JP7001245B2 - 切削工具の製造方法 - Google Patents
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Description
PCD、SCD、BLCBNなどの素材を用いた切削工具は、被削材の表面粗さを極めて小さくする所謂鏡面加工に適用される場合が多い。このためレーザを用いて上記切削工具を製造加工する場合、上記切削工具の刃先部分に対し、被削材の表面を鏡面に仕上げるのに必要となる鋭利なエッジ形状と、この鋭利なエッジ形状が被削材の切削加工中に維持される強度とが得られるように製造加工することが要求される。さらに上記切削工具の刃先部分に対し、鏡面加工が実行可能となる表面粗さが得られるように製造加工することも要求される。
上記によれば、切れ刃領域上に送りマークが形成されず、かつ切れ刃領域の直線性が改善される切削工具を、レーザを用いた製造加工によって得るための切削工具の製造方法を提供することができる。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
|Z8|≧0.1λ または |Z15|≧0.05λ ・・・a
Z8/Z15≧3 または Z8/Z15<1 ・・・b
上記式aおよび式bにおいて、λは波長を表し、Z8は波面収差におけるゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第8番目の係数であって3次の球面収差を表し、Z15は波面収差におけるゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第15番目の係数であって5次の球面収差を表す。
以下、本開示の実施形態(以下、「本実施形態」とも記す)についてさらに詳細に説明する。ここで、本明細書において「A~B」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちA以上B以下)を意味し、Aにおいて単位の記載がなく、Bにおいてのみ単位が記載されている場合、Aの単位とBの単位とは同じである。さらに、本明細書において化合物などを化学式で表す場合、原子比を特に限定しないときは従来公知のあらゆる原子比を含むものとし、必ずしも化学量論的範囲のもののみに限定されるべきではない。
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、すくい面と、逃げ面と、上記すくい面および上記逃げ面を繋ぐ刃先稜線とを有し、上記刃先稜線から上記逃げ面側に距離Xだけ離れた地点Aまでを上記逃げ面上の切れ刃領域とする切削工具の製造方法である。上記切削工具の製造方法は、上記逃げ面をレーザで製造加工する工程を含む。上記逃げ面を上記レーザで製造加工する工程は、上記距離Xを上記切れ刃領域の幅とする場合、上記幅と等しいか、または上記幅よりも深い焦点深度を有する第1レーザ光により上記切れ刃領域を上記刃先稜線に沿って製造加工する工程である。このような特徴を備える切削工具の製造方法により、切れ刃領域上に送りマークが形成されず、かつ切れ刃領域の直線性が改善される切削工具を得ることができる。
本工程では、逃げ面をレーザで製造加工する工程に供する切削工具前駆体を準備する。このような切削工具前駆体は、多結晶ダイヤモンド(PCD)、単結晶ダイヤモンド(SCD)またはバインダレスcBN(BLCBN)などの素材を用い、従来公知の工程を経ることにより製造することができる。たとえば、所定の工具形状に形成されたPCD、SCDまたはBLCBNを、切削工具前駆体として用いることができる。さらに超硬合金などからなる台金部と、この台金部に蝋付けなどの手段によって保持されるPCD、SCDまたはBLCBNからなる刃先部とを有する切削工具前駆体を用いることもできる。
本工程では、逃げ面をレーザで製造加工する工程に供するレーザ装置を準備する。このレーザ装置は、後述する干渉レーザ光を形成するための光学部品、または集光光学系の少なくともいずれかを備えることが好ましい。すなわちレーザ装置は、レーザ媒体およびこれを有するレーザ発振器と、後述する光学部品または集光光学系の少なくともいずれかとを備えることが好ましい。上記レーザ装置に含まれるレーザ媒体、およびこれを有するレーザ発振器については、従来公知のものを用いることができる。たとえば、レーザ媒体としてはネオジム、YAG、YVO4などを用いることができる。
本工程では、上記距離X(刃先稜線から逃げ面側に0.2mm以上5mm以下離れた地点Aまでの距離)を上記切れ刃領域の幅とする場合、上記幅と等しいか、または上記幅よりも深い焦点深度を有する第1レーザ光により上記切れ刃領域を上記刃先稜線に沿って製造加工する。これにより、上記切れ刃領域の幅方向のすべてを第1レーザ光の一つの深い焦点深度内に収めた上で、上記切れ刃領域を製造加工することができる。したがって本工程では、上記第1レーザ光を刃先稜線に沿った方向のみに移動させればよく、切れ刃領域の幅方向に移動させることを不要とすることができる。
