JP2004283972A - Grinding wheel and its manufacturing method - Google Patents

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aluminum
silicon
grinding wheel
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abrasive grains
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Naoyuki Kishida
尚之 岸田
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Olympus Corp
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Olympus Corp
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  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
  • Polishing Bodies And Polishing Tools (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a grinding wheel that contains aluminum and silica and can work a ground object to provide successful surface roughness while supplying colloidal silica liquid, and its manufacturing method. <P>SOLUTION: Aluminum and silica are contained in a bonding material for bonding abrasive grains, and contents of silica in bonding material to the total weight of aluminum and silica are set less than 15 wt%. Since contents of aluminum are large, much colloidal silica of a reverse electrical characteristic adheres to the grinding wheel, and the ground object can be worked to provide the successful surface roughness. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脆性材料であるガラスからなるレンズやプリズムなどの光学素子の研削等に用いる研削砥石及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
レンズやプリズム等の光学素子を研削する従来の方法として、砥粒を結合する結合材にアルミニウムと珪素とを含有する研削工具(研削砥石)を用い、研削時にコロイダルシリカ液を供給しながら加工を行うことが開示されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
この従来の研削方法は、研削砥石中のアルミニウム表層がプラスに帯電するのに対し、マイナスに帯電したシリカ超微粒子を吸着させて、ゲル化したシリカ超微粒子の膜を研削工具に付着した状態とするものである。そして研削砥石が有するダイヤモンド砥粒で研削加工を行うと共に、吸着したシリカ粒子が研磨作用を発揮するため、鏡面研磨を同時に行うことが可能となっている。用いる研削砥石としては、アルミニウムだけでは素材の展延性が高く砥石構造を確保できないため、砥石としての強度及び耐磨耗性を確保するために延性の低い珪素を含有させている。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−315061号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このように研削と研磨とを同時に行う従来の加工方法は、研削砥石に用いたアルミニウムと加工中に供給するコロイダルシリカ液のゼータ電位を利用している。しかしながら、用いられている研削砥石は砥粒を結合する結合材中に重量比が35〜15%の高い割合で珪素を含有しているため、以下の問題点を有している。
【0006】
上述のような珪素の高い含有量では、研削加工力に伴う結合材の弾性変形量が小さくなり、被研削物に与えるダイヤモンド砥粒の切り込み深さが大きくなるため、被研削物の表面粗さが悪化する。そして、このようにダイヤモンド砥粒による切り込み深さが増大して表面粗さが悪化することにより、砥石に付着するシリカ微粒子による研磨加工によっても被研削物表面を鏡面とすることが困難となる。すなわちダイヤモンド砥粒による研削面の粗さが悪い場合には、シリカ微粒子による研磨作用が付加しても、初期粗さが悪いために高い鏡面性を得ることが難しくなるものである。
【0007】
