(57)【要約】【課題】工具摩耗を抑制しつつ単結晶ダイヤモンド工具を用いて高硬度の鉄系材料を切削することを可能とする。【解決手段】単結晶ダイヤモンド工具を鉄系材料に断続的に接触させるフライカット法によって鉄系材料を切削する。単結晶ダイヤモンド工具と鉄系材料との１回の接触当たりの単結晶ダイヤモンド工具の回転方向についての鉄系材料の切削距離（μｍ）を、１回の接触当たりに除去される鉄系材料の厚みである切削厚さ（μｍ）の１０倍以上の値にする。さらに、切削距離（μｍ）と、切削厚さ（μｍ）と、１回の接触当たりの単結晶ダイヤモンド工具と鉄系材料との接触時間（ｍｓｅｃ）との積をｘとしたとき、ｙ＝０．３２１ｌｎ（ｘ）＋１．２９で決定される結晶ダイヤモンド工具の総切削距離１００ｍｍ当たりの摩耗量ｙ（μｍ）が許容限界摩耗量を超えないように、切削距離、切削厚さ、及び、接触時間の少なくともいずれか１つを決定する。【選択図】図２
2008307666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶ダイヤモンド工具を鉄系材料に断続的に接触させるフライカット法によって前記鉄系材料を切削する際の切削条件を決定する方法であって、
前記単結晶ダイヤモンド工具と前記鉄系材料との１回の接触当たりの前記単結晶ダイヤモンド工具の回転方向についての前記鉄系材料の切削距離（μｍ）を、前記１回の接触当たりに除去される前記鉄系材料の厚みである切削厚さ（μｍ）の１０倍以上の値にすると共に、
前記切削距離（μｍ）と、前記切削厚さ（μｍ）と、前記１回の接触当たりの前記単結晶ダイヤモンド工具と前記鉄系材料との接触時間（ｍｓｅｃ）との積をｘ、１．２９をμｍ単位の定数としたときに、
ｙ＝０．３２１ｌｎ（ｘ）＋１．２９
で決定される単結晶ダイヤモンド工具の総切削距離１００ｍｍ当たりの摩耗量ｙ（μｍ）が許容限界摩耗量を超えないように、前記切削距離（μｍ）、前記切削厚さ（μｍ）、及び、前記接触時間（ｍｓｅｃ）の少なくともいずれか１つを決定することを特徴とする切削条件決定方法。
【請求項２】
前記許容限界摩耗量が２μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の切削条件決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶ダイヤモンド工具を用いた鉄系材料の切削条件決定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削加工は、非常にシャープな刃先を有する単結晶ダイヤモンド工具を用いることによって容易に良好な鏡面を得ることができる、という利点を有している。そのため、非金属材料及び銅やニッケルなどの軟質金型材料の超精密加工には、単結晶ダイヤモンド工具が広く用いられている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−６３０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、金型用として用いられる高硬度である鉄系材料を単結晶ダイヤモンド工具で切削すると、切削温度が高温となるほど、工具と被削材が化学的に活性な状態になり、両者の高い化学的親和性のために鉄への炭素の拡散、すなわち、工具摩耗が激しく起こる。さらに、その高温状態において鉄との接触時間が長いほど、鉄へ拡散する時間が長くなるため工具摩耗は顕著になる。そのため、単結晶ダイヤモンド工具を用いて高硬度鉄系材料を切削することは現状において不可能とされている。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、工具摩耗を抑制しつつ単結晶ダイヤモンド工具を用いて高硬度鉄系材料を切削し、良好な鏡面を得ることを可能とする切削条件決定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
