JP5899905B2 - 炭素膜被覆ドリルおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
なお、本明細書において切れ刃とは、切削工具の刃先と、刃先に接したすくい面の一部分と、刃先に接した逃げ面の一部分を合わせた領域のことを示す。
第一に、研削加工により切れ刃を形成した場合、ダイヤモンドが砥石よりも硬いため、加工途中で砥石の形態変化を生じてしまう。その結果、高精度に意図した形状加工を行うことが困難となる。
第二に、レーザとダイヤモンド被膜とを共に相対運動させながら走査レーザ加工する方法では、さらに加工対象物の形態に倣ったワーク(被削体)移動が必要となる。そのために、レーザの焦点およびダイヤモンド被膜の位置制御が複雑となる。
第三に、ダイヤモンド被膜に対して垂直にレーザ光を照射する加工方法では、加工後の形態が加工前の膜の起伏形状を反映し易くなる。そのために、加工前の膜が、均一なダイヤモンド被膜として形成される必要がある。そのために、高精度な加工が難しくなる。
第四に、ドリルの切れ刃などの刃先にダイヤモンド被膜を形成する場合、ダイヤモンド被膜の厚さに応じて、刃先に被膜が盛り上がって形成されるので、刃先の加工が困難である。このために、従来では、ダイヤモンド被膜でコーティングされ、かつ鋭利なエッジを有したドリルを作製することは困難であった。
すなわち、炭素膜刃先を含む部分(切れ刃)の炭素膜表面がすくい面および逃げ面の延長面に対してえぐられて凹面化されることで、炭素膜刃先の炭素膜が鋭く形成される。その結果、上記炭素膜被覆ドリルにおいては、従来方法により形成されたチャンファよりも鋭利なエッジを得ることができる。
上記炭素膜被覆ドリルでは、前記炭素膜がダイヤモンド膜であってもよい。
また、上記炭素膜被覆ドリルでは、前記炭素膜刃先に直交する面による、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の断面が、凹曲線状であってもよい。
また、上記炭素膜被覆ドリルでは、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の、前記炭素膜刃先と直交しそれぞれの面に沿った方向における幅が10μmから2000μmの範囲内であってもよい。
また、上記炭素膜被覆ドリルでは、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の深さが2μmから15μmの範囲内であってもよい。
また、上記炭素膜被覆ドリルでは、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の、前記炭素膜刃先と直交する方向における幅が10μmから2000μmの範囲内であって、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の深さが2μmから15μmの範囲内であってもよい。
上記炭素膜被覆ドリルの製造方法では、炭素膜形成工程において、予め基体刃先上に炭素膜を他の部分より盛り上げて形成しておくことで、レーザ加工工程における炭素膜の削りしろを大きく設けている。そのため、この炭素膜被覆ドリルの製造方法では、より深い凹面およびより鋭利なエッジを形成することが可能になる。なお、すくい面と逃げ面との2面が近接する基体刃先は、炭素膜が成長し易い場所であることから、炭素膜を厚めにCVD成膜でコーティングすることで、切れ刃部分に炭素膜を他の部分より盛り上げて形成することができる。
この炭素膜被覆ドリルの製造方法では、炭素膜が、ダイヤモンド膜であり、レーザビームの波長が、360nm以下であるので、ダイヤモンド加工に適した波長のレーザビームにより高精度にダイヤモンド膜を加工することができる。
