JP2011235438A - 高速研削砥石 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的高価でなく、超砥粒でない一般研磨砥粒を用いる工具から超砥粒研削性能を得る方法であり、超高速の接線方向接触速度（すなわち少くとも約１２５ｍ／sec）で、従来の研磨工具を操作する。
【解決手段】超高速操作速度は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化鉄、酸化モリブデン、酸化バナジウム、酸化タングステン、炭化ケイ素などのビトレアスもしくはレジン結合された粒子から形成されたセグメント８を有するセグメント研削砥石で達成される。研磨材セグメントは、エポキシセメントのような接着剤で工具の中心に結合される。研磨材セグメントは、従来の超砥粒を有するセグメントよりも著しく大きな深さまで製造され得、その結果、長い寿命ならびに高性能を与える。加えて、一般砥石セグメントは、形直し、および目直し、そして複雑な形状の工作物を研削して複雑な輪郭研削をするのが、比較的容易である。
【選択図】図１

Description

本発明は、高い表面作業速度で使用するための砥石に関する。特に、本発明は、超砥粒研削砥石に近い性能を達成するために高速で作業されうる一般セグメント研削砥石研磨材に関する。

砥石、特に研削砥石は、工業材料を切削（cutting)、形削り（shaping)および研磨（polishing)するような作業に商業的に広く使用されている。これらの研削砥石は、ディスク構造に結合剤で結合されている砥粒を含有するのが一般的である。通常、研削砥石を貫くセンター穴は、シャフトを動かす動力を受け、研磨表面を加工物に接触させながら研削砥石を回転させる。

もちろん、研磨材は、砥石の性能を決定する重要なパラメータである。この技術分野は、工業用砥粒材について少くとも２つの広いカテゴリー、すなわち「超砥粒」および「一般砥粒」、を承認している。前者は、最も硬く、したがって、工作物を切削するのが最も困難であるものを研磨することができる超硬材料である。最もよく知られている超砥粒は、ダイアモンドおよび立方晶窒化ほう素（「ＣＢＮ」）である。一般砥粒は、超砥粒ほどには硬くない砥粒であり、研削を一般に比較的必要としない広い範囲の汎用目的に用いられている。

一般砥粒研削砥石の構成は、超砥粒砥石とは異なって開発されてきた。一般砥粒砥石は、結合剤中に埋込まれた砥粒の単一領域により特徴づけられるのが一般である。すなわち、砥粒領域は穴から砥石外周へ及ぶ。対照的に、超砥粒砥石は、穴から切削表面に及ぶコア（金属であることが多い）を含むのが普通である。超砥粒は、金属コアに結合された単一層として、もしくは複数層であるが結合剤に埋込まれた浅い深さの連続もしくはセグメント砥粒のリムとして、切削表面の周囲にはりつけられる。このリムは、連続であってもセグメントであっても、金属コアに固定される。金属コアは、砥石により占められる固体容積の大部分を構成し、したがって、砥石を穴から円周まで超砥粒および結合剤で満たなくてもすむようにする。実際に、コアは、切削表面のみで砥粒を配置することによって超砥粒砥石のコストを著しく低下させる。

すべての作業変数（operating variables)が同一であれば、超砥粒は所与の研削条件で一般砥粒よりも高性能であるのが普通である。すなわち、加工物の除去速度；耐用年数（service life）、つまり除去される単位砥粒あたりの除去される加工物の容量；加工物に砥石を押しつけるのに必要な力の量；ならびに所与の硬さの加工物を切削するのに必要な力、のような性能パラメータは、一般砥粒よりも超砥粒が優れているのが通常である。したがって、理論的には、一般に超砥粒砥石を使用するのが好適である。あいにく、超砥粒のコストは、一般砥粒よりもはるかに高いのが通常である。したがって、超砥粒砥石は、一般砥粒では困難な加工物材料の仕事、ならびに非常に高性能を要求する仕事に対してのみ選択されるのが通常である。

高コストに加えて、超砥粒砥石は、他のある望ましくない性質を有する。これらのうち重要なのは、この砥石は、超砥粒が本質的に超硬性であるために、目直し（dress)することが困難であることである。このことは砥石の製造および使用に、いろいろと影響する。たとえば、砥石の製造において、十分に組立てられた砥石は、設計誤差に切削表面を正確に形削りするために形直しされ（「trued」）なければならない。作業において、砥石は、目つぶれした切削表面を活性化させるために定期的に目直しされなければならない。形直しおよび目直しは、もう一つの精密に形削りされた研磨材に対して砥石を走行させることにより実施されるのが普通である。これらの作業は、超砥粒の硬さが形削りされる材料の硬さと同等であるので、おそく、困難である。さらに、複雑な輪郭を有する切削表面をもつ超砥粒加工工具をつくりだすことも困難である。なぜならそのような輪郭を有する工具を形直しし、そして目直しするのに必要な工具は一般に手に入らないからである。

適切な用途で、すなわち、一般砥粒の能力の硬さの範囲内で加工物を切削するために、超砥粒砥石の性能に接近する研磨性能を一般砥粒研削砥石から得ることが非常に望ましい。このような「超砥粒に近い性能」が、超高速方法で、ある一般砥粒砥石を操作することによって得られることが見出された。すなわち、加工物に関して一般砥粒セグメントの接線方向接触速度は、少くとも約１２５ｍ／ｓでなければならない。このような超高速での操作の応力は多くの砥石、特に従来の一般砥粒砥石を、破断、分解させる。このように、本発明にしたがって作業される一般砥粒砥石は、下記に詳細に述べるように、最小のコア強度とリム強度パラメータを有するような方法で製造されることが重要である。

