JP2006255836A - ＶＩＩＩａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料の加工方法および加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 VIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料、特に鉄系金属材料などの加工であっても、ダイヤモンド工具により、本来ダイヤモンド工具が持つ長寿命、高精度という特徴が発揮できる加工方法および加工装置を提供する。
【解決手段】 被加工材料に対向して配置される電極またはダイヤモンド工具と被加工材料とに電流電圧発生装置を接続し、被加工材料に対向して配置される電極またはダイヤモンド工具には正極、前記被加工材料には負極を接続して電界をかけた状態で加工する。また、加工装置は、電流電圧発生装置を有しており、前記電流電圧発生装置の正極を被加工材料に対向して配置される電極またはダイヤモンド工具に接続し、電流電圧発生装置の負極を被加工材料に接続する構造の装置とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ダイヤモンドを炭化させやすい元素を含有する材料をダイヤモンド工具により加工を行う方法および装置に関するものであり、特に鉄系金属材料の加工に適した加工方法および加工装置に関する。

ダイヤモンドを切れ刃としたダイヤモンド工具として、例えば切削用のダイヤモンド工具があり、このような工具はダイヤモンドの優れた硬さや耐溶着性により、高精度な切れ刃形状を形成することが可能で、その形状を長時間安定して維持することができる。このようなことから、ダイヤモンド工具はVIIIａ族の４周期に属する元素およびＴｉを含む材料、すなわちダイヤモンドを炭化させやすい元素を含有する材料を除いた様々な材料の加工、中でも特に銅やアルミニウムなどの軟質金属やりんメッキ等の加工において広く利用されている。

VIIIａ族の４周期に属する元素やＴｉを含む材料に対しては、ダイヤモンド工具で加工した場合、加工中にダイヤモンドと材料とが反応するため、ダイヤモンドの切れ刃は早期に摩耗し、工具寿命に至ってしまう。特に、鉄を主成分とした鉄系金属材料を加工する場合、ダイヤモンドの摩耗はひどくなるため、ダイヤモンド工具はVIIIａ族の４周期に属する元素を含む材料やＴｉを含む材料を除いた材料の加工に利用されているのが実情である。

しかしながら、ダイヤモンド工具による加工は利点が多く、VIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料に対してもダイヤモンドの摩耗を防止する対策ができれば、その利点は大きいと考えられる。このような背景の下、導電性ダイヤモンドを切削工具の切れ刃に使用することで、鉄系金属材料の切削が可能になることが提案されている。（例えば、非特許文献１参照。）
「機械と工具２００４年１１月号」，工業調査会，２００４年１１月１日，ｐ．１０−１６

非特許文献１で、鉄系金属材料の切削が可能になる理由として、導電性を持たせたホウ素含有ダイヤモンドが絶縁性ダイヤモンドと比較して、耐熱性が５０〜７５℃程度向上する点が挙げられており、その耐熱性はダイヤモンド中に含有しているホウ素の量により左右されることも記載されている。このようにダイヤモンドへホウ素を含有させることにより、ダイヤモンドの耐熱性が向上し、鉄系金属材料の加工が可能になるが、これだけで十分とはいえず、なおもダイヤモンドの摩耗は他の材料を加工する場合に比べてひどくなる恐れがある。

この理由として、以下のようなことが考えられる。ダイヤモンドで鉄系金属材料を切削加工した場合、ダイヤモンドの摩耗は２つの異なる現象により発生する。一つは、ダイヤモンドで鉄系金属材料を加工する際に、ダイヤモンドが酸化し二酸化炭素となって摩耗していくものであり、もう一つはダイヤモンドが鉄系金属材料と接触することにより、ダイヤモンドの表面を構成する炭素原子が鉄系金属材料に奪われて拡散していくために摩耗するものである。このうち後者は鉄系金属材料の加工によるダイヤモンドの摩耗において、非常に大きなウェイトを占めている。従って、鉄系金属材料の加工においてダイヤモンドの摩耗を防止するためには、後者の現象による摩耗を解決しなければならないが、上記の提案では、前者の現象に対する対策が主であるため、ダイヤモンドの摩耗を抑えきれないことが考えられる。

