JP2006281376A - 切削工具の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 硬質材料にて構成された刃先材料に対して円弧状の切刃を高精度かつ容易に形成することが可能な切削工具の製造方法を提供する。
【解決手段】 刃先材料の球体２Ａを成形し、その球体２Ａをチップベース１に刃先部材として接合する。接合後に刃先部材の球状部分の一部を除去して球面上に切刃を形成する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、立方晶窒化ホウ素焼結体等の硬質材料にて刃先を構成する切削工具の製造方法に関する。

ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、超硬合金、サーメット、セラミックスといった硬質材料を刃先材料に使用した切削工具は切刃の摩耗が少なくて高い加工精度が得られるため、高硬度の金属材料等の精密加工分野等で好適に用いられている。ガラス等の硬脆材料の精密加工分野においてはダイヤモンド工具を用いた延性切削加工が従来から検討されており、最近では、ダイヤモンド工具に代えて立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）を刃先に使用したｃＢＮ切削工具による延性切削加工も研究されている。ｃＢＮ切削工具は刃先材料の酸化反応が生じ難いため、ダイヤモンド工具と比べて切刃の摩耗が顕著に小さく、超精密加工に特に適している。一例として、光学素子用レンズ等の光学素子のレンズ面をｃＢＮ切削工具により鏡面加工できることも確認されている。

ところで、上記のような硬質材料を刃先材料として使用した切削工具の製造方法としては、超硬合金等からなるチップベースのコーナー部分に切り欠きを設け、その切り欠き部分を埋めるように刃先材料を接合し、しかる後、刃先材料のすくい面と逃げ面との交差稜線部を研磨して所望形状の切刃を形成する方法が一般に採用されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−１７５４０８号公報

レンズ面加工のような自由曲面加工に用いる切削工具においては、切刃を円弧状に湾曲した形状に形成する必要があり、特に鏡面加工のような超精密加工では切刃を形状誤差が極めて小さい高精度の円弧形状に形成する必要がある。このような円弧状の切刃を従来の刃付け方法で形成するためには、研削砥石の研磨面と刃先材料との間に円弧に沿った往復運動を与える必要があり、切刃の形状精度が研削装置の運動精度に大きく依存する。このため、研削装置に高い精度が要求されて工具の製造コストが圧迫される。また、円弧に沿った往復運動を創成するためにはリンク機構等の揺動機構が必要とされ、そのような機構では得られる精度にも限界があるので、超精密加工に適するような高精度の切刃を形成することは極めて困難である。さらに、ｃＢＮ焼結体等の焼結材料は引っ張り方向の力に弱いため、従来の刃付け方法では逃げ面研磨時に発生する引っ張り応力で刃先が欠損し易く、高精度の円弧状の切刃を形成することはより一層困難である。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、硬質材料にて構成された刃先材料に対して円弧状の切刃を高精度かつ容易に形成することが可能な切削工具の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の切削工具の製造方法は、刃先材料を真球加工して球体（２Ａ）を成形し、前記球体の一部を除去して該球体の球面上に切刃（４）を形成することにより、上述した課題を解決する。

本発明の製造方法によれば、刃先材料の球体を成形してその一部を除去することにより、その除去部分と球面との交差部分に球面に沿った切刃を生じさせることができる。このため、円弧状の往復揺動運動を創成して刃付けを行う必要がない。球体の形成方法は、従来より、ベアリング用転動体、宝飾品といった様々な真球部品の製作に用いられており、簡単な機構で高精度の球体を製造する真球加工法が確立されている。数ナノミクロンのオーダの真球度で球体を成形する真球加工法すらも存在する。こうした技術を刃先材料の球体化に利用することにより、円弧運動を創成して刃付けする従来方法と比して容易かつ高精度に円弧状の切刃を形成することができる。しかも、球体の形成時には刃先材料に圧縮力が専ら作用するために刃先材料の欠損も生じ難い。これにより、欠けが少ない高精度の円弧状の切刃を容易に得られる。

本発明の一形態においては、前記球体の少なくとも一部の球状部分が残された刃先部材（２Ａ、２Ｂ）をチップベースに接合し、接合後に前記刃先部材の球状部分の一部を除去して切刃を形成してもよい。この形態によれば、刃先部材の球状部分を除去する方向、除去する深さを調整することによってチップベースに対して所望の位置に切刃を設けることができる。このため、刃先部材をチップベースに取り付ける際のチップベースと刃先部材との位置合わせに関する制約が少ないか、あるいは位置合わせが全く不要となる。

