JP2009066627A - Polishing method using laser beam machining, polishing device, and polished cutting tool - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ加工を用いたダイヤモンド切削工具等の研磨方法、研磨装置及び研磨された切削工具に関する。 The present invention relates to a polishing method such as a diamond cutting tool using laser processing, a polishing apparatus, and a polished cutting tool.
ダイヤモンドは硬度と熱伝導率が高いため、切削工具の素材として多用されている。特に、多結晶ダイヤモンド微粒子をコバルト系金属結合材で焼結した焼結ダイヤモンドを素材とし、すくい面と逃げ面が交差する稜線を切り刃とする切削工具は、Ａｌ合金の加工用工具として広く用いられている。 Diamond is frequently used as a material for cutting tools because of its high hardness and thermal conductivity. In particular, cutting tools that use sintered diamond obtained by sintering polycrystalline diamond fine particles with a cobalt-based metal binder as the raw material, and have a cutting edge at the ridge line where the rake face and flank face intersect, are widely used as Al alloy processing tools. It has been.
焼結ダイヤモンド切削工具は、単結晶ダイヤモンド切削工具に比べ比較的低価格であるが、チップ状の切削工具が多数のダイヤモンド粒から構成されているため、結晶界面の段差や結晶の脱落により切り刃凌、すくい面及び逃げ面に凸凹が存在し、被加工物を加工した場合、加工仕上げ面に切り刃凌や逃げ面の凸凹が転写されると共に、切削時にこの凸凹の多い切り刃凌に被削材が溶着し、ダイヤモンド粒の脱落を引き起こす。その結果、切削面を荒らして良好な加工面が得られなかった。 Sintered diamond cutting tools are relatively inexpensive compared to single crystal diamond cutting tools, but since the chip-shaped cutting tool is composed of a large number of diamond grains, the cutting edge is caused by steps at the crystal interface and dropout of crystals. If the workpiece is machined, the cutting edge surpassing or relief relief will be transferred to the finished surface, and the cutting edge surpassing will have a lot of unevenness during cutting. The work material welds, causing diamond grains to fall off. As a result, the cut surface was roughened and a good machined surface could not be obtained.
そこで、Ａｌ合金のような柔らかい被削材を鏡面に近い切削面に切削加工するためには、切り刃凌及び逃げ面を研磨する必要がある。 Therefore, in order to cut a soft work material such as an Al alloy into a cutting surface close to a mirror surface, it is necessary to grind the cutting edge and the flank.
これまでは、例えばＹＡＧレーザの第３高調波（波長３５５ｎｍ）をレンズで集光して集光ビームの側面で逃げ面を研磨していた（例えば、特許文献１参照。）。
波長が３５５ｎｍのレーザを使用することで、ダイヤモンド結晶の分子結合を切るアブレーション加工を想定してるが、ダイヤモンド結晶は純粋の共有結合であり、炭素原子の結合力が強く、３５５ｎｍの光子エネルギでは結合を切ることが難しい。またＹＡＧレーザは、パルス発振でもパルス幅がナノ秒オーダであり、加工メカニズムが熱加工で、ダイヤモンド粒子と結合材の熱膨張率の違いによりマイクロクラックが発生したり、ダイヤモンド粒子の黒鉛化が生じ、硬度や強度が低下する問題があった。 Ablation processing that cuts the molecular bond of the diamond crystal is assumed by using a laser having a wavelength of 355 nm, but the diamond crystal is a pure covalent bond, and the bonding force of carbon atoms is strong, and the photon energy of 355 nm is bonded. It is difficult to cut The YAG laser also has a pulse width of nanosecond order even with pulse oscillation, the processing mechanism is thermal processing, micro cracks occur due to the difference in thermal expansion coefficient between the diamond particles and the binder, and graphitization of the diamond particles occurs. There was a problem that the hardness and strength decreased.
また、図１２（特許文献１の第３図）に示すように、円錐状の集光ビーム４０の側面で逃げ面１０ｂを研磨するため、切り刃稜線１０ｃからの距離と共に研磨深さが異なり、均一な研磨ができなかった。
Further, as shown in FIG. 12 (FIG. 3 of Patent Document 1), the polishing depth differs with the distance from the cutting
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、マイクロクラックやダイヤモンド粒子の黒鉛化が生じず且つ切り刃稜線からの距離に不変の研磨深さが得られる研磨方法、研磨装置及び前記研磨方法で研磨された焼結ダイヤモンド切削工具を提供することを課題としている。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and a polishing method, a polishing apparatus, and a polishing apparatus that do not cause graphitization of microcracks or diamond particles and that can obtain a polishing depth that is invariant to the distance from the cutting edge line. An object is to provide a sintered diamond cutting tool polished by a polishing method.
上記の課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、繰り返し超短光パルスレーザビームを集光レンズで集光した際の集光ビームの加工エネルギ領域断面径を前記集光レンズの光軸方向で所定の範囲略一定にする断面径一定ステップと、前記集光レンズの前記光軸を研磨対象の研磨面に略平行となるように調節する光軸調整ステップと、前記集光レンズによる前記超短光パルスレーザビームの集光ビームウエスト部位を前記研磨対象の研磨部位に存在するように調整する集光ビームウエスト部位調節ステップと、前記集光レンズによる集光ビームウエスト部位を前記研磨部位に沿って所定の移動速度で相対的に移動させる移動ステップと、を有することを特徴とするレーザ加工による研磨方法である。
The invention according to
超短光パルスレーザビームを用いているので加工メカニズムが断熱加工であり、マイクロクラックが生じない。また、超短光パルスレーザビームを集光レンズで集光した際の集光ビームの加工エネルギ領域断面径を集光レンズの光軸方向で所定の範囲略一定にする断面径一定ステップを有するので、研磨面の研磨深さが一定になる。 Since an ultrashort optical pulse laser beam is used, the processing mechanism is adiabatic processing, and microcracks do not occur. In addition, since the processing energy region cross-sectional diameter of the condensed beam when the ultra-short pulse laser beam is condensed by the condensing lens, there is a cross-sectional diameter constant step that makes the predetermined range substantially constant in the optical axis direction of the condensing lens. The polishing depth of the polishing surface becomes constant.
