JP2005088153A

JP2005088153A - ダイヤモンドラップ定盤による硬脆材料の平面研削加工法

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Publication number: JP2005088153A
Application number: JP2003327442A
Authority: JP
Inventors: Yoshihito Yamamoto; 義仁山本
Original assignee: Allied Material Corp
Current assignee: Allied Material Corp
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】固定砥粒方式のダイヤモンドラップ定盤による、各種硬脆材料の平面研削加工において、加工を中断してドレッシングしなくても、切れ味の低下がなく、安定した平面研削加工を可能にする。
【解決手段】砥粒と液体が容量比で、砥粒が５〜５０％であるスラリーを供給しながら平面研削加工する。定盤の加工面全体に複数個のスラリー供給孔３を出来るだけ均一に設け、それぞれのスラリー供給孔からスラリーが単位時間当たり、同じ容量で供給される。ダイヤモンドラップ定盤１は、銅−錫−黒鉛系メタルボンドで組成は、銅：３３〜７５重量％、錫：１８〜５５重量％、黒鉛：２〜２０重量％とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定砥粒方式のダイヤモンドラップ定盤による、各種硬脆材料の平面研削加工法の改善に関する。特に、工作物として、超硬合金、サーメット、アルチック、ガラス、サファイヤ、セラミックス、水晶、シリコン、フェライト、ネオジュウム磁石、サマリュウムコバルトなどの硬脆材料を対象として、平面研削加工を中断してドレッシンする必要のない、ダイヤモンドラップ定盤による平面研削加工法に関する。

従来のダイヤモンドラップ定盤としては以下のものが公知である。
自転しながら公転するワークキャリヤで工作物を保持して平面加工を行う機構を有する研削機に取り付けて使用される、ダイヤモンド砥粒を結合材で結合し、成形されたダイヤモンド層をラップ定盤の表面に固着したダイヤモンドラップ定盤で、ダイヤモンド層の加工作用面の占有率がラップ定盤の全加工面に対する面積比（加工作用面／全加工面）で４０％〜８０％の範囲内に設定され、かつ、上記結合材の組成が、銅：４０〜６５重量％、錫：２５〜５０重量％、黒鉛：５〜１８重量％からなる、ダイヤモンドラップ定盤である。工作物としては、超硬合金、サーメット、アルチック、ガラス、サファイヤ、セラミックス、水晶、シリコン、フェライト、ネオジュウム磁石、サマリュウムコバルトなどの各種の硬脆材料を対象とするものである。（例えば、特許文献１参照）

遊離砥粒を用いたレジンボンドＣＢＮホイールのドレッシング方法としては以下のものが公知である。
円筒研削盤に取り付けられたレジンボンドＣＢＮホイールを遊離砥粒を用いてドレッシングするには、鋼製または鋳鉄製ローラ（ドレッシングローラ）をホイールとクリアランスをもたせて、ダウンカット方向に回転させトラバースさせる。研削液にＷＡの遊離砥粒を入れた液をホイールとドレッシングローラとの隙間に流し込んでドレッシングする。すなわちドレッシングローラとホイールとの間で遊離砥粒が転動しボンドを削り取るものである。ここでトラバースさせるのはホイール回転方向に対し砥粒前部のボンドを削り取り易いためである。トラバースをしないと砥粒側面のボンドのみが削り取られ易い。この方法はホイールの粒度、結合度、コンセントレーションなどによって使用するＷＡ砥粒径や砥粒量、クリアランスそしてドレッシング時間を変えて行う。例えば、ホイールの砥粒径が小さくなるにつれて、ＷＡ砥粒径を小さくしたり、ドレッシングローラとホイールのクリアランスを小さくしたりする。また、ＧＣ砥粒を遊離砥粒としてもよいが、ＣＢＮ砥粒およびボンドに与えるダメージが大きくなり好ましくない。例として、粒度８０／１００のレジンボンドＣＢＮホイール、ＣＢＮＣ（Ｔｙｐｅ２）８０／１００Ｐ１００Ｂ３．０をドレッシングするときの条件が以下のように記載されている。ドレッシングローラとホイールのクリアランスを６０μｍ、ダウンカット方向に集速度１０ｍ／ｍｉｎで回転させ、約２ｍ／ｍｉｎ（０．５ｍｍ／ｒｅｖ）の速度でトラバースさせる。ホイールとドレッシングローラとの隙間に研削油剤１８０ｍｌにＷＡ砥粒（＃１００）２０ｍｌを入れた液を撹拌しながら流し込むことにより、最適のホイール表面状態（砥粒突き出し量３０μｍ）にドレッシングできる。（例えば、非特許文献１参照）

