JP2020001119A - 多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】炭素繊維強化プラスチック材等の繊維強化プラスチック材や該繊維強化プラスチック材とチタン合金材やアルミニウム合金等の金属材とを重ね合わせた積層材、あるいは炭素材同士のコンポジット材、もしくはセラミックス材等の鉄系材料以外の被削材の切削に用いて好適な多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具を提供する。【解決手段】軸線Ｏ回りに回転される工具本体１の少なくとも先端に、工具本体１の内周側から外周側に延びる切刃７が形成され、この切刃７は、工具本体１の先端部に配設された多結晶ダイヤモンド焼結体８上に形成されていて、多結晶ダイヤモンド焼結体８は、工具本体１の内周側の内周層８Ａと外周側の外周層８Ｂとで組成が異なる。【選択図】図２

Description

本発明は、ドリルやエンドミルのような軸線回りに回転される工具本体の少なくとも先端に工具本体の内周側から外周側に延びる切刃が形成され、この切刃が、工具本体の先端部に配設された多結晶ダイヤモンド焼結体上に形成されている多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具に関するものである。

このような多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具として、特許文献１にはプリント回路基板に穴あけ加工を行うドリルにおいて、また特許文献２にはガラス繊維強化構造物に穴あけ加工を行うドリルにおいて、切刃が多結晶ダイヤモンド焼結体に形成されたものが記載されている。

米国特許第４７１３２８６号明細書 米国特許第７５７５４０１号明細書

ところで、これら特許文献１、２に記載されたドリルでは、工具本体先端の切刃が、工具本体の先端内周側の軸線近傍から切刃の外周端に亙って略全長が切削に使用される。また、同じ軸線回りに工具本体が回転される回転切削工具であるエンドミルにおいても、工具本体先端の切刃である底刃の軸線回りの回転軌跡が凸半球状をなすボールエンドミルでは、同様に底刃の全長が切削に使用されることがある。

ところが、このような回転切削工具では、工具本体の内周側と外周側とで回転の周速が異なる。このため、被削材や切削条件、刃形等が多結晶ダイヤモンド焼結体の組成と合わない場合は、周速が遅くてスラスト荷重が高い工具本体の内周側において切刃の刃先に欠けが生じたり、周速が速くて被削材との摩擦が大きい工具本体の外周側で切刃に偏摩耗が生じたりする。

工具本体の内周側における切刃の欠損を防ぐには、多結晶ダイヤモンド焼結体に含まれるバインダーの添加量を増やすことで耐衝撃性を向上させることが考えられるが、そうすると工具本体の外周側で多結晶ダイヤモンド焼結体の耐摩耗性が低下して偏摩耗が促進され、工具寿命が短くなってしまう。逆に、耐摩耗性を向上させるためにバインダーの添加量を減らすと、工具本体の内周側で切刃の欠損が生じやすくなる。

一方、回転切削工具であるエンドミルのうちでも、スクエアエンドミルやラジアスエンドミルでは、工具本体先端の切刃である底刃に工具本体の内周側に向かうに従い僅かに工具本体の後端側に向かう傾斜（中低角）が与えられるため、工具本体の内周側の切刃はランピング加工等の特殊な切削でなければ使用されることは少ないが、エンドミルによる切削は断続切削となることから、工具本体の外周側の切刃に耐衝撃性が要求されることもある。

また、近年では、被削材についても性質の異なる材種を積層させた積層材の加工需要が増えている。例えば、炭素繊維強化プラスチック等の繊維強化プラスチック材とチタン合金材やアルミニウム合金等の金属材とを重ね合わせた積層材は、航空機分野等で広く使用されるようになってきているが、このような積層材の切削加工を行う場合には、異なる材種に対して切刃に求められる性能も異なるものとなる。すなわち、繊維強化プラスチック材の切削加工には切刃に鋭い切れ味が要求されるが、金属材の切削加工には耐欠損性が要求される。

本発明は、このような背景の下になされたもので、炭素繊維強化プラスチック材等の繊維強化プラスチック材や該繊維強化プラスチック材とチタン合金材やアルミニウム合金等の金属材とを重ね合わせた積層材、あるいは炭素材同士のコンポジット材、もしくはセラミックス材等の鉄系材料以外の被削材の切削に用いて好適な多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具を提供することを目的としている。

上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、軸線回りに回転される工具本体の少なくとも先端に、上記工具本体の内周側から外周側に延びる切刃が形成され、この切刃は、上記工具本体の先端部に配設された多結晶ダイヤモンド焼結体上に形成されている多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具であって、上記多結晶ダイヤモンド焼結体は、上記工具本体の内周側の内周層と外周側の外周層とで組成が異なることを特徴とする。

このように構成された多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具では、切刃が形成される多結晶ダイヤモンド焼結体において、軸線回りに回転される工具本体の内周側の内周層と外周側の外周層とで組成が異なるので、軸線からの距離に応じた周速の相違による切削特性の相違に応じた切削性能を切刃に与えることが可能となる。このため、例えばドリルやボールエンドミルにおいては、内周層の切刃に耐衝撃性に優れた切削性能を与えるとともに、外周層の切刃には耐摩耗性に優れた切削性能を与えたり、スクエアエンドミルやラジアスエンドミルにおいては、外周層の切刃に耐衝撃性に優れた切削性能を与えたりすることができる。

ここで、このように多結晶ダイヤモンド焼結体において内周層と外周層とで組成が異なるようにして切削性能も異なるようにするには、第１に、上記多結晶ダイヤモンド焼結体において、上記内周層と上記外周層とでダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量を異なるようにすればよい。

