JP4605997B2 - 砥粒の配置が精密に制御された砥粒工具及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は概括的には研削工具に関するものであり、具体的には、砥粒の配置又はパターンが精密に制御された研削工具に関する。

従前、砥粒は様々な技法で研削エレメントの外面に付着又は研削エレメント内部に埋め込まれていた。技法を問わず、研削工具の切刃は砥粒のランダムな分布で特徴付けられてきた。これは、スチールコア研削ホイールにニッケルメッキした４０／５０メッシュ砥粒の顕微鏡写真（倍率１００×）である図１を参照すれば分かる。図２は同じ研削ホイールの倍率５０×の写真である。砥粒がランダムな分布及び集中度でニッケルメッキされ、研削工具のどの領域でもこれらを制御できなかったことが分かる。このことはホイールの目詰まりの危険性が存在することを意味する。さらに、工具の所定領域で砥粒のサイズ、種類及びジオメトリーを調整する機会もほとんどない。工具にメッキされる砥粒の総量は制御できるが、かかる制御はプロセスの反復性及び品質管理に幅広い自由度を許容する。

従来技術では、電気メッキプロセス時のＮｉの付着を防止するための非導電性領域を生じさせるため、接着箔及び印刷技術を用いて工具表面に特定の砥粒パターンを得ている。こうしたプロセスは平面に限られ、通常の研削ホイールその他の工具の縁その他の複雑な表面形状で超砥粒の性能を最大限に活用するという産業界の要請を満足しない。例えば、欧州特許出願公開第０８７０５７８号では、接着剤層を用いて砥粒を所定位置に保持し、次いでＮｉ層から突出した砥粒に溝を設けることが提案されている。
欧州特許出願公開第０８７０５７８号

当技術分野では、明らかに、工具作用面に設けられる砥粒の位置、集中度、グレードなどを精密に制御できるようにすることにニーズが存在する。本発明はかかるニーズに向けられたものである。

作用面を有する砥粒工具の製造方法では、まず砥粒工具の作用面に非導電層を設ける。好ましくはレーザービームを用い、作用面又は非導電層にパターンをエッチングする。作用面パターンに金属及び砥粒を電気メッキ又は無電解メッキする。作用面から非導電層を除去する。この方法を何回か繰り返すことで、作用面の異なる領域にサイズ及び種類の異なる砥粒を種々異なる集中度で設けることができる。

別法では、接着剤を砥粒工具の作用面に層として設けることもできる。次いで、接着剤層にネガパターンをエッチングする。つまり、砥粒の不要な部分の接着剤をエッチングで除去する。次に、砥粒を作用面に接触させて、残留する接着剤に付着させればよい。この場合も、この方法を何回か繰り返すことで、作用面の異なる領域にサイズ及び種類の異なる砥粒を種々異なる集中度で設けることができる。この方法でも、作用面に金属を電気メッキ又は無電解メッキすることができる。

これら二つの実施形態に共通するのは、レーザーその他の精密除去装置を用いて、砥粒工具の作用面に付着させようとする砥粒の正確な位置を決定できることである。さらに、いずれの実施形態も、複数回繰り返すように修正でき、位置に応じてサイズ、種類及び集中度が制御された砥粒の精密な配置をもつ金属被覆作用面が得られるように修正することもできる。

本発明の特質及び利点を十分に理解するには、添付の図面に関する以下の詳細な説明を参照されたい。

以下に図面をさらに詳しく説明する。

本発明の価値は、通常の研削ホイールの形状を示す図３〜図５を参照することで理解できる。具体的には、図３に示す研削ホイール１０は丸み部（例えば、丸み部１２）を有しており、その表面を砥粒層１４（厚さは単に例示のため誇張してある。）で被覆する必要がある。丸み部１２は、特に丸み部１２の砥粒の集中度／種類／サイズがホイール１０周辺の平坦部と異なる場合、砥粒での被覆が難しい。

図４では、ホイール１６は丸み部１８を有し、砥粒層２０で被覆する必要がある。この場合も、丸み部１８のジオメトリーは、特に丸み部１２の砥粒の集中度／種類／サイズがホイール１６周辺の平坦部と異なる場合、被覆が難しい。

図５では、ホイール２２は一連のリッジ２４〜３０を有しており、かかるリッジを砥粒層３２で被覆する必要がある。この場合も、リッジ２４〜３０のジオメトリーは、特にリッジ２４〜３０の砥粒の集中度／種類／サイズがホイール１６周辺の平坦部と異なるか或いはリッジ毎に異なる場合、効果的な被覆が難しい。

