JP5780248B2 - Cutting tool, method for manufacturing the same, and method for manufacturing a cut product - Google Patents
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Description
本発明は、切削性や生産性の向上を図れる切削工具とその製造方法に関する。また効率的な製造を可能とする切削品の製造方法に関する。 The present invention relates to a cutting tool capable of improving machinability and productivity and a manufacturing method thereof. The present invention also relates to a method for manufacturing a cut product that enables efficient manufacturing.
精度を要求される機械部品等には、鋳物や金属素材などの被削材を切削した切削品が用いられる。切削品の品質や生産性等を向上させるためには、切削性の改善が不可欠である。特に近年、加工の高効率化のために高速切削がなされ、また環境負荷の低減のために切削液を用いないドライ切削や極微量な切削液を供給して切削を行うＭＱＬ（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｑｕａｎｔｉｔｙ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ）を実現するため、非常に高い切削性が要求されている。 For machine parts and the like that require high accuracy, a cut product obtained by cutting a work material such as a casting or a metal material is used. In order to improve the quality and productivity of the cut product, it is essential to improve the machinability. Particularly in recent years, high-speed cutting has been performed to increase machining efficiency, and dry cutting that does not use cutting fluid to reduce environmental load, or MQL (Minimum Quantity Lubrication) that performs cutting by supplying a very small amount of cutting fluid. Therefore, extremely high machinability is required.
切削性の良否は、被削材に接して大きな機械的負荷や熱的負荷を受ける切削工具に大きく依存している。そこで切削工具の形態、特に切削性に大きな影響を与えるすくい面に関する種々の提案がなされている。これに関連する記載が、例えば下記の特許文献や非特許文献にある。 The quality of machinability greatly depends on a cutting tool that is in contact with the work material and receives a large mechanical load or thermal load. Accordingly, various proposals have been made regarding the rake face that has a great influence on the form of the cutting tool, particularly on the machinability. There are descriptions related to this in, for example, the following patent documents and non-patent documents.
上述の特許文献１、２及び非特許文献１、２は、突出したセグメント、うねり、溝、ピット等をすくい面に設けた切削工具を用いて切削加工を行うことを提案している。しかし、いずれの場合も、すくい面にＤＬＣ膜を形成した切削工具により、切削液の存在する環境下（ウエット環境下）で切削を行うことを前提としているに過ぎない。つまり、ＤＬＣ膜による効果と切削液の保持効果（油溜まり効果）とが複合したものと考えられる。 The above-mentioned Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 and 2 propose performing cutting using a cutting tool provided with protruding segments, swells, grooves, pits and the like on a rake face. However, in any case, it is only premised that the cutting tool in which the DLC film is formed on the rake face performs cutting in an environment in which cutting fluid exists (in a wet environment). That is, it is considered that the effect of the DLC film is combined with the cutting fluid retention effect (oil pool effect).
また、非特許文献３は、超硬製基材におけるドライ加工の効果を述べているが、切屑排出方向に対して形成方向が限定された垂直溝テクスチャに関するものである。このような切削工具を用いても切削抵抗力の低減効果は小さく、切削性の向上等は望めない。 Non-Patent Document 3 describes the effect of dry processing on a cemented carbide substrate, but relates to a vertical groove texture whose formation direction is limited with respect to the chip discharge direction. Even if such a cutting tool is used, the effect of reducing the cutting force is small, and improvement of the machinability cannot be expected.
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、ウエット環境下は勿論ドライ環境下でも、またＤＬＣ膜等がない場合でも、切削性や生産性の向上を図れる切削工具およびその製造方法を提供することを目的とする。また、切削品の効率的な生産を可能とする切削品の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a cutting tool capable of improving machinability and productivity even in a dry environment as well as in a dry environment or in the absence of a DLC film or the like, and its manufacture. It aims to provide a method. Moreover, it aims at providing the manufacturing method of the cut goods which enables the efficient production of cut goods.
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、切削時に排出される切屑と切削工具のすくい面との接触状態に着目することにより、被膜や切削液がない状況でも、切削性の向上を図れる新たな表面テクスチャを有するすくい面を見出した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。 As a result of extensive research and trial and error, the present inventor has conducted a trial and error, and as a result of focusing on the contact state between the chips discharged during cutting and the rake face of the cutting tool, there is no coating or cutting fluid. However, a rake face having a new surface texture that can improve machinability was found. By developing this result, the present invention described below has been completed.
《切削工具》
（１）本発明の切削工具は、先端にある切れ刃で切削されて生じた被削材の切屑が接触し得る接触表面上の少なくとも一部に、凹凸模様状の表面テクスチャを設けたすくい面を備える切削工具であって、前記表面テクスチャは、前記切屑の排出方向に断続した凹部を有すると共に該凹部がドット状の窪みからなるドット型テクスチャであり、該窪み一つあたりの大きさを指標する窪み径は５〜３００μｍであり、該表面テクスチャ全面から該凹部を除いた残面の該表面テクスチャ全面に対する面積割合である切屑接触面積率が９〜９０％であることを特徴とする。
"Cutting tools"
(1) The cutting tool of the present invention is a rake face provided with an uneven textured surface texture on at least a part of a contact surface where chips of a work material generated by cutting with a cutting edge at the tip can come into contact. a cutting tool comprising a, the surface texture is a dot texture recess consists of recesses in the dot-like as well as have a recess intermittently in the discharge direction of the chips, the size per one the depression The index diameter is 5 to 300 μm, and the chip contact area ratio, which is the area ratio of the remaining surface excluding the concave portion from the entire surface texture to the entire surface texture , is 9 to 90%.
（２）本発明の切削工具によれば、ＤＬＣ膜等の被膜や切削液などに依存するまでもなく、優れた切削性が得られる。このため、高品質な切削を効率的に行うことが可能となり、切削品の生産性が向上し得る。しかも本発明の切削工具によれば、必ずしも切削液等を用いなくても、切削抵抗力の低減や工具寿命の長期化等を図れるため、環境負荷の小さい低コストな切削が可能となる。 (2) According to the cutting tool of the present invention, excellent machinability can be obtained without depending on a coating such as a DLC film or a cutting fluid. For this reason, it becomes possible to perform high quality cutting efficiently, and productivity of a cut product can be improved. In addition, according to the cutting tool of the present invention, cutting resistance can be reduced and tool life can be extended without necessarily using a cutting fluid or the like, so that low-cost cutting with a low environmental load is possible.
ところで、本発明の切削工具が厳しいドライ環境下でも良好な切削性を発揮する理由は必ずしも定かではない。現状では次のように考えられる。切削は、切削工具の切れ刃が被削材に高圧で接触しつつ、高速で相対移動することにより進行する。この切削に伴い生じる高温の切屑は、切れ刃に連なるすくい面の少なくとも一部と接触しつつ排出される。この切屑の排出性が切削性に影響する。 By the way, the reason why the cutting tool of the present invention exhibits good cutting performance even in a severe dry environment is not necessarily clear. The current situation is considered as follows. Cutting proceeds by a relative movement at high speed while the cutting edge of the cutting tool is in contact with the work material at a high pressure. High-temperature chips generated by this cutting are discharged while contacting at least a part of the rake face connected to the cutting edge. This chip dischargeability affects the machinability.
本発明の場合、切屑と接触するすくい面には、切屑排出方向に断続した凹部からなり、切屑とすくい面の接触割合を指標する切屑接触面積率が特定範囲に制限された表面テクスチャが形成されている。この表面テクスチャにより、切屑とすくい面の間には単位面積当りの空間体積（空気層）が１．０×１０−３ｍｍ３／ｍｍ２〜１．０×１０−２ｍｍ３／ｍｍ２となる適度な空気層が形成される。これにより切削時に発生した熱（切削熱）によって高温となった切屑も効率的に冷却される。この冷却により切屑は、例えばカール半径の小さい流れ型切屑等となって、すくい面から分離される。そして切屑と切削工具（特にすくい面）との間の摩擦や接触長さ等が減少し、すくい面上における切屑の凝着も抑止される。その結果、切屑はスムーズに排出されるようになり、切屑厚さや切削抵抗力の小さい良好な切削性が達成されたと考えられる。このような傾向は、特に表面テクスチャがドット状の窪み（凹部）からなるドット型テクスチャである場合に顕著である。 In the case of the present invention, a surface texture is formed on the rake face that comes into contact with the chips, which is composed of recesses intermittent in the chip discharge direction, and the chip contact area ratio indicating the contact ratio between the chips and the rake face is limited to a specific range. ing. With this surface texture, the space volume (air layer) per unit area between the chip and the rake face is 1.0 × 10 −3 mm 3 / mm 2 to 1.0 × 10 −2 mm 3 / mm 2 . A moderate air layer is formed. Thereby, the chip | tip which became high temperature with the heat | fever (cutting heat) which generate | occur | produced at the time of cutting is also cooled efficiently. By this cooling, the chips are separated from the rake face, for example, as flow-type chips having a small curl radius. And friction, contact length, etc. between a chip and a cutting tool (especially rake face) decrease, and chip adhesion on a rake face is also controlled. As a result, the chips are discharged smoothly, and it is considered that good machinability with small chip thickness and cutting resistance is achieved. Such a tendency is remarkable particularly when the surface texture is a dot-type texture composed of dot-like depressions (concaves).
なお、本発明の切削工具は、ドライ環境下だけではなく、当然にウエット環境下（貧潤滑環境下を含む。）でも高い切削性を発揮し得る。また、本発明の切削工具の場合、耐摩耗性、低摩擦性等に優れた種々の被膜（例えばＤＬＣ膜）は必要ないが、そのような被膜を形成してもよいことはいうまでもない。 The cutting tool of the present invention can exhibit high machinability not only in a dry environment but naturally also in a wet environment (including a poorly lubricated environment). Further, in the case of the cutting tool of the present invention, various coatings (for example, DLC film) excellent in wear resistance, low friction properties, etc. are not necessary, but it goes without saying that such coatings may be formed. .
《切削工具の製造方法》
（１）上述した切削工具は、その製造方法を問わないが、例えば次のような本発明の製造方法により得られる。すなわち、先端にある切れ刃に連なる平滑なすくい面の少なくとも一部に高エネルギービームを照射して、凹凸模様状の表面テクスチャを形成するテクスチャ形成工程を備え、上述した本発明の切削工具が得られることを特徴とする切削工具の製造方法である。
<Manufacturing method of cutting tool>
(1) The cutting tool mentioned above does not ask | require the manufacturing method, For example, it is obtained by the manufacturing method of the following this invention. In other words, the cutting tool of the present invention described above is provided with a texture forming step of irradiating at least a part of a smooth rake face connected to the cutting edge at the tip with a high energy beam to form a textured surface texture. It is the manufacturing method of the cutting tool characterized by the above-mentioned.
（２）さらに本発明の製造方法は、平滑なすくい面に表面テクスチャを形成する場合に限らず、表面テクスチャを有する切削工具を切削加工した後に回収して再生する場合にも適用可能である。すなわち本発明は、先端にある切れ刃で切削されて生じた被削材の切屑が接触し得る接触表面上の少なくとも一部に凹凸模様状の表面テクスチャを設けたすくい面を有する切削工具を、使用後に回収する回収工程と、該回収した切削工具のすくい面上の少なくとも一部へ高エネルギービームを照射して、該すくい面上に凹凸模様状の表面テクスチャを形成するテクスチャ形成工程と、を備えることを特徴とする切削工具の製造方法としても把握できる。 (2) Further, the manufacturing method of the present invention is not limited to the case where the surface texture is formed on the smooth rake face, but can also be applied to the case where the cutting tool having the surface texture is recovered after being cut and regenerated. That is, the present invention provides a cutting tool having a rake face provided with a concavo-convex surface texture on at least a part of a contact surface on which a chip of a work material generated by cutting with a cutting edge at a tip can contact, A recovery step of recovering after use, and a texture forming step of irradiating at least a part of the rake face of the recovered cutting tool with a high energy beam to form a textured surface texture on the rake face. It can also be grasped as a manufacturing method of a cutting tool characterized by comprising.
