(57)【要約】【課題】難削材との摩擦による熱の発生が有効に抑制され、難削材に高精度なネジ溝を効率よく形成することができ、長期間に渡ってネジ溝形状のバラツキが少なく、工具寿命の向上したネジ加工用工具を提供すること。【解決手段】回転自在に軸支されたシャフト４の周囲に、切れ刃２を有する羽根体３を等配に４つ以上形成したことを特徴とする。【選択図】図１
2004114271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転自在に軸支されたシャフトの周囲に、切れ刃を有する羽根体を等配に４つ以上形成したことを特徴とするネジ加工用工具。
【請求項２】
上記羽根体を側面視した形状が、１山以上のエッジを有する山形状であることを特徴とする請求項１に記載のネジ加工用工具。
【請求項３】
少なくとも上記切れ刃の表面にダイヤモンド膜を被着したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の雌ネジ加工用工具。
【請求項４】
上記ネジ加工用工具を超硬合金で形成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の雌ネジ加工用工具。
【請求項５】
被加工物に円柱状の孔を穿設し、該孔内に上記請求項１〜請求項４のいずれかに記載のネジ加工用工具を挿入させ、上記ネジ加工工具のシャフトを回転させながら、上記孔の内壁面を螺旋状に切削して相対的に移動させることによって、上記孔の内壁面にネジ溝を形成することを特徴とするネジ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスやガラス、セラミック粒子を分散させた複合合金、或いは超硬工具などの脆性材料で且つ難削な材料にネジ加工を施す為のネジ加工用工具及びそれを用いたネジ加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造装置用の部品には多くのセラミック部品が利用されている。これらのセラミック部品の精度は益々厳しくなってきており、例えば、半導体製造装置に用いる露光用のステージ部品は、複数の孔やネジ孔を形成する必要があるが、この孔ピッチや孔径、特にネジ孔などの精度は厳しくなってきている。
【０００３】
従来、例えばセラミックスからなる被加工物にネジ溝を形成する場合、セラミックスは非常に硬く、焼結後のセラミックスの被加工物にネジ溝を形成するのが困難であることから、通常は焼成前の成形体に予め切削加工によってネジ溝を形成しておき、その後、成形体を焼成するという方法が取られている。
【０００４】
ところが、焼成前の成形体にネジ溝を形成したものは、焼成収縮のバラツキにより形状が変形したり、寸法誤差が生じ、高精度なネジ溝を得られないという欠点を有していた。そこで、上記欠点を解消する為に、特許文献１に示すように、特殊なネジ加工用工具を準備してセラミックスの被加工物である被加工物にネジ溝を形成することが提案されている（図６参照）。
【０００５】
かかる被加工物１４へのネジ溝の形成は、図６に示すような柱状体１１の先端に、ネジ形成用の複数の環状研削部１２をネジピッチの整数倍で同軸上に連接したネジ加工用工具１３を用いて行われ、図７に示すように、被加工物１４に予め円柱状の孔１４ａを穿設しておくとともに、孔内１４ａにネジ加工用工具１３を挿入させ（図７（ａ）参照）、しかる後、環状研削部１２を孔１４ａの内壁面１４ｂに回転させつつ押圧させ、同時にネジピッチに合わせた螺旋状の相対的な移動を行わせることによって、孔１４ａの内壁面１４ｂに所定ピッチのネジ溝１４ｃが形成される。
【０００６】
しかしながら、上述のネジ加工用工具１３を用いて被加工物１４にネジ溝１４ｃを形成する場合、環状研削部１２の一部を被加工物１４に穿設された孔１４ａの内壁面１４ｂに密着させたままネジ溝１４ｃを形成する為、環状研削部１２の温度が被加工物１４との摩擦によって非常に高温となるとともに環状研削部１２の硬度が低くなってしまい、その結果、環状研削部１２に短時間に変形が発生し、環状研削部１２の変形によって、被加工物１４のネジ溝１４ｃにクラック等の傷が付いて被加工物１４の機械的強度が大きく劣化するという欠点を有していた。
