JP4585243B2 - 超精密加工用単結晶ダイヤモンド切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣａＦ ₂ などの結晶材料や、超硬合金、ガラス、金型母材などに用いる硬脆材料の超精密切削加工を行うための単結晶ダイヤモンド切削工具に関する。

近年、デジタル家電などへのオプトエレクトロニクス技術の急速な普及と高精度、高機能化した製品ニーズへ対応するために、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣａＦ ₂ などの結晶材料や超硬合金の金型、ガラスなどの硬脆材料が使われ、これらの材料を高精度に加工するために超精密ダイヤモンド切削工具が使われている。この切削工具として、切れ刃に単結晶ダイヤモンドチップを使ったダイヤモンドバイトがあり、そのダイヤモンドチップの具体例として、脆性材料の曲面旋削で形状精度や表面粗さを良好に仕上げるために、すくい面が円錐形状を有するダイヤモンドチップがある。（例えば、特許文献１参照）
また、このダイヤモンドチップと同様の形状のものとして、バイトノーズ部にアールをつけて曲線状にし、負のすくい角となるようにすくい面を形成した単結晶バイトで、すくい面が直円錐の円錐面の一部をなすように形成されているものがある。（例えば、特許文献２参照）
さらに、ハイシリコンアルミニウムやニレジスト鋳鉄などの延性難削材を切削加工するために図５に示すような単結晶ダイヤモンドで形成された刃部のすくい面がすくい角を−２５〜−６０°のネガ角になるよう工具本体に固定されたダイヤモンドバイト（例えば、特許文献３参照）や、ＺｎＳｅレンズなど結晶材料の超精密切削加工方法として、図６に示すようなすくい角が−２０〜２０度、逃げ角が５〜１０度で、刃先の欠損を防止するために切れ刃エッジが０．５〜２μｍの幅で面取りされている単結晶ダイヤモンドバイトを用いて１本のバイトで粗加工から仕上げ加工までを行う方法がある。（例えば、特許文献４参照）

特開昭６３−２３７８０３号公報 特開昭６４−６４７０２号公報 特開平１１−３４７８０７号公報 特開平１０−４３９０３号公報

上記の特許文献３や４のように単結晶ダイヤモンドバイトを用いて難削材、結晶材料や硬脆材料の超精密切削加工を行う場合、切削加工面の精度や刃先のチッピングを防止するために、すくい角をネガ角にすることが行われる。しかしながら、すくい角をネガ角にする場合、一般的には図３に示すように、すくい面を傾斜の付いた面にすることになり、切れ刃の形状がＲ形状となったバイトでこのようなすくい面形状にすると、以下のような問題が生じる。

第１に、すくい角をネガ角としても、実効のすくい角が切れ刃の作用位置によって異なり先端部の切れ刃より後端側の切れ刃の方がすくい角の負の値が著しく小さくなる。これは以下のような理由による。図４はダイヤモンドバイトを使い、最も多用される２軸制御旋盤により被加工物を球面に切削加工する場合の概略を示したものである。被加工物１１は回転軸１２を中心に回転しており、ダイヤモンドバイト１をＸ軸及びＺ軸方向に送ることで切削される。この場合、ダイヤモンドバイト１が回転軸上にある時には切れ刃５のうち先端部のＡの部分が作用するので、この時はすくい面の傾斜している角度がすくい角になる。しかし、このダイヤモンドバイト１がＸ軸及びＺ軸方向に送られて切れ刃５のＢの部分が作用するようになった時にはすくい角が小さくなってしまう。このため、実効すくい角が変化し、被加工面粗さにバラツキを生じる。しかも、切れ刃５の作用する部分はＹ軸方向（図４に記載していないが、図の面に垂直な方向がＹ軸方向である）にも移動してしまうことになり、ダイヤモンドバイト１をＹ軸方向にも移動させる必要が生じてくる。これは３軸制御旋盤であればＹ軸方向にも移動可能であるが、２軸制御旋盤だと移動不可能であり、超精密加工において２軸制御旋盤が多用される現状では、加工精度を悪くする原因となってしまう。

