JP5105153B2 - 加工工具の製造方法及び加工工具 - Google Patents

Description

本発明は、例えばダイヤモンドコーティングされた加工工具の製造方法及び加工工具に関する。

ドリルなどの加工工具は、例えば超硬合金材料が用いられているが、その刃先部分をダイヤモンド膜で被覆することにより耐摩耗性を向上させることが行われている。以下、このダイヤモンド膜で被覆された工具を、ダイヤモンドコーティング工具とも称す。このダイヤモンド膜は、例えば超硬合金材料で構成された基体の表面にＣＶＤ法などを用いることにより形成されている。
しかし、ダイヤモンドコーティング工具は、コーティングされたままのダイヤモンド膜表面に凹凸が生じていると共に、刃先部分の全体にダイヤモンド膜で被覆されているため、刃先部分が曲面形状となって切れ味が低下してしまう。そのため、ダイヤモンド膜で被覆された加工工具は、切れ味を必要とするアルミニウム合金の高精度加工などには使用されず、例えば工具の切れ味を必要としない黒鉛などの加工に用途が限定されていた。

ここで、刃先部分を、砥石を用いて研磨することで鋭利にすることが考えられる。しかし、ダイヤモンド膜が薄膜であるため、砥石を用いた加工による膜厚の制御が困難である。そこで、刃先部分に例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）などの赤外線レーザ光やその第二高調波の可視レーザ光を照射することで、刃先部分のダイヤモンド膜を加工して鋭利にする加工工具の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−１４６００７号公報

しかしながら、上記従来の加工工具の製造方法においても、以下の課題が残されている。すなわち、ＹＡＧレーザ光の赤外線レーザ光又はその逓倍波の可視レーザ光でダイヤモンド膜を加工しようとする場合、これらの波長では熱加工機構でダイヤモンド膜が加工されるため炭化するという問題がある。また、加熱の影響により、ダイヤモンド膜の効果的な加工が困難である。炭化や過熱の影響を受けた場合、所望の加工部位以外の箇所もダメージを受けるため、例えば鋭利な刃先を形成するような加工は非常に困難である。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、レーザ光の熱影響を抑制して加工によるダイヤモンド膜の膜厚の制御が容易に行える加工工具の製造方法及びこれにより作製された加工工具を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の加工工具の製造方法は、切刃が形成された基体と、ダイヤモンドで構成されて前記切刃を被覆する被覆膜とを有する加工工具の製造方法であって、前記切刃を前記被覆膜で被覆する工程と、該被覆膜に紫外線レーザ光を照射して加工する工程と、を備えることを特徴とする。

この発明では、紫外線レーザ光を照射することにより、基体及びダイヤモンドの被覆膜を加熱することなく被覆膜の加工が行える。したがって、加工工具の切刃の刃先形状を鋭利にできる。すなわち、ダイヤモンドは赤外線や可視光に対して相対的に紫外線、特にＮｄ：ＹＡＧレーザやＮｄ：ＹＬＦレーザの４倍波以下の波長の吸収が大きいことから、紫外線レーザ光を照射することで所望の加工箇所が選択的に加工され、ダイヤモンド被覆膜および基体の加熱を抑制できる。これにより、工具の切れ味を必要としない黒鉛などの加工用途だけでなく、切れ味を必要とするアルミニウム合金の高精度加工など他の加工用途に用いることが可能な鋭利な刃先を有する加工工具を製造できる。

また、本発明の加工工具の製造方法は、前記紫外線レーザ光の波長が、２６６ｎｍ以下であることが好ましい。
この発明では、赤外光や可視光の波長よりも波長が十分に短い紫外線レーザ光を照射することにより、被覆膜及び基体の加熱をより確実に抑制できる。

また、本発明の加工工具の製造方法は、前記紫外線レーザ光を、加工面に対してほぼ直角に照射することが好ましい。
この発明では、紫外線レーザ光を加工面に対してほぼ直角に照射することで、紫外線レーザ光のエネルギーを有効に活用しながら被覆膜の加工が行える。

