JP4869695B2 - ビトリファイド砥石の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、砥粒が溶融ガラス体により結合されたビトリファイド砥石の製造方法に関し、特に面粗さを細かく仕上げ加工可能な超仕上加工用のビトリファイド砥石に関するものである。

ビトリファイド砥石を用いた研削加工においては、被加工物の削除量の増大と面粗さの向上とは相反する事項であり、砥粒を粗くしたりして被加工物の削除量が増大する組成にすれば面粗さが悪化し、砥粒を細かくしたりして被加工物の面粗さを細かくすると削除量が減少する性質がある。この点では、平滑な鏡面を得るための超仕上げ加工においても同様であり、最終的に目的とする鏡面を得るために、加工時間を長くしたり、粗仕上げ加工や上仕上げ加工を含む多段加工としたりすることが多い。このため、仕上比（＝被加工物削除量／砥石摩耗量）の高い砥石が望まれている。

これに対し、特許文献１、特許文献２、特許文献３では、従来の一般砥粒を使用した超仕上砥石に微量の超砥粒すなわち窒化ホウ素砥粒（ＣＢＮ砥粒）およびダイヤモンド砥粒の少なくとも一方を混合させて、前記の問題を解決しようとしている。

特許文献４では、微細砥粒を焼成させて凝集させた砥粒凝集体を用いた超仕上げ砥石にて鏡面加工が可能となることが報告されている。また、特許文献５では、砥粒凝集体の結合剤が砥石の結合剤よりも高い融点を有するガラスを用いたビトリファイド超仕上砥石の製造方法が開示されている。また、特許文献６では、砥粒の４乃至５倍の凝集粒径を有する砥粒凝集体からなる超仕上砥石の製造方法が開示されている。

また、特許文献７では、前記問題を解決するために２種の径サイズの気孔を設けた超仕上砥石が開示されている。また、特許文献８では、一次気孔を有する造粒小砥石から製造した２種の気孔を有する超仕上砥石の製造方法が開示されている。また、特許文献９では、砥粒凝集体を含む多孔製研磨製品および砥粒凝集体の製造方法が開示されている。
特開昭６２−０５７８７３号公報 特開平０３−２３９４７５号公報 特公平０６−０６９６６９号公報 特公昭３８−００９３９５号公報 特開平０５−２５３８４８号公報 特開平０８−１５５８４０号公報 特開昭６４−００２８７０号公報 特開２００２−３３１４６２号公報 特表２００５−５２２３３９号公報

ところで、前述のように、超仕上加工は、被加工面を鏡面に仕上げることを目的とする工程であり、前工程で形成された面の粗さを除去するための加工削除量と最終面粗さと低砥石摩耗量とが同時に要求される。すなわち、仕上比が高く細かい面粗さで加工ができる超仕上砥石が求められる。しかし、上記従来の超仕上砥石においては、加工時間をかけたり工程を２以上に増加させたりする場合は、超仕上げ能率が下がり、ＣＢＮやダイヤモンドなどの超砥粒を加える場合は、超仕上砥石の製造コストや加工コストが高くなり、砥粒凝集体を含む砥石を用いる場合は、凝集体を製造する工程や工数がかかるため超仕上砥石の製造コストや加工コストが高くなるという問題が残されていた。このような問題は、必ずしも超仕上砥石だけのものではなく、被加工面が鏡面よりも粗い表面粗さを有する研削加工のための砥石でも同様に存在する。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであり、その目的とするところは、製造コストや加工コストが低くしかも仕上比の高いビトリファイド砥石の製造方法を提供することにある。

本発明者等は以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、砥粒よりも粒径が十分に大きくし、粒度の分布範囲を順次狭くして行ったビトリファイド結合剤（粉体）を用いると、複数の砥粒が溶融ガラス体によって結合された砥粒凝集体を多数含むビトリファイド砥石を容易に製造でき、しかも、超砥粒をそれほど用いなくても、そのビトリファイド砥石は高い仕上比と細かい面粗さの被加工面とが得られることが見出された。このような現象は、超仕上砥石において特に顕著である。本発明はこの知見に基づいて為されたものである。

