水ガイドレーザによるダイヤモンド金型部品の精密加工
富山県立大学

工学部 知能デザイン工学科
准教授 岩井 学（平成 24 年度一般研究開発助成 AF-2012201）
キーワード：レーザ加工，ダイヤモンド，表面粗さ

１．研究の目的と背景
ダイヤモンド焼結体(PCD)は硬度，化学的安定性に優れており，切削工具の他，プレス金型部品として摩耗が激しい部位への組み込みや耐摩耗材として用いられている．今後，さらに応用が見込まれる PCDを高能率，高精度に成形および鏡面仕上げする加工法が求められている．PCD の成形には放電加工やレーザ加工が用いられ，表面仕上げにはダイヤモンド砥石による研削，ダイヤモンド砥粒によるラッピング，特殊金属材料などとの熱化学反応法，高調波 YAGレーザ照射法，ピコ秒レーザ照射による蒸発法などが提案されている．しかし，複雑な金型形状を成形し，同時に表面を鏡面仕上げすることが問題となっている．
申請者らは数 10～100μm の微細ノズルから高圧(10MPa～)で噴射される細い水柱の内部にレーザを閉じ込めて加工点まで導く水ガイドレーザ(図１)１，２）
をダイヤモンド類の微細加工に応用する研究 ３）を行ってきた．水ガイドレーザはノズル先端部からの距離が数 10mm の範囲においてビーム径およびエネルギー密度が変わらないため，複雑形状の成形加工ができること，レーザ照射点近傍を常に高圧水で冷却しているため照射面の熱変質がきわめて少ないため表面凹凸の平滑化にも有効だと思われる(図２)．
水ガイドレーザに使用されているレーザ波長帯域(≒532nm)はダイヤモンドの除去に適していると言われおり，金型の耐摩部品に用いられる CVD ダイヤモンド膜やダイヤモンド焼結体(PCD)への応用も期待できる４）．
本研究では，数 10mm に及び同一のビーム形状やエネルギー密度を持ち，照射面に発生する熱を瞬間的に除去できる特徴を有する水ガイドレーザを用いて，複雑形状を有するダイヤモンド金型の成形精度および表面粗さを向上させることを目的とした．

レーザ
フォーカス
レンズ

窓
焦点

ノズル
加工領域

従来
水ガイドレーザ
レーザ（発散） （円柱）図１

通常法(左)と水ガイド法(右)によるビーム形状の比較１）
レーザ

高圧水水ガイドノズル

水ガイドレーザ
CVD ダイヤモンド膜

図２

水ガイドレーザによるダイヤモンド膜
凹凸の推定除去機構３）
表１

加工機

２．実験方法
実験装置および条件を表１に示す．CVD ダイヤモ
ンド厚膜の結晶成長面(初期粗さ Rz=60µm)およびPCD 表面への水ガイドレーザの照射実験は図３のように行った．水ガイドレーザ径 100µm，加工点と水ガイドレーザ照射口の間隔 Cl=20mm，レーザ出力(実効値)Pe=30W，周波数 15kHz，パルスオン時間100ns とした．走査速度は F=10m/min である．

加工領域

実験装置および条件

水ガイドレーザ機(Waterbeam Machine, スギノマシン)
LD 励起レーザ, λ=532nm (2 倍波)· CVD ダイヤモンド厚膜 (5×8×t0.5mm)
ダイヤ(CVDITE-CDM, 未研磨, ｴﾚﾒﾝﾄｼｯｸｽ)
モンド· ダイヤモンド焼結体 (PCD, 5×8×t0.5mm)
試料(原料ダイヤ径：10µm, 25µm, ｴﾚﾒﾝﾄｼｯｸｽ)
レーザ出力(実効値)：Pe=30W
レーザ
水ガイドレーザ径：100µm，周波数：15kHz
条件
パルス幅：オン時間 100ns，オフ時間 66µs
照射
条件

照射角：θ=0, 70º，走査速度：F=10m/min
間隔：Cl=20mm，オーバーラップ：50µm

ダイヤ
試料

50µm ずつ
オーバーラップ

水ガイドレーザ
θ=70°

ダイヤ
試料

θ=0°

(c) スキャン照射(b) 斜め照射(a) 垂直照射

図３

水ガイドレーザ照射模式図AA-AA(a) 加工領域

図４(b) 加工領域の加工深さ (A-A 断面)

YAG レーザによる加工表面

50µm
垂直照射 (θ=0º / 1 line)

図５50µm
斜め照射 (θ=70º / 5 line)

CVD ダイヤモンド厚膜結晶面へのレーザ照射角度と加工性能の関係 (Pe=30V)

