JPWO2019064837A1 - 電着砥石およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

中心軸（ＧＣ）を含む断面で見て外周部が円弧状である円盤状の電着砥石（１０）であって、外周部に砥粒（１６）が固着されており、外周部のうち側方部の砥粒密度が頂点部の砥粒密度よりも低く、側方部の平坦砥粒率が頂点部の平坦砥粒率よりも高い。

Description

本発明は、台金の表面に形成しためっき膜に多数の砥粒を固着した電着砥石およびその製造方法に関する。

従来の電着砥石は、一般に、多数の砥粒がランダムに固着されており、表面に分布する砥粒の密度（単位面積当りの砥粒の数）は、どの部位においてもほぼ一定となっている。

一方、特開２０１２−９１２９２号公報には、軸方向位置の径が異なる円弧部からなるロールの外周面に多数のダイヤモンド砥粒が埋め込まれたロータリドレッサであって、砥粒の密度を変化させたものが記載されている。このロールの円弧凹部には、軸方向のいかなる位置においても円周上に一定数のダイヤモンド砥粒が存在するようにダイヤモンド砥粒が配置されている。したがって、円弧凹部の径が大きくなるほどダイヤモンド砥粒の密度が低くなっている。

上記一般的な電着砥石では、砥粒の密度が一定であるため、加工負荷が高い箇所において、発熱量が大きいため研削焼けが生じるおそれがあるほか、切り屑が溶着して目詰まりが生じるおそれがある。また、上記ロータリドレッサでは、加工負荷が高い箇所で砥粒の密度が高くなっているので、同様な問題が生じるおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、研削焼けおよび目詰まりの発生を抑制するとともに、加工精度を良好に維持できる電着砥石およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る電着砥石は、中心軸を含む断面で見て外周部が円弧状である円盤状の電着砥石であって、外周部に砥粒が固着されており、外周部のうち側方部の砥粒密度が頂点部の砥粒密度よりも低く、側方部の平坦砥粒率が頂点部の平坦砥粒率よりも高いことを特徴とする。

上記電着砥石によれば、加工負荷が高い側方部では、砥粒密度が低いので、発熱量が少なく研削焼けを抑制できるとともに、砥粒間の隙間が大きく目詰まりの発生を抑制できる。また、側方部では、平坦砥粒率が高いので、砥粒１個当たりの負荷が高くても、砥粒が破砕しにくく、寿命を十分に確保できる。一方、頂点部では、砥粒密度が高いので良好な加工精度を保持することができ、平坦砥粒率が低いので切削抵抗が少なく発熱量を抑えることができる。

上記電着砥石において、外周部のめっき膜に砥粒が固着されており、側方部の砥粒がめっき膜から突出する量の平均値が頂点部の砥粒がめっき膜から突出する量の平均値よりも高いのが好ましい。これによれば、側方部の砥粒の形状が可及的に長く維持される。

また、側方部の平坦砥粒率が４０〜６０％であり、頂点部の平坦砥粒率が１５〜４５％であるのが好ましい。

本発明に係る電着砥石の製造方法は、中心軸を含む断面で見て外周部が円弧状である円盤状の電着砥石の製造方法であって、砥粒に対するドレッシング加工を含み、ドレッシング加工は、所定粒径の砥粒が固着された状態の電着砥石の外周部に対して円盤状のドレッサを所定の軌跡に沿って接触させる工程を複数回にわたって電着砥石の径方向に追い込みつつ行うものであることを特徴とする。

上記電着砥石の製造方法によれば、本発明に係る電着砥石を容易に製造することができる。

上記電着砥石の製造方法において、各工程においてドレッサの外周部が通過する範囲の輪郭線の径は、複数の工程で一定であってもよく、複数の工程が進むにつれて徐々に小さくなってもよい。複数の工程で一定とする形態は、側方部の砥粒の突出量を頂点部の砥粒の突出量よりも高くする場合に好適である。また、複数の工程が進むにつれて徐々に小さくする形態は、側方部の砥粒の突出量を頂点部の砥粒の突出量と同じにする場合に好適である。

