JP2021505415A - 工具用切削要素 - Google Patents

工具用切削要素 Download PDF

Info

Publication number
JP2021505415A
JP2021505415A JP2020530501A JP2020530501A JP2021505415A JP 2021505415 A JP2021505415 A JP 2021505415A JP 2020530501 A JP2020530501 A JP 2020530501A JP 2020530501 A JP2020530501 A JP 2020530501A JP 2021505415 A JP2021505415 A JP 2021505415A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cutting element
conductive track
conductive
tool
pcd
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2020530501A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6960059B2 (ja
Inventor
ルイス フェルナンド ペンナ フランカ
ルイス フェルナンド ペンナ フランカ
クリストファー ワート
クリストファー ワート
ジョナサン クリストファー ニューランド
ジョナサン クリストファー ニューランド
ウィリアム ウェイン レイヒー
ウィリアム ウェイン レイヒー
Original Assignee
エレメント シックス (ユーケイ) リミテッド
エレメント シックス (ユーケイ) リミテッド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by エレメント シックス (ユーケイ) リミテッド, エレメント シックス (ユーケイ) リミテッド filed Critical エレメント シックス (ユーケイ) リミテッド
Publication of JP2021505415A publication Critical patent/JP2021505415A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6960059B2 publication Critical patent/JP6960059B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B27/00Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • B23B27/18Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material with cutting bits or tips or cutting inserts rigidly mounted, e.g. by brazing
    • B23B27/20Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material with cutting bits or tips or cutting inserts rigidly mounted, e.g. by brazing with diamond bits or cutting inserts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B27/00Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23CMILLING
    • B23C5/00Milling-cutters
    • B23C5/16Milling-cutters characterised by physical features other than shape
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36Removing material
    • B23K26/362Laser etching
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36Removing material
    • B23K26/40Removing material taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/402Removing material taking account of the properties of the material involved involving non-metallic material, e.g. isolators
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2226/00Materials of tools or workpieces not comprising a metal
    • B23B2226/31Diamond
    • B23B2226/315Diamond polycrystalline [PCD]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2228/00Properties of materials of tools or workpieces, materials of tools or workpieces applied in a specific manner
    • B23B2228/41Highly conductive
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2260/00Details of constructional elements
    • B23B2260/092Lasers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2260/00Details of constructional elements
    • B23B2260/128Sensors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23CMILLING
    • B23C2226/00Materials of tools or workpieces not comprising a metal
    • B23C2226/31Diamond
    • B23C2226/315Diamond polycrystalline [PCD]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23CMILLING
    • B23C2260/00Details of constructional elements
    • B23C2260/56Lasers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23CMILLING
    • B23C2260/00Details of constructional elements
    • B23C2260/76Sensors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/20Tools
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
    • B23K2103/52Ceramics

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
  • Machine Tool Sensing Apparatuses (AREA)
  • Earth Drilling (AREA)

Abstract

表面領域に導電性トラック(6)が形成された工具用の切削要素(1)。切削要素(1)は、高圧高温下で生み出された多結晶ダイヤモンド体を含む。導電性トラック(6)は、導電性トラック(6)が表面領域のものより実質的に低い電気抵抗を有することになるような黒鉛を含む。【選択図】図2