第1レーザ光は、上述のように切れ刃領域の幅と等しいか、または上記幅よりも深い焦点深度を有する。切れ刃領域の幅は、距離Xで表すことができ、具体的には距離Xは、0.2mm以上5mm以下である。したがって第1レーザ光は、切れ刃領域の幅に応じて、たとえば深さが0.3mm以上5mm以下の焦点深度を有することが好ましく、深さが1mm以上5mm以下の焦点深度を有することがより好ましい。このような第1レーザ光は、レーザ装置を準備する工程により準備されたレーザ装置により容易に得ることができる。すなわち後述する干渉レーザ光を形成するための光学部品を備えたレーザ装置、または後述する集光光学系を備えたレーザ装置により、切れ刃領域の幅と等しいか、または上記幅よりも深い焦点深度を有する第1レーザ光を容易に形成することができる。
第1レーザ光は、第1次光および第2次光が同軸上で重なり、かつ上記第1次光および上記第2次光が互いに干渉した干渉レーザ光であることが好ましい。上記第1次光は、単一または複数の光源から照射され、第1の焦点面に焦点位置を有する。上記第2次光は、上記第1の焦点面よりも上記光源から遠い第2の焦点面に焦点位置を有する。上記干渉レーザ光は、その断面強度分布が均一となる第3の焦点面を上記第1の焦点面と上記第2の焦点面との間に有する。これにより第1レーザ光は、焦点位置の前後(第1の焦点面から第3焦点面を経て第2の焦点面に至るまでの範囲)において断面強度の変化が小さくなるので、深い焦点深度を得ることができる。
さらに第1レーザ光は、下記式aおよび式bの関係を満足する集光光学系を通過したレーザ光であることが好ましい。上記集光光学系は、集光機能を有する第1の光学部と、球面収差発生機能を有する第2の光学部とを含む。
|Z8|≧0.1λ または |Z15|≧0.05λ ・・・a
Z8/Z15≧3 または Z8/Z15<1 ・・・b
上記式aおよび式bにおいて、λは波長を表し、Z8は波面収差におけるゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第8番目の係数であって3次の球面収差を表し、Z15は波面収差におけるゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第15番目の係数であって5次の球面収差を表す。
|Z8|<1.4λ・・・c
|Z15|<0.5λ・・・d
上記式cおよび式dにおいて、λは波長を表し、Z8は波面収差におけるゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第8番目の係数であって3次の球面収差を表し、Z15は波面収差におけるゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第15番目の係数であって5次の球面収差を表す。
本実施形態に係る切削工具の製造方法は、上記切削工具前駆体に対し、上記レーザ装置を適用して上述した逃げ面をレーザで製造加工する工程を実行することにより、切れ刃領域上に送りマークが形成されず、かつ切れ刃領域の直線性が改善された切削工具を製造することができる。
上記切削工具の製造方法により得られる切削工具は、ナノ多結晶ダイヤモンド工具であることが好ましい。すなわち上記製造方法は、ナノ多結晶ダイヤモンド工具を製造する切削工具の製造方法であることが好ましい。ナノ多結晶ダイヤモンドとは、粒径がナノオーダーであるダイヤモンド結晶粒を複数含んだ多結晶のダイヤモンドをいう。これによりナノ多結晶ダイヤモンド工具を、切れ刃領域上に送りマークを形成することなく、かつ切れ刃領域の直線性を改善させて製造することができる。本明細書において「ナノ多結晶ダイヤモンド工具」は、ナノ多結晶ダイヤモンドからなる切削工具の態様であってもよく、超硬合金などからなる台金部と、この台金部に蝋付けなどの手段によって保持されるナノ多結晶ダイヤモンドからなる刃先部とを有する切削工具の態様であってもよい。
上記切削工具の製造方法により得られる切削工具は、単結晶ダイヤモンド工具であることが好ましい。すなわち上記製造方法は、単結晶ダイヤモンド工具を製造する切削工具の製造方法であることが好ましい。これにより単結晶ダイヤモンド工具を、切れ刃領域上に送りマークを形成することなく、かつ切れ刃領域の直線性を改善させて製造することができる。本明細書において「単結晶ダイヤモンド工具」は、単結晶ダイヤモンドからなる切削工具の態様であってもよく、超硬合金などからなる台金部と、この台金部に蝋付けなどの手段によって保持される単結晶ダイヤモンドからなる刃先部とを有する切削工具の態様であってもよい。