【０００７】
そこで、被加工物１４に設けた孔１４ａの内壁面１４ｂへの環状研削部１２の押圧力を弱めたり、環状研削部１２の螺旋状の移動速度を遅くしたり、環状研削部１２に加わる負荷を小さくして高温となることを防止することが考えられる。
【０００８】
しかしながら、環状研削部１２に加わる負荷を小さくすると、ネジ溝１４ｃの形成効率が低下するという課題があった。
【０００９】
また、被加工物１４に設けられた孔１４ａの内壁面１４ｂに環状研削部１２によりネジ溝１４ｃを形成する場合、研削液を兼ねる冷却除去用水を供給し、環状研削部１２と被加工物１４との摩擦熱の発生を抑制することも考えられる。
【００１０】
しかし、ネジ溝１４ｃの加工部において環状研削部１２は孔１４ａの内壁面１４ｂに密着しているため、研削液を兼ねる冷却除去用水を供給しても、研削液は加工部に充分入り込まず、その結果、摩擦による熱の発生は思っているほど制御されない。
【００１１】
そこで、特許文献２によれば、柱状体の外周面に、表面がヌープ硬度４０ＧＰａ以上の硬質膜で被覆される環状凸部を形成するとともに、環状凸部に柱状体の軸方向に沿って溝部を形成したネジ加工用工具１３が開示されている。この工具は、さらに、柱状体の中心に貫通する貫通孔を設け、柱状体の環状凸部を平面視したときの溝部に研削液用の供給孔を設け、供給孔が貫通孔に連通するとともに柱状体の中心に対して垂直な連通孔設けたこと等から、難削材に設けた孔の内壁面に研削液を供給しつつネジ溝の加工を行えば、研削液が溝部に取り込まれて環状凸部と難削材との間に充分に入り込み、その結果、環状凸部と難削材との摩擦による熱の発生が有効に抑制されて難削材に高精度なネジ溝を効率よく形成することができることが示されている。
【００１２】
【特許文献１】特開平５−２４５７１９号公報
【特許文献２】特開２００２−１１６１８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この工具は柱状体の周囲に２つの環状凸部しか有しておらず、ネジ加工の際、難削材との接触面積が増加するので、柱状体内部から研削液を供給する構造となり、構造が複雑となるという問題があった。
【００１４】
また、特許文献２は多数のダイヤモンド粉末やＣＢＮ等の高硬度の粉末が砥粒として表面に固定され、この砥粒が切れ刃として機能している。従って、切り屑を排出する為のチップポケットが、砥粒の間隔によって制限されてしまい、間隔が非常に小さくなってしまい、研削屑の排出が困難となっていた。その結果、被加工物の加工速度を速くすることには限界があった。
【００１５】
また、基体に砥粒を固定させるため、基体を高精度に加工したとしても、環状凸部の先端において、砥粒が固定し難く、環状凸部の形状はＲ形状とする必要があり、砥粒によっては大きくＲ形状を採らねばならず、また、砥粒の固定によっては形状にバラツキが生じることがあり、ネジ溝の谷部の精度を悪化させるといった課題があった。
【００１６】
以上のように、本発明は、上述の課題に鑑みて成されたもので、構造が簡単で、加工速度が速くでき、脆性材料などの難削材に対して、高精度なネジ溝を長期開に渡って形成することが可能なネジ加工用工具及びこれを用いたネジ加工を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のネジ加工用工具は、回転自在に軸支されたシャフトの周囲に、切れ刃を有する羽根体を等配に４つ以上形成したことを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明は、上記羽根体を側面視した形状が、１山以上のエッジを有する山形状であることを特徴とするものである。
【００１９】
さらに、少なくとも上記切れ刃の表面にダイヤモンド膜を被着したことを特徴とするものである。
【００２０】
またさらに、上記ネジ加工用工具を超硬合金で形成したことを特徴とするものである。
【００２１】
