JP6950183B2 - ダイヤモンド被覆回転切削工具及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超硬合金からなる基体の表面にダイヤモンドが被覆されたダイヤモンド被覆回転切削工具及びその製造方法に関する。

超硬合金からなる基体の表面にダイヤモンドが被覆された回転切削工具は、ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）工具と比べて製造が容易で刃先強度が高いという利点があるが、ダイヤモンド被膜の膜厚に応じて刃先が丸みを帯びるため、切れ味が悪くなり、加工面の面粗さの低下やバリの発生等の問題がある。また、特に超硬合金等の硬質材料の加工では、フレーキングにより工具すくい面のダイヤモンド被膜の剥離が発生しやすいことが知られており、その工具すくい面のダイヤモンド被膜の剥離の前後で加工面に段差が発生する等、加工精度上の問題がある。

このような工具の刃先が丸みを帯びる問題に対しては、例えば特許文献１〜５に記載される方法等が提案されている。
特許文献１には、刃先のダイヤモンド被膜を研磨加工により平面的に薄くすることで刃先を鋭利にすることが記載されている。また、特許文献２又は特許文献３には、刃先にチャンファを形成することで切れ刃の切れ味が良くなることが記載されている。また、特許文献４には、工具すくい面のダイヤモンド被膜の成膜速度を工具逃げ面よりも遅くすることで、工具すくい面の膜厚を工具逃げ面の膜厚よりも薄くし、通常（工具すくい面と工具逃げ面の膜厚が等しいもの）よりも刃先の曲率半径を小さくする方法が記載されている。さらに、特許文献５には、レーザ加工により工具すくい面のダイヤモンド被膜を薄く加工し、刃先の曲率半径を小さくする方法が記載されている。また、特許文献５の実施例には、工具すくい面のダイヤモンド被膜の剥離に関して、工具すくい面のダイヤモンド被膜の膜厚を薄くすることで抑制できることが報告されている。

特開平４‐２１０３１５号公報 特許第３４７７１８２号公報 特許第３４７７１８３号公報 特許第５１２４７９０号公報 特許第５７６４１８１号公報

一般に、超硬合金の切削に用いる回転工具では、工具の刃先の曲率半径を超硬合金中の炭化タングステン（ＷＣ）粒子と同程度のスケール以下（１μｍ以下）とすることで、光沢度の高い（鏡面仕上げの）加工面を得られる。
しかし、特許文献１に記載の方法では、刃先の曲率半径を１μｍ以下にするためには、工具逃げ面と工具すくい面の両側を大きく研磨する必要がある。このため、加工の手間がかかり、また、ダイヤモンド被膜全体が薄くなるため、工具寿命が低下することが問題となる。

また、特許文献２又は特許文献３に記載の方法では、工具すくい面と工具逃げ面の両方にチャンファを形成することにより刃先の曲率半径が１μｍ以下の鋭利な刃先を形成できると考えられるが、工具すくい面のダイヤモンド被膜の膜厚が元の膜厚の大きさと変わらないため（薄くしないため）、超硬切削時に工具すくい面のダイヤモンド被膜の剥離が発生するおそれがある。
さらに、特許文献４に記載の方法では、工具すくい面と工具逃げ面の膜厚に対し、それらを滑らかな曲面で結んだ形状で刃先の曲率が決まるため、工具の寿命を十分に保つことが可能な逃げ面の膜厚（８μｍ以上）において、刃先の曲率半径を１μｍ以下に形成することはできない。

また、特許文献５に記載のレーザ加工方法は、特許文献５の図６に示されるように、特許文献１に記載の方法と同様に、工具すくい面のダイヤモンド被膜の膜厚を平面的に薄くするものである。また、特許文献５においては、刃先の曲率半径を工具逃げ面と工具すくい面のダイヤモンド膜厚に応じて変化させることが記載されており、その請求項１に記載の計算式では、工具逃げ面のダイヤモンド被膜の膜厚が１０μｍ以下の場合において、刃先の曲率半径の最小値が１μｍ以下となることから、刃先の曲率半径を１μｍ以下とするためには、工具すくい面や工具逃げ面のダイヤモンド被膜の膜厚を十分に小さくする必要がある。このため、特許文献５に記載の方法では、摩耗による寿命を延ばすために工具逃げ面のダイヤモンド被膜の膜厚を大きく維持しながら、刃先を鋭利に形成することができない。また、特許文献５の図６、図１２及び請求項１等に記載された内容から、刃先の曲率半径として規定されるＲの位置は刃先の最も鋭利な点ではない。そのため、特許文献５に記載の工具では、刃先の鋭利な部分ではなく、Ｒ形状部を接触させるような加工の仕方となり、十分に平滑な加工面が得られない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、工具すくい面のダイヤモンド被膜の剥離を防止でき、平滑な加工面が得られるダイヤモンド被覆回転切削工具及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のダイヤモンド被覆回転切削工具は、超硬合金からなる工具基体の表面にダイヤモンド被膜が被覆されたダイヤモンド被覆回転切削工具であって、前記工具基体の基体すくい面と基体逃げ面との間に基体切れ刃部が形成され、前記基体すくい面の表面に被覆されたすくい面側ダイヤモンド被膜により工具すくい面が形成され、前記基体逃げ面の表面に被覆された逃げ面側ダイヤモンド被膜により工具逃げ面が形成され、前記工具すくい面と前記工具逃げ面との間に工具切れ刃部が形成されており、工具直径（呼び径）をＤ０とし、前記すくい面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚をｄ１とし、前記逃げ面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚をｄ２としたときに、前記工具すくい面における前記基体切れ刃部の先端から５０μｍ又は前記工具直径Ｄ０の１／１０までのいずれか小さい方の範囲の前記平均膜厚ｄ１が１．０μｍ≦ｄ１≦５．０μｍとされ、前記工具逃げ面における平均膜厚ｄ２が１２μｍ≦ｄ２≦３０μｍとされ、前記工具切れ刃部の刃先先端の曲率半径をＲとしたときに、該曲率半径Ｒが１μｍ以下とされ、工具回転中心と前記基体切れ刃部の先端とを結ぶ直線を基準線Ｃとし、前記基準線Ｃから前記工具切れ刃部の刃先先端までの高さをｈとし、該高さｈについて前記基準線Ｃよりも前記工具すくい面側を正とし、前記工具逃げ面側を負としたときに、前記高さｈが（−ｄ２／２）μｍ≦ｈ≦０μｍに設けられている。

