TWI715591B - 刀輪及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種具有無凹凸之光滑的刃前端斜面、且能夠長期穩定使用之單結晶鑽石製之刀輪及其製造方法。

該刀輪係於外周面具備刃前端部2之由單結晶鑽石構成之刀輪A，刃前端部2由左右對稱之三段的斜面2a、2b、2c、與形成於最上段之左右斜面2c、2c之交點的稜線2d構成；各斜面2a~2c之傾斜角，以上段之斜面較下段之斜面平緩的方式形成；最上段之斜面2c、2c與稜線2d，以形成實質的刃前端的方式構成；最上段之斜面2c、2c，其厚度方向的寬度L1，為圓板狀本體1之厚度的一半以下，且表面粗糙度形成為算術平均粗糙度為0.03μm以下。

Description

刀輪及其製造方法

本發明係關於一種對脆性材料基板進行刻劃線(切槽)之加工、或進行分斷時使用之刀輪(亦稱為刻劃輪)及其製造方法。本發明尤其是關於一種適合於對氧化鋁、HTCC(High-Temperature Co-fired Ceramic：高溫共燒陶瓷)、LTCC(Low-Temperature Co-fired Ceramic：低溫共燒陶瓷)等陶瓷基板或藍寶石基板、矽基板等、較非晶質玻璃基板硬之脆性材料基板進行刻劃線之加工、或進行分斷之由單結晶鑽石(金剛石)構成之刀輪及其製造方法。

分斷脆性材料基板之加工，一般已知的方法，係使用刀輪在基板表面形成刻劃線，之後，藉由沿刻劃線從背面側施加外力使基板撓曲，據以分斷成各個單位基板，此方法已揭示於例如專利文獻1。

對脆性材料基板進行刻劃線加工之刀輪，係使用在圓周面具有V字形之刃前端的刀輪。一般而言，刀輪係由超硬合金或多結晶鑽石燒結體作成，但最近受注目的係為由單結晶鑽石構成之硬度較玻璃基板高之陶瓷基板或藍寶石基板、矽基板等之刻劃用之刀輪。

為了在刀輪之圓周面形成V字形之刃前端，如圖3所示在作為素材之圓板狀本體101之軸孔3插入研磨裝置之軸4並使圓板狀本體旋轉，藉由研磨石5呈傾斜地對圓周面之兩側緣進行研磨，形成由左右之斜 面與稜線構成之V字形之刃前端。

分斷玻璃基板等脆性材料基板之步驟，雖係在利用刀輪進行刻劃線之加工後，對基板施加外力以沿刻劃線將其分斷，但若刀輪之刃前端斜面未充分研磨而殘留凹凸，則在分斷時於基板之分斷端面留下傷痕，使基板之端面強度降低。此外，若在刀輪之刃前端斜面存在凹凸，則刻劃時之阻力增加將導致刃前端產生缺口、逐漸磨耗等而降低使用壽命。因此，刃前端斜面必須形成為無凹凸之光滑面。該刃前端斜面之表面粗糙度，較佳為算術平均粗糙度(Ra)為0.03μm以下。

專利文獻1：日本專利3787489號公報

然而，為了削去圓板之圓周面之兩側緣以加工成V字形之刃前端的形態，且由於削去的研磨區域多，因此必須使用粒度粗之粗研磨用研磨石。因此，於加工成V字形後，必須以粒度細之研磨石對刃前端斜面進行精研磨，但由於在以粗研磨石進行加工後之刃前端斜面殘留較大的凹凸，因此使用細粒度之研磨石研磨至成為最佳之表面粗糙度相當費時，並且研磨石之更換頻率亦增加使成本變高。此外，刀輪之刃前端，由於侵入脆性材料基板之前端稜線部分成為實質的刃前端，因此只要針對進行該步驟之刃前端之前端部分，將其精加工成所希望之表面粗糙度即可，但上述方法因係精研磨刃前端斜面之全域而產生浪費的部分。尤其是在僅由硬度高、且易受表面所呈現之複數個結晶方位之影響的單結晶鑽石構成之刀輪的加工中，將殘留有凹凸之刃前端斜面全周均勻地精研磨至所希望之表面粗糙度，是非常困難的作業。

