JP7478232B2 - 被覆工具及びこれを備えた切削工具 - Google Patents
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Description
本出願は、２０２０年５月２８日に出願された日本国特許出願２０２０－０９３４５１号の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
本開示は、切削加工において用いられる被覆工具及びこれを備えた切削工具に関する。
特開平３－１９０６０５号公報（特許文献１）には、研磨ブラシを用いてダイヤモンドコーティング切削工具の表面を平滑化することが記載されている。また、特開２０１０－７０４０５号公報（特許文献２）には、基体上にダイヤモンド粉末を種付け処理した後に形成された多結晶ダイヤモンド膜において、ダイヤモンド膜の表面の異常成長ダイヤモンド突起部の数を１ｃｍ2当たり１００個以下とすることが記載されている。
本開示の被覆工具は、基体と、該基体の上に位置するダイヤモンド被膜とを有する。該被覆工具は、第１面と、第２面と、前記第１面と前記第２面との間に位置する稜線部と、前記稜線部の少なくとも一部に切刃と、を有している。前記第１面における前記切刃から、前記切刃から離れる方向に向かって３００μｍまでの領域を第１領域とする。前記切刃を起点として、前記切刃から３００μｍ以上、８００μｍ以内の距離離れた領域を第２領域とする。少なくとも前記第１領域および前記第２領域には、前記ダイヤモンド被膜が位置している。前記ダイヤモンド被膜の表面には、複数のドーム状の突起が存在する。前記第１領域の直上から観察した場合において、前記第１領域に位置する円相当径が６μｍ以上である突起を第１突起とし、該第１突起の１ｍｍ2当たりの数を第１突起数とする。前記第２領域の直上から見た場合において、前記第２領域に位置する円相当径が６μｍ以上である突起を第２突起とし、該第２突起の１ｍｍ2当たりの数を第２突起数とする。前記第１突起数は、３０以下であり、前記第２突起数は、前記第１突起数よりも多い。本開示の切削工具は、第１端から第２端に亘る長さを有し、前記第１端側に位置するポケットを有するホルダと、前記ポケットに位置する上述の被覆工具と、を有する。
＜被覆工具＞
以下、本開示の被覆工具について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、実施形態を説明する上で必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、本開示の被覆工具は、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各部材の寸法比率などを忠実に表したものではない。これらの点は、後述する切削工具においても同様である。
以下、本開示の被覆工具について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、実施形態を説明する上で必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、本開示の被覆工具は、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各部材の寸法比率などを忠実に表したものではない。これらの点は、後述する切削工具においても同様である。
図１に示すように、本開示の被覆工具１の形状は、例えば、四角板形状であってもよい。図１における上面である第１面５は、いわゆるすくい面である。また、被覆工具１は、第１面５に繋がる側面である第２面７を有している。第２面７は、いわゆる逃げ面である。
被覆工具１は、第１面５の反対に位置する下面である第３面（図示しない）を有している。第２面７は、第１面５及び第３面のそれぞれにつながっている。
本開示の被覆工具１は、第１面５から第３面にわたり、基体１５を貫通する貫通穴９を有していてもよい。
本開示の被覆工具１は、第１面５と第２面７とが交わる稜線１１（稜線部）の少なくとも一部に位置する切刃１３を有している。言い換えれば、すくい面と逃げ面とが交わる稜線１１の少なくとも一部に位置する切刃１３を有している。
