JP3013447B2 - 多結晶ダイヤモンド工具およびその製造方法 - Google Patents

多結晶ダイヤモンド工具およびその製造方法

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JP3013447B2
JP3013447B2 JP3000583A JP58391A JP3013447B2 JP 3013447 B2 JP3013447 B2 JP 3013447B2 JP 3000583 A JP3000583 A JP 3000583A JP 58391 A JP58391 A JP 58391A JP 3013447 B2 JP3013447 B2 JP 3013447B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、非鉄金属や非金属の仕
上げ加工に最適な、刃立性に優れた多結晶ダイヤモンド
工具およびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】ダイヤモンドは硬度と熱伝導率が高いた
め、切削工具や耐摩工具として使用されている。しか
し、単結晶ダイヤモンドは劈開するという欠点があり、
この欠点を抑制するために、たとえば特公昭52−12
126号公報に記載されているように超高圧焼結技術を
用いてダイヤモンド同志を焼結したダイヤモンド焼結体
が開発されている。
【0003】しかしながら、これらのダイヤモンド焼結
体は5%〜10%の結合材を含有するため、構成する粒
子単位でチッピングが生じるという問題点を有してい
た。
【0004】そこで、ダイヤモンド焼結体の代わりに結
合材を含有していない多結晶ダイヤモンド、すなわち低
圧気相法により構成された多結晶ダイヤモンドを工具素
材とした切削工具が発明者らによって考案された。この
ような多結晶ダイヤモンドを素材とした切削工具の例が
特開平1−212767号公報に示されている。図8は
多結晶ダイヤモンド工具の一例を示した断面構造図であ
る。この多結晶ダイヤモンド工具は工具支持体4の表面
上にろう付部5を介して多結晶ダイヤモンドチップ3が
固定されている。チップ3はシリコン(Si)などの基
材1の表面上に低圧気相法を用いて合成された多結晶ダ
イヤモンド層2を用いている。チップ3は多結晶ダイヤ
モンド層2が基材1の表面上に形成された状態で工具支
持体4にろう付け固定される。その後、研磨加工を用い
て基材1を除去し、すくい面6を形成し、また多結晶ダ
イヤモンド層2の側面を研磨加工して逃げ面7を形成
し、さらに刃先部8が形成されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図8に
示すような多結晶ダイヤモンド工具においては、基材1
の除去のための研削加工、および刃先部の成形加工に問
題が生じる。すなわち、基材1を効率よく除去するため
には粒度の大きいダイヤモンド砥石による研削加工を施
す必要がある。しかしながら、粒度の大きい砥石を使用
すると刃先部8に大きなチッピングが生じる。また、こ
のチッピングを抑制するためにダイヤモンド砥石の粒度
を細かいものを用いると、基材1の除去のための加工時
間がかさみ、加工効率が低下してコストは増大するとい
う問題が生じる。
【0006】したがって、この発明は上記のような問題
点を解消するためになされたもので、研削加工により形
成される刃先部に生じるチッピングを抑制し、かつ加工
効率に優れた多結晶ダイヤモンド工具およびその製造方
法を提供することを目的とする。
【0007】
【0008】
【課題を解決するための手段】 請求項〜請求項に係
る発明による多結晶ダイヤモンド工具は、薄板状の基材
と、この基材の表面上に低圧気相法により合成された多
結晶ダイヤモンド層との積層体からなる工具素材と、工
具素材を支持する工具支持体とを有している。そして、
多結晶ダイヤモンド層の成長表面が工具支持体との接合
面となるように工具素材と工具支持体とが接合されてい
