JP4348583B2

JP4348583B2 - ダイヤモンドドリル及びその製造方法

Info

Publication number: JP4348583B2
Application number: JP36864799A
Authority: JP
Inventors: 一男新井
Original assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd; Adamant Namiki Precision Jewel Co Ltd
Current assignee: Namiki Precision Jewel Co Ltd; Adamant Namiki Precision Jewel Co Ltd
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2019-12-27
Also published as: JP2001179517A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、極小径の孔加工技術に用いられる精密切削工具に関するもので、詳しくは、超硬材料、シリコン単結晶材料、及びセラミックス材料などの難加工硬質材料に、極小径の深孔の孔明け加工を施すためのトップソリッド型のダイヤモンドドリルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術および課題】
従来、この種の硬質材料用切削工具には、金属加工においては、一般的な螺旋溝を有する金属素材からなるドリル母材の刃部領域表面等に、TiＣ、TiＮ等のチタン系炭化物・窒化物、及びＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）の硬質皮膜をイオンプレーティング等の成膜方法により形成させたもの、あるいはガラス・セラミックス等の加工においては、ダイヤモンド砥粒を金属素材工具表面に電着塗布、又はダイヤモンド砥粒を金属工具表面に樹脂等で焼き固め、砥石部分を形成したダイヤモンド工具（以下、ダイヤモンド砥粒を金属工具表面に固着したものをダイヤモンド工具という）などが挙げられる。
【０００３】
これら各種切削工具に求められる共通した課題は、第一に耐摩耗性を改善すること、つまり先端部のライフサイクルの長寿命化を狙う傾向にある。その目的で改良された最も代表的ものは、被加工物の材質を選ばずに多種多様な用途に用いることができる「ダイヤモンドドリル」である。
【０００４】
これは金属素材からなるドリル母材の切削工具刃先部分に、多結晶ダイヤモンドの焼結体チップを取り付けてドリル形状として用いている。これにより多結晶焼結ダイヤモンドが有する硬度、耐摩耗性、熱伝導性などの優れた諸特性により、シリコン、カーボン、セラミックス等の孔加工用切削工具として前記多結晶焼結ダイヤモンドを用いたダイヤモンドドリルが注目されている。
【０００５】
一般的に、上記ダイヤモンドドリルは、切削工具として以前よりアルミなどの軽合金の孔加工ばかりではなく、ガラス，エポキシ樹脂などの複合材料、及びプリント基板等の細孔加工にも効果的であることが知られており、また超硬合金、サファイヤ単結晶、ジルコニアセラミックス等の難加工材への孔加工用途として専用に開発され、いわゆる、先端部に多結晶焼結ダイヤモンドの焼結体チップが付いた「トップソリッド・ダイヤモンドドリル」が除々に実用化され、現在使用されている。
【０００６】
さらに最近では、半導体製造プロセスに用いられるエッチング装置に必要不可欠な超精密部品のマイクロ加工技術の需要に伴って、より高精度で高速、かつ長寿命の極細径孔明け用ドリルの要望が高まり、前記エッチング装置のシリコン電極板部品などの難加工材に対しても、応用されつつある。
【０００７】
しかし現状では、例えばシリコン電極板等の基板板厚が10mm以上の難加工材料になると、図８に示す現在市販されているシャンク付のトップソリッド・ダイヤモンドドリルのように、切削加工する主軸工具側のドリル長（孔明け研削有効部分のＬ寸法）が短く、長さが足りなくなり、深孔加工寸法には限界が生じてくる。
