JPH11104965A

JPH11104965A - 高速研削用砥石

Info

Publication number: JPH11104965A
Application number: JP28258697A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Fujii; 剛志藤井; Kenji Ito; 健二伊藤; Yoshiharu Terada; 好晴寺田; Takeshi Nonokawa; 岳司野々川
Original assignee: Noritake Co Ltd
Current assignee: Noritake Co Ltd
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 1999-04-20

Abstract

(57)【要約】【課題】伸びが小さく軽量であってベース円板心材部の
強度が高く、超高速研削用として高信頼性の砥石の提
供。【解決手段】ベース円板に砥粒層を接着してなる砥石で
あって、ベース円板の心材がセラミックス質であり、外
周部が金属基複合材料又はプラスチックス基複合材料で
あること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高速研削用砥石に関
し、特に、超高速研削用（周速度８０ｍ／ｓ以上）の砥
石に関する。

【０００２】

【従来の技術】砥粒層をベース円板に接着した回転研削
用の砥石として、特開平３−２３４４７４号公報に提案
された砥石は、そのベース円板が樹脂中にカーボン繊維
ないしアラミド繊維を分散させた複合材であることを特
徴としており、同公報にはＣＦＲＰ製ベース円板が開示
されている。特開平３−２５６６７４号公報に提案され
た砥石は、そのベース円板が金属マトリックス中にセラ
ミックス繊維又は粒子を分散させた複合材であることを
特徴としており、同公報にはＭＭＣ製ベース円板が開示
されている。また、特開平７−９３４７号公報に提案さ
れた砥石は、そのベース円板を比弾性率の高い外径側部
材と低い内径側部材から構成し、該外径側部材と該内径
側部材を、砥石の使用回転時における外径側部材の内径
と内径側部材の外径の変位の差以上の締め代で嵌合して
一体化したことを特徴としており、同公報には内径側部
材をＳ４５Ｃ又はアルミニウム合金、外径側部材をＣＦ
ＲＰとした砥石が開示されている。その他に、ベース円
板材料として全体を窒化ケイ素焼結体を用いた高速研削
用砥石が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ベース円板の回転によ
る半径方向伸びは回転数の２乗に比例するため、ベース
円板の伸びが大きくなると、ベース円板外周に接着され
た砥石にかかる応力が大きくなり砥石が破壊するおそれ
がある。第１に、上記ＣＦＲＰ製ベース円板では、繊維
強化によりベース円板の弾性率を大きくしているが（伸
びが小さくなる）、弾性率の高い繊維を使用しても、含
有できる繊維の体積率には限界（最大６０％程度）があ
るため、円板全体の弾性率を大きく向上させることが困
難である。また、弾性率の高い繊維を使用することは高
コストにつながる。第２に、上記ＭＭＣ製ベース円板で
は、金属マトリックス中に添加されるセラミックスの体
積率を増すことで弾性率を大きくできるが、反対に強度
が低下するという問題がある。第３に、上記特開平７−
９３４７号公報に提案されたベース円板では、締め代を
所定値に厳密に設定する必要があるため製造が難かし
い。加えて、研削盤の回転軸に固定されるベース円板内
径部には該回転軸の高速回転により大きな応力が加わる
ところ、この内径部が金属製であるため、比強度が小さ
くその自重によって大きな応力が発生し、超高速回転に
よる軸ブレなどにより内径部が変形ないし摩滅するおそ
れがある。また、このベース円板は、金属製である内径
部の弾性率が低いため遠心力による伸びが大きいという
問題を有している。第４に、全体が窒化珪素焼結体製の
ベース円板では、強度は高いが脆いという欠点があり、
寸法が大きくなると局部的な強度のバラツキが生じ（ワ
イブル分布）、高速回転用砥石のベース円板としての信
頼性が低下するという問題がある。

【０００４】以上の事情に鑑み、本発明の課題は、伸び
が小さく軽量であってベース円板心材部の強度が高く、
超高速研削用として高信頼性の砥石を提供することであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、第１の視点において、研削砥石のベース
円板の心材がセラミックス質であり、外周部が金属基複
合材料であることを特徴としている。なお、金属基複合
材料とは、金属（単体、合金など）をマトリックスと
し、これに種々の強化材料を添加したものである。

【０００６】第２の視点において、研削砥石のベース円
板の心材がセラミックス質であり、外周部がプラスチッ
クス基複合材料であることを特徴としている。なお、プ
ラスチック基複合材料とは、プラスチックをマトリック
スとし、これに種々の強化材料を添加したものである。

