JP2016534890A - 繊維強化材料を機械加工するための工具及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、繊維強化材料を機械加工するための工具に関し、この工具は、少なくとも主作用表面（６）をもつ特殊切削エッジ（２０）と、少なくとも主作用表面（６）に設けられたダイヤモンドコーティング（１６）を有する。繊維強化材料を機械加工するのに特に好適な工具及び方法を提供するために、ダイヤモンドコーティング（１６）の表面（２６）は、０．２５μｍよりも小さい突出山部高さＳｐｋを有する。

Description

本発明は、繊維強化材料を機械加工するための工具及び方法に関する。
特に、本発明は、少なくとも一つの繊維材料を含む種々の材料の複合材からなるような繊維強化複合材料の機械加工に関する。これは、特に、繊維強化材料、例えば、母材（マトリックス）、例えばプラスチック母材（ＣＦＲＰ）又は炭素母材（ＣＦＣ）を備えた、炭素繊維強化材料に関する。

このような材料は、僅かに重いにも拘わらず非常に強いため、特に、軽量構造物において使用されている。それ故に、繊維強化材料の適用は、自動車の構造部において、スポーツ材料のための医療技術、風力発電、宇宙飛行等において、特に、航空機産業において、知られている。

この場合において、繊維強化材料は、繊維複合材から形成された層だけではなく、特にアルミニウム合金又はチタニウム合金から形成された金属層が含まれる複数の個々の層から成るサンドイッチ材料の一部である。

このような材料の機械加工は、切削工具において、非常に高い要求を強いる。繊維の無視できない摩耗性のために、従来の切削工具は、もっぱら短い耐用年数（使用期間）を有する。穴あけ（ドリリング）の際に、ドリル穴の層間剥離や摩損（すりきれ）が度々生じるとき、特別な問題が明らかになる。

切削工具にダイヤモンド切削エッジを設けることが知られている。一つには、切削エッジ上に半田付けされたダイヤモンドインサートを備える従来のダイヤモンド工具（ＰＣＤ＝多結晶ダイヤモンド）が知られている。さらに、複雑な工具形態（ジオメトリー）をもつ同等の工具は、ＣＶＤ（化学蒸着）処理においてダイヤモンド層を続けて適用することにより、保護されることができる。

ＷＯ００／６０１３７には、このための工具及び製造方法が開示されている。工具基材は、最初に前処理され、二つの層をもつダイヤモンドコーティングが設けられ、二つの層は、熱フィラメント処理に従うＣＶＤコーティングプラント内において、ダイヤモンド構造内に主に炭素を有し、第１層は第２層よりも高いダイヤモンド含有量を有する。第１層の熱膨張係数は、基材のそれよりも小さく、第２層の熱膨張係数は、クラック（亀裂）を防止するために、第１層の熱膨張係数よりも大きい。

ＷＯ００／６０１３７

本発明の目的は、繊維強化材料を機械加工するための特に好ましい工具及び方法を提供することである。

この目的は、請求項１に係る工具、請求項１２に係る工具の使用、請求項１３に係る機械加工の方法により、解決される。
従属請求項は、本発明の有利な実施形態に関係するものである。

本発明は、以下のような理解に基づいている。例えば、ＣＶＤ処理において生成され得るような、切削エッジ（cutting edge）、特に、主作用表面（main function surface）に設けられるダイヤモンドコーティングを備えた工具は、多くの材料の機械加工に好ましい性質を有するが、本発明者等が知見したように、従来のダイヤモンドコーティング工具は、複雑化を生じることなしに、繊維強化材料を機械加工するために使用することはできない。本発明者等は、加工処理中において、特にドリル加工中において、サンドイッチ複合材の層間剥離及び繊維剥がれに気付いた。本発明者等の観察によれば、ダイヤモンド層の硬さのため、機械加工されるべき材料の特殊な繊維構造と結合されるその層表面における比較的に僅かな凸凹が、ドイル加工された穴内おいて粗悪な表面、そのコーン（円錐部）に関してのびびりマーク、あるいは、工具の破損をもたらす。

本発明によれば、工具は切削工具として提供され、その切削工具は、少なくとも主作用表面（main function surface）を有する幾何学的に画定された切削エッジを備えた工具本体を有する。主作用表面は、切削エッジ又は切削コーナーに、特に被削材の体積の大部分を機械加工する切削エッジ又は切削コーナーに、直接的に隣接する表面である。ドリルに関して、これらは、例えば、主フランク（main flanks）及びそれらのすくい面（rake faces）、又、二番切削エッジ（secondary cutting edges）のチャンファ（面取り）あるいはガイドチャンファのような、主切削エッジ（main cutting edges）の切削エッジに隣接する表面である。最も重要な機械加工の性能は、切削コーナーにおいて生じる。