そして、被加工物に円柱状の孔を穿設し、該孔内に上記請求項１〜請求項４のいずれかに記載のネジ加工用工具を挿入させ、上記ネジ加工工具のシャフトを回転させながら、上記孔の内壁面を螺旋状に切削して相対的に移動させることによって、上記孔の内壁面にネジ溝を形成することを特徴とするものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明に係るネジ加工用工具の一例を示す図で、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図、（ｃ）は切削の状態を説明する図である。また、図２は本発明に係るネジ加工用工具の一例を示す斜視図である。
【００２３】
本発明のネジ加工用工具１は、回転自在に軸支されたシャフト４の周囲に、切れ刃２を有する羽根体３を等配に４つ以上形成している。
ネジ加工用工具１の材質としては、ハイス鋼などの鋼材、超硬が用いられ、特に超硬を用いると、高剛性、高強度、高硬度、高靭性となり、羽根体３が不連続に接触しても振動を低減し、高精度なネジ溝を形成することができる。また、横方向へ負荷をかけても破損することもなくなる。さらに、表面にダイヤモンド膜を成膜する場合、基体が硬質であるため、ダイヤモンド膜は剥離し難くなる。
【００２４】
シャフト４は羽根体３を支持する部材として作用するとともに、羽根体３に一定の回転、一定の螺旋状の移動を伝達する作用をなす。
【００２５】
そして、側面視した形状が、被加工物に形成するネジ溝の形状を形成しており、例えば、Ｍネジであれば、凸部における先端角度の形状は６０度で形成されている。次に、正面視した形状は、回転方向に向かって、羽根体３に切れ刃２が形成された形状を形成している。
【００２６】
羽根体３に形成される切れ刃２は、図１（ｃ）に示すように、スクイ角αが０度〜４５度、逃げ角γが０度〜４５度の範囲でそれぞれ形成されおり、被加工物に対して抵抗を小さくスムーズに刃先を入れる場合にはスクイ角αを上記範囲内で大きくすると良く、４５度より大きくなれば、被加工物との抵抗が小さくなりすぎて、加工速度を上げることができず、加工時間の短縮が困難となる。スクイ角αは好ましくは１０度〜４５度の範囲が良い。また、逃げ角γは大きくした方が、切れ刃２がスムーズに被加工物の表面を抜け、４５度よりも大きくしてもあまりその効果は期待できず、スクイ角αとの間で形成される羽根体３が全体的に薄くなってしまうことから、好ましくは０度〜１５度の範囲が良い。
【００２７】
本発明のように回転自在に軸支されたシャフト４の周囲に、切れ刃２を有する羽根体３を等配に４つ以上形成したことにより、被加工物に不連続で一定間隔で切削させ、羽根体３と羽根体３との空間で研削屑の排出を可能とするチップポケットとすることができ、さらに、ネジ加工用工具と被加工物との接触面積が小さいことから、摩擦熱を低減することができ、クーラント液の量を削減することができるものである。
【００２８】
図１及び図２における羽根体３の数は４個のものを示しているが、羽根体３は４個以上であればよく、好ましくは４個〜８個が等配に形成されていればよい。羽根体３として、被加工物に不連続に接触することにより、研削屑の排出を可能とするチップポケットを形成している。従って、羽根体３の数があまり多いと、間隔が狭くなってしまい、チップポケットの役割を果たさなくなるからであり、逆に４個未満であれば間隔があきすぎてしまい、加工時の押圧が強すぎた場合、ネジ加工用工具１が被加工物へ噛み込んでしまう。その為、羽根体３は４個以上であることが必要で、好ましくは４個〜８個の数が好ましい。
【００２９】
さらに、ネジ加工用工具１と被加工物との接触面積が小さいことから、摩擦熱を低減することができ、クーラント量を削減する効果もある。
【００３０】
そして、本発明のネジ加工用工具１は、側面視した形状が、１山以上のエッジを有する形状であればよく、２個以上の凸部を形成した場合、単に同時にネジ溝を加工することが可能とするだけでなく、ネジ溝に対し、徐々に仕上げを行う効果が得られる。
【００３１】
３山形成した形状のネジ加工用工具１０の一実施例を図３及び図４に示す。
図３（ａ）は正面図、図３（ｂ）は側面図を示し、また、図４に斜視図を示している。
