JP5899905B2 - Carbon film-coated drill and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、鋭利に被削材を加工することが可能な炭素膜被覆ドリルおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a carbon film-coated drill capable of sharply machining a work material and a method for manufacturing the same.
切れ刃の表面がダイヤモンド膜で被覆されたダイヤモンド被覆切削工具において、従来、例えば切れ刃に形成された略円弧部を研削加工し、略円弧部の角度を40°以下になるように部分的にチャンファが設けられたものが提案されている(特許文献1参照)。また、上記略円弧部を研削加工し、逃げ角を元の角度よりも小さくしたものも提案されている(特許文献2参照)。
なお、本明細書において切れ刃とは、切削工具の刃先と、刃先に接したすくい面の一部分と、刃先に接した逃げ面の一部分を合わせた領域のことを示す。
In a diamond-coated cutting tool in which the surface of the cutting edge is coated with a diamond film, conventionally, for example, a substantially arc portion formed on the cutting edge is ground, and the angle of the approximately arc portion is partially set to 40 ° or less. A device provided with a chamfer has been proposed (see Patent Document 1). Further, there has also been proposed a method in which the substantially arc portion is ground and the clearance angle is smaller than the original angle (see Patent Document 2).
In addition, in this specification, a cutting edge shows the area | region which match | combined the cutting edge of a cutting tool, a part of rake face which touched the cutting edge, and a part of flank which touched the cutting edge.
上記ダイヤモンド膜被覆切削工具の研磨方法としては、特許文献3に記載されるレーザ研磨方法が提案されている。このレーザ研磨方法では、レーザの焦点をダイヤモンド被膜の表面上で走査する(移動させる)と同時に、ダイヤモンド被膜そのものを移動させている。こうして、レーザの焦点及びダイヤモンド被膜の両方に相対的に運動を与えることで、ダイヤモンド被膜の表面に形成された凸部を除去している。また、特許文献4に記載される加工工具の製造方法では、波長266nmのレーザ光をダイヤモンド被膜に対して垂直に照射して加工工具を加工している。 As a polishing method for the diamond film-coated cutting tool, a laser polishing method described in Patent Document 3 has been proposed. In this laser polishing method, the focus of the laser is scanned (moved) on the surface of the diamond coating, and at the same time, the diamond coating itself is moved. In this way, the projections formed on the surface of the diamond coating are removed by relatively moving both the focal point of the laser and the diamond coating. Moreover, in the manufacturing method of the processing tool described in patent document 4, the processing tool is processed by irradiating a laser beam having a wavelength of 266 nm perpendicularly to the diamond coating.
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
第一に、研削加工により切れ刃を形成した場合、ダイヤモンドが砥石よりも硬いため、加工途中で砥石の形態変化を生じてしまう。その結果、高精度に意図した形状加工を行うことが困難となる。
第二に、レーザとダイヤモンド被膜とを共に相対運動させながら走査レーザ加工する方法では、さらに加工対象物の形態に倣ったワーク(被削体)移動が必要となる。そのために、レーザの焦点およびダイヤモンド被膜の位置制御が複雑となる。
第三に、ダイヤモンド被膜に対して垂直にレーザ光を照射する加工方法では、加工後の形態が加工前の膜の起伏形状を反映し易くなる。そのために、加工前の膜が、均一なダイヤモンド被膜として形成される必要がある。そのために、高精度な加工が難しくなる。
第四に、ドリルの切れ刃などの刃先にダイヤモンド被膜を形成する場合、ダイヤモンド被膜の厚さに応じて、刃先に被膜が盛り上がって形成されるので、刃先の加工が困難である。このために、従来では、ダイヤモンド被膜でコーティングされ、かつ鋭利なエッジを有したドリルを作製することは困難であった。
The following problems remain in the conventional technology.
First, when the cutting edge is formed by grinding, the diamond is harder than the grindstone, so that the shape of the grindstone changes during the machining. As a result, it becomes difficult to perform shape processing intended with high accuracy.
Secondly, in the method of scanning laser processing while relatively moving the laser and the diamond film together, it is necessary to move the workpiece (workpiece) according to the shape of the workpiece. This complicates laser focus and diamond film position control.
Thirdly, in the processing method in which laser light is irradiated perpendicularly to the diamond film, the shape after processing easily reflects the undulating shape of the film before processing. Therefore, the film before processing needs to be formed as a uniform diamond film. Therefore, high-precision processing becomes difficult.
Fourth, when a diamond coating is formed on a cutting edge such as a cutting edge of a drill, the coating is formed on the cutting edge depending on the thickness of the diamond coating, so that it is difficult to process the cutting edge. For this reason, conventionally, it has been difficult to produce a drill coated with a diamond coating and having sharp edges.
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、従来よりも鋭利なエッジを有するダイヤモンド被膜等の炭素膜で被覆された炭素膜被覆ドリルを提供すると共に、このドリルを高精度に加工して作製することができる製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a carbon film-coated drill coated with a carbon film such as a diamond film having a sharper edge than conventional ones, and is capable of processing the drill with high accuracy. It is an object of the present invention to provide a manufacturing method that can be manufactured.
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の第一の態様である炭素膜被覆ドリルは、基体刃先と、前記基体刃先を挟んで互いに隣接する基体すくい面および基体逃げ面とを有する工具基体と、前記基体刃先、前記基体すくい面、および前記基体逃げ面の上に形成された炭素膜とを有し、前記炭素膜には、前記基体すくい面上の領域、および前記基体逃げ面上の領域に、前記工具基体に向けて凹んだすくい面側の凹面および逃げ面側の凹面がそれぞれ形成され、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面は、前記基体刃先上で交差して前記炭素膜に炭素膜刃先を形成しており、前記すくい面側の凹面と前記逃げ面側の凹面の交差する角度は、前記基体すくい面と前記基体逃げ面との成す角度より小さいことを特徴とする。 The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems. That is, the carbon film-coated drill according to the first aspect of the present invention includes a tool base having a base cutting edge, and a base scooping surface and a base relief surface that are adjacent to each other across the base cutting edge, the base cutting edge, and the base A rake face and a carbon film formed on the base flank face, wherein the carbon film is directed toward the tool base in a region on the base rake face and a region on the base flank face. A concave surface on the rake face side and a concave surface on the flank face side are respectively formed, and the concave surface on the rake face side and the concave surface on the flank face side intersect with each other on the base blade edge to form a carbon film blade edge on the carbon film. The angle between the concave surface on the rake face side and the concave surface on the flank face side is smaller than the angle formed by the base rake face and the base flank face.
