CN111163890A - 金刚石包覆旋转切削工具 - Google Patents

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Abstract

本发明的金刚石包覆旋转切削工具能够防止由剥离或崩刀引起的缺陷的产生，获得平滑的加工面。金刚石覆膜包括包含微细的金刚石粒子的第1金刚石层和包含大的金刚石粒子的第2金刚石层，后刀面侧金刚石覆膜的平均膜厚d2为3μm以上且25μm以下，后刀面侧金刚石覆膜在表面侧形成有第1金刚石层，且在工具基体侧形成有第2金刚石层，从基体切削刃部的前端至50μm的范围或从基体切削刃部的前端至工具直径的1/10的范围中的小的范围的前刀面侧金刚石覆膜的平均膜厚d1在0μm以上且5.0μm以下的范围或0μm以上且小于d2的范围中的小的范围内，后刀面侧金刚石覆膜的端面中的第1金刚石层和第2金刚石层的边界部在基体切削刃部的垂直截面中比连结工具旋转中心和基体切削刃部的基准线的延长线更靠基体后刀面侧处暴露。

Description

金刚石包覆旋转切削工具
技术领域
本发明涉及一种在包含硬质合金的基体的表面包覆有金刚石的金刚石包覆旋转切削工具。
本申请主张基于2017年9月29日申请的日本专利申请2017-189702号的优先权，并将其内容援用于本说明书中。
背景技术
在包含硬质合金的基体的表面包覆有金刚石的旋转切削工具具有刀尖强度高的优点，但是由于刀尖根据金刚石覆膜的膜厚而被倒圆，因此具有难以获得平滑的加工面的问题。
针对工具的刀尖被倒圆的问题，例如提出了专利文献1～专利文献4中所记载的方法等。
在专利文献1中记载了通过利用抛光加工将刀尖的金刚石覆膜更平坦而较薄地形成而使刀尖锋利。在专利文献2或专利文献3中记载了通过在刀尖上形成倒角而提高切削刃的锋利度。在专利文献4中记载了一种通过激光加工来对工具前刀面的金刚石覆膜进行减薄加工并减小刀尖的曲率半径的方法。
专利文献1：日本特开平4-210315号公报
专利文献2：日本专利第3477182号公报
专利文献3：日本专利第3477183号公报
专利文献4：日本专利第5764181号公报
然而，在这些专利文献中所记载的方法中，容易发生刀尖的崩刀或刀尖的金刚石覆膜比未处理时薄，因此具有由磨损引起的刀尖的后退速度增加等的工具寿命缩短的问题。
发明内容
本发明是鉴于这种情况而完成的，因此其目的在于提供一种能够防止由剥离或崩刀引起的缺陷的产生且可获得平滑的加工面的金刚石包覆旋转切削工具。
本发明的金刚石包覆旋转切削工具具备包含硬质合金的工具基体和包覆该工具基体的表面的金刚石覆膜，所述金刚石包覆旋转切削工具中，所述工具基体具备基体前刀面、基体后刀面及设置于所述基体前刀面与所述基体后刀面之间的基体切削刃部，所述金刚石覆膜包括包含微细的金刚石粒子的第1金刚石层及包含比所述第1金刚石层的金刚石粒子大的金刚石粒子的第2金刚石层，且构成后刀面侧金刚石覆膜及前刀面侧金刚石包覆，所述后刀面侧金刚石覆膜包覆所述基体后刀面的表面且平均膜厚d2为3μm以上且25μm以下，所述前刀面侧金刚石包覆以平均膜厚d1为0μm以上且5.0μm以下的范围或0μm以上且小于所述平均膜厚d2的范围中的小的范围的膜厚包覆所述基体前刀面的至少规定范围，所述后刀面侧金刚石覆膜具备形成其表面的所述第1金刚石层，并且以与所述第1金刚石层相邻的方式在所述工具基体侧具备所述第2金刚石层，所述前刀面侧金刚石覆膜设置于在所述基体前刀面中作为所述规定范围的至少从所述基体切削刃部至50μm的范围或从所述基体切削刃部至工具直径的1/10的范围中的小的范围内，所述金刚石包覆旋转切削工具具备：工具前刀面，由所述前刀面侧金刚石覆膜的表面或所述基体前刀面的表面和所述后刀面侧金刚石覆膜的端面连接而构成；工具后刀面，由所述后刀面侧金刚石覆膜的所述表面构成；及工具切削刃部，构成在所述工具前刀面与所述工具后刀面交叉的棱线上，在所述基体切削刃部的垂直截面中，以连结工具旋转中心和所述基体切削刃部的直线为基准线，所述后刀面侧金刚石覆膜的所述端面中的所述第1金刚石层和所述第2金刚石层的边界部在比所述基准线的延长线更靠所述基体后刀面侧处暴露。
在该金刚石包覆旋转切削工具中，在第一阶段，工具切削刃部的前端(刀尖)由后刀面侧金刚石覆膜的第1金刚石层的前端形成。由于切削而第1金刚石层的一部分磨损，但是由于是包含微细的金刚石粒子的层，因此该磨损不会引起崩刀等而进展。并且，以与该第1金刚石层相邻的方式在基体侧设置有第2金刚石层，因此若第1金刚石层磨损至与第2金刚石层的边界部，则第1金刚石层与第2金刚石层的边界部成为工具切削刃部的刀尖。然后，由于第2金刚石层的金刚石粒子大且耐磨损性高，因此磨损速度急剧下降。另一方面，与工具切削刃部的前端(刀尖)相比，后刀面侧成为由包含微细的金刚石粒子的第1金刚石层较薄地覆盖的状态，该第1金刚石层与被加工材料以面相对。
若以该状态持续进行切削，则在工具切削刃部的前端(刀尖)中，相对于第2金刚石层不容易磨损，较薄地覆盖其后刀面侧的第1金刚石层的磨损速度快，因此产生保持锋利的切削刃形态的同时磨损进展的自锐效果，能够长期保持可获得平滑的加工面的切削刃。并且，即使在如此第1金刚石层磨损至与第2金刚石层的边界部之后，在切削中施加到工具切削刃部的主分力也被分散到工具切削刃部前端的第2金刚石层和后刀面侧的第1金刚石层，因此也不容易发生工具切削刃部前端的第2金刚石层的崩刀。
