JP2019063904A - ダイヤモンド被覆回転切削工具 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1には、刃先のダイヤモンド被膜を研磨加工により平面的に薄くすることで刃先を鋭利にすることが記載されている。また、特許文献2又は特許文献3には、刃先にチャンファを形成することで切れ刃の切れ味が良くなることが記載されている。また、特許文献4には、レーザ加工により工具すくい面のダイヤモンド被膜を薄く加工し、刃先の曲率半径を小さくする方法が記載されている。
前記ダイヤモンド被膜は、微細なダイヤモンド粒子からなる第1ダイヤモンド層と、該第1ダイヤモンド層のダイヤモンド粒子よりも大きいダイヤモンド粒子からなる第2ダイヤモンド層とを有するとともに、
前記工具基体の基体逃げ面の表面に形成された逃げ面側ダイヤモンド被膜は、平均膜厚d2が3μm以上25μm以下とされ、その表面側に前記第1ダイヤモンド層が形成され、該第1ダイヤモンド層に隣接して前記工具基体側に前記第2ダイヤモンド層が形成されており、
工具直径をD0とし、前記基体すくい面と前記基体逃げ面との間の基体切れ刃部の先端から50μm又は前記工具直径D0の1/10までのいずれか小さい方の範囲の前記基体すくい面に設けられるすくい面側ダイヤモンド被膜は、その平均膜厚をd1とし、前記逃げ面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚をd2としたときに、前記すくい面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚d1が、5.0μm以下又は前記逃げ面側ダイヤモンド被膜の前記平均膜厚d2未満のいずれか小さい範囲であり、
前記すくい面側ダイヤモンド被膜の表面に前記逃げ面側ダイヤモンド被膜の端面が連なっており、これらすくい面側ダイヤモンド被膜の表面及び前記逃げ面側ダイヤモンド被膜の端面により工具すくい面が形成され、前記逃げ面側ダイヤモンド被膜の表面により工具逃げ面が形成され、これら工具すくい面と工具逃げ面との間に工具切れ刃部が形成され、
前記基体切れ刃部の垂直断面において、工具回転中心と前記基体切れ刃部の先端とを結ぶ直線を基準線Cとすると、前記逃げ面側ダイヤモンド被膜の端面における前記第1ダイヤモンド層と前記第2ダイヤモンド層との境界部が、前記基準線Cの延長線よりも前記基体逃げ面側で露出している。
なお、逃げ面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚d2が3μm未満では、工具すくい面よりも工具逃げ面が先に摩耗しやすくなり、工具寿命が低下する。一方で、平均膜厚d2が25μmを超えると、ダイヤモンド被膜が自壊しやすくなる。
本発明のダイヤモンド被覆回転切削工具101は、図2に示すように、工具基体1の表面にダイヤモンド被膜2が被覆されたドリル、エンドミル、又はインサート等のダイヤモンド被覆回転切削工具に適用される。このうち本実施形態では、図1に示すように、軸線O回りに回転される工具先端部3を有し、その工具先端部3に、一対の工具切れ刃部41が軸線Oを挟んで180°反対側に形成された2枚刃のボールエンドミル101に適用した例について説明する。
図2に示すように、工具基体1は、基体すくい面12と、基体逃げ面13と、これら基体すくい面12と基体逃げ面13との間の交差稜線部に形成された基体切れ刃部11とを有している。そして、工具基体1の表面に形成されたダイヤモンド被膜2のうち、基体すくい面12の表面にすくい面側ダイヤモンド被膜22が形成され、基体逃げ面13の表面に逃げ面側ダイヤモンド被膜23が形成されている。
このすくい面側ダイヤモンド被膜22は膜厚d1がゼロで、基体すくい面12が露出している場合もあり得る。
