JP5336526B2 - センターレス研削法 - Google Patents

Description

本発明は、センターレス（心なし）研削法と、センターレス研削法やそれ以外の円筒面研磨法で使用される研削工具であって、多くのカテゴリーのさまざまな部品を製造する際に部品から少量の材料を除去するか大量の材料を除去するかを選択できる設計にされた研削工具とに関する。

センターレス研削は、保持することが難しい部品の表面を迅速かつ正確に研削する方法である。研削する部品、すなわち工作物は、研削中に端部に圧力を受けることなく直接しっかりと支持される。したがってより大きな研削やより深い研削を行なえるため、長かったり、脆かったり、容易に変形したりする部品を研削することが可能になる。センターレス研削で製造される部品としては、まっすぐなベアリング、先細のベアリング、ローラー、棒、ニードル状ローラー、ブシュ、ボルト、ファスナー、ピストン、ピストン・リング、銃身、ロッド、シャフト、シェル、タペット、ペン部品、皮下注射針、鍛造物や、さまざまな金属、プラスチック、セラミック、複合材料でできた他の数多くのアイテムなどがある。

センターレス研削は、工作物がセンターの間に取り付けられていなかったり、工作物がその工作物の端部または表面に接続された他の固定用部材によって支持されていなかったりする点が、他のタイプの研削と異なっている。その代わり、工作物は刃または支持体の上に載っており、調整車（ゴムでできていることが最も多い）が工作物と接触し、その工作物を支持体および砥石車に押しつけている。最も一般的なシステムでは、砥石車が回転すると工作物も回転し、砥石車からの研削圧によって工作物が調整車と支持体に押しつけられる。そのとき、調整車が工作物の回転速度を決めている。したがって砥石車と工作物は、1分あたりの回転数（rpm）が異なる可能性がある。例えば調整車の速度（と、それと一致した工作物の速度）が36〜900spfmだと、砥石車の1分あたりの表面速度を7,500sfpmにすることができる。砥石車が仕様の範囲に留まっている限り、センターレス研削法では部品をシステムに連続的に供給できるため、連続的研削または半自動化研削が可能である。

したがって研削操作において、センターレス研削のための改善された砥石車として、研削を進めていくときに砥石車の本体全体が一定の輪郭を維持し、過度の摩耗に対する抵抗力を持ち、工作物から有効に材料を除去することでサイズ、形状、仕上げが滑らかで均一な部品が残るようにできる砥石車が相変わらず要求されている。

これまでは、センターレス研削法のための砥石車は、一般に、硬さのグレードを大きくすることによって改良していた。そのためには、砥石車に含まれる気孔の割合を少なくする、および／または砥粒と結合材の含有量を増やす、および／または砥石車を構成している砥粒複合体の密度を大きくする。一般に、このようにすると、どの方法でも研削効率が向上する。つまりG比（材料除去速度／砥石車摩耗速度、すなわちMRR/WWR）が大きくなる。その結果、より硬い砥石車を用いた研削によって生じる力のために部品の品質が損なわれ始めたり、機械の許容性能を超えたりする。特に有機結合材を用いた砥石車の場合には、結合材が熱で過度に分解することと、摩耗していない砥粒が研磨複合体から早すぎる時期に離脱することにより、砥石車の摩耗速度が大きくなる。

硬さのグレードがより小さいある種の研削工具が、砥粒複合体を構成する材料（特に、砥粒をその複合体の内部に固定する手段）の性質と微細構造のため、センターレス研削法やそれ以外の研削法において向上した研削効率を示すことが見いだされた。このような研削工具は、特に工作物から材料を同じ量だけ除去するのに必要な砥粒の体積を基準にして考えると、従来の最高の研削工具よりもはるかに優れた性能を示す。この研削工具は、これまでは密度がより大きい研削工具が使用されてきた鋳物の研削およびスナッギングや、溝、棒、ニードルの研削のほか、センターレス研削に役立つ。

本発明は、センターレス研削法であって、
（a）三次元複合体を含んでいて、その複合体が、
（i）20〜48体積％の有機結合材料と結合した20〜48体積％の砥粒と、10体積％未満の気孔とを含んでいて上記複合体の連続相を形成しており、50〜100体積％の砥粒が、その砥粒を無機結合材料と焼結させることによって複数の砥粒が凝集した形態になっている第1の相と；
（ii）16〜34体積％の気孔からなる第2の相とで構成されていて；
硬さのグレードが、ノートン社の硬さスケールでJとSの間であり、最小破壊速度が6000sfpm（30.48m/秒）である結合砥石車を用意するステップと；
（b）その結合砥石車をセンターレス研削機械に取り付けるステップと；
（c）その砥石車を回転させるステップと；
（d）その砥石車の研削面を、調整車によって回転させられていて、研削するのに十分な時間にわたって工作物固定用部材によって支持されている工作物と接触させるステップを含んでいることにより、
上記砥石車が工作物から材料を優れた材料除去速度で除去し、その砥石車の研削面が実質的に削り屑なしの状態に留まり、研削が終了した後に上記工作物が実質的に熱による損傷を受けていない状態である方法である。

