JP2012066352A

JP2012066352A - 切削工具

Info

Publication number: JP2012066352A
Application number: JP2010213877A
Authority: JP
Inventors: Masato Matsuzawa; 正人松澤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-09-24
Filing date: 2010-09-24
Publication date: 2012-04-05

Abstract

【課題】切刃における被覆層のチッピングや剥離を抑制できるとともに耐溶着性を向上した切削工具を提供する。
【解決手段】基体６の表面が被覆層７により被覆され、被覆層７の少なくとも一部が、使用する際に規則的に断片化されて複数の領域に分割されうる下層７ａと、下層７ａの直上に配設されて下層７ａの分割された隙間に浸入して目詰めできる上層７ｂとを具備する上刃３等の切削工具である。
【選択図】図３

Description

本発明は、基体の表面に被覆層が形成された切削工具に関する。

現在、旋削加工やフライス加工に用いられるスローアウェイチップ、ドリルやエンドミル、切断刃等の切削工具では耐摩耗性や摺動性、耐欠損性が必要とされるため、ＷＣ基超硬合金やＴｉＣＮ基サーメット等の硬質基体の表面に様々な被覆層を成膜して切削工具の耐摩耗性、耐欠損性を向上させる手法が使われており、被覆層としてＴｉＣＮやＡｌ_２Ｏ_３、ＴｉＡｌＮ、ダイヤモンド、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）等の被覆層が好適に利用されている。

例えば、特許文献１では、金型などの基材表面にＤＬＣ膜をコーティングするにあたり、あらかじめ基材の表面に０．１〜５μｍＲｚの微細な粗面化処理を施し、その表面にＤＬＣ膜を成膜してＤＬＣ膜と基体との密着力を増加させることが開示されている。

特開２００４−０８４０１４号公報

しかしながら、特許文献１のように、あらかじめ基材の表面を粗面化処理してからＤＬＣ膜を成膜する構成では、ＤＬＣ膜の剥離は抑制されて耐欠損性は向上するが、切削工具としての耐溶着性が損なわれてしまうおそれがあった。

本発明は、基体の表面を被覆した被覆層の切刃における膜剥離や欠損を抑制できるとともに耐溶着性が高い切削工具を提供することを目的とする。

本発明の切削工具は、基体表面が被覆層により被覆され、該被覆層の少なくとも一部が、使用する際に規則的に断片化されて複数の領域に分割されうる下層と、該下層の直上に配設されて前記下層の分割された隙間に浸入して目詰めできる上層とを具備するものである。

ここで、前記下層がダイヤモンドまたはダイヤモンドライクカーボンからなり、前記上層がフッ素樹脂を含有する材質からなる被膜であってもよい。

また、前記下層には溝が形成されているとともに、該溝の平均幅は１０〜４０μｍであり、複数の前記溝により形成される分割領域の平均面積は２００〜４０００μｍ^２であってもよい。

本発明の切削工具によれば、切刃では被覆層に残存する内部応力を低減することができることから、被覆層の下層の膜厚を厚くしても膜剥離を生じにくく、また、過負荷や曲げ応力の発生により剥離したとしても最小限の範囲にとどめることが可能である。さらに、表面においては、下層の分割された隙間に上層が目詰めされるので耐溶着性も良い。

本発明の切削工具の好適例であるウェブ切断装置について、（ａ）上刃と下刃を回転軸方向で見た概略図、（ｂ）（ａ）のＳ軸の断面についての要部拡大図、（ｃ）（ａ）のＴ軸の断面についての要部拡大図である。図１のウェブ切断装置について、（ａ）Ｓ軸における断面図、（ｂ）上面図である。図２の上切刃付近の模式図であり、（ａ）断面図、（ｂ）正面図である。本発明の切削工具の他の好適例であるツイストドリルについて、（ａ）側面図、（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ断面図である。

本発明の切削工具の第１の実施態様であるリング状の切刃を有する上刃と下刃の２枚を一部重ねた状態でシート状の被切削物（ウェブ）を切断する切断装置の模式図である図１、図１におけるＳ−Ｓ断面の断面図である図２、図２の切刃部分の概略拡大模式図である図３を基に説明する。