【０００８】
特に孔径がφ0.30mm〜φ0.60mm程度のトップソリッド・ダイヤモンドドリルでは、多結晶焼結ダイヤモンドの製造工程において、現在の超硬合金基材との一体焼結の技術水準からは、ドリル長のＬ寸法は焼結ダイヤモンド81部分と基材金属部82を含めても約７mmの長さが限界とされていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記極細深孔加工用のダイヤモンドドリルの問題及び従来技術での課題に対し、超硬合金素材の圧粉体基材上に、ダイヤモンドパウダー圧粉体を積層し、これを高温高圧下で処理して超硬合金一体焼結型の多結晶ダイヤモンド基板を製作し、この形成された前記一体焼結基板からの材料取りとして、基板を格子状に切断する際に、少なくとも多結晶焼結ダイヤモンド基板表面のＸ・Ｙ軸方向のどちらか一方に、入刀方向にθ＝30°〜85°の任意の傾斜角度を持たせて厚み方向を斜め切断することにより、対向する一対の切断面が平行となる細長棒状のダイヤモンドドリル成形ブランクを得て、この細長棒状の加工ブランク材料を用いてドリル長（Ｌ寸法）が７mm以上の細長ロングタイプのトップソリッド・ダイヤモンドドリルを製造するものである。
【００１０】
この時、超硬合金との一体焼結による多結晶ダイヤモンドの製造工程により得られる基板を格子状に切断する際、切断入刀方向に傾斜角度を持たせて厚み方向を斜め切断することが、最終的にドリル長（Ｌ寸法）を決定することとなる。つまり、前記焼結された素材基板をただ単に基板平面に対し垂直方向に切断するのではなく、少なくとも基板表面のＸ・Ｙ軸方向のどちらか一方に、基板平面に対し入刀角度としてθ＝30°〜85°の任意の傾斜角度を持たせて、厚み方向を斜め切断することにより、仮に基板の厚みをｔとした時、ドリル長（Ｌ寸法）は、Ｌ＝ｔ／Cosθの細長棒状ダイヤモンドドリル成形体ブランクを得ることができる。
【００１１】
但し、傾斜角がθ＝30°以下である場合は、斜め切断によるドリル長（Ｌ寸法）に対する寄与効果がほとんど期待できず、またθ＝85°以上になると、極細径の直径φ0.3mmの超硬合金の切削工具としての材質強度が不足する恐れがあるため、好ましくない。
【００１２】
前記のドリル成形体ブランクを二次加工することにより、多結晶焼結ダイヤモンドを先端に有する細棒状ドリルの外観形状が、例えば例として、ドリル先端部に角錐状又は多段の先端角を持たせた略砲弾型角錐形状で、かつ一体焼結の金属基材が細長の三角柱以上の多角柱であるものや、また別の例としては螺旋状の溝部とランド部を有し、且つそれらが螺旋のねじれ角を有する円筒側面溝付のドリル形状で、かつ先端刃先部が先端角を有するストレート又はアンダーカットタイプ形状等に加工された焼結ダイヤモンドチップを先端に有するものなどの、これら細長ロングタイプのトップソリッド・ダイヤモンドドリルが容易に製造できる。
【００１３】
また、前記多結晶焼結ダイヤモンド材料の代わりに、超硬合金と一体焼結する硬質素材として多結晶キュービック・ボロン・ナイトライド（ＰＣＢＮ焼結体）を用いて、同様なトップソリッドの孔明け用ドリルを作成してもよく、また本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、一体焼結に適した超硬合金等の基材組成を変えて組み合わせてもよい。
【００１４】
【実施例１】
以下、本発明の製造工程の一実施例について、図面を参照しながら説明する。
図５（ａ）に示す円盤状のものは、超硬合金一体焼結により得られた多結晶焼結ダイヤモンド基板であり、超硬合金素材（ＷＣ）の圧粉体基材上にダイヤモンドパウダー圧粉体を積層し、これを高温高圧下で処理して一体焼結素材基板50を得る。この形成された一体焼結素材基板50の大きさは、外径約φ60mm、厚み方向は焼結ダイヤモンド層51と超硬合金層52を合わせて約７mm厚である。
