平面研磨加工

平面研磨加工とは？

平面研磨加工（研削加工）とは、切削加工と同じ機械的加工の1つです。高速で回転する砥石によってワーク（工作物）の表面を加工する除去加工の事です。
研削加工で工具となる砥石は、砥粒という小さな硬質粒子によって構成されており、この粒が細かな刃の役目をして、工作物表面を少しづつ削り取っていきます。
研削加工は、手動の研削盤または、自動研削盤（CNC、NC）などの工作機械によって加工されます。

切削加工と研削加工の理論的な違い

切削加工は研削加工に比べて、ワークに掛かる負荷が大きく、発熱も大きいです。そのため、研削加工は熱との闘いと言われていますが、なぜ負荷と発熱が大きいのかというと、砥石のすくい角が原因です。
研削加工は基本的に「負のすくい角」で加工することになり、これは理論的には切りくずを大きく変形させることになります。
また、砥粒には逃げ面が無いため、削った後に強烈な摩耗が発生しています。これは理想的な加工条件とは逆行の状態で、研削の発熱とは「切りくずの変形による発熱」と、「砥粒の摩耗による発熱」のダブルパンチが発熱する原因です。
ではなぜ、そんな厳しい条件の研削加工できれいな加工面が得られるのでしょうか。
それは、研削の刃物である「砥粒」の大きさがとにかくすごく小さいので理論的に条件が悪くても、切削加工に比べてきれいな加工面が得られるようになっています。
当然「砥粒」の大きさに合わせて切込量も超微量となるため、ガンガン材料を削ることはできません。

平面研磨加工の特長

切削加工と比較して刃（工具刃）の大きさが小さく、一度の加工での除去量が小さい点です。
一度の加工での除去量が小さい分、加工精度が良くなります。また、加工面の面粗さが良好になるため、精密加工や仕上げ加工として主に採用されます。

平面研磨加工のメリット・デメリット

メリット

寸法精度の高い加工ができる
研削砥石を構成する一つ一つの切れ刃は小さく、また高速回転で使用し加工あたりの除去量もわずかであるため、切り屑は極めて小さくなります。
すなわち、切削加工仕上げ面より面粗さが非常に良好で、寸法精度もよくなります。表面を滑らかにすることも可能です。

硬い素材でも加工できる
研削砥石の切れ刃は、砥石表面から突き出た無数の非常に硬い鉱物質の砥粒を使って工作物の表面を削るため、焼入れ後に硬くなった部品は勿論、超硬合金や陶磁器でも加工することができます。

切れ刃には自生作用がある
研削砥石は使用中に切れ刃が摩耗すると研削抵抗が増大し、砥粒がへき開あるいは脱落して新しい切れ刃及び気孔を生じます。したがって、一般の切削工具のように研ぎ直しの必要がありません。

デメリット

加工時間が非常に長くなる
研削加工は微量ずつ削り取るため、削る範囲によっては加工時間がかかってしまいます。
そのため、大きな加工を施したい場合は、切削加工で形をつくった後に研削加工で仕上げるのが一般的です。

加工時に熱が発生しやすい
研削加工では、砥石と工作物との摩擦により研削箇所の温度が1000℃を超える時があります。
そのため工作物に「焼け」や「割れ」が生じないように、研削液で冷却し続ける必要があります。

加工時に事故が起こりやすい
研削砥石は高速で回転している為、万が一破損した場合には、重大な事故を引き起こす危険性があります。
したがって、作業者およびその環境を含めた安全性について十分に考慮する必要があり、関連法規法令にも謳われています。

研削盤に欠かせない砥石について

砥石は、砥粒を結合剤で固めた工具です。
切削加工の「刃物」に相当し、小さな砥粒のひと粒ひと粒が、少しずつワークを削ります。砥石は非常に硬い材質でできているため、難削材の加工ができます。
砥石には「自生作用」があり、ドリルのような研ぎ直しの必要がありません。そのため長時間の連続加工が可能です。

・砥石の種類と構造
砥石は、「砥粒」「結合剤」「気孔」の3つの要素でできています。
「砥粒」：ワークを削るための粒
「結合剤」：砥粒を結合するためのボンド
「気孔」：切粉（研削スラッジ）やクーラントを溜めるためのスキマ

【砥石の種類】

砥粒は、ワークを削るための小さな粒子です。
金属や難削材を削るため、様々な硬い材質が使われています。

①一般砥粒
・アルミナ（酸化アルミニウム）
硬度や耐熱性が安定した、一般的な砥粒です。
・炭化ケイ素
非鉄金属に使われる、一般的な砥粒です。
アルミニウム合金や銅合金などのワークに使われます。

