(57)【要約】  ナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いた被加工材の加工方法であって、ナノ多結晶ダイヤモンドは、１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、気相合成単結晶ダイヤモンドは、１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、被加工材の加工時において、被加工材とダイヤモンド工具との接触点におけるダイヤモンド工具の温度は４００℃以下であり、接触点からの距離が３ｃｍ以内の空間領域における酸素濃度は２０％以下である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いた被加工材の加工方法であって、
前記ナノ多結晶ダイヤモンドは、１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、前記気相合成単結晶ダイヤモンドは、１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、
被加工材の加工時において、
前記被加工材と前記ダイヤモンド工具との接触点における前記ダイヤモンド工具の温度は４００℃以下であり、
前記接触点からの距離が３ｃｍ以内の空間領域における酸素濃度は２０％以下である、ナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いた被加工材の加工方法。
【請求項２】
前記ダイヤモンド工具は、切削工具である、請求項１に記載のナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いた被加工材の加工方法。
【請求項３】
前記空間領域は、不活性気体を含む、請求項１または請求項２に記載のナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いた被加工材の加工方法。
【請求項４】
前記不活性気体は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、窒素、および二酸化炭素からなる群より選択される少なくとも１種である、請求項３に記載のナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いた被加工材の加工方法。
【請求項５】
被加工材を収容可能な加工室と、
前記加工室の内部に配置されたダイヤモンド工具と、
前記加工室に収容された被加工材と前記ダイヤモンド工具との接触点の温度を測定する温度計と、
前記接触点の酸素濃度を測定する酸素濃度計と、を備える工作機械であって、
前記ダイヤモンド工具はナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備え、
前記ナノ多結晶ダイヤモンドは、１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、前記気相合成単結晶ダイヤモンドは、１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、
前記酸素濃度計は前記接触点から３ｃｍ以内となる位置に配置され、
前記被加工材の加工時において、前記温度計による測定温度を４００℃以下に制御し、かつ、前記酸素濃度計による酸素濃度の測定値を２０％以下に制御する、工作機械。
【請求項６】
前記加工室に、酸素及び窒素からなり酸素濃度が２０％以下である混合気体、二酸化炭素、または不活性気体、を導入することにより、前記酸素濃度計による酸素濃度の測定値を２０％以下に制御する、請求項５に記載の工作機械。
【請求項７】
ナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いて被加工材を加工することにより部材を製造する、部材の製造方法であって、
前記ナノ多結晶ダイヤモンドは、１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、前記気相合成単結晶ダイヤモンドは、１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、
前記被加工材の加工時において、
前記被加工材と前記ダイヤモンド工具との接触点における前記ダイヤモンド工具の温度は４００℃以下であり、
前記接触点からの距離が３ｃｍ以内の空間領域における酸素濃度は２０％以下である、部材の製造方法。
【請求項８】
前記被加工材は硬脆材、非鉄金属、樹脂、強化プラスチックから選択される１種類以上の材料からなり、
