JP2007537890A - ろう付けされたダイヤモンドドレッシング工具 - Google Patents

Abstract

新規及び使用済みの研磨研削及び切削工具の仕上げ及び手入れのためのドレッシングブレードは、シャンクから縦方向に突き出た延長部を備えたスラブ形状を有する。超砥粒が当該延長部の表面上に配置され、ろう付けされた金属組成物によって所定の場所に保持される。この組成物は、ろう付け用金属成分と活性金属成分の粉末状混合物をろう付けすることにより形成される。超砥粒を単層の配置に整列することで工具の正確なドレッシングと簡単な製作を可能にする具体的な延長部の構成が提供される。新規ドレッシング工具は優れた摩耗特性を示す。

Description

本発明は、研削又は切削工具の研磨性部分をドレッシングするための工具に関する。より具体的には、本発明は、ろう付けされた金属組成物によって金属シャンクに取り付けられたダイヤモンド粒子を有するドレッシング工具に関する。

ドレッシングとは、新しい研磨工具、即ち、研削又は切削工具を製作するか又は使用済みのこれらの工具を手入れする際にしばしば用いられる研磨作業のことを意味する。これらの工具は、構造的に支持的なコアと、結合成分によって当該コアに保持された個々の砥粒の研磨性部分とを典型的に有する。このような工具の一般的な例としては砥石車がある。当初生産されたときには、このような工具は、工具の作用刃先を画定する小さい幾何学的な凸凹を特に表面において示す場合が多い。さらに、研磨工具は、日常的に使用されるにつれて鈍化する。鈍化は、主として加工物との繰り返しの衝撃にさらされて摩耗した研磨粒子を結合成分が保持する結果として生じる。これはまた、研磨粒子間の空間が研磨くずで満たされるにつれて、露出した刃先がなくなることによっても生じる。

ドレッシング作業は、ドレッシングブレードが刃先に対して保持又は適用された研磨工具の機械的な成形を通常伴い、工具の制御された研磨を作り出す。ドレッシングは、研磨性部分の高くなった場所から余分な材料を除去する。したがって、製造業者は、通常、研磨工具製作の後工程においてドレッシングを使用して刃先を所望の形状に成形する。ドレッシングはまた、工具寸法を設計公差仕様と正確に適合させることも意味する。例えば、ドレッシングを砥石車上で使用して、砥石車が運転中回転しているときに砥石車の刃先が正しく走行するようにすることができる。ドレッシングはまた、使用済み工具を快削状態まで研いで回復させることができる。これは、外側の粒子が消費された後に下にある新しい砥粒を露出させるべく浸食されなかった結合材料を研磨により除去すること、及び一次研削作業の際に粒子間に蓄積する加工物のくずと結合成分の残留物を彫り出すことによって行われる。

従来のドレッシング工具の研磨性部分は、しばしば平面的な配置において体系的に又は不規則に配置されたダイヤモンド粒子を典型的に含有している。この研磨性部分は、ドレッシングを実施するよう適合された機械への工具の固定を可能にするベースに接合される。研磨性部分は、ドレッシング工具の刃先がドレッシングすべき研磨工具に対して接線方向に配置され得るような形でベースに適用される。ドレッシング工具の先端に配置され、研磨工具に対し外向きに露出されたダイヤモンド粒子によって制御された研磨が達成される。

ドレッシングプロセスの際のドレッシング工具の摩耗特性は、研磨工具の製造業者にとって大きな関心事である。ドレッシング工具の摩耗が早い場合には、それは頻繁に取り替える必要がある。ドレッシング工具はダイヤモンドなどの高価な材料を使用する。これらの工具は、高い品質及び寸法精度の基準に適って作製される。したがって、ドレッシング工具の製作はたいてい複雑でかつ労働集約的であり、ドレッシング工具は比較的高価である。それゆえ、研磨工具の製造業者にとって、長い耐用年数を提供する耐久性のあるドレッシング工具を入手することが重要である。

ドレッシング工具のダイヤモンド粒子の摩耗は、ドレッシングされる工具の研磨性部分がダイヤモンドよりも一般に軟質であることから比較的軽微である。有意な摩耗は、ドレッシング工具のベースにダイヤモンドを接合する結合材料の劣化によって生じる。劣化の主な理由は、結合材料自体がドレッシングの際に加工物との接触によって摩耗することである。ダイヤモンド粒子を埋め込んだ結合材料の塊は、これらの粒子を保持するには不十分な量の材料しか残らなくなるまで使用中に減少する。通常、砥石車の研磨作用に耐えるための手段として、金属結合材料を用いてドレッシング工具のダイヤモンド粒子を取り囲む。好ましくは、ダイヤモンド粒子が埋め込まれる金属結合剤の組成は、かなり高い耐摩耗性を提供するよう選択される。

ドレッシング工具に対するダイヤモンド粒子の金属結合は、通常、金属元素、金属化合物及びそれらの合金を含む組成物によって行われる。金属結合組成物は、ろう付けプロセスによって形成されることもある。大まかに要約すると、このプロセスは、構成要素の微粒子の十分に分散された混合物を、それらが融解して粒子のまわりを流れる温度まで加熱することを伴う。次いで、工具は、融解した結合組成物が凝固して粒子を埋め込み、それらを工具の金属ベースに付着させるように冷却される。別の金属結合技術としては、ダイヤモンド粒子と金属粉末混合物を圧縮して予備成形された形状の圧縮研磨部材を形成することが挙げられる。圧縮研磨部材を熱処理することで、金属粉末混合物全体を液化することなく、当該混合物が焼結、即ち、高密度化され、ダイヤモンド粒子が焼結金属によって結合された状態となるようにする。これは、粉末治金結合技術と称される場合もある。

ドレッシング工具からダイヤモンド粒子を早期に剥離させる別の有意な要因は金属結合の強度である。結合が弱いと機能しなくなり、強い結合に比べてより早く使用条件下でダイヤモンド粒子が剥離することになり、したがって、弱く結合した工具は摩耗が加速される。

