JP6606840B2 - 多結晶ダイヤモンド焼結体付き回転切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、多結晶ダイヤモンド（Polycrystalline Diamond。以下、ＰＣＤと称する。）焼結体よりなるＰＣＤ層上に切刃が形成されたドリルであるＰＣＤ焼結体付き回転切削工具に関する。

例えば、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）よりなる被削材や、ＣＦＲＰにチタンやアルミニウムあるいはその合金の板材が積層された複合材料よりなる被削材に穴明け加工を行う場合には、たとえ硬質の超硬合金製ドリルであっても早期に摩耗を生じて寿命に達してしまう。そこで、例えば特許文献１には、ＰＣＤの予備焼結体を超硬合金よりなる保持体に保持して超高圧高温で焼結することによりＰＣＤ層を有する超硬質体を製作し、この超硬質体を工具本体先端に取り付けるとともに切屑排出溝を形成することにより、上記ＰＣＤ層に切刃を有するドリルやエンドミルのような回転機械工具を製造することが提案されている。

米国特許出願公開第２０１１／０１７６８７９号明細書

ところで、このようなＰＣＤ層に切刃を形成した回転切削工具では、ＰＣＤ焼結体が耐摩耗性は高い反面、靱性に乏しくて耐欠損性が低いことから、切刃の刃先におけるＰＣＤ層が厚すぎると欠損が生じ易くなり、却って工具寿命が短縮してしまう。その一方で、刃先のＰＣＤ層が薄すぎると、切削時の摩耗の進行が早期に超硬合金よりなる母材（保持体）に達してしまい、やはり工具寿命が短くなってしまう。

また、ＰＣＤ層の厚さが不均一な場合、ＰＣＤ層が薄い部分では超硬合金の母材とＰＣＤ層との境界に応力集中が生じる。このため、こうして応力が集中した境界に切削時の負荷が作用すると、このＰＣＤ層が薄い部分から亀裂が発生し、やはりＰＣＤ層の欠損を招くおそれもある。

本発明は、このような背景の下になされたもので、ＰＣＤ層に切刃が形成されたドリルであるＰＣＤ焼結体付き回転切削工具において、摩耗の進行を抑制する一方でＰＣＤ層の耐欠損性を十分に確保することができ、ＣＦＲＰやその複合材料よりなる被削材に対しても長期に亙って安定した切削加工を行うことが可能なＰＣＤ焼結体付き回転切削工具を提供することを目的としている。

ここで、本発明の発明者は、このようなＰＣＤ層に切刃が形成されたドリルやエンドミルによりＣＦＲＰやその複合材料よりなる被削材に様々な条件で切削試験を行った結果、このＰＣＤ層の耐欠損性が、その厚さと、上記切屑排出溝の工具回転方向後方に連なるように工具本体の先端部外周に形成されるマージン部の幅との比により影響を受けるとの知見を得るに至った。これは、切削時にＰＣＤ層上の切刃が被削材と接触する際に受ける衝撃エネルギーを、ＰＣＤ焼結体よりは靱性の高い超硬合金よりなる母材で受け止めることにより、ＰＣＤ層への負荷を緩和することができるためであると考えられる。

そこで、本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、軸線回りに回転させられる超硬合金を母材とした工具本体の先端部に切屑排出溝が形成され、この切屑排出溝の工具回転方向を向く壁面にはＰＣＤ焼結体よりなるＰＣＤ層が上記母材と一体に焼結されて配設され、このＰＣＤ層上に上記壁面をすくい面とする切刃が形成されたＰＣＤ焼結体付き回転切削工具であって、上記工具本体の先端部外周には、上記切屑排出溝の工具回転方向後方に連なるマージン部が形成されるとともに、上記切刃は上記すくい面の工具本体先端側の辺稜部に形成されて、この切刃の内周側には上記軸線側に向かうシンニング刃が形成されており、上記多結晶ダイヤモンド層は上記軸線から上記切刃の外周端まで配設されていて、上記軸線方向に上記工具本体の先端側から見て、上記ＰＣＤ層の厚さが、上記マージン部の幅の１／３倍〜１倍の範囲とされ、上記多結晶ダイヤモンド層の厚さは上記切刃に沿って増減しており、ただし上記多結晶ダイヤモンド層の厚さの最大値と最小値との差が、上記マージン部の幅の２／５倍以下の範囲内とされていることを特徴とする。

本発明は、切屑排出溝の工具回転方向を向く壁面であるすくい面の工具本体先端側の辺稜部に切刃が形成されたドリルに係わるものである。そして、本発明によれば、上記ＰＣＤ層の厚さが、上記マージン部の幅の１／３倍〜１倍の範囲とされていて、略均一かつ必要十分な厚さを確保することができるので、摩耗が早期に母材に達するのを防ぎつつＰＣＤ層の欠損を抑制することが可能となる。

すなわち、本発明において、ＰＣＤ層の厚さがマージン部の幅の１／３倍未満であると、ＰＣＤ層が薄くなりすぎて摩耗が早期に超硬合金よりなる母材に達してしまい、工具本体の摩耗が一気に促進されて工具寿命が短縮してしまう。その一方で、ＰＣＤ層の厚さがマージン部の幅の１倍よりも大きく、つまりマージン部の幅を越えてしまうと、切削時の被削材との接触の際の衝撃エネルギーによる負荷を緩和することができなくなって、ＰＣＤ層に欠損が生じてしまう。

