JP4057924B2

JP4057924B2 - Cutting tool with sensor

Info

Publication number: JP4057924B2
Application number: JP2003016319A
Authority: JP
Inventors: 剛深野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2023-01-24
Also published as: JP2004223670A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は切削加工に使用する工具に関し、特にセンサを備えたセンサ付き切削工具の改良に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
切削加工において、切削工具の逃げ面の摩耗の大きさは一般的に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速やかに逃げ面の摩耗量を推定することは、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】
従来、かかる切削工具の摩耗量を測定する方法として、加工を中止して工具を一旦はずして工具顕微鏡などで測定したり、あるいは加工中にインプロセスで摩耗量を知りたい場合は、工具の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）を工作機械上等の加工点付近に設置したセンサで検出して、検出信号に何らかの信号処理を行って摩耗量を推定しているが、従来の方法では摩耗の定量的な量を求めることが困難であったり、十分な感度や信頼性が得られなかった。
【０００４】
そこで、特開昭５９−８１０４３号公報では、図５に示すように、超硬合金やサーメットなどの導電性母材１１の表面に絶縁性の酸化アルミニウム層１２と、導電層１３からなるセンサ回路をコーティングして工具を形成し、被削材と工具との間に電圧をかけ、酸化アルミニウム層１２が摩耗し導電性母材１１が露出したとき、すなわち寿命になると電流が流れることを利用した工具寿命の検知方法が提案されている。
【０００５】
また、特開昭６２−８８５５２号公報では、絶縁層としてＣＶＤ法またはＰＶＤ法で酸化アルミニウム層を作製することによって、センサ回路間の絶縁を確保でき、センサ回路を多層化できるため、センサ機能のエラーを防止できることが提案されている。
【０００６】
また、本出願人は、先に特開２００２−２９２５０４号にて、絶縁層を多層構造とすることを提案した。
【０００７】
[特許文献１]
特開昭５９−８１０４３号公報
[特許文献２]
特開昭６２−８８５５２号公報
[特許文献３]
特開２００２−２９２５０４号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１、２のように、酸化アルミニウム層１２を超硬合金やサーメットなどの母材１１のような熱膨張係数が異なる母材にＣＶＤ法やＰＶＤ法で成膜する場合、成膜後に酸化アルミニウム層１２中に母材１１まで通じる微細な亀裂（クラック）１４が発生し、酸化アルミニウム層１２の上に導電層１３を作製した場合、そのクラック１４を通じて母材１１と導電層１３が短絡してしまうという問題があった。
【０００９】
また、特許文献３の方法によれば、絶縁層を多層化とすることで絶縁層の絶縁性が向上することができる。しかしながら、この方法では絶縁層の全体的な絶縁性は向上するものの、各絶縁層にクラックやピンホール等による不良がしばしば見られ、絶縁がとれずにセンサ機能が動作しないことがあった。また、絶縁層と導電性母材との間の付着強度が切削工具として十分ではなかった。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、センサ回路の短絡を防止し、作動が確実な損耗センサを備えるとともに、導電層の付着強度を強化させたセンサ付き切削工具を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者は、導電性母材とセンサ回路をなす導電層との間を絶縁するために設けられる前記絶縁層を母材側に酸化アルミニウム層、その直上に窒化アルミニウム層という構成にすることで、絶縁層の絶縁性が安定し、また、前記絶縁層と導電性母材との間の付着力も高くなることを知見した。
【００１２】
即ち、本発明のセンサ付き切削工具は、導電性母材の表面上に、粒状晶の酸化アルミニウム層と、該酸化アルミニウム層の直上に連続して形成された柱状晶の窒化アルミニウム層とからなる絶縁層、或いは、粒状晶の酸化アルミニウム層と、該酸化アルミニウム層の直上に連続して形成された柱状晶の窒化アルミニウム層と、該窒化アルミニウム層上に連続して形成された粒状晶の酸化アルミニウム層とからなる絶縁層を備えており、前記絶縁層上には、最表面に位置する前記窒化アルミニウム層又は前記酸化アルミニウム層に密着する導電層から成るセンサ回路を形成してなることを特徴とするものである。
【００１４】
さらに、前記導電性母材と前記絶縁層との間には、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物うちいずれかからなる下地層を形成することによって、前記絶縁層と前記導電性母材との間の付着力を向上させることができる。
【００１７】
また、上記センサ付き切削工具では、前記酸化アルミニウム層の厚みが０．５〜１０μｍから成ることが、さらに、前記窒化アルミニウム層の厚みが０．３〜３μｍから成ることで上記効果をより発揮させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の一例であるスローアウェイ工具を例として、図１、２の概略断面図を用いて説明する。なお、本発明のセンサ付き切削工具は、スローアウェイ工具の他、ソリッドドリル等のソリッド工具への応用も可能である。
【００１９】
図中、１はセンサ回路をなす導電層、２は窒化アルミニウム層、３は酸化アルミニウム層、４は導電性母材、５は酸化アルミニウム層中にある欠陥、６は窒化アルミニウム層および酸化アルミニウム層からなる絶縁層である。
【００２０】
このスローアウェイ工具によれば、導電性母材４の上に、酸化アルミニウム層３を成膜し、その直上に窒化アルミニウム層２が形成されている。このように、母材４側に酸化アルミニウム層３を、導電層１側に窒化アルミニウム層２を形成することで、図１のように酸化アルミニウム層３中に存在する欠陥５を窒化アルミニウム層２で埋めることができる。
【００２１】
その結果、次工程で窒化アルミニウム層２の表面に導電層１を形成するときに、酸化アルミニウム層２中に欠陥５が発生していても欠陥５中に導電層１が侵入して導電性母材４と導電層１間で短絡することを防ぐことができる。また、窒化アルミニウム層３を使用することで絶縁層６の絶縁性のばらつきもなくなるため、安定したセンサ機能を有するセンサ回路を作製することができる。
