JP2008149393A - 加工工具、及び当該加工工具の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い硬度および耐摩耗性を有し、鉄系材料の加工工具への溶着を防止することができる安価な加工工具の提供。
【解決手段】研磨装置は、回転体２を備える。回転体２の表面は、複合メッキ２１により皮膜されている。この複合メッキ２１は、電気メッキ処理により皮膜された金属メッキとしてのニッケルメッキ２２と、ニッケルメッキ２２に無配向に分散させたカーボンナノチューブ２３とを備える。カーボンナノチューブ２３は、ニッケルメッキ２２の表面から突出している。このような構成によれば、回転体２は、ダイヤモンドと略同等の硬度を有することができ、耐摩耗性を向上させることができる。さらに、接触部におけるカーボンナノチューブの割合が小さく、カーボンナノチューブが熱伝導性に優れるため、ダイヤモンド工具とは異なり、鉄系材料と溶着することなく、高速で高精度に加工できるものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、加工工具、及び当該加工工具の製造方法に関する。

従来、機械加工において、被加工物と接触する接触部を有し、この接触部にて切断、切削、研削、および研磨などの除去加工を行う加工工具が知られている。具体的には、接触部を、被加工物に接触させて被加工物に対して移動させることにより除去加工を行っている。このような加工工具の接触部は、高い硬度を必要とするため、ダイヤモンドが利用される場合が多い（例えば、特許文献１）。
特許文献１に記載の加工工具では、ダイヤモンド粒子と、カーボンナノチューブとを含有するダイヤモンド焼結体を接触部に用い、カーボンナノチューブの高い熱伝導性を利用することにより、鉄系材料を加工する際に鉄と炭素が反応して発生する加工物の加工工具への溶着を抑制している。

特開２００５−２６２３８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の加工工具では、接触部にダイヤモンド粒を用いているので、除去加工を行う際に凝集しているダイヤモンド粒の一部が欠落して磨耗するという問題がある。また、カーボンナノチューブを利用することにより、被加工物の加工工具への溶着を抑制しているものの、接触部にダイヤモンドを使用する以上、溶着を完全には防止することができないという問題がある。さらに、ダイヤモンドは高価な材料であるので、加工工具も高価になるという問題がある。

本発明の目的は、高い硬度および耐摩耗性を有し、鉄系材料の加工工具への溶着を防止することができる安価な加工工具を提供することにある。

ここで、近年、通常の電気メッキ浴、あるいは化学メッキ浴に不溶性の微粒子を分散させて金属と共に共析させることにより、金属メッキに微粒子を分散させた複合メッキが知られている。複合メッキでは、金属メッキ、及び微粒子を選択することにより、硬度、耐摩耗性、潤滑性などに優れた機能メッキを皮膜することができる。
本発明者は、カーボンナノチューブの先端がダイヤモンドと同等の加工能力を持っていることを見出し、加工工具の接触部に、金属メッキにカーボンナノチューブを複合させた複合メッキを皮膜することにより、ダイヤモンドと略同等の硬度を有することができ、耐摩耗性を向上させることができることを突き止め、本発明を創作したものである。

具体的には、本発明の加工工具は、被加工物と接触する接触部を有し、当該接触部にて除去加工を行う加工工具であって、前記接触部の表面には、金属メッキにカーボンナノチューブを分散させた複合メッキが皮膜されることを特徴とする。

このような構成によれば、加工工具の接触部の表面には、金属メッキにカーボンナノチューブを分散させた複合メッキが皮膜されるので、ダイヤモンドと略同等の硬度を有することができる。また、除去加工を行う際に接触部の一部が欠落することがなく、耐摩耗性を向上させることができる。さらに、接触部におけるカーボンナノチューブの割合が小さく、カーボンナノチューブが熱伝導性に優れるため、ダイヤモンド工具とは異なり、鉄系材料と溶着することなく、高速で高精度に加工できるものである。

本発明では、前記カーボンナノチューブは、前記複合メッキの皮膜表面から一部が突出していることが好ましい。
このような構成によれば、複合メッキの皮膜表面から突出したカーボンナノチューブが被加工物と接触することができる。したがって、カーボンナノチューブにより被加工物を除去加工することができ、接触部の硬度をダイヤモンドと同程度にすることができる。