本発明では、図６〜図９に示す明確な多段プロセスによって、砥粒配置が精密に制御された砥粒工具を製造する。まず図６を参照すると、工具コア３４は簡略横断立面図に示す作用面を有する。本発明のプロセスの最初の段階では、工具コア３４の作用面に非導電性コーティング又は塗膜３６を設ける。工具コア３４又はその作用面に悪影響を与えない限り、適宜どんなコーティングを用いてもよい。適当なコーティングには、特に、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、ビニル樹脂、アクリル樹脂、アミド樹脂、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、その他当業者に公知の各種コーティングがある。コーティングに関する付加的な概説は、例えば、Ｄ．Ｈ． Ｓｏｌｏｍｏｎ著，Ｔｈｅ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｉｌｍ Ｆｏｒｍｅｒｓ，Ｒｏｂｅｒｔ Ｅ． Ｋｒｉｅｇｅｒ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ社（米国１１７４３ニューヨーク州ハンティントン）（１９７７）に見出すことができる。コーティング３６についてのほぼ唯一の要件は、工具コア３４に十分に密着し、工具コア３４の作用面に悪影響を及ぼさず、非導電性を有し、電気メッキ処理に耐えてその性状を維持できることである。

図７は第二処理段階を示し、好ましくはレーザービーム３８を用いての、コーティング３６の選択的除去によって工具コア３４の作用面にパターンを形成する。他の除去手段（例えば、機械的研削、電子ビームなど）も確かに実施可能であるが、コーティング３６に複雑なパターンや非常に細かいパターンを形成する際の正確さの点でレーザー（例えば、ＹＡＧ、ＣＯ₂その他の工業用レーザー）の使用が好ましい。コーティング３６にパターンを選択的に形成するのにレーザービームを使用することのもう一つの利点は、作用面のジオメトリーとは無関係にかかるパターンを形成できることである。すなわち、レーザービーム３８は、工具コア３４の平坦な作用面にパターンを形成する場合と同程度の精度で丸み部１２（図３）、丸み部１８（図４）及びリッジ２４〜３０（図５）にパターンを形成できる。砥粒１個を収容するのに適したサイズのパターンも可能である。レーザービーム３８のコンピューター制御又は数値制御で、コーティング３６での精密なパターン形成を容易に実施できることは、当業者には自明であろう。

除去すべきコーティング３６の量（深さ）は、砥粒を工具コア３４の作用面に電気メッキ又は無電解メッキできるのに十分なものである。コーティング３６の除去が不完全であっても、十分に許容し得ることもある。

図８は、コーティング３６が除去及び／又はその厚さが砥粒の電気メッキが実施できる程度に十分に低減されたパターン化領域において、工具コア３４に砥粒４０〜４４を電気メッキする段階を示す。電気メッキは公知の技術であり、電解液のメッキ浴、金属陽極及び砥粒を形成する。加工物（例えば、工具コア３４）が陰極としての役目を果たす。金属陽極（例えば、Ｎｉ）はメッキ浴に溶解する。すると、対応金属陽イオンが工具コア３４の露出面に電着して工具コアと直接接した砥粒を付着させ、所定の金属層（例えば、Ｎｉ）を形成する。導電性のない加工物については、当技術分野で公知の通り、電気メッキ又は無電解メッキで被覆すべき表面に導電性コーティングを設ければよい。一般的な電気メッキ条件は、Ｒｏｂｅｒｔ Ｂｒｕｇｇｅｒ著，Ｎｉｃｋｅｌ Ｐｌａｔｉｎｇ ａ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｔｈｅｏｒｙ， Ｐｒａｃｔｉｃｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｃｏｂａｌｔ Ｐｌａｔｉｎｇ，Ｒｏｂｅｒｔ Ｄｒａｐｅｒ社（英国テディントン）（１９７０）に記載されている。

このメッキ技術を用いて工具コア３４の作用面の露出パターン領域に砥粒をメッキすることによって、砥粒の単層粒子の数を決定できる。すなわち、パターン領域が十分に小さく砥粒を１個しか収容できなければ、砥粒１個を電気メッキ又は無電解メッキすることができる。これはあらゆる工具ジオメトリーに適用可能である。実際、上述のプロセス段階は何回も実施できる。砥粒及び金属で既に電気メッキ又は無電解メッキした領域を被覆し、他の領域をレーザービーム３８でエッチングすればよい。砥粒及び金属で既に電気メッキ又は無電解メッキした領域を２回以上被覆することもできる。これらの反復プロセス段階の各々で、砥粒のサイズ、種類又は品質、集中度などを変化させてもよい。

