JP4605237B2 - 固定砥粒ワイヤソーを用いた高硬度材料の切断方法 - Google Patents

Description

本発明は、固定砥粒ワイヤソーを用いた高硬度材料の切断方法および磁気ヘッド用セラミックス基板の製造方法に関する。

近年、コンピュータなどのハードディスク装置（ＨＤＤ）やフレキシブルディスク装置（ＦＤＤ）などの種々の磁気記録装置には、薄膜磁気ヘッドが使用されている。薄膜磁気ヘッドの小型化に伴って磁気ヘッド用基板として用いられる導電性基板が薄くなりつつある。磁気ヘッド用基板には高い硬度および耐磨耗性が求められるため、現在、Ａｌ₂Ｏ₃−Ｔｉ系、ＳｉＣ系、およびＺｒＯ₂系などのセラミックス材料が使用されている。例えば、磁気ヘッド用セラミックス基板として現在広く用いられているアルチック（ＡｌＴｉＣ）基板は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）およびチタンカーバイト（ＴｉＣ）等の原料を焼結・加工することによって製造される。厚さ１．２ｍｍ程度のＡｌＴｉＣ基板が磁気ヘッド用基板として実用化されているが、磁気記録のさらなる高密度化のためには、より薄く、かつ平滑なセラミックス基板の開発が望まれている。

セラミックス基板の製造には焼結工程が不可欠であるが、焼結時に焼結体の温度分布が不均一になるなどして焼結基板に「そり」などの変形が発生することが多い。作製する基板が薄い（例えば２ｍｍ以下）ほど、基板に大きなそりが生じる。従来、この「そり」は、基板表面を研磨し、平坦化することによって除去されていた。

磁気ヘッド用基板に使用されるＡｌＴｉＣに代表される焼結体は極めて高い硬度（モース硬度で８以上、ビッカース硬度で１８００以上）を有しているため、その研磨に長時間を要する。例えば、厚さ２ｍｍの焼結体を１．２ｍｍの厚さになるまで研磨するには数十時間の加工が必要になる場合がある。一方、焼結体を薄く形成すればするほど焼結体の剛性が低下するため、焼結体の「そり」はますます顕著になる。従って、今後、さらに薄いセラミックス基板が必要になった場合において、従来の方法で基板を作製していると、焼結後に必要となる研磨などの加工工程に膨大な時間が費やされ、生産効率が著しく低下することが予想される。このことは、薄膜磁気ヘッドのさらなる生産性の向上に対して大きな障害となる。なお、「そり」の問題は、薄膜磁気ヘッド用セラミックス基板に限らず、薄い板状焼結体を作製する場合に広く生じ得るものである。例えば、半導体素子（例えば発光素子）および／またはその製造に用いられるＳｉＣ基板やサファイヤ基板についても同様の問題がある。

そこで、本願出願人は、特許文献１において、厚さが２ｍｍ以上のプレート形状の焼結体を２枚以上にスライス加工し、研磨することによって厚さが１．２ｍｍ以下のプレート形状の焼結体から薄膜磁気ヘッド用セラミックス基板を製造する方法を提案した。また、スライス加工の方法として放電加工が好ましいことを示した。
特許第３０４８１３９号

しかしながら、放電加工によって焼結体を切断すると、放電に伴う熱が発生し、切断された基板の内部に応力が残り「そり」が発生する。従って、研磨工程が不可避であり、加工時間の短縮や材料の歩留まりの向上に限界がある。

一方、外周刃や内周刃を用いて焼結体を切断すると、熱に起因するそりの発生は抑制されるが、例えば０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ程度の厚さの切り代が必要なため、材料の歩留まりが低下する。磁気ヘッド用セラミックス基板に用いられる高硬度材料は一般に高価であるため、歩留まりのさらなる向上が望まれる。

近年、固定砥粒ワイヤソーによって、水晶（モース硬度７、ビッカース硬度７１０〜７９０）などの比較的硬度の高い材料を切断する方法が提案されている（例えば、特開平１１−３０９６６１号公報）。しかしながら、本発明者の実験によると、上記公報の実施例に記載されている方法では、モース硬度が８以上あるいはビッカース硬度が１８００以上の高硬度材料を効率良く切断することができないことがわかった。

本発明は上記の諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、固定砥粒ワイヤソーを用いて高硬度材料を効率良く切断する方法を提供することにある。

