JP7340254B2

JP7340254B2 - ビトリファイド超仕上げ砥石

Info

Publication number: JP7340254B2
Application number: JP2020009124A
Authority: JP
Inventors: 庸彦石井; はるか内田
Original assignee: Mizuho Ika Kogyo KK
Current assignee: Mizuho Ika Kogyo KK
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2023-09-07
Anticipated expiration: 2040-01-23
Also published as: JP2021115645A

Description

この発明は、転がり軸受の軌道面等のように精密な仕上げ加工が求められる被加工物に用いられるビトリファイド超仕上げ砥石に関する。

一般に、精密機械部品の超仕上げ加工には、ビトリファイドボンド（結合剤）で砥粒を
保持したビトリファイド超仕上げ砥石が適用されている。

ビトリファイド超仕上げ砥石は、ベアリングの転動体の転がる軌道面、例えば内輪及び外輪の軌道面の断面形状を崩すことなく、美麗な仕上げ面を高能率で仕上げることに適している。

ビトリファイド超仕上げ砥石を製造するには、砥粒とビトリファイドボンドに気孔形成材や成形助剤を添加し、それらの混合物を鋳込み成形法やプレス成形法によって生砥石を成形して乾燥させ、さらに焼成工程を必須の工程とする。このようにして製造される超仕上げ砥石の組織は、目詰まり防止のために気孔を有していて多孔質であり、さらに気孔内にはワックスが含浸処理によって保持されている。

また、砥粒はビトリファイドボンドで保持されることにより、砥石に所要の砥石硬度および砥石強度が備わっている。例えばケイ酸質原料を主原料に用いたビトリファイドボンドは、焼成工程で９００℃～１２００℃程度の高温で溶融される。

上記砥粒の種類は、例えば硬質砥粒（アルミナ質砥粒Ａ、ＷＡあるいは炭化ケイ素砥粒Ｃ、ＧＣ）や超硬質砥粒（ＣＢＮ、ＳＤ）または超硬質砥粒と軟質砥粒（硫酸バリウムＢａＳＯ_４あるいは酸化セリウムＣｅＯ_２）との複合砥粒などがあり、可及的に砥石摩耗量を少なくして効率よく高い切削量が得られるように調製されている。

例えばホウケイ酸塩ガラス組成物粉末からなるビトリファイド結合剤と砥粒との混合紛体が圧縮成形され、焼成したビトリファイド超仕上げ砥石が知られている。

上記ビトリファイド結合剤の組成は、例えば低融性ホウケイ酸塩ガラス組成物からなる粉末を９４～１００質量％含み、前記低融性ホウケイ酸塩ガラス組成物は、ＳｉＯ_２を３５～５５モル％、Ａｌ_２Ｏ_３を３～５モル％、Ｂ_２Ｏ_３を１０～３５モル％、アルカリ金属及びアルカリ土類金属酸化物のＲ₂Ｏ＋ＲＯを２５～３０モル％含んでいる（特許文献１）。

ところで、超仕上げ砥石は、汎用の研削用砥石とは違って超仕上げ加工の初めにツルーイングあるいはドレッシングなどの砥石成形工程は行なわれず、予め砥石作用面を加工対象面に対して隙間なく接触させるように馴染ませておく必要がある。

このような「馴染み（なじみ）」とは、仕上げ加工のために必要な接触圧力分布が均一化されるように、砥石と被加工面との接触状態を改善し、砥石作用面積を可及的に大きくすることであり、またはそのようにして改善された前記接触状態をいう。また、前記改善された接触状態により、塑性接触状態から弾性的に荷重を支えることができる弾性接触状態に移行するとも言われている。

特開２０１６－１９６０５０号公報

しかし、上記したような「馴染み」を超仕上げ砥石の作用面に持たせるには、馴染ませる過程の加工で用いる調整用の被加工品を相当に多数必要とし、超仕上げ加工された被加工品の製造効率を大きく低下させている。

