(57)【要約】      （修正有）【課題】砥粒の配置又はパターンが精密に制御された研削工具に関する。【解決手段】作用面を有する砥粒工具の製造方法は、砥粒工具３４の作用面に非導電層３６を設ける工程により開始される。好ましくはレーザービームを用い、作用面にパターンをエッチングする。作用面パターンに金属及び砥粒４０，４２，４４を電気メッキ又は無電解メッキする。作用面から非導電層を除去する。別法として、接着剤を作用面に層として設け、次いで接着剤層にネガパターンをエッチングし砥粒の不要な部分の接着剤をエッチングで除去する。次に、砥粒を作用面に接触させて、残留する接着剤に付着させればよい。この場合も、作用面に金属を電気メッキ又は無電解メッキすることができる。上記二通りの方法を何回か繰り返すことで、作用面の異なる領域にサイズ及び種類の異なる砥粒を種々異なる集中度で設けることができる。【選択図】図８
2010076091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作用面を有する砥粒工具の製造方法であって、
（ａ）砥粒工具の作用面に接着剤層を設け、
（ｂ）作用面にパターンのネガ形をエッチングし、
（ｃ）作用面を砥粒に接触させて、表面に上記パターンの砥粒を形成し、
（ｄ）作用面に金属をメッキする
段階を含んでなる方法。
【請求項２】
前記砥粒が合成ダイヤモンド、天然ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、ウルツ鉱型窒化ホウ素、炭化ケイ素、炭化タングステン、炭化チタン、アルミナ、サファイア又はジルコニアの１種以上である、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記砥粒が金属又は金属酸化物の１種以上で被覆される、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記金属がＴｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｎ又はＡｌの１種以上である、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記接着剤が、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビニル樹脂、ポリウレタン、アミン−ホルムアルデヒド樹脂、アミド−ホルムアルデヒド樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、ワックス、シリコーン樹脂又はポリアミド樹脂の１種以上から処方される、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記パターンのネガ形がレーザー又は電子ビームの１以上で作用面にエッチングされる、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記メッキが電気メッキ条件又は無電解メッキ条件の１以上の下で実施される、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記砥粒工具が研削エレメント、ポリッシングエレメント、切削エレメント又はドリリングエレメントの１以上である、請求項１記載の方法。
【請求項９】
当該方法を１回以上繰り返す間に砥粒のサイズ、種類、品質又は集中度の１以上を変化させる、請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概括的には研削工具に関するものであり、具体的には、砥粒の配置又はパターンが精密に制御された研削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従前、砥粒は様々な技法で研削エレメントの外面に付着又は研削エレメント内部に埋め込まれていた。技法を問わず、研削工具の切刃は砥粒のランダムな分布で特徴付けられてきた。これは、スチールコア研削ホイールにニッケルメッキした４０／５０メッシュ砥粒の顕微鏡写真（倍率１００×）である図１を参照すれば分かる。図２は同じ研削ホイールの倍率５０×の写真である。砥粒がランダムな分布及び集中度でニッケルメッキされ、研削工具のどの領域でもこれらを制御できなかったことが分かる。このことはホイールの目詰まりの危険性が存在することを意味する。さらに、工具の所定領域で砥粒のサイズ、種類及びジオメトリーを調整する機会もほとんどない。工具にメッキされる砥粒の総量は制御できるが、かかる制御はプロセスの反復性及び品質管理に幅広い自由度を許容する。
【０００３】
従来技術では、電気メッキプロセス時のＮｉの付着を防止するための非導電性領域を生じさせるため、接着箔及び印刷技術を用いて工具表面に特定の砥粒パターンを得ている。こうしたプロセスは平面に限られ、通常の研削ホイールその他の工具の縁その他の複雑な表面形状で超砥粒の性能を最大限に活用するという産業界の要請を満足しない。例えば、欧州特許出願公開第０８７０５７８号では、接着剤層を用いて砥粒を所定位置に保持し、次いでＮｉ層から突出した砥粒に溝を設けることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０８７０５７８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
当技術分野では、明らかに、工具作用面に設けられる砥粒の位置、集中度、グレードなどを精密に制御できるようにすることにニーズが存在する。本発明はかかるニーズに向けられたものである。  
【課題を解決するための手段】
【０００６】
作用面を有する砥粒工具の製造方法では、まず砥粒工具の作用面に非導電層を設ける。好ましくはレーザービームを用い、作用面又は非導電層にパターンをエッチングする。作用面パターンに金属及び砥粒を電気メッキ又は無電解メッキする。作用面から非導電層を除去する。この方法を何回か繰り返すことで、作用面の異なる領域にサイズ及び種類の異なる砥粒を種々異なる集中度で設けることができる。
【０００７】
