JP2016074572A - 切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】長寿命の切削工具を提供する。【解決手段】切削工具１は、切刃稜４がダイヤモンドで構成されている切削工具であり、切刃稜４を構成するすくい面２と逃げ面３とがなす刃物角θは鋭角であり、切刃稜４の丸みの半径Ｒは０．５μｍ以下であり、少なくとも切刃稜４には導電層が設けられている。前記導電層は、ホウ素が添加されたダイヤモンドを含む。または、前記導電層は、Ｔｉ，Ｎ，Ｃ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕのうちのいずれかの単体の少なくとも一種以上、またはこれらの化合物の少なくとも一種以上を含む膜である。前記導電層は、グラファイトを含むダイヤモンドで構成される。【選択図】図１

Description

この発明は切削工具に関し、より特定的には、ダイヤモンドを含む切削工具に関するものである。

従来、切削工具は、たとえば特開２０１３−３５７３２号公報（特許文献１）に開示されている。

特開２０１３−３５７３２号公報

特許文献１では、単結晶ダイヤモンドの一部に導電性を付与しつつ、上記課題が解決する構造を提供するものである。すなわち、寿命検出機構、接触検出機構を備えた工具の刃先として利用可能な、導電層を有する単結晶ダイヤモンドを提供することを課題としている。当該課題を解決するために、単結晶ダイヤモンドでは、少なくとも一つ以上の層状の導電層が主面にほぼ平行に形成されており、該導電層は絶縁性の単結晶ダイヤモンドの内部に形成されており、該単結晶ダイヤモンドの側面まで導電層が貫通している。

眼鏡レンズなどの樹脂の形状加工において、（１）金型成型による粗形状の生成と、砥石、研磨材を用いた磨きによる仕上げ加工、（２）切削加工においてダイヤモンド焼結体や単結晶ダイヤモンドの工具を用いた粗加工、（３）単結晶ダイヤモンドの精密バイトを用いた仕上げ加工を行っている。バイトによる加工では、湿式切削と乾式切削とが行われるが、切削液処理の問題があるため、乾式切削が増える方向にある。

樹脂レンズ切削において、仕上げ加工は一般に単結晶ダイヤモンドを用いた工具が用いられる。この場合、乾式切削では、工具寿命は切削長さ１００ｋｍ〜２００ｋｍで交換することが多く、場合によっては切削長さ３０ｋｍと極端に短寿命になることがある。

そこで、この発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、長寿命の切削工具を提供することを目的とするものである。

この発明に従った切削工具は、切刃稜がダイヤモンドで構成されている切削工具であり、切刃稜を構成するすくい面と逃げ面とがなす刃物角は鋭角であり、切刃稜の丸みの半径は０．５μｍ以下であり、少なくとも切刃稜には導電層が設けられている、切削工具である。

このように構成された切削工具では、樹脂の切削加工時において放電を防止することができる。

好ましくは、導電層は、ホウ素が添加されたダイヤモンドを含む。
好ましくは、導電層は、Ｔｉ，Ｎ，Ｃ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕのうちのいずれかの単体の少なくとも一種以上、またはこれらの化合物の少なくとも一種以上を含む膜である。

