JP2002137108A

JP2002137108A - 脆性材料の穴明け加工方法および該穴明け加工方法に用いる穴明け工具

Info

Publication number: JP2002137108A
Application number: JP2000331507A
Authority: JP
Inventors: Takashi Masuda; 敬増田; Taichi Aoki; 太一青木; Seiji Kameoka; 誠司亀岡; Masatoshi Nishikawa; 正寿西川; Tetsumitsu Tominaga; 哲光冨永
Original assignee: MMC Kobelco Tool Co Ltd
Current assignee: MMC Kobelco Tool Co Ltd
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2002-05-14

Abstract

(57)【要約】【課題】脆性材料に穴明け工具によって穴明け加工を
行う場合において、加工穴入口のコバ欠けの発生を抑え
るとともに穴明け工具の寿命の延長を図ることが可能な
穴明け加工方法を提供し、またこの穴明け加工方法に用
いて好適な穴明け工具を提供する。【解決手段】脆性材料よりなる加工物に穴明け加工を
行う脆性材料の穴明け加工方法において、工具本体１の
先端に切刃４が形成されるとともに、少なくともこの工
具本体１の先端部にダイヤモンドコーティングが施され
た穴明け工具、または少なくとも工具本体１先端部がダ
イヤモンド焼結体で形成された穴明け工具を、その軸線
Ｏ回りにしつつ、０．０２５〜０．１５μｍ／ｒｅｖの
範囲に設定された送り量で軸線Ｏ方向先端側に送り出し
て穴明け加工を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコンやセラミ
ックス、ガラス、あるいは炭化タングステン（ＷＣ）な
どの超硬合金材等の脆性材料に穴明け加工を行う場合の
脆性材料の穴明け加工方法、および該穴明け加工方法に
用いる穴明け工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体装置の製造装置に用いられ
るシャワーヘッドを製造する場合などにおいて、単結晶
シリコン等の脆性材料に穴明け加工を施す際には、従来
より専らレーザー加工によることが多かったが、このよ
うなレーザー加工は、加工に要するレーザー加工装置が
高価であるとともにランニングコストも高く、不経済で
あるという問題がある。そこで、本発明の発明者らは、
このような脆性材料に対しても、通常の金属材料の加工
と同じように穴明け工具を用いて穴明け加工を行うこと
ができないか試みた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな穴明け工具によって上記脆性材料に穴明け加工を施
そうとした場合、かかる材料は脆性であるが故に、一般
的な鋼材等の金属材料に穴明け加工を行う場合に比べ
て、加工穴の入口にひびやクラック等のコバ欠けがきわ
めて生じ易く、加工精度や加工穴の品質を著しく損なう
おそれがある。また、その一方で、当該脆性材料は高硬
度でもあることが多く、このため穴明け工具の損傷が促
進されて比較的少ない穴加工数で工具の寿命が尽きてし
まうという問題も生じる。そして、この傾向は、穴明け
加工された脆性材料を上述の半導体装置の製造装置にお
けるシャワーヘッドに用いる場合のように、加工穴の径
が極小さく、従って穴明け工具の切刃の外径も極小さく
ならざるを得ない場合において、特に顕著となる。

【０００４】本発明は、このような背景の下になされた
もので、上述のような脆性材料に穴明け工具によって穴
明け加工を行う場合において、加工穴入口のコバ欠けの
発生を抑えるとともに穴明け工具の寿命の延長を図るこ
とが可能な穴明け加工方法を提供し、またこの穴明け加
工方法に用いて好適な穴明け工具を提供することを目的
としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】ここで、本発明の発明者
らは、上記の試みにおいて上述のような脆性材料よりな
る加工物に対して種々の条件で穴明け加工を行ったとこ
ろ、穴明け工具をその軸線方向に送り出す際の送り量
を、通常の穴明け加工における送り量よりもきわめて小
さい範囲に設定することにより、加工穴入口のコバ欠け
を抑制しながら穴明け工具の寿命の延長を図ることがで
きるという知見を得るに至った。すなわち、こうして送
り量を通常よりもきわめて小さくすることにより、穴明
け工具が加工物に押し込まれる際の押し込み力が低減さ
れて加工物に過大な負荷が作用することがなくなり、加
工物が脆性材料であってもひびやクラック等に起因する
コバ欠けが生じるのが防がれるのである。ただし、この
送り量が小さくなる過ぎると、穴明け加工時に発生する
熱が発散され難くなり、穴明け工具に著しい摩耗やチッ
ピング等の損傷が生じるおそれがある。

