JP2005219169A

JP2005219169A - 砥石及びその製造方法

Info

Publication number: JP2005219169A
Application number: JP2004030360A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sato; 敦佐藤; Shintaro Futagami; 慎太郎二上; Tokuji Umehara; 徳次梅原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】ワークの欠けを小さくし低減して加工品位を向上することが可能な砥石及びその製造方法を提供する。
【解決手段】砥粒と、磁性流体および／または磁性材料粉体と、結合剤とを含む砥石用材料を円盤形状に成形した後、前記円盤形状の砥石用材料１１ａに対して磁場を一方向に印加して、砥石用材料中の砥粒を配列させる磁場印加処理と、前記砥石用材料の砥粒が配列された領域を硬化させる硬化処理とを該円盤の円周方向に順次行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、磁性材料や光学材料などの研削加工に使用される砥石及びその製造方法に関するものである。

近年、磁気記録の分野では、高記録密度化が進んでおり、このため、高い抗磁力と残留磁気密度特性を有して狭記録ピッチ、狭トラック化仕様の磁気テープに対して、高精度の磁気ヘッドが用いられて情報信号等の記録再生が行われている。
この磁気ヘッドの高精度化においては、磁気記録媒体との摺動面に関してとくに高い精度が要求されている。

このような要求に対応するために、例えば、円盤形状に成形された厚さ０．０１〜数ｍｍ程度の極薄の砥石と、この砥石を回転、移動させる回転操作機構、移動操作機構がそれぞれ搭載されてなる精密研削加工機が用いられている。
このような加工機を用い、砥石を回転させてその砥面（研削作業面）である周縁部を、被加工材料（ワーク）である磁気コアブロックに摺接させることにより、磁気コアブロックに対する切断加工や溝切り加工を高精度で行い、磁気ヘッドを製造している（例えば、特許文献１参照。）。

また、上記研削加工に用いられる砥石としては、ダイヤモンドやＣＢＮ等の微粒子である砥粒をレジンボンド（合成樹脂結合剤）により固定したレジンボンド砥石、砥粒をＣｕ，Ｓｎ，Ｎｉ等の金属又は合金粉末に均一に混合し、この混合粉末をプレス成形後燒結して固定するメタルボンド砥石（例えば、特許文献２参照。）、ダイヤモンド微粒子を電鋳により固定した電鋳砥石（例えば、特許文献３参照。）が用いられている。

特開平１１−２１３３１９号公報特開２００２−１６６８号公報特開２００３−２０５４７０号公報

しかしながら、最近のさらなる高記録密度化が進む中で、上記精密研削加工機による加工でも、加工品位が十分でなくなってきている。
例えば、図１９に示すように加工後のワークを上から見た場合に観察される、ワークの摺接面のエッジ部に発生する欠けが問題となっている。

本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、ワークの欠けを小さくし低減して加工品位を向上することが可能な砥石及びその製造方法を提供することを目的とする。

発明者らは、上記のようなワークの欠けと砥石における砥粒の分布状態との間に相関があることを把握した。しかしながら、従来の砥石の製造方法では、固体である砥粒と結合剤とを混濁するとファンデルワールス力、表面力、重力等の影響で、砥粒の偏析が発生し砥粒間ピッチがばらつきをもつため、砥粒の分布や配向を制御することは困難であった。
また、砥石用材料を十分に混錬して、砥粒分布の不均一を極力抑えることや切れ味を変えるために砥粒を部分的に集中させることが行われているが、加工品位の改善としては不充分であった。

発明者らは、この問題に対して、磁性材料粉体を含む流体への磁場印加による分布や配向を制御する技術に着目し、鋭意検討を行うことにより本発明を成すに至った。

すなわち、前記課題を解決するために提供する発明は、砥粒と、磁性流体および／または磁性材料粉体と、結合剤とを含む砥石用材料を円盤形状に成形した後、前記円盤形状の砥石用材料に対して磁場を一方向に印加して、砥石用材料中の砥粒を配列させる磁場印加処理と、前記砥石用材料の砥粒が配列された領域を硬化させる硬化処理とを該円盤の円周方向に順次行うことを特徴とする砥石の製造方法である。