この炭素膜被覆ドリルでは、基体すくい面上の領域、および基体逃げ面上の領域の炭素膜に、工具基体に向けて凹んだすくい面側の凹面および逃げ面側の凹面がそれぞれ形成されている。さらに、すくい面側の凹面および逃げ面側の凹面は、基体刃先上で交差して炭素膜に炭素膜刃先を形成している。さらに、すくい面側の凹面と逃げ面側の凹面との交差する角度は、基体すくい面と基体逃げ面との成す角度より小さい。以上の構成を有することにより、上記炭素膜被覆ドリルは、従来よりもさらに鋭利なエッジを有する。
すなわち、炭素膜刃先を含む部分(切れ刃)の炭素膜表面がすくい面および逃げ面の延長面に対してえぐられて凹面化されることで、炭素膜刃先の炭素膜が鋭く形成される。その結果、上記炭素膜被覆ドリルにおいては、従来方法により形成されたチャンファよりも鋭利なエッジを得ることができる。
上記炭素膜被覆ドリルでは、前記炭素膜がダイヤモンド膜であってもよい。
また、上記炭素膜被覆ドリルでは、前記炭素膜刃先に直交する面による、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の断面が、凹曲線状であってもよい。
また、上記炭素膜被覆ドリルでは、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の、前記炭素膜刃先と直交しそれぞれの面に沿った方向における幅が10μmから2000μmの範囲内であってもよい。
また、上記炭素膜被覆ドリルでは、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の深さが2μmから15μmの範囲内であってもよい。
また、上記炭素膜被覆ドリルでは、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の、前記炭素膜刃先と直交する方向における幅が10μmから2000μmの範囲内であって、前記すくい面側の凹面および前記逃げ面側の凹面の深さが2μmから15μmの範囲内であってもよい。
In this carbon film-coated drill, a concave surface on the rake face side and a concave surface on the flank face side that are recessed toward the tool base are formed in the carbon film in the region on the base rake surface and in the region on the base flank surface, respectively. . Furthermore, the concave surface on the rake face side and the concave surface on the flank face side intersect on the base blade edge to form a carbon film blade edge on the carbon film. Furthermore, the angle at which the concave surface on the rake face side and the concave surface on the flank side intersect is smaller than the angle formed by the base rake surface and the base flank surface. By having the above configuration, the carbon film-coated drill has a sharper edge than before.
In other words, the carbon film surface of the portion including the carbon film edge (cutting edge) is scooped and made concave with respect to the rake face and the extended surface of the flank face, so that the carbon film of the carbon film edge is sharply formed. As a result, in the carbon film-coated drill, a sharper edge than a chamfer formed by a conventional method can be obtained.
In the carbon film-coated drill, the carbon film may be a diamond film.
In the carbon film-coated drill, a cross section of the concave surface on the rake face side and the concave surface on the flank face side by a surface orthogonal to the carbon film cutting edge may be a concave curve shape .
Also, in the carbon film-coated drill, the concave surface of the concave and the flank side of the rake face side, the width of the carbon film cutting edge and perpendicular to the direction along the respective surfaces was within the range of 2000μm from 10μm May be.
In the carbon film-coated drill, a depth of the concave surface on the rake face side and a concave surface on the flank face side may be in a range of 2 μm to 15 μm.
In the carbon film-coated drill, a width of the concave surface on the rake face side and a concave surface on the flank face side in a direction perpendicular to the carbon film cutting edge is in a range of 10 μm to 2000 μm, and the rake face side The depth of the concave surface and the concave surface on the flank side may be in the range of 2 μm to 15 μm.
本発明の第二の態様である炭素膜被覆ドリルの製造方法は、上記本発明の炭素膜被覆ドリルを製造する方法であって、基体刃先と、前記基体刃先を挟んで互いに隣接する基体すくい面および基体逃げ面とを有する工具基体を用意する基体準備工程と、前記工具基体の前記基体すくい面、前記基体逃げ面、および前記基体刃先上に炭素膜を形成する炭素膜形成工程と、前記炭素膜にレーザビームを照射して、前記基体すくい面上の領域、および前記基体逃げ面上の領域に形成された前記炭素膜を加工して、すくい面側および逃げ面側に、それぞれすくい面側の凹面および逃げ面側の凹面を形成するレーザ加工工程と、を有し、前記すくい面側および前記逃げ面側の凹面は、前記基体刃先上で交差して炭素膜刃先を形成し、前記レーザ加工工程において、前記レーザビームのビーム断面での光強度分布が、ガウシアン分布を示し、前記レーザビームを、前記基体刃先前方から前記炭素膜刃先近傍における前記すくい面側または前記逃げ面側の前記炭素膜に向けて照射し、前記レーザビームは、前記基体刃先の延在方向に沿って少なくとも1ライン以上走査し、前記レーザ加工工程は、前記炭素膜のうち前記炭素膜刃先となるエッジ部分に、前記レーザビームの外周側を当てて走査する工程を含むことを特徴とする。 The method for producing a carbon film-coated drill according to the second aspect of the present invention is a method for producing the carbon film-coated drill according to the present invention, wherein the substrate blade edge and the substrate rake face adjacent to each other with the substrate blade edge interposed therebetween. And a base film preparing step of preparing a tool base having a base flank, a carbon film forming step of forming a carbon film on the base rake face, the base flank and the base cutting edge of the tool base, and the carbon The film is irradiated with a laser beam to process the carbon film formed in the region on the base rake face and in the region on the base flank face, on the rake face side and the flank face side, respectively. Forming a concave surface and a concave surface on the flank side, wherein the rake surface side and the concave surface on the flank side intersect on the base blade edge to form a carbon film blade edge, and the laser For processing And the light intensity distribution in the beam cross section of the laser beam shows a Gaussian distribution, and the laser beam is applied from the front of the base blade edge to the carbon film on the rake face side or the flank face side in the vicinity of the carbon film blade edge. irradiated toward the front SL laser beam, along the extending direction of the substrate cutting edge by scanning at least one line above, the laser processing step, an edge portion serving as the carbon film cutting edge of the carbon film, wherein The method includes a step of scanning by applying an outer peripheral side of the laser beam .
