JP2023095112A - 切削工具の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐欠損性を安定して高めることができる切削工具の製造方法を提供する。【解決手段】焼結合金製の工具基体１と、工具基体１の表面に配置され、炭化物、窒化物、および炭窒化物のいずれか、あるいはこれらの複合化合物により構成される層を少なくとも有する硬質被膜と、を備える切削工具の製造方法であって、加熱された工具基体１の表層１ａに、パルス幅が１００ｐｓ以下のパルスレーザＬを照射することにより圧縮残留応力を付与するレーザピーニング工程と、少なくとも工具基体１の表層１ａ上に、硬質被膜を成膜する成膜工程と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、耐欠損性を高めて工具寿命を延ばすことができる切削工具の製造方法に関する。

従来、超硬合金製の工具基体上に硬質被膜を成膜した切削工具（以下、単に工具と呼ぶ場合がある）が知られている。この種の切削工具では、工具基体や硬質被膜に圧縮残留応力を付与することで、切削中に切れ刃近傍に発生する亀裂の進展が抑制されて、刃先の耐欠損性が向上する。

例えば、特許文献１では、硬質被膜の成膜後の後処理として、硬質被膜の上からショットピーニングを行うことで、圧縮残留応力を付与している。
特許文献２では、硬質被膜の成膜後の後処理として、硬質被膜の上からレーザピーニングを行うことで、圧縮残留応力を付与している。
特許文献３では、硬質被膜の成膜前の工具基体にフェムト秒レーザを用いたレーザピーニングを行い、その後、硬質被膜を成膜している。

特開平２－２５４１４４号公報 国際公開第２０２１／０３７９４７号 特開２０１３－１０７１４３号公報

特許文献１の方法では、ショットピーニングの投射圧を高めると圧縮残留応力は高まるものの、ショットピーニング処理中に刃先の欠けや微小なクラックの発生頻度が増し、工具寿命が安定しなくなる問題があった。
特許文献２の方法では、レーザによる硬質被膜の表層の除去（アブレーション）や硬質被膜の剥離などが発生し、耐摩耗性が低下する問題があった。
特許文献３の方法では、硬質被膜を成膜するときに工具基体が高温状態を経るため、工具基体の表層に付与した圧縮残留応力が解放されてしまい、耐欠損性を安定して高めることができなかった。

本発明は、耐欠損性を安定して高めることができる切削工具の製造方法を提供することを目的の一つとする。

本発明の一つの態様は、焼結合金製の工具基体と、前記工具基体の表面に配置され、炭化物、窒化物、および炭窒化物のいずれか、あるいはこれらの複合化合物により構成される層を少なくとも有する硬質被膜と、を備える切削工具の製造方法であって、加熱された前記工具基体の表層に、パルス幅が１００ｐｓ以下のパルスレーザを照射することにより圧縮残留応力を付与するレーザピーニング工程と、少なくとも前記工具基体の表層上に、前記硬質被膜を成膜する成膜工程と、を備える。

本発明では、硬質被膜が成膜される前の工具基体（以下、ワークと呼ぶ場合がある）に対して、従来よりもパルス幅が小さい、パルス幅１００ｐｓ（ピコ秒）以下の短パルスレーザを照射する。これにより、熱影響を抑えつつレーザのピークパワー密度を高められるため、例えば大気中や不活性ガス中などの気体中においても、ワーク表面に大きな衝撃力を作用させることができ、大きな圧縮残留応力を付与できる。この処理はいわゆる超短パルスレーザピーニングであり、レーザ照射したワークの表面を若干加工することで発生するプラズマが爆発的に拡散する際の、力学的な反作用によりワークに衝撃波を発生させ、塑性変形や転位などの結晶欠陥を付与することで、ワーク表面に圧縮残留応力を付与する手法である。

詳しくは、本発明では、工具基体を例えば数百℃に加熱し、この加熱された工具基体の表層に対して、パルスレーザ照射によるレーザピーニング処理を行う。すなわち、ワークに「ウォームレーザピーニング（温間レーザピーニング）」処理を施すことにより、圧縮残留応力を付与するため、その後の硬質被膜の成膜時にワークが高温状態を経ても、圧縮残留応力の解放が抑えられ、高い圧縮残留応力を維持することができる。

このメカニズムとしては、ワークを加熱した状態でレーザピーニングを行うことで、工具基体の表層を構成する結晶中に、コットレル雰囲気（転位の端部に炭素などの軽元素が入り込んだ状態のもの）が形成されるためと考えられる。一般に、圧縮残留応力は転位によって保持されるが例えば室温でワークにレーザピーニング処理を行った場合に結晶中に発生する通常の転位と比べて、上記「コットレル雰囲気」は、エネルギー的に安定しているため移動や消滅が生じにくく、つまり加熱等に対する安定性が高い。

したがって本発明によれば、製造される切削工具の耐欠損性を安定して高めることができ、工具寿命を延ばすことができる。

前記切削工具の製造方法において、加熱された前記表層の温度が、１００℃以上４００℃以下であることが好ましい。

工具基体の表層を１００℃以上に加熱した状態として、レーザピーニング処理を行うことにより、上述の作用効果がより安定的かつ顕著なものとなる。すなわち、ワークを１００℃以上としてレーザピーニング処理を施すことで、工具基体の表層の結晶中にコットレル雰囲気が安定して形成される。このため、ワークが硬質被膜の成膜時に高温状態を経ても、高い圧縮残留応力がより安定して維持される。