さらに、本発明では、上記ＰＣＤ層の厚さは、このようにマージン部の幅の１／３倍〜１倍の範囲であって、切刃に沿って増減しており、ただし、上述した応力集中による欠損を確実に防止するために、上記多結晶ダイヤモンド層の厚さの最大値と最小値との差が、上記マージン部の幅の２／５倍以下の範囲内とされている。

なお、上記ＰＣＤ層が７５〜９５ｖｏｌ％のダイヤモンドを含有していても良く、上記ＰＣＤ層におけるダイヤモンド粒径が０．５〜６０μｍであることが好ましい。さらに、上記多結晶ダイヤモンド層のヌープ硬さが３５〜４４ＧＰａであっても良い。

以上説明したように、本発明によれば、摩耗の進行が超硬合金よりなる母材に早期に達するのを抑えつつ、切刃が形成されたＰＣＤ層に十分な耐欠損性を確保することができ、特にＣＦＲＰやその複合材料よりなる被削材に対して長期に亙り安定した切削加工を行うことが可能となる。

本発明の第１の実施形態であるドリルを示す軸線方向先端側から見た正面図である。 図１における矢線Ｘ方向視の側面図である。 本発明の第２の実施形態であるドリルを示す軸線方向先端側から見た正面図である。 図３における矢線Ｙ方向視の側面図である。 本発明の参考例であるエンドミルの一例を示す軸線方向先端側から見た正面図である。 図５における矢線Ｚ方向視の側面図である。

図１および図２は、本発明のＰＣＤ焼結体付き回転切削工具の第１の実施形態であるドリルを示す。本実施形態において、工具本体（ドリル本体）１は、軸線Ｏを中心とした外形略円柱状をなしており、図示されていないその後端部（図２における上側部分）は円柱状のままのシャンク部とされるとともに、先端部（図２における下側部分）は切刃部とされている。ドリルである本実施形態のＰＣＤ焼結体付き回転切削工具は、上記シャンク部が工作機械の主軸に把持されて軸線Ｏ回りにドリル回転方向Ｔに回転させられつつ、該軸線Ｏ方向先端側に送り出されることにより、例えばＣＦＲＰやその複合材料よりなる被削材に上記切刃部によって穴明け加工を行う。

この切刃部の外周には、工具本体１の先端から後端側に向けて延びる切屑排出溝２が形成されている。本実施形態では、２条の切屑排出溝２が軸線Ｏに関して対称に、後端側に向かうに従い軸線Ｏ回りにドリル回転方向Ｔ後方側に捩れるように形成されている。さらに、これらの切屑排出溝２の工具回転方向Ｔを向く壁面には、その先端部にＰＣＤ焼結体よりなるＰＣＤ層３が配設されている。これに対して、このＰＣＤ層３以外の部分の工具本体１は、超硬合金よりなる母材によって形成されており、ＰＣＤ層３はこの母材と一体に焼結されている。

このＰＣＤ層３上には、上記２条の切屑排出溝２の工具回転方向Ｔを向く上記壁面をそれぞれすくい面４とする切刃５が、このすくい面４の工具本体１先端側の辺稜部に形成されている。すなわち、本実施形態のＰＣＤ焼結体付き回転切削工具は、２枚刃のツイストドリルである。また、工具本体１の先端面のうち切刃５の工具回転方向Ｔ後方側に連なる部分は先端逃げ面６とされている。

さらに、上記切刃部の外周には、切屑排出溝２の工具回転方向Ｔ後方側に連なるようにして切屑排出溝２と同様に捩れるマージン部７が、周方向に一定の短い幅Ｗ７で形成されている。このマージン部７は、その外周面が軸線Ｏを中心とした１つの円筒面上に位置するように形成されている。また、マージン部７の工具回転方向Ｔ後方側に連なる切刃部の外周面は、このマージン部７が位置する上記円筒面よりも僅かに小さな外径の円筒面上に位置する外周逃げ面（二番取り面）８とされている。言い換えると、マージン部７は、切刃５の工具回転方向Ｔ後方側に連なって形成される逃げ面（外周逃げ面８を含む面）上の逃げ角のついていない領域である。

一方、上記先端逃げ面６のうち切刃５の工具回転方向Ｔ後方側に連なる部分は第１先端逃げ面６Ａとされるとともに、この第１先端逃げ面６Ａのさらに工具回転方向Ｔ後方側に連なる部分は、第１先端逃げ面６Ａよりも逃げ角が大きい第２先端逃げ面６Ｂとされている。この第２先端逃げ面６Ｂには、工具本体１に形成されたクーラント孔９が開口している。

また、切刃５は、本実施形態では図１に示すように軸線Ｏ方向先端側から見たときに、その外周端から工具本体１の内周側に向けて直線状に延びている。また、この切刃５の内周側の軸線Ｏ近傍では、工具本体１先端面の上記第２先端逃げ面６Ｂの工具回転方向Ｔ後方側にシンニング面１０が形成されることにより、切刃５が直線状に延びる部分に接するように凸曲線状をなして軸線Ｏ側に向かうシンニング刃５Ａが形成されている。

なお、上記第１先端逃げ面６Ａは、軸線Ｏ方向先端側から見たときの幅が、切刃５が直線状に延びる部分ではマージン部７の幅Ｗ７と略等しくなるように形成されている。さらに、切刃５には、上記軸線Ｏの近傍から外周端に向けて工具本体１の後方側（後端部側）に向かうように先端角が与えられている。

