JP6819946B2

JP6819946B2 - 切削工具

Info

Publication number: JP6819946B2
Application number: JP2016164860A
Authority: JP
Inventors: 克夫風早; 小林　豊; 豊小林
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2016-08-25
Filing date: 2016-08-25
Publication date: 2021-01-27
Anticipated expiration: 2036-08-25
Also published as: JP2018030211A

Description

本発明は、切削工具に関する。

従来から、基材をダイヤモンド層で被覆した切削工具として、特開２０１５−８５４６２号公報（特許文献１）に記載された切削工具が知られている。特許文献１に記載された切削工具の工具本体は、逃げ面と、すくい面と、逃げ面及びすくい面の交差稜線に形成された切れ刃とを有している。工具本体は、硬質皮膜に被覆されている。

特許文献１に記載の切削工具においては、切削工具の切れ味を改善するため、レーザがすくい面側に照射される。これにより、工具本体のすくい面側を被覆している硬質皮膜が除去され、工具本体の逃げ面側を被覆している硬質皮膜が残存している。

特開２０１５−８５４６２号公報

特許文献１の切削工具においては、工具本体のすくい面側を被覆している硬質皮膜を除去する際に、条件によっては、レーザによりすくい面が粗面化されることがある。その結果、すくい面と被削材との摩擦が大きくなってしまう。また、レーザ照射の影響により、残存した工具本体の逃げ面側を被覆している硬質皮膜には、欠陥及び基材との膜密着性の劣化が生じる。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。より具体的には、本発明は、すくい面と被削材との摩擦を低減し、切れ刃の切れ味を改善し、逃げ面側の基材を被覆しているダイヤモンド層の膜密着性の劣化等を抑制することができる切削工具を提供するものである。

本発明の一態様に係る切削工具は、すくい面と、すくい面に連なる逃げ面と、すくい面と逃げ面との稜線から構成される切れ刃とを備えている。本発明の一態様に係る切削工具は、基材と、ダイヤモンド層と、被覆層とを備えている。基材は、すくい面側の面である第１面と逃げ面側の面である第２面とを有している。ダイヤモンド層は、基材の第１面及び第２面を被覆している。被覆層は、基材の第１面と基材の第１面側を被覆しているダイヤモンド層との間に配置され、かつダイヤモンド層に接している。ダイヤモンド層と被覆層との間の密着強度は、被覆層と基材の第１面との間の密着強度よりも低い。

上記によると、レーザを照射することなく、被覆層とダイヤモンド層との界面に沿ってダイヤモンド層が容易に剥離する。そのため、上記によると、すくい面と被削材との摩擦を低減し、切れ刃の切れ味を改善し、逃げ面側の基材を被覆しているダイヤモンド層の膜密着性の劣化等を抑制することができる。

実施形態に係る切削工具の上面図である。図１の領域ＩＩにおける拡大上面図である。実施形態に係る切削工具を用いた切削加工の模式図である。図２のＩＶ−ＩＶにおける断面図である。実施形態の変形例に係る切削工具の切れ刃に垂直な断面における断面図である。実施形態に係る切削工具の製造方法の工程図である。被覆層形成工程が行われた後における実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具の断面図である。ダイヤモンド層形成工程が行われた後における実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具の断面図である。切削開始後における実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具の切れ刃に垂直な断面における断面図である。

[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

（１）本発明の一態様に係る切削工具は、すくい面と、すくい面に連なる逃げ面と、すくい面と逃げ面との稜線から構成される切れ刃とを備えている。また、本発明の一態様に係る切削工具は、基材と、ダイヤモンド層と、被覆層とを備えている。基材は、すくい面側の面である第１面と逃げ面側の面である第２面とを有している。ダイヤモンド層は、基材の第１面及び第２面を被覆している。被覆層は、基材の第１面と基材の第１面側を被覆しているダイヤモンド層との間に配置され、かつダイヤモンド層に接している。ダイヤモンド層と被覆層との間の密着強度は、被覆層と基材の第１面との間の密着強度よりも低い。

（１）の切削工具によると、すくい面と被削材との摩擦を低減し、切れ刃の切れ味を改善し、逃げ面側の基材を被覆しているダイヤモンド層の膜密着性の劣化等を抑制することができる。

