JP4234929B2

JP4234929B2 - 超砥粒ホイール及びその製造方法

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Publication number: JP4234929B2
Application number: JP2002003433A
Authority: JP
Inventors: 正好平林; 紀仁星座
Original assignee: Asahi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Asahi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2009-03-04
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: JP2003205466A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超砥粒ホイール及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、ポリベンズイミダゾール系樹脂とガラスの両方がボンド剤として結合に関与し、レジンボンドとビトリファイドボンドの両方の特性を兼ね備え、特に耐摩耗性及び切れ味に優れる超砥粒ホイール、及びこのものを効率よく製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドやｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）などを使用した超砥粒ホイールは、金属、セラミックス、ガラス、プラスチックス、ゴム、複合材料などの研削に広く用いられている。超砥粒ホイールは、一般に砥粒層部の結合剤の種類によって分類することができ、例えばレジノイド結合剤（Ｒｅｓｉｎｏｉｄｂｏｎｄ）を用いたレジンボンドホイール、メタル結合剤（Ｍｅｔａｌｂｏｎｄ）を用いたメタルボンドホイール、ビトリファイド結合剤（Ｖｉｔｒｉｆｉｅｄｂｏｎｄ）を用いたビトリファイドボンドホイールなどがある。
これらの中で、メタルボンド超砥粒ホイールは、砥粒保持力と耐摩耗性に優れているが、切れ味は劣る。ビトリファイドボンド超砥粒ホイールは、一般に切れ味がよく、耐摩耗性も良好であるが、脆くて欠けやすいという欠点がある。
一方、レジンボンド超砥粒ホイールは、成形が容易であって適当な硬度を有し、耐衝撃性に優れる上、発熱も比較的少ないなどの特徴を有し、結合剤の種類に応じて、湿式研削、乾式研削、重研削加工などに用いられており、例えば粗研削から精密研削、軟質金属から硬い焼き入れ鋼の研削まで、広い範囲にわたって利用されている。
特に、硬くて脆性破壊を起こしやすい超硬合金やサーメット、セラミックス、ガラスなどの研削加工には、一般にレジンボンド超砥粒ホイールが用いられる。その理由は、レジノイド結合剤は、圧縮弾性率が比較的小さく、弾性変形がある程度生じやすいために、研削時の食い込みが少なく、研削による被加工物のカケが発生しにくいからである。
このようなレジンボンド超砥粒ホイールにおいては、レジノイド結合剤として、主にフェノール樹脂やポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂が、機械的強度や耐熱性などの点から用いられている。
しかしながら、結合剤としてフェノール樹脂を用いたレジンボンド超砥粒ホイールは、切れ味がよく、高硬度材を始め、広い用途に使用されているものの、メタルボンド超砥粒ホイールやビトリファイドボンド超砥粒ホイールに比べて耐摩耗性に劣り、研削比が低いという欠点を有している。一方、結合剤としてポリイミド樹脂を用いたレジンボンド超砥粒ホイールにおいては、該ポリイミド樹脂は、フェノール樹脂に比べて、高い耐熱性と機械的強度を有することから、前述のように重研削加工に適しているが、超砥粒に対する濡れ性が悪く、砥粒保持は実質上機械的な保持力のみに依存しており、しかも切れ味はフェノール樹脂を用いたホイールに比べて劣るなどの欠点がある。
このように、これまでのレジンボンド超砥粒ホイールにおいては、砥粒層の保持力が不十分で、砥粒層の摩耗が大きいため、被削材に所望の形状を付与する加工などには適用しにくい上、砥粒層の摩耗が速い分だけ、メタルボンド超砥粒ホイールやビトリファイドボンド超砥粒ホイールなどに比べて、加工コストが高くつくのを免れないのが実状であった。
このようなレジンボンド超砥粒ホイールの特性を向上させる目的で、例えばフェノール樹脂を用いたレジンボンド超砥粒ホイールにおいて、ガラス粉末を無機充填剤として配合する技術が知られている。しかしながら、この場合、一般のフェノール樹脂の成形温度ではガラス粉末は溶融せず、ボンドとしての機能が十分に発揮されていないのが実状である。また、充填剤の量を増やしていくと、結合に作用する成分が減少するため、成形が困難となるのを免れない上、砥粒の保持力が低下することもある。このため、フェノール樹脂を用いたレジンボンド超砥粒ホイールにおいては、無機充填剤の配合量は、容積比で５０〜６０％程度が限界であった。また、超砥粒の配合量を増やした場合も同様に成形が困難となったり、保持力が低下することがあった。
一方、ガラス質を用いたビトリファイドボンド超砥粒ホイールは、前述のように耐摩耗性に優れ、寿命が長いが、剛性に劣るという欠点を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような事情のもとで、樹脂とガラスの両方がボンド剤として結合に関与し、レジンボンドとビトリファイドボンドの両方の特性を兼ね備え、特に耐摩耗性及び切れ味に優れる超砥粒ホイールを提供することを目的としてなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の優れた機能を有する超砥粒ホイールを開発すべく鋭意研究を重ねた結果、ポリベンズイミダゾール系樹脂は、優れた寸法安定性と機械的強度及び超耐熱性を有する上、フェノール樹脂やポリイミド樹脂とは異なり、熱可塑性樹脂であるので、超砥粒に対する濡れ性がよく、砥粒保持力に優れることに着目し、結合剤として、このポリベンズイミダゾール系樹脂と軟化点がある温度以下のガラスとの混合物からなるものを用いることにより、その目的を達成し得ることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
（１）超砥粒が結合剤で保持されてなる砥粒層を有する超砥粒ホイールにおいて、前記結合剤が、（Ａ）ポリベンズイミダゾール系樹脂と、（Ｂ）ＪＩＳＲ３１０４−１９７０に定める試験方法で測定された軟化点が５００〜６５０℃のガラス粉体との混合物からなるものであって、（Ａ）ポリベンズイミダゾール系樹脂が、一般式［１］
【化３】