この場合に、ドリルのような切削工具において切刃の工具本体の内周側で耐衝撃性を向上させるとともに外周側に耐摩耗性を確保するには、上記多結晶ダイヤモンド焼結体において、上記内周層が上記外周層よりもダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量が多くなるようにすればよい。

具体的には、上記内周層における上記多結晶ダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量を５ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％とするとともに、上記外周層における上記多結晶ダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量を０ｖｏｌ％〜１０ｖｏｌ％とし、上記内周層と上記外周層とで上記多結晶ダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量に３ｖｏｌ％以上の差をつけるのが望ましい。

また、上述のように多結晶ダイヤモンド焼結体において内周層と外周層とで組成が異なるようにして切削性能も異なるようにするには、第２に、上記多結晶ダイヤモンド焼結体において、上記内周層と上記外周層とでダイヤモンド粒子の平均粒径を異なるようにしてもよい。

この場合において、上記と同様に切刃の工具本体の内周側で耐衝撃性を向上させるとともに外周側に耐摩耗性を確保するには、上記多結晶ダイヤモンド焼結体において、上記外周層を上記内周層よりもダイヤモンド粒子の平均粒径を大きくすればよい。

具体的には、上記内周層における上記多結晶ダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子の平均粒径を０．５μｍ〜１５μｍとするとともに、上記外周層における上記多結晶ダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子の平均粒径を６μｍ〜３０μｍとし、上記内周層と上記外周層とで上記多結晶ダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子の平均粒径に３μｍ以上の差をつけるのが望ましい。

また、上記多結晶ダイヤモンド焼結体が上記内周層と上記外周層との２層によって構成されている場合には、上記軸線から上記切刃に沿って該切刃の外周端までの長さとこの外周端から上記工具本体の後端側に延びる稜線の上記多結晶ダイヤモンド焼結体上の長さとの和を長さＬとしたとき、上記内周層と上記外周層との境界は上記軸線から０．０５×Ｌ〜０．９５×Ｌの範囲（軸線から境界までの切刃および切刃の外周端から工具本体の後端側に延びる稜線に沿った幅）にあることが望ましい。内周層が占める範囲が０．０５×Ｌを下回ると切刃の工具本体の内周側に十分な耐衝撃性を確保することができなくなるおそれがある一方、０．９５×Ｌを上回ると工具本体の外周側において切刃の耐摩耗性を向上させることができなくなるおそれがある。

また、上記多結晶ダイヤモンド焼結体は、上記内周層と、上記異なる外周層と、これら内周層と外周層との間に位置して組成が上記内周層と上記外周層との中間である少なくとも１つの中間層との３層以上によって構成されていてもよく、軸線からの距離に応じた周速の相違による切削特性の相違に応じた切削性能を一層細やかに切刃に与えることが可能となる。この場合には、２層の場合と同様の理由で、上記軸線から上記切刃に沿って該切刃の外周端までの長さとこの外周端から上記工具本体の後端側に延びる稜線の上記多結晶ダイヤモンド焼結体上の長さとの和を長さＬとしたとき、上記内周層と上記中間層との境界は上記軸線から０．０５×Ｌ〜０．９０×Ｌの範囲にあり、上記中間層と上記外周層との境界は、内周層と中間層との境界よりも外周層側にあって上記軸線から０．１０×Ｌ〜０．９５×Ｌの範囲にあることが望ましい。

以上説明したように、本発明によれば、軸線回りに回転される工具本体の先端の多結晶ダイヤモンド焼結体上に切刃が形成された回転切削工具において、軸線からの距離に応じた最適な切削性能を切刃に与えることができ、積層材等に切削加工を行う場合でも工具本体の内周側での切刃の欠損や外周側での切刃の偏摩耗を防いで、長期に亙って安定した加工を行うことが可能となる。

本発明の第１の実施形態を示す側面図である。 図１に示す実施形態の先端部の拡大側面図である。 図１に示す実施形態の拡大正面図である。 図１ないし図３に示した実施形態を製造する場合の一例の第１工程を示す図である。 図１ないし図３に示した実施形態を製造する場合の一例の第２工程を示す図である。 図１ないし図３に示した実施形態を製造する場合の一例の第３工程を示す図である。 図１ないし図３に示した実施形態を製造する場合の一例の第４工程を示す図である。 図１ないし図３に示した実施形態を製造する場合の一例の第５工程を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す斜視図である。 図９に示す実施形態の側面図である。 図９に示す実施形態の先端部の拡大斜視図である。 図９に示す実施形態の拡大正面図である。 図９に示す実施形態の先端部の拡大側面図である。 図９ないし図１３に示した実施形態を製造する場合の一例の第１工程を示す図である。

図１ないし図３は、本発明を回転切削工具としてのドリルに適用した場合の第１の実施形態を示すものである。本実施形態において、工具本体１は、多結晶ダイヤモンド焼結体よりは硬度の低い超硬合金等の硬質材料によって軸線Ｏを中心とした概略円柱状に形成され、その後端部（図１において右側部分）は円柱状のままのシャンク部２とされるとともに、先端部（図１において左側部分）は切刃部３とされる。このようなドリルは、シャンク部２が工作機械の主軸に把持されて軸線Ｏ回りに工具回転方向Ｔに回転されつつ、該軸線Ｏ方向先端側に送り出され、切刃部３によって被削材に穴あけ加工を行う。

切刃部３の外周には、工具本体１の先端に開口して後端側に向かうに従い工具回転方向Ｔとは反対側に捩れる２つの切屑排出溝４が軸線Ｏに関して１８０°回転対称に形成されている。これらの切屑排出溝４の先端部における工具回転方向Ｔを向く壁面はすくい面５とされ、このすくい面５と、該切刃部３の工具回転方向Ｔとは反対側に連なる切刃部３の先端面である先端逃げ面６との交差稜線部に切刃７が形成されている。切刃７には、工具本体１の外周側に向かうに従い後端側に向かうように先端角が与えられている。

