JP5914446B2 - 切削工具およびそれを用いたワークの加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、切削工具およびそれを用いたワークの加工方法に関し、より特定的には、超硬質工具材料からなるドリル、およびそれを用いて硬脆材料に穴あけ加工をする方法に関するものである。

従来、切削工具は、例えば、特表昭５９−５００５５３号公報（特許文献１）、実公昭５１−２７５１０号公報（特許文献２）、特開平３−２６４２０５号公報（特許文献３）、特公昭４７−２２９８５号公報（特許文献４）、特公昭４７−２７２９９号公報（特許文献５）、実開昭４９−１２１１９２号公報（特許文献６）、実開平５−９８１４号公報（特許文献７）、および特許第３５４０２５６号公報（特許文献８）に開示されている。

特表昭５９−５００５５３号公報 実公昭５１−２７５１０号公報 特開平３−２６４２０５号公報 特公昭４７−２２９８５号公報 特公昭４７−２７２９９号公報 実開昭４９−１２１１９２号公報 実開平５−９８１４号公報 特許第３５４０２５６号公報

しかしながら、従来の切削工具を用いて穴をあけた場合に、穴の抜け側（穴をあけ始めた表面と反対側）の表面でワークに欠けや剥離が生じやすいという問題があった。さらに、高硬度材料に穴あけをすると切削工具の寿命が短いという問題があった。

そこで、この発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、ワークに欠けや剥離が発生することを抑制でき、しかも寿命の長い切削工具を提供することを目的とするものである。

この発明に従った切削工具は、回転中心に頂点を有し、その頂点から切刃稜線が延在し、その切刃稜線に連なるように曲線状切刃稜線が設けられる。頂点は、略角錐の頂点である。角錐は複数の切刃稜線を有し、一部の切刃稜線は曲線状切刃稜線に連なり、他の切刃稜線は曲線状切刃稜線に連ならず所定の長さ延在した後に途切れている。

このように構成された切削工具では、回転中心に頂点を有することで工作物への進入時に、送り方向の力が頂点を中心としてそこから繋がる切刃稜線に均等に働くため、安定した加工が行える。また、曲線状切刃稜線を設けることで、切削抵抗が滑らかに小さくなり加工がさらに安定する。

回転切削工具先端の回転中心は、一般的には頂点ではなくチゼルと呼ばれるノミ状の切刃である。チゼルの回転中心の切削速度は０となるため切削が不安定になる。一方、この発明は回転中心に頂点を持つとワークを頂点で塑性または弾性変形させることで頂点がワークに食い込み回転の支点となるため、安定した加工が行える。

さらに穴加工を行った場合にワークの抜け側におけるチッピングおよび剥離の発生を抑制することができる。頂点は、略角錐の頂点であるため、先端を略角錐とすることで稜線が切刃稜線となり、切刃を容易に成形できる。角錐は複数の切刃稜線を有し、一部の切刃稜線は曲線状切刃稜線に連なり、他の切刃稜線は曲線状切刃稜線に連ならず所定の長さ延在した後に途切れている。頂点から繋がる切刃稜線の一部を途切れさせることにより、切削液の供給がしやすくなり、かつ切り屑の排出性が向上して安定した加工が行える。

好ましくは、角錐は正四角錐、正五角錐または正六角錐である。特に、正四角錐であれば隣接する側面で構成される切刃稜線の刃物角が適度の大きさを有しワークへの食いつきが良く、切刃の強度も高い。角錐の側面が多過ぎると、切刃稜線の刃物角が大きくなり過ぎてワークへの食いつきが悪化する。

好ましくは、角錐の対稜角は鈍角である。対稜角が鈍角であることで、ワークに最初に食いつく先端部の強度が高くなり、耐欠損性が高くなる。頂点から底面に垂直に下した線と、ひとつの稜線とを含む断面において、断面の頂点がなす角度を対稜角と呼ぶ。

対稜角が鋭角であると、工具材料の剥離や欠損が発生しやすい。さらに、振動などの外乱が発生したときに所定の切り込みより大きくワークに切削工具が食い込み、刃先に大きな負担が発生し突発的な欠損の原因となる。鈍角であると鋭角よりもスラスト方向の抵抗が大きいため、食い込み量は対稜角が鋭角のものよりも小さくなり突発的な欠損の確率が小さくなる。

