JP2004167655A

JP2004167655A - Whetstone for rotary ultrasonic machining

Info

Publication number: JP2004167655A
Application number: JP2002339174A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Watanabe; 泰彦渡邊
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2004-06-17

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a whetstone for rotary ultrasonic machining capable of conducting the rotary ultrasonic machining with high precision and high efficiency, and also capable of improving the lifetime of a grinding wheel. <P>SOLUTION: An abrasive grain diameter b is 20 to 80 μm, a protrusion length d of an abrasive grain 4 is 1/5 to 1/3 of the abrasive grain diameter b, an abrasive grain 4 in the end face 8 of the whetstone is substantially uniformly distributed, and the ratio of its occupying area is 20 to 40 %. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転式超音波加工用砥石に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、難削材セラミックスや高硬度脆性材料の高能率、高精度（微細）加工法として、加工工具に超音波を付加しながら加工する超音波加工が採用されつつある。
この超音波加工の特徴は、カケ、バリ、クラックの発生が極めて少なく、且つ砥粒加工特有の平滑な加工面が得られるとともに、加工による変質層や加工歪みが少ないことにある。
【０００３】特に、セラミック製シャワーヘッド等に加工される（例えば、直径０．５ｍｍの）小径穴加工を行う際、図２に示す回転式超音波加工が行われている。
これは、加工工具である砥石１２に、１０００〜５０００ｒｐｍの回転数（Ｎ）で回転させ、且つ２０〜６０ｋＨｚの超音波（ｆ）を付与し、砥石先端部８を２〜１５μｍで振幅（Δｔ）させながら、被加工材２０に５〜１５ｍｍ／ｍｉｎの送り速度で押しつけることにより、被加工材２０を微量ずつ繰り返し破砕する加工法である。
【０００４】上記回転式超音波加工で用いる砥石は、例えば、図２に示すように、台金６（一般的にＳＳ材やピアノ線）の先端部に、砥石部１０として、砥粒４（例えば、ダイヤモンド砥粒）を電着（例えば、Ｎｉメッキ）させたものが主に用いられているが、過酷な条件で使用されるため、砥粒４の脱落や破砕により、砥石１２の寿命が著しく低下するという問題点があった。
上記問題点を解消するためには、砥粒保持力及び使用する砥粒の強度、砥石の基材である台金の強度が非常に重要であるが、特に、砥粒を台金と結合させる砥粒保持層における砥粒突出量と、加工精度及び砥石の寿命を左右する砥石の端面部８（特に、底面）における砥粒の分布状態の最適化が必要不可欠であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、難削材セラミックスや高硬度脆性材料の高能率、高精度（微細）加工の際に、砥粒の耐剥離性の向上と、砥石の端面部の砥粒分布を最適化することにより、回転式超音波加工を高精度、高効率に行うことができるとともに、砥石の寿命を向上することができる回転式超音波加工用砥石を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によれば、砥粒径が２０〜８０μｍであるとともに、砥粒の突き出し量が砥粒径の１／５〜１／３であり、且つ砥石の端面部における砥粒がほぼ均一に分布し、その占有面積比率が２０〜４０％であることを特徴とする回転式超音波加工用砥石が提供される。
【０００７】このとき、本発明では、砥石径が０．２〜３ｍｍであり、また、砥粒が人工ダイヤモンドであることが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて更に詳細に説明する。
図１は、本発明の砥石の一例を示すものであり、（ａ）は模式断面図であり、（ｂ）は砥石の端面部の模式正面図である。
本発明の砥石は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、砥粒径ｂが２０〜８０μｍであるとともに、砥粒４の突き出し量ｄが砥粒径ｂの１／５〜１／３であり、且つ砥石の端面部８における砥粒４がほぼ均一に分布し、その占有面積比率が２０〜４０％であるものである。
これにより、本発明の砥石は、砥粒の耐剥離性の向上と、砥石の端面部の砥粒分布を最適化することにより、回転式超音波加工を高精度、高効率に行うことができるとともに、砥石の寿命を向上することができるため、特に、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、ＡｌＮ等の難削材セラミックスや高硬度脆性材料の高能率、高精度（微細）加工に好適に用いることができる。
【０００９】ここで、本発明の砥石の主な特徴は、図１（ａ）に示すように、砥粒部１０における砥粒４の突き出し量ｄを砥粒径ｂの１／５〜１／３の範囲内に最適化することにある。
これは、突き出し量ｄが砥粒径ｂの１／５未満である場合、砥粒４と電着層２との結合が強固となる反面、回転式超音波加工を高効率に行うことが困難となるからである。
一方、突き出し量ｄが砥粒径ｂの１／３を超過する場合、砥粒４と電着層２との結合強度が不十分であるため、砥粒４の脱落や破砕により、砥石１２の寿命が著しく低下してしまう。
【００１０】また、本発明の砥石は、図１（ｂ）に示すように、砥石の端面部８における砥粒４をほぼ均一（より具体的には、図４（ａ）参照）に分布させることにより、回転式超音波加工を高精度に行うことができるとともに、砥石の寿命を向上することができる。
【００１１】更に、本発明の砥石は、図１（ｂ）に示すように、砥石の端面部８における砥粒の占有面積率を２０〜４０％にすることが好ましい。
これは、砥石の端面部８における砥粒の占有面積率が２０％未満である場合、回転式超音波加工を高効率に行うことが困難となり、一方、上記占有面積率が４０％を超過する場合、砥粒４と電着層２との結合強度が不十分であるため、砥粒４の脱落や破砕により、砥石１２の寿命が低下してしまうからである。
【００１２】尚、本発明の砥石は、砥石径が０．２〜３ｍｍ（より好ましくは、０．３〜０．５ｍｍ程度）の時、上記条件で最適化することにより、砥石保持力が高まり、回転式超音波加工を高精度、高効率に行うことができる。
このとき、本発明で用いる砥粒は、人工ダイヤモンドであることが、砥粒強度のばらつきが小さいため好ましい。
また、本発明の砥石は、特に限定されるものではなく、図３に示すように、砥石部１１の形状が略円錐台であってもよい。
【００１３】
【実施例】本発明を実施例に基づいて、更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。
（実施例，比較例１及び比較例２）
表１に示す条件を有する直径０．５ｍｍの砥石をそれぞれ用いて、ＡＬＮ製の被加工材に、穴径０．５ｍｍをピッチ３ｍｍで６×５０個の小径穴加工を行った。
尚、回転式超音波加工は、図２に示すように、砥石１２を、３０００ｒｐｍの回転数（Ｎ）で回転させ、且つ４０ｋＨｚの超音波（ｆ）を付与し、砥石の端面部８を２〜３μｍで振幅（Δｔ）させながら、被加工材２０に８ｍｍ／ｍｉｎの送り速度で押しつけることにより、被加工材２０を微量ずつ繰り返し破砕するものである。
【００１４】上記加工後におけるそれぞれの砥石の加工効率、加工精度、予測される寿命をそれぞれ算出した。その結果を表２に示す。
また、それぞれの砥石（実施例、比較例１及び比較例２）における加工使用前及び加工使用後の形状を示すＳＥＭ写真を図４〜６に示す。
【００１５】
【表１】

