JP5636144B2 - ビトリファイド超砥粒砥石 - Google Patents

Description

本発明は、超砥粒をビトリファイドボンドを用いて結合させて成るビトリファイド砥石に関し、特に研削熱による被削材の変質、硬度低下、残留応力の発生を抑える技術に関するものである。

ビトリファイド超砥粒砥石は、たとえば５００乃至１０００℃程度の焼成温度で無機質のビトリファイドボンドを溶融させることで超砥粒を結合させるため、有機質のレジンボンドを用いる場合に比較して、砥粒保持力すなわち超砥粒とビトリファイドボンドとの間に高い接着力が得られる。たとえば、ＣＢＮ砥粒では、Ｂ元素やその合成工程で添加された触媒中のＫ或いはＮａ元素等がその表面に存在することから、それらの元素がビトリファイドボンドと反応し、その化学的結合力が砥粒保持力を高めていると考えられている。

従来から鋼材製被削材の中でも自動車のエンジンの主要部品であるカムシャフトやクランクシャフトなどの軸部品はエンジンの性能向上のために高精度の研削加工が適用されているが、研削時に発生する研削熱によって被削材である軸部品の加工変質、硬度低下、残留応力が発生するという問題があった。この問題の発生を解消するための一般的な対策としては、（ａ）切れ味のよい砥石を用いること、（ｂ）ポーラスな砥石を用いて研削時の切込み量を少なくすること、（ｃ）結合度の低い軟質な砥石を用いて加工条件を軽減すること、（ｄ）研削点にクーラントを十分に供給して冷却すること、（ｅ）ＣＢＮ砥粒とダイヤモンド砥粒とを種々の比率で混合した砥石を用いること等が、提案されている。たとえば特許文献１、特許文献２、特許文献３に記載された砥石がそれである。

特開２００９−０７２８３５号公報 特開２００３−３００１６５号公報 特開２０００−１５８３４７号公報 特開２００８−２００７８０号公報

このような特許文献１、特許文献２、特許文献３にて提案されている砥石は、いずれも研削時において研削熱が発生し難くされているため、研削焼けには効果がある。しかし、それらの提案は、いずれも定性的であって、製品仕様、生産能率すなわち研削能率が変化する毎に、高品質且つ高効率の得られる最適条件の作込みに多くの工数を必要とする。そのため、被削材の製品仕様、生産能率すなわち研削能率が変化すると、構造的な制限が発生し、加工精度や砥石寿命を始めとして被削材の品質に大きく影響するという問題があった。また、特許文献４にて提案されている砥石では、加工物の残留応力については何等の知見はない。

これに対し、本出願人は、先に、ＣＢＮ砥粒を主砥粒として用いるとともに熱伝導性の高いダイヤモンド砥粒を補助砥粒として用いることで、研削熱の発生、加工物の変質およびホイールの摩耗を抑制し、ホイールの寿命を高めるようにした提案を行なった。未公知の先願である特願２０１１−０７０３５４がそれである。これによれば、加工抵抗の増大及びドレッシング性能の低下などの問題が未だ残されていた。

本発明は以上の事情を背景としてなされたものであり、その目的とするところは、研削熱の発生、加工物の変質およびホイールの摩耗が抑制されるだけでなく、加工抵抗の低下およびドレッシング性能の向上が得られるビトリファイド超砥粒砥石を提供することにある。

本発明者等は、上記事情を背景とし、ビトリファイド超砥粒砥石の熱伝導率を高めて上記研削熱を抑制することについて種々検討を重ねた結果、従来は鋼材製被削材の研削には不向きとされていたダイヤモンド粒子をその高熱伝導率に着目して、ＣＢＮ砥粒を主砥粒としている用いられていたビトリファイド超砥粒砥石に所定の割合で混入すると、高精度且つ高能率の研削性能を維持しつつ、従来よりも研削熱の発生が抑制され、残留応力が小さくなるという事実を見いだした。同時に、補助砥粒として用いるダイヤモンド砥粒のタフネス値を、主砥粒であるＣＢＮ砥粒を１としたときに０．４〜１とすると、ヌープ硬度が高いながらも適度の破砕性を有する補助砥粒となり、加工抵抗の増大やドレッシング性能の低下を好適に抑制できるという事実を見いだした。本発明はこの知見に基づいて為されたものである。

すなわち、本発明の要旨とするところは、（ａ）主砥粒としてＣＢＮ砥粒を、補助砥粒としてダイヤモンド砥粒を含む超砥粒をビトリファイドボンドを用いて結合したビトリファイド超砥粒砥石であって、（ｂ）前記補助砥粒は、その主砥粒の１／２乃至１／１０の平均粒径を有し、（ｃ）その補助砥粒は、前記主砥粒を１としたときのタフネス値が０．４〜１であることにある。

本発明のビトリファイド超砥粒砥石によれば、その超砥粒は、主砥粒としてＣＢＮ砥粒と補助砥粒としてダイヤモンド砥粒とを含み、その補助砥粒は、その主砥粒の１／２乃至１／１０の平均粒径を有するので、その補助砥粒の平均粒径によりＣＢＮの砥粒分散性が高められるとともに、ＣＢＮ砥粒の２倍程度たとえばフィラーに用いられるアルミナ砥粒の２０倍程度の熱伝導率を有するダイヤモンド砥粒の存在によって研削熱が効率よく吸収されて、被削材の残留応力が小さくされる。また、補助砥粒は、主砥粒を１としたときに０．４〜１のタフネス値を有していて、ヌープ硬度が高いながらも適度の破砕性を有しているので、加工抵抗の増大やドレッシング性能の低下が抑制されて、砥石ホイールの耐久寿命が高められる。

