JP2008207334A - 単結晶ダイヤモンドバイト及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の焼結ダイヤモンドバイトと同等のコストで、性能をより向上させたダイヤモンドバイトを提供する。
【解決手段】 台金２の一端に切欠部を設け、この部分に単結晶ダイヤモンドチップ１を接合する。接合面はダイヤモンドチップ１の底面１ｂ及び背面１ｃとし、ダイヤモンドチップ１の逃げ面は、研削加工のみで行い、少なくとも加工面を形成するために曲線状の切れ刃として作用する範囲の表面粗さＲｙが０．５μｍ以上３μｍ以下に仕上げた面とする。すくい面は、少なくとも加工面を形成するために切れ刃として作用する範囲の表面粗さＲｙが５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の面とする。また、この単結晶ダイヤモンドバイトの製造方法として、ダイヤモンドチップ１の材料の結晶方位を基準に底面と背面を研削及び研磨加工し、この面を台金２に接合する。逃げ面は研削加工のみにより仕上げを行い、すくい面を鏡面研磨加工して刃先を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車部品やハードディスク部品あるいは一般部品の切削加工を行うためのダイヤモンドバイトに関するものであり、より限定的にはドライ切削あるいはセミドライ切削を行うためのダイヤモンドバイトに関する。

従来からアルミニウム合金や銅合金などの非鉄金属の電子機器、自動車部品の切削加工には生産性や加工精度の向上のために、一般には焼結ダイヤモンドのチップをシャンクに取り付けたダイヤモンドバイトが用いられている。また、これとは異なり鏡面を得るための加工には、単結晶ダイヤモンドバイトが用いられている。単結晶ダイヤモンドバイトとしては、特開昭５９−１８２００５号公報等が知られているが、逃げ面、すくい面ともに研磨加工されている（例えば、特許文献１参照）。

焼結ダイヤモンドを用いたバイトは、比較的低コストで製造することができるため、上記のような用途、より具体的には鏡面加工用部品の粗加工用や自動車のピストン、ハードディスクのハブ、ブラケット、スリーブの仕上げ加工などに使用されている。近年工作物の高精度化とともに環境への対応のためにドライあるいはセミドライ加工が行われるようになり、性能とコストの両面を考えると従来の焼結ダイヤモンドや従来の単結晶ダイヤモンドを用いたバイトでは対応できない新しい用途が生まれてきている。

特開昭５９−１８２００５号公報

ダイヤモンドバイトの切削性や寿命などの性能を向上させるには、単結晶ダイヤモンドのチップを用いることが考えられる。しかしながら、焼結ダイヤモンドと単結晶ダイヤモンドではコスト面で大きな差があり、従来の単結晶ダイヤモンドチップをそのまま採用するということは現実的に困難な状況である。

また、焼結ダイヤモンドバイトの場合、ダイヤモンドチップの台金との接合面側には超硬合金層が設けられ、ダイヤモンド層と超硬合金層とは一体焼結されているため、接合強度は高く、また台金との接合面は超硬合金層で行われるため、接合強度は高くできる。これに対して、単結晶ダイヤモンドバイトでは、単結晶ダイヤモンドチップと台金との接合強度を高くするため、接合面積を広く取るためにチップの大きさを大きくしたり、あるいはダイヤモンドチップと台金との熱膨張係数の差を緩和するため、台金上にＭｏの基台などを設けてろう付けするという方法が取られる。しかしながら、このような方法ではダイヤモンドチップが大きくなるため、更にコストが上昇したり、単結晶ダイヤモンドチップと台金との間に２つの接合部を有することで、チップがはずれやすくなるという問題が起こる。

以上のようなことから、本発明は、焼結ダイヤモンドバイトと比較しても、コスト的に同等とした上で、より性能を向上させ、ダイヤモンドチップと台金との接合強度も向上させた単結晶ダイヤモンドバイト及びその製造方法を提案するものである。