本発明による高硬度材料の切断方法は、芯線に砥粒を固着させたワイヤソーを用いる高硬度材料の切断方法であって、前記高硬度材料に接触する前記ワイヤソーに対して、２５℃における表面張力が４０ｍＮ／ｍ〜８０ｍＮ／ｍの範囲内にある水を主成分とする冷却液を、４．０×１０^-6ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ以上５．０×１０^-4ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ以下の条件を満足するように供給しながら、前記ワイヤソーを走行させることによって前記高硬度材料を切削する工程を包含し、そのことによって、上記目的が達成される。なお、高硬度材料とは、モース硬度が８以上またはビッカース硬度が１８００以上の材料を指す。

前記ワイヤソーを１００ｍ／ｍｉｎ以上２０００ｍ／ｍｉｎ以下の範囲内の速度で走行させることが好ましい。

前記冷却液の前記高硬度材料に対する２５℃における動摩擦係数が０．２以上０．５以下の範囲内にあることが好ましい。

前記砥粒は、前記芯線の外周面に形成された樹脂層によって固着されていることが好ましい。

前記ワイヤソーの外径は、０．１３ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の範囲内にあり、前記砥粒の平均粒径は１０μｍ以上６０μｍ以下の範囲内にあることが好ましい。砥粒としてダイヤモンド砥粒を用いる場合は、破砕性の高いグレードのダイヤモンド砥粒を用いることが好ましい。

前記冷却液は前記ワイヤソーが前記高硬度材料に接触している部分に直接供給されることが好ましい。

ある実施形態においては、前記冷却液に遊離砥粒が混合されている。前記遊離砥粒の平均粒径は、前記砥粒の平均粒径の１／４から１／２の範囲にあることが好ましい。前記遊離砥粒の混合比率は、前記冷却液に対して０．１質量％から１．０質量％の範囲内にあることが好ましい。遊離砥粒としては、例えば、ＳｉＣ砥粒やダイヤモンド砥粒を好適に用いることができる。

前記高硬度材料はビッカース硬度が１８００以上であってもよい。ある実施形態において、前記高硬度材料はアルミナチタンカーバイトである。勿論、前記高硬度材料は他の導電性セラミックスであってもよい。

本発明による高硬度材料の切断方法は、磁気ヘッド用セラミックス基板の製造方法に好適に用いられる。

本発明によると、固定砥粒ワイヤソーを用いて高硬度材料を効率良く切断する方法が提供される。

本発明による高硬度材料の切断方法を採用すると、高硬度材料を効率良くかつ高精度で切断できるので、例えば、磁気ヘッド用の導電性を有する高硬度セラミックス基板（例えばＡｌＴｉＣ基板）や、化合物半導体をエピタキシャル成長させるためのＳｉＣ基板やサファイヤ基板を効率良く、かつ高精度で製造することができる。

以下に、本発明による実施形態の高硬度材料の切断方法を説明する。

本発明による実施形態の高硬度材料の切断方法は、芯線（典型的にはピアノ線）に砥粒（典型的にはダイヤモンド砥粒）を固着させたワイヤソー（「固定砥粒ワイヤソー」ということもある。）を用いる切断方法であって、高硬度材料に接触するワイヤソーに対して、２５℃における表面張力が４０ｍＮ／ｍ〜８０ｍＮ／ｍの範囲内にある水を主成分とする冷却液を、４．０×１０^-6ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ以上５．０×１０^-4ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ以下の条件を満足するように供給しながら、ワイヤソーを走行させることによって高硬度材料を切削する工程を包含する。なお、本明細書において、「水を主成分とする冷却液」とは、全体の７０質量％以上が水である冷却液をいう。

本発明による実施形態の高硬度材料の切断方法において好適に用いられる冷却液は、上記高硬度材料に対する動摩擦係数によって選別することも可能で、２５℃における上記動摩擦係数が約０．２〜約０．３の範囲内にある冷却液は、上記の範囲内の表面張力を有する冷却液と同等の作用・効果を発揮し得る。なお、表面張力と動摩擦係数との間に、定性的な相関関係があることが知られている。

