JPH03131407A - ダイヤモンドバイト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の分野］ 本発明は、単結晶ダイヤモンドの工作面を有するダイヤ
モンドバイトに関するものである。

この様なダイヤモンドバイトは非鉄金属及び合成樹脂表
面の超精密機械加工のためのカッター及び線引きダイス
として用いられる。精密旋盤との組合せによりこのよう
なバイトは寸法精度及び滑らかさに関して、高い光学的
な要件に適合する機械加工目的物に用いることが出来る
。この様な加工目的物の例としては非球面レンズ及びリ
フレクタ−のためのダイス等がある。今日では、０．５
μｍ以上の寸法精度は２０ｃｍの直径を有する工作物ｗ
ｏｒｋ　ｐｉｅｃｅの場合に達成することができる。こ
の表面粗さＲ１１１１１１（ｐｅａｋ−ｖａｌｌｅｙ　
ｖａｌｕｅ）は従って０．０２μｍとなる。近い将来こ
の許容誤差は非常に厳密なもので５ｎｍの表面粗さ値Ｒ
ｍａｘ及び２５ｎｍの寸法精度となるであろう。この様
な許容誤差は焼結ダイヤモンド微粒子又は鋳型に埋め込
まれたダイヤモンド微粒子から製造されるようなチップ
を有するバイトを用いて達成することは出来ない。なぜ
ならばこの様な微粒子の平均的な大きさは数μｍである
からである。この理由のために、鋭く明確に規定された
単結晶ダイヤモンドが超精密機械加工におけるバイトチ
ップとして用いられ、このダイヤモンドの工作面ｗｏｒ
ｋ　ｆａｃａは特別な研磨盤ｇｒｉｎｄｉｎｇ　ｍａｃ
ｈｉｎｅを用いて必要形状に精密に研磨される単結晶ダ
イヤモンドのバイトチップは特殊なハンダ付け（ｓｏｌ
ｄｅｒｉｎｇ）法により柄に固定され、前記軸を精密旋
盤に取付けすることが出来る。

［発明の背景］ 冒頭に記載の様なダイヤモンドバイトは、Ｍａｃｈｉｎ
ｉｎｇ　Ｄａｔａ　Ｈａｎｄｂｏｏｋ、　２ｎｄ　Ｂｄ
ｉＬｉｕｎ、　Ｍｅｔｃｕｔ　Ｒｃｓｅａｒｃｈ　　八
５ｓｏｃｉａｔｅｓ　　Ｉｎｃ、、　　Ｃ１ｎＣｉｎｎ
ａｔｉ、　　０ｈｉｏ　　（１９７２）　ｃｈａｐｔｅ
ｒ　４．　ｐａｒａｇｒａｈ　４．７により知られてい
る。

寸法精度及び表面粗さに対する増大する需要の結果前記
既知の単結晶ダイヤモンドは、前記バイトチップの摩耗
が達成し得る精度や粗さに対して逆効果となるから、も
はやバイトチップに適切なものではなくなった。更に又
バイトの寿命は不経済なほど短い。

Ｕ発明の概要コ 本発明の目的はとりわけ充分に改善された摩耗抵抗を有
する工作面を有するダイヤモンドバイトを提供するもの
である。これは工作物の超精密回転を可能にし、前記ダ
イヤモンドバイトの長寿命化を達成することができる。

本発明によれば、この目的は冒頭に記載のようなダイヤ
モンドバイトにおいて前記ダイヤモンド中に硼素が分散
されることを特徴とするダイヤモンドにより達成される
。前記単結晶ダイヤモンドにおいて硼素は前記結晶全体
に均一に分散されてもよいが、結晶成長中に硼素拡散の
好ましい方向性により生じる濃度の小さく部分的な差が
あってもよい。この様な硼素含有単結晶ダイヤモンドは
大変小量自然界に見い出されているが、今日では合成に
より得るこまもできる。硼素含有単結晶ダイヤモンドは
硼素を含有しない単結晶ダイヤモンドに比較してより高
い摩耗抵抗を有するのでダイヤモンドバイトとして用い
るのに大変適していることが見い出されている。

ダイヤモンドバイトチップの表面にイオン注入技術を用
いて硼素を注入するとの記載がｒ　Ｎ、　Ｂ、　Ｗ。

１１ａｒｔｌｅｙ著、Ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ　Ｍａｔｅ
ｒｉａｌｓ　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ。