好ましくは、導電層は、グラファイトを含むダイヤモンドで構成される。
好ましくは、導電層は、ダイヤモンドの表面にレーザを照射することで形成される。

好ましくは、導電層は、ダイヤモンドの表面にイオンを注入することで形成される。
好ましくは、絶縁体の切削加工に用いられる。

この発明に従えば、寿命の長い切削工具を提供することができる。

（ａ）は実施の形態に従った切削工具の正面図であり、（ｂ）は切刃稜の拡大図である。 図１（ａ）中の矢印ＩＩで示す方向から見た切削工具の平面図である。 比較例１に従った切削工具のすくい面の写真である。 比較例１に従った切削工具の逃げ面の写真である。 図３中のＶで囲んだ部分を拡大した写真である。 図３中のＶＩで囲んだ部分を拡大した写真である。 図３中のＶＩＩで囲んだ部分を拡大した写真である。 図５の写真をさらに拡大した写真である。 図６の写真をさらに拡大した写真である。 図７の写真をさらに拡大した写真である。 実施例１に従った切削工具のすくい面の写真である。 実施例１に従った切削工具の逃げ面の写真である。 図１２中のＸＩＩＩで囲んだ部分を拡大した写真である。 図１１中のＸＩＶで囲んだ部分を拡大した写真である。 図１１中のＸＶで囲んだ部分を拡大した写真である。 図１３の写真をさらに拡大した写真である。 図１４の写真をさらに拡大した写真である。 図１５の写真をさらに拡大した写真である。 比較例２に従った絶縁性の切削工具の写真である。 図１９中のＸＸで囲んだ部分を拡大した写真である。 図１９中のＸＸＩで囲んだ部分を拡大した写真である。 実施例２に従った導電性の切削工具の写真である。 図２２中のＸＸＩＩＩで囲んだ部分を拡大した写真である。 図２２中のＸＸＩＶで囲んだ部分を拡大した写真である。 比較例３に従った絶縁性の切削工具の写真である。 図２５中のＸＸＶＩで囲んだ部分を拡大した写真である。 図２５中のＸＸＶＩＩで囲んだ部分を拡大した写真である。 実施例３に従った導電性の切削工具の写真である。 図２８中のＸＸＩＸで囲んだ部分を拡大した写真である。 図２８中のＸＸＸで囲んだ部分を拡大した写真である。

（実施の形態）
樹脂レンズを切削加工するために、まず単結晶ダイヤモンド工具が必要であるが、刃先が鋭利なものが必要であり、刃物角（すくい面と逃げ面とのなす角）が鋭角で刃先稜線の丸みは０．５μｍ以下のものが必要である。

樹脂レンズを単結晶ダイヤモンド工具で切削する場合、両者の硬度は大きく異なる。当然、工具材料であるダイヤモンドの硬度が著しく硬い。にも関わらず、ダイヤ工具の刃先が損耗し、短寿命に至ることがある。これは、単純な機械的摩擦による磨耗ではなく、共に絶縁体である樹脂とダイヤモンドが摩擦する際、静電気の発生によって、接触点において微小なプラズマ放電が発生し、その放電のエネルギーによってダイヤモンドの刃先が損傷を受け、このために磨耗する、という現象である。

このような磨耗を防ぐためにはプラズマの発生、静電気の発生、ワークの帯電を防ぐことで実現できる。静電気の発生の防止は、ダイヤモンドに導電性を付与することで実現可能である。一般に単結晶ダイヤモンドにホウ素を添加することで導電性を付与することが可能であることが知られている。

ホウ素を添加するためには、高圧合成中の溶媒材料にホウ素源を添加することや、ＣＶＤ合成中のガス原料の中にホウ素源を加えることでも可能である。

ダイヤモンドそのものに導電性を持たせるためには、前述のようにホウ素を加えることが有効であるが、工具刃先に導電性を持たせることであれば、ダイヤモンドの表面に導電性の膜を成膜することでも同様の効果を得ることが可能である。すなわち、金属膜や導電性のセラミック膜を成膜することで同様の効果が得られる。

金属膜は特に材質を限定しないが、ダイヤモンドにはＴｉやＡｌ、Ｎｉの膜が良好な密着性をもって成膜できることが知られている。

またセラミックの膜は、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮなどの膜であれば良い。
あるいは、ダイヤモンドの表面を炭化させることで表層部のみ導電性を付与することでも同様の効果が得られる。炭化させる方法としては、レーザを照射すること、表面を高温にすること等がある。