冷却液の表面張力は、よく知られているデュヌイ表面張力計を用いて測定される。また、高硬度材料に対する冷却液の動的摩擦係数は、日本で基礎的な試験機として多用されている増田式「四球式摩擦試験機」を用いて測定される。本明細書においては、表面張力および動摩擦係数のいずれについても、２５℃における値を、冷却液を特徴付ける値として採用する。

また、２５℃の表面張力または動摩擦係数を用いて、本発明の高硬度材料の切断方法で用いられる冷却液を特定したが、実際に使用する際の冷却液の温度は、２５℃に限られない。但し、本発明の効果を得るためには、１５℃〜３５℃の範囲内に温度制御された冷却液を用いることが好ましく、２０℃〜３０℃の範囲内にあることがさらに好ましく、２０℃〜２５℃の範囲内にあることがさらに好ましい。よく知られているように、冷却液の表面張力や動摩擦係数は温度に依存するので、実際に使用する冷却液の温度が上記の温度範囲からあまり外れると、表面張力や動摩擦係数がそれぞれ上記の数値範囲から外れた冷却液を用いた場合と同様に、切削効率が低下する。

図１（ａ）および（ｂ）を参照しながら、ワイヤソー１を用いて高硬度材料（モース硬度８以上またはビッカース硬度１８００以上）のワークピース５を切削するメカニズムを説明する。以下に説明するメカニズムは、本発明者の実験結果に基づく考察によるものであり、本発明の効果は、以下のメカニズムによって制限されるものではない。

比較的硬度の低い材料（例えばビッカース硬度が６００程度の鉄系材料）のワークピース５’を、ダイヤモンド砥粒３を芯線２に固着したワイヤソー１で切削すると、図１（ａ）に示すように、砥粒３がワークピース５’に噛み込み、ワークピース５’の内部で材料の脆性破壊を伴いながら切削が進行する。

このようなメカニズムで切削が進行する場合、冷却液には、（１）砥粒３がワークピース５’に深く侵入した状態において十分な潤滑性を得るために、高圧接触状態での潤滑性が高いこと、（２）深く侵入した砥粒３を十分に冷却するために、浸透性の高いことが望まれる。また、砥粒１つ当たりの仕事量が多く、その結果、多くの切削屑６’が生成されるので、（３）砥粒３の目詰まりを防止するために、冷却液の供給量を比較的多く供給することが必要になる。

一方、高硬度材料のワークピース５をダイヤモンド砥粒ワイヤソー１で切削すると、図１（ｂ）に示すように、砥粒３の先端部分しかワークピース５に侵入できず、ワークピース５の表面を剥ぎとるように切削が進行する。

このようなメカニズムで切削が進行する場合、冷却液には、（１）砥粒３がワークピース５に噛み込み効率的に作用させるために、潤滑性は低い方が好ましい。また、（２）砥粒３とワークピース５との接触面積が小さく、砥粒３は冷却液と十分に接することができるので、高い浸透性は必要なく、（３）発生する切削屑６の量も比較的少ないので冷却液の供給量も少なくてよい。

後に実験結果を示して説明するように、上述したように、高硬度材料に接触するワイヤソーに対して、２５℃における表面張力が４０ｍＮ／ｍ〜８０ｍＮ／ｍの範囲内にある水を主成分とする冷却液を、４．０×１０^-6ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ以上５．０×１０^-4ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ以下の条件を満足するように供給しながら、ワイヤソーを走行させて、切削を行うことによって、高強度材料を効率良く切断することができる。また、放電加工を用いて切断する場合のように、熱による「そり」の問題は発生しないので、切断後の研磨工程に長時間を要することがない。

なお、ワイヤソーに対する冷却液の単位面積当たりの供給速度Ｐ（ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ）は次のように定義する。切削部の面積をＳ（ワイヤソー走行方向の切削部の長さＬ（ｍｍ）×ワイヤソーの直径Ｄ（ｍｍ））、切削部に対する冷却液の供給速度をＱｍｌ／ｍｉｎとすると、切削部に対する単位面積当たりの冷却液の供給速度は、Ｑ／Ｓ（ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ）となる。このときワイヤソーの走行速度をＶ（ｍｍ／ｍｉｎ）とすると、ワイヤソーは１分間にＶ（ｍｍ）だけ移動するので、ワイヤソーのこの移動量を考慮して、切削部のワイヤソーに対する冷却液の供給速度Ｐは、Ｑ／（Ｓ・Ｖ）（ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ）で表す。

