JP4624011B2 - ラップホイール用砥粒層構造 - Google Patents

Description

本発明は、ラップ加工において用いられるラップホイール用の砥粒層構造に関する。

ラップ加工とは、研磨材を含有した研磨液を使用して、定盤により被研磨体の表面の凹凸、不要層の除去を目的として行われるものである。ラップ加工法のうち、両面ラップにおいては、被加工物を収納できる孔を有する樹脂などからなるキャリアと呼ばれる板に被加工物を収納し、このキャリアを２枚の定盤の間に配置し、２枚の定盤の間にアルミナなどの微粉末を含むスラリーを供給し、２枚の定盤を反対方向に回転させることにより、被加工物の表面を研磨する遊離砥粒ラップ加工が一般的である。
しかしながら、遊離砥粒のラップ加工では、砥粒が転動しながら被加工物を削るためその加工能率が低く、ダイヤモンド砥粒を結合材で保持した固定砥粒ラップホイールが用いられるようになってきた。

図２に、固定砥粒ラップホイールを示す。
図２において、ラップホイールは上定盤１と下定盤２とからなり、キャリア３に被削材４が収納されている。キャリア３は被削材４を収納できる孔を有するものであり、このキャリア３が上定盤１と下定盤２との間に配置される。上定盤１と下定盤２の中心には回転軸５が取り付けられ、２枚の定盤の間にアルミナなどの微粉末を含むスラリーを供給し、２枚の定盤を反対方向に回転させることにより、被削材４の表面が研磨される。

ラップホイールには、ダイヤモンド等からなる砥粒をボンド材で結合させた砥粒層が形成されている。この砥粒層の一例を図３に示す。図３においては、砥粒１１を高融点の金属であるＣｕ、Ｃｏ、Ｎｉ等と、低融点の金属または合金であるＳｎ、ブロンズ等によって結合したものであり、このようにして砥粒層を形成すると、ボンド材１２の砥粒保持力が大きくなりすぎて、砥粒１１が摩滅し、または破砕しても脱落しないようになる。そのため、研削抵抗が大きくなり切れ味が低下する。

また、図４に砥粒層の他の例を示す。図４に示す砥粒層は、砥粒１１をＣｕ、Ｓｎ、グラファイト等からなるボンド材１２で結合し、このボンド材１２中に気孔を設けたものである。このようにして砥粒層を形成すると、ボンド材１２の強度が小さくなりすぎて、研削抵抗が大きくなったときに砥粒１１とボンド材１２の一部が結合した状態のボンドブリッジ１３として欠落して、被削材に傷が生じてしまう。
メタルボンドダイヤモンド焼結体において、メタルボンドの組成を考慮したものが特許文献１に記載されている。

特開昭６１−１７３８６２号公報

しかし、特許文献１記載の発明は、砥粒を粒度の比較的細かいニッケルや銅で機械的に保持し、銅とニッケルが金属間化合物を形成する際に空孔を生じ目詰まりを防止するものであるが、砥粒を機械的に保持するので砥粒の保持力が大きくなり過ぎて砥粒が摩滅又は破砕して脱落しない。又、空孔の量が多くなりすぎるとボンドブリッジの欠落が生じ被削材に傷が生じてしまう。この為、この組成の砥粒層をラップホイールの砥粒層に適用して砥粒保持力を適度なものとすることはできない。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、適切な砥粒保持力を有する砥粒層構造を実現して、安定した切れ味を維持しつつ、加工品位を高めることが可能なラップホイール用砥粒層構造を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明のラップホイール用砥粒層構造は、金属粉末からなるボンド粒がそれぞれの接点で結合されて気孔が形成され、前記気孔内には砥粒と焼結助剤とが配置されて砥粒層が形成され、前記ボンド粒の周囲には前記焼結助剤との反応層が形成され、前記ボンド粒同士は前記反応層に沿って層状に広がった前記焼結助剤によって結合され、前記砥粒が焼結助剤によって保持されたラップホイール用砥粒層構造であり、さらに前記ボンド粒がＣｕ、Ｎｉ、Ｆｅまたはこれらの金属を含む合金からなる球状の粒子であり、前記焼結助剤が、Ｓｎ、Ａｇ、Ｐまたはこれらの混合物からなり、前記ボンド粒の平均粒径が前記砥粒の平均粒径の３倍以上１０倍以下であることを特徴とする。
砥粒はボンド粒の間に存在する気孔において、焼結助剤によって保持されている為に、適度な砥粒保持力を有し安定した切れ味を維持できる。また、ボンド粒はその接点で接合されているので、ボンド粒の摩耗が進行すると適度に抜け落ちることができる。ボンド粒の間に形成された気孔やボンド粒が抜け落ちた跡はチップポケットになり、研削液の流れが良くなり切れ味が向上する。
また、この構造は弾性を有するので、研削時の振動を吸収し異常な砥粒の脱落やボンドの抜け落ち、ボンドブリッジの欠落を防止でき、スクラッチの発生を防止して加工品位を
高めることが可能となる。