前記硬脆材は超硬合金およびセラミックスから選択される１種類以上の材料からなり、
前記非鉄金属は銅合金およびアルミニウム合金から選択される１種類以上の材料からなり、
前記樹脂はアクリルおよびポリカーボネートから選択される１種類以上の材料からなり、
前記強化プラスチックは、炭素繊維強化プラスチックおよびガラス繊維強化プラスチックから選択される１種類以上の材料からなる、請求項７に記載の部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いた被加工材の加工方法に関する。本出願は、２０１６年１１月１６日に出願した日本特許出願である特願２０１６−２２３２６２号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは高硬度、高熱伝導率の他、高い光透過率、ワイドバンドギャップなどの多くの優れた性質を有することから、各種工具、光学部品、半導体、電子部品の材料として幅広く用いられている。とりわけ、高硬度であることを利用した切削工具や耐摩工具は、ダイヤモンドの主要な工業応用例であり、今後さらに重要性が増すものと考えられる。【０００３】
工業的に使用されているダイヤモンドとしては、天然産出物の他、品質が安定している高温高圧合成によるダイヤモンド単結晶や、鉄、コバルト、ニッケルといった結合材を含む焼結体ダイヤモンドが広く使用されている。また、近年の人工合成技術の進歩により、超高圧高温下で合成されたナノ多結晶ダイヤモンド（たとえば、角谷他、「ナノ多結晶ダイヤモンドの切削性能」、２０１０年７月、ＳＥＩテクニカルレビュー、第１７７号、ｐ１０７（非特許文献１））や、気相成長法により合成された大型の気相合成単結晶ダイヤモンド（たとえば、特開２０１２−１１１６５３号公報（特許文献１））が、利用されるようになってきた。【０００４】
ナノ多結晶ダイヤモンドは、結合材を含まないダイヤモンド単相からなる強靭な多結晶体であり、数十ｎｍ程度の超微粒のダイヤモンド粒子が互いに強固に直接結合した組織を有する。このようなナノ多結晶ダイヤモンドは、単結晶を凌駕する硬度を持ち、劈開性や結晶異方性が無いため、優れた機械特性を有する。このようなナノ多結晶ダイヤモンドを備える工具によれば、これまで困難であった超硬合金、セラミック等の硬脆材の切削仕上げ加工が実現できる。【０００５】
大型の気相合成単結晶ダイヤモンドは、単結晶ダイヤモンド種基板を隙間なく敷き詰めて下地基板とし、その上にホモエピタキシャル成長で継ぎ目のない気相合成単結晶ダイヤモンドを合成した後、下地基板を分離することにより製造される。このように製造された大型の気相合成単結晶ダイヤモンドは、従来得ることが困難なサイズを有することができる。このような大型の気相合成単結晶ダイヤモンドを備える工具によれば、アクリル端面の一発鏡面加工、アルミニウム合金のフライス加工等において、タクトタイムの大幅な低減が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１１１６５３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】角谷他、「ナノ多結晶ダイヤモンドの切削性能」、２０１０年７月、ＳＥＩテクニカルレビュー、第１７７号、ｐ１０７
【発明の概要】
【０００８】
本開示の一態様に係る、ナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いた被加工材の加工方法は、ナノ多結晶ダイヤモンドは、１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、気相合成単結晶ダイヤモンドは、１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、被加工材の加工時において、被加工材とダイヤモンド工具との接触点におけるダイヤモンド工具の温度は４００℃以下であり、接触点からの距離が３ｃｍ以内の空間領域における酸素濃度は２０％以下である。
【０００９】
本開示の一態様に係る工作機械は、被加工材を収容可能な加工室と、加工室の内部に配置されたダイヤモンド工具と、加工室に収容された被加工材とダイヤモンド工具との接触点の温度を測定する温度計と、接触点の酸素濃度を測定する酸素濃度計と、を備える工作機械であって、ダイヤモンド工具はナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備え、ナノ多結晶ダイヤモンドは、１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、気相合成単結晶ダイヤモンドは、１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、酸素濃度計は接触点から３ｃｍ以内となる位置に配置され、被加工材の加工時において、温度計による測定温度を４００℃以下に制御し、かつ、酸素濃度計による酸素濃度の測定値を２０％以下に制御する。
