JP5594749B2 - 超砥粒加工物の研削で使用する研削材物品 - Google Patents

Description

以下は、研削材物品に関し、より具体的には、超砥粒加工物を研削するのに適した結合研削材物品に関する。

機械加工用途で使用される研削材としては、一般的に、結合研削材物品および研磨布紙物品があげられる。研磨布紙物品には通常、支持体と、砥粒を支持体に固定するための接着剤コートとを含む層をなす物品が含まれ、その最も一般的な例が紙やすりである。結合研削材ツールは、研削または研磨装置などの機械加工装置に取り付けることができるホイール、ディスク、セグメント、軸先端取付式、ホーン、および他のツール形状の形態の、剛性で通常一体構造の３次元研削材複合体で構成される。

結合研削材ツールは通常、砥粒、結合材料、および孔隙（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を含む３相を有し、当技術分野における慣行に従い、研削材複合体の相対硬度および密度（等級）、ならびに複合体内の砥粒、結合剤、および孔隙の体積％（構造）によって規定される様々な「等級」および「構造」で製造することができる。

一部の結合研削材ツールは、エレクトロニクスおよび光学産業で使用される単結晶材料、ならびに、地球ボーリングなどの産業用途で使用する超砥粒材料などの硬質材料を研削および研磨するのに特に有用であり得る。例えば、多結晶ダイヤモンド成形体（ＰＤＣ）掘削要素は通常、石油およびガス産業での地球掘削用途用のドリルビットのヘッドに固定される。ＰＤＣ掘削要素は、特定の仕様に研削されなければならない超砥粒材料（例えば、ダイヤモンド）の層を含む。ＰＤＣ掘削要素を成形する１つの方法は、通常、有機結合マトリクス内に含有された砥粒を含む結合研削材ツールを使用することである。

業界は、超砥粒加工物を研削できる、改良された方法および物品を引き続き求めている。

一態様によれば、研削材物品は、砥粒が結合材料内に含有された本体を有する結合研削材を含み、本体は、センタレス研削作業の場合に、約３５０Ｊ／ｍｍ^３以下の平均比研削エネルギ（ＳＧＥ）により、少なくとも約８ｍｍ^３／秒の平均材料除去（ＭＲＲ）速度で、少なくとも約５ＧＰａの平均ビッカース硬度を有する超砥粒加工物を研削する。

別の態様によれば、研削材物品は、有機材料および金属材料を含む複合結合材料内に砥粒が含有された本体を有する結合研削材を含み、複合結合材料は、約３．０ＭＰａ・ｍ^０．５以下の破壊靱性を有する。

さらに別の態様では、研削材物品は、有機材料および金属材料を含む複合結合材料内に砥粒が含有された本体を有する結合研削材を含み、結合材料は、有機材料の体積（ＯＭ）の金属材料の体積（ＭＭ）に対する比率（ＯＭ／ＭＭ）が約０．２５以下である。

さらに別の態様では、研削材物品は、超砥粒材料を含む加工物を研削するように構成された本体を有する結合研削材を含み、本体は、有機材料および金属材料を含む複合結合材料内に含有された砥粒を有し、砥粒のうちの約８２体積％以上が、複合結合材料の金属材料内に含有される。

一態様によれば、本体を有する結合研削材は、複合結合材料内に含有された砥粒を含み、複合結合材料は、約３．０ＭＰａ・ｍ^０．５以下の破壊靱性を有し、本体は、少なくとも約５ＧＰａの平均ビッカース硬度を有する超砥粒加工物のセンタレス研削時に、少なくとも約８ｍｍ^３／秒の平均材料除去速度（ＭＲＲ）に対して、研削するための最低基準動力が約１５０Ｗ／ｍｍ以下である。

別の態様では、研削材物品を形成する方法は、有機材料、金属材料、および砥粒を含む混合物を形成することと、その混合物を処理して、有機材料および金属材料を含む複合結合材料内に砥粒が含有された本体を有する研削材物品を形成することであって、結合材料は、有機材料の体積（ＯＭ）の金属材料の体積（ＭＭ）に対する比率（ＯＭ／ＭＭ）が約０．２５以下であることとを含む。

添付の図面を参照することで、本開示をより深く理解することができ、その多数の特徴および利点が当業者に明らかになるであろう。

一実施形態による研削材物品の図を含む。 一実施形態による研削作業の図を含む。 一実施形態および従来例による結合研削材本体に関する、平均動力（ｋＷ）対平均材料除去速度（ｍｍ^３／秒）のグラフを含む。 研削作業を行った後の実施形態による研削材物品の表面の画像を含む。 研削作業を行った後の従来の研削材物品の表面の画像を含む。

様々な図面において、同じ参照符号を使用して、同様または同一の物品が示されている。

以下は、主に研削材物品、および特定の研削作業にその研削材物品を使用する方法に関する。結合研削材物品を形成するプロセスに特に関連して、最初に、砥粒を結合材料と混合することができる。一実施形態によれば、結合材料は、一緒に混合された有機材料および金属材料で構成された構成材を有する複合結合材料とすることができる。ただし、砥粒は、最初に結合材料の構成材の一方と混合することができる。例えば、砥粒は、有機材料と混合することができる。

砥粒として、酸化物、炭化物、ホウ化物、窒化物、およびそれらの組み合わせなどの材料を挙げることができる。特定の例では、砥粒として、ダイヤモンド、立方窒化ホウ素、およびそれらの組み合わせなどの超砥粒を含めることができる。特定の実施形態は、基本的にダイヤモンドで構成される砥粒を利用することができる。