特に、珪素の含有量が多いことは、相対的にアルミニウムの含有量が低下することになるため、砥石表面電位であるゼータ電位のプラスを呈する領域が狭くなり、シリカ微粒子の付着性が低下して研磨作用が小さくなる。すなわちコロイダルシリカ液中でプラスのゼータ電位を発揮するアルミニウムの領域が狭くなるため、アルミニウムへ付着するマイナス電位を有するシリカ粒子が減るために研磨作用が小さくなる。このようなことから、上述の従来の方法では、Ra0.043μmでの粗さ確保レベルに留まっている。この程度のレベルは、既存のラッピング加工で得る研磨工程前に近いレベルの性能に留まるものとなる。従って、これ以上の小さな表面粗さを必要とする場合には、さらに研磨工程を必要とする問題を有している。
【0008】
これに加えて、多品種少量生産では小さな表面粗さを求められることが多いことから、このような更なる研磨工程の追加は少量生産における生産コスト上、不利となる問題も有している。
【0009】
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、アルミニウムと珪素とを含有する研削砥石を用い、コロイダルシリカ液を供給しながら研削する加工において、被研削物を良好な表面粗さに加工することが可能な研削砥石を提供することを目的とする。また、本発明は、この研削砥石を良好に製造することが可能な製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1の発明の研削砥石は、砥粒を結合する結合材中に主としてアルミニウムと珪素とを有しており、アルミニウムと珪素との合計重量に対し結合材中の珪素の含有量が重量比で15%未満であることを特徴とする。
【0011】
請求項1の発明では、結合材中の珪素の含有量が重量比で15%未満であることにより、コロイダルシリカ液中でプラスのゼータ電位を発揮するアルミニウムの領域が広くなり、アルミニウムへ付着するマイナス電位を有するシリカ粒子が増えて研磨作用が大きくなる。また、珪素含有によりアルミニウムの展延性が抑えられて研削加工力に伴う結合材の弾性変形が有効に作用するため、被研削物への砥粒の切り込み深さを少なくすることができ、豊富なシリカ粒子の研磨作用により良好な表面粗さを得ることができる。
【0012】
請求項2の発明は、請求項1記載の研削砥石であって、砥粒とアルミニウム粉体と珪素紛体との混合粉を焼結することにより形成されていることを特徴とする。
【0013】
焼結することによって結合する粉体はアルミニウム同士であり、このアルミニウムの粉体自体も接触している部分のみの溶着により結合している状態となっている。砥粒及び珪素はこのようにして結合したアルミニウムの間に挟まれるように散在している。このため、研削砥石の磨耗に伴い砥粒が脱落し、容易に新しい砥粒を出現させることができる。これにより、優れた研削効率を得ることができる。また、粉体であるため被研削物に合わせた混合比の調整が容易であり、多種少量生産への対応が容易となる。
【0014】
請求項3の発明の研削砥石の製造方法は、砥粒とアルミニウム粉体と珪素粉体とを混合する工程と、混合された粉体をプレス成形する工程と、成形された成形物を加圧しながら焼結する工程とを有することを特徴とする。
【0015】
請求項3の発明では、焼結する際に圧力を加えることによって、アルミニウム粉体が相互に強力に接触すると共に、アルミニウム粉体の外周を覆う酸化皮膜に対し熱に加えて物理的外力も加わるため、酸化皮膜が溶け易くなり、その分加熱温度を下げることができる。これにより、砥粒への熱影響を減らすことができ、良好な研削砥石を作製することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の研削砥石は、ダイヤモンド砥粒等の砥粒を結合する結合材としてアルミニウム及び珪素を含有する組成とするものである。また、研削砥石による被研削物の研削の際には、コロイダルシリカ液を供給しながら加工を行うものである。本発明において、砥粒を保持する結合材としてアルミニウム粉末と珪素粉末とを混合させたものを原材料として用いるが、この場合、アルミニウムと珪素との合計重量に対し結合材中の珪素の含有量が重量比で15%未満になるように両者を混合することにより、アルミニウムが有している展延性を活かしたまま、砥石として活用できる構造・強度の特性を発揮させることができる。珪素の含有量は、研削砥石の使用目的に応じて、15%未満の任意の値に適宜調整することができる。
【0017】
この実施の形態における研削砥石は、砥粒にダイヤモンドSD#600を集中度100で配合し、これを支える結合材として、市販のアルミニウム粉体と高純度珪素粉体(珪素以外の不純物100ppm以下)を用いた。このアルミニウム粉体は、アルミニウム以外に、若干の珪素(x重量%)と微量の金属不純物(y重量%)を含有している。
【0018】
本発明者は、結合材中のアルミニウムと珪素の重量比が、99.85:0.15、99.5:0.5、95:5、90:10、85:15、80:20となるように、上記両粉体を混合した6種類の混合粉体を作製し、実際の研削加工による性能評価を行った。
【0019】
