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ダイヤモンド工具・CBN工具とは
《 研削ホイール編 》

ダイヤモンド・CBNとは

ダイヤモンドとは

ダイヤモンドとは、ギリシャ語で「アダマス(adamas=征服しにくいもの)」が語源となっており、16世紀の中ごろに現在の「ダイヤモンド」となりました。和名は金剛石(こんごうせき)。
純粋の炭素からなる鉱物で一般的には宝石として知られていますが、天然の物質のなかで最も硬いことから工業用としても多く利用されています。天然ダイヤモンドのおよそ8割が工業用として利用されており、人工的に作られるダイヤモンド(人工ダイヤモンド)はほとんどが工業用となっています。
合成ダイヤモンドは人工ダイヤモンドとも呼ばれ、炭素材料などを用いて人工的に作り上げたダイヤモンドのことです。主に高温高圧合成(HPHT)や化学気相蒸着(CVD)法により作られています。合成ダイヤモンドは透明性や輝きという点で、天然ダイヤモンドに遥かに及びません。また、ダイヤモンドならではの光の屈折率など、美しさの点でも大きく劣ってしまいますので、合成ダイヤモンドは工業用用途が大半で、宝飾用としては用いられていません。

合成ダイヤモンド

合成ダイヤモンド
(住友電気工業株式会社 スミクリスタル®

CBNとは

CBNとは、立方晶窒化ホウ素「cubic Boron Nitride」の頭文字をとった表記で、ホウ素、窒素からできている化合物です。
ダイヤモンドに次ぐ硬さを持ち、また700℃で酸化が始まるダイヤモンドに対して、CBNは1,300℃まで熱的耐性があることから、高温下での加工はCBNのほうが優れています。

ダイヤモンド・CBNと一般砥石用砥粒の比較(使用砥粒の特性で比較)

① 熱伝導率の比較
砥粒熱伝導率の比較

ダイヤモンド・CBNは在来砥粒に比べ熱伝導率が高い
(工作物の温度上昇を軽減する)

これにより、適正な使用条件下であれば工作物の「硬度低下が少ない」「圧縮応力が大きい」「加工変質層が少ない」など高品質な加工結果を得ることができます。

② 硬度の比較
ダイヤモンド・CBNと一般砥石用砥粒の比較

ダイヤモンド・CBNは在来砥粒に比べ硬度が高い

これにより、適正な使用条件下であれば切れ味が良好で摩耗も少なくなり、工作物を高能率、高精度、低コストで加工できます。また工具交換が少なくなるため連続加工が可能となります。

 

さまざまな研削加工方法(研削加工の種類)

研削加工とは

研削加工とは、研削ホイールや研削砥石を高速度で回転させ、多数の硬い砥粒切れ刃で、非常に微小な切削をする加工方法です。 

研削加工の模式図

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研削と切削の違い

切削加工図,切削加工,切削加工とは

研削加工の種類

平面研削

平面研削は一般的に平研(へいけん、ひらけん)と呼ばれます。縦軸型研削盤と横軸型研削盤があり、テーブルは角テーブルと円テーブル、ホイールはストレートタイプとカップタイプを使用します。テーブルに加工物を固定し、砥石を高速で回転させて研削加工を行います。両頭タイプは上下にホイールを取付け、加工物を間にはさんで加工を行います。平面研削加工は最も一般的な研削加工方法で、幅広い分野で使用されています。

横軸型

横軸型

平面研削,平面研削加工

縦軸型

円筒研削

円筒研削は円研(えんけん)呼ばれることが多く、加工には円筒研削盤もしくは万能研削盤を使用します。円筒状の加工物とホイールの両方を回転させ、加工物の外周部分を仕上げます。ストレートな円筒研削をはじめ、テーパー、端面、総形などさまざまな研削方法があります。平面研削同様に非常に一般的な研削加工方法で、幅広い分野で使用されています。