【００１０】
本開示の一態様に係るナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いて被加工材を加工することにより部材を製造する、部材の製造方法は、ナノ多結晶ダイヤモンドは、１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、気相合成単結晶ダイヤモンドは、１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、被加工材の加工時において、被加工材とダイヤモンド工具との接触点におけるダイヤモンド工具の温度は４００℃以下であり、接触点からの距離が３ｃｍ以内の空間領域における酸素濃度は２０％以下である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、一実施形態に係るダイヤモンド工具を用いた被加工材の加工方法、工作機械、及び、部材の製造方法を説明するための模式的な図である。
【図２】図２は、他の一実施形態に係るダイヤモンド工具を用いた被加工材の加工方法、工作機械、及び、部材の製造方法を説明するための模式的な図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
[本開示が解決しようとする課題]
しかしながら、上記のナノ多結晶ダイヤモンド単結晶および気相合成単結晶ダイヤモンドは、それ自体の製造が難しく、また工具に適用させるための造形加工が難しい傾向がある。このため、従来品と比して未だ高価であり、故に従来のダイヤモンド工具と置き換えされ難いのが実情である。すなわち、ナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を作製しても、コストパフォーマンスに問題がある場合が多く、適用範囲が限られていた。
【００１３】
本開示では、ナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いた、コストパフォーマンスに優れた被加工材の加工方法、工作機械、及び、部材の製造方法を提供することを目的とする。
[本開示の効果]
上記によれば、ナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いた、コストパフォーマンスに優れた被加工材の加工方法、工作機械、及び、部材の製造方法を提供することができる。
【００１４】
[本発明の実施形態の説明]
本発明者らは、ナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンド（以下、「ＣＶＤ単結晶ダイヤモンド」ともいう）を備えるダイヤモンド工具の刃先摩耗を抑制して長寿命化を可能とし、これによってコストパフォーマンスを向上させるべく、鋭意検討を重ねた。具体的には、本発明者らは、ダイヤモンド工具と被加工材が配置される加工室内の環境管理について考察した。従来、加工室内は空気雰囲気とされるのが通常であり、また、被加工材とダイヤモンド工具とが接してなる接触点に対しては、潤滑性の向上や冷却を目的として、切削液が噴射されることが多い。しかし、このような従来の環境管理では、各条件の制御を工夫しても、上記課題の解決には至らなかった。
【００１５】
本発明者らは、従来の環境管理では課題が解決できない理由を鋭意検討した。その結果、ナノ多結晶ダイヤモンドまたはＣＶＤ単結晶ダイヤモンドにおける切削加工時の摩耗量が、工具と被加工材との接触点の温度および接触点近傍の雰囲気中の酸素濃度に対して敏感に変化することを見出した。そこで、本発明者らはこの点について更なる検討を重ねた。
【００１６】
その結果、本発明者らは、接触点の温度が高く、かつ接触点近傍の雰囲気中の酸素濃度が高いほど、ダイヤモンド工具の刃先摩耗において、機械的摩耗による摩耗よりも反応性摩耗による摩耗が支配的となることを知見した。反応性摩耗とは、ダイヤモンドを構成する炭素原子が、雰囲気中または被加工材中の酸素原子と化学的に結合して、二酸化炭素または一酸化炭素となることにより、ダイヤモンドが摩耗する現象である。機械的摩耗とは、ダイヤモンドと被加工材とが擦れ合う力によって、ダイヤモンドが摩耗する現象である。
【００１７】
