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JP6635501B2 - Tool for rotary cutting of brittle material and rotary cutting method - Google Patents
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JP6635501B2 - Tool for rotary cutting of brittle material and rotary cutting method - Google Patents

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Description

本発明は、脆性材料の回転切削用工具、及び、それを用いる回転切削方法に関する。   The present invention relates to a rotary cutting tool for brittle material and a rotary cutting method using the same.

一般に光学ガラスやセラミックス等の脆性材料を切削・研削する場合に脆性損傷が発生するため、製品の機能を確保するために研磨加工等の後工程によりこれを除去している。研磨加工が砥粒の材料への押付圧力が加工形状として転写される「圧力転写原理」に基づくこと、砥粒による機械的な除去の他に砥粒と工作物表面との化学的作用にも影響を受けることから、得られる形状を明確に予想することが難しい。そのため、上記の研磨工程による形状精度の確保は、現在においても熟練作業者の技量に大きく依存している。   Generally, when a brittle material such as an optical glass or ceramics is cut or ground, brittle damage occurs. Therefore, in order to secure the function of the product, it is removed by a post-process such as polishing. The polishing process is based on the "pressure transfer principle", in which the pressing pressure of the abrasive grains on the material is transferred as the processing shape. In addition to the mechanical removal by the abrasive grains, it also applies to the chemical action between the abrasive grains and the workpiece surface. Because of the influence, it is difficult to clearly predict the resulting shape. For this reason, the securing of the shape accuracy by the above-mentioned polishing process still depends greatly on the skill of a skilled worker even at present.

他方、切削・研削加工については、両者とも工具・工作物間の相対運動が仕上げ面として転写される「運動転写原理」に従う加工法のため、脆性損傷を発生させずに仕上げ面を生成できるのであれば、研磨加工と比べ、加工による材料除去量や生成される形状を比較的簡単に予測でき、作業者の技量に拠らずより簡単な作業工程により加工精度を補償できる。   On the other hand, in the case of cutting / grinding, both of the machining methods follow the “motion transfer principle” in which the relative motion between the tool and the workpiece is transferred as the finished surface, so that the finished surface can be generated without causing brittle damage. If so, the amount of material removed by machining and the shape to be generated can be relatively easily predicted, and machining accuracy can be compensated for by a simpler work process regardless of the skill of the operator.

従って、本発明の課題は、脆性材料の回転切削において、脆性損傷を発生させることなく、平滑な仕上げ面または任意の表面性状を有する仕上げ面を生成できる回転切削用工具、及びそれを用いる回転切削方法を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a rotary cutting tool capable of producing a smooth finished surface or a finished surface having an arbitrary surface property without causing brittle damage in the rotary cutting of a brittle material, and a rotary cutting using the same. It is to provide a method.

切削において脆性損傷の発生は、回転切削用工具の切れ刃の被削材への切込みに依存し、一定の切込量を下回る場合に抑制される。この状態で行う切削を延性モード切削と呼ぶ。本発明者は、特定形状を有するマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を、切れ刃稜線上に規則的に配置することにより、各微細構造による被削材の各切込量を、延性モード切削を達成できる限界切込量以下に抑えることができることを見出し、その結果、脆性損傷(例えば、亀裂)を生じさせることなく、平滑な仕上げ面または任意の表面性状を有する仕上げ面を生成できることを見出した。本発明はこのような知見に基づくものである。   The generation of brittle damage during cutting depends on the cutting of the cutting edge of the rotary cutting tool into the work material, and is suppressed when the cutting depth is smaller than a certain cutting amount. Cutting performed in this state is called ductile mode cutting. The present inventor, by arranging a plurality of microstructures on the micro-nanometer scale having a specific shape regularly on the cutting edge ridge, the cutting amount of the work material by each microstructure, the ductile mode It has been found that the cutting depth can be suppressed below the limit at which cutting can be achieved, and as a result, it is possible to produce a smooth finished surface or a finished surface having any surface texture without causing brittle damage (for example, cracking). I found it. The present invention is based on such findings.

本発明は、
[1]切れ刃稜線上に、マイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状である、前記工具;
[2]切れ刃稜線上に、同一形状かつ同一寸法のマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍である、前記工具;
[3]切れ刃稜線上に、同一形状かつ同一寸法のマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍であり、
主軸一回転当たりの工具移動量が、被削材の延性モード切削の条件以下である、前記工具;
[4]切れ刃稜線上に、同一形状かつ同一寸法のマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍であり、
主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の基本周期の整数倍である、前記工具;
[5]切れ刃稜線上に、形状及び/又は大きさが段階的に変化するマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍である、前記工具;
[6]切れ刃稜線上に、形状及び/又は大きさが段階的に変化するマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍であり、
主軸一回転当たりの工具移動量が、被削材の延性モード切削の条件以下である、前記工具;
[7]切れ刃稜線上に、形状及び/又は大きさが段階的に変化するマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍であり、
主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の基本周期の整数倍である、前記工具;
[8]前記[1]〜[7]のいずれかの工具を使用する、回転切削方法。
に関する。
The present invention
[1] A rotary cutting tool in which a plurality of microstructures on a micro-nanometer scale are regularly arranged on a cutting edge ridge line,
The tool, wherein the shape of the microstructure is a shape in which a tip makes a point-like contact with a processing surface of a workpiece;
[2] A rotary cutting tool in which a plurality of microstructures of the same shape and the same size on a micro-nanometer scale are regularly arranged on a cutting edge ridge line,
The shape of the microstructure is a shape in which the tip is in point contact with the processing surface of the work material,
The tool, wherein each interval between adjacent microstructures is an integral multiple of a minimum value (basic period) of the interval;
[3] A rotary cutting tool in which a plurality of micro-nanometer-scale microstructures having the same shape and the same dimensions are regularly arranged on a cutting edge ridge line,
The shape of the microstructure is a shape in which the tip is in point contact with the processing surface of the work material,
Each interval between adjacent microstructures is an integral multiple of a minimum value (basic period) of the interval,
The tool, wherein a tool movement amount per one rotation of the spindle is equal to or less than a condition of ductile mode cutting of the work material;
[4] A rotary cutting tool in which a plurality of micro- and nanometer-scale microstructures having the same shape and the same dimensions are regularly arranged on a cutting edge ridge line,
The shape of the microstructure is a shape in which the tip is in point contact with the processing surface of the work material,
Each interval between adjacent microstructures is an integral multiple of a minimum value (basic period) of the interval,
The tool, wherein a tool movement amount per rotation of the spindle is an integral multiple of a basic period of the microstructure;
[5] A rotary cutting tool in which a plurality of microstructures on a micro-nanometer scale whose shape and / or size changes stepwise on a cutting edge ridge line are regularly arranged,
The shape of the microstructure is a shape in which the tip is in point contact with the processing surface of the work material,
The tool, wherein each interval between adjacent microstructures is an integral multiple of a minimum value (basic period) of the interval;
[6] A rotary cutting tool in which a plurality of microstructures on a micro-nanometer scale whose shape and / or size changes stepwise on a cutting edge ridge line are regularly arranged,
The shape of the microstructure is a shape in which the tip is in point contact with the processing surface of the work material,
Each interval between adjacent microstructures is an integral multiple of a minimum value (basic period) of the interval,
The tool, wherein a tool movement amount per one rotation of the spindle is equal to or less than a condition of ductile mode cutting of the work material;
[7] A rotary cutting tool in which a plurality of microstructures on a micro-nanometer scale whose shape and / or size changes stepwise are regularly arranged on a cutting edge ridge line,
The shape of the microstructure is a shape in which the tip is in point contact with the processing surface of the work material,
Each interval between adjacent microstructures is an integral multiple of a minimum value (basic period) of the interval,
The tool, wherein a tool movement amount per rotation of the spindle is an integral multiple of a basic period of the microstructure;
[8] A rotary cutting method using the tool according to any one of [1] to [7].
About.

