JPH09248768A - 研削精度に優れた超砥粒メタルボンド砥石およびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 水溶性研削油剤を使用して高い加工仕上げ精
度で研削できる超砥粒メタルボンド砥石を提供する。 【構成】 ガラス質被覆層で覆われた超砥粒が気孔を有
するメタルボンド相と結合して砥粒層を形成している超
砥粒メタルボンド砥石で、ガラス質粉末で被覆した超砥
粒を金属粉末と混合、成形、焼結することにより製造し
た予備焼結体をホットプレスによって焼結して製造す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ダイヤモンドある
いは立方晶窒化ほう素（以下、ＣＢＮという）よりなる
砥粒（以下、超砥粒という）を用いた砥石を、水溶性研
削油剤を使用して、金属、セラミックス等の硬質材料の
切断や研削、とくにホーニングあるいは超仕上げ等の精
密研削加工に使用した場合に、表面粗さ、形状精度、お
よび加工変質層等の加工精度において極めて優れた性能
を有し、かつ長寿命な超砥粒メタルボンド砥石およびそ
の製造法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、超砥粒を用いて、金属、セラミッ
クス等の硬度の高い材料を精度よく研削加工するために
は、ガラス質の結合剤を用いた超砥粒ビトリファイドボ
ンド砥石が、広く用いられている。特に、砥粒間をガラ
ス質結合剤が橋渡しをすることによって砥粒相互を結合
せしめた、いわゆるブリッジ型の砥粒層を有する超砥粒
ビトリファイドボンド砥石は、砥粒層のガラスボンド相
が砥粒を保持する力が適度で、砥粒層から砥粒が適度に
脱落することによって切れ刃の自生作用が活発なため、
砥石の切れ味が良好で、優れた表面粗さが必要な研削に
際して広く用いられている。とりわけ、研削油剤とし
て、鉱油、動植物油、エステル油等に添加剤を加えた成
分を持つ潤滑性の高い不水溶性研削油剤を用いると、表
面粗さ、形状精度、加工変質層のいずれについても極め
て優れた研削性能を発揮するので、ホーニング加工や超
仕上げ加工のように、形状精度に特に高い仕上げ加工精
度が求められる場合には超砥粒ビトリファイドボンド砥
石が広く用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする問題点】しかし、近年、環境
保全の見地から、使用済み廃研削油剤を無害化すること
が技術的に難しい不水溶性研削油剤に代わって、排水処
理によって比較的容易に無害化できる水溶性研削油剤が
一般の研削加工に広く用いられるようになったが、上記
ホーニング加工や超仕上げ加工に際して水溶性油剤を使
用すると潤滑性が不足して砥粒の脱落が著しく、砥石の
寸法が急速に変化するため、所望の形状精度で研削を長
期にわたって行うには、研削速度あるいは押付け力等を
低く設定して砥粒の脱落を抑えなければならず、顕著な
研削能率の低下を招いている。このため、水溶性研削油
剤を使用しても、高い研削能率で高い仕上げ精度を得る
ことのできる超砥粒砥石が強く求められている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者等は上
述のような観点から水溶性研削油剤を用いた高精度の仕
上げ加工に適した超砥粒砥石を開発するために、金属を
結合剤に用いたメタルボンド砥石は砥粒の脱落が少ない
ことに着目して、メタルボンド砥石の研削精度を向上さ
せるべく研究をすすめた結果、高温圧縮成型法あるいは
ホットプレス法としてよく知られる粉末の成型法で、結
合剤を構成する金属の再結晶温度以上で圧縮成形する方
法により製造したメタルボンド砥石は、砥粒層中におけ
る砥粒の分散性が著しく改善されており、その結果、メ
タルボンド砥石でもビトリファイドボンド砥石と同じよ
うな優れた表面粗さで仕上げ加工が出来ることを見いだ
したのである。しかし、高温圧縮成形によって製造した
メタルボンド砥石は、メタルボンド相が砥粒と強固に結
合しているため砥粒の脱落が過小で、切れ刃の自生作用
に乏しく、目つぶれあるいは目づまりが生じ易いので研
削加工に伴って研削抵抗が増大し、表面加工精度、とく
に研削熱による表面変質層の生成による研削精度の低下
が著しいという欠点を有する。これを解決するため、高
温圧縮成形によって製造した砥石に切れ刃の自生作用を
付与すべくさらに研究を進めた結果、表面をガラス質層
で被覆した砥粒を金属ボンド相中に均一に分散せしめて
なる組織を有する砥石は、脆弱なガラス質層を介して砥
粒が金属ボンド相と結合しているので、砥粒は研削加工
にしたがって適宜脱落し、切れ刃に自生作用を与えるこ
とを見いだしたのである。