そして、上記知見に基づく更なる検討により、ナノ多結晶ダイヤモンドまたはＣＶＤ単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いて被加工材を加工する場合に、被加工材とダイヤモンド工具との接触点近傍の雰囲気、および該接触点におけるダイヤモンド工具の温度を適切に制御することにより、コストパフォーマンスが大幅に改善されることを見出し、本発明を完成させた。以下に、本発明の実施態様を列記して説明する。
【００１８】
〔１〕本開示の一態様に係るナノ多結晶ダイヤモンドまたはＣＶＤ単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いた被加工材の加工方法は、ナノ多結晶ダイヤモンドは、１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、気相合成単結晶ダイヤモンドは、１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、被加工材の加工時において、被加工材とダイヤモンド工具との接触点におけるダイヤモンド工具の温度は４００℃以下であり、接触点からの距離が３ｃｍ以内の空間領域における酸素濃度は２０％以下である。
【００１９】
上記加工方法においては、ダイヤモンド工具の刃先摩耗が抑制され、これによってダイヤモンド工具の長寿命化が実現されるため、コストパフォーマンスが改善されることとなる。したがって、上記加工方法によれば、ナノ多結晶ダイヤモンドまたはＣＶＤ単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いた、コストパフォーマンスに優れた被加工材の加工方法を提供することができる。
【００２０】
〔２〕ダイヤモンド工具は切削工具であることが好ましい。これにより、コストパフォーマンスにさらに優れた被加工材の切削加工が可能となる。
【００２１】
〔３〕上記加工方法において、空間領域は、不活性気体を含むことが好ましい。これにより、ダイヤモンド工具の刃先摩耗がさらに抑制され、もってコストパフォーマンスにさらに優れた被加工材の切削加工が可能となる。
【００２２】
〔４〕上記加工方法において、不活性気体は、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、窒素、および二酸化炭素からなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。これにより、ダイヤモンド工具の刃先摩耗がさらに抑制され、もってコストパフォーマンスにさらに優れた被加工材の切削加工が可能となる。
【００２３】
〔５〕本開示の一態様に係る工作機械は、被加工材を収容可能な加工室と、加工室の内部に配置されたダイヤモンド工具と、加工室に収容された被加工材とダイヤモンド工具との接触点の温度を測定する温度計と、接触点の酸素濃度を測定する酸素濃度計と、を備える工作機械であって、ダイヤモンド工具はナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備え、ナノ多結晶ダイヤモンドは、１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、気相合成単結晶ダイヤモンドは、１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、酸素濃度計は前記接触点から３ｃｍ以内となる位置に配置され、被加工材の加工時において、温度計による測定温度を４００℃以下に制御し、かつ、酸素濃度計による酸素濃度の測定値を２０％以下に制御する。
【００２４】
上記工作機械においては、被加工材の加工時に、ダイヤモンド工具の刃先摩耗が抑制され、これによってダイヤモンド工具の長寿命化が実現されるため、コストパフォーマンスが改善されることとなる。したがって、上記工作機械によれば、ナノ多結晶ダイヤモンドまたはＣＶＤ単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いた、コストパフォーマンスに優れた工作機械を提供することができる。
【００２５】
〔６〕上記工作機械において、加工室に、酸素及び窒素からなり酸素濃度が２０％以下である混合気体、二酸化炭素、または不活性気体、を導入することにより、酸素濃度計による酸素濃度の測定値を２０％以下に制御することが好ましい。これにより、ダイヤモンド工具の刃先摩耗がさらに抑制され、もってコストパフォーマンスがさらに改善される。
【００２６】