本発明の単結晶ダイヤモンドバイトの第１の特徴として、一端に切欠部を有する台金と、少なくとも加工面を形成するために切れ刃として作用する範囲の表面粗さＲｙが０．５μｍ以上３μｍ以下の研削加工のみで形成された逃げ面、及び少なくとも加工面を形成するために切れ刃として作用する範囲の表面粗さＲｙが５ｎｍ以上３０ｎｍ以下のすくい面を有する単結晶ダイヤモンドチップとを有し、前記切欠部は、前記単結晶ダイヤモンドチップを載置する面と、前記単結晶ダイヤモンドチップを載置する面に交差する面で形成され、前記ダイヤモンドチップの前記逃げ面と対向する背面は（１００）面で形成されるとともに、前記すくい面と対向する底面は（１１０）面で形成され、前記単結晶ダイヤモンドチップは、前記切欠部の前記単結晶ダイヤモンドチップを載置する面と、前記単結晶ダイヤモンドチップを載置する面に交差する面に直接接合され、前記切れ刃は曲線刃であることである。なお、ここでいう表面粗さＲｙとは、面全体の最大粗さではなく、面を切断したときのその切断部分の最大粗さを示す。

切欠部に単結晶ダイヤモンドチップを直接接合することにより、単結晶ダイヤモンドチップの底面及び底面と交差する面（以下、背面と記す）が切欠部に接合されることになり、台金に対して単結晶ダイヤモンドチップの結晶方位を正確に決めることが容易に可能となる。これにより、ダイヤモンドチップの寿命を最大限に向上させることができる。ダイヤモンドチップの結晶方位については、切れ刃の耐磨耗性と鋭利性を持続させるためにすくい面が（１１０）面になるようにするのが好ましく、ダイヤモンドチップと台金との接合には、Ａｇを主成分とした活性ろう材を使用するのが好ましい。

逃げ面は少なくとも加工面を形成するために切れ刃として作用する範囲の表面粗さＲｙが０．５μｍ以上３μｍ以下に加工され、すくい面は少なくとも加工面を形成するために切れ刃として作用する範囲の表面粗さＲｙが５ｎｍ以上３０ｎｍ以下に加工されて刃付けされている。逃げ面の表面粗さＲｙを０．５μｍ以上とするのは、逃げ面の加工を研削加工のみで行い、研削加工で安定して仕上げることができる限界である。従来は、単結晶ダイヤモンドバイトは、精密加工や超精密加工と言われる分野に使うものとされていた。本発明は、従来のこのような概念を打ち破るものであって、逃げ面を研削加工するだけで従来の焼結ダイヤモンドバイト以上の性能を持つ画期的なバイトである。逃げ面の表面粗さＲｙを３μｍ以下とするのは、焼結ダイヤモンドバイト以上の高精度な切れ刃を形成するために必要なためである。

また、すくい面の表面粗さＲｙを５ｎｍ以上とするのは、これ以上高精度に研磨しても、逃げ面の表面粗さとの組合せでは精度をより向上させることが困難なためであり、表面粗さＲｙを３０ｎｍ以下とするのは、従来の単結晶ダイヤモンドバイトの優れた性能すなわち切れ味が良いことや切削抵抗が小さいことを維持するためである。

前述のように、本発明の単結晶ダイヤモンドバイトは、一般部品の加工用として用いられるものである。このような被加工物では、要求される切削加工面の表面粗さは３．２Ｓ以下である。ここで、曲線刃の刃先を有するダイヤモンドバイトを例にとると、刃先の半径をｒ、送り量をｆとした場合に、被加工物の理論表面粗さ＝ｆ^２／８ｒで表される。本発明の場合、３．２＝ｆ^２／８ｒとなり、送り量ｆは刃先のｒにより決定される。送り量ｆが決まれば、加工面を形成するために切れ刃として作用する範囲も決まることになるので、結局のところ刃先のｒにより切れ刃として作用する範囲は決まる。少なくともこの切れ刃として作用する範囲内において、切れ刃のすくい面と逃げ面の表面粗さを適当な範囲とすることで、製造工程を簡略化できるとともに高精度な単結晶ダイヤモンドバイトが得られる。