まず、本発明者は、単結晶ダイヤモンド工具を鉄系材料に断続的に接触させる断続切削に注目した。断続切削とは、微小時間（微小距離）の切削を行った後に工具と被削材とが離れて両者が空転するという工程を１サイクルとし、このサイクルを繰り返すことで切削を行う手法である。
【０００７】
本発明者による実験の結果、単結晶ダイヤモンド工具による鉄系材料の断続切削においては、工具と被削材との接触期間のみ温度が上昇し、非接触期間には温度が下降する、したがって、工具と被削材との接触時間を短くした断続切削を行うことで、単結晶ダイヤモンド工具が摩耗しにくくなることが推測される。
【０００８】
以上の推論をもとに、さらに以下のような実験を行った。まず、５軸超精密加工機（ＵＬＣ−１００Ｃ（Ｈ3）東芝機械製）のワークスピンドルに被削材である直方体のワーク（ステンレス：ＳＵＳ３０４）を取り付けた。そして、ワークスピンドルの回転を切削運動とし、１周期（１サイクルまたは１回転）毎にピックフィードを与え、刃先開き角度１１７°、すくい角０°、逃げ角１５°の単結晶ダイヤモンド工具（株式会社アライドマテリアル製）によりフライカットを想定した断続切削を行った。このとき、ワークの表面に、図１に示すような微小な凸部１０を形成し、その凸部１０の幅を１周期当たりの切削距離とする断続切削を行った。工具の切削速度が一定でも接触時間が変化するように、凸部１０の幅を１０μｍ、２０μｍ、５０μｍ、１００μｍの４種類に変化させて実験を行った。さらに、切削速度を２ｍ／ｍｉｎ、１０ｍ／ｍｉｎ、２０ｍ／ｍｉｎと変化させた。この凸部１０の幅及び切削速度の変化によって、１周期中の工具−被削材接触時間を０．０６〜１．５ｍｓｅｃと設定して実験を行った（工具−被削材の非接触時間はフライカットを想定しており、切削時間に対して10倍以上の十分なものとなっている。）。このとき、切削距離の総計は、すべての条件において１００ｍｍと等しくなるようにした。また、１周期で除去される被削材の厚みである切削厚さを、すべての条件において０．４９μｍとした。
【０００９】
次に、１周期の切削距離を２０μｍに固定し、切削速度を７５ｍ／ｍｉｎ、１００ｍ／ｍｉｎ、１５０ｍ／ｍｉｎと高速にした。これにより、接触時間を０．０１６ｍｓｅｃ、０．０１２ｍｓｅｃ、０．００８ｍｓｅｃと短縮した条件で断続切削を行った（いずれの条件においても、工具−被削材の非接触時間は切削時間に対して10倍以上の十分なものとなっている。）。このときも、切削距離の総計は、すべての条件において１００ｍｍと等しくなるようにした。また、１周期で除去される被削材の厚みである切削厚さを、すべての条件において０．４９μｍとした。
【００１０】
さらに、同じく１周期の切削距離を２０μｍとして、（切削速度、接触時間）をそれぞれ（２ｍ／ｍｉｎ、０．６ｍｓｅｃ）、（２０ｍ／ｍｉｎ、０．０６ｍｓｅｃ）、（１５０ｍ／ｍｉｎ、０．００８ｍｓｅｃ）とした３つの条件において（工具−被削材の非接触時間は切削時間に対して10倍以上の十分なものとなっている。）、総切削距離を１００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍとして断続切削を行った。また、１周期で除去される被削材の厚みである切削厚さを、すべての条件において０．４９μｍとした。
【００１１】
最後に、ダイヤモンド工具のすくい角及び逃げ角が上述と同じで、ノーズ半径が１ｍｍの切削工具を使用して実験を行った。切削速度を１００ｍ／ｍｉｎ、一周期の切削距離を５０μｍで、接触時間を０．０３ｍｓｅｃで一定にし、ピックフィードを変化させることにより、切削厚さを０．０５μｍ、  ０．１μｍ、０．２μｍ、０．２５μｍ、０．３μｍ、０．４μｍ、０．５μｍと変化させた。このとき、切削面積を１．５ｍｍ２と一定にしていることから、総切削距離が０．３ｍ〜３ｍの間で変化する。摩耗幅が切削距離に比例して増加すると考え、総切削距離１００ｍｍ当たりの摩耗量を単純に比例配分によって求めた。
