JP2007268647A - エンドミル - Google Patents

Abstract

【課題】チップが工具本体から外れることなく寿命が長く安定しているとともに首部の長さを容易に調整して加工深さを調整できるエンドミルを提供する。
【解決手段】立方晶窒化硼素焼結体層１４Ａと超硬合金層１４Ｂとが一体成形された略円柱形のチップ１４と、チップ１４と軸線を同じくしてチップ１４の後端側の超硬合金層１４Ｂに連接される工具本体１５とを備え、チップ１４の先端部分に切刃が形成されたエンドミル１０であって、工具本体１５の少なくとも先端側には取付軸部１６が形成されており、取付軸部１６の先端面の外径がチップ１４の後端面の外径と同一径とされ、チップ１４の後端面と取付軸部１６の先端面との間に接合部２０が配置され、接合部２０は、金属元素がチップ１４及び工具本体１５のうち少なくとも一方へ拡散した拡散層を含む接合層とされていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、金型の加工等に用いられる切削工具であるエンドミルに関する。

近年、携帯電話等の筐体の製造に使用される金型を加工する工具として、立方晶窒化硼素焼結体（以下、ｃＢＮと称す）を使用したエンドミルが提供されている。ｃＢＮは、ダイヤモンドに次ぐ硬度を有しており、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉといった金属との化学反応性が低いため、金型加工には最も適している材料である。ｃＢＮを使用したエンドミルにおいては、従来では加工できなかったＨＲＣ６０以上の非常に硬い焼入れ鋼の切削加工が可能であり、高精度、長寿命の金型を提供することができるために注目されており、特にφ３以下の小径のエンドミルにおいては、金型の形状の複雑化及び小型化に伴い、今後の需要の増加が見込まれている。

また、現在の金型の加工においては、自動運転により切削加工が行われており、エンドミルは、長時間（例えば、４０時間）連続して使用されることがある。自動運転中にエンドミルが突発的に破損した場合には、加工途中の金型は再加工できず不良となり、生産性が著しく低下してしまうため、エンドミルには、その寿命が長寿命かつ安定していることが要求されている。

従来のｃＢＮを使用したエンドミルとしては、例えば特許文献１、特許文献２に記載されたものが提案されている。
特許文献１に記載されたエンドミルは、小径のボールエンドミルであり、先端にボール刃が形成された切刃部と、この切刃部の外径と略同一外径とされた首部と、切刃部及び首部よりも大径とされたシャンク部とを備えており、切刃部と首部の長さにより、エンドミルの加工できる加工深さが決定される。

また、このエンドミルは、先端に配置されるチップと、該チップに連接される工具本体とで構成されている。チップは、ｃＢＮ層と超硬合金層との積層構造をなしており、ｃＢＮ層にボール刃が形成されている。また、工具本体は、超硬合金により構成されており、その先端部には、チップ取付用の凹部が形成されている。この凹部に、チップの後端（超硬合金層側）が嵌め込まれ、チップの超硬合金層と工具本体の凹部との間がろう材により接合されている。

チップは、以下の手順により製造される。超硬合金で構成された基材の上部に、立方晶窒化硼素の粒子とバインダーとなる窒化チタンや炭化チタン等の粒子を混合した粉体をのせ、超高圧焼結装置の圧力空間に装填し、４ＧＰａ程度の高い圧力を加えた状態で１３００℃程度まで加熱することにより、超硬合金層とｃＢＮ層が一体成形されたチップ素材が得られる。このチップ素材を放電ワイヤーカットにて円柱状に切断することで、チップが得られる。

一方、特許文献２に記載されたエンドミルは、小径のボールエンドミルであり、切刃部と首部とシャンク部とを備えており、切刃部と首部の長さによりエンドミルの加工できる加工深さが決定される。
このボールエンドミルでは、チップを工具本体先端面に直接ろう付けしている。つまり、ｃＢＮ層と超硬合金層とで構成されたチップが、超硬合金からなる工具本体の先端部にろう材を介して接合されているのである。
特開２００４−２６８２０２号公報 特開２００２−１４４１３１号公報