なお、ここでいうテクスチャ形成工程は、回収した切削工具に既成の表面テクスチャ上に行っても良いし、それとは別の領域に新規な表面テクスチャを形成してもよい。既成の表面テクスチャを再生する場合、上述のテクスチャ形成工程は、切削工具の表面テクスチャを再生させるテクスチャ再生工程となる。 In addition, the texture formation process here may be performed on the surface texture already established in the collect | recovered cutting tool, and a new surface texture may be formed in an area | region different from it. When reproducing an existing surface texture, the above-described texture forming process is a texture reproducing process for reproducing the surface texture of the cutting tool.
《切削品の製造方法》
さらに本発明は、上述した切削工具や各製造方法により得られた切削工具を用いて被削材を切削した切削品を得る切削工程を備えることを特徴とする切削品の製造方法としても把握できる。
<Manufacturing method of cut product>
Furthermore, this invention can be grasped | ascertained also as the manufacturing method of the cut goods characterized by providing the cutting process which obtains the cut goods which cut the workpiece using the cutting tool obtained by the cutting tool mentioned above and each manufacturing method. .
《その他》
（１）本明細書でいう「切削性」は、主分力や背分力等の切削抵抗力の大小、切屑厚さの大小、すくい面上における切屑の凝着の有無などにより指標される。この切削性は、被削材の切削加工面の良否、工具寿命の長短、生産性などに反映される。
<Others>
(1) “Machinability” as used in the present specification is indicated by the magnitude of cutting resistance such as main component force and back component force, the size of chip thickness, the presence or absence of chip adhesion on the rake face, and the like. . This machinability is reflected in the quality of the cut surface of the work material, the length of the tool life, the productivity, and the like.
（２）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。 (2) Unless otherwise specified, “x to y” in this specification includes a lower limit value x and an upper limit value y. A range such as “a to b” can be newly established with any numerical value included in various numerical values or numerical ranges described in the present specification as a new lower limit value or upper limit value.
本明細書で説明する内容は、本発明の切削工具のみならず、その製造方法および切削品の製造方法にも適宜該当し得る。製造方法に関する構成要素は、プロダクトバイプロセスとして理解すれば物に関する構成要素ともなり得る。そして上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。 The contents described in this specification can be appropriately applied not only to the cutting tool of the present invention but also to the manufacturing method and the manufacturing method of the cut product. A component related to a manufacturing method can be a component related to an object if understood as a product-by-process. One or two or more components arbitrarily selected from the present specification can be added to the above-described components of the present invention. Which embodiment is the best depends on the target, required performance, and the like.
《表面テクスチャ》
（１）凹部と切屑接触面積率
本発明に係る表面テクスチャは、切屑が接触し得るすくい面の表面（接触表面）上に設けた凹部からなり、全体として凹凸模様状となっている。表面テクスチャの凹部は、切れ刃で被削材が切削されて生じた切屑が排出される方向に、断続した状態となっている。このため、その切屑排出方向に連続した凹部からなる溝などは除かれる。
<Surface texture>
(1) Concave area and chip contact area ratio The surface texture according to the present invention consists of a concave section provided on the surface of the rake face (contact surface) with which chips can come into contact, and has a concavo-convex pattern as a whole. The concave portion of the surface texture is in an intermittent state in a direction in which chips generated by cutting the work material with the cutting edge are discharged. For this reason, the groove | channel which consists of a recessed part continuous in the chip discharge | emission direction is excluded.
なお、切屑排出方向は、切削の種類、切削条件等により異なり得るため、一概に特定することは困難である。もっとも、切れ刃近傍で観れば、切屑排出方向は、切れ刃の延在方向（適宜「切れ刃方向」という。）に対して、ほぼ垂直な方向といい得る。 In addition, since the chip discharge direction may vary depending on the type of cutting, cutting conditions, and the like, it is difficult to specify the whole. However, when viewed in the vicinity of the cutting edge, the chip discharging direction can be said to be a direction substantially perpendicular to the extending direction of the cutting edge (referred to as “the cutting edge direction” as appropriate).
凹部の具体的な形態は問わないが、例えば、孤立した凹部からなる窪みや長穴（溝）等がある。凹部の深さ方向の断面形状は、半円状、方形状、逆三角形状等のいずれでもよい。 Although the specific form of a recessed part is not ask | required, For example, there exist a hollow, a long hole (groove), etc. which consist of an isolated recessed part. The cross-sectional shape in the depth direction of the concave portion may be any of a semicircular shape, a square shape, an inverted triangular shape, and the like.
表面テクスチャ内における凹部の割合は、切屑がすくい面に接触し得る表面の面積率である切屑接触面積率で指標される。具体的には、表面テクスチャ全面に対して、そこから凹部を除いた残面の面積割合として求まる。 The ratio of the recesses in the surface texture is indicated by a chip contact area ratio which is an area ratio of a surface where chips can contact the rake face. Specifically, it is obtained as the area ratio of the remaining surface excluding the concave portion from the entire surface texture.
なお、本明細書でいう「面積」は表面積ではなく、基準面上の投影面積である。基準面は、表面テクスチャの形成前のすくい面または表面テクスチャの周囲にあるすくい面である。基準面における各面積は、孤立した凹部からなる窪み等の縦横寸法とその凹部により挟まれた部分の間隔とを測定して、任意面積におけるテクスチャ個数分の面積を算出して確定される。凹部か否かは、対象面を画像処理し、基準面を閾値とした二値化により判定できる。 The “area” in this specification is not the surface area but the projected area on the reference plane. The reference surface is a rake surface before formation of the surface texture or a rake surface around the surface texture. Each area on the reference plane is determined by measuring the vertical and horizontal dimensions of a depression or the like composed of isolated concave portions and the interval between the portions sandwiched by the concave portions, and calculating the area corresponding to the number of textures in an arbitrary area. Whether or not it is a recess can be determined by binarization using an image processing of the target surface and the reference surface as a threshold value.
この際、表面テクスチャ全面の面積は、表面テクスチャの形成領域（適宜「テクスチャ域」という。）の面積である。テクスチャ域は、凹部の最外部に接する接線により包囲された領域として確定される。また、残面の面積は、その表面テクスチャ全面積から凹部の合計面積を除いて求められる。残面と凹部の境界は、断面上における基準面と凹部の交点により判定され、基準面上におけるその境界内が凹部となる。 At this time, the area of the entire surface texture is an area of a surface texture forming region (referred to as “texture region” as appropriate). The texture area is defined as an area surrounded by a tangent line that is in contact with the outermost part of the recess. Moreover, the area of a remaining surface is calculated | required except the total area of a recessed part from the surface texture total area. The boundary between the remaining surface and the concave portion is determined by the intersection of the reference surface and the concave portion on the cross section, and the inside of the boundary on the reference surface becomes the concave portion.
本発明に係る切屑接触面積率は９〜９０％さらには１０〜７５％であると好適である。切屑接触面積率が過大では凹部が過少となって表面テクスチャによる切削性の向上が図れない。 The chip contact area ratio according to the present invention is preferably 9 to 90%, more preferably 10 to 75%. If the chip contact area ratio is excessive, the number of recesses becomes too small to improve the machinability due to the surface texture.
（２）ドット型テクスチャ
本発明に係る表面テクスチャの好例として、凹部がドット状の窪みからなるドット型テクスチャについて説明する。ドット型テクスチャを構成する窪みの形状は、円、楕円、長円形、多角形等のいずれでもよく、配列は問わず、窪みは規則的に配列されていても不規則的に配列されていてもよい。また窪み間隔は、縦方向または横方向に、それぞれ同一でも異なっていてもよい。さらに溝の場合と同様に、窪み毎に窪みの形態（形状、サイズ等）が同一でも異なっていてもよい。窪み全てが同形態であると、表面テクスチャの形成が容易となり好ましい。
(2) Dot-type texture As a good example of the surface texture according to the present invention, a dot-type texture in which the concave portion is a dot-like depression will be described. The shape of the depressions constituting the dot-type texture may be any of a circle, an ellipse, an oval, a polygon, etc., and the arrangement is not limited, and the depressions may be arranged regularly or irregularly. Good. The recess intervals may be the same or different in the vertical direction or the horizontal direction. Further, as in the case of the groove, the shape (shape, size, etc.) of the recess may be the same or different for each recess. It is preferable that all the depressions have the same shape because the surface texture can be easily formed.
ところで、表面テクスチャは、全面から窪みを除いた残面が切屑の排出方向（実質的に切れ刃方向に垂直）に不連続となっていると好適である。これにより高温な切屑の冷却性が向上し、切屑がすくい面上から分離し易くなり得る。このような窪みの配置方法として、例えば、窪みの配列を切屑排出方向に沿って交互にずらして配置する交互配置（図１７Ａ参照）がある。窪みを交互配置とすると、窪みを単に並列的に配置（図１７Ｂ参照）するよりも、切屑の分離性、耐凝着性等が向上し得る。 By the way, the surface texture is preferably such that the remaining surface excluding the depressions from the entire surface is discontinuous in the chip discharging direction (substantially perpendicular to the cutting edge direction). Thereby, the coolability of high-temperature chips can be improved, and the chips can be easily separated from the rake face. As an arrangement method of such depressions, for example, there is an alternate arrangement (see FIG. 17A) in which the arrangement of depressions is alternately shifted along the chip discharging direction. When the dents are arranged alternately, the chip separation property, adhesion resistance, and the like can be improved as compared with the case where the dents are simply arranged in parallel (see FIG. 17B).
交互配置の形態も種々考えられる。例えば、基準面における開口が略円形な窪み（円形窪み）を考えると、その窪み径：Ｄと、切屑排出方向に垂直な方向（適宜「横方向」という）における窪みの最短周縁間距離（横周縁間距離）：Ａとの間に０≦Ａ≦Ｄという関係があると好ましい。さらに切屑排出方向（適宜「縦方向」という）における窪みの最短周縁間距離（縦周縁間距離）：Ｌとの間に（√３ −１）Ｄ≦Ｌ≦Ｄという関係があると好ましい。なお、それぞれの周縁間距離は基準面に開口した窪み径と窪み径の中心を結ぶ直線上の基準面における長さを測定して確定される。 Various forms of alternate arrangement are also conceivable. For example, when considering a recess having a substantially circular opening on the reference plane (circular recess), the recess diameter: D and the distance between the shortest peripheral edges of the recess in the direction perpendicular to the chip discharging direction (referred to as “lateral direction” as appropriate) Perimeter distance): It is preferable that there is a relationship of 0 ≦ A ≦ D with A. Further, it is preferable that there is a relationship of (√3 −1) D ≦ L ≦ D between the distance between the shortest peripheral edges (distance between the vertical peripheral edges) of L in the chip discharging direction (suitably referred to as “longitudinal direction”). The distance between the peripheral edges is determined by measuring the length of the reference surface on a straight line connecting the center of the recess diameter and the recess diameter opened to the reference surface.
円形窪みからなるドット型テクスチャの場合、窪み径は５〜３００μｍ、１４〜４００μｍさらには３０〜３００μｍであると好ましい。窪み径が過小では切削性の向上を図れず、窪み径が過大では切屑接触部における摩擦が増加し、また切削抵抗力および切屑厚さも増大して好ましくない。 In the case of a dot-type texture comprising a circular depression, the depression diameter is preferably 5 to 300 μm, 14 to 400 μm, and more preferably 30 to 300 μm. If the dent diameter is too small, the machinability cannot be improved, and if the dent diameter is too large, friction at the chip contact portion increases, and the cutting resistance and chip thickness also increase, which is not preferable.
ドット型テクスチャに係る窪み深さは問わないが、窪み深さが過小では切削性の向上を図れず、窪み深さを過大にしても切削性はある程度までしか向上しない。窪み深さは、窪み径に応じて適宜設定されればよく、例えば、１〜２０μｍさらには２〜１０μｍ程度であると好ましい。 The depth of the pit according to the dot-type texture is not limited. However, if the dent depth is too small, the machinability cannot be improved. Even if the dent depth is too large, the machinability is improved only to some extent. The depth of the depression may be set as appropriate according to the diameter of the depression, and is preferably about 1 to 20 μm, more preferably about 2 to 10 μm, for example.