ここで、好適には、前記補助砥粒は、前記ビトリファイドボンドとの接触角が９０〜１５０°である。このようにすれば、補助砥粒がビトリファイドボンドに埋没しない状態でそのビトリファイドボンドにより保持されるので、補助砥粒による吸熱効果が維持されるとともに補助砥粒の脱落が好適に防止される。補助砥粒に対するビトリファイドボンドの接触角が９０°を下まわると、補助砥粒がビトリファイドボンドに埋没して補助砥粒による吸熱効果が低下し、接触角が１５０°を上まわると、補助砥粒の保持力が低下して脱落が多くなる。

また、好適には、前記補助砥粒は、砥石全体に対して３〜１３体積％の体積比率で含まれる。このようにすれば、補助砥粒として用いるダイヤモンドの高熱導電性による吸熱効果と、ヌープ硬度が高いながらも適度の破砕性を有していることによる加工抵抗の増大やドレッシング性能の低下の抑制効果が、好適に得られる。補助砥粒の体積比率が３体積％を下まわると、上記ダイヤモンドに由来する吸熱効果や加工抵抗およびドレッシング性能低下の抑制効果が得られ難くなり、補助砥粒の体積比率が１３体積％を上まわると、切れ味、研削加工精度、ドレッシング性能が低下する。

また、好適には、前記ビトリファイドボンドは、砥石全体に対して１５〜３０体積％の体積比率で含まれるので、前記ダイヤモンド砥粒の存在に由来する効果が得られる。ビトリファイドボンドの体積比率が１５体積％を下まわると、ダイヤモンド砥粒がビトリファイドボンドの表面に露出する割合が高くなり研削に対するダイヤモンド砥粒の支配率が相対的に高くなって切れ味や研削精度が低下する。反対に、ビトリファイドボンドの体積比率が３０体積％を上まわると、ダイヤモンド砥粒がビトリファイドボンドに埋没して上記ダイヤモンド砥粒の機能が低下しその存在に由来する効果が十分に得られ難くなる。

また、好適には、円筒状の外周面を有するコアと、該コアの外周面に貼り付けられた複数個のセグメント砥石とを有し、そのセグメント砥石は、少なくとも外周側層において前記超砥粒が前記ビトリファイドボンドを用いて結合されたビトリファイド超砥粒砥石である。このことから、高価な超砥粒は専らビトリファイド超砥粒砥石のうちの研削に関与する領域に配設、他の部分は一般砥粒などの無機フィラーを用いることができるので、ビトリファイド超砥粒砥石が安価となる。

本実施例の製造方法によって製造された超砥粒砥石車を示す正面図である。 図１のビトリファイド砥石片を示した斜視図である。 図２のビトリファイド砥石片の表面層の構造を拡大して説明する図である。 ビトリファイド超砥粒砥石の製造方法の要部を説明する工程図である。 図１の超砥粒砥石車に用いるダイヤモンド砥粒のタフネス値の測定に用いる、粒度に応じて変更する粉砕時間を示す図である。 図１の超砥粒砥石車の使用状態の一例を示す図であって、ビトリファイド超砥粒砥石が装着された円筒研削盤により被削材であるカムシャフトを研削している状態を要部を切り欠いて示した側面図である。 研削性能評価試験１において、本発明品のビトリファイド砥石片を用いた研削によるワーク残留応力を、対照品のビトリファイド砥石片を用いた研削によるワーク残留応力と対比しつつ、加工本数に対する変化を示す図である。 研削性能評価試験１において、本発明品のビトリファイド砥石片を用いた研削によるホイール半径摩耗量を、対照品のビトリファイド砥石片を用いた研削によるホイール半径摩耗量と対比しつつ、加工本数に対する変化を示す図である。 研削性能評価試験１において、本発明品のビトリファイド砥石片を用いた研削における消費電力値を、対照品のビトリファイド砥石片を用いた研削における消費電力値と対比しつつ、加工本数に対する変化を示す図である。 研削性能評価試験１において、本発明品のビトリファイド砥石片のドレス率を、対照品のビトリファイド砥石片を用いた研削のドレス率と対比して示す図である。 研削性能評価試験２において、本発明品のビトリファイド砥石片のダイヤモンド砥粒の平均粒径を変化させた９種類の試料を用いたときの研削結果を示す図表である。 研削性能評価試験３において、本発明品のビトリファイド砥石片のダイヤモンド砥粒の体積比率を変化させた９種類の試料を用いたときの研削結果を示す図表である。 研削性能評価試験４において、本発明品のビトリファイド砥石片のビトリファイドボンドの体積比率を変化させた１０種類の試料を用いたときの研削結果を示す図表である。 研削性能評価試験５において、本発明品のビトリファイド砥石片のダイヤモンド砥粒のタフネス値を変化させた８種類の試料を用いたときの研削結果を示す図表である。 研削性能評価試験６において、本発明品のビトリファイド砥石片のビトリファイドボンドの接触角を変化させた８種類の試料を用いたときの研削結果を示す図表である。 図２のビトリファイド砥石片に含まれるアルミナ砥粒、ＣＢＮ砥粒、ダイヤモンド砥粒のビトリファイドボンドに対する濡れ性を評価する試験片の加熱前の状態を示す斜視図である。 図１６の試験片の加熱後の状態を示す斜視図である。 アルミナ砥粒のビトリファイドボンドに対する濡れ性を説明する模式図である。 ＣＢＮ砥粒のビトリファイドボンドに対する濡れ性を説明する模式図である。 ダイヤモンド砥粒のビトリファイドボンドに対する濡れ性を説明する模式図である。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明の一実施例の製造方法によって製造された超砥粒砥石車１０を示す正面図である。超砥粒砥石車１０は、たとえば炭素鋼、アルミニウム合金などの金属製の円盤状であってその中央部に研削装置（たとえば後述の円筒研削盤１２）に取り付けるための取付穴１４を有する取付部１６が設けられたコアすなわち台金１８と、その台金１８の回転軸心Ｗを曲率中心とする円弧に沿って湾曲させられた円弧板状であってその外周面にあたる研削面２０とそれに対して反対側の内周面にあたる貼着面２２とを有し、その貼着面２２が台金１８の外周面２４に隙間なく貼着された複数個（本実施例では１２個）のビトリファイド砥石片（セグメント砥石）２６とを、備えている。その大きさは用途により適宜設定されるが、本実施例の超砥粒砥石車１０は、たとえば、外径寸法Ｄが３８０ｍｍφ、取付部１６を除く厚みが１０ｍｍ程度の寸法に構成されたものである。