ところで、特許文献１に記載されたエンドミルでは、チップが工具本体の凹部に挿入されてろう付けされているので、ろう付け面積が確保されてチップと工具本体とを強固に固定することができる。しかしながら、チップを工具本体の凹部で保持するためにチップの外径よりも工具本体先端の凹部の内径を大きくする必要があり、切刃部及び首部の長さが、チップの長さにより決定されることになる。つまり、上記構成のボールエンドミルにおいては、様々な加工深さに対応するために、その加工深さに対応したサイズでチップ素材を製作する必要があるのである。上述のように、チップ素材を大きくすると超高圧焼結装置の圧力空間に装填できるチップ素材の個数が限られるため、その製造コストが高くなってしまうといった問題があった。

一方、特許文献２に記載されたエンドミルでは、チップを工具本体の先端面にろう付けしているので、工具本体を加工することによって首部の長さを調整することが可能となり、加工深さに応じたエンドミルを提供することが可能である。しかし、チップの後端面と工具本体の先端面とをろう付けしているのでろう付け面積が小さくチップを強固に固定することができず切削時の切削抵抗によってチップが外れてしまうおそれがあった。特に、φ３以下の小径エンドミルにおいてはろう付け面積が小さすぎてエンドミルを構成することが困難であった。

また、特許文献２に記載されたエンドミルにおいては、先端の切刃が形成された部分にセラミックスコーティングを施しており、コーティング処理条件によっては、ろう付けした状態でコーティングを行うとろう材が溶融してしまうおそれがあった。このため、チップのみにコーティングを施した後にチップを工具本体にろう付けすることになる。
また、特許文献２に記載されたエンドミルにおいては、ろう付け位置を首部の最後端としている。しかし、この首部の最後端は切削抵抗による曲げ応力が最も集中する部分であり、切削抵抗によりチップが外れてしまうおそれがあった。

ろう付けにおいては、一度溶融したろう材が凝固することによって接合する方法であるため、凝固時における体積収縮によって、凝固したろう材の内部に巣欠陥と呼ばれる空隙部が生じる場合がある。特に、φ３以下の小径のエンドミルでは、接合面積が非常に小さく、ろう材内部に巣欠陥が生じると、著しく接合強度が劣ることとなる。ろう材内部の巣欠陥の存在は、外観上では識別不可能なため、上記の構成のボールエンドミルでは、寿命が著しく短いものが市場に出回る可能性がある。

本願発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、チップが工具本体から外れることなく寿命が長く安定しているとともに首部の長さを容易に調整して加工深さを調整できるエンドミルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は、立方晶窒化硼素焼結体層と超硬合金層とが一体成形された略円柱形のチップと、該チップと軸線を同じくして該チップの後端側の前記超硬合金層に連接される工具本体とを備え、前記チップの先端部分に切刃が形成されたエンドミルであって、前記工具本体の少なくとも先端側には取付軸部が形成されており、該取付軸部の先端面の外径が前記チップの後端面の外径と同一径とされ、前記チップの前記後端面と前記取付軸部の前記先端面との間に接合部が配置され、該接合部は、金属元素が前記チップ及び前記工具本体のうち少なくとも一方へ拡散した拡散層を含む接合層とされていることを特徴としている。

この構成のエンドミルにおいては、工具本体の先端に取付軸部が形成され、この取付軸部の先端面とチップの後端面との間に接合部が形成されているので、接合部に切削時の応力が集中することがない。
また、前記接合部が、金属元素が拡散された拡散層で構成されているので、その接合強度は、従来のろう付けによる接合に比べて著しく高く、チップと工具本体とを強固に固定できる。さらに、金属元素を拡散させる工程では、固体中の拡散現象を利用するため、接合する過程において金属が溶融されることがないので、上記のエンドミルの接合層には、ろう材内部に発生するような巣欠陥は存在しない。

したがって、上記構成のエンドミルにおいては、接合部に応力が集中せずチップと工具本体とを強固に固定できるので、切削時にチップが外れることを防止できる。特に、φ３以下の小径のエンドミルのように接合面積が小さくでも、確実にチップと工具本体を固定できるため効果的である。

