JP6547338B2 - 砥石車及び研削盤 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光により成形可能な砥粒と結合剤とを備える砥石車及びその砥石車を備える研削盤である。
特許文献１，２には、レーザ光により、砥石車の表面のツルーイング（成形）及びドレッシング（目立て）を行うことが記載されている。特許文献１には、砥粒の方が結合剤より高いエネルギー密度を必要とする材質のものを用い、砥粒と結合剤のいずれもを除去可能なエネルギー密度が得られる第１の設定条件でツルーイングし、結合剤を主として除去可能なエネルギー密度が得られる第２の設定条件でドレッシングすることが記載されている。
特許第４１８６６５８号公報 特開２００５−５２９４２号公報
しかし、結合剤によっては、レーザ光によって砥粒が加工されても、結合剤が加工されないものがある。そのため、特許文献１に記載されるツルーイング及びドレッシングを行うことができない。
本発明は、結合剤の主成分を加工可能なレーザ光のエネルギー密度が、砥粒を加工可能なレーザ光のエネルギー密度より高い場合であっても、レーザ光によって砥石車のツルーイング又はドレッシングを行うことができる砥石車を提供することを目的とする。また、当該砥石車と、当該砥石車を加工する砥石車修正装置とを備える研削盤を提供することを目的とする。
本発明に係る砥石車は、複数の砥粒と前記複数の砥粒を結合する結合剤とを備える砥石車であって、前記結合剤は、所定の周波数帯の波長において、前記砥粒の消光係数より高い消光係数を有する添加剤を含み、前記結合剤の主成分は、ガラス質ボンド材であり、前記添加剤は、ＴｉＣであり、前記結合剤は、前記所定の周波数帯の波長のレーザ光により加工される。
また、本発明に係る研削盤は、上記の砥石車と、前記レーザ光を照射し、当該レーザ光により前記砥石車を加工する砥石車修正装置と、を備える。
上記の砥石車又は研削盤によれば、結合剤が、所定の周波数帯の波長において、砥粒の消光係数より高い消光係数を有する添加剤を含むため、結合剤が砥粒よりもレーザ光を確実に吸収する。その結果、結合剤がレーザ光によって確実に加工される。従って、砥石車は、レーザ光によって、確実にツルーイング又はドレッシングされる。
本実施形態の研削盤の平面図である。 研削盤を構成する砥石車の表面側における拡大図である。 添加剤を含む結合剤（Ａ１）、添加剤を含まない結合剤（Ａ２）、及び、砥粒（Ｂ）について、レーザ光のエネルギー密度と加工深さとの関係を示すグラフである。 レーザ光によってツルーイングされる場合の砥石車の図である。 レーザ光によってドレッシングされる場合の砥石車の図である。
（１．研削盤１０の構成）
研削盤１０の構成について、図１を参照して説明する。研削盤１０の例として、円筒状の工作物Ｗを回転しながら、砥石車１６により研削する円筒研削盤とする。研削盤１０は、ベッド１１と、主軸台１２と、心押台１３と、トラバーステーブル１４と、砥石台１５と、砥石車１６と、砥石車修正装置１７とを備える。
主軸台１２は、ベッド１１上に固定され、Ｚ軸方向に平行な軸回りに回転する主軸（図示せず）を備えると共に、主軸を回転するための主軸回転モータ（図示せず）を備える。主軸台１２は、工作物Ｗの一端を支持し、工作物Ｗを回転駆動する。心押台１３は、ベッド１１上において主軸台１２に対向する位置に設けられ、工作物Ｗの他端を支持する。
トラバーステーブル１４は、ベッド１１上において主軸台１２及び心押台１３からＸ軸方向に離れた位置に設けられ、ベッド１１上をＺ軸方向に移動可能である。砥石台１５は、トラバーステーブル１４上にＸ軸方向に移動可能に設けられる。砥石車１６は、砥石台１５にＺ軸方向に平行な軸回りに回転自在に支持され、砥石台１５に設けられる砥石車軸回転モータ（図示せず）により回転駆動される。
砥石車修正装置１７は、砥石車１６に対してツルーイング及びドレッシングを行う。ツルーイングとは、砥石車１６の表面を所望の形状に成形することである。ドレッシングとは、砥石車１６の表面の目立てを行うことである。砥石車修正装置１７は、レーザ光によりツルーイング及びドレッシングを行う。
