JP5840835B2

JP5840835B2 - 表面被覆部材および表面被覆切削工具

Info

Publication number: JP5840835B2
Application number: JP2010253905A
Authority: JP
Inventors: 正人松澤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2030-11-12
Also published as: JP2012101343A

Description

本発明は、基体の表面に硬質炭素膜が形成された表面被覆部材および表面被覆切削工具に関する。

現在、旋削加工やフライス加工に用いられるスローアウェイチップ、ドリルやエンドミル、切断刃等の切削工具では耐摩耗性や摺動性、耐欠損性が必要とされるため、ＷＣ基超硬合金やＴｉＣＮ基サーメット等の硬質基体の表面に様々な被覆層を成膜して切削工具の耐摩耗性、耐欠損性を向上させる手法が使われており、被覆層としてダイヤモンドやＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）等の硬質炭素膜も好適に利用されている。

従来から、例えば特許文献１〜４に記載されるように、硬質炭素膜の表面での粗大粒子（ドロップレット）の発生をなくすことが検討されていた。

特開２００３−０６２７０８号公報特開２００６−３０７２５１号公報特開２００９−００６４７０号公報特開２００９−０６１５４０号公報

しかしながら、上記従来の特許文献１〜４に記載の発明では、粗大粒子（ドロップレット）を低減することはできても、その発生をなくすことはできておらず、平滑な加工面を得ることは難しかった。

本発明の目的は、平滑な加工面が得られる切削工具等の表面被覆部材を提供することにある。

本発明の表面被覆部材は、基体表面が硬質炭素膜で被覆されてなり、該硬質炭素膜の表面には、直径１μｍ以上で、ラマン分光分析によって得られる高周波バンド（Ｇバンド）と低周波バンド（Ｄバンド）のピーク面積比Ｄ／Ｇが前記硬質炭素膜の素地におけるピーク面積比Ｄ／Ｇよりも大きい粗大粒子が存在するものである。

また、本発明の表面被覆切削工具は、すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃として、基体表面が硬質炭素膜で被覆されてなり、該硬質炭素膜の表面には、直径１μｍ以上で、ラマン分光分析によって得られる高周波バンド（Ｇバンド）と低周波バンド（Ｄバンド）のピーク面積比Ｄ／Ｇが前記硬質炭素膜の素地におけるピーク面積比Ｄ／Ｇよりも大きい粗大粒子が存在するものである。

ここで、上記構成において、前記すくい面における前記粗大粒子のピーク面積比Ｄ／Ｇが前記逃げ面における前記粗大粒子のピーク面積比Ｄ／Ｇよりも大きくてもよい。

また、略円柱状で、外周の外周切刃と、前記外周よりも内側に凹んだ位置に形成される切屑排出溝とを備え、基体の表面が硬質炭素膜で被覆されてなり、前記切屑排出溝の表面
におけるピーク面積比Ｄ／Ｇが前記外周切刃の表面におけるピーク面積比Ｄ／Ｇよりも大きいものであってもよい。

本発明によれば、硬質炭素膜の表面に発生する粗大粒子をなくすのではなく、その性質を変えて、切削に悪影響を及ぼさないばかりか、むしろ部材表面での潤滑性を高めるものとして利用できる。

本発明の表面被覆部材の好適例であるウェブ切断装置について、（ａ）上刃と下刃を回転軸方向で見た概略図、（ｂ）（ａ）のＳ−Ｓ軸の断面についての要部拡大図、（ｃ）（ａ）のＴ軸の断面についての要部拡大図である。図１のウェブ切断装置について、（ａ）Ｓ軸における断面図、（ｂ）上面図である。図２の上切刃付近の模式図であり、（ａ）断面図、（ｂ）正面図である。本発明の表面被覆部材に形成される硬質炭素膜の（ａ）素地、（ｂ）粗大粒子について、ラマン分光分析して得られるピークの一例である。本発明の表面被覆部材の他の好適例であるスローアウェイチップについて、（ａ）概略斜視図、（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ断面についての要部拡大図である。本発明の切削工具の他の好適例であるツイストドリルについて、（ａ）側面図、（ｂ）（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。

