CN102451920B - 碳膜包覆切削工具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种碳膜包覆切削工具，其由具有比以往更锋利的刃口的金刚石被膜等碳膜包覆，并且还提供一种能够高精确度地加工该工具来制作的制造方法。本发明的碳膜包覆切削工具(1)，在工具基体(2)的切削刃(2a)的表面形成有碳膜(3)，其中，相互邻接的前刀面(4a)侧的碳膜(3)的表面和后刀面(4b)侧的碳膜(3)的表面在切削刃(2a)的刀尖(2b)附近呈凹面(3a)，形成于切削刃(2a)的碳膜(3)具有比前刀面(4a)与后刀面(4b)所成的角度更锐角的截面形状。

Description

碳膜包覆切削工具及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种能够锋利地加工工件的碳膜包覆切削工具及其制造方法。

背景技术

在由金刚石膜包覆切削刃表面的金刚石包覆切削工具中，以往提出有例如在切削刃的刀尖上磨削加工大致圆弧部，且以大致圆弧部的角度成40°以下的方式局部设置倒角的技术(参考专利文献1)。并且，还提出有磨削加工上述大致圆弧部，使后刀角小于原来角度的技术(参考专利文献2)。

另外，提出有如下金刚石的激光研磨方法，其在金刚石被膜的表面上扫描激光的焦点，并且使金刚石被膜偏离来使二者相对运动，以去除形成在金刚石被膜表面的凸部(参考专利文献3)。另外，还提出有对金刚石被膜垂直地照射波长266nm的激光来加工的加工工具的制造方法(参考专利文献4)。

专利文献1：日本专利第3477182号公报

专利文献2：日本专利第3477183号公报

专利文献3：日本专利第3096943号公报

专利文献4：日本专利公开2009-6436号公报

上述以往技术中留有以下课题。

即，在通过磨削加工形成切削刃时，由于金刚石比砂轮更硬，因此存在产生加工中途砂轮的形态变化，很难高精确度地进行目标形状加工的不良情况。并且，边使激光和金刚石被膜共同相对运动边扫描加工的方法存在需要进一步依照形态的工件移动而控制复杂的问题。另外，对金刚石被膜垂直地照射激光的加工方法中，加工后的形态有可能依照加工前膜的起伏，形成均匀的金刚石被膜是必要的，仍然存在高精确度加工较难的不良情况。尤其是若在切削工具的切削刃等的刀尖上形成金刚石被膜，则根据厚度被膜在刀尖上隆起形成，因此难以加工刀尖。因此，以往难以制作用金刚石被膜涂层且具有锋利的刃口的切削工具。

发明内容

本发明是鉴于前述课题而完成的，其目的在于提供一种由具有比以往更锋利的刃口的金刚石被膜等碳膜包覆的碳膜包覆切削工具，并且提供一种能够高精确度地加工并制作该工具的制造方法。

本发明为了解决所述课题而采用以下结构。即，本发明的碳膜包覆切削工具，其为在工具基体的切削刃的表面形成有碳膜的碳膜包覆切削工具，其特征在于，相互邻接的前刀面侧的所述碳膜的表面和后刀面侧的所述碳膜的表面在所述切削刃的刀尖附近呈凹面，形成在所述切削刃的刀尖上的所述碳膜具有比所述前刀面与所述后刀面所成的角度更锐角的截面形状。

由于在该碳膜包覆切削工具中，相互邻接的前刀面侧的碳膜的表面和后刀面侧的碳膜的表面在切削刃的刀尖附近呈凹面，形成在切削刃的刀尖上的碳膜具有比前刀面与后刀面所成的角度更锐角的截面形状，因此能够具有比以往更锋利的刃口。即，通过切削刃的刀尖部分的碳膜表面相对于前刀面及后刀面的延长面塌陷而被凹面化，从而能够尖锐地形成刀尖部分的碳膜，得到比形成如以往的倒角时更锋利的刃口。

