WO2014050467A1 - 切削工具と切削方法 - Google Patents

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WO2014050467A1
WO2014050467A1 PCT/JP2013/073785 JP2013073785W WO2014050467A1 WO 2014050467 A1 WO2014050467 A1 WO 2014050467A1 JP 2013073785 W JP2013073785 W JP 2013073785W WO 2014050467 A1 WO2014050467 A1 WO 2014050467A1
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cutting tool
cutting
hard brittle
brittle material
laser beam
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PCT/JP2013/073785
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French (fr)
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博紀 山信田
照道 杉村
彰紀 杉村
幸二 堀口
Nobuo IMAIZUMI (今泉 伸夫)
Original Assignee
並木精密宝石株式会社
アダマンド工業株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P25/00—Auxiliary treatment of workpieces, before or during machining operations, to facilitate the action of the tool or the attainment of a desired final condition of the work, e.g. relief of internal stress
    • B23P25/003—Auxiliary treatment of workpieces, before or during machining operations, to facilitate the action of the tool or the attainment of a desired final condition of the work, e.g. relief of internal stress immediately preceding a cutting tool
    • B23P25/006—Heating the workpiece by laser during machining
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B27/00—Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • B23B27/18—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material with cutting bits or tips or cutting inserts rigidly mounted, e.g. by brazing
    • B23B27/20—Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material with cutting bits or tips or cutting inserts rigidly mounted, e.g. by brazing with diamond bits or cutting inserts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T407/00—Cutters, for shaping
    • Y10T407/24—Cutters, for shaping with chip breaker, guide or deflector

Definitions

  • the present invention relates to a cutting tool and a cutting method, and more particularly to a cutting tool and a cutting method used for cutting hard brittle materials.
  • Single crystals such as silicon carbide, sapphire, silicon (Si), germanium (Ge), and ceramics such as alumina, zirconia, ferrite, and silicon nitride are hard and brittle hard brittle materials. Processing and polishing were performed.
  • Non-Patent Document 1 describes an example of cutting ceramic 101 (silicon nitride and partially stabilized zirconia) with a 1500 W carbon dioxide laser beam 100 as shown in FIG. Further, the literature reports a cutting method using cubic boron nitride (CBN) as a cutting tool 102 under a cutting condition of a cutting speed of 1 to 2 mm / sec and a cutting depth of 0.5 to 1 mm.
  • CBN cubic boron nitride
  • the focal points of the laser beams 104a and 104b are focused on the surface of the work material separated from the cutting edge by 1 to 10 ⁇ m in the moving direction of the cutting tool 103 as shown in FIG.
  • a cutting method in which laser beams 104a and 104b are irradiated from above the material to be cut 105, and the irradiated portions 105a of the laser beams 104a and 104b are softened and cut as shown in FIG.
  • a cutting tool 106 which is transparent (for example, diamond) with respect to the oscillation wavelength of the laser beam to be used (for example, YAG laser beam of 1060 nm) is used as a laser beam waveguide.
  • a cutting method is disclosed in which a laser beam is propagated to irradiate the surface of the material to be cut 107 directly from the cutting edge of the cutting tool 106.
  • Non-Patent Document 1 since the cutting material and the cutting edge of the cutting tool are arranged at 90 °, the laser beam irradiation part and the cutting part in the cutting material are physically separated. It was. Therefore, since the laser beam irradiation part cannot be cut quickly as much as it is far away, it is necessary to irradiate the laser beam irradiation part with a high-energy laser beam so that the cutting process can be performed. there were.
  • Non-Patent Document 1 Since it is necessary to heat the workpiece to be cut with the laser beam as much as the part to be cut is away from the laser beam irradiation part, the property change of the material to be cut by the heating (for example, grain growth, etc.) Moreover, thermal expansion of the cutting material itself and the cutting device itself such as a collet chuck supporting the material also occurs. Therefore, in the cutting method of Non-Patent Document 1, it is difficult to perform cutting with accurate dimensional accuracy.
  • the laser beam is irradiated on the surface of the work material by separating the focal point of the laser light from the blade edge of the cutting tool by about 1 to 10 ⁇ m.
  • the laser beam could not be irradiated by directly focusing the laser beam on the contact portion. Therefore, when cutting is actually performed, as shown in FIG. 11, when cutting is performed in the direction of arrow D, the cutting waste 108 separated from the material to be cut 105 by the cutting tool 103 rises at the cutting edge, and the cutting waste 108 As a result, the laser beam 104a is blocked. Therefore, it becomes impossible to heat the surface of the material to be cut 105 gradually as cutting progresses.
  • the refractive index of diamond is 2.4 or more. Therefore, if the tool tip is not optically designed to avoid total reflection, the laser beam is totally reflected inside the tool, and the laser beam emission efficiency to the outside of the cutting tool is 10-15%. As a result, only a small amount of laser beam energy was applied to the material to be cut.
  • Patent Document 2 only discloses that the side wall of the cutting tool is gold-plated to give a total reflection coating, and laser light emitted from the tip accidentally is used while performing multiple reflections inside the cutting tool. Since the improvement of the light emission efficiency cannot be expected, it could not be applied to industrial applications.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, avoids total reflection of laser light, improves the emission efficiency of laser light, and further cuts a hard brittle material that does not require excessive laser light heating, and An object is to provide a cutting tool.
  • the above object is achieved by the present invention described below. That is,
  • the cutting tool of the present invention is in contact with a hard brittle material, and the cutting tool for cutting the hard brittle material at the contacted portion is formed of a translucent material that transmits laser light and a rake angle is formed.
  • Laser light is propagated inside the tool, and at least the part where the cutting tool and the hard brittle material are in contact with each other and the part where the rake angle is formed are irradiated with the laser light to remove the Fresnel reflection from the end face of the cutting tool.
  • the hard brittle material is irradiated from the contact portion and the rake angle forming portion to soften the hard brittle material, and the soft hard brittle material is cut.
  • a hard brittle material is formed of a material in which a metal phase transition is caused by contact with the cutting tool,
  • the contact load between the cutting tool and the hard brittle material is preferably set to a load that causes metal phase dislocation in the hard brittle material.
  • the cutting tool is preferably formed of diamond or cubic boron nitride.
  • the laser beam excluding the Fresnel reflection at the end face of the cutting tool is perpendicular to the surface direction of the hard brittle material surface contacting the cutting tool. And it is preferable to irradiate a hard brittle material from the formation part of a rake angle.
  • the laser beam propagating inside the cutting tool is parallel light.
  • the end surface when the cutting tool is viewed along the cutting direction of the hard brittle material, the end surface is formed in an arc shape, The radius of the end face is R, and when viewed along the cutting direction, the beam diameter upon irradiation of the laser beam from the end face of the cutting tool is 2r, the refractive index of the cutting tool at the wavelength of the laser light is n1, the outside of the cutting tool When the refractive index of the atmosphere is n2 and the critical angle that causes total reflection of the laser beam is ⁇ crt ° at an angle with the normal direction of the end surface of the cutting tool when irradiating from the inside to the outside of the cutting tool, the radius R of the end surface is It is preferable that
  • V-shaped opening angle ⁇ is It is preferable that
  • the cutting tool for cutting the hard brittle material is formed of a translucent material through which laser light is transmitted, and a rake angle is formed. Further, the laser beam is propagated inside the cutting tool, the cutting tool and the hard brittle material are brought into contact, and at least the portion where the cutting tool and the hard brittle material are in contact with each other and the rake angle forming portion are irradiated with the laser beam, The hard brittle material is softened by irradiating the hard brittle material from the contact portion and the rake angle forming portion with laser light excluding Fresnel reflection on the end face of the cutting tool, and the soft hard brittle material is cut with the cutting tool. It is characterized by doing.
