JP5590330B2 - ダイヤモンド被覆切削工具 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1に示されるように、第1の層は、粒子径0.1〜10μmの多結晶ダイヤモンド層、第2の層は、粒子径0.05〜8μmの双晶ダイヤモンド層または非晶質ダイヤモンド層からなる積層構造でダイヤモンド皮膜を構成することにより、強度と靭性を高めたダイヤモンド被覆工具が知られている。
また、特許文献2に示されるように、ダイヤモンドの結晶成長の起点となる核を表面に付着させる核付着工程と、該核を起点としてCVD法によりダイヤモンドを結晶成長させる結晶成長工程とを繰り返すことにより、結晶粒径が2μm以下の微結晶ダイヤモンドの多層構造でダイヤモンド皮膜を構成することにより、皮膜の表面平滑性を高め、また、被削材の仕上げ面精度を高めたダイヤモンド被覆工具が知られている。
また、特許文献3,4に示すように、切れ刃が形成された基体と、切れ刃を被覆するダイヤモンド被覆膜とを備えたダイヤモンド被覆工具において、該被覆膜を研削加工して刃先部分を鋭利に加工することにより、被削材の仕上げ面精度を高めたダイヤモンド被覆工具が知られている。
また、特許文献5に示すように、切れ刃が形成された基体と、切れ刃を被覆するダイヤモンド被覆膜とを備えたダイヤモンド被覆工具において、該被覆膜に紫外線レーザ光を照射して刃先部分を鋭利に加工することにより、黒鉛、アルミニウム合金などを高精度加工することができるダイヤモンド被覆工具が知られている。
「(1) 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体表面に、3〜30μmの層厚の結晶性ダイヤモンド層が被覆されたダイヤモンド被覆切削工具において、
上記ダイヤモンド被覆切削工具の切れ刃の上記結晶性ダイヤモンド層の表面には、平均粒径1〜50nmのナノダイヤモンド膜と平均粒径0.1〜2μmの結晶性ダイヤモンド膜とが0.2〜2.0μmの積層間隔で交互に積層された交互積層膜が被覆形成され、該交互積層膜で構成される切れ刃の最先端から上記結晶性ダイヤモンド層までの最短距離は3〜15μmであり、さらに、切れ刃の交互積層膜のすくい面側表層には、表面粗さRaが0.1μm以下で膜厚が10〜200nmの非晶質カーボン膜が形成されていることを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。
を特徴とするものである。
結晶性ダイヤモンド層:
この発明では、WC超硬合金(配合組成の例を、例えば、表1に示す。)あるいはTiCN基サーメットからなる工具基体表面に被覆する結晶性ダイヤモンド層の層厚を3〜30μmと定めているが、層厚が3μm未満では、長期の使用に亘ってすぐれた耐摩耗性を発揮することができず、一方、結晶性ダイヤモンド層の層厚が30μmを超えると結晶粒が粗大化しやすくなり、耐欠損性の低下を招くばかりか、剥離を生じやすくなることから、本発明では、結晶性ダイヤモンド層の層厚を3〜30μmと定めた。
切れ刃の交互積層膜:
この発明のダイヤモンド被覆工具の切れ刃には、上記結晶性ダイヤモンド層の表面に、ナノダイヤモンド膜と結晶性ダイヤモンド膜とが交互に積層された交互積層膜を被覆形成する。
また、切れ刃の交互積層膜の最先端(4)から結晶性ダイヤモンド層までの最短距離(7)は3〜15μmとする。
ここで、すくい面の仮想延長面と逃げ面の仮想延長面の交差線を仮想先端とした場合に、該仮想先端の最も近くに位置する交互積層膜の先端(即ち、仮想先端との距離が最も短い交互積層膜の先端)を、この発明でいう「最先端」と定義する。
なお、図3に示すように、すくい面の切れ刃の最先端(4)から、すくい面に露出する結晶性ダイヤモンド層までの距離(5)は好ましくは5〜25μmである。
粗加工においては切れ味と耐欠損性の両立が重要なため、すくい面のみをレーザ加工しても切れ味の向上効果が得られ、工具寿命の延長が可能である。さらに図3に示すように、例えば、図1の最先端(4)からAおよび最先端(4)からBにかけて、切れ刃以外のすくい面と逃げ面に形成された交互積層膜を紫外線レーザ照射で除去することで図3のように、切れ刃には、交互積層膜によって被覆されたさらにシャープな切れ刃を形成するとともに、切れ刃の交互積層膜のすくい面側の表層および逃げ面側の表層には、紫外線レーザによりダイヤモンドの一部が変性した平滑な非晶質カーボン膜を形成させる。その際、すくい面の切れ刃の最先端(4)から、すくい面に露出する結晶性ダイヤモンド層までの距離(5)、および、逃げ面の切れ刃の最先端(4)から、逃げ面に露出する結晶性ダイヤモンド層までの距離(8)は、いずれも、好ましくは5〜25μmである。すくい面に加えて逃げ面をレーザ加工することにより、若干刃先の靱性が低下するものの、切れ味が更に向上するため、CFRPの切削においてバリやデラミネーションが発生しにくく、一層の工具寿命延長が図れる場合がある。レーザ加工時に表層に生じた非晶質カーボン層は、すくい面においては切りくずの排出性の向上に寄与し、逃げ面においてはワークとの摩擦抵抗を低減し、加工精度を向上させる効果がある。