【００１５】
次に、図５（ｂ）に示すように、前記一体焼結素材基板50を細棒状ドリルの材料取りのため、細かく格子状に切断する。この時、少なくとも多結晶焼結ダイヤモンド基板表面のＸ・Ｙ軸方向のどちらか一方に、入刀角度θ＝30°〜85°の任意の傾斜角度θを持たせて厚み方向を斜めに切断する。
【００１６】
これにより同図（ｃ）のように一本一本に分け、同図（ｄ）に示すような細棒形状である、対向する一対の切断面が平行となる細長棒状のダイヤモンドドリル成形ブランク105が得られる。
【００１７】
さらに詳細に説明すると、例えば図６に示すように、基板の板厚が約ｔ＝７mmで、前記切断の入刀傾斜角をθ＝55°とした場合は、ドリル成形ブランク106として有効なドリル長（Ｌ寸法）は、切断ロスを含めてもＬ＝約12mmとなり、また同様に仮に傾斜角をθ＝70°とした場合には、Ｌ＝約20mmとなり、従来のドリル長（Ｌ寸法）の限界長さの３倍近いロングサイズの成形ブランク取りが可能となる。
【００１８】
次に、この細長棒状のドリル成形ブランクを用いて、四角柱タイプのダイヤモンドドリルを製作する一例を示す。まず前記切断した細長棒状のドリル成形ブランクを、正四角柱となる各側面の寸法形状に研削・研磨加工により整え、さらに多結晶焼結ダイヤモンド側の先端部を、図１に示す多段の先端角を有する略砲弾形状に加工し、ダイヤモンドドリル主軸部分10を作成する。
【００１９】
これを円筒状の金属シャンク5端部にロー付け固定することにより、図２に示す外観形状の、ドリル長（Ｌ寸法）が約20mmの細長ロングサイズのトップソリッドのダイヤモンドドリル20が完成する。
【００２０】
なお、ここで示す図１は、本発明の一実施例におけるダイヤモンドドリルの刃先端部分の拡大斜視図であり、1は多結晶焼結ダイヤモンド部分、2は角柱ドリル主要部の金属基材となる超硬合金（タングステンカーバイト：ＷＣ）部分、また3は一体焼結による接合部境界線、4はドリル先端の切れ刃部となる多段の先端角を配した略砲弾型角錐部分をそれぞれ示し、図２は、実際に孔加工に用いられる金属シャンク5部品に前記焼結体をロー付け固定したダイヤモンドドリル20完成品の概略斜視図を示すものである。
【００２１】
また、図２におけるダイヤモンドドリル20完成品は、ダイヤモンドドリル主軸部分10のドリル長（Ｌ寸法）が傾斜角をθ＝70°とした場合は、Ｌ＝約20mmとなり、このダイヤモンドドリル20を用いて細孔加工をすることにより、従来のドリル長（Ｌ寸法）の限界長さの２倍以上の深孔加工をすることができるようになる。
【００２２】
【実施例２】
次に、実施例１と同様な基板切断工程により得られた細長棒状のダイヤモンドドリル成形ブランクを用いて、別の外観形状を有するダイヤモンドドリルを作成する工程を説明する。ここでは前述基板製造に関する内容の説明は省略するが、前記同様、図７に示すように、切断の入刀傾斜角をθ＝75°として、ドリル成形基材としての有効なドリル長をＬ＝約25mm、とした成形ブランク107を切断により得る。
【００２３】
この細長棒状のドリル成形ブランク107を用いて、螺旋溝付のダイヤモンドドリルを製作する一例を以下に示す。まず前記切断した細長棒状のドリル成形ブランク107は、真円状の円柱となるように各対角部を研削・研磨、又は放電加工等により円筒形状に整え、さらに多結晶焼結ダイヤモンドの先端部を含むドリル円筒側面部分を、螺旋溝付のドリル形状に加工し、図３に示すダイヤモンドドリル主軸部30を作成する。
【００２４】
これにより多結晶焼結ダイヤモンドを先端部に有する細棒状ドリルの外観形状は、図３の六面図に示すように、螺旋状の溝部34とランド部35を有し、且つそれらが螺旋のねじれ角を有する円筒側面溝付のドリル形状となり、先端刃先部の多結晶焼結ダイヤモンド31には、先端角を有するストレート又はアンダーカットタイプ形状等に加工された先端切れ刃形状を付加することも可能である。
【００２５】