ワイヤソーを用いて高硬度材料を切削すると砥粒の先端部分は磨耗しやすく、その結果、切削効率が低下しやすい。これを抑制・防止するためには、砥粒を破砕して鋭利な先端を再生することが望ましい。そのために、高強度材料の切削屑を完全に除去しない程度に冷却液の供給量を調整し、切削屑と砥粒との接触によって砥粒を破砕することが好ましい。

さらに、冷却液に遊離砥粒を混合することによって、ワイヤソーの砥粒の破砕を促進することもできる。遊離砥粒としては、硬度が高い、ＳｉＣやダイヤモンドを用いることが好ましく、その平均粒径は、ワイヤソーの砥粒の平均粒径の１／４以上１／２以下であることが好ましい。遊離砥粒の粒径が大きすぎると、砥粒とワークピースとの間に遊離砥粒が介在する確率が低下し、砥粒の破砕を促進する効果が低下する。遊離砥粒の平均粒径が小さすぎると、砥粒に与える力が弱くなり、砥粒の破砕を促進する効果が低下する。遊離砥粒の混合量は、冷却液に対して０．１質量％から１．０質量％の範囲内にあることが好ましい。０．１質量％よりも少ないと遊離砥粒による破砕促進の効果が十分に得られない場合があり、１．０質量％を超えると砥粒の破砕が過度に起こり、切削効率が低下したり、ワイヤソーの寿命が短くなることがある。

ワイヤソーとしては、ダイヤモンド系砥粒を樹脂で固着したものが好適に用いられる。すなわち、芯線（典型的にはピアノ線）の外周面に樹脂を用いてダイヤモンド系砥粒を固着したワイヤソーを好適に用いることができる。そのなかでも、樹脂としてフェノール樹脂を用いることが好ましい。フェノール樹脂は、ピアノ線（硬鋼線）の外周面への接着強度が高く、また水を主成分とする冷却液に対する濡れ性（浸透性）にも優れる。樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂や光硬化性樹脂を用いることもできる。また、樹脂を用いて砥粒を固着したワイヤソーは、電着法を用いて製造されるワイヤソーよりも安価であり、高硬度材料の切断にかかるコストを低減することができる。なお、ワイヤソーの芯線は、ピアノ線に限られず、Ｎｉ−ＣｒやＦｅ−Ｎｉ等の合金、ＷやＭｏ等の高融点金属から形成されたもの、またはナイロン繊維などの高強度繊維を束ねたものから形成されていても良い。また、砥粒の材料はダイヤモンドに限定されず、ＳｉＣ、Ｂ、Ｃ、ＣＢＮ（Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）などであってもよい。

切削しろが少ないという利点を得るためには、ワイヤソーの外径は、０．３ｍｍ以下が好ましく、０．２５ｍｍ以下であることがさらに好ましい。ワイヤソーの外径の下限値は、十分な強度が得られるように設定され、かつ、所定の大きさの砥粒を十分な強度で固着するために、０．１２ｍｍ以上の直径の芯線を用いることが好ましく、ワイヤソーの外径は０．１３ｍｍ以上が好ましい。砥粒の平均粒径は、切削効率の観点から、１０μｍ以上で６０μｍ以下であることが好ましい。

また、切削効率と切削屑（スラッジ）の排出効率の観点から、ワイヤソーの走行方向における、互いに隣接する砥粒間の平均距離は、砥粒の平均粒径の１００％〜６００％の範囲内にあることが好ましく、かつ、砥粒が樹脂層の表面から突出している部分の平均高さは、５μｍ〜３０μｍの範囲内にあることが好ましく、１０μｍ〜２０μｍの範囲内にあることがさらに好ましい。

上述のようなワイヤソーは、上記の仕様を指定すればワイヤソーの製造業者（例えば、株式会社アライドマテリアル）から供給され得る。

冷却液の供給は、ワイヤソーが高硬度材料に接触する部分、すなわち切削部に直接供給することが好ましい。水を主成分とする冷却液は粘度が低く、ワイヤソーに対する付着力が弱いので、比較的高速（例えば、１００ｍ／ｍｉｎ以上２０００ｍ／ｍｉｎ以下）で走行させられるワイヤソーから容易に振り落とされるからである。また、冷却液を切削部に直接供給する方が供給量を制御しやすい利点もある。

