JP4782400B2 - ろう付けダイアモンド層を含むロータリードレッシング工具 - Google Patents

Description

本発明は、研磨砥石のプロファイル面をツルーイング（形直し）およびドレッシング（目直し）するために設計されたロータリードレッシング工具に関する。

ロータリーダイアモンドドレッシング工具は、要求される形状を砥石に与え、そして砥石のデザインにより決められた仕様に合わせて、設計され、つくられなければならない。これらの工具は品質仕様が限られており、形状および機械的特性における偏差の許容誤差が小さい。ドレッシング工具は種々の材料および方法を利用する種々の方法で組立てられているが、この分野で知られる大抵の方法は、簡単にいかず、不十分である。

たとえば、１つの商業的方法において、ダイアモンド砥石は接着剤とともに金型のキャビティのパターンへ手作業で埋め込まれ、ついで粉末の金属ボンド材料がダイアモンドのまわりの場所へ添加され加圧される。加圧された材料は浸透、ホットプレス、焼結、もしくはその組合わせにより、その場にダイアモンドを固定し、工具を形成する。もう１つの代表的方法において、ダイアモンド層は特注で設計された金型に埋め込まれ、逆電気めっきによりその場に固定される（たとえば、米国特許第４，８２６，５０９号明細書参照）。焼結もしくはめっき工程の次は、広範な研削工程であり、砥粒の高い場所を除去し、表面を平滑化する。

米国特許第４，８０５，５８６号明細書に記載されるもう１つの方法において、ダイアモンド砥粒は、粗面化し、その表面積を大きくし、そして砥粒をボンド内に配置させるように前処理され、その結果、大部分の砥粒は隣接する砥石と直接に接触する。これらの前処理されたダイアモンド砥粒は、ついでニッケルもしくはコバルト、またはニッケルもしくはコバルトの合金で基体表面に電気めっきされる。

米国特許第５，５０５，７５０号明細書において、ダイアモンド砥粒および金属粉末ボンドは、焼結の間、共融に近い銅−リン組成物により浸透（ｉｎｆｉｌｔｒａｔｅ）される。
ドレッシング工具のための多くの粉末金属マトリックス研磨成分は、粉末マトリックス内に埋め込まれる比較的小さいダイアモンド砥粒（たとえば径０．５mm未満）を用いており、そして得られる複合物は要求される形状に研削される。このような研磨成分はあまり尖鋭ではなく、それらを用いる砥石ドレッシングは、工具の急速な磨耗のために、相対的に効果の低いものである。このような粉末マトリックスが大きいダイアモンド砥粒とともに使用されると、複合物が要求される形状に研削されるにつれて、仕上げ処理はかなりの量のダイアモンドを失う。粉末金属ボンドでダイアモンド砥粒からつくられた工具において、耐久性の、細かい（たとえば約０．１２７mm（０．００５インチ）の）ドレッシングチップ半径（ドレッシング用先端部の半径）を達成するのは不可能である。

多結晶ダイアモンド（ＰＣＤ）インサートはロータリードレッシング工具を組立てるのに使用されてきた。ＰＣＤインサートは粉末金属マトリックス中に埋め込まれ、工具上へ焼結され、ついで要求される形状および表面仕上げに研削される。たとえば、米国特許第４，６８５，４４０号明細書参照。ＰＣＤインサートは比較的平滑な表面を提供し、仕上げ工程中に、要求される形状に容易に研削され得、またはある形状については網に近似した形状の部品として供給されうる。しかしながら、ＰＣＤはダイアモンド１００％ではない。ＰＣＤ材料は、初めには有意な量（１０〜１２質量％）の金属触媒を含み、その金属触媒は、通常ＰＣＤ材料から空隙を残すように、浸出処理により除去され、理論密度の約９０〜９５％の密度を有する、本質的に純粋なダイアモンドが得られる。したがって、ＰＣＤインサートでつくられるドレッシング工具は、十分に密な、１００％ダイアモンド材料であるダイアモンド砥粒でつくられるドレッシング工具の耐久性を欠いている。