  • one embodiment of the cutting method of the present invention forms a hard brittle material with a material in which a metal phase transition is caused by contact with a cutting tool, It is preferable to set the contact load between the cutting tool and the hard brittle material to a load at which metal phase dislocation occurs in the hard brittle material.
  • the cutting tool is formed of diamond or cubic boron nitride.
  • the laser beam excluding the Fresnel reflection on the end face of the cutting tool is perpendicular to the surface direction of the hard brittle material surface that contacts the cutting tool. And it is preferable to irradiate a hard brittle material from the formation part of a rake angle.
  • the laser beam propagating inside the cutting tool is parallel light.
  • the end surface when the cutting tool is viewed along the cutting direction of the hard brittle material, the end surface is formed in an arc shape, The radius of the end face is R, and when viewed along the cutting direction, the beam diameter upon irradiation of the laser beam from the end face of the cutting tool is 2r, the refractive index of the cutting tool at the wavelength of the laser light is n1, the outside of the cutting tool Radius R of the end face when the refractive angle of the atmosphere is n2 and the critical angle that causes total reflection of the laser beam is ⁇ crt ° at an angle with the normal direction of the end face of the cutting tool when irradiating from the inside to the outside of the cutting tool But It is preferable that
  • the end surface is formed in a V shape
  • V-shaped opening angle ⁇ for total reflection conditions It is preferable to set to.
  • a hard brittle material can be cut without causing cracks, and total reflection of laser light can be avoided to improve laser light emission efficiency.
  • the material to be cut can be directly heated by the irradiation of the laser beam, and the excess laser beam Heating can be eliminated. Therefore, it is possible to cut hard brittle materials with accurate dimensional accuracy.
  • the present invention by propagating the laser beam inside the cutting tool, it is possible to set the irradiation direction of the laser beam and the approaching direction of the cutting tool to the workpiece material to be the same direction. Therefore, even if the material to be cut is a non-translucent material, cutting can be performed, and a three-dimensional structure having an internal shape such as a cylindrical shape can be produced by cutting.
  • FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a cutting tool and a cutting method according to the present embodiment.
  • the cutting device 1 according to the present embodiment includes an optical fiber 2, a converging lens 3, a cutting tool 4, and a housing 5 that supports these components. A part of the end surface of the cutting tool 4 comes into contact with the workpiece material 6, and the workpiece material 6 is cut at the contact portion.
  • the cutting tool 4 is made of a light-transmitting material that transmits laser light, propagates the laser light into the optical fiber 2, converges with the converging lens 3, and then enters the cutting tool 4.
  • the laser beam is propagated, and the workpiece 6 is irradiated with the laser beam through the cutting tool 4.
  • the material to be cut 6 is softened by irradiation with such laser light, and the material to be cut 6 is cut by cutting the softened portion along the cutting direction indicated by the arrow D direction.
  • Laser light is emitted from a laser light source (not shown), propagates through the optical fiber 2, converges with the converging lens 3, and enters the cutting tool 4.
  • laser light having a wavelength of 800 nm to 1600 nm and an output of 200 mW to 100 W is used.
  • YAG laser light is suitable, but for example, a carbon dioxide gas laser or a visible light laser can also be applied depending on the processing material.
  • the wavelength must be such that the cutting tool 4 is translucent to the laser beam.
  • the optical fiber 2 that propagates the laser light is a single mode type light having an isotropic refractive index distribution, which is constituted by a core and a clad having a refractive index lower than the refractive index of the core surrounding the core.
  • a silica-based optical fiber can be used.
  • a core diameter of 8 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less may be used, and as a high-power laser light guide, a kW (kilowatt) class laser light may be propagated through a core diameter optical fiber of more than 1000 ⁇ m. *
  • a converging lens 3 and a cutting tool 4 are sequentially arranged at the end of the optical fiber 2.
  • the converging lens 3 is disposed between the optical fiber 2 and the cutting tool 4, and converges and collects the incident laser light.
  • an aspheric lens, a ball lens, a refractive index distribution lens, or the like can be used as the converging lens 3.
  • the material of the convergent lens 3 for example, quartz glass or the like is used.
  • the optical fiber 2 and the converging lens 3 may be prepared as separate optical components. However, as shown in FIG. 1, the optical fiber 2 and the converging lens 3 are pre-aligned, and the optical fiber 2 with the converging lens 3 in which the end of the optical fiber 2 and the optical surface of the converging lens 3 are joined and integrated. It is more preferable to use it from the point that the alignment work can be made unadjusted during the cutting process.
  • the cutting tool 4 is made of a translucent material, specifically made of diamond or cubic boron nitride.
  • Diamond or cubic boron nitride is suitable as a material for forming the cutting tool 4 because it has a high transmittance with respect to the wavelength of the laser beam propagating from 800 nm to 1600 nm and the attenuation of the laser beam is suppressed.
  • single crystal diamond or sintered polycrystalline diamond is more preferable as the translucent material.
  • the focal length of the converging lens 3 indicates that the laser beam needs to reach the surface of the work material 6 via the cutting tool 4, and the work material 6 is softened by heating the laser light so that ductile mode cutting is performed. It is determined from the technical requirement of how much area is set for the 6 parts of the workable material that can be cut. Furthermore, it is determined also from the required values of cutting efficiency and cutting speed. If the focus of the laser beam is too narrow, the energy density of the laser beam becomes too high, and the cutting tool 4 generates heat before the material to be cut 6 is heated. If diamond is used as the material for the cutting tool 4. The cutting tool 4 is significantly consumed.
  • the focal diameter on the surface of the workpiece 6 is 10 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.
  • the optimum value of the focal diameter depends on the energy density per unit area of the laser beam, and in the case of the present invention, the focal diameter is in a range where the cutting tool 4 does not cause self-destruction due to wear.
  • the radius of curvature of the converging lens 3 and the distance from the optical surface of the converging lens 3 to the surface of the material to be cut 6 are such that the laser beam propagates through the cutting tool 4 and then contacts the cutting edge of the end surface of the cutting tool 4.
  • the focal point is set to form on the surface of the work material 6.
  • the laser light propagating through the cutting tool 4 may be convergent light, but parallel light is more preferable. By propagating the parallel laser light into the cutting tool 4, it is possible to prevent the energy density of the laser light from becoming excessive at the cutting edge of the end face of the cutting tool 4 and to prevent the cutting tool 4 from being damaged.
  • the material 6 to be cut is a hard brittle material. Any material can be used as long as it is a hard brittle material, but a hard brittle material formed of a material that causes a metal phase transition upon contact with the cutting tool 4 is more preferable. The reason is that the part 6 to be cut with the metal phase transition has a metallic behavior even if it is optically transparent, and the part with the metal phase transition selectively absorbs laser light and heats up. This is because it is possible to perform the ductile mode cutting with an effect. Therefore, the material to be cut 6 can be cut without generating fracture marks.
  • the contact load between the cutting tool 4 and the hard brittle material is set to a load that causes a metal phase dislocation in the hard brittle material.
  • a hard brittle material is locally pressed and deformed at 20 GPa or more due to a load applied to the cutting edge of the cutting tool 4 end, a structural change occurs, and metal phase dislocation is induced to cut in a ductile mode like a metal. Processing becomes possible.
  • the hard brittle material is directly heated by the laser beam, so that the portion of the material to be cut 6 that can be cut in the ductile mode is expanded.
  • the range of contact load is several ⁇ m in width and about 100 nm in depth.
  • hard brittle materials exhibiting such metal phase transitions include single crystals such as silicon carbide, sapphire, silicon (Si), and germanium (Ge), and ceramics such as alumina, zirconia, ferrite, and silicon nitride. Etc.
  • a hard brittle material As the material to be cut 6, it becomes possible to perform ductile mode cutting by stable softening.
  • the breaking strength (bending strength) and hardness of silicon carbide, alumina, and zirconia are as follows.
