CN101945733A - 薄刃砂轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种寿命长且能够长期维持良好的切割性能的薄刃砂轮。磨粒(2)分散配置于由Ni构成的金属结合材料(3)中，在金属结合材料(3)的表面，形成有不超过磨粒从金属结合材料的突起量的厚度的Cu镀层(4)。软质的Cu镀层(4)发挥作为磨粒(2)冲撞被加工物时的缓冲层的作用，可以降低对被加工物的损伤，且可以抑制被加工物的破片，同时，Cu镀层(4)的耐磨损性优良，因此，可以降低设置Cu镀层的两侧面的磨损速度，可以实现长寿命化。

Description

薄刃砂轮

技术领域

本发明涉及一种适用于切割加工陶瓷、单晶体材料等被加工物的薄刃砂轮。

背景技术

目前，作为高精度地切削加工硅、GaAs、铁素体等被加工物的薄刃砂轮(切割刀片)，公知有薄板环状的电铸薄刃砂轮。该电铸薄刃砂轮是将金刚石、cBN等磨粒分散配置于金属结合材料中而成的砂轮，形成为其厚度为数十μm～数百μm左右的薄板环状。薄刃砂轮在其内周侧区域保持砂轮轴，通过使砂轮轴旋转，能够在外周侧区域对被加工物进行切割加工及开槽加工。

由于近年电子零件的小型化及产量增加等原因，电铸薄刃砂轮也要求进一步的薄刃化，通过使用Ni等机械强度高的金属材料作为金属结合材料，提供厚度达到50μm以下的极薄电铸砂轮。但是，基于金属结合材料的磨粒的保持力增大时，由磨粒引起的对被加工物的损伤增大，所以存在切割加工时所谓破片(チツピング，chipping)的被加工物的裂纹、缺损增大这样的问题。

为了解决这样的问题，专利文献1中提出了在Ni、Co或者由这些合金构成的金属结合材料的刀尖部的表面形成不超过磨粒从金属结合材料的突起量的厚度的Sn镀层的电铸薄刃砂轮。该情况下，通过使Sn镀层覆盖金属结合材料的表面，使滑动性提高，同时，比金属结合材料软质的Sn镀层构成缓冲层，能够降低对被加工物的损伤，抑制破片。

但是，在使用这种构造的电铸薄刃砂轮切割加工电子陶瓷、单结晶材料等高硬度脆性材料的情况下，在加工初期Sn镀层的磨损很大，不能长时间稳定地维持破片抑制效果，存在不实用的问题。此情况参照图6进行说明。

图6的(a)表示加工前的薄刃砂轮10，(b)表示加工中的薄刃砂轮10。在由Ni构成的金属结合材料11的表面形成有未超出磨粒突起量的厚度的Sn镀层12。另外，图6中省略磨粒。由于对被加工物13进行切削，薄刃砂轮10的外周部磨损，但与半径方向的磨损相比，厚度方向的磨损，特别是设置有Sn镀层12的两侧面的磨损更大，如图6(b)所示，在短时间内，金属结合材料11的就在两侧面暴露出来。这样，Sn镀层12的缓冲效果消失，不能维持良好的切割性能(抑制破片)及加工精度。因此，用Sn镀层覆盖的薄刃砂轮10存在寿命非常短这样的缺点。而且，在使用电铸薄刃砂轮进行切切削加工时，为了调整磨粒的突起量，使被加工物的品质稳定，事先对砂轮刀尖部进行称为修整(dressing)的打磨作业。这种打磨作业例如通过利用砂轮刀尖部切割固定了磨粒的修整板而进行。通过切割该修整板，用砂轮刀尖部削除磨粒间的金属结合材料并形成容屑槽。但是，在该修整作业中，由于Sn镀层极易磨损，在实际的切割加工时Sn镀层几乎没有剩余，存在不能充分发挥Sn镀层缓冲效果这样的缺点。

在专利文献1中，将Sn镀层的厚度设定为例如10～15μm，但在形成该程度的厚的Sn镀层时，由于需要使磨粒的粒径更加增大，存在磨粒径的增大引起的破片的增大、加工品质的降低，甚至招致加工宽度增大这样的问题。