ダイヤモンドは、ろう付けされた結合組成物にとって望ましい多くの金属及び金属合金に通常うまく結合しない。結合強度を大きくするため、前駆体の結合組成物中にチタン、クロム又はジルコニウムなどの反応性金属成分を組み込むことを伴う技術が開発された。この反応性金属成分は、ダイヤモンド粒子と直接反応して粒子と強い化学結合を形成するその能力によって特徴付けられる。これらのいわゆる「活性金属」結合組成物は、したがって非反応性と反応性両方の成分を有する。通常、非反応性成分は結合組成物の大部分を構成する。非反応性成分は合金となってベースに対し付着力のある強くかつ耐久性のある結合を形成する。反応性成分は、化学結合によって超砥粒にしっかりと付着し、非反応性合金と凝集性である。例えば、Ｗｉａｎｄの米国特許第４，９６８，３２６号明細書は、炭化物形成物質をろう付け用合金及び一時バインダーと混合する工程、該混合物を工具基材に適用する工程、該混合物をコーティングした工具上にダイヤモンド粒子を適用する工程、並びにこうして組み合わされた材料を加熱し、まずダイヤモンド上に炭化物コーティングを形成する工程を含むダイヤモンド切削及び研磨工具の作製方法を開示している。その後、炭化物をコーティングしたダイヤモンドが工具にろう付けされる。開示されるろう付け用合金は、ニッケル、銀、金又は銅に基づくものである。

ダイヤモンド粒子を埋め込む金属結合組成物が強力な付着を提供するのに十分な金属ベースとの接触面を有するということは、耐久性のあるドレッシング工具を作る上で特に重要な点である。ベースの幾何学的形状は重要な要因であり得る。国際公開第００／６３４０号パンフレット（２０００年２月１０日）の図４は、４つの砥粒が積み重ねて配置されて工具の金属コアから突き出た単一粒子幅の刃先を形成する回転式ドレッシング工具のリム構成を示している。このリムは、その狭い円周方向領域のみが結合材料と接触し、粒子間結合材料の構造以外に横方向の支持体が存在しないように粒子の幅と等しい幅に成形されている。米国特許第４，８０５，５３６号明細書の図２及び図３などの他のドレッシング工具構成は、ドレッシング工具ベースの金属裏打ち構造を含む。この裏打ち構造は、ベースに付着するためのより広い領域を金属結合に提供し、したがって金属結合とベースの間により強い接続を提供するものである。

ドレッシング工具の交換頻度を少なくできるよう優れた耐摩耗性を有するドレッシング工具を持つことが望ましい。さらに、従来の工具よりも簡単かつ容易に製作することのできるドレッシング工具を提供することが強く望まれている。

したがって、本発明は、（ｉ）平坦な底面と該底面に平行である平坦な上面を画定し、端部から縦方向に突き出た延長部を有するスラブ形状の金属シャンクと、（ｉｉ）超砥粒と、（ｉｉｉ）該超砥粒を前記延長部に化学的に結合させるよう作用するろう付けされた金属組成物とを含む研磨工具を調整するためのドレッシングブレードであって、前記ろう付けされた金属組成物がろう付け用金属成分と活性金属成分とを含む熱高密度化された塊であり、前記超砥粒が前記ろう付けされた金属組成物中に均一に分散され、単層中にあって各隣接粒子と接触している、ドレッシングブレードを提供する。

さらに（ｉ）平坦な底面と該底面に平行である平坦な上面を画定し、端部から縦方向に突き出た金属延長部を有するスラブ形状の金属シャンクと、（ｉｉ）超砥粒と該超砥粒を前記延長部に結合させるよう作用するろう付けされた金属組成物を有する研磨性部分とを含む研磨工具を調整するためのドレッシングブレードであって、前記延長部が前記底面と同一平面にある一方の面と平坦面を画定する反対側の面とを有する平坦なシートであり、前記超砥粒が前記ろう付けされた金属組成物中に均一に分散され、前記平坦面に隣接して配置され、かつ単層中にあって各粒子が各隣接粒子と横方向に接触している、ドレッシングブレードが提供される。

さらに（ｉ）平坦な底面と該底面に平行である平坦な上面を画定し、端部から縦方向に突き出た金属延長部を有するスラブ形状の金属シャンクと、（ｉｉ）超砥粒と該超砥粒を前記延長部に結合させるよう作用するろう付けされた金属組成物を有する研磨性部分とを含む研磨工具を調整するためのドレッシングブレードであって、前記超砥粒が前記ろう付けされた金属組成物中に均一に分散され、単層中にあって各隣接粒子と接触し、前記延長部が互いに平行でかつ前記シャンクの底面に垂直な複数の細長い平坦な壁を含み、連続する壁の間に細長い通路が形成され、該通路に前記超砥粒と前記ろう付けされた金属組成物が配置される、ドレッシングブレードが提供される。

本発明はまた、ドレッシング工具を調製するための方法であって、ａ）平坦な底面と該底面に平行である平坦な上面を画定し、端部から縦方向に突き出た金属延長部を有するスラブ形状の金属シャンクを提供する工程、ｂ）ろう付け用金属成分と活性金属成分を含むろう付け用金属組成物の層を前記延長部に適用する工程、ｃ）超砥粒をペーストに押し付けて各隣接粒子と横方向に接触した超砥粒の単層を形成して工具の原型を得る工程、及びｄ）該工具の原型を加熱して前記ろう付け用金属組成物を液化し、該ろう付け用金属組成物の成分と前記超砥粒の間に結合を作り出す工程を含む、方法に関する。

本発明の新規ドレッシング工具は、作業の際に研磨性部分を支持及び保持するよう適合されるブレードの形状に成形された延長部を有する金属シャンクを含む。研磨性部分における有効な研磨剤は、本明細書において場合により「粒子」と称される離散粒子形態の超砥粒材料である。超砥粒は、ろう付けされた金属組成物によって達成される結合によりブレードに取り付けられる。工具の作用部分の断面は、適切な横方向の剛性を提供するよう以下に説明するとおり最適化される。

