(57)【要約】【課題】耐摩耗性の高い単結晶ダイヤモンドバイトを提供する。【解決手段】単結晶ダイヤモンドチップ３を有する単結晶ダイヤモンドバイトである。単結晶ダイヤモンドチップ３は、すくい面と逃げ面の稜線に形成される切刃を有する。この切刃は円弧の一部で形成されている。すくい面上において、円弧の中心６を通る中心線１０と単結晶ダイヤモンドの＜１１Ｘ＞の方位のなす角度θを１０〜６０度とする。逃げ面はレーザで加工された面である。工具の最も摩耗の激しい部位である境界摩耗が発生する部分に最も硬い（１１１）面を合わせて、バイトの長寿命化を図る。【選択図】  図２
2004181548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶ダイヤモンドチップを有する単結晶ダイヤモンドバイトであって、
前記単結晶ダイヤモンドチップは、すくい面と逃げ面の稜線に形成される切刃を有し、
前記切刃が円弧の一部で形成されていて、
前記すくい面上において、円弧の中心を通る中心線と単結晶ダイヤモンドの＜１１Ｘ＞の方位のなす角度θが１０〜６０度であり、
前記逃げ面がレーザで加工された面であることを特徴とする単結晶ダイヤモンドバイト。
【請求項２】
前記θが２０〜４５度であることを特徴とする請求項１記載の単結晶ダイヤモンドバイト。
【請求項３】
逃げ面は、逃げ角を持ちかつ逃げ面に沿って縦方向の筋状のレーザ切断痕を有することを特徴とする請求項１または２記載の単結晶ダイヤモンドバイト。
【請求項４】
逃げ面の面粗さが、Ｒｙで０．０５〜１．０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドバイト。
【請求項５】
すくい面と（１１Ｘ）面が直交することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドバイト。
【請求項６】
前記単結晶ダイヤモンドチップのすくい面が（１１２）面、（１０１）面、（０１１）面のいずれかであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドバイト。
【請求項７】
単結晶ダイヤモンド素材を準備する工程と、同素材の円弧中心を定める工程と、すくい面上の＜１１Ｘ＞の方位を特定する工程と、円弧中心を通り＜１１Ｘ＞の方位から角度θとして１０〜６０度回転した方位を中心線とし、円弧中心から半径ａの円弧でレーザにより単結晶ダイヤモンド素材を切断する工程とを含むことを特徴とする単結晶ダイヤモンドバイトの製造方法。
【請求項８】
前記レーザは、ＹＡＧレーザであって、波長は１０００ｎｍ以下、レンズの焦点距離は３０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項７記載の単結晶ダイヤモンドバイトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイシリコンアルミニウム合金、ＭＭＣ（Ｍｅｔａｌ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：金属基複合材料）、ＦＲＭ（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）などの難削材の精密切削加工に用いられるダイヤモンドバイトに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶ダイヤモンドを台金に接合しそれをホルダーに接合した単結晶ダイヤモンドバイトであって、逃げ面の結晶方位を（１１Ｘ）面とし、すくい面の結晶方位を（１０１）面、（０１１）面としたものが知られている。この工具は劈開を用いて製作されているようであるが、円弧状の切刃は劈開を用いて製作できない。この工具の目的とするところは、シリコンなどの硬脆材料の鏡面加工を継続して行いうるダイヤモンド工具である。しかしながらこの工具は、以下に記すような欠点がある。図３に示すようにダイヤモンドチップを矢印の方向に移動して切削する場合、被削材８は、接触開始点７でダイヤモンドチップと接触を始めて、工具先端４の近辺でダイヤモンドチップからはなれる。そして、被削材８が単結晶ダイヤモンドチップ３との接触開始点７の近辺に境界摩耗５を起こすのが一般的である。しかしながら前記した工具は、最も硬い（１１１）面が工具先端４を通るので境界摩耗５を起こす部分から離れており、境界摩耗５を起こしやすいという欠点を持つ（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、前逃げ面とすくい面を有するダイヤモンドバイトであって、前逃げ面の結晶方位をダイヤモンド結晶の（１１１）面と（１１０）面の中間的な結晶面となるようにしたバイトが知られている。このバイトは、例えばＶ溝型光ディスク原盤（ピッチ２μｍ程度、切削距離４０ｋｍ）の加工を行う場合、切刃先端の微小な摩耗がおこらず長時間期待する所要精度の表面形状が得られるダイヤモンドバイトである。しかしながら、境界摩耗を起こす部分の単結晶ダイヤモンドの面を（１１１）面とするような技術思想は含まれていない（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−１２６５１２号公報
