JP2005271157A - ラップホイール - Google Patents

Abstract

【課題】 ラップ加工中に適度に摩耗砥粒が脱落して常に鋭利な砥粒が加工に寄与するようにして、安定した切れ味を長く維持することが可能なラップホイールを提供する。
【解決手段】 ホイール面を周方向と径方向のいずれか一方または両方について分割し、ダイヤモンド等の砥粒を配置した超砥粒層１２と、超砥粒層１２をドレッシングするためのドレス材を配置したドレス材層１３とが交互に配置されている。ドレス材として、グリーンカーボンやホワイトアルミナを用いることができる。超砥粒層１２の総面積はドレス材層１３を含む全ホイール表面積の３０％以上７０％以下であり、ドレス材層１３に配置されたドレス材の粒径を、超砥粒層１２に配置された超砥粒の粒径以下としている。また、ドレス材層１３においてドレス材を結合する結合材の結合強度を、超砥粒層１２において超砥粒を結合する結合材の結合強度の５０％以上８０％以下としている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ラップ加工において用いられ、セルフドレッシングが可能なラップホイールに関する。

ラップ加工とは、研磨材を含有した研磨液を使用して、定盤により被研磨体の表面の凹凸、不要層の除去を目的として行われるものである。ラップ加工法のうち、両面ラップにおいては、被加工物を収納できる孔を有する樹脂などからなるキャリアと呼ばれる板に被加工物を収納し、このキャリアを２枚の定盤の間に配置し、２枚の定盤の間にアルミナなどの微粉末を含むスラリーを供給し、２枚の定盤を反対方向に回転させることにより、被加工物の表面を研磨する遊離砥粒ラップ加工が一般的である。
しかしながら、遊離砥粒のラップ加工では、砥粒が転動しながら被加工物を削るためその加工能率が低く、ダイヤモンド砥粒を結合材で保持した固定砥粒ラップホイールが用いられるようになってきた。

この固定砥粒ラップ加工では、砥面と被削材とが面当たりし、ホイール周速が２００ｍ／ｍｉｎ以下と低速であり、加工圧力が５００×１０^-4ＭＰａと低荷重であるため、砥粒保持力が高い固定砥粒ラップホイールを用いると、上記のような低速、低荷重の使用条件下では、砥粒の目替わりが充分に行われない。そのため、使用中に砥粒が目潰れし、切れ味が低下する。

しかし、砥粒の目替わりを起こすために結合材の砥粒保持力を下げようとすると、結合材の物性として結合度ばかりでなく硬度が低下してしまい、加工中に砥粒が結合材中に沈み込み、切れ刃として機能しないという問題点が生じる。

そのため、従来においては、一般砥石を挟み込んで加工し、超砥粒層を削ることによって砥粒の目立てを行っていた。この目立てにより、目潰れした砥粒は脱落し、鋭利な砥粒が突き出して切れ味が回復する。

また、特許文献１には、切れ味を安定持続するために、円盤状台金片面に超砥粒層を固着成形した超砥粒砥石において、前記砥粒層をダイヤモンド砥粒層とｃＢＮ砥粒層とから構成し、かつ前記ダイヤモンド砥粒層の砥粒保持力を前記ｃＢＮ砥粒層の砥粒保持力よりも弱くした超砥粒砥石が開示されている。この超砥粒砥石は、ダイヤモンド砥粒層の砥粒保持力をｃＢＮ砥粒層の砥粒保持力よりも弱くすることにより、使用に伴い先にダイヤモンド砥粒が脱落して遊離状態となり、この遊離したダイヤモンド砥粒がｃＢＮ砥粒に衝突し、ｃＢＮ砥粒の一部を破壊して鋭利な状態にすることによって切れ味を回復させるものである。
また、特許文献２には、砥材層と砥材層の隙間にドレス材を適当に配置した研削砥石が開示されている。

