樹脂結合ホイールの設計と応用

1. 樹脂結合ダイヤモンド砥石の紹介

樹脂バインダー超硬質材料工具は、主にダイヤモンドまたはCBNを研磨材として、樹脂粉末をバインダーとして、適切な充填材を添加し、配合設計、重量混合、ホットプレス、二次硬化、後処理などのプロセスを経て、さまざまな研削要件に適用できます。
セラミックバインダーや金属バインダーと比較して、製造プロセスが簡単で、原材料の入手が容易で、コストが低く、多数の低品質の超硬質研磨材に適用できるという特徴があり、加工対象は、加工が難しい各種の鋼、硬質合金、ガラス、セラミック、石など多岐にわたります。
樹脂超硬質研磨工具は、自己鋭利性が良く、研削工程で詰まりにくく、ワークピースの表面品質が良く、砥石のドレッシングが容易なため、広く使用されています。

樹脂ダイヤモンド工具に使用される樹脂バインダーは、フェノール樹脂とポリイミド樹脂の2種類に分けられます。フェノール樹脂ダイヤモンド工具の実際の動作温度は120度以下です。ポリイミド樹脂は耐熱性が優れており、260度で長時間使用できます。
比較的高価なポリイミド樹脂とともに、フェノール樹脂がますます使用されるようになりました。特に近年では、英国の Advanced Mixed Limited 社の 939P のように、科学者がフェノール樹脂を改良して実際の動作温度が 200 度を超えるものを生み出しています。

本稿では、主に樹脂ダイヤモンド工具の設計思想と影響要因について紹介する。

2. 樹脂結合ダイヤモンド工具の設計

樹脂結合ダイヤモンド工具の設計は、主に次の 5 つの側面に基づいています。
（１）接着性が良好であること
バインダーは研磨面に均一に分散され、研磨粒子は研磨工具内でしっかりと制御され、マトリックスにしっかりと結合されるため、研磨剤が早期に脱落しにくくなるだけでなく、バ​​インダーがマトリックスから分離するのを防ぎ、生産の安全性を確保します。
（２）研削効率が高く、耐摩耗性に優れ、仕上げ（または表面粗さ）加工性に優れている。
樹脂結合は弾力性と脆さがあるため、研削時に自己研磨し、詰まりにくく、耐摩耗性も劣ります。
したがって、バインダーの配合を研究し設計する際には、平滑性の要件を確保するという前提で、高い研削効率だけでなく、可能な限り高い耐摩耗性も考慮する必要があります。
バインダーの準備は重要です。研削の要件を確保し、コストを削減するために、高い研削効率と優れた耐摩耗性の両方を満たすようにバインダーの比率を選択する必要があります。
（３）耐熱性が良好である。
バインダーの耐熱性が悪いと、使用中に研磨材が高温に耐えられず、消耗が早くなり、さらには研削熱が高すぎるために研磨材が焼けたり、割れたり、輪切りになったりする恐れがあります。そのため、耐熱性の良いバインダーを選択し、適切なフィラーを追加して、耐熱性を向上させます。
（２）研削工具の耐久性を向上させるために、湿式研削には可能な限りクーラントを使用する。
（３）乾式研削を行う場合は、研削工具の耐久性を向上させるために、送り量をできるだけ小さくする。
（４）バインダー強度が高くなければならない。
バインダーの強度は、研削効率、摩耗の大きさ、ワークピースの品質、および使用過程における研削工具の安全性能に直接影響するため、バインダーの強度に影響を与える要因を理解する必要があります。
 

バインダーの強度に影響を与える主な要因は次のとおりです。

（１）フィラーの添加によりバインダーの強度が増減する。ほとんどのフィラーは機械的強度を増し、一定の範囲内でフィラー量の増加とともに強度は増加するが、摩耗率は減少する。
グラファイトや固体二硫化モリブデンなどの一部の充填剤は、添加後に強度が低下するため、要求に応じて充填剤を合理的に選択します。
（２）研磨材の成形密度（または研磨材の多孔度）はバインダーの強度に影響を与える。
研磨材の成形密度は低く、多孔度は高く、バインダーの強度は低いが、バインダーの強度は高い。
したがって、研磨工具の多孔度のパラメータを合理的に設計する必要があります。
（３）研磨成形体の硬化温度、二次硬化温度、温度上昇曲線はバインダーの強度に影響を与える。
バインダーの硬度は適切で、耐摩耗性が良好でなければなりません。
バインダーの強度は、ダイヤモンド（または cBN）研磨粒子の摩耗速度と一致する必要があります。バインダーの摩耗が速いために研磨粒子が早期に脱落してはなりません。その場合、研磨剤が十分に使用されず、無駄になります。

