JP7133118B2 - 切削工具 - Google Patents

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Description

本開示は、切削工具に関する。
本出願は、2020年6月22日に出願した国際出願であるPCT/JP2020/024454、PCT/JP2020/024455及びPCT/JP2020/024456に基づく優先権を主張する。当該出願に記載された全ての記載内容は、参照により本明細書に援用される。
国際公開第2018/116524号(特許文献1)及び特開2013-212572号公報(特許文献2)には、切削工具が記載されている。
特許文献1に記載の切削工具は、平面状のネガランド及び逃げ面と、ネガランド及び逃げ面に連なる切れ刃とを有している。ネガランド及び逃げ面の少なくともいずれかには、複数の凹部が形成されている。
特許文献2に記載の切削工具は、切れ刃と、切れ刃に連なるすくい面を有している、すくい面には、複数の凹部が形成されている。
国際公開第2018/116524号 特開2013-212572号公報
本開示の切削工具は、回転軸回りに回転し、先端部を備える。先端部は、ワークに接触する部分球面状の表面を有している。表面には、互いに離間して配置されている複数の凹みが形成されている。複数の凹みの各々の開口縁は、切れ刃をなしている。
図1は、切削工具100の斜視図である。 図2は、表面11の模式的な拡大図である。 図3は、図2のIII-IIIにおける模式的な断面図である。 図4は、角度θの測定方法を示す模式図である。 図5は、凹み12の配置を示す先端部10の模式図である。 図6は、変形例に係る切削工具100の斜視図である。 図7は、切削工具200の模式的な断面図である。
[本開示が解決しようとする課題]
特許文献1に記載の切削工具では、ワークに対する切削が切れ刃により行われ、ネガランド及び逃げ面の凹部は、ワークとの接触抵抗を低減するために形成されている。特許文献2に記載の切削工具でも、ワークに対する切削は切れ刃により行われ、すくい面の凹部はワークとの接触抵抗を低減するために形成されている。
本開示は、部分球面状の表面に形成されている凹部の開口縁により切削を行う切削工具を提供するものである。
[本開示の効果]
本開示の切削工具によると、部分球面状の表面に形成されている凹部の開口縁により切削を行うことができる。
[実施形態の概要]
まず、本開示の実施形態を列記して説明する。
(1)実施形態に係る切削工具は、回転軸回りに回転し、先端部を備える。先端部は、ワークに接触する部分球面状の表面を有している。表面には、互いに離間して配置されている複数の凹みが形成されている。複数の凹みの各々の開口縁は、切れ刃をなしている。
上記(1)の切削工具によると、部分球面状の表面に形成されている凹部の開口縁により切削を行うことができる。
(2)上記(1)の切削工具では、先端部が、バインダレス立方晶窒化硼素又はナノ多結晶ダイヤモンドにより形成されていてもよい。
(3)上記(2)の切削工具では、ナノ多結晶ダイヤモンドに長周期型周期表の13族又は15族に属する原子が添加されていてもよい。
(4)上記(1)から(3)の切削工具では、複数の凹みの各々が、開口縁に連なっている側面を有していてもよい。複数の凹みの80パーセント以上において、側面と開口縁に連なっている表面の部分とは、80°以上160°以下の角度をなしていてもよい。
(5)上記(1)から(4)の切削工具では、回転軸回りに切削工具を回転させた際の複数の凹みの軌跡が表面の全面を覆うように、複数の凹みが配置されていてもよい。
(6)上記(1)から(5)の切削工具では、表面には、表面の中央部から放射状に延びている複数の溝が形成されていてもよい。複数の凹みは、複数の溝の間にある表面の部分に配置されていてもよい。
(7)上記(1)から(6)の切削工具は、10μm以下の切り込み量で使用されてもよい。
[実施形態の詳細]
次に、本開示の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面では、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。実施形態に係る切削工具を、切削工具100とする。
(切削工具100の構成)
以下に、切削工具100の構成を説明する。
