JP2011088264A - ダイヤモンド切削工具及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】硬質脆性材料や難削材料の精密加工に適用可能な工具及びその作製方法を提供すること。
【解決手段】ダイヤモンド単相の多結晶ダイヤモンドを切れ刃とする切削工具を製造する方法であって、ダイヤモンド単相の多結晶ダイヤモンドの切れ刃の外形をレーザ加工により形状作製した後、前記切れ刃を形成するすくい面及び逃げ面の仕上げ加工を金属バインダを含むダイヤモンド焼結体を研削盤として用いる研削加工により行なう工程を含み、前記ダイヤモンド焼結体からなる研削盤は、工具を作成する加工機上で回転軸との垂直度と平坦度を出す成形加工をダイヤモンド電鋳工具を電極として用いる放電加工により行った後、更に当該ダイヤモンド電鋳工具を用いて、ダイヤモンドスラリを研削液として用いる湿式研削と乾式研削とを併せて行い面粗さを調節した研削盤であることを特徴とする多結晶ダイヤモンド切削工具の加工方法。
【選択図】図５

Description

本発明は、切削加工に利用されるダイヤモンド工具に関するものであり、主にアルミニウム合金、銅合金、無電解ニッケルメッキ、複合強化樹脂やガラス、カーボン、ＭＭＣ、超硬などの硬質脆性材料や難削材料を精密加工するための精密切削工具及びその製造方法に関する。

市販されている切削工具用の多結晶ダイヤモンド工具は、焼結助剤あるいは結合材として１０ｖｏｌ％前後のＣｏ、Ｎｉなどの鉄系金属やＳｉＣなどのセラミックスを含むために高精度な刃先や作用面が得られず精密加工用工具には適用されない。
これを解決する為に近年バインダや焼結助剤を含まないバインダレス多結晶ダイヤモンドが開発され、本用途への適用が検討されている（特許文献１）。
特許文献１では、従来の多結晶ダイヤでは得られない高い刃先精度を持つ工具を作成し、アルミ合金やカーボンの切削に於いて精密切削に適用することができ、単結晶ダイヤバイトよりも高い耐摩耗性が確認された。
しかしながら、耐欠損性については当初期待された十分な効果が得られず、超硬合金やセラミックスなどの硬質脆性材料の加工は困難であった（非特許文献１）。

特願２００９−５２３４９８号（未公開）

バインダレスＰＣＤ製マイクロボールエンドミル 精密工学会春季大会学術講演論文集，５９９〜６００頁，２００９年

本発明は、多結晶ダイヤモンド本来の耐欠損性を十分発揮し、硬質脆性材料や難削材料の精密加工に適用可能な工具及びその作製方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、ダイヤモンド単相の多結晶ダイヤモンドであっても刃先のチッピング精度を５０ｎｍ以下に抑制することで、硬質材料であっても切削中に工具刃先に微小欠損を生じることなく精密切削加工を行なうことができることを見出して本発明を完成した。
すなわち、本発明は以下に記載する通りのダイヤモンド切削工具及びその製造方法に係るものである。

（１）ダイヤモンド単相の多結晶ダイヤモンドを切れ刃とする切削工具を製造する方法であって、ダイヤモンド単相の多結晶ダイヤモンドの切れ刃の外形をレーザ加工により形状作製した後、前記切れ刃を形成するすくい面及び逃げ面の仕上げ加工を金属バインダを含むダイヤモンド焼結体を研削盤として用いる研削加工により行なう工程を含み、前記ダイヤモンド焼結体からなる研削盤は、前記仕上加工を行う加工機上で回転軸との垂直度と平坦度を出す成形加工をダイヤモンド電鋳工具を電極として用いる放電加工により行った後、更に当該ダイヤモンド電鋳工具を用いて、ダイヤモンドスラリを研削液として用いる湿式研削と乾式研削とを併せて行い面粗さを調節した研削盤であることを特徴とする多結晶ダイヤモンド切削工具の加工方法。
（２）前記のダイヤモンド焼結体からなる研削盤の回転軸に対する垂直度が１／１０００°以下かつ平坦度が２０ｎｍ／ｍｍ以下であることを特徴とする（１）に記載の多結晶ダイヤモンド切削工具の製造方法。
（３）前記研削盤として使用するダイヤモンド燒結体の面粗さ（Ｒｚ：最大高さ粗さ）が３０ｎｍ以下であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の多結晶ダイヤモンド切削工具の製造方法。
（４）前記ダイヤモンド単相の多結晶ダイヤモンドは、グラファイトを超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的にダイヤモンドに変換された多結晶ダイヤモンド焼結体であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の多結晶ダイヤモンド切削工具の製造方法。
（５）（１）〜（３）のいずれかに記載の方法によって製造したことを特徴とする多結晶ダイヤモンド切削工具。
（６）刃先のチッピングが５０ｎｍ以下であることを特徴とする（５）に記載の多結晶ダイヤモンド切削工具。
（７）前記切れ刃を形成する逃げ面及びすくい面の被削材及び切り子が接触する領域の面粗さ（Ｒｚ：最大高さ粗さ）が１０ｎｍ未満であることを特徴とする（５）又は（６）に記載の多結晶ダイヤモンド切削工具。