最終段階として、図９はコーティング３６の残りの領域を除去する段階を例示する。このコーティング除去段階は、美観上の理由、或いは結晶を所定レベルまでさらに埋め込む第二メッキ段階のために実施される。ただし、コーティングの存在は時として工具コア３４の性能を損なうことがある。大抵の場合、コーティング３６の化学的溶解が本発明の除去方法として実施される。

図１０は、レーザービーム処理で塗膜を除去した領域を有する被覆工具の作用面を示す顕微鏡写真（倍率２００×）である。コーティングの完全性が損なわれていることが明らかである。図１１は、工具作用面のレーザービーム処理位置にメッキした砥粒結晶を示す顕微鏡写真（倍率３００×）である。砥粒は意図した位置に正確に付着していた。これは図１２（倍率１００×）にもっと明瞭に示されており、３箇所のポケット又はクラスター又は精密に制御された配置の砥粒が工具作用面にメッキされているのが分かる。

かかる精密に制御された砥粒の配置は数々の利点を有する。これは図１３を参照すれば明らかであり、本発明に従って正確な規則的配列の砥粒を付着させた工具の概略上面図である。各々の砥粒又は砥粒クラスター（例えば、代表的な結晶４６）は、工具４８の作用面に砥粒を電気メッキする前に決定された規則的配置に位置する。

使用に際しては、工具４８は矢印５０で示す方向に速度Ｖ_cで運動する。図１４は、矢印５０の方向に速度Ｖ_cで運動する工具４８の概略側面図である。代表的な砥粒４６は切屑５２を除去し、砥粒５４は切屑５６を除去し、砥粒５８は切屑６０を除去することが分かる。本発明の一実施形態では、各々の砥粒４６、５４及び５８は工具４８の作用面に等間隔で配置されるので、切屑５２、５６及び６０の平均厚さはほぼ同じはずであり、メッキ研削工具を用いる現行の技術に比べて切削性能の向上が期待される。

図１５は、本発明に従って規則的な配置の砥粒（例えば、結晶６４及び６６）を有するホイール６２の概略上面図である。図１５の結晶６４及び６６のサイズは、各位置での砥粒の大きさ又は砥粒集中度の高さの１以上を図解するものである。最後に、ホイール６２は矢印６８の方向に半径方向速度Ｖ_cで運動する。

ここで、図１５のホイール６２に関しては以下の関係が成立する。

Ｖ_c↑⇒ａ↓
集中度↑⇒ａ↓
式中、ａは平均切屑厚さである。

換言すれば、ホイール６２の半径方向速度の増加に伴って、切屑の厚さａは減少する。同様に、砥粒の（単位面積当たりの）集中度の増加に伴って、切屑の厚さａはやはり減少する。従来のメッキ研削ホイールを用いた研削に比べ、本発明に従って製造したホイールを使用すると切屑の厚さ及び均一性の制御に優れる。

本発明に特有な点は、工具の作用面に砥粒のパターンを正確かつ規則的に形成できることである。これは図１６及び図１７を参照すれば分かる。図１６では、工具作用面７０は丸みを帯びた屈曲部を呈しているが、その周囲に砥粒７２〜８２が配置されている。丸み部又は屈曲部に配置された結晶７６及び７８は、工具作用面７０の平坦部に配置された他の結晶よりもサイズが大きい。当然、図１６に示す結晶の数及びサイズは代表的なものにすぎないが、粒子のサイズ、種類及び配置を制御できることが十分に例示されている。

二段階プロセスを用いると、図１６に示すように、大きい結晶７６及び７８を正確に配置することで工具の所定の領域を強化することができる。図１７は、工具８４の切削リッジ付近の高密度の結晶を示すことで本発明の能力を例示する。単なる例示にすぎないが、リッジの位置する結晶群８６の密度が平坦部の結晶群８８の密度よりも高いことが認められよう。

作用面の所定の領域（又は作用面全体）を接着剤（つまり、金属メッキが行われるまで砥粒を少なくとも一時的に作用面に結合する材料）で被覆する別の実施形態によって、同じ砥粒コート作用面を得ることができることは当業者には自明であろう。接着剤は、例えば、上記に列挙したコーティングに処方し得る樹脂の群から処方できる。次に、砥粒の不要な領域を例えばレーザビームでエッチングする。所望の砥粒を次いで残った接着剤で作用面に付着させればよい。いうまでもなく、この技術を複数回実施すれば、作用面に正確に配置される砥粒の品質、種類及びサイズを制御できる。所望の砥粒がすべて作用面に付着したら、金属メッキ処理が最終段階となる。