专利文献1：日本特开2002-66935号公报

发明内容

因此，本发明优选的实施方式的目的在于，提供一种寿命长、能够长时间保持良好的切割性的薄刃砂轮。

本发明提供一种薄刃砂轮，其将磨粒分散配置于由Ni或以Ni为主体的合金构成的金属结合材料中而成，其特征在于，在所述的金属结合材料的表面形成有Cu镀层或以Cu为主体的合金镀层，且所述Cu镀层或以Cu为主体的合金镀层的厚度不超过磨粒从所述金属结合材料的突起量。

用本发明的薄刃砂轮切削被加工物时，基于比Ni材质软质的Cu镀层的缓冲效果，可以减少对被加工物的损伤，抑制破片。而且，由于Cu镀层要比Sn镀层的耐磨损性优良，所以可以降低设有Cu镀层的两侧面的磨损速度。作为显示耐磨损性的尺度有莫氏硬度，Sn的莫氏硬度是1.8，Cu的莫氏硬度是3.0，Ni的莫氏硬度是3.5。这样，由于Cu的莫氏硬度与Ni的莫氏硬度相近，所以当伴随切削加工而对薄刃砂轮的外周部有磨损时，可以使半径方向的磨损速度和厚度方向的磨损速度保持平衡。因此，即使薄刃砂轮磨损，也能够不极度磨损两侧面而维持与初期的切割性能(抑制破片)相同的性能，能够实现长寿命的薄刃砂轮。而且，在实际切削加工之前进行的打磨作业中，由于Cu镀层不易磨损，所以在切割加工时可以充分发挥Cu镀层的缓冲效果。另外，由于Cu镀层与Ni金属结合材料的密接性强，所以在切削加工中不会产生Cu镀层从Ni金属结合材料剥离的情况。

Cu镀层或以Cu为主体的合金镀层的理想厚度为1～10μm。如上所述，由于Cu镀层不易磨损，所以其厚度为10μm以下的薄膜也可以发挥充分的缓冲效果。换言之，可以使磨粒的粒径如此之小，从而能够进行高精度的切割加工。Cu镀层或以Cu为主的合金镀层的厚度对应磨粒的粒径进行设定，在磨粒的粒径为5～10μm时，厚度应为1～10μm，优选为1～5μm。

作为薄刃砂轮，可以使用电沉积薄刃砂轮或电铸薄刃砂轮。例如，电沉积薄刃砂轮的情况下，以不锈钢等基体金属作为阴极，通过在其上利用电沉积法形成由Ni或以Ni为主体的合金构成的金属结合材料，可以制成薄刃砂轮。另外，在电铸薄刃砂轮的情况下，通过将金属结合材料从阴极剥离，可以制成极薄片的薄刃砂轮。

所谓以Cu为主的合金镀层，是指至少含50重量％Cu的合金。这样的合金镀层，优选使用具有如下性质的材质：杨氏模量比构成金属结合材料的金属的杨氏模量小，且根据记载于BS6430-13：1986，EN101：1991的莫氏硬度评价标准的莫氏硬度比2.5大。这是由于，在莫氏硬度小于2.5(例如Au、Sn等)时，由于耐磨损性降低，所以在初期受到磨损，而不能维持最初的切割性能。

作为构成金属结合材料的金属，除Ni以外，也可以为作为主体的Ni和其他金属(例如Co等)的合金。在此，所谓以Ni为主体的合金，是指至少包含50重量％以上的Ni的合金。只要是具有与Ni同等机械强度及耐磨损性的合金即可。作为可以用本发明的薄刃砂轮切削的被加工物，除硅、GaAs、铁素体等之外，也包括PZT等压电陶瓷、水晶、LiTaO3单晶、电介质等高硬度的材料。

