JP5398132B2 - 研削砥石 - Google Patents

Description

本発明は、骨材に多孔質セラミックスを使用した研削砥石に関する。

例えばビトリファイドボンドを使用した研削砥石において、焼成時の大きな収縮によるひび割れを防止し、強度を向上させるため、また、砥粒間隔を大きくして（砥粒の集中度を低下させて）研削抵抗を下げるため、結合剤にアルミナ質砥粒や炭化珪素質砥粒よりなる骨材を添加することが知られている。しかし、ビトリファイドボンドは、焼成過程において溶融されて砥粒間にボンドブリッジを形成するが、冷却過程に入ると、超砥粒（ＣＢＮ粒）とアルミナ質砥粒等の骨材との熱膨張差に起因する剪断応力が前記ボンドブリッジを分断する方向に発生する。そのため、せっかく形成されたボンドブリッジが切断されてしまう。そこで、図４に示す特許文献１に記載の研削砥石１００は、超砥粒１０８の室温〜５００℃間の熱膨張係数に対して±２．０×１０^−６Ｋ^−１ 以内の熱膨張係数を有する酸化物粒子からなる骨材１０４を結合剤１０２中に超砥粒/骨材比９０/１０〜１０/９０容量比配合して、熱応力によりボンドブリッジ１０６が切断されないようにしたものである。

また、特許文献２に記載された発明においては、図５に示すように、砥石１１０では、砥粒１１２よりも比較的小さな粒径の多気孔粒子１１４が充填材として結合剤１１６中に含有されている。これによると、多気孔粒子１１４がツルーイングや研削時に破砕して、切れ刃となっている砥粒よりも後退し、研削抵抗を低下させる。
特公平１−３８６２８号公報 特公平７−１６８７９号公報

しかし、特許文献１の技術では、研削時において、図６に示すように、骨材１０４が被研削材（ワーク）と接触によって破壊せず、切れ刃となっている超砥粒１０８と同様な位置で被研削材と接触し続けて、骨材１０４が磨耗により少しずつ削られていくという状況が生じる。そのため、研削抵抗が大きくなり、研削時に発熱が生じるが、骨材１０４は熱伝導率が低いことから、この熱が被研削材に残留し、該被研削材に研削焼けが発生し、被研削材の強度低下を招くという問題があった。

また、特許文献２の技術では、研削抵抗を低下させる点において大変有効な技術であるが、隣り合う砥粒１１２同士を保持するボンドブリッジ１１３中に、空隙（気孔）を持つ小径の充填材１１４が多数含まれてしまうことにより、結合剤１１６としての強度が低下してしまい、研削負荷によりボンドブリッジ１１３が折損し、砥粒１１２の脱落磨耗を増大させて砥石寿命が短くなるおそれがあった。

本発明は係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、砥石の結合剤の結合強度を低下させることなく、研削時の研削抵抗を減少せしめ、研削性能及び研削寿命を向上させる研削砥石を提供するものである。

上述した課題を解決するために、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、立方晶窒化ホウ素粒またはダイヤモンド粒からなる超砥粒と骨材とが、結合剤中に含有された研削砥石において、互いに隣接する前記骨材の間或いは前記骨材と隣接する前記超砥粒との間で形成される前記結合剤のブリッジを備え、前記骨材は、気孔率３０〜６０％の脆性の高い多孔質のセラミックスから形成され、その骨材の平均粒径は、前記ブリッジを形成した前記結合剤中に前記骨材が多数含まれてしまうことがないよう、前記超砥粒の平均粒径の７０％〜１５０％であり、前記結合剤が形成するブリッジの網目の核となることである。

請求項２に係る発明の構造上の特徴は、請求項１において、互いに隣接する超砥粒間においても、結合剤のブリッジが形成されていることである。
請求項３に係る発明の構造上の特徴は、請求項１または２において、前記多孔質セラミックスは、アルミナ質粒子、ムライト粒子およびアルミナと酸化クロムとの複合酸化物粒子のいずれかであることである。

請求項１に係る発明によると、結合剤に含有される骨材の平均粒径は、超砥粒の平均粒径の７０％〜１５０％であり、超砥粒の粒径に比較して骨材の粒径の大きさが近いものである。そのため、比較的骨材の粒径が大きいことにより、研削砥石の内部にあって被研削物等に触れない骨材は、骨材全体で大きな研削負荷を受けることができ、また、従来のように、小さな多孔質の骨材が、隣接する超砥粒間の結合剤のブリッジの中に多数含まれてしまうことに起因して、結合剤のブリッジを脆くして折損させるようなことがない。そして、比較的大きな骨材が核となって、互いに隣接する骨材の間や骨材と隣接する超砥粒との間で、効果的に結合剤のブリッジを架橋させ、研削砥石の構造上の強化を図ることができる。これによって、超砥粒の脱落磨耗を防止して、研削砥石の寿命を延ばすことができる。