すなわち、上記目的を達成するための請求項１に係る発明の要旨とするところは、砥粒が溶融ガラス体により結合されたビトリファイド砥石の製造方法であって、前記溶融ガラス体の材料として、前記砥粒の平均粒径に対して１．４乃至２．６倍の範囲内の平均粒径を有するビトリファイド結合剤が用いられ、そのビトリファイド結合剤は、６７乃至９９％の範囲内の変動係数を有することを特徴とする。

また、請求項２に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１に係る発明において、(a) 前記砥粒、前記ビトリファイド結合剤、成形バインダー、気孔形成剤を混合する攪拌工程と、(b) その攪拌工程において混合された混合材料を所定の形状に加圧成形して成形品を作成する成形工程と、(c) その成形工程において成形された成形品を焼成して前記ビトリファイド結合剤を溶融させ、該成形品を焼結させる焼成工程とを、含むことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１または２のいずれかに係る発明において、前記ビトリファイド砥石は超仕上げに用いられるものであることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明の要旨とするところは、前記請求項３に係る発明において、前記砥粒は、アルミナまたはシリコンカーバイト、或いはそれらの混合物である。

上記請求項１に係る発明のビトリファイド砥石の製造方法によれば、前記溶融ガラス体の材料として、前記砥粒の平均粒径に対して１．４乃至２．６倍の範囲内の十分に大きい平均粒径を有するビトリファイド結合剤が用いられることから、複数の砥粒が溶融ガラス体によって結合された砥粒凝集体が好適に多数形成されるので、その砥粒凝集体を通常の焼成工程を経ることにより多数含むビトリファイド砥石を容易に且つ安価に製造でき、しかも、超砥粒をそれほど用いなくても、そのビトリファイド砥石は高い仕上比と細かい面粗さの被加工面とが同時に得られる。また、前記ビトリファイド結合剤は、６７乃至９９％の範囲内の変動係数を有することから、一層高い仕上比と細かい面粗さの被加工面とが同時に得られる。

また、請求項２に係る発明のビトリファイド砥石の製造方法によれば、(a) 前記砥粒、前記ビトリファイド結合剤、成形バインダー、気孔形成剤を混合する攪拌工程と、(b) その攪拌工程において混合された混合材料を所定の形状に加圧成形して成形品を作成する成形工程と、(c) その成形工程において成形された成形品を焼成して前記ビトリファイド結合剤を溶融させ、該成形品を焼結させる焼成工程とを、含むことから、高い仕上比と細かい面粗さの被加工面とが同時に得られるビトリファイド砥石を製造することができる。

また、請求項３に係る発明のビトリファイド砥石の製造方法によれば、前記ビトリファイド砥石は、超仕上げに用いられるものであることから、超仕上加工において高い仕上比と細かい面粗さの被加工面とが同時に得られる超仕上用のビトリファイド砥石を製造することができる。

また、請求項４に係る発明のビトリファイド砥石の製造方法によれば、前記砥粒は、アルミナまたはシリコンカーバイト、或いはそれらの混合物であることから、超砥粒をそれ程用いなくても、超仕上加工において高い仕上比と細かい面粗さの被加工面とが同時に得られる超仕上用のビトリファイド砥石を製造することができる。

ここで、前記ビトリファイド結合剤は、好適には高い耐衝撃性及び耐熱性に優れたガラスの粉末であり、たとえば酸化物組成がＳｉＯ_２５０〜８０重量％、Ｂ_２Ｏ_３１０〜２０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３５〜１５重量％、ＣａＯ，ＭｇＯ，Ｋ_２Ｏ，Ｎａ_２Ｏから選択される金属酸化物の合計が８〜１５重量％とされたガラスフリット、或いは酸化物組成がＳｉＯ_２７０〜９０重量％、Ｂ_２Ｏ_３１０〜２０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３１〜５重量％、Ｎａ_２Ｏ_３１〜５重量％とされたガラスフリットなど、すなわち溶融後にフリット化した粉末ガラスから構成される。

