JP5782497B2

JP5782497B2 - 穴明け工具の製造方法

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Publication number: JP5782497B2
Application number: JP2013232852A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　彰; 彰佐藤; 鉄太郎大堀; 喬紀山谷; 昌英渡邉
Original assignee: UNION TOOL Co
Current assignee: UNION TOOL Co
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: CN104625168A; TW201518012A; JP2015093337A

Description

本発明は、穴明け工具の製造方法に関するものである。

近年、プリント配線板（以下、ＰＣＢという。）は、小型化，薄型化及び軽量化が進み、信頼性向上のために高耐熱化及び高剛性化が進んでいる。そのため、ガラスクロス及び絶縁部の樹脂構成が難削化し、それだけＰＣＢの穴明け加工に使用されるドリル（以下、ＰＣＢドリルという。）の摩耗が進行し易くなっており、摩耗に伴う穴位置精度の悪化が問題となっている。

そこで、例えば特許文献１に開示されるような、耐摩耗性を向上させるための硬質皮膜が被覆されたドリルが種々提案されており、上記穴位置精度の改善が図られているものの更なる改善が要望されている。

特開２０１２−１１４８９号公報

近年、ＰＣＢドリルでは、刃部を超硬合金部材、シャンク本体を安価なステンレス鋼部材で構成する所謂コンポジットタイプのドリルが主流になってきている。ここで、穴明け時にはシャンク本体がチャッキングされるため、減耗しないようにある程度の硬さが必要であり、焼入れ処理が可能なマルテンサイト系のステンレス鋼が使われる場合が多い。

この焼入れ処理されたマルテンサイト系ステンレス鋼は、高温・高湿環境下で錆が生じる場合があり、シャンク本体が錆びた状態でチャッキングされると、穴明け時に刃部が振れてドリルの折損や穴位置精度の悪化を引き起こしてしまう。

ところで、焼入れ処理されたマルテンサイト系ステンレス鋼は、高温のヒートサイクル（加熱と冷却）が付与されると錆が生じやすくなることが知られている。

一方、刃部に硬質皮膜を被覆すると耐摩耗性が向上して穴位置精度の悪化が抑えられるが、その硬質皮膜は、成膜プロセスの温度が低すぎると皮膜特性が低下するため、一般に高温のプロセスで被覆される。

そのため、通常、硬質皮膜の成膜プロセスにおいてシャンク本体には数百℃のヒートサイクルが付与されることになり、コンポジットタイプの硬質皮膜被覆ドリルでは、シャンク本体が錆びやすくなる問題があった。

本発明者等は、上述の問題点を解決すべく、焼入れ処理されたマルテンサイト系ステンレス鋼の錆と硬質皮膜について研究した結果、皮膜の配置と工法を工夫することで上記課題を解決できることの知見を得た。

本発明は、本発明者等の上記知見に基づきなされたもので、高温のプロセスで高い皮膜特性を有する硬質皮膜を被覆してもシャンク本体が錆びにくい実用性に秀れた穴明け工具の製造方法を提供するものである。

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

工具本体の外周に工具先端から基端側に向かう螺旋状の切り屑排出溝２が一若しくは複数設けられた刃部１と、基端側に前記刃部１より径大なシャンク本体３を有するシャンク部４とを少なくとも含んで構成され、前記刃部１は炭化タングステン及びコバルトを含有する超硬合金で形成され、前記シャンク本体３はステンレス鋼で形成されており、前記シャンク本体３の先端側には先端側程先細るシャンクテーパ部６が形成され、このシャンクテーパ部６の少なくともシャンク本体近傍部位はステンレス鋼で形成された穴明け工具の製造方法であって、工具本体に工具先端面９，10と切り屑排出溝２とを形成する前に、少なくとも前記超硬合金で形成された刃部１の外周面12並びに前記シャンクテーパ部６の前記ステンレス鋼で形成された部位に硬質皮膜を被覆し、この硬質皮膜を被覆した後、前記シャンク本体３の外周面を研削し該シャンク本体３の外周面に硬質皮膜が被覆されていない状態とすることを特徴とする穴明け工具の製造方法に係るものである。

また、請求項１記載の穴明け工具の製造方法において、前記シャンク本体３の硬さが、ロックウェルＣスケールで３５ＨＲＣ以上であり、硬質皮膜は、金属成分として少なくともＡｌとＣｒとを含み、非金属成分として少なくともＮを含むものであり、この硬質皮膜の膜厚は１μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする穴明け工具の製造方法に係るものである。

