JP2008229810A - 超精密切削加工用ダイヤモンド工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学素子または光学素子成形用金型の加工用などのダイヤモンド工具で、特に先端切れ刃が微小の工具であっても摩耗の進展が遅く、しかも折損しにくい超精密切削加工用ダイヤモンド工具を提案する。
【解決手段】 窒素濃度が１〜１００ｐｐｍの気相合成単結晶ダイヤモンドに切れ刃を形成したダイヤモンド工具とする。切れ刃は、直線状の第１の縁部と、第１の縁部に交差する方向に形成された第２の縁部と、第１の縁部の端部と第２の縁部の端部とを結ぶ円弧状の第３の縁部とを有し、第１の縁部と前記第２の縁部とがなす角は、４５°以下である工具や、切れ刃の長さが１ｍｍ以下でかつ切れ刃は自由曲線、円弧、直線のいずれかを組み合わせた総形形状の切れ刃である工具であっても、折損しにくく摩耗も進展しにくいので、工具寿命を大幅に向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣａＦ_２などの結晶材料、超硬合金、ガラス、金型母材などに用いる硬脆材料、あるいはＡｌ、Ｃｕ、Ｎｉ−Ｐなどの超精密切削加工を行うための単結晶ダイヤモンド工具に関し、特に光学素子成形用金型などの加工に用いる鋭利な刃先を有するダイヤモンド工具に関する。

近年、デジタル家電などへのオプトエレクトロニクス技術の急速な普及と高精度、高機能化した製品ニーズへ対応するために、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣａＦ_２などの結晶材料や超硬合金の金型、ガラスなどの硬脆材料、あるいはＡｌ、Ｃｕ、Ｎｉ−Ｐなどが使われ、これらの材料を高精度に加工するために超精密切削加工用ダイヤモンド工具が使われている。この切削工具として、切れ刃に単結晶ダイヤモンドチップを使ったダイヤモンドバイトがあり、例えば、光ディスクピックアップ対物レンズなどの高精度光学素子の成形用金型の光学面加工に用いられるダイヤモンドバイトとして、特許文献１に記載の工具がある。

特許文献１に記載のダイヤモンドバイトは、ダイヤモンドからなる切れ刃をシャンクに保持したダイヤモンド工具において、前記切れ刃には、直線状の第１の縁部と、前記第１の縁部に交叉する方向に延在する第２の縁部と、前記第１の縁部端部と前記第２の縁部端部とを結ぶ第３の縁部とから輪郭づけられるすくい面を有し、前記第３の縁部は円弧形状であり、前記円弧の半径を０．０５μｍ以上２．５μｍ以下としたものが記載されている。また、第１の縁部と第２の縁部とは鋭角をなし、その角度は１０°以上４５°以下とすることが記載されており、非常に微細でかつ鋭利な形状の切れ刃を有することが記載されている。このような形状にすることで、加工する金型に高精度な光学面形状を形成することができるとともに、鋭角の形状の切れ刃が折損することを防止できるものとしている。

特開２００３−６２７０７号公報（段落番号０００８から００２１）

しかしながら、上記のような形状の切れ刃は、刃先先端の円弧形状部分の大きさが切り込み深さと同程度の数μｍ以下と微小であるため、加工中に円弧形状部分が常に被削物に接触し、擦過される。これによって、円弧形状部分の摩耗が早く工具寿命が短くなる。また、耐摩耗性を高めるため不純物をほとんど含まないタイプ２ａ（窒素濃度が１ｐｐｍ以下）の単結晶ダイヤモンドを使用して工具を製作すると、単結晶ダイヤモンドの結晶性が非常に良いため、へき開面に沿って製作中や使用中に折れやすくなる。特に、刃先が鋭利で微小なものでは工具の摩耗よりも折れが問題となる。