在该情况下，在从基体切削刃部的前端至50μm的范围或从基体切削刃部的前端至工具直径的1/10的范围中的小的范围内，将前刀面侧金刚石覆膜的平均膜厚d1设在0μm以上且5.0μm以下的范围或后刀面侧金刚石覆膜的0μm以上且小于平均膜厚d2的范围中的小的范围内，因此能够防止前刀面侧金刚石覆膜的剥离，能够保持良好的加工精度。另外，关于前刀面侧金刚石覆膜，也包括不形成该前刀面侧金刚石覆膜而基体前刀面暴露的状态(前刀面侧金刚石覆膜的膜厚为0μm)。
在加工被加工材料时，与工具前刀面相比，工具后刀面在远离工具切削刃部的前端的位置也容易与被加工材料接触，并且容易因与被加工材料的滑动而磨损。因此，通过将后刀面侧金刚石覆膜的平均膜厚d2确保为3μm以上且25μm以下，能够防止后刀面侧金刚石覆膜的剥离，并且能够防止工具寿命的缩短。
后刀面侧金刚石覆膜的平均膜厚d2小于3μm时，与工具前刀面相比工具后刀面容易先磨损，工具寿命缩短。另一方面，若平均膜厚d2超过25μm，则金刚石覆膜容易自毁。
作为本发明的金刚石包覆旋转切削工具的优选的实施方式，在从所述边界部沿与所述基准线平行的方向靠工具基体侧1μm的位置的所述基准线的垂线上，所述第2金刚石层的长度L1与所述第1金刚石层的长度L2之比L2/L1为2≤L2/L1≤6。
L2/L1小于2时，覆盖第2金刚石层的第1金刚石层的厚度小，因此前述的自锐效果差。若L2/L1超过6，则第1金刚石层的厚度相对大，因此磨损严重。
作为本发明的金刚石包覆旋转切削工具的优选的实施方式，可以是如下：所述第1金刚石层的金刚石粒子的平均粒径小于0.15μm，所述第2金刚石层的金刚石粒子的平均粒径为0.15μm以上。
作为本发明的金刚石包覆旋转切削工具的优选的实施方式，可以是如下：将在与所述工具基体的所述表面垂直的截面上观察的每一个金刚石粒子的与所述工具基体的表面垂直的方向的长度a和与所述工具基体的表面平行的方向的长度b的长度比设为a/b时，所述第1金刚石层的金刚石粒子的所述长度比a/b小于1.5，所述第2金刚石层的金刚石粒子的所述长度比a/b为1.5以上。
作为本发明的金刚石包覆旋转切削工具的优选的实施方式，可以是如下：在对与所述工具基体的表面垂直的截面上的金刚石覆膜的拉曼光谱进行波形分离，将源自在1332cm-1附近存在的金刚石的sp3杂化轨道的尖锐的峰的强度d除以源自在1580cm-1附近存在的石墨的sp2杂化轨道的平缓的峰(G带)的强度G而得的强度比设为d/G时，所述第1金刚石层的所述强度比d/G为0.1≤d/G＜0.8，所述第2金刚石层的所述强度比d/G为0.8≤d/G。
根据本发明的金刚石包覆旋转切削工具，能够防止由剥离或崩刀引起的缺陷的产生，能够获得平滑的加工面。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的实施方式的球头立铣刀中的工具前端部的立体图。
图2是表示图1所示的球头立铣刀的工具切削刃部附近的与基体切削刃部垂直的截面的主要部分剖视图。
图3是表示在图2所示的本发明的实施方式的球头立铣刀的工具切削刃部中后刀面侧金刚石覆膜的一部分磨损的状态的主要部分剖视图。
图4是表示由第2金刚石层这一单层形成金刚石覆膜时的崩刀的主要部分剖视图。
图5是表示由第1金刚石层这一单层形成金刚石覆膜时的切削刃的磨损状态的主要部分剖视图。
图6是表示在本实施方式所涉及的球头立铣刀的制造方法中所使用的激光加工装置的整体结构图。
图7是说明加工前刀面侧金刚石覆膜时的激光加工工序的示意图。
图8是说明改变刀尖前角时的激光加工工序的示意图。
图9是说明激光束的重叠的示意图。
图10是表示第1金刚石层和第2金刚石层的特定位置的膜厚的比率L2/L1与被加工材料的光泽度的关系的曲线图。
图11A是表示实施例的工具切削刃部中的切削试验前的状态的SEM图像。
图11B是表示实施例的工具切削刃部中的切削试验后的状态的SEM图像。
图12A是表示比较例的工具切削刃部中的切削试验前的状态的SEM图像。
图12B是表示比较例的工具切削刃部中的切削试验后的状态的SEM图像。
图13A是利用实施例的工具进行了切削的被加工材料的整体照片。
图13B是放大利用实施例的工具进行了切削的被加工材料的表面而得的SEM图像。
图14A是利用比较例的工具进行了切削的被加工材料的整体照片。
图14B是放大利用比较例的工具进行了切削的被加工材料的表面而得的SEM图像。
具体实施方式
本发明可应用于在工具基体的表面具有金刚石覆膜的旋转切削工具(钻头、立铣刀或刀片等)。以下，参考附图，对本发明的实施方式进行说明。
本实施方式的金刚石包覆旋转切削工具101为双刃球头立铣刀101，其中，如图2所示，具备工具基体1和包覆其表面的金刚石覆膜2，如图1所示，具有围绕轴线O进行旋转的工具前端部3，在该工具前端部3具有夹着轴线O在180°相反侧设置的一对工具切削刃部41。
球头立铣刀101为工具前端部3的工具直径(外径、公称直径)D0是0.1mm以上且2.0mm以下的小径旋转切削工具。如图1所示，工具切削刃部41形成于工具前刀面42与工具后刀面43交叉的棱线上。工具切削刃部41、工具前刀面42及工具后刀面43以球头立铣刀101的轴线O为对称轴旋转对称地配置于两个位置。
工具基体1由硬质合金形成。金刚石覆膜2通过热丝CVD法(化学气相沉积法)等而成膜。
如图2所示，工具基体1具有基体前刀面12、基体后刀面13及形成于这些基体前刀面12与基体后刀面13交叉的棱线上的基体切削刃部11。图2为基体切削刃部11的某一点处的垂直剖视图(与工具基体1的表面垂直的剖视图)。包覆工具基体1的表面的金刚石覆膜2构成包覆基体前刀面12的表面的至少规定范围的前刀面侧金刚石覆膜22及包覆基体后刀面13的表面的后刀面侧金刚石覆膜23。