したがって、本発明により、硬い材料を研削する方法が提供され、それは、
少くとも６０MPa-cm³／ｇのコア強度パラメータを有するコア；コアの周囲に付着された研磨材セグメントであり、セグメントは少くとも１０MPa-cm³／ｇのリム強度パラメータを有する結合剤に埋込まれた一般砥粒を含み；および研磨材セグメントとコアの間の接合剤（cement）；
より本質的になる砥石を供給すること、ならびに硬い材料に接触させて少くとも約１２５ｍ／secの接線方向接触速度で研磨材セグメントを動かすこと、
を含む硬い材料を研磨する方法である。

さらに、本発明は、一般砥粒およびビトリファイド結合剤を含む研磨材セグメントを有する砥石を製造する方法を提供するものであり、その砥石は少くとも１２５ｍ／ｓの接線方向接触速度で加工物とかみ合うのに適応される。

本発明によるセグメント研削砥石の斜視図である。

本発明は、一般砥粒を有する砥石が、超高速の接線方向接触速度で作業されると超砥粒を有する砥石の研削性能に達することができるという知見を基本的に含む。「接線方向接触速度」（"tangential contact speed"）という用語は、砥粒と加工物との間の研削動作に対する接線方向における動きの相対速度を意味する。たとえば、工作物の静止したブロックを切削する連続帯状のこぎり刃の接線方向接触速度は、切削方向における刃の線速度である。同様に、静止したブロックを切削する振動のこぎり刃の接線方向接触速度は、その刃が方向を逆にするにつれて、刃の速度は各ストロークの終わりに必然的にゼロまで減速し、瞬時に再加速されることを観察すると、振動方向における刃の線速度である。

砥石については、接線方向接触速度は、通常回転する砥石の円周である切削表面の線速度である。接線方向接触速度は切削刃に関して加工物の動きを考慮する。このように、一定の位置を通りすぎる加工物の表面の長さ方向送り運動は、砥石を回転させながら、接線方向接触速度に寄与する。しかし、本発明による超高速の接線方向接触速度の砥石は、長さ方向の運動成分に比べて不相応に大きいのが通常である。通常、長さ方向の運動は無視されてもよい。すなわち、多くの実際的な状況では、超高回転速度砥石の接線方向接触速度は、回転により砥石切削表面速度に効果的に等しい。たとえば、約９，５５０rev.／min.で回転する３０cm径の砥石の接線方向接触速度は１５０ｍ／ｓである。この砥石を通り過ぎる加工物の長さ方向の送り運動は、通常１ｍ／ｓより小さい。

本発明によれば、一般砥粒から優れた研削性能が、約１２５ｍ／ｓを超える接線方向接触速度で得られる。上限速度は、研削性能の観点からは重要ではない。通常、速度が高ければ高いほど、得られる研削性能は向上する。しかし、砥石の破壊強度（burst strength）および過度の熱堆積（heat build-up)のような実用面の考慮が、速度が増加するにつれて重要となる。現在入手できる構成材料の制限に基づくと、接線方向接触速度は約１５０−２００ｍ／ｓの範囲であるのが好ましい。

この新規な方法は、すでに言及した種類の砥石に加えて、ドリル刃（drill bits）および回転のこぎり刃のようないかなる種類の研磨工具にも使用されうる。人力は優れた研削性能を生じる超高速の接線方向接触速度を維持できないのが通常である。最も実際的な使用については、砥石および／または加工物は、電力で運転され、したがって、自動化された作業の応力に耐えるのに構造的に十分強い。したがって、本発明を実施するのに好適な砥石は、補強されたコアに支持された研磨材セグメントを有するべきであると考えられる。

砥石は、高速作業により発生する潜在的に破壊的な力に耐えるように、強くて、耐久性があり、そして寸法的で安定であるべきである。コアは高いコア強度パラメータを有すべきであり、それは、１２５ｍ／ｓを超える接線方向接触速度を達成するために非常に高い角速度で作業される砥石にとって特に重要である。本発明において使用されるのに、コアのための好適な最小コア強度パラメーターは、約６０MPa-cm³／ｇであるべきである。コア強度パラメータは、コア材料の引張り強さをコア材料密度で割った比率として定義される。材料の引張り強さは、材料のひずみがさらに力を増加させないで増加する張力で加えられる最小の力である。たとえば、約２４０（ブリネルスケール）を超えて硬化されるＡＮＳＩ４１４０鋼は７００MPaを超える引張り強さを有する。この鋼の密度は約７．８ｇ／cm³である。このように、そのコア強度パラメータは約９００MPa-cm³／ｇよりも大きい。同様に、たとえばＡｌ２０２４，Ａｌ７０７５およびＡｌ７１７８のような、あるアルミニウム合金は、約１００を超えるブリネル硬さまで熱処理しうるが、約３００MPaより高い引張強さを有する。そのようなアルミニウム合金は、約２．７ｇ／cm³の低密度を有し、このように、１１０MPa-cm³／ｇよりも大きいコア強度パラメータを示す。チタン合金もまた使用に適する。