Description

本発明は工具用の切削要素の分野、工具用の切削要素の製造方法に関する。
機械加工用及び他の工具用のカッターインサートは典型的には、超硬合金基板に接合された多結晶ダイヤモンド(PCD)の層を備える。PCDは超硬質材の一例であり、超研磨材とも呼ばれ、超硬炭化タングステンのものより実質的に高い硬さを有する。
PCDを含む部品は、岩石、金属、陶磁器、複合材及び木材含有材等の硬質材又は研磨材を切削、機械加工、穿孔又は削剥するための多様な工具で使用されている。典型的には、PCDは、骨格的集合体(skeletal mass)を構成する多数の実質的に相互成長(inter−grow)した立方晶ダイヤモンド粒子を含み、この骨格的集合体により立方晶ダイヤモンド粒子間の隙間が画成される。PCD材は少なくとも約80体積%のダイヤモンドを含み、密集させた多数のダイヤモンド粒子を、ダイヤモンド用の触媒材とも言われる焼結助剤の存在下、約5GPaより高い、典型的には約5.5GPaの超高圧及び少なくとも約1200℃、典型的には約1440℃の温度に供することで作製できる。ダイヤモンド用触媒材は、ダイヤモンドが熱力学的に黒鉛より安定する圧力及び温度条件下でのダイヤモンド粒子の直接的な相互成長を促進することが可能な材料であると理解される。
ダイヤモンド用の触媒材の例はコバルト、鉄、ニッケル及び、これらの元素の合金を含む特定の合金である。PCDはコバルト−超硬炭化タングステン基板上に形成し得て、この基板がPCDのためのコバルト触媒材の供給源となり得る。PCD材部を焼結中、超硬合金基板の構成成分、例えばコバルト−超硬炭化タングステン基板からのコバルトは液化し、ダイヤモンド粒子部に隣接する領域からダイヤモンド粒子間の隙間領域に流れ込む。この例において、コバルトは結合したダイヤモンド粒子の形成を促進する触媒としての役割を果たす。任意で、ダイヤモンド粒子及び基板を高圧高温(HPHT)工程に供するに先立って、金属−溶媒触媒をダイヤモンド粒子に混合し得る。PCD材における隙間は、少なくとも部分的に触媒材で満たされ得る。従って、相互成長したダイヤモンド構造体は元々のダイヤモンド粒子及び新たに析出した又は再成長したダイヤモンド相を含み、後者が元々の粒子同士をつなぐ。最終的な焼結構造体において、触媒/溶媒材は概して、焼結されたダイヤモンド粒子間に存在する隙間の少なくとも一部内に存在し続ける。
掘削作業において、切削工具用インサートは、その有効寿命の様々な段階において重い荷重及び高い温度にさらされる。掘削の初期段階において、インサートの鋭利な刃先が地下層と接触すると、切削工具は大きな接触圧にさらされる。その結果、疲労亀裂が始まるといった多くの破壊過程の可能性がでてくる。インサートの刃先が摩耗するにつれて、接触圧は低下し、概して、高エネルギー破損を引き起こすには低くなる。しかしながら、それでもこの圧力は、高い接触圧下で生じた亀裂を広げ、結果的にスポーリング型の破損を引き起こし得る。掘削業界において、PCDカッター性能は、カッターの、徐々に厳しくなる環境において速い掘削速度を達成でき、それでいて掘削後も良好な状態を維持できる(従って再使用可能)能力により決定される。どんな掘削用途においても、カッターは、滑らかな研磨型の摩耗とスポーリング/チッピング型の摩耗との組み合わせを経て摩耗し得る。滑らかな研磨型の摩耗が望ましいが、これは高耐摩耗性PCD材の利点を最大限に生かせるからであり、スポーリング又はチッピング型の摩耗は好ましくない。このタイプの破壊的損傷はたとえごく最小限のものであっても、切削寿命及び性能の両方に悪影響を与え得る。
スポーリング型の摩耗が生じると、切削効率は、ドリルビットの累層での掘削速度の低下に伴って、急速に低下し得る。一旦チッピングが始まると、ダイヤモンドテーブルへの損傷の度合いは、所与の切削深さを達成するのにここで必要となる垂直力が増大する結果、どんどん増大する。従って、カッターの損傷が起き、ドリルビットの掘削速度が低下するにつれて、ビットにかかる重量は増大してさらなる劣化を急速に引き起こし、最終的に、チッピングを起こした切削要素が壊滅的な損傷を受け得る。
同様な問題は機械加工業界でもみられる。PCDは、切削及び旋削といった作業において非鉄材料の機械加工に使用し得る。ここでもまた、チッピングはPCD切削要素の寿命、また機械加工する製作品の質及び仕上げにも大きく影響する。
PCDカッター性能を最適にする場合、耐摩耗性を上げてより良好なカッター寿命を得るためには、典型的には、ダイヤモンド平均粒径、触媒/溶媒総量、ダイヤモンド密度その他等の変数を操作する。しかしながら、典型的には、PCD材の耐摩耗性が上昇するにつれて、PCD材はより脆く又は割れやすくなる。従って、摩耗性能が改善されたPCD要素は、不良な衝撃強さ又は低いスポーリング耐性を有しやすくなる。衝撃強さと耐摩耗性のこの兼ね合いにより、最適化したPCD構造体の設計には、特には過酷な用途向けの場合、本質的に限界がある。
