JP2012148398A - 炭素膜被覆エンドミルおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも鋭利なエッジを有するダイヤモンド被膜等の炭素膜で被覆された炭素膜被覆エンドミルを提供する。また、このエンドミルを高精度に加工して作製することができる製造方法を提供する。
【解決手段】この炭素膜被覆エンドミル１では、基体すくい面２ｃ上の領域、および基体逃げ面２ｄ上の領域の炭素膜３に、凹面３ａがそれぞれ形成され、これら凹面３ａは、基体刃先２ｂ上で交差して炭素膜刃先３ｂを形成しており、これら凹面３ａの交差する角度θ１が、前記基体すくい面２ｃと前記基体逃げ面２ｄとの成す角度θ０より小さいことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋭利に被削材を加工することが可能な炭素膜被覆エンドミルおよびその製造方法に関する。

切れ刃の表面がダイヤモンド膜で被覆されたダイヤモンド被覆切削工具において、従来、例えば切れ刃に形成された略円弧部を研削加工し、略円弧部の角度を４０°以下になるように部分的にチャンファが設けられたものが提案されている（特許文献１参照）。また、上記略円弧部を研削加工し、逃げ角を元の角度よりも小さくしたものも提案されている（特許文献２参照）。
なお、本明細書において切れ刃とは、切削工具の刃先と、刃先に接したすくい面の一部分と、刃先に接した逃げ面の一部分を合わせた領域のことを示す。

上記ダイヤモンド膜被覆切削工具の研磨方法としては、特許文献３に記載されるレーザ研磨方法が提案されている。このレーザ研磨方法では、レーザの焦点をダイヤモンド被膜の表面上で走査する（移動させる）と同時に、ダイヤモンド被膜そのものを移動させている。こうして、レーザの焦点及びダイヤモンド被膜の両方に相対的に運動を与えることで、ダイヤモンド被膜の表面に形成された凸部を除去している。また、特許文献４に記載される加工工具の製造方法では、波長２６６ｎｍのレーザ光をダイヤモンド被膜に対して垂直に照射して加工工具を加工している。

特許第３４７７１８２号公報 特許第３４７７１８３号公報 特許第３０９６９４３号公報 特開２００９−６４３６号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
第一に、研削加工により切れ刃を形成した場合、ダイヤモンドが砥石よりも硬いため、加工途中で砥石の形態変化を生じてしまう。その結果、高精度に意図した形状加工を行うことが困難となる。
第二に、レーザとダイヤモンド被膜とを共に相対運動させながら走査レーザ加工する方法では、さらに加工対象物の形態に倣ったワーク（被削体）移動が必要となる。そのために、レーザの焦点およびダイヤモンド被膜の位置制御が複雑となる。
第三に、ダイヤモンド被膜に対して垂直にレーザ光を照射する加工方法では、加工後の形態が加工前の膜の起伏形状を反映し易くなる。そのために、加工前の膜が、均一なダイヤモンド被膜として形成される必要がある。そのために、高精度な加工が難しくなる。
第四に、エンドミルの切れ刃などの刃先にダイヤモンド被膜を形成する場合、ダイヤモンド被膜の厚さに応じて、刃先に被膜が盛り上がって形成されるので、刃先の加工が困難である。このために、従来では、ダイヤモンド被膜でコーティングされ、かつ鋭利なエッジを有したエンドミルを作製することは困難であった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、従来よりも鋭利なエッジを有するダイヤモンド被膜等の炭素膜で被覆された炭素膜被覆エンドミルを提供すると共に、このエンドミルを高精度に加工して作製することができる製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の第一の態様である炭素膜被覆エンドミルは、基体刃先と、前記基体刃先を挟んで互いに隣接する基体すくい面および基体逃げ面とを有する工具基体と、前記基体刃先、前記基体すくい面、および前記基体逃げ面の上に形成された炭素膜とを有し、前記炭素膜には、前記基体すくい面上の領域、および前記基体逃げ面上の領域に、前記工具基体に向けて凹んだすくい面側の凹面および逃げ面側の凹面がそれぞれ形成され、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面は、前記基体刃先上で交差して前記炭素膜に炭素膜刃先を形成しており、前記すくい面側の凹面と前記逃げ面側の凹面の交差する角度は、前記基体すくい面と前記基体逃げ面との成す角度より小さいことを特徴とする。