別法では、接着剤を砥粒工具の作用面に層として設けることもできる。次いで、接着剤層にネガパターンをエッチングする。つまり、砥粒の不要な部分の接着剤をエッチングで除去する。次に、砥粒を作用面に接触させて、残留する接着剤に付着させればよい。この場合も、この方法を何回か繰り返すことで、作用面の異なる領域にサイズ及び種類の異なる砥粒を種々異なる集中度で設けることができる。この方法でも、作用面に金属を電気メッキ又は無電解メッキすることができる。
【０００８】
これら二つの実施形態に共通するのは、レーザーその他の精密除去装置を用いて、砥粒工具の作用面に付着させようとする砥粒の正確な位置を決定できることである。さらに、いずれの実施形態も、複数回繰り返すように修正でき、位置に応じてサイズ、種類及び集中度が制御された砥粒の精密な配置をもつ金属被覆作用面が得られるように修正することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の特質及び利点を十分に理解するには、添付の図面に関する以下の詳細な説明を参照されたい。
【００１０】
以下に図面をさらに詳しく説明する。
【図１】スチールコア研削ホイールにニッケルメッキした１２０／１４０メッシュ砥粒の顕微鏡写真（倍率１００×）であり、ホイール製造の先行技術を例示する。
【図２】スチールコア研削ホイールにニッケルメッキした４０／５０メッシュ砥粒の顕微鏡写真（倍率５０×）であり、ホイール製造の先行技術を例示する。
【図３】通常の研削ホイール形状の簡略側面図であり、砥粒での被覆を要する複雑なジオメトリーを示す。
【図４】通常の研削ホイール形状の簡略側面図であり、砥粒での被覆を要する複雑なジオメトリーを示す。
【図５】通常の研削ホイール形状の簡略側面図であり、砥粒での被覆を要する複雑なジオメトリーを示す。
【図６】砥粒配置が精密に制御された砥粒工具の製造に用いられるプロセス段階の略図である。
【図７】砥粒配置が精密に制御された砥粒工具の製造に用いられるプロセス段階の略図である。
【図８】砥粒配置が精密に制御された砥粒工具の製造に用いられるプロセス段階の略図である。
【図９】砥粒配置が精密に制御された砥粒工具の製造に用いられるプロセス段階の略図である。
【図１０】レーザービーム処理で除去された塗膜領域を有する被覆工具の作用面を示す顕微鏡写真（倍率２００×）である。
【図１１】レーザービーム処理位置の工具作用面に砥粒１個をメッキしたものを示す顕微鏡写真（倍率３００×）である。
【図１２】３箇所のポケット又はクラスターを示す顕微鏡写真（倍率１００×）であり、所定の数の砥粒が精密に制御された配置で工具作用面にメッキされているのが分かる。
【図１３】本発明に従って砥粒を規則的配置で付着させた工具の概略上面図である。
【図１４】規則的配置の砥粒を有するホイールの使用によって工具が工作物から略同じ大きさの切屑を取り除くことを表す概略側面図である。
【図１５】本発明に従って砥粒を規則的配置で付着させたホイールの概略上面図であり、半径方向ホイール速度と切屑厚さの関係を示す。
【図１６】工具の拡大概略側面図であり、砥粒のサイズ、集中度及び種類によって強化した輪郭セグメントを示す。
【図１７】工具の拡大概略側面図であり、砥粒のサイズ、集中度及び種類によって強化した輪郭セグメントを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の価値は、通常の研削ホイールの形状を示す図３〜図５を参照することで理解できる。具体的には、図３に示す研削ホイール１０は丸み部（例えば、丸み部１２）を有しており、その表面を砥粒層１４（厚さは単に例示のため誇張してある。）で被覆する必要がある。丸み部１２は、特に丸み部１２の砥粒の集中度／種類／サイズがホイール１０周辺の平坦部と異なる場合、砥粒での被覆が難しい。
【００１２】
図４では、ホイール１６は丸み部１８を有し、砥粒層２０で被覆する必要がある。この場合も、丸み部１８のジオメトリーは、特に丸み部１２の砥粒の集中度／種類／サイズがホイール１６周辺の平坦部と異なる場合、被覆が難しい。
【００１３】
図５では、ホイール２２は一連のリッジ２４〜３０を有しており、かかるリッジを砥粒層３２で被覆する必要がある。この場合も、リッジ２４〜３０のジオメトリーは、特にリッジ２４〜３０の砥粒の集中度／種類／サイズがホイール１６周辺の平坦部と異なるか或いはリッジ毎に異なる場合、効果的な被覆が難しい。
【００１４】
本発明では、図６〜図９に示す明確な多段プロセスによって、砥粒配置が精密に制御された砥粒工具を製造する。まず図６を参照すると、工具コア３４は簡略横断立面図に示す作用面を有する。本発明のプロセスの最初の段階では、工具コア３４の作用面に非導電性コーティング又は塗膜３６を設ける。工具コア３４又はその作用面に悪影響を与えない限り、適宜どんなコーティングを用いてもよい。適当なコーティングには、特に、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、ビニル樹脂、アクリル樹脂、アミド樹脂、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、その他当業者に公知の各種コーティングがある。コーティングに関する付加的な概説は、例えば、Ｄ．Ｈ．Ｓｏｌｏｍｏｎ著，Ｔｈｅ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｆｉｌｍ  Ｆｏｒｍｅｒｓ，Ｒｏｂｅｒｔ  Ｅ．  Ｋｒｉｅｇｅｒ  Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ社（米国１１７４３ニューヨーク州ハンティントン）（１９７７）に見出すことができる。コーティング３６についてのほぼ唯一の要件は、工具コア３４に十分に密着し、工具コア３４の作用面に悪影響を及ぼさず、非導電性を有し、電気メッキ処理に耐えてその性状を維持できることである。
【００１５】
図７は第二処理段階を示し、好ましくはレーザービーム３８を用いての、コーティング３６の選択的除去によって工具コア３４の作用面にパターンを形成する。他の除去手段（例えば、機械的研削、電子ビームなど）も確かに実施可能であるが、コーティング３６に複雑なパターンや非常に細かいパターンを形成する際の正確さの点でレーザー（例えば、ＹＡＧ、ＣＯ２その他の工業用レーザー）の使用が好ましい。コーティング３６にパターンを選択的に形成するのにレーザービームを使用することのもう一つの利点は、作用面のジオメトリーとは無関係にかかるパターンを形成できることである。すなわち、レーザービーム３８は、工具コア３４の平坦な作用面にパターンを形成する場合と同程度の精度で丸み部１２（図３）、丸み部１８（図４）及びリッジ２４〜３０（図５）にパターンを形成できる。砥粒１個を収容するのに適したサイズのパターンも可能である。レーザービーム３８のコンピューター制御又は数値制御で、コーティング３６での精密なパターン形成を容易に実施できることは、当業者には自明であろう。