因此，本發明有鑑於上述課題，目的在於提供一種具有無凹凸之光滑的刃前端斜面、且能夠長期穩定使用之單結晶鑽石製之刀輪及其製造方法。

為了解決上述課題，在本發明中提出如以下之技術性的手段。亦即，本發明之刀輪，係於外周面具備刃前端部之由單結晶鑽石構成之刀輪，該刃前端部由左右對稱之三段的斜面、與形成於最上段之左右斜面之交點的稜線構成；該三段之各斜面之傾斜角，形成為上段之斜面較下段之斜面平緩，該最上段之斜面與該稜線，形成侵入作為刻劃對象之脆性材料基板之實質的刃前端；該最上段之左右之斜面部分之厚度方向的寬度為圓板狀本體之厚度的一半以下，且該最上段之斜面之表面粗糙度，形成為算術平均粗糙度為0.03μm以下。

此處，較佳為：該最上段之左右斜面相交之角度為100~150°。

此外，本發明亦以以下之刀輪之製造方法作為特徵。亦即，本發明之單結晶鑽石製刀輪之製造方法，該刀輪於外周面具備由左右對稱之三段的斜面、與形成於最上段之左右之斜面之交點的稜線構成的刃前端，該三段之各斜面之傾斜角，形成為上段之斜面較下段之斜面平緩；該製造方法由下述加工步驟構成：去除圓板狀本體之圓周面之兩側緣，以形成最下段之斜面的一次加工步驟；對藉由該一次加工步驟形成之最下段之斜面之一部分進行加工，以形成第二段之斜面的二次加工步驟；以及對藉由該二次加工步驟而形成之第二段之斜面之一部分進行加工，以形成最上段之斜面的三次加工步驟；於該三次加工步驟，加工成該最上段之斜面之表面粗糙度為算術平均粗糙度0.03μm以下；於該三次加工步驟，加工成被 加工之最上段之左右之斜面部分相對於圓板狀本體之厚度所占之比例為圓板狀本體之厚度的一半以下。

根據本發明之刀輪，由於刃前端部之斜面係以三段之斜面形成，因此能夠在加工斜面時從下段之斜面至上段依序分成三次進行加工。因此，藉由順著加工步驟改變成粒度較細之研磨石，能夠從第一段之斜面至第二段、第三段之斜面依序使表面之凹凸變小，且能夠於最終使用粒度細之精加工用之研磨石，容易地將成為實質的刃前端斜面之最上段之斜面加工至所希望之表面粗糙度。此外，由於最上段之斜面之寬度為圓板狀本體之厚度之一半以下，因此在以精研磨石對最上段之斜面進行研磨時，與如習知對刃前端斜面之整體寬進行研磨相比，能夠使研磨區域大幅地減少而不浪費地迅速進行精研磨。藉此，能夠容易地獲得具有無凹凸之光滑的刃前端斜面、刀刃缺裂少、使用壽命長之單結晶鑽石製刀輪。

此外，根據本發明之刀輪之製造方法，雖經由一次、二次、三次之三階段之加工步驟，加工具有三段斜面之刃前端部，但此時係以從第一段之斜面至第二段、第三段之斜面其表面凹凸變小之方式依序加工。因此，能夠於最終使用粒度細之精加工用之研磨石，容易地將成為實質的刃前端斜面之最上段之第三段斜面加工至所希望之表面粗糙度。

此外，於三次加工步驟，由於僅對成為圓板狀本體之厚度的一半以下的第三段斜面進行精加工成所希望之表面粗糙度，因此與如習知對刃前端斜面之整體寬進行加工相比，能夠使加工區域大幅地減少而不浪費地迅速進行精加工。該優點在僅由質硬、且易受不同結晶方位之影響的單結晶鑽石構成之刀輪的加工中尤其特別顯著。藉此，能夠以良好效率製造於全周 具備無凹凸之光滑的刃前端斜面、刀刃缺裂少、使用壽命長之單結晶鑽石製之刀輪。