図１、図２を利用して説明すると、例えば、ボールベアリングの内輪の軌道面に対し、仕上げ加工するためのビトリファイド超仕上げ砥石では、図１（ａ）に示される円弧状端面の角柱状砥石１ａから、図１（ｂ）に示されるような中央部が凹型の円曲面状端面の砥石１ｂになるように「馴染み」を持たせる必要がある。

そのためには、通常、図２（ａ）、（ｂ）に示すように角柱状砥石１ａを揺動させながら先端部を被加工物である内輪２に押し当て、その状態で内輪２を回転させ、角柱状砥石１ａの先端部分の形状を内輪２の軌道面３の円溝状ベアリングカーブに整合するまで馴染ませておき、次いで調整された先端部分を用いて超仕上げ工程が行なわれる。
このような馴染み加工を行なうには、例えば数十個乃至１００個近くの内輪２の初期不良品が生じる場合があった。

特に、近年の超仕上げ砥石は、使用寿命をできるだけ長くする高効率性が求められているから、超硬質の立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）砥粒またはダイヤモンド（ＳＤ）砥粒を用いたものが要望されているので、このような超硬質の砥粒を保持した砥石作用面に適度の「馴染み」を持たせるには、より多くの被加工品が必要になってしまう。

そこで、この発明の課題は、上記した問題点を解決し、馴染み加工に要する被加工品の個数を可及的に少なくできるビトリファイド超仕上げ砥石であり、特に超硬質砥粒を備えた超砥粒超仕上げ砥石においても馴染みの過程で速やかに摩耗させることができ、しかも馴染みの形成後には、砥石作用面に砥粒が所要の結合度で保持されていて、被加工品の製造効率を高め、しかも使用状態では長寿命のビトリファイド超仕上げ砥石にすることである。

上記の課題を解決するために、この発明ではビトリファイド結合剤で砥粒を結合した多孔質性の砥石に、この砥石表面から馴染み摩耗深さより深くワックスの染み込んだワックス保持域を設け、前記ワックス保持域における砥石表面から前記馴染み摩耗深さ以浅には前記ビトリファイド結合剤の溶剤が染み込んで脆化された脆化層を設けたビトリファイド超仕上げ砥石としたのである。

上記したように構成されるこの発明のビトリファイド超仕上げ砥石は、砥石組織が多孔質であり、予めワックスを染み込ませた砥石表面から、さらに液状の溶剤を染み込ませたものであり、染み込んだ溶剤でビトリファイド結合剤が部分的に溶解して脆化されている。

前記溶剤は、ビトリファイド結合剤を溶解可能な溶剤であって周知な酸またはアルカリ等を採用できる。
このような溶剤は、砥石表面にほぼ均等に分布する気孔から砥石内部にほぼ均等な速度で染み込むことができ、浸透した部分は層状に形成される。そのような層状部分では溶剤に接した一部のビトリファイド結合剤が溶けて、砥粒とビトリファイド結合剤との結合した部分の強度が弱まって砥石組織は脆くなる。
このような溶剤の作用は、ビトリファイド結合剤に対して付着しているワックスの撥水性によって、ある程度の制限を受け、ビトリファイド結合剤は完全に溶解することなく残存する。

このようにしてワックス保持域内において、砥石表面から所定深さまでワックスと併存する脆化層では、溶剤で適度に脆化された結合剤によって保持された砥粒が、積極的に目こぼれしやすくされており、このような脆化層では砥石組織の強度は低下していて摩耗しやすくなる。また脆化層より以深の砥石内部では、本来のビトリファイド結合剤の強度が維持されており、目こぼれ等による砥石の摩耗は本来の砥石の機能として防止されている。

したがって、砥石の使用時における砥粒による研削作用は所期したように発揮され、かつワックスの撥水作用及び潤滑作用も所期したように発揮されるから、砥石作用面における目詰まりの防止とクリーンな研削研磨状態は維持される。

上記ビトリファイド結合剤は、通常、シリカ、炭酸塩、ホウ酸塩、硫酸塩またはリン酸塩を含有することから、これらを溶解可能な酸またはアルカリを溶剤として採用できる。
具体的な溶剤の酸の例として、強酸である塩酸が挙げられる。またビトリファイド結合剤に酸化アルミニウム等が含まれている場合に対応する溶剤としては、水酸化ナトリウムなどのアルカリを採用可能である。