本発明の方法に役立つ優れた砥石車の選択は、三次元複合体を含む結合研削工具であって、その複合体が、
（a）20〜48体積％の有機結合材料と結合した20〜48体積％の砥粒と、10体積％未満の気孔とを含んでいて上記複合体の連続相を形成しており、50〜100体積％の砥粒が、その砥粒を無機結合材料と焼結させることによって複数の砥粒が凝集した形態になっている第1の相と；
（b）16〜34体積％の気孔からなる第2の相とで構成されていて；
硬さのグレードが、ノートン社の硬さスケールでJとSの間であり、最小破壊速度が6000sfpm（30.48m/秒）であることを特徴とする結合研削工具の中から行なうことができる。

典型的なセンターレス研削システムの構成である。

本発明のセンターレス研削法は、工作物の外径または内径を仕上げるための円筒形研削法であり、構造と物理的特性が通常とは異なる特別な砥石車を用いて実施される。このような砥石車により、従来の砥石車を用いた従来のセンターレス研削法で可能であったよりも迅速かつはるかに効率的に部品の表面を仕上げることができる。

典型的なセンターレス研削システムの構成を図1に示してある。図示したこの構成では、工作物または部品（10）は、砥石車（11）および調整車（12）の中心線（B、C）の上方に設置されている。このようにすると、丸く仕上がった部品（例えばベアリング）にすることができる。工作物（10）を中心線（B、C）よりも高い位置にするほど、工作物（10）がより早く丸くなる。支持体（13）は、工作物（10）の望ましい最終仕上げ形状をどのようにするかに応じ、平坦にするか、尖った形にすることができる。工作物（10）、砥石車（11）、調整車（12）の中心線（A、B、C）が同じ平面内にある場合には、研削される部品は直径が一定になるが、部品は必ずしも円筒形である必要はない。工作物を支持する支持体（13）が平坦であるか尖っているかに応じ、3つの弧を有するさまざまな三角形が可能である。工作物（10）を砥石車（11）および調整車（12）の中心線（B、C）の下方に設置することもできる。その場合、棒やロッドなどの長い工作物を、飛び上がったりガタガタした音を立てたりすることなく研削することができ、その工作物（10）を支持体（13）に対して非常にしっかりと保持することができる。

工作物は、スルー-フィード研削によって、またはイン-フィード研削によって、またはエンド-フィード研削によって、またはこれらの方法の組み合わせによって処理することができる。例えば先細部品はエンド-フィード研削法で製造され、頭部や肩部を有する直径が変化する部品はイン-フィード研削法で製造され、まっすぐな円筒形部品は、小さいものも大きいものも、スルー-フィード研削法で製造される。

センターレス研削のための好ましいタイプの結合砥石車は、2つの円形面と、取り付け用の穴と、一定半径外周部とを有する円筒であり、この砥石車の研削面は、この円筒の一定半径外周部である。結合砥石車は、最小破壊速度が6000sfpm（30.6m/秒）であるが、破壊速度は7500sfpm（38.10m/秒）であることが好ましい。

本発明の方法では、選択した砥石車をセンターレス研削機械の軸に取り付け、好ましくは約5500〜9600sfpm（27.94〜48.96m/秒）で回転させる。回転速度は、6000〜9000sfpm（30.6〜45.9m/秒）であることがより好ましい。選択した砥石車を従来の砥石車の代わりに用いると、研削操作がより効率的になる。なぜなら、砥石車の寿命がより長くなり、1つの砥石車でより多くの部品を研削でき、同じ分量の部品を作るのに必要とされる研削機械の交換頻度がより少なくなるからである。本発明の方法は、個々のセンターレス研削機械で指定されている任意の速度で実施できる。ただし速度は、選択した砥石車の安全制限（すなわち砥石車の破壊速度の制限値）を超えてはならない。

適切なセンターレス研削機械は、シンシナチ・グラインダーズ社、シンシナチ、オハイオ州から（例えば第0番、第2番、第3番、第4番、シンコ15、230-10トゥイン・グリップ、300シリーズなど）、または光洋機械工業株式会社、日本から（モデルKC-200、KC-33、KC-400）、リドコピング、スウェーデン（モデル2C、3B、520、630、740など）、またはリットン・インダストリアル・オートメーション社、ウェインズボロ、ペンシルヴェニア州（ランディス・ツール社）から（ランディス第12番、第12 1/2番、、ランディス12R、14R、24CR）、または他の多くの機械製造メーカーから入手することができる。

本発明のセンターレス研削法を実施するための結合砥石車は、砥石車の構造と物理的特性の以前は知られていなかった組み合わせに特徴がある。この明細書では、“砥石車の構造”という用語は、砥石車に含まれる砥粒、結合材（充填材が使用されている場合には充填材も含む）、気孔の相対体積％を意味する。砥石車の硬さの“グレード”は、研削操作における砥石車の性能に対して与える文字を意味する。所定のタイプの結合材では、グレードは、砥石車の気孔の割合と、砥粒の含有量と、いくつかの物理的特性（例えば硬化後の密度、弾性係数、サンド・ブラストの侵入度（ガラス化した結合砥石車では最後の項目が非常に一般的である））の関数である。砥石車の“グレード”から、研削中にその砥石車が摩耗に対してどれほどの抵抗力を持つかと、その砥石車がどれほど硬いものを研削できるか（すなわち、所定の研削操作においてどれほど多くのパワーを砥石車が必要とするか）が予測できる。砥石車の“グレード”に関する文字は、従来技術で知られているノートン社のグレード・スケールに従って割り当てられ、最も硬いグレードをZと表記する（例えばアメリカ合衆国特許第1,983,082号、Howe他を参照のこと）。通常は、当業者は、古い砥石車をグレードが一致した新しい砥石車と交換することで、新しい砥石車が古い砥石車と同等の性能、またはそれ以上の性能を示すことを予想できる。

