JP2016112678A - ダイヤモンド焼結体ボールエンドミルとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤモンド焼結体の表面粗さを小さくして被削材の高精度な加工を行える。【解決手段】ダイヤモンド焼結体ボールエンドミル１は、工具本体２の先端の刃部３に半球状の球体面を形成した。刃部３はダイヤモンド粒子Ｃの凸部と結合剤Ｃｏの凹部との焼結体からなる。しかも、刃部３は放電加工によって半球状に形成し、更に刃部３の表面の凸部と凹部を研磨加工して研磨前の２μｍの面粗さを研磨後に最大１μｍ以下、平均０．１８μｍ以下に設定した。研磨加工によって、凸部の表面に付着している熱影響層の劣化したダイヤモンド、酸化物、放電加工のワイヤの成分が溶けたＣｕやＺｎ等を除去し、大きく突出するダイヤモンド粒子も除去した。しかも、刃部３の半球状の面は逃げ角が０°であり、切削加工できる。【選択図】図１

Description

本発明は、超硬合金、セラミックス、ガラスや焼き入れ鋼等の硬脆性材料や高硬度鋼材等を切削加工するのに適するダイヤモンド焼結体ボールエンドミルとその製造方法に関する。

近年、超精密機械加工分野において、切削加工して高精度な金型や部品等を切削加工する際、被削材として超硬合金、ガラス、セラミックス、焼き入れ鋼等の硬脆材や高硬度鋼材を用いて、小さい表面粗さで高精度の切削加工を行う例えば外径１〜２ｍｍ程度の小径のボールエンドミルが要望されている。これらの場合、小型の超精密金型や超精密部品としてレンズ成形金型や半導体部品等を切削加工する。
このような硬脆材や高硬度鋼材等からなる被削材をボールエンドミルで切削加工する場合、高硬度なダイヤモンドと結合剤のコバルト等を高温高圧で焼結したダイヤモンド焼結体からなるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルが提案されている。

このようなダイヤモンド焼結体からなる切削工具として、例えば特許文献１に記載されたボールエンドミルが提案されている。このボールエンドミルは、工具本体の台金に接合される刃部として、半球状の多結晶ダイヤモンド焼結体からなる多結晶焼結ダイヤ層が放電加工によって半球状に形成されている。この刃部は、微細なダイヤモンド粒子をＮｉ、Ｃｏ等の結合剤と混ぜて高温高圧で焼結してなり、一般的にはＰＣＤ（Polycrystalline Diamond）と呼ばれている。刃部は半球状の球体面の表面に多結晶焼結ダイヤ層としてダイヤモンド粒子の凸部が多数形成されており、その外径が０．０５ｍｍ〜２．０ｍｍである。

特許文献１に記載されたボールエンドミルは、上述した放電加工で多結晶焼結ダイヤ層を半球状に形成すると、ダイヤモンド粒子の焼結体が凸部として突出し、ＣｏやＮｉ等の結合剤が放電加工時に抜けることで凹部となる。
そして、このボールエンドミルによって超硬合金等の被削材を切削するには、ボールエンドミルを高速回転させながら切り込んで横移動させ、刃部のダイヤモンド粒子からなる極めて微少な凸部が被削材に切り込むことで切削加工を行うことができる。

実用新案登録第３１６１４２３号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載されたボールエンドミルで被削材を切削加工し、例えばレンズ金型等の超精密金型や半導体部品等の超精密部品を製造する場合、半球状に形成した多結晶焼結ダイヤ層におけるダイヤモンド粒子の凸部が不規則な形状を呈するため多結晶焼結ダイヤ層の表面粗さが大きくなってしまい、レンズ金型等の加工精度が十分に高精度なものが得られないという欠点があった。

しかも、放電加工によって半球状の多結晶ダイヤ層を形成するために、多結晶ダイヤ層の表面に放電加工用ワイヤの成分であるＣｕやＺｎ等が溶着したり、酸化物が付着したりすることがあった。また、ダイヤモンド焼結体を高温高圧で焼結したものをワイヤ放電加工で半球状に形成するため、最表面のダイヤモンド粒子が炭化してグラファイト化することもあった。
そのため、ボールエンドミルの多結晶焼結ダイヤ層の表面に上述した熱影響層が形成されたり、ワイヤ成分やその他の不純物が付着したりすることによっても凹凸部の表面粗さが大きくなってしまい、被削材の加工面粗さを低下させるという欠点があった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、ダイヤモンド焼結体の表面粗さを小さくして被削材の高精度な加工を行えるようにしたダイヤモンド焼結体ボールエンドミルとその製造方法を提供することを目的とする。

本発明によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルは、ダイヤモンド焼結体ボールエンドミルであって、工具本体の先端の刃部が半球状の球体面を有し、該半球状の球体面の表面はダイヤモンド粒子と結合剤の焼結体の凸部を研磨加工してなることを特徴とする。
本発明によれば、刃部の半球状の球体面は表面がダイヤモンドとコバルト等の結合剤の焼結体からなっていてダイヤモンドの凸部とコバルト等の結合剤の凹部とで比較的面粗さの大きい凹凸形状を呈しており、その凸部を研磨加工することで、凸部等に付着している高温高圧で焼結した際に劣化したダイヤモンド粒子や酸化物等を除去することでダイヤモンド焼結体本来の組成でない劣化した成分を除去するため、加工時に生成する切屑や加工面にクラックが入ることを抑制して高精度の切削加工を行える。

また、刃部はダイヤモンド焼結体を放電加工によって略半球状に形成すると共に、その表面を研磨加工してなることを特徴とする。
本発明によれば、ダイヤモンド焼結体を放電加工によって半球状に形成する際に放電ワイヤや電極の成分である銅や亜鉛等が表面に付着しており、これを研磨によって除去することで不純物の少ない面粗度の良好な刃部を形成できる。

また、刃部の半球状の球体面は逃げ角が０°であることを特徴とする。
刃部の半球状の球体面における逃げ面の逃げ角が０°であると逃げ面の凸部によっても切削加工を行える。