根据本发明的薄刃砂轮，由于在由Ni或以Ni为主体的合金构成的金属结合材料表面形成Cu镀层或以Cu为主的合金镀层，比Ni软质的Cu镀层在磨粒与被加工物接触时起着缓冲层的作用，可以减少对被加工物的损伤，抑制破片。另外，由于Cu镀层的耐磨损性良好，因此，可以降低设有Cu镀层的两侧面的磨损速度。因此，在伴随切削加工而薄刃砂轮的外周部磨损时，可以使半径方向的磨损速度与厚度方向的磨损速度保持平衡，可以维持与初期的切割性能相同的性能。其结果可以实现长寿命的薄刃砂轮。而且，由于Cu镀层不易磨损，所以其厚度即使很薄也能够发挥其缓冲效果，可以使磨粒的粒径仅为这样小，从而能够进行高精度的切割加工。

附图说明

图1是本发明的薄刃砂轮的第一实施方式的正视图及A-A线剖面图；

图2是表示图1所示的薄刃砂轮的制造阶段的剖面图；

图3是本发明的薄刃砂轮在加工前和加工中途的侧视图；

图4是表示各种薄刃砂轮的破片结果的比较图；

图5是对Sn三层砂轮和Cu三层砂轮的破片抑制效果的持续性进行评价的图；

图6是现有薄刃砂轮在加工前与加工中途的侧视图。

符号说明

1薄刃砂轮

2磨粒

3金属结合材料(Ni镀层)

4Cu镀层

5被加工物

具体实施方式

下面，参照附图对本发明优选的实施方式进行说明。图1表示本发明的薄刃砂轮的第一实施方式，(a)为薄刃砂轮的正视图，(b)为A-A线放大剖面图。本实施方式的薄刃砂轮1是薄板环状的电铸薄刃砂轮，为将金刚石或cBN等磨粒2分散配置在金属结合材料3中而成，其厚度设定为数十μm～数百μm左右，理想的是设定为50μm以下。金属结合材料3由Ni镀层或以Ni为主体的合金镀层构成。作为Ni合金，有例如Ni-Co合金、Ni-W合金、Ni-B合金等。

在金属结合材料3的表面形成有不超过磨粒2从金属结合材料3的突起量的厚度的Cu镀层4。Cu镀层4的厚度不超过磨粒2的突起量即可，磨粒2的粒径为5～10μm时，其厚度为1～10μm，理想为1～5μm，理想的为平均磨粒径的15％～100％。另外，图1(b)表示了表层部的全部的磨粒2从Cu镀层4向表面突出的例，一部分磨粒2也可以埋没于Cu镀层4内。

也可以使用以Cu为主体的合金镀层代替Cu镀层4。作为合金镀层，有CuZn、CuZnSn、CuSn等，但理想的是其杨氏模量比构成金属结合材料3的Ni的杨氏模量(210GPa)小，且莫氏硬度(根据记载于BS6430-13：1986，EN101：1991的莫氏硬度评价方法的莫氏硬度)比2.5大的材质。Cu镀层4至少要形成于薄刃砂轮1的刀尖部1a，但是，也可以不仅是刀尖部1a，而且遍及薄刃砂轮1的整体形成Cu镀层4。

接着，参照图2对由上述构成形成的薄刃砂轮1的制造方法的一例进行说明。

首先，准备分散有金刚石等磨粒2的包含Ni的电解电镀液，在该电镀液中，将不锈钢等基板与阳极板对向配置，使基板与阴极连接。在阴极和阳极之间通电时，在基板上会析出Ni合金镀层，形成均匀分散有磨粒2的金属结合材料3。在金属结合材料3厚度达到数十μm～数百μm的时刻结束电镀，从电镀液中取出形成有金属结合材料3的基板，并从基板将金属结合材料3剥离。将剥离的金属结合材料3成形为环形，得到如图2(a)所示的单层砂轮1A。

接着，通过蚀刻除去单层砂轮1A的金属结合材料3的表面，得到如图2(b)所示，增大了磨粒2突起量的单层砂轮1B。

接着，将单层砂轮1B浸泡在含Cu离子的电镀液中，将单层砂轮1B作为阴极，与该阴极对向而配置阳极板，在阴极与阳极间通电时，在单层砂轮1B上析出Cu，形成Cu镀层4。Cu镀敷层在非导电性的磨粒2上不析出，只在金属结合材料3上析出。这样，获得如图2(c)所示的薄刃砂轮1。另外，在实际切削加工之前，可以通过对薄刃砂轮1的刀尖部进行修整而进行打磨作业。

