JP7222561B2 - ダイヤモンドコーティング工具およびダイヤモンドコーティング工具の作製方法 - Google Patents

Description

本開示は、工具母材にダイヤモンドをコーティングしたダイヤモンドコーティング工具に関する。

従来、セラミックスや超硬合金、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などの硬質材料の切削加工に、超硬合金製インサート母材をダイヤモンドコーティングした工具が使用されている。これらの硬質材料の切削加工には単結晶ダイヤモンド工具や多結晶ダイヤモンド工具も使用されるが、高コストとなるため、ダイヤモンドコーティング工具はコスト面で大きなメリットを有する。

特許文献１は、チップ母材にダイヤモンドをコーティングしたスローアウェイチップを開示する。このスローアウェイチップでは、コーティングしたすくい面をクランプ手段で抑える際にコーティング層の刃先を損傷しないように、チップ母材のすくい面において、刃先近傍の部位を、すくい面の中央部位より段下がり状に低く形成している。

特開平６－３３５８０６号公報

図１は、従来のダイヤモンドコーティング工具５０の刃先周辺の構造を示す。ダイヤモンドコーティング工具５０は、超硬合金製の工具母材５１の刃先５３の近傍にダイヤモンドをコーティングすることで作製され、ダイヤモンド被覆層５２が工具母材５１の刃先５３、すくい面５４および逃げ面５５に形成される。図１においてＸ軸方向は、ダイヤモンドコーティング工具５０による切削工程における切取り厚さ方向を、Ｙ軸方向は、切削工程における切削方向を示す。

ダイヤモンドコーティング工具５０における工具母材５１とダイヤモンド被覆層５２との密着性は高くなく、被削材が非常に高硬度である場合や刃先の損耗が進んで切削力が増大した場合に、工具母材５１からダイヤモンド被覆層５２が剥離しやすいという課題がある。この課題を解決するため、超硬合金の成分を調整（たとえば結合剤であるＣｏの割合を減少する）したり、母材表面の粗さを増大してアンカー効果を生じさせるなどの対策が講じられているが、十分な解決策にはなっておらず、依然として剥離の問題が残っている。

本開示はこうした状況に鑑みてなされており、ダイヤモンドコーティング工具においてダイヤモンド被覆層が工具母材から剥離することを抑制する構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本開示のある態様は、刃先と、前記刃先に連なる逃げ面と、前記逃げ面が前記刃先に連なる向きとは異なる向きに前記刃先に連なるすくい面とを有する工具母材にダイヤモンドをコーティングした層であるダイヤモンド被覆層を有するダイヤモンドコーティング工具に関する。この態様のダイヤモンドコーティング工具において、前記工具母材の前記逃げ面は、前記刃先に連なる第１逃げ面と、前記第１逃げ面よりも前記刃先から離れた位置にあり且つ前記工具母材内部から見て前記第１逃げ面よりも外側に位置する第２逃げ面と、前記第１逃げ面と前記第２逃げ面とを接続する逃げ面側段差部とを備え、前記工具母材の前記すくい面は、前記刃先に連なる第１すくい面と、前記第１すくい面よりも前記刃先から離れた位置にあり且つ前記工具母材内部から見て前記第１すくい面よりも外側に位置する第２すくい面と、前記第１すくい面と前記第２すくい面とを接続するすくい面側段差部とを備える。前記ダイヤモンド被覆層は、前記刃先、前記第１逃げ面、前記逃げ面側段差部、前記第２逃げ面、前記第１すくい面、前記すくい面側段差部、前記第２すくい面に形成される。