チップベースへの接合後に切刃を形成する場合においては、前記チップベースを支持しつつ前記刃先部材の球状部分を研磨面（２０ａ）に押し当て、前記研磨面と前記刃先部材との間に相対運動を与えて前記切刃を形成することができる。チップベースを支持することにより、球体を単独で加工して切刃を形成するよりも加工時の支持を容易かつ安定的に行うことができ、それにより切刃を高精度に形成することができる。特に、球体が小さいときにはその効果は顕著である。

研磨により切刃を形成する場合においては、前記研磨面を平面とし、前記刃先部材と前記研磨面との間の相対運動により前記切刃及び平坦なすくい面を形成してもよい。この形態では平面状の研磨面を利用して切刃及びすくい面を容易に形成することができる。研磨面を刃先部材に対して刃先から刃元側へ相対移動させることにより、刃先部分おける引っ張り応力の発生を抑え、それにより切刃の欠損をさらに確実に防止することができる。

あるいは、 前記研磨面を球面状とし、前記刃先部材と前記研磨面との間の相対運動により前記刃先部材に前記切刃及び前記研磨面と相補的な球面状のすくい面を形成してもよい。この形態では、すくい面と逃げ面とがなす刃先角を研磨面の曲率に応じて変化させることができる。

本発明の製造方法の一形態においては、前記球体の一部を除去して前記切刃を形成し、得られた加工物を刃先部材としてチップベースに接合してもよい。球体が小さい場合には上述したようにチップベースへの接合後に切刃を加工した方が加工が容易で安定性に優れるが、球体が十分に大きいときには予めこれをスライスし、あるいは研磨して切刃を形成することも十分に可能である。そして、チップベースが存在しない状態で球体を加工する場合には加工に対する制約が少ない利点がある。

本発明においては、前記球体を焼結体にて構成するとともに、前記切刃を形成する際には前記刃先材料を除去する力（Ｆ）を刃先から刃元側へ向かって作用させてもよい。このように力を作用させることにより、刃先部分おける引っ張り応力の発生を抑えることができ、それにより切刃の欠損をさらに確実に防止することができる。特に、球体を立方晶窒化ホウ素焼結体にて構成する場合においてその効果は顕著である。

なお、以上の説明では本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記したが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

以上説明したように、本発明の切削工具の製造方法によれば、刃先材料を真球加工して球体を成形し、その球体の一部を除去して切刃を得るようにしたため、円弧状の往復揺動運動を創成して刃付けを行う必要がなくなり、従来方法と比して容易かつ高精度に円弧状の切刃を形成することができる。しかも、球体の形成時には刃先材料に圧縮力が専ら作用するために刃先材料の欠損も生じ難く、欠けが少ない高精度の円弧状の切刃を容易に得ることができる。

図１〜図１２を参照して、本発明を旋盤用のスローアウェイチップの製造に適用した一形態を説明する。図１はスローアウェイチップの製造に使用するチップベース１の平面図、図２はその側面図である。チップベース１は多角形平板状に形成され、その先端には刃先部材を取り付けるための凹部１ａが形成される。また、チップベース１には、不図示の工具本体にチップベース１を固定するための取付孔１ｂ等が適宜に設けられる。但し、チップベース１の工具本体に対する固定方法はボルト締結に限らず、ろう付け等を用いた接合、クランプ駒等を用いた機械的なクランプでもよい。チップベース１の素材には一般のスローアウェイチップと同様に超硬合金等の金属、セラミックス等を用いることができる。凹部１ａは球面の一部を構成するように形成されている。このような凹部１ａは例えばボールエンドミルを利用して形成することができる。

図３及び図５に示すように、チップベース１の凹部１ａには刃先材料を真球加工してなる球体２Ａが刃先部材として接合される。刃先材料としては、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、超硬合金、サーメット、セラミックスといった硬質材料を適宜に選択してよい。接合方法としては従来のダイヤモンド工具、ｃＢＮ工具等で利用されている高周波ろう付け等の各種の接合方法を用いてよい。球体２Ａの製造方法は後述する。次に、図４及び図６に示すように球体２Ａの上部が除去されて刃先部材２にすくい面３が形成され、そのすくい面３と球面との交差稜線に切刃４が付与される。このようにして形成された切刃４は球面上に存在しており、球体２Ａの曲率半径に従って円弧状に湾曲する。従って、すくい面３を形成した後の刃先部材２に砥石等を押し付けて切刃４の形状を円弧形状に整える必要はない。また、切刃４の下方に連なる球面の一部はそのまま逃げ面５として使用することができる。球体２Ａを除去する方法は後述する。球体２Ａを除去する深さはすくい面３と逃げ面５との交差角として与えられる刃先角に応じて設定すればよい。