【００２２】
また、絶縁層６の母材側に付着強度の強い酸化アルミニウム層３とすることで絶縁層６と導電性母材４との間の付着強度をあげることができ、切削中に絶縁層６が剥離してセンサ機能が働かなくなることを防ぐことができる。また、窒化アルミニウム層２と酸化アルミニウム層３はともにアルミニウムの化合物のため、互いの付着強度が強く、窒化アルミニウム層２と酸化アルミニウム層３との界面での剥離を防ぐことができ、絶縁層６の絶縁性および付着強度を保持できるとともに、絶縁層６の膜厚を保持することができるため、センサ付き切削工具の耐摩耗性の劣化を防ぐ効果ももつ。
【００２３】
また、絶縁層６を窒化アルミニウム層２の多層体のみにて構成しても、絶縁層６と導電性母材４との間の付着強度が小さく、切削の際に絶縁層６が剥離してしまい、センサ回路が機能しなくなってしまう恐れがある。また、絶縁層６の母材側を窒化アルミニウム層２とし、その直上に酸化アルミニウム層３を形成するような構造にした場合も、絶縁層６と導電性母材４との間の付着強度が小さくなり、切削による絶縁層６の剥離が起こりやすくなり、センサ回路が機能しなくなってしまう恐れがある。
【００２４】
ここで、窒化アルミニウム層２と酸化アルミニウム層３とは、それぞれ２層以上の多層とすることで１層目のクラックやピンホールなどの欠陥を２層目以降の成膜時に埋めることができるため、より絶縁性が向上する。
【００２５】
酸化アルミニウム層３は、その厚みが０．５〜１０μｍであること、好ましくは１〜３μｍであることが、絶縁層６のセンサとしての絶縁効果を劣化することなく導電性母材４との付着強度を保つことができるため望ましい。
【００２６】
また、絶縁層６の形成方法としては、ＣＶＤ法、ＰＣＶＤ法、イオンプレーティング、スパッタリング、蒸着等のＰＶＤ法、めっき法などで形成されるが、ＣＶＤ法で酸化アルミニウム層３を成膜すると、より付着強度が強い層を作製できるとともに、絶縁不良の発生を防止できる。
【００２７】
また、酸化アルミニウム層３が粒状晶からなる酸化アルミニウム粒子からなることにより、導電性母材４との付着強度を上げる点で好ましい。また、酸化アルミニウム層３がκ結晶、又はα結晶であることが、切削工具としての耐摩耗性および耐欠損性を維持することができるため望ましい。このような粒状晶は、ＣＶＤ法によって作製できる。
【００２８】
具体的には、酸化アルミニウム層３を例えばＣＶＤ法で形成する場合、キャリアガスとしてＨ_２を用い、反応ガスとしてＣＯ_２、ＨＣｌ、ＡｌＣｌ_３、Ｈ_２Ｓを用い、成膜温度は８５０℃から１１００℃の間で行い、炉内圧力は４ｋＰａ〜３０ｋＰａの間で成膜することが望ましい。
【００２９】
一方、窒化アルミニウム層２は、その厚みが０．３〜３μｍであること、好ましくは０．６〜１．２μｍとすることが、絶縁層６のセンサとしての絶縁効果を劣化することなく導電性母材４との付着強度を保つことができるため望ましい。また、ＰＶＤ法で窒化アルミニウム層２を成膜すると、層の付着強度は低いが絶縁性に優れた層を作製することができる。一方、窒化アルミニウム層２が柱状晶からなる窒化アルミニウムからなることにより、電気絶縁性を維持する点で好ましい。このような柱状晶は、ＰＶＤ法で条件を定めることで作製できる。
【００３０】
具体的には、窒化アルミニウム層２を例えばアークイオンプレーティング装置を用い、ターゲットに純度９９．９％のアルミニウムを使用し、基板温度炉内温度３００〜７００℃、成膜時間１．５〜１５分、バイアス−３０Ｖ、アーク電流値１５０Ａ、窒素雰囲気もしくは窒素アルゴン混合雰囲気で圧力４Ｐａにて成膜することが望ましい。
【００３１】
上記の理由から、酸化アルミニウム層３をＣＶＤ法で、窒化アルミニウム層２をＰＶＤ法で作製することで、絶縁層６を導電性母材４との付着強度に優れるとともに、安定した絶縁性を持った絶縁層６にすることができる点で好ましい。
【００３３】
本発明において用いられる導電性母材４としては、電気抵抗値が、１０^−２Ω・ｃｍ以下であることが望ましく、特に、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／ＣｕｂｉｃＢｏｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅ）、ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ／ＰｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＤｉａｍｏｎｄ）などが使用できる。（導電性母材で主に使用しますが、絶縁性のある母材でも使えるので特に数値の指定は要らないかと思われます。）
酸化アルミニウム質焼結体としては、ＴｉＣまたはＴｉＣＮを２〜４０重量％、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの酸化物のうち少なくとも１種を０．０１〜５．０重量％含有してなる酸化アルミニウム質焼結体などが好適に使用できる。
【００３４】
窒化珪素質焼結体としては、ＡｌをＡｌ_２Ｏ_３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％、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ＳｉＯ_２換算で１０モル％以下の割合から成る窒化珪素質焼結体が好適に使用できる。
【００３５】
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基サーメットが好適に使用される。
【００３６】
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、結合相は、Ｃｏ等の鉄族金属を５〜１５重量％の割合で含有したものが好適に使用される。
【００３７】
また、本発明によれば、図２に示すように、絶縁層６と導電性母材４との間に、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物、Ａｌの酸化物や、ＴｉＡｌの窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種を単層または複数層からなる下地層７を０．１〜１０μｍの厚みで形成することができる。
【００３８】
特に、導電性母材４と酸化アルミニウム層３との付着強度を上げる上では、酸化アルミニウム層３の直下に、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物のうちいずれか１種以上による単層または複数層を設けることが望ましい。
【００３９】