適当な砥粒には、特に、合成及び天然ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、ウルツ鉱型窒化ホウ素、炭化ケイ素、炭化タングステン、炭化チタン、アルミナ、サファイア、ジルコニア、これらの組合せなどの材料がある。かかる砥粒は、例えば高融点金属酸化物（チタニア、ジルコニア、アルミナ、シリカ）でコートしてもよい（例えば、米国特許第４９５１４２７号及び同第５１０４４２２号参照。）。かかるコーティングの加工法には、砥粒表面への元素態金属（Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ）の堆積後、適当な温度で試料を酸化して金属を酸化物に転化させるものがある。追加のコーティングには、高融点金属（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗ）及び他の金属（Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｎ）がある。

例えば、研削エレメント、ポリッシングエレメント、切削エレメント、ドリリングエレメント、金属工具、ビトリファイドボンド工具、レジンボンド工具（フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、メラミン−ホルムアルデヒド樹脂、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル、ポリアミド及びポリイミド）などを始めとする多種多様な工具に本発明を適用することができる。非導電性の工具は、砥粒で電気メッキ被覆すべき作用面に導電性金属をコーティングすればよい。別法として、（少なくとも作用面の）ボンドに導電性粒子を配合すれば、非導電性工具の電気メッキ被覆が可能となる。

本発明の一実施形態では、メッキ浴の苛酷さ及び製造プロセス時の工具の取扱いに耐えるべく、コーティングは酸と塩基に耐性を有し、電気メッキに用いられる高温で安定で、工具の取扱いに十分な工具作用面との密着性示す。かかる塗膜に適したものには、例えば、上述のエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビニル樹脂、ポリウレタン、アミン−ホルムアルデヒド樹脂、アミド−ホルムアルデヒド樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、ポリアミド樹脂、ワックス、シリコーン樹脂などがある。現時点では、エポキシ樹脂が好ましい。

以上、好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに様々な変更を行うことができ、その要素を均等物で置換し得ることは当業者には自明であろう。さらに、本発明の教示内容に特定の状況又は材料を適合させるため、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに数多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。本願では、特記しない限り、単位はすべてメートル法に基づくもので、量及び百分率はすべて重量基準である。また、本明細書中で引用した文献の開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。

スチールコア研削ホイールにニッケルメッキした１２０／１４０メッシュ砥粒の顕微鏡写真（倍率１００×）であり、ホイール製造の先行技術を例示する。 スチールコア研削ホイールにニッケルメッキした４０／５０メッシュ砥粒の顕微鏡写真（倍率５０×）であり、ホイール製造の先行技術を例示する。 通常の研削ホイール形状の簡略側面図であり、砥粒での被覆を要する複雑なジオメトリーを示す。 通常の研削ホイール形状の簡略側面図であり、砥粒での被覆を要する複雑なジオメトリーを示す。 通常の研削ホイール形状の簡略側面図であり、砥粒での被覆を要する複雑なジオメトリーを示す。 砥粒配置が精密に制御された砥粒工具の製造に用いられるプロセス段階の略図である。 砥粒配置が精密に制御された砥粒工具の製造に用いられるプロセス段階の略図である。 砥粒配置が精密に制御された砥粒工具の製造に用いられるプロセス段階の略図である。 砥粒配置が精密に制御された砥粒工具の製造に用いられるプロセス段階の略図である。 レーザービーム処理で除去された塗膜領域を有する被覆工具の作用面を示す顕微鏡写真（倍率２００×）である。 レーザービーム処理位置の工具作用面に砥粒１個をメッキしたものを示す顕微鏡写真（倍率３００×）である。 ３箇所のポケット又はクラスターを示す顕微鏡写真（倍率１００×）であり、所定の数の砥粒が精密に制御された配置で工具作用面にメッキされているのが分かる。 本発明に従って砥粒を規則的配置で付着させた工具の概略上面図である。 規則的配置の砥粒を有するホイールの使用によって工具が工作物から略同じ大きさの切屑を取り除くことを表す概略側面図である。 本発明に従って砥粒を規則的配置で付着させたホイールの概略上面図であり、半径方向ホイール速度と切屑厚さの関係を示す。 工具の拡大概略側面図であり、砥粒のサイズ、集中度及び種類によって強化した輪郭セグメントを示す。 工具の拡大概略側面図であり、砥粒のサイズ、集中度及び種類によって強化した輪郭セグメントを示す。