さらに、メタルボンドダイヤモンドホイールをドレッシングしながら研削加工する方法として以下のものが公知である。
アルミナ系、ジルコニア系などの磁気ヘッド用基板やＰＬＺＴなどの光学セラミックス又は希土類磁石等の合金、金属あるいはプラスチック板及びこれらの複合体等の工作物を平均粒径１〜２００μｍのメタルボンドダイヤモンドホイールで高能率で研削加工する方法であって、ホイールの中心側から円周端面への１箇所あるいは複数箇所の通液溝を片面または両面に配設し、通液溝へ連通する通液孔を研削加工装置内に配置し、かつ冷却媒体の供給源に接続し、回転砥石の回転時の遠心力により、通液溝より平均粒径０．００５〜５０μｍの微細遊離砥粒を混入した冷却媒体を噴射しながら工作物を研削加工する。この場合において、冷却媒体としては水、有機溶媒が好ましく、また冷却媒体としては平均粒径０．００５〜５０μｍのＳｉ０_２、Ａｌ_２０_３、ＭｇＯ、Ｃｅ０_２、ダイヤモンド微粉を１〜２０ｗｔ％混入することが好ましい。さらに遊離砥粒の平均粒径はホイールを構成する砥粒の平均粒径に対して１／２〜１／２００程度が好ましい。このような構成により、ホイールから噴射される冷却媒体に混入された微細な遊離砥粒により、砥粒の突出量を見掛け上小さくでき、ボンド材は加工中に研削力に応じて、研削するための砥粒突出量を一定に保つ効果があるとともに、切り屑がホイール表面に付着することを防止できる効果がある。（例えば、特許文献２参照）

さらに別の遊離砥粒を用いたダイヤモンド、ＣＢＮホイールのドレッシング方法としては以下のものが公知である。
砥粒と液体とが容積比で、砥粒が１０％以内である割合のスラリーを、加圧された液体を噴射ガンに導入し、噴射ガンから霧化された液を砥粒とともに噴出圧力２〜３．５ｋｇｆ／ｃｍ^２で超砥粒ホイールの表面に噴出してドレッシングする方法である。実際にドレッシングする際には、超砥粒ホイールを回転させ、その外周に対して円周の法線方向またはこれに近い角度で噴射ガンから霧化された液を砥粒とともに噴射する。（例えば、特許文献３参照）
特許第３０５０３７９号公報横川和彦／横川宗彦共著「ＣＢＮホイール研削加工技術」株式会社工業調査会発行、１９８８年１０月２５日、Ｐ７８〜８０特開平６−１５５２９３号公報特開平３−３７７２号公報

解決しようとする問題点は、固定砥粒方式のダイヤモンドラップ定盤による、各種硬脆材料の平面研削加工において、加工を中断してドレッシングしなくても、切れ味の低下がなく、安定した平面研削加工を可能にすることである。特に、工作物として、超硬合金、サーメット、アルチック、ガラス、サファイヤ、セラミックス、水晶、シリコン、フェライト、ネオジュウム磁石、サマリュウムコバルトなどの硬脆材料を対象とする。

