CN114981028B - 单晶金刚石切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明的单晶金刚石切削工具设置有后刀面和前刀面，其中：切削刃设置在后刀面和前刀面之间的边界处；倾斜面设置在远离切削刃的位置处，倾斜面与前刀面邻接并且相对于前刀面倾斜0.05度至80度；前刀面的粗糙度Ra为1μm以下；切削刃设置有宽度为1μm以下的倒角面或圆珩磨部；并且切削刃具有宽度为100nm以下的凸起和凹陷，并且该宽度小于倒角面或圆珩磨部的宽度。

Description

单晶金刚石切削工具
技术领域
本公开涉及一种单晶金刚石切削工具。本申请要求基于在2020年1月17日提交的日本专利申请No.2020-005599的优先权。该日本专利申请的说明书中的全部内容通过引用并入本文。
背景技术
专利文献1(日本专利特开No.2014-012310)和专利文献2(日本专利特开No.2006-015412)公开了常规单晶金刚石切削工具。
引用列表
专利文献
[专利文献1]日本专利特开No.2014-012310
[专利文献2]日本专利特开No.2006-015412
发明内容
根据本公开的一个方面的单晶金刚石切削工具是这样的单晶金刚石切削工具，其设置有后刀面和前刀面，切削刃设置在后刀面和前刀面之间的边界处，倾斜面设置在远离切削刃的位置处，所述倾斜面与前刀面邻接并且相对于前刀面倾斜0.05度以上80度以下，前刀面的粗糙度Ra为1μm以下，切削刃设置有宽度为1μm以下的倒角面(chamferedsurface)或圆珩磨部(round honing)，切削刃具有宽度为100nm以下的凸起和凹陷，并且该宽度小于倒角面或圆珩磨部的宽度。
附图说明
图1为根据第一实施方案的单晶金刚石切削工具1的俯视图。
图2为从图1中箭头II所示方向观察到的单晶金刚石切削工具1的侧视图。
图3为由图1所示的圆III包围的部分的单晶金刚石3的放大俯视图。
图4为沿图3所示的线IV-IV截取的单晶金刚石3的截面图。
图5为由图3所示的圆V包围的部分的单晶金刚石3的放大俯视图。
图6为沿图5所示的线VI-VI截取的单晶金刚石3的截面图。
图7为由图5所示的圆VII包围的部分的放大视图，用于示出第一切削刃20a和第二切削刃20b的凸起和凹陷200a和200b。
图8为用于说明测量倒角面20c的宽度L1的方法的图。
图9为用于说明测量第一切削刃20a和第二切削刃20b的凸起和凹陷200a和200b的宽度A1和A2的方法的图。
图10为与图6对应的根据第二实施方案的单晶金刚石3的截面图，并且图10为示出了设置于切削刃20的圆珩磨部20h的截面图。
图11为图10所示的切削刃20的放大俯视图。
图12为具有与圆珩磨部20h邻接的前刀面10和后刀面11的单晶金刚石切削工具在与前刀面10和后刀面11正交的方向截取的截面图，用于说明测量圆珩磨部20h的宽度L2的方法。
图13为具有在圆珩磨部20h和前刀面10以及后刀面11之间的弯曲面400和500的单晶金刚石切削工具在与前刀面10和后刀面11正交的方向截取的截面图，用于说明测量圆珩磨部20h的宽度L2的方法。
具体实施方式
[本公开要解决的问题]
常规单晶金刚石切削工具需要在高精度切削中具有进一步延长的使用寿命。
[本公开的有利效果]
根据本公开，可以提供能够以高精度进行切削并且具有长使用寿命的单晶金刚石切削工具。
[本发明的实施方案的描述]
首先，将列举并描述本发明的实施方案。