【０００５】また、所定の割合で砥粒と該砥粒より粒度
の小さいガラス質粉末粒子をバインダーとともに混合攪
拌した砥粒の表面にガラス質粉末粒子よりなる被覆層を
形成した後、乾燥等の操作により砥粒に被覆層を固着せ
しめてガラス質粉末粒子被覆砥粒（以下、複合砥粒とい
う）を形成し、この複合砥粒に金属粉末結合剤を添加、
混合して十分に攪拌した後、所定の形状に成形し、これ
をさらに高温圧縮成形して所望の形状を有する超砥粒メ
タルボンド砥石を製造すれば、上述の分散性に優れた組
織を超砥粒メタルボンド砥石に与えることができるのみ
ならず、原料複合砥粒を構成するガラス質粒子と砥粒の
比を変えることによりガラス質の被覆層の厚さを自由に
変えられるので、使用条件に応じて砥粒が適切に脱落す
るようガラス質被覆層の厚さを設定すれば、切れ味に優
れた砥石を製造することが出来る。したがって、このよ
うにして製造した超砥粒メタルボンド砥石を用いれば、
水溶性研削油を使用してホーニング加工あるいは超仕上
げを行なう場合にも、砥粒の脱落を適度に設定して、砥
石の寸法精度を長期にわたって維持することができる
し、また、砥粒の分散性が高いので研削面の表面粗さに
優れており、かつ、切れ味が優れているので、研削によ
って製造された製品の加工変質層が僅少で、しかも形状
精度に優れているなど、硬度の高い材料の研削に極めて
優れた加工精度を発揮できる。

【０００６】この発明は、上記の研究結果にもとづいて
なされたものであって、ダイヤモンドまたは立方晶窒化
ホウ素よりなる砥粒が結晶質ガラスまたは非結晶質ガラ
スよりなるガラス質被覆層を介してメタルボンド相と結
合して砥粒層を形成し、砥粒層中の気孔が砥粒層全体の
体積に占める割合（以下、気孔率という）が１〜１０体
積％であり、かつガラス質被覆層の砥粒に対する割合
（以下、被覆比という）が５０〜２００体積％である研
削精度に優れた超砥粒メタルボンド砥石に特徴を有する
ものであり、表面をガラス質粉末で被覆したダイヤモン
ドまたは立方晶窒化ほう素よりなる超砥粒と金属粉末を
混合し、この混合物を所定の形状に加圧成形した成型物
を焼結して予備焼結体を形成し、この予備焼結体を温
度：６００〜８００℃において高温圧縮成形して形成す
る研削精度に優れた超砥粒メタルボンド砥石の製造法に
特徴を有するものである。

【０００７】なお、この発明において、気孔率を１〜１
０体積％と限定したのは、気孔率が１０体積％を超える
と共存する気孔の影響で砥粒を金属結合剤中で均一に分
布せしめることが困難なため所望の研削精度が得られ
ず、また、気孔率が１体積％に満たない砥石は、本発明
の製造法によって製造することに著しい困難を伴うため
である。また、この発明において被覆比を、５０〜２０
０体積％と限定したのは、被覆比が２００体積％を超え
ると、砥粒とメタルボンド相の結合が弱くなり、過剰の
砥粒の脱落が生じるために所望の期間にわたって砥石の
寸法精度を維持することが困難であるからであり、また
被覆比が５０体積％に満たないと、ガラス質粉末被覆層
を複合砥粒の全表面にわたって形成することができない
からである。

