JP2011251380A - 平面ホーニング加工用超砥粒ホイール - Google Patents

Abstract

【課題】研削液を周方向及び径方向に対し円滑に流通させることにより、砥石部の目詰りや砥粒の研削熱による磨耗や脱粒を抑制して、ワークの良好な加工精度を実現することが可能な平面ホーニング加工用超砥粒ホイールを提供する。
【解決手段】取付孔４を備えた円盤状の基盤２上に、その内周縁２ａから外周縁２ｂに至る筋条の砥石部３が固着されて成る平面ホーニング加工用超砥粒ホイール１において、上記砥石部３を、複数の短冊状の砥石片５同士を、上記基盤２の回転方向に対し鈍角から成る略等しい連接角度θで一列に連接することにより、上記回転方向に凸を成して曲がる弓形形状に形成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、シリコン、セラミックス等の硬脆材料や種々の金属材料、難削材料等の表面を、平坦且つ鏡面に超精密加工するための平面ホーニング盤に用いる超砥粒ホイールに関するものである。

従来から加工物を鏡面に加工する場合、遊離砥粒を用いたラッピング加工、ポリッシング加工が用いられている。これらの加工法は、容易に鏡面が得やすい反面、加工精度、作業性、環境負荷に問題を抱えている。

そこで、これらの作業を、極微粒ダイヤモンド等の超砥粒が盤面に固着されて成る超砥粒ホイールを用いた研削加工、すなわち平面ホーニング加工に置き換えることが検討されている。
この平面ホーニング加工においては、切れ刃となるダイヤモンド砥粒の粒径が数μｍ以下と小さくて砥粒突出量が極めて小さく、しかも、ホイールが高速で回転している。そのため、ワークと砥粒とが接触する各加工点に対し研削液が円滑に供給されないと、研削屑の付着（目詰り）やダイヤモンド砥粒の研削熱により磨耗や脱粒が発生し、その結果、ワークの加工面上にスクラッチ傷等が生じて加工精度が悪化するという問題がある。
よって、良好な加工精度を得るには、ホイールの周方向及び径方向に対する研削液の円滑な流れを確保して、該研削液をホイールの全面に亘って循環させることにより、各加工点に対し該研削液を円滑に供給する必要性がある。

このような問題を解決するために、特許文献１には、円盤状の台金３上に短冊状の超砥粒層１が放射状に複数備えられて成り、これら超砥粒層１が台金３の中心を通る中心線に対して所定の角度範囲で交差するように配置された超砥粒ホイールが開示されている。
しかしながら、この特許文献１に記載されたものにおいては、上記超砥粒層１が、その内周側端部から外周側端部に至るまで直線を成す放射状に形成されていることから、研削液の周方向及び径方向に対する円滑な流れを必ずしも十分に確保することができず、特に、砥石突き出し量を大きくしてホイールの回転数を高くすると、研削液が各加工点に対し円滑に供給され難くなり、ワークの加工精度が悪化するという問題があった。

特開２００３−０３９３３４号公報

本発明の目的は、研削液を周方向及び径方向に対し円滑に流通させることにより、砥石部の目詰りや砥粒の研削熱による磨耗や脱粒を抑制して、ワークの良好な加工精度を実現することが可能な平面ホーニング加工用超砥粒ホイールを提供することにある。

上記技術的課題を解決するため、本発明に係る平面ホーニング加工用超砥粒ホイールは、円盤状を成し中心部に取付孔を有する回転基盤と、該基盤上に多数の砥粒を固着して成り、該基盤の内周部から外周部にかけて筋条に延びる複数の砥石部とを備えていて、
上記砥石部全体が、その内周端側から外周端側に向けて、上記基盤の回転方向に対し鈍角を成すと共に凸を成して曲がって延びる弓形形状に形成されていることを特徴とするものである。
このとき、好ましくは、上記基盤の中心と上記砥石部の内周端及び外周端とを結ぶ２本の直線が成す、該砥石部が周方向に延在する角度が２０度以上１２０度以下であり、より好ましくは、上記複数の砥石部が、上記基盤の周方向に等間隔に配置されている。