（２．砥石車１６の詳細構成）
砥石車１６の詳細な構成について、図２を参照して説明する。砥石車１６は、複数の砥粒２１と、複数の砥粒２１を結合する結合剤２２と、砥粒２１及び結合剤２２の間に形成される空隙２３とを備える。砥粒２１は、例えば、ＣＢＮやダイヤモンドである。
結合剤２２の主成分は、ガラス質ボンド材であるビトリファイドボンド、メタルボンド及びレジンボンドなどである。本実施形態においては、結合剤２２は、ビトリファイドボンドを適用する。この場合、図２に示すように、結合剤２２は、ブリッジ状に、複数の砥粒２１を連結する。また、ビトリファイドボンドである結合剤２２は、チップポケットとなる空隙２３を調整しやすい。
結合剤２２は、主成分に加えて、添加剤を含む。添加剤は、レーザ光の所定の周波数帯の波長において、砥粒２１の消光係数より高く、且つ、結合剤２２の主成分の消光係数より高い消光係数を有する。本実施形態においては、添加剤は、例えばＴｉＣである。
ここで、消光係数κとは、式（１）に示す複素屈折率Ｎの虚部である。消光係数κは、レーザ光の吸収を表す光学定数である。式（１）において、複素屈折率Ｎの実部であるｎは、屈折率を表す。
Figure 0006547338
砥石車１６を構成する砥粒２１であるＣＢＮ、結合剤２２の主成分であるガラス質ボンド材、及び、結合剤２２の添加剤であるＴｉＣについての屈折率ｎ及び消光係数κを、表１に示す。表１には、レーザ光の３種類の波長λのそれぞれについての屈折率ｎ及び消光係数κが示される。
Figure 0006547338
表１より、何れの波長λにおいても、添加剤であるＴｉＣの消光係数κは、ＣＢＮ及びガラス質ボンド材の消光係数κに比べてかなり大きい。また、波長λが１．０５μｍ及び０，７８μｍの時には、ガラス質ボンド材の消光係数κは、ＣＢＮの消光係数κより２桁程度小さい。ただし、波長λが０．３５μｍの時には、ガラス質ボンド材の消光係数κは、ＣＢＮの消光係数κより大きい。
（３．レーザ光の吸光度）
本実施形態においては、砥石車修正装置１７は、レーザ光により砥石車１６のツルーイング及びドレッシングを行う。レーザ光により対象物の加工が行われるためには、レーザ光が対象物に吸収されることが必要となる。そこで、レーザ光が吸収される度合いを表すレーザ光の吸光度Ａλと上述した材料の消光係数κとの関係について説明する。
レーザ光の吸光度Ａλは、対象物を光が通った際に強度がどの程度弱まるかを示す無次元量である。吸光度Ａλは、式（２）にて表される。つまり、吸光度Ａλは、入射光強度Ｉ０と透過光強度Ｉの比（透過率）の常用対数をとり、吸収のある場合を正とするために負号を付す。
Figure 0006547338
また、吸光度Ａλは、ランベルト・ベールの法則より、式（３）にて表される。つまり、透過光強度Ｉが対象物にレーザ光が入射してから距離Ｌを通過した後の光強度である場合には、吸光度Ａλは、対象物の光路の距離Ｌと対象物濃度Ｃに比例する。式（３）における吸収係数αは、式（４）により表される。式（４）において、κは、消光係数であり、λは、レーザ光の波長である。
Figure 0006547338
Figure 0006547338
上記式（２）（３）（４）より、対象物の消光係数κが大きいほど、吸光度Ａλが大きくなる。また、対象物濃度Ｃが大きいほど、吸光度Ａλが大きくなる。以下に説明するように、砥石車１６に対してツルーイング及びドレッシングするためには、結合剤２２の吸光度Ａλが、砥粒２１の吸光度Ａλより、１桁以上大きくするとよい。
例えば、レーザ光の波長λが１．０５μｍで、レーザ光のレイリー長が１０μｍであるとする。このとき、ＣＢＮである砥粒２１の吸光度Ａλ（ＣＢＮ）は、式（５）にて表される。結合剤２２の添加剤ＴｉＣの吸光度Ａλ（ＡＤＤ）が、砥粒２１の吸光度Ａλ（ＣＢＮ）より１桁以上大きくするためには、式（６）を満たす必要がある。式（６）より、添加剤ＴｉＣの濃度Ｃは、式（７）より表される範囲とする必要がある。