特開平１０−１５１５７１号公報 実開昭５１−０９４０９２号公報

しかし、上述したラップ加工において目立てを行うと、目立ては超砥粒層を削り込んで行うため、目立て時の超砥粒層の摩耗が大きく、超砥粒層の厚み方向に充分な目立てを行うことができず、超砥粒層の厚みを充分に生かすことができない。また、目立て作業を別途の工程として設けることが必要であり、加工時間のロスを生じてしまう。また、特許文献１記載の超砥粒砥石の構成をラップ加工にそのまま適用すると、使用する砥材がｃＢＮであるためホイールの価格が高くなるという問題が生じる。
また、ラップ加工は、低荷重、低回転速度という特殊な加工条件のもとでなされるため、元々ボンド後退性が低く、超砥粒層とドレス材層の形状、強度、使用粒度の関係は、ボンド後退性を大きく左右する。このようなラップ加工においては、超砥粒層の面積の割合や、ドレス材の粒径、結合材の強度についての適性な範囲を定めなければ、研削とドレッシングの効果を有効に得ることはできない。特許文献２の研削砥石では、ドレス材層を形成する位置や幅については特に限定しておらず、ラップ加工という特殊な加工条件のもとで特許文献２の研削砥石を好適に用いることはできない。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、ラップ加工中に適度に摩耗砥粒が脱落して常に鋭利な砥粒が加工に寄与するようにして、安定した切れ味を長く維持することが可能でありかつ安価なラップホイールを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明は、ホイール周速が２００ｍ／ｍｉｎ以下であり、加工圧力が５００×１０^-4ＭＰａ以下であり、研削面の幅が７０ｍｍ以上のラップ加工において使用されるラップホイールにおいて、ホイール面を周方向と径方向のいずれか一方または両方について分割し、超砥粒を配置した超砥粒層と、前記超砥粒層をドレッシングするためのドレス材を配置したドレス材層とを交互に配置し、前記超砥粒層の総面積を、前記ドレス材層を含む全ホイール表面積の３０％以上７０％以下としたことを特徴とするラップホイールである。

ホイール面に、超砥粒を配置した超砥粒層ばかりでなく、超砥粒層をドレッシングするためのドレス材を配置したドレス材層を設けたことにより、ラップ加工中にドレス材によって摩耗砥粒が適度に脱落して、常に鋭利な砥粒がラップ加工に寄与することが可能となる。これにより、砥粒の目立て作業を別途の工程として設けることなく、安定した切れ味を長く維持することが可能なラップホイールを実現することができる。なお、ホイールの超砥粒層表面の半径方向の幅とは、図２（ａ）に示す寸法Ｌのことをいう。

超砥粒層の総面積を、ドレス材層を含む全ホイール表面積の３０％以上７０％以下としたことにより、超砥粒層による研削能力を維持しつつ、ドレス材層によるドレッシングを適度に行って、超砥粒層の目替わりを適正に行うことができる。
超砥粒層の総面積がドレス材層を含む全ホイール表面積の３０％未満であると、作用する超砥粒の数が少なすぎて研削能力が低下し、超砥粒層の総面積がドレス材層を含む全ホイール面積の７０％を超えると、ドレス材層から脱落して超砥粒をドレッシングするドレス材が不足して超砥粒層の目替わりを適正に行うことができない。

本発明は、前記ドレス材層に配置されたドレス材の粒径を、前記超砥粒層に配置された超砥粒の粒径以下としたことを特徴とする。
ドレス材層に配置されたドレス材の粒径を、超砥粒層に配置された砥粒の粒径以下としたことにより、超砥粒よりもドレス材が早く脱落しやすくなり、ドレス材が超砥粒をドレッシングして、超砥粒層の目替わりを促進することができる。