また、ボンド粒の平均粒径が砥粒の平均粒径の３倍未満であるとボンド粒の間の気孔が小さい為に、砥粒を機械的に固定するので砥材の保持力が大きくなり砥粒の脱落ができずに切れ味が悪くなり好ましくない。一方、ボンド粒の平均粒径が砥粒の平均粒径の１０倍を超えると、ボンド粒に間の気孔に保持力の弱い砥粒が配置され、砥粒の脱落が増え切れ味の低下やスクラッチが発生するので好ましくない。

本発明においては、ボンド粒は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅまたはこれらの金属を含む合金からなり、前記焼結助剤は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｐまたはこれらの混合物からなることが好ましい。
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、は延性に富む金属であるため、ボンド粒が、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅまたはこれらの金属を含む合金からなることにより、ボンド粒が被削材に接触しても変形しやすく被削材に傷が発生せず良好な仕上面を得ることができる。また、焼結助剤が、Ｓｎ、Ａｇ、ＰからなることによりＣｕやＮｉ、Ｆｅの表層で合金化しやすく、ボンド粒同士の接合を補助することができる。また、これらの合金はＣｕやＮｉ、Ｆｅの単体に比べて脆化しており砥粒の保持力が低く、砥粒の適度な脱落を生じることができる。
特にこのようなボンド粒と焼結助剤の組み合わせにおいて、ボンド粒は、ＣｕまたはＣｕを含む合金であって、焼結助剤はＳｎとＰとの混合物からなることが特に好ましい。ＰはＣｕやＣｕ合金と強く反応し、反応した部分に金属化合物や空隙を生じやすく、さらにＰとＳｎと併せて使用すると、ＣｕやＣｕ合金の表面に空隙を発生とこれによる比表面積の増加によってボンド粒同士の接合力が向上する。

本発明においては、前記ボンド粒は噴霧法で作られた球状の金属や合金からなることを特徴とする。
球状の金属又は合金とすることで、ボンド粒の接点を小さくしボンド粒間に大きな気孔を設けることができので、結果として砥粒を機械的に保持することを抑制できる。

本発明によると、砥粒層は適度な砥粒保持力を有するため、安定した切れ味を維持しつつ、スクラッチの発生を防止して加工品位を高めることが可能なラップホイール用砥粒層構造を実現することができる。

以下、本発明をその実施形態に基づいて説明する。
図１（ａ）に、本発明の実施形態に係るラップホイール用砥粒層構造を示す。
図１（ａ）において、ダイヤモンド等からなる砥粒１１は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅまたはこれらの金属を含む合金からなる球状のボンド粒１４の表面に接合している。隣り合うボンド粒１４はそれぞれの接点で結合して気孔１５を形成している。ボンド粒１４は気孔１５に存在する焼結助剤１６によって固定されている。焼結助剤１６は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｐまたはこれらの混合物からなるものであって、ボンド粒同士の接合や砥粒を保持する機能を有するものである。

図１（ａ）に示す砥粒層構造は、以下の方法によって実現することができる。
ボンド粒１４を形成する金属粉末と焼結助剤１６、および砥粒１１を攪拌し、必要量を型に投入してプレス機にて圧力を加え、圧粉体を製造する。このとき、プレス圧力で圧粉体の体積を調整し、砥粒層に内在する気孔量を調整する。次に、焼結機に圧粉体を入れ、金属粉末の表面と焼結助剤１６とが反応する温度に達するまで温度を上昇させ、この温度を一定時間維持した後冷却する。このときの温度が上がり過ぎると、金属粉末の表面だけでなくその内部まで反応してしまい、接点だけでなく面で接合するようになるため好ましくない。

このようにして製造された砥粒層においては、金属粉末と焼結助剤１６とが反応して、図１（ｂ）に示すように、ボンド粒１４の周囲には焼結助剤１６との反応層１７が形成される。焼結助剤１６はこの反応層１７に沿って層状に広がり、ボンド粒１４同士は焼結助剤１６によって結合している。また、砥粒１１はこの焼結助剤１６によって保持されている。

