JP4799345B2

JP4799345B2 - エンドミルおよびその製造方法

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Publication number: JP4799345B2
Application number: JP2006262932A
Authority: JP
Inventors: 真宏脇
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: JP2008080441A

Description

本発明は回転軸を有して底刃と外周刃とを具備し、基体の表面に被覆層を被覆したエンドミルに関する。

超硬合金やサーメット基体の表面に被覆層を形成したエンドミルが広く用いられている。かかるエンドミルに用いられる被覆層は耐熱性や耐摩耗性がよい反面、切刃における耐欠損性が充分でなく早期にチッピングが発生して必ずしもエンドミルの長寿命化につながらないというのが現状である。

かかる被覆層に対して、例えば特許文献１では、イオンプレーティング法による成膜条件を制御して成膜中に切刃稜線を凹状とすることによって、切削初期に発生する被覆層の剥離やチッピングを抑制できることが開示されている。また、特許文献２では、被覆層を成膜した後でブラシや研削機を用いて切刃先端を面取り加工することにより、切削初期に発生する被覆層の剥離やチッピングを抑制できることが開示されている。
特開２０００−５２１３２号公報特開２０００−１０７９２６号公報

しかしながら、上記特許文献１や特許文献２のようにエンドミルの切刃全体について切刃先端の被覆層を除去する方法では、切削初期の被覆層の剥離やチッピングは抑制できるものの、部分的には切削抵抗が高くなって切れ味が低下し摩耗が進行してしまうという問題があり、更なる被覆層の特性向上が望まれていた。

そこで、本発明は上記問題を解決するためのものであり、その目的は、エンドミルの構造に最適な被覆層の構成として長寿命化が可能なエンドミルを提供することである。

本発明のエンドミルは、回転軸を有する円柱状のエンドミル本体の先端面に半径方向に延びる底刃と、前記底刃の外周端部であるコーナー部から前記エンドミル本体の外周部に延びる外周刃とを具備したエンドミルにおいて、前記エンドミル本体は基体の表面に被覆層を被覆してなり、前記外周刃は前記被覆層で被覆されており、かつ前記コーナー部の逃げ面側稜線部では少なくとも一部で前記被覆層が除去されていることを特徴とする。

ここで、上記構成において、前記コーナー部の逃げ面側稜線部は前記被覆層が成膜中の剥離または欠損によって除去されたものであることを特徴とする。

また、上記構成において、前記コーナー部の逃げ面側稜線部の前記被覆層が除去されている部分において、前記基体が露出していることを特徴とする。

さらに、上記構成において、前記コーナー部の逃げ面側稜線部の前記被覆層が除去されていない部分における該被覆層の膜厚が前記外周刃における前記被覆層の膜厚よりも厚いことを特徴とする。

また、上記構成において、前記コーナー部の逃げ面側稜線部近傍における前記被覆層が、すくい面側よりも逃げ面側で多く除去されていることを特徴とする。

本発明のエンドミルは、外周刃は被覆層で被覆されており、かつ底刃と前記外周刃とが交差するコーナー部の逃げ面側稜線部は少なくとも一部で前記被覆層が除去されている。これによって、底刃と前記外周刃とが交差するコーナー部の逃げ面側稜線部では被削材を切削するよりも仕上面を作るために作用するが、切削早期に摩耗して底刃と前記外周刃とが交差するコーナー部の逃げ面側稜線部形状が被削材の仕上面形状になって、いわゆるさらえ刃効果を発揮して平滑な仕上面を形成することができる。また、外周刃では被削材を切削するために作用するが、切削抵抗が小さくて切れ味が良いために耐摩耗性がよい。その結果、耐摩耗性がよくかつ平滑な仕上面を形成できるエンドミルとなる。

ここで、前記コーナー部の逃げ面側稜線部は前記被覆層が成膜中の剥離または欠損によって除去されたものであることが、余計な工程を追加することなく低コストで上記切刃の構成とできるため望ましい。

また、前記コーナー部の逃げ面側稜線部の前記被覆層が除去されている部分において前記基体が露出していることが、底刃がより早く被削材の仕上面形状に摩耗して、早期に平滑な仕上面を形成できるために望ましい。

さらに、前記コーナー部の逃げ面側稜線部における前記被覆層の膜厚が前記外周刃における前記被覆層の膜厚よりも厚いことが、層厚が厚いほど切刃の被覆層が成膜中に剥離または欠損しやすいために、成膜によって上記外周刃は被覆層で被覆されかつ底刃と前記外周刃とが交差するコーナー部の逃げ面側稜線部は少なくとも一部で前記被覆層が除去されている構成を作ることができるために望ましい。

また、前記コーナー部の逃げ面側稜線部における前記被覆層がすくい面側よりも逃げ面側で多く除去されていることが、底刃と前記外周刃とが交差するコーナー部の逃げ面側稜線部がさらえ刃効果をより発揮できて良好な仕上面を形成することができる。