そして、本実施形態では、この軸線Ｏ方向に工具本体１の先端側から見て、上記ＰＣＤ層３の厚さ（幅）Ｗ３は、上記マージン部７の幅Ｗ７の１／３倍〜１倍の範囲とされている。さらに、本実施形態では図１に示すように、先端逃げ面６（第１先端逃げ面６Ａ）に露出するこのＰＣＤ層３の厚さＷ３はマージン部７の幅Ｗ７の略１／２倍とされていて、一定の厚さＷ３のまま切刃５に沿って延びている。ここで、ＰＣＤ層３の厚さ（幅）Ｗ３とは切刃５の稜線に沿った厚さである。また、マージン部７の幅Ｗ７とは、マージン部７の最外周部の幅である。

また、すくい面４の先端側にＰＣＤ層３が配設されることにより、このＰＣＤ層３はマージン部７の先端側外周面の工具回転方向Ｔ側にも露出することになり、このマージン部７に露出したＰＣＤ層３の厚さも上記厚さＷ３と同じくマージン部７の幅Ｗ７の１／３倍〜１倍の範囲とされて、本実施形態では幅Ｗ７の略１／２倍とされている。なお、こうして露出したＰＣＤ層３の表面は、マージン部７の外周面と、第１先端逃げ面６Ａと、すくい面４となる切屑排出溝２先端の工具回転方向Ｔを向く上記壁面とに、それぞれ面一に連続するように形成されている。

このようなＰＣＤ焼結体付き回転切削工具（ドリル）は、例えば特許文献１に記載されたものと同じようにして、予備焼結された超硬合金母材よりなる台金のＰＣＤ層３を配設する部分にスリットを形成してダイヤモンド粉末またはダイヤモンドとバインダーとなるコバルト等との混合粉末を充填し、これを超高圧高温で焼結処理することによりＰＣＤ焼結体付きの円板状の複合焼結体（ブランク）を製造し、この複合焼結体を円柱状の超硬合金製の台金先端に同軸にろう付けした後、ＰＣＤ層３が所定の上記厚さＷ３で露出するように研削加工によって先端逃げ面６とマージン部７および外周逃げ面８とすくい面４を含めた切屑排出溝２とを成形し、切刃５を研ぎ付けることにより製造することができる。

このようにして製造される上記構成のＰＣＤ焼結体付き回転切削工具においては、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７の１／３倍〜１倍の範囲とされていて、略均一で、なおかつ必要十分な厚さＷ３をＰＣＤ層３に確保することができる。このため、ＣＦＲＰよりなる被削材や、ＣＦＲＰにチタンやアルミニウムあるいはそれらの合金の板材を積層した複合材料よりなる被削材に穴明け加工を行う場合でも、このような被削材の切削による摩耗が早期に母材である超硬合金に達するのを防ぐことができる一方で、被削材との接触による衝撃エネルギーによりＰＣＤ層３に欠損が生じるのを抑制することが可能となる。

ここで、このＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７の１／３倍より小さいと、後述する実施例で実証するように摩耗が早期に超硬合金よりなる工具本体１の母材に達してしまい、そこから一気に母材の摩耗が促進されて工具寿命の短縮を招いてしまう。その一方で、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７の１倍よりも大きいと、切削時の被削材との接触の際の衝撃エネルギーによる負荷を靱性の高い超硬合金母材によって吸収して緩和することができなくなり、このような負荷がＰＣＤ層３に直接作用して欠損が生じてしまう。

また、特に本実施形態では、上記ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７の１／３倍〜１倍の範囲で一定の厚さＷ３とされており、すなわちＰＣＤ層３にその厚さＷ３が厚い部分から薄い部分に変位する箇所が生じることがない。従って、そのような箇所に上記負荷による応力が集中することもなく、このような応力の集中によってＰＣＤ層３に亀裂が生じて欠損を招くようなことも防止することができる。

しかも、本実施形態では、この一定とされたＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７の１／２倍とされており、従ってマージン部７には、その厚さＷ７の１／２倍の超硬合金よりなる母材部分がＰＣＤ層３の工具回転方向Ｔ後方側に残されることになる。このため、特に切刃５の外周端周辺においてＰＣＤ層３に作用する負荷も、この母材部分によって確実に緩和することができ、ＰＣＤ層３の欠損を切刃５の全長に亙って抑制することが可能となる。なお、ＰＣＤ層３の厚さＷ３は、厳密に一定ではなく、切刃５に沿って増減しており、ただしこのような効果を確実に奏するために、ＰＣＤ層３の厚さＷ３の最大値と最小値との差がマージン部７の幅Ｗ７の２／５倍以下の範囲内とされている。

次に、図３および図４は、本発明のＰＣＤ焼結体付き回転切削工具の第２の実施形態を示すものであって、この第２の実施形態も第１の実施形態と同様の２枚刃のツイストドリルであり、図１および図２に示した第１の実施形態と共通する部分には同一の符号を配して説明を簡略化する。すなわち、第１の実施形態においては、軸線Ｏ方向先端側から見て切刃５が工具本体１の外周端から内周側に向けて直線状に延びた後、凸曲線状のシンニング刃５Ａに連なって軸線Ｏ側に向かっていたのに対し、この第２の実施形態では切刃５が外周端からシンニング刃５Ａの間で凹凸する曲線状とされている。

より詳しくは、この第２の実施形態における切刃５は、軸線Ｏ方向先端側から見た正面視において図３に示すように、工具本体１内周側の軸線Ｏ近傍から外周側に向けてシンニング刃５Ａが略直線状に延びてから、ドリル回転方向Ｔに凸となる凸状をなし、次いでこの凸状をなす部分から凹曲線状をなして僅かにドリル回転方向Ｔ後方側に凹んだ後、再びドリル回転方向Ｔに凸となる凸曲線を描いて外周端に至る凹凸曲線状をなしている。従って、先端逃げ面６との交差稜線部にこのような切刃５が形成される上記すくい面４も、少なくとも切刃５の近傍では同様にドリル回転方向Ｔに凹凸する凹凸曲面状を呈することになる。

