JP2003127019A - 単結晶ダイヤモンドをその先端に有するエンドミル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単結晶ダイヤモンドエンドミルを開発し、
石英ガラス、シリコン、セラミック等の硬脆性材料及び
特殊金属、複合材料等の難加工性材料に対して、微小径
の溝入れ等を高能率・高品質に加工でき、且つ長寿命の
工具並びに加工技術を実現することを課題とする。 【解決手段】単結晶ダイヤモンドの物理的・化学的異方
性に着目して、工具設計段階で結晶方位を特定して研磨
加工することにより、耐摩耗性の良好な切れ刃の創成
と、研磨加工性の良い加工方法の開発に成功した。すな
わち、最も加工しにくい結晶方位で切れ刃部を構成する
ことで、ダイヤモンドの中でも最高度に長寿命な工具を
実現した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はその先端に単結晶ダ
イヤモンドを有するエンドミルに関し、硬脆性材料、例
えば石英ガラス、シリコン、セラミック、ガラスエポキ
シ樹脂基板、特殊合金等の溝入れ加工に適したエンドミ
ルに関する。特に小径あるいは極細径溝入れ加工等を可
能にするマイクロエンドミルの分野に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】集積回路をはじめとする電子部品の小型
化・高性能化の進展に伴い、該部品として使用される各
種硬脆性材料、特殊合金及び複合材料等各種の機能性材
料が開発されている。これらの材料を該部品として使用
するためには各種の加工が施されるが、特に難加工の硬
脆性材料に対して微細な溝入れ加工等を施す場合、工具
の選択と加工技術が重要な要素となる。一般的に溝入れ
等の加工には、タングステン超合金（以下超硬）製エン
ドミルが用いられるが、硬脆性材料、特殊合金及び複合
材料等の加工では、工具の耐摩耗性に著しく問題がある
ため、直径１ｍｍ以下の微細な溝入れ加工は実用化され
ていない。

【０００３】そこで超硬製エンドミル先端の切れ刃部分
の表面を多数の微細ダイヤモンドでメッキ等の方法によ
り被覆したもの、あるいはダイヤモンド薄膜を気相合成
等により被覆する方法も試みられたが、前者の場合は外
径寸法の５０％程度がダイヤモンド層となるため、軸と
なる材料を極端に細くせざるを得ないので強度が不足す
ること、後者の場合は十分な被覆強度が得られないた
め、いずれの方法も実用化に至っていない。

【０００４】超硬製等のエンドミル軸先端に多結晶ダイ
ヤモンドを接合して、これに切れ刃を構成した微小径エ
ンドミルも試作されてはいるが、多結晶ダイヤモンドの
性質上鋭利な切れ刃が得にくいのと、加工中に切れ刃先
端部のダイヤモンド粒子が欠落し易いため、工具寿命が
短いことに加えて加工面の品質保持に問題があった。

【０００５】そこで加工工具としての究極的な素材に位
置づけられるのがダイヤモンドであるが、材料が高価で
あることに加えて、他の材料に比べて極端に加工性が悪
いため、工具としての生産技術面のみならず、生産性の
悪さに起因する経済性の面でも大きな問題があり、実用
化の阻害要因となっていた。

【０００６】

【発明考案が解決しようとする課題】新素材、機能性材
料、複合材料、特殊合金等、新しい材料が次々に開発さ
れているが、これらは難加工性のものが多い。例えば電
子部品に使用されるセラミックス等の硬脆性材料に微小
径の溝入れ加工や段つき加工を施す等のニーズも増加し
ている。エンドミルによる機械加工でこれらの材料に微
小径の溝入れ等を施す場合、高能率で高品質な加工が可
能で且つ硬脆性材料に対しても長寿命の工具を開発する
ことと、併せて微小な溝入れ加工技術の開発が課題とな
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】難加工性の硬脆性材料、
に対して、機械的な手法による溝入れ加工を施すにあた
っては、０００２乃至０００４に記載したように、工具
成形上比較的問題の少ない微粒子ダイヤモンドをメッキ
法で工具の切れ刃部に接着し補強する方法や、ダイヤモ
ンド薄膜形成法により直接切れ刃部にダイヤモンド膜を
成形する方法が試みられているが、工具としての強度が
十分でないこと、表面のダイヤモンド膜が剥離し易く耐
久性（工具寿命）に乏しいなどのため、実用化には至っ
ていない。従って、究極的には単結晶ダイヤモンドの持
つ最高の硬度と、それに付随する結晶方位による高度な
耐摩耗性を利用することが考えられる。