また、上記炭素膜被覆ドリルの製造方法において、前記レーザ加工工程では、前記レーザビームの走査を10ライン以下の複数ラインとし、前記レーザビームの走査ラインをスライドさせながら、それぞれの走査ラインが部分的に重なった状態として照射を行い、前記炭素膜刃先となるエッジ部分に対しては、前記レーザビームの外周側を当てることとしてもよい。
本発明の第一の態様である炭素膜被覆ドリルにおいては、基体すくい面上の領域、および基体逃げ面上の領域の炭素膜に、工具基体に向けて凹んだすくい面側の凹面および逃げ面側の凹面がそれぞれ形成されている。さらに、すくい面側の凹面および逃げ面側の凹面は、基体刃先上で交差して炭素膜に炭素膜刃先を形成している。さらに、すくい面側の凹面と逃げ面側の凹面との交差する角度は、基体すくい面と基体逃げ面との成す角度より小さい。以上の構成を有することにより、上記炭素膜被覆ドリルは、従来よりもさらに鋭利なエッジを有することができる。
また、本発明の第二の態様である炭素膜被覆ドリルの製造方法によれば、レーザ加工工程において、レーザビームのビーム断面での光強度分布がガウシアン分布を示し、レーザビームを、刃先前方から刃先近傍におけるすくい面側または逃げ面側の炭素膜に向けて照射し、このレーザビームは、刃先の延在方向に沿って走査することで前記凹面を形成するので、高精度に前記凹面を刃先に沿って形成することができ、鋭利なエッジを形成することができる。
したがって、本発明の炭素膜被覆ドリルおよび上記製法で作製した炭素膜被覆ドリルは、炭素膜による耐摩耗性だけでなく切れ味に優れ、非鉄金属および複合材料加工用のドリルとしても適している。
また、すくい面側の凹面3aおよび逃げ面側の凹面3aは、基体刃先2b上で交差して炭素膜3に炭素膜刃先3bを形成している。また、すくい面側の凹面3aと逃げ面側の凹面3aの交差する角度θ1は、基体すくい面2cと基体逃げ面2dとの成す角度θ0より小さい。
この炭素膜被覆ドリル1は、図2Aおよび2Bに示すように、例えばシャンク部1aと先端に設けられた一対の刃先3bとを有する。そして、さらにドリルボディ側面に設けられた、螺旋状溝が2本形成された刃部1bを有する。
この炭素膜被覆ドリル1は、図6に示すように、先端部に設けられた逃げ面4bおよびすくい面4a内で開口し、ドリル軸に沿って連通するらせん穴を二本備えてもよい。切削時には、このらせん穴を通して、切削箇所へ潤滑油が供給される。
この炭素膜被覆ドリル1において、炭素膜3の膜厚は特に限定されないが、5から50μmが好ましく、8から20μmがより好ましい。
このため、これら一対の凹面3aの境界に形成された炭素膜3の先端(エッジ、炭素膜刃先3b)における、前記すくい面側の凹面3aと前記逃げ面側の凹面3aの交差する角度θ1(すくい面4aおよび逃げ面4bに直交する面における断面の炭素膜刃先3bの先端角度)は、基体すくい面2cと基体逃げ面2dとの成す角度θ0より小さく形状加工されている。言い換えると、「θ1<θ0」となるように基体2をコーティングしている炭素膜3が加工されている。また、炭素膜刃先3bに形成された炭素膜3の先端部は、曲率半径2μm以下に加工されている。
好ましい凹面の曲率半径は、ドリルの大きさにより異なるが、ドリル径が0.5mm〜20mmである場合は、曲率半径が5μmから3000μmの範囲内であることが好ましい。さらに好ましい曲率半径は15μmから300μmである。
炭素膜刃先3bの延在方向と直交する方向における、上記凹面の幅は、ドリルの大きさにより異なるが、ドリル径が0.5mm〜20mmである場合は、凹面の幅が10μmから2000μmの範囲内であることが好ましい。さらに好ましい凹面の幅は20μmから1000μmである。
