JPH0379277A - 高速研削用超硬砥粒砥石 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は内面研削加工のための高速研削用超硬砥粒砥
石に関する。

〔従来の技術〕

一般に取付は穴を有し回転する研削砥石においては、穴
の周辺に最大の作用応力がかかるため、穴の内壁で砥石
材料の破壊強度に達すれば、砥石は破壊する。

そこで、高速回転するビトリファイド研削砥石の穴の周
辺を研削砥石材料よりも強度の高い材料とすることによ
って、砥石破壊周速度は高められることになる。具体的
方法としては、つぎのようなものがある、すなわち、 （Ａ）高速回転をするビトリファイド研削砥石の補強方
法： ■砥石穴に金属内輪を貼り付ける（Ｅ、ＱＪｉｅｎｚｅ
ｌ。

ｔｌ、Ｊ、Ｇｒａｓｅｓ＋ａｎｎ＋に、Ｇｒｉｉｎｉｎ
ｇ　　：　　Ｗｅｇｅ　　ｚｕｒ　　Ｅｒｈ６ｈｕｎｇ
ｄｅｒ　Ｕｍｆａｎｇｓｇｅｓｃｈｗｉｎｄｉｇｋｅｉ
ｔ　ｖｏｎ　５ｈｌｅｉｆｓｃｈｅｉｂｅｎ、ＶＤＩ−
Ｚ、１０５．２６（１９６３）１２０１）　−■砥石穴
内周部をエポキシ樹脂により含浸補強する〔井上英夫；
ビトリファイド研削砥石の遠心破壊強さの推定について
、精密機械３７巻２号（１９７１））　。

■砥石内周部を細粒高結合度砥石とする〔山本明；補強
砥石の設計、精密機械３８巻９号（１９７２）　）　。

（Ｂ）立方晶窒化ほう素（以下これをＣＢＮと略記する
）またはダイヤモンド等の超硬砥粒ビトリファイド砥石
の補強方法： ■砥石周速度４５〜８０ｍ／ｓでは前記補強形式で砥石
内周部を金属軸とした場合に類似して砥石コアー（中心
核）を金属材料とし、その外周縁に研削層を配位させる
。

■砥石周速度が８０ｍ八を越える場合または少なくとも
１００ｍ／ｓを越える場合は、鋼製の円板周上に超硬砥
粒を電着配位する。

などである。

いま、前記したビトリファイド砥石における砥石コアー
または電着砥石の合金部などに鋼材料（たとえばＪＩＳ
−Ｇ４４０１、炭素工具鋼鋼材に規定するＳに３もしく
はＪＩＳ−Ｇ４０５１機械構造用炭素鋼鋼材に規定する
３４５Ｃなど）を使用すると、鋼の比重値は約７．８ｇ
ｆ／ｃｍ”であるから砥石重量は大きくなる。

砥石重量が大きくなれば、それに比例して遠心力は増加
し、通常、高速度で回転する砥石強度は遠心力の増加に
伴って減少するので、高速回転砥石の安全度を高めるた
めには単位体積当りの重量を軽くすることが必要になる
。

また、高速研削用として電着砥石を使用する場合、電着
砥石は超硬砥粒が単一層で円盤状台金部表面上に結合剤
で電着され、砥石作用面は砥粒とその間隙空間からなり
、かつ、砥粒間隔と狭い砥石間空間とは最初から固定さ
れたものとなる。したがって、有気孔で砥石の多層から
なるビトリファイドボンド研削砥石に比べて電着砥石は
、精密研削において、砥石形状の精度に必要なツルーイ
ング、ドレッシングは非常に困難なものとなり、加工精
度、能率および寿命の点で劣ることが知られている。ま
た、焼入れ鋼などの比較的長い切屑の出る被削材の研削
加工においては、目詰まりを起こしやすいので、空隙を
大きくした粗粒度砥石を用いると研削目は粗いものとな
る。さらに、電着砥石半径方向での実砥石使用量は、適
用砥粒径の約１／２で制限される結果、１個当りの砥石
寿命は短いものとなる。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上述べたように、高速研削用超硬砥粒砥石に関する従
来の技術においては、高速度の回転に耐え得る強度を有
し軽量であって、加工精度、能率および寿命において満
足できる内面研削砥石が未だ開発されていないという問
題点があり、これを解決することが課題であつた。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題を解決するため見掛は気孔率が１５〜２５％
、曲げ強度が室温下１０ｋｇｆ／ＩＩＩＩ”以上、熱膨
張係数が室温〜１０００℃間において（２，５〜３．５
）Ｘ１０−”／　’Ｃである窒化けい素セラミックスよ
りなる砥石本体の外周表面に、立方晶窒化ほう素または
ダイヤモンド等の超硬砥粒とビトリファイド結合剤とか
らなる多気孔型研削層を設けた高速研削用超硬砥粒砥石
とする手段を採用したものであり、以下その詳細を述べ
る。

