JP2005028524A - 超砥粒ホイール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被削材の表面粗さと形状精度を同時に向上させることができ、硬脆材料を鏡面研削加工するのに好適に用いられる超砥粒ホイール、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒が、ビトリファイド結合剤相中に分散してなる砥粒層を有する超砥粒ホイール、並びに超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒と、ビトリファイド結合剤粉末を含む粉体混合物を、焼結成形し、台金の作用部に砥粒層を設ける超砥粒ホイールの製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、超砥粒ホイール及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、被削材の表面粗さと形状精度を同時に向上させることができ、例えばシリコン、ガラス、セラミックス、フェライト、水晶、超硬合金などの硬脆材料を鏡面研削加工するのに好適な超砥粒ホイール、及びこのものを効率よく製造する方法に関するものである。

ダイヤモンドやｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）などを使用した超砥粒ホイールは、金属、セラミックス、ガラス、プラスチックス、ゴム、複合材料などの研削に広く用いられている。超砥粒ホイールは、一般に砥粒層部の結合剤の種類によって分類することができ、例えばレジノイド結合剤（Ｒｅｓｉｎｏｉｄ ｂｏｎｄ）を用いたレジンボンドホイール、メタル結合剤（Ｍｅｔａｌ ｂｏｎｄ）を用いたメタルボンドホイール、ビトリファイド結合剤（Ｖｉｔｒｉｆｉｅｄ ｂｏｎｄ）を用いたビトリファイドボンドホイールなどがある。
これらの中で、メタルボンド超砥粒ホイールは、砥粒保持力と耐摩耗性に優れているが、切れ味は劣る。ビトリファイドボンド超砥粒ホイールは、一般に切れ味がよく、耐摩耗性も良好であるが、脆くて欠けやすいという欠点がある。
一方、レジンボンド超砥粒ホイールは、成形が容易であって適当な硬度を有し、耐衝撃性に優れる上、発熱も比較的少ないなどの特徴を有し、結合剤の種類に応じて、湿式研削、乾式研削、重研削加工などに用いられており、例えば粗研削から精密研削、やわらかい金属から硬い高速度鋼の研削まで、広い範囲にわたって利用されている。
ところで、最近、半導体分野における高集積化に伴うシリコンの加工や、ガラス、セラミックス、フェライト、水晶、超硬合金などの硬脆材料の加工において、高精度な鏡面研削加工が要求されており、そしてこの鏡面研削加工には、現在、レジンボンド超砥粒ホイールが多く使用されている。その理由は、レジノイド結合剤は、弾性係数が比較的小さく、弾性変形がある程度生じやすいために、砥粒刃先が揃いやすく、そのため被加工物の表面粗さの向上が容易であることにある。
しかしながら、レジンボンド超砥粒ホイールは、その結合剤である樹脂が弾性体であるため、研削時に発生する研削抵抗により、弾性変形を引き起こし、その結果、以下に示すように、研削性能に大きな影響を及ぼす。すなわち、該レジンボンド超砥粒ホイールにおいては、ミクロ的変形（砥粒の弾性埋没）により、有効作用砥粒数が増加し仕上げ面粗さが小さくなるというメリットがあるが、その一方で、マクロ的変形（ホイール全体の変形）が大きいことから、実質切り込み量が小さくなり、結果として加工時における切り残し量が増大し、形状精度が低下するという問題がある。
鏡面研削加工において、被削材の表面粗さと形状精度を同時に向上させるには、適度に前記のミクロ的変形を促進させる（ミクロ的剛性を制御する）と共に、マクロ的変形を抑制させる（マクロ的剛性を高める）ことが考えられる。
しかしながら、結合剤である樹脂の種類やフィラーの種類の変更だけでは、ホイールのマクロ的剛性を高め、ミクロ的剛性を抑制するという相反する性能を得ることは困難であった。
一方、本発明者らは、先に、超砥粒と、特定の割合のポリイミド樹脂と低融点ガラスとの混合物からなる結合剤を含む超砥粒層を有し、超砥粒の保持力に優れ、良好な切れ味を有する超砥粒ホイールを提案した（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、この超砥粒ホイールは、超砥粒の保持力及び切れ味に優れるものの、鏡面研削加工用としては、必ずしも十分に満足し得るとは云えなかった。
特開２００２−２９２５７１号公報

