JP6404906B2 - 切削工具 - Google Patents

Description

この発明は、非鉄金属およびそれらの合金、木材、木質材料または樹脂の切削加工に用いられる切削工具に関するものである。

木材切削用の刃物として、すくい面および逃げ面の一面または両面を硬質被膜で被覆して耐摩耗性を改善したものが提案されている(例えば、特許文献１参照)。硬質被膜は、アークイオンプレーティング装置によるコーティング処理によって工具鋼等の母材上に形成され、すくい面および逃げ面に亘って例えば４μｍ程度の膜厚で成膜される。そして、すくい面または逃げ面の一方を研磨して刃付けを行う。これにより、すくい面または逃げ面の一方に母材が露出すると共に、研磨していない逃げ面またはすくい面の他方が硬質被膜で覆われた刃物が得られる。なお、すくい面および逃げ面の両方を硬質被膜で被覆した刃物を得る場合には、母材を予め刃付け研磨してある。

特開２００７−２９０１８０号公報

すくい面または逃げ面の一方を硬質被膜で片面被覆した刃物は、良好な刃付け品質を得るために、特別な専用砥石やシビアな研磨条件などが必要になり、これにより製造コストが高くなるという問題が生じる。これに対して、すくい面および逃げ面について夫々の面の膜厚比を考慮せずに硬質被膜で両面被覆した刃物は、被削材の切削加工を行った際に、逃げ面とすくい面との摩耗速度があまり変わらないために、摩耗した切刃の形状が丸くなってしまう。すなわち、両面被覆した刃物は、片面被覆した刃物のように、硬質被膜を被覆していない面が硬質被膜を被覆した面よりも摩耗が早く進行する自己研磨特性に由来する鋭い切刃の維持が期待できない。しかも、すくい面および逃げ面について夫々の面の膜厚比を考慮せずに硬質被膜を形成すると、刃物角が鋭角の切刃に局所的に残留した応力などに起因して、切刃で硬質被膜のチッピングが生じ易くなることも判っている。

すなわち本発明は、従来の技術に係る前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、切刃の鋭さを維持しつつ切刃のチッピングを抑えることができる切削工具を提供することを目的とする。

前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明の切削工具は、
母材を被覆して切刃を含むすくい面および逃げ面の少なくとも一部に亘って形成された被膜を有し、非鉄金属およびそれらの合金、木材、木質材料または樹脂の切削加工に用いられる切削工具において、
前記被膜は、前記すくい面を被覆するすくい面被覆部が前記逃げ面を被覆する逃げ面被覆部よりも厚くなるよう形成されており、
すくい面被覆部の膜厚を、０．５μｍ〜１５．０μｍの範囲に設定すると共に、切刃から同じ距離にある該すくい面被覆部の膜厚に対する逃げ面被覆部の膜厚の比を、０．０１〜０．１５の範囲になるよう設定し、
前記母材における前記切刃に対応する部位を、該母材におけるすくい面の延長ラインと該母材における逃げ面の延長ラインとの交点から０．２μｍ〜１８μｍの範囲で離れるように形成したことを要旨とする。
請求項１に係る発明によれば、被膜の膜厚が薄い逃げ面被覆部が被膜の膜厚が厚いすくい面被覆部より摩耗が進行する自己研磨特性を有しているので、切刃の鋭さを保つことができる。また、被膜をすくい面と逃げ面とで膜厚が異なるよう形成することで、切刃のチッピングを抑制することができる。また、母材における切刃に対応する部位を面取りすることで、当該部位を含むすくい面および逃げ面に亘って被膜で被覆された切削工具において、切刃のチッピングをより抑えることができる。

請求項２に係る発明では、前記母材における前記切刃に対応する部位を、半径０．５μｍ〜６．０μｍの円弧状に形成したことを要旨とする。
請求項２に係る発明によれば、母材における切刃に対応する部位を円弧状に形成することで、当該部位を含むすくい面および逃げ面に亘って被膜で被覆された切削工具において、切刃のチッピングをより好適に抑えることができる。

請求項３に係る発明では、前記すくい面被覆部の膜厚に対する前記逃げ面被覆部の膜厚の比を、０．０１〜０．０５の範囲になるよう設定したことを要旨とする。
請求項３に係る発明によれば、すくい面被覆部に対する逃げ面被覆部の比を、０．０１〜０．０５の範囲になるよう設定することで、自己研磨特性による切刃の鋭さの維持と切刃のチッピングの抑制とをバランスよく達成できる。

請求項４に係る発明では、前記被膜は、少なくともクロムを含む窒化物、酸窒化物、酸化物、炭化物、炭酸化物、炭窒化物および炭酸窒化物の何れか１つまたは複数で構成される層を有していることを要旨とする。
請求項４に係る発明によれば、被膜としてクロムを含む層を有することで、耐摩耗性と耐食性を向上させることができる。