る。さらに、基材の裏面は工具のすくい面を構成し、多
結晶ダイヤモンド層の側面は工具の逃げ面を構成してい
る。そして、すくい面と逃げ面との間にネガランドを形
成することにより多結晶ダイヤモンド層の側面に工具の
刃先部を形成したことを特徴としている。
【0009】請求項10に係る多結晶ダイヤモンド工具
の製造方法は、まず基材の表面上に低圧気相法により多
結晶ダイヤモンド層を構成する。次に、基材を所定の厚
さに研磨して工具のすくい面を形成する。さらに、多結
晶ダイヤモンド層の側面に工具の逃げ面を形成する。そ
して、すくい面と逃げ面との間にネガランドを形成す
る。
【0010】請求項11に係る多結晶ダイヤモンド工具
の製造方法は、まず基材の表面上に低圧気相法により多
結晶ダイヤモンド層を合成する。次に基材を所定の厚さ
に研磨して工具のすくい面を形成する。そして、多結晶
ダイヤモンド層の成長表面が接合面となるように工具素
材を工具支持体に接合する。そして、多結晶ダイヤモン
ド層の側面に工具の逃げ面を形成する。さらに、すくい
面と逃げ面との間にネガランドを形成する。
【0011】
【作用】請求項1に係る多結晶ダイヤモンド工具におい
て、多結晶ダイヤモンド層の表面に基材を残余し、これ
を工具すくい面として用いることにより基材の 加工
を排除して加工効率を向上することができる。また、す
くい面と逃げ面との間にネガランドを形成して多結晶ダ
イヤモンド層の側面に刃先部を形成することにより刃立
性の優れた刃先部を形成することができる。
【0012】請求項2に係る多結晶ダイヤモンド工具で
は、ネガランドの形状は、すくい面に対する角度が2°
〜20°であり、幅が0.3〜3mmに規定されてい
る。このネガランドの角度を20°以上に設定すると切
削抵抗が大きくなり仕上面の粗度が低下する。また、そ
の角度を2°以下に規定する場合は刃先処理が非常に困
難となる。
【0013】請求項3に係る多結晶ダイヤモンド工具
は、刃先部の位置を多結晶ダイヤモンド層と基材との境
界位置からすくい面に直交する方向に沿って20μm以
内の位置に形成している。この刃先部の位置は上記のネ
ガランドの形状に対応して定められており、刃先部は多
結晶ダイヤモンド層の側面に形成される。これにより、
基板に近い層の微粒ダイヤ部分を刃先として利用するこ
とができる。
【0014】請求項4に係る多結晶ダイヤモンド工具
は、刃先部のチッピングの大きさが0.5〜5μmに形
成されている。これにより、刃立性が向上し、微細加工
を行なうことができる。
【0015】請求項5に係る多結晶ダイヤモンド工具
は、基材の厚さは0.1〜1mmに形成されている。基
材の厚さが1mm以上になると切屑の排出が悪くなり、
刃先の溶着が大きくなって仕上面の粗度が低下する。ま
た、基材の厚さが0.1mm以下ではろう付け処理や刃
先処理の際に亀裂が生じやすくなる。
【0016】請求項6に係る多結晶ダイヤモンド工具
は、基材Si、SiC、Si34、Mo、Wのうちの
いずれかの材料からなる。これらの材料は、多結晶ダイ
ヤモンドと線膨脹係数が似通っているため、基材と多結
晶ダイヤモンド層との密着性が向上する。
【0017】請求項7に係る多結晶ダイヤモンド工具
は、多結晶ダイヤモンド層の結晶粒径の大きさが0.5
〜15μmに形成されている。多結晶ダイヤモンド層の
粒径が15μm以上の場合には靭性が低下し、刃付時の
チッピングが増大するとともに切削時の刃先欠損が生じ
やすくなる。また、粒径が0.5μm以下の場合には耐
磨耗性が低下する。
【0018】請求項8に係る多結晶ダイヤモンド工具
は、多結晶ダイヤモンド層の厚さが0.05〜1mmに
形成されている。この厚さが1mm以上の場合には、該
多結晶ダイヤモンド工具を仕上工具として使用する場合
に磨耗量に対して過剰な厚みとなる。また、この厚みが
0.05mm以下の場合には、ろう付け加工時に結合力
で亀裂が入りやすくなる。
【0019】請求項に係る多結晶ダイヤモンド工具
は、工具支持体超硬合金または鋼のいずれかの材料
らなる。これにより、工具自体の強度確保される