【０００７】［発明の概要］ここで、本発明の概要を説
明する。まず、本発明は高速研削砥石に関する下記の知
見に基づきなされたものである。

【０００８】［ベース円板の伸びの問題］ベース円板の
伸びを小さくするには、ベース円板材質の比弾性率が大
きいことが重要である。ＣＦＲＰ製ベース円板では繊維
の体積率に限界があり、ベース円板全体の弾性率の向上
には限界がある。ＭＭＣ製ベース円板はセラミックスの
体積率を増すことで対応はできるが強度が低下する。窒
化珪素焼結体製のベース円板は比弾性率が非常に高く伸
びが小さいが脆いという問題がある。

【０００９】［ベース円板の強度の保証］円板の回転に
よって発生する応力は回転数の２乗に比例するので、ベ
ース円板穴部（回転軸取付部）には大きな応力がかか
る。よって、回転に耐え得るだけの十分な強度が必要で
あり、ベース円板には比強度の大きな材料が有利であ
る。ＭＭＣ製ベース円板は比重が大きいためその重さの
ため応力が大きくなり、不利である。窒化珪素製ベース
円板は材料強度は大きいが、脆いという欠点がある。脆
さは原料・製造方法を工夫することによりある程度は改
善できるが、寸法的に大きくなると強度のバラツキを生
じやすく信頼性が低下する。例えば、外径２００以上の
ものは製造困難であると共に、上記寸法効果により材料
の信頼性が低下する。

【００１０】［高速回転による熱の発生の問題］ベース
円板が高速回転による熱の発生により温度が上昇し熱膨
張すると、砥石にかかる応力が増大し、砥石の破壊につ
ながる可能性がある。よって、ベース円板の熱膨張係数
が小さいことが重要である。ＣＦＲＰ製ベース円板は繊
維方向の熱膨張係数が小さくなるので有利である。ただ
し、母材のプラスチックスは熱膨張係数が大きく、ＣＦ
ＲＰの繊維の向きの設計が重要になってくる。ＭＭＣ製
ベース円板は母材が金属のため、繊維を使用した場合Ｃ
ＦＲＰ製に比べ有利である。ただし、粒子分散型の場合
は母材の金属と粒子のセラミックスの配合比に応じ、各
々の中間の熱膨張係数となる。窒化珪素焼結体製ベース
円板は熱膨張係数が小さく、異方性もないので有利であ
る。

【００１１】［寸法形状・製造に関する問題］ＣＦＲＰ
製ベース円板は繊維方向にのみ強度および弾性率が強化
されるため、材料には異方性があり、繊維配置の厳密な
設計が必要である。この繊維配置の方式として、例え
ば、航空機などに使用される疑似等方積層法（３０度又
は４５度間隔で角度（方向）を変えて厚み方向に積層す
る方法）、フライホイールなどへの適用が提案されてい
るフィラメントワインディング法（複合フライホイール
における最近の開発研究（植村正次、機械の研究第
３０巻第１０号（１９７８）など参照）がある。ＭＭ
Ｃ製ベース円板についても繊維強化する場合は同様のこ
とがいえる。粒子分散型の場合、異方性については粒子
を均一に分散できれば問題はない。窒化珪素焼結体製ベ
ース円板は寸法が大きいものは製造上、品質が不安定に
なる可能性がある。特に寸法的に大きくなると材料に粗
密むらが発生しやすく、強度にバラツキを生じることに
より、信頼性が低下するという問題点がある。

【００１２】以上説明したように、ＣＦＲＰ製、ＭＭＣ
製及び窒化珪素焼結体製のベース円板ともそれぞれ長所
及び短所を有している。そこで、本発明者らは、ベース
円板の表面に超砥粒砥石を接着してなる超砥粒砥石にお
いて、前記ベース円板が、心材とその心材を取囲む外周
層からなる構造を有し、心材をセラミックス質材料（セ
ラミックス・セラミックス基複合材料）から構成し、外
周部を他の材料で補うこと、すなわち熱膨張係数が小さ
く、弾性率、比弾性率の高い材料として、金属基複合材
料ないしプラスチックス基複合材料を使用することによ
り、超高速研削用としてきわめて信頼性の高い砥石が得
られることを見出した。さらに、本発明者らは、ベース
円板の心材となるセラミックス質は、金属・プラスチッ
クスに比較して比弾性率が高く、ベース円板の伸びを小
さくでき好ましい材料であるが、製造安定性、材料の信
頼性を考慮して、所定寸法以下の外径とすることが好ま
しいことを見出した。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を説明する。ベース円板の心材側の材料として、窒化
珪素質、炭化珪素質、アルミナ質、カーボン繊維強化セ
ラミックス質を用いる。その他、長繊維、短繊維、ウィ
スカーを問わず種々の形態の繊維で強化したセラミック
を用いてもよい。また、複合的に種々の形態の繊維を添
加してもよく、種々のセラミックスが複合したものを用
いてもよい。表１に、超高速研削用砥石のベース円板と
して十分な特性を有するセラミックス質材料を示す。こ
のように、弾性率３００ＧＰａ以上、熱膨張係数８×１
０^-6／℃以下、曲げ強度４００ＭＰａ以上のセラミック
ス質材料が好ましい。