ドット型テクスチャの場合、切屑接触面積率は９〜９０％であると好ましい。特に円形窪みからなるドット型テクスチャの場合、本発明者の研究によると、切屑接触面積率は９．６〜８０．４％さらには１０〜７０％であると好ましい。 In the case of a dot-type texture, the chip contact area ratio is preferably 9 to 90%. In particular, in the case of a dot-type texture composed of a circular depression, according to the study of the present inventor, the chip contact area ratio is preferably 9.6 to 80.4%, and more preferably 10 to 70%.
ちなみに、溝型テクスチャよりもドット型テクスチャの方が切削性が良い。これはテクスチャ域における切削熱の放熱性の相違に依ると考えられる。すなわち、表面テクスチャの凹部を窪みとすることにより、空間体積（空気層）が１．０×１０−３ｍｍ３／ｍｍ２〜１．０×１０−２ｍｍ３／ｍｍ２となり、切屑の冷却性が促進され易い。こうした状況で生じた切屑は、カール半径がより小さくて、すくい面から分離され易くなる。また被削材（切屑）と切削工具（すくい面）の間の摩擦等も小さくなる。こうしてドット型テクスチャの方が溝型テクスチャよりも切削性が向上したと考えられる。 Incidentally, the dot-type texture has better machinability than the groove-type texture. This is considered to be due to the difference in heat dissipation of the cutting heat in the texture region. That is, by making the concave portion of the surface texture into a depression, the space volume (air layer) becomes 1.0 × 10 −3 mm 3 / mm 2 to 1.0 × 10 −2 mm 3 / mm 2 , and cooling of the chips Sex is easy to promote. Chips generated in such a situation have a smaller curl radius and are easily separated from the rake face. Further, friction between the work material (chips) and the cutting tool (rake face) is reduced. Thus, it is considered that the dot-type texture has improved machinability than the groove-type texture.
また、ドット型テクスチャは、窪みがどのような形態であっても点在した状態となっているため、指向性が少なく、マクロ的に観れば等方的な形態となっている。このためドット型テクスチャによれば、切屑排出方向が仮に一定でなくても、切屑排出方向が切削性に及ぼす影響は小さくなる。つまり、切れ刃に垂直な方向へ流れない切屑の排出性もコントロールし易くなる。そこでドット型テクスチャは、切屑排出方向が変化し易い複雑な切削加工に好適である。またドット型テクスチャであれば、切れ刃（刃先）が湾曲した複雑な切削工具（例えばドリル、エンドミル等）にも形成が容易である。 Moreover, since the dot-type texture is in a state of being scattered regardless of the form of the depressions, it has little directivity and has an isotropic form when viewed macroscopically. For this reason, according to the dot-type texture, even if the chip discharge direction is not constant, the influence of the chip discharge direction on the machinability is reduced. That is, it becomes easy to control the discharge of chips that do not flow in the direction perpendicular to the cutting edge. Therefore, the dot type texture is suitable for complicated cutting processing in which the chip discharge direction is easily changed. In addition, a dot-type texture can be easily formed even on a complicated cutting tool (for example, a drill or an end mill) having a curved cutting edge (cutting edge).
ドット型テクスチャの窪み形状は上述した円形状に限らず、楕円状、長円状、方形状、多角形状等のいずれもでもよい。それら窪みの配置は、並列配置でも交互配置でもよい。ドット型テクスチャの窪みを長円状とした一例を図１８に示す。このような表面テクスチャをまとめて長形型テクスチャという。図１８に示すように、基準面上の開口した窪みについて、縦方向（切屑排出方向）の最長幅：Ｄ、横方向（切屑排出方向に垂直な方向）の最長幅：Ｗ、横方向の最短周縁間距離（横周縁間距離）：Ａ、縦方向の最短周縁間距離（縦周縁間距離）：Ｌとすると、例えば、５μｍ＜Ｄ＜５００μｍ、Ｄ＜Ｗ≦２５Ｄ、０≦Ｌ≦６Ｄ、０＜Ａ≦Ｗであると好ましい。このような長溝状の窪み深さは２Ｄ以内で、空間体積（空気層）は１．０×１０−３ｍｍ３／ｍｍ２〜１．０×１０−２ｍｍ３／ｍｍ２であると好ましい。 The hollow shape of the dot-type texture is not limited to the circular shape described above, and may be any of an elliptical shape, an oval shape, a rectangular shape, a polygonal shape, and the like. These recesses may be arranged in parallel or alternately. An example in which the dent of the dot-type texture is an ellipse is shown in FIG. Such surface textures are collectively referred to as a long texture. As shown in FIG. 18, the longest width in the vertical direction (chip discharge direction): D, the longest width in the horizontal direction (direction perpendicular to the chip discharge direction): W, the shortest in the horizontal direction for the open recess on the reference surface When the distance between the peripheral edges (distance between the horizontal peripheral edges): A and the shortest peripheral distance between the peripheral edges (distance between the vertical peripheral edges): L, for example, 5 μm <D <500 μm, D <W ≦ 25D, 0 ≦ L ≦ 6D, It is preferable that 0 <A ≦ W. The depth of the long groove-like recess is within 2D, and the space volume (air layer) is preferably 1.0 × 10 −3 mm 3 / mm 2 to 1.0 × 10 −2 mm 3 / mm 2. .
ちなみに、窪みは、種々の形状が混在したものでもよいし、領域毎に異なる形状となっていてもよい。例えば、本発明に係る表面テクスチャは、前述したドット型テクスチャと長形型テクスチャが組合せまたは融合された混合表面テクスチャでもよい。 Incidentally, the depression may be a mixture of various shapes, or may have a different shape for each region. For example, the surface texture according to the present invention may be a mixed surface texture in which the above-described dot texture and long texture are combined or fused.
ところで、ドット型テクスチャは、切削性の向上を安定的に図る観点から、疎らに大きな窪みが点在する状態よりも、適切な大きさの窪みが適切に配列または分布している状態が好ましい。このような配列状態は、一概に規定し難いが、上述した切屑接触面積率を前提としつつ、例えば、ドット型テクスチャを構成する窪み一つ一つの大きさ（窪み径や空間体積）を所定範囲内とすることにより規定できる。具体的には、窪み一つあたりの大きさ（基準面上における二次元的な大きさ）を指標する窪み径を前述した範囲内としたり、窪みの一つあたりの空間体積を１．０×１０−８〜１．０×１０−２ｍｍ３、２．０×１０−８〜１．５×１０−３ｍｍ３さらには３．９×１０−８〜３．５×１０−３ｍｍ３とすることにより、各窪みの配列状態（分布状態）を間接的に規定できる。ちなみに、各窪みが円柱状であるとすると、窪み径（Ｄ）：５μｍで窪み深さ（ｈ）：２μｍである窪み一つの空間体積：３．９×１０−８ ｍｍ３、窪み径（Ｄ）：３００μｍで窪み深さ（ｈ）：５０μｍである窪み一つの空間体積：３．５×１０−３ｍｍ３である。 By the way, from the viewpoint of stably improving the machinability, the dot-type texture is preferably in a state in which dents of an appropriate size are appropriately arranged or distributed rather than a state in which sparsely large dents are scattered. Such an array state is difficult to define in general, but, for example, the size of each depression (indentation diameter and space volume) constituting the dot-type texture is within a predetermined range, assuming the chip contact area ratio described above. It can be defined by making it inside. Specifically, the diameter of the dent indicating the size of each dent (two-dimensional size on the reference plane) is within the above-described range, or the spatial volume per dent is 1.0 ×. 10 −8 to 1.0 × 10 −2 mm 3 , 2.0 × 10 −8 to 1.5 × 10 −3 mm 3 and further 3.9 × 10 −8 to 3.5 × 10 −3 mm 3 By doing so, the arrangement state (distribution state) of each depression can be indirectly defined. By the way, if each recess is cylindrical, the recess diameter (D): 5 μm and the recess depth (h): 2 μm. One recess volume: 3.9 × 10 −8 mm 3 , the recess diameter (D ): Depression depth (h): 300 μm Depression depth: 50 μm One spatial volume: 3.5 × 10 −3 mm 3
ここで、ドット型テクスチャを構成する各窪みの表面における二次元的な形状が円形状でない場合、厳密にいうと前述した「窪み径」によってその大きさを規定できない。しかし、本明細書では便宜的に、円形状以外の窪みであっても、その二次元的な大きさを「窪み径」により指標する。この場合、「窪み径」は切屑排出方向における各窪みの最大周縁距離とする。従って、窪みが円形状以外の長円形状、長方形状、破線溝状等でも、前述したＤを窪み径とする。 Here, when the two-dimensional shape on the surface of each depression constituting the dot-shaped texture is not a circle, strictly speaking, the size cannot be defined by the above-mentioned “dent diameter”. However, for the sake of convenience in this specification, even if the depression is not circular, the two-dimensional size is indicated by the “dent diameter”. In this case, the “indentation diameter” is the maximum peripheral distance of each indentation in the chip discharge direction. Therefore, even if the dent is an ellipse shape other than a circular shape, a rectangular shape, a broken-line groove shape, or the like, the above-described D is the dent diameter.
また本明細書でいう窪み深さは、基準面上の周縁からの最大深さとする。また本明細書でいう各窪みの空間体積は、その窪み径を直径とし、窪み深さを高さとする円柱の体積として算出する。 In addition, the depth of the depression referred to in this specification is the maximum depth from the peripheral edge on the reference plane. The space volume of each depression referred to in this specification is calculated as the volume of a cylinder having the diameter of the depression and the height of the depression depth.
（３）その他
表面テクスチャは、切れ刃の近傍に設けた凹部からなるため、テクスチャ域が切れ刃に近接し過ぎると、直線的な切れ刃の維持や刃先強度の確保が困難となる。そこで切削性を考慮しつつ、テクスチャ域を刃先から少し離す（オフセットさせる）と好ましい。つまり、テクスチャ域の切れ刃側の周縁と刃先の間に、１５〜３００μｍ程度のマージン（切れ刃マージン）を設けると好ましい。
(3) Others Since the surface texture consists of a recess provided in the vicinity of the cutting edge, if the texture area is too close to the cutting edge, it becomes difficult to maintain a straight cutting edge and ensure the strength of the cutting edge. Therefore, it is preferable that the texture area is slightly separated (offset) from the cutting edge while considering the machinability. That is, it is preferable to provide a margin (cutting edge margin) of about 15 to 300 μm between the edge on the cutting edge side of the texture region and the cutting edge.
ちなみに、表面テクスチャ（特に窪み）に係る数値限定は、すくい面上で切屑が主に接触し得る接触領域について評価すればよい。この接触領域は、切削工具のノーズ曲部（Ｒ部）と切削幅相当の切れ刃を含むすくい面上で、切れ刃マージン（通常１５〜３００μｍ）も含む面内である。特にそのような接触領域内から切屑が主に接触する部分を抽出した１×１ｍｍ角領域について、上記の数値限定を検討すればよい。 Incidentally, the numerical limitation relating to the surface texture (particularly the depression) may be evaluated for a contact area where chips can mainly contact on the rake face. This contact area is in the plane including the cutting edge margin (usually 15 to 300 μm) on the rake face including the nose curved portion (R portion) of the cutting tool and the cutting edge corresponding to the cutting width. In particular, for the 1 × 1 mm square region in which a portion where chips mainly contact is extracted from within such a contact region, the above numerical limitation may be considered.
なお、一つの窪みに関する数値限定範囲内への帰属を、多数の窪みに関するデータから特定する際は、上述した角領域における各窪みに関するデータ（数値）を相加した平均値とする。この際、実際に加工された窪みを微視的に観察すると、各窪みは幾何学的な理想形状とは当然になっていないため、画像処理を用いて各数値（最大値）を判定する。 In addition, when specifying the attribution within the numerical limited range regarding one hollow from the data regarding many hollows, it is set as the average value which added the data (numerical value) regarding each hollow in the corner | angular area mentioned above. At this time, when the actually processed depressions are observed microscopically, each depression is not naturally a geometrical ideal shape, and therefore each numerical value (maximum value) is determined using image processing.