また、本発明に係る平面ホーニング加工用超砥粒ホイールにおいては、上記砥石部は、砥粒を結合材中に分散させて長手方向に直線を成す短冊状に形成された複数の砥石片を、上記基盤上に長手方向に連接し固着することにより形成することができる。
このとき、好ましくは、上記複数の砥石部における、それらの内周端からｎ番目とｎ＋１番目に位置する砥石片同士の各連接点が、全て同じ同心円上に配されていており、より好ましくは、上記砥石部における、上記複数の砥石片の各連接点を通る同心円が等間隔となっている。そして、更に好ましくは、上記砥石部を形成する複数の砥石片が、それらの内周端側の各連接点において、これら各連接点を通る各同心円の回転接線方向に対し、１１０度以上１６０度以下の同じ連接角度を成してそれぞれ連接されており、また、上記砥石部を形成する複数の砥石片が、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の同幅に形成されている。
なお、上記砥石片は、平均粒径１〜２５０μｍのダイヤモンド粒子及び／又はＣＢＮ粒子を砥粒として含んでいて、該砥粒の含有率を１０〜５０体積％とすることが望ましい。

本発明に係る平面ホーニング加工用超砥粒ホイールによれば、回転基盤上を内周部から外周部にかけて筋条に延びる砥石部全体が、その内周端側から外周端側に向けて、上記基盤の回転方向に対し鈍角を成すと共に凸を成して曲がる弓形形状に形成されているため、該ホイール上に供給された研削液を、その周方向及び径方向に対し、流れが阻害されること無く、円滑に流通させることができる。したがって、該研削液を、ホイールの全面に亘って循環させて、ワークと砥粒とが接触する各加工点に対し円滑且つ十分に供給することができ、その結果、砥石部の目詰りや砥粒の研削熱による磨耗や脱粒を抑制して、ワークの良好な加工精度を実現することが可能となる。

本発明に係る平面ホーニング加工用超砥粒ホイールを示す平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１における部分拡大図である。 平面ホーニング加工用超砥粒ホイールを用いた研削方法の一例を示す概略平面図である。

本発明に係る平面ホーニング加工用超砥粒ホイール１は、平面ホーニング盤に装着して、シリコン、セラミックス等の硬脆材料や種々の金属材料、難削材料等から成るワークＷの表面を、平坦且つ鏡面に超精密加工するためのもので、図１に示すように、円盤状を成す回転基盤２と、該基盤２の一方の盤面上に固着された砥石部３とから構成されている。

上記基盤２は、アルミ合金、ステンレス等の金属製素材から成っており、円形の平板の中心部に対し、平面ホーニング盤の回転軸に取り付けるための円形の取付孔４を同軸に貫設することにより形成されている。すなわち、この基盤２は、その盤面が互いに平行を成して背向する一対のリング状平面により形成されたもので、図２に示すように、上記取付孔４の周縁（すなわち、基盤２の内周縁２ａ）から基盤２の外周縁２ｂに至るまで、略一定の肉厚を有する所謂ストレート型に形成されている。

一方、上記砥石部３は、上記基盤２の一方の盤面上に多数の砥粒を固着して成るもので、図１に示すように、全体として、該基盤２の内周縁２ａから外周縁２ｂにかけて延びる細長い筋条に形成されており、具体的には、該砥石部３全体が、その内周端３ａ側から外周端３ｂ側に向けて、上記基盤２の回転方向に対し鈍角を成すと共に凸を成して曲がって延びる弓形形状に形成されている。そして、本実施形態に係るホイール１においては、複数（図中では２４本）の略同形同大に形成された上記砥石部３が、上記基盤２の一方の盤面上において、周方向に略等角度間隔（図中では１５度間隔）に配設されている。