本発明は、前記ドレス材層において前記ドレス材を結合する結合材の結合強度を、前記超砥粒層において前記超砥粒を結合する結合材の結合強度の５０％以上８０％以下としたことを特徴とする。
ドレス材を結合するための結合材の強度が、超砥粒層において超砥粒を結合するための結合材の強度の５０％未満であると、ドレス材層が早く摩耗してホイール面の平坦度が悪くなって好ましくない。一方、ドレス材を結合するための結合材の強度が、超砥粒層において超砥粒を結合するための結合材の強度の８０％を超えると、ドレス材層の摩耗量が少なく、ドレッシングに作用するドレス材の数が減少して適正なドレッシング効果が得られない。

本発明は、前記ドレス材層の周方向幅が、被削材の最短長さより短いことを特徴とする。
超砥粒層とドレス材層とは、摩耗の進行の度合が異なるため、ホイール面が平坦とはならない場合がある。このように凹凸を有するホイール面上で研削を行うには、被削材は超砥粒層を挟んで形成されたドレス材層を跨ぐに足りるだけの長さを持たなければ、被削材は平坦な状態でホイール面上にセットされないこととなる。従って、ドレス材層の周方向幅を、被削材の最短長さより短くすることによって、被削材をホイール面上で平坦に保つことができ、被削材の研削を良好な状態で行うことができる。

本発明によると、以下の効果を奏する。
（１）ホイール周速が２００ｍ／ｍｉｎ以下であり、加工圧力が５００×１０^-4ＭＰａ以下であり、ホイールの超砥粒層表面の半径方向の幅が７０ｍｍ以上のラップ加工において使用されるラップホイールにおいて、ホイール面を周方向と径方向のいずれか一方または両方について分割し、超砥粒を配置した超砥粒層と、前記超砥粒層をドレッシングするためのドレス材を配置したドレス材層とを交互に配置したことにより、ラップ加工中にドレス材によって摩耗砥粒が適度に脱落して、常に鋭利な砥粒がラップ加工に寄与するため、砥粒の目立て作業を別途の工程として設けることなく、安定した切れ味を長く維持することが可能なラップホイールを実現することができる。

（２）超砥粒層の総面積をドレス材層を含む全ホイール表面積の３０％以上７０％以下としたことにより、超砥粒層による研削能力を維持しつつ、ドレス材層によるドレッシングを適度に行って、超砥粒層の目替わりを適正に行うことができる。

（３）ドレス材層に配置されたドレス材の粒径を、超砥粒層に配置された超砥粒の粒径以下としたことにより、超砥粒よりもドレス材が早く脱落しやすくなり、ドレス材が超砥粒をドレッシングして、超砥粒層の目替わりを促進することができる。

（４）ドレス材層においてドレス材を結合する結合材の結合強度を、超砥粒層において超砥粒を結合する結合材の結合強度の５０％以上８０％以下としたことにより、ドレス材層と超砥粒層との摩耗の均衡を保ってホイール面の平坦度を維持しつつ、ドレス材層から脱落して超砥粒をドレッシングするドレス材の数を確保して超砥粒層の目替わりを適正に行うことができる。

（５）ドレス材層の周方向幅が被削材の最短長さより短いことにより、被削材をホイール面上で平坦に保つことができ、被削材の研削を良好な状態で行うことができる。

以下、本発明の実施の形態に係るラップホイールについて説明する。
図１に、本発明の実施の形態に係るラップホイールを示す。
図１において、ラップホイールは上定盤１と下定盤２とからなり、キャリア３に被削材４が収納されている。キャリア３は被削材４を収納できる孔を有するものであり、このキャリア３が上定盤１と下定盤２との間に配置される。上定盤１と下定盤２の中心には回転軸５が取り付けられ、２枚の定盤の間にアルミナなどの微粉末を含むスラリーを供給し、２枚の定盤を反対方向に回転させることにより、被削材４の表面が研磨される。