塩酸は、特に水溶液濃度０．０１～５．０質量％の希塩酸である場合、ビトリファイド結合剤に対して溶解性が充分にある。

超仕上げ砥石の馴染み摩耗深さは、５００μｍ以下であることが、脆化層が効率よく速やかに形成されるために好ましい。また、被加工物の素材や寸法、形状等に対応して馴染み摩耗深さを５００μｍより浅く形成してもよく、例えば３５０μｍ以下、３００μｍ以下、または２００μｍ以下に形成してもよい。

この発明の適用できる超仕上げ砥石としては、「馴染み」を持たせるために、非常に多くの試用被加工品を要する超硬質の砥粒である立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）砥粒またはダイヤモンド（ＳＤ）砥粒を用いた超砥粒超仕上げ砥石であることが、より顕著な効果を得ることができるので好ましい。

この発明は、ワックス保持域を設けたビトリファイド超仕上げ砥石に、砥石表面から所定深さまで溶剤の染み込んだ脆化層を設けたので、馴染み加工に要する被加工品の個数が少なくなり、特に超砥粒超仕上げ砥石においても馴染みの過程では速やかに摩耗するものであり、しかも馴染みが形成された後には、砥石作用面に硬質の砥粒が所期した結合度で保持されていて、被加工品の超仕上げ工程の作業効率に優れ、かつ長寿命のビトリファイド超仕上げ砥石になるという利点がある。

（ａ）実施形態の外観を示す斜視図、（ｂ）実施形態に馴染みのついた状態を示す斜視図（ａ）馴染み処理を説明する実施形態の正面図、（ｂ）馴染み処理を説明する実施形態の側面図（ａ）図1(a)のIII-III線断面図、（ｂ）図1(b)のIII-III線断面図塩酸浸漬処理後の測定見本用砥石の表層部断面のマイクロスコープ写真（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は実施例１、２，３の表層部断面の画像処理されたマイクロスコープ写真（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は実施例４、５，７の表層部断面の画像処理されたマイクロスコープ写真試験砥石に対する塩酸濃度と変色域深さの関係を示す図表実施例８及び比較例２の馴染み加工数（１０以下）と累積摩耗量との関係を示す図表実施例８及び比較例２の馴染み加工数（ｎ）と累積摩耗量との関係を示す図表

この発明の実施形態を以下に添付図面を参照して説明する。
この発明におけるビトリファイド結合剤で砥粒を結合した多孔質性の砥石は、いわゆるビトリファイド超仕上げ砥石と称され、砥石素材の形態（外形状）は、周知形態であり、また特に限定された形態ではなく、被加工品の超仕上げに適合する適切な形態を採用することができる。

例えば図１（ａ）に示されるこの発明の実施形態のビトリファイド超仕上げ砥石は、ボールベアリングの内輪または外輪の軌道面に対し、仕上げ加工するために適当な大きさの四角柱の基材Ｂの先端に、固定されたかまぼこ型のビトリファイド超仕上げ砥石１ａであり、先端面は円弧状に形成されている。

図３（ａ）（ｂ）に示すように、角柱状砥石１ａの表面からワックスが、砥石全体に均等に染み込むように浸漬されてワックス保持域Ｗが設けられており、また砥石表面から馴染み摩耗深さＤと同じ程度または馴染み摩耗深さＤ以浅には、ビトリファイド結合剤の溶剤が染み込んで脆化された脆化層Ａが設けられている。

ワックス保持域Ｗは、被加工物の種類や大きさに応じて想定される所定の馴染み摩耗深さＤよりも充分に深く形成されていればよく、通常は砥石全体に設けるが、砥石の寸法、形状または砥石の一部がワックスの染み込みにくい素材で複合的に形成されているなど、砥石全体に設けることができない事情がある場合には、少なくとも砥石の表層に所要の深さでワックス保持域を設ければよい。