本発明は上述のように構成したから、高温のプロセスで高い皮膜特性を有する硬質皮膜を被覆してもシャンク本体が錆びにくい実用性に秀れた穴明け工具の製造方法となる。

本実施例の概略説明側面図である。本実施例の刃部の拡大概略説明図である。別例の刃部の拡大概略説明図である。実験結果を示す写真である。

好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

シャンクテーパ部６のステンレス鋼で形成された部位に硬質皮膜が被覆されることで、当該ステンレス鋼部分の錆の発生が抑制される。また、シャンク本体３の外周面を研削し硬質皮膜が被覆されていない状態とすることで、シャンク本体３の錆の発生が抑制される。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、工具本体の外周に工具先端から基端側に向かう螺旋状の切り屑排出溝２が一若しくは複数設けられた刃部１と、基端側に前記刃部１より径大なシャンク本体３を有するシャンク部４とを少なくとも含んで構成され、前記刃部１は炭化タングステン及びコバルトを含有する超硬合金で形成され、前記シャンク本体３はステンレス鋼で形成されており、前記シャンク本体３の先端側には先端側程先細るシャンクテーパ部６が形成され、このシャンクテーパ部６の少なくともシャンク本体近傍部位はステンレス鋼で形成された穴明け工具であって、少なくとも前記超硬合金で形成された刃部１の外周面12並びに前記シャンクテーパ部６の前記ステンレス鋼で形成された部位には硬質皮膜が被覆され、前記シャンク本体３の外周面は硬質皮膜が被覆されていないものである。

本実施例は、シャンク本体３として、硬さがロックウェルＣスケールで３５ＨＲＣ以上であるものを採用している。ドリルは穴明け時にシャンク本体３がチャッキングされるため、チャッキングにより減耗しないようにある程度の硬さが必要であり、ロックウェルＣスケールで３５ＨＲＣ以上であることが望ましいためである。

また、超硬合金は高価であるため、超硬合金を必要最小限の量にしてＰＣＢドリルを構成することでドリルのコストを下げるのがコンポジットタイプドリルの狙いである。そのため、少なくともシャンク本体３はステンレス鋼にして、超硬合金とステンレス鋼の接合位置をできるだけ刃部１に近い位置に設けることがコスト面で有利になる。したがって、刃部１とシャンク本体３との間に設けられる連結部材５のうち、少なくともシャンクテーパ部６のシャンク本体近傍部位はステンレス鋼で形成されていることが望ましい。一方、超硬合金とステンレス鋼との接合面積が小さすぎると接合強度が小さくなるため、ある程度の接合面積が必要となる。

本実施例においては、刃部１とシャンク本体３との間の連結部材５は、シャンク本体３の先端に連設されるシャンクテーパ部６と、このシャンクテーパ部６の先端に連設される中間円柱部７と、この中間円柱部７の先端に連設される第２テーパ部８とで構成されている。この第２テーパ部８の先端には刃部１の基端が連設される（図１参照）。そして、超硬合金とステンレス鋼との接合位置（境界Ａ）が中間円柱部７の途中に配置されている。なお、超硬合金とステンレス鋼との接合位置が、シャンク本体３に連設されるシャンクテーパ部６の途中に配置されても良い。

また、被覆される硬質皮膜は、金属成分として少なくともＡｌ（アルミニウム）とＣｒ（クロム）とを含み、非金属成分として少なくともＮ（窒素）を含むものであり、この硬質皮膜の膜厚は１μｍ以上５μｍ以下としている。

金属成分として少なくともＡｌとＣｒとを含み、非金属成分として少なくともＮを含む硬質皮膜は、鉄鋼材料を切削するための工具用皮膜として一般的であるが、ＰＣＢの穴明けにも有効である。このような硬質皮膜を被覆することで穴明け時の工具母材の摩耗を抑制するが、加工とともに皮膜自体が摩耗するため適度な厚さが必要であり、１μｍ以上あることが望ましい。一方、厚すぎると皮膜の内部応力が大きくなり皮膜が剥離しやすくなるため、５μｍ以下であることが望ましい。

また、本発明者等が被覆の場所を様々に変えて硬質皮膜被覆ＰＣＢドリルを作製し、ＰＣＢへの穴明けテストを行った結果、硬質皮膜被覆ＰＣＢドリルの耐摩耗性には刃部外周面に被覆された硬質皮膜が支配的に影響していることを見出した。

本実施例は図２に図示したように、所謂ストレートタイプの２刃２溝ドリルである。

具体的には、刃部１の先端部の外径をＤ１（工具外径Ｄ１）とし、先端側から基端側に向かって漸次縮径するバックテーパ形状を成している、所謂ストレートタイプと称呼されるドリルである。図中、符号12は刃部１の外周面である。この工具本体（刃部１）の外周に工具先端から基端側に向かう螺旋状の切り屑排出溝２が２つ設けられている。

