金属研削の基礎：起源、切削作用、業界インサイト

この記事では以下について説明します：1. 研削の導入 2. 研削の起源 3. 研削における切削作用 4. 研削切削作用の力学 5. 研削時の温度 6. 研削砥石の自己鋭利特性 7. 研削における残留応力 8. 砥石が早摩耗する原因 9. 砥石のグレージング原因 10. 操作条件とその他詳細。

目次：

1. 研削の導入
2. 研削の起源
3. 研削における切削作用
4. 研削切削作用の力学
5. 研削時の温度
6. 研削砥石の自己鋭利特性
7. 研削における残留応力
8. 砥石が早摩耗する原因
9. 砥石のグレージング原因
10. 操作条件
11. 研削時の切削液使用
12. 研削の安全性
13. 研削欠陥
14. 研削の熱的影響
15. 研削オペレーションにおける表面粗さに影響する要因
16. 研削のトラブルシューティング

1. 研削の導入

研削も加工プロセスの一種と見なせます——つまり金属除去プロセスですが、比較的少量です。「研削する」とは「研磨する」「摩擦で摩耗させる」「研ぐ」を意味します。研削では、回転砥石によって材料が除去されます。研削砥石の作用は、フライスカッターに非常に似ています。

砥石は、砥石内の突出した砥粒によって構成される多数の切削刃でできています。顕微鏡で除去材料を観察すると、0.4〜0.8mmの明確な細長い金属チップが見られます。

現代では、研削は主に以下の目的で使用されます：

(i) 粗仕上げと熱処理オペレーション完了後、ワークピースからごく少量の金属を除去し、寸法を非常に近い公差内に収める。基本的に、寸法精度と幾何精度を高めるための仕上げプロセスとして採用されます。

(ii) より良い表面仕上げを得るために使用されることもあります。

(iii) ハイス工具や超硬カッターでは加工困難な硬い表面の加工に使用されることもあります。

(iv) 切削工具の研磨にも使用されます。

(v) ねじ研削にも使用され、厳しい公差と良好な仕上げを実現します。

(vi) 高材料除去率（研削加工）にも適用されることがあります。

研削は生産作業における極めて重要なプロセスの一つです。他の切削プロセスに比べて特定の利点を持ちます。

主な利点：

(i) 焼入れ鋼等の切削に非常に適しています。硬い表面が必要な部品は、焼鈍状態で形状加工し、材料のサイズ、形状、熱処理時の歪み傾向に応じて少量のみ研削用に残します。

(ii) 接触面と軸受面で望まれる極めて滑らかな仕上げは、砥石の多数の切削刃によってのみ研削オペレーションで生産可能です。

(iii) 送りによる跡がありません。砥石に相当な幅があるためです。

(iv) 非常に正確な寸法と滑らかな表面仕上げを非常に短時間で達成できます。

(v) 比較的安価なドレッシングテンプレートで、複雑なプロファイルを精密に生産できます。

(vi) このプロセスでは非常に少ない圧力で済むため、他の場合なら工具から逃げてしまうような非常に軽いワークにも使用可能。この特性により、多くの研削オペレーションでマグネットチャックによるワーク保持が可能です。

(vii) 砥粒は非常に高硬度で、他の材料と比較して熱に対して低感度であり、高温を維持できます。したがって、より高い切削速度で作業可能。研削砥石は、鈍った粒が離れ新しい鋭利な粒が露出することで自己鋭利特性を持ちます。

(viii) 研削は、焼入れ後の材料から材料を除去する便利な方法です。

(ix) 研削は、従来の機械加工とは異なり、鍛造品等の硬い表皮を切り抜く必要がありません。

2. 研削の起源

初期段階では、「ノミ」が金属除去に最も便利な工具と考えられていました。ノミには1つの切削刃しかありませんが、より多くの材料を除去できますが、仕上げは非常に悪いです。材料の仕上げを良くするために、ヤスリを使い始めました。ヤスリには複数の切削刃があります。