本発明の多結晶ダイヤモンド切削工具の製造方法によれば、ダイヤモンド単相の多結晶体からなる刃先稜線のチッピングを５０ｎｍ以下とすることができ、また面粗さ（Ｒｚ：最大高さ粗さ）を１０ｎｍ以下と非常に小さくすることができる。
また、本発明の多結晶ダイヤモンド切削工具は刃先稜線のチッピング及び面粗さ（Ｒｚ：最大高さ粗さ）が非常に小さいため切削抵抗が低く、耐欠損性が高いため、従来の切削工具では加工できなかった硬質材料の切削が可能となる。

本発明の多結晶ダイヤモンド切削工具の刃先形状の一例を示す図である。 レーザ光を用いて多結晶ダイヤモンド切削工具の刃先の輪郭加工を行う装置を示す図である。 レーザ光によるミーリング加工によって工具の第２にげ面及びすくい面を成形する方法を示す図である。 レーザ光によって工具半径を調節しかつ第１にげ面を成形する方法を示す図で或る。 研削盤を用いて多結晶ダイヤモンド切削工具の刃先の仕上加工を行う装置を示す図である。 焼結ダイヤモンド製研削盤を成形する方法を示す図である。

単結晶ダイヤモンド製の工具刃先の仕上げ研磨は、ダイヤモンド砥粒をオリーブオイルや機械油などでスラリ状にして塗布した鋳鉄製の研磨盤を高速回転させて、ダイヤモンドを押し付けて加工するスカイフ研磨と呼ばれる方法であり、研磨特性は結晶方位に大きく依存する。

一般に、工具を加工する場合は、比較的研磨速度が速い結晶面を加工することで刃先が得られるような工具形状を設計して加工することが行われている。
ダイヤモンドは硬質脆性材料であるため、工具とした場合に刃先稜線にチッピングが存在すると、微小チッピングであっても切削時にチッピング部に応力が集中して微小欠損が生じ、欠損や巨視的な摩耗の進行起点となってしまう。ダイヤモンド単相の多結晶体ではチッピングを起点とした欠損が伝播してしまい、従来の研磨技術では材質本来の高い耐欠損性を生かすことができなかった。

また、多結晶ダイヤモンドは、耐摩耗性が高く研磨速度が遅い結晶面方位も多く現れる為、研削抵抗が安定せず微小チッピングが発生してしまい、５０ｎｍ以下の刃先稜線精度を達成することができなかった。特に曲面を有する刃先の研削には、回転砥石面に工具を押し付けながら所望の形状になるように工具を回転させるため、一定荷重での研削が困難で、刃先稜線精度は０．２μｍ以下程度に留まっていた。

上記スカイフ研磨以外に、多結晶ダイヤモンドの研削加工には比較的粒度の高い砥粒を用いた砥石による加工が一般的に行なわれている。しかしながら、硬質材料をボンドに用いた砥石でも工具刃先など高精度の形状加工の場合には加工時間が長くなり、このために砥粒の脱落や加工中の砥石面の変形が起こりやすくなる。これらは研削抵抗の増加を招いてしまう為に、刃先稜線に微小チッピングを生じてしまう。

また刃先加工に際しては、刃先加工時に刃先に導入される欠陥などの機械的ダメージを抑制することが重要である。仕上げの研磨加工に至る前段階となる形状成形加工において、粗粒の砥石で加工するなどして、欠陥などの加工機械的ダメージを残すと、工具刃先に大きな欠損を生じやすくなる。

