JP4555580B2

JP4555580B2 - 硬脆材料の精密研削用超砥粒ホイール、その製造方法及び該超砥粒ホイールを用いる研削方法

Info

Publication number: JP4555580B2
Application number: JP2004010046A
Authority: JP
Inventors: 克雄庄司; 常元厨川; 信人吉原; 勝之渡辺; 祐司宮本
Original assignee: Asahi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Asahi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2024-01-19
Also published as: JP2005199407A

Description

本発明は、超砥粒ホイール、その製造方法及び該超砥粒ホイールを用いる研削方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、ガラス、セラミックス、結晶材料、超硬合金などの硬脆材料を、精密に研削加工し、平滑な鏡面を得ることができる超砥粒ホイール、その製造方法及び該超砥粒ホイールを用いる研削方法に関する。

非球面や自由曲面を有するレンズなどを成形する際に使用する成形用金型では、光学性能を満足させる表面を得るために研削加工が行われている。この研削加工では、通常レジンボンドダイヤモンドホイールが多く使用されている。しかし、結合剤として弾性体である樹脂を用いたレジンボンドダイヤモンドホイールにおいても、被加工面に砥石軸の上下振動に起因する振動が加わり、レンズなどの光学性能に影響を及ぼすという問題があった。
振動を吸収して研削模様の発生を抑制するために、低弾性率のゴムを結合剤とするダイヤモンドホイールを用いることが考えられるが、砥粒の支持剛性が小さいために、研削時に微細な砥粒が結合剤内部に埋没し、結合剤と被削材とが過度に接触して、研削抵抗の上昇により切れ味が低下するという問題がある。特に、硬く加工性の悪い超硬合金のような被加工物の場合には、切れ味が極端に低下する。このために、研磨能率を向上させ、効率的に平滑な鏡面を得ることができる工具の開発が試みられている。
例えば、ＮＣ研削加工などの機械加工により高精度に加工された非球面を、その非球面形状を崩すことなく鏡面に研磨仕上げするための非球面研磨工具として、複数に分割構成された研磨ペレット片を弾性部材を介在せしめて貼付皿に円環状に配設し、各研磨ペレット片を被加工面に圧接した状態で被加工体の回転に追従して回転自在に構成するとともに、貼付皿を介して被加工面上を摺動せしめるべく摺動作動自在に構成した非球面研磨工具が提案されている（特許文献１）。また、優れた切れ味を有し、精密仕上げ研磨作業において、研磨能率を著しく向上させ得る砥石として、砥粒を樹脂結合材によって平均粒子径０.５〜５ｍｍの塊状集合体となした複合砥粒を、ゴム弾性配合物中に包蔵せしめ、成形してなる弾性研磨砥石が提案され、砥粒としてＷＡ＃１８０、弾性ゴムとして硬さＨ_S６０のクロロプレンゴムを用いた砥石が例示されている（特許文献２）。しかし、これらの砥石は、あらかじめ切削により形成された非球面などを仕上げ研磨するための研磨工具であって、切削のみにより平滑な表面を形成することはできない。また、レジンボンドの砥粒層と台金との間にゴムなどの低弾性率素材の層を設けて振動を吸収させようとすると、砥粒層には振動吸収作用がなく、砥粒層全体が振動する可能性があって、かえって形状精度を悪化させる原因となる。
特開２００１−１１３４５２号公報（第２頁、図１）特公昭４８−８６７８号公報（第１〜３頁、第２図）

