JP2005131784A - ろう付けダイアモンド層を含むロータリードレッシング工具 - Google Patents

Abstract

【課題】製作容易なロータリードレッシング工具の提供。
【解決手段】ディスク形状の、ロータリードレッシング工具３は硬いコア、ならびに硬いコアの外周の少くとも一表面のまわりの研磨リム（４）を有し、硬いコアおよび研磨リム４は工具の回転軸６に直交する方向７に向けられている。研磨リム４は活性ろう付けにより硬いコアに結合された研磨成分を含有し、そして研磨成分は、単層に配置されたダイアモンド砥粒またはダイアモンド膜インサートである。研磨いリム４は、硬いコアに機械的に締結され、活性ろう付けにより基材要素に結合された研磨成分を含む、多数の研磨インサートを含んでいてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨砥石のプロファイル面をツルーイング（形直し）およびドレッシング（目直し）するために設計されたロータリードレッシング工具に関する。

ロータリーダイアモンドドレッシング工具は、要求される形状を砥石に与え、そして砥石のデザインにより決められた仕様に合わせて、設計され、つくられなければならない。これらの工具は品質仕様が限られており、形状および機械的特性における偏差の許容誤差が小さい。ドレッシング工具は種々の材料および方法を利用する種々の方法で組立てられているが、この分野で知られるたいていの方法は、簡単にいかず、不十分である。

たとえば、１つの商業的方法において、ダイアモンド砥石は接着剤とともに金型のキャビティのパターンへ手作業で埋め込まれ、ついで粉末の金属ボンド材料がダイアモンドのまわりの場所へ添加され加圧される。加圧された材料は浸透、ホットプレス、焼結、もしくはその組合わせにより、その場にダイアモンドを固定し、工具を形成する。もう１つの代表的方法において、ダイアモンド層は特注で設計された金型に埋め込まれ、逆電気めっきによりその場に固定される（たとえば、米国特許第４，８２６，５０９号明細書参照）。焼結もしくはめっき工程の次は、広範な研削工程であり、砥粒の高い場所を除去し、表面を平滑化する。

米国特許第４，８０５，５８６号明細書に記載されるもう１つの方法において、ダイアモンド砥粒は、粗面化し、その表面積を大きくし、そして砥粒をボンド内に配置させるように前処理され、その結果、大部分の砥粒は隣接する砥石と直接に接触する。これらの前処理されたダイアモンド砥粒は、ついでニッケルもしくはコバルト、またはニッケルもしくはコバルトの合金で基体表面に電気めっきされる。

米国特許第５，５０５，７５０号明細書において、ダイアモンド砥粒および金属粉末ボンド焼結の間、共融に近い銅−リン組成物で浸透される。
ドレッシング工具のための多くの粉末金属マトリックス研磨成分は、粉末マトリックス内に埋め込まれる比較的小さいダイアモンド砥粒（たとえば径０．５mm未満）を用い、そして得られる複合物は要求される形状に研削される。このような研磨成分はあまり尖鋭ではなく、それらを用いる砥石ドレッシングは、工具の急速な磨耗のために相対的に不十分である。このような粉末マトリックスが大きいダイアモンド砥粒とともに使用されると、複合物が要求される形状に研削されるにつれて、仕上げ処理はかなりの量のダイアモンドを失う。粉末金属ボンドでダイアモンド砥粒からつくられた工具において、耐久性の、細かい（たとえば約０．１２７mm（０．００５インチ））ドレッシングチップ半径を達成するのは不可能である。

多結晶ダイアモンド（ＰＣＤ）インサートはロータリードレッシング工具を組立てるのに使用されてきた。ＰＣＤインサートは粉末金属マトリックス中に埋め込まれ、工具上へ焼結され、ついで要求される形状および表面仕上げに研削される。たとえば、米国特許第４，６８５，４４０号明細書参照。ＰＣＤインサートは比較的平滑な表面を提供し、仕上げ工程の間、要求される形状に容易に研削され得、またはある形状については正味に近い形状部品として供給されうる。しかしながら、ＰＣＤはダイアモンド１００％ではない。ＰＣＤ材料は初めに金属触媒を有意な量（１０〜１２wt％）含み、その金属触媒はＰＣＤ材料からこして取られるのが通常であるが、空隙を残して、理論密度の約９０〜９５％の密度を有する、本質的に純粋なダイアモンドを生じる。したがって、ＰＣＤインサートでつくられるドレッシング工具は、十分に密な、１００％ダイアモンド材料であるダイアモンド砥粒でつくられるドレッシング工具の耐久性を欠く。

