CN110461514B - 切削工具的制造方法 - Google Patents

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Abstract

根据一个实施方案的制造切削工具的方法为制造具有刀片的切削工具的方法，该切削工具包括基材以及固定至所述基材的金刚石单晶体，所述金刚石单晶体由前刀面、与前刀面连续的后刀面、以及形成前刀面和后刀面之间的边界的棱线构成。根据本发明一个方面的制造切削工具的方法包括后刀面照射步骤，其中由所述后刀面侧向所述金刚石单晶体照射激光。在后刀面照射步骤中，激光脉冲宽度为1×10‑12秒以下，并且激光峰值输出功率小于1W。

Description

切削工具的制造方法
技术领域
本公开涉及切削工具的制造方法。本申请要求于2017年3月28日提交的日本专利申请No.2017-063199的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。
背景技术
日本专利待审查公开No.2016-203372(专利文献1)描述了通过向固定于切削刀片支持体的切削刀片坯料照射激光，从而形成切削工具的切削刃和后刀面的方法。在专利文献1中描述的方法中，切削刀片坯料可由单晶金刚石形成。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利待审查公开No.2016-203372
发明内容
根据本公开的第一形态的制造切削工具的方法为制造这样的切削工具的方法，该切削工具包括基材和固定至该基材上的金刚石单晶体。金刚石单晶体具有前刀面、与前刀面连续的后刀面、以及由作为前刀面和后刀面之间的边界的棱线形成的切削刃。根据本公开的第一形态的制造切削工具的方法包括后刀面照射步骤，其中沿着切削刃由后刀面侧向金刚石单晶体照射激光。在后刀面照射步骤中，激光的脉冲宽度为1×10-12秒以下，峰值输出功率小于1W。
根据本公开的第二形态的制造切削工具的方法为制造这样的切削工具的方法，该切削工具包括基材和固定至该基材上的金刚石单晶体。金刚石单晶体具有前刀面、与前刀面连续的后刀面、以及由作为前刀面和后刀面之间的边界的棱线形成的切削刃。根据本公开的第二形态的制造切削工具的方法包括切削刃形成步骤，其中通过由与前刀面相对的面侧向金刚石单晶体照射激光，从而形成切削刃。在切削刃形成步骤中，激光的脉冲宽度为1×10-12秒以下。
附图说明
图1为根据实施方案的切削工具的透视图。
图2为沿图1中II-II截取得到的截面图。
图3为示出了根据实施方案的制造切削工具的方法的流程图。
图4为固定步骤S1中根据实施方案的切削工具的截面图。
图5为切削刃形成步骤S2中根据实施方案的切削工具的截面图。
图6为后刀面照射步骤S3中根据实施方案的切削工具的截面图。
图7为示出根据实施方案的切削工具的制造方法中使用的加工装置3的构造的示意图。
具体实施方式
[本公开所解决的问题]
单晶金刚石的激光吸收率低于包含结合剂的多晶金刚石烧结体。当对由单晶金刚石形成的切削刀片坯料进行激光加工时，存在因单晶金刚石的低激光吸收率而在单晶金刚石中残留有开裂或缺损的风险。单晶金刚石的破裂起始于这种开裂或缺损，并且进展迅速。然而，专利文献1中的方法在对抗这种开裂或缺损方面并未采取任何措施。
鉴于上述常规技术中的问题完成了本发明。更具体而言，本公开提供了制造切削工具的方法，其能够防止激光加工后在金刚石单晶体中残留开裂或缺损。
[本公开的有益效果]
根据本公开的第一形态的制造切削工具的方法，能够防止激光加工后在金刚石单晶体中残留开裂或缺损。根据本公开的第二形态的制造切削工具的方法，能够防止激光加工后在金刚石单晶体中残留开裂或缺损。