図２は、ビトリファイド砥石片２６を示す斜視図である。図３は、ビトリファイド超砥粒砥石組織により構成された上記表面層３０の断面を拡大して示す模式図一例であって、その内部におけるビトリファイドボンド３２とＣＢＮ砥粒３４およびダイヤモンド砥粒３６との結合状態を説明する模式図である。図１乃至図３において、ビトリファイド砥石片２６は、熔融アルミナ質、炭化珪素質、またはムライト質等のセラミック質の一般砥粒或いは無機フィラーがガラス質のビトリファイドボンド３２により結合されて成る内周側層すなわち下地層２８と、ＣＢＮ砥粒３４およびそれよりも小径のダイヤモンド砥粒３６がガラス質の無機結合剤により結合されて成る外周側層すなわち表面層３０とから一体的に構成されている。上記下地層２８は、専ら表面層３０を機械的に支持するための基台として機能するものである。

表面層３０は、専ら後述の被削材１０４を研削するための砥石として機能するものであり、主砥粒として機能するＣＢＮ砥粒３４と、補助砥粒或いはフィラーとして機能するダイヤモンド砥粒３６と、気孔３８とを含んでいる。ＣＢＮ砥粒３４は、立方晶窒化硼素粒子であってたとえば４７００Ｋｇ／ｍｍ^２程度のヌープ硬度と５５程度のタフネス値とを有し、たとえば６０メッシュ（平均粒子径２５０μｍ）乃至３２００メッシュ（平均粒子径５μｍ）の範囲内の大きさのものが好適に用いられる。

ダイヤモンド砥粒３６は、ＣＢＮ砥粒３４よりも小径であって、ＣＢＮ砥粒３４に対して高いヌープ硬度たとえば６０００Ｋｇ／ｍｍ^２程度のヌープ硬度と、ＣＢＮ砥粒３４に対して同等以下のたとえば３３程度のタフネス値とを有し、ある程度は砥粒として機能するが、研削熱の熱伝導体として機能するとともに研削面２０に露出して砥石摩耗を抑制する機能をも有している。この機能を効率良く発生させるために、ダイヤモンド砥粒３６は、たとえばＣＢＮ砥粒３４の平均粒径の１／２乃至１／１０の平均粒径を有し、たとえば３乃至１３体積％の体積比率となるように混入されている。すなわち、表面層３０において、たとえば、ＣＢＮ砥粒３４の体積比率は３０乃至４０体積％、ダイヤモンド砥粒３６の体積比率は３乃至１３体積％、ビトリファイドボンド３２の体積比率は２０乃至３０体積％、残部の気孔３８の体積比率は１７乃至４７体積％である。

ビトリファイドボンド３２は、たとえばホウ珪酸ガラス或いは結晶化ガラスから好適に構成される。結晶化ガラスとしては、例えばウイレマイトを析出するものなどがある。砥粒の保持力を十分なものとするため、好適には、ＣＢＮ砥粒３４に対して±２×１０^−６（１／Ｋ）（室温〜５００℃）とされる。上記ビトリファイドボンド３２として好ましいガラス組成は、たとえば、ＳｉＯ_２：４０〜７０重量部、Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜２０重量部、Ｂ_２Ｏ_３：１０〜２０重量部、ＲＯ（アルカリ土類金属）：２０〜１０重量部、Ｒ_２Ｏ：２〜１０重量部である。

図３において、ビトリファイドボンド３２内および表面には、ＣＢＮ砥粒３４よりも小径のダイヤモンド砥粒３６が分散されている。ダイヤモンド砥粒３６は、アルミナ砥粒（アランダムＷＡ）などの一般砥粒やＣＢＮ砥粒３４よりも、ビトリファイドボンド３２に対する濡れ性が相対的に低くビトリファイドボンド３２により被覆され難く、ビトリファイドボンド３２の表面や表面層３０の表面すなわち砥石の表面に露出する傾向にある。このため、被削材１０４と表面層３０の研削面２０との間の研削点に発生する研削熱を、熱伝導率の高いダイヤモンド砥粒３６を介して、効率良く金属製の台金１８側へ吸収させることができる。

図４は、上記超砥粒砥石車１０の製造方法の一例の要部を説明する工程図である。図４において、先ず、原料混合工程Ｐ１では、ビトリファイド砥石片２６を構成する下地層２８用の表２に示す原料と、ビトリファイド砥石片２６を構成する表面層３０用の表１に示す原料とをそれぞれ用意する。すなわち、アルミナ砥粒として知られるＡｌ_２Ｏ_３系などの一般砥粒、ＺｒＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系、ＬｉＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系などのガラス質のビトリファイドボンド(無機結合剤) 、成形時においてある程度の相互粘結力を発生させるためのデキストリンなどの成形用バインダー（粘結剤或いは糊量）を、下地層２８として予め設定された割合で秤量して、それぞれ混合し、下地層２８用の表２の原料を用意する。また、ＣＢＮ砥粒３４、ダイヤモンド砥粒３６、ビトリファイドボンド３２、必要に応じて適宜混入される有機物あるいは無機バルーンなどの気孔形成剤、成形時においてある程度の相互粘結力を発生させるためのデキストリンなどの成形用バインダー（粘結剤或いは糊量）を、表面層３０として予め設定された割合で秤量して、それぞれ混合し、表面層３０用の表１の原料を用意する。