米国特許第５，０５８，５６２号明細書に記載されたドレッシング砥石用のロータリーダイアモンド工具は、化学蒸着（ＣＶＤ）法を用いて工具の基板上に直接ダイアモンド膜の層を堆積させ、そして堅さを与えるための一対の支持板ととも基板を組立てることにより作成されている。この方法によると、ダイアモンドの切断点が創出されることはなく、硬い、平滑なダイアモンド表面があるだけである。ドレッシング工具において、平滑なダイアモンド表面は、むしろ、砥石面を押しつぶす作用をするにすぎず、結着材（ｂｏｎｄ）を切断し、砥石面から砥粒を消費させ、それによりさらなる研削のための砥石面を開くことはない。

米国特許第４，９１５，０８９号明細書に記載されたドレッシング砥石のためのロータリーダイアモンド工具は、工具の回転軸に直交する平面にダイアモンド砥石の単層を形成することにより作成される。ダイアモンド砥石の層は金属支持板の２つの層の間に挟まれる。ダイアモンド層は、金属粉末を焼結するために適切な金型内で、金属支持板の間でダイアモンド砥石および金属粉末をホットプレスすることにより前記支持板に結合される。４，９１５，０８９号は、代りのデザインにも言及し、そこでは、ダイアモンド砥粒は、めっきもしくは金属接合により工具の片側もしくは両側に付着されているが、この代りのデザインにはダイアモンド保持が十分でないという不利があることを教示している。好適なデザインにおいて、必要により連続研磨リムを有するドレッシング工具を形成するために、ダイアモンド砥粒および板の積層アセンブリからなるアーチ形部分がディスク形状金属砥石の周囲にろう付けされる。しかしながら、この特許は、この工具デザインの形状と一致するようにすると、得られる工具は直線状砥石面をドレッシングするのに使用されるが、しかしこの工具は研削砥石面へのプロファイルドレッシングには有用でないことを教示している。

ＥＰ１１６６６８号は、米国特許４，９１５，０８９号の工具と類似した形状デザインに配置された、電気めっきダイアモンド砥粒の単層を有するドレッシング工具を開示している。本発明の工具に使用される活性ろう付け結合と異なり、ＥＰ１１６６６８の工具の電気めっき結合では、比較的不十分なダイアモンド砥粒保持性、比較的短い工具寿命、そして比較的高い製造コストが予測される。

本発明は、硬いディスク形状コア、ならびにコアの外周の少くとも一表面のまわりに研磨リムを有するロータリープロファイルドレッシング工具であり、コアおよび研磨リムは工具の回転軸に直角をなす方向に向いており、研磨リムは活性ろう付けによりコアに結合された研磨成分を含有し、そしてその研磨成分は、単層を形成するように配置されたダイアモンド砥粒およびダイアモンド膜インサートならびにそれらの組合わせからなる群から選ばれる。別のデザインにおいて、研磨リムは工具のコアの最外縁周面に機械的に締結された複数の研磨インサートを含み、そしてこの研磨インサートは活性ろう付けにより裏打ち要素（ｂａｃｋｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）に結合された研磨成分を含み、この研磨成分は単層を形成するように配置されたダイアモンド砥粒およびダイアモンド膜インサートならびにそれらの組合わせより選ばれる。

図１に示されるように、本発明のドレッシング工具は、研磨砥石によって実施されるプロファイルドレッシングおよびツルーイング操作に有効である。このドレッシング工具３は、軸（点線５で図１に示される）のまわりを回転し、砥石のプロファイル（輪郭）をドレッシングもしくはツルーイングする必要に応じて、研削砥石１のプロファイル面２に接触するようにＸ軸（矢印６）もしくはＹ軸（矢印７）のいずれかに沿う方向に、移動する。

