(57)【要約】【課題】研削性・耐摩耗性と長寿命性の両立を図ることができる砥石を提供する。【解決手段】金属マトリックス１４と、この金属マトリックス１４内にその厚さ方向に多層埋設された超砥粒１５と、を有する研削層１１と、研削層１１を研削装置側に固定する台金１２と研削層１１と台金１２との間に介在して設けられ、金属マトリックス１４よりも低ヤング率の素材からなる緩衝層１３と、を備えた砥石を構成する。【選択図】図１
2019042840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属マトリックス（１４）と、この金属マトリックス（１４）内にその厚さ方向に多層埋設された超砥粒（１５）と、を有する研削層（１１）と、
前記研削層（１１）を研削装置側に固定する台金（１２）と、
前記研削層（１１）と前記台金（１２）との間に介在して設けられ、前記金属マトリックス（１４）よりも低ヤング率の素材からなる緩衝層（１３）と、
を備えた砥石。
【請求項２】
前記金属マトリックス（１４）が、電気ニッケルメッキ層である請求項１に記載の砥石。
【請求項３】
前記金属マトリックス（１４）が、鉄、ニッケル、コバルトの単体粉、または、それらの合金粉の焼結体である請求項１に記載の砥石。
【請求項４】
前記金属マトリックス（１４）が、活性ロー材である請求項１に記載の砥石。
【請求項５】
前記緩衝層（１３）のヤング率が、前記金属マトリックス（１４）のヤング率の１／１０以上３／４以下の範囲内である請求項１から４のいずれか１項に記載の砥石。
【請求項６】
前記緩衝層（１３）が、銅または銅合金からなる請求項５に記載の砥石。
【請求項７】
前記研削層（１１）における前記超砥粒（１５）の比率が、５体積％以上４０体積％以下の範囲内である請求項１から６のいずれか１項に記載の砥石。
【請求項８】
前記緩衝層(１３)の厚みが、研削層(１１)の厚みの１／１０以上１／３以下の範囲内である請求項1から７のいずれか1項に記載の砥石。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、研削作業に用いられる超砥粒砥石に関する。
【背景技術】
【０００２】
研削作業に用いられる超砥粒砥石（以下、単に「砥石」ということがある。）は、金属マトリックスとこの金属マトリックス内に埋設された超砥粒とを有する研削層と、研削装置側に固定される台金とを備えている。
【０００３】
この砥石は、ダイヤモンドやＣＢＮのような超砥粒を、金属系ボンド（結合材）で固着することによって製造されることが多い。金属系ボンドを用いた砥石として、金属粉末と超砥粒を焼結して製造されるメタルボンド砥石、ニッケルメッキで砥粒を固定する電気メッキ法で製造される電鋳砥石、および、超砥粒を溶融状態の活性ロー材で化学的に接合して一体化した活性ロー材砥石がある。
【０００４】
メタルボンド砥石の例として、特許文献１には、ダイヤモンド粒子の表面に予め無電解メッキ層を形成しておき、そのダイヤモンド粒子を板状に圧縮成形した板状体と、金属粉末を板状に圧縮成形した板状体とを層状に重ねて積層体とし、この積層体を高圧高温加熱することによってダイヤモンド同士が強固に結合された焼結体が記載されている。また、特許文献２には、タングステン粉末と溶浸材とを焼結した焼結体によってダイヤモンド粒を所定位置に固定したダイヤモンドドレッサが記載されている。
【０００５】
この砥石の特性を表す指標として、コンセントレーション（含有密度）（以下、略称して「コンセント」という。）が用いられることが多い。例えば、砥石の全体積（超砥粒と金属マトリックスの合計体積）に対し、体積割合で２５％の超砥粒を含有する砥石のコンセントを１００という。一般的に、超砥粒のコンセントが高い程、寿命が長いが切れ味は劣る傾向にある。その一方で、超砥粒のコンセントが低いほど、寿命が短いが切れ味は良くなる傾向にある。このような砥石の特性を勘案して、適切なコンセントが決定される。
【０００６】
一般的に、超砥粒が研削・切削などに使用された場合、主に、次に示す（１）〜（３）の損耗形態がある。
（１）超砥粒と被切削物が擦れあうことに伴う摩耗
（２）衝撃に伴う超砥粒の破砕
（３）超砥粒を保持するボンドの保持力低下に伴う、砥石表面からの超砥粒の脱落
【０００７】