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のレーザ加工による研磨方法であって、前記研磨対象は、すくい面と逃げ面の交差する稜線を切り刃とする焼結ダイヤモンド切削工具を含み、前記光軸調整ステップは、前記集光レンズの前記光軸を前記すくい面に略直交し、前記逃げ面に略平行となるように調節するステップであり、前記研磨部位が前記稜線である。
The invention according to
超短光パルスレーザビームを用いているので加工メカニズムが断熱加工であり、マイクロクラック及びダイヤモンド粒子の黒鉛化が生じない。また、超短光パルスレーザビームを集光レンズで集光した際の集光ビームの加工エネルギ領域断面径を集光レンズの光軸方向で所定の範囲略一定にする断面径一定ステップを有するので、切り刃稜線からの距離に不変の研磨深さが逃げ面に得られる。 Since an ultrashort optical pulse laser beam is used, the processing mechanism is adiabatic processing, and microcracks and diamond particles are not graphitized. In addition, since the processing energy region cross-sectional diameter of the condensed beam when the ultra-short pulse laser beam is condensed by the condensing lens, there is a cross-sectional diameter constant step that makes the predetermined range substantially constant in the optical axis direction of the condensing lens. A polishing depth that is invariant to the distance from the cutting edge is obtained on the flank.
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のレーザ加工による研磨方法であって、前記集光レンズの開口数が０．２以下である。
The invention according to
開口数が０．２以下であると、集光レンズの所謂焦点深度が大きいために集光ビームウエスト付近の集光ビームが光軸方向で緩やかに変化する。その結果、集光ビームの加工エネルギ領域断面径を集光レンズの光軸方向で略一定にできる範囲を容易に確保することができる。 When the numerical aperture is 0.2 or less, the so-called depth of focus of the condensing lens is large, so that the condensing beam near the condensing beam waist changes gently in the optical axis direction. As a result, it is possible to easily ensure a range in which the processing energy region sectional diameter of the focused beam can be made substantially constant in the optical axis direction of the focusing lens.
また、請求項４に係る発明は、請求項１又は２に記載のレーザ加工による研磨方法であって、前記集光ビームの加工エネルギ領域断面径が６μｍ以上である。
The invention according to
集光ビームの加工エネルギ領域断面径が６μｍ以上であると、隣り合う集光ビームウエストの包絡線の脈動が小さくなり、逃げ面（研磨面）の面粗度を小さくすることができる。 When the cross section diameter of the processing energy region of the focused beam is 6 μm or more, the pulsation of the envelope of the adjacent focused beam waist becomes small, and the surface roughness of the flank (polished surface) can be reduced.
また、請求項５に係る発明は、請求項４に記載のレーザ加工による研磨方法であって、前記所定の移動速度は、隣り合う集光ビームウエストの間隔が１０μｍ以下となる速度である。
The invention according to
移動速度が、隣り合う集光ビームウエストの間隔が１０μｍ以下となる速度であると、隣り合う集光ビームウエストの包絡線の脈動がさらに小さくなり、逃げ面（研磨面）の面粗度をさらに小さくすることができる。 When the moving speed is a speed at which the interval between the adjacent focused beam waists is 10 μm or less, the pulsation of the envelope of the adjacent focused beam waists is further reduced, and the surface roughness of the flank (polished surface) is further increased. Can be small.
課題を解決するためになされた請求項６に係る発明は、請求項２〜４のいずれかに記載の研磨方法で研磨された焼結ダイヤモンド切削工具である。
The invention according to
超短光パルスレーザビームを用いて研磨されるのでマイクロクラックやダイヤモンド粒子の黒鉛化が生じない。また、超短光パルスレーザビームを集光レンズで集光した際の集光ビームの加工エネルギ領域断面径を集光レンズの光軸方向で所定の範囲略一定にする断面径一定ステップを有する研磨方法で研磨されるので、切り刃稜線からの距離に不変の研磨深さが得られている。 Since polishing is performed using an ultrashort pulse laser beam, microcracks and diamond particles are not graphitized. Further, polishing having a constant cross-sectional diameter step for making the processing energy region cross-sectional diameter of the condensed beam when the ultrashort pulse laser beam is condensed by the condensing lens substantially constant within a predetermined range in the optical axis direction of the condensing lens. Since the polishing is performed by the method, a polishing depth that is invariant to the distance from the cutting edge line is obtained.
また、集光ビームの加工エネルギ領域断面径が６μｍ以上の研磨方法で研磨されるので、隣り合う集光ビームウエストの包絡線の脈動が小さくなり、逃げ面（研磨面）の面粗度が小さい。 Further, since the cross-sectional diameter of the processing energy region of the focused beam is polished by a polishing method of 6 μm or more, the pulsation of the envelope of the adjacent focused beam waist is reduced, and the surface roughness of the flank (polished surface) is small. .