【０００８】さらに、本発明の砥石の製造方法におい
て、予備焼結体を高温圧縮成形する温度を６００〜８０
０℃と限定したのは、圧縮成形温度が６００℃未満であ
ると高温圧縮成形に際して砥粒のガラス質被覆層を形成
するガラス質粉末が十分に軟化しないので、均一なガラ
ス質被覆層が形成しないためであり、８００℃を超えた
温度ではガラス質被覆層の軟化が著しくメタルボンド相
の結晶粒間に浸透してメタルボンド相の強度を低下せし
めるとの理由によるものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】まず、市販の粒度：３２５／４０
０（ＪＩＳ Ｂ４１３０−１９８２）のＣＢＮ砥粒とダ
イヤモンド砥粒、平均粒径：１０μｍのアトマイズＳｎ
粉末、および平均粒径：５μｍの電解銅粉を用意し、さ
らにガラス質粉末粒子としてこれを構成する主成分であ
るＳｉ、Ｋ、ＮａおよびＰｂの酸化物をそれぞれＳｉＯ
₂、Ｋ₂Ｏ、Ｎａ₂ＯおよびＰｂＯで表現した時、Ｓｉ
Ｏ₂：４１重量％、Ｋ₂０：１２重量％、Ｎａ₂Ｏ：５重
量％、ＰｂＯ：４０重量％、残りをその他成分とする組
成を有する平均粒径：７μｍのガラス質粉末粒子、試薬
のポリビニールアルコール（以下ＰＶＡという）、フェ
ノール・ホルマリン樹脂（以下、フェノール樹脂いう）
を用意した。

【００１０】次に、表１に示す割合にてダイヤモンド砥
粒またはＣＢＮ砥粒よりなる砥粒を上記ガラス質粉末粒
子と混合し混合粒子とし、これにバインダーとしてＰＶ
Ａの１０重量％水溶液を混合粒子：１００ｇに対して２
ｍｌの割合で加えて撹拌機を用いて撹拌してスラリーと
し、これを流動層中に噴射して投入することにより、ガ
ラス質粉末粒子によって被覆された砥粒よりなるガラス
質被覆砥粒ａ〜ｅを製造した。

【００１１】

【表１】 次に、表２に示す割合でガラス質被覆砥粒ａ〜ｅ、アト
マイズＳｎ粉末、電解銅粉を混合し、この混合粉末：１
００ｇに対してプレス成形のための結合剤としてフェノ
ール樹脂：１０ｇを添加して十分に混合し、このように
して調整した混合粉末をプレス成形機を用いて５ｔ／ｃ
ｍ²の成形圧力でプレスすることにより、幅：５ｍｍ、
長さ６０ｍｍにして上面が曲率半径：４０ｍｍの円柱状
凸面よりなり、最大厚さが：５ｍｍの蒲鉾状の成形体を
製造し、ついで６００℃において仮焼結することにより
本発明超砥粒メタルボンド砥石を製造するための予備焼
結体Ａ〜Ｊを作製した。

【００１２】

【表２】 このようにして製作した予備焼結体を用いて、ホットプ
レスによる高温圧縮法により本発明の砥石を製造するた
めに、ダイス鋼（ＪＩＳ ＳＫＤ−５）を材質とする上
パンチ、下パンチ及びダイよりなる金型を製作した。加
熱装置としてカーボンヒーターを加熱体とする真空ホッ
トプレスを用いて上記金型を炉内プレス部に配置し、こ
の金型に厚さ：１０ｍｍにして予備焼結体との接触面に
Ｃｕめっきを施した炭素鋼製の台金と、上記予備焼結体
Ａよりなる砥石材料を装填した。台金には垂直孔が設け
てあり、被加熱体の温度測定のためのＫ熱電対のステン
レス鋼シース管が嵌合している。下パンチを通過したＫ
熱電対はシース管内をこの垂直孔を通じて挿入され、シ
ース管の先端部分を介して予備焼結体と接触して高温圧
縮成形時の圧縮成形体の温度を測定するのに用いられ
る。