フィラメント温度 2300 ℃、
基板温度 800 ℃、
反応圧力 30 Torr、
反応ガス流量 CH4:80sccm,H2:3000sccm、
の条件の熱フィラメント法で蒸着することによって成膜することができる。
フィラメント温度 2200 ℃、
基板温度 700 ℃、
反応圧力 8 Torr、
反応ガス CH4:60sccm,H2:1500sccm、
の条件の熱フィラメント法でナノダイヤモンド膜を所定膜厚に蒸着した後、
上記結晶性ダイヤモンド層の成膜条件と同じ条件で所定膜厚の結晶性ダイヤモンド膜を蒸着し、ナノダイヤモンド膜の成膜と結晶性ダイヤモンド膜の成膜を、所定の交互積層膜の膜厚になるまで交互に繰り返し行うことによって成膜することができる。
このことから、CFRP、高Si含有Al合金、グラファイト等の難削材の切削に用いた場合でも、チッピングを発生することなく、加工精度、切屑排出性にすぐれ、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮し、工具の長寿命化が図られるのである。
(a)上記超硬合金基体1〜10をCVD装置に装入し、まず、表2に示される条件で、上記基体1〜10の切れ刃、すくい面、逃げ面に、所定の平均層厚、平均粒径の結晶性ダイヤモンド層を蒸着形成し、
(b)ついで、同じく表2に示される条件で、所定の平均膜厚、平均粒径のナノダイヤモンド膜を蒸着し、この上に、同じく表2に示される条件で、所定の平均膜厚、平均粒径の結晶性ダイヤモンド膜を蒸着し、ナノダイヤモンド膜の蒸着と結晶性ダイヤモンド膜の蒸着を交互に繰り返し行うことにより、上記基体1〜10の切れ刃、すくい面、逃げ面に、所定の平均膜厚の交互積層膜を蒸着形成し、
(c)ついで、上記結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を蒸着形成した超硬合金基体を、レーザ加工装置に装着し、紫外線レーザ(波長:262nm)のレーザ光源を駆動し、焦点レンズを紫外線レーザの光軸方向に移動させ、紫外線レーザ光を試料ステージの中心と重なる位置で集光させ、ついで、試料ステージを移動させて、紫外線レーザを切れ刃に照射し、ガルバノスキャナでレーザをすくい面に走査することで、すくい面の切れ刃以外の交互積層膜を除去し、
(d)切れ刃には、表3に示す結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を被覆形成するとともに、交互積層膜のすくい面側の表層に表6に示す非晶質カーボン膜を形成する。
(e)また、基体1〜5については、さらに、逃げ面の切れ刃を研磨することで、逃げ面の切れ刃以外の交互積層膜を除去する。
(a’)上記超硬合金基体1〜10をCVD装置に装入し、まず、表4に示される条件で、上記基体の切れ刃、すくい面、逃げ面に、所定の平均層厚、平均粒径の結晶性ダイヤモンド層を蒸着形成し、
(b’)ついで、同じく表4に示される条件で、所定の平均膜厚、平均粒径のナノダイヤモンド膜を蒸着し、この上に、同じく表4に示される条件で、所定の平均膜厚、平均粒径の結晶性ダイヤモンド膜を蒸着し、ナノダイヤモンド膜の蒸着と結晶性ダイヤモンド膜の蒸着を交互に繰り返し行うことにより、上記基体の切れ刃、すくい面、逃げ面に、所定の平均膜厚の交互積層膜を蒸着形成し、
(c’)ついで、上記結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を蒸着形成した超硬合金基体を、レーザ加工装置に装着し、紫外線レーザ(波長:262nm)のレーザ光源を駆動し、焦点レンズを紫外線レーザの光軸方向に移動させ、紫外線レーザ光を試料ステージの中心と重なる位置で集光させ、ついで、試料ステージを移動させて、紫外線レーザを切れ刃に照射し、ガルバノスキャナでレーザをすくい面に走査することで、切れ刃以外の交互積層膜を除去し、
(d’)すくい面の切れ刃と逃げ面には、表5に示す結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を被覆形成するとともに、交互積層膜のすくい面側の表層に表6に示す非晶質カーボン膜を形成する。
(e‘)また、上記(a’)〜(d’)で得られたものの一部については、さらに、逃げ面の切れ刃を研磨することで、逃げ面の切れ刃以外の交互積層膜を除去する。