好ましくは、対稜角は９５°以上である。対稜角を９５°以上とすることで先端にかかる力のうち工具剛性のあるスラスト方向の分力が明確に大きくなり、安定した加工が行える。より好ましくは１００°以上、最も好ましくは１０５°以上である。ただし、１６０°を超えるとワークへの食い込みが低下して好ましくない。

好ましくは、切削工具は、ナノ多結晶ダイヤモンド、バインダレスナノ多結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、超硬合金、サーメット、セラミックスおよび多結晶ＣＢＮからなる群より選ばれた少なくとも一種を含む。工具材料をこれらの高硬度材料とすることで、耐欠損性や耐摩耗性が向上し安定した加工が行える。工具材料が高硬度でないと、回転中心の頂点によるワークの塑性、弾性変形量が小さくなり、中心での支持剛性が小さくなり加工が不安定になる。

好ましくは、外周面には溝が設けられていない。溝をなくすことで工具剛性が高くなり、耐欠損性が向上する。

好ましくは、切刃稜線および曲線状切刃稜線の丸み半径は０．１μｍ以上２０μｍ以下である。丸み半径が０．１μｍ未満では鋭利過ぎて欠損しやすく、２０μｍを超えると鋭利さが失われて切れ味が低下する。

好ましくは、曲線状切刃稜線は角柱体の稜線に連なる。角柱体に繋がることで、角柱体で安定した加工が行える。また、角柱体がガイドの役割を果たす。

切削工具を用いたワークの加工方法は、上記のいずれかの切削工具を用いてワークを加工する方法であって、工具を回転させながらワークに当接させて工具に超音波振動を加えることでワークを加工する。超音波振動を加えることにより、先端部がワークに加速度をもって衝突することで、ワークを微小破壊させ、これにより加工が継続する。その結果、通常の切削よりも切削抵抗が低減できる。その結果、工具寿命を引き延ばすことができる。

好ましくは、加工は穴あけ、穴の仕上げ、面取り、またはバリ取りのいずれかである。すなわち、本発明の切削工具は、ドリル、リーマ、エンドミル、面取り工具、バリ取り工具として用いることができる。

好ましくは、ワークは、ガラス、サファイヤ、サーメット、超硬合金、シリコン、ゲルマニウム、セラミックス、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ、グラファイト、ＧａＮ、およびＳｉＣからなる群より選ばれた少なくとも一種である。これらは高硬度材料であるか、または高硬度材料を含む材料であるため難削材料であるが、脆性を有するため超音波振動の衝撃による微小破壊が有効に作用する。

実施の形態に従ったドリルの正面図である。 実施の形態に従ったドリルの背面図である。 実施の形態に従ったドリルの平面図である。 実施の形態に従ったドリルの底面図である。 実施の形態に従ったドリルの右側面図である。 実施の形態に従ったドリルの左側面図である。 実施の形態に従ったドリルの斜視図である。 実施の形態に従ったドリルの別の局面の斜視図である。 実施例に従った穴あけ加工方法で形成された穴を示す図である。 比較例に従った穴あけ加工方法で形成された穴を示す図である。 実施例に従ったドリルの写真である。 実施例に従ったドリルの写真である。 比較のために用いたツイスト形状のドリルの写真である。 比較のために用いた正四角錐形状のドリルの写真である。 実施例に従った穴あけ加工方法で形成された穴を示す図である。 ツイスト形状のドリルによる穴あけ加工方法で形成された穴を示す図である。 四角錐形状のドリルによる穴あけ加工方法で形成された穴を示す図である。 実施例に従った穴あけ加工方法で形成された穴を示す図である。 ツイスト形状のドリルによる穴あけ加工方法で形成された穴を示す図である。

図１は、実施の形態に従ったドリルの正面図である。図２は、実施の形態に従ったドリルの背面図である。図３は、実施の形態に従ったドリルの平面図である。図４は、実施の形態に従ったドリルの底面図である。図５は、実施の形態に従ったドリルの右側面図である。図６は、実施の形態に従ったドリルの左側面図である。図７は、実施の形態に従ったドリルの斜視図である。図８は、実施の形態に従ったドリルの別の局面の斜視図である。

本発明に基づいた実施の形態におけるドリルおよびそれを用いた穴あけ加工方法について、以下、図を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、同一の部品、相当部品に対しては、同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。