本発明では、前記複合メッキは、分散剤を用いて皮膜され、前記カーボンナノチューブは、前記金属メッキに無配向に分散されることが好ましい。

ここで、分散剤とは、通常の電気メッキ浴、あるいは化学メッキ浴に不溶性の微粒子を分散させて複合メッキを皮膜する際、メッキ浴中の微粒子を分散させるものであり、例えば、ポリアクリル酸などを採用することができる。
したがって、このような構成によれば、カーボンナノチューブは、分散剤を用いることにより金属メッキに無配向に分散されるので、接触部にて被加工物を除去加工する際に、接触部を、いずれの方向に移動させた場合においても均一な硬度を有することができる。

本発明では、前記複合メッキは、膜厚が１０μｍ以上、５０μｍ以下であることが好ましい。
すなわち、複合メッキの膜厚が１０μｍより薄い場合には、複合メッキにカーボンナノチューブを安定して分散することができない。一方、複合メッキの膜厚が５０μｍより厚い場合には、複合メッキの皮膜表面が粗くなり、加工工具として十分な加工精度を有することができない。したがって、複合メッキは、膜厚が１０μｍ以上、５０μｍ以下であることが好適である。

本発明では、前記金属メッキは、ニッケルメッキであることが好ましい。
このような構成によれば、ニッケルは、電気メッキ処理に好適な金属であるので、電気メッキ処理により容易に接触部に複合メッキを皮膜することができる。また、ニッケル金属で皮膜することにより、接触部の金属を防錆することができる。

本発明では、前記接触部は、導電性を有する材料から構成され、前記複合メッキは、電気メッキ処理により皮膜されることが好ましい。
このような構成によれば、電気メッキ処理により、接触部における細かい凹凸を覆うように複合メッキを皮膜しているので、接触部の表面における緻密性および平滑性を向上させることができ、加工工具の加工精度を向上させることができる。

本発明では、前記接触部は、絶縁性を有する材料から構成され、前記複合メッキは、前記接触部に無電解メッキ処理により金属メッキが皮膜された後、電気メッキ処理により皮膜されることが好ましい。
このような構成によれば、電気メッキ処理を行うことができない絶縁性を有する材料から構成される接触部であっても、電気メッキ処理により複合メッキを皮膜することができる。したがって、接触部の表面における緻密性および平滑性を向上させることができ、加工工具の加工精度を向上させることができる。

本発明の加工工具の製造方法は、被加工物と接触する接触部を有し、当該接触部にて除去加工を行う加工工具の製造方法であって、前記接触部は、導電性を有する材料から構成され、電気メッキ浴にカーボンナノチューブを分散させて複合メッキ液を調製する複合メッキ液調製工程と、前記複合メッキ液に、当該加工工具の接触部を浸漬し、電気メッキ処理を施す電気メッキ処理工程とを備えることを特徴とする。

このような製造方法によれば、前述した加工工具の作用および効果と同様の作用および効果を享受することができる。

本発明の加工工具の製造方法は、被加工物と接触する接触部を有し、当該接触部にて除去加工を行う加工工具の製造方法であって、前記接触部は、絶縁性を有する材料から構成され、前記接触部に、無電解メッキ処理により金属メッキを皮膜する無電解メッキ処理工程と、電気メッキ浴にカーボンナノチューブを分散させて複合メッキ液を調製する複合メッキ液調製工程と、前記複合メッキ液に、当該加工工具の接触部を浸漬し、電気メッキ処理を施す電気メッキ処理工程とを備えることを特徴とする。

このような製造方法によれば、前述した加工工具の作用および効果と同様の作用および効果を享受することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る研磨装置１について説明する。
図１は、本実施形態に係る研磨装置１の要部を示す正面図および平面図である。
加工工具としての研磨装置１は、被加工物の研磨を行うものであり、図１に示すように、回転体２を備えている。
接触部としての回転体２は、錫を材料として略円盤状に形成され、回転軸Ｒを中心として回転可能に支持されている。そして、回転体２は、図１の上面図に示すように、回転体２の外縁に向かうほど肉薄になるテーパ状に形成されている。
なお、図示は省略するが、回転軸Ｒには、回転体２を回転駆動するためのモータが接続されている。また、回転体２には、図示は省略するが、ステッピングモータが接続され、図１中上下方向に移動可能に構成されている。