砥粒にさらに関連して、砥粒は、２５０μｍ未満の平均粒径を有することができる。他の例では、砥粒は、１７０μｍ未満など、２００μｍ未満の平均粒径を有することができる。特定の研削材物品は、５０μｍ〜約２５０μｍ、より具体的には約１００μｍ〜約２００μｍなど、１μｍ〜約２５０μｍの範囲内の平均粒径を有する砥粒を利用することができる。

混合物は、２種類以上の砥粒を利用することができる。さらに、混合物は、２つ以上の平均粒径を有する砥粒を使用することができる。すなわち、例えば、大きい粒径と小さい粒径とを含む砥粒の混合物を使用することができる。一実施形態では、例えば、大きい平均粒径を有する砥粒の第１の部分を、例えば、第１の部分の大きい砥粒よりも小さい平均粒径を有する砥粒の第２の部分と混合することができる。第１および第２の部分は、混合物内で等量（例えば、重量％）とすることができる。他の実施形態では、互いに比較して、大きい砥粒と小さい砥粒とのパーセントが異なる混合物を利用することができる。

約１５０μｍ未満の平均粒径を有する砥粒の第１の部分を、１５０μｍを超える平均粒径を有する砥粒と混合した形で含む結合研削材物品を形成することができる。１つの特定の例では、混合物は、１００μｍ〜１５０μｍの範囲内の平均粒径を有する砥粒の第１の部分と、１５０μｍ〜２００μｍの範囲内の平均粒径を有する砥粒の第２の部分とを含むことができる。

混合物は、最終的に形成された結合研削材本体が、本体の総体積に対して少なくとも約５体積％の砥粒を含むような特定の含有量の砥粒を含むことができる。当然ながら、他の例示的な研削材物品の場合、本体内の砥粒の含有量は、本体の総体積の少なくとも約１０体積％、少なくとも約２０体積％、少なくとも約３０体積％、または少なくとも約４０体積％に及ぶことさえあるなど、さらに多くすることができる。一部の研削材物品では、混合物は、最終的に形成された本体が、本体の総体積に対して、約５体積％〜約６０体積％、より具体的には約５体積％〜５０体積％の砥粒を含有するような量の砥粒を含有することができる。

結合材料の有機材料構成材に関連して、一部の適切な有機材料として、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂がある。特に、結合材料として、ポリイミド、ポリアミド、樹脂、アラミド、エポキシ、ポリエステル、ポリウレタン、およびそれらの組み合わせなどの材料を挙げることができる。特定の実施形態によれば、有機材料として、ポリアレナゾールを含めることができる。さらに特定の実施形態では、有機材料として、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）を含めることができる。さらに、結合材料は、フェノール樹脂などの、特定の含有量の樹脂材料を含むことができる。樹脂を利用するそのような実施形態では、樹脂は少量だけ存在することができ、他の有機材料と組み合わせて使用することができる。

混合物は、最終的に形成された結合研削材本体が、結合材料の総体積に対して、約２０体積％以下の有機材料を含むような特定の含有量の有機材料を含むことができる。他の実施形態では、結合材料内の有機材料の量は、例えば、約１８体積％以下、約１６体積％以下、約１４体積％以下、または約１０体積％以下のことさえあるなど、さらに少なくすることもできる。特定の例では、本体は、有機材料が、約１体積％〜約１９体積％、より具体的には約２体積％〜１２体積％の範囲内など、約１体積％〜約２０体積％の範囲内の量で存在するように形成することができる。

有機材料および砥粒の混合物を形成した後、複合結合材料の形成を容易にするために金属材料を加えることができ、複合結合材料は、有機材料および金属材料を含有する。特定の例では、金属材料は、金属または金属合金を含むことができる。金属材料は、１つまたは複数の遷移金属元素を含有することができる。一実施形態によれば、金属材料は、銅、スズ、およびそれらの組み合わせを含むことができる。実際上、本明細書の実施形態は、基本的に青銅で構成され、重量で約６０：４０の比率の銅／スズ比を有する金属材料を利用することができる。

最終的に形成された結合研削材本体が、結合材料の総体積に対して、少なくとも約２０体積％の金属材料を含有するように、特定の含有量の金属材料を混合物に加えることができる。他の例では、複合結合材料内の金属材料の量は、少なくとも約３０体積％、少なくとも約４０体積％、少なくとも約５０体積％、または少なくとも約６０体積％に及ぶことさえある程度など、さらに多くすることができる。特定の実施形態は、複合結合材料の総体積に対して、約３０体積％〜約９５体積％、または約５０体積％〜約９５体積％になることさえあるなど、約２０体積％〜約９９体積％の範囲内の量の金属材料を利用することができる。

砥粒、有機材料、および金属材料を含有する混合物を形成した後、十分な持続時間にわたって混合物を撹拌または混合して、構成材の相互の一様な分布を保証することができる。混合物が適切に混合されるのを保証した後、研削材物品を形成するプロセスは、続いて混合物を処理することができる。

一実施形態によれば、混合物を処理することには、圧縮成形プロセスを含むことができる。より詳細には、圧縮成形プロセスは、熱間圧縮成形プロセスを含むことができ、混合物は、混合物に適切な形状を付与するために、同時に加熱および圧縮される。熱間圧縮成形作業は成形型を利用することができ、混合物を型の輪郭に形成し、混合物に適切な、最終的に形成される形状を付与するために、混合物が型内に置かれ、熱間圧縮成形作業中に、熱および圧力の作用が利用される。