これらの損耗形態は単独で生じる場合と、組み合わせで生じる場合の両方がある。そして、この損耗形態によって、砥石の切れ味、摩耗速度(寿命)が決まる。
【０００８】
上記（１）の損耗形態は、超砥粒の磨滅と微小破砕を伴い、被研削物の種類や研削液の掛け方、加工速度、研削圧力などに関係する。磨滅は単なる接触だけでなく、被研削物と超砥粒の化学的反応に起因する場合もある。摩滅が進むと超砥粒の切れ刃が鈍化し、砥石としての切削性が低下する。
【０００９】
上記（２）の損耗形態は、切削に伴って超砥粒に負荷される断続的な衝撃によって微小破砕から大規模破砕に至る形態であり、被切削物の硬度やヤング率、金属マトリックスなどのボンド材の硬度やヤング率などに関係する。一般的に、被切削物の硬度とヤング率が高いほど、また、超砥粒を保持するボンド材のヤング率が高いほど、超砥粒に大きな衝撃が作用する。このため、超砥粒の破砕が生じやすく、砥石の寿命は低下する。特に、超砥粒はボンド材と比較してヤング率が大きいため、超砥粒のコンセントが高くなると砥石の剛性が高くなる。その結果、超砥粒と被切削物との間の接触面積が小さくなり、超砥粒に応力集中が生じることに起因して大きな破砕が生じやすくなる。
【００１０】
上記（３）の損耗形態は、超砥粒を保持しているボンド材が切削中に切粉などで摩耗し、超砥粒の保持力が低下することに起因する。この保持力の低下は、超砥粒のコンセントを上げて超砥粒同士の間隔を狭めて、ボンド材の摩耗を防止することにより抑制できることがある。
【００１１】
上記において説明した超砥粒の損耗を防止するために、特許文献３に示す砥石においては、超硬質結晶粒（超砥粒）のバインダ（金属マトリックス）の表面に、硬質膜を形成した構成を採用している。このように、硬質膜を形成することにより、バインダからの超硬質結晶粒の脱落を防止し、耐久性を向上させ、長寿命化を図っている（特許文献１の段落０００９、図１など参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平５−１０５９１０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２８０７８号公報
【特許文献３】特開平７−９３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献３に示す砥石は、硬質膜によって超硬質結晶粒の脱落を防止できる反面、硬質膜が超硬質結晶粒の大部分を覆っているため、研削性が低下する虞がある。
【００１４】
そこで、この発明は、研削性と長寿命性の両立を図ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するため、この発明は、金属マトリックスと、この金属マトリックス内にその厚さ方向に多層埋設された超砥粒と、を有する研削層と、前記研削層を研削装置側に固定する台金と、前記研削層と前記台金との間に介在して設けられ、前記金属マトリックスよりも低ヤング率の素材からなる緩衝層と、を備えた砥石を構成した。
【００１６】
このようにすると、研削作業時に研削層の金属マトリックスに作用した衝撃の一部が、緩衝層で吸収される。このため、研削層に作用した衝撃によって、超砥粒が大きく破砕することなく、金属マトリックスにクラックなどの損傷が生じるのを防止して、砥石の長寿命化を図ることができる。また、超砥粒のコンセントを高めることができるため、砥石の研削性・耐摩耗性を向上することができる。
【００１７】
この構成においては、前記金属マトリックスが、電気ニッケルメッキ層、鉄、ニッケル、コバルトの単体粉、または、それらの合金粉の焼結体、あるいは、活性ロー材である構成とすることができる。このようにすると、金属マトリックス内に、簡便に砥粒を多層埋設することができる。
【００１８】
前記各構成においては、前記緩衝層のヤング率が、前記金属マトリックスのヤング率の１／１０以上３／４以下の範囲内である構成とするのが好ましい。この範囲内とすると、例えば、金属マトリックスとして電気ニッケルメッキ層のように、硬質でヤング率が高い（Ｅ＝２００ＧＰａ）素材を採用した場合でも、この金属マトリックスに作用した衝撃を効果的に吸収して、金属マトリックスに生じる損傷を確実に防止することができる。
【００１９】