またイオン注入することで導電層を形成することが可能である。この方法でも同様の効果を得ることができる。

このような構成を採用することで、加工面精度の向上と寿命の延長を実現でき、特にポリカーボネートのような帯電しやすい材料の加工には絶大な効果が発生する。

前述の方法によりダイヤモンド工具の寿命を５倍以上、伸ばすことが可能となる。
これにより、工具を長く使用した場合には、より長い時間、平滑な加工面を得ることが可能となる。

樹脂を単結晶ダイヤモンドバイトで切削すると短寿命になるのは互いに絶縁物の摩擦により静電気が発生し、鋭利な刃先の周りに不均一な電界が生じることにより放電現象が発生するためと推測される。

絶縁体同士の摩擦により、マイクロプラズマが発生する。このプラズマによって、ダイヤモンドの表面が損傷を受ける。これによってダイヤモンド工具刃先が荒れ、加工面が粗くなる。

少なくともダイヤモンド工具刃先に導電性を付与することでマイクロプラズマの発生を抑えることができる。この結果、放電によってダイヤモンド工具刃先が損傷を受けることがなくなり、結果、工具寿命が長くなる。

特開２０１３−３５７３２号公報には、単結晶ダイヤモンドに少なくとも一つ以上の層状の導電層を設けた切削工具が記載されており、導電層は単結晶ダイヤモンドを水素終端したもの、ボロンドープしたもの、アニールして得られたグラファイト層などとされている。

しかし、この文献では単結晶ダイヤモンド切削工具の記載があるだけで、工具の具体的な特徴は記載されていない。また、導電層を設けることについて、上記先行文献では、切刃が被加工物に接触することを検知したり、切刃の温度を制御して工具寿命を延ばすものであるのに対し、本発明は、絶縁体の切削加工において、静電気の発生によるプラズマ放電が原因で切刃が損傷することを防止し、摩耗を防止することにより工具寿命を延ばすことであり、作用効果が異なる。

図１の（ａ）は実施の形態に従った切削工具の正面図であり、（ｂ）は切刃稜の拡大図である。図２は、図１（ａ）中の矢印ＩＩで示す方向から見た切削工具の平面図である。
図１および図２を参照して、切削工具１では、切刃がダイヤモンドで構成されている。切刃を構成するすくい面２と逃げ面３とがなす刃物角θは鋭角であり、切刃稜４（切刃）の丸みの半径Ｒは０．５μｍ以下であり、少なくとも切刃稜には導電層が設けられている。切削工具１はシャンク１１に取り付けられている。好ましくは、導電層は、ホウ素が添加されたダイヤモンドを含む。好ましくは、導電層は、Ｔｉ，Ｎ，Ｃ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕのうちのいずれかの単体の少なくとも一種以上、またはこれらの化合物の少なくとも一種以上を含む膜である。炭素（Ｃ）単体での形態として、グラファイトの他、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）の形態で切削工具中に存在することができる。

導電層としては導電膜により形成されるもの（真空蒸着、ＣＶＤ、スパッタ）、ダイヤモンドの一部または全部を改質したもの（イオン注入、レーザ加工）がある。

導電層中の元素のうち、単体で存在するものとして、Ｔｉ、Ｎｉ、グラファイト、ＤＬＣ、Ｐｔ、Ａｕがあり、化合物で存在するものとしてＴｉＢ_２、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮがある。