本発明の加工工具は、上記記載の加工工具の製造方法により製造されていることを特徴とする。
この発明では、上記記載の加工工具の製造方法により製造されているので、ダイヤモンドコーティング工具において刃先部分が非常に鋭利に加工されており、黒鉛などの加工用途だけでなく、切れ味を必要とするアルミニウム合金などの高精度加工の用途にも広く用いることができる。

本発明の加工工具の製造方法によれば、基体及びダイヤモンド膜の熱影響を抑制して非熱的加工により刃先部分を鋭利に加工することができるので、黒鉛以外の加工用途にも使用可能なダイヤモンドコーティング工具を得ることができる。したがって、この製法により加工作製された加工工具によれば、非常に鋭利な刃先を有し、切れ味がよく、黒鉛だけでなく、切れ味を必要とするアルミニウム合金などの高精度加工の用途にも用いることが可能である。

以下、本発明にかかる加工工具の製造方法及び加工工具の一実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。ここで、図１は本発明の製造方法により製造されたソリッドタイプのエンドミルまたはドリルを示す（ａ）が外観図、（ｂ）が外周刃を示す拡大図、図２及び図３はエンドミルまたはドリルの製造装置を示す概略構成図である。なお、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

本実施形態におけるエンドミルまたはドリル（加工工具）１は、図１に示すように、ほぼ円柱棒状を有し、超硬合金材料で構成された基体２と、この基体２を被覆する被覆膜３とを有したダイヤモンドコーティング工具である。

上記基体２は、ほぼ円柱棒状であって一端に刃部４が形成されている。この刃部４には、螺旋状に切屑排出溝５が周方向等間隔で複数形成されている。また、刃部４には、切屑排出溝５のうちエンドミルまたはドリル１の回転方向を向く壁面と刃部４の先端面との交差稜線である切刃６が形成されている。
上記被覆膜３は、例えばＣＶＤ法などの気相法で合成されたダイヤモンドで構成されており、基体２のうち少なくとも刃部４を覆っている。
なお、エンドミルまたはドリル１は、超硬合金材料からなる母材を研削することによって形成される。

また、本実施形態における被覆膜３は、図２及び図３に示す加工装置１０により加工される。加工装置１０は、図２及び図３に示すように、紫外線レーザ光を出射するレーザ光源１１と、被覆膜３が形成された基体２を保持する保持手段１２と、保持手段１２が載置されたステージ１３とを備えている。

レーザ光源１１は、例えば固体レーザであるＮｄ：ＹＬＦやＮｄ：ＹＡＧレーザ光の波長の１／４程度である波長２６２ｎｍや２６６ｎｍの紫外線レーザ光ＵＶを出射する構成となっている。そして、レーザ光源１１と保持手段１２により保持された基体２との間には、その出射側に焦点レンズ２１が設けられている。焦点レンズ２１は、図２及び図３に示す矢印Ａ１方向のように紫外線レーザ光ＵＶの光軸方向で移動可能となっており、紫外線レーザ光ＵＶの焦点位置を変更する構成となっている。また、紫外線レーザ光ＵＶの光軸上には、紫外線レーザ光ＵＶを遮光して加工装置１０の外部に紫外線レーザ光ＵＶが漏洩することを防止するダンパ２２が設けられている。

上記保持手段１２は、ステージ１３上に載置、固定されており、基体２を保持する回転保持部２５と、回転保持部２５が載置されたＸ軸移動部２６と、Ｘ軸移動部２６が載置されたＹ軸移動部２７とを備えている。
上記回転保持部２５は、基体２をその両面がステージ１３の上面に対してほぼ垂直となるように保持している。そして、回転保持部２５は、図２及び図３に示す矢印Ａ２方向のように、基体２をその中心軸を回転軸として回転可能に保持している。