このダイヤモンド被覆回転切削工具では、工具切れ刃部の刃先の最も鋭利な点の工具切れ刃部の刃先の高さｈを、基体切れ刃部と同じ高さ（ｈ＝０μｍ）か、それよりも低く（（−ｄ２／２）μｍ≦ｈ＜０μｍ）することで、刃先の最も鋭利な点と刃先の最外周点とをほぼ一致させることができ、刃先の最も鋭利な点で被削材を加工できる。したがって、被削材の加工時における切削抵抗を小さくできるので、加工品質を向上でき、平滑な加工面を得ることができる。
また、工具すくい面における、基体切れ刃部の先端から５０μｍ又は工具直径Ｄ０の１／１０までのいずれか小さい方の範囲において、すくい面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚ｄ１を１．０μｍ≦ｄ１≦５．０μｍとしているので、そのすくい面側ダイヤモンド被膜
の剥離を防止でき、良好な加工精度を維持できる。なお、平均膜厚ｄ１が１．０μｍ未満では、工具すくい面（すくい面側ダイヤモンド被膜）の摩耗により、工具基体が直ぐに露出する（あるいは、最初から露出している）。このように工具基体が露出した状態ではすくい面の耐摩耗性が低くなり、工具基体の摩耗箇所を起点としてダイヤモンド被膜が剥離する等により、工具寿命が低下する。また、平均膜厚ｄ１が５．０μｍを超える場合は、すくい面側ダイヤモンド被膜の剥離が生じやすい。
また、被削材の加工時において、工具逃げ面は、工具すくい面と比べて、工具切れ刃部の刃先先端（先端作用点）から離れた位置においても被削材と接触しやすく、被削材との摺動により摩耗しやすい。そこで、逃げ面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚ｄ２を８μｍ≦ｄ２≦３０μｍに確保することで、その逃げ面側ダイヤモンド被膜の剥離を防止するとともに、工具寿命の低下を防止できる。
なお、平均膜厚ｄ２が８μｍ未満では、工具すくい面よりも工具逃げ面が先に摩耗しやすくなり、工具寿命が低下する。本発明ではｄ２を１２μｍ以上とした。一方で、平均膜厚ｄ２が３０μｍを超えると、ダイヤモンド被膜が自壊しやすくなる。
また、ダイヤモンド被覆回転切削工具では、工具切れ刃部の刃先の最も鋭利な点の曲率半径Ｒを１μｍ以下（Ｒ≦１μｍ）で形成しているので、被削材の加工時における切削抵抗をより小さくでき、光沢度の高い加工面を得ることができる。

本発明のダイヤモンド被覆回転切削工具において、前記工具すくい面と前記工具切れ刃部の刃先における刃先すくい面とが曲面により接続されている。

本発明のダイヤモンド被覆回転切削工具において、前記工具切れ刃部の刃先における前記工具すくい面と前記基準線Ｃとがなす角度を刃先すくい角θとしたときに、該刃先すくい角θが−３０°≦θ≦５°とされる。

工具切れ刃部の刃先すくい角θを−３０°≦θ≦５°の範囲としているので、刃先すくい角θの大きな側（５°＜θ）で生じ易いチッピングや、刃先すくい角θの小さな側（θ＜−３０°）で生じ易い刃先の摩耗を防止でき、刃先の曲率半径Ｒが切削長とともに増加する問題を抑制できる。したがって、加工面の平滑さを保つことができる範囲を広くでき、工具寿命を延ばすことができる。
一般に、超硬金型加工用等の精密さを要求される工具では、一刃あたりの切り込み深さが５μｍ又は（ｄ２／２）μｍ程度で用いる場合が多いため、その領域における刃先すくい角θが切削性能に影響する。このため、刃先すくい角θは、（１）刃先の最も鋭利な点と、刃先の最も鋭利な点から工具中心側に５μｍ進んだ先の工具すくい面の表面上の点とを直線で結んだ線を工具切れ刃部の刃先すくい面とした場合の、この刃先すくい面の基準線Ｃに対する角度、又は（２）刃先の最も鋭利な点と、刃先の最も鋭利な点から工具中心側に（ｄ２／２）μｍ進んだ先の工具すくい面の表面上の点とを直線で結んだ線を工具切れ刃部の刃先すくい面とした場合の、この刃先すくい面の基準線Ｃに対する角度のうち、つまり、（１）又は（２）で規定する範囲の角度のうち、いずれか小さい方の範囲における角度とする。

本発明のダイヤモンド被覆回転切削工具の製造方法は、上記ダイヤモンド被覆回転切削工具の製造方法であって、超硬合金からなり、基体すくい面と、基体逃げ面と、前記基体すくい面と前記基体逃げ面との間に形成された基体切れ刃部とを有する工具基体の表面にダイヤモンド被膜を成膜する成膜工程と、前記ダイヤモンド被膜にレーザビームを照射し、前記ダイヤモンド被膜を加工して、前記基体すくい面上の領域の工具すくい面と、前記基体逃げ面上の領域の工具逃げ面と、前記工具すくい面と前記工具逃げ面との間に工具切れ刃部とを形成するレーザ加工工程とを有し、前記レーザ加工工程では、前記基体すくい面上のすくい面側ダイヤモンド被膜の厚み方向に複数層の加工レイヤーを設定し、各加工レイヤーに対して前記レーザビームを垂直に照射するとともに、該レーザビームを前記基体切れ刃部の延在方向に直交する方向に沿って走査することにより、前記加工レイヤー毎に前記ダイヤモンド被膜の所定部分を除去して、前記工具すくい面と前記工具逃げ面と前記工具切れ刃部とを形成し、前記加工レイヤー毎の前記レーザビームの走査を、加工予定の前記工具切れ刃部の刃先先端位置よりも外側に走査停止位置を有する走査線と、前記工具切れ刃部の刃先先端位置よりも内側に走査停止位置を有する走査線とを組み合わせて行う。