また、前記切り屑排出溝２のすくい面と工具先端に設けられた第一逃げ面９との交差稜線部に切れ刃11が形成されている。前記第一逃げ面９の工具回転方向後方側には第二逃げ面10が連設され、前記第一逃げ面９と前記第二逃げ面10とで工具先端面９，10を成している。

工具先端面９，10と切り屑排出溝２の内面に硬質皮膜が被覆されていてもかまわないが、その場合、切り屑排出溝２を形成した後、硬質皮膜を被覆させて、その後にシャンク本体３の外周面を研削する必要があり、刃部１の中心軸とシャンク本体３の中心軸とにズレが生じる可能性がある。刃部１の中心軸とシャンク本体３の中心軸とにズレが生じると、穴明け時に刃部１が振れることになり、折損や穴位置精度の悪化につながる。

そこで、本実施例においては、工具先端面９，10と切り屑排出溝２を形成する前に工具先端からシャンクテーパ部６に硬質皮膜を被覆し、その後、シャンク本体３の外周面を研削し、その後に工具先端面９，10と切り屑排出溝２を形成している。この場合、刃部１の外周面12には硬質皮膜が被覆されるが、工具先端面９と切り屑排出溝２の内面には硬質皮膜が被覆されていないドリルとなる。なお、シャンクテーパ部６の一部をステンレス鋼で形成した場合、刃部１とシャンクテーパ部６の当該ステンレス鋼部分にのみ硬質皮膜を被覆すれば良い。

以上、本発明の説明を簡便に記載するために上述したドリル形状で説明したが、ドリルの形状は上記に限るものではない。

例えば本発明の別例を図３に図示したように、アンダーカットタイプの２刃２溝ドリルであって、切削抵抗を低減させるためにドリル先端側の所定領域に二番取り面を形成することでクリアランスを設けたドリルであっても良い。

この別例は具体的には、刃部１の先端部の外径をＤ１（工具外径Ｄ１）とし、この刃部１の基端側を工具外径Ｄ１よりも一段小径なアンダーカット径Ｄ２とした所謂アンダーカットタイプのドリルである。この工具本体（刃部１）の外周に工具先端から基端側に向かう螺旋状の切り屑排出溝２が２つ設けられており、この切り屑排出溝２の工具回転方向前方側には刃部１の外周面12より一段低い位置に工具先端から基端側に向かう螺旋状の二番取り面13が設けられクリアランスを形成している。

この別例においては、工具先端面９，10、切り屑排出溝２及び二番取り面13を形成する前に工具先端からシャンクテーパ部６に硬質皮膜を被覆し、その後、シャンク本体３の外周面を研削し、その後に工具先端面９，10、切り屑排出溝２及び二番取り面13を形成している。この場合、刃部１の外周面12には硬質皮膜が被覆されるが、工具先端面９，10、切り屑排出溝２の内面及び二番取り面13には硬質皮膜が被覆されていないドリルとなる。

以上の構成で高温のプロセスで高い皮膜特性を有する硬質皮膜を被覆してもシャンク本体３が錆びにくい硬質皮膜被覆ドリルを実現できる理由は以下の通りである。

即ち、本発明者等は焼入れ処理されたマルテンサイト系ステンレス鋼で構成されたシャンク本体３とシャンクテーパ部６を持つコンポジットタイプのドリルに硬質皮膜を被覆して、ステンレス鋼の部材に生じる錆について様々な研究を行った結果、硬質皮膜が被覆された部分には錆が生じにくいこと、硬質皮膜被覆プロセスが終了した後に表面を研削すると、その研削面は錆が生じにくいことを見出した。これらの現象のメカニズムについては今後の研究成果が待たれるところであるが、前者は硬質皮膜が酸素の侵入を防いでステンレス鋼を錆びにくくしているものと考えられ、また、後者は被覆プロセスで変質したステンレス鋼の表面を除去することで錆が生じにくくなったものと考えられる。

本発明者等は、この現象を利用して、シャンクテーパ部６に硬質皮膜を被覆し、シャンク本体３は被覆プロセスの後に外周面を研削することで（結果として、シャンク本体３は硬質皮膜が被覆されていない部材となる）、刃部１に高い皮膜特性を持つ硬質皮膜を被覆することと、シャンク本体３を錆びにくくすることの両立に成功した。なお、シャンクテーパ部６は穴明け時にチャッキングされる部材ではないが、一旦錆が生じると、その錆の部分が広がって行き、隣接するシャンク本体３にも錆が生じやすくなる。そのため、シャンクテーパ部６も錆を生じにくくさせる必要がある。