切削性能向上のためには、Ａｌの酸化物、ＴｉＡｌの窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種を０．１μｍ〜１０μｍの厚みで単層または複数層で形成することが望ましい。その場合は、この層と酸化アルミニウム層３との間に上記Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物の単層または多層を介在させることが望ましい。
【００４０】
なお、これらの下地層７は、ＣＶＤ法やイオンプレーティング、スパッタリング等のＰＶＤ法群から選ばれる少なくとも１種の成膜法によって形成される。
【００４１】
（導電層）
導電層１は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等の周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ等の鉄族金属、あるいはＡｌなどの金属材料やＴｉＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２、Ｍｏ_２Ｃ、ＷＣ、Ｗ_２Ｃ、ＴｉＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣＮ、ＶＣＮ、ＮｂＣＮ、ＴａＣＮ、ＣｒＣＮ等の周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎの群から選ばれる少なくとも１種で形成される。この中でも、ＴｉＮは被削材と反応せず、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、欠損の発生の有無を正確に検出することができること、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、耐酸化性に優れ、酸化物生成によるセンサの電気抵抗値の変化がなく、スローアウェイチップの摩耗度合い、欠損の発生の有無を正確に検出することができること等の理由から好適に使用し得る。
【００４２】
導電層１は、その厚みを０．０５μｍ以上とすることで、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ためにセンサの電気抵抗を得ることができる。また２０μｍ以下とすることで、導電層１中への応力の発生を抑制し、導電層１の密着性を高めることができる。
【００４３】
この導電層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によってスローアウェイチップの母材のほぼ全面に所定厚みに導電層を被着し、その後、レーザ加工によって、導電層１を所定パターンに加工される。
【００４４】
その後、図３の概略斜視図に示すようにレーザ加工等の方法で図３に示すような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回路９を形成する。センサ幅は一般的には０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍでよいと考え得るが、寿命設定により任意の幅を持たせるとよい。これにより電気絶縁性のよいセンサ回路９を作製することができる。
【００４５】
上述した構成からなる本発明のセンサ回路付き切削工具は、絶縁性と導電性母材との付着力に優れることから、損耗センサとして好適である。
【００４６】
【実施例】
導電性母材として、Ｃｏ：８重量％、Ｔａ：５重量％、Ｔｉ：３重量％、残部がＷＣからなる超硬合金を準備した。
【００４７】
その表面に必要に応じて、ＣＶＤ法でＴｉＣｌ_４、Ｎ_２、Ｈ_２、ＣＨ_４、ＣＨ_３ＣＮを用いて、炉内温度８００℃以上で表１に示す層組成膜厚の下地層を成膜した。
【００４８】
その後、上記導電性母材の表面または下地層上に、種々の絶縁層をＣＶＤ法またはＰＶＤ法によって成膜した。その後、導電層として、アークイオンプレーティング法でＴｉＮを層厚１μｍで成膜した。
【００４９】
その後、導電層にレーザ加工を施してセンサ回路を作製し、さらにＣＮＭＧ１２０４０８形状のセンサ回路付きスローアウェイチップを試料ごとに２０個ずつ作製した。
【００５０】
なお、表1の絶縁層の成膜条件は、以下の通りとした。
【００５１】
▲１▼ ＣＶＤ法による酸化アルミニウム層の成膜には、キャリアガスとしてＨ_２を用い、反応ガスとしてＣＯ_２、ＨＣｌ、ＡｌＣｌ_３を用い、成膜温度は９５０℃、炉内圧力は１０ｋＰａでおこなった。
【００５２】
▲２▼ アークイオンプレーティング法による窒化アルミニウム層成膜には、ターゲットに純度９９．９％のアルミニウムを使用し、基板温度炉内温度５００℃、バイアス−３０Ｖ、アーク電流値１５０Ａ、窒素雰囲気、圧力４Ｐａにて成膜した。
【００５３】
▲３▼ スパッタリング法による酸化アルミニウム作製には、ターゲットに酸化アルミニウムを使用して、Ａｒ雰囲気の高周波スパッタリング装置でプレスパッタリングを３分、母材のエッチングを１２分、ターゲットのプレスパッタリングを１５分、成膜を厚みごとに変更しておこなった。
【００５４】
▲４▼ スパッタリング法による酸化ジルコニウム作製には、ターゲットに酸化ジルコニウムを使用して、Ａｒ雰囲気の高周波スパッタリング装置でプレスパッタリングを３分、母材のエッチングを１２分、ターゲットのプレスパッタリングを１５分、成膜を厚みごとに変更しておこなった。
【００５５】
得られた損耗センサ回路つきスローアウェイチップについて、各種層厚みおよび組織状態の測定は、層の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および／または光学顕微鏡にて１０００倍〜５００００倍に拡大して測定した。ＳＥＭによる測定では装置は日本電子製ＪＳＭ−６３４０Ｆにておこなった。
【００５６】
以上の方法で作製した各試料について以下の方法によって電気絶縁性および絶縁層と導電性母材との間の耐膜剥離性の評価を行った。
【００５７】
電気絶縁性の調査は、図４に示すように、テスターによって導電性母材と、導電層間の電気抵抗を測定し、各試料につき２０個ずつ測定し、測定値が２０００ｋΩ以上あったものの比率を表１に示した。
【００５８】
また、絶縁層と導電性母材との耐膜剥離性の評価として、以下の切削条件下での切削試験を行った。
【００５９】
≪切削条件≫
切削速度２５０ｍ／ｍｉｎ
送り０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み２．０ｍｍ
被削材ＳＣＭ４３５４本溝
切削状態切削液あり（ソリューション）
評価結果２分間切削して逃げ面において層剥離した数を評価。各試料につき１０個ずつ評価し、その中で層が剥離しなかった数を百分率で表した。
【００６０】
以上の測定の結果を表１に示した。
【００６１】
【表１】

【００６２】
表１より、本発明に従い、母材側に酸化アルミニウム層、その直上に窒化アルミニウム層という層構成で作製した絶縁層を設けた試料Ｎｏ．１〜６では、２０個全てにおいて導電性母材と導電層間の電気抵抗値が２０００ｋΩ以上あり、絶縁性が非常によく、また、絶縁性のばらつきもなく、安定したセンサ機能を有していた。しかも層の剥離の発生も抑制されて絶縁層と導電層との間の耐膜剥離性も強かった。特に、下地層を配したものは特に付着強度がよく、酸化アルミニウムを粒状にして、窒化アルミニウムを柱状としたものは特に良好であった。