根据本公开的一个方面的单晶金刚石切削工具是这样的单晶金刚石切削工具，其设置有后刀面和前刀面，切削刃设置在后刀面和前刀面之间的边界处，倾斜面设置在远离切削刃的位置处，倾斜面与前刀面邻接并且相对于前刀面倾斜0.05度以上80度以下，前刀面的粗糙度Ra为1μm以下，切削刃设置有宽度为1μm以下的倒角面或圆珩磨部，切削刃具有宽度为100nm以下的凸起和凹陷。
如上所述构造的单晶金刚石切削工具具有相对于前刀面倾斜0.05度以上80度以下的倾斜面，因此可以具有粗糙度Ra为1μm以下的前刀面。如果倾斜面的倾斜度小于0.01度，则倾斜度太小，并且难以研磨前刀面。如果倾斜面的倾斜度超过80度，并且前刀面经研磨，则倾斜面和前刀面之间的边界将具有大粗糙度，并且前刀面不能具有1μm以下的表面粗糙度。
优选地，前刀面相对于(110)面形成0度以上15度以下的角。在该范围内，单晶金刚石切削工具具有特别延长的使用寿命。
优选地，倾斜面的粗糙度Ra为5μm以下。当倾斜面的粗糙度为5μm以下时，与倾斜面邻接的前刀面将具有小粗糙度，并且单晶金刚石切削工具具有长使用寿命。
优选地，单晶金刚石切削工具的离隙角为0度以上30度以下。在该范围内，单晶金刚石切削工具具有特别长的使用寿命，因为切削工具可以保持切削刃的强度，同时防止后刀面与工件接触。
(第一实施方案)
图1为根据第一实施方案的单晶金刚石切削工具1的俯视图。如图1所示，单晶金刚石切削工具1具有柄部2和附接在柄部2的前端的单晶金刚石3。柄部2纵向延伸。柄部2例如由硬质合金制成。
图2为从图1中箭头II所示方向观察到的单晶金刚石切削工具1的侧视图。如图2所示，单晶金刚石3固定至柄部2的上表面。例如，单晶金刚石3和柄部2钎焊在一起。柄部2具有尖锐的前端。这可以防止柄部2的前端与工件接触。
图3为由图1所示的圆III包围的部分的单晶金刚石3的放大俯视图。如图3所示，单晶金刚石3设置有前刀面10。前刀面10位于单晶金刚石3的上表面的前端部分处。单晶金刚石3设置有与前刀面10邻接的倾斜面12。边界15位于前刀面10和倾斜面12之间。
前刀面10的粗糙度Ra为1μm以下。例如，可以用白光干涉仪测定前刀面10的粗糙度Ra。当前刀面10的粗糙度Ra超过10μm时，加工面变得粗糙，从而导致工具使用寿命缩短。
前刀面10在面取向方面没有特别地限制。前刀面10优选相对于单晶金刚石3的(110)面形成0度以上15度以下的角。前刀面10的最远端部分为切削刃20。在图3中切削刃20具有弧形。切削刃20是与工件接触的部分。
倾斜面12的粗糙度Ra优选为5μm以下。当倾斜面12的粗糙度为5μm以下时，与倾斜面12邻接的前刀面10将具有小的粗糙度，并且单晶金刚石切削工具1将具有特别长的使用寿命。例如，可以用白光干涉仪测定前刀面10的粗糙度Ra。
图4为沿图3所示的线IV-IV截取的单晶金刚石3的截面图。如图4所示，单晶金刚石3的切削刃20位于前刀面10和后刀面11之间的边界部分。倾斜面12相对于前刀面10的角为θ1(倾角)。倾角θ1为0.01度以上80度以下。如果倾角θ1小于0.01度，则倾斜面12将基本上与前刀面10齐平，并且倾斜面12将成为研磨前刀面10的障碍，无法充分研磨前刀面10。如果倾角θ1超过80度，则倾角θ1过大，从而导致边界15附近的表面粗糙度大。结果，前刀面10也具有大的表面粗糙度。优选地，角θ1为1度以上50度以下，更优选10度以上30度以下。
后刀面11相对于如箭头3a所示的工件移动方向的角为θ2(离隙角)。对于角θ2没有特别地限制。可以用投影仪测量离隙角θ2。
优选地，角θ2为5度以上25度以下，更优选10度以上20度以下。单晶金刚石3具有相对于如箭头3a所示的工件移动方向的角为θ3的下表面。对于角θ3没有特别地限制。
可以用白光干涉仪测量倾角θ1。可以用投影仪测量离隙角θ2和角θ3。
