JP2010228074A - 超精密切削加工用ダイヤモンド焼結体工具 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩耗性に優れ、被削材の面粗度の改善が可能なダイヤモンド焼結体工具を低コストで提供する。
【解決手段】ダイヤモンド粒子を含有する焼結体を切れ刃部分とする焼結体工具であって、該焼結体のダイヤモンド含有率が７０−９８体積％であり、被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がダイヤモンド単結晶体で形成され、ｘが１０以上であり、ｙが１０以上であり、被削材と接触する他の切れ刃部分がダイヤモンド多結晶体で形成されていることを特徴とする超精密切削加工用ダイヤモンド焼結体工具により解決される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤモンドを主成分とした焼結体を基材とする超精密切削加工用ダイヤモンド焼結体工具に関する。

従来、アルミ合金等、軟質金属の超精密加工に単結晶ダイヤモンド工具が用いられている。しかし、大きなサイズの単結晶ダイヤモンドが高価であることから、単結晶ダイヤモンド工具は製造コストが高いという問題点がある。また、ダイヤモンド粉末をＣo等の結合材により焼結した多結晶ダイヤモンド焼結体は、単結晶ダイヤモンド工具よりも安価であるが、多結晶体であるがゆえに超精密加工で要求されるＲzで０．５μｍ以下の面粗度は得られず、被削材の表面にも筋が発生するという問題もある。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑みて、耐摩耗性に優れ、被削材の面粗度の改善が可能なダイヤモンド焼結体工具を安価に提供することを課題とする。また、該ダイヤモンド焼結体工具を提供することにより、超精密切削加工を可能とすることを課題とする。

被削材を切削加工する場合、図３に示すように、横切れ刃境界部で被削材が大きく切り取られ、前切れ刃境界部により仕上げ面の形成が行われる。このため、被削材表面には前切れ刃境界部の形状が転写されることとなる。したがって、前切れ刃境界部の摩耗が進行して前切れ刃の表面粗さが悪くなると、被削材表面も粗くなり仕上がり状態が悪くなる。また、被削材表面に筋が発生し始めると境界摩耗が更に発達して前切れ刃境界部に溝が形成され、上記問題が一層顕著となり、短時間で加工表面粗さが悪化してしまう（図４参照）。

本発明者等は、工具刃先の前切れ刃境界部の摩耗が、なるべく平滑に進行するようにすることができれば、被削材の面粗さが悪化しにくく、長寿命で高精度加工が行えることを見出した。すなわち、少なくとも、切れ刃の切削時における前境界部分を、ダイヤモンド単結晶体にすることが有効であることを見出し、本発明を完成させた。なお、「平滑に摩耗する」とは、前切れ刃境界部の摩耗が抑制され、段差や溝（筋）の形成が押さえられて滑らかになる状態のことをいう。

本発明は以下の特徴を有する。
（１）本発明に係る超精密切削加工用ダイヤモンド焼結体工具は、ダイヤモンド粒子を含有する焼結体を切れ刃部分とする焼結体工具であって、該焼結体のダイヤモンド含有率が７０−９８体積％であり、被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がダイヤモンド単結晶体で形成され、ｘが１０以上、ｙが１０以上であり、かつ、残部の切れ刃部分がダイヤモンド多結晶体で形成されていることを特徴とする（図１）。
（２）上記（１）に記載のダイヤモンド焼結体工具であって、前記焼結体の結合相が少なくとも鉄族金属を有することを特徴とする。
（３）上記（２）に記載のダイヤモンド焼結体工具であって、前記鉄族金属として、Ｆe、Ｃo、Ｎi、のいずれかを有することを特徴とする。

（４）上記（１）〜（３）のいずれか一に記載のダイヤモンド焼結体工具であって、被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）の切れ刃部分が、粒子径が１００μｍ以上のダイヤモンド粒子からなることを特徴とする。
（５）上記（１）〜（３）のいずれか一に記載のダイヤモンド焼結体工具であって、被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）の切れ刃部分が、粒子径が２００μｍ以上のダイヤモンド粒子からなることを特徴とする。