PCD切削要素には通常、有効寿命がある(時間、メートルカット、作業数等で測定し得る)。チッピングは脆性の過程であるため、ある切削要素の性能は、別の切削要素のものを大きく上回り得て、この作用は予測が困難である。細工又は製作品へのダメージを回避するために、この有効寿命は典型的には、所与の工具が達成し得る実際の寿命より大幅に短い慎重な値である。
現在、温度、チッピング、振動その他等のパラメータを測定するために、工具にセンサをつける動きがある。これらのセンサで得られたデータは切削要素の寿命をより精確に測定するのに使用でき、製作品を損傷するリスクの低下、また各切削要素のより長い有効寿命につながる。
センサを切削要素に取り付けるならば、このセンサで収集したデータを、使用可能なフォーマットでユーザに提供しなくてはならない。本発明の目的は、切削要素上のセンサからのデータを出力に送る方法を提供することである。
第1の態様では、工具用の切削要素を提供する。この切削要素は、表面領域を有する高圧−高温(HPHT)多結晶ダイヤモンド(PCD)体を含む。この表面領域上には導電性トラックが形成され、この導電性トラックは黒鉛を含み、導電性トラックは表面領域のものより実質的に低い電気抵抗を有する。これの利点は、導電性トラックを用いて電気信号を送れることである。
任意で、この導電性トラックは、ダイヤモンド平均粒径の少なくとも3倍の幅を有する。
任意で、導電性トラックの少なくとも一端を、切削要素上に位置するセンサに接続する。これの利点は、データをセンサで収集でき、データを運ぶ信号をPCD全体に伝送できることである。
任意で、導電性トラックの少なくとも一端をデータ収集要素に接続する。これにより、電気信号の形のデータ、例えばセンサから収集したデータを収集し、更にコンピュータ等のデバイスに送ることができる。
任意で、HPHT PCD体は、実質的に非導電性の表面領域を含む。これは、例えば、コバルト等の任意の導電性物質をPCDの表面からリーチング除去することで達成できる。
導電性トラックは任意で、すくい面及びクリアランス面のいずれかの上に配置される。
第2の態様では、第1の態様において上述した切削要素を含む工具を提供する。
そのような工具の任意の例は、ドリルビット、フライス工具、旋削工具、穴加工工具、孔ぐり工具、線引ダイ、採鉱ピック工具、道路フライスピック工具及びダウンホールドリルビットのいずれをも含む。
第3の態様では、工具用の切削要素の製造方法を提供する。この方法は、表面領域を有するHPHT PCDを用意することを含む。導電性トラックをこの表面領域上に形成し、導電性トラックは黒鉛を含み、この導電性トラックは表面領域のものより実質的に低い電気抵抗を有する。
任意で、導電性トラックは、表面領域のダイヤモンドのレーザーアブレーションにより形成される。
更に任意で、このレーザーアブレーションは、8〜14x106Wcm-2の出力を有するNd:YAGレーザーを用いて行う。
更に任意で、レーザーアブレーションは、周波数20〜100kHz、5〜20μsのパルス幅でパルス的に行われる。
更に任意で、レーザーアブレーションは、実質的に非導電性の表面領域に沿って速度200〜500mms-1で行われる。
任意で、この方法は、表面領域に位置した導電性バインダ材を除去することを更に含み、この除去はリーチングにより行われる。更に任意で、この方法は、導電性バインダ材を多結晶ダイヤモンド体全体からリーチング除去することを含む。
この方法は、導電性トラックの一端を切削要素上に位置するセンサに接続することを任意で含む。
任意で、この方法は、導電性トラックの少なくとも一端をデータ収集素子に接続することを含む。
本発明をより良く理解し、また本発明をどのようにして実施するかを示すために、ここで本発明の実施形態をほんの一例として添付の図面を参照しながら説明していく。
ステップ例を示すフロー図である。 切削要素例の斜視図である。 PCD上の導電性黒鉛トラック全体の、PCDを使用した切削作業中の時間の関数としての測定された電圧を示すグラフである。
様々なタイプのセンサをPCD切削要素に取り付け得る。そのようなセンサの例には、熱電対、振動センサ及び摩耗センサが含まれる。センサからの電気信号をデータ収集素子に送るために、導電路が必要となる。導電路を設けるための1つのやり方は、導電性金属(例えば、銀)の層を、この導電性金属がセンサとデータ収集素子との間に延びるようにPCDの表面に設けることである。
金属の導電路をPCDの表面上にプリントするにあたっての問題点は、銀とPCDとの間の接着性が不良であることである。銀は容易にこすり落とせ、あるいは別の形で機械的に除去できてしまう。難しい又は過酷な環境において(例えば、工作機械周辺又はダウンホールドリル作業中)、PCDの表面上に途切れることのない銀の導電路を維持することは極めて困難である。