以上のような表面粗さの面を有する単結晶ダイヤモンドバイトとすることで、逃げ面の加工は研磨加工をすることなしに、高精度の刃を形成することができる。すなわち、逃げ面の表面粗さＲｙを上記の範囲内になるよう均一に研削加工し、すくい面を研削及び研磨加工することにより、刃先の精度を向上させることが可能になる。

より好ましくは、刃先が直線刃の場合、逃げ面の表面粗さＲｙは０．５μｍ以上１μｍ以下とし、刃先が曲線刃の場合、逃げ面の表面粗さＲｙは１μｍ以上３μｍ以下とする。これは、単結晶ダイヤモンドチップを使うため、結晶方位の問題があり、曲線刃の場合面粗さが悪くなるためである。

本発明の第２の特徴として、前記切欠部は、前記単結晶ダイヤモンドチップを載置する面と、前記単結晶ダイヤモンドチップを載置する面に交差する面で形成され、両方の面に前記単結晶ダイヤモンドチップが接合されてなることである。これは、単結晶ダイヤモンドチップを載置する面と単結晶ダイヤモンドチップの底面とが接合され、単結晶ダイヤモンドチップを載置する面に交差する面と単結晶ダイヤモンドチップの背面とが接合されているので、切削時に単結晶ダイヤモンドチップにかかる抵抗に対して強く、台金からはずれにくいという効果が得られる。具体的には、切削時にダイヤモンドチップにかかる抵抗でダイヤモンドチップがはずれないようにするため、ダイヤモンドチップを載置する面及びこの面と交差する面のなす角度は、略直角にするのが好ましい。

また、本発明の単結晶ダイヤモンドバイトの製造方法の特徴として、台金に単結晶ダイヤモンドチップが接合されたダイヤモンドバイトを製造する方法において、
（１）ダイヤモンドチップの結晶方位を測定して底面の方向を（１１０）面となるように、研削及び研磨する工程、
（２）前記底面と交差する面（以下、背面と記す）を（１００）面となるように、研削及び研磨するかあるいはレーザにより切断する工程、
（３）台金に切欠部を形成する工程、
（４）前記ダイヤモンドチップの底面及び前記背面を前記台金の切欠部に直接接合する工程、
（５）前記背面と対向する側を研削加工し、逃げ面を形成する工程、
（６）前記逃げ面を形成した後、前記底面と対向する側を研削した後、ラップ研磨してすくい面を形成し、前記すくい面と前記逃げ面との交線部に曲線刃の切れ刃を形成する工程、
とを有することである。

単結晶ダイヤモンドチップの結晶方位に対して、背面を正確に形成することで、台金に対しても正確に結晶方位を設定することが容易に可能となり、単結晶ダイヤモンドチップの寿命を最大限に向上させることが可能になる。

以上のような単結晶ダイヤモンドバイトは、要求される加工面の粗さが１〜３μｍの切削加工に適している。具体的には、ハードディスク部品のハブ、ブラケット、スリーブや自動車エンジンのピストン、コピードラムなどの用途に適している。

本発明の単結晶ダイヤモンドバイトは、従来の単結晶ダイヤモンドバイトに比べ、ダイヤモンドチップの大きさを小さくすることができ、逃げ面の加工は研削加工のみで行えるため、低コストで製作することができ、従来の焼結ダイヤモンドバイトと同等のコストで製作することができる。また、従来の焼結ダイヤモンドバイトに比べ、切れ味や寿命は大きく向上し、ダイヤモンドバイトでの加工コストも低減することができる。

本発明の単結晶ダイヤモンドバイトは、図１に示すように、台金の一端に単結晶ダイヤモンドチップが接合され、台金はホルダーにボルトなどで固定されている。台金の一端には、切欠部が形成され、単結晶ダイヤモンドチップを載置するための面と、この面に交差する面からなる２つの面で構成されている。この切欠部に単結晶ダイヤモンドチップが接合されており、単結晶ダイヤモンドチップの底面及び背面は、切欠部の面とろう付けなどで接合されている。単結晶ダイヤモンドチップの背面と対向する側には逃げ面が設けられ、底面と対向する側にはすくい面が設けられて、逃げ面とすくい面の交差する稜線に切刃が形成されている。