本発明によれば、脆性材料の回転切削において、脆性損傷を発生させることなく、平滑な仕上げ面または任意の表面性状を有する仕上げ面を生成できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the rotary cutting of a brittle material, a smooth finished surface or a finished surface having any surface properties can be generated without causing brittle damage.

Rバイトに本発明を適用した、本発明の一態様を模式的に示す平面図および側面図と、前記一態様における微小構造及びその周辺の切り刃稜線を模式的に示す部分拡大図である。FIG. 2 is a plan view and a side view schematically showing one embodiment of the present invention in which the present invention is applied to an R bite, and a partially enlarged view schematically showing a microstructure and a cutting edge ridge line around the microstructure in the one embodiment. ボールエンドミルに本発明を適用した、本発明の一態様を模式的に示す部分正面図である。1 is a partial front view schematically showing one embodiment of the present invention in which the present invention is applied to a ball end mill. ドリルに本発明を適用した、本発明の一態様を模式的に示す部分正面図である。1 is a partial front view schematically showing one embodiment of the present invention in which the present invention is applied to a drill. 砥石に本発明を適用した、本発明の一態様を模式的に示す部分正面図と、前記一態様における微小構造を模式的に示す部分拡大図である。FIG. 3 is a partial front view schematically showing one embodiment of the present invention in which the present invention is applied to a grindstone, and a partially enlarged view schematically showing a microstructure in the one embodiment. 本発明で用いることのできる微細構造の各種形状を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the various shapes of the fine structure which can be used by this invention. 本発明で用いることのできる別の微細構造の各種形状を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the various shapes of another fine structure which can be used by this invention. 複数の微細構造が同一形状かつ同一寸法であって、隣接する微細構造の間隔が一定である、本発明の一態様を、被削材と共に、模式的に示す部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view schematically showing one embodiment of the present invention together with a work material, in which a plurality of microstructures have the same shape and the same dimension and the interval between adjacent microstructures is constant. 複数の微細構造が同一形状かつ同一寸法であって、隣接する微細構造の間隔が等間隔でない、本発明の一態様を、被削材と共に、模式的に示す部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view schematically showing one embodiment of the present invention together with a work material, in which a plurality of microstructures have the same shape and the same dimension, and an interval between adjacent microstructures is not equal. 複数の微細構造の形状及び/又は大きさが段階的に変化する、本発明の一態様を、被削材と共に、模式的に示す部分断面図である。FIG. 4 is a partial cross-sectional view schematically showing one embodiment of the present invention together with a work material, in which shapes and / or sizes of a plurality of microstructures change stepwise. 複数の微細構造の形状及び/又は大きさが段階的に変化する本発明の一態様において、各微細構造(1〜4)のみを取り出し、その先端および中心軸が一致するように、それらの形状を重ねた様子を模式的印示す説明図である。In one embodiment of the present invention in which the shapes and / or sizes of a plurality of microstructures change stepwise, only each of the microstructures (1 to 4) is taken out and their shapes are adjusted so that their tips and central axes coincide. It is explanatory drawing which shows the mode that it overlapped typically. 複数の微細構造の形状及び/又は大きさが段階的に変化する本発明の別の一態様において、各微細構造(1〜9)のみを取り出し、その先端および中心軸が一致するように、それらの形状を重ねた様子を模式的印示す説明図である。In another aspect of the present invention in which the shape and / or size of a plurality of microstructures changes stepwise, only each microstructure (1 to 9) is taken out, and the tip and the central axis thereof are aligned. It is explanatory drawing which shows the mode that the shape of this was overlapped typically. 工具(A−1)をボールエンドミルに適用した、本発明の工具の一態様について、ボールエンドミル切削において、切れ刃稜線上に設けた微細構造が被削材の加工面に切込む状態を模式的に示す説明図である。With respect to an embodiment of the tool of the present invention in which the tool (A-1) is applied to a ball end mill, in ball end mill cutting, a state in which a microstructure provided on a cutting edge ridge line cuts into a machined surface of a work material is schematically shown. FIG. 工具(A−2)をボールエンドミルに適用した、本発明の工具の一態様について、ボールエンドミル切削において、切れ刃稜線上に設けた微細構造が仕上げ面を生成する過程を時系列的に示す模式的説明図である。With respect to one embodiment of the tool of the present invention in which the tool (A-2) is applied to a ball end mill, a schematic diagram showing a time series of a process in which a microstructure provided on a cutting edge ridge line generates a finished surface in ball end mill cutting. FIG. 図13の最上段における2番の微細構造の領域に注目し、仕上げ面の生成過程を示す模式的説明図である。FIG. 14 is a schematic explanatory view showing a process of generating a finished surface, paying attention to the second fine structure region at the top of FIG. 13. 工具(B−2)をボールエンドミルに適用した、本発明の工具の一態様について、ボールエンドミル切削において、切れ刃稜線上に設けた微細構造が被削材の加工面に切込んでいる状態を模式的に示す説明図である。Regarding an aspect of the tool of the present invention in which the tool (B-2) is applied to a ball end mill, in a ball end mill cutting, a state where a microstructure provided on a cutting edge ridge is cut into a machined surface of a work material. It is explanatory drawing which shows typically. 図15における1番の微細構造の領域に注目し、仕上げ面の生成過程を示す模式的説明図である。FIG. 16 is a schematic explanatory view showing a process of generating a finished surface, paying attention to the region of the first fine structure in FIG. 15. 回転切削において脆性損傷が発生する原因のひとつを説明するための模式的説明図である。FIG. 3 is a schematic explanatory view for explaining one of the causes of brittle damage in rotary cutting. 本発明の作用機序を説明するための模式的説明図である。It is a schematic explanatory view for explaining the mechanism of action of the present invention. 試験に使用した本発明の工具の一態様の微細構造を示す走査電子顕微鏡写真である。図19(a)は、ボールエンドミルの先端の形状を示す走査電子顕微鏡写真であり、図19(b)は、図19(a)の円で囲んだ領域の部分拡大写真であり、図19(c)は、更に拡大した、微細構造の形状を示す部分拡大写真である。5 is a scanning electron micrograph showing the microstructure of one embodiment of the tool of the present invention used in the test. FIG. 19A is a scanning electron micrograph showing the shape of the tip of the ball end mill, and FIG. 19B is a partially enlarged photograph of a region surrounded by a circle in FIG. (c) is a partially enlarged photograph showing the shape of the fine structure further enlarged.