米国特許第５，０５８，５６２号明細書に記載されたドレッシング砥石用のロータリーダイアモンド工具は、化学蒸着（ＣＶＤ）法を用いて工具の基板上に直接ダイアモンド膜の層を堆積させ、そして堅さを与えるために一対の支持板ととも基板を組立てることにより作成されている。この方法によると、ダイアモンドの切断点は創出されておらず、硬い、平滑なダイアモンド表面があるにすぎない。ドレッシング工具において、平滑ダイアモンド表面は、ボンドを切断し、砥石面から砥粒を消費させ、それによりさらなる研削のための砥石面を開くことよりもむしろ、砥石面を押しつぶす作用をするにすぎない。

米国特許第４，９１５，０８９号明細書に記載されたドレッシング砥石のためのロータリーダイアモンド工具は、工具の回転軸に直交する面にダイアモンド砥石の単層を形成することにより作成される。ダイアモンド砥石の層は金属支持板の２つの層の間に挟まれる。ダイアモンド層は、金属粉末を焼結するために適切な金型内で、金属支持板の間でダイアモンド砥石および金属粉末をホットプレスすることによりその板に結合される。４，９１５，０８９号は代りのデザインにも言及し、そこではダイアモンド砥粒は、めっきもしくは金属接合により工具の片側もしくは両側に付着されているが、この代りのデザインはダイアモンド保持が十分でないという不利を受けると教示する。好適なデザインにおいて、ダイアモンド砥粒および板の積層アセンブリのアーチ形断片はドレッシング工具を形成するために、任意には連続研磨リムとともに、ディスク形状金属砥石の周囲にろう付けされる。しかしながら、この工具デザインの形状と一致して、その特許は、工具は直線状砥石面をドレッシングするのに使用されるが、工具は研削砥石面へのプロファイルドレッシングには有用でない、と教示す。

ＥＰ１１６６６８号は、米国特許４，９１５，０８９号の工具と類似した形状デザインに配置された、電気めっきダイアモンド砥粒の単層を有するドレッシング工具を開示する。本発明の工具に使用される活性ろう付け結合と異なり、ＥＰ１１６６６８の工具の電気めっき結合では、比較的不十分なダイアモンド砥粒保持、比較的短い工具寿命そして比較的高い製造コストが予測される。

本発明は、硬いディスク形状コア、ならびにコアの外周の少くとも一表面のまわりの研磨リムを有するロータリープロファイルドレッシング工具であり、コアおよび研磨リムは工具の回転軸に直交する方向に向いており、研磨リムは活性ろう付けによりコアに結合された研磨成分を含有し、そしてその研磨成分は単層に配置されたダイアモンド砥粒およびダイアモンド膜インサートならびにそれらの組合わせからなる群より選ばれる。代わりのデザインにおいて、研磨リムは工具のコアの外周に機械的に締結された多くの研磨インサートを含み、そして研磨インサートは活性ろう付けにより基材要素に結合された研磨成分を含み、研磨成分は単層に配置されたダイアモンド砥粒およびダイアモンド膜インサートならびにそれらの組合わせより選ばれる。

図１に示されるように、本発明のドレッシング工具は研磨砥石によって実施されるプロファイルドレッシングおよびツルーイング操作に有効である。ドレッシング工具３は、軸（長信符線５で図１に示される）のまわりを回転され、砥石のプロファイル（輪郭）をドレッシングもしくはツルーイングする必要に応じて、Ｘ軸（矢印６）もしくはＹ軸（矢印７）のいずれかに沿う方向に研削砥石１のプロファイル面２に接触して動く。

