JP2021024001A - 超砥粒工具及び超砥粒工具の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】性能を容易に制御することを可能とする。【解決手段】超砥粒工具１は、複数の造粒物５が結合されてなる超砥粒層３を備える。複数の造粒物５は、超砥粒９が被覆層１０で被覆された第一造粒物７と、超砥粒９を含まない第二造粒物８と、を有する。第二造粒物８は、例えば、中空であってもよく、第一造粒物の超砥粒とは異なる粒状体が被覆層で被覆されてなるものであってもよい。【選択図】図３

Description

本発明は、複数の造粒物が結合されてなる超砥粒層を備える超砥粒工具及び超砥粒工具の製造方法に関する。

特許文献１には、超砥粒が金属材結合層で被覆された複数の砥粒層セグメントが互いに結合されてなる穿孔ビットが記載されている。特許文献２には、砥粒層を金属層で被覆した複数の造粒物が結合材により結合されてなる超砥粒工具が記載されている。

特開平０６−１８２７５５号公報 特開２０１９−０１０６８７号公報

これらの超砥粒工具では、切粉等により結合材や造粒物が削られることで、超砥粒の脱落及び超砥粒の露出の循環が促される。このような循環は、超砥粒の自生作用とも呼ばれる。これにより、切れ味を長期にわたって持続させることができる。しかしながら、全ての造粒物に同じ超砥粒が含まれた単調な構造であるため、その性能を制御することが難しいという問題がある。

そこで、本発明は、性能を容易に制御することができる超砥粒工具及び超砥粒工具の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る超砥粒工具は、複数の造粒物が結合されてなる超砥粒層を備え、複数の造粒物は、超砥粒が被覆層で被覆された第一造粒物と、超砥粒を含まない第二造粒物と、を有する。

この超砥粒工具では、複数の造粒物が、超砥粒が被覆層で被覆された第一造粒物と超砥粒を含まない第二造粒物とを有するため、超砥粒層に第一造粒物とは異なる機能を持たせることができる。このため、第二造粒物を変えることで、超砥粒工具の性能を容易に制御することができる。

第二造粒物は、中空であってもよい。この超砥粒工具では、第二造粒物が中空であるため、超砥粒層が摩耗しやすくなる。これにより、超砥粒の自生作用が得られにくい材料を加工する際も、超砥粒の自生作用を促進させて、切れ味を長期にわたって持続させることができる。

第二造粒物は、第一造粒物の超砥粒とは異なる粒状体が被覆層で被覆されてなるものであってもよい。この超砥粒工具では、第二造粒物が、第一造粒物の超砥粒とは異なる粒状体が被覆層で被覆されてなるため、超砥粒工具に、粒状体に対応した性能を付加することができる。

粒状体は、機能性材料であってもよい。この超砥粒工具では、粒状体が機能性材料であるため、超砥粒工具に様々な機能を付与することができる。

複数の造粒物は、複数の造粒物の間に充填された結合材により結合されていてもよい。この超砥粒工具では、複数の造粒物が、複数の造粒物の間に充填された結合材により結合されているため、複数の造粒物の結合強度を高めることができる。

本発明に係る超砥粒工具の製造方法は、複数の造粒物が結合されてなる超砥粒層を備える超砥粒工具の製造方法であって、複数の造粒物として、超砥粒が被覆層で被覆された第一造粒物と、超砥粒を含まない第二造粒物と、を製造し、第一造粒物と第二造粒物とを結合して超砥粒層を形成する。

この超砥粒工具の製造方法では、超砥粒が被覆層で被覆された第一造粒物と超砥粒を含まない第二造粒物とを結合して超砥粒層を形成するため、超砥粒層に第一造粒物とは異なる機能を持たせることができる。このため、第二造粒物を変えることで、超砥粒工具の性能を容易に制御することができる。

