JP2011041998A - 薄刃砥石及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切削屑の排出やクーラントの供給に有効なチップポケットを確保しつつ、耐摩耗性の低下及び砥石の撓みを抑制できる薄刃砥石及びその製造方法を提供する。
【解決手段】砥粒２を分散配置したＮｉ金属結合材３をエッチング液に浸漬して、両側面に露出する砥粒２の一部を脱落させ、脱落した砥粒痕によって凹部４を形成する。凹部４がチップポケットとなり、切削屑の排出やクーラントの供給を促すと共に、金属結合材３の外周面及び内部には凹部がないので、強度を確保でき、切削性を維持できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、セラミックスや単結晶材料などの硬脆材を切断加工するのに適した薄刃砥石及びその製造方法に関するものである。

従来、水晶、ジルコニア、アルミナのような被加工物を高精度に切削加工する薄刃砥石（ダイシングブレード）として、薄板リング状の電鋳薄刃砥石が知られている。この薄刃砥石は、ダイヤモンドやｃＢＮ等の砥粒を金属結合材中に分散配置したものであり、その厚さは数十μｍ〜数百μｍ程度の薄板リング状に形成されている。薄刃砥石は、その内周側領域を砥石軸に保持し、砥石軸を回転させることで、外周側領域で被加工物の切断加工や溝入れ加工を行うことができる。

近年の電子部品の小型化や収率向上などの理由から、薄刃砥石にもさらなる薄刃化が求められており、金属結合材としてＮｉなどの機械的強度が高い金属材料を用いることにより、厚さが５０μｍ以下の極薄電鋳砥石も提供されている。しかし、金属結合材による砥粒の保持力が大きくなると、砥粒による被加工物へのダメージが大きくなるため、切断加工時にチッピングと呼ばれる被加工物の割れ、欠けを増大させるという問題がある。

このような問題を解決するため、特許文献１には、超砥粒を金属結合材中に分散配置してなる薄刃砥石であって、金属結合材内に多数の気孔が含まれた薄刃砥石が提案されている。気孔は、金属結合材中にランダムに形成されていたり、あるいは厚み方向に貫通する気孔列として径方向及び周方向にランダムに間隔をおいて形成されている。この場合には、超砥粒が磨耗した際に自生発刃作用が起こりやすく切れ味を良くし、切断加工時の直進性が向上するとされている。さらに、気孔が砥石の切断面に露出した際に気孔の凹部に切屑を収容でき、超砥粒間の目詰まりを防止して切屑の排出性を向上させると共に、クーラントを溜めることができて、超砥粒の磨耗や発熱を抑制して寿命を向上させることができるとされている。

図４の（ａ）は一般的な電鋳薄刃砥石の断面構造、（ｂ）は特許文献１に記載の薄刃砥石の断面構造を示す。金属結合材１０に砥粒１１が分散状態で保持されている。（ｂ）の場合には、金属結合材１０の内部だけでなく、表層部にも気孔１２が形成されている。

前述の（ｂ）のような気孔構造の薄刃砥石の場合、金属結合材の剛性が低くなるため、タンタル酸リチウムのような硬脆性の材料を加工すると、金属結合材が早期に磨耗し、耐摩耗性の低下、及び砥石の撓みによる切削精度の低下が懸念される。また、切削性という点を考慮すると、外周面に気孔が存在するために、気孔を有しない電鋳砥石に比べて切削性が低下するという不具合がある。さらに金属結合材中に気孔を分散形成するために、複雑な製造工程を必要とし、コスト上昇を招く結果となる。

特開２００１−１７９６３９号公報

本発明の目的は、切削屑の排出やクーラントの供給に有効なチップポケットを確保しつつ、耐摩耗性の低下及び砥石の撓みを抑制できる薄刃砥石及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、金属結合材中に砥粒が分散配置された薄刃砥石において、前記金属結合材の両側面には凹部が形成され、前記金属結合材の外周部周面には前記凹部が形成されておらず、前記金属結合材の外周部周面に露出する砥粒の密度は、両側面に露出する砥粒の密度より高いことを特徴とする薄刃砥石を提供する。

本発明に係る第１の薄刃砥石の製造方法は、金属結合材中に砥粒を分散配置した砥石本体を準備する第１の工程と、前記砥石本体の外周部周面をマスキングする第２の工程と、前記砥石本体をエッチング液に浸漬して前記金属結合材の両側面の表層部をエッチングすることにより、両側面に露出する砥粒の一部を金属結合材から脱落させ、前記砥石本体の両側面に凹部を形成する第３の工程と、前記砥石本体の外周部に形成されたマスキングを除去する第４の工程と、を備える。