上記切削工具の製造方法により得られる切削工具は、バインダレスcBN工具であることが好ましい。すなわち上記製造方法は、バインダレスcBN工具を製造する切削工具の製造方法であることが好ましい。バインダレスcBN(BLCBN)とは、cBNの粒子同士が相互にバインダー(結合材)を介することなく結合したcBN多結晶体をいう。BLCBNは、cBNを出発材料として、所定の高温高圧条件の下で結合材を用いることなく焼結することによって得ることができる。これによりバインダレスcBN工具を、切れ刃領域上に送りマークを形成することなく、かつ切れ刃領域の直線性を改善させて製造することができる。本明細書において「バインダレスcBN工具」はバインダレスcBNからなる切削工具の態様であってもよく、超硬合金などからなる台金部と、この台金部に蝋付けなどの手段によって保持されるバインダレスcBNからなる刃先部とを有する切削工具の態様であってもよい。
本実施形態に係る切削工具は、すくい面と、逃げ面と、上記すくい面および上記逃げ面を繋ぐ刃先稜線とを有し、上記刃先稜線との境界から上記逃げ面側に距離Xだけ離れた地点Aまでを上記逃げ面上の切れ刃領域とする切削工具である。上記距離Xは、0.2mm以上5mm以下であり、上記切れ刃領域は、算術平均粗さRaで表される表面粗さが0.2μm以下であり、上記刃先稜線は、5μm以上の大きさのチッピングを有さない。このような特徴を備える切削工具は、切れ刃領域上に送りマークが形成されず、かつ切れ刃領域の直線性が改善するため、鏡面加工の用途に好適となる。
本実施形態に係る切削工具において切れ刃領域は、算術平均粗さRaで表される表面粗さが0.2μm以下である。これにより切れ刃領域上に送りマークが形成されていないことが明らかとなる。上記切削工具において切れ刃領域は、算術平均粗さRaで表される表面粗さが0.1μm以下であることが好ましく、0.05μm以下であることがより好ましい。切れ刃領域の算術平均粗さRaで表される表面粗さは、その下限値が特に規定されるべきではないが、0.003μmとすることができる。
本実施形態に係る切削工具において刃先稜線は、5μm以上の大きさのチッピングを有さない。これにより鏡面加工の用途に好適となることが明らかとなる。上記切削工具において刃先稜線は、2μm以上の大きさのチッピングを有さないことが好ましい。
以上の説明は、以下に付記する実施形態を含む。
前記切削工具の製造方法は、前記逃げ面をレーザで製造加工する工程を含み、
前記逃げ面を前記レーザで製造加工する工程は、前記距離Xを前記切れ刃領域の幅とする場合、前記幅と等しいか、または前記幅よりも大きい焦点深度の深さを有する第1レーザ光により前記切れ刃領域を前記刃先稜線に沿って製造加工する工程であり、
前記距離Xは、0.2mm以上5mm以下である、切削工具の製造方法。
<切削工具前駆体を準備する工程>
まず逃げ面をレーザで製造加工する工程に供する切削工具前駆体を準備する。このような切削工具前駆体として、従来公知の方法により得たCVD単結晶ダイヤモンドを刃先部として適用した切削工具前駆体を準備する。具体的には、超硬合金からなる台金部に対し、この台金部に上記CVD単結晶ダイヤモンドを刃先部として蝋付けによって保持することにより切削工具前駆体を作製する。上記切削工具前駆体は、CVD単結晶ダイヤモンドからなる刃先部において、すくい面と、逃げ面と、上記すくい面および上記逃げ面を繋ぐ刃先稜線とを有し、上記刃先稜線から上記逃げ面側に距離Xとして1mmだけ離れた地点Aまでを幅とする上記逃げ面上の切れ刃領域を有する。
次に、逃げ面をレーザで製造加工する工程に供するレーザ装置を準備する。このようなレーザ装置として、YVO4をレーザ媒体として有するレーザ発振器と、このレーザ発振器から照射されたレーザ光から、干渉レーザ光を第1レーザ光として形成する光学部品とを備えるレーザ装置を準備する。光学部品は、図2に示すような回折光学素子および凸レンズを含み、第1次光および第2次光が同軸上で重なり、かつ上記第1次光および上記第2次光が互いに干渉した干渉レーザ光を形成する。この干渉レーザ光(第1レーザ光)は、第1の焦点面から第3焦点面を経て第2の焦点面に至るまでの大きさとして、深さが2mmの焦点深度を有する。
上記レーザ装置を適用することにより、上記切削工具前駆体において逃げ面上の1mmの幅を有する切れ刃領域を、上記刃先稜線に沿って製造加工する。本工程における第1レーザの照射条件は、以下のとおりである。
波長:532nm
出力:10W
パルス幅:50nsec。
逃げ面をレーザで製造加工する工程において、深さが0.1mmの焦点深度を有するレーザ光で切削工具前駆体の切れ刃領域を製造加工したこと以外は、実施例1と同じ工程を経ることにより比較例1に係る切削工具(単結晶ダイヤモンド工具)を作製した。
<送りマークの有無>
