JPH05214320A - 砥 粒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高品位かつ高能率加工に適した研削砥石用砥
粒の提供。 【構成】 粒子の２次元投影像とそれに外接する円との
比率の逆数で表される形状係数の平均が1.7 を越え、そ
の標準偏差が0.4 以下である多結晶型立方晶窒化ほう素
からなることを特徴とする砥粒。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多結晶型の立方晶窒化
ほう素（ｃＢＮ）からなる研削砥石用砥粒に関するもの
である。本発明の砥粒が応用される研削砥石としては、
特に高品位かつ高能率研削用のレジンボンド砥石、ビト
リファイド砥石等があげられる。

【０００２】

【従来の技術】ｃＢＮはダイヤモンドに次ぐ硬さと熱伝
導率を有し、鉄系金属と反応しないとうダイヤモンドに
はない特徴を持つことから、鉄系金属の研削加工用砥粒
としての利用が進められている。

【０００３】近年の研削加工は、高品位化、高能率化の
方向にある。高品位加工とは、加工物の表面性状を高品
位にする加工であり、その具体例としては、加工物表面
の表面粗さを小さくすることや意図的に加工物表面に圧
縮応力を残留させて加工物の機械的強度をあげることで
ある。一方、高能率化とは、たとえば単位時間当たりの
加工量を増やす目的で砥石の周速度を大きくすることで
あり、最近では周速度60m/sec 以上の高速研削も検討さ
れている。

【０００４】しかしながら、従来のｃＢＮ砥粒では、高
品位化と高能率化を同時に満足するような砥石にはでき
なかった。それは、以下に示す要求を同時に満たすよう
な砥粒が存在しなかったことに起因している。 （１）加工物の表面粗さを小さく一定に保つという目的
のためには、砥石に含まれる砥粒の中で一部の粒子が目
つぶれを起こすことなく、粒子一つ一つの強度にバラツ
キのない均一な砥粒が必要となる。 （２）加工物表面に圧縮応力を残留させるという目的の
ためには、「ｃＢＮホイール研削加工技術」（工業調査
会 1988 年発行）に紹介されているように、砥石の切れ
味をよくする、すなわち、研削抵抗を小さくして研削中
に加工物との間で発生する摩擦熱を充分小さくする必要
がある。そのためには、切れ味を一定に維持するために
研削時に砥粒が適当に破壊し脱落し、新たな砥粒切れ刃
が砥石表面に露出させる必要があり、均一で適当な破砕
性を持つ砥粒が要求される。 （３）砥石の周速度を大きくし高速研削を行う目的のた
めには、研削時に砥粒部分に大きな負荷がかかるので、
高い強度を持つ砥粒が要求される。

【０００５】従来から用いられてきた単結晶型のｃＢＮ
砥粒は、粒子一つ一つが自形した単結晶の形状を持つた
め強度が比較的均一であり、また、単結晶であるので容
易にへき開しやすく破砕性も大きいが、強度が小さくて
周速度60m/sec のような高速研削に耐えるようなもので
はなかった。

【０００６】一方、高い強度を持つｃＢＮ砥粒としては
多結晶型のものがある。多結晶型の砥粒は、微細な結晶
粒子が互いに強固に結合した多結晶体構造を有するた
め、粒子一つが単結晶により構成される単結晶型ｃＢＮ
砥粒のようにへき開などの大破壊を起こさず、高い強度
を示す。しかし、従来の多結晶型のｃＢＮ砥粒は、逆に
強度が大きすぎて適当に破砕しないので、研削中に切れ
刃先端が摩耗し丸くなるため切れ味に劣る。さらには、
均一な砥粒強度を持たないので砥石表面の一部の砥粒が
破壊してしまい、加工物の表面が粗れてくるので頻繁に
ドレッシング、ツルーイングを行わなければならない等
の問題点があった。

【０００７】一般に砥粒の形状と強度の間には相関があ
り、かさの大きい粒子ほど強度が大きいと言われてき
た。そのため、砥粒の形状の基準として、ＪＩＳ Ｒ６
１２６「人造研削材のかさ比重試験法」に規定されてい
るように、粒子を一定容積に充填したときに得られるか
さ比重が採用されてきた。しかし、この方法では粒子の
形状を間接的にしか捉えることができず、特に砥石とし
て用いた場合の研削特性との間にはよい相関は得られて
いなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、以上の
問題点を解決し、高品位かつ高能率加工に適した研削砥
石用砥粒を提供することを目的とし、多結晶型ｃＢＮ砥
粒の強度について、種々検討した結果、以下のように、
粒子先端の形状が砥粒の強度に大きく影響する事実を見
いだし、本発明を完成させたものである。