图5为由图3所示的圆V包围的部分的单晶金刚石3的放大俯视图。如图5所示，设置在前刀面10的端部的切削刃20具有第一切削刃20a和第二切削刃20b。第一切削刃20a设置在外侧，并且第二切削刃20b设置在内侧。第一切削刃20a和第二切削刃20b之间的部分为倒角面20c。
倒角面20c通过倒角形成。倒角面20c在第一切削刃20a和第二切削刃20b之间形成为弧形。切削刃20和形成为弧形的倒角面20c使得即使在切削刃20与工件接触的部分发生变化的情况下，也可表现出预定的切削性能。
图6为沿图5所示的线VI-VI截取的单晶金刚石3的截面图。如图6所示，第二切削刃20b设置在靠近前刀面10的一侧上。第一切削刃20a设置在靠近后刀面11的一侧上。倒角面20c的宽度L1为1μm以下。如果倒角面20c的宽度L1超过1μm，则倒角面20c将具有出现磨损的形状，从而导致使用寿命缩短。
倒角面20c具有沿单晶金刚石3的纵向截取的图6截面中的宽度。倒角面20c优选的宽度L1为50nm以上400nm以下。例如，可以用3D扫描电子显微镜(3D-SEM)测量倒角面20c的宽度L1。3D-SEM可为(例如)由ELIONIX INC制造的ERA-600FE BSE。
当切削刃20不呈弧形，而是例如呈方形，并且第一切削刃和第二切削刃在前端端部处相遇时，由在通过第一切削刃和第二切削刃各自的中心并且垂直于第一切削刃和第二切削刃延伸的方向截取的截面中的倒角面的宽度的平均值限定倒角面的宽度。
图7示出了第一切削刃20a和第二切削刃20b的凸起和凹陷200a和200b。如图7所示，第一切削刃20a设置有凸起和凹陷200a。第二切削刃20b设置有凸起和凹陷200b。凸起和凹陷200a和200b的宽度A1和A2分别为100nm以下，并且小于倒角面20c的宽度L1。如果凸起和凹陷200a和200b的宽度A1和A2超过100nm，则加工面变得粗糙，从而导致工具使用寿命缩短。例如，可以用3D-SEM测量凸起和凹陷200a和200b的宽度A1和A2。
图8为用于说明测量倒角面20c的宽度L1的方法的图。通过以下过程测量倒角面20c的宽度L1：
(1)使用设置成2D的3D-SEM如图8所示在垂直于前刀面10的方向上观察切削刃20，以随机选择没有大的缺口20f的十个点。选择由虚线20g指示的部分。
(2)随后，在步骤(1)选择的虚线20g的位置处通过3D-SEM获得切削刃20的截面。应当注意，该截面指示了切削刃20、前刀面10和后刀面11的表面的位置信息，并且不包括切削刃20的内部信息。用3D-SEM观察截面的同时，对倒角面20c成像。
(3)随后，基于在步骤(2)中获得的图像，测量各截面的倒角面20c的宽度L1。
(4)随后，将步骤(3)中测量的10个点的平均值限定为倒角面的宽度L1。图9为用于说明测量第一切削刃20a和第二切削刃20b的凸起和凹陷200a和200b的宽度A1和A2的方法的图。通过以下过程测量凸起和凹陷200a和200b的宽度A1和A2：
(1)在相对于前刀面10成45°且与前刀面10的垂直方向成45°的方向在切削刃的前端侧上观察时，用3D-SEM对切削刃成像。
(2)以后刀面11和倒角面20c之间的边界的未观察到凸起/凹陷200a的部分的棱线220a为基准。确定经过凸起和凹陷200a的最外凸起并且平行于棱线220a的曲线201a。绘制平行于棱线220a并经过凸起和凹陷200a的最内凹陷的曲线202a。两条曲线201a和202a之间的距离作为凸起和凹陷200a的宽度。以前刀面10和倒角面20c之间的边界的未观察到凸起/凹陷200b的部分的棱线220b为基准。确定经过凸起和凹陷200b的最外凸起并且平行于棱线220b的曲线202b。绘制平行于棱线220b并经过凸起和凹陷200b的最内凹陷的曲线201b。两条曲线201b和202b之间的距离作为凸起和凹陷200b的宽度。