【０００６】そこで、本発明の穴明け加工方法は、この
ような知見に基づき、脆性材料よりなる加工物に穴明け
加工を行う脆性材料の穴明け加工方法において、軸線回
りに回転される穴明け工具を、０．０２５〜０．１５μ
ｍ／ｒｅｖの範囲に設定された送り量で上記軸線方向先
端側に送り出して穴明け加工を行うことを特徴とするも
のである。また、取り分け加工穴のコバ欠けをより確実
に抑制するには、上記送り量の範囲の上限値を一層小さ
くして、この送り量を０．０２５〜０．０７５μｍ／ｒ
ｅｖの範囲に設定するのが望ましい。一方、上記穴明け
工具による上記加工物の穴明け部位に切削油を供給する
ことも望ましく、これにより、穴明け加工時の抵抗が低
減されて加工物や穴明け工具への負荷が一層軽減される
とともに、加工時の熱も効率的に発散させることが可能
となる。

【０００７】また、本発明の穴明け工具は、このような
脆性材料の穴明け加工方法に用いる穴明け工具であっ
て、工具本体の先端に切刃を形成するとともに、少なく
ともこの工具本体の先端部にダイヤモンドコーティング
を施すか、もしくは少なくともこの工具本体の先端部を
ダイヤモンド焼結体によって形成したことを特徴とする
ものであり、このように切刃が形成される工具本体の先
端部にダイヤモンドコーティングが施されたり、工具本
体先端部がダイヤモンド焼結体によって形成されたりす
ることにより、当該穴明け工具にチッピングが生じたり
するのを一層確実に防止することができる。さらに、上
記工具本体の先端にシンニングを施した場合には、この
穴明け工具の先端が加工物に食い付く際の食い付き性が
向上し、さらに切刃でシンニングが施されている箇所の
強度が向上することにより、コバ欠けや切刃のチッピン
グによる損傷をより効果的に抑制できる。さらにまた、
上記工具本体の心厚を、上記切刃の外径Ｄに対して０．
６Ｄ以上と比較的大きく設定することにより、この工具
本体の剛性を確保することができて、上述のように加工
される穴の径が極小さくて穴明け工具の切刃の外径も極
小さくならざるを得ない場合でも、工具本体が折損した
りするのを防ぐことができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の穴明け加工方法お
よび該穴明け加工方法に用いる穴明け工具の実施形態に
ついて説明する。図１および図２は本発明の穴明け工具
の第１の実施形態を示すものであって、この穴明け工具
は、超硬合金等の硬質材料により形成されて先端側が後
端側よりも一段縮径した略円柱状をなす工具本体１の上
記先端側の部分が切刃部２とされ、この切刃部２の外周
に、先端から後端側に向かうに従い該工具本体１の軸線
Ｏ回りに穴明け加工時の工具回転方向Ｔの後方側に向け
て捻れる一対の切屑排出溝３，３が軸線Ｏに関して互い
に対称に形成されるとともに、これらの切屑排出溝３，
３の工具回転方向Ｔ側を向く壁面の先端側稜線部に、所
定の先端角をもって外周側に向かうに従い後端側に向か
うように傾斜するように一対の切刃４，４が形成された
ツイストドリル状の穴明け工具であり、テーパ部５を介
して上記切刃部３よりも一段拡径する工具本体１の後端
側の部分は、当該工具本体１を工作機械の主軸に取り付
けるためのシャンク部６とされている。

