自体の強度も低下し、
結果として高速回転用としては不適切なものとなる。

【００１１】例えば、砥粒層がメタルボンドの場合、焼
結温度は約６５０〜１３００℃、ビトリファイドボンド
の場合約７００〜９００℃、またポリイミドレジンボン
ドの場合約３５０〜５００℃であり、しかもポリイミド
レジンボンドのプレス成形圧力は、３５０〜７００ＭＰ
ａとＣＦＲＰが変形する高圧であるため、上記したよう
にＣＦＲＰ台金への直付けによる砥粒層の成形は困難で
ある。

【００１２】この対策として、ＣＦＲＰ台金を使用した
場合、直付け法を用いることなく、従来製法のように、
予め砥粒層をチップ形状に成形し、これを台金に接着す
る方法が考えられる。これによれば、軽量であるＣＦＲ
Ｐの利点を活かしつつ、かつＣＦＲＰ台金に砥粒層を接
着することができる。しかしながら、砥粒層の焼成時
に、チップに変形や収縮が発生して寸法が変化するた
め、台金とチップの曲率を高精度に製作することは困難
であり、その結果、台金と砥粒層の接着層の厚さにバラ
ツキが発生し、接着強度が不安定となる。また、加工時
間が長くなり、製造コストが高くなるという問題もあ
る。

【００１３】また特開平３−１０４５６６号公報には、
比強度に優れ高周速に耐え得る強度を持った炭化珪素セ
ラミックス繊維強化アルミニウム台金製の砥石が開示さ
れているが、同公報に開示された炭化珪素セラミックス
繊維強化アルミニウム合金においても、その融点は約６
５０℃と砥粒層の焼結温度に対して低く、上記したＣＦ
ＰＲと同じような問題が生じ、台金と砥粒層の接着力に
すぐれた直付け法を採用することは困難である。

【００１４】そこで本発明が解決すべき課題は、比強度
に優れたセラミックス強化アルミニウム合金製台金の特
質を活かしつつ、しかもかかる台金への砥粒層の直付け
成形を可能にすることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の超砥粒ホイール
は、上記課題を解決するために、アルミニウムとセラミ
ックスとが反応した金属間化合物によってマトリックス
が形成されたセラミックス強化アルミニウム合金製台金
に、直付けにより超砥粒層が固着されたことを特徴とす
る。これによって、メタルボンド，ビトリファイドボン
ド，ポリイミドレジンボンドの焼結温度で品質劣化や変
形などの無い軽量の台金が得られる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の超砥粒ホイールは、アル
ミニウムとセラミックスとが反応した金属間化合物によ
ってマトリックスが形成されたセラミックス強化アルミ
ニウム合金製台金に、直付けにより超砥粒層が固着され
たものである。

【００１７】ここで、金属間化合物（intermetallic co
mpound) とは、２種以上の金属及び非金属の元素が簡単
な整数比で結合してできた化合物で、成分金属元素と異
なる特有の物理的、化学的性質を示すもので、アルミニ
ウムとセラミックスとを高温下にて反応させることによ
り生成する。このアルミニウムとセラミックスとが反応
した金属間化合物は高融点であるために、複合材全体の
融点も高くなり、これによって、セラミックス強化アル
ミニウム合金製台金の特質を活かしつつ、かつ融点を高
くすることができる。

【００１８】本発明においては、アルミニウムとセラミ
ックスとを反応させて金属間化合物を得るのに、高圧鋳
造法を採用する。具体的には、鋳型の中に、セラミック
ス繊維の予成形体を置いて、それにアルミニウム溶湯を
３〜１０ＭＰａの圧力で鋳込む。これによって、鋳型中
のセラミックスとアルミニウム溶湯とが反応して金属間
化合物を生成する。従来アルミニウムとその他の金属、
非金属を反応させて金属間化合物を生成するのに一般的
に採用されているルツボ法では、ガス巣、引け巣、組織
の不均一などの欠陥が発生するが、高圧鋳造法では、鋳
込み凝固が完了するまで高い圧力をかけて強制的に成形
するので、このような欠陥のない鋳物が得られる。その
際、鋳造圧力が３ＭＰａ未満であると、ガス巣、引け
巣、組織の不均一が発生しやすく、また１０ＭＰａを越
えると特別な鋳型が必要となるなど設備上の問題が発生
し好ましくない。これによって、融点が１２００〜１３
００℃以上のセラミックス強化アルミニウム合金が得ら
れる。