后刀面侧金刚石覆膜23的平均膜厚d2为3μm以上且25μm以下。后刀面侧金刚石覆膜23由第1金刚石层31和第2金刚石层32构成，该第1金刚石层31包含形成后刀面侧金刚石覆膜23表面的微细的金刚石粒子(微粒金刚石)，该第2金刚石层32以与第1金刚石层31相邻的方式配置于工具基体1侧，且包含比第1金刚石层31的金刚石粒子大的金刚石粒子(粗粒金刚石)。
前刀面侧金刚石覆膜22由第2金刚石层32这一单层构成，且在基体前刀面12中将从基体切削刃部11至50μm的范围或从基体切削刃部11至工具直径D0的1/10的范围中的小的范围E(图2中由符号E表示的范围)作为规定范围而包覆。
前刀面侧金刚石覆膜22的平均膜厚d1在0μm以上且5.0μm以下的范围或0μm以上且小于后刀面侧金刚石覆膜23的平均膜厚d2的范围中的小的范围内。也有可能前刀面侧金刚石覆膜22的膜厚d1为零，基体前刀面12暴露。
第1金刚石层31的微细的金刚石粒子为所谓的“纳米金刚石”，第2金刚石层32的粗大金刚石粒子为“柱状晶金刚石”。
通常，在CVD热丝法中，在逐步改变成膜时的气体条件时，在恒定阈值范围内从纳米金刚石迅速地改变为柱状晶金刚石。已知通过在该阈值范围内经数小时左右连续地改变气体条件，能够以几μm的厚度形成平均粒径从纳米级顺畅地转移至微米级的渐变层。在本实施方式中，也可以将第1金刚石层31与第2金刚石层32的边界部33设为渐变层。通过将边界部33设为渐变层，第1金刚石层31与第2金刚石层32的边界面的凹凸形状减少，期待可获得更平滑的加工面。然而，若渐变层的厚度过大，则自锐效果下降，因此期望渐变层的厚度在0～3μm左右以下的范围内。另外，在设置渐变层的情况下，将所述渐变层的中央定义为第1金刚石层与第2金刚石层的边界部。
关于该球头立铣刀101，在基体切削刃部11的垂直截面(图2)中，以连结工具旋转中心(轴线O)和基体切削刃部11的直线为基准线C，在从边界部33沿与基准线C平行的方向以1μm靠近工具基体1的位置的基准线C的垂线上，第2金刚石层的长度L1与第1金刚石层的长度L2之比L2/L1优选为2≤L2/L1≤6。
通过L2/L1为2以上，覆盖第2金刚石层32的第1金刚石层31的厚度足够，可获得自锐效果。通过L2/L1为6以下，第1金刚石层31的相对厚度不会过大，因此能够抑制磨损。
若着眼于各层中的金刚石粒子的粒径，则可以是如下：第1金刚石层31的微细的金刚石粒子的平均粒径小于0.15μm，第2金刚石层32的粗大金刚石粒子的平均粒径为0.15μm以上。
若着眼于各层中的金刚石粒子的纵横比，则可以是如下：将在与工具基体1的表面垂直的截面上观察的每一个金刚石粒子的与工具基体1的表面垂直的方向的长度a和与工具基体1表面平行的方向的长度b的长度比设为a/b，第1金刚石层31的金刚石粒子的长度比a/b小于1.5，第2金刚石层32的金刚石粒子的长度比a/b为1.5以上。
通常，柱状晶金刚石粒子的纵横比明显高于纳米金刚石粒子的纵横比。通过上述的长度a及长度b的设定，柱状晶金刚石层的厚度成为柱状晶金刚石粒子的长轴的长度a的上限，因此在通过热丝CVD法形成的情况下，有时根据层的厚度而短轴侧的长度a大的柱状晶金刚石的纵横比减小至接近1。本实施方式中的第2金刚石层32的金刚石粒子的长度比a/b优选设为1.5以上。
能够根据通过拉曼光谱法获得的拉曼光谱来比较第1金刚石层31和第2金刚石层32的结晶性。具体而言，可以是如下：对在与工具基体1表面垂直的方向上切出的金刚石覆膜2的截面上的拉曼光谱进行波形分离，关于将源自在1332cm-1附近存在的金刚石的sp3杂化轨道的尖锐的峰(d带)的强度d除以源自在1580cm-1附近存在的石墨的sp2杂化轨道的平缓的峰(G带)的强度G而得的强度比d/G，第1金刚石层31的强度比d/G为0.1≤d/G＜0.8，第2金刚石层32的强度比d/G为0.8≤d/G。
该强度比d/G为常用于评价金刚石覆膜的膜质的一般指标之一，强度比d/G越高则表示金刚石的结晶性越高。在多晶金刚石覆膜中，已知随着强度比d/G变高而发生晶体的粗大化、柱状化、耐磨损性的提高、耐破损性的下降或表面粗糙度的增加等。
前刀面侧金刚石覆膜22由第2金刚石层32这一单层形成，该第2金刚石层32以从基体切削刃部11至50μm的范围或从基体切削刃部11至工具直径D0的1/10的范围中的小的范围(图2中由符号E表示的范围)为规定范围包覆基体前刀面12。后刀面侧金刚石覆膜23为第1金刚石层31和第2金刚石层32的双层结构。在基体切削刃部11的前端中，后刀面侧金刚石覆膜23的端面与前刀面侧金刚石覆膜22的表面连接。因此，由这些前刀面侧金刚石覆膜22的表面及后刀面侧金刚石覆膜23(第1金刚石层31及第2金刚石层32)的端面形成工具前刀面42，由后刀面侧金刚石覆膜23的第1金刚石层31的表面形成工具后刀面43，在这些工具前刀面42与工具后刀面43之间形成工具切削刃部41。因此，工具前刀面42大部分由第2金刚石层32形成。在工具切削刃部41的附近，第2金刚石层32的端面与第1金刚石层31的端面连接，它们的边界部33暴露。