図２に、ラップホイールの加工面における砥粒の配置の様子を示す。
図２（ａ）、（ｂ）のいずれにおいても、ホイールの中心には回転軸５を取り付けるための取付穴１１が設けられている。
図２（ａ）では、ホイール面はホイールの周方向について分割されている。この分割された領域は、ダイヤモンド等の砥粒を配置した超砥粒層１２と、超砥粒層１２をドレッシングするためのドレス材を配置したドレス材層１３と、超砥粒層１２とドレス材層１３との間に設けられたスリット１４とからなっている。ドレス材として、グリーンカーボン（ＧＣ）やホワイトアルミナ（ＷＡ）を用いることができる。

図２（ｂ）では、ホイール面はホイールの周方向と径方向について分割され、超砥粒層１２とドレス材層１３とが周方向と径方向のいずれについても交互に設けられている。

図２（ａ）、（ｂ）のいずれにおいても、超砥粒層１２の総面積はドレス材層１３を含め全ホイール表面積の３０％以上７０％以下であり、ドレス材層１３に配置されたドレス材の粒径を、超砥粒層１２に配置された超砥粒の粒径以下としている。
また、ドレス材層１３においてドレス材を結合する結合材の結合強度を、超砥粒層１２において超砥粒を結合する結合材の結合強度の５０％以上８０％以下としている。

以下に、具体的な実施例を示す。
ラップホイールを以下の仕様で作製した。発明品と従来品との共通仕様は、以下の通りである。
砥材 合成ダイヤモンド ＃２７０
集中度 ２０
ボンド メタルボンド
超砥粒層のチップ形状 扇形セグメントチップ
寸法 ２９８Ｄ×３５Ｔ×７４Ｗ×２Ｘ

発明品では、ＧＣ３２０をドレス材とし、ボンド材としてビトリファイドボンドを用いてドレス材層を形成した。超砥粒層のチップ数とドレス材層のチップ数とをいずれも１２とし、超砥粒層とドレス材層とを交互に配列した。これに対し、従来品ではドレス材層を設けずに、超砥粒層のチップ数を２４とした。

上記の発明品と従来品について、サファイヤラップ加工による加工試験を行った。試験条件は以下の通りである。
被削材 サファイヤ 寸法 φ２インチ×１．５ｍｍ
機械 両面ラッピングマシン
加工条件 ホイール回転速度 ２０ｍｉｎ^-1
サンギヤ回転速度 ４ｍｉｎ^-1
加工圧力 １５０×１０^-4ＭＰａ
加工枚数 ５枚／バッチ×２０バッチ
取代 １００μｍ
研削液 ノリタケクールＣＧ３００ＭＤ（商品名）の５０倍希釈 水溶液

図３に、試験結果を示す。
発明品では、加工バッチ数が増えても加工能率が高水準でほぼ一定に保たれているのに対して、従来品では加工能率が急速に低下し、目立てを行うとその直後は加工能率が回復するものの、その後再び急速に加工能率が低下する。このことから、発明品に設けられたドレス材層によって、適宜超砥粒層がドレッシングされ、加工性能が高レベルで維持されていることがわかる。

図４に、超砥粒層の総面積とドレス材層を含む全ホイール表面積との比率を変化させて、加工試験を行った結果を示す。
超砥粒層の総面積をドレス材層を含む全ホイール表面積の５０％としたものは、研削に作用する超砥粒と、ドレッシングのためのドレス材の数のバランスがとれているため、超砥粒が適切にドレッシングされる。これによって、研削能率は加工バッチ数が増えても高水準を維持することができる。

一方、超砥粒層の総面積をドレス材層を含む全ホイール表面積の３０％としたものは、これよりも加工能率が低く、１０μｍ／ｍｉｎ程度のレベルとなっている。しかしながら、今回の実施例に示すサファイヤの加工においては１００分間での加工能率が１０μｍ／ｍｉｎ以上となることを維持することが求められていることから、この要求を持たす下限レベルであるということができる。

また、超砥粒層の総面積をドレス材層を含む全ホイール表面積の７０％としたものは、研削初期においては研削能率が良好であるものの、加工バッチ数が増えるに従って加工能率が低下する。これは、ドレス材層の総面積が少ないために超砥粒をドレッシングするためのドレス材が充分に確保できず、超砥粒の研削能力が低下するためであるが、この場合にも加工バッチ数を制限することによって、前述した加工能率１０μｍ／ｍｉｎ以上のレベルを維持することができる。