驚くべきことに、PCD表面のレーザーアブレーションによりPCD表面が十分に黒鉛化されて導電性トラックが形成されることが判明した。また、驚くべきことに、黒鉛導電性領域はその下のPCD体に十分に接着して、過酷な機械加工条件下であっても途切れることのない導電路を形成することが判明した。
図1は、工具用の切削要素を形成するためのステップを示すフロー図である。以下の番号は図1のものに対応する。
S1:HPHT PCDダイヤモンド切削要素を用意する。
S2:レーザーアブレーションを切削要素の表面上で行う。PCD中の炭素はダイヤモンドの形態にあり、レーザーアブレーションによりダイヤモンドの炭素の一部が黒鉛の形態の炭素に変換され、導電性トラックが形成される。黒鉛の抵抗率は約1x10-5オーム・cmであり、黒鉛を良質な導電性物質としている。従って、黒鉛トラックを、電気信号の形態でのデータ送信に使用することができる。
切削要素例1を図2に示す。切削要素1は、支持基板3上に接合されたPCD層2を含む。支持基板3は任意の適切な材料、例えば超硬炭化タングステンになり得る。PCD層2は上(又はすくい)面4及びクリアランス面5を有する。
最初に、PCDはダイヤモンド粒子間の隙間にコバルトを含有する。従って、一実施形態例における切削要素1をHCl内でリーチングし、上面4及びクリアランス面5の表面に近いコバルトを除去することで表面領域の抵抗率を上昇させ、導電性トラック6の電気的分離を改善する。耐酸性テープ(例えば、シリコーン接着剤つきのポリアミド)等の保護要素を用いて超硬炭化タングステン基板3をHClから保護する。この例においては、等体積の脱イオン水及びHClにおける107℃での数時間にわたるリーチングによりPCDの表面から十分なコバルトが除去され、効果的に非導電性にできることが判明した。
導電性トラックは、Nd:YAG Qスイッチ高周波レーザーを用いて設けた。出力10〜12x106Wcm-2を、周波数50kHz、パルス幅10μs、速度300〜400mms-1で用いた。
導電性トラック6は、パルスレーザーを用いて設けた。このトラックがPCD層2の上面4上に設けられていることに留意されたい。しかしながら、トラックはPCD層2のクリアランス面5上に設けることもでき、あるいは上面4とクリアランス面5の両方を含む経路をとり得る。レーザーアブレーションエネルギーは、PCD層2の表面上に溝を形成し、またダイヤモンドを黒鉛に変換するのに十分であった。
PCDは多結晶構造体であり、コバルトを除去すると細孔が残るため、電気信号を送る導電性トラックの能力に影響するような導電性トラックにおける切断が起きないように、アブレーションする導電性トラック6の幅をPCDのダイヤモンド平均粒径の少なくとも3倍にすべきであると考えられる。
図2の実施形態においては、センサ7を切削要素1の切削先端に向かって設ける。センサ例には、摩耗センサ、振動センサ、温度センサその他が含まれる。
データ収集素子8も設け、データ収集素子8は、データ分析のために、収集したデータを記憶装置又はコンピュータデバイスに移動させることを可能にする素子である。導電性トラック6はセンサ7とデータ収集素子8との間に、センサから収集したデータをデータ収集素子8に伝送できるような形で延びる。
上記の実施形態ではPCDの表面領域をリーチングしてその導電性を低下させる工程について説明したが、このステップは必ずしも必要というわけではない。黒鉛トラックに使用可能な信号を運ばせるには、表面領域が黒鉛トラックのものより十分に高い抵抗率を有してさえいれば十分である。信号は、コバルトを含有する、リーチングされていないPCDの表面に設けられた導電性黒鉛トラックを用いて運ばれる。上述したように、黒鉛の抵抗率は約1x10-5オーム・cmであり、リーチングしていないPCD(約8%のコバルトを含有)の抵抗率は典型的には約1x10-1オーム・cmである。抵抗率におけるこの差は、導電性黒鉛トラックにデータ信号を運ばせるのに十分である。
PCDは脆い材料であり、摩耗又はチッピングが起き得る。このため、切削要素の実用寿命は、切削要素を交換する推奨時間をベースにしている。しかしながら、切削要素は、この既定の時間が過ぎても、潜在的な使用可能時間を依然として多く有し得る。センサを使用して切削要素1の状態をモニタすることで、工具の寿命をより精確にモニタし、許容範囲を超えた度合いの摩耗が起きる直前に工具を交換できる。これによって、切削要素の実用寿命は大幅に延びる。
驚くべきことに、導電性トラックを用いて間接的に温度を測定できることが判明している。測温抵抗体(RTD)は典型的には金属製であり、白金、銅又はニッケル等の材料から構成されている。これらの材料は、繰り返される抵抗対温度関係を有する。抵抗は、温度が上昇するにつれて上昇する。対照的に、黒鉛トラックは、温度の上昇に伴って低下する抵抗を示すと判明している。この挙動は半導体材料で共通して観察される。