一実施形態によれば、熱間圧縮成形作業は、約６００℃以下の圧縮成形温度で行うことができる。圧縮成形温度は、結合材料の適切な形成を容易にするために、熱間圧縮成形時に利用される最大浸漬（ｓｏａｋｉｎｇ）温度と考えられる。別の実施形態によれば、熱間圧縮成形プロセスは、５００℃以下など、約５５０℃以下の圧縮成形温度で行うことができる。特定の例では、熱間圧縮成形は、約４００℃〜約６００℃の範囲、より具体的には約４００℃〜４９０℃の範囲内の圧縮成形温度で完了することができる。

圧縮成形プロセスは、混合物を所望の形状に形成するのに適した、混合物に作用する最大かつ持続的な圧力である特定の圧力で行うことができる。例えば、熱間圧縮成形プロセスは、約１０トン／インチ^２以下の最大圧縮成形圧力で行うことができる。他の実施形態では、最大圧縮成形圧力は、約８トン／インチ^２以下、約６トン／インチ^２以下など、さらに小さくすることができる。さらに、特定の熱間圧縮成形プロセスは、０．５トン／インチ^２〜６トン／インチ^２など、約０．５トン／インチ^２〜約１０トン／インチ^２の範囲内の圧縮成形圧力を利用することができる。

実施形態によれば、圧縮成形プロセスは、圧縮成形圧力および圧縮成形温度が、少なくとも約５分の持続時間にわたって保持されるように行うことができる。他の実施形態では、持続時間は、少なくとも約１０分、少なくとも約２０分、または少なくとも３０分に及ぶことさえあるなど、さらに長くすることができる。

通常、処理作業中に利用される雰囲気は、不活性種（例えば、希ガス）、または酸素の量を限定した還元性雰囲気を含む不活性雰囲気とすることができる。他の例では、圧縮成形作業は、周囲雰囲気で行うことができる。

熱間圧縮成形作業が完了すると、結果的な形態として、砥粒が複合結合材料内に含有された研削材物品を得ることができる。

図１は、実施形態による研削材物品を含む。図示したように、研削材物品１００は略環形状を有し、本体１０１を軸方向に貫通する中心開口１０２を画定する結合研削材本体１０１を含むことができる。結合研削材本体１０１は、本明細書で説明したように、複合結合材料内に含有された砥粒を含むことができる。実施形態によれば、研削材物品１００は、中心開口１０２を有する砥石車とすることができ、中心開口１０２は、材料除去作業の間、研削材物品を回転させるように設計された適切な研削機械に結合研削材本体を連結するのを補助する。さらに、挿入体１０３が本体１０１のまわりに配置されて、中心開口１０２を画定することができ、特定の例では、挿入体１０３は、本体１０１を機械に連結するのを容易にすることができる金属材料とすることができる。

結合研削材本体１０１は、研削材物品１００の縁部のまわりに円周方向に延びる研削材リムを画定することができる。すなわち、本体１０１は、（例えば、留め具、接着剤、およびそれらの組み合わせを使用して）本体１０１に固定された挿入体１０３の外周縁部に沿って延びることができる。

本体１０１は、特定の量の砥粒、結合材料、および孔隙を有することができる。本体１０１は、本明細書で説明したのと同じ量（体積％）の砥粒を含むことができる。本体１０１は、本体の総体積に対して、少なくとも１０体積％の複合結合材料を含むことができる。他の例では、本体１０１は、本体１０１の総体積に対して、少なくとも２０体積％、少なくとも約３０体積％、少なくとも約４０体積％、または少なくとも約５０体積％に及ぶことさえあるなど、さらに多量の複合結合材料を含むことができる。他の例では、本体１０１は、複合結合材料が、本体１０１の総体積に対して、約１０体積％〜約６０体積％、または約２０体積％〜約６０体積％の結合材料になることさえあるなど、約１０体積％〜約８０体積％を構成するように形成することができる。

特に、本体１０１は、複合結合材料内に含有される、有機材料（ＯＭ）の金属材料（ＭＭ）に対する体積％による特定の比率を有するように形成することができる。例えば、複合結合材料は、値が約０．２５以下である、有機材料の体積（ＯＭ）の金属材料の体積（ＭＭ）に対する比率（ＯＭ／ＭＭ）を有することができる。他の実施形態によれば、研削材物品は、複合結合材料比が、約０．２０以下、約０．１８以下、約０．１５以下、または約０．１２以下になることさえあるなど、約０．２３以下であるように形成することができる。特定の例では、本体は、複合結合材料が、約０．０５〜０．２０、約０．０５〜約０．１８、約０．０５〜約０．１５、または約０．０５〜約０．１２になることさえあるなど、約０．０２〜０．２５の範囲内の、有機材料の金属材料に対する比率（ＯＭ／ＭＭ）を有するように形成することができる。

研削材物品は、本体１０１が特定の含有量の孔隙を含むように形成することができる。例えば、本体１０１は、本体１０１の総体積に対して、約１０体積％以下の孔隙を有することができる。他の例では、本体１０１は、約５体積％以下、または約３体積％以下になることさえあるなど、約８体積％以下の孔隙を有することができる。さらに、本体１０１は、孔隙が、本体１０１の総体積の０．５体積％〜約８体積％、約０．５体積％〜５体積％、または約０．５体積％〜３体積％になることさえあるなど、０．５体積％〜１０体積％の範囲内にあるように形成することができる。大部分の孔隙は、結合材料内の閉じて分離した小孔で構成された閉じた孔隙とすることができる。実際上、特定の例では、基本的に、本体１０１内の孔隙のすべては、閉じた孔隙とすることができる。