ここで用いられるように、「ツルーイング」（“ｔｒｕｅ”もしくは“ｔｒｕｉｎｇ”）は砥石を回わして所望の輪郭（ｃｏｎｔｏｕｒｓ）を形成するのに用いられる操作をいう。「ドレッシング」（“ｄｒｅｓｓ”もしくは“ｄｒｅｓｓｉｎｇ”）は、研削効率を向上させ、そして工作物の焼け、または研削中に砥石面が目つぶれをおこすときに生じる、他の損傷を避けるために、研削砥石の研削表面（もしくは面）を開くために用いられる操作をいう。さらされた尖鋭な砥粒が費消され、または砥石面が、新しい砥粒を侵食し、さらす結合の不足により、または研削操作由来のくずによる砥石面の目づまり（ｌｏａｄｉｎｇ）のために、砥石表面が平滑になるとき、砥石面は目つぶれをおこす。

ある操作は、単一のドレッシング工具が、２つの目的のために同時に使用されるのを可能にするが、他のものはそうではない。ツルーイングは、研削砥石が最初に使用のために機械に載せられるとき、そして操作が砥石に回転を停止させ、もしくはその輪郭を失わさせるときはいつでも、必要になるのが通常である。特定の研削操作に依存して、本発明のドレッシング工具は、トルーイングもしくはドレッシングまたはその両方に使用されうる。

本発明の代表的なロータリードレッシング工具は、図２に平面図で示される。ダイアモンド砥粒８の単層は金属ろう付け９中に埋め込まれ、工具の金属コア１１に結合される。工具の金属コアは、軸５のまわりに工具を回転するための手段を備えた、機械の駆動スピンドル上に工具を載せるためのセンター穴を含む。さらに図２には、工具の金属コアを支持要素（図示せず）に付着させるためにセンターアーバ穴のまわりに４つの穴１２を有する本発明の任意の形態が示される。

図３〜５に示されるように、ドレッシング工具３の研磨リム４は、いくつかの好適な態様の１つにおいて構成されうる。図３において、砥粒８およびろう付け９は、金属コア１０の単一の組立ての１部である基材要素１３により支持される。図４において、砥粒８およびろう付け９は独立しており（ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ）、研磨リム４の内径に沿ってのみ金属コア１０にろう付けされる。このような組立ては、工具の各側でさらされた砥粒を有するドレッシング工具が、Ｘ軸（矢印６）に沿ういずれかの方向で操作され得、その結果ドレッシング操作の効率を倍化し、そして単一の工具構成では従来得られなかった輪融を生じさせる、という利点を有する。

いずれの組立においても、ろう付け後に、ダイアモンド砥粒８はろう付け９内にみえなくなり、金属結合単層研削切断工具のようには必ずしもみえない。このような独立した研磨成分は、もしドレッシング工具のコアに砥粒を結合するために電気めっき法が利用されると、組立てられない。なぜなら電気めっきダイアモンド複合体は使用するのに十分な強度を欠くからである。ダイアモンド砥粒が、ここで述べるように、工具の構造要素として機能するような活性ろう付けを利用するろう付け単層ダイアモンド研磨工具を作成するときに可能であるにすぎない。

図５に示されるように、ダイアモンドフィルムインサート１４は、好適な態様を構成するために活性ろう付け１５を有する金属コア１０に結合されうる。ここで使用されるように、ダイアモンド膜はダイアモンド種品で、もしくは無しでＣＶＤもしくはジェットプラズマ法により製造される材料の薄層を意味し、ダイアモンド約１００％からなる。ダイアモンド膜製造の例は米国特許第５，３１４，６５２；５，６７９，４０４；および５，６７９，４４６号明細書に提供されており、言及によりここに組み入れられる。ダイアモンド膜は工具インサートのための所望の大きさを有する薄層（たとえば、１００〜１０００μｍ）にされ、ついでダイアモンド膜インサートは、ダイアモンド砥粒が金属コアにろう付けされるのと実質的に同一の態様で、そして同一種類のろう付けを用いて金属コア１０の基材要素１３部分にろう付けされる。

