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8A2

Vol.

August/2005■ 寄稿・論文・報文・解説
近未来技術展望「研削の勧め」
マシニング事業

Perspectives on Near-future Technologies"The Charms of Grinding"〈キーワード〉東北大学

研削加工・砥粒・超砥粒・CBN砥粒・ダイヤモンド砥粒
自生作用・超高速研削・超精密研削・ＷＡ砥粒

名誉教授

庄司 克雄
By Prof.Dr.Engg.Katsuo Syoji, Professor Emeritus of Tohoku University
著者プロファイル
2004年3月に東北大学を退職するまでの約40年間、精密加工、特に研削加工を中心に教育、研究に従事した。著書に、研削加工学（養賢堂 2004.2）、超精密と非球面加工（監修 NTS 2004.7）などがある。また（社）砥粒加工学会会長、（社）精密工学会理事、（社）
日本機械学会理事、精密加工研究会会長などを歴任。

近未来技術展望「研削の勧め」

要1.機械加工における旨研削加工は、非常に優れた長所がありながら、と研削加工の位置づけかく敬遠されがちである。それは、砥石の選択肢が研削加工は、いろいろな意味で切削加工と研磨※1※2多すぎることや、ドレッシングやツルーイングなどの使※3加工の中間に位置づけられ、両翼にある切削加工用技術が難しいためである。超砥粒を用いた研削と研磨加工が共有し得ない優れた特長を共有し、技術なども未完成である。
しかし技術的に未完成で同時に研削加工固有の特長も兼ね備えている。近年、あるということは、独自のノウハウによって、他の追随超砥粒の登場によって、研削加工の性能は飛躍的を許さない固有技術を獲得する可能性を秘めていに向上し、加工能率の点では切削加工に、鏡面加るということでもある。

工の点でも研磨加工に匹敵するほどになった。本NACHIでは研削加工が広く行なわれ、最先端の超精密研削加工機も製造されている。今後も、研削稿では、このような観点から、研削加工の魅力を紹介したいと思う。

技術発展の牽引者として、業界をリードしていくことが期待される。

Abstract
In spite of the excellent grinding benefits,
grinding tends to be avoided for some reasons.
It is because there are too many types of grinding wheels to choose and it is difficult to understand the dressing and truing technologies.
In addition, the grinding technology with super abrasive grains has not been fully developed.
On the other hand, the fact that such technology is developing yet implies that it is possible
with individual, unique know-how to develop a
proprietary technology that cannot be emulated by others.
At Nachi, grinding is widely used and the cutting-edge super precision grinders are alsomanufactured. Nachi is expected to lead theindustry in developing grinding technology as
an industry driving force in the future, as well.
図1. WA60J7Vの砥粒切れ刃

1

2. 研削加工の魅力
1）自生作用がある
砥粒切れ刃は、切削工具と異なり、微小破砕によっ

2）砥石の切れ味（研削性能）をコントロールできる※4て切れ味が再生するという特長を持つ。
しかし自生

砥石が研削工具として非常に優れている点は、作用は、どのような条件でも、起きるわけではなく、た結合度を操作することによって、砥石の研削性能を※5※6とえばC系の砥粒では起きにくい。また同じ、WA砥自在にコントロールすることができることである。図2 (a)、

粒でも、シリコンや石材など硬脆材料を研削したとき(b)、(c)は、それぞれ結合度C、J、Pの3種の砥石作1）には起きにくいことが知られている 。また、いったん業面の電子顕微鏡写真である。結合度が低いほど鈍化、もしくは平坦化した砥粒は、微小破砕を起こし切れ刃がシャープなのが分かる。研削では、 高硬にくい。

度の難研削材には軟らかい（低結合度の）砥石、低

図1は、
砥石WA60J7Vを単石ダイヤのドレッサでドレッ硬度の易削材には硬い（高結合度の）砥石 という※7シングしたときの砥粒のSEM写真である。矢印で示のが原則であるが、これはこのようなことに基づいてした箇所は砥石の最外周面で、非常に平坦な部分いる。

※8が形成されている。このようにA系の砥粒を単石ダイ以上は、結合剤についてであるが、このほか、砥ヤでドレッシングした場合には、平坦化した部分が生粒の粒度や砥粒率（すなわち 組織 ）を操作するじやすいので、十分注意する必要がある。

