JP4854946B2 - エンドミル素材及びエンドミル - Google Patents

Description

本発明は、金型の加工等に用いられる工具である、エンドミル素材及び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、４０時間程度の長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、その寿命が安定していることが要求されている。

図４に、従来のｃＢＮを使用した小径のボールエンドミルの一例の断面構造を示す。この図に示すボールエンドミル１は、チップ２と、チップ２と連接されるシャンク３とで構成されており、切刃部４とネック部５と柄部６とを有する。チップ２は、ｃＢＮ層７と超硬合金層８とで構成されている。シャンク３は、超硬合金により構成されており、シャンク３の先端部には、取付用の凹部１１が形成されている。この凹部１１には、チップ２が嵌め込まれ、チップ２の超硬合金層８とシャンク３の凹部１１との間がろう材１２により接合されている。また、ネック部５は、切刃部４の外径と略同径とされており、切刃部４とネック部５の長さにより、ボールエンドミルの加工できる加工深さが決定される。

図５（ａ）、（ｂ）に、上記の従来のボールエンドミルに使用されるチップ素材及びチップを示す。チップ２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１４とｃＢＮ層１６が一体成形されたチップ素材１７が得られる。このチップ素材１７を放電ワイヤーカットにて円柱上に切断することで、チップ２が得られる。

ところで、上記の構成のボールエンドミルでは、チップ２をシャンク３の凹部１１で保持するために、チップ２の外径よりもシャンク３先端の凹部１１の内径を大きくする必要があるので、切刃部４及びネック部５の長さは、チップ２の長さにより決定されることになる。したがって、上記の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１７を製作する必要があるが、チップ素材１７のサイズが大きくなると、超高圧焼結装置の圧力空間に装填できるチップ素材１７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問題があった。

チップをシャンクに接合する方式として、チップとシャンク先端とを直接ろう付けする方法が提案されている（特許文献１）。図６にこの方式で接合されたボールエンドミルを示す。この図に示すボールエンドミル１９では、ｃＢＮ層２０と超硬合金層２１とで構成されたチップ２２が、シャンク２３の先端部にろう材２５を介して接合されている。また、このボールエンドミル１９は、切刃部２６とネック部２７とを有する。
この方式によれば、チップ２２をシャンク２３に直接ろう付けするので、シャンク２３の先端部の径をチップ２２と同径にすることが可能となる。したがって、ネック部２７の長さを、シャンク２３の形状によって調整することができる。
特開２００２−１４４１３２号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたボールエンドミルでは、チップとシャンクとがろう付けにて接合されている。ろう付けは、融点の低いろう材を接合する面の間に介在させて、これを溶融、凝固して接合するものであり、その接合強度は低く、熱に弱いものである。したがって、上記の構成のボールエンドミルにおいては、チップ部分に高い負荷が加わると、チップがシャンクから外れる可能性があり、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なるため、チップが外れる可能性はさらに高くなる。また、上記の構成のエンドミルでは、エンドミルを高速で回転させた際には、その加工による発熱により、ろう材が溶けてチップが外れる可能性がある。また、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。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、チップがシャンクから外れることなく、寿命の安定した、ネック部の長さを容易に調整できるエンドミル素材及び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、この発明は以下の手段を提供している。
請求項１記載のエンドミル素材は、 立方晶窒化硼素焼結体で構成された層と超硬合金層とが所定温度及び所定圧力下で一体成形された円柱形のチップと、該チップと軸線を同じくして連接される超硬合金からなるシャンクとを備えてなり、前記チップと前記シャンクとの間に形成される接合層が、前記チップと前記シャンクとの間に介在された金属層と、該金属層のチップ側及びシャンク側にそれぞれ配置された拡散層とから構成され、前記拡散層は、前記チップと前記シャンクの間にＮｉ層が介在され、前記チップを成形する温度よりも低く、金属の拡散移動が可能な温度の所定雰囲気中で前記チップと前記シャンクに所定の押圧力をかけて所定時間保持することにより、前記Ｎｉ層のＮｉ元素と前記チップ及び前記シャンク中のＣｏ元素が相互に拡散移動して形成されるＮｉとＣｏの合金層により構成され、前記金属層は拡散に寄与しない厚さ５０μｍ以下の前記Ｎｉ層により構成されていることを特徴とするものである。
上記のエンドミル素材は、前記チップ部分に刃付加工されることにより、エンドミルとして使用される。
上記の構成のエンドミル素材においては、前記チップと前記シャンクとの間の前記接合層が、前記チップと前記シャンクとの間に介在された金属層と、該金属層のチップ側及びシャンク側にそれぞれ配置された拡散層とから構成され、前記拡散層は、前記チップと前記シャンクの間にＮｉ層が介在され、所定雰囲気中で前記チップと前記シャンクに所定の押圧力をかけて所定時間保持することにより、前記Ｎｉ層のＮｉ元素と前記チップ及び前記シャンク中のＣｏ元素が相互に拡散移動して形成されるＮｉとＣｏの合金層により構成されており、その接合強度は、従来のろう付けによる接合に比べて、著しく高いものである。また、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、上記のエンドミル素材の接合層には、ろう材内部に発生するような巣欠陥は存在しない。さらに、上記のエンドミル素材においては、前記チップの超硬合金層と超硬合金からなるシャンク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る。