さらに、コア材料は延性であり、研削帯域で達する温度において熱的に安定であり、研削において使用される冷却材および潤滑材との化学反応に耐性があり、そして研削帯域において研削破片の活動からの腐食による摩耗に耐性があるべきである。あるアルミナおよび他のセラミックスは６０MPa-cm³／ｇより高いところまで耐えるが、それらはもろくて、破損により高速研削におけるコアとしては構造的に不十分である。したがって、セラミックスは高速砥石コアとしては勧められない。金属、特に焼入れされた、工具級綱（hardened,tool quality steel）が、好適である。

好ましくは、本発明において用いられる研削砥石の研磨材セグメントは、コアに取り付けられたセグメント化もしくは連続したリムである。セグメント研磨材リムは図１に示される。コア２は、図示されていない動力駆動装置（power drive)のアーバに砥石を取り付けるために、センター穴３を有する。砥石の研磨材リムは、結合剤６のマトリックス中に均一な濃度に埋込まれた一般砥粒４を含む。多数の研磨材セグメント８は研磨材リムを構成する。図示された態様は１０個のセグメントを示すが、セグメントの数は、重要ではない。

十分に説明したように、個々の研磨材セグメントは、端を切った、長方形の輪状であり、長さｌ、幅ｗおよび深さｄで特徴づけられる。砥石は予め選択された寸法の個々のセグメントをまず形成し、ついで適切な接着剤でコアの周囲９にその予め形成されたセグメントを取り付けることによって製造されうる。もう一つの好適な製造方法は、砥粒およびコアの周囲の結合剤組成の混合物のセグメント前駆体ユニットを形成し、ついで熱および圧力を加えて、その場所でセグメントを形成し、取付けることを含む。

図１に示される砥石の態様は、本発明にしたがって、うまく作業されうる砥石の代表的なものであり、制限するものと考えるべきではない。セグメント砥石の多くの幾何学的な、適切と思われる変形は、カップ状砥石、コアを貫く、および／または連続的なセグメントの間に、開口を有する砥石、およびコアとは異なる幅を有する研磨材セグメントを有する砥石、を含む。開口は、研削帯域に冷却材を導く通路を提供し、その帯域から切削くずを送り出すのに使用されることがある。コア幅よりも幅広いセグメントは、砥石が加工物を放射状に貫通するときに、切削くずとの接触による腐食からコア構造を保護するのに使用されることがある。

砥粒を基本的に限定する基準は、砥粒物質は研削される物質よりも硬いことである。この制約を条件として、本発明の一般砥粒は、研削技術において認識されている超砥粒以外のいかなる砥粒であってもよい。このように、一般砥粒は非常に広い種類の材料を含むことができ、個々の研削用途における加工物の硬さに依存する。したがって、本発明の一般砥粒は、適度に硬い、通常無機鉱物組成、たとえばコランダム、エメリー、フリント、ガーネット、軽石、アルミナおよびシリカ、を含むことができ、さらに、タングステン、ケイ素およびモリブデンの炭化物のような非常に硬い合金、ならびにいくつかの例を挙げたそのような物質の２つ以上の種々の混合物、を含みうる。好適な一般砥粒は、酸化アルミニウム（たとえば、溶融アルミナおよび焼結アルミナ、結晶種を入れた、もしくは入れないゾルゲル焼結アルミナを含む）、酸化ケイ素、酸化鉄、酸化モリブデン、酸化バナジウム、炭化タングステン、炭化ケイ素、およびそれらのいくつかもしくは全部の混合物を含む。

ゾルゲルアルミナは、本発明において使用するのに好適な一般砥粒である。「ゾルゲルアルミナ」は、α−アルミナの結晶が基本的に均一な大きさであり、通常、径が約１０μｍより小さく、もっと好ましくは約５μｍより小さく、そして最も好ましくは約１μｍより小さい焼結ゾル−ゲルアルミナを意味する。ここで有用なゾルゲルアルミナ粒は、結晶種を入れた、もしくは入れないゾルゲル法により製造されうる。

ゾル−ゲルアルミナ砥粒は、通常（しかし本質的ではない）ベーマイトであるα−アルミナ前駆体のゾルもしくはゲルを乾燥すること；乾燥ゲルを所望の大きさと形状の粒子を形成すること；ついで該粒子を、α−アルミナ形に転換するのに十分高い温度で焼成すること、によって常法で製造される。α−アルミナゲルは多孔性を調節するように焼結されることができ、粒子はさらに破砕され、ふるいにかけられ、α−アルミナ微結晶の多結晶粒を形成する大きさにそろえられ得る。本発明にしたがって使用するのに適した砥粒を製造するための簡単なゾル−ゲル法は、たとえば、米国特許第４，３１４，８２７号明細書；４，５１８，３９７号明細書および５，１３２，７８９号明細書：および英国特許出願第２，０９９，０１２号明細書に記述されており、これらの開示は言及によりここに組み入れられる。