また本明細書でいう交互配置は、種々の形態が考えられるため一概に規定し難いが、例えば、上述した接触領域内において、切屑排出方向に対して切屑が接触する窪み（ドット穴）間における切屑断続接触長さ（隣接する窪みの周縁間距離）が５００μｍ以下、より好ましくは２００μｍ以下で分布する窪み（ドット穴）の配置とすることができる。要するに交互配置は、切屑が切屑排出方向にすくい面と長く接触しないように、規則的または不規則的に窪み（ドット穴）が分布した配置である。 In addition, the alternate arrangement referred to in the present specification is difficult to define in general because various forms are conceivable. For example, in the above-described contact region, between the depressions (dot holes) where the chips contact with respect to the chip discharge direction. The chip intermittent contact length (distance between the peripheral edges of adjacent depressions) can be an arrangement of depressions (dot holes) distributed at 500 μm or less, more preferably 200 μm or less. In short, the alternating arrangement is an arrangement in which dents (dot holes) are regularly or irregularly distributed so that the chips do not come into long contact with the rake face in the chip discharge direction.
《切削工具》
本発明に係る切削工具は、その種類を問わず、切削方法に適したものが適宜選択される。切削工具は、単刃工具でも多刃工具でもよい。単刃工具は、旋削加工、平削り加工、中ぐり加工、形削り加工等に用いられる。多刃工具は、穿孔加工、フライス加工、リーマ加工、ボブ加工、ブローチ加工等に用いられる。切削工具の一例として、バイト、ドリル、エンドミル等が代表的である。
"Cutting tools"
The cutting tool according to the present invention is appropriately selected to be suitable for the cutting method regardless of its type. The cutting tool may be a single-edged tool or a multi-edged tool. Single-edged tools are used for turning, planing, boring, shaping and the like. Multi-blade tools are used for drilling, milling, reamer processing, bob processing, broaching and the like. As an example of the cutting tool, a bite, a drill, an end mill and the like are typical.
切削工具（特に切れ刃に連なるすくい面部分）の材質も問わず、加工方法や被削材の特性に応じて適宜選択される。その一例として、高速度鋼（ハイス）、炭化タングステン（ＷＣ）とバインダーであるコバルト（Ｃｏ）とを含む混合物を焼結した超硬合金、ダイヤモンド、ＣＢＮ等がある。また切れ刃やすくい面などは、耐摩耗性、摺動性、低摩擦化等に有効なＤＬＣ膜、ＴｉＮ膜等でコーティングされていてもよい。 Regardless of the material of the cutting tool (particularly the rake face portion connected to the cutting edge), it is appropriately selected according to the processing method and the characteristics of the work material. Examples thereof include cemented carbide, diamond, CBN, and the like obtained by sintering a mixture containing high-speed steel (high speed), tungsten carbide (WC), and cobalt (Co) as a binder. Further, a surface that is easy to cut may be coated with a DLC film, a TiN film, or the like effective for wear resistance, slidability, low friction, and the like.
《被削材》
本発明に係る被削材は、その形態を問わない。被削材は、棒状、ブロック状、管状等いずれでも良く、その加工履歴や加工段階も問わない。また被削材は、その材質がいずれでも良く、鉄系材料（ステンレス鋼等）でも活性金属材料でもよい。活性金属材料として、アルミニウム系、チタン系、マグネシウム材料、銅系材料などがある。中でも、一般的に多用される一方で、切削時に凝着を生じ易く加工し難いアルミニウム合金を本発明に係る被削材とすると特に好ましい。なお、本明細書でいう「Ｘ系材料」とは、元素Ｘに係る純金属、合金および複合材を意味する。
《Work material》
The work material which concerns on this invention does not ask | require the form. The work material may be any of a rod shape, a block shape, a tubular shape, etc., and its processing history and processing stage are not limited. The work material may be any material, and may be an iron-based material (stainless steel or the like) or an active metal material. Examples of the active metal material include an aluminum-based material, a titanium-based material, a magnesium material, and a copper-based material. Among these, it is particularly preferable to use an aluminum alloy that is generally used frequently but is likely to cause adhesion at the time of cutting and difficult to work as the work material according to the present invention. The “X-based material” in this specification means a pure metal, an alloy and a composite material related to the element X.
《切削環境》
本発明の切削工具によれば、切削部分の冷却や潤滑を行う切削液が供給されるウエット環境下の切削（ウエット切削）は勿論、そのような切削液が供給されないドライ環境下の切削（ドライ切削）も行うことができる。従って本発明の切削工具は、切削液を用いずに切削するドライ切削用として好適である。
《Cutting environment》
According to the cutting tool of the present invention, not only cutting in a wet environment in which a cutting fluid for cooling or lubricating a cutting portion is supplied (wet cutting) but also cutting in a dry environment in which such a cutting fluid is not supplied (drying). Cutting) can also be performed. Therefore, the cutting tool of the present invention is suitable for dry cutting for cutting without using a cutting fluid.
なお、ウエット切削の場合、本発明に係る表面テクスチャは、切削熱を逃して切屑の流れや離脱、分離を制御（切屑排出制御）を行うと共に切削液を保持する液溜まり効果も発揮し得る。このため切削液の供給が乏しいＭＱＬなどの貧潤滑下の切削にも、本発明の切削工具は十分に対応可能である。 In the case of wet cutting, the surface texture according to the present invention can control the flow, detachment, and separation of chips by cutting heat (chip discharge control) and can also exhibit a liquid pool effect that holds the cutting fluid. For this reason, the cutting tool of the present invention can sufficiently cope with cutting under poor lubrication such as MQL in which the supply of cutting fluid is scarce.
《切削工具の製造方法》
（１）本発明に係る表面テクスチャは、すくい面の少なくとも一部に高エネルギービームを照射することにより形成され得る。高エネルギービームを用いると、その照射域の軌跡に応じて凹部ひいては表面テクスチャが形成され、微細な凹部も高精度に形成され得る。また、平面に限らず種々の曲率をもつ曲面からなるすくい面にも、曲線状（直線状を含む）や斑点状の凹部からなる表面テクスチャが高自由度で形成され得る。また高エネルギービームの出力密度、ビーム径、焦点等を調整することにより、凹部の幅や深さを任意に調整可能であり、二次元的な形態に留まらず三次元的な形態の表面テクスチャも高自由度で形成可能である。
<Manufacturing method of cutting tool>
(1) The surface texture according to the present invention can be formed by irradiating at least a part of the rake face with a high energy beam. When a high energy beam is used, a concave portion and thus a surface texture is formed according to the locus of the irradiation region, and a fine concave portion can be formed with high accuracy. Further, not only on a flat surface but also on a rake face made of a curved surface having various curvatures, a surface texture made up of a curved (including linear) or spot-like recess can be formed with a high degree of freedom. Also, by adjusting the output density, beam diameter, focus, etc. of the high energy beam, the width and depth of the recess can be adjusted arbitrarily, and the surface texture not only in the two-dimensional form but also in the three-dimensional form. It can be formed with a high degree of freedom.
高エネルギービームには、例えばレーザ、電子ビーム等があるが、特に短パルス幅のパルスレーザが好適である。パルスレーザを用いると、照射域外への熱拡散や基材（切削工具の刃部）への熱的影響を抑制しつつ、出力密度（フルエンス）の高いレーザを被処理部（すくい面）へ照射できる。パルスレーザのパルス幅は、例えば、１〜１００ｎｓさらには５〜５０ｎｓであると好ましい。パルス幅が過大では凹部の形成に必要なフルエンスが得難くなり、パルス幅が過小では所望する凹部を効率的に形成できない。 Examples of the high energy beam include a laser and an electron beam, and a pulse laser with a short pulse width is particularly preferable. When using a pulsed laser, the target part (rake face) is irradiated with a laser with a high output density (fluence) while suppressing thermal diffusion to the outside of the irradiation area and thermal effects on the base material (blade part of the cutting tool). it can. The pulse width of the pulse laser is preferably 1 to 100 ns, more preferably 5 to 50 ns, for example. When the pulse width is excessively large, it becomes difficult to obtain the fluence necessary for forming the concave portion, and when the pulse width is excessively small, the desired concave portion cannot be efficiently formed.
パルスレーザのフルエンスは、例えば０．１ＭＷ／ｃｍ２〜３ＧＷ／ｃｍ２であると好ましい。フルエンスは凹部の深さに影響し、過小では所望する深さの凹部が得難くなり、フルエンスが過大では基材への熱的影響が大きくなり好ましくない。ちなみに、フルエンスはレーザ出力をレーザスポット面積で除して求まる。 Fluence of the pulse laser, for example, preferably a 0.1MW / cm 2 ~3GW / cm 2 . The fluence affects the depth of the concave portion, and if it is too small, it is difficult to obtain a concave portion having a desired depth. By the way, the fluence is obtained by dividing the laser output by the laser spot area.
パルスレーザの波長は、短いほど基材におけるレーザ吸収率が高くなり好ましいが、過小では雰囲気ガスにおけるレーザ吸収が多くなり好ましくない。そこでパルスレーザの波長は、赤外域より短く、さらには可視域よりも短い紫外域（近紫外域を含む）内であると好ましい。具体的にいうと、パルスレーザの波長は１９０〜７００ｎｍさらには３２０〜４００ｎｍあると好ましい。 The shorter the wavelength of the pulse laser, the higher the laser absorptivity in the substrate, which is preferable. Therefore, the wavelength of the pulse laser is preferably in the ultraviolet region (including the near ultraviolet region) shorter than the infrared region and further shorter than the visible region. Specifically, the wavelength of the pulse laser is preferably 190 to 700 nm, more preferably 320 to 400 nm.
このようなパルスレーザの具体例として、例えば、Ｆ２（波長１５７ｎｍ）、ＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌ（波長３０８ｎｍ）、ＸｅＦ（波長３５１ｎｍ）等のエキシマ（励起二量体）を利用したエキシマレーザ、短波長を発振できるＹＡＧレーザなどがある。 Specific examples of such a pulse laser include excimers (excitation dimers) such as F 2 (wavelength 157 nm), ArF (wavelength 193 nm), KrF (wavelength 248 nm), XeCl (wavelength 308 nm), and XeF (wavelength 351 nm). ) Excimer laser, and YAG laser that can oscillate a short wavelength.
パルスレーザの発振周波数は、例えば１〜１００ｋＨｚさらには１０〜５０ｋＨｚであると好ましい。発振周波数が過小では走査速度も低くせざるを得ず、表面テクスチャを効率的に形成できない。発振周波数が過大になると、一般的にフルエンスが低下し、均一的な凹部の形成が困難となる。 The oscillation frequency of the pulse laser is preferably 1 to 100 kHz, and more preferably 10 to 50 kHz. If the oscillation frequency is too low, the scanning speed must be lowered, and the surface texture cannot be formed efficiently. If the oscillation frequency is excessive, the fluence generally decreases and it becomes difficult to form a uniform recess.
パルスレーザの焦点位置は、パルス光の照射範囲に影響する。焦点位置は、表面テクスチャが形成されるすくい面の最表面上でも、その最表面から少しずれたところでもよい。なお、パルスレーザの照射面は、平滑（例えば０．０１〜１Ｒｚjis程度の鏡面状）であると、レーザ光の散乱を抑止できて好ましい。また、レーザを照射する雰囲気は、不活性ガス中でも真空中でも、さらには大気中でもよい。 The focal position of the pulse laser affects the irradiation range of the pulsed light. The focal position may be on the outermost surface of the rake face on which the surface texture is formed or at a position slightly deviated from the outermost surface. Note that it is preferable that the irradiation surface of the pulse laser be smooth (for example, a mirror surface shape of about 0.01 to 1 Rzjis) because scattering of laser light can be suppressed. The atmosphere for laser irradiation may be an inert gas, a vacuum, or even the air.