（２）（１）の切削工具において、基材は超硬合金であり、被覆層は脱炭層であり、脱炭層は、基材よりも低い合金炭素量を有していてもよい。

（２）の切削工具によると、簡易にすくい面と被削材との摩擦を低減し、切れ刃の切れ味を改善することができる。

（３）（１）の切削工具において、基材は超硬合金であり、被覆層は基材とは異なる金属材料により構成されている金属層及びセラミックスにより構成されるセラミックス層のいずれかであってもよい。

（３）の切削工具によると、簡易にすくい面と被削材との摩擦を低減し、切れ刃の切れ味を改善することができる。

（４）（１）〜（３）の切削工具において、被覆層の最大高さ粗さＲｚは２μｍ以下であってもよい。

（４）の切削工具によると、すくい面と被削材との摩擦をさらに低減し、切れ刃の切れ味をさらに改善することができる。

（５）（１）〜（４）の切削工具において、被覆層の摩擦係数は０．６以下であってもよい。

（５）の切削工具によると、すくい面と被削材との摩擦をさらに低減し、切れ刃の切れ味をさらに改善することができる。

（６）（１）〜（５）の切削工具において、被覆層の線膨張係数は、基材又はダイヤモンド層の線膨張係数より大きくてもよい。

（６）の切削工具によると、ダイヤモンド層が被覆層からさらに容易に剥離する。その結果、被覆層に残留応力が残りにくく、被覆層の表面の凹凸がさらに減少する。そのため、この場合には、すくい面と被削材との摩擦をさらに低減し、切れ刃の切れ味をさらに改善することができる。

[本発明の実施形態の詳細]
以下に、本発明の実施形態の詳細について図を参照して説明する。なお、各図中同一または相当部分には同一符号を付している。また、以下に記載する実施の形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
（実施形態に係る切削工具の構成）
以下に、実施形態に係る切削工具の構成について説明する。図１は、実施形態に係る切削工具の上面図である。実施形態に係る切削工具は、先端部１と、ボディ部２と、シャンク部３とを有している。実施形態に係る切削工具は、ボールエンドミルである。実施形態に係る切削工具は、ボールエンドミルに限られるものではない。例えば、実施形態に係る切削工具は、ラジアスエンドミル等であってもよい。

図２は、図１の領域ＩＩにおける拡大上面図である。図２に示すように、実施形態に係る切削工具は、先端部１において、すくい面１１と、逃げ面１２（図４参照）とを有している。すくい面１１は、逃げ面１２に連なっている。すくい面１１と逃げ面１２との稜線は、切れ刃１３を構成している。

図３は、実施形態に係る切削工具を用いた切削加工の模式図である。図３に示すように、実施形態に係る切削工具は、中心軸Ａを中心として回転しながら、切れ刃１３が被削材に付勢される。これにより、被削材の切削加工が行われる。

図４は、図２のＩＶ−ＩＶ断面における断面図である。図４に示すように、実施形態に係る切削工具は、基材４と、ダイヤモンド層５と、被覆層６とを有している。基材４は、第１面４１と、第２面４２とを有している。第１面４１は、基材４のすくい面１１側の面である。第２面４２は、基材４の逃げ面１２側の面である。

基材４は、ダイヤモンド層５により被覆されている。具体的には、基材４の第１面４１側及び第２面４２側は、ダイヤモンド層５により被覆されている。基材４の第２面４２は、ダイヤモンド層５に接している。基材４の第１面４１側を被覆しているダイヤモンド層５は、厚さｈ１を有している。基材４の第２面４２側を被覆しているダイヤモンド層５は、厚さｈ２を有している。厚さｈ１及び厚さｈ２は、３μｍ以上３０μｍ以下である。切れ刃１３は、丸まっている。

基材４は、炭素（Ｃ）を含有する金属材料である。基材４には、例えば、ＷＣ（炭化タングステン）等の粉末と、Ｃｏ（コバルト）等の結合剤とを含む焼結体である超硬合金が用いられる。超硬合金中のＣｏの含有量は、１２重量パーセント以下であることが好ましい。超硬合金中のＣｏの含有量は、重切削時の基材４の強度を考慮し、６重量パーセント以下であることがさらに好ましい。なお、基材４は、ダイヤモンド層５及び被覆層６以外の層によりコーティングされている場合は、そのコーティングを含めて基材４とする。

ダイヤモンド層５は、例えば、ダイヤモンド結晶を含有する層である。ダイヤモンド層５は、例えば、ダイヤモンド多結晶膜である。ダイヤモンド層５は、非ダイヤモンド成分（例えば非晶質成分）等を含有していてもよい。