ことによっても、砥石の研削性能をコントロールできる。

※10※9ダイヤモンド砥粒、とくにブロッキータイプや、ごく微とくに砥粒の粒度は、仕上げ面の粗さに直接関係粒のダイヤモンド砥粒では、砥粒切れ刃の破砕によする重要な因子である。これらは、他の加工法にはる自生作用はほとんど期待できない。
したがって、ダない、研削加工に特有の性質である。
したがって研イヤモンド砥石の場合は、結合剤の破砕や破壊、あ削加工を適用する場合には、このような特性を十分るいは接着剥離による砥粒の脱落に頼らざるを得ない。

活用すべきであろう。

（a）WA60C7V（b）WA60J7V（c）WA60P7V

図2. 結合度の異なる砥石作業面の比較

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近未来技術展望「研削の勧め」

3）形直し、目直しが容易である

4）切れ刃のすくい角が負である

これも良く知られている研削加工の特性である。

金属の切削加工では、せん断変形によって流れしかしあまりに常識化してしまっているために、かえっ型の切りくずが形成されるが、単結晶シリコンのようて軽視されているように思われる。代表的な切削工

な脆性の大きな材料では、せん断変形する以前に具であるフライスでは、工作機械の回転軸に取り付引張り破壊するので、流れ型の切りくずは形成されけたとき、偏心があっても機上で外周を研削して振ない。
しかし工具すくい角を負にして、切込量（正確れを取ることができない。これは、フライスのそれぞれには、切取り厚さ）を極めて小さくすると、単結晶シリの刃先には、 逃げ 、すなわち二番があるからである。

コンであっても金属のようにせん断変形による切りく

しかし砥石では、砥粒はダイヤモンドドレッサで 切削ず形成が可能になる。すなわち、 延性モード 切削されるのではなく破砕されるので、それぞれの砥粒ができ、仕上げ面は鏡面になる。

切れ刃には自動的に 逃げ が形成される。

このことは、以前から良く知られていた。そして、
こ

この特性は、非常に精密な加工をしようとするときには、重要である。例えば、単結晶ダイヤモンドバイトのように切削モードが脆性から延性に変わるときの※12臨界切取り厚さd cは、延性・脆性遷移点と呼ばれて※11を回転させて、いわゆるフライカットを行なう場合、複いる。そこで筆者らは、工具すくい角と延性・脆性遷数本のバイトを同時に使用することはできない。これその結果である。
移点dcとの関係を求めた 。図3は、は複数本のバイトの刃丈を高精度に揃えることがで従来は、工具すくい角は負の方向で、大きければ大きないからである。これに対して研削加工は、高精きいほど延性・脆性遷移点dcが大きく、すなわち延性度のツルーイングさえ可能であれば、連続的な加工モード切削になりやすいと考えられていた。
しかし、こが可能である。の結果から、−30°〜−60°の範囲に最適値があり、2,3）それ以上になると、むしろ脆性モード切削になり易い

延性・脆性遷移点 d［nm］cということがわかった。
砥粒切れ刃はシャープな状態で、すくい角がこの200最適値の範囲にある。すなわち研削加工では、砥粒
150

切れ刃はシャープな状態が維持されれば延性モード切削に適した状態にあり、砥粒切込み深さを延性・100脆性遷移点dc以下にすることは極めて容易であるか

500

ら、脆性の高い材料でも鏡面加工が可能であるとい−80 −70 −60 −50 −40 −30 −20 −10
延性・脆性遷移点γ［°］

図3．工具すくい角と延性・脆性遷移点30

うことである。また硬脆材料の鏡面加工には、砥粒
切れ刃の先端を丸めるよりも、シャープな状態にした方が有利であるということも、論理的に裏付けられた。

5）工具剛性の操作が可能
そして注意しなければならないことは、粒度の選平面と球面のような幾何学的に単純な面は例外択である。砥粒切込み深さが小さくなると、粒径の大であるが、通常の機械加工は、工具の運動軌跡を転きな砥粒では負のすくい角が大きくなり（図4参照）、写することによって行なわれる。図6は、その転写性延性モード切削の最適値の範囲を超えてしまう。
しをスケールにして、各種の加工法を、筆者の勝手なたがって、微粒、もしくはごく微粒の砥粒を使用せざ主観で並べたものである 。形状精度の高い加工をるを得ない。なお#3000や#4000というごく微粒砥石

