JP4878517B2

JP4878517B2 - ダイヤモンド工具

Info

Publication number: JP4878517B2
Application number: JP2006201460A
Authority: JP
Inventors: 篤史小林; 収一川野; 雄平藤本
Original assignee: ALMT Corp
Current assignee: ALMT Corp
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2006-07-25
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2026-07-25
Also published as: JP2007054945A

Description

本発明は、ダイヤモンドに切刃を形成した精密加工用切削工具に関するものであり、特にテレビ画面や携帯電話などの表示器用光学シートや導光板などの光学素子成形用の金型などの超精密加工を行うためのダイヤモンド工具に関する。

従来、光ディスク用ピックアップ対物レンズや光学シートなど光学素子の成形用金型の光学面加工には、先端に円弧状切刃を有する単結晶ダイヤモンドのＲバイトが用いられており、超精密加工機を使用して切削加工のみにより高精度な光学面を得るために、その円弧の半径が０．０５μｍ〜２．５μｍ程度のものが用いられている。このＲバイトの具体例として、円弧部分の幅が０．８μｍ、頂角は３０°で、第１逃げ面の逃げ角が１１°、第２逃げ面の逃げ角が４５°の切刃を有するダイヤモンドバイトがあげられている。（例えば、特許文献１参照）
また、切刃が複雑な形状を有する総形形状の切刃を有するダイヤモンドバイトとして、その切刃の加工に紫外線域のレーザを用いて加工を行ったダイヤモンドバイトがある。このダイヤモンドバイトは、切刃稜線が直線や曲線の組み合わせからなる複雑な形状の切刃であっても、波長が紫外線域のレーザを用いることにより、高精度に加工された切刃が得られるものである。（例えば、特許文献２参照）
さらに、微細な溝を加工する工具として、ダイヤモンドに複数のチップを備えたマルチチップダイヤモンド工具が提案されている。この工具は、それぞれのチップに切刃が形成されており、チップの形成には例えば集束イオンビームを使用して形成される。（例えば、特許文献３参照）
特開２００３−６２７０７号公報（段落番号００５５、第３図）特開２００３−２５１１８号公報（段落番号００１９、第１−３図）特表２００５−５２７３９４号公報

上記特許文献１のようなＲバイトの形状の切刃を形成する場合、切刃稜線の形状に合わせて逃げ面を形成する加工が行われる。すなわち、先端のＲ切刃部分およびその後側の直線切刃部分の逃げ角は同じになるように、まず直線切刃部分の逃げ面を研削・ラップ加工し、その後Ｒ切刃部分の逃げ面を曲面に研削・ラップ加工する。そして、最後にすくい面を研削・ラップ加工して刃付けを行い、切刃を形成する。しかしながら、Ｒ切刃部分の逃げ面は曲面のため加工に長時間を要したり、複雑で手間がかかることになる。また、特許文献２のように、直線やＲが組み合わされた複雑な形状の切刃になると、レーザなどを用いて形状を作ることがあるが、加工量が多いため多大な時間を要することになる。さらに、超精密加工用工具の場合、微細な加工になるためバニッシング作用による被加工物の弾性回復現象が起こり、逃げ面が被加工物に干渉して切削抵抗が大きくなる可能性も出てくる。また、特許文献３の溝加工用工具では集束イオンビームにより切刃が形成されるとされているが、集束イオンビームにより形成された切刃はラップ加工により形成された切刃に比べて精度や切れ味が劣り、このような工具で溝加工を行った場合、溝の壁面の精度が悪くなって要求される精度で加工できない恐れがある。本発明は、光学素子成形用の金型などの超精密加工を行うために必要とされるＲ切刃や複雑な形状の切刃あるいは溝加工用の切刃であっても容易に加工され、微細な超精密加工工具において、高精度で切削抵抗も小さく切れ味の良い切刃を有するダイヤモンド工具を提供するものである。

本発明は、Ｒ形状や複雑な形状を有する切刃で複雑な形状となる逃げ面の大部分を平面の組み合わせで構成し、切刃周辺のみを切刃稜の形状に合わせた形状の逃げ面とすることで、複雑な形状の逃げ面の加工量を少なくして、容易に低コストで得られるダイヤモンド工具としたものである。