【００１６】
除去すべきコーティング３６の量（深さ）は、砥粒を工具コア３４の作用面に電気メッキ又は無電解メッキできるのに十分なものである。コーティング３６の除去が不完全であっても、十分に許容し得ることもある。
【００１７】
図８は、コーティング３６が除去及び／又はその厚さが砥粒の電気メッキが実施できる程度に十分に低減されたパターン化領域において、工具コア３４に砥粒４０〜４４を電気メッキする段階を示す。電気メッキは公知の技術であり、電解液のメッキ浴、金属陽極及び砥粒を形成する。加工物（例えば、工具コア３４）が陰極としての役目を果たす。金属陽極（例えば、Ｎｉ）はメッキ浴に溶解する。すると、対応金属陽イオンが工具コア３４の露出面に電着して工具コアと直接接した砥粒を付着させ、所定の金属層（例えば、Ｎｉ）を形成する。導電性のない加工物については、当技術分野で公知の通り、電気メッキ又は無電解メッキで被覆すべき表面に導電性コーティングを設ければよい。一般的な電気メッキ条件は、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｂｒｕｇｇｅｒ著，Ｎｉｃｋｅｌ  Ｐｌａｔｉｎｇ  ａ  Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｔｈｅｏｒｙ，  Ｐｒａｃｔｉｃｅ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｃｏｂａｌｔ  Ｐｌａｔｉｎｇ，Ｒｏｂｅｒｔ  Ｄｒａｐｅｒ社（英国テディントン）（１９７０）に記載されている。
【００１８】
このメッキ技術を用いて工具コア３４の作用面の露出パターン領域に砥粒をメッキすることによって、砥粒の単層粒子の数を決定できる。すなわち、パターン領域が十分に小さく砥粒を１個しか収容できなければ、砥粒１ 個を電気メッキ又は無電解メッキすることができる。これはあらゆる工具ジオメトリーに適用可能である。実際、上述のプロセス段階は何回も実施できる。砥粒及び金属で既に電気メッキ又は無電解メッキした領域を被覆し、他の領域をレーザービーム３８でエッチングすればよい。砥粒及び金属で既に電気メッキ又は無電解メッキした領域を２ 回以上被覆することもできる。これらの反復プロセス段階の各々で、砥粒のサイズ、種類又は品質、集中度などを変化させてもよい。
【００１９】
最終段階として、図９はコーティング３６の残りの領域を除去する段階を例示する。このコーティング除去段階は、美観上の理由、或いは結晶を所定レベルまでさらに埋め込む第二メッキ段階のために実施される。ただし、コーティングの存在は時として工具コア３４の性能を損なうことがある。大抵の場合、コーティング３６の化学的溶解が本発明の除去方法として実施される。
【００２０】
図１０は、レーザービーム処理で塗膜を除去した領域を有する被覆工具の作用面を示す顕微鏡写真（倍率２００×）である。コーティングの完全性が損なわれていることが明らかである。図１１は、工具作用面のレーザービーム処理位置にメッキした砥粒結晶を示す顕微鏡写真（倍率３００×）である。砥粒は意図した位置に正確に付着していた。これは図１２（倍率１００×）にもっと明瞭に示されており、３箇所のポケット又はクラスター又は精密に制御された配置の砥粒が工具作用面にメッキされているのが分かる。
【００２１】
かかる精密に制御された砥粒の配置は数々の利点を有する。これは図１３を参照すれば明らかであり、本発明に従って正確な規則的配列の砥粒を付着させた工具の概略上面図である。各々の砥粒又は砥粒クラスター（例えば、代表的な結晶４６）は、工具４８の作用面に砥粒を電気メッキする前に決定された規則的配置に位置する。
【００２２】
使用に際しては、工具４８は矢印５０で示す方向に速度Ｖｃで運動する。図１４は、矢印５０の方向に速度Ｖｃで運動する工具４８の概略側面図である。代表的な砥粒４６は切屑５２を除去し、砥粒５４は切屑５６を除去し、砥粒５８は切屑６０を除去することが分かる。本発明の一実施形態では、各々の砥粒４６、５４及び５８は工具４８の作用面に等間隔で配置されるので、切屑５２、５６及び６０の平均厚さはほぼ同じはずであり、メッキ研削工具を用いる現行の技術に比べて切削性能の向上が期待される。
【００２３】
図１５は、本発明に従って規則的な配置の砥粒（例えば、結晶６４及び６６）を有するホイール６２の概略上面図である。図１５の結晶６４及び６６のサイズは、各位置での砥粒の大きさ又は砥粒集中度の高さの１以上を図解するものである。最後に、ホイール６２は矢印６８の方向に半径方向速度Ｖｃで運動する。
【００２４】
ここで、図１５のホイール６２に関しては以下の関係が成立する。
【００２５】
【数１】
2010076091.tif 000003
【００２６】
集中度
【数２】
2010076091.tif 000004
【００２７】
式中、ａは平均切屑厚さである。
【００２８】
換言すれば、ホイール６２の半径方向速度の増加に伴って、切屑の厚さａは減少する。同様に、砥粒の（単位面積当たりの）集中度の増加に伴って、切屑の厚さａはやはり減少する。従来のメッキ研削ホイールを用いた研削に比べ、本発明に従って製造したホイールを使用すると切屑の厚さ及び均一性の制御に優れる。
【００２９】
本発明に特有な点は、工具の作用面に砥粒のパターンを正確かつ規則的に形成できることである。これは図１６及び図１７を参照すれば分かる。図１６では、工具作用面７０は丸みを帯びた屈曲部を呈しているが、その周囲に砥粒７２〜８２が配置されている。丸み部又は屈曲部に配置された結晶７６及び７８は、工具作用面７０の平坦部に配置された他の結晶よりもサイズが大きい。当然、図１６に示す結晶の数及びサイズは代表的なものにすぎないが、粒子のサイズ、種類及び配置を制御できることが十分に例示されている。
【００３０】