工具基体の表面に被覆されたダイヤモンド被膜は、すくい面側ダイヤモンド被膜と逃げ面側ダイヤモンド被膜との間が円弧面で形成されることから、すくい面側ダイヤモンド被膜の厚み方向に積層される各加工レイヤーに対してレーザビームを垂直に照射すると、各加工レイヤーの刃先近傍においては、レーザビームの照射位置が工具中心側と比べて深く照射される。このため、他の部分と比べて刃先近傍が深く加工されたり、加工量に変化が生じたりする。つまり、各加工レイヤー内においてレーザビームの照射距離が変化することにより、特に刃先近傍の加工面形状が大きく加工されやすい。
そこで、加工レイヤー毎のレーザビームの走査を、その加工レイヤー毎に加工予定の工具切れ刃部の刃先先端位置よりも外側に走査停止位置を有する走査線と、その刃先先端位置よりも内側に走査停止位置を有する走査線とを組み合わせて行うことにより、照射されるレーザビームのエネルギー密度を容易に調整することができる。これにより、すくい面側ダイヤモンド被膜の所定部分を除去して、三次元形状の加工面（刃先すくい面）を容易に形成できる。

本発明のダイヤモンド被覆回転切削工具によれば、工具すくい面のダイヤモンド被膜の剥離を防止して、平滑な加工面が得られる。また、本発明のダイヤモンド被覆回転切削工具の製造方法によれば、鋭利な刃先形状を有するダイヤモンド被覆回転切削工具を高精度に加工できる。

本発明の実施形態のボールエンドミルの工具先端部の斜視図である。 本発明の実施形態のボールエンドミルの工具切れ刃部を示す要部断面図であり、刃先すくい角が正の刃先すくい面を有する場合を説明する図である。 本発明の実施形態のボールエンドミルの工具切れ刃部を示す要部断面図であり、刃先すくい角が負の刃先すくい面を有する場合を説明する図である。 本実施形態に係るボールエンドミルの製造方法に使用されるレーザ加工装置を示す全体構成図である。 刃先すくい角が負の刃先すくい面を加工する場合のレーザ加工工程を説明する模式図である。 刃先すくい角が正の刃先すくい面を加工する場合のレーザ加工工程を説明する模式図である。 レーザビームのオーバーラップを説明する模式図である。 ボールエンドミルの作成例を示す画像であり、（ａ）が工具先端部の全体画像、（ｂ）が工具切れ刃部の要部拡大画像である。 （ａ）が図８に示すボールエンドミルの工具切れ刃部の一部をＦＩＢ加工により断面を加工した部分の要部拡大画像であり、（ｂ）が（ａ）の刃先部分の要部拡大画像である。 切削試験後のボールエンドミルの工具先端部の要部拡大画像を示す

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
本発明のダイヤモンド被覆回転切削工具は、図２に示すように、工具基体１の表面にダイヤモンド被膜２が被覆されたドリル、エンドミル、又はインサート等のダイヤモンド被覆回転切削工具に適用される。このうち本実施形態では、図１に示すように、軸線Ｏ回りに回転される工具先端部３を有し、その工具先端部３に、一対の工具切れ刃部４１が軸線Ｏを挟んで１８０°反対側に形成された２枚刃のボールエンドミル１０１に適用した例について説明する。

ボールエンドミル１０１は、工具先端部３の外径（工具直径、呼び径）Ｄ０が０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とされる小径のボールエンドミルであり、図１に示すように、工具切れ刃部４１は、工具すくい面４２と工具逃げ面４３との間の交差稜線部に形成されており、工具切れ刃部４１、工具すくい面４２及び工具逃げ面４３は、ボールエンドミル１０１の軸線Ｏを対称点として点対称に２箇所に配置されている。

工具基体１は超硬合金で形成され、ダイヤモンド被膜２は、熱フィラメントＣＶＤ法（化学気相成長法）等により成膜される。ダイヤモンド被膜２の膜質は、特に限定されるものではなく、一般的に適用されるものを用いることができる。なお、ダイヤモンド被膜２の膜質とは、ダイヤモンドの結晶粒径、ダイヤモンドの結晶の配向性、窒素やホウ素などの添加物元素量や、積層構造などを示す。

図２に示すように、工具基体１は、基体すくい面１２と、基体逃げ面１３と、これら基体すくい面１２と基体逃げ面１３との間の交差稜線部に形成された基体切れ刃部１１とを有している。そして、工具基体１の表面に形成されたダイヤモンド被膜２のうち、基体すくい面１２の表面に被覆されたすくい面側ダイヤモンド被膜２２により工具すくい面４２が形成され、基体逃げ面１３の表面に被覆された逃げ面側ダイヤモンド被膜２３により工具逃げ面４３が形成され、これら工具すくい面４２と工具逃げ面４３との間に工具切れ刃部４１が形成されている。

ボールエンドミル１０１は、図１又は図２に示すように、工具直径をＤ０とし、すくい面側ダイヤモンド被膜２２の平均膜厚をｄ１とし、逃げ面側ダイヤモンド被膜２３の平均膜厚をｄ２としたときに、工具すくい面４２における、基体切れ刃部１１の先端から５０μｍ又は工具直径Ｄ０の１／１０までのいずれか小さい方の範囲（図２に符号Ｅで示す範囲）の平均膜厚ｄ１が１．０μｍ≦ｄ１≦５．０μｍとされ、工具逃げ面４３における平均膜厚ｄ２が８μｍ≦ｄ２≦３０μｍとされる。

また、ボールエンドミル１０１の工具回転中心（軸線Ｏ）と基体切れ刃部１１の先端とを結ぶ直線を基準線Ｃとし、基準線Ｃから工具切れ刃部４１の刃先先端までの高さをｈとし、その高さｈについて基準線Ｃよりも工具すくい面４２側を正（＋；プラス）とし、工具逃げ面４３側を負（−；マイナス）としたときに、高さｈが（−ｄ２／２）μｍ≦ｈ≦０μｍに設けられている。そして、工具切れ刃部４１の刃先先端の曲率半径をＲとしたときに、その曲率半径Ｒは１μｍ以下に設けられている。

