JP2004216483A

JP2004216483A - 超精密加工用工具

Info

Publication number: JP2004216483A
Application number: JP2003005090A
Authority: JP
Inventors: Kazushi Obata; 一志小畠; Osami Okazaki; 修巳岡崎
Original assignee: Allied Material Corp
Current assignee: Allied Material Corp
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】青色レーザ用のガラス製レンズを作るための超硬合金製の金型などを加工するための超精密加工用工具を提供する。
【解決手段】難加工材料を加工するための超精密加工用工具であって、非導電性の硬質体からなる基体部１と、基体部１に固定された軸部２とを有する。基体部１の周縁部に複数の溝１０を設けることで複数の切刃１１が構成される。溝１０は短波長のレーザで加工することが好ましい。短波長のレーザで溝を加工すれば変質層の生成が抑制され、加工面のままで切刃として利用できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超精密加工用の工具に関するものである。特に、工具材料に単結晶ダイヤモンド、バインダレス多結晶ダイヤモンド、バインダレスＣＢＮなどを用い、被削対象として超硬合金、ガラス、セラミックス、焼結金属、焼入れ鋼などの難加工材料が好適な複数の切刃を有する多刃の超精密加工用回転工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、直径数ｍｍ以下の微細で高精度なレンズ類が多くの分野で使用されるようになってきた。例えば、小型・大容量化が加速しているＤＶＤなどの光メモリーは、高密度化のため短波長の青色レーザの利用が進んでいる。青色レーザ用のレンズは、一般にガラス製のレンズが用いられる。最近ではＤＶＤの他、携帯電話や携帯端末に付属しているカメラ用のレンズとして、より小型で鮮明な画像が得られるガラス製レンズの要望が強い。
【０００３】
ガラス製レンズは、通常、超硬合金またはセラミックス製の金型を用いてレンズ形状に成形される。この金型の表面加工工具としては、一般にダイヤモンドホイールが用いられる。ダイヤモンドホイールは、例えば♯１２００のダイヤモンド微粒子をレジノイド樹脂と混合して固めた円盤状のものであるため、ダイヤモンド微粒子が規則正しくホイール外周に並ばない。そのため、ツルーイングやドレッシングの精度がダイヤモンドホイールの性能を決める。
【０００４】
例えば特許文献１では、ツルア兼ドレッサとして、アルミナやシリコンカーバイド砥粒のスティック状ブロックなどを用い、ダイヤモンドホイールをツルーイングする技術を開示している。このダイヤモンドホイールをＣＮＣ超精密加工機により、所定の球面や非球面形状に動かし、超硬合金製の金型を球面や非球面に仕上げる。
【０００５】
同じようなレンズ用金型の加工技術としては、ＣＢＮ工具や単結晶ダイヤモンド工具による加工技術もある。
【０００６】
例えば特許文献２は、切削工具として単結晶または多結晶のＣＢＮバイトを用いたレンズ成形用金型の製造方法を開示している。ＣＢＮバイトを、防振機能が付加された超精密非球面加工機の所定の場所に取り付け、球面および非球面の金型加工をする。金型材料としてはステンレスが挙げられている。この製造方法により、金型の表面粗さＲａ＝０．１μｍの結果を得たことが開示されている。また、特許文献２は単結晶ダイヤモンドバイトを用いた超精密旋盤による鏡面切削加工についても言及している。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−８３３０６号
図１、図２、第２頁
【特許文献２】
特開２００１−３８５０１号、
図１、図２、第２頁