本発明に係る切削工具によれば、切刃の鋭さを維持しつつ切刃のチッピングを抑えることができる。

(ａ)は本発明の好適な実施例に係る切削工具の替刃を示す平面図であり、(ｂ)は正面図である。 実施例に係る切削工具の切刃を示す断面模式図であり、すくい面を逃げ面よりも被膜を厚く形成した場合である。 実施例に係る切削工具の切刃を示す断面模式図であり、逃げ面をすくい面よりも被膜を厚く形成した場合である。 超硬替刃の要部断面を拡大した電子顕微鏡写真であって、試験例４を示す。 超硬替刃の要部断面を拡大した電子顕微鏡写真であって、試験例７を示す。 (ａ)は試験例１〜４の超硬替刃において切刃からの距離毎のすくい面の被膜厚を示し、(ｂ)は試験例１〜４の超硬替刃において切刃からの距離毎の逃げ面の被膜厚を示し、(ｃ)は試験例１〜４の超硬替刃において切刃からの距離毎のすくい面と逃げ面との被膜厚の比を示す。なお、マル１が試験例１に対応し、マル２が試験例２に対応し、マル３が試験例３に対応し、マル４が試験例４に対応している。 試験１を行った後の超硬替刃における切刃断面形状を示す図であって、(ａ)は試験例１を示し、(ｂ)は試験例２を示し、(ｃ)は試験例３を示し、(ｄ)は試験例４を示し、(ｅ)は比較例１を示す。 (ａ)は試験例５〜７の超硬替刃において切刃からの距離毎のすくい面の被膜厚を示し、(ｂ)は試験例５〜７の超硬替刃において切刃からの距離毎の逃げ面の被膜厚を示し、(ｃ)は試験例５〜７の超硬替刃において切刃からの距離毎のすくい面と逃げ面との被膜厚の比を示す。なお、マル１が試験例５に対応し、マル２が試験例６に対応し、マル３が試験例７に対応している。 試験２を行った後の超硬替刃における切刃断面形状を示す図であって、(ａ)は試験例５を示し、(ｂ)は試験例６を示し、(ｃ)は試験例７を示し、(ｄ)は比較例２を示す。 超硬替刃の切刃を拡大した電子顕微鏡写真であって、(ａ)は試験例４を示し、(ｂ)は試験例１を示し、(ｃ)は比較例１を示す。 試験１の切削試験前後で切刃線粗さを重ね合わせて示す図であって、(ａ)は試験例４を示し、(ｂ)は試験例１を示し、(ｃ)は比較例１を示す。 試験３の切削試験前後で切刃線粗さを重ね合わせて示す図であって、(ａ)は試験例８を示し、(ｂ)は試験例９を示し、(ｃ)は試験例１０を示し、(ｄ)は試験例１１を示し、(ｅ)は試験例１２を示し、(ｆ)は試験例１３を示す。

次に、本発明に係る切削工具につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照して以下に説明する。

実施例に係る切削工具の替刃１０は、工具鋼、刃物鋼、軸受鋼、ステンレス鋼などの鋼あるいは超硬合金を含むサーメットを、単体またはこれらを複合した複合材を母材１２として構成される(図１〜図３参照)。切削工具の替刃１０は、研磨により刃付けされた母材１２に対してすくい面１４および逃げ面１６の両方に、耐摩耗性を向上するために硬質の被膜２０が形成されており、切刃１８を含むすくい面１４および逃げ面１６が被膜２０で被覆されている。ここで、被膜２０は、すくい面１４および逃げ面１６の全体を被覆してもよく、すくい面１４における切刃１８から離間する方向での一部範囲および／または逃げ面１６における切刃１８から離間する方向での一部範囲を被覆する構成であってもよい。すなわち、切削工具の替刃１０は、すくい面１４および逃げ面１６において被削材の切削加工に主に用いられる範囲(切刃１８から０．１ｍｍの範囲)が、被膜２０で被覆されていればよい。