［表１］
原材料名 割合
ＣＢＮ砥粒 (#100/120) ４０容量部
ダイヤモンド砥粒 (#700/800) ５容量部
ビトリファイドボンド ２０容量部
糊量 ６容量部

［表２］
原材料名 割合
球状ムライト ３５容量部
電溶ムライト １４容量部
ビトリファイドボンド ２０容量部
糊量 ６容量部

ここで、ダイヤモンド砥粒３６は、そのタフネス値がＣＢＮ砥粒３４を１としたときに０．４〜１であるものを用いる。このタフネス値は、粒度により指定された篩網（ＩＳＯ６１０６：２００５で最も残留率の多い篩）で篩別した試料０．４ｇと２．０４０ｇの鋼球１個とを、直径１２．５ｍｍ、長さ１９ｍｍの円筒状金属筒内に入れて、２４００ｒｐｍ、振幅８ｍｍで図５に示す粒度に応じて規定された粉砕時間で粉砕した後、指定された篩網（ＩＳＯ６１０６：２００５で１粒度細かい粒度分布規定の最も残留率の多い、なお、＃４００については＃３２５と同じ篩）で篩別し、篩網上の残存重量百分率で表わしたものである。この篩分けに関する使用機器及び方法はＪＩＳ Ｂ４１３０に準ずる。なお、＃４００より細粒の場合は、試料１０％粒子径を測定し、前述した粉砕方法で粉砕した後、予め測定した１０％粒子径より大きい粒子の体積の残存百分率で表わしたものである。また、１０％粒子径とはレーザ回折・散乱法によって求めた粒度分布から積算値で１０％での粒径をいう。このようにして測定されたＣＢＮ砥粒３４のタフネス値とダイヤモンド砥粒３６のタフネス値とから、ダイヤモンド砥粒３６のＣＢＮ砥粒３４に対するタフネス値の割合（ダイヤモンド砥粒３６のタフネス値／ＣＢＮ砥粒３４のタフネス値）を算出する。

次いで、成形工程Ｐ２では、所定の成形金型の成形キャビティー内に上記混合された表面層３０用の原料および下地層２８用の原料を順次充填し、加圧することにより、図２に示す形状の成形体を成形する。次いで、焼成工程Ｐ３では、上記成形体をたとえば１０００℃以下の温度で５時間焼成することにより、たとえば長さが４０ｍｍ、幅が１０．４ｍｍ、厚みが７．４ｍｍのビトリファイド砥石片２６を作製する。上記焼成により、原料に含まれる粘結剤等の有機物が消失させられるとともに無機結合剤が熔融させられ、その後固まった無機結合剤によって砥粒が相互に結合される。これにより、作製されたビトリファイド砥石片２６には、超砥粒が無機結合剤により結合された多数の連続気孔を有する多孔質のビトリファイド砥石組織が形成される。

次いで、貼着工程Ｐ４では、予め作製された台金１８の円筒状の外周面２４にビトリファイド砥石片２６をたとえばエポキシ樹脂接着剤等を用いて隙間無く貼着する。次いで、仕上げ工程Ｐ５では、上記ビトリファイド砥石片２６が貼着された台金１８すなわち超砥粒砥石車１０の表面をドレッシング工具や切削工具を用いて、その超砥粒砥石車１０の外径寸法Ｄやその外径寸法Ｄの真円度、および厚み寸法などを整える。なお、ビトリファイド砥石片２６は、焼成工程Ｐ３を終えた時点において上記の削り代だけ大きい所定の寸法となるように作製する。以上の各工程を経ることによって、図１に示すような、超砥粒が無機結合剤により結合されたビトリファイド砥石片２６が台金１８の外周面２４に貼着された超砥粒砥石車１０が製造される。

図６は、上記製造された超砥粒砥石車１０の使用状態の一例を示す図であって、上記超砥粒砥石車１０が装着された円筒研削盤１２により、鋼材製の被削材（カムシャフト）１０４の外周面であるカム面を研削している状態を示した側面図である。図６において、円筒研削盤１２は、基台であるベッド１０６と、そのベッド１０６の上に設けられ図示しない心押台の心押軸との間で楕円型カム形状の被削材１０４を挟持して紙面に垂直な軸心Ｗ２まわりに回転駆動する主軸を有する主軸台１０８と、サーボモータ１１０により一対のレール１１２に沿って軸心Ｗ２と平行な方向に移動可能且つサーボモータ１１４により一対のレール１１６に沿って軸心Ｗ２に直行する方向Ｙに移動可能なテーブル１２０と、そのテーブル１２０の上に設けられモータ１２２によりプーリー１２４、ベルト１２６、およびプーリー１２８を介して紙面に垂直な軸心Ｗ３まわりに回転駆動させられる回転主軸１３０を備える砥石台１３２と、図示しないポンプにより供給されるクーラント（兼研削液）が所定の圧力で噴射させられる一対のノズル１３４、１３６とを、備えている。超砥粒砥石車１０は、自身の回転軸心Ｗと上記軸心Ｗ３を一致させた状態で回転主軸１３０に取り付けられている。この円筒研削盤１２による研削加工は、一方のノズル１３４から回転している超砥粒砥石車１０と被削材１０４との間の研削点Ｐにクーラントが供給されるとともに他方のノズル１３６から超砥粒砥石車１０の研削面２０にクーラントが噴射されながら、砥石台１３２が被削材１０４に向かって方向Ｙに移動されることによって、回転する超砥粒砥石車１０の研削面２０により被削材１０４が研削されるようになっている。この際、超砥粒砥石車１０には、ノズル１３６により研削点Ｐから超砥粒砥石車１０の回転方向Ｒと逆方向の離れた位置でクーラントが吹き付けられることにより研削面２０が洗浄されるようになっている。