３．各種ダイヤモンド試料への照射結果
3．1 CVD ダイヤモンド厚膜の表面加工(1) 既存 YAG レーザによる加工性能比較のため既存 YAG レーザ機（ML-2350AF，ミヤ チ テク ノス ） にて 照射 を 行っ た． ス ポッ ト径

0.2mm に対し 50µm ずつオーバーラップさせながら 4 ピッチ分スキャン照射した(図４)．大気中で，かつレーザ条件(Pe=1kW, te=1ms)が異なるが，CVDダイヤモンド表面に加工跡が深く入り，周囲が黒く焦げていた．

スキャン照射 5 回

スキャン照射 10 回

未加工部の境界スキャン照射 2 回

100µm

100µm

←→ 走査方向←→ 走査方向

50µm

50µm

50µm

粗さ曲線

加工領域

←→ 走査方向

100µm

0.5mm

RZ=28µm

0.5mm

0.5mm

RZ=24µm

RZ=19µm

図６ CVD ダイヤモンド厚膜結晶面の平滑加工

80

このことから，ダイヤモンド結晶凸部の平滑化には適さないと思われる．

30W50W(3) スキャン照射回数と加工性能図３(c)のようにレーザ径100µm に対し 50µm ずつオーバーラップさせながら 10 パス走査するス
キャン照射の施行回数と加工性能の関係を調べた(図６)．スキャン照射回数が増えると加工深さは増大し，スキャン照射 10 回後では 70µm の深さに達した(図７(a))．表面粗さは初期面粗さ Rz=60µm に対し，スキャン照射 10 回後では SEM 観察結果からもダイヤモンド結晶凸部が滑らかになっているのが分かり，Rz=19µm に改善された(図 7(b))．

402000246
スキャン回数810810(a) 加工深さ80

表面粗さ R ｚ µm(2) 照射角と加工性能の関係
レーザ出力 Pe=30W で水ガイドレーザを垂直方向( θ =0 º ) お よ び 斜 め 方 向 ( θ =70 º ) か ら 照 射 し ，
F=10m/min で走査した結果を図５に示す．垂直照射(θ=0º)では 1 パスの走査でダイヤモンド結晶凸部が除去されていた．斜め照射(θ=70º)では加工能率の低いため 5 パス走査した結果，広い溝幅でダイヤモンド結晶凸部が除去されていた．

加工深さ µm

6060402000246
スキャン回数(b) 表面粗さ
図７

スキャン照射における加工深さと表面粗さの変化

今後，PCD 金型に適用するため，加工量を制御し，表面粗さを良くするための加工条件の最適化を実験的，かつ理論的に行う必要がある．また，摩耗評価を行う予定である．

謝

レーザ照射前(b) ダイヤ粒径 25µm PCD

100µm

100µm

←→ 走査方向50µm

50µm←→ 走査方向

0.4mm
0.4mm

Rz = 24µm

Rz = 26µm

100µm

0.4mm

0.4mm

Rz = 4.6µm

図８100µm

50µm

50µm

４．おわりに
水ガイドレーザによるダイヤモン
ド金型部品の精密加工を実現するた
め，CVD ダイヤモンド膜および PCDの加工性能を調べた．
(1) CVD ダイヤモンド膜の結晶成長面に垂直照射した結果，結晶成長面凸部が除去され表面を平滑化できることが分かった．また，
CVD ダイヤモンド膜に対し，斜め方向から照射すれば一度に広い面積を平滑にできた．
(2) PCD 表面も原料ダイヤモンド粒径に寄らず平滑化できた．

(a) ダイヤ粒径 10µm PCD

加工後

3．2 PCD の表面加工放電加工により表面を荒らした
PCD に対し，水ガイドレーザをスキャン照射した結果を図８に示す．初期表面粗さ Rz=25µm に対しスキャン照射を 10 回行うと，原料ダイヤ粒径 10µm の PCD では Rz=4.6µm，粗粒ダイヤ 25µm の PCD では Rz=11µmにそれぞれ改善された．

Rz = 11µm

PCD へのスキャン照射(10 回)後の表面性状辞

本研究を行うに当たり，貴財団より助成していただきましたことに対して，厚く御礼申し上げます．

参考文献
1) SYNOVA JAPAN㈱：製品カタログ「水ジェット誘導レーザー」.
2) ㈱スギノマシン：製品カタログ「ウォータービームマシン」.

3) 岩井，二ノ宮，鈴木他：ウォータービーム（水ガイドレーザ）による超砥粒砥石の精密成形の試み，電気加工学会全国大会(2010)講演論文集 (2010)41.
4) 安永，鈴木他：Nd:YAG レーザ第 5 高調波照射による CVD ダイヤモンド膜の表面性状改善，2007
年度精密工学会春季大会講演論文集 (2007) 767.