【０００９】（１）市販の多結晶型ｃＢＮ砥粒を用いた
砥石で実際に周速度60m/sec の高能率の条件で研削を行
い、その前後で砥石表面の状態を観察した結果、研削前
に粒子先端の凹凸が大きい形状を持っていた砥粒が選択
的に破砕を起こし新たな鋭利な刃先となっている。 （２）研削前に粒子先端の凹凸が少ない形状を持つ砥粒
は、研削中にも破砕せず、粒子先端が摩耗して丸まる。 （３）粒子先端の凹凸が大きい砥粒のみを用いた砥石で
周速度60m/secの高能率研削を行ったところ、長時間に
渡って研削抵抗の上昇がなく、砥石の摩耗量も小さかっ
た。しかも加工物の表面には圧縮応力が残存していた。 （４）さらに、破壊を起こしやすい粒子の形状を表現す
る方法を種々検討した結果、粒子の２次元投影像とそれ
に外接する円との比率の逆数で表される形状係数と多結
晶ｃＢＮ砥粒の強度との間に強い相関があり、その値が
1.7 〜1.8 を境に砥粒の破壊強度が大きく変わる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、粒
子の２次元投影像とそれに外接する円との比率の逆数で
表される形状係数の平均が1.7 を越え、その標準偏差が
0.4 以下である多結晶型立方晶窒化ほう素からなること
を特徴とする砥粒である。

【００１１】以下、さらに詳しく本発明について説明す
る。

【００１２】本発明において、砥粒の形状を規定する
際、形状係数の平均や標準偏差等の統計量を用いて行う
理由は、多結晶型ｃＢＮ砥粒は一つ一つを見れば形状が
個々に異なる粒子の集まったものであり、また、砥石は
形状の異なる数多くの粒子を含んでいるので、実際の砥
粒の形状を表現し、品質を規定するには様々な粒子から
なる集団を表現できる統計量を用いる必要があるからで
ある。

【００１３】砥粒の形状係数の平均や標準偏差を正確に
得るためには縮分操作によるサンプリング方法が重要と
なるが、これについては、ＪＩＳ Ｒ６００３に「研磨
材のサンプリング方法」に規定された方法を用いるのが
よい。

【００１４】本発明における形状係数は、粒子の２次元
投影像とそれに外接する円との比率の逆数として定義さ
れるものであり、次式で表される。形状係数＝（粒子の
２次元投影像の面積／外接円の面積）^-1この形状係数の
値は、上式から明らかなように、粒子の投影図が完全な
円である場合に1.0 となり、形状がランダムになるに従
い大きくなるものである。

【００１５】粒子の２次元投影像の面積は、粒子に一方
向から光をあてることによって得ることができ、たとえ
ば市販の投影顕微鏡で粒子の投影写真を撮影し、画像解
析装置で解析することによって求めることができる。市
販の画像解析装置の中には、本発明で用いる形状係数を
複数の粒子の投影図について自動的に測定し、それらの
平均と標準偏差等の統計量を自動的に算出するものもあ
るので、それを用いると便利である。

【００１６】２次元投影像に外接する円の面積は、２次
元投影像図を内部に接しながら含むような円の中で、最
小の径を持つ円の面積として表される。

【００１７】本発明においては、形状係数の平均は1.7
を越えることが必要である。形状係数が1.7 以下の砥粒
では破壊を起こしにくいためか、砥石による実際の研削
加工を行った際に研削抵抗が大きくなり、また、被削物
の表面には圧縮応力が残留しなくなり、高品位かつ高能
率の研削加工を行うことができなくなる。