  • Silicon carbide break strength 0.3 GPa to 0.8 GPa, hardness 25 GPa or less
  • alumina break strength 0.3 GPa to 0.5 GPa, hardness 18 GPa or less
  • zirconia break strength 1.0 GPa to 1.2 GPa, hardness 13 GPa or less.
  • the breaking strength of single crystal diamond which is an example of the material of the cutting tool 4 is 2 GPa or less, and the hardness is 120 GPa or less.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram in which a circle portion A in FIG. 1 is enlarged.
  • the rake angle of the cutting tool 4 It is preferable to set ⁇ s to approximately 3.2 ° to 60 ° and clearance angle ⁇ n to be 0 ° to 5 °. Even within this range, rake angle ⁇ s is 45 ° and clearance angle ⁇ n is 0 ° to 5 °.
  • the rake angle ⁇ s is an angle formed by the rake surface 7 formed on the cutting tool 4 so as to be oblique to the surface direction of the workpiece 6 and the surface direction. is there.
  • the clearance angle ⁇ n is an angle formed by a clearance surface 8 formed on the cutting tool 4 so as to be inclined with respect to the surface direction of the workpiece 6 and the surface direction, as shown in FIG. is there.
  • the rake angle ⁇ s and the relief angle ⁇ n are expressed as absolute values, and the plus and minus of the angle forming direction are omitted.
  • a commercially available diamond square column with a width of 1 mm 1 x depth of 1 mm x length of 5 mm is inclined at 45 ° with respect to the surface direction of the work material 6 to obtain a rake angle ⁇ s.
  • the cutting edge is used.
  • the flank 8 is formed so that the flank angle ⁇ n is 5 °.
  • the structural advantage of the cutting apparatus shown in FIG. 1 is that, for example, when diamond is used for the cutting tool 4, it can be used as the cutting tool 4 simply by forming the cutting edge and the flank 8 at one end of a commercially available diamond square column.
  • the burden of machining into a tool shape can be reduced.
  • not only a quadrangular prism but also a special shape can be utilized as long as the structure is based on the technical idea of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the laws of reflection and refraction.
  • the end surface of the cutting tool 4 shall refer to the end surface on the side facing the material to be cut 6.
  • a critical angle ⁇ max as shown in Equation 9 is determined as a condition for preventing the laser beam from being totally reflected.
  • ⁇ max is derived from Equations 7 and 8 obtained from Snell's law.
  • sin ⁇ is set to 1 because it is the maximum value of ⁇ .
  • the relationship between reflection and refraction at the interface between the medium with refractive index n1 and the medium with refractive index n2 is the relationship between Rs, Rp, and the average value of the corresponding reflection when considering the polarization component s wave and p wave of the laser light. Assuming R, the respective reflectances are represented by the following equations 10, 11, and 12.
  • the critical angle ⁇ max at which total reflection occurs is derived as 24.4 °.
  • the diamond refractive index n1 is derived as 2.417
  • the refractive index n2 of the atmosphere outside the cutting tool 4 is derived as 1. It is necessary to design the arrangement and shape of the cutting tool 4 starting from the critical angle ⁇ max derived as described above.
  • position the laser beam emission position is preferably set at the end of the cutting tool 4.
  • the cutting tool 4 is made of diamond and the rake angle ⁇ s is set to 45 °
  • the diamond square column is inclined 45 ° with respect to the surface direction of the material 6 to be cut
  • laser light having a wavelength of 1550 nm is incident on the incident surface.
  • the rake angle ⁇ s is preferably 30 ° or more and 60 ° or less, and further 45 ° or more and 60 ° or less can eliminate total reflection at the end face of the cutting tool 4. At the same time, it is optimal because it has the best cutting efficiency.
  • the laser beam propagating through the inside of the cutting tool 4 can be transmitted through the exit side interface with a tool arranged at 45 ° on the surface on the rake face 7 side, and irradiates and heats the workpiece. Contribute.
  • the problem is the behavior of the laser light emitted toward the clearance angle ⁇ n.
  • the incident angle is 45 °
  • the refractive index of the hard brittle material is higher than the refractive index of the cutting tool 4 (for example, when the cutting tool 4 is made of diamond and the hard brittle material is silicon carbide 2.6 or silicon 3.4), cutting is performed.
  • a high-pressure contact load is applied to the hard brittle material from the cutting edge of the cutting tool 4 during processing, causing a metal phase transition in the vicinity of the blade contact portion, resulting in an effective refractive index (refractive index of the hard brittle material in which the metal phase transition has occurred).
  • the refractive index of the hard brittle material is higher than the refractive index of the cutting tool 4 (refractive index of the hard brittle material)> (refractive index of the cutting tool 4), and the effective refractive index of the hard brittle material is cutting.
  • the refractive index higher than that of the tool 4 is (effective refractive index of hard brittle material)> (refractive index of the cutting tool 4).
  • the range 10 in which the laser beam can heat and raise the temperature of the workpiece 6 is an irradiation range (formation portion of the rake angle ⁇ s) 10a on the rake face 7 side centering on the curved surface of the end edge.
  • a portion in which the cutting tool 4 is in direct contact with the workpiece 6 hereinafter referred to as “contact portion” if necessary
  • the portion 10b includes a portion where the cutting tool 4 is in direct contact with the work material 6 to be cut.
  • the laser beam excluding the Fresnel reflection on the end face of the cutting tool is irradiated to the hard brittle material from the contact portion and the portion where the rake angle ⁇ s is formed, the laser beam is not totally reflected.
  • the laser beam excluding the Fresnel reflection on the end face of the cutting tool 4 is perpendicular to the surface direction of the hard brittle material surface in contact with the cutting tool 4 and at least from the contact portion and the rake angle forming portion 10a.
  • the hard brittle material is irradiated.
  • the laser beam is arranged perpendicular to the material 6 to be cut from the viewpoints of preventing defocusing of the laser beam irradiated on the laser beam 6 and preventing dispersion of the energy density of the laser beam.
  • the surface direction of the hard brittle material surface is a direction parallel to the arrow D direction in FIG.
  • the cross-sectional shape of the end surface of the cutting tool 4 is formed in an arc shape as shown in FIG. More preferably.
  • the cross-sectional shape of the end face of the cutting tool 4 refers to a cross-sectional shape in a direction perpendicular to the arrow D direction.
  • the radius of the end face of the cutting tool 4 is R
  • the laser light propagating through the inside of the cutting tool 4 is parallel light
  • the diameter of the cutting tool 4 at the wavelength of the laser beam is n1
  • the refractive index of the cutting tool 4 is n1
  • the refractive index of the atmosphere outside the cutting tool 4 is n2
  • the end face of the cutting tool 4 that comes into contact with the workpiece 6 is always in contact with the cutting direction at approximately 1 ⁇ m, and the width is approximately 50 ⁇ m in the case of an arc shape (round nose type) shown in FIG. ing.
  • a load of 100 g is applied to the cutting tool 4
  • a load of about 20 GPa is applied to the material 6 to be cut from the following formula 15, and a sufficient load is applied for the hard brittle material to undergo a metal phase transition.
  • the minimum radius of curvature must be a radius of curvature defined by the following Equation 16 from Equation 14:
  • the cutting tool 4 is made of diamond and the light beam diameter 2r is 100 ⁇ m
  • the radius R is set larger than 121 ⁇ m (R> 121 ⁇ m) as shown in the following equation 17, total reflection does not occur.
  • the laser beam can be propagated to the surface of the work material 6 to be cut.
  • the cross-sectional shape of the end face of the cutting tool 4 when viewed along the cutting direction of the hard brittle material depends on the workpiece 6 and the cutting purpose.
  • the cutting edge shape is different.
  • the cross-sectional shape of the cutting edge of the end face of the cutting tool 4 is viewed along the cutting direction of the hard brittle material (the direction of arrow D in FIG. 1 or FIG. 4)
  • it is formed into a V shape as shown in FIG.