歯車Ｇは、図示は省略するが、ホゾを研磨装置１の保持部材により保持され、この保持部材は、研磨装置１に回転可能に支持されている。すなわち、歯車Ｇは、ホゾを中心として回転可能に支持されている。
研磨装置１は、図１に示すように、ステッピングモータを駆動して、回転体２を、歯車Ｇの歯溝に、この歯溝に応じた角度θで接触させる。そして、研磨装置１は、モータを駆動して、回転体２を回転させることにより歯車Ｇの研磨加工を行う。
なお、歯車Ｇの異なる歯溝を研磨加工する場合には、研磨装置１は、ステッピングモータを駆動して、回転体２を、歯車Ｇから遠ざけた後、歯車Ｇを、ホゾを中心として回転させて回転体２と、歯車Ｇの歯溝との位置合わせを行う。そして、再度、ステッピングモータを駆動して、回転体２を、歯車Ｇの異なる歯溝に、この歯溝に応じた角度θで接触させて歯車Ｇの研磨加工を行う。

図２は、回転体２の表面を示す模式図である。
回転体２の表面は、図２に示すように、複合メッキ２１により皮膜されている。この複合メッキ２１は、電気メッキ処理により皮膜された金属メッキとしてのニッケルメッキ２２と、ニッケルメッキ２２に無配向に分散されたカーボンナノチューブ２３とを備える。カーボンナノチューブ２３は、ニッケルメッキ２２の表面から突出している。

次に、回転体２の製造方法、すなわち、回転体２に複合メッキ２１を皮膜する方法について説明する。
まず、硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ_４−６Ｈ_２Ｏ）と塩化ニッケル（ＮｉＣｌ_２−６Ｈ_２Ｏ）を主成分とする電気メッキ浴としてのワット浴に、ポリアクリル酸、及びカーボンナノチューブ２３を分散することで複合メッキ液を調整する（複合メッキ液調製工程）。
ここで、硫酸ニッケルの体積モル濃度を１ｍｏｌ／ｌ、塩化ニッケルの体積モル濃度を０．２ｍｏｌ／ｌ、ポリアクリル酸の体積モル濃度を０．５ｍｏｌ／ｌ、カーボンナノチューブ２３の含有量を２ｇ／ｌとして複合メッキ液を調製した。また、カーボンナノチューブ２３の形状は、平均の直径が１００ｎｍ、平均の長さが１０μｍのものを用いている。
なお、カーボンナノチューブ２３の直径、長さ、および含有量は、被加工物、加工工具の材料、および除去加工の方法などにより、適宜最適化して定めることができる。

そして、複合メッキ液調製工程により調整される複合メッキ液に、回転体２を浸漬し、電流密度２Ａ／ｄｍ^２で攪拌しながら電解メッキ処理を施す（電気メッキ処理工程）。
これにより、ニッケルメッキ２２に、カーボンナノチューブ２３を分散させた複合メッキ２１が回転体２に皮膜される。なお、複合メッキ２１は、膜厚が２０μｍとなるように皮膜されている。

本実施形態に係る研磨装置１によれば、次のような効果がある。
（１）回転体２の回転体２の表面には、ニッケルメッキ２２にカーボンナノチューブ２３を分散させた複合メッキ２１が皮膜されるので、ダイヤモンドと略同等の硬度を有することができる。また、除去加工を行う際に回転体２の一部が欠落することがなく、耐摩耗性を向上させることができる。さらに、接触部におけるカーボンナノチューブの割合が小さく、カーボンナノチューブが熱伝導性に優れるため、ダイヤモンド工具とは異なり、鉄系材料と溶着することなく、高速で高精度に加工できるものである。
（２）複合メッキ２１は、ニッケルメッキ２２に無配向に分散させたカーボンナノチューブ２３を備え、カーボンナノチューブ２３は、ニッケルメッキ２２の表面から突出しているので、複合メッキ２１の皮膜表面から突出したカーボンナノチューブ２３が歯車Ｇの歯溝に接触することができる。したがって、カーボンナノチューブ２３により歯車Ｇを研磨加工することができ、回転体２の硬度を更に向上させることができる。