図１〜３によれば、切断装置１は、略円柱形状の下刃２と、略円盤形状の上刃３とを備えている。下刃２及び上刃３は互いに対向する側の外周部にそれぞれ下切刃２５および上切刃３５を備えている。下刃２と上刃３とはＡ−Ａ’間において、回転軸Ｐ、Ｏを通る直線方向（以下、中心軸方向という。）に重なっている。また、下刃２の下切刃２５と上刃３の上切刃３５における回転軌道面（それぞれの切刃の回転軌道を外周とする平面）は、互いに略平行となるように配置されている。なお、下刃２の下切刃２５と上刃３の上切刃３５における回転軌道面の回転軌道面が平行から±５°の範囲内であることが、切断されるウェブ１０への応力や加工精度の観点から好ましい。

また、下切刃２５および上切刃３５の表面に被覆層７が形成される。被覆層７としては、少なくとも一部が、使用する際に規則的に断片化されて複数の領域に分割されうる周期表第４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物、特に（Ｔｉ_ａＭ_ｂ）Ｃ_ｘＮ_ｙＯ_ｚ（ただし、Ｍ：Ａｌ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｓｉの群から選ばれる少なくとも１種、０＜ａ≦１、０≦ｂ＜１、ａ＋ｂ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣと略す。なお、本発明のＤＬＣはテトラヘデラルアモルファスカーボンも含む。）、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）およびＡｌ_２Ｏ_３の群から選ばれる少なくとも１種を含む単層または複数層からなる下層７ａと、下層７ａの直上に配設されて下層７ａの分割された隙間に浸入して目詰めできる上層７ｂとを具備するものである。

ここで、下層７ａがダイヤモンドまたはダイヤモンドライクカーボンからなり、上層７ｂがフッ素樹脂を含有する材質からなる場合には、耐欠損性および耐溶着性が高い。なお、フッ素樹脂内には硬質粒子（フィラー）が添加されていてもよい。他には、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、フッ化黒鉛、窒化ホウ素、グラファイト等の固体潤滑剤を含有する材質で構成される被膜が使用可能である。

なお、下刃２および上刃３を構成する基体６は、超硬合金、サーメット、高速度鋼等の硬質材が好適に使用可能であり、特に、刃先研磨加工に耐えうる靭性を兼ね備えて下切刃２５および上切刃３５の切刃５の先端における刃立性を向上できるとともに、切刃５の先端の耐摩耗性を両立する超硬合金が望ましい。

そして、図２のように、下刃２及び上刃３は図１に記載のＯ及びＰを回転軸として、それぞれ逆方向に回転させて、加工対象であるウェブ１０を下刃２及び上刃３の主面に対して垂直な方向から連続的に進入させて、下刃２の下切刃２５と上刃３の上切刃３５との間
（具体的には、Ａ−Ａ’間）にてウェブ１０を切断する。

具体的に説明すると、下刃２は略円柱形状を有し、一端面に外周に亘って切り欠かれた切欠部を有する第１ブロック２ａと、第１ブロック２ａと略同一径を有し、切欠が形成されていない第２ブロック２ｂとからなる。第１ブロック２ａと第２ブロック２ｂはそれぞれの円柱の軸が合うように接合されている。そして、第１ブロック２ａの切欠部と第２ブロック２ｂとの一端面とによって空隙部２６が形成されている。なお、本発明の説明において、円柱形状とは外形が円柱になっていればよく、例えば内部に空隙部２６がある円筒形状も含むものである。

第１ブロック２ａは、外周側面２１と切欠部の入口面２２との間（即ちエッジ部分）に下切刃２５が形成されている。また、入口面２２よりもさらに中心軸側には入口面２２よりも深く切欠かれた逃がし部が形成されている。

上刃３は略円盤形状を有しており、該円盤形状の外周に亘って上切刃３５が形成されている。また、上切刃３５は、回転軸と略直交するとともに下刃２と対向する上刃摺接面３２と、この上刃摺接面３２とは反対側の上刃裏面３３とによって構成されている。なお、本発明の説明において、円盤形状とは外形が円盤になっていればよく、例えば内部に空洞部３４があるドーナツ形状も含むものである。

下刃２の空隙部２６内には、上刃３の上切刃３５が挿入された状態で配置されている。上切刃３５が挿入される部分における空隙部２６の幅ｗは非常に狭い間隔（例えば１〜１０ｍｍ程度）に形成されている。そして、例えば切断装置１の下刃２および上刃３に対して垂直にウェブ１０を通すことにより、下切刃２５と上切刃３５との間でウェブ１０を切断する。