図1は、切削工具100の斜視図である。図1に示されるように、切削工具100は、例えば、ボールエンドミルである。切削工具100は、回転軸A回りに回転されることにより、ワークに対する切削加工を行う。切削工具100は、例えば、10μm以下の切り込み量でワークに対する切削加工に供される。切削工具100は、先端部10と、本体部20と、接続層30と有している。
先端部10は、切削工具100の回転軸Aに沿う方向における先端にある。先端部10は、表面11を有している。表面11は、部分球面状である。表面11は、例えば、半球状である。表面11は、ワークに接触する。先端部10は、例えば、バインダレス立方晶窒化硼素(cBN)により形成されている。
バインダレス立方晶窒化硼素は、複数の立方晶窒化硼素粒を含んでいる。バインダレス立方晶窒化硼素の残部には、六方晶窒化硼素(hBN)、ウルツ鉱型窒化硼素(wBN)等の立方晶以外の結晶構造を有する窒化硼素及び不可避不純物が含まれていてもよいが、バインダは含まれていない。すなわち、バインダレス立方晶窒化硼素中において、立方晶窒化硼素粒は、バインダを介さずに互いに直接結合されている。不可避不純物の量は少ないほど好ましいが、全体の質量に対し数パーセント含まれる場合がある。
バインダレス立方晶窒化硼素中において、立方晶窒化硼素結晶粒のメジアン径は、例えば1μm未満である。バインダレス立方晶窒化硼素中において、立方晶窒化硼素結晶粒のメジアン径は、好ましくは、0.05μm以下である。なお、バインダレス立方晶窒化硼素中において、立方晶窒化硼素結晶粒のメジアン径は、例えば0.01μm以上である。
立方晶窒化硼素結晶粒のメジアン径は、例えば以下の方法で測定される。第1に、先端部10の断面におけるSEM(Scanning Electron Microscope)画像が撮影される。測定視野のサイズは12μm×15μmとされ、観察倍率は10000倍とされる。SEM画像は、異なる位置において5枚撮影される。
第2に、5枚のSEM画像の各々に対して、画像処理ソフト(Win Roof Ver.7.4.5)を用いて画像解析を行うことにより、立方晶窒化硼素結晶粒の円相当径の分布が算出される。円相当径の分布に基づいて、立方晶窒化硼素結晶粒のメジアン径が算出される。5枚のSEM画像の各々から得られたメジアン径の平均値が、立方晶窒化硼素結晶粒のメジアン径とされる。
先端部10は、ナノ多結晶ダイヤモンドにより形成されていてもよい。ナノ多結晶ダイヤモンドは、複数のダイヤモンド結晶粒を含んでいる。ナノ多結晶ダイヤモンドの残部には、不可避不純物が含まれていてもよいが、バインダは含まれていない。すなわち、ナノ多結晶ダイヤモンド中において、複数のダイヤモンド結晶粒の各々は、互いに直接結合されている。不可避不純物は、例えば、水素及び酸素である。
ナノ多結晶ダイヤモンド中において、ダイヤモンド結晶粒のメジアン径は、例えば1μm未満である。好ましくは、ナノ多結晶ダイヤモンド中において、ダイヤモンド結晶粒のメジアン径は、例えば0.5μm以下である。ナノ多結晶ダイヤモンド中において、ダイヤモンド結晶粒のメジアン径は、例えば0.01μm以上である。ダイヤモンド結晶粒のメジアン径は、立方晶窒化硼素結晶粒のメジアン径と同様の方法により測定される。
ナノ多結晶ダイヤモンドには、長周期型周期表の13族又は15族に属する原子が添加されていてもよい。長周期型周期表の13族に属する原子は、例えばホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)である。長周期型周期表の15族に属する原子は、例えば窒素(N)、リン(P)、ヒ素(As)である。
上記原子が添加されたナノ多結晶ダイヤモンド中においては、ダイヤモンド結晶構造中の炭素原子の一部が上記原子に置換されていてもよく、炭素-炭素間に上記原子が挿入されていてもよい。上記原子の添加濃度は、例えば1ppm以上10000ppm以下である。上記原子のナノ多結晶ダイヤモンド中への添加濃度は、例えば、SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)分析により測定することができる。
本体部20は、例えば、シャンクである。本体部20は、例えば、超硬合金により形成されている。本体部20は、回転軸Aに沿って延在している。本体部20は、回転軸Aに直交している断面視において、例えば円形である。本体部20の回転軸Aに沿う方向における先端には、先端部10が取り付けられている。先端部10は、接続層30を介して、本体部20に取り付けられている。先端部10の本体部20への取り付けは、例えば、ろう付けにより行われている。すなわち、接続層30は、例えば、ろう材である。