ここで、前記磁場の印加方向を、前記円盤の外周から中心への方向とすることが好ましい。また、前記円盤の厚み方向とすることも好ましい。

また、前記磁場印加処理の磁場の強度を前記円盤の円周方向で周期的に変化させるとよい。
とくに、前記磁場の強度の周期的な変化を、一定の磁場強度で印加することと磁場強度を０とすることとを交互に行うこととするとよい。
さらに、前記磁場の強度変化の周期として、一定の磁場強度を印加する時間と磁場強度０の時間との比を１：１とすることが好ましい。

また、前記結合剤は、熱硬化性樹脂からなることが好ましい。

前記課題を解決するために提供する本発明は、砥粒と磁性流体および／または磁性材料粉体と結合剤とを含む砥石用材料から製造される円盤形状の砥石であって、前記砥石用材料を円盤形状に成形した後に、前記円盤形状の砥石用材料に対して磁場を一方向に印加して、砥石用材料中の砥粒を配列させる磁場印加処理と、前記砥石用材料の砥粒が配列された領域を硬化させる硬化処理とを該円盤の円周方向に順次行って製造することにより、前記砥粒が均一に分散して配列されていることを特徴とする砥石である。

ここで、前記砥粒が、円盤の外周から中心への方向あるいは円盤の厚み方向に配列されていることが好ましい。

また、前記円盤の円周上で砥粒が配列された領域とそうでない領域とが交互に設けられるとよく、とくに前記砥粒が配列された領域とそうでない領域との円盤平面上の面積比が１：１であるとよい。

さらに、前記結合剤は、熱硬化性樹脂からなることが好ましい。

本発明によれば、砥石中の砥粒を均一に配列あるいは一定方向に配向させることができ、ワークの欠けを小さくし低減して加工品位を向上させることが可能となる。
とくに、円盤の外周から中心への方向に砥粒が配列された砥石を研削加工に使用することにより、高能率、高品位の加工を実現できる。
また、円盤の厚み方向に砥粒が配列された砥石を研削加工に使用することにより、ワーク側面の欠けの少ない加工を実現できる。
さらに、円盤の円周上で砥粒が配列された領域とそうでない領域とが交互に設けられた砥石を研削加工に使用することにより、切れ味が向上し、加工中に磨耗した砥粒が欠落していく自生作用が向上し、切粉の排出性のよい、高品位の加工を実現できる。
また、結合剤を熱硬化性樹脂にすることで、砥石の作製時間を短縮することが可能となり、砥石の寿命も改善される。
また、結合剤を熱可塑性樹脂にした砥石を研削加工に使用することにより、加工品位を向上させることができる。

以下に、本発明に係る砥石の製造方法について説明する。
砥石の製造に当っては、砥粒と、磁性流体および／または磁性材料粉体と、結合剤とを含む砥石用材料を用いる。

砥粒は、従来の砥石に使用されている砥粒でよく、多結晶の人造ダイヤ（ＳＤ）などのダイヤモンド微粒子、ＧＣ砥粒（グリーンカーボン（緑色炭化珪素）砥粒）、ＷＡ砥粒（ホワイトアルミナ砥粒）などが挙げられる。

砥粒の粒径は、加工目的に合わせて選定すればよい。例えば、加工能率優先の場合には２０〜３０μｍ程度がよく、ワークの欠けなど加工品位優先の場合には６μｍ以下がよい。
また、砥粒の形状は、球形よりも楕円形あるいは卵型の方が好ましい。

砥粒は、砥石として５〜５０ｖｏｌ％となるように配合することが好ましい。
より表面性を求める場合は５〜２０％（ｖｏｌ％）、加工能率を求める場合は２５〜５０％（ｖｏｌ％）が望ましい。

磁性流体は、例えば液体中に高濃度のマグネタイトなどの強磁性超微粒子が安定に分散した系であり、通常媒体となる液体（ベース液）と、強磁性超微粒子と、該強磁性超微粒子の表面に強固に化学吸着する界面活性剤との３成分よりなる。強磁性超微粒子は、激しい熱運動と、表面に形成された界面活性剤層の相互反発力とにより、流体中で凝集することなく安定した分散状態が保たれている。
ここで、強磁性超微粒子は、粒径１０ｎｍ程度の極めて微細なマグネタイトまたはＭｎ−Ｚｎ系複合フェライトであることが好ましい。