本明細書で説明した特徴に加えて、本体１０１は、本体１０１内の砥粒の約８２％以上が、金属材料内に含まれる複合結合材料を有するように形成することができる。例えば、本体１０１は、本体１０１内の砥粒の約８７％以上、約９０％以上、または約９２％以上に及ぶことさえあるなど、８５％以上が、複合結合材料の金属材料内に含まれるように形成することができる。本体１０１は、本体１０１内の砥粒の約８２％〜約９７％、より具体的には８５％〜約９５％が、結合材料の金属材料内に含まれ得るように形成することができる。

実施形態の結合研削材物品は、３．０ＭＰａ・ｍ^０．５以下の破壊靱性を有する複合結合剤を利用することができる。実際上、特定の結合研削材物品は、約２．０ＭＰａ・ｍ^０．５以下、または約１．８ＭＰａ・ｍ^０．５以下になることさえあるなど、約２．５ＭＰａ・ｍ^０．５以下の破壊靱性を有する結合材料を有することができる。特定の結合研削材物品は、約１．５ＭＰａ・ｍ^０．５〜約２．５ＭＰａ・ｍ^０．５の範囲内、および約１．５ＭＰａ・ｍ^０．５〜約２．３ＭＰａ・ｍ^０．５の範囲内になることさえあるなど、約１．５ＭＰａ・ｍ^０．５〜約３．０ＭＰａ・ｍ^０．５の破壊靱性を有する複合結合材料を利用することができる。

本明細書の研削材物品は、研削プロセスによるなどして、特定の加工物から材料を除去するのに特に適することができる。特定の実施形態では、本明細書の実施形態の結合研削材物品は、超硬質材料または超砥粒材料を含有する加工物の研削および仕上げに特に適することができる。すなわち、加工物は、５ＧＰａ以上の平均ビッカース硬度を有することができる。実際上、本明細書の実施形態の結合研削材物品で仕上げることができる特定の加工物は、少なくとも約１５ＧＰａ、または少なくとも約２５ＧＰａに及ぶことさえあるなど、少なくとも約１０ＧＰａの平均ビッカース硬度を有することができる。

実際上、特定の例では、本明細書の結合研削材物品は、研削用途でも使用される材料の研削に特に適する。そのような加工物の１つの特定の例には、多結晶ダイヤモンド成形体（ＰＤＣ）掘削要素があり、多結晶ダイヤモンド成形体掘削要素は、石油およびガス産業で使用される地球ボーリング用ドリルビットのヘッドに配置することができる。通常、ＰＤＣ掘削要素は、基材を覆う研削材層を有する複合材料を含むことができる。基材はサーメット（セラミック／金属）材料とすることができる。すなわち、基材は、特定の含有量の金属、典型的には、合金または超合金材料を含むことができる。例えば、基材は、約８のモース硬度を有する金属材料を有することができる。基材は、１つまたは複数の遷移金属元素を含むことができる金属要素を含むことができる。さらに特定の例では、基材は、炭化物材料、より具体的には炭化タングステンを含むことができて、基材は、基本的に、炭化タングステンで構成することができる。

本明細書の結合研削材物品で研削できる加工物として、掘削要素を含めることができる。さらに、特定の加工物は、少なくとも約４．０ＭＰａ・ｍ^０．５の破壊靱性を有する、特に脆性の材料とすることができる。実際上、加工物は、少なくとも約６．０ＭＰａ・ｍ^０．５、または少なくとも約８．０ＭＰａ・ｍ^０．５に及ぶことさえあるなど、少なくとも約５．０ＭＰａ・ｍ^０．５の破壊靱性を有することができる。さらに、特定の例では、加工物は、１５．０ＭＰａ・ｍ^０．５以下、１２．０ＭＰａ・ｍ^０．５以下、または１０．０ＭＰａ・ｍ^０．５以下など、約１６．０ＭＰａ・ｍ^０．５以下の破壊靱性を有することができる。特定の加工物は、約４．０ＭＰａ・ｍ^０．５〜約１２．０ＭＰａ・ｍ^０．５を含む範囲内、および約４．０ＭＰａ・ｍ^０．５〜約１０．０ＭＰａ・ｍ^０．５を含む範囲内になることさえあるなど、約４．０ＭＰａ・ｍ^０．５〜約１６．０ＭＰａ・ｍ^０．５を含む範囲内の破壊靱性を有する材料を利用することができる。

加工物の研削材層は、基材の表面に直接接合することができる。研削材層は、炭素、フラーレン、炭化物、ホウ化物、およびそれらの組み合わせなどの硬質材料を含むことができる。１つの特定の例では、研削材層は、ダイヤモンドを含むことができ、より具体的には多結晶ダイヤモンド層とすることができる。一部の加工物、特に、ＰＤＣ掘削要素は、基本的に、ダイヤモンドからなる研削材層を有することができる。少なくとも１つの実施形態によれば、研削材層は、少なくとも約９のモース硬度を有する材料で形成することができる。さらに、加工物は、特に、ＰＤＣ掘削要素に関して、略円筒形状の本体を有することができる。