【００６３】
これに対して、絶縁層の層構成２層目を窒化アルミニウムに代えて酸化ジルコニウムから形成した試料Ｎｏ．７は、２０個中１０個以下しか導電性母材と導電層との間の絶縁がとれず、絶縁性のばらつきが大きいものであった。
【００６４】
また、酸化アルミニウムからなる多層構造とした試料Ｎｏ．９では、付着強度は良好であったが、２０個中１０個以下しか導電性母材と導電層との間の絶縁がとれず、絶縁性のばらつきが大きく、センサ機能が不安定であった。
【００６５】
また、母材側の絶縁層を窒化アルミニウムとした試料Ｎｏ．８では、絶縁性、付着力ともに悪かった。
【００６６】
また、絶縁層を酸化アルミニウムの単層によって形成した試料Ｎｏ．１０では、母材とセンサ回路との間で短絡して導電性母材と導電層との間の絶縁が取れずにセンサ機能が働かなかった。
【００６７】
【発明の効果】
以上、詳述したとおり、本発明によれば、導電性母材と導電層間の絶縁性をばらつきなく安定に維持することができ、且つ絶縁層と導電性母材との間の付着強度が高いセンサ付切削工具を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサ付き切削工具の一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明のセンサ付き切削工具の他の実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本発明のセンサ付切削工具の概略斜視図である。
【図４】電気絶縁性の測定方法の概略を示す図である。
【図５】従来のセンサ付き切削工具を示す断面図である。
【符号の説明】
１：導電層
２：窒化アルミニウム層
３：酸化アルミニウム層
４：導電性母材
５：欠陥
６：絶縁層
７：下地層
８：テスター[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a tool used for cutting, and more particularly to improvement of a cutting tool with a sensor provided with a sensor.
[0002]
[Prior art]
In cutting, the magnitude of wear on the flank of a cutting tool is generally a criterion for determining tool life. For this reason, it is very important to estimate the amount of wear on the flank quickly in-process during cutting in order to maintain high-precision machining. However, it is very difficult in the working environment to directly observe tool wear during machining.
[0003]
Conventionally, as a method of measuring the amount of wear of such a cutting tool, when machining is stopped and the tool is temporarily removed and measured with a tool microscope or the like, or when it is desired to know the amount of wear in-process during machining, the tool wear Detect other phenomena (changes in cutting force and vibration, etc.) that occur with the sensor with a sensor installed near the machining point on the machine tool, etc., and perform some signal processing on the detection signal to estimate the wear amount. However, it is difficult to obtain a quantitative amount of wear with the conventional method, and sufficient sensitivity and reliability cannot be obtained.
[0004]
Japanese Patent Laid-Open No. 59-81043 discloses a sensor circuit comprising an insulating aluminum oxide layer 12 and a conductive layer 13 on the surface of a conductive base material 11 such as cemented carbide or cermet, as shown in FIG. A tool was formed by coating the electrode, and a voltage was applied between the work material and the tool. When the aluminum oxide layer 12 was abraded and the conductive base material 11 was exposed, that is, when the life was reached, the current flowed. A tool life detection method has been proposed.
[0005]
Further, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-88552, by forming an aluminum oxide layer by an CVD method or a PVD method as an insulating layer, insulation between sensor circuits can be ensured, and the sensor circuits can be multilayered. It has been proposed that errors can be prevented.