(表面11の詳細構成)
図2は、表面11の模式的な拡大図である。図2に示されるように、表面11には、複数の凹み12が形成されている。複数の凹み12の各々は、互いに離間して配置されている。平面視において、凹み12は、例えば円形である。凹み12は、平面視において円形でなくてもよい。
凹み12の円相当径は、例えば100μm以下である。凹み12の円相当径は、例えば1μm以上である。凹み12の円相当径は、1μm以上71μm以下であることが好ましい。凹み12の円相当径は、平面視における凹み12の面積をπ/4で除した値の平方根である。
表面11の面積に占める複数の凹み12の面積の合計の割合(以下「凹み12の面積割合」とする)は、例えば1パーセント以上である。凹み12の面積割合は、好ましくは、1パーセント以上80パーセント以下である。凹み12の面積割合は、例えば85パーセント以下である。
表面11の面積に占める複数の凹み12の面積の合計の割合は、以下の方法により測定される。第1に、表面11のSEM画像が撮影される。この際、測定視野のサイズは200μm×200μmとされ、倍率は500倍とされる。SEM画像は、異なる位置において5枚撮影される。第2に、5枚のSEMの各々において、表面11の面積に占める複数の凹み12の面積の合計の割合が算出される。5枚のSEM画像の各々から得られた表面11の面積に占める複数の凹み12の面積の合計の割合の平均値が、凹み12の面積割合とされる。
図3は、図2のIII-IIIにおける模式的な断面図である。凹み12は、開口縁12aと、開口縁12aに連なっている側面12bとを有している。開口縁12aは、切削工具100の切れ刃をなしている。すなわち、開口縁12aは、シャープエッジになっている。凹み12の深さを、深さDとする。深さDは、平面視における凹み12の中心を通り、かつ表面11に直交している断面視における開口縁12aと凹み12の底との間の距離である。凹み12は、光学計測装置又は非接触式三次元測定機により測定される。深さDは、例えば25μm以下である。深さDは、好ましくは、1μm以上25μm以下である。深さDは、例えば0.1μm以上である。
開口縁12aに連なっている表面11の部分と側面12bとは、角度θをなしている。図4は、角度θの測定方法を示す模式図である。角度θは、図4に示される方法により測定される。第1に、平面視における凹み12の中心を通る断面視において、側面12b上の複数の測定点Pの座標が測定される。測定点Pの座標は、光学計測装置又は非接触式三次元測定機により測定される。複数の測定点Pは、開口縁12aから等間隔(0.2μm間隔)で開口縁12aからの距離が1μmとなる位置まで順次配置されている。第2に、複数の測定点Pの各々の座標に基づいて、側面12bを示す曲線が決定される。
第3に、接線L1と接線L2とのなす角度が算出される。接線L1は、側面12bを示す曲線の開口縁12aにおける接線である。接線L2は、開口縁12aに連なっている表面11の部分を示す曲線の開口縁12aにおける接線である。接線L1と接線L2とのなす角度が、角度θである。
角度θは、例えば、170°以下である。複数の凹み12のうちの80パーセント以上において、角度θは、80°以上160°以下になっていることが好ましい。なお、複数の凹み12のうちの任意の10個について角度θを測定し、そのうちの8個以上において角度θが80°以上160°以下の範囲内にあれば、「複数の凹み12のうちの80パーセント以上において角度θが80°以上160°以下になっている」と見做される。
図5は、凹み12の配置を示す先端部10の模式図である。図5に示されるように、複数の凹み12は、例えば、表面11の中央部から延在している複数の列をなすように配列されている。なお、図5中では、複数の列のうちの互いに隣り合っている2列のみが示されている。上記の複数の列の各々には、複数の凹み12が含まれている。上記の複数の列のうちの1つを、第1列とする。第1列と隣り合っている上記の複数の列のうちの他の1つを、第2列とする。第1列に属している凹み12を、凹み12Aとする。第2列に属している凹み12を、凹み12Bとする。