本発明は、ガラス、セラミックス、結晶材料、超硬合金などの硬脆材料を、精密に研削加工し、研削模様の発生を抑制して平滑な鏡面を得ることが可能な、形状崩れの少ない超砥粒ホイール、その製造方法及び該超砥粒ホイールを用いる研削方法を提供することを目的としてなされたものである。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、ダイヤモンド、立方晶窒化硼素などの微細な超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒を、ゴム結合剤中に分散して成形した超砥粒ホイールは、研削模様の発生を抑制して平滑な鏡面を得ることができ、同時に形状崩れの少ないことを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
（１）超砥粒層を有する超砥粒ホイールであって、該超砥粒層が、平均粒径が１〜１０μｍの超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒であって、該顆粒の平均粒径が超砥粒の平均粒径の３倍以上で１５０μｍ以下である顆粒を、ゴム結合剤相中に分散してなることを特徴とする硬脆材料の精密研削用超砥粒ホイール、
（２）レジノイド結合剤が、ポリイミド樹脂である(１)記載の硬脆材料の精密研削用超砥粒ホイール、
（３）超砥粒層中の超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒とゴム結合剤との体積比が、１５：８５〜９５：５である(１)記載の硬脆材料の精密研削用超砥粒ホイール、
（４）平均粒径１〜１０μｍの超砥粒をレジノイド結合剤で固めたのち、粉砕することにより、平均粒径が超砥粒の平均粒径の３倍以上で１５０μｍ以下である顆粒とし、該顆粒をゴム結合剤中に分散し、ゴム結合剤を加硫することを特徴とする硬脆材料の精密研削用超砥粒ホイールの製造方法、
（５）硬脆材料の被研削物を、平均粒径２〜２０μｍの超砥粒を有する超砥粒ホイールＢを用いて精密研削したのち、平均粒径１〜１０μｍの超砥粒をレジノイド結合剤で固めた平均粒径が超砥粒の平均粒径の３倍以上で１５０μｍ以下である顆粒が、ゴム結合剤相中に分散してなる超砥粒ホイールＡを用いて精密研削することによって、超砥粒ホイールＢの精密研削後に発生していた研削模様が除去された滑らかな研削面を得ることを特徴とする研削方法、及び、
（６）被研削物の被研削面が、軸対称非球面である(５)記載の研削方法、
を提供するものである。

本発明の超砥粒ホイールは、形状崩れすることなく、ガラス、セラミックス、結晶材料、超硬合金などの硬脆材料を、精密に研削加工し、平滑な鏡面を形成することが可能であり、本発明の超砥粒ホイールの製造方法によれば、このような超砥粒ホイールを容易に製造することができ、本発明の研削方法によれば、硬脆材料の軸対称非球面などの研削を行って、研削模様の発生を抑制して、平滑な表面を得ることができる。

本発明の超砥粒ホイールは、超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒が、ゴム結合層中に分散してなる超砥粒ホイールである。図１は、本発明の超砥粒ホイールの一態様の斜視図及び模式的部分拡大図である。本態様の超砥粒ホイールは、台金１の周囲に超砥粒層２が形成されている。超砥粒層は、模式的部分拡大図に示すように、超砥粒３をレジノイド結合剤４で固めた顆粒５が、ゴム結合剤相６中に分散している。本態様の超砥粒ホイールは、超砥粒層２の表面が球体の表面の一部をなし、したがって超砥粒ホイールの中心軸を通る平面で切断した外周部分の断面形状は、円弧である。本発明の超砥粒ホイールの形状に特に制限はなく、例えば、超砥粒ホイールの中心軸を通る平面で切断した外周部分の断面形状を、図２に示すような二次曲線の一部や、任意の曲線などとした軸付ホイールとすることもできる。また、図３に平面図及び断面図を示す台金１と超砥粒層２とからなるカップ型の超砥粒ホイールとすることができ、あるいは、図４に平面図及び断面図を示す台金１と超砥粒層２とからなるストレート型の超砥粒ホイールとすることもできる。
本発明の超砥粒ホイールに用いる超砥粒に特に制限はなく、例えば、ダイヤモンド砥粒、立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）砥粒などを挙げることができる。本発明に用いる超砥粒の平均粒径は、１〜１０μｍであることが好ましく、２〜８μｍであることがより好ましい。超砥粒の平均粒径が１μｍ未満であると、超砥粒がレジノイド結合剤に埋没して、十分な研削力が得られないおそれがある。超砥粒の平均粒径が１０μｍを超えると、研削面の表面粗さが大きくなり、滑らかな表面を得ることが困難になるおそれがある。