二段階プロセスを用いると、図１６に示すように、大きい結晶７６及び７８を正確に配置することで工具の所定の領域を強化することができる。図１７は、工具８４の切削リッジ付近の高密度の結晶を示すことで本発明の能力を例示する。単なる例示にすぎないが、リッジの位置する結晶群８６の密度が平坦部の結晶群８８の密度よりも高いことが認められよう。
【００３１】
作用面の所定の領域（又は作用面全体）を接着剤（つまり、金属メッキが行われるまで砥粒を少なくとも一時的に作用面に結合する材料）で被覆する別の実施形態によって、同じ砥粒コート作用面を得ることができることは当業者には自明であろう。接着剤は、例えば、上記に列挙したコーティングに処方し得る樹脂の群から処方できる。次に、砥粒の不要な領域を例えばレーザビームでエッチングする。所望の砥粒を次いで残った接着剤で作用面に付着させればよい。いうまでもなく、この技術を複数回実施すれば、作用面に正確に配置される砥粒の品質、種類及びサイズを制御できる。所望の砥粒がすべて作用面に付着したら、金属メッキ処理が最終段階となる。
【００３２】
適当な砥粒には、特に、合成及び天然ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、ウルツ鉱型窒化ホウ素、炭化ケイ素、炭化タングステン、炭化チタン、アルミナ、サファイア、ジルコニア、これらの組合せなどの材料がある。かかる砥粒は、例えば高融点金属酸化物（チタニア、ジルコニア、アルミナ、シリカ）でコートしてもよい（例えば、米国特許第４９５１４２７号及び同第５１０４４２２号参照。）。かかるコーティングの加工法には、砥粒表面への元素態金属（Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ）の堆積後、適当な温度で試料を酸化して金属を酸化物に転化させるものがある。追加のコーティングには、高融点金属（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗ）及び他の金属（Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｓｎ）がある。
【００３３】
例えば、研削エレメント、ポリッシングエレメント、切削エレメント、ドリリングエレメント、金属工具、ビトリファイドボンド工具、レジンボンド工具（フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、メラミン−ホルムアルデヒド樹脂、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル、ポリアミド及びポリイミド）などを始めとする多種多様な工具に本発明を適用することができる。非導電性の工具は、砥粒で電気メッキ被覆すべき作用面に導電性金属をコーティングすればよい。別法として、（少なくとも作用面の）ボンドに導電性粒子を配合すれば、非導電性工具の電気メッキ被覆が可能となる。
【００３４】
本発明の一実施形態では、メッキ浴の苛酷さ及び製造プロセス時の工具の取扱いに耐えるべく、コーティングは酸と塩基に耐性を有し、電気メッキに用いられる高温で安定で、工具の取扱いに十分な工具作用面との密着性示す。かかる塗膜に適したものには、例えば、上述のエポキシ樹脂、アクリル樹脂、ビニル樹脂、ポリウレタン、アミン−ホルムアルデヒド樹脂、アミド−ホルムアルデヒド樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、ポリアミド樹脂、ワックス、シリコーン樹脂などがある。現時点では、エポキシ樹脂が好ましい。
【００３５】
以上、好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに様々な変更を行うことができ、その要素を均等物で置換し得ることは当業者には自明であろう。さらに、本発明の教示内容に特定の状況又は材料を適合させるため、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱せずに数多くの修正を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に属するあらゆる実施形態を包含する。本願では、特記しない限り、単位はすべてメートル法に基づくもので、量及び百分率はすべて重量基準である。また、本明細書中で引用した文献の開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。
【符号の説明】
【００３６】
１０  研削ホイール
１２  丸み部
１４  砥粒層
３４  工具コア
３６  非導電性コーティング
３８  レーザービーム
４０  砥粒
４２  砥粒
４４  砥粒
【図１】
2010076091.tif 000005
【図２】
2010076091.tif 000006
【図３】
2010076091.tif 000007
【図４】
2010076091.tif 000008
【図５】
2010076091.tif 000009
【図６】
2010076091.tif 000010
【図７】
2010076091.tif 000011
【図８】
2010076091.tif 000012
【図９】
2010076091.tif 000013
【図１０】
2010076091.tif 000014
【図１１】
2010076091.tif 000015
【図１２】
2010076091.tif 000016
【図１３】
2010076091.tif 000017
【図１４】
2010076091.tif 000018
【図１５】
2010076091.tif 000019
【図１６】
2010076091.tif 000020
【図１７】
2010076091.tif 000021
【外国語明細書】
ABRASIVE TOOLS WITH PRECISELY CONTROLLED ABRASIVE ARRAY AND METHOD OF FABRICATION
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention generally relates to abrasive grinding tools and more particularly to grinding tools having a precisely controlled array or pattern of abrasive particles thereon.