混合するアルミニウム粉体の重量をA、珪素粉体の重量をBとすると、結合材中のアルミニウムの重量は(100−x−y)A/100、珪素の重量はB+xA/100となる。従って、アルミニウムと珪素の重量比が例えば95:5である結合材を得るには、(100−x−y)A/100:B+xA/100=95:5となるようにAおよびBを選んで混合粉体を作製する。但し、xおよびyの値は極めて小さいため、現実にはA:B=95:5として混合粉体を作製しても何ら差し支えない。なお、本実施の形態で用いたアルミニウム粉体には0.15重量%の珪素が含有されているため、アルミニウムと珪素の重量比が99.85:0.15の結合材を得るのには、珪素粉体は用いずアルミニウム粉体のみを用いた。
【0020】
粉体の配合にあっては、粉体状態のまま重量比で配合・混合することにより、アルミニウムに珪素を溶融して製造する合金とは異なる粉体状態での混合粉を用いた。混合粉体を用いた理由は、容易に配合比を調整できるのに加えて、被研削物の表面粗さを向上させることが主目的であり、合金化して結合材の強度をより向上させる必要性がないためである。
【0021】
上述した6種類の混合粉からなる研削砥石の製作にあっては、アルミニウムと珪素を各重量配分で計量・混合し、さらにSD#600のダイヤモンド砥粒が集中度100になるように混合した上で、所望の形状を得るための金型に充填して成形を行った。成形は、プレス機によっ常温下で圧縮成形(コールドプレス)した材料を、水素還元雰囲気中で粉体の酸化を防止しながら加熱焼結することにより行った。水素還元雰囲気中での加熱焼結中には、アルミニウムや珪素表面の酸化被膜によって粉体間での原子の拡散が阻害されないようにするため、焼結中にも圧力を加えるホットプレスを用いた。これにより粉体に塑性変形を加えることも可能であり、これにより粉体表層にある酸化被膜を破壊しながら焼結を進行させることができる。焼結温度は約450〜550℃の範囲で設定を行い、約0.7〜1.5t/cmの圧力を加えて焼結して成形した。
【0022】
次に、以上のような条件及び手順で作製した研削砥石の性能を評価するために、実際に市販されている光学ガラス素材s−BSL7の球面研削加工を行い、得られた表面粗さと形状をフォームタリサーフ(テーラーホブソン(株)製)で計測した。表面粗さは、作製した研削砥石にコロイダルシリカ液を供給しながら加工を行うことで、研磨加工面に近い表面粗さを得られるか否かの評価とし、形状計測は研削砥石の耐磨耗性を評価する判断基準とした。
【0023】
研削砥石の耐磨耗性を評価するためには、砥石が減耗した量を計測することが望ましいが、砥石表面の凹凸が激しく、寸法計測が困難であり、さらには研削砥石は多刃による加工であることから計測点とすべき加工作用点を特定しにくいため、実際の被研削物の形状変化で代用したものである。この場合、被研削物の形状変化が小さい場合には、それを研削形成した砥石の減耗量も小さいことが推定でき、砥石の耐磨耗性が高いことが充分に推察できるものである。
【0024】
実際の加工にあっては、6種類の砥石をそれぞれ用いて、直径(φ)14mmの市販の光学ガラス素材s−BSL7に対して曲率半径約15mmでの球面創成を行った。被研削物については1種の砥石で連続して100個研削を行った。被研削物の1個目と100個目で得られた球面形状の曲率半径寸法差を曲率半径の変化量として求め、研削砥石の耐摩耗性評価の代用値とした。
【0025】
球面研削加工は、既存の球面創成機(カーブジェネレータ;CG機)を用い、研削砥石の回転数を10,000rpm、被研削物の回転数を10rpm、研削時の加工切り込み速度を0.5mm/分、スパークアウト時間を約10秒とし、研削加工時に加工領域に対して平均粒径15nmのコロイダルシリカ液(商品名「スノーテックス30」、日産化学工業(株)製)を純水で6%希釈した液を供給しながら行った。
【0026】
図1に評価の結果を示す。図1は上述の6種の研削砥石を用いて研削加工を行った結果であり、横軸は6種類の砥石をアルミニウムと珪素の配合比で示し、左縦軸及び実線からなる特性曲線Tでは被研削物である光学ガラス素材s−BSL7で得られた平均表面粗さRa値を、右縦軸及び破線からなる特性曲線Sでは、被研削物の1個目と100個目の曲率半径寸法差となる変化量を示してある。グラフ中の横軸で右方向ほど砥石結合材中の珪素含有量が多くなっており、最も左側の配合比99.85:0.15が、市販のアルミニウム粉体をそのまま用いた研削砥石の性能を示し、最も右側の配合比80:20が珪素を20%と最大に含有させた研削砥石を示している。
【0027】
図1のグラフ変化から、珪素含有量が増加するのに従って得られる表面粗さRa(特性曲線Tで示す。)が大きくなり、逆に被研削物の形状変化量(特性曲線Sで示す。)は小さくなっていることがわかる。特に珪素を混合することなく市販の紛体をそのまま用いた砥石(アルミニウム99.85重量%、珪素0.15重量%)では、表面粗さRaが0.02μm以下で最も小さくなり、高い境面性を発揮している。しかしながら、この砥石は、逆に被研削物の形状変化量は130μm以上で最大となり、耐磨耗性が乏しいことが判る。同様に珪素の含有量が20重量%となる砥石においては、被研削物の形状変化量が50μm強と小さくなり、砥石の耐磨耗性が高くなっているが、表面粗さRaが0.05μmの非常に大きな値となっており、従来技術で示した研削砥石と同様に耐摩耗性を得ることができる反面、境面性の低下が著しくなっている。特に、珪素含有量を20重量%とした研削砥石においては、特性曲線Sで示すように、被研削物の曲率半径変化量が15%重量含有の砥石に比べてそれほど向上していないのに対して、得られる表面粗さRaは大きく増大している。