この発明に用いるビトリファイド結合剤は、セラミックス質（ガラス質）の結合剤であり、例えばシリカ、炭酸塩、ホウ酸塩、硫酸塩またはリン酸塩を含有するビトリファイド結合剤が代表例として挙げられる。

上記ビトリファイド結合剤の成分であるシリカは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、もしくは二酸化ケイ素によって構成される物質の総称であり、無水ケイ酸、ケイ酸、酸化シリコンと呼ばれるものであってもよい。ちなみに、シリカは、二酸化ケイ素によって構成されるケイ酸塩鉱物等の物質の総称でもある。

ケイ酸塩鉱物のうち、アルミニウムを多く含むものは希塩酸等に溶け難いが、ナトリウム、カリウム、水が多く含まれるものは溶けやすい傾向がある。また溶ける際に、ゼラチン状のケイ酸ゲルが生じる場合がある。

上記ビトリファイド結合剤の成分である炭酸塩は、炭酸基を含む方解石などの周知な鉱物としても得られ、希塩酸等に対して二酸化炭素ガスを発泡して溶解する。
ホウ酸塩、硫酸塩またはリン酸塩は、希塩酸に対して発泡せずに徐々に溶ける。なお、
硫酸塩は、同様に希塩酸に溶けるときに臭気のある硫化水素ガスを生ずるので、砥石の実用上の取り扱い性には若干の難点があるが使用に耐え得る。

また、特許文献1に記載されているように、低融性ホウケイ酸塩ガラス組成物からなる粉末を９４～１００質量％含んでおり、低融性ホウケイ酸塩ガラス組成物は、ＳｉＯ_２を３５～５５モル％、Ａｌ_２Ｏ_３を３～５モル％、Ｂ_２Ｏ_３を１０～３５モル％、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の酸化物であるＲ₂Ｏ＋ＲＯを２５～３０モル％含有するものであってもよい。

このようなビトリファイド結合剤を溶解する溶剤の例として、酸は強酸である塩酸、硫酸、硝酸、フッ化水素酸などが挙げられる。特に、代表例として希塩酸を用いて好ましい結果を得ている。

溶剤について、アルカリの具体例としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウムなどが挙げられる。ビトリファイド結合剤に酸化アルミニウム等が含まれている場合は、水酸化ナトリウムの水溶液でビトリファイド結合剤は溶解し、これら所定のアルカリも溶剤となり得る。

酸の代表例である塩酸は、特に水溶液濃度０．０１～５．０質量％の希塩酸である場合において、シリカ含有のビトリファイド結合剤に対して溶解性があって、室温下の１～２時間という比較的短時間でも適度な脆化が可能であることが判明している。

希塩酸の水溶液濃度が、０．０１質量％未満の低濃度では、砥石のほぼ全ての表面に希塩酸が、例えば２００～５００μｍ程度染み込んで脆化層を形成するために要する時間が、長時間を要することになるので、製造効率上の観点から好ましくない。

また、希塩酸の水溶液濃度が、５．０質量％を超える高い濃度では、砥石の組織内に染み込む初期段階での速度が速くなり、脆化層の厚みの安定した制御が困難であることから好ましくない。
このような理由から、より好ましい希塩酸の濃度は、０．０３～５．０質量％であり、より好ましくは０．１～５．０質量％であり、さらに好ましくは０．７～５．０質量％である。

上記したようなビトリファイド結合剤に保持される砥粒は、周知技術を採用し、例えば
超仕上げ用砥石の硬質砥粒として周知の白色アルミナ砥粒（ＷＡ）、褐色アルミナ砥粒（Ａ）、黒色炭化ケイ素砥粒（Ｃ）、緑色炭化ケイ素砥粒（ＧＣ）、そして超（硬質）砥粒のダイヤモンド（ＳＤ）および立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）などである。砥粒の粒度は、超仕上げ用として粒径２０μｍ（６００メッシュ、ＪＩＳＲ６００１）以下であることが好ましい。