  • the sectional shape of the end face of the cutting tool 4 also refers to the sectional shape in the direction perpendicular to the arrow D direction.
  • the minimum opening angle ⁇ min of the V-shaped opening angle ⁇ in the V-shape is defined by the critical angle ⁇ max, which is the total reflection condition when exiting from n1 to n2 in Equation 9. Note that the refractive index of the cutting tool 4 at the wavelength of the laser beam is set to n1, and the refractive index of the atmosphere outside the cutting tool 4 is set to n2. Therefore, the minimum opening angle ⁇ min is
  • the shape of the end face of the cutting tool 4 shown in FIG. 5 or 6 is optimal.
  • the laser beam is propagated inside the cutting tool 4 and at least the portion where the cutting tool 4 and the hard brittle material are in contact with each other and the portion where the rake angle ⁇ s is formed are irradiated with the laser beam, the workpiece 6 to be cut during the cutting process. Even if the cutting waste is generated, the laser beam irradiation is not blocked by the cutting waste. Therefore, the occurrence of cutting work inhibition is prevented, so that the material to be cut 6 can be directly heated by laser light irradiation, and it becomes possible to eliminate the need for excessive laser light heating. Therefore, it is possible to cut hard brittle materials with accurate dimensional accuracy.
  • the present invention by propagating the laser beam into the cutting tool 4, it is possible to set the irradiation direction of the laser beam and the approaching direction of the cutting tool to the workpiece 6 to be the same direction. Become. Therefore, even if the material 6 to be cut is a non-translucent material, cutting can be performed, and a three-dimensional structure having an internal shape such as a cylindrical shape can be manufactured by cutting.

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Abstract

【課題】レーザ光の全反射が回避されると共にレーザ光の出射効率も改善され、更に過剰なレーザ光加熱が不要となる硬質脆性材料の切削方法及び切削工具を提供する。 【解決手段】硬質脆性材料を切削する切削工具を、レーザ光が透光する透光性材料で形成すると共にすくい角を形成し、更に切削工具の内部にレーザ光を伝搬させると共に、切削工具と硬質脆性材料を接触させ、少なくとも切削工具と硬質脆性材料とが接触する部分及びすくい角の形成部分にレーザ光を照射させ、切削工具の端面でのフレネル反射分を除いたレーザ光を、その接触部分及びすくい角の形成部分から硬質脆性材料に照射させて硬質脆性材料を軟化させ、軟化した硬質脆性材料を切削工具で切削する。

Description

切削工具及び切削方法
　本発明は切削工具及び切削方法に関し、特に硬質脆性材料の切削に用いる切削工具と切削方法に関するものである。
　炭化ケイ素，サファイア，ケイ素（Si），ゲルマニウム（Ge）等の単結晶や、アルミナ，ジルコニア，フェライト，窒化ケイ素等のセラミックスは、硬くて脆い硬質脆性材料の為、これまで切削加工に頼れず研削加工や研磨加工を行っていた。
　硬質脆性材料の研削又は研磨加工として、ダイヤモンドや立方晶窒化ホウ素（CBN）の粒子を用いた加工が考案されているが、レーザ光による加熱等を用いた切削方法も試みられている。レーザ光を用いた切削方法の被切削加工材料としては、ガラス材料や難切削金属材料等が試みられているだけで、硬質脆性材料を加工可能な切削方法は定着には至らなかった。しかし近年のレーザ技術の進歩によって、硬質脆性材料をレーザ光で加熱することで、硬質脆性材料を軟化させながら切削加工を行うという切削方法が盛んになってきた。
　例えば後述の非特許文献１には、図７に示すように1500Wの炭酸ガスレーザ光100でセラミックス101（窒化ケイ素と部分安定化ジルコニア）を切削加工する事例が記述されている。その文献では更に、立方晶窒化ホウ素（CBN）を切削工具102とし、切り込み速度1～2mm/sec、切り込み深さ0.5～1mmの加工条件による切削方法が報告されている。
　また後述する特許文献１には、図８に示すように切削工具103の刃先の進行方向において、前記刃先に対して1～10μmほど隔てた被切削加工材料表面にレーザ光104a，104bの焦点を合わせて、被切削加工材料105の上方向からレーザ光104a，104bを照射し、図９のようにレーザ光104a，104bの照射部分105aを軟化させて切削加工する切削方法が開示されている。
　更に後述する特許文献２には図１０に示すように、使用するレーザ光の発振波長（例えば1060nmのYAGレーザ光）に対して透光性（例えばダイヤモンド）の切削工具106をレーザ光の導波路として用いてレーザ光を伝搬させ、切削工具106の刃先から直接、被切削加工材料107の表面にレーザ光を照射する切削方法が開示されている。
Yung C. Shin, INDUSTRIAL Laser Solutions, Laser assisted machining, (2011) ＵＳ７００２１００ ＵＳ２０１０／００６５５３６
　しかしながら、非特許文献１の切削方法では、被切削加工材料と切削工具の刃先が90°に配置されているので、被切削加工材料におけるレーザ光照射部と被切削加工部が物理的に離れていた。従って、離れている分だけレーザ光照射部を速やかに切削加工することが出来ないので、被切削加工部で切削加工が可能とするべくレーザ光照射部において高いエネルギーのレーザ光を照射する必要があった。
　被切削加工部がレーザ光照射部から離れている分だけ被切削加工片を過剰にレーザ光で加熱する必要があるので、その加熱により被切削加工材料自体の物性の変質（例えば粒成長など）や、被切削加工材料及び材料を支持しているコレットチャック等の切削加工装置自体の熱膨張も発生してしまう。よって、非特許文献１の切削方法では正確な寸法精度での切削加工が困難であった。
　また、特許文献１記載の切削方法では、レーザ光の焦点を切削工具の刃先から1～10μmほど隔ててレーザ光を被切削加工材料表面に照射するので、切削工具の刃先と被切削加工材料との接触部に直接、レーザ光の焦点を合わせてレーザ光を照射できなかった。従って実際に切削加工を行ってみると、図１１に示すように矢印Ｄ方向に切削を行うと、切削工具103によって被切削加工材料105から分断された切削屑108が刃先で盛り上がり、切削屑108の盛り上がりによりレーザ光104aが遮られてしまう。よって、切削加工が進むにつれて次第に被切削加工材料105の表面を加熱することが不可能になる。