【０００９】そして、本実施形態では、工具本体１先端
側の上記切刃部２に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法や熱
フィラメントＣＶＤ法などによってダイヤモンドコーテ
ィングが施されている。なお、こうしてダイヤモンドコ
ーティングを施す代わりに、先端側の上記切刃部２の全
体やその先端側の一部をダイヤモンド焼結体によって形
成し、これを超硬合金等よりなる後端側のテーパ部５お
よびシャンク部６にろう付け等により接合して工具本体
１を形成したり、あるいはダイヤモンド焼結体よりなる
切刃部２と超硬合金等よりなるテーパ部５およびシャン
ク部６とを一体に焼結して工具本体１を形成したりする
ようにしてもよい。

【００１０】次に、本発明の穴明け加工方法の一実施形
態について説明する。本実施形態では、まず、上記第１
の実施形態の穴明け工具において、切刃４の外径Ｄが
０．４ｍｍ、工具本体１の切刃部２の心厚が０．１２ｍ
ｍ（０．３Ｄ）とされて、該切刃部２にダイヤモンドコ
ーティングが施された穴明け工具を用いて、この工具本
体１をその軸線Ｏ回りに回転しつつ該軸線Ｏ方向先端側
に送り出し、その際の送り量を種々に変化させて、脆性
材料である単結晶シリコンよりなる加工物に対して穴明
け加工を行った。このときの、各送り量ごとの加工した
穴加工数とそのときの加工穴入口のコバ欠け量とを測定
した結果を図３に示す。ただし、ここで用いた穴明け工
具では、その工具本体１の先端にシンニングは施されて
いない。また、送り量以外の加工条件は、工具本体１の
回転数が４００００ｍｉｎ^-1（回転速度５０ｍ／ｍｉ
ｎ）で０．１５ｍｍごとのステップ送りを行い、加工穴
は深さ５ｍｍの貫通穴であった。また、図３に符号＊で
示したもの以外は、不水溶性の切削油を切削部位に供給
しながら加工を行った。

【００１１】しかるに、この図３の結果より、本発明の
穴明け加工方法の実施形態となる送り量を０．０２５，
０．０７５，０．１５μｍ／ｒｅｖに設定したものにあ
っては、加工穴入口のコバ欠け量が概ね０．１ｍｍまで
に抑えられており、これらの実施形態と同じに切削油を
供給したものでも、送り量が０．１５μｍ／ｒｅｖを越
える０．３３μｍ／ｒｅｖに設定されたものでは５穴目
以上のコバ欠け量がすべて０．１ｍｍを上回っていたの
に対し、ひびやクラックによるコバ欠けが良好に抑制さ
れていた。また、これらの実施形態のうちでも、特に送
り量が０．０２５，０．０７５μｍ／ｒｅｖの場合に
は、送り量０．０２５μｍ／ｒｅｖの場合の２０穴目を
除いて、これらよりも送り量が大きい０．１５μｍ／ｒ
ｅｖの場合に比べてコバ欠け量が総じてより小さく抑え
られており、良好な加工穴品質が得られている。

【００１２】なお、これらの実施形態のうちでも、送り
量を０．０２５μｍ／ｒｅｖと最も小さくした場合に
は、加工穴数が１０穴程度までは小さいコバ欠け量で安
定した結果を示していたものの、それ以上ではコバ欠け
量が大きくなり、２０穴を加工したところではコバ欠け
量０．１ｍｍをやや上回る結果となった。そこで、他の
実施形態の場合も含めて、この２０穴を加工した時点で
の穴明け工具の先端部の状態を調べたところ、送り量が
０．１５μｍ／ｒｅｖの場合では異常は認められなかっ
たのに対して、送り量が０．０７５μｍ／ｒｅｖの場合
には切刃に小さなチッピングが生じていることが確認さ
れ、送り量０．０２５μｍ／ｒｅｖの場合にはこれがよ
り顕著なものとなっていた。因みに、上記実施形態と同
じ穴明け工具を用いて、０．０２５μｍ／ｒｅｖを下回
る送り量で穴明け加工を行ったところ、チッピングの発
生はさらに著しくなり、２０穴を加工する前に穴加工が
不可能な状態となってしまった。また、工具本体にダイ
ヤモンドコーティングを施されていない以外は上記穴明
け工具と同様の穴明け工具を用いて、上記と同様の穴明
け加工を行ったところ、先端部が摩滅して１穴も穴加工
することができなかった。