また、図２に示すように、工具切れ刃部４１の刃先における刃先すくい面４４と基準線Ｃとがなす角度を刃先すくい角θとしたときに、刃先すくい角θが−３０°≦θ≦５°とされる。なお、図２では、基準線Ｃに平行な線を引き、刃先すくい角θを図示している。また、本実施形態のボールエンドミル１０１は、図２に示すように、刃先すくい角θが０°よりも大きく形成されている。なお、刃先すくい角θが０°よりも小さい場合は、図３に示すような刃先の形態となる。

一般に、超硬金型加工用等の精密さを要求される工具では、一刃あたりの切り込み深さが５μｍ又は（ｄ２／２）μｍ程度で用いる場合が多いため、その領域における刃先すくい角θが切削性能に影響する。このため、刃先すくい角θは、（１）刃先の最も鋭利な点と、刃先の最も鋭利な点から工具中心側に５μｍ進んだ先の工具すくい面４２の表面上の点とを直線で結んだ線を工具切れ刃部４１の刃先すくい面４４とした場合の、この刃先すくい面４４の基準線Ｃに対する角度、又は（２）刃先の最も鋭利な点と、刃先の最も鋭利な点から工具中心側に（ｄ２／２）μｍ進んだ先の工具すくい面４２の表面上の点とを直線で結んだ線を工具切れ刃部４１の刃先すくい面４４とした場合の、この刃先すくい面４４の基準線Ｃに対する角度のうちいずれか小さい方の範囲、つまり、（１）又は（２）で規定する範囲の角度のうち、いずれか小さい方の範囲における角度とする。

このように、本実施形態のボールエンドミル１０１（ダイヤモンド被覆回転切削工具）では、工具切れ刃部４１の刃先の最も鋭利な点の曲率半径Ｒを１μｍ以下（Ｒ≦１μｍ）で形成するとともに、その工具切れ刃部４１の刃先の高さｈを、工具基体１の基体切れ刃部１１と同じ高さ（ｈ＝０μｍ）か、それよりも低く（（−ｄ２／２）μｍ≦ｈ＜０μｍ）することで、刃先の最も鋭利な点と刃先の最外周点とをほぼ一致させることができ、刃先の最も鋭利な点で被削材を加工できる。したがって、被削材の加工時における切削抵抗を小さくできるので、加工品質を向上でき、平滑な加工面を得ることができる。

また、工具すくい面４２における、基体切れ刃部１１の先端から５０μｍ又は工具直径Ｄ０の１／１０までのいずれか小さい方の範囲Ｅにおいて、すくい面側ダイヤモンド被膜２２の平均膜厚ｄ１を１．０μｍ≦ｄ１≦５．０μｍとしているので、すくい面側ダイヤモンド被膜２２の剥離を防止でき、良好な加工精度を維持できる。なお、平均膜厚ｄ１が１．０μｍ未満では、工具すくい面４２（すくい面側ダイヤモンド被膜２２）の摩耗により、工具基体１が直ぐに露出する（あるいは、最初から露出している）。このように工具基体１が露出した状態では工具すくい面４２の耐摩耗性が低くなり、工具基体１の摩耗箇所を起点としてダイヤモンド被膜２（すくい面側ダイヤモンド被膜２２）が剥離する等により、工具寿命が低下する。また、平均膜厚ｄ１が５．０μｍを超える場合は、すくい面側ダイヤモンド被膜２２の剥離が生じやすくなる。

また、被削材の加工時において、工具逃げ面４３は、工具すくい面４２と比べて、工具切れ刃部４１の刃先先端（先端作用点）から離れた位置においても被削材と接触しやすく、被削材との摺動により摩耗しやすい。そこで、逃げ面側ダイヤモンド被膜２３の平均膜厚ｄ２を８μｍ≦ｄ２≦３０μｍの範囲に確保することで、その逃げ面側ダイヤモンド被膜２３の剥離を防止するとともに、工具寿命の低下を防止できる。
なお、平均膜厚ｄ２が８μｍ未満では、工具すくい面４２よりも工具逃げ面４３が先に摩耗しやすくなり、工具寿命が低下する。一方で、平均膜厚ｄ２が３０μｍを超えると、ダイヤモンド被膜２が自壊しやすくなる。

また、本実施形態のボールエンドミル１０１では、工具切れ刃部４１の刃先すくい角θを−３０°≦θ≦５°の範囲としているので、刃先すくい角θの大きな側（５°＜θ）で生じ易いチッピングや、刃先すくい角θの小さな側（θ＜−３０°）で生じ易い刃先の摩耗を防止でき、刃先の曲率半径Ｒが切削長とともに増加する問題を抑制できる。したがって、加工面の平滑さを保つことができる範囲を広くでき、工具寿命を延ばすことができる。

次に、本実施形態のボールエンドミル１０１（ダイヤモンド被覆回転切削工具）を製造する方法について、説明する。
本実施形態のボールエンドミル１０１の製造方法は、超硬合金からなる工具基体１の表面にダイヤモンド被膜２を成膜する成膜工程と、ダイヤモンド被膜２にレーザビームＬを照射し、ダイヤモンド被膜２を加工して工具切れ刃部４１を形成するレーザ加工工程とを有する。

（成膜工程）
成膜工程では、基体すくい面１２と、基体逃げ面１３と、これら基体すくい面１２と基体逃げ面１３との間に形成された基体切れ刃部１１とを有する工具基体１の表面に、ダイヤモンド被膜２を例えば８μｍ以上３０μｍ以下の略一定の膜厚（平均膜厚）で、すなわち一様に成膜する。
工具基体１へのダイヤモンド被膜２の成膜は、例えばマイクロ波プラズマＣＶＤ法や、熱フィラメントＣＶＤ法、高周波プラズマＣＶＤ法等の公知の方法を好適に用いることができる。また、イオンビーム法等の他の成膜方法を適用することもできる。

（レーザ加工工程）
レーザ加工工程では、例えば、図４に示すようなレーザ加工装置２０１を使用し、工具基体１の表面に被覆されたダイヤモンド被膜２にレーザビームＬを照射して、そのダイヤモンド被膜２を加工する。以下、図４及びレーザ加工工程の説明においては、ダイヤモンド被膜２が形成された工具基体１を符号１０で示す。