また、工具基体の表層を４００℃以下に加熱した状態として、レーザピーニング処理を行うため、高い圧縮残留応力を安定して確保できる。具体的に、工具基体を加熱し過ぎると、ワークが軟化することで歪が入りにくくなり、また加熱による応力緩和の効果とも相殺されて、圧縮残留応力の大きさ（絶対値）が低下するおそれがある。ワークを４００℃以下としてレーザピーニング処理を施すことにより、上述のような問題が抑えられる。

前記切削工具の製造方法は、前記レーザピーニング工程よりも前に、前記工具基体の表層を保護する保護層を形成する保護層形成工程と、前記レーザピーニング工程よりも後かつ前記成膜工程よりも前に、前記保護層を除去する保護層除去工程と、を備えることが好ましい。

工具基体の表層に、保護層を介さずに直接レーザを照射すると、ワーク表面の例えばＣｏ等を主成分とする結合相が選択的に除去される場合があり、硬質被膜の付着強度に影響する可能性がある。このような場合においては、本発明の上記構成のように、工具基体の表層に、例えば黒色インクやメッキなどの保護層（犠牲層）を数μｍ～数十μｍの厚さで形成した後に、レーザピーニング処理を行うことが好ましい。これにより、ワーク表面の結合相が選択的に除去されることを抑制できる。そして、ワークから保護層を除去した後で、硬質被膜をコーティングする。
本発明の上記構成によれば、工具基体の表層と硬質被膜との付着強度を安定して高めることができる。

前記切削工具の製造方法は、前記レーザピーニング工程よりも前に、前記工具基体の表層に粒子を投射することにより、前記表層に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程を備えることが好ましい。

前記切削工具の製造方法は、前記レーザピーニング工程よりも後かつ前記成膜工程よりも前に、前記工具基体の表層に粒子を投射することにより、前記表層に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程を備えることが好ましい。

ウォームレーザピーニング処理では、工具基体の表層の深い部分に圧縮残留応力が入りやすく、浅い部分には圧縮残留応力が入りにくい傾向がある。一方、ショットピーニング処理では、工具基体の表層の浅い部分に圧縮残留応力が入りやすい傾向がある。このため、ワークに対してウォームレーザピーニング処理とショットピーニング処理とを併用することにより、ワーク表層の深さ方向においてより広範囲に、より安定して圧縮残留応力を付与することができる。

本発明の前記態様の切削工具の製造方法によれば、耐欠損性を安定して高めることができる。

図１は、本実施形態の切削工具を示す斜視図である。 図２は、切削工具の切れ刃近傍を拡大して示す断面図である。 図３は、本実施形態の切削工具の製造方法を示すフローチャートである。 図４は、レーザピーニング工程を説明する側面図である。 図５は、レーザピーニング工程を説明する工具基体の部分上面図である。

本発明の一実施形態の切削工具１０および切削工具１０の製造方法について、図面を参照して説明する。
本実施形態の切削工具１０は、切削インサートである。本実施形態の切削工具１０は、特に図示しないが、例えば、金属製等の被削材に旋削加工（切削加工）を施す刃先交換式バイトに用いられる。

図１に示すように、本実施形態の切削工具１０は、板状である。具体的に、切削工具１０は多角形板状であり、図示の例では四角形板状である。なお切削工具１０は、四角形板状以外の多角形板状や円板状等であってもよい。

本実施形態では、切削工具１０の中心軸Ｃが延びる方向、つまり中心軸Ｃと平行な方向を、軸方向と呼ぶ。切削工具１０の平面視において、中心軸Ｃは、切削工具１０の中心に位置する。中心軸Ｃは、切削工具１０の厚さ方向に沿って延びる。
中心軸Ｃと直交する方向を径方向と呼ぶ。径方向のうち、中心軸Ｃに近づく向きを径方向内側と呼び、中心軸Ｃから離れる向きを径方向外側と呼ぶ。
中心軸Ｃ回りに周回する方向を周方向と呼ぶ。

図２に示すように、本実施形態の切削工具１０は、焼結合金製の工具基体１と、工具基体１の表面に配置され、炭化物、窒化物、および炭窒化物のいずれか、あるいはこれらの複合化合物により構成される層を少なくとも有する硬質被膜２と、工具基体１の稜線部に形成され、硬質被膜２のうち稜線部に位置する部分を含む切れ刃３と、を備える。つまり本実施形態の切削工具１０は、工具基体１上に硬質被膜２をコーティングした切削インサートである。図１に示すように、切削工具１０は、一対の板面１０ａ，１０ｂと、外周面１０ｃと、貫通孔１０ｄと、を備える。

一対の板面１０ａ，１０ｂは、多角形状であり、中心軸Ｃの軸方向を向く。本実施形態では、一対の板面１０ａ，１０ｂがそれぞれ四角形状である。一対の板面１０ａ，１０ｂは、一方の板面（上面）１０ａと、他方の板面（下面）１０ｂと、を有する。一方の板面１０ａと他方の板面１０ｂとは、軸方向に互いに離れて配置され、軸方向において互いに反対側を向く。

本実施形態では、軸方向のうち、他方の板面１０ｂから一方の板面１０ａへ向かう方向を軸方向一方側と呼び、一方の板面１０ａから他方の板面１０ｂへ向かう方向を軸方向他方側と呼ぶ。なお軸方向は、上下方向と言い換えてもよい。この場合、軸方向一方側は上側に相当し、軸方向他方側は下側に相当する。
一対の板面１０ａ，１０ｂのうち、少なくとも一方の板面１０ａは、板面１０ａの一部（コーナ部等）が切削加工時に図示しない被削材と対向する。