本発明の製造方法におけるように、工具切れ刃の外形をレーザ加工により形状作製した後、前記切れ刃を形成するすくい面及び、逃げ面の仕上げ加工を金属バインダでダイヤモンド砥粒を焼結させて得られるダイヤモンド焼結体を研削盤として用い、研削加工を行なうことで、刃先のチッピング精度を向上させることが可能となった。

上記研削盤に用いられるダイヤモンド焼結体はダイヤモンド含有量が９０％以上と通常の砥石に比べて非常に高く、研削盤とした場合に盤面の変形量が少ない。ダイヤ砥粒同士が結合し一体化している為、砥粒の脱粒も殆ど生じない。このため高精度の研削盤として適している。

本発明の研削加工において、チッピング抑制に重要となるのは、研削盤の研削回転軸との垂直度、平坦度及び、面粗さ（Ｒｚ：最大高さ粗さ）であり、切削工具の仕上げ研削を行う加工機上で回転軸との垂直度と平坦度を出す成形加工をダイヤモンド電鋳工具を電極として用いる放電加工により行うことで軸との垂直度を高め、更にダイヤモンド電鋳工具を用いてダイヤモンドスラリを研削液とした湿式研削と乾式研削を併せて行い、所定の面粗さの研削盤として使用することで、研削抵抗一定で工具刃先の仕上げ研削に適用することができ、チッピングの極めて少ない工具の作製が可能である。

前記研削盤として使用するダイヤモンド焼結体の回転軸に対する垂直度が１／１０００°以下、平坦度が２０ｎｍ／ｍｍ以下かつ、面粗さ（Ｒｚ：最大高さ粗さ）が３０ｎｍ以下であることが好ましい。このような精度に焼結ダイヤモンド製研削盤を仕上げることで研削盤の面ブレを抑制し、刃先稜線精度５０ｎｍ以下、逃げ面及びすくい面の面粗さが１０ｎｍ以下の高精度工具を作製することが可能となる。

逃げ面及びすくい面の面粗さ（Ｒｚ：最大高さ粗さ）が大きいと被削材が刃先に溶着し、寿命が低下することは一般的に知られている。
硬質材料を切削する際には工具逃げ面及びすくい面の面粗さは切削抵抗に緊密に関係する。面粗さが１０ｎｍよりも大きいと切削抵抗が増し、硬質材料の切削面の性状が劣り、精密仕上げとならない。

さらに工具刃先として使用される多結晶ダイヤモンドは、グラファイトを超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的にダイヤモンドに変換された多結晶ダイヤモンド焼結体であることが好ましい。前記の多結晶ダイヤモンドは結晶異方性がなく、劈開による欠損が生じない上、多結晶体であるために耐摩耗性が高く、硬質材料の切削に適している。このほか、ダイヤモンド単相の多結晶ダイヤモンドとしてはＣＶＤ法により合成されたダイヤモンドなどがあり、このような多結晶ダイヤモンドも本発明の工具に適用できる。

切削工具は金属製、超硬合金製又は、セラミックス製の台金及びシャンクに接合された多結晶ダイヤモンドからなり、多結晶ダイヤモンドは粉末Ｘ線回折による組成同定では、ダイヤモンド以外の相は確認されないものを使用する。
予め、台金及びシャンクに接合した状態とした多結晶ダイヤモンドを作製する工具の粗形状にレーザ加工により形状を整え、超精密立型マシニングセンタの主軸にセットし、φ２０ｍｍ程度に切断して金属シャンクに接合した研削盤として使用する金属バインダで焼結させたダイヤモンド多結晶体を超精密立型マシニングセンタ内に旋回軸、Ｘ軸、Ｙ軸、θ軸を組み合わせた４軸ステージを設けてセットし、２０００〜３０００ｒｐｍで高速回転させて工具逃げ面及びすくい面に押し当てて研磨する。

この研削盤として使用する多結晶ダイヤモンドは、超精密立型マシニングセンタの主軸にダイヤモンド電鋳工具をセットして、研削盤として使用する多結晶ダイヤモンド板と電鋳工具の双方を自転させながら擦り合わせて放電加工を行ない、超精密立型マシニングセンタの主軸に対して平坦度と垂直度を出す加工を行なった後に、ダイヤモンド電鋳工具を用いて、０〜１／２μｍの粒度のダイヤモンドパウダーを切削油に分散させたスラリを塗布して高速回転させて湿式研・乾式研削を併せて行い、所定の面粗さに整えたものを用いる。