Cu镀层4的杨氏模量(120GPa)比由Ni构成的金属结合材料3的杨氏模量(210GPa)低。即，由于Cu镀层4比金属结合材料3材质更软，所以可以在磨粒2与被加工物发生冲撞时发挥缓冲作用，降低对被加工物的损伤，能够抑制破片。另一方面，对于作为耐磨损性的尺度的莫氏硬度而言，Cu为3.0，Ni为3.5，由于Cu的莫氏硬度与Ni的莫氏硬度相近，在伴随切削加工而磨损薄刃砂轮的外周部时，能够使半径方向的磨损速度与厚度方向的磨损速度保持平衡。由于磨粒2的中间部由软质的Cu镀层4保持，磨粒2的底部由硬质的金属结合材料3保持，因此，能够防止磨粒2轻易地脱落。

图3表示按照本实施方式的薄刃砂轮1的初期状态(a)和实施多次切割加工后的状态(b)。需要说明的是，在图3中省略了磨粒。通过切削被加工物5，薄刃砂轮1的外周部磨损，由于Cu和Ni的莫氏硬度相近，所以金属结合材料3的外周部被磨损成圆弧状，同时，Cu镀层4的前端部也磨损，一边维持此种状态一边发生磨损。特别是薄刃砂轮1外周部的两侧面的硬度对破片的产生影响较大，在本实施方式的薄刃砂轮1的情况下，如图3(b)所示，由于一边在薄刃砂轮1的外周部的两侧面剩余Cu镀层4一边发生磨损，因此，能够维持基于Cu镀层4的缓冲效果，能够维持良好的切割性能(抑制破片)及加工精度。因此，薄刃砂轮1的寿命延长。

实施例

在此，对使用以下四种薄刃砂轮加工单晶体材料(LiTaO₃)时的破片量和砂轮外侧层的磨损状态进行比较。薄刃砂轮(1)是只由分散有磨粒的Ni的金属结合材料构成的单层砂轮，薄刃砂轮(2)是在分散有磨粒的金属结合材料上形成有Sn镀层的三层砂轮(如专利文献1中所述)，薄刃砂轮(3)是在分散有磨粒的Ni的金属结合材料上形成有Cu镀层的三层砂轮(本发明产品)，薄刃砂轮(4)是在分散有金属结合材料Ni上形成有Au镀层的三层砂轮(比较例)。

(1)Ni电铸单层砂轮(现有技术制品)

金属结合材料：Ni(莫氏硬度：3.5，杨氏模量：210[GPa])

磨粒粒径：5/10μm

形状：外径52×厚度0.04×内径40[mm]

(2)Sn三层砂轮(先行技术产品)

金属结合材料：Ni

外侧层材质：Sn(莫氏硬度：1.5，杨氏模量：55[GPa])

外侧层厚度：1.2μm

(3)Cu三层砂轮(本发明产品)

金属结合材料：Ni

外侧层材质：Cu(莫氏硬度：3.0，杨氏模量：120[GPa])

外侧层厚度：1.2μm

(4)Au三层砂轮(比较例)

金属结合材料：Ni

外侧层材质：Au(莫氏硬度：2.5，杨氏模量：78[GPa])

外侧层厚度：1.2μm

加工条件如下。

加工机器：切片机DAD522(株式会社Disco制)

主轴转数：30000rpm

被加工物：单晶体材料(LiTaO₃)

工件形状：长条状(20×80mm)

进刀速度：20mm/s

切割根数：5根

切割长度：20mm×5根共计100mm

图4表示用上述薄刃砂轮(1)～(4)进行加工时的破片结果。该图表示在切断了平板状的被加工物时的切割面上显现出的破片的大小，统计各切割面的最大破片，表示其最大值、最小值以及平均值。如图4所示，在Ni单层砂轮的情况下，由于Ni金属结合材料的硬度高，因此破片大。在Sn三层砂轮和Au三层磨中，作为外侧层的Sn镀层和Au镀层应发挥作为缓冲层的作用，但由于耐磨损性低，通过打磨作业Sn镀层和Au镀层几乎已经磨损，因此，实际的切割加工过程中的破片结果与Ni单层砂轮的情况几乎没有区别。另一方面，对于Cu三层砂轮，可知由于通过打磨作业没有磨损Cu镀层，因此，与Ni单层砂轮、Sn三层砂轮及Au三层砂轮相比，切割加工时的破片结果大幅降低，并且其误差也减小。这样可知，Cu三层砂轮与其它砂轮相比，具有良好的切割性能。