（比較例１）
比較例１では、切削工具はバインダレス多結晶ダイヤモンドで構成された。切削工具は導電性を有していない。切刃稜の丸み（半径Ｒ）は０．５μｍである。切削条件は以下の通りである。
切削速度 ：Ｖｃ＝３８０ｍ／ｍｉｎ
送り ：ｆ＝０．０４ｍｍ／ｒｅｖ
半径方向切込深さ：ａｐ＝０．４ｍｍ／径（片側０．２ｍｍ）
ワーク ：ポリカーボネート
切削距離 ：３０ｋｍ
潤滑 ：乾式
切削結果を図３から１０に示す。図３は、比較例１に従った切削工具のすくい面の写真である。図４は、比較例１に従った切削工具の逃げ面の写真である。図５は、図３中のＶで囲んだ部分を拡大した写真である。図６は、図３中のＶＩで囲んだ部分を拡大した写真である。図７は、図３中のＶＩＩで囲んだ部分を拡大した写真である。図８は、図５の写真をさらに拡大した写真である。図９は、図６の写真をさらに拡大した写真である。図１０は、図７の写真をさらに拡大した写真である。これらの図を参照して、すくい面２では、ワークを構成するポリカーボネートが溶着していた。すくい面２の摩耗は見られなかった。逃げ面３では前境界（図５および８）付近にスパーク痕が見られ、横境界（図７および１０）付近に局所発熱による熱損傷が認められた。

（実施例１）
実施例１では、切削工具はボロンがドープされたバインダレス多結晶ダイヤモンドで構成された。切削工具は導電性を有している。切刃稜の丸み（半径Ｒ）は０．５μｍである。
切削条件は以下の通りである。
切削速度 ：Ｖｃ＝３８０ｍ／ｍｉｎ
送り ：ｆ＝０．０４ｍｍ／ｒｅｖ
半径方向切込深さ：ａｐ＝０．４ｍｍ／径（片側０．２ｍｍ）
ワーク ：ポリカーボネート
切削距離 ：３０ｋｍ
潤滑 ：乾式
切削結果を図１１から１８に示す。図１１は、実施例１に従った切削工具のすくい面の写真である。図１２は、実施例１に従った切削工具の逃げ面の写真である。図１３は、図１２中のＸＩＩＩで囲んだ部分を拡大した写真である。図１４は、図１１中のＸＩＶで囲んだ部分を拡大した写真である。図１５は、図１１中のＸＶで囲んだ部分を拡大した写真である。図１６は、図１３の写真をさらに拡大した写真である。図１７は、図１４の写真をさらに拡大した写真である。図１８は、図１５の写真をさらに拡大した写真である。これらの図を参照して、すくい面２では、ワークを構成するポリカーボネートが溶着していた。すくい面２の摩耗は見られなかった。逃げ面３では前境界および横境界付近にわずかな正常摩耗が認められた。比較例１と比較すると、切刃稜４付近は良好な状態であった。

（比較例２）
比較例２では、切削工具は単結晶ダイヤモンドで構成された。切削工具は導電性を有していない。切刃稜の丸み（半径Ｒ）は０．５μｍである。切削条件は以下の通りである。
切削速度 ：Ｖｃ＝３８０ｍ／ｍｉｎ
送り ：ｆ＝０．０４ｍｍ／ｒｅｖ
半径方向切込深さ：ａｐ＝０．４ｍｍ／径（片側０．２ｍｍ）
ワーク ：ポリカーボネート
切削距離 ：３０ｋｍ
潤滑 ：乾式
切削結果を図１９から２１に示す。図１９は、比較例２に従った絶縁性の切削工具の写真である。図２０は、図１９中のＸＸで囲んだ部分を拡大した写真である。図２１は、図１９中のＸＸＩで囲んだ部分を拡大した写真である。これらの図を参照して、前境界および横境界近傍では放電スパーク痕が多数存在した。スパーク痕付近では衝撃による欠損が発生していた。

（実施例２）
実施例２では、切削工具はボロンがドープされた単結晶ダイヤモンドで構成された。切削工具は導電性を有している。切刃稜の丸み（半径Ｒ）は０．５μｍである。切削条件は以下の通りである。
切削速度 ：Ｖｃ＝３８０ｍ／ｍｉｎ
送り ：ｆ＝０．０４ｍｍ／ｒｅｖ
半径方向切込深さ：ａｐ＝０．４ｍｍ／径（片側０．２ｍｍ）
ワーク ：ポリカーボネート
切削距離 ：３０ｋｍ
潤滑 ：乾式
切削結果を図２２から２４に示す。図２２は、実施例２に従った導電性の切削工具の写真である。図２３は、図２２中のＸＸＩＩＩで囲んだ部分を拡大した写真である。図２４は、図２２中のＸＸＩＶで囲んだ部分を拡大した写真である。これらの図を参照して、前境界付近では小さなスパーク痕が存在し、横境界近傍では微小なチッピングが発生していた。比較例２と比較すると、切刃稜４付近は良好な状態であった。