本発明によれば、性能を容易に制御することができる。

図１（ａ）は、本実施形態の超砥粒工具の一例を示す正面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す超砥粒工具の底面図である。 図２（ａ）は、本実施形態の超砥粒工具の他の一例を示す正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す超砥粒工具の底面図である。 超砥粒層の一例を示す拡大図である。 超砥粒層の他の一例を示す拡大図である。 超砥粒層の他の一例を示す拡大図である。 実施例１を説明するための図である。 実施例１の計測結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、実施形態に係る超砥粒工具及び超砥粒工具の製造方法を説明する。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示すように、本実施形態に係る超砥粒工具１は、台金２と、台金２に固着された超砥粒層３と、を備える。超砥粒工具１の形状、大きさ、用途等は、特に限定されるものではない。例えば、図１に示すように、円筒状の台金２の先端部に円筒状の超砥粒層３が形成されたコアドリル型の超砥粒工具であってもよく、図２に示すように、円板状の台金２の周縁に円環状の超砥粒層３が形成されたホイール型の超砥粒工具であってもよい。図１に示す超砥粒工具１では、超砥粒層３の中心軸線方向における先端面が加工面４となる。図２に示す超砥粒工具１では、超砥粒層３の外周面が加工面４となる。

図３に示すように、超砥粒層３は、複数の造粒物５が結合されて構成されている。複数の造粒物５は、例えば、焼結されることにより互いに結合されている。この超砥粒層３では、複数の造粒物５の間に空隙６が形成されて、全体として有気孔となっている。この超砥粒層３は、例えば、特許文献１に記載された製造方法と同様に、複数の造粒物５が互いに圧接された状態で焼結することにより形成することができる。

複数の造粒物５は、それぞれ略球形をなしており、超砥粒層３において立体的に連続的に配置されている。複数の造粒物５は、理想的には、互いに直交する３軸方向に規則的に配列されている。造粒物５の膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば、５μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。

複数の造粒物５は、第一造粒物７と、第二造粒物８と、を有する。つまり、本実施形態では、複数の造粒物５は、第一造粒物７及び第二造粒物８の２種類の造粒物５により構成されている。第一造粒物７は、超砥粒９が被覆層１０で被覆された造粒物５である。第二造粒物８は、超砥粒９を含まない造粒物５である。第一造粒物７の外形と第二造粒物８の外形とは、実質的に同じであることが好ましいが、異なっていてもよい。実質的に同じであるとは、製造上の誤差を許容する意味である。

超砥粒９としては、特に限定されるものではなく、例えば、ダイヤモンド砥粒、ＣＢＮ（Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）砥粒等を用いることができる。また、超砥粒９として、ニッケル、チタン等の金属膜などによりコーティングされた砥粒も用いることができる。超砥粒９の粒度、形状、素材等は、特に限定されるものではなく、超砥粒工具１の用途等に応じて適宜選択される。

超砥粒９は、一つの造粒物５に対して少なくとも一つ含まれていればよい。つまり、一つの造粒物５に超砥粒９が一つのみ含まれていてもよい。一つの造粒物５に超砥粒９が複数含まれていてもよい。なお、造粒物５内で超砥粒９が凝集しない観点から、一つの造粒物５に含まれる超砥粒９を三つ以下とすることが好ましく、一つとすることが更に好ましい。

被覆層１０の素材は、特に限定されるものではなく、例えば、金属、ガラス粉、樹脂等を用いることができる。超砥粒層３の製造を容易にするとともに、超砥粒９の脱落を抑制する観点から、被覆層１０の素材は、金属であることが好ましい。

なお、被覆層１０は、必ずしも超砥粒９の全表面を被覆していなくてもよい。加工面４では、超砥粒９が被覆層１０から露出して突出している。また、超砥粒層３の加工面４以外の外表面においても、超砥粒９が被覆層１０から露出していてもよい。

超砥粒層３の強度の低下を抑制しつつ、被覆層１０からの超砥粒９の脱落を抑制する観点から、複数の造粒物５の平均粒径は、複数の超砥粒９の平均粒径の１．２倍以上３．４倍以下、２．０倍以上２．５倍以下とすることができる。また、超砥粒９の自生作用が低下するのを抑制しつつ、被覆層１０からの超砥粒９の脱落を抑制する観点から、複数の超砥粒９の平均粒径は、７５μｍ以上６００μｍ以下とすることができる。超砥粒９の粒径は、超砥粒９の最大径をいう。造粒物５の粒径は、造粒物５の最大径をいう。

第二造粒物８は、超砥粒９を含まなければ、如何なる構成であってもよい。本実施形態の第二造粒物８は、内部に空隙が形成された中空構造となっている。具体的には、第二造粒物８は、中空構造の中空体１１が被覆層１２で被覆されて構成されている。中空体１１の形状、大きさ、素材等は、特に限定されるものではない。中空体１１としては、例えば、球状の中空セラミック、中空シリカ等を用いることができる。被覆層１２の素材は、特に限定されるものではなく、例えば、第一造粒物７の被覆層１０と同じ素材とすることができる。