請求項２に記載のエンドミルは、請求項１記載のエンドミル素材に、刃付加工が施されたものである。
上記の構成のエンドミルにおいては、チップとシャンクとの間の接合層が、金属元素が拡散された拡散層によって構成されているため、その接合強度が高く、チップの脱落が防止される。

請求項１に係る発明によれば、チップとシャンクとの接合層が、金属元素が拡散された拡散層で構成されているため、その接合強度が高いので、φ３以下の小径のエンドミルにおいても、前記チップが外れることを防止できる。また、接合面に融点の低いろう材を介在させないので、耐熱性に優れており、エンドミルを高速で回転させた際に発生する熱によって、チップが外れることを防止できる。また、前記チップの超硬合金層と超硬合金からなる前記シャンクとが一体となっているので、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素材を容易に提供できる。

また、チップとシャンクとの接合層に金属層が具備されており、該金属層が有する延性により、温度変化に伴う熱応力を吸収できるので、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。

また、請求項２に係る発明によれば、チップが加工中に外れることのない、寿命の安定したエンドミルを提供することができる。

本発明の第一の実施形態について説明する。
図１（ａ）、（ｂ）に、本発明の第一の実施形態であるエンドミル素材を示す。（ａ）はエンドミル素材の断面概略図であり、（ｂ）は、接合層付近の拡大図である。エンドミル素材３１は、略円柱状のチップ３２と、チップ３２に連接されるシャンク３３とで構成されている。チップ３２は、ｃＢＮ層３５と超硬合金層３６から構成されており、シャンク３３は、チップ３２と略同径の小径部３７と、後部に向かって径が拡大する拡径部３８と、シャンク本体３９とを有している。シャンク３３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。チップ３２の超硬合金層３６とシャンク３３の小径部３７との間に、接合層４２が存在し、接合層４２は、チップ３２の超硬合金層３６側にＮｉが拡散された拡散層４３と、シャンク３３の小径部３７側にＮｉが拡散された拡散層４４とで構成されている。また、エンドミル素材３１は、切刃が形成される切刃部４と、切刃部４と略同径のネック部５と、柄部６とを有する。

上記の接合層４２は次のような手順で形成される。チップ３２の超硬合金層３６とシャンク３３の小径部３７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４３、４４が形成される。

図２（ａ）、（ｂ）に、本発明のエンドミル素材に使用されるチップ素材及びチップを示す。上記の構成のエンドミル素材においては、チップ３２の超硬合金層３６と、超硬合金によって構成されるシャンク３３とが一体となっており、チップ３２の超硬合金層３６の厚さを低減することが可能となるため、従来のチップ素材に比べて、超硬合金層４８の厚さが低減され、チップ素材４６のトータル厚さを小さくすることができる。

