JP2006346857A - Polishing tool - Google Patents

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ラマナス,スリニバサン
William H Williston
エイチ. ウィリストン,ウィリアム
Sergej-Tomislav Buljan
ブルジャン,セルゲイ−トミスラフ
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polishing tool suitable to precisely polish a hard and brittle material such as ceramics and a composite comprising ceramics at grinding wheel peripheral velocity up to 160 m/s. <P>SOLUTION: This polishing tool includes a grinding wheel core 2 mounted on a dense metal bonded superabrasive segment 8 by a thermally stable bond 6. The tool favorable for back grinding of a ceramic wafer includes a graphite filler and abrasive 4 of a comparatively low degree of concentration. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本出願は、1998年3月27日出願された米国出願Ser.No.09/049,623の一部継続出願である。本発明は、160m/sまでの砥石周速度(peripheral speeds)でセラミックスおよびセラミックスを含む複合体のような硬くてもろい材料を精密研削(precision griding)するのに適し、そしてセラミックウェハの平面研削(surface griding)に適した研磨工具(abrasive tools)に関する。   This application is filed in US application Ser. No. This is a continuation-in-part application of 09 / 049,623. The present invention is suitable for precision grinding of hard and brittle materials such as ceramics and composites containing ceramics at peripheral speeds up to 160 m / s, and surface grinding of ceramic wafers ( The present invention relates to abrasive tools suitable for surface grinding.

研磨工具は、研削作業の間に、熱的に安全な結合剤で超砥粒リムに結合された金属に取付けられた砥石コアもしくはハブを含む。これらの研磨工具は、高い除去速度(たとえば、19〜380cm3 /min /cm)でセラミックスを研削し、従来の研磨工具よりも砥石摩耗が少なく、加工物の損傷が小さい。
サファイアおよび他のセラミック材料を研削するのに適した研磨工具はLiの米国特許第5,607,489号明細書に開示されている。その工具は、固体潤滑剤2〜20 vol%および多孔度少くとも10 vol%を有するヴィトリファイド・マトリックス中に結合された金属クラッドダイアモンドを含有するように説明されている。
The abrasive tool includes a grindstone core or hub attached to the metal that is bonded to the superabrasive rim with a thermally safe binder during the grinding operation. These polishing tools grind ceramics at a high removal rate (for example, 19 to 380 cm 3 / min / cm), have less grinding wheel wear than conventional polishing tools, and damage to a workpiece is small.
A polishing tool suitable for grinding sapphire and other ceramic materials is disclosed in US Pat. No. 5,607,489 to Li. The tool is described as containing metal clad diamond bonded in a vitrified matrix having a solid lubricant of 2-20 vol% and a porosity of at least 10 vol%.

グラファイトのような選択された充てん剤15〜50 vol%を有する金属マトリックス中に結合されたダイアモンドを含む研磨工具は、Keatの米国特許第3,925,035号に開示されている。その工具は、超硬合金(cemented carbides)を研削するのに用いられる。
ダイアモンド砥粒を結合された金属でつくられた切断砥石(cutting−off wheel)は、Van der Pylの米国特許第2,238,351号に開示されている。結合剤は、銅、鉄、スズ、および任意にニッケルを含み、固定砥粒は、鋼のコアに焼結されるが、任意には適切な付着力を確実にするためはんだ付け行程を伴ってもよい。最良の結合剤は、ロックウェル硬度70を有すると報告されている。
An abrasive tool comprising diamond bonded in a metal matrix having a selected filler of 15-50 vol% such as graphite is disclosed in Keat US Pat. No. 3,925,035. The tool is used to grind cemented carbides.
A cutting-off wheel made of metal bonded diamond abrasive is disclosed in US Pat. No. 2,238,351 to Van der Pyl. The binder includes copper, iron, tin, and optionally nickel, and the fixed abrasive is sintered to the steel core, but optionally with a soldering process to ensure proper adhesion. Also good. The best binder is reported to have a Rockwell hardness of 70.

青銅結合剤のような比較的低い低溶融温度の金属結合剤中に結合された細かなダイアモンド粒(ダイアくず)(bort)を含む研磨工具が、米国再発行特許第21,165号に開示されている。低融点結合剤は、細かなダイアモンド粒の酸化を避けるのに役立つ。砥粒リムは単一の、環状砥粒セグメントとして組み立てられ、ついでアルミニウムもしくは他の材料のセントラルディスクに取付けられる。   An abrasive tool comprising fine diamond grains bonded in a relatively low melting temperature metal binder such as a bronze binder is disclosed in US Reissue Patent No. 21,165. ing. The low melting point binder helps to avoid the oxidation of fine diamond grains. The abrasive rim is assembled as a single, annular abrasive segment and then attached to a central disk of aluminum or other material.

これらの研磨工具は、セラミック成分の精密研削において十分に満足すべきものとは、どれも示されていない。これらの工具は、商業的に実行しうる研削速度で操作されるときに、部分形状、大きさおよび表面品質に対する厳格な仕様を満たしていない。これらの操作での使用に勧められる最も大量生産の研磨工具は、セラミック成分への表面および半表面の損傷を避けるために比較的低い研削効率で操作するように設計されたレジンもしくはビトリファイド結合された超砥粒砥石である。研削効率は、セラミック加工物が砥石面をふさぐ傾向のためにさらに減少し、精密形状を維持するために砥石に目直し(dressing)および形直し(truing)を度々要求することになる。   None of these polishing tools have been shown to be fully satisfactory in precision grinding of ceramic components. These tools do not meet strict specifications for part shape, size and surface quality when operated at commercially viable grinding speeds. The most mass-produced polishing tools recommended for use in these operations are resin or vitrified bonded designed to operate with relatively low grinding efficiency to avoid surface and half-surface damage to the ceramic components It is a superabrasive grindstone. Grinding efficiency is further reduced due to the tendency of ceramic workpieces to clog the grinding wheel surface, often requiring the grinding wheel to be dressed and reshaped to maintain a precise shape.

エンジン、耐火性装置および電子デバイス(たとえば、ウェハ、磁気ヘッドおよびディプレーウィンドウ)のような製品において、精密なセラミック成分に対する市場の要求が増大するにつれて、セラミックの精密研削のための改良された研磨工具について、要求が増大している。
たとえばアルミナー炭化チタン(AlTiC)のような電子部品用の高性能セラミック材料の仕上げにおいて、平面研削もしくは「バック研削」(“backgrinding)操作は、低い抵抗(force)の比較的低速の研削作業で、高品質の、平らな表面仕上げを要求する。これらの材料のバック研削において、研削効率は、高い除去速度および砥石の耐摩耗性と同じく、加工物表面の品質および使用される抵抗の制御により、決定される。
Improved polishing for precision grinding of ceramics as products have increased market demand for precision ceramic components in products such as engines, refractory equipment and electronic devices (eg, wafers, magnetic heads and display windows) There is an increasing demand for tools.
For example, in finishing high performance ceramic materials for electronic components such as alumina-titanium carbide (AlTiC), surface grinding or “back grinding” operation is a relatively slow grinding operation with low force, Requires a high quality, flat surface finish.In the back grinding of these materials, the grinding efficiency is controlled by controlling the quality of the workpiece surface and the resistance used, as well as the high removal speed and wear resistance of the wheel. It is determined.

本発明は、最小の比強度パラメータ2.4 MPa-cm3/g、コア密度0.5〜8.0g/cm3 を有するコア、円形の周囲、および多数の砥粒セグメントで規定される砥粒リム、を含む平面研削研磨工具である;そこでは、砥粒セグメントは、合計100 vol%に対して選ばれた量で、超砥粒0.05〜10 vol%、もろい充てん材10〜35 vol%、および破壊じん性1.0〜3.0MPa M1/2 を有する金属結合剤マトリックス55〜89.95 vol%を含む。比強度パラメータは、材料の降伏強度(yield strength)もしくは破壊強度(fracture strength)を材料の密度で除した、小さいほうの比として定義される。もろい充てん材は、グラファイト、六方晶系窒化ホウ素、中空セラミック球、長石、ネフェリンサイアナイト、軽石、仮焼クレーおよびガラス球ならびにそれらの組合わせからなる群より選ばれる。好適な態様において、金属結合剤マトリックスは、最大5 vol%の多孔度を有する。 The present invention relates to an abrasive defined by a core having a minimum specific strength parameter of 2.4 MPa-cm 3 / g, a core density of 0.5 to 8.0 g / cm 3 , a circular perimeter, and a number of abrasive segments. A surface grinding and polishing tool including a grain rim; wherein the abrasive segments are selected in a total amount of 100 vol%, superabrasive grains 0.05 to 10 vol%, brittle filler 10 to 35 and a metal binder matrix having a fracture toughness of 1.0 to 3.0 MPa M1 / 2 , 55 to 89.95 vol%. The specific strength parameter is defined as the smaller ratio of the material's yield strength or fracture strength divided by the material density. The brittle filler is selected from the group consisting of graphite, hexagonal boron nitride, hollow ceramic spheres, feldspar, nepheline sianite, pumice, calcined clay and glass spheres and combinations thereof. In a preferred embodiment, the metal binder matrix has a porosity of up to 5 vol%.

本発明の研磨工具は、砥石に取りつけるためのセンタ穴を有するコアを含む研削砥石であり、そのコアは砥石の外周に沿って金属結合された超砥粒リムを支持するように設計されている。砥石のこれら2つの部分は研削条件下で熱的に安定な結合剤で支持され、そして砥石およびその成分は少くとも80m/秒まで、好ましくは160m/秒までの砥石の周速度で発生する応力に耐えるように設計されている。好ましい工具は、1A型砥石およびカップ状砥石であり、たとえば2型もしくは6型の砥石、または11V9型のベル状のカップ砥石である。   The polishing tool of the present invention is a grinding wheel including a core having a center hole for attachment to a grindstone, and the core is designed to support a superabrasive rim that is metal-bonded along the outer periphery of the grindstone. . These two parts of the wheel are supported by a thermally stable binder under grinding conditions, and the wheel and its components are stresses generated at a peripheral speed of the wheel of at least up to 80 m / sec, preferably up to 160 m / sec. Designed to withstand. Preferred tools are a 1A type grindstone and a cup-shaped grindstone, for example, a 2 or 6 type grindstone, or an 11V9 type bell-shaped cup grindstone.

コアは実質的に形状が円形である。コアは、最小の比強度2.4 MPa-cm3/g、好ましくは40〜185 MPa-cm3/gを有するいかなる材料も含んでいてよい。コア材料は、密度0.5〜8.0g/cm3 、好ましくは2.0〜8.0g/cm3 を有する。適した材料の例は、鋼、アルミニウム、チタンおよび青銅、さらにそれらの複合体(composites)および合金ならびにそれらの組合せである。指定された最小の比強度を有する補強プラスチックも、コアを組み立てるのに使用されうる。複合体および補強コア材料は、通常、金属もしくはプラスチックマトリックスの連続相を、しばしば粉末形態で、有し、それにもっと硬い、もっと反発弾性の、および/またはもっと低い密度の材料の繊維、粒子が不連続相として添加される。本発明の工具のコアに使用されるのに適した補強材料の例は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、セラミック繊維、セラミック粒子ならびにガラス、ムライト、アルミナおよびゼオライト球のような中空充填材料である。 The core is substantially circular in shape. The core may comprise any material having a minimum specific strength of 2.4 MPa-cm 3 / g, preferably 40-185 MPa-cm 3 / g. The core material has a density of 0.5 to 8.0 g / cm 3 , preferably 2.0 to 8.0 g / cm 3 . Examples of suitable materials are steel, aluminum, titanium and bronze, as well as their composites and alloys and combinations thereof. Reinforced plastics having a specified minimum specific strength can also be used to assemble the core. Composite and reinforced core materials usually have a continuous phase of a metal or plastic matrix, often in powder form, to which fibers, particles of harder, more rebound and / or lower density materials are impregnated. It is added as a continuous phase. Examples of reinforcing materials suitable for use in the tool core of the present invention are glass fibers, carbon fibers, aramid fibers, ceramic fibers, ceramic particles and hollow filler materials such as glass, mullite, alumina and zeolite spheres. is there.