本発明に係る第２の薄刃砥石の製造方法は、金属結合材中に砥粒を分散配置した砥石本体を準備する第１の工程と、前記砥石本体をエッチング液に浸漬して前記金属結合材の表層部をエッチングすることにより、表層部に露出する砥粒の一部を金属結合材から脱落させ、前記砥石本体の表層部に凹部を形成する第２の工程と、前記砥石本体の外周部周面の凹部を除去できるまで、前記砥石本体の外周部をツルーイングする第３の工程と、を備える。

従来の有気孔砥石は、気孔により切削屑の排出やクーラントの供給に有効なチップポケットを形成できるので、チッピング抑制等に効果的である。しかし、気孔の存在によって金属結合材の強度が低下するため、硬脆性の材料をカットする場合には、耐磨耗性が懸念されると共に、加工時の砥石の撓みも懸念される。気孔は、切削屑の排出やクーラントの供給に寄与する砥石側面には効果的であるが、被削材の切削に寄与する砥石の外周部周面では効果が低く、切削性という点を考慮すると、むしろ気孔が無い方が望ましい。そこで、本発明では、切削屑の排出やクーラントの供給に寄与する砥石側面にのみ凹部を形成することで、チッピングを抑制すると共に、外周部周面には凹部を設けず、外周部周面に露出する砥粒の密度を両側面に露出する砥粒の密度より高くすることで、切削性を向上させ、耐磨耗性の低下及び砥石の撓みを抑制したものである。

凹部の形成方法としては種々の方法が考えられるが、金属結合材の両側面の表層部に露出する砥粒の一部を金属結合材から脱落させることにより、脱落した砥粒痕によって凹部を形成するのがよい。この場合には、チップポケットとして適切な深さ及び開口面積を持つ凹部を簡単に形成することができると共に、表層部の砥粒を脱落させるだけであるから、従来に比べて凹部の形成が簡単である。

電鋳薄刃砥石の場合、金属結合材に砥粒が埋め込まれているので、表層部の砥粒であっても簡単には脱落しない。そこで、表層部の砥粒の脱落を促進させる方法として、例えば砥石をエッチング液に浸漬し、砥粒の周囲に存在する金属結合材をエッチングする方法がある。この場合には、金属結合材の表面がエッチングされ、砥粒の突出長が大きくなると同時に、砥粒の保持強度が低下するので、表層部の砥粒を比較的容易に脱落させることができる。エッチング厚みは特に制約はないが、好ましくは砥粒の平均粒径の１／３〜２／３倍程度がよい。

砥石全体をエッチング液に浸漬すると、砥石の両側面だけでなく、外周部周面もエッチングされるため、外周部周面の砥粒も脱落して凹部が形成されてしまう。そこで、エッチング前に砥石の外周部周面にマスキングを施し、その状態でエッチング液に浸漬することで、両側面の表層部の砥粒だけを脱落させて凹部を形成してもよい。エッチング後にマスキングを除去すれば、外周面周面の砥粒は脱落しないので、外周部周面に凹部のない砥石を作成することができる。また、エッチングによって外周部周面に凹部が形成された場合でも、砥石本体の外周部周面の凹部を除去できるまで（エッチング厚みに相当する分だけ）砥石本体の外周部をツルーイングすることにより、外周部周面に凹部のない砥石を作成することができる。

両側面の砥粒を脱落させるために、例えば粘着テープを砥石の両側面に貼り付け、貼り付けたテープをはぎ取ることで、テープと一緒に砥粒を脱落させてもよい。エッチング処理だけで表層部の砥粒を脱落させようとすると、深くエッチングする必要があり、金属結合材の強度を低下させる可能性がある。そこで、エッチング処理後に砥石本体の両側面に粘着テープを貼り付け、粘着テープを剥ぎ取る方法を採用した場合には、エッチングによって保持強度が低くなった砥粒を粘着テープと一緒に金属結合材から引き離すことができるため、深くエッチングする必要がなく、金属結合材の強度を低下させずに砥粒を脱落させることができる。両側面の砥粒の集中度は、エッチング時間、粘着テープの粘着力によって簡単に調整できる。