一対の板面１０ａ，１０ｂのうち、少なくとも一方の板面１０ａは、すくい面５を有する。すなわち切削工具１０は、すくい面５を有する。すくい面５は、板面１０ａの少なくとも一部を構成する。本実施形態ではすくい面５が、板面１０ａの周縁部に位置する４つのコーナ部のうち、少なくとも２つのコーナ部にそれぞれ配置される。上記２つのコーナ部は、中心軸Ｃを中心として互いに１８０°回転対称となる位置に配置される。

図２に示すように、すくい面５は、ランド部５ａと、傾斜部５ｂと、を有する。
ランド部５ａは、すくい面５のうち、切れ刃３と接続される部分である。ランド部５ａは、切れ刃３の径方向内側に配置される。本実施形態ではランド部５ａが、切れ刃３から径方向内側へ向かうに従い軸方向他方側へ向けて傾斜する傾斜面である。なおランド部５ａは、中心軸Ｃと垂直な方向に拡がる平面状でもよい。

傾斜部５ｂは、すくい面５のうち、ランド部５ａの径方向内側に位置する部分である。傾斜部５ｂは、ランド部５ａの径方向内端部と接続される。傾斜部５ｂは、ランド部５ａから径方向内側へ向かうに従い軸方向他方側へ向けて傾斜する傾斜面である。傾斜部５ｂの径方向に沿う単位長さあたりの軸方向へ向けた変位量は、ランド部５ａの径方向に沿う単位長さあたりの軸方向へ向けた変位量よりも大きい。すなわち、中心軸Ｃと垂直な図示しない仮想平面に対する傾斜部５ｂの傾きは、前記仮想平面に対するランド部５ａの傾きよりも大きい。

図１に示すように、外周面１０ｃは、一対の板面１０ａ，１０ｂと接続され、径方向外側を向く。外周面１０ｃは、軸方向の両端部が一対の板面１０ａ，１０ｂと接続される。具体的に、外周面１０ｃのうち軸方向一方側の端部は、一方の板面１０ａと接続される。外周面１０ｃのうち軸方向他方側の端部は、他方の板面１０ｂと接続される。外周面１０ｃは、切削工具１０の周方向全域にわたって延びる。

外周面１０ｃは、逃げ面６を有する。すなわち切削工具１０は、逃げ面６を有する。逃げ面６は、外周面１０ｃの少なくとも一部を構成する。逃げ面６は、外周面１０ｃのうち各すくい面５と隣接する部分にそれぞれ配置される。

貫通孔１０ｄは、切削工具１０を軸方向に貫通する。貫通孔１０ｄは、一対の板面１０ａ，１０ｂに開口し、軸方向に延びる。貫通孔１０ｄの中心軸は、中心軸Ｃと同軸に配置される。図示の例では、貫通孔１０ｄが円孔状である。貫通孔１０ｄには、例えば、図示しないクランプ駒の突起やクランプネジ等が挿入される。

切れ刃３は、すくい面５と逃げ面６とが接続される稜線部、つまりすくい面５と逃げ面６との交差稜線部に配置される。本実施形態では切れ刃３が、板面１０ａの周縁部に位置する４つのコーナ部のうち、少なくとも２つのコーナ部にそれぞれ配置される。図２に示すように、本実施形態では切れ刃３が、丸ホーニングを有する。なお切れ刃３は、チャンファホーニング等の他のホーニング形状を有していてもよい。また切れ刃３が、ホーニング形状を有していなくてもよい。

図１に示すように、切れ刃３は、コーナ刃部３ａと、一対の直線刃部３ｂと、を有する。コーナ刃部３ａは、径方向外側に向けて突出する凸曲線状である。直線刃部３ｂは、直線状であり、コーナ刃部３ａと接続される。本実施形態では、コーナ刃部３ａの刃長方向の両端部に、一対の直線刃部３ｂが接続される。なお刃長方向とは、切れ刃３が延びる方向であり、具体的には切れ刃３の各刃部３ａ，３ｂが延びる方向である。コーナ刃部３ａおよび一対の直線刃部３ｂは、軸方向から見て、全体として略Ｖ字状である。

切れ刃３は、工具基体１の稜線部（交差稜線部）と、硬質被膜２のうち前記稜線部にコーティングされる部分と、により構成される。

工具基体１は、上述した切削工具１０の形状と同じ形状を有する。工具基体１は、周期律表の第４，第５，第６族金属の炭化物、窒化物およびこれらの相互固溶体の中の少なくとも１種の硬質相と、Ｎｉ，ＣｏまたはＮｉ－Ｃｏ合金を主成分とする重量比２～１５％の結合相と、を有する焼結合金製である。本実施形態では工具基体１が、ＷＣ基の超硬合金製である。なお工具基体１は、例えばＴｉＣ基またはＴｉ（Ｃ，Ｎ）基等のサーメット製でもよい。
後述するレーザピーニング工程を経ることにより、工具基体１の表層１ａの残留応力は、例えば－１０００ＭＰａ以下、好ましくは－１５００ＭＰａ以下とされる（マイナスが圧縮側）。なお本実施形態でいう「工具基体１の表層１ａ」とは、工具基体１のうち、工具基体１の表面（硬質被膜２との界面）から少なくとも深さ１μｍの表層部分を指す。

図２に示すように、硬質被膜２は、化学蒸着法（ＣＶＤ法）または物理蒸着法（ＰＶＤ法）により、工具基体１の表面（外面）上に成膜される。硬質被膜２は、工具基体１の表面のうち、少なくとも切れ刃３を含む領域に配置される。本実施形態では硬質被膜２が、少なくとも切れ刃３、すくい面５および逃げ面６に配置される。なお硬質被膜２は、工具基体１の表面全体に成膜されていてもよい。

