JP6065518B2

JP6065518B2 - 切削工具の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JP6065518B2
Application number: JP2012234469A
Authority: JP
Inventors: 正訓高橋; 日向野　哲; 哲日向野; 拓矢久保
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2017-01-25
Anticipated expiration: 2032-10-24
Also published as: JP2014083567A

Description

本発明は、切削工具の製造方法及び製造装置に係り、特に、切削工具の刃先部を精密に加工することができる製造方法及び製造装置に関する。

微細加工を行うために、加工しようとする材料の表面に、レーザビームを直線偏光ないしは円偏光に偏光させ、フルエンスを高めて加工する方法が提案されている。
例えば、特許文献１では、偏光素子を調整してレーザの偏光状態を変更することができるようにしており、加工対象物の表面に応じて楕円偏光の楕円率を変更することにより、直線偏光から円偏光までのレーザを照射することが開示されている。
一方、特許文献２では、超短パルスレーザを用いて、アブレーション閾値に対する所定範囲のフルエンスで直線偏光させて照射することが開示されている。

特開２０１０−１１０７９９号公報特許第４２６３８６５号号公報

レーザビームによって切削工具の刃先部を加工する場合、加工しようとする面に対してｐ偏光で照射すれば、材料への吸収を最大化させることができる。ところが、直線偏光はすべてｐ偏光またはｓ偏光にしかできないため、変曲面が生じていると、加工性状が変わってしまう。また、円偏光の場合であれば、伝播位置で偏光が回転しているため、ｐ偏光とｓ偏光とが平均化された偏光となっているが、吸収が最適化されない。
このように、直線偏光や円偏光の場合、形態形成しようとする面とレーザビームの照射の関係が変わると、レーザ照射角度の関係以上にレーザ光の材料への吸収効率が変わってしまう。このような状態では、加工時の熱影響が出やすく、変質層が発生しやすくなるとともに、シャープな形態を形成するのに支障を生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、変質層の発生を抑え、切削工具の刃先部を精密に加工することができる製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

本発明の切削工具の製造方法は、切削工具の刃先部をレーザビームにより加工するレーザ加工工程を有し、少なくとも逃げ面を加工する際のレーザビームをラジアル偏光とし、すくい面を加工する際のレーザビームを直線偏光又は円偏光とすることを特徴とする。

ラジアル偏光は、電場がビーム中心に対して放射状に振動しており、加工面に対するレーザビームの照射方向にかかわらず、すべて材料に対してｐ偏光となるので、材料への光吸収が効率よく行われ、加工形態が安定する。このため、レーザビームの照射方向に対して傾斜面又は曲面となる逃げ面の加工に際して、ビームをラジアル偏光とすることにより、加工面にレーザビームが効率よく吸収され、変質層の発生を抑え、逃げ面を精密に加工することができる。

すくい面の加工は、レーザビームを加工面にほぼ平行に走査することにより、加工面に対するレーザビームの照射方向の角度変化が少ないので、直線偏光又は円偏光により加工面にビームを効率よく吸収させることができ、安定した加工を行うことができるので、逆に、すくい面を偏光コンバータ等で減衰されたラジアル偏光により加工しようとするのは、ビーム出力が小さく効率的でない。

本発明の切削工具の製造装置は、レーザ発振源と、該レーザ発振源から出射されたレーザのビーム径を拡大するビームエキスパンダと、ビーム径が拡大されたレーザを直線偏光からラジアル偏光に変換する偏光コンバータと、加工面に照射されるレーザビームを走査するスキャナと、該スキャナにより走査されるレーザビームを集光する集光レンズとを備えるとともに、前記偏光コンバータがレーザ光路から退避可能に設けられていることを特徴とする。