ここで、上記基盤２の中心と上記砥石部３の内周端３ａ及び外周端３ｂとを結ぶ２本の直線が成す角度、すなわち、１本の砥石部３が基盤２の周方向に延在する角度αは、２０度以上１２０度以下であることが望ましい。該角度αが２０度よりも大きかったり、１２０度よりも小さかったりすると、上記ホイール１上に供給された研削液の径方向や周方向に対する円滑な流通が阻害され、砥石部３における砥粒とワークとが接触する各加工点に対し、該研削液を円滑且つ十分に供給できなくなる虞がある。
なお、上記基盤２上に複数の上記砥石部３を形成するにあたり、必ずしも、それら砥石部３の内周端３ａ及び外周端３ｂを該基盤２の内周縁２ａ及び外周縁２ｂにそれぞれ一致させたり、基盤２の周方向に略等角度間隔に形成したりする必要性は無い。また、これら砥石部３の必ずしも全てが同形同大に形成されている必要性は無く、互いに幅や長さが異なっていても良い。

より具体的に説明すると、図３に示すように、本実施形態に係る超砥粒ホイール１においては、上記砥石部３が、長手方向に直線を成す短冊状（すなわち、平面視において長手方向に略均一幅ｗの細長形状）に形成された複数の砥石片５から構成されており、これら砥石片５（図中では８個）を、所定角度で屈曲させて長手方向に一列に連接した状態で、図２に示す接着剤層６により上記基盤２の盤面に対し固着することにより形成されている。
上記砥石片５は、ダイヤモンド粒子及び／又はＣＢＮ粒子から成る多数の砥粒を、メタルボンドやレジンボンド等の結合材中に分散させて固定したもの（好ましくは、ビトリファイドボンド砥石）で、図２及び図３に示すように、上記複数の砥石片５は互いに略同じ砥石幅ｗ及び砥石厚さｈに形成されている。

上記基盤２上に形成された複数の砥石部３においては、図３に示すように、それら砥石部３の内周端３ａからｎ番目とｎ＋１番目（但し、ｎは自然数で、本実施形態ではｎ＝１〜７）に位置する砥石片５同士の各連接点Ｐが、全て同じ同心円Ｄ上に配されている。そして、上記砥石部３を形成する複数の砥石片５は、それらの内周端３ａ側の各連接点Ｐにおいて、ホイール１の回転方向（すなわち、各連接点Ｐを通る各同心円Ｄの回転接線方向）に対し、略等しい鈍角の連接角度θを成して長手方向に連接されている。また、上記砥石部３においては、上記複数の砥石片５の各連接点Ｐを通る同心円Ｄ同士の間隔ｌが、互いに略等しくなっている。更に、図２に示すように、砥石片５の砥石厚さｈと上記接着剤層６の厚さｔとの和、すなわち、上記基盤２の盤面からの砥石部３の突き出し量Ｈは、該砥石部３の内周端３ａから外周端３ｂに至るまで略均一となっている。このとき、該砥石部３の最も内周端３ａ側に位置する砥石片５（すなわち、ｎ＝１番目の砥石片５）が、上記基盤２の内周縁２ａの回転接線方向に対して成す角度も、上記連接角度θと略等しくなっており、また、上記複数の砥石部３の間においても、上記連接角度θ及び突き出し量Ｈが互いに略等しくなっている。

なお、上記砥石部３を形成する複数の砥石片５は、必ずしも互いに略同じ砥石幅ｗを有している必要性は無く、例えば、内周端３ａから外周端３ｂに向けて徐々に変化させる等しても良い。また、上記砥石部３の各連接点Ｐにおける砥石片５の連接角度θも、必ずしも互いに略等角度である必要性は無く、例えば、内周端３ａから外周端３ｂに向けて徐々に変化させる一方で、上記複数の砥石部３の同じ同心円上に配された各連接点Ｐにおける砥石片５の連接角度θを互いに略等しくする等しても良い。更に、上記複数の砥石片５の各連接点Ｐを通る同心円Ｄ同士の間隔ｌも、必ずしも略等しくする必要性は無く、例えば、砥石片５の長さや連接角度θに応じて変化させる等しても良い。