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載のダイヤモンドホイールでは、高精度のツルーイングが困難で金型の加工が煩雑であり、高精度の加工を行うことが難しい。
【０００９】
砥石を用いて精密加工するためには、まず金型を粗いダイヤモンド粒子を焼結合金で結合させた粗加工用ダイヤモンドホイールで粗加工する。その粗加工の精度結果に基づいて仕上げ用ダイヤモンドホイールをツルーイングし、形状を精密に整えたホイールにより仕上げ加工を行う必要がある。このダイヤモンドホイールの取替えや粗加工後の精度測定ならびにツルーイングは大変手間がかかり、金型加工コストの増大要因にもなっている。加えて、レンズ自身の小型化に伴い、ダイヤモンドホイールの径が小さくなり、それを保持する軸の径も小さくなると工具の剛性が低下する。その結果、ツルアでダイヤモンドホイールを成形するツルーイング時およびダイヤモンドホイールで被削材を研削する加工時のいずれにおいてもダイヤモンドホイールの剛性が不足し、高精度のツルーイングや加工が難しいという問題がある。
【００１０】
また、ダイヤモンドホイールに用いられるダイヤモンド砥粒は、メッシュサイズが♯１２００などと非常に小さく、樹脂で保持されているため砥粒の保持力が弱い。そのため、ダイヤモンドホイールによる加工形態は、研削というよりは微小ラップに近く、効率的な加工が難しい。
【００１１】
一方、特許文献２の技術でも、刃先の寿命が短くなるという問題がある。単結晶または多結晶のＣＢＮバイトを用いた加工では高精度に加工できるが、単刃による加工のため、１刃当たりの被削材除去量が多くなり、刃先の寿命が短くなる。
【００１２】
さらに、特許文献２で言及される単結晶ダイヤモンドに関しては、バイトなどの単刃工具は得られているが、複数の切刃を有する多刃回転工具を製造することは、考えられていない。一般に、単結晶ダイヤモンドを加工する技術として、ダイヤモンドやＣＢＮ粒子などによる砥石又は遊離砥粒による加工あるいはレーザによる加工が知られている。単結晶ダイヤモンドを単純な形状に加工するのであれば、砥石や遊離砥粒を使用した研磨加工により高精度に加工することが可能である。しかし、砥石による加工では砥石自体を高精度に成形することが難しく、遊離砥粒による研磨では研磨盤を複雑な形状にすることができないため、単結晶ダイヤモンドを高精度に微細加工することはできない。また、レーザを用いた加工では、複雑な形状に加工できるものの、微細加工が可能な工具を製造することは容易ではない。通常、レーザ加工では、波長が１０６４ｎｍ程度のレーザが利用されている。このようなレーザでの加工面には、厚さ数十ミクロンの変質層が生じ、工具には使用できない。特に、レーザでの加工面をそのまま工具の逃げ面やすくい面として使用することはできず、レーザ加工後に砥石による研磨などが必要とされる。一方、単結晶ダイヤモンドなどは非導電性であるため、放電加工による加工もできない。その結果、微細な切刃を多数具える回転工具を製造することは実現されていなかった。
【００１３】
従って、本発明の主目的は、超硬合金やセラミックスなどの難削材を高精度で効率的に加工できる超精密加工用工具を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明工具は、難加工材料を加工するための超精密加工用工具であって、非導電性の硬質体からなる基体部と、基体部に固定された軸部とを有する。そして、基体部の周縁部に複数の溝を設けることで形成される複数の切刃を具えることを特徴とする。
【００１５】
非導電性の硬質体からなる基体部の周縁部に複数の溝を形成することで、溝の内面と基体部の外周面との稜線に切刃が構成される。この構成により、高精度の加工を効率的に行うことのできる超精密加工用工具とすることができる。
【００１６】
基体部の形状は、回転軸から外周縁部までの距離が全周にわたって等しい形状が好ましい。例えば、円盤状、円筒状あるいは外周側ほど厚みが小さくなる算盤玉状が好適である。
【００１７】
