JP4523383B2

JP4523383B2 - 複合砥粒ビトリファイド超仕上げ砥石

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Publication number: JP4523383B2
Application number: JP2004324975A
Authority: JP
Inventors: ▲昇▼ 松森; 季之鍋本
Original assignee: Mizuho Ika Kogyo KK
Current assignee: Mizuho Ika Kogyo KK
Priority date: 2004-11-09
Filing date: 2004-11-09
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2024-11-09
Also published as: JP2006130635A

Description

この発明は、金属材料、ファインセラミックス材料等の非金属材料、その他広範な被切削材料における表面変質層、研削ビレ、うねり等を除去して形状精度を向上させ、必要ならば鏡面仕上げをも可能とする超仕上げ加工に用いる複合砥粒ビトリファイド超仕上げ砥石に関する。

一般に、電子・光学部品等の材料となるセラミックス、ガラス、単結晶などを研摩仕上げするときに用いる砥石として、無機塩（フッ酸塩、シュウ酸塩、塩酸塩等）の砥粒をレジンボンド（フェノール、エポキシ、ポリイミド等）で結合した砥石があり、これを乾式で研磨加工に用い、その際に発生する摩擦熱で酸化反応を促進させて鏡面仕上げする手法が知られている（特許文献１）。

また、硬質砥粒として約８０％の酸化クロムと、約２０％のＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ＺｒＯ₂、Ｂ₄Ｃ、ＴｉＯ₂などで組成されるものをフェノール樹脂ボンドで結合して複合ラップ盤を製造し、これを用いて、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）などのセラミックス材を乾式ラップし、その際にトライボケミカル反応でセラミックス加工表面を除去し易い物質に変化させ、ラップと同時にその変質層を完全に除去して表面粗さの小さい仕上げ面とすることが知られている（特許文献２）。

精密機械部品の超仕上げ加工では、ビトリファイド微粒砥石が選択される。その理由は、合成樹脂系結合剤で砥粒を結合した弾性砥石は、加工面のコーナ部分を仕上げるときに形状崩れを生じやすく、加工研削精度を悪化させる場合があるからである。

例えば、硬鋼の最終鏡面仕上げ用のビトリファイド超仕上げ砥石として、酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）にＣＢＮもしくはＳＤ（ダイヤモンド）などの超（硬）砥粒を砥石中体積割合で２〜１５％混合したビトリファイドボンド超仕上げ砥石が知られており、Ｃｒ₂Ｏ₃は、Ａｌ₂Ｏ₃系あるいはＳｉＣ系の硬質砥粒と共に、金属のラッピングを主体として標準的に使用されている（特許文献３）。

特開平０５−４１７１号公報特開平０４−３３６９４９号公報特公昭６３−６２３４７号公報

しかし、超仕上げ加工用のビトリファイド砥石は、砥石の研磨面に切削性硬質砥粒による大きな接触摩擦力が作用するため、研磨面にいわゆる「目詰まり」や「目つぶれ」が起こりやすく、その結果、加工の際に研磨面を引っ掻いたような「スクラッチ傷」が形成されやすいという問題点がある。

このような問題に対処するため、ドライポリシングでは、加工物よりも力学的に軟質である砥粒と、化学液あるいは水との混合スラリーによるポリシング工程から、軟質砥粒パウダあるいは合成樹脂を結合剤とした砥粒固定化砥石によるドライポリシングを行なうので、加工表面にスクラッチダメージが生じないのであるが、これでは切削能率、高精度が容易であるビトリファイド超仕上げ砥石を用いた精密な加工には及ばなかった。

ところで、従来のビトリファイド超仕上げ砥石に加工物よりも力学的に軟質の砥粒を含有させることができない理由は、軟質砥粒が化学的、熱的に変質しやすいからであり、例えば、軟質砥粒の酸化セリウム（ＣｅＯ₂）などでは、不純分として多くの他の希土類金属酸化物と混在しているので、化学的、または熱的にも不安定であり、これをビトリファイドボンドで結合させるような高温で焼成することはできなかった。

このように従来技術では、ビトリファイドボンドに保持させた軟質砥粒が化学的、熱的に変質または変動しないようにすることは困難であると考えられ、通常、そのために有機性樹脂（フェノール、エポキシ等）を結合剤として、１８０〜２００℃の低温で焼結した砥粒固定化砥石としていた。