本発明のダイヤモンド工具の第１の特徴は、先端が凸状のダイヤモンドチップを有し、前記凸状部分に切刃が形成されたダイヤモンド工具であって、前記凸状部分は、少なくとも前記切刃周辺のＰＶ値が３〜３００ｎｍのすくい面と、ＰＶ値が３〜２０００ｎｍで曲面および／または平面の組合せられた面で構成され相対的に逃げ角の小さい第１の逃げ面と、少なくともＰＶ値が３〜５００ｎｍの平面を含む複数の平面で構成される相対的に逃げ角の大きい第２の逃げ面とを有し、前記切刃は前記すくい面と前記第１の逃げ面との境界部に形成されてなることである。なお、ＰＶ値とは、平面の場合、加工された面の凹凸の山と谷の間の最大距離のことであり、曲面の場合、加工された面の理論上の面を平面にした時のその平面の凹凸の山と谷の最大距離を表すものとする。

Ｒ切刃を有するＲバイトや総形加工を行うための直線や曲線が組み合わされた総形バイトでは、上記のように、予め第２の逃げ面として逃げ角を相対的に大きくした平面の逃げ面を複数設けて大まかな形状を形成し、切刃の部分は第１の逃げ面として逃げ角が相対的に小さく切刃形状に従った逃げ面を設けて形成することができるので、第１の逃げ面を形成する際には僅かな加工量でＲや直線の組み合わされた切刃が容易に形成される。また、第２の逃げ面は平面であるので容易に高精度の研磨がなされ、第２の逃げ面を高精度な面にした上で第１の逃げ面を形成することができるので、高精度の切刃を容易に形成できる。なお、すくい面のうち、ＰＶ値が３〜３００ｎｍの面とするのは、少なくとも切刃から０．５ｍｍ以内の領域であることが好ましい。

第２の特徴は、前記切刃は円弧状切刃であり、前記切刃が形成される部分の前記第１の逃げ面は、円筒状の面であり、前記円筒状の面における円筒の軸方向は前記すくい面と交差する方向であることである。

円弧状切刃とする場合に、第１の逃げ面を円筒状の面とすれば、切刃が摩耗した場合にすくい面を平行に研磨して再度切刃を形成しても、円弧状切刃の形状が変わらないので再研磨が可能となり、工具の寿命を延ばすことが可能になる。

第３の特徴は、前記切刃は、Ｒの異なる曲線および／または直線の組合せで構成される総形形状の切刃であることである。

総形形状の切刃とする場合に、本発明のダイヤモンド工具の構造であれば逃げ面を容易に形成することが可能になり、高精度の切刃が形成される。

本発明のダイヤモンド工具の別の特徴は、先端が凸状のダイヤモンドチップを有し、前記凸状部分に切刃が形成されたダイヤモンド工具であって、前記凸状部分は、少なくとも前記切刃周辺のＰＶ値が３〜３００ｎｍのすくい面と、ＰＶ値が３〜２０００ｎｍで曲面で構成される相対的に逃げ角の小さい第１の逃げ面と、ＰＶ値が３〜５００ｎｍの複数の平面で構成される相対的に逃げ角の大きい第２の逃げ面とを有し、前記切刃は前記すくい面と第１の逃げ面との境界部に形成されたＲ切刃と前記すくい面と第２の逃げ面との境界部の少なくとも一部分に形成された直線状切刃とからなることである。

先端にＲ切刃を有しその後側に直線状切刃を有する溝加工用バイトの場合、溝の境界を形成する壁面の部分の精度が要求されるため、先端のＲ切刃以上に直線状切刃が高精度であることが要求される。上記のように、予め第２の逃げ面として逃げ角を相対的に大きくした平面の逃げ面を複数設けておき、その後先端部に逃げ角が相対的に小さく曲面からなる第１の逃げ面を形成した構造とすれば、第２の逃げ面は平面であるので容易に高精度の研磨がなされて非常に鋭利な直線状切刃が形成され、その後第１の逃げ面を形成する際には僅かな加工量で曲線状の切刃が高精度に形成される。

第４の特徴は、前記第１の逃げ面の幅は、６０μｍ以下であることである。

このように曲面や平面の組み合わされた面からなる第１の逃げ面の幅を小さくすることで、複雑な形状の逃げ面の加工量が少なくなって容易に形成できるとともに、微細な加工を行う場合に逃げ面が被加工物に干渉するのを防止することができる。なお、第１の逃げ面は研磨痕のない鏡面にするのが好ましい。

