JP4266969B2 - レジンボンドワイヤソーおよびレジンボンドワイヤソーの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マルチ切断加工に用いられるレジンボンドワイヤソーとその製造方法に関する。

固定砥粒ワイヤソーを用いた、サファイア、炭化珪素、セラミックス等の硬質被削材のマルチ切断加工において、高能率で精度良く切断するためには，砥粒と被削材表面での滑りを発生させずに被削材にいかに砥粒を食い込ませるかが重要である。
しかし、レジンボンドワイヤソーでは、被削材が硬いと砥粒がボンド中に沈み込みやすいため，食い込みが充分でない。また、硬質被削材の切断加工では砥粒による芯線への負荷が大きく、マルチ切断加工では芯線への負荷が繰り返し作用するため，ワイヤの断線率が高くなる。

レジンボンドワイヤーに関して、様々な改良がなされており、その一例が、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５に記載されている。
特許文献１には、高強度の芯線の外周面上に、粒子径がレジンボンド層厚の２／３以上で上記芯線径の１／２以下の砥粒が、弾性率１００ｋｇ／ｍｍ²以上かつ軟化温度２００℃以上である樹脂中に粒子径がレジンボンド層厚の２／３未満のフィラーを含有するレジンボンド中に固着されていることを特徴とするワイヤソーが記載されている。

特許文献２には、光硬化性樹脂を主成分とし、複数層からなる結合材が工具半径方向に形成されており、該結合材でワイヤ上に砥粒を固定したワイヤ工具であって、結合材には、ワイヤ上に形成された光硬化性接着剤層と、骨材として、平均粒径が０．１〜１５μｍの金属粒子および平均粒径が０．１〜１５μｍの無機粉末が５〜９０ｗｔ％添加されるか、平均粒径が０．１〜１５μｍの金属粒子又は平均粒径が０．１〜１５μｍの無機粉末が５〜９０ｗｔ％添加された、光硬化性樹脂からなり、前記光硬化性接着剤層上に形成された光硬化性樹脂層と、を含むことを特徴とするワイヤ工具が記載されている。

特許文献３には、ワイヤ上に樹脂を主成分とする結合材で砥粒を固定したワイヤ工具において、結合材として光化学反応を起こして数秒単位若しくはそれ以下の短時間において重合硬化し得る光硬化性樹脂を用いること、および光硬化性樹脂中に、３０／４０μｍの砥粒と、平均粒径が０．１〜１５μｍの金属粒子および／または平均粒径が０．１〜１５μｍの無機粉末を５〜９０ｗｔ％添加したことを特徴とするワイヤ工具が記載されている。

特許文献４には、ワイヤ芯の周囲に砥粒を含有してなる砥粒保持材が形成されたワイヤソーにおいて、前記砥粒保持材はガラス転移温度が５０〜２００℃かつ材料非切断時の弾性率が５００ＭＰａ以上であって、材料非切断時の前記砥粒の前記砥粒保持材からの平均突出量が前記砥粒の平均粒径の１〜３０％であることを特徴とするワイヤソーが記載されている。
特許文献５には、超砥粒が金属被覆され、金属芯線が樹脂によってプライマリーコートされているワイヤソーが記載されている。