また、前記砥粒としては、一般砥粒、超砥粒などが用いられるが、ＷＡ砥粒で代表される酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）系のもの、ＧＣ砥粒で代表される炭化ケイ素（ＳｉＣ）系のもの、ジルコニアなどが好適に用いられる。また、必要に応じて、ＣＢＮやダイヤモンドなどの超砥粒、その他の砥粒が上記酸化アルミニウム系の砥粒および／または炭化ケイ素系の砥粒の混入されてもよい。

また、好適には、砥粒は１５μｍ以下の平均粒径を有するものが用いられる。前記請求項１に係る発明において、たとえば砥粒の平均粒径が4 μｍであるとすると、その１．３乃至３．０倍の範囲すなわち５．２乃至１２μｍの範囲内の平均粒径を有するビトリファイド結合剤が用いられ、砥粒の平均粒径が１５μｍであるとすると、その１．３乃至３．０倍の範囲すなわち２０乃至４５μｍの範囲内の平均粒径を有するビトリファイド結合剤が用いられることなるが、ビトリファイド結合剤を平均粒径５０μｍ以上で製造する観点から言うと、特に粘土等の天然原料の粒度の調整で経済的にきわめて困難であることから、それから逆算して砥粒は１５μｍ以下の平均粒径を有するものあることが望まれるのである。

また、上記砥粒は、１５μｍ以下の平均粒径を有するものとすることにより超仕上げが好適に可能とされるが、たとえば＃４００〜＃６０００程度（メッシュ換算で平均粒径４０〜２μｍ程度）の粒度が使用目的に応じて用いられる。たとえば、粗仕上（Ｒmax 0.6 〜0.8 μ）には＃８００〜＃１５００程度の粒度が選択され、中仕上（Ｒmax 0.3 〜0.5 μ）には＃１２００〜＃２５００程度の粒度が選択され、上仕上（Ｒmax 0.2 μ以下）には＃２０００〜＃６０００程度の粒度が選択される。

また、前記ビトリファイド結合剤は、好適には、前記砥粒の平均粒径に対して１．５乃至２．６倍の範囲内の十分に大きい平均粒径を有するものとされる。これによれば、一層、複数の砥粒が溶融ガラス体によって結合された砥粒凝集体が好適に多数形成されるので、一層高い仕上比と細かい面粗さの被加工面とが同時に得られる。

また、前記ビトリファイド結合剤は、好適には、６７乃至９９％の範囲内の変動係数を有するものとされる。これによれば、一層、複数の砥粒が溶融ガラス体によって結合された砥粒凝集体が好適に多数形成されるので、一層高い仕上比と細かい面粗さの被加工面とが同時に得られる。

なお、前記変動係数は、全分布に対して使用したビトリファイド結合剤の粒度のばらつきの範囲の割合を示す指標であり、累積曲線で示される体積分布における１６累積％値と８４累積％値との和を体積分布における中央値（５０累積％値）で割った値の百分率である。すなわち、変動係数は、粉末粒子の体積分布における標準偏差相当の幅の上限値および下限値の中心値に対する割合を示す値であり、分布の拡がりを示す指標である。

また、前記ビトリファイド結合剤および砥粒の平均粒径は、累積曲線で示される体積分布における中央値（５０累積％値）の径を示している。この体積分布や平均粒径は、レーザー回折／散乱方を原理とするマイクロトラック粒度分析計を用いて測定されたものである。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、超仕上げの一例であって、本発明の一実施例の超仕上砥石１０を用いて、ボール軸受の内周輪１２の外周面にボール（鋼球）を受けるために形成された断面円弧状の凹溝１４の内壁面を超仕上げにより研磨する状態を説明する図である。本実施例の超仕上砥石１０は、全体として長手状の角柱形状を成し、上記内周輪１２の凹溝１４の内壁面と同じ曲率半径を有する断面円弧状の研磨面２０を端面として備えている。

超仕上研磨装置では、上記内周輪１２が軸心Ｃまわりに回転駆動される一方で、上記超仕上砥石１０は、その研磨面２０が凹溝１４の内壁面に対して比較的低い所定の面圧で当接し、且つ油性或いは水性の所定の工作液が十分に供給された状態で、その研磨面２０の曲率中心を通る回動中心線Ｋまわりに所定角度だけ所定の周波数で往復駆動される。これにより、被削材である内周輪１２の凹溝１４の内壁面は、その周方向とそれに交差する方向とにおいて超仕上砥石１０により研磨され、超仕上げが施される。