【0020】請求項10および請求項11に係る多結晶
ダイヤモンド工具の製造方法は、研削加工を用いて多結
晶ダイヤモンド工具を効率よく製造することができる。
【0021】
【実施例】以下に、この発明による多結晶ダイヤモンド
工具の構造および製造方法について図1ないし図6を用
いて説明する。
【0022】まず、図1を参照して、Si、SiC、S
3 4、Mo、Wなどの材料のいずれかからなる基材
1の表面上に低圧気相法を用いて多結晶ダイヤモンド層
2を合成する。低圧気相法としては、熱電子放射やプラ
ズマ放電を利用して原料ガスの分解・励起を生じさせる
方法、あるいは燃焼炎を用いた成膜方法が有効である。
原料ガスとしては、たとえばメタン、エタン、プロパン
などの炭化水素類、メタノール、エタノールなどのアル
コール類、エステル類などの有機炭素化合物と水素とを
主成分とする混合ガスが一般的に用いられる。これ以外
にはアルゴンなどの不活性ガスや二酸化炭素、水なども
ダイヤモンドの合成反応やその特性を阻害しない範囲内
で原料中に含有されてもかまわない。このような低圧気
相法により、基材1の表面上に多結晶ダイヤモンドの平
均粒径が0.5〜15μmとなるように構成される。
【0023】次に、図2を参照して、たとえばダイヤモ
ンド砥石などを用いて基材1を研削加工して所定の厚み
に形成する。基材1の厚みは0.1〜1mm程度に設定
される。その後、レーザビーム12により基材1および
多結晶ダイヤモンド層2を所定の工具素材形状に沿って
切断する。そして、図3に示されるチップ3が多結晶ダ
イヤモンド工具のチップとなる。なお、多結晶ダイヤモ
ンド層2が比較的厚い場合にはそのまま刃先形成加工を
行ないホールダにクランプして工具として使用すること
ができる。なお、以下説明においては工具支持体に固定
される多結晶ダイヤモンド工具の例について説明をす
る。
【0024】図4を参照して、多結晶ダイヤモンド層2
の結晶成長表面が接合面となるように工具支持体4に対
してろう付部5を介して固定される。そして、基材1の
上面は工具のすくい面6を構成する。なお、工具支持体
4としては超硬合金あるいは鋼などが用いられる。
【0025】さらに、図5を参照して、ダイヤモンド砥
石などを用いた研削加工により多結晶ダイヤモンド層2
の側面が所定の形状に研削加工される。これにより工具
の逃げ面7が形成される。
【0026】さらに、図6を参照して、研削加工により
すくい面6および逃げ面7の交叉部近傍をネガランド処
理をしてネガランド10を形成する。一般に、この研削
加工により新たに形成された斜面をランド部11と称
し、ネガランド10の形状はこのランド部11とすくい
面6とのなす角度θと図示した記号L1で表わされる幅
によって規定される。そして、このネガランド部の角度
θは2〜20゜、幅L1 は0.3〜3mmが好ましい。
さらに、ランド部11と逃げ面7との交線に沿って形成
される刃先部8は、その位置L2 が20μm以内にある
ことが好ましい。なお、この位置L2 はネガランド10
の形成角度θに対応して規定される。
【0027】このような工程により形成される多結晶ダ
イヤモンド工具は、その刃先部8に生じるチッピングが
0.5〜5μmに抑制することができる。なお、図7に
示すように、刃先部8に形成されるチッピング9の大き
さは刃先部8から各々逃げ面7およびランド部11に沿
って生じる切欠の長さX1 、X2 のうち大きいほうの値
を用いて表わす。このように、刃先部8のチッピングを
小さくすることができるのは、まず図5に示す逃げ面7
の加工工程において、基材1が多結晶ダイヤモンド層2
を被覆していることによって逃げ面7の上端部が研磨に
より切欠かれるのを防止することができることによる。
さらに、図6に示すネガランド処理工程において、基材
1が所定の厚さに研削加工されているため、微粒のダイ
ヤモンド砥石を用いてネガランド処理を行なうことがで
きることによる。微粒のダイヤモンド砥石を用いれば、
刃先形成時のチッピングの発生を抑制することができ