例えば、レーザ加工装置２０１は、レーザビームＬをパルス発振してダイヤモンド被膜２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５０と、ダイヤモンド被膜が被覆された工具基体１０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工具保持機構６０と、これらを制御する制御機構７０とを備える構成とされる。

工具保持機構６０は、工具基体１０をｘ‐ｙ‐ｚの各方向に並進運動でき、かつ旋回運動、及び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軸方向に移動可能なｘ軸ステージ部６１ｘと、そのｘ軸ステージ部６１ｘ上に設けられｘ軸方向に対して垂直であり水平面に平行なｙ軸方向に移動可能なｙ軸ステージ部６１ｙと、ｙ軸ステージ部６１ｙ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６１ｚと、ｚ軸ステージ部６１ｚ上に設けられた旋回機構６２と、旋回機構６２に固定されて工具基体１０を保持可能なホルダ６３を旋回機構６２の旋回中心と直交する軸を中心に回転する回転機構６４とを備える構成とされる。これら各ステージ部６１ｘ〜６１ｚ、旋回機構６２、回転機構６４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。

レーザビーム照射機構５０は、ＱスイッチによりレーザビームＬをパルス発振するレーザ発振機５１と、レーザビームＬをスポット状に集光させる集光レンズ５２と、集光レンズ５２からのレーザビームＬを走査するガルバノスキャナ等のビーム走査系５３と、レーザビームＬの照射位置を撮影するＣＣＤカメラ等の撮影部５４とを備えている。
レーザ発振機５１は、１９０ｎｍ〜１１００ｎｍの短波長のレーザビームＬを照射できる光源を使用することができ、例えば本実施形態では、波長３５５ｎｍのレーザビーム（Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第三高調波）を発振して出射できるものを用いている。また、ビーム走査系５３は、工具保持機構６０の真上に配置されている。
そして、制御機構７０は、全体の動作を制御するもので、レーザビームＬの旋回軌道の半径、旋回軌道における後述のウエイト時間などを設定するプログラムを有している。

次に、このように構成されるレーザ加工装置２０１を使用して、工具基体１０の表面に被覆されたダイヤモンド被膜２を加工して、基体すくい面１２上の領域の工具すくい面４２と、基体逃げ面１３上の領域の工具逃げ面４３と、工具すくい面４２と工具逃げ面４３との間に工具切れ刃部４１とを形成する方法について説明する。

レーザ加工工程では、図５及び図６に示すように、基体すくい面１２上のすくい面側ダイヤモンド被膜２２の厚み方向に複数層（図５及び図６では９層）の加工レイヤー２５を設定する。そして、各加工レイヤー２５に対してレーザビームＬを垂直に照射するとともに、そのレーザビームＬを図１に複数の矢印で示したように基体切れ刃部１１の延在方向に直交する方向に沿って走査することにより、加工レイヤー２５毎にダイヤモンド被膜２の所定部分を除去して、工具すくい面４２を加工するとともに、工具すくい面４２と工具逃げ面４３との間に配置される工具切れ刃部４１とを形成する。

このとき、図１に示すように、工具切れ刃部４１の刃先先端位置におけるレーザビームＬの走査線の間隔を一定にして行う。また、本実施形態のボールエンドミル１０１のような形態では、工具すくい面４２（基体すくい面１２）の内側にいく程、レーザビームＬの走査線の密度が高まり、走査線の密度の違いにより加工量に変化が生じる。そこで、走査線の密度を個々の走査線の長さで調整してもよい。

また、レーザビームＬの走査は、パルス発振されるレーザビームＬのフルエンス（パルスあたりのレーザビームの照射エネルギー密度）が、ダイヤモンド被膜２の加工閾値の直上である０．５（Ｊ／ｃｍ^２）〜５．０（Ｊ／ｃｍ^２）程度になるように、レーザビームＬの照射点、すなわちダイヤモンド被膜２（すくい面側ダイヤモンド被膜２２）の表面におけるレーザビームＬの集光直径や出力等を調整する。フルエンスを上記範囲に設定することで、本発明で規定する曲率半径Ｒが１μｍ以下の鋭利な刃先を形成することが可能となる。また、各加工レイヤー２５において、隣接するレーザビームＬの走査線のオーバーラップＫは５０％以上とするのが良い。なお、図７に示すように、レーザビームＬの集光直径をＢとし、レーザビームＬを走査した際に走査線間で隣接するレーザビームＬの集光直径Ｂの中心間距離をＡとすると、Ａ＝ＢのときにオーバーラップＫが０％となり、Ａ＝（Ｂ／２）のときにオーバーラップＫが５０％となる。オーバーラップＫを５０％以上とすることで、加工面を凹凸のない滑らかな面に仕上げることができる。

そして、このようなレーザビームＬの走査を、各加工レイヤー２５において繰り返し行うことで、すくい面側ダイヤモンド被膜２２の所定部分を除去して三次元形状の加工面を形成していき、工具すくい面４２を加工して、工具すくい面４２とともに、工具逃げ面４３と工具切れ刃部４１とを形成する。

例えば、図３に示すように、刃先の高さｈが０未満（ｈ＜０μｍ）であり、刃先すくい角θが負（θ＜０°）の刃先すくい面４４及び工具切れ刃部４１を形成する場合には、図５に実線矢印Ｓ１で走査線を示したように、加工レイヤー２５毎のレーザビームＬの走査線Ｓ１の走査停止位置を加工予定の工具切れ刃部４１の刃先先端位置よりも外側に設定する。

この場合、図５に示すように、工具基体１の表面に被覆されたダイヤモンド被膜２は、すくい面側ダイヤモンド被膜２２と逃げ面側ダイヤモンド被膜２３との間の表面が円弧面で形成されることから、すくい面側ダイヤモンド被膜２２の厚み方向に積層される各加工レイヤー２５に対してレーザビームＬを垂直に照射すると、各加工レイヤー２５の刃先近傍においては、レーザビームＬの照射位置が工具中心側と比べて深く照射される。つまり、各加工レイヤー２５内においてレーザビームＬの照射距離が変化することにより、特に刃先近傍の加工面形状が大きく加工される。これにより、他の部分と比べて刃先近傍を深く加工でき、刃先すくい角θが負となる刃先すくい面４４と、刃先の高さｈが０未満の工具切れ刃部４１とを加工できる。