そして、この第２の実施形態においても、このような凹凸曲面状を呈するすくい面４に配設されるＰＣＤ層３は、軸線Ｏ方向に工具本体１の先端側から見たときに、その厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７の１／３倍〜１倍の範囲とされ、さらに図３に示すように一定の厚さＷ３のまま切刃５に沿って延びている。また、この軸線Ｏ方向先端側から見たときのＰＣＤ層３の厚さＷ３も、マージン部７の幅Ｗ７の略１／２倍とされている。

このような第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７の１／３倍〜１倍の範囲とされているので、摩耗の進行が超硬合金よりなる母材に早期に達するのを抑えつつ、切刃５が形成されたＰＣＤ層３に十分な耐欠損性を確保することができて、長期に亙って安定した穴明け加工を行うことが可能となる。また、特にＰＣＤ層３の厚さＷ３が一定であるので、切刃５およびすくい面４が上述のように凹凸曲していても応力が集中するのを避けることができる。

なお、図５、図６に示すのは本発明の参考例であって、切刃１５が、切屑排出溝１２の工具回転方向Ｔを向く壁面であるすくい面１４の工具本体１１先端側の辺稜部に底刃１５Ａとして形成されるとともに、工具本体外周側の辺稜部にも底刃に連続して形成された外周刃１５Ｂを有するエンドミルであり、図５は軸線方向先端側から見た正面図、図６は図５における矢線Ｚ方向視の側面図である。また、図５、６のエンドミルは、ＣＦＲＰ等のヘリカル穴あけ加工に用いられるねじれ角１０度の６枚刃エンドミルである。

このようなエンドミルでは、工具本体１１は軸線Ｏ回りに回転させられつつ、通常は該軸線Ｏに交差する方向に送り出されて被削材に肩削り加工や溝削り加工を行う。そこで、この場合には、上記軸線Ｏに対する径方向に工具本体１１の外周側から見て、上記外周刃１５Ｂに連なるマージン部１７に露出するＰＣＤ層１３の厚さＷ１３（切刃１５の稜線に沿った厚さであり、図示の例では周方向の厚さに等しい）が該マージン部の幅Ｗ１７（最外周部の幅）の１／３倍〜１倍の範囲とされていればよい。ここで、切刃１５の工具回転方向Ｔ後方側に連なる部分は逃げ面１６とされており、逃げ面１６上の逃げ角のついていない領域がマージン部１７である。また、例えばＣＦＲＰ等よりなる窓枠形の被削材の口縁部の不要部分を切削するトリミング加工を行うエンドミルでは、切刃が上記すくい面の工具本体先端側の辺稜部には形成されていなくてもよい。

なお、このようなエンドミルにおいては、切屑排出溝２の工具回転方向Ｔ後方に、第１、第２の実施形態のような軸線Ｏを中心とした円筒面上に位置するマージン部１７が外周刃１５Ｂに連なるように形成される図５のエンドミルとは異なり、例えば逃げ角が３°以下の第１外周逃げ面が小さな幅で外周刃に連なるように形成され、その工具回転方向Ｔ後方側に第１外周逃げ面よりも逃げ角の大きい第２外周逃げ面が形成されていることがある。従って、そのような場合には、この第１外周逃げ面の周方向の幅をマージン部の幅として、この第１外周逃げ面に露出するＰＣＤ層の厚さ（周方向の幅）を１／３倍〜１倍の範囲とすればよい。

ここで、本発明の実施形態に係るＰＣＤ層は、７５〜９５ｖｏｌ％のダイヤモンドを含有し、残部がメタルバインダー（金属触媒）であることが好ましい。ダイヤモンドの含有量が７５ｖｏｌ％未満の場合、被削材によっては耐摩耗性が不十分となる虞があり、９５ｖｏｌ％を超えると、被削材によっては靱性が不十分となる虞がある。ダイヤモンドの含有量は、８０〜９２ｖｏｌ％であることがより好ましいが、これに限定されない。また、メタルバインダーとしてＣｏ、Ｎｉ、およびＦｅのいずれか、またはこれらの組合せを用いることが好ましい。また、ＰＣＤ層の靱性を調整するために、添加物として、メタルバインダーに炭化物、窒化物、および炭窒化物のいずれか、またはこれらの組合せを添加しても良い。

ＰＣＤ層の硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２５１：２００９（ＩＳＯ ４５４５−１：２００５、ＩＳＯ ４５４５−４：２００５に基づく）で規定されるヌープ硬さ（Ｈｋ、試験力を５００ｇ荷重とした場合）が３５ＧＰａ〜４４ＧＰａであることが好ましい。ＰＣＤ層のヌープ硬さが３５ＧＰａ未満の場合、被削材によっては耐摩耗性が不足して短寿命となる虞があり、４４ＧＰａを超える場合、被削材によっては靱性が不足してチッピングし易くなる虞がある。ＰＣＤ層のヌープ硬さは３８ＧＰａ〜４２ＧＰａであることがより好ましいが、これに限定されない。