【００１３】炉内に水素ガスを流通せしめ、金型と上記
予備焼結体を水素雰囲気中に保ちつつ、カーボンヒータ
ーに通電することにより約１０ｃｍの均熱部長さを有す
る電気炉を昇温した。電気炉の温度制御はダイ近傍の雰
囲気温度をＫ熱電対にて測定して行い、炉内温度が所定
温度に到達後、油圧ラムを介して油圧シリンダの圧力を
下パンチに加えることにより、表３の成形条件に示す時
間と圧力の条件で高温圧縮成形を実施し本発明の砥石１
を製造した。これを繰り返すことにより４個の本発明の
砥石１よりなる１セットを製造し、さらに、予備焼結体
Ｂ〜Ｊについても同様な処理を行い、本発明の砥石２〜
１０の各１セットを製造した。また、高温圧縮成形の際
に圧縮成形体の温度を測定し、この測定値から加圧時の
平均温度を計算し、表３の成形条件に示す温度を得た。

【００１４】

【表３】 ついで、本発明の超砥粒メタルボンド砥石を評価するた
めに、高温圧縮成形法によって製造した本発明の砥石１
の各砥石にツルーイングを施して所定の精度を有する形
状に加工した後、ドレッシングを行い切れ刃の創成をお
こなった。

【００１５】つぎにこの調整作業を終えた本発明の砥石
１の１セットを、用意したホーニング研削盤の４式のホ
ーニングヘッドに装着し、ＪＩＳ ＦＣ２５０相当の合
金組成を有する厚さ：１２０ｍｍの鋳鉄ブロックにあら
かじめ精密ボーリング加工により直径：８０ｍｍの丸孔
を設け、この内面に次に示す条件でホーニング仕上げ加
工を行い、仕上げ精度を評価する目的で、５０回の研削
毎に、鋳鉄ブロック上面より６０ｃｍの深さの位置にお
ける丸孔の表面粗さを面粗度計により測定して表４に示
すＲＡの値を得た。また、ホーニング加工後の丸孔の真
円度を求めるために、上記ＲＡの測定と同じ深さにおい
て互いに直交する２つの直径を測定し、これら２つの直
径の比を計算して表４に示す真円度を得た。また、ホー
ニング仕上げ加工１回あたりの所要時間は表４に示す通
りであった。 ホーニング仕上げ加工条件 ホーニング研削盤：富士ホーニング製 形式ＤＲ−３４
５ ホーニングヘッドの回転数：１００ｒｐｍ ホーニングヘッドの揺動周波数：１０ｍｐｍ 加工圧：３ｋｇ／ｃｍ² 研削油剤：水溶性切削油剤、Ｗ１種（ＪＩＳ Ｋ２２４
１切削油剤相当品） 以下、同様の条件で本発明の砥石２〜１０についてホー
ニング仕上げ加工を行い、上記本発明の砥石１と同様に
５０回の研削ごとの研削精度を測定し、表４に示す値を
得た。

【００１６】

【表４】 ついで、気孔率と被覆比をを測定するため、研削に用い
た本発明の砥石１〜１０の砥粒層から採取したサンプル
について重量を計量し、水中重量を測定してその差から
見かけ容積を計算した。つぎに、硝酸を用いてサンプル
中のＣｕ−Ｓｎ合金を溶解し、残渣重量を計量し、溶解
前後の重量差をもってサンプル中のＣｕ−Ｓｎ合金成分
の重量を求めた。さらにこの残渣をふつ酸処理してガラ
ス質被覆層を溶解・除去し、残渣重量を計量して砥粒成
分の重量とし、溶解前後の重量差をもってサンプル中の
ガラス質被覆層成分の重量とした。このようにして求め
た砥粒層の各成分（Ｃｕ−Ｓｎ合金、ガラス質被覆層、
および砥粒）の重量と各成分の比重からサンプルに占め
る各成分の体積を計算し、さきに測定したサンプルの全
容積からサンプル中の各成分の占める体積を引いた残を
もって気孔の容積とし、これがサンプルの見かけ容積に
占める割合をもって気孔率とし、サンプル中でガラス質
被覆層と砥粒が占める体積の比を被覆比とし、表３に示
す気孔率と被覆比の値を得た。