被覆層６は、基材４の第１面４１側を被覆しているダイヤモンド層５と基材４との間に設けられている。被覆層６は、基材４の第１面４１側を被覆しているダイヤモンド層５に接している。被覆層６は、基材４の第１面４１に接している。

ダイヤモンド層５と被覆層６との間の密着強度は、被覆層６と基材４の第１面４１との間の密着強度よりも低い。このことを別の観点からいえば、ダイヤモンド層５と被覆層６との間の剥離は、被覆層６と基材４の第１面４１との間の剥離よりも生じやすくなっている。ダイヤモンド層５と被覆層６との間の密着強度が被覆層６と基材４の第１面４１との間の密着強度よりも低いことは（ダイヤモンド層５と被覆層６との間の剥離は、被覆層６と基材４の第１面４１との間の剥離よりも生じやすくなっていることは）、切削加工前の切削工具のすくい面１１及び逃げ面１２に対してレーザを照射し、ダイヤモンド層５の剥離の程度の差を観察することにより判断できる。

実施形態に係る切削工具においては、被覆層６は、例えば脱炭層６ａである。脱炭層６ａにおける合金炭素量は、基材４の炭素濃度よりも低い。より具体的には、基材４が超硬合金である場合、脱炭層６ａは、イーター（η）相（Ｗ_３Ｃｏ_３Ｃ、Ｗ_６Ｃｏ_６Ｃ）により構成されていてもよい。脱炭層６ａ上にダイヤモンド層５を成膜する過程において、脱炭層６ａの表面上で浸炭現象が発生する。その結果、脱炭層６ａとダイヤモンド層５との間に煤（遊離炭素）が生じる。これに伴い、脱炭層６ａとダイヤモンド層５との膜密着性が低下する。

基材４を被覆しているダイヤモンド層５をレーザ等により除去した場合における基材４の表面粗さ（なお、表面粗さとは、ＪＩＳＢ０６０１−２０１３に定める最大高さ粗さＲｚをいう。以下において同じ。）は、６μｍ程度である。そのため、被覆層６の表面粗さは、これよりも小さいことが好ましい。被覆層６の表面粗さは、２μｍ以下であることがさらに好ましい。被覆層６の摩擦係数は、０．６以下であることが好ましい。

なお、被覆層６の表面粗さは、触針式又は光学干渉式の表面粗さ測定器を用いて測定される。なお、被覆層６の摩擦係数は物質固有の値である。

被覆層６の線膨張係数は、ダイヤモンド層５の線膨張係数よりも大きいことが好ましい。この場合には、被覆層６とダイヤモンド層５との間の熱応力に起因して、被覆層６との境界においてダイヤモンド層５の剥離が生じやすくなる。被覆層６の線膨張係数は、基材４の線膨張係数よりも大きいことがさらに好ましい。この場合には、被覆層６とダイヤモンド層５との線膨張係数の差がさらに拡大することにより、被覆層６との境界においてダイヤモンド層５の剥離がさらに生じやすくなる。より具体的には、０．７×１０^−６／Ｋ以上であることが好ましい。

（実施形態の変形例に係る切削工具の構成）
以下に、実施形態の変形例に係る切削工具の構成について説明する。なお、以下においては、実施形態に係る切削工具と異なる点について主に説明し、同様の説明は繰り返さない。

図５は、実施形態の変形例に係る切削工具の切れ刃１３に垂直な断面における断面図である。図５に示すように、実施形態の変形例に係る切削工具は、すくい面１１と、逃げ面１２と、切れ刃１３とを有している。また、実施形態の変形例に係る切削工具は、基材４と、ダイヤモンド層５と、被覆層６とを有している。これらの点において、実施形態の変形例に係る切削工具は、実施形態に係る切削工具と同様である。

実施形態の変形例に係る切削工具の被覆層６は、金属から構成される層（金属層６ｂ）又はセラミックスから構成される層（セラミックス層６ｃ）である。この点において、実施形態の変形例に係る切削工具は、実施形態に係る切削工具と異なっている。

金属層６ｂに用いられる金属は、基材４に用いられる材料とは異なっている。金属層６ｂには、ダイヤモンド層５との間の密着強度が、基材４の第１面４１との間の密着強度よりも低くなるような金属が用いられる。具体的には、金属層６ｂには、Ｎｉ（ニッケル）が用いられる。