まず、この発明は、窒化けい素セラミックス材を砥石本
体とし、この外周表面に超硬砥粒を含む均等な厚みの研
削層を被覆した方式の研削砥石であり、成形、乾燥後に
おいても、また焼成後においても砥石本体と研削層とは
充分な固着力によって強固に融着結合する必要がある。

そのために、窒化けい素セラミックス材の素材に多気孔
性のビトリファイドボンド砥石材を適宜選択し、このセ
ラミックス材からなる砥石本体の熱膨張係数が小さく、
研削層の熱膨張係数を上回ることなく、両者の差がある
限度を越えて大きくならないようにし、しかも高強度で
あることが肝要である。

すなわち、この発明における高速（少なくとも周速８０
−八を越える）研削用超硬砥粒砥石は、従来の内面研削
砥石の直径に殆んど等しい外径寸法を有する砥石コアー
金属材料の代わりに高強度、低膨張性の窒化けい素セラ
ミックス材を用いたことに特徴があり、砥石本体（研削
層支持体）の有する熱膨張係数および強度の具体的な値
は、熱膨張係数（室温から１０００℃の間）が（２，５
〜３．５）ＸＩＯ−６／℃２曲げ強度（室温）が１０ｋ
ｇｆ／ｍｓ”以上である。なお、従来の種々の補強形式
の中で、砥石内周縁の材料を細粒高結合度としたもの、
もしくは高強度とした砥石類似物について見ると、熱膨
張係数が室温から１０００℃において、３．５Ｘ１０−
６／℃以下の特性を満足する材料の曲げ強度は、種々の
試験範囲では概ね６．０×１０−”／　”Ｃ以下であっ
た。

つぎにこの発明において、窒化けい素セラミックス材で
構成される砥石本体の外周面上に、超硬砥粒を含む均等
な厚みの研削層を被覆する方法としては、たとえば超硬
砥粒を含むペースト状もしくはクリーム状の流粘体を調
製し、これを塗布し、乾燥固化した後に焼成する方法が
好ましい、ここで、使用する流粘体は、たとえばつぎの
ようにして得られる。すなわち、前記したＣＢＮまたは
ダイヤモンドなどの超硬砥粒（以下砥粒と略記する）を
上記の砥石本体の外周面に均等な厚みの被覆層にして付
着させるためのものであり、砥粒とビトリファイド結合
剤または人工気孔剤などからなり、各混合成分が均一分
散系を維持できるまでに充分な粘性を有し、しかも回転
する砥石本体の外周面に容易に付着して滴下しない程度
にまでペースト状、クリーム状またはプラスチゾル状を
保ち、適度の高粘度であることが必要である。このよう
な状態を維持させるためには、可塑性に冨むビトリファ
イド結合剤の選択と、さらに有機結合剤、たとえば、各
種澱粉、トラガントガム、アルギン酸塩、ゼラチンなど
の天然高分子、カルボキシルメチルセルローズ（ＣＭＣ
）のような半合成高分子、またはポリビニルアルコール
、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレングリコール等
の合成高分子など、を適宜選択使用することが必要であ
るが、さらに粘性の微調整のために、各種の無機もしく
は有機の解膠剤を随時使用することも出来る。要するに
このような結合剤等を用いて調整される流粘体の粘度は
、具体的には１００００〜１５０００ｃＰ　（ｍＰａ・
Ｓ）であることが望ましい、なぜならば、粘度が１００
００ｃＰ未溝の場合には、流粘体の砥石本体外周面への
付着量が不充分で、均等な厚みの被覆層が得られず、ま
た１５０００ｃＰを超える高粘度では、スリップ現象に
よる層分離などを生じ易くなり、付着量は返って減少し
、被覆層の厚みが不均一となる傾向が見られるようにな
るからである。したがって、このような粘度の流粘体を
得るためには、たとえば砥粒の結合剤に、特公昭５７−
４９３５１号公報に示されるつぎの（イ）または（ロ）
の組成（モル％）、すなわち、 Ｇ（）　　　　　　　　（ロ） Ｓｔｏｗ　　　　７１．７、　　　　７１．６ＡｂＯｓ
　　　１’７．２、　　　　　１６．４Ｍｇ０　　　　
　Ｏ，３、１，３ ＣａＯＯ，９、０，５ ＮａｚＯ２，１、２，３ Ｋｔｏ　　　　　２．Ｌ　　　　　　　２．ｌＦｅ１０
．　　０．２、　　　　　０．２ＦｅＯＯ，Ｉ ＬｉＦ　　　　　５．５、　　　　　５．５のビトリフ
ァイドボンドと有機結合剤、たとえば冷水には難溶で温
水に易溶の澱粉もしくはデキストリン、とを用いて所望
の粘度の流粘体を調製するためには、澱粉もしくはデキ
ストリンの粘度的４０００ｃＰの糊化水溶液（約１０°
ボーメ）を流粘体の２〜５重量％になるように添加すれ
ば、均一分散系のクリーム状組成物が得られることにな
る。