また、前記チップの超硬合金層と超硬合金からなる工具本体とが一体となって構成されているので、前記チップの超硬合金層の大きさを小さくすることが可能となり、チップ素材の大きさを小さくできるので、その製造コストを大幅に低減できる。さらに、ネック長さを前記シャンクの形状により調整できるので、加工深さに応じたエンドミルを容易に提供できる。

ここで、前記チップの先端から前記接合部までの長さＬを、前記取付軸部の外径Ｄに対して、Ｌ≦４．０×Ｄとなるように設定することにより、接合部への応力集中を確実に防止できる。また、切刃長さを確保するために、前記長さＬを０．８×Ｄ≦Ｌ≦４．０×Ｄの範囲内に設定することがより好ましい。

さらに、前記チップと前記工具本体との間に形成された前記接合層を、金属層と前記拡散層とから構成することにより、前記接合層に延性を有する金属層が具備されることになり、ｃＢＮ層や超硬合金層に発生する応力を前記金属層によって、例えば温度変化に伴う熱応力を吸収でき、前記チップのｃＢＮ層及び超硬合金層でのクラックの発生を防止できる。また、前記金属層によって、熱応力に伴う残留応力を低減できるので、エンドミル使用時における前記チップの変形及び破損を防止できる。

本発明によれば、チップが工具本体から外れることなく寿命が長く安定しているとともに首部の長さを容易に調整できるエンドミルを提供することができる。

本発明の実施形態について、添付した図面を参照にして説明する。図１及び図２に、本発明の実施形態であるエンドミルの概略図を示す。また、図３及び図４に、エンドミルの先端に配置されるチップを示す。
エンドミル１０は、図１に示すように円弧状に形成されたボール刃を有するボールエンドミルであって、その先端（図１において左側）部分に前記ボール刃を備えた切刃部１１が形成されており、この切刃部１１の後端側には切刃部１１よりも僅かに小径とされた首部１２が設けられ、該首部１２のさらに後端側には一段大径とされたシャンク部１３が形成されている。このように本実施形態であるエンドミルは、首部１２の外径が切刃部１１の外径よりも小さくされた、いわゆる首ぬすみタイプのエンドミルである。
そして、このエンドミル１０の加工深さは、切刃部１１と首部１２の長さによって決定されることになる。

また、このエンドミル１０は、チップ１４と、このチップ１４に連接される工具本体１５とで構成されている。
チップ１４は、図４に示すように概略円柱状をなしており、その先端（図４において上側）にｃＢＮ層１４Ａが形成され、該ｃＢＮ層１４Ａに積層するように超硬合金層１４Ｂが形成されている。
このチップ１４は、次のようにして製造される。まず、超硬合金で構成された基材の上部に、立方晶窒化硼素の粒子とバインダーとなる窒化チタンや炭化チタン等の粒子を混合した粉体をのせ、超高圧焼結装置の圧力空間に装填し、４ＧＰａ程度の高い圧力を加えた状態で１３００℃程度まで加熱することにより、図３に示すような超硬合金層３２とｃＢＮ層３１が一体成形されたチップ素材３０を得る。このチップ素材３０を放電ワイヤーカットにて円柱状に切断することで、チップ１４が得られる。

工具本体１５は、一般的な超硬合金、例えばＣｏを結合材として用いた炭化タングステン基超硬合金によって構成されている。また、工具本体１５は、概略多段円柱状をなしており、その先端側（図１において左側）に、チップ１４の後端部分と略同径での一定の外径を有する円柱状の取付軸部１６が形成されており、この取付軸部１６の後端側に、後端に向かって径が拡大する拡径部１７及び大径部１８とが形成されている。

そして、工具本体１５の取付軸部１６の先端面とチップ１４の後端面との間に接合部２０が形成されており、超硬合金同士の接合とされている。つまり、本実施形態においては、エンドミル１０の首部１２の途中にチップ１４と工具本体１５との接合部２０が配置されているのである。
なお、本実施形態においては、チップ１４の先端から接合部２０までの長さＬ、すなわちチップ２４の長さＬは、取付軸部１６の外径Ｄに対してＬ≦４．０×Ｄとなるように、さらには０．８×Ｄ≦Ｌ≦４．０×Ｄの範囲内となるように設定されており、より具体的には、Ｌ＝１．６×Ｄに設定されている。
この接合部２０は、チップ１４の超硬合金層１４Ｂ側にＮｉが拡散された拡散層２１と、工具本体１５の取付軸部１６側にＮｉが拡散された拡散層２２とを有する接合層で構成されている。