また、ツルーイング時や研削時において、工具や被研削物に面する砥粒と同じ位置にある骨材は、工具や被研削物に触れると多孔質の脆性から破砕し、切れ刃となっている砥粒の位置よりも後退するので、ツルーイングによって研削抵抗の低い研削面を容易に形成できるとともに、被研削物と骨材とが摩擦接触することに起因する研削焼けを防止することができる。また、破砕された多孔質部分が、切り屑を保持して廃棄するチップポケットを形成するとともに、冷却液の循環を促進するので、研削効率を向上させることができる。

請求項２に係る発明によると、脆性の比較的大きな骨材を介さずに、互いに隣接する超砥粒間で結合剤のブリッジを形成させることにより、研削砥石の強度を向上させることができる。
請求項３に係る発明によると、研削時に破壊を効果的に生じさせ、かつ砥石の構成を維持する強度を保持することができる。

本発明に係る研削砥石の実施形態を図面に基づいて以下に説明する。図１は、研削砥石の全体図であり、図２は、研削砥石の研削面付近の組織を示す拡大図である。

この研削砥石２は、図１に示すように、円盤状のコア４と、このコア４の外周に適宜接着剤を用いて或いは焼結により固着したリング状の砥石層６とから構成される。コア４は、鋼、アルミニウム或いはチタン等の金属材料、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）材、セラミックス（普通砥石）、で形成される。砥石層６は、リング状に焼成した砥石層リングをコア４の外周に固着して形成されるか、或いは複数の砥石セグメントをコア４に接着してリング状になるように形成される。コア４の中心には、後述する砥石台において、図略の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８が貫設され、中心穴８の周囲には前記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ボルト孔１０が複数形成されている。これらのボルト孔１０にボルトを挿通し、該ボルトを前記螺子孔に螺入することにより、研削砥石２を前記砥石軸に固着する。この研削砥石２が装着される研削盤には、図略の砥石台と図略のテーブルとが互いに直交する方向に摺動可能に案内され、該砥石台には図略のモータにより駆動される砥石軸が、研削砥石２により研削されるワーク（被研削物）Ｗの長手方向に平行な軸線回りに回転可能に設けられている。前記テーブル上には図略の主軸台と図略の心押台とが載置され、該主軸台及び該心押台によりワークＷがテーブルの移動方向に平行な軸線回りに回転可能に軸支されている。

砥石層６は、図２に示すように、例えばＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）砥粒からなる超砥粒１２と多孔質セラミックスの骨材としてのアルミナ質粒子１４とをビトリファイドボンド１６で結合している。ビトリファイドボンド１６は、隣接する超砥粒１２間、隣接するアルミナ質粒子１４間、及び隣接する超砥粒１２及びアルミナ質粒子１４間を架橋して結合し、架橋部２０間に気孔１８を形成している。アルミナ質粒子１４の気孔率は、例えば、１０％〜８０％のものが考えられる。好ましくは３０％〜６０％とすることにより、研削時に破砕を効果的に生じさせ、かつ砥石の構成を維持する強度を保持することができる。ＣＢＮの超砥粒１２の平均粒径は、例えば１１５μｍ（＃１７０）であり、アルミナ質粒子１４の平均粒径は、例えば１００μｍ（＃２００）である。この場合、アルミナ質粒子１４の平均粒径は、超砥粒１２の平均粒径の約８７％である。このように、超砥粒１２の粒径に対し、骨材の粒径を７０％〜１５０％の範囲とすることにより、骨材として砥石を構成する強度が維持されることが経験的に把握されており、かかる強度が維持できるのは、後述するように、結合剤（ビトリファイドボンド１６）によるブリッジを多孔質の骨材（アルミナ質粒子１４）が脆弱化させないことによると考えられる。なお、ＣＢＮの替わりにダイヤモンド砥粒を用いることもできる。