第２に、切れ刃が一定のＲにはならず、楕円形状の切れ刃になることによる問題が生じる。このような切れ刃で球面や非球面形状の加工を行う場合には、一度切削加工を行い、その加工形状から補正量を算出して加工プログラムを組み、そのプログラムにより本来の加工を行う必要が生じる。これは、上記のように切れ刃５が作用する位置によって、Ｙ軸方向の位置が変わってしまうためであり、補正を行う必要があるために非常に手間がかかってしまうという問題が生じる。

第３に、Ｒ形状の切れ刃の作用する位置により、切れ刃の高さも異なるため安定した加工ができず、形状誤差の生じる原因にもなる。これは、上記のように切れ刃５が作用する位置によって、Ｙ軸方向の位置が変わってしまうすなわち芯高が変化してしまうためである。特に、非球面の加工を行う場合には、大きな形状誤差を生じやすい。

上記の３つの問題については、特許文献１や２に記載の形状の切れ刃を有する工具とすれば、ある程度の解決は可能である。しかしながら、特許文献３や４に記載のものと同様に切れ刃に沿ったすくい面の大きな部分がネガ角であるためにすくい面と被加工面との間に切屑が溜まりやすくなり、この切屑が被加工面の精度を悪化させることになる。これは、切れ刃の作用部分で発生した切屑が切れ刃の先端側から後端側に流れていく時にすくい面上を流れるため、すくい面と被加工面との間に切屑が溜まりやすくなって、切屑の排出性にバラツキが生じ、加工面品位が安定せず被加工面の精度を悪化させるものである。

また、各特許文献に記載の形状の切れ刃にするためにはダイヤモンドの加工量が大きくなり製作費のアップに繋がる。これは、すくい面を形成する時に、ダイヤモンドの加工量が大きくなり、手間と時間がかかるためである。

さらには、上記のような材料の加工を行う場合、各特許文献に記載のようなダイヤモンドチップおよびダイヤモンドバイトを用いても切れ刃の損耗やマイクロチッピングが起こり、工具寿命が短くなる恐れがある。

以上のことから、本発明のダイヤモンド切削工具は、結晶材料や硬脆材料の超精密切削加工を行う場合に、被加工材料の形状誤差が生じず高精度な加工ができ、しかも切れ刃の損耗やマイクロチッピングが起こりにくくて寿命の長い単結晶ダイヤモンド切削工具を提供するものである。

本発明の超精密加工用単結晶ダイヤモンド切削工具の第１の特徴は、先端にＲ形状の切れ刃稜を有する単結晶ダイヤモンドチップを設けたダイヤモンド切削工具であって、
前記切れ刃稜のうち、少なくとも切れ刃として作用する部分はすくい面となる第１の円錐状の面と逃げ面となる第２の円錐状の面が交差することにより一定のＲで形成され、前記切れ刃稜の丸みは半径１００ｎｍ未満で、前記第１の円錐状の面の幅は１〜５μｍとする。そして、前記第１の円錐状の面の前記切れ刃稜線と反対側の部分には切削方向と略垂直方向の切屑逃がし面が設けられたことである。

第２の特徴は、前記第１の円錐状の面と前記切り屑逃がし面との交差部を所定寸法のＲを有するＲ面としたことである。

第３の特徴は、前記Ｒ面の半径は、０．１〜１．０μｍとしたことである。

第４の特徴は、前記第１の円錐状の面のすくい角は、ネガ角とし、その角度は１５〜５０°としたことである。

第５の特徴は、前記単結晶ダイヤモンド工具は、２軸制御旋盤による切削加工に用いられることである。

本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具は、結晶材料や硬脆材料の超精密切削加工を行う場合に、切屑の排出性が良く切削抵抗を低減させることができるので、被加工面の精度が向上する。また、被加工材料の形状誤差が生じず高精度な加工ができ、切れ刃の損耗やマイクロチッピングが起こりにくくて寿命を向上させることができる。

