JP2017196687A - 回転切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】加工後の工作物の表面粗さを小さくすることが可能な回転切削工具を提供する。【解決手段】回転切削工具１０１は、超硬合金を含む柱状の台金１０２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１０３とを備え、多結晶ダイヤモンド１０３には少なくとも１つの切刃１０４が設けられており、台金１０２の回転直径Ａに対する切刃１０４の厚みｔの割合（ｔ／Ａ）は０．０５以上０．２５以下である。【選択図】図５

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。

従来の特許文献１の回転切削工具では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。

さらに、特許文献２では焼結製品の焼結層から所定部分を除去する加工を施して、切削端縁を形成することが開示されている。しかし、従来の技術では、加工物の表面粗さを小さくすることができない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、加工物の表面粗さを小さくすること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少なくとも１つの切刃が設けられており、台金の回転直径Ａに対する切刃の厚みｔの割合（ｔ／Ａ）は０．０５以上０．２５以下である。

この発明に従えば、加工後の工作物の表面粗さを小さくすること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。 実施の形態２に従った回転切削工具の正面図である。 図３の矢印ＩＶで示す方向から見た回転切削工具の側面図である。 図４で示す側面の拡大図である。 図３中のＶＩで囲んだ部分の拡大図である。 実施の形態２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３に従った回転切削工具の正面図である。 図８中のＩＸで囲んだ部分の拡大図である。 図９中の矢印Ｘ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１１中のＸＩＩで囲んだ部分の拡大図である。 図１２中の矢印ＸＩＩＩで示す方向から見た端面１１８の図である。 実施の形態５に従った回転切削工具の正面図である。 図１４中のＸＶで囲んだ部分の拡大図である。 図１５中の矢印ＸＶＩ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、加工物の表面粗さを小さくすること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少なくとも１つの切刃が設けられており、台金の回転直径Ａに対する切刃の厚みｔの割合（ｔ／Ａ）は０．０５以上０．２５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、多結晶ダイヤモンドを薄くすることが可能となる。割合が０．０５未満となると多結晶ダイヤモンドが薄すぎて回転切削工具の寿命が短くなる。割合が０．２５を超えると多結晶ダイヤモンドが厚くなるため、ダイヤモンドに亀裂が発生しやすくなる。切刃が複数ある場合の台金の軸方向に垂直な断面における各切刃の厚さの最大値と最小値の差が１０μｍ以下が好ましい。ｔ／Ａが０．２５を超えると、上記範囲に入らないおそれがある。

好ましくは、回転切削工具は複数の切刃を有し、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、回転切削工具は、切刃の回転方向後側に設けられたガイドパッドをさらに備える。ガイドパッドがある場合は、台金の軸方向に垂直な断面における各切刃の厚さおよび各ガイドパッドの厚さの最大値と最小値の差が１０μｍ以下が好ましい。ｔ／Ａが０．２５を超えると、上記範囲に入らないおそれがある。

好ましくは、台金には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１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および図２で示すように、回転切削工具１は、工具本体１０を有し、工具本体１０は軸部１１を有する。軸部１１は、回転切削工具１を機械に取り付ける部分である。チャックが軸部１１を保持して工具本体１０を回転させることが可能である。

図１で示すように、回転切削工具１の工具本体１０の先端には超硬合金からなる柱状の台金２と、その台金２の先端側の外周面に多結晶ダイヤモンド３が接合されている。この多結晶ダイヤモンド３には先端切刃４ａ、食い付き切刃４ｂおよび外周切刃４ｃからなる切刃４とガイドパッド６ａおよび６ｂが形成されている。超硬合金からなる台金２と多結晶ダイヤモンド３は、予め超高圧下で一体焼結されている素材であり、この素材が工具本体１０の先端にロウ付けなどにより接合されている。

台金２は、円柱形状の一部分を除去した形状とされている。台金２が円柱形状であってもよい。台金２が角柱形状であってもよい。台金２には、軸方向に延びる孔が設けられている。この孔から枝孔が延びている。枝孔の先端は開口であり、開口は、切刃４の回転方向前側に設けられる。開口から切刃４に切削油が供給される。

切刃４はすくい面５ａと逃げ面５ｂとの境界部に設けられている。すくい面５ａの回転方向前側では多結晶ダイヤモンド３が除去されて超硬合金の台金２に溝７が設けられている。逃げ面５ｂの回転方向後側にはガイドパッド６ａが１８０°の範囲にわたって設けられている。ヌスミ部８は、２つのガイドパッド６ａ，６ｂの間に設けられている。２つのガイドパッド６ａ，６ｂは設けられなくてもよい。

台金２の回転直径Ａに対する切刃４の厚みｔの割合（ｔ／Ａ）は０．０５以上０．２５以下である。

（実施の形態２）
（回転切削工具１０１の構成）
図３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４は、図３中の矢印ＩＶで示す方向から見た回転切削工具の側面図である。

図３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５は、図４で示す側面の拡大図である。図６は、図３中のＶＩで囲んだ部分の拡大図である。図７は、実施の形態２に従った回転切削工具の先端部分の斜視図である。図５から図７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。開口１０９は、台金１０２内に設けられて軸方向に延びる孔に接続される。

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。

台金１０２の回転直径Ａに対する切刃１０３の厚みｔの割合（ｔ／Ａ）は０．０５以上０．２５以下である。

（回転切削工具１，１０１の製造方法）
実施の形態１および２に従った回転切削工具１，１０１の製造方法を説明する。回転切削工具１，１０１を製造する場合には、まず、円柱形状の台金２，１０２の外周面に多結晶ダイヤモンド３，１０３が結合した複合材料を準備する。台金２，１０２の外周面に多結晶ダイヤモンド３，１０３が焼結に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３，１０３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３，１０３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３，１０３と台金２，１０２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３，１０３と台金２，１０２との間に存在していなくてもよい。