また、集光ビームウエスト部位の移動速度が、隣り合う集光ビームウエストの間隔が１０μｍ以下となる研磨方法で研磨されるので、逃げ面（研磨面）の面粗度が小さい。 Further, since the moving speed of the focused beam waist portion is polished by a polishing method in which the interval between adjacent focused beam waists is 10 μm or less, the surface roughness of the flank (polished surface) is small.
課題を解決するためになされた請求項７に係る発明は、繰り返し超短光パルスレーザビームを発生する超短光パルス光源と、前記超短光パルス光源から発生する前記超短光パルスレーザビームを集光して集光ビームの加工エネルギ領域断面径を光軸方向で所定の範囲略一定にする集光レンズと、前記集光レンズの光軸を研磨対象の研磨面に略平行となるように調整する角度調整手段と、前記集光レンズによる前記超短光パルスレーザビームの集光ビームウエスト部位を前記研磨対象の研磨部位に存在するように調整する集光ビームウエスト部位調整手段と、前記集光レンズによる集光ビームウエスト部位を前記研磨部位に沿って所定の移動速度で相対的に移動させる移動手段と、を有することを特徴とするレーザ加工による研磨装置である。
An invention according to
超短光パルスレーザビームを用いているので加工メカニズムが断熱加工であり、マイクロクラックが生じない。また、超短光パルスレーザビームを集光して集光ビームの加工エネルギ領域断面径を光軸方向で所定の範囲略一定にする集光レンズを有するので、研磨面の研磨深さが一定になる。 Since an ultrashort optical pulse laser beam is used, the processing mechanism is adiabatic processing, and microcracks do not occur. In addition, since it has a condensing lens that condenses the ultrashort pulse laser beam and makes the processing energy region cross-sectional diameter of the condensing beam a predetermined range substantially constant in the optical axis direction, the polishing depth of the polishing surface is constant. Become.
また、請求項８に係る発明は、請求項７に記載のレーザ加工による研磨装置であって、前記研磨対象は、すくい面と逃げ面の交差する稜線を切り刃とする焼結ダイヤモンド切削工具を含み、前記角度調整手段は、前記焼結ダイヤモンド切削工具を前記集光レンズの光軸が前記すくい面に略直交し、前記逃げ面に略平行となるように調整する手段であり、前記研磨部位が前記稜線である。
The invention according to
超短光パルスレーザビームを用いているので加工メカニズムが断熱加工であり、マイクロクラック及びダイヤモンド粒子の黒鉛化が生じない。また、超短光パルスレーザビームを集光レンズで集光して集光ビームの加工エネルギ領域断面径を集光レンズの光軸方向で所定の範囲略一定にする集光レンズを有するので、切り刃稜線からの距離に不変の研磨深さが逃げ面に得られる。 Since an ultrashort optical pulse laser beam is used, the processing mechanism is adiabatic processing, and microcracks and diamond particles are not graphitized. In addition, it has a condensing lens that condenses the ultrashort optical pulse laser beam with a condensing lens and makes the processing energy region cross-sectional diameter of the condensing beam substantially constant within a predetermined range in the optical axis direction of the condensing lens. A polishing depth that is invariant to the distance from the edge of the edge is obtained on the flank.
また、請求項９に係る発明は、請求項７又は８に記載のレーザ加工による研磨装置であって、前記集光レンズの開口数が０．２以下である。
The invention according to claim 9 is the polishing apparatus according to
開口数が０．２以下であると、集光レンズの所謂焦点深度が大きいために集光ビームウエスト付近の集光ビームが光軸方向で緩やかに変化する。その結果、集光ビームの加工エネルギ領域断面径を集光レンズの光軸方向で略一定にできる範囲を容易に確保することができる。 When the numerical aperture is 0.2 or less, the so-called depth of focus of the condensing lens is large, so that the condensing beam near the condensing beam waist changes gently in the optical axis direction. As a result, it is possible to easily ensure a range in which the processing energy region sectional diameter of the focused beam can be made substantially constant in the optical axis direction of the focusing lens.
また、請求項１０に係る発明は、請求項７又は８に記載のレーザ加工による研磨装置であって、前記集光ビームの加工エネルギ領域断面径が６μｍ以上である。
The invention according to
集光ビームの加工エネルギ領域断面径が６μｍ以上であると、隣り合う集光ビームウエストの包絡線の脈動が小さくなり、逃げ面（研磨面）の面粗度を小さくすることができる。 When the cross section diameter of the processing energy region of the focused beam is 6 μm or more, the pulsation of the envelope of the adjacent focused beam waist becomes small, and the surface roughness of the flank (polished surface) can be reduced.
また、請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載のレーザ加工による研磨装置であって、前記所定の移動速度は、隣り合う集光ビームウエストの間隔が１０μｍ以下となる速度である。
The invention according to claim 11 is the polishing apparatus according to
移動速度が、隣り合う集光ビームウエストの間隔が１０μｍ以下となる速度であると、隣り合う集光ビームウエストの包絡線の脈動がさらに小さくなり、逃げ面（研磨面）の面粗度をさらに小さくすることができる。 When the moving speed is a speed at which the interval between the adjacent focused beam waists is 10 μm or less, the pulsation of the envelope of the adjacent focused beam waists is further reduced, and the surface roughness of the flank (polished surface) is further increased. Can be small.
