JPH0790466B2

JPH0790466B2 - 研削砥石

Info

Publication number: JPH0790466B2
Application number: JP3130700A
Authority: JP
Inventors: 克雄佐川; 茂雄高島; 弘江田
Original assignee: Ibaraki Prefectural Government
Current assignee: Ibaraki Prefectural Government
Priority date: 1991-03-19
Filing date: 1991-03-19
Publication date: 1995-10-04
Anticipated expiration: 2010-10-04
Also published as: JPH04294978A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、工作機械に装着され
て回転、往復運動し被加工物を加工する研削盤、ホーニ
ング盤、旋盤、ドリル盤、フライス盤、切断装置および
孔明け装置等の回転あるいは直線運動をする研削砥石に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ファインセラミックスは、自動車エンジ
ン、ターボチャージャを始めとする自動車部品、工作機
械の主軸、ハウジング等の機械部品、ＩＣ基板、切削工
具あるいは各種電子部品等に多く使用されている。

【０００３】一般にファインセラミックスを研削する
ための研削砥石は、ダイヤモンドやＣＢＮのような砥粒
を直接台金の外周部に電着したり、砥粒をレジノイド、
ビトリファイド、メタルなどの結合材を用いて焼成した
砥石層として台金の外周部に取り付けている。この台金
は、砥粒層を必要な形状に保つための台またはスペーサ
の役割をもつもので、この役割から、一般的に台金は、
比強度が高い、密度が小さい、加工性が高い、弾性変形
が小さい（高弾性率）、振動の減衰率が大きい、低熱膨
張性であるなどの諸性質を有することが望まれる。従
来、この台金にはＡｌ合金やＦｅ合金（切断用のみ）が
使われているが、Ａｌ合金あるいはＦｅ合金の線熱膨張
率αは、Ａｌ合金がα＝２．５〜３．０×１０^−５／
℃、Ｆｅ合金がα＝１．０〜１．５×１０^−５／℃で、
熱膨張率が大きいため、連続使用中に研削熱により砥石
の寸法、形状が変化し、被加工物の寸法、形状精度に悪
影響を与える。

【０００４】例えば直径φ＝３００ｍｍの既存の実用標
準砥石は、実用研削条件下で使用した場合、一般に外周
部で７０℃となリ砥石中心部で室温となる。従って、理
論計算からすると、砥石は半径方向に２０〜３０μｍ熱
変位をする。この値がそのまま切り込み量になるわけで
はないが、通常はその約３０％（６〜１０μｍ）が余分
な切り込み量となって現れる。そのため、被加工物の寸
法形状にその分量の誤差を生ずることになる。また、砥
石自身にも熱膨張による劣化が生じ砥石寿命が短くな
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ファインセラミックス
等の硬脆材料は、寸法、形状に高精度を要求される高価
な構造または機能部材に多く使用されるため、一般に正
味形状に近い状態に焼成形されて供給され、最終的に外
表面は鏡面仕上げとするのが一般的である。そのため、
その加工精度は、ナノメータ（ｎｍ）オーダとなる場合
が多い。特にＳｉ、ＧａＡｓ、ガラス、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａ
ｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２，ＳｉＣ等の半導体、電子、光学部
品は、ｎｍからサブナノメータ（１ｎｍ以下）の精度が
求められている。

【０００６】しかし、上記精度に仕上げる加工用の砥石
が見当たらないのが実状である。これは従来の砥石は、
連続使用による研削熱により、寸法、形状に変化を生
じ、被加工物の寸法、形状精度を低下させるためであ
る。特にセラミックス加工時の研削点温度は、実用条件
で７００〜９００℃になるため、従来の砥石では満足で
きる高加工精度を得ることができない。

【０００７】この発明は、前記事情に着目してなされ
たもので、その目的とするところは、簡単な構成であり
ながら、研削中における砥石の熱変形、即ち台金の熱変
形による砥粒層への熱影響を軽減し、研削加工寸法精度
を向上し、砥石寿命を長期化することができ、しかも新
素材を材料として用いるだけで簡単に製造することがで
きる研削砥石を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段及び作用】この発明は、前
記目的を達成するために、台金の所定の外周部に砥粒ま
たは砥石層を付着してなる研削砥石において、前記台金
を、重量基準でＮｉ；２０〜３０％、Ｃ；１〜６％、Ｃ
ｏ；３〜７％、Ｍｎ；０〜１％、Ｃｕ；０〜１％、Ｃ
ｒ；０〜１％、残Ｆｅを主成分とする線熱膨張率α＝
０．５〜３×１０^−６／℃のＮｉ−Ｃｏ鋳鉄合金によっ
て形成し、この台金の所定の外周部に砥粒または砥石層
を付着したことにある。