Figure 0006547338
Figure 0006547338
Figure 0006547338
（４．レーザ光のエネルギー密度と加工深さとの関係）
レーザ光のエネルギー密度と、砥粒２１及び結合剤２２の加工深さとの関係について、図３を参照して説明する。砥粒２１は、ＣＢＮとする。結合剤２２は、ガラス質ボンド材を主成分とし、式（７）にて示す範囲の濃度ＣＡＤＤの添加剤ＴｉＣを含む。比較例として、添加剤ＴｉＣを含まないガラス質ボンド材である結合剤２２を挙げる。
ここで、上記表１に示すように、ＴｉＣの消光係数κは、ＣＢＮの消光係数κ及びガラス質ボンド材の消光係数κより非常に高い。そのため、結合剤２２に添加剤ＴｉＣが多く含まれるほど、当該結合剤２２の吸光度Ａλは大きくなる。つまり、添加剤ＴｉＣを含む結合剤２２の吸光度Ａλは、砥粒２１の吸光度Ａλより大きく、砥粒２１の吸光度Ａλは、添加剤ＴｉＣを含まない結合剤２２の吸光度Ａλより大きい。
この場合、砥粒２１、添加剤ＴｉＣを含む結合剤２２及び添加剤ＴｉＣを含まない結合剤２２について、エネルギー密度と加工深さとの関係は、図３に示すとおりである。図３において、Ａ１は、添加剤ＴｉＣを含む結合剤２２であり、Ａ２は、添加剤ＴｉＣを含まないガラス質ボンド材からなる結合剤２２であり、Ｂは、ＣＢＮからなる砥粒２１である。
ＣＢＮは、エネルギー密度がＥ２以上の場合に加工される。つまり、ＣＢＮを加工可能なレーザ光のエネルギー密度である砥粒加工閾値はＥ２である。エネルギー密度がＥ２より大きくなればなるほど、ＣＢＮの加工深さが深くなる。例えば、エネルギー密度Ｅａのときには、加工深さはＤａ２である。
添加剤ＴｉＣを含むガラス質ボンド材は、エネルギー密度がＥ１以上の場合に加工される。つまり、添加剤ＴｉＣを含むガラス質ボンド材を加工可能なレーザ光のエネルギー密度である結合剤加工閾値はＥ１である。また、結合剤加工閾値Ｅ１は、砥粒加工閾値Ｅ２より小さい。つまり、添加剤ＴｉＣを含む結合剤２２は、砥粒２１に比べて、小さなエネルギー密度によって加工可能となる。例えば、結合剤加工閾値Ｅ１より大きく且つ砥粒加工閾値Ｅ２より小さなエネルギー密度Ｅｂのときには、添加剤ＴｉＣを含む結合剤２２は加工されるが、砥粒２１は加工されない。
また、エネルギー密度がＥ１より大きくなればなるほど、添加剤ＴｉＣを含む結合剤２２の加工深さが深くなる。さらに、エネルギー密度が大きくなる場合において、添加剤ＴｉＣを含む結合剤２２の加工深さは、砥粒２１の加工深さより深い。例えば、エネルギー密度Ｅａのときには、添加剤ＴｉＣを含む結合剤２２の加工深さＤａ１は、砥粒２１の加工深さＤａ２より深い。
添加剤ＴｉＣを含まないガラス質ボンド材は、エネルギー密度がＥ３以上の場合に加工される。つまり、添加剤ＴｉＣを含まないガラス質ボンド材を加工可能なレーザ光のエネルギー密度である加工閾値はＥ３である。また、当該加工閾値Ｅ３は、砥粒加工閾値Ｅ２より大きい。エネルギー密度がＥ３より大きくなればなるほど、添加剤ＴｉＣを含まない結合剤２２の加工深さが深くなる。ただし、添加剤ＴｉＣを含まない結合剤２２は、砥粒２１に比べて、大きなエネルギー密度によって同程度の深さを加工可能となる。
（５．ツルーイング）
次に、レーザ光によって砥石車１６に対してツルーイングを行う場合について図４を参照して説明する。ツルーイングは、砥石車１６を構成する砥粒２１及び結合剤２２を加工することで、砥石車１６の表面を成形する。さらに、本実施形態においては、ツルーイングは、ドレッシングを同時に行うことができる。つまり、ツルーイングは、砥粒２１及び結合剤２２の表面の成形を行いつつ、砥粒２１を結合剤２２から突出させることができる。
ツルーイングにおけるレーザ光１７ｂは、砥石車修正装置１７を構成するレンズ１７ａによって砥石車１６の表面に照射され、砥石車１６の表面を集光点とする。当該レーザ光１７ｂは、砥石車１６の表面の法線方向（接面に対して直角方向）から照射される。ただし、レーザ光１７ｂは、砥石車１６の表面の法線方向に対して傾いていても良く、接線方向であっても良い。