磁性材料粉体は、ＭｎＺｎ・Ｆｅ_２Ｏ_３（Ｍｎ−Ｚｎ系複合フェライト）、Ｃｏ−γ−Ｆｅ_２Ｏ_３、ＢａＯ−６Ｆｅ_２Ｏ_３などいずれかの強磁性材料からなる微粒子であり、多結晶、単結晶いずれでもよい。粒径は１０ｎｍ程度の微粒子が最適であるが、場合によっては１０μｍオーダーのＭＲ流体と呼ばれるサイズも使用可能である。

砥石用材料には、上記磁性流体および／または磁性材料粉体が配合され、強磁性微粒子として該砥石用材料中に１０〜４０ｖｏｌ％となるように配合することが好ましい。

結合剤は、レジンボンドが好ましい。このうち、熱硬化性樹脂とすると、砥石製造における硬化時間を短縮できる。
また、熱可塑性樹脂とすると、ワークの欠けを小さくすることができる。ミリスチン酸ミリスチルは、砥粒および強磁性微粒子の分散性が良好であり、磁場内における砥粒及び強磁性微粒子の配列特性を阻害しないなどの特性を備えるので好ましい。

結合剤は、砥石用材料中に２５〜６０ｖｏｌ％となるように配合することが好ましく、５０ｖｏｌ％がとくに好ましい。

上記砥粒と、磁性流体および／または磁性材料粉体と、結合剤とを混合して砥石用材料とする。

第１の実施の形態としての砥石の製造方法は、上記砥石用材料を用いて、つぎの手順で処理が行われる。ここでは、結合剤が熱硬化型樹脂である場合を説明する。
（ｓ１１）図１のようにドーナツ円盤状の台金１２の外周側に砥石用材料１１ａを配置して、上金型１５ａ、下金型１５ｂでプレスする。
これにより、砥石用材料１１ａと台金１２とが一体となったドーナツ型の円盤形状に仮成形される（図２）。このとき、砥石用材料１１ａ中の砥粒は配列していない状態である。

（ｓ１２）ステップｓ１１の成形品に対して、磁石１６ａ、加熱ユニット１７を図３のように配置し、磁場印加処理と硬化処理を行う。
磁石１６ａは、円盤形状の砥石用材料１１ａの外周側（図３（ａ））で、かつ砥石用材料１１ａの厚みの中心（図３（ｂ））に配置する。また、砥石用材料１１ａには接していなくてもよいが、砥石用材料１１ａまでの距離は２ｍｍ以内が望ましい。
加熱ユニット１７は、磁石１６ａに隣接するように配置され、円盤形状の砥石用材料１１ａの磁石１６ａにより磁場を印加された領域について所定幅で加熱し、砥石用材料を硬化させることができる。

ここで、図４，５により、磁場印加処理を説明する。
図４は、図３の構成において、磁石１６ａにより円盤形状の砥石用材料１１ａに磁場の印加を開始したときの状態を示している。円盤形状の砥石用材料１１ａに対して、磁石１６ａにより円盤の外周から中心への方向に磁場が印加されている。このとき、砥石用材料中の磁性微粒子はその磁場の影響を受けてその磁場印加方向（円盤の外周から中心への方向）に配列し、同時に砥粒がその磁性微粒子の配列に沿って配列される。すなわち、磁場が印加された領域は砥粒配列領域１１ｂとなる。
ここで、磁場の強さは強いほど砥粒を細かく配列させることができ、磁場の印加条件は０．１Ｔ以上が好ましい。また、０．５〜１Ｔがより好ましい。

ついで、磁石１６ａで磁場を印加したまま，円盤形状の成形品を回転させると、その円盤の円周方向に連続して砥石用材料１１ａ中の砥粒が一方向（円盤の外周から中心への方向）に配列されるようになる。
なお、ステップｓ１１で成形された砥石用材料１１ａは、上記の如く磁場の影響を受けて自身の中で砥粒が配列する程度の流動性を有している必要がある。

