KR100359401B1 - 연삭 공구 - Google Patents

연삭 공구

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KR100359401B1
KR100359401B1 KR1020007010667A KR20007010667A KR100359401B1 KR 100359401 B1 KR100359401 B1 KR 100359401B1 KR 1020007010667 A KR1020007010667 A KR 1020007010667A KR 20007010667 A KR20007010667 A KR 20007010667A KR 100359401 B1 KR100359401 B1 KR 100359401B1
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윌리스톤윌리엄에이취.
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생-고뱅 어브레이시브즈, 인코포레이티드
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Abstract

세라믹과, 세라믹을 포함하는 복합 재료와 같은 경질인 취성 재료를 최대 160m/s의 숫돌차 주변 속도에서 정밀 연삭하는데 적합한 연삭 공구가 제공된다. 상기 연삭 공구는 열적으로 안정된 결합재(6)에 의해 조밀한 금속 결합 초연삭재 세그먼트(8)의 연마 림에 부착된 숫돌차 코어(2)를 포함한다. 세라믹 웨이퍼의 백그라인딩에 적합한 공구는 흑연 충전재 및 비교적 낮은 농도의 연마 입자(4)를 포함한다.

Description

연삭 공구{Abrasive Tools}
사파이어 및 다른 세라믹 재료를 연삭하는데 적합한 연삭 공구는 라이에 허여된 미국 특허 A-5,607,489호에 개시되어 있다. 상기 공구는 2 내지 20 체적 %의 고체 윤활제와 10 체적 % 이상의 기공(porosity)을 포함하는 유리 형상의 매트릭스에 결합된 금속 피복 다이아몬드를 포함하는 것으로서 개시되어 있다.
흑연과 같은 15 내지 50 체적 %의 선정된 충전재(filler)에 의해 금속 매트릭스에 결합된 다이아몬드를 포함하는 연삭 공구는 키트에 허여된 미국 특허 A-3,925,035호에 개시되어 있다. 상기 공구는 교착된 카바이드를 연삭하는데 사용된다.
금속 결합된 다이아몬드 연마 입자로 제조된 절단 숫돌차는 반 데르 필에 허여된 미국 특허 A-2,238,351호에 개시되어 있다. 구리, 철, 주석 및, 선택적으로 니켈 및 결합된 연마 입자로 구성된 결합재는, 선택적으로는 적합한 점착을 보장하도록 납땜 공정에 의해 스틸 코어 상에 소결된다. 최적의 결합재는 70 록크웰 B 경도를 갖는 것으로 공지되어 있다.
청동 결합재와 같은 비교적 저융점의 금속 결합재에 결합된 미세 다이아몬드 입자{보트(bort)}는 미국 특허 Re-21,165호에 개시되어 있다. 저융점 결합재는 미세 다이아몬드 입자의 산화를 방지하는 역할을 한다. 연마 림은 단일의 환형 연마 세그먼트로 구성되며, 다음 알루미늄 또는 다른 재료의 중앙 디스크에 부착된다.
상기 연삭 공구의 어느 것도 세라믹 소자의 정밀 연삭에 완전히 만족스러운 것으로 판명되지 않았다. 상기 공구는 상업적으로 적합한 연삭 속도로 작동될 때, 부분 형상, 크기 및 표면 거칠기에 대한 엄격한 기준에 부합하지 못하였다. 이러한 작동에 사용되도록 요구되는 대부분의 상업용 연삭 공구는 세라믹 소자에 대한 표면 및 표면내(subsurface) 손상을 방지하기 위해 비교적 낮은 연삭 효율로 작동되도록 설계된 수지 또는 유리 형상 결합 초연삭재 숫돌차이다. 연마 효율은 정밀한 형태를 유지하도록 숫돌차의 드레싱(dressing) 및 수정(truing)을 빈번히 요구하는 숫돌차 표면에 대한 세라믹 가공편의 고착(clog) 경향에 기인하여 더욱 감소된다.
엔진, 내열성 설비 및 전자 장치(예를 들면, 웨이퍼, 자기 헤드 및 디스플레이 윈도우)와 같은 제조품 내의 정밀한 세라믹 소자에 대한 상업적 요구가 증가됨에 따라, 세라믹의 정밀 연삭을 위한 개선된 연삭 공구에 대한 필요성이 증가된다.
전자 소자용 알루미나 티타늄 카바이드(AlTiC)와 같은 고성능 세라믹 재료의 다듬질 작업에 있어서, 표면 연삭 또는 "백그라인딩(backgrinding)" 작업은 작은 힘과, 비교적 작은 속도의 연마 작업으로 높은 품질의 매끄러운 표면 다듬질을 요구한다. 이러한 재료들의 백그라인딩에 있어서, 연삭 효율은 높은 재료 제거율 및 연마 숫돌차 마모 저항에 대해 인가된 힘의 제어 및 가공편 표면 거칠기 만큼 결정된다.
본 발명은 최대 160m/s의 숫돌차(wheel) 주변 속도에서 세라믹 및 세라믹을 포함하는 복합 재료와 같은 경질인 취성 재료의 정밀 연삭에 적합하며, 세라믹 웨이퍼의 표면 연삭에 적합한 연삭 공구에 관한 것이다. 연삭 공구는 연삭 작업 중에 열적으로 안정된 결합재로 금속 결합된 초연삭재 림(rim)에 부착된 허브 또는 숫돌차 코어를 포함한다. 상기 연삭 공구는 종래의 연삭 공구 보다 적은 숫돌차의 마모 및 적은 가공편의 손상으로, 고도의 재료 제거율(예를 들면, 19 내지 380 cm3/min/cm)로 세라믹을 연삭한다.
도 1은 타입(type) 1A1 연마재 연삭 숫돌차를 형성하기 위해 금속 코어의 주변부에 결합된 연마 세그먼트의 연속적인 림을 도시하는 도면.
도 2는 컵 숫돌차를 형성하기 위해 금속 코어의 주변부에 결합된 연마 세그먼트의 불연속적인 림을 도시하는 도면.
도 3은 제 5 실시예의 연마재 연삭 숫돌차에 의해 AlTiC 가공편을 연삭하는 중에 수직력과 제거되는 스톡의 양 사이의 관계를 도시하는 도면.
본 발명은 2.4MPa-cm3/g의 비강도(specific strength)와 0.5 내지 8.0g/cm3의 코어 밀도를 갖는 코어와, 원형의 주변부 및, 다수의 연마 세그먼트에 의해 형성되는 연마 림을 포함하는 표면 연삭용 연삭 공구에 관한 것이며, 상기 연마 세그먼트는, 최대 100 체적 %의 총량 중, 0.05 내지 10 체적 %의 초연삭재 입자와, 10 내지 35 체적 %의 취성 충전재 및, 1.0 내지 3.0MPa M1/2의 파괴 인성을 갖는 55 내지 89.95 체적 %의 금속 결합재 매트릭스를 포함한다. 비강도는 재료의 항복 강도 또는 파괴 강도를 재료의 밀도로 나눈 값 중 더 작은 것의 비로서 규정된다. 취성 충전재는 흑연, 헥사고널 보론 니트라이드, 중공의 세라믹 구(sphere),장석(feldspar), 하석 성장암(nepheline syenite), 경석(pumice), 하소화 점토 및 글래스 구 및, 이들의 조합물로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 적합한 실시예에서, 금속 결합재 매트릭스는 최대 5 체적 %의 기공을 포함한다.