【００１４】

【表１】

【００１５】一方、ベース円板の外周側の材料として、
種々の金属基複合材料を用いることができる。好ましく
は粒子分散強化金属基複合材料ないし繊維強化金属基複
合材料を用いる。強化のための粒子ないし繊維の体積率
は、所定の強化効果を得るために１０ｖｏｌ％以上が好
ましい。後述のプラスチック基複合材料においても同様
である。母材金属（金属基）としては、アルミニウム合
金、マグネシウム合金、チタン合金の一種以上が好まし
い。中でも耐水性が良く比重の軽いアルミニウム合金が
好ましい。また、上記粒子として炭化珪素、アルミナ、
ホウ化炭素、グラファイトの一種以上を用いる。上記繊
維として、長繊維、短繊維、ウィスカーを問わず種々の
形態の繊維の一種以上を用いることができ、繊維材質は
ボロン質、炭化珪素質、カーボン質、アルミナ質などで
ある。特にカーボン繊維、アラミド繊維が好ましい。繊
維強化の方法として、疑似等方積層やフィラメントワイ
ンディングなどの種々の手法を用いることができる。

【００１６】また、ベース円板の外周側の材料として、
種々のプラスチックス基複合材料を用いることができ
る。好ましくは繊維強化複合材料を用いる。強化のため
の粒子ないし繊維の体積率は、所定の強化効果を得るた
めに１０ｖｏｌ％以上が好ましい。母材（マトリック
ス）としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂などを用い
ることができる。好ましくは、エポキシ樹脂、フェノー
ル樹脂である。上記繊維としてには長繊維、短繊維、ウ
ィスカーを問わず種々の形態の繊維を一種以上用いるこ
とができ、繊維材質はボロン質、炭化珪素質、カーボン
質、アルミナ質などであり、カーボン繊維、アラミド繊
維などが好ましい。また、上記したような材料を用いて
粒子分散強化してもよい。

【００１７】高速研削は、砥石摩耗の低減、高能率及び
高品位加工を可能とし、超砥粒（ｃＢＮ，ダイヤモンド
砥粒）を用いることによりこれらの利点が一層強調され
る。砥粒同士の結合剤はビトリファイドボンドが好まし
く、レジノイドボンド、メタルボンドなども使用でき
る。砥粒（又は砥粒層（セグメント貼付砥石））とベー
ス円板外周部との結合剤として、ベース円板外周部が金
属基複合材料からなる場合、エポキシ樹脂などが好まし
く、プラスチック基複合材料からなる場合、エポキシ樹
脂などが好ましい。また、ベース円板の外周側に固着さ
れる砥粒として、前記超砥粒を用いることが好ましい
が、ＷＡなどの一般砥粒を用いてもよい。また、心材部
の熱膨張率をα_A、外周部の熱膨張率をα_B、砥粒層の熱
膨張率をα_Xとすると、｜α_A−α_B｜＜２０×１０^-6、
｜α_B−α_X｜＜２０×１０^-6とすることが接着強度上好
ましい（特に接着硬化時の残留応力が小さくなる）。例
えば、ビトリファイボンドで接着したｃＢＮ砥粒層の熱
膨張係数は一般的に４〜６×１０^-6であり、これに合わ
せた熱膨張係数を有するベース円板材質を選択すること
が好ましい。

【００１８】使用上、砥石横方向（半径方向）の剛性が
必要である場合、ベース円板外周部に金属基複合材料を
用いることが好ましく、剛性が問題とならない場合には
プラスチック基複合材料を用いればよい。また、外周部
を“ドビ”形状（図２参照）とすること（外周部の厚さ
を薄くすること）により、さらなる砥石の高速回転使用
が可能であり、超高速研削（特に周速度２００ｍ／ｓ以
上）による上記利点が益々発揮される。本発明に基づく
砥石は、好ましくは少なくとも周速度８０ｍ／ｓ、さら
には１００ｍ／ｓ以上、さらに１５０ｍ／ｓ以上で使用
されることが好ましい。