刃部の半球状の球体面は表面粗さが最大１μｍ以下に設定されていることが好ましい。
また、刃部の球体面は表面粗さが平均０．１８μｍ以下に設定されていることが好ましい。
刃部の半球状の球体面の表面粗さが最大１μｍ以下、そして平均０．１８μｍ以下に設定されていることで、高精度な切削加工を行えると共に切屑や加工面にクラックが生じることを抑制して面粗さの小さい高精度な加工面が得られる延性モード切削を行える。

また、刃部は半球状の球体面に付着する酸化物が１０ｗｔ％以下であることが好ましい。
ダイヤモンド焼結体の球体面に付着する酸化物を表面の研磨によって１０ｗｔ％以下にすることで、耐摩耗性が上がり面粗さの小さい切削加工面を得られる。

また、本発明によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルでは、刃部は半球状の球体面を平面で切除したすくい面と、該すくい面と球体面との交差稜線からなる切刃とを有しており、切刃は−１０°から−８０°の負角のすくい角を有していることを特徴とする。
本発明によれば、刃部のダイヤモンド焼結体の表面を研磨して凸部と凹部の面粗さを向上できる上に半球状の球体面をすくい面で除去してすくい角が負角の切刃を形成することで切刃強度を確保して切り込みを大きくできて、切れ味と切削効率が向上する。

また、刃部は半球状の球体面とすくい面との交差稜線からなる切刃が半球状の球体面の半径の−５％から＋５％の範囲の芯上がりまたは芯下がりに設定されていることが好ましい。
切刃を芯上がりまたは芯下がりに形成することで刃部の回転軸線近傍の低速域での切刃の欠損を防ぐと共に、この領域ではダイヤモンド粒子の凸部によって高精度に切削加工できる。また、切刃の刃先によって切り込みが大きい利点がある。

また、本発明によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルでは、刃部はすくい面と切刃とを回転軸線に対して両側に対向させて形成したことを特徴とする。
切刃を刃部の回転軸線の両側に対向させて形成したことで加工効率が向上する。

また、刃部の先端において、回転軸線の両側に形成した切刃間の幅は半球状の球体面の半径の１〜１０％に設定されていることが好ましい。
回転軸線の両側に形成した切刃をそれぞれ芯上がりに形成したことで、刃部の回転軸線近傍の低速域での両側の切刃の欠損を防ぐと共に、この領域ではダイヤモンド粒子の凸部によって高精度に被削材を切削加工できる。

また、切刃にはネガランドまたはホーニングを形成してもよい。
切刃にネガランドまたはホーニングを形成することで、切刃の刃先を強化できると共に加工面や切屑にクラックが生じることを抑制して延性モード切削を進めて加工面の面粗さが向上する。

また、切刃におけるダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子の粒子径は３０μｍ以下に設定されていることが好ましい。
ダイヤモンド焼結体の粒子径が３０μｍ以下であれば高精度の切削加工を行える。

本発明によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルの製造方法は、工具本体の先端の刃部が半球状の球体面を有すると共に、その球体面の表面はダイヤモンド粒子と結合剤によるダイヤモンド焼結体の凸部を研磨加工してなり、半球状の球体面をワイヤ放電加工、型彫り放電加工、レーザ加工、研削（研磨）加工の少なくとも１つ以上の手段によってすくい面となる平面に切除することで、該平面と球体面との交差稜線からなる切刃を形成するようにしたことを特徴とする。
本発明によれば、ダイヤモンド焼結体の半球状の球体面を、ワイヤ放電加工、型彫り放電加工、レーザ加工、研削（研磨）加工の少なくともいずれかの手段で平面に切除して、平面と球体面との交差稜線からなる切刃を形成することで、ワイヤ放電加工、型彫り放電加工、レーザ加工、研削（研磨）加工のいずれかの手段で切除したすくい面となる平面に、当該加工手段に基づく表面粗さが形成される。その表面粗さの凹部が切削加工時に油溜まりを形成するので生成された切屑が付着しにくく、切刃による切削時の潤滑性が高くなる。

本発明によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルによれば、工具本体の先端の刃部が半球状の球体面を有し、該半球状の球体面の表面はダイヤモンド粒子とコバルト等の結合剤の焼結体を研磨加工してなるため、ダイヤモンド焼結体の表面に突出するダイヤモンド粒子を研磨すると共に表面に付着する高熱で劣化したダイヤモンド粒子や酸化物等の不純物を研磨によって除去したため、表面の面粗さが小さくなり被削材の加工精度が一層向上する。
しかも、ダイヤモンド焼結体の表面の面粗さが向上するために切削加工によって生じる被削材の切屑が付着することを妨げるので被削材の加工精度が一層向上するという利点が得られる。

また、本発明によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルの製造方法によれば、ワイヤ放電加工、型彫り放電加工、レーザ加工、研削（研磨）加工の少なくともいずれかの手段で切除した切刃のすくい面に、当該加工手段に基づく表面粗さが形成され、その表面粗さの凹部が切削加工時に油溜まりを形成するので生成された切屑が付着しにくく、切刃による切削時の潤滑性が高くなる。