【0028】
以上の現象は、結合材の主成分であるアルミニウムに延性が低い珪素が混合されることにより粒子間での結合材強度が高まり、これに支えられるダイヤモンド砥粒等の砥粒が強固に保持され、これにより被研削物への切り込み量が増大して、研削面粗さが増大するためである。すなわち、延性の高いアルミニウム粒子の間に延性の低い珪素が介在することにより、アルミニウムが有する展延性を確保しながらも珪素がその延性を抑えるように作用し、研削砥石としての強度を保つことができるものである。このため砥粒がアルミニウムだけの結合材によって保持されている砥石よりも砥粒が強固に保持され、これにより、研削力により砥粒が結合材に潜り込む弾性変形が抑えられ、その分、切り込み深さが増大して表面粗さが増大する。特に、この実施の形態では、アルミニウムと珪素との混合粉体としたため、これらの効果を両粉体の配合比によって容易に調整することが可能となっている。さらにホットプレスによる焼結を行うことにより、焼結温度に加えて粒子間に高い圧力が加わるため、粉体間の酸化被膜破壊による粒子拡散が助長されて砥石の強度の変化が顕著に現れている。このように砥石の結合材の強度が高まりダイヤモンドの切り込み量が増大して研削面粗さが増大することにより、シリカ粒子の研磨作用で被研削物の研削面を鏡面化することも困難となる。
【0029】
また珪素含有量が増大すると、砥石の表層でのアルミニウムが占有する表面積が小さくなるため、コロイダルシリカ液中でその表面電位であるゼータ電位がプラスとなる領域が減少する。これにより、コロイダルシリカ液中のシリカ粒子が付着する領域が小さくなり、シリカ粒子による研磨作用も低下する。ここでのアルミニウムとは、砥石の表層で観察される酸化膜を有するアルミニウム粒子であり、表面が空気中の酸素などと結合して酸化膜を形成しているアルミニウム粒子を示している。酸化したアルミニウム粒子は、コロイダルシリカ液中でプラスのゼータ電位を呈するため、マイナス電位を呈するシリカ粒子(酸化珪素の微粒子)の付着作用とこれに伴う研磨作用を発揮させるためには、できる限りアルミニウムの含有量を増すことが必要となる。アルミニウムと共に混合した珪素粉体は、酸化して酸化珪素として表層に介在する。この酸化珪素はコロイダルシリカ液中のシリカ粒子と同様にマイナスの表面電位を形成するため、シリカ粒子の付着を阻害して、シリカ粒子の研磨作用を低下させる。しかしながらアルミニウムの含有量が多くなると、上述したように結合材の展延性が高くなって砥石としての強度を確保できないことから、被研削物の形状維持性(耐久性)が低下する。このため、ある程度の珪素を含有させることが望ましい。
【0030】
以上より図1に示す結果が得られ、研削砥石の使い方に応じてアルミニウムと珪素の含有量を調整することが望ましいことが判る。例えば、デジタルカメラや光通信素子など大量生産が必須となるレンズ製造においては、CG工程での鏡面性に加え、むしろ生産コストの観点から研削砥石の耐磨耗性(耐久性)が重要になるため、図1に示すように高い割合で珪素を含有させることが望ましい。一方、顕微鏡や医療用素子、宇宙開発用光学素子など特殊で高精度かつ極少量での製造が必要な場合は、CG工程での研削砥石の耐久性よりも最終工程となる研磨加工を容易にし、かつ専用治工具などを必要とする中間工程を省き、高い鏡面性を得られることが要求されることから、図1で示す珪素をほとんど含有しない砥石を用いることが望ましい。
【0031】
この実施の形態では、研削砥石の結合材としてアルミニウム粉体と珪素粉体との混合粉体を用いているため、それぞれの粉体を入手し、使用目的に応じた粉体の混合調整を行うことによって目的の材料製造が容易となる。さらに、両粉体の焼結時での粒子間結合を有効に作用させるためのホットプレスを用いることにより、さらに高い効果を得ることができる。
【0032】
以上の両粉体の混合に限らず、上述したように市販されているアルミニウム粉体のみを用いても、微量な珪素を含有した砥石を製作することが可能である。この場合には、耐久性は劣るが用途に応じた利用を行うことにより充分に活用することができる。また、光学ガラスを研削加工するために、砥粒としてダイヤモンドを用いているが、被研削物が金属材料の場合には、c−BN(キュービック・ボロンナイトライド)を砥粒として用いても良い。
【0033】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の研削砥石によれば、被研削物に対して良好な表面粗さを得ることができ、しかも要求される表面粗さ及び耐久性に柔軟に対応した特性とすることができる。
【0034】
本発明の研削砥石の製造方法によれば、焼結の加熱温度を下げることができ、砥粒への熱影響を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における研削砥石の特性図である。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a grinding wheel used for grinding an optical element such as a lens or a prism made of a brittle material such as glass, and a method of manufacturing the grinding wheel.