（式中のＡｒ¹は四価の芳香族残基、Ａｒ²は二価の芳香族残基である。）
で表される構造単位を有し、かつ９７％硫酸溶媒中において、温度２５℃で測定した固有粘度が０.２〜１.５デシリットル／ｇのものであり、結合剤の組成が（Ａ）成分と（Ｂ）成分との合計容量に基づき、（Ａ）成分を２０〜８０容量％、（Ｂ）成分を８０〜２０容量％の割合で含むものである超砥粒ホイール、
（２）一般式［１］で表される構造単位が、式［２］
【化４】

で表されるものである第１項記載の超砥粒ホイール、及び
（３）（ａ）ポリベンズイミダゾール系樹脂粉体と、（ｂ）ＪＩＳＲ３１０４−１９７０に定める試験方法で測定された軟化点が５００〜６５０℃のガラス粉体とからなる結合剤粉体と、超砥粒と、場合により充填剤を含む粉体混合物を、５００〜６５０℃の温度及び圧力２０〜２００ＭＰａで成形し、台金の作用部に砥粒層を設けることを特徴とする第１項記載の超砥粒ホイールの製造方法、
を提供するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の超砥粒ホイールは、超砥粒が、（Ａ）ポリベンズイミダゾール系樹脂と、（Ｂ）ガラスとの混合物からなる結合剤で保持され、場合により充填剤を含む砥粒層を有するホイールである。
本発明の超砥粒ホイールにおいて、砥粒層に用いる超砥粒としては、ダイヤモンド砥粒及びｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）砥粒を挙げることができる。ダイヤモンド砥粒及びｃＢＮ砥粒は、それぞれ１種を単独で用いることができ、あるいは、ダイヤモンド砥粒とｃＢＮ砥粒を併用した混合砥粒として用いることもできる。
一方、結合剤における（Ａ）成分のポリベンズイミダゾール系樹脂としては、９７％硫酸溶媒中において、温度２５℃で測定した固有粘度が０.２〜１.５デシリットル／ｇの範囲にあるものが好ましく用いられる。この固有粘度が０.２デシリットル／ｇ未満のものは、寸法安定性、機械的強度及び耐熱性などが不十分であって、所望の性能を有する超砥粒ホイールが得られず、本発明の目的が達せられないことがある。また、該固有粘度が１.５デシリットル／ｇを超えるものはその製造が困難であって、実用的でない。超砥粒ホイールの性能及び樹脂の製造面などから、この固有粘度のより好ましい範囲は０.５５〜０.８５デシリットル／ｇである。
本発明において用いられるポリベンズイミダゾール系樹脂としては、該固有粘度が好ましくは上記範囲にあるものであればよく、特に制限されず、従来公知のものを使用することができる。このようなポリベンズイミダゾール系樹脂としては、例えば一般式［１］
【化５】