当該レーザ光１７ｂは、砥石車１６に対してアブレーション加工（非熱加工）が可能な超短パルスレーザ光である。例えば、レーザ光１７ｂは、フェムト秒レーザ又はピコ秒レーザである。ツルーイングは、アブレーション加工であるため、砥石車１６に対する熱影響が少ない。従って、高い加工精度を得ることができる。
さらに、ツルーイングにおけるレーザ光１７ｂのエネルギー密度は、結合剤加工閾値Ｅ１且つ砥粒加工閾値Ｅ２より大きく設定される。例えば、レーザ光１７ｂのエネルギー密度は、図３におけるＥａとする。従って、図４に示すように、砥粒２１の加工深さがＤａ２となり、添加剤ＴｉＣを含む結合剤２２の加工深さがＤａ１となる。ここで、結合剤２２の加工深さＤａ１は、砥粒２１の加工深さＤａ２より深い。従って、最表面の形状は、砥粒２１によって成形され、結合剤２２は砥粒２１より深い位置に位置する。つまり、レーザ光１７ｂによるツルーイングは、ドレッシングを同時に行うことができる。
（６．ドレッシング）
次に、レーザ光によって砥石車１６に対してドレッシングを行う場合について図５を参照して説明する。ここでいうドレッシングは、砥石車１６を構成する砥粒２１を加工せずに、結合剤２２のみを加工することで、砥石車１６の表面の目立てを行う。
ドレッシングにおけるレーザ光１７ｃは、砥石車修正装置１７を構成するレンズ１７ａによって砥石車１６の表面に照射され、砥石車１６の表面を集光点とする。当該レーザ光１７ｃは、砥石車１６の表面の法線方向（接面に対して直角方向）から照射される。ただし、レーザ光１７ｃは、砥石車１６の表面の法線方向に対して傾いていても良く、接線方向であっても良い。
さらに、レーザ光１７ｃは、ツルーイングにおけるレーザ光１７ｂと同様に、砥石車１６に対してアブレーション加工（非熱加工）が可能な超短パルスレーザ光である。例えば、当該レーザ光１７ｃは、フェムト秒レーザ又はピコ秒レーザである。ドレッシングは、アブレーション加工であるため、砥石車１６に対する熱影響が少ない。従って、高い加工精度を得ることができる。
さらに、ドレッシングにおけるレーザ光１７ｃのエネルギー密度は、結合剤加工閾値Ｅ１より大きく、且つ、砥粒加工閾値Ｅ２より小さく設定される。例えば、レーザ光１７ｃのエネルギー密度は、図３におけるＥｂとする。従って、図５に示すように、砥粒２１は加工されず、結合剤２２の加工深さがＤｂ１となる。このようにして、砥粒２１が結合剤２２から露出する。
（７．効果）
上記実施形態における砥石車１６は、複数の砥粒２１と複数の砥粒２１を結合する結合剤２２とを備える。結合剤２２は、所定の周波数帯の波長において、砥粒２１の消光係数κより高い消光係数κを有する添加剤を含み、結合剤２２は、所定の周波数帯の波長のレーザ光により加工される。
上記の砥石車１６によれば、結合剤２２が、所定の周波数帯の波長において、砥粒２１の消光係数κより高い消光係数κを有する添加剤ＴｉＣを含むため、結合剤２２が砥粒２１よりもレーザ光を確実に吸収する。その結果、結合剤がレーザ光によって確実に加工される。従って、砥石車１６は、レーザ光によって、確実にツルーイング又はドレッシングされる。
また、所定のエネルギー密度Ｅａのレーザ光１７ｂによる結合剤２２の加工深さＤａ１は、砥粒２１の加工深さＤａ２より深く設定され、所定のエネルギー密度Ｅａのレーザ光１７ｂにより砥粒２１及び結合剤２２が加工されることにより、砥石車１６はツルーイングされる。
つまり、結合剤２２が添加剤ＴｉＣを含むことにより、上記のように、結合剤２２の加工深さＤａ１は、砥粒２１の加工深さＤａ２より深く設定される。そのため、ツルーイング後には、砥粒２１が最表面に確実に露出することになる。砥粒２１の最表面において、結合剤２２が砥粒２１の周囲に付着することもない。従って、上記のツルーイングによって、ドレッシングが同時に行われることになる。