達成しようとする場合には、基本的に工具軌跡の転を用いた場合、果たして粗粒の場合と同様に、砥粒写精度が高い加工法を選ぶべきであり、転写精度切れ刃による切削が行なわれるのかという心配もあの高い加工法ほど、高精度の工作機械が不可欠とろう。図5は、ダイヤモンド砥石SD8000によるジルコニなる。

※144）

5）

一方、平滑な面をつくるという点では、逆に工具アセラミックスを、平面ホーニング法で研削した面の※13

AFM写真の例である。砥粒切れ刃による切削痕がはっ軌跡の転写性が悪い方が有利である。単結晶ダイきりと認められる。このように数十nm以下の切込み

ヤモンドバイトによる超精密切削のように転写性が深さであっても、切れ刃がシャープに保たれているな

極めて高い加工法では、工作機械の微小な振動ならば、上すべりなどせずに切削が可能である。

ども転写される。
したがって表面粗さのオーダで工具軌跡を保証する工作機械が要求されることになる。

粒径の小さな砥粒

粒径の大きな砥粒負のすくい角大

しかし、ポリッシングのように転写性の悪い加工では、工作物や工具が多少振動しても、それが加工面に小砥粒切込み深さ転写されることはない。すなわち、工具軌跡の転写性に関して、加工精度と仕上げ面粗さは互いに背図4．砥粒の粒径とすくい角反の関係にある。
しかし研削加工では、たとえばレジンボンド砥石を使うことによって転写性をわずかに犠牲にして、粗さを改善することができる。これは鏡面加工を行なう点では、非常に好都合である。
低要求される機械精度

高低

本質的な加工精度

高

小放電加工
電解加工

図5．ビトリファイドボンドダイヤモンド砥石SD8000によるジルコニアセラミックス研削面のAFM写真

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大工具運動軌跡の転写性
超音波加工

ラッピング

ポリシング

切削
研削

図6．工具軌跡の転写性と加工精度

4

近未来技術展望「研削の勧め」

3. 超砥粒の効果※15

ダイヤモンドとCBNという耐摩耗性の極めて高い砥粒の登場によって、研削加工の性能は飛躍的に向上した。その第1は、もちろん、通常砥石では研削不能であった高硬度材の研削が可能になったことである。とくに、超硬合金や半導体、セラミックなどはダイヤモンド砥石の登場によって、初めて日の目を見ることができたといっても過言ではないであろう。そしてさらに、耐摩耗性の極めて高いCBN砥石の使用によって、研削の自動化が容易になったことである。
この効果は大きい。
第2は、金属コアの砥石が可能になり、切削加工に匹敵するような高能率研削が可能になった。図7は、ビトリファイドボンド砥石（CBN60N100CR01）を用いて行なったときの実験結果で、図の最上段の折れ線 上 一 番 右の実 験 点は、砥 石 半 径 切 込 量10mm、テーブル速度＝＝6m/minで研削したときの結果である。
そして第３は、極めて微粒の砥粒が研削に使用可能になったということである。超仕上げでは、一般砥粒でも#500〜#800程度の微粒の砥石が使用されている。
しかし砥石周速の速い研削では、
このよ
うな微粒の一般砥石は耐摩耗性が低いために、ほとんど使用できない。
しかし耐摩耗性の極めて高い
ダイヤモンド砥粒の登場で、#1500〜#3000のごく微粒、あるいは、それ以上の超微粒砥石も研削に使用できるようになった。これは、超精密研削を可能にしたという点で、非常に大きな効果である。このようなごく微粒のダイヤモンド砥石を研削に使用することによって、仕上げ面粗さの点でも、従来の研磨加工に対抗できるようになった。

