JP2017047555A - 脆性材料の回転切削用工具および回転切削方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】前記回転切削用工具は、切れ刃稜線上に、マイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置し、前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状である。前記回転切削方法は、前記回転切削用工具を使用する。
【選択図】図2
Description
[1]切れ刃稜線上に、マイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状である、前記工具;
[2]切れ刃稜線上に、同一形状かつ同一寸法のマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍である、前記工具;
[3]切れ刃稜線上に、同一形状かつ同一寸法のマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍であり、
主軸一回転当たりの工具移動量が、被削材の延性モード切削の条件以下である、前記工具;
[4]切れ刃稜線上に、同一形状かつ同一寸法のマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍であり、
主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の基本周期の整数倍である、前記工具;
[5]切れ刃稜線上に、形状及び/又は大きさが段階的に変化するマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍である、前記工具;
[6]切れ刃稜線上に、形状及び/又は大きさが段階的に変化するマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍であり、
主軸一回転当たりの工具移動量が、被削材の延性モード切削の条件以下である、前記工具;
[7]切れ刃稜線上に、形状及び/又は大きさが段階的に変化するマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍であり、
主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の基本周期の整数倍である、前記工具;
[8]前記[1]〜[7]のいずれかの工具を使用する、回転切削方法。
に関する。
本発明を適用することのできる工具としては、脆性材料(例えば、光学ガラス、セラミックス等)の回転切削に用いることのできる工具である限り、特に限定されるものではないが、例えば、旋盤(例えば、正面切削)で使用するバイト(図1)、フライス盤で使用するフライス工具(特にはエンドミル;図2)、ボール盤で使用するドリル(図3)、および周期構造を有する多刃工具(図4)等を挙げることができる。
例えば、上記の微細構造を有するボールエンドミルを直線状に移動させた場合、工具の進行方向に沿って延びる複数の曲線状の条痕(溝)であって、進行方向に垂直な方向の横断面が三角形状である条痕が仕上げ面に生成される。正面切削の場合、渦巻き状に連続して延びる条痕(溝)であって、横断面が三角形状である条痕が仕上げ面に生成される。ドリルの場合、めねじ形状に延びる条痕(溝)であって、横断面が三角形状である条痕が仕上げ面に生成される。
なお、微細構造9の後に、頂点の角度が180度に近い微細構造を更に配置すると、実質的に平滑な仕上げ面を生成することができる。
前記の「整数倍」は1以上の正の整数であって、間隔毎に設定することができる。本発明の工具においては、隣接する微細構造の各間隔は、全て同一(すなわち、等間隔)であることもできるし、あるいは、間隔毎に同一及び/又は相違していることもできる。
具体的には、本発明の工具には、例えば、
(A)切れ刃稜線上に、同一形状かつ同一寸法のマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍である、前記工具;
(B)切れ刃稜線上に、形状及び/又は大きさが段階的に変化するマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍である、前記工具;
が含まれる。
(A−1)主軸一回転当たりの工具移動量が、被削材の延性モード切削の条件以下となる条件下で使用することのできる、前記工具(A);
(A−2)主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の基本周期の整数倍となる条件下で使用することのできる、前記工具(A);
が含まれる。前記工具(A−1)は、平滑な仕上げ面を生成するために使用することができ、前記工具(A−2)は、任意の表面性状を有する仕上げ面を生成するために使用することができる。
(B−1)主軸一回転当たりの工具移動量が、被削材の延性モード切削の条件以下となる条件下で使用することのできる、前記工具(B);
(B−2)主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の基本周期の整数倍となる条件下で使用することのできる、前記工具(B);
が含まれる。前記工具(B−1)は、平滑な仕上げ面を生成するために使用することができ、前記工具(B−2)は、任意の表面性状を有する仕上げ面を生成するために使用することができる。
図12は、前記工具(A−1)をボールエンドミルに適用した、本発明の工具の一態様について、ボールエンドミル切削において、切れ刃稜線上に設けた微細構造が被削材の加工面に切込む状態を模式的に示す説明図である。
図16は、図15における1番の微細構造の領域に注目し、仕上げ面の生成過程を示す模式的説明図である。
延性モード切削を達成できる限界切込量は、例えば、使用する工作機械および回転切削用工具の種類、被削材および回転切削用工具の材料、回転切削の各種実施条件(例えば、工具または被削材の回転数、工具または被削材の送り速度、被削材への工具切れ刃の切込量、工具または被削材の傾斜角、切削液等)等により変動するため、後述の実施例に示すように、回転切削の実施予定の条件下において、予備実験を行い、例えば、脆性破壊の有無や加工面の状態を評価指標として、微細構造の形状および大きさ、並びに配置方法を決定することができる。
あるいは、微細構造の形状および大きさ、並びに配置方法を予め決定しておき、予備実験において、回転切削の各種条件を変化させながら、前記評価指標により好適実施条件を決定することにより、本発明を実施することができる。
本発明により、脆性損傷を発生させることなく、平滑な仕上げ面または任意の表面性状を有する仕上げ面を生成できる理由について、本発明は以下の作用機序に限定されるものではないが、本発明者は以下の作用機序を考えている。
回転切削において切れ刃稜線形状の変化(所謂、凹凸)により脆性損傷が発生する原因の一つに、図17に示すように切れ刃2または被削材9が一回転するまでに稜線上各位置の切れ刃の切込量が局所的に変化し、過大な切込みとなる箇所から脆性損傷が発生することが考えられる。この現象は、後述の実施例における比較例に示すように、仮に凹凸のない稜線を有する切れ刃(例えば、後述の実施例における比較例)を用いたとしても、脆性損傷が発生したため、回転切削中に切れ刃稜線形状の不規則な変化が起こり、その結果、図17と同じ状態になっていることが推測される。
しかし、図18に示すように、特定形状を有する複数の微細構造4を切れ刃2の稜線上に規則的に配置した場合、突発的な過大な切込量の発生を抑制することにより、切込量を延性モード切削条件以下とすることが可能であり、その結果、局所的な切込量の増大および応力状態の変化が起こらず、材料除去領域の全て(但し、回転切削の初期段階を除く)で脆性損傷を起こさずに延性モード切削が行えるものと考えられる。
本実施例における切削試験では、切れ刃稜線上に周期2μm、振幅1.0μmの三角波状の微細構造を成形した刃数1枚の工具ノーズ半径0.5mmの単結晶ダイヤモンド製ボールエンドミルを用いてソーダライムガラス基盤に対して溝切削を行い、仕上げ面性状(平滑面)の観察により脆性損傷への影響を評価した。
9・・・被削材;91・・・仕上げ面。
Claims (8)
- 切れ刃稜線上に、マイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状である、前記工具。 - 前記の複数の微細構造が、同一形状かつ同一寸法のマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍である、請求項1に記載の工具。 - 主軸一回転当たりの工具移動量が、被削材の延性モード切削の条件以下である、請求項2に記載の工具。
- 主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の基本周期の整数倍である、請求項2に記載の工具。
- 前記の複数の微細構造が、形状及び/又は大きさが段階的に変化するマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍である、請求項1に記載の工具。 - 主軸一回転当たりの工具移動量が、被削材の延性モード切削の条件以下である、請求項5に記載の工具。
- 主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の基本周期の整数倍である、請求項5に記載の工具。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載の工具を使用する、回転切削方法。
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