これらの好適な態様はいくつかの重要な方法で従来技術とは異なる。図３〜５に示される研磨成分は、ドレッシング工具に望まれる精密表面を得るためにあまり強力でない仕上げ操作を求める。ＰＣＤインサートのように、ダイアモンド膜インサート（図５）は平たい膜である。単層ダイアモンド砥粒の態様（図３および４）については、ある初めの表面研削が必要とされうるが、単層砥粒は粉末金属結合における砥粒の複合体マトリックスの一様でない特性を消去する。

本発明のドレッシング工具は、ドレッシング工具の寿命を通じて、砥石面に同一のチップ半径を示すように設計される。なぜならダイアモンド砥粒の単層（もしくはダイアモンド膜インサート）の幅は、ドレッシング操作に影響されないからである。最外のダイアモンド砥粒が費消されると、その下の単一の砥粒はドレッシング工具の半径チップで存在し、そしてドレッシングチップの半径は工業が使用されても一定のままである。このように、本発明の工具は自生作用があり、費消されても精密な形状を維持する。

さらに従来技術の工具と異なり、本発明のドレッシング工具は研削砥石のドレッシングおよびツルーイングにおいて、長い寿命および優れた効率を有する。
基材要素の角度は、０〜９０°、好ましくは１０〜４５°の範囲に及び、そして最も好ましくはビトリファイド研削砥石での使用のために設計されたドレッシング工具において１５〜３０°の範囲に及ぶ。

本発明の工具の組立てにおいて、ろう付けは活性ろう付けを用いて通常６００〜９００℃、そして好ましくは活性青銅もしくはニッケルろう付けを用いて８００〜９００℃で実施される。「活性ろう付け」はダイアモンド砥粒の表面と化学的に反応する少くとも１つの材料（たとえばチタンもしくはクロム）を含有するろう付けである。加熱されると、ろう付けはろう付け材料、ダイアモンド砥粒、および任意には工具の金属コア、の間で化学的結合を創り出す。好適な活性青銅ろう付けは、銅、スズおよびチタン水素化物の混合物、任意には銀粉末を付加して、の混合物から製造され、その方法は１９９７年８月２８日に出願された、共有に係る米国出願０８／９２０，２４２号に記載されており、引用によりここにその内容は組み入れられる。好適な活性ろう付けは、銅５５〜７９wt％、スズ１５〜２５wt％およびチタン６〜２０wt％を含む。

本発明における使用に適したもう１つの好適な活性ろう付けは、ニッケルろう付けであり、ニッケル６０〜９２．５wt％、好ましくは７０〜９２．５wt％ニッケル、そしてクロム５〜１０wt％、ホウ素１．０〜４．５wt％、ケイ素１．０〜８．０wt％および鉄０．５〜５．０wt％を含む。任意には、ニッケルろう付けはスズ０．１〜１０wt％のような、他の材料を含む。

硬い、ディスク形状のコアはダイアモンド研磨成分の寿命に相補的な使用寿命を有する耐摩耗性を有して組立てられる。鋼、特に工具鋼、炭化タングステン、鉄、コバルトおよびそれらの複合体、ならびにそれらの組合わせがコアにおける使用に適切である。鋼は好適である。適切な複合体は、金属マトリックス連続相に含有されるセラミック粒子もしくは繊維を含む。コアはこの分野で周知の方法により、所望の工具寸法に成型もしくは機械加工されうる。

図２〜５は連続的な研磨リム構成を示す。代わりの態様において、研磨成分は金属コアに沿って小片（ｓｔｒｉｐ）として挿入される。小片は、基材要素上の引っ込み（ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｓ）内に置かれるか、または金属コアの周囲内もしくは通じて、機械加工された溝（ｓｌｏｔｓ）に充てんされ得る。
本発明のもう１つの態様（図面に示されない）において、ろう付けされたダイアモンド層は硬いコアの２つの側のいずれかの周囲に交互に置かれた多数の分枝（ｏｆｆｓｅｔ）小片として存在する。このジグザグ（ｚｉｇ−ｚａｇ）の配置において、硬いコアの周囲は溝つきである（ｆｌｕｔｅｄ）ようにみえ、ダイアモンドは溝つきの周囲の引っ込み内の小片において、ろう付けされる。