以上のように構成された超砥粒砥石車１０のビトリファイド砥石片(ビトリファイド超砥粒砥石) ２６は、主砥粒としてのＣＢＮ砥粒３４と補助砥粒としてのダイヤモンド砥粒３６とを含み、そのダイヤモンド砥粒３６は、そのタフネス値がＣＢＮ砥粒３４を１としたときに０．４〜１であって、ＣＢＮ砥粒３４の１／２乃至１／１０の平均粒径を有し、３〜１３体積％の体積比率で含まれる。このことから、補助砥粒としてのダイヤモンド砥粒３６は、主砥粒としてのＣＢＮ砥粒３４の１／２乃至１／１０の平均粒径を有するので、そのダイヤモンド砥粒３６の平均粒径によりＣＢＮ砥粒３４の砥粒分散性が高められるとともに、ＣＢＮ砥粒３４の２倍程度たとえばフィラーに用いられるアルミナ砥粒の２０倍程度の熱伝導率を有するダイヤモンド砥粒３６の存在によって研削熱が効率よくビトリファイド砥石片２６に吸収される。また、ダイヤモンド砥粒３６は、そのタフネス値がＣＢＮ砥粒３４を１としたときに０．４〜１の値を有していて、ヌープ硬度が高いながらも適度の破砕性を有しているので、超砥粒砥石車１０の加工抵抗の増大やドレッシング性能の低下が抑制されて、超砥粒砥石車１０の耐久寿命が高められる。

また、本実施例のビトリファイド砥石片２６によれば、補助砥粒であるダイヤモンド砥粒３６は、ビトリファイドボンド３２との接触角が９０〜１５０°であることから、ダイヤモンド砥粒３６がビトリファイドボンド３２に埋没しない状態でそのビトリファイドボンド３２により保持されるので、ダイヤモンド砥粒３６による吸熱効果が維持されるとともにダイヤモンド砥粒３６の脱落が好適に防止される。ダイヤモンド砥粒３６に対するビトリファイドボンド３２の溶融時の接触角が９０°を下まわると、ダイヤモンド砥粒３６がビトリファイドボンド３２に埋没してダイヤモンド砥粒３６による吸熱効果が低下する。反対に、ダイヤモンド砥粒３６に対するビトリファイドボンド３２の溶融時の接触角が１５０°を上回ると、ダイヤモンド砥粒３６の保持力が低下して脱落が多くなり、ダイヤモンド砥粒３６による研削熱の吸収が不十分なる。いずれにおいても、ダイヤモンド砥粒３６による研削熱の吸熱効果が低下するので、加工抵抗およびドレッシング性能低下の抑制効果が得られ難くなり、切れ味、研削加工精度、ドレッシング性能が低下する。

また、本実施例のビトリファイド砥石片２６によれば、補助砥粒であるダイヤモンド砥粒３６は、３〜１３体積％の体積比率で含まれる。このため、ダイヤモンド砥粒３６の高熱導電性による吸熱効果と、ヌープ硬度が高いながらも適度の破砕性を有していることによる加工抵抗の増大やドレッシング性能の低下の抑制効果が、好適に得られる。ダイヤモンド砥粒３６の体積比率が３体積％を下まわると、ダイヤモンドに由来する吸熱効果や加工抵抗およびドレッシング性能低下の抑制効果が得られ難くなり、ダイヤモンド砥粒３６の体積比率が１３体積％を上まわると、切れ味、研削加工精度、ドレッシング性能が低下する。

また、本実施例のビトリファイド砥石片２６によれば、ビトリファイドボンド３２は、１５〜３０体積％の体積比率で含まれることから、ダイヤモンド砥粒３６の存在に由来する効果が得られる。ビトリファイドボンド３２の体積比率が１５体積％を下まわると、ダイヤモンド砥粒３６の表面に露出する割合が高くなってダイヤモンド砥粒３６の保持が不安定となり、切れ味や研削能率が低下する。反対に、ビトリファイドボンド３２の体積比率が３０体積％を上まわると、ダイヤモンド砥粒３６がビトリファイドボンド３２に埋没して上記ダイヤモンド砥粒３６による熱吸収機能が低下しその存在に由来する効果が十分に得られ難くなる。

また、本実施例の超砥粒砥石車１０によれば、円筒状の外周面２４を有するコアすなわち台金１８と、その台金１８の外周面に貼り付けられた複数個のビトリファイド砥石片２６とを有し、そのビトリファイド砥石片２６のうちの少なくとも表面層３０は、ＣＢＮ砥粒３４およびダイヤモンド砥粒３６がビトリファイドボンド３２を用いて結合されたものであることから、高価な超砥粒は専らビトリファイド砥石片２６のうちの研削に関与する領域に配設され、他の部分は一般砥粒などの無機フィラーを用いることができるので、超砥粒砥石車１０が安価となる。

以下に、超砥粒砥石車１０の研削性能を評価するために本発明者が行なった評価試験１〜６をそれぞれ以下に説明する。

[研削性能評価試験１]
この評価試験１では、以下に説明する対照品から成るビトリファイド砥石と本発明品から成るビトリファイド砥石を、基本的には以下に示す材料および比率から図４に示す工程を用いて作成し、両者を用いて以下に説明する条件で研削試験および測定を行なった。図７乃至図１０はこの評価試験１の結果をそれぞれ示している。