従来のダイヤモンド焼結体切削工具には様々なダイヤモンド粒径の焼結体が用いられているが、ダイヤモンド粒子の粒径が連続的に分布しており、かつ、切れ刃のダイヤモンド粒子の粒度分布が焼結体全体のダイヤモンド粒度分布に近い状態となっているため、切れ刃の任意の部分の機能は等しいものとなっている。このため、上述したような切れ刃の各部分の要求特性に対する最適な材料設計とはならず、性能に限度がある。
これに対し、本発明に係るダイヤモンド焼結体工具は上記のように、切れ刃の各部位の要求特性を満足する工具となっている。

本発明に係る超精密切削加工用ダイヤモンド焼結体工具は、切削時における前切れ刃境界部となる部分を含む前切れ刃が、ダイヤモンド単結晶体により形成されているため、被削材表面の面粗度の悪化や、筋の発生を抑制することができる。更に、単結晶ダイヤモンド工具よりも安価に切削工具を提供することができる。

本発明に係るダイヤモンド焼結体工具による切削の概略の一例を表す図である。 本発明に係るダイヤモンド焼結体工具の刃先部分を焼結体から切り出す一例を示す図である。 従来の切削工具による、良好な切削状態の概略を表す図である。 従来の切削工具による、刃先が摩耗した切削状態の概略を表す図である。

本発明に係る超精密切削加工用ダイヤモンド焼結体工具は、切削時に前切れ刃境界部となる部分を含む前切れ刃が、ダイヤモンド単結晶体により構成されていることを特徴とする。具体的には、被削材と接触する切れ刃部分において、少なくとも、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（ｘ≧１０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（ｙ≧１０）がダイヤモンド単結晶体により構成されていることが好ましい（図１参照）。これにより前切れ刃境界部がダイヤモンド単結晶体により形成されることとなるため、ダイヤモンド多結晶体で切削した場合のような被削材表面の面粗度の悪化、筋の発生が抑制される。すなわち、前切れ刃境界部付近の刃先摩耗が凹凸なく平滑に進行し、被削材表面の面粗度が良好なものとなる。また、耐摩耗性にも優れた前切れ刃となるため、工具寿命も長くなる。

一方、横切れ刃境界部分は、被削材を大きく切り取る部分であり、特に仕上げ面の面粗度に影響を与えることはない。このため、前記切り込み量が最大となる点から送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（ｘ≧１０）、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（ｙ≧１０）を超える部分をダイヤモンド多結晶体により形成すれば、ダイヤモンド単結晶体のみから工具を作製する場合に比べて低コストで提供することが可能となる。ｘとｙは各々８０を超えると、刃先の研磨コストが高くなるため、８０以下が好ましい。

このような切削工具を作製するためには、粗粒のダイヤモンド単結晶体と微粒のダイヤモンド単結晶体とを有するダイヤモンド焼結体から、前切れ刃部分がダイヤモンド単結晶体により、横切れ刃部分がダイヤモンド多結晶体により構成されるように切り出せばよい（図２参照）。このとき、切削時に被削材に接触する切れ刃のうち切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（ｘ≧１０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（ｙ≧１０）が、粒子径が１００μｍ以上のダイヤモンド粒子により構成されることが好ましい。該ダイヤモンド単結晶体の粒子径は、２００μｍ以上であることがより好ましい。

上記ダイヤモンド焼結体は、ダイヤモンド含有率が７０−９８体積％であることを特徴とする。ダイヤモンドの含有率がこれらの範囲にあることにより、焼結体の強度と耐摩耗性を両立させることが可能となる。より好ましいダイヤモンド含有率の範囲は、８０〜９５体積％である。

更に、焼結体の結合相が、少なくとも鉄族金属を有することを特徴とする。該鉄族金属としては、Ｆe、Ｃo、Ｎiから選ばれるいずれか１種以上を有することが好ましい。これらの結合材成分により、ダイヤモンド焼結体の耐摩耗性及び強度を向上させることができる。当然、これらの成分以外にも不可避的に不純物が含まれていても構わない。

被削材がアルミ合金や無酸素銅等である場合に、超精密切削加工を行うには、一般的に、切り込み量は０．０１〜０．１５ｍｍ、送り量は０．００１〜０．２ｍｍ／ｒｅｖの条件で行われる。このような場合、摩耗の進展により刃先が後退するため、前記ダイヤモンド焼結体工具のノーズ先端部分から送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がダイヤモンド単結晶体で形成され、ｘ、ｙが１０以上であることが望ましい。これにより、前切れ刃境界部分が、ダイヤモンド単結晶体で構成され、横切れ刃境界部分はダイヤモンド多結晶体で構成されることとなる。