本発明に係る電着砥石は、側方部の砥粒密度が頂点部の砥粒密度よりも低く、側方部の平坦砥粒率が頂点部の平坦砥粒率よりも高いので、側方部で発熱、目詰まりおよび砥粒の破砕を抑制することができ、頂点部で良好な加工精度を保持し、発熱を抑制することができる。また、本発明に係る電着砥石の製造方法によれば、本発明に係る電着砥石を容易に製造することができる。

本発明の実施形態に係る電着砥石の概略図である。 図１の電着砥石でワークに溝を形成する際の切り込み量を示す図である。 電子顕微鏡による図１の電着砥石の外周部の画像の例である。 図４Ａは平坦砥粒の例を模式的に示した図であり、図４Ｂは平坦砥粒でない砥粒の例を模式的に示した図である。 図１の電着砥石を製造する際のドレッシング加工の様子を概略示す図である。 図５のドレッシング加工におけるドレッサの軌跡の一つの例を示す図である。 図５のドレッシング加工におけるドレッサの軌跡の別の例を示す図である。 本発明に係る電着砥石の実施例と比較例を示す表である。

本発明に係る電着砥石について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１において、参照符号１０は、本発明の実施形態に係る電着砥石を示す。

電着砥石１０は、鋼鉄からなる円盤状の台金１２と、台金１２の外周部に形成されたニッケルのめっき膜１４と、めっき膜１４に固着された多数のＣＢＮの砥粒１６を含む。電着砥石１０は、その中心軸ＧＣ（台金１２の中心軸ＧＣ）を回転軸線としてベルト等を用いた適宜の駆動手段により回転駆動することができ、電着砥石１０の外周部をワークＷに作用させることで、ワークＷに所定形状の溝を形成することができる。

電着砥石１０の外周部は、台金１２の外周部と同様、中心軸ＧＣを含む平面で切断したときの断面形状が略半円となっている。その曲率中心をＯとし、曲率中心Ｏと電着砥石１０の外周部の頂点を結ぶ線を中心角０度の線としたとき、電着砥石１０の外周部のうち−３０度から＋３０度までの領域Ｔを「頂点部」という。また、電着砥石１０の外周部のうち−９０度から−５０度までの領域Ｓ１および＋５０度から＋９０度までの領域Ｓ２を「側方部」という。図２に示すように、ワークＷに溝を形成する場合、側方部における切り込み量Ｘ１は頂点部における切り込み量Ｘ２よりも大きく、加工負荷は側方部の方が頂点部よりも大きい。

側方部の砥粒密度（単位表面積当りの砥粒１６の数）は頂点部の砥粒密度よりも低くなっている。頂点部の砥粒密度に対する側方部の砥粒密度の比は、例えば０．８である。

砥粒１６は、その一部がめっき膜１４に埋め込まれた状態でめっき膜１４に固着されている。側方部の砥粒１６がめっき膜１４から突出する突出量（砥粒の突出量）の平均値は、頂点部の砥粒１６がめっき膜１４から突出する突出量の平均値と同じか、またはそれよりも高くなっている。

砥粒１６がめっき膜１４から突出する部分には後述するドレッシング加工が施されており、側方部の平坦砥粒率が頂点部の平坦砥粒率よりも高くなっている。ここで、めっき膜１４から顔を出している砥粒１６の投影面積（めっき膜１４の厚み方向から見たときの面積）に対して、面粗度がＲｚ１０μｍ以下の部分（平坦部）が占める割合が１０％以上である砥粒１６を「平坦砥粒」という。平坦砥粒率とは、単位面積における砥粒１６の数に対する平坦砥粒の数の割合をいう。平坦砥粒か平坦砥粒でないかの判定は、図３に示されるような電子顕微鏡による砥粒の画像を分析することにより行う。なお、図３において、参照符号１６ａで示す砥粒は平坦砥粒であり、参照符号１６ｂで示す砥粒は平坦砥粒でない砥粒である。

