JP4335593B2

JP4335593B2 - 硬質被膜被覆切削工具

Info

Publication number: JP4335593B2
Application number: JP2003177205A
Authority: JP
Inventors: 正博安斎; 英明今泉; 恭生浜武; 実夏目; 博昭杉田
Original assignee: OSG Corp
Current assignee: OSG Corp
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2023-06-20
Also published as: JP2005007555A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切れ刃を有する工具母材の表面に硬質被膜がコーティングされている硬質被膜被覆切削工具の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
工具母材に研削加工が施されて切れ刃用のエッジが設けられているとともに、元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体から成る硬質被膜が、前記エッジを含んで前記工具母材の表面にコーティングされている硬質被膜被覆切削工具が知られている。特許文献１、２に記載されている工具はその一例で、何れも硬質被膜をコーティングする前に、研削加工されたエッジのバリ取り、被膜の剥離防止などを目的として、磁気研磨などの研磨処理によりエッジを丸くするようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１６０１０８号公報
【特許文献２】
特開２０００−５２１２１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように研磨処理を行った硬質被膜被覆切削工具においては、確かに硬質被膜の剥離などによるチッピングは防止されるものの、早期に摩耗して必ずしも十分な耐久性向上効果が得られない場合があった。この点について詳しく調べてみると、研磨処理を行うことなく硬質被膜をコーティングした場合には、図５に示すように、工具母材２０のエッジ２０ａに存在するバリなどに起因して、切れ刃（図はボールエンドミルのボール刃）１６のすくい面２４側に硬質被膜２２のオーバハングＯＨが発生し、切削加工時にこのオーバハングＯＨに応力集中が生じてチッピング（欠け）が生じ易くなることを見出した。一方、研磨処理を施してエッジ２０ａを丸くすると、このようなオーバハングＯＨは解消してチッピングが防止されるが、エッジ２０ａに対応して切れ刃１６が全体的に丸くなるため、切れ味が低下して早期に摩耗するものと考えられる。
【０００５】
なお、上記オーバハングＯＨの高さＨは、硬質被膜２２の膜厚などによって異なるが、これが１μｍを越えるとチッピングが生じ易くなる。また、図２の(b) は、研磨処理を施すことなく硬質被膜をコーティングした従来品の電子顕微鏡写真で、切れ刃の刃先部分を拡大した右側の写真の「ＯＨ」はオーバハング領域を示しており、刃先に沿って比較的大きな球状の結晶が集中的に発生していることが分かる。
【０００６】
本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、硬質被膜のオーバハングによるチッピングの発生、および刃先の丸みに伴う切れ味の低下や早期摩耗を共に抑制して耐久性を向上させることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、第１発明は、工具母材に研削加工が施されて切れ刃用のエッジが設けられているとともに、元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体から成る硬質被膜が、前記エッジを含んで前記工具母材の表面にコーティングされている硬質被膜被覆切削工具において、前記工具母材のエッジに機械的な研磨処理が施されることにより、前記硬質被膜コーティング後の切れ刃の刃先のすくい面側に生じるその硬質被膜のオーバハングの高さＨが正で且つ１．０μｍ以下とされていることを特徴とする。
なお、オーバハングの高さＨは、切れ刃の刃先付近のすくい面に対して垂直方向の段差寸法である。
【０００８】
第２発明は、第１発明の硬質被膜被覆切削工具において、前記オーバハングの高さＨは０．１〜０．５μｍの範囲内であることを特徴とする。
【０００９】