【００１６】
【表２】

【００１７】
（考察）
表２の結果から、実施例では、表１に示すように、砥粒突き出し量、砥粒先端部における有効砥粒数及び砥粒占有比率を最適化することにより、砥石の加工効率、加工精度、予測される寿命を、比較例１及び比較例２と比べて大幅に向上することができた。
また、実施例は、図４〜６に示すように、従来の砥石（比較例１及び比較例２）と比べて、砥粒の突き出し量、砥石の先端部における有効砥粒数及び均一性が、加工使用前、更には加工使用後であっても、良好な状態で維持されていることを確認した。
【００１８】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明の砥石は、難削材セラミックスや高硬度脆性材料の高能率、高精度（微細）加工の際に、砥粒の耐剥離性の向上と、砥石の端面部の砥粒分布を最適化することにより、回転式超音波加工を高精度、高効率に行うことができるとともに、砥石の寿命を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の砥石の一例を示すものであり、（ａ）は砥石部の模式断面図であり、（ｂ）は砥石の端面部の模式正面図であり、（ｃ）は本発明の砥石の模式全体図である。
【図２】回転式超音波加工の一例を示す説明図である。
【図３】本発明の砥石の他の例を示す模式全体図である。
【図４】実施例の砥石の先端部における形状を示すＳＥＭ写真であり、（ａ）は加工使用前、（ｂ）は加工使用後である。
【図５】比較例１の砥石の先端部における形状を示すＳＥＭ写真であり、（ａ）は加工使用前、（ｂ）は加工使用後である。
【図６】比較例２の砥石の先端部における形状を示すＳＥＭ写真であり、（ａ）は加工使用前、（ｂ）は加工使用後である。
【符号の説明】
２…電着層、４…砥粒、６…台金、８…砥石の端面部、１０，１１…砥石部、１２…回転式超音波加工用砥石、２０…被加工材。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a rotary grinding wheel for ultrasonic machining.
[0002]
2. Description of the Related Art In recent years, as a highly efficient and high-precision (fine) processing method for hard-to-cut materials and high-hardness brittle materials, ultrasonic processing for processing while applying ultrasonic waves to a processing tool has been adopted.
The features of the ultrasonic processing are that generation of chips, burrs, and cracks is extremely small, a smooth processing surface unique to abrasive processing is obtained, and an altered layer and processing distortion due to the processing are small.
In particular, when a small-diameter hole (for example, having a diameter of 0.5 mm) is formed in a ceramic shower head or the like, rotary ultrasonic processing shown in FIG. 2 is performed.
This means that the grindstone 12 which is a processing tool is rotated at a rotation speed (N) of 1000 to 5000 rpm and ultrasonic waves (f) of 20 to 60 kHz are applied to the grindstone 12 so that the tip 8 of the grindstone has an amplitude (Δt) of 2 to 15 μm. ), While pressing the workpiece 20 at a feed speed of 5 to 15 mm / min, thereby repeatedly crushing the workpiece 20 in small amounts.
[0006] As shown in FIG. 2, for example, as shown in FIG. 2, the grindstone used in the above-mentioned rotary ultrasonic machining is an abrasive grain 4 (as a grindstone part 10) at the tip of a base metal 6 (generally an SS material or a piano wire). Electrodeposited (eg, Ni-plated) diamond abrasive grains are mainly used. However, since the abrasive grains 4 are used under severe conditions, the life of the grindstone 12 is reduced due to dropping or crushing of the abrasive grains 4. There is a problem that it is significantly reduced.
In order to solve the above problems, the abrasive grain holding power and the strength of the abrasive grains to be used, the strength of the base metal that is the base material of the grindstone are very important, but particularly, the abrasive grains are combined with the base metal. It has been essential to optimize the distribution of the abrasive grains at the end face 8 (particularly, the bottom surface) of the abrasive stone, which affects the amount of abrasive grains projected in the abrasive grain holding layer, the processing accuracy, and the life of the abrasive stone.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such conventional circumstances, and has as its object to provide a high-efficiency, high-precision ceramic material which is difficult to cut and a high hardness brittle material. In (fine) processing, rotary ultrasonic processing can be performed with high accuracy and high efficiency by improving the peeling resistance of abrasive grains and optimizing the abrasive grain distribution on the end face of the grinding stone. Another object of the present invention is to provide a rotary ultrasonic machining grindstone capable of improving the life of the grindstone.
[0006]
That is, according to the present invention, the abrasive grains have a grain size of 20 to 80 μm, the protrusion amount of the abrasive grains is 1/5 to 1/3 of the grain size, and The abrasive grain for the rotary ultrasonic machining is provided, wherein the abrasive grains at the end face portion are substantially uniformly distributed, and the occupied area ratio is 20 to 40%.
At this time, in the present invention, it is preferable that the diameter of the grindstone is 0.2 to 3 mm and the abrasive grains are artificial diamond.
[0008]