以连结球头立铣刀101的工具旋转中心(轴线O)和基体切削刃部11的直线为基准线C，后刀面侧金刚石覆膜23的第1金刚石层31与第2金刚石层32的边界部33在比基准线C的延长线更靠基体后刀面13侧处暴露。具体而言，在图2所示的截面中，将从基准线C至后刀面侧金刚石覆膜23的第2金刚石层32与第1金刚石层31的边界部33的高度设为h，关于该高度h设置成：将比基准线C更靠工具前刀面42侧设为正(+：正)，将比基准线C更靠工具后刀面43侧设为负(-：负)，高度h成为负(h＜0μm)。
将所暴露的边界部33的高度h设为负的原因如下：在高度h为正的情况下，磨损到达边界部33时，在成膜时产生的刀尖的带倒圆的位置成为与被加工材料最深入接触的位置，失去锋利度。
关于未使用工具的工具切削刃部41中的第1金刚石层31与第2金刚石层32的边界部33处的前角θ(从基准线C至两个金刚石层31、32的边界部处的切线的角度)，在相对于基准线C，将工具前刀面42侧设为(+：正)，将工具后刀面43侧设为负(-：负)时，前角θ的优选的范围为-20°＜θ＜-5°。以下，将该前角θ设为刀尖前角，将工具前刀面42中由后刀面侧金刚石覆膜23的端面形成的面设为刀尖前刀面44。
在本实施方式的球头立铣刀101中，将前刀面侧金刚石覆膜22设为平坦且薄是因为以下原因。
通常，在使用金刚石包覆切削工具来加工硬质合金等硬脆材料的情况下，有时由于切削中的工具切削刃部的刀尖受到较大的背分力而在刀尖上产生称为断裂的损伤。已知在该情况下，前刀面的金刚石覆膜容易大量剥离，并且产生在发生该剥离之前和之后在加工面产生高低差等的问题。相对于此，在本实施方式的工具中，通过减小前刀面侧金刚石覆膜22的膜厚，抑制了剥离。金刚石包覆工具具有覆膜的厚度越薄则越不容易发生与基体界面的剥离的性质，并且，如本实施方式的工具那样将刀尖进行了锐利化的工具与未处理产品相比背分力下降，因此断裂本身也减少。
若使用如此构成的球头立铣刀101进行切削，则如图3所示，在后刀面侧金刚石包覆23中耐磨损性低的前端的第1金刚石层31在切削初期的早期阶段磨损。若该磨损到达第1金刚石层31与第2金刚石层32的边界部33，则由于第2金刚石层32的耐磨损性高，因此工具切削刃部41的整个刀尖的磨损速度急剧下降。
并且，若磨损进一步进展，则位于后刀面侧的第1金刚石层31的磨损速度比位于刀尖前端的角部的第2金刚石层32的磨损速度快，因此产生在保持锋利的形态的同时磨损进展的自锐效果，能够长距离保持可获得平滑的加工面的切削刃。
并且，在图3所示的工具切削刃部41的刀尖形态中，在切削中施加到刀尖的主分力也被分散到刀尖角部的形成刀尖前刀面44的第2金刚石层32和后刀面侧的第1金刚石层31，因此也不容易发生刀尖角部的第2金刚石层32的崩刀。在磨损至图3所示的状态的后刀面侧金刚石覆膜23的第1金刚石层31中，将在工具切削刃部41附近形成的面设为刀尖后刀面45。
作为比较，如图4所示，在以相同的刀尖形状使用第2金刚石层32单个膜的情况下，由于第2金刚石层32的耐破损性低，因此在锋利的前端部产生由崩刀引起的缺口部51，由此所产生的新的突起部52再次重复发生崩刀这样的损伤。因此，刀尖的损伤速度快，在加工面上产生微细的擦伤状的刀具路径。
如图5所示，在以相同的刀尖形状设为第1金刚石层31单个膜的情况下，由于第1金刚石层31的耐破损性高，因此不容易发生崩刀，但是正常磨损的速度快，切入被加工材料的工具切削刃部53的角部比刀尖后刀面45磨损得快，因此随着磨损的进展而工具切削刃部53的前端刀尖被倒圆。因此，切削阻力增加，由于在被加工材料表面产生的拉伸应力而在被加工材料表面发生挤裂或龟裂。
接着，对制造本实施方式的球头立铣刀(金刚石包覆旋转切削工具)101的方法进行说明。
本实施方式的球头立铣刀101的制造方法具有：成膜工序，在包含硬质合金的工具基体1的表面进行金刚石覆膜2的成膜；及激光加工工序，对金刚石覆膜2照射激光束L，并加工金刚石覆膜2而形成工具切削刃部41。
(成膜工序)
在成膜工序中，如图7所示，在具有基体前刀面12、基体后刀面13及形成于这些基体前刀面12与基体后刀面13之间的基体切削刃部11的工具基体1的表面上例如以8μm以上且30μm以下的大致恒定的膜厚(平均膜厚为d2)进行平均粒径不同的双层结构的金刚石覆膜2的成膜。
首先，在工具基体1上形成包含晶体粒径大的金刚石粒子的第2金刚石层32，并在其上层叠包含晶体粒径小于第2金刚石层32的金刚石粒子的第1金刚石层31而形成。
关于金刚石覆膜2在工具基体1上的成膜，例如能够优选使用微波等离子体CVD法、热丝CVD法或高频等离子体CVD法等公知的方法。并且，还能够应用离子束法等其他成膜方法。对于晶体粒径，若为热丝CVD法，则能够通过改变成膜时的气体条件来控制。
(激光加工工序)
在激光加工工序中，例如，使用如图6所示的激光加工装置201，对包覆工具基体1的表面而形成的金刚石覆膜2照射激光束L，加工该金刚石覆膜2。以下，在图6及激光加工工序的说明中，由符号10表示在工具基体1上形成金刚石覆膜2的工件。
例如，激光加工装置201具备：激光束照射机构50，使激光束L脉冲振荡而以恒定的重复频率照射到金刚石覆膜2上的同时进行扫描；工具保持机构60，能够在保持包覆有金刚石覆膜2的工件10的状态下进行旋转、回转及xyz轴方向上的各个移动；及控制机构70，控制激光束照射机构50和工具保持机构60。
