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砥粒加工学会誌<12 回連載 ショートレクチャー>

若手技術者のための研削工学（第 2 回） 研削砥石の特性と使用法
奥山繁樹 （防衛大名誉教授）

１．はじめに前回のレクチャーで研削加工の歴史や特徴につい研削砥石て解説したが，特徴のほとんどは研削砥石に起因して気孔砥粒
結合材いる．研削加工の特性を発現させるため，工具となる砥
粒には，①工作物に容易に貫入できる硬さ，②切れ刃を自生させる適度な破砕性，③高温での科学的安定性と耐摩耗性が不可欠といえる．このため古くは，ガー粒が生産され，さらに地球上に存在しなかった立方晶

砥 粒： 高硬度材料であり，工作物を微少切削する
結合材： 砥粒を砥石に固定し，かつ砥石全体の形状を維持する
気 孔： 切りくず，研削液などを一時的にためる空間を提供する窒化ホウ素（cBN）砥粒が開発され，加工性能の向上に

図 1 砥石構成の 3 要素

ネット（ざくろ石），コランダム（鋼玉），エメリーなど，天然の鉱物質が用いられた．その後，優れた加工性能を持つアルミナ（Al2O3 ）質や炭化ケイ素（SiC）質の人造砥寄与している．
今回は研削加工の特性を生かす第一段階として，

表 1 一般に使われる砥粒の材質，特徴および用途研削砥石の構造と特徴および使用法の概要について学んでいただくことにする．
２．研削砥石の構造と性質
２．１ 砥粒の材質，特徴および用途
図 1 に砥石構成の 3 要素つまり，「砥粒」，「結合材」，「気孔」の模式図と，それぞれの役割を示す．
また，表 1 に一般砥粒の材質，特徴および用途を，
表 2 に一般砥粒と超砥粒（cBN とダイヤモンド）の材料特性を示す．
アルミナ系砥粒は，ルビーと同じ材質で非常に硬く，鉄との親和性（凝着性）が低く，比較的安価であることから，鋼の研削に広く用いられる．このうち，純度の高い WA 砥粒は破砕性が高く，鋭いエッジを持つ切れ刃ができやすいので，硬質鋼の精密・軽研金属，鋳鉄などの研削に用いられる．このうち，純度の削に適している．
炭化ケイ素系砥粒は，アルミナより硬度，融点とも優れているが，鉄と反応して凝着しやすいため，主に非鉄

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高い GC 砥粒は破砕性が高く，高硬度材の精密研削に適している．

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研削加工のさらなる高能率化，超149

表 2 各種砥粒の材料特性精密化への要求や，新たな硬脆材の出現に対応するため，高価である

cBN

ダイヤモンドアルミナ

炭化珪素

硬さ（HK）

4500～4700

7000～8000

1750～2200

2500～3200

いられるようになった．中でもダイヤ

反応性

高温で水，アルカリと反応

Fe, Ni, W, Moと比較的反応

安定

Fe と反応空気中

1300℃まで安定

600℃で酸化が始まる

2100℃で溶融

1500℃より
酸化

真空中1600℃より
hBNに転換1400～1700℃で黒鉛に転換

同上

2220℃で分解

モンドは，あらゆる物質の中で最も硬く，摩擦係数が低く，熱伝導率が高い，極めて優れた工具材料である．

熱安定性が硬度のさらに高い超砥粒が広く用しかし酸化開始温度が低く，かつ鉄と反応して摩耗しやすいので，鉄系材料の加工に用いられることはほとんどない．ダイヤモンドには天然ダイヤ（D）と人造ダイヤ（SD）があるが，後者は材料特性が安定していることなどから，近年多用されている．一方，cBN はダイヤモ
ンドより硬度が低いものの，鉄と反応しにくく，高温での使用にも耐えるため，鉄系難削材の加工に用いられている．
最近の砥粒には，破砕性をコントロールしたもの，鋭利な角を持たせたもの，微細多結晶質のもの，特殊なコーティングを施したもの，などが開発され，用途の拡

図 2 大越式結合度試験法（改良ビット法）

大，加工性能の向上に寄与している．
２．２ 粒体積百分率）の指標値である．組織番号と砥粒率 Vg と度いずれの砥粒も，粒径によって分けて（分級して）使は次式の関係がある．