前記被膜２０は、少なくともクロムを含む窒化物、酸窒化物、酸化物、炭化物、炭酸化物、炭窒化物および炭酸窒化物の何れか１つまたは複数で構成される主層(層)を有し、クロムを含む主層が該被膜２０の外表面に臨むようになっている。すなわち、主層としては、クロム窒化物(ＣｒＮ)、クロム酸窒化物(ＣｒＮＯ)、クロム酸化物(ＣｒＯ)、クロム炭化物(ＣｒＣ)、クロム炭酸化物(ＣｒＣＯ)、クロム炭窒化物(ＣｒＣＮ)、クロム炭酸窒化物(ＣｒＣＮＯ)が挙げられる。このように、被膜２０は、クロムを含む層を有しているので、対象とする木材等の被削材に対する耐摩耗性を向上することができる。また、クロムに加えて、Ｂ(ホウ素)、Ａｌ(アルミニウム)、Ｓｉ(ケイ素)、Ｔｉ(チタン)、Ｖ(バナジウム)、Ｎｉ(ニッケル)、Ｃｕ(銅)、Ｙ(イットリウム)、Ｚｒ(ジルコニウム)、Ｎｂ(ニオブ)、Ｍｏ(モリブデン)、Ｈｆ(ハフニウム)、Ｔａ(タンタル)、Ｗ(タングステン)から選ばれた少なくとも１つの元素を組み合わせることができる。このように、クロムに加えて前記元素を添加することで、被膜２０の高硬度化、組織の微細化などが期待でき、更なる耐摩耗性や耐食性や強度等の向上を図り得る。なお、被削材に応じて、添加する元素を調整することでも、寿命の向上を図り得る。また、被膜２０は、複数の前記主層を積層してもよく、主層と母材１２との間に適宜の下地層を設けてもよい。なお、下地層としては、金属クロムの他、チタン、アルミニウム等の元素を１種類以上含む金属、窒化物、炭化物、炭窒化物、炭酸化物、酸化物、酸窒化物、炭酸窒化物などの少なくとも１種の層を挙げることができる。

図２〜図５に示すように、前記被膜２０は、すくい面１４を被覆するすくい面被覆部２２と逃げ面１６を被覆する逃げ面被覆部２４とが、膜厚Ｃ１,Ｃ２が異なるように形成される。すなわち、すくい面被覆部２２および逃げ面被覆部２４の何れか一方が他方よりも膜厚Ｃ１,Ｃ２が厚くなるように設定されている。切削工具の替刃１０においてすくい面１４を主体とする場合は、すくい面被覆部２２が逃げ面被覆部２４よりも厚く形成され、すくい面被覆部２２の膜厚Ｃ１が０．５μｍ〜１５μｍの範囲で、すくい面被覆部２２の膜厚Ｃ１に対する逃げ面被覆部２４の膜厚Ｃ２の比が、０．０１〜０．１５の範囲、より好ましくは０．０１〜０．０５の範囲になるように設定される。また、切削工具の替刃１０において逃げ面１６を主体とする場合は、逃げ面被覆部２４がすくい面被覆部２２よりも厚く形成され、逃げ面被覆部２４の膜厚Ｃ２が０．５μｍ〜１５μｍの範囲で、逃げ面被覆部２４の膜厚Ｃ２に対するすくい面被覆部２２の膜厚Ｃ１の比が、０．０１〜０．１５の範囲、より好ましくは０．０１〜０．０５の範囲になるように設定される。なお、すくい面被覆部２２の膜厚Ｃ１と逃げ面被覆部２４の膜厚Ｃ２との比は、面全体に亘って前記範囲を満たしてもよいが、すくい面１４および逃げ面１６において被削材の切削加工に主に用いられる範囲(切刃１８から０．１ｍｍの範囲)で前記比の範囲を満たせばよい。

このように、厚い方の被覆部２２,２４の膜厚Ｃ１,Ｃ２が０．５μｍ〜１５μｍの範囲にあるのに対して、薄い方の被覆部２４,２２の膜厚Ｃ２,Ｃ１が０．００５μｍ〜２．２５μｍの範囲に設定される。ここで、主体となる厚い方の被覆部２２,２４の膜厚Ｃ１,Ｃ２が、０．５μｍよりも薄くなると耐摩耗性を十分に向上させることができず、１５μｍよりも厚くなると、チッピング等の被膜２０の不良が生じ易くなる。厚い方の被覆部２２,２４の膜厚Ｃ１,Ｃ２に対する薄い方の被覆部２４,２２の膜厚Ｃ２,Ｃ１の比が、０．１５よりも大きくなると、被削材の切削加工時に厚い被覆部２２,２４で被覆された面１４,１６よりも薄い被覆部２４,２２で被覆された面１６,１４で摩耗が早く進行することによる自己研磨特性の発現が弱くなり、切刃１８の鋭さを維持することが難しい。また、厚い方の被覆部２２,２４の膜厚Ｃ１,Ｃ２に対する薄い方の被覆部２４,２２の膜厚Ｃ２,Ｃ１の比が０．０１よりも小さくなるものは、被膜２０の製造上の都合により実質的に不可能である。なお、切削工具の替刃１０において主体となるすくい面１４または逃げ面１６は、該切削工具の替刃１０の使用の仕方や再研磨する面１４,１６などによって適宜選択される。