工具保持机构60具有能够使工件10在x-y-z的各方向上平移运动且能够回转运动及自转运动的机构。具体而言，具备：x轴载物台部61x，能够在与水平面平行的x轴方向上移动；y轴载物台部61y，设置于该x轴载物台部61x上且能够在与x轴方向垂直且与水平面平行的y轴方向上移动；z轴载物台部61z，设置于y轴载物台部61y上且能够在与水平面垂直的方向上移动；回转机构62，设置于z轴载物台部61z上；及旋转机构64，使固定于回转机构62上并能够保持工件10的保持架63以与回转机构62的回转中心正交的轴为中心进行旋转。这些各载物台部61x～61z、回转机构62、旋转机构64的各驱动部例如可使用步进马达，并且能够通过编码器将各相位反馈到控制机构70。
激光束照射机构50具备：激光振荡器51，通过Q开关使激光束L脉冲振荡；聚光透镜52，将激光束L会聚成光斑形状；对来自聚光透镜52的激光束L进行扫描的电流扫描仪等的光束扫描***53；及拍摄激光束L的照射位置的CCD摄像机等的拍摄部54。
激光振荡器51能够使用能够照射190nm～1100nm的短波长的激光束L的光源，例如在本实施方式中，使用能够使波长355nm的激光束(Nd：YAG激光波的三次谐波)振荡并射出的激光振荡器。光束扫描***53配置于工具保持机构60的正上方。
控制机构70控制整体的动作，因此具有设定激光束L的回转轨道的半径或回转轨道中的后述等待时间等的程序。
接着，对使用如此构成的激光加工装置201，加工包覆在工件10的表面上的金刚石覆膜2，形成基体前刀面12上的区域的工具前刀面42、基体后刀面13上的区域的工具后刀面43、以及工具前刀面42与工具后刀面43之间的工具切削刃部41的方法进行说明。
在激光加工工序中，如图7所示，在基体前刀面12上的前刀面侧金刚石覆膜22的厚度方向上设定多个(在图7中为九层)加工层25。并且，使激光束L的照射方向与各加工层25垂直(即，与前刀面侧金刚石覆膜22的表面垂直)，且将激光束L的扫描方向设为如图1中由多个箭头表示那样与基体切削刃部11的延伸方向正交的方向，照射激光束L并以恒定速度以等间隔进行影线扫描，由此按每一加工层25去除金刚石覆膜2的规定部分，加工工具前刀面42，并且在工具前刀面42与工具后刀面43之间形成工具切削刃部41。
如图1所示，若将工具切削刃部41的刀尖前端位置上的激光束L的扫描线的间隔设为恒定来进行，则在如图1所示的球头立铣刀101那样的朝外侧凸出的刀尖形态中，在工具前刀面42(基体前刀面12)的内侧与外侧相比激光束L的扫描线的密度增加，因此工具前刀面42的内侧部分的加工量大于刀尖前端。因此，可以通过调节每一个扫描线的长度，在从工具前刀面42的内侧部分至刀尖之间将扫描线的密度设为恒定。
在各加工层25中，可以将相邻的激光束L的重叠K设为50％以上(参考图9)。如图9所示，若将激光束L的聚光直径设为B，且将在对激光束L进行扫描时在扫描线之间相邻的激光束L的聚光直径B的中心之间的距离设为A，则在A＝B时重叠K成为0％，在A＝B/2时重叠K成为50％。通过将重叠K设为50％以上，能够将加工面精加工成没有凹凸的平滑的面。
通过在各加工层25中重复进行这种激光束L的扫描，去除前刀面侧金刚石覆膜22的规定部分而形成三维形状的加工面，加工工具前刀面42，与工具前刀面42一起形成工具后刀面43和工具切削刃部41。
例如，如图2所示，在形成刀尖的高度h小于0(h＜0μm)且刀尖前角θ为负(θ＜0°)的刀尖前刀面44及工具切削刃部41的情况下，如图7中由实线箭头S1表示扫描线那样，在比预定加工的工具切削刃部41的刀尖前端位置更靠外侧处设定每一加工层25的激光束L的扫描线S1的扫描停止位置。
如图7所示，通过包覆工具基体1的表面而形成的金刚石覆膜2中，前刀面侧金刚石覆膜22与后刀面侧金刚石覆膜23之间的表面成为圆弧面。因此，若对各加工层25照射激光束L，则被照射为在各加工层25的刀尖附近激光束L的照射位置比工具中心侧深。换言之，即使扫描线S1为直线状，在金刚石覆膜2的表面为圆弧面的部分中也沿着圆弧面去除金刚石覆膜2。
即，通过在各加工层25内改变激光束L的照射距离，尤其在刀尖附近的加工面形状被大量加工。由此，与其他部分相比，在刀尖附近进行更深的加工，能够加工刀尖前角θ为负的刀尖前刀面44和刀尖的高度h小于0的工具切削刃部41。
作为该刀尖前角θ，优选-20°＜θ＜-5°。
为了控制刀尖前角θ的大小，能够通过控制每一次影线扫描中的激光束L的停止位置来调节。例如，如图7所示，若在所有层中将激光束L扫描至切削刃的外侧，则由于原始的刀尖的金刚石覆膜2的圆度的影响而刀尖前角θ减小(向负侧增加)。
相对于此，如图8所示，若组合在比预定加工的工具切削刃部41的刀尖前端位置更靠外侧具有扫描停止位置的扫描线S1(实线箭头)和在比预定加工的工具切削刃部41的刀尖前端位置更靠内侧具有扫描停止位置的扫描线S2(虚线箭头)来进行每一加工层25的激光束L的扫描，则能够将刀尖前角θ调节为较大(作为绝对值较小)。
此时，关于在比预定加工的工具切削刃部41的刀尖前端位置更靠内侧具有扫描停止位置的扫描线S2，通过将各扫描停止位置例如设定于如图8中由双点划线表示那样的曲线46上并进行照射，能够精确地形成没有高低差的平滑的加工面形状。
如此，通过调节激光束L的扫描线S1、S2的扫描停止位置，能够容易地调节照射到加工面上的激光束L的能量密度，因此能够去除前刀面侧金刚石覆膜22的规定部分，并容易地形成三维形状的加工面(刀尖前刀面44)，并且刀尖前端能够形成锋利的刀尖。
另外，在图8中，交替地实施在比工具切削刃部41的刀尖前端位置更靠外侧具有扫描停止位置的扫描线S1和在比工具切削刃部41的刀尖前端位置更靠内侧具有扫描停止位置的扫描线S2，但是并不限定于此。能够根据加工面形状来组合外侧的扫描线S1和内侧的扫描线S2的扫描时机及次数。