鋼、および密度0.5〜8.0g/cm3 を有する他の金属は、本発明の工具のためのコアをつくるのに使用され得る。高速研削(たとえば、少くとも80m/秒)に使用されるコアの製造には、アルミニウム、マグネシウムおよびチタン、ならびにそれらの合金およびそれらの混合物のような軽金属の粉末形態が好適である。アルミニウムおよびアルミニウム合金が特に好適である。もし共焼結アセンブリ処理が工具を製造するのに使用されるならば、400〜900℃、好ましくは570〜650℃の焼結温度を有する金属が選ばれる。低密度の充てん材料は、コアの質量を減少させるのに添加されうる。ガラス球およびムライト球のような、多孔性および/または中空のセラミックもしくはガラス充てん剤は、この目的のために適した材料である。さらに、有用なのは無機および非金属繊維材料である。処理条件により指示されるとき、潤滑剤もしくは、金属結合剤および超砥粒の分野で知られている他の処理助剤(processing aids)が、成形および焼結の前に金属粉末に添加されうる。 Steel and other metals having a density of 0.5-8.0 g / cm 3 can be used to make the core for the tool of the present invention. Light metal powder forms such as aluminum, magnesium and titanium, and their alloys and mixtures thereof are suitable for the manufacture of cores used for high speed grinding (eg at least 80 m / sec). Aluminum and aluminum alloys are particularly suitable. If a co-sinter assembly process is used to produce the tool, a metal with a sintering temperature of 400-900 ° C, preferably 570-650 ° C is selected. Low density filler material can be added to reduce the mass of the core. Porous and / or hollow ceramic or glass fillers, such as glass spheres and mullite spheres, are suitable materials for this purpose. In addition, useful are inorganic and non-metallic fiber materials. When indicated by processing conditions, lubricants or other processing aids known in the field of metal binders and superabrasives can be added to the metal powder prior to molding and sintering. .

工具は、高速操作で発生する潜在的に破壊抵抗(destructive forces)に耐えるために強く、耐久性があり、寸法的に安定であるべきである。コアは、接線方向の接触速度80〜160m/sを達成するのに必要な非常に高い角速度で砥石を操作するために最小の比強度を有しなければならない。本発明において用いられるコア材料に必要とされる最小の比強度パラメータは2.4 MPa-cm3/gである。 The tool should be strong, durable and dimensionally stable to withstand potentially destructive forces that occur during high speed operation. The core must have a minimum specific strength in order to operate the wheel at the very high angular velocities necessary to achieve a tangential contact speed of 80-160 m / s. The minimum specific strength parameter required for the core material used in the present invention is 2.4 MPa-cm 3 / g.

比強度パラメータは、コア材料の降伏(yield)(もしくは破壊)(fracture)強度をコア材料密度で除した比として定義される。降伏強度よりも低い破壊強度を有するもろい材料の場合には、比強度パラメータは小さいほうの数字である破壊強度を用いて決定される。材料の降伏強度は、材料のひずみ(strain)が、抵抗のさらなる増加なしに増加する張力にかかる最小の抵抗である。たとえば、約240(ブリネル硬度)を超えて硬化されるANSI 4140鋼は、700MPa を超える引張り強さを有する。この鋼の密度は約7.8g/cm3 である。このように、その比強度パラメータは約90 MPa-cm3/gである。同様に、約100を超えるブリネル硬度に熱処理しうる、一定のアルミニウム合金、たとえばAl2024、Al7075およびAl7178、は約300MPa よりも高い引張り強さを有する。このようなアルミニウム合金は、約2.7g/cm3 の低密度を有し、したがって110 MPa-cm3/gよりも大きい比強度パラメータを示す。8.0g/cm3 以下の密度を有するようにつくられたチタン合金および青銅複合体および合金も、使用に適する。 The specific strength parameter is defined as the ratio of the yield (or fracture) strength of the core material divided by the core material density. In the case of brittle materials having a fracture strength lower than the yield strength, the specific strength parameter is determined using the fracture strength, which is the smaller number. The yield strength of a material is the minimum resistance to which the strain of the material is subject to increasing tension without further increase in resistance. For example, ANSI 4140 steel hardened above about 240 (Brinell hardness) has a tensile strength greater than 700 MPa. The density of this steel is about 7.8 g / cm 3 . Thus, the specific strength parameter is about 90 MPa-cm 3 / g. Similarly, certain aluminum alloys, such as Al2024, Al7075, and Al7178, which can be heat treated to a Brinell hardness of greater than about 100, have a tensile strength greater than about 300 MPa. Such an aluminum alloy has a low density of about 2.7 g / cm 3 and thus exhibits a specific strength parameter greater than 110 MPa-cm 3 / g. Titanium alloys and bronze composites and alloys made to have a density of 8.0 g / cm 3 or less are also suitable for use.

コア材料は、強じんで、研削帯域で達する温度(たとえば約50〜200℃)で熱的に安定であり、研削に用いられる冷却剤および潤滑剤との化学反応に耐性があり、そして研削帯域における切削くずの動きによる腐食による摩耗に耐性があるべきである。いくつかのアルミナおよび他のセラミックスは、受け入れられる破壊値(failure values)(すなわち、60 MPa-cm3/gを超える)を有するけれども、それらは通常もろすぎて、破壊により高速研削で構造的に破損する。それ故、セラミックスは工具コアにおける使用には適さない。金属、とくに硬化された工具級鋼(tool quality steel)が好適である。 The core material is tough, thermally stable at temperatures reached in the grinding zone (eg, about 50-200 ° C.), resistant to chemical reactions with coolants and lubricants used in grinding, and the grinding zone It should be resistant to wear due to corrosion due to the movement of cutting waste. Although some alumina and other ceramics have acceptable failure values (ie, greater than 60 MPa-cm 3 / g), they are usually too brittle and structurally with high speed grinding due to failure fall into disrepair. Ceramics are therefore not suitable for use in tool cores. Metals, especially hardened tool grade steel, are preferred.

本発明で用いられる研削砥石の砥粒セグメントは、コアに取り付けられるセグメント化された、もしくは連続したリムである。セグメント化された砥粒リムは図1に示される。コア2は、動力駆動(図示せず)のアーバに砥石を取付けるためのセンタ穴3を有する。砥石の砥粒リムは金属マトリックス結合剤6中に埋め込まれた(好ましくは均一濃度に)超砥粒4を含む。多数の砥粒セグメント8は、図1に示される砥粒リムを構成する。例示の態様は10のセグメントを示すけれども、セグメントの数は重要ではない。図1に示されるように、個々の砥粒セグメントは、長さl、幅wおよび深さdで特徴づけられる先端を切った、長方形の輪形形状(アーチ形状)を有する。   The abrasive grain segment of the grinding wheel used in the present invention is a segmented or continuous rim attached to the core. A segmented abrasive rim is shown in FIG. The core 2 has a center hole 3 for attaching a grindstone to an arbor of a power drive (not shown). The abrasive rim of the grindstone includes superabrasive grains 4 embedded in metal matrix binder 6 (preferably to a uniform concentration). A large number of abrasive grain segments 8 constitute the abrasive rim shown in FIG. Although the exemplary embodiment shows 10 segments, the number of segments is not important. As shown in FIG. 1, each abrasive grain segment has a rectangular ring shape (arch shape) with a truncated end characterized by a length l, a width w, and a depth d.

図1に示される研削砥石の態様は、本発明によりうまく操作され得る砥石の代表例であり、限定するものとみるべきではない。適しているとみられるセグメント化研削砥石の数多くの形状度化は、図2に示されるようなカップ形状砥石、連続的セグメントの間にコアおよび/または間隙を通る開口を有する砥石、そしてコアとは異なる幅の砥粒セグメントを有する砥石を含む。開口もしくは間隙は、研削帯域に冷却剤を導入するための、およびその帯域から切削くずを送り出すための、通路を提供するのに使用されることがある。コア幅より広いセグメントは、砥石が半径方向に加工物を貫くにつれて、切りくずとの接触を通して腐食からコア構造を保護するのに用いられることがある。   The embodiment of the grinding wheel shown in FIG. 1 is a representative example of a grinding wheel that can be successfully operated in accordance with the present invention and should not be considered limiting. Numerous shapings of segmented grinding wheels that appear to be suitable include: cup-shaped wheels as shown in FIG. 2, wheels with openings between cores and / or gaps between successive segments, and cores Includes whetstones having abrasive segments of different widths. The opening or gap may be used to provide a passage for introducing coolant into the grinding zone and for delivering cutting waste from the zone. Segments wider than the core width may be used to protect the core structure from corrosion through contact with the chips as the grindstone penetrates the workpiece radially.

砥石は、最初に、予め選定された寸法の個々のセグメントを形状し、ついで予め成形されたセグメントを、適切な接着剤でコアの周囲9に取付けることにより製造されうる。もう一つの好適な製造法は、砥粒および結合剤の粉末混合物のセグメント前駆体ユニットを形成すること、コアの周囲まわりにその組成物を成形すること、そしてセグメントをその場でつくり、取り付ける(すなわち、コアおよびリムの共焼結)ために熱および圧力をかけることを伴う。共焼結法は、AlTiCのような硬セラミックスのウェハおよびチップをバック研削するのに用いられる平面研削カップ砥石を製造するのに好適である。   The wheel can be manufactured by first shaping individual segments of preselected dimensions and then attaching the pre-formed segments to the core periphery 9 with a suitable adhesive. Another suitable manufacturing method is to form a segment precursor unit of the abrasive and binder powder mixture, shape the composition around the periphery of the core, and create and attach the segments in situ ( That is, applying heat and pressure to the core and rim for co-sintering). The co-sintering method is suitable for producing a surface grinding cup grindstone used for back grinding hard ceramic wafers and chips such as AlTiC.

本発明の研磨工具の砥粒リム成分は、それぞれ図1,2に示されるような、連続リムもしくは不連続リムでありうる。連続砥粒リムは、1つの砥粒セグメント、もしくは少くとも2つの砥粒セグメントを含み、別々に型内で焼結され、ついで熱的に安定な結合剤(すなわち、研削面から向けられたセグメントの部分で研削の間に出会う温度、ふつうは約50〜350℃、で安定な結合剤)でコアに個々に取付けられる。図2に示されるように不連続砥粒リムは、少くとも2つのそのようなセグメントから製造され、そしてセグメントはリムの溝もしくは間隙により分離され、セグメント化された連続砥粒リム砥石におけるようそれらの長さ1に沿って端と端を一致させられない。図は本発明の好ましい態様を例示し、本発明の工具設計の型を制限することを意図されない。たとえば、不連続リムは1A砥石に用いられ得、そして連続リムはカップ砥石に用いられ得る。   The abrasive rim component of the polishing tool of the present invention can be a continuous rim or a discontinuous rim, as shown in FIGS. A continuous abrasive rim includes one abrasive segment, or at least two abrasive segments, which are separately sintered in a mold and then thermally stable binder (ie, a segment directed from the grinding surface). At a temperature encountered during grinding, usually about 50-350 ° C., and a stable binder). As shown in FIG. 2, discontinuous abrasive rims are manufactured from at least two such segments, and the segments are separated by rim grooves or gaps, such as in a segmented continuous abrasive rim wheel. The edges cannot be matched along the length 1 of the. The figures illustrate preferred embodiments of the invention and are not intended to limit the type of tool design of the invention. For example, discontinuous rims can be used for 1A wheels and continuous rims can be used for cup wheels.