[0006]
In addition, the present applicant previously proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-292504 that the insulating layer has a multilayer structure.
[0007]
[Patent Document 1]
JP 59-81043 A
[Patent Document 2]
JP-A-62-88552
[Patent Document 3]
JP 2002-292504 A
[Problems to be solved by the invention]
However, when the aluminum oxide layer 12 is formed by CVD or PVD on a base material having a different coefficient of thermal expansion such as a base material 11 such as cemented carbide or cermet as in

Patent Documents

1 and 2. When a fine crack 14 that leads to the base material 11 later occurs in the aluminum oxide layer 12 and the conductive layer 13 is formed on the aluminum oxide layer 12, the base material 11 and the conductive layer 13 are formed through the crack 14. There was a problem of short circuit.
[0009]
Moreover, according to the method of patent document 3, the insulation of an insulating layer can be improved by making an insulating layer multilayer. However, although this method improves the overall insulation of the insulating layer, defects due to cracks, pinholes, etc. are often found in each insulating layer, and the sensor function may not operate without insulation. Further, the adhesion strength between the insulating layer and the conductive base material is not sufficient as a cutting tool.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a cutting tool with a sensor that includes a wear sensor that prevents a short circuit of a sensor circuit and is reliable in operation and has an enhanced adhesion strength of a conductive layer. Is to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present inventor has provided an insulating layer provided in order to insulate between a conductive base material and a conductive layer constituting a sensor circuit, an aluminum oxide layer on the base material side, and nitrided directly thereon. It has been found that by using an aluminum layer, the insulating property of the insulating layer is stabilized and the adhesion between the insulating layer and the conductive base material is increased.
[0012]
That is, the cutting tool with a sensor of the present invention comprises a granular crystal aluminum oxide layer on a surface of a conductive base material, and a columnar crystal aluminum nitride layer continuously formed immediately above the aluminum oxide layer. Insulating layer or granular aluminum oxide layer, columnar aluminum nitride layer continuously formed immediately above the aluminum oxide layer, and oxidation of granular crystals continuously formed on the aluminum nitride layer An insulating layer comprising an aluminum layer is provided, and a sensor circuit comprising a conductive layer in close contact with the aluminum nitride layer or the aluminum oxide layer located on the outermost surface is formed on the insulating layer. It is what.
[0014]
Further, by forming a base layer made of any of Ti carbide, nitride, carbonitride, and carbonitride between the conductive base material and the insulating layer, the insulating layer and the conductive layer are formed. It is possible to improve the adhesive force between the sex base material.
[0017]
Moreover, in the cutting tool with a sensor, the aluminum oxide layer has a thickness of 0.5 to 10 μm, and the aluminum nitride layer has a thickness of 0.3 to 3 μm, thereby further exerting the above effect. be able to.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a throwaway tool that is an example of an embodiment of the present invention will be described as an example with reference to the schematic cross-sectional views of FIGS. The cutting tool with a sensor of the present invention can be applied to a solid tool such as a solid drill in addition to a throw-away tool.
[0019]
In the figure, 1 is a conductive layer constituting a sensor circuit, 2 is an aluminum nitride layer, 3 is an aluminum oxide layer, 4 is a conductive base material, 5 is a defect in the aluminum oxide layer, 6 is an aluminum nitride layer and an aluminum oxide layer An insulating layer made of
[0020]
According to this throw-away tool, the aluminum oxide layer 3 is formed on the conductive base material 4, and the aluminum nitride layer 2 is formed directly thereon. In this way, by forming the aluminum oxide layer 3 on the base material 4 side and the aluminum nitride layer 2 on the conductive layer 1 side, the defects 5 existing in the aluminum oxide layer 3 as shown in FIG. Can be filled with.
[0021]
As a result, when the conductive layer 1 is formed on the surface of the aluminum nitride layer 2 in the next step, even if the defect 5 is generated in the aluminum oxide layer 2, the conductive layer 1 penetrates into the defect 5 to form the conductive mother layer. Short-circuiting between the material 4 and the conductive layer 1 can be prevented. Further, since the use of the aluminum nitride layer 3 eliminates variations in the insulating properties of the insulating layer 6, a sensor circuit having a stable sensor function can be manufactured.
[0022]
Further, the aluminum oxide layer 3 having strong adhesion strength on the base material side of the insulating layer 6 can increase the adhesion strength between the insulating layer 6 and the conductive base material 4, and the insulating layer 6 can be removed during cutting. It can be prevented that the sensor function does not work due to peeling. In addition, since the aluminum nitride layer 2 and the aluminum oxide layer 3 are both aluminum compounds, their adhesion strength is strong, and peeling at the interface between the aluminum nitride layer 2 and the aluminum oxide layer 3 can be prevented. In addition, the insulating property and adhesion strength can be maintained, and the film thickness of the insulating layer 6 can be maintained, so that the wear resistance of the cutting tool with a sensor is prevented from being deteriorated.
[0023]
Further, even if the insulating layer 6 is composed only of a multilayer body of the aluminum nitride layer 2, the adhesion strength between the insulating layer 6 and the conductive base material 4 is small, and the insulating layer 6 peels off during cutting. As a result, the sensor circuit may not function. Further, even when the base layer side of the insulating layer 6 is the aluminum nitride layer 2 and the aluminum oxide layer 3 is formed immediately above, the adhesion strength between the insulating layer 6 and the conductive base material 4 is also high. There is a risk that the insulating layer 6 will be peeled off by cutting and the sensor circuit will not function.