本発明の第一実施形態によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルの刃部を示すものであり、（ａ）は側面図、（ｂ）は先端面図である。 図１に示すボールエンドミルの刃部のダイヤモンド焼結体を示す部分拡大図であり、（ａ）は実施形態による研磨した形状、（ｂ）は研磨しない形状を示す図である。 （ａ）は実施形態によるダイヤモンド焼結体の表面粗さを示す図、（ｂ）は研磨しないダイヤモンド焼結体の表面粗さを示す図である。 （ａ）は実施形態によるダイヤモンド焼結体の凸部と凹部の測定ポイント１，２を示す拡大図、（ｂ）は研磨しないダイヤモンド焼結体の凸部と凹部の測定ポイント１，２を示す拡大図である。 （ａ）は実施形態によるダイヤモンド焼結体のラマン分光分析結果の図、（ｂ）は研磨しないダイヤモンド焼結体のラマン分光分析結果の図である。 第一実施形態によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルによる切削状態を示す要部斜視図である。 （ａ）は一般的な切削工具による切削メカニズムを示す図、（ｂ）は（ａ）より刃先の切り込みを浅くした場合の切削メカニズムを示す刃先の拡大図である。 （ａ）は従来のダイヤモンド焼結体による切削状態の図、（ｂ）は実施形態のダイヤモンド焼結体による切削状態の図である。 実施形態と従来技術によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルで切削した切屑の形状を示すものであり、（ａ）は切り込み深さ０．５μｍ、（ｂ）は切り込み深さ１μｍ、（ｃ）は切り込み深さ２μｍの場合の切屑形状の図である。 レンズ金型の加工形状を示す図である。 図１０に示すレンズ金型に対する実施形態のＰＣＤボールエンドミルによる送り切削経路を示す平面図である。 図１１において、実施形態によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルの加工角度を示す図である。 図１２に示す加工角度に応じた、実施形態と従来技術による被削材の加工面形状を示す拡大図であり、（ａ）はレンズ金型の中央付近（０°）、（ｂ）は２５°付近、（ｃ）は４５°付近の加工面形状の図である。 レンズ金型の中央付近の加工面粗さを示す図であり、（ａ）は実施形態、（ｂ）は従来技術の図である。 レンズ金型の２５°付近の加工面粗さを示す図であり、（ａ）は実施形態、（ｂ）は従来技術の図である。 レンズ金型の４５°付近の加工面粗さを示す図であり、（ａ）は実施形態、（ｂ）は従来技術の図である。 切削加工後のダイヤモンド焼結体ボールエンドミルの先端面図であり、（ａ）は実施形態の図、（ｂ）は従来技術の図である。 切り込み深さによる実施形態と従来技術によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルで切削した加工溝を示す図であり、（ａ）は切り込み深さ０．５μｍ、（ｂ）は切り込み深さ１μｍ、（ｃ）は切り込み深さ２μｍの図である。 実施形態と従来技術によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルで切削した加工溝の溝中央における外観を示す図であり、（ａ）は切り込み深さ０．５μｍ、（ｂ）は切り込み深さ１μｍ、（ｃ）は切り込み深さ２μｍの図である。 実施形態と従来技術によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルで切削した加工溝の溝縁部における外観を示す図であり、（ａ）は切り込み深さ０．５μｍ、（ｂ）は切り込み深さ１μｍ、（ｃ）は切り込み深さ２μｍの図である。 本発明の第二実施形態によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルを示すものであり、（ａ）は要部側面図、（ｂ）は（ａ）から９０度異なる方向から見た要部側面図である。 第二実施形態によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルの先端面図である。 第二実施形態によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルによる切削状態を示す要部斜視図である。 刃部の切刃のすくい角の範囲を示す説明図である。 すくい面の芯下がりと芯上がりの範囲を示すダイヤモンド焼結体ボールエンドミルの変形例の図である。 刃部における回転軸線の両面に対向して芯上がりのすくい面を形成したダイヤモンド焼結体ボールエンドミルの別の変形例の図である。

以下、本発明の第一実施形態によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミルについて図１乃至図２０に沿って詳述する。
図１において、本実施形態によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミル１は、工具本体２の先端部が例えば略半球状の球体面を有するダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）からなる刃部３として形成されている。刃部３はその外径Ｄが例えば１ｍｍからなり、実際には半球形状より大きく球体に近い球体面形状を有している。そのため、刃部３は工具本体２の先端より拡径された外径形状を有している。

工具本体２は、例えば超硬合金、ｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体等からなる材質とされている。本実施形態では、ダイヤモンド焼結体からなる刃部３と工具本体２を一体にしてその基部にろう付けしている。また、工具本体２としてダイヤモンド焼結体を用いた場合はソリッド工具にすることができ、工具本体２として超硬合金やｃＢＮ焼結体等を用いた場合には、ダイヤモンド焼結体からなる刃部３の最大外径より小径となる部分までを上記材質で形成して、この刃部３を工具本体２にろう付けしてもよい。工具本体２はその中心の回転軸線Ｏ回りに回転可能とされている。

刃部３のダイヤモンド焼結体は、微細な多結晶のダイヤモンド粒子ＣをＣｏ（またはＮｉ）等の結合剤と混ぜて高温高圧で焼結したものであり、更に放電加工によって略半球状に形成されている。なお、本実施形態で用いるダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子Ｃの粒径は３０μｍ以下に設定するものとする。粒径が３０μｍより大きいとすくい面の間隔が大きくなって切れ味が低下し、被削材８の切削による高精度な加工面粗さを達成できない。
ダイヤモンド焼結体からなる刃部３は、図２（ｂ）に示すように多数のダイヤモンド粒子Ｃの凸部５と結合剤Ｃｏからなる凹部６とからなっていて、ダイヤモンド粒子の凸部５は不規則な形状を有している。凹部６は放電加工によって結合剤Ｃｏが抜け落ちることで形成され、それによって多数のダイヤモンド粒子が残って凸部５を形成し、この凸部５が切刃として被削材を切削加工する。

そして、本実施形態による刃部３は高温高圧の焼結時に刃部３であるダイヤモンド焼結体の表面に熱影響層という劣化したダイヤモンドが付着し、更に酸素を含む酸化物が付着している。また、放電加工によって先端を半球状に形成する際、放電加工用のワイヤ成分である銅Ｃｕや亜鉛Ｚｎ等が溶けて付着している。そのため、刃部３のダイヤモンド焼結体の成分は本来、ダイヤモンドＣと結合剤Ｃｏだけのはずであるが、上述した不純物である劣化したダイヤモンド、酸化物、Ｃｕ，Ｚｎ等が表面に付着している。この現象はダイヤモンド焼結体の表面だけに現れる。

