JP6973672B2 - 切削工具の製造方法 - Google Patents
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また、本発明の一つの態様は、焼結合金製の工具基体と、前記工具基体の外面上に配置され、炭化物、窒化物、および炭窒化物のいずれか、あるいはこれらの複合化合物により構成される層を少なくとも有する硬質被膜と、前記工具基体の稜線部に形成され、前記硬質被膜のうち前記稜線部に位置する部分を含む切れ刃と、を備える切削工具の製造方法であって、前記硬質被膜上に、パルス幅が100ps以下のパルスレーザを、大気中または任意のガス中で直接照射することで、前記硬質被膜および前記工具基体の表層に圧縮残留応力を付与するレーザピーニング工程を含み、前記レーザピーニング工程では、前記切れ刃と平行な方向のパルスレーザ照射点間隔と、前記切れ刃と直交する方向のパルスレーザ照射点間隔とを、互いに異ならせる。
また、本発明の一つの態様は、焼結合金製の工具基体と、前記工具基体の外面上に配置され、炭化物、窒化物、および炭窒化物のいずれか、あるいはこれらの複合化合物により構成される層を少なくとも有する硬質被膜と、前記工具基体の稜線部に形成され、前記硬質被膜のうち前記稜線部に位置する部分を含む切れ刃と、を備える切削工具の製造方法であって、前記硬質被膜上に、パルス幅が100ps以下のパルスレーザを、大気中または任意のガス中で直接照射することで、前記硬質被膜および前記工具基体の表層に圧縮残留応力を付与するレーザピーニング工程を含み、前記レーザピーニング工程では、前記切れ刃と直交する方向にパルスレーザを走査させる。
また、本発明の一つの態様は、焼結合金製の工具基体と、前記工具基体の外面上に配置され、炭化物、窒化物、および炭窒化物のいずれか、あるいはこれらの複合化合物により構成される層を少なくとも有する硬質被膜と、前記工具基体の稜線部に形成され、前記硬質被膜のうち前記稜線部に位置する部分を含む切れ刃と、を備える切削工具の製造方法であって、前記硬質被膜上に、パルス幅が100ps以下のパルスレーザを、大気中または任意のガス中で直接照射することで、前記硬質被膜および前記工具基体の表層に圧縮残留応力を付与するレーザピーニング工程を含み、前記レーザピーニング工程では、前記切れ刃と平行な方向にパルスレーザを走査させる。
また、安定して圧縮残留応力を付与できるため、切削工具の品質のばらつきが抑えられる。また、大気中でレーザ照射を行うことができ、その前後処理工程を特に必要としないため、一般に知られるウェットブラスト等の応力制御技術に比べて、本発明では処理が簡単かつ高速に行え、生産性が向上する。
上記切削工具の製造方法において、前記レーザピーニング工程では、前記切れ刃と直交する方向にパルスレーザを走査させる。また、前記切れ刃は、コーナ刃部を有し、前記レーザピーニング工程において、パルスレーザの走査方向は、前記コーナ刃部と直交する方向であることとしてもよい。また、前記レーザピーニング工程では、前記切れ刃と直交する方向のうち、すくい面側から前記切れ刃へ向けて、前記切れ刃に接近する方向にパルスレーザを走査させることとしてもよい。
上記切削工具の製造方法において、前記レーザピーニング工程では、前記切れ刃と平行な方向にパルスレーザを走査させる。また、前記切れ刃は、コーナ刃部を有し、前記レーザピーニング工程において、パルスレーザの走査方向は、前記コーナ刃部と平行な方向であることとしてもよい。
また、レーザピーニング工程において、切れ刃と平行な方向にパルスレーザを走査させる場合、切れ刃に沿ったスキャンであるため、レーザピーニング処理を高速で行うことができ、切削工具の生産効率がよい。また、切れ刃の刃先にスポットを配列することが容易であり、刃先近傍の圧縮残留応力を均等化しやすい。