本発明は、２枚のダイヤモンドラップ定盤が対向して取り付けられ、工作物を２枚の定盤に挟み込んで平面研削加工する方式において、砥粒と液体が容量比で、砥粒が５〜５０％であるスラリーを供給しつつ硬脆材料を平面研削加工する、ダイヤモンドラップ定盤による硬脆材料の平面研削加工法を最も主要な特徴とする。
ここでダイヤモンドラップ定盤としては、円柱状、パイプ状、円弧状のダイヤモンド層を定盤表面に複数個固着したもの、もしくは、定盤全面がダイヤモンド層、全面がダイヤモンド層で溝が付加されたものなど各種のダイヤモンドラップ定盤に適用可能である。
そして、砥粒と液体が容量比で、砥粒が５〜５０％であるスラリーを供給しながら平面研削加工する。スラリーは縦型両面ラップ盤であれば、例えば、上定盤からスラリーを供給する。スラリーは定盤の偏摩耗を防止するため、定盤全体にまんべんなく供給することが好ましい。そのため、上定盤の加工面全体に複数個のスラリー供給孔を出来るだけ均一に設け、それぞれのスラリー供給孔からスラリーが単位時間当たり、同じ容量供給されることが好ましい。砥粒と液体の容量比は、工作物が難削材であるほど高砥粒率であることが好ましい。従って、超硬合金、サーメット、アルチック、ガラス、サファイヤ、セラミックス、水晶、シリコン、フェライト、ネオジュウム磁石、サマリュウムコバルトなどの硬脆材料を平面研削加工する際には砥粒率は１０〜５０容量％であることが好ましく、１５〜５０容量％であることがより好ましい。

本発明のダイヤモンドラップ定盤は、銅−錫−黒鉛系メタルボンドであることを特徴とする。
結合材の組成は、銅：３３〜７５重量％、錫：１８〜５５重量％、黒鉛：２〜２０重量％とすることが好ましい。高錫組成のブロンズとし、その組織を高硬度かつ高ヤング率のε相を主成分とすることにより、高い砥粒保持力と高い耐加工圧力特性を持たせると共に、黒鉛を添加することにより、良好なツルーイング・ドレッシング性を付与し、極めて良好な切れ味と十分な長寿命が得られるものである。切れ味の持続性が極めて良好なのは砥粒保持力が高くて砥粒の脱落が少なく、高い加工圧力に対しても砥粒が結合材の中に陥没しないだけの硬さがあり、切り粉や工作物との接触によって結合材層が最適な速度で緩やかに後退し、砥粒の有効な突出を保つ特性を有するからである。さらに、加工能率を重視する場合は、結合材の組成は、銅：４０〜６５重量％、錫：２５〜５０重量％、黒鉛：５〜１８重量％の範囲内に設定することがより好ましい。
ダイヤモンド層はダイヤモンド砥粒を上記結合材で結合し、ペレット状に成形されたものをラップ定盤の表面に固着するのが好ましい。ダイヤモンド層の加工作用面の占有率は、ラップ定盤の全加工面に対する面積比（加工作用面／全加工面）の値で４０％〜８０％とし、残りの２０％〜６０％はダイヤモンド層が無い空間、すなわちチップポケットとする。その数値限定の理由は、占有率４０％未満では、加工に作用するダイヤモンド砥粒が少なすぎてダイヤモンド層の早期磨耗による精度低下の原因になり、また、８０％を超える場合は研削液の流れが阻害されて目づまりの原因となるだけでなく、工作物に対する単位面積当たりの加工圧力が低すぎて能率低下につながるからである。

本発明のスラリーに用いる砥粒は、ＳｉＣ系砥粒であることを特徴とする。
スラリーに用いる遊離砥粒は、ＳｉＣ系砥粒がダイヤモンドラップ定盤のドレッシングに効果的であり、より具体的にはＣ砥粒、ＧＣ砥粒またはこれらの混合砥粒を用いることが好ましい。ＡＬ_２Ｏ_３系砥粒、例えば、Ａ砥粒、ＷＡ砥粒、ＰＡ砥粒またはＨＡ砥粒はドレッシング作用が劣り好ましくない。

本発明の液体は、水または、水と水溶性研削油剤の混合物のいずれかひとつであることを特徴とする。
液体は、水を用いてもよいが、研削機の錆発生を防止するために、水と水溶性研削油剤の混合物を用いるほうが好ましい。水溶性研削油剤としては、主成分が鉱油と界面活性剤から構成されるエマルションタイプ、主成分が界面活性剤から構成されるソリューブルタイプ、主成分が無機塩類から構成されるソリューションタイプの３種類があり、いずれも使用可能であるが、鉱油を含有しない、ソリューブルタイプ、ソリューションタイプを使用することが好ましい。
なお、不水溶性研削油剤には、基油と油性剤を主成分とする１種と、これに極圧添加剤を加えた２種があるが、両方ともスラリーの流れがスムーズでなく、砥粒や切り粉が定盤表面の溝や隙間に堆積するおそれがあり、適当ではない。