被覆工具１においては、第１面５の外周の全体が切刃１３となっていてもよいが、被覆工具１はこのような構成に限定されるものではなく、例えば、四角形のすくい面における一辺のみ、若しくは、部分的に切刃１３を有するものであってもよい。また、本開示の被覆工具１は、ドリル形状であってもよい。
以下においては、図１に示した矩形の被覆工具１を例として説明する。図２に本開示の被覆工具１の断面の模式図を示す。図２の断面は、本開示の被覆工具１の基体１５の表面に垂直な断面である。基体１５の上にダイヤモンド被膜１７（ダイヤモンド層）が位置している。基体１５は、例えば、超硬合金であってもよい。
本開示の被覆工具１では、第１面５における切刃１３を起点として、切刃１３から離れる方向に向かって３００μｍまでの領域を第１領域１９とする。また、切刃１３を起点として、切刃１３から３００μｍ以上、８００μｍ以内の距離離れた領域を第２領域２１とする。なお、上記した第１領域１９の定義において、「３００μｍまで」とは、３００μｍを含まないことを意味する。
少なくとも第１領域１９および第２領域２１には、ダイヤモンド被膜１７が位置している。ダイヤモンド被膜１７の表面には、複数のドーム状の突起２３が存在している。なお、ドーム状の突起２３とは、突起を上から見た場合に円状である必要はなく、多角形の形状のものを排除するものではない。また、図２に示すように突起２３を断面視した場合には、突起２３の径は、突起２３の高さよりも大きくてもよい。また、突起２３を断面視した場合に、突起２３は横長の楕円の上半分に類似する形状であってもよい。突起２３が、このような形状を有すると、切りくず（切削くず）がダイヤモンド被膜１７の上をスムーズに移動するため、切削抵抗が小さい。そのため、切削くずが突起２３に接触した場合に発生する摩擦熱が小さい。
本明細書では、突起２３のうち第１領域１９に位置し、第１領域１９の直上から観察した場合において、円相当径が６μｍ以上である突起２３を第１突起２３ａとする。また、突起２３のうち、第２領域２１に位置し、第２領域２１の直上から観察した場合において、円相当径が６μｍ以上である突起２３を、第２突起２３ｂという。
なお、図２においては、第１面５のみに突起２３が位置しているが、第２面７にも突起２３が位置していてもよい。
第１突起２３ａの１ｍｍ2当たりの数を第１突起数２３ａｎとする。また、第２突起２３ｂの１ｍｍ2当たりの数を第２突起数２３ｂｎとする。本開示の被覆工具１の第１突起数２３ａｎは、３０以下である。本開示の被覆工具１の第２突起数２３ｂｎは、第１突起数２３ａｎよりも多い。
このような構成を有すると、切刃１３の近傍に位置する第１領域１９において、単位面積当たりの第１突起数２３ａｎが比較的少なく、被覆工具１が加工する被切削材の加工面はなめらかである。そして、切刃１３から離れた第２領域２１においては、第２突起数２３ｂｎが比較的多いため、切削くずが突起２３に接触した場合に発生する摩擦熱が小さくなり、また、被覆工具１の冷却性が優れ、耐摩耗性が向上する。このような構成の第１領域１９と第２領域２１とを併せ持つことで、本開示の被覆工具１は、被削材の加工面を滑らかに加工することができ、加工性に優れる。また、皮膜（ダイヤモンド被膜１７）の耐剥離性に優れ、工具寿命が長い。
第１突起数２３ａｎは、少ないほど被切削材の加工面をなめらかにできる。本開示の被覆工具１は、第１突起数２３ａｎが２０以下であってもよい。さらに、第１突起数２３ａｎが１０以下であってもよい。第１突起数２３ａｎは０であってもよい。
また、本開示の被覆工具１は、第２突起数２３ｂｎが、第１突起数２３ａｎの５倍以上であってもよい。このような構成を有する被覆工具１は、滑らかな加工性と優れた工具寿命を有する。なお、第２突起数２３ｂｎは、第１突起数２３ａｎの８倍以下であってもよい。
突起２３の円相当径は、例えば、キーエンス製レーザー顕微鏡（ＶＫ―Ｘ１０００）を用いて測定するとよい。測定は、ダイヤモンド被膜１７の表面を２０～５００倍に拡大して行うとよい。第１突起数２３ａｎおよび第２突起数２３ｂｎの測定にあたっては０．１ｍｍ2以上の面積を測定するとよい。
＜被覆工具の製造方法＞
以下に本開示の被覆工具の製造方法を説明する。まず、基体を準備する。基体は超硬合金やサーメットなどが用いられる。
以下に本開示の被覆工具の製造方法を説明する。まず、基体を準備する。基体は超硬合金やサーメットなどが用いられる。
