JP5402104B2 - 研削砥石の加工装置及び加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤモンド又はｃＢＮ等の超硬質の微粒子を有する研削砥石の刃先の加工を行うツルーイング装置やドレッシング装置である研削砥石の加工装置及び加工方法に関する。

ドリルなどの工具の切刃加工には、リング状の薄板の少なくとも外周にダイヤモンドやｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）などからなる微粒子をバインダで保持した微粒子層が形成されたレジンボンド砥石やメタルボンド砥石などの研削砥石が用いられている。このような研削砥石は、ドリルの母材の研削を繰り返すと、研削に供される外周の微粒子からなる層が徐々に磨耗、変形し、次第にその効率や精度が低下する。

このような研削砥石の刃先形状を修正するツルーイング方法として、ＧＣ（グリーンカーボン）砥石との摩擦により行う方法がある。しかし、研削砥石がダイヤモンドやｃＢＮのような超硬質の微粒子を有するため、ＧＣ砥石が磨耗によりその表面形状が変形しやすい。そのため、精度のよい刃先形状の修正が困難であった。そこで、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）などの赤外線レーザ光やその第二高調波の可視レーザ光を照射することで研削砥石の刃先形状のツルーイングを行う方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平２−３０３７６５号公報 特開昭５８−１３２４６２号公報

しかしながら、上記従来のツルーイング方法においても、以下の課題が残されている。すなわち、ダイヤモンドやｃＢＮのような超硬質の微粒子は、赤外線レーザ光や可視レーザ光の照射によっても加工されにくいという問題がある。また、照射した赤外線レーザ光やＹＡＧレーザ光を微粒子を保持している樹脂等の母材が吸収することにより、溶融するという問題がある。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ダイヤモンド又はｃＢＮ等の超硬質の微粒子を有する研削砥石であっても精度のよい刃先形状の修正加工等を可能とした研削砥石の加工装置及び加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の研削砥石の加工装置は、超硬質の微粒子を有する研削砥石の刃先の加工を行う研削砥石の加工装置であって、前記研削砥石に紫外線レーザ光を照射する紫外線照射手段と、前記研削砥石に対する前記紫外線レーザ光の照射位置を変更する移動手段と、を備えることを特徴とする。

この研削砥石の加工装置では、紫外線レーザ光を照射することにより、超硬質の微粒子を有する研削砥石を加熱することなく刃先の加工を行うことができる。すなわち、移動手段により紫外線レーザ光の照射位置を適宜変更しながら研削砥石に紫外線レーザ光を照射することにより、照射位置での加工を行う。このとき、紫外線レーザ光を照射することで、研削砥石の加工面に超硬質の微粒子が配置されていても、微粒子との間で摩擦を発生させることなく刃先を加工することができる。そして、紫外線レーザ光を照射するため、研削砥石が加熱されず、研削砥石に与える熱影響が小さい。これにより、研削砥石に熱的な変形を発生させることなく、精度のよい刃先加工が可能となる。また、紫外線レーザによって局所的で高精度な加工が可能であるため、研削砥石の表面にディンプル加工を施すことも可能である。

また、本発明の研削砥石の加工装置は、前記研削砥石の刃先形状の補正を行うツルーイング装置であることを特徴とする。すなわち、この研削砥石の加工装置では、紫外線レーザ光を照射して研削砥石の刃先形状を補正するツルーイングを行うので、研削砥石を加熱することなく刃先形状の修正を精度よく行える。また、紫外線レーザ光の照射により加工を行っているため、摩擦により磨耗するＧＣ砥石によるツルーイングと比較して再現性のよい刃先形状の修正が行える。

さらに、本発明の研削砥石の加工装置は、前記移動手段が、前記紫外線レーザ光を前記研削砥石の加工形状に対して接線方向に照射させることが好ましい。すなわち、この研削砥石の加工装置では、紫外線レーザ光を加工形状に対してその接線方向に照射することで、精度よく刃先形状の修正を行える。

また、本発明の研削砥石の加工装置は、前記研削砥石の刃先の目立てを行うドレッシング機能を有していることを特徴とする。すなわち、この研削砥石の加工装置では、研削砥石の刃先の目立てを行うドレッシング機能を有しているので、ツルーイング等の加工だけでなく、紫外線レーザ光の照射により刃先の目立ても行うことができる。なお、ドレッシングを行う場合、移動手段により、紫外線レーザを研削砥石の加工形状に対して垂直方向から照射させることが好ましい。