そこで、この発明は、上記した従来技術の問題点を解決して、超仕上げ加工時に「目詰まり」や「目つぶれ」がなくてスクラッチ傷が付かず、しかも精密な超仕上げ加工が可能であり、しかも仕上げ性能（切削性、砥石摩耗、経済性（仕上げ比）、面粗度）に優れたビトリファイド超仕上げ砥石とすることである。

上記の課題を解決するために、この発明では、被切削材に対する化学反応性を有しかつ切削性を有しない軟質砥粒５〜８０体積％と、前記被切削材に対して切削性を有する硬質砥粒２０〜９５体積％とから成る複合砥粒を、ビトリファイドボンドで結合してなる複合砥粒ビトリファイド超仕上げ砥石としたのである。

上記のように構成されたこの発明の複合砥粒ビトリファイド超仕上げ砥石は、ビトリファイドボンドにより、所定配合量の軟質砥粒も硬質砥粒と同様な高い結合力で保持されるため、精度の高い切削性を有すると共に、切削作用をもたない軟質砥粒が、化学反応により研磨面に生じた微小反応層を砥石の接触摩擦力によって除去すると共に、切り屑によるボンドエロージョンのダメージを軽減するように軟質砥粒が潤滑物質として作用するので、砥石摩耗量は減少し、かつ砥石臨界圧力は上昇して、仕上げ比は約２〜３倍以上の高経済性の超仕上げ砥石となる。このようにして超仕上げ加工時における砥石の目詰まり、目つぶれと共にスクラッチ傷の発生が防止される。

このような作用が確実に奏される被切削材としては、例えば鋼材が適している。前記した軟質砥粒と硬質砥粒との混合割合は体積比で、硬質砥粒２０〜９５％に対し軟質砥粒５〜８０％である。軟質砥粒が５％未満では効果が少なく、８０％を越える場合では、硬質砥粒の減少で切削性など仕上げ性能が問題となってくる。

より好適な混合体積比は超砥粒（ＣＢＮ、ＳＤ）の場合、硬質砥粒４０〜８０％、軟質砥粒２０〜６０％である。通常の砥粒（ＷＡ、ＧＣ）では、硬質砥粒８０〜９０％、軟質砥粒１０〜２０％である。サブミクロン（１μｍ以下）の砥粒径による鏡面仕上げでは、軟質砥粒６０〜８０％、硬質砥粒２０〜４０％が好ましい。

また、この発明に用いる軟質砥粒としては、鋼材に対して接触点の表面層を酸化するなど、化学的に脆弱化する反応性があり、かつ切削性を有しない軟質の砥粒となる酸化セリウム、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、酸化ケイ素および酸化ジルコニウムから選ばれる一種以上の軟質砥粒であることが好ましい。

すなわち、この発明に用いる軟質砥粒は、ＭＣＰ用の軟質砥粒であって加工物である鉄系鋼材料に対して、酸化反応などの化学的脆弱化反応性があり、かつ非切削性で十分に軟質である酸化セリウム（ＣｅＯ₂、新モース硬度５）、硫酸バリウム（ＢａＳＯ₄、３〜４）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃、３〜４）等、あるいは酸化ケイ素（ＳｉＯ₂、６．５〜７）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂、８〜９）などである。

一方、この発明に用いる硬質砥粒としては、例えばアルミナ質Ａｌ₂Ｏ₃、炭化ケイ素質ＳｉＣ、ダイヤモンドＳＤ、立方晶窒化ホウ素ＣＢＮがあり、このうち非酸化物であるＳｉＣ、ＳＤ、ＣＢＮは、熱的化学的影響を受け易いものの８００℃以上の砥石焼成が可能なものである。

この発明では、各種軟質砥粒（ＣｅＯ₂、ＢａＳＯ₄、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂等）の焼結性、焼成による変質性（重量変化、転移膨張等）を確認した上で、ビトリファイドボンドによる焼成温度を８００℃未満とし、好ましくは６５０〜７５０℃とする。このような焼成温度とした結果、軟質砥粒は原粒機能を大きく損なうことなく適当な結合力が得られる。

因みに、ビトリファイドボンドについてみると、砥粒が砥石を構成するには、結合剤が一度液相を経て後に固相になる必要がある。

前述のように砥石焼成温度が６５０〜７５０℃であると、ビトリファイドボンドの軟化温度は、それ以下の低い温度である。この条件に従って採用されるビトリファイドボンドは、ホウ酸Ｂ₂Ｏ₃および塩基成分（アルカリ金属酸化物Ｒ₂Ｏ、アルカリ土類金属酸化物ＲＯ）の多いホウケイ酸塩ガラス組成物からなるものである。