そして、本実施形態である刃部３のダイヤモンド焼結体は略半球状の表面全体を砥石によってくまなく研磨することによって形成されている。これによって、ダイヤモンド焼結体の表面に付着している熱的影響を受けた劣化したダイヤモンド、不純物である酸化物、Ｃｕ，Ｚｎ等の多くが除去されている。そのため、図２（ａ）に示すように凸部５はより平坦化されている。
なお、砥石による刃部３のダイヤモンド焼結体の研磨厚さ（深さ）は例えば３μｍ〜２０μｍの範囲とするが、ダイヤモンド砥粒Ｃの粒径によって増減調整可能である。また、砥石に代えて、バレルやラップ盤（鋳鉄の基板にダイヤモンドパウダーを塗布したスカイフ盤）等によってダイヤモンド焼結体の表面を研磨してもよい。
そのため、刃部３の表面のダイヤモンド焼結体は図２（ｂ）に示す研磨前(従来技術と同様)の面粗さは凸部５と凹部６の差が大きく例えば最大２μｍ程度、平均０．３μｍ程度であったが、図２（ａ）に示す研磨後の最大の面粗さＲｚは１μｍ以下、平均の面粗さＲａは０．１８μｍ以下となっている。そのため、本実施形態によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミル１は面粗さの小さい高精度な切削加工を行える。

以下、本実施形態によるダイヤモンド焼結体の刃部３の図２（ａ）、（ｂ）に示す研磨後と研磨前のダイヤモンド粒子Ｃの凸部５と結合剤Ｃｏの凹部６を備えた表面形状の具体例について説明する。図３（ａ）、（ｂ）は図２（ａ）、（ｂ）に示すダイヤモンド焼結体の刃部３の表面粗さを示すものである。研磨前の従来技術によるダイヤモンド焼結体の表面の面粗さは、図３（ｂ）で示すように、最大面粗さＲｚ＝２．０４００μｍ、平均面粗さＲａ＝０．３０１６μｍであるが、研磨後の実施形態によるダイヤモンド焼結体の表面の面粗さは、図３（ａ）で示すように、最大面粗さＲｚ＝０．９２４７μｍ、平均面粗さＲａ＝０．１７９７μｍであり、約１／２になっている。

次に、実施形態によるダイヤモンド焼結体の刃部３の表面における、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す研磨後と研磨前のダイヤモンドの凸部５の分析箇所であるポイント１と結合剤Ｃｏの凹部６の分析箇所であるポイント２の成分を分析した。その結果は下記の表１、表２に示す通りである。本実施形態による研磨後の凸部５と凹部６の図４（ａ）に示すポイント１、２には、表１に示すようにそれぞれダイヤモンドＣと結合剤Ｃｏが多く表れており、不純物は検出されていない。またドレシングによって突出するダイヤモンド粒子が抜けることもあるため、より平坦化されている。
一方、研磨前の凸部５と凹部６の図４（ｂ）に示すポイント１には、表２に示すようにダイヤモンドＣと結合剤Ｃｏ以外に、不純物として酸化物Ｏ、銅Ｃｕ、亜鉛Ｚｎが検出され、ポイント２には更にタングステンＷが検出されている。

また、表１，２で検出された炭素Ｃはダイヤモンド結晶かグラファイトという炭化したダイヤか不明であるため、これらについてラマン分光分析を行った。ラマン分光分析測定を行った結果、図５（ａ）、（ｂ）に示す測定結果が得られた。即ち、図５（ａ）において、実施形態による凸部５のダイヤモンド粒子Ｃでは、ダイヤモンド粒子Ｃのピーク値である１３３２ｃｍ^-１が測定され、高温焼結によるグラファイトは検出されなかった。
一方、図５（ｂ）において、従来技術による凸部５のダイヤモンド粒子ではＧバンド１５８０ｍ^-１、Ｄバンド１３５０ｍ^-１、Ｄ´バンド１６２０ｍ^-１が測定され、グラファイトが検出されたが、上述したダイヤモンド粒子のピーク値は検出されなかった。そのため、実施形態による刃部３のダイヤモンド焼結体では従来技術で表面の凸部５を被覆する炭化されたダイヤモンドが研磨によって除去されたことを検出できる。

次に本実施形態によるダイヤモンド焼結体（以下、簡便のためにＰＣＤという）ボールエンドミル１を用いた切削方法の具体例について図６以降によって説明する。
図６において、本実施形態によるＰＣＤボールエンドミル１によって被削材として超硬合金からなる被削材８の溝加工を行った。切削に際してＰＣＤボールエンドミル１の刃部３を回転軸線Ｏ周りに回転切削を行いながら被削材８に所定深さＡａだけ切り込ませ、溝加工の切り込み深さＡａを変えながら横送り切削加工を行う。そして、ダイヤモンド焼結体の凸部５による回転切削加工によって送り方向の一方の側部には切屑が盛り上がり、対向する他方の側部には切屑が流動して分断され加工面の周辺に飛び散ることになる。

ここで、切削加工における延性モード切削のメカニズムについて図７、図８によって説明する。
図７（ａ）において、単結晶ダイヤモンドのバイトを用いて脆性材である超硬合金やセラミック等の被削材８を回転させながら刃部３で切削を行う場合、切り込み厚さが１μｍ以上であるとして、被削材８は切刃３ａで生じる切屑がすくい面９の方向にまた被削材８の一部が逃げ面１０の方向にそれぞれ引っ張られるため、切刃３ａの領域に両方への引っ張り応力が集中してクラックが発生する。
一方、図７（ｂ）に示すように、被削材８への切り込み深さを０．１μｍ以下に小さくして刃部３を拡大して示した場合、静水圧の応力で押しつけ圧力や引張応力をなくすと被削材にクラックが入らず、切屑を流動させながら切削することになる。これが一般的な延性モード切削の原理である。