レーザビームをラジアル偏光にて照射する場合は、ビームエキスパンダによってビーム径を拡大することにより、単位面積当たりの光強度を弱めた状態にして偏光コンバータに入力させ、ラジアル偏光にして照射する。一方、直線偏光で照射する場合は、偏光コンバータをレーザ光路から退避させ、直線偏光のレーザビームをスキャナで走査して照射する。この場合、ビームエキスパンダで拡大されたビーム径は集光レンズで絞ることにより、適切な光強度で照射することができる。

このように、偏光コンバータをレーザ光路上に配置しあるいはレーザ光路から退避させることにより、ラジアル偏光と直線偏光との両方のレーザビームを照射することができ、その照射方向と加工面との配置関係に応じて適切な偏光のレーザビームを使用することができる。しかも、直線偏光とラジアル偏光とで光強度も調整することができ、光学系の損傷も防止することができる。

本発明によれば、斜面となる工具の逃げ面にレーザビームを照射し加工する際に、加工対象物の加工面との関係において偏光がｐ偏光となるラジアル偏光を成立させてこれを用いることにより、逃げ面に対して蓄熱しにくい加工が出来、変質層の発生を抑え、シャープな形態形成が出来る。このことによって鋭利な工具の切れ刃を形成することが出来る。

本発明に係るエンドミルの製造方法に使用するレーザ加工装置を示す全体構成図である。本発明の製造方法により製造されるエンドミルの例を示す正面図である。図２のエンドミルの全体外観図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の加工対象物であるエンドミル１は、図２及び図３に示すように、軸線ｘ回りに回転される工具先端部２に、一対の切刃部１１が軸線ｘを挟んで互いに反対側に形成された２枚刃のスクエアエンドミルである。このスクエアエンドミル１は、円柱状のシャンク部３の先端部が小径に形成され、その小径の首部４の先端に略円周状のチップ部５が接合された構成とされている。チップ部５は、首部４に接合される超硬合金部６と、その超硬合金部６に接続され、切刃部１１が形成されるｃＢＮ焼結体、ダイヤモンド焼結体等の工具先端部２とで構成されている。

また、切刃部１１は、工具先端部２の外周に配置される外周刃１２と、工具先端部２の先端に配置される底刃１３とにより形成される。外周刃１２は軸線ｘに沿って螺旋状に形成され、底刃１３は外周刃１２の先端から半径方向内方に向かって形成され、これら外周刃１２の先端と底刃１３の外周端とが鋭利な角部により交差している。そして、この切刃部１１が、周方向に１８０°離間した位置に一対配置されている。
また、図２の符号１５はすくい面を示しており、このすくい面１５との間で外周刃１２を形成する外周側の逃げ面が、逃げ角θ１，θ２の異なる第１逃げ面１６ａ、第２逃げ面１６ｂの２段で構成されている。

このように構成されるスクエアエンドミル１において、その工具先端部２は、円柱状の素材２０にレーザビームＢを照射することにより形状形成される。
本実施形態の製造方法に用いるレーザ加工装置１００は、図１に示すように、円柱状の素材２０にレーザビームを照射して三次元加工する装置である。このレーザ加工装置１００は、レーザビームＢをパルス発振して素材２０に一定の繰り返し周波数で照射しながら走査するレーザビーム照射機構２２と、素材２０を保持した状態で回転、旋回及びｘｙｚ軸方向にそれぞれ移動可能な素材保持機構２４と、これらを制御する制御部２５とを備えている。

レーザビーム照射機構２２は、ＱスイッチによりレーザビームＢとなるレーザ光をパルス発振するレーザ発振源２６と、レーザ発振源２６から出射されたレーザ光のビーム径を拡大するビームエキスパンダ２７と、ビーム径が拡大されたレーザ光を直線偏光からラジアル偏光に変換する偏光コンバータ２８と、加工面に照射されるレーザビームを走査するスキャナ２９と、該スキャナにより走査されるレーザビームを集光する集光レンズ３０とを備えている。

