JP2017196686A - 回転切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】多刃化が可能な回転切削工具を提供することを目的とする。
【解決手段】超硬合金を含む柱状の台金１０２と、台金１０２の外周面に直接に結合された多結晶ダイヤモンド１０３とを備え、多結晶ダイヤモンド１０３には複数の切刃１０４が設けられており、複数の切刃１０４の回転直径Ｄ（ｍｍ）に対する複数の切刃１０４の数ｎの割合（ｎ／回転直径Ｄ（ｍｍ））は０．６／ｍｍ以上１．５／ｍｍ以下である。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転切削工具に関する。より特定的には、多結晶ダイヤモンドの切刃を有する回転切削工具に関する。

回転切削工具は、たとえば特開平１０−１１３８１０号公報（特許文献１）、および特表２００４−５１６１５２号公報（特許文献２）に開示されている。

このような回転切削工具では、超硬合金製のシャンクに板状の多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ：Ｐｏｌｙ Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｄｉａｍｏｎｄ）のチップをロウ付けなどで結合している。ＰＣＤのチップに切刃を創成する。

シャンクにチップをロウ付けするためにはチップの厚みに応じた窪み（チップポケット）を設ける必要がある。チップポケットが所定の大きさを有するため、隣接する切刃間の距離が一定値以上となる。

切削速度の高速化に伴い、１つの切刃あたりの負荷を低減させ、工具摩耗を抑える必要がある。その場合、切刃の数を多くすることが重要である。しかし、上記の通り隣接する切刃間の距離が一定値以上となるため、切刃の数を多くすることが困難であるという問題があった。

特開平１０−１１３８１０号公報 特表２００４−５１６１５２号公報

そこで、この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、多刃化が可能な回転切削工具を提供することを目的とする。

この発明に従った回転切削工具は、超硬合金を含む柱状の台金と、台金の外周面に直接に結合された多結晶ダイヤモンドとを備え、多結晶ダイヤモンドには複数の切刃が設けられており、複数の切刃の回転直径Ｄ（ｍｍ）に対する複数の切刃の数ｎの割合（ｎ／回転直径Ｄ（ｍｍ））は０．６／ｍｍ以上１．５／ｍｍ以下である。

この発明に従えば、多刃化が可能な回転切削工具を提供することができる。

実施の形態１に従った回転切削工具の正面図である。 図１中の矢印ＩＩで示す方向から見た回転切削工具の側面図である。 図２で示す側面の拡大図である。 図１中のＩＶで囲んだ部分の拡大図である。 実施の形態１に従った回転切削工具の先端部分の斜視図である。 実施の形態２に従った回転切削工具の正面図である。 図６中のＶＩＩで囲んだ部分の拡大図である。 図７中の矢印ＶＩＩＩで示す方向から見た端面１１８の図である。 実施の形態３に従った回転切削工具の正面図である。 図９中のＸで囲んだ部分の拡大図である。 図１０中の矢印ＸＩで示す方向から見た端面１１８の図である。 実施の形態４に従った回転切削工具の正面図である。 図１２中のＸＩＩＩで囲んだ部分の拡大図である。 図１３中の矢印ＸＩＶで示す方向から見た端面１１８の図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

本発明者らは、上記の回転切削工具の問題点を解決すべく研究を重ねた結果、多刃化が可能な回転切削工具の発明をなしえたものである。

回転切削工具は、超硬合金を含む柱状の台金と、台金の外周面に直接に結合された多結晶ダイヤモンドとを備え、多結晶ダイヤモンドには複数の切刃が設けられており、複数の切刃の回転直径Ｄ（ｍｍ）に対する複数の切刃の数ｎの割合（ｎ／回転直径Ｄ（ｍｍ））は０．６／ｍｍ以上１．５／ｍｍ以下である。

「直接に結合された」とは、台金と多結晶ダイヤモンドが、直接に接触していることをいう。または、「直接に結合された」とは、多結晶ダイヤモンドの焼結助剤もしくは超硬合金中の成分を介して結合されており、他の金属、樹脂、ガラス等の結合層を介さないで結合されていることをいう。「直接に結合された」例として、多結晶ダイヤモンドが台金の外周に焼結結合されていることがある。

