JP3999985B2

JP3999985B2 - センサ付き切削工具およびその作製方法

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Publication number: JP3999985B2
Application number: JP2002067446A
Authority: JP
Inventors: 剛深野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-03-12
Also published as: JP2003266206A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は切削工具とその作製方法に関し、特に切刃の寿命を検知するセンサ回路を設けたセンサ付き切削工具とその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
すくい面と逃げ面との交差稜が切刃となる切削工具においては、切刃の逃げ面側への摩耗の大きさは工具寿命の判定基準となる。そのため、切削加工中にインプロセスで切刃の逃げ面側への摩耗量を速やかに観測することは、高精度加工を維持する上で大変重要である。しかし、加工中に工具の摩耗を直接観察することは作業環境上大変難しい。
【０００３】
そこで、切削加工を一旦中止して工具をはずして工具顕微鏡などで観測したり、加工中にインプロセスで摩耗量を知りたい場合は、工具摩耗に付随して起こる他の現象（切削力や振動の変化など）を工作機械の加工点付近等に設置したセンサで検出して摩耗量を推定していた。しかしながら、インプロセスでは定量的な摩耗量を求めることが困難であったり、摩耗検知のための十分な感度や信頼性が得られなかった。
【０００４】
また、従来から切刃近傍に摩耗量を検知するためのセンサラインを設けて工具寿命を自動的に判定する方法が提案されている。導電性のある切削工具に応用する場合、絶縁層中に導体路を埋設して、切削工程中にその導体路が切断した信号をトリガとして限界摩耗および破断を検出することも提案されている（特開昭６２−８８５５２号公報参照）。
【０００５】
これらセンサ回路は、印刷法、フォトエッチング法、リフトオフ法などで形成されるが、いずれも生産性が悪く、実用的でない。
【０００６】
また、生産性がよく、加工精度がよく、かつ回路変更の自由度を高めるために、レーザー照射で形成する方法も提案されている。しかし、レーザーの原理上、エネルギーが大きいときはレーザー照射部が気化し、エネルギーが小さいときはレーザー照射部が溶融することから、レーザー照射による方法でもセンサ機能を安定して発揮できる回路を作製することは困難であった。
【０００７】
すなわち、図５に示すように、レーザー照射で形成する方法を導電性母材３を絶縁層２で覆った工具に適用する場合、絶縁層２の厚み方向のすべてをレーザー照射で取り除くと、導電性母材３と導電膜１との間に溶融部が残ったり残らなかったりする現象が起き、この溶融部分で導電性母材３と導電膜１とが短絡することがあった。
【０００８】
また、このような問題を解決するために、図５に示すように、導電膜１を完全に除去し、絶縁層２を厚み方向で一部残す領域５を形成することで、導電性母材３と導電膜１の電気的短絡を防止していたが、これらの方法では導電膜１の全部と絶縁層２の一部を削るために、そこが破壊源となって欠損の原因になり、信頼性の劣るものであった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、請求項１に係るセンサ付き切削工具は、母材上に切刃の寿命を検知するセンサ回路の一部を設けたセンサ付き切削工具において、前記母材上に、導電膜部と該導電膜部より電気抵抗値の高い高抵抗化膜部とを有する被膜が設けられており、該被膜の導電膜部で前記センサ回路の一部を構成するとともに、前記高抵抗化膜部は、前記導電膜部の構成元素の少なくとも１つの酸化物を含むことを特徴とする。
上記センサ付き切削工具では、前記導電膜部と前記高抵抗化膜部とが、同一面上に位置してなることが望ましい。
また上記センサ付き切削工具では、前記導電膜部と前記高抵抗化膜部とが、Ｔｉ、Ｚｒ等の周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属、あるいはＡｌのうち少なくとも一つの共通の金属を有してなることが望ましい。
【００１０】
また、上記センサ付き切削工具では、前記高抵抗化膜部に前記導電膜部の構成元素の少なくとも一つの酸化物を含むことが望ましい。