【００１３】一方、本発明の範囲を上回る０．３３μｍ
／ｒｅｖの送り量の場合において、切削油を供給した場
合と供給しなかった場合とを比べると、全般に切削油を
供給した場合の方がコバ欠け量が小さく抑えられてお
り、また１穴目を別にして両者のコバ欠け量の差は加工
穴数が多くなるほど大きくなっている。さらに、これら
の場合の穴加工工具の先端部の状態を比較したところで
も、切削油を供給した場合の方が供給しない場合よりも
チッピング等の損傷は明らかに小さかった。これより、
送り量を０．０２５〜０．１５μｍ／ｒｅｖとした本発
明の実施形態の場合でも、切削油を供給しなかったとき
にはコバ欠け量や穴明け工具の損傷は大きくなるものと
認められる。

【００１４】次に、図４および図５は、それぞれ本発明
の穴明け工具の第２、第３の実施形態を示すものであ
り、図１および図２に示した第１の実施形態の穴明け工
具と共通する部分には同一の符号を配して説明を省略す
る。しかるに、このうち第２の実施形態の穴明け工具
は、上記第１の実施形態の穴明け工具に対して、工具本
体１の先端にシンニングが施されていることを特徴と
し、特に本実施形態のシンニングはＸ形シンニングであ
って、これにより、工具本体１先端面にはシンニング面
７，７が形成されるとともに、切刃４，４の内周側には
上記シンニング面７，７の辺稜部にシンニング刃８，８
が形成されることとなる。また、図５に示した第３の実
施形態の穴明け工具は、切刃部２の心厚が第１、第２の
実施形態よりも大きく、切刃４の外径Ｄに対して０．６
Ｄ以上に設定されていることを特徴としている。なお、
この第３の実施形態においても、上記第２の実施形態と
同様に工具本体１の先端にはＸ形シンニングが施されて
いる。

【００１５】このように構成された第２、第３の実施形
態の穴明け工具により脆性材料に穴明け加工を行った場
合の、本発明の穴明け加工方法の他の実施形態について
以下に説明する。ここで、本実施形態では、切刃４の外
径Ｄが０．４ｍｍ、工具本体１の切刃部２の心厚が０．
１２ｍｍ（０．３Ｄ）とされて、該切刃部２にダイヤモ
ンドコーティングが施されるとともに、工具本体１先端
にシンニングが施されていない上記第１の実施形態の穴
明け工具（以下、ドリル１と称する。）に対し、工具本
体１の先端にＸ形シンニングが施されている以外はこの
ドリル１と同様の構成の第２の実施形態の穴明け工具
（以下、ドリル２と称する。）と、こうしてＸ形シンニ
ングを施した上で、さらに工具本体１の切刃部２の心厚
を切刃４の外径Ｄ＝０．４ｍｍに対して０．２４ｍｍ
（０．６Ｄ）とした第３の実施形態の穴明け工具（以
下、ドリル３と称する。）とで、工具本体１の送り量を
０．０７５μｍ／ｒｅｖとして脆性材料に穴明け加工を
行った場合の、穴明け工具の寿命（穴明け加工可能な穴
加工数）とそのときの加工穴入口のコバ欠け量とを測定
して比較した。この結果を、穴明け工具の寿命に関して
は次表１に、またコバ欠け量に関してはドリル２，３の
結果を図６に示す。なお、ドリル１のコバ欠け量の結果
は、図３において送り量を０．０７５μｍ／ｒｅｖとし
た場合と同じであるので、図６には記載を省略する。ま
た、これ以外の加工条件についても図３に示した場合と
同じであり、すべての場合において切削油を供給してい
る。