既知の有機結合砥石車の性能をもとにすると、この明細書に記載したセンターレス研削法を実施するための砥石車は、同等の性能を示す従来の砥石車よりも低いグレード（すなわちより柔らかいこと）を特徴とする。フェノール樹脂結合材に関しては、ノートン・グレードがほぼJ〜Sである砥石車が好ましく、M〜Rグレードが最も好ましい。本発明において有用な砥石車は、気孔の体積が同等である従来の砥石車よりも弾性係数が小さいが、極めて予想外なことに、より大きなG比（材料除去速度／砥石車摩耗速度という比）を示す。このG比の値は、同じ材料だが硬さのグレードがT〜Zである同等の砥石車を用いて同じ研削法を実施した場合に達成される値よりも大きい。

結合研削工具は、密度を2.4g/cc未満にするとよい。この密度は2.2g/cc未満であることが好ましく、2.0g/cc未満であることがより好ましい。

本発明において有用な結合研削工具は、約20〜48体積％の砥粒を含む砥石車である。この割合は24〜44体積％であることが好ましく、26〜38体積％であることが最も好ましい。合計で50〜100体積％の砥粒が、砥粒を無機結合材料と焼結させることによって複数の砥粒が凝集した形態になっている。

好ましい一実施態様では、有機結合研削工具は、約20〜48体積％の有機結合材を含んでいる。この割合は、28〜38体積％であることがより好ましく、26〜38体積％であることが最も好ましい。

研削工具の連続した第１の相は、砥粒と、結合材と、１０体積％未満の気孔からなる複合体を含んでいる。この研削工具は、約１６〜３４体積％の気孔からなる第２の相も含んでいる。この気孔の割合は、１８〜２８体積％であることが好ましく、１８〜２４体積％であることが最も好ましい。どの砥石車でも、第１の相と第２の相を組み合わせると、砥粒と結合材と気孔の割合の合計値は１００体積％である。

有機結合研削工具は、20〜44体積％の焼結砥粒凝集体と、20〜48体積％の有機結合材と、16〜34体積％の気孔を含んでいることが好ましい。無機結合材料（例えばガラス化した結合材料またはセラミック結合材料）を用いて作った多孔性焼結砥粒凝集体が好ましい。なぜならこの凝集体では、結合研削工具を熱硬化させている間に有機結合樹脂が多孔性凝集体の内部に侵入できるため、砥粒を研磨複合体の内部に保持するための固定部または結合部を強化できるからである。この砥粒凝集体には気孔があり、凝集体の中で少量（少なくとも1体積％で、2〜12体積％であることが好ましい）の無機結合材が砥粒を保持しているにもかかわらず、砥石車は、大きな機械的強度と、摩耗に対する抵抗力と、より硬いグレードの砥石車の持つ強力な研削性能を有する。

本発明において有用な砥石車は弾性係数が20GPa未満である。この値は18GPa未満であることが好ましく、16GPa未満であることが最も好ましい。いろいろな性質のうちで、有効量（例えば砥粒の含有量が少なくとも50体積％、または硬化後の砥石車の全体積の少なくとも20体積％）の砥粒凝集体を用いて製造した砥石車は、砥粒凝集体なしで製造された市販のセンターレス研削用砥石車よりも弾性係数が小さい。本発明の結合研削工具は焼結した凝集砥粒が微細構造を持っており、研削グリットのサイズが46〜100（508〜173ミクロン）だと、焼結凝集体の平均直径は約200〜850ミクロン（アメリカ合衆国の基準篩のサイズでは約20〜100メッシュ）である。好ましい一実施態様では、焼結凝集体の平均直径は、気孔の平均サイズとほぼ等しい。なお気孔のサイズは、最も大きく開いている位置で測定し、凝集体は、直径が最大の位置で測定する。

砥石車に含まれる気孔は、研削工具の諸成分（特に砥粒凝集体）が自然に充填されたときにできる空間から生じ、場合によっては従来からある気孔誘導媒体を添加することによっても生じる。適切な気孔誘導媒体としては、中空ガラス球、プラスチック材料または有機化合物からなる中空の球またはビーズ、発泡ガラス粒子、バブル・ムライト、バブル・アルミナなどと、これらの組み合わせがある。研削工具は、開放セル型気孔誘導体（例えばナフタレン・ビーズや、それ以外の有機粒子）を用いて製造することができる。開放セル型気孔誘導体は研削工具の成形後に取り除くことができるため、研削工具のマトリックス内に空いたスペースが残される。あるいは研削工具は、閉鎖セル型中空気孔誘導媒体（例えば中空ガラス球）を用いて製造することもできる。本発明の好ましい研削工具は、添加された気孔誘導媒体を含んでいないか、気孔の含有量が17〜33体積％の研削工具を作るのに有効な少量の気孔誘導媒体を含んでいる。