在上述發明中，優選為：使稜線之最大高度粗糙度為0.3μm以下。此外，較佳為：使稜線之最大高度粗糙度為0.1μm以下，更佳為0.05μm以下。

在刀輪之素材為多結晶鑽石燒結體的情形雖少有問題，但近年來在由單結晶鑽石構成之刀輪中，已知具有表面細微的傷痕(龜裂)成為起點而容易破損之性質。尤其是在將單結晶鑽石加工成圓板狀，進一步於其外周形成刃前端的情形時，由於在圓周上受到周期性地不同之結晶方位的影響，在特定之部位容易出現細微的傷痕(龜裂)。因此，不僅是算術平均粗糙度(Ra)，亦對於稜線之最大高度粗糙度(Rz)之值，以在受到不同之結晶方位之影響的複數個部位相同程度地變小之方式設定，可有效地防止破損。亦即，稜線之山高之最大值與谷深之最大值的和即稜線之最大高度粗糙度(Rz)，加工成在外周上無較上述值更大之部位，亦減少刀輪表面之難以出現在算術平均粗糙度(Ra)之值之局部的凹凸，藉此減少在刻劃時刀輪受到局部且集中的負載而產生破損之問題。

A:刀輪

L1:第三段(最上段)之左右之斜面部分的厚度方向之寬度

α3:第三段之斜面之交點角度(第三段之左右斜面相交之角度)

1:圓板狀本體

2:刃前端部

2a:第一段(最下段)之斜面

2b:第二段之斜面

2c:第三段之斜面

2d:稜線

3:軸孔

圖1，係顯示本發明之刀輪的前視圖與側視圖、及刃前端部分的放大圖。

圖2，係顯示本發明之刀輪之製造步驟的說明圖。

圖3，係顯示本發明之刀輪之製造方法中的一次加工步驟的說明圖。

圖4，係說明本發明之效果的圖。

以下，針對本發明之刀輪及其製造方法，根據圖1~圖3詳細地進行說明。

圖1(a)係顯示本發明之刀輪A的前視圖，圖1(b)係側視圖，圖1(c)係刃前端部分的放大圖。該刀輪A，僅以單結晶鑽石製作，於中心具備軸孔3的圓板狀本體1之外周面設有刃前端部2。本實施例中，形成為刀輪A之直徑D為2mm，厚度t為650μm，第三段(最上段)之斜面相交之角度為120°。

刀輪A之刃前端部2，由形成左右對稱之三段斜面2a、2b、2c、與形成於最上段斜面2c、2c之交點的稜線2d構成。該等斜面2a、2b、2c之傾斜角度，以上段之斜面較下段之斜面平緩之方式形成。本實施例中，第一段(最下段)之左右斜面2a、2a相交之角度α1為90~140°，較佳為形成100~140°，第二段之左右斜面2b、2b相交之角度α2為95~145°，較佳為形成105~145°，第三段(最上段)之左右斜面2c、2c相交之角度α3為100~150°，較佳為形成110~150°。該第三段斜面2c、2c與該等斜面相交之稜線2d，成為刻劃時侵入脆性材料基板之實質的刃前端。因此，斜面2c、2c相交之角度α3成為刃前端角度。此處，較佳為：第三段(最上段)之斜面2c、2c相交之角度α3與第二段之斜面2b、2b相交之角度α2的角度差為5~10°，第二段之斜面2b、2b相交之角度α2與第一段(最下段)之斜面2a、2a相交之角度α1的角度差為5~10°。藉由設定成上述角度差，能夠在將加工去除的量控制為最小限度之同時，以良好精度確實地形成傾斜面與稜線。

從成為該實質的刃前端的第三段斜面2c、2c之稜線起沿斜面之寬度W1，較佳為：在直徑為2mm且厚度為650μm之刀輪A中，以成為單側10 ~50μm之方式形成。在第三段(最上段)之斜面相交之角度為120°，沿斜面之寬度W1為單側50μm時，配合第三段之左右之斜面部分的厚度方向之寬度約為80μm。

接下來，根據圖2及圖3說明刀輪A之製造方法。

圖2(a)係顯示刃前端加工前之圓板狀本體101。該圓板狀本體101，從側面觀察下為圓形且外周面平坦，於中心設有貫通之軸孔3。圓板狀本體101之厚度t，與完成後之刀輪A的厚度相同，為650μm。