この効果を図3に示す。PCD切削要素を、すくい面上に黒鉛化トラックを設けて作製した。電気信号をこの黒鉛化トラックに1.1Vを超えてすぐの電圧で印加した。切削要素を使用して製作品を切削した。切削作業は400秒続いた。図3からわかるように、切削作業が一旦開始すると、電圧は急速に低下した。これは、切削要素の温度が上昇したからである。抵抗は電圧に正比例し、抵抗を、導電性黒鉛トラックの長さ及び断面積を用いて導電性黒鉛トラックの抵抗率と関連づけることができる。温度の関数としての黒鉛の抵抗率が知られている(例えば、Poco Graphite社の文書Properties and Characteristics of Graphiteの22、23頁を参照のこと。www.http://poco.com/Portals/0/Literature/Semiconductor/IND−109441−0115.pdf 2018年2月6日にアクセス)。黒鉛の抵抗率は温度と共に線形変化しない。そのため、既知の寸法の導電性黒鉛トラックについてキャリブレーションを行わなくてはならない。キャリブレーション後、電圧を用いて導電性黒鉛トラックの温度の示度を得ることができ、こうやって導電性黒鉛トラック自体が温度センサとなる。
本明細書で使用する特定の用語及び概念について簡単に説明する。
本明細書において、超硬質又は超超硬質材は少なくとも25GPaのビッカース硬さを有する。合成及び天然ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド(PCD)、立方晶窒化ホウ素(CBN)及び多結晶CBN(PCBN)材は超硬質材の例である。人工ダイヤモンドとも称される合成ダイヤモンドは、これまで製造されてきたダイヤモンド材である。PCD構造体はPCD材を含む又はPCD材から成る。超硬質材の他の例には、炭化ケイ素(SiC)等のセラミック材を含むマトリックスで、あるいはCo結合WC材等の超硬合金材により結びつけられたダイヤモンド又はCBN粒子を含む特定の複合材が含まれる。例えば、特定のSiC結合ダイヤモンド材は、SiCマトリックス(少量のSiをSiC以外の形態で含有し得る)中に分散した少なくとも約30体積パーセントのダイヤモンド粒子を含み得る。
概して、また本明細書において、超硬質材用の触媒材は、超硬質材の粒子を含む多結晶材の、少なくとも、超硬質材が熱力学的に安定する圧力及び温度での焼結を促進可能である。触媒材は、超硬質材の粒子の直接的な相互成長及び/又はより一般的には超硬質材の粒子の焼結を促進して多結晶材を形成でき得る。一部の例において、触媒材は、単独で又は他の適切な材料と共に、焼結されたマトリックスを形成可能なバインダ材として機能し得て、その中に超硬質粒子は分散し得て、必ずしも直接、互いに粒子間結合してはいない。例えば、合成ダイヤモンド用の触媒材は、合成ダイヤモンド粒子の成長及び/又は合成若しくは天然ダイヤモンド粒子の直接的な相互成長を、合成又は天然ダイヤモンドが熱力学的に黒鉛より安定した温度及び圧力で促進できる。ダイヤモンド用の触媒材の例はFe、Ni、Co、Mn及びこれらを含む特定の合金である。PCBN材用の触媒又はバインダ材は、Ti含有化合物、例えば炭化チタン、窒化チタン、炭窒化チタン並びに/又はAl含有化合物、例えば窒化アルミニウム並びに/又は例えばCo及び/若しくはW等の金属を含有する化合物を含み得る。
本明細書において、多結晶ダイヤモンド(PCD)材はダイヤモンド粒子の集合体(多数のものの集まり)を含み、その大部分が互いに直接的に粒子間結合しており、ダイヤモンド含有量は材料の少なくとも80体積%である。ダイヤモンド粒子間の隙間は、合成ダイヤモンド用の触媒材を含むバインダ材で少なくとも部分的に充填され得て、あるいは実質的に空である。PCD材を含む本体部は少なくとも、触媒材が隙間から除去されてダイヤモンド粒子間の空隙が残った領域を含み得る。
工作機械は電動機械的装置であり、金属、複合材、木材又はポリマー等の材料を含む部品を機械加工により作製するのに使用し得て、機械加工とは製作品と称される物体から材料を選択的に除去することである。工作機械はカッター構造体を含むカッターインサート(又は単純に「インサート」)を含み得て、インサートはスローアウェイ式及び/又は交換式になり得る。
工作機械を使用して製作品を機械加工する場合、製作品の一部分を除去することが多く、これらの小片は「チップ」と称される。チップは、使用している工作機械により物体の作業面から除去された、物体の一部である。チップ発生を制御し、チップの流れを誘導することは、工具にとって、高い生産性の機械加工並びに/又はアルミニウム、チタン及びニッケルの進化した合金の高度表面仕上げ機械加工にとって重要なことである。チップブレーカ部の形状は様々な機械加工要因、例えば製作品材料、切削速度、必要とされる切削作業及び表面仕上げに応じて選択し得る。
本発明を実施形態を参照しながら具体的に図示、説明してきたが、当業者ならば、添付の請求項で定義される本発明の範囲から逸脱することなく形態及び細部において様々な変更を加え得ることが理解できる。