図に示すように、羽根体３０がそろばん状に重畳した２山以上の切れ刃２０を有している。このように、２山以上の切れ刃２０を有する山形状を形成した場合には、先端の切れ刃２０から後方の切れ刃２０へ、段階をおって連続的に各山形状がネジ溝に接触し加工することになり、山形状が順番にネジ溝を仕上げていく効果を待たせることができる。従って、各山形状ごとに粗切削、粗仕上げ切削、仕上げ切削のように段階をおってネジ溝への切削加工を可能とする。さらに凸部の表面仕上げを徐々に細かいものにすることによってその効果を上げることが可能となる。
【００３２】
さらに、本発明のネジ加工用工具１は、少なくとも切れ刃２、２０の表面にダイヤモンド膜を被着したことを特徴とするものである。
【００３３】
ダイヤモンド膜は、マイクロ波プラズマＣＶＤ法や熱フィラメントＣＶＤ法等のＣＶＤ法によって成膜すれば良く、ダイヤモンドやＣＢＮなどの砥粒を用いないことから、側面視した際の凸部先端をエッジにて形成することが可能となる。つまり、基体に砥粒を固定させない為、高精度に加工した基体の形状のままに、凸部先端を維持することができ、大きくＲ形状を採らなくともよくなる。また、砥粒の固定による表面形状のバラツキも無くなり、ネジ溝の谷部の精度を向上させる。さらに、ダイヤモンド膜によって高硬度な表面を達成できる。
【００３４】
ところで、ダイヤモンド膜の膜厚としては、１５μｍ〜３０μｍの範囲で成膜することが好ましく、１５μｍ未満であれば、ＣＶＤによって被着されるダイヤモンド粒子が、充分に表層に積層せず、逆に３０μｍよりも厚く成膜すると加工熱によって表面のみが膨張しすぎて、表面から剥離してしまい、その為１５μｍ〜３０μｍの範囲で成膜することが好ましく、より好ましくは２０μｍ〜２５μｍの範囲が膜として安定してよい。
【００３５】
さらに、微視的にはコーティング層表面には微細な凹凸が形成されており、この凹凸が研削の砥粒の様に、切れ刃として作用し、極微細な切粉を収容するチップポケットとして作用する効果も期待でき、面接触または線接触によって被加工物の表層に食い付くものである。
【００３６】
次に、上述のネジ加工用工具１０を用いてセラミックから成る被加工物にネジ溝を形成する方法について説明する。
【００３７】
先ず、図５（ａ）に示す如く、上面に円柱状の孔１４ａを穿設し孔１４ａを有するセラミックスからなる被加工物１４を準備するとともに、被加工物１４の孔内にネジ加工用工具１０を挿入させる。
【００３８】
次に、図５（ｂ）に示す如く、シャフト４０を外部の回転力付与手段によって、２０００ｒｐｍ〜１００００ｒｐｍの回転速度で回転させ、同時にシャフト４０の周りに形成されている羽根体３０も同じ回転速度で回転させる。
【００３９】
そして、研削液を圧送して高圧で供給しつつ、図５（ｃ）に示す如く、羽根体３０の外周面を、孔１４ａの内壁面１４ｂを所定の力で押圧させるとともに、羽根体３０を螺旋状に切削しながら相対的に移動させ、孔１４ａの内壁面１４ｂにネジ溝１４ｃを形成される。
【００４０】
尚、本発明のネジ加工用工具１、１０は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更は可能であり、例えば、マシニングセンターなどの各種加工機等に組み込むことは何ら差し支えないものである。
【００４１】
【実施例】
ここで図１に示す本発明のネジ加工用工具と図６に示す従来のネジ加工用工具を用いて、被加工物にネジ溝を加工した場合の性能差を比較する実験を行った。被加工物は９９．５％純度のアルミナ材を使用し、螺設するネジ溝はＭ３とした。
本発明のネジ加工用工具は、先端角度６０度の４枚の羽根体を形成したものを使用し、切れ刃には２５μｍのダイヤモンド膜をプラズマＣＶＤ法にて成膜した。
【００４２】
他方、従来のネジ加工用工具については、環状凸部が１つのものを使用し、ダイヤモンド砥粒をＮｉメッキにて電着したものを用いた。
尚、被加工物には予めφ２．６ｍｍ×深さ８ｍｍ以上の下穴加工を施したものを準備した。
加工条件は、同一とし、回転方向は反時計回り、回転速度８０００ｒｐｍ、送り速度１０ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み深さ０．０５ｍｍとした。
【００４３】