工具刃先として用いる多結晶ダイヤモンドにグラファイトを超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的にダイヤモンドに変換された多結晶ダイヤモンド焼結体を用いると、より効果的であるが、ＣＶＤ法により合成されたダイヤモンド単相の多結晶体なども適用できる。

［実施例１］
＜工具形状＞
マイクロボールエンドミルの形状とした。
＜工具材質＞
高純度グラファイトを１５ＧＰａ−２３００℃にて直接変換焼結させた多結晶ダイヤモンドを用いた。この多結晶ダイヤモンドはＣｕ−Ｋα線による粉末Ｘ線回折法によりダイヤモンド単相であることを確認した。
＜工具の刃先形状＞
図１に示す通りの形状とした。

＜工具作製方法＞
（粗形状加工−レーザ粗形状加工）
粗形状加工をレーザ加工によって行った。
レーザとしては、波長が１０６１ｎｍ、周波数が８０ＫＨｚ、出力が６Ｗのパルスファイバーレーザを使用した。
図２に示した装置を用いて、Ｙ軸と工具軸とを一致させた後、自転運動している工具に対してレーザ光をＸ−Ｙ平面内で円弧と直線の軌跡に沿って走査させ、多結晶ダイヤモンドに対する刃先の輪郭加工を行った。Ｙ軸方向に切り込みを与えた後、レーザ光を同じ軌跡に沿って往復運動させるといった方式で輪郭加工を繰り返して行い、工具の先端を半径が４０μｍの半球状に成形した。

半球成形の後、図３に示したようにレーザ光をＸ−Ｙ平面内で直線の軌跡に沿って走査させ、ミーリング加工を行うことによってすくい面や第２逃げ面を成形した。第２逃げ面の成形時には、Ｙ軸の回りに工具を２５度公転させた上で工具を自転させ、３方向から第２逃げ面を成形した。すくい面の成形時には、５μｍ前後の仕上げ代を残して成形した。

次に、図４に示すように工具を自転運動させないでレーザビームを走査させて輪郭加工を行うことにより、工具半径を４５μｍに成形すると同時に第１逃げ面を成形した。また、切れ刃と反対側の円弧をＸ−Ｙ平面で４５度傾斜した平面でカットすることにより、工具の回転中心を除去した。

Ｙ−Ｚ平面内で５度傾斜させたツルーアをＹ軸の回りに公転運動させ、円弧状の切れ刃に対する刃直角逃げ角が５度の第１逃げ面を成形した。
輪郭加工時にはファイバーレーザを１０倍の対物レンズで集光させて２〜５ｍｍ／ｍｉｎの速度で走査させ、ミリング加工時には×２０倍の対物レンズを集光させて２０ｍｍ／ｍｉｎの速度で走査させた。

（研削盤の成形加工）
工具刃先を研削加工するための研削盤には、直径が１５ｍｍで焼結前のダイヤンモンドの一次粒子径が１μｍの焼結ダイヤモンドを使用した。
焼結ダイヤモンド製研削盤を成形する方法を図６に示す。
ツルーアの面ぶれを除去するため、メッシュサイズが＃６００のダイヤモンド電鋳工具を陰極に、ツルーアを陽極にそれぞれ接続して、放電エネルギー５μＪ、１０００ｐＦ、１００Ｖとして機上放電を行った。
そこで、ツルーアの砥石作用面を平坦化するため、陰極に使用したメッシュサイズが＃６００のダイヤモンド電着工具を用いてツルーアに対する湿式研削及び、乾式研削を行なった。湿式研削時には、サイズが０−１／２μｍと０−１／５μｍのダイヤモンドスラリを研削液として使用する。湿式研削を行った後、乾式研削を行った。
このようにして成形した研削盤のマシニングセンタ主軸に対する平坦度、垂直度、及び面粗さ（Ｒｚ）を測定した結果を以下に示す。
平坦度 ： ２０ｎｍ／ｍｍ
垂直度 ： １／１０００°
面粗さ ： ２０ｎｍ