なお、図６ではすくい面３をチップベース１の上下面と平行に設けているが、図７に示すようにすくい面３を切刃４に向かって前下がりに形成し、あるいは図８に示すようにすくい面３を切刃４に向かって前上がりに形成してチップベース１に対するすくい面３の傾きを変化させることができる。このようにすくい面３の傾きを変化させることにより、スローアウェイチップによる被削材の切削時における工具すくい角及び逃げ角を調整することができる。

図９及び図１０に示すように、刃先角をθ、球体２Ａの除去深さをΔｔ、球体２Ａの半径をｒとし、球体２Ａの中心と刃先（切刃４の頂点をいう。）とを結んだ直線とすくい面とがなす角度をαとすれば、これらの関係は次の通りである。なお、図９は球体２Ａの除去深さΔｔを半径ｒ以下に設定した場合、図１０は球体２Ａの除去深さΔｔを半径ｒよりも大きく設定した場合である。

θ≧π／２のときは図９よりθ＝（π／２）＋αであるから（１）式が成り立つ。
α＝θ−（π／２） ……（１）
また、図９より（２）式が成り立つ。
ｓｉｎα＝（ｒ−Δｔ）／ｒ ……（２）
これらの（１）、（２）式から
Δｔ＝ｒ（１−ｓｉｎα）＝ｒ（１−ｓｉｎ（θ−（π／２））） ……（３）

θ＜π／２のときは図１０よりθ＝（π／２）−αであるから（４）式が成り立つ。
α＝（π／２）−θ ……（４）
また、図１０より（５）式が成り立つ。
ｓｉｎα＝（Δｔ−ｒ）／ｒ ……（５）
これらの（４）、（５）式から
Δｔ＝ｒ（１＋ｓｉｎα）＝ｒ（１＋ｓｉｎ（（π／２）−θ）） ……（６）

すくい面３及び切刃４を形成する際には、目的とする刃先角θに応じて上式（３）又は（４）により除去深さΔｔを定めればよい。傾斜角αは上述したようにスローアウェイチップにて被削材を切削する際に必要な工具すくい角又は逃げ角に応じて適宜に設定すればよい。

図１１は球体２Ａの真球加工する方法の一例を示している。この例では一対の砥石車１０Ａ、１０Ｂがそれらの間に球体２Ａの直径と等しい空隙部１１が生じるようにして同軸的に配置される。砥石車１０Ａ、１０Ｂは不図示の回転機構によりそれらの軸線の周りに同一方向へ互いに異なる速度で回転駆動される。砥石車１０Ａ、１０Ｂの回転軸は水平方向に設定されているが、鉛直方向以外であればよい。一方の砥石車１０Ａの中心部には空隙部１１に通じる導入孔１２が設けられている。その導入孔１２を介して、球体２Ａの原型となる粗球１３がガイド１４により空隙部１１に導かれる。粗球１３は球体２Ａの素材となる刃先材料を例えば焼結等により球状に形成することができる。その真球度は切刃４に要求される形状精度よりも十分に低くて足りる。粗球１３の直径は球体２Ａよりも研磨代相当だけ大きく設定される。空隙部１１に導かれた粗球１３は砥石車１０Ａ、１０Ｂによって研磨されつつ、遠心力と重力とによって砥石車１０Ａ、１０Ｂの外周側へ徐々に移動し、最終的には空隙部１１から落下する。これにより球体２Ａを製造することができる。このような製造方法によれば、粗球１３には主として圧縮力が作用するので、ｃＢＮ焼結体のような引っ張り方向の力に弱い刃先材料にて粗球１３を形成した場合でも、欠損が生じ難く、真球度の高い球体２Ａを効率よく製造することができる。

なお、上記の製造方法はあくまで一例であり、球体２Ａは各種の真球加工法により製造してよい。例えばラップ盤による真球加工法、治具中ぐり盤を使用した球面切削法等を球体２Ａの製造に用いることができる。