この炭素膜被覆ドリルの製造方法では、レーザ加工工程において、レーザビームのビーム断面での光強度分布がガウシアン分布を示し、レーザビームを、刃先前方から刃先近傍におけるすくい面側または逃げ面側の炭素膜に向けて照射し、このレーザビームは、刃先の延在方向に沿って走査することで前記凹面を形成する。その結果、刃先前方から照射されたレーザビームによる炭素膜の切除痕が、炭素膜刃先に対して直交する断面で見た場合、凹曲線状となり、高精度に前記凹面を刃先に沿って形成することができる。また、炭素膜の先端部(エッジ部分)には、レーザビームの外周側が当たるため、該先端部におけるレーザビームのパワー(強度)密度をレーザビームの中心部と比較して弱めることができる。その結果、炭素膜の先端部が必要以上に切除されて鈍角になることを防ぐことができる。 In this method of manufacturing a carbon film-coated drill, in the laser processing step, the light intensity distribution at the beam cross section of the laser beam shows a Gaussian distribution, and the laser beam is applied to the carbon on the rake face side or flank side from the front of the blade edge to the vicinity of the blade edge. The film is irradiated toward the film, and this laser beam scans along the extending direction of the blade edge to form the concave surface. As a result, when the carbon film excision mark by the laser beam irradiated from the front of the cutting edge is seen in a cross section orthogonal to the carbon film cutting edge, it becomes a concave curve, and the concave surface is formed along the cutting edge with high accuracy. be able to. In addition, since the outer peripheral side of the laser beam hits the tip portion (edge portion) of the carbon film, the power (intensity) density of the laser beam at the tip portion can be weakened as compared with the center portion of the laser beam. As a result, it is possible to prevent the tip end portion of the carbon film from being cut more than necessary and becoming obtuse.
上記炭素膜被覆ドリルの製造方法では、前記炭素膜形成工程において、CVD成膜コーティングにより、前記基体刃先上に前記炭素膜を他の部分より盛り上げて形成してもよい。
上記炭素膜被覆ドリルの製造方法では、炭素膜形成工程において、予め基体刃先上に炭素膜を他の部分より盛り上げて形成しておくことで、レーザ加工工程における炭素膜の削りしろを大きく設けている。そのため、この炭素膜被覆ドリルの製造方法では、より深い凹面およびより鋭利なエッジを形成することが可能になる。なお、すくい面と逃げ面との2面が近接する基体刃先は、炭素膜が成長し易い場所であることから、炭素膜を厚めにCVD成膜でコーティングすることで、切れ刃部分に炭素膜を他の部分より盛り上げて形成することができる。
In the carbon film-coated drill manufacturing method, in the carbon film forming step, the carbon film may be formed so as to be raised from the other portion on the base blade edge by CVD film formation coating.
In the carbon film-coated drill manufacturing method, in the carbon film forming step, the carbon film is formed on the base blade edge in advance from other portions, thereby providing a large margin for the carbon film in the laser processing step. Yes. Therefore, in this carbon film-coated drill manufacturing method, it becomes possible to form deeper concave surfaces and sharper edges. In addition, since the base cutting edge where the two surfaces of the rake face and the flank face are close to each other is a place where the carbon film is easy to grow, the carbon film is coated on the cutting edge portion by coating the carbon film with a thick CVD film. Can be formed higher than other portions.
上記炭素膜被覆ドリルの製造方法では、前記炭素膜が、ダイヤモンド膜であり、前記レーザビームの波長が、360nm以下であってもよい。
この炭素膜被覆ドリルの製造方法では、炭素膜が、ダイヤモンド膜であり、レーザビームの波長が、360nm以下であるので、ダイヤモンド加工に適した波長のレーザビームにより高精度にダイヤモンド膜を加工することができる。
また、上記炭素膜被覆ドリルの製造方法において、前記レーザ加工工程では、前記レーザビームの走査を10ライン以下の複数ラインとし、前記レーザビームの走査ラインをスライドさせながら、それぞれの走査ラインが部分的に重なった状態として照射を行い、前記炭素膜刃先となるエッジ部分に対しては、前記レーザビームの外周側を当てることとしてもよい。
In the carbon film-coated drill manufacturing method, the carbon film may be a diamond film, and the wavelength of the laser beam may be 360 nm or less.
In this carbon film-coated drill manufacturing method, since the carbon film is a diamond film and the wavelength of the laser beam is 360 nm or less, the diamond film is processed with high accuracy by a laser beam having a wavelength suitable for diamond processing. Can do.
Further, in the method for manufacturing a carbon film-coated drill, in the laser processing step, scanning of the laser beam is set to a plurality of lines of 10 lines or less, and each scanning line is partially moved while sliding the scanning line of the laser beam. It is good also as irradiating as the state which overlapped with the edge part of the said laser beam with respect to the edge part used as the said carbon film blade edge.
本発明の態様によれば、以下の効果を奏する。
本発明の第一の態様である炭素膜被覆ドリルにおいては、基体すくい面上の領域、および基体逃げ面上の領域の炭素膜に、工具基体に向けて凹んだすくい面側の凹面および逃げ面側の凹面がそれぞれ形成されている。さらに、すくい面側の凹面および逃げ面側の凹面は、基体刃先上で交差して炭素膜に炭素膜刃先を形成している。さらに、すくい面側の凹面と逃げ面側の凹面との交差する角度は、基体すくい面と基体逃げ面との成す角度より小さい。以上の構成を有することにより、上記炭素膜被覆ドリルは、従来よりもさらに鋭利なエッジを有することができる。
また、本発明の第二の態様である炭素膜被覆ドリルの製造方法によれば、レーザ加工工程において、レーザビームのビーム断面での光強度分布がガウシアン分布を示し、レーザビームを、刃先前方から刃先近傍におけるすくい面側または逃げ面側の炭素膜に向けて照射し、このレーザビームは、刃先の延在方向に沿って走査することで前記凹面を形成するので、高精度に前記凹面を刃先に沿って形成することができ、鋭利なエッジを形成することができる。
したがって、本発明の炭素膜被覆ドリルおよび上記製法で作製した炭素膜被覆ドリルは、炭素膜による耐摩耗性だけでなく切れ味に優れ、非鉄金属および複合材料加工用のドリルとしても適している。
According to the aspects of the present invention, the following effects can be obtained.