ｂｙ　ｔｏｎ　Ｉｍｐｌａｎａｔ＋ｏｎ、Ｓ、Ｔ、　Ｐ
ｉｃｒａｕｘ等の編著、Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ　（１９８２
）第２　！ｌ　５頁乃至３（）２頁Ｊの文献に記載され
ているこ出に注目されたい。しかしながら前記硼素はダ
イヤモンドの表面に偏在するので最大０．３μｍの硼素
注入表面層がある。この様なバイトチップはある期間使
用した後、研ぎ直される際に少なくとも１０μｍのダイ
ヤモンド層が研磨除去される。これは前記硼素含有表面
層が完全に消失してしまうので硼素を前記バイトチップ
に再び注入しなければならないことを意味する。この様
な注入は大変高価な工程である。更に前記硼素含有表面
層は前記結晶格子の硼素の組み込みにより生ずる最外部
層の体膨張の結果機械的なストレスを有する。このスト
レスにより前記ダイヤモンド材料はもろく、その結果ダ
イヤモンドの小さなかけらが作業中に前記バイトチップ
より欠けて（Ｃｈｉｐ　ｏｆｆ）Ｌ、まっ。ダイヤモン
ドのこれらのかけらは数μｍの大きさのため超精密皮表
面処理はもはや不可能となる。

本発明によるダイヤモンドバイトの実施例は、単結晶ダ
イヤモンドが合成ダイヤモンドであることを特徴とする
。合成単結晶ダイヤモンドは、天然ダイヤモンドよりも
より小さな摩耗の偏差範囲を示すことが見いだされてい
る。

本発明によるダイヤモンドバイトの他の実施例は、■な
いし３００ｐｐｍの硼素を有することを特徴とする。こ
れはダイヤモンドの１ｃｍ’当り１．８　Ｘｌ０１７な
いし５．２ＸｌＯ”’の硼素原子に対応する。既に述べ
たように、前記硼素はダイヤモンド結晶中に分散し、濃
度の部分的な差を生じ得る。前記硼素濃度範囲外では、
上述の様な単結晶ダイヤモンドからなるダイヤモンドバ
イトの好ましい特性は減少する。

〔実施例］ 本発明を以下の実施例について図面を参照し史に詳細に
説明する。

第１図は、ダイヤモンドバイトの側面図を示１７、第２
図は、ダイヤモンドバイトの平面図を示し、第３図は、
工作物の回転中に前記バイトチップに作用する３つの力
を示し、 第４図は、単結晶天然ダイヤモンドが前記バイトチップ
に用いられる場合、切粉長さの函数として回転動作中の
力の変化を示し、 第５図は、本発明による硼素含有単結晶合成ダイヤモン
ドを用いる場合、切粉長さの函数として回転動作中の力
の変化を示す。

［実施例］ 第１図及び第２図に於て参照番号１はカッターＣｕｔｔ
ｅｒの形状のダイヤモンドバイトを示す。前記バイトは
スチール製柄３と、この一端に単結晶ダイヤモンド５が
バイトチップとしてハンダ付けされている。前記軸はス
ルーホール（ｔｈｒｏｕｇｈ　ｈｏｌｅ）７を有し、こ
のスルーホールは旋盤に対しバイトを固定するのに用い
られる。傾斜面９は前記ダイヤモンド（００１）結晶表
面と一致し、前記軸表面１７に対し平行に延在する。前
記ダイヤモンドの結晶軸方向１１は、［１００１又は［
０］方向に選択され、前記バイトの軸方向１３に対し平
行に延在する。前記単結晶ダイヤモンドはラウェ（Ｌａ
ｕｅ）　Ｘ線回折技術を用いて位置合わせされる。研磨
により、前記ダイヤモンドは１ｍｍの旋回半径１５を有
する刃（ｃｕｔｔｉｎｇ　ｅｄｇｅ）を備える。クリア
ランス面（ｃｌｅａｒａｎｃｅｆａｃｅ）　１９は錐面
を有し、前記傾斜面９に対する垂直面２１と５°の角ａ
　（ｃｌｅａｒａｎｃｅ角）を形成する０前記バイトチ
ツプは０．１乃至２μｍの大きさを有する合成ダイヤモ
ンド粒子で被覆された鋳鉄研磨砥石車により研磨される
。

前記ダイヤモンドバイトは静水圧スライド及び空気主軸
を有する数値制御精密旋盤との組合せで用いられる。回
転中、前記バイトチップに潤滑用灯油が注油され、同時
に工作物ｗｏｒｋ　ｐｉｅｃｅからの切粉ｃｈｉｐが絶
え間なく出る。前記回転操作中、前記バイトチップの傾
斜面９　（第１図及び第２図参照）は機械加工されるべ
き工作物に対し、垂直方向に延びる。前記ダイヤモンド
バイトを備えるスライダは、前記バイトチップに作用す
る力を３個の垂直方向に測定することが出来る圧電ダイ
ナモメータ−（動力計）を構成する（第３図参照）。

前記３方向の力は主切断力ｍａｉｎ　ｃｕｔｔｉｎｇ　
ｆｏｒｃｅＦ。、推力ｔｈｒｕｓｔ　ｆｏｒｃｅＦ　ｐ
　、　漢の力ｔｒａｎｓｖｅｒｓ、ｅ　ｆｏｒｃｅＦ　
ｒである。第３図は軸４の周りに矢印６の方向に回転さ
れる円盤状の工作物２を概略的に示す。第３図は、前記
ダイヤモンドバイト１のバイトチップに作用する力を示
すものである。