また、本発明の研削砥石の加工装置は、前記研削砥石の刃先形状を撮像する撮像手段を備えることが好ましい。すなわち、この研削砥石の加工装置では、撮像手段により刃先形状や砥粒の突き出し量等を観察しながら研削砥石を加工できる。

また、本発明の研削砥石の加工方法は、超硬質の微粒子を有する研削砥石の刃先の加工を行う研削砥石の加工方法であって、前記研削砥石に対する照射位置を変化させながら前記研削砥石に紫外線レーザ光を照射する工程を有することを特徴とする。すなわち、この研削砥石の加工方法では、上述と同様に、研削砥石を加熱することなく砥石の刃先加工を行うことができるため、刃先形状の修正や砥粒の目立て等を精度よく行える。

また、本発明の研削砥石の加工装置は、前記超硬質の微粒子が、ダイヤモンド又はｃＢＮの微粒子であることを特徴とする。
また、本発明の研削砥石の加工方法は、前記超硬質の微粒子が、ダイヤモンド又はｃＢＮの微粒子であることを特徴とする。

本発明の研削砥石の加工装置及び加工方法によれば、ダイヤモンド又はｃＢＮ等の超硬質の微粒子を有する研削砥石を加熱することなく刃先の加工を行うことができるため、刃先形状の修正や砥粒の目立てを精度よく行える。また、紫外線レーザ光を照射するので、再現性のよい刃先形状の修正が行える。したがって、紫外線レーザ光の照射位置を機械的に調整可能とすることで、特別な技量を必要とすることなく刃先加工が精度よく行える。

本発明の一実施形態における研削砥石の加工装置において、ツルーイング時の加工装置を示す概略平面図である。 本実施形態において、ツルーイング時の加工装置を示す概略正面図である。 ツルーイング時において、研削砥石を固定して紫外線レーザ光の照射位置を移動させた場合における紫外線レーザ光の照射位置を示す説明図である。 本実施形態において、ドレッシング時の加工装置を示す概略平面図である。 ドレッシング時において、研削砥石に対する紫外線レーザ光の照射方向を示す説明図である。 本実施形態において、ディンプル加工時の研削砥石を示す要部拡大図である。

以下、本発明にかかる研削砥石の加工装置及び加工方法の一実施形態を、図１を参照しながら説明する。ここで、図１は研削砥石の加工装置であるツルーイング装置を示す概略構成図である。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

本実施形態における研削砥石の加工装置１は、は、図１及び図２に示すように、ドリルなどの工具の切刃の加工に用いられる研削砥石２の形状補正を行うツルーイング装置である。また、この加工装置１は、研削砥石２の刃先の目立てを行うドレッシング機能も有している。

この加工装置１は、紫外線レーザ光を出射するレーザ光源（紫外線照射手段）３と、研削砥石２を保持する保持手段４と、保持手段４が載置されたステージ５と、カメラ（撮像手段）６とを備えている。
研削砥石２は、いわゆるレジンもしくはメタルボンドなどの砥石であって、ほぼリング状の薄板の少なくとも外周に微粒子層が設けられている。この微粒子層は、超硬質の微粒子として、例えばダイヤモンド又はｃＢＮの微粒子を有する微粒子を樹脂バインダで保持した構成であり、研削砥石２の刃先部分を被覆している。

レーザ光源３は、例えば固体レーザであるＮｄ：ＹＬＦやＮｄ：ＹＡＧレーザ光の波長の１／４程度である波長２６２ｎｍや２６６ｎｍの紫外線レーザ光ＵＶをパルス発振で出射する構成となっている。そして、レーザ光源３と保持手段４により保持された研削砥石２との間には、その出射側に焦点レンズ１１が設けられている。焦点レンズ１１は、図１及ぶ図２に示す矢印Ａ１方向のように紫外線レーザ光ＵＶの光軸方向で移動可能となっており、紫外線レーザ光ＵＶの焦点位置を変更する構成となっている。また、紫外線レーザ光ＵＶの光軸上には、紫外線レーザ光ＵＶを遮光して加工装置１の外部に紫外線レーザ光ＵＶが漏洩することを防止するダンパ１２が設けられている。