この基体部を構成する非導電性の硬質体には、単結晶ダイヤモンド、バインダレス多結晶ダイヤモンド、バインダレスＣＢＮのいずれかが好適である。これらの材料はいずれも高硬度で耐摩耗性に優れる。特に、いずれの材料も導電性がなく放電加工できないため、レーザによる加工に最適である。この中で、単結晶ダイヤモンドやバインダレス多結晶ダイヤモンドは、超硬合金、ガラス、非鉄金属などの加工に適している。単結晶ダイヤモンドは、天然・合成のいずれも利用できる。バインダレス多結晶ダイヤモンドは、気相合成により作製されたものが好ましい。一方、バインダレスＣＢＮは、焼入れ鋼や鉄系焼結金属の加工に適している。バインダレスＣＢＮは、ＣＢＮ粒子に殆ど添加物を混合することなく焼結した導電性のない焼結体である。
【００１８】
基体部のサイズは直径５ｍｍ以下、厚さ２ｍｍ以下が好ましい。このような小さい硬質体からなる基体部に複数の切刃を形成した工具は従来実現されておらず、レンズ用金型などを高精度かつ効率的に加工することができる。基体部の形状が算盤玉状の場合、２ｍｍ以下とする厚さは最大厚さのことを指す。
【００１９】
このような基体の周縁部に後述する複数の溝を形成することにより、溝の内面と基体部の外周面との稜線に切刃が形成される。この切刃のなす角度、つまりすくい面と逃げ面とのなす角度αは鈍角であることが好ましい。本発明工具に用いる硬質体は脆性材料であることが多く、角度αが鈍角であれば刃先の強度を高めることができ、長寿命の超精密加工用工具とすることができる。
【００２０】
切刃の数は１０〜３００の範囲が望ましい。切刃の数が少ないと加工速度が遅くなり、多すぎると切刃自体の強度が弱くなる。
【００２１】
基体部の溝は、前述したようにレーザにより加工することが望ましい。特に、特定のレーザを用いて加工すると、非導電性の硬質体に変質層が実用上発生しないか、変質層をレーザにより実用上除去することができる。基体部の溝加工に好ましいレーザの波長は６００ｎｍ以下である。このようなレーザは短波長でエネルギーが高い上、レンズで焦点を結ばせることができるので、ダイヤモンド結晶の分子間力を切断することができ、変質層の発生を抑制できる。レンズによるレーザ光線径の絞り込みは、直径約５０μｍ以下が好ましい。現在実用化しているレーザのうち特に好ましいのは、ＹＡＧレーザの第３高調波、波長が３５５ｎｍのものである。この場合は、レーザによる切断面にダイヤモンドの変質層が殆どなく、切断面を研磨することなくそのままの状態で工具として利用できる。もちろん、レーザによる切断面をもう一度レーザにより研磨してから利用しても構わない。いずれの場合もレーザによる加工面には筋状のレーザ加工痕が残る場合がある。このような痕跡は、通常の機械的な研磨では生じることがなく、レーザで加工された面に特有の構成である。
【００２２】
溝の深さは５〜１００μｍであることが好ましい。本発明工具の剛性と強度は、軸部の太さと基体部の肉厚とで定まる。溝の深さが１００μｍを越えると、切刃の数が多くなって切刃ピッチが狭くなった場合に切刃の剛性が低下する。また、溝の深さが５μｍ未満であれば、加工速度が遅くなり工業上望ましくない。
【００２３】
溝の形成方向は、特に限定されない。例えば、加工条件や用途に応じて、基体部の周縁部において、周方向と非平行な方向とする。溝の長手方向が軸部の軸方向に対して傾斜していることで、工具の被削材への食い付きが良くなると共に、効率よく切粉を排出できる。もちろん、軸部と平行な方向に溝を形成しても良いことはいうまでもない。
【００２４】
溝の断面形状も、特に限定されない。例えば、Ｖ型、Ｕ型、半円型、台形型、矩形型など種々の断面形状の溝を利用することができる。
【００２５】
一方、軸部は基体部の中心を通る回転軸を有する棒状体である。その外径は、被削材に干渉しない限り、できるだけ太い方が剛性が高く好ましい。また、軸部の材質も、例えば剛性の高い超硬合金などとすることが望ましい。軸部と基体部との接合は、基体部に軸部の挿通孔を形成し、この挿通孔に軸部を挿入して、軸部と基体部とをロー付けすることなどで行うことが好ましい。
【００２６】