硬質被膜２の膜厚は、全体として例えば１μｍ以上３０μｍ以下である。硬質被膜２は、炭化物、窒化物、および炭窒化物のいずれか、あるいはこれらの複合化合物により構成される層（以下、第１層と呼ぶ）を含む単層または複数層で構成される。硬質被膜２が複数層の場合、複数の層の中で最も厚さ（膜厚）が厚い層が、第１層とされる。この場合、第１層の膜厚は、例えば１μｍ以上２０μｍ以下である。第１層は、例えばＴｉＣＮ層等である。

特に図示しないが、硬質被膜２を複数層により構成する場合、硬質被膜２は、第１層の表面に配置される第２層と、第２層の表面に配置される第３層と、を有していてもよい。
第２層および第３層、すなわち第１層以外の層は、例えば、周期律表の第４，第５，第６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、硼化物、Ｓｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、Ａｌの酸化物、窒化物、およびこれらの相互固溶体、ダイヤモンド、ＤＬＣ、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）などにより構成される。なお、硬質被膜２のうち第１層以外の層は、第１層の膜種によっては限定されないため、ここでは一般に切削工具の硬質被膜として用いられるものを列挙した。

次に、切削工具１０の製造方法について説明する。
図３に示すように、本実施形態の切削工具１０の製造方法は、焼結工程Ｓ１と、ショットピーニング工程Ｓ２と、保護層形成工程Ｓ３と、レーザピーニング工程Ｓ４と、保護層除去工程Ｓ５と、成膜工程Ｓ６と、を備える。

焼結工程Ｓ１では、原料粉末をプレス成型することで工具基体１の形状とされた圧粉体を、焼結する。圧粉体は、工具基体１の製造過程において圧粉成形される中間成形体である。本実施形態では、圧粉体は板状であり、具体的には多角形板状である。工具基体１が超硬合金製の場合、上記原料粉末は、例えばＷＣおよびＣｏを主成分とした混合粉末等である。

本実施形態では、ショットピーニング工程Ｓ２が、レーザピーニング工程Ｓ４よりも前工程として設けられる。特に図示しないが、ショットピーニング工程Ｓ２では、工具基体１の表層１ａに粒子を投射することにより、表層１ａに圧縮残留応力を付与する。ショットピーニング処理の条件としては、例えば、湿式（ウェットブラスト）にて、粒子の材質がZrO₂、粒径が120～200μm、投射圧力が0.30～0.40MPa、投射角度がすくい面法線に対し30°～60°等である。
また本実施形態では、ショットピーニング工程Ｓ２において、工具基体１の稜線部（切れ刃３となる部分）のバリ取りやホーニング処理を併せて行う。

保護層形成工程Ｓ３は、レーザピーニング工程Ｓ４よりも前工程として設けられる。保護層形成工程Ｓ３では、工具基体１の表層１ａ上に、表層１ａを保護する保護層を形成する。保護層は、例えば、黒色インクやメッキなどにより構成される層であり、工具基体１の表層１ａ上に数μｍ～数十μｍの厚さで形成される。本実施形態では、保護層の厚さが、例えば３～１０μｍ程度である。保護層は、工具基体１の表層１ａのうち、少なくとも後述するレーザ照射範囲Ａに設けられる。保護層は、犠牲層と言い換えてもよい。

レーザピーニング工程Ｓ４では、加熱された工具基体１の表層１ａに、パルス幅が１００ｐｓ（ピコ秒）以下のパルスレーザＬを照射することにより、圧縮残留応力を付与する。なお以下の説明では、工具基体１をワークと呼ぶ場合がある。

図４は、レーザピーニング工程Ｓ４を説明する側面図であり、図５は、レーザピーニング工程Ｓ４を説明するワークの部分上面図である。なお図４および図５においては、工具基体１を模式的に表しており、また保護層の図示は省略している。

図４に示すように、本実施形態ではレーザピーニング工程Ｓ４において、ホットプレート（加熱手段）１００上に工具基体１を載置し、工具基体１を加熱した状態として、保護層を介して工具基体１の表層１ａにパルスレーザＬを照射する。なお本実施形態では、「保護層を介して工具基体１の表層１ａにパルスレーザＬを照射する」ことを、単に「表層１ａにパルスレーザＬを照射する」などという場合がある。

レーザピーニング処理によって工具基体１に所望の圧縮残留応力を付与するために、工具基体１の加熱温度には、適正な温度範囲が存在する。具体的に本実施形態では、加熱された工具基体１の表層１ａの温度が、１００℃以上４００℃以下である状態において、ワークにレーザピーニング処理を施す。より好ましくは、工具基体１の表層１ａの加熱温度は、２００℃～３００℃である。
すなわち、本実施形態のレーザピーニング工程Ｓ４は、ワークを加熱した状態としてレーザピーニング処理を行うため、ウォームレーザピーニング（温間レーザピーニング）工程Ｓ４と言い換えてもよい。

図４および図５に示すように、レーザピーニング工程Ｓ４では、集光したレーザビーム（パルスレーザＬ）で、工具基体１の稜線部（切れ刃３となる部分）を含むようにハッチング走査を行う。なお本実施形態では、ワークの加熱温度が水の沸点よりも高いことから、例えばワークを水中に沈めて、水によりプラズマ衝撃波を閉じ込める水中レーザピーニングを行うことは困難である。このため本実施形態では、所定の温度範囲に加熱されたワークに対して、大気中や不活性ガス中などの気体中において、レーザピーニング処理を行う。