この炭素膜被覆エンドミルでは、基体すくい面上の領域、および基体逃げ面上の領域の炭素膜に、工具基体に向けて凹んだすくい面側の凹面および逃げ面側の凹面がそれぞれ形成されている。さらに、すくい面側の凹面および逃げ面側の凹面は、基体刃先上で交差して炭素膜に炭素膜刃先を形成している。さらに、すくい面側の凹面と逃げ面側の凹面との交差する角度は、基体すくい面と基体逃げ面との成す角度より小さい。以上の構成を有することにより、上記炭素膜被覆エンドミルは、従来よりもさらに鋭利なエッジを有する。
すなわち、炭素膜刃先を含む部分（切れ刃）の炭素膜表面がすくい面および逃げ面の延長面に対してえぐられて凹面化されることで、炭素膜刃先の炭素膜が鋭く形成される。その結果、上記炭素膜被覆エンドミルにおいては、従来方法により形成されたチャンファよりも鋭利なエッジを得ることができる。
上記炭素膜被覆エンドミルでは、前記炭素膜がダイヤモンド膜であってもよい。
また、上記炭素膜被覆エンドミルでは、前記炭素膜刃先に直交する面による、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の断面が、円弧形状であってもよい。
また、上記炭素膜被覆エンドミルでは、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の断面の円弧形状の曲率半径が５μｍから３０００μｍの範囲内であってもよい。
また、上記炭素膜被覆エンドミルでは、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の、前記炭素膜刃先と直交しそれぞれの面に沿った方向における幅が１０μｍから２０００μｍの範囲内であってもよい。
また、上記炭素膜被覆エンドミルでは、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の深さが２μｍから１５μｍの範囲内であってもよい。
また、上記炭素膜被覆エンドミルでは、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の、前記炭素膜刃先と直交する方向における幅が１０μｍから２０００μｍの範囲内であって、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の深さが２μｍから１５μｍの範囲内であってもよい。

本発明の第二の態様である炭素膜被覆エンドミルの製造方法は、上記本発明の炭素膜被覆エンドミルを製造する方法であって、基体刃先と、前記基体刃先を挟んで互いに隣接する基体すくい面および基体逃げ面とを有する工具基体を用意する基体準備工程と、前記工具基体の前記基体すくい面、前記基体逃げ面、および前記基体刃先上に炭素膜を形成する炭素膜形成工程と、前記炭素膜にレーザビームを照射して、前記基体すくい面上の領域、および前記基体逃げ面上の領域に形成された前記炭素膜を加工して、すくい面側および逃げ面側に、それぞれすくい面側の凹面および逃げ面側の凹面を形成するレーザ加工工程と、を有し、前記すくい面側および前記逃げ面側の凹面は、前記基体刃先上で交差して炭素膜刃先を形成し、前記レーザ加工工程において、前記レーザビームのビーム断面での光強度分布が、ガウシアン分布を示し、前記レーザビームを、前記基体刃先前方から前記炭素膜刃先近傍における前記すくい面側または前記逃げ面側の前記炭素膜に向けて照射し、前記レーザビームは、前記基体刃先の延在方向に沿って走査することを特徴とする。

この炭素膜被覆エンドミルの製造方法では、レーザ加工工程において、レーザビームのビーム断面での光強度分布がガウシアン分布を示し、レーザビームを、刃先前方から刃先近傍におけるすくい面側または逃げ面側の炭素膜に向けて照射し、このレーザビームは、刃先の延在方向に沿って走査することで前記凹面を形成する。その結果、刃先前方から照射されたレーザビームによる炭素膜の切除痕が、炭素膜刃先に対して直交する断面で見た場合、円弧形状となり、高精度に前記凹面を刃先に沿って形成することができる。また、炭素膜の先端部（エッジ部分）には、レーザビームの外周側が当たるため、該先端部におけるレーザビームのパワー（強度）密度をレーザビームの中心部と比較して弱めることができる。その結果、炭素膜の先端部が必要以上に切除されて鈍角になることを防ぐことができる。

上記炭素膜被覆エンドミルの製造方法では、前記炭素膜形成工程において、ＣＶＤ成膜コーティングにより、前記基体刃先上に前記炭素膜を他の部分より盛り上げて形成してもよい。
上記炭素膜被覆エンドミルの製造方法では、炭素膜形成工程において、予め基体刃先上に炭素膜を他の部分より盛り上げて形成しておくことで、レーザ加工工程における炭素膜の削りしろを大きく設けている。そのため、この炭素膜被覆エンドミルの製造方法では、より深い凹面およびより鋭利なエッジを形成することが可能になる。なお、すくい面と逃げ面との２面が近接する基体刃先は、炭素膜が成長し易い場所であることから、炭素膜を厚めにＣＶＤ成膜でコーティングすることで、切れ刃部分に炭素膜を他の部分より盛り上げて形成することができる。