【００１８】標準偏差は確率関数の分散の平方根として
表されるものである。本発明においては、形状係数の標
準偏差は0.4 以下好ましくは0.3 以下であることが必要
である。形状係数の標準偏差が大きいと、砥粒の形状が
不揃いとなり、一部が目つぶれを起こして研削抵抗があ
がり、砥石表面の凹凸が不均一となって加工物の表面が
粗くなってしまう。したがって、標準偏差は砥粒の性能
面から見れば小さければ小さいほど砥粒全体の機械的強
度が均一になるので好ましいが、砥粒の製造工程での収
量を大きくすることができない。この点について、標準
偏差を種々変えて検討した結果、標準偏差が0.4 以下で
あれば加工物の表面粗さが格段に小さくでき、特に0.3
以下ではさらに表面粗さを小さくかつ安定させることが
できるので、本発明では、形状係数の標準偏差を0.4 以
下に限定した。

【００１９】本発明の砥粒は、たとえば以下の方法で製
造することができる。すなわち、市販の多結晶型ｃＢＮ
砥粒を入手し、形状係数の平均が1.7 を越え、しかもそ
の標準偏差が0.4 以下であるようなものを選別する。具
体的には、あらかじめ所望の粒度よりも大きい粒度の多
結晶型ｃＢＮ砥粒を入手し、ハンマーミルなどの衝撃粉
砕機で粒子先端の凹凸形状が大きい粒子に調整した後、
所望の形状係数を持つものを振動フィーダー式等の形状
分離機を用いてより分ける方法が採用される。

【００２０】さらには、市販の多結晶型ｃＢＮ砥粒のか
わりに、直接転換法により多結晶型ｃＢＮ焼結体を合成
し、それを粉砕し粒度を選別することによっても得るこ
とができる。直接転換法は、広く一般に知られており、
例えば特公昭63-394号公報に述べられているように、熱
分解窒化ほう素（ＰＢＮ）を高温・高圧下で処理するこ
とによって得ることができる。

【００２１】

【作用】本発明のように、形状係数の平均が1.7 を越
え、その標準偏差が0.4 以下である砥粒を用いた砥石
が、高能率研削のような苛酷な研削条件下でも非常に切
れ味が鋭く被削物の表面粗さも格段に小さくなり、しか
も表面には圧縮応力が残留する理由としては、以下のこ
とが考えられる。

【００２２】すなわち、前述のように、砥粒一つ一つの
破壊挙動は形状係数1.7 〜1.8 を境にして大きく変わ
り、1.8 以上では粒子先端の微小破壊と同時に粒子全体
の破壊が起こる。このような破壊現象は、実際の砥石と
した場合にも被削物との衝突により同様に起こっている
可能性がある。すなわち、形状係数が1.0 〜1.7 では、
粒子全体が破壊する前に先端部分が選択的に破壊・摩滅
して被削物との作用で起こる衝撃エネルギーを吸収する
が、1.7 を越える特に1.8 以上の形状係数の砥粒では、
先端の凹凸が激しく砥粒のかなり内側にまで凹部が入り
込んでいるので、破壊エネルギーが砥粒内部にまで伝わ
り砥粒全体が適度な破砕を起こし、新たな切れ刃になる
ものと考えられる。

【００２３】従来より市販されている多結晶型ｃＢＮ砥
粒は形状係数の平均値とその標準偏差がそれぞれ1.80、
0.6 であって、本発明のものとは標準偏差が異なってい
る。そのような従来の砥粒をそのまま用いた砥石では摩
耗が激しく被削物の表面が粗くなり、また表面には引っ
張り応力が残留してしまうのに対し、本発明の砥粒を用
いた砥石では高能率研削においても、非常に切れ味が鋭
く被削物の表面粗さも格段に小さくなり、しかも表面に
は圧縮応力が残留するものである。

【００２４】

【実施例】以下、実施例と比較例をあげてさらに具体的
に本発明を説明る。 比較例１ 多結晶型ｃＢＮ砥粒としての唯一の市販品（ゼネラルエ
レクトリック社製商品名「ボラゾンBZ550 」：粒度60/8
0 ）を入手し、ＪＩＳ Ｒ６００３の方法でサンプリン
グし、投影顕微鏡で５０倍の倍率で粒子の投影写真を撮
影し、画像解析装置（ピアス社製「ＬＡ５５５」）を用
いて砥粒の形状係数の平均と標準偏差を測定した。