前述したすくい面被覆部２２の膜厚Ｃ１と逃げ面被覆部２４の膜厚Ｃ２との比は、切刃１８からの距離が同じ位置で対比したものである。例えば、切刃１８から０．０５ｍｍ離れた位置のすくい面被覆部２２の膜厚Ｃ１と切刃１８から０．０５ｍｍ離れた位置の逃げ面被覆部２４の膜厚Ｃ２とがの比が前記範囲になるよう設定されると共に、切刃１８から０．１ｍｍ離れた位置のすくい面被覆部２２の膜厚Ｃ１と切刃１８から０．１ｍｍ離れた位置の逃げ面被覆部２４の膜厚Ｃ２とがの比が前記範囲になるよう設定される。すなわち、すくい面被覆部２２の膜厚Ｃ１と逃げ面被覆部２４の膜厚Ｃ２との比が、切刃１８からの各距離で前記範囲を満たすよう設定される。また、被膜２０は、切刃１８から全体に亘って同じ膜厚で形成してもよいが、切刃１８から離れるにつれて膜厚が小さくなるように傾斜的に形成してもよい。

図２および図３に示すように、前記母材１２は、切刃１８に対応する部位(以下、母材エッジ１２ａという)が、該母材１２におけるすくい面１２ｂを延長した仮想ライン(延長ライン)Ｐ１と該母材１２における逃げ面１２ｃを延長した仮想ライン(延長ライン)Ｐ２との交点から離れるように形成されている。ここで、前記交点からの母材エッジ１２ａまでの面取り距離ｘは、０．２０μｍ〜１８μｍの範囲に設定される。ここで、実施例では、母材エッジ１２ａが、半径ｒが０．５μｍ〜６．０μｍの範囲にある円弧状に形成される。なお、前記面取り距離ｘは、前記交点と母材エッジ１２ａとの最も近いところでの距離をいい、例えば母材エッジ１２ａにアール(Ｒ)が付されている場合は、母材１２におけるすくい面１２ｂと逃げ面１２ｃとがなす刃物角θの中央を通る仮想ラインが母材エッジ１２ａと交差するところから前記交点までの距離である。

前記面取り距離ｘを１８μｍより大きく設定すると、被膜２０を形成して得られる切削工具の替刃１０の切刃１８の鋭さが損なわれ、切れ味が悪くなり、また切削動力が増加するデメリットがある。同様に、母材エッジ１２ａを半径６μｍよりも大きい円弧形状で形成すると、被膜２０を形成して得られる切削工具の替刃１０の切刃１８の鋭さが損なわれ、切れ味が悪くなり、また切削動力が増加するデメリットがある。前記面取り距離ｘを０．２０μｍよりも小さく設定するのは、加工精度の制約などにより実質的に難しく、また被膜２０を形成した際に、すくい面１２ｂおよび逃げ面１２ｃを刃付け研磨して母材エッジ１２ａを尖らしたものと差があまり生じない。同様に、母材エッジ１２ａを半径０．５μｍよりも小さい円弧形状で形成することは、加工精度の制約などにより実質的に難しく、また被膜２０を形成した際に、すくい面１２ｂおよび逃げ面１２ｃを刃付け研磨して母材エッジ１２ａを尖らしたものと差があまり生じない。また、母材エッジ１２ａの面取りが前記範囲よりも小さいと、母材エッジ１２ａの面取りによる切刃１８の切削部分でのチッピング抑制効果が期待できない。

前記被膜２０は、ＰＶＤ(物理蒸着)によって形成することができ、ＰＶＤの中でもアークイオンプレーティング法が適しているが、マグネトロンスパッタリング法でもよい。例えば、チャンバー内でＰＶＤ処理を行う際に、母材１２におけるすくい面１２ｂまたは逃げ面１２ｃの一面を、クロム等の蒸発源に対して遮蔽物の陰になるように設置したり、該蒸着源に対する母材１２の設置向きを調節するなどにより、被膜２０におけるすくい面１４および逃げ面１６の何れか一面を他面の膜厚よりも厚くすることができる。このように、すくい面１４と逃げ面１６との膜厚Ｃ１,Ｃ２が異なる被膜２０は、１バッチのＰＶＤ処理において簡単に形成することができる。

〔実施例の作用〕
次に、実施例に係る切削工具の替刃１０の作用について説明する。切削工具の替刃１０は、被膜２０がすくい面１４と逃げ面１６とで異なる膜厚Ｃ１,Ｃ２で形成されているから、被削材を切削加工した際に、すくい面１４および逃げ面１６のうち被膜２０の膜厚が厚い一方と比べて、被膜２０の膜厚が薄い他方の摩耗が早く進行する自己研磨特性が発現し、この自己研磨特性により切刃１８の鋭さを保つことができる。しかも、切削工具の替刃１０は、すくい面１４および逃げ面１６の両面が被膜２０で被覆されているから、両面に被膜２０を形成した後に片面を研磨して得られる片面被覆品と比べて、被膜２０の膜厚が薄い面であっても該被膜２０の存在により摩耗帯幅を小さくすることができ、切削加工時の被削材との摩擦を減らすことができる。