本发明的碳膜包覆切削工具的制造方法，其为制造上述本发明的碳膜包覆切削工具的方法，其特征在于，具有在工具基体的切削刃表面形成碳膜的碳膜形成工序、及照射激光束来加工所述切削刃表面的所述碳膜的激光加工工序，在该激光加工工序中，从所述刀尖前方朝向所述刀尖附近的所述前刀面侧或所述后刀面侧的所述碳膜照射光束截面的光强度分布为高斯型分布的所述激光束，并且沿着所述刀尖的延伸方向进行扫描，形成所述凹面。

即，在该碳膜包覆切削工具的制造方法中，激光加工工序中，从刀尖前方朝向刀尖附近的前刀面侧或后刀面侧的碳膜照射光束截面的光强度分布为高斯型分布的激光束，并且沿着刀尖的延伸方向进行扫描，形成所述凹面，因此，碳膜基于从刀尖前方照射的激光束的切除痕呈截面圆弧状，从而能够沿着刀尖高精确度地形成所述凹面。并且，由于激光束的外周侧接触碳膜的前端部(刃口部分)，因此能够降低该前端部中激光束的功率密度，并能够防止碳膜的前端部被过于切除而成钝角。

并且，本发明的碳膜包覆切削工具的制造方法优选在所述碳膜形成工序中，将所述碳膜在所述切削刃的刀尖形成为比其他部分更加隆起。

即，在该碳膜包覆切削工具的制造方法中，碳膜形成工序中，通过将碳膜在切削刃的刀尖预先形成为比其他部分更加隆起，从而能够较大地设置激光加工工序中的碳膜的切削余量，形成更深的凹面及更锋利的刃口。另外，由于前刀面和后刀面这两个面相靠近的切削刃的刀尖为碳膜易成长的部位，因此能够通过利用CVD成膜较厚地涂层碳膜来将碳膜在切削刃的刀尖形成为比其他部分更加隆起。

并且，本发明的碳膜包覆切削工具的制造方法，其特征在于，所述碳膜为金刚石膜，所述激光束的波长为360nm以下。

即，该碳膜包覆切削工具的制造方法中，由于碳膜为金刚石膜且激光束的波长为360nm以下，因此能够通过适于金刚石加工的波长的激光束更高精确度地加工金刚石膜。

根据本发明，得到以下效果。

即，根据本发明所涉及的碳膜包覆切削工具，由于相互邻接的前刀面侧的碳膜表面和后刀面侧的碳膜表面在切削刃的刀尖附近呈凹面，形成在切削刃的刀尖上的碳膜具有比前刀面与后刀面所成的角度更锐角的截面形状，因此能够具有比以往更锋利的刃口。

并且，根据本发明所涉及的碳膜包覆切削工具的制造方法，由于在激光加工工序中，从刀尖前方朝向刀尖附近的前刀面侧或后刀面侧的碳膜照射光束截面的光强度分布为高斯型分布的激光束，并且沿着刀尖的延伸方向进行扫描并形成所述凹面，因此能够沿着刀尖高精确度地形成所述凹面，并能够形成锋利的刃口。

因此，本发明的碳膜包覆切削工具及利用上述制法制作的碳膜包覆切削工具，不仅基于碳膜的耐磨性优异，而且锐度也优异，还作为非铁金属及复合材料加工用的切削工具来应用。

附图说明

图1是在本发明所涉及的碳膜包覆切削工具及其制造方法的一实施方式中，表示碳膜包覆切削工具的切削刃及激光加工工序的主要部分的放大截面图。

图2是表示本实施方式所涉及的碳膜包覆切削工具的制造方法中使用的激光加工装置的概要性整体结构图。

图3是在本实施方式中表示激光束的扫描方向与激光束的截面形状的关系的说明图。

图4是在本实施方式中表示碳膜基于激光束的切除痕的示意图。

图5是在本发明所涉及的碳膜包覆切削工具及其制造方法的实施例中，表示激光加工工序时的碳膜包覆切削工具的主要部分的放大截面图。

图6是在本发明所涉及的碳膜包覆切削工具及其制造方法的实施例中，表示激光加工工序前及激光加工工序后的切削刃的放大图像。

符号说明

1-碳膜包覆切削工具，2-工具基体，2a-切削刃，2b-切削刃的刀尖，3-碳膜，3a-凹面，4a-前刀面，4b-后刀面，θ0-前刀面与后刀面所成的角度，θ1-由一对凹面构成的碳膜前端的截面的角度。