実施例1および比較例1に係る切削工具における切れ刃領域に対し、上述した方法を用いて送りマークの有無を評価する。その結果、実施例1の切削工具における切れ刃領域上には、送りマークが確認されないのに対し、比較例1の切削工具における切れ刃領域上には、30μmピッチで送りマークが確認された(図1の囲み部Y参照)。
実施例1および比較例1に係る切削工具における切れ刃領域に対し、上述した方法を用いて切れ刃領域の直線性を評価する。その結果、実施例1の切削工具は、点描画における刃先稜線部分が交差線の交差部と一致することにより、切れ刃領域の直線性が改善されたと評価することができる。一方、比較例1の切削工具は、切れ刃領域のエッジに曲率半径が1μmを超えるアール形状が確認された(図1の囲み部X参照)。
実施例1および比較例1に係る切削工具における切れ刃領域に対し、上述した方法を用いて算術平均粗さRaで表される表面粗さを求める。その結果、実施例1の切削工具における表面粗さ(Ra)は、0.1μmとなるのに対し、比較例1の切削工具における切削工具における表面粗さ(Ra)は、0.3μmとなった。
実施例1および比較例1に係る切削工具における刃先稜線に対し、上述した方法を用いて5μm以上の大きさのチッピングの有無を確認する。その結果、実施例1の切削工具において上記大きさのチッピングがないことが確認されるが、比較例1の切削工具において上記大きさのチッピングは、3箇所存在した。
以上から実施例1の切削工具は、深さが2mmの焦点深度を有する第1レーザ光を用いて製造加工されることより、切れ刃領域上に送りマークが形成されず、かつ比較例1の切削工具に比して切れ刃領域の直線性が改善することが理解される。さらに実施例1の切削工具は、切れ刃領域における算術平均粗さRaで表される表面粗さが0.1μm以下となり、刃先稜線は、5μm以上の大きさのチッピングを有さないため、比較例1の切削工具に比して切れ刃領域における表面粗さ、および刃先稜線におけるチッピングの個数において、いずれも優れることが理解される。
Claims (7)
- すくい面と、逃げ面と、前記すくい面および前記逃げ面を繋ぐ刃先稜線とを有し、前記刃先稜線から前記逃げ面側に距離Xだけ離れた地点Aまでを前記逃げ面上の切れ刃領域とする切削工具の製造方法であって、
前記切削工具の製造方法は、前記逃げ面をレーザで製造加工する工程を含み、
前記逃げ面を前記レーザで製造加工する工程は、前記距離Xを前記切れ刃領域の幅とする場合、前記幅と等しいか、または前記幅よりも深い焦点深度を有する第1レーザ光により前記切れ刃領域を前記刃先稜線に沿って製造加工する工程であり、
前記距離Xは、0.2mm以上5mm以下である、切削工具の製造方法。 - 前記逃げ面を前記レーザで製造加工する工程は、前記第1レーザ光が有する焦点深度よりも浅い焦点深度を有する第2レーザ光により、前記切れ刃領域を仕上げ加工する工程をさらに含む、請求項1に記載の切削工具の製造方法。
- 前記第1レーザ光は、第1次光および第2次光が同軸上で重なり、かつ前記第1次光および前記第2次光が互いに干渉した干渉レーザ光であり、
前記第1次光は、単一または複数の光源から照射され、第1の焦点面に焦点位置を有し、
前記第2次光は、前記第1の焦点面よりも前記光源から遠い第2の焦点面に焦点位置を有し、
前記第1レーザ光は、その断面強度分布が均一となる第3の焦点面を前記第1の焦点面と前記第2の焦点面との間に有する、請求項1または請求項2に記載の切削工具の製造方法。 - 前記第1レーザ光は、下記式aおよび式bの関係を満足する集光光学系を通過したレーザ光であり、
前記集光光学系は、集光機能を有する第1の光学部と、球面収差発生機能を有する第2の光学部とを含む、請求項1または請求項2に記載の切削工具の製造方法。
|Z8|≧0.1λ または |Z15|≧0.05λ ・・・a
Z8/Z15≧3 または Z8/Z15<1 ・・・b
上記式aおよび式bにおいて、λは波長を表し、Z8は波面収差におけるゼルニケ・フ
リンジ多項式の係数のうち第8番目の係数であって3次の球面収差を表し、Z15は波面収差におけるゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第15番目の係数であって5次の球面収差を表す。 - 前記切削工具は、ナノ多結晶ダイヤモンド工具である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の切削工具の製造方法。
- 前記切削工具は、単結晶ダイヤモンド工具である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の切削工具の製造方法。
- 前記切削工具は、バインダレスcBN工具である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の切削工具の製造方法。
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