ここで用いられるように、「ツルーイング」（“ｔｒｕｅ”もしくは“ｔｒｕｉｎｇ”）は、刃が丸くなりかつ輪郭を損じた砥石を所望の輪郭（ｃｏｎｔｏｕｒｓ）に形成するのに用いられる操作をいう。「ドレス」又は「ドレッシング」（“ｄｒｅｓｓ”ｏｒ“ｄｒｅｓｓｉｎｇ”）とは、研削砥石の研削表面（もしくは面）を使用可能（ｏｐｅｎ）にして研削効率を向上させ、かつ工作物の焼けを防止し、または研削中に砥石面の鈍化（目つぶれ）をおこすときに生ずる他の損傷を回避するために、用いられる操作をいう。前記砥石面は、例えば、露出している尖鋭な砥粒が消耗したとき、又は結着剤が腐食せず、かつ新しい砥粒が露出しないために、或は、研削操作由来のくずによる砥石面の目づまり（ｌｏａｄｉｎｇ）のために、砥石表面が平滑になったときに、鈍化（目つぶれ）をおこす。

ある操作においては、単一のドレッシング工具が、２つの目的のために同時に使用されることを可能であるが、他の操作ではそうではない。研削砥石が使用のために先ず機械に載せられ、かつ、操作中に、砥石の丸みがなくなり、もしくはその輪郭が失われたときに、一般に、ツルーイングが必要になる。具体的な研削操作に応じて、本発明のドレッシング工具は、トルーイングもしくはドレッシングまたはその両方に使用可能である。

本発明の代表的なロータリードレッシング工具が、図２に平面図で示されている。単層をなすダイアモンド砥粒８は金属ろう付け９中に埋め込まれ、工具の金属コア１０に結合される。工具の金属コアは、軸５のまわりに工具を回転するための手段を備えた機械の駆動スピンドル上に、工具を載置するためのセンター穴１１を含む。さらに図２には、工具の金属コアを支持要素（図示せず）に装着させるために、前記センターアーバ穴１１のまわりに必要に応じて設けられた４個の穴１２を有する本発明の形態が示されている。

図３〜５に示されているように、ドレッシング工具３の研磨リム４を、いくつかの好適な態様の１つに構成することができる。図３において、砥粒８およびろう付け９は、裏打ち要素１３により支持されており、この裏打ち要素は、金属コア１０の一体構造の一部である。図４において、砥粒８およびろう付け９は自己支持（ｓｅｌｆ−ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ）しており、研磨リム４の内周に沿って、金属コア１０にろう付けされているだけである。このような構成は、工具の各側面上に露出している砥粒を有するドレッシング工具が、Ｘ軸（矢印６）に沿ういずれかの方向にも操作し得るようにし、その結果ドレッシング操作の効率をほぼ倍増し、また、それにより単一の工具構成では従来得られなかったプロファイルを創出する、という利点を有する。

いずれの構成においても、ろう付け後に、ダイアモンド砥粒８は、ろう付け９内に埋没して見えなくなり、金属結合単層研削切断工具のようには必ずしもみえない。このような自己支持型の研磨成分は、もしドレッシング工具のコアに砥粒を結合するために電気めっき法が利用されると、それを構成することは不可能である。なぜなら電気めっきされるダイアモンド複合体は、使用するのに十分な強度を欠くからである。上述の構成は、上述のように、活性ろう付けを利用してろう付け単層ダイアモンド研磨工具を作成し、このときダイアモンド砥粒が工具の構造要素として機能するときにのみ、可能になるのである。

図５に示されるように、ダイアモンドフィルムインサート１４を、好適な態様を構成するために活性ろう付け１５を有する金属コア１０に結合してもよい。ここで使用されている用語、「ダイアモンド膜」とはダイアモンド種粒（ｄｉａｍｏｎｄ ｓｅｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ）を用いて、もしくは用いずに、ＣＶＤにより、もしくは、ジェットプラズマ法により製造された、ほぼダイアモンド１００％からなる材料の薄層を意味する。ダイアモンド膜製造の例は米国特許第５，３１４，６５２；５，６７９，４０４；および５，６７９，４４６号明細書により提供されており、前記米国特許の記載事項は、本明細書に参照包含される。ダイアモンド膜は工具インサートのための所望の大きさを有する薄層（たとえば、１００〜１０００μｍ）にされ、ついで、このダイアモンド膜インサートは、ダイアモンド砥粒が金属コアにろう付けされるときと実質的に同一の態様で、そして同一種類のろう付けを用いて、金属コア１０の裏打ち要素１３部分にろう付けされる。

