JP2016150345A - 電磁放射線を使用して切削用インサートから材料を除去するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】切削用インサート１００から材料を除去するための方法および装置１０を提供する。【解決手段】電磁放射線の発生源１２が、レーザビーム１４を生成し、レーザビーム１４が、レーザビーム１４の寸法を切り詰めるための開口２０および一様なエネルギ密度を有するレーザビーム１４の断面をもたらすためのホモジナイザを通過する。所定の形状を有するマスク２６が、レーザビーム１４の寸法を小さくし、結像レンズ３０が、レーザビーム１４を切削用インサート１００の表面に投影する。マスク２６の所定の形状が、切削用インサート１００の表面から除去される材料の量の選択的な調節をもたらす。一実施形態においては、マスク２６が、切削用インサート１００の上側すくい面１０２と横腹面１０６との間の交差部分にＴランド表面１０８を生成するための等脚台形の形状を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、切削用インサートの分野に関する。より詳しくは、本発明は、電磁エネルギを使用して切削用インサートから材料を除去する方法に関する。

典型的には、切削用インサートは、いくつかの硬質材料のうちの１つまたはそれらの組み合わせを含むことができる基材で製作される。例えば、切削用インサートを、立方晶チッ化ホウ素（ＣＢＮ）、セラミック、カーバイド、多結晶ダイアモンド（ＰＣＤ）、単結晶ダアモンド、チッ化物層を有する多結晶立方晶ホウ素（ＰＢＣＮ）、ドープされたチッ化物層、ダイアモンド層、ダイアモンド状炭素層、チッ化チタニウムアルミニウム、炭化チタン、炭チッ化チタン、チッ化チタン、および／またはアルミナで構成することができる。刃先が、力による研削、放電研削、エッジ作成（ホーニング）、放電加工（ＥＤＭ）、または同様の作業によって形成される。

典型的には、材料が、研削輪を使用して切削用インサートの基材から除去される。残念ながら、従来の研削技術においては、立方晶チッ化ホウ素（ＣＢＮ）またはダイアモンド粒子を母体に埋め込んでなる金属および／またはセラミックなどの複合材料で作られる研削輪が、材料を充分に高い速度で除去することができないため、材料の除去の速度が不充分である。

研削輪を用いると、材料の除去速度が不充分なだけでなく、除去後の材料の品質も不適切である。例えば、特に４００〜１８００グリットのメッシュサイズを有する研削輪による研削時に、ＰＣＤまたはＣＢＮ粒子が被加工物の母体から除去され、空隙が生じる。結果として、表面の完全性および工具の性能が損なわれる。したがって、切削用インサート（特に、硬質材料で覆われた切削用インサート）からの材料の除去の速度および除去後の材料の品質について、改善の必要が存在する。

切削用インサートから材料を除去するという課題が、電磁放射線の発生源を切削用インサートの表面へと集中させることによって解決される。

本発明の一態様においては、切削用インサートから材料を除去する方法が、レーザビームを切削用インサートの表面に集中させることによって切削用インサートの表面に表面を生成するステップを含む。

本発明の別の態様においては、切削用インサートから材料を除去する方法が、
電磁放射線の発生源を使用してレーザビームを生成するステップと、
レーザビームの断面が一様なエネルギ密度を有するように、レーザビームをホモジナイザに通すステップと、
レーザビームを、レーザビームの寸法を小さくする所定の形状を有するマスクに通すステップと、
レーザビームを切削用インサートの表面へと集中させるステップとを含んでおり、
切削用インサートから除去される材料の量を、マスクの所定の形状を変更することによって選択的に調節することができる。

本発明の別の態様においては、切削用インサートから材料を除去するための装置が、レーザビームを生成するための電磁放射線の発生源と、一様なエネルギ密度を有するレーザビームの断面をもたらすためのホモジナイザと、レーザビームの寸法を小さくするための所定の形状を有するマスクと、レーザビームを切削用インサートの表面に投影するための結像レンズとを備えており、マスクの所定の形状が、切削用インサートの表面から除去される材料の量の選択的な調節をもたらす。

本発明の種々の実施形態が例示されるが、提示される特定の実施形態を、特許請求の範囲を限定するものとして解釈してはならない。種々の変更および改良が、本発明の技術的範囲から離れることなく可能であると考えられる。