側方部の平坦砥粒率は４０〜６０％であり、頂点部の平坦砥粒率は１５〜４５％である。側方部の平坦砥粒率が４０％未満であると、面粗度が悪化し、また側方部の砥粒の破砕が進行しやすくなり寿命を十分に確保できない。側方部の平坦砥粒率が６０％を超えると、側方部での切削抵抗および発熱量が過大となる。頂点部の平坦砥粒率が１５％未満であると、頂点部の砥粒の破砕が進行し寿命を十分に確保できない。頂点部の平坦砥粒率が４５％を超えると、頂点部での切削抵抗および発熱量が過大となる。

平坦砥粒１６ａの例を図４Ａに模式的に示し、平坦砥粒でない砥粒１６ｂの例を図４Ｂに模式的に示す。所定の粒径を有する砥粒がめっき膜１４に固着された後、めっき膜１４から突出する部分に対してドレッシング加工が行われたとき、表面を緩やかに削る効果が顕われた場合は平坦砥粒１６ａが形成される。一方、急激に削る効果が顕われた場合は、砥粒の表面が破砕されて平坦砥粒でない砥粒１６ｂが形成される。なお、図４Ａおよび図４Ｂにおいて、参照符号ｔは、めっき膜１４の厚さを示し、参照符号ｈは、砥粒の突出量を示す。また、ドレッシング加工が行われる前の砥粒の外形が二点鎖線で示されている。

次に、めっき膜１４に固着された砥粒に対するドレッシング加工を中心として、電着砥石１０の製造方法を説明する。なお、以下においては、便宜上、ドレッシング加工が行われる前の砥粒についても参照符号１６を付してある。

外周部が円弧状（略半円）である円盤状の台金１２を用意し、台金１２の外周部に所定の粒径を有するＣＢＮの砥粒１６を仮固着した後、ニッケルによる均一厚さのめっき膜１４を形成することで、所定の粒径を有するＣＢＮの砥粒１６をめっき膜１４に固着する。このとき、側方部の砥粒密度が頂点部の砥粒密度より低くなるように砥粒１６を分布させる。その後、円盤状のドレッサ２０を用いてドレッシング加工を行う（図５参照）。仮固着の際、接着剤を使用し、砥粒粒径よりも大径の接着剤をパッド印刷などを用いて千鳥配置にて台金１２上に塗布し、台金１２上に配列された接着剤に砥粒を付着させることで、島状に仮固定してもよい。そうすることで、砥粒密度に対し、隙間を大きくとることができるので、切屑排出性が向上する。

ドレッサ２０は、外周部にダイヤモンド砥粒が固着されたもので、その中心軸ＤＣ周りに回転駆動することができ、また、姿勢を変えることなくＸ方向（台金１２の径方向）およびＹ方向（台金１２の軸方向）に自在に移動せしめることができる。所定粒径の砥粒１６がめっき膜１４に固着された状態の台金１２をその中心軸ＧＣ周りに回転駆動するとともに、ドレッサ２０をその中心軸ＤＣ周りに回転駆動しつつ所定の軌跡に沿ってＸＹ方向に移動せしめる工程を複数回繰り返すことでドレッシング加工が行われる。

図６は、ドレッサ２０の外周部が通過する範囲の輪郭線をドレッサ２０の複数回の移動工程毎に示したものである。ドレッサ２０の１回の移動工程では、台金１２の外周部の頂点２２に相当する位置を境として一方側に分布する砥粒１６と他方側に分布する砥粒１６のいずれかに対してドレッシング加工が行われる。一方側に分布する砥粒１６に対するドレッシング加工と他方側に分布する砥粒１６に対するドレッシング加工が交互に行われる場合について以下詳細に説明する。なお、図６において、便宜上、砥粒１６は拡大・誇張して描かれている。