特許第３０７８０２０号公報 特許第３３６２０１５号公報 特許第３３９０６８６号公報 特開２００４−３２２２９０号公報 特開２０００−２４６５４２号公報

しかし、特許文献１記載のワイヤソーでは、芯線の周囲に緩衝層を設けていないため、断線率が高い。また、特許文献２、特許文献３記載のワイヤ工具では、砥粒と芯線との間にプライマ処理層が形成されてはいるものの、切断時の負荷を緩衝する効果は考慮されていない。また、砥粒層は紫外線硬化樹脂であり、フィラーには金属粒子や無機粉末を使用しているが、紫外線透過率を考慮していないため，不完全硬化部が形成されやすい。
また、特許文献４に記載のワイヤソーでは、紫外線硬化樹脂の砥粒層にＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ₂などの微小粉末を添加しているが、紫外線透過率を考慮していないため、不完全硬化部が形成されやすい。またフィラーの添加量についても考慮されていない。また、特許文献５においても、プライマ処理層が形成することが記載されているが、切断時の負荷を緩衝する効果はあるものの、砥粒層に添加するフィラーの粒径と含有量を考慮しておらず、またプライマ層にフィラーを添加することは考慮していないため、砥粒を被削材に充分に食い込ませることができない。
従って、以上のいずれの技術を用いても、硬質被削材の研削において、砥粒を被削材に充分に食い込ませて、研削性能を上げることができない。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたもので、砥粒を被削材に充分に食い込ませることを可能として、研削性能に優れたレジンボンドワイヤソーを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明のレジンボンドワイヤソーは、砥粒を樹脂で結合した砥粒層が芯線の周囲に設けられたレジンボンドワイヤソーにおいて、前記砥粒層を占める樹脂は紫外線硬化樹脂からなり、平均粒径が砥粒の平均粒径の３０％以下であって、その紫外線透過率が５０％以上であるフィラーが砥粒層を占める樹脂の体積の５体積％以上５０体積％以下で添加され、前記芯線と前記砥粒層との間に樹脂からなる緩衝層が設けられ、前記緩衝層の厚みが２μｍ以上５μｍ以下であり、前記緩衝層に平均粒径が緩衝層の厚み以下であるフィラーが緩衝層の体積の５体積％以上５０体積％以下で添加され、前記砥粒と前記芯線との間の領域にフィラーが配置されていることを特徴とする。

砥粒層に平均粒径が砥粒の平均粒径の３０％以下のフィラーが添加され、緩衝層に平均粒径が緩衝層の厚み以下のフィラーが緩衝層の体積の５体積％以上５０体積％以下で添加されていることにより、前記砥粒と前記芯線との間の領域にフィラーが配置されるようになるため、砥粒が結合材中に沈みにくくなり，砥粒の被削材への食い込みが大きくなる。
また、特に被削材を高速で切断する高負荷加工においては，砥粒が緩衝層にも沈み込んでしまいやすく、ワイヤソーの切れ味が低下しやすいため、緩衝層にフィラーを添加することによる効果が大きい。フィラーの平均粒径が砥粒の平均粒径の３０％を超えると、砥粒と隣接して配置することはできるものの、前記砥粒と前記芯線との間の領域に配置することができないため好ましくない。
また、フィラーの添加量が砥粒層を占める樹脂の体積の５体積％未満であると、フィラーによる効果が少ないため砥粒の食い込みを十分に大きくすることができず好ましくなく、５０体積％を超えると、砥粒層の柔軟性が低下し、砥粒層の剥離や断線などが発生しやすくなって好ましくない。
フィラーの添加量が緩衝層の体積の５体積％未満であると、フィラーによる効果が少ないため砥粒の食い込みを十分に大きくすることができないので好ましくなく、５０体積％を超えると、柔軟性が低下して緩衝層の剥離が発生し、芯線との密着性も低下するので好ましくない。

さらに、樹脂からなる緩衝層が設けられていることにより、芯線への負荷を緩和することができ、断線を防止できる。
緩衝層の厚みが２μｍ未満であると、緩衝層が薄すぎて芯線への負荷を十分に緩和することができない。緩衝層の厚みが２μｍ以上で芯線への負荷が緩和するが、５μｍを超えると芯線への負荷はほぼ一定値となるため、２μｍ以上５μｍ以下とすることが好ましい。

本発明においては、前記砥粒層を占める樹脂は紫外線硬化樹脂からなり、砥粒層に添加するフィラーの紫外線透過率が５０％以上であることを特徴とする。
紫外線硬化樹脂は熱硬化性樹脂に比べて硬化速度が格段に速いため，生産性に優れている。また、熱硬化性樹脂は硬化時の加熱により芯線強度が低下するため断線率が高くなるが、紫外線硬化樹脂を用いるとこのような問題を生じない。
フィラーの紫外線透過率が５０％未満のフィラーを添加すると、紫外線が樹脂全体に透過せず、樹脂の未硬化部が生成されて、樹脂強度が低下してしまう。