（仕上げ研削）
工具は真鍮製の芯ぶれ防止治具を介してブラシレスモータ、ブラシレスモータはくさび角が５度のスペーサとＸ−Ｙテーブルを介して回転テーブルに取付けた。
Ｙ−Ｚ平面内で５度傾斜したツルーアをＹ軸の回りに公転運動させることにより、円弧状の切れ刃に対する刃直角逃げ角が５度の第１逃げ面を仕上げ成形した。すくい面や第２逃げ面の成形時には、図５に示した装置からくさび状のスペーサを取外し、工具を装着しているマシニングセンタ主軸の自転角と研削盤の公転角を制御することにより、これらの面を研削加工した。
すくい面や第２逃げ面の成形時には、図５に示した装置からくさび状のスペーサを除去し、工具を装着しているマシニングセンタ主軸の自転角θｚと研削盤の公転角θｘを制御することにより、これらの面を研削加工した。

＜評価＞
（工具精度評価）
このようにして得られた多結晶ダイヤモンド製の工具（マイクロボールエンドミル）の形状精度を高倍率のＳＥＭ観察し、エッジの欠損サイズを確認した。また、すくい面の面粗さをＳＰＭ（走査型プローブ顕微鏡）にて測定した。
（切削性能評価）
作製した工具の性能を硬さが１３．５ＧＰａＨｖの超硬合金に対する断続切削により評価した。被削材の超硬合金は立て型マシニングセンタのテーブルに対して４５度傾斜させて保持し、半径方向切込み量切を０．５μｍ、送り速度を０．５μｍ／ｒｅｖ、ならびに横送り量を１μｍ、実切削距離を１ｍに設定した。
切削後の工具刃先を高倍率ＳＥＭ観察し、刃先欠損状況を確認、加工後の被削材表面状態は、ＳＰＭにより評価した。
評価結果を表１に示す。

本発明の多結晶ダイヤモンド切削工具は、ダイヤモンド単相の多結晶体からなる刃先稜線の微小チッピングが５０ｎｍ以下と極めて小さく、面粗さ（Ｒｚ：最大高さ粗さ）も１０ｎｍ以下と非常に精密な面を有する為に切削抵抗が低く、耐欠損性が高いため、アルミニウム合金、銅合金、無電解ニッケルメッキ、複合強化樹脂やガラス、カーボン、ＭＭＣ、超硬などの硬質脆性材料や難削材料を精密加工するための精密切削工具として好適に使用することができる。

Claims (7)

1. ダイヤモンド単相の多結晶ダイヤモンドを切れ刃とする切削工具を製造する方法であって、
   ダイヤモンド単相の多結晶ダイヤモンドの切れ刃の外形をレーザ加工により形状作製した後、前記切れ刃を形成するすくい面及び逃げ面の仕上げ加工を金属バインダを含むダイヤモンド焼結体を研削盤として用いる研削加工により行なう工程を含み、
   前記ダイヤモンド焼結体からなる研削盤は、前記仕上加工を行う加工機上で回転軸との垂直度と平坦度を出す成形加工をダイヤモンド電鋳工具を電極として用いる放電加工により行った後、更に当該ダイヤモンド電鋳工具を用いて、ダイヤモンドスラリを研削液として用いる湿式研削と乾式研削とを併せて行い面粗さを調節した研削盤である
   ことを特徴とする多結晶ダイヤモンド切削工具の加工方法。
2. 前記のダイヤモンド焼結体からなる研削盤の回転軸に対する垂直度が１／１０００°以下かつ平坦度が２０ｎｍ／ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の多結晶ダイヤモンド切削工具の製造方法。
3. 前記研削盤として使用するダイヤモンド燒結体の面粗さ（Ｒｚ：最大高さ粗さ）が３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の多結晶ダイヤモンド切削工具の製造方法。
4. 前記ダイヤモンド単相の多結晶ダイヤモンドは、グラファイトを超高圧高温下で焼結助剤や触媒の添加無しに直接的にダイヤモンドに変換された多結晶ダイヤモンド焼結体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の多結晶ダイヤモンド切削工具の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の方法によって製造したことを特徴とする多結晶ダイヤモンド切削工具。
6. 刃先のチッピングが５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の多結晶ダイヤモンド切削工具。
7. 前記切れ刃を形成する逃げ面及びすくい面の被削材及び切り子が接触する領域の面粗さ（Ｒｚ：最大高さ粗さ）が１０ｎｍ未満であることを特徴とする請求項５又は６に記載の多結晶ダイヤモンド切削工具。