[本公开的实施方案的说明]
首先，将列举并描述本公开的实施方案。
(1)根据本公开的第一形态的制造切削工具的方法为制造这样的切削工具的方法，该切削工具包括基材以及固定至基材的金刚石单晶体。金刚石单晶体具有前刀面、与前刀面连续的后刀面、以及由作为前刀面和后刀面之间的边界的棱线形成的切削刃。根据本公开的第一形态的切削工具的制造方法包括后刀面照射步骤，其中沿着切削刃由后刀面侧向金刚石单晶体照射激光。在后刀面照射步骤中，激光的脉冲宽度为1×10-12秒以下，峰值输出功率小于1W。
根据上述(1)的制造切削工具的方法，能够防止激光加工后在金刚石单晶体中残留开裂或缺损。
(2)在上述(1)的制造切削工具的方法中，金刚石单晶体可包含小于600ppm的杂质。
根据上述(2)的制造切削工具的方法，能够抑制伴随激光加工的以杂质为起点的金刚石单晶体的开裂或缺损。
(3)在上述(2)的制造切削工具的方法中，杂质可为氮。金刚石单晶体中的氮浓度可为20ppm以上70ppm以下。
根据上述(3)的切削工具，能够提高金刚石单晶体的耐破裂性和耐磨性，同时防止激光加工后在金刚石单晶体中存在开裂或缺损。
(4)上述(1)至(3)的制造切削工具的方法可进一步包括切削刃形成步骤，其中通过由与前刀面相对的面侧向金刚石单晶体照射激光，从而形成切削刃。在切削刃形成步骤中，激光的脉冲宽度可为1×10-12秒以下。
根据上述(4)的制造切削工具的方法，能够进一步抑制激光加工后金刚石单晶体的劈裂。
(5)上述(1)至(4)的制造切削工具的方法可进一步包括将金刚石单晶体固定至基材的固定步骤。可在后刀面照射步骤之前进行固定步骤。根据上述(5)的制造切削工具的方法，能够以高精度形成切削刃。
(6)在上述(1)至(5)的制造切削工具的方法中，前刀面可由金刚石单晶体的{100}面形成。后刀面照射步骤中的激光的照射方向与前刀面可形成-52°以上52°以下的角度。
根据上述(6)的制造切削工具的方法，能够抑制激光加工后金刚石单晶体的劈裂。
(7)在上述(1)至(5)的制造切削工具的方法中，前刀面可由金刚石单晶体的{110}面形成。后刀面照射步骤中的激光的照射方向与前刀面可形成-35°以上35°以下、-89°以上-38°以下或38°以上89°以下的角度。
根据上述(7)的制造切削工具的方法，能够抑制激光加工后金刚石单晶体的劈裂。
(8)根据本公开的第二形态的制造切削工具的方法为制造这样的切削工具的方法，该切削工具包括基材和固定至基材的金刚石单晶体。金刚石单晶体具有前刀面、与前刀面连续的后刀面、以及由作为前刀面和后刀面之间的边界的棱线形成的切削刃。根据本公开的第二形态的制造切削工具的方法包括切削刃形成步骤，其中通过由与前刀面相对的面侧向金刚石单晶体照射激光，从而形成切削刃。在切削刃形成步骤中，激光的脉冲宽度为1×10-12秒以下。
根据上述(8)的制造切削工具的方法，能够防止激光加工后在金刚石单晶体中存在开裂或缺损。
[本公开实施方案的详述]
下面，将参考附图描述本公开实施方案的细节。应当注意的是，附图中相同的符号表示相同或相应的部分。此外，以下描述的实施方案中的至少一部分能够以任何方式加以组合。
(根据实施方案的切削工具的构成)
现在将描述根据实施方案的切削工具的构成。
图1为根据实施方案的切削工具的透视图。图2为沿图1中II-II截取得到的截面图。如图1和2中所示，根据实施方案的切削工具具有基材1和金刚石单晶体2。
基材1具有顶面11和背面12。背面12为与顶面11相背对的表面。顶面11设有连接部13。连接部13设置于基材1的拐角处。在连接部13处，顶面11沿着由顶面11向背面12的方向呈阶梯状。