レーザ発振源２６は、直線偏光で３５０ｎｍ〜５３２ｎｍの波長のレーザ光を出射できる光源を使用することができる。このレーザ光の波長は、材料の持つバンドギャップ等から多光子吸収により超硬合金、焼結ダイヤモンド、ｃＢＮ焼結体をシャープに加工できる波長として選定される。その中で工業的に利用し得る波長のものは主として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波である３５５ｎｍであり、その他有力な波長は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ及びＮｄ：ＹＬＦレーザの第２高調波の５３２ｎｍ及び５２３ｎｍである。例えば後述の加工例では、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波である波長３５５ｎｍのレーザ光を発振して出射できるものを用いている。

ビームエキスパンダ２７はレーザ光の出力密度を抑制するためにビーム径を５ｍｍ以上に拡大する。偏光コンバータ２８としては、特に限定されるものではないが、例えばＴＮ液晶（ＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃＣｅｌｌ）を用いたものが適用される。スキャナ２９はｘ−ｙ平面を走査するガルバノスキャナが用いられ、素材保持機構２４で保持される素材２０の真上に配置される。集光レンズ３０としてはｆθレンズが用いられる。
これらの要素を有する光学系において、直線偏光とラジアル偏光との両方のレーザビームを照射するために、偏光コンバータ２８を図１の実線で示すようにレーザ光路Ｌ内に配置した状態と、二点鎖線で示すように光路Ｌから退避させた状態との間で移動することができるように構成されている。

素材保持機構２４は、被加工物をｘ−ｙ−ｚの各方向に並進運動でき、且つ旋回運動、及びｙ軸に沿った軸に対して自転運動できる機構を有している。具体的には、水平面に平行なｘ方向に移動なｘ軸ステージ部３１ｘと、そのｘ軸ステージ部３１ｘ上に設けられｘ方向に対して垂直で水平面に平行なｙ方向に移動可能なｙ軸ステージ部３１ｙと、ｙ軸ステージ部３１ｙ上に設けられ水平面に対して垂直方向に移動可能なｚ軸ステージ部３１ｚと、ｚ軸ステージ部上に設けられた旋回機構３２と、旋回機構３２に固定され、素材２０を保持可能な回転機構３３とを備える構成とされている。これら各ステージ部３１ｘ〜３１ｚ、旋回機構３２、回転機構３３の各駆動部は、例えばステッピングモータが用いられ、エンコーダにより位相をフィードバックすることができるようになっている。

このように構成されるレーザ加工装置１００により、エンドミル１の刃先部を製造する方法について説明する。
このレーザ加工装置１００を用いたレーザ加工工程においては、円柱状の素材２０を素材保持機構２４に所定の姿勢で保持し、レーザビーム照射機構２２からレーザビームＢを照射して工具先端部２の形状を形成する。その際、すくい面の加工は、素材保持機構２４により保持した素材２０の表面とレーザビームＢの照射方向との角度関係の変化が少ないので、直線偏光のレーザビームＢにより加工する。レーザビーム照射機構２２の中の偏光コンバータ２８を二点鎖線で示すように光路Ｌから退避させておき、レーザ発振源２６から発振される直線偏光のレーザビームをビームエキスパンダ２７、スキャナ２９、集光レンズ３０を経由して素材２０に照射する。素材２０の加工面に直線偏光をｐ偏光となるように照射し、スキャナ２９によりすくい面１５に平行にレーザビームを走査して加工する。

次に、素材２０の先端に逃げ面を形成する場合は、素材２０の表面は円筒面であり、この円筒面に対してレーザビームＢを照射して所定角度の平面（逃げ面）を形成する。このため、レーザビームＢの照射方向と素材２０の加工面との角度が変化するので、偏光コンバータ２８を実線で示すように光路Ｌ内に配置して、ラジアル偏光のレーザビームＢを素材２０に照射する。具体的には、最終的に形成しようとする逃げ面とレーザビームＢとのなす角度が７０°以下となるように設定し、この状態でレーザビームＢを照射しながら、不要な部分の材料を除去する。７０°以下とするのは、屈折率１．５以下の低屈折率材料の場合、７０°を超えると反射率の変化の割合が大きくなり、パルス当たりの加工除去量が不安定になり、加工後の表面性状を悪化させることがあるためである。
ラジアル偏光のレーザビームＢであるので、レーザビームＢの加工面への照射方向にかかわらず常に材料に対してｐ偏光となり、反射が抑えられて材料への吸収効率が高く、蓄熱しにくい加工ができ、加工形態が安定する。したがって、レーザ加工部位の変質層の生成が抑制され、スムーズな逃げ面が得られるため、結果としてすくい面等の交線として形成される切れ刃を鋭利なものにできる。