多結晶ダイヤモンド３，１０３を放電加工またはレーザ加工することにより、切刃４，１０４、ガイドパッド６ａ，６ｂ、溝７，１０７、ヌスミ部８，１０８を形成する。図３から７の実施の形態２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。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。

実施の形態１のように、溝７の底が台金２で構成されるように溝７を形成してもよい。
（効果）
台金２，１０２の回転直径Ａに対する切刃４，１０４の厚みｔの割合（ｔ／Ａ）が０．０５未満となると多結晶ダイヤモンド３，１０３が薄すぎて回転切削工具１，１０１の寿命が短くなる。割合が０．２５を超えると多結晶ダイヤモンド３，１０３が厚くなるため、多結晶ダイヤモンドに亀裂が発生しやすくなる。

この割合が０．０５以上０．２５以下であるため、加工精度が向上する。切刃の精度が向上するため、工作物の表面粗さを小さくすることができる。

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３，１０３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３，１０３の動摩擦係数が低いため、切削速度を高速にできる。

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、切り屑の引っかかりや詰まりを防止できる。

また、小径の工具において、切刃４，１０４および必要であればガイドパッド６ａ，６ｂ，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４，１０４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１，１０１では、切刃１０４とガイドパッド６ａ，６ｂ，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４，１０４の摩耗量に対し、ガイドパッド６ａ，６ｂ，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６ａ，６ｂ，１０６の動摩擦係数が低いため、ガイドパッド６ａ，６ｂ，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２，１０２および工具本体１０，１１０にガイドパッド６ａ，６ｂ，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２，１０２および工具本体１０，１１０の剛性が低下せず、切削時の回転切削工具１，１０１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６ａ，６ｂ，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。

なお、切刃の厚みｔは、台金２，１０２と多結晶ダイヤモンド３，１０３との結合部から測定した半径方向の切刃４，１０４の厚みをいう。

（実施の形態３）
図８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９は、図８中のＩＸで囲んだ部分の拡大図である。図１０は、図９中の矢印Ｘで示す方向から見た端面１１８の図である。

図８から図１０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、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３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２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。

台金１０２の回転直径Ａに対する切刃１０３の厚みｔの割合（ｔ／Ａ）は０．０５以上０．２５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１１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１２は、図１１中のＸＩＩで囲んだ部分の拡大図である。図１３は、図１２中の矢印ＸＩＩＩで示す方向から見た端面１１８の図である。

図１１から図１３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３に従った回転切削工具１０１と異なる。

台金１０２の回転直径Ａに対する切刃１０３の厚みｔの割合（ｔ／Ａ）は０．０５以上０．２５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３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５）
図１４は、実施の形態５に従った回転切削工具の正面図である。図１５は、図１４中のＸＶで囲んだ部分の拡大図である。図１６は、図１５中の矢印ＸＶＩで示す方向から見た端面１１８の図である。

図１４から図１６で示すように、実施の形態５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２から４に従った回転切削工具１０１と異なる。

台金１０２の回転直径Ａに対する切刃１０３の厚みｔの割合（ｔ／Ａ）は０．０５以上０．２５以下である。

このように構成された実施の形態５に従った回転切削工具１０１でも、実施の形態３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。すべての回転切削工具は実施の形態４の回転切削工具に類似した形状を有する。超硬合金の回転直径Ａと切刃の厚みｔとの合計が切刃の回転直径Ｄである。溝１０７の底面は、すべて超硬合金によって構成されていた。溝１０７の深さは、切刃の厚みｔであった。

これらリーマを用いて、下孔（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。下孔の直径は、工具切刃の回転直径Ｄよりも０．２ｍｍ小さい直径とし、工具により下孔の直径は異なる。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、ダイヤの厚み薄く、円周方向に亀裂発生した。また、切刃間の溝の深さは０．３ｍｍと浅いため、切屑排出不良で刃先が欠損した。比較品２では、切刃１０４など工具形状を加工するときに多結晶ダイヤモンド１０３を多く加工しなければならなかった。そのため、製造上の歩留まり悪く、コストアップにつながった。また、多結晶ダイヤモンド１０３を加工すると、加工後に多結晶ダイヤモンド１０３内の応力が解放され、多結晶ダイヤモンド１０３の軸方向や円周方向に亀裂が発生し、切刃１０４を形成できなかった。

本発明品１から７では、台金１０２の回転直径Ａに対する切刃１０３の厚みｔの割合（ｔ／Ａ）は０．０５以上０．２５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。

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。

１，１０１ 回転切削工具、２，１０２ 台金、３，１０３ 多結晶ダイヤモンド、４，１０４ 切刃、４ａ，１０４ａ 先端切刃、４ｂ，１０４ｂ 食い付き切刃、４ｃ，１０４ｃ 外周切刃、５ａ，１０５ａ すくい面、５ｂ，１０５ｂ 逃げ面、６ａ，６ｂ，１０６ ガイドパッド、７，１０７ 溝、８，１０８ ヌスミ部、１０９ 開口、１０，１１０ 工具本体、１１，１１１ 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少なくとも１つの切刃が設けられており、
   前記台金の回転直径Ａに対する前記切刃の厚みｔの割合（ｔ／Ａ）は０．０５以上０．２５以下である、回転切削工具。
2. 前記回転切削工具は複数の前記切刃を有し、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. 前記切刃の回転方向後側に設けられたガイドパッドをさらに備えた、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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