高速研削、とくに円筒形状を有する加工物の研削のためには、連続リム、型1Aの砥石が好適である。セグメント化連続砥粒リムは、好適であり、多数の砥粒セグメントから工具を製造する間、真に丸い、平面形状を達成するのが非常に容易であるので、単一の連続砥粒リムにわたり輪状に単一片のように成型される。 比較的低速(たとえば25〜60m/sec )の操作、特に平らな加工物の表面および仕上げ研削、のためには、不連続砥粒リム(たとえば図2に示されるカップ砥石)が好適である。表面の品質は、低速表面仕上げ操作において重要であるので、溝がセグメントに形成されるか、もしくはいくつかのセグメントは加工物表面をひっかくことができるくず材料の除去を助けるためにリムから省かれうる。   For high-speed grinding, particularly grinding of a workpiece having a cylindrical shape, a continuous rim and a grindstone of type 1A are suitable. A segmented continuous abrasive rim is preferred and spans a single continuous abrasive rim as it is very easy to achieve a truly round and planar shape while manufacturing a tool from multiple abrasive segments. It is shaped like a single piece in a ring shape. For relatively low speed (e.g. 25-60 m / sec) operations, especially flat workpiece surfaces and finish grinding, discontinuous abrasive rims (e.g. the cup wheel shown in Fig. 2) are preferred. Since surface quality is important in low speed surface finishing operations, grooves are formed in the segments, or some segments are omitted from the rim to help remove scrap material that can scratch the workpiece surface. sell.

砥粒リム成分は、金属マトリックス結合剤中に保持された超砥粒を含み、砥粒リムもしくは砥粒リムセグメントの望ましい大きさおよび形状を生じるように設計された型内で、金属結合剤粉および砥粒の混合物を焼結することにより得られるのが通常である。
砥粒リムで用いられる超砥粒は、天然もしくは合成ダイアモンド、CBN、およびこれらの砥粒の組合わせから選択され得る。粒径および種類の選択は、加工物の性質および研削処理の種類に応じて変動する。たとえば、サファイアもしくはAlTiCの研削および研磨においては、2〜300μmの範囲の超砥粒の粒径が好ましい。他のアルミナの研削のためには、約125〜300μmの超砥粒の粒径(60〜120グリット;Norton Companyグリット径)が、通常、好適である。窒化ケイ素の研削のためには、約45〜80μm(200〜400グリット)の粒径が、通常、好適である。比較的細かなグリット径は表面仕上げのために好適であり、そして比較的大きいグリット径は、比較的大量の材料が研削される円筒、輪郭(profile)もしくは内径(innerdiameter)研削のために好適である。
The abrasive rim component comprises superabrasive grains held in a metal matrix binder and the metal binder powder in a mold designed to produce the desired size and shape of the abrasive rim or abrasive rim segment. And is usually obtained by sintering a mixture of abrasive grains.
The superabrasive used in the abrasive rim may be selected from natural or synthetic diamond, CBN, and combinations of these abrasives. The choice of particle size and type will vary depending on the nature of the workpiece and the type of grinding process. For example, in grinding and polishing sapphire or AlTiC, a superabrasive grain size in the range of 2 to 300 μm is preferred. For grinding other aluminas, a superabrasive grain size of about 125-300 μm (60-120 grit; Norton Company grit diameter) is usually preferred. For grinding silicon nitride, a particle size of about 45-80 μm (200-400 grit) is usually preferred. A relatively fine grit diameter is suitable for surface finishing and a relatively large grit diameter is suitable for cylindrical, profile or innermeter grinding where a relatively large amount of material is ground. is there.

砥粒リムの容積%として、工具は超砥粒0.5〜10 vol%、好ましくは0.5〜5 vol%を含む。金属結合剤マトリックスよりも小さい硬度を有する、少量の充てん剤は、結合剤の摩耗速度を増加させるために結合剤充てん材として添加されうる。リム成分の容積%として、充てん材は、10〜35 vol%、好ましくは15〜35 vol%で使用されうる。好適な、もろい充てん材料は、砥粒セグメントを製造し、砥石を組立てのに使用される焼結温度および圧力条件に耐えるの好適な熱的および機械的性質により特徴づけられる。グラファイト、六方晶系窒化ホウ素、中空セラミック球、長石、ネフェリンサイアナイト、軽石、仮焼クレーおよびガラス球、ならびにそれらの組合わせは、有用なもろい充てん材料の例である。   As volume% of the abrasive rim, the tool contains 0.5-10 vol% superabrasive, preferably 0.5-5 vol%. A small amount of filler, which has a lower hardness than the metal binder matrix, can be added as a binder filler to increase the wear rate of the binder. As volume% of the rim component, the filler can be used at 10 to 35 vol%, preferably 15 to 35 vol%. A suitable brittle filler material is characterized by suitable thermal and mechanical properties to withstand the sintering temperature and pressure conditions used to produce the abrasive segments and to assemble the wheel. Graphite, hexagonal boron nitride, hollow ceramic spheres, feldspar, nepheline sianite, pumice, calcined clay and glass spheres, and combinations thereof are examples of useful brittle filler materials.

超砥粒を結合するのに適し、そして破壊じん性1.0〜6.0MPa ・m1/2 、好ましくは2.0〜4.0MPa ・m1/2 を有する、いかなる金属結合剤も、ここで使用されうる。破壊じん性は、材料中に生じたクラックが材料中に広がり、材料の破壊に導く応力強度ファクターである。破壊じん性はK1c=(σf )(π1/2 )(c1/2 )で表わされ、ここでK1cは破壊じん性は、σf は破壊にかけられた応力、そしてcはクラック長さの1/2である。破壊じん性を測定するのに用いられうるいくつかの方法があり、それぞれは知られた大きさのクラックがテスト材料に発生する最初の段階を有し、ついで材料破壊まで応力負荷がかけられる。破壊における応力、およびクラックの長さは、その式に代入されて、破壊じん性が計算される(たとえば、鋼の破壊じん性は約30〜60MPa ・m1/2 、アルミナは約2〜3MPa ・m1/2 、窒化ケイ素は約4〜5MPa ・m1/2 、そしてジルコニアは約7〜9MPa ・m1/2 である。)。 Any metal binder suitable for bonding superabrasives and having a fracture toughness of 1.0-6.0 MPa · m 1/2 , preferably 2.0-4.0 MPa · m 1/2 , It can be used here. Fracture toughness is a stress strength factor that causes cracks in a material to spread into the material and lead to material failure. Fracture toughness is expressed as K 1c = (σ f ) (π 1/2 ) (c 1/2 ), where K 1c is the fracture toughness, σ f is the stress subjected to fracture, and c is It is 1/2 of the crack length. There are several methods that can be used to measure fracture toughness, each having an initial stage in which a known size crack occurs in the test material and then stressed until material failure. Stress at fracture and crack length are substituted into the equation to calculate fracture toughness (for example, fracture toughness of steel is about 30-60 MPa · m 1/2 , alumina is about 2-3 MPa. M 1/2 , silicon nitride is about 4-5 MPa · m 1/2 , and zirconia is about 7-9 MPa · m 1/2 ).

砥石寿命および研削性能を最適化するために、結合剤の摩耗速度は、研削操作の間、砥粒の摩耗速度に等しいか、もしくはわずかに大きくなければならない。上述のような充てん材は、砥石の摩耗速度を減少させるために金属結合剤に添加されてもよい。比較的緻密な結合剤構造(すなわち、多孔度5 vol%未満)を形成しやすい金属粉は、研削の間、比較的高い研削速度を可能にするので好適である。   In order to optimize wheel life and grinding performance, the binder wear rate must be equal to or slightly greater than the abrasive wear rate during the grinding operation. Fillers as described above may be added to the metal binder to reduce the wear rate of the grindstone. Metal powders that tend to form a relatively dense binder structure (i.e., less than 5 vol% porosity) are preferred because they allow a relatively high grinding rate during grinding.

リムの金属結合剤において有用な材料は、青銅、銅および亜鉛合金(黄銅)、コバルト、および鉄、ならびにそれらの合金、そしてそれらの混合物を含むが、それらに限定されない。これらの金属は、チタンもしくは水素化チタン、または砥粒/結合剤の地位を強化するような選ばれた焼結条件下で、超砥粒の表面で砥粒と結合剤の間で炭化物もしくは窒化物の化学結合を形成させる能力を有する、他の超砥粒と反応性を有する(すなわち活性結合成分)材料、とともに使用されうる。   Materials useful in the rim metal binder include, but are not limited to, bronze, copper and zinc alloys (brass), cobalt, and iron, and alloys thereof and mixtures thereof. These metals can be carbide or nitrided between the abrasive grains and the binder at the surface of the superabrasive grains under selected sintering conditions such as titanium or titanium hydride, or strengthening the abrasive / binder status. It can be used with other superabrasive materials that have the ability to form chemical bonds of objects (ie, active binding components).

比較的強い砥粒/結合剤の相互作用は、砥粒および加工物の損傷の早い損失、ならびに早い砥粒損失によって生じる短縮された工具寿命を制限する。
砥粒リムの好適な態様において、金属マトリックスは、リムの55〜89.95 vol%、好ましくは60〜84.5 vol%を含む。もろい充てん材は、砥粒リムの10〜35 vol%、好ましくは15〜35 vol%を含む。金属マトリックス結合剤の多孔度は、砥粒セグメントの製造の間、最大5 vol%に維持されるべきである。好ましくは、金属結合剤はヌープ硬度2〜3GPa を有する。
The relatively strong abrasive / binder interaction limits the rapid loss of abrasive and workpiece damage, as well as the shortened tool life caused by rapid abrasive loss.
In a preferred embodiment of the abrasive rim, the metal matrix comprises 55-89.95 vol%, preferably 60-84.5 vol% of the rim. The brittle filler contains 10-35 vol%, preferably 15-35 vol% of the abrasive rim. The porosity of the metal matrix binder should be maintained at a maximum of 5 vol% during the manufacture of the abrasive segment. Preferably, the metal binder has a Knoop hardness of 2-3 GPa.

1A型の研削砥石の好適な態様において、コアはアルミニウムでつくられ、リムは、銅およびスズ粉末(80/20wt%)でつくられる青銅結合剤を含むが、それは任意にリンをリン/銅粉末の形で0.1〜3.0wt%、好ましくは0.1〜1.0wt%添加されていてもよい。砥粒セグメントの製造の間、この組成物の金属粉末は、100〜400グリット(160〜45μm)のダイアモンド砥粒と混合され、砥粒リムセグメントに成形され、そして20〜33MPa で400〜550℃の範囲で焼結すなわち緻密化され(densified)、好ましくは理論密度の少くとも95%の密度(すなわち、5 vol%未満の多孔度を有する)を有する、緻密な砥粒リムを生成する。   In a preferred embodiment of the type 1A grinding wheel, the core is made of aluminum and the rim includes a bronze binder made of copper and tin powder (80/20 wt%), which optionally contains phosphorus to phosphorus / copper powder. In the form of 0.1 to 3.0 wt%, preferably 0.1 to 1.0 wt% may be added. During the manufacture of the abrasive segment, the metal powder of this composition is mixed with 100-400 grit (160-45 μm) diamond abrasive, molded into an abrasive rim segment and 400-550 ° C. at 20-33 MPa. To produce a dense abrasive rim that is sintered or densified, preferably having a density of at least 95% of the theoretical density (ie, having a porosity of less than 5 vol%).