【００１９】また、セラミックスとしては、ホウ酸アル
ミニウム，アルミナ，炭化珪素，窒化珪素，酸化亜鉛，
酸化マグネシウム，チタン酸カリウムの１種または２種
以上の繊維状のものを使用することができる。特に繊維
状のものを使用することによって、塊状のものと比べ、
材料の強度が大きくなる。また、セラミックス繊維は、
長さ１０〜３０μｍ，径０．５〜１．０μｍの範囲が望
ましい。長さや径が上記範囲外であれば材料の強度が低
くなり好ましくない。

【００２０】高周速で使用するのに適したレジンボンド
ホイールを調査するために、ポリイミド樹脂３７容量
％、銅粉２４容量％、ニッケルコートダイヤモンド砥粒
３９容量％からなるポリイミド樹脂レジンボンド砥粒層
Ａと、アルミニウム合金鋳物、機械構造物用炭素鋼、ク
ロムモリブデン鋼鋼材（調質材），高圧鋳造法のセラミ
ックス繊維強化アルミニウム合金，ＣＦＲＰの４種類の
台金材料（表１参照）で構成される、直径３５０ｍｍ、
厚さ２０ｍｍ、中心穴径３０ｍｍ、砥粒層厚さ３ｍｍの
ＪＩＳ形状１Ａ１ストレート円筒形状の、レジンボンド
ホイールの高速回転時の応力を、有限要素法解析ソフト
を用いて解析した。この場合、各材料の引張り強度及び
各材料と砥粒層の接着強度はテストピースから求めた。

【００２１】

【表１】

【００２２】高速回転時にホイールに加わる応力は、台
金の穴径周り、また砥粒層では台金との界面の接線方向
の応力σｔがそれぞれ最大になるため、その点に着目し
て解析を行った。この条件を用いて、周速１００ｍ／ｓ
ｅｃで使用することを想定し、ＪＩＳの一般砥石の規定
を参考にして、安全係数を２として、最高使用周速度の
２倍の周速２００ｍ／ｓｅｃで回転させた場合の応力を
解析した。表２にその結果を示す。

【００２３】

【表２】

【００２４】台金の安全率を台金材料別に考察した結果
（表３参照）、従来のアルミニウム合金鋳物、機械構造
用炭素鋼の台金の安全率は３程度となっている。またク
ロムモリブデン鋼鋼材（調質材）、高圧鋳造法のセラミ
ックス繊維強化アルミニウム合金の台金の安全率は７〜
９程度と高くなっている。特にＣＦＲＰの安全率は１５
程度と突出している。

【００２５】

【表３】

【００２６】また、砥粒層の接着強度に関して台金材料
別に考察した結果（表４参照）、従来の機械構造用炭素
鋼、クロムモリブデン鋼鋼材（調質材）の砥粒層の接着
強度の安全率は４０程度となっている。また、高圧鋳造
法のセラミックス繊維強化アルミニウム合金の接着強度
の安全率は６０程度と高くなっている。