また結合剤の成分組成は、軟化温度以外に溶融過程での固相から液相、冷却過程での液相から固相の変化過程において、その成分液相に特有の物理的、化学的性質があり、それらが砥粒表面への作用性（高粘性時の吸着作用、表面張力の大小による砥粒との反応面積、ガラス化部分の成分層の物性）に関係して調整される。

砥石に現れる結合剤の成分組成による影響は、静的には砥石結合度、組織、機械的強度であり、動的には砥石性能としての切削性、砥石摩耗、仕上げ比（切削量÷砥石摩耗量）、仕上げ面粗さの優劣である。

この発明の複合砥粒ビトリファイド超仕上げ砥石では、ビトリファイドボンドが、低融性無機質ガラス（低融性ボンド）と高融性無機質鉱物（高融性ボンド）を混合して調製されたものであり、好ましくは、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属酸化物または両酸化物およびホウ酸を含有するホウケイ酸塩ガラスをビトリファイドボンド全体の８０〜９５質量％含有し、軟化温度７５０℃以下の低融性のビトリファイドボンドが採用される。

高融性ボンド（主成分ＳｉＯ₂およびＡｌ₂Ｏ₃）の適量添加より、共融作用はあるものの、低融性ボンドの流動性は減少し、不安定で高反応性あるいは活性な軟質砥粒に対して、好ましい結合状態のビトリファイドボンドになる。アルカリ成分を多く含み塩基性の強い低融性結合剤の熱膨張性は減少するよう改善される。この他に、高融性結合剤の含有によって、砥石成形能は安定向上する。

また、ビトリファイドボンドが、塩化亜鉛、塩化錫、塩化鉄および塩素酸カリウムから選ばれる一種以上の塩化物を含有するビトリファイドボンドであることが好ましい。

このような塩化物は、低温で溶融して、微小なガラス成分を生成し、固体反応によって溶解拡散が進行する。このためビトリファイドボンドは、早い時期から砥粒表面に作用して砥粒の融着力は相当に高められかつ均質化され、少ない結合剤量でも所期した結合度が得られる。

ビトリファイドボンドには、塩化物以外に、臭化亜鉛（ＺｎＢｒ₂）、臭化錫（ＳｎＢｒ₂）、硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ₃）、硝酸リチウム（ＬｉＮＯ₃）などを添加してもよい。

この発明は、被切削材に対する化学反応性を有しかつ切削性を有しない軟質砥粒と、切削性を有する硬質砥粒とを所定量配合した複合砥粒をビトリファイドボンドで結合した複合砥粒ビトリファイド超仕上げ砥石としたので、被切削加工物と軟質砥粒との化学反応により生じた微小反応層を接触摩擦力によって除去すると共に、軟質砥粒の潤滑性によって切削時に「目詰まり」や「目つぶれ」がなくて超仕上げ加工面にスクラッチ傷が付かず、しかもビトリファイドボンドにより精密な加工が可能となり、また仕上げ性能は、切削性、砥石摩耗、経済性（仕上げ比）、面粗度の各項目に優れたビトリファイド超仕上げ砥石になるという利点がある。

(1)砥粒原料
この発明に使用する硬質砥粒は、現在、超仕上げ用砥石として標準的に使用されている通常の酸化アルミニウム（ＷＡ）および炭化ケイ素（ＧＣ）砥粒、そして超（硬質）砥粒のダイヤモンド（ＳＤ）および立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）などである。

粒度は、超仕上げ用として砥粒径２０μｍ（６００メッシュ、ＪＩＳＲ６００１、表８、精密研磨用微粉の粒度分布（電気抵抗試験法））以下である。勿論、２０μｍを越える大粒子径の選択適用も可能である。

軟質砥粒には、代表的なものとして酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの金属酸化物、または酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）などの非金属酸化物、この他に無機塩砥粒には硫酸バリウム（ＢａＳＯ₄）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃）等が挙げられる。砥粒としては、加工物より力学的に軟質で、しかも加工物と化学反応を生じ易い微粒子を採用できる。

これらは、いわゆるメカノケミカルポリシング（ＭＣＰ）用として使用される砥粒を採用できるが、因みにメカノケミカルポリシング（ＭＣＰ）では、固体同士の接触点に働く機械的応力によって、化学反応や相変態を生じさせ、加工を進行させている。