代表的な共焼結の砥石製造法において、コアの金属粉末は鋼型へ注入され、80〜200kN(圧力約10〜50MPa )で冷間圧縮されて、コアの所望の最終厚さの約1.2〜1.6倍の大きさを有する生の部品を形成する。生のコア部品はグラファイト型に置かれ、砥粒(グリット径2〜300μm)および金属結合剤粉末ブレンドの混合物が、コアおよびグラファイト型の外側端の間のキャビティに添加される。設定リング(setting ring)が、コアプリフォームと同じ厚さに、砥粒および金属結合剤粉末を圧縮するために用いられ得る。グラファイト型の内容物は、ついで370〜410℃で、20〜48MPa の圧力下で、6〜10分間、熱間圧縮される。この分野で知られるように、温度は、型の内容物に圧力をかける前に、傾斜をつける(たとえば、25℃から410℃まで6分間;410℃で15分間保持)か、もしくは除去に増加させてもよい。   In a typical co-sintered whetstone manufacturing method, the core metal powder is poured into a steel mold and cold compressed at 80-200 kN (pressure about 10-50 MPa) to give about 1 of the desired final thickness of the core. Form raw parts having a size of 2 to 1.6 times. The raw core part is placed in a graphite mold and a mixture of abrasive grains (grit diameter 2-300 μm) and metal binder powder blend is added to the cavity between the core and the outer edge of the graphite mold. A setting ring can be used to compress the abrasive and metal binder powder to the same thickness as the co-appli foam. The graphite-type contents are then hot compressed at 370-410 ° C. under a pressure of 20-48 MPa for 6-10 minutes. As is known in the art, the temperature is ramped (eg, from 25 ° C. to 410 ° C. for 6 minutes; held at 410 ° C. for 15 minutes) or increased in removal before pressure is applied to the mold contents You may let them.

熱間圧縮につづいて、グラファイト型は部品から取除かれ、部品は冷却され、ついで部品は従来法により仕上げられて、所望の寸法および許容差を有する砥粒リムを得る。たとえば、部品は、研削盤のビトリファイド研削砥石、または旋盤の炭化物を用いて大きさを仕上げられうる。
本発明のコアおよびリムを共焼結するときには、部品をその最終形状にするのに、研削をほとんど必要としない。熱的に安定な結合を砥粒リムとコアの間に形成させる他の方法では、コアおよびリムの両方の切削が、部分を一致させ、結合させるための適切な表面を確実にするために、接合、接続もしくは拡散段階の前に必要となりうる。
Following hot compression, the graphite mold is removed from the part, the part is cooled, and then the part is finished by conventional methods to obtain an abrasive rim having the desired dimensions and tolerances. For example, the part may be sized using a vitrified grinding wheel on a grinder or a carbide on a lathe.
When co-sintering the core and rim of the present invention, little grinding is required to bring the part to its final shape. In other methods of forming a thermally stable bond between the abrasive rim and the core, both the core and rim cuts to match the parts and ensure a suitable surface for bonding It may be necessary before the joining, connecting or diffusion stage.

セグメント化砥粒リムを使用して、リムおよびコアの間に熱的に安定な結合をつくる際に、160m/sec までの砥石周速度に耐える強度を有する熱的に安定ないかなる接着剤も使用され得る。熱的に安定な接着剤は、研削面から向けられた砥粒セグメントの部分で出会いそうな研削処理温度に安定である。このような温度は、ふつう約50〜350℃の範囲にわたる。   When using a segmented abrasive rim to create a thermally stable bond between the rim and core, use any thermally stable adhesive with strength to withstand wheel peripheral speeds of up to 160 m / sec Can be done. A thermally stable adhesive is stable to the grinding process temperature likely to be encountered at the portion of the abrasive grain segment directed from the grinding surface. Such temperatures usually range from about 50 to 350 ° C.

接着剤結合は、研削砥石の回転の間、および研削作業の間に存在する破壊的抵抗に耐えるように機械的に非常に強くなければならない。二液エポキシ樹脂接合剤が好適である。好適なエポキシ接着剤であるTechnodyne(商標)HT−18エポキシ樹脂(田岡化学、日本より入手)、およびその修飾されたアミン硬化剤、が、硬化剤19部に樹脂100部の比で混合されうる。微細シリカ粉末のような充てん材は、接合剤の粘度を増加させるために樹脂100部につき3.5部の比で添加されうる。セグメントは、研削砥石コアの全周囲のまわりに、またはコアの部分的周囲に、接合剤を用いて取付けられうる。金属コアの周囲は、セグメントの取付けの前に、粗さの度合いを達成するために砂吹きされてもよい。濃密化されたエポキシ接合剤は、実質的に図1に示されるようにコアのまわりに位置され、硬化の間、適切に機械的に保持されるセグメントの端および底部に使用される。エポキシ接合剤は硬化させられる(たとえば、室温で24時間、ついで68℃で48時間)。硬化およびセグメントの移動の間、接合剤の排水は、エポキシ接合剤の粘度を最適化するために十分な充てん材を添加することにより、硬化の間、最小化される。   The adhesive bond must be mechanically very strong to withstand the destructive resistance that exists during the rotation of the grinding wheel and during the grinding operation. A two-part epoxy resin bonding agent is preferred. A suitable epoxy adhesive, Technodyne ™ HT-18 epoxy resin (obtained from Taoka Chemical, Japan), and its modified amine curing agent, can be mixed with 19 parts curing agent in a ratio of 100 parts resin. . Fillers such as fine silica powder can be added in a ratio of 3.5 parts per 100 parts of resin to increase the viscosity of the binder. The segments can be attached with a bonding agent around the entire circumference of the grinding wheel core or partially around the core. The perimeter of the metal core may be sandblasted to achieve a degree of roughness prior to segment attachment. A densified epoxy bond is used at the end and bottom of the segment that is positioned around the core substantially as shown in FIG. 1 and is held appropriately mechanically during curing. The epoxy bonding agent is cured (eg, 24 hours at room temperature and then 48 hours at 68 ° C.). During curing and segment transfer, bond drainage is minimized during cure by adding sufficient filler to optimize the viscosity of the epoxy bond.

接着剤結合の強度は、砥石の破裂速度を測定するのがなされるように、45 rev/min の加速度でスピン試験によりテストされうる。砥石は、米国で現在適用されうる安全規格、160m/s接線方向接触速度での操作のための資格をとるために、少くとも271m/sの接線方向接触速度に等しい破裂等級を示すことが必要である。   The strength of the adhesive bond can be tested by a spin test at an acceleration of 45 rev / min so that it can be used to determine the grinding wheel burst rate. The wheel must exhibit a burst rating equal to a tangential contact speed of at least 271 m / s in order to qualify for operation at a safety standard currently applicable in the United States, 160 m / s tangential contact speed It is.

本発明の研磨工具は、先端的なセラミック材料、ガラス、ならびにセラミック材料およびセラミック複合材料を含む成分のような、もろい材料の精密研削および仕上げのために特に設計される。本発明の工具は、ケイ素、単および多結晶性酸化物、炭化物、ホウ化物およびケイ化物;多結晶ダイアモンド;ガラス;および非セラミックマトリックス中のセラミック複合体;ならびにそれらの組み合わせ、を含む(これらに限定されない)研削セラミック材料に対して好適である。   The abrasive tool of the present invention is specifically designed for precision grinding and finishing of brittle materials, such as advanced ceramic materials, glass, and components including ceramic materials and ceramic composites. The tools of the present invention include silicon, single and polycrystalline oxides, carbides, borides and silicides; polycrystalline diamond; glass; and ceramic composites in a non-ceramic matrix; and combinations thereof. Suitable for (but not limited to) ground ceramic materials.

代表的な加工物材料の例は、AlTiC、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、安定化ジルコニア、酸化アルミニウム(たとえば、サファイア)、炭化ホウ素、窒化ホウ素、二ホウ化チタン、および窒化アルミニウム、およびこれらのセラミックスの複合体、ならびに超硬合金のような、ある金属マトリックス複合体、および鉱物ガラスのような硬くもろい無定形材料を含むが、これらに限定されない。単結晶セラミックスも多結晶性セラミックスも、これらの改良された研磨工具で研削されうる。どの型のセラミックでも、セラミック部品の品質および研削作業の効率は、本発明の砥石の周速度が80〜160m/sまで増加するにつれて、増加する。   Examples of representative workpiece materials are AlTiC, silicon nitride, silicon oxynitride, stabilized zirconia, aluminum oxide (eg, sapphire), boron carbide, boron nitride, titanium diboride, and aluminum nitride, and ceramics thereof. Composites, as well as certain metal matrix composites such as cemented carbide, and hard brittle amorphous materials such as mineral glasses. Both single crystal ceramics and polycrystalline ceramics can be ground with these improved polishing tools. For any type of ceramic, the quality of the ceramic parts and the efficiency of the grinding operation increase as the peripheral speed of the grinding wheel of the present invention increases from 80 to 160 m / s.

セラミックの中で、本発明の研磨工具を用いて改良される部品は、セラミックエンジンのバルブおよびロッド、ポンプシール、ボールベアリングおよび継手、切断工具インサート、摩耗部品、金属成形用延伸ダイ、耐火性要素、視覚ディスプレー窓、風防、ドアおよび窓のための平面ガラス、絶縁体および電子部品、ならびにシリコンウェハ、AlTiCチップ、読み取り−書き取り磁気ヘッド、および基板を含むが、これらに限定されないセラミック電子要素である。   Among the ceramics, parts improved with the polishing tool of the present invention are ceramic engine valves and rods, pump seals, ball bearings and fittings, cutting tool inserts, wear parts, metal forming draw dies, refractory elements Ceramic electronic elements including, but not limited to, visual display windows, windshields, flat glass for doors and windows, insulators and electronic components, and silicon wafers, AlTiC chips, read-write magnetic heads, and substrates .

他に指示がなければ次の実施例におけるすべての部および%は、質量による。実施例は単に本発明を例証するものであり、発明を限定しようとするものではない。   Unless otherwise indicated, all parts and percentages in the following examples are by weight. The examples are merely illustrative of the invention and are not intended to limit the invention.

実施例1
本発明の砥石が、以下の材料および方法を利用して、1A1金属結合ダイアモンド砥石の形態で製造された。
Example 1
The grindstone of the present invention was manufactured in the form of a 1A1 metal bonded diamond grindstone using the following materials and methods.

銅粉末(樹木状FSグレード、粒径+200/−325メッシュ、Sintertech International Marketing Corp., Ghent, NY から入手した)43.74wt%;リン/銅粉末(1501グレード、+100/−325メッシュ粒径、New Jersey Zinc Company, Palmerton, PAより入手)6.24wt%;およびスズ粉末(MD115グレード、+325メッシュ、最大0.5%、粒径、Alcan Metal Powders, Inc., Elizabeth, New Jerseyより入手)50.02wt%、のブレンドが調製された。ダイアモンド砥粒(General Electric, Worthington, Ohio より入手された320グリット径の合成ダイアモンド)が、金属粉末ブレンドに添加され、均一に配合されるまで混合された。混合物はグラファイト型内に置かれ、理論の95%を超える目標密度を有するマトリックスが形成されるまで(たとえば実施例2で使用された#6砥石については:理論密度の98.5%より大)、407℃で15分間、3000psi (2073N/cm2 )で熱間圧縮された。#6砥石について製造されたセグメントのロックウェルB硬度は108 であった。セグメントは、砥粒18.75 vol%を含んでいた。セグメントは、研削アルミナコア(7075 T6アルミニウム、Yarde Metals, Tewksbury, MA から入手)の周囲に合うように要求されるアーチ状形状に研削され、約393mmの外径および0.62cmの厚みを有する砥石を得た。 Copper powder (dendritic FS grade, particle size + 200 / -325 mesh, obtained from Sintertech International Marketing Corp., Ghent, NY) 43.74 wt%; phosphorus / copper powder (1501 grade, + 100 / -325 mesh particle size, (Obtained from New Jersey Zinc Company, Palmerton, PA) 6.24 wt%; and tin powder (MD115 grade, +325 mesh, up to 0.5%, particle size, obtained from Alcan Metal Powders, Inc., Elizabeth, New Jersey) 50 A blend of 0.02 wt% was prepared. Diamond abrasive (320 grit diameter synthetic diamond obtained from General Electric, Worthington, Ohio) was added to the metal powder blend and mixed until uniformly blended. The mixture is placed in a graphite mold until a matrix with a target density greater than 95% of theory is formed (eg, for the # 6 wheel used in Example 2: greater than 98.5% of theoretical density). And compressed hot at 3000 psi (2073 N / cm 2 ) for 15 minutes at 407 ° C. The Rockwell B hardness of the segment produced for the # 6 grindstone was 10 8 . The segment contained 18.75 vol% abrasive. The segment is ground to an arcuate shape required to fit around a ground alumina core (7075 T6 aluminum, obtained from Yarde Metals, Tewksbury, Mass.) And has an outer diameter of about 393 mm and a thickness of 0.62 cm Got.