一般に、CVD熱フィラメント法では、成膜時のガス条件を段階的に変えた際に、ある閾値範囲において、ナノダイヤモンドから柱状晶ダイヤモンドへと急速に変化するが、その閾値範囲において、ガス条件を数時間程度かけて連続的に変化させることで、平均粒径がナノオーダーからマイクロオーダーへと滑らかに移行するグラデーション層を数μmの厚さで形成出来ることが知られている。本発明の工具においても、第1ダイヤモンド層31と第2ダイヤモンド層32の境界部をグラデーション層としても良く、境界部をグラデーション層とすることで、第1ダイヤモンド層31と第2ダイヤモンド層32の境界面の凹凸形状が低減し、より平滑な加工面が得られることが期待されるが、グラデーション層の厚みが過剰に大きいとセルフシャープニング効果が低減するため、グラデーション層の厚さは3μm程度以下の範囲であることが望ましい。
通常、柱状晶ダイヤモンドの方がナノダイヤモンドよりも遥かにアスペクト比は高いが、ナノダイヤモンド層と柱状晶ダイヤモンド層とを積層した膜の場合は、柱状晶ダイヤモンド層の厚さが、柱状晶ダイヤモンドの長軸の上限となるため、もともと短軸側も大きな柱状晶ダイヤモンドでは、アスペクト比が1付近まで小さくなる場合がある。このため、第2ダイヤモンド層32のダイヤモンド粒子の長さ比(a/b)は1.5以上とした。
この(d/G)はダイヤモンド被膜の膜質を評価するためによく用いられる一般的な指標の一つであり、(d/G)が高いほど、ダイヤモンドの結晶性が高いことを意味し、多結晶ダイヤモンド被膜では、(d/G)が高いほど、結晶の粗大化、柱状化、耐摩耗性の向上、耐欠損性の低下、表面粗さの増加などが生じることが知られている。
hを負とするのは、露出した境界部33の高さhが正の場合、摩耗が境界部33に達した際に、成膜時に発生した刃先の丸みを帯びた箇所が被削材に最も深く接触する箇所となり、切れ味が失われるためである。
一般に、ダイヤモンド被覆切削工具を用いて超硬合金などの硬脆材料を加工する場合、切削中の工具切れ刃部の刃先は大きな背分力を受けるため、刃先にはフレーキングによる損傷が生じやすい。そのフレーキングにより、すくい面のダイヤモンド被膜が大きく剥離する場合が多く、その剥離の発生前後で加工面に段差が生じるなどの問題が発生することが知られている。それに対し、本実施形態の工具では、すくい面側ダイヤモンド被膜22の膜厚を薄くすることで、剥離を抑制した。ダイヤモンド被覆工具では、被膜の厚さが薄いほど基体界面との剥離が発生しにくくなる性質があり、また、本実施形態の工具のようにシャープ化したものでは未処理品よりも背分力が低下するため、フレーキング自体も低減する。
一方、第1ダイヤモンド層31単体の膜とした場合は、耐欠損性が高いためにチッピングは生じにくいものの、正常摩耗の速度が速く、また、その際に刃先の逃げ面43よりも被削材に切り込む工具切れ刃部の角部の方が早く摩耗するため、図5に示すように摩耗の進行とともに工具切れ刃部53の先端刃先が丸みを帯びてゆく。そのため、切削抵抗が高くなり、被削材表面に生じる引張応力により、被削材表面はむしれやクラックが発生したものとなる。
本実施形態のボールエンドミル101の製造方法は、超硬合金からなる工具基体1の表面にダイヤモンド被膜2を成膜する成膜工程と、ダイヤモンド被膜2にレーザビームLを照射し、ダイヤモンド被膜2を加工して工具切れ刃部41を形成するレーザ加工工程とを有する。
成膜工程では、基体すくい面12と、基体逃げ面13と、これら基体すくい面12と基体逃げ面13との間に形成された基体切れ刃部11とを有する工具基体1の表面に、図7に示すように、平均粒径の異なる二層構造のダイヤモンド被膜2を例えば8μm以上30μm以下の略一定の膜厚(平均膜厚)で成膜する。基体1側に結晶粒径の大きいダイヤモンド粒子からなる第2ダイヤモンド層32を形成し、その上に第2ダイヤモンド層32よりも結晶粒径の小さいダイヤモンド粒子からなる第1ダイヤモンド層31を積層する。
工具基体1へのダイヤモンド被膜2の成膜は、例えばマイクロ波プラズマCVD法や、熱フィラメントCVD法、高周波プラズマCVD法等の公知の方法を好適に用いることができる。また、イオンビーム法等の他の成膜方法を適用することもできる。結晶粒径の制御は、熱フィラメントCVD法であれば、成膜時のガス条件を変えることで行うことができる。