そして、この切刃７と、該切刃７に連なる部分のすくい面５および先端逃げ面６とは、多結晶ダイヤモンド焼結体８上に形成されており、この多結晶ダイヤモンド焼結体８は、本実施形態では工具本体１の内周側の内周層８Ａと外周側の外周層８Ｂとを備えていて、これら内周層８Ａと外周層８Ｂとではその組成が異なっている。

ここで、この多結晶ダイヤモンド焼結体８において内周層８Ａと外周層８Ｂの組成が異なるとは、第１に、多結晶ダイヤモンド焼結体８におけるダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量が内周層８Ａと外周層８Ｂとで異なる添加量であることであってもよい。このような場合には、多結晶ダイヤモンド焼結体８は、内周層８Ａが外周層８Ｂよりもダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量が多くされていてもよい。ここで、このような多結晶ダイヤモンド焼結体８に添加されるバインダーとしては、コバルト、鉄、ニッケルのような第ＶＩＩＩ属の遷移元素や、それからなる合金であり、その中に炭化タングステンのような炭化物や窒化チタンのような窒化物を第三元素として加えてもよい。

その場合は、例えば、内周層８Ａにおける多結晶ダイヤモンド焼結体８のダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量が５ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％であるのに対し、外周層８Ｂにおける多結晶ダイヤモンド焼結体８のダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量は０ｖｏｌ％〜１０ｖｏｌ％とされ、さらに内周層８Ａと外周層８Ｂとで多結晶ダイヤモンド焼結体８のダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量の差が３ｖｏｌ％以上とされるのが望ましい。

また、第２に、内周層８Ａと外周層８Ｂとで、多結晶ダイヤモンド焼結体８におけるダイヤモンド粒子の平均粒径が異なることにより、組成を異なるものとしてもよい。このような場合には、多結晶ダイヤモンド焼結体８は、外周層８Ｂが内周層８Ａよりもダイヤモンド粒子の平均粒径が大きくされていてもよい。

その場合には、内周層８Ａにおける多結晶ダイヤモンド焼結体８のダイヤモンド粒子の平均粒径は０．５μｍ〜１５μｍであるとともに、外周層８Ｂにおける多結晶ダイヤモンド焼結体８のダイヤモンド粒子の平均粒径が６μｍ〜３０μｍであり、内周層８Ａと外周層８Ｂとで多結晶ダイヤモンド焼結体８のダイヤモンド粒子の平均粒径の差が３μｍ以上とされる。

また、このように多結晶ダイヤモンド焼結体８が内周層８Ａと外周層８Ｂとによって構成されている場合には、図２に示すように軸線Ｏから切刃７に沿って該切刃７の外周端までの長さＬ１と、この外周端から工具本体１の後端側に延びる稜線（すくい面５の外周側の稜線）の多結晶ダイヤモンド焼結体８上の長さＬ２との和をＬ（＝Ｌ１＋Ｌ２）としたとき、内周層８Ａと外周層８Ｂとの境界は軸線Ｏから０．０５×Ｌ〜０．９５×Ｌの範囲にあるのが望ましい。各層が占める範囲が０．０５×Ｌ未満の多結晶ダイヤモンド焼結体８を製造するのは困難である。なお、内周層８Ａと外周層８Ｂとの境界は、光学顕微鏡または電子顕微鏡で確認することができる。

ただし、多結晶ダイヤモンド焼結体８は、上述のような内周層８Ａと外周層８Ｂとの２層構造だけでなく、内周層８Ａと、この内周層８Ａとは組成の異なる外周層８Ｂと、さらにこれら内周層８Ａと外周層８Ｂとの間に位置して組成が内周層８Ａと外周層８Ｂとの中間である少なくとも１つの中間層とによって構成された３層以上の構造とされていてもよい。なお、こうして中間層を設ける場合でも、中間層の層数は８層までとして、内周層８Ａおよび外周層８Ｂと合わせて１０層までとするのが、効果的である。

このような場合には、２層の場合と同じく軸線Ｏから切刃７に沿って該切刃７の外周端までの長さＬ１と、この外周端から工具本体１の後端側に延びる稜線（すくい面５の外周側の稜線）の多結晶ダイヤモンド焼結体８上の長さＬ２との和を長さＬ（＝Ｌ１＋Ｌ２）としたとき、内周層８Ａと中間層との境界は軸線Ｏから０．０５×Ｌ〜０．９０×Ｌの範囲にあり、中間層と外周層８Ｂとの境界は、内周層８Ａと中間層との境界よりも外周層８Ｂ側にあって軸線Ｏから０．１０×Ｌ〜０．９５×Ｌの範囲にあることが望ましい。なお、中間層が複数の場合も含めて、各層が占める範囲が０．０５×Ｌ未満の多結晶ダイヤモンド焼結体８を製造するのは困難となる。

なお、これら多結晶ダイヤモンド焼結体８におけるダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量と、多結晶ダイヤモンド焼結体８におけるダイヤモンド粒子の平均粒径との双方を上述のように異なるものとして、内周層８Ａと外周層８Ｂ、および場合によっては中間層とが異なる組成となるようにしてもよい。

ここで、このような異なる組成を有する内周層８Ａと外周層８Ｂ、またはこれらに加えて中間層とを有する多結晶ダイヤモンド焼結体８を備えた多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具を製造するには、まず図４に示すように超硬合金よりなる円柱状の圧粉成形体１１を成形し、この圧粉成形体１１に２つの切屑排出溝４の捩れに沿って傾斜した溝１１Ａを形成した後に円筒状のカプセル１２に収容する。