下刃の第１ブロック２ａの外周側面２１および第２ブロック２ｂの外周側面は、ともに切断するウェブ１０を誘導する働きと切断時にウェブ１０の切断部分の両端を支持する働きを有している。そのため、外周側面２１はウェブ１０がはみ出さないようにウェブ１０の幅よりも幅広であることが好ましい。

また、ウェブ１０は下切刃２５と上切刃３５との間の剪断応力によって切断されることとなる。このとき、下切刃２５と上切刃３５ではウェブ１０内に存在する硬い部分が衝突して欠損しやすいが、本実施態様においては、図３に示すように、下切刃２５および上切刃３５の切刃５における下層７ａが、使用する際に規則的に断片化されて複数の領域に分割されうる構成となっているために欠損しにくくなっている。しかも、切削加工中に複数の領域に分割された下層７ａの隙間を上層７ｂが目詰めする形態になるので、被削材の溶着の発生を抑制できる。

ここで、下切刃２５および上切刃３５の基体６の表面には微細な溝８が規則的に配設された格子状であり、溝８の上では下層７ａの表面がへこんでおり、かつ上層７ｂが凹部をも目詰めした構成であってもよく、これによって、下層７ａが使用する際に容易に規則的に断片化されて複数の領域に分割されうる構成となるとともに、上層７ｂが複数の領域に分割された隙間を目詰めすることができる。

また、溝８の切刃５の稜線における平均幅は１０〜４０μｍであることが、製造が可能でかつ耐溶着性が向上する点で望ましく、さらに、切刃５の稜線における複数の溝８によって分割される各領域の平均面積は２００〜４０００μｍ^２の構成であることが、被覆層７の耐欠損性を高める点で望ましい。ここで、前記平均面積には、溝８の面積は含まないものとする。また、この溝８は下切刃２５および上切刃３５の切刃稜線に対して斜めに配
置されている構成である場合には、被覆層７の剥離やチッピングを抑制する効果が高い。なお、本発明において、切刃５の稜線に対して溝８が斜めに配置されるとは、切刃５の稜線と溝８とのなす角が１０〜８０°の状態をいう。

ここで、溝８を形成するには、基体６を作製する際の成形体や焼結体の表面にレーザ加工によって溝８を形成する方法や、下層７ａを成膜した後で下層７ａの表面からレーザ加工によって溝８を形成する方法が好適に採用できる。さらに、他の方法として、下層７ａを成膜する前の基体６の表面にメッシュ状のシートをかぶせるか印刷法等によってメッシュ状のマスク材を載置した状態で下層７ａを成膜することによって、規則的に断片化されて複数の領域に分割された下層７ａを形成することも可能である。なお、上層７ｂは下層７ａを成膜した後に、塗布法やディッピング法にて成膜することができる。

また、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、上刃摺接面３２の上切刃３５側にテーパ面３７を形成し、下刃２および上刃３の中心軸を通る断面上においてテーパ面３７に下切刃２５の１点で接触させた構成とすることもできる。この構成によれば、テーパ面３７を形成することにより、上切刃３５および下切刃２５が接触したり擦れあったりすることを防止することができる。そのため、上切刃３５と下切刃２５同士の接触による摩耗屑の低減ができて、下刃２と上刃３の切刃２５、３５の寿命を延命することができる。また、上刃３を大きく撓ますことなく所定の微小幅クリアランス（上切刃３５と下切刃２５との距離Ｅ）を長期間にわたり精度良く設定することができる。このように所定の微小幅のクリアランスを維持した状態でウェブ１０を連続的に進入させることにより、下切刃２５と上切刃３５との間に所望の剪断応力が付与されて、ウェブ１０を連続的に小さい力で鋭利な剪断面にカッティングすることができる。

なお、上記実施態様では、ウェブ１０を連続的に切断する切断装置について説明したが、本発明はこの実施態様に限定されるものではなく、例えば、スローアウェイチップやドリル、エンドミル等の他の切削工具に対しても有効である。

そこで、本発明の第２の実施態様であるツイストドリルについて、（ａ）側面図、（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ断面図である図４を基に説明する。