Claims (17)

  1. 表面領域を有する高圧−高温多結晶ダイヤモンド体と、
    前記表面領域上に形成された導電性トラックと、を含み、
    前記導電性トラックは黒鉛を含み、前記導電性トラックは前記表面領域のものより実質的に低い電気抵抗を有する、工具用の切削要素。
  2. 前記導電性トラックは、ダイヤモンド平均粒径の少なくとも3倍の幅を有する、請求項1に記載の切削要素。
  3. 前記導電性トラックの少なくとも一端を切削要素上に位置するセンサに接続する、請求項1又は2のいずれか一項に記載の切削要素。
  4. 前記導電性トラックの少なくとも一端をデータ収集要素に接続する、請求項1から3のいずれか一項に記載の切削要素。
  5. 前記高圧−高温多結晶ダイヤモンド体が実質的に非導電性の表面領域を含む、請求項1から4のいずれか一項に記載の切削要素。
  6. 前記導電性トラックがすくい面及びクリアランス面のいずれかの上に配置される、請求項1から5のいずれか一項に記載の切削要素。
  7. 請求項1から6のいずれか一項に記載の切削要素を含む工具。
  8. ドリルビット、フライス工具、旋削工具、穴加工工具、孔ぐり工具、線引ダイ、採鉱ピック工具、道路フライスピック工具及びダウンホールドリルビットのいずれかから選択される、請求項7に記載の工具。
  9. 表面領域を有する高圧−高温多結晶ダイヤモンド体を用意すること、
    前記表面領域上に導電性トラックを形成することを含み、
    前記導電性トラックは黒鉛を含み、前記導電性トラックは前記表面領域のものより実質的に低い電気抵抗を有する、工具用の切削要素の製造方法。
  10. 前記導電性トラックは、前記表面領域のダイヤモンドのレーザーアブレーションにより形成される、請求項9に記載の方法。
  11. 前記レーザーアブレーションは、8〜14x106Wcm-2の出力を有するNd:YAGレーザーを用いて行われる、請求項10に記載の方法。
  12. 前記レーザーアブレーションは、周波数20〜100kHz、5〜20μsのパルス幅でパルス的に行われる、請求項10又は11に記載の方法。
  13. 前記レーザーアブレーションは、前記実質的に非導電性の表面領域に沿って速度200〜500mms-1で行われる、請求項10から12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記表面領域に位置した導電性バインダ材を除去することを更に含み、前記除去はリーチングにより行われる、請求項9から13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 導電性バインダ材を前記多結晶ダイヤモンド体からリーチング除去することを更に含む、請求項9から14のいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記導電性トラックの一端を切削要素上に位置するセンサに接続することを更に含む、請求項9から20のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記導電性トラックの少なくとも一端をデータ収集素子に接続することを更に含む、請求項9から16のいずれか一項に記載の方法。
JP2020530501A 2018-02-09 2019-02-08 工具用切削要素 Active JP6960059B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1802112.1 2018-02-09
GBGB1802112.1A GB201802112D0 (en) 2018-02-09 2018-02-09 Tool cutting element
PCT/EP2019/053173 WO2019155004A1 (en) 2018-02-09 2019-02-08 Tool cutting element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021505415A true JP2021505415A (ja) 2021-02-18
JP6960059B2 JP6960059B2 (ja) 2021-11-05

