JP6935642B2 - 水溶性ミスト加工用ドリル - Google Patents

Description

本発明は、水溶性ミスト加工用ドリルに関する。

特開２００５−１４４６３０号公報（特許文献１）には、最少量潤滑剤（ＭＱＬ：Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｑｕａｎｔｉｔｙ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ）によって穴あけ加工を行うシンニングドリルが記載されている。当該シンニングドリルは、中心側切刃と、外周側切刃とを有しており、ドリル直径の０．３倍から０．４倍の範囲内において、軸心と平行な断面における中心側切刃のすくい角は−５°から＋５°の範囲とされている。

特開２００５−１４４６３０号公報

多量の水溶性潤滑剤を用いて切削加工を行う場合には、被削材の溶着の発生は比較的少ない。しかしながら、ＭＱＬ加工法を用いて切削加工を行う場合には、被削材の溶着を十分に抑制することが困難である。

本発明の一態様の目的は、水溶性ミスト加工において被削材の溶着を抑制可能な水溶性ミスト加工用ドリルを提供することである。

本発明の一態様に係る水溶性ミスト加工用ドリルは、すくい面と、逃げ面と、外周面とを備えている。逃げ面は、すくい面と連なる。外周面は、すくい面および逃げ面の双方に連なる。すくい面と逃げ面との稜線は、切刃を構成する。外周面は、２以上のマージンと、２以上のマージンの間に設けられた中間領域とを含む。中間領域には、側部と、側部に連なる底部とにより規定され、かつ底部の最大径が０．５μｍ以上１μｍ以下である凹部が設けられている。側部は、ダイヤモンドライクカーボン膜により構成されている。底部は、ダイヤモンドライクカーボン膜から露出した基材により構成されている。ダイヤモンドライクカーボン膜と基材との境界面に対して垂直な方向から見て、凹部の数は、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり８００個以上である。

本発明の一態様によれば、水溶性ミスト加工において被削材の溶着を抑制可能な水溶性ミスト加工用ドリルを提供することができる。

本実施形態に係るドリルの構成を示す正面模式図である。 本実施形態に係るドリルの構成を示す平面模式図である。 図２の領域ＩＩＩの拡大図である。 中間領域の一部を示す拡大模式図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿った断面模式図である。 図４のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面模式図である。 本実施形態に係る水溶性ミスト加工用ドリルの中間領域の一部を撮影した反射電子画像である。 本実施形態に係る水溶性ミスト加工用ドリルの中間領域の一部を撮影した二次電子画像である。

［本発明の実施形態の概要］
まず、本発明の実施形態の概要について説明する。

（１）本発明の一態様に係る水溶性ミスト加工用ドリル１００は、すくい面１０と、逃げ面２０と、外周面４とを備えている。逃げ面２０は、すくい面１０と連なる。外周面４は、すくい面１０および逃げ面２０の双方に連なる。すくい面１０と逃げ面２０との稜線は、切刃９を構成する。外周面４は、２以上のマージン１、２と、２以上のマージンの間に設けられた中間領域３とを含む。中間領域３には、側部６ｃと、側部６ｃに連なる底部５ａとにより規定され、かつ底部５ａの最大径Ｗ２が０．５μｍ以上１μｍ以下である凹部７が設けられている。側部６ｃは、ダイヤモンドライクカーボン膜６により構成されている。底部５ａは、ダイヤモンドライクカーボン膜６から露出した基材５により構成されている。ダイヤモンドライクカーボン膜６と基材５との境界面６ｂに対して垂直な方向から見て、凹部７の数は、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり８００個以上である。

上記（１）に係る水溶性ミスト加工用ドリル１００によれば、２以上のマージンの間に設けられた中間領域３において、底部５ａがダイヤモンドライクカーボン膜６から露出した基材５により構成されている凹部７が設けられている。凹部７の数は、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり８００個以上である。ミスト状の水溶性潤滑剤は、超硬合金などの基材の表面に吸着しやすい性質を有する。そのため、ミスト状の水溶性潤滑剤が、基材が露出した底部を有する凹部内に入り込む。結果として、中間領域の表面は、ダイヤモンドライクカーボンとミスト状の水溶性潤滑剤が溜まった凹部とにより構成される。これにより、潤滑性を向上することができると考えられる。よって、中間領域に被削材の切屑が溶着することを抑制することができる。

（２）上記（１）に係る水溶性ミスト加工用ドリル１００において、ダイヤモンドライクカーボン膜６の厚みＨは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下であってもよい。