多結晶ダイヤモンドの焼結助剤は、多結晶ダイヤモンド粒子を焼結する際に意図的に添加するものであっても良く、台金の超硬合金から溶出するものであっても良い。さらに、多結晶ダイヤモンドを焼結助剤を用いないで形成してもよい。この場合には、台金の超硬合金の成分が溶出して多結晶ダイヤモンドと台金との間に介在してもよく、多結晶ダイヤモンドが台金に直接接触していてもよい。

多結晶ダイヤモンドの焼結助剤としては、たとえば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉなどがある。これらの中でも、台金の超硬合金に成分として含まれるＣｏが好ましい。

このように構成された回転切削工具では、多結晶ダイヤモンドが台金の外周面に直接に結合されるためチップポケットおよびロウ付けが不要となる。その結果、多刃化が可能となる。割合が０．６／ｍｍ未満であれば多刃化が困難となる。割合が１．５／ｍｍを超えると複数の切刃間の隙間が小さくなりすぎて切りくずの排出性が悪化する。

好ましくは、複数の切刃の間には溝が形成されており、溝の底面は多結晶ダイヤモンドからなる。この場合、溝の底面が多結晶ダイヤモンドで構成されることで溝内を切り屑が滑りやすくなる。その結果、切り屑のつまりによる影響が抑えられ、加工後の工作物の表面粗さを小さくすることができる。

好ましくは、複数の切刃の間には溝が形成されており、溝の深さは０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下である。

好ましくは、台金には複数の切刃に切削油を供給するための孔（開口）が設けられている。

好ましくは、回転切削工具は、孔内面加工用のリーマである。
好ましくは、多結晶ダイヤモンドは台金の外周面に焼結結合される。

［本発明の実施形態の詳細］
（実施の形態１）
（回転切削工具１０１の構成）
図１は、実施の形態１に従った回転切削工具の正面図である。図２は、図１中の矢印ＩＩで示す方向から見た回転切削工具の側面図である。

図１で示すように、回転切削工具１０１は、工具本体１１０を有し、工具本体１１０は軸部１１１を有する。軸部１１１は、回転切削工具１０１を機械に取り付ける部分であり、チャックが軸部１１１を保持して工具本体１１０を回転させることが可能である。

図３は、図２で示す側面の拡大図である。図４は、図１中のＩＶで囲んだ部分の拡大図である。図５は、実施の形態１に従った回転切削工具の先端部分の斜視図である。図３から図５で示すように、回転切削工具１０１の工具本体１１０の先端には超硬合金からなる円柱状の台金１０２と、その台金１０２の先端側の外周面に多結晶ダイヤモンド１０３が結合されている。台金１０２は超硬合金のみで構成されていてもよい。台金１０２に超硬合金以外の成分が含まれていてもよい。

超硬合金からなる台金１０２と、多結晶ダイヤモンド１０３は、予め超高圧下で一体焼結されている素材（複合材料）である。この素材が工具本体１１０の先端にロウ付けなどにより結合されている。

台金１０２と多結晶ダイヤモンド１０３との界面には、多結晶ダイヤモンド１０３の焼結助剤であるＣｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）およびＮｉ（ニッケル）などの金属材料が介在していることが好ましい。台金１０２の超硬合金の成分（たとえば、コバルト）が介在していてもよい。これらの金属材料が多結晶ダイヤモンド１０３と台金１０２を構成する超硬合金とを強固に接続する。

多結晶ダイヤモンド１０３には先端切刃１０４ａ、食い付き切刃１０４ｂおよび外周切刃１０４ｃからなる切刃１０４と、ガイドパッド１０６とが形成されている。なお、ガイドパッド１０６は設けられなくてもよい。

周方向において複数の切刃１０４の間にガイドパッド１０６が設けられている。ガイドパッド１０６の形成される範囲は、周方向において４５°以上２７０°以下であることが好ましい。切刃１０４の回転直径Ｄｍｍに対する複数の切刃の数ｎの割合（ｎ／回転直径Ｄ（ｍｍ））は０．６／ｍｍ以上１．５／ｍｍ以下である。

切刃１０４はすくい面１０５ａと逃げ面１０５ｂとの境界部に設けられている。すくい面１０５ａの回転方向前側には多結晶ダイヤモンド１０３の一部が除去されて溝１０７が設けられている。また、この溝１０７には切刃１０４に向けて切削油を供給するための油穴としての開口１０９が設けられている。