5

図7．砥石周速と法線研削抵抗との関係

参考文献
1）松井正己・庄司克雄・田牧純一：
単粒切削における砥粒切れ刃の摩耗について
砥粒切れ刃の切削性能に関する研究−第１報 精密機械,42,5（1976）376
2）閻 紀旺・庄司克雄・鈴木浩文・厨川常元：
ダイヤモンド平バイトを用いた単結晶Ｓｉの延性モード切削
精密工学会誌 64,9（1998）1345.
3）閻 紀旺・庄司克雄・厨川常元：
大きな負のすくい角工具による延性・ぜい性遷移精密工学会誌 66,7(1999)2000.
4）司 克雄：平面ホーニング加工と技術課題
機械と工具 36，6 (1992)73.
5）庄司克雄：研削・研磨の接点を考える
機械と工具 38，8 (1994)18.
6）庄司克雄：研削加工学
養賢堂 (2004).

4. 研削は 技術 であって 技能 ではない
研削加工は、このように非常に優れた長所がありとして捉えられていることである。筆者は、決して技ながら、とかく敬遠されがちである。それは、砥石の能を否定したり、低く見たりするつもりはない。
しかし、選択肢が多すぎることと、ドレッシングやツルーイング

技能はあくまで個人の職人芸であって、研削が 職など使用技術が難しいためであろう。とくに超砥粒人芸 として捉えられている限り、進歩がない。

砥石の場合は、そうである。これは、超砥粒を用いた研削には、ある系統だった考えが存在する。もし研削技術とそれをとり巻く技術が未完成のためであ系統化された考え方がなかったら、知識の積み重ねる。
しかし、技術的に未完成であるということは、独自が困難である。その意味で研削は技能でなく 技術のノウハウを確立することによって、他の追随を許さであるということを、ぜひ認識して欲しいのである。なない固有技術を会得する可能性が潜在するという

お研削加工の基本的な考え方については、与えらことでもある。

れた紙数の関係で割愛した。拙著「研削加工学」

6）

筆者は、これまで、研削加工に関する研究をすすを参考にして頂きたい。

める中で、できるだけ研削を系統的に理解しようと努これまでの筆者の経験をもとに、研削の魅力につ力してきたつもりである。その立場で、どうしてもやりいて述べた。加工現場に関係する方々に、少しでもきれないのは、まだ加工現場では、研削加工が 技能お役に立てれば幸甚である。

用語解説（文責：編集部）※1 ドレッシング
目立て、目つぶれを起こした砥石の表面を除去し、切れ味の低下した砥石の表面に新しく鋭い切刃を再生させる作業。また、無気孔砥石にあっては、砥粒の周りの結合剤を除去して、チップポケットを作ること。
※2 ツルーイング
砥石車の外周の砥粒と結合剤を除去して、砥石軸に対し同心にし、一定形状に整形すること。
※3 超砥粒アルミナなどに比べて硬度が高いCBNやダイヤモンドなどの砥粒の総称。
※4 自生作用砥粒は仕事（切粉を出す）を重ねる毎に磨耗が大きくなり、切削抵抗によって、ボンド（結合剤）の保持限界を超えた時に砥粒が脱落して、新しい砥粒（切れ刃）を出すこと。
※5 C系の砥粒
黒鉛とコークスを高温で加熱して製造した六方晶系の炭化珪素（SiC）から成る黒色あるいは緑色の砥粒。
※6 WA砥粒
白色アルミナ砥粒。高純度アルミナを主成分とするため透明で白色に見える。破砕性に富み、精密研磨に適している。
※7 SEM写真
電子顕微鏡写真SEM（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）。

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※8 A系の砥粒アルミナ質砥粒の総称。
※9 ブロッキータイプ
砥粒形状が、角ばった形状のもの。
※10 砥粒率
砥石全体に占める砥粒の体積比。
※11 フライカット
工具を高速回転させ、鏡面を得る加工法。
※12 臨界切取り厚さ
超精密切削で、脆性モード切削から延性モード切削に遷移するときの切取り厚さ。
※13 AFM
原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope）。試料と探針の間に働く原子間力を検出して試料表面を走査しながら表面形状を観察する。
※14 転写性
複雑な形状の創成は、基本的に、工具の運動軌跡の正確な転写に因って行なわれる。
※15 CBN
ダイヤモンドに次ぐ硬さを持つ物質で、主に鉄鋼材料の研削用砥石に用いられる。

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