JP6980216B2 - 切削工具製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、複数の切れ刃が並ぶ切削工具の製造方法に関する。

サブミクロンからミクロンオーダーのピッチで周期的な微細溝を創製する切削加工には、従来、単結晶ダイヤモンド工具が用いられている。非特許文献１は、鋭く研磨した単一の剣先をもつ単結晶ダイヤモンド工具を用いて、サブミクロンオーダーのピックフィードで剣先形状を硬銅に転写した周期的な微細溝を示す。非特許文献２は、集束イオンビームを用いて周期的な４つの微細突起（切れ刃）を単結晶ダイヤモンド工具に形成し、４つの微細突起で被削材表面を切削する技術を開示する。

特許文献１は、パルスレーザ光を比較的緩い角度で集光し、集束箇所を含む筒状の照射領域を被加工部材の表面上で走査することで面加工を行うパルスレーザ研削を開示する。具体的に特許文献１は、パルスレーザ光において筒状に延び且つ加工可能なエネルギをもつ照射領域を加工対象物の表面側の部位に重ねて、加工可能な速度で走査することで、加工対象物の表面領域を除去加工する方法を開示する。非特許文献３は、パルスレーザ研削により工具母材の逃げ面を２方向に加工して、Ｖ字形状の切れ刃を形成する技術を開示する。

特開２０１６−１５９３１８号公報

Chun-Wei Liu, Jiwang Yan, and Shih-Chieh Lin, 「Diamond turning of high-precision roll-to-roll imprinting molds for fabricating subwavelength gratings」, Optical Engineering 55(6), 064105, 2016年6月 J. Sun, et al.,「Fabrication of periodic nanostructures by single-point diamond turning with focused ion beam built tool tips」、Journal of micromechanics and microengineering. 22 (2012年) 115014 (11pp) Hiroshi Saito, Hongjin Jung, Eiji Shamoto, Shinya Suganuma, and Fumihiro Itoigawa;「Mirror Surface Machining of Steel by Elliptical Vibration Cutting with Diamond-Coated Tools Sharpened by Pulse Laser Grinding」, International Journal of Automation Technology, Vol.12, No.4, pp.573-581(2018年)

非特許文献１に示す単結晶ダイヤモンド工具は単一の剣先しか持たないため、周期的な微細溝を創製する際の加工効率は低い。非特許文献２に示す単結晶ダイヤモンド工具は周期的な４つの切れ刃を持つため、ピックフィードを４ピッチ分の長さに設定することで１つの切れ刃の場合と比べて４倍の加工効率で周期的な微細溝を創製できる。しかしながら複数の切れ刃の形成に集束イオンビームを用いることで、工具の製造コストが高いという欠点がある。本開示者は、パルスレーザ研削が低コストで実現できることに注目し、パルスレーザ研削により複数の切れ刃を周期的に創製する方法を考案するに至った。

本開示はこうした状況に鑑みてなされており、その目的とするところの１つは、複数の切れ刃が並ぶ切削工具を製造する新たな方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様は、被加工部材を加工して、複数の切れ刃が並ぶ切削工具を製造する方法に関する。この方法は、照射されるレーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材の逃げ面側を加工する工程を備える。この工程は、加工深さを変化させる周期的な走査経路で筒状照射領域を走査して、複数の切れ刃を形成する。

パルスレーザ研削を説明するための図である。 レーザ加工装置の概略構成を示す図である。 複数の切れ刃が並ぶ切削工具の製造方法の手順を示す図である。 被加工部材の例を示す図である。 第１工程および第２工程を説明するための図である。 第２工程における加工の様子を示す図である。 製造された切削工具の刃先周辺の構造を示す図である。

図１は、パルスレーザ研削を説明するための図である。パルスレーザ研削は、特許文献１に開示されるように、レーザ光２の光軸方向に延び且つ加工可能なエネルギをもつ円筒状の照射領域を被加工部材２０の表面に重ねて、その光軸と交差する方向へ走査することで、円筒状の照射領域が通過した被加工部材２０の表面領域を除去する加工法である。パルスレーザ研削は、被加工部材２０の表面に、光軸方向および走査方向に平行な面を成形する。