保持手段４は、ステージ５上に載置、固定されており、研削砥石２を保持する回転保持部１５と、回転保持部１５が載置されたＹ軸移動部１６と、Ｙ軸移動部１６が載置されたＸ軸移動部１７と、を備えている。
回転保持部１５は、研削砥石２をその両面がステージ５の上面に対してほぼ垂直となるように保持している。そして、回転保持部１５は、図１及び図２に示す矢印Ａ２方向のように、研削砥石２をその中心軸を回転軸として回転可能に保持している。

Ｙ軸移動部１６は、図１及び図２に示す矢印Ａ３方向のように、回転保持部１５をステージ５の上面内の一方向であるＹ軸方向に移動可能に保持している。
Ｘ軸移動部１７は、図１及び図２に示す矢印Ａ４方向のように、Ｙ軸移動部１６をステージ５の上面と平行な水平面内の一方向であってＹ軸と直交するＸ軸方向に移動可能に保持している。

ステージ５は、平面視でほぼ円形を有しており、図１及び図２に示す矢印Ａ５方向のようにその中心軸を軸回りとして上面の面内で回転可能となっている。そして、ステージ５及び保持手段４により、研削砥石２の移動手段１８が構成される。したがって、研削砥石２は、ステージ５及び保持手段４により、水平面内で移動及び回転可能となる。

カメラ６は、回転保持部１５で保持された研削砥石２の刃先を撮像するＣＣＤカメラ等で構成されている。該カメラ６は、パーソナルコンピュータ等の解析装置（図示略）に接続され、カメラ６で撮像した画像を解析装置に送るように設定されている。また、上記解析装置では、送られた画像データを画像処理して解析可能であると共に画像及び解析データをディスプレイ（図示略）に表示可能となっている。なお、カメラ６は、回転保持部１５とは独立して固定又は移動可能に設置されている。

次に、このような構成の加工装置１を用いた研削砥石２のツルーイング方法について説明する。
まず、回転保持部１５に研削砥石２を固定し、研削砥石２を中心軸の軸回りで回転させる。そして、レーザ光源３を駆動し、例えば図１に示すように、平面視でステージ５の中心と重なる位置で集光するように焦点レンズ１１を紫外線レーザ光ＵＶの光軸方向（図１に示す矢印Ａ１方向）で移動させて紫外線レーザ光ＵＶの集光位置を調整する。

この状態で、ステージ５を中心軸の軸回りで回転させると共に、Ｘ軸移動部１７及びＹ軸移動部１６により回転保持部１５で保持された研削砥石２を水平面内（図１に示す矢印Ａ３〜Ａ５方向）で適宜移動させる。なお、移動手段１８は、紫外線レーザ光ＵＶが砥石加工部形状（すなわち、研削砥石２の加工表面）に対して接線方向に照射されるように研削砥石２を移動させる。

そして、研削砥石２の刃先部分に紫外線レーザ光ＵＶを照射する。このとき、研削砥石２が回転保持部１５によりその中心軸の軸回り（図１に示す矢印Ａ２方向）で回転しているので、レーザ光源３は、研削砥石２の刃先部分を研削砥石２と同心円状に周方向で紫外線レーザ光ＵＶを照射する。なお、研削砥石２の照射面における紫外線レーザ光ＵＶの照射幅は、例えば２０μｍとなっている。また、紫外線レーザ光ＵＶを砥石加工部形状に対して接線方向に照射するため、紫外線レーザ光ＵＶにより精度の高い砥石整形ができる。

これにより、紫外線レーザ光ＵＶの照射領域における樹脂バインダ及びダイヤモンドやｃＢＮの超硬質の微粒子が除去される。そして、カメラ６により紫外線レーザ光ＵＶが照射された加工面を撮像し、その表面形状を確認する。その後、紫外線レーザ光ＵＶの照射領域が所望の表面形状となったときに、移動手段１８により研削砥石２を移動させて紫外線レーザ光ＵＶの照射位置を変更する。そして、上述と同様に紫外線レーザ光ＵＶして研削砥石２と同心円状に周方向で照射し、照射領域の加工を行う。これを順次繰り返すことにより、研削砥石２の刃先の側面部分の加工を行う。