　従って特許文献１記載の切削方法でも、切削屑108もろとも被切削加工材料105を加熱するために過剰なレーザ光エネルギーを照射する必要が生じる。よって非特許文献１記載の切削方法と同様に、加熱により被切削加工材料自体の物性の変質（例えば粒成長など）や、被切削加工材料及び材料を支持している切削加工装置自体の熱膨張も発生してしまい、正確な寸法精度の切削加工が困難であった。
　一方、特許文献２記載の切削方法では、切削工具をレーザ光の導波路として用いるので切削屑がレーザ光を遮断する懸念は無く、直接、被切削加工材料の表面を加熱出来るという利点が得られる。しかも切削工具先端は微小なので、切削工具先端と被切削加工材料との接触面に、GPa（ギガパスカル）以上の荷重を集中させて加えることが可能となる。従って、被切削加工材料の物質構造を弾性変形させ、局所的に金属相転位を誘発し、延性モード切削が可能となる。
　しかしながら例えば切削工具にダイヤモンドを使用すると、ダイヤモンドの屈折率は2.4以上もある。従って、工具先端が全反射を回避するような形状に光学的設計がなされていない場合、レーザ光が工具内部で全反射してしまい、切削工具外部へのレーザ光の出射効率が10～15%程度まで低下し、僅かなレーザ光のエネルギーしか被切削加工材料に加えられなかった。　
　従って、切削工具先端の角度や、レーザ光を入射する入射面等にレーザ光の全反射を防止する光学的設計が必要となる。しかし特許文献２では、切削工具の側壁を金メッキして全反射コートを施し、切削工具内部を多重反射しながら偶然に先端から放出されるレーザ光を利用することが開示されているだけで、レーザ光の出射効率の向上が見込めないため工業用途には適用できなかった。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザ光の全反射を回避し、レーザ光の出射効率を改善すると共に、更に過剰なレーザ光加熱が不要となる硬質脆性材料の切削方法及び切削工具を提供することを目的とする。
　上記目的は、以下の本発明により達成される。即ち、
　本発明の切削工具は、硬質脆性材料と接触し、その接触する部分で硬質脆性材料を切削する切削工具がレーザ光を透光する透光性材料で形成されると共にすくい角が形成され、切削工具の内部にレーザ光が伝搬され、少なくとも切削工具と硬質脆性材料とが接触する部分及びすくい角の形成部分にレーザ光が照射されて、切削工具の端面でのフレネル反射分を除いたレーザ光がその接触部分及びすくい角の形成部分から硬質脆性材料に照射されて硬質脆性材料が軟化され、軟化した硬質脆性材料を切削することを特徴とする。
　また、本発明の切削工具の一実施形態は、切削工具と接触することで金属相転位が生じる材料で硬質脆性材料が形成されると共に、
　切削工具と硬質脆性材料との接触荷重が、硬質脆性材料に金属相転位が生じる荷重に設定されることが好ましい。
　また、本発明の切削工具の他の実施形態は、切削工具がダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素で形成されることが好ましい。
　また、本発明の切削工具の他の実施形態は、切削工具と接触する硬質脆性材料表面の面方向に対して垂直に、切削工具の端面でのフレネル反射分を除いたレーザ光がその接触部分及びすくい角の形成部分から硬質脆性材料に照射されることが好ましい。
　また、本発明の切削工具の他の実施形態は、切削工具の内部を伝搬するレーザ光が平行光であることが好ましい。
　また、本発明の切削工具の他の実施形態は、切削工具を硬質脆性材料の切削方向に沿って見たときに、端面が円弧形状に形成され、
　端面の半径をR、及び切削方向に沿って見たときに切削工具の端面からのレーザ光の照射時の光束径を2r、レーザ光の波長における切削工具の屈折率をn1、切削工具外部の大気の屈折率をn2、切削工具内部から外部へ照射するときの切削工具の端面の法線方向となす角度でレーザ光が全反射を生じる臨界角をθcrt°とするとき、端面の半径Rが
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
であることが好ましい。
　また、本発明の切削工具の他の実施形態は、切削工具を硬質脆性材料の切削方向に沿って見たときに、端面がV字形状に形成され、
　レーザ光の波長における切削工具の屈折率をn1、切削工具外部の大気の屈折率をn2と設定したとき、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
の全反射条件に対してV字形状の開口角度φが
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
で設定されることが好ましい。
　また、本発明の切削方法は、硬質脆性材料を切削する切削工具を、レーザ光が透光する透光性材料で形成すると共にすくい角を形成し、
　更に切削工具の内部にレーザ光を伝搬させると共に、切削工具と硬質脆性材料を接触させ、少なくとも切削工具と硬質脆性材料とが接触する部分及びすくい角の形成部分にレーザ光を照射させ、
　切削工具の端面でのフレネル反射分を除いたレーザ光を、その接触部分及びすくい角の形成部分から硬質脆性材料に照射させて硬質脆性材料を軟化させ、軟化した硬質脆性材料を切削工具で切削することを特徴とする。
　また、本発明の切削方法の一実施形態は、切削工具と接触することで金属相転位が生じる材料で硬質脆性材料を形成すると共に、
　切削工具と硬質脆性材料との接触荷重を、硬質脆性材料に金属相転位が生じる荷重に設定することが好ましい。
　また、本発明の切削方法の他の実施形態は、切削工具をダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素で形成することが好ましい。
　また、本発明の切削方法の他の実施形態は、切削工具と接触する硬質脆性材料表面の面方向に対して垂直に、切削工具の端面でのフレネル反射分を除いたレーザ光をその接触部分及びすくい角の形成部分から硬質脆性材料に照射することが好ましい。
　また、本発明の切削方法の他の実施形態は、切削工具の内部を伝搬するレーザ光を平行光とすることが好ましい。
　また、本発明の切削方法の他の実施形態は、切削工具を硬質脆性材料の切削方向に沿って見たときに、端面を円弧形状に形成し、
　端面の半径をR、及び切削方向に沿って見たときに切削工具の端面からのレーザ光の照射時の光束径を2r、レーザ光の波長における切削工具の屈折率をn1、切削工具外部の大気の屈折率をn2、切削工具内部から外部への照射するときの切削工具の端面の法線方向となす角度でレーザ光が全反射を生じる臨界角をθcrt°とするとき、端面の半径Rが
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
であることが好ましい。
　また、本発明の切削方法の他の実施形態は、切削工具を硬質脆性材料の切削方向に沿って見たときに、端面をV字形状に形成し、
　レーザ光の波長における切削工具の屈折率をn1、切削工具外部の大気の屈折率をn2と設定したとき、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
の全反射条件に対してV字形状の開口角度φを
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
に設定することが好ましい。
　本発明に依れば、クラックを生じることなく硬質脆性材料の切削加工が可能になると共に、レーザ光の全反射が回避されてレーザ光の出射効率も改善される。
　更に、切削加工時に発生する被切削加工材料の切削屑に起因する切削加工阻害の発生が防止されるので、直接、レーザ光の照射により被切削加工材料を加熱することが出来、過剰なレーザ光加熱を不要とすることが可能となる。従って、正確な寸法精度で硬質脆性材料の切削加工が可能となる。
　更に本発明に依れば、切削工具内部にレーザ光を伝搬させることにより、レーザ光の照射方向と、被切削加工材料への切削工具の接近方向を同一方向に設定することが可能となる。従って、被切削加工材料が非透光性材料であっても切削加工を行うことができ、円筒型のように内部形状を有する立体構造物も切削加工により作製することが可能になる。
本発明の実施形態の一例に係る、切削工具及び切削方法を模式的に示す説明図である。 反射及び屈折の法則を説明するための概念図である。 ダイヤモンド製の切削工具の全反射が生じる臨界角θmaxを示すグラフである。 図１中の円部分Ａを拡大した説明図である。 端面が円弧形状に形成された切削工具、及び光ファイバと収束レンズを示す説明図である。 端面がV字形状に形成された切削工具、及び光ファイバと収束レンズを示す説明図である。 従来のセラミックスの切削加工例を示す斜視図である。 レーザ光を使用した従来の切削加工例を示す説明図である。 図９の切削加工例を更に説明するための説明図である。 レーザ光を使用した従来のその他の切削加工例を示す説明図である。 図８及び図９に示す切削加工例の課題を示す説明図である。