本発明の超砥粒ホイールに用いるレジノイド結合剤に特に制限はなく、例えば、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ジアリルフタレート樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル樹脂、シェラックなどの熱可塑性樹脂などを挙げることができる。これらの中で、ポリイミド樹脂は、適度な弾性を有し、機械的性質に優れ、熱や酸化に対しても優れた安定性を示すので、特に好適に用いることができる。
本発明において、超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒の製造方法に特に制限はなく、例えば、超砥粒と熱硬化性のレジノイド結合剤のプレポリマーを混合し、加圧加熱することにより、超砥粒をレジノイド結合剤で固めることができ、あるいは、超砥粒と熱可塑性のレジノイド結合剤を溶融混練したのち、冷却することにより、超砥粒をレジノイド結合剤で固めることができる。本発明において、超砥粒とレジノイド結合剤の体積比は、２０：８０〜５５：４５であることが好ましく、３０：７０〜４５：５５であることがより好ましい。超砥粒とレジノイド結合剤の体積比が２０：８０未満であって、超砥粒の含有量が少ないと、超砥粒ホイールの研削力が不足するおそれがある。超砥粒とレジノイド結合剤の体積比が４５：５５を超えて、レジノイド結合剤の含有量が少ないと、顆粒における超砥粒の保持力が不足するおそれがある。

本発明においては、超砥粒をレジノイド結合剤で固めて塊状物としたのち、粉砕機などを用いて粉砕し、顆粒とすることができる。超砥粒をレジノイド結合剤で固めた塊状物の粉砕に用いる粉砕機に特に制限はなく、例えば、粗砕機、中砕機、微粉砕機などを適宜組み合わせて用いることができる。粗砕機としては、例えば、シュレッダー、ジョークラッシャー、ハンマークラッシャーなどを挙げることができる。中砕機としては、例えば、ロールミル、スタンプミル、フレットミル、カッターミル、ロッドミルなどを挙げることができる。微粉砕機としては、例えば、自生粉砕機、竪型ローラーミル、高速回転ミル、分級機内蔵型高速回転ミル、容器駆動媒体ミル、媒体撹拌式ミル、気流式粉砕機、圧密剪断ミル、コロイドミルなどを挙げることができる。
本発明において、超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒の粒径に特に制限はないが、顆粒の平均粒径が、超砥粒の平均粒径の３倍以上で１５０μｍ以下であることが好ましく、超砥粒の平均粒径の５倍以上で１２０μｍ以下であることがより好ましい。顆粒の平均粒径が超砥粒の平均粒径の３倍未満であると、十分な砥粒保持力が得られず、研削力が低下するおそれがある。顆粒の平均粒径が１５０μｍを超えると、研削に作用する顆粒の振動が大きくなり、研削模様が発生するおそれがある。本発明において、超砥粒又は顆粒の平均粒径は、レーザー回折散乱法により求めたＤ５０値である。

本発明において、ゴム結合剤として用いるゴムの種類に特に制限はなく、例えば、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、クロロプレンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、クロロスルホン化ゴム、塩素化ポリエチレン、アクリルゴム、エピクロルヒドリンゴム、フッ素ゴムなどを挙げることができる。これらの中で、アクリロニトリルブタジエンゴムは、強度と硬さが大きく、耐油性、耐摩耗性、耐熱老化性、耐薬品性に優れるので、特に好適に用いることができる。使用するアクリロニトリルブタジエンゴム中のアクリロニトリル単位の含有量は、３０重量％以上であることが好ましい。
本発明において、超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒をゴム結合剤相中に分散させる方法に特に制限はなく、例えば、充填剤、加硫剤、加硫促進剤、酸化防止剤、可塑剤などを配合した生ゴムに、さらに顆粒を配合して混練し、離型剤を塗布した金型に充填して加熱し、加硫して硬化させることができる。金型には超砥粒ホイールの台金をセットし、生ゴムの加硫による硬化と同時に、台金と超砥粒層からなる超砥粒ホイールを製造することができる。