最終的な研削工具は、場合によっては、添加された第2の砥粒、充填材、研削助材、気孔誘導媒体や、これらの材料の組み合わせを含んでいる。砥粒を研磨凝集体と組み合わせて使用する場合には、凝集体を、研削工具に含まれる砥粒の合計に対して50〜100体積％にする。この値は約70〜約100体積％であることが好ましい。研削工具は、場合によっては、有機結合材料（研削工具の製造に使用される例えばフェノール樹脂やそれ以外の有機結合材料）とともに硬化させて得られる複数の砥粒の凝集体を含むことができる。このような第2の砥粒を用いる場合、その砥粒は、研削工具に含まれる砥粒の合計に対して約0.1〜約50体積％にすることが好ましい。この値は、研削工具に含まれる砥粒の合計に対して約0.1〜約30体積％であることが好ましい。凝集していない適切な第2の砥粒として、さまざまなアルミニウム酸化物、ゾルゲルアルミナ、焼結したボーキサイト、炭化ケイ素、アルミナ-ジルコニア、アルミノオキシナイトライド、セリア、亜酸化ホウ素、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンド、フリント粒子、ガーネット粒子などと、これらの組み合わせがある。

本発明の研削工具は、有機結合材を用いて結合させることが好ましい。研削工具の製造で知られているさまざまな有機熱硬化樹脂結合材のうちの任意のものをこの明細書では選択して使用することができる。有機結合材料の選択は、フェノール樹脂材料、エポキシ樹脂材料、ポリイミド樹脂材料、ゴム材料、フェノールホルムアルデヒド樹脂材料、尿素ホルムアルデヒド樹脂材料、メラミンホルムアルデヒド樹脂材料、アクリル樹脂材料、ならびにこれらの組み合わせからなるグループの中から行なうとよい。砥石車の製造用に市販されているこれら有機結合材のうちで、強度、コスト、入手しやすさ、製造条件を考慮すると、フェノール結合材が好ましい。

適切な結合材とそのような結合材を製造する方法は、例えばアメリカ合衆国特許第6,251,149 B1号、第6,015,338号、第5,976,204号、第5,827,337号、第3,323,885号に見いだすことができる（その内容は、参考としてこの明細書に組み込まれているものとする）。この明細書では、譲受人に譲渡されたSimonのアメリカ合衆国特許出願第10/060,982号（その内容は、参考としてこの明細書に組み込まれているものとする）と、アメリカ合衆国特許第3,323,885号に記載されている結合材とその製造方法を利用することが好ましい。有機結合研削工具は、従来技術で知られているように、さまざまな処理法に従って混合し、成形し、硬化または焼結させて、砥粒または凝集体、結合材、気孔の割合をさまざまな値にすることができる。

砥石車の品質は、テストする密度、弾性係数、機械的強度（相対“破壊速度”（砥石車をバラバラにする遠心力を生じさせる回転速度）で表現される）、砥石車の寿命、研削の間の摩耗に対する抵抗力によって特徴づけることができる。

研削工具の密度と硬さは、凝集体、結合材のタイプ、研削工具の他の成分、気孔の含有量のほか、鋳型のサイズとタイプ、圧縮法を選択することによって制御できる。

砥石車は、従来技術で知られている任意の手段で成形し、圧縮することができる。例えば、熱間プレス法や冷間プレス法などがある。砥粒凝集体が過剰に（例えば凝集体の50体積％超）押しつぶされることを回避して凝集体の三次元構造が維持されるようにするには、加圧成形した砥石車を形成するための成形圧を注意深く選択せねばならない。本発明の砥石車を製造するために加える適切な最大圧は、砥石車の形状、サイズ、厚さ、結合材成分と、成形温度によって異なる。本発明の凝集体は、砥石車を製造するための一般的な製造法で実施される成形ステップと加圧ステップに耐えられる十分な機械的強度を有する。

砥石車は、当業者に知られている方法で硬化させることができる。硬化条件は、主として実際に使用する結合材および砥粒と、砥粒凝集体に含まれる結合材料のタイプによって決まる。選択した結合材の化学的組成に応じて有機結合材を120〜250℃（好ましくは160〜185℃）で焼成することで、金属その他の材料を研削するのに必要な機械的特性を与えることができる。

この明細書において有用な砥粒凝集体は、三次元構造体または粒状体であり、その中には、砥粒と結合材料からなる多孔性焼結複合体が含まれている。この凝集体は、2.0g/cc以下（好ましくは1.6g/cc以下）という低充填密度（LPD）を持ち、平均サイズが、研削グリットの平均サイズの約2〜20倍であり、気孔の割合が約30〜88体積％であることが好ましい。この砥粒凝集体は、破砕強度値が少なくとも0.2MPaであることが好ましい。

砥粒は、研削工具で使用されることが知られている1種類以上の砥粒を含むことができる。それは例えば、アルミナ粒子（溶融アルミナ、焼結アルミナ、ゾルゲル焼結アルミナ、焼結ボーキサイトなど）、炭化ケイ素、アルミナ-ジルコニア、アルミノオキシナイトライド、セリア、亜酸化ホウ素、ガーネット、フリント、ダイヤモンド（天然のダイヤモンドと合成ダイヤモンド）、立方晶窒化ホウ素（CBN）などと、これらの組み合わせである。砥粒としては、例えばアメリカ合衆国特許第5,129,919号に開示されているタイプのアスペクト比が大きな細長い焼結ゾルゲルアルミナ粒子が可能である。