　以下、本発明に係る切削工具及び切削方法を詳細に説明する。図１は本実施形態に係る切削工具及び切削方法を模式的に示す説明図である。本実施形態に係る切削加工装置１は、図１に示すように光ファイバ２、収束レンズ３、切削工具４、及びこれら各部品を支持する筐体５から構成される。その切削工具４の端面の一部が被切削加工材料６と接触し、その接触する部分で被切削加工材料６が切削される。
　更に本発明では切削工具４を、レーザ光を透光する透光性材料で形成すると共に、光ファイバ２内部にレーザ光を伝搬し、収束レンズ３で収束させた上で切削工具４の内部にレーザ光を伝搬させ、切削工具４を介してレーザ光を被切削加工材料６に照射する。このようなレーザ光の照射により被切削加工材料６を軟化させ、その軟化した部分を矢印Ｄ方向で示す切削方向に沿って切削することで、被切削加工材料６を切削する。
　レーザ光は図示しないレーザ光源から出射され、光ファイバ２内部を伝搬後、収束レンズ３で収束されて切削工具４の内部に入射される。レーザ光としては波長800nm～1600nm、出力が200mW以上100W以下のレーザ光が用いられ、具体的にはYAGレーザ光が好適であるが、加工材質によって例えば炭酸ガスレーザや、可視光レーザも適用できる。但し、レーザ光に対して切削工具４が透光性となる波長でなければならない。
　レーザ光を伝搬する光ファイバ２は、コア、及びコアの屈折率より低い屈折率を有するクラッドが前記コアの周囲を囲むことで構成され、等方的な屈折率分布を有するシングルモード型の光ファイバであり、例えば石英系光ファイバを用いることが出来る。汎用的な光ファイバとしてはコア径8μm以上100μm以下、大出力レーザ光ガイドとしては1000μm超のコア径光ファイバにkW（キロワット）級のレーザ光を伝搬させても良い。　
　光ファイバ２の端部には収束レンズ３と切削工具４が順に配置される。収束レンズ３は、光ファイバ２と切削工具４の間に配置され、入射したレーザ光を収束し集光する。収束レンズ３としては、非球面レンズ、ボールレンズ、或いは、屈折率分布レンズ等を用いることが出来る。又、収束レンズ３の材料としては、例えば石英ガラス等を用いる。
　光ファイバ２と収束レンズ３は別々の光部品として用意しても良い。しかし、図１に示すように光ファイバ２と収束レンズ３を予め調芯し、光ファイバ２の端部と収束レンズ３の光学面を接合して一体化させた収束レンズ３付き光ファイバ２を用いることが、切削加工時に調芯作業を無調整化出来るとの点からより好ましい。
　切削工具４は透光性材料で形成され、具体的にはダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素で形成される。ダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素は、伝搬するレーザ光の波長800nm～1600nmに対して高い透過率を有し、レーザ光の減衰が抑制されるという点から、切削工具４の形成材料として好適である。特に、単結晶ダイヤモンド又は焼結多結晶ダイヤモンドは透光性材料としてより好ましい。
　図１では収束レンズ３の焦点距離は、レーザ光が切削工具４を介して被切削加工材料６表面に達する必要性と、レーザ光の加熱により被切削加工材料６を軟化させ、延性モード切削が可能となる被切削加工材料６部分をどれほどの面積に設定するか、と云う技術用件から決定される。更に、切削効率、切削速度の要求値からも決定される。なおレーザ光の焦点を絞り過ぎると、レーザ光のエネルギー密度が高くなり過ぎて、被切削加工材料６を加熱する前に切削工具４が発熱してしまい、ダイヤモンドを切削工具４の材料に用いると切削工具４の著しい消耗を誘発してしまう。
　これらを考慮した場合、被切削加工材料６の表面における焦点直径が10μm以上200μm以下となるように光学的な設計を行うことが好ましい。勿論、焦点直径の最適値は、レーザ光の単位面積当たりのエネルギー密度に依存し、本発明の場合、切削工具４が消耗による自己破壊を生じない範囲の焦点直径とする。
　収束レンズ３の曲率半径と、収束レンズ３の光学面から被切削加工材料６の表面までの距離は、レーザ光が切削工具４を伝搬後、切削工具４端面の刃先に接触している被切削加工材料６の表面で焦点を形成するように設定される。
　更に、切削工具４の内部を伝搬するレーザ光は収束光でも構わないが、平行光がより好ましい。平行なレーザ光を切削工具４の内部に伝搬させることにより、切削工具４端面の刃先においてレーザ光のエネルギー密度が過剰になることが防止され、切削工具４の損傷が防止出来る為である。
　なお被切削加工材料６の表面で発散するレーザ光では、被切削加工材料６を十分に加熱することが困難であり、軟化部分を形成しにくくなると同時に、被切削加工材料６表面のレーザ光照射部分に均一にレーザ光を照射することが難しくなるので、対象外とする。
　被切削加工材料６は硬質脆性材料とする。硬質脆性材料であれば何を用いても良いが、切削工具４と接触することで金属相転位が生じる材料で形成された硬質脆性材料が、より好ましい。その理由として、金属相転位した被切削加工材料６部分は光学的に透明体であっても金属的な振る舞いを生じ、金属相転位した部分が選択的によりレーザ光を吸収し、加熱昇温する効果を示して延性モードの切削加工が可能となる為である。よって破壊痕を発生させることなく、被切削加工材料６の切削が出来る。
　また、切削工具４と硬質脆性材料との接触荷重は、硬質脆性材料に金属相転位が生じる荷重に設定される。切削工具４端部の刃先に加圧される荷重により、硬質脆性材料が局部的に20GPa以上で押圧変形されると構造変化を生じ、金属相転位が誘起されて金属のように延性モードの切削加工が可能となる。接触荷重による金属相転位と同時に、レーザ光により硬質脆性材料を直接、加熱することで、延性モードの切削加工が可能となる被切削加工材料６部分が拡大される。なお、接触荷重が及ぶ範囲は幅で数μm、深さで100nm程とする。
　このような金属相転位を示す硬質脆性材料の具体的な例としては、炭化ケイ素，サファイア，ケイ素（Si），ゲルマニウム（Ge）等の単結晶や、アルミナ，ジルコニア，フェライト，窒化ケイ素等のセラミックス等が挙げられる。このような硬質脆性材料を被切削加工材料６として用いることにより、安定した軟化による延性モード切削加工を行うことが可能となる。なお上記硬質脆性材料のうち、炭化ケイ素，アルミナ，ジルコニアの破断強度（抗折力）と硬度は次の通りである。炭化ケイ素（破断強度0.3GPa以上0.8GPa以下、硬度25GPa以下），アルミナ（破断強度0.3GPa以上0.5GPa以下、硬度18GPa以下），ジルコニア（破断強度1.0GPa以上1.2GPa以下、硬度13GPa以下）。一方、切削工具４の材料の一例である単結晶ダイヤモンドの破断強度は2GPa以下であり、硬度は120GPa以下である。
　次に、切削工具４端部の構成について図４を参照しながら更に説明を続ける。図４は図１中の円部分Ａを拡大した説明図である。図４より、炭化ケイ素，サファイア，ケイ素（Si），ゲルマニウム（Ge）等の単結晶や、アルミナ，ジルコニア，フェライト，窒化ケイ素等のセラミックスを延性モードで切削するときは、切削工具４のすくい角θsは大凡3.2°以上60°以下、逃げ角θnは0°以上5°以下に設定することが好ましく、その角度の範囲内でもすくい角θsは45°、逃げ角θnは0°以上5°以下が最も加工効率が良い。なお、すくい角θsとは図４に示すように、被切削加工材料６の面方向に対して斜めとなるように切削工具４に形成されたすくい面７と、前記面方向とのなす角度である。一方、逃げ角θnとは図４に示すように、被切削加工材料６の面方向に対して斜めとなるように切削工具４に形成された逃げ面８と、前記面方向とのなす角度である。なお説明の都合上、すくい角θs及び逃げ角θnの角度は絶対値で表記することとし、角度形成方向のプラスマイナスは省略して記述する。
　図１では、市販の幅１mm ×奥行１mm×長さ５mmのダイヤモンド四角柱を被切削加工材料６の面方向に対して45°に傾斜させてすくい角θsとし、四角柱の片端一辺をそのまま工具刃先としている。更に、逃げ角θnが5°になるように逃げ面８を成形している。図１の切削加工装置の構造上の利点は、例えばダイヤモンドを切削工具４に用いるとき、市販のダイヤモンド四角柱の片端に刃先と逃げ面８を形成するだけで切削工具４として利用でき、特殊な工具形状に加工する負担が軽減出来ることである。勿論、四角柱だけでなく、特殊な形状でも、本発明の技術思想に基づいた構造ならば活用できる。