本発明によれば、ダイヤモンドコーティングは、少なくとも主作用表面に、好ましくは工具の、すなわち、機械加工される材料に直接接触して加工処理をする部分の、全体の加工処理領域に適用される。これは、好ましくは、ＣＶＤダイヤモンド層、すなわち、工具基材に直接的に生成されかつそれに堅固に付着するダイヤモンド層である。

本発明によって設けられたダイヤモンド層は、突出山部高さ（reduced peak height）として知られる、表面粗さ値（area roughness value）Ｓｐｋに反映される特殊な形態の表面特性（topographical surface characteristic）を有する。主作用表面、あるいは少なくとも主作用表面のある領域において測定すると、本発明に係るその表面粗さ値Ｓｐｋは、０．２５μｍよりも小さい。

ＥＮＩＳＯ２５１７８によって規定された突出山部高さＳｐｋに関して、これは、それが無ければ台地のような表面の上向きに突出する粗さピークを考慮するが、深く横たわる溝、粗さ谷部等を考慮しない表面の値である。驚くべきことに、幾何学的に画定される切削エッジを備えた工具は、本発明の表面形態（トポロジー）をもつダイヤモンドコーティングが主作用表面に適用されることに関して、繊維強化材料の機械加工のために考慮すべき利点を有する、ことが判明した。本発明によるダイヤモンドコーティングの表面構造は、伸出物（副産物、アウトグロース）又は比較的に大きい特有の結晶を有し、それらは、殆ど外側に突出することなく、突出山部高さＳｐｋのパラメータにより数回に分けて表出された。操作試験において、このような被覆された切削エッジを備える工具は、考慮すべき利点、特に、非常に増加した耐用年数及びより綺麗なドリル加工された孔を提供する、ことが明らかになった。

少なくとも一つの主作用表面上における少なくとも一つの測定点が、この表面トポロジーを決定するために考慮される。前述の粗さ値を決定するための好ましい測定点は、切削エッジに隣接する表面の、特に、一番主フランク及び／又は二番切削エッジのチャンファの部分である。測定目的のために、その値は、好ましくは、水平ドリル上で、切削エッジに直接隣接する二番切削エッジのチャンファの表面の部分において取られる。表面のこれらの部分は、互いに非常に接近しているため、層の組織及び粗さにおける偏差（ふれ）が結果的に殆ど生じない。Ｓｐｋ値を測定する一つの利点は、これが測定表面に十分に依存せず、又、表面の小さい部分でも取れることができる、ということである。

本発明者等の考察に基づくと、それが無ければ平滑であるダイヤモンド層の個々の突出する伸出物又は比較的に大きい特殊な結晶は、それらが繊維の引き剥がしを生じさせる虞があるため、恐らく、繊維強化材料、特にＣＦＲＰ材料において、粗悪な機械加工の表面の原因となっている。従来の工具材料と比較して、又、工具の切削エッジへの他の知られた硬質材料コーティングと比較しても、その極端に大きい硬さのため、ダイヤモンド層は、他の材料と異なるため、使用されるとき明らかに異なって挙動し、それは直ちに平滑にならない。加工処理された繊維強化材料の繊維は、例えばドリル加工された穴の内壁上に存在し、ダイヤモンド層の突出するピーク（山部）に捕えられることができ、それ故に、例えばドリル加工の際に揺り上げ（upswing）を生じる。特に、下降させる際に、これは、非常に粗悪で円形でない凹み表面をもたらすことができる。伸出物がダイヤモンド層から引き抜かれると、これは、層及びそれ故に工具を完全に破損させることになる。

対照的に、本発明に係る工具は、表面からかろうじて突出する突出ピークや他の伸出物が存在し、従来の工具において回転速度に応じびびり騒音やきしり騒音の形で顕著になるような、ドリル加工の際の振動を殆ど生じない、ことにより特徴付けられる。ここで、ダイヤモンドコート工具の根本的な利点が維持され、特に、繊維の摩耗に対する良好な抵抗力が得られ、プラスチック母材又は金属層に関してスティック又は付着の傾向が殆どない。