本発明の切削工具の第１の実施態様であるリング状の切刃を有する上刃と下刃の２枚を一部重ねた状態でシート状の被切削物（ウェブ）を切断する切断装置の模式図である図１、図１におけるＳ−Ｓ軸の断面図である図２、図２の切刃部分の概略拡大模式図である図３を基に説明する。

図１〜３によれば、切断装置１は、略円柱形状の下刃２と、略円盤形状の上刃３とを備えている。下刃２及び上刃３は互いに対向する側の外周部にそれぞれ下切刃２５および上切刃３５を備えている。下刃２と上刃３とはＡ−Ａ’間において、回転軸Ｐ、Ｏを通る直線方向（以下、中心軸方向という。）に重なっている。また、下刃２の下切刃２５と上刃３の上切刃３５における回転軌道面（それぞれの切刃の回転軌道を外周とする平面）は、互いに略平行となるように配置されている。なお、下刃２の下切刃２５と上刃３の上切刃３５における回転軌道面の回転軌道面が平行から±５°の範囲内であることが、切断されるウェブ１０への応力や加工精度の観点から好ましい。

また、下切刃２５および上切刃３５の表面に硬質炭素膜７が形成される。そして、硬質炭素膜７の表面は、図３（ｂ）に示すように、素地７ａの中に直径１μｍ以上の粗大粒子７ｂを含む粒子が点在した組織であり、図４に示すように、ラマン分光分析によって得られる高周波バンド（Ｇバンド）と低周波バンド（Ｄバンド）のピーク面積比Ｄ／Ｇが硬質炭素膜７の素地よりも高くなっている。これによって、硬質炭素膜の表面に発生する粗大粒子をなくすのではなく、その性質を変えて、切削に悪影響を及ぼさないばかりか、むしろ部材表面での潤滑性を高めるものとして利用できる。素地７ａにおけるＤ／Ｇは１．２９〜１．３７であることが硬質炭素膜７の耐摩耗性を高めるために望ましく、粗大粒子７ｂにおけるＤ／Ｇは硬質炭素膜７表面の切屑が流れる部分で１．３９〜１．５０であることが望ましい。

なお、本発明におけるラマン分光分析の測定条件は、レーザー波長５１４．５３ｍｍ、グレーティング６００本、対物レンズ×１００とする。そして、図４のようなピークから
、高周波バンド（Ｇバンド）と低周波バンド（Ｄバンド）のピークをピーク分離し、各ピークの面積を見積もってその比Ｄ／Ｇを算出する。また、測定点については、直径が１μｍ以上の粗大粒子１０個以上について測定し、各ピークのその比Ｄ／Ｇを算出してその平均値をその硬質炭素膜の比Ｄ／Ｇとする。

下刃２および上刃３を構成する基体６は、超硬合金、サーメット、高速度鋼等の硬質材が好適に使用可能であり、特に、刃先研磨加工に耐えうる靭性を兼ね備えて下切刃２５および上切刃３５の切刃５の先端における刃立性を向上できるとともに、切刃５の先端の耐摩耗性を両立する超硬合金が望ましい。

そして、図２のように、下刃２及び上刃３は図１に記載のＯ及びＰを回転軸として、それぞれ逆方向に回転させて、加工対象であるウェブ１０を下刃２及び上刃３の主面に対して垂直な方向から連続的に進入させて、下刃２の下切刃２５と上刃３の上切刃３５との間（具体的には、Ａ−Ａ’間）にてウェブ１０を切断する。