前記被膜２０は、すくい面１４および逃げ面１６の何れか一面よりも他方の面の膜厚を薄く形成しているから、高い残留応力の発生を抑えることができ、残留応力に起因する切刃１８のチッピング(自壊)の発生を防止することができる。また、被膜２０を、すくい面１４および逃げ面１６の何れか一面よりも他方の面の膜厚を薄くすることで、前記片面被覆品やすくい面および逃げ面について夫々の面の膜厚比を考慮せずに被膜で被覆した両面被覆品と比べて、切削加工時に切刃１８において被削材に接触する切削部分のチッピングを抑えることができると共に、被削材に接触しない非切削部分のチッピングも抑えることができる。また、実施例の切削工具の替刃１０は、片面被覆品のように被膜２０を形成した後に刃付け研磨によりすくい面１４または逃げ面１６の被膜２０を除去する必要がないので、刃付け研磨による切刃１８のチッピングが生じない。しかも、被膜形成後の刃付け研磨に要求される特別な専用砥石やシビアな研磨条件などの制約もなく、製造コストを抑えることができる。なお、被膜２０において一方の被覆部２２,２４の膜厚Ｃ１,Ｃ２に対する他方の被覆部２４,２２の膜厚Ｃ１,Ｃ２の比を、０．０１〜０．０５の範囲になるよう設定することで、自己研磨特性による切刃１８の鋭さの維持と切刃１８のチッピングの抑制とをバランスよく達成できる。

前記切削工具の替刃１０は、母材エッジ１２ａを面取りして該エッジ１２ａに微小な面(実施例ではＲ面)を形成してあるから、すくい面１４および逃げ面１６の何れか一面よりも他方の面の膜厚を薄くすることと相乗して、高い残留応力の発生をより抑えることができ、残留応力に起因する切刃１８のチッピング(自壊)の発生をより好適に防止することができる。更に、母材エッジ１２ａの面取りによって、切削加工時に切刃１８において被削材に接触しない非切削部分だけでなく、被削材に接触する切削部分のチッピングをより好適に抑えることができる。

［試験１］
ＰＶＤ装置において、ＣｒＮとＣｒＮＯとＣｒ_２Ｏ_３とを積層した複合多層被膜を超硬合金からなる母材に同じ条件で形成し、試験例１〜４および比較例１のルータービット用の超硬替刃を作成した。何れの超硬替刃も、図１に示すような形状であり、長さＬが２０ｍｍで、幅Ｗが１２ｍｍで、厚さＴが１．５ｍｍで、すくい面１４と逃げ面１６との刃物角θが５５°に設定されている。なお、被膜の膜厚は、図６に示すようになっている。試験１の複合多層被膜は、母材側から５層のＣｒＮ、１層のＣｒＮＯ、１層のＣｒ_２Ｏ_３、１層のＣｒＮ、１層のＣｒＮＯ、１層のＣｒ_２Ｏ_３の順に積層された構造であり、全体の厚みに対する各層の厚みは、母材側からＣｒＮ層が５０％、ＣｒＮＯ層が１０％、Ｃｒ_２Ｏ_３層が１０％、ＣｒＮ層が１０％、ＣｒＮＯ層が１０％、最表層のＣｒ_２Ｏ_３層が１０％である。なお、ＣｒＮＯ層は、酸窒化物で、Ｘ線回折でクロム酸化物の回折ピークを示さないものである。また、Ｃｒ_２Ｏ_３層は、Ｘ線回折でクロム酸化物の回折ピークが現れるものであり、Ｃｒ_２Ｏ_３層にわずかに窒素を含むこともある。

試験１では、ＮＣルーターにおいて、試験例１〜４および比較例１の超硬替刃を取り付けたルータービット(刃先径４６ｍｍ)によって欧州アカマツ集成材を切削する切削試験を行った。ルータービットの回転数は、６０００ｒｐｍで、被削材を１ｍ／ｍｉｎの送り速度で送りつつ、被削材に２０ｍｍ切り込ませた状態で被削材を１８０ｍ切削した。そして、切削後に、切刃後退量および摩耗帯幅Ｂを刃先断面形状により測定した。その結果を図７に示す。