〔７〕本開示の一態様に係る部材の製造方法は、ナノ多結晶ダイヤモンドまたは気相合成単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いて被加工材を加工することにより部材を製造する、部材の製造方法であって、ナノ多結晶ダイヤモンドは１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、気相合成単結晶ダイヤモンドは１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の窒素原子を含み、被加工材の加工時において、被加工材とダイヤモンド工具との接触点におけるダイヤモンド工具の温度は４００℃以下であり、接触点からの距離が３ｃｍ以内の空間領域における酸素濃度は２０％以下である。
【００２７】
上記部材の製造方法においては、ダイヤモンド工具の刃先摩耗が抑制され、これによってダイヤモンド工具の長寿命化が実現されるため、コストパフォーマンスが改善されることとなる。したがって、上記部材の製造方法によれば、ナノ多結晶ダイヤモンドまたはＣＶＤ単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を用いた、コストパフォーマンスに優れた部材の製造方法を提供することができる。
【００２８】
〔８〕上記被加工材は硬脆材、非鉄金属、樹脂、強化プラスチックから選択される１種類以上の材料からなり、硬脆材は超硬合金およびセラミックスから選択される１種類以上の材料からなり、非鉄金属は銅合金およびアルミニウム合金から選択される１種類以上の材料からなり、樹脂はアクリルおよびポリカーボネートから選択される１種類以上の材料からなり、強化プラスチックは、炭素繊維強化プラスチックおよびガラス繊維強化プラスチックから選択される１種類以上の材料からなることが好ましい。本開示の一態様に係る部材の製造方法によれば、これらの材料の切削仕上げ加工を優れたコストパフォーマンスで実現することができる。
【００２９】
[本発明の実施形態の詳細]
以下、図面を参照して、本実施形態に係るダイヤモンド工具を用いた被加工材の加工方法について詳細に説明する。ただし、本実施形態はこれらに限定されるものではない。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００３０】
〈第１の実施形態：エンドミルによる被加工材の平面加工〉
図１を用いながら、一実施形態に係るダイヤモンド工具を用いた、被加工材の加工方法、工作機械、及び、部材の製造方法について説明する。
【００３１】
図１は、一実施形態に係るダイヤモンド工具を用いた、被加工材の加工方法、工作機械、及び、部材の製造方法を説明するための模式的な図である。図１において、ダイヤモンド工具１および被加工材Ｗは、工作機械２０の加工室２内に配置されている。
【００３２】
ダイヤモンド工具１は、旋削工具、転削工具等の切削工具が好ましいが、ダイス等の耐摩工具であってもよい。図１では、ダイヤモンド工具１がエンドミルの例が示されているが、ダイヤモンド工具１の種類はこれに限定されない。ダイヤモンド工具１は、基体１ａと、刃先１ｂとを備える。基体１ａは、従来公知の材料を用いることができる。刃先１ｂは、ナノ多結晶ダイヤモンドまたはＣＶＤ単結晶ダイヤモンドにより構成される。また刃先１ｂは、焼結体ダイヤモンドや超硬合金等からなる母材の表面に、ＣＶＤ単結晶ダイヤモンドをコーティングしたものでもよい。刃先１ｂの形状としては、ボール型、ラジアス型等を挙げることができ、１枚刃または２枚刃以上の複数刃が適用可能である。
【００３３】
ダイヤモンド工具１がナノ多結晶ダイヤモンドを備える場合、該ナノ多結晶ダイヤモンドは、１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下の窒素原子を含む。一方、ダイヤモンド工具１がＣＶＤ単結晶ダイヤモンドを備える場合、該ＣＶＤ単結晶ダイヤモンドは、１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の窒素原子を含む。このようなナノ多結晶ダイヤモンドまたはＣＶＤ単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具１は、靱性および硬度といった工具特性に優れるものとなる。また、種々の実験により、この場合に本発明の効果が顕著となることを確認している。なお、ダイヤモンド工具１に適用可能なナノ多結晶ダイヤモンドおよびＣＶＤ単結晶ダイヤモンドは、これに限られない。
【００３４】
被加工材Ｗは、ダイヤモンド工具１により加工が実施される加工対象物である。被加工材Ｗとしては、超硬合金、セラミック等の硬脆材、銅合金、アルミニウム合金等の非鉄金属、アクリル、ポリカーボネート等の樹脂、炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチック等の強化プラスチック、および非鉄材料等が挙げられる。