冷却液の供給は、滴下または噴霧によって行うことが好ましい。冷却液を上記範囲の供給速度で実質的に連続的に供給するためには、少量ずつ滴下するか噴霧する方法を採用することが好ましい。滴下法を採用すると冷却液が供給される部分の面積は切削部に対して小さくなるので、複数の場所に滴下することが好ましい。例えば、ワイヤソーを双方向に走行させる場合には、切削部の両端に滴下することが好ましい。

本発明による高硬度材料の切断方法を採用すると、高硬度材料を効率良くかつ高精度で切断できるので、例えば、磁気ヘッド用の導電性を有する高硬度セラミックス基板や、半導体素子に用いられるＳｉＣ基板やサファイヤ基板等を効率良く、かつ高精度で製造することができる。特に、厚さが１．２ｍｍ以下の薄いセラミックス基板の製造に好適に適用される。

以下、実験例を示しながら本発明による実施形態の高硬度材料の切断方法をさらに具体的に説明する。

図２は、本発明による実施形態の高硬度材料の切断方法を実行するために用いられるワイヤソー装置１０を示す概略構成図である。なお、ワイヤソー装置１０は小型の試験機であるが、市販されているワイヤソー装置（例えば、都島製作所製のＳＷＳ−１２）を用いて本実施形態の高硬度材料の切断方法を実行することができる。勿論、ワイヤソーを多条に配設したワイヤソー装置を用いてもよい。

ワイヤソー装置１０は、ワイヤソー１２が巻回され、回転軸が駆動モータ（不図示）に接続された巻きドラム１０２と、巻きドラム１０２から、ワークピース（被切断物）１４を切断する切断部（切削部）１０４を介して再び巻きドラム１０２へとワイヤソー１２を案内する複数のプーリ１０６と、切断部１０４においてワイヤソー１２に向かってワークピース１４を直線的に移動させる（一定の切断荷重で押し当てる）ことができる移動装置（不図示）とを備えている。

ワイヤソー装置１０は、ワイヤソー１２の経路の途中に、テンション調節装置１１０を備えている。テンション調節装置１１０は、ワイヤソー１２が巻き掛けられた可動プーリ１１２に対して外側への付勢力Ｆを与えることによって、ワイヤソー１２に張力を付与し、これにより、ワイヤソー１２の弛みを防止することができる。さらに、テンション調節装置１１０は、ワークピース１４の押し当てなどによってワイヤソーに所定以上の張力が働く場合には、上記付勢力Ｆに対抗して可動プーリ１１２が内側に移動することができるように構成されている。これにより、ワイヤソー１２に加えられる張力を緩和しながら、ワイヤソー１２がワークピース１４に対して与える圧力を平衡に保つ。すなわち、ワークピース１４に対して一定の圧力でワイヤソー１２の押し当てを行なうことができる。ワイヤソー１２に印加される張力は、１５Ｎ〜３５Ｎの範囲に設定することが好ましい。

ここでは、ワイヤソー１２は双方向に走行させる構成を採用した。典型的な実験条件では、ワイヤソーの１２の走行速度を２００ｍ／ｍｉｎとし、１５秒サイクルで走行方向を反転させた。また、ワイヤソーの張力は１５Ｎ、切断荷重は２Ｎとした。

また、標準のワイヤソー１２として、ピアノ線の芯線径０．１８ｍｍ、外径０．２４ｍｍ、破断荷重７〜８．５ｋｇｆ、ダイヤモンド砥粒の粒径４０μｍ〜６０μｍ（平均粒径４２μｍ）、フェノール樹脂層の厚さ１５μｍ〜３０μｍを用いた。

ワイヤソー装置１０は、冷却液を切削部１０４に供給するための冷却液供給ノズル１１４を有している。ここでは、ワイヤソー１２を双方向に走行させる構成を採用したので、切削部１０４に連続的に冷却液を供給するために、２つの冷却液供給ノズル１１４を設けて、切削部１０４のワイヤソー１２の走行方向に沿った両端に冷却液を滴下した。なお、本実験例では、滴下によって冷却液を供給したが、噴霧によって供給してもよい。