上記の接合層は次のような手順で形成される。チップ１４の超硬合金層１４Ｂと工具本体１５の取付軸部１６との間に、２０ミクロン程度の厚さのＮｉメッキ層を介在させ、これらに約１００ＭＰａのプレスを行いながら、１０５０℃で約０．２時間保持することにより、Ｎｉメッキ層中のＮｉ元素と超硬合金中の一成分であるＣｏ元素が相互に拡散移動し、ＮｉとＣｏの合金層となった拡散層２１、２２が形成されるのである。

上記の構成のエンドミル１０においては、工具本体１５の取付軸部１６の先端面とチップ１４の後端面との間に接合部２０が形成され、首部１２の途中に接合部２０が配置されているので、接合部２０に切削時の応力が集中することがなく、切削時にチップ１４が外れてしまうことを防止できる。さらに、チップ１４の先端から接合部２０までの長さＬが、取付軸部１６の外径Ｄに対してＬ≦４．０×Ｄとなるように、さらには０．８×Ｄ≦Ｌ≦４．０×Ｄの範囲内となるように、より具体的には、Ｌ＝１．６×Ｄに設定されているので、接合部２０への応力集中を確実に防止できるとともに、切刃長さを確保したエンドミル１０を提供することができる。

また、接合部２０が拡散層２１，２２を有する接合層とされており、ろう付けにより接合された従来のエンドミル１０に比べて、その接合強度が強固であるとともに耐熱性に優れるため、エンドミル１０として使用してチップ１４に負荷が掛かった場合や、加工による熱が発生した場合にも、チップ１４が外れることを防止できる。また、上記のエンドミル１０においては、ろう付けの場合に発生する巣欠陥は存在しないため、ある一定の接合強度をもつエンドミル１０を安定して提供できる。

さらに、超硬合金層１４Ｂと工具本体１５とが一体とされているので、チップ素材３０の厚さ方向のサイズを小さくでき、チップ素材３０を成形する超高圧焼結装置の圧力空間内に装填されるチップ素材３０の個数を増やすことが可能となり、チップ素材３０の製造コストを大きく低減することができる。
さらに、上記の構成のエンドミル１０においては、エンドミル１０の加工深さを決定する首部１２の長さについて、工具本体１５の取付軸部１６の長さを変更することで容易に対応できる。

次に、本発明の第２の実施形態であるエンドミル１０について説明する。図５及び図６に、本発明の第２の実施形態であるエンドミル１０の概略図を示す。なお、第１の実施形態と同様の部材には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。
このエンドミル１０においては、チップ１４の超硬合金層１４Ｂと工具本体１５の取付軸部１６との間に接合部２０が存在し、接合部２０は、チップ１４の超硬合金層１４Ｂ側にＮｉが拡散された拡散層２１と、工具本体１５の取付軸部１６側にＮｉが拡散された拡散層２２と、Ｎｉ層２３とからなる接合層とされている。チップ１４のｃＢＮ層１４Ａは、ｃＢＮ粒子が３０〜７０体積％含有され、残部が窒化チタン、炭化チタンなどのバインダーとで構成されている。

上記の接合層は次のような手順で形成される。チップ１４の超硬合金層１４Ｂと工具本体１５の取付軸部１６との間に、５０ミクロン程度の厚さのＮｉ箔を介在させ、これらに約１００ＭＰａのプレスを行いながら、９５０℃で約０．２時間保持することにより、Ｎｉ箔中のＮｉ元素と超硬合金中のＣｏ元素が相互に拡散移動し、ＮｉとＣｏの合金層となった拡散層２１、２２と、拡散に寄与しないＮｉ層２３が形成される。

このようにしてチップ１４と工具本体１５とが拡散接合によって接合されてエンドミル１０が構成される。このエンドミル１０は、先端に切刃が形成された切刃部１１と、切刃部１１と同一外径をなす首部１２とを備えており、本実施形態では、首部１２の途中にチップ１４と工具本体１５との接合部２０が配置されているのである。