（２）本発明に係るテクスチャ形成工程は、単独でなされる場合の他、被削材を切削して切削品を得る切削工程を含む工場内または加工ライン内で併せてなされてもよい。テクスチャ形成工程と切削工程を同工場等で一体的に行うことにより、コンパクトで少量生産に対応した効率的な加工ラインの実現が可能となる。また切削工程のみならずテクスチャ形成工程も内製化することにより、切削加工に係る技術情報（ノウハウ）の秘匿が容易となる。また表面テクスチャ形成に要する切削工具の搬出や搬入に係る工数も削減でき、生産効率の向上や生産コストの低減も図れる。なお、このようなテクスチャ形成工程の導入は、コンパクトで低コストなレーザ加工装置を用いることにより実現可能である。 (2) The texture forming step according to the present invention may be performed in a factory or a processing line including a cutting step of cutting a work material to obtain a cut product, in addition to a case where the texture forming step is performed independently. By integrating the texture forming process and the cutting process at the same factory, etc., it is possible to realize an efficient processing line that is compact and compatible with low-volume production. Further, by in-house production of not only the cutting process but also the texture forming process, it is easy to conceal technical information (know-how) related to the cutting process. In addition, the man-hours related to carrying out and carrying in of the cutting tool required for forming the surface texture can be reduced, and the production efficiency can be improved and the production cost can be reduced. The introduction of such a texture forming process can be realized by using a compact and low-cost laser processing apparatus.
（３）本発明に係るテクスチャ形成工程は、未使用の切削工具のすくい面に対して行っても、使用後の回収された切削工具のすくい面に対して行ってもよい。具体的には、例えば、新品のスローアウェイチップや一体工具（ドリル，エンドミル等）のすくい面に表面テクスチャを形成してもよいし、それら工具を使用後に再研摩等した再生工具のすくい面に表面テクスチャを形成してもよい（テクスチャ再生工程）。 (3) The texture forming step according to the present invention may be performed on a rake face of an unused cutting tool or may be performed on a rake face of a collected cutting tool after use. Specifically, for example, a surface texture may be formed on the rake face of a new throw-away tip or an integrated tool (drill, end mill, etc.), or on the rake face of a regenerated tool that has been re-polished after using the tool. A surface texture may be formed (texture regeneration step).
実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。 The present invention will be described more specifically with reference to examples.
《試料の製作》
（１）先ず、表面テクスチャが形成されていない市販の切削チップ（住友電工株式会社製 ハードメタル Ｈ１）を用意した。この切削チップ（適宜「ブランクチップ」という。）はＫ種超硬合金（ＪＩＳ Ｂ４０５３）からなり、アルミニウム合金製の被削材に対応している。
《Sample preparation》
(1) First, a commercially available cutting tip (hard metal H1 manufactured by Sumitomo Electric Co., Ltd.) in which no surface texture was formed was prepared. This cutting tip (referred to as “blank tip” as appropriate) is made of a K-type cemented carbide (JIS B4053) and corresponds to a work material made of aluminum alloy.
（２）ブランクチップの（主）切れ刃から連なるすくい面の所定領域（接触表面上の一部）に、パルスレーザ（高エネルギービーム）を照射して、表１Ａおよび表１Ｂ（両表を併せて適宜「表１」という。）に示す種々の表面テクスチャを有する試料を製作した（テクスチャ形成工程）。なお、各表に示したテクスチャの諸元値は狙い値であって実測値ではないが、少なくとも本明細書の記載に沿ってテクスチャを形成する限り、狙い値と実測値に大差はなく、図３Ｂの如くその誤差は±１μｍ程度である。 (2) A predetermined region (a part on the contact surface) of the rake face continuous from the (main) cutting edge of the blank tip is irradiated with a pulsed laser (high energy beam), and Table 1A and Table 1B (both tables are combined) Samples having various surface textures shown in Table 1) were prepared as appropriate (texture forming step). In addition, although the specification value of the texture shown in each table is a target value and not an actual measurement value, as long as the texture is formed at least in accordance with the description of this specification, there is no large difference between the target value and the actual measurement value. As in 3B, the error is about ± 1 μm.
用いたパルスレーザは、パルス幅がナノ秒レベルであるナノ秒パルスレーザと、パルス幅がフェムト秒レベルであるフェムト秒パルスレーザである。各試料の表面テクスチャは、基本的にナノ秒パルスレーザを用いて形成したが、一部の比較試料の表面テクスチャは、既述した特許文献２（特開２００９−２０２２８３号公報）の記載を参照しつつ、フェムト秒パルスレーザを用いて形成した。各レーザの照射は表３に示す条件下で行い、いずれの場合も大気雰囲気中で行った。 The pulse laser used is a nanosecond pulse laser with a pulse width of nanosecond level and a femtosecond pulse laser with a pulse width of femtosecond level. The surface texture of each sample was basically formed using a nanosecond pulse laser, but for the surface texture of some of the comparative samples, see the description in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-202283) described above. However, it was formed using a femtosecond pulse laser. Irradiation with each laser was performed under the conditions shown in Table 3, and in each case, the irradiation was performed in an air atmosphere.
この際、パルスレーザの焦点位置は、ブランクチップの最表面とした。レーザを照射した際に散乱が発生することを防止するために、その最表面（照射面）は予め鏡面研磨しておいた（表面粗さＲｍａｘ（ＪＩＳ）で０．１μｍ）。これにより所望パターンの表面テクスチャが高精度に形成されるようになった。 At this time, the focal position of the pulse laser was the outermost surface of the blank chip. In order to prevent the occurrence of scattering upon laser irradiation, the outermost surface (irradiated surface) was previously mirror-polished (surface roughness Rmax (JIS) 0.1 μm). As a result, the surface texture of the desired pattern can be formed with high accuracy.
こうして形成した表面テクスチャのパターンは、連続した凹部（溝）からなる溝型テクスチャ（図１６参照）と、ドット状の凹部（窪み）からなるドット型テクスチャ（図１７Ａおよび図１７Ｂ参照）である。溝型テクスチャに係る試料では、それぞれの溝幅（Ｄ）、その間隔（縦周縁間距離：Ｌ）およびピッチ（Ｐ）を種々変更した。ドット型テクスチャに係る試料では、それぞれの窪み径（Ｄ）、縦方向の間隔（縦周縁間距離：Ｌ）および横方向の間隔（横周縁間距離：Ａ）を種々変更した。そしてドット型テクスチャについては、窪みを並列配置した試料（図１７Ｂ参照）と、交互配置（図１７Ａ参照）した試料を製作した。なお、いずれの試料も、同一試料中における縦周縁間距離（Ｌ）または横周縁間距離（Ａ）は一定とした。 The pattern of the surface texture thus formed is a groove-type texture (see FIG. 16) composed of continuous concave portions (grooves) and a dot-type texture (see FIGS. 17A and 17B) composed of dot-shaped concave portions (dents). In the sample according to the groove-type texture, the groove width (D), the interval (distance between vertical edges: L), and the pitch (P) were variously changed. In the sample related to the dot-type texture, the respective dent diameters (D), the vertical intervals (distance between vertical edges: L), and the horizontal intervals (distance between horizontal edges: A) were variously changed. And about the dot-type texture, the sample (refer FIG. 17B) which arranged the hollow in parallel and the sample which arranged alternately (refer FIG. 17A) were manufactured. In all samples, the distance between the vertical edges (L) or the distance between the horizontal edges (A) in the same sample was constant.
並列配置の一例として、窪みを最密に配置したパターン（Ａ＝Ｌ＝０）を図１７Ｃに示した。この並列配置パターン（図１７Ｃ）の横方向に並ぶ中央の窪み列を、全体的に横方向へＤ／２だけシフトした交互配置パターンを図１７Ｄに示した。また交互配置の一例として、窪みを最密に配置したパターン（Ａ＝０、Ｌ＝√３Ｄ−Ｄ）を図１７Ｅに示した。 As an example of the parallel arrangement, FIG. 17C shows a pattern (A = L = 0) in which the depressions are arranged in the closest packing. FIG. 17D shows an alternating arrangement pattern in which the central depression rows arranged in the horizontal direction of the parallel arrangement pattern (FIG. 17C) are shifted by D / 2 in the horizontal direction as a whole. As an example of the alternating arrangement, FIG. 17E shows a pattern (A = 0, L = √3D-D) in which pits are arranged in a close-packed manner.
ちなみに、真円状の窪みからなるドット型テクスチャを考えると、図１７Ａに示した交互配置パターンでＡ＝Ｄ、Ｌ＝３Ａとしたときの（理論）切屑接触面積率は８０．４％となる。これは図１７Ｂに示した並列配置パターンでＡ＝Ｌ＝Ｄとしたときの切屑接触面積率に等しい。交互配置パターンでＡ＝Ｌ＝Ｄとすると、切屑接触面積率はさらに減少して６０．７％となる。また図１７Ｃに示した並列配置パターンの切屑接触面積率は２１．５％となる。これは図１７Ｄに示した交互配置パターンの切屑接触面積率に等しい。さらに図１７Ｅに示した交互配置パターンの切屑接触面積率は９．６％となり、ドット型テクスチャ中で最小となる。 By the way, when considering a dot-type texture composed of perfect circular depressions, the (theoretical) chip contact area ratio is 80.4% when A = D and L = 3A in the alternating arrangement pattern shown in FIG. 17A. . This is equal to the chip contact area ratio when A = L = D in the parallel arrangement pattern shown in FIG. 17B. When A = L = D in the alternating arrangement pattern, the chip contact area ratio is further reduced to 60.7%. Moreover, the chip contact area ratio of the parallel arrangement pattern shown in FIG. 17C is 21.5%. This is equal to the chip contact area ratio of the alternately arranged pattern shown in FIG. 17D. Furthermore, the chip contact area ratio of the alternately arranged pattern shown in FIG. 17E is 9.6%, which is the smallest among the dot-type textures.
ところで、溝型テクスチャの溝は、レーザをすくい面上に照射しつつ、直線状に連続移動（走査）させることにより形成した。この操作を繰り返すことにより、所望数の平行な溝からなる溝型テクスチャが形成された。ドット型テクスチャの窪みは、レーザをすくい面上の所定位置で単発的に照射して形成した。レーザの移動と照射を他の所定位置でも繰り返すことにより、所望数の窪みからなるドット型テクスチャが形成された。 By the way, the groove of the groove-type texture was formed by continuously moving (scanning) linearly while irradiating the rake surface with a laser. By repeating this operation, a grooved texture composed of a desired number of parallel grooves was formed. The dot-shaped texture depression was formed by irradiating laser at a predetermined position on the rake face. By repeating the movement and irradiation of the laser at other predetermined positions, a dot-type texture composed of a desired number of depressions was formed.
表面テクスチャの形成領域（テクスチャ域）は、切れ刃の延在方向（切れ刃方向）の一辺（３．５〜５ｍｍ）と、それに垂直な方向（切屑排出方向）の一辺（２〜５ｍｍ）とからなる方形状とした。このテクスチャ域と切れ刃（すくい面の先端、刃先）の間には、切れ刃の直線性と刃先強度を確保するため、特に断らない限り２０μｍの切れ刃（刃先）マージンを設けた（図１Ａ参照）。但し、フェムト秒パルスレーザを用いた試料では、テクスチャ域を５ｍｍ角の正方形状とし、切れ刃マージンは設けなかった（図２参照）。 The surface texture formation region (texture region) has one side (3.5 to 5 mm) in the extending direction (cutting edge direction) of the cutting edge and one side (2 to 5 mm) in the direction perpendicular to the cutting direction (chip discharging direction). A rectangular shape consisting of Between this texture area and the cutting edge (tip of the rake face, cutting edge), a 20 μm cutting edge (cutting edge) margin is provided unless otherwise specified in order to ensure the linearity and cutting edge strength of the cutting edge (FIG. 1A). reference). However, in the sample using the femtosecond pulse laser, the texture area was a square of 5 mm square, and no cutting edge margin was provided (see FIG. 2).