次に、基体に対して、酸処理、アルカリ処理の順にエッチング処理する。そして、エッチング処理した基体をダイヤモンド粒子の分散液に浸け、超音波処理をする。このような工程を経ると、成膜により基板上に得られるダイヤモンド粒子の密度を高めることができる。これにより密着性のよいダイヤモンド被膜を得ることができる。
また、比較的長い時間、超音波処理を行うと、基体の表面に露出した硬質材料の主結晶相に凹凸をつけることができ、アンカー効果が発現しやすくなり、さらに密着性が高くなる。
超音波処理溶液に加えるダイヤモンド粉末は、レーザー散乱法によって測定される平均粒径が０．００５μｍ（５ｎｍ）～１５μｍであってもよい。ダイヤモンド粉末の平均粒径が０．１μｍ以下であると全体の突起数が減る。平均粒径が０．１μｍ（１００ｎｍ）以上、１５μｍ以下のダイヤモンド粉末は安価であり製造コストが低い。
このとき、有機系もしくは水系の溶液１ｌ（リットル）に対して、ダイヤモンド粉末を２～１２ｇ添加してもよい。このように溶液に含まれるダイヤモンド粉末の平均粒径および、量を調整することで、第１領域に存在する第１突起および第２領域に存在する第２突起の数を調整することが可能となる。
例えば、ダイヤモンド粉末の量を８ｇ／ｌ以下とすると、第１突起の数は比較的少ない。ダイヤモンド粉末の量が１２ｇ／ｌを超えるものとすると、第１突起の数は比較的多くなる。ダイヤモンド粉末の量が２ｇ／ｌ未満であると、第２突起が十分に形成されない。
また、超音波を印加する時間は１５分～４時間程度としてもよい。超音波を印加する時間が２時間以上であると、特に被膜の密着性が優れる。
また、ダイヤモンド粉末の量に加え、後述する成膜条件を制御することで、第１領域に存在する第１突起および第２領域に存在する第２突起の数を調整することが可能となる。
ダイヤモンド被膜の成膜方法として、例えば、熱フィラメント方式、又はプラズマ方式のＣＶＤ法が適応可能である。略半球状の突起を得るためには成膜時間を１０時間以上とするとよい。
ＣＶＤ法では、チャンバ内に基体を配置し、基体を８５０℃～９３０℃程度の温度に加熱し、チャンバ内に成膜ガスを流通させる。成膜ガスは、例えば、水素ガスおよびメタンガスを含有する。
基体が８５０℃～９３０℃に加熱され、成膜ガスが流通する時間を成膜時間という。この成膜時間が長いほど、ダイヤモンド被膜における突起は大きくなるため、第１突起および第２突起を有する被覆工具を得やすい。
また、ダイヤモンド粉末の平均粒径が大きいほど、短い成膜時間で突起を大きくすることができる。例えば、ダイヤモンド粉末の平均粒径が０．００５μｍ（５ｎｍ）～１０μｍの場合には、成膜時間を１０時間～２０時間程度とすると、本開示の被覆工具が得られる。
＜切削工具＞
次に、本開示の切削工具について図面を用いて説明する。本開示の切削工具１０１は、図３に示すように、例えば、第１端（図３における上端）から第２端（図３における下端）に向かって延びる棒状体である。切削工具１０１は、図３に示すように、第１端側（先端側）にポケット１０３を有するホルダ１０５と、ポケット１０３に位置する上記の被覆工具１とを備えている。
次に、本開示の切削工具について図面を用いて説明する。本開示の切削工具１０１は、図３に示すように、例えば、第１端（図３における上端）から第２端（図３における下端）に向かって延びる棒状体である。切削工具１０１は、図３に示すように、第１端側（先端側）にポケット１０３を有するホルダ１０５と、ポケット１０３に位置する上記の被覆工具１とを備えている。
被覆工具１の貫通穴９には、クランプ１０７が挿入されている。切削工具１０１は、本開示の被覆工具１を備えているため、長期に渡り安定した切削加工を行うことができる。
ポケット１０３は、被覆工具１が装着される部分であり、ホルダ１０５の下面に対して平行な着座面と、着座面に対して傾斜する拘束側面とを有している。また、ポケット１０３は、ホルダ１０５の第１端側において開口している。
ポケット１０３には被覆工具１が位置している。このとき、被覆工具１の下面がポケット１０３に直接に接していてもよく、また、被覆工具１とポケット１０３との間にシート（不図示）が挟まれていてもよい。