溝１０７は切刃１０４で切削された切屑を排出させるためのものである。逃げ面１０５ｂの回転方向後側にはヌスミ部１０８が設けられ、ヌスミ部１０８のさらに回転方向後側にはガイドパッド１０６が設けられている。

溝１０７の深さｇは、溝１０７の底から切刃１０４の回転軌道まで、半径方向に沿って測定される。複数の溝１０７が存在し、それぞれの溝１０７の深さが異なる場合には、最も深い部分の深さを溝１０７の深さｇとする。

（回転切削工具１０１の製造方法）
回転切削工具１０１を製造する場合には、まず、円柱形状の台金１０２の外周面に多結晶ダイヤモンド１０３が結合した複合材料を準備する。台金１０２の外周面に多結晶ダイヤモンド１０３が焼結より結合されていることが好ましい。

多結晶ダイヤモンド１０３を焼結で形成する場合には、バインダ（焼結助剤）を用いた焼結方法、または、バインダを用いない焼結方法を採用することができる。焼結時に多結晶ダイヤモンド１０３のバインダまたは超合金中の成分（たとえばコバルト）が溶出して、当該成分が多結晶ダイヤモンド１０３と台金１０２との間の界面に介在する。この成分により、多結晶ダイヤモンド１０３が台金１０２に強固に結合される。なお、当該成分が多結晶ダイヤモンド１０３と台金１０２との間に存在していなくてもよい。

多結晶ダイヤモンド１０３を放電加工またはレーザ加工することにより、切刃１０４、ガイドパッド１０６、溝１０７、ヌスミ部１０８を形成する。底面の多結晶ダイヤモンド１０３を残しながら、切刃１０４を加工する方法として、電極式またはワイヤー放電加工（電気加工）もしくはレーザー等による加工で、切刃形状を創生する方法がある。この実施の形態では、溝１０７の底が多結晶ダイヤモンド１０３で構成されるように多結晶ダイヤモンド１０３を加工している。溝１０７の底が台金１０２で構成されるように溝１０７を形成してもよい。

（効果）
回転直径Ｄに対する切刃１０４の数（ｎ＝６）の割合が０．６／ｍｍ未満であれば多刃化が困難となる。割合が１．５／ｍｍを超えると複数の切刃間の隙間が小さくなりすぎて切りくずの排出性が悪化する。

この割合が０．６／ｍｍ以上１．５／ｍｍ以下であるため、加工精度が向上する。つまり、小径で多刃化が可能となるため、多刃化により工具振れが小さくなる。そのため、加工孔の大きさ、粗さ、真円度および円筒度を連続加工において維持することができる。切刃チップをロウ付けする必要が無く、放電加工またはレーザ加工、その後の研磨加工で切刃１０４および溝１０７を形成できるので、切刃１０４を高精度に形成できる。さらに、ロウ付けが不要であるため多結晶ダイヤモンド１０３を加熱する必要が無い。その結果、多結晶ダイヤモンド１０３の特性を低下させることがない。

また、回転切削工具１０１の寿命が長くなる。多結晶ダイヤモンド１０３と超硬合金との結合面積が増えるため、多結晶ダイヤモンド１０３が剥離しにくい。その結果、工具寿命を長くすることが可能となる。

さらに加工能率が向上する。多結晶ダイヤモンド１０３の動摩擦係数が低いため、切削速度を高速にできる。さらに、同一サイズの従来品と比較して、多刃化されているため、高速送り加工を実現できる。

また、切り屑の詰まりを防止できる。従来品のような切刃チップとフルートとの間の段差が無くなるため、切り屑の詰まりを防止できる。

また、小径の多刃工具において、切刃１０４および必要であればガイドパッド１０６を容易に形成することができる。台金１０２の部分に切削油を供給するための開口１０９を設けることにより、切削油を容易に供給することができる。

さらに、切屑の溶着を低減できる。溝１０７は溝形状であり、多結晶ダイヤモンド１０３で覆われることで切り屑の溶着を防止できる。溝１０７の表面に研磨加工がされることでより確実に溶着を防止できる。さらに切刃１０４の表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３）を小さく（２μｍ以下）することで、切り屑の排出性が向上する。その結果、スラスト（切削抵抗）低減および溶着防止の効果がある。