砥粒セグメントおよびアルミニウムコアは多数の砥粒セグメントからなる連続リムを有する研削砥石をつくるために、シリカを充てんされたエポキシ接合剤システム(Technodyne HT−18接着剤、田岡化学、日本から入手)を用いて組み立てられた。コアおよびセグメントの接触表面は、適切な付着力を確実にするために脱脂され、砂吹きされた。   Abrasive segments and aluminum cores use silica-filled epoxy bonding system (Technodyne HT-18 adhesive, available from Taoka Chemical, Japan) to create a grinding wheel with a continuous rim consisting of multiple abrasive segments. Assembled using. The core and segment contact surfaces were degreased and sandblasted to ensure proper adhesion.

この新しい型の砥石の最大作業速度を特徴づけるために実物大の砥石は、Norton Companyの最大作業テスト法により、破裂強度および評価された最大作業速度を測定するために、破壊まで意図的に回転された。下記の表は、径393mmの実験的な金属結合砥石の代表例についての破裂テストを要約する。
実験的な金属結合剤砥石の破裂強度データ
──────────────────────────────────
砥石# 砥石径 破裂 破裂速度 破裂速度 最大作業速度
cm(inch) RPM (m/s) (sfpm) (m/s)
──────────────────────────────────
4 39.24 9950 204.4 40242 115.8
(15.45)
──────────────────────────────────
5 39.29 8990 185.0 36415 104.8
(15.47)
──────────────────────────────────
7 39.27 7820 160.8 31657 91.1
(15.46)
──────────────────────────────────
9 39.27 10790 221.8 43669 125.7
(15.46)
──────────────────────────────────
これらのデータによれば、この設計の実験的研削砥石は90m/s(17,717表面フィート/min )までの作業速度について、適格である。160m/sまでのもっと高い作業速度は、製造法および砥石設計をさらにいくつか変更することにより容易に達成されうる。
In order to characterize the maximum working speed of this new type of grinding wheel, the full-scale grinding wheel is intentionally rotated to failure to measure burst strength and the maximum working speed evaluated by the Norton Company's maximum working test method. It was done. The table below summarizes the burst test for a representative example of an experimental metal bonded wheel with a diameter of 393 mm.
Explosive strength data of experimental metal binder wheels ───────────────────────────────────
Grinding wheel # Grinding wheel diameter Burst Burst speed Burst speed Maximum working speed
cm (inch) RPM (m / s) (sfpm) (m / s)
──────────────────────────────────
4 39.24 9950 204.4 40242 115.8
(15.45)
──────────────────────────────────
5 39.29 8990 185.0 36415 104.8
(15.47)
──────────────────────────────────
7 39.27 7820 160.8 31657 91.1
(15.46)
──────────────────────────────────
9 39.27 10790 221.8 43669 125.7
(15.46)
──────────────────────────────────
According to these data, the experimental grinding wheel of this design is qualified for working speeds up to 90 m / s (17,717 surface feet / min). Higher working speeds up to 160 m / s can easily be achieved by making some further changes to the manufacturing process and the wheel design.

実施例2
研削性能評価:
上記の実施例1の方法によりつくられた、径393mm、厚さ15mm、センタ穴127mmを有する実験的金属結合セグメント砥石(15.5×0.59×5インチ)(#4は理論密度の95.6%の密度のセグメントを有し、#5は理論密度の97.9%、そして#6は理論密度の98.5%)は、研削性能をテストされた。32および80m/sでの最初のテストは、3つのうち最良の研削性能を有する砥石として、#6の砥石を確証したが、すべての実験的砥石は受け入れられるものであった。#6の砥石のテストは3つの速度でなされた:32m/s(6252sfpm)、56m/s(11,000sfpm)、および80m/s(15,750sfpm)。先端的なセラミック材料を研削するのに勧められている2つの市販の従来技術砥石は、対照砥石として用いられ、そしてそれらは本発明の砥石とともにテストされた。一つはビィトリファイド結合ダイアモンド砥石(Norton Company, Worcester, MA から得られるSD320−N6V10砥石)および他はレジン結合ダイアモンド砥石(Norton Company, Worcester, MA から得られるSD320−R4BX619C砥石であった。レジン砥石はすべての3つの速度でテストされた。ビトリファイド砥石は、速度許容差を考慮して32m/s(6252sfpm)でのみテストされた。
Example 2
Grinding performance evaluation:
An experimental metal bonded segment grindstone (15.5 × 0.59 × 5 inches) with a diameter of 393 mm, a thickness of 15 mm, and a center hole of 127 mm made by the method of Example 1 above (# 4 is the theoretical density of 95 .6% density segments, # 5 97.9% of theoretical density, and # 6 98.5% of theoretical density) were tested for grinding performance. Initial tests at 32 and 80 m / s confirmed the # 6 wheel as the wheel with the best grinding performance of the three, but all experimental wheels were acceptable. The # 6 wheel was tested at three speeds: 32 m / s (6252 sfpm), 56 m / s (11,000 sfpm), and 80 m / s (15,750 sfpm). Two commercial prior art wheels recommended for grinding advanced ceramic materials were used as control wheels and they were tested with the wheel of the present invention. One was a Vitrified bonded diamond wheel (SD320-N6V10 wheel from Norton Company, Worcester, MA) and the other was a resin bonded diamond wheel (SD320-R4BX619C wheel from Norton Company, Worcester, MA). The wheel was tested at all three speeds, and the vitrified wheel was tested only at 32 m / s (6252 spf) considering speed tolerance.

幅6.35mm(0.25インチ)および深さ6.35mm(0.25インチ)の1000を超えるプランジ研削が窒化ケイ素加工物について実施された。研削テスト条件は:
研削テスト条件:
機械:Studer Grinder Model S40 CNC
砥石仕様:SD320-R4BX619C, SD320-N6V10,
大きさ:径393mm,厚さ15mmおよび穴127mm
砥石速度:32,56、および80m/s(6252,11000、および15750sfpm)
冷却剤:Inversol 22(オイル60%および水40%)
冷却剤圧力:270psi (19kg/cm2
研削速度:変動。開始時3.2mm3 /s/mm(0.3インチ3 /min /インチ)
被削材:Si34 (NT551窒化ケイ素からつくられたロッド。Norton Advanced Ceramics, Northboro, MA から得られる)、径25.4mm(1インチ)×長さ88.9mm(3.5インチ)
加工物速度:0.21m/s(42sfpm)、一定
加工物開始径:25.4mm(1インチ)
加工物仕上げ径:6.35mm(0.25インチ)
形直しおよび目直しを要求する作業のために、本発明の金属結合砥石に適した条件は:
形直し作業:
砥石:5SG46IVS(Norton Companyから得られる)
砥石の大きさ:径152mm(6インチ)
砥石速度:3000rpm ;研削砥石に比較して+0.8比で。
Over 1000 plunge grindings of 6.35 mm (0.25 inches) wide and 6.35 mm (0.25 inches) deep were performed on silicon nitride workpieces. Grinding test conditions are:
Grinding test conditions:
Machine: Studer Grinder Model S40 CNC
Wheel specifications: SD320-R4BX619C, SD320-N6V10,
Size: Diameter 393mm, thickness 15mm and hole 127mm
Wheel speed: 32, 56, and 80 m / s (6252, 11000, and 15750 sfpm)
Coolant: Inversol 22 (60% oil and 40% water)
Coolant pressure: 270 psi (19 kg / cm 2 )
Grinding speed: variation. 3.2 mm 3 / s / mm (0.3 inch 3 / min / inch) at the start
Material: Si 3 N 4 (Rod made from NT551 silicon nitride, obtained from Norton Advanced Ceramics, Northboro, MA), diameter 25.4 mm (1 inch) x length 88.9 mm (3.5 inch)
Workpiece speed: 0.21 m / s (42 sfpm), constant Workpiece starting diameter: 25.4 mm (1 inch)
Workpiece finish diameter: 6.35 mm (0.25 inch)
For work that requires reshaping and reworking, suitable conditions for the metal bonded wheel of the present invention are:
Reshaping work:
Whetstone: 5SG46IVS (obtained from Norton Company)
Grinding wheel size: Diameter 152mm (6 inches)
Wheel speed: 3000 rpm; +0.8 ratio compared to grinding wheel.

リード(Lead):0.015インチ(0.38mm)
補正:0.0002インチ
目直し作業:
スティック:37C220H−KV(SiC)
モート:ハンドスティック目直し
テストは、窒化ケイ素ロッドの研削において、円筒外径プランジモードで実施された。研削の間、被削材の最良剛性(stiffness)を維持するために、その88.9mm(3.5インチ)試料は、研削を受けて、約31mm(1 1/4 インチ)のチャック(chuck)に保持された。一連のプランジ研削テストは各ロッドの遠い端から開始した。まず、砥石は、1回のテストを終えるために、幅6.35mm( 1/4 インチ)および半径方向の深さ3.18mm( 1/8 インチ)のプランジをつくった。ついで、加工物rpm は、加工物速度のおくれを補正するために、加工物径を減少させて、再調節された。さらに2つの類似したプランジが同一の位置で加工物径を25.4mm( 1/4 インチ)から6.35mm( 1/4 インチ)に減少された。ついで砥石は、次の3つのプランジを実施するためにチャックの比較的近くに横方向に6.35mm( 1/4 インチ)移動された。4回の横への移動が、試料の一端に12のプランジを完成させるために試料の同一の側で行なわれた。ついで試料は反転されて、別の12の研削のために他の側をさらされた。合計24のプランジ研削が、各試料について行なわれた。
Lead: 0.015 inch (0.38 mm)
Correction: 0.0002 inch adjustment work:
Stick: 37C220H-KV (SiC)
Mote: Hand Stick Rework Test was performed in cylindrical outer diameter plunge mode for grinding silicon nitride rods. In order to maintain the best stiffness of the workpiece during grinding, its 88.9 mm (3.5 inch) sample was subjected to grinding and a chuck of about 31 mm (1/4 inch) chuck. ). A series of plunge grinding tests started from the far end of each rod. First, the grindstone was plunge with a width of 6.35 mm (1/4 inch) and a radial depth of 3.18 mm (1/8 inch) to complete one test. The workpiece rpm was then readjusted, reducing the workpiece diameter, to compensate for workpiece speed fluctuations. In addition, two similar plunges have been reduced from 25.4 mm (1/4 inch) to 6.35 mm (1/4 inch) at the same location. The wheel was then moved 6.35 mm (1/4 inch) laterally close to the chuck to perform the next three plunges. Four lateral movements were made on the same side of the sample to complete 12 plunges at one end of the sample. The sample was then inverted and exposed on the other side for another 12 grindings. A total of 24 plunge grindings were performed on each sample.