これらの利点は、本発明に係る０．２５μｍよりも小さい突出山部高さＳｐｋをもつことでもっと明らかになる。その利点は、０．２μｍよりも小さい、最も好ましくは０．１５μＭよりも小さい、より低いＳｐｋ値をもつことでさらに明確になる。

平均粗さＲａあるいは粗さ深さＲｚのような他の粗さパラメータは、処理の特性との明確な関係を示さず、はるかに少ない影響力を有するだけである。したがって、本発明者等の観察によれば、それは、完全に平滑なダイヤモンド層を提供することに支配的に依存するのではなく、むしろＳｐｋ値で反映される、前述のようなピークや他の突出する領域を防止することに依存する。

さらに、本発明の実施形態において、表面粗さは、さらに限定的に、例えば、粗さ深さＲｚの粗さパラメータで表出される高めの値を受け入れることができる。例えば、繊維強化材料を機械加工するための非常に良好な結果が、０．４μｍ又はそれ以上の粗さ深さＲｚを有し同時に本発明に係る低めの突出山部高さをもつ、主作用表面上のダイヤモンドコーティングでさらに成し遂げられ得る。本発明による効果は、本発明に関するＳｐｋの値が小さい限りにおいて、０．７μｍ又はそれ以上、あるいはさらに１．２μｍ又はそれ以上のより大きな粗さ深さＲｚで、さらに成し遂げられる。

本発明の利点は、特殊な切削エッジを備えた種々のタイプの工具の場合において、特に、フライス（milling cutters）、割り出し可能なインサート等に関して、成し遂げられ得る。本発明は、ドリル工具に関して特に利点があることが判った。考慮のもと、それぞれの主作用表面としては、主切削エッジ又は二番切削エッジに直接に隣接する表面が存在する。その主作用表面は、最も好ましくは、切削エッジ上に、例えば、切削コーナーの直下に位置する二番切削エッジのチャンファ上に、配置されている。

特別な利点が、円錐ドリル（conical drills）又はステップドリル（step drills）に関して成し遂げられ得る。円錐ドリル又はステップドリルは、小さい直径の第１穴あけ領域及び大きい直径の第２穴あけ領域を有する。円錐ドリルに関して、被削材は、第１穴あけ領域を通して穴あけされ、次に、例えばリベットのための窪み（凹部）が第２穴あけ領域で成し遂げられる。ここで、ドリル加工された穴と窪みの間の移行部は、特にきわどい（重大である）ことが分かる。ここで、被削材の加工処理は、規定された半径又は面取り（チャンファ）をもつ移行部を生成するべく、特に綺麗でなければならない。さもなければ、リベットを変形させてへこませる際に、“ヘッドディシィング（head dishing）”として知られるリスクが存在する。リベットの頭部において、微小亀裂が発生し、最悪、リベット結合が破壊する。

コーティングを備えない円錐ドリルは、第１穴あけ領域と第２穴あけ領域の間の移行部の領域が直ぐに損耗し、遠からず、要望される綺麗な移行部がもはや保証されない。従来のＣＶＤダイヤモンドコーティングを備えた円錐ドリルでさえも、移行部の重要な領域において、平坦でない（でこぼこの）ものが確認され得る。対照的に、本発明に係る低い突出山部高さをなすダイヤモンドコーティングをもつ円錐ドリルに関しては、殆ど摩耗がないのは明らかであり、その移行部において所望の加工処理の品質がより長い間保証されて残存する。ここで、本発明に係る表面特性は、段差（ステップ）の間の移行部の領域において、すなわち、例えば、第２ステップの切削エッジのすくい面及びフランク上及び第１ステップの端部におけるガイドチャンファ上において、特に重要である。

本発明の好ましい実施形態によれば、ダイヤモンドコーティングは、超微昌質ダイヤモンドからなる少なくとも一つの層を有する。これは、ナノメートル範囲、すなわち、微昌質構造と対照的に、１μｍよりも小さい、晶子（クリスタライト）サイズを備えたダイヤモンドとして規定される。超微昌質ダイヤモンドから成る層は、好ましくは５００ｎｍ以下の、より好ましくは２００ｎｍ以下の、最も好ましくは１００ｎｍ以下の、昌子（クリスタライト）サイズを有する。ダイヤモンドコーティングの外側表面は、最も好ましくは超微昌質ダイヤモンドの層により形成されることで、その表面のトポロジーを本発明に係る低いＳｐｋ値に容易に調整することができる。