（３）上記（１）または（２）に係る水溶性ミスト加工用ドリル１００において、ダイヤモンドライクカーボン膜６には、境界面６ｂに対して垂直な方向から見て、最大径Ｗ１が１μｍ以上２０μｍ以下の凸部８が設けられていてもよい。凸部８の数は、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり、１個以上２０個以下であってもよい。これにより、切削中に被削材の切屑が凸部に引っ掛かることを抑制することができる。結果として、中間領域に被削材の切屑が溶着することをさらに抑制することができる。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、図面に基づいて本発明の実施形態（以降、本実施形態と称する）の詳細について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

まず、本実施形態に係る水溶性ミスト加工用ドリルの構成について説明する。水溶性ミスト加工とは、ＭＱＬを用いた加工方法の一種であり、具体的には、水溶性の潤滑剤を霧状にして噴射し、潤滑剤の使用量を最少限度に抑えながら被削材を加工する方法である。

図１、図２および図３に示されるように、本実施形態に係る水溶性ミスト加工用ドリル１００は、すくい面１０と、逃げ面２０と、外周面４と、シンニング面５０と、後方逃げ面１２と、先端部１５と、後端部１６と、シャンク１３とを主に有している。逃げ面２０は、すくい面１０と連なる。すくい面１０と逃げ面２０との稜線は、切刃９を構成する。外周面４は、すくい面１０および逃げ面２０の双方に連なる。シンニング面５０は、逃げ面２０に対して外周面４と反対側に設けられている。シンニング面５０は、逃げ面２０およびすくい面１０の双方に連なる。

ドリル１００は、軸線Ａの周りを回転可能に構成されている。外周面４は、先端部１５側から後端部１６に向かって軸線Ａの周りを螺旋状に延在している。後方逃げ面１２は、逃げ面２０に対して回転方向の後方に配置されている。後方逃げ面１２は、逃げ面２０に連なる。シンニング面５０は、後方逃げ面１２に対して回転方向の後方に配置されている。後方逃げ面１２は、逃げ面２０に対して傾斜している。後方逃げ面１２は、後方逃げ面１２および逃げ面２０の境界部から後端部１６に向かって延在していてもよい。シンニング面５０は、後方逃げ面１２およびシンニング面５０の境界部から後端部１６に向かって延在していてもよい。

水溶性ミスト供給孔１１は、たとえば後方逃げ面１２とシンニング面５０との境界部に設けられている。言い換えれば、水溶性ミスト供給孔１１は、後方逃げ面１２およびシンニング面５０の双方に開口している。水溶性ミスト供給孔１１は、後方逃げ面１２のみに開口するように後方逃げ面１２に設けられていてもよいし、シンニング面５０のみに開口するようにシンニング面５０に設けられていてもよい。水溶性ミスト供給孔１１は、シャンク１３の内部を延在して後端部１６に開口していてもよい。

図１および図３に示されるように、外周面４は、２以上のマージン１、２と、中間領域３とを含む。２以上のマージンは、たとえば第１マージン部１と、第２マージン部２とを有する。第１マージン部１は、たとえば逃げ面２０に連なっている。第２マージン部２は、たとえばシンニング面５０に連なっている。マージンとは、軸線Ａに平行な方向から見て、径方向に突出した部分である。第１マージン部１および第２マージン部２の各々は、互いに離間している。第１マージン部１および第２マージン部２の各々は、先端部１５側から後端部１６に向かって軸線Ａの周りを螺旋状に延在している。マージンの数は、１つの切刃９に対して２以上である。本実施形態においては、切刃９が２つであり、マージンは４つである。

中間領域３は、２以上のマージンの間に設けられている。中間領域３は、たとえば外周面４に設けられた溝である。中間領域３は、第１マージン部１および第２マージン部２の各々の外周面部に対して、軸線Ａ側に窪んだ部分である。中間領域３は、先端部１５側から後端部１６側に向かって軸線Ａの周りを螺旋状に延在している。中間領域３は、たとえば後方逃げ面１２に連なっている。