以上述べたような流粘体を砥石本体の外周面に被覆する
には、塗布または浸漬等通常用いられる塗装方法を利用
すればよいが、たとえば砥石本体を垂直にして回転（た
とえば、周速を毎分１．５〜２．５ｍ）Ｌ、外周面を流
粘体の層中に浸漬（深さ０．３〜０．５閣程度でよい）
しながら通過させる方法は実用的で好ましい方法といえ
る。そして、このような浸漬塗装を終えた砥石本体を流
粘体から引き揚げた直後に、砥石本体外周面に流粘体が
確実に安定粘着し、砥粒からなる研削層が安定して形成
されるためには、引き続いて砥石本体の外周面を、たと
えば赤外線照射のような方法で加熱（たとえば３０〜４
０℃）し、乾燥できるようにしておくとよい。

なお、乾燥、さらに焼成の工程を終えて形成される砥粒
からなる研削層が、砥石本体の外周面に確実に固着して
、剥離、脱落を起こさないためには、砥石本体と同様に
低膨張性であることは勿論好ましいことであるが、別途
耐熱性のある無機接着剤などを適宜選択して、たとえば
砥石本体の接着表面に８０〜１００−程度の厚みに耐熱
性無機接着剤の皮膜を形成した後、流粘体を被覆するな
どの方法を採ることもできる。

砥石本体の外周表面に、通常の場合、流粘体層を０．３
〜０．５１程度浸漬付着させればよいことは前記したと
おりであるが、このことによって、その後の乾燥および
焼成工程を通じて形成される研削層が、砥石本体に対し
てより強固な接着を達成することが可能となるので、流
粘体に外周表面を浸漬しながら回転する砥石本体を僅か
ずつ引き上げて行くと、流粘体は次第に付着量を増し堆
積する。しかし、乾燥後の研削層の厚みは、通常の場合
、最大２ｍｍを目安として浸漬処理を操作することが望
ましい。

、このように砥石本体を構成する窒化けい素セラミック
スの外周面に、流粘体を浸透付着させることが望ましい
ので、砥石本体の見掛は気孔率は１５〜２５％の範囲の
多孔性であることが好ましい、ここで、見掛は気孔率は
、空気中における試料の重さＨｌ（ｇ）　、水中におけ
る試料の重さＨｚ　（ｇ）、そして飽水した試料の重さ
１４３（ｇ）、をそれぞれ測定し、次式（ＪＩＳ−Ｒ６
２１０の５．２組織試験）によって求めた。