凹み12Bは、例えば、回転軸Aに沿う方向において、隣り合っている2つの凹み12Aの間に配置されている。凹み12B(凹み12A)の円相当径は、例えば、隣り合っている2つの凹み12Aの間の間隔(隣り合っている2つの凹み12Bの間の間隔)よりも大きい。そのため、回転軸A回りに切削工具100を回転させた際の複数の凹み12A及び凹み12Bの軌跡は、表面11の全面を覆っている。
凹み12は、例えば、表面11に対してレーザを照射することにより形成される。レーザは、例えばYAGレーザである。凹み12の形状(円相当径、角度θ及び深さD)は、レーザの照射条件により変化する。このレーザ照射条件には、例えば、平均出力(単位;W)、繰り返し周波数(単位:Hz)及びレーザ走査速度(単位:mm/分)が含まれている。表1には、レーザ照射条件を変化させた場合の凹み12の形状が例示されている。
Figure 0007133118000001
(変形例)
図6は、変形例に係る切削工具100の斜視図である。図6に示されるように、表面11には、複数の溝13が形成されていてもよい。溝13は、表面11の中央部から放射状に延在している。図示されていないが、複数の凹み12は、隣り合っている溝13の間にある。溝13の縁は、開口縁12aとともに、切削工具100の切れ刃として機能する。
(実施形態に係る切削工具の効果)
以下に、切削工具100の効果を、比較例に係る切削工具(以下「切削工具200」とする)と対比しながら説明する。
図7は、切削工具200の模式的な断面図である。図7には、平面視における凹み12の中心を通り、かつ表面11に直交している切削工具200の断面が示されている。切削工具200では、凹み12が、ワークとの接触抵抗を低減するために形成されている。図7に示されているように、切削工具200では、開口縁12aの欠損を防止するため、平面視における凹み12の中心を通り、かつ表面11に直交している断面視において開口縁12aがR形状になっている。その結果、切削工具200では、開口縁12aが切れ刃として機能しない。
他方で、切削工具100では、開口縁12aがシャープエッジになっているため、開口縁12aを切れ刃として機能させることができる。このように、表面11がワークに接触した状態で切削工具100を回転軸A回りに回転させることにより、切削工具100は、ワークに対する切削加工を行うことが可能である。
回転軸A回りに切削工具100を回転させた際の複数の凹み12の軌跡が表面11の全面を覆うように複数の凹み12が配置されている場合、表面11の全面をワークに対する切削加工に供することが可能になり、切削工具100の切削効率が改善される。また、この場合、切削加工後におけるワークの加工品位(切削加工後におけるワークの光沢度及び表面粗さ)を改善することができる。
表面11に複数の溝13が形成されている場合、開口縁12aのみならず、溝13の縁も切れ刃として機能することになり、切削工具100の切削効率が改善される。
(切削試験)
切削工具100の効果を確認するため、切削試験が行われた。切削試験には、第1切削条件、第2切削条件、第3切削条件、第4切削条件、第5切削条件、第6切削条件、第7切削条件及び第8切削条件が適用された。第1切削条件から第8切削条件は、表2に示されている。
Figure 0007133118000002
第1切削条件から第7切削条件では、切削工具100の回転数、送り量、切り込み幅及び切削方法が、それぞれ40000回転/分、300mm/分、0.002mm及びダウンカットとされた。第8切削条件では、切削工具100の回転数、送り量、切り込み幅及び切削方法が、それぞれ40000回転/分、800mm/分、0.005mm及びダウンカットとされた。第1切削条件及び第3切削条件から第7切削条件では、ワークが超硬合金とされた。第2切削条件では、ワークが石英ガラスとされた。第8切削条件では、ワークが焼入れ鋼とされた。第1切削条件から第8切削条件では、5mm×5mmの平面が切削加工された。
第1切削条件及び第8切削条件では、切り込み量が0.005mmとされた。第2切削条件から第4切削条件及び第7切削条件では、切り込み量が0.003mとされた。第5切削条件及び第6切削条件では、切り込み量が0.004mmとされた。第1切削条件及び第3切削条件から第8切削条件では、ミスト状のオイルがクーラントとして供給されながら切削加工が行われた。第2切削条件では、切削加工がドライ加工で(すなわち、クーラントを供給することなく)行われた。