また、図２に示すように、刃先の高さｈが０未満（ｈ＜０μｍ）であり、刃先すくい角θが正（０°＜θ）の刃先すくい面４４及び工具切れ刃部４１を形成する場合には、図６に示すように、加工レイヤー２５毎のレーザビームＬの走査を、加工予定の工具切れ刃部４１の刃先先端位置よりも外側に走査停止位置を有する走査線Ｓ１（実線矢印）と、加工予定の工具切れ刃部４１の刃先先端位置よりも内側に走査停止位置を有する走査線Ｓ２（破線矢印）とを組み合わせて行う。この際、加工予定の工具切れ刃部４１の刃先先端位置よりも内側に走査停止位置を有する走査線Ｓ２については、各走査停止位置を例えば図６に二点鎖線で示すような曲線４５上に載せて行うことで、段差のない滑らかな加工面形状を高精度に形成できる。

このように、レーザビームＬの走査線の走査停止位置を調整することにより、加工面に照射されるレーザビームＬのエネルギー密度を容易に調整できるので、すくい面側ダイヤモンド被膜２２の所定部分を除去して、三次元形状の加工面（刃先すくい面４４）を容易に形成できるとともに、曲率半径Ｒが１μｍ以下の鋭利な刃先を形成できる。
なお、図６では、工具切れ刃部４１の刃先先端位置よりも外側に走査停止位置を有する走査線Ｓ１と、工具切れ刃部４１の刃先先端位置よりも内側に走査停止位置を有する走査線Ｓ２とを、交互に実施しているが、これに限定されるものではない。加工面形状に応じて、外側の走査線Ｓ１と内側の走査線Ｓ２との走査タイミングや回数を組み合わせることができる。

次に、以下の加工条件により、本実施形態のボールエンドミルを実際に作製し、評価を行った。
（加工条件）
レーザ波長：３５５ｎｍ
パルス幅：３０ｎｓ
繰り返し周波数：２００ｋＨｚ
フルエンス：２．５（Ｊ／ｃｍ^２）
隣接するレーザビームのオーバーラップＫ：７５％
レーザビームの走査速度：２００（ｍｍ／ｓ）
レーザビームの走査線の間隔（中心間距離Ａ）：２μｍ
加工レイヤーの層数：１４層（このうち、刃先先端位置の内側に走査停止位置を設定したものは５層）

図８は作製した２枚刃のボールエンドミルの工具先端部の画像であり、（ａ）が工具先端部の全体画像、（ｂ）が工具切れ刃部の要部拡大画像である。また、図９（ａ）は図８に示すボールエンドミルの刃先にＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）加工により切断面を加工した部分の画像であり、図９（ｂ）は（ａ）の断面像の刃先部分の要部拡大画像である。
図８及び図９に示すボールエンドミルは、工具直径Ｄ０が２．０ｍｍの工具基体１に対し、熱フィラメントＣＶＤ法により単層で平均膜厚２０μｍのダイヤモンド被膜２を被覆したものに対し、すくい面側ダイヤモンド被膜２２の平均膜厚ｄ１が約１．５μｍ、刃先の曲率半径Ｒが約０．０９μｍ、刃先すくい角θが約−８°、刃先の高さｈが−９μｍとなるように加工したものである。
刃先の曲率半径Ｒの測定は、倍率１００００倍以上のＳＥＭ像を用いて行い、図９（ｂ）の１００００倍のＳＥＭ像に示すように、ＦＩＢ加工により得られた刃先の切れ刃稜線に垂直な方向の断面像により、刃先のダイヤモンド被膜の表面（二点鎖線）を半径Ｒの円（破線円）で近似したものとした。また、すくい面側ダイヤモンド被膜２２の平均膜厚ｄ１の測定は、倍率２０００倍以上のＳＥＭ像を用いて行い、ＦＩＢ加工により得られた刃先の断面像において、範囲Ｅの範囲内で２μｍおきに等間隔ですくい面側ダイヤモンド被膜２２の膜厚を測定していき、得られた複数の膜厚の値の平均値を平均膜厚ｄ１として求めた。

表１〜表３に示す条件で、ボールエンドミル（２枚刃、工具直径Ｄ０：２．０ｍｍ）の試料を作製し、以下の条件により切削試験を行った。
（切削試験条件）
加工方法：平面加工（ダウンカット）
切削油：無し（エアブローのみ）
ワーク（被削材）：超硬合金（ＩＳＯ分類記号：Ｋ２０）、
直径２０ｍｍ、厚さ２ｍｍのコイン状
回転速度：３００００（ｍｉｎ^−１）
送り速度：３００（ｍｍ／ｍｉｎ）
切り込み量：ａｐ＝０．０５ｍｍ、ａｅ＝０．０３ｍｍ
切削長：約１０ｍ
評価方法：
ＳＥＭ像：日立ハイテクノロジース製 走査電子顕微鏡（型番：Ｓ‐３４００Ｎ）
光沢度：日本電色工業株式会社製 光沢度計（型番：ＰＧ‐１Ｍ）、
測定角度：２０°、測定面積：１０．０×１０．６ｍｍ（ワーク中央部）
面粗さ：ＫＥＹＥＮＣＥ レーザ顕微鏡（型番：ＶＫ‐Ｘ２００）
面粗さ測定箇所はワーク中央部（切削長約５ｍの箇所）

（試験１）
表１に示す試料番号１〜１３の条件のボールエンドミルを作製し、各ボールエンドミルについて、切削試験後のダイヤモンド被膜の膜厚と剥離発生との関係を調べた。表１に結果を示す。