本明細書の実施形態の結合研削材物品は、超硬質材料（例えば、金属ならびにニッケル系超合金およびチタン系超合金などの金属合金、炭化物、窒化物、ホウ化物、フラーレン、ダイヤモンド、ならびにそれらの組み合わせ）を含有する加工物の研削および／または仕上げに特に適することが分かった。材料除去（すなわち、研削）作業時、結合研削材本体を加工物に対して回転させて、加工物から材料を除去するのを容易にすることができる。

そのような材料除去プロセスの１つが、図２に示されている。図２は、実施形態による研削作業の図を含む。特に、図２は、結合研削材本体１０１を組み込んだ砥石車の形態の研削材物品１００を利用したセンタレス研削作業を示している。センタレス研削作業には、調整車２０１をさらに取り入れることができ、調整車２０１を特定の速度で回転させて、研削プロセスを制御することができる。さらに図示するように、特定のセンタレス研削作業を行うために、砥石車１００と調整車２０１との間に加工物２０３を配置することができる。加工物２０３は、研削時に、加工物２０３の位置を維持するように構成された支持体２０５によって、砥石車１００と調整車２０１との間の特定の位置に支持することができる。

一実施形態によれば、センタレス研削時に、砥石車１００を加工物２０３に対して回転させることができ、砥石車１００の回転により、加工物２０３の特定の表面（例えば、円筒状加工物の円周側の面）に対する結合研削材本体１０１の移動が促進され、ひいては、加工物２０３の表面の研削が促進される。さらに、砥石車１００が回転すると同時に調整車２０１が回転して、加工物２０３の回転を制御し、研削作業の特定のパラメータを制御することができる。特定の例では、調整車２０１は、砥石車１００と同じ方向に回転することができる。他の研削プロセスでは、調整車２０１および砥石車１００は、互いに対して反対の方向に回転することができる。

本明細書の実施形態の結合研削材本体を利用することで、先行技術の製品およびプロセスと比較して、特に効率的な態様で材料除去プロセスを行えることがわかっている。例えば、結合研削材本体は、超砥粒材料を含む加工物を約３５０Ｊ／ｍｍ^３以下の平均比研削エネルギ（ＳＧＥ）で研削することができる。他の実施形態では、ＳＧＥは、約３２５Ｊ／ｍｍ^３以下など、約３１０Ｊ／ｍｍ^３を超える、約３００Ｊ／ｍｍ^３以下、または２９０Ｊ／ｍｍ^３以下になることさえあるなど、さらに小さくすることができる。さらに、特定の研削作業の場合、結合研削材材料は、約７５Ｊ／ｍｍ^３〜約３２５Ｊ／ｍｍ^３、または約７５Ｊ／ｍｍ^３〜約３００Ｊ／ｍｍ^３の範囲内になることさえあるなど、約５０Ｊ／ｍｍ^３〜約３５０Ｊ／ｍｍ^３の範囲内の平均ＳＧＥで、加工物から材料を除去することができる。

なお、特定の研削パラメータ（例えば、比研削エネルギ）は、例えば、特定の材料除去速度（ＭＲＲ）を含む他のパラメータと組み合わせて実現することができることに留意されたい。例えば、平均材料除去速度は、少なくとも約８ｍｍ^３／秒とすることができる。実際上、少なくとも約１２ｍｍ^３／秒、少なくとも約１４ｍｍ^３／秒、少なくとも約１６ｍｍ^３／秒、または少なくとも約１８ｍｍ^３／秒に及ぶこともあるなど、少なくとも約１０ｍｍ^３／秒程度などの、より速い材料除去速度を実現した。特定の実施形態によれば、本明細書の結合研削材本体を利用する研削作業は、約１４ｍｍ^３／秒〜約４０ｍｍ^３／秒など、約１８ｍｍ^３／秒〜約４０ｍｍ^３／秒、および約２０ｍｍ^３／秒〜４０ｍｍ^３／秒になることさえあるなど、約８ｍｍ^３／秒〜約４０ｍｍ^３／秒の範囲内の平均材料除去速度を実現することができる。

本明細書の実施形態の結合研削材物品および超砥粒材料を含む加工物を使用する研削作業は、約１５０Ｗ／ｍｍ以下の最低基準動力で行うことができる。特に、最低基準動力は、研削材物品の接触幅に対して標準化される。他の実施形態では、研削作業時の最低基準動力は、約１４０Ｗ／ｍｍ以下、約１３０Ｗ／ｍｍ以下、約１１０Ｗ／ｍｍ以下、約１００Ｗ／ｍｍ以下、約９０Ｗ／ｍｍ以下、または約７５Ｗ／ｍｍ以下になることさえあるなど、さらに小さくすることができる。特定の研削作業は、約２０Ｗ／ｍｍ〜約１３０Ｗ／ｍｍなど、約２０Ｗ／ｍｍ〜１１０Ｗ／ｍｍなど、または２０Ｗ／ｍｍ〜９０Ｗ／ｍｍになることさえあるなど、約２０Ｗ／ｍｍ〜約１５０Ｗ／ｍｍの範囲内の最低基準動力で行うことができる。