本発明の金属結合砥石、ならびにレジンおよびビトリファイド砥石に対する最初の比較テストが、約3.2mm3 /s/mm(0.3in3 /min /in)から約10.8mm3 /s/mm(1.0in3 /min /in)の3つの工作物除去率(material removal rates)(MRR’)で、32m/sの周速度で行なわれた。表1は、12のプランジ研削の後に3つの異なる型の砥石の間で、G−比で示されるように、性能の差があるのを示す。G−比は、砥石摩耗量に対する研削量の無単位の比である。データは、比較的高い工作物除去率で、Nグレードビトリファイド砥石がRグレードレジン砥石よりも良好なG比を有することを示したが、これは比較的軟かい砥石のほうがセラミック工作物の研削において、より良好であることを示している。しかしながら、比較的硬い、実験的な金属結合砥石(#6)は、すべての工作物除去率で、レジン砥石およびビトリファイド砥石に、はるかに優れている。 Metal binding wheels of this invention, as well as resins and the initial comparison tests for vitrified grindstone, about 3.2mm 3 /s/mm(0.3in 3 / min / in ) to about 10.8mm 3 / s / mm (1 The test was carried out at a peripheral speed of 32 m / s with three workpiece removal rates (MRR ') of 0.0 in 3 / min / in. Table 1 shows that there are performance differences between the three different types of wheels after 12 plunge grindings, as indicated by the G-ratio. The G-ratio is a unitless ratio of the grinding amount to the grinding wheel wear amount. The data showed that with a relatively high workpiece removal rate, the N grade vitrified wheel had a better G-ratio than the R grade resin wheel, which is a relatively soft wheel for grinding ceramic workpieces. Shows better. However, the relatively hard, experimental metal bonded wheel (# 6) is far superior to the resin and vitrified wheels at all workpiece removal rates.

表1は、すべての加工物除去率条件でレジン砥石および新しい金属結合砥石(#6)についての評価されたG−比を示す。金属結合砥石について各工作物除去率における12の研削後に、測定しうる砥石摩耗はなかったので、半径方向の砥石摩耗の象徴的な値0.01mil (0.25μm)は、各研削について与えられた。これは計算されたG−比6051を生じた。本発明の金属結合砥石はダイアモンド集中度75(砥粒セグメントにおいて約18.75 vol%砥粒)であり、そしてレジンおよびビトリファイド砥石はそれぞれ集中度100および集中度150であったが、本発明の砥石はなお優れた研削性能を示した。これらの相対的な砥粒集中度で、比較的高い砥粒 vol%を含む対照砥石から優れた研削性能を予測したであろう。このように、これらの結果は予測しえないものであった。   Table 1 shows the estimated G-ratio for the resin wheel and the new metal bonded wheel (# 6) at all workpiece removal rate conditions. Since there was no measurable wheel wear after 12 grinding at each workpiece removal rate for metal bonded wheels, a symbolic value of 0.01 mil (0.25 μm) of radial wheel wear is given for each grinding. It was. This resulted in a calculated G-ratio 6051. The metal bonded whetstone of the present invention had a diamond concentration of 75 (about 18.75 vol% abrasive in the abrasive grain segment), and the resin and vitrified whetstone had a concentration of 100 and 150, respectively. The grindstone still showed excellent grinding performance. At these relative abrasive concentrations, superior grinding performance would have been predicted from a control wheel containing relatively high abrasive vol%. Thus, these results were unpredictable.

表1は、低いテスト速度で3つの砥石により研削された試料について測定された仕上げ面粗さ(surface finish)(Ra)およびうねり(waviness)(Wt)のデータを示す。うねり値Wtはうねり断面(waviness profile)の谷の高に対する最大ピークである。すべての仕上げ面粗さのデータは、スパークアウト(spark−out)なしに円筒プランジ研削によりつくり出された表面について測定された。通常、これらの表面は、トラバース研削(traverse grinding)によりつくり出された表面よりも比較的粗いであろう。   Table 1 shows the surface finish (Ra) and waviness (Wt) data measured for samples ground with three wheels at low test speeds. The waviness value Wt is the maximum peak with respect to the height of the valley of the waviness profile. All finish surface roughness data were measured on surfaces created by cylindrical plunge grinding without spark-out. Typically, these surfaces will be relatively rougher than those created by traverse grinding.

表1は、3つの型の砥石について、種々の加工物除去率における研削動力消費量(power consumption)の差異を示す。レジン砥石は他の2つの砥石よりも低い動力消費量を有していた;しかしながら、実験的な金属結合砥石およびビトリファイド砥石は、同等の動力消費量を有していた。実験的な砥石は、特に、本発明の砥石について観察された好ましいG−比および仕上げ面粗さのデータからみて、セラミック研削作業について、満足しうる動力量を消費した。一般的に、本発明の砥石は、加工物除去率に比例した動力消費(power draw)を示した。   Table 1 shows the difference in power consumption for the three types of wheels at various workpiece removal rates. The resin whetstone had lower power consumption than the other two whetstones; however, the experimental metal bonded whetstone and vitrified whetstone had comparable power consumption. The experimental whetstone consumed a satisfactory amount of power for the ceramic grinding operation, especially in view of the preferred G-ratio and finished surface roughness data observed for the whetstone of the present invention. In general, the wheel of the present invention exhibited a power draw proportional to the workpiece removal rate.

Figure 2006346857
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研削性能が同一条件での付加的な研削テストで80m/s(15,750sfpm)で測定されるとき、レジン砥石および実験的な金属砥石は、9.0mm3 /s/mm(0.8in3 /min /in)の加工物除去率(MRR)で同等の動力消費量を有していた。表2に示されるように、実験用砥石は、性能の低下もしくは受け入れられない動力負荷なしに、MRRを増加させて作業される。金属結合砥石の動力消費はMRRに大体比例していた。この検討で達成された最大MRRは47.3mm3 /s/mm(28.4cm3 /min /cm)であった。 When grinding performance is measured at 80 m / s (15,750 sfpm) in additional grinding tests under the same conditions, the resin and experimental metal wheels are 9.0 mm 3 / s / mm (0.8 in 3 It had the same power consumption with a workpiece removal rate (MRR) of / min / in. As shown in Table 2, the experimental wheel is operated with increased MRR without performance degradation or unacceptable power loads. The power consumption of the metal bonded grindstone was roughly proportional to the MRR. Maximum MRR achieved in this study was 47.3mm 3 /s/mm(28.4cm 3 / min / cm ).

表2のデータは、12の研削結果の平均である。12回の研削についての個々の動力の読み取りは、各加工物除去率内の実験的砥石と著しく両立したままであった。続続的な研削が行なわれ、砥石の砥粒が目つぶしをはじめ、または砥石の面が加工物材料を乗せるようになるにつれて、動力の増加がみられるのがふつうであろう。これはMRRが増加するにつれてみられることが多い。しかしながら、12の研削の間に、各MRR内でみられる安定した動力消費量の水準は、意外にも、実験的な砥石は、すべてのMRRで全テスト期間中、鋭い切削点を維持したことを示す。   The data in Table 2 is an average of 12 grinding results. Individual power readings for 12 grindings remained highly compatible with the experimental wheel within each workpiece removal rate. As continuous grinding is performed, the power will typically increase as the grindstone begins to crush or the grindstone surface becomes loaded with workpiece material. This is often seen as MRR increases. However, during 12 grindings, the level of stable power consumption seen within each MRR was surprisingly that the experimental wheel maintained sharp cutting points during the entire test period at all MRRs. Indicates.

さらに、加工物除去率が9.0mm3 /s/mm(0.8in3 /min /in)から47.3mm3 /s/mm(4.4in3 /min /in)にわたる、このすべてのテストの間、実験的砥石を形なおし、もしくは目なおしする必要がなかった。
砥石摩耗の兆候なしに研削された窒化ケイ素材料の合計累積量は砥石幅のcmにつき271cm3 (42in3 /in)に等しかった。対照的に、加工物除去率8.6mm3 /s/mm(08in3 /min /in)において、集中度100のレジン砥石のG−比は、12のプランジの後で約583であった。実験的な砥石は、14の異なる加工物除去率で、168のプランジの後で、測定しうる砥石摩耗を示さなかった。
Furthermore, the workpiece removal rate ranging from 9.0mm 3 /s/mm(0.8in 3 / min / in ) to 47.3mm 3 /s/mm(4.4in 3 / min / in ), all of this test During this time, it was not necessary to reshape or reshape the experimental wheel.
The total cumulative amount of silicon nitride material ground without signs of wheel wear was equal to 271 cm 3 (42 in 3 / in) per cm of wheel width. In contrast, at a workpiece removal rate of 8.6 mm 3 / s / mm (08 in 3 / min / in), the G-ratio of the 100 grindstone grindstone was about 583 after 12 plunges. The experimental wheel showed no measurable wheel wear after 168 plunges with 14 different workpiece removal rates.

表2は、すべての14の加工物除去率で、実験的な金属結合砥石により研削された試料は、0.4μm(16μin. )〜0.5μm(20μin. )の一定の仕上げ面粗さを維持し、そして1.0μm(38μin. )〜1.7μm(67μin. )のうねり値を有していたこと、を示す。レジン砥石は、これらの高い加工物除去率でテストされなかった。しかし、約8.6mm3 /s/mm(0.8in3 /min /in)の加工物除去率で、レジン砥石により研削されたセラミック棒は、わずかに向上し、同等の仕上げ面粗さ(0.43対0.5μm)、および比較的不十分なうねり(1.73対1.18μm)を有していた。 Table 2 shows that for all 14 workpiece removal rates, samples ground with an experimental metal bonded grindstone have a constant finished surface roughness of 0.4 μm (16 μin.) To 0.5 μm (20 μin.). It was maintained and had a swell value of 1.0 μm (38 μin.) To 1.7 μm (67 μin.). Resin wheels were not tested with these high workpiece removal rates. However, with a workpiece removal rate of about 8.6 mm 3 / s / mm (0.8 in 3 / min / in), the ceramic rod ground with the resin grindstone is slightly improved and has an equivalent finished surface roughness ( 0.43 to 0.5 μm), and relatively poor undulations (1.73 to 1.18 μm).

驚くべきことに、加工物除去率が増加するにつれて、セラミックロッドが新しい金属結合砥石で研削されるときに、仕上げ面粗さに明かな劣化はみられなかった。これは、ここで用いられた対照砥石のような、標準的砥石に関して、切削速度の増加とともに仕上げ面粗さの劣化が一般にみられるのと違っている。
実験的な金属砥石は標準的な、商業的に使用されているレジン結合砥石で達成しうるMRRの5倍を超えるMRRで効果的に研削し得たことを、全体的な結果は示す。実験的な砥石は、低MRRで、レジン砥石に比べて10倍を超えるG−比を有していた。
Surprisingly, as the workpiece removal rate increased, there was no obvious degradation in the finished surface roughness when the ceramic rod was ground with a new metal bonded wheel. This is different from the typical deterioration of the finished surface roughness with increasing cutting speed for a standard wheel, such as the control wheel used here.
The overall results show that the experimental metal wheel could be effectively ground with an MRR of more than 5 times that achievable with a standard, commercially used resin bonded wheel. The experimental wheel has a low MRR and has a G-ratio that is more than 10 times that of the resin wheel.