(3)可以用上述方法进行测量，因为具有10nm以上的宽度的凸起和凹陷的物体可以具有通过3D-SEM观察到的凸起和凹陷。宽度小于10nm的凸起和凹陷是观察不到的。因此，确定未观察到呈凸起/凹陷的尺寸小于10nm。
(4)将凸起和凹陷的宽度限定为前刀面10和倒角面20c之间的边界的A1和后刀面11和倒角面20c之间的边界的A2这两者的平均值，即，(A1+A2)/2。也就是说，通过计算获得的A1和A2具有相同的值，即A1＝A2＝(A1+A2)/2。
(第二实施方案)
图10为与图6对应的根据第二实施方案的单晶金刚石3的截面图，并且图10为示出了设置于切削刃20的圆珩磨部20h的截面图。图11为图10所示的切削刃20的放大俯视图。
如图10和11所示，通过圆珩磨部20h形成切削刃20。沿切削刃20形成在与切削刃20正交的图10截面中呈弧形的圆珩磨部20h。圆珩磨部20h的宽度L2为1μm以下。如果圆珩磨部20h的宽度L2超过1μm，则圆珩磨部20h将具有出现磨损的形状，从而导致使用寿命缩短。圆珩磨部20h的宽度L2优选为50nm以上400nm以下。可以通过以下过程用3D-SEM测量圆珩磨部20h的宽度L2：图12为具有与圆珩磨部20h邻接的前刀面10和后刀面11的单晶金刚石切削工具在与前刀面10和后刀面11正交的方向截取的截面图，用于说明测量圆珩磨部20h的宽度L2的方法。当圆珩磨部20h与前刀面10和后刀面11邻接时，通过以下过程测量圆珩磨部20h的宽度L2：
(1)使用设置成2D的3D-SEM在垂直于前刀面10的方向上观察切削刃20，以随机选择没有大的缺口的十个点，这与在第一实施方案所做的相似。
(2)随后，在步骤(1)选择的各位置处通过3D-SEM获得切削刃20的截面。应当注意，该截面指示了切削刃20、前刀面10和后刀面11的表面的位置信息，并且不包括切削刃20的内部信息。在用3D-SEM观察截面的同时，对圆珩磨部20h成像。
(3)随后，基于在步骤(2)中获得的图像，如图12所示，在与圆珩磨部20h重叠的部分形成圆20R。
(4)随后，测量在步骤(3)中获得的圆20R的半径R。
(5)随后，由在步骤(4)中获得的半径R、以及前刀面10和后刀面11的刀具角E确定圆珩磨部20h的宽度L2。
图13为具有在圆珩磨部20h和前刀面10以及后刀面11之间的弯曲面400和500的单晶金刚石切削工具在与前刀面10和后刀面11正交的方向截取的截面图，用于说明测量圆珩磨部20h的宽度L2的方法。例如，通过研磨，邻近圆珩磨部20h可能存在半径大于圆珩磨部20h的弯曲面400和500。在这种情况下，通过以下过程测量圆珩磨部20h的宽度L2：
(1)使用设置成2D的3D-SEM在垂直于前刀面10的方向上观察切削刃20，以随机选择没有大的缺口的十个点，这与在第一实施方案所做的相似。
(2)随后，在步骤(1)选择的各位置处通过3D-SEM获得切削刃20的截面。应当注意，该截面指示了切削刃20、前刀面10和后刀面11的表面的位置信息，并且不包括切削刃20的内部信息。在用3D-SEM观察截面的同时，对圆珩磨部20h成像。
(3)随后，基于在步骤(2)中获得的图像，如图12所示，在与圆珩磨部20h的前端部分重叠的部分形成圆20R。
(4)随后，测量在步骤(3)中获得的圆20R的半径R。从圆20R的中心朝向前刀面10和弯曲面400之间的边界部分绘制出半径线402(使得半径线402与前刀面10形成90°的角)。确定半径线402和圆20R之间的交点401。从圆20R的中心朝向后刀面11和弯曲面500之间的边界部分绘制出半径线502(使得半径线502和后刀面11形成90°的角)。确定半径线502和圆20R之间的交点501。