本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具の例として、単結晶ダイヤモンドバイトを図１に、そのチップの拡大斜視図を図２に示す。ダイヤモンドバイト１は超硬合金などからなる工具本体８の先端部に単結晶ダイヤモンドからなるチップ２がろう付けなどにより固定されている。チップ２は先端にＲ形状の切れ刃５を有しており、切れ刃５はすくい面３と逃げ面４とが交差することにより形成されている。すくい面３のうち、少なくとも切れ刃として作用する部分は第１の円錐状の面で形成されており、その幅は１〜５μｍ、すくい角はネガ角でその角度は１５〜５０°になっている。また、逃げ面４のうち、少なくとも切れ刃として作用する部分は第２の円錐状の面で形成されており、いずれの面も後端側には円錐状の面に連なる平面を有し、これらの平面の交差部に切れ刃としては作用しない直線の稜線が形成されている。
このような形状にすることで、Ｒ形状の切れ刃の作用位置が変わっても実効すくい角が変わらず、安定した加工面粗さになり、高精度な加工面が得られるとともに、切れ刃の位置の制御が容易になる。また、すくい面を円錐状の面とすることで、一定のＲの切れ刃にすることができる。
なお、本願ですくい面３の幅は、図１（ｃ）に示すように、すくい面３と逃げ面４とが交差する点Ｘからすくい面３と切屑逃がし面６とが交差する点Ｙまでの距離Ｌとする。

切れ刃５の稜線の丸みは半径が１００ｎｍ未満の鋭利な切れ刃になっている。このようにすることで、鋭利な刃先となり超精密切削加工が可能になる。

すくい面３の円錐状の部分の後端側（切れ刃５が形成されている側と反対側）には切屑逃がし面６が形成されており、切屑逃がし面６は切削方向と略垂直な面になっており、すくい面３と切屑逃がし面６との交差部はＲ面７が形成されている。これにより、微小な幅の円錐状のすくい面との相乗効果により、切屑の排出性が向上し被加工面の精度を低下させるなどの悪い影響を与えることがない。なお、切屑の排出性を向上させ切削抵抗を低減させるために、Ｒ面７のＲの大きさＰは０．１〜１．０μｍとするのが好ましい。

切れ刃５を形成する時には、先端から１００μｍ以内の範囲にはダイヤモンド結晶中の格子欠陥が存在しないように単結晶ダイヤモンドが設定されており、切れ刃５周辺には格子欠陥が存在しない。これにより、上記のように切れ刃５を鋭利なものとしても損耗やマイクロチッピングが起こりにくく、工具寿命が長くなる。

本発明の単結晶ダイヤモンド工具として、図１に示すダイヤモンドバイト（以下、本発明例とする）を製作し、比較例として図５に示す従来の単結晶ダイヤモンドバイト（以下、比較例１とする）および図７に示す切れ刃を有する単結晶ダイヤモンドバイト（以下、比較例２とする）を製作し、単結晶シリコンを切削加工して性能の比較を行った。本発明例は、すくい面の幅Ｌは１．２μｍ、すくい角αはネガ角の１５°、切れ刃稜線の丸みの半径ｒは６０ｎｍ、Ｒ面７の半径Ｐは０．３μｍとした。比較例１は、すくい面の幅Ｌは１００μｍ、すくい角αはネガ角の２５°、すくい面３と切屑逃がし面６との交差部はピン角とし、切れ刃稜線の丸みの半径ｒは１００ｎｍとした。比較例２は、すくい角は０°とし、切れ刃稜線の丸みの半径ｒは１００ｎｍとした。なお、いずれのダイヤモンドバイトも、切れ刃稜の半径Ｒは１．２ｍｍである。

切削加工は、これらのダイヤモンドバイトを２軸制御旋盤に取り付け、ＣＮＣ２軸制御方式により単結晶シリコンの球面形状の加工を行った。切削条件は、被加工物の主軸回転数を２０００ｒｐｍ、工具送り速度は０．００１７５ｍｍ／ｒｅｖ、取り代は０．００１５ｍｍとし、湿式加工とした。なお、加工中の切削抵抗を測定するため、ダイヤモンドバイトの後端側に振動加速度センサーを取り付けて振動加速度を測定した。