これらの好適な態様は、いくつかの重要な方途（ｗａｙｓ）において従来技術とは異なる。図３〜５に示される研磨成分は、ドレッシング工具に所望の精密表面を得るために強力な仕上げ操作をあまり必要としない。ダイアモンド膜インサート（図５）はＰＣＤインサートのように、平たい膜である。単層ダイアモンド砥粒の態様（図３および４）については、表面の初期研削が必要とされることもあるが、前記砥粒の単層は、粉末金属結合を用いた砥粒の複合体マトリックスが有する不均一性の大部分を除去するものである。

本発明のドレッシング工具は、ドレッシング工具の寿命を通じて、砥石面に同一のチップ半径を与えるように設計される。なぜならダイアモンド砥粒の単層（もしくはダイアモンド膜インサート）の幅は、ドレッシング操作により悪影響を受けないからである。最外側にあるダイアモンド砥粒が消費されると、その下の単一の砥粒はドレッシング工具の半径方向先端（ｒａｄｉａｌ ｔｉｐ）に存在し、そしてドレッシングチップの半径長さ（ｒａｄｉｕｓ）は工具が使用されている間中、一定のままに保たれる。従って、本発明の工具は自己鋭利化性であり、それが消耗しても精密な形状を維持する。

さらに従来技術の工具と異なり、本発明のドレッシング工具は研削砥石のドレッシングおよびツルーイングにおいて、長い寿命および優れた効率を有する。
裏打ち要素の角度は、１０〜４５°の範囲であり、そしてビトリファイド研削砥石における使用のために設計されたドレッシング工具においては、１５〜３０°の範囲であることが最も好ましい。

本発明の工具の構成において、ろう付けは活性ろう付けを用いて通常６００〜９００℃、そして好ましくは活性青銅もしくはニッケルろう付けを用いて８００〜９００℃で実施される。「活性ろう付け」はダイアモンド砥粒の表面と化学的に反応する少くとも１つの材料（たとえばチタンもしくはクロム）を含有するろう付けである。加熱されると、ろう付けはろう付け材料、ダイアモンド砥粒、および必要により工具の金属コア、の間で化学的結合を創り出す。好適な活性青銅ろう付けは、銅、スズおよびチタン水素化物の混合物、必要により銀粉末を付加しての混合物から製造され、その方法は１９９７年８月２８日に出願された、共有に係る米国出願０８／９２０，２４２号に記載されており、前記米国特許出願の内容は、本明細書に参照包含される。好適な活性ろう付けは、銅５５〜７９質量％、スズ１５〜２５質量％およびチタン６〜２０質量％を含む。

硬い、ディスク形状のコアは、ダイアモンド研磨成分の寿命に相補的な使用寿命を有する耐摩耗性材料により構成される。鋼、特に工具鋼、炭化タングステン、鉄、コバルトおよびそれらの複合体、ならびにそれらの組合わせがコアにおける使用に適切である。鋼が好適である。適切な複合体は、金属マトリックス連続相に含有されるセラミック粒子もしくは繊維を含む。コアはこの分野で周知の方法により、所望の工具寸法に成型もしくは機械加工される。

図２〜５は連続的研磨リムの構成を示す。それに代わる態様において、研磨成分は金属コアに沿ってストリップ状（長小片状）に挿入してもよい。このストリップは、裏打ち要素上の切れ込み（ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｓ）内に置かれてもよく、または金属コアの外周部に機械加工された溝（ｓｌｏｔｓ）中に充てんされてもよい。
本発明のもう１つの態様（図面に示されない）において、ろう付けされたダイアモンド層が、硬いコアの２つの側のいずれかの周縁部上に、交互に置かれた複数の分枝したストリップ（ｏｆｆｓｅｔ ｓｔｒｉｐｓ）状に配置される。このジグザグ（ｚｉｇ−ｚａｇ）状の配置において、硬いコアの外周部は縦縞状（ｆｌｕｔｅｄ）であり、ダイアモンドは、外縁周面の縦縞状の切れ込み内にストリップ（小片）状に、ろう付けされる。