本発明においては、前記砥粒には金属被覆が施され、砥粒の含有量が樹脂、フィラー、砥粒からなる砥粒層の５体積％以上２５体積％以下であることを特徴とする。
砥粒には金属被覆が施されていることにより、砥粒と樹脂との接着強度を高めることができる。砥粒の含有率が５体積％未満では砥粒摩耗が大きくなり、切れ味低下が著しい。一方、２５体積％を超えると、切粉排除性の低下で切れ味が低下し、また被削材へ食い込まずに滑りが発生して砥粒摩耗が大きくなり、切れ味が低下する。

本発明によると、砥粒層における砥粒と芯線との間の領域にフィラーが配置されるようになるため、砥粒が結合材中に沈みにくくなり、砥粒の被削材への食い込みが大きくなる。そのため、硬い被削材の切断の際にも切れ味を良好に維持することが可能なレジンボンドワイヤソーを実現することができる。

以下に、本発明をその実施形態に基づいて説明する。
図１に、本発明の実施形態に係るレジンボンドワイヤソーの構成を示す。
ワイヤソー１は、ピアノ線等からなる芯線２の周囲に、樹脂を主成分とする緩衝層３が設けられ、この緩衝層３の外周に砥粒４を紫外線硬化樹脂からなる結合材５で固定した砥粒層６を形成してなるものである。砥粒４は金属被覆が施されていてもよい。緩衝層３を構成する樹脂は、紫外線硬化樹脂であることが好ましいが、熱硬化性樹脂であってもよい。

緩衝層３と砥粒層６にはフィラー７が含まれており、図２の砥粒周辺の詳細図に示すように、砥粒層６における砥粒４と芯線２との間の領域Ａにフィラー７が配置されるようになっている。このようにフィラー７が配置されるようにすることは、平均粒径が砥粒４の平均粒径の３０％以下のフィラー７を、砥粒層６を占める樹脂の体積の５体積％以上５０体積％以下で添加することによって可能である。

フィラー７の形状は、レーザー回折式粒度分布測定装置等を使用して測定した平均粒径が上記の範囲内であれば、真球状、鱗片状、ファイバー状などのいずれの形状であっても良い。特に真球状のものであって表面に孔を有する多孔質粒子や、鱗片状やファイバー状のものは、その形状の粒子が三次元的に凝集して二次粒子を形成し、表面積が大きくなるため、樹脂中でアンカー効果を生じて砥粒を沈み込みにくくする効果が高い。
また、フィラー７として、シリカ、マイカ、ガラスビーズ、セラミックス等を使用することができる。特にシリカは樹脂中に添加することで耐水性、耐熱性、耐薬品性を向上させることができ、さらに紫外線透過率も高いため好適である。

また、一般的に紫外線の発光波長分布は２００ｎｍ〜４５０ｎｍであり、この波長全域において紫外線透過率が５０％以上であるフィラー７を用いるのが良い。ただし、この範囲内で部分的に紫外線透過率が５０％以上のフィラー７を使用する場合は、その波長に合った紫外線光源を使用すれば良い。

上述したフィラー７を添加した液状接着剤を砥粒４に噴霧して、砥粒４の表面にフィラー７を付着させ、その後ワイヤソー１を製造する。または、フィラー７と砥粒４とをレジンボンド、メタルボンド、ビトリファイドボンドのいずれかのボンドで焼結し、または電着によって、砥粒４の表面にフィラーを付着させ、その後成形品を粉砕し、ふるいにより分級してワイヤソー１を製造する。
接着剤で砥粒４の表面に付着したフィラー７は、被削材に接触した際にすぐに落ちるため、切味を低下させることはない。また、レジンボンド、メタルボンド、ビトリファイドボンド、電着により砥粒４の表面に付着したフィラー７によって切味が低下する場合には、使用前にワイヤソーで一般砥石を切断することで、フィラー７を落とすことができる。