본 발명의 연삭 공구는 연마기 상에 숫돌차를 장착하기 위한 중앙 보어를 갖는 코어를 포함하는 연삭 숫돌차이며, 상기 코어는 숫돌차의 주변부를 따라 금속 결합된 초연삭재 림을 지지하도록 설계된다. 상기 두 부품의 숫돌차는 연삭 조건하에서 열적으로 안정된 결합재와 함께 유지되며, 숫돌차와 그 부품은 80m/s 이상, 적합하게는 최대 160m/s의 숫돌차 주변 속도로 발생되는 응력을 견디도록 설계된다. 적합한 공구는 타입 1A 숫돌차 및, 타입 2 또는 타입 6 숫돌차 또는 타입 11V9 벨 형상 컵 숫돌차와 같은 컵 숫돌차이다.
코어는 대략 원형이다. 코어는 2.4MPa-cm3/g, 적합하게는 40 내지 185 MPa-cm3/g의 최소 비강도를 갖는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 코어 재료는 0.5 내지 0.8g/cm3, 적합하게는 2.0 내지 8.0g/cm3의 밀도를 갖는다. 적합한 재료의 예는 스틸, 알루미늄, 티타늄 및 청동과, 이들의 복합 재료 및 합금과, 이들의 조합물이다. 상술한 최소 비강도를 갖는 강화 플라스틱이 코어를 구성하는데 사용될 수 있다. 복합 재료 및 보강 코어 재료는 통상 분말 형태의 금속 또는 플라스틱 매트릭스의 연속상(continuous phase)을 가지며, 보다 경질, 탄성 및/또는 낮은 밀도의 재료의 파이버 또는 입자 또는 미립자가 불연속상으로서 첨가된다. 본 발명의 공구의 코어에 사용되기에 적합한 보강 재료의 예는 글래스 파이버, 카본 파이버, 아라미드 파이버, 세라믹 파이버, 세라믹 미립자 및 입자 및, 글래스, 멀라이트, 알루미나 및 ZeoliteR구와 같은 중공의 충전재이다.
0.5 내지 8.0 g/cm3의 밀도를 갖는 스틸 및 다른 금속이 본 발명의 공구용 코어를 형성하는데 사용될 수 있다. 고속 연삭을 위해 사용되는 코어를 형성하는데 있어서, 알루미늄, 마그네슘 및 티타늄과 이들의 합금 및, 이들의 조합물과 같은 분말 형태의 경량 금속(즉, 1.8 내지 4.5g/cm3의 밀도를 갖는 금속)이 적합하다. 알루미늄 및 알루미늄 합금은 특히 적합하다. 동시 소결(co-sintering) 조립 공정이 공구를 제조하는데 사용되면, 400 내지 900℃, 적합하게는 570 내지 650℃ 사이의 소결 온도를 갖는 금속이 선택된다. 저밀도 충전재가 코어의 중량을 감소하기 위해 첨가될 수 있다. 글래스 구 및 멀라이트 구와 같은 다공성 및/또는 중공의 세라믹 또는 글래스 충전재가 이러한 목적에 적합한 재료이다. 무기질 및 비금속 파이버 재료가 또한 사용될 수 있다. 처리 조건으로 표시될 때, 금속 결합재 분야 및 초연삭재 분야에 공지된 윤활제의 유효량 또는 다른 처리 보조제가 가압 및 소결 공정 이전에 금속 분말에 첨가될 수 있다.
상기 공구는 고속 작동에 의해 발생되는 잠재적인 파괴력에 저항하기 위해 강하며, 내구성이 있으며 치수적으로 안정되어야 한다. 상기 코어는 80 내지 160m/s 사이의 접선 속도를 성취하기 위해 요구되는 매우 높은 각속도로 연삭 숫돌차를 작동시키도록 최소의 비강도를 가져야 한다. 본 발명에 사용되는 코어 재료에 요구되는 최소 비강도는 2.4MPa-cm3/g이다.
비강도는 코어 재료의 밀도로 코어 재료의 항복(또는 파괴) 강도를 나눈 값의 비로 규정된다. 항복 강도보다 낮은 파괴 강도를 갖는 취성 재료의 경우, 비강도는 보다 낮은 수, 즉 파괴 강도를 사용함으로써 결정된다. 재료의 항복 강도는 재료의 스트레인이 힘의 부가적인 증가 없이 증가하는 인장 상태로 인가된 최소 힘이다. 예를 들면, 약 240 이상(브리넬 강도)으로 경화된 ANSI 4140 스틸은 700MPa을 초과하는 인장 강도를 갖는다. 상기 스틸의 밀도는 약 7.8 g/cm3이다. 따라서, 비강도는 약 90MPa-cm3/g 이다. 유사하게, 예를 들면 Al 2024, Al 7075 및 Al 7178 등과 같은 소정의 알루미늄 합금은 약 300MPa 이상의 인장 강도를 갖는 약100 이상의 브리넬 경도로 열처리될 수 있다. 이러한 알루미늄 합금은 2.7g/cm3의 낮은 밀도를 가지며, 따라서 110MPa-cm3/g 이상의 비강도를 나타낸다. 8.0g/cm3미만의 밀도를 갖도록 제조된 티타늄 합금과 청동 복합 재료 및 합금이 또한 사용하는데 적합하다.
상기 코어 재료는 인성과, 연삭 영역에 도달하는 온도(예를 들면, 약 50 내지 200℃)에서의 열적 안정성과, 연삭에 사용되는 냉각제 및 윤활제와의 화학 반응에 대한 저항성 및, 연삭 영역에서의 절단 부스러기의 운동에 기인하는 침식에 대한 저항성을 가져야 한다. 몇몇 알루미나 및 다른 세라믹이 적합한 파괴치(즉, 60MPa-cm3/g을 초과하는)를 갖지만, 이들은 매우 취성이며 파괴에 기인하여 고속 연삭시 구조적으로 파손된다. 따라서, 세라믹은 공구 코어에 사용되기에 적합하지 않다. 특히 경화된 금속 공구 스틸이 적합하다.
본 발명에 사용되기 위한 연삭 숫돌차의 연마 세그먼트는 코어 상에 장착된 분할되거나 연속적인 림이다. 분할된 연마 림은 도 1에 도시한다. 코어(2)는 숫돌차를 파우더 드라이브(powder drive)(도시 않음)의 아버에 장착하기 위한 중앙 보어(3)를 갖는다. 숫돌차의 연마 림은 금속 매트릭스 결합재(6) 내에 매설된(적합하게는 균일한 농도로) 초연삭재 입자(4)를 포함한다. 다수의 연마 세그먼트(8)는 도 1에 도시한 연마 림을 형성한다. 도시한 실시예에서는 10개의 세그먼트를 나타내지만, 세그먼트의 수는 임의적이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 개별 연마 세그먼트는 길이(l), 폭(w) 및 깊이(d)를 갖는 절두 직사각형 링 형상(아치 형상)이다.
도 1에 도시한 연삭 숫돌차의 실시예는 본 발명에 따라 성공적으로 작동할 수 있는 적합한 숫돌차를 나타내며, 제한적인 것은 아니다. 분할된 연삭 숫돌차에 대한 다수의 기하학적 변형은, 도 2에 도시한 바와 같은 컵형상 숫돌차와, 연속적인 세그먼트 사이의 코어 및/또는 간극을 관통하는 개구를 갖는 숫돌차 및, 코어와 상이한 폭의 연마 세그먼트를 갖는 숫돌차를 적합하게 포함한다. 개구 또는 간극은 종종 연삭 영역 및 상기 영역으로부터 절단 부스러기를 이격시키는 루트로 냉각제를 안내하기 위한 경로를 제공하는데 사용된다. 코어 폭 보다 넓은 세그먼트는 숫돌차가 가공편에 방사상으로 침투할 때, 지스러기 물질(swarf material)과 접촉함으로써 발생되는 부식으로부터 코어 구조를 보호하도록 종종 사용된다.