る。
【0028】次に、具体的な実施例について説明する。 (実施例1)マイクロ波プラズマCVD(Chemical Vap
or Deposition )法により、厚さ2mmのSi基板上に
以下の条件で多結晶ダイヤモンド層を10時間合成し
た。
【0029】 その結果、平均結晶粒径が5μmで、厚さが0.2m
mの多結晶ダイヤモンドを回収することができた。基材
の厚さを研削加工により0.5mmにして、これを工具
素材とした。この工具素材を、多結晶ダイヤモンド層の
成長面側が接合面となるように超硬合金性のシャンクと
ろう付け接合を行なった。その後、#800のダイヤモ
ンド砥石を用いて、スローアウェイチップ(型番:SP
GN120304)を作製した。さらに、このチップの
すくい面側に位置するSi基材に角度10゜、幅2.8
mmの形状のネガランドを形成し、すくい面に垂直な方
向に多結晶ダイヤモンド層とSi基材の界面から5μm
の位置に多結晶ダイヤモンド層を露出させて刃先部を形
成した。最終的に得られたスローアウェイチップ(A)
は、刃先のチッピングが5μmと良好であり、また刃付
に要した時間は5分であった。
【0030】比較として、基材のSiを酸処理で溶解・
除去して得られた多結晶ダイヤモンド層のみを工具素材
としチップを作成した。なお、工具素材と超硬合金性の
工具部材とのろう付けは、多結晶ダイヤモンド層の基材
側の面が接合面となるように行なった。そして、上記の
チップ(A)の刃先と同じ品質になるように刃付加工の
条件を選定したところ、#2000のダイヤモンド砥石
を使用すればよいことが明らかとなった。このチップ
(B)の刃付に要した時間は30分であった。
【0031】これらのスローアウェイチップの仕上用工
具としての性能評価を以下の条件で行なった。
【0032】(切削条件) 被削材 :AC4C−T6(Al−7%Si)丸棒
(Al:アルミニウム) 切削速度 :500m/min 切り込み量:0.2mm 送り速度 :0.1mm/rev. 冷却液 :水溶性油剤 (評価方法) 5分および60分切削後の被削面粗度の比較 その結果、表1に示したように、本発明の工具(A)は
従来の方法による工具(B)に比べて製造時間の短縮が
可能となり、コストの大幅な低減が可能となる。さら
に、その工具性能は、遜色なく、良好な被削面が得られ
ることが明らかとなった。
【0033】
【表1】
【0034】
【発明の効果】このように、本発明による多結晶ダイヤ
モンド工具は、工具素材として多結晶ダイヤモンド層と
基材との積層体を用い、ネガランド処理を行なって刃先
部を形成するように構成したため、研削加工による刃先
加工において刃先部にチッピングが生じるのを抑制する
ことができる。また、基材を用いてすくい面を構成する
ようにしたので、基材除去のための工程を省略すること
ができ、製造工程が簡略化、短縮化でき、加工効率の向
上により低コストの多結晶ダイヤモンド工具を製造する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による多結晶ダイヤモンド工具の製造
工程を示す第1工程図である。
【図2】この発明の多結晶ダイヤモンド工具の製造工程
を示す第2工程図である。
【図3】この発明の多結晶ダイヤモンド工具の製造工程
を示す第3工程図である。
【図4】この発明の多結晶ダイヤモンド工具の製造工程
を示す第4工程図である。
【図5】この発明の多結晶ダイヤモンド工具の製造工程
を示す第5工程図である。
【図6】この発明の多結晶ダイヤモンド工具の製造工程
を示す第6工程図である。
【図7】この発明のスローアウェイチップの刃先部の拡
大斜視図である。
【図8】従来の多結晶ダイヤモンド工具の刃先部分の部
分断面図である。
【符号の説明】
1 基材 2 多結晶ダイヤモンド層 3 チップ 4 工具支持体 5 ろう付部 6 すくい面 7 逃げ面 8 刃先部 9 チッピング 10 ネガランド 11 ランド部 12 レーザ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23B 27/20 B23B 27/14 B23P 15/28