回転切削工具１０１では、切刃１０４とガイドパッド１０６が同じ素材の焼結ダイヤモンドで構成されているため、切刃１０４の摩耗量に対し、ガイドパッド１０６の摩耗量の差が少なく、長時間にわたって切削性能が安定して高精度の加工が継続でき、工具寿命が長くなる。

また、ガイドパッド１０６の動摩擦係数が低いため、ガイドパッド１０６と加工面との摩擦熱の発生を抑制でき、焼きつきが防止できるとともに、切削速度を高速にできる。

さらに、台金１０２および工具本体１１０にガイドパッド１０６を結合するための凹部などを設ける必要がないため、台金１０２および工具本体１１０の剛性が低下せず、切削時の回転切削工具１０１の振れが防止できる。さらに、結合部に切屑が詰まることもなく、高精度の加工が可能になる。

ガイドパッド１０６の表面粗さは、Ｒａ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３）２μｍ以下であることが好ましい。台金１０２の後端側から先端に向かい切削油供給用の開口１０９が設けられている。

切刃１０４の回転直径Ｄ（ｍｍ）に対する複数の切刃の数ｎの割合（ｎ／回転直径Ｄ（ｍｍ））は０．６／ｍｍ以上１．５／ｍｍ以下である。具体的には、Ｄは２ｍｍ以上５ｍｍ以下である。割合が０．６／ｍｍ未満であれば割合が０．６／ｍｍ未満であれば多刃化が困難となる。割合が１．５／ｍｍを超えると複数の切刃間の隙間が小さくなりすぎて切りくずの排出性が悪化する。

（実施の形態２）
図６は、実施の形態２に従った回転切削工具の正面図である。図７は、図６中のＶＩＩで囲んだ部分の拡大図である。図８は、図７中の矢印ＶＩＩＩで示す方向から見た端面１１８の図である。

図６から図８で示すように、実施の形態２に従った回転切削工具１０１では、工具本体１１０および軸部１１１に孔１１５が設けられており、孔１１５から枝孔１１６が分岐している。枝孔１１６の先端が開口１０９である。

この実施の形態２では、回転切削工具１０１の溝１０７の表面が超硬合金（台金１０２）で形成されている点で、実施の形態１の回転切削工具１０１と異なる。

３つの切刃１０４が回転切削工具１０１の外周面に形成されている。３つの切刃１０４の間にガイドパッド１０６が形成されている。ガイドパッド１０６および切刃１０４は等間隔（６０°間隔）で配置されている。

切刃１０４の回転直径Ｄ（ｍｍ）に対する複数の切刃の数ｎの割合（ｎ／回転直径Ｄ（ｍｍ））は０．６／ｍｍ以上１．５／ｍｍ以下である。具体的には、ｎ＝３で、Ｄは２ｍｍ以上５ｍｍ以下である。

台金１０２の超硬合金と、多結晶ダイヤモンド１０３との界面１２０は円形状である。界面１２０より内側が超鋼合金で構成され、外側が多結晶ダイヤモンドで構成される。界面１２０には、超硬合金の構成元素（たとえばコバルト）または多結晶ダイヤモンド１０３の焼結助剤（たとえばコバルト、鉄またはニッケル）が存在する。これらの金属が台金１０２の超硬合金と多結晶ダイヤモンド１０３との結合を強固にする。

このように構成された実施の形態２に従った回転切削工具１０１でも、実施の形態１に従った回転切削工具１０１と同様の効果がある。

(実施の形態３）
図９は、実施の形態３に従った回転切削工具の正面図である。図１０は、図９中のＸで囲んだ部分の拡大図である。図１１は、図１０中の矢印ＸＩで示す方向から見た端面１１８の図である。

図９から図１１で示すように、実施の形態３に従った回転切削工具１０１では、切刃１０４が６つ形成されている点で、切刃１０４が３つ形成されている実施の形態２に従った回転切削工具１０１と異なる。

切刃１０４の回転直径Ｄ（ｍｍ）に対する複数の切刃の数ｎの割合（ｎ／回転直径Ｄ（ｍｍ））は０．６／ｍｍ以上１．５／ｍｍ以下である。具体的には、ｎ＝６で、Ｄは４ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。