次いで、このカプセル１２に収容された圧粉成形体１１の溝１１Ａに、多結晶ダイヤモンド焼結体８の外周層８Ｂを形成する組成のダイヤモンド粉末粒子と必要に応じてバインダー粒子とを含有した原料粉末Ａを上面が水平になるように充填した後、その上に内周層８Ａを形成する組成のダイヤモンド粉末粒子と必要に応じてバインダー粒子を含有した原料粉末Ｂを充填する。中間層を備える場合には、これら外周層８Ｂと内周層８Ａの間に中間層を形成する組成のダイヤモンド粉末粒子と必要に応じてバインダー粒子を含有した原料粉末を充填すればよい。

次に、この圧粉成形体１１の溝１１Ａにダイヤモンド粉末粒子、バインダー粒子が充填されたカプセル１２を超高温超高圧発生装置に収容して超高温超高圧条件下で焼結することにより、図５に示すように超硬合金に多結晶ダイヤモンド焼結体８が一体に接合されたブランク１５を製造する。

そして、このブランク１５を、焼結された超硬合金よりなる円柱状の軸部１６の先端部に図６に示すようにろう付けによって接合した後、図７に示すように軸線Ｏを中心とした円柱状になるように外周を研磨し、さらに切屑排出溝４を研削により形成するとともに、先端逃げ面６を図８に破線で示すように研削して上述のような先端角を有する切刃７を形成する。これにより、多結晶ダイヤモンド焼結体８において工具本体１の内周側には内周層８Ａが露出するとともに外周側には外周層８Ｂが露出するので、図１ないし図３に示したように内周層８Ａと外周層８Ｂとで組成が異なる多結晶ダイヤモンド焼結体８上に切刃７が形成されたドリルを製造することができる。

このような製造方法の一例によって製造される上記構成の多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具では、切刃７が形成される多結晶ダイヤモンド焼結体８において、軸線Ｏ回りに回転される工具本体１の内周側の内周層８Ａと外周側の外周層８Ｂとで組成が異なるので、軸線Ｏからの距離に応じた周速の相違による切削特性の相違に応じた切削性能を切刃に与えることが可能となる。このため、層によって材質が異なる積層材等に切削加工を行う場合でも工具本体１の内周側での切刃７の欠損や外周側での切刃７の偏摩耗を防ぐことができる。

例えば、本実施形態のようなドリルやボールエンドミルにおいて、上述のように多結晶ダイヤモンド焼結体８の内周層８Ａが外周層８Ｂよりもダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量が多くされていたり、または多結晶ダイヤモンド焼結体８の外周層８Ｂが内周層８Ａよりもダイヤモンド粒子の平均粒径が大きくされていたり、あるいはその双方であったりした場合には、内周層８Ａに形成された切刃７に耐衝撃性に優れた切削性能を与えることができるとともに、外周層８Ｂに形成された切刃７には耐摩耗性に優れた切削性能を与えることができる。

このため、周速が遅くて大きなスラスト荷重が作用する工具本体１の内周側では切刃７に欠損が生じるのを防ぐことができるとともに、周速が速くて切削長が長くなる工具本体１の外周側では切刃７の耐摩耗性の向上を図ることができ、シャープエッジを維持して高い面精度を長期に亙って得ることができる。従って、上記構成の多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具によれば、工具本体１の損傷を防いで寿命を延長するとともに、安定した切削加工を行うことができる。

また、このように多結晶ダイヤモンド焼結体８において内周層８Ａと外周層８Ｂとで組成が異なるようにして切削性能も異なるようにするのに、多結晶ダイヤモンド焼結体８において、内周層８Ａと外周層８Ｂとでダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量を異なるようにした場合に、このダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量（ｖｏｌ％）を多くすれば、ダイヤモンド粒子のクッションとなるバインダーが増えることによって耐衝撃性が向上し、逆のバインダーの添加量を少なくすれば、バインダーよりも硬度の高いダイヤモンド粒子の含有量が増えるので、耐摩耗性が向上する。

従って、本実施形態のようなドリルやボールエンドミルのように工具本体１の先端の切刃７の全長が切削に使用される多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具では、多結晶ダイヤモンド焼結体８において内周層８Ａが外周層８Ｂよりもダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量を多くすることにより、大きなスラスト荷重する工具本体１の内周側における耐衝撃性を向上させることによって切刃７に欠損が生じるのを防ぐとともに、切削速度が高くて切削長が長い工具本体１の外周側では耐摩耗性を確保して偏摩耗を抑制することができる。

さらに、内周層８Ａにおける多結晶ダイヤモンド焼結体８のダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量を５ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％とするとともに、外周層８Ｂにおけるダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量を０ｖｏｌ％〜１０ｖｏｌ％とし、しかも内周層８Ａと外周層８Ｂとの多結晶ダイヤモンド焼結体８におけるダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量の差を３ｖｏｌ％以上とすることによって、上述した内周層８Ａにおける耐衝撃性と外周層８Ｂにおける耐摩耗性とを高水準で両立させることができる。

すなわち、内周層８Ａにおけるバインダーのダイヤモンド粒子に対する添加量が上記範囲を下回ると、内周層８Ａに必要な耐衝撃性を確保することができなくなるおそれがある一方、内周層８Ａにおけるバインダーのダイヤモンド粒子に対する添加量が上記範囲を上回ると、内周層８Ａのダイヤモンド粒子の含有量が少なくなりすぎ、必要な切削性能を確保することが困難となるおそれがある。