上記の構成のエンドミル素材３１においては、チップ３２とシャンク３３が拡散層４３、４４を有する接合層４２により接合されており、ろう付けにより接合された従来のエンドミルに比べて、その接合強度は強固であり耐熱性に優れるため、エンドミルとして使用してチップ３２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３２が外れることを防止できる。また、上記のエンドミル素材３１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素材３１を安定して提供できる。
また、上記の構成のエンドミル素材３１においては、チップ素材４６の厚さ方向のサイズを小さくできるので、チップ素材４６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４６の個数を増やすことが可能となり、チップ素材４６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素材３１においては、エンドミルの加工深さを決定するネック部５の長さについて、シャンク３３の小径部３７の長さを変更することで容易に対応できる。

図３（ａ）、（ｂ）に、本発明の第二の実施形態であるエンドミル素材を示す。（ａ）はエンドミル素材の断面概略図であり、（ｂ）は、接合層付近の拡大図である。この図に示すエンドミル素材５１においては、チップ３２の超硬合金層３６とシャンク３３の小径部３７との間に、接合層５２が存在し、接合層５２は、チップ３２の超硬合金層３６側にＮｉが拡散された拡散層５３と、シャンク３３の小径部３７側にＮｉが拡散された拡散層５４と、Ｎｉ層５５とで構成されている。チップ３２のｃＢＮ層５７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５２は次のような手順で形成される。チップ３２の超硬合金層３６とシャンク３３の小径部３７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５３、５４と、拡散に寄与しないＮｉ層５５が形成される。

上記の構成のエンドミル素材５１においては、第一の実施形態と同様の効果を有し、さらに、接合層５２に延性を有するＮｉ層５５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５７、超硬合金層３６に発生する熱応力がＮｉ層５５に吸収され、ｃＢＮ層５７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素材５１においては、ｃＢＮ層５７、超硬合金層３６に蓄えられた応力がＮｉ層５５に吸収されるため、ｃＢＮ層５７、超硬合金層３６の残留応力が低減され、チップ３２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５７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５５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３２の変形、破損防止に対して、有効である。

なお、上記の実施の形態では、拡散させる金属としてＮｉを挙げて説明したが、拡散させる金属は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ，Ｔａ，Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ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。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は、好適である。

本発明の第一の実施形態であるエンドミル素材の説明図である。 本発明の第一の実施形態であるエンドミル素材に使用されるチップ素材とチップの説明図である。 本発明の第二の実施形態であるエンドミル素材の説明図である。 従来のエンドミルの説明図である。 従来のエンドミルに使用されるチップ素材とチップの説明図である。 特許文献１に示されるボールエンドミルの説明図である。

符号の説明

２、２２、３２ チップ
３、２３、３３ シャンク
４、２６ 切刃部
５、２７ ネック部
１２、２５ ろう材
１７，４６ チップ素材
３１、５１ エンドミル素材
７、２０、３５、５７ ｃＢＮ層
８、２１、３６ 超硬合金層
４２、５２ 接合層
４３、４４、５３、５４ 拡散層
５５ Ｎｉ層（金属層）

Claims (2)

1. 立方晶窒化硼素焼結体で構成された層と超硬合金層とが所定温度及び所定圧力下で一体成形された円柱形のチップと、該チップと軸線を同じくして連接される超硬合金からなるシャンクとを備えてなり、
   前記チップと前記シャンクとの間に形成される接合層が、前記チップと前記シャンクとの間に介在された金属層と、該金属層のチップ側及びシャンク側にそれぞれ配置された拡散層とから構成され、
   前記拡散層は、前記チップと前記シャンクの間にＮｉ層が介在され、前記チップを成形
   する温度よりも低く、金属の拡散移動が可能な温度の所定雰囲気中で前記チップと前記シャンクに所定の押圧力をかけて所定時間保持することにより、前記Ｎｉ層のＮｉ元素と前記チップ及び前記シャンク中のＣｏ元素が相互に拡散移動して形成されるＮｉとＣｏの合金層により構成され、
   前記金属層は拡散に寄与しない厚さ５０μｍ以下の前記Ｎｉ層により構成されていることを特徴とするエンドミル素材。
2. 請求項１記載のエンドミル素材に、刃付加工が施されたエンドミル。

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