図１、第２頁、図１、図３、図８
【特許文献２】
特開平５−２４５７０５号公報
図１、第２頁
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最近は、機械加工の分野において難削材を精密に加工する要求が強くなってきた。なかでも精密加工用の工具は、工具を精密に制御しやすい円弧状の切刃を用いるのが一般的である。一方、耐摩耗性という観点からすると、単結晶ダイヤモンド工具の中で理想の工具とされていたのが、（１１１）面を逃げ面とする工具である。しかしながら（１１１）面は、ダイヤモンドの結晶の中で最も硬い面とされ、バイトに加工するための費用が極めて高く、工業的に実用化されていなかった。この発明は、（１１１）面を有効に用いた耐摩耗性の高い単結晶ダイヤモンドバイトを提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の工具は、単結晶ダイヤモンドチップを有する単結晶ダイヤモンドバイトであって、単結晶ダイヤモンドチップがすくい面と逃げ面の稜線に形成された切刃を有し、切刃が円弧の一部で形成されていて、すくい面上において円弧の中心線から角度θとして１０〜６０度の方位がダイヤモンドの＜１１Ｘ＞の方位であり、逃げ面がレーザで加工された面である単結晶ダイヤモンドバイトである。
【０００７】
別の発明は、単結晶ダイヤモンドバイトの製造方法であって、単結晶ダイヤモンド素材を準備する工程と、同素材の円弧中心を定める工程と、すくい面上の＜１１Ｘ＞の方位を特定する工程と、円弧中心を通り＜１１Ｘ＞の方位から角度θとして１０〜６０度回転した方位を中心線とし、円弧中心から半径ａの円弧でレーザにより単結晶ダイヤモンド素材を切断する工程とを含むことを特徴とする。これら工程のうち、円弧中心を定める工程はすくい面上の＜１１Ｘ＞の方位を特定する工程と順序が変わっても問題ない。また、通常、すくい面を研磨する工程、単結晶ダイヤモンド素材を台金上にロー付けする工程、台金を工具本体に固定する工程も行われる。これら各工程は本発明製造方法に適宜な順序で組み合わせることができる。さらに、レーザにより単結晶ダイヤモンド素材を切断する工程の後、切断面をレーザで研磨する工程を付加しても良い。
【０００８】
本発明において切刃は、円弧の一部である。この構成により、切刃の位置を特定するための計算が容易となり、精密加工を行う上で好ましい。また工具の加工についても、非線形の切刃でないため、工具の製作が容易である。なお、円弧の中心線は、代表的には円弧の中心を通り、工具送り方向に直交する線である。
【０００９】
次に＜１１Ｘ＞の方位が、中心線に対して角度θが１０〜６０度回転している理由を説明する。ダイヤモンドの結晶は異方性がある。そのうち（１１１）面は最も硬い面であるから、最も摩耗しない面である。この面を、工具の最も摩耗の激しい部位である境界摩耗が発生する部分に合わせて、バイトの長寿命化を図ろうとするものである。境界摩耗は、概略被削材と工具が最初に接触する部分、すなわち接触開始点の近辺に起こる。従って、境界摩耗が起こる部分は、円弧の半径や、切り込みと関係がある。実際の切り込みと、計算上の切り込みの変動をできるだけ小さくするためにθの大きさは、１０〜６０度の範囲が望ましい。θが１０度以上とする理由は、切り込み深さが変動しても接触開始点の位置はさほど変動しないことによる。また６０度以下とする理由は、小さい切り込みの場合、境界摩耗が耐摩耗性の高い部分から外れるからである。さらに望ましくは２０〜４５度である。なお、θを測る方向は、中心線からチップの移動方向である。
【００１０】
前記したように、（１１１）面は研磨できない面なので、本発明を達成するためには、レーザによる加工によって逃げ面を形成する。この加工には切断又は研磨が含まれる。通常のレーザでは切断面などがダイヤモンドから変質してグラファイトになり、その面をさらに研磨する必要がある。研磨しようとしても、結局（１１１）面を研磨できないことと、精度の高い逃げ面を作製できない。