ゾル−ゲル法の一形態において、α−アルミナ前駆体は、α−アルミナ自体と同一の結晶構造を有し、そしてできる限り近い格子定数を有する物質で、結晶種を添加される。結晶種物質の量は、水和アルミナの約１０重量％を超えるべきではなく、約５重量％を超える量は、何の利益もないのが通常である。もし結晶種が適当に細かいと（表面積約６０ｍ²／ｇもしくはそれより多い）、好ましくは約０．５〜１０重量％、もっと好ましくは約１〜５重量％の量が使用されうる。さらに結晶種は、α−アルミナが生成されるよりも低い温度で活性結晶種に転換する前駆体の形態で添加されてもよい。結晶種の機能は、結晶種が存在しない場合に要求されるはるかに低温で、α−形への転換を前駆体全体に均一に生じさせることである。この方法は、微結晶構造を生成し、α−アルミナの個々の結晶は、大きさが非常に均一であり、好ましくは径がすべてμｍ未満である。好適な結晶種は、α−アルミナ自体を含むが、α−酸化鉄（II）、亜酸化クロム、チタン酸ニッケル、およびそのような結晶種がないときに転換が生じる温度よりも低い温度で前駆体からα−アルミナを発生させるのに有効な、α−アルミナに十分類似した格子パラメータを有する数多くの他の化合物、も含む。

本発明において使用するのに適した砥粒を製造するためのゾルゲル法の例は、米国特許第４，６２３，３６４号；第４，７４４，８０２号；第４，７８８，１６７号；第４，８８１，９７１号；第４，９５４，４６２号；第４，９６４，８８３号；第５，１９２，３３９号；第５，２１５，５５１号；第５，２１９，８０６号；および第５，４５３，１０４号明細書に開示されている方法を含むが、これらに限定されるものではなく、これらの開示は言及によりここに組入れられる。

ゾルゲルアルミナ砥粒は、ブロック状および繊維状の粒子のような、多くの形状でありうる。繊維状粒子は、ここでは時々、細長い（elongated)もしくは「ＴＧ」と呼ばれるが、長い特徴的な寸法をかなり小さな、短い特徴的な寸法で除した指数で定義される高アスペクト比を有する。混合物における繊維状の結晶種入りゾル−ゲルアルミナ粒子のアスペクト比は少くとも約３：１、好ましくは少くとも約４：１である。このような繊維状の結晶種入りゾル−ゲルアルミナ粒子は、米国特許第５，１９４，０７２号および第５，２０１，９１６号明細書に開示されており、言及によりここに組入れられる。ブロック状ゾルゲルアルミナ粒子は、ここでは時々、「ＳＧ」物質と呼ばれるが、通常、粒状の外観、および約１：１のアスペクト比を有する。特に好ましくは、ブロック状および繊維状ゾル−ゲルアルミナ粒子の混合物を含み砥粒が使用される。その２成分の混合物において、好ましくは約４０〜６０wt％の粒子が細長く、そして残りの量はブロック状であり、もっと好ましくは、細長い粒子とブロック状粒子がおよそ等重量である。

焼結ゾルゲルアルミナ砥粒が多く報告されている。このクラス内のすべての多結晶砥粒は、理論密度の少くとも約９５％の密度、約１０μｍよりも小さい結晶の大きさ、および好ましくは１μｍより小さい均一な微結晶もしくは約１〜５μｍの均一な結晶を有する、少くとも６０％のα−アルミナ結晶を含む粒子により定義され、５００ｇで約１６GPaより大きい、好ましくは１８GPaより大きい：ビッカース硬度が本発明において使用するのに好適である。

結晶種を入れないゾルゲルアルミナ粒子を製造する際に、結晶の大きさおよび他の物質特性に影響を及ぼすために改質剤が使用されることが多い。代表的な改質剤は、１５wt％までのスピネル、ムライト、二酸化マンガン、チタニア、マグネシア、希土金属酸化物、ジルコニアもしくはジルコニア前駆体（たとえば約４０wt％もしくはそれより多く、のように、もっと多量に添加されうる）を含みうる。これらの改質剤は、上述の米国特許第４，３１４，８２７号、第５，１９２，３３９号および第５，２１５，５５１号明細書に開示されているように初期ゾル中に含まれる。さらに改質は、種々の量の改質剤、たとえば、イットリア、たとえばランタン、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ガドリニウム、エルビウム、イッテルビウム、ジスプロシウムおよびセリウムのような希土金属の酸化物、遷移金属酸化物ならびに酸化リチウムを含有させることを含み、これらは米国特許第５，５２７，３６９号および第５，５９３，４６８号明細書に開示されており、言及によりここに組入れられる。これらの改質剤は、破壊じん性（fracture toughness）、硬度、もろさ（friability）、破壊メカニズム、もしくは乾燥特性を変えるために含有させることが多い。

本発明のもう一つの観点は、一般砥粒成分および超砥粒成分を含む配合砥粒材料を使用しようとするものである。超高速研削により得られる研削能力の向上は、とても大きいので、超砥粒のかなりの部分が、性能を犠牲にしないで一般砥粒により代替されうる。このように本発明は、少ないほうの超砥粒成分（＜５０％）を有する研磨材セグメントから、１００％超砥粒の工具から期待されるものに近い研削速度および工具寿命を得る方法を提供する。好ましくは、一般砥粒成分は、研磨材セグメントにおいて、全砥粒の多いほうの成分（＞５０％）を構成し、もっと好ましくは、少くとも全砥粒の約８０％である。一般砥粒および超砥粒成分は、研磨材セグメント全体に均一に混合されうる。さらに、それらは研磨材セグメントの異なった領域に分離され得、または混合および分離領域の組合わせが単一の工具に組入れられうる。