本開示の別の態様は、ダイヤモンドコーティング工具の作製方法に関し、当該方法は、刃先と、前記刃先に連なる逃げ面と、前記逃げ面が前記刃先に連なる向きとは異なる向きに前記刃先に連なるすくい面とを有する工具母材にダイヤモンドをコーティングするコーティング工程を有する。前記工具母材の前記逃げ面は、前記刃先に連なる第１逃げ面と、前記第１逃げ面よりも前記刃先から離れた位置にあり且つ前記工具母材内部から見て前記第１逃げ面よりも外側に位置する第２逃げ面と、前記第１逃げ面と前記第２逃げ面とを接続する逃げ面側段差部とを備え、前記工具母材の前記すくい面は、前記刃先に連なる第１すくい面と、前記第１すくい面よりも前記刃先から離れた位置にあり且つ前記工具母材内部から見て前記第１すくい面よりも外側に位置する第２すくい面と、前記第１すくい面と前記第２すくい面とを接続するすくい面側段差部とを備えており、前記コーティング工程は、前記刃先、前記第１逃げ面、前記逃げ面側段差部、前記第２逃げ面、前記第１すくい面、前記すくい面側段差部、前記第２すくい面に、ダイヤモンドをコーティングした層であるダイヤモンド被覆層を形成する。

本開示によれば、ダイヤモンドコーティング工具においてダイヤモンド被覆層が工具母材から剥離することを抑制する構造を提供できる。

従来のダイヤモンドコーティング工具の刃先周辺の構造を示す図である。 実施形態の工具母材の形状を示す図である。 逃げ面側段差部の断面を拡大した図である。 ダイヤモンドコーティング工具の構造を示す図である。 ダイヤモンドコーティング工具の構造の別の例を示す図である。 ダイヤモンドコーティング工具の構造の別の例を示す図である。

以下、実施形態のダイヤモンドコーティング工具について説明する。
図２は、実施形態の工具母材１の形状を示す。工具母材１は、すくい面１０と、逃げ面２０と、すくい面１０と逃げ面２０の境界をなす刃先２とを有する。ダイヤモンドコーティング工具は、工具母材１の刃先２の近傍にダイヤモンドをコーティングすることで作製される。

工具母材１の逃げ面２０は、刃先２に連なる第１逃げ面２１と、第１逃げ面２１よりも刃先２から離れた位置にある第２逃げ面２３と、第１逃げ面２１と第２逃げ面２３とを接続する逃げ面側段差部２２とを備える。工具母材１の内部から見て、第２逃げ面２３は第１逃げ面２１よりも外側に位置する。換言すると、工具母材１の内部から第１逃げ面２１と第２逃げ面２３とをそれぞれ直交する方向に見た場合に、第２逃げ面２３は、第１逃げ面２１よりも刃物の厚みを増やす側に位置する。第１逃げ面２１および第２逃げ面２３は平坦面として形成され、実質的に平行であってよい。たとえば第１逃げ面２１および逃げ面側段差部２２は、刃先まで平坦面を構成していた第２逃げ面２３を切り欠くことで形成されてよい。

工具母材１のすくい面１０は、刃先２に連なる第１すくい面１１と、第１すくい面１１よりも刃先２から離れた位置にある第２すくい面１３と、第１すくい面１１と第２すくい面１３とを接続するすくい面側段差部１２とを備える。工具母材１の内部から見て、第２すくい面１３は第１すくい面１１よりも外側に位置する。換言すると、工具母材１の内部から第１すくい面１１と第２すくい面１３とをそれぞれ直交する方向に見た場合に、第２すくい面１３は、第１すくい面１１よりも刃物の厚みを増やす側に位置する。第１すくい面１１および第２すくい面１３は平坦面として形成され、実質的に平行であってよい。たとえば第１すくい面１１およびすくい面側段差部１２は、刃先まで平坦面を構成していた第２すくい面１３を切り欠くことで形成されてよい。

図３は、逃げ面側段差部の断面を拡大した図である。図示のように、逃げ面側段差部２２と第１逃げ面２１との境界Ｐ、逃げ面側段差部２２と第２逃げ面２３との境界Ｑを定義する。逃げ面側段差部２２の傾斜面は、境界Ｐと境界Ｑを繋ぐ平面であってもよいが、図３に示すように、工具母材１の外部から見て、境界Ｐと境界Ｑを繋ぐ平面よりも奥側に位置してよい（つまり工具母材１の外部から見て、境界Ｐと境界Ｑを繋ぐ平面に対して、逃げ面側段差部２２の傾斜面が凹部を形成してよい）。