具体实施方式

以下，参考图1～图4对本发明所涉及的碳膜包覆切削工具及其制造方法的一实施方式进行说明。另外，在以下说明中使用的各附图中，有为了将各部件设成可识别或容易识别的大小而根据需要适当更改比例尺的部分。

如图1所示，本实施方式的碳膜包覆切削工具1为在工具基体2的切削刃2a的表面形成碳膜3的钻头、立铣刀或刀片(多刃刀片)等碳膜包覆切削工具，其中，相互邻接的前刀面4a侧的碳膜3的表面和后刀面4b侧的碳膜3的表面在切削刃2a的刀尖2b附近呈凹面3a，形成于切削刃2a的刀尖2b上的碳膜3具有比前刀面4a与后刀面4b所成的角度θ0更锐角的截面形状。

上述工具基体2由例如WC(碳化钨)等硬质合金形成，碳膜3为利用CVD(化学气相沉积法)等成膜的金刚石膜、石墨膜或DLC(类金刚石)膜等。

如上述，在相互邻接的前刀面4a侧的碳膜3的表面与后刀面4b侧的碳膜3的表面，在切削刃2a的刀尖2b附近分别形成有凹面3a。因此，由这些一对凹面3a构成的碳膜3前端(刃口)中的截面的角度θ1(与前刀面4a及后刀面4b正交的面中截面的前端角度)设定成小于前刀面4a与后刀面4b所成的角度θ0。即，对涂层在切削刃2a上的碳膜3进行加工，以便成为“θ1＜θ0”。并且，对形成在切削刃2a的刀尖2b上的碳膜3的前端部加工为曲率半径2μm以下。

接着，参考图1～图4，对制造本实施方式的碳膜包覆切削工具的方法进行说明。

本实施方式的碳膜包覆切削工具1的制造方法具有，在工具基体2的切削刃2a的表面形成碳膜3的碳膜形成工序、和照射激光束L来加工切削刃2a表面的碳膜3的激光加工工序。

在上述碳膜形成工序中，将碳膜3在切削刃2a的刀尖2b预先形成为比其他部分更加隆起。即，前刀面4a与后刀面4b这两个面相靠近的切削刃2a的刀尖2b为碳膜3容易成长的部位，因此能够通过CVD成膜较厚地涂层碳膜3来将碳膜3在切削刃2a的刀尖2b形成为比其他部分更加隆起。

如图2所示，上述激光加工工序中使用的激光加工装置21为对包覆于工具基体2的碳膜3照射激光束(激光)L来进行加工的装置，其具备有：激光照射机构22，脉冲振荡激光束L并以恒定的重复频率照射在碳膜3上并且进行扫描；马达等的旋转机构23，保持并可旋转涂层有碳膜3的工具基体2；移动机构24，设置该旋转机构23而可移动；及控制这些机构的控制部25。

上述移动机构24由如下构成：可沿与水平面平行的X方向移动的X轴载物台部24x；设置在该X轴载物台部24x上，且可沿相对于X方向垂直且与水平面平行的Y方向移动的Y轴载物台部24y；及设置在该Y轴载物台部24y上，且固定旋转机构23而能够保持工具基体2，并且可沿相对于水平面垂直的方向移动的Z轴载物台部24z。

上述激光照射机构22具备有：具有通过Q开关的触发信号对成为激光束L的激光进行振荡并且使其聚光成斑点状的光学系统的激光光源26；扫描所照射的激光束L的电磁扫描仪27；及为了确认结束涂层的工具基体2所保持的加工位置而进行拍摄的CCD照相机28。