本発明のもう１つの態様（図面に示されない）において、ダイアモンドは研磨インサートを形成するために裏打ち要素にろう付けされ、そして複数の研磨インサートは硬いコアの外周面に機械的に締結（たとえば、ボルトで締められる）される。
他の態様は、本発明のロータリプロファイルドレッシング工具における使用に適しており、この態様において、一連のダイアモンド砥粒が、工具の外縁周面の所定の点のいずれにおいても、砥石の砥面に対して、単一カッティングポイント（ｓｉｎｇｌｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）として存在するように配列され、かつこの単一ダイアモンドポイントが磨耗したとき、残りの一連のダイアモンド砥粒が、前記磨耗した砥粒とを置き換わるためのダイアモンド砥粒を供与し、この供与された一連の砥粒が、消尽するまで上記単一カッティングポイントとなる。

実施例１
試験工具を、１０cm（４インチ）外径のステンレス鋼（３０４Ｌ）コアから、構成するために、このコアのリム上の、２０°の刃先角（ｉｎｃｌｕｄｅｄ ａｎｇｌｅ）を有する裏打ち要素上に、おおよそ１００％濃度のＳＤＡ１００＋ダイアモンドグリット（Ｄｅｂｅｅｒｓから入手、４２５〜５００μｍ）を真空ろう付けした。この工具は、ドレッシングチップ半径長さが約０．２５mm（０．０１インチ）になるようにデザインされ、この半径長さは、所望の初期ドレッシングチップ半径長さに研磨成分を仕上げるために、わずかな研削を施した後に、この工具用に選択されたダイアモンドグリットの半径長さに、おおよそ等しいものであった。

ろう付けは活性青銅ろう付けを用いて８８０℃で実施された。活性青銅ろう付けは、７７／２３銅／スズ合金粉末１００質量部および水素化チタン粉末１０質量部の混合物から製造された。その粉末混合物を、１３質量％の量で、Ｂｒａｇ（商標）有機バインダーと混合して、ペースト組成物を調製し、このペーストを工具の金属コアのリムの指定部分上に、塗り拡げた。ダイアモンド砥粒を、ペースト上に単層に散布し、過剰のダイアモンド砥粒を工具から振りおとした。工具を炉で乾燥し、バインダーから水分を蒸発させ、そして乾燥された工具を、０．１３３Pa（＜１０^-3Torr）未満の圧力で、低酸素雰囲気下に８８℃で３０分間加熱し、ついで冷却した。仕上げられた工具において、ろう付けは銅７０．２質量％、スズ２１．０質量％およびチタン８．８質量％を含有していた。

第２の工具が同じようにして製造されたが、ドレッシングチップ半径長さは０．１２mm（０．００５インチ）であり、ダイアモンドグリット径は０．２１２〜０．２５mmであった。
前記０．２５mm（０．０１インチ）チップ半径工具は、ねじ研削盤（ｔｈｒｅａｄ ｇｒｉｎｄｅｒｓ）上で商業的な設定条件下で試験された。研削砥石は、４６×１．３×２５cm（１８×０．５０×１０インチ）の３ＳＧ１００−ＶＢＸ４６７（ゾルゲルアルミナ砥粒）砥石（Ｎｏｒｔｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒ，ＭＡから得られる）であり、初めの形状ドレッシング（０．０２５mm（０．００１インチ）／パス）後に０．０１３mm（０．０００５インチ）／パスの切込みで、ドレッシングの間、３０ｍ／秒（６０００フィート／分）の表面速度で操作した。ドレッサーの研磨成分の摩耗は１２週間の連続運転後も、認められなかった。これは、この商業的設定で用いられたとき、６週間の連続運転後に測定可能な摩耗を示した代表的な市販のロータリードレッシング工具にひけをとらない。加えて、研削砥石の生産性においては約５０％の向上が、ロータリードレッシング工具の鋭利さに起因するものと認められた。
前記０．１２mm（０．００５インチ）チップ半径の工具が、前記と同一の商業的設定条件下で試験され、５週間の連続運転後に、測定可能な摩耗が非常に少ないこと（すなわち約２μｍ／日）を示した。