超硬合金製のポット及びボールを用いて、平均粒径２００μｍのダイヤモンド粒子と平均粒径２μｍのダイヤモンド粒子及びＣo、ＷＣ等の結合材材料を混合してから熱処理を施し、この粉末をＣo板と共にＭo製容器に充填し、圧力５．５ＧＰa、温度１，４５０℃で２０分焼結し、ダイヤモンド含有率が９０％のダイヤモンド焼結体を得た。

この焼結体を切断し、基材として超硬合金製の台金にロー材を用いて接合した後、研磨加工を実施し、切削加工用ダイヤモンド焼結体工具（ＴＰＧＮ１１０３０４）を作製した。このとき、工具の前切れ刃境界部に粗粒のダイヤモンド単結晶体が配置され、被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がダイヤモンド単結晶体で形成され、ｘ、ｙが表１に記載された値となり、被削材と接触する他の切れ刃部分がダイヤモンド多結晶体で形成されるように焼結体中の粗粒ダイヤモンド単結晶粒子の位置を確認した後、切断、接合、研磨を実施した。

この切削加工用ダイヤモンド焼結体工具を用いて、被削材として無酸素銅を用い、切削速度５００ｍ／ｍｉｎ、切り込み０．０８ｍｍ、送り量０．０２ｍｍ／ｒｅｖ、ｗｅｔの条件で、工具前切れ刃を形成する粗粒ダイヤモンド単結晶体が切削時に被削材に接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％としたときに表１に記載の条件となるように設定し、切削試験を実施したところ、寿命判定基準をＲzで０．５μｍとして、表１に記載の工具寿命が得られた。

超硬合金製のポット及びボールを用いて、ダイヤモンド粒子とＣo、ＷＣ等の結合材材料を混合してから熱処理を施し、この粉末をＣo板と共にＭo製容器に充填し、圧力５．４ＧＰa、温度１，４３０℃で２０分焼結し、表２に記載のダイヤモンド焼結体を得た。

この焼結体を切断し、基材として超硬合金製の台金にロー材を用いて接合した後、研磨加工を実施し、切削加工用ダイヤモンド焼結体工具（ＴＰＧＮ１１０３０８）を作製した。このとき、工具の前切れ刃境界部に粗粒のダイヤモンド単結晶体が配置され、被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量の３０％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量の４０％がダイヤモンド単結晶体で形成され、被削材と接触する他の切れ刃部分がダイヤモンド多結晶体で形成されるように焼結体中の粗粒ダイヤモンド単結晶粒子の位置を確認した後、切断、接合、研磨を実施した。

この切削加工用ダイヤモンド焼結体工具を用いて、被削材としてアルミ合金（ＡＤＣ１２）を用い、表３に記載の条件で切削試験を実施したところ、寿命判定基準をＲzで０．５μｍとして、表３に記載の工具寿命が得られた。

Claims (5)

1. ダイヤモンド粒子を含有する焼結体を切れ刃部分とする超精密切削加工用ダイヤモンド焼結体工具であって、
   該焼結体のダイヤモンド含有率が７０−９８体積％であり、
   被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がダイヤモンド単結晶体で形成され、
   ｘが１０以上であり、
   ｙが１０以上であり、
   かつ、残りの切れ刃部分がダイヤモンド多結晶体で形成されている
   ことを特徴とする超精密切削加工用ダイヤモンド焼結体工具。
2. 前記焼結体の結合相が少なくとも鉄族金属を有することを特徴とする請求項１に記載の超精密切削加工用ダイヤモンド焼結体工具。
3. 前記鉄族金属として、Ｆe、Ｃo、Ｎiのいずれかを有することを特徴とする請求項２に記載の超精密切削加工用ダイヤモンド焼結体工具。
4. 被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）の切れ刃部分が、
   粒子径が１００μｍ以上のダイヤモンド粒子により構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の超精密切削加工用ダイヤモンド焼結体工具。
5. 被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）の切れ刃部分が、
   粒子径が２００μｍ以上のダイヤモンド粒子により構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の超精密切削加工用ダイヤモンド焼結体工具。

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