[0002]
[Prior art]
As a conventional method of grinding an optical element such as a lens or a prism, a grinding tool (a grinding wheel) containing aluminum and silicon as a bonding material for bonding abrasive grains is used, and processing is performed while supplying colloidal silica liquid during grinding. It is disclosed to do so (for example, see Patent Document 1).
[0003]
In this conventional grinding method, while the aluminum surface layer in the grinding wheel is positively charged, the negatively charged silica ultrafine particles are adsorbed, and a film of gelled silica ultrafine particles adheres to the grinding tool. Is what you do. In addition to performing the grinding process using the diamond abrasive grains of the grinding wheel, the adsorbed silica particles exert a polishing action, so that it is possible to simultaneously perform mirror polishing. As the grinding wheel to be used, since aluminum alone has a high extensibility of the material and cannot secure a grinding wheel structure, silicon containing low ductility is contained in order to secure strength and abrasion resistance as a grinding wheel.
[0004]
[Patent Document 1]
JP, 2001-315061, A
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional processing method of simultaneously performing grinding and polishing utilizes the zeta potential of the aluminum used for the grinding wheel and the colloidal silica liquid supplied during the processing. However, the grinding wheel used has the following problems since it contains silicon at a high weight ratio of 35 to 15% in the binder for binding the abrasive grains.
[0006]
With a high silicon content as described above, the amount of elastic deformation of the binder due to the grinding force is reduced, and the cutting depth of diamond abrasive grains given to the workpiece is increased, so that the surface roughness of the workpiece is Worsens. In addition, since the cutting depth of the diamond abrasive grains increases and the surface roughness deteriorates, it becomes difficult to make the surface of the object to be mirror-finished even by polishing with silica fine particles adhering to the grindstone. That is, when the roughness of the ground surface by diamond abrasive grains is poor, it is difficult to obtain high specularity due to the poor initial roughness even if the polishing action by the silica fine particles is added.
[0007]
In particular, since the content of silicon is large, the content of aluminum is relatively reduced, so that a region exhibiting a positive zeta potential, which is a whetstone surface potential, is narrowed, and the adhesion of silica fine particles is reduced. As a result, the polishing action is reduced. That is, the area of aluminum exhibiting a positive zeta potential in the colloidal silica liquid is narrowed, and the amount of silica particles having a negative potential adhering to aluminum is reduced, so that the polishing action is reduced. For this reason, in the above-described conventional method, the roughness remains at the level of Ra of 0.043 μm. At this level, the performance remains close to the level before the polishing step obtained by the existing lapping process. Therefore, when a smaller surface roughness is required, there is a problem that a further polishing step is required.
[0008]
In addition, since small surface roughness is often required in high-mix low-volume production, the addition of such a further polishing step has a disadvantage in production cost in low-volume production.
[0009]
The present invention has been made in consideration of such a conventional problem, and in a process of performing grinding while supplying a colloidal silica liquid using a grinding wheel containing aluminum and silicon, the object to be ground is excellent. It is an object of the present invention to provide a grinding wheel capable of processing to a high surface roughness. Further, another object of the present invention is to provide a manufacturing method capable of favorably manufacturing the grinding wheel.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the grinding wheel according to the first aspect of the present invention mainly includes aluminum and silicon in a binder for binding abrasive grains, and the binder in the binder with respect to the total weight of aluminum and silicon. The silicon content is less than 15% by weight.
[0011]
According to the first aspect of the present invention, since the content of silicon in the binder is less than 15% by weight, the region of aluminum exhibiting a positive zeta potential in the colloidal silica liquid is widened and adheres to aluminum. The amount of silica particles having a negative potential increases, and the polishing action increases. In addition, since the extensibility of aluminum is suppressed due to the silicon content and the elastic deformation of the binder accompanying the grinding force acts effectively, the cutting depth of the abrasive grains in the workpiece can be reduced, and abundant Good surface roughness can be obtained by the polishing action of the silica particles.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, there is provided the grinding wheel according to the first aspect, wherein the grinding wheel is formed by sintering a mixed powder of abrasive grains, aluminum powder, and silicon powder.
[0013]
The powder to be combined by sintering is aluminum, and the aluminum powder itself is in a state of being joined by welding only at the contacting portions. The abrasive and silicon are interspersed between the aluminum bonded in this manner. For this reason, the abrasive grains fall off with the wear of the grinding wheel, and new abrasive grains can easily appear. Thereby, excellent grinding efficiency can be obtained. In addition, since it is a powder, it is easy to adjust the mixing ratio according to the object to be ground, and it is easy to cope with the production of various kinds and small quantities.