In the carbon film-coated drill according to the first aspect of the present invention, the concave surface and the flank on the rake face side recessed toward the tool base in the carbon film in the region on the base rake face and in the region on the base flank. A concave surface is formed on each side. Furthermore, the concave surface on the rake face side and the concave surface on the flank face side intersect on the base blade edge to form a carbon film blade edge on the carbon film. Furthermore, the angle at which the concave surface on the rake face side and the concave surface on the flank side intersect is smaller than the angle formed by the base rake surface and the base flank surface. By having the above configuration, the carbon film-coated drill can have a sharper edge than before.
Further, according to the method for manufacturing a carbon film-coated drill according to the second aspect of the present invention, in the laser processing step, the light intensity distribution in the beam cross section of the laser beam shows a Gaussian distribution, and the laser beam is directed from the front of the blade edge. Irradiating toward the rake face side or flank side carbon film in the vicinity of the cutting edge, and this laser beam scans along the extending direction of the cutting edge to form the concave face. And a sharp edge can be formed.
Therefore, the carbon film-coated drill of the present invention and the carbon film-coated drill produced by the above-described method are excellent not only in wear resistance due to the carbon film but also in sharpness, and are also suitable as drills for processing non-ferrous metals and composite materials.
以下、本発明に係る炭素膜被覆ドリルおよびその製造方法の一実施形態を、図1から図6を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している部分がある。 Hereinafter, an embodiment of a carbon film-coated drill and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6. In each drawing used in the following description, there is a portion where the scale is appropriately changed as necessary in order to make each member recognizable or easily recognizable.
本実施形態の炭素膜被覆ドリル1は、図1に示すように、工具基体2の基体すくい面2c、基体逃げ面2d、および基体刃先2b上に炭素膜3が形成されたドリルである。この、炭素膜被覆ドリル1では、炭素膜3には、基体すくい面2c上の領域、および前記基体逃げ面2d上の領域に、前記工具基体2に向けて凹んだすくい面側の凹面3aおよび逃げ面側の凹面3aがそれぞれ形成されている。
また、すくい面側の凹面3aおよび逃げ面側の凹面3aは、基体刃先2b上で交差して炭素膜3に炭素膜刃先3bを形成している。また、すくい面側の凹面3aと逃げ面側の凹面3aの交差する角度θ1は、基体すくい面2cと基体逃げ面2dとの成す角度θ0より小さい。
この炭素膜被覆ドリル1は、図2Aおよび2Bに示すように、例えばシャンク部1aと先端に設けられた一対の刃先3bとを有する。そして、さらにドリルボディ側面に設けられた、螺旋状溝が2本形成された刃部1bを有する。
この炭素膜被覆ドリル1は、図6に示すように、先端部に設けられた逃げ面4bおよびすくい面4a内で開口し、ドリル軸に沿って連通するらせん穴を二本備えてもよい。切削時には、このらせん穴を通して、切削箇所へ潤滑油が供給される。
この炭素膜被覆ドリル1において、炭素膜3の膜厚は特に限定されないが、5から50μmが好ましく、8から20μmがより好ましい。
The carbon film-coated
Further, the rake face side
As shown in FIGS. 2A and 2B, the carbon film-coated
As shown in FIG. 6, the carbon film-coated
In this carbon film-coated
上記工具基体2は、例えばWC(タングステンカーバイト)等の超硬合金で形成される。上記炭素膜3は、CVD(化学気相成長法)等で成膜されたダイヤモンド膜、グラファイト膜またはDLC(ダイヤモンドライクカーボン)膜等である。
The
隣接するすくい面4a側の炭素膜3表面と、逃げ面4b側の炭素膜3表面とには、上述したように、工具基体に向けて凹んだすくい面側の凹面3aおよび逃げ面側の凹面3aがそれぞれ形成されている。そして、これらすくい面4a側および逃げ面4b側の凹面3aの表面同士は、炭素膜刃先3bの稜線を境界として接触している。
このため、これら一対の凹面3aの境界に形成された炭素膜3の先端(エッジ、炭素膜刃先3b)における、前記すくい面側の凹面3aと前記逃げ面側の凹面3aの交差する角度θ1(すくい面4aおよび逃げ面4bに直交する面における断面の炭素膜刃先3bの先端角度)は、基体すくい面2cと基体逃げ面2dとの成す角度θ0より小さく形状加工されている。言い換えると、「θ1<θ0」となるように基体2をコーティングしている炭素膜3が加工されている。また、炭素膜刃先3bに形成された炭素膜3の先端部は、曲率半径2μm以下に加工されている。
好ましい凹面の曲率半径は、ドリルの大きさにより異なるが、ドリル径が0.5mm〜20mmである場合は、曲率半径が5μmから3000μmの範囲内であることが好ましい。さらに好ましい曲率半径は15μmから300μmである。
炭素膜刃先3bの延在方向と直交する方向における、上記凹面の幅は、ドリルの大きさにより異なるが、ドリル径が0.5mm〜20mmである場合は、凹面の幅が10μmから2000μmの範囲内であることが好ましい。さらに好ましい凹面の幅は20μmから1000μmである。
上記凹面の深さは、ドリルの大きさにより異なるが、ドリル径が0.5mm〜20mmである場合は、凹面の深さが2μmから15μmの範囲内であることが好ましい。さらに好ましい凹面の深さは2μmから10μmである。
As described above, the surface of the carbon film 3 on the side of the
For this reason, at the front end (edge, carbon
The preferred curvature radius of the concave surface varies depending on the size of the drill, but when the drill diameter is 0.5 mm to 20 mm, the curvature radius is preferably in the range of 5 μm to 3000 μm. A more preferable radius of curvature is 15 μm to 300 μm.