【００３５】
工作機械２０としては、マシニングセンタ等の加工装置が利用可能である。工作機械２０は、ダイヤモンド工具１および被加工材Ｗを内部に収容する加工室２を備える。加工室２は、気密性を高く維持可能な構造を有し、内部の雰囲気を調製するためのガス導入口３およびガス排出口４を備える。ガス導入口３は、所望の温度および湿度にて、任意の気体を導入することができる。また加工室２内には、ダイヤモンド工具１を固定するための主軸５と、被加工材Ｗを固定するための加工ステージ（不図示）が配置されている。
【００３６】
さらに加工室２内には、被加工材Ｗとダイヤモンド工具１の刃先１ｂとが接してなる接触点Ｐの温度を測定するための温度計である放射温度計６と、接触点Ｐ近傍における酸素濃度を測定するための酸素濃度計７が設けられている。酸素濃度計７は、接触点Ｐからの距離が３ｃｍ以内となる位置に酸素センサ部分が位置するように配置される。接触点Ｐからの距離が３ｃｍ以内の空間領域における酸素濃度を適切に測定するためである。酸素濃度計７は、接触点Ｐからの距離が３ｃｍとなる位置に酸素センサ部分が位置するように配置されることが好ましい。
【００３７】
図１に示される上記工作機械２０において、ダイヤモンド工具１は、被加工材Ｗを次のように加工することにより部材を製造する。まず、主軸５にはダイヤモンド工具１が固定され、加工ステージ上にはバイス等により被加工材Ｗが配置される。次にまたは同時に、加工室２内に気体が導入される。
【００３８】
導入される気体の組成は、接触点Ｐからの距離が３ｃｍ以内の空間領域における酸素濃度が２０％以下となるように調製される。また、ガス導入口３を介して加工室２内に導入される気体の温度および湿度は所望の範囲に制御される。本実施形態において、切削液は使用されない。換言すれば、空間領域には、液体が存在しないこととなる。
【００３９】
上記空間領域は、不活性気体を含むことが好ましい。不活性気体としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドンの希ガス、窒素、二酸化炭素からなる群より選択される少なくとも１種が挙げられる。なお、不活性気体には、これらの混合気体が含まれ得ることはいうまでもない。
【００４０】
たとえば、空間領域に存在する気体の組成を、酸素および窒素からなる混合気体とする場合には、ガス導入口３から導入される気体の組成を、酸素および窒素からなる混合気体とすればよい。この場合、混合気体中の酸素濃度は２０％以下であることが好ましい。また空間領域に存在する気体に二酸化炭素を含ませる場合には、気体である二酸化炭素の導入に代えて、空間領域にドライアイスを配置させてもよい。
【００４１】
上記加工室内において、被加工材Ｗは、所定の加工条件にて加工されて部材となる。加工時、又は、部材の製造時、ダイヤモンド工具１は、たとえば、主軸５の移動動作に伴ってＺ方向に動作し、かつ主軸５の回転動作に伴って主軸５の軸を回転軸として回転する。また被加工材Ｗは、加工ステージの動作に伴ってＸ方向およびＹ方向に動作する。これにより、刃先１ｂは回転しながら被加工材Ｗの表面上を移動することとなり、被加工材Ｗの表面が切削される。
【００４２】
また、加工においては、主軸５および加工ステージの動作により、表１の加工条件を好適に実施することができる。なお、図１においては平面加工が示されるが、倣い加工、その他の加工であってもよい。
【００４３】
【表１】
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上記の加工方法、及び、部材の製造方法においては、ガス導入口３から導入される気体の適切な選択により、加工室２内の雰囲気を制御することができ、これにより、空間領域における酸素濃度を２０％以下に制御することができる。また、切削液を用いずに、主軸５の回転数を制御することにより、接触点Ｐにおけるダイヤモンド工具（刃先）の温度を４００℃以下に制御することができる。接触点Ｐ近傍の雰囲気、および該接触点Ｐにおけるダイヤモンド工具１の温度がこのように制御されることにより、刃先１ｂの摩耗が抑制される。これによってダイヤモンド工具１の長寿命化が実現され、もってコストパフォーマンスに優れた被加工材Ｗの加工方法、部材の製造方法、及び、ダイヤモンド工具を用いた工作機械が実現される。
【００４４】
また本実施形態において、空間領域における酸素濃度は１０％以下であることが好ましい。この場合、さらに刃先１ｂの摩耗が抑制され、もってコストパフォーマンスに優れることができる。