（式中のＡｒ¹は四価の芳香族残基、Ａｒ²は二価の芳香族残基である。）
で表される構造単位を有するものが挙げられる。
上記一般式［１］において、Ａｒ¹で示される四価の芳香族残基の例としては、ジフェニル−３,３',４,４'−テトライル基、ジフェニルエーテル−３,３',４,４'−テトライル基、ベンゾフェノン−３,３',４,４'−テトライル基などが挙げられ、Ａｒ²で示される二価の芳香族残基の例としては、１,４−フェニレン基、１,３−フェニレン基、２,６−ナフチレン基などが挙げられる。
【０００６】
該ポリベンズイミダゾール系樹脂は、上記一般式［１］で表される構造単位を１種有する単独重合体であってもよいし、２種以上を有する共重合体であってもよい。
本発明においては、このポリベンズイミダゾール系樹脂として、得られる超砥粒ホイールの性能などの面から、特に式［２］
【化６】

で表される構造単位を有するものが好適である。
上記式［２］で表される構造単位を有するポリベンズイミダゾール系樹脂は、例えば３,３'−ジアミノベンジジンとイソフタル酸ジフェニルとを縮重合させることにより、製造することができる。このような構造のポリベンズイミダゾール系樹脂は、例えば市販品の「セラゾール（Ｃｅｌａｚｏｌｅ）」［ヘキスト・セラニーズ社製、登録商標］がある。
また、（Ｂ）成分のガラスとしては、ＪＩＳＲ３１０４−１９７０に定める試験方法で測定された軟化点が６５０℃以下のものが用いられる。このガラスの好ましい軟化点は４００〜６５０℃、より好ましい軟化点は５００〜６５０℃の範囲である。このような軟化点を有するガラスを用いることにより、前記ポリベンズイミダゾール系樹脂とガラスの両方がボンド剤として結合に関与する。このようなガラスとしては、例えば鉛ガラス、リン酸塩ガラス、ホウ酸塩系ガラス、ケイ酸塩ガラスなどの中から選択することができる。このガラスは１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明においては、結合剤中の前記（Ａ）成分と（Ｂ）成分との含有割合は、それらの合計容量に基づき、それぞれ２０〜８０容量％及び８０〜２０容量％の範囲が好ましい。この割合が上記範囲を逸脱すると、目的とするレジンボンドとビトリファイドボンドの両方の特性を備えた耐摩耗性に優れ、かつ切れ味の良い超砥粒ホイールが得られにくい。
【０００７】
本発明の超砥粒ホイールにおける砥粒層には、本発明の目的が損なわれない範囲で、所望により従来超砥粒ホイールの砥粒層に慣用されている添加成分、例えば充填剤を始め、潤滑剤などを適宜含有させることができる。ここで、充填剤としては、例えば炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化タングステンなどの炭化物、窒化ケイ素、窒化チタンなどの窒化物、酸化ケイ素、酸化セリウム、酸化鉄、酸化クロムなどの酸化物、銅、タングステン、ニッケル、銀、亜鉛などの金属などの粉末を挙げることができる。これらの充填剤は、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、潤滑剤としては、例えば六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、二硫化タンタル、グラファイト、フッ化黒鉛、窒化ホウ素、フタロシアニン、雲母などの層状固体、フッ化カルシウム、フッ化ナトリウム、フッ化バリウム、フッ化ランタン、フッ化イットリウムなどのフッ化物、硫化鉄などの硫化物、酸化アルミニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化鉄、酸化ケイ素などの酸化物、ガリウム、インジウム、錫、銀、銅、金などの軟質金属、タングステン、モリブデンなどの硬質金属などを挙げることができる。これらの中で、六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイト、フッ化カルシウム及びフッ化バリウムは、潤滑効果が大きいので特に好適に使用することができる。この潤滑剤は、微粉末状として使用することが好ましい。これらの潤滑剤は１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
砥粒層における超砥粒、結合剤及び気孔などの占める割合としては特に制限はなく、ホイールの使用目的やその他様々な状況に応じて適宜選択することができる。
【０００８】