上記炭素膜被覆エンドミルの製造方法では、前記炭素膜が、ダイヤモンド膜であり、前記レーザビームの波長が、３６０ｎｍ以下であってもよい。
この炭素膜被覆エンドミルの製造方法では、炭素膜が、ダイヤモンド膜であり、レーザビームの波長が、３６０ｎｍ以下であるので、ダイヤモンド加工に適した波長のレーザビームにより高精度にダイヤモンド膜を加工することができる。

本発明の態様によれば、以下の効果を奏する。
本発明の第一の態様である炭素膜被覆エンドミルにおいては、基体すくい面上の領域、および基体逃げ面上の領域の炭素膜に、工具基体に向けて凹んだすくい面側の凹面および逃げ面側の凹面がそれぞれ形成されている。さらに、すくい面側の凹面および逃げ面側の凹面は、基体刃先上で交差して炭素膜に炭素膜刃先を形成している。さらに、すくい面側の凹面と逃げ面側の凹面との交差する角度は、基体すくい面と基体逃げ面との成す角度より小さい。以上の構成を有することにより、上記炭素膜被覆エンドミルは、従来よりもさらに鋭利なエッジを有することができる。
また、本発明の第二の態様である炭素膜被覆エンドミルの製造方法によれば、レーザ加工工程において、レーザビームのビーム断面での光強度分布がガウシアン分布を示し、レーザビームを、刃先前方から刃先近傍におけるすくい面側または逃げ面側の炭素膜に向けて照射し、このレーザビームは、刃先の延在方向に沿って走査することで前記凹面を形成するので、高精度に前記凹面を刃先に沿って形成することができ、鋭利なエッジを形成することができる。
したがって、本発明の炭素膜被覆エンドミルおよび上記製法で作製した炭素膜被覆エンドミルは、炭素膜による耐摩耗性だけでなく切れ味に優れ、非鉄金属および複合材料加工用のエンドミルとしても適している。

本発明に係る炭素膜被覆エンドミルおよびその製造方法の一実施形態において、炭素膜被覆エンドミルの切れ刃およびレーザ加工工程を示す要部の拡大断面図である。 本実施形態に係る炭素膜被覆エンドミルを示す側面図である。 本実施形態に係る炭素膜被覆エンドミルを示す刃部の正面図である。 本実施形態に係る炭素膜被覆エンドミルの製造方法に使用するレーザ加工装置を示す概略的な全体構成図である。 本実施形態において、レーザビームの走査方向とレーザビームの断面形状との関係を示す説明図である。 本実施形態において、レーザビームによる炭素膜の切除痕を示す概念図である。 本発明に係る炭素膜被覆エンドミルおよびその製造方法の実施例において、レーザ加工工程時の炭素膜被覆エンドミルを示す要部の拡大断面図である。 本実施形態に関わる炭素膜エンドミルの刃部の正面図である。 本実施形態に関わる炭素膜エンドミルの刃部の側面図である。 本実施形態に関わる炭素膜エンドミルであって、刃数が二枚である炭素膜エンドミルの刃部の正面図である。 本実施形態に関わる炭素膜エンドミルであって、刃数が三枚である炭素膜エンドミルの刃部の正面図である。 本実施形態に関わる炭素膜エンドミルであって、刃数が四枚である炭素膜エンドミルの刃部の正面図である。 本実施形態に関わる炭素膜エンドミルであって、刃数が六枚である炭素膜エンドミルの刃部の正面図である。

以下、本発明に係る炭素膜被覆エンドミルおよびその製造方法の一実施形態を、図１から図８Ｄを参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している部分がある。

本実施形態の炭素膜被覆エンドミル１は、図１に示すように、工具基体２の基体すくい面２ｃ、基体逃げ面２ｄ、および基体刃先２ｂ上に炭素膜３が形成されたエンドミルである。この、炭素膜被覆エンドミル１では、炭素膜３には、基体すくい面２ｃ上の領域、および前記基体逃げ面２ｄ上の領域に、前記工具基体２に向けて凹んだすくい面側の凹面３ａおよび逃げ面側の凹面３ａがそれぞれ形成されている。また、すくい面側の凹面３ａおよび逃げ面側の凹面３ａは、基体刃先２ｂ上で交差して炭素膜３に炭素膜刃先３ｂを形成している。また、すくい面側の凹面３ａと逃げ面側の凹面３ａの交差する角度θ１は、基体すくい面２ｃと基体逃げ面２ｄとの成す角度θ０より小さい。
この炭素膜被覆エンドミル１は、図２Ａおよび２Ｂに示すように、例えばシャンク部１ａと、先端側に設けられた３枚刃の刃先３ｂとを有する刃部１ｂとを備える。
この炭素膜被覆エンドミル１は、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、および図８Ｄに示すように、刃部１ｂが、２から６枚刃の刃先３ｂを有してもよい。
この炭素膜被覆エンドミル１において、炭素膜３の膜厚は特に限定されないが、５から５０μｍが好ましく、８から２０μｍがより好ましい。