本発明において、超砥粒層中の超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒とゴム結合剤との体積比は、１５：８５〜９５：５であることが好ましく、４０：６０〜６０：４０であることがより好ましい。顆粒とゴム結合剤との体積比が１５：８５未満であって、顆粒の量が少ないと、正常な除去加工が進行しないおそれがある。顆粒とゴム結合剤との体積比が９５：５を超えて、ゴム結合剤の量が少ないと、顆粒が脱落するおそれがある。
本発明の超砥粒ホイールによれば、弾性係数の低いゴム結合剤を用いることにより、研削加工時の振動を吸収する効果により研削模様の発生を抑制し、良好な表面平滑性を得ることができる。さらに、適度な超砥粒支持力を有する超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒と、振動吸収力を有するゴム結合剤とを組み合わせることにより、超砥粒ホイールの切れ味と被研削物の表面平滑性を同時に向上させることが可能となる。

本発明の超砥粒ホイールの製造方法においては、平均粒径１〜１０μｍの超砥粒をレジノイド結合剤で固めたのち、粉砕することにより、平均粒径が超砥粒の平均粒径の３倍以上で１５０μｍ以下である顆粒とし、該顆粒をゴム結合剤中に分散し、ゴム結合剤を加硫する。
本発明の研削方法においては、被研削物を、平均粒径２〜２０μｍの超砥粒を有する超砥粒ホイールを用いて研削したのち、平均粒径１〜１０μｍの超砥粒をレジノイド結合剤で固めた平均粒径が超砥粒の平均粒径の３倍以上で１５０μｍ以下である顆粒が、ゴム結合剤相中に分散してなる超砥粒ホイールを用いて研削する。被研削物の研削を、平均粒径２〜２０μｍの超砥粒を有する超砥粒ホイールを用いる第１段の研削と、平均粒径１〜１０μｍの超砥粒をレジノイド結合剤で固めた平均粒径が超砥粒の平均粒径の３倍以上で１５０μｍ以下である顆粒が、ゴム結合剤相中に分散してなる超砥粒ホイールを用いる第２段の研削に分けて行うことにより、第１段の研削において、被研削物を高い形状精度に加工し、第２段の研削において、高い形状精度を維持したまま、研削模様のない滑らかな研削面を得ることができる。
本発明の研削方法によれば、手磨き法、弾性体を備えた磨き皿、風船ポリッシャー、カーブジェネレーターなどによる煩雑な研磨工程を必要とすることなく、研削工程のみで優れた平滑性を有する鏡面を得ることができる。本発明の研削方法は、従来より鏡面仕上げが難しいとされてきた凹状又は凸状の軸対称非球面を有するレンズ成形用の金型などに特に好適に適用することができる。

以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。
実施例１
直鎖型ポリイミド樹脂粉末［デュポン社、ベスペルＳＰ］６２.５体積％と、粒径５〜１０μｍのダイヤモンド砥粒［東名ダイヤモンド工業(株)、人造ダイヤモンドパウダー、ＩＲＭ］３７.５体積％を混合し、４４０℃で加熱加圧成形して、直径３５０ｍｍ、厚さ４ｍｍの板状物を得た。この板状物を約８枚に割ったのち、粉砕機を用いて粉砕し、分級により篩い目＃１００を通過し、篩い目＃３２５に留まった粒子として、粒径４０〜１５０μｍの顆粒を得た。
アクリロニトリルブタジエンゴム［日本ゼオン(株)、ニポール１０４２］１００重量部、ファーネスブラック６５重量部、フタル酸ジオクチル１０重量部、酸化亜鉛５重量部、炭酸マグネシウムで表面処理したイオウ０.５重量部、テトラメチルチウラムジスルフィド２重量部、ジベンゾチアジルジスルフィド２重量部の混合物５０体積％と、上記の顆粒５０体積％を混合し、１５０℃で２０分間加硫して、図１に示す形状の直径７５ｍｍ、高さ３４ｍｍで、外周部分の断面が円弧である超砥粒ホイールＡを作製した。同じ配合のアクリロニトリルブタジエンゴム組成物を同じ条件で加硫して得られた試験片は、比重１.１９、硬さＨ_S６３であった。
直鎖型ポリイミド樹脂粉末［デュポン社、ベスペルＳＰ］６２.５体積％と、粒径８〜２０μｍのダイヤモンド砥粒［東名ダイヤモンド工業(株)、人造ダイヤモンドパウダー、ＩＲＭ］３７.５体積％を混合し、５６０℃で加熱加圧成形して、超砥粒ホイールＡと同一の形状の超砥粒ホイールＢを作製した。
炭化タングステンに、直径２０ｍｍ、深さ０.５ｍｍの凹型の軸対称非球面レンズ用金型の研削を行った。最初に超砥粒ホイールＢを用いて、ワーク回転数４,９００ｍｉｎ^-1、ホイール回転数４００ｍｉｎ^-1、ホイール送り速度２ｍｍ／ｍｉｎ、総切込み量５μｍで研削した。高い研削精度で研削されているが、図５に示すような輪帯状の研削模様が発生している。次いで、超砥粒ホイールＡを用いて、ワーク回転数４,９００ｍｉｎ^-1、ホイール回転数４００ｍｉｎ^-1、ホイール送り速度２ｍｍ／ｍｉｎ、総切込み量０.２μｍで研削した。高い形状精度を維持したまま、研削模様を除去して、滑らかな研削面を得ることができ、形状偏差は０.２μｍ以下であった。ここでいう形状偏差とは、設定した半径の値からの狂いの大きさをいう。