軟質砥粒の粒子径は、市販品から０．５〜８μｍの範囲で選択的に採用するとよい。ただし、用途に応じて０．５μｍ以下、または８μｍ以上の選択であってもよい。

この発明では、ＣｅＯ₂の１次粒子径０．５μｍ、２次粒子径３．５μｍ、純度４２．５％、ＢａＳＯ₄の粒子径６μｍ、純度９８％を使用することが好ましい。軟質砥粒は1種または2種以上選択することもできる。

硬質砥粒（砥石）を使用した超仕上げ加工では、砥石の目詰まりや目つぶれの問題回避のために不水溶性油が使用される。軟質砥粒は、ドライポリシング、またウェットポリシングでは、水もしくは化学液を含む水が使用される。
従って軟質砥粒を混合した超仕上げ砥石では、水溶性油の使用による実用化も十分に好結果を期待できる。

(2)混合砥粒の調整
硬質砥粒径が８．０μｍ（１５００メッシュ、ＪＩＳＲ６００１）以上の粗粒砥石では、軟質砥粒および硬質砥粒そしてビトリファイドボンド、それに種々助剤を添加した混合粒子は、粉末状でドライミキシングでもよい。

硬質砥粒径が６．７μｍ（２０００メッシュ）以下の細粒砥石では、均質混合とするためスラリー状のウェットミキシングとするのが好ましい。混合終了後は、適当な湿度をもった粉末状に調整する。次いで所定の砥石形状寸法に圧縮成形し、乾燥後、焼成する。

(3) 砥石の調製
(a) 砥粒混合比
この発明における砥粒混合割合は、体積比で硬質砥粒２０〜９５％、軟質砥粒５〜８０％とする。実用上では、軟質砥粒の配合で、硬質砥粒が減少することによって、砥石切削性能が低下しないようにすればよい。

従って、超砥粒（ＣＢＮ、ＳＤ）砥石では、目安として砥粒率１２．５〜１７．５％（コンセントレーション５０〜７０）を維持するなかで好適な混合比として、硬質砥粒４０〜８０％、軟質砥粒２０〜６０％とする。

通常の砥粒（ＷＡ、ＧＣ）砥石では、砥粒率３５〜４０％を目安として、硬質砥粒８０〜９０％、軟質砥粒１０〜２０％とすればよい。

鏡面仕上げを主体とする微粒砥石では、トライボロジー（摩擦、摩耗、潤滑）的効果を強調して、硬質砥粒２０〜４０％に対し、軟質砥粒６０〜８０％と多くした選択割合が好ましい。後述する実施例では、超砥粒（ＣＢＮ、ＳＤ）砥石で、硬質砥粒４０〜８０％に対し、軟質砥粒２０〜６０％としている。通常の砥粒（ＷＡ、ＧＣ）砥石では、硬質砥粒８０〜９０％に対し、軟質砥粒１０〜２０％である。

(b) 結合剤（ビトリファイドボンド）の組成
この発明の砥石に用いる結合剤は、化学反応性を有する軟質砥粒を化学的にまたは熱的に変性しないように、所定の軟化温度以下に調整したものであり、８０〜９５質量％の低融性無機質ガラスおよび５〜２０質量％の高融性無機質鉱物からなる物であることが好ましい。

［低融性無機質ガラス］
軟質砥粒が熱的影響を受けにくい６５０〜７５０℃を砥石焼成温度とするとき、安定した結合力を得るためには、結合剤はより低温で溶融する必要がある。すなわちこの発明で用いる低融性無機質ガラスは、数種のフリット原料の配合によりホウケイ酸塩系（ＳｉＯ₂−Ｂ₂Ｏ₃−Ｒ₂Ｏ−ＲＯ）ガラスを結合剤とすることが好ましい。表１にその化学組成をモル％で示す。

［高融性無機質鉱物］
高融性ボンドは、長石、陶石、粘土などの天然鉱物を主要原料とする。高融性無機質鉱物を低融性無機質ガラスに適量添加することによって、共融作用による結合剤成分としてＳｉＯ₂の適量とＡｌ₂Ｏ₃の適量が含有され、これによりアルカリ金属酸化物（Ｒ₂Ｏ）およびアルカリ土類金属酸化物（ＲＯ）など塩基性の高い低融性ボンドによる軟質砥粒への反応作用は是正され、砥粒結合力は高められる。

