JPH10510482A - 模様状の切削表面を有する切削工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 切削工具のコアの切削面に、超研磨材粒子の単層を収めるための模様状の窪みが設計される。これにより、これらの模様状の窪みに収められた超研磨材粒子は、超研磨材粒子の尖った端部がコアの切削面の基準面から外に配向されるように、金属ボンドによるろう付けの際に配向される。向上したボンド寿命、切削性能、及び工具寿命が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 模様状の切削表面を有する切削工具 背景 単一層の金属結合超研磨材は、コアドリルビット、ダイヤモンド鋸刃、金属単 一層の研削砥石などの種々の切削工具の切削面を形成するために使用される。こ れらの切削工具は、コンクリート、石、セラミックなどの非常に硬い材料を切削 ・研磨するため、また、油やガスの採取のために地下構造を穿孔するのに有用で ある。このような切削工具は、通常、鋼やアルミニウムなどのコア又はブレート 支持材、ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）などの超研磨材、及びろう 付け材から構成され、このろう付け材は一般に金属ブレーズであり、超研磨材を コア又はブレード支持材に接着する。研磨材は、１以上の切削面で支持材に結合 される。 金属ボンドの超研磨材製品の切削性能と工具寿命を向上させるため、種々の方 式が切削工具の製造について提案され、実施されている。例えば、切削作業中の 切屑を除去し、切削箇所まで冷却用オイルが移動することを促進し、切削工具の 熱応力と磨耗を軽減するために放射状、平行、又は螺旋状の溝が切削工具のコア 又は支持部にエッチングされる。これらの溝は、切削工具のダイヤモンド又は研 磨セグメントの端から端まで延在することもできる。イノウエらの米国特許第４ ６２４２３７号は、ダイヤモンド鋸刃のこのような構造を開示している。Ｋｒｕ ｓｅの米国特許第４０３７３６７号は、研磨工具について同様な構造を開示して いる。 Ｗｉａｎｄの米国特許第４９０８０４６号はもう１つのこのような構造を開示 しており、そこでは、多数の研磨材粒子が、切削面の 複数の溝の各溝の中に収められる。 Ｈｉｇｇｉｎｂｏｔｈａｍの米国特許第４２７５５２８号は、コアドリルビッ トに特に有用な螺旋状溝を開示しており、そこでは、螺旋状溝の一方の面又は両 方の面に多数のダイヤモンド粒が直線状に並べられる。これらの溝は、切削中の 切屑の除去と、工作物に冷却オイルが到達するのに役立つ。 Ｄｅｎｎｉｓの米国特許第４５９２４３３号は、コアドリルビットの切削面の 丸い溝を開示しており、その丸い溝は、支持マトリックスのダイヤモンド材料の 帯を装填される。この構造は、ダイヤモンドマトリックスを切削基材に接着する より確かな手段として提案されている。 それぞれの場合において、工具の切削面は、切削面の刻み目の各溝に、多数の ダイヤモンド粒子又はグレイン、又はダイヤモンド含有マトリックスが接着され るのに十分な深さまで溝を入れられる。多くの場合、切屑の除去と、液体潤滑オ イルを工作物まで流す目的で、切削面に表面模様が施される。即ち、当該技術で 知られる表面加工された切削面の切削工具は、切削工具の唯一の最も高価な成分 である個々の超研磨材粒子の利用性を最大限にするように設計される。 さらに、ダイヤモンドの単層の金属ろう付けは切削工具の構成の有効な手段で あることが証明されているが、ろう付けプロセスは、個々のダイヤモンド粒子が 熱い液体の金属ブレーズの中で浮遊することを許容し、このため、工具の切削面 に垂直な方向にダイヤモンド粒子の表面の平らな面を配向させ、それによって、 工作物に対して粒子の鋭いコーナーを露出させるようとする試みを無駄にする。 表面張力がろう付けの際にメニスカス力を生じさせ、これがダイヤモンド粒子を 工具表面に吸引し、この結果、平らな面が工具表面と 平行になる。その結果、ダイヤモンドの相対する平らな面（粒子の切削箇所を代 表する）もまた工具の表面と平行になる。切削の際、この状態に位置する新しい 研磨材粒子は、磨耗によって平らな表面を生じた磨耗粒子と同じように挙動する 。即ち、ダイヤモンドその他の超研磨材の高品質の新しい粒子は、あたかも磨耗 後の粒子のように切削する。