気体中でのレーザピーニング処理は、水中でのレーザピーニング処理と比較して衝撃が小さいため、工具基体１に十分な圧縮残留応力を付与するためには、パルス幅が１００ｐｓ以下のパルスレーザＬを用いる必要がある。
好ましくは、レーザピーニング工程Ｓ４では、工具基体１の表層１ａに、パルス幅が１０ｐｓ以下のパルスレーザＬを照射する。より望ましくは、レーザピーニング工程Ｓ４では、表層１ａに、パルス幅が２ｐｓ以下のパルスレーザＬを照射する。

また好ましくは、レーザピーニング工程Ｓ４では、表層１ａに、パルス幅が１０ｆｓ（フェムト秒）以上のパルスレーザＬを照射する。より望ましくは、レーザピーニング工程Ｓ４では、表層１ａに、パルス幅が５００ｆｓ以上のパルスレーザＬを照射する。

パルスレーザＬのピークパワー密度は、１ＴＷ（テラワット）／ｃｍ^２以上が好ましく、より好ましくは５ＴＷ／ｃｍ^２以上であり、さらに望ましくは、２０ＴＷ／ｃｍ^２以上である。このように、１ＴＷ（テラワット）／ｃｍ^２以上で衝撃を与えることで、工具基体１に高い圧縮残留応力を安定して付与することができる。また好ましくは、ピークパワー密度は、１０ＰＷ（ペタワット）／ｃｍ^２以下である。その理由は、１０ＰＷ（ペタワット）／ｃｍ^２を超えたあたりから、大気のブレイクダウンによるプラズマが生じ、レーザビームが遮蔽されてしまうためである。なお、ピークパワー密度は、パルスエネルギー／（パルス幅×スポット面積）で計算される値である。

図５に示すように、本実施形態ではレーザピーニング工程Ｓ４において、工具基体１の切れ刃３となる稜線部（以下、単に切れ刃３と呼ぶ場合がある）と直交する方向にパルスレーザＬを走査させる。具体的に、パルスレーザＬの走査方向Ｓは、切れ刃３のうち直線刃部３ｂでは、直線刃部３ｂと直交する方向であり、またコーナ刃部３ａでは、コーナ刃部３ａと直交する方向である（図１参照）。

詳しくは、本実施形態では、工具基体１の切れ刃３となる稜線部と直交する方向に沿って、該稜線部、工具基体１のランド部５ａとなる部分（以下、単にランド部５ａと呼ぶ場合がある）、および、工具基体１の傾斜部５ｂとなる部分（以下、単に傾斜部５ｂと呼ぶ場合がある）の径方向外端部の順に、パルスレーザＬを走査させる（図２参照）。すなわち、パルスレーザＬを、切れ刃３と直交する方向のうち、切れ刃３からすくい面５上へ向けて走査させる。

図５に２点鎖線で示す複数の円は、パルスレーザＬのワーク表面におけるスポットＢを表している。本実施形態では、パルスレーザＬの走査方向Ｓにおいて隣り合うスポットＢ同士、および、走査方向Ｓと直交する方向において隣り合うスポットＢ同士が、互いにオーバーラップしている。ただしこれに限らず、隣り合うスポットＢ同士は、互いにオーバーラップしていなくてもよい。また図５に示すように、スポットＢは、工具基体１の稜線部（切れ刃３）にも配置される。

パルスレーザＬのワーク表面におけるスポットＢの直径（以下、スポット直径と呼ぶ場合がある）は、１０μｍ以上２００μｍ以下が好ましい。スポット直径が１０μｍ以上であれば、レーザアブレーションによるクレーター（凹み）の発生が抑制され、平滑な面を維持することができる。スポット直径が２００μｍ以下であれば、表層１ａに付与される圧縮残留応力の値が低下するのを抑制できる。なお、パルスレーザＬのスポット直径は、２０μｍ以上１００μｍ以下とすることがより望ましい。

また、図１および図２にレーザ照射範囲Ａとして示すように、パルスレーザＬは、少なくとも、工具基体１のうち切れ刃３となる稜線部と、該稜線部に隣接するすくい面５となる部分と、にわたって照射される。レーザ照射範囲Ａは、切れ刃３に沿って延びる帯状であり、本実施形態では、全体として略Ｖ字状である。レーザ照射範囲Ａ（の幅寸法）は、切削加工時に切削条件として設定される送り量に対して、１１０～２００％の範囲であることが好ましい。但し、切削加工時の条件としての送り量は様々な状況によって逐次設定される値であるため、本発明工具の製造時はカタログ等に記載の各工具の推奨送り量範囲の上限値の１１０～２００％の範囲、あるいは推奨送り量が設定されていない場合は、切れ刃３からすくい面５へ向けた２００μｍ以上、１０００μｍ以下の範囲Ａで処理（レーザ照射）することが好ましい。

具体的に、本実施形態では、工具基体１のうち切れ刃３となる稜線部、ランド部５ａとなる部分、および、傾斜部５ｂとなる部分の径方向外端部にわたるレーザ照射範囲Ａに、パルスレーザＬを照射する。
より詳しくは、上記レーザ照射範囲Ａに、図示しないガルバノスキャナ・Ｆθレンズユニットを用いてパルスレーザＬをハッチング走査する。このときの処理雰囲気は、大気中または任意のガス中とする。任意のガスとは、例えば酸化を抑える不活性ガス等である。