【００２７】

【表４】

【００２８】結果は、アルミニウム合金鋳物およびＣＦ
ＲＰでは直付け自体が不可能で比較の対象にならず、本
発明品において明らかな優位性が見られた。

【００２９】

【実施例】

〔実施例１〕高圧鋳造法のセラミックス繊維強化アルミ
ニウム合金の、外径３４４ｍｍの円筒状台金を芯型と
し、これを内径３５０ｍｍ円筒状外型、及び、２個のパ
ンチからなる金型の中央に配置した隙間に、ポリイミド
樹脂３７容量％、炭化珪素２４容量％、ニッケルコート
ダイヤモンド砥粒３９容量％からなる粉末状砥粒層原料
を充填してパンチで１ＭＰａをかけてプレスし、５００
℃まで加熱した。次いで、この型に対して３５０ＭＰａ
の圧力をかけ、３０分間保持し成形した。その後金型を
５０℃まで冷却し、成形物を取り出した。

【００３０】これによって、各種材料の台金の外周に砥
粒層を成形と同時に焼き付け接着したレジンボンドホイ
ールを得た。

【００３１】また、比較対象のため、外周曲率１７５ｍ
ｍ、内周曲率１７２ｍｍ、中心角１５°の弧状の穴を有
した外型、及び２個の押しパンチからなる金型の隙間
に、ポリイミド樹脂３７容量％、炭化珪素２４容量％、
ニッケルコートダイヤモンド砥粒３９容量％からなる粉
末状砥粒層原料を充填した。

【００３２】上記金型に１ＭＰａをかけてプレスし、５
００℃まで加熱した。次いで、この型に対して３５０Ｍ
Ｐａの圧力をかけ、この状態を３０分間保持し、成形し
た。その後金型を５０℃まで冷却して、弧状の成形物を
取り出した。

【００３３】上記砥粒層２４個を、表１に示すクロムモ
リブデン鋼鋼材（調質材）、高圧鋳造法のセラミックス
繊維強化アルミニウム合金からなる外径３４４ｍｍの台
金の外周にエポキシ樹脂接着剤を用いて、硬化温度１５
０℃、硬化時間４時間で接着固定した。

【００３４】これによって、各種材料の台金の外周に砥
粒層を接着したレジンボンドホイール２種類を得た。

【００３５】この砥粒層チップを成形し、その後台金に
接着する従来製法の２種、および、成形と同時に焼き付
け接着する本発明製法の１種、合計３種のスペックを、
各スペックに対し１０個、合計３０個のホイールで回転
試験を行った。

【００３６】試験周速は、ホイール周速２００ｍ／ｓｅ
ｃで使用することを想定し、ＪＩＳの一般砥石の規定を
参考にして、安全係数を２として、最高使用周速度（Ｊ
ＩＳ−Ｒ６２４１）の２倍の周速４００ｍ／ｓｅｃで回
転試験を行った。表５にその結果を示す。

【００３７】

【表５】

【００３８】従来の接着法のホイールでは、各チップ毎
に接着強度のバラツキがあり、ホイール周速２１０〜４
００ｍ／ｓｅｃにおいて、３０〜５０％のホイールに砥
粒層の剥離が発生した。これに対し、本発明品では、接
着強度が安定しているため、試験周速の４００ｍ／ｓｅ
ｃにおいても全く剥離は発生しなかった。

【００３９】〔実施例２〕表１に示すクロムモリブデン
鋼鋼材（調質材）、高圧鋳造法のセラミックス繊維強化
アルミニウム合金の２種類の材料の外径３４４ｍｍの円
筒状台金を芯型とし、これを内径３５０ｍｍの円筒状外
型、及び、２個のパンチからなる金型の中央に配置した
隙間に、Ｃｕ粉５０容量％、Ｓｎ粉２５容量％、ダイヤ
モンド砥粒２５容量％からなる粉末状砥粒層原料を充填
してパンチでプレスし、接触圧をかけて７００℃まで加
熱した。次いで、この金型に対して、５０ＭＰａの圧力
をかけ成形した。これによって、各種材料の外周に砥粒
層を成形と同時に焼き付け接着したメタルボンドホイー
ルを得た。