通过该激光照射机构22出射的激光束L为单模，光束截面的光强度分布呈高斯型分布，并且如图3所示，聚光点中光束截面的光强度分布呈椭圆形状。

并且，激光照射机构22使激光束L的扫描方向与椭圆形状的上述光强度分布的长轴方向或短轴方向一致。这是因为，若激光束L的扫描方向为不与上述光强度分布的长轴方向或短轴方向一致而相对于长轴或短轴倾斜的方向，则导致扫描末端部分的加工形状倾斜而产生偏移。另外，本实施方式中使激光束L的扫描方向与上述光强度分布的短轴方向一致。

上述激光光源26可使用能够照射190～550nm的任一波长的激光的光源，例如在本实施方式中，使用能够振荡波长355nm的激光(Nd:YAG激光的三次谐波)并出射的光源。

另外，当碳膜3为金刚石膜时，使用激光束L的波长为360nm以下的紫外线激光。

上述电磁扫描仪27配置在移动机构24的正上方。并且，上述CCD照相机28与电磁扫描仪27邻接而设置。

在上述激光加工工序中，从刀尖2b前方朝向刀尖2b附近的前刀面4a侧或后刀面4b侧的碳膜3照射光束截面的光强度分布为高斯型分布的激光束L，并且沿着刀尖2b的延伸方向进行扫描并形成凹面3a。

并且，在激光加工工序中，从刀尖2b的前方照射激光束L，但控制移动机构24或电磁扫描仪27，例如相对于前刀面4a或后刀面4b以20°以下的角度照射至碳膜3。并且，向刀尖2b的延伸方向，即与图1的纸面垂直的方向扫描激光束L，如图4所示，以一线以上且十线以下的格栅状(边滑动边局部重叠激光束L的扫描线的状态)进行照射。另外，根据激光束L的聚光角度或焦点位置，可以适当设定扫描线的个数。在本实施方式中，由于激光束L在聚光前接触到工具基体2的壁面而难以向所希望的部位照射，因此设定为10线以下。

该激光加工中，由于激光束L的光束截面的光强度分布具有高斯型分布，因此越是激光束L的中心，强度越高，越是激光束L的中心越深地加工，并且越是周边越浅地加工，接触于碳膜3的前端(刃口部分)的激光束L的功率密度就会变弱。

另外，根据碳膜3有可能会从加工表面至1μm左右发生金刚石变成非晶质碳等的结构变化。

如此在本实施方式的碳膜包覆切削工具1中，因为相互邻接的前刀面4a侧的碳膜3的表面和后刀面4b侧的碳膜3的表面在切削刃2a的刀尖2b附近呈凹面，形成于切削刃2a的刀尖2b上的碳膜3具有比前刀面4a与后刀面4b所成的角度θ0更锐角的截面形状，所以能够具有比以往更锋利的刃口。即，通过切削刃2a的刀尖2b部分的碳膜3表面相对于前刀面4a及后刀面4b的延长面塌陷而被凹面化，从而能够尖锐地形成刀尖2b部分的碳膜3，得到比形成如以往的倒角时更锋利的刃口。

并且，在该碳膜包覆切削工具1的制造方法中，在激光加工工序中，因为从刀尖2b前方朝向刀尖2b附近的前刀面4a侧或后刀面4b侧的碳膜3照射光束截面的光强度分布为高斯型分布的激光束L，并且沿着刀尖2b的延伸方向进行扫描并形成凹面3a，所以如图4所示，碳膜3基于从刀尖2b前方照射的激光束L的切除痕呈截面圆弧状，从而能够沿着刀尖2b高精确度地形成凹面3a。

并且，由于激光束L的外周侧接触于碳膜3的前端部(刃口部分)，因此能够降低该前端部中的激光束L的功率密度，并能够防止碳膜3的前端部(刃口部分)被过于切除而成钝角。

另外，碳膜形成工序中，通过将碳膜3在切削刃2a的刀尖2b预先形成为比其他部分更加隆起，从而能够较大地设置激光加工工序中碳膜3的切削余量，并形成更深的凹面3a及更锋利的刃口。

[实施例]