これに対し、図８（ａ）に示すように、従来技術によるＰＣＤボールエンドミルでは、上述した研磨をしていないダイヤモンド焼結体の刃部３におけるダイヤモンド粒子Ｃの凸部５と結合剤Ｃｏの凹部６からなる半球状の部分で切削加工すると、凸部５や凹部６の凹凸差が大きいため、凸部５のすくい角γが小さく引っ張り応力で被削材にクラックが生じてしまい、切屑が細かく分断されてしまうために延性モードにならなかった。
一方、図８（ｂ）に示す本実施形態によるＰＣＤボールエンドミル１では、ダイヤモンド焼結体による刃部３における凸部５と凹部６の面粗さが小さいため、切屑と被削材８にクラックが入らず延性モード切削になる。しかも、凸部５の切刃はすくい角γが大きな負角になり、切屑を盛り上げて長い切屑が生じる。

本実施形態によるＰＣＤボールエンドミル１は、半球状の刃部３における凸部５を研磨してより平坦化することで研磨後の凸部５と凹部６の面粗さをより小さく設定できることで、延性モード切削の原理によって平板状の切屑を延ばし被削材８にクラックが入らない延性モード切削を行える。
しかも、通常、延性モード切削は切り込み０．１μｍまであるが、本実施形態によるＰＣＤボールエンドミル１では、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように被削材８の切削加工によって、切り込み０．１μｍに限らず、０．５μｍ、１μｍ、２μｍまで延性モード切削が可能であり、従来技術の１０倍から２０倍の切り込みに亘って延性モード切削を行えることがわかった。図９に示す切屑を生成する切削条件は下記の表３に示す通りである。

次に本実施形態によるＰＣＤボールエンドミル１による上述した延性モード切削を立証するために、超硬合金の被削材８によるレンズ金型１２の切削加工結果を図６に示すＰＣＤボールエンドミル１を用いて図１０から図２１によって具体的に説明する。
被削材として超硬合金からなる図１０に示す凹曲面１２ａのレンズ金型１２を切削加工するものとし、実施形態によるＰＣＤボールエンドミル１によって三次元切削加工を行う。切削に際し、刃部３の切り込み深さＡａを０．５μｍとし、図１１に示すようにＰＣＤボールエンドミル１を凹曲面１２ａに対して縦送りしつつ１μｍ（＝ａｒ）のピッチで横送りしてＵターンさせてジグザグ状の軌跡Ｋで送り切削加工するものとした。そして、レンズ金型１２の凹曲面１２ａは半径Ｒ＝０．７５ｍｍの球面レンズ形状とした。
ＰＣＤボールエンドミル１を用いてレンズ金型１２の凹曲面１２ａをレンズ形状に３次元加工するために用いた切削条件は下記の表４に示すとおりである。

本実施形態によるＰＣＤボールエンドミル１で切削加工したレンズ金型１２の図１２に示す中央断面の凹曲面１２ａにおいて、円弧形状の中心点をＰとして、中心点Ｐから降ろす垂線と凹曲面１２ａの円弧形状線との交点をａとし、この垂線に対して２５°の角度の中心点Ｐからの線と凹曲面１２ａとの交点をｂ、４５度の角度の線との交点をｃとした。そして、各交点ａ，ｂ，ｃの領域における切削加工面の拡大図を示すと図１３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のようになる。比較のためにダイヤモンド焼結体の表面の凸部５を研磨しない従来技術のＰＣＤボールエンドミルによる切削加工面の交点ａ，ｂ，ｃの領域の拡大図も同様に図１３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）で示した。

図１３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す結果から、実施形態による凹曲面１２ａの切削加工面にはＰＣＤボールエンドミル１の切削加工による走行跡は生じなかった。一方、従来技術では、ＰＣＤボールエンドミルの切削加工による走行跡がスジ状に残っており、ダイヤモンド焼結体の凸部５の研磨による凹曲面１２ａの面粗さの違いを確認できた。
また、図１４、図１５、図１６はレンズ金型１２の凹曲面１２ａの上記交点ａ，ｂ，ｃの領域における実施形態と従来技術によるＰＣＤボールエンドミルによる切削加工面の表面粗さの測定データを示すものである。これらのグラフから、測定箇所である交点ａ，ｂ，ｃの領域における最大表面粗さＲｚ、平均面粗さＲａについて表５に示す測定結果が得られた。
そのため、本実施形態によるレンズ金型１２の凹曲面１２ａの切削加工について加工面粗さの向上は従来技術の２倍〜３倍という顕著な効果が得られた。

次に図１７は上述したレンズ金型１２の凹曲面１２ａを切削加工した後のＰＣＤボールエンドミル１の刃部３におけるダイヤモンド焼結体の表面での切屑の付着状態を示すものである。同図（ａ）に示す実施形態によるＰＣＤボールエンドミル１の刃部３では球体面の凸部５と凹部６の面粗さが小さくダイヤモンド粒子表面が平滑化しているために切屑がほとんど付着しておらず、加工が進んでも刃部３の切れ味は良好に維持できることを認識できる。一方、同図（ｂ）に示す従来技術によるＰＣＤボールエンドミルでは凸部５と凹部６の面粗さが大きいので多くの切屑が付着しており切削が進むと切れ味が低下することを認識できた。

また、図１８において、実施形態によるＰＣＤボールエンドミル１と従来技術によるＰＣＤボールエンドミルによって超硬合金による被削材８の溝加工を帯状に行った。各ＰＣＤボールエンドミルによる溝加工に際し、切り込み深さＡａ＝０．５μｍ、１μｍ、２μｍにそれぞれ設定して送り切削した。切り込み深さに応じて切削加工した加工溝の加工面形状が図１８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に開示されている。
従来技術の場合には、送り方向に沿った加工面には筋状の加工跡とその加工跡上の筋に沿って周囲に飛散した細かな切屑が開示されている。一方、実施形態の場合には送り方向に沿った筋状の加工跡はほとんどなく、比較的薄く幅広の切屑が加工面に沿って飛散している。