さらに、表面に凹部を有しない砥石本体を準備し、この砥石本体をエッチング処理することなく、砥石本体の両側面に粘着テープを貼り付け、この粘着テープを剥ぎ取ることによって、両側面に露出する砥粒の一部を粘着テープと一緒に脱落させ、脱落した砥粒痕によって砥石本体の表層部に凹部を形成してもよい。砥石本体の厚みが薄いタイプの場合、エッチング処理により砥石本体の強度低下を招く可能性がある。この場合にはエッチング処理を行うことなく、両側面に粘着テープを貼り付け、この粘着テープを剥がすことにより両側面に露出する砥粒の一部を粘着テープと一緒に脱落させることができる。

金属結合材としては、Ｎｉのほか、Ｎｉと他の金属（例えばＣｏ等）との合金、さらにはＮｉ以外の金属でもよいが、Ｎｉと同等な機械的強度及び耐磨耗性を有する合金が望ましい。金属結合材がＮｉよりなる場合、エッチング液としては塩酸と硝酸の混合液、塩化第二鉄溶液などを用いることができる。本発明の薄刃砥石で切削できる被加工物としては、アルミナ、ジルコニア、シリコンとガラスとの複合材、炭化ケイ素などの他、ＬｉＴａＯ₃ 単結晶、ＰＺＴ等の圧電セラミックス、水晶、誘電体などの高硬度の材料も含む。

本発明によれば、砥石側面にのみ凹部を形成したので、凹部を切削屑の排出やクーラントの供給に寄与するチップポケットとして利用でき、チッピングを抑制できる。また、外周部周面には凹部を設けず、金属結合材の外周部周面に露出する砥粒の密度を両側面に露出する砥粒の密度より高くしたので、従来の気孔を有しない電鋳砥石と同等の切削性を維持でき、耐磨耗性の低下及び砥石の撓みを抑制することができる。そのため、タンタル酸リチウムのような硬脆性の材料をカットする場合でも有効な薄刃砥石を実現できる。

本発明にかかる製造方法によれば、薄刃砥石の外周面にマスキングを施してエッチングするか、全面をエッチングしたあと、外周面のみをツルーイングして凹部を除去するか、あるいは砥石本体の両側面に粘着テープを貼り付け、粘着テープを剥ぎ取る際に両側面に露出する砥粒の一部を粘着テープと一緒に脱落させることにより、両側面にのみ凹部を有する砥石を簡単に作成することができる。特に、エッチング処理を用いた場合、金属結合材の表層部の砥粒の保持強度が低下するので、砥粒は比較的容易に脱落し、脱落した砥粒痕によって凹部を形成できる。

本発明に係る薄刃砥石の第１実施形態の正面図及びＡ−Ａ線断面図である。 本発明に係る薄刃砥石の製造過程を示す断面図である。 本発明に係る薄刃砥石からの砥粒の脱落方法の一例を示す断面図である。 従来の単層砥石と特許文献１に記載された砥石の拡大断面図である。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明にかかる薄刃砥石の第１実施形態を示し、（ａ）は薄刃砥石の正面図、（ｂ）はＡ−Ａ線拡大断面図である。本実施形態の薄刃砥石１はリング状の電鋳薄刃砥石であり、ダイヤモンドやｃＢＮ等の砥粒２をＮｉよりなる金属結合材３中に分散配置してなるものである。砥石１の厚さは数十μｍ〜数百μｍ程度、望ましくは５０μｍ以下に設定され、砥粒２の粒径は３〜２０μｍ程度に設定されている。なお、図１は説明を簡単にするための原理図であり、実際には金属結合材３の厚みに対する砥粒２の粒径は図１より小さい。

薄刃砥石１の両側面１ａに露出する砥粒２の一部が金属結合材３から脱落しており、脱落した砥粒痕によって複数の凹部４が形成されている。薄刃砥石１の外周部周面１ｂに露出した砥粒２は脱落しておらず、凹部は形成されていない。そのため、金属結合材３の外周部周面１ｂに露出する砥粒２の密度は、両側面１ａに露出する砥粒２の密度より高い。

