JP5362730B2 - チップ取り外し用途の器具及びその製造方法 - Google Patents
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Description
a)器具を提供する工程、および
b)前記器具の上に、材料をナノ寸法のクラスター形態で沈殿(precipitating)させ、それは好ましくはセラミックであり、それにより前記器具に振動減衰効果を付与する工程と、を含む。
上記方法は、
(a)リアクター内でカソードが磁場(好ましくは、マグネトロンのような磁場)を有するように準備する工程(providing)と、
(b)リアクター内にワークピース又は物品を設置する工程と、
(c)リアクター内に1つ以上の炭素含有プロセスガス(carbon containing process gases)と反応性ガスとを導入する工程と、
(d)プロセスガスおよび反応性ガスにエネルギーを与えてプラズマを形成してプロセスガスをラジカルに分解し、さらに、炭素材料をワークピース又は物品基板上に析出させ、反応性ガスをイオン化して窒素が炭素に化学吸着される速度を増加させる工程と、
(e)分解及び化学吸着の後に、チャンバからガスを排気する工程と、
を含み、
チップ取り外し用途の器具、好ましくはカッティングツール(切削工具:cutting tools)、より好ましくは、旋削加工(turning)、中ぐり加工(ボーリング:boring)、穴あけ加工(ドリル加工:drilling)、リーマ加工(reaming)、ねじ切り加工(threading)、フライス加工(ミーリング:milling)、平削り(プレーナー加工:planning)、バリ取り加工(デバリング:deburring)、ドリフティング(drifting)、ブローチ加工(ブリーチング:broaching)のツールへの使用である。磁場は異なる位相にすることができる。好ましくは、それは、マグネトロンのような磁場(magnetron-like magnetic field)にすることができる。本発明の第4の態様に係る上述の方法では、基礎となる技術(corner stones)の1つは、炭素含有ガス(例えばメタン、アセチレン、一酸化炭素、二酸化炭素など)をラジカルに加熱分解でき、それにより炭素含有ラジカルをワークピース上又は物品上に析出できるCVDプロセスである。他の基礎となる技術は、前述の方法で用いられるPVDハードウェアである。
本願の記載の全体にわたって、「チップ取り外し用途の器具」の表現には、いかなるチップ取り外しツール(chip removal tool)、例えば、旋削加工用、フライス加工用、穴あけ加工用、バリ取り加工用、ブローチ加工用又はドリフティング用などのツールなどの動かない又は回転するツール、又はそれらのツールで使用されるカッティングエッジ(刃先:cutting edge)もしくはカッティングインサート(cutting inserts)、及び工作機械に取り付けるためのチップ取り外しルーツ用保持装置、例えばコレット、ツールホルダー、取付け装置(mounting device)なども含むことを意図している。
1.機械的構造システムには、2つのパーツの界面で接触剛性(contact stiffness)と接触減衰(contact damping)とが存在する。それらは、システム全体の挙動、特に動的挙動に大きく影響する。機械的構造システム全体において、界面はしばしば最も弱いチェーンである。したがって、構造内での減衰とその重要性は、振動の望ましくない効果の制御にとって、ますます重要な意義を持つようになった。
2.サブナノ寸法及びナノ寸法のドメインで配列された材料は、同じ減衰層の厚さにおいて、ドメイン間の表面が数十倍(several decades)大きい。したがって、ドメイン表面間の摩擦による振動エネルギーから熱への変換効率は、ミクロ寸法(micro-sized)のドメインで配列された材料に比べて、数十倍高い。
(a)前記リアクター内で前記カソードがマグネトロンのような磁場(magnetron-like magnetic field)を提供するように準備する工程と、
(b)チャンバ内に器具を設置する工程と、
(c)チャンバ内に1つ以上の炭素含有プロセスガスと反応性ガスとを導入する工程と、
(d)前記プロセスガスおよび前記反応性ガスにエネルギーを与えてプラズマを形成して前記プロセスガスをラジカルに分解し、さらに、炭素材料を前記器具上に析出させ、反応性ガスをイオン化して窒素が炭素に化学吸着される速度を増加させる工程と、
(e)分解と化学吸着の後に、前記チャンバからガスを排気する工程と、を含む。
以下の実施例において、発明の第1の態様による方法をさらに明らかにする。
1.方法手順(PPD)
基本圧力は10−6torrであった。操作ガス(operating gas)はアセチレンと窒素であった。動作圧は10−2〜10−3torrであった。アセチレン/窒素の割合は50/50であった。電源はパルス電流発生器(current generator)であった。電流振幅は5〜750Aである。パルス長は5ミリ秒〜30マイクロ秒であった。パルス周波数は50Hzであった。平均電力は1kWであった。パルス電源は2〜300kWであった。正常、異常及びグローからアークへ移行した放電が用いられた。
1.厚さ30μmの下地層(ground layer)の析出