焼結助剤１６として用いられるＳｎやＡｇは、ボンド粒１４を形成する金属粉末より溶融温度が低いため、焼結助剤１６が溶融しても金属粉末は溶融していない。そのため、金属粉末の表面で合金化することができ、表面で接合することができる。焼結助剤１６は金属粉末より脆く強度が低いため、砥粒１１を適度に脱落させることができる。
また、Ｐは特にＣｕやＣｕ合金と強く反応し、反応した部分に金属化合物や空隙を生じやすい。このため、焼結助剤１６として金属を接合する機能を有するとともに、表面に空隙を増やす機能を有する。また、ＰとＳｎとを併せて使用すると、その相乗効果で、空隙の発生とこれによる比表面積の増加によって接合力が向上する。

ボンド粒１４の平均粒径は砥粒１１の平均粒径の３倍以上１０倍以下としている。また、砥粒層全体に対してそれぞれの構成要素が占める割合は、砥粒１１は０．５〜５体積％、ボンド粒１４は６５〜９０体積％、焼結助剤１６は３〜１０体積％、気孔１５は５〜２０体積％である。ボンド粒１４の硬度は３０〜９０ＨＲＢとしている。

以下に、具体的な作製例と試験例を示す。
（試験例１）
以下の条件で砥粒層を形成して、発明品を作製した。
砥粒 平均粒径１０μｍのダイヤモンド ：２．５体積％
ボンド粒 平均粒径５０μｍＮｉとＣｕの合金粉末（噴霧粉）：８１．５体積％
焼結助剤 ＳｎとＰ：８体積％（Ｓｎが５体積％、Ｐが体積３％）
気孔 ８体積％
表１に、発明品とは異なる組成で砥粒層を形成した従来品（Ｎｏ１〜Ｎｏ４）と、発明品（Ｎｏ５）の構成と研削性能を示す。なお、表１における配合割合はいずれも体積％を示す。試験条件は以下の通りである。
使用ホイール 外径 ２５０ｍｍ、穴径 １００ｍｍ、砥粒層幅 ５０ｍｍ
回転数 １００ｒｐｍ
被削材 ガラス

以上の結果から、発明品は従来品と比較して、切れ味、チッピングともに優れていることがわかる。
（試験例２）
砥粒であるダイヤモンドの粒径とボンド粒径を変化させて性能比較を行った。試験条件は、粒径を除いて実験１と同じである。
表２に、ダイヤモンド粒径、ボンド粒径の値と、それぞれの場合の研削性能を示す。

以上の結果から、ボンド粒の平均粒径は砥粒の平均粒径の３倍以上１０倍以下であるときに切れ味、チッピングともに良好であることがわかる。
（試験例３）
焼結助剤を用いたときと用いないときの研削性能の比較を行った。試験条件は試験例１と同様である。

以上の結果から、焼結助剤を用いることによって、切れ味、チッピングともに良好となることがわかる。

本発明の砥粒層構造によると、ボンドブリッジが欠落することなく、切れ味が良好であることが確認できた。

本発明は、安定した切れ味を維持しつつ、スクラッチの発生を防止して加工品位を高めることが可能なラップホイール用砥粒層として利用することができる。

本発明の実施形態に係るラップホイール用砥粒層構造を示す図である。 固定砥粒ラップホイールを示す図である。 砥粒層の一例を示す図である。 砥粒層の他の例を示す図である。

符号の説明

１１ 砥粒
１２ ボンド材
１３ ボンドブリッジ
１４ ボンド粒
１５ 気孔
１６ 焼結助剤
１７ 反応層

Claims (3)

1. 金属粉末からなるボンド粒がそれぞれの接点で結合されて気孔が形成され、前記気孔内には砥粒と焼結助剤とが配置されて砥粒層が形成され、前記ボンド粒の周囲には前記焼結助剤との反応層が形成され、前記ボンド粒同士は前記反応層に沿って層状に広がった前記焼結助剤によって結合され、前記砥粒が焼結助剤によって保持されたラップホイール用砥粒層構造であり、さらに前記ボンド粒がＣｕ、Ｎｉ、Ｆｅまたはこれらの金属を含む合金からなる球状の粒子であり、前記焼結助剤が、Ｓｎ、Ａｇ、Ｐまたはこれらの混合物からなり、前記ボンド粒の平均粒径が前記砥粒の平均粒径の３倍以上１０倍以下であるラップホイール用砥粒層構造。
2. 前記ボンド粒は、ＣｕまたはＣｕを含む合金であって、前記焼結助剤はＳｎとＰとの混合物からなることを特徴とする請求項１記載のラップホイール用砥粒層構造。
3. 前記ボンド粒は噴霧法で作られた球状の金属や合金からなることを特徴とする請求項１または２記載のラップホイール用砥粒層構造。

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