切削時には、刃先に切削抵抗がかかり、ダイヤモンドチップの底面には引っ張り応力がかかるので、台金からはがれようとする応力がかかる。本発明のダイヤモンドバイトでは、背面にせん断応力がかかっても背面も接合されているため、切削抵抗に対して非常に強くなり、接合面積が小さくなっても接合強度は高くなる。背面の高さ寸法は、接合強度の観点からダイヤモンドチップの厚みの１／２以上とするのが好ましく、単結晶ダイヤモンドチップは、強度の観点から合成ダイヤモンドチップを使うのが好ましい。これは、天然ダイヤモンドの場合、内部に含まれる不純物は不均一に分散しており、ろう付け時に熱応力が集中して割れの原因になるようなことが起こりうるためである。

また、ダイヤモンドチップの背面側に台金があるため、すくい面と台金の上面との段差が小さくなり、切削時に切屑がたまりにくくなって排出性が向上する。

本発明の単結晶ダイヤモンドバイトは、以下のようにして製造される。まず、単結晶ダイヤモンドの原石の結晶方位を測定し、所定の形状に粗加工する。この時、結晶方位を基準に底面を決めておく。次に、底面となる面の研削及び研磨加工を行い、底面を基準に背面の加工を行う。背面の加工は、研削及び研磨する方法あるいはレーザにより切断する方法で行う。このようにして加工されたダイヤモンドチップを、あらかじめ切欠部を形成しておいた台金にろう付けする。ろう付けする面は、ダイヤモンドチップの底面及び背面の台金と接している部分とする。ダイヤモンドチップを台金にろう付けした後、背面と対向する部分に逃げ面を形成するため、ダイヤモンド砥石を使い所定の形状に研削加工する。この研削加工で少なくとも加工面を形成するために切れ刃として作用する範囲の表面粗さＲｙが０．５μｍ以上３μｍ以下になるように仕上げる。この研削には、ビトリファイドボンドのダイヤモンド砥石が好適である。逃げ面の加工が終わった後、すくい面を研削加工し、遊離砥粒を用いて研磨加工を行って、少なくとも加工面を形成するために切れ刃として作用する範囲の表面粗さＲｙが５ｎｍ以上３０ｎｍ以下となるように仕上げる。これにより、すくい面と逃げ面との境界部の稜線上に刃先が形成される。

本発明の単結晶ダイヤモンドバイトを図１に示す。１はダイヤモンドチップ、２は台金、３はホルダーである。ダイヤモンドチップ１は、合成単結晶ダイヤモンドを使用しており、大きさは通常の焼結ダイヤモンドバイトのダイヤモンドチップの大きさに比べ約半分としており、ダイヤモンドのコストを低減している。

単結晶ダイヤモンドは結晶の異方性があるため、結晶方向を精度良く最適な方向に定める必要がある。まず、ダイヤモンドチップ１の底面１ｂを（１１０）面になるよう研磨により形成する。次に、この底面１ｂを基準に背面１ｃを（１００）面になるように形成する。背面１ｃは、レーザなどにより切断した後、研磨加工を行う。

台金２は超硬合金を材料として、製作する。台金２の一端には切欠部を形成しておき、この切欠部に上記のダイヤモンドチップ１の底面１ｂ及び背面１ｃをろう付けなどにより接合する。これにより、台金２に対してダイヤモンドチップ１の結晶方向が正確に定められて、接合される。

次に、台金２を研削盤に取り付け、逃げ面の研削加工を行う。研削には、結合材にビトリファイドボンドを使ったダイヤモンド砥石が適している。研削後の逃げ面の表面粗さＲｙは、０．５μｍ以上３μｍ以下になるように均一に研削する。

最後に、すくい面となる部分を研削により粗加工した後、ラップ盤で鏡面研磨を行い、表面粗さＲｙは、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下になるように仕上げ、すくい面と逃げ面の交線部に切れ刃を形成する。