本発明の回転切削用工具(以下、単に本発明の工具と称することがある)は、切れ刃稜線上に、マイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造が規則的に配置されていることを特徴とする。
本発明を適用することのできる工具としては、脆性材料(例えば、光学ガラス、セラミックス等)の回転切削に用いることのできる工具である限り、特に限定されるものではないが、例えば、旋盤(例えば、正面切削)で使用するバイト(図1)、フライス盤で使用するフライス工具(特にはエンドミル;図2)、ボール盤で使用するドリル(図3)、および周期構造を有する多刃工具(図4)等を挙げることができる。
The rotary cutting tool of the present invention (hereinafter, sometimes simply referred to as the tool of the present invention) is characterized in that a plurality of microstructures on a micro-nanometer scale are regularly arranged on a cutting edge ridge line. And
The tool to which the present invention can be applied is not particularly limited as long as it is a tool that can be used for rotary cutting of a brittle material (for example, optical glass, ceramics, and the like). , Face milling) (Figure 1), milling tools (especially end mills; Figure 2) used in milling machines, drills (Figure 3) used in drilling machines, and multi-edged tools with a periodic structure (Figure 4) And the like.

本発明の工具に設ける微細構造は、延性モード切削を達成することのできる形状および寸法を有する構造である限り、特に限定されるものではないが、被削材の加工面に対して切れ刃稜線上各微細構造の先端近傍が点状接触する形状からなるマイクロ・ナノメータースケールの微細構造を挙げることができる。   The microstructure provided in the tool of the present invention is not particularly limited as long as it has a shape and dimensions capable of achieving ductile mode cutting. The microstructure on the micro / nanometer scale in which the vicinity of the tip of each fine structure is in point-like contact.

被削材の加工面に対して切れ刃稜線上各微細構造の先端近傍が点状接触する形状としては、例えば、図5に示すような、工具のすくい面側から見て、三角波(図5a、b、d)、正弦波(図5c)、多角形波(図5e)、のこぎり波(図5f)等を挙げることができ、また、図6に示すような、三次元的な立体構造とすることもできる。   For example, as shown in FIG. 5, a triangular wave (see FIG. 5a) seen from the rake face side of the tool as shown in FIG. , B, d), a sine wave (FIG. 5c), a polygonal wave (FIG. 5e), a sawtooth wave (FIG. 5f), and the like, and a three-dimensional solid structure as shown in FIG. You can also.

本明細書において「マイクロ・ナノメータースケール」とは、単位マイクロメーター(μm)またはナノメーター(nm)で表すことのできる大きさ及びその近傍の範囲を意味し、具体的には1nm〜1000nm、および1μm(1000nm)〜1000μmの範囲を指す。図5a〜図5fに示す各形状の場合、各寸法は被削材および適用する加工条件に対し適切な寸法・幾何学的関係を適用する。例えば図5a〜図5fに示す各形状の場合、振幅(基準線と先端との最短距離;図5に示すz)は例えば0.1μm〜20μm、好ましくは0.1μm〜10μmであることができ、周期(隣接する微細構造の間隔;図5に示すx)は例えば0.1μm〜20μm、好ましくは0.1μm〜10μmであることができる。また、ソーダライムガラスを三角波状の微細構造を成形した1枚刃ボールエンドミルにより傾斜角45度の条件で切削するのであれば振幅1μmに対し周期が2μmであることが望ましい。   As used herein, the term “micro / nanometer scale” refers to a size that can be expressed in units of micrometer (μm) or nanometer (nm) and a range in the vicinity thereof, and specifically 1 nm to 1000 nm, And 1 μm (1000 nm) to 1000 μm. In the case of each of the shapes shown in FIGS. 5A to 5F, each dimension applies an appropriate dimension / geometric relationship to the work material and the processing conditions to be applied. For example, in the case of each shape shown in FIGS. 5a to 5f, the amplitude (the shortest distance between the reference line and the tip; z shown in FIG. 5) can be, for example, 0.1 μm to 20 μm, preferably 0.1 μm to 10 μm. The period (the interval between adjacent microstructures; x shown in FIG. 5) can be, for example, 0.1 μm to 20 μm, and preferably 0.1 μm to 10 μm. Further, if soda lime glass is cut by a single-blade ball end mill having a triangular wave-shaped fine structure formed under a condition of an inclination angle of 45 degrees, the period is desirably 2 μm for an amplitude of 1 μm.

本発明の工具は、切れ刃稜線上に複数の微細構造を設けることを特徴とし、切れ刃稜線の全体にわたって微細構造を設けることもできるが、被削材の加工面と接触し、加工面の切削に実質的に関与する領域およびその周辺領域に微細構造を設けることが好ましい。この領域は工具ノーズ曲率半径と切込量および仕上げ面法線方向に対する工具傾斜角により決まる。例えば、工具ノーズ曲率半径500μm、切込量20μm、工具傾斜角45度である場合、切れ刃高150μmを中心として±50μmすなわち切れ刃高100〜200μmの範囲内に、成形長(稜線上)20〜40μm、好ましくは40〜120μmの領域に微細構造を設けることができる。   The tool of the present invention is characterized in that a plurality of microstructures are provided on the cutting edge ridge line, and a fine structure can be provided over the entire cutting edge ridge line. It is preferable to provide a microstructure in a region substantially involved in cutting and a peripheral region thereof. This area is determined by the radius of curvature of the tool nose, the cutting depth, and the tool inclination angle with respect to the normal direction of the finished surface. For example, if the radius of curvature of the tool nose is 500 μm, the cutting depth is 20 μm, and the tool inclination angle is 45 degrees, the forming length (on the ridgeline) 20 is within ± 50 μm around the cutting edge height of 150 μm, that is, within the range of cutting edge height of 100 to 200 μm. The fine structure can be provided in a region of from 40 μm to 40 μm, preferably from 40 to 120 μm.

本発明の工具では、複数の微細構造を切れ刃稜線上に規則的に配置する。本明細書において「複数の微細構造を規則的に配置する」とは、微細構造の形状及び/又は大きさが規則的であること、及び/又は、隣接する微細構造の間隔が規則的であることを意味する。   In the tool of the present invention, the plurality of microstructures are regularly arranged on the cutting edge line. In this specification, "arrange a plurality of microstructures regularly" means that the shape and / or size of the microstructures are regular and / or the interval between adjacent microstructures is regular. Means that.

「微細構造の形状及び/又は大きさが規則的である」場合としては、例えば、複数の微細構造が同一形状かつ同一寸法である場合(図7、図8)、複数の微細構造の形状及び/又は大きさが段階的に変化する場合(図9)等を挙げることができる。なお、本発明においては、同一形状かつ同一寸法である複数の微細構造のみ、あるいは、形状及び/又は大きさが段階的に変化する複数の微細構造のみを設けることもできるし、それらを組み合わせて、同一形状かつ同一寸法である一群の微細構造と、形状及び/又は大きさが段階的に変化する一群の微細構造とを連続して設けることもできる。   The case where the “shape and / or size of the microstructure is regular” is, for example, when the plurality of microstructures have the same shape and the same size (FIGS. 7 and 8). And / or a case where the size changes stepwise (FIG. 9). In the present invention, only a plurality of microstructures having the same shape and the same size, or only a plurality of microstructures having a shape and / or a size that changes stepwise can be provided. It is also possible to continuously provide a group of microstructures having the same shape and the same dimension and a group of microstructures whose shape and / or size are changed stepwise.