また、外周層８Ｂにおけるバインダーのダイヤモンド粒子に対する添加量が上記範囲を下回ると、外周層８Ｂに衝撃が作用したときに欠損が生じるのを防ぐことができなくなるおそれがある一方、外周層８Ｂにおけるバインダーのダイヤモンド粒子に対する添加量が上記範囲を上回ると、外周層８Ｂにおけるダイヤモンド粒子の含有量が少なくなりすぎ、耐摩耗性を向上させることが困難となるおそれがある。

さらに、内周層８Ａと外周層８Ｂとの多結晶ダイヤモンド焼結体８におけるダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量の差が上記範囲よりも小さいと、内周層８Ａと外周層８Ｂの組成の違いが小さくなり、内周層８Ａにおける耐衝撃性と外周層８Ｂにおける耐摩耗性を両立させることが困難となるおそれがある。

一方、多結晶ダイヤモンド焼結体８において内周層８Ａと外周層８Ｂとで組成が異なるようにして切削性能も異なるようにするのに、多結晶ダイヤモンド焼結体８において、内周層８Ａと外周層８Ｂとでダイヤモンド粒子の平均粒径を異なるようにした場合、平均粒径を小さくすれば衝撃が作用した際に脱落するダイヤモンド粒子も小さくなるので耐衝撃性を向上させることができるとともに、平均粒径を大きくすれば粒径が大きくて脱落し難いダイヤモンド粒子によって切削が行われるために耐摩耗性が向上する。

従って、本実施形態のようなドリルやボールエンドミルでは、多結晶ダイヤモンド焼結体８において、外周層８Ｂを内周層８Ａよりもダイヤモンド粒子の平均粒径を大きくすることにより、工具本体１の内周側の切刃７におけるスラスト荷重に対する耐衝撃性を向上させることができるとともに、外周側の切刃７には切削長の違いに基づく偏摩耗に対する耐摩耗性を確保することができる。

また、内周層８Ａにおける多結晶ダイヤモンド焼結体８のダイヤモンド粒子の平均粒径を０．５μｍ〜１５μｍとするとともに、外周層８Ｂにおける多結晶ダイヤモンド焼結体８のダイヤモンド粒子の平均粒径を６μｍ〜３０μｍとし、しかも内周層８Ａと外周層８Ｂとで多結晶ダイヤモンド焼結体８のダイヤモンド粒子の平均粒径に３μｍ以上の差をつけることにより、内周層８Ａにおける耐衝撃性と外周層８Ｂにおける耐摩耗性とを高水準で両立させることが可能となる。

すなわち、内周層８Ａにおける多結晶ダイヤモンド焼結体８のダイヤモンド粒子の平均粒径が上記範囲を下回ると、大きなスラスト荷重によってダイヤモンド粒子の脱落が連続してしまうおそれがある一方、内周層８Ａにおけるダイヤモンド粒子の平均粒径が上記範囲を上回ると、ダイヤモンド粒子が脱落した際に大きな脱落痕が形成されて切刃７の欠損に至るおそれがある。

また、外周層８Ｂにおける多結晶ダイヤモンド焼結体８のダイヤモンド粒子の平均粒径が上記範囲を下回ると、ダイヤモンド粒子が十分に保持されずに摩耗が促進されるおそれがある一方、外周層８Ｂにおけるダイヤモンド粒子の平均粒径が上記範囲を上回ると、摩滅したダイヤモンド粒子が脱落せずに切削抵抗の増大を招くおそれがある。

さらに、内周層８Ａと外周層８Ｂとの多結晶ダイヤモンド焼結体８のダイヤモンド粒子の平均粒径の差が上記範囲よりも小さいと、内周層８Ａと外周層８Ｂの組成の違いが小さくなり、内周層８Ａにおける耐衝撃性と外周層８Ｂにおける耐摩耗性を両立させることが困難となるおそれがある。

さらにまた、多結晶ダイヤモンド焼結体８が内周層８Ａと外周層８Ｂとの２層により構成されている場合には、軸線Ｏから切刃７に沿って該切刃７の外周端までの長さＬ１と、この外周端から工具本体１の後端側に延びる稜線（すくい面５の外周側の稜線）の多結晶ダイヤモンド焼結体８上の長さＬ２との和を長さＬ（＝Ｌ１＋Ｌ２）としたとき、内周層８Ａと外周層８Ｂとの境界を軸線Ｏから０．０５×Ｌ〜０．９５×Ｌの範囲に位置させることにより、内周層８Ａと外周層８Ｂにおける切刃７に必要な切刃長を確保することができる。

具体的に、耐衝撃性が求められるならば、このように内周層８Ａと外周層８Ｂを有するドリルでは、Ｌ１：Ｌ２＝２：１のとき、Ｌ１＋Ｌ２＝Ｌとするならば、内周層８Ａと外周層８Ｂの境界は軸線Ｏから０．４×Ｌの位置にあることが望ましい。また、ダイヤモンド粒子の平均粒径とバインダーの添加量は、内周層８Ａでは平均粒径が４μｍかつバインダーの添加量は５ｖｏｌ％、外周層８Ｂでは平均粒径が１５μｍかつバインダーの添加量は２．５ｖｏｌ％であることが望ましい。

一方、耐摩耗性が求められるならば、内周層８Ａと外周層８Ｂを有するドリルでは、Ｌ１：Ｌ２＝２：１のとき、Ｌ１＋Ｌ２＝Ｌとするならば、内周層８Ａと外周層８Ｂの境界は軸線Ｏから０．６×Ｌの位置にあることが望ましい。また、ダイヤモンド粒子の平均粒径とバインダーの添加量は、内周層８Ａでは平均粒径が８μｍかつバインダーの添加量は２．５ｖｏｌ％、外周層８Ｂでは平均粒径が１５μｍかつバインダーの添加量は２．５ｖｏｌ％であることが望ましい。