【００１２】
切削雰囲気が工具摩耗に影響を与えないように、加工は全てドライの雰囲気下で行った。
【００１３】
上述した実験による加工を終えた工具のすくい面及び逃げ面を微分干渉顕微鏡で観察して、その評価を行った。評価は、逃げ面の摩耗幅を用いた。逃げ面の摩耗幅（μｍ）は、工具エッジからの逃げ面摩耗の距離を平均した値で定義されるものとする。
【００１４】
さらに本発明者は、切削距離（μｍ）を切削厚さ（μｍ）の１０倍以上とした場合において、上記実験の結果が、総切削距離１００ｍｍ当たりの逃げ面の摩耗幅（μｍ）を縦軸に、切削距離（μｍ）と接触時間（ｍｓｅｃ）と切削厚さ（μｍ）との積を横軸にしたグラフ上で近似曲線として表されることを知見した。図２にこのグラフを示す。このグラフに描かれた近似曲線は、摩耗幅（μｍ）をｙ、切削距離（μｍ）・接触時間（ｍｓｅｃ）・切削厚さ（μｍ）をｘと示すことにすると、ｙ＝０．３２１ｌｎ（ｘ）＋１．２９（ｌｎはネイピア数ｅを底とする自然対数を意味する）で表される。なお、従来の技術では、切削距離や切削厚さ、特に接触時間には注目していない。
【００１５】
本発明は、上述したような本発明者の知見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明は、単結晶ダイヤモンド工具を鉄系材料に断続的に接触させるフライカット法によって前記鉄系材料を切削する際の切削条件を決定する方法であって、前記単結晶ダイヤモンド工具と前記焼入れ鋼との１回の接触当たりの前記単結晶ダイヤモンド工具の回転方向についての前記鉄系材料の切削距離（μｍ）を、前記１回の接触当たりに除去される前記鉄系材料の厚みである切削厚さ（μｍ）の１０倍以上の値にすると共に、前記切削距離（μｍ）と、前記切削厚さ（μｍ）と、前記１回の接触当たりの前記単結晶ダイヤモンド工具と前記鉄系材料との接触時間（ｍｓｅｃ）との積をｘ、１．２９をμｍ単位の定数としたときに、ｙ＝０．３２１ｌｎ（ｘ）＋１．２９で決定される単結晶ダイヤモンド工具の総切削距離１００ｍｍ当たりの摩耗量ｙ（μｍ）が許容限界摩耗量を超えないように、前記切削距離（μｍ）、前記切削厚さ（μｍ）、及び、前記接触時間（ｍｓｅｃ）の少なくともいずれか１つを決定するものである。
【００１６】
この方法に基づいて切削条件を決定することにより、工具摩耗を抑制しつつ単結晶ダイヤモンド工具を用いて高硬度の鉄系材料を切削することが可能になる。
【００１７】
本発明において、実用的には単結晶ダイヤモンド工具の総切削距離１００ｍｍ当たりの前記許容限界摩耗量が２μｍ以下であってよい。また、前記許容限界摩耗量が１．５μｍ以下であることが好ましく、前記許容限界摩耗量が１μｍ以下であることがさらに好ましい。前記総切削距離が１００ｍｍより長い場合には、前記許容限界摩耗量を単純に比例配分することで切削条件を決定することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図３に示すフローチャートをさらに参照しつつ説明する。
【００１９】
ここでは、単結晶ダイヤモンド工具を用いてワーク（ステンレス：ＳＵＳ３０４）をフライカット法のように断続切削する場合について説明する。
【００２０】
まず、総切削距離１００ｍｍ当たりの許容限界摩耗量ｙが２μｍであるとして、そのときの切削距離（μｍ）と接触時間（ｍｓｅｃ）と切削厚さ（μｍ）との積の値を、式ｙ＝０．３２１ｌｎ（ｘ）＋１．２９から求める（ステップＳ１）。ここでは、許容限界摩耗量２μｍに対して、上記式に基づいて、切削距離（μｍ）と接触時間（ｍｓｅｃ）と切削厚さ（μｍ）との積の値としてｘ＝９．１３が得られる。