상기 숫돌차는 먼저 소정의 치수의 개별 세그먼트를 형성한 후 적합한 접착제로 코어의 원주(9)에 예비 형성된 세그먼트를 부착함으로써 제조될 수 있다. 다른 적합한 제조 방법은 연마 입자 및 결합재의 분말 혼합물의 세그먼트 선구 물질 유닛을 형성하는 단계와, 코어의 원주 주위에 조성물을 성형하는 단계 및, 세그먼트를 원래 위치에 형성 및 부착하기 위해 열 및 온도를 가하는 단계(즉, 코어와 림의 동시 소결 단계)를 포함한다. 동시 소결 공정은 AlTiC와 같은 경질의 세라믹의 칩 및 백그라인드 웨이퍼에 사용되는 컵 숫돌차의 표면 연삭에 적합하다.
본 발명의 연삭 공구의 연마 림 부품은 도 1 및 도 2에 각각 도시한 바와 같이 연속적인 림 또는 불연속적인 림 일 수 있다. 불연속적인 연마 림은 하나의 연마 세그먼트 또는 몰드 내에 개별적으로 소결된 후 열적으로 안정된 결합(즉, 통상약 50 내지 350℃ 인, 연삭면으로부터 이격되어 지향되는 세그먼트의 부분에서 연삭 중에 발생되는 온도에서 안정적인 결합)으로 코어 상에 개별적으로 장착된 2개 이상의 연마 세그먼트를 포함할 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 불연속적인 연마 림은 상기 2개 이상의 세그먼트로 제조되며, 상기 세그먼트는 림 내의 슬롯 또는 간극에 의해 분리되며, 분할된 연속적인 연마 림 숫돌차 내에서 그의 길이(l)를 따라 단부와 단부가 결합되지 않는다. 도면들은 본 발명의 적합한 실시예를 도시하며, 본 발명의 공구 설계의 형태를 제한하지는 않는데, 예를 들면 불연속적인 림이 1A 숫돌차에 사용될 수 있으며 연속적인 림이 컵 숫돌차에 사용될 수 있다.
고속 연삭, 특히 원통 형상을 갖는 가공편의 연삭에서는, 불연속적인 림, 타입 1A 숫돌차가 적합하다. 다수의 연마 세그먼트로부터 공구를 제조하는 동안 진원의 평면 형상을 매우 용이하게 성취할 수 있기 때문에, 분할된 연속적인 연마 림은 링 형상의 단일 부품으로서 성형된 단일의 연속적인 연마 림 보다 적합하다.
저속 연삭(예를 들면, 25 내지 60m/s) 작업, 특히 편평한 가공편의 표면 연삭 및 다듬질 작업에서는, 불연속적인 연마 림(예를 들면, 도 2에 도시한 컵 숫돌차)이 적합하다. 저속 표면 다듬질 작업에서는 표면 거칠기가 양호하지 않기 때문에, 슬롯이 세그먼트 내에 형성될 수 있으며, 또는 가공편 표면에 스크래치를 형성할 수 있는 폐재료의 제거를 보조하기 위해 림으로부터 몇몇 세그먼트가 제거될 수 있다.
연마 림 부품은, 연마 림 또는 연마 림 세그먼트의 소정의 크기 및 형상을 제공하도록 설계된 몰드 내의 연마 입자 및 금속 결합재 분말의 혼합물을 소결함으로써 통상 형성되는 금속 매트릭스 결합재 내에 유지되는 초연삭재 입자를 포함한다.
상기 연마 림에 사용되는 초연삭재 입자는 다이아몬드, 천연 및 인조 CBN 및, 이러한 연마제의 조합물로부터 선택될 수 있다. 입자 크기 및 형태의 선정은 가공편의 특성 및 연삭 공정의 형태에 따라 다양하다. 예를 들면, 사파이어 또는 AlTiC의 연삭 및 연마에는, 2 내지 300㎛ 범위의 초연삭재 입자 크기가 적합하다. 다른 알루미나의 연삭에는, 약 125 내지 300㎛{60 내지 120 그릿(grit); 노턴 캄파니 그릿 크기}의 초연삭재 입자 크기가 통상 적합하다. 실리콘 니트라이드 연삭에는, 약 45 내지 80㎛(200 내지 400 그릿)의 입자 크기가 통상 적합하다. 미세한 그릿 크기는 표면 다듬질에 적합하며, 조대한 그릿 크기는 다량의 재료가 제거되는 원통형 윤곽 또는 내부 직경 연삭 작업에 적합하다.
연마 림의 체적비에 있어서, 공구는 0.05 내지 10 체적 %, 적합하게는 0.5 내지 5 체적 %의 초연삭재 입자를 포함한다. 금속 결합재 매트릭스의 경도 보다 낮은 경도를 갖는 소량의 취성 충전재가 결합재의 마모율을 증가시키도록 결합 충전재로서 첨가될 수 있다. 림 부품의 체적비에 있어서, 충전재는 10 내지 35 체적 %, 적합하게는 15 내지 35 체적 %로 사용될 수 있다. 적합한 취성 충전재는 연마 세그먼트를 제조하며 숫돌차를 조립하는데 사용되는 소결 온도 및 압력 조건에서 잔류하도록 적합한 열적 및 기계적 특성을 갖는 것을 특징으로 한다. 흑연, 헥사고널 보론 니트라이드, 중공의 세라믹 구, 장석, 하석 성장암, 경석, 하소화 점토 및 글래스 구 및, 이들의 조합물은 유용한 취성 충전재의 예이다.
초연삭재를 결합하는데 적합하며 1.0 내지 6.0MPa·m1/2, 적합하게는 2.0 내지 4.0MPa·m1/2의 파괴 인성을 갖는 소정의 금속 결합재가 본원에 사용될 수 있다. 파괴 인성은 재료 내에 발생하기 시작하는 크랙이 재료 내에 퍼지며 재료의 파괴를 초래하는 응력 확대 계수이다. 파괴 인성은 하기의 수학식 1로 표현되며,
여기서 K1c는 파괴 인성, σf는 파괴시 인가된 응력, c는 크랙 길이의 1/2이다. 다수의 방법이 파괴 인성을 결정하는데 사용될 수 있으며, 각각 공지된 길이의 크랙이 시편에 발생되는 초기 단계를 가지며, 다음 재료가 파괴될 때까지 응력이 인가된다. 파괴시 응력과 크랙의 길이를 상기 수학식 1에 대입하여 파괴 인성을 계산한다(예를 들면, 스틸의 파괴 인성은 약 30 내지 60MPa·m1/2이며, 알루미나의 파괴 인성은 약 2 내지 3MPa·m1/2이며, 실리콘 니트라이드의 파괴 인성은 약 4 내지 5MPa·m1/2이며, 지르코니아의 파괴 인성은 약 7 내지 9MPa·m1/2이다).
숫돌차 수명 및 연삭 성능을 최적화하기 위해, 결합재 마모율은 연삭 작업 중에 연마 입자의 마모율과 동일하거나 약간 높아야 한다. 상술한 바와 같은 충전재가 숫돌차의 마모율을 감소시키도록 금속 결합재에 첨가될 수 있다. 비교적 조밀한 결합 구조(즉, 5 체적 % 미만의 기공)를 형성하는 경향이 있는 금속 분말이연삭 중 재료 제거율을 높이는데 적합하다.
림의 금속 결합재에 유용한 재료는 청동, 구리 및 아연 합금(황동), 코발트 및 철과, 이들의 합금 및 조합물이지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속들은 티타늄 또는 티타늄 수산화물 또는, 입자/결합재 포스트를 강화하기 위해 선택된 소결 조건 하에 초연삭재 입자의 표면에서 입자와 결합재 사이의 카바이드 또는 니트라이드 화학 결합을 형성할 수 있는 다른 초연삭재 반응성(즉, 반응성 결합재 부품) 재료로 선택적으로 사용될 수 있다. 강한 입자/결합재 상호 작용은 입자의 조기 손실, 가공편의 손상 및 입자의 조기 손실에 따른 공구 수명의 단축을 방지한다.