本発明の実施形態による切削用インサートから材料を除去するための装置の概略図である。 切削用インサートの表面に投射されるレーザビームの寸法を小さくするためのマスクの種々の形状の概略図である。 本発明の方法を使用することによって製造される切削用インサートおよびＴランド表面（T-land surface）の拡大斜視図である。

ここで図１を参照すると、切削用インサート１００から材料を除去するための本発明の実施形態による装置１０が示されている。装置１０は、所定の周波数および寸法を有するレーザビーム１４を放射する紫外（ＵＶ）エキシマレーザなどの電磁放射線の発生源１２を備えている。例えば、レーザビーム１４は、約２４８ｎｍの周波数および約１０×２４ｍｍの寸法を有することができる。本発明が、レーザビーム１４の周波数および寸法によって限定されるわけではなく、本発明を、切削用インサート１００からの材料の除去に適した任意の所望の周波数および寸法にて実施できることを、理解できるであろう。例えば、レーザビーム１４を、ダイオード励起の半導体（ＤＰＳＳ）レーザなどによって生成することができる。

さらに、装置は、対物レンズ１８を通ってレーザビーム１４を案内する回転ミラー１６をさらに備える。次いで、レーザビーム１４は、開口２０およびホモジナイザ（全体が２２で示されている）を通過する。開口２０が、レーザビーム１４の寸法を切り取る。例えば、レーザビーム１４は、ホモジナイザ２２を出るときに約７×１０ｍｍの寸法を有することができる。ホモジナイザ２２は、レーザビーム１４の断面に一様なエネルギ密度をもたらす。次いで、レーザビーム１４は、回転ミラー２４によって案内されてマスク２６を通過し、その後に回転ミラー２８によって、レーザビーム１４を切削用インサート１００の表面に投射する投影または結像レンズ３０に案内される。切削用インサート１００を、切削用インサート１００をあらかじめプログラムされたとおりにレーザビーム１４に対して移動させるための技術的に周知の形式のＸ−Ｙテーブル２００に取り付けることができる。

上述の本発明の装置１０が、あくまでも例示の目的のためのものにすぎず、本発明の原理を、切削用インサート１００から材料を除去するための所望の特性を有するレーザビームを生成する他の装置において実施できることを、理解できるであろう。

本発明の一態様は、マスク２６が、切削用インサート１００の表面から除去される材料の量を選択的に調節すべくレーザビーム１４の寸法が縮小および集中させられるような所定の形状を有することにある。一実施形態においては、マスク２６が、図２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、レーザビーム１４の縮小および集中のための等脚台形の形状を有する。この実施形態において、マスク２６を、後述のように切削用インサート１００上にＴランド表面を生成するために使用することができる。しかしながら、マスク２６の形状が、切削用インサート１００上に所望の形状を有する表面を生成するための任意の所望の形状であってよいことを、理解できるであろう。例えば、マスク２６は、溝、チャネル、出っ張り、涙滴状の造作、または任意の他の所望の表面を切削用インサート１００上に生成するための形状を有することができる。

定義のとおり、等脚台形は、これを自動的に台形にする向かい合う１対の辺を二等分する対称の線を有している凸状の四角形である。２つの向かい合う辺（底辺）ａ、ｂが、平行であり、残りの２つの辺（脚）ｃ、ｄが、同じ長さである（等脚台形および平行四辺形に共通の性質）。対角線もまた、同じ長さである。等脚台形の底角ｅは、同じ大きさである（実際のところ、等しい底角の組が２つ存在し、一方の底角ｅが、他方の底辺に位置する底角ｆの補角である）。

マスク２６の特定の寸法により、マスク２６に進入するレーザビーム１４が、マスク２６を出た後に特定の寸法を有する。例えば、マスク２６は、マスク２６に進入するレーザビーム１４がマスク２６を出るときに１／１０の寸法を有するような寸法を有することができる。他の寸法比も、本発明の技術的範囲に包含される。このマスク２６によるレーザビーム１４の寸法の変化が、切削用インサート１０から除去される材料の量をマスク２６によって選択的に調節することを可能にする。より具体的には、寸法ａが寸法ｂと比べて小さいほど、レーザビーム１４が切削用インサート１００の表面に投射されたときに切削用インサート１００から除去される材料が少なくなり、その逆も然りである。したがって、マスク２６の寸法ａがゼロ（０）に等しく、寸法ｂがゼロでない（すなわち、マスク２６が三角形の形状を有する）場合、ゼロの寸法ａを有するマスク２６が非ゼロの寸法ｂと比べて切削用インサート１００の表面に投影されるとき、レーザビーム１４によって除去される材料は皆無（または、きわめて少し）である。反対に、マスク２５の寸法ａが寸法ｂに等しい場合（すなわち、矩形）、マスク２６が切削用インサート１００の表面に投影されるときに、同じ量の材料がレーザビーム１４によって除去される。