図２は、レーザ加工装置１の概略構成を示す。レーザ加工装置１は、レーザ光２を照射するレーザ光照射部１０、被加工部材２０を支持する支持装置１４、レーザ光照射部１０を被加工部材２０に対して相対的に変位可能とする変位機構１１、変位機構１１を動かすためのアクチュエータ１２、およびレーザ加工装置１の全体の動作を制御する制御部１３を備える。

レーザ光照射部１０は、レーザ光を発生するレーザ発振器、レーザ光の出力を調整する減衰器、レーザ光の径を調整するためのビームエキスパンダなどを備え、これらを経たレーザ光が光学レンズ経由で出力されるように構成される。たとえばレーザ発振器は、Ｎｄ：ＹＡＧパルスレーザ光を発生してよい。

実施形態の変位機構１１は、被加工部材２０に対してレーザ光照射部１０の位置および姿勢を変化させるための機構を有する。変位機構１１は少なくともリンク機構を有してよい。アクチュエータ１２は、制御部１３からの指令に応じて変位機構１１を動かし、これによりレーザ光照射部１０の位置および姿勢が変化する。なお変位機構１１は、レーザ光照射部１０に対して支持装置１４の位置および姿勢を変化させるための機構を有してもよい。いずれにしても変位機構１１は、レーザ光照射部１０と支持装置１４の間の相対的な位置および姿勢を変化させるための機構を有する。

制御部１３は、レーザ光照射部１０によるレーザ光照射と、アクチュエータ１２の駆動を制御するＣＰＵを備える。制御部１３は、複数の切れ刃が並ぶ切削工具を製造するための加工プログラムにしたがって、レーザ光照射部１０およびアクチュエータ１２を制御する。

図３は、複数の切れ刃が並ぶ切削工具の製造方法の手順を示す。制御部１３は、レーザ光照射部１０から照射されるレーザ光２の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材２０の逃げ面側を加工する第１工程（Ｓ１）と、第１工程におけるレーザ光の照射方向とは異なる方向に照射されるレーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、被加工部材２０のすくい面側を加工する第２工程（Ｓ２）とを実行して、切削工具を製造する。制御部１３は、第１工程および第２工程を、この順番に実行してよいが、逆順に実行してもよい。

図４は、被加工部材２０の例を示す。実施形態では、超硬合金の工具母材をダイヤモンドコーティングした被加工部材２０を加工して、複数の切れ刃が並ぶ切削工具を製造する。ダイヤモンドコーティング層は、単結晶ダイヤモンドやＣＢＮ等に比べて、高いレーザ光のエネルギー吸収率を有するため、パルスレーザ研削により高能率に切れ刃を生成できる。また欠陥が少なく高硬度であるため、鋭利な切れ刃先端を低コストで生成しやすい利点もある。

図４において、Ｘ軸方向は、被加工部材２０を加工して製造した切削工具による切削工程における切込み方向を、Ｙ軸方向は、切削工程における切削方向を示す。このため被加工部材２０において、切れ刃を形成される屈曲箇所から切削方向と反対側に設けられる面を「逃げ面」、屈曲箇所から切削方向側に設けられる面を「すくい面」と呼ぶ。第１工程では、逃げ面側にパルスレーザ研削を施して、複数の切れ刃および逃げ面を形成し、第２工程では、すくい面側にパルスレーザ研削を施して、平坦なすくい面を形成する。第１工程および第２工程において、パルスレーザ光の走査方向は、Ｘ軸およびＹ軸に垂直なＺ軸方向の成分を少なくとももつ。

図５は、第１工程および第２工程を説明するための図である。
＜第１工程＞
説明図Ａは、第１工程を説明するための図である。第１工程で制御部１３は、レーザ光２の光軸の向きが第１照射方向３０となるように、アクチュエータ１２を制御して変位機構１１を動かし、レーザ光照射部１０および被加工部材２０の相対位置を調整する。なおレーザ光の照射領域の走査中、第１照射方向３０つまりレーザ光２の光軸の向きは変化してもよい。

制御部１３は、アクチュエータ１２を制御して、加工深さを変化させる周期的な走査経路３４でレーザ光２の筒状照射領域を走査して、複数の切れ刃を形成する。走査経路３４は、最も集束したレーザスポットの中心の移動経路として定義されてよい。図５には、レーザスポット３２の中心が走査経路３４上を動かされて、レーザスポット３２が通過した被加工部材２０の領域が除去される様子が示される。