＜対照品＞
・主砥粒：ＣＢＮ砥粒＃１２０（ヌープ硬度４７００ｋｇ／ｍｍ^２、熱伝導率１２００ｗ／ｍ・ｋ、タフネス値５５）
・補助砥粒：ダイヤモンド砥粒＃５００（ヌープ硬度６０００ｋｇ／ｍｍ^２、熱伝導率２０００ｗ／ｍ・ｋ、タフネス値６２）
・主砥粒の体積比率：４０％
・補助砥粒の体積比率：９％
・ボンド比率２６％
＜本発明品＞
・主砥粒：ＣＢＮ砥粒＃１２０（ヌープ硬度４７００ｋｇ／ｍｍ^２、熱伝導率１２００ｗ／ｍ・ｋ、タフネス値５５）
・補助砥粒：ダイヤモンド砥粒＃５００（ヌープ硬度６０００ｋｇ／ｍｍ^２、熱伝導率２０００ｗ／ｍ・ｋ、タフネス値３３）
・主砥粒の体積比率：４０％
・補助砥粒の体積比率：９％
・ボンド比率２６％

＜研削試験条件＞
・マシニングセンタ：NTC カムプロファイル研削盤NTG-CMQII2060
・砥石寸法：３５０ｍｍφ×３５ｍｍＴ×２０ｍｍＨ
・加工ワーク：ＦＣＤ７００（カムシャフト）
・切込み：１μｍ／１パス
・送り速度：１５０〜１０ｍｍ／ｍｉｎ(４ステップ研削)
・研削液：株式会社ノリタケカンパニーリミテド製ＮＫ−Ｚ（３０倍希釈）
・ドレス：１２０ｍｍφシャープナー、５μｍ切込、リード０．２８ｍｍ／ｒｅｖ

＜測定項目＞
・残留応力の測定
測定装置：Ｘ線応力測定器（株式会社リガク製）
測定箇所：カムリフト部
株式会社リガク製のＸ線応力測定装置ＡｕｔｏＭＡＴＥを用いて、被削材のカム面のうちカムリフト部の残留応力（ＭＰａ）を、加工本数の増加に伴って所定の間隔で測定した。
・ホイール半径摩耗量の測定
測定装置：面粗さ計（テーラーホブソン製）
測定箇所：カーボン型取り、断面段差測定
テーラーホブソン社製の表面形状粗さ測定器ＰＧＩ１２５０Ａを用いて、研削試験に用いた砥石の研削面においてカムシャフトに摺接することで形成される凹みの深さに相当する回転軸心方向の段差(μｍ）を、加工本数の増加に伴って所定の間隔で測定した。
・消費電力量の測定
測定装置：電力計（日置電機製）
測定箇所：砥石軸モータ
日置電機製の電力計を用いて、研削中の研削盤の砥石軸駆動モータの消費電力（ｋＷ）を、加工本数の増加に伴って所定の間隔で測定した。
・ドレス率の測定
測定装置：輪郭形状測定器（株式会社ミツトヨ製）
測定箇所：ロータリドレッサのドレス面
株式会社ミツトヨ製の輪郭形状測定器ＣＶ−２０００を用いて、ビトリファイド砥石外周面のドレス前後のロータリドレッサの外径を測定してドレスによる摩耗量を測定するとともに、それに対する前記ホイール半径摩耗量（段差μｍ）の割合すなわちドレス率（％）を研削毎に算出した。

図７は、前記研削条件で研削を行なった被削材のワーク残留応力（ＭＰａ）を測定し、それら測定値を研削加工本数毎に表示している。図７から、本発明品のビトリファイド砥石の値（黒丸印）と対照品のビトリファイド砥石の値（四角印）との差はみられない。両者共に、表面の圧縮応力が高められ、耐摩耗性が向上している。

図８は、加工本数毎のホイール半径方向の摩耗量（μｍ）の測定値を示している。本発明品のビトリファイド砥石の値（黒丸印）と対照品のビトリファイド砥石の値（四角印）との差はみられない。両者共に、ホイール半径方向の摩耗量が少なく耐摩耗性が向上している。

図９は、加工本数毎の研削中の消費電力値（ｋＷ）の測定値を示している。本発明品のビトリファイド砥石の値（黒丸印）は、対照品のビトリファイド砥石の値（四角印）よりも１０％程度低くなっている。本発明品のビトリファイド砥石は、対照品のビトリファイド砥石よりも研削中の回転抵抗が低く、ビトリファイド砥石の切れ味が大幅に向上している。

図１０は、一定(５μｍ) の切り込みでドレッシングを行なったときの、本発明品のビトリファイド砥石のドレス時のドレス率を、対照品のビトリファイド砥石のドレス時のドレス率と対比して示している。本発明品のビトリファイド砥石のドレス率は８０％（ドレッサの摩耗が２０％であるのにビトリファイド砥石の切り込みが８０％が得られた) であるのに対して、対照品のビトリファイド砥石のドレス時のドレス率５０％であった。本発明品のビトリファイド砥石によれば、ドレッシング時のドレッサ摩耗が少なくドレッシング性が大幅に向上している。

[研削性能評価試験２]
研削性能評価試験２では、前記研削性能評価試験１で用いた本発明品のビトリファイド砥石と同じ組成および体積％という条件下で、ＣＢＮ砥粒の平均粒径に対するダイヤモンド砥粒の平均粒径を相違させて９種類の試料１〜９を作成し、それら試料１〜９を用いて前記と同様の研削試験を行った。図１１はその結果を示している。図１１に示すように、ＣＢＮ砥粒の平均粒径に対してダイヤモンド砥粒の平均粒径が０．５倍、０．３８倍、０．２５倍、０．２倍、０．１倍である試料４、試料５、試料６、試料７、試料８による研削結果は砥石製品として満足すべき性能であった。しかし、ＣＢＮ砥粒の平均粒径に対してダイヤモンド砥粒の平均粒径が１．５倍、１倍、０．７５倍である試料１、試料２、試料３による研削では、研削に寄与するダイヤモンド砥粒の支配率が高くなり過ぎて、切れ味低下傾向となり、形状精度が十分に得られなかった。反対に、ＣＢＮ砥粒の平均粒径に対してダイヤモンド砥粒の平均粒径が０．０５倍である試料９による研削では、ダイヤモンド砥粒が小さ過ぎて熱伝導や摩耗抑制に対して十分に寄与できないので、研削熱の熱伝導や摩耗抑制が十分に得られず、残留応力や摩耗について不十分となっていた。従って、ダイヤモンド砥粒の平均粒径については、ＣＢＮ砥粒の平均粒径に対してダイヤモンド砥粒の平均粒径が０．５倍乃至０．１倍の範囲で、好適な結果が得られた。