レーザ加工工程では、例えば、図6に示すようなレーザ加工装置201を使用し、工具基体1の表面に被覆されたダイヤモンド被膜2にレーザビームLを照射して、そのダイヤモンド被膜2を加工する。以下、図6及びレーザ加工工程の説明においては、工具基体1にダイヤモンド被膜2が形成されたワークを符号10で示す。
レーザ発振機51は、190nm〜1100nmの短波長のレーザビームLを照射できる光源を使用することができ、例えば本実施形態では、波長355nmのレーザビーム(Nd:YAGレーザ波の第3高調波)を発振して出射できるものを用いている。また、ビーム走査系53は、工具保持機構60の真上に配置されている。
そして、制御機構70は、全体の動作を制御するもので、レーザビームLの旋回軌道の半径、旋回軌道における後述のウエイト時間などを設定するプログラムを有している。
この刃先すくい角θとしては、−20°<θ<−5°が好適である。
なお、図8では、工具切れ刃部41の刃先先端位置よりも外側に走査停止位置を有する走査線S1と、工具切れ刃部41の刃先先端位置よりも内側に走査停止位置を有する走査線S2とを、交互に実施しているが、これに限定されるものではない。加工面形状に応じて、外側の走査線S1と内側の走査線S2との走査タイミングや回数を組み合わせることができる。
フィラメントの材質はタングステン99質量%、フィラメントの径は0.4mmとした。基体とフィラメントの距離を10mmに維持し、フィラメントはエンドミルの軸方向に対し垂直方向に張った。成膜前にガス圧 1kPa、メタン流量30SCCM、水素流量3000SCCMに調整し、フィラメントを1500℃に2時間保持することでフィラメントを炭化させた。
成膜に際しては、工具基体の温度が800℃〜900℃になるようにフィラメントの温度を調整した。このときのフィラメント温度は2100±50℃の範囲で制御した。フィラメント温度は放射温度計で測定し、工具基体の温度は超硬合金基体エンドミルのシャンク側より熱電対を挿入して測定した。膜厚および層厚は成膜時間を調整することで、変えることができる。条件番号1〜3が第1ダイヤモンド層、条件番号4〜10が第2ダイヤモンド層に相当する。
対象の工具の刃先近傍の未処理部におけるダイヤモンド被膜を工具基体の法線に平行な方向で薄片化し、それを、個々の粒子輪郭が判別出来るよう調整したTEMの暗視野像,またはTEMプローブを用いたEBSD測定で得た結晶方位により粒子を色分けしたカラーマッピング画像のいずれかを取得する。その画像上にて、被膜表面に平行な長さ3μmの線分を、被膜表面から被膜と工具基体の界面へ向かって垂直な方向に0.5μm間隔で引き、それらの各線分上に交わる全ての粒子の工具基体表面に垂直な方向の長さ(a)と工具基体表面に平行な方向の長さ(b)の平均値((a+b)/2)の算術平均値を、被膜のその位置における平均粒径と定義する。
レーザ波長:355nm
パルス幅:30ns
繰り返し周波数:200kHz
出力:0.5W
レーザビームの集光直径:10μm
レーザビームの走査速度:200(mm/s)
レーザビームの走査線の間隔(中心間距離A):2μm
このレーザ条件を用いて実際に加工された刃先の断面をFIB加工により露出させ、SEM観察を行ったところ、いずれのサンプルも、刃先先端(第1ダイヤモンド層により構成された角部)の曲率半径は0.8μm以下の非常にシャープなものであった。
また、試料1〜30のいずれの実施例のサンプルにおいても、刃先から50μm、または、刃先から工具直径の1/10までのすくい面のダイヤモンド被膜の膜厚d1を5.0μm以下の範囲に調整した。また、逃げ面のダイヤモンド被膜の膜厚d2は、表2の第1ダイヤモンド層の膜厚と第2ダイヤモンド層の膜厚を足した値である。
比較例として、表1の条件番号5の場合の第2ダイヤモンド層の単層膜としたもの(試料41)、露出した境界の高さhを正の値としたもの(試料42)も作製した。これらの比較例のサンプルについても、刃先から工具直径の1/10までのすくい面のダイヤモンド被膜の膜厚d1を5.0μm以下の範囲に調整した。