【０００８】単結晶ダイヤモンドは天然に産するもの、
あるいは人工的に合成されたものにかかわらず、その形
状・寸法は様々であるため、加工に際しては最適な形状
の原石を選択することは勿論、その一つ一つについて個
別の工夫がなされねばならない。

【０００９】すなわち、ダイヤモンドはその硬度が高い
だけに加工が困難であり、一般的には回転する鋳鉄製の
円盤上にダイヤモンド微粉末を油等で塗りつけ、これに
被加工物となるダイヤモンドを押しつける形で行われ
る。そして単結晶ダイヤモンドは結晶方位によって、そ
の物理的、化学的性質に異方性を示し、加工性について
もその例外ではないため、任意の方向に加工することは
実質的に不可能である。

【００１０】そこで、単結晶ダイヤモンドの異方性を逆
に利用することにより、耐摩耗性の良好な切れ刃を形成
できるのに加えて、加工性の比較的良好な工具設計が可
能であることを発見した。単結晶ダイヤモンドの結晶方
位によって耐摩耗性が大きく異なる事実が実験の結果判
明しており、特願２０００−１８１１５３の図３及び特
願２０００−２２３２５２の図３にグラフで示されてい
るので引用する。（図１）

【００１１】図１は結晶方位と摩耗（加工性）の関係を
示し、方位により加工性が異なることを示したグラフで
ある。実験は水平に保たれた回転する鋳鉄板上で、これ
に予め決められた研磨角度にセットされたダイヤモンド
を当てて、一定の荷重及び一定の時間だけ研磨すること
により行われたものである。結晶軸に平行な方向の研磨
角度を０度とし、８面体面｛１１１｝面だけは任意の方
向が選定されて実験されたものである。

【００１２】図１からわかるように、１２面体｛１１
０｝面が最も加工性が高く、６面体面｛１００｝がこれ
に続く。８面体面については、ほとんど摩耗が発生せず
実質的に研磨されないことが分かる。

【００１３】更に、図１では同じ結晶面でも、研磨角度
を変えることによって加工性が変化することを示してお
り、加工する結晶方位の選択が重要であることを示唆し
ている。例えば、｛１００｝面の研磨の場合、角度を変
えることにより徐々に加工性が悪くなり、４５度でほと
んど加工が出来なくなることが分かる。

【００１４】図２は特願２０００−１８１１５３及び特
願２０００−２２３２５２より引用した図であり、ダイ
ヤモンド結晶の結晶面を示している。ダイヤモンドは立
方晶系に属する結晶構造を有しており、この図に示され
るような３種の結晶面が結晶体に現れる。

【００１５】図２において（ａ）は｛１１０｝面を、ま
た、この面だけから構成された結晶体を示している。結
晶軸ｘ、ｙ、ｚに関して、それぞれ｛１００｝面が現れ
（｛１００｝面、｛１０１｝面、｛００１｝面はそれぞ
れ互いに等価である）、結晶体の肉側（内側）と空間側
を分ける面がそれぞれ表にあるか裏にあるかに応じて、
見かけ上合計６つの面がある。この６つの面だけで構成
された場合が同図に示される６面体結晶である。

【００１６】（ｂ）は｛１１０｝面を、また、この面だ
けから構成された結晶体を示している。（ａ）と同様に
考えて、見かけ上合計１２の面がある。この１２の面だ
けで構成された場合が同図に示される１２面体結晶であ
る。更に、（ｃ）は｛１１１｝面を、また、この面だけ
から構成された結晶体を示している。同様に、見かけ上
合計８つの面がある。この８つの面だけで構成された場
合が同図に示される８面体結晶である。単結晶ダイヤモ
ンドは天然、人工を問わず、通常これら３種の面が複合
された形で現れる。

【００１７】以上のことから、単結晶ダイヤモンドで切
れ刃を構成するエンドミルの設計及び加工にあたって
は、ダイヤモンドの結晶構造を考慮して、これに対応し
た加工方法を決定することと、原材料となるダイヤモン
ド原石を適切に選択することが極めて重要である。