この発明におけるビトリファイドボンドは、５〜２０質量％の高融性無機質鉱物と８０〜９５質量％の低融性無機質ガラスの混合原料からなる。高融性ボンドの割合が５質量％未満では、所期した効果がなく、２０質量％を越える多量では、充分な溶融状態が得られずに砥粒結合力は弱いものとなる。

また、高融性ボンドの適量添加によって、熱膨張は小さくなり、砥石の機械的強さを増す。表２に高融性無機質鉱物の化学組成範囲をモル％で示した。

(4) ビトリファイドボンド
ＣｅＯ₂、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＢａＳＯ₄などの軟質砥粒は、約８００℃以上の高温焼成で焼結、結粒、減量などの変質が見られることから、軟質砥粒を含む砥石焼成温度は８００℃未満に設定する。さらにＷＡ、ＧＣおよび超砥粒ＳＤ、ＣＢＮなどの硬質砥粒の場合と同様に、砥粒の加熱変化が少なく、適正な砥粒結合力が得られやすくするように、好ましい砥石焼成温度を６５０〜７５０℃とする。

低融性無機質ガラスは、ホウ酸（Ｂ₂Ｏ₃）やアルカリ成分（Ｒ₂Ｏ）を多く含み、低温度で溶融するが、化学的に不安定な軟質砥粒と反応性があり、高温時の流動性も大きい。

このため低融性無機質ガラス８０〜９５質量％に対し、ケイ酸（ＳｉＯ₂）およびアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とする高融性無機質鉱物を５〜２０質量％配合した混合原料とすることによって、ビトリファイドボンドはＳｉＯ₂およびＡｌ₂Ｏ₃成分の適当な含有によって、軟質砥粒とアルカリとの反応性も抑制され、高温時での流動性および熱膨張は小さくなる。この結果、砥粒との熱膨張差は縮小され、砥石機械的強度も大きくなる。

(5) 塩化亜鉛（ＺｎＣｌ₂）
高融性無機質鉱物の配合によって、軟質砥粒に対する不必要な反応性は改善され、原粒の特性を損なうことなく、安定して好ましい砥粒との反応層、結合力を得ることが可能となる。

この発明では、高融性無機質鉱物の添加によって、低融性無機質ガラスとの不必要な砥粒との過反応を改善し、好ましい結合状態を維持しながら、結合剤中のアルカリ成分の不足による変動を解消しており、より安定した高品質を実現するために、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ₂）を媒溶剤として添加する。

ＺｎＣｌ₂は、約２９０℃で溶融し、結合剤が加熱されると他の成分を溶かして拡散層を広げて媒溶剤として作用する。ＺｎＣｌ₂は、結合剤中で最も低温で分解溶融し、加熱と共に固体反応を伴いつつガラス成分の微小なものの生成から、拡散溶融層を広げてゆき、分解性生物は修飾酸化物（酸化亜鉛ＺｎＯ）として作用する。

高融性無機質鉱物の配合によるＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃の増加にもかかわらず、ビトリファイドボンドは低温で軟化溶融し、低粘性を示し、砥粒表面への融着作用（吸着作用、反応面積の増加）に影響し、他成分の溶解拡散に関係し、最終的に少ない結合剤量でも、安定して目標の砥石結合度、砥石性能を得ることが可能となる。

通常、塩化亜鉛（ＺｎＣｌ₂）は、無色の結晶粉末で潮解性がある。この発明では、ＺｎＣｌ₂の中間生成物である、ＺｎＣｌ₂を溶質とした溶液を適用できる。これによってボンドまたは砥石混合系への分散は容易となり、好ましい均質混合が可能となる。

この発明におけるＺｎＣｌ₂は、溶液中の溶質量として、結合剤配合比で２〜２．５モル％とする。表３は、この発明におけるＺｎＣｌ₂を含むビトリファイド結合剤の配合化学組成（モル％）である。

(6) 溶融温度
この発明におけるビトリファイドボンドの溶融温度は、６００〜６３０℃であることが好ましい。溶融温度は、ＪＩＳＲ２２０４に準じ昇温速度１２５℃／時の条件で、試験コーンの先端が受け台に接触するときの溶倒温度とする。

(7) 多孔性砥石
通常、超仕上げ微粒砥石は、気孔材を使用して、固有気孔よりも大きい人工気孔を形成した多孔性（体）砥石が標準的に選択される。砥石作用面の人工気孔は、切削砥粒の周辺に発生した切り屑の排出機能を活性化し、同時に砥石気相面には潤滑物質層の生成を容易にして、有効な動圧効果で砥石浮上現象により、砥石摩耗は抑制される。