したがって、窒化けい素セラミックスを焼結させる方法
も、気孔率が減少する常圧法よりも、反応焼結法が好ま
しいといえる。ここで、気孔率は前記数値より大き過ぎ
ても小さ過ぎても、付着して形成される研削層が不均質
層になりやすくなり、不均質層になれば、たとえ流粘体
乾燥後において均一厚みを有していたとしても、焼成後
において完全に均質な砥石になるという保証はなく、厚
み不同が生じ、その結果乾燥歪みまたは焼成歪となり、
砥石本体と研削層との間にマイクロクラックなどが発生
しやすくなる。一方見掛は気孔率が２５％を越えて大き
くなると砥石本体の強度が著しく低下するという弊害が
起こる。

なお、この発明における砥石本体を構成する窒化けい素
セラミックスの熱膨張係数を室温〜１０００℃において
、（２，５〜３．５）　Ｘｌ０−”／”Ｃとする理由は
、この範囲外のものでは、研削層と一緒に焼成する際に
、熱膨張係数の差によって両者の接合力が低下するし、
または、見掛は気孔率との関係において適当な気孔率の
範囲を満足させることができず、または強度不足となる
などの多くの問題が生ずるからである。

さらに、この発明における研削層に用いるビトリファイ
ドボンドは超硬砥粒の支持力が大きいことが重要である
ことはいうまでもなく、たとえば特公昭５７−４９３５
１号公報に開示された前記（イ）または（ロ）に示す組
成のビトリファイドボンドなどを使用することができる
。そして、このような結合剤で固結されたこの発明の研
削層は耐摩耗性と研削力とに優れた性質を有することが
基本的に重要であって、前記したセラミックス質砥石本
体と合体接合する必要性があることから、好ましい接合
特性を有するボンド材であることが大切である。たとえ
ば、ＣＢＮ砥粒を含有する研削層の場合は熱膨張係数が
室温から７００℃の間において、（３，５〜４．５）Ｘ
ＩＯ−６／℃の範囲であることが望ましい、なぜならば
、膨張係数が３．５未満の小さい値であるときは、ボン
ド耐火度は上昇し、砥粒結合力は減少して砥石摩耗量が
多く研削比は小さくなり、砥石性能の低下が著しくなる
し、また、４．５Ｘ１０−’／℃を越える大きい値のと
きは、砥石本体の膨張係数との差を増大し、砥石本体と
研削層との接合部分にマイクロクラック発生等の欠陥を
生じ易くなって好ましくないからである。したがって、
窒化けい素セラミックス質の砥石本体とＣＢＮビトリフ
ァイドボンド研削層との熱膨張係数との差は１．２Ｘ１
０−”／”Ｃを越えないことが必要である。

〔作用〕

この発明の高速研削用超硬砥粒砥石は、砥石本体を、強
度が大きく、熱膨張係数が小さく、しかもある一定範囲
の気孔率を有する窒化けい素セラミックスで構成したこ
とによって、砥石本体の外周表面に被覆された超硬砥粒
とビトリファイド結合剤とからなる多気孔型研削層との
接合力が高まり、砥石の重量は軽量化され、高速回転に
充分耐えられるようになった。

〔実施例〕

実験ｌ： 砥石本体は金属シリコン粉末と窒化けい素粉末との重量
比９：１からなる混合物を均質混合した後、噴霧乾燥に
より造粒し、ついで金型成形をした、この際の圧力は、
試料の見掛は気孔率に対して、予め求めた焼結体密度お
よび見掛は気孔率から、成形体の密度を設定して１０〜
２０ｋｇｆ／ｍ’の範囲とした。得られた各試料成形体
は、１気圧窒素ガス中で、昇温速度４０±１０℃／時間
により、最高温度１４００〜１４５０℃で８時間保持し
た後冷却し試料とした。

このようにして得られた４種類の窒化けい素セラミック
スを砥石本体とするため、取付は穴内径１６ｍｍ、外径
１）５　ｍ、厚み１０ｍ、外周面半径５ｍの凸Ｒ面の円
盤状に成形した。

