JP2005144657A

JP2005144657A - 単結晶ダイヤモンドエンドミルおよび硬脆材料の切削方法

Info

Publication number: JP2005144657A
Application number: JP2004278390A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kobayashi; 篤史小林
Original assignee: Allied Material Corp
Current assignee: Allied Material Corp
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2005-06-09

Abstract

【課題】超硬合金、セラミックや蛍石などの硬脆材料を微細加工する工具であって、切刃の剛性が高く、かつ長寿命のエンドミルを提供する。
【解決手段】工具本体の端部に単結晶ダイヤモンド2を保持した単結晶ダイヤモンドエンドミルである。単結晶ダイヤモンド2の先端部は先端が細くなる四角錐台状である。四角錐台の角錐を形成する稜線のうち1つの稜線が外周切刃4であり、四角錐台の先端に位置する四辺形（ABCD)の4つの辺のうち外周切刃4につながる１つの辺（AB)が底切刃3である。外周切刃と底切刃の交点Aから、前記四辺形の各点をエンドミルの回転方向に向けて順にB、CおよびDとしたとき、各点の位置がA≧B＞C≧Dの順で工具の先端側に突出していることを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミルに関するもので、特に超硬合金、セラミックや蛍石などの硬質材料や、シリコン、ゲルマニウム、ジンクセレン、ニオブ酸リチウム、ガラスなどの材料に表面粗さの小さな浅くて細い溝や面の加工に最適なエンドミルである。

単結晶ダイヤモンドを用いた切削工具は、通常工具軸心に平行なすくい面を持っている。例えば特許文献1に記載されている単結晶ダイヤモンドバイトの場合も、工具軸心に平行なすくい面を持っている。

また、単結晶ダイヤモンドをその先端に有するエンドミルが特許文献2に開示されている。このエンドミルは、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刃を形成し、上部チゼルエッジは結晶面{100}上の角と角を結ぶ方位であって、結晶軸から45度±5度の範囲であり、か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度乃至20度の範囲であるエンドミルが開示されている。

特開2002-254212号公報特開2003-127019号公報

特許文献1に記載されているような例の場合、切刃先端が鋭利でかつすくい角が０°(ゼロ度）なために、高硬度材料を切削加工しようとすると欠け易いという欠点がある。また特許文献2に記載されているようなエンドミルでは、チゼルの回転中心部が切削速度ゼロであり底切刃すくい角が直角となり、折損し易いという欠点を持っている。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、特に脆性材料でも微細な加工を高精度に行うことができる単結晶ダイヤモンドエンドミルを提供することにある。

第一の発明は、工具本体の端部に単結晶ダイヤモンドを保持した単結晶ダイヤモンドエンドミルであって、単結晶ダイヤモンドの先端部は先端が細くなる四角錐台状であり、四角錐台の角錐を形成する稜線のうち1つの稜線が外周切刃であり、四角錐台の先端に位置する四辺形の4つの辺のうち前記の外周切刃につながる１つの辺が底切刃であり、外周切刃と底切刃の交点Aから、前記四辺形の各点をエンドミルの回転方向に向けて順にB、CおよびDとしたとき、各点の位置がA≧B＞C≧Dの順で工具の先端側に突出している単結晶ダイヤモンドエンドミルである。

本発明のエンドミルは、先端部を四角錐台状とした。研磨された硬脆材料の表面と同じ程度の表面粗さを有する面を、切削により得ようとするには、硬脆材料の切粉が、金属の切粉と同様に流れ形の切粉となる、いわゆる延性モードでの切削が必要である。特に、表面粗さの小さな浅くて細い溝や面を延性モードで加工するには、単結晶ダイヤモンドエンドミルの強度を相対的に高めることが重要である。エンドミルの先端部を、四角錐台状に形成することで、強度の高いエンドミル先端部を容易に得ることができる。つまり、四角錐台状の先端の四辺形はある程度の面積を有するため、先端部の強度を高めることができる。ここで硬脆材料とは、シリコン、蛍石などの結晶材料や超硬合金、ガラスなどの高硬度で脆性破壊しやすい材料のことである。また、四辺形の各点の位置がA≧B＞C≧Dの順で工具の先端側に突出するように構成することにより、エンドミルと被削材との接触長さを減らして切削抵抗を小さくすることができる。特に、切削抵抗を小さくするために、切刃の数を減らし外周切刃と底切刃をそれぞれ１枚ずつとした。底切刃は、外周切刃から見て、エンドミルの回転方向側に位置し、外周切刃とつながっていることが望ましい。