また、切削性を有しない軟質砥粒（硫酸バリウムＢａＳＯ_４あるいは酸化セリウムＣｅＯ_２）と、上記した超硬質砥粒の複合砥粒を採用することもできる。

この発明に用いるワックスは、清浄な砥石面の維持及び溶剤に対する撥水性を目的として砥石気孔内に保持させるものであり、周知の有機質ワックスを採用できる。このようなワックスとしては、融点８５℃の高融性で、硬度１００～１２０（ロックウェル硬度計、試験荷重９８．１Ｎ）、抗折力１０～２０ＭＰａ、曲げ弾性率３００～５００ｋｇ／ｍｍ^２の適当な硬さと強靭性を有するものが、潤滑作用を長期間安定して作用させるために好ましい。

例えば好ましいワックスとして、カルナウバワックスを採用できる。カルナウバワックスは、ヤシ科植物のブラジルロウヤシ（Copernicia cerifera Martius）の葉から得られるヒドロキシセロチン酸セリル等のヒドロキシ酸エステルを主成分（８０～８５％）とし、他に遊離脂肪酸３～４％、遊離アルコール１０～１２％、炭化水素１～３％を含有し、その物性として融点８０～８６℃、酸価２～１０、鹸化価７８～８８の植物由来のワックス（蝋）である。

カルナウバワックスは、気孔内に充分に染み込んで溶剤に対する撥水性があり、切削砥粒の作用点では、気孔から徐々に供給されて潤滑性能を安定的に発揮し、砥石作用面の清浄な状態を維持させる効果がある。

前述したワックス保持域Ｗの砥石表面からの深さＷ₁、すなわち砥石表層または砥石全体の厚さと、砥石表面からの馴染み摩耗深さＤと、ビトリファイド結合剤の溶剤の染み込んだ脆化層Ａとの形成位置及び厚みの関係は、砥石表面から馴染み摩耗深さＤより深くワックスの染み込んだワックス保持域Ｗを砥石表層または砥石全体に設け、前記ワックス保持域Ｗの砥石表面からの深さＷ₁、すなわち砥石表面から馴染み摩耗深さ以浅にビトリファイド結合剤の溶剤の染み込んだ脆化層Ａを設けることである。
この関係をわかりやすく数式（不等式）で示せば、以下の通りである。

［数１］
Ａ≦Ｄ＜Ｗ₁
（ただし、式中の符号Ａ＝砥石脆化層の厚さ、
Ｄ＝馴染み摩耗深さ、
Ｗ₁＝ワックス保持域の砥石表面からの深さである。）

［実施例１－８、比較例１、２］
（１）砥石製作
実施例１－８と比較例１、２の砥石製造例の砥種、粒度、結合度、砥石集中度、結合剤を表１に示した。
表１に示す砥粒、ビトリファイド結合剤、その他の助剤を配合し、均質になるよう混合した後、紛体調整を経て成形および乾燥した。その後、結合剤の融点以上で加熱焼成し、５×５．５×３５（ｍｍ）の角柱状に成形したものを電着ホイールで研削加工して、端面が図１（ａ）に示されるような２次元Ｒ形状（円弧状端面）に成形した。さらに約１２０℃で加熱溶解したカルナウバワックスに全体を浸漬し、その後、常温まで冷却して試験片用のビトリファイド超仕上げ砥石１，２を製造した。

なお、上記実施例および比較例に用いたビトリファイド結合剤は、ホウケイ酸塩系ビトリファイドボンドであり、焼成温度は最高温度８００℃未満で結合剤の添加割合を変えて高結合度（実施例１－７、比較例１）または低結合度（実施例８、比較例２、参考例１－３）に調整した。

（２）塩酸処理
ビトリファイド超仕上げ砥石１，２を表２、３に示す塩酸濃度及び浸漬時間にて塩酸水溶液に浸漬し、その後、砥石を水に1時間漬けて洗浄し、充分に乾燥させてから砥石断面を観察した。例えば、図４に示すように、３．５質量％の塩酸に６時間浸漬した場合の測定見本用の砥石を市販のマイクロスコープ（ＨＩＲＯＸ社製：ＲＨ２０００測定倍率３５倍）で観察すると、表面を含む表層には内部よりも若干薄色の変色域が確認された。図４中には、変色域の厚さの測定値（μｍ）を示している。