（３）カーボンナノチューブ２３は、ニッケルメッキ２２に無配向に分散されているので、回転体２にて歯車Ｇを研磨加工する際に、回転体２を、いずれの方向に回転させた場合においても均一な硬度を有することができる。
（４）複合メッキ２１は、膜厚が２０μｍとなるように皮膜されているので、複合メッキ２１にカーボンナノチューブ２３を安定して分散することができる。また、複合メッキ２１の皮膜表面の平滑性を向上させることができ、加工工具として十分な加工精度を有することができる。

（５）金属メッキとしてニッケルメッキ２２を採用しているので、電気メッキ処理により容易に回転体２に複合メッキ２１を皮膜することができる。また、ニッケル金属で皮膜することにより、回転体２の金属（錫）を防錆することができる。
（６）回転体２は、導電性を有する錫から構成され、複合メッキ２１は、電気メッキ処理工程において、電気メッキ処理により皮膜されている。したがって、回転体２における細かい凹凸を覆うように複合メッキ２１を皮膜しているので、回転体２の表面における緻密性および平滑性を向上させることができ、研磨装置１の加工精度を向上させることができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る切削工具３について説明する。
なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
図３は、本実施形態に係る切削工具３を示す概略図である。
前記第１実施形態に係る研磨装置１では、接触部としての回転体２は、導電性を有する錫を材料としていた。
これに対して、本実施形態に係る切削工具３では、接触部としての切刃チップ５は、絶縁性を有する超硬材料を材料としている点で異なる。

加工工具としての切削工具３は、被加工物の切削を行うものであり、図３に示すように、工具本体４を備える。
工具本体４には、チップ取付部４Ａが形成され、に、切刃チップ５が着脱可能に装着されている。
接触部としての切刃チップ５は、炭化タングステン（ＷＣ）とコバルト（Ｃｏ）からなる超硬材料で三角柱状に形成されている。そして、切刃チップ５は、被加工物と接触させて移動させることにより、被加工物を切削する。

図４は、切刃チップの表面を示す模式図である。
ここで、切刃チップ５は、炭化タングステン（ＷＣ）とコバルト（Ｃｏ）からなる超硬材料を材料としているので、絶縁性を有している。すなわち、この状態では前記第１実施形態における電気メッキ処理を施すことができない。
このため、切刃チップ５は、図４に示すように、無電解メッキ処理により金属メッキとしてのニッケルメッキ５１が皮膜された後、複合メッキ２１が皮膜されている。
すなわち、切刃チップ５の製造方法は、まず、切刃チップ５に、無電解メッキ処理によりニッケルメッキ５１を皮膜する（無電解メッキ処理工程）。
そして、前記第１実施形態における複合メッキ液調製工程および電気メッキ処理工程を行い、複合メッキ２１を皮膜する。

このような本実施形態においても、前記第１実施形態の（１）〜（５）と同様の作用、効果を得ることができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
すなわち、切刃チップ５は、電気メッキ処理を行うことができない絶縁性を有する材料から構成されているが、無電解メッキ処理によりニッケルメッキ５１が皮膜された後、複合メッキ２１により皮膜されているので、切刃チップ５の表面における緻密性および平滑性を向上させることができ、加工工具の加工精度を向上させることができる。

［実施形態の変形］
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記各実施形態では、加工工具として研磨装置１および切削工具３を例示し、回転体２および切刃チップ５に複合メッキ２１を皮膜していたが、例えば、歯車の歯切りを行うホブ盤におけるホブに複合メッキ２１を皮膜してもよく、要するに、被加工物と接触する接触部を有し、この接触部にて除去加工を行う加工工具の接触部に複合メッキを皮膜すればよい。
前記各実施形態では、金属メッキは、ニッケルメッキ２２を選択していたが、他の金属メッキを選択してもよく、さらには、合金メッキなどを選択してもよい。
前記各実施形態では、複合メッキ２１は、電解メッキ処理により接触部に皮膜していたが、無電解メッキ処理により皮膜してもよい。