第５の特徴は、前記第１の逃げ面の逃げ角と、前記第２の逃げ面の逃げ角との差は、１０〜７５°であることである。

１０°以上の逃げ角の差を設けることで、微細な加工を行う場合においても第２の逃げ面が被加工物に干渉するのを防止でき、７５°以下とすることで刃先の強度を確保する。この逃げ角の差を大きくすればするほど、第１の逃げ面の加工量を減らせることが可能になるので、特に総形形状の複雑な切刃の場合には、可能な限り逃げ角の差が大きい方が好ましく、６０°以上が好ましい。

本発明のダイヤモンド工具は、逃げ面の大部分が平面で形成されるので、容易に高精度の研磨がなされ、高精度に研磨された第２の逃げ面とすくい面との間に第１の逃げ面が形成されるので、第１の逃げ面を高精度に仕上げることが容易になり、しかも曲面や平面が組み合わされてなる第１の逃げ面は加工量が少なくなるので切刃を容易に形成でき、高精度の切刃が効率よく容易に形成される。
また、二段の逃げ面にすることで、超精密加工用の微小な刃先である場合にも刃先の強度を確保しながら、被削材との干渉も防止することができる。

本発明のダイヤモンド工具の第１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３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は先端が凸状になっており、その凸状部分に円弧状切刃７が形成され、その切刃７はすくい面４と第１の逃げ面５とが交差することにより形成されている。円弧状切刃７の後方には直線状の稜線が形成されているが、この部分は切刃としては作用しない。第１の逃げ面５のすくい面４と反対側には複数の平面からなる第２の逃げ面６が形成されており、この第２の逃げ面６は第１の逃げ面５よりも逃げ角が大きくなっている。すなわち、第１の逃げ面５は、すくい面４と第２の逃げ面６との交差部に設けられており、その幅は６０μｍ以下である。そして、第１の逃げ面５と第２の逃げ面６との逃げ角の差は１０〜７５°となっている。また、通常のダイヤモンド工具では円弧状切刃の逃げ面は円錐状の面で形成されることが多いが、本発明のダイヤモンド工具では、第１の逃げ面５が円筒状の面になっている。このような面にすれば、切刃７が摩耗した時にすくい面４を平行に研磨すると円弧状切刃７のＲの大きさが変化せず、同じ形状の切刃７を再生することができる。また、円弧状切刃７の後方にある直線状の稜線はすくい面４と第２の逃げ面６ａおよび６ｂとの交差により形成されている。

ダイヤモンドチップ２の各面のＰＶ値は、すくい面４の少なくとも切刃７から０．５ｍｍまでの範囲の部分が３〜３００ｎｍ、第１の逃げ面５は３〜２０００ｎｍ、第２の逃げ面６は面によって３〜５００ｎｍと０．１〜５μｍとなっている。

本発明のダイヤモンド工具のチップの第２の例を図３に示す。上記の例と同様にチップ２は先端が凸状になっており、その凸状部分の一部に円弧状切刃７が形成されているが、上記の例と異なる点として、円弧状切刃７に連続してＲの異なる曲線の切刃７ａが形成されており、これらの切刃７および７ａはすくい面４と第１の逃げ面５とが交差することにより形成されている。Ｒの異なる曲線の切刃７ａの後方には直線状の稜線が形成され、この稜線はすくい面４と第２の逃げ面６ａおよび６ｂとの交差により形成されているが、Ｒの異なる曲線の切刃７ａと直線状の稜線との間には段差が形成されている。その他の点については、上記の例と同様である。

本発明のダイヤモンド工具のチップの参考例を図４に示す。上記の例と同様にチップ２は先端が凸状になっており、その凸状部分の先端にはジグザグ状の総形の切刃７が形成されている。この総形の切刃７は直線切刃をジグザグ状につないだ形状になっており、これらの切刃７はすくい面４と第１の逃げ面５（５ａ〜５ｈ）とが交差することにより形成されている。切刃７の後方には、直線状の稜線が形成され、この稜線はすくい面４と第２の逃げ面６ａおよび６ｃとの交差により形成されている。なお、この例では第２の逃げ面６は６ａ、６ｂ、６ｃの３つの面で構成されており、第２の逃げ面６ａおよび６ｃのＰＶ値は３〜５００ｎｍであり、第２の逃げ面６ｂは０．１〜５μｍである。