図10、図11は、複数の微細構造の形状及び/又は大きさが段階的に変化する場合に関して、各微細構造のみを取り出し、その先端および中心軸が一致するように、それらの形状を重ねた様子を示す説明図である。なお、図10に示す1〜4の数字は、図9に示す微細構造を表す数字〔例えば、4(1)〕の括弧内の数字に対応し、従って、被削材への切込み順を表す。図11に示す1〜9の数字についても同様である。   FIGS. 10 and 11 show a case where the shapes and / or sizes of a plurality of microstructures change stepwise, take out only each microstructure, and superimpose the shapes so that the tip and the central axis coincide. FIG. The numbers 1 to 4 shown in FIG. 10 correspond to the numbers in parentheses of the numbers [for example, 4 (1)] representing the fine structure shown in FIG. 9 and therefore represent the order of cutting into the work material. . The same applies to the numerals 1 to 9 shown in FIG.

図10は、各微細構造の形状が同一(ここでは、例として三角波を想定)であり、被削材への切込み順に従って、大きさが段階的に大きくなる態様を示す。なお、以下の説明では、主軸一回転当たりの工具移動量は、微細構造の周期と同じ(すなわち、同周期の1倍)であるものとして説明する。最初に微細構造1が三角形状に切込みを入れた後、次に同切込みに到達した微細構造2は、微細構造1よりもわずかに切込み面積が大きいため、その面積差分だけ切込みを行う。この際、切込み面積の面積差が延性モード切削条件を超えないように設定しておくと、脆性損傷(例えば、亀裂)の発生を回避することができる。同様に、微細構造3、微細構造4が順次、同切込みに到達するたびに、隣接する微細構造の面積差分だけ切込みが行われ、最終的に、微細構造4の三角波に相当する表面性状が仕上げ面に生成される。
例えば、上記の微細構造を有するボールエンドミルを直線状に移動させた場合、工具の進行方向に沿って延びる複数の曲線状の条痕(溝)であって、進行方向に垂直な方向の横断面が三角形状である条痕が仕上げ面に生成される。正面切削の場合、渦巻き状に連続して延びる条痕(溝)であって、横断面が三角形状である条痕が仕上げ面に生成される。ドリルの場合、めねじ形状に延びる条痕(溝)であって、横断面が三角形状である条痕が仕上げ面に生成される。
FIG. 10 shows a mode in which the shape of each microstructure is the same (here, a triangular wave is assumed as an example), and the size increases stepwise according to the cutting order in the work material. In the following description, it is assumed that the tool movement amount per one rotation of the spindle is the same as the period of the microstructure (that is, one time of the same period). After the microstructure 1 is first cut into a triangular shape, the microstructure 2 that has reached the next cut has a slightly larger cut area than the microstructure 1, so the cut is made by the area difference. At this time, if the area difference of the cut area is set so as not to exceed the ductile mode cutting condition, the occurrence of brittle damage (for example, crack) can be avoided. Similarly, each time the microstructure 3 and the microstructure 4 sequentially reach the same cut, the cut is made by the area difference between the adjacent microstructures, and finally, the surface texture corresponding to the triangular wave of the fine structure 4 is finished. Generated on the surface.
For example, when the ball end mill having the above-described microstructure is moved linearly, a plurality of curved streaks (grooves) extending along the traveling direction of the tool, and a cross section in a direction perpendicular to the traveling direction. Are formed on the finished surface. In the case of face cutting, a streak (groove) extending continuously in a spiral shape and having a triangular cross section is generated on the finished surface. In the case of a drill, a streak (groove) extending in a female screw shape and having a triangular cross section is generated on the finished surface.

図11は、各微細構造の形状が三角波(微細構造1)から多角形波(微細構造2〜9)に変化し、大きさが段階的に大きくなる態様を示す。最初に微細構造1が三角形状に切込みを入れた後、次に同切込みに到達した微細構造2は、微細構造1よりもわずかに切込み面積が大きいため、その面積差分だけ切込みを行うと共に、形状が三角形状から多角形状に変わる。続いて、微細構造3、微細構造4が順次、同切込みに到達するたびに、形状は多角形状のまま、隣接する微細構造の面積差分だけ切込みが行われ、最終的に、微細構造9の多角形波に相当する表面性状が仕上げ面に生成される。本発明では、切込み面積の面積差が延性モード切削条件を超えないように設定するため、各切込みにおいて仕上げ面における脆性損傷(例えば、亀裂)の発生を回避することができる。
なお、微細構造9の後に、頂点の角度が180度に近い微細構造を更に配置すると、実質的に平滑な仕上げ面を生成することができる。
FIG. 11 shows a mode in which the shape of each fine structure changes from a triangular wave (fine structure 1) to a polygonal wave (fine structures 2 to 9), and the size gradually increases. First, the microstructure 1 cuts in a triangular shape, and then the microstructure 2 that has reached the cut has a slightly larger cut area than the microstructure 1. Changes from a triangular shape to a polygonal shape. Subsequently, each time the microstructure 3 and the microstructure 4 sequentially reach the same cut, the cut is performed by the area difference between the adjacent fine structures while maintaining the polygonal shape. A surface property corresponding to a square wave is generated on the finished surface. In the present invention, since the area difference of the cut area is set so as not to exceed the ductile mode cutting condition, it is possible to avoid the occurrence of brittle damage (for example, crack) on the finished surface at each cut.
If a microstructure having an apex angle close to 180 degrees is further arranged after the microstructure 9, a substantially smooth finished surface can be generated.

「隣接する微細構造の間隔が規則的である」場合としては、例えば、隣接する微細構造の各間隔(周期)が、前記間隔の最小値(以下、基本周期と称する)の整数倍である場合を挙げることができる。本発明においては、後述するとおり、微細構造を規則的に配置することにより、突発的な過大な切込量の発生を抑制することができ、その結果、材料除去領域の全部(但し、回転切削の初期段階を除く)に亘って、切込量を延性モード切削条件以下とすることが可能である。
前記の「整数倍」は1以上の正の整数であって、間隔毎に設定することができる。本発明の工具においては、隣接する微細構造の各間隔は、全て同一(すなわち、等間隔)であることもできるし、あるいは、間隔毎に同一及び/又は相違していることもできる。
The case where “the interval between adjacent microstructures is regular” is, for example, a case where each interval (period) between adjacent microstructures is an integral multiple of the minimum value of the interval (hereinafter, referred to as a basic period). Can be mentioned. In the present invention, as will be described later, by arranging the microstructures regularly, it is possible to suppress the occurrence of an unexpectedly large amount of cut, and as a result, the entire material removal region (however, (Excluding the initial stage of the above), it is possible to make the cut depth equal to or less than the ductile mode cutting condition.
The “integer multiple” is a positive integer of 1 or more, and can be set for each interval. In the tool of the present invention, the intervals between adjacent microstructures can be all the same (ie, equal intervals), or can be the same and / or different at each interval.