[0024]
Here, since the aluminum nitride layer 2 and the aluminum oxide layer 3 are each composed of two or more layers, defects such as cracks and pinholes in the first layer can be filled at the time of film formation in the second and subsequent layers. , The insulation is improved.
[0025]
The aluminum oxide layer 3 has a thickness of 0.5 to 10 [mu] m, preferably 1 to 3 [mu] m, and adheres to the conductive base material 4 without deteriorating the insulating effect of the insulating layer 6 as a sensor. It is desirable because strength can be maintained.
[0026]
The insulating layer 6 is formed by a CVD method, a PCVD method, an ion plating method, a PVD method such as sputtering, vapor deposition, or a plating method. When the aluminum oxide layer 3 is formed by a CVD method, A layer with higher adhesion strength can be produced and the occurrence of insulation failure can be prevented.
[0027]
In addition, it is preferable that the aluminum oxide layer 3 is made of aluminum oxide particles made of granular crystals in terms of increasing the adhesion strength with the conductive base material 4. In addition, it is desirable that the aluminum oxide layer 3 be a κ crystal or an α crystal because the wear resistance and fracture resistance as a cutting tool can be maintained. Such granular crystals can be produced by a CVD method.
[0028]
Specifically, when the aluminum oxide layer 3 is formed by, for example, a CVD method, H ₂ is used as a carrier gas, CO ₂ , HCl, AlCl ₃ , H ₂ S is used as a reaction gas, and the film formation temperature is 850 ° C. It is desirable that the film be formed at 1100 ° C. and the furnace pressure should be 4 kPa to 30 kPa.
[0029]
On the other hand, the aluminum nitride layer 2 has a thickness of 0.3 to 3 μm, preferably 0.6 to 1.2 μm, so that the insulating effect of the insulating layer 6 as a sensor is not deteriorated. This is desirable because adhesion strength with the base material 4 can be maintained. In addition, when the aluminum nitride layer 2 is formed by the PVD method, a layer having low insulation strength but excellent insulation can be produced. On the other hand, the aluminum nitride layer 2 is preferably made of aluminum nitride made of columnar crystals, from the viewpoint of maintaining electrical insulation. Such columnar crystals can be produced by defining conditions by the PVD method.
[0030]
Specifically, for example, an arc ion plating apparatus is used for the aluminum nitride layer 2, aluminum having a purity of 99.9% is used as the target, the substrate temperature furnace temperature is 300 to 700 ° C., and the film formation time is 1.5 to 15. It is desirable to form the film at a pressure of 4 Pa in a nitrogen atmosphere or a nitrogen-argon mixed atmosphere.
[0031]
For the above reasons, the aluminum oxide layer 3 is produced by the CVD method and the aluminum nitride layer 2 is produced by the PVD method, so that the insulating layer 6 has excellent adhesion strength with the conductive base material 4 and has stable insulation. It is preferable in that the insulating layer 6 can be formed.
[0033]
The conductive base material 4 used in the present invention preferably has an electrical resistance value of 10 ⁻² Ω · cm or less, and in particular, an aluminum oxide sintered body, a silicon nitride sintered body, a cermet, Hard alloys, cubic boron nitride sintered bodies (CBN / Cubic Boron Nitride), diamond sintered bodies (PCD / Polycrystalline Diamond), and the like can be used. (It is mainly used for conductive base materials, but it may be used for insulating base materials, so it may not be necessary to specify numerical values.)
As the aluminum oxide sintered body, an aluminum oxide sintered body containing 2 to 40% by weight of TiC or TiCN and 0.01 to 5.0% by weight of at least one of oxides of Fe, Ni and Co. A ligature etc. can be used conveniently.
[0034]
As the silicon nitride sintered body, Al is 1.5 to 10 mol% in terms of Al ₂ O ₃ , Ti carbide, nitride, carbonitride is 30 to 80 mol%, and rare earth oxide is silicon nitride. Thus, a silicon nitride sintered body having a ratio of 10 wt% or less and impurity oxygen of 10 mol% or less in terms of SiO ₂ can be preferably used.
[0035]
As the cermet, Ti is contained in a proportion of 50 to 80 wt% in terms of carbide, nitride or carbonitride, and Group 6a element of the periodic table is contained in a proportion of 10 to 40 wt% in terms of carbide (nitrogen / (carbon + NiCN)) TiCN group comprising 70 to 90% by weight of a hard phase component in the range of 0.4 to 0.6 and 10 to 30% by weight of a binder component composed of an iron group metal Cermet is preferably used.
[0036]
Examples of the cemented carbide include those composed of a hard phase and a binder phase, and the hard phase is tungsten carbide, or 5 to 15% by weight of tungsten carbide, carbides of the metals in groups 4a, 5a, and 6a of the periodic table. , Nitride, and carbonitride are preferably used, and the binder phase preferably contains an iron group metal such as Co in a proportion of 5 to 15% by weight.
[0037]
Further, according to the present invention, as shown in FIG. 2, between the insulating layer 6 and the conductive base material 4, Ti carbide, nitride, carbonitride, carbonitride, Al oxide, An underlayer 7 composed of a single layer or a plurality of layers of at least one selected from the group of TiAl nitride and carbonitride can be formed to a thickness of 0.1 to 10 μm.