本実施例は上述のように構成したから、ステンレス鋼で形成されたシャンクテーパ部６に硬質皮膜が被覆されることで、当該ステンレス鋼部分の錆の発生が抑制される。また、シャンク本体３の外周面を研削し硬質皮膜が成膜されていない状態とすることで、硬質皮膜の被覆プロセスで変質したシャンク本体３の表面を除去し当該被覆プロセスに起因するシャンク本体３の錆の発生が抑制される。

よって、本実施例は、高温のプロセスで高い皮膜特性を有する硬質皮膜を被覆してもシャンク本体が錆びにくいものとなる。

本実施例の効果を裏付ける実験例について説明する。

シャンク径３．１７５ｍｍ、ドリル全長３８．１ｍｍ、刃部直径０．３ｍｍ、切り屑排出溝長さ５．５ｍｍのコンポジットタイプドリル（シャンク本体及びシャンク本体近傍のシャンクテーパ部がステンレス鋼で構成されている上記本実施例の構成の超硬合金製ドリル）に硬質皮膜としてＡｌＣｒＮ皮膜を被覆（成膜時の温度：５００℃）し、温度４０℃、湿度９５％の環境試験室に４８時間放置して、シャンク本体及びその近傍部の錆の発生状況を調べた。その実験結果を図４に示す。

図４の写真は第２テーパ部からシャンク本体の途中までを撮影したものである。

図４の写真にはテーパ部が２か所撮影されているが、右側のテーパがシャンクテーパ部である。シャンクテーパ部の右側がシャンク本体、シャンクテーパ部の左側はシャンク本体と刃部とをつなぐ中間円柱部である。中間円柱部の左側に第２テーパ部があり、その左側に刃部が配置されている。

図４の（Ｃ）が本実施例であり、アークイオンプレーティング法によりシャンクテーパ全面とそれより左側の部材にＡｌＣｒＮ皮膜が被覆され、シャンク本体には硬質皮膜が被覆されていない。図４の（Ａ）と（Ｂ）は比較例であり、（Ａ）は硬質皮膜を被覆していないドリル、（Ｂ）はアークイオンプレーティング法により工具先端側から（シャンクテーパ全面ではなく）シャンクテーパの途中までＡｌＣｒＮ皮膜を被覆した（ステンレス鋼部分が一部露出する）ドリルである。

図４の実験結果から、（Ｃ）のドリルは硬質皮膜を被覆しているにもかかわらず（Ａ）のドリルと同様に錆が生じていないことが認められる。一方、（Ｂ）のドリルはシャンクテーパからシャンク本体にかけて錆が生じていることが認められる。なお、（Ｂ）ではシャンクテーパの硬質皮膜被覆部の一部と中間円柱部の硬質皮膜被覆部の一部にも錆が生じている。これは、まず、硬質皮膜が被覆されていないシャンクテーパ部分に錆が生じ、それがシャンクテーパの硬質皮膜被覆部と中間円柱部の硬質皮膜被覆部に広がったものと考えられる。

以上の実験結果から、本実施例の構成によれば、硬質皮膜を被覆してもシャンク本体が錆びにくいものとなることが確認できた。

１刃部
２切り屑排出溝
３シャンク本体
４シャンク部
６シャンクテーパ部
９第一逃げ面（工具先端面）
10 第二逃げ面（工具先端面）
12 外周面

Claims

工具本体の外周に工具先端から基端側に向かう螺旋状の切り屑排出溝が一若しくは複数設けられた刃部と、基端側に前記刃部より径大なシャンク本体を有するシャンク部とを少なくとも含んで構成され、前記刃部は炭化タングステン及びコバルトを含有する超硬合金で形成され、前記シャンク本体はステンレス鋼で形成されており、前記シャンク本体の先端側には先端側程先細るシャンクテーパ部が形成され、このシャンクテーパ部の少なくともシャンク本体近傍部位はステンレス鋼で形成された穴明け工具の製造方法であって、工具本体に工具先端面と切り屑排出溝とを形成する前に、少なくとも前記超硬合金で形成された刃部の外周面並びに前記シャンクテーパ部の前記ステンレス鋼で形成された部位に硬質皮膜を被覆し、この硬質皮膜を被覆した後、前記シャンク本体の外周面を研削し該シャンク本体の外周面に硬質皮膜が被覆されていない状態とすることを特徴とする穴明け工具の製造方法。
請求項１記載の穴明け工具の製造方法において、前記シャンク本体の硬さが、ロックウェルＣスケールで３５ＨＲＣ以上であり、硬質皮膜は、金属成分として少なくともＡｌとＣｒとを含み、非金属成分として少なくともＮを含むものであり、この硬質皮膜の膜厚は１μｍ以上５μｍ以下であることを特徴とする穴明け工具の製造方法。