次に、実施形態にかかる研削砥石２の製造方法について説明する。まず、ＣＢＮ砥粒による砥石層６を製造する。この場合、ＣＢＮの超砥粒１２と、アルミナ質粒子１４と、ビトリファイドボンド１６とが、予め設定された混合割合で混練される。例えば使用されるアルミナ質粒子１４の量は、砥石層全体の５０容積％以下である。また、混合に際し、ＣＢＮの超砥粒１２やアルミナ質粒子１４に対するビトリファイドボンド１６の容量％が多過ぎると、隣接するアルミナ質粒子１４間、アルミナ質粒子１４と隣接する超砥粒１２との間で、結合剤のブリッジ（架橋部２０）が形成されにくくなり、また、ＣＢＮの超砥粒１２に対してアルミナ質粒子１４の容積％が少な過ぎると、超砥粒１２の集中度が増加して研削抵抗が大きくなるので、これらを考慮して上記混合割合が定められる。この混合物がリング状の砥石層６に対応する空間を形成する図略の型枠に充填されて加圧成型される。次に、加圧成型されたリング状の砥石層６が型枠から抜き出され、ビトリファイドボンド１６の焼成温度である１，０００℃前後で加熱焼成され、リング状の砥石層６が製造される。続いて、焼成された砥石層６を前記コア４の外周に接着剤を用いて固着させて研削砥石２とする。ビトリファイドボンド１６は、加熱焼成時の融解により隣接する超砥粒間等で架橋部（ブリッジ）２０及び気孔１８を形成する。この際、骨材としてのアルミナ質粒子１４の粒径は、超砥粒１２の粒径と近い大きさであるので、従来のように、隣接する超砥粒１２間の架橋部２０を形成したビトリファイドボンド１６中に、小さなかつ多孔質の充填材（骨材に相当）が多数含まれてしまうようなことがなく、アルミナ質粒子１４はビトリファイドボンド１６が形成する網目の核となって、隣接するアルミナ質粒子１４間で、或いは隣接する超砥粒１２とアルミナ質粒子１４間で架橋部２０を効果的に形成するので、研削砥石２の構造上の強化を図るとともに、超砥粒１２の脱落磨耗を防止して、研削砥石２の寿命を延ばすことができる。また、超砥粒１２の含有量を増加させることにより、互いに隣接する超砥粒１２の間に架橋部（ブリッジ）２０を多く形成することで、脆性を持つ多孔質のアルミナ質粒子（骨材）１４の介在が減少するので、研削砥石２の強度を上げることができる。

次に、上記構成の研削砥石２を使用した研削加工における作動について以下に説明する。まず、前記砥石台の砥石軸に研削砥石２を固着し、該砥石軸を前記モータにより駆動させて研削砥石２を回転させる。また、図略の主軸台と心押台との間に支持したワークＷを主軸台の主軸を回転させることにより軸線回りに回転させる。そして、砥石台をワークＷの軸線方向に直角な方向から前進させて研削をおこなう。

研削砥石２は、研削前においては、図２に示すように、アルミナ質粒子１４が超砥粒１２とほぼ同位置にあるが、アルミナ質粒子１４は多孔質で脆性が高いので、研削時のワークＷの表面との接触によりに破砕し、図３に示すように、ワークＷに対向して切り刃となっている超砥粒１２の前端位置より後退する。

これによって、研削抵抗を低下させるとともに、ワークＷとアルミナ質粒子１４とが接触し続けることによる研削焼けを防止することができる。また、破砕された多孔質部分が、切り屑を保持して廃棄するチップポケットを形成するとともに、冷却液の循環を促進するので、研削効率を向上させることができる。また、ツルーイングの際には、ツルーイング工具によって研削抵抗の低い研削面を容易に形成することができる。

なお、本実施形態では、骨材の多孔質セラミックスとして、アルミナ質粒子を使用したが、これに限定されるものではなく、例えばムライトの粒子、アルミナと酸化クロムとの複合酸化物粒子等による既知の多孔質材料を、適宜選択して使用することができる。

また、結合剤をビトリファイドボンドとしたが、これに限定されず、例えばボンドブリッジが形成可能なエポキシ樹脂系のレジノイドボンドを使用することができる。

本発明の実施の形態を示す研削砥石の全体図。 同砥石層の拡大図。 研削時における同砥石層の拡大図。 従来の研削砥石を示す図。 従来の研削砥石を示す図。 研削時における従来の研削砥石を示す図。

符号の説明

２…研削砥石、１２…超砥粒、１４…骨材（アルミナ質粒子）、１６…結合剤（ビトリファイドボンド、２０…ブリッジ（架橋部）、Ｗ…ワーク。

Claims (3)

1. 立方晶窒化ホウ素粒またはダイヤモンド粒からなる超砥粒と骨材とが、結合剤中に含有された研削砥石において、
   互いに隣接する前記骨材の間或いは前記骨材と隣接する前記超砥粒との間で形成される前記結合剤のブリッジを備え、
   前記骨材は、
   気孔率３０〜６０％の脆性の高い多孔質セラミックスから形成され、その骨材の平均粒径は、前記ブリッジを形成した前記結合剤中に前記骨材が多数含まれてしまうことがないよう、前記超砥粒の平均粒径の７０％〜１５０％であり、前記結合剤が形成するブリッジの網目の核となることを特徴とする研削砥石。
2. 請求項１において、互いに隣接する前記超砥粒間においても、前記結合剤のブリッジが形成されていることを特徴とする研削砥石。
3. 請求項１または２において、前記多孔質セラミックスは、アルミナ質粒子、ムライト粒子およびアルミナと酸化クロムとの複合酸化物粒子のいずれかであることを特徴とする研削砥石。

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