JP2005040899A - ダイヤモンド砥石 - Google Patents

Abstract

【課題】 形状精度を高くし工具寿命が長いダイヤモンド砥石を得る。
【解決手段】 ダイヤモンド砥石１の先端作業面を形成するダイヤモンド砥粒５の突出位置を基準線Ｌに揃える。砥粒５の突出位置が同一面（周面）状にあるように成形する。ダイヤモンド砥石１を回転させた状態で炭素との親和性の強い材質からなる接触部材にダイヤモンド砥石１の周面を接触させる。該砥粒５と接触部材との化学反応により砥粒５を研磨する。この研磨により、同一面にダイヤモンド砥粒の突出位置を揃える。ダイヤモンド砥石１の作業面はダイヤモンド砥粒５の凹凸がなく同一面となる。また各砥粒５のエッジは鋭くなる。該ダイヤモンド砥石１で加工を行うと、ダイヤモンド砥粒５のエッジが鋭く、作業面全てのダイヤモンド砥粒５で研削するから、高精度の加工ができる。また、ダイヤモンド砥石１の寿命が長い。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ダイヤモンド砥石に関する。

光学部品に要求される精度は近年非常に高くなってきており、この要求に応えるために、様々な加工技術が開発されている。一般に精度の高い光学部品の加工は超精密加工機を使用することになるが、加工機自体の精度だけでは、超精密加工は行えない。特に光学部品は、比較的広い面積を安定して超精密加工する必要があり、工具の精度が加工精度において重要な要素となる。また工具の寿命も加工効率、製造コストの上から非常に重要な要素である。

また、光学部品を大量に量産するような場合には、金型を製作することになるが、金型には超硬など非常に加工しにくい材質が要求される場合も多く、こういった硬い材質を高精度に安定して加工できる工具が必要とされる。
超精密加工において、形状精度を出し易い加工方法として一般的に用いられるのは、単結晶ダイヤモンドバイトによる切削加工である。この切削加工は、非常に鋭い工具刃先で切削するため、工具の刃先形状がそのまま被切削物にナノオーダで転写されると考えてよい。しかし、工具の寿命という点では、磨耗やチッピングが起こり易く、寿命は短い。また、超硬や鉄系の材質を加工するとすぐ磨耗してしまい、実質的には加工できない。
一方、ダイヤモンド砥石による研削加工は、工具寿命という点では優れているが、砥石表面は砥粒の大きさの単位で凹凸があり、形状精度は、単結晶ダイヤモンドバイトほどには得られない。

ダイヤモンド砥石の成形方法としては、単石ダイヤモンドドレッサや遊離砥粒によるラップ等の方法の他、金属に回転接触させる方法がある。例えば、ダイヤモンド砥石を単石ダイヤモンドドレッサに回転させ接触させてツルーイングした後、単石ダイヤモンドドレッサを保持していたステンレス製のホルダにダイヤモンド砥石を回転接触させてドレッシングして結合剤（ボンド）を除去するようにしたものが知られている（特許文献１参照）。
また、４Ａ族、５Ａ族または６Ａ族に属する金属または該金属を有効成分として包含する合金に砥石回転させながら接触させ、接触面に発生する高温研削熱により、前記金属とこの砥石における結合剤との間で固相−固相拡散反応及び／または何らかの科学反応がおこり、結合剤表面に靭性を欠き極めて脆弱な化合物を発生させて、結合剤を砥石作業面から除去するツルーリング方法も知られている（特許文献２参照）。

これら特許文献に記載された発明は、砥石をある種の金属に回転接触させ、砥石の結合剤（ボンド）をその金属により機械的に除去、または化学反応で除去することで、砥石を成形する方法である。結合剤が除去されることで、表面に新たなダイヤモンド砥粒が露出してくるのみで、個々のダイヤモンド砥粒そのものは成形の対象ではない。したがって、砥石表面の形状は砥粒の大きさ程度の凹凸が存在し、それより細かい精度で砥石は成形されないことを意味する。

特開平２０００−２８０１６９号公報 特開平１０−６２１６号公報

ダイヤモンド砥石が、単結晶ダイヤモンドと同等の精度で成形されていれば、単結晶ダイヤモンドバイトの加工精度とダイヤモンド砥石の工具寿命の両立が可能と考えられる。
しかし、砥粒がランダムに砥石表面に露出している状態では、砥粒の凹凸程度の精度でしか砥石は成形されていない。前述した特許文献１，２に記載されたものは、結合剤が除去されることで、砥石表面に新たにダイヤモンド砥粒を露出させるものであり、個々のダイヤモンド砥粒そのものは成形の対象ではない。したがって、砥石表面の形状は砥粒の大きさ程度の凹凸が存在し、それより細かい精度で砥石は成形されないことを意味する。