【００１９】

【実施例】

［実施例１］実施例１は、ベース円板の心材を窒化珪素
焼結体とし、外周部を炭化珪素強化アルミニウム合金と
した。すなわち、ベース円板の心材原料として、窒化珪
素（平均粒径０．５μｍ）９２mol％、酸化アルミニウ
ム（平均粒径０．４μｍ）３mol％、酸化イットリウム
（平均粒径１．５μｍ）８mol％を用い、これらにトリ
クレン及び分散剤を加えて湿式撹拌した。撹拌後、乾
燥、粉砕、分級した粉末を坏土とし、坏土を金型に充填
してＨＩＰ焼結した。次に、得られた焼結体を機械加工
して、寸法を外径２００ｍｍ、穴径２０ｍｍ、厚み１６
ｍｍとした。ベース円板の外周部として、アルミニウム
合金：４５体積％、炭化珪素：５５体積％からなる市販
の炭化珪素繊維強化アルミ合金を採用した。次にこの合
金体を機械加工して、寸法を外径３６６ｍｍ、穴径２０
０ｍｍ、厚み１６ｍｍとした。次に、この心材と外周部
とをエポキシ系接着剤で接着し、穴径２０ｍｍ、外径２
００ｍｍ、外周部の外径３６６ｍｍの“ひら”形状の円
板を得た（例１１、図１参照）。また、ベース円板外周
部（但し、外周部内径側は１６ｍｍ）の厚さを９ｍｍと
し、心材部の厚さを１６ｍｍとして外周部厚さを段階的
に薄くしたいわゆる“ドビ”形状の円板を、前記ひら形
状の円板と同様に作製した（例１２、図２参照）。

【００２０】比較例として、ベース円板全体が前記外周
部材料である炭化珪素繊維強化アルミニウム合金からな
り、前記実施例らと同一の寸法を有するひら形状（例２
１、図３参照）並びにドビ形状（例２２、図４参照）の
砥石を、それぞれ作製した。同様に比較例としてベース
円板全体が、弾性率４００ＧＰａ、繊維体積率６０体積
％、母材：エポキシ系材料の疑似等方積層ＣＦＲＰ製ベ
ース円板を作製した（例３１，例３２、図３及び図４参
照）。表２に、以上作製した砥石らを示す。表３に、図
１〜図４に記載した各寸法を示す。表４に、ベース円板
に使用した材料の特性を示す。

【００２１】

【表２】

【００２２】

【表３】

【００２３】

【表４】

【００２４】得られたベース円板を下記のように評価し
た。(１)１５０００ｒｐｍ（周速度２８７ｍ／ｓ）で回
転させ、伸びをレーザー変位計で実測した。(２)有限要
素法を用いて心材に発生する最大応力を計算した。(３)
円板の温度を２５℃、４０℃として外径を三次元測定機
で測定した。表５に評価結果を示す。

【００２５】

【表５】

【００２６】表５を参照して、変位量は例１２が最も小
さかった。従って例１１に比較して伸び及び穴部に発生
する応力が低減されている。また、例２１と例２２とを
比較すると、積層型ＣＦＲＰ製ベース円板ではドビ形状
にした効果が見られない。半径方向熱変位は例２１及び
例２２が最も小さい。しかし、回転による変位と熱変位
を加算した場合、実施例である例１１では５２μｍであ
るのに対し、比較例である例２１では５８μｍとなり、
実施例である例１１の方が全変位では小さい。同じく実
施例である例１２では、４８μｍとさらに小さくなるこ
とが分かる。また、ドビ形状の例１２はひら形状の例１
１に対して穴部発生応力が小さくなり、強度の安全係数
を大きくとることができるため好ましい。

【００２７】［実施例２］ベース円板の心材材料とし
て、実施例１と同様の窒化珪素焼結体を用い、これを機
械加工して寸法を外径２００、穴径２０、厚み１６ｍｍ
とした。ベース円板の外周部材料として、母材がエポキ
シ樹脂、強化繊維が弾性率４００ＧＰａのカーボン繊維
であるＣＦＲＰを用いた。この繊維強化プラスチックの
層が前記心材の円周方向に巻かれた構造（円周方向に繊
維が延在する）となるように、ＣＦＰＲを接着剤（エポ
キシ樹脂）を用いて心材に接着し、ひら形状のベース円
板を作製した（例４１）。さらに比較例として、前記実
施例に係るベース円板と同じ寸法で、疑似等方積層ＣＦ
ＲＰ（例２１、実施例１における例２１と同様のも
の）、又は上記金属基複合材料（例３１、実施例１にお
ける例３１と同様のもの）のみからなるベース円板を製
造した。表６に、以上作製した砥石らを示す。上記した
以外の寸法は前記表３に記載の通りである。また、表７
に例４１のベース円板外周部に使用した円周方向積層Ｃ
ＦＲＰの物性を示す。