　次に、切削工具４内部を伝搬したレーザ光が、切削工具４の端面で全反射しないための条件を、図２を参照して考察する。図２は反射及び屈折の法則を説明するための概念図である。なお、切削工具４の端面とは、被切削加工材料６に面する側の端面を指すものとする。図２において、レーザ光が全反射しないための条件として、数９に表すような臨界角θmaxが決定される。θmaxはスネルの法則から得られる数７、数８から導出される。なお数９において、θの最大値ということなのでsinφは１としている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　屈折率n1の媒質と屈折率n2の媒質の界面における反射と屈折の関係は、レーザ光の偏光成分s波、p波とも考慮した時、対応する反射をRsと、Rp、及びその平均値をRとすると、各反射率は以下の数１０、数１１、及び数１２となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
　図３より、一例としてダイヤモンド製の切削工具４に波長1550nmのレーザ光を伝搬させ、被切削加工材料６を加熱するとき、全反射が生じる臨界角θmax は24.4°と導出される。但し、ダイヤモンド屈折率n1を2.417，切削工具４外部の大気の屈折率n2を１として導出している。このように導出された臨界角θmaxを起点にして切削工具４の配置や形状を設計する必要がある。
　次に、切削工具４の端部において、レーザ光の出射位置をどの位置に設定することが好ましいかについて説明する。切削工具４の材料をダイヤモンドとし、すくい角θsを45°と設定した場合、ダイヤモンド四角柱を被切削加工材料６の面方向に対して45°傾斜させると、入射面では波長1550nmのレーザ光を用いた時、数８よりθ=θsとしθs＝45°でn1=1、n2=2.417とすると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
　従って、φ＝17.01°で24.4°よりも小さくなり切削工具４の端部で全反射は生ぜず、フレネル反射分を除いたレーザ光が切削工具４内部に伝搬される。
　逆に臨界角度まで設定した時、入射角度θは86.8°が、ほぼ限界となる（φ＝24.4°と設定した場合）。ダイヤモンド製切削工具４の場合、その端面で全反射を生じない最大角、即ち最小のすくい角θsは86.8－90＝－3.2°（絶対値で3.2°）となり、光学的限界としてすくい角θsは3.2°と限定される。更にθsが60°程度までならば延性モード切削が可能である。従って、すくい角θsが3.2°以上60°以下であれば、切削工具４端面での全反射を回避することが可能となり、レーザ光の出射効率も改善可能となる。
　実際には硬質脆性材料の切削加工効率を考慮すると、すくい角θsは30°以上60°以下が好ましく、更に45°以上60°以下とすることにより、切削工具４端面での全反射が解消出来ると共に最も切削加工効率が良いので、最適である。
　切削工具４内部を伝搬してきたレーザ光は、すくい面７側の面では、同じように、45°に配置した工具ではレーザ光は出射側界面を透過でき、加工片を照射・加熱することに寄与する。問題は逃げ角θn側に放射されるレーザ光の振る舞いである。
　入射角が45°の場合、ダイヤモンドから大気へ出射するときの出射面に対するレーザ光角度は、先に記述した数７、数８、数９の関係から、逃げ角θn=0°でも全反射して、外部に照射されない。つまり、逃げ面８に照射されるレーザ光は、切削工具４端面の接触物質が大気の場合、その端面から外部に透過することができないので、被切削加工材料６の加熱に寄与しないことになる。
　但し、硬質脆性材料の屈折率が、切削工具４の屈折率よりも高い場合（例えば、切削工具４がダイヤモンド製に対し、硬質脆性材料が炭化ケイ素：2.6やケイ素:3.4の場合）や、切削加工時に切削工具４の刃先から高圧の接触荷重が硬質脆性材料に加わり、刃先接触部近傍に金属相転位を引き起こして実効屈折率（金属相転位が生じた硬質脆性材料の屈折率）が切削工具４の屈折率よりも高くなる場合は、切削工具４端面での全反射が回避されるので、切削工具４端面から出射されたレーザ光は、被切削加工材料６の表面で吸収される。なお硬質脆性材料の屈折率が、切削工具４の屈折率よりも高いとは、（硬質脆性材料の屈折率）＞（切削工具４の屈折率）であり、硬質脆性材料の実効屈折率が切削工具４の屈折率よりも高いとは、（硬質脆性材料の実効屈折率）＞（切削工具４の屈折率）である。
　図４に示すように、レーザ光が被切削加工材料６を加熱、昇温できる範囲10は、端部刃先の曲面を中心として、すくい面７側の照射範囲（すくい角θsの形成部分）10aと、切削工具４が被切削加工材料６と直接接触している部分（以下、必要に応じて「接触部分」と表記）、及び切削工具４と接触することで金属相転位が生じる硬質脆性材料部分10bに限定される。前記10ｂには切削工具４が被切削加工材料６と直接接触している部分が含まれる。本発明では、切削工具の端面でのフレネル反射分を除いたレーザ光を、その接触部分及びすくい角θsの形成部分から硬質脆性材料に照射するので、レーザ光は全反射されない。
　なお、切削工具４の端面でのフレネル反射分を除いたレーザ光は、切削工具４と接触する硬質脆性材料表面の面方向に対して垂直に、少なくともその接触部分及びすくい角の形成部分10aから硬質脆性材料に照射されることが好ましい。切削工具４に対して、適当な角度を付けて入射した場合は、全反射による制限は緩和されるが、各部品２，３，４，６間の調芯の容易化と、被切削加工材料６に照射されるレーザ光の焦点ずれの防止、レーザ光のエネルギー密度の分散防止との点からレーザ光は被切削加工材料６に対して垂直な配置がより好ましい。なお、前記硬質脆性材料表面の面方向とは、図１中の矢印Ｄ方向に平行な方向である。
　図１及び図４の切削工具４端面の刃先には、好ましくは硬質脆性材料に金属相転位を生じる荷重を与えるため、切削工具４の自重を制御する技術構造を加味することがより好ましい。一例として、切削工具４を硬質脆性材料の切削方向（図１又は図４の矢印Ｄ方向）に沿って見たときに、切削工具４端面の断面形状が図５に示すように円弧形状に形成されることが、より好ましい。なお、切削工具４端面の断面形状とは、矢印Ｄ方向に対して垂直な方向の断面形状を云う。
　ここで切削工具４の端面の半径をR、切削工具４の内部を伝搬するレーザ光が平行光、及び切削方向に沿って見たときに切削工具４の端面からのレーザ光の照射時の光束径を2r、レーザ光の波長における切削工具４の屈折率をn1、切削工具４外部の大気の屈折率をn2、切削工具４内部から外部へレーザ光を照射するときの切削工具４の端面の法線方向となす角度でレーザ光が全反射を生じる臨界角をθcrt°とするとき、端面の半径Rは以下の数１４のように制限される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
　被切削加工材料６と接触する切削工具４の端面は、切削方向には凡そ1μmで常時接触し、幅は例えば図５に示す円弧状（ラウンド・ノーズ型）の場合は凡そ50μm幅で加工している。この場合、切削工具４に100gの荷重を加えると、下記数１５より被切削加工材料６には約20GPa荷重が加わることになり、硬質脆性材料が金属相転位をするには十分な荷重が加えられることが分かる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
　従って、切削工具４として図５に示す切削工具４端面形状の切削工具４を用いる場合は、数１４より最少曲率半径は、以下の数１６で定義される曲率半径でなければならない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
　例えば、切削工具４をダイヤモンドで形成し、光束径2rが直径100μmの場合、以下の数１７で示すように、半径Rを121μmより大きく設定（R＞121μm）するならば、全反射を起こさず、レーザ光を被切削加工材料６表面へ伝搬できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
　更に、切削工具４の端面を図５のような形状に成形することにより、切削加工面の表面粗さを低く形成することが可能となり、切削加工の速度を速めることも可能となる。
　なお、硬質脆性材料の切削方向（図１又は図４の矢印Ｄ方向）に沿って見たときの切削工具４の端面の断面形状は、被切削加工材料６、切削加工目的により、切削工具４の刃先形状は異なる。例えば切削工具４端面の刃先の断面形状が、硬質脆性材料の切削方向（図１又は図４の矢印Ｄ方向）に沿って見たときに、図６で示すようにV字形状に形成しても良い。なお、ここでも切削工具４端面の断面形状とは、矢印Ｄ方向に対して垂直な方向の断面形状を云う。