新規ドレッシング工具の構造は、図面を参照することでより良く理解することができ、これら図面の類似の構成要素には同一の符号が付されている。図１Ａに見られるように、ドレッシング工具１０は、シャンク１３と当該シャンクの一方の端部から縦方向に延びる延長部１４とを備えたスラブ形状の本体１２を有する。本開示では、図１ＡにおいてＬ、Ｗ及びＨと表示される矢印によって特定されるドレッシング工具の構造に対する方向は、それぞれ縦方向（又は長さ）、横方向（又は幅）及び高さとしている。例示される工具は、平坦な上面１５とそれに対して平行である平坦な底面１７を有している。シャンクの主要な目的は、シャンクを受け入れるよう適切に適合されたドレッシング機（図示せず）が工具をつかむことができる柄を提供することである。例示される工具のシャンクは長方形の角錐台形状であるが、他の形状を使用することも可能である。例えば、シャンクは平行四辺形、台形又は他の横方向断面を有することができる。

図示される延長部１４は工具本体の不可欠な部分である。この構造が好ましく、単一の原材料片からシャンクと延長部を機械加工することによって形成することができる。あるいはまた、延長部を別個の部品として形成し、従来の適切な手段によってシャンクに取り付けることもできる。延長部はシャンクにしっかりと取り付けなくてはならず、工具は作業中に高い応力を受けるため、別々のシャンク−延長部タイプの工具にはクランプ締めやボルト留めなどの強固で機械的な締め付け技術が推奨される。

ドレッシング工具は、約３０〜５０ｍｍの長さ及び約１０〜２０ｍｍの幅を典型的に有する。シャンクの高さは通常約２〜３ｍｍである。延長部の高さは、ろう付けされた金属組成物８のための空間を提供するよう低くされている（図１Ｂ）。例示される延長部１４は、シャンクの一方の端部から縦方向に延びかつ底面１７と同一平面にある平坦なシートである。記載したとおり、延長部は、作業中に完全性及び剛性を保持するほど十分強くなければならない。ドレッシング工具の先端部（即ち、シャンクから最も遠い延長部の刃先）にある超砥粒がドレッシングされる加工物に対して寸法的に安定するようブレードが十分な剛性を有することが重要である。これにより、加工物に対して先端部を正確に配置した状態での制御された研磨を達成することができる。高さが低過ぎる場合には、延長部が変形するか又は壊れることがある。好ましくは、延長部の高さはシャンクの高さの約１０〜２５％である。延長部は横方向にシャンクの全幅まで及ぶ。他の実施態様では、延長部の幅を低減することができる。

図１Ｂに見られるように、研磨性部分４は複数の超砥粒２を含む。ろう付けされた金属組成物８によって粒子が延長部の表面１９に結合される。本発明の新規特徴は、超砥粒が好ましくは各隣接粒子と横方向に接触するよう配置されかつ単粒子の厚さで存在することである。単層デバイスでは、超砥粒は、実質的に同様の粒子サイズを有するよう選択されることが好ましい。

一粒子高さの構造の価値は、ドレッシング工具が磨り減っても常に一粒子高さの超砥粒表面がドレッシングされる工具に与えられるということである。これにより幾何学的精度及び並外れて高いドレッシング工具の耐用年数（磨り減ったドレッシング工具超砥粒の単位体積当たりの研削済み加工物の体積）が得られる。

既知の開口寸法、即ち、ふるい孔サイズを持つふるいを介して粒子をろ過することで研磨粒子を分類することが通例である。したがって、研磨粒子は、粒子が通過するふるいと粒子を保持するふるいの開口サイズに対応する特性直径によって特定される。単層の研磨性部分の厚さは、利用される超砥粒の特性直径の２倍よりも小さいことが好ましい。研磨性部分の実際の厚さは、個々の粒子サイズが特性直径からわずかに変動していること及び超砥粒を埋め込むろう付けされた金属組成物によって付加される厚さのために任意の特定の超砥粒の実際の直径とはわずかに異なるものとなる。

別の好ましい実施態様（図２Ａ及び２Ｂ）においては、延長部２４は、当該延長部の横方向の両端に配置された一対の側板２１Ａ、２１Ｂをさらに含む。これらの側板は、延長部内部の平坦な表面２９の高さよりも高くなっており、当該表面と組み合わせて単一の溝２３を形成している。側板は、精密切削加工及びろう付けされた金属組成物を結合できる向上した支持体及び表面のために向上したブレード堅さを提供する。したがって、超砥粒２は延長部によってしっかりと結合され、ドレッシングされる加工物との衝撃によって除去されることに対しより良く抵抗する。図示されるように、側板２１Ａ、２１Ｂの高さは、シャンク１３の高さよりも低い。他の構成も考慮される。例えば、側板の高さは延長部の全長にわたってシャンクの全高さに均一に等しいものであることができるか、又は側板はシャンクからの縦方向の距離とともに変動する高さプロファイルを有することができる。このことは、ドレッシング工具により長い有効な耐用年数を提供することに寄与する。

任意選択で、延長部は、シャンクから離れた延長部の端部に配置された端板２５をさらに含むことができる。端板は、通常、延長部の全幅にわたり横方向に延びている。それが存在する場合には、端板の高さは、当該端板の上面２６が延長部の平坦な表面２９よりも高くなるようにすべきである。端板の高さは、シャンクの平坦な上面１５と同程度の高さであることができる。したがって、側板、端板及びシャンクが、ろう付けされた金属組成物と超砥粒をその中に保持するトレイを形成することがわかる。トレイは、以下により十分に説明されるように、ドレッシング工具の製作をさらに容易にすることができる。最も外側の超砥粒２２とドレッシングされる加工物（図示せず）との間にある高さまで端板が及ぶ場合には、ドレッシング工具の最初の使用は、粒子２２を露出するのに十分な程度まで端板を摩耗することを伴う。

別の実施態様（図３Ａ及び３Ｂ）においては、新規のドレッシング工具は、シャンク１３から縦方向に延びる複数の細長い平坦な壁３１を含む。これらの壁は、互いに平行であり、好ましくは工具本体の側面と平行である。これらの壁はまた、好ましくはシャンクの底面に垂直な平面に配向されている。隣接する壁の対は縦方向の通路３３を形成する。ろう付けされた金属組成物によって延長部の壁に結合された超砥粒２がこの通路内に配置される。