本発明の超砥粒ホイールは、優れた切れ味を有し、ガラス、セラミックス、結晶材料、超硬合金などの硬脆材料を、精密に研削加工し、研削模様の発生を抑制して平滑な鏡面を得ることができる。本発明の製造方法によれば、微細な超砥粒をレジノイド結合剤で固めたのち、粉砕して得られた顆粒を、ゴム結合剤中に分散し、ゴム結合剤を加硫することにより、優れた性能を有する超砥粒ホイールを容易に製造することができる。本発明の研削方法によれば、被研削物を通常の超砥粒ホイールを用いて研削し、次いで本発明の超砥粒ホイールを用いて研削し、最初の研削において形成された高い形状精度を維持したまま、研削模様のない滑らかな研削面を得ることができる。本発明の研削方法は、硬脆材料からなる軸対称非球面の研削に特に適している。

本発明の超砥粒ホイールの一態様の斜視図及び模式的部分拡大図である。本発明の超砥粒ホイールの他の態様の断面図である。本発明の超砥粒ホイールの他の態様の平面図及び断面図である。本発明の超砥粒ホイールの他の態様の平面図及び断面図である。輪帯状の研削模様を示す斜視図である。

符号の説明

１台金
２超砥粒層
３超砥粒
４レジノイド結合剤
５顆粒
６ゴム結合剤相

Claims

超砥粒層を有する超砥粒ホイールであって、該超砥粒層が、平均粒径が１〜１０μｍの超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒であって、該顆粒の平均粒径が超砥粒の平均粒径の３倍以上で１５０μｍ以下である顆粒を、ゴム結合剤相中に分散してなることを特徴とする硬脆材料の精密研削用超砥粒ホイール。
レジノイド結合剤が、ポリイミド樹脂である請求項１記載の硬脆材料の精密研削用超砥粒ホイール。
超砥粒層中の超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒とゴム結合剤との体積比が、１５：８５〜９５：５である請求項１記載の硬脆材料の精密研削用超砥粒ホイール。
平均粒径１〜１０μｍの超砥粒をレジノイド結合剤で固めたのち、粉砕することにより、平均粒径が超砥粒の平均粒径の３倍以上で１５０μｍ以下である顆粒とし、該顆粒をゴム結合剤中に分散し、ゴム結合剤を加硫することを特徴とする硬脆材料の精密研削用超砥粒ホイールの製造方法。
硬脆材料の被研削物を、平均粒径２〜２０μｍの超砥粒を有する超砥粒ホイールＢを用いて精密研削したのち、平均粒径１〜１０μｍの超砥粒をレジノイド結合剤で固めた平均粒径が超砥粒の平均粒径の３倍以上で１５０μｍ以下である顆粒が、ゴム結合剤相中に分散してなる超砥粒ホイールＡを用いて精密研削することによって、超砥粒ホイールＢの精密研削後に発生していた研削模様が除去された滑らかな研削面を得ることを特徴とする研削方法。
被研削物の被研削面が、軸対称非球面である請求項５記載の研削方法。