(57)【要約】      （修正有）【課題】ガラス、セラミックスといった脆性材料や超硬等の高硬度金型材料の３次元形状を創成する場合、電着工具のような強い砥粒保持力を有し、偏芯補正、工具径、工具形状修正のためのツルーイングが可能なメタルボンド砥石とその製造方法を提供する。【解決手段】ろう材粉末とダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも１種類からなる砥粒を混合して作成した混合粉末４を砥石型に充填し、ろう材溶融温度まで加熱後、凝固させることで、砥石内部まで砥粒が分散し電着工具のような強い砥粒保持力をもち、かつ任意形状にツルーイング可能なメタルボンド砥石が製造可能である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろう材を結合材とする、砥石内部まで砥粒が分散した、メタルボンド砥石。
【請求項２】
工作機械の主軸に取り付け可能な端部を有する棒状体であって、その中心軸に沿って円柱状に砥石が形成されたことを特徴とする、請求項１記載のメタルボンド砥石。
【請求項３】
ろう材粉末と、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも１種類からなる砥粒を混合して作成した混合粉末を、砥石型に充填し、ろう材溶融温度以上まで加熱することで、ろう材を溶融後、冷却凝固させる、請求項１または請求項２記載のメタルボンド砥石の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の混合粉末を、工具シャンク部の中心に軸方向に設けた細穴に直接充填し、ろう材溶融温度以上まで加熱することで、ろう材を溶融後、冷却凝固させる、請求項２記載のメタルボンド砥石の製造方法。
【請求項５】
真空中又は不活性ガス中で加熱することを特徴とする、請求項３または請求項４記載のメタルボンド砥石の製造方法。
【請求項６】
ろう材を溶融後、加圧しながら冷却凝固させることを特徴とする、請求項３から請求項５記載のメタルボンド砥石の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、高い砥粒保持力、耐摩耗性及び強度を有する、金属材料、ガラス、セラミックス等の脆性材料に対する微細な加工が可能な砥石とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】現在、医療関連機器、家電製品等の機械産業分野において、製品の小型化、軽量化、高精度化が進められている。これに伴い、構成部材、部品等（以下、本明細書において「微細形状製品」という。）及びその製造に使用する金型について、複雑な３次元構造を有する形状を精密かつ微細に加工する技術の確立が求められている。【０００３】医療、バイオ及び半導体関連分野では、金型による成形が困難な、ガラスやセラミックス等の脆性材料を使用した微細形状製品が、近年広く用いられている。
また、微細形状製品の量産に用いられる金型には、彫り込まれた微細形状の摩耗等による劣化を防止するため、耐摩耗性に優れた超硬材や焼入れ鋼等の高硬度材が使用されている。本発明は、これらの高硬度材料を対象とする精密微細加工技術に関するものである。【０００４】高硬度金属材料の加工には、被削材硬度に関係なく適用可能な放電加工が用いられることが多い。
しかし、放電加工による金型の製造工程は、金型に彫り込む製品形状を電極材料上に製作する工程と、電極上に製作した形状を放電加工により金型上に転写する工程の２工程よりなる。そのため、金型材料上に製品形状を直接加工する方法と比較して、工数が多くなってしまい、納期の短縮や、低コスト化という観点からは好ましくない。
また、放電加工では、電極消耗に伴う加工精度の低下が不可避であるが、このことは、高い精度が要求される微細形状製品用金型の製造上、きわめて深刻な問題である。
さらに、放電加工は、ガラス、セラミックス等の絶縁体の加工には原理上適用できないため、これらの材料の微細精密加工については、研削加工が唯一の加工手段である。【０００５】高硬度金属材料や、ガラス、セラミックス等の非導電性硬脆材料の研削加工には、ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）等の超砥粒を使った砥石が用いられる。これらの高硬度材料の研削加工においては、大きな研削抵抗による砥粒の脱落や、砥石の結合材の摩耗による加工精度の低下が大きな問題となるため、超砥粒砥石の中で最も砥粒保持力が強いとされる電着工具が使用されることが多い（例えば非特許文献１参照）。
電着工具は、電着により台金に超砥粒を１層のみ固定した工具である。また、ニッケルメッキ又はろう材を使用して、台金に砥粒を１層のみ強固に固定した砥石も知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
これらの砥石においては、砥粒の脱落が発生すると、ドレッシングによる切れ刃の再生は不可能であるため、工具の交換が必要となる。【０００６】高硬度金型材料の直彫り加工や、ガラス、セラミックスを素材とした部品加工を行う場合に最も広く利用されている、マシニングセンターのような３次元加工機の主軸に、スプリングコレットを利用して工具を取り付けた場合の振れ精度は、数十μｍ程度である。