《表面テクスチャ》
（１）観察
一部の試料のすくい面に形成された表面テクスチャを光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した様子を図１Ａ、図２、図３Ａおよび図４に示した。また図１Ａおよび図３Ａに示した試料の表面テクスチャの表面粗さをレーザ顕微鏡で測定し、得られた各表面テクスチャの深さ方向の変化をそれぞれ図１Ｂおよび図３Ｂに示した。
<Surface texture>
(1) Observation FIG. 1A, FIG. 2, FIG. 3A and FIG. 4 show how the surface texture formed on the rake face of some samples was observed with an optical microscope or a scanning electron microscope (SEM). Further, the surface roughness of the surface texture of the sample shown in FIGS. 1A and 3A was measured with a laser microscope, and the changes in the depth direction of the obtained surface textures are shown in FIGS. 1B and 3B, respectively.
（２）測定
各試料のすくい面に形成された表面テクスチャの諸元を、既述した方法に基づいて測定または算出した。その結果を表１に併せて示した。表１に示した溝幅または窪み径：Ｄ、縦間隔（縦周縁間距離）：Ｌおよび横間隔（横周縁間距離）：Ａは、前述したよう図１６、図１７Ａおよび図１７Ｂに示した各距離を既述の方法に基づき実測し、算出した値である。また、切屑接触面積率の算出に必要なテクスチャ域の特定、そのテクスチャ域の面積および各凹部（溝、窪み）を除く残面積の測定等も既述した方法により行った。それらに基づき、各試料の切屑接触面積率を算出して、表１に併せて示した。
(2) Measurement The specifications of the surface texture formed on the rake face of each sample were measured or calculated based on the method described above. The results are also shown in Table 1. Groove width or recess diameter shown in Table 1: D, vertical interval (distance between vertical peripheries): L and lateral interval (distance between horizontal peripheries): A are shown in FIGS. 16, 17A and 17B as described above. Each distance is a value calculated by actually measuring each distance based on the method described above. Further, the specification of the texture area necessary for the calculation of the chip contact area ratio, the measurement of the area of the texture area and the remaining area excluding each concave portion (groove, dent), and the like were also performed by the method described above. Based on these, the chip contact area ratio of each sample was calculated and shown together in Table 1.
《切削試験》
（１）主分力および背分力
上述した方法により製作した各種の切削チップ（ブランクチップを含む）を用いて切削試験を行った。この切削試験の概要を図１９Ａおよび図１９Ｂに模式的に示した。被削材Ｗには、特に断らない限りアルミニウム合金（ＪＩＳ Ａ６０６３／Ｈ１８）からなる引き抜き管材（外径φ５０ｍｍ×内径φ４６ｍｍ）を用いた。
《Cutting test》
(1) Main component force and back component force A cutting test was performed using various cutting tips (including blank tips) manufactured by the method described above. An outline of this cutting test is schematically shown in FIGS. 19A and 19B. As the work material W, a drawn tube material (outer diameter φ50 mm × inner diameter φ46 mm) made of an aluminum alloy (JIS A6063 / H18) was used unless otherwise specified.
この被削材Ｗを旋盤（株式会社森精機製作所社製 ＭＲ−１０００Ｇ）のチャック（図略）に取り付け、上述した切削チップＣを先端にセットしたバイトホルダーＨを、旋盤の刃物台（図略）に固定した。この刃物台には、図示しない切削分力動力計（キスラー社製 ９２５７Ａ）を取り付けた。これにより切削時に発生する切削抵抗力（主分力Ｆｍおよび背分力Ｆｂ）の測定が可能となる。この旋盤を稼動させて、二次元切削を行い、主分力Ｆｍおよび背分力Ｆｂを測定した結果を表１に併せて示した。 The work material W is attached to a chuck (not shown) of a lathe (MR-1000G manufactured by Mori Seiki Co., Ltd.), and the tool holder H having the cutting tip C set at the tip is attached to a tool post (not shown) of the lathe. ). A cutting component dynamometer (9257A manufactured by Kistler) (not shown) was attached to the tool post. As a result, the cutting resistance force (main component force Fm and back component force Fb) generated during cutting can be measured. Table 1 also shows the results of measuring the main component force Fm and the back component force Fb by operating this lathe to perform two-dimensional cutting.
なお、この二次元切削は、特に断らない限り切削速度（Ｖ）：２１６ｍ／ｍｉｎ、切削幅：２ｍｍ（被削材の厚み分）、切込み量（送り量）：０．１ｍｍ／ｒｅｖ（１回転あたり０．１ｍｍ）、切削距離：２３５．６ｍとした。なお、切削雰囲気は、特に断らない限り完全ドライ環境としたが、一部の比較試料についてはウエット環境とした。完全ドライ環境は、切削前に、バイトホルダー（切削チップＣを含む）Ｈと被削材Ｗの表面をヘキサンで脱脂して実現した。ウエット環境は、切削前に、バイトホルダーＨと被削材Ｗの表面に、不水溶性切削油剤（ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社製ユニカットテラミＤＳ５）を刷毛で塗布して実現した。 In this two-dimensional cutting, unless otherwise specified, cutting speed (V): 216 m / min, cutting width: 2 mm (the thickness of the work material), cutting depth (feed amount): 0.1 mm / rev (one rotation) 0.1 mm) and cutting distance: 235.6 m. The cutting atmosphere was a completely dry environment unless otherwise specified, but a part of the comparative samples was a wet environment. A completely dry environment was realized by degreasing the surface of the tool holder (including the cutting tip C) H and the work material W with hexane before cutting. The wet environment was realized by applying a water-insoluble cutting fluid (Unicut Terami DS5 manufactured by JX Nippon Mining & Energy Corporation) to the surface of the tool holder H and the work material W with a brush before cutting.
いずれの切削試験でも、切削工具である切削チップＣの切れ刃（刃先）Ｃｅで被削材Ｗの端面が切削され、切屑Ｓｃが生じ、この切屑Ｓｃが切削チップＣのすくい面Ｓｒ上に形成された表面テクスチャＴに接触しつつ排出される点は共通であった。 In any cutting test, the end face of the work material W is cut by the cutting edge (cutting edge) Ce of the cutting tip C which is a cutting tool, and chips Sc are generated, and the chips Sc are formed on the rake face Sr of the cutting tip C. The point of being discharged while being in contact with the surface texture T is common.
（２）切屑厚さ
各切削チップＣで二次元切削を行った際に排出された切屑Ｓｃの厚さをポイントマイクロメータで測定した。その結果を表１に併せて示した。
(2) Chip Thickness The thickness of the chips Sc discharged when performing two-dimensional cutting with each cutting tip C was measured with a point micrometer. The results are also shown in Table 1.
（３）凝着性
切削試験後の各切削チップＣに係る表面テクスチャＴの表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または光学顕微鏡で観察した一部を、図５Ａ〜図５Ｄと図６Ａに示した。
(3) Adhesiveness A part of the surface of the surface texture T of each cutting tip C after the cutting test was observed with a scanning electron microscope (SEM) or an optical microscope is shown in FIGS. 5A to 5D and FIG. 6A. .
《評価》
〈表面テクスチャの表面性状〉
（１）切削試験前
図１Ａ、図３Ａおよび図４からわかるように、ナノ秒パルスレーザを用いることにより、凹部の境界が明確で所望する形態の表面テクスチャが得られることが確認された。一方、図２からわかるように、フェムト秒パルスレーザを用いて形成した従来の表面テクスチャ（試料Ｎｏ．Ａ１６）は、各溝が非常に微細で溝の形態が安定していなかった。
<Evaluation>
<Surface properties of surface texture>
(1) Before cutting test As can be seen from FIG. 1A, FIG. 3A and FIG. 4, it was confirmed that the surface texture of the desired form with a clear boundary between the recesses was obtained by using the nanosecond pulse laser. On the other hand, as can be seen from FIG. 2, in the conventional surface texture (sample No. A16) formed using a femtosecond pulse laser, each groove was very fine and the shape of the groove was not stable.
図１Ｂおよび図３Ｂからわかるように、ナノ秒パルスレーザを用いて形成した表面テクスチャの凹部（溝、窪み）は、いずれも深さが安定しておりほぼ一定となっていることが確認された。さらに、レーザ加工した凹部の周囲には、高さ１〜３μｍ程度の僅かに盛り上がった部分（バリ）が生じることもわかった。但し、このバリは切削性に殆ど影響を与えず、実際に切削加工を行うと除去されることが確認されている。 As can be seen from FIG. 1B and FIG. 3B, it was confirmed that the concave portions (grooves and dents) of the surface texture formed by using the nanosecond pulse laser were stable in depth and almost constant. . Further, it was also found that a slightly raised portion (burr) having a height of about 1 to 3 μm was generated around the laser processed recess. However, it has been confirmed that this burr hardly removes the machinability and is removed when the cutting is actually performed.
（２）切削試験後
図５Ｂから明らかなように、切屑排出方向に連続した凹部が形成されていない表面テクスチャの場合、つまり切屑排出方向に断続的な凹部からなる表面テクスチャの場合、図５Ｄに比べて、切削試験後も被削材（切屑）の凝着が少ないことがわかる。ちなみに、図５Ｂと図５Ｄに示したＳＥＭ像を画像処理（二値化処理）して、それぞれのすくい面における被削材（アルミニウム合金）の凝着量を調べた。その結果、図５Ｂに係る凝着量は面積率で６０．９％であったが、図５Ｄに係る凝着量は面積率で８２．５％であった。このことからも、すくい面に表面テクスチャを設けることにより、被削材の凝着が大幅に低下することが確認された。
(2) After the cutting test As is clear from FIG. 5B, in the case of a surface texture in which a concave portion continuous in the chip discharging direction is not formed, that is, in the case of a surface texture consisting of intermittent concave portions in the chip discharging direction, FIG. Compared with the cutting test, it can be seen that there is little adhesion of the work material (chips). Incidentally, the SEM images shown in FIGS. 5B and 5D were subjected to image processing (binarization processing), and the adhesion amount of the work material (aluminum alloy) on each rake face was examined. As a result, the amount of adhesion according to FIG. 5B was 60.9% in terms of area ratio, while the amount of adhesion according to FIG. 5D was 82.5% in terms of area ratio. From this, it was confirmed that the adhesion of the work material is greatly reduced by providing a surface texture on the rake face.
逆に、図５Ｃから明らかなように、所定間隔毎で一つの切屑排出方向に配列された凹部からなる表面テクスチャの場合、その凹部の周囲にある切屑排出方向に沿った連続的な表面（残面）に、被削材（切屑）が連続的に凝着することがわかった。さらに図５Ｄから明らかなように、表面テクスチャのない場合、すくい面の全面に、切屑排出方向に沿った連続的な凝着が観察された。従って、被削材のすくい面における凝着を抑制して切削性の向上を図る上で、いずれの切屑排出方向にも断続的（不連続的）に凹部が交互に配置された表面テクスチャをすくい面に設けると好ましいことがわかった。 On the other hand, as is clear from FIG. 5C, in the case of a surface texture consisting of recesses arranged in one chip discharge direction at predetermined intervals, a continuous surface (residual) along the chip discharge direction around the recesses. It was found that the work material (chips) adhered continuously to the surface. Further, as apparent from FIG. 5D, in the absence of surface texture, continuous adhesion along the chip discharge direction was observed over the entire rake face. Therefore, in order to improve the machinability by suppressing the adhesion on the rake face of the work material, the surface texture in which the recesses are intermittently (discontinuously) alternately arranged in any chip discharge direction is raked. It was found that it was preferable to provide it on the surface.
図６Ａに示した観察結果から測定した切屑接触長さと切屑接触面積率の関係を図６Ｂに示した。切屑接触長さは、切屑排出方向における接触表面内の最大凝着長さを測定して算出したものである。これら図６Ａおよび図６Ｂから明らかなように、ドット型テクスチャ（窪み径：３０μｍ）の場合、切屑接触面積率が大きくなるほど、被削材の凝着が多くなっている。また後述するが、図１３Ｂ（窪み径：３０μｍ）に示すように、切屑接触面積率が小さいほど切削性がよいこともわかっている。これらを併せて考えると、すくい面（特に表面テクスチャ）における凝着性と切削工具の切削性との間には切屑接触面積率をパラメータとした相関がある。そして本発明では、その切屑接触面積率を適切な範囲内に設定したことにより、凝着性と切削性の両方が大きく改善されたといえる。 The relationship between the chip contact length and the chip contact area ratio measured from the observation results shown in FIG. 6A is shown in FIG. 6B. The chip contact length is calculated by measuring the maximum adhesion length in the contact surface in the chip discharge direction. As is clear from FIGS. 6A and 6B, in the case of a dot-type texture (indentation diameter: 30 μm), the adhesion of the work material increases as the chip contact area ratio increases. As will be described later, as shown in FIG. 13B (indentation diameter: 30 μm), it is also known that the smaller the chip contact area ratio, the better the machinability. Considering these factors together, there is a correlation between the adhesion on the rake face (particularly the surface texture) and the machinability of the cutting tool using the chip contact area ratio as a parameter. And in this invention, it can be said that both the adhesiveness and the machinability were greatly improved by setting the chip contact area ratio within an appropriate range.