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 薄板状の基材と、この基材の表面上に低
    圧気相法により合成された多結晶ダイヤモンド層との積
    層体からなる工具素材と、前記工具素材を支持する工具
    支持体とを有する多結晶ダイヤモンド工具であって、 前記基材の裏面を工具のすくい面とし、 前記多結晶ダイヤモンド層の成長表面を前記工具支持体
    との接合面とし、 前記多結晶ダイヤモンド層の側面を工具の逃げ面とし、 前記すくい面と前記逃げ面との間にネガランドを形成す
    ることにより前記多結晶ダイヤモンド層の前記側面に工
    具の刃先部を形成したことを特徴とする、多結晶ダイヤ
    モンド工具。
  2. 【請求項2】 前記ネガランドは前記すくい面に対する
    角度が2°以上20°以下であり、幅が0.3mm以上
    3mm以下に形成されている、請求項記載の多結晶ダ
    イヤモンド工具。
  3. 【請求項3】 前記多結晶ダイヤモンド層の前記側面に
    形成された刃先部は、前記多結晶ダイヤモンド層と前記
    基材との境界位置から前記すくい面に直交する方向に沿
    って20μm以内の位置に形成されている、請求項
    たはに記載の多結晶ダイヤモンド工具。
  4. 【請求項4】 前記刃先部のチッピングの大きさは0.
    5μm以上5μm以下である、請求項1〜3のいずれか
    に記載の多結晶ダイヤモンド工具。
  5. 【請求項5】 前記基材の厚さは0.1mm以上1mm
    以下である、請求項1〜4のいずれかに記載の多結晶ダ
    イヤモンド工具。
  6. 【請求項6】 前記基材が、Si、SiC、Si34
    Mo、Wのうちいずれか1つの材料からなる、請求項
    〜5のいずれかに記載の多結晶ダイヤモンド工具。
  7. 【請求項7】 前記多結晶ダイヤモンド層の結晶粒径の
    大きさが0.5μm以上15μm以下である、請求項
    〜6のいずれかに記載の多結晶ダイヤモンド工具。
  8. 【請求項8】 前記多結晶ダイヤモンド層の厚さが0.
    05μm以上1μm以下である、請求項1〜7のいずれ
    かに記載の多結晶ダイヤモンド工具。
  9. 【請求項9】 前記工具支持体が超硬合金または鋼のい
    ずれかからなる、請求項1〜8のいずれかに記載の多結
    晶ダイヤモンド工具。
  10. 【請求項10】 基材と多結晶ダイヤモンド層との積層
    体からなる多結晶ダイヤモンド工具の製造方法であっ
    て、 前記基材の表面上に低圧気相法により前記多結晶ダイヤ
    モンド層を合成する工程と、 前記基材を所定の厚さに研磨して工具のすくい面を形成
    する工程と、 前記多結晶ダイヤモンド層の側面に工具の逃げ面を形成
    する工程と、 前記すくい面と前記逃げ面との間にネガランドを形成す
    る工程とを備えた、多結晶ダイヤモンド工具の製造方
    法。
  11. 【請求項11】 基材と多結晶ダイヤモンド層との積層
    体からなる工具素材を工具支持体に接合して形成された
    多結晶ダイヤモンド工具の製造方法であって、 前記基材の表面上に低圧気相法により前記多結晶ダイヤ
    モンド層を合成する工程と、 前記基材を所定の厚さに研磨して工具のすくい面を形成
    する工程と、 前記多結晶ダイヤモンド層の成長表面が接合面となるよ
    うに前記工具素材を前記工具支持体に接合する工程と、 前記多結晶ダイヤモンド層の側面に工具の逃げ面を形成
    する工程と、 前記すくい面と前記逃げ面との間にネガランドを形成す
    る工程とを備えた、多結晶ダイヤモンド工具の製造方
    法。
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