おなじようにして、メニスカス力は、隣接した研磨 材粒子を一緒に吸引し易く、それにより、ランダムでコントロール不可能なクラ スターを生じさせる。さらにまた、殆どの研磨工具と同様に、研磨材粒子を支持 マトリックスに保持させる接着剤は最も弱い構成成分であり、研磨材粒子と支持 体の接着が強化されれば研磨工具の寿命は顕著に向上する。 金属ろう付けの際に個々の超研磨材粒子の位置がコントロールされるように切 削面に模様状の窪みを設けることにより、優れた切削性能と工具寿命を有する切 削工具が製造可能である。模様状の窪みは、研磨材のクラスターや研磨材を欠く 切削面領域が生じないように、単一層に１つの研磨材粒子を含むのに適切な寸法 で設けられる。メニスカス力は、表面の平らな面が隣接面に平行になるように表 面に個々の粒子を吸引するが、研磨材粒子が接着する切削面の部分は、切削面の 窪みの実質的に垂直な側面である。この仕方において、研磨材粒子は、平らな表 面ではなくて先端部又は切削エッジに配向し、作業中に工作物に対して露出する 。 いろいろな表面処理を選択することにより、表面内の個々の孔又は溝により、 又は平行、放射、螺旋、又はクロスハッチパターンの構造の微細な溝により、表 面模様が形成されることができる。最大の切削効率を提供するため、表面模様は 、研磨材粒子の寸法とほぼ同じかそれ以下の寸法を有する。また、窪みは工具の 金属コアの切削面の部分であるため、窪みは、鋼、又は一般的な金属ブレーズよ りも強い材料に形成され、それによって、切削作業中に接着剤に付加的な支持を 提供する。この付加的な支持はより長い工具寿命を与える。 発明の要旨 本発明は、金属コア、超研磨材粒子、及びその超研磨材粒子と金属コアの間の 金属ボンドを含んでなる研磨工具を提供するものであり、金属ボンドは、ろう付 けによって形成され、金属コアは、模様状の窪みを備えた少なくとも１つの切削 面を有し、模様状の窪みは個々の研磨材粒子の単一層を収めるサイズにされる。 模様状の窪みは、微細な溝、クロスハッチ、スロット、又はその他の切削面窪 みの形態であることができる。超研磨材粒子には、ダイヤモンド、合成ダイヤモ ンド、又は立方晶窒化ホウ素が挙げられる。研磨工具には、ダイヤモンドコアド リルビット、ダイヤモンド鋸刃、金属単層研削砥石、及び金属ブレーズによって 工具に結合された研磨材が単層で存在する任意のその他の切削・研磨工具が挙げ られる。 模様状の窪みは、一般に、Ｖ型の横断面を有し、研磨材粒子の平均直径とほぼ 同等又はそれ以下の深さを有し、配向した個々の超研磨材粒子を受け入れるため の、少なくとも６０°、好ましくは少なくとも１２０°であって、１６０°未満 の開口角度を提供する。 超研磨材粒子は、好ましくは、サイズと形状が均一である。 図面の説明 図１は、従来技術の金属でろう付けした単層研磨材の工具の切削面の横断面図 である。 図２は、本発明の好ましい態様の横断面図であり、表面模様の窪 みが１２０°の開口角度を有し、研磨材粒子が切削面の平面に対して３０°の傾 斜角度を有する。 図３は、本発明の別な態様の横断面図であり、表面模様窪みが９０°の開口角 度を有し、研磨材粒子が切削面の平面に対して４５°の傾斜角度を有する。 好ましい態様の説明 図面を参照して、従来技術の金属でろう付けした単層超研磨材が図１に示され ている。ダイヤモンド粒子(1)が、金属ボンド(3)によって切削面(4)に接着され 、ろう付けの際、ダイヤモンド粒子の平らな面をコア(6)の切削面(4)の平らな面 に吸引する。即ち、切削中に工作物に対して露出したダイヤモンド小平面(2)は 平らな面であり、効率的な切削に適する尖った鋭い面ではない。 図２は本発明を例示する。ダイヤモンド粒子(1)は、ダイヤモンド小平面(2)に よって形成された尖ったエッジを暴露するように配向され、ダイヤモンド小平面 (2)は、コア(6)の切削面(4)の基準面に対して１２０°の開口角度を有する微細 な溝(5)の縦面に平行である。即ち、図２に示された微細な溝の縦面は、それぞ れ切削面の基準面から３０°の角度にある。このような構造は、最も鋭利な工具 切削面を提供するのに好ましい。 本発明のもう１つの態様が図３に示されている。図２と異なり、図３のダイヤ モンド粒子(1)が、切削面の基準面に対して９０°の開口角度で形成された微細 な溝(7)の中に収められている。