Family

ID=61731236

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020530501A Active JP6960059B2 (ja) 2018-02-09 2019-02-08 工具用切削要素

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11407038B2 (ja)
EP (1) EP3749484B1 (ja)
JP (1) JP6960059B2 (ja)
KR (1) KR102187870B1 (ja)
CN (1) CN111344109A (ja)
GB (2) GB201802112D0 (ja)
WO (1) WO2019155004A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114102259B (zh) * 2021-11-23 2022-11-01 华中科技大学 一种金属基复合材料微细切削刀具与磨损监测方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4511783A (en) * 1982-02-04 1985-04-16 N.V. Optische Industrie "De Oude Delft" Method for making electrical contacts to diamond by means of a laser, and diamond provided with contacts according to this optical method
JPH08197309A (ja) * 1995-01-19 1996-08-06 Fanuc Ltd イオン注入したダイヤモンド切削工具
JP2002066808A (ja) * 2000-08-30 2002-03-05 Kyocera Corp スローアウェイチップ
JP2002137102A (ja) * 2000-10-27 2002-05-14 Kyocera Corp スローアウェイチップ
WO2009099130A1 (ja) * 2008-02-06 2009-08-13 Sumitomo Electric Industries, Ltd. ダイヤモンド多結晶体
JP2011088264A (ja) * 2009-10-26 2011-05-06 Sumitomo Electric Ind Ltd ダイヤモンド切削工具及びその製造方法
US20120132468A1 (en) * 2010-11-30 2012-05-31 Baker Hughes Incorporated Cutter with diamond sensors for acquiring information relating to an earth-boring drilling tool
JP2014111303A (ja) * 2012-10-30 2014-06-19 Allied Material Corp 切削工具およびそれを用いたワークの加工方法
WO2016135332A1 (en) * 2015-02-28 2016-09-01 Element Six (Uk) Limited Superhard constructions & methods of making same
EP3106260A1 (en) * 2015-06-16 2016-12-21 Sandvik Intellectual Property AB A cutting insert for cutting, milling or drilling of metal, a tool holder and a tool provided therewith