上記Ｘ軸移動部２６は、図２及び図３に示す矢印Ａ３方向のように、回転保持部２５をステージ１３の上面内の一方向であるＸ軸方向に移動可能に保持している。
上記Ｙ軸移動部２７は、図２及び図３に示す矢印Ａ４方向のように、Ｘ軸移動部２６をステージ１３の上面と平行な水平面内の一方向であってＸ軸と直交するＹ軸方向に移動可能に保持している。

上記ステージ１３は、平面視でほぼ円形を有しており、図２及び図３に示す矢印Ａ５方向のように、その中心軸を軸回りとして上面の面内で回転可能となっている。

次に、エンドミルまたはドリル１の製造方法について説明する。
まず、超硬合金材料で構成された円柱棒状の母材を研削する。これにより、刃部４を有する基体２を形成する。そして、研削された基体２のうち少なくとも刃部４の表面にＣＶＤ法によりダイヤモンドで構成された被覆膜３を形成する。

次に、図２及び図３に示す加工装置１０を用いて被覆膜３を加工する。
まず、被覆膜３が形成された基体２を回転保持部２５で固定する。そして、レーザ光源１１を駆動し、例えば図２及び図３に示すように、焦点レンズ２１を紫外線レーザ光ＵＶの光軸方向（図２及び図３に示す矢印Ａ１方向）で移動させ、紫外線レーザ光ＵＶを平面視でステージ１３の中心と重なる位置で集光させる。

この状態で、ステージ１３を中心軸の軸回りで回転させると共に、Ｘ軸移動部２６及びＹ軸移動部２７により回転保持部２５で保持された基体２を水平面内（図２及び図３に示す矢印Ａ３〜Ａ５方向）で適宜移動させる。このとき、紫外線レーザ光ＵＶが照射面に対してほぼ直交するように基体２を移動させる。

そして、基体２の切刃６を被覆する被覆膜３に紫外線レーザ光ＵＶを照射する。このとき、ステージ１３、回転保持部２５、Ｘ軸移動部２６及びＹ軸移動部２７により基体２を適宜移動させながら、図４に示すように被覆膜３に対する紫外線レーザ光ＵＶの照射位置を変更する。ここで、図４は、基体２の刃先部分を示す拡大図である。
なお、被覆膜３の照射面における紫外線レーザ光ＵＶの照射幅は、例えば２０μｍとなっている。また、紫外線レーザ光ＵＶを刃先部分に対してほぼ垂直となるように照射するため、紫外線レーザ光ＵＶのエネルギーが照射領域に対して効率よく与えられる。

これにより、紫外線レーザ光ＵＶの照射領域における被覆膜３の表層が除去される。そして、図４に示すように、紫外線レーザ光ＵＶの照射位置を移動させることで紫外線レーザ光ＵＶを照射した部分における被覆膜３の表層を除去して平坦化し、切刃６の刃先形状を鋭利にする。
以上のようにして、エンドミルまたはドリル１を作製する。

ここで、ＣＶＤ法により形成されたダイヤモンドからなる被覆膜を表面に形成した丸棒状の超硬合金素材に対して紫外線レーザ光ＵＶを照射した際の表面形状のＳＥＭ像を図５に示す。なお、図５では、丸棒状の超硬合金素材に対して照射幅が２０μｍで走査するように紫外線レーザ光ＵＶを照射している。図５に示すように、紫外線レーザ光ＵＶを照射することで、加工面の表面が平坦化されていることがわかる。これにより、切刃６の先端形状を鋭利にすることが可能となる。

以上のようなエンドミルまたはドリルの製造方法によれば、紫外線レーザ光ＵＶの照射により基体２及び被覆膜３の加熱を抑制して切刃６の刃先部分を鋭利に加工することができる。そして、このようにして製造されたエンドミルまたはドリル１を用いることで、切れ味を必要としない黒鉛などの加工用途だけでなく、切れ味を必要とするアルミニウム合金などの高精度加工も可能となる。また、２６２ｎｍや２６６ｎｍの紫外線レーザ光ＵＶを照射することで、紫外線レーザ光ＵＶの吸収による基体２及び被覆膜３の加熱をより確実に抑制できる。
ここで、紫外線レーザ光ＵＶを加工面に対してほぼ直角に照射するので、紫外線レーザ光ＵＶのエネルギーが有効に活用され、効率のよい加工が行える。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、加工工具としてエンドミルまたはドリルを挙げているが、切刃が形成された基体のうち少なくとも切刃をダイヤモンド膜の被覆膜で被覆していれば、例えばインサートなど他の加工工具であってもよい。ここで、被覆膜は、基体の表面全体を被覆しているが、少なくとも切刃を被覆していればよい。