接着，通过上述本实施方式的碳膜包覆切削工具的制造方法，参考图5及图6对实际制作的碳膜包覆切削工具的实施例进行说明。

在本实施例中，通过能够照射波长262nm(Nd:YAG激光(基本波：波长1047nm)的4倍波)、重复10kHz、平均输出0.1W的激光的上述激光加工装置，由fθ透镜(焦距f＝150mm)聚光激光，使用电磁扫描仪以25mm/s的扫描速度扫描4次相同轨迹，对将基于气相合成的金刚石被膜作为碳膜3实施的切削工具1的切削刃2a进行锋利的加工。

另外，作为准备，如图5所示，通过气相合成在硬质合金制的刀片(工具基体2)成膜平均膜厚17mm的金刚石，并在作为切削刃2a的后刀面4b与前刀面4a所成的棱线部(切削刃2b)形成比平均膜厚更厚的金刚石膜的碳膜3。另外，对碳膜质的测定使用拉曼光谱法。

并且，如上述，切削刃2a的部分由于成膜位置比平面更多，因此可以较厚地且圆化来成膜金刚石膜(碳膜3)。

例如，从工具基体2的切削刃2a的前端(刀尖2b)沿着前刀面4a远离50μm以上的碳膜3中，在将前刀面4a的膜厚设为100μm以上的部位中的平均膜厚ta，并且将切削刃2a的周边的膜厚设为从工具基体2的切削刃2a的前端(刀尖2b)沿着前刀面4a到50μm为止的平均膜厚te时，将膜厚ta设为5μm以上，并且以成为“te＞ta”的关系成膜。

接着，使前刀面4a及后刀面4b相对于激光束L的照射方向倾斜10°，从各个方向向成为切削刃2a的棱线平行地扫描激光束L。如图4所示，最初的光束照射目标位置P1设定在从前刀面4a及后刀面4b的平均高度的延长线4c、4d与切削刃部分的碳膜3的交点距离4mm的位置。

如此在上述制造方法中制作的碳膜包覆切削工具1中，当工具基体2的切削刃角θ0为90°时，能够对碳膜3进行激光加工的刃口的切削刃角θ1为88°，被进一步锐角化。另外，膜厚ta为17μm，膜厚te为19μm。并且，这些尺寸精确度主要使用了激光显微镜。

并且，将此时的激光加工工序前的切削刃部分的放大图像示于图6(a)，并且将激光加工工序后的切削刃部分的放大图像示于图6(b)。另外，图像中的用虚线(双点划线)围上的部分为切削刃部分。从这些图像可知，激光加工工序后的切削刃部分与激光加工工序前相比非常鲜明地被锐角化。

另外，本发明的技术范围不限定于上述实施方式，能够在不脱离本发明宗旨的范围内添加各种变更。

Claims (4)

1.一种碳膜包覆切削工具，为在工具基体的切削刃表面形成有碳膜的碳膜包覆切削工具，其特征在于，

相互邻接的前刀面侧的所述碳膜的表面与后刀面侧的所述碳膜的表面在所述切削刃的刀尖附近塌陷呈凹面，

形成于所述切削刃的刀尖的所述碳膜具有比所述前刀面与所述后刀面所成的角度更锐角的截面形状。

2.一种碳膜包覆切削工具的制造方法，为制造如权利要求1所述的碳膜包覆切削工具的方法，其特征在于，具有：

碳膜形成工序，在工具基体的切削刃表面形成碳膜；及

激光加工工序，照射激光束来加工所述切削刃表面的所述碳膜，

在该激光加工工序中，从所述刀尖前方朝向所述刀尖附近的所述前刀面侧或所述后刀面侧的所述碳膜照射光束截面的光强度分布为高斯型分布的所述激光束，使所述激光束的外周侧接触于所述碳膜的前端部，并且沿着所述刀尖的延伸方向进行扫描，形成所述凹面。

3.如权利要求2所述的碳膜包覆切削工具的制造方法，其特征在于，

在所述碳膜形成工序中，将所述碳膜在所述切削刃的刀尖形成为比其他部分更加隆起。

4.如权利要求2或3所述的碳膜包覆切削工具的制造方法，其特征在于，

所述碳膜为金刚石膜，

所述激光束的波长为360nm以下。