[0038]
In particular, in order to increase the adhesion strength between the conductive base material 4 and the aluminum oxide layer 3, any one or more of Ti carbide, nitride, carbonitride, and carbonitride are provided immediately below the aluminum oxide layer 3. It is desirable to provide a single layer or multiple layers.
[0039]
In order to improve the cutting performance, it is desirable to form at least one selected from the group of Al oxide, TiAl nitride, and carbonitride with a thickness of 0.1 μm to 10 μm in a single layer or multiple layers. In that case, it is desirable that a single layer or a multilayer of Ti carbide, nitride, carbonitride, or carbonitride is interposed between this layer and the aluminum oxide layer 3.
[0040]
These underlayers 7 are formed by at least one film forming method selected from a PVD method group such as CVD, ion plating, and sputtering.
[0041]
(Conductive layer)
The conductive layer 1 is composed of a periodic table 4a, 5a, 6a metal such as Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, an iron group metal such as Co, Ni, Fe, or a metal material such as Al. And periodic table 4a such as TiC, VC, NbC, TaC, Cr ₃ C ₂ , Mo ₂ C, WC, W ₂ C, TiN, VN, NbN, TaN, CrN, TiCN, VCN, NbCN, TaCN, CrCN, etc. It is formed of at least one selected from the group consisting of carbides, nitrides, carbonitrides and (Ti, Al) N of group 5a and 6a metals. Among these, TiN does not react with the work material, the electric resistance value of the sensor always shows a predetermined value, and it is possible to accurately detect the wear degree of the throw-away tip and the presence or absence of chipping. It is possible to effectively prevent the formation of scratches due to reaction products on the processed surface, excellent oxidation resistance, no change in electrical resistance of the sensor due to oxide formation, the degree of wear of the throw-away tip, and the occurrence of defects It can be suitably used for the reason that the presence or absence can be accurately detected.
[0042]
By setting the thickness of the conductive layer 1 to 0.05 μm or more, it is possible to obtain the electrical resistance of the sensor in order to accurately detect the wear degree and chipping of the throw-away tip. Moreover, by setting it as 20 micrometers or less, generation | occurrence | production of the stress in the conductive layer 1 can be suppressed, and the adhesiveness of the conductive layer 1 can be improved.
[0043]
This conductive layer 1 is formed by applying a PVD method such as CVD method, ion plating, sputtering, vapor deposition, or plating method to a predetermined thickness on almost the entire surface of the base material of the throw-away chip, and thereafter The conductive layer 1 is processed into a predetermined pattern by laser processing.
[0044]
Thereafter, as shown in the schematic perspective view of FIG. 3, a sensor circuit 9 is formed by a method such as laser processing so that the rake face and the flank face of the blade edge are parallel to the edge edge line as shown in FIG. Although it can be considered that the sensor width is generally 0.01 mm to 0.5 mm, an arbitrary width may be given depending on the lifetime setting. Thereby, the sensor circuit 9 with good electrical insulation can be manufactured.
[0045]
The cutting tool with a sensor circuit according to the present invention having the above-described configuration is suitable as a wear sensor because of excellent adhesion between the insulating material and the conductive base material.
[0046]
【Example】
As the conductive base material, a cemented carbide comprising Co: 8% by weight, Ta: 5% by weight, Ti: 3% by weight, and the balance being WC was prepared.
[0047]
If necessary, a TiCl ₄ , N ₂ , H ₂ , CH ₄ , or CH ₃ CN film is formed on the surface using a TiCl ₄ film at a furnace temperature of 800 ° C. or more and a layer composition film thickness shown in Table 1 is formed. Filmed.
[0048]
Thereafter, various insulating layers were formed on the surface of the conductive base material or the base layer by a CVD method or a PVD method. Thereafter, a TiN film having a thickness of 1 μm was formed as a conductive layer by an arc ion plating method.
[0049]
Thereafter, the conductive layer was subjected to laser processing to produce a sensor circuit, and 20 CNMG120408 shaped throw-away chips with sensor circuit were produced for each sample.
[0050]
The film formation conditions for the insulating layer in Table 1 were as follows.
[0051]
(1) The aluminum oxide layer is formed by CVD using H ₂ as a carrier gas, CO ₂ , HCl, and AlCl ₃ as reaction gases, a film forming temperature of 950 ° C., and a furnace pressure of 10 kPa. It was.
[0052]
(2) For forming an aluminum nitride layer by the arc ion plating method, aluminum having a purity of 99.9% is used as a target, the substrate temperature in the furnace is 500 ° C., the bias is −30 V, the arc current value is 150 A, the nitrogen atmosphere, Film formation was performed at a pressure of 4 Pa.
[0053]
(3) For aluminum oxide production by sputtering, aluminum oxide is used as a target, pre-sputtering is performed for 3 minutes with a high-frequency sputtering apparatus in an Ar atmosphere, etching of the base material is 12 minutes, pre-sputtering of the target is 15 minutes, The film formation was changed for each thickness.
[0054]
(4) Zirconium oxide is produced by sputtering, using zirconium oxide as a target, pre-sputtering with an Ar atmosphere high-frequency sputtering apparatus for 3 minutes, etching of the base material for 12 minutes, pre-sputtering of the target for 15 minutes, The film formation was changed for each thickness.
[0055]
For the obtained throw-away tip with wear sensor circuit, various layer thicknesses and textures were measured by magnifying the cross section of the layer by 1000 times to 50000 times with a scanning electron microscope (SEM) and / or an optical microscope. did. In the measurement by SEM, the apparatus was JSM-6340F manufactured by JEOL.