なお、レーザピーニング工程Ｓ４では、工具基体１の圧縮残留応力に、切れ刃３に平行な方向と、切れ刃３と直交する方向とで異方性を付与してもよい。特に図示しないが、このような異方性を付与するには、レーザピーニング工程Ｓ４において、例えば、切れ刃３と平行な方向のパルスレーザ照射点間隔と、切れ刃３と直交する方向のパルスレーザ照射点間隔とを、互いに異ならせればよい。ただしこれに限らず、例えば、切れ刃３と平行な方向のパルスレーザ照射点間隔と、切れ刃３と直交する方向のパルスレーザ照射点間隔とを互いに同じ値（一定）とし、ピークパワー密度を、切れ刃３と直交する方向において変化させたり、切れ刃３と平行な方向において変化させたりすることにより、圧縮残留応力に異方性を付与してもよい。

図３に示すように、保護層除去工程Ｓ５は、レーザピーニング工程Ｓ４よりも後工程かつ成膜工程Ｓ６よりも前工程として設けられる。保護層除去工程Ｓ５では、工具基体１の表層１ａ上に形成した保護層を除去する。保護層は、例えば酸性の薬品等によって除去される。

成膜工程Ｓ６では、工具基体１の少なくとも表層１ａ上に、炭化物、窒化物、および炭窒化物のいずれか、あるいはこれらの複合化合物により構成される層（第１層）を少なくとも有する硬質被膜２を成膜する。詳しくは、少なくとも表層１ａのレーザピーニング処理が施された部分に対して、化学蒸着法（ＣＶＤ法）または物理蒸着法（ＰＶＤ法）により、硬質被膜２を成膜する。

硬質被膜２が複数層からなる場合、例えば３層の場合には、工具基体１の表層１ａ上に第１層を成膜し、第１層上に第２層を成膜し、第２層上に第３層を成膜する。
第２層および第３層、すなわち第１層以外の層は、例えば、周期律表の第４，第５，第６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、硼化物、Ｓｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、Ａｌの酸化物、窒化物、およびこれらの相互固溶体、ダイヤモンド、ＤＬＣ、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）などにより構成される。

以上説明した本実施形態の切削工具１０の製造方法では、硬質被膜２が成膜される前の工具基体１に対して、従来よりもパルス幅が小さい、パルス幅１００ｐｓ以下の短パルスレーザを照射する。これにより、熱影響を抑えつつレーザのピークパワー密度を高められるため、例えば大気中や不活性ガス中などの気体中においても、ワーク表面に大きな衝撃力を作用させることができ、大きな圧縮残留応力を付与できる。この処理はいわゆる超短パルスレーザピーニングであり、図４に示すように、レーザ照射したワークの表面を若干加工することで発生するプラズマＰが爆発的に拡散する際の、力学的な反作用によりワークに衝撃波を発生させ、塑性変形や転位などの結晶欠陥を付与することで、ワーク表面に圧縮残留応力を付与する手法である。

詳しくは、本実施形態では、工具基体１を例えば数百℃に加熱し、この加熱された工具基体１の表層１ａに対して、パルスレーザ照射によるレーザピーニング処理を行う。すなわち、ワークに「ウォームレーザピーニング（温間レーザピーニング）」処理を施すことにより、圧縮残留応力を付与するため、その後の硬質被膜２の成膜時にワークが高温状態を経ても、圧縮残留応力の解放が抑えられ、高い圧縮残留応力を維持することができる。

このメカニズムとしては、ワークを加熱した状態でレーザピーニングを行うことで、工具基体１の表層１ａを構成する結晶中に、コットレル雰囲気（転位の端部に炭素などの軽元素が入り込んだ状態のもの）が形成されるためと考えられる。一般に、圧縮残留応力は転位によって保持されるが例えば室温でワークにレーザピーニング処理を行った場合に結晶中に発生する通常の転位と比べて、上記「コットレル雰囲気」は、エネルギー的に安定しているため移動や消滅が生じにくく、つまり加熱等に対する安定性が高い。

したがって本実施形態によれば、製造される切削工具１０の耐欠損性を安定して高めることができ、工具寿命を延ばすことができる。

また本実施形態では、加熱された工具基体１の表層１ａの温度が、１００℃以上４００℃以下である。
工具基体１の表層１ａを１００℃以上に加熱した状態として、レーザピーニング処理を行うことにより、上述の作用効果がより安定的かつ顕著なものとなる。すなわち、ワークを１００℃以上としてレーザピーニング処理を施すことで、工具基体１の表層１ａの結晶中にコットレル雰囲気が安定して形成される。このため、ワークが硬質被膜２の成膜時に高温状態を経ても、高い圧縮残留応力がより安定して維持される。

また、工具基体１の表層１ａを４００℃以下に加熱した状態として、レーザピーニング処理を行うため、高い圧縮残留応力を安定して確保できる。具体的に、工具基体１を加熱し過ぎると、ワークが軟化することで歪が入りにくくなり、また加熱による応力緩和の効果とも相殺されて、圧縮残留応力の大きさ（絶対値）が低下するおそれがある。ワークを４００℃以下としてレーザピーニング処理を施すことにより、上述のような問題が抑えられる。

また、本実施形態の切削工具１０の製造方法は、レーザピーニング工程Ｓ４よりも前に、工具基体１の表層１ａを保護する保護層を形成する保護層形成工程Ｓ３と、レーザピーニング工程Ｓ４よりも後かつ成膜工程Ｓ６よりも前に、前記保護層を除去する保護層除去工程Ｓ５と、を備える。
工具基体１の表層１ａに、保護層を介さずに直接レーザを照射すると、ワーク表面の例えばＣｏ等を主成分とする結合相が選択的に除去される場合があり、硬質被膜２の付着強度に影響する可能性がある。このような場合においては、本実施形態のように、工具基体１の表層１ａに、例えば黒色インクやメッキなどの保護層（犠牲層）を数μｍ～数十μｍの厚さで形成した後に、レーザピーニング処理を行うことが好ましい。これにより、ワーク表面の結合相が選択的に除去されることを抑制できる。そして、ワークから保護層を除去した後で、硬質被膜２をコーティングする。
本実施形態の上記構成によれば、工具基体１の表層１ａと硬質被膜２との付着強度を安定して高めることができる。