(5)随后，由在步骤(4)中获得的半径R、以及前刀面10和后刀面11的刀具角E确定交点401和501之间的距离、或圆珩磨部20h的宽度L2。
切削刃20设置有凸起和凹陷200c。凸起和凹陷200c的宽度A3为100nm以下。可以用3D-SEM测量圆珩磨部20h的凸起和凹陷200c的宽度A3。
(1)在相对于前刀面10成45°且与前刀面10的垂直方向成45°的方向在切削刃的前端侧上观察时，用3D-SEM对切削刃成像。
(2)以圆珩磨部20h的未观察到凸起/凹陷200c的部分的棱线为基准。确定经过凸起和凹陷200c的最外凸起并且平行于棱线的第一曲线。绘制平行于棱线并且经过凸起和凹陷200c的最内凹陷的第二曲线。第一和第二曲线之间的距离作为凸起和凹陷200c的宽度。
(3)可以以上述方法进行测量，因为具有宽度为10nm以上的凸起和凹陷的物体可以具有通过3D-SEM观察到的凸起和凹陷。宽度小于10nm的凸起和凹陷是观察不到的。因此，确定未观察到呈凸起/凹陷的尺寸小于10nm。
(实施例1)
表1
表2
首先，制备如图1至图7所示那样形成的、并且具有各种设定的倾角θ1、前刀面10的粗糙度Ra、倒角面的宽度L1、切削刃的凸起和凹陷的宽度A1和A2、前刀面的取向、倾斜面12的粗糙度Ra和离隙角θ2的样品。
将这些样品用于对透镜用模具(工件：由以下材料形成，该材料为用Ni-P镀覆的钢材)的镜面精加工。模具具有直径为5mm的圆柱形形状，其前端具有球形表面。当在精加工面上出现彩虹面时，确定镜面精加工球形表面的工具达到了其使用寿命的终点。
在以下条件下进行加工：
加工速度：最大为500mm/sec(在以固定转速加工球形表面时，加工速度根据加工位置而变化。)
冷却剂：油雾
切削深度：1,000μm
进给：1,000μm/rev
由在工具达到其使用寿命终点之前加工了多少工件(或透镜模具)评价各工具的使用寿命。随着加工的进行，切削刃的表面粗糙度增大，因此，工件的加工面的表面粗糙度也增大。当加工面具有规定值以上的表面粗糙度时，由于光的反射而出现彩虹面。当工具成功加工12个工件时，确定工具合格。已经发现，样品No.10至No.15具有短的使用寿命，因为它们在成功加工12个工件之前就出现了彩虹面。
与具有(100)的面取向的前刀面10的样品相比，具有(110)的面取向的前刀面10的样品No.16至No.20的使用寿命更长。这是因为具有高耐磨性的晶体取向位于切削刃处。
与具有表面粗糙度Ra超过5μm的倾斜面12的样品相比，具有表面粗糙度Ra为5μm以下的倾斜面12的样品No.17至No.24的使用寿命更长。这是因为，当倾斜面12粗糙时，前刀面10将是粗糙的，并且切削刃将具有大的凸起和凹陷。
与离隙角θ2超过30度的样品相比，离隙角θ2为30度以下的样品No.19、No.20、No.23至No.26的使用寿命更长。这是因为，落入该范围内使得能够在避免后刀面和工件之间的接触的同时，维持切削刃的强度。
(实施例2)
表3
制备如图8和图9所示那样形成的、并且具有各种设定的倾角θ1、前刀面10的粗糙度Ra、圆珩磨部的宽度L2、切削刃的凸起和凹陷的宽度A3、倾斜面12的粗糙度Ra和离隙角θ2的样品。
将这些样品用于对透镜用模具(工件：由以下材料形成，该材料为用Ni-P镀覆的钢材)的镜面精加工。模具具有直径为5mm的圆柱形形状，其前端具有球形表面。当在精加工面上出现彩虹面时，确定镜面精加工球形表面的工具达到了其使用寿命的终点。