接着，对使用Ni单层砂轮、Cu三层砂轮、Sn三层砂轮这三种薄刃砂轮进行加工时的破片抑制效果进行评价。实验条件如下所示。

(1)Ni单层砂轮

磨粒粒径：5/10μm

形状：外径52×厚度0.04×内径40[mm]

(2)Cu三层砂轮

基材：Ni单层砂轮

蚀刻处理

蚀刻液：35％盐酸∶60％硝酸∶纯水＝1∶1∶3(vol％)混合液

蚀刻液量：400ml

蚀刻厚度：1.7μm

电镀处理

电镀液：硫酸Cu电镀液

电流：0.2A

电镀时间：340s

浴温度：25℃

Cu镀厚度：1.1μm

(3)Sn三层砂轮

基材：Ni单层砂轮

蚀刻处理：与Cu三层砂轮相同条件

电镀处理

电镀液：镀Sn酸性浴

电流：0.04A

电镀时间：780s

浴温度：25℃

镀Sn厚度：1.1μm

加工条件如下。

加工机器：DAD3350(株式会社Disco制)

主轴转数：30000rpm

加工速度：20mm/s

切削水流量：1.0L/min

加工工件：PFLT基板(X-Y焦热电处理品)

加工间距：0.9mm

加工根数：100根

加工枚数：2枚

通过上述条件，用(1)～(3)三种砂轮对各两枚的PFLT晶片进行加工，此时产生的背面破片量如图5所示。图5表示以砂轮的总加工长度为横轴，在纵轴中表示将Ni单层砂轮加工时的破片量为1时，此时的Sn三层砂轮、Cu三层砂轮背面破片量的比例。根据图5的结果，可以确认在Sn三层砂轮中直至切割长度到达10000mm，与Ni单层砂轮相比可以减少20％破片的效果，但在切割长度超过13000mm(晶片1.5枚)时，破片抑制效果减小，在切割长度超过15000mm(晶片2枚)的区域，恶化至与Ni单层砂轮相等的破片量。相对于此，可知Cu三层砂轮从开始到最后对一直保持着20～30％程度的破片抑制效果。

如上所述，Sn皮膜不能长时间保持破片抑制效果，与之相对，可以确认Cu皮膜可以长时间维持。此次的加工工件的情况下，使用一枚Cu三层砂轮大致能够切割150～200枚晶片，能够实现砂轮的长寿命化。

本发明不限于上述实施方式。在上述实施方式中是以电铸薄刃砂轮为例进行了说明，但也可为通过电沉积在不锈钢等基体金属上设置Ni镀层，构成金属结合材料，在该金属结合材料两侧面上形成Cu镀层。

Claims (4)

1.一种薄刃砂轮，其将磨粒分散配置于由Ni或以Ni为主体的合金构成的金属结合材料中而成，其特征在于，在所述的金属结合材料的表面形成有Cu镀层或以Cu为主体的合金镀层，且所述Cu镀层或以Cu为主体的合金镀层的厚度不超过磨粒从所述金属结合材料的突起量。

2.如权利要求1所述的薄刃砂轮，其特征在于，所述Cu镀层或以Cu为主体的合金镀层的厚度为1～10μm。

3.如权利要求1或2所述的薄刃砂轮，其特征在于，所述薄刃砂轮为电铸薄刃砂轮。

4.如权利要求1～3中任一项所述的薄刃砂轮，其特征在于，所述Cu镀层或以Cu为主体的合金镀层是杨氏模量比构成所述金属结合材料的金属的杨氏模量小且根据记载于BS6430-13：1986，EN101：1991的莫氏硬度评价方法的莫氏硬度大于2.5的材料。

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