本発明のもう１つの態様（図面に示されない）において、ダイアモンドは研磨インサートを形成するために基材要素にろう付けされ、そして多くの研磨インサートは硬いコアの周囲に機械的に締結（たとえば、ボルトで締められる）される。
他の態様は、本発明のロータリプロファイルドレッシング工具における使用に適しており、もし工具の周囲のいかなる地点での一連のダイアモンド砥粒が単一の切断点として砥石の面に対して存在するように、ダイアモンドが向いているならば、この単一のダイアモンドの点が摩耗するにつれて、一連の残りのダイアモンド砥粒は、摩耗砥粒に代るために、もう１つのダイアモンド砥粒を連続的に与え、その一連の砥粒が消尽するまで単一切断点となる。

実施例１
試験工具が、コアのリム上に２０°の刃先角（ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａｎｇｌｅ）の基材要素上へ、おおよそ１００％濃度のＳＤＡ１００＋ダイアモンドグリット（Ｄｅｂｅｅｒｓから入手、４２５〜５００μｍ）を真空ろう付けすることにより、１０cm（４インチ）外径のステンレス鋼（３０４Ｌ）から組立てられた。その工具はドレッシングチップ半径約０．２５mm（０．０１インチ）、所望の初めのドレッシングチップ半径に研磨成分を仕上げるように少量の研削の後の工具に対して選ばれるダイアモンドグリット径におおよそ等しい半径を生じるように設計された。

ろう付けは活性青銅ろう付けを用いて８８０℃で実行された。活性青銅ろう付けは、７７／２３銅／スズ合金粉末１００質量部および水素化チタン粉末１０質量部の混合物から製造された。その粉末混合物は、１３wt％でＢｒａｇ（商標）有機バインダーで混合され、ペースト組成物を得、そしてこのペーストは工具の金属コアリムの指定部分上に拡げられた。ダイアモンド砥粒は単層でペースト状に散布され、過剰のダイアモンド砥粒は工具から振りおとされた。工具は炉で乾燥され、バインダーから水分を蒸発させ、そして乾燥工具は０．１３３Pa（＜１０^-3Torr）未満の圧力で、低酸素雰囲気下に８８℃で３０分間加熱され、ついで冷却された。仕上げられた工具において、ろう付けは銅７０．２wt％、スズ２１．０wt％およびチタン８．８wt％を含有していた。

第２の工具が同じようにして製造されたが、ドレッシングチップ半径は０．１２mm（０．００５インチ）であり、ダイアモンドグリット径は０．２１２〜０．２５mmであった。
０．２５ｍ（０．０１インチ）チップ半径工具は、ねじ研削盤（ｔｈｒｅａｄ ｇｒｉｎｄｅｒｓ）上で商業的な設定で試験された。研削砥石は、４６×１．３×２５cm（１８×０．５０×１０インチ）の３ＳＧ１００−ＶＢＸ４６７（ゾルゲルアルミナ砥粒）砥石（Ｎｏｒｔｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒ，ＭＡから得られる）であり、初めの形状ドレッシング（０．０２５mm（０．００１インチ）／パス）後に０．０１３mm（０．０００５インチ）／パスの切込みで、ドレッシングの間、３０表面ｍ／秒（６０００表面フィート／分）で操作した。ドレッサーの研磨成分の摩耗は１２週間の連続運転後も、観察されなかった。これは、６週間の連続運転後に測定しうる摩耗を有するこの商業的設定で用いられる代表的な市販のロータリードレッシング工具にひけをとらない。加えて、研削砥石の生産性において約５０％の改良がロータリードレッシング工具の尖鋭度のために観察された。