第３発明は、第１発明または第２発明の硬質被膜被覆切削工具において、前記研磨処理により、前記工具母材のエッジには曲率半径Ｒが０．５〜４．０μｍの範囲内の丸みが設けられることを特徴とする。
【００１０】
第４発明は、第１発明〜第３発明の何れかの硬質被膜被覆切削工具において、前記機械的な研磨処理は、粒度が♯１００００〜♯２００００の範囲内のダイヤモンド砥粒および鉄粉を含む研磨剤スラリーを用いて行われた磁気研磨であることを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
このような硬質被膜被覆切削工具においては、工具母材のエッジに機械的な研磨処理が施されることにより、硬質被膜をコーティングした後の切れ刃の刃先のすくい面側に生じるオーバハングの高さＨが正で且つ１．０μｍ以下とされているため、大きなオーバハングによるチッピングの発生、および刃先の過大な丸みに伴う切れ味の低下や早期摩耗が共に抑制され、工具の耐久性が向上する。
【００１２】
第２発明では、オーバハングの高さＨが０．１〜０．５μｍの範囲内であるため、オーバハングによるチッピングの発生を防止するとともに、刃先の丸みに伴う切れ味の低下や早期摩耗を回避する、という相反する要求がより高いレベルで達成され、工具の耐久性が一層向上する。
【００１３】
第４発明では磁気研磨によって研磨処理が施されるため、ショットブラスト等の他の研磨方法に比較して表面粗さや刃先の丸み等の研磨状態のばらつきが少なく、硬質被膜被覆切削工具の切削性能や耐久性等の品質が安定する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明は、エンドミルやフライス、ドリルなど溝に沿って切れ刃が設けられた回転切削工具に好適に適用されるが、バイト等の非回転の切削工具にも適用され得る。
【００１５】
工具母材としては、超硬合金や高速度工具鋼が好適に用いられるが、超硬合金以外の超硬質工具材料や他の種々の工具材料を用いることもできる。工具母材のエッジは、先端角が９０°より小さい鋭角の場合に硬質被膜のオーバハングが生じ易く、本発明が好適に適用されるが、エッジが鈍角であってもオーバハングを生じる場合があり、本発明を同様に適用できる。
【００１６】
硬質被膜は、例えばＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＮなどが好適に用いられ、単層であっても良いが、複数積層して設けることもできる。硬質被膜の膜厚は、被膜の種類などによって適宜定められるが、例えばＴｉＡｌＮの場合１〜５μｍ程度が適当である。このような硬質被膜は、例えばアークイオンプレーティング法やスパッタリング法等のＰＶＤ法によって好適に設けられるが、他の成膜法を採用することもできる。
【００１７】
機械的な研磨処理は、工具母材が強磁性体である場合には第４発明のように磁気研磨が好適に用いられるが、研磨材を圧力エアにより工具母材に投射して研磨するショットブラスト処理など、他の研磨方法を採用することもできる。磁気研磨のダイヤモンド粒子は、粒度が♯１５０００程度が適当であるが、♯１００００より大きい（数字としては小さい）ものや♯２００００より小さい（数字としては大きい）ものを用いることもできる。超硬合金は、強磁性のＣｏを含有しているため、上記磁気研磨によって良好に研磨できる。
【００１８】
ショットブラスト処理を採用する場合、ダイヤモンド砥粒などの硬質粒子をそのまま研磨材として工具母材に投射しても良いが、ゴム等の軟質核体の外周面にダイヤモンド等の硬質砥粒を付着させた研磨材を用いることもできるなど、種々の態様が可能である。
【００１９】
第３発明では、工具母材のエッジが丸くなるように、すくい面側および逃げ面側を含めて研磨処理が施されるが、硬質被膜のオーバハングは刃先のすくい面側に発生するため、第１発明の実施に際しては、オーバハングの高さＨが正で且つ１．０μｍ以下になれば、すくい面側に研磨処理を施すだけでも良い。工具母材のエッジの丸みの曲率半径Ｒは０．５〜４．０μｍの範囲内が適当で、１．０〜３．０μｍの範囲内が望ましい。エッジの丸みは完全な円弧である必要はなく、研磨処理が施されることにより全体的に丸みを帯びていれば良い。エッジの丸みの曲率半径Ｒは、刃先全体の丸みの曲率半径である。
【００２０】