このようなことから、本発明は特に先端切れ刃が微小な工具であっても摩耗の進展が遅く、しかも折損しにくい超精密切削加工用ダイヤモンド工具を提案するものである。

本発明の超精密切削加工用ダイヤモンド工具の第１の特徴は、窒素濃度が１〜１００ｐｐｍの気相合成単結晶ダイヤモンドに切れ刃を形成したことである。

超精密切削加工用ダイヤモンド工具の素材である単結晶ダイヤモンドは、従来超高圧合成法により製作されたダイヤモンドが使われており、主流のものとして一定の窒素が均一に分布するタイプ１ｂと窒素をほとんど含まないタイプ２ａがある。特に不純物を含まないタイプ２ａは結晶に歪みが少なく安定しており長寿命が得られるので、使用されることがある。しかし、結晶に歪みがない分、小さな力でも微小な欠陥を起点にして亀裂が劈開面に沿って伝播し、割れてしまうためチッピングが生じやすい。また、単結晶ダイヤモンドの新しい素材として、気相合成法（ＣＶＤ法）により成長させた気相合成単結晶ダイヤモンドが開発されている。このダイヤモンドは、ダイヤモンド中に含まれる窒素量を限りなく少なくするように製作されており、耐摩耗性は従来使用されている超高圧合成法により製作されたタイプ１ｂの単結晶ダイヤモンドよりも優れている。しかしながら、このダイヤモンドで製作した切削工具は、タイプ２ａの単結晶ダイヤモンドと同様に断続切削や切込量の大きい加工を行うと刃先にチッピングが発生しやすい。本発明のダイヤモンド工具のように、窒素濃度が１〜１００ｐｐｍの気相合成単結晶ダイヤモンドを使用することで、窒素濃度が極めて小さいものに比べると僅かに耐摩耗性は劣ることになるが、チッピングは極めて発生しにくくなり、工具としての寿命は向上する。これは、ダイヤモンド結晶の中の炭素原子の一部が、炭素原子よりも大きな窒素原子に置き換わることにより、結晶の中の窒素原子の周りに圧縮応力がかかり、その部分で亀裂の伝播を止める作用があるためである。また、切削抵抗も小さくなり、切れ味が向上して寿命向上に繋がる。

第２の特徴は、前記切れ刃は、直線状の第１の縁部と、前記第１の縁部に交差する方向に形成された第２の縁部と、前記第１の縁部の端部と前記第２の縁部の端部とを結ぶ円弧状の第３の縁部とを有し、前記第１の縁部と前記第２の縁部とがなす角は、４５°以下であることである。

このように切れ刃の形状が鋭利なものでは、従来の単結晶ダイヤモンド工具で起こりやすかった上記のような問題に対し、特に効果が大きくなる。

第３の特徴は、切れ刃の長さが１ｍｍ以下でかつ前記切れ刃は自由曲線、円弧、直線のいずれかを組み合わせた総形形状の切れ刃であることである。

このように微小で複雑な形状の切刃も、上記の切れ刃の形状が鋭利なものと同様にチッピングや折損が起こりやすいが、本発明のダイヤモンド工具ではこれに対する効果が大きくなる。

第４の特徴は、すくい面は（１００）面であることである。

すくい面の結晶方位を（１００）とすることにより、欠損が起こりにくくなり、本発明のダイヤモンド工具ではより欠損を防止する効果が大きくなり、切込量が大きい加工にも使用できる。

第５の特徴は、すくい面は（１１０）面であることである。

すくい面の結晶方位を（１１０）とすることにより、逃げ面の耐摩耗性が向上し、本発明のダイヤモンド工具ではより耐摩耗性が向上して、工具寿命を大幅に向上させることができる。

第６の特徴は、光学素子またはその金型加工用であることである。

回折光学素子、ホログラフィック回折光学素子などの加工、あるいはこれらの金型加工では鋭利な形状や微小で複雑な形状の切れ刃のダイヤモンド工具が使用されるが、このような用途においても切れ刃のチッピングや折損を防止し、耐摩耗性も向上させることができるので、品質の良い加工が効率よくできる。

本発明の超精密切削加工用ダイヤモンド工具によれば、特に鋭角の形状の切れ刃や微小で複雑な形状の切れ刃で断続切削や負荷の大きい切込量の加工を行っても、切れ刃のチッピングや折損が発生しにくいので耐欠損性が向上し、耐摩耗性も向上するので、工具としての寿命が向上する。