本発明工具は難加工性材料の超精密加工に利用される。難加工性材料の具体例としては、ガラス、超硬合金、セラミックス、焼結金属、焼入れ鋼などが挙げられる。より具体的には、単結晶ダイヤモンドで基体部を構成した場合、携帯電話用カメラレンズを作るための金型や、青色レーザ用のガラス製レンズの製造に用いられる超硬合金製の金型の加工に好適である。その他、バインダレスＣＢＮで基体部を構成した場合、焼入鋼の加工やプラスチック製レンズの金型の加工に好適である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
図１は本発明工具の斜視図、図２は同工具の基体部における周縁部の部分拡大図、図３は同工具による加工時の説明図である。
【００２８】
＜工具の構成＞
この工具は、図１に示すように、基体部１と、基体部１に一体化された軸部２とを有している。
【００２９】
基体部１は、単結晶ダイヤモンドで形成された円盤である。その周縁部には、複数の溝１０が形成されている。本例では、図２に示すように、断面が半円状の溝１０を複数形成した。この溝の形成により、溝１０の内面と基体部１の外周面との稜線に切刃１１が構成される。図３では、前記の溝１０をハッチングで示している。
【００３０】
軸部２は基体部１と同軸状に固定された棒状体である。軸部２の中心軸が加工時の回転軸２０となる。この軸部２は剛性が高くなければならないので、ここでは超硬合金で作製している。
【００３１】
＜工具の製造方法＞
このような工具は、次のようにして製造した。まず、概略３ｍｍ角で、厚さ０．８ｍｍの単結晶ダイヤモンド板を準備する。この単結晶ダイヤモンド板の中心位置を定め、このダイヤモンド板に直径１．３ｍｍの穴を開ける。この穴に直径が１．３ｍｍの超硬合金製の軸部２を挿入してロー付けした。
【００３２】
次に、単結晶ダイヤモンド板の外周部を研磨し、直径２．６ｍｍ、厚さ０．７ｍｍの円盤状に成形する。円盤状単結晶ダイヤモンド板の周縁部は断面が半円状に構成されている。この円盤状単結晶ダイヤモンド板を回転割り出し装置に装着し、レーザ加工により円盤状単結晶ダイヤモンド板の周縁部に多数の溝１０を形成する。
【００３３】
用いたレーザ光線は、その波長が紫外線領域である。紫外線領域の波長のレーザはダイヤモンド結晶の分子間結合を切断する働きがあり、ダイヤモンドの結晶方位に影響されず、加工面に変質層が殆ど見られないことがわかった。本例では、１０６４ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザの３倍高調波を使用した。同高調波の波長は３５５ｎｍ、レーザ光線を絞り込むレンズの焦点距離は７５ｍｍ、絞り込まれたレーザ光線径は約１０μｍであった。
【００３４】
ここでは、レーザを軸部２と平行に照射して加工したので、溝１０の長手方向はほぼ軸部２と平行になっている。溝１０の数は１００個、溝の深さｈ（図２）は６μｍ、溝１０の幅は約０．０４ｍｍ、溝１０の長さは約０．１ｍｍであった。つまり、溝１０の長さは基体部１の厚さより小さい。また、溝１０の両端縁、つまりレーザの入口と出口では、僅かに面取りされた形状になっていた。
【００３５】
この溝１０の形成により、溝１０の内面と基体部の外周面とが交差する円弧状稜線に切刃１１が構成される。切刃１１の数も溝１０の数と同様に１００個である。また、切刃１１の角度、つまり図２におけるすくい面の接線Ｌ１と逃げ面の接線Ｌ２との角度αは１３０度であった。
【００３６】
＜工具による被削材の加工＞
このような工具は、図３に示すように、軸部２を図示しない回転駆動機構で保持し、軸部２を回転させることで基体部１を回転させ、その基体部１の切刃１１を被削材に押し付けることで加工を行う。
【００３７】
図３は、超硬合金製のレンズ用金型３を加工している状態を示している。金型３は凹面を有し、この凹面に基体部１の切刃１１が押し付けられる。その際、本発明工具が金型３と相対的に上下、左右に動きながら回転することで切削を行う。本例では、金型３の長手方向（図３の縦方向）を工具回転軸２０に平行に配置して加工を行っている。
【００３８】
＜加工試験＞