また、結合剤２２を加工可能なレーザ光のエネルギー密度である結合剤加工閾値Ｅ１は、砥粒２１を加工可能なレーザ光のエネルギー密度である砥粒加工閾値Ｅ２より低く設定され、結合剤加工閾値Ｅ１より大きく且つ砥粒加工閾値Ｅ２より小さなエネルギー密度Ｅｂのレーザ光１７ｃにより結合剤２２が加工されることにより、砥石車１６はドレッシングされる。
つまり、結合剤２２が添加剤ＴｉＣを含むことにより、上記のように、結合剤加工閾値Ｅ１が砥粒加工閾値Ｅ２より低く設定される。そのため、閾値Ｅ１，Ｅ２の間のエネルギー密度Ｅｂにより砥石車１６を加工すると、砥粒２１は加工されずに、結合剤２２のみが加工される。従って、ドレッシングが確実に行われる。
また、結合剤２２の主成分は、例えば、ガラス質ボンド材である。ガラス質ボンド材の消光係数κは、砥粒２１の消光係数κと同程度又は小さい。そのため、結合剤２２がガラス質ボンド材のみにより形成される場合には、砥粒２１を加工せずに、結合剤２２のみを加工することは困難である。しかし、上記のように、消光係数κの大きな添加剤ＴｉＣが結合剤２２に含まれることにより、結合剤２２の吸光度Ａλは、砥粒２１の吸光度Ａλより大きくできる。従って、結合剤２２の主成分がガラス質ボンド材であるとしても、添加剤ＴｉＣが含まれることで、確実にツルーイング又はドレッシングが可能となる。
上記においては、砥石車１６についての効果を記載したが、砥石車１６を含む研削盤１０として捉えた場合にも、上記同様の効果を奏する。つまり、本実施形態の研削盤１０は、上述した砥石車１６と、レーザ光１７ｂ，１７ｃを照射し、当該レーザ光１７ｂ，１７ｃにより砥石車１６を加工する砥石車修正装置１７とを備える。当該研削盤１０は、上記砥石車１６として記載した効果と同様の効果を奏する。
＜変形態様＞
上記実施形態においては、本発明の砥石車は、工作物Ｗを研削する砥石車１６の他に、砥石車１６に対してツルーイング及びドレッシングを行うツルア（ドレッサとも称す）を含む意味である。つまり、ツルア（又はドレッサ）を、レーザ光によってツルーイング及びドレッシングするようにしてもよい。また、結合剤２２における添加剤は、消光係数κが上述した条件を満たすものであれば、ＴｉＣの他の材料を用いることもできる。
１０：研削盤、 １６：砥石車、 １７：砥石車修正装置、 １７ａ：レンズ、 １７ｂ，１７ｃ：レーザ光、 ２１：砥粒、 ２２：結合剤、 ２３：空隙、 Ｅ１：結合剤加工閾値、 Ｅ２：砥粒加工閾値、 ＴｉＣ：添加剤、 Ｗ：工作物、 κ：消光係数、 λ：波長

Claims (4)

  1. 複数の砥粒と前記複数の砥粒を結合する結合剤とを備える砥石車であって、
    前記結合剤は、所定の周波数帯の波長において、前記砥粒の消光係数より高い消光係数を有する添加剤を含み、
    前記結合剤の主成分は、ガラス質ボンド材であり、
    前記添加剤は、ＴｉＣであり、
    前記結合剤は、前記所定の周波数帯の波長のレーザ光により加工される、砥石車。
  2. 所定のエネルギー密度の前記レーザ光による前記結合剤の加工深さは、前記砥粒の加工深さより深く設定され、
    前記所定のエネルギー密度の前記レーザ光により前記砥粒及び前記結合剤が加工されることにより、前記砥石車はツルーイングされる、請求項１に記載の砥石車。
  3. 前記結合剤を加工可能な前記レーザ光のエネルギー密度である結合剤加工閾値は、前記砥粒を加工可能な前記レーザ光のエネルギー密度である砥粒加工閾値より低く設定され、
    前記結合剤加工閾値より大きく且つ前記砥粒加工閾値より小さなエネルギー密度の前記レーザ光により前記結合剤が加工されることにより、前記砥石車はドレッシングされる、請求項１に記載の砥石車。
  4. 請求項１−３の何れか一項に記載の砥石車と、
    前記レーザ光を照射し、当該レーザ光により前記砥石車を加工する砥石車修正装置と、
    を備える、研削盤。
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