この結果、従来のネジ加工用工具は２０孔しか加工できなかったのに対し、本発明のネジ加工用工具は４０孔の加工を行っても、まだ加工できる状態にあった。
【００４４】
また、従来のネジ加工用工具は１孔あたり１０分、クーラント液の圧力が４．５ＭＰａを要したのに対し、本発明のネジ加工用工具に用いるクーラント液の圧力は２．５ＭＰａで加工可能であり、加工速度の向上とクーラント液の削減が可能となった。
【００４５】
さらにネジ溝の谷部の精度に関して比較したところ、従来のネジ加工用工具によるネジ溝は、先端がＲ０．８〜１．５と大きくばらつくのに対し、本発明のものはＲ０．４〜０．６を維持しており、谷部の精度の向上が確認できた。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、回転自在に軸支されたシャフトの周囲に、切れ刃を有する羽根体を等配に４つ以上形成したことにより、被加工物に不連続で一定間隔で切削させ、羽根体どうしの空間を研削屑の排出を可能とするチップポケットとすることができ、さらに、ネジ加工用工具と被加工物との接触面積が小さいことから、摩擦熱を低減することができ、クーラント液の量を削減することができる。
【００４７】
また、長期間に渡ってネジ溝形状のバラツキが少なく、工具寿命の向上したネジ加工用工具を提供することができる。また、高速短時間でネジ溝加工を行うことが可能となる。
【００４８】
また、側面視した形状が、１山以上のエッジを有する山形状であることを特徴とすることによって、単に同時にネジ溝を加工することが可能とするだけでなく、ネジ溝に対し、段階的にネジ溝の仕上げ加工を行う効果が得られる
さらに、少なくとも上記切れ刃の表面にダイヤモンド膜を被着したことを特徴とすることによって、高硬度な表面を得るだけでなく、凸部のエッジを形成することが可能となり、高精度なネジ溝を形成することができる。
【００４９】
またさらに、上記ネジ加工用工具の基体を超硬としたことを特徴とすることによって、高硬度、高剛性、高硬度、高靭性なネジ加工用工具となる。
【００５０】
そして、被加工物に円柱状の孔を穿設し、該孔内に上記ネジ加工用工具を挿入させ、上記ネジ加工工具の主軸を回転させながら、且つ孔の内壁面に沿って上記羽根体を螺旋状に相対的に押圧移動させることによって、上記孔の内壁面にネジ溝を形成すると、難削材との摩擦による熱の発生が有効に抑制され、難削材に高精度なネジ溝を効率よく形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るネジ加工用工具の一例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は切削の状態を説明する図である。
【図２】本発明に係るネジ加工用工具の一例を示す斜視図である。
【図３】本発明に係るネジ加工用工具の一例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図４】本発明に係るネジ加工用工具の一例を示す斜視図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明に係るネジ加工用工具のネジ溝の加工方法を示す概略図である。
【図６】従来のネジ加工用工具の一例を示す側面図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は従来のネジ加工用工具のネジ溝の加工方法を示す概略図である。
【符号の説明】
１、１０…ネジ加工用工具
２、２０…切れ刃
３、３０…羽根体
４、４０…シャフト
５０…凸部
１１…柱状体
１２…環状研削部
１４…被加工物
【図１】
2004114271.tif 000003
【図２】
2004114271.tif 000004
【図３】
2004114271.tif 000005
【図４】
2004114271.tif 000006
【図５】
2004114271.tif 000007
【図６】
2004114271.tif 000008
【図７】
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