この角度は狭いため、ダイヤモンド粒子(1)は微 細な溝(7)の中に十分に据わらない。これに対し、図２に示されたダイヤモンド 粒子(1)は、１２０°の開口角度を有する微細な溝の中に十分に据わる。 切削表面の微細な溝その他の表面模様を有するエレメントは、最 も鋭い工具を提供するために１２０°の開口角度を有する必要はなく、超研磨材 粒子の形状に見合った開口角度を有すればよい。本発明の作用は、工具の切削面 の基準面に対して６０°〜１６０°、好ましくは９０°〜１２０°の開口角度を 有する表面模様構造に見ることができる。微細な溝又は窪みの幅は、微細な溝の 一方又は両方の側面にそって粒子が落ち着く、又は窪みの周囲に直接接触するの に十分大きい必要がある。窪みの底が平らであれば、底の幅は、溝の底に粒子の 平らな面が据わり、粒子の切削面として平行な平らな面を露出するのを許容する 程に大きいべきでない。 同様に、表面模様を有する切削面の作用を最大限にするため、研磨材粒子は、 粒子サイズと粒子形態の双方について均一なグレードを選択すべきである。即ち 、合成ダイヤモンドの製造や高品質立方晶窒化ホウ素の製造によって得られた良 好な形状の粒子が、本発明にとって好ましい。適切な材料は、制御された成長条 件下で製造され、分類又は選別され、この結果、ほぼ完全な結晶が支配的となり 、低品質の不完全な結晶は稀である。このことは、接着の際の高温金属ブレーズ のメニスカス効果を最適化し、工具性能と工具寿命を最適化する。メニスカス効 果の利点を得るため、相対する平らな平行面を有する研磨材粒子が本発明の実施 にとって好ましい。 表面模様を有する窪みは、コアの接着表面の化学的エッチング又は機械的切り 込み、研削、機械加工、又は型押しなどで形成される。模様のパターンは、当該 技術で公知の任意の手段によってコアの注型、成形、又は仕上の際に施される。 切削面に形成される窪みの深さ及び窪みの密度は、ダイヤモンドその他の超研 磨材のサイズと形状や切削工具が設計される特定の目的に見合うように、実施す る者によって選択される。模様状表面の寸法は、超研磨材粒子の単層を含むよう に選択される必要がある。 窪みのサイズは、研磨材粒子の平均サイズと同等以下であり、好ましくは、研磨 材粒子の寸法より２５〜７５％小さい、より好ましくは２５〜５０％小さい寸法 である。 好ましい態様において、粒子直径が約４２０〜６５０μｍのダイヤモンド研磨 材（即ち、大部分が３０／４０メッシュのダイヤモンド粒子サイズの研磨材グレ ード）が金属ブレーズを用いて切削面に接着され、その切削面は、約６０〜１２ ０°の開口角度と、各溝の切削面の基準面に対して直角な最大深さとして約１０ ５〜６５０μｍ、好ましくは１０５〜３１５μｍの深さの平行な溝を有するよう に表面処理しておく。その他の研磨材粒子に関し、模様状の窪みの好ましい最大 深さは次の式で求められる。 ｒ／２≦Ｄ≦３ｒ／２ ここで、ｒは選択の研磨材グレードの中の最小粒子の平均半径であり、Ｄは窪 みの切削面の基準面に直角な最大深さである。 本発明を実施するのに適切なその他の態様は実施する者に選択されることがで き、直径２５〜１０００μｍ（即ち、３２５／４００〜２０メッシュのダイヤモ ンド粒子サイズ）の超研磨材粒子を受け入れる設計の模様状の窪みなどが挙げら れる。適切な窪みは、これらの粒子に対して６〜１０００μｍの最大深さを有す ることができる。 ダイヤモンドを切削面にろう付けするのに使用される金属ボンドは、当該技術 で公知の任意の金属ボンドから選択されてよい。コア材料は金属が好ましいもの の、限定されるものではないが、セラミック、繊維強化プラスチック、金属合金 などの構造材料のアセンブリーであってもよく、但し、切削面が金属ボンドで超 研磨材粒子をろう付けするのに適することが必要である。 本発明は、ろう付け金属ボンドによって研磨材が切削工具に接着 される、全ての単層研磨材切削工具に対して広範囲な適用性を有する。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年６月６日 【補正内容】 請求の範囲 １．