实施例
实际上制作了本实施方式的球头立铣刀(直径为2.0mm的双刃球头立铣刀)。首先，通过表1所示的条件的热丝CVD法，在工具基体上形成了平均粒径不同的双层结构的多晶金刚石覆膜。
灯丝的材质设为99质量％的钨，灯丝的直径设为0.4mm。将工具基体与灯丝的距离保持在10mm，灯丝在与立铣刀的轴向垂直的方向上拉伸。在成膜之前，将气压调节至1kPa，将甲烷流量调节至30SCCM(1atm，0℃)，将氢流量调节至3000SCCM(1atm，0℃)，将灯丝在1500℃下保持2小时，由此使灯丝进行了碳化。另外，气体流量的单位“SCCM”为在基准条件(1atm，0℃)换算下的体积流量(cc/min)。
在成膜时，以工具基体的温度成为800℃～900℃的方式调节了灯丝的温度。此时的灯丝温度控制在2100±50℃的范围内。灯丝温度通过放射温度计来进行测定，工具基体的温度通过从硬质合金基体立铣刀的刀柄侧***热电偶来进行了测定。膜厚及层厚能够通过调节成膜时间来改变。表1所示的条件编号1～3相当于第1金刚石层，条件编号4～10相当于第2金刚石层。
关于晶体粒径的控制，通过如表1所示那样改变成膜时的气体条件来进行。表1中的平均粒径是指由在覆膜的垂直截面中观察的每一个金刚石粒子的与工具基体表面垂直的方向的长度a和与工具基体表面平行的方向的长度b的平均值(a+b)/2定义的粒径的算数平均值。关于粒子形状，在每一个金刚石粒子的前述长度a与长度b之比a/b的算数平均值小于1.5的情况下设为球状，在为1.5以上的情况下设为柱状。
＜金刚石粒子的平均粒径及粒子形状的定义及测定方法＞
将对象工具的刀尖附近的未处理部中的金刚石覆膜在与工具基体的法线平行的方向上进行薄片化来制作薄片试样。关于所获得的薄片试样，获取调节成能够识别每一个粒子轮廓的TEM的暗场像或根据通过使用了TEM探针的EBSD测定获得的晶体取向用颜色区分粒子而得的颜色映射图像中的任一个。
在该图像上，从覆膜表面朝向覆膜和工具基体的界面沿垂直的方向以0.5μm间隔绘制与覆膜表面平行的长度为3μm的线段，将在这些各线段上相交的所有粒子的与工具基体表面垂直的方向的长度a和与工具基体表面平行的方向的长度b的平均值(a+b)/2的算数平均值定义为覆膜在该位置上的平均粒径。
将与该工具基体表面垂直的方向的长度a除以与工具基体表面平行的方向的长度b而得的值a/b的算数平均值定义为该位置上的粒子的纵横比。在该纵横比小于1.5的情况下判断为球状粒子，在为1.5以上的情况下判断为柱状晶粒。
关于强度比d/G的值，对于前述膜的截面(薄片试样)，将波长为532nm、直径为0.5μm的激光作为光源来测定拉曼光谱，读取在波形分离后的1330cm-1附近观察到的尖锐的峰(sp3结合带、d带)的峰强度d和在1580cm-1附近观察到的相对宽的峰(sp2结合带、G带)的峰的强度G，并将强度d除以强度G而得的值设为强度比d/G。关于强度比d/G的测定，也与上述同样地，从覆膜表面以0.5μm的间隔进行。
[表1]
Figure BDA0002424847890000131
接着，如图1及图7所示，将垂直于前刀面照射的激光束在与切削刃棱线垂直的方向上以恒定速度以等间隔进行影线扫描，并重复进行多次该扫描，由此将前刀面的金刚石膜厚加工为任意厚度。所使用的激光加工条件如下。
(激光加工条件)
激光波长：355nm
脉冲宽度：30ns
重复频率：200kHz
输出功率：0.5W
激光束的聚光直径：10μm
激光束的扫描速度：200(mm/s)
激光束的扫描线的间隔(中心之间的距离A)：2μm
在该激光加工条件下，通过一次影线扫描以约1μm的深度加工了金刚石覆膜。并且，通过前述的扫描线的控制，将刀尖前角θ调节在-20°＜θ＜-5°的范围内。
通过FIB(FocusedIonBeam：聚焦离子束)加工暴露使用该激光加工条件实际上加工的刀尖的截面，并进行SEM观察，其结果，表2所示的样品1～30(实施例)的工具均为刀尖前端(由第1金刚石层构成的角部)的曲率半径是0.8μm以下的非常锐利的工具。
另外，上述的刀尖前端的曲率半径为将工具切削刃部41的圆度近似为圆的半径。这种非常锐利的刀尖为仅在如上述激光加工条件那样将每单位面积的激光的脉冲能量(通量)设为接近金刚石覆膜的加工阈值的情况下观察到的特有的刀尖。另一方面，在以足够高于金刚石包覆的加工阈值的通量进行激光加工的情况(例如，在上述条件下将输出功率设为5W的情况)下，激光加工后的刀尖的曲率半径取决于加工前的刀尖的曲率半径，成为加工前的刀尖的曲率半径的一半左右(参考日本特开2018-103338号公报)。
并且，在样品1～30中的任一个工具中，将从刀尖至50μm处或从刀尖至工具直径的1/10处的前刀面的金刚石覆膜的膜厚d1调节在5.0μm以下的范围内。后刀面的金刚石覆膜的膜厚d2为将表2的第1金刚石层的膜厚和第2金刚石层的膜厚相加而得的值。
作为比较例，还制作了在表1的条件编号5的情况下的设为第2金刚石层这一单层膜的样品41的工具、以及将所暴露的边界的高度h设为正值的样品42的工具。关于这些比较例的样品40、41，将从刀尖至工具直径的1/10处的前刀面的金刚石覆膜的膜厚d1调节在5.0μm以下的范围内。
表2中示出关于通过上述方法制作的各种样品的工具的后刀面侧金刚石覆膜的第1金刚石层及第2金刚石层的各膜厚、所暴露的边界部的高度h及L2/L1的实测值以及进行切削试验时的被加工材料的光泽度和其判定结果。表2的条件编号与表示制作样品时使用的金刚石覆膜的成膜条件等的表1的条件编号相对应。