本発明は、このような事情ものとで、被削材の表面粗さと形状精度を同時に向上させることができ、硬脆材料を鏡面研削加工するのに好適に用いられる超砥粒ホイール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、前記の優れた機能を有する超砥粒ホイールを開発すべく鋭意研究を重ねた結果、被削材の表面粗さと形状精度を同時に向上させるには、ミクロ的剛性を抑制し、かつマクロ的剛性を高めることがよいことに着目し、弾性係数の低い樹脂で超砥粒の顆粒を作製し、この顆粒をビトリファイド結合剤相中に分散させてなる砥粒層を有する超砥粒ホイールにより、その目的を達成し得ることを見出し、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）超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒が、ビトリファイド結合剤相中に分散してなる砥粒層を有することを特徴とする超砥粒ホイール、
（２）レジノイド結合剤がポリイミド樹脂であり、かつビトリファイド結合剤が、ＪＩＳ Ｒ ３１０３−１−２００１に定める試験方法で測定された軟化点が２５０〜４５０℃のガラスである第１項記載の超砥粒ホイール、
（３）超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒の平均粒径が２０〜１５０μｍである第１項又は第２項記載の超砥粒ホイール、及び
（４）超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒と、ビトリファイド結合剤粉末を含む粉体混合物を、焼結成形し、台金の作用部に砥粒層を設けることを特徴とする第１項記載の超砥粒ホイールの製造方法、
を提供するものである。

本発明によれば、被削材の表面粗さと形状精度を同時に向上させることができ、例えばシリコン、ガラス、セラミックス、フェライト、水晶、超硬合金などの硬脆材料を鏡面研削加工するのに好適な超砥粒ホイールを提供することができる。

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、ビトリファイド結合剤相中に分散してなる砥粒層を有するホイールである。
本発明の超砥粒ホイールにおける超砥粒としては、ダイヤモンド砥粒及びｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）砥粒を挙げることができる。ダイヤモンド砥粒及びｃＢＮ砥粒は、それぞれ１種を単独で用いることができ、あるいは、ダイヤモンド砥粒とｃＢＮ砥粒を併用した混合砥粒として用いることもできる。
本発明においては、前記超砥粒は、レジノイド結合剤で固め、顆粒として用いられる。該レジノイド結合剤としては、後述のビトリファイド結合剤として好ましく用いられる低融点ガラスと軟化点が近似しているポリイミド樹脂が好適である。このポリイミド樹脂としては、特に制限はなく、従来ポリイミド樹脂を用いたレジンボンド超砥粒ホイールにおいて慣用されているものの中から、任意のものを適宜選択して用いることができるが、特に直鎖型ポリイミド樹脂が好適である。この直鎖型ポリイミド樹脂には、直鎖熱可塑型及び直鎖非熱可塑型があり、本発明においてはいずれも用いることができる。
前記顆粒は、例えば超砥粒とレジノイド結合剤粉末とを、体積比で、４０：６０の割合で含む粉体混合物を、加熱加圧成形したのち、粉砕することにより、作製することができる。この際、後述の骨材や潤滑剤などを、所望により、適宜併用することができる。
このようにして得られた顆粒の平均粒径は、通常２０〜１５０μｍ、好ましくは４５〜１３０μｍの範囲で選定される。
本発明の超砥粒ホイールにおける砥粒層は、前記のようにして得られた超砥粒を含む顆粒をビトリファイド結合剤相中に分散させることによって、形成される。該ビトリファイド結合剤としては、前記レジノイド結合剤として、ポリイミド樹脂を用いた場合、ＪＩＳ Ｒ ３１０３−１−２００１に定める試験方法で測定される軟化点が２５０〜４５０℃の範囲にある低融点ガラスが好ましく用いられる。この低融点ガラスのより好ましい軟化点は３００〜４５０℃、さらに好ましい軟化点は３５０〜４５０℃の範囲である。このような低融点ガラスとしては、例えば鉛ガラス、リン酸塩系ガラス、ホウ酸塩系ガラス、ケイ酸塩系ガラスなどの中から選択することができる。この低融点ガラスは１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
砥粒層におけるビトリファイド結合剤相と超砥粒を含む顆粒との含有割合は特に制限はなく、ホイールの使用目的やその他様々な状況に応じて適宜選定されるが、通常ビトリファイド結合剤相が１０〜３０体積％で、顆粒が７０〜９０体積％、好ましくはビトリファイド結合剤相が１５〜２５体積％で、顆粒が７５〜８５体積％の範囲である。