この明細書で用いるのに適した粒子のサイズは、通常の研削グリットのサイズ範囲（例えば60〜7,000ミクロン）である。研削操作を行なうときには、その研削操作のために通常選択される（凝集していない）砥粒のグリット・サイズよりも小さなグリット・サイズの砥粒を凝集させることが望ましい。例えば凝集したグリット・サイズが80の砥粒の代わりにグリット・サイズが54の砥粒を用いること、凝集したグリット・サイズが100の砥粒の代わりにグリット・サイズが60の砥粒を用いること、凝集したグリット・サイズが120の砥粒の代わりにグリット・サイズが80の砥粒を用いることができる。

典型的な砥粒に関する焼結凝集体の好ましいサイズは、平均直径が約200〜3,000ミクロンである。この範囲は、350〜2,000ミクロンであることが好ましく、425〜1,000ミクロンであることが最も好ましい。

砥粒は、焼結凝集体の全体積の約10〜65体積％の割合で存在している。この値は、35〜55体積％であることが好ましく、48〜52体積％であることが最も好ましい。

凝集体を作るのに役立つ結合材料は、セラミック材料やガラス化した材料を含んでいることが好ましく、それは、ガラス化した結合研削工具のための結合系として使用されるタイプのものであることが好ましい。このガラス化した結合材料としては、あらかじめ焼成したガラスを粉砕して粉末（フリット）にしたもの、またはさまざまな原料（例えば粘土、長石、石灰石、ホウ砂、ソーダ）の混合物、またはフリットと原料の組み合わせが可能である。このような材料は約500〜1400℃の温度で溶融して液体ガラス相を形成し、砥粒を濡らす。その状態で冷却すると結合部が作り出されるため、砥粒が複合構造内に保持される。凝集体で用いるのに適した結合材料の具体例を後出の表1-1に示してある。好ましい結合材料は、1180℃における粘性率が約345〜55,300ポアズであり、融点が約800〜1,300℃であることを特徴とする。

好ましい一実施態様では、結合材料はガラス化した結合組成物であり、71重量％のSiO₂およびB₂O₃と、14重量％のAl₂O₃と、0.5重量％未満のアルカリ土類金属酸化物と、13重量％のアルカリ金属酸化物とからなる焼成した酸化組成物を含んでいる。

結合材料はセラミック材料でもよく、例えば、シリカ、アルカリ金属のケイ酸塩、アルカリ土類金属のケイ酸塩、アルカリ金属のケイ酸塩とアルカリ土類金属のケイ酸塩の混合物、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸ジルコニウム、ケイ酸塩水和物、アルミン酸塩、酸化物、窒化物、オキシナイトライド、炭化物、オキシカーバイドなどと、これらの組み合わせおよび誘導体が挙げられる。一般に、セラミック材料は、結晶構造を含んでいる点が、ガラス状材料またはガラス化した材料と異なっている。いくつかのガラス相は、特に未精製のセラミック材料において、結晶構造と組み合わさって存在することができる。原料状態のセラミック材料（例えば粘土、セメント、鉱物）をこの明細書で使用することができる。この明細書で使用される特別なセラミック材料の具体例として、シリカ、ケイ酸ナトリウム、ムライトその他のケイ酸アルミノ、ジルコニア-ムライト、ケイ酸マグネシウム、ケイ酸ジルコニウム、長石その他のアルカリ金属-アルミノ-ケイ酸塩、スピネル、アルミン酸カルシウム、アルミン酸マグネシウムその他のアルカリ金属アルミン酸塩、ジルコニア、イットリアで安定化させたジルコニア、マグネシア、カルシア、セリウム酸化物、チタニア、他の希土類添加物、タルク、鉄酸化物、アルミニウム酸化物、ボヘマイト、ホウ素酸化物、アルミナ-オキシナイトライド、ホウ素窒化物、ケイ素窒化物、グラファイトなどと、これらセラミック材料の組み合わせがある。

結合材料は粉末形態で使用され、液体ビヒクルに添加することで、凝集体を製造している間に結合材料と砥粒の一様で均質な混合物にすることができる。

有機結合材の分散液を、成形助剤または処理助剤として、粉末化した結合材料成分に添加することが好ましい。そのような有機結合材としては、デキストリン、デンプン、動物タンパク質の膠、他のタイプの膠；液体成分（水、溶媒、粘度調節剤、pH調節剤）；混合助剤などが挙げられる。有機結合材を用いると、凝集体の一様性（特に、砥粒の表面での結合材料分散液の一様性）と、あらかじめ焼成した凝集体または加圧成形した凝集体の構造品質と、その凝集体を含む焼成した研削工具の構造品質が向上する。有機結合材は凝集体を焼成している間に燃えてなくなるため、最終的な凝集体の一部になることも、最終的な研削工具の一部になることもない。

無機接着促進剤を混合物に添加して結合材料を砥粒に付着させやすくすることができる。そうすることが、混合物の品質を向上させるのに必要である。凝集体を作る際には、無機接着促進剤を有機結合材とともに使用してもよいし、有機結合材なしで使用してもよい。