本発明のエンドミルの一例について概略正面図である図1、図１のＸ部を（ａ）先端側（Ｂ方向）から見た図面代用写真（金属顕微鏡写真）、（ｂ）側面側（Ｃ方向）から見た図面代用写真（金属顕微鏡写真）である図２、図１のＸ部を斜め方向から見た図面代用写真（走査型電子顕微鏡写真）である図３、図３の（ａ）Ｙ−Ｙ断面についての要部拡大断面図、（ｂ）Ｚ−Ｚ断面についての要部拡大断面図である図４をもとに説明する。

図１によれば、エンドミル１は、回転軸Ａを有する円柱状のエンドミル本体２の先端面に半径方向に延びる底刃３と、底刃３の外周端部であるコーナー部４からエンドミル本体２の外周部５に延びる外周刃６とを具備している。なお、エンドミル本体２は切削加工機のチャック（図示せず）等に固定されて保持される。

そして、本発明によれば、図４に示すように、エンドミル本体２は、基体９の表面に被覆層１０を被覆してなり、図４に示すように、外周刃６は被覆層１０で被覆されており（図４（ａ）参照）、かつコーナー部４の逃げ面側稜線部（以下、単にコーナー切刃と略す。）８は少なくとも一部で被覆層１０が除去されている（図４（ｂ）参照）。

これによって、コーナー切刃８は切削早期に摩耗してコーナー切刃８の形状が被削材の仕上面形状となりさらえ刃効果を発揮して平滑な仕上面を形成することができる。一方、外周刃６は切削抵抗が小さくて切れ味が良く耐摩耗性が高い。そのため、エンドミル１は耐摩耗性がよくかつ平滑な仕上面を形成できる。なお、底刃３には被覆層１０についても除去された部分が存在することが望ましい。

ここで、図３のように、コーナー切刃８は被覆層１０が成膜中の剥離または欠損によって除去されたものであることが、余計な工程を追加することなく低コストで上記切刃の構成とできるため望ましい。なお、本発明においては、コーナー切刃８の被覆層１０を成膜後にコーナー切刃８を研摩加工することによって除去することもできる。

また、コーナー切刃８の被覆層１０が除去されている部分においては基体９が露出していることが、コーナー切刃８がより早く被削材の仕上面形状に摩耗して、早期に平滑な仕上面を形成できるために望ましい。なお、被覆層１０をかかる構成とするには、被覆層１０の成膜条件において高いバイアス電圧で被覆層の膜厚を厚く成膜すること、およびエンドミル１のコーナー切刃８をより鋭利な形状とすることにより達成できる。

さらに、コーナー切刃８における被覆層１０の膜厚が外周刃６における被覆層１０の膜厚よりも厚いことが、成膜によって上記のような外周刃６は被覆層１０で被覆されかつコーナー切刃８は少なくとも一部で被覆層１０が除去されている構成に制御できるために望ましい。なお、コーナー切刃８における被覆層１０の膜厚ｄ_１と、外周刃６における被覆層１０の膜厚ｄ_２との比ｄ_１／ｄ_２は１．０５〜１．２５であることが望ましい。このような構成の成膜をするには、成膜装置内にエンドミルをセットする際、支持台上にエンドミルの回転軸がターゲットに対して垂直となるように、すなわちエンドミル本端２の側面が成膜装置のターゲットの表面に対して水平になるようにエンドミル本体２を立ててセットする。そして、このような支持台を数段積載するとともに、エンドミルの外周端部と次の上段の支持台との間隔が３０〜１００ｍｍとなるようにセット冶具の支持台の位置を調整することにより、コーナー切刃８における被覆層１０の膜厚と外周刃６における被覆層１０の膜厚を調整することが可能となる。

また、底刃３の近傍における被覆層１０が、底面１１側よりも側面１２側で多く除去されていることが、底刃３がさらえ刃効果をより発揮できて良好な仕上面を形成することができる点で望ましい。なお、底刃３の近傍における被覆層１０が底面１１側よりも側面１２側で多く除去されている構成とするためには、被覆層１０を成膜する時のエンドミル１のセット位置をターゲットに対してエンドミル１の外周面が水平となるように置いて成膜することにより調整可能である。

なお、基体９は、例えば、超硬合金、サーメットからなり、被覆層はＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣｒＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＺｒＮ等のＴｉ系化合物およびこれらを組み合わせた組成や、Ａｌ_２Ｏ_３、ＤＬＣ、ダイヤモンド、ｃＢＮの少なくとも１種、特にＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮを具備することが望ましい。

また、本発明によれば、被覆層は膜厚制御が容易な点で物理蒸着法にて被着形成されたものであることが望ましい。物理蒸着法としてはイオンプレーティング法やスパッタ法が好適に使用できるが、本発明においては、上記のように、成膜時に底刃３の切刃先端３ａにおける被覆層１０を除去した構成とするためにはイオンプレーティング法にて成膜することが望ましい。なお、被覆層をイオンプレーティング法で作製する場合には、所定金属を含有する金属ターゲットまたは複合化した合金ターゲットに用い、３０〜２００Ｖのバイアス電圧を印加してアーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスと反応させて成膜する。また、被覆層は単層に限定されるものでなく、多層形成されたものであってもよく、この場合、多層化によって膜厚を制御することも可能である。