[0014]
The method for manufacturing a grinding wheel according to the third aspect of the present invention includes a step of mixing abrasive grains, an aluminum powder and a silicon powder, a step of press-forming the mixed powder, and a step of pressing the formed product. And sintering.
[0015]
According to the third aspect of the present invention, by applying pressure during sintering, the aluminum powders come into strong contact with each other, and a physical external force is also applied to the oxide film covering the outer periphery of the aluminum powder in addition to heat. Therefore, the oxide film is easily melted, and the heating temperature can be reduced accordingly. Thereby, the thermal influence on the abrasive grains can be reduced, and a good grinding wheel can be manufactured.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The grinding wheel of the present invention has a composition containing aluminum and silicon as a binder for binding abrasive grains such as diamond abrasive grains. Further, when the object to be ground is ground by the grinding wheel, the processing is performed while supplying the colloidal silica liquid. In the present invention, a mixture of aluminum powder and silicon powder is used as a raw material as a binder holding abrasive grains. In this case, the content of silicon in the binder is based on the total weight of aluminum and silicon. By mixing the two so that the weight ratio is less than 15%, it is possible to exhibit the structure and strength characteristics that can be used as a grindstone while making use of the ductility of aluminum. The silicon content can be appropriately adjusted to any value of less than 15% depending on the purpose of use of the grinding wheel.
[0017]
The grinding wheel in this embodiment is obtained by mixing diamond SD # 600 with abrasive grains at a concentration of 100, and using commercially available aluminum powder and high-purity silicon powder (impurities other than silicon 100 ppm or less) as a binder for supporting the same. Was used. This aluminum powder contains a small amount of silicon (x% by weight) and a small amount of metal impurities (y% by weight) in addition to aluminum.
[0018]
The inventors have determined that the weight ratio of aluminum to silicon in the binder is 99.85: 0.15, 99.5: 0.5, 95: 5, 90:10, 85:15, 80:20. As described above, six types of mixed powders obtained by mixing the above two powders were prepared, and the performance was evaluated by actual grinding.
[0019]
Assuming that the weight of the aluminum powder to be mixed is A and the weight of the silicon powder is B, the weight of aluminum in the binder is (100-xy) A / 100, and the weight of silicon is B + xA / 100. Therefore, to obtain a binder having a weight ratio of aluminum to silicon of, for example, 95: 5, A and B are selected so that (100-xy) A / 100: B + xA / 100 = 95: 5. A mixed powder is produced. However, since the values of x and y are extremely small, there is no problem in actually producing a mixed powder with A: B = 95: 5. Since the aluminum powder used in the present embodiment contains 0.15% by weight of silicon, it is necessary to obtain a binder having a weight ratio of aluminum to silicon of 99.85: 0.15. Only aluminum powder was used without using silicon powder.
[0020]
In mixing the powders, a mixed powder in a powder state different from an alloy produced by melting silicon in aluminum by mixing and mixing at a weight ratio in the powder state was used. The main purpose of using the mixed powder is to improve the surface roughness of the object to be ground in addition to being able to easily adjust the mixing ratio, and it is necessary to further improve the strength of the binder by alloying It is because there is no sex.
[0021]
In the production of the grinding wheel composed of the above-mentioned six types of mixed powder, aluminum and silicon were measured and mixed in respective weight distributions, and further, the diamond abrasive grains of SD # 600 were mixed so as to have a concentration of 100. Then, a mold for obtaining a desired shape was filled and molded. The compacting was performed by sintering a material that had been compression-molded (cold-pressed) at room temperature by a press machine while preventing the powder from being oxidized in a hydrogen reducing atmosphere. During heat sintering in a hydrogen reducing atmosphere, a hot press that applies pressure during sintering was used in order to prevent the diffusion of atoms between powders by the oxide film on the aluminum and silicon surfaces. . As a result, it is possible to apply plastic deformation to the powder, whereby sintering can proceed while destroying the oxide film on the surface of the powder. The sintering temperature was set in a range of about 450 to 550 ° C., and a pressure of about 0.7 to 1.5 t / cm 2 was applied for sintering and molding.
[0022]
Next, in order to evaluate the performance of the grinding wheel manufactured under the above-described conditions and procedures, spherical grinding is performed on the optical glass material s-BSL7 that is actually commercially available, and the obtained surface roughness and shape are determined. It was measured by Foam Talysurf (manufactured by Taylor Hobson KK). The surface roughness was evaluated as to whether or not a surface roughness close to the polished surface could be obtained by performing processing while supplying colloidal silica liquid to the prepared grinding wheel. It was used as a criterion for evaluating sex.