この結果、砥石仕上げ性能（切削量÷砥石損耗量）は改善され、経済性は向上する。この発明による超仕上げ砥石も、多孔性砥石とすることによって、同様効果が期待できる。実施例および比較例の砥石いずれも硬質砥粒径の１０〜２０倍の粒子径を有する有機性粒子と、軟質砥粒およびビトリファイドボンドを配合した多孔性砥石とした。

(8) 砥石仕上げ性能
(a) 目詰まり・目つぶれ・スクラッチ傷について
この発明では、軟質砥粒の反応性を利用した加工物との界面反応摩耗による、超平滑面仕上げではなく、従来の硬質砥粒のみによる鋼材の超仕上げ加工に対し、加工物よりも軟らかいＭＣＰ用の軟質砥粒を混合併用することによって、砥石の目詰まり・目つぶれを改善し、スクラッチ傷のない表面仕上げが可能になった。

後述する実施例の評価結果としての砥石作用面の顕微鏡観察では、硬質砥粒層の周辺における淡い黒変が見られる他は、目詰まり・目つぶれが原因による特徴ある黒変現象は見られなかった。軟質砥粒のみによるビトリファイド砥石においても同様に、砥石面は一様に淡く黒ずんだ状態が見受けられた。この他、実施例の砥石の加工面の観察では、目詰まり、目つぶれまたは目こぼれが原因によるスクラッチ傷（砥粒傷）は見られなかった。

(b) 砥石摩耗−潤滑物質層
通常、硬質砥粒による超仕上げ加工では、切削砥粒の前方で発生した切り屑は、砥粒周辺を通過して後方に排出される。この時、結合剤は、エロージョン（侵食）によって後退する。すなわち、砥石摩耗は、切り屑による結合剤部分の微視的破壊による。

この発明では、砥石作用面に軟弱ながら脱落しにくい、軟質砥粒を分散配位することによって、切り屑による砥石面の微小破壊の発生を抑制して、潤滑性表面層として摩耗減少をもたらす。すなわち軟質砥粒層は、有効な潤滑物質層として、長時間脱落せず摩耗を防止する。

例えば軟質砥粒ＣｅＯ₂のみによるビトリファイド砥石の実削結果では、砥石摩耗量は僅少で、切削量はほとんど無く、前加工面粗さが残り仕上げ面は粗いものとなる。これは軟質砥粒が、硬質砥粒のように切削的なアブレッシブ摩耗を生ずることなく、軟弱な砥石摩擦面ながら脱落摩耗しにくい物質の層、すなわち潤滑物質層を形成していることが分かる。

(c) トライボケミカル反応
この発明では、軟質粒子と加工物との界面反応摩耗によるメカノケミカルポリシング（ＭＣＰ）加工と違って、加工物と軟質砥粒との化学的親和性は、基本的に問題とならない。超仕上げ加工は、９０〜９５℃以下の低温切削により、加工変質層が小さいことが特徴である。しかし摩擦・摩耗というミクロ的現象に対しては、有効な化学反応層の形成も無いとは言えない。

(9) 砥石臨界圧力（ＰｃＭＰａ）
因みに、超仕上げ加工で、砥石摩耗量に着目して、砥石圧力を増加していくとき、ある圧力以上で砥石摩耗量が急増し、切削作用が活発となり、仕上げ面粗さも大きくなる。このときの圧力を、砥石臨界圧力（以下Ｐｃと言う）と呼び、砥石硬度以外に砥石選択の目安とする。

この発明に係る砥石は、軟質砥粒を含まない従来の砥石に比べてＰｃが大きい。これはこの発明に用いたビトリファイドボンドによって、好ましい結合状態とした軟質砥粒が、砥石面圧力の増加に対しても容易に脱落摩耗することなく、潤滑性表面層として砥石摩耗の減少に寄与しているためであると考えられる。

一般的には細粒度あるいは高硬度砥石ほど、Ｐｃは大きく目詰まり・目つぶれしやすくて、砥石摩耗は少ないものの切削性は劣る。この発明に係る砥石では、軟硬度砥石でもＰｃが大きく、Ｐｃの大きい細粒度砥石でも容易に目詰まり・目つぶれすることなく、切削性に優れている。