第１逃げ面２１を工具母材１内部に延長した仮想面に、境界Ｑから垂線を下ろしたときの交点をＲとすると、境界Ｐと交点Ｒとの間の距離Ｗは、境界Ｑと交点Ｒとの間の距離Ｈ以下であることが好ましい。つまり図３において、線分ＰＲと線分ＰＱのなす角度が４５度以上となることが好ましい。また逃げ面側段差部２２の傾斜面が境界Ｐと境界Ｑを繋ぐ平面に対して凹部を形成する場合に、線分ＰＲと凹形状の境界Ｑに近い側での接線がなす角度が約９０度となることが好ましい。なお境界Ｐは交点Ｒ近傍に位置して、線分ＰＲと線分ＰＱのなす角度が約９０度となり、逃げ面側段差部２２が、第１逃げ面２１に対して略垂直な壁面として構成されてもよい。

なお図３は、逃げ面２０に形成された逃げ面側段差部２２の構造を示すが、すくい面１０に形成されたすくい面側段差部１２も、図３に示す逃げ面側段差部２２と同一の構造を有してよい。

図４は、工具母材１にダイヤモンドをコーティングしたダイヤモンドコーティング工具３の構造を示す。ダイヤモンド被覆層３０は、工具母材１の刃先２、すくい面１０および逃げ面２０に形成される。工具母材１の刃先２には、層厚程度の半径をもつ切れ刃部３１が形成される。ダイヤモンド被覆層３０の層厚は、距離Ｈ（図３参照）以下であることが好ましい。図４においてＸ軸方向は、ダイヤモンドコーティング工具３による切削工程における切取り厚さ方向を、Ｙ軸方向は、切削工程における切削方向を示す。

逃げ面２０において、ダイヤモンド被覆層３０は、少なくとも第１逃げ面２１および逃げ面側段差部２２に形成される。ここで第１逃げ面２１および逃げ面側段差部２２にダイヤモンド被覆層３０が形成されることは、第１逃げ面２１および逃げ面側段差部２２にダイヤモンド被覆層３０が密着することを意味する。

ダイヤモンドコーティング工具３を用いた切削工程中、切れ刃部３１が被削材から切削力を受けると、逃げ面２０に形成されたダイヤモンド被覆層３０は、第１逃げ面２１の延在方向に切削力による剪断荷重を受ける。このとき逃げ面側段差部２２は、ダイヤモンド被覆層３０に作用する剪断荷重を受け止めることで、第１逃げ面２１とダイヤモンド被覆層３０との剪断剥離を抑制する剥離抑制構造として機能する。

すくい面１０において、ダイヤモンド被覆層３０は、少なくとも第１すくい面１１およびすくい面側段差部１２に形成される。ここで第１すくい面１１およびすくい面側段差部１２にダイヤモンド被覆層３０が形成されることは、第１すくい面１１およびすくい面側段差部１２にダイヤモンド被覆層３０が密着することを意味する。

ダイヤモンドコーティング工具３を用いた切削工程中、すくい面１０に形成されたダイヤモンド被覆層３０は、第１すくい面１１の延在方向に切削力による剪断荷重を受ける。このとき、すくい面側段差部１２は、ダイヤモンド被覆層３０に作用する剪断荷重を受け止めることで、第１すくい面１１とダイヤモンド被覆層３０との剪断剥離を抑制する剥離抑制構造として機能する。