上記の構成のエンドミル１０においては、第１の実施形態と同様の効果を奏するともに、接合層に延性を有するＮｉ層２３が具備されていることにより、拡散処理後に常温に戻す過程においてｃＢＮ層１４Ａ、超硬合金層１４Ｂに発生する熱応力がＮｉ層２３に吸収され、ｃＢＮ層１４Ａにクラック等が発生することを防止できる。

また、上記の構成のエンドミル１０においては、ｃＢＮ層１４Ａ、超硬合金層１４Ｂに蓄えられた応力がＮｉ層２３に吸収されるため、ｃＢＮ層１４Ａ、超硬合金層１４Ｂの残留応力が低減され、チップ１４の変形及び破損を防止することができる。特に、ｃＢＮ粒子を３０〜７０体積％含有するｃＢＮ層１４Ａにおいては、超硬合金との熱膨張係数の差が大きく、拡散処理後に常温に戻す過程に発生する熱応力が大きくなるので、応力を吸収できるＮｉ層２３が具備されていることが、クラック等の発生防止及び残留応力によるチップ１４の変形、破損防止に対して有効である。

以上、本発明の実施形態についてて説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、拡散させる金属としてＮｉを挙げて説明したが、これに限定されることはなくＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ，Ｔａ，Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｓｉ及びＨｆから選択される１又は２以上の金属であってもよい。ただし、ＮｉはＣｏと全率固溶するので、拡散が容易にできるため、拡散させる金属として好適である。

また、先端が円弧状に形成されたボール刃を有するボールエンドミルとして説明したが、エンドミルの形状に限定はなく、先端刃が軸線に略直交するように形成されたスクエアエンドミルや先端外周部にＲ刃が形成されたラジアスエンドミルなどの他のエンドミルであってもよい。さらに、エンドミルの外径に制限はなく、例えば、外径１０ｍｍ、コーナＲ１ｍｍのコーナラジアスエンドミル等であっても良い。

さらに、首部の外径が切刃部の外径よりも小さくされた、いわゆる首ぬすみタイプのエンドミルとして説明したが、これに限定されることはなく、切刃部の外径と首部の外径とが同一であってもよい。
また、首部の外径が一定とされたものとして説明したが、これに限定されることはなく、首部がテーパ状に形成されていてもよい。

本発明の第１の実施形態であるエンドミルの概略説明図である。 図１示すエンドミルの接合部の拡大説明図である。 図１に示すエンドミルに使用されるチップを形成するためのチップ素材の説明図である。 図１に示すエンドミルに使用されるチップの斜視図である。 本発明の第２の実施形態であるエンドミルの概略説明図である。 図５示すエンドミルの接合部の拡大説明図である。

符号の説明

１０ エンドミル
１１ 切刃部
１２ 首部
１４ チップ
１４Ａ ｃＢＮ層（立方晶窒化硼素焼結体層）
１４Ｂ 超硬合金層
１５ 工具本体
１６ 取付軸部
２０ 接合部
２１，２２ 拡散層
２３ Ｎｉ層（金属層）

Claims (3)

1. 立方晶窒化硼素焼結体層と超硬合金層とが一体成形された略円柱形のチップと、該チップと軸線を同じくして該チップの後端側の前記超硬合金層に連接される工具本体とを備え、前記チップの先端部分に切刃が形成されたエンドミルであって、
   前記工具本体の少なくとも先端側には取付軸部が形成されており、該取付軸部の先端面の外径が前記チップの後端面の外径と同一径とされ、前記チップの前記後端面と前記取付軸部の前記先端面との間に接合部が配置され、
   該接合部は、金属元素が前記チップ及び前記工具本体のうち少なくとも一方へ拡散した拡散層を含む接合層とされていることを特徴とするエンドミル。
2. 前記チップの先端から前記接合部までの長さＬは、前記取付軸部の外径Ｄに対して、Ｌ≦４．０×Ｄに設定されていることを特徴とする請求項１に記載のエンドミル。
3. 前記接合層は、金属層と前記拡散層とから構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンドミル。

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