상기 연마 림의 적합한 실시예에서, 금속 매트릭스는 55 내지 89.95 체적 %, 적합하게는 60 내지 84.5 체적 %의 림을 포함한다. 취성 충전재는 10 내지 35 체적 %, 적합하게는 15 내지 35 체적 %의 연마 림을 포함한다. 금속 매트릭스 결합재의 기공은 연마 세그먼트의 제조 중에 최대 5 체적 %로 유지되어야 한다. 금속 결합재는 적합하게는 2 내지 3GPa의 누프(Knoop) 경도를 갖는다.
타입 1A 연삭 숫돌차의 적합한 실시예에서, 코어는 알루미늄으로 제조되며, 림은 구리(80 중량 %)와 주석 분말(20 중량 %), 및 선택적으로는 0.1 내지 3.0 중량 %, 적합하게는 0.1 내지 3.0 중량 %의 인/구리 분말 형태의 인의 첨가제를 포함한다. 연마 세그먼트의 제조 중에, 상기 조성의 금속 분말은, 적합하게는 이론 밀도의 95% 이상의 밀도를 갖는(즉, 약 5 체적 % 미만의 기공을 포함하는) 조밀한 연마 림을 제공하기 위해 20 내지 33MPa에서 400 내지 550℃ 의 범위로 소결 또는 조밀화되며 연마 림 세그먼트 내로 성형된 100 내지 400 그릿(160 내지 45㎛)의 다이아몬드 연마 입자와 함께 혼합된다.
통상의 동시 소결 숫돌차 제조 공정에서, 코어의 금속 분말은 스틸 몰드 내로 주입되며 코어의 소정의 최종 두께의 대략 1.2 내지 1.6배의 크기를 갖는 그린 코어부(green core part)를 형성하도록 80 내지 200kN(약 10 내지 50MPa의 압력)에서 냉간 프레스 가공된다. 상기 그린 코어부는 흑연 몰드 및 연마 입자(2 내지 300㎛ 그릿 크기)의 혼합물 내에 배치되며, 금속 결합재 분말 혼합물(blend)은 코어와 흑연 몰드의 외부 림 사이의 공동에 첨가된다. 고정 링이 연마제와 금속 결합재 분말을 예비 형성된 코어와 동일한 두께로 압축하기 위해 사용될 수 있다. 다음, 흑연 몰드 내용물(contents)은 20 내지 48MPa의 압력 하에 375 내지 410℃에서 6 내지 10분 동안 열간 프레스 가공된다. 당 분야에 공지된 바와 같이, 상기 온도는 몰드 내용물에 압력을 인가하기 전에 점진적으로 증가되거나 상승(예를 들면, 6분 동안 25 내지 410℃; 15분 동안 410℃로 유지)될 수 있다.
열간 프레스 가공된 후, 흑연 몰드는 부품으로부터 분해되며, 상기 부품은 냉각되며, 소정의 치수 및 공차를 갖는 연마 림을 제공하기 위해 종래의 기술에 의해 다듬질 가공된다. 예를 들면, 상기 부품은 연삭기 또는 선반의 카바이드 절단기 상의 유리 형상 연삭 숫돌차를 사용하여 소정의 크기로 다듬질 가공될 수 있다.
본 발명의 코어 및 림이 동시 소결될 때, 부품을 최종 형상에 주입하기 위해 재료의 제거가 거의 요구되지 않는다. 연마 림과 코어 사이의 열적으로 안정된 결합을 형성하기 위한 다른 방법에서는, 부품을 결합 및 접착시키기 위해 적합한 표면을 보장하도록 교착, 결합 또는 확산 단계 이전에 코어와 림을 가공하는 단계가 필요하게 될 수 있다.
분할된 연마 림을 사용하여 림과 코어 사이의 열적으로 안정된 결합을 형성하기 위해, 최대 160m/s의 숫돌차 주변 속도를 견딜 수 있는 강도를 갖는 소정의 열적으로 안정된 접착제가 사용될 수 있다. 열적으로 안정된 접착제는 연삭 표면으로부터 이격되어 지향된 연마 세그먼트의 부분에서 발생할 수 있는 연삭 공정 온도에서 안정적이다. 이러한 온도는 통상 약 50 내지 350℃ 범위이다.
접착 결합은 연삭 숫돌차의 회전 및 연삭 작업 중에 발생하는 파괴력에 저항하기 위해 매우 기계적으로 강해야 한다. 2 부품 에폭시 수지 교착제가 적합하다. 적합한 에폭시 시멘트, 즉 TechnodyneRHT-18 에폭시 수지(일본 다오카 케미칼스로부터 시판되는) 및, 그 변형성 아민 경화제는 수지 100 대 경화제 19의 비율로 혼합될 수 있다. 미세한 실리카 분말과 같은 충전재가 교착 점성을 증가시키도록 수지 100 당 3.5의 비율로 첨가될 수 있다. 세그먼트는 교착제에 의해 연삭 숫돌차 코어의 전체 원주, 또는 코어의 부분 원주 주위에 장착될 수 있다. 금속 코어의 주변부는 세그먼트의 부착 이전에 소정의 거칠기를 얻기 위해 모래 분사(sandblast) 작업이 수행될 수 있다. 두꺼운 에폭시 교착제는 도 1에 도시한 바와 같은 코어의 주위에 배치되며 경화 중에 기계적으로 적소에 유지되는 세그먼트의 단부 및 저부에 부착된다. 에폭시 교착제는 경화될 수 있다(예를 들면, 실온에서 24시간 동안, 그 후 60℃에서 48 시간 동안). 경화 및 세그먼트의 이동 중에 교착제의 배수(drainage)는 에폭시 교착제의 점성을 최적화하도록 충분한 충전재의첨가에 의해 경화 중에 최소화된다.
접착 결합 강도는 숫돌차의 파열 속도(burst speed)를 측정하여 수행된 바와 같이, 45rev/min의 가속도에서 스핀 테스트에 의해 검사될 수 있다. 숫돌차는, 미국에서 현재 적용되는 안전 기준인 160m/s의 접선 속도 하에서 작동을 위한 기준을 통과하기 위해 271m/s 이상의 접선 속도에 동일한 상술한 파열 속도를 필요로 한다.
본 발명의 연삭 공구는 특히 개량형 세라믹 재료, 글래스 및, 세라믹 재료와 세라믹 복합 재료를 포함하는 부품과 같은 취성 재료의 정밀 연삭 및 다듬질 작업을 위해 설계된다. 본 발명의 공구는 실리콘, 단결정 및 다결정 산화물, 카바이드, 붕소화물 및 실리사이드와; 다결정 다이아몬드; 글래스 및; 비세라믹 매트릭스 형태의 세라믹의 복합 재료 및; 이들의 조합물을 포함하는 연삭 세라믹 재료에 적합하지만, 상기 재료에 제한되는 것은 아니다. 통상의 가공편 재료의 예는 AlTiC, 실리콘 니트라이드, 실리콘 옥시니트라이드, 안정성 지르코니아, 알루미늄 옥사이드(예를 들면, 사파이어), 보론 카바이드, 보론 니트라이드, 티타늄 디보라이드 및, 알루미늄 니트라이드, 및 상기 세라믹들의 복합 재료 뿐만 아니라, 교착된 카바이드와 같은 소정의 금속 매트릭스 복합 재료 및, 미네랄 글래스와 같은 경질의 취성 비결정질 재료를 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 단결정 세라믹 또는 다결정 세라믹은 상개 개량형 연삭 공구에 의해 연삭될 수 있다. 각각의 형태의 세라믹에서, 세라믹 부품의 품질 및 연삭 작업 효율은 본 발명의 숫돌차의 주변 속도가 80 내지 160m/s까지 증가함에 따라 증가된다.