上記超仕上砥石１０は、たとえば図２に示す工程図に従って製造される。すなわち、先ず、攪拌工程Ｐ１では、予め用意された砥粒、ビトリファイド結合剤、成形助剤、気孔形成剤がたとえば表１の調合割合に示すように所定の割合で調合された後攪拌されることにより、混練或いは混合される。表１において、重量（ｗｔ）％で混合割合が示されており、気孔形成剤は焼成後の砥石内に気孔を形成するためのスチロール、ポリエステル、エポキシ等の合成樹脂から成るレジンボールやクルミ粉等であり、デキストリン（合成澱粉）、水、フェノールレジンは混合性、成形性、保形性等を高めるための成形バインダー或いは成形助剤として機能する。

（表１）
アルミナ砥粒＃３０００ ６６．３ｗｔ％
ＳｉＣ砥粒＃３０００ ７．４ｗｔ％
ビトリファイド結合剤 １５．０ｗｔ％
気孔形成剤 ７．１ｗｔ％
デキストリン ０．７ｗｔ％
水 ２．０ｗｔ％
フェノールレジン １．５ｗｔ％

なお、上記ビトリファイド結合剤は、たとえば表２に示す割合で耐衝撃性及び耐熱性の高い所定のガラスフリットに蛙目粘度（粉体）を混合したものであり、結果としての酸化物組成は、表３に示すものである。このときの砥粒の粒度は粒度＃３０００（マイクロトラック粒度分析計による平均粒径４μｍ）が用いられ、平均粒径が約１０μｍのビトリファイド結合剤が用いられている。したがって、この場合のビトリファイド結合剤と砥粒との間の粒径比は、２．５（＝１０μｍ／４μｍ）となっている。

（表２）
ガラスフリット ９０ｗｔ％
蛙目粘度 １０ｗｔ％

（表３）
ＳｉＯ_２ ６０ｗｔ％
Ａｌ_２Ｏ_３ １３ｗｔ％
ＣａＯ，ＭｇＯ，
Ｋ_２Ｏ，Ｎａ_２Ｏ １２ｗｔ％
Ｂ _２ Ｏ _３ １５ｗｔ％

続く成形工程Ｐ２では、上記攪拌工程Ｐ１の攪拌により得られた混合材料から分割された予め設定された一定の分量に対して、プレス装置を用いて加圧され、所定の形状の成形品が作成される。次いで、乾燥工程Ｐ３では、その成形品が所定の乾燥温度たとえば６０℃で２４時間乾燥された後、焼成工程Ｐ４において、所定の焼成炉内において９００℃の２時間保持で示される焼成条件で焼成され、ビトリファイド結合剤が溶融させられて成形品が焼結される。そして、仕上げ工程Ｐ５において所定寸法に切り出されるとともに仕上げられ、且つ検査工程Ｐ６において所定の検査項目の検査が行われることにより、前記超仕上砥石１０が得られる。

以下、ビトリファイド結合剤と砥粒との間の粒径比（＝ビトリファイド結合剤の平均粒径／砥粒平均粒径）およびビトリファイド結合剤の粒度分布の指標である変動係数の範囲について本発明者等が行った実験例を説明する。

先ず、上記表２および表３に示す組成のビトリファイド結合剤を用いて、表１の調合に従って混合した材料から、図２と同じ工程を用いて、図３に示す長方形の形状すなわち長さ９５ｍｍ×幅４８ｍｍ×厚み２０ｍｍの複数種類の試料３０を作成した。この複数種類の試料３０は、表４に示すように、実施例１乃至２、比較例１、比較例２という名称で示され、砥粒は共通のものを用いてあるが、平均粒径（μｍ）、粒径比、変動係数（％）が相互に異なるビトリファイド結合剤が用いられている。

（表４）
試料名称 平均粒径 粒径比 変動係数
実施例１ ５．６ １．４ ９９％
実施例２ １０．２ ２．６ ６７％
比較例１ ４．３ １．１ １０２％
比較例２ １５．４ ３．９ １０１％