用される．「粒度」は粒径の指標値であり，粒度 F4～

組織番号＝F220（旧 JIS では，#で表記）の粗粒，粒度 F230～F1200 の一般研磨用微粉，粒度#240～#8000 の精密研磨用微粉などがある．ふるいで分級する場合の粒度
番号は，1 インチあたりのふるい目の数（メッシュ）で表し1(62－ Vg )2（2）一般に，砥粒率 50％前後のものが用いられるが，砥石径が大きいと工作物との接触面積が広くなって研削焼けが発生しやすくなることから，気孔率をとりわけ多くした多気孔砥石が用いられることがある．ている．
筆者らの試算によると，平均粒径（mm）と粒度 F には，ほぼ次式の関係が認められる．
平均粒径＝22.9 F -1.08（1）一方超砥粒の場合には，砥粒率の代わりに「集中度」（コンセントレーション：砥粒の体積百分率）が指標値として用いられる．集中度 200 とは体積百分率が 50％，集中度 100 は体積率が 25％であることを意味する．

上式は，JIS に定められた電気抵抗試験法による精密集中度は，研削の目的と条件によって適宜選択する研磨用微粉の粒径（累積高さ 50％点）にも適用できることになるが，工作物との接触面積が小さい小径砥石ので，利用頂きたい．の場合には 100 程度のものが，大径砥石の場合には２．３ 結合度と組織75～50 のものが用いられることが多い．

砥石の「結合度」は，砥粒保持力の指標値である．結

２．４ 結合材の種類と用途合度は，図 2 に示すビットの食い込み深さによって測定表 3 は，結合材（ボンド材とも言う）の種類，性質と用され，最も柔らかい A から Z までの 26 段階に分けられ途を示したものである．一般砥粒では，適度な破砕性とるが，通常 H～N 程度のものが用いられる．

剛性を有するビトリファイド（陶磁器質）を用いたものが一方，「組織」は「砥粒率」（砥石全体に占める砥粒の多く，主に精密研削に用いられる．使用条件が過酷なJournal of the Japan Society for Abrasive Technology Vol.59 No.3 2015 MAR. 148-151

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表 33 結合材の種類，性質と用途
結合材の種類，性質と用途
表

場合には，さらに弾性と粘りがあり，耐衝撃性の高いレジノイド（熱硬化性樹脂）が用いられる．
一方，超砥粒は高価であることから，砥粒の保持力が強いメタル系の結合材や電着砥石が用いられること結合材

特 徴性 質・砥粒の保持力が強い．
ビトリファイド ・結合度を広範囲に作れる．
・経時変化がなく品質が安定．
（V）・適応砥粒：A 系，C 系，超砥粒．
・剛性高く，形状保持性に優れる．
・作製自の温度が低く，適当な補 ・ビトリファイド結合材より強度が高レジノイド（B） 強材や添加剤の使用可．
いので，高周速度で使用可．
・適応砥粒：A 系，C 系，超砥粒 ・弾性があり衝撃の大きな研削に適．
・ブロンズ，スチイール系金属粉・砥粒保持力が大で，寿命が長い．
メタル（M）
末を焼結．
・熱伝導率大・適応砥粒：超砥粒・ニッケル・銅メッキにより台金に・砥粒が独立して突き出しているた
電着（P）
砥粒を強固に固定．
め，切れ味が非常によい．
・適応砥粒：超砥粒

用 途・精密研削・円筒研削・ホーニング･自由研削･工具研削･オフセット研削・石材加工・高脆材の鏡面加工・複雑な異形品・極小品が多い．
２．５ 砥石の表示法
研削砥石の呼び記号の付け方は，JIS で規定されている．一般砥粒砥石の一例を以下に示す．

図 3 天びん式バランス法
この例は，円筒研削に用いられる 1 号平形のストレート砥石の場合であり，二つある細分記号は製造業者独自のものである．最高使用周速度を超えると砥石が遠心力によって破壊される恐れがあるので，十分注意する必要がある．
つぎに，超砥粒ホイールの一例を示す．

図 4 遠心力式機上バランス法

粒度，結合度および結合材の種類の表記法は一般砥を行う場合には，図 4 に示すように，スピンドルに砥石を粒砥石と同じであるが，その他にコンセントレーションと取り付けて回転させ，遠心力によって発生するアンバラ砥粒層の厚さが示されている．