これで除去材料は少なくなりますが、より良い仕上げが得られます。技術進歩により、ノミは制御された金属除去のために一刃バイトに置き換えられ、金属除去オペレーションは旋盤、シェーパー、フライス盤などさまざまな工作機械で行われるようになりました。

同様に、金属除去を制御し、多刃工具でより良い仕上げを得るために、研削が使用されます。研削プロセスは、部品の幾何精度（±0.02mm）と表面仕上げ（0.1µm Ra）を改善します。

3. 研削における切削作用

図20.1からわかるように、研削砥石は砥粒、結合材、気孔で構成されます。突出した砥粒が切削刃先のように働き、金属を除去します。適切に選択された研削砥石は自己鋭利作用を示します。

切削が進行すると、切削刃の砥粒が鈍り、最終的にワークピース材料の切削抵抗により劈開面に沿って亀裂が入ります。これにより新しい切削刃が生成され、さらなる切削作用を担います。

このプロセスは、砥粒が結合材レベルまで摩耗するまで続きます。この時点で結合材は摩耗した粒の残りを砥石から引き剥がし、以前砥石表面の下にあった新しい粒を露出させ、新しい粒がさらなる切削作用を行います。

間違った砥石選択や不適切な切削条件によってよく遭遇する2つの問題は、砥石のグレージングと砥石のローディングです。砥石のグレージングとは、砥粒が結合材レベルまで摩耗し、効率的な切削のために長く保持されすぎている状態を指します。これは硬い砥石（結合強度が強く、粒度が細かすぎる砥石）の使用によって生じます。

この問題は、砥石を交換するか、場合によっては切削条件を変更することで解決できます。砥石のローディングは、ワークピースチップが砥石の切削面に埋め込まれ、切削深度が減少することで切削率が低下する現象です。気孔が小さすぎることが原因で、砥石速度を上げたり、別の砥石を使用したりすることで治癒できます。

したがって、正しく、継続的かつ効率的な切削のための砥石選択には、砥粒の種類、粒度、結合剤の種類と強度、気孔サイズの正しい選択が要求されます。さらに、砥石の挙動はワークピース材料、切削速度、切込み深さ、送り速度の影響を受けます。

ダイヤモンドは最硬材料ですが、高コストのため用途は限定されます。Al2O3、SiC、B4Cは焼入れ鋼と比較して高硬度であり、塑性変形による金属除去に使用できます。切削工具材料は、塑性変形による材料除去と形状維持、低摩耗のためにより硬くなければなりません。

これらの材料で通常の切削工具形状を作ることはできないため、自然界で利用可能な粒の形で使用されます。これらの材料（砥粒）の粒は、何らかの結合材で砥石形状に結合されます。砥石表面の砥粒が切削刃として働きます。これらはランダムに分布し、ランダムに配向しています。

4. 研削切削作用の力学

図20.2(a)は、研削プロセスにおける砂粒の切削作用を示します。簡略化のため、すべての砂粒を同一と仮定できます。

図20.2(b)は、平面研削時のチップ形成スキームの詳細図です。未切削チップの断面は、厚さt、幅wの概ね三角形です。しかし、未切削厚さと幅は変化し、それらの最大値をtmax、wmaxとします。平均値はこれらの半分程度です。チップ平均長さl = D/2 × θ（D = 砥石直径、θは非常に小さい）

fが送り（典型値0.2〜0.6m/sec）、W = 切削幅mmの場合、単位時間あたりの総除去材料体積 = fdW

1チップ平均体積 = f(1/6)wmax tmax l

Nが砥石回転数、ρ = 表面粒密度（粒/mm²）の場合、砥石境界上の活性粒数、すなわち単位時間あたりのチップ生成数 = πNDWρ

ここから、N、D、ρが減少、またはf、dが増加すると砥石がより柔らかく見えることがわかります。これはFav値が増加し、砥粒のより頻繁な脱落を引き起こすためです。平面研削オペレーションでは、径方向力FR = 2F（図20.3参照）。