なお、前記範囲の下限（１／１０）よりも小さいと、研削作業の際にこの緩衝層が大きく変形して、研削層から対象物に十分な研削力が作用しないので好ましくない。その一方で、前記範囲の上限（３／４）よりも大きいと、研削層に作用した衝撃を緩衝層で十分吸収することができないため好ましくない。
【００２０】
この構成においては、前記緩衝層が、銅または銅合金からなる構成とするのが好ましい。これらの素材は、安価かつ入手が容易であり、しかも、衝撃吸収性が高いため、この金属マトリックスに作用した衝撃を効果的に吸収して、金属マトリックスに生じる損傷を一層確実に防止することができる。
【００２１】
前記各構成においては、前記研削層における前記超砥粒の比率が、５体積％以上４０体積％以下の範囲内である構成とするのが好ましい。この範囲内とすると、研削に寄与する超砥粒の数を任意に確保することができ、研削層による研削作業をスムーズに行うことができる。
【００２２】
なお、前記範囲の下限（５体積％）よりも小さいと研削力が不十分となり、前記範囲の上限（４０体積％）よりも大きいと金属マトリックスによる超砥粒の保持が不十分となるため、いずれも好ましくない。
【００２３】
前記各構成においては、前記緩衝層の厚みが、研削層の厚みの１／１０以上１／３以下の範囲内である構成とすることができる。この範囲内とすると、研削層に作用した衝撃を緩衝層で適切に吸収することができる。
【００２４】
なお、前記範囲の下限（１／１０）よりも小さいと、研削層に作用した衝撃を緩衝層で十分吸収することができないため好ましくない。その一方で、前記範囲の上限（１／３）よりも大きいと、研削作業の際にこの緩衝層が大きく変形して、研削層から対象物に十分な研削力が作用しないので好ましくない。
【発明の効果】
【００２５】
この発明では、研削層と台金との間に緩衝層を介在させる構成としたので、研削層に作用した衝撃の一部を緩衝層で吸収することができる。このため、研削層に作用した衝撃によって、金属マトリックスにクラックなどの損傷が生じるのを防止することができるとともに、超砥粒の破砕を低減し、砥石の研削性・耐摩耗性と長寿命性の両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明に係る砥石の断面図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
この発明に係る砥石１０の断面図を図１に示す。この砥石１０は研削作業に用いられ、研削層１１、台金１２（ベース金属）、および、緩衝層１３を主要な構成要素としている。
【００２８】
研削層１１は、研削作業が行なわれる被研削物（図示せず）に直接当接する部分であって、金属マトリックス１４と、この金属マトリックス１４内にその厚さ方向に多層埋設された超砥粒１５とから構成されている。さらに具体例を示すと、金属マトリックス１４は、電気メッキ法（電鋳）によって形成されたニッケルメッキ層である。また、この実施形態においては、超砥粒１５として、ＪＩＳＢ４１３０で規定される粒度＃１７０／２００の粒径範囲内（粒径：７５〜９０μｍ）に管理された合成ダイヤモンドを採用した。
【００２９】
金属マトリックス１４中における超砥粒１５の比率は適宜決定することができるが、５〜４０体積％とするのが好ましい。超砥粒１５の比率をこの範囲とすると、研削に寄与する超砥粒１５の十分な数を確保することができ、研削性・耐摩耗性が向上し、研削作業をスムーズに行うことができる。その一方で、超砥粒１５の比率が５体積％よりも低いと、研削性・耐摩耗性が低下し、研削作業のスムーズ性が損なわれる場合がある。超砥粒１５の金属マトリックス１４中の密度が体積４０％を超えると、超砥粒１５を囲み込んで保持する金属マトリックス１４の壁が薄くなり、砥石が衝撃で瓦解し易くなる問題を生じ得る。
【００３０】
被研削物の研削作業においては、研削層１１の最も表層の超砥粒１５が、被研削物の表面に当接し、この当接に伴う研削力によってその表面が研削される。研削に寄与した超砥粒１５は、次第に磨滅して、金属マトリックス１４から脱落する。すると、脱落した超砥粒１５の下層の超砥粒１５が新たに研削層１１の表層に露出し、被研削物の研削を継続して行うことができる。研削層１１の厚さ（超砥粒１５の層数）は適宜決定することができる。
【００３１】