上記のエンドミルにおいて、以下の各構成を単独でまたは組み合わせて備えることが好ましい。

第二の発明は、四辺形の中または辺AB上を回転軸が通過するようにしたことである。こうすることで、刃先の強度を高めることができる。またエンドミルにより幅の狭い溝を形成するには、回転半径を小さくしなければならないが、四辺形の中または辺AB上を回転軸が通過することにより、エンドミルの強度を保証しつつ幅の狭い溝を形成することができる。

第三の発明は、外周切刃のすくい角αおよび底切刃のすくい角βが負である単結晶ダイヤモンドエンドミルである。こうすることにより、刃先が欠けにくくなる。すくい角αがプラスであると、刃先の剛性が低下して、欠け易くなる。

さらに第四の発明は、第三の発明において、外周切刃のすくい角を零（0）度としたものである。こうすることにより、刃先が欠けにくくなる。すくい角αがプラスであると、刃先の剛性が低下して、欠け易くなる。

第五の発明は、外周切刃および底切刃の刃物角を70度以上としたことである。ここで外周切刃の刃物角は、外周切刃を軸心に垂直な面で切断したときの切断面において外周切刃稜線を挟む辺のなす角度である。また、底切刃の刃物角は、底切刃を底切刃稜線に垂直な面で切断したときの切断面において底切刃稜線を挟む辺のなす角度のことである。この角度を70度以上とすることにより刃先強度が高くなり、硬脆材料でも延性モードによる切断が可能となる。外周切刃および底切刃の刃物角を90度以上とすることで、さらに刃先強度が高くなる。

第六の発明は、回転軸が、単結晶ダイヤモンドの（100）面に直交している単結晶ダイヤモンドエンドミルである。単結晶ダイヤモンド原石から、切り出し易い方位であるためである。

第七の発明は、回転軸が、単結晶ダイヤモンドの（100）面に平行である単結晶ダイヤモンドエンドミルである。単結晶ダイヤモンド原石から、切り出し易い方位であるためである。なお、単結晶ダイヤモンドが複数の(100)面を具える場合、回転軸が、ある(100)面に直交し、別の(100)面に平行であってもよい。

第八の発明は、切削に関与する部分が、点A近傍のみである単結晶ダイヤモンドエンドミルである。点A近傍のみを切削に作用させることで、切れ刃作用部分の位置を制御しやすくなり、高精度な加工が容易になる。切込み深さが大きすぎると他の切刃が干渉してくるので、四角錐台頂面の傾斜に応じた切込み深さにする必要がある。このときは、点Aが工具の先端側に最も突出している。言い換えると各点の位置がA＞B＞C≧Dの順である。

第九の発明は、交点Aと交点Bを同じ高さとしたことである。すなわち底切れ刃が回転軸に垂直なので、溝の底面は傾斜のない平坦な形状となっているので好ましい。

第十の発明は、点C近傍と点D近傍の少なくとも一方の角が面取りしてある単結晶ダイヤモンドエンドミルである。こうすると四角錐台頂面は、五角形や六角形になる。四角錐台を大きくして強度を高め、切込みを大きくすることができるという特徴がある。