切削試験では、各サンプルの切削加工後におけるワークの狙い形状からの寸法誤差(以下「寸法誤差」とする)、切削加工後におけるワークの光沢度(以下「光沢度」とする)及び切削加工後におけるワークの算術平均粗さ(以下「面粗度」とする)が評価された。寸法誤差の絶対値が4μm未満であるときに、各サンプルが切削工具として機能していると評価された。寸法誤差の絶対値が4μm以上であるときに各サンプルが切削工具として機能していないと評価された。
光沢度は、光沢度計を用いて測定された。屈折率が1.567の黒色鏡面ガラス板の入射角が60°での鏡面反射率を、光沢度が100になる(鏡面光沢度)場合と定義した。
切削試験には、切削工具100のサンプルとして、サンプル1からサンプル30が供された。サンプル1からサンプル30の各々では、凹み12の有無、深さD、凹み12の円相当径、凹み12の面積割合、角度θ及び先端部10の構成材料が変化された。なお、表3中において、「NPD」はナノ多結晶ダイヤモンドを意味し、「B-NPD」は硼素の添加されたナノ多結晶ダイヤモンドを意味し、「BL-CBN」はバインダレス立方晶窒化硼素を意味する。
サンプル27では、複数の凹み12が、回転軸A回りに回転させた際の複数の凹み12の軌跡が表面11の全面を覆うように配置されてなかった。サンプル28では、複数の凹み12が、回転軸A回りに回転させた際の複数の凹み12の軌跡が表面11の全面を覆うように配置されていた。サンプル29では、表面11に複数の溝13が形成されていた。
深さDが1μm以上であることを、条件Aとする。凹み12の円相当径が1μm以上であることを、条件Bとする。凹み12の面積割合が1パーセント以上であることを、条件Cとする。
Figure 0007133118000003
表3に示されるように、サンプル1では、凹み12が形成されていなかった。サンプル2では、凹み12が形成されていた。しかしながら、サンプル2では、条件Cが満たされていたが、条件A及び条件Bが満たされていなかった。他方で、サンプル3からサンプル30では、条件Aから条件Cのうちの2つ以上が満たされていた。
サンプル1及びサンプル2は、寸法誤差が4μm以上であるため、切削工具として機能していると評価できなかった。他方で、サンプル3からサンプル30は、寸法誤差が4μm未満であるため、切削工具として機能していた。この比較から、凹み12が条件Aから条件Cのうちの2つ以上が満たされていることにより、開口縁12aが切れ刃として機能することが実験的に明らかにされた。
サンプル4及びサンプル5では、深さD、凹み12の円相当径及び凹み12の面積割合が同程度であった。サンプル4では先端部10がナノ多結晶ダイヤモンドにより形成された一方、サンプル5では先端部が硼素の添加されたナノ多結晶ダイヤモンドにより形成された。サンプル5では、サンプル4と比較して、低い面粗度が得られた。この比較から、先端部10を硼素の添加されたナノ多結晶ダイヤモンドで形成することによりガラスに対する切削加工を行った際の加工品位が改善されることが、実験的に明らかにされた。
サンプル6からサンプル10では、凹み12の円相当径が50μm±2μmの範囲内にあった。サンプル6からサンプル10では、凹み12の面積割合が20パーセント±4パーセントの範囲内にあり、角度θが90°±1°の範囲内にあった。サンプル6からサンプル10では、深さDが順次大きくされた。
サンプル8からサンプル10では、深さDが1μm以上25μm以下の範囲内にあり、高い光沢度及び低い面粗度が得られた。このことから、深さDを1μm以上25μm以下とすることにより、切削工具100を用いて切削加工を行った際の加工品位が改善されることが実験的に明らかにされた。
サンプル11からサンプル15では、深さDが5μm±0.2μmの範囲内にあった。また、サンプル11からサンプル15では、凹み12の面積割合が20パーセント±2パーセントの範囲内にあり、角度θが90°±1°の範囲内にあった。サンプル11からサンプル15では、凹み12の円相当径が順次大きくされた。
サンプル12からサンプル14では、凹み12の円相当径が1μm以上71μm以下の範囲内にあり、高い光沢度及び低い面粗度が得られた。このことから、凹み12の円相当径を1μm以上71μm以下とすることにより、切削工具100を用いて切削加工を行った際の加工品位が改善されることが実験的に明らかにされた。