5. 研削時の温度

切削時、砥粒の先端には非常に高温が生じます。しかし、このような高温は非常に短時間のみであり、切削粒での温度勾配が非常に急峻なため、砥石自体の深刻な加熱は起こりません。

概算理論平均チップ/工具界面温度は以下で与えられます：

∴ 精密研削では、砥石速度とチップ厚さの両方を減らすことでチップ/工具温度を低減できます。

普通研削では、砥石速度を下げることで温度を低減できますが、チップ厚さを減らしても低減できません。実は軽い仕上げ切削で熱的損傷が生じることがあります。

研削時に流体を使用すると、ワークピース温度低下と砥石摩耗低減だけでなく、砥石のローディングが減りドレッシング頻度も減少します。しかし流体は、高い瞬間温度によるワークピース表面損傷を防止できません。

6. 研削砥石の自己鋭利特性

研削砥石では、切削工具（刃先）が不規則な形状でランダムに分布しています。砥石周辺の鋭利な刃先が材料除去プロセスに参加し、徐々に鈍くなります（摩耗＝鈍化）。加工中のより大きな力により、それらは新しい鋭利な切削刃を呈するために破砕するか、抜け落ちてその下の新しい粒が露出し、材料除去に参加します。

このプロセスにより、研削砥石に自己鋭利特性が付与されます。結合強度（グレードと呼ばれる）が、砥粒が耐えられる最大力を決定し、これは研削砥石の重要な特性です。結合が強い砥石を硬いと呼びます。

研削オペレーションで生成される小さな高温チップは、砥石やワークピースに溶着する傾向があります。さらに、ランダムな砥粒配向により、多くの粒が大きな負のすくい角を持つ可能性があり、これらは切削ではなく摩擦する可能性があります。これらの要因により、研削プロセスは非効率になり、高い比エネルギーを消費します。

7. 研削における残留応力

研削時の砂粒・チップ界面温度は非常に高い値（約1500°C）に達します。高温により、急速加熱と急冷（切削液による）で微細組織変化が起こる可能性があります。熱的・機械的影響は、研削面から約0.2mmの深さまで影響を及ぼします。

これらは高い残留引張応力の発生をもたらし、これらが高値に達すると表面クラックが発生する可能性があります。図20.7は、平面研削後のワークピースにおいて、砥石速度の違いによりさまざまな深さで残留応力が発生する様子を示しています。研削温度は、単位研削面積あたりの消費エネルギーに比例すると仮定できます。

したがって、温度と高研削温度による欠陥は、d、D、ρ、Nを減らすか、fを増やすことで低減できます。

砂粒がチップと接触し続ける時間：

オーダーは0.0001秒程度です。

砂粒・チップ界面温度は以下で求められます：

ここでV = 砥石周速、R = 被削材熱伝導率、ρc = 被削材体積比熱。

8. 砥石が早摩耗する原因

i. 砥石が柔らかすぎる
ii. 砥石幅が狭すぎる
iii. 砥石速度が遅すぎる
iv. ワーク速度が速すぎる
v. 砥石の混雑
vi. ワークに穴や溝がある

9. 砥石のグレージング原因

i. 砥石が硬すぎる
ii. 粒度が細かすぎる
iii. 砥石速度が速すぎる
iv. ワーク速度が遅すぎる
v. チップで砥石がローディングされている

10. 操作条件

さまざまな操作条件の適切な選択は、あらゆる研削オペレーションの成功にとって非常に重要です。

各操作条件と研削オペレーションへの影響は以下の通りです：

(i) 砥石速度：

砥石速度の増加（一定送り速度で）は、単一砥粒による除去チップサイズを減少させ、砥石摩耗を減らします。砥石速度の上限は、砥石設計、結合タイプ、研削オペレーション、動力、研削盤の剛性等によって制限されます。砥石速度は通常、結合タイプと研削オペレーションによって20〜40m/secの範囲で変化します。