上記工具基体２は、例えばＷＣ（タングステンカーバイト）等の超硬合金で形成される。上記炭素膜３は、ＣＶＤ（化学気相成長法）等で成膜されたダイヤモンド膜、グラファイト膜またはＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜等である。

隣接するすくい面４ａ側の炭素膜３表面と、逃げ面４ｂ側の炭素膜３表面とには、上述したように、工具基体に向けて凹んだすくい面側の凹面３ａおよび逃げ面側の凹面３ａがそれぞれ形成されている。そして、これらすくい面４ａ側および逃げ面４ｂ側の凹面３ａの表面同士は、炭素膜刃先３ｂの稜線を境界として接触している。
このため、これら一対の凹面３ａの境界に形成された炭素膜３の先端（エッジ、炭素膜刃先３ｂ）における、前記すくい面側の凹面３ａと前記逃げ面側の凹面３ａの交差する角度θ１（すくい面４ａおよび逃げ面４ｂに直交する面における断面の炭素膜刃先３ｂの先端角度）は、基体すくい面２ｃと基体逃げ面２ｄとの成す角度θ０より小さく形状加工されている。言い換えると、「θ１＜θ０」となるように基体２をコーティングしている炭素膜３が加工されている。また、炭素膜刃先３ｂに形成された炭素膜３の先端部は、曲率半径２μｍ以下に加工されている。
好ましい凹面の曲率半径は、エンドミルの大きさにより異なるが、エンドミル径が０．５ｍｍ〜２０ｍｍである場合は、曲率半径が５μｍから３０００μｍの範囲内であることが好ましい。さらに好ましい曲率半径は１５μｍから３００μｍである。
炭素膜刃先３ｂの延在方向と直交する方向における、上記凹面の幅は、エンドミルの大きさにより異なるが、エンドミル径が０．５ｍｍ〜２０ｍｍである場合は、凹面の幅が１０μｍから２０００μｍの範囲内であることが好ましい。さらに好ましい凹面の幅は２０μｍから１０００μｍである。
上記凹面の深さは、エンドミルの大きさにより異なるが、エンドミル径が０．５ｍｍ〜２０ｍｍである場合は、凹面の深さが２μｍから１５μｍの範囲内であることが好ましい。さらに好ましい凹面の深さは２μｍから１０μｍである。
図２には、本発明の態様のエンドミルとして、刃数が三枚のものを示したが、エンドミルとしての使用に支障が生じなければ、刃数が三枚のものに特に限定されない。例えば、図８Ａから８Ｄに示した様に、刃数が三枚以外のエンドミルであっても良い。図８Ａには刃数が二枚のエンドミルの正面図が示される。図８Ｂには刃数が三枚のエンドミルの正面図が示される。図８Ｃには刃数が四枚のエンドミルの正面図が示される。図８Ｄには刃数が六枚のエンドミルの正面図が示される。

次に、本実施形態の炭素膜被覆エンドミルを製造する方法について、図１から図８Ｄを参照して説明する。

本実施形態の炭素膜被覆エンドミル１の製造方法は、基体刃先２ｂと、前記基体刃先２ｂを挟んで互いに隣接する基体すくい面２ｃおよび基体逃げ面２ｄとを有する工具基体２を用意する基体準備工程と、前記工具基体２の前記基体すくい面２ｃ、前記基体逃げ面２ｄ、および前記基体刃先２ｂ上に炭素膜を形成する炭素膜形成工程と、前記炭素膜３にレーザビームを照射して、前記基体すくい面２ｃ上の領域、および前記基体逃げ面２ｄ上の領域に形成された前記炭素膜３を加工して、すくい面側および逃げ面側に、それぞれすくい面側の凹面３ａおよび逃げ面側の凹面３ａを形成するレーザ加工工程とを有している。
上記炭素膜形成工程では、図５に示す様に、予め基体刃先２ｂ上に炭素膜３を他の部分より盛り上げて形成しておく。基体すくい面２ｃと基体逃げ面２ｄとの２面が隣接する基体刃先２ｂ上は、化学蒸着（ＣＶＤ）により形成される炭素膜３が成長し易い場所である。そのため、ＣＶＤ成膜により、炭素膜３を厚めにコーティングすることで、図５に示す様に、基体刃先２ｂ上に炭素膜３を他の部分より盛り上げて形成することができる。