特定の研削特性（例えば、比研削エネルギ、最低基準動力、材料除去速度など）は、例えば、特定のホイール形状寸法を含む、結合研削材および研削プロセスの特定の態様と組み合わせて実現することができる。例えば、本明細書の研削特性は、砥石車の形態の研削材物品（図１を参照のこと）に対して実現することができ、砥石車は、少なくとも約５インチ、少なくとも約７インチ、少なくとも約１０インチ、または少なくとも約２０インチに及ぶことさえある直径を有する。特定の例では、砥石車は、約７インチ〜約３０インチなど、約５インチ〜約４０インチの範囲内の外径を有することができる。

本明細書の研削特性は、砥石車の形態の研削材物品（図１を参照のこと）に対して実現することができ、砥石車は、砥石車の縁を画定する研削材層の幅全体にわたって測定した、少なくとも約０．５インチ、少なくとも約１インチ、少なくとも約１．５インチ、少なくとも約２インチ、少なくとも約４インチ、または少なくとも約５インチに及ぶことさえある幅を有することができる。特定の実施形態は、約０．５インチ〜約４インチ、または約１インチ〜約２インチになることさえあるなど、約０．５インチ〜約５インチの範囲内の幅を有する砥石車を利用することができる。

特定の例では、材料除去作業には、センタレス研削作業が含まれ、砥石車の速度は、少なくとも約１０００ｍ／分、少なくとも約１２００ｍ／分、または少なくとも約１５００ｍ／分に及ぶことさえある程度など、少なくとも約９００ｍ／分である。特定のプロセスは、約１２００ｍ／分〜約２８００ｍ／分、または約１５００ｍ／分〜約２５００ｍ／分になることさえあるなど、約１０００ｍ／分〜約３０００ｍ／分の範囲内の砥石車速度を使用することができる。

特定の例では、材料除去作業には、センタレス研削作業が含まれ、調整車の速度は、少なくとも約１０ｍ／分、少なくとも約１２ｍ／分、または少なくとも約２０ｍ／分に及ぶことさえある程度など、少なくとも約５ｍ／分である。特定のプロセスは、約１０ｍ／分〜約４０ｍ／分、または約２０ｍ／分〜約３０ｍ／分になることさえあるなど、約５ｍ／分〜約５０ｍ／分の範囲内の調整車速度を使用することができる。

研削プロセスはまた、研削材物品と加工物との間の係合の半径方向深さの大きさである、研削作業ごとの特定の通し切込み量を利用することができる。特定の例では、研削ごとの切込み量は、少なくとも約０．０１ｍｍ、少なくとも約０．０２ｍｍ、および少なくとも約０．０３ｍｍとすることさえできる。さらに、研削作業は、通常、研削ごとの切込み量が、約０．０１ｍｍ〜約０．５ｍｍの範囲内、または約０．０２ｍｍ〜約０．２ｍｍの範囲内になることさえあるように設定される。さらに、研削プロセスは、加工物の通し送り速度が約２０ｃｍ／分〜約１５０ｃｍ／分、より具体的には約５０ｃｍ／分〜約１３０ｃｍ／分であるように完了することができる。

さらに、当然ながら、特定のセンタレス研削作業では、調整車は、加工物の通し送りを容易にするために、加工物および砥石車に対して角度をなすことができる。特定の例では、調整車の角度は、約８°以下、約６°以下、および約４°以下になることさえあるなど、約１０°以下である。特定のセンタレス研削作業の場合、調整歯車は、約０．５°〜約５°、より具体的には約１°〜約３°の範囲内など、約０．２°〜約１０°の範囲内で、加工物および砥石車に対して角度をなすことができる。

以下は、本明細書の実施形態に従って形成された結合研削材本体（Ｓ１）を、超砥粒材料を研削するように設計された従来の研削材（Ｃ１）と比較した比較例を含む。

サンプルＳ１は、大きいダイヤモンド粒および小さいダイヤモンド粒の混合物を結合することで形成され、小さいダイヤモンド粒は、Ｕ．Ｓ．メッシュ１００／１２０の平均粒径（すなわち、１２５〜１５０μｍの平均粒径）を有し、大きいダイヤモンド粒は、Ｕ．Ｓ．メッシュサイズが８０／１００（すなわち、１５０〜１７５μｍの平均粒径）である。混合物の大小ダイヤモンド粒は等量で混合される。

大小ダイヤモンドの混合物を、Ｂｏｅｄｅｋｅｒ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｉｎｃから市販されているポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）で構成された有機結合材料約２５グラムと混合する。その後、金属結合剤約１５２０グラムを混合物に加える。金属結合材料は、Ｃｏｎｎｅｃｔｉｃｕｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＤＡ４１０として入手可能な青銅（Ｓｎ／Ｃｕは６０／４０）組成物である。

混合物を完全に混合し、成形型に鋳込む。次いで、以下の手順に従って混合物を熱間圧縮成形する。最初に、６０ｐｓｉの流路圧力を混合物に加える。次いで、混合物を３９５℃に加熱する。次いで、最大圧力１０トン／インチ^２を加え、混合物を２０分にわたって４５０℃に加熱し、その後冷却する。

最終的に形成された結合研削材物品は、外径８インチ、ホイール幅約１インチの砥石車の形態に形成される。結合研削材物品は、約６２体積％の複合結合材料を有し、結合材料の９０％は金属結合材料であり、結合材料の１０％は有機材料である。サンプルＳ１の結合研削材物品は、約３８体積％の砥粒を有する。結合研削材物品は、通常１体積％未満のわずかな孔隙を含む。