高温で溶融する結合材料が本発明の凝集体では好ましいとはいえ、結合材料は、他の無機結合材、有機結合材、有機結合材料、金属結合材料、ならびにこれらの組み合わせも含んでいてよい。有機結合砥粒、コーティングされた砥粒、金属結合砥粒などのための結合材として研削工具産業で使用される結合材料が好ましい。

結合材料は、凝集体の約0.5〜15体積％の割合で存在している。この割合は1〜10体積％であることが好ましく、2〜8体積％であることが最も好ましい。

凝集体内の気孔の好ましい体積％は、研削工具を製造してその研削工具で研削を行なうのに必要な凝集体の機械的強度の限界内で技術的に可能なできるだけ大きな値である。気孔は、30〜88体積％の範囲にすることができる。この範囲は、40〜80体積％であることが好ましく、50〜75体積％であることが最も好ましい。凝集体内の気孔の一部（例えば約75体積％まで）は、互いに接続された気孔として存在すること、または砥石車を硬化させている間に流体（液体（例えば研削クーラントや削り屑）、空気、溶融した樹脂結合材料など）が流れて浸透することのできる気孔として存在することが好ましい。有機結合材料は、砥石車を熱硬化させている間に焼結した砥粒凝集体の隙間に移動し、そのことによって砥粒の結合が強化されて、予想される機械的強度の損失なしに実現することが以前はできなかった体積の気孔が、砥石車の構造内に形成されると考えられる。

凝集体の密度は多数の方法で表現できる。凝集体のバルク密度は、LPDとして表現できる。凝集体の相対密度は、凝集体内の互いに接続された気孔の体積を考慮して、初期相対密度に対する割合（％）として表現すること、または凝集体を作るのに用いた諸成分に対する凝集体の相対密度の比として表現することができる。

割合（％）として表現される初期平均相対密度は、LPD（ρ）を、気孔がゼロであると仮定した凝集体の理論密度（ρ₀）で割ることによって計算できる。理論密度は、凝集体に含まれる結合材料と砥粒の重量％と比重から、混合物の体積測定則に従って計算することができる。本発明の焼結凝集体では、最大相対密度の％値は50体積％である。この値は、30体積％であることがより好ましい。

流体置換体積法で相対密度を測定すると、互いに接続された気孔は含まれるが、閉鎖セルとなっている気孔は除外することができる。相対密度は、流体置換法で測定した焼結凝集体の体積を、その焼結凝集体を作るのに用いた材料の体積で割った比である。凝集体を作るのに用いた材料の体積は、その凝集体を作るのに用いた砥粒と結合材料の量と充填密度に基づく見かけの体積に関する1つの指標である。本発明による焼結凝集体に関しては、最大相対密度が0.7であることが好ましい。この値は0.5であることがより好ましい。

この明細書で結合研削工具に用いる凝集体は、譲受人に譲渡されたアメリカ合衆国特許第6,679,758号に開示されている方法で製造することができる。なおこの特許の内容は、参考としてこの明細書に組み込まれているものとする。この特許に開示されているように、粒子と結合材料（と、場合によっては有機結合材）の単純な混合物を回転炉に供給して結合材料を（例えば約650〜約1400℃に）加熱することでガラスまたはガラス化結合を形成し、砥粒を一体化して凝集体にする。より低い温度（例えば約145〜約500℃）で結合材料を硬化させて砥粒を凝集させる場合には、別の回転炉を使用するとよい。この別の実施態様では、回転式乾燥機が、加熱された空気を筒の排気端に供給して砥粒混合物を加熱し、結合材料を硬化させてその砥粒と結合させ、そのことによって砥粒を凝集させる構成にされている。得られた凝集体は装置からそのまま回収する。この明細書では、“回転炉”という用語に、このような回転式乾燥機が含まれる。

砥粒凝集体を作る別の方法では、アメリカ合衆国特許第4,393,021号に記載されている装置と方法を利用して結合材料と砥粒を有機結合材溶液を用いてペーストにし、押し出して細長い粒子にした後、焼結させる。

乾式粒状化法では、砥粒が埋め込まれた結合材料の分散液またはペーストで作ったシートまたはブロックを乾燥させ、次いでロール圧縮機を用いて砥粒と結合材料の複合体を粉砕した後、焼結させる。

加圧成形した凝集体または凝集体前駆体を作る別の方法では、例えばアメリカ合衆国特許第6,217,413 B1号に記載されているようにして結合材料と砥粒の混合物を成形装置に添加してその混合物を成形し、厳密な形状とサイズにする。

本発明において有用な別の凝集体製造法では、砥粒と、結合材料と、有機結合材系の混合物を、あらかじめ凝集させることも加熱することもなしに炉の中に入れるというものである。この混合物を十分な高温にして結合材料を融解させ、流動させて粒子に付着させた後、冷却して複合体にする。この複合体を粉砕し、スクリーニングして、焼結凝集体にする。