ＰＣＤ層を構成するダイヤモンドの粒径は、０．５μｍ〜６０μｍであることが好ましい。ダイヤモンド粒径が０．５μｍ未満の場合、ダイヤモンド粒子が異常粒成長し易い。一方、ダイヤモンド粒径が６０μｍを超える場合、例えば、Miess, D., and G. Rai. “Fracture toughness and thermal resistance of polycrystalline diamond compacts,” Materials Science and Engineering: A 209.1 (1996): 270-276.に記載されているように、破壊靱性の向上が見られないことが知られている。それに加え、ダイヤモンド粒径が６０μｍを超える場合には、切刃の刃先をシャープエッジとすることが難しい。ダイヤモンド粒径は２μｍ〜４０μｍとすることがより好ましいが、これに限定されない。

ＰＣＤ層のダイヤモンド粒径を上記の範囲とするために、ＰＣＤ層を形成する際に、ダイヤモンドの原料粉末として、平均粒径が０．５μｍ〜１．５μｍ、２μｍ〜４μｍ、１０μｍ〜２０μｍ、および２０μｍ〜４０μｍのいずれかである原料粉末を用いることが好ましい。また、例えば米国特許出願公開第５４６８２６８号明細書に記載されているように、上記いずれかの平均粒径を備える２種以上の原料粉末を用いてもよい。

なお、本発明の実施形態に係るＰＣＤ層は、上述の特許文献１と同様の方法の他に、例えば、米国特許出願公開第４７６２４４５号明細書、米国特許出願公開第４７１３２８６号明細書、米国特許出願公開第４６２７５０３号明細書、米国特許出願公開第５６１１２５１号明細書、米国特許出願公開第６１３２１４８号明細書等に記載の公知の方法により形成することができる。

次に、本発明の実施例を挙げて、本発明の効果について実証する。

実施例１では、上述した第１の実施形態に基づいて、すくい面４の先端側辺稜部に外周部が直線状の切刃５を有する２枚刃ツイストドリルを、第１先端逃げ面６Ａに露出するＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７：０．５ｍｍに対して１／３倍、１／２倍、１倍となるように複数本ずつ製造し、そのうちから顕微鏡による測定によって切刃５の刃先稜線を基準として軸線Ｏ方向に工具本体１の先端側から見て該切刃５に垂直な方向のＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／３倍〜１倍の範囲内にあり、かつ厚さＷ３の最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍（０．２ｍｍ）以下の範囲内にあるものを各３本ずつ選出した。これらを実施例１−１〜１−９とする。なお、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／３倍となるもの（実施例１−１〜１−３）として選出したドリルのＰＣＤ層３の厚さＷ３は最小値が０．１７ｍｍ、最大値が０．２６ｍｍ、同じく１／２倍となるもの（実施例１−４〜１−６）の最小値は０．２２ｍｍ、最大値は０．３５ｍｍ、１倍となるもの（実施例１−７〜１−９）の最小値は０．３６ｍｍ、最大値は０．４８ｍｍであった。また、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／２倍となるように製造したもののうちから、厚さＷ３の最小値が０．２３ｍｍ、最大値が０．５ｍｍと、最大値と最小値との差が幅Ｗ７の２／５倍（０．２ｍｍ）よりも大きくなったものを３本選出した。これらを実施例１−１０〜１−１２とする。

また、これに対する比較例として、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／４倍、３／２倍となるようにし、かつ厚さＷ３の最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍（０．２ｍｍ）以下の範囲内にあるもの、およびＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して３／２倍となるようにし、かつＰＣＤ層３の厚さＷ３の最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍（０．２ｍｍ）を超えて不均一となるようにしたものも各３本ずつ製造した。これらを比較例１−１〜１−９とする。なお、ＰＣＤ層３の厚さＷ３の最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍（０．２ｍｍ）以下であり、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／４倍となるように製造したもの（比較例１−１〜１−３）ではＰＣＤ層３の厚さＷ３は最小値が０．１０ｍｍ、最大値が０．２３ｍｍ、同じく３／２倍となるように製造したもの（比較例１−４〜１−６）では最小値が０．７０ｍｍ、最大値は０．８３ｍｍであった。さらに、ＰＣＤ層３の厚さＷ３の最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍（０．２ｍｍ）を超えており、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して３／２倍となるように製造したもの（比較例１−７〜１−９）では最小値が０．１５ｍｍ、最大値は３．０ｍｍであった。なお、各実施例１−１〜１−１２および比較例１−１〜１−９について、ＰＣＤ層３の厚さＷ３は、軸線方向先端側からＰＣＤ層３を実体顕微鏡で観察して、ＰＣＤ層３の軸線Ｏから外周端までの切刃稜線に沿った長さを５等分にした各点（全６点）における、切刃稜線に直交する方向におけるＰＣＤ層３の厚さを測定した。２つの切刃５に形成されたＰＣＤ層３について測定した全１２点のＰＣＤ層３の厚さの平均をＰＣＤ層３の厚さＷ３とした。また、実体顕微鏡でＰＣＤ層３の全体を観察してＰＣＤ層３の厚さが最小となる点及び最大となる点を特定し、それらの点におけるＰＣＤ層３の厚さを、それぞれＰＣＤ層厚さの最小値と最大値とした。その結果を表１に示す。