The width of the concave surface in the direction orthogonal to the extending direction of the carbon
The depth of the concave surface varies depending on the size of the drill, but when the drill diameter is 0.5 mm to 20 mm, the depth of the concave surface is preferably in the range of 2 μm to 15 μm. A more preferable depth of the concave surface is 2 μm to 10 μm.
次に、本実施形態の炭素膜被覆ドリルを製造する方法について、図1から図6を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the carbon film-coated drill of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
本実施形態の炭素膜被覆ドリル1の製造方法は、基体刃先2bと、前記基体刃先2bを挟んで互いに隣接する基体すくい面2cおよび基体逃げ面2dとを有する工具基体2を用意する基体準備工程と、前記工具基体2の前記基体すくい面2c、前記基体逃げ面2d、および前記基体刃先2b上に炭素膜を形成する炭素膜形成工程と、前記炭素膜3にレーザビームを照射して、前記基体すくい面2c上の領域、および前記基体逃げ面2d上の領域に形成された前記炭素膜3を加工して、すくい面側および逃げ面側に、それぞれすくい面側の凹面3aおよび逃げ面側の凹面3aを形成するレーザ加工工程とを有している。
上記炭素膜形成工程では、図5に示す様に、予め基体刃先2b上に炭素膜3を他の部分より盛り上げて形成しておく。基体すくい面2cと基体逃げ面2dとの2面が隣接する基体刃先2b上は、化学蒸着(CVD)により形成される炭素膜3が成長し易い場所である。そのため、CVD成膜により、炭素膜3を厚めにコーティングすることで、図5に示す様に、基体刃先2b上に炭素膜3を他の部分より盛り上げて形成することができる。
The manufacturing method of the carbon film-coated
In the carbon film forming step, as shown in FIG. 5, the carbon film 3 is formed on the
上記レーザ加工工程に用いるレーザ加工装置21は、図3に示すように、工具基体2に被覆された炭素膜3にレーザビーム(レーザ光)Lを照射して加工する装置である。この、レーザ加工装置21は、レーザ光照射機構22と、回転機構23と、移動機構24と、制御部25と、を備えている。上記のレーザ光照射機構22は、レーザビームLをパルス発振し、炭素膜3に対して、一定の繰り返し周波数で照射し、かつ炭素膜3上を走査する。上記の回転機構23は、回転可能なモータ等を有し、炭素膜3により被覆された工具基体2を保持し、ドリル形状を有する被加工物にドリル軸を中心とする回転運動を与える。上記の移動機構24上には、上記の回転機構23が載置される。この移動機構24は、上記回転機構23を載置させたまま、その位置を変化させることが出来る。上記の制御部25は、上記レーザ光照射機構22、回転機構23、および移動機構24を、意図したレーザ加工を行うために適切に制御する。
As shown in FIG. 3, the
上記移動機構24は、水平面に平行な任意の方向、X方向に移動可能なX軸ステージ部24xと、上記X方向に対して垂直かつ水平面に平行な方向、Y方向に移動方向なY軸ステージ部24yと、水平面に対して垂直方向である、Z方向に移動可能なZ軸ステージ部24zと、を備える。上記のY軸ステージ部24yは、上記のX軸ステージ部24x上に設けられている。上記のZ軸ステージ部24zは、上記のY軸ステージ部24y上に設けられている。このZ軸ステージ部24zには、上記回転機構23が固定されており、工具基体2を保持することが出来る。
The moving
上記レーザ光照射機構22は、レーザ光源26と、ガルバノスキャナ27と、CCDカメラ28と、を備えている。上記のレーザ光源26は、スポット状に集光させる光学系を有し、Qスイッチのトリガー信号によりレーザビームLとなるレーザ光を発振する。上記のガルバノスキャナ27により、照射するレーザビームLは、被加工物である炭素膜上を走査する。保持された状態の炭素膜被覆工具基体2は、上記のCCDカメラ28により撮像される。そして、工具基体2の加工位置が確認される。
The laser
このレーザ光照射機構22により出射されるレーザビームLは、シングルモードであり、ビーム断面での光強度分布がガウシアン分布を示す。すなわち、上記ビーム断面の中心を通る任意の直線を、上記断面内で引き、その直線上における光強度を測定した場合、中心点において最も光強度が強くなり、上記ビーム断面の両外側に向かうにしたがって、光強度は弱くなっている。また、図4に示すように、集光点においてビーム断面が楕円形状となっている。
また、レーザ光照射機構22は、レーザビームLの走査方向を、楕円形状であるビーム断面の長軸方向または短軸方向に一致させている。これは、レーザビームLの走査方向が、上記の楕円形状を有するビーム断面の長軸方向または短軸方向に一致せず、長軸または短軸に対して傾いた方向である場合、走査終端部分において、加工形状が傾いてズレが生じてしまうためである。なお、本実施形態では、レーザビームLの走査方向を、上記ビーム断面の短軸方向に一致させている。
The laser beam L emitted from the laser
Further, the laser
上記レーザ光源26は、190〜550nmのいずれかの波長のレーザ光を照射できるものが使用可能であり、例えば本実施形態では、波長355nmのレーザ光(Nd:YAGレーザの第三高調波)を発振して出射できるものを用いている。
なお、炭素膜3が、ダイヤモンド膜である場合、レーザビームLの波長は、360nm以下の紫外線レーザ光を使用する。
レーザ加工工程における、レーザ光源26の波長は、190〜550nmがより好ましい。さらに好ましくは、190〜360nmである。
上記ガルバノスキャナ27は、移動機構24の直上に配置されている。また、上記CCDカメラ28は、ガルバノスキャナ27に隣接して設置されている。
As the
When the carbon film 3 is a diamond film, an ultraviolet laser beam with a wavelength of 360 nm or less is used for the laser beam L.