なお高硬度な被削材を切削する際、刃先強度の問題から、通常は、コーティング層の厚みより小さな（つまり一般のコーティング工具では刃先の丸み半径より小さな）切取り厚さで加工することが行われる。このような切削加工では実質的なすくい角は刃先の丸み半径と切取り厚さによって決まることが多いが、実施形態のダイヤモンドコーティング工具３は、設定上のすくい角が負の角度となるように形成されてよい。設定上のすくい角が正の角度である場合（図１参照）、切れ刃部３１にかかる切削力の方向とすくい面１０の延在方向が近いため、切削力による剪断荷重は大きくなる。一方、設定上のすくい角が負の角度になると、切削力の方向と、すくい面１０の延在方向の角度の開きが大きくなることから、切削力による剪断荷重は小さくなる。そのため実施形態のダイヤモンドコーティング工具３では、工具母材１の刃先角度（刃物角度）を９０度以上とすることで、設定上のすくい角を負にして、すくい面１０と平行にダイヤモンド被覆層３０と工具母材１の間にかかる剪断荷重を小さくしている。

実施形態のダイヤモンドコーティング工具３において、剥離抑制構造は、少なくとも逃げ面２０側に設けられる。逃げ面２０側に剥離抑制構造を設けることで、逃げ面２０におけるダイヤモンド被覆層３０の剪断剥離を抑制できる。剥離抑制構造が逃げ面２０側のみに設けられる場合、上記したように、設定上のすくい角が負の角度となるようにダイヤモンドコーティング工具３が使用されることが好ましい。なお剥離抑制構造は、すくい面１０側にも設けられてよい。

図５は、ダイヤモンドコーティング工具３の構造の別の例を示す。ダイヤモンド被覆層３０は、工具母材１の刃先２、すくい面１０および逃げ面２０に形成される。図５においてＸ軸方向は、ダイヤモンドコーティング工具３による切削工程における切取り厚さ方向を、Ｙ軸方向は、切削工程における切削方向を示す。

逃げ面２０において、ダイヤモンド被覆層３０は、第１逃げ面２１および逃げ面側段差部２２に形成されて、第２逃げ面２３には形成されない。図４を参照して、第２逃げ面２３にダイヤモンドコーティングを施すと、逃げ面側段差部２２と第２逃げ面２３の境界付近で、切取り厚さ方向側に突き出たダイヤモンド被覆層３０の凸部が形成される。この凸部は被削材の仕上げ面に干渉する可能性があるため、図５に示すダイヤモンドコーティング工具３では、第２逃げ面２３にダイヤモンド被覆層３０を設けないことで、凸部が形成されないようにしている。

そのためダイヤモンドコーティング工具３の作製工程において、コーティング工程の実施前に、第２逃げ面２３にダイヤモンドがコーティングされないよう所定の前処理を行ってよい。また別の作製手順として、コーティング工程で逃げ面２０にダイヤモンド被覆層３０を形成した後、第２逃げ面２３に形成したダイヤモンド被覆層３０を除去してもよい。この除去工程では、ダイヤモンド被覆層３０が被削材の仕上げ面に干渉しない程度に除去すればよく、第２逃げ面２３に形成したダイヤモンド被覆層３０の全てを除去しなくてもよい。

図６は、ダイヤモンドコーティング工具３の構造の別の例を示す。ダイヤモンド被覆層３０は、工具母材１の刃先２、すくい面１０および逃げ面２０に形成される。図６においてＸ軸方向は、ダイヤモンドコーティング工具３による切削工程における切取り厚さ方向を、Ｙ軸方向は、切削工程における切削方向を示す。

すくい面１０において、ダイヤモンド被覆層３０は、第１すくい面１１およびすくい面側段差部１２に形成されて、第２すくい面１３には形成されない。図５を参照して、第２すくい面１３にダイヤモンドコーティングを施すと、すくい面側段差部１２の付近で、ダイヤモンド被覆層３０が、外側に突き出た形状をもつ。この形状は切屑の流出を妨げる可能性があるため、図６に示すダイヤモンドコーティング工具３では、第２すくい面１３にダイヤモンド被覆層３０を形成せず、第１すくい面１１およびすくい面側段差部１２においてダイヤモンド被覆層３０が第２すくい面１３と平坦になるように形成される。なおダイヤモンド被覆層３０と第２すくい面１３が平坦であるとは、切屑の流出を妨げない程度にダイヤモンド被覆層３０と第２すくい面１３とが繋がっていればよく、実質的に平坦である場合を含む。