本発明の工具には、例えば、微細構造の形状及び寸法に従って、更には、主軸一回転当たりの工具移動量と微細構造の基本周期との関係に従って、各種の具体的態様が含まれる。
具体的には、本発明の工具には、例えば、
(A)切れ刃稜線上に、同一形状かつ同一寸法のマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍である、前記工具;
(B)切れ刃稜線上に、形状及び/又は大きさが段階的に変化するマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の形状が、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍である、前記工具;
が含まれる。
The tool of the present invention includes various specific embodiments according to, for example, the shape and size of the microstructure, and further, according to the relationship between the tool movement amount per rotation of the spindle and the basic period of the microstructure.
Specifically, the tool of the present invention includes, for example,
(A) A rotary cutting tool in which a plurality of microstructures of the same shape and the same size on a micro-nanometer scale are regularly arranged on a cutting edge ridge line,
The shape of the microstructure is a shape in which the tip is in point contact with the processing surface of the work material,
The tool, wherein each interval between adjacent microstructures is an integral multiple of a minimum value (basic period) of the interval;
(B) A rotary cutting tool in which a plurality of micro-nanometer-scale microstructures whose shape and / or size change stepwise are regularly arranged on a cutting edge ridge line,
The shape of the microstructure is a shape in which the tip is in point contact with the processing surface of the work material,
The tool, wherein each interval between adjacent microstructures is an integral multiple of a minimum value (basic period) of the interval;
Is included.

前記工具(A)には、更に、例えば、
(A−1)主軸一回転当たりの工具移動量が、被削材の延性モード切削の条件以下となる条件下で使用することのできる、前記工具(A);
(A−2)主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の基本周期の整数倍となる条件下で使用することのできる、前記工具(A);
が含まれる。前記工具(A−1)は、平滑な仕上げ面を生成するために使用することができ、前記工具(A−2)は、任意の表面性状を有する仕上げ面を生成するために使用することができる。
The tool (A) further includes, for example,
(A-1) The tool (A), which can be used under the condition that a tool movement amount per one rotation of a spindle is equal to or less than a condition of ductile mode cutting of a work material;
(A-2) The tool (A), which can be used under the condition that the amount of tool movement per revolution of the spindle is an integral multiple of the basic period of the microstructure;
Is included. The tool (A-1) can be used to generate a smooth finished surface, and the tool (A-2) can be used to generate a finished surface having any surface texture. it can.

前記工具(B)には、更に、例えば、
(B−1)主軸一回転当たりの工具移動量が、被削材の延性モード切削の条件以下となる条件下で使用することのできる、前記工具(B);
(B−2)主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の基本周期の整数倍となる条件下で使用することのできる、前記工具(B);
が含まれる。前記工具(B−1)は、平滑な仕上げ面を生成するために使用することができ、前記工具(B−2)は、任意の表面性状を有する仕上げ面を生成するために使用することができる。
The tool (B) further includes, for example,
(B-1) The tool (B), which can be used under the condition that the tool movement amount per one rotation of the spindle is equal to or less than the condition of the ductile mode cutting of the work material;
(B-2) the tool (B), which can be used under the condition that the tool movement amount per one rotation of the spindle is an integral multiple of the basic period of the microstructure;
Is included. The tool (B-1) can be used to generate a smooth finished surface, and the tool (B-2) can be used to generate a finished surface having any surface texture. it can.

以下、本発明の各種具体的態様に基づいて、更に本発明を説明する。
図12は、前記工具(A−1)をボールエンドミルに適用した、本発明の工具の一態様について、ボールエンドミル切削において、切れ刃稜線上に設けた微細構造が被削材の加工面に切込む状態を模式的に示す説明図である。
Hereinafter, the present invention will be further described based on various specific embodiments of the present invention.
FIG. 12 shows an embodiment of the tool of the present invention in which the tool (A-1) is applied to a ball end mill. In the ball end mill cutting, a microstructure provided on a cutting edge ridge line cuts a work surface of a work material. It is explanatory drawing which shows the state which fits in typically.

図12に示すように、工具1の切れ刃2には、その稜線上に沿って、同一形状かつ同一寸法のマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造4(1)〜4(7)が設けられている。工具は、図面の左から右に向かって(矢印で示す方向に向かって)移動する。また、工具は、進行方向に対して後退する形で傾斜しており、工具軸に対して時計周り、すなわち、図面の奥から手前側に向かって回転する。以下の説明では、主軸一回転当たりの矢印で示す方向への工具移動量は、被削材の延性モード切削の条件以下とする。   As shown in FIG. 12, a plurality of microstructures 4 (1) to 4 (7) having the same shape and the same size on the micro nanometer scale are provided on the cutting edge 2 of the tool 1 along the ridge line. Have been. The tool moves from left to right in the drawing (in the direction indicated by the arrow). Further, the tool is inclined so as to retract with respect to the traveling direction, and rotates clockwise with respect to the tool axis, that is, from the back of the drawing toward the near side. In the following description, the amount of tool movement in the direction indicated by the arrow per one rotation of the main spindle is equal to or less than the condition for ductile mode cutting of a work material.

図12に示すように、微細構造4(7)が切れ刃2の最下点に到達した時、先行する微細構造4(1)〜4(6)は、それぞれ、被削材9の加工面に対して切込みを行っているが、切れ刃の稜線(微細構造を設ける前の稜線)が円形であるため、切込み位置が変化し、後続の微細構造になるに従って仕上げ面91が低くなる。ここで、例えば、微細構造4(5)に着目すると、微細構造4(4)の位置まで移動する間に、工具は20回転するため、回転毎に、階段状仕上げ面15の内、微細構造4(5)と4(4)との間に挟まれた仕上げ面91(4)を微細構造4(4)の頂点近傍のみで切削していくこととなる。本発明においては、延性モード切削を達成できる限界切込量以下になるように、微細構造の形状および寸法、並びに切削条件を設定するため、図12に示す態様において、各微細構造の頂点近傍の切込量が、それぞれ、前記の限界切込量以下である場合、脆性損傷(例えば、亀裂)を生じさせることなく、平滑な仕上げ面を生成することができる。   As shown in FIG. 12, when the microstructure 4 (7) reaches the lowest point of the cutting edge 2, the preceding microstructures 4 (1) to 4 (6) are processed surfaces of the work material 9, respectively. However, since the ridgeline (the ridgeline before providing the fine structure) of the cutting edge is circular, the cut position changes, and the finished surface 91 becomes lower as the subsequent fine structure is obtained. Here, for example, focusing on the microstructure 4 (5), the tool makes 20 rotations while moving to the position of the microstructure 4 (4). The finished surface 91 (4) sandwiched between 4 (5) and 4 (4) is cut only near the apex of the microstructure 4 (4). In the present invention, in order to set the shape and dimensions of the microstructure and the cutting conditions so as to be equal to or less than the limit depth of cut that can achieve ductile mode cutting, in the embodiment shown in FIG. When each of the cut depths is equal to or less than the limit cut depth, a smooth finished surface can be generated without causing brittle damage (for example, cracks).

図13は、前記工具(A−2)をボールエンドミルに適用した、本発明の工具の一態様について、ボールエンドミル切削において、切れ刃稜線上に設けた微細構造が仕上げ面を生成する過程を時系列的に示す模式的説明図である。図13では、細線を切れ刃稜線および微細構造として、太線を仕上げ面として示しており、工具は、図面の左から右に向かって進行する。また、工具は、進行方向に対して後退する形で傾斜しており、工具軸に対して時計周り、すなわち、図面の奥から手前側に向かって回転する。図13では、送り前方の微細構造より1番〜13番の番号を振っている。   FIG. 13 is a view showing a state in which a microstructure provided on a cutting edge line forms a finished surface in ball end mill cutting in one embodiment of the tool of the present invention in which the tool (A-2) is applied to a ball end mill. It is a schematic explanatory view shown in a series. In FIG. 13, a thin line is shown as a cutting edge ridge line and a fine structure, and a thick line is shown as a finished surface, and the tool advances from left to right in the drawing. Further, the tool is inclined so as to retract with respect to the traveling direction, and rotates clockwise with respect to the tool axis, that is, from the back of the drawing toward the near side. In FIG. 13, numbers 1 to 13 are assigned from the fine structure in front of the feed.