これを円筒状の金属シャンク端部にロー付け固定することにより、図４に示す外観形状の、ドリル長（Ｌ寸法）が20mm以上の細長超ロングタイプの螺旋溝付のトップソリッド・ダイヤモンドドリル40が完成する。
【００２６】
なお、ここで示す図３は、本発明の他の一実施例におけるダイヤモンドドリルの刃先端部分の拡大六面図であり、31は多結晶焼結ダイヤモンド部分、32は円柱ドリル主要部の金属基材となる超硬合金（タングステンカーバイト：ＷＣ）部分、また33は一体焼結による接合部境界線、36はドリル先端部となる先端角を有するストレート又はアンダーカットタイプ形状等に加工された先端切れ刃部分をそれぞれ示し、図４は、実際に加工に用いられる金属シャンク5部品に前記焼結体のドリル主軸部分30をロー付け固定したトップソリッドのダイヤモンドドリル40完成品の概略側面図を示すものである。
【００２７】
また実際に完成した前記φ0.3mm径のダイヤモンドドリル40を用いての孔明け加工は、図４に示す金属シャンク5部分を孔明け加工機側回転軸のコレットチャック台座に取付けて、加工機側の回転中心の芯出し位置調整を行い、加工試料としてシリコン単結晶（１００）面、100mm角×厚さ16.0mmの基板中央部分に約2000個の孔明け加工を連続して繰り返し行い、評価を行った。
【００２８】
孔明け加工が終了した前記シリコン単結晶基板について実測評価検査を行ったところ、１番目から1000番目の加工したそれぞれの孔径を測定した結果、初期の１番目孔径から100番目、200番目、300番目、‥‥、900番目、1000番目の各100番間隔での孔径変化は、径寸法公差で設定値±１μm以下の寸法バラツキ範囲であり、1000番目〜2000番目までの孔径及び形状にも大きな変化は見られず、最後まで孔の状態は安定していた。また同時に、ダイヤモンドドリル先端部においても、ドリル先端形状、及び径寸法に大きな変化は見られず、最後まで安定した孔明け性能を維持していた。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の一体焼結型のダイヤモンドドリルの製造方法（請求項６）においては、超硬合金素材の圧粉体基材上に、ダイヤモンドパウダー圧粉体を積層し、これを高温高圧下で処理して超硬合金一体焼結型の多結晶ダイヤモンド基板を製作し、この形成された前記一体焼結基板からの材料取りとして、基板を格子状に切断する際、少なくとも多結晶焼結ダイヤモンド基板表面のＸ・Ｙ軸方向のどちらか一方に、入刀方向にθ＝30°〜85°の任意の傾斜角度を持たせて厚み方向を斜め切断することにより、対向する一対の切断面が平行となる細長棒状のダイヤモンドドリル成形ブランクを得て、この前記細長棒状の成形ブランク材料を用いてダイヤモンドドリルの外観形状を形成することにより、ドリル長（Ｌ寸法）が10mm以上の、従来にないロングサイズのトップソリッド・ダイヤモンドドリルを得ることができる。
【００３０】
また、本発明のダイヤモンドドリル（請求項１）では、多結晶焼結ダイヤモンドを切削加工用ドリル先端に配した超硬合金一体焼結によるトップソリッド・ダイヤモンドドリルにおいて、多結晶焼結ダイヤモンドのダイヤチップ部分が、ドリル先端部からドリル首下方向（ドリル径の中心軸他端方向）に、かつ中心軸に対し傾斜角を持たせた切断面で区切られた一体焼結金属基材との接合面を境に、ドリル先端から首下方向の前記接合面に架けてのドリル長の中間部分で、斜め領域部分を配置したロングサイズのダイヤモンドドリルを提供することができる。
【００３１】
また、本発明のダイヤモンドドリル（請求項２）では、多結晶焼結ダイヤモンドを先端に有する細棒状ドリルの外観形状が、ドリル先端部に角錐状又は多段の先端角を持たせた略砲弾型角錐形状であり、かつ一体焼結の金属基材が細長の三角柱以上の多角柱であるロングサイズのダイヤモンドドリルを提供することができる。
【００３２】