そして、これらのドリルにより、ＣＦＲＰとチタンおよびアルミニウムの合金とを積層した複合材料よりなる被削材に貫通穴を開ける穴明け加工を行い、切刃５に欠損が生じた時点、または切刃５の摩耗幅が０．２ｍｍになった時点までの加工可能であった穴数を測定した。なお、これらのドリルはいずれも直径１０ｍｍで、ＰＣＤ層３はダイヤモンド粒径が平均１０μｍ、Ｃｏ含有量が１４ｖｏｌ％であった。また、被削材は、厚さ５ｍｍのＣＦＲＰと厚さ１０ｍｍのＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金を積層したものであり、切削速度は１５ｍ／ｍｉｎ、送り速度は０．０５ｍｍ／ｒｅｖの湿式加工で、ＣＦＲＰ側から穴深さ１ｍｍずつのステップ送りで穴明け加工を行った。その結果を次表１に示す。

この表１の結果より、まず比較例１−１〜１−９のうち、ＰＣＤ層３の厚さＷ３の最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍（０．２ｍｍ）を超えている比較例１−７〜１−９では、最も多く穴明けが可能であったものでも１４穴までで、応力集中に起因する亀裂がＰＣＤ層３に生じて早期に寿命に達していた。また、ＰＣＤ層３の厚さＷ３の最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍（０．２ｍｍ）以下であり、かつＰＣＤ層３の厚さＷ３がそれぞれマージン部７の幅Ｗ７の１／４倍の比較例１−１〜１−３と３／２倍の比較例１−４〜１−６では、厚さＷ３の最大値と最小値の差がマージン部７の幅Ｗ７の２／５倍以下の範囲内でも加工可能な穴数は最も多くて６１穴で、ＰＣＤ層３上に形成された切刃５に欠損が生じて寿命となってしまった。

これらに対して、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／３倍〜１倍の範囲である実施例１−１〜１−１２のドリルでは、最も少ない実施例１−１１でも６９穴の加工が可能であった。特に、ＰＣＤ層３の厚さＷ３の最大値と最小値との差が幅Ｗ７の２／５倍（０．２ｍｍ）以下であり、かつＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／３倍〜１／２倍の範囲となるように製造された実施例１−１〜１−６ではいずれも略１００穴の加工が可能であり、１／２倍の実施例１−４〜１−６ではいずれも比較例１−１〜１−６と比べて２倍以上の工具寿命の延長が図られていることが分かる。

また、この実施例１においては、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７：０．５ｍｍに対して１／２倍となるように製造したもののうちから、厚さＷ３の最小値が０．２１ｍｍ、最大値が０．４６ｍｍで、最大値と最小値との差が幅Ｗ７の２／５倍（０．２ｍｍ）よりも大きくなったものを用いて、上記と同じ条件で穴明け加工を行った。その結果、加工可能であった穴数は８２穴で、同じＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／２倍となるように製造したものでも、厚さＷ３の最大値と最小値との差が幅Ｗ７の２／５倍以下の範囲の実施例１−４〜１−６と比べ、ＰＣＤ層３内の応力集中の影響が表れて切刃５が欠損しやすくなり、工具寿命が短くなって少ない加工可能穴数となった。同様に、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／２倍であり、かつ最大値と最小値との差が幅Ｗ７の２／５倍よりも大きい実施例１−１０〜１−１２においても、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／２倍であり、かつ最大値と最小値との差が幅Ｗ７の２／５倍以下の範囲の実施例１−４〜１−６と比べて、少ない加工可能穴数となった。その一方で、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／２倍であったので、比較例１−１〜１−９よりも加工可能穴数は多くなった。

次に、実施例２として、上述した第２の実施形態に基づき、すくい面４の先端側辺稜部に外周部が凹曲線状の切刃５を有する２枚刃ツイストドリルを、実施例１と同様に第１先端逃げ面６Ａに露出するＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／３倍、１／２倍、１倍となり、かつＰＣＤ層３の厚さＷ３の最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍以下となるように各３本ずつ製造した。これらを表２に示すように実施例２−１〜２−９とする。また、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／２倍となり、かつＰＣＤ層３の厚さＷ３の最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍より大きいもの（実施例２−１０〜２−１２）も３本製造した。比較例としても同様に、実施例２−１〜２−１２と同じ切刃５の形状で、ＰＣＤ層３の厚さＷ３の最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍以下であり、かつＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／４倍となるもの（比較例２−１〜比較例２−３）、および３／２倍となるもの（比較例２−４〜比較例２−６）、ならびに、ＰＣＤ層３の厚さＷ３の最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍を超え、かつＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して３／２倍となるもの（比較例２−７〜比較例２−９）も各３本ずつ製造した。なお、実施例２−１〜２−１２および比較例２−１〜２−９について、ＰＣＤ層３の厚さＷ３を実施例１と同様の方法で測定した。その結果を表２に示す。

そして、これらのドリルにより、実施例２ではＣＦＲＰだけよりなる厚さ１０ｍｍの被削材に貫通穴を開ける穴明け加工を行い、切刃５に欠損が生じた時点、または切刃５の摩耗幅が０．２ｍｍになった時点までの加工可能であった穴数を測定した。これら実施例２−１〜２−１２および比較例２−１〜比較例２−９のドリルも直径１０ｍｍ、マージン部７の幅Ｗ７が０．９ｍｍであった。また、そのＰＣＤ層３においては、ダイヤモンド粒径は平均３μｍで実施例１に比べて微粒であり、Ｃｏ含有量は１６ｖｏｌ％であった。また、切削速度は３５０ｍ／ｍｉｎ、送り速度は０．１ｍｍ／ｒｅｖの乾式加工で、ステップ送りをせずに穴明け加工を行った。この結果を次表２に示す。