表１に示すように、逃げ面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚ｄ２の大きさによらず、すくい面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚ｄ１が１．０μｍ以上５．０μｍ以下（１．０μｍ≦ｄ１≦５．０μｍ）の場合において、すくい面側ダイヤモンド被膜の剥離が発生しない結果となった。なお、すくい面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚ｄ１が０．５μｍ以下（ｄ１＜１．０μｍ）とされる試料番号７では、すくい面側ダイヤモンド被膜が摩滅した。また、逃げ面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚ｄ２が８μｍ以下（ｄ２＜８μｍ）とされる試料番号１では、すくい面側ダイヤモンド被膜の剥離は発生しなかったが、逃げ面側ダイヤモンド被膜が摩滅する結果となった。なお、膜厚（平均膜厚ｄ２）が３５μｍのダイヤモンド被膜を熱フィラメントＣＶＤ法にて被覆しようとしたところ、成膜後のダイヤモンド被膜に自壊が見られた。

（試験２）
表２に示す未処理１の条件のダイヤモンド被膜（平均膜厚１２μｍ）を表面に被覆したボールエンドミルにレーザ加工を施し、試料番号１４〜２８の条件のボールエンドミルを作製した。加工レイヤーの層数はいずれの試料も９層とし、それぞれの試料について、レーザビームの走査を刃先すくい面上（刃先の内側）で停止する層の層数と、レーザビームの走査停止位置とを調整することで、刃先の高さｈと刃先すくい角θを制御した。なお、試料番号１３〜２７は、いずれも、切削試験において、すくい面側ダイヤモンド被膜の剥離が発生しない条件（ｄ１＝１．５μｍ）とし、工具切れ刃部の刃先先端の曲率半径Ｒを１μｍ以下で形成した。なお、未処理１の場合は、工具切れ刃部の刃先先端の曲率半径Ｒが１２μｍであった。また、試料番号１４〜２８の逃げ面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚ｄ２はいずれも１２μｍであるから、（−ｄ２／２）＝−６μｍとなる。
そして、各試料について、切削試験後のワーク加工面の光沢度が未処理１（レーザ加工処理していないもの）の結果を上回り、かつ、ワーク加工面の面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａが未処理１の結果を下回ったものを「○」と評価した。また、光沢度が未処理１の結果を下回り、かつ、ワーク加工面の面粗さＲａが未処理１の結果を上回ったものを「×」と評価した。さらに、判定が「○」と「×」以外のものは「△」と評価した。結果を表２に示す。

表２の結果から、刃先の高さｈが−６μｍ≦ｈ≦０μｍ、刃先すくい角θが−３０°≦θ≦５°をともに満たす条件の判定が「○」となり、良好な光沢度と面粗さＲａが得られることがわかった。

（試験３）
表３に示す未処理２の条件のダイヤモンド被膜（平均膜厚２０μｍ）を表面に被覆したボールエンドミルにレーザ加工を施し、試料番号２９〜４３の条件のボールエンドミルを作製した。加工レイヤーの層数はいずれの試料も１６層とし、それぞれの試料について、レーザビームの走査を刃先すくい面上（刃先の内側）で停止する層の層数と、レーザビームの走査停止位置とを調整することで、刃先の高さｈと刃先すくい角θを制御した。なお、試料番号２９〜４３は、いずれも、切削試験において、すくい面側ダイヤモンド被膜の剥離が発生しない条件（ｄ１＝１．５μｍ）とし、工具切れ刃部の刃先先端の曲率半径Ｒを１μｍ以下で形成した。なお、未処理２の場合は、工具切れ刃部の刃先先端の曲率半径Ｒが２０μｍであった。また、試料番号２９〜４３の逃げ面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚ｄ２はいずれも２０μｍであるから、（−ｄ２／２）＝−１０μｍとなる。
そして、各試料について、切削試験後のワーク加工面の光沢度が未処理２（レーザ加工処理していないもの）の結果を上回り、かつ、ワーク加工面の面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａが未処理２の結果を下回ったものを「○」と評価した。また、光沢度が未処理２の結果を下回り、かつ、ワーク加工面の面粗さＲａが未処理２の結果を上回ったものを「×」と評価した。さらに、「○」と「×」以外のものを「△」と評価した。結果を表３に示す。

表３の結果から、刃先の高さｈが−１０μｍ≦ｈ≦０μｍ、刃先すくい角θが−３０°≦θ≦５°をともに満たす条件の判定が「○」となり、良好な光沢度と面粗さＲａが得られることがわかった。
また、試験２と試験３の結果から、刃先の高さｈは、逃げ面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚ｄ２に対し、（−ｄ２／２）μｍ≦ｈ≦０μｍを満たす条件で、刃先すくい角θが−３０°≦θ≦５°の際に判定が「○」となり、良好な光沢度と面粗さＲａが得られることがわかった。
また、図１０に、切削試験後の試料番号３７のボールエンドミルの画像を示す。試料番号３７のボールエンドミルは、図８及び図９に示した実施例１のボールエンドミルと同じ条件で作製されたものである。切削試験前の図８及び図９と、切削試験後の図１０とを比較してわかるように、切削試験によっても工具すくい面のダイヤモンド被膜の剥離が発生せず、良好な加工性が得られた。
なお、刃先の高さｈが−１０μｍ≦ｈ≦０μｍの場合、図５及び図６で示した製造方法では、基体切れ刃部の先端から工具切れ刃部の刃先先端までの範囲におけるダイヤモンド被膜表面の基準線Ｃからの高さは、すくい面の平均膜厚ｄ１を超えることはない。

（試験４）
表４に示す未処理３の条件のダイヤモンド被膜（平均膜厚２０μｍ）を表面に被覆したボールエンドミルにレーザ加工を施し、試料番号４４，４５の条件のボールエンドミルを作製した。加工レイヤーの層数はいずれの試料も１６層とし、それぞれの試料について、レーザビームの走査を刃先すくい面上（刃先の内側）で停止する層の層数と、レーザビームの走査停止位置とを調整することで、刃先の高さｈと刃先すくい角θを制御するとともに、ビームのフルエンスを調整することで、刃先の曲率半径Ｒを制御した。なお、表４の未処理３は、表３の未処理２の条件のボールエンドミルと同じものである。
なお、試料番号４４，４５は、いずれも、切削試験において、すくい面側ダイヤモンド被膜の剥離や摩滅が発生しない条件（１．０μｍ≦ｄ１≦５．０μｍ）とした。また、試料番号４４，４５の逃げ面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚ｄ２はいずれも２０μｍであるから、（−ｄ２／２）＝−１０μｍとなり、高さｈを−１０μｍ≦ｈ≦０μｍの範囲内で形成した。
そして、各試料について、切削試験後のワーク加工面の光沢度が未処理３（レーザ加工処理していないもの）の結果を上回り、かつ、ワーク加工面の面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａが未処理３の結果を下回ったものを「○」と評価した。また、光沢度が未処理３の結果を下回った場合、又はワーク加工面の面粗さＲａが未処理３の結果を上回った場合のいずれかの場合を「△」と評価した。結果を表４に示す。