実施例２
ドレッシング工具を、予めリムに沿って形成されたスロット（ｓｌｏｔｓ）を有する１５cm（６インチ）ステンレス鋼コアを用いて構成し、このスロットの中に０．６０〜０．７１mm（約０．０２５インチ）径のダイアモンド砥粒をろう付けして、ドレッシングチップ半径０．３mm（０．０１２インチ）を有する工具を形成した。前記ダイアモンド砥粒は、実施例１のろう付け剤及び方法を用いて、前記溝中にろう付けされた。この縞模様の（ｓｔｒｉｐｅｄ）構成物は真直な側面を有していた（０°の刃先角）。この工具はビトリファイド結合ＣＢＮ砥石中にプロファイルをドレッシングするのに有効であった。

本発明のロータリープロファイルドレッサーの操作状態の一例であり、プロファイル研削面を有する砥石を示す。 本発明のロータリープロファイルドレッシング工具の平面図である。 本発明のロータリープロファイルドレッシング工具において裏打ち要素上にろう付けされたダイアモンド砥粒の単層の部分断面図である。 裏打ち要素なしに本発明ロータリープロファイルドレッシング工具上にろう付けされたダイアモンド砥粒の単層の部分断面図である。 本発明のロータリープロファイルドレッシング工具において裏打ち要素上にろう付けされたダイアモンド膜インサートの部分断面図である。

Claims (7)

1. 研磨砥石のプロファイル面をツルーイング及びドレッシングするためのロータリードレッシング工具であって、
   前記ロータリードレッシング工具が、
   前記工具の回転軸に直角をなす平面内に存在し、かつ最外縁周面を有するディスク形状のコアと、
   前記コアの最外縁周面に結合され、かつ前記平面に沿って前記コアの最外縁周面を越えて伸び出ている研磨リムと
   を含み、
   （ｉ） 前記ディスク形状のコアが、鋼、工具鋼、炭化タングステン、鉄及びコバルト、並びに、これらの補強複合物から選ばれた材料により構成され、
   （ii） 前記コアの最外縁周面と前記研磨リムとの結合が、活性青銅ろう付けによってなされており、
   （iii）前記研磨リムは、単層をなして配列されたダイアモンド砥粒、及びダイアモンド膜インサートからなる群から選ばれた研磨成分を含み、かつ
   （iv） 前記ダイアモンド砥粒が、前記コアに前記研磨リムの内径に沿ってのみろう付けされており、かつ前記ろう付けされたダイアモンド砥粒が、自己支持している
   ことを特徴とするロータリープロファイルドレッシング工具。
2. 前記研磨リムが、さらに、裏打ち要素を含み、この裏打ち要素上に前記研磨成分がろう付けされており、前記裏打ち要素は、その最外側点において、１０〜４５度の刃先角度を有している、請求項１に記載のドレッシング工具。
3. 前記研磨リムの前記活性青銅ろう付けが前記研磨成分と反応するのに有効な量のチタンを含む、請求項１に記載のドレッシング工具。
4. 前記活性青銅ろう付けが銅５５〜７９質量％、スズ１５〜２５質量％およびチタン６〜２０質量％を含んでなる、請求項３記載のドレッシング工具。
5. 前記研磨成分用ダイアモンド砥粒が０．１５〜２．０mmの平均径を有する、請求項１記載のドレッシング工具。
6. 前記コアと前記裏打ち要素とが互に隣り合って一体の構造体をなし、前記コアの上に研磨材を有していない、請求項２に記載のドレッシング工具。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のドレッシング工具を用いて、研磨砥石のプロファイル面をツルーイング及びドレッシングするために、
   前記ドレッシング工具を回転し、
   前記ドレッシング工具のドレッシングチップを前記研磨砥石のプロファイル面に接触させ、それによって、前記研磨砥石のプロファイル面をツルーイング及びドレッシングすることを特徴とする研磨砥石のプロファイル面をツルーイング及びドレッシングする方法。

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