【００２８】

【表６】

【００２９】

【表７】

【００３０】得られたベース円板を実施例１と同様に評
価した。表８に評価結果を示す。

【００３１】

【表８】

【００３２】表８を参照して、変位量は例４１が最も小
さく、半径方向熱変位もほとんどなく、優れた性質を示
した。例４１ではフライホイールなどへの適用が考えら
れているフィラメントワインディング法を用いている。
ベース円板全体をフィラメントワインディング法で製造
することも可能であるが、この方法によれば半径方向に
全く繊維が延在せず層間強度が非常に小さくなるため、
大きな応力が加わる心材部分には使用することは難し
い。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、ベース円板心材をセラ
ミックス質、外周部を金属基複合材料又はプラスチック
ス基複合材料とすることにより、伸びが小さく軽量であ
って、強度が要求される心材部（回転軸取付部）の比強
度が高くされている。さらに、砥粒層とベース円板外周
部との熱膨張係数差を小さくすることができるため、砥
粒層の脱落が高度に防止されている。特に、ベース円板
外周部を金属基複合材料とすることにより所定方向の応
力に対しての剛性が高くなり、ベース円板外周部をプラ
スチックス基複合材料とすることにより一段の軽量化が
達成される。従って、回転軸のブレや大きな遠心力が発
生する高速回転研削用砥石として、本発明の砥石はきわ
めて信頼性が高いものである。さらに、本発明の効果を
詳細に説明する。

【００３４】(１)心材であるセラミックス質材料の外径
を小さくすることができる。また、砥石を研削盤に固定
する場合、セラミックスが露出しなければ、セラミック
ス質材料にダメージが加わる恐れがほとんどない。 (２)外周部を軽量にすることができるので心材にかかる
応力が小さくなる。好ましくは、外周部を金属基複合材
料製である場合にはドビ形状にする。また、プラスチッ
クス基複合材料は金属より軽量であり、この点で安全係
数はできるだけ大きいことが望ましいので有利である。 (３)セラミックス質材料からなる心材の弾性率が大き
く、伸びが低減され、伸びが等方性である。 (４)心材と外周部の熱膨脹係数差を小さくできる。通常
のアルミ合金などを使用すると心材との熱膨脹係数差が
大きく、発生する熱によって熱応力が発生した場合に応
力が大きくなってしまう。 (５)セラミックス質材料は穴径の加工精度を高くでき
る。また、動バランスをとるためにコアを加工する場
合、セラミックス質材料の部分を加工しなくて良いの
で、バランス加工をしやすい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るベース円板の形状（ひ
ら形状）を説明するための図である。

【図２】本発明の一実施例に係るベース円板の形状（ド
ビ形状）を説明するための図である。

【図３】比較例に係るベース円板の形状（ひら形状）を
説明するための図である。

【図４】比較例に係るベース円板の形状（ドビ形状）を
説明するための図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者寺田好晴愛知県名古屋市西区則武新町三丁目１番36 号株式会社ノリタケカンパニーリミテド内 (72)発明者野々川岳司愛知県名古屋市西区則武新町三丁目１番36 号株式会社ノリタケカンパニーリミテド内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ベース円板に砥粒層を接着してなる砥石で
あって、前記ベース円板の心材がセラミックス質であり、外周部
が金属基複合材料であることを特徴とする高速研削用砥
石。
【請求項２】前記ベース円板の心材が窒化珪素質、外周
部がアルミニウム基複合材料からなることを特徴とする
請求項１記載の高速研削用砥石。
【請求項３】ベース円板に砥粒層を接着してなる砥石で
あって、前記ベース円板の心材がセラミックス質であり、外周部
がプラスチックス基複合材料であることを特徴とする高
速研削用砥石。
【請求項４】前記ベース円板の外周部は、粒子分散ない
し繊維強化されたことを特徴とする請求項１〜３のいず
れか一に記載の高速研削用砥石。
【請求項５】前記ベース円板の外周部において、強化の
ために添加される粒子ないし繊維の体積率が１０％以上
であることを特徴とする請求項４に記載の高速研削用砥
石。
【請求項６】前記ベース円板の心材は、弾性率３００Ｇ
Ｐａ以上、熱膨張係数８×１０^-6／℃以上、曲げ強度４
００ＭＰａ以上のセラミック質からなることを特徴とす
る請求項１〜５のいずれか一に記載の高速研削用砥石。