超砥粒層３における第一造粒物７と第二造粒物８との割合は、特に限定されるものではなく、超砥粒工具１の用途等に応じて適宜設定される。

次に、超砥粒工具１の製造方法の一例について説明する。

この製造方法では、まず、第一造粒物７と第二造粒物８とを製造する。ここでは、第一造粒物７の被覆層１０及び第二造粒物８の被覆層１２が金属層であり、第二造粒物８の中空体１１が中空セラミックであるものとして説明する。

第一造粒物７は、超砥粒９と被覆層１０になる金属粉末とを混合して造粒することにより形成する。造粒の方法としては、特に限定されず、公知の様々な方法を用いることができる。この造粒により、超砥粒９は、一層又は複数層の被覆層１０により被覆される。造粒に用いられる金属粉末としては、例えば、タングステン、銅、コバルト、ニッケル、錫、銀、マンガン、クロム、その他の炭化物、これらの合金、これらの混合物等を用いることができる。

第二造粒物８は、中空体１１と被覆層１０になる金属粉末を造粒することにより形成する。第二造粒物８は、第一造粒物７と同じ大きさになるように造粒する。造粒の方法としては、特に限定されず、例えば、第一造粒物７の造粒と同じ方法を用いることができる。

次に、複数の第一造粒物７及び複数の第二造粒物８を焼結により結合する。焼結の方法は、特に限定されず、ホットプレス法、フリーシンタ法、浸透法、ホットコイニング法、抵抗焼結法等の公知の様々な方法を用いることができる。そして、この焼結により、複数の造粒物５が結合されて、超砥粒層３が形成される。このとき、造粒物５同士が点又は面で結合されることで、超砥粒層３は全体として有気孔となる。

次に、超砥粒層３の加工面４となる面に対して、研削、ドレッシング、ブラスト加工等を行い、超砥粒９を超砥粒層３から露出させる。

なお、台金２に対する超砥粒層３の固着は、どの段階で行ってもよい。例えば、超砥粒層３の加工面４を研削等する前に、台金２に超砥粒層３を固着させてもよく、超砥粒層３の加工面４を研削等した後に、台金２に超砥粒層３を固着させてもよい。

このように、本実施形態に係る超砥粒工具１では、複数の造粒物５が、超砥粒９が被覆層１０で被覆された第一造粒物７と超砥粒９を含まない第二造粒物８とを有するため、超砥粒層３に第一造粒物７とは異なる機能を持たせることができる。このため、第二造粒物８を変えることで、超砥粒工具１の性能を容易に制御することができる。

また、第二造粒物８が中空であるため、超砥粒層３が摩耗しやすくなる。これにより、超砥粒の自生作用が得られにくい材料を加工する際も、超砥粒９の自生作用を促進させて、切れ味を長期にわたって持続させることができる。

本実施形態に係る超砥粒工具１の製造方法では、超砥粒９が被覆層１０で被覆された第一造粒物７と超砥粒９を含まない第二造粒物８とを結合して超砥粒層３を形成するため、超砥粒層３に第一造粒物７とは異なる機能を持たせることができる。このため、第二造粒物８を変えることで、超砥粒工具１の性能を容易に制御することができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、超砥粒層３の第二造粒物８は、内部に空隙が形成された中空構造であるものとして説明したが、例えば、図４に示すように、超砥粒層３Ａの第二造粒物８Ａは、第一造粒物７の超砥粒９とは異なる粒状体１３が被覆層１４で被覆されてなるものであってもよい。粒状体１３としては、特に限定されるものではなく、例えば、カーボン等の固形潤滑体、超砥粒９よりも脆性が高く砕けやすい骨材などの機能性材料を用いることができる。被覆層１４としては、特に限定されるものではなく、例えば、第一造粒物７の被覆層１０と同じ素材とすることができる。超砥粒層３Ａは、上記実施形態と同様に製造することができる。

このように、第二造粒物８Ａが、第一造粒物７の超砥粒９とは異なる粒状体１３が被覆層１４で被覆されてなることで、超砥粒工具１に、粒状体に対応した性能を付加することができる。そして、粒状体１３が機能性材料である場合は、超砥粒工具に様々な機能を付与することができる。更に、粒状体１３が固形潤滑体である場合は、超砥粒工具１の切削抵抗を低減させて、超砥粒工具１の長寿命化を図ることができる。