また、本発明のダイヤモンドドリル（請求項３）では、多結晶焼結ダイヤモンドを先端に有する細棒状ドリルの外観形状が、螺旋状の溝部とランド部、及びねじれ角を有する円筒溝付のドリル形状であり、かつ先端刃先部が先端角を有するストレート又はアンダーカットタイプ形状等に加工された焼結ダイヤモンドチップを先端部に有するロングサイズのダイヤモンドドリルを提供することができる。
【００３４】
また本発明は、前記のような極小径の孔加工技術に用いられる専用の精密切削工具として、超硬材料、シリコン単結晶材料、及びセラミックス材料などの難加工硬質材料に、極小径の深孔の孔明け加工を施すための細長ロングサイズのダイヤモンドドリルを提供することができ、コストパフォーマンスと耐摩耗性に優れたトップソリッドのダイヤモンドドリルが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるダイヤモンドドリルの一例を示す先端部分の拡大斜視図。
【図２】本発明におけるダイヤモンドドリルの使用形態の一例を示す外観概略図。
【図３】本発明におけるダイヤモンドドリルの他の一例を示す先端部分の拡大六面図。
【図４】本発明におけるダイヤモンドドリルの使用形態の他の一例を示す外観概略図。
【図５】本発明におけるダイヤモンドドリルの製造工程の一部を説明する模式図。
【図６】本発明におけるダイヤモンドドリルの製造における切断工程を説明する模式図。
【図７】本発明におけるダイヤモンドドリルの製造における切断工程を説明する模式図。
【図８】従来の螺旋溝形状を有するトップソリッド型ダイヤモンドドリルの一例を示す側面図。
【符号の説明】
1、31、51、81 多結晶焼結ダイヤモンド
2、32、52、82 超硬合金
3、33、53、83接合部境界
4、36 切れ刃部
5 シャンク
34 溝部
35 ランド部
105、106、107 ドリル成形ブランク

Claims

多結晶焼結ダイヤモンドを切削加工用ドリル先端に配した超硬合金一体焼結によるトップソリッド・ダイヤモンドドリルにおいて、多結晶焼結ダイヤモンドのダイヤチップ部分が、ドリル先端部からドリル首下方向（ドリル径の中心軸他端方向）に、かつ前記中心軸に対し傾斜角を持たせた切断面で区切られた一体焼結金属基材との接合面を境に、ドリル先端から首下方向の前記接合面に架けてのドリル長の中間部分で、斜め混在領域部分を配置したことを特徴とするダイヤモンドドリル。
多結晶焼結ダイヤモンドを先端に有する細棒状ドリルの外観形状が、ドリル先端部に角錐状又は多段の先端角を持たせた略砲弾型角錐形状であり、かつ一体焼結の金属基材が細長の三角柱以上の多角柱であることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンドドリル。
多結晶焼結ダイヤモンドを先端に有する細棒状ドリルの外観形状が、螺旋状の溝部とランド部を有し、且つそれらが螺旋のねじれ角を有する円筒側面溝付のドリル形状であり、かつ先端刃先部が先端角を有するストレート又はアンダーカットタイプ形状等に加工された焼結ダイヤモンドチップであることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンドドリル。
前記多結晶焼結ダイヤモンド材料の代わりに、焼結ボロンナイトライドを用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドドリル。
超硬合金素材の圧粉体基材上に、ダイヤモンドパウダー圧粉体を積層し、これを高温高圧下で処理して超硬合金一体焼結型の多結晶ダイヤモンド基板を製作し、この形成された前記一体焼結基板からの材料取りとして、基板を格子状に切断する際に、少なくとも多結晶焼結ダイヤモンド基板表面のＸ・Ｙ軸方向のどちらか一方に、入刀方向にθ＝30°〜85°の任意の傾斜角度を持たせて厚み方向を斜め切断することにより、対向する一対の切断面が平行となる細長棒状のダイヤモンドドリル成形ブランクを得て、この前記細長棒状の加工ブランク材料を用いてトップソリッド・ダイヤモンドドリルの前記請求項１〜４のいずれかに記載の外観形状を成形することを特徴とするダイヤモンドドリルの製造方法。