図１から８を参照して、ドリル１は、四角錐形状の先端部１００およびその先端部１００に連なる中間部２００を備える。ドリル１の外周面に溝が設けられていない。一般的なドリルおよびエンドミルであると切刃を形成するために溝加工または座ぐり加工が必要である。しかし、溝を形成しないことで、当該加工を省略することが可能となる。先端部１００を構成する四角錐の頂点２の対稜角θ１は鈍角である。

正四角錐は第一稜線１０、第一稜線１０に隣接する第二稜線２０、第二稜線２０に隣接する第三稜線３０および第三稜線３０に隣接する第四稜線４０を有している。

中間部２００は第五稜線５０および第六稜線６０を有しており、第一稜線１０が第五稜線５０に連なっており、第三稜線３０が第六稜線６０に連なっており、第二稜線２０および第四稜線４０は先端部１００および中間部２００の境界で途切れており、第五稜線５０および第六稜線６０は曲線状であり、第一稜線１０から第六稜線６０は超硬質工具材料により構成される。

超硬質工具材料はナノ多結晶ダイヤモンド、バインダレスナノ多結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、超硬合金、サーメット、セラミックスおよび多結晶ＣＢＮからなる群より選ばれた少なくとも一種を含むことが好ましい。バインダレスナノ多結晶ダイヤモンドは、１５ＧＰａ，２０００℃以上の超高圧高温下で、グラファイトを触媒や溶媒無しに直接的にダイヤモンドに変換させて製造されたダイヤモンドである。

切削工具としてのドリル１は、回転中心に頂点２を有し、その頂点２から第一から第四切刃稜線としての第一から第四稜線１０−４０が延在し、その第一から第四稜線１０−４０の一部に連なるように曲線状切刃稜線としての第五および第六稜線５０，６０が設けられる。頂点２は、略角錐体の頂点である。角錐は四角錐である。対稜角θ１は９５°以上である。

第一および第三稜線１０，３０は第五および第六稜線５０，６０に連なり、第二および第四稜線２０，４０は曲線状切刃稜線に連ならず所定の長さ延在した後に途切れている。

第五および第六稜線５０，６０は角柱体により構成される後部の第七および第八稜線７０，８０に連なる。

対稜角θ１が９５°以上であることがさらに好ましい。先端部１００における対稜角θ１が大きくなることで、先端部１００の強度を高めることができる。中間部に連なる後部３００を有し、後部３００は四角柱形状であることが好ましい。

第五稜線５０および第六稜線６０の丸み半径は０．２μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。レーザによりドリル１の仕上げ加工が行われる。

この発明に従った加工方法では、上記のいずれかに記載の工具を回転させながらワークに当接させて工具に超音波振動を加えることでワークを加工する。

加工は穴あけ、穴の仕上げ、面取り、またはバリ取りのいずれかである。ワークは、ガラス、サファイヤ、サーメット、超硬合金、シリコン、ゲルマニウム、セラミックス、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ、グラファイト、ＧａＮ、およびＳｉＣからなる群より選ばれた少なくとも一種である。

ドリル１は、従来のドリルと比較してチゼルを有していない。ドリル１においては、先端部１００から連続した切れ刃としての第一稜線１０および第五稜線５０ならびに第三稜線３０および第六稜線６０を有する。第一稜線１０から第四稜線４０は直線形状であるのに対して、第五稜線５０および第六稜線６０は、ともに曲線形状である。

中間部２００と後部３００との境界では、第五稜線５０と第六稜線６０とが、後部３０
０を構成する正四角柱になだらかに接続している。すなわち、第五稜線５０および第六稜線６０が、四角柱の稜線の接線を構成している。

先端部１００の四角錐の対稜角θ１が鈍角であるため強度が高く、耐欠損性が高まり、工具寿命を延長することできる。

さらに、第五稜線５０および第六稜線６０を曲線状とすることにより、抜け際のラジアル方向およびスラスト方向の力を低減することができる。

ドリル１では、ドリルの刃先である先端部１００に正四角錐を形成し、その正四角錐の４稜線のうち対角の２稜線から外周の四角柱に繋がる連続の円弧または曲線状の切刃である第五稜線５０および第六稜線６０を持つことでワークにおけるドリル抜け側（穴あけを開始した面と反対側の面）における欠けや剥離を抑制することができる。さらに、工具寿命を延長することができる。