０．１２mm（０．００５インチ）チップ半径工具が、同一の商業的設定で試験され、５週間の連続運転後に非常に少ない測定しうる摩耗を示した（すなわち約２μｍ／日）。
実施例２
ドレッシング工具が、リムに沿って予め形成された溝を有する１５cm（６インチ）ステンレス銅コアを用いて組立てられ、その中へ０．６０〜０．７１mm（約０．０２５インチ）の径のダイアモンド砥粒がろう付けされ、ドレッシングチップ半径０．３mm（０．０１２インチ）を有する工具を形成した。ダイアモンドはろう付けおよび実施例１の方法を用いて溝の中へろう付けされた。このすじをつけられた（ｓｔｒｉｐｅｄ）構成は直線状の側面を有していた（０°の刃先角）。工具はビトリファイド結合ＣＢＮ砥石へのプロファイルドレッシングに有効であった。

本発明のロータリープロファイルドレッサーの操作の例であり、プロファイル研削面を有する砥石を示す。 本発明のロータリープロファイルドレッシング工具の平面図である。 本発明のロータリープロファイルドレッシング工具において基材要素上にろう付けされたダイアモンド砥粒の単層の部分断面図である。 基材要素なしに本発明ロータリープロファイルドレッシング工具上にろう付けされたダイアモンド砥粒の単層の部分断面図である。 本発明のロータリープロファイルドレッシング工具において基材要素上にろう付けされたダイアモンド膜インサートの部分断面図である。

Claims (12)

1. 硬いディスク形状コア、ならびにコア外周の少くとも一表面のまわりの研磨リムを有するロータリープロファイルドレッシング工具であり、コアおよび研磨リムは工具の回転軸に直交する方向に向けられており、研磨リムは活性ろう付けによりコアに結合された研磨成分を含有し、そしてその研磨成分は単層に配置されたダイアモンド砥粒およびダイアモンド膜インサートならびにそれらの組合わせからなる群より選ばれるロータリードレッシング工具。
2. 研磨リムが基材要素をさらに含み、そ上に研磨成分がろう付けされてなる請求項１記載のロータリードレッシング工具。
3. 硬いコアが、鋼、工具鋼、炭化タングステン、鉄およびコバルト、およびそれらの補強複合物、ならびにそれらの組合わせからなる群より選ばれる材料からなる請求項１記載のドレッシング工具。
4. 活性ろう付けが、研磨成分と反応するのに有効な量のチタンを含む青銅ろう付けである請求項１記載のドレッシング工具。
5. 活性ろう付けが銅５５〜７９wt％、スズ１５〜２５wt％およびチタン６〜２０wt％を含んでなる請求項４記載のドレッシング工具。
6. 研磨成分がダイアモンド砥粒であり、ダイアモンド砥粒は平均径０．１５〜２．０mmを有する請求項１記載のドレッシング工具。
7. 研磨リムがダイアモンド砥粒の平均径の約１／２に等しいチップ半径を有する請求項６記載のドレッシング工具。
8. コアおよび基材要素が単一構造である請求項２記載のドレッシング工具。
9. 活性ろう付けが、ニッケル６０〜９２．５wt％、クロム５〜１０wt％、ホウ素１．０〜４．５wt％、ケイ素１．０〜８．０wt％および鉄０．５〜５．０wt％を含有する請求項１記載のドレッシング工具。
10. 活性ろう付けがさらにスズ０．１〜１０wt％を含む請求項９記載のドレッシング工具。
11. 硬いディスク形状コア、ならびにコアの外周の少くとも少くとも一表面のまわりの研磨リムを有するロータリープロファイルドレッシング工具であり、コアおよび研磨リムは工具の回転軸に直交する方向に向いており、研磨リムはコアの外周に機械的に締結された多くの研磨インサートを含み、そして研磨インサートは活性ろう付けにより基材要素に結合された研磨成分を含み、研磨成分は単層に配置されたダイアモンド砥粒およびダイアモンド膜インサートならびにそれらの組合わせからなる群より選ばれるロータリードレッシング工具。
12. 研磨インサートがコアにボルトで締結される請求項１１記載のドレッシング工具。

Images