図１２は、チップベース１に接合された球体２Ａを部分的に除去する方法の一例を示している。この例は、水平に置かれた円盤状の研磨板（スカイフ）２０と、その研磨板２０の上方の送り機構２１とを利用して球体２Ａの研磨するものである。研磨板２０の研磨面２０ａは平坦であり、その研磨面２０ａには適当な研磨剤が塗布される。研磨剤としては、例えばダイヤモンドパウダ等の砥粒を油等の溶剤に溶いたものを使用することができる。送り機構２１は支持部２１ａと可動部２１ｂとを有し、可動部２１ｂは例えば送りハンドル２１ｃの操作により支持部２１ａに対して上下方向に変位する。チップベース１は上下に裏返された状態で送り機構２１の可動部２１ｂに取り付けられる。送り機構２１により球体２Ａは研磨面２０ａに押し付けられその状態で研磨板２０が所定方向（図中に矢印で示す。）に回転駆動されることにより、球体２Ａが徐々に研磨されてすくい面３及び切刃４が形成される。なお、研磨板２０の回転方向は適宜に定めてよいが、刃先材料に焼結体を用いる場合には球体２Ａに対して研磨面２０ａが刃先から刃元側へ相対移動するように設定することが望ましい。つまり、図３に矢印Ｆで示したように、球体２Ａを除去する力が刃先から刃元側へ向かって作用するように研磨板２０の回転方向を設定するとよい。このように回転方向を定めることにより、刃先部分における引っ張り応力の発生を抑えて切刃４の欠損を防止することができる。

なお、上記の除去方法はあくまで一例であり、球体２Ａの除去には適宜の方法を用いることができる。例えば、レーザやワイヤソー等を用いて球体２Ａを切断することによりすくい面３及び切刃４を形成してもよい。これらの方法を用いて焼結体製の球体２Ａを切断する場合には、その切断力が刃先から刃元側へ作用するように切断方向を設定するとよい。

本発明は以上の形態に限ることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、上記の形態では球体２Ａを何ら加工することなくチップベース１に接合しているが、図１３に示すように球体２Ａのチップベース１に対する接合部分に予め除去面２ａを形成し、これを刃先部材２Ｂとしてチップベース１に接合し、接合後に刃先部材２Ｂの球状部分を除去してすくい面３等を形成してもよい。つまり、チップベース１に刃先部材を接合した状態でそのチップベース１の先端に刃先部材の球状部分が残っている限りにおいて、上記の手順と同様にしてすくい面及び切刃を形成することができる。なお、図１３の例によれば、凹部１ａの深さを抑えることができる利点がある。球体２Ａを部分的に除去した刃先部材２Ｂをチップベース１に接合する場合においては、すくい面３及び切刃４の形成に支障がない限り球体２Ａの適宜の箇所を除去して刃先部材２Ｂを形成してよい。例えば下面側に限らず、背面側、斜め上面側等を予め除去することができる。

球体２Ａを切断して除去面２ａを形成した場合には、その除去された刃先材料を他のチップベース１に接合されるべき刃先部材として活用することもできる。さらに進んで、球体２Ａを二片以上に分断し、得られた分割片のそれぞれを刃先部材としてチップベース１に取り付けることもできる。この場合、分割片による刃先部材をさらに加工してすくい面及び切刃を形成してもよいが、分割片に生じている分割面をすくい面に、その分割面と球面との交差稜線を切刃としてそれぞれ使用して、チップベース１への接合後における切刃の加工を省略してもよい。つまり、チップベース１に対する接合前に切刃を予め形成することもできる。この場合、すくい面に関しては接合後にさらなる加工を施してもよい。なお、接合前にすくい面及び切刃を形成する場合には、チップベース１に対する刃先部材２の接合位置、向きを調整する必要があるのに対して、接合後に切刃４を形成する場合にはその形成時に切刃４の位置、向きを適宜に設定することができるので、チップベース１に対する刃先部材の接合をより容易に行える。いずれにせよ、刃先部材が球体に由来する限りにおいて、本発明により円弧状の切刃を高精度かつ容易に形成することができる。

すくい面は必ずしも平坦なものに限定されず、円弧状の切刃４が得られる限りにおいて、すくい面の形状は適宜に変更可能である。例えば図１４に示すように刃先側に比して後方が突出した段付き面状のすくい面を形成することにより、その段部３ａをチップブレーカ等として機能させることもできる。その他にも、溝、ディンプルといった適宜の構造物をすくい面上に形成してよい。