つまり、切削速度がゼロに近い中心部の加工を四角錐の頂点である頂点２と第一から第四稜線１０−４０で超音波振動をワークに与えることにより、硬脆材料の微小破壊が進み、全体のスラスト方向の抵抗を下げて四角錐の頂点が食い込み時に支点となることから、安定した加工が可能となる。

（実施例）
ナノ多結晶ダイヤモンドをレーザ加工して、図１から７で示す形状のドリル１を作成した。寸法は回転直径がφ０．７ｍｍ×長さ１．５ｍｍ（先端四角錐＋Ｒ１．０ｍｍ）とした。すなわち、ドリル１の後部３００の回転直径がφ０．７ｍｍであり、頂点２から後部３００の後端までの長さが１．５ｍｍである。先端四角錐の対稜角θ１は１２０°、第五稜線５０および第六稜線６０の刃物角θ２は１３０°、第五稜線５０および第六稜線６０の丸み曲線のＲは１．０ｍｍである。

このドリルを用いてガラスの穴あけ加工を行った。加工条件は回転数Ｎを８０００ｍｉｎ^-1とし、送りＦは１０ｍｍ／ｍｉｎ（１．２５μｍ／ｒｅｖ）とした。加工時には、ドリル１に超音波振動を与えた。超音波の周波数は８０．９ｋＨｚとした。加工時には水溶性加工液を冷却材として使用した。加工したガラスは携帯端末用強化ガラス（厚み１．１ｍｍ）である。

穴あけ加工の結果、ガラスの抜け側に欠けや剥離は発生しなかった。図９は実施例に従った穴あけ加工方法で形成された穴を示す図である。図９を参照して、ワークとしてのガラス４の裏面５（抜け側の面）の穴６を観察したところ、穴６に欠けや剥離は見当たらなかった。

（比較例）
比較例として、通常の電着工具を用いて、実施例と同じガラスに穴あけ加工を行った。穴あけの条件は以下のとおりである。

工具：電着ダイヤモンド軸付きホイール、外径φ０．５ｍｍ、ダイヤモンド粒度＃４００
加工方法：偏心０．１ｍｍのヘリカル加工（螺旋加工）でφ０．７ｍｍの穴を加工
工具の回転数：８０００ｍｉｎ^-1
ヘリカルの送りピッチ：０．０１ｍｍ/１回転（公転）
超音波の周波数：７６ｋＨｚ（工具の軸方向の振動）
図１０は、比較例に従った穴あけ加工方法で形成された穴を示す図である。図１０を参
照して、ワークとしてのガラス４の裏面５（抜け側の面）の穴６を観察したところ、穴６に大きな剥離が発生した。最大剥離幅Ｗは、２４４．２μｍであった。

（比較試験）
次に、実施例に従ったドリルと、ツイスト形状のドリルと、正四角錐ドリルとの比較試験を行った。

図１１および図１２は、実施例に従ったドリルの写真である。図１１および図１２を参照して、実施例に従ったドリルの寸法は回転直径がφ０．７ｍｍ×長さ１．５ｍｍ（先端四角錐＋Ｒ１．０ｍｍ）とした。ドリル１の後部３００の回転直径がφ０．７ｍｍであり、頂点２から後部３００の後端までの長さが１．５ｍｍである。先端四角錐の対稜角θ１は１２０°、第五稜線５０および第六稜線６０の刃物角θ２は１３０°、第五稜線５０および第六稜線６０の丸み曲線のＲは１．０ｍｍである。

図１３は、比較のために用いたツイスト形状のドリルの写真である。図１３を参照して、ツイスト形状のドリルは、回転直径φ０．７ｍｍ×長さ１．５ｍｍ、先端角１４５°、ねじれ角２０°であり、先端にはチゼルが設けられている。

図１４は、比較のために用いた正四角錐形状のドリルの写真である。図１４を参照して、正四角錐形状のドリルは、回転直径φ０．７ｍｍ×長さ１．５ｍｍであり、先端が正四角錐形状である。

図１１から１４のドリルは、いずれもナノ多結晶ダイヤモンド（スミダイヤバインダレス）により構成された。

図１１から１４のドリルを用いてガラスの穴あけ加工を行った。加工条件は回転数Ｎを８０００ｍｉｎ^-1とし、送りＦは１０ｍｍ／ｍｉｎ（１．２５μｍ／ｒｅｖ）とした。加工時には、ドリルに超音波振動を与えた。超音波の周波数は８０．９ｋＨｚとした。加工時には水溶性加工液を冷却材として使用した。加工したガラスは携帯端末用カバーガラス（厚み１．１ｍｍ）である。