[0056]
Each sample produced by the above method was evaluated for electrical insulation and film peeling resistance between the insulating layer and the conductive base material by the following method.
[0057]
As shown in FIG. 4, the electrical insulation is measured by measuring the electrical resistance between the conductive base material and the conductive layer with a tester, measuring 20 pieces for each sample, and calculating the ratio of the measured value of 2000 kΩ or more. It is shown in Table 1.
[0058]
In addition, as an evaluation of film peeling resistance between the insulating layer and the conductive base material, a cutting test was performed under the following cutting conditions.
[0059]
≪Cutting conditions≫
Cutting speed 250m / min
Feed 0.3mm / rev
Notch 2.0mm
Work Material SCM435 Four Groove Cutting State With Cutting Fluid (Solution)
Evaluation result The number of layers peeled off at the flank after cutting for 2 minutes was evaluated. Ten samples were evaluated for each sample, and the number of layers that did not peel was expressed as a percentage.
[0060]
The results of the above measurement are shown in Table 1.
[0061]
[Table 1]

[0062]
From Table 1, according to the present invention, in accordance with the present invention, Sample No. In Nos. 1 to 6, all 20 pieces had an electric resistance value of 2000 kΩ or more between the conductive base material and the conductive layer, had very good insulation, had no variation in insulation, and had a stable sensor function. . Moreover, the occurrence of peeling of the layer was suppressed, and the film peeling resistance between the insulating layer and the conductive layer was strong. In particular, those provided with a base layer had particularly good adhesion strength, and those in which aluminum oxide was granular and aluminum nitride was columnar were particularly good.
[0063]
On the other hand, sample No. 2 in which the second layer structure of the insulating layer was formed from zirconium oxide instead of aluminum nitride. In No. 7, only 10 or less of 20 pieces could be insulated between the conductive base material and the conductive layer, and the variation in insulation was large.
[0064]
Sample No. 2 having a multilayer structure made of aluminum oxide was used. In No. 9, the adhesion strength was good, but only 10 or less of 20 pieces could be insulated between the conductive base material and the conductive layer, the variation in insulation was large, and the sensor function was unstable. .
[0065]
Sample No. 2 in which the insulating layer on the base material side is aluminum nitride. In No. 8, both insulation and adhesion were poor.
[0066]
Sample No. 1 in which the insulating layer was formed of a single layer of aluminum oxide. In No. 10, the sensor function did not work because a short circuit occurred between the base material and the sensor circuit and insulation between the conductive base material and the conductive layer could not be taken.
[0067]
【The invention's effect】
Above, as detailed, according to the present invention, variation of the insulation of the conductive base material and the conductive layers without can be stably maintained, and a high adhesion strength between the insulating layer and the conductive base material A cutting tool with a sensor can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an embodiment of a cutting tool with a sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view showing another embodiment of a cutting tool with a sensor according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic perspective view of a cutting tool with a sensor according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an outline of a method for measuring electrical insulation.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a conventional cutting tool with a sensor.
[Explanation of symbols]
1: Conductive layer 2: Aluminum nitride layer 3: Aluminum oxide layer 4: Conductive base material 5: Defect 6: Insulating layer 7: Underlayer 8: Tester

Claims

導電性母材の表面上に、
粒状晶の酸化アルミニウム層と、該酸化アルミニウム層の直上に連続して形成された柱状晶の窒化アルミニウム層とからなる絶縁層、或いは、
粒状晶の酸化アルミニウム層と、該酸化アルミニウム層の直上に連続して形成された柱状晶の窒化アルミニウム層と、該窒化アルミニウム層上に連続して形成された粒状晶の酸化アルミニウム層とからなる絶縁層を備えており、
前記絶縁層上には、最表面に位置する前記窒化アルミニウム層又は前記酸化アルミニウム層に密着する導電層から成るセンサ回路を形成してなることを特徴とするセンサ付き切削工具。 On the surface of the conductive base material,
An insulating layer comprising a granular crystal aluminum oxide layer and a columnar crystal aluminum nitride layer continuously formed immediately above the aluminum oxide layer, or
A granular crystal aluminum oxide layer, a columnar crystal aluminum nitride layer continuously formed immediately above the aluminum oxide layer, and a granular crystal aluminum oxide layer continuously formed on the aluminum nitride layer With an insulating layer,
A sensor-equipped cutting tool, wherein a sensor circuit comprising a conductive layer in close contact with the aluminum nitride layer or the aluminum oxide layer located on the outermost surface is formed on the insulating layer.

前記導電性母材と前記絶縁層との間には下地層が形成されており、
前記下地層は、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物うちいずれかからなることを特徴とする請求項１に記載のセンサ付き切削工具。 A base layer is formed between the conductive base material and the insulating layer,
The cutting tool with a sensor according to claim 1, wherein the underlayer is made of any one of Ti carbide, nitride, carbonitride, and carbonitride.

前記酸化アルミニウム層の厚みが０．５〜１０μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセンサ付き切削工具。 The thickness of the said aluminum oxide layer is 0.5-10 micrometers, The cutting tool with a sensor of Claim 1 or Claim 2 characterized by the above-mentioned.

前記窒化アルミニウム層の厚みが０．３〜３μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセンサ付き切削工具。 The thickness of the said aluminum nitride layer is 0.3-3 micrometers, The cutting tool with a sensor in any one of the Claims 1 thru | or 3 characterized by the above-mentioned.