また本実施形態の切削工具１０の製造方法は、工具基体１の表層１ａに粒子を投射することにより、表層１ａに圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程Ｓ２を備える。
ウォームレーザピーニング処理では、工具基体１の表層１ａの深い部分に圧縮残留応力が入りやすく、浅い部分には圧縮残留応力が入りにくい傾向がある。一方、ショットピーニング処理では、工具基体１の表層１ａの浅い部分に圧縮残留応力が入りやすい傾向がある。このため、ワークに対してウォームレーザピーニング処理とショットピーニング処理とを併用することにより、ワーク表層の深さ方向においてより広範囲に、より安定して圧縮残留応力を付与することができる。

また本実施形態では、レーザ照射範囲Ａが、切削加工時に切削条件として設定される送り量（推奨送り量）に対して、１１０～２００％の範囲である。
レーザ照射範囲Ａが、送り量の１１０％以上であると、切削加工時に被削材に直接接触する切削工具１０の刃先領域（切削条件の切込み量、送り量）よりも、レーザピーニング処理領域を大きく確保できるため、切れ刃３の耐欠損性がより安定して高められる。
またレーザ照射範囲Ａが、送り量の２００％以下であると、工具の性能を十分に得ながら、プロセス時間を短縮化することが出来る。
また、レーザ照射範囲Ａが、切れ刃３からすくい面５へ向けた２００μｍ以上１０００μｍ以下の範囲であることによっても、上述と同様の作用効果が得られる。

また、本実施形態のレーザピーニング工程Ｓ４において、工具基体１の圧縮残留応力に、切れ刃３に平行な方向と、切れ刃３と直交する方向とで異方性を付与する場合には、下記の作用効果が得られる。
すなわちこの場合、切れ刃３と平行な方向の圧縮残留応力値と、切れ刃３と直交する方向の圧縮残留応力値とに、所定以上の差を設けることができる。例えば上記構成と異なり、切れ刃３と平行な方向と、切れ刃３と直交する方向とで、圧縮残留応力値が互いに同じである場合（等方性を付与した場合）と比べて、本実施形態の上記構成によれば、切削の種類や被削材等に応じて、切れ刃３に必要な耐欠損性能を効率よく付与できる。

また、本実施形態のレーザピーニング工程Ｓ４では、ホットプレート１００上に工具基体１を載置し工具基体１を加熱した状態として、工具基体１にレーザピーニング処理を施す。
この場合、工具基体１の温度変化が小さく抑えられて、工具基体１を安定して所望の加熱温度範囲に維持することができ、ウォームレーザピーニング処理によるワークへの圧縮残留応力の付与が安定して行える。すなわち、硬質被膜２の成膜時の高熱によっても解放されにくい圧縮残留応力を、工具基体１に安定して付与することができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されず、例えば下記に説明するように、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において構成の変更等が可能である。

前述の実施形態では、レーザピーニング工程Ｓ４において、ホットプレート１００上に工具基体１を載置することで工具基体１を加熱する例を挙げたが、これに限らない。工具基体１を加熱する方法、すなわち工具基体１の表層１ａを加熱する方法（加熱手段）は、ホットプレート１００以外の、例えば誘導加熱、ヒートガン、レーザ加熱等でもよい。つまり工具基体１の加熱手段には、任意の熱源を用いることができる。

前述の実施形態では、ショットピーニング工程Ｓ２が、レーザピーニング工程Ｓ４よりも前に備えられる例を挙げたが、これに限らない。
特に図示しないが、切削工具１０の製造方法は、レーザピーニング工程Ｓ４よりも後かつ成膜工程Ｓ６よりも前に、工具基体１の表層１ａに粒子を投射することにより、表層１ａに圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程を備えることとしてもよい。より詳しくは、前記ショットピーニング工程は、保護層除去工程Ｓ５よりも後工程かつ成膜工程Ｓ６よりも前工程として設けられる。この場合においても、前述の実施形態と同様の作用効果が得られる。

前述の実施形態では、ショットピーニング工程Ｓ２において工具基体１の稜線部（切れ刃３となる部分）のバリ取りやホーニング処理を併せて行うこととしたが、これに限らない。特に図示しないが、例えば、ブラシ等の研磨部材を用いた研磨工程を設けることにより、上記バリ取りやホーニング処理を行ってもよい。

前述の実施形態では、切削工具１０の製造方法が、保護層形成工程Ｓ３および保護層除去工程Ｓ５を備える例を挙げたが、これに限らない。詳しくは、レーザピーニング工程Ｓ４において、工具基体１の表層１ａに、保護層を介さずに直接レーザ照射することによっても、ワーク表面の結合相が選択的に除去されるような現象が生じない（もしくは生じにくい）場合には、保護層形成工程Ｓ３および保護層除去工程Ｓ５を設けなくてもよい。

前述の実施形態では、切削工具１０が刃先交換式バイトに用いられる例を挙げたが、これに限らない。切削工具１０は、例えば、被削材に転削加工（切削加工）を施す刃先交換式ドリルや刃先交換式エンドミル等に用いられてもよい。
また、切削工具１０が切削インサートである例を挙げたが、これに限らない。切削工具１０は、例えばソリッドタイプのバイト、ドリル、エンドミル、リーマおよびそれ以外の切削工具であってもよい。

