JP5312096B2 - 切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、基体の表面に被覆層が形成された切削工具に関する。

切削加工を行う切削工具は、切刃が寿命を迎えると新しい切刃に交換して使用する方式で用いられている。そのために、使用済みの切刃と未使用の切刃が一目で確認できると便利である。

例えば、特許文献１には、複数層の被膜を積層したチッププレートにおいて最外層に黄銅色の外観を呈するＴｉＮ層を使用状態表示層として被覆し、その下地層には黒色または黒ずんだ色のＡｌ_２Ｏ_３層を摩耗防止層として配置することにより、切刃の使用／未使用を作業者が一見して確認することができることが開示されている。

また、ＴｉＮ層は多層コーティングの第１層として広く用いられており、その厚みは極薄く形成されることが多いが、例えば特許文献２のように、かなり厚く形成される場合もある。

さらに、特許文献３には、サーメット基体の表面を窒化硬質層として、これが外観色が黄金色、黄褐色、赤褐色等を呈することから使用コーナを識別しやすいことが記載されている。そして、このサーメット基体の表面に、さらにＡｌ_２Ｏ_３等の硬質膜を被覆してもよい旨の記載がある。

特開２００２−１４４１０８号公報 特開平０８−２６７３０６号公報 特開平１０−１４７８３１号公報

しかしながら、特許文献１のように最外層に鮮やかな色の被覆層を配置する方法では、切刃の使用／未使用の区別は一見して確認することができるものの、切削加工中における切刃の摩耗の進行状態を確認することは困難な場合があった。すなわち、最外層が摩滅して下地層が露出した部分と最外層の表面に被削材の溶着が堆積している部分の色がほとんど同じであるので、摩耗の進行状態を一見して確認することは難しかった。また、下地層と基体との色調も類似しているため、基体の露出状態を一見して確認することも難しく、使用後の切刃を用いてその損傷状態を確認し、適切な切削条件で加工できているかを確認することも困難であった。

また、下地層にＴｉＮ層を配置した場合、ＴｉＮ層が薄い場合にはＴｉＮ層の硬度が低いこともあり、薄いＴｉＮ層がすぐに摩滅してしまうので目視でＴｉＮ層の露出部分を確認することが難しく、逆に、引用文献２のようにＴｉＮ層が厚い場合には切刃における耐欠損性が低くて工具性能に劣るという問題があった。

さらに、特許文献３のように、サーメット基体の表面が黄金色等の彩色で、その表面に黒色のＡｌ_２Ｏ_３膜を被覆した構成では、黄金色の基体が露出した時は認識できるものの、このタイミングでは切刃がすでに寿命を迎えた後であることが多く、寿命判定に使えるものではなかった。

本発明は、切削中に各切刃の寿命の判断が一見して確認可能な切削工具を提供することを目的とする。

本発明の切削工具は、基体の表面に、明度の高い下地層と、明度の低い上地層とを積層した被覆層を形成してなり、かつ切刃における前記下地層の厚みが逃げ面における前記下地層の厚みに対して０〜７０％の厚みからなるとともに、前記切刃に前記上地層が存在することを特徴とする。

ここで、ＪＩＳ Ｚ ８７２９のＬ^*ａ^*ｂ^*表色系での色調において、前記下地層と前記
上地層との明度差が１５以上（ΔＬ^*≧１５）であること、中でも、ＪＩＳ Ｚ ８７２９
のＬ^*ａ^*ｂ^*表色系での色調において、前記下地層と前記上地層との色差（（ΔＬ^*２＋Δａ^*２＋Δｂ^*２）^１／２）が４０以上であることが望ましい。

また、前記下地層は、前記逃げ面における厚みが７〜９μｍのＴｉＮ層、または前記逃げ面における厚みが０．２〜０．８μｍの非晶質カーボン層からなることが望ましい。

本発明の切削工具によれば、切刃の耐欠損性を低下させることなく、切削中の切刃の寿命を精度よく判定することができる。また、寿命となった切刃の摩耗やチッピングの状態がよくわかるので、これに基づいて、より最適な切削条件を推定することができる。

なお、ＪＩＳ Ｚ ８７２９のＬ^*ａ^*ｂ^*表色系での色調において、前記下地層と前記上
地層との明度差が１５以上（ΔＬ^*≧１５）であること、中でも、ＪＩＳ Ｚ ８７２９の
Ｌ^*ａ^*ｂ^*表色系での色調において、前記下地層と前記上地層との色差（（ΔＬ^*２＋Δａ^*２＋Δｂ^*２）^１／２）が４０以上であることが、下地層が露出したときの目視確認が容易である点で望ましい。

また、前記下地層は、逃げ面における厚みが７〜９μｍのＴｉＮ層からなる場合には、下地層が露出する領域が目視確認できる時間が長くなり、かつ目視確認できた時点で切刃において被覆層がわずかに残っている状態となるので、切刃の寿命を精度よく判定できる。また、逃げ面における厚みが０．２〜０．８μｍの非晶質カーボン層からなる場合には、下地層自身の硬度が高くて耐摩耗性にも優れている。