緩衝層３には、平均粒径が緩衝層３の厚み以下のフィラー７が、緩衝層３の体積の５体積％以上５０体積％以下で添加されている。緩衝層３は２層構造としてもよく、この場合には、芯線２に密着する内側の層にはフィラー７を添加せず、砥粒層６に密着する外側の層にはフィラー７を添加する。この２層構造の場合にも、緩衝層３全体の厚みが２μｍ以上５μｍ以下であればよい。

図３に、加工時に砥粒にかかる負荷の様子を示す。砥粒４には、切り込み方向（ワイヤソーの法線方向）への負荷Ｆｎと、ワイヤソーの走行方向（ワイヤソーの接線方向）への負荷Ｆｔがかかり、その結果、砥粒４にはワイヤソーの軸に対して斜め方向への合力が作用する。
このような力が芯線２に対して作用するため、芯線２に傷がついて断線しやすくなるが、図４に示すように、緩衝層３を設けることにより、芯線２への負荷を和らげて、芯線２の断線を防止することができる。この緩衝層３にもフィラー７を添加することにより、砥粒４の沈み込みを抑制することができる。

以下に、具体的な試験例を示す。
図５に示す装置を用いて切断試験を行い、ワイヤソーの撓み量の測定を行った。図５において、ワイヤソー１は多数のプーリーを介してワイヤガイド１０にセッティングされ、加工中は被削材１１との接触部１２に撓みが発生して切断が進行していく。この撓み量について、以下の試験条件で試験を行った。
・機械：マルチ切断装置
・被削材：サファイア
・ワイヤ線速：４００ｍ／ｍｉｎ
・研削液：水溶性
・ワイヤ芯線：φ１８０μｍ
・砥粒：平均粒径４５μｍ／含有量２０体積％
・ワイヤ製品径：φ２５０μｍ
・フィラー：シリカ２０体積％
なお、砥粒の粒径はレーザー回折式粒度分布測定装置にて測定した。

以上の切断試験によると、ワイヤソーの切れ味が悪いと撓み量が大きくなって、加工精度が悪くなり、ワイヤソーの切れ味が良いと撓み量が小さくなって、加工精度が良好となる。
砥粒層に含まれるフィラーの平均粒径を変化させて上記の試験を行った結果を図６に示す。フィラーの平均粒径が砥粒の平均粒径の３０％以下、すなわち１３．５μｍ以下のときは、砥粒が沈み込みにくいため、切れ味が良好であり、撓みが小ないのに対して、フィラーの平均粒径が砥粒の平均粒径の３０％を超えると、砥粒が沈み込みやすく、切れ味が低下して撓みが大きくなる。
このことから、フィラーの平均粒径が砥粒の平均粒径の３０％以下のときは、砥粒層における砥粒と芯線との間の領域にフィラーが配置されているものと判断される。

次に、フィラーの添加量を変化させて撓み量を測定した結果を図７に示す。フィラーとして、粒径が５．０μｍのシリカを用いた。
フィラーの添加量が砥粒層を占める樹脂の体積の５体積％未満のときは、フィラーを添加したことによる効果が十分に得られず、撓み量が大きい。また、フィラーの添加量が砥粒層を占める樹脂の体積の５０体積％を超えると、砥粒層の柔軟性が低下して砥粒層の剥離が発生し、撓み量が大きくなる。これに対し、フィラーの添加量が砥粒層を占める樹脂の体積の５体積％以上５０体積％以下のときに撓み量が小さい。

次に、緩衝層の厚みを変化させたときに、断線に至るまでの往復回数を調査し、その結果を図８に示す。
このときの試験条件は以下の通りである。
・機械：単線切断装置
・ワーク：サファイア
・ワイヤ線速：２００ｍ／ｍｉｎ
・被削材への押し付け荷重：８Ｎ
・研削液：水溶性
・ワイヤ芯線：φ１８０μｍ
・砥粒：平均粒径４５μｍ／含有量２０体積％
・ワイヤ製品径：φ２５０μｍ
・フィラー：シリカ１０体積％