例如，基材1由硬质合金形成。然而，形成基材1的材料不限于此。基材1可由高速钢形成，或者可由金属陶瓷、陶瓷等形成。
金刚石单晶体2具有前刀面21、后刀面22以及切削刃23。后刀面22与前刀面21连续。切削刃23由作为前刀面21和后刀面22之间的边界的棱线形成。金刚石单晶体2固定至基材1。更具体而言，金刚石单晶体2的与前刀面21相对的面被固定至基材1的顶面11。更具体而言，金刚石单晶体2固定至基材1的连接部13。
前刀面21优选由金刚石单晶体2的{100}面形成。前刀面21优选由金刚石单晶体2的{110}面形成。应当注意的是，{100}面是指与金刚石晶体的(100)面等价的所有晶面，并且{110}面是指与金刚石晶体的(110)面等价的所有晶面。
切削刃23具有曲率半径R。曲率半径R优选为5μm以下。曲率半径R优选为2μm以下。
与切削刃23相邻的后刀面22的算数平均粗糙度Ra优选为0.035μm以下。应当注意的是，利用激光干涉仪测量算数平均粗糙度Ra。
仅要求金刚石单晶体2由金刚石的单晶形成，并且可以任何方式形成。例如，可通过CVD(化学气相沉积)或HPHT(高压高温)法形成金刚石单晶体2。
金刚石单晶体2可包含杂质。金刚石单晶体2中杂质的含量优选小于600ppm。通过SIMS(二次离子质谱法)测量金刚石单晶体2中的杂质浓度。金刚石单晶体2中所含的杂质可为使金刚石单晶体2具有导电性的杂质，或者为不使金刚石单晶体2具有导电性的杂质。使金刚石单晶体2具有导电性的杂质的实例包括硼。不使金刚石单晶体2具有导电性的杂质的实例包括氮。
当金刚石单晶体2中所含的杂质为氮时，金刚石单晶体2中的氮浓度优选为20ppm以上70ppm以下。
(根据实施方案的制造切削工具的方法)
现在将描述根据实施方案的制造切削工具的方法。
图3为示出了根据实施方案的制造切削工具的方法的流程图。如图3所示，根据实施方案的制造切削工具的方法具有固定步骤S1、切削刃形成步骤S2和后刀面照射步骤S3。为了提高切削刃23相对于基材1的尺寸精度，固定步骤S1优选在切削刃形成步骤S2和后刀面照射步骤S3之前进行。
图4为固定步骤S1中的根据实施方案的切削工具的截面图。如图4所示，在固定步骤S1中，将金刚石单晶体2固定至基材1的连接部13。例如，通过钎焊进行金刚石单晶体2在基材1上的固定。然而，将金刚石单晶体2固定于基材1的方法不限于此，也可采用其他的固定方法。
图5为切削刃形成步骤S2中的根据实施方案的切削工具的截面图。如图5所示，在切削刃形成步骤S2中，形成了后刀面22和切削刃23。通过用激光L1照射金刚石单晶体2而形成后刀面22和切削刃23。在切削刃形成步骤S2中，由与前刀面21相对的面侧(更具体而言，由背面12侧向顶面11侧)照射激光L1。在切削刃形成步骤S2，为了进一步抑制当激光L1的加工部分到达金刚石单晶体2的前刀面21时切削刃23附近发生开裂或缺损，优选的是激光L1散焦(在激光L1最小程度地聚焦于金刚石单晶体2的状态下将激光L1照射至金刚石单晶体2)。
在切削刃形成步骤S2中，激光L1的脉冲宽度为1×10-12秒以下。在切削刃形成步骤S2中，激光L1的脉冲宽度优选为1×10-15秒以上。从另一角度来看，切削刃形成步骤S2中激光L1的加工在烧蚀模式中进行，而不是在热模式中进行。
切削刃形成步骤S2中使用的激光L1的波长优选为1064nm以下。切削刃形成步骤S2中使用的激光L1的波长更优选为512nm以下。随着激光L1的波长变短，金刚石单晶体2的吸收率增加，由此能够进行稳定的加工。切削刃形成步骤S2中使用的激光L1例如为YVO4激光、Nd:YAG激光或其二次谐波。