次に本発明のダイヤモンドコーティングドリルを使用することによるバリ抑制の効果について調べた。
下記仕様のドリルを使用して、表2および表4の成膜条件でダイヤモンド膜をドリルに成膜し、紫外線レーザを用いてドリルの切れ刃のすくい面を加工した。ダイヤモンド被覆工具を用いて、バリが発生するまで貫通穴の数を調査した。
使用ドリル:外径φ6mm、2枚刃、Co6wt% 超硬合金製ドリル
切削条件:切削速度V=60m/min、送りf=0.05mm/rev
被削材:CFRP(厚み20mm)
試験結果を表9に示す。
(b)切れ刃には、表10に示す結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を被覆形成するとともに、交互積層膜のすくい面側の表層および逃げ面側の表層には、表11に示す非晶質カーボン膜を形成した。
(a’)表1の超硬合金基体をCVD装置に装入し、まず、表4に示される条件で、所定の平均層厚、平均粒径の結晶性ダイヤモンド層を蒸着形成し、
(b’)ついで、同じく表4に示される条件で、所定の平均膜厚、平均粒径のナノダイヤモンド膜を蒸着し、この上に、同じく表4に示される条件で、所定の平均膜厚、平均粒径の結晶性ダイヤモンド膜を蒸着し、ナノダイヤモンド膜の蒸着と結晶性ダイヤモンド膜の蒸着を交互に繰り返し行うことにより、表12の平均膜厚の交互積層膜を蒸着形成し、
(c’)表12の結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を蒸着形成した超硬合金基体を、レーザ加工装置に装着し、紫外線レーザ(波長:262nm)のレーザ光源を駆動し、焦点レンズを紫外線レーザの光軸方向に移動させ、紫外線レーザ光を試料ステージの中心と重なる位置で集光させ、ついで、試料ステージを移動させて、紫外線レーザを切れ刃以外のすくい面と逃げ面に照射し、ガルバノスキャナでレーザを走査することで、切れ刃以外の交互積層膜を除去し、
(d’)切れ刃には、表12に示す結晶性ダイヤモンド層と交互積層膜を被覆形成するとともに、交互積層膜のすくい面の表層および逃げ面側の表層には、表13に示す非晶質カーボン膜を形成した。
使用ドリル:外径φ6mm、2枚刃、Co6wt% 超硬合金製ドリル
切削条件:切削速度V=60m/min、送りf=0.05mm/rev
被削材:CFRP(厚み20mm)
試験結果を表15に示す。
また、表15に示される結果から、この発明のダイヤモンド被覆工具は、CFRPの切削に用いた場合でも、長期の使用にわたって、バリを発生することなく、加工精度、切屑排出性にすぐれ、すぐれた耐摩耗性を発揮するのに対して、比較被覆工具21〜35は、耐チッピング性、耐摩耗性が劣り、バリが早期に生じることから、切削性能が満足できるものでないことは明らかである。
2 交互積層膜
3 切れ刃の先端部
4 最先端
5 すくい面の最先端から結晶性ダイヤモンド層までの距離
6 非晶質カーボン膜
7 最先端から結晶性ダイヤモンド層までの最短距離
8 逃げ面の最先端から結晶性ダイヤモンド層までの距離
9 工具基体
Claims (3)
- 炭化タングステン基超硬合金または炭窒化チタン基サーメットで構成された工具基体表面に、3〜30μmの層厚の結晶性ダイヤモンド層が被覆されたダイヤモンド被覆切削工具において、
上記ダイヤモンド被覆切削工具の切れ刃の上記結晶性ダイヤモンド層の表面には、平均粒径1〜50nmのナノダイヤモンド膜と平均粒径0.1〜2μmの結晶性ダイヤモンド膜とが0.2〜2.0μmの積層間隔で交互に積層された交互積層膜が被覆形成され、該交互積層膜で構成される切れ刃の最先端から上記結晶性ダイヤモンド層までの最短距離は3〜15μmであり、さらに、切れ刃の交互積層膜のすくい面側表層には、表面粗さRaが0.1μm以下で膜厚が10〜200nmの非晶質カーボン膜が形成されていることを特徴とするダイヤモンド被覆切削工具。 - 上記ダイヤモンド被覆切削工具の逃げ面の上記結晶性ダイヤモンド層の表面には、平均粒径1〜50nmのナノダイヤモンド膜と平均粒径0.1〜2μmの結晶性ダイヤモンド膜とが0.2〜2.0μmの積層間隔で交互に積層された交互積層膜が被覆形成されてい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切削工具。
- 上記ダイヤモンド被覆切削工具の切れ刃の交互積層膜の逃げ面側表層には、表面粗さRaが0.1μm以下で膜厚が10〜200nmの非晶質カーボン膜が形成されてい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切削工具。
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