본 발명의 연삭 공구를 사용함으로써 개량된 세라믹 부품들은 세라믹 엔진 밸브 및 로드, 펌프 밀봉 장치, 볼 베어링 및 이음쇠(fitting), 절단 공구 삽입부, 마모 부품, 금속 성형용 인발 다이, 내열성 부품, 가시적 디스플레이 윈도우, 바람막이(windshield)용 플랫 글래스, 절연기 및 전기 부품 및, 제한적이진 않지만 실리콘 웨이퍼, AlTiC 칩, 판독 및 기록 헤드용 자기 헤드 및 기판을 포함하는 세라믹 전자 부품이다.
표시하지 않더라도, 하기의 실시예의 모든 비율 및 퍼센트는 중량비이다. 실시예는 본 발명을 단지 예시적으로 설명하는 것이며 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
제 1 실시예
본 발명의 연마 숫돌차는 하기에 설명하는 재료 및 공정을 사용하여 1A1 금속 결합 다이아몬드 숫돌차의 형태로 준비된다.
43.74 중량 %의 구리 분말(미국 뉴욕, 겐트, 신터테크 국제 마케팅 코포레이션으로부터 시판되는, Dendritic FS 그레이드, 입자 크기 +200/-325 메시)과, 6.24 중량 %의 인/구리 분말(미국 팬실배니아, 팔머톤, 뉴저지 징크 캄파니로부터 시판되는 그레이드 1501, +100/-325 메시 입자 크기) 및, 50.02 중량 %의 주석 분말(미국 뉴저지, 엘리자베스, 알칸 메탈 파우더스, 인코포레이티드로부터 시판되는 그레이드 MD115, +325 메시, -0.5% 최대 입자 크기)의 혼합물이 준비된다. 다이아몬드 연마 입자(미국 오하이오, 워싱턴, 제네럴 일렉트닉사로부터 시판되는 320 그릿 크기 인조 다이아몬드)가 금속 분말 혼합물에 첨가되며, 상기 혼합물은 균일하게 혼합될 때까지 혼합된다. 상기 혼합물은 흑연 몰드 내에 배치되며, 매트릭스가 이론 밀도의 95%를 초과하는 목표 밀도로 형성될 때까지(예를 들면, 제 2 실시예에서 사용되는 #6 숫돌차의 경우: 이론 밀도의 >98.5%) 3000psi(2073N/cm2)로 15분 동안 407℃에서 열간 프레스 가공된다. #6 숫돌차용으로 제조된 세그먼트의 로크웰 B 경도는 108이다. 상기 세그먼트는 18.75 체적 %의 연마 입자를 포함한다. 세그먼트는 약 393mm의 외경을 갖는 숫돌차와 0.62cm의 두께를 갖는 세그먼트를 제공하도록 가공된 알루미늄 코어(미국 매사추세츠, 트윅스베리, 야드 메탈사로부터 시판되는 7075 T6 알루미늄)의 주변부와 결합되도록 요구되는 아치형의 기하학적 형상으로 연삭된다.
연마 세그먼트 및 알루미늄 코어는 다수의 연마 세그먼트로 구성된 연속적인 림을 갖는 연마 숫돌차를 제조하도록 실리카 충전된 에폭시 교착 시스템(일본 다오카 케미칼스로부터 시판되는 테크노다인 HT-18 접착제)과 조립된다. 코어의 접촉면 및 세그먼트는 적합한 접착을 보장하도록 세정되며(degreased) 모래 분사 작업이 수행된다.
이러한 새로운 형태의 숫돌차의 최대 작동 속도를 결정하기 위해, 최대 크기의 숫돌차가 노턴 캄파니의 최대 작동 속도 시험 방법에 따라 파열 강도 및 평가된 최대 작동 속도를 결정하기 위해 파괴시 까지 스핀 시험된다. 하기의 표 1은 393mm의 직경을 갖는 실험용 금속 결합 숫돌차의 통상의 예를 위한 파열 시험 데이터를 요약한 것이다.
상기 데이터에 따르면, 이러한 디자인의 실험용 연삭 숫돌차는 최대 90m/s (17,717 surface feet/min)의 작동 속도에 대해 기준을 통과할 수 있다. 최대 160m/s의 높은 작동 속도는 제조 공정 및 숫돌차 디자인의 부가의 변형에 의해 용이하게 성취될 수 있다.
제 2 실시예
연삭 성능 평가:
제 1 실시예의 방법에 따라 제조된 393mm의 직경, 15mm의 두께, 127mm의 중앙 보어(15.5in×0.59in×5in)를 갖는 3개의 실험용 금속 결합 분할형 숫돌차(이론 밀도의 95.6%의 밀도를 갖는 세그먼트를 갖는 #4, 이론 밀도의 97.9%의 밀도를 갖는 세그먼트를 갖는 #5, 이론 밀도의 98.5%의 밀도를 갖는 세그먼트를 갖는 #6)가 연삭 성능을 위해 시험되었다. 모든 실험용 숫돌차가 허용 가능하지만, 3개 중 #6 숫돌차가 가장 양호한 연삭 성능을 갖기 때문에 초기에 32 및 80m/s로 설정된 숫돌차 #6에서 시험되었다. 숫돌차 #6의 시험은 세 개의 속도: 32m/s(6252sfpm), 56m/s(11,000sfpm) 및, 80m/s(15,750sfpm)에서 수행되었다. 두 개의 상업적인 종래 연마 숫돌차가 제어용 숫돌차로서 작용하는 개량형 세라믹 재료를 연삭하기 위해 제공되며 본 발명의 숫돌차와 함께 시험되었다. 그 중 하나는 유리 형상 결합 다이아몬드 숫돌차(미국 매사추세츠, 워체스터, 노턴 캄파니로부터 시판되는 SD320-N6V10 숫돌차)이며, 다른 하나는 수지 결합 다이아몬드 숫돌차(미국 매사추세츠, 워체스터, 노턴 캄파니로부터 시판되는 SD320-R4BX619C 숫돌차)이다. 수지 숫도라는 모든 3개의 속도에서 시험되었다. 유리 형상 숫돌차는 속도에 대한 저항을 고려하여, 32m/s(6252sfpm)에서만 시험되었다.
6.35mm(0.25in)의 폭과 6.35mm(0.25in)의 깊이의 수천개의 플런지 연삭(plunge grinds)이 실리콘 니트라이드 가공편에 수행되었다. 연삭 시험 조건은 다음과 같다.
연삭 시험 조건:
기계 : 스투더 그라인더 모델 S40 CNC
숫돌차 사양 : SD320-R4BX619C, SD320-N6V10,
크기 : 393mm 직경, 15mm 두께 및, 127mm 구멍.
숫돌차 속도 : 32, 56, 및 80 m/s(6252, 11000, 및, 15750sfpm)
냉각제 : 인버솔 22 @60% 오일 및 40% 물
냉각제 압력 : 270psi(19kg/cm2)
재료 제거율 : 3.2mm3/s/mm(0.3in3/min/in)에서 개시하여 다양함.
가공재 : Si3N4(미국 매사추세츠, 노스보로, 노턴 어드밴스드 세라믹스로부터 시판되는 NT551 실리콘 니트라이드로 제조된 로드), 25.4mm(in) 직경×88.9mm (3.5in) 길이.