②超砥粒ホイール
難削材で使われる非常に硬い砥粒です。
セラミック・非鉄金属などの難削材や、成形研磨の仕上げに使われます。
超砥粒の砥石は、「ホーニング加工」による内面研磨でも使用されています。

・ダイヤモンド砥粒
ダイヤモンドを用いた超砥粒です。
発熱に弱く化学反応を起こすため、鉄鋼のワークには向きません。

【結合剤】

結合剤は、砥粒と砥粒を固めるためのボンドの役割をします。
材質によって、セラミックス・樹脂・金属の3つに分けられます。

・ビトリファイド　表記：V
セラミック系のボンドです。粒子同士の結合が強いため、幅広いワークの精密研削に適しています。

・レジノイド　表記：B
樹脂系のボンドです。粒子同士の結合が緩く弾力性があるため、研削から仕上げまで幅広く対応できます。

・メタル　表記：M
ブロンズなどの金属系のボンドです。砥粒同士の結合が非常に強いため、粗研削や切断などに適しています。 耐久性が高く、精密研削でも高い精度を発揮します。

【【気孔】

気候は、砥粒と結合剤のスキマにできる小さな穴です。切粉（切削スラッジ）の排出を助けることで、目詰まりを未然に防ぎます。
研削中の砥石の発熱を抑える役割もあります。

研削砥石の見方

・粒度
砥粒のサイズは「粒度（番手＃30＃120など）」で表記。番手が少ないほど粗く、大きいほど細かくなります。
・結合度
砥石の硬さは「結合度（A～Zまで）」で表記。
Aがもっとも軟らかく、Zがもっとも硬くなります。硬いワークには軟らかい砥石、軟らかいワークには硬い砥石が適しています。
・組織
砥粒の密度は、「組織（0～14まで）」で表記。数字が少ないほど砥粒の密度が高くなり、大きいほど密度が低くなります。
砥粒の密度は、砥石の摩耗しやすさや切粉（研削スラッジ）の排出しやすさに関係しています。

平面研磨加工の特長

切削加工と比較して刃（工具刃）の大きさが小さく、一度の加工での除去量が小さい点です。
一度の加工での除去量が小さい分、加工精度が良くなります。また、加工面の面粗さが良好になるため、精密加工や仕上げ加工として主に採用されます。

研削加工時の不良につながるの砥石に起こる現象

砥石の硬さや密度の選定が良くないと、「目詰まり」「目つぶれ」「目こぼれ」が発生し、加工不良の原因となります。

・目詰まり
目詰まりは、砥石表面の砥粒間に削りカスなどが詰まった結果、砥石の切れ味が悪くなる現象です。
軟らかい金属（アルミニウムや銅）の加工時に目詰まりする可能性があります。
目詰まりを起こすと砥石の自生作用が働かなくなるため、砥石表面に新しい砥石が出てこず、加工効率が大きく低下します。
砥石と工作物との接触箇所にも熱がこもりやすくなるため、工作物の砥石焼けやビビりが生じる場合があります。砥石の目詰まりを防ぐには、工作物の材質に応じて適切な砥石を選定することが重要になります。

・目つぶれ
目つぶれは、砥粒の刃の部分のみが削られ砥石表面が平坦になり、砥石の切れ味が大きく低下する現象です。砥石の自生作用が働かないために起こります。
目つぶれが発生すると、摩耗面が広がるため、目詰まりと同じく研削焼けやビビりが生じやすくなります。目つぶれが起こった際には、砥石の自生作用がうまく働くように研削負荷を調整することが重要です。

・目こぼれ
通常、砥石中の砥粒は研削力が無くなった後で自然に脱落します。しかし、砥石同士をつなぎとめている結合剤が柔らかすぎる場合、まだ研削力のある砥粒が次々に脱落していしまうことがあります。これが目こぼれです。
目こぼれが起きると砥石の切れ味が大きく低下し、砥石の寿命も短くなります。研削加工の際には、目こぼれを防止するために、結合剤の軟らかさや加工負荷を適切に調節することが重要です。

研削砥石の「ツルーイング」と「ドレッシング」

・ツルーイング（形直し）
「ツルーイング」とは、取り付けられた砥石の使用面の振れを取り除いたり、加工物の形状に合わせ所定の形状に仕上げる作業のことを言います。

・ドレッシング（目直し）
「ドレッシング」とは、形直し後に砥粒の突出し量を調整したり、鈍化した砥石の切れ刃を再生する作業のことを言います。
砥石に適した「ツルーイング」「ドレッシング」方法を採用し、加工物の加工精度（寸法精度、形状精度、仕上面粗さ等）、加工能率に合った条件を選定することが重要です。

平面研削加工事例

• 高い寸法精度や平面・平行・直角度、仕上げ面精度が求められる機械部品
• 細溝切り上げ溝加工
• 鏡面加工
• 金型プレートやパンチの成形加工