図４および図５に示されるように、中間領域３には、凹部７が設けられている。図５に示されるように、凹部７は、側部６ｃと底部５ａとにより規定されている。底部５ａは、側部６ｃに連なる。図４および図５に示されるように、底部５ａの最大径Ｗ２は、０．５μｍ以上１μｍ以下である。凹部７の数は、少なくとも１個以上である。側部６ｃは、ダイヤモンドライクカーボン膜６により構成されている。底部５ａは、ダイヤモンドライクカーボン膜６から露出した基材５により構成されている。図４に示されるように、凹部７を構成する底部５ａの形状は、略円形である。ダイヤモンドライクカーボン膜６と基材５との境界面６ｂに対して垂直な方向から見て、凹部７の数は、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり８００個以上である。凹部７の数は、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり、８５０個以上であってもよいし、９００個以上であってもよい。

図５に示されるように、水溶性ミスト加工用ドリル１００は、基材５と、基材５上に設けられたダイヤモンドライクカーボン膜６とにより構成されている。基材５は、たとえば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である。なお、基材５は、超硬合金に限られるものではなく、たとえばサーメットまたはセラミックス等であってもよい。断面視において、ダイヤモンドライクカーボン膜６の厚みＨは、たとえば０．１μｍ以上１．０μｍ以下である。厚みＨは、たとえば０．１５μｍ以上０．９５μｍ以下であってもよいし、０．２０μｍ以上０．９０μｍ以下であってもよい。ダイヤモンドライクカーボン膜６は、たとえばアモルファス構造を有している。

図５に示されるように、ダイヤモンドライクカーボン膜６は、基材５と接する境界面６ｂと反対側の表面６ａを有している。断面視において、表面６ａから境界面６ｂに向かうにつれて凹部７の幅が小さくなっていてもよい。断面視において、凹部７を構成する側部６ｃは、円弧状の部分を有していてもよい。側部６ｃは、内側に凹む曲面であってもよい。底部５ａは、境界面６ｂに連なっていてもよい。

図４および図６に示されるように、中間領域３上のダイヤモンドライクカーボン膜６の領域には、凸部８が設けられていてもよい。境界面６ｂに対して垂直な方向から見て、凸部８の最大径Ｗ１は、１μｍ以上２０μｍ以下である。凸部８の数は、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり、たとえば１個以上２０個以下である。凸部８の数は、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり、２個以上１８個以下であってもよいし、４個以上１６個以下であってもよい。

図６に示されるように、凸部８は、ダイヤモンドライクカーボン膜６の表面６ａから基材５と反対側に突出している。凸部８は、たとえばＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて基材５上にダイヤモンドライクカーボン膜６を形成する際に発生するドロップレットである。ドロップレットは、たとえば複数の炭素原子が集まって形成されたクラスターである。ドロップレットは、炭素原子以外の原子を核にして、当該核の周りに炭素原子が集まったものであってもよい。凸部８は、球面状の表面部分を有してもよい。断面視において、凸部８は、基材５に向かうにつれて凸部８の径が大きくなる部分を有していてもよい。２００μｍ×２００μｍの正方領域あたりの凸部８の数は、当該正方領域あたりの凹部７の数よりも少なくてもよい。

次に、凹部の測定方法について説明する。
凹部７は、たとえばＪＥＯＬ社製の走査電子顕微鏡（型番：ＪＳＭ−６６１０Ａ）の反射電子画像を用いて測定することができる。図７は、本実施形態に係る水溶性ミスト加工用ドリル１００の中間領域３の一部を撮影した反射電子画像である。反射電子は、試料を構成する物質の原子番号が大きい程、多く放出される。そのため、反射電子画像においては、重い原子で構成された部分は明るく表示され、軽い原子で構成された部分は暗く表示される。つまり、反射電子画像においては、試料の組成の違いを識別することができる。図７において、明るく表示されている部分は、超硬合金が露出している部分である。反対に、暗く表示されている部分は、ダイヤモンドライクカーボンが残っている部分である。当該反射電子画像を用いて、明るく表示されている領域を凹部として特定することができる。当該反射電子画像を用いて凹部７の数を算出することにより、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたりの凹部７の数を算出することができる。

次に、凸部の測定方法について説明する。
凸部８は、たとえばＪＥＯＬ社製の走査電子顕微鏡（型番：ＪＳＭ−６６１０Ａ）の二次電子画像を用いて測定することができる。図８は、本実施形態に係る水溶性ミスト加工用ドリル１００の中間領域３の一部を撮影した二次電子画像である。二次電子は、試料を構成する原子の価電子が放出されたものである。二次電子は、エネルギーが極めて小さいため、試料の表面付近で生成されたものだけが試料の外に放出される。そのため、二次電子画像においては、試料の表面形状を識別することができる。図８において、明るく表示されている丸い領域は、ダイヤモンドライクカーボン膜の表面が突出した部分である。当該反射電子画像を用いて、明るく表示されている丸い領域を凸部として特定することができる。当該反射電子画像を用いて凸部８の数を算出することにより、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたりの凸部８の数を算出することができる。なお、図８の測定領域は、図７の測定領域と同じである。