次いで、上記各試料について、砥石硬度（ＲＨ）および嵩密度（ｇ／ｃｍ^３）を測定した。それらの測定値は表５に示されている。ＲＨ硬度は、通常１／８インチ径の鋼球を使用する（Ｈスケール）が、マイナス硬度の場合では砥石が軟らか過ぎて測定中に破損が発生することがあるため、１／４インチ径の鋼球を使用してＲＬ硬度を求め、換算式ＲＨ＝（ＲＬ−５９）／０．５９から実際に測定されたＲＬ硬度に基づいてＲＨ硬度を算出した。また、嵩密度は、水銀法を用いて測定した。表５に示すように、各試料間において、ＲＨ硬度および嵩密度についは格別の差異は認められない。

（表５）
試料名称 ＲＨ硬度 嵩密度ｇ／ｃｍ ^３
実施例１ −６３ １．５１
実施例２ −６２ １．５０
比較例１ −５８ １．５１
比較例２ −６２ １．５０

図４および図５は、上記比較例２の試料の表面と上記実施例２の試料の表面とをそれぞれ１５００倍の光学顕微鏡を用いて拡大して見た写真を示している。それら試料の表面においては、４μｍ程度の径の砥粒４０に対し、ビトリファイド結合剤が溶融した溶融ガラス体４２が砥粒４０を取り込んで形成された砥粒凝集体４４がそれぞれ生成されているが、比較例２の試料を示す図４では、５０μｍ以上の巨大は砥粒凝集体４４が形成されているのに対し、実施例２の試料を示す図５では、１０〜１５μｍ程度の大きさの比較的均一な砥粒凝集体４２が多数形成され、それにより比較的均一且つ平滑な研磨面が構成されていることが観察される。なお、図４および図５には埋もれている砥粒の輪郭が明確に表れていないが、上記砥粒凝集体４２内には多数の砥粒４０が立体的に含まれており、このような砥粒凝集体４２が相互に立体的に結合されている。

次に、上記各試料から５．５ｍｍ×５．５ｍｍ×Ｌｍｍの小片の角柱状の超仕上砥石をそれぞれ切り出し、表６に示す加工条件にて図１に示す装置で、被加工物（被削材）である内周輪１２の凹溝１４の内壁面に対して超仕上げ加工を行った。表７はその加工結果を示している。

（表６）
加工条件
研削機械： 超仕上盤
被加工物： ＃６２０３内輪
被加工物材料名： ＳＵＪ−２
被加工物硬度： ＨＲＣ６０以上
砥石寸法： ５．５ｍｍ×５．５ｍｍ×Ｌｍｍ
研削油： 不活性型不水溶性
被加工物回転速度：５７００ｒｐｍ
砥石揺動数： ５００ｒｐｍ（８．３Ｈｚ）
砥石振り角： ±１５度
砥石面圧： １．９ＭＰａ
加工時間： ６ｓｅｃ
加工個数： 10個

（表７）
試料名称 削除量μｍ 砥石摩耗μｍ 仕上比 面粗さＲａμｍ
実施例１ ６．５ ５．１ １．２３ ０．０３１
実施例２ ７．１ ５．５ １．３６ ０．０３５
比較例１ ３．６ ４．４ ０．８２ ０．０３６
比較例２ ７．２ ７．５ ０．９６ ０．０５４

表７に示されるように、比較例１は仕上比が小さく、比較例２は面粗さが荒いという欠点がある。これに対し、実施例１、実施例２のように、粒径比を１．４〜２．６倍の範囲の上下限値付近の値であるときは、それとほぼ同一の面粗さである比較例１と比較すると、面粗さは同等であるが、１．５倍程度の仕上比の増加が見られる。さらに、変動係数を６７〜９９％の範囲の上下限値および中間値付近の値とした実施例１、実施例２では、比較例２と比較して面粗さが４５％改善されており、１．３倍程度の仕上比の増加が見られる。