この表２の結果より、やはり比較例２−１〜２−９のうちＰＣＤ層３の厚さＷ３の最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍（０．３６ｍｍ）を超えている比較例２−７〜２−９では、最も多く穴明けが可能であったものでも１００穴には至らず、応力集中によるＰＣＤ層３の亀裂によって早期に寿命となった。また、ＰＣＤ層３の厚さＷ３の最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍（０．３６ｍｍ）以下であり、かつＰＣＤ層３の厚さＷ３がそれぞれマージン部７の幅Ｗ７の１／４倍の比較例２−１〜２−３と３／２倍の比較例２−４〜２−６でも加工可能な穴数は最大でも４０２穴であり、切刃の欠損によって寿命となった。

これらに対して、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／３倍〜１倍の範囲であり、かつ最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍（０．３６ｍｍ）以下である実施例２−１〜２−９のドリルでは、最も少ないものでも４７２穴と、５００穴に近い穴加工が可能であった。また、実施例１−１〜１−６と同様に、ＰＣＤ層３の厚さＷ３の最大値と最小値の差が幅Ｗ７の２／５倍（０．３６ｍｍ）以下であり、かつＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／３倍〜１／２倍の範囲の実施例２−１〜２−６では、１倍の実施例２−７〜２−９よりも多くの加工が可能であり、特に１／２倍の実施例２−４〜２−６ではいずれも６００穴を越えて、一層の工具寿命の延長が図られている。また、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／２倍であり、かつ最大値と最小値との差が幅Ｗ７の２／５倍（０．３６ｍｍ）よりも大きい実施例２−１０〜２−１２においては、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／２倍であり、かつ最大値と最小値との差が幅Ｗ７の２／５倍以下の範囲の実施例２−４〜２−６と比べ、少ない加工可能穴数となった。その一方で、ＰＣＤ層３の厚さＷ３がマージン部７の幅Ｗ７に対して１／２倍であったので、比較例２−１〜２−９よりも加工可能穴数は平均して多くなった。

さらに、実施例３として、上述した参考例のエンドミルを、マージン部（第１外周逃げ面）に露出するＰＣＤ層１３の周方向の厚さＷ１３がマージン部１７の周方向の幅Ｗ１７に対して１／３倍、１／２倍、１倍となり、かつＰＣＤ層１３の厚さＷ１３の最大値と最小値の差が幅Ｗ１７の２／５倍以下となるように各３本ずつ製造した。これらを表３に示すように実施例３−１〜３−９とする。また、ＰＣＤ層１３の厚さＷ１３がマージン部１７の幅Ｗ１７に対して１／２倍となり、かつＰＣＤ層１３の厚さＷ１３の最大値と最小値の差が幅Ｗ１７の２／５倍より大きいもの（実施例３−１０〜３−１２）も３本製造した。これに対する比較例として、ＰＣＤ層の厚さＷ１３の最大値と最小値の差が幅Ｗ１７の２／５以下であり、かつマージン部（第１外周逃げ面）に露出するＰＣＤ層の周方向の厚さＷ１３がマージン部１７の周方向の幅Ｗ１７に対して１／４倍となるもの（比較例３−１〜３−３）、および３／２倍となるもの（比較例３−４〜３−６）、ならびに、ＰＣＤ層１３の厚さＷ１３の最大値と最小値の差が幅Ｗ１７の２／５を超え、かつマージン部１７（第１外周逃げ面）に露出するＰＣＤ層１３の周方向の厚さＷ１３がマージン部１７の周方向の幅Ｗ１７に対して３／２倍となるもの（比較例３−７〜３−９）も各３本ずつ製造した。なお、実施例３−１〜３−１２および比較例３−１〜３−９について、軸線方向先端側からＰＣＤ層１３を実体顕微鏡で観察して、ＰＣＤ層１３の軸線Ｏ側の内周端から外周端までの切刃稜線に沿った長さを５等分にした各点（全６点）における、切刃稜線に直交する方向におけるＰＣＤ層１３の厚さを測定した。４つの切刃１５に形成されたＰＣＤ層１３について測定した全２４点のＰＣＤ層１３の厚さの平均をＰＣＤ層１３の厚さＷ１３とした。また、実体顕微鏡でＰＣＤ層１３の全体を観察してＰＣＤ層１３の厚さが最小となる点及び最大となる点を特定し、それらの点におけるＰＣＤ層の厚さを、それぞれＰＣＤ層厚さの最小値と最大値とした。その結果を表３に示す。

そして、これらのエンドミルにより、ＣＦＲＰのみからなる厚さ２０ｍｍの窓枠形の被削材の口縁部の不要部分を切削するトリミング加工を行い、切刃（外周刃）に欠損が生じた時点、または切刃（外周刃）の摩耗幅が０．２ｍｍになった時点までの加工が可能であった切削長を測定した。なお、これらのエンドミルはいずれも直径１０ｍｍ、マージン部７の幅が０．７ｍｍの４枚刃スクエアエンドミルであり、ＰＣＤ層はダイヤモンド粒径が平均３μｍと実施例２と同じく微粒であり、Ｃｏ含有量は１６ｖｏｌ％であった。また、加工条件は、切削速度が２００ｍ／ｍｉｎ、送り速度は７００ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み量は５ｍｍの乾式加工であった。この結果を次表３に示す。