以上のような工具および条件により切削加工を行った結果、本発明例のものは、加工初期の表面粗さＲａは０．００６７μｍであり、加工を繰り返すごとに徐々に表面粗さは悪化していったが、許容される表面粗さのものは６０枚加工できた。また、ＰＶ値は０．０４２μｍ、ｒｍｓは０．００９μｍ、加工中の切削抵抗（振動加速度）は０．０５Ｇであった。

これに対し、比較例１は、加工初期の表面粗さＲａは０．００８５μｍであり、加工を繰り返すごとに徐々に表面粗さは悪化していき、許容される表面粗さのものは２５枚であったので、本発明例に比べ半分以下の寿命となった。また、ＰＶ値は０．０４７μｍ、ｒｍｓは０．０１０μｍ、加工中の切削抵抗（振動加速度）は０．０８Ｇで本発明例より高くなった。

比較例２は、加工初期の表面粗さＲａは０．０１３８μｍで本発明例の２倍ほどの粗さとなり、加工を続けたらチッピングが発生したため２枚しか加工できなかった。また、ＰＶ値は０．０８１μｍ、ｒｍｓは０．０１８μｍ、加工中の切削抵抗（振動加速度）は０．２Ｇで、本発明例に比べて非常に高いものとなった。

以上、説明したように本発明の単結晶ダイヤモンド工具は、切屑の排出性が良く、被加工面の精度が向上することが分かる。また、被加工材料の形状誤差が生じず高精度な加工ができ、切れ刃の損耗やマイクロチッピングが起こりにくくて寿命が向上することが分かった。

本発明の単結晶ダイヤモンド工具は、結晶材料や硬脆材料、難削材などの超精密切削加工を行うための切削工具に用いることができる。

本発明の単結晶ダイヤモンド工具を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は切れ刃周辺の部分拡大正面図。 本発明の単結晶ダイヤモンド工具のダイヤモンドチップの例を示す斜視図。 従来の単結晶ダイヤモンド工具のダイヤモンドチップの例を示す斜視図。 ２軸制御旋盤による加工の状態を説明する図。 従来の単結晶ダイヤモンド工具の別の例を示す図で（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は切れ刃周辺の部分拡大正面図。 従来の単結晶ダイヤモンド工具のさらに別の例を示す図で（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。 従来の単結晶ダイヤモンド工具のダイヤモンドチップの別の例を示す図で（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。

符号の説明

１ ダイヤモンドバイト
２ チップ
３ すくい面
４ 逃げ面
５ 切れ刃
６ 切屑逃がし面
７ Ｒ面
８ 工具本体

Claims (3)

1. 先端にＲ形状の単結晶ダイヤモンドからなる切れ刃稜を有する単結晶ダイヤモンドチップを設けたダイヤモンド切削工具であって、
   前記切れ刃稜のうち、少なくとも切れ刃として作用する部分はすくい面となる第１の円錐状の面と逃げ面となる第２の円錐状の面が交差することにより一定のＲで形成され、前記切れ刃稜の丸みは半径１００ｎｍ未満、前記第１の円錐状の面の幅は１〜５μｍ、前記第１の円錐状の面のすくい角は、ネガ角でその角度は１５〜５０°であり、前記第１の円錐状の面の前記切れ刃稜線と反対側の部分には切削方向と略垂直方向の切屑逃がし面が設けられ、前記第１の円錐状の面と前記切屑逃がし面との交差部をＲ面とし、前記第１の円錐状の面内で切屑が生成されるように用いられることを特徴とするＳｉ、Ｇｅ、ＣａＦ ₂ のうちのいずれかの結晶材料または硬脆材料の超精密切削加工用単結晶ダイヤモンド工具。
2. 前記Ｒ面の半径は、０．１〜１．０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド工具。
3. ２軸制御旋盤による切削加工に用いられることを特徴とする請求項１または２に記載の単結晶ダイヤモンド工具。

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