ダイヤモンドコーティングは、好ましくは、一連の少なくとも二つの異なる層から形成される。両方の層は、異なる構造をもつにも拘わらず、好ましくはダイヤモンド層である。例えば、微昌質ダイヤモンドから成る一つの層と超微昌質ダイヤモンドから成る一つの層が提供され得る。同等に可能なものは、二つの層よりも多い（多層）、例えば、微昌質層と超微昌質層を交互にした、一連の層である。

特に好ましい実施形態によれば、工具本体の表面に隣接し、微昌質ダイヤモンドから成る第１層が設けられ、その上に、さらに外側に配置されるダイヤモンドの第２層が設けられ、それは第１層よりも小さい粒サイズを有する。特に、外側に配置される第２層の超微層質ダイヤモンドは、低いＳｐｋ値を備えた平滑な表面を形成するために、特に好まれる。基材に近い第１の大きい粒からなる結晶質ダイヤモンド層は、層の付着力の点から有利であることが判明した。

しかしながら、第１結晶層は、一般に大きめの粒サイズのため、増加した表面粗さを有する。それ故に、第２層の層厚さが第１層の層厚さよりも大きい、特に好ましくはかなり大きい、ことがさらに有利であることが判明した。したがって、第２層の層厚さは、例えば、第１層の層厚さの２倍、好ましくは１０倍以上、最も好ましくは２５倍以上とすることができる。このように、第１ダイヤモンド層は、好ましくは工具基材に直接接触し、実質的に比較的薄い移行層を形成し、その粗さは薄い厚さのため制限され、良好な層付着力を保証し、一方、第２の、好ましくは、超微昌質ダイヤモンド層は、突出するピークが殆どない平滑な外側表面を形成することができ、又、それによって、第２層がかなり大きい厚さのため、この層により、摩損保護体積（wear-protection volume）が本質的に提供される。

例えば、第１層は、０．３−１．５μｍの範囲の層厚さをもつことができる。さらに好ましくは、第１層の層厚さは、最大で１．４μｍ、特に好ましくは最大で１μｍである。層の付着力に関して良好な結果がそれにより成し遂げられ、と同時に、僅かな厚さのため、第１層により生成される粗さは、さらに許容され得るものであった。

ダイヤモンドコーティングの全体の層の厚さは、例えば、３−３０μｍの範囲とすることができる。一方において、特別な摩損保護体積が有利であるものの、他方において、粗さが、より大きい層の厚さで増加し得え、そのため、Ｓｐｋ値もまた大きくなる。したがって、比較的に狭い選択が、本発明による工具の特別な目的のために有利であることが判明した。実際に、本発明のさらなる実施形態によれば、全体の層の厚さは、少なくとも６μｍである。全体の層厚さは、さらに好ましくは少なくとも７μｍ、最も好ましくは少なくとも８μｍである。全体の層の厚さの推奨される上限は、その制限によって表面の増大する粗さを防止することが少なくともないように、１２μｍ、さらに好ましくは１１μｍ、最も好ましくは１０μｍである。それ故に、現在の知見によれば、７−１２μｍの比較的に狭い範囲の層の厚さが、繊維強化材料を機械加工するための特に好適な工具を提供するのに最も好ましいことが判明しており、それは、一方において十分な摩損保護体積をもたらし、又さらに、平滑な表面を生成することができる。

さらに、本発明に係るダイヤモンドコーティング工具は、少なくとも一つの層が繊維強化材料、特に繊維結合材かなり、又、さらに金属層、特にチタニウム合金又はアルミニウム合金を有する場合において、サンドイッチ材料を機械加工するのに特に好ましい。その大きい硬さのため、ダイヤモンド層は、繊維の（摩り減らす作用をする）摩耗性に対する十分な抵抗力と金属層のための良好な加工特性の両方を有する。

少なくとも一つの金属層がチタニウム合金又はアルミニウム合金から成るサンドイッチ材料を機械加工する場合において、ダイヤモンドコーティングの全体の層の厚さを増加させることが好まれる。例えば、アルミニウム合金から成る金属層を備えたサンドイッチ材料のために、層の厚さを約２μｍだけ、さらに、チタニウム合金の場合には約４μｍだけ増加させることが、単にＣＦＲＰの加工処理に関して有利である、ことが明らかになった。両方の材料は、工具の表面において、傷付け（smearing）を生じさせ得る。さらに、特にチタニウム合金は、機械加工の際の切削力及び温度を増加させる。層の厚さは、特に長い耐用年数及び／又は特に摩耗感度の高い材料（wear sensitive materials）のために、例えば８μｍだけさらに増加させられ得る。ダイヤモンド層の適用において、Ｓｐｋ値が非常に高い場合、層を必要ならば続けて処理することができる。