超短光パルスレーザビームを用いているので加工メカニズムが断熱加工であり、マイクロクラックやダイヤモンド粒子の黒鉛化が生じない。また、超短光パルスレーザビームを集光して集光ビームの加工エネルギ領域断面径を光軸方向で所定の範囲略一定にする集光レンズを有するので、切り刃稜線からの距離に不変の研磨深さが逃げ面に得られる。 Since an ultrashort pulse laser beam is used, the processing mechanism is adiabatic processing, and microcracks and graphitization of diamond particles do not occur. In addition, since it has a condensing lens that condenses the ultrashort optical pulse laser beam and makes the processing energy region cross-sectional diameter of the condensing beam constant within a predetermined range in the optical axis direction, the distance from the cutting edge ridge line remains unchanged Polishing depth is obtained on the flank.
本発明の研磨装置、研磨方法を図１〜８を用いて説明する。図１は、本発明の焼結ダイヤモンド切削工具の研磨装置の概略構成図、図２は、本発明の焼結ダイヤモンド切削工具の研磨方法を説明する模式図、図３は、図２のＡ−Ａ線から見た一部切欠断面図、図４は、集光レンズによる集光ビームの加工エネルギ領域のシュミレーション結果、図５は、集光ビームの加工エネルギ領域断面径としてのバーンパターン実測結果、図６は、図２のＣ−Ｃ線から見た一部切欠線図で、集光ビームの加工エネルギ領域断面径とその包絡線の脈動の関係を説明する図、図７は、集光ビームウエスト部位の移動速度と脈動の関係をシミュレーションした結果、図８は、移動速度と研磨面粗さの関係を調べた結果である。 The polishing apparatus and polishing method of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a polishing apparatus for a sintered diamond cutting tool according to the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a polishing method for a sintered diamond cutting tool according to the present invention, and FIG. FIG. 4 shows a simulation result of the processing energy region of the condensed beam by the condensing lens, FIG. 5 shows a burn pattern measurement result as a processing energy region sectional diameter of the condensed beam, FIG. 6 is a partially cutaway diagram viewed from the line C-C in FIG. 2, and is a diagram for explaining the relationship between the machining energy region cross-sectional diameter of the focused beam and the pulsation of its envelope, and FIG. As a result of simulating the relationship between the moving speed and pulsation of the waist part, FIG. 8 shows the result of examining the relationship between the moving speed and the polished surface roughness.
まず、焼結ダイヤモンド切削工具の研磨装置を説明する。図１において、１は繰り返し超短光パルスレーザビーム３を発生する超短光パルス光源、２はレーザビーム３を集光して集光ビームの加工エネルギ領域断面径を光軸２１方向で所定の範囲略一定にする集光レンズ、４はゴニオステージで、すくい面７１と逃げ面７２の交差する稜線７３を切り刃とする焼結ダイヤモンド切削工具７を集光レンズ２の光軸２１がすくい面７１に略直交し、逃げ面７２に略平行となるように調整する角度調整手段である。５はＺ軸ステージで、集光レンズ２による超短光パルスレーザビーム３の集光ビームウエスト部位３１を稜線７３に存在するように調整する集光ビームウエスト部位調整手段である。６はＸＹステージで、集光ビームウエスト部位３１を稜線７３に沿って所定の移動速度で相対的に移動させる移動手段である。８は折り曲げミラーで、水平方向のレーザビームを垂直方向に折り曲げる。
First, a polishing apparatus for a sintered diamond cutting tool will be described. In FIG. 1, 1 is an ultrashort optical pulse light source that repeatedly generates an ultrashort optical
超短光パルス光源１としては、パルス時間幅が１０ピコ秒以下で、１発のパルスエネルギで決まる集光ビームの加工エネルギ領域のフルーエンスが焼結ダイヤモンドのアブレーション閾値以上であれば、何でもよい。例えばＩＭＲＡ社製フェムト秒パルスレーザ（ＦＣＰＡ μＪｅｗｅｌ Ｄ−１０００）を用いることができる。このレーザの最大平均出力は１Ｗ、パルス時間幅は７００ｆｓ以下、繰り返し周波数は１００ｋＨｚ、１発のパルスエネルギは最大１０μＪである。したがって、焼結ダイヤモンドのアブレーション閾値が２Ｊ／ｃｍ２であるので、集光ビームの加工エネルギ領域断面径を２５μｍ以下にすればよい。
The ultrashort optical pulse
集光レンズ２として、例えば顕微鏡対物レンズを用いることができる。後述するように、集光レンズ２の開口数は０．２以下が望ましい。
As the
ゴニオステージ４は、紙面に直交するＹ軸の回りに回転でき、点線で示す研削工具７を回転させ実線で示す研削工具７とし、逃げ面７２が光軸２１と略平行になるようにする。
The
Ｚ軸ステージ５は、研削工具７を光軸２１の方向（Ｚ軸方向）に移動させることができ、切り刃稜線７３と集光ビームウエスト部位３１をＺ軸方向で一致させる。
The Z-
ＸＹ軸ステージ６は、研削工具７をＺ軸と直交するＸ−Ｙ面内で移動させることができ、切り刃稜線７３と集光ビームウエスト部位３１をＸＹ方向で一致させる。したがって、ＸＹステージ６は、切り刃稜線７３を集光ビームウエスト部位３１とＸＹ方向で一致させた状態で、研削工具７をＺ軸と直交するＸ−Ｙ面内で移動させることができる。
The
上記したように、集光レンズによる超短光パルスレーザビームの集光ビームウエスト部位３１を稜線７３に存在するように調整する集光ビームウエスト部位調整手段は、Ｚ軸ステージ５にＸＹ軸ステージ６を加えたものになる。
As described above, the condensed beam waist part adjusting means for adjusting the condensed
図１の焼結ダイヤモンド研削工具の研磨装置では、ゴニオステージ４を、すくい面７１と逃げ面７２の交差する稜線７３を切り刃とする焼結ダイヤモンド切削工具７を集光レンズ２の光軸２１がすくい面７１に略直交し、逃げ面７２に略平行となるように調整する角度調整手段としたが、折り曲げミラー８を矢印Ｇ方向に回転できるようにしてゴニオステージ４の代わりとすることもできる。
In the polishing apparatus for the sintered diamond grinding tool of FIG. 1, the sintered
次に図２〜図８を用いて本発明の焼結ダイヤモンド切削工具の研磨方法を説明する。 Next, a method for polishing a sintered diamond cutting tool of the present invention will be described with reference to FIGS.