上記凹面の深さは、ドリルの大きさにより異なるが、ドリル径が0.5mm〜20mmである場合は、凹面の深さが2μmから15μmの範囲内であることが好ましい。さらに好ましい凹面の深さは2μmから10μmである。
上記炭素膜形成工程では、図5に示す様に、予め基体刃先2b上に炭素膜3を他の部分より盛り上げて形成しておく。基体すくい面2cと基体逃げ面2dとの2面が隣接する基体刃先2b上は、化学蒸着(CVD)により形成される炭素膜3が成長し易い場所である。そのため、CVD成膜により、炭素膜3を厚めにコーティングすることで、図5に示す様に、基体刃先2b上に炭素膜3を他の部分より盛り上げて形成することができる。
また、レーザ光照射機構22は、レーザビームLの走査方向を、楕円形状であるビーム断面の長軸方向または短軸方向に一致させている。これは、レーザビームLの走査方向が、上記の楕円形状を有するビーム断面の長軸方向または短軸方向に一致せず、長軸または短軸に対して傾いた方向である場合、走査終端部分において、加工形状が傾いてズレが生じてしまうためである。なお、本実施形態では、レーザビームLの走査方向を、上記ビーム断面の短軸方向に一致させている。
なお、炭素膜3が、ダイヤモンド膜である場合、レーザビームLの波長は、360nm以下の紫外線レーザ光を使用する。
レーザ加工工程における、レーザ光源26の波長は、190〜550nmがより好ましい。さらに好ましくは、190〜360nmである。
上記ガルバノスキャナ27は、移動機構24の直上に配置されている。また、上記CCDカメラ28は、ガルバノスキャナ27に隣接して設置されている。
なお、炭素膜3によっては、加工表面から1μm程度まではダイヤモンドがアモルファスカーボンになる等の構造変化が起こり得る。
加工表面から1μm以下の厚さで形成されるアモルファスカーボン層は、切削時に弾性層として機能することにより、炭素膜被覆ドリル1の切れ刃3bのチッピングを抑制する働きを持つ。
さらに、炭素膜形成工程において、予め基体刃先2b上に炭素膜3を他の部分より盛り上げて形成しておくことで、レーザ加工工程における炭素膜3の削りしろを大きく設けている。その結果、この炭素膜被覆ドリル1の製造方法によって、より深い凹面3aおよびより鋭利なエッジを形成することが可能になる。
また、上述したように、切れ刃2aの部分は、成膜サイトが平面よりも多くなるため、厚くかつラウンド化してダイヤモンド膜(炭素膜3)が成膜されている。
本実施例では、上記平均膜厚taを5μm以上とした。さらに付け加えて、「te>ta 」の関係になるようにダイヤモンド膜を成膜した。
2 工具基体
2a 切れ刃
2b 基体刃先
2c 基体すくい面
2d 基体逃げ面
3 炭素膜
3a 凹面
3b 炭素膜刃先
4a すくい面
4b 逃げ面
θ0 基体すくい面と基体逃げ面との成す角度
θ1 すくい面側の凹面および逃げ面側の凹面の交差する角度
Claims (10)
- 炭素膜被覆ドリル(1)であって、
基体刃先(2b)と、前記基体刃先(2b)を挟んで互いに隣接する基体すくい面(2c)および基体逃げ面(2d)とを有する工具基体(2)と、
前記基体刃先(2b)、前記基体すくい面(2c)、および前記基体逃げ面(2d)の上に形成された炭素膜(3)とを有し、
前記炭素膜(3)には、前記基体すくい面(2c)上の領域、および前記基体逃げ面(2d)上の領域に、前記工具基体に向けて凹んだすくい面側の凹面(3a)および逃げ面側の凹面(3a)がそれぞれ形成され、
前記すくい面側の凹面(3a)および前記逃げ面側の凹面(3a)は、前記基体刃先(2b)上で交差して前記炭素膜(3)に炭素膜刃先(3b)を形成しており、