実施例に従ったドリルでは、穴あけ加工の結果、ガラスの抜け側に欠けや剥離は発生しなかった。図１５は実施例に従った穴あけ加工方法で形成された穴を示す図である。図１５を参照して、ワークとしてのガラスの裏面（抜け側の面）の穴を観察したところ、穴に欠けや剥離は見当たらなかった。

図１６は、ツイスト形状のドリルによる穴あけ加工方法で形成された穴を示す図である。 図１７は、四角錐形状のドリルによる穴あけ加工方法で形成された穴を示す図である。図１６および１７を参照して、ワークとしてのガラスの裏面（抜け側の面）の穴を観察したところ、穴に大きな剥離が発生した。

図１１から１３のドリルを用いてサファイヤガラスの穴あけ加工を行った。加工条件は回転数Ｎを３０００ｍｉｎ^-1とし、送りＦは５ｍｍ／ｍｉｎ（１．７μｍ／ｒｅｖ）とした。加工時には、ドリルに超音波振動を与えた。超音波の周波数は８０．９ｋＨｚとした。加工時には水溶性加工液を冷却材として使用した。加工したガラスはサファイヤカバーガラス（厚み０．７ｍｍ）である。

実施例に従ったドリルでは、穴あけ加工の結果、ガラスの抜け側に欠けや剥離は発生しなかった。図１８は実施例に従った穴あけ加工方法で形成された穴を示す図である。図１８を参照して、ワークとしてのガラスの裏面（抜け側の面）の穴を観察したところ、穴に欠けや剥離は見当たらなかった。

図１９は、ツイスト形状のドリルによる穴あけ加工方法で形成された穴を示す図である。図１９を参照して、ワークとしてのガラスの裏面（抜け側の面）の穴を観察したところ、穴に大きな剥離が発生した。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、ドリル、エンドミルおよびリーマに代表される回転する切削工具の分野において用いることができる。

１ ドリル、２ 頂点、１０ 第一稜線、２０ 第二稜線、３０ 第三稜線、４０ 第四稜線、５０ 第五稜線、６０ 第六稜線、７０ 第七稜線、８０ 第八稜線、１００ 先端部、２００ 中間部、３００ 後部。

Claims (11)

1. 回転中心に頂点を有し、その頂点から切刃稜線が延在し、その切刃稜線に連なるように曲線状切刃稜線が設けられ、前記頂点は、略角錐の頂点であり、前記角錐は複数の前記切刃稜線を有し、一部の前記切刃稜線は前記曲線状切刃稜線に連なり、他の前記切刃稜線は前記曲線状切刃稜線に連ならず所定の長さ延在した後に途切れている、切削工具。
2. 前記角錐は正四角錐、正五角錐または正六角錐である、請求項１に記載の切削工具。
3. 前記角錐の対稜角は鈍角である、請求項１または２に記載の切削工具。
4. 前記対稜角は９５°以上である、請求項３に記載の切削工具。
5. ナノ多結晶ダイヤモンド、バインダレスナノ多結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、超硬合金、サーメット、セラミックスおよび多結晶ＣＢＮからなる群より選ばれた少なくとも一種を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の切削工具。
6. 外周面には溝が設けられていない、請求項１から５のいずれか１項に記載の切削工具。
7. 前記切刃稜線および前記曲線状切刃稜線の丸み半径は０．１μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１から６のいずれか１項に記載の切削工具。
8. 前記曲線状切刃稜線は角柱体の稜線に連なる、請求項１から７のいずれか１項に記載の切削工具。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の切削工具を用いてワークを加工する方法であって、前記工具を回転させながらワークに当接させて前記工具に超音波振動を加えることでワークを加工する、切削工具を用いたワークの加工方法。
10. 前記加工は穴あけ、穴の仕上げ、面取り、またはバリ取りのいずれかである、請求項９に記載の切削工具を用いたワークの加工方法。
11. 前記ワークは、ガラス、サファイヤ、サーメット、超硬合金、シリコン、ゲルマニウム、セラミックス、ＣＦＲＰ、ＧＦＲＰ、グラファイト、ＧａＮ、およびＳｉＣからなる群より選ばれた少なくとも一種である、請求項９または１０に記載の切削工具を用いたワークの加工方法。