上記切削工具の製造方法において、前記レーザピーニング工程では、前記硬質被膜上に、パルス幅が10ps以下のパルスレーザを照射することが好ましい。
この場合、例えば、硬質被膜に対して−1000MPa以下、工具基体表層に対して−1500MPa以下の残留応力、つまりより高い圧縮残留応力を付与することが可能になる。
上記切削工具の製造方法において、前記レーザピーニング工程では、前記硬質被膜上に、パルス幅が10fs以上のパルスレーザを照射することが好ましい。
この場合、硬質被膜の上から、パルス幅が10fs(フェムト秒)以上の短パルスレーザをレーザ照射するので、パルス幅が短くなり過ぎることが抑制されて、ワークに衝撃がかかる時間が確保される。このため、レーザ照射による衝撃がワーク深部まで安定して到達する。硬質被膜のみならず工具基体の表層にまで、安定して高い圧縮残留応力を付与することができる。
中心軸Cと直交する方向を径方向と呼ぶ。径方向のうち、中心軸Cに近づく向きを径方向内側と呼び、中心軸Cから離れる向きを径方向外側と呼ぶ。
中心軸C回りに周回する方向を周方向と呼ぶ。
一対の板面10a,10bのうち、少なくとも一方の板面10aは、板面10aの一部(コーナ部等)が切削加工時に図示しない被削材と対向する。
ランド部5aは、すくい面5のうち、切れ刃3と接続される部分である。ランド部5aは、切れ刃3の径方向内側に配置される。本実施形態ではランド部5aが、切れ刃3から径方向内側へ向かうに従い軸方向他方側へ向けて傾斜する傾斜面である。なおランド部5aは、中心軸Cと垂直な方向に拡がる平面状でもよい。
後述するレーザピーニング工程を経ることにより、工具基体1の表層の残留応力は、例えば−1000MPa以下、好ましくは−1500MPa以下とされる。
後述するレーザピーニング工程を経ることにより、硬質被膜2の残留応力、具体的には第1層2aの残留応力は、0MPa以下(つまり圧縮残留応力が付与)、好ましくは−1000MPa以下とされる。
本実施形態の切削工具10の製造方法は、焼結工程と、成膜工程と、レーザピーニング工程と、を含む。
また好ましくは、レーザピーニング工程では、硬質被膜2上に、パルス幅が10fs(フェムト秒)以上のパルスレーザLを照射する。より望ましくは、レーザピーニング工程では、硬質被膜2上に、パルス幅が500fs以上のパルスレーザLを照射する。
上記パルスレーザLのピークパワー密度は、1TW(テラワット)/cm2以上が好ましく、より好ましくは5TW/cm2以上であり、さらに望ましくは、20TW/cm2以上である。このように、1TW(テラワット)/cm2以上で衝撃を与えることで、工具基体1および硬質被膜2に高い圧縮残留応力を安定して付与することができる。また好ましくは、ピークパワー密度は、10PW(ペタワット)/cm2以下である。その理由は、10PW(ペタワット)/cm2を超えたあたりから、大気のブレイクダウンによるプラズマが生じ、レーザビームが遮蔽されてしまうためである。
また、安定して圧縮残留応力を付与できるため、切削工具10の品質のばらつきが抑えられる。また、大気中でレーザ照射を行うことができ、その前後処理工程を特に必要としないため、一般に知られるウェットブラスト等の応力制御技術に比べて、本実施形態では処理が簡単かつ高速に行え、生産性が向上する。
この場合、例えば、硬質被膜2に対して−1000MPa以下、工具基体1表層に対して−1500MPa以下の残留応力、つまりより高い圧縮残留応力を付与することが可能になる。
なおより好ましくは、レーザピーニング工程では、硬質被膜2上に、パルス幅が2ps以下のパルスレーザLを照射する。この場合、例えば、硬質被膜2に対して−1500MPa以下、工具基体1表層に対して−2000MPa以下の残留応力、つまりより高い圧縮残留応力を付与することが可能になる。