本発明に係る表面トポロジーは、製造方法、特に熱フィラメントＣＶＤの相応じて目標とされる適用により、成し遂げられる。基材の前処理からコーティングの適用まで行われる全ての処理ステップは、所望のＳｐｋ値が目的を超えないように、注意して制御するように実行されるべきである。それ故に、例えば基材の前処理に際して、エッチング深さは、エッチング処理において制限され得る。より平滑な層は、ブラスト処理を省くことにより生成され得る。コーティングを適用する際に、低いＳｐｋ値をもつ表面の生成は、層の速度（rate）を犠牲にして、例えば、コーティング処理における低めの処理温度によって成し遂げられ得る。これは、熱フィラメント処理においてフィラメント性能を減じることにより、又は、好ましくはフィラメントに対してコートされるべき工具基材の位置を変化させることにより、成し遂げられ得る。目的を成し遂げるための表面トポロジーを確認することは、容易に可能であることから、このような条件に関する好ましい処理は、それぞれ、かなり異なる工具のために実行され得る。

チタニウム合金又はアルミニウム合金から成る金属層を備えたサンドイッチ材料を機械加工するために好適な工具の場合において、多少大きめの粗さが、化学的な前処理の際に設定される。チタニウムの場合において、付加的に、基材が化学的前処理の前に穏やかにサンドブラストされると有利であることが判明した。両方の処置は、層粗さ又はＳｐｋ値をある程度増加させる可能性があるため、いずれの連続する処理ステップに際しても、最終的な工具の所望されるＳｐｋ値を超えないように、特別な注意を払わなければならない。

以下に、本発明の実施形態が図面を参照しつつ詳細に記載される。

図１は、ドリルの側面図を示す。 図２は、図１におけるドリルの切削エッジ及び主作用表面を通る断面の拡大図を示す。 図３は、図２における主作用表面でのコーティングの構造の模式図を示す。 図４ａは、粗さのパラメータを説明する例示的な粗さプロフィルを示す。 図４ｂは、粗さのパラメータを説明する例示的な粗さプロフィルを示す。 図５ａは、本発明の実施形態に係る工具との比較工具で形成されたドリル穴の画像を示す。 図５ｂは、本発明の実施形態に係る工具で形成されたドリル穴の画像を示す。 図６は、被削材におけるステップドリルの部分的に切断された側面図を示す。

図１は、本発明の一実施形態に係るドリルの一例としてのドリル１０の側面図を示す。ドリル１０は、種々の切削エッジ（cutting edges）２０、先端部に配置されかつこれと隣接する主切削エッジ（main cutting edges）２、二番切削エッジ（secondary cutting edges）４をもつ螺旋領域を備えた加工処理領域（processing area）１２を有する。主切削エッジ２の外側端部は、切削コーナー（cutting corners）８を形成する。

すくい面（rake faces）３は、主切削エッジ２に隣接している。チャンファ（chamfers）６は、二番切削エッジ４上に形成されている。

ドリル１０は、硬質金属材料、特に、ＷＣ／Ｃｏの硬質金属から成り、その加工処理領域１２において、ダイヤモンドコーティング１６でコート（被覆）されている。

切削エッジ２０に隣接する表面は、ドリル１０の主作用表面として記載されている。したがって、二番切削エッジ４のチャンファ６は、ドリル１０の主作用表面を構成し、それは切削エッジ２０に直接的に隣接している。同様に、主切削エッジ２上のすくい面３は、ドリル１０の主作用表面を構成する。

図２は、ダイヤモンドコーティング１６を備えた切削エッジ２０を通る断面の概略図を示す。切削エッジ２０は、例えば、主切切削エッジ２又は二番切削エッジ４であり得る。例えば、二番切削エッジ４の場合において、切削エッジ２０に直接的に隣接する二番切削エッジのチャンファ６は、ドリル１０の主作用表面を形成する。

図３は、図２に示される主作用表面６上におけるダイヤモンドコーティング１６の構造の模式図を示す。示される実施例において、これは、二つの層を有し、先ず、微晶質（マイクロクリスタル）のダイヤモンドで形成された第１ダイヤモンド層２２が、ＷＣ／Ｃｏの硬質金属の基材に設けられる。微昌質のダイヤモンドで形成された第２ダイヤモンド層２４が、第１ダイヤモンド層２２の上に直接設けられる。第２ダイヤモンド層２４は、第１ダイヤモンド層２２よりもかなり厚い。