上記レーザ加工工程に用いるレーザ加工装置２１は、図３に示すように、工具基体２に被覆された炭素膜３にレーザビーム（レーザ光）Ｌを照射して加工する装置である。この、レーザ加工装置２１は、レーザ光照射機構２２と、回転機構２３と、移動機構２４と、制御部２５と、を備えている。上記のレーザ光照射機構２２は、レーザビームＬをパルス発振し、炭素膜３に対して、一定の繰り返し周波数で照射し、かつ炭素膜３上を走査する。上記の回転機構２３は、回転可能なモータ等を有し、炭素膜３により被覆された工具基体２を保持し、エンドミル形状を有する被加工物にエンドミル軸を中心とする回転運動を与える。上記の移動機構２４上には、上記の回転機構２３が載置される。この移動機構２４は、上記回転機構２３を載置させたまま、その位置を変化させることが出来る。上記の制御部２５は、上記レーザ光照射機構２２、回転機構２３、および移動機構２４を、意図したレーザ加工を行うために適切に制御する。

上記移動機構２４は、水平面に平行な任意の方向、Ｘ方向に移動可能なＸ軸ステージ部２４ｘと、上記Ｘ方向に対して垂直かつ水平面に平行な方向、Ｙ方向に移動方向なＹ軸ステージ部２４ｙと、水平面に対して垂直方向である、Ｚ方向に移動可能なＺ軸ステージ部２４ｚと、を備える。上記のＹ軸ステージ部２４ｙは、上記のＸ軸ステージ部２４ｘ上に設けられている。上記のＺ軸ステージ部２４ｚは、上記のＹ軸ステージ部２４ｙ上に設けられている。このＺ軸ステージ部２４ｚには、上記回転機構２３が固定されており、工具基体２を保持することが出来る。

上記レーザ光照射機構２２は、レーザ光源２６と、ガルバノスキャナ２７と、ＣＣＤカメラ２８と、を備えている。上記のレーザ光源２６は、スポット状に集光させる光学系を有し、Ｑスイッチのトリガー信号によりレーザビームＬとなるレーザ光を発振する。上記のガルバノスキャナ２７により、照射するレーザビームＬは、被加工物である炭素膜上を走査する。保持された状態の炭素膜被覆工具基体２は、上記のＣＣＤカメラ２８により撮像される。そして、工具基体２の加工位置が確認される。

このレーザ光照射機構２２により出射されるレーザビームＬは、シングルモードであり、ビーム断面での光強度分布がガウシアン分布を示す。すなわち、上記ビーム断面の中心を通る任意の直線を、上記断面内で引き、その直線上における光強度を測定した場合、中心点において最も光強度が強くなり、上記ビーム断面の両外側に向かうにしたがって、光強度は弱くなっている。また、図４に示すように、集光点においてビーム断面が楕円形状となっている。
また、レーザ光照射機構２２は、レーザビームＬの走査方向を、楕円形状であるビーム断面の長軸方向または短軸方向に一致させている。これは、レーザビームＬの走査方向が、上記の楕円形状を有するビーム断面の長軸方向または短軸方向に一致せず、長軸または短軸に対して傾いた方向である場合、走査終端部分において、加工形状が傾いてズレが生じてしまうためである。なお、本実施形態では、レーザビームＬの走査方向を、上記ビーム断面の短軸方向に一致させている。

上記レーザ光源２６は、１９０〜５５０ｎｍのいずれかの波長のレーザ光を照射できるものが使用可能であり、例えば本実施形態では、波長３５５ｎｍのレーザ光（Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第三高調波）を発振して出射できるものを用いている。
なお、炭素膜３が、ダイヤモンド膜である場合、レーザビームＬの波長は、３６０ｎｍ以下の紫外線レーザ光を使用する。
レーザ加工工程における、レーザ光源２６の波長は、１９０〜５５０ｎｍがより好ましい。さらに好ましくは、１９０〜３６０ｎｍである。
上記ガルバノスキャナ２７は、移動機構２４の直上に配置されている。また、上記ＣＣＤカメラ２８は、ガルバノスキャナ２７に隣接して設置されている。

上記レーザ加工工程では、ビーム断面の光強度分布がガウシアン分布であるレーザビームＬを、基体刃先２ｂ前方から炭素膜刃先３ｂ近傍におけるすくい面４ａ側または逃げ面４ｂ側の炭素膜３に向けて照射し、さらに、基体刃先２ｂの延在方向に沿って走査して凹面３ａを形成する。ここで、基体刃先２ｂ前方とは、図５の工具断面図において、基体すくい面と基体逃げ面とが交差して出来る角の二等分線を工具基体の外側に延長した時の、この延長線上の点を意味している。また、この延長線は、基体刃先２ｂを支点として０°超、９０°未満の範囲で基体すくい面側または基体逃げ面側に折り曲げて延長されてもよい。また、基体刃先２ｂの延在方向とは、図５における紙面に直交する方向を意味している。