以下の実施例は本発明の例示であり、本発明がこの実施例に限定されることはない。

〔砥粒／ガラス化結合材の凝集体〕
ガラス化した結合材料（表1-1、脚注bとcを参照のこと）を使用して凝集した砥粒を作った。この凝集体は、アメリカ合衆国特許出願シリアル番号第10/120,969号の実施例1に記載されている回転式焼成法に従い、以下に示す材料を用いて製造した。この凝集体は、3重量％の結合材Aを用いて作った。焼成温度は1250℃に設定し、筒の設置角度は2.5°にし、回転速度は5rpmにした。砥粒は、サン-ゴバン・セラミックス＆プラスチックス社、ウースター、マサチューセッツ州、アメリカ合衆国から入手した溶融アルミナ38A砥粒という80グリットのサイズのものであった。

ガラス化した粒子凝集体の低充填密度と、相対密度と、サイズを調べた。調べた結果を以下の表1-1に示してある。凝集体は、グリットとグリットの接触点において結合材料がガラス化することによって個々の研磨グリットが互いに結合した複数個のグリット（例えば2〜40個のグリット）と、目に見える気孔領域とを有する構成であった。凝集体の大部分は圧縮に対する十分な抵抗力を持っているため、砥石車に対して混合操作と成形操作を施した後も三次元性を保持する。

a．割合（％）は、全固体に対する割合であり、ガラス化した結合材料と砥粒だけが含まれ、凝集体内の気孔はすべて除外される。短期存続有機結合材料を使用してガラス化した結合材料を砥粒に付着させた（AV2に関しては、2.83重量％の液体タンパク質結合材を使用し、AV3に関しては、3.77重量％の液体タンパク質結合材を使用した）。短期存続有機結合材料は、回転炉の中で凝集体を焼結させている間に燃えてなくなるため、結合材料の最終的な重量％に短期存続有機結合材料は含まれていない。

b．（アメリカ合衆国特許第6,679,758号の実施例1に記載されている）結合材Aは、砥石車のためのガラス化した結合を作るのに一般に用いられる諸原料（例えば粘土や鉱物）の混合物である。凝集後、結合材Aを用いた焼結ガラス組成物は、以下の酸化物を含んでいる（重量％）：69％のガラス形成物質（SiO₂+B₂O₃）；15％のAl₂O₃；5〜6％のアルカリ土類金属酸化物RO（CaO、MgO）；9〜10％のアルカリ金属酸化物R₂O（Na₂O、K₂O、Li₂O）。このガラス組成物の比重は2.40g/ccであり、1180℃での推定粘性率は25,590ポアズである。

c．（アメリカ合衆国特許第6,679,758号の実施例1に記載されている）結合材Eは、砥石車のためのガラス化した結合を作るのに一般に用いられる諸原料（例えば粘土や鉱物）の混合物である。凝集後、結合材Eを用いた焼結ガラス組成物は、以下の酸化物を含んでいる（重量％）：64％のガラス形成物質（SiO₂+B₂O₃）；18％のAl₂O₃；6〜7％のアルカリ土類金属酸化物RO（CaO、MgO）；11％のアルカリ金属酸化物R₂O（Na₂O、K₂O、Li₂O）。このガラス組成物の比重は2.40g/ccであり、1180℃での推定粘性率は55,300ポアズである。

〔砥石車〕
凝集体を用いて実験用砥石車を作った（タイプ1）（最終サイズは24×8×12インチ（61.0×20.3×8.08cm））。
この実験用砥石車は、回転しているパドル・ミキサーに凝集体を添加し、その凝集体に液体フェノール樹脂（ハネウエル・インターナショナル社、摩擦部門、トロイ、ニューヨークからのV-1181樹脂）を混合することによって作った（樹脂が24重量％の混合物）。この湿った凝集体を粉末化したフェノール樹脂に添加した（デュレズ社、ダラス。テキサス州から入手したDurez Varcum（登録商標）樹脂29-717）（76重量％の樹脂混合物）。砥石車を作るのに用いた砥粒凝集体および樹脂結合材の重量％と、最終的な砥石車の組成（硬化させた砥石車に含まれる砥粒、結合材、気孔の体積％）を、以下の表1-2に示してある。

材料を十分な時間にわたって混合して一様な混合物にし、ゆるやかな結合の量を最少にする。混合後、凝集体を10メッシュのスクリーンでスクリーニングし、樹脂の大きな塊をすべて小さくする。従来技術で知られている市販されている砥石車の製造法に従い、凝集体と結合材の一様な混合物を鋳型の中に入れて圧力を加え、加圧成形段階（未硬化）の砥石車を形成する。この加圧成形した砥石車を鋳型から取り出し、コーティングされた紙に包み、最大温度160℃まで加熱することによって硬化させ、グレードを評価し、最終仕上げを行ない、検査する。

a．C-1砥石車はフェノール樹脂結合材を用いて作る。この砥石車の仕様は、サン-ゴバン・アブレイシヴズ社、ウースター、マサチューセッツ州から入手できるセンターレス研削製品を代表している。この砥石車は、実験用砥石車1-1で用いた溶融アルミナ粒子よりも研磨効率がはるかに優れたプレミアム・アルミナ砥粒（ノートンSG（登録商標）焼結ゾルゲルα-アルミナ粒子）を含んでいる。
c．結合材の“全”体積％は、砥粒を凝集させるのに用いるガラス化した結合材料の量と、砥石車を作るのに用いる有機樹脂結合材の量の和である。結合材の“（有機）”体積％は、結合材の全体積％のうちで、砥石車を作るために凝集体に添加する有機樹脂の割合である。