ａ）少なくとも１つの切削面(4)を有するコア(6)、 ｂ）少なくとも１つの平らな面(2)を有する超研磨材粒子(1)、及び ｃ）コア(6)の切削面(4)と超研磨材粒子(1)をろう付けする金属ボンド(3) 、 を備えた研磨工具であって、コア(6)の切削面が模様状の窪み(5,7)を有し、その 模様状の窪み(5,7)が、平均半径（ｒ）を有して平らな面(2)が切削面の基準面に 対して少なくとも１５°の角度で傾斜するように配向した単層の超研磨材粒子(1 )を収めるサイズであり、且つその模様状の窪み(5,7)がｒ／２≦Ｄ≦３ｒ／２の 範囲にある最大深さ（Ｄ）を有する研磨工具。 ２．超研磨材粒子(1)の大部分が、相対する平らな面(2)の少なくとも１組を有 する粒子からなる請求項１に記載の研磨工具。 ３．超研磨材粒子(1)が、直径が２５〜１０００μｍのダイヤモンド粒子であ る請求項２に記載の研磨工具。 ４．超研磨材粒子(1)が、天然ダイヤモンド、合成ダイヤモンド、立方晶窒化 ホウ素、及びこれらの組み合わせから選択された請求項２に記載の研磨工具。 ５．コア(6)が鋼である請求項１に記載の研磨工具。 ６．コア(6)の切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が、複数の平行な微細な溝を有 する請求項１に記載の研磨工具。 ７．コア(6)の切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が、複数の放射状の微細な溝を 有する請求項１に記載の研磨工具。 ８．コア(6)の切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が、複数のクロスハッチの微細 な溝を有する請求項１に記載の研磨工具。 ９．コア(6)の切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が、複数の螺旋状の微細な溝を 有する請求項１に記載の研磨工具。 １０．コア(6)の切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が独立した窪みの列を有し、 各窪みが、超研磨材粒子(1)の平らな面(2)の平均寸法以下の深さを有する請求項 １に記載の研磨工具。 １１．切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が開口角度を画定し、その開口角度が、 超研磨材粒子(1)の切削箇所に形成された角度に実質的に等しい請求項１に記載 の研磨工具。 １２．切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が６０〜１６０°の開口角度を画定する 請求項１に記載の研磨工具。 １３．切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が９０〜１２０°の開口角度を画定する 請求項１に記載の研磨工具。 １４．金属コア(6)の切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が、約６〜１０００μｍ の中心深さまで延在する請求項３に記載の研磨工具。 １５．切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が９０〜１２０°の開口角度を画定する 請求項３に記載の研磨工具。 【手続補正書】 【提出日】１９９８年１月６日 【補正内容】 請求の範囲 １．ａ）少なくとも１つの切削面(4)を有するコア(6)、 ｂ）少なくとも１つの平らな面(2)を有する超研磨材粒子(1)、及び ｃ）コア(6)の切削面(4)と超研磨材粒子(1)をろう付けする金属ボンド(3) 、 を備えた研磨工具であって、コア(6)の切削面が模様状の窪み(5,7)を有し、その 模様状の窪み(5,7)が、平均半径（ｒ）を有して平らな面(2)が切削面の基準面に 対して少なくとも１５°の角度で傾斜するように配向した単層の超研磨材粒子(1 )を収めるサイズであり、且つその模様状の窪み(5,7)がｒ／２≦Ｄ≦３ｒ／２の 範囲にある最大深さ（Ｄ）を有する研磨工具。 ２．超研磨材粒子(1)の大部分が、相対する平らな面(2)の少なくとも１組を有 する粒子からなる請求項１に記載の研磨工具。 ３．超研磨材粒子(1)が、直径が２５〜１０００μｍのダイヤモンド粒子であ る請求項２に記載の研磨工具。 ４．コア(6)の切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が、複数の平行な微細な溝を有 する請求項１に記載の研磨工具。 ５．コア(6)の切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が、複数の放射状の微細な溝を 有する請求項１に記載の研磨工具。 ６．コア(6)の切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が、複数のクロスハッチの微細 な溝を有する請求項１に記載の研磨工具。 ７．コア(6)の切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が、複数の螺旋状の微細な溝を 有する請求項１に記載の研磨工具。 ８．コア(6)の切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が独立した窪みの列を有し、各 窪みが、超研磨材粒子(1)の平らな面(2)の平均寸法以下の深さを有する請求項１ に記載の研磨工具。 ９．切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が開口角度を画定し、その開口角度が、超 研磨材粒子(1)の切削箇所に形成された角度に実質的に等しい請求項１に記載の 研磨工具。 １０．切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が６０〜１６０°の開口角度を画定す る請求項１に記載の研磨工具。 １１．金属コア(6)の切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が、約６〜１０００μｍ の中心深さまで延在する請求項３に記載の研磨工具。 １２．切削面(4)の模様状の窪み(5,7)が９０〜１２０°の開口角度を画定する 請求項３に記載の研磨工具。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハーバー，ポール，ケー. アメリカ合衆国，ユタ 84118，ソルト レイク シティー，アバント サークル 4897

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ａ）少なくとも１つの切削面を有するコア、 ｂ）少なくとも１つの平らな面を有する超研磨材粒子、及び ｃ）コアの切削面と超研磨材粒子をろう付けする金属ボンド、 を備えた研磨工具であって、コアの切削面が模様状の窪みを有し、その模様状の 窪みが、超研磨材粒子の平らな面が切削面の基準面に対して少なくとも１５°の 角度で傾斜するように配向した単層の超研磨材粒子を収めるサイズである研磨工 具。 ２．超研磨材粒子の大部分が、相対する平らな面の少なくとも１組を有する粒 子からなる請求項１に記載の研磨工具。 ３．超研磨材粒子が、直径が２５〜１０００μｍのダイヤモンド粒子である請 求項２に記載の研磨工具。 ４．超研磨材粒子が、天然ダイヤモンド、合成ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ 素、及びこれらの組み合わせから選択された請求項２に記載の研磨工具。 ５．コアが鋼である請求項１に記載の研磨工具。 ６．コアの切削面の模様状の窪みが、複数の平行な微細な溝を有する請求項１ に記載の研磨工具。 ７．コアの切削面の模様状の窪みが、複数の放射状の微細な溝を有する請求項 １に記載の研磨工具。 ８．コアの切削面の模様状の窪みが、複数のクロスハッチの微細な溝を有する 請求項１に記載の研磨工具。 ９．コアの切削面の模様状の窪みが、複数の螺旋状の微細な溝を有する請求項 １に記載の研磨工具。 １０．コアの切削面の模様状の窪みが独立した窪みの列を有し、 各窪みが、超研磨材粒子の平らな面の平均寸法以下の深さを有する請求項１に記 載の研磨工具。 １１．切削面の模様状の窪みが開口角度を画定し、その開口角度が、超研磨材 粒子の切削箇所に形成された角度に実質的に等しい請求項１に記載の研磨工具。 １２．切削面の模様状の窪みが６０〜１６０°の開口角度を画定する請求項１ に記載の研磨工具。 １３．切削面の模様状の窪みが９０〜１２０°の開口角度を画定する請求項１ に記載の研磨工具。 １４．金属コアの切削面の模様状の窪みが、約６〜１０００μｍの中心深さま で延在する請求項３に記載の研磨工具。 １５．切削面の模様状の窪みが９０〜１２０°の開口角度を画定する請求項３ に記載の研磨工具。