研磨材セグメントは、工具が超高速接線方向接触速度、すなわち１２５ｍ／ｓ超、で作業されるときに、破壊および崩壊に耐えることができる構造的完全さを備えるように構成されるべきである。したがって、研磨材セグメントは、引張り強度を一般砥粒の密度で除したもので定義される最小リム強度パラメータを示すべきである。砥石の研磨材セグメントに作用する応力は、砥石の中心に比べて周囲で減少するという事実を考えると、本発明にしたがって使用される研磨材セグメントの最小リム強度パラメータはコアのコア強度パラメータよりも小さくてよい。好ましくはリム強度パラメータは、少くとも約１０MPa-cm³／ｇであるべきである。

結合剤物質のための組成はこの分野で普通の、一般的な種類でよい。たとえば、ガラスもしくはビトリファイド、レジノイドまたは金属が効果的に使用され得、さらに、金属を充填したレジノイド結合剤物質および樹脂含浸ビトリファイド結合剤のような混成結合剤物質でもよい。ビトリファイド結合剤が好適である。
もちろん、レジノイド結合剤も、結合剤が十分な強度と耐熱性を有していれば使用されうる。フェノール−アルデヒド、メラミン−アルデヒド、尿素−アルデヒド、ポリエステル、ポリアミドおよびエポキシ重合体のような、いかなる周知の架橋重合体も使用されうる。レジノイド結合剤は、氷晶石、硫化鉄、フッ化カルシウム、フッ化亜鉛、塩化アンモニウム、塩化ビニル−塩化ビニリデン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、フルオロホウ酸カリウム、硫酸カリ、塩化亜鉛、カイヤナイト、ムライト、黒鉛、硫化モリブデン、およびこれらの混合物のような充填剤を含みうる。

いかなる周知のビトリファイド結合剤も使用されうる。ゾルゲルアルミナ粒子を含む一般砥粒については、比較的低温で焼成されうるビトリファイド結合剤を使用するのが重要であることがわかった。ビトリファイド結合剤の焼成に関連して、低温焼成は約１１００℃以下であると思われる。ビトリファイド結合剤は、ケイ素、アルミニウム、鉄、チタン、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム、カリウム、リチウム、ホウ素、マンガンおよびリンのような溶融金属酸化物を通常、含み、そしてこれらの金属の酸化物の混合物を通常組み入れる。ビトリファイド結合剤に含まれる代表的な金属酸化物は、ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｆｅ₂Ｏ₃，ＴｉＯ₂，ＣａＯ，ＭｇＯ，Ｎａ₂Ｏ，Ｋ₂Ｏ，Ｌｉ₂Ｏ，Ｂ₂Ｏ₃，ＭｎＯ₂およびＰ₂Ｏ₅である。ビトリファイド結合剤は、細かい粒子状形態で金属酸化物成分を使用することによって果たされうる。もし複数の金属酸化物が含れていると、粒子は均一に混合されなければならない。有利な点は、ビトリファイド結合剤組成物の原料成分からフリットを製造し、そのフリットを砕いて粉末にし、そして砥粒を結合するのにそのフリットを使用する、ことにより生じうる。金属酸化物成分の組成原料前駆体を、均一なガラスを生成するのに有効な温度および時間、予備焼成することによりフリットが得られる。約１１００℃〜１８００℃の範囲の温度が代表的である。

砥石の研磨材セグメントは、細かい粒子の砥粒と結合剤組成成分を混合して乾式混合物を形成することにより製造されうる。混合は、砥粒と結合剤の均一な濃度が得られるまで続けられる。あるいは、湿式混合物は、乾式粒子に任意の、一時的な液状媒体を組み入れることにより製造されうる。「一時的」（fugitive）という用語は、下記に説明されるように硬化により結合剤が形成されるときに、液状媒体は混合物から離れることを意味する。その媒体は、乾式粒子成分と混合して粘性ペーストを形成することのできる高沸点、有機溶媒が通常、適切である。液体は均一な結合剤と砥粒のネットワークを促進し、さらにセグメント形成プロセスの間、結合剤および砥粒組成を分配する。本発明において使用するのに適した一時的な液状媒体物質は、水、動物にかわ（animal glue)、脂肪族アルコール、グリコール、グリコールオリゴマー、そのようなグリコールとグリコールオリゴマーのエーテルおよびエステル、ならびに鉱油および石油ろうのようなろう状もしくは油状の高分子量石油留分を含む。代表的なアルコールは、イソプロパノールおよびｎ−ブタノールを含む。代表的なグリコールおよびグリコールオリゴマーは、エチレングリコール、プロピレングリコール、１，４ブタンジオール、ジエチレングリコールおよびジエチレングリコールモノブチルエーテルを含む。

気孔形成剤および他の添加剤かつ、任意に研磨材混合物に添加されうる。代表的な気孔形成剤および他の添加剤は、中空セラミック球（たとえば、バブルアルミナ）および黒鉛、銀、ニッケル、銅、硫酸カリウム、氷晶石、カイヤナイト、中空ガラスビーズ、破砕クルミ殻、プラスチック材もしくは有機化合物のビーズ（たとえば、ポリテトラフルオロエチレン）、の粒子、ならびに発泡ガラス粒子を含む。気孔形成剤は、ビトレアス結合剤組成に特に有用であり、約３０〜６０vol.％の気孔形成剤が好ましい。好適なビトレアス結合剤研磨材セグメントは、約２６vol.％のブロック状ゾルゲルアルミナ粒子、約２６vol.％の細長いゾルゲルアルミナ繊維状粒子、約１０〜１３vol.％の溶融金属酸化物混合物および約３５〜３８vol.％気孔率を生じさせる気孔形成剤の有効量、の組成を有する。連続気孔（open cell)多孔性構造が好適である。