図４のツイストドリル１００は、棒状の工具本体１０１の外周部に、工具本体１０１の先端から後端側へ向かつて延びる切屑排出溝１０２が形成され、この切屑排出溝１０２の壁面の先端と工具先端面から外周面に続く稜線部に切刃１０３が設けられている。そして、ツイストドリル１００は、Ｘ−Ｘ断面図である図４（ｂ）に示すように、基体１０４の表面に、使用する際に規則的に断片化されて複数の領域に分割されうる下層１０５ａと、下層１０５ａの直上に配設されて下層１０５ａの分割された隙間に浸入して目詰めできる上層１０５ｂとからなる被覆層１０５が形成されている。これによって、被覆層１０５の下層１０５ａの残留応力を低減できて欠損しにくくなっているとともに、上層１０５ｂが下層１０５ａの複数に分割された領域の隙間に入り込んで目詰めする形態となるので、耐溶着性も高いものである。

超硬合金からなる上刃の表面に対してダイヤモンド砥石を用いて研削し、先端角３０°、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以下の鏡面とした。そして、各試料について上切刃に表１に示す処理を施し、切刃における被覆層が使用する際に規則的に断片化されて複数の領域に分割されうる構成とした。

そして、上刃全体にアークイオンプレーティング法によって、膜厚０．２μｍのＤＬＣの下層とフッ素樹脂の上層からなる被覆層を被覆した。得られた被覆層付きの上刃と同様
にして同じ基体と被覆層にて下刃を作製し、これらを組み込んだ切断装置を用いて図１のようなスリッティング工具とし、アルミ箔を用いて下記条件でスリッティングテストを行った。
＜条件＞
刃具形状：スリッター刃（上刃９８φ、下刃８０φ）
テープスピード：１２０ｍ／分
上下刃のオーバーラップ量：０．５ｍｍ
被削材：アルミ箔（A1085H18）、２５μｍ厚。

スリッティングテスト中、１０００ｍ切断毎に上刃切断面の状態を確認するとともに、被切断材の加工面状態を顕微鏡で観察して切断面にバリや変形が発生した時点を寿命として評価した。結果は表１に示した。なお、試料Ｎｏ．１〜６については使用後の切刃を観察したところ、被覆層が溝に沿って規則的に断片化されて複数の領域に分割されていた。観察された溝の平均幅および分割領域の平均面積を算出した。

表１、２の結果から明らかなとおり、上層をもたないＮｏ．６では溝内部への溶着の発生、またそれにともなう周囲の膜の剥離が確認され、上層があるＮｏ.１〜５に比較して
寿命が短いものであった。切刃における加工が鏡面加工のみまたはブラスト処理をして、使用する際に被覆層が規則的に断片化されて複数の領域に分割されなかった試料Ｎｏ．７、８では、全周に亘って剥離や溶着が発生して切断距離も短いものであった。

これに対して、切刃において使用する際に被覆層が規則的に断片化されて複数の領域に分割された下層膜をもち且つ固体潤滑剤を含む上層を備える試料Ｎｏ．１〜５では、被覆層の剥離が少なくて切断距離が長くなった。

１切断装置
２下刃
２ａ第１ブロック
２ｂ第２ブロック
２１外周側面
２２入口面
２５下切刃
２６空隙部
３上刃
３２上刃摺接面
３３上刃裏面
３４空洞部
３５上切刃
３７テーパ面
５、１０３切刃
６、１０４基体
７、１０５被覆層
７ａ、１０５ａ下層
７ｂ、１０５ｂ上層
８溝
１００ツイストドリル
１０１工具本体
１０２切屑排出溝
Ｏ上刃回転軸
Ｐ下刃回転軸
Ｓ中心軸（回転軸Ｐ、Ｏを通る直線）方向
Ｔ点Ａおよび点Ａ’を通って中心軸Ｓに平行な直線
θ 切刃稜線と溝とのなす角

Claims

基体表面が被覆層により被覆され、該被覆層の少なくとも一部が、使用する際に規則的に断片化されて複数の領域に分割されうる下層と、該下層の直上に配設されて前記下層の分割された隙間に浸入して目詰めできる上層とを具備する切削工具。
前記下層がダイヤモンドまたはダイヤモンドライクカーボンからなり、前記上層がフッ素樹脂を含有する材質からなる請求項１記載の切削工具。
前記下層には溝が形成されているとともに、該溝の平均幅は１０〜４０μｍであり、複数の前記溝により形成される分割領域の平均面積は２００〜４０００μｍ^２である請求項１または２記載の切削工具。