2015 VOL.25

Review

5. レーザ光の特長を活かした特殊加工

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
岩井

M. Iwai

学*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特徴も併せ持っている．また，水ガイドレーザに使用されているレーザ波長帯域 (λ =532nm)

１．はじめに耐久性の向上を目的に金型部品や切削工具へのダイヤモンド素材の適用が多く行われている．化学気相成長(CVD) 法によって超硬合金や工具・金型鋼の表面にダイヤモンド被覆を行う用途は多く，CVD 法は複雑な工具や金型形状に対応し易い特徴を持っている．現在，市販されている CVD ダイヤモンド被覆工具の表面粗さは最高品質のもので Rz =1~2µm １） と言われているが，加工面品位を向上させるにはダイヤモンド被覆の表面粗さをより向上させる必要がある．また，ダイヤモンド焼結体(PCD) も硬度，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．PCD への形状創成加工は放電加工によって行われるが，複雑で曲面を有する箇所の仕上げ加工には課題が残されている．
CVD ダイヤモンド表面の表面粗さを向上させる方策としては，1) ダイヤモンドの成長条件制御による結晶粒塊微細化，2) 微粒ダイヤモンド砥石による研削，3) ダイ
ヤモンド砥粒によるラッピング，4) 特殊金属材料などとの熱化学反応法，5) 高調波 YAG レーザ照射法，6) ピコ秒レーザ照射による蒸発法などが提案されているが，装置価格，加工コスト，加工時間，特に複雑形状への対応が困難であるなどの問題があり，1) の結晶粒微細化法以外は何れも実験段階に留まっているのが現状である．
既存 YAG レーザによる CVD ダイヤモンド膜の表面粗さ向上に関する研究としては，吉川，戸倉ら 2） や安永，鈴木ら 3）はダイヤモンド膜表面とほぼ平行 ( 照射角θ =80~89°) にレーザを照射する場合のみ CVD ダイヤモ
ンド成長面上の突起部を選択的に除去し，表面性状を向上できることが報告されている．しかし，ダイヤモンド膜表面に対しほぼ平行にレーザを照射する方法では複雑形状を有するドリルやエンドミルへの適用は容易ではな
い．
著者らは数 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 4)( 図１) をダイヤモンド類のはダイヤモンドの除去に適していると言われている３）．
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 CVD ダイ
ヤモンド膜の結晶凸部のみを図１のように選択的に除去し，結果として面性状を向上させることを目的としている．本報告では CVD ダイヤモンド厚膜の結晶成長面および PCD 表面の加工状況を調べた．

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２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．

微細加工に応用する研究 5) 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，凹凸のある立体形状に対しても加工できること，レーザ照射* 富山県立大学工学部准教授- 113 -

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さないと思われる．
(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°) および斜め方向 (θ =70°) から照射し，F =10m/minで走査した結果を図４に示す．垂直照射 (θ =0°) では 1

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，ミチテクノス ) にて照射を行った．スポット径 φ0.2mm 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３)．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 =70°) 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．
(3) スキャン照射回数と加工性能深く入り，周囲が黒く焦げていた．
このことから，ダイヤモンド結晶凸部の平滑化には適- 114 -2015 VOL.25

図２(c) のようにレーザ径 φ100µm 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５)．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６(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６(b))．

３．２

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７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．

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

PCD の表面加工- 115 -2015 VOL.25

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．
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．

謝参考文献
1) 羽生博之他：超微結晶ダイヤモンドコーティング工具による MMC 加工，日本機械学会 2001 年度年次大会
講演論文集 ( Ⅲ ) p.287.
2) 手塚，吉川：YAG レーザ照射によるダイヤモンド粒の切断，精密工学会誌，55，10 (1989) 1863.
3) 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.
4) ㈱スギノマシン：製品カタログ「ウォータービームマシン」.
5) 岩井，二ノ宮，鈴木他：ウォータービーム（水ガイド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．

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.

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