前記各実施形態では、ニッケルメッキ２２は、膜厚が２０μｍであったが、これ以外の膜厚であってもよく、要するに、複合メッキ２１にカーボンナノチューブ２３を安定して分散することができればよい。さらに、加工工具として十分な加工精度を有するために厚く皮膜してから研磨してもよい。
前記各実施形態では、複合メッキ２１は、ニッケルメッキ２２に無配向に分散させたカーボンナノチューブ２３を備え、カーボンナノチューブ２３は、ニッケルメッキ２２の表面から突出していたが、チューブの方向が母材に対して直角になるような配向があるように分散されていてもよい。また、ニッケルメッキ２２の表面から突出していなくてもよい。要するに、カーボンナノチューブ２３がニッケルメッキ２２に分散されていればよく、加工の際にニッケルメッキ２１の表面が削れて、カーボンナノチューブが出現するものである。

第１実施形態に係る研磨装置の要部を示す正面図および上面図。 第１実施形態に係る回転体の表面を示す模式図。 第２実施形態に係る切削工具を示す概略図。 第２実施形態に係る切刃チップの表面を示す模式図

符号の説明

１…研磨装置（加工工具）、２…回転体（接触部）、３…切削工具（加工工具）、５…切刃チップ（接触部）、２１…複合メッキ、２２…ニッケルメッキ（金属メッキ）、２３…カーボンナノチューブ、５１…ニッケルメッキ（金属メッキ）、Ｇ…歯車（被加工物）。

Claims (9)

1. 被加工物と接触する接触部を有し、当該接触部にて除去加工を行う加工工具であって、
   前記接触部の表面には、金属メッキにカーボンナノチューブを分散させた複合メッキが皮膜されることを特徴とする加工工具。
2. 請求項１に記載の加工工具において、
   前記カーボンナノチューブは、前記複合メッキの皮膜表面から一部が突出していることを特徴とする加工工具。
3. 請求項１または請求項２に記載の加工工具において、
   前記複合メッキは、分散剤を用いて皮膜され、
   前記カーボンナノチューブは、前記金属メッキに無配向に分散されることを特徴とする加工工具。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の加工工具において、
   前記複合メッキは、膜厚が１０μｍ以上、５０μｍ以下であることを特徴とする加工工具。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の加工工具において、
   前記金属メッキは、ニッケルメッキであることを特徴とする加工工具。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の加工工具において、
   前記接触部は、導電性を有する材料から構成され、
   前記複合メッキは、電気メッキ処理により皮膜されることを特徴とする加工工具。
7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の加工工具において、
   前記接触部は、絶縁性を有する材料から構成され、
   前記複合メッキは、前記接触部に無電解メッキ処理により金属メッキが皮膜された後、電気メッキ処理により皮膜されることを特徴とする加工工具。
8. 被加工物と接触する接触部を有し、当該接触部にて除去加工を行う加工工具の製造方法であって、
   前記接触部は、導電性を有する材料から構成され、
   電気メッキ浴にカーボンナノチューブを分散させて複合メッキ液を調製する複合メッキ液調製工程と、
   前記複合メッキ液に、当該加工工具の接触部を浸漬し、電気メッキ処理を施す電気メッキ処理工程とを備えることを特徴とする加工工具の製造方法。
9. 被加工物と接触する接触部を有し、当該接触部にて除去加工を行う加工工具の製造方法であって、
   前記接触部は、絶縁性を有する材料から構成され、
   前記接触部に、無電解メッキ処理により金属メッキを皮膜する無電解メッキ処理工程と、
   電気メッキ浴にカーボンナノチューブを分散させて複合メッキ液を調製する複合メッキ液調製工程と、
   前記複合メッキ液に、当該加工工具の接触部を浸漬し、電気メッキ処理を施す電気メッキ処理工程とを備えることを特徴とする加工工具の製造方法。

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