図14は、図13の最上段における2番の微細構造の領域に注目し、仕上げ面の生成過程を示す模式的説明図である。工具(A−2)では、主軸一回転当たりの工具移動量を、微細構造の基本周期の整数倍と等しくなるように設定する。以下の説明では、主軸一回転当たりの工具移動量を、微細構造の周期と同じ(すなわち、同周期の1倍)であるものとして説明する。この場合、1番の微細構造で生成された仕上げ面に対して、主軸一回転後に、2番の微細構造が通過する。以後、一回転毎に後続の微細構造が番号順に(3→4→5・・・)同領域の仕上げ面を通過していく。ボールエンドミル切削の場合、各微細構造は、切れ刃の稜線(微細構造を設ける前の稜線)が円形であるため、切込み方向(図面の垂直方向)位置が変化し、後続の微細構造になるに従って低くなる。すなわち、円状切れ刃の最下点となる7番の微細構造が仕上げ面を通過するまで、後続の微細構造は、前段の微細構造が生成した仕上げ面に対して軸方向へ切込んでいくことになる。7番が仕上げ面を通過した後は、8番以降の後続の微細構造が仕上げ面を通過しても、位置が高くなるために軸方向への切込みは行われず、そのまま通過していき、仕上げ面が形状を保ったままとなる。本発明においては、延性モード切削を達成できる限界切込量以下になるように、微細構造の形状および寸法、並びに切削条件を設定するため、図13に示す態様において、各微細構造の切込量が、それぞれ、前記の限界切込量以下である場合、脆性損傷(例えば、亀裂)を生じさせることなく、微細構造の表面性状を有する仕上げ面を生成することができる。   FIG. 14 is a schematic explanatory view showing the process of generating a finished surface, focusing on the area of the second fine structure at the top of FIG. In the tool (A-2), the tool movement amount per one rotation of the spindle is set to be equal to an integral multiple of the basic period of the microstructure. In the following description, it is assumed that the tool movement amount per one rotation of the spindle is the same as the period of the microstructure (that is, one time the same period). In this case, the second fine structure passes through the finished surface generated by the first fine structure after one rotation of the spindle. Thereafter, for each rotation, the subsequent microstructure passes through the finished surface in the same region in numerical order (3 → 4 → 5...). In the case of ball end mill cutting, the cutting edge (vertical line in the drawing) of each microstructure is circular because the ridgeline of the cutting edge (the ridgeline before the microstructure is provided) changes. Lower. That is, until the 7th microstructure, which is the lowest point of the circular cutting edge, passes through the finished surface, the subsequent microstructure cuts in the axial direction with respect to the finished surface generated by the preceding microstructure. Will be. After No. 7 has passed through the finishing surface, even if subsequent microstructures after No. 8 pass through the finishing surface, the cuts in the axial direction will not be made because the position will be higher, and the passing will continue as it is. The surface remains in shape. In the present invention, in order to set the shape and size of the microstructure and the cutting conditions so as to be equal to or less than the limit depth of cut that can achieve ductile mode cutting, in the embodiment shown in FIG. However, when each of them is equal to or less than the above-mentioned critical depth of cut, it is possible to generate a finished surface having a surface property of a microstructure without causing brittle damage (for example, cracking).

図13に示す態様において、主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の周期の整数倍、例えば、2倍である場合、図13の最上段における1番の微細構造の領域に注目すると、1番の微細構造が通過した後、主軸一回転毎に、3番、5番、7番の順に同領域の仕上げ面を通過していく。同様に、図13の最上段における2番の微細構造の領域に注目すると、2番の微細構造が通過した後、主軸一回転毎に、4番、6番、8番の順に同領域の仕上げ面を通過していく。従って、主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の周期の整数倍である場合も、各微細構造の切込量が、それぞれ、延性モード切削の条件を超えない場合、脆性損傷(例えば、亀裂)を生じさせることなく、微細構造の表面性状を有する仕上げ面を生成することができる。   In the embodiment shown in FIG. 13, when the tool movement amount per one rotation of the spindle is an integral multiple of the period of the microstructure, for example, twice, focusing on the region of the first microstructure at the top of FIG. After the first microstructure has passed, it passes through the finished surface in the same region in the order of No. 3, No. 5, and No. 7 every one revolution of the spindle. Similarly, paying attention to the region of the second fine structure at the top of FIG. 13, after the second fine structure passes, finishing of the same region in the order of the fourth, sixth, and eighth every one rotation of the spindle. Passing through the plane. Therefore, even when the amount of tool movement per spindle rotation is an integral multiple of the period of the microstructure, if the depth of cut of each microstructure does not exceed the condition of ductile mode cutting, respectively, brittle damage (for example, It is possible to produce a finished surface having a microstructured surface property without causing cracks.

図15は、前記工具(B−2)をボールエンドミルに適用した、本発明の工具の一態様について、ボールエンドミル切削において、切れ刃稜線上に設けた微細構造が被削材の加工面に切込んでいる状態を模式的に示す説明図である。工具は、図面の左から右に向かって進行する。また、工具は、進行方向に対して後退する形で傾斜しており、工具軸に対して時計周り、すなわち、図面の奥から手前側に向かって回転する。図15では、送り前方の微細構造より1番〜6番の番号を振っている。
図16は、図15における1番の微細構造の領域に注目し、仕上げ面の生成過程を示す模式的説明図である。
FIG. 15 shows an embodiment of the tool of the present invention in which the tool (B-2) is applied to a ball end mill. In the ball end mill cutting, a microstructure provided on a cutting edge ridge line is cut on a machined surface of a work material. It is explanatory drawing which shows the state in which it was inserted typically. The tool travels from left to right in the drawing. Further, the tool is inclined so as to retract with respect to the traveling direction, and rotates clockwise with respect to the tool axis, that is, from the back of the drawing toward the near side. In FIG. 15, numbers 1 to 6 are assigned from the fine structure in front of the feed.
FIG. 16 is a schematic explanatory view showing the process of generating a finished surface, focusing on the region of the first microstructure in FIG.