緩衝層の厚みが２μｍ未満のときは、芯線への負荷を緩和できずに断線しやすく、緩衝層の厚みが５μｍを超えると、断線に至るまでの往復回数はほぼ一定値となる。切り代を考慮すると緩衝層の厚みは５μｍ以下であることが好ましい。

次に、緩衝層に添加されるフィラーの量を変化させたときの撓み量の測定結果を図９に示す。緩衝層の厚みは３．０μｍである。
緩衝層に添加されるフィラーの量が緩衝層の体積の５体積％未満であると、フィラーを添加したことによる効果が十分に得られず、撓み量が大きい。また、フィラーが緩衝層の体積の５０体積％を超えると、緩衝層の柔軟性が低下して緩衝層の剥離が発生し、撓み量が大きくなる。これに対し、フィラーが緩衝層の体積の５体積％以上５０体積％以下のときに撓み量が小さい。

次に、砥粒層に添加するフィラーの紫外線透過率を変化させて撓み量を測定した結果を図１０に示す。緩衝層の厚みは３．０μｍである。
フィラーの紫外線透過率が５０％未満のときは、樹脂の未硬化部が形成されて，砥粒層の剥離が発生し、撓み量が大きい。これに対し、フィラーの紫外線透過率が５０％以上のときは、撓み量が小さい。

次に、砥粒の含有量を変化させて撓み量を測定した結果を図１１に示す。
砥粒含有量が５体積％未満のときは、砥粒摩耗が大きく、切れ味の低下が大きいため、撓み量が大きい。また、砥粒含有量が２５体積％を超えると、砥粒数が多くなり、食い込みにくく切れ味が低下する。また、切粉排除性の低下のため、切れ味が低下する。そのため、撓み量が大きい。これに対し、砥粒含有量が５体積％以上２５体積％以下のときは、切れ味が良く撓み量が小さい。

本発明は、硬い被削材の切断の際にも切れ味を良好に維持することが可能なレジンボンドワイヤソーとして利用することができる。

本発明の実施形態に係るレジンボンドワイヤソーの構成を示す図である。 砥粒周辺の詳細を示す図である。 加工時に砥粒にかかる負荷の様子を示す図である。 緩衝層にフィラーを配置したことを示す図である。 切断試験装置を示す図である。 砥粒層に含まれるフィラーの平均粒径を変化させて試験を行った結果を示す図である。 砥粒層に含まれるフィラーの添加量を変化させて撓み量を測定した結果を示す図である。 緩衝層の厚みを変化させたときに、断線に至るまでの往復回数を調査した結果を示す図である。 緩衝層に添加されるフィラーの量を変化させたときの撓み量の測定結果を示す図である。 砥粒層に添加するフィラーの紫外線透過率を変化させて撓み量を測定した結果を示す図である。 砥粒の含有量を変化させて撓み量を測定した結果を示す図である。

符号の説明

１ ワイヤソー
２ 芯線
３ 緩衝層
４ 砥粒
５ 結合材
６ 砥粒層
７ フィラー
１０ ワイヤガイド
１１ 被削材
１２ 接触部

Claims (2)

1. 砥粒を樹脂で結合した砥粒層が芯線の周囲に設けられたレジンボンドワイヤソーにおいて、前記砥粒層を占める樹脂は紫外線硬化樹脂からなり、平均粒径が砥粒の平均粒径の３０％以下であって、その紫外線透過率が５０％以上であるフィラーが砥粒層を占める樹脂の体積の５体積％以上５０体積％以下で添加され、前記芯線と前記砥粒層との間に樹脂からなる緩衝層が設けられ、前記緩衝層の厚みが２μｍ以上５μｍ以下であり、前記緩衝層に平均粒径が緩衝層の厚み以下であるフィラーが緩衝層の体積の５体積％以上５０体積％以下で添加され、前記砥粒と前記芯線との間の領域にフィラーが配置されていることを特徴とするレジンボンドワイヤソー。
2. 前記砥粒には金属被覆が施され、砥粒の含有量が樹脂、フィラー、砥粒からなる砥粒層の５体積％以上２５体積％以下であることを特徴とする請求項１記載のレジンボンドワイヤソー。

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