従来のサンプル（Ｃ１）は、大小のダイヤモンド粒の混合物を結合することで形成され、小さいダイヤモンド粒は、Ｕ．Ｓ．メッシュ１４０／１７０（すなわち、１５０μｍ）の平均粒径を有し、大きいダイヤモンド粒は、Ｕ．Ｓ．メッシュ１７０／２００（すなわち、１８１μｍ）の平均粒径を有する。混合物の大小ダイヤモンド粒は等量で混合される。

大小ダイヤモンドの混合物を、Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ ＡｂｒａｓｉｖｅｓからＤＡ６９として一般的に入手可能な、樹脂および石灰で構成された有機結合材料と混合する。所定の量のＳｉＣ粒子も混合物に加え、ＳｉＣ粒子は、８００Ｕ．Ｓ．メッシュの平均粒径を有し、Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ａｂｒａｓｉｖｅｓ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＤＡ４９ ８００ Ｇｒｉｔとして入手可能である。さらに、ＤＡ１４８としてＲｏｇｅｒｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ニュージャージー州、米国）から入手可能な少量（すなわち、３〜４体積％）のフルフラールを混合物に加える。

混合物を完全に混合し、成形型に鋳込む。次いで、以下の手順に従って混合物を熱間圧縮成形する。最初に、混合物を成形型内に置き、混合物を１９０℃に加熱する。次いで、最大圧力３トン／インチ^２を１５分にわたって加え、その後冷却する。熱間圧縮成形後、形成された研削材を２１０℃で１６時間にわたって後成形焼成（ｐｏｓｔ−ｆｏｒｍｉｎｇ ｂａｋｅ）にかける。

サンプルＣ１は、基本的に、サンプルＳ１の砥石車と同じ寸法を有する砥石車に形成される。サンプルＣ１は、約２８体積％の砥粒、４２体積％の有機結合材料（フェノール樹脂）、約２５体積％のＳｉＣ粒子（Ｕ．Ｓ．メッシュ８００）、および約３〜４体積％のフルフラールを有する。サンプルＣ１は、ＰＣＤレジノイド研削砥石としてＮｏｒｔｏｎ Ａｂｒａｓｉｖｅｓから入手可能である。サンプルＣ１は、サンプルＳ１の砥石車と同じ寸法を有する。

サンプルＣ１、Ｓ１を使用して、センタレス研削作業で超砥粒加工物（すなわち、炭化タングステン基材および多結晶ダイヤモンド研削材層を有するＰＤＣ掘削要素）を研削する。センタレス研削作業のパラメータは、次の通りである、すなわち、６５００フィート／分（１９８１ｍ／分）の砥石車速度と、９４フィート／分（２９ｍ／分）の調整車速度と、２°の調整車角と、半径方向に約０．００１インチの切込み深さ（目標とする直径が研削ごとに０．００２インチ変わる）と、手動補助を用いた約４０インチ／分（１０１ｃｍ／分）の通し送り速度とである。

図３は、サンプルＳ１（プロット３０１）およびサンプルＣ１（プロット３０２）を使用して行った研削作業に関する、平均動力（ｋＷ）対材料除去速度（ｍｍ^３／秒）のグラフを含む。明瞭に示されているように、サンプルＳ１は、サンプルＣ１と比較して、測定したすべての平均材料除去速度において、使用した動力がより少なく、したがって、サンプルＳ１がサンプルＣ１よりも効率的な態様で研削を行うことができたことを実証している。実際上、サンプルＳ１の最も高速の材料除去速度（２７ｍｍ^３／秒（１．２インチ^３／ｍｍ））においてでさえ、平均動力（約４．５ｋＷ）は、平均動力であるｙ軸を横切るプロット３０２に基づいて外挿された、サンプルＣ１の最低基準動力（約４．８ｋＷ）とほぼ同じか、またはそれよりも小さかった。最低基準動力は、砥石車の接触幅に基づいて、サンプルのサイズに対して標準化することができ、そのため４ｋＷ／２５．４ｍｍの最低基準動力を標準化すると、１５０Ｗ／ｍｍとなることに留意されたい。

さらに、特定の加工物に対してセンタレス研削作業を行った後の結合研削材サンプルＳ１、Ｃ１の表面の評価時に、サンプルＣ１、Ｓ１が、大きく異なる表面形態を示すことが認められた。

図４および図５は、それぞれ、研削作業を行った後のサンプルＳ１、Ｃ１の表面の画像を含む。示すように、図４に提示したサンプルＳ１の表面は、大きな表面粗さを維持された、表面に沿った領域４０１、４０３を示し、したがって、研削材物品が引き続き研削作業可能であるという証拠を提示している。さらに、粗面領域４０１、４０３は、結合研削材物品が効率的な態様で研削作業を実行でき、寿命が改善されたことを実証している。対照的に、サンプルＣ１の表面は、図５に示すように、こすられ、平滑になった結合剤の領域５０１を示している。これらの領域５０１は、結合剤と加工物との摩擦が大きいことを実証しており、これは、サンプルＳ１と比較して、研削作業の効率が悪いことの証拠である。要するに、サンプルＳ１は、超硬質加工物の研削時に、従来のサンプルＣ１よりも高い効率を達成することができる。