図６におけるマル１が試験例１に対応し、試験例１の超硬替刃による切削試験後の切刃断面形状を図７(ａ)に示す。図６におけるマル２が試験例２に対応し、試験例２の超硬替刃による切削試験後の切刃断面形状を図７(ｂ)に示す。図６におけるマル３が試験例３に対応し、試験例３の超硬替刃による切削試験後の切刃断面形状を図７(ｃ)に示す。図６におけるマル４が試験例４に対応し、試験例４の超硬替刃による切削試験後の切刃断面形状を図７(ｄ)に示す。図７(ｅ)は、試験例１の超硬替刃と同条件ですくい面および逃げ面に被膜を形成したものを、刃付け研磨して逃げ面の被膜を除去した比較例１の超硬替刃による切削試験後の切刃断面形状である。すなわち、比較例１の超硬替刃は、すくい面を被覆する被膜の膜厚が試験例１のすくい面被覆部の膜厚と同じである。試験例１〜４の超硬替刃は、被膜においてすくい面被覆部が逃げ面被覆部よりも厚くなっており、すくい面被覆部の膜厚が約５μｍ〜８．５μｍの範囲内にあり、試験例１〜４の超硬替刃の何れも、すくい面被覆部の膜厚が０．５μｍ〜１５μｍの範囲内にある。図７(ｃ)および(ｄ)に示すように、すくい面被覆部の膜厚に対する逃げ面膜厚部の膜厚の比が０．１５以下にある試験例３および４の超硬替刃は、図７(ｅ)に示す比較例１の超硬替刃と比べても、切刃の鋭さの低下が抑えられていることが判り、すくい面被覆部の膜厚に対する逃げ面膜厚部の膜厚の比が０．０５以下にある試験例４の超硬替刃によれば、比較例１と遜色がない自己研磨特性を有していることが判る。また、図７に示すように、すくい面および逃げ面の両面を被膜で被覆した試験例１〜４の超硬替刃は、すくい面だけが被膜で被覆された比較例１の超硬替刃よりも摩耗帯幅Ｂが小さいことが確認できる。

［試験２］
ＰＶＤ装置において、ＣｒＮとＣｒＮＯとＣｒ_２Ｏ_３とを積層した複合多層被膜を超硬合金からなる母材に同じ条件で形成し、試験例５〜７および比較例２のルータービット用の超硬替刃を作成した。何れの超硬替刃も、図１に示すような形状であり、長さＬが１５ｍｍで、幅Ｗが１５ｍｍで、厚さＴが２．５ｍｍで、刃物角θが６０°に設定されている。なお、試験例５〜７および比較例２の超硬替刃は、用いられる刃物の設計上、すくい面と逃げ面との関係が試験例１〜４および比較例１と反対であり、図１における符号１４が指す上面が逃げ面であり、符号１６が指す傾斜面がすくい面となるように用いられる。なお、試験例５〜７および比較例２の超硬替刃は、すくい面に膜厚５μｍ〜６μｍのすくい面被覆部を形成するように設定している。なお、被膜の膜厚は、図８に示すようになっている。試験２の複合多層被膜は、母材側から４層のＣｒＮ、１層のＣｒＮＯ、１層のＣｒ _２Ｏ_３、の順に積層された構造であり、全体の厚みに対する各層の厚みは、母材側からＣｒＮ層が６０％、ＣｒＮＯ層が２０％、最表層のＣｒ_２Ｏ_３層が２０％である。なお、ＣｒＮＯ層は、酸窒化物で、Ｘ線回折でクロム酸化物の回折ピークを示さないものである。また、Ｃｒ_２Ｏ_３層は、Ｘ線回折でクロム酸化物の回折ピークが現れるものであり、Ｃｒ _２Ｏ_３層にわずかに窒素を含むこともある。

試験２では、ＮＣルーターにおいて、試験例５〜７および比較例２の超硬替刃を取り付けた直径７５ｍｍのルータービットによって欧州アカマツ集成材を切削する切削試験を行った。ルータービットの回転数は、６０００ｒｐｍで、被削材を１ｍ／ｍｉｎの送り速度で送りつつ、被削材に２０ｍｍ切り込ませた状態で被削材を１２０ｍ切削した。そして、切削後に、切刃後退量および摩耗帯幅Ｂを刃先断面形状により測定した。その結果を図９に示す。

図８におけるマル１が試験例５に対応し、試験例５の超硬替刃による切削試験後の切刃断面形状を図９(ａ)に示す。図８におけるマル２が試験例６に対応し、試験例６の超硬替刃による切削試験後の切刃断面形状を図９(ｂ)に示す。図８におけるマル３が試験例７に対応し、試験例７の超硬替刃による切削試験後の切刃断面形状を図９(ｃ)に示す。図９(ｄ)は、試験例６の超硬替刃と同条件ですくい面および逃げ面に被膜を形成したものを、刃付け研磨して逃げ面の被膜を除去した比較例２の超硬替刃による切削試験後の切刃断面形状である。すなわち、比較例２の超硬替刃は、すくい面を被覆する被膜の膜厚が試験例６のすくい面被覆部の膜厚と同じである。試験例５〜７の超硬替刃は、被膜においてすくい面被覆部が逃げ面被覆部よりも厚くなっている。図９(ｂ)および図９(ｃ)に示すように、すくい面被覆部の膜厚に対する逃げ面膜厚部の膜厚の比が０．１５以下にある試験例６および試験例７の超硬替刃は、図９(ｄ)に示す比較例２の超硬替刃と比べても、切刃の鋭さの低下が抑えられていることが判る。また、図９に示すように、すくい面および逃げ面の両面を被膜で被覆した試験例５〜７の超硬替刃は、すくい面だけが被膜で被覆された比較例２の超硬替刃よりも摩耗帯幅Ｂが小さいことが確認できる。