図１の（ｂ）に示すように、砥石１の両側面１ａには砥粒２の大きさに対応した凹部４が形成されているので、これら凹部４が切削屑の排出やクーラントの供給に有効なチップポケットを構成し、チッピングを効果的に抑制することができる。また、砥石１の外周部周面１ｂには凹部４が形成されていないので、切削に最も寄与する外周面の砥粒密度が高く、タンタル酸リチウムのような硬脆性の材料を切削する際でも、良好な切削性を得ることができる。そのため、有気孔砥石の欠点であった耐磨耗性の低下及び砥石撓みを効果的に抑制できる。

次に、前記構成よりなる薄刃砥石１の製造方法の一例を、図２を参照して説明する。まず、ダイヤモンド等の砥粒２を分散させたＮｉを含む電解めっき液を準備し、このめっき液中にステンレス等の基板と陽極板とを対向して配置し、基板を陰極に接続する。陰極と陽極間に通電すると、基板上にＮｉ合金めっき層が析出し、砥粒２が均一に分散された金属結合材３が形成される。金属結合材３が数十μｍ〜数百μｍとなった時点でめっきを終了し、この金属結合材３を形成した基板をめっき液から取り出し、基板から金属結合材３を剥離する。剥離した金属結合材３をリング状に成形して図２の（ａ）に示す単層砥石１Ａを得る。これまでの工程は、一般の電鋳薄刃砥石の製法と同じである。得られた単層砥石１Ａの外周面１ｂのみにマスキング５を施す。

次に、単層砥石１Ａをエッチング液に浸漬し、金属結合材３の表面をエッチングすることによって、図２の（ｂ）のように両側面１ａから露出する砥粒２の突出長を増大させた単層砥石１Ｂを得る。なお、外周面１ｂはマスキング５で覆われているのでエッチングされず、外周面１ｂから露出する砥粒２の突出長は当初のままである。

次に、外周面１ｂのマスキング５を除去すると共に、単層砥石１Ｂの両側面１ａから露出する砥粒２のうち、一部の砥粒を脱落させ、脱落した砥粒痕によって凹部４を形成する。なお、砥粒２の脱落は、エッチング液への浸漬時あるいはエッチング後の洗浄時に、突出長が大きく保持力の低い砥粒２だけが自然に脱落する。こうして、図２の（ｃ）に示すように両側面に凹部４を有する薄刃砥石１が得られる。

図２では、単層砥石１Ａの外周面にマスキング５を施した状態でエッチング液に浸漬することにより、両側面のみエッチングを行ったが、マスキング５を行うことなく単層砥石１Ａの全面をエッチングした後、この砥石をダイサーに取り付け、ツルーイングで外周面をエッチング厚さに相当する分だけ削り落とすことで、砥石外周面の凹部を取り除いてもよい。一般の切削用砥石では、切削前にツルーイングを必ず実施するので、このツルーイング時に外周面の凹部を削り落とすことにより、マスキングのような格別な処理を必要としないという利点がある。

図３は単層砥石１Ｂの両側面１ａに露出する砥粒２を脱落させるための他の手法を示す。（ａ）は、エッチング済みの単層砥石１Ｂの両側面に粘着テープ６を貼り付けた状態を示す。このとき、エッチングによって突出長が増大した砥粒２は、粘着テープ６に対して広い面積で接着される。

次に、（ｂ）のように粘着テープ６を剥ぎ取ると、突出長が増大（保持力が低下）した一部の砥粒２ａは粘着テープ６と一緒に金属結合材３から脱落する。脱落した砥粒痕によって凹部４が形成される。このように砥粒２ａを金属結合材３から強制的に引き離すので、砥粒２ａが自然脱落する程度まで深くエッチングする必要がなく、金属結合材３の強度低下を抑制できる。

なお、図３では、エッチング後の単層砥石１Ｂの両側面から粘着テープ６によって砥粒２を脱落させる例を示したが、エッチング前の単層砥石１Ａの両側面に粘着テープを貼り付け、ひき剥がすことにより、両側面の一部の砥粒を脱落させてもよい。電鋳砥石（単層砥石１Ａ）は周知のように、砥粒を分散させためっき浴でめっき成長させるが、その両側面には多数の砥粒が露出しており、一部の砥粒は少しの負荷を加えるだけで脱落する。これら砥粒をテープの粘着力によって引き剥がすことで、脱落した砥粒痕によって凹部を形成することができる。

エッチング液としては、塩酸と硝酸との混合液や、塩化第二鉄溶液などを使用できる。エンチング液の濃度、温度、時間を適切に設定することにより、砥粒の脱落を促進させることができる。エッチング厚みは砥粒の平均粒径の１／３〜２／３倍程度、好ましくは砥粒の平均粒径の半分程度が望ましい。