したがって、図３のように磁場印加処理直後に砥粒配列領域１１ｂを加熱硬化できるようにすれば、磁場印加処理と硬化処理を行う位置を固定し、円盤形状の砥石用材料１１ａを該円盤の中心で回転させて磁場印加処理と硬化処理を行う位置を通過させることにより、連続して硬化までの処理を行うことができる。また、この場合、円盤の回転は１回転でよい。

（ｓ１３）ついで、砥石用材料１１ａがすべて硬化領域１１ｃとなった成形品について、上定盤１８ａ、下定盤１８ｂで挟んでラッピング処理を行い、砥石に仕上げる（図６）。
このようにして、砥粒が、円盤の外周から中心への方向に均一に配列されている砥石を得ることができる。

また、結合剤が熱可塑性樹脂の場合には、図７に示すように磁場印加処理及び硬化処理を行えばよい。
すなわち、図７（ａ）のように金型１５ｃ、１５ｄにより砥石用材料１１ｄと台金１２とが一体となったドーナツ型の円盤形状に仮成形し、そのままの状態で図７（ｂ）のように磁場印加処理用の磁石１６ｂと、冷却により砥石用材料を硬化させる冷却ユニット１９とを配置し、金型１５ｃ、１５ｄごと回転させて磁場印加処理と硬化処理とを連続して行えばよい。なお、この場合金型１５ｃ、１５ｄは非磁性材料である必要がある。

また、上記では磁石は円盤形状の砥石用材料の外周側にのみの配置であったが、図８に示すように円盤の外周と内周それぞれに異なる極性が向き合うように配置してもよい。これは、台金のないオールブレードの場合にとくに有効である。

つぎに、砥石の製造方法の第２の実施形態を説明する。
ここでは、第１の実施の形態と異なる部分である磁場印加処理について説明する。

図９に磁場印加処理の概念図を示す。
ここでは、磁石２６ａ、２６ｂが、円盤形状の砥石用材料の円盤平面を挟む形で、かつ異なる極性が向き合うように配置されている。
したがって、磁石２６ａ、２６ｂにより、砥石用材料には円盤厚み方向に磁場が印加されるようになり、砥石用材料中の磁性微粒子はその磁場の影響を受けてその磁場印加方向（円盤厚み方向）に配列し、同時に砥粒がその磁性微粒子の配列に沿って配列される。すなわち、磁場が印加された領域は砥粒配列領域２１ｂとなる。
ついで、磁石２６ａ，２６ｂで磁場を印加したまま，円盤形状の成形品を回転させると、その円盤の円周方向に連続して砥石用材料中の砥粒が一方向（円盤厚み方向）に配列されるようになる。このとき、磁場の印加条件は第１の実施形態と同様である。

図１０に、砥石用材料２１ａと台金２２とが一体となったドーナツ型の円盤形状となった成形品に対して、磁石２６ａ，２６ｂ、加熱ユニット２７を配置し、上記に示した磁場印加処理と硬化処理を行う態様を示す。
磁場印加処理と硬化処理を行う位置を固定し、円盤形状の砥石用材料２１ａを該円盤の中心で回転させて磁場印加処理と硬化処理を行う位置を通過させることにより、連続して硬化までの処理を行うことができる。
このようにして、砥粒が、円盤の厚み方向に均一に配列されている砥石を得ることができる。

なお、台金のないオールブレードの場合も図１１に示すように、同様の磁場印加処理が可能である。この場合、磁石２６ａ，２７ｂは円盤形状の砥石用材料の外周側に配置するとよい。

つぎに、砥石の製造方法の第３の実施形態を図１２に基づいて説明する。
第３の実施の形態は磁場印加処理に特徴があり、磁石３６ａ、３６ｂの配置は、図９と同様であるが、磁場の印加方法が第２の実施の形態と異なる。
すなわち、印加する磁場の強度を円盤の円周方向で周期的に変化させており、円盤の回転とともに、一定の磁場強度で印加することと磁場強度を０とすることとを交互に行う処理を行っている。具体的には、磁石３６ａ，３６ｂを電磁石とし、その電源のオンオフにより制御すればよい。
これにより、円盤の円周上で砥粒が配列された領域３１ｂとそうでない領域３１ａとが交互に設けられる。