このためこの発明では、加工条件に対する軟質砥粒を含まない硬質砥粒による基準砥石、または標準砥石の１．０〜１．５倍のＰｃとすることによって、高精度・高能率・高経済的な超仕上げ加工が確実となる。Ｐｃが１．０倍未満の選択では、切削量は多いものの、砥石摩耗量もやや多くなり、仕上げ比（切削量÷砥石損耗量）が低下して不経済となるからである。またＰｃが１．５倍を越える選択では、砥石摩耗量は減少するものの、切削性は劣り、低能率となるからである。

従ってこの発明におけるＰｃ選択では、１．１倍から１．３倍が好ましい。この発明に係る砥石は、Ｐｃが１．０倍未満または１．５倍を越える選択においても、容易に目こぼれあるいは目詰まり・目つぶれはしない。

(1) 砥石の製作
(a) 砥石の品質の明細
表５に実施例および比較例での砥石硬度と組織について示した。区分１〜１４が超砥粒（ＣＢＮ、ＳＤ）であり、１５〜２１が通常砥粒（ＷＡ、ＧＣ）である。すなわち１〜８がＣＢＮ、９〜１４がＳＤ、１５〜１８がＷＡで１９〜２１がＧＣである。
実施例における軟質砥粒は、１〜４、９〜１１および１５、１９が酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、５、６、１２、１６、２０が硫酸バリウム（ＢａＳＯ₄）である。

(b) 砥粒
砥粒径（μｍ）に関して、硬質砥粒ではＣＢＮが４〜８（２５００メッシュ）、ＳＤが２〜４（４０００メッシュ）である。ＷＡとＧＣは、いずれも８．７〜１０．３（１２００メッシュ）である。軟質砥粒では、ＣｅＯ₂が１次粒子径０．５μｍ、純度４２．５％、ＢａＳＯ₄が粒子径６μｍ、純度９８％である。超砥粒の実施例１〜４および９〜１１は体積比で、軟質砥粒をそれぞれ１９〜５６％に増量変化させてある。実施例５、６および１２は、軟質砥粒が、ほぼ２０％である。実施例１５、１６は、それぞれ１３および１８％、実施例１９、２０は、１１および１５％である。

(c) 結合剤
実施例および比較例に使用した結合剤の種類を表４に示した。区分ＡおよびＢが、この発明によるボンドであり、好ましい砥石焼成温度は６５０〜７５０℃である。通常、砥粒との結合力を高めるためには、アルカリ成分（Ｒ₂Ｏ）やホウ酸分（Ｂ₂Ｏ₃）に富む化学組成、例えばＡの選択によって低温軟化、低粘性により砥粒表面への融着力を高める。

実施例１〜６、９〜１２および１５、１６、比較例７、１３、１７が区分Ａによる。他方、熱に不安定な反応性の大きい砥粒に対しては、アルカリ成分との強い反応をさけ、Ａｌ₂Ｏ₃およびＳｉＯ₂の適当な含有による共融作用により、溶融状態で表面張力を減少し、砥粒面への反応面積を増し結合力を高める。例えば、ＧＣ砥粒あるいは軟質砥粒の多い砥粒組織に対するＢの選択である。実施例１９および２０が、区分Ｂによる。

表４のＣおよびＤは、比較例に適用したボンド種類である。Ｃは超砥粒（ＣＢＮ、ＳＤ）に対するもので、ＲＯ−Ｂ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂系の結晶化質組成も含む。比較例８および１４がＣにより、砥石焼成温度は８００〜８５０℃である。Ｄは、通常砥粒（ＷＡ、ＧＣ）に使用し、比較例１８および２１である。砥石焼成は、従来の高温焼成により、１２４０〜１２６０℃である。

実施例および比較例に用いたビトリファイドボンドは、化学式ＡおよびＢのものである。比較例７、１３、１７は基準砥石として、化学式Ａの結合剤による。標準結合剤として、超砥粒用の化学式Ｃは比較例８、１４、一般砥粒用の化学式Ｄは、比較例１８、２１にそれぞれ適用した。

(d) 砥石硬度・組織
表５に、砥石硬度および組織について示した。砥石硬度は、ロックウェル式試験方法Hスケール（ＪＩＳＲ６２４０、研削砥石の試験方法）による。

比較例の硬度および砥石構成要素（砥粒率Ｖｇ、気孔率Ｖｐ、結合剤率Ｖｂ）の体積比％を基準として、実施例はこれとほぼ同じ値となるように砥石内容を調整した。実施例４（体積比でＣＢＮ４４％、ＣｅＯ₂５６％）は、特にRH硬度で−８０（マイナス８０）の軟位砥石での、仕上げ性能および砥石臨界圧力の変化について確認することを目的とした。