混合物は、予め選択された型で、低温および高圧下に冷間圧密（cold-compacted）され、「生の」（green)セグメント前駆体を形成されうる。「生の」という用語は、材料が次の続く中間工程段階の間は形状を維持する強度を有するが、永続的に形状を維持する十分な強度は有さないことを意味するのに用いられる。生の前駆体は、全強度および永続的形状を得るために種々の方法で硬化されうる。そのため硬化方法および操作条件は、使用される結合剤物質の種類に依存する。たとえば、レジノイド結合剤は、化学触媒、付加的反応物、放射線等の存在下に化学反応により硬化されうる。ビトレアスおよび金属を結合されたセグメントは、しばしば、前駆体を圧縮する間に上昇した温度で焼成により形成される。ビトレアスおよび金属結合剤組成成分は、高温で溶融し、ついで冷却され、強く、硬い均一マトリックス中で砥粒を囲む。

研磨材セグメントが製造されると、該セグメントは、ろう付け、レーザ接着、機械的取付け、または接着剤もしくは接合剤での接着のような、この分野で知られた種々の方法により、コアに取付けられうる。
とくに好適には、コアへ研磨材を接合する。当然に、接着剤は、特に、砥石のような回転工具において作業時に生じそうな破壊的な力に耐えるために非常に強くなければならない。二液性（two-part）エポキシ樹脂および「硬化剤」接合剤（"hardener" cement)が好ましい。

本発明は、その代表的な態様例をここで実例で説明されるが、すべての部（parts)、割合（proportions)およびパーセントは、異なった指摘がなければ重量基準である。ＳＩ単位で本来得られていない重量および測定のすべての単位はＳＩ単位に変換された。
［実施例１］
Norton Company(Worcester,MA)から入手された、５０％ＳＧ粒子および５０％ＴＧ粒子（それぞれ１２５μｍの粒径（Ｕ．Ｓ．Ｎｏ．１２０ふるい）を有する）の砥粒混合物１６９３ｇが、ビトリファイド結合剤成分の混合物２１０ｇと、動力設備をつけた混合機中で５〜１０分間、混合された。その結合剤は、米国特許第５，４０１，２８４号明細書に記述されており、多いほうの成分ＳｉＯ₂、および少ないほうの成分、Ａｌ₂Ｏ₃，Ｋ₂Ｏ，Ｎａ₂Ｏ，ＬｉＯ₂およびＢ₂Ｏ₃それぞれ、を含む。動物にかわおよび水、４８ｇが、その組成中に、濃度を均一にされた湿式粉末混合物を提供するために含まれた。その混合物は、型に移され、図１に示すような種類の曲線状セグメントが形成された。このセグメントの大きさは、長さ２５mm、幅１０mmおよび深さ１０mmであった。型は、約20〜３０秒間、７〜１４MＰaで冷間加圧され「生の」セグメント前駆体が得られた。その前駆体は、完成されたセグメントを得るために8時間、1000℃で空気流通炉中で焼成された。焼成後に、セグメントの曲線は、輪郭がはっきりしており、不都合がないのは明白であった。

25個のセグメントが、それぞれ38.0cm径１環状の高強度、低合金鋼の研削砥石のコアの全周囲に取り付けられ、名目上40cm径の砥石が供給された。これらの砥石のセンタ穴径は12.7cmであった。鋼コアのリムはセグメントの取り付けに先立ち、多少の粗さを得るためにサンドブラストされた。テクノダイン（登録商標）HT-18（田岡化学、日本）エポキシ樹脂およびその改質アミン硬化剤が、硬化剤１９部に対し樹脂100部の比率で手作業で混合して用意された。細かなシリカ粉末充填剤が粘度を上げるために樹脂100部について3.5部の比率で添加された。ついで濃いエポキシ接合剤が、図1に実質的に示されるようなコア上に位置されるセグメントの端および底に塗布された。コアを粗面化することはエポキシの接着に関して有効な界面面積を改善した。エポキシ接合剤は、室温で24時間、ついで60℃で48時間硬化された。粘度は増加していたので、硬化の間、エポキシの排液は最小化された。

破壊速度試験が４５rev./min/sの加速でスピンテストにより行なわれた。研磨材セグメントの深さは代表的な超砥粒砥石のそれの約2〜3倍であっても、試験砥石は、271,275および280m/sの接線方向接触速度に等しい破壊速度を示した。このように試験砥石は、ヨーロッパおよび米国で、それぞれ200m/sおよび１８０m/sの接線方向接触速度である、現在適用される安全基準のもとで、作業される資格が十分にある。

［実施例２］
コアが、鋼に代えてＡＮＳＩ ７１７８アルミニウム合金である点を除けば実施例１と同様に製造された。破壊速度は306,311および311m/sであった。
［実施例３］
研削砥石は、リダックス（Redux）（登録商標）420エポキシおよび硬化剤（Chiba-Geigy Polymer Division, フランス）が使用された以外は実施例２に記述されたのと同様に製造された。接着剤は60℃、4時間で、硬化された。破壊速度は346m/sであった。