本発明のダイヤモンド工具の一例を図１に、チップ周辺の拡大図を図２に示す。いずれも（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図１を参照して、切れ刃が形成される単結晶ダイヤモンド２はシャンク３にろう付けなどにより接合されており、これがチップとなる。このチップがホルダ４にネジなどで固定されて、ダイヤモンド工具となっている。図２を参照して、単結晶ダイヤモンドには、直線状の第１の縁部２ａと、第１の縁部２ａに交差する方向に形成された第２の縁部２ｂと、第１の縁部２ａの端部２ｄと第２の縁部２ｂの端部２ｅとを結ぶ円弧状の第３の縁部２ｃからなる切れ刃が形成されている。また、第１の縁部２ａと第２の縁部２ｂとが交差する角αは４５°以下になっており、単結晶ダイヤモンド２の先端は鋭利な形状になっている。

単結晶ダイヤモンド２は、気相合成法により成長させられた気相合成単結晶ダイヤモンドが用いられ、そのダイヤモンド内に含まれる窒素濃度は１〜１００ｐｐｍとなっている。このような鋭利な形状の切れ刃を有するダイヤモンド工具で、ダイヤモンドに含まれる窒素濃度を１〜１００ｐｐｍとしているため、断続切削や負荷の大きい切込量の加工を行っても、切れ刃のチッピングや折損が発生しにくいので耐欠損性が向上し、ダイヤモンド自体の欠損も防止でき、耐摩耗性も向上する。

本発明のダイヤモンド工具の別の例を図３（ａ）から（ｄ）に示す。この図は、切れ刃が形成された部分のすくい面の形状をすくい面の垂直方向から見た図であり、いずれも自由曲線、円弧、直線のいずれかを組み合わせた総形形状の切れ刃を有するものの例である。

図３（ａ）は楕円と直線を組み合わせた形状の切れ刃を有するもの、（ｂ）は微細な幅の溝を加工する切れ刃を有するもの、（ｃ）は中央部に凹んだＲ形状の切れ刃をもち両端部には凸のＲ形状切れ刃を有するもの、（ｄ）はＶ字形の複数の溝を同時に加工する切れ刃を有するものである。これらは、切れ刃の長さが１ｍｍ以下のもので非常に欠損しやすいものであるが、本発明のダイヤモンド工具によれば、欠損するのを大幅に減らすことができ、工具寿命を向上させることができる。

本発明のダイヤモンド工具として、図１に示す形状のものを製作し、切削加工試験を行った。単結晶ダイヤモンドの素材として窒素濃度が１０ｐｐｍの気相合成単結晶ダイヤモンドを使用し、レーザ加工により所定の形状に加工し、研磨加工を行って、第１の縁部２ａ、第２の縁部２ｂ、第３の縁部２ｃを加工し、切れ刃を形成した。第１の縁部２ａと第２の縁部２ｂは直線状になっており、これらの交差する角αは３５°とした。また、第３の縁部２ｃは円弧状になっておりＲの大きさは８００μｍとした。結晶方位については、すくい面を（１００）面としたものを本発明１、（１１０）面としたものを本発明２とした。

比較のため、単結晶ダイヤモンドの素材が異なる工具も製作した。切れ刃の形状を含む工具形状は上記の本発明１および２と同じとし、単結晶ダイヤモンドの素材のみが異なるものを製作した。ダイヤモンド中に含まれる窒素濃度が０．８ｐｐｍの気相合成単結晶ダイヤモンドを使いすくい面を（１００）面とした工具を比較例１、ダイヤモンド中に含まれる窒素濃度が０．８ｐｐｍの気相合成単結晶ダイヤモンドを使い、すくい面を（１１０）面とした工具を比較例２、ダイヤモンド中に含まれる窒素濃度が７０ｐｐｍの超高圧合成単結晶ダイヤモンドを使いすくい面を（１００）面とした工具を比較例３とした。