2.厚さ20μmの上層(upper layer)の析出
それらの工程の間に、ワークピースを冷却して、振動減衰のテストをした。
1.方法
PPD技術でコーティングされた中ぐりバー(boring bars)は、実験用モーダル解析(experimental modal analysis:EMA)の助けを借りてテストされた。結果を、未コーティングバーと比較した。測定は3ステップで行なわれた:
1.未コーティングバーの測定
2.30μのPPDコーティングバーの測定
3.30μ+20μのPPDコーティングバーの測定
バーは長さ55mmをクランプされた。突出した長さは195mmであった。
・動剛性(Dynamic stiffness)
・減衰(Damping)
・静剛性(Static stiffness)
・モード形(Mode shapes)
モーダル解析は、ハンマー励振によって7つのノードで行なわれた。パラメーターは5つの値の平均値として計算された。
従来の未コーティングバーでは、以下のようなEMAを示した。
固有振動数:552Hz
動剛性:63.59m/s2/N
30μPPDバーでは以下の通りである。
固有振動数:513Hz
動剛性:53.46m/s2/N
50μPPDバーでは以下の通りである。
固有振動数:465Hz
動剛性:29.65m/s2/N
これらの結果を図1に示した。
PPDバーでは、第2モードが、第1モードに近い周波数に現われているように見える。
減衰していない(未コーティング)バー:1.19%
PPD−30μ:1.66%
PPD−50μ:2.75%及び4.11%
図2及び図3から、2つのFRFの結果の間の静剛性に著しい変化がないことが、観察される。この結果はVE材料の代わりにハードコーティングを用いることの利点を示している。
CNxセラミック(これは、フラーレン様(Fullerene-like)であると考えられる)は、硬質の弾性振動減衰コーティングに用いることができる。析出速度は、バッチ式のコーティング機械設計において工業上の許容値である50μm/時間にすることができる。効果的な減衰層の推定厚さは、5時間の析出時間で得られる約200μmである。バッチ式のコーティング機械に搭載できるワークピースの数に原則として制限はない。ただ1つの制限は、幾何学的ファクター、すなわち機械の寸法である。例えば、マシンに搭載された1000個のワークピースでは、それらの1つの等価な加工時間(equivalent processing period)は0.3分であってもよい。
上記のワークピースのさらなる重要な特性は、それらの剛性であり、そのことにより、減衰材料として一般に用いられている粘弾性高分子材料の場合には必要となる硬質層の追加なしに、機械パーツの接合を可能にする。
1−真空容器(プロセスチャンバー)
2−カーボンターゲットを備えたマグネトロンスパッタリングカソード(80mmの平坦な円形)
3−バー
4−バーホルダー
5−電気モーター
6−真空シール
7−電源
8−バーの回転方向
基本圧力は10−6torrであった。操作ガスは、アセチレンと窒素であった。動作圧力は10−2〜10−3torrであった。アセチレン/窒素の割合は50/50であった。
1 プラズマスプレー
2 電解化学析出
3 リン酸塩処理
4 窒化処理(白色層)
5 ホウ化処理
6 CVD
7 PVD、PACVD
8新しいPVD+PACVDハイブリッド技術、すなわち本発明の1つの態様、
PVD=物理蒸着法
PACVD=プラズマアシスト化学蒸着法
Claims (49)
- 振動減衰材料を含み、チップ取り外し用途の器具であって、
前記器具は、
製造機械内に配置されるシャフト(2)と、
その上にカッターを配置させるように意図されたヘッド(3)と、
前記カッターが振動減衰材料(4)のみを介して前記製造機械に接触するように配置された振動減衰材料(4)と、を含み、
前記振動減衰材料は、ナノ寸法のクラスターの形態で配列されたたCNxを含むセラミック材料であることを特徴とする器具。 - 前記器具は、可動又は固定されていることを特徴とする請求項1に記載の器具。
- 前記セラミック材料は、前記器具の表面上の層として存在しており、
前記層は、1μm〜1cmであることを特徴とする請求項1又は2に記載の器具。 - 前記セラミック材料の前記ナノ寸法のクラスターは、0.5〜100nmの寸法を有していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の器具。
- 適用された前記振動減衰材料は、ある種類の金属又は金属化合物と、別の種類の金属又は金属化合物と、を交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の器具。
- 適用された前記振動減衰材料は、金属と金属窒化物とを交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料であることを特徴とする請求項5に記載の器具。
- 適用された前記振動減衰材料は、金属と金属酸化物とを交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料であることを特徴とする請求項5に記載の器具。
- 適用された前記振動減衰材料は、粘弾性層と窒化炭素層とから成る二層構造で配列された複合材料であり、前記窒化炭素層が拘束層であることを特徴とする請求項5に記載の器具。