[0023]
In order to evaluate the wear resistance of the grinding wheel, it is desirable to measure the amount of wear of the grinding wheel, but the roughness of the grinding wheel surface is severe, making it difficult to measure the dimensions. Therefore, it is difficult to specify the processing action point to be the measurement point, so that the actual change in the shape of the workpiece is substituted. In this case, when the shape change of the object to be ground is small, it can be estimated that the amount of wear of the grinding stone formed by grinding the object is small, and it can be sufficiently inferred that the wear resistance of the grinding stone is high.
[0024]
In the actual processing, a spherical surface having a radius of curvature of about 15 mm was formed on a commercially available optical glass material s-BSL7 having a diameter (φ) of 14 mm using each of six types of grindstones. As for the object to be ground, 100 pieces were continuously ground with one kind of grindstone. The difference between the radii of curvature of the spherical shapes obtained at the first and the 100th workpieces was determined as a change in the radius of curvature, and was used as a substitute value for evaluating the wear resistance of the grinding wheel.
[0025]
The spherical grinding process uses an existing spherical surface generating machine (curve generator; CG machine), the rotational speed of the grinding wheel is 10,000 rpm, the rotational speed of the object to be ground is 10 rpm, and the cutting depth during grinding is 0.5 mm / Min., Spark-out time is about 10 seconds, and a 6% colloidal silica liquid (trade name "Snowtex 30", manufactured by Nissan Chemical Industries, Ltd.) having an average particle size of 15 nm with respect to the processing area at the time of grinding. This was performed while supplying the diluted liquid.
[0026]
FIG. 1 shows the results of the evaluation. FIG. 1 shows the results of grinding using the above-mentioned six types of grinding wheels. The horizontal axis shows the mixing ratio of aluminum and silicon for the six types of grinding wheels, and the characteristic curve T consisting of the left vertical axis and the solid line shows The average surface roughness Ra value obtained from the optical glass material s-BSL7, which is the object to be ground, is represented by the characteristic curve S consisting of the right vertical axis and the broken line, and the radius of curvature of the first and 100th objects to be ground The amount of change as a difference is shown. The silicon content in the grindstone binding material increases toward the right on the horizontal axis in the graph, and the compounding ratio of 99.85: 0.15 on the leftmost side indicates the performance of a grinding wheel using commercially available aluminum powder as it is. The rightmost blending ratio of 80:20 indicates a grinding wheel containing silicon at the maximum of 20%.
[0027]
From the graph change in FIG. 1, the surface roughness Ra (shown by the characteristic curve T) obtained as the silicon content increases increases, and conversely, the shape change amount of the workpiece (shown by the characteristic curve S). Is smaller. Particularly, in the case of a grindstone (99.85% by weight of aluminum, 0.15% by weight of silicon) using a commercially available powder without mixing silicon, the surface roughness Ra becomes the smallest when the surface roughness Ra is 0.02 μm or less, and the high interface property is obtained. Has been demonstrated. However, this whetstone, on the contrary, has the largest change in the shape of the object to be ground at 130 μm or more, indicating that the abrasion resistance is poor. Similarly, in a grindstone having a silicon content of 20% by weight, the change in shape of the object to be ground is as small as just over 50 μm, and the abrasion resistance of the grindstone is high. It is a very large value of 05 μm, and although abrasion resistance can be obtained as in the case of the grinding wheel shown in the prior art, the surface quality is significantly reduced. In particular, in the grinding wheel having a silicon content of 20% by weight, as shown by the characteristic curve S, the amount of change in the radius of curvature of the object to be ground is not so much improved as compared to the grinding wheel having a 15% by weight content. Thus, the obtained surface roughness Ra is greatly increased.
[0028]
The above phenomenon is due to the fact that the low ductility silicon is mixed with aluminum, which is the main component of the binder, to increase the strength of the binder between the particles, and the abrasive grains such as diamond abrasive grains supported by this are firmly held. This is because the amount of cut into the object to be ground increases, and the roughness of the ground surface increases. That is, silicon having low ductility intervenes between aluminum particles having high ductility, while ensuring the ductility of aluminum, silicon acts to suppress the ductility, and the strength as a grinding wheel can be maintained. You can do it. For this reason, the abrasive grains are held more firmly than a grindstone in which the abrasive grains are held only by the bonding material of aluminum, whereby elastic deformation of the abrasive grains sunk into the bonding material due to the grinding force is suppressed, and the cutting depth is accordingly reduced. And the surface roughness increases. In particular, in this embodiment, a mixed powder of aluminum and silicon is used, so that these effects can be easily adjusted by the mixing ratio of the two powders. Furthermore, by performing sintering by hot pressing, a high pressure is applied between the particles in addition to the sintering temperature. I have. As described above, the strength of the binder of the grindstone is increased, the cutting depth of diamond is increased, and the ground surface roughness is increased. Therefore, it is also difficult to make the ground surface of the work to be mirror-finished by the polishing action of silica particles. .