【００４５】
〈第２の実施形態：エンドミルによる被加工材の端面加工〉
図２を用いながら、他の一実施形態に係るダイヤモンド工具を用いた、被加工材の加工方法、工作機械、及び、部材の製造方法について説明する。
【００４６】
図２は、他の一実施形態に係るダイヤモンド工具を用いた、被加工材の加工方法、工作機械、及び、部材の製造方法を説明するための模式的な図である。図２において、ダイヤモンド工具１０および被加工材Ｗは、工作機械２０の加工室２内に配置されている。
【００４７】
ダイヤモンド工具１０は、旋削工具、転削工具等の切削工具が好ましいが、ダイス等の耐摩工具であってもよい。図２では、ダイヤモンド工具１０がエンドミルの例が示されているが、ダイヤモンド工具１０の種類はこれに限定されない。ダイヤモンド工具１０は、基体１０ａと、刃先１０ｂとを備える。基体１０ａは、従来公知の材料を用いることができる。刃先１０ｂは、ナノ多結晶ダイヤモンドまたはＣＶＤ単結晶ダイヤモンドにより構成される。また刃先１０ｂは、焼結体ダイヤモンドや超硬合金等からなる母材の表面に、ＣＶＤ単結晶ダイヤモンドをコーティングしたものでもよい。刃先１０ｂの形状としては、スクエア型を挙げることができ、１枚刃または２枚刃以上の複数刃が適用可能である。
【００４８】
ダイヤモンド工具１０がナノ多結晶ダイヤモンドを備える場合、該ナノ多結晶ダイヤモンドは、１０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下の窒素原子を含む。一方、ダイヤモンド工具１０がＣＶＤ単結晶ダイヤモンドを備える場合、該ＣＶＤ単結晶ダイヤモンドは、１ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の窒素原子を含む。このようなナノ多結晶ダイヤモンドまたはＣＶＤ単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具１０は、靱性および硬度といった工具特性に優れるものとなる。また、種々の実験により、この場合に本発明の効果が顕著となることを確認している。なお、ダイヤモンド工具１０に適用可能なナノ多結晶ダイヤモンドおよびＣＶＤ単結晶ダイヤモンドは、これに限られない。
【００４９】
被加工材Ｗ、工作機械２０、および被加工材Ｗの加工方法は、第１の実施形態と同様であるため、その説明は繰り返さない。加工においては、主軸５および加工ステージの動作により、表２の加工条件を好適に実施することができる。
【００５０】
【表２】
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また本実施形態において、空間領域における酸素濃度は１０％以下であることが好ましい。この場合、さらに刃先１ｂの摩耗が抑制され、もってコストパフォーマンスに優れることができる。
【実施例】
【００５１】
以下、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。【００５２】
〈検討１：エンドミルによる平面加工〉
《実施例１》
図１に示すような加工体系及び工作機械を用いて、表３に示す条件下で被加工材の加工方法を実施した。被加工材としては、超硬合金からなる「ＡＦ１」（住友電工ハードメタル製の超々微粒合金）を用い、ダイヤモンド工具の刃先には、ナノ多結晶ダイヤモンドを用いた。ガス導入口から導入する気体を、空気と窒素の混合気体とし、この混合比を制御することにより、空間領域における酸素濃度が２０％となるように制御した。また、主軸の回転数を制御することにより、接触点におけるダイヤモンド工具の温度を４００℃に維持させた。なお、切削液は使用しなかった。【００５３】
加工終了後、ダイヤモンド工具の刃先における逃げ面摩耗量を測定した。その結果を表３に示す。表３中の「ＮＰＤ」はナノ多結晶ダイヤモンドを意味する。また「導入ガス」は、ガス導入口から導入された気体の種類を意味し、「酸素濃度」は酸素濃度計により測定された空間領域の酸素濃度を意味する。また「接触点温度」は、接触点におけるダイヤモンド工具の温度を意味する。【００５４】
《実施例２〜１０》
混合気体の混合比を適宜変更することにより、空間領域における酸素濃度を表３に示すように変更した以外は、実施例１と同様の方法及び工作機械を用いて、実施例２〜５の加工方法を実施した。また、主軸の回転数を適宜変更することにより、接触点におけるダイヤモンド工具の温度を表３に示すように変更した以外は、実施例１と同様の方法及び工作機械を用いて、実施例６〜１０の加工方法を実施した。加工終了後、ダイヤモンド工具の刃先における逃げ面摩耗量を測定した。各結果を表３に示す。【００５５】