具体的に説明すると、下刃２は略円柱形状を有し、一端面に外周に亘って切り欠かれた切欠部を有する第１ブロック２ａと、第１ブロック２ａと略同一径を有し、切欠が形成されていない第２ブロック２ｂとからなる。第１ブロック２ａと第２ブロック２ｂはそれぞれの円柱の軸が合うように接合されている。そして、第１ブロック２ａの切欠部と第２ブロック２ｂとの一端面とによって空隙部２６が形成されている。なお、本発明の説明において、円柱形状とは外形が円柱になっていればよく、例えば内部に空隙部２６がある円筒形状も含むものである。

第１ブロック２ａは、外周側面２１と切欠部の入口面２２との間（即ちエッジ部分）に下切刃２５が形成されている。また、入口面２２よりもさらに中心軸側には入口面２２よりも深く切欠かれた逃がし部が形成されている。

上刃３は略円盤形状を有しており、該円盤形状の外周に亘って上切刃３５が形成されている。また、上切刃３５は、回転軸と略直交するとともに下刃２と対向する上刃摺接面３２と、この上刃摺接面３２とは反対側の上刃裏面３３とによって構成されている。なお、本発明の説明において、円盤形状とは外形が円盤になっていればよく、例えば内部に空洞部３４があるドーナツ形状も含むものである。

下刃２の空隙部２６内には、上刃３の上切刃３５が挿入された状態で配置されている。上切刃３５が挿入される部分における空隙部２６の幅ｗは非常に狭い間隔（例えば１〜１０ｍｍ程度）に形成されている。そして、例えば切断装置１の下刃２および上刃３に対して垂直にウェブ１０を通すことにより、下切刃２５と上切刃３５との間でウェブ１０を切断する。

また、図１（ｂ）（ｃ）に示すように、上刃摺接面３２の上切刃３５側にテーパ面３７を形成し、下刃２および上刃３の中心軸を通る断面上においてテーパ面３７に下切刃２５の１点で接触させた構成とすることもできる。この構成によれば、テーパ面３７を形成することにより、上切刃３５および下切刃２５が接触したり擦れあったりすることを防止することができる。そのため、上切刃３５と下切刃２５同士の接触による摩耗屑の低減ができて、下刃２と上刃３の切刃２５、３５の寿命を延命することができる。また、上刃３を大きく撓ますことなく所定の微小幅クリアランス（上切刃３５と下切刃２５との距離Ｅ）を長期間にわたり精度良く設定することができる。このように所定の微小幅のクリアランスを維持した状態でウェブ１０を連続的に進入させることにより、下切刃２５と上切刃３５との間に所望の剪断応力が付与されて、ウェブ１０を連続的に小さい力で鋭利な剪断面にカッティングすることができる。

上述した硬質炭素膜を作製するには、アークイオンプレーティング法を用いて、Ａｒ等の不活性ガスを１〜１０Ｐａのガス圧で導入して基板温度１５０〜２５０℃にして、初めにバイアス電圧を３０〜１５０Ｖ（電圧値が−３０〜−１５０Ｖ）の条件で成膜した後、最後にバイアス電圧を５０Ｖ以上上げて（電圧値をー５０Ｖ以上低い値に設定して）成膜すればよい。

なお、上記実施態様では、ウェブ１０を連続的に切断する切断装置について説明したが、本発明はこの実施態様に限定されるものではなく、例えば、スローアウェイチップやドリル、エンドミル等の他の切削工具に対しても有効である。

そこで、本発明の第２の実施態様であるスローアウェイチップについて、（ａ）概略斜視図、（ｂ）（ａ）のＸ−Ｘ断面の要部拡大図である図５を基に説明する。

図５のスローアウェイチップ１００は、主面が概略矩形の平板状で、主面がすくい面１０１をなし、側面が逃げ面１０２として使用され、すくい面１０１と逃げ面１０２との交差稜線部が切刃１０３をなしている。また、スローアウェイチップ１００は、基体１０４の表面に硬質炭素膜１０５が被覆されている。そして、本実施態様によれば、硬質炭素膜１０５は、素地１０５ａの中に粗大粒子１０５ｂを含む粒子が点在しており、すくい面１０１における粗大粒子１０５ｂｒのピーク面積比Ｄ／Ｇが逃げ面１０２における粗大粒子１０５ｂｆのピーク面積比Ｄ／Ｇよりも大きい構成となっており、これによって、潤滑な切屑の流れを実現し、摩耗の進行を抑制するだけでなく欠損も抑制できるという効果がある。