図２に示すように、焼結ダイヤモンド切削工具７のすくい面７１と逃げ面７２が交差する切り刃稜線７３に集光ビームウエスト部位３１が位置している。すなわち、焦点距離Ｆの集光レンズ２の光軸２１が切り刃稜線７３と交わり、且つ逃げ面７２に平行で、集光レンズ２が光軸２１と切り刃稜線７３との交点より光軸方向に焦点距離Ｆだけ上方に位置している。
As shown in FIG. 2, the condensed
図３に示すように、集光ビームウエスト部位３１から上にγ、下にγの範囲で集光ビームの加工エネルギ領域断面径（２δ）が略一定である領域３２（斜線領域）が位置するようにする。そして、この領域のフルーエンスを焼結ダイヤモンドのアブレーション閾値以上にすることで、逃げ面７２の方向にγ、逃げ面７２と直交する方向にδの範囲をアブレーション加工することができる。さらに図２に示すように、集光ビームウエスト部位３１を切り刃稜線７３に沿って相対的に（矢印Ｂ方向に）移動させることで、稜線７３から下方（逃げ面７２に平行）にγ、逃げ面７２に垂直方向にδの範囲（点線で示す範囲）をアブレーション加工により除去することができる。
As shown in FIG. 3, a region 32 (shaded region) where the processing energy region cross-sectional diameter (2δ) of the focused beam is substantially constant in the range of γ above and γ below the focused
この集光ビームの加工エネルギ領域断面径（２δ）が略一定である領域３２は、例えば、図４に示すようにシミュレーションすることで、予め知り設定することができる。図４は、レーザビームの波長λが１．５６μｍのときの集光レンズによるビームウエスト付近の加工エネルギ領域のシミュレーション結果である。等エネルギ楕円の長軸（Ｚ方向）の長さが集光レンズ２の開口数NAによって変化することがわかる。Ｚ＝０を切り刃稜線７３とし（切り刃稜線７３に集光レンズ２の焦点を合わせ）、図４ｂ、図４ｃでは最小楕円のフルーエンスをアブレーション閾値より少し高めに設定し、図４ａでは点線の楕円（図では上下が欠け樽状である）のフルーエンスをアブレーション閾値より少し高めに設定することで、NA＝０．４７のときγ≒３μｍ、NA＝０．３１のときγ≒４μｍ、NA＝０．１３のときγ≒５０μｍとすることができる。すなわち、集光レンズ２の開口数を０．２以下にすることで、集光ビームウエスト部位３１を切り刃稜線７３に一致させた場合に、γ≒５０μｍに渡って、集光ビームウエスト部位３１を切り刃稜線７３より下方γに合わせた場合は、２γ≒１００μｍに渡って逃げ面７２を研磨することができる。したがって、逃げ面の研磨しなければならない幅が決まれば、集光レンズの開口数を０．２以下にし、集光ビームウエスト部位の位置を調節することで、集光ビームの加工エネルギ領域断面径が略一定の範囲を研磨すべき幅に合わせることができる。
The
集光ビームの加工エネルギ領域断面径（２δ）が略一定である領域３２は、上記のようなシミュレーションの他に、図５に示すように図１の研磨装置を使い予め実測することで知ることができる。図５ａは、集光レンズ２として倍率５倍、ＮＡ＝０．１の顕微鏡対物レンズを、図５ｂは倍率２０倍、ＮＡ＝０．４の顕微鏡対物レンズを、それぞれ用いて実測した集光ビームの加工エネルギ領域断面径である。これは、研削工具７の代わりに焼結ダイヤモンド板をゴニオステージ４にセットし、集光ビームウエスト部位３１をＺ軸方向で上下に漸次変化させ、レーザビームを集光照射してバーンパターン（加工痕）を観測し、Ｚ軸（光軸）方向を縦軸、Ｚ軸（光軸）に直交する方向を横軸にしてバーンパターンをプロットしたものである。倍率５倍の対物レンズの場合、４０μｍ以上の範囲でバーンパターンの外径が一定であることがわかる。それに対して、倍率２０倍の対物レンズの場合は、バーンパターンの外径が一定である範囲が約１０μｍしかないことがわかる。研削工具の逃げ面の切り刃稜線から下方の研磨幅は、通常５０μｍ以上欲しいので、集光レンズ２として倍率５倍、ＮＡ＝０．１の顕微鏡対物レンズを用い、集光ビームウエスト部位３１を切り刃稜線７３の下方約２０μｍに設定する必要がある。
The
図６は、図２のＣ−Ｃ線断面で見た部分拡大矢視図で、図６ａは、集光ビームの加工エネルギ領域断面円が切り刃稜線７３に沿って順次ピッチＬで配列している様子を模式的に示した図である。例えば、加工エネルギ領域断面円のフルーエンスがアブレーション閾値以上であると、ビームウエスト部位にある焼結ダイヤモンドは除去され、逃げ面は図６ｂのように集光ビームの加工エネルギ領域断面円の包絡線となり、脈動する。
6 is a partially enlarged arrow view seen in the CC line section of FIG. 2, and FIG. 6 a is a diagram in which the processing energy region sectional circles of the focused beam are sequentially arranged at the pitch L along the cutting
集光ビームの加工エネルギ領域断面径を２δ、集光ビームの加工エネルギ領域断面円の中心をＯ、隣り合う断面円との交点をＰ、Ｏを通り切り刃稜線７３に直交する線と断面円の交点をＱ、∠ＱＯＰをθとすると、脈動幅ｄは、
ｄ＝δ（１−ｃｏｓθ） （１）
と表される。ここで、θ＝ｓｉｎ−１（Ｌ／２δ）であり、ピッチＬは、レーザビーム繰り返し周波数をｆ、集光ビームウエスト部位の相対移動速度をｖとすると、Ｌ＝ｖ／ｆであるので、集光ビームの加工エネルギ領域断面径２δをパラメータとして、移動速度ｖと脈動幅ｄの関係をシミュレーションすることができる。
The processing energy region cross-sectional diameter of the focused beam is 2δ, the center of the processing energy region cross-sectional circle of the focused beam is O, the intersection with the adjacent cross-sectional circle is P, the line passing through O and perpendicular to the
d = δ (1-cos θ) (1)