Heretofore, abrasive particles were applied to the exterior surfaces of or embedded in grinding elements by a variety of techniques. Regardless of the technique, a random distribution of abrasive particles characterized the cutting edge of the grinding tool. This can be seen by reference to FIG. 1, which is a photomicrograph at 100 X magnification of 40/50 mesh abrasive particles nickel-plated onto a steel core grinding wheel. FIG. 2 is the same wheel at 50 X magnification it will be seen that the abrasive was nickel plated in a random distribution and at an abrasive concentration that could not be controlled at any given area of the abrasive tool. This means that there is a risk is wheel loading. Moreover, there is little opportunity to adjust abrasive size, type, and geometry of the abrasive particles at any given area of the tool. While the total amount of abrasive particles plated onto the tool can be controlled such control allows for wide latitude in process repeatability and quality control.
Heretofore, the art has achieved specific abrasive patterns on tool surfaces using adhesive foils and printing technology to create non-conductive areas to prevent deposition of Ni during the galvanic plating process. These processes are limited to planar surfaces and do not meet the industry demands to full utilize the performance of superabrasive crystals on the edges or other complex surface geometries of common grinding wheels and other tools. For example, EP 0870578 A1 proposes to hold the abrasive grains in place with an adhesive layer and then drills grooves into the abrasive crystals that protrude from the Ni layer.
Clearly, there exits a need in the art to be able to precisely control the location, concentration, grade, etc. of abrasive crystals applied to tools work surfaces. It is to such need that the present invention is directed.
BRIEF SUMMARY OF THE INVENTION
A method for fabricating an abrasive tool having a work surface commences by applying an electrically non-conductive layer on the work surface of the abrasive tool. A pattern is etched either in the work surface or the non-conductive layer preferably using a laser beam. Metal and abrasive particles are electroplated or electroless plated onto the work surface pattern. The non-conductive layer is removed from the work surface. By multiple repetitions of this method, different sizes and types of abrasive particles in different concentrations may be applied to different areas of the work surface.
Alternatively, an adhesive can be applied as a layer on the work surface of the abrasive tool. A negative pattern then is etched in the adhesive layer, i.e., the adhesive where no abrasive is desired is etched away. Abrasive particles then can contact the work surface to be adhered thereon to the remaining adhesive. Again, by multiple repetitions of this method, different sizes and types of abrasive particles in different concentrations may be applied to different areas of the work surface. Metal again can be electroplated or electrolessly plated onto the work surface.
Consonant in these two embodiments is the use of a laser or other precise removal system to determine the precise location where abrasive particles are to be adhered onto the work surface of an abrasive tool. Moreover, both embodiments are amendable to multiple repetitions and to yielding metal coated work surfaces with precisely located abrasive particles of controlled size, type, and concentration by location.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
For a fuller understanding of the nature and advantages of the present invention, reference should be had to the following detailed description taken in connection with the accompanying drawings.
The drawings will be described in more detail below.