【００１１】
また、上記センサ付き切削工具では、前記導電膜部がＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮのうちの少なくとも一つを含むことが望ましい。
【００１２】
また、上記センサ付き切削工具では、前記導電膜部がＴｉＮであり、前記高抵抗化膜部がＴｉＯ₂を含むことが望ましい。
【００１３】
また、上記センサ付き切削工具では、前記導電膜部がＴｉＮであり、前記高抵抗化膜部がＴｉＯ₂を含み、該高抵抗化膜部におけるＴｉＯ₂の割合が７０％以上であることが望ましい。
【００１４】
また、請求項７に係るセンサ付き切削工具の作製方法では、絶縁層で被覆した導電性母材の表面に切刃の寿命を検知するセンサ回路を形成するセンサ付き切削工具の作製方法において、前記センサ回路を導電膜の一部にレーザー光を照射して酸化して他の領域よりも電気抵抗値の高い領域を設けて形成することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態をスローアウエイ工具を例に説明する。本発明はドリル等への応用も可能である。
【００１６】
図１は請求項１に係るセンサ付き切削工具の一実施形態を示す断面図であり、１は導電膜、２は絶縁層、３は導電性母材、４は導電膜１の一部にレーザーを照射してその他の領域よりも電気抵抗値を高くした領域（高抵抗化膜部）である。
【００１７】
導電性母材３としては、酸化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、サーメット、超硬合金、立方晶窒化ホウ素質焼結体（ＣＢＮ／cubic Boron Nitride）、ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ／Polycrystalline Diamond)、また導電性母材３にＰＶＤ法およびまたはＣＶＤ法で周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族元素の１種乃至２種以上の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物のいずれかひとつの硬質膜をコーティングしたコーティング工具等が使用できる。
【００１８】
酸化アルミニウム質焼結体としては、ＴｉＣを２〜４０重量％、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの酸化物のうちの少なくとも１種を０．０１〜５重量％、残部がＡｌ₂Ｏ₃および不可避不純物からなる酸化アルミニウム質焼結体などが使用できる。
【００１９】
窒化珪素質焼結体としては、ＡｌをＡｌ₂Ｏ₃換算で１．５〜１０モル％、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物を３０〜８０モル％、残部が窒化珪素と希土類酸化物を窒化珪素に対して１０重量％以下、不純物的酸素をＳｉＯ₂換算で１０モル％以下の割合で含有する窒化珪素質焼結体などが使用できる。
【００２０】
サーメットとしては、Ｔｉを炭化物、窒化物あるいは炭窒化物換算で５０〜８０重量％、周期律表第６ａ族元素を炭化物換算で１０〜４０重量％の割合で含有するとともに、窒素／（炭素＋窒素）で表される原子比が０．４〜０．６の範囲内にある硬質相成分７０〜９０重量％と、鉄族金属から成る結合相成分１０〜３０重量％とから成るＴｉＣＮ基サーメットなどがある。
【００２１】
超硬合金としては硬質相と結合相で構成されるものなどがあり、硬質相は炭化タングステンまたは炭化タングステンの５〜１５重量％を周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物で置換したものなどからなり、結合相はＣｏ等の鉄族金属を主成分とするもので、例えば全量中に５〜１５重量％の割合で含有される。
【００２２】
導電性母材３の表面には硬質なコーティング膜（不図示）を形成してもよい。このようなコーティング膜としては、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物を厚み０．１〜１０μｍに形成したもの、Ａｌの酸化物を厚み０．１〜１０μｍに形成したもの、ＴｉＡｌの窒化物を厚み０．１〜１０μｍに形成したものなどがある。これら硬質膜の１種または２種以上を超硬合金、サーメット、セラミックなどの導電性母材３にコーティングしてもよい。
【００２３】