Figure 2006346857
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32m/s(6252sfpm)および56m/s(11,000sfpm)の砥石速度(表1)で作業されるとき、金属結合砥石についての動力消費量は、テストされたすべての加工物除去率で、レジン砥石よりも高かった。しかし、金属結合砥石についての動力消費量は、80m/s(15,750sfpm)の高い砥石速度(表1および2)でレジン砥石と同等、もしくはそれよりわずかに低くなった。全体的に、レジン砥石および実験的な金属結合砥石の両方について、同一の加工物除去率で研削すると、動力消費量は、砥石速度の増加とともに減少したことを、その傾向は示した。研削の間の動力消費量は、その多くは加工物に熱として向かうが、セラミック材料の比較的大きな熱的安定性のために、金属材料を研削するよりもセラミック材料を研削するのには、比較的重要でない。本発明の砥石で研削されたセラミック試料の表面品質により示されるように、動力消費量は仕上げられる加工物を損わず、受け入れられる水準であった。   When operating at a grinding wheel speed of 32 m / s (6252 spfpm) and 56 m / s (11,000 spfpm) (Table 1), the power consumption for the metal bonded wheel is the resin at all tested workpiece removal rates. It was higher than the grindstone. However, the power consumption for the metal bonded wheels was equal to or slightly lower than the resin wheels at a high wheel speed of 80 m / s (15,750 sfpm) (Tables 1 and 2). Overall, the trend showed that for both the resin wheel and the experimental metal bonded wheel, grinding with the same workpiece removal rate, the power consumption decreased with increasing wheel speed. The power consumption during grinding is mostly directed to the workpiece as heat, but due to the relatively large thermal stability of the ceramic material, grinding ceramic materials rather than grinding metal materials Relatively unimportant. As indicated by the surface quality of the ceramic samples ground with the grinding wheel of the present invention, power consumption was acceptable without compromising the finished workpiece.

実験的な金属結合砥石に関して、G−比は、すべての加工物除去率および砥石速度に対して6051と本質的に一定であった。レジン砥石に対しては、G−比は、一定の砥石速度で加工物除去率の増加とともに減少した。
表2は、比較的高い砥石速度で研削された試料の仕上げ面粗さ、およびうねりを向上させたことを示す。加えて、新しい金属結合砥石により研削された試料は、テストされたすべての砥石速度および化合物物除去率で最も低い、測定されたうねりを有していた。
For experimental metal bonded wheels, the G-ratio was essentially constant at 6051 for all workpiece removal rates and wheel speeds. For the resin grindstone, the G-ratio decreased with increasing workpiece removal rate at a constant grindstone speed.
Table 2 shows that the finished surface roughness and waviness of the sample ground at a relatively high grinding wheel speed was improved. In addition, the samples ground with the new metal bonded wheel had the measured swell, which was the lowest at all wheel speeds and compound removal rates tested.

これらのテストにおいて、金属結合砥石は対照砥石に比べて優れた砥石寿命を示した。市販の対照砥石と違って、延長された研削テストの間、実験的砥石を形直し、もしくは目直しする必要がなかった。実験的砥石は90m/sまでの砥石速度でうまく作業された。   In these tests, the metal bonded wheel showed superior wheel life compared to the control wheel. Unlike commercially available control wheels, there was no need to reshape or rework the experimental wheel during the extended grinding test. The experimental wheel worked well with a wheel speed of up to 90 m / s.

実施例3
先の実施例で使用したのと同一の作業条件で、80m/sec で実験的砥石(#6)の次なる研削テストを行なったところ、わずか0.5μm(12μin)の仕上げ面粗さ測定(Ra)が生じ、そして受け入れられる水準の動力を利用したけれども、380cm3 /min /cmのMRRが達成された。セラミック加工物に表面劣化を与えないで、観察される高い加工物除去率は、本発明の工具を利用することにより達成されるが、結合型のいかなる市販砥石を用いた、いかなるセラミック材料の研削作業に関しても報告されていなかった。
Example 3
When the next grinding test of the experimental wheel (# 6) was performed at 80 m / sec under the same working conditions as used in the previous example, a finished surface roughness measurement of only 0.5 μm (12 μin) ( Ra) was generated and an MRR of 380 cm 3 / min / cm was achieved even though an acceptable level of power was utilized. The observed high workpiece removal rate without surface degradation of the ceramic workpiece is achieved by utilizing the tool of the present invention, but grinding any ceramic material using any commercial grindstone of the bonded type. There was no report on work.

実施例4
カップ形状の研磨工具が調製され、垂直なスピンドル「ブランチャード型」(“blanchard type”)機械により、サファイアの研削でテストされた。
Example 4
A cup-shaped abrasive tool was prepared and tested in grinding sapphire with a vertical spindle “Blanchard type” machine.

カップ形状の砥石(径250mm)が、実施例1の砥石#6で用いられたのと次の点を除いて同一組成の砥粒セグメントからつくられた。すなわち、(1)ダイアモンドはグリット径が45μm(U.S.メッシュ270/325)であり、12.5 vol%(集中度50)で砥粒中に存在した。そして(2)セグメントの大きさは、弦の長さ46.7mm(半径133.1mm)、幅4.76mmおよび深さ5.84mmであった。これらのセグメントはセンタスピンドル穴を有するカップ形状の鋼コアの側面の周囲に沿って結合された。コアの表面は、セグメントと同一の幅および長さ寸法を有する別個の、浅いポケットを形成する周囲に沿って配置された溝(grooves)を有していた。エポキシ接合剤(田岡(日本)より得られるTechnodyne HT−8接合剤)がそのポケットに添加され、ポケットに置かれたセグメントおよび接合剤は硬化された。仕上げられた砥石は図2に示される砥石に似ていた。   A cup-shaped grindstone (diameter 250 mm) was made from an abrasive segment of the same composition as used in grindstone # 6 of Example 1 except for the following. (1) Diamond had a grit diameter of 45 μm (US mesh 270/325) and was present in the abrasive grains at 12.5 vol% (concentration 50). (2) The segment size was 46.7 mm (radius 133.1 mm) in chord length, 4.76 mm in width and 5.84 mm in depth. These segments were joined along the periphery of the side of a cup-shaped steel core with a center spindle hole. The surface of the core had grooves arranged along the perimeter forming a separate, shallow pocket with the same width and length dimensions as the segment. An epoxy bonding agent (Technodyne HT-8 bonding agent obtained from Taoka, Japan) was added to the pocket and the segments and bonding agent placed in the pocket were cured. The finished wheel was similar to the wheel shown in FIG.

カップ砥石は、うまく使用され、100mm径の中空でない(solid)サファイア円筒よりなる加工物材料の表面を研削し、G−比、MRRおよび動力消費量の好適な研削条件下で、受け入れられる表面平坦度を生じさせた。   The cup wheel has been successfully used to grind the surface of a workpiece material consisting of a 100 mm diameter solid sapphire cylinder and to be an acceptable surface flat under suitable grinding conditions of G-ratio, MRR and power consumption Caused a degree.

実施例5
AlTiCもしくはシリコンウェハをバック研削するのに好適な、2A2型のカップ径研磨工具(径が280mm)が、下記の表3に記載された砥粒セグメントを用いて調製された。下記の指示を除いて、セグメントの大きさは半径長さ139.3mm、幅3.13mm、および深さ5.84mmであった。表3に示される割合で、砥石につき16のセグメントを製造するのに十分な、結合剤バッチ混合物を含むダイアモンド砥粒が、U.S.メッシュ140/170ふるいを通して、計量された成分をふるい、そしてその成分を混合して均一に配合することにより、調製された。各セグメントに必要な粉末は計量され、グラファイト型に導入され、ならされ、そして圧縮された。グラファイトセグメント型は、405℃で15分間、3000psi (2073N/cm2 )で熱間圧縮された。冷却されるにつれて、セグメントは型から取り外された。
Example 5
A 2A2 type cup diameter polishing tool (diameter 280 mm) suitable for back grinding AlTiC or silicon wafers was prepared using the abrasive segments described in Table 3 below. Except as indicated below, the segment size was a radial length of 139.3 mm, a width of 3.13 mm, and a depth of 5.84 mm. Diamond abrasive grains containing a binder batch mixture sufficient to produce 16 segments per wheel at the proportions shown in Table 3 S. Prepared by sieving the weighed ingredients through a mesh 140/170 sieve and mixing and blending the ingredients uniformly. The powder required for each segment was weighed, introduced into a graphite mold, leveled and compressed. The graphite segment mold was hot pressed at 3000 psi (2073 N / cm 2 ) for 15 minutes at 405 ° C. As it cooled, the segments were removed from the mold.

切削加工された7075 T6アルミニウム・コアにセグメントを付着させることによる砥石の組み立ては、実施例1のように行なわれた。セグメントは、脱脂され、砂吹きされ、接着剤で被覆され、そして切削加工されたキャビティ内に置かれ、砥石の周囲に適合させられた。接着剤の硬化の後に、砥石は、切削加工されて、寸法をあわされ(sized)、バランス修正をされ(balanced)、そして回転試験された(speed tested)。   The assembly of the grindstone by attaching segments to a cut 7075 T6 aluminum core was performed as in Example 1. The segments were degreased, sandblasted, coated with adhesive, and placed in a machined cavity and fitted around the wheel. After curing of the adhesive, the grindstone was machined, sized, balanced, and speed tested.

Figure 2006346857
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Figure 2006346857
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a.セグメントに用いられたすべてのダイアモンド粒は、試料(1)が270メッシュ(57μm)粒であるのを除けば、325メッシュ(49μm)グリット径であった。ダイアモンド集中度水準はダイアモンド vol%の下に示される。
b.多孔度はセグメントの微構造の観察から評価された。金属間合金の生成により、テスト試料の密度は、セグメントに使用される理論密度を、度々超えた。
a. All diamond grains used in the segment were 325 mesh (49 μm) grit diameter except that sample (1) was 270 mesh (57 μm) grains. Diamond concentration level is shown below diamond vol%.
b. The porosity was evaluated from observation of the segment microstructure. Due to the formation of intermetallic alloys, the density of the test samples often exceeded the theoretical density used for the segments.

実施例6
研削性能評価:
実施例5によりつくられた、径280mm、厚さ29.3mm、センタ穴228.6mm、低ダイアモンド集中度で、グラファイトを充填された実験的セグメント砥石(11in×1.155in×9in)の試料が、研削性能をテストされた。これらの試料の性能は、グラファイト充てん材なしに実施例1(砥石#6)の高(集中度75)ダイアモンド砥粒セグメント組成によりつくられた実施例5の対照バック研削砥石のそれと比較された。
Example 6
Grinding performance evaluation:
An experimental segment grindstone (11 in × 1.155 in × 9 in) made of Example 5 with a diameter of 280 mm, a thickness of 29.3 mm, a center hole of 228.6 mm, a low diamond concentration, and filled with graphite. The grinding performance was tested. The performance of these samples was compared to that of the control back grinding wheel of Example 5 made with the high (concentration 75) diamond abrasive grain segment composition of Example 1 (Wheel # 6) without the graphite filler.