図３を参照しながら、材料の硬度と切断速度との関係を説明する。図３は、ビッカース硬度が異なる材料をワイヤソー装置１０を用いて切断したときの、ビッカース硬度と切断速度（複数回の実験結果の平均値）との関係を示すグラフである。図３には、冷却液として水（水道水）と油系冷却液を用いたときの結果を合せて示している。

図３の結果から分かるように、水に比べて潤滑性に優れる油系冷却液を用いると、材料のビッカース硬度が上昇するに連れて平均切断速度が低下する。これに対し、冷却液として水を用いると、ビッカース硬度が低い材料の切断については油系冷却液を用いる場合に比べて平均切断速度は低いが、ビッカース硬度が１８００以上になると水を用いた場合の方が平均切断速度が高くなる。

切断速度に影響を与える冷却液の特性因子として冷却液の表面張力を取り上げ、表面張力と切断速度の関係を調べて結果を図４に示す。図４は、鉄系合金（ビッカース硬度６００、密度７．４ｇ／ｃｍ³）、ＡｌＴｉＣ（ビッカース硬度２０００、密度４．２ｇ／ｃｍ³）、サファイヤ（ビッカース硬度２３００、密度３．９８ｇ／ｃｍ³）について、冷却液の表面張力と切断速度との関係を示すグラフである。表面張力が４０ｍＮ／ｍ未満の冷却液は油系冷却液であり、表面張力が４０ｍＮ／ｍ以上の冷却液は水を主成分とする冷却液である。なお、水の表面張力は７２ｍＮ／ｍであり、水道水に界面活性剤等を添加することによって表面張力を調整した。一方、油系冷却液としては、鉱油を主成分とするもの（鉱油が約６０％、他はエステル等）を用いた。

図４からわかるように、ビッカース硬度が６００の鉄系合金は表面張力が低い冷却液を用いた方が高い切断速度が得られるのに対し、ビッカース硬度が２０００および２３００の高硬度材料は表面張力が高い水系冷却液を用いた方が高い切断速度が得られる。

また、冷却液の動摩擦係数に着目すると、図５に示すように、鉄系合金の切断速度は動摩擦係数が０．２未満の油系冷却液を用いた方が高く、高硬度材料の切断は、動摩擦係数が０．２以上の水系冷却液を用いた方が高くなる傾向が認められた。

これらの実験結果から、ビッカース硬度が１８００以上の硬度材料をワイヤソーを用いて効率良く切断するためには、表面張力が４０ｍＮ／ｍ〜８０ｍＮ／ｍの範囲内にある水を主成分とする冷却液、あるいは動摩擦係数が０．２以上０．５以下の範囲内にある水を主成分とする冷却液を用いることが好ましい。表面張力および動摩擦係数の値は何れも２５℃の値を冷却液を特徴づける値として用いる。

次に、冷却液の供給速度と切断効率との関係を図６および図７を参照しながら説明する。

図６は、５０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍのサファイヤ基板（ワイヤソー走行方向が５０ｍｍ）を冷却液として水を用いて２枚に切断したときの冷却液の供給速度と切断速度との関係を示すグラフであり、図７は、冷却液の供給速度と切れ味低下率との関係を示すグラフである。なお、切れ味低下率とは、６分間切断を実行した後の切断速度の初期値に対する変化を百分率で表したもので、マイナスが低下を示す。また、図６および図７のグラフにおける冷却液供給速度は、切削部の面積（５０ｍｍ×０．２４ｍｍ（ワイヤソーの直径））に対する冷却液の供給速度を表している。なお、図６および図７には比較のために油系冷却液を用いたときの結果も合せて示している。

図６からわかるように、冷却液の供給速度が０．８ｍｌ／ｍｉｎ・ｍｍ²〜１００ｍｌ／ｍｉｎ・ｍｍ²の範囲内にあるときに、比較的高い切断速度が得られることがわかる。さらに、図７の切れ味低下率を考慮すると、冷却液の供給速度は１．０ｍｌ／ｍｉｎ・ｍｍ²以上であることが好ましいことが分かる。これらの結果から、冷却液の供給速度は切削部の面積に対して０．８ｍｌ／ｍｉｎ・ｍｍ²〜１００ｍｌ／ｍｉｎ・ｍｍ²以下の範囲内にあることが好ましく、１．０ｍｌ／ｍｉｎ・ｍｍ²以上１００ｍｌ／ｍｉｎ・ｍｍ²以下の範囲内にあることが更に好ましいと言える。但し、冷却液の最適な供給速度は、ワイヤソーの走行速度にも依存するので、ワイヤソーの走行速度を考慮して、切削部に接触するワイヤソーに対する冷却液の供給速度で規定する方が適切であると考えられる。上記の実験におけるワイヤソーの走行速度は２００ｍ／ｍｉｎであるので、１分あたりのワイヤソーの走行長２００（ｍ）で上記数値を除した値で、高硬度材料に接触するワイヤソーに対する冷却液の供給速度の好ましい範囲が規定される。すなわち、高硬度材料に接触するワイヤソーに対する冷却液の供給速度は、４．０×１０^-6ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ以上５．０×１０^-4ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ以下であることが好ましく、５．０×１０^-6ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ以上５．０×１０^-4ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ以下であることがさらに好ましい。