(e) 焼成
砥粒、結合剤、気孔材、その他助剤の配合成分は、均質混合の後、粉体調整を経て成形、乾燥し焼成した。表４の化学式ＡおよびＢで示されるビトリファイドボンドは、実施例１〜６、９〜１２、１５、１６、１９、２０および比較例７、１３、１７に適用され、最高温度７５０℃で３時間保持し、冷却の後取り出した。

(f) 砥石処理
試験砥石は、原石より幅５．５ｍｍ、加工物円周方向の厚さ５．０ｍｍの角形状に切り出され、所定の寸法精度に仕上げ加工された後、砥石気孔を有機質処理剤で充填処理した。

(2) 実削条件
表６の実削試験は、玉軸受内輪レース面の超仕上げ加工とした。加工物の表面周速度５ｍ／ｓ、砥石最大揺動速度０．０９ｍ／ｓ、砥石揺動数１１．７Ｈｚ、最大傾斜角０．５２°、前加工粗さ、研削０．２５〜０．３μｍＲａ（中心線平均粗さ）、加工時間８秒、加工油は硫化脂肪油系不水溶性油とした。切削量、砥石損耗量、仕上げ面粗さは、砥石面圧力２．３ＭＰａ一定で実削した。砥石臨界圧力（Ｐｃ）は、前記超仕上げ条件で、砥石面圧力を増加してゆくとき、砥石摩耗量が急増するときの砥石面圧力（ＰｃＭＰａ）である。

(3) 効果
比較例に対する実施例の利点は以下の通りであった。
a)超砥粒（ＣＢＮ、ＳＤ）では、２０〜３０％高切削量となった。
b)軟質砥粒の混合によって、砥石摩耗量は３０〜５０％以上、確実に減少した。
c)従って仕上げ比は、大きな値となり、約２〜３倍以上で経済性は大いに向上した。
d)比較例で、スクラッチ様傷が見られたのに対し、実施例では全く見られなかった。しかし仕上げ面粗さの改善効果は、約２０％以下であった。
e)実施例４の軟位砥石（ＲＨ硬度−８０）でも、砥石摩耗量は増加することなく、砥石臨界圧力は、基準砥石よりも大きな値となった。
f)実施例６の硬位砥石（ＲＨ硬度７０）では、切削量は若干少ないものの、砥石目詰まり・目つぶれは見られない。もちろん、スクラッチ傷も無かった。
g)硬質砥粒に軟質砥粒を混合させるとき、切削作用をもたない軟質砥粒は、切り屑によるボンドエロージョンの影響を直接受けることなく、潤滑的作用により砥石摩耗量の減少をもたらした。
h)実施例１〜３および９〜１１では、体積比で軟質砥粒の割合を約１８〜５６％の範囲で増加してゆくとき、切削量、砥石摩耗量、仕上げ面粗さの減少傾向がみられた。これは軟質砥粒（ＣｅＯ₂）の潤滑物質的な作用効果によると考えられた。
i)加工条件に対する基準砥石の臨界圧力の１．０〜１．５倍、好ましくは１．１倍〜１．３倍の砥石臨界圧力をもった本発明品の選択によって、仕上げ性能の向上効果は顕著であった。

Claims

被切削材に対する化学反応性を有しかつ切削性を有しない軟質砥粒５〜８０体積％と、前記被切削材に対して切削性を有する硬質砥粒２０〜９５体積％とから成る複合砥粒を、塩化亜鉛、塩化錫、塩化鉄および塩素酸カリウムから選ばれる一種以上の塩化物を含有するビトリファイドボンドで結合してなる複合砥粒ビトリファイド超仕上げ砥石。
軟質砥粒が、酸化セリウム、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、酸化ケイ素および酸化ジルコニウムから選ばれる一種以上の軟質砥粒である請求項１に記載の複合砥粒ビトリファイド超仕上げ砥石。
ビトリファイドボンドが、アルカリ金属もしくはアルカリ土類金属酸化物または両酸化物およびホウ酸を含有するホウケイ酸塩ガラスをビトリファイドボンド全体の８０〜９５質量％含有し、軟化温度７５０℃以下の低融性のビトリファイドボンドである請求項１または２に記載の複合砥粒ビトリファイド超仕上げ砥石。