本発明のダイヤモンド工具のチップの第３の例を図５に示す。上記の第１の例と同様にチップ２は先端が凸状になっており、その凸状部分の一部に円弧状切刃７が形成されているが、第１の例と異なる点として、円弧状切刃７に連続して直線の切刃７ｂが形成されており、円弧状切刃７はすくい面４と第１の逃げ面５とが交差することにより形成され、直線切刃７ｂはすくい面４と第２の逃げ面６とが交差することにより形成されている。円弧状切刃７と直線切刃７ｂとの境界部は段差がなく連続した稜線に切刃が形成されている。第２の逃げ面６は６ａと６ｂの２つの面で形成されるが、どちらの面もＰＶ値は３〜５００ｎｍの高精度に研磨された面になっている。その他の点については、上記の例と同様である。

以上のような本発明のダイヤモンド工具は、すくい面および第２の逃げ面を研削および研磨により高精度な面を形成しておき、最後に第１の逃げ面を形成することで得られるが、第１の逃げ面を形成するには研削や研磨による加工の他、レーザ、集束イオンビームなどを用いた加工によることもできる。

本発明のダイヤモンド工具として、図２に示す形状のチップを有するダイヤモンドバイトを製作し、従来のダイヤモンド工具として、図６に示す形状のチップを有するダイヤモンドバイトを製作して、切削加工試験を行った。本発明のダイヤモンド工具のチップは、各面のＰＶ値は、すくい面４が１００ｎｍ、第１の逃げ面５が１００ｎｍ、第２の逃げ面６は２つの平面からなり、一方の面６ａおよびもう一方の面６ｂは５０ｎｍである。第１の逃げ面５の幅（図２で上下方向の長さ）は、最大の部分で４５μｍとなっており、逃げ角は、第１の逃げ面５が７°、第２の逃げ面６は一方の面６ａおよびもう一方の面６ｂともに１３°である。切刃７の形状は、サイズの異なる３種類のＲを複合させた形状であり、第２の逃げ面を高精度に形成しておくことにより、その後第１の逃げ面をレーザや集束イオンビームによる加工を併用した加工により高精度に加工することが可能となって高精度の切刃が得られ、従来の構成の逃げ面では製作が極めて困難であった形状の切刃を創生することができた。一方、従来の構成の逃げ面を有し、サイズの異なる３種類のＲを複合させた形状の切刃を有するダイヤモンド工具を製作することを試みたが、目標とする形状の切刃を高精度に創生することができなかった。

上記の本発明のダイヤモンド工具を用いて、無酸素銅の切削加工を行った。加工は、フライカットにより１０μｍの深さの溝を形成するものであり、切削条件は、切削速度５６５ｍ／ｍｉｎ、工具切り込み５μｍ、送り４０ｍｍ／ｍｉｎである。

以上の条件で切削加工試験を行った結果、本発明のダイヤモンド工具は１００ｎｍの良好な形状転写が認められ、本発明のダイヤモンド工具は高精度な加工ができることがわかった。また、刃先の強度が高くなってチッピングが起こりにくいために寿命が向上し、被加工物との干渉も発生しなかった。

本発明のダイヤモンド工具の実施例２として、図５に示す形状のチップを有するダイヤモンドバイトを製作し、従来のダイヤモンド工具として、図６に示す形状のチップを有するダイヤモンドバイトを製作して、切削加工試験を行った。本発明のダイヤモンド工具のチップは、各面のＰＶ値は、すくい面４が１００ｎｍ、第１の逃げ面５が５００ｎｍ、第２の逃げ面６は２つの平面からなり、どちらの面も５０ｎｍである。第１の逃げ面５の幅（図２で上下方向の長さ）は、最大の部分で２５μｍとなっており、逃げ角は、第１の逃げ面５が７°、第２の逃げ面６はどちらの面も１３°である。切刃７の形状は、一定のＲ形状であり、その後側に形成された直線切刃７ａとは段差なく滑らかに繋がっている。一方、従来のダイヤモンド工具のチップとして、先端に円錐状の逃げ面を有し、その後側に平面の逃げ面を形成するよう研削と研磨加工により製作した。