ストレート
ストレート
円筒研削,円筒研削加工
テーパー
円筒研削,円筒研削加工
総形
アンギュラ研削,円筒研削,円筒研削加工
アンギュラ

内面研削

内面研削は内研(ないけん)とも呼ばれ、内面研削盤もしくは円筒研削盤や万能研削盤に取り付けた内面研削装置を使用します。加工物を固定し、回転させた軸付ホイールなどで加工物の内面を仕上げます。加工物を回転させて加工する場合もあります。円筒研削と同じように、テーパー、端面などの研削方法があります。

内面研削
内面研削
内面研削,内面研削加工
テーパー
内面研削,内面研削加工
総形
内面研削,内面研削加工
端面

センタレス研削

センタレス研削は心なし研削とも呼ばれ、センタレス研削盤を使用して円筒状の加工物の外周を仕上げます。
加工の方法は、加工物を固定された支持刃(ブレード)と回転する調整車および研削ホイールの間で支持し、調整車の回転で加工物の回転と送りを調整して加工物の外周を研削するというものです。
センタレス研削の特徴は、加工物にセンタ穴が不要で、研削盤への工作物の取り付け取り外し作業が不要なことです。 これにより量産に適した加工と言えます。

センタレス研削

輪郭研削

輪郭研削はコンタリング研削、ならい研削とも呼ばれ、プロファイル研削盤などを使用して加工物を任意の形状に仕上げる加工です。

歯車研削

歯車研削は歯研(はけん)とも呼ばれ、歯車研削盤を使用してギヤなどの歯を成型していく加工のことです。主に一般砥石が使用されますが、その一般砥石を成型するのにダイヤモンド砥粒を使用したドレッサ(ロータリードレッサ)が使用されます。

ねじ研削

ネジ研削は歯ねじ研削盤を使用してねじ山の成型を行う加工です。

ダイヤモンド・CBN研削ホイールとは(超砥粒ホイールとは)

ダイヤモンド・CBN研削ホイール(超砥粒ホイール)とは、ダイヤモンドまたはCBN砥粒を用いた研削砥石のことです。アルミナ系やSiC系の砥粒を用いるものは「一般砥石(在来砥石)」と呼びます。
 ※CBN=cubic Boron Nitride:立方晶窒化硼素のこと。(cBNとも表記する)

なぜ、超砥粒の場合は「ホイール」と呼ぶのか?

超砥粒を使用した研削砥石は「超砥粒ホイール」と呼ばれます。これは、JIS制定の際に、ダイヤモンド工業協会から一般砥研削石との差別化を行いたいという提案があり、「超砥粒ホイール」として制定されました。

『JIS B 4131 :1998より抜粋』
3.定義 :この規格で用いる主な用語の定義は、次による。
a)ホイール:主として金属製台金の周辺、または端面にと(砥)粒層をもつ研削と(砥)石。
JIS R 6210, JIS R 6212などに規定されている研削と(砥)石と区別して“ホイール”という。
ダイヤモンドと(砥)粒を結合剤で保持したと(砥)粒層をもつホイールを“ダイヤモンドホイール”といい、CBN と(砥)粒を結合剤で保持したと(砥)粒層をもつホイールを“CBN ホイール”という。

ダイヤモンド・CBNホイールの種類

ダイヤモンド・CBNホイールの種類

ダイヤモンド・CBNホイールの種類

レジンボンドホイール

構造
レジンボンドホイールは、ダイヤモンド・CBN砥粒と樹脂粉末及び充填材(フィラー)を混合、焼結して製造します。樹脂は一般的にフェノール樹脂が用いられますが、耐熱性に優れたポリイミド樹脂も広く用いられるようになっています。
特徴
  • ■弾性率(ヤング率)の低い樹脂で砥粒を保持しているので良好な表面粗さが得られます
  • ■ボンドの後退性が良い(自生発刃性が優れている)ので切れ味が持続します