[研削性能評価試験３]
研削性能評価試験３では、組成は前記研削性能評価試験１で用いた本発明品のビトリファイド砥石と同じであるが、ダイヤモンド砥粒の体積％のみを相違させて試料１０乃至１８を作成し、前記と同様の研削試験を行った。図１２はその結果を示している。図１２に示すように、ダイヤモンド砥粒の体積％が３体積％、５体積％、７体積％、９体積％、１２体積％、１３体積％である試料１２、試料１３、試料１４、試料１５、試料１６、試料１７による研削結果は砥石製品として満足すべき性能であった。しかし、ダイヤモンド砥粒の体積％が１．５体積％、２．７５体積％である試料１０、試料１１による研削では、ダイヤモンド砥粒が少な過ぎてビトリファイドボンドから十分に表れないので、ダイヤモンド砥粒の熱伝導や摩耗抑制が十分に得られなかった。反対に、ダイヤモンド砥粒の体積％が１４体積％である試料１８による研削では、ダイヤモンド砥粒の数が多くなり過ぎて、切れ味低下傾向となり、形状精度が十分に得られなかった。従って、ダイヤモンド砥粒の割合については、３体積％乃至１３体積％の範囲で、好適な結果が得られた。

[研削性能評価試験４]
研削性能評価試験４では、組成は前記研削性能評価試験１で用いた本発明品のビトリファイド砥石と同じであるが、ビトリファイドボンドの体積％のみを相違させて試料１９乃至２８を作成し、前記と同様の研削試験を行った。図１３はその結果を示している。図１３に示すように、ビトリファイドボンドの体積％が１５体積％、１８体積％、２１体積％、２４体積％、２７体積％、３０体積％である試料２１、試料２２、試料２３、試料２４、試料２５、試料２６による研削結果は砥石製品として満足すべき性能であった。しかし、ビトリファイドボンドの体積％が１４体積％、１６体積％である試料１９、試料２０による研削では、ビトリファイドボンドの割合が少な過ぎてビトリファイドボンドからのダイヤモンド砥粒の突出し量が７０％以上、６０％以上となってダイヤモンド砥粒の保持が不安定となり、脱落するので、ダイヤモンド砥粒の熱伝導や摩耗抑制が十分に得られなかった。反対に、ビトリファイドボンドの体積％が３１体積％、３３体積％、である試料２７、試料２８による研削では、ビトリファイドボンドからのダイヤモンド砥粒の突出し量が２０％、１０％以下となり、ダイヤモンド砥粒の熱伝導効果が低下傾向となり、残留応力が十分に低くならなかった。従って、ビトリファイドボンドの割合については、１５体積％乃至３０体積％の範囲で、好適な結果が得られた。

［研削性能評価試験５］
研削性能評価試験５では、組成は前記研削性能評価試験１で用いた本発明品のビトリファイド砥石と同じであるが、ダイヤモンド砥粒のタフネス値のみを相違させて試料２９乃至３６を作成し、前記と同様の研削試験を行った。図１４はその結果を示している。図１４に示すように、ＣＢＮ砥粒のタフネス値を１としたときのダイヤモンド砥粒のタフネス値が、０．４、０．６、０．８、０．９、１．０である試料３１、試料３２、試料３３、試料３４、試料３５による研削結果は砥石製品として満足すべき性能であった。しかし、ＣＢＮ砥粒のタフネス値を１としたときのダイヤモンド砥粒のタフネス値が０．２、０．３である試料２９、試料３０による研削では、ダイヤモンド砥粒の破砕性が過度によいので砥石摩耗が多く、砥石寿命が得られなかった。反対に、ＣＢＮ砥粒のタフネス値を１としたときのダイヤモンド砥粒のタフネス値が１．１である試料３６による研削では、ダイヤモンド砥粒の破砕が不十分となるため、ドレス率が低下した。従って、ダイヤモンド砥粒のタフネス値については、ＣＢＮ砥粒のタフネス値を１としたときの値が０．４〜１．０の範囲で、好適な結果が得られた。

［研削性能評価試験６］
研削性能評価試験６では、組成は前記研削性能評価試験１で用いた本発明品のビトリファイド砥石と同じであるが、ビトリファイドボンドの組成或いは焼成温度によりダイヤモンド砥粒に対するビトリファイドボンドの接触角のみを相違させて試料３７乃至４４を作成し、前記と同様の研削試験を行った。図１５はその結果を示している。