- 振動減衰層の厚さの均一性は、0.1〜10%であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の器具。
- 前記ナノ寸法のクラスターの形態の前記振動減衰層は、超格子中に10〜10000層のサブレイヤを有していることを特徴とする請求項1に記載の器具。
- 前記器具は、ツールホルダー、カッティングインサート、ドリル、回転ヤスリ、リーマ、コレット又は取付け手段であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の器具。
- 前記器具はツールホルダー(1)であり、
前記シャフト(2)は、製造機械内又は製造機械のツールホルダー内に配置されており、
前記材料は、本質的にカッティングエッジ、カッティングインサートと接触する前記ツールホルダーの表面上だけに、及び/又は、前記ツールホルダーを保持する前記製造機械若しくは前記ツールホルダーを保持する製造機械のツールホルダーに接触する表面上に、薄層として存在していることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載の器具。 - 前記シャフト(2)が空洞を備えていることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載の器具。
- 前記空洞が、穴をあけたシリンダーであることを特徴とする請求項13に記載の器具。
- 前記器具はツールホルダー(1)であり、
前記シャフト(2)は、製造機械内、又は製造機械のツールホルダー内に配置されており、
少なくともシャフト(2)の表面(5)のうち、前記製造機械に接触又は前記ツールホルダーを保持する製造機械のツールホルダーに接触するように意図された部分は、前記振動減衰材料を備えていることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか1項に記載の器具。 - 前記ツールホルダーの全表面が前記振動減衰材料を備えていることを特徴とする請求項12又は15に記載の器具。
- 前記振動減衰材料(4)が、前記シャフト(2)の前記表面(5)を囲んでいることを特徴とする請求項1乃至13及び15のいずれか1項に記載の器具。
- 前記シャフト(2)と前記ヘッド(3)とは、前記振動減衰材料(4)を介して結合された2つの別部品であることを特徴とする請求項1乃至13及び15のいずれか1項に記載の器具。
- 回転カッティングツール用として使用されることを特徴とする請求項1乃至18のいずれか1項に記載の器具。
- 前記回転カッティングツールが、フライスカッター、スロットミル、又はエンドミルであることを特徴とする請求項19に記載の器具。
- セラミックインサート、ダイヤモンドインサート、立方晶窒化ホウ素インサート、HSSインサート、又はカーバイドインサート用として使用されることを特徴とする請求項1乃至18のいずれか1項に記載の器具。
- 前記器具は、前記振動減衰材料を備えたシャフトを含むドリルあるいは回転ヤスリであることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載の器具。
- 請求項1乃至22のいずれか1項に記載のチップ取り外し用途の器具を製造する方法であって、
a)チップ取り外し用途の器具の製造方法を提供する工程と、
b)前記器具上に、CNxを含むセラミック材料をナノ寸法のクラスターの形態で沈殿させて、前記器具に振動減衰効果を付与する工程と、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記器具は、可動又は固定されていることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記セラミック材料は、前記器具の表面上に薄層として沈殿させられることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記セラミック材料は、前記器具の表面上に薄層として沈殿させられており、
前記層は、1μm〜1cmであることを特徴とする請求項23に記載の方法。 - 前記セラミック材料の前記ナノ寸法のクラスターが、0.5〜100nmの寸法を有していることを特徴とする請求項23乃至26のいずれか1項に記載の方法。
- 工程b)の沈殿は、DC、RF、パルス、高出力パルスなどのマグネトロンスパッタ析出技術、反応コーティング、ステアリングアーク又はノンステアリングアークなどのアーク技術、RF、DC、低圧、高圧、プラズマアシストなどの化学蒸着法(CVD)技術、物理蒸着法(PVD)技術、プラズマスプレー技術又はそれらの技術の組合せを用いることにより行なわれることを特徴とする請求項23乃至27のいずれか1項に記載の方法。
- 工程b)の沈殿は、Ar、N、CH4もしくはC2H2、又はCO、又はCO2ガス、又はその組合せを用いて行なわれることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 工程b)の沈殿は、物品またはワークピースが50〜1500℃の温度で行なわれることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 適用された前記振動減衰材料は、ある種類の金属又は金属化合物と、別の種類の金属又は金属化合物と、を交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料であることを特徴とする請求項23乃至30のいずれか1項に記載の方法。