図５は、従来、通常に行われている平面研削用ダイヤモンド砥石１の成形方法の説明図である。矢印イ方向にダイヤモンド砥石１を回転させながら該ダイヤモンド砥石１の作業面２に単石ダイヤモンドドレッサ６を接触させ、砥石１を矢印ロ方向の軸方向に移動させて、砥石１の作業面２を成形するようにしている。

図６は、図５の従来の方法により成形されたダイヤモンド砥石１において、砥石回転軸と平行に断面をとり、その砥石作業面２の近辺を拡大して示したものである。図６では、簡易的に砥石作業面２に露出したダイヤモンド砥粒５のみを示しているが、実際にはボンド（結合剤）４内に無数の砥粒が埋もれている。これらのダイヤモンド砥粒５の分布は均一的ではあるが、形状は全く不規則で、方向性もない。この従来の通常の成形方法は、ボンド４を除去する成形方法であるため、表面に露出したダイヤモンド砥粒５はボンド４内に埋まっていた状態そのままに、図６のように不揃いに露出している。

研削加工とは、ダイヤモンド砥石１が回転することにより表面の無数のダイヤモンド砥粒５が加工に関与することで、一つ一つのダイヤモンド砥粒５が被加工物を除去した総和が加工面となる加工方法である。したがって、ダイヤモンド砥石１の作業面２に不揃いの露出したダイヤモンド砥粒５の内、最も出っ張っているダイヤモンド砥粒５が加工面に与える影響が最も大きい。このようなダイヤモンド砥粒５が加工面に研削目と呼ばれる条痕を残し、加工面の精度を悪化させることになる。

一方、ダイヤモンド砥石１の番手を上げダイヤモンド砥粒５そのものを小さくすれば、砥石作業面２の凹凸は少なくなる。しかし、目詰まりを起こし易くなり、工具寿命としては短くなってしまう。したがって、工具寿命という観点からは、ある程度の大きさのダイヤモンド砥粒５が必要となる。

ダイヤモンド砥粒５をある程度の大きさに保持し、かつダイヤモンド砥石１における作業面２のダイヤモンド砥石５の凹凸を少なくするには、より高精度にダイヤモンド砥石５を成形する必要がある。露出しているダイヤモンド砥粒５の一つ一つを管理された寸法に成形されなければならない。そのためには、従来の方法でダイヤモンド砥石５の成形を行った後に、表面のダイヤモンド砥粒５を表面に露出している寸法以下の微少量だけ成形して、不揃いなダイヤモンド砥粒の形状を修正する必要がある。ダイヤモンドを加工するのには、同じ硬さをもつダイヤモンドが通常使用される。しかし、単石ダイヤモンドドレッサやダイヤモンドの遊離砥粒によるラップといった従来の方法では、結合剤も同時に除去されてしまい、表面に露出した砥粒のみを成形することは不可能である。
本発明は、このような課題を解決することにある。

請求項１に係わる本発明のダイヤモンド砥石は、作業面を形成するダイヤモンド砥粒の突出位置が同一面上にあるように形成したものである。また、請求項２に係わる発明のダイヤモンド砥石は、該ダイヤモンド砥石で加工しようとする被加工物の加工形状に合わせて砥石の作業面が形成され、かつ、この作業面を形成するダイヤモンド砥粒の突出位置が前記加工形状に揃えるようにしたものである。さらに、請求項３に係わる発明は、ダイヤモンド砥石を回転させた状態で炭素との親和性の強い材質からなる接触部材に接触させることにより、前記ダイヤモンド砥石表面に露出したダイヤモンド砥粒と前記接触部材との化学反応を発生させて、該ダイヤモンド砥粒の突出位置を揃えるようにした。また、請求項４に係わる発明は、接触部材として使用する炭素との親和性の強い材質を、鉄を含む材質とした。

請求項５に係わる発明は、上述したダイヤモンド砥石を多刃のダイヤモンドバイトとして使用することで、微細溝等の切削加工を行うようにした加工方法であり、請求項６，７に係わる発明は、このダイヤモンド砥石を用いた加工装置である。