本発明のスラリーの供給量は、ダイヤモンドラップ定盤の作用面面積１ｍ^２当たり、１０〜２００リットル／分であることを特徴とする。
ここで供給量は、１０リットル／分未満では十分なドレッシングが行われず、２００リットル／分を越える供給を行っても、それ以上のドレッシング効果は期待できないからである。供給量は、２０〜１８０リットル／分であることが好ましく、２０〜１５０リットル／分であることがより好ましい。

本発明は、固定砥粒方式のダイヤモンドラップ定盤による、各種硬脆材料の平面研削加工において、特に、超硬合金、サーメット、アルチック、ガラス、サファイヤ、セラミックス、水晶、シリコン、フェライト、ネオジュウム磁石、サマリュムコバルトなどの硬脆材料をドレッシングを必要とせずに平面研削加工できる、という利点がある。

図１は本発明に係る分割型のダイヤモンドラップ定盤の平面図である。定盤はドーナツ状で、その表面には多数の円柱状のダイヤモンドペレット２が固着されている。ダイヤモンドペレットの隙間にスラリー供給孔３が定盤全体に渡って４８箇所、設けられている。図２は分割定盤のひとつを示す。定盤は通常、鋳鉄で作られており、一体ものではその重量が数百キログラムにもなり、運搬するのにフォークリフトやチェーンブロックなどが必要になり、取り扱いが面倒である。定盤をこのように分割することにより、定盤一個当たりの重量を軽量化でき、定盤の加工機への取り付け、取り外しが容易になり、オペレータの負担が軽減されるだけでなく、安全に作業するうえでも極めて有効である。実際に分割定盤を使用するには、例えば、縦型両面研削盤若しくは縦型両面ラップ盤に、上側と下側の１セット分の分割定盤を取り付ける。通常は上側のダイヤモンドラップ定盤のみからスラリーを供給するので、上側の分割定盤にスラリー供給孔を設ければ十分である。

銅：６５重量％、錫：３２重量％、黒鉛：３重量％からなるボンド材とダイヤモンド砥粒（平均粒径１００μｍ）を集中度７５となるように混合し、この混合粉を金型に充填してホットプレス法によりペレット状にダイヤモンド層を形成した。そして、これらを鋳鉄製定盤に接着剤により固着してダイヤモンドラップ定盤を製作した。ここでペレットのサイズは、Φ１３−８ｔである。
このダイヤモンドラップ定盤をワークキャリヤで工作物を保持する機構を有する、両面ラップ盤に２枚を対向して取り付けた。次に、ダイヤモンド砥粒をドーナツ状ステンレス板の両面に電着したダイヤモンドドレスキャリヤで加工作用面をツルーイングして、ダイヤモンド層の平面度を３μｍ以下とした。さらに、ＧＣ砥石をワークキャリアにセッティングして十分にドレッシングした。
次に、工作物として、ＷＣ−Ｃｏ系の超硬合金製基板、外径Φ１００ｍｍ、厚み０．３ｍｍをキャリアにセッティングした。スラリーは、砥粒としてＧＣ砥粒と、液体として水溶性研削油剤を水道水に容量比で５％希釈した水溶液を用い、ＧＣ砥粒と水溶液が容量比で、ＧＣ砥粒が１０％のものを用いた。このスラリーを、上側のダイヤモンドラップ定盤の全面に設けられたスラリー供給孔から、ダイヤモンドラップ定盤の作用面１ｍ^２当たり、毎分５０リットル供給した。なお、スラリーはＧＣ砥粒が分離しやすいので、スラリータンクを常時、攪拌機でかき混ぜながらポンプで供給した。
このようにスラリーを供給しながら、ダイヤモンドラップ定盤の回転数が毎分６５回転、超硬合金製基板に対する加工圧力が０．５Ｋｇｆ／ｃｍ^２にて加工を行った。その結果、ドレッシングをしなくても、切れ味の低下は認められず、安定して、高精度で高能率な平面研削加工が可能であった。