それぞれ幅114.3mm(4.5インチ)、深さ1.42mm(0.056インチ)の、70を超える研削が、114.3mm(4.5in)もしくは152.4mm(6.0in)の四角形状のAlTiC加工物(3M Corporation, Minneapolis, MNから入手された210グレードAlTiC)について実施され、研削量(stock removed)(μm)および法線研削抵抗(normal griding force)が記録された。研削テスト条件は:
研削テスト条件:
機械:Strasbaugh Grinder Model 7AF
研削モード:垂直スピンドルプランジ研削
砥石仕様:径280mm、厚さ29.3mmおよび穴229mm
砥石速度:1,200rpm
加工物速度:19rpm
冷却材:脱イオン水
加工物除去率:変動する。1.0μm/秒〜5.0μm/sec
砥石は形直しされ、そしてNorton Company, Worcester, MA から入手される38 A240−HVS仕様の6インチ(152.4mm)で目直しパッドで目直しされた。最初の作業の後で、形直しおよび目直しは、必要に応じて、および下向き送り速度(down feed rate)が変化したときに、周期的に行なわれた。
More than 70 grindings, each 114.3 mm (4.5 inches) wide and 1.42 mm (0.056 inches) deep, are 114.3 mm (4.5 in) or 152.4 mm (6.0 in) squares A shaped AlTiC workpiece (210 grade AlTiC obtained from 3M Corporation, Minneapolis, Minn.) Was performed and the recorded removed (μm) and normal grinding force was recorded. Grinding test conditions are:
Grinding test conditions:
Machine: Strasbaugh Grinder Model 7AF
Grinding mode: Vertical spindle plunge grinding Grinding wheel specifications: Diameter 280mm, thickness 29.3mm and hole 229mm
Wheel speed: 1,200 rpm
Workpiece speed: 19rpm
Coolant: Deionized water Workpiece removal rate: Varies. 1.0 μm / sec to 5.0 μm / sec
The wheel was reshaped and reshaped with a 6 inch (152.4 mm) sized pad of 38 A240-HVS specification obtained from Norton Company, Worcester, MA. After the first operation, reshaping and reworking was done periodically as needed and when the down feed rate was changed.

実施例5、試料2、4および1に対する研削テストの結果(法線抵抗対研削量)が下記の表5、および図3に示される。   The results (grid resistance vs. grinding amount) of Example 5, Samples 2, 4 and 1 are shown in Table 5 below and FIG.

Figure 2006346857
Figure 2006346857

a.2aは、3.13mmの砥粒セグメントリム幅を有する表3の試料2である。
b.2bは、2.03mmの砥粒セグメントリム幅を有す表3の試料2である。
これらの結果は、法線抵抗における著しい増加は、グラファイト充てん材がなく、ダイアモンド砥粒の集中度75を有する対照砥石試料で平面研削するとき、比較的高いMRR(1〜3〜5μm/秒)で大きな研削量を得るのに必要とされたことを示す。対照的に、本発明の実施例5の低ダイアモンド集中度で、グラファイト充てん砥石(試料2a,2bおよび4)は、研削の間、著しく小さな法線抵抗を必要とするにすぎない。本発明の砥石について2μm/秒のMRRで、同等の研削量を得るのに必要な抵抗は、比較の砥石試料について1μm/秒のMRRで必要とされるものと同等であった。
a. 2a is Sample 2 of Table 3 having an abrasive segment rim width of 3.13 mm.
b. 2b is Sample 2 of Table 3 having an abrasive segment rim width of 2.03 mm.
These results show that the significant increase in normal resistance is relatively high MRR (1-3-5 μm / sec) when surface grinding with a control wheel sample without graphite filler and having a diamond abrasive concentration of 75. It shows that it was required to obtain a large grinding amount. In contrast, at the low diamond concentration of Example 5 of the present invention, the graphite-filled wheels (Samples 2a, 2b and 4) only require significantly less normal resistance during grinding. The resistance required to obtain an equivalent grinding amount for the grinding wheel of the present invention at 2 μm / second MRR was equivalent to that required for the comparative grinding wheel sample at 1 μm / second MRR.

加えて、2a試料は、1μm/秒もしくは2μm/秒のMRRで研削するために大体等しい法線抵抗を必要とした。さらに、実施例5の本発明の砥石2a,2bおよび4は、研削量が200から600μmに前進したのに、比較的安定した法線抵抗の要求を示した。この型の研削性能は、AlTiCウェハのバック研削において非常に望ましい。なぜならば、この低い抵抗、安定な状態の条件は、加工物への熱的および機械的損傷を最小にするからである。   In addition, the 2a sample required approximately equal normal resistance to grind at 1 μm / sec or 2 μm / sec MRR. Furthermore, the grindstones 2a, 2b and 4 of the present invention of Example 5 showed a relatively stable normal resistance requirement even though the grinding amount was advanced from 200 to 600 μm. This type of grinding performance is highly desirable in back grinding of AlTiC wafers. This is because this low resistance, steady state condition minimizes thermal and mechanical damage to the workpiece.

対照砥石(実施例1)は、高い研削量水準(たとえば約300μmを超える)でテストされなかった。なぜなら、これらの砥石で研削するのに必要とされる抵抗は、研削機械の法線抵抗能力を超え、それによって、機械を自動的に停止させ、比較的高い研削量水準でのデータの累積を妨害するからである。
特定の理論に拘束されたくはないが、低いダイアモンド集中度で、グラファイトを充てんされた、本発明の砥石の、優れた研削性能は、研削中に、いかなる点でも加工物の表面と接触する砥粒セグメントの単位面積あたりの個々の粒子が比較的少ないことに関係すると考えられる。当業者は、低いダイアモンド集中度で比較的低いMRRを予測するであろうが、本発明の研削抵抗の改良は、意外にも、MRRを低下させないで達成される。砥粒セグメント幅2.03mmを有する砥石2bは、砥粒セグメント幅3.13mmを有する砥石2aが行なったのと同一の研削率および速度で研削するのにより少ない抵抗を必要とした。砥石2b試料は砥石2a試料よりも、研削作業中に、いかなる点でも加工物の表面と接触する比較的小さい表面積および比較的少ない研削点を有する。
The control wheel (Example 1) was not tested at high grinding levels (eg, greater than about 300 μm). Because the resistance required to grind with these wheels exceeds the normal resistance capability of the grinding machine, thereby automatically stopping the machine and accumulating data at relatively high grinding levels. Because it interferes.
While not wishing to be bound by any particular theory, the excellent grinding performance of the inventive wheel, filled with graphite, with low diamond concentration, is that the grinding surface is in contact with the surface of the workpiece at any point during grinding. This is considered to be related to relatively few individual particles per unit area of the grain segment. Although those skilled in the art will predict a relatively low MRR at low diamond concentrations, the improvement in grinding resistance of the present invention is surprisingly achieved without reducing the MRR. The grindstone 2b having an abrasive segment width of 2.03 mm required less resistance to grind at the same grinding rate and speed as the grindstone 2a having an abrasive segment width of 3.13 mm. The grindstone 2b sample has a relatively small surface area and relatively few grinding points that contact the surface of the workpiece at any point during the grinding operation than the grindstone 2a sample.

1A1型研削砥石を形成するために金属コアの周囲に結合された砥粒セグメントの連続リムを示す。Figure 2 shows a continuous rim of abrasive segments bonded around a metal core to form a 1A1 grinding wheel. カップ状砥石を形成するために金属コアの周囲に結合された砥粒セグメントの不連続リムを示す。Figure 3 shows a discontinuous rim of abrasive segments bonded around a metal core to form a cup-shaped wheel. 実施例5の研削砥石でAlTiC加工物の研削の間の、研削量と法線抵抗との関係を示す。The relationship between the grinding amount and the normal resistance during grinding of an AlTiC workpiece with the grinding wheel of Example 5 is shown.

Claims (11)

最小の比強度パラメータ2.4 MPa-cm3/g、コア密度0.5〜8.0g/cm3 を有するコア、円形の周囲、および多数の砥粒セグメントで規定される砥粒リム、を含む平面研削研磨工具であり、その砥粒セグメントは、合計100 vol%に対して選ばれた量で、超砥粒0.05〜10 vol%、もろい充てん材10〜35 vol%、および破壊じん性1.0〜3.0MPa M1/2 を有する金属結合剤マトリックス55〜89.95 vol%を含むことを特徴とする平面研削研磨工具。 A core having a minimum specific strength parameter of 2.4 MPa-cm 3 / g, a core density of 0.5 to 8.0 g / cm 3 , a circular perimeter, and an abrasive rim defined by multiple abrasive segments; A surface grinding and polishing tool including the abrasive segments in a quantity selected for a total of 100 vol%, superabrasive grains 0.05 to 10 vol%, brittle filler 10 to 35 vol%, and fracture dust A surface grinding and polishing tool comprising 55 to 89.95 vol% of a metal binder matrix having a property of 1.0 to 3.0 MPa M 1/2 . コアが、アルミニウム、鋼、チタンおよび青銅、それらの複合材および合金、ならびにそれらの組み合わせよりなる群から選ばれる金属材料を含む請求項1記載の研磨工具。   The polishing tool according to claim 1, wherein the core includes a metal material selected from the group consisting of aluminum, steel, titanium and bronze, composites and alloys thereof, and combinations thereof. 砥粒セグメントが、金属結合剤マトリックス60〜84.5 vol%、砥粒0.5〜5 vol%、およびもろい充てん材15〜35 vol%を含み、そしてその金属結合剤マトリックスは、多孔度が最大5 vol%である請求項1記載の研磨工具。   The abrasive segment comprises 60-84.5 vol% metal binder matrix, 0.5-5 vol% abrasive grain, and 15-35 vol% brittle filler, and the metal binder matrix has a porosity of The polishing tool according to claim 1, which has a maximum of 5 vol%. もろい充てん材が、グラファイト、六方晶系窒化ホウ素、中空セラミック球、長石、ネフェリンサイアナイト、軽石、仮焼クレーおよびガラス球、ならびにそれらの組み合わせよりなる群から選ばれる請求項1記載の研磨工具。   The abrasive tool according to claim 1, wherein the brittle filler is selected from the group consisting of graphite, hexagonal boron nitride, hollow ceramic spheres, feldspar, nepheline sianite, pumice, calcined clay and glass spheres, and combinations thereof. 砥粒がダイアモンドおよび立方晶系窒化ホウ素ならびにそれらの組み合わせよりなる群から選ばれる請求項1記載の研磨工具。   The polishing tool according to claim 1, wherein the abrasive grains are selected from the group consisting of diamond and cubic boron nitride and combinations thereof. 砥料がグリット径2〜300μmを有するダイアモンドである請求項5記載の研磨工具。   The polishing tool according to claim 5, wherein the abrasive is a diamond having a grit diameter of 2 to 300 μm. 金属結合剤が、銅35〜84wt%およびスズ16〜65wt%を含む請求項1記載の研磨工具。   The polishing tool according to claim 1, wherein the metal binder comprises 35 to 84 wt% copper and 16 to 65 wt% tin. 金属結合剤が、さらにリン0.2〜1.0wt%を含む請求項7記載の研磨工具。   The polishing tool according to claim 7, wherein the metal binder further contains 0.2 to 1.0 wt% of phosphorus. 研磨工具が、少くとも2つの砥粒セグメントを含み、その砥粒セグメントは、細長い、アーチ形の形状、およびコアの円周に一致するように選ばれた内部曲線を有し、そして各砥粒セグメントは、隣りの砥粒セグメントに一致するように設計された2つの端を有し、その結果、砥粒リムは連続的であり、砥粒セグメントがコアに結合されるときに砥粒セグメント間にいかなる隙間も実質的にない、請求項1記載の研磨工具。   The polishing tool includes at least two abrasive segments, the abrasive segments having an elongated, arcuate shape, and an internal curve selected to match the circumference of the core, and each abrasive grain The segment has two ends designed to coincide with adjacent abrasive segments so that the abrasive rim is continuous and between the abrasive segments when the abrasive segments are bonded to the core The polishing tool according to claim 1, wherein there is substantially no gap between. 工具が、1A1型砥石およびカップ砥石よりなる群から選ばれる請求項1記載の研磨工具。   The polishing tool according to claim 1, wherein the tool is selected from the group consisting of a 1A1 type grindstone and a cup grindstone. 熱的に安全な結合剤が、エポキシ接着結合剤、冶金学的結合剤、機械的結合剤および拡散結合剤ならびにそれらの組み合わせより本質的になる群から選ばれる請求項1記載の研磨工具。   The abrasive tool of claim 1, wherein the thermally safe binder is selected from the group consisting essentially of epoxy adhesive binders, metallurgical binders, mechanical binders and diffusion binders and combinations thereof.
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