本発明がマスク２６の特定の寸法ａ、ｂによって限定されるわけではないことを、理解できるであろう。図２（ａ）〜（ｃ）は、マスク２６について考えられるいくつかの寸法ａ、ｂを示しているにすぎない。多数の他の寸法ａ、ｂが本発明の発明者によって想定されており、それらが本発明の技術的範囲に包含されることを、当業者であれば理解できるであろう。

上述のように、等脚台形の形状を有するマスク２６は、切削用インサート１００にＴランド表面を生成することができる。ここで図３を参照すると、切削用インサート１００は、上側すくい面（rake face）１０２、下側すくい面１０４、および横腹面（flank face）１０６を有している。上側すくい面１０２、下側すくい面１０４、および横腹面１０６は、実質的に平坦であってよい。レーザビーム１４は、切削用インサート１００の上側すくい面１０２に実質的に垂直に投射される。しかしながら、寸法ａが寸法ｂよりも小さいため、マスク２６ゆえに、切削用インサート１００の上側すくい面１０２と比べて横腹面１０６に向かってより多くの材料が除去される。レーザビーム１４をあらかじめプログラムされたやり方で切削用インサート１００に対して移動させることによって、上側すくい面１０２に対して角度１１０を有するＴランド表面１０８が、レーザビーム１４によって生成される。角度１１０の大きさを、マスク２６の相対寸法ａ、ｂを変更することによって選択的に調節することができる。例えば、寸法ａを寸法ｂと比べて減らすことによって、より大きな角度１１０を生み出すことができ、より多くの材料を横腹面１０６に向かって除去することができる。反対に、寸法ａを寸法ｂと比べて増やすことによって、より小さな角度１１０を生み出すことができ、より多くの材料を上側すくい面１０２に向かって除去することができる。寸法ａ、ｂが等しい場合、上側すくい面１０２に溝を形成することができる。刃先１１２が、Ｔランド表面１０８と切削用インサート１００の横腹面１０６との間の交差部分に形成される。

図示の実施形態においては、切削用インサート１００が、おおむね多角形の形状を有している。しかしながら、本発明をおおむね円筒形、円形、または任意の他の多角形の形状を有する切削用インサートにおいて実施できることを、理解できるであろう。

本発明の原理は、立方晶チッ化ホウ素、多結晶ダイアモンド、多結晶立方晶チッ化ホウ素層、ダイアモンド層、ダイアモンド状炭素、チッ化チタニウムアルミニウム、炭化チタン、炭チッ化チタン、チッ化チタン、および／またはアルミナからなる硬質コーティングを有する切削用インサートに特に適する。しかしながら、本発明をコーティングを有さない切削用インサートにも適用できることを、理解できるであろう。本発明の発明者が想定する具体的な基材およびコーティングを有さない切削用インサートとして、炭化タングステンを主体とする超硬合金、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）主体のサーメット、多結晶立方晶チッ化ホウ素（セラミック型またはサーメット型のいずれか）、およびアルミナチッ化ケイ素などのセラミックス、ならびにセラミック粒子またはウィスカ（例えば、ジルコニア、炭化タングステン、炭化チタン、炭チッ化チタン、および／またはチッ化チタン）の補強相が分散させられていても、させられていなくてもよいＳｉＡｌＯＮ主体（すなわち、５０体積パーセント超）の材料が挙げられる。

上述のように、本発明の方法は、紫外（ＵＶ）、赤外（ＩＲ）、緑色波長、などの電磁放射線を、投影光学系の焦点の場所においてきわめて高いフルエンス（すなわち、エネルギ密度）で回折限界のスポットへと集中させる。次いで、このスポットが、化学結合を断ち、あるいはこの放射線に曝された基材の材料を昇華（気化）または融解させる。プログラムされた工具の経路が運動システムに伝えられると、高フルエンスの焦点スポットが材料を除去し、切削用インサート上に所望の形状を生み出すことができる。技術的に周知の方式の自動映像エッジ検出技術を、材料除去プロセスの最中の切削用インサートの外形の逸脱を克服および補償するために使用することができる。従来の研削技術と異なり、本発明の方法を使用すると、材料除去ツールと切削用インサートとの間に物理的な接触が存在せず、したがって材料除去のプロセスにおいて切削用インサートの材料に生じる応力が小さくなる。