上記の実験は上述した標準ワイヤソーを用いて行なったが、高硬度材料の切断にさらに好適なワイヤソーを検討した結果を図８を参照しながら説明する。

図１を参照しながら説明したように、硬度材料を切断するときには、砥粒の先端部分しかワークピースに侵入できず、ワークピースの表面を剥ぎとるように切削が進行するので、鋭利な先端を有する砥粒を用いることが好ましいと考えられる。また、高硬度材料を切断すると砥粒の磨耗が顕著になると考えられるので、磨耗した砥粒を破砕することによって、鋭利な先端部分を再生することが好ましいと考えられる。これを実験的に確かめた結果を図８に示す。

図８は、標準ワイヤソーを用いた場合、破砕性の高い砥粒を用いたワイヤソー（砥粒以外は標準ワイヤソーを用いた場合、細粒細線ワイヤソー（ワイヤソー外径０．１８ｍｍ、ダイヤモンド砥粒の粒径１０μｍ〜２０μｍ（平均粒径１２μｍ））を用いた場合、および標準ワイヤを用いて冷却液中に遊離砥粒（ＳｉＣ０．１質量％、ダイヤモンド０．１質量％）を混合した場合における、切断除去能率および砥粒磨耗率の結果を示す。切断除去能率とは、単位時間あたりにワイヤソーが除去したワークピースの体積をワイヤソーの直径で割った値であり、砥粒磨耗率は切断後のワイヤソーの外径の初期値に対する低下量を百分率で表したものである。

図８からわかるように、破砕性砥粒、細粒細線および標準ワイヤソーとＳｉＣ遊離砥粒との組み合わせた場合は、砥粒磨耗率の上昇とともに、標準ワイヤソーを用いた場合よりも切断除去能率が向上しており、高硬度材料を効率良く切断するためには、砥粒の先端部分を鋭利に保つことが効果的であることが確認された。

なお、冷却液にＳｉＣ（粒径５μｍ〜１０μｍ）を混合した例で確認されたように、冷却液に遊離砥粒を混合することによって、ワイヤソーの砥粒の破砕を促進することもできる。遊離砥粒としては、硬度が高い、ＳｉＣやダイヤモンドを用いることが好ましい。但し、図８に示したダイヤモンド遊離砥粒（平均粒径１μｍ）を混合した場合のように、遊離砥粒の粒径が小さすぎると、固定砥粒を破砕する作用が低下し、また、固定砥粒とワークピースとの間に侵入して潤滑作用を発生させてしまうため、切断効率が低下することがある。

冷却液に混合して用いられる遊離砥粒の平均粒径は、ワイヤソーの砥粒の平均粒径の１／４以上１／２以下であることが好ましい。遊離砥粒の粒径が大きすぎると、砥粒とワークピースとの間に遊離砥粒が介在する確率が低下し、砥粒の破砕を促進する効果が低下する。遊離砥粒の平均粒径が小さすぎると、砥粒に与える力が弱くなり、砥粒の破砕を促進する効果が低下する。また、固定砥粒とワークピースとの間に遊離砥粒が侵入し、潤滑作用が発生することになり、切削除去効率が低下する。遊離砥粒の混合量は、冷却液に対して０．１質量％から１．０質量％の範囲内にあることが好ましい。０．１質量％よりも少ないと遊離砥粒による破砕促進の効果が十分に得られない場合があり、１．０質量％を超えると砥粒の破砕が過度に起こり、切削効率が低下したり、砥粒を固定する樹脂層を削るため、ワイヤソーの寿命が短くなることがある。