このような背景のもと、本発明の目的は、ダイヤモンド工具によるVIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料の加工であっても、本来ダイヤモンド工具が持つ長寿命、高精度という特徴が発揮できる加工方法および加工装置を提供することである。

前述のように、鉄系金属材料を被加工材料とした場合に、ダイヤモンド工具が摩耗する理由の一つに、ダイヤモンドの表面を構成する炭素原子が、鉄系金属材料との接触により、鉄系金属材料側へ拡散していくことが挙げられる。これは拡散摩耗と呼ばれ、その発生メカニズムは以下のように考えられる。金属がダイヤモンドと接触すると、ダイヤモンド最表面に存在する炭素原子と鉄表面の原子との相互作用によって、最表面に位置する第１層の炭素原子と、その内側に存在する第２層の炭素原子との共有結合に関与している電子が鉄系金属側に移動するため、これらの炭素原子間の結合（バックボンド）が弱くなる。常温では結合が弱くなるだけで変化は生じないが、鉄系金属とダイヤモンドとの接触界面の温度が加工熱のために高くなると、炭素原子の運動エネルギーが大きくなり、最表面の炭素原子のバックボンドが切れ、ダイヤモンド表面から脱離する。脱離した炭素原子は切くずによって運び去られたり、鉄中に拡散して、ダイヤモンド表面が漸進的に損耗する。
このような知見に基づき、発明者らはダイヤモンド工具によりVIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉを含む材料を加工する際に、被加工材料に電子を供給しながら加工することで、被加工材料がダイヤモンド結合を担う電子を奪わないようにし、拡散摩耗を抑制できることを見出した。なお本願では、被加工材料として、VIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉを含むものを対象としており、残りの元素はいかなるものであっても対象としている。すなわち、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔｉの内いずれかの元素を含む材料を対象としている。

本発明の加工方法の特徴は、切れ刃にダイヤモンドを用いたダイヤモンド工具により被加工材料を加工する方法であって、前記被加工材料はVIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料であり、前記被加工材料と前記被加工材料に対向して配置される電極のそれぞれに電流電圧発生装置を接続し、前記電極には正極、前記被加工材料には負極を接続して電界をかけた状態で加工することである。このような方法によることで、前述の被加工材料には常に電子が集まっているので、被加工材料がダイヤモンドから電子を奪うことがなくなり、ダイヤモンドの表面を構成する炭素原子は被加工材料側へ拡散し難くなる。従って、ダイヤモンドから被加工材料への炭素原子の拡散が防止され、ダイヤモンドの摩耗を防止できる。

本発明のダイヤモンド工具に用いるダイヤモンドとしては、単結晶ダイヤモンドや多結晶ダイヤモンドなどがあり、多結晶ダイヤモンドとして、ＣＶＤ法やＰＶＤ法により得られる気相合成ダイヤモンド、Ｃｏなどの焼結助剤により微粒のダイヤモンド粒子が結合されたダイヤモンド焼結体や、結合助剤なしにダイヤモンド粒子が直接接合された多結晶ダイヤモンドなどがある。

本発明の加工方法の別の特徴は、切れ刃にダイヤモンドを用いたダイヤモンド工具により被加工材料を加工する方法であって、前記被加工材料はVIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料であり、前記被加工材料と前記ダイヤモンド工具のそれぞれに電流電圧発生装置を接続し、前記ダイヤモンド工具には正極、前記被加工材料には負極を接続して電界をかけた状態で加工することである。このようにすることで、電流電圧発生装置に接続した電極を工具や被加工材料の周りに配置する必要がなく、作業性を格段に向上させることが出来る。

また、前記ダイヤモンドは導電性を有することが望ましい。導電性を有するダイヤモンドは、ホウ素やリンなどの元素をドーピングすることでできる。ホウ素やリンなどの元素を添加したダイヤモンドは、たとえばＣＶＤ法や高圧高温法によりダイヤモンドを合成する際にホウ素やリンなどの元素を原料や溶媒に添加することにより得られる。また、ホウ素やリンなどの元素を、イオン注入により合成ダイヤモンドや天然ダイヤモンドの結晶にドーピングするも可能である。天然にもホウ素を不純物として含む導電性ダイヤモンドが存在する。このような導電性を有するダイヤモンドを用い、被加工材料と導電性を有するダイヤモンド工具のそれぞれに電流電圧発生装置を接続し、ダイヤモンド工具には正極、被加工材料には負極を接続して電流を流しながら加工することで、被加工材料とダイヤモンドとの界面に電子を安定して供給することができるようになり、ダイヤモンドから被加工材料への拡散摩耗を効果的に防止することができ、ダイヤモンドの摩耗を防止することができる。