第十一の発明は、単結晶ダイヤモンドが、ダイヤモンド保持具を介して工具本体に保持されている単結晶ダイヤモンドエンドミルである。ダイヤモンド保持具に単結晶ダイヤモンドを例えばロウ付けなどした状態で、ダイヤモンド保持具を基準として単結晶ダイヤモンド先端部に刃付をすることが望ましい。こうすることにより、ダイヤモンド保持具を工具本体に保持させるとき、スペーサなどを工具本体とダイヤモンド保持具の間に入れることによりエンドミルとしての回転半径を調整できる。従って、同じ工具本体とダイヤモンド保持具を用いて、回転半径が10〜1000μmの範囲であるいろいろな半径のエンドミルを提供することができる。

第十二の発明は、上記の単結晶ダイヤモンドエンドミルを1分間に2万〜10万回回転させ、1回転あたり0.1〜5μmの量で送り、硬脆材料を切削する硬脆材料の切削方法を提供するものである。これは、本発明の単結晶ダイヤモンドエンドミルを高速回転、低送りで使用することにより一回転あたりの除去量を極めて小さくでき、その結果硬脆材料を鏡面加工できるのである。

本発明は、四角錐台状の単結晶ダイヤモンドの先端部にある四辺形の各点の位置がA≧B＞C≧Dの順で先端側に突出させることにより、切削する部位を極力少なくしたものである。こうすることにより、工具の寿命は長く、加工精度の高い単結晶ダイヤモンドエンドミルとすることができる。また、回転軸を四辺形の中又は辺AB上を通過するようにすることにより、外周切刃のすくい角を負または零（0）度とすることができ、底切刃を負のすくい角とすることができる。このような工具を用いることにより、深さが20μmより浅く、幅が0.5mm以下の溝を、硬脆材料に加工することができる。

以下図面を用いて発明を実施するための最良の形態について説明する。図1は、本発明のエンドミルを正面から見た断面図である。工具本体1は、単結晶ダイヤモンド2を保護するためのダイヤ用切欠部1Aとダイヤモンド保持具6を嵌合するための保持具用切欠部1Bとネジ穴8を有する。保持具6は、単結晶ダイヤモンド2をロウ付けするための切欠状のダイヤ用ロウ付け部6Aとネジ穴9を有する。単結晶ダイヤモンド2は、ダイヤ用ロウ付け部6Aにロウ付けされた後、エンドミル形状に加工される。その後、このダイヤモンド保持具6が工具本体1の保持具用切欠部1Bに保持具取付ネジ7で取り付けられる。このようにして得られたエンドミルは、回転軸5を中心として回転し、使用される。正面から見たときの先端角を側面先端角δとする。側面先端角δの最適な範囲は30〜90度であり、被削材の材質に依存する角度であり、好ましくは40〜90度である。

図2は、単結晶ダイヤモンドエンドミル2の先端部の拡大斜視図であり、四角錐台頂面22（四辺形ABCDに同じ）と回転軸5の交わる点Oが四角錐台頂面22の中にある。そしてこの図では、Aが最も突出していてB、D、Cの順で工具の先端から低くなっているので、四角錐台頂面22は、回転軸5に対して傾斜している。四角錐台の頂面22に対応して底面をA’、B’、C’(図面では見えない）およびD’としたとき、四角錐台の稜線AA’とDD’は点Eおよび点Fにおいて折れ曲がっている。本発明においてはAA’やDD’のように折れ曲がったり、曲線を含んでいてもそれぞれ一つの稜線とみなす。溝形成時に底切刃3を形成する辺ABおよび外周切刃4を形成する辺AEのA近辺のみが切削に関与する。矢印の方向に回転しているので、側面斜面21は、底切刃と外周切刃の共通したすくい面であり研磨しておくことが望ましい。そのほか四角錐台頂面22は底切刃の逃げ面に、基準面23は外周切刃の逃げ面になっているので研磨されて形成される。正面斜面20は、切削への関与が少ないので、研磨される場合も研磨されない場合もある。