It is expressed. Here, θ = sin −1 (L / 2δ), and the pitch L is L = v / f, where f is the laser beam repetition frequency and v is the relative moving speed of the focused beam waist portion. The relationship between the moving speed v and the pulsation width d can be simulated using the processing energy region sectional diameter 2δ of the focused beam as a parameter.
図７がシュミレーション結果で、集光ビームの加工エネルギ領域断面径２δが大きいほど脈動幅ｄが小さいこと、すなわち面粗度が小さいことがわかる。２δが大きくなると、フルーエンスをアブレーション閾値以上にするためには、大出力の超短光パルスレーザが必要になり、現実的でない。２δ＝６μｍまでは、断面径と共に脈動幅ｄが大きく減少するが、２δが６μｍ以上では脈動幅ｄの減少が飽和する傾向がある。したがって、集光ビームの加工エネルギ領域断面径２δを少なくとも６μｍとすることが望ましいことがわかる。 FIG. 7 shows the simulation result, and it can be seen that the larger the processing energy region cross-sectional diameter 2δ of the focused beam, the smaller the pulsation width d, that is, the smaller the surface roughness. When 2δ increases, a high-power ultrashort optical pulse laser is required to make the fluence equal to or greater than the ablation threshold, which is not practical. Up to 2δ = 6 μm, the pulsation width d greatly decreases with the cross-sectional diameter, but when 2δ is 6 μm or more, the decrease in the pulsation width d tends to be saturated. Therefore, it can be seen that the processing energy region sectional diameter 2δ of the focused beam is preferably at least 6 μm.
また、図７から移動速度が小さいほど脈動幅（面粗度）が小さいこと、移動速度が大きくなり、ある値を超えると急激に脈動幅が増大することがわかる。 Further, it can be seen from FIG. 7 that the smaller the moving speed, the smaller the pulsation width (surface roughness), the larger the moving speed, and when the value exceeds a certain value, the pulsation width increases rapidly.
図７のシミュレーション結果からは、移動速度の最適値が明確でないので、実験的に調べることにした。すなわち、図１の研磨装置を用い、焼結ダイヤモンド切削工具の逃げ面の切り刃稜線直下を研磨した。 From the simulation result of FIG. 7, since the optimum value of the moving speed is not clear, it was decided to investigate experimentally. That is, the polishing apparatus of FIG. 1 was used to polish the flank of the sintered diamond cutting tool directly under the cutting edge ridge line.
研磨条件
研磨対象：焼結ダイヤモンド製スローアウェイチップ
超短光パルス光源：ＩＭＲＡ社製フェムト秒パルスレーザ（ＦＣＰＡ μＪ ｅｗｅｌ Ｄ−１０００）
波長：１．０４５μｍ
パルス時間幅：３００ｆｓ
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
平均出力：０．６Ｗ
ビーム径：３ｍｍ
集光レンズ：倍率５倍、開口数０．１、焦点距離３６ｍｍ
集光ビームの加工エネルギ領域断面径：１８．９μｍ（計算値）
移動速度：０．１〜１００ｍｍ／ｓ
図８が実験結果で、これから移動速度が１ｍｍ／ｓを越えると面粗度が急激に増大することがわかる。すなわち、良好な研磨面粗度を達成するためには、移動速度を１ｍｍ／ｓ以下にする必要がある。
Polishing condition Polishing target: Slow away tip made of sintered diamond Ultrashort light pulse light source: Femtosecond pulse laser (FCPA μJ ewel D-1000) manufactured by IMRA
Wavelength: 1.045 μm
Pulse time width: 300 fs
Repeat frequency: 100 kHz
Average output: 0.6W
Beam diameter: 3mm
Condenser lens:
Processing energy region cross-sectional diameter of focused beam: 18.9 μm (calculated value)
Movement speed: 0.1-100mm / s
FIG. 8 shows the experimental results. From this, it can be seen that the surface roughness rapidly increases when the moving speed exceeds 1 mm / s. That is, in order to achieve good polished surface roughness, the moving speed needs to be 1 mm / s or less.