在以下条件下进行加工：
加工速度：最大为500mm/sec(在以固定转速加工球形表面时，加工速度根据加工位置而变化。)
冷却剂：油雾
切削深度：1,000μm
进给：1,000μm/rev
由在工具达到其使用寿命终点之前加工了多少工件(或透镜模具)评价各工具的使用寿命。随着加工的进行，切削刃的表面粗糙度增大，因此，工件的加工面的表面粗糙度也增大。当加工面具有规定值以上的表面粗糙度时，由于光的反射而出现彩虹面。当工具成功加工12个工件时，确定工具合格。已经发现，样品No.110至No.115具有短的使用寿命，因为它们在成功加工12个工件之前就出现了彩虹面。
应当理解，本文公开的实施方案和实施例在所有方面都是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求表示，而不是由上述实施方案表示，并且本发明旨在包括在与权利要求等同的范围和含义内的所有的改变。
工业适用性
本公开适用于单晶金刚石切削工具的领域。
附图标记列表
1单晶金刚石切削工具，2柄部，3单晶金刚石，10前刀面，11后刀面，12倾斜面，15边界，20切削刃，20a第一切削刃，20b第二切削刃，20c倒角面，20h圆珩磨部，200a、200b、200c凸起和凹陷

Claims (5)

1.一种单晶金刚石切削工具，其设置有后刀面和前刀面，
切削刃设置在所述后刀面和所述前刀面之间的边界处，
倾斜面设置在远离所述切削刃的位置处，所述倾斜面与所述前刀面邻接并且相对于所述前刀面倾斜0.05度以上80度以下，
所述前刀面的粗糙度Ra为1μm以下，
所述切削刃设置有宽度为1μm以下的倒角面或圆珩磨部，
所述切削刃具有凸起和凹陷，所述凸起和凹陷的宽度为100nm以下并且小于所述倒角面或圆珩磨部的宽度，
其中，在相对于前刀面成45°且与前刀面的垂直方向成45°的方向上在切削刃的前端侧观察时，用3D-SEM对切削刃成像，
以后刀面和倒角面之间的边界的未观察到凸起/凹陷的部分的棱线为基准，确定经过凸起和凹陷的最外凸起并且平行于棱线的曲线，绘制平行于棱线并经过凸起和凹陷的最内凹陷的曲线，两条曲线之间的距离作为凸起和凹陷的宽度。
2.一种单晶金刚石切削工具，其设置有后刀面和前刀面，
切削刃设置在所述后刀面和所述前刀面之间的边界处，
倾斜面设置在远离所述切削刃的位置处，所述倾斜面与所述前刀面邻接并且相对于所述前刀面倾斜0.05度以上80度以下，
所述前刀面的粗糙度Ra为1μm以下，
所述切削刃设置有宽度为1μm以下的倒角面或圆珩磨部，
所述切削刃具有凸起和凹陷，所述凸起和凹陷的宽度为100nm以下并且小于所述倒角面或圆珩磨部的宽度，
其中，在相对于前刀面成45°且与前刀面的垂直方向成45°的方向上在切削刃的前端侧观察时，用3D-SEM对切削刃成像，
以圆珩磨部的未观察到凸起/凹陷的部分的棱线为基准，确定经过凸起和凹陷的最外凸起并且平行于棱线的第一曲线，绘制平行于棱线并且经过凸起和凹陷的最内凹陷的第二曲线，第一和第二曲线之间的距离作为凸起和凹陷的宽度。
3.根据权利要求1或2所述的单晶金刚石切削工具，其中所述前刀面相对于(110)面形成0度以上15度以下的角。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的单晶金刚石切削工具，其中所述倾斜面的粗糙度Ra为5μm以下。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的单晶金刚石切削工具，其提供0度以上30度以下的离隙角。
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