【０００９】硬脆材料のうち特にセラミックス工作物の
寸法、形状精度を向上するためには、研削熱による砥石
の寸法、形状変形をできるだけ小さくする必要がある。
つまり、砥石の熱変形によるセラミックスの過研削によ
り、正味形状に近い寸法状態で供給された焼成セラミッ
クスが研削仕上げで一瞬のうちに不良品になることを防
止する必要がある。

【００１０】研削砥石は、砥粒を直接台金に電着によ
り付着したものはもとより、砥石層を台金に付着したも
のも、砥石全体において台金の占める割合が非常に大き
い。例えば、砥石層を台金の外周部に付着させた研削砥
石の場合、砥石層は０．１〜３ｍｍ厚であるのに対して
砥石台金は直径φ＝１００〜６００ｍｍが一般的なサイ
ズとなる。そのため台金の熱変形が砥石の寸法、形状変
化に非常に大きな影響を及ぼすことがわかった。そこ
で、本発明者らは、研究の結果、砥石の台金として、剛
性および吸振性が高く、しかも線熱膨張率αの低い化学
成分をもち、且つ台金に望まれる他の前記諸性質をも具
備した鋳鉄合金を用いることを見い出し、この発明を完
成するに至った。

【００１１】重量基準でＮｉ；２０〜３０％、Ｃ；１〜
６％、Ｃｏ；３〜７％、Ｍｎ；０〜１％、Ｃｕ；０〜１
％、Ｃｒ；０〜１％、残Ｆｅを主成分とするＮｉ−Ｃｏ
鋳鉄合金は、実験の結果によれば、線熱膨張率α＝０．
５〜３．０×１０^−６／℃（−５０〜３００℃）で、従
来の研削砥石の台金に用いられているＡｌ合金やＦｅ合
金に比較して、ａ値が極めて低い。たとえば、重量基準
でＮｉ≒２６％、Ｃ≒２％、Ｃｏ≒５％、Ｍｎ≒１％、
Ｃｕ＜１％、Ｃｒ＜１％、残不純分を含むＦｅからなる
鋳鉄合金の線熱膨張率αはα≒１．６×１０^−６／℃で
ある。このａ値は、上記成分組成の範囲内であれば、Ｆ
ｅが不可避的不純物を含んでいても変らない。そして、
上記成分の鋳鉄合金によって台金を形成した研削砥石
は、台金の外周部に砥粒を直接付着した砥石であって
も、また砥粒を結合材で焼結した砥石層を付着した砥石
であっても、実用的な研削条件下で、熱変形が０．５〜
１．０μｍ程度以下に軽減する。

【００１２】しかも、従来の研削砥石の台金の大部分を
占めるＡｌ合金の剛性を示す弾性率ＥはＥ＝７０．３Ｇ
Ｐａであるのに対して、上記成分の鋳鉄合金からなる台
金の弾性率はＥ＝１３０ＧＰａである。従って、鉄鋼の
Ｅ＝２００ＧＰａよりは低いが、研削砥石の台金として
充分な剛性をも有する。

【００１３】この発明において用いる砥粒は、ダイヤモ
ンド砥粒、ＣＢＮ砥粒等一般的に砥粒として用いられて
いるものであれば、いかなるものであってもよい。ま
た、砥粒は上記成分の鋳鉄合金で形成した台金に、電着
等により直接付着してもよいし、結合材で焼結し砥石層
として付着してもよい。

【００１４】台金の外周部に砥粒を結合材を用いて焼結
した砥石層を付着した研削砥石の場合、結合材として
は、青銅、Ａｇ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｗ
ｃ、Ｚｎあるいはこれらの合金等の金属、ベークライ
ト、エポキシ、ポリウレタン、フェノール、ポリアミ
ド、ＰＶＡ等のレジノイド、長石や粘土等のビトリファ
イドのうちの１種または２種以上を用いることができ
る。また、結合材として、台金と同じ上記成分の鋳鉄合
金の粉末を用い、またはこの鋳鉄合金粉末を他の結合材
に混合して用いることもでき、この場合には結合材の熱
膨張による影響を軽減することができる。