【００１７】さらに、比較の目的で従来の超砥粒ビトリ
ファイドボンド砥石（以下、従来の砥石という）を製造
した。用意した上記のダイヤモンド砥粒、ガラス質粉末
粒子とＰＶＡを、各々、重量比にしてダイヤモンド砥
粒：７４．５、ガラス質粉末粒子：２４．５、ＰＶＡ：
１．０の割合で混合し、プレス機により所定の形状に成
形し６００℃に２時間保持して脱脂した後、窒素雰囲気
中、温度７００℃に５時間保持の条件で融着焼成するこ
とにより本発明の超砥粒メタルボンド砥石と同じ形状を
有する従来の超砥粒ビトリファイドボンド砥石１〜３に
ついて各４個を製造した。

【００１８】ついでこのようにして製造した従来の砥石
１〜３を評価するため、従来の砥石１については上記本
発明の超砥粒メタルボンド砥石と同じ条件で、従来の砥
石２および３については砥石寿命を延長する目的で加工
圧を２ｋｇ／ｃｍ²、および１ｋｇ／ｃｍ²に引き下げて
ホーニング仕上げ加工を行い、５０回の研削ごとの研削
精度を測定し、表４に示す値を得た。

【００１９】

【発明の効果】表４に示される結果から明らかなよう
に、水溶性研削油剤を用いてホーニング加工を行う際
に、同一の仕上げ加工条件においては、本発明の超砥粒
メタルボンド砥石は、従来の超砥粒ビトリファイドボン
ド砥石に比べて研削加工面の表面粗さは格段に優れてお
り、かつ、真円度の高い加工がなされている。しかも、
２００回のホーニング加工に使用後の砥石でも安定した
研削加工がなされており、従来の超砥粒ビトリファイド
ボンド砥石を使用して、これと同等の面粗度と真円度を
持つ加工精度を得るためには表４の従来の砥石３にみら
れるように加工圧を大幅に引き下げなければならず、そ
の結果、研削所要時間が増大し、生産性の著しい低下は
免れないところである。このように、本発明の超砥粒メ
タルボンド砥石を使用すれば、環境保全の上から問題の
少ない水溶性研削油剤を使用しても、生産性の低下を招
くことなく長期間に亘って高い研削精度で研削加工を行
えるので、その産業上の有用性は極めて大きい。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダイヤモンドまたは立方晶窒化ほう素より
   なる超砥粒が、ガラス質被覆層を介してメタルボンド相
   と結合して砥粒層を形成していることを特徴とする研削
   精度に優れた超砥粒メタルボンド砥石。
2. 【請求項２】砥粒層が、砥粒層全体に占める割合で１〜
   １０体積％の気孔を有することを特徴とする請求項１記
   載の研削精度に優れた超砥粒メタルボンド砥石。
3. 【請求項３】ガラス質被覆層が、超砥粒に対する割合で
   ５０〜２００体積％であることを特徴とする請求項１記
   載の研削精度に優れた超砥粒メタルボンド砥石。
4. 【請求項４】ガラス質被覆層が、結晶質ガラスよりなる
   ことを特徴とする請求項１記載の研削精度に優れた超砥
   粒メタルボンド砥石。
5. 【請求項５】ガラス質被覆層が、非結晶質ガラスよりな
   ることを特徴とする請求項１記載の研削精度に優れた超
   砥粒メタルボンド砥石。
6. 【請求項６】表面をガラス質粉末で被覆したダイヤモン
   ドまたは立方晶窒化ほう素よりなる砥粒と金属粉末を混
   合し、この混合物を所定の形状に加圧成形した成形物を
   焼結して予備焼結体を形成し、この予備焼結体を温度：
   ６００〜８００℃において圧縮成形して形成することを
   特徴とする研削精度に優れた超砥粒メタルボンド砥石の
   製造法。