さらに、図１５又は図１６に示すようにすくい面３を球面状に湾曲させてもよい。図１５は研磨面２０ａを凹球面状に形成し、これを刃先部材に押し付けて刃先部材２を研磨することにより、研磨面２０ａと相補的に膨らんだ球面状のすくい面３を形成した例である。一方、図１６は研磨面２０ａを凸球面状に形成し、これを刃先部材に押し付けて刃先部材２を研磨することにより、研磨面２０ａと相補的に凹んだ球面状のすくい面３を形成した例である。これらの例によれば、刃先部材２の刃先角を研磨面２０ａの曲率に応じて適宜に変化させることができる。研磨面２０ａの頂点を球体２Ａの中心軸線に対してオフセットして研磨してもよい。さらに、図１６の例においては研磨面２０ａを完全な球面として形成してもよい。言い換えれば砥石そのものを球体に形成してもよい。そのような研磨面２０ａを刃先から刃元側へ向かって一定方向に回転させることにより、図１２の加工方法と同様に球体２Ａを除去する力を刃先から刃元側へ向かって常に作用させることができる。

本発明はスローアウェイチップの製造方法に限って適用されるものではなく、硬質刃先材料からなる刃先部材をチップベースに接合して製造される各種の切削工具に適用することができる。また、本発明は旋盤用の切削工具の製造方法に限定されず、フライス、エンドミルといった各種の切削工具の製造に適用することができる。

スローアウェイチップの製造に使用するチップベースの平面図。 チップベースの側面図。 チップベースに球体を刃先部材として接合した状態を示す斜視図。 球体を加工して切刃を形成した状態を示す斜視図。 チップベースに球体を刃先部材として接合した状態を示す断面図。 球体を加工して切刃を形成した状態を示す断面図。 すくい面を前下がりに形成した例を示す断面図。 すくい面を前上がりに形成した例を示す断面図。 球体の除去深さを球体の半径以下に制限した場合の刃先角、除去深さ、球体半径及びすくい面の傾斜角の関係を示す図。 球体の除去深さを球体の半径よりも大きく設定した場合の刃先角、除去深さ、球体半径及びすくい面の傾斜角の関係を示す図。 球体の製造方法の一例を示す斜視図。 球体を除去してすくい面及び切刃を形成する方法の一例を示す斜視図。 球体の一部を除去した刃先部材をチップベースに接合した状態を示す断面図。 すくい面を段付き面として形成した例を示す断面図。 すくい面を凸球面状に形成した例を示す断面図。 すくい面を凹球面状に形成した例を示す断面図。

符号の説明

１ チップベース
２ 刃先部材
２Ａ 球体（刃先部材）
２Ｂ 刃先部材
３ すくい面
４ 切刃
５ 逃げ面
１０Ａ、１０Ｂ 砥石車
１１ 空隙部
１２ 導入孔
１３ 粗球
１４ ガイド
２０ 研磨板
２０ａ 研磨面
２１ 送り機構

Claims (8)

1. 刃先材料を真球加工して球体を成形し、前記球体の一部を除去して該球体の球面上に切刃を形成することを特徴とする切削工具の製造方法。
2. 前記球体の少なくとも一部の球状部分が残された刃先部材をチップベースに接合し、接合後に前記刃先部材の球状部分の一部を除去して切刃を形成することを特徴とする請求項１に記載の切削工具の製造方法。
3. 前記チップベースを支持しつつ前記刃先部材の球状部分を研磨面に押し当て、前記研磨面と前記刃先部材との間に相対運動を与えて前記切刃を形成することを特徴とする請求項２に記載の切削工具の製造方法。
4. 前記研磨面を平面とし、前記刃先部材と前記研磨面との間の相対運動により前記切刃及び平坦なすくい面を形成することを特徴とする請求項３に記載の切削工具の製造方法。
5. 前記研磨面を球面状とし、前記刃先部材と前記研磨面との間の相対運動により前記刃先部材に前記切刃及び前記研磨面と相補的な球面状のすくい面を形成することを特徴とする請求項３に記載の切削工具の製造方法。
6. 前記球体の一部を除去して前記切刃を形成し、得られた加工物を刃先部材としてチップベースに接合することを特徴とする請求項１に記載の切削工具の製造方法。
7. 前記球体を焼結体にて構成するとともに、前記切刃を形成する際には前記刃先材料を除去する力を刃先から刃元側へ向かって作用させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の切削工具の製造方法。
8. 前記球体を立方晶窒化ホウ素焼結体にて構成することを特徴とする請求項７に記載の切削工具の製造方法。
   
   

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