砥粒層断面構造図

レジンボンドホイールの構造

レジンボンドホイール製造工程表

レジンボンドホイールの製造工程

メタルボンドホイール

構造
メタルボンドホイールは、ダイヤモンド・CBN砥粒と金属粉末及び充填材(フィラー)を混合、焼結して製造します。金属粉末は銅、錫、鉄、コバルト、タングステンなどが使用されます。
特徴
  • ■耐摩耗性と砥粒保持力が高いため、ホイールの長寿命化が可能となります
  • ■ガラス、フェライトのような脆性モードで加工される材料では切れ味も良好です
  • ■熱伝導率が高いため、研削時の発熱による砥粒やボンドの熱劣化を低減できます

砥粒層断面構造図

メタルボンドホイールの構造

メタルボンドホイール製造工程表

メタルボンドホイールの製造工程表

ビトリファイドボンドホイール

構造
ビトリファイドボンドホイールは、ダイヤモンド・CBN砥粒とガラスを主成分としたセラミックス粉末、充填材(フィラー)を混合し焼結した、有気孔構造となっています。 一般砥石(在来砥石)の結合剤としては最も古くから利用されてきたボンドです。
特徴
  • ■有気孔構造のため良好な切れ味を発揮します
  • ■ツルーイング・ドレッシング性が優れていることから、高能率加工に適しています
  • ■CBN砥粒の場合はロータリードレッサで成形できるため、量産部品の総型研削が可能です

砥粒層断面構造図

ビトリファイドボンドホイールの構造

ビトリファイドボンドホイール製造工程表

ビトリファイドボンドホイールの製造工程表

電着ホイール

構造
電着ホイールは、ダイヤモンド・CBN砥粒をニッケルめっきにより精密加工された台金表面に、一層だけ保持した構造となっています。
特徴
  • ■砥粒の突き出しが大きいため切りくずの排出性が良く、良好な切れ味が持続します。
  • ■複雑な総型形状品が比較的容易に製作でき、台金の再利用も可能です。

砥面断面構造図

電着ホイールの構造

電着ホイール製造工程表

電着ホイールの製造工程表

ダイヤモンド・CBN 研削ホイールの仕様

ダイヤモンド・CBN研削ホイール(超砥粒ホイール)は「砥粒」「粒径(砥粒径)」「結合度」「集中度」「結合剤」などの組み合わせにより、様々な仕様のものが製作できます。被削材料の種類や形状、求められる仕上がり状態や使用設備などで最適な仕様選定を行います。

研削ホイールの仕様表示例

ダイヤモンドホイール仕様

① 砥粒

ダイヤモンドホイールの砥粒には、天然ダイヤモンド(D)と合成ダイヤモンドがあり、工業用途で多く使用されるのは合成ダイヤモンドです。研削ホイールに用いられるのは「合成ダイヤモンド(SD)」と「金属被覆合成ダイヤモンド(SDC)」の二種類です。また、ダイヤモンドに次ぐ硬さを持つ「立方晶窒化ホウ素(CBN)」と「金属被膜した立方晶窒化ホウ素(CBNC)」の二種類も研削ホイールに用いられる砥粒です。

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砥粒の種類 表示記号 特徴
ダイヤモンド砥粒 天然ダイヤモンド D ・砥粒形状は、イレギュラー形状で破砕強度は低い
・現在は、殆ど使用されていない
合成ダイヤモンド(フライアブルタイプ)
※主にレジンボンドで使用
SD ・非鉄材料の研削に使用される。
・砥粒形状は、イレギュラー形状で破砕強度は低い
合成ダイヤモンド(ブロッキータイプ)
※主にメタル・ビトボンド、電着で使用
・非鉄材料の研削に使用される
・砥粒形状は、ブロッキー形状で破砕強度は高い
金属被覆合成ダイヤモンド SDC ・砥粒保持力を向上させる目的で、上記合成砥粒に「ニッケル」「銅」「チタン」等の金属を被覆した砥粒
CBN砥粒 立方晶窒化硼素(単結晶) CBN
(BN)
・鉄系材料の研削に使用される
・砥粒形状は、ブロッキー形状で破砕強度は高い
立方晶窒化硼素(多結晶) ・鉄系材料の研削に使用される
・砥粒形状は、イレギュラー形状で破砕強度は低い
金属被覆立方晶窒化硼素 CBNC
(BN)
・砥粒保持力を向上させる目的で、上記合成砥粒に「ニッケル」「銅」等の金属を被覆した砥粒
ダイヤモンド砥粒
  • 天然ダイヤモンド天然ダイヤモンド
  • 合成ダイヤモンド合成ダイヤモンド
    (フライアブルタイプ)
  • 合成ダイヤモンド合成ダイヤモンド
    (ブロッキータイプ)
  • 合成ダイヤモンド金属被膜合成ダイヤモンド
CBN砥粒
  • CBN砥粒単結晶砥粒
  • CBN砥粒多結晶砥粒
  • CBN砥粒金属被覆した単結晶砥粒