本発明の効果を確認するために、以下の加工を行った。
直線偏光でＱスイッチパルス発振されたＮｄ：ＹＡＧレーザの第３高調波の３５５ｎｍのレーザ光をビームエキスパンダによりパワー密度を抑制するためにビーム径１０ｍｍに拡大した。そして、このビームエキスパンダを通過したレーザ光をＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃＣｅｌｌによるＡＲＣＯｐｔｉｘ社製偏光コンバータに入力して、直線偏光（Ｖｅｒｔｉｃａｌ）からラジアル偏光に変換した。ラジアル偏光に変換されたレーザビームを、ｘ−ｙ平面を走査するガルバノスキャナに導入し、ｆθレンズによって集光した。

ｃＢＮ焼結体からなる被加工物を素材保持機構に設置し、最終的に形態形成しようとするスクエアエンドミルの形態面とレーザビームのなす角を６０°に設定した。この状態でレーザビームを走査しながら、不要な部分の材料を除去すると、レーザ加工部位の変質層の生成が全くなく、Ｒｚ＜１μｍのスムーズな逃げ面を得ることができた。そして、その結果としてすくい面等の交線として形成される切れ刃をＲ＜１μｍの鋭利なものにできた。
ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ（ｃｕｂｉｃＢｏｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅ）の粒子とバインダとの複合材であり、約６ｅＶと大きなバンドギャップをもつｃＢＮ粒子とバインダとの間に大きなバンドギャップ差がある。このため、多光子吸収により加工させる場合であっても、ｓ偏光ではレーザビームを入射すると吸収率の変動を大きくすることで、ｃＢＮ粒子は加工がよりされにくくなり、加工後の表面起伏が安定しなくなるため、ｃＢＮ焼結体では特にラジアル偏光が本発明の効果を発揮する。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
実施形態ではエンドミルの外周刃を加工する場合について説明したが、本発明は、他の切削工具の切刃部を加工する場合にも適用することができる。

１エンドミル
２工具先端部
３シャンク部
４首部
５チップ部
６超硬合金部
１１切刃部
１２外周刃
１３底刃
１５すくい面
１６ａ第１逃げ面
１６ｂ第２逃げ面
２０素材
２２レーザビーム照射機構
２４素材保持機構
２５制御部
２６レーザ発振源
２７ビームエキスパンダ
２８偏光コンバータ
２９スキャナ
３０集光レンズ
３１ｘｘ軸ステージ部
３１ｙｙ軸ステージ部
３１ｚｚ軸ステージ部
３２旋回機構
３３回転機構
１００レーザ加工装置

Claims

切削工具の刃先部をレーザビームにより加工するレーザ加工工程を有し、少なくとも逃げ面を加工する際のレーザビームをラジアル偏光とし、すくい面を加工する際のレーザビームを直線偏光又は円偏光とすることを特徴とする切削工具の製造方法。
レーザ発振源と、該レーザ発振源から出射されたレーザのビーム径を拡大するビームエキスパンダと、ビーム径が拡大されたレーザを直線偏光からラジアル偏光に変換する偏光コンバータと、加工面に照射されるレーザビームを走査するスキャナと、該スキャナにより走査されるレーザビームを集光する集光レンズとを備えるとともに、前記偏光コンバータがレーザ光路から退避可能に設けられていることを特徴とする切削工具の製造装置。