また、レーザ加工工程では、基体刃先２ｂ前方からレーザビームＬを照射するが、移動機構２４やガルバノスキャナ２７を制御して、例えばすくい面４ａまたは逃げ面４ｂに対して２０°以下の角度で炭素膜３に照射する。また、基体刃先２ｂの延在方向、すなわち図１の紙面に垂直な方向にレーザビームＬを走査し、図５に示すように、ビーム走査ラインが１ライン以上１０ライン以下のカスケード状（レーザビームＬの走査ラインをスライドさせながら、それぞれの走査ラインが部分的に重なった状態）に照射を行う。なお、レーザビームＬの集光角度や焦点位置に応じて、走査ラインの数が適宜設定される。本実施形態では、集光される前にレーザビームＬが工具基体２の壁面に当たり、所望の部位への照射が困難なため、１０ライン以下に設定している。

このレーザ加工工程では、レーザビームＬのビーム断面での光強度分布がガウシアン分布を有しているため、レーザビームＬの中心ほど強度が高く、レーザビームＬの中心ほど深く加工されると共に周辺ほど浅く加工される。そのため、炭素膜３の先端（エッジ部分）に当たるレーザビームＬのパワー密度は弱くなる。
なお、炭素膜３によっては、加工表面から１μｍ程度まではダイヤモンドがアモルファスカーボンになる等の構造変化が起こり得る。
加工表面から１μｍ以下の厚さで形成されるアモルファスカーボン層は、切削時に弾性層として機能することにより、炭素膜被覆エンドミル１の切れ刃３ｂのチッピングを抑制する働きを持つ。

このように本実施形態の炭素膜被覆エンドミル１では、炭素膜３には、基体すくい面２ｃ上の領域、および基体逃げ面２ｄ上の領域に、工具基体に向けて凹んだすくい面側の凹面３ａおよび逃げ面側の凹面３ａがそれぞれ形成されている。また、すくい面側の凹面３ａおよび逃げ面側の凹面３ａは、基体刃先２ｂ上で交差して炭素膜３に炭素膜刃先３ｂを形成している。そして、すくい面側の凹面３ａと逃げ面側の凹面３ａの交差する角度θ１は、基体すくい面２ｃと基体逃げ面２ｄとの成す角度θ０より小さい。上記の構成を有することにより、本実施形態の炭素膜被覆エンドミル１は、従来よりもさらに鋭利なエッジを有することができる。すなわち、図１および図５に示されるように、炭素膜刃先３ｂに接触しているすくい面側および逃げ面側の炭素膜３表面が、すくい面４ａおよび逃げ面４ｂの延長面に対してえぐられて凹面化されている。そのため、炭素膜刃先３ｂ部分の炭素膜３が鋭く尖った形に形作られ、従来のようなチャンファを形成するよりも鋭利なエッジを得ることができる。

また、この炭素膜被覆エンドミル１の製造方法では、レーザ加工工程において、ビーム断面での光強度分布がガウシアン分布を示すレーザビームＬを、基体刃先２ｂ前方から、炭素膜刃先３ｂ近傍におけるすくい面４ａ側または逃げ面４ｂ側の炭素膜３に向けて照射している。そして、さらに上記レーザビームＬを、基体刃先２ｂの延在方向に沿って走査することにより、凹面３ａを形成している。上記の構成を有することにより、この炭素膜被覆エンドミル１の製造方法では、図５に示すように、基体刃先２ｂ前方から照射されたレーザビームＬによる炭素膜３の切除痕が断面円弧状となり、高精度に凹面３ａを刃先２ｂに沿って形成することができる。

また、炭素膜３の先端部（エッジ部分）には、レーザビームＬの外周側が当たるため、該先端部におけるレーザビームＬのパワー密度を弱めることができる。その結果、炭素膜３の先端部（エッジ部分）が必要以上に切除されて鈍角になることを防ぐことができる。
さらに、炭素膜形成工程において、予め基体刃先２ｂ上に炭素膜３を他の部分より盛り上げて形成しておくことで、レーザ加工工程における炭素膜３の削りしろを大きく設けている。その結果、この炭素膜被覆エンドミル１の製造方法によって、より深い凹面３ａおよびより鋭利なエッジを形成することが可能になる。