図3は、単結晶ダイヤモンドエンドミル2の先端部を上から見た上面図であり、側面斜面21を上から見ている。図からも明らかなように、辺AEは回転軸5に平行である。従って、図2において四角形ADFEが回転軸と平行な面を形成している。また、辺ABは底切刃3であり、四辺形ABCDにおける他の辺より突出しているので、図3では辺CDは見えていない。辺AEは外周切刃4である。

図4は、図2の単結晶ダイヤモンド2の先端部を回転軸の方向から見た先端部の拡大図である。正面斜面20、側面斜面21などに囲まれた四角錐台頂面22を回転軸が通り、底切刃3と外周切刃4が現れている。図4において、EADFが直線になっている理由は、図2において基準面23が回転軸5と平行な面を形成しているからである。本発明のエンドミルはOAを半径として回転軸を中心に切刃が回転する。この図において底切刃3と半径OAのなす角(外周切刃のすくい角)αが、外周切刃に対して負の方向に角度αだけ傾斜している。なお、角BADは直角とするのが望ましい。また、交点C、Dが被削面と緩衝することを防ぐために交点C近傍、交点D近傍の少なくとも一方の角を面取りすると面22は五角形や六角形になる。

図5は、図2を正面から見た拡大正面図である。正面斜面20と基準面23が現れている。図5の中で辺AEと点Aを通り回転軸5に平行な線とのなす角βは底切刃のすくい角である。底切刃に対して負の方向にβだけ傾斜しているので、底切刃すくい角は負である。なお、図5において、回転軸5を中心にしてエンドミルは回転するので、溝壁は底面に対して直角ではなく回転軸に対して辺AEが回転軸5に対して傾斜している角度だけ傾斜した溝壁となる。

1×1.5mmの断面形状で長さ5mmの四角柱状であって、その表面を構成する6面がすべて（100）面である単結晶ダイヤモンドを準備した。以下図1を参照して本発明のエンドミルの製法について説明する。超硬合金製の工具本体1は、長さ40mm、直径6mmの概略円柱状である。その先端部には、ダイヤ用切欠部1Aと保持具用切欠部1Bを形成し、概略半円柱形に切欠かかれた先細り形状である。さらに、工具本体1には、保持具取付ネジ7を通すためのネジ穴8を形成する。超硬合金製のダイヤモンド保持具6は、長さ約16mmの半円柱状であり、工具本体1の保持具用切欠部1Bと嵌合して円柱状をなす。ダイヤモンド保持具6には、工具本体1にネジ止めするためのネジ穴9と単結晶ダイヤモンド2をロウ付けするためのダイヤ用ロウ付け部6Aを加工する。工具本体1とダイヤモンド保持具6の間にスペーサーなどを挿入して、単結晶ダイヤモンド2の位置を微調整する。従って、単結晶ダイヤモンド2と工具本体1の間にはクリアランスを設ける。

単結晶ダイヤモンドは、ダイヤモンド保持具6のダイヤ用ロウ付け部6Aにロウ付けされ、以下の手順で刃付加工された。図2を参照して、まず単結晶ダイヤモンドの先端部に基準面23を研磨により作製した。次に仮想的に設けられた回転軸5と基準面23に対して一定の角を持つように研磨して、四角錐台頂面22を形成した。次に、正面と裏面にある2つの正面斜面20を、いずれも回転軸に対して45度の傾斜を持つように粗研磨した。次に、外周切刃4と底切刃3のすくい面となる側面斜面21を研磨し、側面先端角δを形成し刃付加工が完了した。この場合、回転軸に対して40度の角度で上下の側面斜面を研磨し、側面先端角δを80度とした。

このようにして得られたダイヤモンド保持具6を、工具本体1に保持具取付ネジ7で仮止めした。次に、半径測定器に本発明のエンドミルを装着した。工具本体の先端部に設けられた切欠部と工具保持部にロウ付けされた単結晶ダイヤモンドの間に薄いスペーサを挟んで回転半径（図4におけるOAの長さ）を50μmになるように調整した。エンドミルの製造条件から、外周切刃の刃物角は90度、底切刃の刃物角は約120度と計算された。