また、多結晶ダイヤモンド焼結体８が、内周層８Ａと外周層８Ｂと、これら内周層８Ａと外周層８Ｂの間の組成を有する少なくとも１つの中間層とを備えた３層以上の層構造を有している場合には、軸線Ｏから切刃７に沿って該切刃７の外周端までの長さＬ１と、この外周端から工具本体１の後端側に延びる稜線（すくい面５の外周側の稜線）の多結晶ダイヤモンド焼結体８上の長さＬ２との和を長さＬ（＝Ｌ１＋Ｌ２）としたとき、内周層８Ａと中間層との境界を軸線Ｏから０．０５×Ｌ〜０．９０×Ｌの範囲に位置させ、中間層と外周層８Ｂとの境界は、内周層８Ａと中間層との境界よりも外周層８Ｂ側にあって軸線Ｏから０．１０×Ｌ〜０．９５×Ｌの範囲に位置させることにより、やはり内周層８Ａと外周層８Ｂ、そして中間層における切刃７に必要な切刃長を確保することができる。

次に、図９ないし図１３は、本発明の多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具の第２の実施形態を示すものであって、本発明をスクエアタイプのエンドミルに適用した場合を示すものである。この第２の実施形態の多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具においても、工具本体２１は超硬合金等の硬質材料によって軸線Ｏを中心とした概略円柱状に形成され、その後端部（図９において右上部分。図１０においては右側部分）は円柱状のままのシャンク部２２とされるとともに、先端部（図９において左下部分。図１０においては左側部分）は切刃部２３とされる。このようなエンドミルは、シャンク部２２が工作機械の主軸に把持されて軸線Ｏ回りに工具回転方向Ｔに回転されつつ、通常は軸線Ｏに直交する方向に送り出され、切刃部２３によって被削材に肩削りや溝削り等の切削加工を行う。

切刃部２３の外周には、工具本体２１の先端に開口して後端側に向かうに従い工具回転方向Ｔとは反対側に捩れる４つの切屑排出溝２４が軸線Ｏに関して９０°ずつ回転対称に形成されている。これらの切屑排出溝２４の切刃部２３における工具回転方向Ｔを向く壁面はすくい面２５とされ、このすくい面２５と、該切刃部２３の工具回転方向Ｔとは反対側に連なる切刃部２３の先端面である先端逃げ面２６Ａとの交差稜線部には切刃２７として底刃２７Ａが、またすくい面２５と切刃部２３の外周面である外周逃げ面２６Ｂとの交差稜線部には切刃２７として外周刃２７Ｂが形成されている。底刃２７Ａには、工具本体２１の外周側に向かうに従い僅かに先端側に向かうように傾斜（中低角）が与えられている。また、４つの外周刃２７Ｂは、軸線Ｏを中心とした円筒面上に位置している。

そして、これらの切刃２７と、該切刃２７に連なる部分のすくい面２５、先端逃げ面２６Ａおよび外周逃げ面２６Ｂとは、多結晶ダイヤモンド焼結体２８上に形成されており、この多結晶ダイヤモンド焼結体２８は、本実施形態では工具本体２１先端部の切刃部２３の先端内周側の内周層２８Ａと、切刃部２３の先端外周側から外周先端側にかけての外周層２８Ｂとを備えていて、これら内周層２８Ａと外周層２８Ｂとで、その組成が異なっている。

これら第２の実施形態の多結晶ダイヤモンド焼結体２８における内周層２８Ａおよび外周層２８Ｂの組成も、第１の実施形態の内周層８Ａおよび外周層８Ｂと同様に、ダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量が異なるものであってもよく、またはダイヤモンド粒子の平均粒径が異なるものであってもよく、あるいはこれらの双方が異なるものであってもよい。

ここで、内周層２８Ａと外周層２８Ｂとが多結晶ダイヤモンド焼結体２８におけるダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量が異なるものである場合は、第１の実施形態と同様に周速が遅い工具本体２１の内周側の内周層２８Ａのダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量を、周速が速い外周側の外周層２８Ｂよりも多くするのが望ましく、内周層２８Ａと外周層２８Ｂの添加量およびこれら添加量の差も第１の実施形態と同様にするのが望ましい。

また、内周層２８Ａと外周層２８Ｂとが、多結晶ダイヤモンド焼結体２８におけるダイヤモンド粒子の平均粒径が異なるものである場合にも、第１の実施形態と同様に周速が速い外周層２８Ｂのダイヤモンド粒子の平均粒径が周速の遅い内周層２８Ａのダイヤモンド粒子の平均粒径よりも大きいのが望ましく、内周層２８Ａと外周層２８Ｂの平均粒径およびこれらの平均粒径の差も第１の実施形態と同様にするのが望ましい。

さらに、内周層２８Ａと外周層２８Ｂの間に中間層が備えられている場合も含めて、軸線Ｏから切刃２７に沿って該切刃２７の外周端までの長さＬ１と、この外周端から工具本体２１の後端側に延びる稜線（外周刃２７Ｂ）の多結晶ダイヤモンド焼結体２８上の長さＬ２との和を長さＬとしたとき、この長さＬに占める内周層２８Ａと外周層２８Ｂおよび中間層の範囲も、第１の実施形態と同様にするのが望ましい。

このような第２の実施形態の多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具を製造するには、第１の実施形態と同様に、超硬合金よりなる円柱状の圧粉成形体１１を成形して切屑排出溝２４の捩れに沿って傾斜した溝１１Ａを形成した後に図示されない円筒状のカプセルに収容する。