絶縁層２の形成方法としては、ＣＶＤ法、イオンプレーティング、スパッタリング、蒸着等のＰＶＤ法、めっき法などがあげられる。例えば母材３の表面に酸化アルミニウム膜をスパッタリング法で０．１〜１０μｍの厚みに形成する。絶縁層２を０．１μｍ以上とするのは、絶縁層２として導電性母材３と導電膜１との間の短絡を防ぐためである。また、１０μｍを越えると切削性能（特に耐欠損性）に悪影響を及ぼす。この絶縁層２はＡｒ雰囲気中で形成する。
【００２４】
絶縁層２を酸化アルミニウムで形成する場合、ターゲットの汚れを落とすためにプレスパッタリングを１分以上、母材のエッチングを１分以上、さらにターゲットのプレスパッタリングを１分以上行なった後、アルミナターゲットを用いて膜厚に応じて２００分以下で形成する。
【００２５】
絶縁層２としてはアークイオンプレーティング法で形成した窒化アルミニウムを用いることもできる。この場合、ターゲットとしてアルミニウムを用い、２Ｐａ〜１００Ｐａの窒素雰囲気で、成膜温度２００℃〜７００℃で、ターゲットに１５０Ａのバイアス電流を印加してアーク放電を発生させ、母材に窒化アルミニウムを成膜する。膜厚に応じて成膜時間を変化させる。
【００２６】
また、絶縁層２は、酸化ケイ素、窒化珪素、酸化ジルコニウム、酸化チタン等の絶縁性物質で形成してもよい。
【００２７】
導電膜１はＴｉ、Ｚｒ等の周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属、あるいはＡｌなどの金属材料やＴｉＣ、ＺｒＣ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＴｉＣＮ、ＺｒＣＮ等の周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ等を酸化することで電気抵抗が高くなるもので形成される。なかでも、ＴｉＮは、スローアウェイチップの母材に対する接合力が強いこと、被削材と反応せず、センサの電気抵抗値が常に所定値を示し、スローアウェイチップの摩耗度合いや欠損の発生の有無を正確に検出できること、被削材の加工表面に反応生成物による傷が形成されるのを有効に防止できること、スローアウェイチップの摩耗度合いや欠損の発生の有無を正確に検出できること、等の理由から好適に使用し得る。
【００２８】
導電膜１は、ＣＶＤ法やイオンプレーティング、スパッタリング、蒸着等のＰＶＤ法、めっき法等を採用することで絶縁層２を形成した導電性母材３のほぼ全面に所定厚みに被着される。
【００２９】
導電膜１は、その厚みが０．０５μｍ未満の薄いものでは、導電性母材３の表面への接合が弱くなるとともにセンサの電気抵抗値が高くなり、スローアウェイチップの摩耗度合いや欠損を正確に検出するのが困難となる。また１０μｍを超えると切削性能（特に耐欠損性）に悪影響を及ぼす。
【００３０】
導電膜１の一部を高抵抗化してセンサ回路を形成する。工具の刃先のすくい面および逃げ面に刃先稜線と平行になるようにセンサパターンをＹＡＧレーザー等で形成する。センサ幅は一般的には０．０１〜０．５ｍｍでよいが、寿命設定により任意の幅を持たせることができる。センサ回路の作製には酸化法などもあるが、センサ回路の作製速度が速いことやセンサ回路の形状の変更が容易なことからレーザー照射法が好ましい。
【００３１】
大気中または酸化雰囲気中で導電膜１の一部にレーザーを照射して導電膜１の一部を酸化して他の領域より電気抵抗値の高い領域４を設けることで、図2に示すように、導電膜部５と導電膜部６との間の電気抵抗値を高くするとともに、図３に示すように、導電性母材３と導電膜部５および導電膜部６との間の電気抵抗値を高くする。
【００３２】
ここでいう高い電気抵抗値とは、図２および図３に示すテスターの計測値が１０００ｋΩ以上のものをいう。図２および図３に示すテスターの計測値が１０００ｋΩ以上あれば、センサ付き切削工具として有効に機能させることができるためである。
【００３３】
また、他の領域より電気抵抗値の高い領域４に導電膜１の構成元素の少なくとも一つの酸化物を含ませることで、電気抵抗値の高い領域４をレーザー等で容易に作製できる。
【００３４】
また、導電膜部５、６がＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮのうちの少なくとも一つを含むことで、好ましくはＴｉＮであることで、レーザー照射で組織が変化しなかった部分における導電膜部５、６の密着性が高いことや耐摩耗性に優れることなどから、切削性能のよいセンサ付き切削工具とすることができる。
【００３５】