(ii) ワーク速度：

ワーク速度の増加は砥石摩耗を増やしますが、発熱を減らします。高ワーク速度は早期砥石摩耗と摩耗による振動で制限されます。低ワーク速度は局所的過熱を招き、焼入れワークピースを変質・焼き戻しさせ、機械的特性に影響を与えます。

砥石摩耗を減らすにはワーク速度を減らすべきです。発熱が多い場合、特に硬い砥石では詰まりが生じるため、ワーク速度を増やすべきです。荒加工ではワーク速度11〜50m/min、仕上げ加工では6〜30m/min（円筒研削の場合）。内面研削では15〜30m/min、平面研削では8〜15m/min。

(iii) 送り：

切込み送りまたは横送りを増やすと材料除去率は増加しますが、砥石摩耗が増え仕上げが悪くなり、寸法精度と幾何精度に影響します。

横送りまたはクロス送りを増やすと砥石摩耗が増え、粗い表面が生じます。通常、鋼研削では砥石幅の2/3〜3/4、鋳鉄ワークピースでは3/4〜5/6に調整されます。

(iv) 研削接触面積：

接触面積が大きい場合（内面研削、平面研削、小径砥石での大径ワークなど）、単位圧力は低く、連続フリーカッティング作用にはソフトグレード砥石を使用。粗い砥粒を使用して砥粒間の適切なチップクリアランスを確保。接触面積が小さい場合は、細かい砥粒と硬いグレード砥石を使用。

11. 研削時の切削液使用

研削オペレーション中、砥石とワークピースの接触で大量の熱が発生し、その大部分はワークピースに伝達されます。研削液はワークピースの過熱防止と砥石の洗浄に役立ちます。

硫黄や塩素添加剤を含む研削液は、切削力を減らし、表面仕上げを改善し、研削砥石寿命を延ばします。通常、水系エマルションと研削油を十分な量（通常中型研削盤で15〜20リットル/分）使用します。

流体は砥石とワークピースの界面に向けられ、砥石とワークの間に低せん断強度の膜を形成できるようにします。高速による砥石表面周りの空気膜を貫通させるため、特殊ノズルで加圧供給します。砥石の細かい粒子による詰まりを防ぐため、研削液は微細に濾過されます。

12. 研削の安全性

研削における安全でない実践は、オペレーションにとって危険であり、細心の注意を要します。

重要な側面は以下の通り：

(i) 研削砥石の取り付け：

砥石はスピンドルに正しく取り付け、ガードで囲む必要があります。砥石穴はスリーブにキツキツ嵌めであってはなりません。

(ii) 砥石速度：

最大砥石速度は、砥石の究極的破裂強度によって決まり、使用砥粒、粒度、結合、構造、グレード、形状、砥石サイズに依存します。その値はメーカーによって指定され、決して超えてはなりません。

(iii) 砥石検査：

取り付け前に、輸送中の損傷、亀裂、その他欠陥をチェック。リングテストはビトリファイド結合に十分です。健全な砥石は、垂直線から45°でプラスチックハンマーで軽く叩くと澄んだ金属音がしますが、亀裂入り砥石は鳴りません。

使用しない砥石は乾燥した場所に保管し、縁を立ててラックに置くべきです。

(iv) 砥石ガード：

研削中は常に使用し、砥石摩耗を補償するために定期的に調整すべきです。

(v) 粉塵回収と健康対策：

乾式研削時は研削粉塵抽出の措置を講じるべきです。工作機械の保護カバーは使用中決して外してはなりません。オペレーターは飛散砥粒と粉塵から目と身体を守る安全装置を着用すべきです。