　図６において、V字形状におけるV字開口角φの最少開口角φminは、数９においてn1からn2へ出射するときの全反射条件である臨界角θmaxで規定される。なお、レーザ光の波長における切削工具４の屈折率をn1、切削工具４外部の大気の屈折率をn2と設定する。従って、最少開口角φminは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
　即ち、切削工具４端面の形状がV字形状の場合、V字開口角度φは、以下の数１９で設定される範囲において、硬質脆性材料の延性モード切削に対して、最大切削効率が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
　切削工具４の端面を図６のような形状に成形することにより、被切削加工材料６の表面にV溝を加工することが可能となり、更にそのV溝加工を速やかに行うことが可能となる。
　特に、切削工具４がダイヤモンド製の場合、図５又は図６の切削工具４端面形状が最適である。
　以上、本発明に依れば、クラックを生じることなく硬質脆性材料の切削加工が可能になると共に、レーザ光の全反射が回避されてレーザ光の出射効率も改善される。
　更に、切削工具４の内部にレーザ光を伝搬させ、少なくとも切削工具４と硬質脆性材料とが接触する部分及びすくい角θsの形成部分にレーザ光を照射するので、切削加工時に被切削加工材料６の切削屑が発生しても、その切削屑でレーザ光の照射が遮られることが無い。よって切削加工阻害の発生が防止されるので、直接、レーザ光の照射により被切削加工材料６を加熱することが出来、過剰なレーザ光加熱を不要とすることが可能となる。従って、正確な寸法精度で硬質脆性材料の切削加工が可能となる。
　更に本発明に依れば、切削工具４内部にレーザ光を伝搬させることにより、レーザ光の照射方向と、被切削加工材料６への切削工具の接近方向を同一方向に設定することが可能となる。従って、被切削加工材料６が非透光性材料であっても切削加工を行うことができ、円筒型のように内部形状を有する立体構造物も切削加工により作製することが可能になる。
　　　１　　　切削加工装置
　　　２　　　光ファイバ
　　　３　　　収束レンズ
　　　４　　　切削工具
　　　５　　　筐体
　　　６　　　被切削加工材料
　　　７　　　切削工具のすくい面
　　　８　　　切削工具の逃げ面
　　　９a、9b　　　切削工具の端面
　　　10　　　レーザ光が被切削加工材料を加熱、昇温できる範囲
　　　10a　　 すくい角θsの形成部分
　　　10b　　 金属相転位が生じる硬質脆性材料部分

Claims (14)

  1. 　硬質脆性材料と接触し、その接触する部分で硬質脆性材料を切削する切削工具がレーザ光を透光する透光性材料で形成されると共にすくい角が形成され、切削工具の内部にレーザ光が伝搬され、少なくとも切削工具と硬質脆性材料とが接触する部分及びすくい角の形成部分にレーザ光が照射されて、切削工具の端面でのフレネル反射分を除いたレーザ光がその接触部分及びすくい角の形成部分から硬質脆性材料に照射されて硬質脆性材料が軟化され、軟化した硬質脆性材料を切削することを特徴とする切削工具。
  2. 　前記切削工具と接触することで金属相転位が生じる材料で前記硬質脆性材料が形成されると共に、
    　前記切削工具と前記硬質脆性材料との接触荷重が、前記硬質脆性材料に金属相転位が生じる荷重に設定されることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
  3. 　前記切削工具がダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素で形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の切削工具。
  4. 　前記切削工具と接触する前記硬質脆性材料表面の面方向に対して垂直に、前記切削工具の端面でのフレネル反射分を除いたレーザ光がその接触部分及びすくい角の形成部分から前記硬質脆性材料に照射されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の切削工具。
  5. 　前記切削工具の内部を伝搬するレーザ光が平行光であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の切削工具。
  6. 　前記切削工具を前記硬質脆性材料の切削方向に沿って見たときに、前記端面が円弧形状に形成され、
    　前記端面の半径をR、及び切削方向に沿って見たときに前記切削工具の前記端面からの前記レーザ光の照射時の光束径を2r、前記レーザ光の波長における前記切削工具の屈折率をn1、前記切削工具外部の大気の屈折率をn2、前記切削工具内部から外部へ照射するときの前記切削工具の前記端面の法線方向となす角度で前記レーザ光が全反射を生じる臨界角をθcrt°とするとき、前記端面の半径Rが
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    であることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の切削工具。
  7. 　前記切削工具を前記硬質脆性材料の切削方向に沿って見たときに、前記端面がV字形状に形成され、
    　前記レーザ光の波長における前記切削工具の屈折率をn1、前記切削工具外部の大気の屈折率をn2と設定したとき、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
    の全反射条件に対してV字形状の開口角度φが
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
    で設定されることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の切削工具。
  8. 　硬質脆性材料を切削する切削工具を、レーザ光が透光する透光性材料で形成すると共にすくい角を形成し、
    　更に切削工具の内部にレーザ光を伝搬させると共に、切削工具と硬質脆性材料を接触させ、少なくとも切削工具と硬質脆性材料とが接触する部分及びすくい角の形成部分にレーザ光を照射させ、
    　切削工具の端面でのフレネル反射分を除いたレーザ光を、その接触部分及びすくい角の形成部分から硬質脆性材料に照射させて硬質脆性材料を軟化させ、軟化した硬質脆性材料を切削工具で切削することを特徴とする切削方法。
  9. 　前記切削工具と接触することで金属相転位が生じる材料で前記硬質脆性材料を形成すると共に、
    　前記切削工具と前記硬質脆性材料との接触荷重を、前記硬質脆性材料に金属相転位が生じる荷重に設定することを特徴とする請求項８に記載の切削方法。
  10. 　前記切削工具をダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素で形成することを特徴とする請求項８又は９に記載の切削方法。
  11. 　前記切削工具と接触する前記硬質脆性材料表面の面方向に対して垂直に、前記切削工具の端面でのフレネル反射分を除いたレーザ光をその接触部分及びすくい角の形成部分から前記硬質脆性材料に照射することを特徴とする請求項８乃至１０の何れかに記載の切削方法。
  12. 　前記切削工具の内部を伝搬するレーザ光を平行光とすることを特徴とする請求項８乃至１１の何れかに記載の切削方法。
  13. 　前記切削工具を前記硬質脆性材料の切削方向に沿って見たときに、前記端面を円弧形状に形成し、
    　前記端面の半径をR、及び切削方向に沿って見たときに前記切削工具の前記端面からの前記レーザ光の照射時の光束径を2r、前記レーザ光の波長における前記切削工具の屈折率をn1、前記切削工具外部の大気の屈折率をn2、前記切削工具内部から外部への照射するときの前記切削工具の前記端面の法線方向となす角度で前記レーザ光が全反射を生じる臨界角をθcrt°とするとき、前記端面の半径Rが
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
    であることを特徴とする請求項８乃至１２の何れかに記載の切削方法。
  14. 　前記切削工具を前記硬質脆性材料の切削方向に沿って見たときに、前記端面をV字形状に形成し、前記レーザ光の波長における前記切削工具の屈折率をn1、前記切削工具外部の大気の屈折率をn2と設定したとき、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
    の全反射条件に対してV字形状の開口角度φを
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
    に設定することを特徴とする請求項８乃至１２の何れかに記載の切削方法。
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