ここで、上記砥石片５における砥粒の平均粒径は、１μｍ以上２５０μｍ以下の範囲であることが望ましい。該平均粒径が１μｍよりも小さいと、研削効率が低下したり結合材による砥粒の保持力が低下する虞があり、２５０μｍよりも大きいと、ワークＷの加工面の加工精度が低下する虞がある。また、該砥石片５における砥粒の含有率は、１０体積％以上５０体積％以下の範囲であることが望ましい。該含有率が１０体積％よりも小さいと研削効率が低下し、５０体積％よりも大きいと、結合材による砥粒の保持力が低下する虞がある。そして、上記砥石片５の幅ｗは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲であることが望ましい。該幅ｗが１ｍｍよりも小さいと研削効率が低下し、１０ｍｍよりも大きいと、砥石片５の幅方向中央部における砥粒とワークとが接触する各加工点に対し、研削液を円滑且つ十分に供給できなくなる虞がある。

上記各砥石片５の各連接点Ｐにおける連接角度θは、該ホイール１の回転方向に対し、１１０度以上１６０度以下の範囲であることが望ましい。該連接角度θが１１０度よりも小さかったり、１６０度よりも大きかったりすると、上記ホイール１上に供給された研削液の径方向や周方向に対する円滑な流通が阻害され、砥石部３の各加工点に対し、該研削液を円滑且つ十分に供給できなくなる虞がある。また、上記砥石片５を基盤２上に固着する接着剤の厚さｔを約０．５ｍｍとしたとき、該砥石片５の砥石厚さｈが、３．０ｍｍ以上７．０ｍｍ以下（すなわち、砥石部３の突き出し量Ｈが３．５ｍｍ以上７．５ｍｍ以下）であると、ホイール１上における研削液の円滑且つ十分な流れと、砥石片５の磨耗によるホイール１の寿命とをバランス良く確保することができて望ましい。

上述したホイール１を用いてワークＷの表面を研削するにあたっては、図５に示すように、まず、該ホイール１を、上記弓形形状の砥石部３が上面に配され且つ回転方向に対し凸を成した状態、すなわち、砥石部３の外周端３ｂが回転方向と逆方向の向いた状態で、上記取付孔４により、平面ホーニング盤の回転軸に対し水平に取り付ける。また同時に、研削加工する円形のワークＷを、上記ホイール１の回転軸とは異なる軸に対し、その加工面（すなわち被研削面）が上記ホイール１の上面と平行を成して対向するように取り付ける。
そして、上記ホイール１の上面と上記ワークＷの加工面とを適当な荷重で圧接させ、該ホイール１の上面の内周側に研削液を供給しながら、該ホイール１を回転方向に所定回転数で回転させることにより、該ワークＷの加工面を研削する。

そのとき、上記研削液は、ホイール１の回転により、該ホイール１上において、回転方向とは逆の周方向への相対的な速度成分と、遠心方向（径方向）への速度成分とを有して、該ホイール１の内周側から外周側へ向けて曲線状に流れ、該ホイール１の外周縁から研削屑と共に排出されるが、ここでは、上記砥石部３が、上述のような弓形形状に形成されているため、該ホイール１の内周面上に供給された研削液を、該ホイール１上を砥石部３に沿って周方向及び径方向に対し逆らうこと無く円滑に流通させ排出することができる。

このように、上記ホイール１によれば、ホイール１上に供給された研削液を、その流れが砥石部３により阻害されること無く、ホイール１の全面に亘って円滑に循環させることができるため、たとえ砥石部３の突き出し量Ｈが大きくホイール１の回転数が高くても、ワークＷと砥石部３の砥粒とが接触する各加工点に対し該研削液を円滑に供給することができる。そして、その結果、砥石部３の目詰りや砥粒の研削熱による磨耗や脱粒が抑制されることにより、加工面上におけるスクラッチ傷が抑制されると同時に表面粗さも改善されて、ワークＷの加工精度をより向上させることが可能となる。
なお、上記砥石部３は、本実施形態のように、複数の直線部分を互いに所定角度で屈曲させて連接することにより弓形形状に形成されているものに限らず、滑らかに湾曲する曲線により弓形形状に形成されているものであっても良い。

以下に、本発明の実施例を比較例と対比することにより詳細に説明する。但し、本発明はこれらの実施例において何ら限定的に解されるものではない。
ここでは、本願発明に係るホイール１の効果を検証するため、図１に示す本願発明に係るホイール１と、複数の砥石部を径方向へ放射直線状に配置した比較例としてのホイールとを、それぞれ平面ホーニング盤に取り付けてワークＷを加工し、加工能率や加工精度を比較した。