その他、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において、前述の実施形態および変形例等で説明した各構成を組み合わせてもよく、また、構成の付加、省略、置換、その他の変更が可能である。また本発明は、前述した実施形態等によって限定されず、特許請求の範囲によってのみ限定される。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。ただし本発明はこの実施例に限定されない。

本発明の実施例として、前述の実施形態で説明した切削工具１０の製造方法により製造された切削工具１０を複数種類用意した（実施例１～４）。これらの切削工具１０は、ＪＩＳ規格のＣＮＭＧ１２０４０８形状を有する切削インサートである。また、工具基体１は、ＷＣ超硬合金製であり、ＷＣの平均粒径が１．５μｍ、Ｃｏの濃度が９％である。実施例１～４の各切削工具１０は、後述のレーザピーニング工程Ｓ４における加熱温度が互いに異なる（後述の表１参照）。

切削工具１０の製造方法において、保護層形成工程Ｓ３では、工具基体１の表層１ａ上に、厚さ約３μｍのＣｕメッキ（保護層）を形成した。
また、レーザピーニング工程Ｓ４では、ホットプレート１００の上面に工具基体１を載せ、１００℃～４００℃の間の各温度で加熱しながら、大気中においてパルスレーザＬによりレーザピーニング処理を行った。

レーザ条件は、レーザ波長１０３０ｎｍ、パルス幅１ｐｓ、ビーム集光直径（スポット直径）φ５０μｍ、パルスエネルギー１ｍＪとし、図５に示すように、工具基体１の稜線部（切れ刃３）からすくい面５上にかけて、レーザ照射範囲Ａを均等にハッチング走査した。このとき、パルス照射点（スポットＢ）の中心間の距離は２０μｍとなるよう、走査速度と繰り返し周波数により調整を行った。

次いで、工具基体１を室温まで冷却した後、保護層除去工程Ｓ５においてＣｕメッキを除去し、成膜工程Ｓ６において工具基体１の表層１ａに硬質被膜２を成膜した。具体的に、硬質被膜２は、工具基体１の表面（表層１ａ）上に、第１層としてＴｉＣＮ層を厚さ５μｍ、第２層としてＴｉＣ層を厚さ１μｍで、この順に化学気相成長（ＣＶＤ）法によってコーティングした。

また比較例としては、レーザピーニング工程Ｓ４において工具基体１を加熱せず、室温（２０℃）でレーザピーニング処理したもの（比較例２）と、レーザピーニング処理自体を行わなかったもの（比較例１）と、を用意した。

実施例１～４および比較例１、２の各切削工具１０を用いて、ＮＣ旋盤による断続切削試験を行った。切削条件は下記の通りである。
＜切削条件＞
・被削材：ＳＣＭ４４０ スリット入り丸棒材
・切削速度：Ｖｃ＝１００ｍ／ｍｉｎ
・切込み量：ａｐ＝３．０ｍｍ
・送り量：ｆ＝０．３ｍｍ
そして、切削開始から切れ刃３の刃先欠損が生じるまでの切削時間を測定した。結果を表１に示す。

なお、表１の判定の基準は下記の通りとした。
・Ａ：刃先欠損までの切削時間が４００秒以上であるもの。
・Ｂ：刃先欠損までの切削時間が１００秒以上４００秒未満であるもの。
・Ｃ：刃先欠損までの切削時間が１００秒未満であるもの。

表１に示すように、レーザピーニング未処理品の比較例１に比べて、室温でレーザピーニング処理を行った比較例２では、顕著な寿命向上の効果は得られなかった。
一方、ウォームレーザピーニング処理を行った実施例１～４では、比較例１、２と比べて大幅に工具寿命が向上した。その中でも、ウォームレーザピーニング温度が２００℃～３００℃の実施例２、３においては、特に格別顕著な効果を奏することが確認された。

本発明の切削工具の製造方法によれば、耐欠損性を安定して高めることができる。したがって、産業上の利用可能性を有する。

１…工具基体、１ａ…表層、２…硬質被膜、１０…切削工具、１００…ホットプレート（加熱手段）、Ｌ…パルスレーザ、Ｓ２…ショットピーニング工程、Ｓ３…保護層形成工程、Ｓ４…レーザピーニング工程、Ｓ５…保護層除去工程、Ｓ６…成膜工程

Claims (5)

1. 焼結合金製の工具基体と、前記工具基体の表面に配置され、炭化物、窒化物、および炭窒化物のいずれか、あるいはこれらの複合化合物により構成される層を少なくとも有する硬質被膜と、を備える切削工具の製造方法であって、
   加熱された前記工具基体の表層に、パルス幅が１００ｐｓ以下のパルスレーザを照射することにより圧縮残留応力を付与するレーザピーニング工程と、
   少なくとも前記工具基体の表層上に、前記硬質被膜を成膜する成膜工程と、を備える、
   切削工具の製造方法。
2. 加熱された前記表層の温度が、１００℃以上４００℃以下である、
   請求項１に記載の切削工具の製造方法。
3. 前記レーザピーニング工程よりも前に、前記工具基体の表層を保護する保護層を形成する保護層形成工程と、
   前記レーザピーニング工程よりも後かつ前記成膜工程よりも前に、前記保護層を除去する保護層除去工程と、を備える、
   請求項１または２に記載の切削工具の製造方法。
4. 前記レーザピーニング工程よりも前に、前記工具基体の表層に粒子を投射することにより、前記表層に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程を備える、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の切削工具の製造方法。
5. 前記レーザピーニング工程よりも後かつ前記成膜工程よりも前に、前記工具基体の表層に粒子を投射することにより、前記表層に圧縮残留応力を付与するショットピーニング工程を備える、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の切削工具の製造方法。

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