本発明の超砥粒ホイールの形状としては特に制限はなく、例えば、カップ型の超砥粒ホイールとすることができ、あるいは、ストレート型の超砥粒ホイールとすることもできる。図１は、カップ型の超砥粒ホイールの平面図（ａ）及び断面図（ｂ）であり、図２は、ストレート型の超砥粒ホイールの平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。カップ型の超砥粒ホイールにおいては、台金１の中心軸と直交する平面上に砥粒層２が存在し、ストレート型の超砥粒ホイールにおいては、台金１の外周に砥粒層２が存在する。
次に、この超砥粒ホイールは、本発明方法によれば、以下のようにして製造することができる。
本発明方法においては、まず、（ａ）ポリベンズイミダゾール系樹脂粉体と、（ｂ）ＪＩＳＲ３１０４−１９７０に定める試験方法で測定された軟化点が６５０℃以下のガラス粉体とからなる結合剤粉体と、超砥粒と、場合により充填剤をそれぞれ所定の割合で含む粉体混合物を調製し、次いでこの粉体混合物を５００〜６５０℃の範囲の温度で成形し、台金の作用部に砥粒層を設けることにより、超砥粒ホイールを作製する。
具体的には、前記粉体混合物を金型内に充填し、温度５００〜６５０℃、圧力２０〜２００ＭＰａ程度の条件で加圧焼成して、所望形状例えばリング状などの超砥粒層を形成したのち、この超砥粒層をエポキシ系接着剤などにより、適当な台金の作用部に接着し、超砥粒ホイールを作製する。あるいは、金型内の適当な台金の作用面に、上記粉体混合物を載置し、温度５００〜６５０℃、圧力２０〜２００ＭＰａ程度の条件で加圧焼成することにより、超砥粒ホイールを作製する。
加圧焼成時の温度が５００℃未満であったり、圧力が２０ＭＰａ未満であったりすると、十分な加圧焼成が行われず、所望の性能を有する超砥粒ホイールが得られにくい。一方、温度が６５０℃を超えると樹脂が劣化するおそれがあるし、また圧力は２００ＭＰａ以下で十分であり、それより高い圧力は必要でない。好ましい温度は５００〜６００℃、特に好ましい温度は５３０〜５７０℃の範囲であり、また好ましい圧力は４０〜１５０ＭＰａの範囲である。
このようにして得られた本発明の超砥粒ホイールは、ポリベンズイミダゾール系樹脂とガラスの両方がボンド剤として結合に関与し、レジンボンドとビトリファイドボンドの両方の特性を兼ね備え、耐摩耗性に優れると共に、良好な切れ味を有し、特に耐摩耗性及び切れ味に優れる超砥粒ホイールとして好適である。
【０００９】
【実施例】
次に、本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
実施例１
ポリベンズイミダゾール［ヘキスト・セラニーズ社製、登録商標「セラゾールＵ−６０」、固有粘度０.６デシリットル／ｇ、ガラス転移点４２７℃］粉体５０容量％及び軟化点５３０℃のガラス粉体５０容量％を混合して結合剤粉体を作製した。この結合剤粉体に、粒度♯２３０のＮｉ被覆人造ダイヤモンド砥粒を４.４ｃｔ／cm³（集中度１００）相当量混合して粉体混合物を調製した。
次に、金型内に台金を設置し、該台金の外周部に前記粉体混合物を充填したのち、大気雰囲気下、５６０℃、６０ＭＰａの条件で９０分間保持してホットプレス焼結することにより、１５０Ｄ−６Ｔ−３Ｘ−５０.８Ｈのストレートホイールを製作した。
実施例２
実施例１において、ポリベンズイミダゾール粉体と低融点ガラス粉体との配合割合を、それぞれ２５容量％及び７５容量％に変えた以外は、実施例１と同様にしてストレートホイールを製作した。
比較例１
実施例１と同一寸法で、ダイヤモンドの種類、粒度及び集中度も同一のポリイミド樹脂系レジンストレートホイールを製作した。
比較例２
実施例１と同一寸法で、ダイヤモンドの種類、粒度及び集中度も同一のフェノール樹脂系レジンストレートホイールを製作した。
実施例１、２及び比較例１、２で製作したストレートホイールについて、平面研削盤を用い、下記の条件で超硬合金の湿式トラバース研削試験を行い、法線研削抵抗及び研削比を求めた。結果を第１表に示すと共に、図３に示す。
＜研削条件＞
試験機：岡本工作機械社製、横軸平面研削盤ＫＳＫ−Ｚ１(３.７KW)
被削材：超硬合金Ｋ２０
加工方式：湿式トラバース研削
ホイール回転数：２８００min^-1
ホイール周速度：１５４０ｍ／min
テーブル送り：１０ｍ／min
前後送り：２mm／ｐａｓｓ
切込：２０μｍ／ｐａｓｓ
総研削量：１２cm³
【００１０】
【表１】