（比較例３）
比較例３では、切削工具はバインダレス多結晶ダイヤモンドで構成された。切削工具は導電性を有していない。切刃稜の丸み（半径Ｒ）は０．３μｍである。切削条件は以下の通りである。
切削速度 ：Ｖｃ＝３８０ｍ／ｍｉｎ
送り ：ｆ＝０．０４ｍｍ／ｒｅｖ
半径方向切込深さ：ａｐ＝０．４ｍｍ／径（片側０．２ｍｍ）
ワーク ：ポリカーボネート
切削距離 ：３０ｋｍ
潤滑 ：乾式
切削結果を図２５から２７に示す。図２５は、比較例３に従った絶縁性の切削工具の写真である。図２６は、図２５中のＸＸＶＩで囲んだ部分を拡大した写真である。図２７は、図２５中のＸＸＶＩＩで囲んだ部分を拡大した写真である。これらの図を参照して、前境界および横境界近傍では放電スパーク痕が多数存在した。スパーク痕付近では局所的な熱損傷が発生していた。

（実施例３）
実施例３では、切削工具はボロンがドープされたバインダレス多結晶ダイヤモンドで構成された。切削工具は導電性を有している。切刃稜の丸み（半径Ｒ）は０．３μｍである。切削条件は以下の通りである。
切削速度 ：Ｖｃ＝３８０ｍ／ｍｉｎ
送り ：ｆ＝０．０４ｍｍ／ｒｅｖ
半径方向切込深さ：ａｐ＝０．４ｍｍ／径（片側０．２ｍｍ）
ワーク ：ポリカーボネート
切削距離 ：３０ｋｍ
潤滑 ：乾式
切削結果を図２８から３０に示す。図２８は、実施例３に従った導電性の切削工具の写真である。図２９は、図２８中のＸＸＩＸで囲んだ部分を拡大した写真である。図３０は、図２８中のＸＸＸで囲んだ部分を拡大した写真である。これらの図を参照して、明瞭なスパーク痕および欠損は存在しなかった。横境界付近には摩耗が存在した。比較例３と比較すると、切刃稜４付近は良好な状態であった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 切削工具、２ すくい面、３ 逃げ面、４ 切刃稜、１１ シャンク。

Claims (7)

1. 切刃稜がダイヤモンドで構成されている切削工具であり、
   前記切刃稜を構成するすくい面と逃げ面とがなす刃物角は鋭角であり、
   切刃稜の丸みの半径は０．５μｍ以下であり、
   少なくとも前記切刃稜には導電層が設けられている、切削工具。
2. 前記導電層は、ホウ素が添加されたダイヤモンドを含む、請求項１に記載の切削工具。
3. 前記導電層は、Ｔｉ，Ｎ，Ｃ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕのうちのいずれかの単体の少なくとも一種以上、またはこれらの化合物の少なくとも一種以上を含む膜である、請求項１に記載の切削工具。
4. 前記導電層は、グラファイトを含むダイヤモンドで構成される、請求項１に記載の切削工具。
5. 前記導電層は、ダイヤモンドの表面にレーザを照射することで形成される、請求項１または４に記載の切削工具。
6. 前記導電層は、ダイヤモンドの表面にイオンを注入することで形成される、請求項１または４に記載の切削工具。
7. 絶縁体の切削加工に用いられる、請求項１から６のいずれか１項に記載の切削工具。