以上のようにして製作したダイヤモンドバイトの刃をホルダー３に取り付け、切削試験を行った。比較の対象として、焼結ダイヤモンドバイトを使い、同様の試験を行った。この焼結ダイヤモンドバイトを図２、切削条件を表１、切削抵抗の比較を図３、逃げ面摩耗量の比較を図４に示す。

図３に示すように、切削抵抗は従来の焼結ダイヤモンドバイトに比べ１／４であるので、切れ味が良いのに加えてダイヤモンドチップ１にかかる抵抗は小さくなり、台金２との接合面積が小さくなってもはずれにくくなる。また、逃げ面摩耗量については、従来の焼結ダイヤモンドバイトに比べ１／２以下であり、寿命が大幅に向上する。

次に、上記のダイヤモンドバイトを使用して、ドライ切削時の抵抗の比較を行った。切削条件は切削液を使用しない点を除いて、表１に示したものと同じである。この結果を、図５に示す。図５に示されるように、ドライ切削時においても本発明の単結晶ダイヤモンドバイトは切削抵抗が低く、従来の焼結ダイヤモンドバイトに比べて優れていることが確認された。

本発明の単結晶ダイヤモンドバイトを示した正面図。 従来の焼結ダイヤモンドバイトを示した正面図。 本実施例の切削試験における切削抵抗の比較結果。 本実施例の切削試験における逃げ面摩耗量の比較結果。 ドライ切削時の抵抗の比較結果。

符号の説明

１ ダイヤモンドチップ
１ａ 超硬合金基台
２ 台金
３ ホルダー

Claims (4)

1. 一端に切欠部を有する台金と、
   少なくとも加工面を形成するために切れ刃として作用する範囲の表面粗さＲｙが０．５μｍ以上３μｍ以下の研削加工のみで形成された逃げ面、及び少なくとも加工面を形成するために切れ刃として作用する範囲の表面粗さＲｙが５ｎｍ以上３０ｎｍ以下のすくい面を有する単結晶ダイヤモンドチップとを有し、
   前記切欠部は、前記単結晶ダイヤモンドチップを載置する面と、前記単結晶ダイヤモンドチップを載置する面に交差する面で形成され、
   前記ダイヤモンドチップの前記逃げ面と対向する背面は（１００）面で形成されるとともに、前記すくい面と対向する底面は（１１０）面で形成され、
   前記単結晶ダイヤモンドチップは、前記切欠部の前記単結晶ダイヤモンドチップを載置する面と、前記単結晶ダイヤモンドチップを載置する面に交差する面の両方の面に直接接合され、前記切れ刃は曲線刃であることを特徴とする単結晶ダイヤモンドバイト。
2. 自動車部品、ハードディスク部品または一般部品の切削加工用であることを特徴とする請求項１記載の単結晶ダイヤモンドバイト。
3. 台金に単結晶ダイヤモンドチップが接合されたダイヤモンドバイトを製造する方法において、
   （１）ダイヤモンドチップの結晶方位を測定して底面の方向を（１１０）面となるように、研削及び研磨する工程、
   （２）前記底面と交差する面（以下、背面と記す）を（１００）面となるように、研削及び研磨するかあるいはレーザにより切断する工程、
   （３）台金に切欠部を形成する工程、
   （４）前記ダイヤモンドチップの底面及び前記背面を前記台金の切欠部に直接接合する工程、
   （５）前記背面と対向する側を研削加工し、逃げ面を形成する工程、
   （６）前記逃げ面を形成した後、前記底面と対向する側を研削した後、ラップ研磨してすくい面を形成し、前記すくい面と前記逃げ面との交線部に曲線刃の切れ刃を形成する工程、
   とを有することを特徴とする単結晶ダイヤモンドバイトの製造方法。
4. 自動車部品、ハードディスク部品または一般部品の切削加工用であることを特徴とする請求項３記載の単結晶ダイヤモンドバイトの製造方法。

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