FIG. 1 is a photomicrograph of at 100 X magnification of 120/140 mesh abrasive particles nickel-plated onto a steel core grinding wheel documenting the prior art in wheel manufacturing;
FIG. 2 is a photomicrograph of at 50 X magnification of 40/50 mesh abrasive particles nickel-plated onto a steel core grinding wheel documenting the prior art in wheel manufacturing;
FIGS. 3-5 are simplified side elevational views of common grinding wheel shapes showing the complex geometries that require abrasive particle coating;
FIGS. 6-9 are schematic representations of the process steps used in fabricating abrasive tools with precisely controlled abrasive arrays of abrasives;
FIG. 10 is a photomicrograph (200 X magnification) showing the work surface of a coated tool that has an area of paint removed by laser beam treatment;
FIG. 11 is a photomicrograph (300 X magnification) showing a single abrasive crystal that has been plated onto the tool work surface at the laser beam treatment location;
FIG. 12 is a photomicrograph (100 X magnification) showing 3 pockets or clusters or an precisely controlled array of a defined number of abrasive crystals are seen plated onto the tool work surface;
FIG. 13 is an overhead plan schematic representation of a tool having an orderly array of abrasive particles that have been deposited in accordance with the present invention;
FIG. 14 is a side elevational schematic representation of a tool removing fairly equal sized chips from a workpiece because of the use of a wheel having an orderly array of abrasive particles;
FIG. 15 is an overhead plan schematic representation of a wheel having an orderly array of abrasive particles that have been deposited in accordance with the present invention and depicting the relationship between radial wheel speed and chip thickness; and
FIGS. 16 and 17 are magnified side elevational schematic representations of tools showing reinforced profile segments by size, concentration, and abrasive type.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The value of the present invention can be appreciated by reference to FIGS. 3-5, which depict common grinding wheel shapes. In particular, FIG. 3 depicts a grinding wheel, 10, has radius areas, e.g., a radius area, 12, which requires an abrasive particle layer, 14 (exaggerated in thickness for illustrative purposes only), to be coated thereover. Radius 12 is difficult to coat with abrasive particles, especially is the concentration/type/size of abrasive particles over radius 12 is different that over the flat area of the periphery of wheel 10.
In FIG. 4, a wheel, 16, has a radius area, 18, which is required to be coated with an abrasive particle layer, 20. Again, the geometry of radius area 18, is difficult to coat, especially is the concentration/type/size of abrasive particles over radius 12 is different that over the flat area of the periphery of wheel 16.
In FIG. 5, a wheel, 22, has a series of ridges, 24-30, which ridges are required to be coated with an abrasive particle layer, 32. Again, the geometry of ridges 24-30 makes it difficult to effectively coat, especially is the concentration/type/size of abrasive particles over ridges 24-30 is different that over the flat area of the periphery of wheel 16 or different for each ridge.
The present invention, then, fabricates abrasive tools with precisely controlled abrasive array by a distinctly multi-step process, which is illustrated in FIGS. 6-9. Referring initially to FIG. 6, a tool core, 34, has its work surface illustrated in simplified cross-sectional elevation view. In the initial step of the inventive process, an electrically non-conductive coating or paint, 36, is applied to the works surface of tool core 34. Any suitable coating may be used so long as it does not deleteriously affect tool core 34 or its work surface. Suitable such coatings include, inter alia, alkyds, epoxies, vinyls, acrylics, amides, urea-formaldehydes, and a wide variety of additional coatings well known to those skilled in the art. Additional general information on coatings can be found in, for example, D. H. Solomon, The Chemistry of Organic Film Formers, Robert E Krieger Publishing Co., Inc., Huntington, N.Y. 11743 (1977). About the only requirements of coating 36 is that is adequately adheres to tool core 34, does not adversely affect the work surface of tool core 34, is electrically non-conductive, and can withstand galvanic electroplating processing and maintain its properties.
FIG. 7 illustrates the second processing step, wherein a pattern is formed on the work surface of tool core 34 by selective removal of coating 36, preferably with the aid of a laser beam, 38. While other means of removal certainly are operable (e.g., mechanical abrasion, electron beam, etc.), the use of a laser (e.g., YAG, CO2, or other industrial laser) is preferred for its preciseness in forming intricate patterns in coating 36 and patterns of very small dimension. Another advantage in using a laser beam to selectively form a pattern in coating 36 is that such pattern can be formed independent of work surface geometry. That is, laser beam 38 can form a pattern at radius 12 (FIG. 3), radius 18 (FIG. 4), and ridges 24-30 (FIG. 5) with the same degree of precision as it forms a pattern in the planar work surface of tool core 34. Patterns suitable in size to accommodate single grains of abrasive are possible. Conventional computer or numerical control of laser beam 38 is easy to implement for forming precise patterns in coating 36, as those skilled in the art will appreciate.
The amount (depth) of coating 36 required for removal is sufficient so that the abrasive particles can be electroplated or electroless plated onto the work surface of tool core 34. Incomplete removal of coating 36, then, may be quite tolerable.
FIG. 8 illustrate the electroplating of abrasive particles, 40-44, onto tool core 34 in the patterned areas whereat coating 36 has been removed and/or reduced in thickness sufficient for galvanic plating of abrasive particles to occur. Galvanic electroplating is well known technique wherein a galvanic bath of galvanic liquid, metal anode, and abrasive particles is formed. The workpiece (e.g., tool core 34) serves as the cathode. The metal anode (e.g., Ni) is dissolved into a plating bath. The corresponding metal cations then are plated onto the exposed surfaces of the tool core 34 and attach the abrasive particles that are in direct contact with the tool core, building up a defined metal layer (e.g., Ni). For workpieces that are not electrically conductive, conductive coatings can be applied to the surfaces to be electrocoated or electroless coated, as is well known in the art. General electroplating conditions are documented by Robert Brugger in Nickel Plating a Comprehensive Review of Theory, Practice and Applications Including Cobalt Plating", Robert Draper Ltd,. Teddington (1970).