次に、本実施形態に係る水溶性ミスト加工用ドリルの製造方法について説明する。
まず、ドリルの基材が準備される。ドリルの基材の材料は、たとえば超硬合金である。次に、基材の表面にダイヤモンドライクカーボン膜が形成される。ダイヤモンドライクカーボン膜は、たとえばＰＶＤ法を用いて形成される。たとえば基材が、真空チャンバの内部に配置される。真空チャンバ内でアーク放電を発生させることで、原料となるグラファイトのターゲットの表面から炭素イオンが発生する。炭素イオンが基材の表面に堆積することにより、基材上にダイヤモンドライクカーボン膜が形成される。

ダイヤモンドライクカーボン膜の成膜工程において、複数の炭素原子が集まったドロップレットがアークスポットから発生する場合がある。発生した複数のドロップレットの中の一部は、基材の表面（たとえば外周面、すくい面、逃げ面およびシンニング面等）に付着する。たとえばターゲットに印加されるアーク電源などを調整することにより、発生するドロップレットの数が制御される。基材の表面におけるドロップレットの数が、たとえば２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり８００個以上となるように、ダイヤモンドライクカーボン膜の成膜条件が調整される。

次に、ダイヤモンドライクカーボン膜の表面の研磨が行われる。具体的には、ダイヤモンドライクカーボン膜の表面に対して遊離砥粒による磨き処理もしくはバレル処理が行われる。まず、たとえば水滴に複数の研磨砥粒を含ませた略球状の研磨材が準備される。研磨砥粒は、たとえばダイヤモンド砥粒である。研磨材の径は、たとえば０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下である。たとえばエアーノズルを用いて、研磨材を基材の表面に吹き付けて、研磨材をダイヤモンドライクカーボン膜の表面上において滑走させることにより、ダイヤモンドライクカーボン膜の表面が研磨される。これにより、ダイヤモンドライクカーボン膜の表面上に堆積していたドロップレットの一部がダイヤモンドライクカーボン膜の表面上から除去される。最大径が１μｍ以下の凸状のドロップレットもダイヤモンドライクカーボン膜の表面上から除去される。

ドロップレットがダイヤモンドライクカーボン膜の表面から剥がれる際、ドロップレットの下にあるダイヤモンドライクカーボン膜の部分も一緒に剥がれる。これにより、基材５の一部がダイヤモンドライクカーボン膜６から露出して凹部７が形成される（図４および図５参照）。ダイヤモンドライクカーボン膜６上に残されたドロップレットは、凸部８を構成する（図４および図６参照）。凹部７の数が、たとえば２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり８００個以上となるように、処理条件が調整される。同様に、凸部８の数が、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり１個以上２０個以下となるように、処理条件が調整されてもよい。以上により、本実施形態に係る水溶性ミスト加工用ドリル１００（図１参照）が製造される。

次に、本実施形態に係る水溶性ミスト加工用ドリルの作用効果について説明する。
本実施形態に係る水溶性ミスト加工用ドリル１００によれば、第１マージン部１と第２マージン部２との間に設けられた中間領域３において、底部５ａがダイヤモンドライクカーボン膜６から露出した基材５により構成されている凹部７が設けられている。凹部７の数は、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり８００個以上である。ミスト状の水溶性潤滑剤は、超硬合金などの基材の表面に吸着しやすい性質を有する。そのため、ミスト状の水溶性潤滑剤が、基材が露出した底部を有する凹部内に入り込む。結果として、中間領域の表面は、ダイヤモンドライクカーボンとミスト状の水溶性潤滑剤が溜まった凹部とにより構成される。これにより、潤滑性を向上することができると考えられる。よって、中間領域に被削材の切屑が溶着することを抑制することができる。

また本実施形態に係る水溶性ミスト加工用ドリル１００によれば、ダイヤモンドライクカーボン膜６には、境界面６ｂに対して垂直な方向から見て、最大径Ｗ１が１μｍ以上２０μｍ以下の凸部８が設けられている。凸部８の数は、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり、１個以上２０個以下である。これにより、切削中に被削材の切屑が凸部に引っ掛かることを抑制することができる。結果として、中間領域に被削材の切屑が溶着することをさらに抑制することができる。