この表３の結果より、比較例３−１〜３−９のうちＰＣＤ層１３の厚さＷ１３の最大値と最小値の差がマージン部１７の幅Ｗ１７の２／５（０．２８ｍｍ）を超えている比較例３−７〜３−９では、やはり応力集中に起因する亀裂がＰＣＤ層１３に生じ、切削長が最長のものでも１１ｍで寿命に達してしまった。また、ＰＣＤ層１３の厚さＷ１３の最大値と最小値の差が幅Ｗ１７の２／５倍（０．２８ｍｍ）以下であり、かつＰＣＤ層１３の厚さＷ１３がそれぞれマージン部１７の幅Ｗ１７の１／４倍の比較例３−１〜３−３と３／２倍の比較例３−４〜３−６でも切削長は１３ｍ程度までで、ＰＣＤ層上に形成された外周刃の欠損により寿命となった。

これらに対して、ＰＣＤ層１３の厚さＷ１３の最大値と最小値の差が幅Ｗ１７の２／５倍（０．２８ｍｍ）以下であり、かつＰＣＤ層１３の厚さＷ１３がマージン部１７の幅Ｗ１７に対して１／３倍〜１倍の範囲である実施例３−１〜３−９のエンドミルでは、最も短い切削長であった実施例３−７、３−９でも切削長１８ｍの加工が可能であり、１／３倍の実施例３−１〜３−３では最短の切削長の実施例３−３でも１９ｍ、特にＰＣＤ層１３の厚さＷ１３がマージン部１７の幅Ｗ１７の１／２倍の実施例３−４〜３−６ではいずれも２０ｍを上回る切削長を得ることができた。また、ＰＣＤ層１３の厚さＷ１３がマージン部１７の幅Ｗ１７に対して１／２倍であり、かつ最大値と最小値との差が幅Ｗ１７の２／５倍（０．２８ｍｍ）よりも大きい実施例３−１０〜３−１２においては、ＰＣＤ層１３の厚さＷ１３がマージン部１７の幅Ｗ１７に対して１／２倍であり、かつ最大値と最小値との差が幅Ｗ１７の２／５倍以下の範囲の実施例３−４〜３−６と比べ、加工可能切削長が短くなった。その一方で、ＰＣＤ層１３の厚さＷ１３がマージン部１７の幅Ｗ１７に対して１／２倍であったので、比較例３−１〜３−９よりも加工可能切削長は平均して多くなった。

これら実施例１〜３の結果より、ＰＣＤ層の厚さがマージン部の幅に対して１／３倍〜１倍の範囲内にあっても、特に１／３倍〜１／２倍の範囲のものが耐欠損性に優れていることが分かる。また、ＰＣＤ層の厚さの最大値と最小値との差がマージン部の幅の２／５倍以下の範囲内にあると、さらに耐欠損性に優れていることが分かる。
また、実施例１と実施例２、３の結果より、被削材がＣＦＲＰ−ＴｉやＣＦＲＰ−Ａｌといった難削材同士の複合材料の場合はＰＣＤ層のダイヤモンド粒径は祖粒のものが、ＣＦＲＰやＧＦＲＰといった繊維強化プラスチック系の被削材の場合は微粒のものが望ましかった。

本発明の多結晶ダイヤモンド焼結体付き回転切削工具は、摩耗の進行が超硬合金よりなる母材に早期に達するのを抑えつつ、切刃が形成されたＰＣＤ層に十分な耐欠損性を確保することができるので、ＣＦＲＰやその複合材料の切削に好適である。

１ 工具本体
２ 切屑排出溝
３ ＰＣＤ層（多結晶ダイヤモンド層）
４ すくい面
５ 切刃
５Ａ シンニング刃
６ 先端逃げ面
６Ａ 第１先端逃げ面
６Ｂ 第２先端逃げ面
７ マージン部
Ｏ 工具本体１の軸線
Ｔ 工具回転方向
Ｗ３ ＰＣＤ層３の厚さ
Ｗ７ マージン部７の幅

Claims (4)

1. 軸線回りに回転させられる超硬合金を母材とした工具本体の先端部に切屑排出溝が形成され、この切屑排出溝の工具回転方向を向く壁面には多結晶ダイヤモンド焼結体よりなる多結晶ダイヤモンド層が上記母材と一体に焼結されて配設され、この多結晶ダイヤモンド層上に上記壁面をすくい面とする切刃が形成された多結晶ダイヤモンド焼結体付き回転切削工具であって、
   上記工具本体の先端部外周には、上記切屑排出溝の工具回転方向後方に連なるマージン部が形成されるとともに、上記切刃は上記すくい面の工具本体先端側の辺稜部に形成されて、この切刃の内周側には上記軸線側に向かうシンニング刃が形成されており、上記多結晶ダイヤモンド層は上記軸線から上記切刃の外周端まで配設されていて、上記軸線方向に上記工具本体の先端側から見て、上記多結晶ダイヤモンド層の厚さが、上記マージン部の幅の１／３倍〜１倍の範囲とされ、
   上記多結晶ダイヤモンド層の厚さは上記切刃に沿って増減しており、ただし上記多結晶ダイヤモンド層の厚さの最大値と最小値との差が、上記マージン部の幅の２／５倍以下の範囲内とされていることを特徴とする多結晶ダイヤモンド焼結体付き回転切削工具。
2. 上記多結晶ダイヤモンド層が７５〜９５ｖｏｌ％のダイヤモンドを含有する請求項１に記載の多結晶ダイヤモンド焼結体付き回転切削工具。
3. 上記多結晶ダイヤモンド層におけるダイヤモンド粒径が０．５〜６０μｍである請求項１または請求項２に記載の多結晶ダイヤモンド焼結体付き回転切削工具。
4. 上記多結晶ダイヤモンド層のヌープ硬さが３５〜４４ＧＰａである請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の多結晶ダイヤモンド焼結体付き回転切削工具。

Images