硬脆性材料の微細加工を行う場合、使用される砥粒は２０μｍ以下が一般的で、鏡面仕上げが必要な場合５μｍ以下の砥粒を使用することもある。このような極微粒砥粒を使用し、砥粒径以下の一定量の切込みを与える延性モード加工を行う場合、工具の回転振れ精度が数十μｍもあると、電着工具外周において加工を行う部分と行わない部分が存在する事になる。結果として、加工による研削抵抗の変動に起因する電着工具の振動が発生し、高精度の加工ができなくなると共に、最終的には工具の欠損に繋がる。また、欠損しない場合でも、一部分を使用するため、その部分の砥粒摩耗が大きくなり砥粒が脱落してしまう。工具として電着工具等の砥粒層が１層しかない工具を用いると、砥粒が脱落した部分が発生すると加工が不可能となる。【０００７】これらの課題の解決策の一つとして、金属結合材（例えばアルミニウム）を溶融温度まで加熱し、金属溶湯を作成し、その金属溶湯に超砥粒を混合し１〜３時間攪拌した後、金属溶湯を鋳型に流し込み加圧冷却することで一旦鋳塊を製作し、それを溶融温度以下に加熱し押しだし成形することで、内部まで砥粒が分散した金属結合層を有する砥石を製作する方法が、特許文献３に開示されている。【０００８】
【非特許文献１】「ツールエンジニア２０００年１０月号Ｐ．２３」
【特許文献１】特開平１１−２９１１７４号公報（第５頁、図２）
【特許文献２】特開２０００−２３７９６３号公報（第１頁、図）
【特許文献３】特許第３１３５５１７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】ガラス、セラミックスといった硬脆性材料や、超硬材等の高硬度金型材料に３次元形状の創成を、超砥粒を使った電着工具をマシニングセンター等の３次元加工機に取り付け加工を行う場合、上述したように、電着工具では、砥粒の脱落が起こっても、砥粒層が１層しかないためツルーイングができない。このため、砥粒層が脱落すると加工不可能となる。また、これらの硬脆材料や高硬度金型材料を微細形状に加工するために、工具径を例えば１００μｍ程度の微細径に成形して使用すると、上述した切削抵抗の変動やそれに伴う工具の振動により、加工時に工具が欠損する可能性がある。この際ツルーイング不可能な工具であれば、工具を交換する必要があり、コスト的に高くなってしまう。【００１０】ツルーイング可能な工具としてメタルボンド砥石があるが、一般に市販されている、金属粉の焼結によって製作されたメタルボンド砥石は、電着工具のような強い砥粒保持力はない。このため、砥石の摩耗が大きくなり、高精度な加工が困難となる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】本発明は、上記課題を解決するために、電着工具のような強い砥粒保持力を有し、併せて、偏芯補正、工具径、工具形状修正のためのツルーイングが可能なメタルボンド砥石とその製造方法を提供する。【００１２】砥粒の把持力を強くし、かつ砥石摩耗を少なくするために、結合材に耐摩耗性ろう材を使用した。通常メタルボンド砥石を作成する際、砥粒粉末と結合材とからなる金属粉末の混合粉末を図１に示すように砥石型に充填し、加熱することで焼結し成形する。このため結合材は固体同士の結合となるため砥粒の把持力は電着工具のように強くならない。しかし、本発明では、結合材に溶融温度は約１０００℃の耐摩耗性ろう材を使用している。このため砥粒とろう材の混合粉末を図２に示すように砥石型に充填し１０００℃まで加熱すると結合材は完全に溶融状態となる。溶融温度に関しては、主元素の異なるろう材の使用又は、ろう材に混入する融点降下元素をかえることで融点を４５０℃程度まで下げることも可能である。この状態から冷却し、ろう材を凝固させれば、砥粒が溶融した結合材中で分散すると共に、完全に結合材の中に溶け込んだ状態で砥石が成形されるため特許文献３と同様に砥粒の保持力は強い砥石を製作可能である。さらに本発明では、結合材に耐摩耗性ろう材を使用するため、耐摩耗性、耐欠損性の優れた砥石となり、工具径を数百〜数十μｍまで微細径に成形することも可能である。また、例えば砥粒にダイヤモンドを使用し、ろう材にチタンを混入すれば、ダイヤモンド砥粒とろう材の間に化学反応層が生じるため砥粒保持力はさらに強固になる。結合材が完全に溶融状態となるため、砥粒が溶け込んだ状態で砥石型の細部まで流入するため、砥石作成時点で砥石径１ｍｍ以下の砥石も容易に作成可能である。砥石作成時点で砥石径が１ｍｍ以下であるため、砥石を数十μｍまで成形する際もその時間とコストを大幅に短縮することが可能である。【００１３】また、図３に示すように、工具シャンク中央に細穴を開け、これを砥石型として前述の混合粉末を充填し砥石を製作することも可能である。このような方法で作成された砥石は鉛筆のような構造となり、工作機械主軸に砥石を取り付けた状態で必要に応じてシャンク外径を削り砥石を露出させ砥石として使用することができる。【００１４】混合粉末に混入する超砥粒がダイヤモンドの場合、高温に加熱することで、砥粒の炭化が問題となる。本発明では、型材または工具シャンクに混合粉末を充填後真空中又は不活性ガス中でこれらを加熱、凝固させることで前述の問題を解決した。【００１５】さらに本発明では、ろう材が溶融した状態で、図４に示すように加圧することで、混合粉末を型材に充填した際に、生じる余分な隙間をなくし砥粒と結合材が密に詰まった状態の高強度な砥石を作成することが可能である。こうすることで、砥石径を数十μｍまで細くしても加工が可能な耐欠損性に優れた砥石となる。