〈溝型テクスチャ〉
（１）表１に示す結果に基づき、溝型テクスチャの溝幅と完全ドライ環境下における切削性との関係を図７に示した。表面テクスチャを形成していない試料Ｎｏ．Ｄ０（溝幅：０μｍ）を除き、図７に示した試料Ｎｏ．Ａ１１、Ａ１３およびＡ１５の切屑接触面積率は全て７５％である。
<Grooved texture>
(1) Based on the results shown in Table 1, the relationship between the groove width of the groove-type texture and the machinability in a completely dry environment is shown in FIG. Sample No. with no surface texture formed Except for D0 (groove width: 0 μm), the sample No. shown in FIG. The chip contact area ratios of A11, A13, and A15 are all 75%.
図７からわかるように、溝型テクスチャを設けることにより、切屑厚さが急減した。また、溝幅が２μｍ以上になると、主分力および背分力（両者を合わせて適宜「切削抵抗力」という。）が共に大幅に低下した。 As can be seen from FIG. 7, the chip thickness decreased sharply by providing the groove-type texture. In addition, when the groove width was 2 μm or more, both the main component force and the back component force (both of which are referred to as “cutting resistance force” as appropriate) were significantly reduced.
ちなみに、切屑排出方向（切れ刃方向に垂直な方向）に溝が形成された溝型テクスチャを有する切削チップを用いて切削試験を行った場合、主分力、背分力および切屑厚みのいずれも、ほとんど低減しないことは確認済みである。このことから、切削性の向上には、切屑排出方向に連続した溝からなる溝型テクスチャではなく、切屑排出方向に断続した溝からなる溝型テクスチャが有効であることがわかる。 Incidentally, when a cutting test is performed using a cutting tip having a groove-type texture in which grooves are formed in the chip discharge direction (direction perpendicular to the cutting edge direction), all of the main component force, the back component force, and the chip thickness It has been confirmed that there is almost no reduction. From this, it can be seen that, for improving the machinability, not a groove-type texture consisting of grooves continuous in the chip discharge direction but a groove-type texture consisting of grooves intermittent in the chip discharge direction is effective.
（２）表１に示す結果に基づき、溝型テクスチャの切屑接触面積率と切削性の関係を図８に示した。表面テクスチャを形成していない試料Ｎｏ．Ｄ０を除き、図８に示した試料Ｎｏ．Ａ１２〜１４の溝幅は全て５μｍである。 (2) Based on the results shown in Table 1, the relationship between the chip contact area ratio of the groove-type texture and the machinability is shown in FIG. Sample No. with no surface texture formed Except for D0, the sample No. shown in FIG. The groove widths of A12-14 are all 5 μm.
図８からわかるように、溝型テクスチャを設けることにより、切屑厚さが大幅に低減した。また切屑接触面積率が６０〜８５％のときに、主分力および背分力が共に大幅に低減し、切削性が向上した。 As can be seen from FIG. 8, the chip thickness was significantly reduced by providing the groove-type texture. Further, when the chip contact area ratio was 60 to 85%, both the main component force and the back component force were significantly reduced, and the machinability was improved.
（３）表１に示す結果に基づき、表面テクスチャの形成に用いたレーザの種類と切削性の関係を図９に示した。図９に示したナノ秒パルスレーザ加工した試料は、前述した溝幅：５μｍ、切屑接触面積率：７５％の溝型テクスチャを有する試料Ｎｏ．Ａ１３である。 (3) Based on the results shown in Table 1, the relationship between the type of laser used to form the surface texture and the cutting ability is shown in FIG. The sample processed by the nanosecond pulse laser shown in FIG. 9 has the groove No. 5 having a groove-type texture with a groove width of 5 μm and a chip contact area ratio of 75%. A13.
図９からわかるように、フェムト秒パルスレーザ加工した従来の溝型テクスチャを有する試料Ｎｏ．Ａ１６でも、レーザ加工していない試料Ｎｏ．Ｄ０に対して、切削性が多少向上した。しかし、その程度は僅かであった。 As can be seen from FIG. 9, a sample No. 1 having a conventional grooved texture processed by femtosecond pulse laser processing is used. Even in A16, the sample No. which was not laser processed. Machinability improved somewhat with respect to D0. However, the degree was slight.
従って、フェムト秒パルスレーザで形成された従来の溝型テクスチャでは、完全ドライ環境における切削性の向上は、殆ど望めない。また、フェムト秒パルスレーザを用いると、基材（ブランクチップ）への熱的影響を小さくしつつ微細な加工が可能であるが、ナノ秒パルスレーザで加工した場合と同様な大きさの表面テクスチャを形成するには長時間を要し、加工効率が悪いと思われる。 Therefore, with a conventional groove-type texture formed with a femtosecond pulse laser, improvement in machinability in a completely dry environment can hardly be expected. The femtosecond pulse laser allows fine processing while reducing the thermal effect on the base material (blank chip), but the surface texture has the same size as that processed by the nanosecond pulse laser. It takes a long time to form, and the processing efficiency seems to be poor.
〈円形状のドット型テクスチャ〉
（１）先ず、ドット型テクスチャを有する試料Ｎｏ．Ｂ１９とすくい面が平滑な試料Ｎｏ．Ｄ０を用いて、アルミニウム合金管材（外径φ１００ｍｍ×内径φ９４ｍｍ）を切削して切削速度と切削性の関係を調べた。この結果を図１０に示した。図１０から明らかなように、切削速度に拘わらず、すくい面に表面テクスチャを設けることにより切削性が向上した。つまり、すくい面に表面テクスチャを設けた場合に、切削速度が切削性に及ぼす影響は小さいことが確認できた。
<Circular dot-shaped texture>
(1) First, sample No. having a dot-type texture was used. Sample No. B19 with a smooth rake face. Using D0, an aluminum alloy tube (outer diameter φ100 mm × inner diameter φ94 mm) was cut to examine the relationship between the cutting speed and the cutting ability. The results are shown in FIG. As apparent from FIG. 10, the machinability was improved by providing a surface texture on the rake face regardless of the cutting speed. That is, it was confirmed that when the surface texture was provided on the rake face, the influence of the cutting speed on the machinability was small.
（２）次に、ドット型テクスチャを有する試料Ｎｏ．Ｂ２０を用いて、切れ刃マージンと切削性の関係を調べた。この結果を図１１に示した。図１１から明らかなように、切れ刃マージンが少なくとも３００μｍ程度までなら、切れ刃マージンの大小に拘わらず、すくい面に表面テクスチャを設けることにより切削性が向上した。つまり、すくい面に表面テクスチャを設けた場合に、切れ刃マージンが切削性に及ぼす影響は小さいことが確認できた。 (2) Next, Sample No. having a dot-type texture was used. The relationship between the cutting edge margin and machinability was examined using B20. The results are shown in FIG. As apparent from FIG. 11, when the cutting edge margin is at least about 300 μm, the machinability is improved by providing a surface texture on the rake face regardless of the size of the cutting edge margin. That is, when the surface texture was provided on the rake face, it was confirmed that the influence of the cutting edge margin on the machinability was small.
（３）表１に示す結果に基づき、ドット型テクスチャの窪み径と完全ドライ環境下における切削性との関係を図１２Ａに示した。表面テクスチャを形成していない試料Ｎｏ．Ｄ０を除き、図１２Ａに示した試料Ｎｏ．Ｂ１３、Ｂ１４、Ｂ１８、Ｂ４２、Ｂ４３、Ｂ４４およびＢ４５の切屑接触面積率は９．６％〜５５．８％である。図１２Ａからわかるように、ドット型テクスチャを設けることにより、窪み径に拘わらず切屑厚さが急減した。そのうち、窪み径が３０〜３００μｍのときに切削抵抗力が大幅に低下した。 (3) Based on the results shown in Table 1, FIG. 12A shows the relationship between the dent diameter of the dot-type texture and the machinability in a completely dry environment. Sample No. with no surface texture formed Except for D0, the sample No. shown in FIG. The chip contact area ratio of B13, B14, B18, B42, B43, B44 and B45 is 9.6% to 55.8%. As can be seen from FIG. 12A, by providing the dot-type texture, the thickness of the chip sharply decreased regardless of the dent diameter. Among them, the cutting resistance greatly decreased when the dent diameter was 30 to 300 μm.
（４）表１に示す結果に基づき、ドット型テクスチャの窪み深さと完全ドライ環境下における切削性との関係を図１２Ｂに示した。図１２Ｂに示したドット型テクスチャを有する試料は、試料Ｎｏ．Ｂ２０（窪み径：３０μｍ、切屑接触面積率：６３．５％）をベースにして、窪み深さを種々変更したものである。図１２Ｂからわかるように、ドット型テクスチャを設けることにより、窪み深さに拘わらず切削性が大幅に向上した。つまり、窪み深さが切削性に及ぼす影響は小さいことがわかった。 (4) Based on the results shown in Table 1, FIG. 12B shows the relationship between the dent depth of the dot-type texture and the machinability in a completely dry environment. The sample having the dot-type texture shown in FIG. Based on B20 (indentation diameter: 30 μm, chip contact area ratio: 63.5%), the indentation depth is variously changed. As can be seen from FIG. 12B, by providing the dot-type texture, the machinability was greatly improved regardless of the depth of the recess. That is, it has been found that the effect of the depth of the depression on the machinability is small.
（５）表１に示す結果に基づき同様に、ドット型テクスチャの切屑接触面積率と切削性の関係を図１３Ａ〜図１３Ｅに示した。表面テクスチャを形成していない試料Ｎｏ．Ｄ０を除き、図１３Ａ〜図１３Ｅの各図に示した各試料の窪み径は、順に１４μｍ、３０μｍ、５０μｍ、１００μｍおよび３００μｍである。 (5) Similarly, based on the results shown in Table 1, the relationship between the chip contact area ratio of the dot-type texture and the machinability is shown in FIGS. 13A to 13E. Sample No. with no surface texture formed Except for D0, the recess diameters of the samples shown in FIGS. 13A to 13E are 14 μm, 30 μm, 50 μm, 100 μm, and 300 μm in order.
これらから明らかなように、ドット型テクスチャの切屑接触面積率が９０％以下さらには８５％以下となるとき、窪み径の大小に拘わらず、切削性の大幅な向上が観られた。特に窪み径が３０〜１００μｍのとき、切屑接触面積率の低下と共に切削性が顕著に向上した。 As is clear from these results, when the chip contact area ratio of the dot-type texture is 90% or less, further 85% or less, a significant improvement in machinability was observed regardless of the size of the dent diameter. In particular, when the hollow diameter was 30 to 100 μm, the machinability was significantly improved as the chip contact area ratio decreased.
〈窪み配置と切削環境〉
表１に示す結果に基づき、ドット型テクスチャのパターンと切削性の関係を図１４Ａおよび図１４Ｂに示した。図１４Ａは完全なドライ環境下で切削試験を行った場合であり、図１４Ｂはウエット環境下で切削試験を行った場合である。表面テクスチャを形成していない試料Ｎｏ．Ｄ０および試料Ｎｏ．Ｄ１を除き、各図に示した試料Ｎｏ．Ｂ１５および試料Ｎｏ．Ｃ１１〜Ｃ１３はいずれも、窪み径：１４μｍ、切屑接触面積率：６１．５％である。
<Indentation and cutting environment>
Based on the results shown in Table 1, the relationship between the dot-type texture pattern and the machinability is shown in FIGS. 14A and 14B. FIG. 14A shows a case where the cutting test is performed under a completely dry environment, and FIG. 14B shows a case where the cutting test is performed under a wet environment. Sample No. with no surface texture formed D0 and sample no. Except for D1, sample No. shown in each figure. B15 and Sample No. C11 to C13 all have a recess diameter of 14 μm and a chip contact area ratio of 61.5%.