１回目の移動工程において、ドレッサ２０は図示しない退避した位置からＸ方向に移動を始め、ドレッサ２０の外周部の頂点２４が台金１２の外周部の頂点２２に向かって近づく。ドレッサ２０の頂点２４が位置Ｐ１に達すると、ドレッサ２０の外周部が通過する範囲の輪郭線がＬ１ａで示す円弧となるように、ドレッサ２０の外周部が台金１２の外周部の一方側（図中左側）に沿うように移動する。その後、ドレッサ２０は退避位置に戻る。２回目の移動工程において、ドレッサ２０は退避した位置から再びＸ方向に移動を始め、ドレッサ２０の外周部の頂点２４が台金１２の外周部の頂点２２に向かって近づく。ドレッサ２０の頂点２４が位置Ｐ１に達すると、ドレッサ２０の外周部が通過する範囲の輪郭線がＬ１ｂで示す円弧となるように、ドレッサ２０の外周部が台金１２の外周部の他方側（図中右側）に沿うように移動する。その後、ドレッサ２０は退避位置に戻る。円弧Ｌ１ｂは円弧Ｌ１ａと同一径である。１回目および２回目の移動工程では、台金１２の外周部の頂点２２から遠く離れた位置に存在する砥粒１６のみが切り込まれる。

３回目の移動工程において、ドレッサ２０の頂点２４が位置Ｐ２に達すると、ドレッサ２０の外周部が通過する範囲の輪郭線がＬ２ａで示す円弧となるように、ドレッサ２０の外周部が台金１２の外周部の一方側に沿うように移動する。４回目の移動工程において、ドレッサ２０の頂点２４が位置Ｐ２に達すると、ドレッサ２０の外周部が通過する範囲の輪郭線がＬ２ｂで示す円弧となるように、ドレッサ２０の外周部が台金１２の外周部の他方側に沿うように移動する。位置Ｐ２は位置Ｐ１よりも台金１２の頂点２２に近く、円弧Ｌ２ａおよび円弧Ｌ２ｂは円弧Ｌ１ａと同一径である。３回目および４回目の移動工程では、１回目および２回目の移動工程で切り込まれた砥粒１６がさらに切り込まれるとともに、それよりも台金１２の外周部の頂点２２に近い位置に存在する一部の砥粒１６も切り込まれる。

同様にして、ドレッサ２０の移動工程が一方側および他方側でそれぞれＮ回繰り返され、Ｎ回の繰り返しが進むにつれて、ドレッサ２０の外周部が通過する範囲の輪郭線がＸ方向に移行する。すなわち、ドレッシング加工は、複数回の工程によりＸ方向に追い込みながら行われる。そして、最終的には、円弧ＬＮａおよび円弧ＬＮｂで示すアウトラインまで砥粒１６が切り込まれる。

台金１２の外周部の頂点２２から離れた位置に存在する砥粒１６は、切り込み回数が多く、１回の切り込み量が少ないため、平坦砥粒１６ａが形成される確率が高い。これに対して、台金１２の外周部の頂点２２に近い位置に存在する砥粒１６は、ドレッサ２０の移動工程がＮ回目に近づかないと切り込まれず、１回の切り込み量が多いため、平坦砥粒１６ａが形成される確率が低い。

図６の例では、頂点２２を境として一方側の砥粒１６に対するドレッシング加工と他方側の砥粒１６に対するドレッシング加工を交互に行うこととしたが、一方側の砥粒１６に対するドレッシング加工をまず完了させ、その後に他方側の砥粒１６に対するドレッシング加工を行ってもよい。また、一方側の砥粒１６に対するドレッシング加工と他方側の砥粒１６に対するドレッシング加工を分けずに、ドレッサ２０を台金１２の外周部に沿って略半周にわたり連続的に移動させる工程を繰り返してもよい。ただし、交互に行うことで、ドレッシングの際、機械のがたつきによる影響を左右で等しくすることができ、高精度な砥石を成形することができる。