Embodiments of the present invention will be described below in more detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an example of a grindstone of the present invention, in which (a) is a schematic cross-sectional view and (b) is a schematic front view of an end face of the grindstone.
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the grindstone of the present invention has an abrasive grain size b of 20 to 80 μm, and the protrusion amount d of the abrasive grains 4 is 1/5 to 1/1 / the abrasive grain size b. 3, and the abrasive grains 4 in the end face 8 of the grindstone are almost uniformly distributed, and the occupied area ratio is 20 to 40%.
Thereby, the grindstone of the present invention can perform rotary ultrasonic machining with high precision and high efficiency by improving the peeling resistance of the abrasive grains and optimizing the abrasive grain distribution on the end face of the grindstone. In addition, since the life of the grindstone can be improved, it is particularly suitable for high-efficiency, high-precision (fine) processing of hard-to-cut ceramics such as Al ₂ O ₃ , Si ₃ N ₄ , SiC, and AlN, and high hardness brittle materials. It can be suitably used.
Here, the main characteristic of the grindstone of the present invention is that, as shown in FIG. 3 is to be optimized.
This is because when the protrusion amount d is less than 1/5 of the abrasive particle size b, the bond between the abrasive particles 4 and the electrodeposited layer 2 is strong, but it is difficult to perform rotary ultrasonic processing with high efficiency. This is because
On the other hand, if the protrusion amount d exceeds 1/3 of the abrasive grain size b, the bonding strength between the abrasive grains 4 and the electrodeposited layer 2 is insufficient, and the abrasive grains 4 fall off or crush, causing The service life is significantly reduced.
Further, in the grinding stone of the present invention, as shown in FIG. 1 (b), the abrasive grains 4 on the end face 8 of the grinding stone are distributed almost uniformly (more specifically, see FIG. 4 (a)). This makes it possible to perform the rotary ultrasonic machining with high accuracy and to improve the life of the grindstone.
Further, in the grindstone of the present invention, as shown in FIG. 1 (b), it is preferable that the occupied area ratio of the abrasive grains in the end face 8 of the grindstone is 20 to 40%.
If the occupied area ratio of the abrasive grains in the end face portion 8 of the grindstone is less than 20%, it becomes difficult to perform the rotary ultrasonic machining with high efficiency, while the occupied area ratio exceeds 40%. In this case, the bonding strength between the abrasive grains 4 and the electrodeposition layer 2 is insufficient, and the life of the grindstone 12 is reduced due to dropping or crushing of the abrasive grains 4.
When the grindstone of the present invention has a grindstone diameter of 0.2 to 3 mm (more preferably, about 0.3 to 0.5 mm), the whetstone holding force is increased by optimizing under the above conditions. In addition, rotary ultrasonic machining can be performed with high accuracy and high efficiency.
At this time, it is preferable that the abrasive used in the present invention is an artificial diamond because the variation in abrasive strength is small.
Further, the grindstone of the present invention is not particularly limited, and the shape of the grindstone portion 11 may be a substantially truncated cone as shown in FIG.
[0013]
EXAMPLES The present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited to these examples.
(Example, Comparative Example 1 and Comparative Example 2)
Using a grindstone having a diameter of 0.5 mm having the conditions shown in Table 1, a workpiece having a diameter of 0.5 mm was machined into 6 × 50 small-diameter holes at a pitch of 3 mm with a hole diameter of 0.5 mm.
In the rotary ultrasonic machining, as shown in FIG. 2, the grindstone 12 is rotated at a rotation speed (N) of 3000 rpm, and ultrasonic waves (f) of 40 kHz are applied to the grindstone 12 so that the end face 8 of the grindstone 2 By pressing the workpiece 20 at a feed rate of 8 mm / min while the amplitude (Δt) is up to 3 μm, the workpiece 20 is repeatedly crushed little by little.
The processing efficiency, processing accuracy, and expected life of each grinding wheel after the above processing were calculated. Table 2 shows the results.
FIGS. 4 to 6 show SEM photographs showing the shape of each grindstone (Example, Comparative Example 1 and Comparative Example 2) before and after processing.
[0015]
[Table 1]