つぎに、このような砥石本体の外周面に研削層を形成す
るための流粘体を調製するに必要なＣＢＮ砥粒は、米国
セネラル・エレクトリック社製：商品名、ｊｆラゾ：／
　ＢＯＲＡＺＯＮ、粒度１２３０／２７０を使用し、ビ
トリファイド結合剤には第２表のＣに示す組成のものを
用いた。そして、ＣＢＮ砥粒とビトリファイド結合剤と
を重量比で５４　：　１６の割合で配合し、さらに、糊
化開始が約７３℃で糊化完了が約７９℃である澱粉の水
溶液〔粘度約４０００ｃＰ（ｓＰａ　−ｓ）　）を混合
物全量に対して３重量％になるよう加えて粘度約１２５
００ｃＰ　（ｍＰａ・３）の流粘体を調製した。このよ
うな流粘体に、前記の円盤状の砥石本体を毎分６回転の
速度で回転させながら外周表面を０．４閣浸漬して、外
周表面に流粘体を付着させ、３８℃、４０秒乾燥させた
後厚み２−の被覆を形成した。

このようにして、流粘体の被膜が形成された窒化けい素
セラミックスからなる砥石本体は、被膜を安定化し、研
削層に仕上げるために、まず６０℃、１０時間の乾燥を
行なった後、平均昇温速度毎時８０℃、最高温度１２５
０℃、不活性雰囲気を含む焼成サイクルの所要時間４２
時間の条件の下で焼成した。

得られた４種類の研削砥石の諸物性を一括して第１表に
示した。

なお、諸物性のうち、見掛は気孔率、曲げ強度および熱
膨張係数の測定方法はそれぞれ前記したとおりであるが
、砥石破壊回転数およびＣＢＮ層の付着状態はそれぞれ
つぎの方法によった。

砥石破壊回転数　ｒｐｓ　： 焼成を終わり、形状寸法を仕上げた試験砥石をＴＯＹＯ
ホイルヘッドを利用した砥石破壊試験装置にかけ、回転
数を上げ砥石が破壊するときの回転数を求める。（試験
数ｎ−３） ＣＢＮ層の付着状態： 窒化けい素セラミックスからなる砥石本体の外周表面に
、流粘体を付着させ、６０℃、１０時間乾燥させた状態
、すなわち、焼成工程に入る前の状態において、付着状
態を観察し、厚み不同、不均質または付着不良などが認
められるものを不良（×印）とし、均等の厚みで均質、
付着良好のものを良（Ｏ印　）とした。

第１表 第１表から、この発明の見掛は気孔率の範囲１５〜２５
％を越えて３０％である試料４および上記範囲未満の１
３％である試料１においては窒化けい素セラミックスか
らなる砥石本体の表面への研削層の付着状態は層厚さの
不同または付着不良などが認められた。また、室温下の
３点曲げ強度が１）０３ｃ　ｆ／＋ｓｍ”未満の試料４
においては３個の試験体（ｎ−３）のうち２個は他の試
料と同じように３３２５Ｏｒｐｍ以上の高速回転に耐え
たのに対し、他の１個は３１８２０　ｒｐ−で破壊した
。すなわち、試料１，２および３（し）ずれもｎ−３）
はいずれも３３２５０　ｒｐ−以上の高速回転に耐えて
いるので、安全係数を２として最高使用周速度（ＪＩＳ
−Ｒ６２４１ｒ研削砥石の最高使用周速度」参照）　１
００　ｍｉｓにおける強度を保証することが可能である
。

実験２： 第２表に示す５種類の成分モル比（％）からなるビトリ
ファイド結合剤を用いて前記実験１におけるＣＢＮ砥粒
を含む研削層の形成方法と全く同じ操作で焼成した後、
熱膨張測定用の試料、縦５閣、横５■、長さ４０■の角
型試片が採取できるよう研削層についてのみを鋳込み成
形した。得られた焼成体から試料片を採取し、東京工業
社製の熱膨張率測定装置によって熱膨張係数を測定し、
その結果を第２表に併記した。

第２表 さらにこのようにして得られた５種類Ａ、Ｂ、ＣＳＤお
よびＥのビトリファイド結合剤とＣＢＮ砥粒とからなる
研削層の研削砥石としての性能を試験した。研削試験の
方法はつぎのとおりである。