② 粒度

粒度とはダイヤモンド・CBN砥粒の大きさ(粒径)のことです。粒度の表示や分級方法などはJIS(JIS B 4130)で決められています。
ただし注意しなければならないのは、超砥粒ホイールで使用される砥粒については、#325(325/400)までしか規格化されていないということです。#400より細かい粒度については各メーカーが独自に(自由に)規格を設けて運用しているため、表示されている粒度がすべてのメーカー共通ではないことを覚えておかなければなりません。例えば、A社の粒度表示#10000とB社の粒度表示#10000は同じではない可能性があるということです。正しい粒度選定には、砥粒の粒径確認が必要となります。

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  表示粒度
(メッシュ)
JIS粒度
(メッシュ)
平均粒径
(μm)
使用領域の目安
メッシュサイズ 16 16/20 1190 粗加工    
20 20/30 840
30 30/40 590
40 40/50 420
50 50/60 300 中仕上げ
加工
60 60/80 250
80 80/100 177
100 100/120 149
120 120/140 125
140 140/170 105 仕上げ
加工
170 170/200 88  
200 200/230 74
230 230/270 63
270 270/325 50
325 325/400 44  
ミクロンサイズ 400 #400より細かい領域はJISで規格化されていません 37
600 30
800 20
1000 15
1500 10
2000 8
・・・ ・・・

③ 結合度

結合度とは、結合材(ボンド)が砥粒を保持する度合い(強さ・硬さ)を表す指標で、Nを基準にした序列です。一般的に結合度を硬くする(上げる)と寿命は延びますが切れ味が低下し、結合度を軟らかくする(下げる)と寿命が短くなりますが切れ味は向上します。

結合度

分類に厳密な規定はなく、同一メーカー内での序列のみを示していますので、記号が同じ「N」でもA社とB社の硬さが同じというわけではありません。
以上の理由で結合度を表示しない場合もあります。

 ※省略例:SDC200-100BS40

④集中度

集中度とは、砥粒層中のダイヤモンド・CBN砥粒の含有割合(砥粒率)を示しています。同じ粒度で考えた場合、集中度が高くなると砥粒の数が増え、低くなると砥粒の数が減ることになります。最適な仕様にするためには被削材料や加工に合った集中度を選択することが重要です。

  • 「4.4ct/cm3=集中度100」と定義し、一般的に20~200の範囲で使用されます。
  • 表示対象はレジンボンド、メタルボンド、ビトリファイドボンドの3種類です。
  • 電着の場合は砥粒層が一層のため、集中度規格はありません。
集中度 砥粒の含有量
(ct/cm3
200 7.7
150 6.6
125 5.5
100 4.4
75 3.3
50 2.2
25 1.1

※1ct(カラット)=200mg

⑤ 結合剤の種類

超砥粒ホイールにおける結合剤とは一般的にボンドと呼ばれ、砥粒を結合・保持する役割を持っています。また、加工中に脱落することで砥粒を自生させ、良好な切れ味を持続させることも必要となります。 被削材料や用途により最適な結合剤(ボンド)を選択する必要があります。