〔研磨試験〕
センターレス研削試験で実験用砥石車をテストし、フェノール樹脂を用いて結合させた比較用の基準砥石車（C-1）と比較した。この比較用砥石車はサン-ゴバン・アブレイシヴズ社、ウースター、マサチューセッツ州が製造している1つのクラスの砥石車を代表するものであり、工業用センターレス研削操作で用いられる最適の製品である。この比較用砥石車を選択したのは、工業用センターレス研削操作で用いられている砥石車と同等の組成、構造、物理的特性を有するからである。

研削機械：シンシナチ230-12トゥイン・グリップ・センターレス
モード：スルー-フィード
クーラント：濃度5％のトリムe210水溶性油
工作物：52100鋼鉄、直径1.2インチ、長さ1インチ
砥石車の速度：1313rpm
調整車の速度：130rpm
調整車の仕様：57A80RR-51
調整車のフィード角：1°
切れ込みの深さ：直径上で0.0025インチ（0.064mm）、または0.04インチ（0.102mm）または0.006インチ（0.152mm）
砥石車の目直し：マルチ-ポイント・ダイヤモンド、横断速度は12インチ/分、径方向成分は0.0005インチ
調整車の目直し：シングル・ポイント・ダイヤモンド、横断速度は6インチ/分、径方向成分は0.0005インチ

研削を行ない、砥石車の摩耗速度（WWR）、材料除去速度（MRR）、ならびに他の研削変数を記録した。そのデータを以下の表1-3に示す。

a．MPAは、砥粒1個あたりの材料除去量である。研削の間に砥粒1個につきどれだけの金属が除去されるかを調べるため、G比を、テストしている砥石車に含まれる砥粒の相対含有量（体積％）で割ることにより、てMPAを求める。実験用砥石車は26体積％の砥粒を含んでいるが、比較用砥石車は48体積％の砥粒を含んでいて、他の因子はすべて同じであるため、研削の当業者であれば、砥粒の体積％がより大きい砥石車のほうがG比が大きくなることが予想できよう。しかしMPAの値から、実験用砥石車は比較用砥石車よりも砥粒の利用効率がはるかに優れていることがわかる。

実験用砥石車が最大のMPA比と最低の砥石車摩耗速度を示すことがわかる。優れた研削能力を持つノートンSG（登録商標）アルミナ粒子を用いて作った市販されているタイプの比較用砥石車は、驚くべきことに、MPA（除去された材料／砥粒）比がより小さく、砥石車の摩耗速度がより大きかった。逆に、実験用砥石車は、材料の除去量が0.064〜0.152mmの範囲で、どの比較用砥石車よりも優れていた。また実験用砥石車は優れたMPA比を示したため、効率が優れていることは明らかである。

まったく予想外なことに、実験用砥石車は、砥粒の体積％がより大きくてより硬いグレードの砥石車よりも研削効率が優れていることが観察された。実験用砥石車は硬さが相対的に小さいグレード（すなわちノートン社の砥石車硬さスケールでNグレード）となるように構成されているにもかかわらず、より強力に研削がなされ、砥石車の摩耗はより少なかった。そのためはるかに硬いグレード値（すなわちノートン社の砥石車硬さスケールで7グレード分だけより硬いUグレード）を持つ比較用砥石車よりもMPA比が大きくなる。この重要かつ予想外の結果は、無機結合材との凝集体となった砥粒が実験用砥石車に存在していることと、この凝集した砥粒を用いて作った有機結合研削工具の強度と弾性（例えば大きくなった弾性係数）がより大きくなっていることに帰せられる。

Claims (5)

1. 三次元複合体を含む結合研削工具の製造方法において、下記の工程：
   ａ）有機結合材料を砥粒と混合して混合物を形成する工程であって、上記砥粒のうちの５０〜１００体積％の砥粒は無機結合材との焼結により多孔性焼結砥粒凝集体を形成しており、
   ｂ）上記混合物を成形する工程、
   ｃ）得られた混合物成形体を熱硬化させて結合研削工具とする工程であって、該熱硬化中に、前記有機結合材料が前記多孔性焼結砥粒凝集体の気孔の内部に侵入し、
   前記結合研削工具は、
   （ｉ）２０〜４８体積％の前記砥粒と、２０〜４８体積％の前記有機結合材料と、１０体積％未満の気孔とを含む第１の相と、
   （ｉｉ）１６〜３４体積％の気孔から成る第２の相と、を含み、
   且つ、前記砥粒の合計の体積％、前記有機結合材料の体積％、前記第１の相における前記気孔の体積％、および前記第２の相の前記気孔の体積％の合計は１００体積％である、
   ことを特徴とする結合研削工具の製造方法。
2. 請求項１において、上記工程ａ）で用いられる前記多孔性焼結砥粒凝集体に存在する気孔の７５体積％は相互に接合した気孔であることを特徴とする結合研削工具の製造方法。
3. 請求項２または３において、上記結合研削工具は、硬さのグレードが、ノートン社の硬さスケールでＪとＳの間であり、最小破壊速度が６０００ｓｆｐｍ（３０．４８ｍ／秒）であることを特徴とする結合研削工具の製造方法。
4. 請求項１〜３までのいずれか１項記載の製造方法によって製造された結合研削工具。
5. 請求項４記載の結合研削工具を用いてセンターレス研削する方法。

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