図５に、超砥粒粒径とドレス材粒径との比率を変化させて、加工試験を行った結果を示す。
ドレス材の粒径が超砥粒の粒径の８０％のものと１００％のものでは、加工能率がほぼ１０μｍ／ｍｉｎ以上で安定しているのに対して、ドレス材の砥粒径が大きくなるに伴ってドレス材砥粒は脱落しにくくなり、ドレス材の粒径が超砥粒の粒径の１２０％のものでは、加工能率が早期に低下して１０μｍ／ｍｉｎ以上のレベルを維持することができない。

図６に、超砥粒層の結合材強度とドレス材層の結合材強度との比率を変化させて、加工試験を行ったときの加工能率推移を示す。また、図７に、超砥粒層結合材強度とドレス材層結合材強度との比率を変化させて、加工試験を行ったときの被削材平坦度変化を示す。
図６に示すように、ドレス材を結合するための結合材の強度が、超砥粒層において超砥粒を結合するための結合材の強度の８０％以内であると、加工能率が良好に保たれており、８０％のときが加工能率１０μｍ／ｍｉｎ以上のレベルを維持するための上限であることがわかる。

また、図７に示すように、ドレス材を結合するための結合材の強度が、超砥粒層において超砥粒を結合するための結合材の強度の５０％以上のものは被削材の平坦度が良好であるのに対して、４０％のものでは被削材の平坦度が悪くなっている。これは、ドレス材層が早く摩耗したためである。

本発明は、セルフドレッシングが可能なラップホイールとしてラップ加工において利用することができる。

本発明の実施の形態に係るラップホイールを示す図である。 ラップホイールの加工面における超砥粒層とドレス層の配置の様子を示す図である。 ドレス材層を設けた発明品と、ドレス材層を設けない従来品について加工試験を行った結果を示す図である。 超砥粒層の総面積とドレス材層を含む全ホイール表面積との比率を変化させて、加工試験を行った結果を示す図である。 超砥粒粒径とドレス材粒径との比率を変化させて、加工試験を行った結果を示す図である。 超砥粒層結合材強度に対するドレス材層結合材強度との比率を変化させて、加工試験を行った結果の加工能率推移を示す図である。 超砥粒層結合材強度に対するドレス材層結合材強度との比率を変化させて、加工試験を行った結果の被削材平坦度変化を示す図である。

符号の説明

１ 上定盤
２ 下定盤
３ キャリア
４ 被削材
５ 回転軸
１１ 取付穴
１２ 超砥粒層
１３ ドレス材層
１４ スリット

Claims (4)

1. ホイール周速が２００ｍ／ｍｉｎ以下であり、加工圧力が５００×１０^-4ＭＰａ以下であり、研削面の幅が７０ｍｍ以上のラップ加工において使用されるラップホイールにおいて、ホイール面を周方向と径方向のいずれか一方または両方について分割し、超砥粒を配置した超砥粒層と、前記超砥粒層をドレッシングするためのドレス材を配置したドレス材層とを交互に配置し、前記超砥粒層の総面積を、前記ドレス材層を含む全ホイール表面積の３０％以上７０％以下としたことを特徴とするラップホイール。
2. 前記ドレス材層に配置されたドレス材の粒径を、前記超砥粒層に配置された超砥粒の粒径以下としたことを特徴とする請求項１記載のラップホイール。
3. 前記ドレス材層において前記ドレス材を結合する結合材の結合強度を、前記超砥粒層において前記超砥粒を結合する結合材の結合強度の５０％以上８０％以下としたことを特徴とする請求項１または２に記載のラップホイール。
4. 前記ドレス材層の周方向幅が、被削材の最短長さより短いことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のラップホイール。

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