高精度の加工ができ、工具寿命を延ばし、大面積や難削材に対しても加工ができる。

図１は、本発明の一実施形態におけるダイヤモンド砥石１の断面における砥石作業面部分の拡大図である。本実施形態のダイヤモンド砥石１は、作業面を形成する周面のボンド４の部分から露出し突出するダイヤモンド砥粒５の突出位置が、基準線Ｌで示すように、同一面になるように加工され揃えられている。そのためダイヤモンド砥石１の砥粒５は、鋭いエッジを持ち寸法的に管理されたものとなっている。この点で従来のダイヤモンド砥石とは異なる。
その結果、本発明のこのダイヤモンド砥石１を従来と同様に研削機械に取付け、従来と同様な加工方法で被加工物を研削加工すれば、従来のダイヤモンド砥石による加工では得られない高精度の研削加工ができる。

従来のダイヤモンド砥石１では、個々のダイヤモンド砥粒の突出位置が不揃いであり、かつ、必ずしも鋭いエッジを持たないので、作業面において突出量が大きい砥粒によって、被削材を引っ掻いて加工するようなイメージの加工である。
一方、本実施形態のダイヤモンド砥石では、作業面のダイヤモンド砥粒５の突出量が揃って、ほぼ同一面を形成しているから、個々のダイヤモンド砥粒５が微細な切削加工を行うことになる。しかも、ダイヤモンド砥粒５は鋭いエッジを有しているので、研削加工というよりも、むしろ多刃のダイヤモンドバイトによる切削加工と考えることができ、単結晶ダイヤモンドバイトによってのみ可能だった超精密加工も可能となる。

例えば、従来のダイヤモンド砥石ではその加工が難しく、単結晶ダイヤモンドバイトによる切削加工で行っていた微細溝加工等も、本発明のダイヤモンド砥石を用いれば加工可能となる。
図２は、Ｖ溝を加工するためのダイヤモンド砥石を得る本発明の実施形態である。この図２も図１と同様に、ダイヤモンド砥石１’の断面の先端１０μｍ部分を示したものであり、加工しようとする形状に合わせてダイヤモンド砥石１’が形成され、この実施形態ではＶ字形にダイヤモンド砥石１’の作業面の形状が形成されている。しかも、ダイヤモンド砥石１’の先端で突出するダイヤモンド砥粒５の突出位置は、２つの基準線Ｌ１，Ｌ２位置に揃えられている。
その結果、このダイヤモンド砥石１’を研削機械に取付け、被加工物の研削加工を従来と同様な方法で行えば、従来単結晶ダイヤモンドバイトによって行っていたような高精度の微細Ｖ溝加工が可能となるものである。

超精密な加工を行うには、従来、単結晶ダイヤモンドバイトによる切削加工がなされていたが、この加工方法では、工具寿命が問題であり、難削材の微細溝加工や第面積の微細溝加工などでは、加工途中で何度も工具交換を強いられ、その度に工具取付位置が微妙に変わってしまい、加工精度を悪化させていた。しかし、無数に切れ刃が形成されている本発明の上述したダイヤモンド砥石１，１’を用いれば飛躍的に工具寿命を延ばし、加工精度の高い切削加工ができる。

次に、このような本発明のダイヤモンド砥石の成形方法の一実施形態について説明する。図３はこの実施形態によるダイヤモンド砥石成形方法の要部説明図である。まず、図５に示した従来の方法等によりダイヤモンド砥石１を成形した後、図３に示す成形加工を行うものである。
すなわち、ダイヤモンド砥石１を回転させながら該ダイヤモンド砥石１の作業面２に単石ダイヤモンドドレッサ６を接触させ、ダイヤモンド砥石１を軸方向に移動させて、ダイヤモンド砥石１の作業面２から結合剤（ボンド）４を除去し、作業面２にダイヤモンド砥粒５を露出させ、図６に示す状態にした後、図３に示す加工を行う。

ダイヤモンドの組成は炭素であり、炭素は親和性のある元素が多数存在することが知られている。炭素と親和性のある金属の材料にダイヤモンドをこすり付けると、金属との化学反応により、ダイヤモンドは簡単に磨耗する。前述したようにダイヤモンドバイトで鉄が削れない理由も、鉄が炭素と親和性を持っているためである。この性質を利用すると、ダイヤモンド砥石表面に露出したダイヤモンド砥粒のみを簡単に研磨することができる。また、この方法によるダイヤモンドの研磨は非常に高精度に成形することが可能である。

そこで、炭素と親和性の高い材質として、鉄を含む鋼材を、ダイヤモンド砥粒５を接触させ研磨する接触部材として使用する。この図３に示す実施形態ではこの接触部材として鋼材の板３を用い、ダイヤモンド砥石１を回転させながら、その表面であるの作業面２を鋼材の板３の平面に接触させてダイヤモンド砥粒を研磨する。そのために、鋼材の板３のダイヤモンド砥石表面が接触する平面は、高精度の平面度に形成されている。