次に、上記本実施形態の炭素膜被覆エンドミルの製造方法により、実際に作製した炭素膜被覆エンドミルの実施例について、図５及び図６を参照して説明する。

本実施例では、波長２６２ｎｍ（Ｎｄ：ＹＬＦレーザ（基本波：波長１０４７ｎｍ）の４倍波）、繰り返し１０ｋＨｚ、平均出力０．１Ｗのレーザ光を照射可能な上記レーザ加工装置により、レーザ光をｆθレンズ（焦点距離ｆ＝１５０ｍｍ）によって集光し、ガルバノスキャナを用いて２５ｍｍ／ｓの走査速度で同じ軌跡を４回走査させて、気相合成によるダイヤモンド被膜を炭素膜３として施したエンドミル１の切り刃２ａを、鋭利に加工した。

なお、準備として、図６に示すように、超硬合金製の工具基体２に平均膜厚１７μｍのダイヤモンドを気相合成により成膜し、切れ刃２ａである逃げ面４ｂとすくい面４ａとのなす稜線部（炭素膜刃先３ｂ）に平均膜厚よりも厚くダイヤモンド膜の炭素膜３を形成した。なお、炭素膜質の測定については、ラマン分光法を用いた。
また、上述したように、切れ刃２ａの部分は、成膜サイトが平面よりも多くなるため、厚くかつラウンド化してダイヤモンド膜（炭素膜３）が成膜されている。

例えば、図１に示すように、まず、工具基体２の基体刃先２ｂからすくい面４ａに沿って１００μｍ以上離れたすくい面４ａ上の領域の平均炭素膜厚を平均膜厚ｔａと定義する。次に、基体刃先２ｂからすくい面４ａに沿って５０μｍ以内までのすくい面上の領域の平均炭素膜厚を平均膜厚ｔｅと定義する。この平均炭素膜厚ｔｅは、レーザ加工前の、上記の厚くかつラウンド化した部分の一部を含んでいる。
本実施例では、上記平均膜厚ｔａを５μｍ以上とした。さらに付け加えて、「ｔｅ＞ｔａ 」の関係になるようにダイヤモンド膜を成膜した。

次に、レーザビームＬの照射方向に対してすくい面４ａおよび逃げ面４ｂを１０°傾け、各々の方向から基体刃先２ｂの稜線に平行にレーザビームＬを走査した。この場合、レーザビームＬは、最終的に形成される炭素膜刃先３ｂの延在方向に平行に走査される。図５に示すように、最初のビーム照射狙い位置Ｐ１は、すくい面４ａおよび逃げ面４ｂの平均高さ（切れ刃２ａの部分に形成された厚くラウンド化された部分は含まない）の延長線４ｄ、４ｃと切れ刃２ａ部分の厚くラウンド化した炭素膜３表面との交点から、炭素膜刃先３ｂの外側へ４μｍずらした位置に設定した。

このように上記製造方法で作製した炭素膜被覆エンドミル１では、工具基体２のすくい角が１９°であるところ、炭素膜３をレーザ加工してできた炭素膜被覆エンドミル１では、すくい角が２１°であり、すくい角がより大きな角度に保たれた。

この本発明の実施例である炭素膜被覆エンドミルについて切削試験を行い、加工面の表面粗さＲｚ（最大高さ）を測定した結果を表１に示す。また、比較例として、レーザ加工していない従来の炭素膜（ダイヤモンド膜）被覆をしたエンドミルについても、同様に測定した結果を表１に併せて示す。なお、ワーク（被削体）としては、アルミニウム合金Ａ７０７５を使用し、切削条件は表１に示す通りである。

この結果からわかるように比較例の炭素膜被覆エンドミルでは、表面粗さＲｚが３μｍであるのに対し、本実施例の炭素膜被覆エンドミルでは、表面粗さＲｚが０．５μｍと大幅に表面粗さが小さくなっており、より平坦に切削加工が出来ている。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

本発明の炭素膜被覆エンドミルは、鋭利な刃先形状を有しているので、切削抵抗が低減される。その結果、本炭素皮膜エンドミルの使用寿命が長くなる。

１ 炭素膜被覆エンドミル
２ 工具基体
２ａ 切れ刃
２ｂ 基体刃先
２ｃ 基体すくい面
２ｄ 基体逃げ面
３ 炭素膜
３ａ 凹面
３ｂ 炭素膜刃先
４ａ すくい面
４ｂ 逃げ面
θ０ 基体すくい面と基体逃げ面との成す角度
θ１ すくい面側の凹面および逃げ面側の凹面の交差する角度

Claims (10)