符号の説明

１０ 研削ホイール
１２ 丸み部
１４ 砥粒層
３４ 工具コア
３６ 非導電性コーティング
３８ レーザービーム
４０ 砥粒
４２ 砥粒
４４ 砥粒

Claims (14)

1. 丸み部またはうね形状部を含む非平面部を有する作用面上に砥粒を金属メッキにより付着させてなる工具を製造する方法であって、
   （ａ）前記作用面に非導電層を形成する工程と、
   （ｂ）前記作用面に形成された非導電層をコンピュータによる数値制御によりレーザーエッチングして選択的に除去することにより、前記非導電層の一部が除去されて作用面が露出してなる砥粒配置パターンを形成する工程と、
   （ｃ）前記作用面を前記砥粒配置パターンを介して金属メッキすることにより、前記作用面が露出した部分に前記砥粒を付着させる工程と、
   （ｄ）前記作用面から非導電層を除去する工程と、
   （ｅ）前記工程（ａ）〜（ｄ）を前記作用面上の砥粒付着部分と異なる部分において１若しくはそれ以上繰り返し、前記作用面にわたって前記砥粒のサイズ、種類、品質、又は密度の１若しくはそれ以上を変化させる工程と
   を有する方法。
2. 前記砥粒が合成ダイヤモンド、天然ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、ウルツ鉱型窒化ホウ素、炭化ケイ素、炭化タングステン、炭化チタン、アルミナ、サファイア又はジルコニアの１若しくはそれ以上である、請求項１記載の方法。
3. 前記砥粒が金属又は金属酸化物の１若しくはそれ以上で被覆される、請求項１記載の方法。
4. 前記金属がＴｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ又はＡｌの１若しくはそれ以上である、請求項３記載の方法。
5. 前記非導電層が、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビニル樹脂、ポリウレタン、アミン−ホルムアルデヒド樹脂、アミド−ホルムアルデヒド樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、ワックス、シリコーン樹脂又はポリアミド樹脂の１若しくはそれ以上から形成されるものである、請求項１記載の方法。
6. 前記メッキが電気メッキ条件又は無電解メッキ条件の１若しくはそれ以上の条件下で実施されるものである、請求項１記載の方法。
7. 前記砥粒工具が研削エレメント、ポリッシングエレメント、切削エレメント又はドリリングエレメントの１若しくはそれ以上である、請求項１記載の方法。
8. 丸み部またはうね形状部を含む非平面部を有する作用面上に砥粒を金属メッキにより付着させてなる工具であって、この工具は、
   （ａ）前記作用面に非導電層を形成する工程と、
   （ｂ）前記作用面に形成された非導電層をコンピュータによる数値制御によりレーザーエッチングして選択的に除去することにより、前記非導電層の一部が除去されて作用面が露出してなる砥粒配置パターンを形成する工程と、
   （ｃ）前記作用面を前記砥粒配置パターンを介して金属メッキすることにより、前記作用面が露出した部分に前記砥粒を付着させる工程と、
   （ｄ）前記作用面から非導電層を除去する工程と、
   前記工程（ａ）〜（ｄ）を前記作用面上の砥粒付着部分と異なる部分において１若しくはそれ以上繰り返し、前記作用面にわたって前記砥粒のサイズ、種類、品質、又は密度の１若しくはそれ以上を変化させる工程と
   を有する方法によって製造されるものである、
   工具。
9. 前記砥粒が合成ダイヤモンド、天然ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、ウルツ鉱型窒化ホウ素、炭化ケイ素、炭化タングステン、炭化チタン、アルミナ、サファイア又はジルコニアの１若しくはそれ以上である、請求項８記載の工具。
10. 前記砥粒が金属又は金属酸化物の１若しくはそれ以上で被覆される、請求項８記載の工具。
11. 前記金属がＴｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ又はＡｌの１若しくはそれ以上である、請求項１０記載の工具。
12. 前記非導電層が、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビニル樹脂、ポリウレタン、アミン−ホルムアルデヒド樹脂、アミド−ホルムアルデヒド樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、ワックス、シリコーン樹脂又はポリアミド樹脂の１若しくはそれ以上から形成されるものである、請求項８記載の工具。
13. 前記メッキが電気メッキ条件又は無電解メッキ条件の１若しくはそれ以上の条件下で実施されるものである、請求項８記載の工具。
14. 前記工具が研削エレメント、ポリッシングエレメント、切削エレメント又はドリリングエレメントの１若しくはそれ以上である、請求項８記載の工具。