また、導電膜部５、６がＴｉＮであり、他の領域より電気抵抗値の高い領域４がＴｉＯ2を含むことで、電気抵抗値の高い膜部をレーザー等で容易に作製することができ、かつレーザー照射で組織が変化しなかった部分における導電膜部５、６の密着性が高いことや耐摩耗性に優れることなどから、切削性能のよいセンサ付き切削工具とすることができる。
【００３６】
また、導電膜部５、６がＴｉＮであり、他の領域より電気抵抗値の高い領域４がＴｉＯ2を含み、この領域のＴｉＯ2の割合が７０％以上であることで、電気抵抗値の高い領域４をレーザー等で容易に作製でき、かつレーザー照射で組織が変化しなかった部分における導電膜部５、６の密着性が高いことや耐摩耗性に優れることなどから、切削性能のよいセンサ付き切削工具とすることができ、導電膜部５と導電膜部６との間の電気抵抗値を高くすることができる。ここで、他の領域より電気抵抗値の高い領域４のＴｉＯ2の割合が７０％未満であると、導電性のＴｉＮ膜が残って電気抵抗値が十分に高くならず、導電膜部５と導電膜部６との間で短絡する恐れがある。
【００３７】
レーザー照射条件の最適値は、導電膜１と絶縁層２の膜質、導電膜１の膜厚みによって変化するが、レーザー照射部分に付与されるエネルギーはなるべく小さい方がよい。大き過ぎるとレーザーの照射部が気化して導電膜１と絶縁層２が除去され、この除去部分が破壊源となって耐欠損性の劣化の恐れがあるためである。レンズ径、レーザーパルスの周波数、照射速度、照射電流を各種変化させることで、レーザー照射部の酸化状態を最適に制御できる。これにより、電気絶縁性と耐欠損性がよくて安定したセンサ工具とすることができる。
【００３８】
【実施例】
−実施例１−
以下のサンプルを作製した。導電性母材３として市販のＡｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ系セラミック母材を用いた。導電性母材３と導電膜１を絶縁する絶縁層２として、アークイオンプレーティング法で厚さ８μｍの窒化アルミニウム膜を作製した。
【００３９】
ターゲットとしてアルミニウムを用いて、４Ｐａの窒素雰囲気で、１５０Ａのバイアス電流をターゲットに印加してアーク放電を発生させ、母材に３０Ｖの負の電圧を印加し、成膜温度５００℃、成膜時間３８分で作製した。その後、導電膜１としてアークイオンプレーティング法で４Ｐａの窒素雰囲気で、母材温度５００℃、成膜時間７．５分でＴｉＮを０．５μｍ成膜した。
【００４０】
その後、以下の条件でレーザー照射を行った。レーザー加工機はＹＡＧレーザーを使用して加工した。
《レーザー照射条件》
条件１条件２
レンズ径 φ１６０ｍｍ φ６０ｍｍ
照射速度５０ｍｍ／ｓｅｃ１００ｍｍ／ｓｅｃ
照射周波数１ｋＨｚ３５ｋＨｚ
照射電流２０Ａ１２Ａ
雰囲気大気中大気中
条件１および条件２で得られたサンプルの電気抵抗値を図２および図３に示す方法で計測した。図２および図３において、７はテスターであり、図２に示す方法で導電膜部５と導電膜部６との間の電気抵抗値を求めるとともに、図３に示す方法で導電膜部５と導電性母材３との間の電気抵抗値を求めた。図２に示す方法で導電膜部５と導電膜部６との間の電気抵抗値を測定して、レーザー照射した部分の電気抵抗値がレーザー照射していない部分の電気抵抗値より高いか調査した。また、導電膜部５と導電性母材３との間の電気抵抗値も併せて測定した。その結果を表１に示す。
【００４１】
また、刃先近傍にレーザー照射した工具を用いて以下の条件で切削し、衝撃回数が４００回になるごとに切刃を双眼で観察して損傷したときの衝撃回数を測定して耐欠損性の評価を行った。本発明品である条件１が損傷に要した衝撃回数ａを基準（１００％）として、各試料の損傷に要した衝撃回数ｂをパーセント表記（ｂ／ａ×１００）した。なお、各試料とも３回ずつ評価した。その結果を表２に示す。
《切削条件》
切削速度２００ｍ／ｍｉｎ
切込み２．０ｍｍ
送り０．２ｍｍ／ｒｅｖ
被削材ＳＣＭ４３５４本溝付き
切削状態切削液有り（エマルジョン）
条件１でレーザー照射した部分をＸ線光電子分光分析法で分析した。Ｘ線光電子分光分析装置としてはＰＨＩ製のＱｕａｎｔｕｍ２０００を使用した。その結果を図４に示す。その結果、Ｔｉ２ｐナロースペクトルからレーザー照射部からＴｉＯ₂が検出された。
【００４２】
【表１】

【００４３】
【表２】

【００４４】
表１および表２から明らかなように、本発明品である導電膜の一部に他の領域より電気抵抗値の高い領域があってＴｉＮの酸化物であるＴｉＯ2を含んでいる試料Ｎｏ．１は、従来品であるレーザーを照射してＴｉＮを除去してＡｌＮを露出させた試料Ｎｏ．２と比して耐欠損性が良好であった。