ダイヤモンドコーティング工具３の作製工程では、すくい面１０にダイヤモンド被覆層３０を形成した後、ダイヤモンドコーティング工具３のすくい面を平坦に構成するために、ダイヤモンド被覆層３０を除去してよい。このとき図６に示すように、第２すくい面１３に形成したダイヤモンド被覆層３０の全てを除去してもよいが、ダイヤモンド被覆層３０の除去は、ダイヤモンドコーティング工具３のすくい面に、切屑の流出を妨げない平坦面を形成することを目的としているため、第２すくい面１３にダイヤモンド被覆層３０が残存していても構わない。

以上、本開示を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本開示の態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様は、すくい面と、逃げ面と、すくい面と逃げ面の境界をなす刃先とを有する工具母材にダイヤモンドをコーティングしたダイヤモンドコーティング工具に関する。このダイヤモンドコーティング工具において、工具母材の逃げ面は、刃先に連なる（接する）第１逃げ面と、第１逃げ面よりも刃先から離れた位置にあり且つ工具母材内部から見て第１逃げ面よりも外側に位置する第２逃げ面と、第１逃げ面と第２逃げ面とを接続する逃げ面側段差部とを備える。ダイヤモンド被覆層は、刃先、第１逃げ面および逃げ面側段差部に形成されてよい。

この態様によると、逃げ面側段差部が、剥離抑制構造として機能することで、逃げ面側におけるダイヤモンド被覆層の剥離を抑制できる。

工具母材のすくい面は、刃先に連なる（接する）第１すくい面と、第１すくい面よりも刃先から離れた位置にあり且つ工具母材内部から見て第１すくい面よりも外側に位置する第２すくい面と、第１すくい面と第２すくい面とを接続するすくい面側段差部とを備える。ダイヤモンド被覆層は、第１すくい面およびすくい面側段差部に形成されてよい。この構造により、すくい面側段差部が、剥離抑制構造として機能することで、すくい面側におけるダイヤモンド被覆層の剥離を抑制できる。

本開示の別の態様は、すくい面と、逃げ面と、すくい面と逃げ面の境界をなす刃先とを有する工具母材にダイヤモンドをコーティングしたダイヤモンドコーティング工具に関する。このダイヤモンドコーティング工具において、工具母材のすくい面は、刃先に連なる（接する）第１すくい面と、第１すくい面よりも刃先から離れた位置にあり且つ工具母材内部から見て第１すくい面よりも外側に位置する第２すくい面と、第１すくい面と第２すくい面とを接続するすくい面側段差部とを備える。ダイヤモンド被覆層は、第１すくい面およびすくい面側段差部に形成され、ダイヤモンドコーティング工具のすくい面は平坦に構成される。

この態様によると、すくい面側段差部が、剥離抑制構造として機能することで、すくい面側におけるダイヤモンド被覆層の剥離を抑制できるとともに、ダイヤモンドコーティング後のすくい面を平坦に構成することで、切屑をスムーズに流出できる。ダイヤモンド被覆層は、第２すくい面に形成されなくてよい。

刃先の角度は９０度以上とし、設定上のすくい角を負の角度にすることで、すくい面側のダイヤモンド被覆層にかかる剪断荷重を低減してよい。

１・・・工具母材、２・・・刃先、３・・・ダイヤモンドコーティング工具、１０・・・すくい面、１１・・・第１すくい面、１２・・・すくい面側段差部、１３・・・第２すくい面、２０・・・逃げ面、２１・・・第１逃げ面、２２・・・逃げ面側段差部、２３・・・第２逃げ面、３０・・・ダイヤモンド被覆層、３１・・・切れ刃部。