By employing this plating technique to plate abrasive particles onto the exposed, patterned areas of the work surface of tool core 34, the number of single layer particles of abrasive can be determined. That is, if the patterned area is small enough to accommodate only a single crystal of abrasive, then a single crystal of abrasive can be electroplated or electroless plated. This is applicable to any given tool geometry. In fact, the foregoing process steps can be executed multiple times. Areas already electroplated or electroless plated with abrasive crystals and metal can be coated and other areas etched by laser beam 38. Areas already electroplated or electroless plated with abrasive crystals and metal can be coated more than once. In each of these iterative process steps, the abrasive crystals can be varied by size, type or quality, concentration, etc.
As a final step, FIG. 9 illustrates the removal of the remaining areas of coating 36. This coating removal step is performed for cosmetic reasons or for a second plating step to further embed the crystal to a specific level; although, the presence of coating may interfere with the performance of tool core 34 on occasion. Chemical dissolution of coating 36 most often is the practiced as a removal process of the present invention.
FIG. 10 is a photomicrograph (200 X magnification) showing the work surface of a coated tool that has an area of paint removed by laser beam treatment. The disruption on the integrity of the coating is evident. FIG. 11 is a photomicrograph (300 X magnification) showing an abrasive crystal that has been plated onto the tool work surface at the laser beam treatment location. The abrasive crystal has been precisely deposited at the intended location. This is even more evident in FIG. 12 (100 X magnification), where 3 pockets or clusters or a precisely controlled array of abrasive crystals are seen plated onto the tool work surface.
Such precisely controlled array of abrasive crystals has many benefits. This is evident by reference to FIG. 13, which is an overhead plan schematic representation of a tool having a precisely order array of abrasive particles that have been deposited in accordance with the present invention. Each abrasive crystal or cluster of crystals, e.g., representative crystal 46, is located in an orderly array determined before galvanic plating of the crystals onto the work surface of the tool, 48.
In use, tool 48 is moved in the direction indicated by arrow 50 at a velocity, Vc. FIG. 14 is a side elevational schematic representation of tool 48 moving in the direction of arrow 50 and a rate of Vc. Representative abrasive crystal 46 is seen removing a chip, 52; an abrasive crystal, 54, is seen removing a chip, 56; and an abrasive crystal, 58, is seen removing a chip, 60. In one embodiment of the invention, because each abrasive crystal 46, 54, and 58 is uniformly spaced apart on the work surface of tool 48, the average thickness, a, of chips 52, 56, and 60 should be approximately the same and improved cutting performance is expected compared to state of the art using plated grinding tools.
FIG. 15 is an overhead plan schematic representation of a wheel, 62, having an orderly array of abrasive particles, e.g., crystals 64 and 66, deposited in accordance with the present invention. The size of crystals 64 and 66 in FIG. 15 is intended to delineate one or more of larger abrasive crystals or a higher concentration of abrasive crystals at each location. Finally, wheel 62 is moving in the direction of arrow 68 at a radial velocity, Vc.
Now, the following relationships hold for wheel 62 in FIG. 15:
【数１】
2010076091.tif 000022
Concentration
【数２】
2010076091.tif 000023
where a is the average chip thickness.
Stated otherwise, as the radial velocity of wheel 62 increases, the thickness, a, of the chips decreases. Similarly, as the concentration (per unit area) of abrasive particles increases, the thickness, a, of the chips also decreases. Compared to grinding with conventionally plated grinding wheels, use of wheels manufactured in accordance with the present invention allows for better control of chip thickness and uniformity.
Unique with the present invention is the ability to precisely and orderly lay out a pattern of abrasive crystals on the work surface of a tool. This can be seen by reference to FIGS. 16 and 17. In FIG. 16, a tool work surface, 70, exhibits a radiused bend about which abrasive particles, 72-82, are disposed. It will be observed that crystals 76 and 78, which are disposed at the radius or bend, are larger in size than the other crystals that are disposed on the planar areas of tool work surface 70. Obviously, the number and size of the crystals is only representative in FIG. 16, but the ability to control particle size, type, and placement is well illustrated. 
Using a two-step process, larger crystals 76 and 78 can be exactly positioned to reinforce specific area of the tool, as illustrated in FIG. 16. FIG. 17 illustrates the capability of the present invention by showing a higher density of crystals about the cutting ridges of a tool, 84. By way of illustration only, it will observed that the density of crystals group, 86, located at the ridges is higher than the density of crystal group, 88, along the planar areas.
The skilled artisan will appreciate that the same abrasive coated work surfaces can be obtained by an alternative embodiment where a designated area of the work surface (or the entire work surface) is coated with an adhesive, i.e. a material that will at least temporarily bind the abrasive particles to the work surface until metal plating occurs. Adhesives, for example, can be formulated from the same list of resins that are formulated into coatings listed above. The laser beam, for example, then would etch away the areas where no abrasive particles are desired. The desired abrasive particles then can be adhered onto the work surface by the remaining adhesive. This technique, of course, could be practiced multiple times to control the quantity, type, and size of abrasive particles that are precisely positioned onto the work surface. Metal plating would be a final step once all of the desired abrasive particles are adhered to the work surface.