【００１６】

【表１】

【００１７】しかるに、まず、この表１の結果より、シ
ンニングのないドリル１よりもシンニングが施されたド
リル２，３の方が、また心厚が０．６Ｄ未満と小さくさ
れたドリル１，２よりも心厚が０．６Ｄ以上とされたド
リル３の方が、より多くの穴を穴明け可能で長寿命であ
った。特に、ドリル１，２においては、表１に記載の穴
数で工具本体１が折損して寿命に達したのに対し、ドリ
ル３においては加工穴数が１００穴に達しても工具本体
１に何等異常は認められなかった。なお、ドリル３にお
いて寿命が１００穴以上とされているのは、１００穴を
穴明けしたところでも穴明け工具に何等損傷等が認めら
れず、その後の穴明けは行わなかったためである。ま
た、コバ欠け量についても、これらの実施形態では、送
り量が本発明の範囲内となる０．０７５μｍ／ｒｅｖで
あるため、ドリル１〜３のすべてにおいて０．１ｍｍ以
下の小さなコバ欠け量に抑えられており、特にドリル
２，３に関してはその加工穴数が多くなってもこのよう
に小さなコバ欠け量で安定した結果が得られている。

【００１８】ところで、上記ドリル３のように工具本体
１の切刃部２の心厚を大きくした場合には、この工具本
体１の先端部外周に形成される切屑排出溝３の溝深さは
小さくなってその断面積も小さくなるため、一般的な鋼
材等の金属材料よりなる加工物に穴明け加工を施す場合
には、この切屑排出溝３に切屑が詰まりを生じ、穴明け
加工時の抵抗が大きくなって却って折損を生じたりする
おそれがある。ところが、本実施形態のように単結晶シ
リコンのような脆性材料を加工物とする場合、かかる材
料を切削した際に生成されるのは、鋼材等の場合のよう
に弦巻状に連続したりチップ状に分断されたりした切屑
というよりは、むしろ粉体状の切粉というべきものであ
り、このため上述のように心厚を大きくすることによっ
て切屑排出溝３の断面積が削減されても、良好な排出性
を維持することができる。ただし、例えばこの切屑排出
溝３が極々小さかったり全く形成されていなかったりす
ると、生成された切粉が行き場を失って加工穴内周と工
具本体１外周との間に入り込み、これらを傷つけて加工
穴の内周面粗度や穴明け工具の寿命を損なうおそれがあ
るので、工具本体１の心厚を大きくするにしても、その
上限は切刃４の外径Ｄに対して０．９×Ｄまでに抑えら
れるのが望ましい。

【００１９】また、本発明においては、その穴明け工具
の切刃４の外径Ｄについて特に限定はされないが、例え
ば上述のような半導体装置の製造装置におけるシャワー
ヘッドに用いるものとして脆性材料に穴明け加工を行う
場合には、形成される加工穴の径はそれほど大きなもの
ではなく、しかも、このような場合以外に脆性材料に穴
明け加工を行う場合において、大きな径の加工穴を穴明
け工具により形成しようとすると、上記切刃４の外径Ｄ
が大きくなるのに伴い穴明け工具の工具本体１自体も大
きくなり、そのような穴明け工具を上述のような極小さ
な送り量に正確に制御して送り出すのは却って困難とな
るおそれもある。従って、本発明は、上記実施形態のよ
うに切刃４の外径Ｄが極小さい場合において特に効果的
であり、その一方で現実的に製造可能な穴明け工具の切
刃４外径の下限値には工具本体１の強度等によって自ず
と限度があるので、この切刃４の外径Ｄあるいは加工穴
の内径が０．２〜３ｍｍの範囲である場合に好適である
と言うことができ、さらに０．２〜２ｍｍの範囲である
場合に一層好適であると言うことができる。また、特に
このような極小径の穴明け工具にあっては、その工具本
体１の絶対的剛性を確保することも困難となるため、上
述のように工具本体１の心厚を切刃４の外径Ｄに対して
０．６Ｄ以上と大きく設定することは、取り分け効果的
である。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の脆性材料
の穴明け加工方法によれば、穴明け工具の送り量を０．
０２５〜０．１５μｍ／ｒｅｖ、望ましくは０．０２５
〜０．０７５μｍ／ｒｅｖと極小さく設定することによ
り、単結晶シリコンのような脆性材料に対しても、工具
本体の損傷を防ぎつつ加工穴のひびやクラックによるコ
バ欠けの発生を抑え、高品質の加工穴を経済的かつ効率
的に形成することが可能となる。また、この穴明け加工
方法において加工物の穴明け部位に切削油を供給した
り、あるいは当該穴明け加工方法に用いる穴明け工具に
おいて、少なくとも工具本体先端部にダイヤモンドコー
ティングを施したり、少なくともこの工具本体先端部を
ダイヤモンド焼結体としたり、あるいは工具本体先端に
シンニングを施したり、心厚を切刃外径Ｄに対して０．
６Ｄ以上と大きく設定したりすることにより、工具本体
の損傷と加工穴のコバ欠けの発生とを一層確実に抑制す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の穴明け工具の第１の実施形態を示す
側面図である。