【００２１】
次に、切削距離（μｍ）、接触時間（ｍｓｅｃ）及び切削厚さ（μｍ）のうちで、変更不可能なパラメータがあるか否かを判断する（ステップＳ２）。変更不可能なパラメータは１つだけでもよいし、２つであってもよい。変更不可能なパラメータがない場合には、（Ｓ２：ＮＯ）、ステップＳ４に進む。なお、どのパラメータが変更不可能でどのパラメータが変更可能であるかは、切削環境や与えられた条件による。
【００２２】
そして、変更不可能なパラメータがある場合には、ステップＳ３において、ステップＳ１で求めた値を変更不可能なパラメータの値で割る。ここで、変更不可能なパラメータが２つある場合には、ステップＳ１で求めた値を変更不可能な２つのパラメータの値の積で割る。
【００２３】
ステップＳ４では、切削距離（μｍ）、接触時間（ｍｓｅｃ）及び切削厚さ（μｍ）の積がＳ１で求めたｘとなるように、切削距離（μｍ）、接触時間（ｍｓｅｃ）及び切削厚さ（μｍ）の値をそれぞれ決定する。もしこれら３つのパラメータに範囲制限がある場合には、当該範囲制限内において各パラメータを決定する。
【００２４】
ステップＳ５では、変更可能なパラメータが１つだけか又は２つあるかを判断する。変更可能なパラメータが１つだけであれば（Ｓ５：ＹＥＳ）、ステップＳ６に進む。変更可能なパラメータが２つあるのであれば（Ｓ５：ＮＯ）、ステップＳ７に進む。
【００２５】
ステップＳ６では、ステップＳ３で得られた商を、求めるべきパラメータの値として決定する。たとえば、ステップＳ３において、変更不可能なパラメータが接触時間（ｍｓｅｃ）及び切削厚さ（μｍ）の２つであったなら、ステップＳ６では、求めるべき切削距離（μｍ）の値がステップＳ３で得られた商であると決定される。
【００２６】
ステップＳ７では、ステップＳ５で変更可能であると判断された２つのパラメータの値の積がステップＳ３で得られた商となるように、これら２つのパラメータの値を決定する。たとえば、ステップＳ３において、変更不可能なパラメータが接触時間（ｍｓｅｃ）だけであったなら、ステップＳ７では、切削距離（μｍ）と切削厚さ（μｍ）との積がステップＳ３で得られた商となるように、切削厚さ（μｍ）と切削距離（μｍ）とが決定される。ここでも、もしこれら２つのパラメータに範囲制限がある場合には、当該範囲制限内において各パラメータを決定する。
【００２７】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更を上述の実施の形態に施すことが可能である。例えば、上述した実施の形態では許容限界摩耗量ｙを２μｍとして説明したが、許容限界摩耗量ｙは任意の値であってよい。ただし、単結晶ダイヤモンド工具の摩耗を抑制する観点から、総切削距離１００ｍｍ当たりの許容限界摩耗量ｙが２μｍ以下であることが好ましく、１．５μｍ以下であることがより好ましい。
【００２８】
被削材としては、鉄系材料であればＳＵＳ３０４以外であっても本発明は適用可能である。本発明は特に金型用の焼入れ鋼の切削に適用するのが好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明者が行った実験を説明するためのワーク切削部分の拡大斜視図である。
【図２】摩耗幅（μｍ）と、切削距離（μｍ）と接触時間（ｍｓｅｃ）と切削厚さ（μｍ）との積との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施の形態に係る切削条件決定方法を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００３０】
１０  凸部
【図１】
2008307666.tif 000003
【図２】
2008307666.tif 000004
【図３】
2008307666.tif 000005