図３Ａ及び３Ｂに示されるように、延長部の壁は、シャンクの全高さまで及ぶことができる。より低い壁高さも使用することができる。上記のとおり、好適なサイズの超砥粒を用いて通路内に研磨性部分を提供することができる。本発明の単層の研磨剤構成は、好ましくは、実質的に同じ特性直径の超砥粒と、高さが超砥粒の特性直径の２倍よりも低い壁とによって特徴付けられる。特に好ましい実施態様においては、超砥粒は、縦方向の列、例えば、粒子３５Ａ〜３５Ｄを含む列３５を形成するよう一列縦隊で配置される（図３Ａ）。好ましくは、壁３１は、横方向に等間隔で配置され、連続する壁の間の距離は、超砥粒の特性直径の２倍よりも短くすべきである。これによって粒子が列状に整列するようなドレッシング工具の製作が容易になる。列状に整列された構成は、ブレードの摩耗が他の構成に比べてはるかに低減されるので好ましい。結果として、工具の耐用年数は大幅に延びる。壁は、通路内に粒子を結合したがって固定するために、ろう付けされた金属組成物８のための優れた表面をさらに提供する。

図４Ａ及び４Ｂは、本発明による単層の超砥粒ドレッシング工具の別の好ましい実施態様を例示している。この実施態様においては、延長部１４は、シャンク１３から縦方向に延び、そして延長部の幅を横切って横方向に延びる平坦なシート４５をさらに含む。平坦なシートの一方の面４６は、平坦な壁３１のそれぞれと接触し、したがって縦方向の通路３３のための床を形成している。好ましくは、平坦なシート４５の反対側の面４７は、ドレッシング工具の平坦な底面１７と同一平面にある。平坦なシート４５は、ブレードに横方向の安定性を付加し、ろう付けされた金属組成物８によって延長部に粒子２を結合させるためのより大きな表面積を与える。したがって、この実施態様は、図３Ｂに示されるものよりも強くかつ堅いブレード構造を提供する。平坦なシート４５の裏打ち作用はまた、一列縦隊の単層の砥粒構成を有する工具の製作をより容易なものにする。平坦なシート４５はブレードの一方の面を横及び縦方向に覆うため、粒子はシャンクから離れたブレードの切削端部と各通路の上面でのみ露出される。いわゆる「両面」ブレード構成（図３Ｂ）と比べて、図４Ｂに示されるブレードは「片面」である。

図５Ａ及び５Ｂは、図３Ｂ及び図４Ｂ両方の実施態様の有益な特徴を包含する新規ドレッシング工具の好ましい実施態様を表している。延長部は、シャンク１３から縦方向に延びた複数の平坦なシート５５を含む。シートは、壁の上面と底面で互い違いに壁３１の隣接する対と接続し、直交する蛇行した横方向断面５６（即ち、ドレッシング工具ブレードを縦方向において見るとわかるもの）を形成する。好ましくは、壁はシャンクの全高さまで延び、交互の平坦なシートは上面及び底面と同一平面に整列する。したがって、示された実施態様は「両面」ブレード構成である。この両面ブレードにより、有利には、ブレードの両面を用いて研磨工具をドレッシングすることができ、したがって工具に対してブレードを固定するための選択肢が広がる。例えば、２つの砥石車を両面ブレードで同時にドレッシングすることができる。さらに、研磨性部分がブレードの一方の面で鈍化した場合に、このブレードを裏返して裏側のより鋭い面をドレッシングされる加工物に適用することができる。活性ろう付けとダイヤモンド粒子の間の化学的な結合は、これらの利点を可能にするのに十分な機械的強度をダイヤモンド粒子の単層において作り出す。

シャンクと延長部は、工具強度の金属で形成されるべきである。工作機械設備のための強い金属組成物の識別は当技術分野において周知である。代表的な組成物としては、鉄、モリブデン、タングステン、及び金属と他の元素の合金、例えば、鋼、タングステン／銅などが挙げられる。

「超砥粒」という用語は、他の硬質物質を研磨するのに有用な極めて高い硬度を有する材料を意味する。ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素及びそれらの任意の割合の混合物が超砥粒として認識される。天然又は合成のダイヤモンドは好ましい超砥粒である。超砥粒は、本発明において粒子形態で利用される。本明細書で用いられる「粒子」という用語は、何ら特定の形状又はサイズを意味するように限定するものではない。通常、超砥粒は不規則な形状をしているが、所定の形状の粒子、例えば、ダイヤモンドシート又はフィルムを使用することも可能である。

超砥粒のサイズは、ドレッシング工具のデザインとの適合性で選択される。工具は、予め選択されたタイプの加工物をドレッシングするのに適した所定の切削半径及び刃先寸法を有するようにうまく作られている。本発明のドレッシング工具は、第一に、切削表面を成形し、他の研削工具を研ぎ、そこから破片を取り除き、そうでなければその研削工具を手入れすることを意図していると解されるべきである。結果として、約０．１μｍ〜約５ｍｍの範囲の特性寸法を有する超砥粒が好ましい。任意の所与の研磨工具用途では、はるかにより狭い粒子サイズ範囲を用いることができる。典型的な市販の超砥粒の粒子サイズは、通常、約０．００１８インチ（０．０４５ｍｍ）〜約０．０４６インチ（１．１７ｍｍ）に及ぶ。「微小研磨剤」と称されることのある幾つかの超砥粒の粒子サイズは、約０．１μｍ〜約６０μｍの範囲であることができる。

新規のドレッシング工具は、超砥粒を延長部に結合させるよう作用するろう付けされた金属組成物を含む。「ろう付けされた金属組成物」という用語は、超砥粒を金属マトリクス内でかつドレッシング工具の金属延長部に固定するためにろう付けプロセスにおいて結合剤成分を加熱した後に達成される高密度化された金属結合を意味する。ろう付けプロセスは、混合された粉末粒子の結合組成物と任意選択で液体バインダーとを、固体成分の大部分が液化して超砥粒のまわりを流れる溶液を形成する高いろう付け温度まで加熱することを伴う。冷却後、ろう付けされた金属組成物は、超砥粒を固定させ、金属延長部に付着する。本発明のための好ましい成分を用いたろう付けプロセスは、米国特許第５，８３２，３６０号明細書において詳細に記載されており、その開示はその参照により全体として本明細書に含まれる。