[0016]
[Table 2]

[0017]
(Discussion)
From the results in Table 2, in the example, as shown in Table 1, by optimizing the abrasive protrusion amount, the effective number of abrasive grains at the abrasive grain tip and the abrasive occupancy ratio, the processing efficiency and processing accuracy of the grinding stone The expected life was significantly improved as compared with Comparative Examples 1 and 2.
In addition, as shown in FIGS. 4 to 6, the working example has a greater amount of abrasive grains protruding, an effective number of abrasive grains and uniformity at the tip of the grindstone as compared with the conventional grindstones (Comparative Example 1 and Comparative Example 2). It was confirmed that the sample was maintained in a good condition before and after processing.
[0018]
As described above, the grindstone of the present invention improves the peeling resistance of abrasive grains and improves the grindstone at the time of high-efficiency, high-precision (fine) machining of hard-to-cut materials and hard brittle materials. By optimizing the distribution of the abrasive grains at the end face, it is possible to perform rotary ultrasonic machining with high accuracy and high efficiency, and to improve the life of the grindstone.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an example of a grindstone of the present invention, in which (a) is a schematic sectional view of a grindstone portion, (b) is a schematic front view of an end face portion of the grindstone, and (c) is a present invention. 1 is a schematic overall view of a whetstone of FIG.
FIG. 2 is an explanatory view showing an example of rotary ultrasonic machining.
FIG. 3 is a schematic overall view showing another example of the grindstone of the present invention.
FIGS. 4A and 4B are SEM photographs showing the shape of the tip of the grindstone of the example, wherein FIG. 4A shows a state before processing and FIG. 4B shows a state after processing.
FIGS. 5A and 5B are SEM photographs showing the shape of the tip of the grindstone of Comparative Example 1, in which FIG. 5A shows a state before processing and FIG. 5B shows a state after processing.
FIGS. 6A and 6B are SEM photographs showing the shape of the tip of the grindstone of Comparative Example 2, in which FIG. 6A shows a state before processing and FIG. 6B shows a state after processing.
[Explanation of symbols]
2 ... electrodeposited layer, 4 ... abrasive grain, 6 ... base metal, 8 ... end face of grindstone, 10, 11 ... grindstone part, 12 ... grindstone for rotary ultrasonic machining, 20 ... workpiece.

Claims

The abrasive grain diameter is 20 to 80 μm, the protrusion amount of the abrasive grains is 1/5 to 1/3 of the abrasive grain diameter, and the abrasive grains at the end face of the grinding stone are almost uniformly distributed, and the occupied area ratio Is between 20 and 40%.

The grindstone for rotary ultrasonic machining according to claim 1, wherein the grindstone has a diameter of 0.2 to 3 mm.

The grindstone for rotary ultrasonic machining according to claim 1 or 2, wherein the abrasive grains are artificial diamonds.