上記研磨条件での図６のＬ（隣り合う集光ビームウエストのピッチ）は、移動速度と繰り返し周波数から１０μｍであり、移動速度を１ｍｍ／ｓ以下にするということは、移動速度を隣り合う集光ビームの間隔が１０μｍ以下となる速度にすることに等しい。 L (pitch of adjacent focused beam waists) in FIG. 6 under the above polishing conditions is 10 μm from the moving speed and the repetition frequency, and that the moving speed is 1 mm / s or less means that the moving speed is the adjacent collecting speed. This is equivalent to a speed at which the interval between the light beams is 10 μm or less.
図１に示す研磨装置を使って、図９に示すスローアウェイチップを研磨した。本実施例の焼結ダイヤモンド切削工具７はスローアウェイチップであり、超硬合金台座７４に切り刃部材７５をろう付したものである。切り刃部材７５は、タングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とする超硬合金の高硬度焼結体７５１と多結晶ダイヤモンドを主成分とする超高硬度焼結体７５２とを積層して形成されたものである。
The throw-away tip shown in FIG. 9 was polished using the polishing apparatus shown in FIG. The sintered
研磨条件
・研磨対象：上記スローアウェイチップ
・超短光パルス光源：ＩＭＲＡ社製フェムト秒パルスレーザ（ＦＣＰＡ μＪｅｗｅ ｌ Ｄ−１０００）
波長：１．０４５μｍ
パルス時間幅：３００ｆｓ
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
平均出力：０．６Ｗ
ビーム径：３ｍｍ
・集光レンズ：倍率５倍、開口数０．１、焦点距離３６ｍｍ
・ビームウエスト径：１８．９μｍ（計算値）
・集光ビームの加工エネルギ領域断面径（バーンパターン径、加工痕径）が光軸（Ｚ 軸）方向で一定となる範囲：約１００μｍ（図１０参照）
・移動速度：１ｍｍ／ｓ
図１０は、加工痕径を実測する代わりにシミュレーションで求めた集光ビームの加工エネルギ領域である。このシミュレーションは以下のように行われた。
<1>：５×レンズを選択する
<2>：予め入力されているデータテーブルから<1>で選択したレンズの焦点距離、瞳径がそれぞれ３６ｍｍ、７．２ｍｍと参照される
<3>：ビーム径を３ｍｍ、Ｍ２を１．４、波長を１．０４５μｍ、アブレーション閾値を２Ｊ／ｃｍ２、レーザエネルギーを６．１μＪと入力する。
<4>：<2>、<3>を参照してビームウエスト径が１８．９μｍ、レーリーレンジが２６８．２μｍ、ピークフルーエンスが４．３５２Ｊ／ｃｍ２、１／ｅ２フルーエンスが０．５８９Ｊ／ｃｍ２と算出される
<5>：<3>、<4>を参照してアブレーション閾値に等しい加工エネルギ領域（等エネルギ楕円Ｅ）が計算されグラフ化される
図１０から光軸方向に約１００μｍに渡って加工エネルギ領域断面径が約１２μｍと一定になることがわかる。
Polishing conditions ・ Polishing object: the above-mentioned throw-away tip ・ Ultra short light pulse source: Femtosecond pulse laser (FCPA μJewel D-1000) manufactured by IMRA
Wavelength: 1.045 μm
Pulse time width: 300 fs
Repeat frequency: 100 kHz
Average output: 0.6W
Beam diameter: 3mm
・ Condenser lens:
-Beam waist diameter: 18.9 μm (calculated value)
・ Processing energy area cross-sectional diameter (burn pattern diameter, machining trace diameter) of the focused beam is constant in the optical axis (Z-axis) direction: about 100 μm (see FIG. 10)
・ Movement speed: 1mm / s
FIG. 10 shows the processing energy region of the focused beam obtained by simulation instead of actually measuring the processing scar diameter. This simulation was performed as follows.
<1>:
<2>: The focal length and pupil diameter of the lens selected in <1> are referred to as 36 mm and 7.2 mm from the pre-input data table, respectively.
<3>: The beam diameter is 3 mm, M 2 is 1.4, the wavelength is 1.045 μm, the ablation threshold is 2 J / cm 2 , and the laser energy is 6.1 μJ.
<4>: Referring to <2> and <3>, the beam waist diameter is 18.9 μm, the Rayleigh range is 268.2 μm, the peak fluence is 4.352 J / cm 2 , and the 1 / e 2 fluence is 0.589 J /. Calculated as cm 2
<5>: Processing energy region equal to the ablation threshold value (equal energy ellipse E) is calculated with reference to <3> and <4> and graphed. Processing energy region over about 100 μm in the optical axis direction from FIG. It can be seen that the cross-sectional diameter is constant at about 12 μm.
図１１は、切り刃稜線付近のＳＥＭによる拡大観察像で、図１１（ａ）は、研磨前、図１１（ｂ）は、研磨後の観察像である。図１１（ａ）と図１１（ｂ）を比較すると、研磨後は、切り刃稜線及び稜線から下側に延びる逃げ面の凹凸が減り稜線が直線状に仕上がっていることがわかる。 FIG. 11 is an enlarged observation image by SEM near the cutting edge ridge line, FIG. 11A is an observation image before polishing, and FIG. 11B is an observation image after polishing. Comparing FIG. 11 (a) and FIG. 11 (b), it can be seen that after polishing, the cutting edge ridgeline and the relief of the flank extending downward from the ridgeline are reduced, and the ridgeline is finished in a straight line.