【００２５】次いで、その内の100 カラットを抜き出
し、直径200mm 、厚さ10mm、集中度100 のビトリファイ
ドボンド砥石を作製した。その砥石を用いて平面プラン
ジカット法による試験を行い、研削抵抗、被削物の表面
粗さ及び加工物表面の残留応力を測定した。その結果を
表１に示す。

【００２６】試験に用いた被削材は軸受鋼SUJ2であり、
研削条件は砥石周速度3600m/min 、被削材送り速度9m/m
in、砥石切込み量10μｍである。研削抵抗は日本キスラ
ー社製の動力計を、加工物表面の残留応力は理学電機社
製のエックス線残留応力測定機を用いて測定した。

【００２７】実施例１〜５ 比較例２〜３ 市販の多結晶型ｃＢＮ砥粒（ゼネラルエレクトリック社
製商品名「ボラゾンBZ550 」：粒度18/20 ）をハンマー
ミルで粉砕後、ステンレス製網ふるいで粒度60/80 のも
のをより分けた。これを、振動盤式フィーダー（日本エ
リーズマグネチックス社製「ＨＳ−１０」）で振動盤の
傾斜角度と振動数を変えて処理し、異なる形状係数の平
均と標準偏差を持つ７種類の砥粒を製造し、比較例１と
同一の方法で砥石を作製して研削性能試験を実施した。
その結果を表１に示す。

【００２８】実施例６ 原料に市販の熱分解窒化ほう素を用い、フラットベルト
型超高圧高温発生装置で2200℃，7.7GPaの条件で１時間
処理して直接転換法による多結晶型ｃＢＮ焼結体を合成
した。それをロールクラッシャーで粉砕した後、分級し
て粒度60/80 の砥粒をより分けた。この砥粒の中から10
0 個の粒子を抜き出し、実体顕微鏡で投影写真を撮影し
た。この写真から得られた粒子の２次元投影像とそれに
外接する円との比率の逆数で表わされる形状係数を、画
像解析装置（ピアス社製「ＬＡ５５５」）を用いて測定
したところ、100 個の砥粒は形状係数1.0 〜2.5 迄の様
々な形状を持つことがわかった。

【００２９】次に、粒子一粒を超硬合金の板の間に挟み
込んで材料試験機で荷重を加え、粒子先端で微小な破壊
を示す荷重（微小破壊荷重）と粒子全体が破壊を起こす
荷重（全体破壊荷重）を測定した。その結果を図１に示
す。図１から、形状係数1.7〜1.8 を境に破壊形態が大
きく変わり、形状係数が1.7 以下では、砥粒に負荷がか
かっても砥粒自身は破砕することなく粒子の先端部分の
みが微小な破壊を起こし、微小破壊荷重と全体破壊荷重
が異なるのに対し、1.7 を越える特に1.8 以上になる
と、粒子の先端部分の微小破壊と同時に粒子全体が大き
く破壊しやすいことがわかる。

【００３０】実施例７〜１３ 比較例４〜７ 実施例６で得られた粒子を振動盤式フィーダー（日本エ
リーズマグネチックス社製「ＨＳ−１０」）で振動盤の
傾斜角度と振動数を変えて処理し、異なる形状係数の平
均と標準偏差を持つ１１種類の砥粒を製造し、比較例１
と同一の方法で砥石を作製して研削性能試験を実施し
た。その結果を表１に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】以上の実施例、比較例から明らかなよう
に、粒子の２次元投影像とそれに外接する円との比率の
逆数で表される形状係数の平均が1.7 を越える特に1.8
以上で、その標準偏差が0.4 以下の多結晶型ｃＢＮ砥粒
を用いた砥石は、高能率研削条件においても、切れ味が
鋭く、加工物の表面粗さも小さく、また、加工物表面に
は材料の機械的強度を上げる圧縮応力が残留しているこ
とがわかる。

【００３３】

【発明の効果】本発明の砥粒を用いることによって、従
来では得られなかった高能率かつ高品位加工に適する研
削砥石を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 砥粒の形状と微小破壊荷重及び全体破壊荷重
との関係図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒子の２次元投影像とそれに外接する円
   との比率の逆数で表される形状係数の平均が1.7 を越
   え、その標準偏差が0.4 以下である多結晶型立方晶窒化
   ほう素からなることを特徴とする砥粒。