セラミックス層６ｃには、ダイヤモンド層５との間の密着強度が、基材４の第１面４１との間の密着強度よりも低くなるようなセラミックスが用いられる。具体的には、ＳｉＯ_２（二酸化珪素）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）等が用いられる。

（実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具の製造方法）
以下に、実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具の製造方法について説明する。図６は、実施形態に係る切削工具の製造方法の工程図である。図６に示すように、実施形態に係る切削工具の製造方法は、被覆層形成工程Ｓ１と、ダイヤモンド層形成工程Ｓ２とを有する。

図７は、被覆層形成工程Ｓ１が行われた後における実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具の断面図である。図７に示すように、被覆層形成工程Ｓ１においては、被覆層６が形成される。具体的には、図７（Ａ）に示すように、基材４の第１面４１側に、脱炭層６ａが形成される。脱炭層６ａは、基材４の第１面４１上にレーザを照射することにより形成される。すなわち、このレーザ照射により、基材４の第１面４１側において合金炭素量が減少することにより、脱炭層６ａが形成される。なお、脱炭層６ａは、放電加工により形成してもよい。図７（Ｂ）に示すように、被覆層形成工程Ｓ１においては、基材４の第１面４１上に、金属層６ｂ又はセラミックス層６ｃが形成されてもよい。金属層６ｂ及びセラミックス層６ｃは、例えばＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）により形成される。

図８は、ダイヤモンド層形成工程Ｓ２が行われた後における実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具の断面図である。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、ダイヤモンド層形成工程Ｓ２においては、基材４の第１面４１側及び第２面４２側がダイヤモンド層５により被覆される。より具体的には、基材４の第２面４２及び被覆層６（脱炭層６ａ、金属層６ｂ又はセラミックス層６ｃ）がダイヤモンド層５により被覆される。これにより、被覆層６が基材４の第１面４１側を被覆しているダイヤモンド層５と基材４との間に位置し、かつ基材４の第１面４１側を被覆しているダイヤモンド層５に接することになる。なお、このダイヤモンド層５の成膜は、例えばＨＦＣＶＤ（Hot Filament Chemical Vapor Deposition）を用いて行われる。以上から、実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具の製造方法が完了する。

ダイヤモンド層５の成膜時には、実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具の先端周辺の温度が、他の部分よりも高くなる。そのため、ダイヤモンド層５の成膜が促進される。その結果、実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具の製造方法が完了した後であって切削加工の開始前の段階においては、実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具の切れ刃１３は、丸まっている。

（実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具の効果）
以下に、実施形態の切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具の効果について説明する。図９は、切削開始後における実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具の切れ刃１３に垂直な断面における断面図である。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、切削開始後においては、被覆層６（脱炭層６ａ、金属層６ｂ又はセラミックス層６ｃ）上のダイヤモンド層５が剥離している。すなわち、切削開始後においては、被覆層６（脱炭層６ａ、金属層６ｂ又はセラミックス層６ｃ）が露出している。このことを別の観点からいえば、実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具は、切削開始後においては、すくい面１１の一部が、被覆層６により構成されている。

実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具においては、被覆層６（脱炭層６ａ、金属層６ｂ又はセラミックス層６ｃ）とダイヤモンド層５との間の密着強度が、被覆層６と基材４の第１面４１との間の密着強度よりも低い。そのために、被覆層６上のダイヤモンド層５は、切削の際に被削材から加わる力により、容易に剥離する。

その結果、実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具においては、切削開始に伴うダイヤモンド層５の剥離により、鋭利な切れ刃が形成され、切削工具の切れ味が改善される。

実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具においては、レーザ等を用いることなく、第１面４１側のダイヤモンド層５が除去される。そのため、第１面４１側のダイヤモンド層５の除去に伴ってすくい面１１が粗面化されることはなく、基材４の逃げ面１２側を被覆しているダイヤモンド層５に対する欠陥の発生や基材４との密着性の低下も生じにくい。その結果、実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具によると、すくい面１１と被削材との摩擦を低減することができ、基材４の逃げ面１２側を被覆しているダイヤモンド層５の基材４との密着性の低下を抑制することができる。

実施形態に係る切削工具において被覆層６が脱炭層６ａである場合、基材４の第１面４１側の極表面上に空気中で弱い強度のレーザを照射する等により、簡易に被覆層６を形成することができる。そのため、この場合には、簡易にすくい面と被削材との摩擦を低減し、切れ刃の切れ味を改善することができる。