【図２】図１に示す実施形態の先端面の拡大正面図で
ある。

【図３】本発明の穴明け加工方法の一実施形態等によ
る穴加工数とコバ欠け量との関係を示す図である。

【図４】本発明の穴明け工具の第２の実施形態の先端
面の拡大正面図である。

【図５】本発明の穴明け工具の第３の実施形態の先端
面の拡大正面図である。

【図６】本発明の穴明け加工方法の他の実施形態によ
る穴加工数とコバ欠け量との関係を示す図である。

【符号の説明】

１工具本体２切刃部４切刃７シンニング面８シンニング刃Ｏ工具本体１の軸線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２８Ｄ 1/14 Ｂ２８Ｄ 1/14 (72)発明者亀岡誠司兵庫県明石市魚住町金ヶ崎西大池179−１エムエムシーコベルコツール株式会社内 (72)発明者西川正寿兵庫県明石市魚住町金ヶ崎西大池179−１エムエムシーコベルコツール株式会社内 (72)発明者冨永哲光兵庫県明石市魚住町金ヶ崎西大池179−１エムエムシーコベルコツール株式会社内Ｆターム(参考） 3C036 AA00 LL05 3C037 BB00 BB13 CC04 CC06 FF06 FF08 3C069 AA04 BA09 BB01 BB02 BC03 CA03 CA11 EA03 EA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】脆性材料よりなる加工物に穴明け加工を
行う脆性材料の穴明け加工方法において、軸線回りに回
転される穴明け工具を、０．０２５〜０．１５μｍ／ｒ
ｅｖの範囲に設定された送り量で上記軸線方向先端側に
送り出して穴明け加工を行うことを特徴とする脆性材料
の穴明け加工方法。
【請求項２】上記送り量を０．０２５〜０．０７５μ
ｍ／ｒｅｖの範囲に設定することを特徴とする請求項１
に記載の脆性材料の穴明け方法。
【請求項３】上記穴明け工具による上記加工物の穴明
け部位に切削油を供給することを特徴とする請求項１ま
たは請求項２に記載の脆性材料の穴明け加工方法。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかに記
載の脆性材料の穴明け加工方法に用いる穴明け工具であ
って、工具本体の先端に切刃が形成されるとともに、少
なくともこの工具本体の先端部にはダイヤモンドコーテ
ィングが施されていることを特徴とする穴明け工具。
【請求項５】請求項１ないし請求項３のいずれかに記
載の脆性材料の穴明け加工方法に用いる穴明け工具であ
って、工具本体の先端に切刃が形成されるとともに、少
なくともこの工具本体の先端部がダイヤモンド焼結体に
より形成されていることを特徴とする穴明け工具。
【請求項６】上記工具本体の先端にはシンニングが施
されていることを特徴とする請求項４または請求項５に
記載の穴明け工具。
【請求項７】上記工具本体の心厚が、上記切刃の外径
Ｄに対して０．６Ｄ以上に設定されていることを特徴と
する請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の穴明け
工具。