(vi) 砥石操作：

研削盤には十分な動力が不可欠です。動力が不十分なら砥石は減速し、フラットスポットが発生し、砥石がアンバランスになります。

湿式研削時、砥石を部分的に浸漬してはなりません。これは砥石のアンバランスを深刻化させます。

13. 研削欠陥

砥石の誤った選択や誤った研削条件による2つの一般的な欠陥は：

(i) ローディング
(ii) グレージング

ローディングは、砥粒間の空間が研削される金属粒子で詰まることで発生します。このため粒子が十分に突出せず、効率的な切削を促進できません。開放構造砥石で軟らかい金属を研削することで発生します。グレージングは、砥石表面の光沢外観で容易に認識できます。

砥粒が鈍って結合材から離れないことで発生します。これは、研削される材料に対して砥石が硬すぎる場合に起こります。グレージングは砥石速度またはワーク速度を増やすことで軽減できます。

表面仕上げと比研削動力も、研削砥石の総合的な性能評価に組み込めます。その場合、研削比は、単位砥石摩耗あたりの研削材料量と、比研削動力およびテストピース表面仕上げの積の比に等しくなります。

14. 研削の熱的影響

研削プロセス中、切削工具とワークピースの間で大量の熱が発生します。熱の大部分はワークピースに放散され、残りは研削砥石に保持されます。

研削の2つの熱的影響：

1. 研削砥石への影響：

発熱により亀裂が発生し、これは研削亀裂と呼ばれます。亀裂は研削痕に垂直です。

2. ワークピースへの影響：

(a) 変色：

200°Cで表面酸化が起こり、金属酸化物が生成されます。これらの酸化物は母材と異なる色を持ちます。つまり、ワークピースの変色を引き起こします。発熱は鈍った砥粒による表面焼けが原因です。

(b) 機械的損傷：

砥粒の鋭利さにより、金属表面に傷が形成されます。

(c) 冶金的損傷：

発熱により、表面に脆性亀裂が形成されます。

(d) 化学的損傷：

発熱により、化学酸化物が形成されます。

15. 研削オペレーションにおける表面粗さに影響する要因

研削時の表面粗さは、研削砥石（直径、砥粒、硬度、ドレッシング、摩耗）と研削条件（砥石速度、ワークピース速度、縦送り、ワークピース直径）に依存します。図20.14は、さまざまなパラメータ変更による研削表面粗さの変化を示しています。

16. 研削のトラブルシューティング

研削中に遭遇するさまざまな欠陥と、それらを克服するさまざまな解決策を以下に示します：

(i) 早期砥石摩耗：

以下で対処可能：

(a) より硬い砥石を使用、
(b) 砥石速度を増加、
(c) 横送りとワーク速度を減らし、切込み深さをわずかに減らす。

(ii) 砥石グレージング：

不適切なドレッシング、間違った砥石選択、遅い横送りと高いワーク速度が原因。砥石を鋭利に保ち、より柔らかい砥石または粗い砥粒を使用、砥石速度を減らし横送りを速く、より大きな切込み送りと切込み深さを増やすことで対処。

(iii) チャッターマーク：

以下で対処可能：

(a) 砥石を適切にバランス調整、
(b) 適切なドレッシング工具を使用、
(c) より柔らかいグレードまたは粗い砥粒を使用、
(d) ベアリングと基礎をチェックし、スピンドルベアリングを調整して機械振動を減らす、
(e) プーリーを締める、
(f) 大型ジョブには適切なサポートまたはクランプを使用。

(iv) 粗い仕上げ：

これは砥石が粗すぎるか、柔らかすぎることが原因の可能性があります。

(v) 砥石ローディング：

より柔らかいまたは多孔質構造砥石を使用、より鋭利なドレッサーを使用、十分な量の清浄クーラントを使用で対処可能。異なる長さと幅の不規則な痕は汚れたクーラントが原因。深い不規則な痕は砥石フランジの緩みが原因。

(vi) ワークピース過熱：

間違った砥石選択が原因。より柔らかい砥石を使用し、十分なクーラントを使用で克服可能。