さらに、前記ダイヤモンドはホウ素を含有することが望ましい。導電性を有するダイヤモンドは、前述のようにホウ素やリンなどの元素をドーピングすることでできるが、リンなどと比較してホウ素は比較的多くの量をダイヤモンドに含有させることができるため、導電性を大きくすることができる。従って、ダイヤモンドから被加工材料への拡散摩耗を防止する効果が高くなるので、ダイヤモンドの摩耗を防止できる効果も高くなる。

以上のような加工方法に用いるダイヤモンド工具として、研削砥石を用いて加工することが有効である。この研削砥石は、導電性を有するダイヤモンドを導電性を有する結合材により保持されたものである。ダイヤモンドは各種の大きさのダイヤモンド砥粒を用い、結合材はメタルボンドによりダイヤモンド砥粒を保持したものや、ろう材によりダイヤモンド砥粒を保持したものなどがある。

また、別のダイヤモンド工具として、切削工具を用いて加工することも有効である。この切削工具は、ダイヤモンドが工具本体に接合されたものであり、切削工具の例としてダイヤモンドバイトなどがあげられる。

本発明の加工装置の特徴は、切れ刃にダイヤモンドを用いたダイヤモンド工具により被加工材料を加工するための加工装置であって、前記被加工材料はVIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料であり、前記加工装置には電流電圧発生装置を有しており、前記電流電圧発生装置の正極を前記被加工材料に対向して配置される電極に接続し、前記電流電圧発生装置の負極を前記被加工材料に接続する構造であることである。

本発明の加工装置の別の特徴は、切れ刃にダイヤモンドを用いたダイヤモンド工具により被加工材料を加工するための加工装置であって、前記被加工材料はVIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料であり、前記加工装置には電流電圧発生装置を有しており、前記電流電圧発生装置の正極を前記ダイヤモンド工具に接続し、前記電流電圧発生装置の負極を前記被加工材料に接続する構造であることである。

これらの加工装置には、例えば被加工材料を回転させるための回転機構が設けられ、回転機構の周囲には通電のためのブラシを設けることことにより、被加工材料に安定して電界をかけることが可能になる。

本発明の加工方法によれば、VIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料を加工する場合でも、ダイヤモンドの拡散摩耗が抑制され、本来ダイヤモンド工具が持つ長寿命、高精度という効果が発揮できる。また本発明の加工装置によれば、VIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料を加工する上で、被加工材料に安定して電界をかけることができ、ダイヤモンドから被加工材料への拡散摩耗を効果的に防止して、ダイヤモンドの摩耗を防止することができる。

発明を実施するための最良の形態については、以下の実施例において詳述する。

本発明の第１の実施例として、図１に示すような装置を製作し、ダイヤモンドバイト１を用いて被加工材料を旋削する加工試験を行った。ダイヤモンドバイト１は、導電性を有するＣＶＤダイヤモンド膜を切れ刃の部分に被覆したＴＡチップを使用し、このＴＡチップが工具本体に取り付けられている。ダイヤモンド膜の厚みは３μｍ、ダイヤモンド膜表面を構成するダイヤモンドの粒径は０．５μｍ以下で、表面の電気抵抗は３Ωである。被加工材料として、ＳＳ４００の鉄を材料とした円柱状の材料３を準備した。加工装置として超精密旋盤を使用し、装置本体に取り付けられたチャック４に被加工材料３を取り付け、工具取付部２にダイヤモンドバイト１を固定した。被加工材料３の外周面には、被加工材料３と接触しながら摺動可能な状態でブラシ５が設けられており、このブラシ５は装置本体に固定されたアーム（図示せず）に取り付けられ、被加工材料の上下に設けられており、上下２つのブラシ５は導線６でつながれている。このブラシ５には定電流低電圧発生装置７の負極９が接続されており、ダイヤモンドバイト１の工具本体には正極８が接続されている。加工条件として、被加工材料３の回転数は６００ｒｐｍ、送り速度は２μｍ／ｒｅｖ、切り込み量は４μｍで、切削距離は３００ｍの加工を行った。加工を行うにあたり、ダイヤモンドバイト１および被加工材料３に３０Ｖの電圧をかけた場合（本発明１）と、電圧をかけない場合（比較例１）の２条件で加工を行い、加工終了後、それぞれのダイヤモンドバイト１の逃げ面摩耗幅を測定した。