图6为后刀面照射步骤S3中的根据实施方案的切削工具的截面图。如图6所示，在后刀面照射步骤S3中，沿着切削刃23由后刀面22侧向金刚石单晶体2照射激光L2。
在后刀面照射步骤S3中，激光L2的脉冲宽度为1×10-12秒以下。在后刀面照射步骤S3中，激光L2的脉冲宽度优选为1×10-15秒以上。从另一角度来看，后刀面照射步骤S3中激光L2的加工在烧蚀模式中进行，而不是在热模式中进行。在后刀面照射步骤S3中，激光L2的峰值输出功率小于1W。通过用激光L2的单脉冲能量除以激光L2的脉冲宽度，从而获得激光L2的峰值输出功率的值。
在后刀面照射步骤S3中，激光L2的照射方向与前刀面21形成角度θ。当前刀面21由金刚石单晶体2的{100}面形成时，角度θ优选为-35°以上35°以下。
当前刀面21由金刚石单晶体2的{110}面形成时，角度θ优选为-35°以上35°以下。在这种情况中，角度θ可为-89°以上-38°以下，或者38°以上89°以下。
应当注意的是，在前刀面21朝上且后刀面22朝右的状态下，当激光L2的照射方向相对于前刀面21逆时针旋转时，角度θ为正值。在前刀面21朝上且后刀面22朝右的状态下，当激光L2的照射方向相对于前刀面21顺时针旋转时，角度θ为负值。
后刀面照射步骤S3中使用的激光L2的波长优选为1064nm以下。后刀面照射步骤S3中使用的激光L2的波长更优选为512nm以下。随着激光L2的波长变短，金刚石单晶体2的吸收率增加，由此能够进行稳定的加工。后刀面照射步骤S3中使用的激光L2例如为YVO4激光、Nd:YAG激光或其二次谐波。
图7为示出根据实施方案的切削工具的制造方法中使用的加工装置3的构造的示意图。如图7所示，根据实施方案的切削工具的制造方法中所使用的加工装置3具有激光光源31、扫描器头32和加工台33。
激光光源31向扫描器头32提供激光L1和激光L2。加工台33上放置有工件W。工件W为根据上述实施方案的切削工具。扫描器头32在工件W的表面上方扫描由激光光源31提供的激光L1和激光L2。扫描器头32例如为检流计扫描器。例如，通过使用加工装置3进行切削刃形成步骤S2和后刀面照射步骤S3。
虽然以上描述了固定步骤S1在切削刃形成步骤S2和后刀面照射步骤S3之前进行，但是固定步骤S1也可在切削刃形成步骤S2和后刀面照射步骤S3之后进行。
虽然如上所述，在切削刃形成步骤S2中，由与前刀面21相对的面侧照射激光L1，但是在进行后刀面照射步骤S3时，可由前刀面21侧照射激光L1。当在切削刃形成步骤S2中由与前刀面21相对的面侧照射激光L1时，可不进行后刀面照射步骤S3。为了提高切削刃23相对于基材1的尺寸精度，并防止切削刃23中残留开裂或缺损，最优选的是首先进行固定步骤S1，然后进行切削刃形成步骤S2(从与前刀面21相对的面照射激光)，并随后进行后刀面照射步骤S3。
(根据实施方案的制造切削工具的方法的效果)
现在将描述根据实施方案的切削工具的效果。
首先，描述通过在切削刃形成步骤S2中由与前刀面21相对的面侧照射激光L1所获得的效果。当在切削刃形成步骤S2中由前刀面21侧照射激光L1时，切削刃23附近存在发生开裂或缺损的风险。这是因为金刚石单晶体2对激光L1的吸收率低，因此激光加工不稳定，在加工中可能会产生火花(微小的爆炸)。
金刚石单晶体2中被激光L1照射的部分会发生局部石墨化。金刚石单晶体2中的石墨化部分对激光L1的吸收率增加。因此，随着激光L1的加工的进行，以及激光L1照射位置附近的部分的石墨化的进行，该部分对于利用激光L1的加工变得更为稳定，并且不易于产生火花，因此金刚石单晶体2不易于发生开裂或缺损。