1. 炭素膜被覆エンドミル（１）であって、
   基体刃先（２ｂ）と、前記基体刃先（２ｂ）を挟んで互いに隣接する基体すくい面（２ｃ）および基体逃げ面（２ｄ）とを有する工具基体（２）と、
   前記基体刃先（２ｂ）、前記基体すくい面（２ｃ）、および前記基体逃げ面（２ｄ）の上に形成された炭素膜（３）とを有し、
   前記炭素膜（３）には、前記基体すくい面（２ｃ）上の領域、および前記基体逃げ面（２ｄ）上の領域に、前記工具基体に向けて凹んだすくい面側の凹面（３ａ）および逃げ面側の凹面（３ａ）がそれぞれ形成され、
   前記すくい面側の凹面（３ａ）および前記逃げ面側の凹面（３ａ）は、前記基体刃先（２ｂ）上で交差して前記炭素膜（３）に炭素膜刃先（３ｂ）を形成しており、
   前記すくい面側の凹面（３ａ）と前記逃げ面側の凹面（３ａ）の交差する角度（θ１）は、前記基体すくい面（２ｃ）と前記基体逃げ面（２ｄ）との成す角度（θ０）より小さいことを特徴とする炭素膜被覆エンドミル。
2. 前記炭素膜がダイヤモンド膜である、請求項１に記載の炭素膜被覆エンドミル（１）。
3. 前記炭素膜刃先に直交する面による、前記すくい面側の凹面（３ａ）および前記逃げ面側の凹面（３ａ）の断面が、円弧形状である、請求項１または２記載の炭素膜被覆エンドミル（１）。
4. 請求項３に記載の炭素膜被覆エンドミル（１）であって、前記すくい面側の凹面（３ａ）および前記逃げ面側の凹面（３ａ）の断面の円弧形状の曲率半径が５μｍから３０００μｍの範囲内である、炭素膜被覆エンドミル（１）。
5. 請求項４に記載の炭素膜被覆エンドミル（１）であって、前記すくい面側の凹面（３ａ）および前記逃げ面側の凹面（３ａ）の、前記炭素膜刃先（３ｂ）と直交しそれぞれの面に沿った方向における幅が１０μｍから２０００μｍの範囲内である炭素膜被覆エンドミル（１）。
6. 請求項４に記載の炭素膜被覆エンドミル（１）であって、前記すくい面側の凹面（３ａ）および前記逃げ面側の凹面（３ａ）の深さが２μｍから１５μｍの範囲内である炭素膜被覆エンドミル（１）。
7. 請求項４に記載の炭素膜被覆エンドミル（１）であって、前記すくい面側の凹面（３ａ）および前記逃げ面側の凹面（３ａ）の、前記炭素膜刃先（３ｂ）と直交する方向における幅が１０μｍから２０００μｍの範囲内であって、
   前記すくい面側の凹面（３ａ）および前記逃げ面側の凹面（３ａ）の深さが２μｍから１５μｍの範囲内である炭素膜被覆エンドミル（１）。
8. 炭素膜被覆エンドミルを製造する方法であって、
   基体刃先（２ｂ）と、前記基体刃先（２ｂ）を挟んで互いに隣接する基体すくい面（２ｃ）および基体逃げ面（２ｄ）とを有する工具基体（２）を用意する基体準備工程と、
   前記工具基体（２）の前記基体すくい面（２ｃ）、前記基体逃げ面（２ｄ）、および前記基体刃先（２ｂ）上に炭素膜（３）を形成する炭素膜形成工程と、
   前記炭素膜（３）にレーザビームを照射して、前記基体すくい面（２ｃ）上の領域、および前記基体逃げ面（２ｄ）上の領域に形成された前記炭素膜（３）を加工して、すくい面側および逃げ面側に、それぞれすくい面側の凹面（３ａ）および逃げ面側の凹面（３ａ）を形成するレーザ加工工程と、を有し、
   前記すくい面側および前記逃げ面側の凹面（３ａ）は、前記基体刃先（２ｂ）上で交差して炭素膜刃先（３ｂ）を形成し、
   前記レーザ加工工程において、前記レーザビームのビーム断面での光強度分布が、ガウシアン分布を示し、
   前記レーザビームを、前記基体刃先（２ｂ）前方から前記炭素膜刃先（３ｂ）近傍における前記すくい面側または前記逃げ面側の前記炭素膜（３）に向けて照射し、
   前記レーザビームは、前記基体刃先（２ｂ）の延在方向に沿って走査することを特徴とする炭素膜被覆エンドミルの製造方法。
9. 請求項８に記載の炭素膜被覆エンドミルの製造方法であって、
   前記炭素膜形成工程において、ＣＶＤ成膜コーティングにより、前記基体刃先（２ｂ）上に前記炭素膜（３）を他の部分より盛り上げて形成する炭素膜被覆エンドミルの製造方法。
10. 請求項８または９に記載の炭素膜被覆エンドミルの製造方法であって、
    前記炭素膜が、ダイヤモンド膜であり、
    前記レーザビームの波長が、３６０ｎｍ以下である炭素膜被覆エンドミルの製造方法。

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