［実施例４］
研磨砥石は、研磨材セグメントの深さが２５mmに増加したほかは実施例１と同様に製造された。破壊速度は、246〜264m/sの範囲で測定され、これはそれぞれヨーロッパおよび米国における１８０m/sまで,および160m/sまでの接線方向接触速度での作業に資格が十分である。

［実施例５〜１９］
それぞれ深さ１０ｍｍの25個の研磨材セグメントを有する実験用研削砥石5〜19（400mm径、127mm径の穴を有する10mm厚さ）が実施例１に実質的に述べるように製造された。各砥石に試用された砥粒の種類は表1に示される。CBN粒は125μmの粒径を有していた。実施例５,７,１２〜１７及び１９に使用された一般砥粒は250μmの粒径（ＳＧ）もしくは180μmの粒径（ＴＧ）を有していた。これらの実施例に用いられたすべての他の一般砥粒は125μmの粒径を有していた。砥粒は研磨材セグメントの容積の約52％を構成した。各砥石は、230m/sの接線方向接触速度に等しい回転速度で試験され、セグメント破壊もしくは鋼コアのたわみは、何らみられなかった。

実施例６の砥石は、５．１８ｍｍの深さに、６０ロックウエルC硬度の鋼を有するANSI５２１００もしくはUNS G５２９８６の６．４ｍｍ幅を、プランジ研削することにより試験された。砥石は、６０ｍ/sec、９０ｍ/sec、１２０ｍ/secおよび１５０ｍ/secの接線方向接触速度で作業された。６０ｗｔ％オイル、水性冷却材とともに、スチューダー（Studer）CNC S-４０研削盤が使用された。Studer研削盤の最大動力速度は９ｋWであり、したがって、より高速で、より高い金属除去速度で、砥石は設計性能仕様近くで、もしくは超えて、研削盤を押し進めた。

結果は表１に示される。すべての金属除去速度で、砥石６は、受け入れられる動力を得て、１２０ｍ/secに関連して１５０ｍ/secで、十分により良好なG-比を示した。２つの最も高い金属除去速度で、砥石6の性能は、研削盤の限界により逆に影響され、もっと良好な性能が、もっと高速で作業されるように設計された装置を用いたときの砥石で得られるだろうと予測される。すべての砥石速度およびすべての金属除去速度で、表面仕上げにおいて変動はほとんど見られず、表面仕上げの品質は、受け入れられるものであった。一般砥粒ゾルゲルアルミナ砥粒を含む砥石6は、この試験の間、一列の6点ダイアモンド静止目直し刃によって容易に目直しされた。

もう1つの研削試験が、実施例５−１９の砥石の研削性能を比較するために、同一条件下（３．２mm幅の切削が加工物になされたのを除く。）で実施された。この試験で、商業的に受け入れられるG−比、所要動力および表面仕上げ品質が、すべての砥石について見られた。結果は表２に示される。
市販ビトリファイド結合剤を用いたCBN対照砥石を使用して１５０m/sec砥石速度での条件下で加工物を３．２mm幅の切削を行なうという試みは、砥石の破壊を生じさせた。このことは、１５０m／secの速度で、超砥粒砥石を本発明の砥石と直接に比較することを不可能にした。これらの市販CBN砥石（深さ５ｍｍの研磨材セグメント、１２５μm粒CBN３６vol．％および結合剤２０vol．％を含み、実験例の砥石と同一の形状）は、接線方向接触速度１２０m／secでのみ試験され得た。そのＣＢＮ砥石は１２０m／secで最大金属除去速度１２２ｍｍ³／ｓ．ｍｍを示した。

実施例５および６は超砥粒を含んでいない。使用された砥粒は、ゾルゲアルミナの一般砥粒の混合物であった。これらの砥石は、１２０m／secで作業されえたに過ぎない市販CBN砥石よりも約２１％大きい、１４８mm³／s．mmの最大金属除去速度をもたらすことができた。すべての一般砥粒および一般砥粒／ＣＢＮ砥石は、一列の、６点ダイアモンド静止目直し刃で容易に目直しされた。さらに超砥粒砥石は、一般砥粒を有する砥石では見られない大量の欠け（ｃｈｉｐｐｉｎｇ），および目づまり（ｌｏａｄｉｎｇ）を生じた。

超砥粒砥石において、砥石の面を開けて砥石の寸法を正しくする（砥石を形直しする。代表的には最初の使用前に、そして研削作業中に、必要に応じて）ことの困難さは、この分野で周知であり、多くの高速研削作業において示された優秀さにもかかわらず、超砥粒砥石、特にＣＢＮ砥粒の使用にたいする重大な障害となる。これらの困難さは本発明の砥石では全く見られなかった。

これらのデータに基づいて、本発明の砥石の最大金属除去率、Ｇ−比および他の研削性能パラメータは、本発明の砥石を作業するため示された比較的高速(少なくとも１２５ｍ/sec)で作業されるときに、市販ＣＢＮ砥石のそれらに等しいように計画される。ＣＢＮ砥粒は,１２０ｍ/secもしくはそれ未満で作業されるとき、本発明の砥石よりも高いＧ−比を有するのが見られるけれども、本発明の砥石に見られる目直しの容易さは、著しい砥粒コスト節約と共同して、商業的作業にもっと深い研磨材セグメントを有し、かつ、もっと多い砥粒を含む砥石を利用することを許容する。本発明の砥石に可能な、もっと大きなセグメント深さは、比較的低金属除去速度で比較的低Ｇ−比がみられるのを補い、両種類の砥石の寿命を超える市販超砥粒砥石に等しい結果をもたらす。