【００１５】砥粒と結合材は真空、水素または３Ｈ_２＋
Ｎ_２等の雰囲気下で焼結するのが好ましい。その際、用
いる砥粒および結合材の種類等に応じ、最適の焼結温度
および圧力を選択する。

【００１６】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１は研削砥石の第１の実施例を示し、１は台
金である。台金１は例えば外径がφ１６０、内径がφ１
２７および厚みが２４．５ｍｍのリング部２と、このリ
ング部２の外周面に一体に設けられリング部２を含む外
径がφ２１０、厚みが１．５ｍｍの鍔部３とから構成さ
れている。そして、台金１の鍔部３の外周部には砥粒層
４が付着されている。

【００１７】前記台金１は、重量基準でＮｉ；２０〜３
０％、Ｃ；１〜６％、Ｃｏ；３〜７％、Ｍｎ；０〜１
％、Ｃｕ；０〜１％、Ｃｒ；０〜１％、残Ｆｅを主成分
とする線熱膨張率α＝０．５〜３×１０^−６／℃（−５
０〜３００℃）のＮｉ−Ｃｏ鋳鉄合金によって形成され
ている。

【００１８】前記砥粒層４は、＃１４０のダイヤモンド
砥粒を電着により台金１の鍔部３に直接付着したもので
あるが、ＣＢＮ砥粒であってもよい。

【００１９】

【表１】

【００２０】表１は、上記第１の実施例の研削砥石（以
下「開発砥石」という）を用い、反復して４回、砥石周
速Ｖｓ＝１８００ｍ／ｍｉｎ、テーブル速度Ｖｗ＝１０
ｍ／ｍｉｎ、砥石切込み量ｄ＝１０μｍとし、窒化珪素
をプランジ研削として合計１２０μｍ切り込み実験をし
たとき（スパークアウト２回）の実質切取り量を示した
ものである。比較のため市販のメタルボンド砥石（ＳＤ
１４０Ｊ７５ φ３００Ｂ＝１０ｍｍ。台金１はＡｌ
合金で、Ｃｕ：Ｓｎ＝６：４の割合の混合微粉末にＷ
Ｃ；０．４Ｗｔ％、ＴｉＢ２；０．３Ｗｔ％、Ｎｉ；
０．２Ｗｔ％を添加した結合材で＃１４０のダイヤモン
ド砥粒を焼成して台金の外周部に付着したもの。以下
「比較砥石」という。）で同一の実験をしたときのデー
タをも示す。表１から明らかなとおり、反復実験回数４
回平均で、切り取り量は開発砥石で１１９／１２０＝
０．９９、比較砥石で１１０．３／１２０＝０．９２で
あり、従って切り残し量は、開発砥石（第１の実施例の
砥石）で１％、比較砥石（市販のメタルボンド砥石）で
８％であった。

【００２１】上記実験の結果から、高温にさらされてい
る比較砥石は、高熱源部が研削液で研削中に冷却される
ため、大きな収縮膨張を繰り返し、その結果大きな切り
残し量となるが、この発明の研削砥石、つまり開発砥石
では加熱冷却に対して変形量が少なく、そのため比較砥
石に対し寸法形状精度が８倍も向上したことが認められ
る。

【００２２】図２は研削砥石の第２の実施例を示し、５
は台金である。台金５は外径がφ２１０ｍｍ、厚みが１
０ｍｍの円板状であり、その外周部に厚さ３ｍｍの砥石
層６が付着されている。

【００２３】前記台金５は、第１の実施例と同様に、重
量基準でＮｉ；２０〜３０％、Ｃ；１〜６％、Ｃｏ；３
〜７％、Ｍｎ；０〜１％、Ｃｕ；０〜１％、Ｃｒ；０〜
１％、残Ｆｅを主成分とする線熱膨張率α＝０．５〜３
×１０^−６／℃（−５０〜３００℃）のＮｉ−Ｃｏ鋳鉄
合金で形成されている。

【００２４】また砥石層６は、粒度＃１４０のダイヤモ
ンドを主体とする砥粒と、青銅８０Ｗｔ％、Ｎｉ１０Ｗ
ｔ％および上記成分の鋳鉄合金粉末１０Ｗｔ％を混合し
た結合材とからなり、この砥粒と結合材を高純度の真空
中で高温高圧下に焼結して形成されている。