【００１１】
実施例のホイールは、いずれも比較例１のポリイミド樹脂系ホイールと比較して、研削抵抗が大幅に低く、切れ味に優れており、さらに研削比も大きくて寿命が長い。
また、比較例２のフェノール樹脂系ホイールに比較して、研削抵抗が低く、切れ味に優れており、さらに研削比が大幅に高く、寿命が長い。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、ポリベンズイミダゾール系樹脂とガラスの両方がボンド剤として結合に関与し、レジンボンドとビトリファイドボンドの両方の特性を兼ね備え、特に耐摩耗性及び切れ味に優れる超砥粒ホイールが容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、カップ型の超砥粒ホイールの平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図２】図２は、ストレート型の超砥粒ホイールの平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。
【図３】図３は、実施例及び比較例における累積研削量と法線研削抵抗との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１台金
２超砥粒層

Claims

超砥粒が結合剤で保持されてなる砥粒層を有する超砥粒ホイールにおいて、前記結合剤が、（Ａ）ポリベンズイミダゾール系樹脂と、（Ｂ）ＪＩＳＲ３１０４−１９７０に定める試験方法で測定された軟化点が５００〜６５０℃のガラス粉体との混合物からなるものであって、（Ａ）ポリベンズイミダゾール系樹脂が、一般式［１］

（式中のＡｒ¹は四価の芳香族残基、Ａｒ²は二価の芳香族残基である。）
で表される構造単位を有し、かつ９７％硫酸溶媒中において、温度２５℃で測定した固有粘度が０.２〜１.５デシリットル／ｇのものであり、結合剤の組成が（Ａ）成分と（Ｂ）成分との合計容量に基づき、（Ａ）成分を２０〜８０容量％、（Ｂ）成分を８０〜２０容量％の割合で含むものである超砥粒ホイール。
一般式［１］で表される構造単位が、式［２］

で表されるものである請求項１記載の超砥粒ホイール。
（ａ）ポリベンズイミダゾール系樹脂粉体と、（ｂ）ＪＩＳＲ３１０４−１９７０に定める試験方法で測定された軟化点が５００〜６５０℃のガラス粉体とからなる結合剤粉体と、超砥粒と、場合により充填剤を含む粉体混合物を、５００〜６５０℃の温度及び圧力２０〜２００ＭＰａで成形し、台金の作用部に砥粒層を設けることを特徴とする請求項１記載の超砥粒ホイールの製造方法。