平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、平均粒径１．０μｍの炭化チタン（ＴｉＣ）粉末を０．５質量％、炭化バナジウム（ＶＣ）粉末と炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を合計で１質量％の割合で添加、混合して、プレス成形によりエンドミル形状（外形６ｍｍの四枚刃形状）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１４５０℃で１時間焼成して超硬合金製の基体を作製した。

上記エンドミル基体を用いて、エンドミル基体の側面がターゲットと水平になる向きに並べるとともにエンドミル基体の先端方向に段積み積載した状態でアークイオンプレーティング装置内にセットした。なお、試料Ｎｏ．３およびＮｏ．５においては、エンドミル基体の向きを、エンドミル基体の側面がターゲットと水平な向きから傾くようにセットして成膜した。また、エンドミル基体の先端とその上部に存在する冶具プレートとの間隔を積載間隔として表１に示した。そして、５００℃に加熱して真空引きしてバイアス電圧４００Ｖで１５分間ボンバード処理をした後、表１に示す条件、およびアーク電流１００Ａ、アルゴンガス圧力２．５Ｐａ、基体の温度５００℃で被覆層を成膜した。

得られたエンドミルを金属顕微鏡で観察し、コーナー切刃と外周刃の切刃状態を観察した。また、コーナー切刃と外周刃を含む断面でカットして被覆層の層厚（被覆層が除去されていない部分）を測定した。さらに、コーナー切刃の切刃先端が除去されている場合にはそのすくい面と逃げ面における除去量を見積もってその比率を算出した。

そして、得られたエンドミルを用いて以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表２に示した。

切削方法：ダウンカット
被削材：ＳＣＭ４４０
切削速度：２２０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．０３ｍｍ／刃
切り込み：深さｄ＝６ｍｍ×横切込みｗ＝０．６ｍｍ
切削状態：エアブロー
評価方法：１分間切削時点の被削材の仕上面粗度および９０分間切削後の外周刃の逃げ面摩耗幅測定

表１、２より、底刃の切刃先端が除去されておらず外周刃の切刃先端が除去された試料Ｎｏ．５では、１分間切削時点での被削材の仕上面粗度が悪くかつ９０分間切削後の外周刃の逃げ面摩耗幅が大きかった。また、底刃の切刃先端も外周刃の切刃先端も除去された試料Ｎｏ．６では、９０分間切削後の外周刃の逃げ面摩耗幅が大きくなった。さらに、底刃の切刃先端も外周刃の切刃先端も除去されていない試料Ｎｏ．７では、１分間切削時点での被削材の仕上面粗度が悪いものであった。

これに対して、本発明に従い、底刃の切刃先端が除去され外周刃の切刃先端が除去されていない試料Ｎｏ．１〜４では、１分間切削時点での被削材の仕上面粗度も良好でありかつ９０分間切削後の外周刃の逃げ面摩耗幅も小さいものであった。

本発明のエンドミルの一例についての概略斜視図である。図１のＸ部を（ａ）先端側（Ｂ方向）から見た図面代用写真（金属顕微鏡写真）、（ｂ）側面側（Ｃ方向）から見た図面代用写真（金属顕微鏡写真）である。図１のＸ部を斜め方向から見た図面代用写真（走査型電子顕微鏡写真）である。図３の（ａ）Ｙ−Ｙ断面、（ｂ）Ｚ−Ｚ断面についての要部拡大断面模式図である。

符号の説明

１エンドミル
２エンドミル本体
３底刃
４コーナー部
５外周部
６外周刃
８コーナー切刃（コーナー部の逃げ面側稜線部）
９基体
１０被覆層
１１底面
１２側面
Ａ回転軸
ｄ_１コーナー切刃（コーナー部の逃げ面側稜線部）における被覆層の膜厚
ｄ_２外周刃における被覆層の膜厚

Claims

回転軸を有する円柱状のエンドミル本体の先端面に半径方向に延びる底刃と、前記底刃の外周端部であるコーナー部から前記エンドミル本体の外周部に延びる外周刃とを具備したエンドミルにおいて、前記エンドミル本体の少なくとも底面および側面は基体の表面に被覆層を被覆してなり、前記外周刃は前記被覆層で被覆されており、かつ前記コーナー部の逃げ面側稜線部では少なくとも一部で前記被覆層が除去されていることを特徴とするエンドミル。
前記コーナー部の逃げ面側稜線部の前記被覆層が除去されている部分において、前記基体が露出していることを特徴とする請求項１記載のエンドミル。
前記コーナー部の逃げ面側稜線部の前記被覆層が除去されていない部分における該被覆層の膜厚が前記外周刃における前記被覆層の膜厚よりも厚いことを特徴とする請求項１または２記載のエンドミル。
請求項１乃至３のいずれかに記載のエンドミルの製造方法であって、前記コーナー部の逃げ面側稜線部における前記被覆層が、成膜中に剥離または欠損して除去されることを特徴とするエンドミルの製造方法。
請求項１乃至３のいずれかに記載のエンドミルの製造方法であって、前記コーナー部の逃げ面側稜線部近傍における前記被覆層が、底面側よりも側面側で多く除去されることを特徴とするエンドミルの製造方法。