【００１８】

【発明の実施の形態】図２に天然あるいは合成されたダ
イヤモンドの典型的な外形の例を示したが、このように
均整のとれた形状になるのは希であって、通常はこれら
が複合された形で産出する。図３には比較的大きな原石
をレーザによって所定の寸法に切断して、面｛１００｝
からなる６面体ダイヤモンド１を形成し、下方の｛１０
０｝面をエンドミル軸２にロウ付けによって接合した状
態を示してある。

【００１９】６面体ダイヤモンド１と超硬製等のエンド
ミル軸２との接合は通常ロウ付け法により銀ロウ等を用
いて行われる。工具として十分な接合強度を得るため
に、ロウ付け時の熱による金属の酸化防止とダイヤモン
ドの焼損防止をはかる必要があり、窒素、水素、アルゴ
ン等の不活性ガス中、若しくは真空中で作業するのが望
ましい。

【００２０】６面体ダイヤモンド１は図５（ａ）に示す
ように、ｘ軸、ｙ軸よりそれぞれ４５度割り出されて研
磨され、チゼルエッジ３を形成する。この場合、割り出
し位置の角度αは４５度とするが、この角度αがプラス
・マイナスどちらかにずれると、図１から分かるように
切れ刃の耐摩耗性が悪くなるため、４５度±５度におさ
まるように研磨することが望ましい。

【００２１】チゼルエッジ３は、図５（ｃ）に示す如
く、６面体ダイヤモンド１の底面に対する角度βが５乃
至２０度の範囲になるように研磨される。この角度β１
及びβ２は必ずしも同じ角度でなくてもよい。β１及び
β２が共に５度以下の場合には、十分なチゼルエッジ３
を構成出来なくなり良好な切削性が得られない。また、
この角度がそれぞれ２０度を超える場合には、チゼルエ
ッジ３が欠損しやすくなるとともに、研磨加工に長時間
を要することとなり経済的に得策ではない。

【００２２】図５（ｃ）及び（ｄ）に示すリーミング刃
４はエンドミルによる溝入れ加工において、仕上げ内面
の寸法及び仕上げ面を良好に保つ上で重要な部分であ
り、また、最も耐摩耗性が要求される切れ刃であるた
め、四つのリーミング刃４の先端が全て｛１００｝面の
４５度の位置になるように設定してある。この切れ刃を
チッピング等の欠損から防ぐと共に平滑な仕上げ面を得
る目的で、図７に示す如くエンドミル軸２に平行で、該
軸から四つの角に向かう直線に対して直角をなす接線か
ら５乃至２５度の角度に研磨された二面からなる鈍角の
切れ刃となるように加工してある。

【００２３】四つのリーミング刃４のそれぞれの対角線
の長さが工具の直径になるが、比較的深い穴や溝入れ加
工時にエンドミル軸２が被加工物に接触して互いに損傷
するのを防止するため、エンドミル軸２はリーミング刃
４の直径よりも幾分小さめに設定するのが望ましい。

【００２４】図５（ｄ）に示す如く、先端のチゼルエッ
ジ３はダイヤモンド底面に対して１０度以下の傾きを持
つように研磨する。この傾きγを１０度以下に設定する
ことにより、被加工物に対する刃先の喰い付きが良くな
るのと、加工屑の排出が容易になる等の効果が期待でき
る。この角度を１０度以上に設定した場合は、刃先が鋭
角になるため欠損し易くなることに加えて、刃先の負荷
密度が極端に増大し摩耗が早い等の不具合が生ずるので
好ましくない。

【００２５】

【実施例】実施例について図面を参照して説明する。図
７に示す形状の単結晶ダイヤモンド６を先端にロウ付け
したエンドミルを製作した。ダイヤモンド刃部６の最大
直径が０．３ｍｍ、チゼルエッジ３を構成する２面の角
度はβ１、β２共に１５度で、チゼル稜線の傾きγは１
０度である。リーミング刃４はエンドミル軸２に平行
で、該軸から四つの角に向かう直線に対して直角をなす
接線からそれぞれ１５度の角度で、幅０．１ｍｍ程度の
２面で構成されている。超硬製エンドミル軸２の直径は
０．２７ｍｍでシャンク部５の直径は３ｍｍである。

【００２６】前記の工具を小型フライス盤に装着して、
厚さ０．３ｍｍのリン青銅板に深さ０．１ｍｍ、幅０．
３ｍｍ、長さ４５ｍｍの溝入れ加工を行った。加工条件
は軸の回転数：１５００ｒｐｍ、送り速度：１３ｍｍ／
分である。リン青銅は一般的に工具摩耗が激しく加工し
難い材料の一つとされているが、この実験の結果では、
極めて良好な寸法精度と鏡面を呈する仕上げ面が得られ
た。