また、電磁石３６ａ，３６ｂの電源オン時間、オフ時間及び円盤の回転速度を調整することにより、砥粒が配列された領域３１ｂとそうでない領域３１ａとの円盤平面上の面積比を調整することが可能である。
ここで、図１２は砥粒が配列された領域３１ｂとそうでない領域３１ａとの円盤平面上の面積比が１：１の場合、図１３は砥粒が配列された領域３１ｂとそうでない領域３１ａとの円盤平面上の面積比が１：３の場合を示している。

以下に、実際に砥石を製造した結果を示す。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
（実施例１）
第１の実施の形態に示した砥石の製造方法により砥石を製造した。その条件は次の通りである。
（１）砥石用材料
・砥粒：ダイヤモンド微粒子（ＳＤ２０／３０）配合量30％
・磁性材料粉体：ＭｎＺｎ・Ｆｅ_２Ｏ_３（Ｍｎ−Ｚｎ系複合フェライト）
粒径１０ｎｍ、配合量30％
・結合剤：熱可塑性樹脂としてミリスチンサンミリスチル、配合量40％
（２）磁場印加処理：0.１Ｔ
また、比較例として磁場を印加せずに砥石を作製した。

得られた砥石の断面として、磁場印加方向に平行な面を観察した結果を図１４に示す。図中、白色部分が砥粒であり、黒色部分が磁性材料及び結合剤である。
砥粒が磁場印加方向に平行に配列されている状況が観察された。

また、図１４中Ａの位置で切断し、磁場印加方向に対して垂直面を観察した結果を図１５に示し、比較例の砥石の断面状態を図１６に示す。
比較例では砥粒の分布は不均一であるのに対して、実施例１では砥粒が均一に配列している状況が観察された。

（実施例２）
第３の実施の形態に示した砥石の製造方法により、砥粒未配列領域と砥粒配列領域との円盤平面上の面積比を変化させて砥石を製造した。
砥石の製造条件は実施例１と同様とし、磁場印加処理において磁場印加オンオフのみ調整した。

ついで、製造した砥石をセットした精密研削加工機を使用して以下の条件で加工テストを行った。
・ワーク：ＭｎＺｎ・Ｆｅ_２Ｏ_３（Ｍｎ−Ｚｎ系複合フェライト）板材（板厚２ｍｍ）
・加工条件：
切り込み：０．２５ｍｍ
主軸回転数：８０００ｒｐｍ
砥石直径：１００ｍｍ
テーブルスピード：５０ｍｍ／ｍｉｎ

加工の評価として、ワークの加工部分を観察して１０μｍ以上の欠けをカウントした。その結果を図１７に示す。
本発明品である砥粒が配列した砥石はいずれも、砥粒が配列されていないサンプルよりも欠け数量が少なく、その改善効果が認められた。
また、砥粒が配列した砥石の中で、配向比率（砥粒未配列領域と砥粒配列領域との円盤平面上の面積）として１：１のサンプルが最も欠けに関する改善効果が大きかった。

（実施例３）
結合剤として、熱硬化樹脂とした場合と熱可塑性樹脂とした場合とで砥石の製作時間、その砥石を使用した加工における欠け数、その加工における砥石の磨耗量を調査した。
なお、熱硬化性樹脂としてエポキシ系接着剤を、熱可塑性樹脂としてミリスチンサンミリスチルを使用し、それ以外の条件は実施例１と同様とした。また、加工テストは実施例２の加工条件と同様とした。

調査結果を図１８に示す。
結合剤として熱硬化性樹脂を使用すると、製作効率が熱可塑性樹脂の場合よりも約３分の１の時間で製作できる。また、磨耗量も少なく、熱可塑性樹脂の場合よりも２．５倍寿命が延びることが認められる。
結合剤として熱可塑性樹脂を使用すると、熱硬化性樹脂の場合よりも欠け数の低減が認められた。