サンプル16からサンプル22では、深さDが5μm±0.4μmの範囲内にあった。サンプル16からサンプル22では、凹み12の円相当径が48μm±2μmの範囲内にあり、角度θが90°±2°の範囲内にあった。サンプル16からサンプル22では、凹み12の面積割合が順次大きくされた。
サンプル16からサンプル21では、凹み12の面積割合が1パーセント以上80パーセント以下の範囲内にあり、高い光沢度及び低い面粗度が得られた。このことから、凹み12の面積割合を1パーセント以上80パーセント以下とすることにより、切削工具100を用いて切削加工を行った際の加工品位が改善されることが実験的に明らかにされた。
サンプル23からサンプル26では、深さDが5μm±0.5μmの範囲内にあった。サンプル23からサンプル26では、凹み12の円相当径が50μm±1μmの範囲内にあり、凹み12の面積割合が18パーセント±2パーセントの範囲内にあった。サンプル23からサンプル26では、角度θが順次大きくされた。サンプル23からサンプル25では、角度θが80°以上160°以下の範囲内にあり、高い光沢度及び低い面粗度が得られた。このことから、角度θが80°以上160°以下とすることにより切削工具100を用いて切削加工を行った際の加工品位が改善されることが実験的に明らかにされた。
サンプル28では、サンプル27と比較して、高い光沢度及び低い面粗度が得られた。このことから、回転軸A回りに回転させた際の複数の凹み12の軌跡が表面11の全面を覆うように複数の凹み12が配置されていることにより、切削工具100を用いて切削加工を行った際の加工品位が改善されることが実験的に明らかにされた。
サンプル30では、高い光沢度及び面粗度が得られた。このことから、先端部10をバインダレス立方晶窒化硼素で形成することにより、切削工具100を用いて焼入れ鋼に対する切削加工を行った際の加工品位が改善されることが、実験的に明らかにされた。
今回開示された実施形態は全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、上記した実施形態ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
10 先端部、11 表面 12 凹み、12a 開口縁、12b 側面、13 溝、20 本体部、30 接続層、100 切削工具、200 切削工具、θ 角度、A 回転軸、D 深さ、L1,L2 接線、P 測定点。

Claims (6)

  1. 回転軸回りに回転する切削工具であって、
    先端部を備え、
    前記先端部は、ワークに接触する部分球面状の表面を有し、
    前記表面には、互いに離間して配置されている複数の凹みが形成されており、
    前記複数の凹みの各々の開口縁は、切れ刃をなしており、
    前記複数の凹みの各々の円相当径は、1μm以上100μm以下であ
    前記先端部は、バインダレス立方晶窒化硼素又はナノ多結晶ダイヤモンドにより形成されている、切削工具。
  2. 前記ナノ多結晶ダイヤモンドには、長周期型周期表の13族又は15族に属する原子が添加されている、請求項に記載の切削工具。
  3. 前記複数の凹みの各々は、前記開口縁に連なっている側面を有し、
    前記複数の凹みの80パーセント以上において、前記側面と前記開口縁に連なっている前記表面の部分とは、80°以上160°以下の角度をなしている、請求項1又は請求項に記載の切削工具。
  4. 前記複数の凹みは、前記回転軸回りに前記切削工具を回転させた際の前記複数の凹みの軌跡が前記表面の全面を覆うように配置されている、請求項1から請求項のいずれか1項に記載の切削工具。
  5. 回転軸回りに回転する切削工具であって、
    先端部を備え、
    前記先端部は、ワークに接触する部分球面状の表面を有し、
    前記表面には、互いに離間して配置されている複数の凹みが形成されており、
    前記複数の凹みの各々の開口縁は、切れ刃をなしており、
    前記表面には、前記表面の中央部から放射状に延びている複数の溝が形成されており、
    前記複数の凹みは、前記複数の溝の間にある前記表面の部分に配置されている、切削工具。
  6. 前記切削工具は、10μm以下の切り込み量で使用される、請求項1から請求項のいずれか1項に記載の切削工具。
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