図１０(ａ)は、試験例４の超硬替刃の切刃を拡大して示す電子顕微鏡写真であり、図１０(ｂ)は、試験例１の超硬替刃の切刃を拡大して示す電子顕微鏡写真であり、図１０(ｃ)は、比較例１の超硬替刃の切刃を拡大して示す電子顕微鏡写真であり、何れも切削試験を行う前の状態である。被膜を形成した後に刃付け研磨を行った比較例１の超硬替刃は、図１０(ｃ)に示すように、切刃に比較的大きいチッピングが生じているのが確認でき、すくい面被覆部の膜厚に対する逃げ面被覆部の膜厚の比が０．０５以下にある試験例４の超硬替刃では、切刃のチッピングが発生していないことが判る。また、試験例４の超硬替刃は、試験例１の超硬替刃と比べても、切刃のチッピングが発生していないことが確認できる。図１０(ｂ)に示す試験例１のように、すくい面被覆部の膜厚に対する逃げ面被覆部の膜厚の比が０．１５より大きくなるように被膜を形成すると切刃に局所的に高い圧縮応力が残留することがあり、これにより切刃が自壊するもしくは切削時に容易にチッピングすると推測される。そこで、試験例４の超硬替刃のように、膜厚の比が０．１５以下になるようにすくい面の被膜よりも逃げ面の被膜を薄く形成すると、圧縮応力の残留を抑えることができ、切刃のチッピングを防止できる。

試験例４、試験例１および比較例１の超硬替刃について、試験１で説明した切削試験を夫々行い、切削前の切刃線粗さからの切削後の切刃線粗さの変化を確認した。その結果を図１１に示す。図１１の各図は、切刃線が延在する方向である横軸の倍率が１０倍であるのに対して、切削前の切刃線からの変化を示す縦軸の倍率が５００倍とした場合の縦横比で表している。試験１の切削加工に際して被削材に直接接触する切削部分は、４．５ｍｍであり、図１１(ａ)の試験例４の切削部分における切削後の切刃線後退量は９〜１０μｍである。なお、切削前の切刃線より切削後の切刃線が離れるほど、切刃の後退やチッピングなどが大きく生じていることを示す。図１１(ｂ)および(ｃ)に示すように、試験例１および比較例１の超硬替刃では、切削加工に際して被削材に直接接触する切削部分だけでなく、被削材に接触しない非切削部分でもチッピングが生じており、すくい面被覆部の膜厚に対する逃げ面被覆部の膜厚の比が０．１５より大きくなるように被膜を形成すると、非切削部分でのチッピングが顕著であることが判る。これに対して、本発明の実施例である試験例４の超硬替刃によれば、非切削部分においてチッピングがほとんど起きていないことが確認でき、切削前後で良好な切刃品質を維持している。

［試験３］
ＰＶＤ装置において、ＣｒＮとＣｒＮＯとＣｒ_２Ｏ_３とを積層した複合多層被膜を超硬合金からなる母材に同じ条件で形成し、試験例８〜１３のルータービット用の超硬替刃を作成した。何れの超硬替刃も、図１に示すような形状であり、長さＬが２０ｍｍで、幅Ｗが１２ｍｍで、厚さＴが１．５ｍｍで、刃物角θが５５°に設定されている。また、試験例８〜１３の超硬替刃は、すくい面に膜厚５μｍ〜６μｍのすくい面被覆部を形成し、すくい面と逃げ面との膜厚分布は、試験１の試験例４(図６のマル４)と同じである。試験例９〜１３の母材における切刃に対応する部位は、ブラスト処理により円弧状(Ｒ面)に形成し、試験例８の母材は、切刃に対応する部位にブラスト処理を施していない。このとき、母材における切刃に対応する部位のＲ面の半径ｒ(母材におけるすくい面の延長ラインと母材における逃げ面の延長ラインとの交点からの面取り距離ｘ)は、試験例９が０．５(０．６)μｍ、試験例１０が１．１(１．３)μｍ、試験例１１が１．８(２．１)μｍ、試験例１２が３．１(３．６)μｍ、試験例１３が６．０(７．０)μｍであり、未ブラスト処理の試験例８は、０．４(０．５)μｍであった。なお、前記面取り距離ｘは、{Ｒ面半径ｒ／ｓｉｎ(刃物角θ)}−Ｒ面半径ｒの式により算出している。試験３の複合多層被膜は、母材側から５層のＣｒＮ、１層のＣｒＮＯ、１層のＣｒ_２Ｏ_３、１層のＣｒＮ、１層のＣｒＮＯ、１層のＣｒ_２Ｏ_３の順に積層された構造であり、全体の厚みに対する各層の厚みは、母材側からＣｒＮ層が５０％、ＣｒＮＯ層が１０％、Ｃｒ_２Ｏ_３層が１０％、ＣｒＮ層が１０％、ＣｒＮＯ層が１０％、最表層のＣｒ_２Ｏ_３層が１０％である。なお、ＣｒＮＯ層は、酸窒化物で、Ｘ線回折でクロム酸化物の回折ピークを示さないものである。また、Ｃｒ_２Ｏ_３層は、Ｘ線回折でクロム酸化物の回折ピークが現れるものであり、Ｃｒ_２Ｏ _３層にわずかに窒素を含むこともある。