本発明の切削工具の好適例であるスローアウェイチップについての概略斜視図である。 図１のスローアウェイチップの切刃付近についての概略断面図である。 本発明の切削工具の他の好適例であるエンドミルの切刃付近についての概略断面図である。

本発明の切削工具の好適例であるスローアウェイチップの一例について、概略斜視図である図１、および第１の実施態様のついての概略断面図である図２を基に説明する。

図１、２のスローアウェイチップ（以下、単にチップと略す。）１は、概略平板形状からなり、すくい面５である主面と逃げ面６である側面との間の交差稜線部が切刃７として使用される。

また、チップ１は、図２の断面図に示すように、基体２の表面に２層以上の被覆層３（３Ｌ、３Ｕ）が形成されている。そして、複数の被覆層３のうちの色彩が最も異なる（色差が最も大きい）２層について、基体２側に形成された被覆層３を下地層３Ｌ、基体２から遠い側に形成された被覆層３を上地層３Ｕと特定する。なお、被覆層３が３層以上の多層で構成されるときには、被覆層３の断面を露出させるか、または被覆層３を斜めに研磨して、その露出面を目視または顕微鏡で観察することにより、各層の色彩を確認した上で下地層３Ｌと上地層３Ｕを特定する。

ここで、本実施態様によれば、下地層３Ｌの明度の高く、上地層３Ｕの明度の低いともに、かつ切刃における下地層３Ｌの厚みｔ_ｅが逃げ面における下地層３Ｌの厚みｔ_ｆに対して０〜７０％の厚み（ｔ_ｅ／ｔ_ｆ＝０〜０．７）からなる。

これによって、切刃７の耐欠損性を低下させることなく、切削中の切刃７の寿命を精度よく判定することができる。また、寿命となった切刃７の摩耗やチッピングの状態がよくわかるので、これに基づいて、より最適な切削条件を推定することができる。

なお、ＪＩＳ Ｚ ８７２９のＬ^*ａ^*ｂ^*表色系での色調において、下地層３Ｌと上地層
３Ｕとの明度差が１５以上（ΔＬ^*≧１５）であること、中でも、ＪＩＳ Ｚ ８７２９の
Ｌ^*ａ^*ｂ^*表色系での色調において、下地層３Ｌと上地層３Ｕとの色差（（ΔＬ^*２＋Δａ^*２＋Δｂ^*２）^１／２）が４０以上であることが、下地層３Ｌが露出したときの目視確認が容易である点で望ましい。

ここで、下地層３Ｌは、明度Ｌ^*が４０以上、彩度（ｃ^*＝（ａ^*２＋ｂ^*２）^１／２）が３０以上の彩色を呈することが望ましい。

また、下地層３Ｌは、逃げ面６における厚みｔ_ｆが７〜９μｍのＴｉＮ層からなる場合には、下地層３Ｌが露出する領域が目視確認できる時間が長くなり、かつ目視確認できた時点で切刃７において被覆層３がわずかに残っている状態となるので、切刃７の寿命を精度よく判定できる。また、逃げ面６における厚みｔ_ｆが０．２〜０．８μｍの非晶質カーボン層からなる場合には、下地層３Ｌ自身の硬度が高くて耐摩耗性にも優れているので、被覆層３の耐摩耗性を向上させることもできて望ましい。

なお、上地層３Ｕは、明度Ｌ^*が２０以下、彩度（ｃ^*＝（ａ^*２＋ｂ^*２）^１／２）が１０以下の黒っぽい色の材質が適応可能であり、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３層、ＴｉＣ層、ＴｉＣＮ層、Ｔｉ_{１−ａ−ｂ}Ａｌ_ａＭ_ｂ（Ｃ_ｘＮ_１−ｘ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上であり、０≦ａ＜１、０≦ｂ≦１、０≦ｘ≦１である。）層、ダイヤモンド層、下地層３Ｌとは成膜条件の異なる黒っぽい非晶質カーボン層、ｃＢＮ層または金属層が好適である。

ここで、本発明における逃げ面６における被覆層３の厚みは、切刃７の寿命判定に利用することから、切刃７の先端位置から０．２ｍｍの距離だけ離間した位置で測定する。この位置で所定厚みの下地層３Ｌが被覆されていれば、切刃７の先端から目視できる幅で下地層３Ｌが露出してこれを容易に確認することができる。
また、切削工具の形状として、図３に示すドリルやエンドミル８のような回転軸を有する形状の切削工具においても、切刃９の先端から回転中心（基体１０の中心）とを通る直線Ａに平行に０．２ｍｍ回転中心よりの位置で逃げ面１１の厚みを測定する。なお、図中、１３はすくい面を示す。