ダイヤモンドコーティング１６の外側表面２６は、超微昌質（ナノクリスタル）の第２ダイヤモンド層２４で形成されている。その表面２６は、非常に平滑な構造を有し、それ故に、特にその表面上において、上向きに突出するピーク（山部）、伸出物（伸び出たもの）、あるいは、比較的に大きい特有の結晶が存在しない。

その表面３６のトポロジーは、標準化された粗さのパラメータ、ここでは、“突出山部高さ”の表面粗さ値により、特に、短いＳｐｋにおいて、特徴付けされることができる。突出山部高さＳｐｋの表面粗さ値は、ＥＮＩＳＯ２５１７８により標準化されている。“突出山部高さ”は、特に、それが無ければ台形状である表面における上向きに突出する粗さのピークを考慮するが、深く横たわる溝又は粗さの谷（roughness valleys）を考慮しない、表面の値である。

評価されるとき、突出山部高さのパラメータは、特に突出するピークを評価することなく、一般に表面の粗さ又は平滑さを単に描写する粗さパラメータとかなり異なる。図４ａ及び図４ｂのイラストは、互いに逆となる二つの粗さプロフィルの代表的な例を示し、図４ａでは中央において突出するピーク（山頂点）があり、これとは逆に、図４ｂでは中央の谷がある。粗さ深さ（roughness depth）Ｒｚの値は、図４ａ及び図４ｂにおける両方のプロフィルで同一である。対比すると、図４ｂにおけるプロフィルのトポロジーは、繊維強化材料を機械加工するために非常に好都合であり、それは、図４ａに示されるような突出するピークは、繊維強化材料、例えばＣＦＲＰ材料の機械加工の際に、繊維の引き剥がしを生じさせる虞があるからである。

ＥＮＩＳＯ２５１７８による突出山部高さのパラメータは、これを考慮している。その値は、今日の光学三次元粗さ測定器を用いて容易に測定され得る。二次元の突出山部高さＲｐｋの値は、ＩＳＯ１３５６５−２により規定されている。このＳｐｋ値の好ましい計算方法において、これは、個々のプロフィル断面から進展される材料曲線の代わりに表面材料曲線（surface material curve）に基づくにも拘わらず、同一に計算される。このため、ＩＳＯ ２５１７８規格が使用される。

本発明の例示的な実施形態を評価するとき、その表面は、ナノフォーカスアーゲー（Nano Focus AG）社の光学三次元測定装置“マイクロサーフエクスプローラ（μsurf explorer）”を用いて測定された。Ｓｐｋ値は、関連する“マイクロソフトアナリシス（μsoft analysis）”のソフトウエアを介して、上述したように計算される。工具の形状は、二次多項式を用いて測定するために考慮された。その分析は、好ましくは、切削コーナー８の直下である二番切削エッジ４のチャンファ６において行われる。このポイントは、図１において符号１４により印し付けされる。

主作用表面６上において、突出するピーク及び伸出物が広く存在しない平滑な表面２６のために、ドリル１０は、ＣＦＲＰ、特にＣＦＣのような炭素繊維強化材料を機械加工するために非常に好適である。

図６は、小さい直径の第１穴あけ領域３２及び大きい直径の第２穴あけ領域３４を備えた、ステップドリル（円錐ドリル、さら穴）３０を示す。図６の概略形状に示されるように、円錐ドリル３０は、被削材において、窪み（凹み）を形成するために使用され得る。

図５ｂは、さら穴が一緒に形成されたドリル加工されたリベット孔の一例を示し、ここでは、主作用表面が、上記のような表面トポロジーを有し、Ｓｐｋ値が０．１２μｍである。比較目的のために、従来のＣＶＤダイヤモンドでコートされた工具を用いて同じ条件下で形成されたドリル加工されたリベット孔が、図５ａに示される。主作用表面上におけるコーティングの表面を測定すると、従来の比較される工具のＳｐｋ値は、０．３μｍである。

ドリリングの最中でも、低いＳｐｋ値をもつ平滑表面を備えた工具は、円滑に回転し、一方、従来の比較される工具は、かなりの振動を被る。ドリル加工された穴が評価されるとき、きれいにドリル加工された穴は、コーティングが平滑な表面の場合において明らかであり、一方、従来の工具は、ＣＦＲＰのサンドイッチ材料において、その中に含まれる炭素繊維とコーティング上に突出するピークとの相互作用のため、綺麗でなく、円形ではない、窪み表面を示す。