そして、研削砥石２の刃先の先端部分の形状を加工する場合には、ステージ５をその中心軸の軸回りで回転させながら、図３に示すように、刃先の先端部分に沿って紫外線レーザ光ＵＶを照射する。ここでも、上述と同様にカメラ６により刃先の先端形状を確認する。ここで、図３は、研削砥石２を固定して紫外線レーザ光ＵＶの照射位置を移動させた場合における紫外線レーザ光ＵＶの照射位置を示す説明図である。このとき、紫外線レーザ光ＵＶの照射により微粒子層を構成する樹脂バインダ及びダイヤモンドやｃＢＮの超硬質の微粒子が同時に除去されるので、研削砥石２の刃先の先端部分の曲率半径を例えば数μｍとするような微細な形状加工が可能となる。
以上のようにして、研削砥石２のツルーイングを行う。

次に、本実施形態の加工装置１を用いた研削砥石２のドレッシング方法について、図４及び図５を参照して説明する。

まず、回転保持部１５に研削砥石２を固定し、研削砥石２を中心軸の軸回りで回転させる。また、ステージ５をツルーイング時の位置から中心軸の軸回りで９０°回転させ、図４及び図５に示すように、研削砥石２の刃先が紫外線レーザ光ＵＶの照射方向に対向するように配置（研削砥石２の中心軸と紫外線レーザ光ＵＶの照射方向とが直交する配置）する。さらに、Ｘ軸移動部１７、Ｙ軸移動部１６及び焦点レンズ１１により研削砥石２の刃先が紫外線レーザ光ＵＶの焦点位置に配されるように移動調整する。すなわち、移動手段１８は、紫外線レーザ光ＵＶが砥石加工部形状（すなわち、研削砥石２の加工表面）に対して垂直方向から照射されるように研削砥石２を移動させる。

そして、研削砥石２の刃先部分にツルーイング時よりも低いパワー密度で紫外線レーザ光ＵＶを照射し、樹脂バインダを優先的に除去して砥粒である上記微粒子を突出させることで刃先全周にわたってドレッシングを行う。
また、この際、カメラ６により刃先の先端形状を撮像し、その画像データを解析装置に送ると共に、解析装置において砥粒（微粒子）の突き出し量を画像解析によって測定する。測定した突き出し量が所定量に達した場合、解析装置からの制御により紫外線レーザ光ＵＶの照射を停止してドレッシングを終了させる。

例えば、図４に示すように、研削砥石２の刃先側面から表層をカメラ６で撮影する。すなわち、研削砥石２の回転面に対して垂直方向からカメラ６で拡大撮像して観察する。そして、撮影した画像を解析装置にて２値化し、表面の凹凸を演算処理で求める。例えば、画像データをフーリエ変換して表面の凹凸を演算して突き出し量を測定する。

なお、上記ツルーイング時の紫外線レーザのパルス発振条件は、例えば周波数１０ｋＨｚ，パルス幅３０ｎｓｅｃにて、パワー密度１２０００Ｗ／ｃｍ^２以上に設定される。
また、上記ドレッシング時の紫外線レーザのパルス発振条件は、例えば周波数１０ｋＨｚ，パルス幅３０ｎｓｅｃにて、パワー密度１００Ｗ／ｃｍ^２以上に設定される。

以上のような構成の加工装置及び加工方法によれば、紫外線レーザ光ＵＶの照射により、ダイヤモンド又はｃＢＮ等の超硬質の微粒子を有する研削砥石２が変形することなく刃先形状のツルーイングができる。このため、刃先形状の修正が精度よく行える。
また、紫外線レーザ光ＵＶの照射位置を機械的に調整することで特別な技量を必要としないため、再現性のよい刃先形状の修正が可能となる。

そして、紫外線レーザ光ＵＶの照射により樹脂バインダを溶融させることなく微粒子層を構成する樹脂バインダ及び超硬質の微粒子を同時に除去できるため、紫外線レーザ光ＵＶの照射領域の平坦性が向上すると共に、サブミクロンから数μｍの微細な形状加工が可能となる。これにより、例えば直径が１００μｍ以下の微細孔用ドリルの刃先を形成する研削砥石２のように非常に高精度な先端形状が要求される研削砥石２のツルーイングに適用することができる。

ここで、紫外線レーザ光ＵＶを砥石加工部形状に対して接線方向に照射するので、紫外線レーザ光ＵＶにより精度の高い砥石整形が行える。そして、カメラ６により刃先形状の加工状態を観察できるため、刃先形状を目視する場合と比較して、修正の精度をより向上させることができる。