（実施例２）実施例１の母材に実施例１の絶縁膜と導電膜を成膜し、その後ＹＡＧレーザーを用いて条件３と条件４でレーザー照射して電気抵抗値を測定した。その結果を表１に示す。
《レーザー照射条件》
条件３条件４
レンズ径 φ１６０ｍｍ φ１６０ｍｍ
照射速度５０ｍｍ／ｓｅｃ５０ｍｍ／ｓｅｃ
照射周波数１ｋＨｚ１ｋＨｚ
照射電流１８Ａ１３Ａ
雰囲気大気中大気中
また、条件３および条件４でレーザー照射した部分をＸ線光電子分光分析法で分析した。Ｔｉ２ｐナロースペクトルからＴｉＯ2とＴｉＮの比を求めた。その結果を表３に示す。
【００４５】
【表３】

【００４６】
表１および表３から明らかなように、本発明品である導電膜の一部に他の領域より電気抵抗値の高い領域があってＴｉＮの酸化物であるＴｉＯ2を７０％以上含んでいる試料Ｎｏ．３は導電膜部間の電気抵抗値が１０００ｋΩ以上であり、レーザー照射部の電気抵抗値が高くなっていた。これに対して、ＴｉＯ2が７０％未満である試料Ｎｏ．４は導電膜部間の電気抵抗値が１０Ωであり、レーザー照射部の電気抵抗値が低いままであった。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に係るセンサ付き切削工具によれば、母材上に切刃の寿命を検知するセンサ回路の一部を設けたセンサ付き切削工具において、前記母材上に、導電膜部と高抵抗化膜部とを有する被膜が設けられており、該被膜の導電膜部で前記センサ回路の一部を構成するとともに、前記高抵抗化膜部に前記導電膜部の構成元素の少なくとも１つの酸化物を含むことから、高抵抗化膜部の加工が容易であり、かつ、絶縁領域で隔てられた導電膜部同志の短絡を防止でき、耐欠損性がよくて安定して正常に機能させることができる。
【００４８】
また、請求項７に係るセンサ付き切削工具の作製方法によれば、導電膜にレーザー光を照射して、導電膜の一部を酸化して電気抵抗の高い部分を生成することから、生産性がよく加工精度がよくかつ回路変更の自由度が高いセンサ付き切削工具を作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセンサ付き切削工具の断面図である。
【図２】導電膜部間の電気抵抗値を調査した方法を示す図である。
【図３】導電膜部−導電性母材間の電気抵抗値を調査した方法を示す図である。
【図４】レーザー照射部の化学結合状態の分析結果である。
【図５】従来のセンサ付き切削工具の断面図である。
【符号の説明】
１：導電膜
２：絶縁層
３：導電性母材
４：レーザー照射部（電気抵抗値の高い部分）
５：導電膜部
６：導電膜部
７：テスター

Claims

母材上に切刃の寿命を検知するセンサ回路の一部を設けたセンサ付き切削工具において、
前記母材上に、導電膜部と該導電膜部より電気抵抗値の高い高抵抗化膜部とを有する被膜が設けられており、
該被膜の導電膜部で前記センサ回路の一部を構成するとともに、
前記高抵抗化膜部は、前記導電膜部の構成元素の少なくとも１つの酸化物を含むことを特徴とするセンサ付き切削工具。
前記導電膜部と前記高抵抗化膜部とが、同一面上に位置してなることを特徴とする請求項１記載のセンサ付き切削工具。
前記導電膜部と前記高抵抗化膜部とが、Ｔｉ、Ｚｒ等の周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属、あるいはＡｌのうち少なくとも一つの共通の金属を有してなることを特徴とする請求項１または２記載のセンサ付き切削工具。
前記導電膜部がＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載のセンサ付き切削工具。
前記導電膜部がＴｉＮであり、前記高抵抗化膜部がＴｉＯ₂を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のセンサ付き切削工具。
前記導電膜部がＴｉＮであり、前記高抵抗化膜部がＴｉＯ₂を含み、該高抵抗化膜部におけるＴｉＯ₂の割合が７０％以上であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のセンサ付き切削工具。
絶縁層で被覆した導電性母材の表面に切刃の寿命を検知するセンサ回路を形成するセンサ付き切削工具の作製方法において、前記センサ回路を導電膜の一部にレーザー光を照射して酸化して他の領域よりも電気抵抗値の高い領域を設けて形成することを特徴とするセンサ回路付き切削工具の作製方法。