また、２６２ｎｍや２６６ｎｍの紫外線レーザ光を照射しているが、基体及び被覆膜を加熱せずに加工できれば、他の波長の紫外線レーザ光を照射してもよい。
そして、被覆膜が形成された基体を移動させることにより紫外線レーザ光の照射位置を変更しているが、被覆膜に対する紫外線レーザ光の照射位置を変更できればよく、レーザ光源を移動させることにより照射位置を変更してもよい。

次に、上記実施形態の加工工具の製造方法により実際に工具を加工した実施例について、図６から図８を参照して説明する。
この実施例では、実際に紫外線レーザにより上記加工を行った前後のダイヤモンド膜のラマンシフトを測定して比較した。
本発明のレーザ加工前では、図６に示すように、スペクトルにシャープなダイヤモンドのピークが現れている。本発明の加工工具の製造方法により、波長２６２ｎｍ（４倍波）の紫外線レーザによって加工すると、図７に示すように、シャープなダイヤモンドのピークは加工前と変わらず、良好なダイヤモンド膜のままであることがわかる。これに対して、波長５２４ｎｍのＧｒｅｅｎレーザで加工すると、図８に示すように、スペクトルはブロードになり、ダイヤモンド状カーボンのピークと思われる緩やかなピークが１５００ｃｍ^−１付近に現れている。このように、Ｇｒｅｅｎレーザ加工では、ダイヤモンドが少なくとも一部、相変態してしまっているのに対し、本実施例の紫外線レーザ加工では、良好なダイヤモンド膜が維持されていることがわかる。

本発明に係る加工工具の製造方法及び加工工具の一実施形態において、エンドミルまたはドリルを示す概略的な外観図及び拡大図である。 本実施形態において、被覆膜を加工する加工装置を示す概略平面図である。 本実施形態において、被覆膜を加工する加工装置を示す概略正面図である。 被覆膜に紫外線レーザ光を照射したときの加工状態を示す説明図である。 本発明の製造方法により加工された被覆膜の表面状態を示すＳＥＭ像である。 本発明に係る加工工具の製造方法及び加工工具の実施例において、レーザ加工前のダイヤモンド膜のラマンシフトを示すグラフである。 本発明に係る加工工具の製造方法及び加工工具の実施例において、紫外線レーザ加工後のダイヤモンド膜のラマンシフトを示すグラフである。 本発明に係る加工工具の製造方法及び加工工具の従来例において、Ｇｒｅｅｎレーザ加工後のダイヤモンド膜のラマンシフトを示すグラフである。

符号の説明

１…エンドミルまたはドリル（加工工具）、２…基体、３…被覆膜、６…切刃、ＵＶ…紫外線レーザ光

Claims (3)

1. 切刃が形成された基体と、気相法で合成されたダイヤモンドで構成されて前記切刃を被覆する被覆膜と、を有する加工工具の製造方法であって、
   前記切刃を前記被覆膜で被覆する工程と、
   該被覆膜に紫外線レーザ光を照射して加工する工程と、を備え、
   前記紫外線レーザ光の波長が、Ｎｄ：ＹＬＦ又はＮｄ：ＹＡＧレーザ光の波長の１／４である２６２ｎｍ又は２６６ｎｍであることを特徴とする加工工具の製造方法。
2. 前記紫外線レーザ光を、加工面に対してほぼ直角に照射することを特徴とする請求項１に記載の加工工具の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の加工工具の製造方法により製造されたことを特徴とする加工工具。