本発明では、少なくとも硬質被膜のコーティング前に工具母材に研磨処理が施されるが、必要に応じて硬質被膜のコーティングの後に研磨処理を施すことも可能で、最終的にオーバハングの高さＨが正で且つ１．０μｍ以下であれば良い。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例であるボールエンドミル１０を示す図で、(a) は軸心と直角方向から見た正面図、(b) は先端側から見た底面図、(c) は先端のボール刃１６の刃先部分の拡大断面図である。このボールエンドミル１０は、円柱形状のシャンク１２と、そのシャンク１２と同軸上に設けられた刃部１４とを一体に備えており、刃部１４には、先端の半球状部に軸心に対して対称的に一対のボール刃１６が設けられているとともに、そのボール刃１６に連続して軸心まわりに捩じれた外周刃１８が溝に沿って設けられている。そして、軸心まわりに回転駆動されつつ被削材に対して相対移動させられることにより、上記ボール刃１６および外周刃１８によって切削加工が行われる。ボール刃１６および外周刃１８は切れ刃に相当し、本実施例では、刃部１４の径寸法は６ｍｍ（半球状部の半径３ｍｍ）である。
【００２２】
ボールエンドミル１０は、超硬合金製の工具母材２０を主体として構成されているとともに、刃部１４における工具母材２０の表面には溝を含めて硬質被膜２２がコーティングされている。本実施例では硬質被膜２２としてＴｉＡｌＮ被膜がアークイオンプレーティング法やスパッタリング法等のＰＶＤ法により２〜５μｍ（目標３μｍ程度）の膜厚で設けられている。
【００２３】
ここで、上記工具母材２０には、溝研削や外周研削が施されてボール刃１６用、外周刃１８用のエッジ２０ａが鋭角となるように設けられているが、このようなエッジ２０ａにそのまま硬質被膜２２をコーティングすると、図２(b) や図５に示すように刃先のすくい面２４側にオーバハングＯＨが発生し、この高さＨ（図５参照）が１μｍを越えるとチッピング（剥離）が生じ易くなる。このため、本実施例では硬質被膜２２をコーティングする前に、工具母材２０のエッジ２０ａは勿論、溝などを含む刃部１４の全域に磁気研磨が施され、研削によるバリが除去されるとともにエッジ２０ａが丸くされている。この磁気研磨は、例えば図４の(b) に示すように、粒度が♯１５０００のダイヤモンド砥粒、鉄粉、および所定の油から成る研磨材スラリーを用いて、電磁石などの主軸回転速度１０００ｍｉｎ^-1、加工間隙０．８ｍｍの研磨条件で所定時間行われ、エッジ２０ａの曲率半径Ｒが１．０〜３．０μｍの範囲内とされている。工具母材２０の超硬合金には強磁性のＣｏが含まれているため、磁気研磨による研磨加工が良好に行われる。そして、このような研磨処理が施された工具母材２０の表面に硬質被膜２２がコーティングされることにより、図１(c) や図２(a) に示すように、すくい面２４の先端に発生する硬質被膜２２のオーバハングＯＨが小さくなり、高さＨが０．１〜０．５μｍの範囲内とされている。
【００２４】
図２の(a) は本実施例品のボール刃１６の刃先付近を示す電子顕微鏡写真で、左側は４００倍、右側は２０００倍で撮影したもの（図は、その写真を縮小表示したもの）であり、図２の(b) は、磁気研磨処理を行うことなく硬質被膜２２をコーティングした標準品（従来品）の場合で、(b) の標準品ではすくい面２４の先端部分に球状の成長結晶によるオーバハングＯＨが発生していることが分かる。また、図３の(a) は硬質被膜２２をコーティングする前の磁気研磨処理品（本実施例品）の工具母材２０のエッジ２０ａ付近を示す電子顕微鏡写真で、左側は４００倍、右側は２０００倍で撮影したもの（図は、その写真を縮小表示したもの）であり、図３の(b) は、磁気研磨処理を行わない標準品（従来品）、言い換えれば本実施例品の磁気研磨処理を施す前の工具母材２０で、(b) の標準品のエッジ２０ａにはザラザラした鋸歯状のバリが存在しているとともに、すくい面側および二番面側共に縞模様の研削痕が見られる。
【００２５】
このように、本実施例のボールエンドミル１０は、工具母材２０のエッジ２０ａに磁気研磨が施されることにより、硬質被膜２２をコーティングした後のボール刃１６、外周刃１８の刃先のすくい面２４側に生じるオーバハングＯＨの高さＨが０．１〜０．５μｍの範囲内とされているため、オーバハングＯＨによるチッピングの発生を防止するとともに、刃先の丸みに伴う切れ味の低下や早期摩耗を回避する、という相反する要求が高いレベルで達成され、工具の耐久性が向上する。
【００２６】
また、本実施例では磁気研磨によって工具母材２０に研磨処理が施されるため、ショットブラスト等の他の研磨方法に比較して表面粗さや刃先の丸み等の研磨状態のばらつきが少なく、ボールエンドミル１０の切削性能や耐久性などの品質が安定する。
【００２７】