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結合剤(ボンド)
の種類
記号 記号の意味 結合剤(ボンド)
の主材質
使用砥粒 主な被削材料、用途
レジン Bakelite 樹脂 ダイヤモンド 切削工具材料(超硬、サーメット、セラミック)、金型(超硬)
CBN 金型(鉄系焼入鋼、ハイス鋼、ダイス鋼)、鉄系焼結部品の平面研削
メタル Metal 金属 ダイヤモンド 硬脆材料(ガラス、セラミックス、水晶、サファイア)
CBN 鉄系自動車部品の内径ホーニング、鉄系棒材の切断
ビトリファイド Vitrified セラミックス ダイヤモンド 切削工具材料(焼結ダイヤチップ、CBNチップ)
CBN 鉄系自動車部品、耐熱材料(インコネル)
電 着 P(E) Electro-plated めっき ダイヤモンド ゴム、FRP、磁性材料
CBN 鉄系自動車部品の総型研削、耐熱材料(インコネル)

被削材料別研削ホイールの選択

研削ホイールの選択は、被削材料によって変わります。大きく分けて非鉄材料はダイヤモンド、鉄系材料はCBNを選択します。またボンドの選択についても被削材料や加工、要求精度などによって変わっていきます。
※下の一覧表は一般的なものですので、実際に加工する場合はご相談ください。

ダイヤモンド・CBNホイールの被削材料別適合表

:最良  ○:良好  △:可能  空欄:不適合

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被削材料 砥種 平面・円筒研削加工 切断加工 穴加工
粗加工 仕上げ加工
ダイヤ CBN B M V P B M V P B M V P B M V P
高速度工具鋼(ハイス鋼) SKH          
合金工具鋼 SKS          
炭素工具鋼 SK          
クロムモリブデン鋼 SCM          
ニッケルクロムモリブデン鋼 SNCM          
クロム鋼 SCr          
高炭素クロム軸受鋼 SUJ          
耐熱鋼 SUH          
Ti合金          
ナイモニック Ni基合金        
ワスパロイ Ni基合金        
ユディメット Ni基合金        
ハステロイ Ni基合金        
インコネル Ni基合金        
ダイス鋼 SKD              
ステライト                
溶射金属                    
ステンレス SUS        
鋳鉄 FC    
超硬合金            
サーメット            
アルミ                                
焼結合金      
フェライト          
ネオジム磁石 Nd2Fe14B        
センダスト Fe-Si-Al合金        
アルニコ磁石 Al-Ni-Co        
アルミナ Al2O3          
光学ガラス            
熱膨張係数0ガラス            
石英ガラス            
水晶 SiO2          
サファイア            
ジルコニア ZrO2          
炭化珪素 SiC          
窒化珪素 Si3N4          
窒化アルミニウム AIN          
シリコン Si          
炭素繊維強化プラスチック CFRP                        
樹脂                          
ゴム                            

ツルーイング・ドレッシング とは

ツルーイング・ドレッシングは、ダイヤモンド・CBNホイールを効果的に使用し、その優れた性能を十分に発揮させるための非常に重要な作業になります。ホイールをいかに精度良く機械に取り付けたとしても、取付初期は振れがあります。また研削加工で摩耗により砥粒層は精度が劣化したり、切れ味が低下します。良好な切れ味を持続するためには、研削ホイールに適した方法、条件でツルーイング・ドレッシングを実施することが重要です。

設備取付け直後は外周振れ修正必要
砥粒の破砕、脱落により切れ味低下
ツルーイング・ドレッシング
砥面の凹凸を解消するとともに振れを無くし真円に整える(ツルーイング)
ツルーイング
ボンドを後退させ、切れ刃を突出させる(ドレッシング)
ドレッシング
【ツルーイング】
ホイールの回転時に砥面が振れたり、形状が崩れた時に成形すること。
【ドレッシング】
表面にある不要なボンドや切屑などを除去し、砥粒を突出させること。
ツルーイング・ドレッシング