次いで、図１４に示すように、このカプセルに収容された圧粉成形体１１の溝１１Ａの外周部に、多結晶ダイヤモンド焼結体２８の外周層２８Ｂを形成する組成のダイヤモンド粉末粒子と必要に応じてバインダー粒子を含有した原料粉末Ａを上面が水平になるように充填した後、圧粉成形体１１の先端部中央に内周層２８Ａを形成する組成のダイヤモンド粉末粒子と必要に応じてバインダー粒子を含有した原料粉末Ｂを充填する。その後は、第１の実施形態と同様に上記カプセルを超高温超高圧条件下で焼結して超硬合金に多結晶ダイヤモンド焼結体２８が一体に接合されたブランクを製造し、このブランクを超硬合金よりなる軸部の先端部にろう付け接合した後、切屑排出溝２４と先端逃げ面２６Ａと外周逃げ面２６Ｂを研削して切刃２７を形成する。

このような第２の実施形態の多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具においても、軸線Ｏ回りに回転される工具本体２１の内周側の内周層２８Ａと外周側の外周層２８Ｂとで組成が異なるので、軸線Ｏからの距離に応じた周速の相違による切削特性の相違に応じた切削性能を切刃に与えることができ、層によって材質が異なる積層材等に切削加工を行う場合でも工具本体２１の内周側での切刃２７の欠損や外周側での切刃２７の偏摩耗を防ぐことができる。

ただし、本実施形態のようなスクエアエンドミルでは、工具本体２１先端の切刃２７としての底刃２７Ａに上述のような傾斜（中低角）が与えられており、ランピング加工のように被削材を軸線Ｏ方向先端側に彫り込むような加工を行う場合以外の、工具本体２１を軸線Ｏに直交する方向に送り出す通常の加工では、工具本体２１内周側の中央部の底刃２７Ａは切削に使用されることは少ない。その一方で、工具本体２１の外周側の底刃２７Ａおよび外周刃２７Ｂによる切削は断続切削となるため、これらが被削材に食いつく度に衝撃的な切削負荷が作用する。

そこで、このような場合には、第１の実施形態の内周層８Ａおよび外周層８Ｂの組成とは逆に、外周層２８Ｂのダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量を内周層２８Ａよりも多くしたり、外周層２８Ｂのダイヤモンド粒子の平均粒径を内周層２８Ａのダイヤモンド粒子の平均粒径よりも小さくしたりして、外周層２８Ｂに高い耐衝撃性を与えるようにしてもよい。

また、被削材が積層材である場合などには、内周層２８Ａと外周層２８Ｂとの間に中間層を設けて、この中間層と外周層２８Ｂとに外周刃２７Ｂが形成されるようにし、これら中間層と外周層２８Ｂの軸線Ｏ方向の長さと組成を、被削材である積層材の各層の軸線Ｏ方向の長さと被削性に合わせたものとすることにより、このような被削材のトリミング加工を効果的に行うこともできる。

以下に、本発明の実施例を挙げて、本発明の効果について実証する。まず、第１の実施例では、上記第１の実施形態に基づく切刃７の直径が１０ｍｍの２種のドリルを製造し、厚さ１０ｍｍの炭素繊維強化プラスチック材と厚さ１０ｍｍのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖのチタン合金材とを積層した積層材に、切削速度１５ｍ／ｍｉｎ、送り速度０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、湿式で穴あけ加工を行い、その寿命を判定した。これらを実施例１、２として、寿命の結果とともに表１に示す。

なお、実施例１のドリルは多結晶ダイヤモンド焼結体８が内周層８Ａと外周層８Ｂの２層構造のものであり、実施例２のドリルは多結晶ダイヤモンド焼結体８が内周層８Ａと外周層８Ｂと、その間の中間層との３層構造のものであり、各層のダイヤモンド粒子の平均粒径、バインダー（コバルト）の添加量を表１に合わせて示す。ここで、実施例１では内周層８Ａと外周層８Ｂとの境界は軸線Ｏから０．４×Ｌの位置であり、実施例２では内周層８Ａと中間層との境界は軸線Ｏから０．３×Ｌの位置、中間層と外周層８Ｂとの境界は軸線Ｏから０．６×Ｌの位置であった。また、寿命は、切刃７が欠損した場合は欠損するまでの穴数とするとともに、先端逃げ面６が摩耗した場合は、先端逃げ面６の摩耗幅を測定顕微鏡で測定して２００μｍに達した穴数を寿命とした。

さらに、これら実施例１、２に対する比較例として、多結晶ダイヤモンド焼結体が単層（例えば内周層８Ａだけのもの）である一般的なドリルも製造し、実施例１、２と同じ条件で寿命を判定した。これを比較例１として、同じく表１に示す。従って、この比較例１では、境界は存在しない。

この表１の結果より、多結晶ダイヤモンド焼結体８が単層の比較例１では寿命の穴数が２２穴であったのに対し、３層構造の実施例２では寿命の穴数が１４８穴、２層構造の実施例１では寿命の穴数が１９３穴と、６．７倍〜８．７倍もの寿命の延長を図ることができた。すなわち、ドリルの場合の第１の実施例では、実施例１のように多結晶ダイヤモンド焼結体８が２層構造で、内周層８Ａが軸線Ｏから０．４×Ｌの位置にあり、外周層８Ｂは０．４×Ｌから１．０×Ｌにあり、内周層８Ａはダイヤモンド粒子の平均粒径が４μｍ、コバルト添加量が５ｖｏｌ％、外周層８Ｂはダイヤモンド粒子の平均粒径が１５μｍ、コバルト添加量が２．５ｖｏｌ％の場合に良好な結果が得られることが分かった。