Suitable abrasive particles include, inter alia, synthetic and natural diamond, cubic boron nitride (CBN), wurtzite boron nitride, silicon carbide, tungsten carbide, titanium carbide, alumina, sapphire, zirconia, combinations thereof, and like materials. Such abrasive particles may be coated with, for example, refractory metal oxides (titania, zirconia, alumina, silica) (see, e.g., U.S. Patents. Nos. 4,951,427 and 5,104,422). Processing of these coatings includes deposition of an elemental metal (Ti, Zr, Al) on the abrasive particle surface followed by oxidizing the sample at an appropriate temperature to convert the metal to an oxide. Additional coatings include refractory metals (Ti, Zr, W) and other metals (Ni, Cu, Al, Cr, Sn).
A wide variety of tools can be subjected to the invention including, for example, metal tools, vitreous bond tools, resin bond tools (phenol-formaldehyde resins, melamine or urea formaldehyde resins, epoxy resins, polyesters, polyamides, and polyimides), and the like. Tools not electrically conductive can be coated with an electrically conductive metal over the work surface to be galvanically coated with the abrasive particles. Alternatively, electrically conductive particles included in the bond (at least at the work surface) also may permit galvanic coating of non-electrically conductive tools.
In one embodiment of the invention, the coating is resistant to both acid and base, stable at the elevated temperatures using for galvanic plating, and sufficiently adherent to the tool work surface that the tool can be handled, for withstanding the rigors of the galvanic bath and handling of the tool during fabrication processing. Suitable such paints include, for example, epoxy resins, acrylic resins, vinyl resins, polyurethanes, amine-formaldehyde resins, amide-formaldehyde resins, phenol-formaldehyde resins, polyamide resins, waxes, silicone resins, and the like, such as disclosed above. Epoxy resins presently are preferred.
While the invention has been described with reference to a preferred embodiment, those skilled in the art will understand that various changes may be made and equivalents may be substituted for elements thereof without departing from the scope of the invention. In addition, many modifications may be made to adapt a particular situation or material to the teachings of the invention without departing from the essential scope thereof. Therefore, it is intended that the invention not be limited to the particular embodiment disclosed as the best mode contemplated for carrying out this invention, but that the invention will include all embodiments falling within the scope of the appended claims. In this application all units are in the metric system and all amounts and percentages are by weight, unless otherwise expressly indicated. Also, all citations referred herein are expressly incorporated herein by reference.
1. A method for fabricating an abrasive tool having a work surface, which comprises the steps of:
(a) applying an adhesive layer on the work surface of an abrasive tool;
(b) etching a negative of a pattern in said work surface;
(c) contacting said work surface with abrasive particles to form said pattern of abrasive particles thereon; and
(d) plating a metal onto said working surface.
2. The method of claim 1, wherein said abrasive particles are one or more of synthetic diamond, natural diamond, cubic boron nitride (CBN), wurtzite boron nitride, silicon carbide, tungsten carbide, titanium carbide, alumina, sapphire, or zirconia.
3. The method of claim 1, wherein said abrasive particles are coated with one or more of a metal or metal oxide.
4. The method of claim 1, wherein said metal is one or more of Ti, Zr, Cr, Co, Si, W, Ni, Cu, or Al. 
5. The method of claim 1, wherein said adhesive is formulated from one or more of an epoxy resin, acrylic resin, vinyl resin, polyurethane, amine-formaldehyde resin, amide-formaldehyde resin, phenol-formaldehyde resin, wax, a silicone resin, or polyamide resin. 
6. The method of claim 1, wherein said negative of said pattern is etched in said work surface with one or more of a laser or an electron beam. 
7. The method of claim 1, wherein said plating is conducted under one or more of electroplating or electroless metal plating conditions. 
8. The method of claim 1, wherein said abrasive tool is one or more of a grinding element, polishing element, cutting element, or drilling element.
9. The method of claim 1, wherein one or more of size, type, quality, or concentration, of said abrasive particles is varied during said one or more times the method is repeated.
ABSTRUCT OF THE DISCLOSURE
A method for fabricating an abrasive tool having a work surface commences by applying an electrically non-conductive layer the work surface of the abrasive tool. A pattern is etched in the work surface preferably using a laser beam. Metal and abrasive particles are electroplated or electroless plated onto the work surface pattern. The non-conductive layer is removed from the work surface. Alternatively, an adhesive can be applied as a layer on the work surface. A negative pattern then is etched in the adhesive layer, i.e., the adhesive where no abrasive is desired is etched away. Abrasive particles then can contact the work surface to be adhered thereon to the remaining adhesive. Metal again can be electroplated or electrolessly plated onto the work surface. By multiple repetitions of both methods, different sizes and types of abrasive particles in different concentrations may be applied to different areas of the work surface.
【図１】
2010076091.tif 000024
【図２】
2010076091.tif 000025
【図３】
2010076091.tif 000026
【図４】
2010076091.tif 000027
【図５】
2010076091.tif 000028
【図６】
2010076091.tif 000029
【図７】
2010076091.tif 000030
【図８】
2010076091.tif 000031
【図９】
2010076091.tif 000032
【図１０】
2010076091.tif 000033
【図１１】
2010076091.tif 000034
【図１２】
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【図１３】
2010076091.tif 000036
【図１４】
2010076091.tif 000037
【図１５】
2010076091.tif 000038
【図１６】
2010076091.tif 000039
【図１７】
2010076091.tif 000040