ろう付けされた金属組成物は、ろう付け用金属成分と活性金属成分とを含むことが好ましい。活性金属成分は、非酸化性の焼成条件下で砥粒と反応して炭化物又は窒化物を形成し、それによって砥粒を金属マトリクス中にしっかりと結合させることができる。活性金属成分としては、好ましくは、チタン、ジルコニウム、クロム、ハフニウム及びそれらの水素化物、並びにそれらの合金及び組み合わせなどの材料が挙げられる。チタン又はその水素化物が好ましい。

超砥粒と反応性である形態のチタンは、研磨剤とろう付けされた金属組成物との間の結合強度を増大させることが実証された。チタンは、元素又は化合物の形態において構成要素の混合物に添加することができる。元素チタンは酸素と反応して二酸化チタンを形成するため、ろう付けの際、ダイヤモンドとの反応に利用できなくなる傾向がある。それゆえ、元素チタンの添加は、酸素が存在する場合にはあまり好ましくない。チタンが化合物の形態で添加される場合、当該化合物は、チタンと超砥粒の反応を可能にするため、ろう付け工程の際に解離することができるべきである。チタンは、最大約４００〜６００℃まで安定である水素化チタンＴｉＨ₂として結合材料の混合物に添加されることが好ましい。不活性雰囲気又は真空下、約４００〜６００℃超で、水素化チタンはチタンと水素に解離する。

活性金属成分と組み合わせて使用するろう付け用金属成分は、銅、ニッケル、銀、スズ、ジルコニウム、ケイ素及び鉄からなる群より選択された金属を含むことが好ましい。より好ましくは、ろう付け用金属成分は銅及びスズを含む。場合によっては、銅とスズを含む混合物に銀を添加することが、金属延長部からのろう付けされた金属組成物の可剥性を促すために有利であり得る。

本発明のろう付けされた金属組成物の形成において使用するのに好ましい結合材料としては、銅、スズ及び水素化チタンの粉末が挙げられ、任意選択で銀粉末の添加を伴う。好ましくは、本発明で使用するためのろう付けされた金属組成物は、約５０〜９０ｗｔ％の銅、約５〜３５ｗｔ％のスズ、及び約５〜１５ｗｔ％のチタン又は水素化チタンの活性金属成分を含む。より好ましくは、ろう付けされた金属組成物は、約５０〜８０ｗｔ％の銅、約１５〜２５ｗｔ％のスズ、及び約５〜１５ｗｔ％のチタン又は水素化チタンを含む。最も好ましくは、ろう付けされた金属組成物は、約７０ｗｔ％の銅、約２１ｗｔ％のスズ、及び約９ｗｔ％のチタン又は水素化チタンを含む。

新規のドレッシング工具のろう付けされた金属組成物は、任意選択で本明細書において超砥粒として規定される材料以外の硬質成分の複数の粒子をさらに含む。任意選択の硬質成分は、研磨工具に対する研磨耐性の向上をもたらす。即ち、硬質成分を存在させることで金属結合の寿命を向上させ、砥粒がドレッシング作業によって消費されてしまう前に金属結合が機能しなくならないようにする。研磨研削工具を手入れする際に受ける研磨力にさらされるドレッシング工具では、より高濃度の硬質成分材料が必要とされる。硬質成分は、好ましくは５００ｇの加荷重下で測定された場合に少なくとも１０００Ｋｎｏｏｐ、好ましくは約１０００〜３０００Ｋｎｏｏｐの硬度を有する金属の炭化物又はホウ化物又はセラミック材料である。好ましい硬質成分としては、炭化タングステン、ホウ化チタン、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、ホウ化クロム、炭化クロム及びそれらの組み合わせが挙げられる。

好ましくは、硬質成分材料の粒子は不規則な形状であり、硬質成分はろう付けされた金属組成物により形成されたマトリクス中で粒子状物質の特徴を維持する。即ち、ろう付けプロセスが実施され、ろう付けされた金属組成物をその構成成分から形成した後、硬質成分の粒子はマトリクス中に分散された別個の粒子状の存在物として残る。したがって、硬質成分は、ろう付け温度以下で溶融しない材料から選択すべきであることが重要である。

硬質成分が利用される場合には、ろう付けされた金属組成物は、好ましくは約５０〜８３ｗｔ％の硬質成分、約１５〜３０ｗｔ％のろう付け用金属成分及び約２〜４０ｗｔ％の活性金属成分、より好ましくは約５５〜７８ｗｔ％の硬質成分、約２０〜３５ｗｔ％のろう付け用金属成分及び約２〜１０ｗｔ％の活性金属成分、最も好ましくは約６０〜７５ｗｔ％の硬質成分、約２０〜３０ｗｔ％のろう付け用金属成分及び約２〜５ｗｔ％の活性金属成分である。

ろう付けされた金属組成物はまた、滑剤（例えば、ワックス）、二次研磨剤若しくは充てん剤などの少量の追加の堅牢性（non-fugitive）成分又は当技術分野において公知の他の少量の結合材料を含むことができるとさらに解されるべきである。一般的には、このような追加の成分は、ろう付けされた金属組成物の約５ｗｔ％まで存在することができる。

ろう付けされた金属組成物の成分は、粉末形態で供給されることが好ましい。粉末の粒子サイズは必ずしも重要ではない。しかしながら、約３２５の米国規格ふるいメッシュ（４４μｍの粒子サイズ）よりも小さな粉末が好ましい。ろう付けされた金属組成物のための前駆体混合物は、成分が均一な濃度に分散されるまで、成分を混合、例えば、タンブルブレンドすることによって調製される。銅とスズがろう付け用金属成分として利用される場合には、それらを別々の成分としてではなく粉末状の青銅合金の形で供給することが有用な場合がある。粉末混合物は、金属延長部に直接適用することができる。しかしながら、好ましくは、乾燥した粉末成分を低粘度の堅牢性液体バインダーと混合して粘性かつ粘着性のペーストを形成する。ペーストの形態では、ろう付けされた金属組成物の成分を正確に投与及び適用することができる。有効なろう付けされた金属組成物を形成及び適用するための詳細な手順は、米国特許第５，８３２，３６０号明細書において開示されており、その開示はその参照により本明細書に含まれる。