가공 속도 : 0.21m/s(42sfpm), 일정함
가공 개시 직경 : 25.4mm(1in)
가공 완료 직경 : 6.35mm(0.25in)
수정 및 드레싱이 요구되는 작업에서, 본 발명의 금속 결합 숫돌차에 적합한 조건은,
수정 작업 :
숫돌차 : 5SG46IVS(노턴 캄파니로부터 이용 가능)
숫돌차 크기 : 152mm 직경(6in)
숫돌차 속도 : 3000rpm; 연삭 숫돌차에 대해 +0.8 비율
리드 : 0.015in(0.38mm)
보정(compensation) : 0.0002 in(0.00508mm)
드레싱 작업 :
스틱 : 37C220H-KV (SiC)
모드 : 핸드 스틱 드레싱(Hand Stick Dressing)
시험은 실리콘 니트라이드 로드 연삭시 원통형 외경 플런지 모드에서 수행되었다. 연삭 중에 가동재의 최대 양호한 강성을 보존하기 위해, 88.9mm(3.5in) 샘플이 연삭을 위해 대략 31mm(1.25in) 노출된 상태로 척에 고정된다. 플런지 연삭 시험의 각각의 세트는 각각의 로드의 가장 이격된 단부로부터 개시된다. 먼저, 숫돌차는 하나의 시험을 완료하도록 6.35mm(1/4in) 폭 및, 3.18mm(1/8in) 방사상 깊이의 플런지가 수행된다. 다음 가공 rpm은 감소된 가공 직경에 기인하여 가공 속도의 손실을 보정하기 위해 재조정된다. 두 개 이상의 유사한 플런지가 25.4mm(1 in)에서 6.35mm(1/4in)로 가공 직경을 감소시키기 위해 동일한 위치에서 수행된다. 다음, 숫돌차는 다음 세 개의 플런지를 수행하도록 척에 근접하여 측방향으로 6.35mm(1/4in) 만큼 이동된다. 네 개의 측방향 이동이 샘플의 한 단부 상에 12개의 플런지를 완료하도록 샘플의 동일한 측부에 수행된다. 다음, 샘플은 다른 12개의 그라인드를 위한 다른 단부로 노출되도록 반전된다. 총 24 플런지 연삭이 각각의 샘플에 수행된다.
본 발명의 금속 결합 숫돌차와 수지 및 유리 형상 숫돌차에 대한 초기 비교 시험은 약 3.2mm3/s/mm(0.3in3/min/in)로부터 약 10.8mm3/s/mm(1.0in3/min/in)로 세 개의 재료 제거율(MRR')에서 32m/s의 주변 속도에서 수행되었다. 표 2는 12 플런지 연삭 수행 후의 3개의 상이한 형태의 숫돌차를 G-비(G-ratios)로서 표시되는 성능 차이를 나타낸다. G-비는 숫돌차의 체적에 걸쳐 제거되는 재료의 체적의 무차원 비율이다. 데이터는 높은 재료 제거율에서 N 그레이드 유리 형상 숫돌차가 R 그레이드 수지 숫돌차 보다 양호한 G-비를 갖는 것을 나타내며, 세라믹 가공편 연삭시 연성 숫돌차가 더 양호하게 수행되는 것을 나타낸다. 그러나, 경질의 실험용 금속 결합 숫돌차(#6)는 모든 재료 제거율에서 수지 숫돌차 및 유리 형상 숫돌차 보다 매우 우수하다.
표 2는 모든 재료 제거율에서 수지 숫돌차와 새로운 금속 결합 숫돌차(#6)에 대하여 평가된 G-비를 나타낸다. 금속 결합 숫돌차에 대한 각각의 재료 제거율에서 12 그라인드를 수행한 후 숫돌차의 마모를 측정할 수 없기 때문에, 0.01mil(0.25㎛) 방사상 숫돌차 마모의 대표값이 각각의 그라인드에 제공된다. 이는 6051의 계산된 G-비를 제공한다.
본 발명의 금속 결합 숫돌차가 75 다이아몬드 농도(연마 세그먼트 내의 약 18.75 체적 %의 연마 입자)를 포함하지만, 수지 및 유리 형상 숫돌차는 100 농도 및 150 농도(25 체적 % 및 37.5 체적 %)이며, 본 발명의 숫돌차는 여전히 우수한 연삭 성능을 나타낸다. 이러한 상대적인 입자 농도에서, 높은 체적 %의 연마 입자를 포함하는 제어용 숫돌차로부터 우수한 연삭 성능을 기대할 수 있다. 따라서, 상기 결과는 예기치 않은 것이다.
표 2는 낮은 시험 속도에서 3개의 숫돌차에 의해 연삭된 샘플에서 측정된 표면 거칠기(Ra)와 기복(waviness)(Wt)를 나타낸다. 기복값(Wt)은 기복 윤곽의 골 높이에서 최고점을 나타낸다. 모든 표면 거칠기 데이터는 스파크 아웃(spark-out) 없이 원통형 플런지 연삭에 의해 발생된 표면에서 측정된다. 상기 표면은 통상 횡연삭(traverse grinding)에 의해 발생되는 표면보다 거칠다.
표 2는 3개의 숫돌차 형태에 대해 다양한 재료 제거율에서의 연삭 동력 소비의 차이를 나타낸다. 수지 숫돌차는 다른 두 개의 숫돌차보다 낮은 동력 소비를 갖지만, 실험용 금속 결합 숫돌차와 유리 형상 숫돌차는 유사한 동력 소비를 갖는다. 실험용 숫돌차는, 세라믹 연삭 작업, 특히 적합한 G-비 및 본 발명의 숫돌차에 대해 관찰된 표면 거칠기 데이터의 관점에서 허용 가능한 동력 소비를 갖는다. 통상, 본 발명의 숫돌차는 재료 제거율에 비례하는 동력 소비를 나타낸다.
동일한 조건 하의 부가적인 연삭 시험에서 80m/s(15,750sfpm)에서의 연삭 성능을 측정할 때, 수지 숫돌차와 실험용 금속 숫돌차는 9.0mm3/s/mm(0.8in3/min/in)의 재료 제거율(MRR)에서 유사한 동력 소비를 갖는다. 표 3에 나타낸 바와 같이,실험용 숫돌차는 성능의 손실 또는 부적합한 동력 부하 없이 증가된 MRR에서 작동된다. 금속 결합 숫돌차의 동력 소비는 MRR에 대략 비례한다. 본 발명에서 성취된 최고 MRR은 47.3mm3/s/mm(28.4cm3/min/cm)이다.
표 3 데이터는 12 연삭 단계의 평균이다. 12 단계의 각각에 대해 표시된 개별 동력은 각각의 재료 제거율에서의 실험용 숫돌차에 대해 현저하게 일치하는 것으로 나타난다. 연속적인 연삭 단계가 수행되며 숫돌차 내의 연마 입자가 둔해지거나 숫돌차의 표면이 가공재로 적재됨에 따른 동력의 증가를 관찰할 수 있다. 이는 MRR이 증가됨에 따라 종종 관찰된다. 그러나, 12개의 그라인드 동안 각각의 MRR 내에서 관찰된 안정된 동력 소비 레벨은 실험용 숫돌차가 모든 MRR에서 전체 길이 시험 중에 날카로운 절단점을 유지한다는 것을 나타낸다.
더욱이, 9.0mm3/s/mm(0.8in3/min/in)로부터 47.3mm3/s/mm(4.4in3/min/in)의 범위의 재료 제거율에 의한 상기 전체 시험 중에, 실험용 숫돌차의 수정 또는 드레싱 작업이 필요하지 않다.
숫돌차 마모 없이 연삭된 실리콘 니트라이드 재료의 총 누적량은 271cm3/cm (42in3/in)의 숫돌차 폭과 동일하다. 대조적으로, 8.6mm3/s/mm(0.8in3/min/in)의 재료 제거율에서의 100 농도의 수지 숫돌차에 대한 G-비는 12 플런지가 수행된 후 약 583이다. 실험용 숫돌차는 14개의 상이한 재료 제거율에서 168 플런지 수행 후 측정할만한 숫돌차 마모가 없었다.