また、この鋼材の板３とダイヤモンド砥石表面の接触は、ダイヤモンド砥粒のみを研磨することが目的であることから、切り込み量は極微小とする。ダイヤモンド砥粒の大きさは、砥石の番手によって決まる。また、ダイヤモンド砥石表面におけるダイヤモンド砥粒の結合剤（ボンド）４からの突出量は、ダイヤモンド砥粒の大きさの１／２程度と考えられるので、切り込み量はダイヤモンド砥石１に用いるダイヤモンド砥粒の大きさの１／２以下の極微小な量とする。

図３に示すように、ダイヤモンド砥石１を矢印イで示すように回転させながら、極微小の切り込み量でダイヤモンド砥石１を鋼材の板３の表面に接触させダイヤモンド砥粒５と鋼材との化学反応によりダイヤモンド砥粒５を研磨し、図１に示したように、ダイヤモンド砥粒５の突出位置を基準線Ｌに揃え、ダイヤモンド砥粒５の突出位置が同一面（図１，図３の例では同一円周面）に揃うようにする。
この方法で成形されたダイヤモンド砥石は、ダイヤモンド砥粒という無数に近い刃先を表面に持った多刃のダイヤモンドバイトと見なすことができる。よって、接触部材である鋼材の板３の面精度が十分に高ければ、個々のダイヤモンド砥粒５はナノオーダの精度で寸法が揃った図１に示すようなダイヤモンド砥石１を形成することができる。図１はダイヤモンド砥石１の１つの断面を示すものであるが、ダイヤモンド砥石は図３に示すように円筒状で、回転して鋼材の板３と接触し、研磨されるものであるから、円筒周面の作業面２に非常に鋭いエッジを持ち、切れ刃として良好な多数の刃先が存在する。そのため、このダイヤモンド砥石を使用して研削加工を行えば、従来の研削加工と比べ研削目のない非常に高精度の加工面を得ることができると共に、工具寿命は単結晶ダイヤモンドバイトと比べ、飛躍的に長くなる。一方、工具の形状精度は、個々の砥粒が高精度に成形されているため、単結晶ダイヤモンドと同等の形状精度を持たせることが可能である。したがって、このダイヤモンド砥石は、単結晶ダイヤモンドバイトの形状精度と砥石の工具寿命が両立させた工具を得ることができる。

本発明の一実施形態のダイヤモンド砥石の断面における砥石作業面部分の拡大図である。 本発明の他の実施形態のＶ溝を加工するためのダイヤモンド砥石の断面一部拡大図である。 本発明のダイヤモンド砥石を成形する方法の一実施形態の説明図である。 同ダイヤモンド砥石を成形する方法におけるダイヤモンド砥粒の突出位置を揃えることの説明図である。 従来のダイヤモンド砥石の成形方法の説明図である。 従来のダイヤモンド砥石の断面拡大図である。

符号の説明

１ ダイヤモンド砥石
２ ダイヤモンド砥石の作業面
３ 鋼材の板
４ 結合剤（ボンド）
５ ダイヤモンド砥粒
６単石ダイヤモンドドレッサ

Claims (7)

1. ダイヤモンド砥石において、作業面を形成するダイヤモンド砥粒の突出位置が同一面上にあるダイヤモンド砥石。
2. ダイヤモンド砥石において、該ダイヤモンド砥石で加工しようとする被加工物の加工形状に合わせて砥石の作業面が形成され、該作業面を形成するダイヤモンド砥粒の突出位置が前記加工形状に揃えられているダイヤモンド砥石。
3. ダイヤモンド砥石を回転させた状態で炭素との親和性の強い材質からなる接触部材に接触させることにより、前記ダイヤモンド砥石表面に露出したダイヤモンド砥粒と前記接触部材との化学反応を発生させて該ダイヤモンド砥粒の突出位置を揃えた請求項１または請求項２に記載のダイヤモンド砥石。
4. 前記炭素との親和性の強い材質として、鉄を含む材質を使用することを特徴とする請求項３に記載のダイヤモンド砥石。
5. 請求項２に記載のダイヤモンド砥石を用いて多数の微細溝を加工することを特徴とした微細溝の加工方法。
6. 請求項１乃至４の内のいずれかに記載のダイヤモンド砥石を多刃のダイヤモンドバイトとして備えた切削加工装置。
7. 請求項２に記載のダイヤモンド砥石を備え、多数の微細溝を加工することを特徴とした微細溝加工装置。
   

Images