示された実施例において、ダイヤモンド層２２，２４から成るコーティング１６を適用することは、例示的な実施形態において、硬質金属基材の前処理に続く、熱フィラメント処理における、ＣＶＤダイヤモンドコーティングとして、実施される。

この場合、硬質金属基材は、前処理の際に、先ず化学的に及び／又は電気化学的にエッチングされる。前処理は、ダイヤモンドの成長及び層の付着力に有害なコバルトを取り除く役割を果たす。付加的に、それは、研削薄膜を取り除く、及び／又は、付着力を高めるために層と基材の間の機械的な掘り返しにより表面を粗くする、役割を果たすこともできる。好ましい前処理の方法は、特に、本出願人のＷＯ２００４／０３１４３７Ａ１及びＷＯ２００７／１４０９３１Ａ１に記述されている。表面を整えるためにサンドブラストによる前処理を、予め行うことができる。

熱フィラメント処理によって連続するＣＶＤダイヤモンドコーティングの際に、工具は、本出願人によるＷＯ９８／３５０７１に記述されているように、好ましくは、二つの平行な垂直フィラメントの列の間に位置付けられる。二つのダイヤモンド層２２，２４は、例えば、本出願人によるＷＯ００／６０１３７Ａ１に記述されているように、そのコーティング処理の際に、コーティングプラントの種々のパラメータを予め規定することにより生成され得る。外側層２４の超微昌質の構造は、その処理パラメータを使用して、本出願のＷＯ２００４／０８３４８４Ａ１による様々に強度の炭素過飽和の条件の間で切り替える、コーティング処理により生成され得る。

表面の特別なトポロジーは、その直下に横たわる多少粗い微昌質ダイヤモンド層２２のレベリング（levelling）を生じる、ＷＯ２００４／０８３４８４Ａ１により与えられる方法で形成される特に平滑なダイヤモンド層のために、可能となる。上述された化学エッチングは、比較的に平滑な基材を得るために、予め僅かのエッチング深さで穏やかに実行されるだけである。さらに、平滑な表面２６は、比較的に薄い厚さの第１ダイヤモンド層２２とその上に横たわるかなり厚い超微昌質ダイヤモンド層２４から成るダイヤモンドコーティング１６の構造によって助成される。それ故に、全体の層厚さは、例えば最大でも１２μｍに制限され、最も好ましくは、最小で８μｍから最大で１０μｍに制限される。相応じて僅かな層厚さで、要求される低いＳｐｋ値を備えた平滑な表面２６は、ＣＶＤ処理における生成の際に達成されることができる。

付加的に又は代わりになるものとして、表面２６は、所望の粗さパラメータを設けるために、連続的に処理されることができる。連続的な処理は、ダイヤモンド工具又はダイヤモンド研削ディスクを用いて、あるいは、プラズマスムージング又はレーザースムージングによって、実行されることができる。

実施例
６ｗｔ％のＣｏを有するＥＭＴ１００の硬質金属から成る８ｍｍドリルは、先ず、電気化学的にエッチングされ、６μｍが均一に取り除かれる。そして、ＷＯ２００４／０３１４３７Ａ１に記載されているように、特に穏やかな化学的前処理が実行され、表面近くのコバルトを減じ、僅かな粗さを生じさせる。この前処理は、さらに２μｍだけドリルの直径を減じる。次に、０．３μｍの厚さの結晶層が、コーティングプラントタイプＣＣ８００／９Ｄｉａにおける熱フィラメント処理によって設けられる。最後に、真空を中断することなく、コーティングパラメータが同じ処理において変更され、超微昌質層が、ＷＯ２００４／０８３４８４Ａ１による種々の操作条件の間で切り替える処理によって、全体の層厚が８μｍになるまで設けられる。

このようにして形成されると、工具は、従来のＣＶＤダイヤモンドでコートされた工具に比べて増加した数の孔を示し、ＣＦＲＰ材料においてリベット孔をドリル加工すると、ドリル加工の品質は、図５ａ及び図５ｂの図の比較において明らかなように、ほつれた繊維の端部が視認できる従来の処理に比べて、かなり高められる。