この場合、パルスレーザLのパルス幅が短くなり過ぎることが抑制されて、ワークに衝撃がかかる時間が確保される。このため、レーザ照射による衝撃がワーク深部まで、すなわち硬質被膜2直下の工具基体1表層にまで、安定して到達する。硬質被膜2および工具基体1の両方に対して、安定して高い圧縮残留応力を付与することができる。なおより好ましくは、レーザピーニング工程では、硬質被膜2上に、パルス幅が500fs以上のパルスレーザLを照射する。これにより上述の効果がより顕著となる。
この場合、硬質被膜2および工具基体1の圧縮残留応力に、異方性を付与することができる。すなわち、切れ刃3と平行な方向の圧縮残留応力値と、切れ刃3と直交する方向の圧縮残留応力値とに、所定以上の差を設けることができる。例えば上記構成と異なり、切れ刃3と平行な方向のパルスレーザ照射点間隔Dyと、切れ刃3と直交する方向のパルスレーザ照射点間隔Dxとを、互いに同じ値かつ狭ピッチとして、圧縮残留応力値を全体的に高めた場合(等方性を付与した場合)と比べて、本実施形態の上記構成によれば、硬質被膜2の破損を抑制でき、かつ、切削の種類や被削材等に応じて、切れ刃3に必要な耐欠損性能を効率よく付与できる。
上記スポット直径が10μm以上であれば、レーザ照射中に局所的な硬質被膜2の損傷や剥離が発生しにくくなる。上記スポット直径が200μm以下であれば、硬質被膜2および工具基体1表面に付与される圧縮残留応力の値が低下するのを抑制できる。なお、上記スポット直径を20μm以上100μm以下とすることで、上述の効果をより顕著なものとすることができ、より望ましい。
例えば、切れ刃3と平行な方向にパルスレーザLを走査させる場合と比べて、本実施形態の上記構成によれば、硬質被膜2の損傷が抑制される。なお硬質被膜2の損傷をより抑えるには、切れ刃3と直交する方向のうち、切れ刃3と離れた位置つまりすくい面5側から切れ刃3へ向けて、切れ刃3に接近する方向にパルスレーザLを走査させることが好ましい。
この変形例の場合、切れ刃3に沿ったスキャンであるため、レーザピーニング処理を高速で行うことができ、切削工具10の生産効率がよい。また図6に示すように、切れ刃3の刃先にスポットBを配列することが容易であり、刃先近傍の圧縮残留応力を均等化しやすい。
また、切削工具10が切削インサートである例を挙げたが、これに限らない。切削工具10は、例えばソリッドタイプのドリル、エンドミル、リーマおよびそれ以外の切削工具であってもよい。
上記レーザ条件のうち、パルス幅が100ps以下(かつピークパワー密度が1TW/cm2以上)のパルスレーザを照射した切削工具10が、本発明の実施例1〜10であり、それ以外のレーザ条件でレーザ照射した切削工具が、比較例1〜4である。なお、レーザ照射を行わない未処理品の切削工具を、比較例5とした。
A:TiCN(硬質被膜)の残留応力が−1500MPa以下、かつWC(工具基体)の残留応力が−2000MPa以下であり、圧縮残留応力を高める効果が特に顕著に得られたもの。
B:TiCN(硬質被膜)の残留応力が−1000MPa以下、かつWC(工具基体)の残留応力が−1500MPa以下であり、圧縮残留応力を高める効果が顕著に得られたもの。
C:TiCN(硬質被膜)の残留応力が0MPa以下、かつWC(工具基体)の残留応力が−1000MPa以下であり、圧縮残留応力を高める効果が顕著に得られたもの。
D:Cの基準に満たず、圧縮残留応力を高める効果が顕著に表れていないもの。具体的には、TiCN(硬質被膜)の残留応力が0MPaを超え、かつWC(工具基体)の残留応力が−1000MPaを超えるもの。
Claims (9)
- 焼結合金製の工具基体と、前記工具基体の外面上に配置され、炭化物、窒化物、および炭窒化物のいずれか、あるいはこれらの複合化合物により構成される層を少なくとも有する硬質被膜と、前記工具基体の稜線部に形成され、前記硬質被膜のうち前記稜線部に位置する部分を含む切れ刃と、を備える切削工具の製造方法であって、