逃げ面側ダイヤモンド被膜において、前述のようにしてダイヤモンド粒子の平均粒径を測定しながら、被膜表面から0.5μm間隔で調べていった際に、第1ダイヤモンド層の条件(ダイヤモンド粒子の平均粒径が0.15μm未満)を満たすまでの厚さ範囲を、第1ダイヤモンド層と判断する。第2ダイヤモンド層も同様である(ダイヤモンド粒子の平均粒径が0.15μm以上)。
加工品質の評価方法は、光沢度計(日本電色工PG−1M)の入射角20°にて、被削材の中央部10.0mm×10.6mmの領域に対し、被削材を90°ごとに回転して計4回測定した光沢度(単位:Gloss Unit)の平均値を用いている。その光沢度の平均値が試料41の光沢度の2倍以上を◎、1〜2倍を○、下回るものを×とした。
図10は、表2のなかの(L1/L2)と被削材の光沢度との関係をグラフに示したものであり、2<(L2/L1)≦6の範囲で光沢度が優れているのがわかる。
図11は、試料17(実施例)の切削前後の刃先のSEM像であり、図12は試料41(比較例)の切削前後の刃先のSEM像である。試料17では、刃先の微粒層(幅3μm)が摩耗し、粗粒が刃先となっている様子が外観から分かる。試料17では、刃先の一部で小さなチッピングが発生しているだけであったが、試料41では大きなチッピングが発生していた。なお、試料17はすくい面のダイヤモンド膜厚が2μmであり、試料41はすくい面のダイヤモンド膜厚が0μm(超硬の基体が露出)のものである。
また、図13(a)は試料17の切削試験後の写真であり、(b)は、その中央付近(切削長約5m)のSEM像である。図14は試料41についての同様の写真とSEM像である。試料17は加工面の光沢度が高く、SEM像上でも加工した痕跡はほぼ見えなかったが、試料41は写真上で切削初期(切削長2m程度まで)は光沢が見られるが、それ以降では光沢度が劣っていることが分かる。図14(a)中の矢印Aは工具送り方向を示し、矢印Bはピックフィード方向を示す。また、同図(b)に示されるように、SEM像では筋状のツールパスが明確に見え、所々にWC粒子のむしれによるものと思われる直径数μm程度の凹みが多数見られた。
また、本実施形態の工具では、工具すくい面における基体切れ刃部の先端から50μmまでの膜厚を5.0μm以下とすることで剥離が抑制できていた。この場合、工具すくい面のダイヤモンド被膜の厚さをゼロとしても(完全に除去しても)、基体すくい面の露出した基体に、切りくず流れによる損傷は全く見られなかった。
以上のように、本実施形態の工具は、剥離やチッピングによる欠陥を生じることなく、平滑な加工面を得ることができた。
例えば、第1ダイヤモンド層、第2ダイヤモンド層のそれぞれの領域内において、その領域として判別される条件範囲内であれば、ダイヤモンド粒子の粒径等が断続的、または、連続的に変化する積層構造としても良く、その結晶粒も必ずしも被膜表面側が相対的に微粒である必要も無い(例えば、第1ダイヤモンド層が表面側から微粒→超微粒と積層構造となっていても良い)。また、第1ダイヤモンド層と第2ダイヤモンド層の境界についても必ずしも明確な(不連続な)界面が存在する必要はなく、例えば結晶粒径が連続的に変化していても良い。また、ダイヤモンド被膜として、窒素やホウ素などの元素をドープしたものを用いても良い。
また、上記実施形態ではボールエンドミルを加工する場合について説明したが、刃先を一体に形成したドリルやその他のエンドミル、インサートなどの切削工具においても、本発明を適用することができ、曲線状の切れ刃部で構成されているもの、曲線状の切れ刃部と直線状の切れ刃部との組合せで構成されているものなど、広く適用することができる。
2 ダイヤモンド被膜
3 工具先端部
11 基体切れ刃部
12 基体すくい面
13 基体逃げ面
22 すくい面側ダイヤモンド被膜
23 逃げ面側ダイヤモンド被膜
25 加工レイヤー
31 第1ダイヤモンド層
32 第2ダイヤモンド層
41 工具切れ刃部
42 工具すくい面
43 工具逃げ面
44 刃先すくい面
45 刃先逃げ面
50 レーザビーム照射機構
51 レーサ発振機
52 集光レンズ
53 ビーム走査系
54 撮像部
60 工具保持機構
61x x軸ステージ部
61y y軸ステージ部
61z z軸ステージ部
62 旋回機構
63 ホルダ
64 回転機構