本明細書の実施形態の前述の結合研削材物品、ならびにかかる結合研削材物品を形成および使用する方法は、最新技術からの脱却を意味する。特に、結合研削材本体は、砥粒の混合物と、砥粒のタイプおよび大きさと、特定の比率の金属および有機材料を有する複合結合材料と、超硬質および／または超砥粒の加工物に対する研削作業の効率を改善する特定の特性とを含む特徴の組み合わせを利用する。さらに、結合研削材を作製する方法、および特定の研削作業に対して結合研削材を使用する方法を含む、本明細書で説明した方法は、最新技術からの脱却を意味する。本明細書の実施形態による結合研削材物品を特定の研削作業で使用することにより、より効率的な研削と、結合研削材物品の長い寿命とが可能になることを指摘しておく。

前述において、特定の実施形態および特定の構成要素の関係についての言及は例示である。当然ながら、結びつけられた、または関係付けられた構成要素についての言及は、本明細書に開示した方法を実行するための、前記構成要素間の直接的な関係か、または１つもしくは複数の介在構成要素を介した間接的な関係のいずれかを開示することを意図されている。したがって、上記に開示した対象物は例示的なものであり、限定するものではないとみなすべきであり、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲に入るそのような修正形態、拡張形態、および他の実施形態のすべてを含むことを意図されている。したがって、本発明の範囲は、法が許容する最大範囲で、添付の特許請求の範囲およびそれの均等物についての許容される最も広い解釈によって決まるべきであり、前述の詳細な説明によって制限または限定されるものではない。

本開示は、請求項の範囲または趣旨を解釈または限定するために使用されるものではない。さらに、前述の説明において、様々な特徴は、グループ化するか、または本開示を簡素化するために単一の実施形態で記載することができる。本開示は、請求項に記載された実施形態が、各請求項に明示されたものよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈されるべきではない。むしろ、添付の請求項が示すとおり、本発明の対象物は、開示した実施形態の任意のすべての特徴よりも少ない特徴を対象とすることができる。

Claims (15)

1. 砥粒が結合材料内に含有された結合研削材本体を含む研削材物品であって、
   結合材料は、結合材料の総体積に対して１体積％〜２０体積％の有機材料、及び、結合材料の総体積に対して２０体積％〜９９体積％の金属材料を含み、
   さらに、結合研削材本体は、結合研削材本体の総体積に対して、１０体積％〜８０体積％の結合材料と、結合研削材本体の総体積に対して、５体積％〜６０体積％の砥粒と、
   結合研削材本体の総体積の０．５体積％〜１０体積％の孔隙とを含み、
   前記結合研削材本体は、センタレス研削作業の場合に、３５０Ｊ／ｍｍ^３以下の平均比研削エネルギ（ＳＧＥ）により、少なくとも８ｍｍ^３／秒の平均材料除去（ＭＲＲ）速度で、少なくとも５ＧＰａの平均ビッカース硬度を有する超砥粒加工物を研削することができる、研削材物品。
2. 超砥粒材料を含む加工物を研削するように構成された結合研削材本体を含む研削材物品であって、
   前記結合研削材本体は、有機材料および金属材料を含む複合結合材料内に含有された砥粒を含み、前記砥粒のうちの８２体積％〜９７体積％が、前記複合結合材料の前記金属材料内に含有される、研削材物品。
3. 中心開口を有する砥石車の形態であり、前記中心開口を有する挿入体を含み、前記結合研削材本体は、前記挿入体の外周縁部に沿って延びる、請求項１または２に記載の研削材物品。
4. 前記結合研削材本体は、前記研削材物品の縁部のまわりに円周方向に延びる研削材リムを画定する、請求項１または２に記載の研削材物品。
5. 前記結合材料には樹脂が含まれる、請求項１または２に記載の研削材物品。
6. 前記結合研削材本体は、前記結合研削材本体の総体積の１０体積％〜８０体積％の結合材料を含む、請求項２に記載の研削材物品。
7. 前記結合研削材本体は、前記結合研削材本体の総体積の５体積％〜６０体積％の砥粒を含む、請求項２に記載の研削材物品。
8. 前記砥粒は、１μｍ〜２５０μｍの範囲内の平均粒径を有する、請求項１または２に記載の研削材物品。
9. 前記結合研削材本体は、前記結合研削材本体の総体積の０．５体積％〜１０体積％の範囲内の孔隙を含む、請求項２に記載の研削材物品。
10. 前記有機材料には、ポリイミド、ポリアミド、エポキシ、樹脂、アラミド、ポリエステル、ポリウレタン、およびそれらの組み合わせからなる材料の群から選択される材料が含まれる、請求項２に記載の研削材物品。
11. 前記有機材料は、前記結合材料の総体積の１体積％〜２０体積％を構成する、請求項２に記載の研削材物品。
12. 前記金属材料には金属合金が含まれる、請求項２に記載の研削材物品。
13. 前記金属材料には銅およびスズが含まれる、請求項２に記載の研削材物品。
14. 前記金属材料は、前記結合材料の総体積の２０体積％〜９９体積％を構成する、請求項２に記載の研削材物品。
15. 研削材物品を形成する方法であって、
    有機材料、金属材料、および砥粒を含む混合物を形成することと、
    前記混合物を処理して、有機材料および金属材料を含む複合結合材料内に砥粒が含有された本体を有する研削材物品を形成することであって、前記結合材料は、有機材料の体積（ＯＭ）の金属材料の体積（ＭＭ）に対する比率（ＯＭ／ＭＭ）が０．２５以下であることと、
    前記砥粒の８２体積％〜９７体積％が、前記複合結合材料の前記金属材料内に含有されること、及び、前記本体の総体積の０．５体積％〜１０体積％の範囲内で、前記本体が孔隙を含むことと、
    を含む方法。
    

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