また、チップ１を構成する基体２、１０は、例えば超硬合金、サーメット、セラミックス、ダイヤモンド、ｃＢＮ等の硬質焼結体からなる。

また、上記スローアウェイチップを製造する方法の一例について説明する。

まず、基体を準備し、この基体の表面に薄膜形成法にて下地層３Ｌを成膜する。薄膜形成法は化学蒸着（ＣＶＤ）法または物理蒸着（ＰＶＤ）法のいずれかを用いることが望ましい。

次に、この成膜した下地層３Ｌについて、切刃７において下地層３Ｌを一部または全部除去する。下地層３Ｌを除去する方法としては、成膜装置からチップを一旦取り出して、研磨加工する方法であっても良いし、ＰＶＤ法にて下地層３Ｌを成膜した場合には、成膜に続いて成膜装置内でボンバード処理をすることにより、切刃７における下地層３Ｌを薄くすることもできる。なお、このボンバード処理においては、エッジ効果により切刃７のみが選択的に除去されるような条件で処理を行う必要がある。

そして、切刃７における下地層３Ｌを薄くしたチップについて、上述した薄膜形成法を用いて上地層３Ｕを成膜することにより、チップ１を製造することができる。

なお、上記のように下地層３Ｌを成膜した後で切刃７における下地層３Ｌを除去する方法に代えて、下地層３Ｌを成膜する際に切刃７部分にマスキングをして下地層３Ｌが成膜されないようにする方法であってもよい。

ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末およびＶＣ粉末を混合し、溝入加工用スローアウェイチップ（京セラ製スローアウェイチップ型番ＧＭＭ３０２０-０４０ＭＷ）のチップ形状にプレス成形し、焼成して研削加工およびホーニング加工を行った。その後、ＰＶＤ法によって表１に示す厚みの被覆層を成膜し、表１に示す処理によって切刃における下地層の厚みを表１の厚みに薄くした後、表１の厚みの上地層を成膜してチップを作製した（試料Ｎｏ．１〜６）。

そして、このチップをホルダに装着して試料Ｎｏ．３以外のチップについては下記条件で切削試験を行い、切削性能評価を行った。前逃げ面磨耗量が０．２ｍｍに達した時点で寿命と判断した。
切削方法：溝入れ加工
被削材 ：ＳＮＣＭ４３９
切削速度：２００ｍ／分
送り ：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切込み ：２．０ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：１０分間切削する毎に切刃近傍の逃げ面において下地層の露出状態を目視で確認し、確認の容易性を評価した。また、この切刃で切削できた切削時間を確認した。
また、試料Ｎｏ．３のチップについては下記条件で切削試験を行い、切削性能評価を行った。
切削方法：肩加工
被削材 ：Ａ７０７５
切削速度：１７０ｍ／分
送り ：０．０３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切込み ：３．０ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：１０分間切削する毎に切刃近傍の逃げ面において下地層の露出状態を目視で確認し、確認の容易性を評価した。また、この切刃で切削できた切削時間を確認した。
結果は表２に示した。

表１、２の結果から明らかなように、上地層が下地層より明度が高い試料Ｎｏ．４では、試料Ｎｏ．１〜３に比べて溶着等の影響により摩耗の状態の目視確認がしづらかった。また、切刃における下地層の厚みが逃げ面における下地層の厚みの７０％を超える試料Ｎｏ．５、６では切刃に欠損が発生し、試料Ｎｏ．６では切削評価中において下地層の露出を確認することができなかった。

これに対して、本発明に従い、下地層の明度が上地層の明度より高く、かつ切刃における下地層の厚みが逃げ面における厚みの０〜７０％となっている試料Ｎｏ．１〜３では、いずれも切刃の摩耗状態を切削加工中に目視で容易に確認することができるとともに、切刃の耐欠損性も良好であった。

１ スローアウェイチップ（チップ）
２、１０ 基体
３、１２ 被覆層
３Ｌ、１２Ｌ 下地層
３Ｕ、１２Ｕ 上地層
５、１３ すくい面
６、１１ 逃げ面
７、９ 切刃
８ エンドミル

Claims (4)

1. 基体の表面に、明度の高い下地層と、明度の低い上地層とを積層した被覆層を形成してなり、かつ切刃における前記下地層の厚みが逃げ面における前記下地層の厚みに対して０〜７０％の厚みからなるとともに、前記切刃に前記上地層が存在することを特徴とする切削工具。
2. ＪＩＳ Ｚ ８７２９のＬ^*ａ^*ｂ^*表色系での色調において、前記下地層と前記上地層と
   の明度差が１５以上（ΔＬ^*≧１５）であることを特徴とする請求項１記載の切削工具。
3. ＪＩＳ Ｚ ８７２９のＬ^*ａ^*ｂ^*表色系での色調において、前記下地層と前記上地層と
   の色差（（ΔＬ^*２＋Δａ^*２＋Δｂ^*２）^１／２）が４０以上であることを特徴とする請
   求項１または２記載の切削工具。
4. 前記下地層は、前記逃げ面における厚みが７〜９μｍのＴｉＮ層、または前記逃げ面における厚みが０．２〜０．８μｍの非晶質カーボン層からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の切削工具。

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