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ツルーイング用在来砥石の選択例
砥粒粒度 #60~#140 #170~#270 #325~#500 #600~
C80K WA120 I GC300H GC500H
M、V C80K C80K WA120 I GC300H

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ダイヤモンド・CBNホイールのツルーイング・ドレッシング適合表
:最良  ○:良好  △:可能  空欄:不適合 ツルーイング ドレッシング
ダイヤモンドホイール CBNホイール ダイヤモンドホイール CBNホイール
ツルーイング方法と工具
ダイヤモンド
工具法
回転形 ロータリードレッサ      
メタルホイール                
電着アーバドレッサ                
静止形 単石ドレッサ                        
多石ドレッサ                    
インプリドレッサ                    
高精度ブロックドレッサ                
電着ブロックドレッサ                
従来砥石法 回転形 ブロック研削
ブレーキ制御
カップ砥石駆動
静止形 スティック
軟鋼法 回転形 軟鋼ロール
静止形 軟鋼ブロック
クラッシュ法 クラッシングロール                
遊離砥粒法 砥粒ラッピング
砥粒ブラスト    
砥粒スラッジ流し込み            
放電加工法 電極                

形状表示方法と標準形状

ホイールサイズの表示例

ストレートホイール
Φ150外径 5T砥粒層幅 3X砥粒層厚み Φ25.4H取り付け穴径
ストレートホイール
カップホイール
Φ150外径 3W砥粒層幅 5X砥粒層厚み Φ40H取り付け穴径
カップホイール

ホイールの形状表示

ホイールの形状表示
1台金基本形状
台金基本形状
2砥粒層の断面形状
砥粒層の断面形状
3台金に取り付けられた砥粒層の位置及び記号
台金に取り付けられた砥粒層の位置及び記号
4モデフィケーション及び記号
モデフィケーション及び記号

ホイールの標準形状1

1A1ストレート
  • ストレート1
  • ストレート2
3A1/14A1ボス付ストレート
  • 1
  • カッティング2
1F1/1FF1R付ストレート
  • ボス付ストレート1
  • ボス付ストレート2
1EE1/1E6QVフェイス
  • カッティングソー1
  • カッティングソー2
1Q1/1L1チップブレーカー
  • R付ストレート1
  • R付ストレート2
1DD6Y芯取り
  • 角度付ストレート1
  • 角度付ストレート2
1A1Rカッティング
  • Vフェイス1
  • Vフェイス2
1A1RSSカッティングソー
  • 片Vフェイス1
  • 片Vフェイス2
1V1角付ストレート
  • チップブレーカー1
  • チップブレーカー2
4B2片Vフェイス
  • コノ字形ストレート1
  • コノ字形ストレート2
9U1コノ字型ストレート
  • 芯取り1
  • 芯取り2
1FF6Y/1EE6Y/1LL6Y/1DD6Yペンシルエッジ
  • ペンシルエッジ1
  • ペンシルエッジ2

ホイールの標準形状2

6A2プレンカップ
  • プレンカップ1
  • プレンカップ2
11A2/11B2フレアカップ
  • セグメントカップ1
  • セグメントカップ2
6A9/11V9コーナーカップ
  • フレアカップ1
  • フレアカップ2
11V2S楔形セグメントカップ
  • L形フレアカップ1
  • L形フレアカップ2
3A2コアードリル
  • コーナーカップ1
  • コーナーカップ2
3F2カーブジェネレーター
  • ディッシュ1
  • ディッシュ2
6A2Sセグメントカップ
  • 楔形セグメントカップ1
  • 楔形セグメントカップ2
11C9/11Y9L型フレアカップ
  • 両面カップ1
  • 両面カップ2
12A2ディッシュ
  • コアードリル1
  • コアードリル2
9A3両面カップ
  • 面取り1
  • 面取り2
3V2T面取り
  • カーブジェネレーター1
  • カーブジェネレーター2
W軸付インターナル
  • 軸付インターナル1
  • 軸付インターナル2