当在切削刃形成步骤S2中由与前刀面21相对的面侧照射激光L1时，在切削刃23形成之后切削刃形成步骤S2立即结束。因此，在切削刃23形成时，金刚石单晶体2中被激光L1照射的部分被石墨化。当在切削刃形成步骤S2中由与前刀面21相对的面侧照射激光L1时，在切削刃23形成时不易于发生开裂或缺损。即，当在切削刃形成步骤S2中由与前刀面21相对的面侧照射激光L1时，可防止在激光加工后金刚石单晶体中存在开裂或缺损。
激光L1在其焦点处最大程度地聚焦，并且随着与焦点间的距离增加而发散。当在切削刃形成步骤S2中由前刀面21侧照射激光L1时，利用激光L1的加工持续进行，以由前刀面21向与前刀面21相对的面钻穿金刚石单晶体2。在这种情况中，激光L1的发散部分照射于切削刃23附近。由此，当在切削刃形成步骤S2中由前刀面21侧照射激光L1时，切削刃23的锋利度受损(切削刃23的曲率半径R增加)。
当在切削刃形成步骤S2中由与前刀面21相对的面侧照射激光L1时，利用激光L1的加工持续进行，以由与前刀面21相对的面向前刀面21钻穿金刚石单晶体2。由此，激光L1的特别聚焦的部分照射于切削刃23附近。因此，当在切削刃形成步骤S2中由与前刀面21相对的面侧照射激光L1时，能够获得锋利的切削刃23(具有较小的曲率半径R)。
当在切削刃形成步骤S2中激光L1的加工部分到达前刀面21时，激光L1散焦，此时激光L1的发散部分照射于切削刃23的附近。然而，当由与前刀面21相对的面侧照射激光L1时，激光L1的照射方向与由前刀面21一侧照射的激光L1的照射方向相反，因此，激光L1的发散的影响也是相反的(激光L1的发散起到了使切削刃23的锋利度提高的作用)。因此，即使当切削刃形成步骤S2中激光L1的加工部分到达前刀面21时激光L1散焦，也能够获得锋利的切削刃23。
接下来，将描述通过进行后刀面照射步骤S3获得的效果。在后刀面照射步骤S3中，沿着切削刃23由后刀面22侧向金刚石单晶体2照射激光L2。由于激光L2的脉冲宽度为1×10-12秒以下，因此由于激光L2的照射而发生金刚石单晶体2的烧蚀。即使在切削刃形成步骤S2中于切削刃23的附近发生了开裂或缺损，这种烧蚀也会将开裂或缺损除去。由于激光L2的峰值输出功率小于1W，因此在后刀面照射步骤S3中照射激光L2的过程中不易于发生开裂或缺损。因此，当进行后刀面照射步骤S3时，可防止激光加工后在金刚石单晶体中残留开裂或缺损。
当前刀面21由金刚石单晶体2的{100}面形成，且角度θ为-52°以上52°以下时，激光L2的照射方向和金刚石单晶体2的劈裂方向相交。因此，在这种情况中，能够抑制激光L2的加工后金刚石单晶体2的劈裂(伴随激光L2的照射会发生金刚石单晶体2的劈裂)。当前刀面21由金刚石单晶体2的{110}面形成，且角度θ为-35°以上35°以下、-89°以上-38°以下或38°以上89°以下时，也是同样的情况。
金刚石单晶体2中所含杂质的激光吸收率高于金刚石单晶体2的激光吸收率。由于激光吸收率的改变，因此在金刚石单晶体2中包含杂质的位置存在发生开裂或缺损的风险。当金刚石单晶体2中所含杂质的浓度小于600ppm时，能够抑制这种开裂或缺损的发生。
随着金刚石单晶体2中氮浓度的增加，金刚石单晶体2的耐磨性和耐断裂性得以改善。然而当金刚石单晶体2中的氮浓度变得过高时，金刚石单晶体2中的材料结合变脆。由此，在激光加工中易于发生开裂或缺损。因此，当金刚石单晶体2中的氮浓度为20ppm以上70ppm以下时，能够在抑制激光加工后金刚石单晶体2发生开裂或缺损的同时，改善金刚石单晶体2的耐磨性和耐断裂性。