交互配置の場合、並列配置の場合よりも、切削抵抗力と切屑厚さが共に小さくなり、切削性に優れることが明らかとなった。この傾向はドライ環境下でもウエット環境下でも同様であった。 In the case of the alternating arrangement, it became clear that both the cutting resistance and the chip thickness are smaller than those in the case of the parallel arrangement, and the machinability is excellent. This tendency was the same in both dry and wet environments.
また、並列配置の場合はドライ環境下でもウエット環境下でも切削性に大差なかったが、交互配置の場合はドライ環境下よりもウエット環境下で切削性がより向上した。これは、交互配置された窪みの方が、並列配置された窪みよりも、液溜まり性に優れるためと考えられる。 In the case of the parallel arrangement, the machinability was not significantly different in the dry environment or in the wet environment, but in the case of the alternating arrangement, the machinability was further improved in the wet environment than in the dry environment. This is presumably because the alternately arranged dents are superior to the pits arranged in parallel with each other.
〈被削材とすくい面の表面処理〉
先ず、表面テクスチャが形成されていない市販の超硬製切削チップ（住友電工株式会社製ハードメタル ＳＴ２０Ｅ）と、すくい面がＴｉＡｌＮ／ＡｌＣｒＮ積層被膜でコーティングされた市販の超硬製切削チップ（住友電工株式会社製ハードメタル ＡＣ５１０Ｕ）を用意した。これら切削チップ（適宜「ブランクチップ」という。）は、ステンレス鋼製の被削材に対応している。各ブランクチップのすくい面に、表２Ａに示す交互配置したドット型テクスチャを形成した。この表面テクスチャの形成は、ナノ秒パルスレーザを用いて既述した方法により行った。
<Surface treatment of work material and rake face>
First, a commercially available carbide cutting tip (hard metal ST20E manufactured by Sumitomo Electric Co., Ltd.) with no surface texture formed thereon, and a commercially available carbide cutting tip (Sumitomo Electric Industries) whose rake face is coated with a TiAlN / AlCrN laminated coating. Hardmetal AC510U made by Co., Ltd. was prepared. These cutting tips (referred to as “blank tips” as appropriate) correspond to stainless steel work materials. The interleaved dot-type texture shown in Table 2A was formed on the rake face of each blank chip. The surface texture was formed by the method described above using a nanosecond pulse laser.
被削材にステンレス鋼（ＪＩＳ ＳＵＳ３０４）製の溶接丸管（外径φ５０ｍｍ×内径φ４６ｍｍ）を用いて、既述した方法で切削試験を行った。なお、切削速度は１２２ｍ／ｍｉｎまたは２１６ｍ／ｍｉｎとした。こうして得られた結果を表２Ａに併せて示すと共に図１５Ａおよび図１５Ｂに示した。 Using a welded round tube (outer diameter φ50 mm × inner diameter φ46 mm) made of stainless steel (JIS SUS304) as a work material, a cutting test was performed by the method described above. The cutting speed was 122 m / min or 216 m / min. The results thus obtained are shown together in Table 2A and shown in FIGS. 15A and 15B.
これらの結果から、被削材が鋼材でも、表面テクスチャを設けることにより切削性の向上（特に背分力の低減）が図られることが確認できた。もっとも、ステンレス鋼はアルミニウム合金の場合よりも表面テクスチャによる効果はさほど大きくななかった。被削材がステンレス鋼の場合、凝着よりも耐チッピング性が重要となり、被膜もその観点に基づいて形成されているためと考えられる。 From these results, it was confirmed that even when the work material was steel, the machinability was improved (particularly, the back component force was reduced) by providing the surface texture. However, the effect of surface texture was not so great in stainless steel than in the case of aluminum alloy. When the work material is stainless steel, chipping resistance is more important than adhesion, and the coating is formed based on that viewpoint.
〈空間体積〉
ドット型テクスチャの場合、切屑接触面（テクスチャ域）の単位面積あたりにできる凹部の空間（空間体積）は、前述したように１．０×１０−３〜１．０×１０−１ｍｍ３／ｍｍ２さらには９．０×１０−３〜４．５×１０−２ｍｍ３／ｍｍ２であると好ましい。
<Space volume>
In the case of a dot-type texture, the space (space volume) of the recess formed per unit area of the chip contact surface (texture area) is 1.0 × 10 −3 to 1.0 × 10 −1 mm 3 / mm 2 more preferably a 9.0 × 10 -3 ~4.5 × 10 -2 mm 3 / mm 2.
例えば、ドット型テクスチャを構成する窪みが半球面状であるとすると、窪み径：５μｍ、切屑接触面積率：８５％、窪み深さ：２μｍのときの空間体積は１．８×１０−４ｍｍ３／ｍｍ２ となる。同様に、窪み径：３００μｍ、切屑接触面積率：９％、窪み深さ：５０μｍのときの空間体積は２．３×１０−２ｍｍ３／ｍｍ２となる。 For example, assuming that the dent constituting the dot-shaped texture is hemispherical, the space volume when the dent diameter is 5 μm, the chip contact area ratio is 85%, and the dent depth is 2 μm is 1.8 × 10 −4 mm. 3 / mm 2 . Similarly, the space volume when the recess diameter is 300 μm, the chip contact area ratio is 9%, and the recess depth is 50 μm is 2.3 × 10 −2 mm 3 / mm 2 .
〈破線溝状のドット型テクスチャ〉
上述した円形状のドット型テクスチャに替えて、図１８に示すような破線溝状（長円状）のドット型テクスチャをすくい面に形成した切削チップを複数用意して、前述した場合と同様にアルミニウム合金管材をドライ切削した。これにより得られた各試料に係る表面テクスチャと切削性の関係を表２Ｂに示した。また、各試料に係る切屑接触面積率と切削性の関係を図２０に示した。
<Dotted line-shaped texture with broken line>
In place of the circular dot-shaped texture described above, a plurality of cutting tips having a dotted groove-shaped (oval-shaped) dot-shaped texture as shown in FIG. The aluminum alloy tube material was dry cut. Table 2B shows the relationship between the surface texture and machinability of each sample obtained in this way. Moreover, the relationship between the chip contact area ratio and the machinability according to each sample is shown in FIG.
ドット型テクスチャを構成する窪みが破線溝状であっても、円形状の場合と同様な傾向を示すことがわかった。特に破線溝状のドット型テクスチャの場合、切屑接触面積率を９０％以下さらには６０％以下とすることにより、優れた切削性が得られることがわかった。 It has been found that even when the dents constituting the dot-type texture have a broken-line groove shape, the same tendency as in the circular shape is exhibited. In particular, in the case of a dotted groove-like dot-type texture, it has been found that excellent machinability can be obtained by setting the chip contact area ratio to 90% or less, further 60% or less.
〈切削距離と切削性〉
試料Ｎｏ．Ｂ４３に示したドット型テクスチャ（窪み径：１００μｍ、切屑接触面積率：９．６％）を有する切削チップを用いて、上述した場合よりも切削距離が長い切削試験を行い、各切削距離毎の切削性を測定した。この結果を図２１に示した。なお、図２１中で最小の切削距離は１５．７ｍである。図２１から明らかなように、ドット型テクスチャを設けた切削チップは、切削距離が１０倍（２３５．６ｍ→２３５６ｍ）に伸びても、良好な切削性を安定して発揮し、耐久性にも優れることがわかった。
<Cutting distance and machinability>
Sample No. Using a cutting tip having the dot-type texture shown in B43 (indentation diameter: 100 μm, chip contact area ratio: 9.6%), a cutting test having a longer cutting distance than the above-described case is performed, and each cutting distance is measured. The machinability was measured. The results are shown in FIG. In addition, the minimum cutting distance in FIG. 21 is 15.7 m. As is clear from FIG. 21, the cutting tip provided with the dot-type texture stably exhibits good cutting ability and durability even when the cutting distance is increased 10 times (235.6 m → 2356 m). I found it excellent.
〈すくい面の表面性状〉
上述した切削試験（切削距離：２３５６ｍ）後の試料Ｎｏ．Ｂ４３に係る切削チップのすくい面を電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）で観察した写真を図２２Ａおよびその拡大写真である図２２Ｂに示した。これらから明らかなように、切削後の切屑接触面領域（窪み周縁から外方に向かう領域）において、Ｃｏが濃化（逆にＣは薄化）していることがわかる。このような表面性状がすくい面上に現れる理由は現状定かではないが、
この表面性状が少なくとも超硬合金製切削チップに係る優れた切削性や耐久性に何らかの影響を及ぼしている可能性はあり得る。
<Surface properties of rake face>
Sample No. after the cutting test (cutting distance: 2356 m) described above. The photograph which observed the rake face of the cutting tip which concerns on B43 with the electronic probe microanalyzer (EPMA) was shown to FIG. 22A which is FIG. 22A, and its enlarged photograph. As is clear from these, it can be seen that Co is concentrated (conversely, C is thinned) in the chip contact surface region after cutting (a region extending outward from the recess periphery). The reason why such surface texture appears on the rake face is not clear at present,
There is a possibility that this surface property has some influence on at least the excellent machinability and durability of the cemented carbide cutting tip.
Ｔ 表面テクスチャ
Ｃ 切削チップ（切削工具）
Ｃｒ すくい面
Ｃｅ 切れ刃
Ｈ バイトホルダー
Ｓｃ 切屑
Ｗ 被削材
Ｆｍ 主分力
Ｆｂ 背分力
T Surface texture C Cutting tip (cutting tool)
Cr Rake face Ce Cutting edge H Tool holder Sc Chip W Work material Fm Main component force Fb Back component force
Claims (13)
前記表面テクスチャは、前記切屑の排出方向に断続した凹部を有すると共に該凹部がドット状の窪みからなるドット型テクスチャであり、
該窪み一つあたりの大きさを指標する窪み径は５〜３００μｍであり、
該表面テクスチャ全面から該凹部を除いた残面の該表面テクスチャ全面に対する面積割合である切屑接触面積率が９〜９０％であることを特徴とする切削工具。 A cutting tool provided with a rake face provided with a concavo-convex surface texture on at least a part of a contact surface on which chips of a work material generated by cutting with a cutting edge at a tip can come into contact,
The surface texture is a dot texture recess consists of recesses in the dot-like as well as have a recess intermittently in the discharge direction of the chips,
The hollow diameter indicating the size of each hollow is 5 to 300 μm,
A cutting tool having a chip contact area ratio of 9 to 90%, which is an area ratio of the remaining surface excluding the concave portion from the entire surface texture to the entire surface texture.
請求項１〜９のいずれかに記載の切削工具が得られることを特徴とする切削工具の製造方法。 A texture forming step of irradiating at least a part of the smooth rake face connected to the cutting edge at the tip with a high energy beam to form a surface texture in a concavo-convex pattern;
A method for producing a cutting tool, wherein the cutting tool according to any one of claims 1 to 9 is obtained.
該回収した切削工具のすくい面上の少なくとも一部へ高エネルギービームを照射して、該すくい面上に凹凸模様状の表面テクスチャを形成するテクスチャ形成工程とを備え、
請求項１〜９のいずれかに記載の切削工具が得られることを特徴とする切削工具の製造方法。 Recovering after use of a cutting tool having a rake face with a rugged surface texture on at least a part of the contact surface that can be contacted with chips of the work material cut by the cutting edge at the tip Process,
By irradiating a high energy beam to at least a portion of the rake face of the cutting tool the recovered, and a texture forming step of forming a concave and convex pattern shape of the surface texture on the rake face,
The method of manufacturing a cutting tool, characterized in Rukoto cutting tool is obtained according to any one of claims 1 to 9.
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