これらのダイヤモンド工具を使い、切削速度Ｖ＝５６５ｍ／ｍｉｎ、送り速度ｆ＝０．１ｍｍ／ｒｅｖ、切込量０．１ｍｍ、切削液は水溶性エマルジョン２％のものを用いた湿式切削の条件で、アルミニウム合金（ＡＣ４Ｂ）の円筒外周旋削加工を行った。被削材１２の大きさはφ１５０ｍｍ×長さ１９０ｍｍであり、外周には長さ方向に４本の溝１２ａを有するものを使用した。加工方法の概略を、図４（ａ）および（ｂ）に示す。

この加工試験を行った結果を表１に示す。また、加工試験後の本発明１と比較例１の工具の逃げ面の顕微鏡写真を図５に示す。

この結果からわかるように、本発明のダイヤモンド工具は、本発明１および２ともに図５（ａ）に示すようにチッピングや折損が発生せず、逃げ面摩耗が５．３〜６μｍであったのに対し、窒素濃度が０．８ｐｐｍと少ない比較例１および２では、逃げ面摩耗は本発明１および２よりも少なかったが、図５（ｂ）に示すように切れ刃のチッピングや折損が発生し、途中で使用できなくなった。また、比較例３は切れ刃のチッピングや折損は発生しなかったが、逃げ面摩耗は本発明１および２よりも大きく、摩耗が多くなることがわかる。

実施例１で使用した本発明１および比較例３のダイヤモンド工具を使い、実施例１と同じ条件で切削加工を行ったときの切削抵抗の変化を測定した。その結果を、図６に示す。

この結果からわかるように、本発明のダイヤモンド工具は、超高圧合成の単結晶ダイヤモンドを使用した工具に比べて、切削抵抗が大幅に小さく切れ味の良いことがわかる。

超精密切削加工に用いる鋭利な形状の切れ刃や微小で複雑な形状の切れ刃を有するダイヤモンド工具の他、単結晶ダイヤモンドを切れ刃とする各種ダイヤモンド工具に利用することができる。

本発明のダイヤモンド工具の例を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。 図１のダイヤモンド工具のチップ部分を拡大した図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。 本発明のダイヤモンド工具の別の例を示す図で、（ａ）から（ｄ）のいずれもすくい面を垂直方向から見た平面図。 実施例における切削加工方法の概略を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図。 実施例１における加工試験後の工具の逃げ面の状態を示す顕微鏡写真で、（ａ）は本発明１の工具、（ｂ）は比較例１の工具の逃げ面の写真。 実施例２の加工試験における切削抵抗を示す図。

符号の説明

１ ダイヤモンド工具
２ ダイヤモンド
２ａ 第１の縁部
２ｂ 第２の縁部
２ｃ 第３の縁部
２ｄ 第１の縁部の端部
２ｅ 第２の縁部の端部
３ シャンク
４ ホルダ
５ すくい面
６ 逃げ面
７ 取付孔
１１ 工具取付部
１２ 被削材
１２ａ 被削材の溝
１３ チャック

Claims (6)

1. 窒素濃度が１〜１００ｐｐｍの気相合成単結晶ダイヤモンドに切れ刃を形成した超精密切削加工用ダイヤモンド工具。
2. 前記切れ刃は、直線状の第１の縁部と、前記第１の縁部に交差する方向に形成された第２の縁部と、前記第１の縁部の端部と前記第２の縁部の端部とを結ぶ円弧状の第３の縁部とを有し、前記第１の縁部と前記第２の縁部とがなす角は、４５°以下である請求項１に記載の超精密切削加工用ダイヤモンド工具。
3. 切れ刃の長さが１ｍｍ以下でかつ前記切れ刃は自由曲線、円弧、直線のいずれかを組み合わせた総形形状の切れ刃である請求項１に記載の超精密切削加工用ダイヤモンド工具。
4. すくい面は（１００）面である請求項１〜３のいずれかに記載の超精密切削加工用ダイヤモンド工具。
5. すくい面は（１１０）面である請求項１〜３のいずれかに記載の超精密切削加工用ダイヤモンド工具。
6. 光学素子または光学素子成形用金型の加工用である請求項１〜５のいずれかに記載の超精密切削加工用ダイヤモンド工具。