（サンプル準備）
まず、中間領域３における凹部７（図４参照）の数の異なるサンプル１および２の水溶性ミスト加工用ドリルを準備した。サンプル１および２の水溶性ミスト加工用ドリルの中間領域における凹部の数（言い換えれば、基材の露出部の数）を、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり、それぞれ９９９個および２７１個とした。凹部の数は、前述の測定方法により算出した。

（切削条件）
サンプル１および２の水溶性ミスト加工用ドリルを用いて、水溶性ミスト供給孔からミスト状の水溶性潤滑剤を噴射しながら、被削材に対して穴あけ加工を行った。水溶性潤滑剤としてエマルジョンを使用した。ミストの直径を約１５μｍ以下とした。被削材をアルミニウム合金（ＡＤＣ１２材）とした。穴の径をφ７．５とした。穴をストップホールとした。穴の深さを２５ｍｍとした。切削速度（Ｖｃ）を２００ｍ／分とした。１回転あたりの送り速度（ｆ）を０．５ｍｍ／回転とした。上記条件を用いて穴あけ加工試験を実施し、加工穴数を測定した。

（評価結果）

表１は、各サンプルの加工穴数と、中間領域における凹部の数との関係を示している。表１に示されるように、サンプル１および２の水溶性ミスト加工用ドリルの加工穴数は、それぞれ１４０００穴および２０穴であった。また２０穴加工後、サンプル２の水溶性ミスト加工用ドリルを観察したところ、中間領域、切刃およびシンニング面などにおいて、被削材の切屑が多量に溶着していることが確認された。一方、１００００穴加工後、サンプル１の水溶性ミスト加工用ドリルを観察したところ、中間領域、切刃およびシンニング面などにおいて、被削材の切屑がほとんど溶着していないことが確認された。以上の結果より、サンプル２の水溶性ミスト加工用ドリルと比較して、サンプル１の水溶性ミスト加工用ドリルは、被削材の切屑の溶着を抑制可能であることが確認された。またサンプル２の水溶性ミスト加工用ドリルと比較して、サンプル１の水溶性ミスト加工用ドリルは、加工穴数を向上可能であることが確認された。

今回開示された実施の形態および実施例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説明ではなくて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 第１マージン部
２ 第２マージン部
３ 中間領域
４ 外周面
５ 基材
５ａ 底部
６ ダイヤモンドライクカーボン膜
６ａ 表面
６ｂ 境界面
６ｃ 側部
７ 凹部
８ 凸部
９ 切刃
１０ すくい面
１１ 水溶性ミスト供給孔
１２ 後方逃げ面
１３ シャンク
１５ 先端部
１６ 後端部
２０ 逃げ面
５０ シンニング面
１００ 水溶性ミスト加工用ドリル
Ａ 軸線
Ｈ 厚み
Ｗ１，Ｗ２ 最大径

Claims (3)

1. すくい面と、
   前記すくい面と連なる逃げ面と、
   前記すくい面および前記逃げ面の双方に連なる外周面とを備え、
   前記すくい面と前記逃げ面との稜線は、切刃を構成し、
   前記外周面は、２以上のマージンと、前記２以上のマージンの間に設けられた中間領域とを含み、
   前記中間領域には、側部と、前記側部に連なる底部とにより規定され、かつ前記底部の最大径が０．５μｍ以上１μｍ以下である凹部が設けられており、
   前記側部は、ダイヤモンドライクカーボン膜により構成され、
   前記底部は、前記ダイヤモンドライクカーボン膜から露出した基材により構成されており、
   前記ダイヤモンドライクカーボン膜と前記基材との境界面に対して垂直な方向から見て、前記凹部の数は、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり８００個以上である、水溶性ミスト加工用ドリル。
2. 前記ダイヤモンドライクカーボン膜の厚みは、０．１μｍ以上１．０μｍ以下である、請求項１に記載の水溶性ミスト加工用ドリル。
3. 前記ダイヤモンドライクカーボン膜には、前記境界面に対して垂直な方向から見て、最大径が１μｍ以上２０μｍ以下の凸部が設けられており、
   前記凸部の数は、２００μｍ×２００μｍの正方領域あたり、１個以上２０個以下である、請求項１または請求項２に記載の水溶性ミスト加工用ドリル。

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