工具(B−2)では、微細構造の形状及び/又は大きさが段階的に変化する。また、主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の基本周期の整数倍である。以下の説明では、主軸一回転当たりの工具移動量を、微細構造の周期と同じ(すなわち、同周期の1倍)であるものとして説明する。図15に示す態様では、三角波状の微細構造の頂角が、先頭から番号順に拡大している。各微細構造が一回転毎に仕上げ面を通過し、最終番(6番)の形状が仕上げ面性状としてそのまま残る。各微細構造の頂角の変化に伴い、各段での切込みが変化していくが、各段の切込量が、それぞれ、延性モード切削の条件を超えない場合、脆性損傷(例えば、亀裂)を生じさせることなく、最終番の微細構造の表面性状に応じた仕上げ面を生成することができる。   In the tool (B-2), the shape and / or size of the microstructure changes stepwise. The tool movement amount per one rotation of the spindle is an integral multiple of the basic period of the microstructure. In the following description, it is assumed that the tool movement amount per one rotation of the spindle is the same as the period of the microstructure (that is, one time the same period). In the mode shown in FIG. 15, the apex angle of the triangular-wave-shaped fine structure is enlarged in numerical order from the top. Each microstructure passes through the finished surface every rotation, and the final (No. 6) shape remains as the finished surface property. As the apex angle of each microstructure changes, the depth of cut in each step changes. However, if the depth of cut in each step does not exceed the condition of ductile mode cutting, brittle damage (eg, crack) , It is possible to generate a finished surface according to the surface properties of the final microstructure.

図15に示す態様において、主軸一回転当たりの工具移動量を「微細構造の基本周期の整数倍」から「被削材の延性モード切削の条件以下である」に変更することにより、図15に示す態様を前記工具(B−1)として使用できる。   In the embodiment shown in FIG. 15, by changing the tool movement amount per one rotation of the spindle from “an integral multiple of the basic period of the microstructure” to “not more than the condition of the ductile mode cutting of the work material”, The embodiment shown can be used as the tool (B-1).

これまで述べたとおり、本発明においては、回転切削用工具の切れ刃稜線上に、マイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置することにより、各微細構造の切込量を、延性モード切削を達成できる限界切込量以下になるように設定することができるため、被削材の仕上げ面に脆性破壊を生じさせることなく、平滑な仕上げ面を、あるいは、任意の表面性状を有する仕上げ面を、生成することができる。
延性モード切削を達成できる限界切込量は、例えば、使用する工作機械および回転切削用工具の種類、被削材および回転切削用工具の材料、回転切削の各種実施条件(例えば、工具または被削材の回転数、工具または被削材の送り速度、被削材への工具切れ刃の切込量、工具または被削材の傾斜角、切削液等)等により変動するため、後述の実施例に示すように、回転切削の実施予定の条件下において、予備実験を行い、例えば、脆性破壊の有無や加工面の状態を評価指標として、微細構造の形状および大きさ、並びに配置方法を決定することができる。
あるいは、微細構造の形状および大きさ、並びに配置方法を予め決定しておき、予備実験において、回転切削の各種条件を変化させながら、前記評価指標により好適実施条件を決定することにより、本発明を実施することができる。
As described above, in the present invention, on the cutting edge ridge of the rotary cutting tool, by regularly arranging a plurality of microstructures on the micro-nanometer scale, the cutting amount of each microstructure, Because it can be set to be equal to or less than the limit depth of cut that can achieve ductile mode cutting, without causing brittle fracture on the finished surface of the work material, a smooth finished surface, or any surface texture A finished surface can be created.
The critical depth of cut that can achieve ductile mode cutting includes, for example, the type of machine tool and rotary cutting tool used, the material to be machined and the material of the rotary cutting tool, and the various conditions of rotary cutting (for example, tool or workpiece Rotation speed of the material, the feed rate of the tool or the work material, the cutting amount of the tool cutting edge into the work material, the inclination angle of the tool or the work material, the cutting fluid, etc.). As shown in, under the conditions scheduled to perform rotary cutting, preliminary experiments are performed, for example, the presence or absence of brittle fracture and the state of the processed surface are used as evaluation indexes, and the shape and size of the microstructure, and the arrangement method are determined. be able to.
Alternatively, the present invention is determined by determining the shape and size of the microstructure and the arrangement method in advance, and in a preliminary experiment, changing the various conditions of the rotary cutting while changing the preferred execution conditions based on the evaluation index. Can be implemented.

被削材材料として光学ガラス以外の脆性材料を選択し、工具としてボールエンドミル以外の回転切削用工具を選択した場合であっても、それぞれの通常の加工条件は当業者にとってよく知られており、前記の場合と同様にして、所望の仕上げ面を生成することのできる微細構造および加工条件を決定することができる。   Even if a brittle material other than optical glass is selected as a work material and a rotary cutting tool other than a ball end mill is selected as a tool, the respective normal processing conditions are well known to those skilled in the art, In the same manner as described above, a microstructure and processing conditions that can generate a desired finished surface can be determined.

(本発明の作用)
本発明により、脆性損傷を発生させることなく、平滑な仕上げ面または任意の表面性状を有する仕上げ面を生成できる理由について、本発明は以下の作用機序に限定されるものではないが、本発明者は以下の作用機序を考えている。
回転切削において切れ刃稜線形状の変化(所謂、凹凸)により脆性損傷が発生する原因の一つに、図17に示すように切れ刃2または被削材9が一回転するまでに稜線上各位置の切れ刃の切込量が局所的に変化し、過大な切込みとなる箇所から脆性損傷が発生することが考えられる。この現象は、後述の実施例における比較例に示すように、仮に凹凸のない稜線を有する切れ刃(例えば、後述の実施例における比較例)を用いたとしても、脆性損傷が発生したため、回転切削中に切れ刃稜線形状の不規則な変化が起こり、その結果、図17と同じ状態になっていることが推測される。
しかし、図18に示すように、特定形状を有する複数の微細構造4を切れ刃2の稜線上に規則的に配置した場合、突発的な過大な切込量の発生を抑制することにより、切込量を延性モード切削条件以下とすることが可能であり、その結果、局所的な切込量の増大および応力状態の変化が起こらず、材料除去領域の全て(但し、回転切削の初期段階を除く)で脆性損傷を起こさずに延性モード切削が行えるものと考えられる。
(Operation of the present invention)
The present invention is not limited to the following mechanism for the reason that the present invention can produce a smooth finished surface or a finished surface having an arbitrary surface property without causing brittle damage. Consider the following mechanism of action.
One of the causes of brittle damage due to a change in the shape of the cutting edge ridge line (so-called unevenness) in rotary cutting is as shown in FIG. 17, each position on the ridge line until the cutting edge 2 or the work material 9 makes one rotation. It is conceivable that the cutting amount of the cutting edge locally changes and brittle damage occurs from a portion where the cutting becomes excessive. This phenomenon is caused by brittle damage even if a cutting edge having a ridge line without unevenness (for example, a comparative example in the later-described example) is used, as shown in a comparative example in the later-described example. It is presumed that an irregular change in the shape of the cutting edge ridge occurs inside, and as a result, the state is the same as that in FIG.
However, as shown in FIG. 18, when a plurality of microstructures 4 having a specific shape are regularly arranged on the ridge line of the cutting edge 2, the generation of an unexpectedly large cutting amount is suppressed, so that the cutting is performed. It is possible to reduce the depth of cut to less than the ductile mode cutting conditions. As a result, local increase in depth of cut and change in stress state do not occur, and the entire material removal area (however, the initial stage of rotary It is considered that ductile mode cutting can be performed without causing brittle damage.

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。   Hereinafter, the present invention will be described specifically with reference to Examples, but these do not limit the scope of the present invention.