本発明の超砥粒ホイールにおける砥粒層には、本発明の目的が損なわれない範囲で、所望により従来超砥粒ホイールの砥粒層に慣用されている添加成分、例えばフィラーとして、骨材や潤滑剤などを適宜含有させることができる。ここで、骨材としては、例えば炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化タングステンなどの炭化物、窒化ケイ素、窒化チタンなどの窒化物、酸化ケイ素、酸化セリウム、酸化鉄、酸化クロムなどの酸化物、銅、タングステン、ニッケル、銀、亜鉛などの金属などの粉末を挙げることができる。これらのフィラーは、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
また、潤滑剤としては、例えば六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、二硫化タンタル、グラファイト、フッ化黒鉛、窒化ホウ素、フタロシアニン、雲母などの層状固体、フッ化カルシウム、フッ化ナトリウム、フッ化バリウム、フッ化ランタン、フッ化イットリウムなどのフッ化物、硫化鉄などの硫化物、酸化アルミニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化鉄、酸化ケイ素などの酸化物、ガリウム、インジウム、錫、銀、銅、金などの軟質金属、タングステン、モリブデンなどの硬質金属などを挙げることができる。これらの中で、六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイト、フッ化カルシウム及びフッ化バリウムは、潤滑効果が大きいので特に好適に使用することができる。この潤滑剤は、微粉末状として使用することが好ましい。これらの潤滑剤は１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
図１は、本発明の超砥粒ホイールにおける砥粒層の断面イメージ図であり、砥粒１をレジノイド結合剤２で固めた顆粒３が、ビトリファイド結合剤相４中に分散している状態を示す。

本発明の超砥粒ホイールの形状としては特に制限はなく、例えば、カップ型の超砥粒ホイールとすることができ、あるいは、ストレート型の超砥粒ホイールとすることもできる。図２は、カップ型の超砥粒ホイールの平面図（ａ）及び断面図（ｂ）であり、図３は、ストレート型の超砥粒ホイールの平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。カップ型の超砥粒ホイールにおいては、台金１１の中心軸と直交する平面上に砥粒層１２が存在し、ストレート型の超砥粒ホイールにおいては、台金１１の外周に砥粒層１２が存在する。
次に、この超砥粒ホイールは、本発明方法によれば、以下のようにして製造することができる。
本発明方法においては、まず、所定の割合の超砥粒と、レジノイド結合剤粉末と、必要に応じて用いられるフィラーや潤滑剤などの添加剤粉末を均質に混合して粉体混合物を調製し、前記レジノイド結合剤が溶融又は軟化する温度で加熱成形したのち、粉砕して、平均粒径２０〜１５０μｍ程度の超砥粒を含む顆粒を作製する。
次に、このようにして得られた超砥粒を含む顆粒と、ビトリファイド結合剤粉末と、必要に応じて用いられるフィラーや潤滑剤などの添加剤粉末を、それぞれ所定の割合で均質に混合して粉体混合物を調製する。次いで、前記レジノイド結合剤としてポリイミド樹脂を、ビトリファイド結合剤として前記軟化点を有する低融点ガラスを用いた場合には該粉体混合物を金型内に充填し、２０〜２００ＭＰａ程度の圧力で冷間加圧したのち、炉中で２５０〜５００℃程度の温度にて無加圧成形するか、あるいは、該粉体混合物を金型内に充填し、温度２５０〜５００℃程度、圧力２０〜２００ＭＰａ程度の条件でホットプレス成形する方法などにより、所望形状、例えばリング状などの砥粒層を形成したのち、この砥粒層をエポキシ系接着剤などにより、適当な台金の作用部に接着し、超砥粒ホイールを作製する。あるいは、金型内の適当な台金の作用面に、上記粉体混合物を載置し、温度２５０〜５００℃程度、圧力２０〜２００ＭＰａ程度の条件でホットプレス成形することにより、超砥粒ホイールを作製する。

この場合、焼成時の温度が２５０℃未満であったり、圧力が２０ＭＰａ未満であったりすると、所望の性能を有する超砥粒ホイールが得られにくい。一方、温度が５００℃を超えると樹脂が劣化するおそれがあるし、また圧力は２００ＭＰａ以下で十分であり、それより高い圧力は必要でない。好ましい温度は３００〜５００℃の範囲であり、また好ましい圧力は３０〜１７０ＭＰａの範囲である。特に好ましい温度は３５０〜５００℃の範囲であり、特に好ましい圧力は５０〜１５０ＭＰａの範囲である。
このようにして、被削材の表面粗さと形状精度を同時に向上させることができる超砥粒ホイールが得られる。
本発明によれば、超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒を用いることにより、ミクロ的変形が促進されて、有効作用砥粒数が増加され、仕上げ面粗さが向上する。特に、レジノイド結合剤としてポリイミド樹脂を用いると、フェノール樹脂などと比較して砥粒が埋没しやすいため、仕上げ面粗さを向上させることができる。
また、弾性係数の高いビトリファイド結合剤を用いることで、マクロ的変形を抑制させることが可能となり、加工精度が向上する。
このように、超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒とビトリファイド結合剤とを組み合わせることにより、被削材の表面粗さと形状精度を同時に向上させることができる。