上述のように、本実施例の超仕上砥石（ビトリファイド砥石）１０の製造方法によれば、前記溶融ガラス体の材料として、前記砥粒の平均粒径に対して１．４乃至２．６倍の範囲内の十分に大きい平均粒径を有するビトリファイド結合剤が用いられることから、図５に示すように複数の砥粒４０が溶融ガラス体４２によって結合された砥粒凝集体４４が通常の焼成工程を経ることにより多数形成されるので、その砥粒凝集体４４を多数含むビトリファイド砥石１０を容易に且つ安価に製造でき、しかも、超砥粒をそれほど用いなくても、そのビトリファイド砥石１０は高い仕上比と細かい面粗さの被加工面とが同時に得られる。

また、本実施例の超仕上砥石１０の製造方法によれば、前記ビトリファイド結合剤は、６７乃至９９％の範囲内の変動係数とを有することから、一層高い仕上比と細かい面粗さの被加工面とが同時に得られる。

また、本実施例の超仕上砥石１０の製造方法によれば、(a) 前記砥粒、前記ビトリファイド結合剤、成形バインダー、気孔形成剤を混合する攪拌工程Ｐ１と、(b) その攪拌工程Ｐ１において混合された混合材料を所定の形状に加圧成形して成形品を作成する成形工程Ｐ２と、(c) その成形工程Ｐ２において成形された成形品を焼成して前記ビトリファイド結合剤を溶融させ、該成形品を焼結させる焼成工程Ｐ４とを、含むことから、高い仕上比と細かい面粗さの被加工面とが同時に得られるビトリファイド砥石を製造することができる。

また、本実施例の超仕上砥石１０の製造方法によれば、(a) 砥粒は１５μｍ以下の平均粒径を有するものであり、(b) 超仕上砥石（ビトリファイド砥石）１０は、超仕上げに用いられるものであることから、超仕上加工において高い仕上比と細かい面粗さの被加工面とが同時に得られる超仕上用のビトリファイド砥石を製造することができる。

また、本実施例の超仕上砥石１０の製造方法によれば、砥粒は、アルミナまたはシリコンカーバイト、或いはそれらの混合物であることから、超砥粒をそれ程用いなくても、超仕上加工において高い仕上比と細かい面粗さの被加工面とが同時に得られる超仕上砥石１０を製造することができる。

以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。

本発明の一適用例で製造した超仕上砥石を用いて、ボール軸受の内周輪の外周面に形成されている凹溝の内周面を超仕上げ研磨する状態を説明する正面図である。 図１の超仕上砥石の製造工程を説明する工程図である。 実験例において作成された砥石試料の外形を示す斜視図である。 図３に示すように作成された比較例２の試料の表面を１５００倍の光学顕微鏡を用いて拡大して見た写真を示す図である。 図３に示すように作成された実験例３の試料の表面を１５００倍の光学顕微鏡を用いて拡大して見た写真を示す図である。

符号の説明

１０：超仕上砥石（ビトリファイド砥石）
４０：砥粒
４２：溶融ガラス体
Ｐ１：攪拌工程
Ｐ２：成形工程
Ｐ４：焼成工程

Claims (4)

1. 砥粒が溶融ガラス体により結合されたビトリファイド砥石の製造方法であって、
   前記溶融ガラス体の材料として、前記砥粒の平均粒径に対して１．４乃至２．６倍の範囲内の平均粒径を有するビトリファイド結合剤が用いられ、
   該ビトリファイド結合剤は、６７乃至９９％の範囲内の変動係数を有することを特徴とするビトリファイド砥石の製造方法。
2. 前記砥粒、前記ビトリファイド結合剤、成形バインダー、気孔形成剤を混合する攪拌工程と、
   該攪拌工程において混合された混合材料を所定の形状に加圧成形して成形品を作成する成形工程と、
   該成形工程において成形された成形品を焼成して前記ビトリファイド結合剤を溶融させ、該成形品を焼結させる焼成工程と
   を、含むことを特徴とする請求項１のビトリファイド砥石の製造方法。
3. 前記ビトリファイド砥石は、超仕上げに用いられるものであることを特徴とする請求項１または２のいずれかのビトリファイド砥石の製造方法。
4. 前記砥粒は、アルミナまたはシリコンカーバイト、或いはそれらの混合物である請求項３のビトリファイド砥石の製造方法。

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