このように構成された実施の形態３に従った回転切削工具１０１でも、実施の形態２に従った回転切削工具１０１と同様の効果がある。

（実施の形態４）
図１２は、実施の形態４に従った回転切削工具の正面図である。図１３は、図１２中のＸＩＩＩで囲んだ部分の拡大図である。図１４は、図１３中の矢印ＸＩＶで示す方向から見た端面１１８の図である。

図１２から図１４で示すように、実施の形態４に従った回転切削工具１０１では、切刃１０４が５つ形成されている。５つの切刃１０４が不均等に配置されている点で、実施の形態１から３に従った回転切削工具１０１と異なる。

切刃１０４の回転直径Ｄ（ｍｍ）に対する複数の切刃の数ｎの割合（ｎ／回転直径Ｄ（ｍｍ））は０．６／ｍｍ以上１．５／ｍｍ以下である。具体的には、ｎ＝５で、Ｄは１０／３ｍｍ以上２５／３ｍｍ以下である。

このように構成された実施の形態４に従った回転切削工具１０１でも、実施の形態２に従った回転切削工具１０１と同様の効果がある。

（実施例）

表１で示す構成の回転切削工具（リーマ）を準備した。切刃は円周上に均等な間隔で配置された。ガイドパッドおよびヌスミは設けなかった。比較品２以外は実施の形態３に類似した形状を有する。

これらリーマを用いて、下孔（直径９．８ｍｍ、深さ３０ｍｍ）が設けられた被加工物（ＡＤＣ１２）の、その下孔を高速送りで加工した。加工条件を以下に示す。

加工結果を表１に示す。
比較品１では、高速送りの条件では切刃数が少ないため、僅かにチッピングが生じ、表面粗さが悪化した。比較品２では、チップロウ付け時に隣接チップのロウ材が溶け、精度良い工具を製作できなかった。何とか製作したものの、小径のため刃先チップが小さく、刃先強度が不足し、表面粗さが悪化した。比較品３では、切刃数が多いため、切刃の周方向の厚みが薄くなり、刃先強度が弱く、折損した。また、加工面に焼けやビビリマークが発生し、加工品位が低下した。

本発明品１から１０では、切刃１０４の回転直径Ｄ（ｍｍ）に対する複数の切刃の数ｎの割合（ｎ／回転直径Ｄ（ｍｍ））は０．６／ｍｍ以上１．５／ｍｍ以下であった。具体的には、ｎ＝６で、Ｄは４ｍｍ以上１０ｍｍ以下であった。そのため、チッピングおよび切り屑の詰まりは発生しなかった。さらに、工作物の加工された面の表面粗さも小さく、高品質な加工を実現できた。溝底面がダイヤモンドで構成されるサンプルでは、加工後の工作物の表面粗さが小さいことが分かった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、回転切削工具、たとえばドリル、エンドミル、タップおよびリーマの分野において用いることができる。

１０１ 回転切削工具、１０２ 台金、１０３ 多結晶ダイヤモンド、１０４ 切刃、１０４ａ 先端切刃、１０４ｂ 食い付き切刃、１０４ｃ 外周切刃、１０５ａ すくい面、１０５ｂ 逃げ面、１０６ ガイドパッド、１０７ 溝、１０８ ヌスミ部、１０９ 開口、１１０ 工具本体、１１１ 軸部、１１５ 孔、１１６ 枝孔、１１８ 端面、１２０ 界面。

Claims (6)

1. 超硬合金を含む柱状の台金と、
   前記台金の外周面に直接に結合された多結晶ダイヤモンドとを備え、
   前記多結晶ダイヤモンドには複数の切刃が設けられており、
   前記複数の切刃の回転直径Ｄ（ｍｍ）に対する前記複数の切刃の数ｎの割合（ｎ／回転直径Ｄ（ｍｍ））は０．６／ｍｍ以上１．５／ｍｍ以下である、回転切削工具。
2. 前記複数の切刃の間には溝が形成されており、前記溝の底面は前記多結晶ダイヤモンドからなる、請求項１に記載の回転切削工具。
3. 前記複数の切刃の間には溝が形成されており、前記溝の深さは０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の回転切削工具。
4. 前記台金には前記複数の切刃に切削油を供給するための開口が設けられている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転切削工具。
5. 前記回転切削工具は、孔内面加工用のリーマである、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転切削工具。
6. 前記多結晶ダイヤモンドは前記台金の前記外周面に焼結結合される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転切削工具。

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