표 3은 0.4㎛(16μin) 내지 0.5㎛(20μin) 사이의 일정한 표면 거칠기로 유지되며 1.0㎛(38μin) 내지 1.7㎛(67μin) 사이의 기복값을 갖는 전체 14 개의 재료 제거율에서 실험용 금속 결합 숫돌차에 의해 연삭된 샘플을 나타낸다. 수지 숫돌차는 상기 높은 재료 제거율에서 시험되지 않는다. 그러나, 약 8.6mm3/s/mm (0.8in3/min/in)에서, 수지 숫돌차에 의해 연삭된 세라믹 바(bar)는 약간 양호하지만 유사한 표면 거칠기(0.43 대 0.5㎛) 및, 열악한 기복값(1.73 대 1.18㎛)을 갖는다.
특히, 재료 제거율이 증가됨에 따라 세라믹 로드가 새로운 금속 결합 숫돌차에 의해 연삭될 때 표면 거칠기의 명백한 열화가 없었다. 이는 본원에 사용되는 제어용 숫돌차와 같은 표준 숫돌차에 대한 절단율의 증가에 따라 표면 거칠기의 열화가 통상 관찰되는 것과 비교된다.
전체 결과는 실험용 금속 숫돌차가 표준의 상업적으로 사용되는 수지 결합 숫돌차에 의해 성취될 수 있는 MRR의 5배 정도의 MRR에서 효과적으로 연삭될 수 있다는 것을 나타낸다. 실험용 숫돌차는 낮은 MRR에서 수지 숫돌차와 비교할 때 10배 정도의 G-비를 갖는다.
32m/s(6252sfpm) 및 56m/s(11,000sfpm)의 숫돌차 속도로 작동될 때(표 2), 금속 결합 숫돌차에 대한 동력 소비는 시험된 전체 재료 제거율에서 수지 숫돌차의 동력 소비보다 높다. 그러나, 금속 결합 숫돌차에 대한 동력 소비는 80m/s(15,750 sfpm)에서의 수지 숫돌차의 동력 소비보다 약간 낮거나 유사하게 된다(표 2 및 표 3). 일반적으로, 수지 숫돌차 및 실험용 금속 결합 숫돌차 모두에 대해 동일한 재료 제거율에서 연삭할 때 증가된 숫돌차 속도에 의해 동력 소비가 감소되는 경향을 나타낸다. 대부분 가공편의 가열에 소모되는 연삭 중의 동력 소비는 세라믹 재료의 높은 열적 안정성에 기인하여 세라믹 재료의 연삭에서는 금속 재료의 연삭에서보다 중요하지 않다. 본 발명의 숫돌차에 의해 연삭되는 세라믹 샘플의 표면 거칠기에 의해 나타낸 바와 같이, 동력 소비는 완성된 가공편으로부터 감소되지 않으며 적합한 레벨로 유지된다.
실험용 금속 결합 숫돌차에서, G-비는 모든 재료 제거율 및 숫돌차 속도에애해 6051로 일정하다. 수지 숫돌차에서, G-비는 소정의 일정한 숫돌차 속도에서 증가되는 재료 제거율에 따라 감소된다.
표 3은 높은 숫돌차 속도에서 연삭된 샘플에서 개량된 표면 거칠기 및 기복을 나타낸다. 게다가, 새로운 금속 결합 숫돌차에 의해 연삭된 샘플은 시험된 모든 숫돌차 속도 및 재료 제거율 하에 가장 낮은 측정 기복값을 갖는다.
상기 시험에서, 금속 결합 숫돌차는 제어용 숫돌차와 비교할 때 우수한 숫돌차 수명을 나타낸다. 상업적인 제어용 숫돌차와 대조적으로, 연속적인 연마 시험 중에 실험용 숫돌차에 대한 수정 및 드레싱 작업이 요구되지 않는다. 실험용 숫돌차는 최대 90m/s의 숫돌차 속도에서 성공적으로 작동된다.
제 3 실시예
상기 실시예에서 사용된 것과 동일한 작업 조건 하에서, 80m/s에서 실험용 숫돌차(#6)의 연속적인 연삭 시험에 있어서, 380cm3/min/cm의 MRR이 단지 0.5㎛(12μin)의 표면 거칠기(Ra)를 형성하며 허용 가능한 동력 레벨을 사용하여 성취되었다. 본 발명의 공구를 사용함으로써 얻어진 세라믹 가공편에 대한 손상이 없는 관찰된 높은 재료 제거율은 임의의 결합 형태의 임의의 상업적인 연마 숫돌차에 의한 임의의 세라믹 재료 연삭 작업에 대해서는 공지되지 않았다.
제 4 실시예
컵 형상 연삭 공구가 준비되며 수직형 스핀들 "블랜차드형(blanchard type)" 기계 상에서 사파이어의 연삭 시험을 수행하였다.
컵 형상 숫돌차(직경 250mm)는, 1) 다이아몬드가 45 마이크론(U.S. 메시 270/325)의 그릿 크기이며 12.5 체적 %(50 농도)로 연마 세그먼트 내에 존재하며, 2) 세그먼트 크기가 46.7mm 코드 길이(133.1mm 반경), 4.76mm 폭 및, 5.84mm 깊이인 것을 제외하고는, 제 1 실시예의 숫돌차 #6에 사용된 것과 동일한 조성의 연마 세그먼트 형성된다. 상기 세그먼트는 중앙 스핀들 보어를 갖는 컵 형상 스틸 코어의 측면의 주변부를 따라 결합된다. 코어의 표면은 세그먼트와 동일한 폭, 길이를 갖는 불연속적인 가느다란 포켓을형성하는 주변부를 따라 배치된 홈을 갖는다. 에폭시 교착제(일본, 다오카로부터 시판되는 테크노다인 HT-18 교착제)가 포켓과 상기 포켓 내에 배치된 세그먼트에 첨가되며, 접착제는 경화될 수 있다. 완성된 숫돌차는 도 2에 도시한 숫돌차와 유사하다.
컵 형상 숫돌차는, 적합한 연삭 조건의 G-비, MRR 및 동력 소비 하에 허용 가능한 표면 거칠기를 제공하면서 100mm 직경의 사파이어 중실 실린더로 구성된 가공재의 표면을 연삭하는데 사용된다.
제 5 실시예
AlTiC 또는 실리콘 웨이퍼의 백그라인딩에 적합한 타입 2A2 컵 형상 연삭 공구(280mm 직경)가 하기의 표 4에 설명한 연마 세그먼트로 준비된다. 하기에 설명하는 것 이외에, 세그먼트 크기는 139.3mm 반경 길이, 3.13mm 폭 및, 5.84mm 깊이이다. 표 4에 나타낸 비율로 숫돌차 당 16개의 세그먼트를 제조하는데 충분한 결합재 배치(batch) 혼합물을 포함하는 다이아몬드 연마제가 미국 메시 140/170 스크린을 통해 계량된 부품들을 스크리닝(screening)하며 상기 부품들을 균일하게 혼합하도록 혼합함으로써 준비된다. 각각의 세그먼트를 위해 요구되는 분말이 계량되며, 흑연 몰드 내로 주입되며, 평탄화되며 압축된다. 흑연 세그먼트 몰드는 300psi(2073N/cm2)로 15분 동안 450℃에서 열간 프레스 가공된다. 냉각시, 세그먼트는 몰드로부터 제거된다.
가공된 7075 T6 알루미늄 코어 상에 세그먼트를 고착시킴으로써 숫돌차의 조립이 제 1 실시예에서와 같이 수행된다. 세그먼트는 세정되며, 모래 분사 작업이 수행되며, 접착제로 코팅되며, 숫돌차 주변부와 일치되도록 가공된 공동 내에 배치된다. 접착제의 경화 후, 숫돌차는 소정의 크기로 가공되며, 균형화 작업이 수행되며 속도 시험된다.
a. 샘플 (1)이 270 메시(57㎛)인 것을 제외하고는, 세그먼트 내에 사용되는 모든 다이아몬드 입자는 325 메시(49㎛)이다. 다이아몬드 농도 레벨은 다이아몬드의 체적 % 하부에 나타낸다.
b. 기공은 세그먼트의 마이크로구조의 관찰로부터 추정되었다. 금속간 합금의 형성에 기인하여, 시험 샘플의 밀도는 세그먼트에 사용된 재료의 이론 밀도를 종종 초과한다.