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3359894B2 (ja) 1999-12-14 2002-12-24 京セラ株式会社 損耗センサ付きスローアウェイチップ
US6592303B2 (en) * 2000-08-30 2003-07-15 Kyocera Corporation Throw-away tip
JP3924438B2 (ja) * 2001-03-29 2007-06-06 京セラ株式会社 センサ付き切削工具およびその作製方法
US7052215B2 (en) 2001-03-29 2006-05-30 Kyocera Corporation Cutting tool with sensor and production method therefor
DE10220755A1 (de) * 2001-05-08 2002-11-14 Klaus Nordmann Schneidwerkzeug
US8449357B2 (en) * 2007-10-05 2013-05-28 Chien-Min Sung Polymeric fiber CMP pad and associated methods
US9945185B2 (en) * 2014-05-30 2018-04-17 Baker Hughes Incorporated Methods of forming polycrystalline diamond
JP2016074572A (ja) * 2014-10-08 2016-05-12 株式会社アライドマテリアル 切削工具
WO2016068231A1 (ja) 2014-10-29 2016-05-06 住友電気工業株式会社 複合ダイヤモンド体および複合ダイヤモンド工具
US10364615B2 (en) * 2014-11-12 2019-07-30 Suzhou Superior Industrial Technology Co. Ltd. Brazed polycrystalline diamond compact
WO2016083263A1 (en) * 2014-11-25 2016-06-02 Element Six Technologies Limited Boron doped diamond based electrochemical sensor heads
CN204424268U (zh) * 2015-01-17 2015-06-24 王宏兴 一种半导体器件的三维电极结构
JP6036948B2 (ja) 2015-09-14 2016-11-30 住友電気工業株式会社 導電層付き単結晶ダイヤモンドおよびそれを用いた工具、ならびに導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法
CN106784044B (zh) * 2016-12-26 2018-09-07 哈尔滨工业大学 一种三维结构金刚石紫外探测器及其制备方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4511783A (en) * 1982-02-04 1985-04-16 N.V. Optische Industrie "De Oude Delft" Method for making electrical contacts to diamond by means of a laser, and diamond provided with contacts according to this optical method
JPH08197309A (ja) * 1995-01-19 1996-08-06 Fanuc Ltd イオン注入したダイヤモンド切削工具
JP2002066808A (ja) * 2000-08-30 2002-03-05 Kyocera Corp スローアウェイチップ
JP2002137102A (ja) * 2000-10-27 2002-05-14 Kyocera Corp スローアウェイチップ
WO2009099130A1 (ja) * 2008-02-06 2009-08-13 Sumitomo Electric Industries, Ltd. ダイヤモンド多結晶体
JP2011088264A (ja) * 2009-10-26 2011-05-06 Sumitomo Electric Ind Ltd ダイヤモンド切削工具及びその製造方法
US20120132468A1 (en) * 2010-11-30 2012-05-31 Baker Hughes Incorporated Cutter with diamond sensors for acquiring information relating to an earth-boring drilling tool
JP2014111303A (ja) * 2012-10-30 2014-06-19 Allied Material Corp 切削工具およびそれを用いたワークの加工方法
WO2016135332A1 (en) * 2015-02-28 2016-09-01 Element Six (Uk) Limited Superhard constructions & methods of making same
EP3106260A1 (en) * 2015-06-16 2016-12-21 Sandvik Intellectual Property AB A cutting insert for cutting, milling or drilling of metal, a tool holder and a tool provided therewith

Also Published As

Publication number Publication date
EP3749484B1 (en) 2023-04-05
KR102187870B1 (ko) 2020-12-07
GB201901776D0 (en) 2019-03-27
KR20200051824A (ko) 2020-05-13
US20200238393A1 (en) 2020-07-30
WO2019155004A1 (en) 2019-08-15
EP3749484A1 (en) 2020-12-16
GB2572062B (en) 2021-02-24
CN111344109A (zh) 2020-06-26
US11407038B2 (en) 2022-08-09
GB2572062A (en) 2019-09-18
GB201802112D0 (en) 2018-03-28
JP6960059B2 (ja) 2021-11-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20170108067A (ko) 초경질 구조물 및 그의 제조 방법
WO2011011771A2 (en) Metal-free supported polycrystalline diamond (pcd) and method to form
US20180029130A1 (en) Polycrystalline diamond construction and method for making same
US20190184524A1 (en) Polycrystalline diamond construction & method of making
US20230003120A1 (en) Sensor elements and assemblies, cutting tools comprising same and methods of using same
US20230015853A1 (en) Sensor elements for a cutting tool and methods of making and using same
JP6960059B2 (ja) 工具用切削要素
US20220381093A1 (en) Sensor elements and assemblies, cutting tools comprising same and methods of using same
US20190275642A1 (en) Polycrystalline diamond construction and method for making same
US20140284115A1 (en) Polycrystalline diamond construction and method of making same
US8828110B2 (en) ADNR composite
WO2018122164A1 (en) Superhard constructions & methods of making same
WO2019155005A1 (en) Tool cutting element
CN108698129B (zh) 超硬结构及其制造方法
WO2023126451A1 (en) Cutting elements for a cutting tool and methods of making and using same
GB2496497A (en) Polycrystalline diamond constructions
WO2023126450A1 (en) Cutting elements for a cutting tool and methods of making and using same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20200603

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20200603

A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20201217

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210104

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20210405

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210604

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210908

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20211008

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6960059

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150