また、切り刃稜線直下の表面粗さＲａは、研磨前が平均１．５μｍであるのに対して、研磨後は平均０．２６μｍであった。本発明の研磨方法及び装置により研磨を行うことで切り刃稜線直下の表面粗さが改善されることが確認された。 Further, the surface roughness Ra immediately below the cutting edge ridge line was 1.5 μm on average before polishing, and 0.26 μm on average after polishing. It was confirmed that the surface roughness directly under the cutting edge ridge was improved by polishing with the polishing method and apparatus of the present invention.
１・・・・・・超短光パルス光源
２・・・・・・集光レンズ
２１・・・光軸
３・・・・・・繰り返し超短光パルスレーザビーム
３１・・・集光ビームウエスト部位
４・・・・・・角度調整手段
５・・・・・・Ｚ軸ステージ（集光ビームウエスト部位調整手段）
６・・・・・・ＸＹ軸ステージ（移動手段／集光ビームウエスト部位調整手段）
７・・・・・・焼結ダイヤモンド切削工具
７１・・・すくい面
７２・・・逃げ面（研磨面）
７３・・・切り刃稜線（研磨部位）
２δ・・・・・集光ビームの加工エネルギ領域断面径
DESCRIPTION OF
6. XY axis stage (moving means / focusing beam waist part adjusting means)
7 ··············· Sintered
73 ... Cutting edge ridge line (polished part)
2δ ... Processing energy region cross-sectional diameter of the focused beam
Claims (11)
前記集光レンズの前記光軸を研磨対象の研磨面に略平行となるように調節する光軸調整ステップと、
前記集光レンズによる前記超短光パルスレーザビームの集光ビームウエスト部位を前記研磨対象の研磨部位に存在するように調整する集光ビームウエスト部位調節ステップと、
前記集光レンズによる集光ビームウエスト部位を前記研磨部位に沿って所定の移動速度で相対的に移動させる移動ステップと、を有することを特徴とするレーザ加工による研磨方法。 A cross-sectional diameter constant step for making the processing energy region cross-sectional diameter of the condensed beam when the ultra-short optical pulse laser beam is repeatedly condensed by the condensing lens substantially constant within a predetermined range in the optical axis direction of the condensing lens;
An optical axis adjustment step for adjusting the optical axis of the condenser lens so as to be substantially parallel to a polishing surface to be polished;
A condensing beam waist portion adjusting step for adjusting the condensing beam waist portion of the ultrashort optical pulse laser beam by the condensing lens so as to exist in the polishing portion to be polished; and
And a moving step of relatively moving a condensing beam waist portion by the condensing lens at a predetermined moving speed along the polishing portion.
前記光軸調整ステップは、前記集光レンズの前記光軸を前記すくい面に略直交し、前記逃げ面に略平行となるように調節するステップであり、
前記研磨部位が前記稜線である請求項１に記載のレーザ加工による研磨方法。 The polishing object includes a sintered diamond cutting tool having a ridge line intersecting a rake face and a flank face as a cutting edge,
The optical axis adjustment step is a step of adjusting the optical axis of the condenser lens so as to be substantially perpendicular to the rake face and substantially parallel to the flank face,
The polishing method according to claim 1, wherein the polishing portion is the ridge line.
前記超短光パルス光源から発生する前記超短光パルスレーザビームを集光して集光ビームの加工エネルギ領域断面径を光軸方向で所定の範囲略一定にする集光レンズと、
前記集光レンズの光軸を研磨対象の研磨面に略平行となるように調整する角度調整手段と、
前記集光レンズによる前記超短光パルスレーザビームの集光ビームウエスト部位を前記研磨対象の研磨部位に存在するように調整する集光ビームウエスト部位調整手段と、
前記集光レンズによる集光ビームウエスト部位を前記研磨部位に沿って所定の移動速度で相対的に移動させる移動手段と、を有することを特徴とするレーザ加工による研磨装置。 An ultrashort optical pulse light source that repeatedly generates an ultrashort optical pulse laser beam; and
A condensing lens that condenses the ultrashort optical pulse laser beam generated from the ultrashort optical pulse light source and makes the processing energy region cross-sectional diameter of the condensed beam a predetermined range substantially constant in the optical axis direction;
Angle adjusting means for adjusting the optical axis of the condenser lens so as to be substantially parallel to the polishing surface to be polished;
Condensed beam waist part adjusting means for adjusting the condensed beam waist part of the ultrashort optical pulse laser beam by the condenser lens so as to exist in the polishing part to be polished;
A polishing apparatus by laser processing, comprising: a moving means for relatively moving a condensing beam waist portion by the condensing lens at a predetermined moving speed along the polishing portion.
前記角度調整手段は、前記焼結ダイヤモンド切削工具を前記集光レンズの光軸が前記すくい面に略直交し、前記逃げ面に略平行となるように調整する手段であり、
前記研磨部位が前記稜線である請求項７に記載のレーザ加工による研磨装置。 The polishing object includes a sintered diamond cutting tool having a ridge line intersecting a rake face and a flank face as a cutting edge,
The angle adjusting means is a means for adjusting the sintered diamond cutting tool so that the optical axis of the condenser lens is substantially perpendicular to the rake face and substantially parallel to the flank face,
The polishing apparatus according to claim 7, wherein the polishing portion is the ridgeline.
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