【００４０】このホイールを用いて、周速２００ｍ／ｓ
ｅｃで使用することを想定し、ＪＩＳの一般砥石の規定
を参考にして安全係数を２として、最高使用周速度（Ｊ
ＩＳ−Ｒ６２４１）の２倍の周速４００ｍ／ｓｅｃで回
転試験を行い、主軸モータの消費電力を測定した。表６
にその結果を示す。

【００４１】

【表６】

【００４２】結果は両メタルボンドホイールとも砥粒層
の剥離はないが、機械構造用炭素鋼台金の場合、孔周辺
に変形を生じた。また高速回転時の消費電力について
は、機械構造用炭素鋼を台金としたメタルボンドホイー
ルは１７００Ｗと高い値を示した。一方、本発明品では
１３５０Ｗであった。

【００４３】

【発明の効果】本発明によって以下の効果を発揮するこ
とができる。

【００４４】（１）金属間化合物でマトリックスを形成
することによって、セラミックス強化アルミニウム合金
製台金の融点が高くなり、従来不可能であったアルミニ
ウム合金製台金への砥粒層の直付けが可能となった。

【００４５】（２）これによって、軽量でスピンドルモ
ータに負担をかけず比強度に優れ、しかも台金と砥粒層
の接着力の高い超砥粒ホイールが得られた。

【００４６】（３）ＣＦＲＰと比較して、高圧鋳造法の
セラミックス繊維強化アルミニウム合金には、繊維の方
向性がないため、設計の自由度が高く、台金の破損が発
生しにくい。

【００４７】（４）鉄系の材料と比較して、高圧鋳造法
のセラミックス繊維強化アルミニウム合金は比剛性に優
れるため、高速回転においても台金が膨張せず、被加工
物の寸法精度が確保できる。

【００４８】（５）砥粒層の成形と台金への固定が同時
にできるようになり、従来の接着製法の欠点であった接
着強度のバラツキがなくなり、接着強度が安定した。ま
た製造工程が簡略化され生産性がよく、加工コストの低
減が達成できる。

【００４９】（６）ＣＦＲＰ等の材料と比較して、熱伝
導率が高く放熱性に優れ、また、従来の鉄系の材料と比
較して劣ることはなく、研削中に発生した研削ポイント
の熱を効果的に除去し、切れ味と寿命を向上できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B24D 5/00

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウムとセラミックスとが反応し
   た金属間化合物によってマトリックスが形成されたセラ
   ミックス強化アルミニウム合金製台金に、直付けにより
   超砥粒層が固着された超砥粒ホイール。
2. 【請求項２】 前記セラミックス強化アルミニウム合金
   の融点が１２００〜１３００℃以上であることを特徴と
   する請求項１記載の超砥粒ホイール。
3. 【請求項３】 前記セラミックスが、ホウ酸アルミニウ
   ム，アルミナ，炭化珪素，窒化珪素，酸化亜鉛，酸化マ
   グネシウム，チタン酸カリウムの１種または２種以上の
   繊維状であることを特徴とする請求項１記載の超砥粒ホ
   イール。
4. 【請求項４】 前記セラミックス繊維が、長さ１０〜３
   ０μｍ，径０．５〜１．０μｍの範囲であることを特徴
   とする請求項３記載の超砥粒ホイール。
5. 【請求項５】 アルミニウムとセラミックスとを高圧鋳
   造法により反応させて金属間化合物を生成し、これによ
   ってセラミックス強化アルミニウム合金製の台金を形成
   し、その後同台金に焼結法によって超砥粒層を直付け成
   形することを特徴とする超砥粒ホイールの製造方法。
6. 【請求項６】 請求項３記載のセラミックス繊維を用い
   ることを特徴とする請求項５記載の超砥粒ホイールの製
   造方法。
7. 【請求項７】 前記鋳造圧力が３〜１０ＭＰａであるこ
   とを特徴とする請求項５又は６記載の超砥粒ホイールの
   製造方法。