次に、上記第２の実施形態に基づく切刃２７の直径が１０ｍｍの２種のスクエアエンドミルを製造し、編み方および含有する樹脂が異なる２種の厚さ１０ｍｍの炭素繊維強化プラスチック材よりなる被削材に切削速度２００ｍｍ／ｍｉｎ、送り速度７００ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み量１ｍｍ、エアブローによる乾式でトリミング加工を行い、その寿命を判定した。これらを実施例１１、１２として、各層のダイヤモンド粒子の平均粒径、バインダー（コバルト）の添加量を、表２に寿命の結果と合わせて示す。ここで、これら実施例１１、１２では内周層８Ａと外周層８Ｂの境界は軸線Ｏから０．６×Ｌの位置であった。

ここで、第１の被削材が含有する樹脂は１３０度硬化型エポキシであり、編み方は１層毎に繊維の延びる方向が９０°ずつずらされている。また、第２の被削材が含有する樹脂は１８０度硬化型エポキシであり、編み方は１層毎に繊維の延びる方向が０°、９０°、＋４５°、−４５°…−４５°、＋４５°、９０°、０°とずらされている。

なお、これら実施例１１、１２は多結晶ダイヤモンド焼結体２８が内周層２８Ａと外周層２８Ｂの２層構造のものである。また、判定の基準は実施例１、２および比較例１と同じであり、ただし摩耗については外周逃げ面２６Ｂも含まれていて、切削長を寿命としている。

さらに、これら実施例１１、１２に対する比較例として、多結晶ダイヤモンド焼結体が単層（例えば内周層２８Ａだけのもの）である一般的なドリルも製造し、実施例１１、１２と同じ条件で寿命を判定した。これを比較例１１として、同じく表２に示す。従って、この比較例１１でも、境界は存在しない。

この表２の結果より、多結晶ダイヤモンド焼結体が単層の比較例１１では寿命の切削長が６４ｍであったのに対し、２層構造の実施例１２では寿命の切削長が７７ｍ、実施例１１では寿命の切削長が８０ｍと、１．２倍〜１．２５倍の延長を図ることができた。

１、２１ 工具本体
３、２３ 切刃部
４、２４ 切屑排出溝
５、２５ すくい面
６、２６Ａ 先端逃げ面
２６Ｂ 外周逃げ面
７、２７ 切刃
２７Ａ 底刃
２７Ｂ 外周刃
８、２８ 多結晶ダイヤモンド焼結体
８Ａ、２８Ａ 内周層
８Ｂ、２８Ｂ 外周層
Ｏ 工具本体１、２１の軸線
Ｔ 工具回転方向

Claims (9)

1. 軸線回りに回転される工具本体の少なくとも先端に、上記工具本体の内周側から外周側に延びる切刃が形成され、この切刃は、上記工具本体の先端部に配設された多結晶ダイヤモンド焼結体上に形成されている多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具であって、
   上記多結晶ダイヤモンド焼結体は、上記工具本体の内周側の内周層と外周側の外周層とで組成が異なることを特徴とする多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具。
2. 上記多結晶ダイヤモンド焼結体は、上記内周層と上記外周層とでダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量が異なることを特徴とする請求項１に記載の多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具。
3. 上記多結晶ダイヤモンド焼結体は、上記内周層が上記外周層よりもダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量が多いことを特徴とする請求項２に記載の多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具。
4. 上記内周層における上記多結晶ダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量が５ｖｏｌ％〜２０ｖｏｌ％であるとともに、上記外周層における上記多結晶ダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量が０ｖｏｌ％〜１０ｖｏｌ％であり、上記内周層と上記外周層とで上記多結晶ダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子に対するバインダーの添加量に３ｖｏｌ％以上の差があることを特徴とする請求項３に記載の多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具。
5. 上記多結晶ダイヤモンド焼結体は、上記内周層と上記外周層とでダイヤモンド粒子の平均粒径が異なることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具。
6. 上記多結晶ダイヤモンド焼結体は、上記外周層が上記内周層よりもダイヤモンド粒子の平均粒径が大きいことを特徴とする請求項５に記載の多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具。
7. 上記内周層における上記多結晶ダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子の平均粒径が０．５μｍ〜１５μｍであるとともに、上記外周層における上記多結晶ダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子の平均粒径が６μｍ〜３０μｍであり、上記内周層と上記外周層とで上記多結晶ダイヤモンド焼結体のダイヤモンド粒子の平均粒径に３μｍ以上の差があることを特徴とする請求項６に記載の多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具。
8. 上記多結晶ダイヤモンド焼結体は上記内周層と上記外周層とによって構成されており、上記軸線から上記切刃に沿って該切刃の外周端までの長さとこの外周端から上記工具本体の後端側に延びる稜線の上記多結晶ダイヤモンド焼結体上の長さとの和を長さＬとしたとき、上記内周層と上記外周層との境界は上記軸線から０．０５×Ｌ〜０．９５×Ｌの範囲にあることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具。
9. 上記多結晶ダイヤモンド焼結体は、上記内周層と、この内周層と組成が異なる上記外周層と、これら内周層と外周層との間に位置して組成が上記内周層と上記外周層との中間である少なくとも１つの中間層とによって構成されており、上記軸線から上記切刃に沿って該切刃の外周端までの長さとこの外周端から上記工具本体の後端側に延びる稜線の上記多結晶ダイヤモンド焼結体上の長さとの和を長さＬとしたとき、上記内周層と上記中間層との境界は、上記軸線から０．０５×Ｌ〜０．９０×Ｌの範囲にあり、上記中間層と上記外周層との境界は、上記内周層と上記中間層との境界よりも上記外周層側にあって上記軸線から０．１０×Ｌ〜０．９５×Ｌの範囲にあることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド焼結体付き切削工具。

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