さらに、本実施形態の加工装置１では、研削砥石２の刃先の目立てを行うドレッシング機能を有しているので、ツルーイング等の加工だけでなく、紫外線レーザ光ＵＶの照射により刃先の目立ても行うことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

例えば、ツルーイングされる研削砥石として樹脂バインダでダイヤモンド又はｃＢＮ等の超硬質の微粒子を保持したレジンボンド砥石を挙げているが、ダイヤモンド又はｃＢＮ等の超硬質の微粒子をバインダで保持したものであれば、金属材料により微粒子を保持したメタルボンド砥石や、ビトリファイドボンドなど他の研削砥石であってもよい。研削砥石がメタルボンド砥石であっても、紫外線レーザ光を照射することにより、微粒子とこれを保持する金属バインダとを同時に除去するので、微細な形状加工を行うことができる。

また、レーザ光源が２６２ｎｍや２６６ｎｍの紫外線レーザ光を出射しているが、研削砥石を加熱せずに加工できれば、他の波長の紫外線レーザ光を出射する構成としてもよい。
そして、研削砥石を移動させることにより紫外線レーザ光の照射位置を変更しているが、研削砥石とレーザ光源との相対位置を変化させることにより照射位置を変更できればよく、移動手段により研削砥石とレーザ光源との少なくとも一方を移動させることができればよい。ここで、移動手段は、研削砥石に対する紫外線レーザ光の照射位置を変更できれば、他の構成としてもよい。

さらに、カメラにより研削砥石の刃先形状を撮像して観察しているが、他の撮像手段により刃先形状を撮像してもよい。ここで、画像処理を利用するドレッシング等を行わない場合や研削砥石の刃先形状の変化を十分に確認することができる場合など、撮像手段を設けない構成としてもよい。

また、ツルーイング時の紫外線レーザのパルス発振条件で、図６に示すように、研削砥石２の刃先にディンプル加工を施しても構わない。すなわち、紫外線レーザ光ＵＶを局所的に複数箇所に照射して複数の凹部２ａを刃先表面に形成しても構わない。この複数の凹部２ａは、研削液のスペースＳとなり、研削液を加工点に効率的に供給させ易くするものである。なお、このディンプル加工を行う場合、研削砥石２と紫外線レーザ光ＵＶの照射方向とをドレッシング時と同様の配置にして刃先表面に対して垂直方向から紫外線レーザ光ＵＶを照射することが好ましい。

１…加工装置、２…研削砥石、３…レーザ光源（紫外線照射手段）、６…カメラ（撮像手段）、１８…移動手段、ＵＶ…紫外線レーザ光

Claims (6)

1. 超硬質の微粒子を有する研削砥石の刃先の加工を行う研削砥石の加工装置であって、
   前記研削砥石に紫外線レーザ光を照射する紫外線照射手段と、
   前記研削砥石に対する前記紫外線レーザ光の照射位置を変更する移動手段と、を備え、
   前記研削砥石の刃先形状の補正を行うツルーイング装置であり、
   前記移動手段が、前記紫外線レーザ光を前記研削砥石の加工形状に対して接線方向に照射させ、
   前記紫外線レーザ光が、波長２６２ｎｍの紫外線レーザ光であることを特徴とする研削砥石の加工装置。
2. 請求項１に記載の研削砥石の加工装置において、
   前記研削砥石の刃先の目立てを行うドレッシング機能を有していることを特徴とする研削砥石の加工装置。
3. 請求項１又は２に記載の研削砥石の加工装置において、
   前記研削砥石の刃先形状を撮像する撮像手段を備えることを特徴とする研削砥石の加工装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の研削砥石の加工装置において、
   前記超硬質の微粒子が、ダイヤモンド又はｃＢＮの微粒子であることを特徴とする研削砥石の加工装置。
5. 超硬質の微粒子を有する研削砥石の刃先の加工を行う研削砥石の加工方法であって、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の研削砥石の加工装置により、前記研削砥石に対する照射位置を変化させながら前記研削砥石に紫外線レーザ光を照射する工程を有することを特徴とする研削砥石の加工方法。
6. 請求項５に記載の研削砥石の加工方法において、
   前記超硬質の微粒子が、ダイヤモンド又はｃＢＮの微粒子であることを特徴とする研削砥石の加工方法。

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