3. 樹脂結合ダイヤモンド工具への影響要因

樹脂ダイヤモンド工具は、樹脂バインダー、フィラー、ダイヤモンド研磨剤を混合し、ホットプレスで硬化させて作られています。

その特性は、樹脂バインダー、フィラー、ダイヤモンド研磨剤によっても直接影響を受けます。

3.1 バインダーの影響には、主にバインダーの種類や含有量などの影響が含まれます。

（1）各種樹脂結合ダイヤモンド工具の共通の特徴は耐熱性が悪いことです。加工の過程で、ダイヤモンド工具とワークピースの間に熱が発生し、局所的に高温になりやすく、臨界値に達すると、ダイヤモンドの樹脂結合剤の保持がなくなり、完全に鈍っていない状態のダイヤモンドが脱落し、加工コストが大幅に増加します。

現在、樹脂バインダーの改良により耐熱性が向上しています。

Gao Liangchangはスクエアアルキルエーテルで改質したフェノール樹脂を使用しており、耐熱性は180度以上に達します。

Du Yangらは、ボロシリコーンプレポリマー、ホウ酸、フェノール、ホルムアルデヒドを原料として新しいボロシリコーンフェノール樹脂BSPを合成しました。フェノール樹脂構造にBO結合と有機ケイ素鎖が導入されたため、BSP樹脂は優れた耐熱性と靭性を備え、樹脂の耐水性と貯蔵安定性も向上しました。

Xiao DongzhengらはBMI（ビスマレイミド）を用いてフェノール樹脂を改質し、耐熱性に優れたビスマレイミド改質フェノール樹脂を得た。

（２）樹脂バインダー含有量の影響

樹脂バインダー含有量はダイヤモンド工具の加工性能に大きな影響を与えます。

文献で紹介されている単結晶シリコンスライスは、研削ホイールを薄くすると、樹脂バインダーの含有量が増加し、研削ホイールの硬度、圧縮強度が徐々に増加します。樹脂バインダーの含有量がある程度増加すると、それよりも高い研削ホイールの摩耗が遅くなる傾向があり、同時に研削ホイール表面がブロッキング現象を起こしやすく、同時に含有量が高いほど、ブロッキング現象が深刻になります。

（３）樹脂バインダーサイズの影響

中国でダイヤモンド研磨材の製造に使用される樹脂粉末の粒子サイズは、主に 80 ～ 180 メッシュです。このサイズ範囲には 2 つの欠点があり、1 つは研磨材の成形特性に影響を与えること、もう 1 つはバインダーの特性に影響を与える可能性があることです。

研磨の過程で、木粉は加熱されて柔らかくなり、一定の流動性を持つようになり、研磨布紙の目的を達成できますが、研磨の過程で、バインダー材料は金型内の圧力、空間の制限、樹脂の流動範囲の制限を受け、木粉の粒子サイズが厚い場合、研磨バインダーの強度が弱くなり、剥がれ落ちる速度が速すぎる部分が発生します。

3.3 研磨ダイヤモンドの影響には、主にダイヤモンドのコーティング、種類、粒子サイズなどの影響が含まれます。

（１）ダイヤモンド表面に金属をコーティングすると、粒子単体の圧縮強度が向上し、摩耗率が低下し、耐用年数が延長されます。

メッキなしのダイヤモンドと比較して、具体的な機能には次の側面が含まれます。

（１）コーティングされた樹脂結合ダイヤモンドコーティングの熱伝導率はダイヤモンドより小さいため、工具に接触すると、ダイヤモンド粒子が樹脂にコーティングされた後、瞬間的に高温になり、樹脂の研磨部分が高温による損傷を受けないように直ちに保護します。

（２）ダイヤモンドとバインダーの結合力を向上させるコーティング。ダイヤモンドを内側に、外側に金属コーティングを施し、樹脂バインダーと良好な結合が可能。

（３）コーティングはダイヤモンド粒子の破砕強度を向上させ、ダイヤモンド粒子の欠陥を補う金属メッキ後に補強の役割を果たしており、コーティングには延性金属が含まれており、粒子の破砕強度の向上に寄与している。

（4）研磨粒子へのコーティングは、隔離保護の役割を果たし、酸素やその他の有害媒体を隔離する役割を果たすと同時に、高温での研削において、ダイヤモンド結晶へのコーティングは、黒鉛化を抑制する効果を発揮します。

（２）国内外の超硬材料メーカーは超硬研磨材を比較的細かく分類しており、その中でも低品質のダイヤモンド研磨材や特殊な技術で処理された高い自己鋭利性と微細粉砕性を持つダイヤモンド研磨材が主に樹脂結合ダイヤモンド工具の製造に使用されている。