70 制御機構
101 ボールエンドミル(ダイヤモンド被覆回転切削工具)
201 レーザ加工装置
Claims (5)
- 超硬合金からなる工具基体の表面にダイヤモンド被膜が形成されたダイヤモンド被覆切削工具であって、
前記ダイヤモンド被膜は、微細なダイヤモンド粒子からなる第1ダイヤモンド層と、該第1ダイヤモンド層のダイヤモンド粒子よりも大きいダイヤモンド粒子からなる第2ダイヤモンド層とを有するとともに、
前記工具基体の基体逃げ面の表面に形成された逃げ面側ダイヤモンド被膜は、平均膜厚d2が3μm以上25μm以下とされ、その表面側に前記第1ダイヤモンド層が形成され、該第1ダイヤモンド層に隣接して前記工具基体側に前記第2ダイヤモンド層が形成されており、
工具直径をD0とし、前記基体すくい面と前記基体逃げ面との間の基体切れ刃部の先端から50μm又は前記工具直径D0の1/10までのいずれか小さい方の範囲の前記基体すくい面に設けられるすくい面側ダイヤモンド被膜は、その平均膜厚をd1とし、前記逃げ面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚をd2としたときに、前記すくい面側ダイヤモンド被膜の平均膜厚d1が、5.0μm以下又は前記逃げ面側ダイヤモンド被膜の前記平均膜厚d2未満のいずれか小さい範囲であり、
前記すくい面側ダイヤモンド被膜の表面に前記逃げ面側ダイヤモンド被膜の端面が連なっており、これらすくい面側ダイヤモンド被膜の表面及び前記逃げ面側ダイヤモンド被膜の端面により工具すくい面が形成され、前記逃げ面側ダイヤモンド被膜の表面により工具逃げ面が形成され、これら工具すくい面と工具逃げ面との間に工具切れ刃部が形成され、
前記基体切れ刃部の垂直断面において、工具回転中心と前記基体切れ刃部の先端とを結ぶ直線を基準線Cとすると、前記逃げ面側ダイヤモンド被膜の端面における前記第1ダイヤモンド層と前記第2ダイヤモンド層との境界部が、前記基準線Cの延長線よりも前記基体逃げ面側で露出していることを特徴とするダイヤモンド被覆回転切削工具。 - 前記境界部から前記基準線Cに平行な方向に工具基体側に向かって1μm移動した箇所の前記基準線Cとの垂線上において、前記第2ダイヤモンド層の長さL1と、前記第1ダイヤモンド層の長さL2との比(L2/L1)が、2≦(L2/L1)≦6であることを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド被覆回転切削工具。
- 前記第1ダイヤモンド層のダイヤモンド粒子は平均粒径が0.15μm未満であり、前記第2ダイヤモンド層のダイヤモンド粒子は平均粒径が0.15μm以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のダイヤモンド被覆回転切削工具。
- 前記工具基体表面に垂直な方向に切り出した断面上で観察される個々のダイヤモンド粒子の前記工具基体表面に垂直な方向の長さ(a)と前記工具基体表面に平行な方向の長さ(b)の長さ比を(a/b)とすると、前記第1ダイヤモンド層のダイヤモンド粒子は前記長さ比(a/b)が1.5未満であり、前記第2ダイヤモンド層のダイヤモンド粒子は前記長さ比(a/b)が1.5以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のダイヤモンド被覆回転切削工具。
- 前記工具基体表面に垂直な方向に切り出したダイヤモンド被膜の断面上のラマンスペクトルを波形分離した後の1332cm−1付近に存在するダイヤモンドのsp3混成軌道に由来する鋭いピークの高さ(d)を、同じく1580cm−1付近に存在するグラファイトのsp2混成軌道に由来する緩やかなピークピークの高さ(G)で割った値を(d/G)とすると、前記第1ダイヤモンド層の前記値(d/G)が0.1≦(d/G)<0.8であり、前記第2ダイヤモンド層の前記値(d/G)が0.8≦(d/G)であることを特徴とする請求項1又は2に記載のダイヤモンド被覆回転切削工具。
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