周期的な走査経路３４は、加工深さが深くなる方向に筒状照射領域を被加工部材２０に対して相対移動させる第１経路３４ａと、加工深さが浅くなる方向に筒状照射領域を被加工部材２０に対して相対移動させる第２経路３４ｂとを交互に繋げて形成される。第１経路３４ａおよび第２経路３４ｂは周期的に繰り返され、筒状照射領域の走査軌跡を第２経路３４ｂから第１経路３４ａに切り替えたときに鋭い剣先となる切れ刃先端３６が形成されるように、第１経路３４ａおよび第２経路３４ｂの長さおよび方向が定められる。筒状照射領域の走査軌跡を第１経路３４ａから第２経路３４ｂに切り替えたとき、切れ刃間には、円形であるレーザスポット３２の形状の一部が残される。

走査経路３４を周期的な波状経路に設定することで、隣り合う切れ刃先端３６の間隔（ピッチ）が等しくなるように複数の切れ刃が形成される。図５に示す例では、走査経路３４が三角波状に設定されているが、鋸刃状に設定されてもよい。第１経路３４ａおよび／または第２経路３４ｂは直線状でなくてもよく、曲線状であってもよい。

＜第２工程＞
説明図Ｂは、第２工程を説明するための図である。第２工程で制御部１３は、レーザ光２の光軸の向きが第２照射方向５０となるように、アクチュエータ１２を制御して変位機構１１を動かし、レーザ光照射部１０および被加工部材２０の相対位置を調整する。第２工程では、レーザ光の照射領域の走査中、第２照射方向５０つまりレーザ光２の光軸の向きは変化しない。

図６は、第２工程においてパルスレーザ研削により加工前のすくい面２４の一部の領域を除去する様子を示す。レーザ光２の集束箇所を含む筒状照射領域を加工前のすくい面２４の表面に重ね、Ｚ軸方向である走査経路５４上を加工可能な速度で走査することで、加工後のすくい面２５が形成される。

なお第１工程で制御部１３は、ＸＹ平面に平行であって、第１照射方向３０をＹ軸方向から傾けることで、仕上げ面からの逃げ角を確保する。さらにＺ軸方向の逃げ角を設定するために、制御部１３は、ＸＹ平面に対して第１照射方向３０を傾けてもよい。

レーザ光２が第１経路３４ａを走査中、切れ刃にＺ軸方向の逃げ角を生成するために、制御部１３が、第１経路３４ａの進行方向に対して、右回りに数度（たとえば５度）光軸を傾けてよい。これにより筒状照射領域が、Ｚ軸方向の逃げ角を設定する。同様にレーザ光２が第２経路３４ｂを走査中、切れ刃にＺ軸方向の逃げ角を生成するために、制御部１３が、第２経路３４ｂの進行方向に対して、右回りに数度（たとえば５度）光軸を傾ける。これにより筒状照射領域が、Ｚ軸方向の逃げ角を設定する。このように制御部１３は、第１経路３４ａおよび第２経路３４ｂにおけるレーザ光２の照射方向を異ならせることで、Ｚ軸方向の逃げ角を設定できる。

なお第１工程でレーザ光２の筒状照射領域が、ダイヤモンドコーティング層よりも深い位置まで被加工部材２０を加工する場合、切れ刃先端３６の間の凹部にて超硬合金母材が露出するが、露出した超硬合金は、切れ刃として利用されることはない。実施形態で製造される切削工具によれば、切れ刃先端３６および加工後のすくい面２５に硬質なダイヤモンドコーティング層が残り、特に鋭利な切れ刃先端３６に残されるコーティング層厚みより小さな切込みで微細切削を行う場合には利用される切れ刃部分の逃げ面側にもダイヤモンドコーティング層が残るため、微細切れ刃先端３６による切削が可能である。このことは被加工部材２０におけるダイヤモンドコーティング層を薄く形成でき、材料コストを低減できることを示す。

図７は、製造された切削工具の刃先周辺の構造を示す。切削工具は、第１工程により周期的に形成された複数の切れ刃先端３６および加工後の逃げ面２３と、第２工程により平坦化された加工後のすくい面２５とを有する。図示されるように、加工後の逃げ面２３は、加工前の逃げ面２２と連続し、加工後のすくい面２５は、加工前のすくい面２４と連続している。上記したＺ軸方向の逃げ角は、すくい面２５と逃げ面２３とが鋭角となることで生成される。実施形態によれば、低コストで複数の切れ刃が並ぶ切削工具を製造できる。