被覆層６が金属層６ｂ又はセラミックス層６ｃである場合、すなわち、実施形態の変形例に係る切削工具の場合、基材４の第１面４１上にＰＶＤ等により、簡易に被覆層６を形成することができる。そのため、この場合には、簡易にすくい面と被削材との摩擦を低減し、切れ刃の切れ味を改善することができる。

実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具においては、切削開始後にすくい面１１側のダイヤモンド層５が剥離されるため、すくい面１１の表面粗さは、被覆層６の表面粗さにより決定される。そのため、実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具において、被覆層６の表面粗さ（最大高さ粗さＲｚ）が２μｍ以下である場合、すくい面１１と被削材との摩擦をさらに低減し、切れ刃の切れ味をさらに改善することができる。

実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具においては、切削開始後にすくい面１１側のダイヤモンド層５が剥離されるため、すくい面１１の摩擦係数は、被覆層６の摩擦係数により決定される。そのため、実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具において被覆層６の摩擦係数が０．６以下である場合には、すくい面１１と被削材との摩擦をさらに低減し、切れ刃の切れ味をさらに改善することができる。

実施形態に係る切削工具及び実施形態の変形例に係る切削工具において、被覆層６の線膨張係数が基材４又はダイヤモンド層５の線膨張係数よりも大きい場合、特に被覆層６の線膨張係数が０．７×１０^−６／Ｋ以上である場合、ダイヤモンド層５が被覆層６からさらに容易に剥離する。そのため、ダイヤモンド層５が剥離した後の被覆層６に残留している応力は小さく、ダイヤモンド層５が剥離した後の被覆層６の表面は、凹凸が少なく平坦である。したがって、この場合には、すくい面１１と被削材との摩擦をさらに低減し、切れ刃の切れ味をさらに改善することができる。また、この場合には、ダイヤモンド層５の剥離後に切れ刃となる残存したダイヤモンド層５の端面の凹凸が小さくなり、切れ刃の切れ味をさらに改善することができる。なお、上記においては、ダイヤモンド層５と被覆層６との間の密着強度が被覆層６と基材４の第１面４１との間の密着強度より低い場合について説明したが、基材４のすくい面１１側を被覆しているダイヤモンド層５を基材４から剥離しやすくする効果を発現する観点からは、ダイヤモンド層５と被覆層６との間の密着強度及び被覆層６と基材４の第１面との間の密着強度のうちの少なくともいずれかが、ダイヤモンド層５と基材４の第２面４２との間の密着強度よりも低ければよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１先端部
１１すくい面
１２逃げ面
１３切れ刃
２ボディ部
３シャンク部
４基材
４１第１面
４２第２面
５ダイヤモンド層
６被覆層
６ａ脱炭層
６ｂ金属層
６ｃセラミックス層
Ａ中心軸
ｈ１，ｈ２厚さ
Ｓ１被覆層形成工程
Ｓ２ダイヤモンド層形成工程。

Claims

すくい面と、前記すくい面に連なる逃げ面と、前記すくい面と前記逃げ面との稜線から構成される切れ刃とを備える切削工具であって、
前記すくい面側の面である第１面と、前記逃げ面側の面である第２面とを有する基材と、
前記基材の前記第１面及び前記第２面を被覆しているダイヤモンド層と、
前記基材の前記第１面と前記基材の前記第１面側を被覆している前記ダイヤモンド層との間に配置され、かつ前記ダイヤモンド層に接する被覆層とを備え、
前記ダイヤモンド層と前記被覆層との間の密着強度は、前記被覆層と前記基材の前記第１面との間の密着強度よりも低く、
前記第２面と前記ダイヤモンド層とは、互いに接している、切削工具。
前記基材は、超硬合金により構成されており、
前記被覆層は、前記基材より低い合金炭素量を有する脱炭層である、請求項１に記載の切削工具。
前記基材は、超硬合金により構成されており、
前記被覆層は、前記基材とは異なる金属により構成されている金属層及びセラミックスにより構成されているセラミックス層のいずれかである、請求項１に記載の切削工具。
前記被覆層の最大高さ粗さＲｚは、２μｍ以下である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の切削工具。
前記被覆層の摩擦係数は、０．６以下である、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の切削工具。
前記被覆層の線膨張係数は、前記基材又は前記ダイヤモンド層の線膨張係数よりも大きい、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の切削工具。