此外，金刚石单晶体2通过包含氮而提高了金刚石单晶体2对于具有更长波长的激光的吸收率。因此，当金刚石单晶体2包含氮时，能够使激光加工稳定。
当金刚石单晶体2中所含的杂质不使金刚石单晶体2具有导电性时，难以对金刚石单晶体2进行放电加工。根据实施方案中的切削工具的制造方法，即使难以进行放电加工，也能够防止残留开裂或缺损。
当在切削刃形成步骤S2和后刀面照射步骤S3之前进行固定步骤S1时，在切削刃形成步骤S2和后刀面照射步骤S3之后，切削刃23未发生移位。因此，在这种情况中，能够以高的形状精度形成切削刃23。
应当理解的是，本文披露的实施方案在所有方面均是示意性的，而非限制性的。本公开的范围由权利要求书的权项限定，而非由上述实施方案限定，并且旨在包括与权利要求书的权项等同的范围和含义内的任何修改。
附图标记列表
1基材；2金刚石单晶体；3加工装置；11顶面；12背面；13连接部；21前刀面；22后刀面；23切削刃；31激光光源；32扫描器头；33加工台；L1、L2激光；R曲率半径；Ra算数平均粗糙度；S1固定步骤；S2切削刃形成步骤；S3后刀面照射步骤；W工件。

Claims (8)

1.一种制造切削工具的方法，所述切削工具包括基材以及固定至所述基材的金刚石单晶体，所述金刚石单晶体具有前刀面、与所述前刀面连续的后刀面、以及由作为所述前刀面和所述后刀面之间的边界的棱线形成的切削刃，所述方法包括：
后刀面照射步骤，其中沿着所述切削刃由所述后刀面侧向所述金刚石单晶体照射激光，
在所述后刀面照射步骤中，所述激光的峰值输出功率小于1W，并且脉冲宽度为1×10-12秒以下。
2.根据权利要求1所述的制造切削工具的方法，其中
所述金刚石单晶体包含杂质，并且
所述金刚石单晶体中的所述杂质的浓度小于600ppm。
3.根据权利要求2所述的制造切削工具的方法，其中
所述杂质为氮，并且
所述金刚石单晶体中的氮浓度为20ppm以上70ppm以下。
4.根据权利要求1所述的制造切削工具的方法，还包括：
切削刃形成步骤，其中通过由与所述前刀面相对的面侧向所述金刚石单晶体照射激光，从而形成所述切削刃，其中
在所述切削刃形成步骤中，所述激光的脉冲宽度为1×10-12秒以下。
5.根据权利要求1所述的制造切削工具的方法，还包括：
将所述金刚石单晶体固定至所述基材的固定步骤，其中
所述固定步骤在所述后刀面照射步骤之前进行。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的制造切削工具的方法，其中
所述前刀面由所述金刚石单晶体的{100}面形成，并且
所述后刀面照射步骤中的所述激光的照射方向与所述前刀面形成-52°以上52°以下的角度。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的制造切削工具的方法，其中
所述前刀面由所述金刚石单晶体的{110}面形成，并且
所述后刀面照射步骤中的所述激光的照射方向与所述前刀面形成-35°以上35°以下、-89°以上-38°以下或38°以上89°以下的角度。
8.一种制造切削工具的方法，所述切削工具包括基材以及固定至所述基材的金刚石单晶体，所述金刚石单晶体具有前刀面、与所述前刀面连续的后刀面、以及由作为所述前刀面和所述后刀面之间的边界的棱线形成的切削刃，所述方法包括：
切削刃形成步骤，其中通过由与所述前刀面相对的面侧向所述金刚石单晶体照射激光，从而形成所述切削刃，
在所述切削刃形成步骤中，所述激光的脉冲宽度为1×10-12秒以下。
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