新規ドレッシング工具の作製においては、シャンクの端部から縦方向に突き出た延長部を有するスラブ形状の金属シャンクが提供される。ろう付けされた金属組成物の粉末、例えば、炭化タングステン、コバルト及び水素化チタンの粉末を混合して粉末混合物が形成される。選択されたサイズの超砥粒が延長部上に堆積される。単層の研磨剤タイプのドレッシング工具については、個々の粒子を手作業で所定の場所に置くことができる。ピックアンドプレース機器を用いてロボットにより粒子を配置することもできる。別の製作技術では、揮発性接着剤のコーティングを延長部の平坦な表面に均一に適用することができる。接着剤上に粒子を落とし、ブレードを傾けることにより延長部の表面に一時的に付着した粒子の単層とともに余分な粒子を除去することができる。任意選択で、粒子は、幾何学的な若しくは他のパターンに配置することができるか、又は隣接粒子が互いに触れないように若しくは共通の境界を有するように間隔を置いて配置することができる。粒子が所定の場所にある状態で、粉末混合物を粒子のまわりに詰め込むことができる。別の考慮される技術では、粉末配合物を堅牢性の液体バインダーと混合してペーストを形成する。ペーストは、延長部の１つ又は複数の通路に充てんされる。次いで、粒子はペースト中に詰め込まれ、余分なペーストは、例えば、拭き取ることにより除去される。

このように組み立てられたドレッシング工具の原型は、次に、粒子を延長部に恒久的に付着させるためにろう付け条件に付される。活性金属成分とダイヤモンドの酸化を避けるよう選択された条件下で注意してろう付けが実施される。活性金属成分として水素化チタンが用いられる場合には、温度を上げて水素化チタンの熱解離を可能にし、ろう付けされた金属組成物の金属相にダイヤモンドをしっかりと結合させる炭化チタン相を含有する複合体を形成するようにする。ろう付け工程は、真空又は非酸化性雰囲気下０．０１〜１μｍＨｇの圧力及び約８００℃〜約１２００℃の温度で一般に実施される。追加の任意選択の工程では、ろう付けされた複合体を溶浸材成分で減圧浸潤し、研磨工具を十分に高密度化して実質的にすべての気孔を削除することができる。多くの材料をこの目的のために使用できるが、銅が好ましい。

次に、本発明は、その幾つかの代表的な実施態様の例によって説明される。ここで、すべての割合、比率及び百分率は、別段の表示がない限り重量によるものである。もともとＳＩ単位で得られていない重量及び尺度の単位は全てＳＩ単位に変換された。

［例１］
本例では、図２Ａ及び２Ｂにおいて記載される構成を示す１つのポケットを有する工具を説明する。この工具は、まず、寸法２ｍｍ×１２．５ｍｍ×３８ｍｍの棒鋼に１０ｍｍ平方で深さ１ｍｍのフライス削りされたポケットを機械加工することにより作製した。このポケットに１５ｖｏｌ％の有機水系バインダー（Ｖｉｔｔａ Ｃｏｒｐ）と７０ｖｏｌ％の粉末状ろう付け成分からなるろう付けペーストを充てんした。ろう付け成分は、７０ｗｔ％の銅と、２１ｗｔ％のスズと、９ｗｔ％の水素化チタンＴｉＨ₂からなっていた。次いで、ろう付けペーストを移動させて２０／２５メッシュのＳＤＡ１００＋ダイヤモンド（ＤｅＢｅｅｒｓ）をポケットに充てんした。余分なろう付けペーストを拭き取って除去し、次いで得られた工具を空気中室温で乾燥した。次いで工具を０．０１〜１μｍＨｇの圧力で以って真空炉において８８０℃で０．５時間加熱し、続いて室温まで冷却した。それを研磨剤の露出表面を平らに研削し、工具前部の残留鋼材を除去して仕上げた。

［例２］
例１で調製した工具をＫグレード８０グリット５ＳＧ砥石車のドレッシングにおいて試験した。その性能は、型内の粉末状金属マトリクス中にダイヤモンドを配置し、その集合体を圧縮及び焼結又は熱間圧縮して高密度の成形体を得るという従来の方法によって製造された市販のドレッシング工具の性能と比較した。粉末金属の圧縮操作に特有の圧密動作は、しばしばダイヤモンドをその水平面から移動させる。市販ブレードの２つの試料を用いた。比較試験の結果を表１に与える。すべての場合でトラバース速度は１１インチ／分であった。「摩耗比」は、工具単位長当たり除去された砥石車体積の比である。

表１中のこれらのデータは、各パスについてカット深さが倍増したにもかかわらず（０．００１インチと比較して０．００２インチ）、例１の工具の摩耗比が同一のダイヤモンドサイズを有する市販のドレッシングブレードの摩耗比の３倍を上回っていたことを示している。他の試行では、例１の新規ブレードはまた、焼結された粉末状金属マトリクス結合剤を用いて作製した同等のデザインの２つの異なる市販のダイヤモンドドレッシング工具よりも約２〜５倍優れた摩耗比を示した。

［例３］
本例では、図５Ｂに示す構成を有するドレッシング工具の調製及び試験を説明する。

図５Ａに示すタイプの構造体を用いて工具の予備成形体を調製したが、本例では、工具は、鋼製の予備成形体に機械加工された通路に９列のろう付けされた研磨剤を有していた（一方の面に５本の通路、もう一方の面に４本の通路が露出している）。この通路に１５ｖｏｌ％の有機水系バインダー（Ｖｉｔｔａ Ｃｏｒｐ）と７０ｖｏｌ％の粉末状ろう付け成分からなるろう付けペーストを充てんした。ろう付け成分は、７０ｗｔ％の銅と、２１ｗｔ％のスズと、９ｗｔ％の水素化チタンＴｉＨ₂からなっていた。次いで、ろう付けペーストを移動させて２０／２５メッシュのＳＤＡ１００＋ダイヤモンド（ＤｅＢｅｅｒｓ）を通路に充てんした。余分なろう付けペーストを拭き取って除去し、次いで工具を空気中室温で乾燥した。次いで工具を０．０１〜１μｍＨｇの圧力で以って真空炉において８８０℃で０．５時間加熱し、続いて室温まで冷却した。工具は、上面と底面を研削し、通路の床と天井の両方を開放して仕上げた。

燃料噴射器ピンの製造で使用される芯なし研削盤の調整車のプロファイル研削についてこの工具を試験した。それは市販の焼結粉末金属で結合されたダイヤモンドブレードの２倍の寿命を示した。