以上、本開示を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施形態では、複数の切れ刃先端３６が直線上に並ぶように被加工部材２０を加工したが、複数の切れ刃先端３６が円弧上に並ぶように被加工部材２０を加工してもよい。また実施形態では、超硬合金母材をダイヤモンドコーティングした被加工部材２０を利用したが、他の種類の部材、たとえば単結晶ダイヤモンド、ＣＢＮ、多結晶ダイヤモンド、ナノ多結晶ダイヤモンドなどを利用してもよい。

本開示の態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様は、被加工部材を加工して、複数の切れ刃が並ぶ切削工具を製造する方法であって、照射されるレーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して被加工部材の逃げ面側を加工する工程を備える。この工程は、加工深さを変化させる周期的な走査経路で筒状照射領域を走査して、複数の切れ刃を形成する。

前記工程が、加工深さを変化させながら筒状照射領域を被加工部材の逃げ面側で走査することで、被加工部材に複数の切れ刃を周期的に形成することが可能となる。前記工程は、隣り合う切れ刃先端の間隔が等しくなるように複数の切れ刃を形成してよい。

周期的な走査経路は、加工深さが深くなる方向に筒状照射領域を被加工部材に対して相対移動させる第１経路と、加工深さが浅くなる方向に筒状照射領域を被加工部材に対して相対移動させる第２経路とを交互に繋げたものであってよい。第１経路と第２経路とを交互に繋げることで、加工深さを変化させる周期的な走査経路が形成されてよい。走査経路は、周期的な波状経路であってよい。

第１経路および第２経路におけるレーザ光の照射方向は異なってよい。両経路におけるレーザ光の照射方向を異ならせることで、すくい面に連接する逃げ面に逃げ角を設定することが可能となる。切削工具製造方法は、前記工程におけるレーザ光の照射方向とは異なる方向に照射されるレーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して被加工部材のすくい面側を加工する工程をさらに備えてよい。被加工部材は、工具母材をダイヤモンドコーティングした部材であってよい。

１・・・レーザ加工装置、２・・・レーザ光、１０・・・レーザ光照射部、１１・・・変位機構、１２・・・アクチュエータ、１３・・・制御部、１４・・・支持装置、２０・・・被加工部材、３０・・・第１照射方向、３４・・・走査経路、３４ａ・・・第１経路、３４ｂ・・・第２経路、３６・・・切れ刃先端、５０・・・第２照射方向、５４・・・走査経路。

本開示は、複数の切れ刃が並ぶ切削工具の製造に利用できる。

Claims (5)

1. 被加工部材を加工して、複数の切れ刃が並ぶ切削工具を製造する方法であって、
   照射されるレーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、前記被加工部材の逃げ面側を加工する工程を備え、
   前記逃げ面側を加工する工程は、加工深さを変化させる周期的な走査経路で筒状照射領域を走査して、複数の切れ刃を形成し、
   周期的な走査経路は、加工深さが深くなる方向に前記筒状照射領域を前記被加工部材に対して相対移動させる第１経路と、加工深さが浅くなる方向に前記筒状照射領域を前記被加工部材に対して相対移動させる第２経路とを交互に繋げたものであって、第１経路および第２経路におけるレーザ光の照射方向は異なる、
   ことを特徴とする切削工具製造方法。
2. 被加工部材を加工して、複数の切れ刃が並ぶ切削工具を製造する方法であって、
   照射されるレーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、前記被加工部材の逃げ面側を加工する工程と、
   前記逃げ面側を加工する工程におけるレーザ光の照射方向とは異なる方向に照射されるレーザ光の集束箇所を含む筒状照射領域を走査して、前記被加工部材のすくい面側を加工する工程と、を備え、
   前記逃げ面側を加工する工程は、加工深さを変化させる周期的な走査経路で筒状照射領域を走査して、複数の切れ刃を形成する、
   ことを特徴とする切削工具製造方法。
3. 前記逃げ面側を加工する工程は、隣り合う切れ刃先端の間隔が等しくなるように複数の切れ刃を形成する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の切削工具製造方法。
4. 走査経路は、周期的な波状経路である、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の切削工具製造方法。
5. 前記被加工部材は、工具母材をダイヤモンドコーティングした部材である、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の切削工具製造方法。

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