The wavelength of the
The
上記レーザ加工工程では、ビーム断面の光強度分布がガウシアン分布であるレーザビームLを、基体刃先2b前方から炭素膜刃先3b近傍におけるすくい面4a側または逃げ面4b側の炭素膜3に向けて照射し、さらに、基体刃先2bの延在方向に沿って走査して凹面3aを形成する。ここで、基体刃先2b前方とは、図5の工具断面図において、基体すくい面と基体逃げ面とが交差して出来る角の二等分線を工具基体の外側に延長した時の、この延長線上の点を意味している。また、この延長線は、基体刃先2bを支点として0°超、90°未満の範囲で基体すくい面側または基体逃げ面側に折り曲げて延長されてもよい。また、基体刃先2bの延在方向とは、図5における紙面に直交する方向を意味している。
In the laser processing step, a laser beam L having a Gaussian distribution in the beam cross section is irradiated from the front of the
また、レーザ加工工程では、基体刃先2b前方からレーザビームLを照射するが、移動機構24やガルバノスキャナ27を制御して、例えばすくい面4aまたは逃げ面4bに対して20°以下の角度で炭素膜3に照射する。また、基体刃先2bの延在方向、すなわち図1の紙面に垂直な方向にレーザビームLを走査し、図5に示すように、ビーム走査ラインが1ライン以上10ライン以下のカスケード状(レーザビームLの走査ラインをスライドさせながら、それぞれの走査ラインが部分的に重なった状態)に照射を行う。なお、レーザビームLの集光角度や焦点位置に応じて、走査ラインの数が適宜設定される。本実施形態では、集光される前にレーザビームLが工具基体2の壁面に当たり、所望の部位への照射が困難なため、10ライン以下に設定している。
Further, in the laser processing step, the laser beam L is irradiated from the front of the
このレーザ加工工程では、レーザビームLのビーム断面での光強度分布がガウシアン分布を有しているため、レーザビームLの中心ほど強度が高く、レーザビームLの中心ほど深く加工されると共に周辺ほど浅く加工される。そのため、炭素膜3の先端(エッジ部分)に当たるレーザビームLのパワー密度は弱くなる。
なお、炭素膜3によっては、加工表面から1μm程度まではダイヤモンドがアモルファスカーボンになる等の構造変化が起こり得る。
加工表面から1μm以下の厚さで形成されるアモルファスカーボン層は、切削時に弾性層として機能することにより、炭素膜被覆ドリル1の切れ刃3bのチッピングを抑制する働きを持つ。
In this laser processing step, the light intensity distribution in the beam cross section of the laser beam L has a Gaussian distribution. Processed shallowly. Therefore, the power density of the laser beam L that strikes the tip (edge portion) of the carbon film 3 becomes weak.
Depending on the carbon film 3, structural changes such as diamond becoming amorphous carbon can occur up to about 1 μm from the processed surface.
The amorphous carbon layer formed with a thickness of 1 μm or less from the processed surface functions as an elastic layer during cutting, thereby suppressing chipping of the
このように本実施形態の炭素膜被覆ドリル1では、炭素膜3には、基体すくい面2c上の領域、および基体逃げ面2d上の領域に、工具基体に向けて凹んだすくい面側の凹面3aおよび逃げ面側の凹面3aがそれぞれ形成されている。また、すくい面側の凹面3aおよび逃げ面側の凹面3aは、基体刃先2b上で交差して炭素膜3に炭素膜刃先3bを形成している。そして、すくい面側の凹面3aと逃げ面側の凹面3aの交差する角度θ1は、基体すくい面2cと基体逃げ面2dとの成す角度θ0より小さい。上記の構成を有することにより、本実施形態の炭素膜被覆ドリル1は、従来よりもさらに鋭利なエッジを有することができる。すなわち、図1および図5に示されるように、炭素膜刃先3bに接触しているすくい面側および逃げ面側の炭素膜3表面が、すくい面4aおよび逃げ面4bの延長面に対してえぐられて凹面化されている。そのため、炭素膜刃先3b部分の炭素膜3が鋭く尖った形に形作られ、従来のようなチャンファを形成するよりも鋭利なエッジを得ることができる。
As described above, in the carbon film-coated
また、この炭素膜被覆ドリル1の製造方法では、レーザ加工工程において、ビーム断面での光強度分布がガウシアン分布を示すレーザビームLを、基体刃先2b前方から、炭素膜刃先3b近傍におけるすくい面4a側または逃げ面4b側の炭素膜3に向けて照射している。そして、さらに上記レーザビームLを、基体刃先2bの延在方向に沿って走査することにより、凹面3aを形成している。上記の構成を有することにより、この炭素膜被覆ドリル1の製造方法では、図5に示すように、基体刃先2b前方から照射されたレーザビームLによる炭素膜3の切除痕が断面凹曲線状となり、高精度に凹面3aを刃先2bに沿って形成することができる。
Further, in the method of manufacturing the carbon film-coated
また、炭素膜3の先端部(エッジ部分)には、レーザビームLの外周側が当たるため、該先端部におけるレーザビームLのパワー密度を弱めることができる。その結果、炭素膜3の先端部(エッジ部分)が必要以上に切除されて鈍角になることを防ぐことができる。
さらに、炭素膜形成工程において、予め基体刃先2b上に炭素膜3を他の部分より盛り上げて形成しておくことで、レーザ加工工程における炭素膜3の削りしろを大きく設けている。その結果、この炭素膜被覆ドリル1の製造方法によって、より深い凹面3aおよびより鋭利なエッジを形成することが可能になる。
Further, since the outer peripheral side of the laser beam L hits the tip portion (edge portion) of the carbon film 3, the power density of the laser beam L at the tip portion can be weakened. As a result, it is possible to prevent the distal end portion (edge portion) of the carbon film 3 from being cut more than necessary and becoming obtuse.
Further, in the carbon film forming process, the carbon film 3 is previously formed on the
次に、上記本実施形態の炭素膜被覆ドリルの製造方法により、実際に作製した炭素膜被覆ドリルの実施例について、図5を参照して説明する。 Next, an example of a carbon film-coated drill actually produced by the method for manufacturing a carbon film-coated drill of the present embodiment will be described with reference to FIG.