実施例１とはＧＣ砥粒の含有率以外はすべて同じ条件とし、超硬合金製基板の加工を行った。スラリーは、砥粒としてＧＣ砥粒と、液体として水溶性研削油剤を水道水に容量比で５％希釈した水溶液を用い、ＧＣ砥粒と水溶液が容量比で、ＧＣ砥粒が３０％のものを用いた。その結果、ドレッシングをしなくても、切れ味の低下は認められず、安定して、高精度で高能率な平面研削加工が可能であった。

実施例１とはＧＣ砥粒の含有率以外はすべて同じ条件とし、超硬合金製基板の加工を行った。スラリーは、砥粒としてＧＣ砥粒と、液体として水溶性研削油剤を水道水に容量比で５％希釈した水溶液を用い、ＧＣ砥粒と水溶液が容量比で、ＧＣ砥粒が４５％のものを用いた。実施例１および２と同様に、ドレッシングをしなくても、切れ味の低下は認められず、安定して、高精度で高能率な平面研削加工が可能であった。

比較例１

実施例１とはＧＣ砥粒の含有率以外はすべて同じ条件とし、超硬合金製基板の加工を行った。スラリーは、砥粒としてＧＣ砥粒と、液体として水溶性研削油剤を水道水に容量比で５％希釈した水溶液を用い、ＧＣ砥粒と水溶液が容量比で、ＧＣ砥粒が４％のものを用いた。しかしながら、切れ味が次第に低下して、ついに平面研削加工の継続が困難になった。

比較例２

実施例１とはＧＣ砥粒の含有率以外はすべて同じ条件とし、超硬合金製基板の加工を行った。スラリーは、砥粒としてＧＣ砥粒と、液体として水溶性研削油剤を水道水に容量比で５％希釈した水溶液を用い、ＧＣ砥粒と水溶液が容量比で、ＧＣ砥粒が５２％のものを用いた。しかしながら、スラリーを安定して供給することが困難になり、加工の継続が不可能になった。

比較例３

次にスラリーを用いないで実験を行った。すなわち、液体として水溶性研削油剤を水道水に容量比で５％希釈した水溶液だけを用いた。その他の条件は実施例１と同様として超硬合金製基板の加工を行った。しかしながら、切れ味が急激に低下して、ついに平面研削加工の継続が困難になった。

実施例１に用いた分割型ダイヤモンドラップ定盤の平面図を示す。図１の分割型ダイヤモンドラップ定盤のひとつの平面図を示す。別の分割型ダイヤモンドラップ定盤の平面図を示す。図２の分割型ダイヤモンドラップ定盤のひとつの平面図を示す。内外周にリング状ダイヤモンド層を設けた分割型ダイヤモンドラップ定盤の平面図を示す。図５の分割型ダイヤモンドラップ定盤のひとつの平面図を示す。内外周別にセグメント状ダイヤモンド層を設けた分割型ダイヤモンドラップ定盤の平面図を示す。図６の分割型ダイヤモンドラップ定盤のひとつの平面図を示す。

符号の説明

１：ダイヤモンドラップ定盤
２：ペレット
３：スラリー供給孔
４：分割定盤
５：セグメント

Claims

２枚のダイヤモンドラップ定盤が対向して取り付けられ、工作物を２枚の定盤に挟み込んで平面研削加工する方式において、
砥粒と液体が容量比で、砥粒が５〜５０％であるスラリーを供給しつつ硬脆材料を平面研削加工するダイヤモンドラップ定盤による硬脆材料の平面研削加工法。
上記ダイヤモンドラップ定盤のボンド材は、銅−錫−黒鉛系メタルボンドであることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンドラップ定盤による硬脆材料の平面研削加工法。
上記砥粒は、ＳｉＣ系砥粒であることを特徴とする請求項１または２記載のダイヤモンドラップ定盤による硬脆材料の平面研削加工法。
上記液体は、水または、水と水溶性研削油剤の混合物のいずれかひとつであることを特徴とする請求項１〜３に記載のダイヤモンドラップ定盤による硬脆材料の平面研削加工法。
上記スラリーの供給量は、上記ダイヤモンドラップ定盤の作用面面積１ｍ^２当たり、１０〜２００リットル／分であることを特徴とする請求項１〜４に記載のダイヤモンドラップ定盤による硬脆材料の平面研削加工法。