本発明によると、固定砥粒ワイヤソーを用いて高硬度材料を効率良く切断する方法が提供される。

ワイヤソーによる切削メカニズムを説明するための模式図であり、（ａ）は比較的硬度の低い材料を切削する場合を示し、（ｂ）は高硬度材料を切削する場合を示している。 本発明による実施形態の高硬度材料の切断方法を実行するために用いられるワイヤソー装置１０を示す模式図である。 ビッカース硬度が異なる材料をワイヤソー装置１０を用いて切断したときの、ビッカース硬度と切断速度との関係を示すグラフである。 鉄系合金（ビッカース硬度６００）、ＡｌＴｉＣ（ビッカース硬度２０００）およびサファイヤ（ビッカース硬度２３００）について、冷却液の表面張力と切断速度との関係を示すグラフである。 鉄系合金（ビッカース硬度６００）、ＡｌＴｉＣ（ビッカース硬度２０００）およびサファイヤ（ビッカース硬度２３００）について、冷却液の動摩擦係数と切断速度との関係を示すグラフである。 ５０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍのサファイヤ基板を冷却液として水を用いて切断したときの冷却液の供給速度と切断速度との関係を示すグラフである。 ５０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍのサファイヤ基板を冷却液として水を用いて切断したときの冷却液の供給速度と切れ味低下率との関係を示すグラフである。 種々のワイヤソーによる切断性能を比較した結果を示すグラフである。

符号の説明

１０ ワイヤソー装置
１２ ワイヤソー
１４ ワークピース
１０２ 巻きドラム
１０４ 切断部（切削部）
１１４ 冷却液供給ノズル

Claims (12)

1. 芯線に砥粒を固着させたワイヤソーを用いる高硬度材料の切断方法であって、
   ビッカース硬度が２３００以上である高硬度材料を用意する工程と、
   前記高硬度材料に接触する前記ワイヤソーに対して、冷却液を、４．０×１０^-6ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ以上５．０×１０^-4ｍｌ／ｍｍ²・ｍｉｎ以下の条件を満足するように供給しながら、前記ワイヤソーを走行させることによって前記高硬度材料を切削する工程とを包含し、
   前記冷却液は、水を主成分とし、２５℃における表面張力が４０ｍＮ／ｍ〜８０ｍＮ／ｍの範囲内にあり、且つ、前記高硬度材料に対する２５℃における動摩擦係数が０．２以上０．５以下の範囲内にある、高硬度材料の切断方法。
2. 前記ワイヤソーを１００ｍ／ｍｉｎ以上２０００ｍ／ｍｉｎ以下の範囲内の速度で走行させる、請求項１に記載の高硬度材料の切断方法。
3. 前記砥粒は、前記芯線の外周面に形成された樹脂層によって固着されている、請求項１または２に記載の高硬度材料の切断方法。
4. 前記ワイヤソーの外径は、０．１３ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の範囲内にあり、前記砥粒の平均粒径は１０μｍ以上６０μｍ以下の範囲内にある請求項１から３のいずれかに記載の高硬度材料の切断方法。
5. 前記冷却液は前記ワイヤソーが前記高硬度材料に接触している部分に直接供給される、請求項１から４のいずれかに記載の高硬度材料の切断方法。
6. 前記冷却液は全体の７０質量％以上の水を含む、請求項１から５のいずれかに記載の高硬度材料の切断方法。
7. 前冷却液は遊離砥粒を含まない、請求項１から６のいずれかに記載の高硬度材料の切断方法。
8. 前記冷却液は遊離砥粒を含む、請求項１から５のいずれかに記載の高硬度材料の切断方法。
9. 前記遊離砥粒の平均粒径は、前記砥粒の平均粒径の１／４から１／２の範囲にある、請求項８に記載の高硬度材料の切断方法。
10. 前記遊離砥粒は、前記冷却液に対して０．１質量％から１．０質量％の範囲内にある、請求項８または９に記載の高硬度材料の切断方法。
11. 前記遊離砥粒は、ＳｉＣまたはダイヤモンドを含む、請求項８から１０のいずれかに記載の高硬度材料の切断方法。
12. 前記高硬度材料はＳｉＣまたはサファイアである請求項１から１１のいずれかに記載の高硬度材料の切断方法。

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