次に、本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によって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［デュポン社製、商品名「ベスペルＳＰ」］６２.５体積％と、粒径５〜１０μｍのダイヤモンド砥粒［東名ダイヤモンド製人造ダイヤモンド、ＩＲＭ］３７.５体積％とからなる粉体混合物を、４４０℃にて加熱加圧成形し、粉砕処理したのち分級し、平均粒径１００μｍの顆粒を作製した。
次に前記顆粒と、リン酸錫ガラス粉末（軟化点３５０℃）とを、砥粒層中のそれらの体積比が８５：１５になるように混合してなる粉体混合物を金型に充填し、温度４００℃、圧力１００ＭＰａ、保持時間３０分の条件で加圧焼成し、リング状の超砥粒層を形成した。
次に、この超砥粒層を、アルミニウム合金製台金の外周にエポキシ系接着剤で固着し、２００Ｄ−１０Ｔ−３Ｘ−５０.８Ｈ（１Ａ１）のストレート型ダイヤモンドホイールを製作した。
比較例１
前記直鎖型ポリイミド樹脂粉末と、実施例１で用いたダイヤモンド砥粒とを、砥粒層中のそれらの体積比が６０：４０になるように混合してなる粉体混合物を金型に充填し、温度４４０℃、圧力１００ＭＰａ、保持時間２時間の条件で加熱加圧焼成し、リング状の超砥粒層を形成した。以下、実施例１と同様にして、２００Ｄ−１０Ｔ−３Ｘ−５０.８Ｈ（１Ａ１）のストレート型ダイヤモンドホイールを製作した。
実施例１及び比較例１で製作したダイヤモンドホイールについて、下記の条件で試験を行い、仕上げ面粗さ及び加工形状精度を求めた。
＜試験条件＞
使用機械 ：ナガセインテグレッスク製ＳＧＵ−５２ＨＰ２（３.７ｋＷ）
被削材 ：ホウケイ酸ガラス ＢＫ７ ６０Ｌ−５Ｗ
加工方式 ：湿式プランジダウンカット
ホイール周速度：１８００ｍ／ｍｉｎ（２８６６ｍｉｎ^-1）
送り速度 ：２ｍ／ｍｉｎ
切り込み ：２μｍ／ｐａｓｓ
総切り込み量 ：２０μｍ
研削液 ：クレノートン製クレカットＥＴ５０Ｘ ５０倍溶液６Ｌ／ｍｉｎ
＜試験結果＞
実施例１の本発明のホイール及び比較例１のレジンホイールについて、法線研削抵抗、被削材表面粗さＲａ及び実質切り込み量を測定した結果を第１表に示す。

第１表から分かるように、被削材表面粗さＲａについては、実施例１のホイールと比較例１のホイールはほぼ同等であるが、法線研削抵抗については、実施例１のホイールは、比較例１のホイールに比べて小さい。また、実質切り込み量については、実施例１のホイールは、比較例１のホイールに比べて大きい。この実質切り込み量とは、設定切り込み量２０μｍに対して実際に除去できた被削材の切り込み深さを示す。したがって、この値が機械設定値（２０μｍ）に近いほど、被削材の加工形状精度が良いといえる。実施例１のホイールは、比較例１のホイールに比べ、加工形状精度が良くなることが分かる。

本発明の超砥粒ホイールにおける砥粒層の断面イメージ図である。 カップ型のレジンボンド超砥粒ホイールの平面図である。 カップ型のレジンボンド超砥粒ホイールの断面図である。 ストレート型のレジンボンド超砥粒ホイールの平面図である。 ストレート型のレジンボンド超砥粒ホイールの断面図である。

符号の説明

１ 砥粒
２ レジノイド結合剤
３ 顆粒
４ ビトリファイド結合剤相
１１ 台金
１２ 砥粒層

Claims (4)

1. 超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒が、ビトリファイド結合剤相中に分散してなる砥粒層を有することを特徴とする超砥粒ホイール。
2. レジノイド結合剤がポリイミド樹脂であり、かつビトリファイド結合剤が、ＪＩＳ Ｒ ３１０３−１−２００１に定める試験方法で測定された軟化点が２５０〜４５０℃のガラスである請求項１記載の超砥粒ホイール。
3. 超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒の平均粒径が２０〜１５０μｍである請求項１又は２記載の超砥粒ホイール。
4. 超砥粒をレジノイド結合剤で固めた顆粒と、ビトリファイド結合剤粉末を含む粉体混合物を、焼結成形し、台金の作用部に砥粒層を設けることを特徴とする請求項１記載の超砥粒ホイールの製造方法。
   

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