【００１１】
本発明では、ダイヤモンドの結晶の分子間力を切断するために、１０００ｎｍ以下の波長のレーザを用いる。ＹＡＧレーザは、短波長でエネルギーが高いうえに、レンズで焦点を結ばせることができるので変質層は殆ど発生しないか又は除去できるのである。現在実用化しているレーザのうち特に好ましいのは、ＹＡＧレーザの３倍高調波、波長が３５５ｎｍのものを使う場合で、この場合は切断したままで、ダイヤモンドの変質層が殆どなくそのままで工具として利用できる。
【００１２】
本発明のひとつの大きな特徴は、前記したレーザを用いることでレーザによる加熱のために通常生じるダイヤモンドの変質層を実用上発生させないか、または変質層を実用上除去できることを見出した点にある。従って、前記したレーザにより形成した逃げ面は、切断の条件や使用するレーザ波長などの条件によって切断面そのもので逃げ面になる場合と、切断後もう一度レーザによる研磨を要する場合がある。いずれの場合も、逃げ面には、表面粗さがＪＩＳで定められたＲｙで０．５μｍ程度の大きさのレーザ痕が残る。このような痕跡は、通常の機械的な研磨では生じることがないので、比較的簡単にレーザ加工であることを確認できる。
【００１３】
本発明における逃げ面は、逃げ角を持ちかつ逃げ面に沿って縦方向の筋状のレーザ切断痕を有する。この痕跡による逃げ面の面粗さが、ＪＩＳで定められたＲｙで０．０５〜１．０μｍであることが望ましい。より好ましくは、０．１〜０．５μｍである。筋状のレーザ痕が生じる理由はレーザの送りに関係すると考えられるが、レーザの光線の方向と一致していた。
【００１４】
単結晶ダイヤモンドチップのすくい面が（１１２）面、（１０１）面、（０１１）面であることが望ましい。この結晶面は、（１１Ｘ）面に対して直交する面であり、切粉の流れが滑らかで、しかも切刃の摩耗が少ないので望ましい。ただし、本発明で用いた結晶の面指数や、面方位は、一例であって同等な格子面にも適用できることは言うまでもない。
なお、本発明において、＜１１Ｘ＞方位および（１１Ｘ）面におけるＸは次の数式１を示している。
【００１５】
【数１】
2004181548.tif 000003
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の単結晶ダイヤモンドバイトの正面図である。このバイトは、工具本体１の上に台金２を固定し、その台金上に単結晶ダイヤモンドチップ３がロー付けされている。工具本体１と台金２とは超硬合金で作られている。
【００１７】
図２は、図１の単結晶ダイヤモンドチップを拡大し、切削状況を示した模式図である。円弧状の切刃の中心点である円弧中心６、その円弧の半径をａとした。図２において矢印は、被削材８に対するダイヤモンドチップ３の相対的な移動方区を示す。バイトが矢印の方向（送り方向）に移動すると、被削材８は、実際の切り込みＨで被削材８と単結晶ダイヤモンドチップ３が最初に接触する接触開始点７から工具先端４を通り単結晶ダイヤモンドチップを離れていく。θは、工具先端４と円弧中心６とを結ぶ中心線１０と、円弧中心６を通る＜１１Ｘ＞の方位とのなす角である。本例において、中心線１０は円弧の中心６を通り、工具送り方向に直交する線である。円弧中心６を通る＜１１Ｘ＞の方位と切刃の交点１１は、接触開始点７の近辺に位置することが重要である。このとき、実際の切り込みＨと、計算上の切り込みｈとは近いことが望ましい。
【００１８】
ｈの値は、次の式を満足する。
関係式      ｃｏｓθ＝（ａ−ｈ）／ａ
ただし、ａは切刃の半径、ｈは計算上の切り込み深さである。この式から、切り込み変動に対して、角度変動の大きさが計算でき、最適な角度を設定できる。
【００１９】
（実施例１）
超硬合金製の工具本体と台金をそれぞれ準備した。次に単結晶ダイヤモンドチップを準備した。厚さ０．８ｍｍ、大きさは概略２．５ｍｍ角の平板であった。単結晶ダイヤモンドは天然のものでも人造のものでも使用できるが、人造のものは品質が安定していて、結晶の面方位の割り出しなどが容易である。
【００２０】
単結晶ダイヤモンドチップを加工用の冶具にロー付けして、図４（Ａ）に示す形状のダイヤモンドチップを作製した。すくい面を単結晶ダイヤモンドの研磨された（１０１）面とし、円弧中心６を定め、すくい面（１０１）面上にあって、円弧中心を通る結晶の面方位が＜１１Ｘ＞の方向を確認した。チップ中心線１０は、＜１１Ｘ＞の方位からチップの移動方向に３０度回転した方向と定めた。円弧中心６から半径１ｍｍの円弧でダイヤモンド素材をレーザで切断、研磨した。切刃は、逃げ角αを持っていて、この実施例では６度とした。