Claims (8)

1. 刃先と、前記刃先に連なる逃げ面と、前記逃げ面が前記刃先に連なる向きとは異なる向きに前記刃先に連なるすくい面とを有する工具母材にダイヤモンドをコーティングした層であるダイヤモンド被覆層を有するダイヤモンドコーティング工具であって、
   前記工具母材の前記逃げ面は、前記刃先に連なる第１逃げ面と、前記第１逃げ面よりも前記刃先から離れた位置にあり且つ前記工具母材内部から見て前記第１逃げ面よりも外側に位置する第２逃げ面と、前記第１逃げ面と前記第２逃げ面とを接続する逃げ面側段差部とを備え、
   前記工具母材の前記すくい面は、前記刃先に連なる第１すくい面と、前記第１すくい面よりも前記刃先から離れた位置にあり且つ前記工具母材内部から見て前記第１すくい面よりも外側に位置する第２すくい面と、前記第１すくい面と前記第２すくい面とを接続するすくい面側段差部とを備え、
   前記ダイヤモンド被覆層は、前記刃先、前記第１逃げ面、前記逃げ面側段差部、前記第２逃げ面、前記第１すくい面、前記すくい面側段差部、前記第２すくい面に形成される、
   ことを特徴とするダイヤモンドコーティング工具。
2. 前記すくい面側段差部は、前記第１すくい面に形成された前記ダイヤモンド被覆層の剥離を抑制する構造として機能する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンドコーティング工具。
3. 前記逃げ面側段差部は、前記第１逃げ面に形成された前記ダイヤモンド被覆層の剥離を抑制する構造として機能する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のダイヤモンドコーティング工具。
4. 前記第２逃げ面に形成される前記ダイヤモンド被覆層は、前記第２逃げ面にコーティングしたダイヤモンド層の一部を除去したものである、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のダイヤモンドコーティング工具。
5. 前記第２すくい面に形成される前記ダイヤモンド被覆層は、前記第２すくい面にコーティングしたダイヤモンド層の一部を除去することで形成された平坦面を有する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のダイヤモンドコーティング工具。
6. ダイヤモンドコーティング工具の作製方法であって、
   刃先と、前記刃先に連なる逃げ面と、前記逃げ面が前記刃先に連なる向きとは異なる向きに前記刃先に連なるすくい面とを有する工具母材にダイヤモンドをコーティングするコーティング工程を有し、
   前記工具母材の前記逃げ面は、前記刃先に連なる第１逃げ面と、前記第１逃げ面よりも前記刃先から離れた位置にあり且つ前記工具母材内部から見て前記第１逃げ面よりも外側に位置する第２逃げ面と、前記第１逃げ面と前記第２逃げ面とを接続する逃げ面側段差部とを備え、
   前記工具母材の前記すくい面は、前記刃先に連なる第１すくい面と、前記第１すくい面よりも前記刃先から離れた位置にあり且つ前記工具母材内部から見て前記第１すくい面よりも外側に位置する第２すくい面と、前記第１すくい面と前記第２すくい面とを接続するすくい面側段差部とを備えており、
   前記コーティング工程は、前記刃先、前記第１逃げ面、前記逃げ面側段差部、前記第２逃げ面、前記第１すくい面、前記すくい面側段差部、前記第２すくい面に、ダイヤモンドをコーティングした層であるダイヤモンド被覆層を形成する、
   ことを特徴とするダイヤモンドコーティング工具の作製方法。
7. 前記第２逃げ面に形成した前記ダイヤモンド被覆層の一部を除去する工程をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項６に記載のダイヤモンドコーティング工具の作製方法。
8. 前記第２すくい面に形成した前記ダイヤモンド被覆層の一部を除去して平坦面を形成する工程をさらに含む、
   ことを特徴とする請求項６または７に記載のダイヤモンドコーティング工具の作製方法。

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