ここで、本発明に係る薄刃砥石の一例を示す。まず、下記条件の市販の単層砥石を準備した。
砥石厚み：７０μｍ
砥石寸法：外径５２ｍｍ、内径４０ｍｍ
金属結合材材質：Ｎｉ
砥粒：＃６００（平均粒径約２５μｍ）〜＃１２００（平均粒径７．５μｍ〜１２μｍ）のダイヤモンド
上記単層砥石を塩化第二鉄溶液、塩酸＋硝酸などを用いてエッチング処理し、エッチング厚さを３μｍ（単層砥石の全体の厚み７０−６＝６４μｍ）とした。これにより、砥石側面の砥粒の一部が脱落し、砥粒の集中度が５０％から２５％まで低下した薄刃砥石を作成した。

上記のような薄刃砥石を用いて次のような加工条件で加工した。
被切削材：セラミックと金属の複合材（厚み：０．７５ｍｍ）
スピンドル回転数：３００００ｒｐｍ
カットスピード：１〜６０ｍｍ／ｓ
カット方法：アップカット
上記条件で加工したところ、被切削材のチッピングがＮｉ単層砥石に比べて少なく、かつ長時間に亘って加工品質を維持することができた。

両側面の砥粒を脱落させる方法として、砥石をエッチング液に浸漬する方法、粘着テープを用いる方法を挙げたが、その他にも、砥石を媒質中に浸漬して超音波振動を与えることも可能である。媒質としては、水、エタノール、ＩＰＡ、超音波洗浄専用の洗剤などを使用することができる。

１ 薄刃砥石
２ 砥粒
３ 金属結合材（Ｎｉめっき層）
４ 凹部
５ マスキング材
６ 粘着テープ

Claims (6)

1. 金属結合材中に砥粒が分散配置された薄刃砥石において、
   前記金属結合材の両側面には凹部が形成され、前記金属結合材の外周部周面には前記凹部が形成されておらず、
   前記金属結合材の外周部周面に露出する砥粒の密度は、両側面に露出する砥粒の密度より高いことを特徴とする薄刃砥石。
2. 前記金属結合材の両側面の表層部に露出する砥粒の一部が前記金属結合材から脱落しており、当該脱落した砥粒痕によって前記凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の薄刃砥石。
3. 金属結合材中に砥粒を分散配置した砥石本体を準備する第１の工程と、
   前記砥石本体の外周部周面をマスキングする第２の工程と、
   前記砥石本体をエッチング液に浸漬して前記金属結合材の両側面の表層部をエッチングすることにより、両側面に露出する砥粒の一部を金属結合材から脱落させ、前記砥石本体の両側面に凹部を形成する第３の工程と、
   前記砥石本体の外周部に形成されたマスキングを除去する第４の工程と、を備える薄刃砥石の製造方法。
4. 金属結合材中に砥粒を分散配置した砥石本体を準備する第１の工程と、
   前記砥石本体をエッチング液に浸漬して前記金属結合材の表層部をエッチングすることにより、表層部に露出する砥粒の一部を金属結合材から脱落させ、前記砥石本体の表層部に凹部を形成する第２の工程と、
   前記砥石本体の外周部周面の凹部を除去できるまで、前記砥石本体の外周部をツルーイングする第３の工程と、を備える薄刃砥石の製造方法。
5. 前記砥粒の一部を金属結合材から脱落させて凹部を形成するに当たり、
   前記砥石本体の両側面に粘着テープを貼り付ける第１サブ工程と、
   前記粘着テープを剥ぎ取る工程であって、前記粘着テープを剥ぎ取る際に両側面に露出する砥粒の一部を粘着テープと一緒に脱落させる第２サブ工程と、を実施することを特徴とする請求項３又は４に記載の薄刃砥石の製造方法。
6. 金属結合材中に砥粒を分散配置した砥石本体を準備する第１の工程と、
   前記砥石本体の両側面に粘着テープを貼り付ける第２の工程と、
   前記粘着テープを剥ぎ取る工程であって、前記粘着テープを剥ぎ取る際に両側面に露出する砥粒の一部を粘着テープと一緒に脱落させ、脱落した砥粒痕によって前記砥石本体の表層部に凹部を形成する第３の工程と、を実施することを特徴とする薄刃砥石の製造方法。

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