被覆工具１は、すくい面及び逃げ面が交わる稜線における切刃１３として用いられる部分の少なくとも一部がホルダ１０５から外方に突出するようにホルダ１０５に装着される。被覆工具１は、クランプ１０７に代えて、固定ネジによって、ホルダ１０５に装着されていてもよい。すなわち、被覆工具１の貫通穴９に固定ネジを挿入し、この固定ネジの先端をポケット１０３に形成されたネジ孔（不図示）に挿入してネジ部同士を螺合させることによって、被覆工具１がホルダ１０５に装着されていてもよい。
ホルダ１０５の材質としては、鋼、鋳鉄などを用いることができる。これらの部材の中で靱性の高い鋼を用いてもよい。
図３においては、いわゆる旋削加工に用いられる切削工具１０１を例示している。旋削加工としては、例えば、内径加工、外径加工、溝入れ加工及び端面加工などが挙げられる。なお、切削工具１０１としては旋削加工に用いられるものに限定されない。例えば、転削加工に用いられる切削工具１０１に上記の実施形態の被覆工具１を用いてもよい。
本開示の切削工具について、その好適例であるスローアウェイドリルの一例を基に説明する。図４は、切削工具２０１であるスローアウェイドリル２０１を示す概略側面図である。図４に示すように、スローアウェイドリル２０１は、中心が回転軸Ｏとなる工具本体２０２（ホルダ）の先端部に、被覆工具１を装着したものである。
ここで、ホルダ２０２は略円柱状をなして、図４中に破線で示す回転軸Ｏを有し、後端側に自身を工作機械に固定するためのシャンク部２０８を有するとともに、シャンク部２０８よりも先端側には切屑をホルダ２０２の先端から後端へと排出するための切屑排出溝２０９が螺旋状に形成されている。また、ホルダ２０２の先端部には、ポケット２１０が設けられ、ポケット２１０に被覆工具１が装着されている。
そして、スローアウェイドリル２０１を回転させて被削材（図示せず。）を加工する。
図５に、ミーリング加工用の切削工具３０１を示す。ホルダ３０２に設けられたポケット３１０に被覆工具１が装着されている。この例ではホルダ３０２の先端に３つの被覆工具１が装着されている。
以下に、本開示の被覆工具について、説明する。基体は、以下のように作製した。平均粒径０．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、炭化チタン（ＴｉＣ）粉末を０．２質量％、炭化クロム（Ｃｒ3Ｃ2）粉末を０．８質量％の割合で添加、混合し、矩形状に成型して焼成した。
その後、蒸留水・有機系溶液で焼結体を洗浄した。次に、基体を酸処理、アルカリ処理の順にエッチング処理し、表層のＣｏ金属を除去した。
次に、表１に示す平均粒径のダイヤモンド粉末を表１に示す割合で添加した有機系溶液に基体を浸け、３時間、超音波を印加した。その後、基体表面の有機系溶液を除去し、乾燥した。
これらの工程を経た基体に対し、表１に示す製膜時間で成膜を行った。なお、成膜ガスは、水素ガスとメタンガスの混合ガスを用いた。混合ガス全体に対して、メタンガスを０．５～２．０体積％混合した。
成膜後には、表１に示す試料Ｎｏ．８は、ブラシ研磨処理により表面研磨処理を施した。
このようにして得られた被覆工具の第１領域および第２領域を５００倍の大きさに拡大して、それぞれの領域に位置する突起を観察した。表１に、第１突起の数、および第２突起の数を示す。
得られた被覆工具をホルダのポケットに入れて固定し、以下の条件で、ミーリング加工による切削試験を行った。また、試験後には被削材の加工面粗さを評価した。
＜切削試験＞
切削方法：肩削り（ミーリング加工）
被削材：ＡＤＣ１２
切削速度：８００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．０８ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
縦切込み：１．５ｍｍ
横切込み：１５ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：１００ｍ切削した時点で、被覆工具刃先におけるダイヤモンド被膜の剥離の有無、被削材の加工面粗さを測定した。
切削方法：肩削り（ミーリング加工）
被削材：ＡＤＣ１２
切削速度：８００ｍ／ｍｉｎ
送り：０．０８ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
縦切込み：１．５ｍｍ