在各样品的工具中的后刀面侧金刚石覆膜中，如前所述，一边测定金刚石粒子的平均粒径，一边从覆膜表面以0.5μm的间隔检查时，将直至满足第1金刚石层的条件(金刚石粒子的平均粒径小于0.15μm)的厚度范围判断为第1金刚石层。第2金刚石层也相同(金刚石粒子的平均粒径为0.15μm以上)。
关于切削试验，对于包含平均粒度小于1.0μm的硬质合金(相当于ISOK10)的直径为20mm的圆盘状的被加工材料，使用各样品的工具，通过干法加工，在旋转速度为30，000min-1、进给速度为300mm/min、切入量ae＝0.03mm(加工宽度、宽度方向的步进量)、ap＝0.05mm(加工深度)的切削条件下进行了平面切削。在以加工宽度ae＝0.03mm对直径为20mm的圆盘状的被加工材料的整个表面进行平面磨削的情况下，切削长度约为10m。
在切削试验之后，测定各被加工材料的光泽度，并判定了加工质量。表2中所示的光泽度为如下光泽度(单位：GlossUnit)的平均值：即，该光泽度为使用光泽度仪(NIPPONDENSHOKUINDUSTRIESCO.,LTD.制造的PG-1M)，以20°的入射角，测定总计四次被加工材相对于被加工材料的中央部10.0mm×10.6mm的区域每旋转90°时的光泽度。对于加工质量的评价，以基于样品41的被加工材料的光泽度为基准，将该光泽度的平均值为基于样品41的被加工材料的光泽度的2倍以上的情况设为A，将1～2倍的情况设为B，将小于该基于样品41的被加工材的光泽度的情况设为C。
[表2]
Figure BDA0002424847890000151
如表2所示，基于样品1～30的工具的被加工材料的光泽度均高于基于样品41的工具的被加工材料的光泽度。尤其，在基于在2＜L2/L1≤6的范围内的样品的工具的被加工材料中，判定结果为A。样品42为将所暴露的边界的高度h设为正的值的情况，但是被加工材料的光泽度低于基于样品41的工具的被加工材料的光泽度，且判定结果为C。
图10中，将表2中的L2/L1与被加工材料的光泽度的关系示为曲线图。已知在2＜L2/L1≤6的范围内被加工材料的光泽度优异。
图11A及图11B为样品17(实施例)的工具的切削前后的刀尖的SEM图像，符号M17表示切削刃，符号N17表示前刀面。图12A及图12B为样品41(比较例)的切削前后的刀尖的SEM图像，符号M41表示切削刃，符号N41表示前刀面。在样品17中，从外观可知刀尖的微粒层(宽度为3μm)受到磨损，且粗粒成为刀尖的状态。在样品17中，仅在一部分刀尖中发生了小的崩刀，但是在样品41中，如图12B所示那样发生了大的崩刀。另外，样品17的前刀面N17的金刚石膜厚为2μm，样品41的前刀面M17的金刚石膜厚为0μm(硬质合金的基体暴露)。
图13A为基于样品17的工具的切削试验后的被加工材料的照片，图13B为其中央附近(切削长度约为5m)的SEM图像。图14A及14B为基于样品41的工具的切削试验后的被加工材料的照片和其中央附近(切削长度约为5m)的SEM图像。基于样品17的工具的被加工材料的加工面的光泽度高，并且即使在SEM图像上也几乎观察不到加工的痕迹。
关于基于样品41的工具的被加工材料，已知在照片上在切削初期(直至切削长度为2m左右)观察到光泽，但是在其之后光泽度变差。图14A中的箭头A表示工具进给方向，箭头B表示周期进给(pickfeed)方向。如图14B所示，在SEM图像中条纹状的刀具路径清晰可见，在到处观察到认为是由WC粒子的挤裂引起的直径为几μm左右的多个凹陷。
表3为以与样品17相同的工具形态及膜厚制作改变了第2金刚石层和第1金刚石层的晶体粒径(成膜条件)的样品，并在与上述相同的条件下进行切削试验而得的结果。样品32为与样品17相同的条件。
[表3]
Figure BDA0002424847890000161
如表3所示，在第2金刚石层的平均粒径小于0.15μm的样品31或第1金刚石层的平均粒径为0.15μm以上的样品38中，被加工材料的光泽度低且判定为C，在除此以外的样品中，被加工材料的光泽度均良好且均判定为A或B。
如上所述，通过将工具前刀面中的从基体切削刃部的前端至50μm处的膜厚设为5.0μm以下而能够抑制剥离。在该情况下，即使将工具前刀面的金刚石覆膜的厚度设为零(即使完全去除)，在暴露了基体前刀面的的基体上也完全未观察到由切削碎屑流动引起的损伤。
如上所述，本实施方式的工具不会产生由剥离或崩刀引起的缺陷而能够获得平滑的加工面。
另外，本发明并不限定于上述实施方式，能够在不脱离本发明的趣旨的范围内施加各种变更。
例如，若第1金刚石层及第2金刚石层在各区域内处于被识别为该区域的条件范围内(各层之间的能够识别的范围内)，则可以设为金刚石粒子的粒径等断续地或连续地改变的层叠结构，其晶粒也不一定在覆膜表面侧为相对微细的粒子。例如，第1金刚石层可以成为从表面侧朝向基体从微粒变为超微粒的层叠结构。并且，关于第1金刚石层和第2金刚石层的边界，无需一定存在清晰的(非连续的)界面，例如晶体粒径可以连续地改变。并且，作为金刚石覆膜，可以使用掺杂有氮或硼等元素的金刚石覆膜。
本发明的工具无需是金刚石覆膜整体具有第1金刚石层和第2金刚石层这两层的结构。关于与工具的标准切削条件下的每一刃的进给量(通常，在将硬质合金设为被加工材料的情况下为5μm左右)相比更远离刀尖前端的位置的前刀面，其不会与被加工材料直接接触，只会有微细的切削碎屑在表面上滑动而几乎不会发生磨损，因此可以是只有例如由微粒金刚石构成的第1金刚石层的单层结构。而且，还可以设为将包含粗粒金刚石的第2金刚石层和包含微粒金刚石的第1金刚石层交替地层叠多层而成的多层结构。