図６の例では、ドレッサ２０の外周部が通過する範囲の輪郭線の径（円弧の径）がドレッサ２０の各移動工程で変わらないものとしたが、図７に示すように、ドレッサ２０の外周部が通過する範囲の輪郭線の径を徐々に小さくしてもよい。図７の例では、最終工程における輪郭線ＬＮの中心（円弧の中心）を台金１２の外周部の円弧の中心に一致させている。このようにすれば、側方部の砥粒１６の突出量が頂点部の砥粒１６の突出量と同じになる。図６のように輪郭線の径を一定とする形態は、側方部の砥粒の突出量を頂点部の砥粒の突出量よりも高くする場合に好適である。一方、図７のように輪郭線の径を徐々に小さくする形態は、側方部の砥粒の突出量を頂点部の砥粒の突出量と同じにする場合に好適である。図６の方法では、頂点部と側方部で砥粒の突出量は幾何学的に決まってしまうが、図７のようにすることで、側方部の砥粒の突出量を制御することができる。

上記方法により製造した本発明の電着砥石の実施例および比較例を対比した表を図８に示す。同表は、電着砥石の頂点部の平坦砥粒率および側方部の平坦砥粒率を変えたときのワークの面粗度（加工精度）、研削焼けの発生状態および加工精度寿命（所定の加工精度内での加工寿命）をそれぞれ評価したものである。面粗度については、電着砥石の頂点部および側方部でそれぞれ加工されたワークの部位別に評価した。いずれの評価もＡＢＣの３段階による。

なお、実施例１〜３および比較例１〜３はいずれも、平均粒径９５μｍの砥粒を用いて製造されたもので、通常の電着砥石の砥粒密度７５％（砥粒最密充填状態を１００％とする）に対し、頂点部の砥粒密度は５５％であり、側方部の砥粒密度は４０％である。また、実施例１〜３および比較例１〜３はいずれも、平均突出量（砥粒がめっき膜１４から突出する量の平均値）の粒径に対する割合が側方部においても頂点部においても４０％である。

頂点部の平坦砥粒率と側方部の平坦砥粒率がそれぞれ３９％と５１％である実施例１では、頂点部で加工された部位の面粗度は極めて良好（Ａ）、側方部で加工された部位の面粗度は良好（Ｂ）であり、研削焼けの発生は概ね無く（Ｂ）、加工精度寿命は極めて良好（Ａ）という結果が得られた。

頂点部の平坦砥粒率と側方部の平坦砥粒率がそれぞれ１５％と４０％である実施例２では、頂点部で加工された部位の面粗度、側方部で加工された部位の面粗度はともに良好（Ｂ）で、研削焼けの発生も無く（Ａ）、加工精度寿命は極めて良好（Ａ）という結果が得られた。

頂点部の平坦砥粒率と側方部の平坦砥粒率がそれぞれ４５％と６０％である実施例３では、頂点部で加工された部位の面粗度、側方部で加工された部位の面粗度はともに極めて良好（Ａ）で、研削焼けの発生は概ね無く（Ｂ）、加工精度寿命は極めて良好（Ａ）という結果が得られた。

頂点部の平坦砥粒率と側方部の平坦砥粒率がそれぞれ２１％と１７％である比較例１では、頂点部で加工された部位の面粗度は良好（Ｂ）で、研削焼けの発生も無い（Ａ）が、側方部で加工された部位の面粗度は不良（Ｃ）で、加工精度寿命も不良（Ｃ）であるとの結果が得られた。比較例１では、側方部の平坦砥粒が少ないため、加工負荷により側方部の砥粒の破砕が進行し、側方部で加工された部位の面粗度が悪化したと考えられる。

頂点部の平坦砥粒率と側方部の平坦砥粒率がそれぞれ６２％と６３％である比較例２では、頂点部で加工された部位の面粗度、側方部で加工された部位の面粗度はともに極めて良好（Ａ）であるが、研削焼けが発生し（Ｃ）、加工精度寿命も不良（Ｃ）であるとの結果が得られた。これは、頂点部においても側方部においても砥粒とワークとの接触面積が過大で、全体の発熱量が大きいためと考えられる。