［例４］
例１に記載したのと同じ手順で工具を作製した。このケースでは、ろう付け及び加熱工程の後、片面ブレードのポケットの底面を形成した金属棒は、研削により除去してダイヤモンドの底面を露出した。この結果、極めて薄く（１．０ｍｍ）非常に強いブレードが得られ、ガラスで結合されたアルミナの砥石車をトラバースプロファイル研削するのにうまく使用した。従来の粉末冶金技術によって形成されるこのような薄い寸法のブレードは、トラバースプロファイル研削に耐えるのに十分な強度が典型的に不足している。

本発明の具体的な形態は、当業者にとって完全かつ十分に本発明のこれらの形態を説明する目的で具体的な用語で例示するため先の開示において選択されたが、実質的に同等か又はそれ以上の結果及び／又は性能をもたらす種々の置換及び変更は、特許請求の範囲の趣旨及び範囲内にあるものとみなされると解されるべきである。

本発明によるドレッシングブレードの基本的な実施態様のシャンク及び延長部の斜視図である。 図１Ａのシャンク及び延長部を用いて形成されたドレッシングブレードの斜視図である。 本発明によるドレッシングブレードの好ましい実施態様のシャンク及び延長部の斜視図である。 図２Ａのシャンク及び延長部を用いて形成されたドレッシングブレードの斜視図である。 本発明によるドレッシングブレードの別の好ましい実施態様のシャンク及び延長部の斜視図である。 図３Ａのシャンク及び延長部を用いて形成されたドレッシングブレードの斜視図である。 本発明によるドレッシングブレードの別の好ましい実施態様のシャンク及び延長部の斜視図である。 図４Ａのシャンク及び延長部を用いて形成されたドレッシングブレードの斜視図である。 本発明によるドレッシングブレードの別の好ましい実施態様のシャンク及び延長部の斜視図である。 図５Ａのシャンク及び延長部を用いて形成されたドレッシングブレードの斜視図である。

Claims (35)