將該圓板狀本體101之軸孔3，如圖3所示，插入研磨裝置之旋轉軸4以安裝圓板狀本體101，一邊使圓板狀本體101旋轉一邊將研磨石5按壓於圓板狀本體101之外周面之側緣部分，以進行第一段斜面2a之加工，亦即一次加工步驟。於該步驟，首先加工一側之斜面2a，接著反轉圓板狀本體101以加工另一側之斜面2a。藉此，形成僅由如圖2(b)所示之斜面2a形成刃前端斜面之圓板狀本體102。

在一次加工步驟中，由於應去除之區域S1較大，亦即，加工區域較大，因此在藉由研磨進行加工時，使用粒度粗之研磨石，例如粒度為400~1000號，較佳為使用600~900號之粗研磨石進行研磨。

接著，藉由與上述同樣的手法，進行二次加工步驟，該二次加工步驟係加工於先前的一次加工步驟中加工而成的第一段斜面2a之上方部分以形成第二段之斜面2b、2b。藉此，如圖2(c)所示，形成具有由第一段斜面2a與第二段斜面2b所形成之二段形狀之刃前端斜面的圓板狀本體103。此時，較佳為根據角度將沿第二段之斜面2b、2b的傾斜面之寬度W2設成為單側30~80μm。

於該二次加工步驟，由於藉由加工去除之區域S2，亦即加工區域，與一次加工步驟之加工區域S1相比相當地少，因此在藉由研磨進行加工時，可使用粒度較在一次加工步驟中所使用之研磨石更細之研磨石，例如粒度為2000~8000號，較佳為使用3000~5000號之研磨石進行研磨。藉此，第二段之斜面2b被漂亮地加工成較第一段之斜面2a更小的凹凸面。

接著，如圖2(d)所示，進行三次加工步驟以完成圓板狀本體1，該三次加工步驟係加工藉由二次加工步驟加工而成的第二段斜面2b之上方部分以形成第三段之斜面2c、2c。此時，較佳為將從第三段之斜面2c、2c之稜線起的沿斜面之寬度W1設成為10~50μm。此外，此時，第三段之左右之斜面部分的厚度方向之寬度L1設成為圓板狀本體1之厚度t之一半以下。該第三段之斜面2c、2c、與形成於該等斜面之交點的稜線2d，形成刻劃時侵入脆性材料基板之實質的刃前端。

於三次加工步驟，藉由加工去除之區域S3，與二次加工步驟之加工區域S2相比更少，而且被研削之第二段斜面2b表面之凹凸，已藉由先前的二次加工步驟而變小。因此在藉由研磨進行加工的情形時，可使用粒度較在二次加工步驟中所使用之研磨石更細的精加工用之研磨石，例如粒度為10000~30000號之研磨石。藉此，能夠容易地研磨至所希望之表面粗糙度、亦即JIS0601：2013所規定之算術平均粗度(Ra)為0.03μm以下，較佳為研磨至0.01μm。

同樣地，測量JIS0601：2013中規定之最大高度粗糙度(Rz)，最大高度粗糙度(Rz)設為0.3μm以下，較佳為0.1μm以下，更佳為0.05μm以下。藉此，能夠使因稜線之細微的傷痕(凹凸)而起的破損難以產生。另外， 在該加工中，雖算術平均粗糙度(Ra)及最大高度粗糙度(Rz)越小則破損越難以產生，但由於其加工之難易度亦增加，因此以與加工成本的關係來決定粗糙度之精度。

如上所述在本發明中，經由一次、二次、三次之所謂的三階段加工步驟，加工具有三段斜面之刃前端部2。此時，藉由依照加工步驟順序而改變成粒度較細的研磨石，並以從第一段斜面2a至第二段斜面2b、進一步至第三段斜面2c依序使表面凹凸變小的方式加工。因此，在加工成為實質的刃前端斜面之第三段斜面2c的三次加工步驟中，可使用粒度細的精加工用之研磨石而容易地加工至所希望之表面粗糙度。此外，於三次加工步驟，由於僅針對成為實質的刃前端斜面之第三段斜面2c進行精加工成所希望之表面粗糙度，因此如圖4(b)所示，由於與習知的刃前端斜面之寬度L相比，圖4(a)所示之斜面2c之寬度L1為圓板狀本體1之厚度t之一半以下，因此能夠不浪費且迅速地進行精加工。該優點在僅由質硬的單結晶鑽石構成之刀輪的研磨中尤其特別顯著。