（実施例）
まず、平均粒径３μｍの多数のダイヤモンド砥粒と結合材とを調合した後、所定の寸法に成型後、焼結を行い、砥石幅ｗが３ｍｍ、砥石厚さｈが３ｍｍ及び７ｍｍの短冊状に形成された２種類の砥石片５（ビトリファイドボンド砥石）を作製した。このとき、これら砥石片５におけるダイヤモンド砥粒の含有率は２５体積％とした。
そして、内径２００ｍｍ、外径６００ｍｍで厚さが５０ｍｍの基盤２を準備し、その盤面上の内周縁２ａから外周縁２ｂにかけて、間隔ｌ＝２５ｍｍ毎に７本の同心円Ｄを等間隔に描いた。

次に、砥石厚さｈ＝３ｍｍの８個の砥石片５を、上記各同心円Ｄ上の各連接点Ｐにおいて、連接角度θ＝１４５度で連接した状態で、上記基盤２上に厚さｔ＝０．５ｍｍの接着剤層６を介して固着することにより、内周縁２ａから外周縁２ｂに至る弓形形状の砥石部３を形成した。また、該砥石部３の最も内周端３ａ側に位置する砥石片５が、上記基盤２の内周縁２ａの回転接線方向に対して成す角度も同様に１４５度とした。このとき、該基盤２上における該砥石部３の延在角度αは、約７５度となった。
そして、上記基盤２上に、その軸心Ｏを中心として１５度毎に上記砥石部３を計２４本形成することにより、砥石部３の突き出し量Ｈが３．５ｍｍのホイール１（実施例１）を得た。また、同様にして、砥石厚さｈが７ｍｍの砥石片５を使用し、突き出し量Ｈが７．５ｍｍのホイール１（実施例２）を得た。

加工機（平面ホーニング盤）には、株式会社ナガセインテグレックス製複合研削加工機ＮＳＦ−６００（回転定盤寸法Φ６００）を使用した。加工物（ワークＷ）にはサファイア３インチウエハを用い、上記実施例１及び２に係るホイール１のそれぞれについて、砥石軸回転数（ホイール１の回転数）を１００ｒｐｍから６００ｒｐｍまでの１００ｒｐｍ毎に設定し、各回転数において１０分間加工を行った。このとき、上記ワークＷを各実験毎に３枚づつ準備し、３枚のワークＷをそれぞれ軸荷重１ｋｇ（計３ｋｇ）で、上記ホイール１に対し圧接させながら同時に加工を行った。なお、上記ホイール１のドレッサーにはＷＡ＃２０００を用い、ドレッサーの軸回転数は６００ｒｐｍ、ドレス軸送りは２０ｕｍ／ｍｉｎで実施した。

そして、上記実施例１及び２に係るホイール１により各砥石軸回転数で加工した各ワークＷについて、レーザー顕微鏡で２００倍観察してスクラッチの発生数を測定した。その測定結果を表１及び表３にそれぞれ示す。また同時に、上記各実施例に係るホイール１により砥石軸回転数３００ｒｐｍで加工した各ワークＷについて、加工能率、並びに、加工面の平面度及び表面粗さ（算術平均粗さＲａ、最大高さＲｙ）を測定した。その測定結果を表２及び表４にそれぞれ示す。なお、表中の数値は、同時に加工を行った３枚のワークＷに関する測定結果の平均値を示している。

（比較例）
上記実施例と同様の方法で、まず、多数のダイヤモンド砥粒と結合材とを調合した後、所定の寸法に成型後、焼結を行い、短冊状に形成された２種類の砥石片（ビトリファイドボンド砥石）を作製した。このとき、ダイヤモンド砥粒の平均粒径、並びに、砥石片の砥石幅、砥石厚さ及び砥粒含有率も、上記各実施例と同じとした。
そして、上記実施例と同じ基盤を使用して、各基盤の盤面上に、同じ砥石厚さの砥石片を、各基盤の軸心を中心として１５度毎に、厚さ０．５ｍｍの接着剤層を介して、内周縁から外周縁に至るまで直線状に固着することにより、計２４本の放射状の砥石部を形成した。その結果、上記各実施例と同様に、砥石部の突き出し量が３．５ｍｍのホイール（比較例１）及び７．５ｍｍのホイール（比較例２）を得た。