また、図１９、図２０は図１８に示す溝加工面の拡大図である。図１９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は切り込み深さ０．５μｍ、１μｍ、２μｍに応じた被削材８における加工溝の溝中央に飛散した切屑の状態を示す。また、図２０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は切り込み深さ０．５μｍ、１μｍ、２μｍに応じた被削材８における加工溝の溝縁部に飛散した切屑の状態を示す。

従来技術のＰＣＤボールエンドミルは、ダイヤモンド粒子Ｃの凸部５と結合剤Ｃｏの凹部６との間の面粗さが最大Ｒｚ＝２μｍ、平均Ｒａ＝０．３μｍと大きく加工面と切屑にクラックが生じ易いために、延性モード切削によらず、比較的細かく分断された切屑が飛散している。一方、実施形態のＰＣＤボールエンドミル１は、研磨されたダイヤモンド粒子Ｃの凸部５と結合剤Ｃｏの凹部６との間の面粗さが最大Ｒｚ＝１μｍ、平均Ｒａ＝０．１８μｍであって加工面と切屑にクラックが生じにくいために、延性モード切削による比較的長い切屑が生成されて飛散している。

上述したように本第一実施形態によるＰＣＤボールエンドミル１によれば、刃部３がダイヤモンド粒子Ｃの凸部５と結合剤Ｃｏによる凹部６によって半球状に形成されていてその表面の凸部５を研磨して表面に付着した高温高圧で劣化したダイヤモンド粒子や酸化物Ｏ、放電加工用ワイヤの成分が溶け出した銅Ｃｕと亜鉛Ｚｎ等の不純物を除去すると共に、大きく突出するダイヤモンド粒子Ｃも研磨で除去したため、ダイヤモンド焼結体の表面層における凸部５と凹部６で生成する面粗さを最大Ｒｚ＝１μｍ以下、平均Ｒａ＝０．１８μｍ以下と小さく設定できる。

そのため、超硬合金等の被削材８の加工面精度が高く、しかも延性モード切削によって脆性破壊することなく長い切屑を生成することができる。即ち、半球状の刃部３の表面は凸部５と凹部６の面粗さが小さいため切屑に働く引っ張り応力をなくして高静水圧応力によってクラックを生じない長い切屑を生成できると共に加工面の面粗さが小さく高精度な加工面を形成できるという延性モード切削を行える。
しかも、刃部３の被削材８に対する切り込み深さが０．５μｍ程度の浅いものに限定されることなく、１μｍ〜２μｍに至るまで深い切り込み切削においても同様に延性モード切削を行えるという効果を奏する。

以上、本発明の第一実施形態によるＰＣＤボールエンドミル１を説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の異なる形態や態様を採用できることはいうまでもない。これらはいずれも本発明の範囲に含まれる。
次に本発明の他の実施形態や変形例について説明するが、上述した実施形態の部分や部品と同一または同様なものについては同一の符号を用いて説明を行うものとする。

次に本発明の第二実施形態によるＰＣＤボールエンドミル２０について図２１から図２３に基づいて説明する。
図２１から図２３において、本第二実施形態によるダイヤモンド焼結体ボールエンドミル２０は、工具本体２の先端部が例えば略半球状のダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）を形成し、その外周面には多数のダイヤモンド粒子Ｃの凸部５と結合剤Ｃｏの凹部６とで半球面状の凹凸形状を有している刃部３を形成している。

しかも、半球状の刃部３のダイヤモンド焼結体はその表面を砥石によって研磨することによって、ダイヤモンド焼結体の表面に付着している高熱で劣化した熱影響層のダイヤモンド粒子Ｃ、結合剤Ｃｏ，酸化物、放電ワイヤから溶解した成分のＣｕ，Ｚｎ等の不純物を含む劣化層の多くが除去されて１μｍ以下の小さな面粗さを有している。
このようにして成形された第一実施形態による略半球状のダイヤモンド焼結体の刃部３を斜めにカットしたすくい面２１を形成することで本第二実施形態によるＰＣＤボールエンドミル２０が形成されている。

本第二実施形態によるＰＣＤボールエンドミル２０は、図２１（ａ）、（ｂ）及び図２２に示すように、すくい面２１が略半球状の外周面２２の工具本体２との接合部付近から工具本体２の中心軸線Ｏと交差するように例えば約４０°の平面で切除されて構成されている。そして、ダイヤモンド焼結体からなる半球状の外周面２２とすくい面２１との交差稜線が略円形を呈する切刃２３を構成している。しかも、この刃部３は工具本体２の中心軸線Ｏを中心とする回転方向に応じてすくい面２１の回転方向前方を向く一方の半円弧状の稜線が切刃２３を構成する。

すくい面２１における切刃２３のすくい角αは−４０°の負角に設定されている。また、切刃２３の逃げ面は研磨したダイヤモンド粒子Ｃの凸部５と結合剤Ｃｏの凹部６とで凹凸形状を形成した外周面２２に形成されており、切刃２３の逃げ角は０°に設定されている。そのため、工具本体２を中心軸線Ｏ回りに回転させながら横送りすると、略半球状の刃部３の回転によって半円弧状の切刃２３で被削材を回転切削しながら切刃２３の逃げ面である略半球状の外周面２２においてもダイヤモンド粒子の凸部５によって切削加工を行う。
しかも、本第二実施形態では、刃部３も研磨されたダイヤモンド粒子Ｃの凸部５と結合剤Ｃｏからなる凹部６とで凹凸形状を形成している。

次に、本第二実施形態によるＰＣＤボールエンドミル２０におけるすくい面２１の成形方法について説明する。
すくい面２１の成形方法はダイヤモンド焼結体からなる半球状の外周面２２を斜めに切除するものであれば、適宜成形方法を採用できる。例えば、砥石による機械研削（研磨）によってすくい面２１を形成してもよい。砥石による機械研削は手間がかかるが、すくい面２１の仕上げ面粗さが良いという利点がある。
また、他のすくい面２１の成形方法を説明すると、例えばワイヤ放電加工によって半球状の刃部３からすくい面２１を切除して形成してもよい。この場合、全加工行程をワイヤ放電加工で行ってもよいし、粗加工をワイヤ放電で行って仕上げ研削（研磨）加工を砥石による機械研削で行ってもよい。仕上げ加工を砥石で行うとワイヤ放電加工よりも仕上げ面粗さが小さくなる。