また、上記実施形態では、超砥粒層３は、全体として有気孔となっているものとして説明したが、例えば、図５に示す超砥粒層３Ｂのように、全体として無気孔となっていてもよい。

図５に示す超砥粒層３Ｂは、複数の造粒物５が結合材１５で結合されて、この結合材１５が複数の造粒物５の間を埋めるように配置されている。結合材１５は、ボンドとも呼ばれ、複数の造粒物５を結合する。結合材１５の種類は、特に限定されるものではなく、例えば、メタルボンド、レジンボンド、ビトリファイドボンド等を用いることができる。なお、結合材１５が金属素材からなり、造粒物５と結合材１５とを焼結することにより超砥粒層３を形成する場合、結合材１５は、被覆層１０の主成分と異なる金属を含むことが好ましい。この超砥粒層３Ｂでは、複数の造粒物５が、複数の造粒物５の間に充填された結合材により結合されているため、複数の造粒物５の結合強度を高めることができる。

次に、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

実施例では、超砥粒が被覆層で被覆された第一造粒物を造粒するとともに、中空構造の中空体が被覆層で被覆された第二造粒物を造粒した。第一造粒物の超砥粒として、ダイヤモンド砥粒（粒径：♯４０／６０）を使用し、第一造粒物及び第二造粒物の平均粒径を４５０μｍ以上６００μｍ以下とした。そして、複数の第一造粒物及び複数の第二造粒物を互いに結合させることにより有気孔の超砥粒層を形成するとともに、この超砥粒層を台金に固着させて、図２に示すホイール型の超砥粒工具１を製造した。

そして、図６に示すように、実施例の超砥粒工具１を用いて、多結晶シリコン２０に対する加工試験を行った。加工試験では、超砥粒工具１を回転させながら往復させることで多結晶シリコン２０に所定深さの切削溝を形成した。超砥粒工具１の往復を１カットとして１６０カット行い、カット数に対する超砥粒工具の径摩耗量（工具径摩耗量）を計測した。計測結果を図７に示す。

図７に示すように、実施例では、超砥粒の自生作用が得られにくい材料である多結晶シリコン２０を切削しているにもかかわらず、少なくとも１６０カットまでは、超砥粒工具１がカット数に比例して摩耗した。この結果から、複数の造粒物として、超砥粒が被覆層で被覆された第一造粒物だけではなく中空の第二造粒物も加えることで、超砥粒層が摩耗しやすくなり、これにより、超砥粒の自生作用が得られにくい材料を加工する際も、超砥粒９の自生作用を促進させて、切れ味を長期にわたって持続させることができることが分かった。

１…超砥粒工具、２…台金、３，３Ａ，３Ｂ…超砥粒層、４…加工面、５…造粒物、６…空隙、７…第一造粒物、８，８Ａ…第二造粒物、９…超砥粒、１０…被覆層、１１…中空体、１２…被覆層、１３…粒状体、１４…被覆層、１５…結合材、２０…多結晶シリコン。

Claims (6)

1. 複数の造粒物が結合されてなる超砥粒層を備え、
   前記複数の造粒物は、超砥粒が被覆層で被覆された第一造粒物と、前記超砥粒を含まない第二造粒物と、を有する、
   超砥粒工具。
2. 前記第二造粒物は、中空である、
   請求項１に記載の超砥粒工具。
3. 前記第二造粒物は、前記第一造粒物の前記超砥粒とは異なる粒状体が被覆層で被覆されてなる、
   請求項１に記載の超砥粒工具。
4. 前記粒状体は、機能性材料である、
   請求項３に記載の超砥粒工具。
5. 前記複数の造粒物は、前記複数の造粒物の間に充填された結合材により結合されている、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の超砥粒工具。
6. 複数の造粒物が結合されてなる超砥粒層を備える超砥粒工具の製造方法であって、
   前記複数の造粒物として、超砥粒が被覆層で被覆された第一造粒物と、前記超砥粒を含まない第二造粒物と、を製造し、
   前記第一造粒物と前記第二造粒物とを結合して前記超砥粒層を形成する、
   超砥粒工具の製造方法。

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