- 適用された前記振動減衰材料は、金属と金属窒化物とを交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料であることを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 適用された前記振動減衰材料は、金属と金属酸化物とを交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料であることを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 適用された前記振動減衰材料は、粘弾性層と窒化炭素層とから成る二層構造で配列された複合材料であり、
前記窒化炭素層が拘束層であることを特徴とする請求項31に記載の方法。 - 振動減衰層の厚さの均一性が、0.1〜10%であることを特徴とする請求項23乃至34いずれか1項に記載の方法。
- 前記ナノ寸法のクラスターの形態の前記振動減衰層が、超格子中に10〜10000層のサブレイヤを有していることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 工程b)の沈殿が、リアクター内にマグネトロンカソード上にターゲットを任意に備えたリアクター内で行なわれており、
磁場によって分離されたカソードとアノードとを含み、
(a)前記リアクター内で前記カソードがマグネトロンのような磁場を提供するように準備する工程と、
(b)チャンバ内に器具を設置する工程と、
(c)チャンバ内に1つ以上の炭素含有プロセスガスと反応性ガスとを導入する工程と、
(d)前記プロセスガスおよび前記反応性ガスにエネルギーを与えてプラズマを形成して前記プロセスガスをラジカルに分解し、さらに、炭素材料を前記器具上に析出させ、反応性ガスをイオン化して窒素が炭素に化学吸着される速度を増加させる工程と、
(e)分解と化学吸着の後に、前記チャンバからガスを排気する工程と、
を含むことを特徴とする請求項23に記載の方法。 - 前記器具が0.25rpmで回転することを特徴とする請求項37に記載の方法。
- 前記プロセスガスがアセチレン、及び/又はメタン、及び/又は酸化炭素、及び/又は二酸化炭素であり、
前記反応性ガスが窒素であり、プロセスガスと反応性ガスとの比率が1/10〜10/1であることを特徴とする請求項37に記載の方法。 - 前記リアクター内の圧力が10−4torr〜1000torrであることを特徴とする請求項37に記載の方法。
- 電流振幅は、1〜1000Aであり、
パルス長は、10μs〜10sであり、
周波数は、0.1〜10000Hzであることを特徴とする請求項37に記載の方法。 - パルス電源は、100W〜1MWであることを特徴とする請求項37に記載の方法。
- CVD分解プロセスと、バランス型又はアンバランス型のマグネトロンのような磁場を有するカソードであるPVD分解ハードウェアと、を組み合わせることを特徴とする請求項37に記載の方法。
- アノード−カソード高電流パルス放電は、アークグロー放電に対して正常、又は異常、又は移行異常であることを特徴とする請求項37に記載の方法。
- 析出中の磁場強度が、0.01〜0.3テスラであることを特徴とする請求項37に記載の方法。
- 請求項23乃至45のいずれか1項に記載の方法によって得ることのできるチップ取り外し用途の器具。
- 前記器具が、ツールホルダー、カッティングインサート、ドリル、回転ヤスリ、コレット又は取付け手段であることを特徴とする請求項46に記載の器具。
- マグネトロンカソードを含むリアクター内で、ワークピース又は物品上に窒化炭素材料を析出する方法によって得ることのできるワークピース又は物品の使用であって、
前記窒化炭素材料は、適用するときに、ナノ寸法及び/又はサブナノ寸法のクラスター/凝集物から成り、
前記方法は、
(a)前記リアクター内で前記カソードが磁場を有するように準備する工程と、
(b)前記リアクター内にワークピース又は物品を設置する工程と、
(c)前記リアクター内に1つ以上の炭素含有プロセスガスと反応性ガスとを導入する工程と、
(d)前記プロセスガスおよび前記反応性ガスにエネルギーを与えてプラズマを形成してプロセスガスをラジカルに分解し、さらに、炭素材料を前記ワークピース又は物品基板上に析出させ、前記反応性ガスをイオン化して窒素が炭素に化学吸着される速度を増加させる工程と、
(e)分解及び化学吸着の後に、前記チャンバからガスを排気する工程と、
を含み、
前記ワークピース又は物品は、旋削加工、中ぐり加工、穴あけ加工、リーマ加工、ねじ切り加工、フライス加工、平削り、バリ取り加工、ドリフティング、及び/又はブローチ加工のためのカッティングツールを含む請求項1乃至22のいずれか1項に記載のチップ取り外し用途の器具に使用されることを特徴とする使用。 - 請求項23乃至45のいずれか1項に記載の方法を行なうためのデータ記憶媒体に蓄積されたコンピュータプログラム。
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