ワークの加工は、上記各実施例と同じ加工機及びワークを使用し、同じ加工条件の下で行った。
そして、上記実施例と同様にして、上記比較例１及び２に係る２種類のホイール１により各砥石軸回転数で加工した各ワークについて、スクラッチの発生数を測定した。その測定結果を表１及び表３に示す。また同時に、上記各比較例に係るホイールにより砥石軸回転数３００ｒｐｍで加工した各ワークについて、加工能率、並びに、加工面の平面度及び表面粗さ（算術平均粗さＲａ、最大高さＲｙ）を測定した。その測定結果を表２及び表４に示す。
なお、ここでも表中の数値は、同時に加工を行った３枚のワークに関する測定結果の平均値を示している。

上記実験結果によれば、実施例１及び２に係るホイール１においては、比較例１及び２に係るホイールと比べて、それぞれ、加工能率や平面度を犠牲にすること無く、スクラッチ発生数が減少すると同時に表面粗さが改善されており、加工精度がより向上することが確認できた。特に、何れの実施例に係るホイール１においても、砥石軸回転数３００ｒｐｍ以下ではスクラッチが殆ど発生しておらず、２００ｒｐｍ以下では全く発生していないことが確認できる。

１ 平面ホーニング加工用超砥粒ホイール
２ 基盤
２ａ 内周縁
２ｂ 外周縁
３ 砥石部
３ａ 内周端
３ｂ 外周端
４ 取付孔
５ 砥石片
６ 接着剤層
Ｄ 同心円
Ｈ 砥石部の突き出し量
ｈ 砥石片の砥石厚さ
ｌ 同心円間の間隔
Ｐ 連接点
ｔ 接着剤層の厚さ
Ｗ ワーク
ｗ 砥石片の砥石幅
α 砥石部の延在角度
θ 砥石片の連接角度

Claims (9)

1. 円盤状を成し中心部に取付孔を有する回転基盤と、該基盤上に多数の砥粒を固着して成り、該基盤の内周部から外周部にかけて筋条に延びる複数の砥石部とを備えていて、
   上記砥石部全体が、その内周端側から外周端側に向けて、上記基盤の回転方向に対し鈍角を成すと共に凸を成して曲がって延びる弓形形状に形成されている、
   ことを特徴とする平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
2. 上記基盤の中心と上記砥石部の内周端及び外周端とを結ぶ２本の直線が成す、該砥石部が周方向に延在する角度が２０度以上１２０度以下である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
3. 上記複数の砥石部が、上記基盤の周方向に等間隔に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
4. 上記砥石部は、砥粒を結合材中に分散させて長手方向に直線を成す短冊状に形成された複数の砥石片を、上記基盤上に長手方向に連接し固着することにより形成されている、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
5. 上記複数の砥石部における、それらの内周端からｎ番目とｎ＋１番目に位置する砥石片同士の各連接点が、全て同じ同心円上に配されていている、
   ことを特徴とする請求項４に記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
6. 上記砥石部における、上記複数の砥石片の各連接点を通る同心円が等間隔となっている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
7. 上記砥石部を形成する複数の砥石片が、それらの内周端側の各連接点において、これら各連接点を通る各同心円の回転接線方向に対し、１１０度以上１６０度以下の同じ連接角度を成してそれぞれ連接されている、
   ことを特徴とする請求項６に記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
8. 上記砥石部を形成する複数の砥石片が、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の同幅に形成されている、
   ことを特徴とする請求項４〜７の何れかに記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。
9. 上記砥石片は、平均粒径１〜２５０μｍのダイヤモンド粒子及び／又はＣＢＮ粒子を砥粒として含んでいて、該砥粒の含有率を１０〜５０体積％とした、
   ことを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の平面ホーニング加工用超砥粒ホイール。

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