以上，雖針對本發明之代表性的實施例進行了說明，但本發明並不特定於上述實施形態。例如，在本發明中包含上述實施例所示之直徑為2mm者，可適用於0.8~3mm之刀輪。此外，成為實質的刃前端角度的第三段斜面2c之交點角度α3，在本實施例中雖設定成120°，但可在100~150°之範圍內實施。

此外，在本實施例中，雖於一次加工步驟、二次加工步驟、三次加工步驟中藉由研磨形成加工區域，但亦可藉由其他的加工方法形成加工區域。例如，可利用雷射加工，或是在摻雜氟素或磷等之不純物而具有導電 性的單結晶鑽石的情形時，可利用放電加工。在加工區域較大的一次加工步驟中，可使用雷射加工或放電加工縮短加工時間。另一方面，為了使加工後的表面粗糙度變小，三次加工較佳為進行研磨加工。

此外，本發明可在達成其目的、不脫離申請專利範圍的範圍內適當地進行修改、變更。

本發明，適用於對陶瓷基板或藍寶石基板、矽基板等、較非晶質之玻璃基板硬的脆性材料基板加工刻劃線、或進行分斷時使用之單結晶鑽石製之刀輪。

A:刀輪

D:刀輪之直徑

L1:第三段之左右之斜面部分的厚度方向之寬度

W1:從第三段之斜面2c、2c之稜線起的沿斜面之寬度

W2:沿第二段之斜面2b、2b的傾斜面之寬度

t:刀輪之厚度

α1:第一段之左右斜面相交之角度

α2:第二段之左右斜面相交之角度

α3:第三段之左右斜面相交之角度

1:圓板狀本體

2:刃前端部

2a:第一段(最下段)之斜面

2b:第二段之斜面

2c:第三段之斜面

2d:稜線

3:軸孔

Claims (8)

1. 一種刀輪，係於外周面具備刃前端部之由單結晶鑽石構成之刀輪，其特徵在於：該刃前端部，由左右對稱之三段的斜面、與形成於最上段之左右斜面之交點的稜線構成；該三段之各斜面之傾斜角，形成為上段之斜面較下段之斜面平緩；該最上段之斜面與該稜線構成為形成侵入作為刻劃對象之脆性材料基板之實質的刃前端；該最上段之左右之斜面部分之厚度方向的寬度為圓板狀本體之厚度的一半以下，且該最上段之斜面之表面粗糙度，形成為算術平均粗糙度為0.03μm以下，該稜線之最大高度粗糙度為0.3μm以下。
2. 如申請專利範圍第1項之刀輪，其中，該最上段之左右斜面相交之角度為100~150°。
3. 如申請專利範圍第1或2項之刀輪，其中，該稜線之最大高度粗糙度為0.1μm以下。
4. 如申請專利範圍第3項之刀輪，其中，該稜線之最大高度粗糙度為0.05μm以下。
5. 一種單結晶鑽石製刀輪之製造方法，該刀輪於外周面具備由左右對稱之三段的斜面、與形成於最上段之左右斜面之交點的稜線構成的刃前端，該三段之各斜面之傾斜角，形成為上段之斜面較下段之斜面平緩，其特徵在於：由下述加工步驟構成： 去除圓板狀本體之圓周面之兩側緣，以形成最下段之斜面的一次加工步驟；對藉由該一次加工步驟形成之最下段之斜面之一部分進行加工，以形成第二段之斜面的二次加工步驟；以及對藉由該二次加工步驟而形成之第二段之斜面之一部分進行加工，以形成最上段之斜面的三次加工步驟；於該三次加工步驟，加工成該最上段之斜面之表面粗糙度為算術平均粗糙度0.03μm以下，該稜線之最大高度粗糙度為0.3μm以下；於該三次加工步驟，加工成被加工之最上段之左右之斜面部分之厚度方向的寬度為圓板狀本體之厚度的一半以下。
6. 如申請專利範圍第5項之刀輪之製造方法，其中，於該三次加工步驟，加工成該最上段之左右斜面相交之角度成為100~150°。
7. 如申請專利範圍第5或6項之刀輪之製造方法，其中，該稜線之最大高度粗糙度為0.1μm以下。
8. 如申請專利範圍第7項之刀輪之製造方法，其中，該稜線之最大高度粗糙度為0.05μm以下。

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