【発明の効果】
【００１６】結合材に耐摩耗性ろう材を使用し、砥粒とろう材の混合粉末を砥石型に充填後ろう材の溶融温度まで加熱し冷却、凝固させることにより、従来の金属焼結で製作されたメタルボンド砥石より強い砥粒保持力を有するメタルボンド砥石を得ることができる。
また、砥粒とろう材の混合粉末を使用するため、従来の電着工具や特許文献１や特許文献２に記載のろう材を使用して砥粒を１層のみ保持させた工具とは異なり、砥石内部まで、砥粒が詰まったメタルボンド砥石となる。これにより、砥石を工作機械主軸に取り付けた際に生じる回転中心のずれを補正するためのツルーイングが可能になると共に、工具を任意径及び形状に成形することも可能になる。【００１７】また、工具シャンクを砥石型として利用することにより鉛筆のような構造の砥石を製作することができる。この砥石をマシニングセンター等工作機械の主軸に取り付け使用すれば、工具欠損後も鉛筆の芯を削り出す要領で、シャンクから砥石部を露出させ、微細形状に成形すれば、１本の砥石を工作機械主軸に取り付けた状態で、何度でも使用可能である。さらに、本発明の砥石は結合材に耐摩耗性ろう材を使用し、加圧することで空洞部の無い耐摩耗性に優れた高強度の砥石であるため、微細径に成形しても折れにくい砥石となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】先に示した図２、図３、図４、が本発明における実施形態についての説明図である。まず、ろう材（例えばニッケルろう材、銅ろう材、銀ろう材等）にダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素及び酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも１種類からなる砥粒を体積パーセントで６．３％から５０％の範囲で混合し、混合粉体を製作する。この際、混合する砥粒とろう材粉体の粒径は同一粒径か、砥粒径に対しろう材粉体の径が小さいものを使用する。図２に示すように、混合粉体４を砥石型５（例えばグラファイト型、ＢＮ型等）に充填した後、工具シャンク部６（例えば超硬材、ハイス材等）に挿入し、ろう材溶融温度以上に加熱後冷却し凝固させる。加熱時間に関しては、砥粒へのダメージを考慮すると短時間で行う必要がある。図５に請求項６の方法で製作した砥石を示す。本発明では加熱時間の短縮を考慮し高周波加熱装置を利用することにより、加熱時間を短縮し砥粒へのダメージを小さくしている。また、充填する砥石型として図３に示すように中心部に穴を有する工具シャンク７（例えば超硬材、ハイス材等）に前述混合粉体４を充填し、押し棒８（例えば超硬材、ハイス材等）で栓をし、図１の場合と同様に加熱し冷却後凝固させる。この方法で製作された砥石は、工具シャンク７の中心に開けた穴径及び長さ以内の砥石が製作されるため、鉛筆の芯を削り出す要領で砥石部を露出させることができ、そのサイズ内であれば作業者が必要な砥石径、砥石長さに成形して使用することができる。図２及び図３の方法で砥石を作成する際、混合粉体を真空状態又は不活性ガス雰囲気中で加熱及び冷却を行えば、ダイヤモンド砥粒等の酸化を防止することができる。混合粉体が加熱により、溶融した状態で、図４に示すように砥石型５と工具シャンク６間又は工具シャンク７と押し棒８間を加圧することにより、混合粉体４を充填時に生じる空洞部をなくし高強度の砥石を製作することができる。さらに、この砥石製作工程を真空中又は不活性ガス雰囲気中で行うことにより、加熱時のろう材及び砥粒の酸化を防止することができる。実施例として、図５において超砥粒９が結合材１０に保持されている様子がわかる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】砥石型を用いた従来砥石製作方法
【図２】砥石型を用いた該発明砥石製作方法
【図３】工具シャンク内に混合粉体を充填して製作する該発明砥石製作方法
【図４】砥石型及び工具シャンク内に混合粉体を充填後加圧して該発明砥石を製作する請求項６に示す製作方法
【図５】該発明請求項６に示す方法で製作した該発明砥石製作方法
【符号の説明】
【００２０】１従来砥石混合粉体
２砥石型
３工具シャンク部
４混合粉体
５砥石型
６工具シャンク部
７工具シャンク
８押し棒
９超砥粒
１０結合材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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