また、他の成形方法として、型彫り電加工によって半球状の刃部３からすくい面２１を切除して形成してもよい。この場合、全加工行程を型彫り放電加工で行ってもよいし、粗加工を型彫り放電加工で行って、仕上げ研削（研磨）加工を砥石による機械研削で行ってもよい。
同様に、レーザ加工によって半球状の刃部３からすくい面２１を切除してもよい。この場合、全加工行程をレーザ加工で行ってもよいし、粗加工をレーザ加工で行って、仕上げ研削（研磨）加工を砥石による機械研削で行ってもよい。
いずれの場合も仕上げ加工を砥石による機械研削で行うと、手間がかかるが仕上げ面粗さが向上する利点がある。

しかも上述したいずれかのすくい面２１の成形方法を用いた場合において、すくい面２１の表面粗さを適度に粗く形成し、例えば面粗さ３μｍ〜１０μｍの範囲に設定すると、表面の凹凸の凹部に切削油剤を貯留できて油溜まりを形成できる。この場合、すくい面２１に切刃２３で生成した切屑が刃先に付着することを油溜まりによって抑制できる。また、切刃２３近傍の油溜まりに貯留する油剤が切刃２３の潤滑性を向上させて摩耗を抑制する効果により、切削抵抗が軽減して耐欠損性を向上させる。

本第二実施形態によるＰＣＤボールエンドミル２０は上述した構成を備えているから、図２３に示すように、被削材８の溝加工を行うためにＰＣＤボールエンドミル２０を深さＡａに亘って切り込ませて横送り切削して、超硬合金の被削材８に切削加工する。その際、刃部３の回転軸線Ｏ回りの回転によって刃部３の切刃２３によって被削材を切削加工して生成される切屑をすくい面２１を通して排出させる。その際、切刃２３のすくい角は負角α（例えばα＝-４０°）であるため、被削材が超硬合金のような高硬度材料であっても刃先強度が高く、ダイヤモンド焼結体からなる切刃２３を欠損することなく切削加工できる。

しかも、略半球状の刃部３に形成された切刃２３の逃げ面は逃げ角が０度であるため、逃げ面のダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子Ｃの凸部５によっても被削材を切削加工する。その際、刃部３の切り込み深さＡａに応じて刃部３の周縁部に切屑を盛り上げると共に、切刃２３によって超硬合金の切屑を生成してすくい面２１上を流通させる。更に、切刃２３の逃げ面である刃部３の略半球状の研磨された凸部５のダイヤモンド焼結体は凹部６との面粗さが最大Ｒｚ＝１μｍ以下と小さいため、クラックを生じにくく長い切屑と面粗さの小さい良好な加工面を得られる延性モード切削を行うことができる。

従って、本第二実施形態によるＰＣＤボールエンドミル２０によれば、略半球状の刃部３の一部をすくい面２１で切除した負角αの切刃２３によって超硬合金等の被削材８を切削加工できると共に、切刃２３の逃げ面をなすと共に刃部３の研磨したダイヤモンド粒子Ｃの凸部５と結合剤Ｃｏの凹部６による略半球状の一部をなすダイヤモンド焼結体によって、切屑や加工面にクラックを生じ難い延性モード切削を行える。
そのため、刃部３の全周を略半球状に形成した第一実施形態によるＰＣＤボールエンドミル１よりも切刃２３の切り込みを５〜１０倍深くすることができて切削効率が向上し、焼き入れ鋼のような高硬度材や超硬合金、セラミック等の硬脆材による被削材８を高効率で面粗さの良好な切削加工を行える。

しかも、ダイヤモンド焼結体からなる半球状の外周面２２の一部を切除してすくい面２１を形成することで、選択されたいずれかの加工方法に応じてすくい面２１にその表面粗さによる微細な凹凸が形成される。そしてワークの切削加工時に、切刃２３近傍のすくい面２１の凹部に切削油剤が貯留され、凹部内の切削油剤が切刃２３に供給されることで潤滑性を向上させて摩耗を抑制する効果により、切削抵抗が軽減して耐欠損性を向上させる。

また、本第二実施形態によるＰＣＤボールエンドミル２０では、ワイヤ放電加工、型彫り放電加工、レーザ加工を用いてすくい面２１と切刃２３を形成することで、切刃２３のエッジがチャンファや刃先ホーニングと同様な形態が得られるため、切刃強度を向上できる。また、すくい面２１の表面粗さを例えば最大３μｍ〜１０μｍに設定して適度に粗くすることで微細な凹部に油溜まりを形成でき刃先への切屑付着の防止や耐欠損性、耐摩耗性を向上できる。

なお、略半球状でダイヤモンドＣと結合剤Ｃｏからなるダイヤモンド焼結体の刃部３を研磨した後、すくい面２１を切除して負角のすくい角αを形成して稜線に切刃２３を形成したＰＣＤボールエンドミル２０において、切刃２３のすくい角αは−４０°に限定されるものではない。図２４に示すように少なくとも−１０°から−８０°をなす範囲で適宜のすくい角αを設定できる。しかも、少なくとも切刃２３近傍がすくい面２１となる平面を有していればよい。
ここで、切刃２３のすくい角αが上記範囲であれば切刃２３の欠損を防いで第一実施形態による半球状の刃部３と比較してより高い切り込みで切削加工が行える。一方、すくい角αが−１０°より大きいと、超硬合金のような高硬度な被削材を切削加工する際に切刃２３を欠損し易いおそれが生じる。また、すくい角αが−８０°より小さいと負角が大きすぎて切刃２３の切れ味が著しく低下して切削加工を効率よく行えない。