このようにして得られた工具を用いて、青色レーザ対応のガラスレンズ用超硬合金製の金型を製作した。加工条件は次の通りである。
軸部回転数：２００００ｒ．ｐ．ｍ
送り速度：５μｍ／ｒｅｖ．
切り込み量：５μｍ
【００３９】
この工具では、切刃が円弧状であるため、被削材と狭い範囲で接触する。その結果、工具の被削材に対する接触面積当たりの押し付け圧が大きくなり、加工速度が速くでき、効率的な加工が可能なことが確認された。また、本発明工具は、粗加工用と仕上げ加工用とで工具を取替える必要がなく、ひとつの工具で金型を最終の製品にまで加工できた。
【００４０】
得られた超硬合金製金型の精度を測定したところ、形状精度０．１μｍ、表面粗さＲａ０．０３μｍで、青色レーザ用のプレフォームされたガラスの成形に適用可能な形状精度であることが確認された。
【００４１】
比較のため、ダイヤモンドホイールを用いた金型の加工も行った。まず、金属粉末と粗いダイヤモンド粒子を焼結した粗加工用ダイヤモンドホイールで超硬合金製の金型材料を粗仕上げした。次に、粗仕上げした金型の誤差を測定し、誤差測定の結果に基づいて仕上げ用のダイヤモンドホイールをツルーイングして最適な砥石形状をつくり出す。仕上げ用ダイヤモンドホイールはレジノイド樹脂で微細なダイヤモンド粒子を固めたものである。この仕上げ用ダイヤモンドホイールを用いて仕上げ加工し、金型の微小形状の修正し、表面粗さを向上させた。このように、ダイヤモンドホイールによる加工では、ホイールの取替えやツルーイングを伴い、試行錯誤と熟練を要する極めて長い工程での加工となった。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明工具は次の効果を奏することができる。
▲１▼非導電性の硬質体からなる基体部周縁に複数の溝を形成し、この溝の形成により切刃を構成することで、超高精度の加工を行うことができる回転工具を実現できる。
【００４３】
▲２▼短波長のレーザを用いて基体部の加工を行うことで、極めて容易に、かつ変質層を生じることなく微細な溝加工を行うことができる。これにより、レーザ加工したそのままの状態で切刃を構成することができる。
【００４４】
▲３▼切刃のすくい面と逃げ面とのなす角度を鈍角とすることで、強靭な切刃を構成でき、工具寿命を改善することができる。
【００４５】
▲４▼基体部に設ける溝の深さを５〜１００μｍとすることで、極めて微細な加工を高精度かつ高効率で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に示す本発明工具の斜視図である。
【図２】本発明工具の基体部における周縁部の部分拡大正面図である。
【図３】本発明工具によりレンズ用金型を加工する際の状態を示す平面説明図である。
【符号の説明】
１基体部
２軸部
３レンズ用金型
１０溝
１１切刃
２０回転軸
Ｌ１すくい面の接線
Ｌ２逃げ面の接線
α 切刃角度

Claims

難加工材料を加工するための超精密加工用工具であって、
この工具は、非導電性の硬質体からなる基体部と、基体部の周縁部に複数の溝を設けることで形成される複数の切刃と、基体部に固定された軸部とを有することを特徴とする超精密加工用工具。
前記切刃のすくい面と逃げ面とのなす角度が鈍角であることを特徴とする請求項１に記載の超精密加工用工具。
前記溝の深さが５〜１００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の超精密加工用工具。
前記非導電性の硬質体が単結晶ダイヤモンド、バインダレス多結晶ダイヤモンド、バインダレスＣＢＮのいずれかであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超精密加工用工具。
前記溝の長手方向が軸部の軸方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超精密加工用工具。
前記溝の内面に筋状のレーザ加工痕を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の超精密加工用工具。