また、この構成の硬質炭素膜１０５を作製するには、上述した成膜条件に加えて、スローアウェイチップ１００の成膜チャンバ内でのセット方向を、逃げ面がターゲットに対して対向する向きとすることにより可能となる。

さらに、図６は本発明の第３の実施態様であるツイストドリルについての（ａ）側面図、（ｂ）（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。

図６のツイストドリル２００は、略円柱状の工具本体２０１に、外周の外周切刃２０２と、外周よりも内側に凹んだ位置に形成される切屑排出溝２０３とを備え、基体２０４の表面が硬質炭素膜２０５で被覆されている。硬質炭素膜２０５は、素地（図示せず）の中に粗大粒子（図示せず）を含む粒子が点在しているが、切屑排出溝２０３の表面におけるピーク面積比Ｄ／Ｇが外周切刃２０２の表面におけるピーク面積比Ｄ／Ｇよりも大きい構成となっている。この構成によって、外周切刃２０２における耐摩耗性が高く、かつ切屑排出溝２０３における潤滑性を高くできる。

また、この構成の硬質炭素膜２０５を作製するには、第１の実施態様で述べた成膜条件に加えて、成膜終了後、外周切刃２０２にブラシ研磨をすることにより可能となる。

超硬合金からなる上刃の表面に対してダイヤモンド砥石を用いて研削し、先端角３０°、算術平均粗さ（Ｒａ）が０．０１μｍ以下の鏡面とした。そして、各試料について上切刃に表１に示す条件でアークイオンプレーティング法によってＤＬＣを成膜した。なお、表中の後期とは成膜終了前の５分間とした。

得られた硬質炭素膜付きの上刃と同様にして同じ基体と硬質炭素膜にて下刃を作製し、これらを組み込んだ切断装置を用いて図１のようなスリッティング工具とし、アルミ箔を
用いて下記条件でスリッティングテストを行った。
＜条件＞
刃具形状：スリッター刃（上刃９８φ、下刃８０φ）
テープスピード：１５０ｍ／分
上下刃のオーバーラップ量：０．５ｍｍ
被削材：アルミ箔（A1085H18）、３０μｍ厚
スリッティングテスト中、５００ｍ切断毎に上刃切断面の状態を確認するとともに、被切断材の加工面状態を顕微鏡で観察して切断面にバリや変形が発生した時点を寿命として評価した。結果は表１に示した。

表１の結果から明らかなとおり、硬質炭素膜の表面にピーク面積比Ｄ／Ｇが素地よりも大きい粗大粒子が存在する試料Ｎｏ．１〜４では、切断距離を長くすることができた。これに対して、粗大粒子が存在しない試料Ｎｏ．５および粗大粒子のピーク面積比Ｄ／Ｇが素地よりも小さい試料Ｎｏ．６では、溶着が激しくて一部には硬質炭素膜の剥離が見られ、切断距離が短くなった。

超硬合金からなる型番ＢＤＭＴ１１Ｔ３０８形状の工具基体に対して、表２に示す条件でアークイオンプレーティング法によってＤＬＣを成膜した。得られスローアウェイチップを用いて、下記条件で切削テストを行った。結果は表２に示した。
＜条件＞
切削方法：肩削り（ミリング加工）
被削材：ＡＤＣ１２
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１２ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切り込み：横切り込み１０ｍｍ、深さ切り込み３ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：刃先状態の確認

表２の結果から明らかなとおり、硬質炭素膜の表面にピーク面積比Ｄ／Ｇが素地よりも大きい粗大粒子が存在する試料Ｎｏ．７〜８では、加工距離を長くすることができた。これに対して、粗大粒子が存在しない試料Ｎｏ．１０および粗大粒子のピーク面積比Ｄ／Ｇが素地よりも小さい試料Ｎｏ．９では、溶着が激しくて一部には硬質炭素膜の剥離が見られ、加工距離が短くなった。