《比較例１および２》
混合気体の混合比および主軸の回転数を適宜変更することにより、空間領域における酸素濃度および接触点におけるダイヤモンド工具の温度を表３に示すように変更した以外は、実施例１と同様の方法及び工作機械を用いて、比較例１および２の加工方法を実施した。そして、実施例１と同様に、加工終了時の刃先における逃げ面摩耗量を測定した。各結果を表３に示す。【００５６】
【表３】
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表３に示されるように、実施例１〜１０の加工方法によれば、ダイヤモンド工具における逃げ面摩耗幅が小さいことが確認された。一方、比較例１（接触点におけるダイヤモンド工具の温度が４５０℃の場合）および比較例２（空間領域における酸素濃度が２５％の場合）は、逃げ面摩耗幅が大きかった。【００５７】
〈検討２：エンドミルによる平面加工〉
導入するガスのうちの窒素を、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、および二酸化炭素のそれぞれに置き換えた以外は、実施例１〜１０のそれぞれと同様の加工方法を実施した。加工終了後、ダイヤモンド工具の刃先における逃げ面摩耗量を測定したところ、いずれの気体を用いた場合にも、実施例１〜１０と同様の挙動を示すことが確認された。【００５８】
〈検討３：エンドミルによる端面加工〉
《実施例１１〜２０》
図２に示すような加工体系及び工作機械を用いて、表４に示す条件下で被加工材の加工方法を実施した。被加工材としては、アルミニウム合金からなるＡ３９０（Ｓｉ約１７％含有）を用い、ダイヤモンド工具の刃先には、ＣＶＤ単結晶ダイヤモンドを用いた。刃先寸法のうち、切れ刃長Ｌは１５．０ｍｍとした。空間領域における酸素濃度、および接触点におけるダイヤモンド工具の温度の制御方法は、実施例１と同様である。【００５９】
加工終了後、ダイヤモンド工具の刃先における逃げ面摩耗量を測定した。その結果を表４に示す。表４中の「ＣＶＤＤ」はナノ多結晶ダイヤモンドを意味する。【００６０】
《比較例３および４》
混合気体の混合比および主軸の回転数を適宜変更することにより、空間領域における酸素濃度および接触点におけるダイヤモンド工具の温度を表４に示すように変更した以外は、実施例１１と同様の方法及び工作機械を用いて、比較例３および４の加工方法を実施した。加工終了後、ダイヤモンド工具の刃先における逃げ面摩耗量を測定した。各結果を表４に示す。【００６１】
【表４】
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表４に示されるように、実施例１１〜２０の加工方法によれば、ダイヤモンド工具における逃げ面摩耗幅が小さいことが確認された。一方、比較例３（接触点におけるダイヤモンド工具の温度が４５０℃の場合）および比較例４（空間領域における酸素濃度が２５％の場合）は、逃げ面摩耗幅が大きかった。【００６２】
〈検討４：エンドミルによる端面加工〉
導入するガスのうちの窒素を、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、および二酸化炭素のそれぞれに置き換えた以外は、実施例１１のそれぞれと同様の加工方法を実施した。その場合の逃げ面摩耗量を測定したところ、いずれの気体を用いた場合にも、実施例１１と同様の挙動を示すことが確認された。【００６３】
〈検討５：被加工材の材質の検討〉
本願の発明によれば、被加工物の材質に関わらずダイヤモンド工具の摩耗が抑制されることが実験的に確かめられた。すなわち、被加工物が超硬合金以外の硬脆材（セラミックス）、非鉄金属（銅合金、アルミニウム合金等）、樹脂（アクリル、ポリカーボネート等）、強化プラスチック（炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチック等）、その他非鉄材料等であっても、被加工物が超硬合金の場合と同様にダイヤモンド工具の摩耗が抑制された。【００６４】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６５】
１，１０  ダイヤモンド工具、１ａ，１０ａ  基体、１ｂ，１０ｂ  刃先、２  加工室、３  ガス導入口、４  ガス排出口、５  主軸、６  放射温度計、７  酸素濃度計、Ｗ  被加工材、Ｐ  接触点。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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