すなわち、材質がベアリングＶＩＡ　（ＳＵＪ２、硬さ
Ｈ３Ｃ５８／６０）であり、毎分４０６回転するリング
状加工物（外径４５閣、内径２２■）の端面に角型砥石
（砥石振動方向の長さ１０■、加工物回転方向の幅４ｍ
ｍ）を加工面に押付けて、砥石に毎分１）４０回の振動
と両側２．１Ｍの振幅を与えながら、２分間プランジカ
ット平面超仕上げを行なう方法に準拠するものであり、
加工油は硫化脂肪油５部と鉱油９５部との混合油を使用
し１前加工はいずれも−Ａ嘗３２０砥石により超仕上げ
をして、最大高さでほぼ１．０ＲＲａ□で一定の条件と
した。この超仕上げ条件下の加工物表面上における砥粒
の運動軌跡である正弦波の切削方向角（最大傾斜角）は
１０°であり、また砥石押付は圧力は１５　ｋｇ　ｆ　
／　ｃｙｓ　”で一定とした。このようにして得られた
結果を第３表にまとめた。

第３表から明らかなように、５種類のビトリファイド結
合剤をそれぞれ個別に使用した研削層に対応して作製し
た試験体において、試料Ａの砥石摩耗量が特に大きく、
切削量も少な（、研削比が非常に小さい、したがって、
このような高価なＣＢＮ砥粒を使用した超硬砥粒研削砥
石では、経済性の面できわめて不利であることは明白で
ある。

第３表 砥石本体の窒化けい素セラミックスと研削層との接合状
態を調べた。その結果を、正常である（◎印）、接合面
にマイクロクラックが認められる（Δ印）および明瞭な
りラックが認められる（×印）の３段階に評価し、第４
表にまとめた。

第４表 実験３： 前記実験１において高速研削用砥石本体として好ましい
ものと判断された試料２および３の窒化けい素セラミッ
クスと、前記実験２において使用可能と判断された結合
剤、試料Ｂ、Ｃ，ＤおよびＥとをそれぞれ組み合わせ、
実験１で行なったと全く同一方法でＣＢＮ砥粒を含む研
削層を砥石本体の外周面に設けた高速研削砥石を作製（
各種それぞれ３個、ｎ−３）した、砥石の形状寸法その
他の条件はすべて実験１と同じである。そして、第４表
から明らかなように熱膨張係数に、おいて砥石本体と結
合剤との間に大きい差がある２とＥ（３個中１個）およ
び３とＤ（３個中２個）の組み合わせにマイクロクラン
クが、さらに３とＥの組み合わせにおいては明瞭なりラ
ンクが確認されているので、砥石本体と結合剤との間に
は熱膨張係数に大きい差のないことが望ましく、両者の
熱膨張係数の差が１．２Ｘ１０−”／”Ｃ以下である他
の組み合わせには接合面の異常が認められないことがわ
かった。

〔効果〕

この発明の高速研削用超硬砥粒砥石は、砥石本体に気孔
のある窒化けい素セラミックスを使用したため、約２．
１）ｆ／ｃｍ”と比重が小さい、この比重はビトリファ
イドボンド研削砥石とほぼ同値で、綱の約１／４と非常
に小さいので、砥石を高速回転した際の遠心力はそれだ
け減少し、安全性は太き（向上することになる。また、
この発明の砥石は８０＋＊／ｓを越える高速研削用砥石
で円盤状窒化けい素セラミックスからなる砥石本体の外
周表面に超硬砥粒を含む研削層を被覆し、乾燥および焼
成して一体化させた砥石であるので、ツルーイング、ド
レッシングはより一層容易になり、高速研削加工におい
て発生する多量の研削熱に対しても容易に研削焼けまた
は目詰まりを起こすことはなく、低研削抵抗を実現させ
ることができる。さらにこの発明においては砥粒の多層
構造からなるビトリファイド研削砥石のため、研削層の
被覆厚みを制御することによって寿命の長い砥石とする
ことも可能である。したがって、 この発明の意義はきわ めで大きいということができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）見掛け気孔率が１５〜２５％、曲げ強度が室温下
   １０ｋｇｆ／ｍｍ＾２以上、熱膨張係数が室温〜１００
   ０℃間において（２．５〜３．５）×１０＾−＾６／℃
   である窒化けい素セラミックスよりなる砥石本体の外周
   表面に、立方晶窒化ほう素またはダイヤモンド等の超硬
   砥粒とビトリファイド結合剤とからなる多気孔型研削層
   を設けたことを特徴とする高速研削用超硬砥粒砥石。