本実施例では、波長262nm(Nd:YLFレーザ(基本波:波長1047nm)の4倍波)、繰り返し10kHz、平均出力0.1Wのレーザ光を照射可能な上記レーザ加工装置により、レーザ光をfθレンズ(焦点距離f=150mm)によって集光し、ガルバノスキャナを用いて25mm/sの走査速度で同じ軌跡を4回走査させて、気相合成によるダイヤモンド被膜を炭素膜3として施したドリル1の切り刃2aを、鋭利に加工した。
In this embodiment, the laser beam is fθ by the above laser processing apparatus capable of irradiating laser beam having a wavelength of 262 nm (Nd: YLF laser (4th harmonic wave of fundamental wave: wavelength 1047 nm)), repetition of 10 kHz and average output of 0.1 W. The
なお、準備として、図5に示すように、超硬合金製の工具基体2に平均膜厚17μmのダイヤモンドを気相合成により成膜し、切れ刃2aである逃げ面4bとすくい面4aとのなす稜線部(炭素膜刃先3b)に平均膜厚よりも厚くダイヤモンド膜の炭素膜3を形成した。なお、炭素膜質の測定については、ラマン分光法を用いた。
また、上述したように、切れ刃2aの部分は、成膜サイトが平面よりも多くなるため、厚くかつラウンド化してダイヤモンド膜(炭素膜3)が成膜されている。
As a preparation, as shown in FIG. 5, diamond having an average film thickness of 17 μm is formed on the
Further, as described above, since the portion of the
例えば、図1に示すように、まず、工具基体2の基体刃先2bからすくい面4aに沿って100μm以上離れたすくい面4a上の領域の平均炭素膜厚を平均膜厚taと定義する。次に、基体刃先2bからすくい面4aに沿って50μm以内までのすくい面上の領域の平均炭素膜厚を平均膜厚teと定義する。この平均炭素膜厚teは、レーザ加工前の、上記の厚くかつラウンド化した部分の一部を含んでいる。
本実施例では、上記平均膜厚taを5μm以上とした。さらに付け加えて、「te>ta 」の関係になるようにダイヤモンド膜を成膜した。
For example, as shown in FIG. 1, first, an average carbon film thickness in a region on the
In this embodiment, the average film thickness ta is set to 5 μm or more. In addition, a diamond film was formed so as to have a relationship of “te> ta”.
次に、レーザビームLの照射方向に対してすくい面4aおよび逃げ面4bを10°傾け、各々の方向から基体刃先2bの稜線に平行にレーザビームLを走査した。この場合、レーザビームLは、最終的に形成される炭素膜刃先3bの延在方向に平行に走査される。図5に示すように、最初のビーム照射狙い位置P1は、すくい面4aおよび逃げ面4bの平均高さ(切れ刃2aの部分に形成された厚くラウンド化された部分は含まない)の延長線4d、4cと切れ刃2a部分の厚くラウンド化した炭素膜3表面との交点から、炭素膜刃先3bの外側へ4μmずらした位置に設定した。
Next, the
このように上記製造方法で作製した炭素膜被覆ドリル1では、工具基体2のすくい角が28°であるところ、炭素膜3をレーザ加工してできた、炭素膜被覆ドリル1では、すくい角が30°であり、すくい角がより大きな角度に保たれた。
Thus, in the carbon film-coated
この本発明の実施例である炭素膜被覆ドリルについて切削試験を行い、穴開け加工による寿命を測定した結果を表1に示す。また、比較例として、レーザ加工していない従来の炭素膜(ダイヤモンド膜)被覆をしたドリルについても、同様に測定した結果を表1に併せて示す。なお、ワーク(被削体)としては、炭素繊維と熱硬化型エポキシ系樹脂とが直交積層構造を持つCFRP(炭素繊維強化プラスチック)を使用し、穴開け時の加工条件は表1に示す通りである。また、寿命判定は、バリまたはデラミネーションが発生した穴開け回数に基づいて行った。 Table 1 shows the results of performing cutting tests on the carbon film-coated drills according to the examples of the present invention and measuring the lifespan by drilling. As a comparative example, Table 1 also shows the results of measurement in the same manner for a drill with a conventional carbon film (diamond film) coating that has not been laser processed. As the workpiece (workpiece), CFRP (carbon fiber reinforced plastic) in which carbon fiber and thermosetting epoxy resin have an orthogonal laminated structure is used, and the processing conditions at the time of drilling are as shown in Table 1. It is. In addition, the life determination was performed based on the number of times of piercing in which burrs or delamination occurred.
この結果からわかるように比較例の炭素膜被覆ドリルでは、350回でバリまたはデラミネーションが発生したのに対し、本実施例の炭素膜被覆ドリルでは、520回までバリまたはデラミネーションが発生せず、鋭利な切り刃で切削抵抗が低減されたことによる高寿命化が確認された。 As can be seen from the results, in the carbon film-coated drill of the comparative example, burrs or delamination occurred 350 times, whereas in the carbon film-coated drill of this example, burrs or delamination did not occur until 520 times. As a result, it was confirmed that the cutting force was reduced with a sharp cutting edge, thereby extending the service life.
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
本発明の炭素膜被覆ドリルは、鋭利な刃先形状を有しているので、切削抵抗が低減される。その結果、本炭素皮膜ドリルの使用寿命が長くなる。 Since the carbon film-coated drill of the present invention has a sharp cutting edge shape, cutting resistance is reduced. As a result, the service life of the present carbon film drill is extended.
1 炭素膜被覆ドリル
2 工具基体
2a 切れ刃
2b 基体刃先
2c 基体すくい面
2d 基体逃げ面
3 炭素膜
3a 凹面
3b 炭素膜刃先
4a すくい面
4b 逃げ面
θ0 基体すくい面と基体逃げ面との成す角度
θ1 すくい面側の凹面および逃げ面側の凹面の交差する角度
DESCRIPTION OF
Claims (10)
基体刃先(2b)と、前記基体刃先(2b)を挟んで互いに隣接する基体すくい面(2c)および基体逃げ面(2d)とを有する工具基体(2)と、
前記基体刃先(2b)、前記基体すくい面(2c)、および前記基体逃げ面(2d)の上に形成された炭素膜(3)とを有し、
前記炭素膜(3)には、前記基体すくい面(2c)上の領域、および前記基体逃げ面(2d)上の領域に、前記工具基体に向けて凹んだすくい面側の凹面(3a)および逃げ面側の凹面(3a)がそれぞれ形成され、
前記すくい面側の凹面(3a)および前記逃げ面側の凹面(3a)は、前記基体刃先(2b)上で交差して前記炭素膜(3)に炭素膜刃先(3b)を形成しており、
前記すくい面側の凹面(3a)と前記逃げ面側の凹面(3a)の交差する角度(θ1)は、前記基体すくい面(2c)と前記基体逃げ面(2d)との成す角度(θ0)より小さいことを特徴とする炭素膜被覆ドリル。 A carbon film-coated drill (1),
A tool substrate (2) having a substrate cutting edge (2b) and a substrate scooping surface (2c) and a substrate relief surface (2d) adjacent to each other with the substrate cutting edge (2b) interposed therebetween;
A carbon film (3) formed on the substrate cutting edge (2b), the substrate rake face (2c), and the substrate flank (2d);
The carbon film (3) includes a concave surface (3a) on the rake face side that is recessed toward the tool base in a region on the base rake face (2c) and a region on the base flank (2d). Concave surfaces (3a) on the flank side are respectively formed,
The concave surface (3a) on the rake face side and the concave surface (3a) on the flank face side intersect on the base blade edge (2b) to form a carbon film blade edge (3b) on the carbon film (3). ,
The angle (θ1) at which the concave surface (3a) on the rake face side and the concave surface (3a) on the flank side intersect is an angle (θ0) formed by the base rake surface (2c) and the base flank surface (2d). A carbon film coated drill characterized by being smaller.