また、変形例によるＰＣＤボールエンドミル２０において、略半球状の刃部３では、すくい面２１の切刃２３は先端部で回転軸線Ｏと交差するように形成したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。
例えば図２５に示すように切刃２３Ａは芯上がりに形成してもよいし、或いは切刃２３Ｂとして芯下がりに形成してもよい。この場合、刃部３の先端部において、基準となるすくい面２１を形成する回転軸線Ｏと先端部で交差する切刃２３のすくい角αを−１０°〜−８０°の範囲として、すくい面２１を形成する切刃２３の芯上がりと芯下がりの範囲は、回転軸線Ｏと刃部３の先端部との交差部を中心として回転軸線Ｏに直交する方向に、略半球状の刃部３の半径をＲ（＝０．５ｍｍ）として±２％の範囲内に設定するものとする。例えば、刃部３の半径Ｒを５００μｍとして±２５μｍの範囲に設定することが好ましい。

また、他の変形例によるＰＣＤボールエンドミル２０として、図２６に示すように、上述したダイヤモンド焼結体からなる略半球状の刃部３において、回転軸線Ｏの両側に同一のすくい角αを有するすくい面２１をそれぞれ形成し、すくい面２１と略半球状の外周面２２との交差稜線が切刃２３を構成している。これらのすくい角αは負角−１０°〜−８０°の範囲に設定されている。また、一対のすくい面２１と切刃２３は回転軸線Ｏに対して線対称及び回転対称に設定されていることが好ましい。
しかも、対向する一対の切刃２３は芯上がりに形成されており、各切刃２３の先端部の回転軸線Ｏからの芯上がりの長さＳは刃部３の半径Ｒの１〜５％の範囲に設定されていることが好ましい。例えば、刃部３の半径Ｒを５００μｍとして芯上がりの長さＳは±２５μｍの範囲に設定することが好ましい。各切刃２３を芯上がりに形成することで回転軸線Ｏ近傍の低速域での切刃２３の欠損を防ぐと共に切刃２３による切り込みが大きく、この領域ではダイヤモンド粒子Ｃの凸部５によって延性モード切削で高精度に切削加工することができる。

なお、上述した第二実施形態やその変形例によるＰＣＤボールエンドミル２０では、切刃２３にネガランドや丸ホーニングを形成してもよい。これによって刃先強度を向上させて耐摩耗性を向上できる。
また、放電加工として実施形態ではワイヤ放電加工によってダイヤモンド焼結体の刃部３に半球状の球体面を形成したが、ワイヤ放電加工に代えて形彫り放電加工等で行ってもよい。また、刃部３の先端に半球状の球体面を形成するに際し、必ずしも放電加工によって行わなくてもよく、例えば砥石で研磨して半球状または部分的な球面形状に形成してもよい。

１、２０ ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）ボールエンドミル
２ 工具本体
３ 刃部
５ 凸部
６ 凹部
８ 被削材
１２ レンズ金型
１２ａ 凹曲面
２１ すくい面
２２ 外周面
２３ 切刃

Claims (13)

1. ダイヤモンド焼結体ボールエンドミルであって、
   工具本体の先端の刃部が半球状の球体面を有し、該半球状の球体面の表面はダイヤモンド粒子と結合剤によるダイヤモンド焼結体の凸部を研磨加工してなることを特徴とするダイヤモンド焼結体ボールエンドミル。
2. 前記刃部はダイヤモンド焼結体を放電加工によって略半球状に形成すると共に、その表面を研磨加工してなる請求項１に記載されたダイヤモンド焼結体ボールエンドミル。
3. 前記刃部の半球状の面は逃げ角が０°である請求項１または２に記載されたダイヤモンド焼結体ボールエンドミル。
4. 前記刃部の球体面は表面粗さが最大１μｍ以下に設定されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載されたダイヤモンド焼結体ボールエンドミル。
5. 前記刃部の球体面は表面粗さが平均で０．１８μｍ以下に設定されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載されたダイヤモンド焼結体ボールエンドミル。
6. 前記刃部は球体面に付着する酸化物が１０ｗｔ％以下である請求項１乃至５のいずれか１項に記載されたダイヤモンド焼結体ボールエンドミル。
7. 前記刃部は半球状の球体面を平面で切除したすくい面と、該すくい面と球体面との交差稜線からなる切刃とを有しており、前記切刃は−１０°から−８０°の負角のすくい角を有している請求項１から６のいずれか１項に記載されたダイヤモンド焼結体ボールエンドミル。
8. 前記刃部は半球状の球体面とすくい面との交差稜線からなる切刃が半球状の球体面の半径の−５％から＋５％の範囲の芯上がりまたは芯下がりに設定されている請求項７に記載されたダイヤモンド焼結体ボールエンドミル。
9. 前記刃部はすくい面と切刃とを回転軸線に対して両側に対向させて形成した請求項７または８に記載されたダイヤモンド焼結体ボールエンドミル。
10. 前記刃部の先端において、前記回転軸線の両側に形成した切刃間の幅は前記半球状の球体面の半径の１〜１０％に設定されている請求項９に記載されたダイヤモンド焼結体ボールエンドミル。
11. 前記切刃にはネガランドまたはホーニングを形成した請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載されたダイヤモンド焼結体ボールエンドミル。
12. 前記切刃におけるダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子の粒子径は３０μｍ以下に設定されている請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載されたダイヤモンド焼結体ボールエンドミル。
13. 工具本体の先端の刃部が半球状の球体面を有すると共に、その球体面の表面はダイヤモンド粒子と結合剤によるダイヤモンド焼結体の凸部を研磨加工してなり、
    前記半球状の球体面をワイヤ放電加工、型彫り放電加工、レーザ加工、研削加工の少なくとも１つ以上の手段によってすくい面となる平面に切除することで、該平面と球体面との交差稜線からなる切刃を形成するようにしたことを特徴とするダイヤモンド焼結体ボールエンドミルの製造方法。