1. （ｉ）平坦な底面と該底面に平行である平坦な上面を画定し、端部から縦方向に突き出た延長部を有するスラブ形状の金属シャンクと、（ｉｉ）超砥粒と、（ｉｉｉ）該超砥粒を前記延長部に化学的に結合させるよう作用するろう付けされた金属組成物とを含む研磨工具を調整するためのドレッシングブレードであって、前記ろう付けされた金属組成物がろう付け用金属成分と活性金属成分とを含む熱高密度化された塊であり、前記超砥粒が前記ろう付けされた金属組成物中に均一に分散され、単層中にあって各隣接粒子と接触している、ドレッシングブレード。
2. 前記超砥粒が、ダイヤモンド粒子、立方晶窒化ホウ素粒子及びそれらの混合物からなる群より選択される、請求項１に記載のドレッシングブレード。
3. 前記超砥粒がダイヤモンド粒子である、請求項２に記載のドレッシングブレード。
4. 前記活性金属成分が、チタン、ジルコニウム、クロム、ハフニウム及びそれらの水素化物、並びにそれらの合金及び組み合わせからなる群より選択される、請求項１に記載のドレッシングブレード。
5. 前記活性金属成分がチタン又は水素化チタンである、請求項４に記載のドレッシングブレード。
6. 前記ろう付け用金属成分が、銅、銀、スズ、ジルコニウム、ケイ素及び鉄からなる群より選択された金属を含む、請求項１に記載のドレッシングブレード。
7. 前記ろう付け用金属成分が銅とスズを含む、請求項１に記載のドレッシングブレード。
8. 前記ろう付け用金属成分が銅とスズを含む、請求項５に記載のドレッシングブレード。
9. 前記ろう付けされた金属組成物が、約５０〜９０ｗｔ％の銅、約５〜３５ｗｔ％のスズ、及び約５〜１５ｗｔ％のチタン又は水素化チタンを含む、請求項５に記載のドレッシングブレード。
10. 前記ろう付けされた金属組成物が、約５０〜８０ｗｔ％の銅、約１５〜２５ｗｔ％のスズ、及び約５〜１５ｗｔ％のチタン又は水素化チタンを含む、請求項９に記載のドレッシングブレード。
11. 前記ろう付けされた金属組成物が、約７０ｗｔ％の銅、約２１ｗｔ％のスズ、及び約９ｗｔ％のチタン又は水素化チタンを含む、請求項１に記載のドレッシングブレード。
12. （ｉ）平坦な底面と該底面に平行である平坦な上面を画定し、端部から縦方向に突き出た金属延長部を有するスラブ形状の金属シャンクと、（ｉｉ）超砥粒と該超砥粒を前記延長部に結合させるよう作用するろう付けされた金属組成物を有する研磨性部分とを含む研磨工具を調整するためのドレッシングブレードであって、前記延長部が前記底面と同一平面にある一方の面と平坦面を画定する反対側の面とを有する平坦なシートであり、前記超砥粒が前記ろう付けされた金属組成物中に均一に分散され、前記平坦面に隣接して配置され、かつ単層中にあって各粒子が各隣接粒子と横方向に接触している、ドレッシングブレード。
13. すべての超砥粒がほぼ同じサイズであって、ある特性直径を有し、該超砥粒と前記ろう付けされた金属組成物が該特性直径の２倍よりも小さい厚さを有する研磨層を画定する、請求項１２に記載のドレッシングブレード。
14. 前記ブレードが前記延長部の横方向の両端に配置された一対の側板をさらに含み、それらの間に前記超砥粒と前記ろう付けされた金属組成物を収容するよう適合された単一の溝を画定する、請求項１２に記載のドレッシングブレード。
15. 前記側板が、それらの全長に沿って前記シャンクの底面から上面まで及ぶ高さを有する、請求項１４に記載のドレッシングブレード。
16. 前記側板が、それらの全長の一部に沿って前記シャンクの底面から上面より低い所まで及ぶ高さを有する、請求項１４に記載のドレッシングブレード。
17. 前記延長部が、前記シャンクから縦方向に離れた該延長部の端部に配置された端板をさらに含み、端板、側板及びシャンクがそれらの中に超砥粒とろう付けされた金属組成物を収容するよう適合された単一のトレイを画定する、請求項１６に記載のドレッシングブレード。
18. （ｉ）平坦な底面と該底面に平行である平坦な上面を画定し、端部から縦方向に突き出た金属延長部を有するスラブ形状の金属シャンクと、（ｉｉ）超砥粒と該超砥粒を前記延長部に結合させるよう作用するろう付けされた金属組成物を有する研磨性部分とを含む研磨工具を調整するためのドレッシングブレードであって、前記超砥粒が前記ろう付けされた金属組成物中に均一に分散され、単層中にあって各隣接粒子と接触し、前記延長部が互いに平行でかつ前記シャンクの底面に垂直な複数の細長い平坦な壁を含み、連続する壁の間に細長い通路が形成され、該通路に前記超砥粒と前記ろう付けされた金属組成物が配置される、ドレッシングブレード。
19. すべての超砥粒がほぼ同じサイズであって、該サイズが特性直径によって規定され、前記壁が該特性直径の２倍よりも小さい高さを有する、請求項１８に記載のドレッシングブレード。
20. 前記壁が特性直径の２倍よりも小さい距離で以って横方向に間隔を置いて配置され、各通路内の超砥粒が前記シャンクから縦に延びる１つの列に整列される、請求項１９に記載のドレッシングブレード。
21. 前記延長部が前記底面と同一平面にある一方の面を有する平坦なシートをさらに含み、前記壁が該平坦なシートの反対側から延びる、請求項１８に記載のドレッシングブレード。
22. 前記延長部が前記シャンクから縦方向に延びた複数の平坦なシートをさらに含み、該シートが上面及び底面と同一平面で互い違いに整列されて壁の対の間に延び、直交する蛇行した横方向断面を形成し、横方向に連続する通路の超砥粒とろう付けされた金属組成物を該シャンクの底面及び上面と同一平面にある面に互い違いに入れた、請求項１８に記載のドレッシングブレード。
23. 前記ろう付けされた金属組成物が、少なくとも約１０００ＫｎｏｏｐのＲｏｃｋｗｅｌｌ Ｃ硬度を有するダイヤモンド以外の複数の硬質成分をさらに含む、請求項１に記載のドレッシングブレード。
24. 前記硬質成分が、炭化タングステン、ホウ化チタン、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、ホウ化クロム、炭化クロム及びそれらの組み合わせからなる群より選択された化合物である、請求項２３に記載のドレッシングブレード。
25. 前記ろう付けされた金属組成物が、該ろう付けされた金属組成物のすべての気孔を削除するよう作用する溶浸材成分をさらに含む、請求項１に記載のドレッシングブレード。
26. 前記延長部が前記底面と同一平面にある一方の面と平坦面を画定する反対側の面とを有する平坦なシートであり、前記超砥粒が該平坦面に隣接して配置され、前記ろう付けされた金属組成物が、約５０〜９０ｗｔ％の銅、約５〜３５ｗｔ％のスズ、及び約５〜１５ｗｔ％のチタン又は水素化チタンを含む、請求項１に記載のドレッシングブレード。
27. 前記延長部が該延長部の横方向の両端に配置された一対の側板をさらに含み、それらの間に前記超砥粒と前記ろう付けされた金属組成物を収容するよう適合された単一の溝を画定し、前記ろう付けされた金属組成物が、約５０〜９０ｗｔ％の銅、約５〜３５ｗｔ％のスズ、及び約５〜１５ｗｔ％のチタン又は水素化チタンを含む、請求項２６に記載のドレッシングブレード。
28. 前記延長部が互いに平行でかつ前記シャンクの底面に垂直な複数の平坦な壁を含み、連続する壁の間に細長い通路が形成され、該通路に前記超砥粒と前記ろう付けされた金属組成物が配置され、該ろう付けされた金属組成物が、約５０〜９０ｗｔ％の銅、約５〜３５ｗｔ％のスズ、及び約５〜１５ｗｔ％のチタン又は水素化チタンを含む、請求項１に記載のドレッシングブレード。
29. 研磨工具を調整するドレッシングブレードを調製するための方法であって、
    ａ）平坦な底面と該底面に平行である平坦な上面を画定し、端部から縦方向に突き出た延長部を有するスラブ形状の金属シャンクを提供する工程、
    ｂ）ろう付け用金属成分と活性金属成分を含むろう付け用金属組成物の層を前記延長部に適用する工程、
    ｃ）超砥粒をペーストに押し付けて互いに横方向に接触した超砥粒の単層を形成してブレードの原型を得る工程、及び
    ｄ）該ブレードの原型を加熱して前記ろう付け用金属組成物を液化し、該ろう付け用金属組成物の成分と前記超砥粒の間に結合を作り出す工程
    を含む、方法。
30. 前記延長部が、前記底面と同一平面にある一方の面と平坦面を画定する反対側の面とを有する平坦なシートを含む、請求項２９に記載の方法。
31. 前記延長部が該延長部の横方向の両端に配置された一対の側板をさらに含み、それらの間に前記超砥粒と前記ろう付けされた金属組成物を収容するよう適合された単一の溝を画定する、請求項３０に記載の方法。
32. 前記延長部が、前記シャンクから縦方向に離れたブレードの端部に配置された端板をさらに含み、端板、側板及びシャンクがそれらの中に超砥粒とろう付けされた金属組成物を収容するよう適合された単一のトレイを画定する、請求項３１に記載の方法。
33. 前記延長部が互いに平行でかつ前記シャンクの底面に垂直な複数の細長い平坦な壁を含み、連続する壁の間に細長い通路が形成され、該通路に前記超砥粒と前記ろう付けされた金属組成物が配置される、請求項２９に記載の方法。
34. 前記延長部が前記底面と同一平面にある一方の面を有する平坦なシートをさらに含み、前記壁が該平坦なシートの反対側から延びている、請求項３３に記載の方法。
35. 前記延長部が前記シャンクから縦方向に延びた複数の平坦なシートをさらに含み、該シートが上面及び底面と同一平面で互い違いに整列されて壁の対の間に延び、直交する蛇行した横方向断面を形成し、横方向に連続する通路の超砥粒とろう付けされた金属組成物を該シャンクの底面及び上面と同一平面にある面に互い違いに入れた、請求項３３に記載の方法。

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