ンスの大きさと方向を計測しながらバランス調整する必要がある．遠心力を利用したバランシング装置は市販されていることから，使用法や特性については，カタログ

３．研削砥石のバランシング
砥石にアンバランスがあると，回転に伴って振動が発などをご参照願いたい．

生し，加工面にびびりマークができるばかりでなく，危険でもある．そのため，砥石を使用する前に，回転軸まわりのバランスを精密にとっておく必要がある．

４．ツルーイング・ドレッシング
精密研削では，砥石外周の振れや砥石形状の不整

バランシングには，フランジで固定した砥石の静的なを嫌うため，砥石をスピンドルに取り付けた後に，ダイヤ重力釣り合わせを行う天びん式（図 3）や転がり式があモンド・ドレッサなどを用いてその外周を削って振れをとるが，静的な方法は砥石をスピンドルに取り付けた状態る必要がある．この作業がツルーイング（形直し）である．

でのバランスを保証するものではない．そこで精密研削

また，砥石の表面（作業面）形状を工作物に転写する

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総形研削において，あらかじめ砥石表面を目的の形状に整形する作業もツルーイングである．
一方，（a）ツルーイングだけでは切れ刃の突き出しが不十分な場合，（b）研削作業によって切れ刃の「目こぼれ」が激しくなった場合（図 5），（c）砥粒が摩滅摩耗により「目つぶれ」した場合（図 6），そして（d）切り屑がチッ

図5

目こぼれ

図6

目つぶれ

図7

目詰まり

プポケットに付着して砥石が「目詰まり」した場合（図 7）には，ドレッシング（目立て）を行う必要がある．
一般砥粒砥石の場合には，気孔があり，結合材はもろく，砥粒も破砕しやすいから，ダイヤモンド・ドレッサでツルーイングすれば，ことさらドレッシングを行う必要はない．しかし超砥粒ホイールの場合には，砥粒保持力を高めた無気孔（マトリックスタイプ）のものが多く，ツルーイングをしただけでは結合材に埋没している砥粒を砥石表面に突き出させることはできない．
そこで，スティック状の GC 砥石を高切り込み，低送り速度で研削して，結合材を除去する方法や，ブレーキ装置のついた横軸形ツルーイング装置（ブレーキツルア）に GC 砥石を取り付けて超砥粒ホイールに作用させる方法などがある．さらに高精度の研削仕上げを行う場
合には，図 8 に示すように軟質のカップ形 GC 砥石と超砥粒ホイールを相対運動させ，砥石を精密整形すると同時に，目立てを行う方法が用いられる．
一方，小径の軸付き砥石の場合には，ツルーイング・ドレッシング抵抗によって砥石軸がたわみ，整形精度

図 8 カップ形ツルアによる超砥粒ホイールのツルーイング・ドレッシングが低下するため，放電ドレッシングが行われることがある．この方法では，導電性の結合材を用いた砥石に対ことから，あらかじめツルーイングを行って砥石外周のして放電加工用電極材をツルアとして用い，両者にパ振れをとってから機上バランシングを行い，さらに精密ルス電圧を印加することによって行う．なお歯車研削なツルーイングする必要がある．

どにおいて，砥石作業面を総形に整形する場合には，総形の電着砥石がツルアとして用いられるが，導電性結合材を用いた砥石の場合には，ワイヤ放電加工の応用によって，整形することも可能である．
さらに，電解作用を利用した電解インプロセス・ドレッシング（ELID）法が開発され，主に超精密研削の分野

５．おわりに工作物材質と加工目的に応じた適切な砥石の選択とバランシングおよびツルーイング・ドレッシングは，研削加工の特性を生かすために，ユーザが関与できる重要分野であることから，皆さんの研鑽に期待したい．

で成果を上げている．鏡面加工を行うには，なるべく微なお，さらに深い知識を望む読者には，「砥石」と「研細な超砥粒を用いたいところであるが，研削を始めると削・研磨」の総合情報サイト（ http://www. toishi.info ），たちどころに目詰まりしてしまう．しかしこの方法によれあるいは前回紹介した教科書「機械加工学の基礎（コロば，加工中にメタル系結合材の表層を電解作用によっナ社）」などをご参照頂きたい．て除去することで砥粒切れ刃を突き出させ，持続的かつ能率的に超精密研削を行うことができる．
なお，ツルーイングとバランシングは互いに影響する

次回はユーザが関与できる，もう一つの重要分野である研削液の選定と供給法について，潤滑と冷却の基礎から解説することにしたい．

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