在该情况下，根据前刀面的金刚石覆膜的膜厚d1的大小，前刀面表层的金刚石层并不限制于第2金刚石层(包含粗粒金刚石的层)，例如，有时还成为第1金刚石层(包含微粒金刚石的层)。
并且，可以在前述前刀面的激光加工之后，使用激光加工或磨削加工等，在后角大致为零的大致平面上对刀尖前端的金刚石覆膜(第1金刚石层)进行倒角加工。通过预先进行倒角加工，切削初期与切削中期以后的工具直径之差减小，能够提高加工精度。
并且，在上述实施方式中对球头立铣刀进行了说明，但是在工具基体的表面具有金刚石覆膜的旋转切削工具、例如一体形成有刀尖的钻头、其他立铣刀或刀片等切削工具中也能够应用本发明。并且，在这种切削工具中，能够广泛应用曲线状的切削刃部、曲线状的切削刃部和直线状的切削刃部的组合等多种结构。
另外，关于第1金刚石层及第2金刚石层，各层中的金刚石粒子的平均粒径、纵横比及拉曼光谱的强度比无需全部同时满足上述的范围。作为各层的比较，第2金刚石层的金刚石粒子大于第1金刚石层的金刚石粒子即可，平均粒径、纵横比及分光强度比分别根据需要来满足优选范围即可。
产业上的可利用性
在切削加工中，能够防止由切削工具的切削刃部的剥离或崩刀引起的缺陷的产生，能够获得平滑的加工面。
符号说明
1 工具基体
2 金刚石覆膜
3 工具前端部
11 基体切削刃部
12 基体前刀面
13 基体后刀面
22 前刀面侧金刚石覆膜
23 后刀面侧金刚石覆膜
25 加工层
31 第1金刚石层
32 第2金刚石层
41 工具切削刃部
42 工具前刀面
43 工具后刀面
44 刀尖前刀面
45 刀尖后刀面
50 激光束照射机构
51 激光振荡器
52 聚光透镜
53 光束扫描***
54 拍摄部
60 工具保持机构
61x x轴载物台部
61y y轴载物台部
61z z轴载物台部
62 回转机构
63 保持架
64 旋转机构
70 控制机构
101 球头立铣刀(金刚石包覆旋转切削工具)
201 激光加工装置

Claims (5)

1.一种金刚石包覆旋转切削工具，具备包含硬质合金的工具基体和包覆该工具基体的表面的金刚石覆膜，所述金刚石包覆旋转切削工具的特征在于，
所述工具基体具备基体前刀面、基体后刀面及设置于所述基体前刀面与所述基体后刀面交叉的棱线上的基体切削刃部，
所述金刚石覆膜包括包含微细的金刚石粒子的第1金刚石层及包含比所述第1金刚石层的金刚石粒子大的金刚石粒子的第2金刚石层，且构成后刀面侧金刚石覆膜及前刀面侧金刚石覆膜，所述后刀面侧金刚石覆膜包覆所述基体后刀面的表面且平均膜厚d2为3μm以上且25μm以下，所述前刀面侧金刚石覆膜以平均膜厚d1为0μm以上且5.0μm以下的范围或0μm以上且小于所述平均膜厚d2的范围中的小的范围的膜厚包覆所述基体前刀面的至少规定范围，
所述后刀面侧金刚石覆膜具备形成其表面的所述第1金刚石层，并且以与所述第1金刚石层相邻的方式在所述工具基体侧具备所述第2金刚石层，
所述前刀面侧金刚石覆膜设置于在所述基体前刀面中作为所述规定范围的至少从所述基体切削刃部至50μm的范围或从所述基体切削刃部至工具直径的1/10的范围中的小的范围内，
所述金刚石包覆旋转切削工具具备：工具前刀面，由所述前刀面侧金刚石覆膜的表面或所述基体前刀面的表面和所述后刀面侧金刚石覆膜的端面连接而构成；工具后刀面，由所述后刀面侧金刚石覆膜的所述表面构成；及工具切削刃部，构成在所述工具前刀面与所述工具后刀面交叉的棱线上，
在所述基体切削刃部的垂直截面中，以连结工具旋转中心和所述基体切削刃部的直线为基准线，所述后刀面侧金刚石覆膜的所述端面中的所述第1金刚石层和所述第2金刚石层的边界部在比所述基准线的延长线更靠所述基体后刀面侧处暴露。
2.根据权利要求1所述的金刚石包覆旋转切削工具，其特征在于，
在从所述边界部沿与所述基准线平行的方向靠工具基体侧1μm的位置的所述基准线的垂线上，所述第2金刚石层的长度L1与所述第1金刚石层的长度L2之比L2/L1为2≤L2/L1≤6。
3.根据权利要求1或2所述的金刚石包覆旋转切削工具，其特征在于，
所述第1金刚石层的金刚石粒子的平均粒径小于0.15μm，
所述第2金刚石层的金刚石粒子的平均粒径为0.15μm以上。
4.根据权利要求1或2所述的金刚石包覆旋转切削工具，其特征在于，
将在与所述工具基体的所述表面垂直的截面上观察的每一个金刚石粒子的与所述工具基体的所述表面垂直的方向的长度a和与所述工具基体的表面平行的方向的长度b的长度比设为a/b时，
所述第1金刚石层的金刚石粒子的所述长度比a/b小于1.5，
所述第2金刚石层的金刚石粒子的所述长度比a/b为1.5以上。
5.根据权利要求1或2所述的金刚石包覆旋转切削工具，其特征在于，
在对与所述工具基体的表面垂直的截面上的金刚石覆膜的拉曼光谱进行波形分离，将源自在1332cm-1附近存在的金刚石的sp3杂化轨道的尖锐的峰的强度d除以源自在1580cm-1附近存在的石墨的sp2杂化轨道的平缓的峰的强度G而得的强度比设为d/G时，
所述第1金刚石层的所述强度比d/G为0.1≤d/G＜0.8，
所述第2金刚石层的所述强度比d/G为0.8≤d/G。
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