【００２７】前記溝入れ加工を５２０本行った後の溝の
寸法をチェックしたところ全く変化は見られなかった。
加工面の鏡面も変化のないことが確認された。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、図７に示すエンドミル
先端に接合された単結晶ダイヤモンド刃部６のチゼルエ
ッジ３及びリーミング刃４は、結晶方位がダイヤモンド
のもつ最高の耐摩耗性を発揮出来る形態になっているた
め、加工精度が高く、高品質の仕上げ面が得られるのに
加えて、工具の寿命を長く保つことが出来る効果をもた
らす。

【００２９】本発明によれば、硬脆性材料、特殊金属等
の難加工性材料に対しても、微小径の加工、例えば直径
０．３ｍｍの溝入れ加工、止まり穴加工、段付き加工等
が可能となる。

【００３０】本発明では、単結晶ダイヤモンド１とエン
ドミル軸２との接合を、ロウ付け法により加圧しながら
不活性ガス中で行うので、工具としての十分な接合強度
と考えられる、１０ｋｇｆ／ｍｍ^２以上を付与すること
が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】単結晶ダイヤモンドの結晶方位と摩耗（加工
性）の関係を示し、方位により加工性が異なることを示
したグラフである。

【図２】単結晶ダイヤモンドの結晶面とこの面によって
構成される結晶外形を示す説明図である。

【図３】６面体ダイヤモンド１とこれが取り付けられる
エンドミル軸２の一部を示す鳥瞰図である。

【図４】先端ダイヤモンド刃部６にチゼルエッジ３及び
４つの角にリーミング刃４が形成されたダイヤモンドエ
ンドミルの先端近傍を示す鳥瞰図である。

【図５】先端ダイヤモンド部の上面図及び３方向から見
た側面図を示すものであり、それぞれ（ａ）はｚ軸方向
から見た上面図、（ｂ）はｙ軸方向から見た側面図、
（ｃ）は（ａ）においてｘ軸若しくはｙ軸に対して４５
度方向から見た側面図であり、（ｄ）は（ａ）において
チゼル稜線と直角をなす方向から見た側面図である。

【図６】（ａ）は本発明実施例の完成した単結晶ダイヤ
モンドを先端に有するエンドミルの全体図であり、
（ｂ）は（ａ）に示すエンドミルの先端に接合されたダ
イヤモンド刃部６の拡大図である。

【図７】先端ダイヤモンド部の一部を示す上面図であ
り、チゼル３の周縁部の一部とリーミング刃４の形状を
示す上面図である。

【符号の説明】

１ ６面体ダイヤモンド ２ エンドミル軸 ３ チゼルエッジ ４ リーミング刃 ５ シャンク部 ６ ダイヤモンド刃部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶ダイヤモンドをその先端に有す
   るエンドミルで、ダイヤモンドの結晶方位｛１００｝か
   らなる六面体単結晶ダイヤモンドに切れ刃を形成し、上
   部チゼル（屋根型）切れ刃は結晶面｛１００｝上の角と
   角を結ぶ方位にあっで、結晶軸から４５°±５°の範囲
   であり、且つエンドミル軸に直角な面に対して０度乃至
   １０度の傾斜角をもち、上部チゼル切れ刃を構成する二
   面の角度は５°乃至２０°の範囲であることを特徴とす
   る、単結晶ダイヤモンドをその先端に有するエンドミ
   ル。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された単結晶ダイヤモ
   ンドをその先端に有するエンドミルにおいて、エンドミ
   ルの径を規定する四つの角にはそれぞれエンドミル軸に
   平行で、該軸から四つの角に向かう直線に対して直角を
   なす接線から５乃至２５度の角度をなす二面からなるリ
   ーミング切れ刃を構成し、リーミング切れ刃の直径がエ
   ンドミル軸先端部の径よりも大きいことを特徴とする、
   単結晶ダイヤモンドをその先端に有するエンドミル。
3. 【請求項３】 請求項１及び２に記載された単結晶ダ
   イヤモンドをその先端に有するエンドミルにおいて、単
   結晶ダイヤモンドとエンドミル軸との接合強度は１０ｋ
   ｇｆ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする、単結晶ダイ
   ヤモンドをその先端に有するエンドミル。