上記の本発明のダイヤモンド工具を用いて、無酸素銅の切削加工を行った。加工は、フライカットにより３５μｍの深さの溝を形成するものであり、切削条件は、切削速度５６５ｍ／ｍｉｎ、工具切り込み５μｍ、送り４０ｍｍ／ｍｉｎである。

以上の条件で切削加工試験を行った結果、本発明のダイヤモンド工具は７００ｎｍの良好な形状転写が認められ、本発明のダイヤモンド工具は高精度な加工ができることがわかった。また、刃先の強度が高くなってチッピングが起こりにくいために寿命が向上し、被加工物との干渉も発生しなかった。

本発明のダイヤモンド工具の例を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。本発明のダイヤモンド工具のチップの第１の例を示す斜視図である。本発明のダイヤモンド工具のチップの第２の例を示す斜視図である。本発明のダイヤモンド工具のチップの参考例を示す斜視図である。本発明のダイヤモンド工具のチップの第３の例を示す斜視図である。従来のダイヤモンド工具のチップの例を示す斜視図である。

符号の説明

１ダイヤモンド工具
２ダイヤモンドチップ
３工具本体
４すくい面
５第１の逃げ面
６第２の逃げ面
７切刃

Claims

先端が凸状のダイヤモンドチップを有し、前記凸状部分に切刃が形成されたダイヤモンド工具であって、
前記凸状部分は、少なくとも前記切刃周辺のＰＶ値が３〜３００ｎｍのすくい面と、ＰＶ値が３〜２０００ｎｍで曲面および／または平面の組合せられた面で構成され相対的に逃げ角の小さい第１の逃げ面と、少なくともＰＶ値が３〜５００ｎｍの平面を含む複数の平面で構成される相対的に逃げ角の大きい第２の逃げ面とを有し、前記切刃は前記すくい面と前記第１の逃げ面との境界部に形成されてなり、
前記切刃は円弧状切刃であり、前記切刃が形成される部分の前記第１の逃げ面は、円筒状の面であり、前記円筒状の面における円筒の軸方向は前記すくい面と交差する方向であることを特徴とするダイヤモンド工具。
先端が凸状のダイヤモンドチップを有し、前記凸状部分に切刃が形成されたダイヤモンド工具であって、
前記凸状部分は、少なくとも前記切刃周辺のＰＶ値が３〜３００ｎｍのすくい面と、ＰＶ値が３〜２０００ｎｍで曲面および／または平面の組合せられた面で構成され相対的に逃げ角の小さい第１の逃げ面と、少なくともＰＶ値が３〜５００ｎｍの平面を含む複数の平面で構成される相対的に逃げ角の大きい第２の逃げ面とを有し、前記切刃は前記すくい面と前記第１の逃げ面との境界部に形成されてなり、
前記切刃は、円弧状切刃と、前記円弧状切刃の後端側に連続するＲの異なる曲線の切刃からなる総形形状の切刃であり、前記円弧状切刃が形成される部分の前記第１の逃げ面は、円筒状の面であり、前記円筒状の面における円筒の軸方向は前記すくい面と交差する方向であり、
前記Ｒの異なる曲線の切刃の後端側には直線状の稜線が形成され、前記直線状の稜線は前記すくい面と前記第２の逃げ面との境界部に形成され、前記Ｒの異なる曲線の切刃と前記直線状の稜線との間には段差が形成されていることを特徴とするダイヤモンド工具。
先端が凸状のダイヤモンドチップを有し、前記凸状部分に切刃が形成されたダイヤモンド工具であって、
前記凸状部分は、少なくとも前記切刃周辺のＰＶ値が３〜３００ｎｍのすくい面と、ＰＶ値が３〜２０００ｎｍで曲面で構成される相対的に逃げ角の小さい第１の逃げ面と、ＰＶ値が３〜５００ｎｍの複数の平面で構成される相対的に逃げ角の大きい第２の逃げ面とを有し、前記切刃は前記すくい面と第１の逃げ面との境界部に形成されたＲ切刃と前記すくい面と第２の逃げ面との境界部の少なくとも一部分に形成された直線状切刃とからなるダイヤモンド工具。
前記第１の逃げ面の幅は、６０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンド工具。
前記第１の逃げ面の逃げ角と前記第２の逃げ面の逃げ角との差は、１０〜７５°であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンド工具。