以上の条件で試験を行った結果を、表１に示す。

本発明１のチップの逃げ面摩耗幅は７．２μｍであったのに対し、比較例１のチップの逃げ面摩耗幅は１３．４μｍであり、本発明の電界をかけた状態で加工を行うことによりダイヤモンドの拡散摩耗が大幅に抑制されることがわかった。

本発明の第２の実施例として、実施例１と同様の加工装置、ダイヤモンドバイト、被加工材料を使用し、同様の条件で切削距離が５６５ｍの加工を行った。加工を行うにあたり、ダイヤモンドバイトおよび被加工材料に３０Ｖの電圧をかけた場合（本発明２）と、電圧をかけない場合（比較例２）の２条件で加工を行い、加工終了後、それぞれのダイヤモンドバイトの逃げ面摩耗幅を測定した。

以上の条件で試験を行った結果を、表２に示す。

本発明２のチップの逃げ面摩耗幅は１５．７μｍであったのに対し、比較例２のチップの逃げ面摩耗幅は２８．８μｍであり、本発明の電界をかけた状態で加工を行うことによりダイヤモンドの拡散摩耗が大幅に抑制されることがわかった。

本発明は、ダイヤモンドを切れ刃とした研削工具や切削工具でVIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料、特に鉄系金属材料などを加工する方法や装置に利用することができる。

本発明の加工装置による加工方法の状態を示す概念図である。

符号の説明

１ ダイヤモンドバイト
２ 工具取付部
３ 被加工材料
４ チャック
５ ブラシ
６ 導線
７ 定電流低電圧装置
８ 正極
９ 負極

Claims (8)

1. 切れ刃にダイヤモンドを用いたダイヤモンド工具により被加工材料を加工する方法であって、
   前記被加工材料はVIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料であり、前記被加工材料と前記被加工材料に対向して配置される電極のそれぞれに電流電圧発生装置を接続し、前記電極には正極、前記被加工材料には負極を接続して電界をかけた状態で加工することを特徴とする加工方法。
2. 切れ刃にダイヤモンドを用いたダイヤモンド工具により被加工材料を加工する方法であって、
   前記被加工材料はVIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料であり、前記被加工材料と前記ダイヤモンド工具のそれぞれに電流電圧発生装置を接続し、前記ダイヤモンド工具には正極、前記被加工材料には負極を接続して電界をかけた状態で加工することを特徴とする加工方法。
3. 前記ダイヤモンドは、導電性を有することを特徴とする請求項２に記載の加工方法。
4. 前記ダイヤモンドは、ホウ素を含有することを特徴とする請求項３に記載の加工方法。
5. 前記ダイヤモンド工具は研削砥石であり、前記ダイヤモンドが導電性を有する結合材により保持されたものであることを特徴とする請求項３または４に記載の加工方法。
6. 前記ダイヤモンド工具は切削工具であり、前記ダイヤモンドが工具本体に接合されたもの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加工方法。
7. 切れ刃にダイヤモンドを用いたダイヤモンド工具により被加工材料を加工するための加工装置であって、
   前記被加工材料はVIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料であり、前記加工装置には電流電圧発生装置を有しており、前記電流電圧発生装置の正極を前記被加工材料に対向して配置される電極に接続し、前記電流電圧発生装置の負極を前記被加工材料に接続する構造であることを特徴とする加工装置。
8. 切れ刃にダイヤモンドを用いたダイヤモンド工具により被加工材料を加工するための加工装置であって、
   前記被加工材料はVIIIａ族の４周期に属する元素またはＴｉのいずれかを含む材料であり、前記加工装置には電流電圧発生装置を有しており、前記電流電圧発生装置の正極を前記ダイヤモンド工具に接続し、前記電流電圧発生装置の負極を前記被加工材料に接続する構造であることを特徴とする加工装置。

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