不活性ガスのもとで還元される電気銅（ＡＳＴＭ　Ｆ６
８７７型）の円盤状工作物は試験されるべきダイヤモン
ドのためのデスト材料として用いられる。この材料は硬
さ及び組成の面でほんの少しの変化しか示さず大変精密
な微細構造を有する。このビツカーズ硬度（Ｖｉｃｋｅ
ｒｓ　ｔ＋ａｒｄｎｅｓｓ）は８６Ｈｖである。

前記ダイヤモンドの摩耗抵抗を決定するのに、全切粉長
５０ｋｍが前記銅デイスク２から切り出される。このデ
ィスクの回転速度は１１０００ｒｐである。

この送り量は１回転に５μｍで切断の深さも又約５μｍ
である。上記３つの力は開始時及び切粉長の１０ｋｍ毎
に測定される。切粉長の５Ｑｋｍの後にいわゆるダイヤ
モンドのクレータ摩耗Ｃｒａｔｅｒ　ｗｅａｒ　ヲタリ
ーステップ装置（１’ａｌｙｓｔｅｐ　ａｐｐａｒａｔ
ｕｓ）を用いて測定する。クレータ摩耗とは前記バイト
使用中傾斜面の表面上に生ずるクレータの形成である。

この試験では３つの型の単結晶ダイヤモンドが用いられ
る。すなわち、天然ダイヤモンド、合成ダイヤモンド及
び硼素含有合成ダイヤモンドである。ダイヤモンドの硼
素含有型合成ダイヤモンドは住友電工株式会社により供
給され、結晶中の位置により硼素の５．７乃至５７１Ｕ
１ｍ　（ｌｃ＋＋Ｉ当たり１０１ｆｌＪ５至１０１９硼
素原子）を含有する。１μｍ単位で測定されたクレータ
摩耗を用いられる結晶軸方向１１戸共に以下の表に記載
する（第１図及び第２図参照）。

（以下余白） 表 クレータ摩耗 単位 （μｍ ） 上記の表は合成ダイヤモンドは天然ダイヤモンドよりも
より小さな摩耗性であることを示す。硼素含有ダイヤモ
ンドは、前記用いられた銅は、５０ｋｍの切粉長を切り
出された後も全く摩耗の兆候を示さない。全ての場合に
於て、［１１０１軸方向が好ましい。

前記銅の回転中に生ずる力Ｆ　（ｍＮ）を単結晶天然ダ
イヤモンドバイトチップに対しｋｍ単位毎に切粉長ｄの
函数として第４図に示す。第５図では合成単結晶硼素含
有ダイヤモンドバイトチップに対する力を図示する。天
然ダイヤモンドの場合のＦＣ及びＦ、の減少は、傾斜面
におけるクレータの形成の兆候であり、この結果、形成
された切粉は簡単に除去することが出来る。前記クレー
タは切粉に対する刃に生じ、時間と共に壜入する。合成
単結晶硼素含有ダイヤモンドの場合、全くクレータの形
成を生じず、従って発生ずる力は一定である。

硼素含有単結晶ダイヤモンドが用いられる場合、実質的
に減少する摩耗のため、高精度及び５ｎｍの表面粗さＲ
，，９を長寿命と共に達成することが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ダイヤモンドバイトの側面図を示し、第２図
は、ダイヤモンドバイトの平面図を示し、第３図は、工
作物の回転中に前記バイトチップに作用する３つの力を
示し、 第４図は、単結晶天然ダイヤモンドが前記バイトチップ
に用いられる場合切粉長の函数として回転動作中の力の
変化を示し、 第５図は、本発明による硼素含有単結晶合成ダイヤモン
ドを用いる場合切粉長の函数として回転動作中の力の変
化を示す。 ｌ・・・ダイヤモンドバイト、 ２・・・銅デイスク、 ３・・・スチール製柄 ４・・・軸、 ５・・・単結晶ダイヤモンド、 ６・・・矢印、 ７・・・スルーホール、 ９・・・傾斜面、 １１・・・結晶軸方向、 １３・・・バイトの軸方向、 １５・・・旋回半径、 １７・・・軸表面、 １９・・・クリアランス面、 ２１・・・垂直面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、単結晶ダイヤモンドの工作面を有するダイヤモンド
   バイトにおいて、前記ダイヤモンド中に硼素が分散され
   ることを特徴とするダイヤモンドバイト。 ２、特許請求の範囲第１項に記載にダイヤモンドバイト
   において、単結晶ダイヤモンドが合成ダイヤモンドであ
   ることを特徴とするダイヤモンドバイト。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項に記載にダイヤモ
   ンドバイトにおいて、１ないし３００ｐｐｍの硼素を有
   することを特徴とするダイヤモンドバイト。