頂点部の平坦砥粒率と側方部の平坦砥粒率がそれぞれ６３％と２０％である比較例３では、頂点部で加工された部位の面粗度は極めて良好（Ａ）であるが、側方部で加工された部位の面粗度は不良（Ｃ）であり、研削焼けが発生し（Ｃ）、加工精度寿命も不良（Ｃ）であるとの結果が得られた。比較例３では、側方部の平坦砥粒が少ないため、側方部の砥粒の破砕が進行して側方部で加工された部位の面粗度が悪化したと考えられるほか、頂点部において砥粒とワークとの接触面積が過大で発熱量が大きいためと考えられる。

また、実施例１において、側方部における平均突出量の粒径に対する割合を４０％から４５％に変更し、頂点部における平均突出量の粒径に対する割合を４０％から３５％に変更したところ、側方部の砥粒の形状崩れが減少し、加工精度寿命が極めて良好となった。

本発明に係る電着砥石およびその製造方法は、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することのない範囲で、種々の形態を採り得ることはもちろんである。

１０…電着砥石 １２…台金
１４…めっき膜 １６…砥粒
１６ａ…平坦砥粒 １６ｂ…平坦砥粒でない砥粒
２０…ドレッサ Ｔ…頂点部の領域
Ｓ１、Ｓ２…側方部の領域 ｔ…めっき膜の厚さ
ｈ…砥粒の突出量

Claims (7)

1. 中心軸（ＧＣ）を含む断面で見て外周部が円弧状である円盤状の電着砥石（１０）であって、前記外周部に砥粒（１６）が固着されており、前記外周部のうち側方部の砥粒密度が頂点部の砥粒密度よりも低く、前記側方部の平坦砥粒率が前記頂点部の平坦砥粒率よりも高いことを特徴とする電着砥石。
2. 請求項１記載の電着砥石において、
   前記外周部のめっき膜（１４）に前記砥粒（１６）が固着されており、前記側方部の砥粒（１６）が前記めっき膜（１４）から突出する量の平均値が前記頂点部の砥粒（１６）が前記めっき膜（１４）から突出する量の平均値よりも高い
   ことを特徴とする電着砥石。
3. 請求項１記載の電着砥石において、
   前記側方部の平坦砥粒率が４０〜６０％であり、前記頂点部の平坦砥粒率が１５〜４５％である
   ことを特徴とする電着砥石。
4. 中心軸（ＧＣ）を含む断面で見て外周部が円弧状である円盤状の電着砥石（１０）の製造方法であって、砥粒（１６）に対するドレッシング加工を含み、前記ドレッシング加工は、所定粒径の砥粒（１６）が固着された状態の電着砥石の外周部に対して円盤状のドレッサ（２０）を所定の軌跡に沿って接触させる工程を複数回にわたって前記電着砥石の径方向に追い込みつつ行うものであることを特徴とする電着砥石（１０）の製造方法。
5. 請求項４記載の電着砥石（１０）の製造方法において、
   前記工程において前記ドレッサ（２０）の外周部が通過する範囲の輪郭線の径が前記複数の工程で一定である
   ことを特徴とする電着砥石の製造方法。
6. 請求項４記載の電着砥石（１０）の製造方法において、
   前記工程において前記ドレッサ（２０）の外周部が通過する範囲の輪郭線の径が前記複数の工程が進むにつれて徐々に小さくなる
   ことを特徴とする電着砥石の製造方法。
7. 請求項４記載の電着砥石（１０）の製造方法において、
   前記ドレッシング加工は、前記電着砥石の外周部の頂点を境として一方側に分布する前記砥粒（１６）に対する加工と他方側に分布する前記砥粒（１６）に対する加工が交互に行われるものである
   ことを特徴とする電着砥石の製造方法。

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