さらなる実施例においては、８ｍｍドリルが提供され、それは、第１の実施例と同様に、同じ工具基材から進められる。前記工具とのアルミニウム合金から成る少なくとも一つの金属層を備えたサンドイッチ材料を機械加工することができるために、僅かに深いエッチングが生成処理において行われ、その他は上記のものと同じである。その結果、粗さはおそらく増加するけれども、より良好な付着力が得られる。この場合、３μｍが化学処理により取り除かれる。ダイヤモンドコーティングの全体の層の厚さは、１０μｍであり、単にＣＦＲＰのために特に提供される上記工具の場合よりも幾分大きい。

チタニウム合金から成る金属層を備えたサンドイッチ材料を機械加工するためのドリルのさらなる実施例において、その生成は、基材が予めサンドブラストにより付加的に処理されるけれども、アルミニウム−サンドイッチ工具のために上述されたように実行される。この場合、全体の層の厚さは、少しだけ大きく、１２μｍであり、チタニウム材料を機械加工するのに良好な特性が成し遂げられる。

Claims (15)

1. 繊維強化材料を機械加工するための工具であって、
   少なくとも主作用表面（６）をもつ特殊切削エッジ（２０）を備えた工具本体（１０）と、
   前記主作用表面（６）に少なくとも設けられたダイヤモンドコーティング（１６）と、を備え、
   前記ダイヤモンドコーティング（１６）の表面（２６）は、０．２５μｍよりも小さい突出山部高さＳｐｋを有する、
   ことを特徴とする工具。
2. 前記ダイヤモンドコーティング（１６）の表面（２６）は、０．２μｍよりも小さい、好ましくは０．１５μｍよりも小さい、突出山部高さＳｐｋを有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の工具。
3. 前記ダイヤモンドコーティング（１６）の表面（２６）は、０．４μｍ以上、より好ましくは０．７μｍ以上、最も好ましくは１．２μｍ以上の粗さ深さＲｚを有する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の工具。
4. 前記ダイヤモンドコーティング（１６）は、超微昌質ダイヤモンドから成る少なくとも一つの層（２４）を有する、
   ことを特徴とする請求項１ないし３いずれか一つに記載の工具。
5. 前記ダイヤモンドコーティング（１６）は、少なくとも二つの異なる層（２２，２４）から形成されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし４いずれか一つに記載の工具。
6. 前記ダイヤモンドコーティング（１６）は、
   前記工具本体（１０）の表面に隣接すると共に結晶質のダイヤモンドから成る第１層（２２）と、
   さらに外側に配置されて、前記第１層（２２）の結晶粒サイズよりも小さい結晶粒サイズをもつダイヤモンドから成る第２層（２４）を含み、
   前記第２層（２４）は、好ましくは、超微昌質ダイヤモンドから成る、
   ことを特徴とする請求項５に記載の工具。
7. 前記第２層（２４）の層厚さは、前記第１層（２２）の層厚さよりも大きく、
   特に、前記第２層（２４）の層厚さは、好ましくは、前記第１層（２２）の層厚さの２５倍以上である、
   ことを特徴とする請求項６に記載の工具。
8. 前記ダイヤモンドコーティング（１６）は、少なくとも６μｍ、好ましくは少なくとも７μｍ、最も好ましくは少なくとも８μｍの全体層厚さを有する、
   ことを特徴とする請求項１ないし７いずれか一つに記載の工具。
9. 前記ダイヤモンドコーティング（１６）は、最大で１２μｍ、好ましくは最大で１１μｍ、最も好ましくは最大で１０μｍの全体層厚さを有する、
   ことを特徴とする請求項１ないし８いずれか一つに記載の工具。
10. 前記工具本体（１０）は、少なくとも前記切削エッジ（２０）において、硬質金属から成る、
    ことを特徴とする請求項１ないし９いずれか一つに記載の工具。
11. 前記工具は、穴あけ工具であり、
    前記主作用表面（６）は、主切削エッジ（２）又は二番切削エッジ（４）に隣接する表面である、
    ことを特徴とする請求項１ないし１０いずれか一つに記載の工具。
12. 繊維強化材料を機械加工するための工具の使用であって、
    請求項１ないし１１のいずれかの工具の使用。
13. 繊維強化材料を機械加工するための方法あって、
    請求項１ないし１１のいずれか一つに係る工具（１０）が、機械加工のために用いられる、
    ことを特徴とする方法。
14. 前記工具（１０）を用いて、サンドイッチ材料が機械加工され、
    前記サンドイッチ材料は、繊維結合材から成る少なくとも一つの層と、金属合金から成る少なくとも一つの層を有する、
    ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記金属合金は、チタニウム合金又はアルミニウム合金である、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
    

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