【００２５】第２の実施例の研削砥石について、第１の
実施例につき前記したのと同じ実験をしたところ、第１
の実施例と同様な結果が得られた。

【００２６】さらに、結合材がフェノール７０Ｗｔ％と
Ｆｅ３０Ｗｔ％との混合物である以外は第２の実施例と
同様の研削砥石、および結合材が青銅７０％、Ｎｉ１０
Ｗｔ％、Ｆｅ２０Ｗｔ％の混合物である以外は第２の実
施例と同様の研削砥石について、前記した第１の実施例
と同じ実験をしたところ、やはり第１の実施例と同様な
結果が得られた。

【００２７】図３および４は、第１の実施例の研削砥石
（開発砥石）と前記市販のメタルボンド砥石（比較砥
石）を図３および図４に示す各加工条件により、それぞ
れ窒化珪素、炭化珪素、アルミナを研削したときの法線
及び接線研削抵抗を調べた実験の結果を示すものであ
る。上記実験の結果から、開発砥石の接線研削抵抗は比
較砥石と同じくらいであるが、開発砥石の法線研削抵抗
は比較砥石のそれの１／２〜１／５とかなり小さい値を
示し、開発砥石が比較砥石に比べ２〜５倍、熱変形によ
る法線研削抵抗の減少を見込めることがわかる。このこ
とは、この発明の研削砥石は、比較砥石のように、被加
工物を強く押し付け弾性変形を与えて研削しなくても８
倍も切り残しが少ないことを示すものである。つまり、
この発明の研削砥石においては、少ない砥石押し込み力
によって研削加工を進行することができ、その結果高い
寸法形状精度が円滑に得られる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、研削熱による砥石の寸法、形状変化に起因する被加
工物の寸法、形状変化を軽減でき、２〜５倍も低く工作
物を押し付ける法線研削抵抗下で、かつ設計上の所望の
寸法形状精度を従来より極めて少ない切り残し量下で、
セラミックスを能率的に加工できる。特に、高温の研削
熱の生ずる過酷な研削条件におかれる場合には、この発
明は一層被加工物の熱変形防止の効果を発揮できる。ま
た、総形電着砥石を用いるプランジ研削の場合には、砥
石層が少ないので、より一層すぐれた性能を発揮できる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例に係わる研削砥石の縦
断側面図。

【図２】この発明の第２の実施例に係わる研削砥石の縦
断側面図。

【図３】この発明の実施例に係わる研削砥石（開発砥
石）と市販のメタルボンド砥石（比較砥石）との各セラ
ミックスに対する法線および接線研削抵抗を比較したグ
ラフ。

【図４】この発明の実施例に係わる研削砥石（開発砥
石）と市販のメタルボンド砥石（比較砥石）との各セラ
ミックスに対する法線および接線研削抵抗を比較したグ
ラフ。

【符号の説明】

１、５・・・台金、４．・・砥粒屑、６・・・
砥石層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】台金の所定の外周部に砥粒または砥石層
を付着してなる研削砥石において、前記台金を重量基準
でＮｉ；２０〜３０％、Ｃ；１〜６％、Ｃｏ；３〜７
％、Ｍｎ；０〜１％、Ｃｕ；０〜１％、Ｃｒ；０〜１
％、残Ｆｅを主成分とする線熱膨張率α＝０．５〜３×
１０^−６／℃のＮｉ−Ｃｏ鋳鉄合金によって形成し、こ
の台金の所定の外周部に砥粒または砥石層を付着したこ
とを特徴とする研削砥石。
【請求項２】前記砥石層は、砥粒と、重量基準でＮ
ｉ；２０〜３０％、Ｃ；１〜６％、Ｃｏ；３〜７％、Ｍ
ｎ；０〜１％、Ｃｕ；０〜１％、Ｃｒ；０〜１％、残Ｆ
ｅを主成分とする線熱膨張率α＝０．５〜３×１０^−６
／℃のＮｉ−Ｃｏ鋳鉄合金粉末、前記鋳鉄合金粉末以外
の金属、レジノイド、ビトリファイドのうちの１種また
は２種以上を含む結合材とから形成されていることを特
徴とする請求項１記載の研削砥石。
【請求項３】前記砥石層は、砥粒と結合材とを真空、
水素、３Ｈ_２＋Ｎ_２等の雰囲気下で焼結して形成したこ
とを特徴とする請求項１記載の研削砥石。