超硬合金からなるマイクロドリル基体について、表３に示す条件でアークイオンプレーティング法によってＤＬＣを成膜した。そして、成膜後のドリルの外周切刃に対してブラシ加工を行った。

得られたマイクロドリルを用いて、下記条件で穴あけ加工テストを行った。
＜条件＞
被削材：Ｃｕ箔配線プリント基板厚み０．４ｍｍ（R1515SL Cu7/7）×3枚重ね＋ＬＥシート（LE800）
回転数：３００ｋｒｐｍ
送り速度：２．１ｍ/分
評価内容：１０００穴加工する毎にドリルの切れ刃状態を確認する。
結果は表３に示した。

表３の結果から明らかなとおり、硬質炭素膜の表面にピーク面積比Ｄ／Ｇが素地よりも大きい粗大粒子が存在する試料Ｎｏ．１１〜１２では、加工穴数を多くすることができた。これに対して、粗大粒子が存在しない試料Ｎｏ．１３、１５および粗大粒子のピーク面積比Ｄ／Ｇが素地と同じ試料Ｎｏ．１４では、溶着が激しくて一部には切屑が噛み込み、加工穴数が少なかった。

１切断装置
２下刃
２ａ第１ブロック
２ｂ第２ブロック
２１外周側面
２２入口面
２５下切刃
２６空隙部
３上刃
３２上刃摺接面
３３上刃裏面
３４空洞部
３５上切刃
３７テーパ面
５、１０３切刃
６、１０４、２０４基体
７、１０５、２０５硬質炭素膜
７ａ、１０５ａ素地
７ｂ、１０５ｂ粗大粒子
１００スローアウェイチップ
１０１すくい面
１０２逃げ面
２００ツイストドリル
２０１工具本体
２０２外周切刃
２０３切屑排出溝
Ｏ上刃回転軸
Ｐ下刃回転軸
Ｓ中心軸（回転軸Ｐ、Ｏを通る直線）方向
Ｔ点Ａおよび点Ａ’を通って中心軸Ｓに平行な直線
θ 切刃稜線と溝とのなす角

Claims

基体表面が硬質炭素膜で被覆されてなり、該硬質炭素膜の表面には、直径１μｍ以上の粗大粒子が存在するとともに、該粗大粒子１０個以上についての平均値で、ラマン分光分析によって得られる高周波バンド（Ｇバンド）と低周波バンド（Ｄバンド）のピーク面積比Ｄ／Ｇが前記硬質炭素膜の素地におけるピーク面積比Ｄ／Ｇよりも大きい表面被覆部材。
すくい面と逃げ面との交差稜線部を切刃として、基体表面が硬質炭素膜で被覆されてなり、該硬質炭素膜の表面には、直径１μｍ以上の粗大粒子が存在するとともに、該粗大粒子１０個以上についての平均値で、ラマン分光分析によって得られる高周波バンド（Ｇバンド）と低周波バンド（Ｄバンド）のピーク面積比Ｄ／Ｇが前記硬質炭素膜の素地におけるピーク面積比Ｄ／Ｇよりも大きい表面被覆切削工具。
前記すくい面における前記粗大粒子のピーク面積比Ｄ／Ｇが前記逃げ面における前記粗大粒子のピーク面積比Ｄ／Ｇよりも大きい請求項２記載の表面被覆切削工具。
略円柱状で、外周の外周切刃と、前記外周よりも内側に凹んだ位置に形成される切屑排出溝とを備え、基体の表面が硬質炭素膜で被覆されてなり、前記切屑排出溝の表面におけるピーク面積比Ｄ／Ｇが前記外周切刃の表面におけるピーク面積比Ｄ／Ｇよりも大きい請求項２記載の表面被覆切削工具。