横切込み：１５ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：１００ｍ切削した時点で、被覆工具刃先におけるダイヤモンド被膜の剥離の有無、被削材の加工面粗さを測定した。
本開示の被覆工具の構成を有さない、試料Ｎｏ．１、６、８、９、１０、１１、１２、１３は、ミーリング加工中に大きな膜剥離やチッピング、欠損等の異常損傷が発生し、被削材の加工面が白濁し、面粗度が粗くなった。試料Ｎｏ．２、３、４、５、７の本開示被覆工具は、欠損やチッピング等の異常損傷が抑制され、加工面の面粗度も良好であった。試料Ｎｏ．２、４、７では、剥離はあったものの、剥離が確認されたのは、ごく狭い領域であった。さらに、試料Ｎｏ．３、５については膜剥離もなく、面粗度もＲａ＝０．５μｍ以下となり、切削性能に優れたものであった。
以上説明した、本開示の被覆工具及びこれを備えた切削工具は、一例であり、本願の要旨を逸脱しない限り、異なる構成を有していてもよい。
１・・・被覆工具
５・・・第１面
７・・・第２面
９・・・貫通穴
１１・・・稜線
１３・・・切刃
１５・・・基体
１７・・・ダイヤモンド被膜（ダイヤモンド層）
１９・・・第１領域
２１・・・第２領域
２３・・・突起
２３ａ・・第１突起
２３ａｎ・第１突起数
２３ｂ・・第２突起
２３ｂｎ・第２突起数
１０１、２０１、３０１・・・切削工具
１０３、２１０、３１０・・・ポケット
１０５、２０２、３０２・・・ホルダ
１０７・・・クランプ
５・・・第１面
７・・・第２面
９・・・貫通穴
１１・・・稜線
１３・・・切刃
１５・・・基体
１７・・・ダイヤモンド被膜（ダイヤモンド層）
１９・・・第１領域
２１・・・第２領域
２３・・・突起
２３ａ・・第１突起
２３ａｎ・第１突起数
２３ｂ・・第２突起
２３ｂｎ・第２突起数
１０１、２０１、３０１・・・切削工具
１０３、２１０、３１０・・・ポケット
１０５、２０２、３０２・・・ホルダ
１０７・・・クランプ
Claims (5)
- 超硬合金又はサーメットである基体と、
該基体の上に位置するダイヤモンド被膜と、を有する被覆工具であって、
該被覆工具は、
第１面と、
第２面と、
前記第１面と前記第２面との間に位置する稜線部と、
前記稜線部の少なくとも一部に切刃と、を有しており、
前記第１面における前記切刃から、前記切刃から離れる方向に向かって３００μｍまでの領域を第１領域とし、
前記切刃を起点として、前記切刃から３００μｍ以上、８００μｍ以内の距離離れた領域を第２領域とした場合、
少なくとも前記第１領域および前記第２領域には、前記ダイヤモンド被膜が位置しており、
前記ダイヤモンド被膜の表面には、複数のドーム状の突起が存在し、
前記第１領域の直上から観察した場合において、前記第１領域に位置する円相当径が６μｍ以上の突起を第１突起とし、該第１突起の１ｍｍ2当たりの数を第１突起数とし、
前記第２領域の直上から観察した場合において、前記第２領域に位置する円相当径が６μｍ以上である突起を第２突起とし、該第２突起の１ｍｍ2当たりの数を第２突起数とした場合、
前記第１突起数は、５以上、３０以下であり、
前記第２突起数は、前記第１突起数よりも多く、且つ、前記第１突起数の５倍以上であり、
前記突起は、前記第１面に直交する断面において、凸曲面形状である被覆工具。 - 前記第１面に直交する断面において、前記第１面に平行な方向で示される前記突起の径は、前記第１面に直交する方向で示される前記突起の高さよりも大きい、請求項１に記載の被覆工具。
- 前記第１面に直交する断面において、前記突起は横長の半楕円球形状である、請求項２に記載の被覆工具。
- 前記突起は、前記第１面に位置するとともに前記第２面には位置しない、請求項１～３のいずれかに記載の被覆工具。
- 第１端から第２端に亘る長さを有し、前記第１端側に位置するポケットを有するホルダと、
前記ポケットに位置する請求項１～４のいずれかに記載の被覆工具と、を有する切削工具。
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| WO2017188154A1 (ja) | 2016-04-25 | 2017-11-02 | 京セラ株式会社 | 切削工具 |
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