【００２１】
詳しくは以下に記載する方法でレーザにより切断と研磨をした。切刃となる単結晶ダイヤモンド素材をレーザ加工機にセットして、レーザビームを照射して切断した。レーザ位置は固定の上、ダイヤモンドを送ることで切断し、加工の送り速度を１ｍｍ／ｍｉｎとした。次に、ダイヤモンドの位置を変えずにレーザビームを照射した状態でダイヤモンドを送り、レーザビームの側面で逃げ面を研磨した。この研磨加工は、加工音が認められなくなるまで同一の経路をレーザビームが通るようダイヤモンドを送り加工を続けた。
【００２２】
この実施例で用いたレーザビームは、波長が紫外線域のレーザである。紫外線領域のレーザはダイヤモンド結晶の分子を切断する働きがあり、結晶方位に影響されず、かつ加工面に変質したダイヤモンド即ち加工面に変質した層が殆どなかった。レーザは１０６５ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザの３倍高調波を使用し、波長は３５５ｎｍ、レンズの焦点距離は７５ｍｍであった。
【００２３】
レーザビームで研磨した単結晶ダイヤモンドチップの平面図を図４（Ａ）に、その矢視側面図を図４（Ｂ）に示す。逃げ面は（１１Ｘ）面９から逃げ角αをもち、逃げ面にはレーザで切断した斜めの筋からなる痕跡があった。切刃の半径は１ｍｍと設計どおりであった。
【００２４】
この工具を用いて被削材を切削すると、摩耗は（１１Ｘ）面９に平行な摩耗が起こる。従って、（１１Ｘ）面は逃げ面の方向ではなく、図４（Ｂ）に示すようにすくい面に直交する面とするのが望ましい。ただし前記した場合は、すくい角がゼロの場合である。すくい面に直交する面が摩耗の基準面とすれば、すくい角がゼロ以外の場合であっても基準面は変わらない。
【００２５】
比較例として、研磨盤に遊離砥粒を流しながら、ダイヤモンドを押し当てて研磨した。この方法では、単結晶ダイヤモンドに異方性があるために、研磨特性に差があること、さらに作業者の熟練と勘に頼る作業のため、安定して高精度のものが得られなかった。研磨によって作製された単結晶ダイヤモンドチップ３を図５に示す。本発明のものは、規格どおりの円の半径を持っていたが、研磨方法によって作製した従来の単結晶ダイヤモンドチップは図５に示すように（１１Ｘ）面の方向が十分に研磨されず、その方向に肉眼で見てもわかる突出部または不連続な境界を持つ形状になってしまい、工業的には使用できなかった。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、中心線から角度θを１０〜６０度回転した方向に単結晶ダイヤモンドの（１１Ｘ）面を配置することにより、耐摩耗性に優れたバイトを提供することができる。切刃を円弧の一部とすることで、工具を製作する上で容易でありかつ、工具の位置を正確に計算でき超精密加工が容易になる。１０００ｎｍ以下の波長をもつＹＡＧレーザを用いることにより、単結晶ダイヤモンドを切断、または研磨したときダイヤモンドの変質層が殆どない優れた切刃を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の単結晶ダイヤモンドバイトの正面図である。
【図２】図２は、本発明工具のダイヤモンドチップを拡大し、切削状況を示した模式図である。
【図３】図３は、境界摩耗が発生する状況を示す概念図である。
【図４】図４（Ａ）は本発明のレーザにより研磨した単結晶ダイヤモンドチップの平面図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）の矢視側面図である。
【図５】図５は、従来の研磨方法により研磨した単結晶ダイヤモンドチップの平面図である。
【符号の説明】
１      工具本体
２      台金
３      単結晶ダイヤモンドチップ
４      工具先端
５      境界摩耗
６      円弧中心
７      接触開始点
８      被削材
９      すくい面に垂直な（１１１）面
１０    中心線
１１    円弧中心を通る＜１１１＞の方位と切刃の交点
ａ      切刃円弧の半径
α      逃げ角
ｈ      計算上の切り込み
Ｈ      実際の切り込み
θ    中心線と＜１１１＞の方位のなす角度
【図１】
2004181548.tif 000004
【図２】
2004181548.tif 000005
【図３】
2004181548.tif 000006
【図４】
2004181548.tif 000007
【図５】
2004181548.tif 000008