得られた、本発明のエンドミルを用いて超硬合金の表面に幅100μmで深さが6μmの溝を形成した。1分間当たり25,000回の回転数で1回転当たり0.2μmの送りで切削ができた。また、溝の幅と深さから切削に関与したのは点A近傍であることがわかる。超硬合金を切削したときの切粉は、粒状となった。

本発明の工具は、例えば深さが20μmより浅く、0.5mm以下の幅を持つ微細な溝を、前記した超硬合金やセラミックなどの高硬度材料に加工しようとするものである。このようにして加工された高硬度材料は、青色レーザーなど短波長の光線に用いるフレネルレンズや携帯電話用の小型カメラ用のガラスレンズなどを製作するための金型として利用される。また、ここで形成された溝は、流体軸受けの流体ガイドとして適している大きさなので、プリンターなどに使われる流体軸受け製造用金型などにも使用できる。また、ハードディスクなどに使われる流体軸受け製造用金型などにも使用できる。

図1は、本発明のエンドミルの正面断面図である。図2は、図1においてエンドミルを左斜め上から見た、単結晶ダイヤモンドの拡大された斜視図である。図3は、先端部の拡大された平面図である。図4は、先端部の拡大された端面図である。図5は、先端部の拡大された正面図である。

符号の説明

1 工具本体 1A ダイヤ用切欠部
1B 保持具用切欠部 2 単結晶ダイヤモンド
3 底切刃 4 外周切刃
5 回転軸 6 ダイヤモンド保持具
6A ダイヤ用ロウ付け部 7 保持具取付ネジ
8 ネジ穴 9 ネジ穴
20 正面斜面 21 側面斜面
22 四角錐台頂面 23 基準面
O 回転軸と四辺形が交わる点
α 外周切刃すくい角 β 底切刃すくい角
δ 側面先端角

Claims

工具本体の端部に単結晶ダイヤモンドを保持した単結晶ダイヤモンドエンドミルであって、
前記単結晶ダイヤモンドの先端部は先端が細くなる四角錐台状であり、
前記四角錐台の角錐を形成する稜線のうち1つの稜線が外周切刃であり、
前記四角錐台の先端に位置する四辺形の4つの辺のうち前記の外周切刃につながる１つの辺が底切刃であり、
前記外周切刃と底切刃の交点Aから、前記四辺形の各点をエンドミルの回転方向に向けて順にB、CおよびDとしたとき、各点の位置がA≧B＞C≧Dの順で工具の先端側に突出していることを特徴とする単結晶ダイヤモンドエンドミル。
前記四辺形の中または辺AB上を回転軸が通過することを特徴とする請求項1に記載の単結晶ダイヤモンドエンドミル。
前記外周切刃および底切刃のすくい角が負であることを特徴とする請求項1または2に記載の単結晶ダイヤモンドエンドミル。
前記外周切刃のすくい角が零（0）であり、底切刃のすくい角が負であることを特徴とする請求項1または2に記載の単結晶ダイヤモンドエンドミル。
前記外周切刃および底切刃の刃物角が70度以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドエンドミル。
単結晶ダイヤモンドエンドミルの回転軸は、単結晶ダイヤモンドの（100）面に直交していることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドエンドミル。
単結晶ダイヤモンドエンドミルの回転軸は、単結晶ダイヤモンドの（100）面に平行であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドエンドミル。
切削に関与する部分が、点A近傍のみであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドエンドミル。
前記交点Bが交点Aと同じ高さであることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドエンドミル。
前記点C近傍と点D近傍の少なくとも一方の角が面取りしてあることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドエンドミル。
前記単結晶ダイヤモンドは、ダイヤモンド保持具を介して工具本体に保持されていることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドエンドミル。
請求項1〜11のいずれかに記載されている単結晶ダイヤモンドエンドミルを1分間に2万〜10万回回転させ、1回転あたり0.1〜5μmの量で送り、硬脆材料を切削することを特徴とする硬脆材料の切削方法。