本発明に係る砥石の製造方法における砥石用材料の成形方法を示す概略図である。本発明に係る砥石の製造方法における砥石用材料の成形状態を示す概略図である。本発明に係る砥石の製造方法のうち、第１の実施の形態における磁場印加処理と硬化処理を示す概略図である。本発明に係る砥石の製造方法のうち、第１の実施の形態における磁場印加処理の概略図（１）である。本発明に係る砥石の製造方法のうち、第１の実施の形態における磁場印加処理の概略図（２）である。本発明に係る砥石の製造方法における砥石ラッピング処理を示す概略図である。結合剤を熱可塑性樹脂とした場合の磁場印加処理と硬化処理を示す概略図である。第１の実施の形態における、オールブレードの場合の磁場印加処理の概略図である。本発明に係る砥石の製造方法のうち、第２の実施の形態における磁場印加処理の概略図である。本発明に係る砥石の製造方法のうち、第２の実施の形態における磁場印加処理と硬化処理を示す概略図である。第２の実施の形態における、オールブレードの場合の磁場印加処理の概略図である。本発明に係る砥石の製造方法のうち、第３の実施の形態における磁場印加処理の概略図（１）である。本発明に係る砥石の製造方法のうち、第３の実施の形態における磁場印加処理の概略図（２）である。実施例１の砥石の断面図（１）である。実施例１の砥石の断面図（２）である。比較例の砥石の断面図である。実施例２の評価結果を示す図である。実施例３の評価結果を示す図である。ワークの欠けの状態を示す図である。

符号の説明

１１ａ，２１ａ，３１ａ…砥石用材料（磁場印加なし）、１１ｂ，２１ｂ，３１ｂ…磁場印加領域、１１ｃ，２１ｃ…硬化領域、１２，２２…台金、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ…金型、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，２６ａ，２６ｂ，３６ａ，３６ｂ…磁石、１７，２７…加熱ユニット、１８ａ，１８ｂ…ラップ定盤、１９…冷却ユニット、Ｗ…ワーク

Claims

砥粒と、磁性流体および／または磁性材料粉体と、結合剤とを含む砥石用材料を円盤形状に成形した後、
前記円盤形状の砥石用材料に対して磁場を一方向に印加して、砥石用材料中の砥粒を配列させる磁場印加処理と、
前記砥石用材料の砥粒が配列された領域を硬化させる硬化処理とを該円盤の円周方向に順次行うことを特徴とする砥石の製造方法。
前記磁場の印加方向を、前記円盤の外周から中心への方向とすることを特徴とする請求項１に記載の砥石の製造方法。
前記磁場の印加方向を、前記円盤の厚み方向とすることを特徴とする請求項１に記載の砥石の製造方法。
前記磁場印加処理の磁場の強度を前記円盤の円周方向で周期的に変化させることを特徴とする請求項１に記載の砥石の製造方法。
前記磁場の強度の周期的な変化が、一定の磁場強度で印加することと磁場強度を０とすることとを交互に行うことであることを特徴とする請求項４に記載の砥石の製造方法。
前記磁場の強度変化の周期として、一定の磁場強度を印加する時間と磁場強度０の時間との比を１：１とすることを特徴とする請求項５に記載の砥石の製造方法。
前記結合剤が、熱硬化性樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の砥石の製造方法。
砥粒と磁性流体および／または磁性材料粉体と結合剤とを含む砥石用材料から製造される円盤形状の砥石であって、
前記砥石用材料を円盤形状に成形した後に、前記円盤形状の砥石用材料に対して磁場を一方向に印加して、砥石用材料中の砥粒を配列させる磁場印加処理と、前記砥石用材料の砥粒が配列された領域を硬化させる硬化処理とを該円盤の円周方向に順次行って製造することにより、前記砥粒が均一に分散して配列されていることを特徴とする砥石。
前記砥粒が、円盤の外周から中心への方向に配列されていることを特徴とする請求項８に記載の砥石。
前記砥粒が、円盤の厚み方向に配列されていることを特徴とする請求項８に記載の砥石。
前記円盤の円周上で砥粒が配列された領域とそうでない領域とが交互に設けられたことを特徴とする請求項８に記載の砥石。
前記砥粒が配列された領域とそうでない領域との円盤平面上の面積比が１：１であることを特徴とする請求項１１に記載の砥石。
前記結合剤が、熱硬化性樹脂からなることを特徴とする請求項８に記載の砥石。