前記すくい面側の凹面(3a)と前記逃げ面側の凹面(3a)の交差する角度(θ1)は、前記基体すくい面(2c)と前記基体逃げ面(2d)との成す角度(θ0)より小さいことを特徴とする炭素膜被覆ドリル。 - 前記炭素膜がダイヤモンド膜である、請求項1に記載の炭素膜被覆ドリル(1)。
- 前記炭素膜刃先に直交する面による、前記すくい面側の凹面(3a)および前記逃げ面側の凹面(3a)の断面が、凹曲線状である、請求項1または2記載の炭素膜被覆ドリル(1)。
- 請求項3に記載の炭素膜被覆ドリル(1)であって、前記すくい面側の凹面(3a)および前記逃げ面側の凹面(3a)の、前記炭素膜刃先(3b)と直交しそれぞれの面に沿った方向における幅が10μmから2000μmの範囲内である炭素膜被覆ドリル(1)。
- 請求項3に記載の炭素膜被覆ドリル(1)であって、前記すくい面側の凹面(3a)および前記逃げ面側の凹面(3a)の深さが2μmから15μmの範囲内である炭素膜被覆ドリル(1)。
- 請求項3に記載の炭素膜被覆ドリル(1)であって、前記すくい面側の凹面(3a)および前記逃げ面側の凹面(3a)の、前記炭素膜刃先(3b)と直交する方向における幅が10μmから2000μmの範囲内であって、
前記すくい面側の凹面(3a)および前記逃げ面側の凹面(3a)の深さが2μmから15μmの範囲内である炭素膜被覆ドリル(1)。 - 炭素膜被覆ドリルを製造する方法であって、
基体刃先(2b)と、前記基体刃先(2b)を挟んで互いに隣接する基体すくい面(2c)および基体逃げ面(2d)とを有する工具基体(2)を用意する基体準備工程と、
前記工具基体(2)の前記基体すくい面(2c)、前記基体逃げ面(2d)、および前記基体刃先(2b)上に炭素膜(3)を形成する炭素膜形成工程と、
前記炭素膜(3)にレーザビームを照射して、前記基体すくい面(2c)上の領域、および前記基体逃げ面(2d)上の領域に形成された前記炭素膜(3)を加工して、すくい面側および逃げ面側に、それぞれすくい面側の凹面(3a)および逃げ面側の凹面(3a)を形成するレーザ加工工程と、を有し、
前記すくい面側および前記逃げ面側の凹面(3a)は、前記基体刃先(2b)上で交差して炭素膜刃先(3b)を形成し、
前記レーザ加工工程において、前記レーザビームのビーム断面での光強度分布が、ガウシアン分布を示し、
前記レーザビームを、前記基体刃先(2b)前方から前記炭素膜刃先(3b)近傍における前記すくい面側または前記逃げ面側の前記炭素膜(3)に向けて照射し、
前記レーザビームは、前記基体刃先(2b)の延在方向に沿って少なくとも1ライン以上走査し、
前記レーザ加工工程は、前記炭素膜(3)のうち前記炭素膜刃先(3b)となるエッジ部分に、前記レーザビームの外周側を当てて走査する工程を含むことを特徴とする炭素膜被覆ドリルの製造方法。 - 請求項7に記載の炭素膜被覆ドリルの製造方法であって、
前記炭素膜形成工程において、CVD成膜コーティングにより、前記基体刃先(2b)上に前記炭素膜(3)を他の部分より盛り上げて形成する炭素膜被覆ドリルの製造方法。 - 請求項7または8に記載の炭素膜被覆ドリルの製造方法であって、
前記炭素膜が、ダイヤモンド膜であり、
前記レーザビームの波長が、360nm以下である炭素膜被覆ドリルの製造方法。 - 請求項7〜9のいずれか一項に記載の炭素膜被覆ドリルの製造方法であって、
前記レーザ加工工程では、前記レーザビームの走査を10ライン以下の複数ラインとし、前記レーザビームの走査ラインをスライドさせながら、それぞれの走査ラインが部分的に重なった状態として照射を行い、
前記炭素膜刃先(3b)となるエッジ部分に対しては、前記レーザビームの外周側を当てることを特徴とする炭素膜被覆ドリルの製造方法。
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