実施例７〜１９の砥石についての試験結果は、本発明にしたがって１２５ｍ／ｓを超える接戦方向接触速度での作業は、はるかに少ないコストの一般砥粒を用いて超砥粒を実質的に代替し、もしくは希釈し、かつ超砥粒工具を代替するために受け入れられる研削性能を得るという能力を提供する。

［実施例２０］
結晶種を入れないゾルゲルアルミナ砥粒（３Ｍ Corporation，ミネアポリス、MNにより製造された３２１砥粒）を含む砥粒が、ＴＧアルミナ粒が使用されない点を除いて、実施例６と同一の方法で製造された。上述と同一条件で（加工物を３．２ｍｍ幅で切削）の研削試験において、結晶種を入れないゾルゲルアルミナ砥粒砥石は、１２０ｍ/secおよび１５０ｍ/secで砥石６と少なくとも等しい研削性能を示し、１２０ｍ/secで市販ＣＢＮ砥石にむしろ劣らないものであった。このように、結晶種を入れない、多結晶の焼結ゾルゲルα-アルミナは、結晶種を入れた、繊維状のものと同様に、本発明の砥石に用いるのに好適である。
本発明の特定の形態は、図面および実施例における実例から選択され、しかも、前述の説明は、本発明のこれらの形態を説明する目的で特定の用語で描かれているけれども、これらの説明は請求の範囲で規定される発明の範囲を制限しようとするものではない。

Claims (20)

1. 少なくとも６０ MPa-cm³／ｇのコア強度パラメータを有するコア；
   コアの周囲に付着された研磨材セグメントであり、研磨材セグメントは結合剤中に埋込まれた一般砥粒を含み、研磨材セグメントは少くとも約１０ MPa-cm³／ｇのリム強度パラメータを有し；および
   コアに研磨材セグメントを接着するための手段；
   より本質的になる砥石を供給すること、ならびに硬い材料に接触させて少くとも約１２５ｍ／sec の接線方向接触速度で研磨材セグメントを動かすこと、
   を含む加工物を研削する方法。
2. 一般砥粒が、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化鉄、酸化モリブデン、酸化バナジウム、炭化タングステン、炭化ケイ素、およびそれらの少くとも２つの混合物よりなる群から選ばれる請求項１記載の方法。
3. 一般砥粒が、ゾルゲル法により製造される多結晶α−アルミナ粒子である請求項２記載の方法。
4. 多結晶α−アルミナ粒子が結晶種を入れたゾルゲル法により製造される請求項３記載の方法。
5. 多結晶α−アルミナ粒子の一部が、少くとも約３：１のアスペクト比を有する細長い形態である請求項４記載の方法。
6. 多結晶α−アルミナ粒子は、（ａ）少くとも３：１のアスペクト比を有する細長い粒子および（ｂ）ブロック状粒子の等部分から実質的になる請求項５記載の方法。
7. 研磨材セグメントはさらに結合剤中に超砥粒粒子を含み、超砥粒粒子は研磨材セグメント中に砥粒の少ないほうの成分を構成する請求項２記載の方法。
8. コアは、金属、金属複合体、合金、エンジニアリングプラスチック、繊維強化プラスチックおよびプラスチック複合体、ならびにそれらの組合せよりなる群から選ばれる耐久性材料である請求項１記載の方法。
9. 耐久性材料が金属である請求項８記載の方法。
10. 耐久性材料は、鋼、アルミニウムもしくはチタンを含む請求項９記載の方法。
11. 研磨材セグメントはコアに接合された少くとも１つの研磨材セグメントを含む請求項８記載の方法。
12. 研磨材セグメントはコアに接合された連続したリムである請求項９記載の方法。
13. 研磨材セグメントは、少くとも約１０mmの深さであり、砥石は約２７０ｍ／ｓよりも大きな破壊速度を有する請求項１１記載の方法。
14. 接線方向接触速度は約１５０ｍ／ｓ〜約２００ｍ／ｓである請求項１１記載の方法。
15. 研磨材セグメントは、少くとも約２５mmの深さであり、砥石は２４５ｍ／ｓよりも大きい最小破壊速度を有する請求項１３記載の方法。
16. 接線方向接触速度は、約１５０ｍ／ｓ〜約１８０ｍ／ｓである請求項１５記載の方法。
17. 結合剤は、１１００℃以下の焼成温度を有するビトリファイド結合剤である請求項２記載の方法。
18. 一般砥粒の粒子をビトリファイド結合剤組成と混合して均一な混合物を得ること；
    その混合物を成形して研磨材セグメントプリフォームを形成させること；
    そのプリフォームを、少くとも約６０ MPa-cm³／ｇのリム強度パラメータを有する結合剤中に砥粒を固定するのに効果的な時間および温度で、焼成し、それによって研磨材セグメントを得ること；ならびに、
    少くとも約１０ MPa-cm³／ｇのコア強度パラメータを有するコアに、接合剤で研磨材セグメントを取付け、その接合剤は１２５ｍ／ｓより大きい接線方向接触速度で加工物を研削するのに耐えるのに有効な、熱的安定性および接着強度を有している、
    ことを含む砥石の製造方法。
19. 焼成温度が高々１１００℃である請求項１８記載の方法。
20. 一般砥粒はゾルゲルアルミナ砥粒を含む請求項１８記載の方法。

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