[0029]
When the silicon content increases, the surface area occupied by aluminum in the surface layer of the grindstone decreases, so that the region where the zeta potential, which is the surface potential, of the colloidal silica liquid becomes positive decreases. As a result, the area of the colloidal silica liquid to which the silica particles adhere is reduced, and the polishing effect of the silica particles is also reduced. Here, the aluminum is an aluminum particle having an oxide film observed on the surface layer of the grindstone, and indicates an aluminum particle whose surface is combined with oxygen in the air to form an oxide film. The oxidized aluminum particles exhibit a positive zeta potential in the colloidal silica liquid. Therefore, in order to exert the action of attaching silica particles (fine particles of silicon oxide) exhibiting a negative potential and the polishing action associated therewith, aluminum is preferably used as much as possible. Need to be increased. The silicon powder mixed with aluminum is oxidized and intervenes in the surface layer as silicon oxide. Since this silicon oxide forms a negative surface potential similarly to the silica particles in the colloidal silica liquid, it inhibits the adhesion of the silica particles and reduces the polishing action of the silica particles. However, when the content of aluminum is increased, as described above, the extensibility of the binder is increased and the strength as a grindstone cannot be secured, so that the shape retention (durability) of the workpiece is reduced. For this reason, it is desirable to contain some silicon.
[0030]
From the above, the results shown in FIG. 1 are obtained, and it is understood that it is desirable to adjust the contents of aluminum and silicon according to the usage of the grinding wheel. For example, in the production of lenses, such as digital cameras and optical communication devices, which must be mass-produced, the wear resistance (durability) of the grinding wheel becomes important from the viewpoint of the production cost, in addition to the specularity in the CG process. Therefore, it is desirable to contain silicon at a high ratio as shown in FIG. On the other hand, when special, high-precision and extremely small-volume manufacturing such as microscopes, medical devices, and space development optical devices are required, the polishing process, which is the final process, should be easier than the durability of the grinding wheel in the CG process. In addition, since it is required that an intermediate process requiring dedicated jigs and tools be omitted and high mirror finish is obtained, it is desirable to use a grindstone shown in FIG.
[0031]
In this embodiment, a mixed powder of an aluminum powder and a silicon powder is used as a binder of the grinding wheel, so that each powder is obtained and the mixing of the powder is adjusted according to the purpose of use. This facilitates production of the desired material. Further, a higher effect can be obtained by using a hot press for effectively acting the interparticle bonding during sintering of both powders.
[0032]
It is possible to produce a grindstone containing a small amount of silicon by using not only the mixture of the two powders but also the commercially available aluminum powder as described above. In this case, the durability is inferior, but it can be fully utilized by utilizing it according to the application. Although diamond is used as abrasive grains for grinding optical glass, c-BN (cubic boron nitride) may be used as abrasive grains when the object to be ground is a metal material. .
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the grinding wheel of the present invention, it is possible to obtain a good surface roughness with respect to an object to be ground, and to have a characteristic flexibly corresponding to the required surface roughness and durability. be able to.
[0034]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the manufacturing method of the grinding wheel of this invention, the heating temperature of sintering can be reduced, and the thermal influence on an abrasive grain can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a characteristic diagram of a grinding wheel according to an embodiment of the present invention.

Claims (3)

砥粒を結合する結合材中に主としてアルミニウムと珪素とを有しており、アルミニウムと珪素との合計重量に対し結合材中の珪素の含有量が重量比で15%未満であることを特徴とする研削砥石。The bonding material for bonding abrasive grains mainly contains aluminum and silicon, and the content of silicon in the bonding material is less than 15% by weight based on the total weight of aluminum and silicon. Grinding wheel. 砥粒と、アルミニウム粉体と、珪素粉体との混合粉を焼結することにより形成されていることを特徴とする請求項1記載の研削砥石。The grinding wheel according to claim 1, wherein the grinding wheel is formed by sintering a mixed powder of abrasive grains, aluminum powder, and silicon powder. 砥粒とアルミニウム粉体と珪素粉体とを混合する工程と、混合された粉体をプレス成形する工程と、成形された成形物を加圧しながら焼結する工程とを有することを特徴とする研削砥石の製造方法。A step of mixing abrasive grains, an aluminum powder and a silicon powder, a step of press-molding the mixed powder, and a step of sintering while pressing the molded product. Manufacturing method of grinding wheel.
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