《実施例1》
本実施例における切削試験では、切れ刃稜線上に周期2μm、振幅1.0μmの三角波状の微細構造を成形した刃数1枚の工具ノーズ半径0.5mmの単結晶ダイヤモンド製ボールエンドミルを用いてソーダライムガラス基盤に対して溝切削を行い、仕上げ面性状(平滑面)の観察により脆性損傷への影響を評価した。
<< Example 1 >>
In the cutting test in the present embodiment, a single-crystal diamond ball end mill having a tool nose radius of 0.5 mm and a number of blades formed of a triangular-wave microstructure having a period of 2 μm and an amplitude of 1.0 μm on a cutting edge ridge line was used. Groove cutting was performed on the soda-lime glass substrate, and the effect on brittle damage was evaluated by observing the finished surface properties (smooth surface).

図19に、試験に使用した工具の微細構造を示す。図19(a)は、ボールエンドミルの先端の形状を示す走査電子顕微鏡写真であり、図19(b)は、図19(a)の円で囲んだ領域の部分拡大写真であり、図19(c)は、更に拡大した、微細構造の形状を示す部分拡大写真である。集束イオンビーム加工機(FIB)を用いて、稜線上で切削時に仕上げ面生成に寄与する領域(切れ刃高:144〜178μm、成形長(稜線上):48μm)に、周期2μm、振幅1.0μmの微細構造を生成した。三角波山頂部の頂角は90°である。   FIG. 19 shows the microstructure of the tool used for the test. FIG. 19A is a scanning electron micrograph showing the shape of the tip of the ball end mill, and FIG. 19B is a partially enlarged photograph of a region surrounded by a circle in FIG. (c) is a partially enlarged photograph showing the shape of the fine structure further enlarged. Using a focused ion beam processing machine (FIB), a period of 2 μm and an amplitude of 1 in a region (cutting edge height: 144 to 178 μm, forming length (on the ridge line): 48 μm) contributing to generation of a finished surface during cutting on the ridge. A microstructure of 0 μm was produced. The apex angle of the top of the triangular wave is 90 °.

工具を取り付ける加工機は、XY2軸のリニアステージ(分解能0.1μm)とZ軸ステッピングモータステージ(分解能0.01μm)の計3軸で構成され、モーションコントローラにより各軸を同時制御することができる。最高回転数6万rpmのブラシレスモータスピンドルを被削材に対して特定の角度で傾斜させながらZ軸ステージ側面に治具を介して設置し、工具を傾斜させながら溝切削が行える。被削材は圧電式動力計上に設置したゴニオステージ上に設置し、工具送りに対して被削材を傾斜させながら切削を行うことが可能であるが、今回は被削材の取付け角を0度に固定し、工具送り方向に対する工具傾斜角45度、軸方向切込み20μm(一定)として溝切削を行った。なお、工具傾斜角は被削材上面に対し垂直方向を0度とし送りに対し工具が後退する方向を正とする。切削液に蒸留水を使用した。主な加工条件を表1に示す。   The processing machine on which the tool is mounted is composed of a total of three axes, a XY 2-axis linear stage (resolution 0.1 μm) and a Z-axis stepping motor stage (resolution 0.01 μm), and each axis can be controlled simultaneously by a motion controller. . A brushless motor spindle having a maximum rotation speed of 60,000 rpm is installed on a side surface of the Z-axis stage through a jig while being inclined at a specific angle with respect to the workpiece, and groove cutting can be performed while inclining the tool. The work material can be set on a gonio stage installed on a piezoelectric dynamometer, and cutting can be performed while tilting the work material with respect to the tool feed. The groove was cut at a tool inclination angle of 45 degrees with respect to the tool feed direction and an axial cut of 20 μm (constant). The tool inclination angle is 0 degree in the direction perpendicular to the upper surface of the work material, and the direction in which the tool is retracted with respect to the feed is positive. Distilled water was used as the cutting fluid. Table 1 shows the main processing conditions.

前記条件で切削した溝底部の仕上げ面の粗さ測定の結果を表2に示す。Ra、Rzのいずれの評価指標においても、周期2μm、振幅1.0μmの微細構造を設けた本発明の工具は、微細構造を設けない比較例と比べて、より平滑な仕上げ面を生成できることが確認された。また、仕上げ面の観察においても、比較例では、仕上げ面全体に微細な剥離が観察されたが、実施例では、微細な剥離も抑制されていた。   Table 2 shows the results of the roughness measurement of the finished surface of the groove bottom cut under the above conditions. In any of the evaluation indices Ra and Rz, the tool of the present invention provided with a microstructure having a period of 2 μm and an amplitude of 1.0 μm can generate a smoother finished surface as compared with a comparative example having no microstructure. confirmed. Also, in observation of the finished surface, in the comparative example, fine peeling was observed on the entire finished surface, but in the example, fine peeling was also suppressed.

本発明は、光学ガラス、セラミックス等の脆性材料の回転切削の分野において利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in the field of rotary cutting of brittle materials such as optical glass and ceramics.

1・・・工具;2・・・切れ刃;3・・・稜線;4・・・微細構造;
9・・・被削材;91・・・仕上げ面。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Tool; 2 ... Cutting edge; 3 ... Ridge line; 4 ... Microstructure;
9: Work material; 91: Finished surface.

Claims (8)

切れ刃稜線上に、マイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造を規則的に配置した回転切削用工具であって、
前記微細構造の全てが、被削材の加工面に対して先端が点状接触する形状を有する、前記工具。
A rotary cutting tool in which a plurality of microstructures on a micro-nanometer scale are regularly arranged on the cutting edge ridge,
The tool, wherein all of the microstructures have a shape in which a tip makes a point-like contact with a processing surface of a work material.
前記の複数の微細構造が、同一形状かつ同一寸法のマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍である、請求項1に記載の工具。
The plurality of microstructures are micro-nanometer-scale microstructures having the same shape and the same dimensions,
The tool according to claim 1, wherein each interval between adjacent microstructures is an integral multiple of a minimum value (basic period) of the interval.
主軸一回転当たりの工具移動量が、被削材の延性モード切削の条件以下である、請求項2に記載の工具。   3. The tool according to claim 2, wherein a tool movement amount per rotation of the spindle is equal to or less than a condition of ductile mode cutting of a work material. 主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の基本周期の整数倍である、請求項2に記載の工具。   3. The tool according to claim 2, wherein a tool movement amount per one rotation of the spindle is an integral multiple of a basic period of the microstructure. 前記の複数の微細構造が、形状及び/又は大きさが段階的に変化するマイクロ・ナノメータースケールの複数の微細構造であり、
隣接する微細構造の各間隔が、前記間隔の最小値(基本周期)の整数倍である、請求項1に記載の工具。
The plurality of microstructures are micro-nanometer-scale microstructures in which the shape and / or size are changed stepwise,
The tool according to claim 1, wherein each interval between adjacent microstructures is an integral multiple of a minimum value (basic period) of the interval.
主軸一回転当たりの工具移動量が、被削材の延性モード切削の条件以下である、請求項5に記載の工具。   The tool according to claim 5, wherein a tool movement amount per one rotation of the spindle is equal to or less than a condition for ductile mode cutting of a work material. 主軸一回転当たりの工具移動量が、微細構造の基本周期の整数倍である、請求項5に記載の工具。   The tool according to claim 5, wherein a tool movement amount per one rotation of the spindle is an integral multiple of a basic period of the microstructure. 請求項1〜7のいずれか一項に記載の工具を使用する、回転切削方法。   A rotary cutting method using the tool according to any one of claims 1 to 7.
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