表４の結果から、工具切れ刃部の刃先先端の曲率半径Ｒが１μｍ以下（Ｒ≦１μｍ）の条件では、曲率半径Ｒが１μｍを超える条件よりも、ワーク加工面の光沢度が大きくなり、また、ワーク加工面の面粗さＲａを小さくでき、より良好な光沢度と面粗さＲａが得られることがわかった。また、曲率半径Ｒが１μｍ以下の場合においても、曲率半径Ｒが小さくなるほど、ワーク加工面の光沢度が大きくなり、また、ワーク加工面の面粗さＲａが小さくなる傾向が得られた。

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。
例えば、上記実施形態ではボールエンドミルを加工する場合について説明したが、刃先を一体に形成したドリルやその他のエンドミル、インサートなどの切削工具においても、本発明を適用することができ、曲線状の切れ刃部で構成されているもの、曲線状の切れ刃部と直線状の切れ刃部との組合せで構成されているものなど、広く適用することができる。

１ 工具基体
２ ダイヤモンド被膜
３ 工具先端部
１１ 基体切れ刃部
１２ 基体すくい面
１３ 基体逃げ面
２２ すくい面側ダイヤモンド被膜
２３ 逃げ面側ダイヤモンド被膜
２５ 加工レイヤー
４１ 工具切れ刃部
４２ 工具すくい面
４３ 工具逃げ面
４４ 刃先すくい面
５０ レーザビーム照射機構
５１ レーサ発振機
５２ 集光レンズ
５３ ビーム走査系
５４ 撮像部
６０ 工具保持機構
６１ｘ ｘ軸ステージ部
６１ｙ ｙ軸ステージ部
６１ｚ ｚ軸ステージ部
６２ 旋回機構
６３ ホルダ
６４ 回転機構
７０ 制御機構
１０１ ボールエンドミル（ダイヤモンド被覆回転切削工具）
２０１ レーザ加工装置

Claims (4)

1. 超硬合金からなる工具基体の表面にダイヤモンド被膜が被覆されたダイヤモンド被覆回転切削工具であって、
   前記工具基体の基体すくい面と基体逃げ面との間に基体切れ刃部が形成され、
   前記基体すくい面の表面に被覆されたすくい面側ダイヤモンド被膜により工具すくい面が形成され、
   前記基体逃げ面の表面に被覆された逃げ面側ダイヤモンド被膜により工具逃げ面が形成され、
   前記工具すくい面と前記工具逃げ面との間に工具切れ刃部が形成されており、
   工具直径をＤ０とし、前記すくい面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚をｄ１とし、前記逃げ面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚をｄ２としたときに、
   前記工具すくい面における前記基体切れ刃部の先端から５０μｍ又は前記工具直径Ｄ０の１／１０までのいずれか小さい方の範囲の前記平均膜厚ｄ１が１．０μｍ≦ｄ１≦５．０μｍとされ、
   前記工具逃げ面における平均膜厚ｄ２が１２μｍ≦ｄ２≦３０μｍとされ、
   前記工具切れ刃部の刃先先端の曲率半径をＲとしたときに、該曲率半径Ｒが１μｍ以下とされ、
   工具回転中心と前記基体切れ刃部の先端とを結ぶ直線を基準線Ｃとし、
   前記基準線Ｃから前記工具切れ刃部の刃先先端までの高さをｈとし、該高さｈについて前記基準線Ｃよりも前記工具すくい面側を正とし、前記工具逃げ面側を負としたときに、
   前記高さｈが（−ｄ２／２）μｍ≦ｈ≦０μｍに設けられていることを特徴とするダイヤモンド被覆回転切削工具。
2. 前記工具すくい面と前記工具切れ刃部の刃先における刃先すくい面とが曲面により接続されていることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド被覆回転切削工具。
3. 前記工具切れ刃部の刃先における前記工具すくい面と前記基準線Ｃとがなす角度を刃先すくい角θとしたときに、該刃先すくい角θが−３０°≦θ≦５°とされることを特徴とする請求項１又は２に記載のダイヤモンド被覆回転切削工具。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のダイヤモンド被覆回転切削工具の製造方法であって、
   超硬合金からなり、基体すくい面と、基体逃げ面と、前記基体すくい面と前記基体逃げ面との間に形成された基体切れ刃部とを有する工具基体の表面にダイヤモンド被膜を成膜する成膜工程と、
   前記ダイヤモンド被膜にレーザビームを照射し、前記ダイヤモンド被膜を加工して、前記基体すくい面上の領域の工具すくい面と、前記基体逃げ面上の領域の工具逃げ面と、前記工具すくい面と前記工具逃げ面との間に工具切れ刃部とを形成するレーザ加工工程とを有し、
   前記レーザ加工工程では、
   前記基体すくい面上のすくい面側ダイヤモンド被膜の厚み方向に複数層の加工レイヤーを設定し、
   各加工レイヤーに対して前記レーザビームを垂直に照射するとともに、該レーザビームを前記基体切れ刃部の延在方向に直交する方向に沿って走査することにより、前記加工レイヤー毎に前記ダイヤモンド被膜の所定部分を除去して、前記工具すくい面と前記工具逃げ面と前記工具切れ刃部とを形成し、
   前記加工レイヤー毎の前記レーザビームの走査を、加工予定の前記工具切れ刃部の刃先先端位置よりも外側に走査停止位置を有する走査線と、前記工具切れ刃部の刃先先端位置よりも内側に走査停止位置を有する走査線とを組み合わせて行うことを特徴とするダイヤモンド被覆回転切削工具の製造方法。

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