前記硬質被膜上に、パルス幅が100ps以下のパルスレーザを、大気中または任意のガス中で直接照射することで、前記硬質被膜および前記工具基体の表層に圧縮残留応力を付与するレーザピーニング工程を含み、
前記レーザピーニング工程では、前記硬質被膜および前記工具基体の圧縮残留応力に、前記切れ刃に平行な方向と、前記切れ刃と直交する方向とで異方性を付与する、
切削工具の製造方法。 - 焼結合金製の工具基体と、前記工具基体の外面上に配置され、炭化物、窒化物、および炭窒化物のいずれか、あるいはこれらの複合化合物により構成される層を少なくとも有する硬質被膜と、前記工具基体の稜線部に形成され、前記硬質被膜のうち前記稜線部に位置する部分を含む切れ刃と、を備える切削工具の製造方法であって、
前記硬質被膜上に、パルス幅が100ps以下のパルスレーザを、大気中または任意のガス中で直接照射することで、前記硬質被膜および前記工具基体の表層に圧縮残留応力を付与するレーザピーニング工程を含み、
前記レーザピーニング工程では、前記切れ刃と平行な方向のパルスレーザ照射点間隔と、前記切れ刃と直交する方向のパルスレーザ照射点間隔とを、互いに異ならせる、
切削工具の製造方法。 - 焼結合金製の工具基体と、前記工具基体の外面上に配置され、炭化物、窒化物、および炭窒化物のいずれか、あるいはこれらの複合化合物により構成される層を少なくとも有する硬質被膜と、前記工具基体の稜線部に形成され、前記硬質被膜のうち前記稜線部に位置する部分を含む切れ刃と、を備える切削工具の製造方法であって、
前記硬質被膜上に、パルス幅が100ps以下のパルスレーザを、大気中または任意のガス中で直接照射することで、前記硬質被膜および前記工具基体の表層に圧縮残留応力を付与するレーザピーニング工程を含み、
前記レーザピーニング工程では、前記切れ刃と直交する方向にパルスレーザを走査させる、
切削工具の製造方法。 - 前記切れ刃は、コーナ刃部を有し、
前記レーザピーニング工程において、パルスレーザの走査方向は、前記コーナ刃部と直交する方向である、
請求項3に記載の切削工具の製造方法。 - 前記レーザピーニング工程では、前記切れ刃と直交する方向のうち、すくい面側から前記切れ刃へ向けて、前記切れ刃に接近する方向にパルスレーザを走査させる、
請求項3または4に記載の切削工具の製造方法。 - 焼結合金製の工具基体と、前記工具基体の外面上に配置され、炭化物、窒化物、および炭窒化物のいずれか、あるいはこれらの複合化合物により構成される層を少なくとも有する硬質被膜と、前記工具基体の稜線部に形成され、前記硬質被膜のうち前記稜線部に位置する部分を含む切れ刃と、を備える切削工具の製造方法であって、
前記硬質被膜上に、パルス幅が100ps以下のパルスレーザを、大気中または任意のガス中で直接照射することで、前記硬質被膜および前記工具基体の表層に圧縮残留応力を付与するレーザピーニング工程を含み、
前記レーザピーニング工程では、前記切れ刃と平行な方向にパルスレーザを走査させる、
切削工具の製造方法。 - 前記切れ刃は、コーナ刃部を有し、
前記レーザピーニング工程において、パルスレーザの走査方向は、前記コーナ刃部と平行な方向である、
請求項6に記載の切削工具の製造方法。 - 前記レーザピーニング工程では、前記硬質被膜上に、パルス幅が10ps以下のパルスレーザを照射する、
請求項1から7のいずれか1項に記載の切削工具の製造方法。 - 前記レーザピーニング工程では、前記硬質被膜上に、パルス幅が10fs以上のパルスレーザを照射する、
請求項1から8のいずれか1項に記載の切削工具の製造方法。
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