試験３では、ＮＣルーターにおいて、試験例８〜１３の超硬替刃を取り付けたルータービット(刃先径４６ｍｍ)によって欧州アカマツ集成材を切削する切削試験を行った。ルータービットの回転数は、６０００ｒｐｍで、被削材を１ｍ／ｍｉｎの送り速度で送りつつ、被削材に２０ｍｍ切り込ませた状態で被削材を６０ｍ切削した。そして、切削前の切刃線粗さからの切削後の切刃線粗さの変化を確認した。その結果を図１２に示す。図１２の各図は、切刃線が延在する方向である横軸の倍率が１０倍であるのに対して、切削前の切刃線からの変化を示す縦軸の倍率が５００倍とした場合の縦横比で表している。なお、試験３の切削加工に際して被削材に直接接触する切削部分は、５．０ｍｍである。

図１２に示すように、試験例８では、切削部分に比較的大きいチッピングが１箇所と小さいチッピングが多く発生しているが、母材における切刃に対応した部位を円弧形状とした試験例９〜１３では、丸印で囲ったように切削部分において１〜３箇所のチッピングが発生しただけである。このように、母材における切刃に対応した部位に極小のＲをつけることが、切刃の切削部分におけるチッピングの抑制に大きく貢献していることを確認できる。なお、母材における切刃に対応した部位にブラスト処理を施していない試験例８であっても、すくい面被覆部の膜厚に対する逃げ面被覆部の膜厚の比が０．０１〜０．０５の範囲にあるので、試験例９〜１３と同様に非切削部分においてチッピングがほとんど起きていないことが確認できる。

(変更例)
前述した構成に限定されず、例えば以下のように変更することも可能である。
(１)切削工具は、図１に示す形状に限定されず、被削材や切削方法などに応じて適宜に形成される。
(２)本発明を適用可能な切削工具としては、鉋刃等の平刃、カッター、チップソー、ルータービット、ナイフ、角のみ、これらの替刃等が挙げられる。
(３)本発明に係る切削工具は、木材に限られず、非鉄金属およびそれらの合金、木質材料または樹脂の切削加工に好適に使用できる。

１２ 母材，１２ｂ (母材の)すくい面，１２ｃ (母材の)逃げ面，
１４ すくい面，１６ 逃げ面，１８ 切刃，２０ 被膜，
２２ すくい面被覆部，２４ 逃げ面被覆部，Ｃ１,Ｃ２ 膜厚

Claims (4)

1. 母材(12)を被覆して切刃(18)を含むすくい面(14)および逃げ面(16)の少なくとも一部に亘って形成された被膜(20)を有し、非鉄金属およびそれらの合金、木材、木質材料または樹脂の切削加工に用いられる切削工具において、
   前記被膜(20)は、前記すくい面(14)を被覆するすくい面被覆部(22)が前記逃げ面(16)を被覆する逃げ面被覆部(24)よりも厚くなるよう形成されており、
   すくい面被覆部(22)の膜厚(C1)を、０．５μｍ〜１５．０μｍの範囲に設定すると共に、切刃(18)から同じ距離にある該すくい面被覆部(22)の膜厚(C1)に対する逃げ面被覆部(24)の膜厚(C2)の比を、０．０１〜０．１５の範囲になるよう設定し、
   前記母材(12)における前記切刃(18)に対応する部位を、該母材(12)におけるすくい面(12b)の延長ラインと該母材(12)における逃げ面(12c)の延長ラインとの交点から０．２μｍ〜１８μｍの範囲で離れるように形成した
   ことを特徴とする切削工具。
2. 前記母材(12)における前記切刃(18)に対応する部位を、半径０．５μｍ〜６．０μｍの円弧状に形成した請求項１記載の切削工具。
3. 前記すくい面被覆部(22)の膜厚(C1)に対する前記逃げ面被覆部(24)の膜厚(C2)の比を、０．０１〜０．０５の範囲になるよう設定した請求項１または２に記載の切削工具。
4. 前記被膜(20)は、少なくともクロムを含む窒化物、酸窒化物、酸化物、炭化物、炭酸化物、炭窒化物および炭酸窒化物の何れか１つまたは複数で構成される層を有している請求項１〜３の何れか一項に記載の切削工具。

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