図４は、上記実施例と同様に２枚刃で先端の曲率半径が３ｍｍ（直径６ｍｍ）、工具母材２０が超硬合金で、ＴｉＡｌＮの硬質被膜２２を約３μｍの膜厚でコーティングしたボールエンドミルを用いて行った耐久性試験を説明する図である。図４の(a) は使用工具で、工具No１は、磁気研磨を行うことなく工具母材２０の表面に直接硬質被膜２２をコーティングした標準品（従来品）の場合で、工具母材２０のエッジ２０ａの曲率半径Ｒは約０．２μｍ、オーバハングＯＨの高さＨは約１．２μｍである。工具No２およびNo３は本発明品で、硬質被膜２２をコーティングする前に図４の(b) に示す磁気研磨条件で工具母材２０に対してそれぞれ１５ｍｉｎ、２５ｍｉｎ磁気研磨が施された場合であり、工具母材２０のエッジ２０ａの曲率半径Ｒはそれぞれ約１．８μｍ、３．０μｍ、オーバハングＯＨの高さＨはそれぞれ約０．４μｍ、０．１μｍである。工具No４は比較品で、図４の(b) に示す磁気研磨条件で工具母材２０に対して４０ｍｉｎ磁気研磨が施された場合であり、工具母材２０のエッジ２０ａの曲率半径Ｒは約４．５μｍ、オーバハングＯＨの高さＨは約−０．２μｍである。
【００２８】
そして、図４(c) に示す切削条件でＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）に対して溝切削を行い、ボール刃１６のチッピングや摩耗などで加工不可となるまでの切削距離を調べたところ、(d) に示すように工具No１の標準品は約３５ｍでボール刃１６のチッピングで工具寿命に達したのに対し、本発明品の工具No２、No３では４９ｍ切削加工しても、チッピングや摩耗が許容範囲内で継続して切削することが可能であった。また、オーバーハングＯＨが負の工具No４では、約２０ｍで二番面摩耗により工具寿命となり、磁気研磨に拘らず工具No１の標準品よりも耐久性が劣っていた。
【００２９】
以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるボールエンドミルを説明する図で、(a) は概略正面図、(b) は底面図、(c) は切れ刃の刃先部分の拡大断面図である。
【図２】ボールエンドミルのボール刃の刃先部分を示す電子顕微鏡写真で、(a) は磁気研磨を施した後に硬質被膜をコーティングした本発明品、(b) は磁気研磨を施すことなく硬質被膜をコーティングした標準品であり、それぞれ左側は４００倍、右側は２０００倍で撮影したものである。
【図３】図２の硬質被膜をコーティングする前の工具母材のエッジ付近を示す電子顕微鏡写真で、(a) は磁気研磨を施した本発明品、(b) は磁気研磨を行わない標準品であり、それぞれ左側は４００倍、右側は２０００倍で撮影したものである。
【図４】本発明品（No２、３）、標準品（No１）、および比較品（No４）を用いて行った耐久性試験を説明する図で、(a) は使用工具、(b) は磁気研磨条件、(c) は切削条件、(d) は試験結果である。
【図５】磁気研磨を施すことなく硬質被膜をコーティングした標準品における切れ刃の刃先部分を示す断面図で、図１(c) に対応する図である。
【符号の説明】
１０：ボールエンドミル（硬質被膜被覆切削工具）１６：ボール刃（切れ刃）１８：外周刃（切れ刃）２０：工具母材２０ａ：エッジ２２：硬質被膜ＯＨ：オーバハング

Claims

工具母材に研削加工が施されて切れ刃用のエッジが設けられているとともに、元素の周期表の IIIｂ族、IVａ族、Ｖａ族、VIａ族の金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、或いはこれらの相互固溶体から成る硬質被膜が、前記エッジを含んで前記工具母材の表面にコーティングされている硬質被膜被覆切削工具において、
前記工具母材のエッジに機械的な研磨処理が施されることにより、前記硬質被膜コーティング後の切れ刃の刃先のすくい面側に生じる該硬質被膜のオーバハングの高さＨが正で且つ１．０μｍ以下とされている
ことを特徴とする硬質被膜被覆切削工具。
前記オーバハングの高さＨは０．１〜０．５μｍの範囲内である
ことを特徴とする請求項１に記載の硬質被膜被覆切削工具。
前記研磨処理により、前記工具母材のエッジには曲率半径Ｒが０．５〜４．０μｍの範囲内の丸みが設けられる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の硬質被膜被覆切削工具。
前記機械的な研磨処理は、粒度が♯１００００〜♯２００００の範囲内のダイヤモンド砥粒および鉄粉を含む研磨材スラリーを用いて行われた磁気研磨である
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の硬質被膜被覆切削工具。