この変色域を劣化層とみなして厚み（表面からの平均深さ）を測定した。測定する際には前記マイクロスコープを用いた画像処理を行ない、このマイクロスコープに付属の寸法測定ソフトウェア（色の濃淡差によって識別した部分の寸法を測定するソフトウェア）を利用して劣化層とそれより内部の劣化されていない領域を区分けし、計測された劣化層の厚みを縦方向及び横方向の二重線の幅で図５、６に示した。

表２及び図５、６の結果からも明らかなように、浸漬用の塩酸濃度が高いほど変色域の表面からの深さは深くなり、また所定濃度の塩酸に浸漬する時間が長いほど変色域の深さは増大した。実施例1のように塩酸濃度が０．７質量％以上であれば、浸漬時間が1時間と短時間でも変色域の深さは、所要馴染み摩耗深さの２００μｍ程度以上になることがわかる。
なお、上記実施例の塩酸処理濃度およびそれ以外の試験砥石に対しても、参考のために塩酸濃度と変色域深さの関係を調べ、その結果を図７に示した。

次に、以下に示す馴染み加工試験を行ない、加工数及び加工毎の累積摩耗量（μｍ）を調べた。また実施例８及び比較例２については、馴染み加工数１～１０（個）までの結果を図８に示し、馴染み加工数１～５０（個）までの結果は図９に示した。

＜馴染み加工試験＞
被加工物を高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）製の玉軸受（＃６２０３）の内輪とし、超仕上げ盤（ダイセイ社製）を用いて、前加工の表面粗さＲａが０．１３～０．１８μｍの外径軌道面に対し、実施例および比較例の砥石（マタギ５×幅５．５×長さ３５（ｍｍ））の図１（ａ）に示される円弧状の先端面を馴染み加工した。

加工条件としては、図２（ａ）、（ｂ）に示すように角柱状砥石１ａを図中左右の矢印方向に揺動させながら先端面を内輪２の外径の軌道面３に押し当て、表４に示されるように、超仕上げ盤（ダイセイ社製）のラフ（rough）からファイン(fine)モードに順に切り替えて図１（ｂ）に示される形状になるまで行なった。

図８及び図９に示す結果からも明らかなように、所定濃度の塩酸に浸漬しなかった比較例２では、馴染みの目安となる２００μｍの深さまで超仕上げ盤で摩耗させるまでに加工数６０個を要した。これに対して、濃度０．７質量％の希塩酸に１時間浸漬処理された実施例８は、２００μｍの深さまで摩耗させるまでに加工数２０個という個数で馴染み加工を完了させることができた。

１ａ、１ｂ角柱状砥石
２内輪
３軌道面
Ａ砥石脆化層
Ｄ馴染み摩耗深さ
Ｗワックス保持域

Claims

ビトリファイド結合剤で砥粒を結合した多孔質性の砥石に、この砥石表面から馴染み摩耗深さより深くワックスの染み込んだワックス保持域を設け、前記ワックス保持域における砥石表面から前記馴染み摩耗深さ以浅には前記ビトリファイド結合剤に酸またはアルカリの溶剤が染み込んで脆化された脆化層を設けたビトリファイド超仕上げ砥石。
上記ビトリファイド結合剤が、シリカ、炭酸塩、ホウ酸塩、硫酸塩またはリン酸塩を含有するビトリファイド結合剤である請求項1に記載のビトリファイド超仕上げ砥石。
上記酸が、塩酸である請求項１または２に記載のビトリファイド超仕上げ砥石。
上記塩酸が、水溶液濃度０．０１～５．０質量％の希塩酸である請求項３に記載のビトリファイド超仕上げ砥石。
上記馴染み摩耗深さが、５００μｍ以下である請求項４に記載のビトリファイド超仕上げ砥石。
上記砥石が、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）砥粒またはダイヤモンド（ＳＤ）砥粒を用いた超砥粒超仕上げ砥石である請求項１～５のいずれかに記載のビトリファイド超仕上げ砥石。