前記すくい面側の凹面(3a)および前記逃げ面側の凹面(3a)の深さが2μmから15μmの範囲内である炭素膜被覆ドリル(1)。 The carbon film-coated drill (1) according to claim 3 , wherein the rake face side concave surface (3a) and the flank side concave surface (3a) in a direction perpendicular to the carbon film cutting edge (3b). The width is in the range of 10 μm to 2000 μm,
A carbon film-coated drill (1) in which the rake face side concave surface (3a) and the flank side concave surface (3a) have a depth in the range of 2 μm to 15 μm.
基体刃先(2b)と、前記基体刃先(2b)を挟んで互いに隣接する基体すくい面(2c)および基体逃げ面(2d)とを有する工具基体(2)を用意する基体準備工程と、
前記工具基体(2)の前記基体すくい面(2c)、前記基体逃げ面(2d)、および前記基体刃先(2b)上に炭素膜(3)を形成する炭素膜形成工程と、
前記炭素膜(3)にレーザビームを照射して、前記基体すくい面(2c)上の領域、および前記基体逃げ面(2d)上の領域に形成された前記炭素膜(3)を加工して、すくい面側および逃げ面側に、それぞれすくい面側の凹面(3a)および逃げ面側の凹面(3a)を形成するレーザ加工工程と、を有し、
前記すくい面側および前記逃げ面側の凹面(3a)は、前記基体刃先(2b)上で交差して炭素膜刃先(3b)を形成し、
前記レーザ加工工程において、前記レーザビームのビーム断面での光強度分布が、ガウシアン分布を示し、
前記レーザビームを、前記基体刃先(2b)前方から前記炭素膜刃先(3b)近傍における前記すくい面側または前記逃げ面側の前記炭素膜(3)に向けて照射し、
前記レーザビームは、前記基体刃先(2b)の延在方向に沿って少なくとも1ライン以上走査し、
前記レーザ加工工程は、前記炭素膜(3)のうち前記炭素膜刃先(3b)となるエッジ部分に、前記レーザビームの外周側を当てて走査する工程を含むことを特徴とする炭素膜被覆ドリルの製造方法。 A method of manufacturing a carbon film-coated drill, comprising:
A base preparation step of preparing a tool base (2) having a base cutting edge (2b) and a base scooping surface (2c) and a base escape surface (2d) adjacent to each other with the base cutting edge (2b) interposed therebetween;
A carbon film forming step of forming a carbon film (3) on the base rake face (2c), the base flank face (2d), and the base cutting edge (2b) of the tool base (2);
The carbon film (3) formed in the region on the base rake face (2c) and the region on the base flank (2d) is processed by irradiating the carbon film (3) with a laser beam. A laser processing step for forming a rake face side concave surface (3a) and a flank face concave surface (3a) on the rake face side and the flank face side, respectively,
The rake face side and the flank concave face (3a) intersect on the base blade edge (2b) to form a carbon film blade edge (3b),
In the laser processing step, the light intensity distribution in the beam cross section of the laser beam shows a Gaussian distribution,
Irradiating the laser beam from the front of the base blade edge (2b) toward the carbon film (3) on the rake face side or the flank face side in the vicinity of the carbon film blade edge (3b) ,
Before SL laser beam scans at least one line or more in the extending direction of the base edge (2b),
The laser processing step includes a step of scanning by applying an outer peripheral side of the laser beam to an edge portion of the carbon film (3) to be the carbon film cutting edge (3b). Manufacturing method.
前記炭素膜形成工程において、CVD成膜コーティングにより、前記基体刃先(2b)上に前記炭素膜(3)を他の部分より盛り上げて形成する炭素膜被覆ドリルの製造方法。 It is a manufacturing method of the carbon film covering drill according to claim 7 ,
In the carbon film forming step, a method of manufacturing a carbon film-coated drill, wherein the carbon film (3) is formed on the base blade edge (2b) by raising the carbon film (3) from another portion by CVD film coating.
前記炭素膜が、ダイヤモンド膜であり、
前記レーザビームの波長が、360nm以下である炭素膜被覆ドリルの製造方法。 A method for producing a carbon film-coated drill according to claim 7 or 8 ,
The carbon film is a diamond film;
The manufacturing method of the carbon film coating drill whose wavelength of the said laser beam is 360 nm or less.
前記レーザ加工工程では、前記レーザビームの走査を10ライン以下の複数ラインとし、前記レーザビームの走査ラインをスライドさせながら、それぞれの走査ラインが部分的に重なった状態として照射を行い、 In the laser processing step, scanning with the laser beam is a plurality of lines of 10 lines or less, and while the scanning line of the laser beam is slid, irradiation is performed with each scanning line partially overlapped,
前記炭素膜刃先(3b)となるエッジ部分に対しては、前記レーザビームの外周側を当てることを特徴とする炭素膜被覆ドリルの製造方法。 A method of manufacturing a carbon film-coated drill, wherein an outer peripheral side of the laser beam is applied to an edge portion serving as the carbon film blade edge (3b).
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