제 6 실시예
연삭 성능 평가:
제 5 실시예에 따라 형성된 280mm 직경, 29.3mm 두께, 228.6mm 중앙 보어(11in×1.155in×9in)의 낮은 다이아몬드 농도의, 흑연 충전 실험용 분할된 숫돌차가 연삭 성능을 위해 시험되었다. 상기 샘플들의 성능은, 흑연 충전재가 없는 제 1 실시예(숫돌차 #6)의 높은(75 농도) 다이아몬드 연마 세그먼트 조성에 따라형성된 제 5 실시예의 제어용 백그라인딩 숫돌차의 성능과 비교된다.
각각 114.3mm(4.5in) 폭 및 1.42mm(0.056in) 깊이의 70 이상의 그라인드가 4.5in(114.3mm)×4.5in(114.3mm)또는 6.0in(152.4mm)×6.0in(152.4mm)의 치수를 갖는 AlTiC(미국 미네소타, 미네아폴리스, 3M 코포레이션으로부터 시판되는 210 그레이드 AlTiC) 상에 수행되었으며, 제거된 스톡의 마이크론 및 수직 연삭력이 기록되었다. 연삭 시험 조건은 다음과 같다.
연삭 시험 조건:
기계 : 스트라스바우(Strasbaugh) 그라인더 모델 7AF
연삭 모드 : 수직 스핀들 플런지 연삭
숫돌차 사양 : 280mm 직경, 29.3mm 두께 및, 229mm 구멍
숫돌차 속도 : 1,200rpm
작업 속도 : 19rpm
냉각제 : 탈이온화수
재료 제거율 : 1.0㎛/s 내지 5.0㎛/s로 다양함.
숫돌차는 미국 워체스터, 노턴 캄파니로부터 시판되는 38A240-HVS 드레스 패드의 6in(152.4mm) 드레스 패드로 수정 및 드레싱된다. 초기 작동 후, 수정 및 드레싱은 하향 이송 속도가 변화될 때 요구에 따라 주기적으로 수행된다.
제 5 실시예, 샘플 2, 4 및 1에 대한 연삭 시험의 결과(수직력 대 제거된 스톡)를 하기의 표 6 및, 도 3에 나타낸다.
a. 2a는 3.13mm의 폭의 연마 세그먼트 림을 갖는 표 4의 샘플 2이다.
b. 2b는 2.03mm의 폭의 연마 세그먼트 림을 갖는 표 4의 샘플 2이다.
상기 결과는 흑연 충전재 없이 75 농도의 다이아몬드 연삭제를 갖는 제어용 숫돌차 샘플에 의해 표면 연삭할 때, 높은 MRR(1 내지 3 내지 5μ/s MRR)에서 다량의 스톡을 제거하는데 수직력의 큰 증가가 요구되는 것을 나타낸다. 대조적으로, 본 발명의 제 5 실시예의 낮은 다이아몬드 농도의 흑연 충전 숫돌차(샘플 2a, 2b 및 4)는 연삭 중에 매우 작은 수직력을 필요로 한다. 본 발명의 숫돌차를 위한 2μ/s의 MRR에서 동일한 양의 스톡을 제거하는데 필요한 힘은 비교되는 숫돌차 샘플에 대해 1μ/s의 MRR에서 필요한 힘과 동일하다.
게다가, 숫돌차 2a 샘플은 1μ/s의 MRR 또는 2μ/s의 MRR율에서 연삭되는데대략 동일한 수직력을 필요로 한다. 본 발명의 제 5 실시예의 숫돌차 2a, 2b 및 4는 또한 200 내지 600μ 로 연삭이 진행된 스톡의 양을 필요로하는 비교적 안정된 수직력을 나타낸다. 이러한 형태의 연삭 성능은, 이러한 낮은 힘의 안정된 상태(steady state) 조건이 가공편에 대한 열적 및 기계적 손상을 최소화하기 때문에 AlTiC 웨이퍼 백그라인딩에 매우 적합하다.
제어용 숫돌차(제 1 실시예)는, 상기 숫돌차를 연삭하는데 필요한 힘이 연삭기의 수직력 수용량을 초과하며 이에 의해 상기 연삭기가 자동으로 정지되며 높은 스톡 제거 레벨에서 데이터의 축적을 방해하기 때문에 높은 스톡 제거 레벨(예를 들면, 약 300μ)에서 시험되지 않았다.
특정 이론에 의해 제한되는 것은 아니지만, 본 발명의 낮은 다이아몬드 농도의 흑연 충전 숫돌차의 우수한 연삭 성능은 연삭 중 소정의 시점에 가공편의 표면에 접촉되는 연마 세그먼트의 단위 영역당 작은 수의 개별 입자와 관련된다. 당업자는 낮은 다이아몬드 농도에서 낮은 MRR을 기대하지만, 본 발명의 연삭력 개선은 MRR을 저하시키지 않고 매우 양호하게 성취될 수 있다. 2.03mm의 폭의 연마 세그먼트를 갖는 숫돌차 2b는 3.13mm의 폭의 연마 세그먼트를 갖는 숫돌차 2a와 비교할 때 동일한 제거율 및 스톡 제거량으로 연삭되는데 작은 힘이 요구된다. 숫돌차 샘플 2b는 숫돌차 샘플 2a와 비교할 때 연삭 중 소정의 시점에서 가공편의 표면과 접촉하는 소수의 연삭점 및 작은 표면 영역을 갖는다.

Claims (11)

  1. 2.4MPa-cm3/g의 최소 비강도와, 0.5 내지 8.0g/cm3의 코어 밀도를 갖는 코어와, 원형의 주변부 및, 다수의 연마 세그먼트에 의해 형성된 연마 림을 포함하며,
    상기 연마 세그먼트는 최대 100 체적 %의 총량 중에, 0.05 내지 10 체적 %의 초연삭재 입자와, 10 내지 35 체적 %의 취성 충전재 및, 10 내지 3.0MPa M1/2의 파괴 인성을 갖는 55 내지 89.95 체적 %의 금속 결합재 매트릭스를 포함하는 표면 연삭용 연삭 공구.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 코어는 알루미늄, 스틸, 티타늄 및 청동과, 이들의 복합 재료 및 합금과, 이들의 조합물로부터 구성된 그룹으로부터 선택된 금속 재료를 포함하는 연삭 공구.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 연마 세그먼트는 60 내지 84.5 체적 %의 금속 결합재 매트릭스와, 0.5 내지 5 체적 %의 연마 입자 및, 15 내지 35 체적 %의 취성 충전재를 포함하며, 상기 금속 결합재 매트릭스는 최대 5 체적 %의 기공을 포함하는 연삭 공구.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 연마 입자는 다이아몬드 및 큐빅 보론 니트라이드 및, 이들의 조합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 연삭 공구.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 연삭 공구는 두 개 이상의 연마 세그먼트를 포함하며, 상기 연마 세그먼트는 신장된 아치 형상이며, 상기 코어의 원형 주변부와 결합되도록 선택된 내부 만곡부를 가지며, 상기 각각의 연마 세그먼트는, 상기 연마 세그먼트가 상기 코어에 결합될 때 상기 연마 세그먼트 사이에 간극이 존재하지 않으며 상기 연마 림이 연속적으로 형성되도록 인접한 연마 세그먼트에 결합되도록 설계된 두 개의 단부를 갖는 연삭 공구.
  10. 삭제
  11. 삭제
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