この超砥粒１５の粒度は、この砥石１０を用いて研削作業を行う被研削物の硬さ、要求される表面粗度などに対応して、適宜変更することができる。例えば、より平滑な表面状態が要求される場合は、粒径がより小さい粒度＃６００（粒径：２５〜３５μｍ）、または、粒度＃８００（粒径：１８〜２５μｍ）の超砥粒１５を採用するのが好ましい。
【００３２】
この超砥粒１５の粒度は粗くすれば、面粗さは粗くなるものの、研削速度は大幅に向上できる。
【００３３】
台金１２は、研削層１１を研削装置（図示せず）側に固定するためのブロック形状の金属製部材である。その素材は特に限定されないが、例えば、炭素工具鋼（ＳＫ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、炭化タングステンなどの超硬合金を採用することができる。
【００３４】
緩衝層１３は、研削層１１と台金１２の間に介在して設けられた薄板状の部材である。緩衝層１３は、金属マトリックス１４よりも低ヤング率の素材から構成されている。例えば金属マトリックス１４として電鋳法を採用した場合、ニッケルメッキ層のヤング率Ｅが２００ＧＰａ程度であるため、これよりも低ヤング率の銅（Ｅ＝１２０ＧＰａ）を採用した。この緩衝層１３の厚さを大きくするほど衝撃の吸収性は高まるが、大きすぎると研削層１１から対象物に作用する研削力が不十分となることがある。そこで、この実施形態においては、衝撃を吸収しつつ十分な研削力を確保するため、研削物の硬さ、ヤング率、研削条件、研削仕上がり精度を勘案して、その厚さを研削層の厚さの１／１０以上１／３以下の範囲内とした。
【００３５】
緩衝層１３の素材は、上記の銅以外に、銅合金、アルミニウム、ジュラルミン、チタン、チタン合金などが挙げられる。
【００３６】
研削層１１と緩衝層１３との間、および、緩衝層１３と台金１２との間は、ロー材によって接合されている。ロー材の代わりに、接着剤を使用したり、溶接によって接合したりすることもできる。
【００３７】
この砥石１０に、衝撃が作用すると、その衝撃の一部が緩衝層１３で吸収され、金属マトリックス１４に作用する衝撃を低減することができる。また、砥石１０自体も弾性変形し、被研削物と超砥粒１５との間の接触面積が増えることによって、各超砥粒１５に作用する衝撃力が弱まる。これにより、砥石１０の長寿命化を図ることができる。
【００３８】
砥石１０の金属マトリックス１４がニッケルの場合は、その形成に一般的な電鋳砥石の製作法を採用できる。この制作法によると、メッキ液中にダイヤモンド超砥粒を混入し、撹拌しながら台金となる導体にダイヤモンドを降り積もらせると同時にニッケルを析出させることで、超砥粒１５が層状に埋め込まれた砥石１０を製作できる。この導体として、ステンレス系材料を採用するのが好ましい。このようにすると、導体とこの導体上に形成された砥石を容易に剥離することができる。
【００３９】
この金属マトリックス１４を、金属粉の焼結体とすることもできる。この場合、ダイヤモンドの超砥粒１５と各種金属粉を混合した上で黒鉛製の型枠に納め、加熱・加圧を行うホットプレス焼結法を採用するのが好ましい。
【００４０】
この金属マトリックス１４を、活性ロー材（銅、銀、チタン、これらの合金など）とすることもできる。この場合、ダイヤモンドの超砥粒１５と活性ロー材を混ぜ合わせて、９００℃以下に加熱して溶融させる。すると、超砥粒１５と活性ロー材との間で化学的に強固な結合が形成され、この金属マトリックス１４で超砥粒１５が安定的に保持される。
【００４１】
上記の各方法でダイヤモンドの超砥粒１５を含む金属マトリックス１４を必要な厚さまで形成する。そして、それを放電加工機などによって、矩形状の研削層１１に加工する。さらに、この研削層１１と同形状の緩衝層１３としての焼きなまし銅板を台金１２との間に挟み込んで、低温ロー材で接合する。砥石１０の形状に対応して、接合する台金１２の形状（円板・円筒状、カップ型・ストレート型など）は適宜選択される。
【００４２】
上記において説明した砥石１０はあくまでも一例である。研削性・耐摩耗性と長寿命性の両立を図るというこの発明の課題を解決し得る限りにおいて、その構成を適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  砥石
１１  研削層
１２  台金
１３  緩衝層
１４  金属マトリックス
１５  超砥粒
【図１】
2019042840.tif 000003