本発明の方法の一実施形態においては、エキシマレーザが、切削用インサートから材料を除去するために近接場（画像投影）技術を使用する。例えば、エキシマレーザを、上面（すなわち、すくい面）と側面（すなわち、横腹面）との間の交差部分に位置する材料を、切削用インサートにＴランド表面を生み出すようなやり方で除去するために使用することができる。Ｔランド表面の角度を、すくい面と比べて横腹面に向かってより多くの材料を優先的に除去することで、すくい面と横腹面との間の交差部分に所望の角度を生み出すように、マスクの形状を変更し、高フルエンスの焦点面に画像を投影することによって、選択的に調節することができる。

別の実施形態においては、ＤＰＳＳレーザが、材料を除去するために遠距離場結像技術を使用する。一般に、ＤＰＳＳレーザのレーザビームは、光学系の焦点面において材料を除去するためにあらかじめプログラムされた工具の経路を辿るように操作される。他の種類の電磁放射線も、本発明の原理に従って材料を除去するために利用できることを、理解できるであろう。

本明細書において言及される特許および刊行物は、ここに本明細書に援用される。

現時点における好ましい実施形態を説明したが、本発明を、添付の特許請求の範囲の技術的範囲において、他のやり方で具現化することも可能である。

Claims (17)

1. 切削用インサートから材料を除去する方法であって、レーザビームを前記切削用インサートの表面に集中させることによって前記切削用インサートの表面に表面を生成するステップを含む方法。
2. 前記レーザビームが、電磁放射線のビームの寸法を小さくするマスクを通過する請求項１に記載の方法。
3. 前記マスクが、等脚台形の形状を有している請求項２に記載の方法。
4. 前記表面が、Ｔランド表面である請求項３に記載の方法。
5. 前記レーザビームが、エキシマレーザによって生成される請求項１に記載の方法。
6. 前記レーザビームが、ダイオード励起の半導体（ＤＰＳＳ）レーザによって生成される請求項１に記載の方法。
7. 前記レーザビームが、マスクを通過する前にホモジナイザを通過する請求項１に記載の方法。
8. 切削用インサートから材料を除去する方法であって、
   電磁放射線の発生源を使用してレーザビームを生成するステップと、
   レーザビームの断面が一様なエネルギ密度を有するように、前記レーザビームをホモジナイザに通すステップと、
   前記レーザビームを、レーザビームの寸法を小さくする所定の形状を有するマスクに通すステップと、
   前記レーザビームを切削用インサートの表面へと集中させるステップとを含んでおり、
   切削用インサートから除去される材料の量を、前記マスクの所定の形状を変更することによって選択的に調節することができる方法。
9. 前記所定の形状が、等脚台形である請求項８に記載の方法。
10. 前記表面が、Ｔランド表面である請求項９に記載の方法。
11. 前記レーザビームが、エキシマレーザによって生成される請求項８に記載の方法。
12. 前記レーザビームが、ダイオード励起の半導体（ＤＰＳＳ）レーザによって生成される請求項８に記載の方法。
13. 切削用インサート（１００）から材料を除去するための装置（１０）であって、
    レーザビーム（１４）を生成するための電磁放射線の発生源（１２）と、
    一様なエネルギ密度を有する前記レーザビームの断面をもたらすためのホモジナイザ（２２）と、
    前記レーザビーム（１４）の寸法を小さくするための所定の形状を有するマスク（２６）と、
    前記レーザビーム（１４）を前記切削用インサート（１００）の表面に投影するための結像レンズ（３０）とを備えており、
    前記マスク（２６）の前記所定の形状が、切削用インサート（１００）の表面から除去される材料の量の選択的な調節をもたらす装置（１０）。
14. 前記マスク（２６）が、等脚台形の形状を有する請求項１３に記載の装置。
15. 前記マスク（２６）が、切削用インサート（１００）の上側すくい面（１０２）と横腹面（１０６）との間の交差部分にＴランド表面（１０８）を生成する請求項１４に記載の装置。
16. 前記電磁放射線の発生源が、エキシマレーザを含む請求項１３に記載の装置。
17. 前記電磁放射線の発生源が、ダイオード励起の半導体（ＤＰＳＳ）レーザを含む請求項１３に記載の装置。

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