ここで、ビトリファイドボンドの接触角は、溶融するビトリファイドボンドを液体としたとき、その液体の液面とそれに接触する固体の壁面との成す角度である。ビトリファイドボンドの接触角は、ダイヤモンド砥粒のみならず、ＣＢＮ砥粒やフィラーとして用いる一般砥粒に対しても同様に形成される。ビトリファイドボンドとダイヤモンドの固着面（試料）の断面から走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて測定できる。図１６および図１７は、ビトリファイドボンドの濡れ性を確認した実験を説明するためのものである。この実験では、先ず、ビトリファイドボンド３２の粉体をプレス成形によってペレット状に成形したボタン５０の上に、ＣＢＮ砥粒３４、ダイヤモンド砥粒３６、アルミナ砥粒４０を載置する。次いで、そのボタン５０を耐火物プレート５２上に載置した状態で焼成炉内でたとえば７５０℃にて加熱し、図１７に示すようにボタン５０を溶融する。そして、溶融されたボタン５０上のＣＢＮ砥粒３４、ダイヤモンド砥粒３６、アルミナ砥粒４０を、走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ）を用いて砥粒とビトリファイドボンド３２との境界を観察する。アルミナ砥粒４０とビトリファイドボンド３２との境界は、液体が界面を競り上がって（這い上がって）いるようにぼやけて観察される。これにより、アルミナ砥粒４０のビトリファイドボンド３２対する接触角が小さく、相互の親和性が高いとことが推認される。ＣＢＮ砥粒３４とビトリファイドボンド３２との境界は、液体が界面を競り上がって（這い上がって）いるようにぼやけて観察されるが、アルミナ砥粒４０の場合よりも程度が低い。これにより、ＣＢＮ砥粒３４のビトリファイドボンド３２対する接触角は小さく相互の親和性が高いが、アルミナ砥粒４０ほど大きくはないということが推認される。ダイヤモンド砥粒３６とビトリファイドボンド３２との境界は、液体が界面を競り上がって（這い上がって）いるような部分がなく、液体がはじいているように観察される。これにより、ダイヤモンド砥粒３６のビトリファイドボンド３２対する接触角は相対的に大きく、相互の親和性は相対的に低いことが推認される。

図１８、図１９、図２０は、ビトリファイドボンド３２の粉体中の同じ場所に位置する砥粒のビトリファイドボンド３２の溶融後の状態を、上記の結果に基づいて、ＣＢＮ砥粒３４、ダイヤモンド砥粒３６、およびアルミナ砥粒４０のビトリファイドボンド３２に対する濡れ性を説明する模式図である。接触角が小さく最も濡れ性のよいアルミナ砥粒４０は、図１８に示すように、ビトリファイドボンド３２の溶融後ではビトリファイドボンド３２により覆われている。アルミナ砥粒４０ほどではないが比較的濡れ性のよいＣＢＮ砥粒３４は、図１９に示すように、ビトリファイドボンド３２の溶融後ではビトリファイドボンド３２から一部露出し、突き出した状態で覆われている。ＣＢＮ砥粒３４よりも接触角が大きく濡れ性の低いダイヤモンド砥粒３６は、図２０に示すように、ＣＢＮ砥粒３４よりも多く一部が露出し、突き出した状態で、ビトリファイドボンド３２により覆われている。

図１５に示すように、ビトリファイドボンドのダイヤモンド砥粒に対する接触角が９０°、１１０°、１３０°、１４０°、１５０°である試料３９、試料４０、試料４１、試料４２、試料４３による研削結果は砥石製品として満足すべき性能であった。しかし、ビトリファイドボンドのダイヤモンド砥粒に対する接触角が７０°、８０°である試料３７、試料３８による研削では、濡れ性が高くダイヤモンド砥粒がビトリファイドボンドに埋没してダイヤモンド砥粒が研削熱の吸熱粒子として機能せず吸熱効果が低下する。反対に、ビトリファイドボンドのダイヤモンド砥粒に対する接触角が１６０°である試料４４による研削では、ダイヤモンド砥粒に対するビトリファイドボンドの濡れ性が悪くてダイヤモンド砥粒の保持力が低下して脱落が多いため、ダイヤモンド砥粒３６による研削熱の吸収が不十分となる。いずれにおいても、加工抵抗およびドレッシング性能低下の抑制効果が得られ難くなる。

以上、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこの実施例に限定されるものではなく、別の態様でも実施され得る。

たとえば、前述の実施例では、本発明のビトリファイド超砥粒砥石が、ビトリファイド砥石片２６の表面層３０に適用されていたが、下地層２８を備えないビトリファイド砥石片２６の全体に対して適用されてもよく、また、円板形砥石、カップ状砥石、ホーニング砥石、ブロック状砥石の全体または表層に対して適用されてもよい。

また、前述の実施例のビトリファイド砥石片２６の表面層３０では、補助砥粒としてダイヤモンド砥粒３６のみが用いられていたが、その他の砥粒或いはフィラーが添加されていてもよい。

なお、上述したのはあくまでも一実施形態であり、その他一々例示はしないが、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づいて種々変更、改良を加えた態様で実施することができる。

１０：超砥粒砥石車
１８：台金（コア）
２４：外周面
２６：ビトリファイド砥石片（セグメント砥石、ビトリファイド超砥粒砥石）
３０：表面層
３２：ビトリファイドボンド
３４：ＣＢＮ砥粒（超砥粒）
３６：ダイヤモンド砥粒（超砥粒）
３８：気孔

Claims (5)

1. 主砥粒としてＣＢＮ砥粒を、補助砥粒としてダイヤモンド砥粒を含む超砥粒をビトリファイドボンドを用いて結合したビトリファイド超砥粒砥石であって、
   前記補助砥粒は、該主砥粒の１／２乃至１／１０の平均粒径を有し、
   該補助砥粒は、前記主砥粒を１としたときのタフネス値が０．４〜１であることを特徴とするビトリファイド超砥粒砥石。
2. 前記補助砥粒は、前記ビトリファイドボンドとの接触角が９０〜１５０°であることを特徴とする請求項１のビトリファイド超砥粒砥石。
3. 前記補助砥粒は、砥石全体に対して３〜１３体積％の体積比率で含まれることを特徴とする請求項１または２のビトリファイド超砥粒砥石。
4. 前記ビトリファイドボンドは、砥石全体に対して１５〜３０体積％の体積比率で含まれることを特徴とする請求項１または２のビトリファイド超砥粒砥石。
5. 円筒状の外周面を有するコアと、該コアの外周面に貼り付けられた複数個のセグメント砥石とを有し、
   該セグメント砥石は、少なくとも外周側層において、前記超砥粒が前記ビトリファイドボンドを用いて結合されたものである請求項１または２のビトリファイド超砥粒砥石。
   

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