JPWO2020075698A1 - 硬質皮膜被覆ドリル - Google Patents
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Abstract
Description
硬質皮膜を被覆することで、切削時における母材の摩耗進行を抑制し、切削工具の損傷を防止する。
特許文献1および2には、通常の硬質皮膜の中間位置において成分比率が互いに異なる2種類の硬質皮膜を交互に幾重にも積層することで、硬質皮膜全体の耐摩耗性や耐チッピング性を向上させる点が開示されている。
また、刃先にチャンファ面(平面取り)を設けることで切削時のチッピングを防止できる。
さらには、チャンファ面の有無にかかわらず、刃先のエッジ部に微小なR面取り加工を行うことにより、エッジ部のチッピングや膜剥離を防止することができる。
一般的な切削条件で穴あけ加工した場合、切削工具(ドリル)の径の増大に伴い、切削時にドリルに生じる切削抵抗が増加し、刃先にかかる力が増加するため、刃先にチッピングが生じやすくなる。
同じ理由で切削時の外力による刃先のエッジ部における膜破壊(硬質皮膜の自己破壊)を防止するため、エッジ部の曲率半径を大きくする必要がある。
例えば、切削工具の直径に対し曲率半径が小さい場合、図19に示す様に従来の切削工具100の切れ刃近傍(逃げ面102とすくい面103の境界部分)にチャンファ面104を設けた上で硬質皮膜を被覆し、穴あけ加工を行った場合、逃げ面102とチャンファ面104の稜線やリーディングエッジ107の一部から硬質皮膜の破壊が発生する。
反対に、切削工具の直径に対して刃先のエッジ部におけるR面取りの曲率半径が大きい場合、切削条件に対してR面取りの曲率半径が過剰に大きくなり、穴あけ加工時に発生する切削抵抗が増加する。
その結果、ドリルの切れ味が悪くなり、加工品質が低下する。その他にも、切削工具が加工時に発生する抵抗に耐え切れず、切削工具の折損が発生しやすくなる。
すなわち、刃先のエッジ部における硬質皮膜の自己破壊は、硬質皮膜の残留応力が起因しており、残留応力は膜の厚さと硬さが大きく関係する。
そのため、高硬度の硬質皮膜(例えばビッカース硬さで2500HV超)をドリルの本体にコーティングする場合、ドリル本体の直径の変化に対して硬質皮膜の厚さを最適化することで硬質皮膜の自己破壊を防止する必要がある。
硬質皮膜が自己破壊する場合の第1の形態は、図21に示す様にドリル150の逃げ面152とチャンファ面154の境界である第1稜線L151、マージン156の境界である第2稜線L152、チャンファ面154とマージン156の境界である第3稜線L153が交わる箇所を中心に硬質皮膜がはく離する形態(はく離部分MH1)がある。
これらの第1および第2の形態に限らず、いずれの稜線上、または稜線が交わる箇所では、連続または不連続な形態で皮膜の自己破壊が発生する場合がある。
そのため、硬質皮膜を被覆する場合には、切削工具の直径に応じた膜厚を選択する必要がある。
そのため、一定の厚さを有する硬質皮膜を母材(ドリル本体)に被覆するには、硬質皮膜の自己破壊を抑制する目的で硬質皮膜の硬度を相対的に低硬度(2500HV以下)に調整して、ドリルの本体を最適な形状とすることが必要となる。
そして、この平滑面と逃げ面が交差する第1稜線および逃げ面とマージンが交差する第2稜線の2本の各稜線を断面視においてR形状に加工(R面取り加工)する。
この場合、ドリルの本体に被覆する硬質皮膜の硬度はビッカース硬さで2000〜2500HVの範囲とする。
加えて、第2稜線の曲率半径r2(単位はμm)を、r2=0.65×D+a2(39≦a2≦67)の関係式で表される範囲とする。
なお、ここで「ln」は底をeとする自然対数を意味する。
第2層は、組成の異なる2種類の硬質皮膜が交互に積層されている混合層とする。
第3層は、TiとSiが含有された窒化物(TiSiN)を主成分とする硬質皮膜とする。
それにより、硬質皮膜被覆ドリルの径に関わらず刃先エッジ部における硬質皮膜の自己破壊を防止して、工具寿命を延ばすことができる。
2 逃げ面
3 すくい面
4 平滑な領域(平滑面)
5 切れ刃
6 マージン
10 硬質皮膜
10A 硬質皮膜の第1層(最下層)
10B 硬質皮膜の第2層(中間層)
10C 硬質皮膜の第3層(最上層)
10B1 第1中間硬質皮膜
10B2 第2中間硬質皮膜
50 硬質皮膜被覆ドリル
D ドリル本体の直径
L1 第1稜線
L2 第2稜線
L3 第3稜線
r1 第1稜線の曲率半径
r2 第2稜線の曲率半径
r3 第3稜線の曲率半径
t1 硬質皮膜の厚さ
本発明の一実施形態である硬質皮膜被覆ドリルの本体1の正面図を図1、平面図を図2に示す。
また、図1中のA部拡大図を図3、図2中のX−X線断面図を図4にそれぞれ示す。
本発明の超硬合金製のドリルの本体1(直径φD)の逃げ面2とすくい面3の間には図1および図3に示すようにドリルの本体1の中心側から外周側に向かって平滑な面を有した領域(平滑面)4が存在する。
この領域4は切れ刃5の先端部分を加工することで形成され、ホーニング面またはチャンファ面と呼ばれており、逃げ面2とすくい面3の両面にまたがって連続的につながっている(接している)。
したがって、本願では「ドリル本体」と、当該ドリル本体の表面に硬質皮膜が被覆された最終形態の「硬質皮膜被覆ドリル」とは各々区別する。
また、ドリルの本体1における特定の稜線は断面視において所定の曲率半径でR加工(R面取り)されている。
この「特定の稜線」とは、図3に示す様に領域4と逃げ面2が交差する第1稜線L1,逃げ面2とマージン6が交差する第2稜線L2,マージン6と領域4が交差する第3稜線L3を指す。
ドリル本体の第1稜線L1付近(X−X線断面図)を図4に示す。
また、ドリル本体1の第2稜線L2付近における模式図を図5、ドリル本体1の第3稜線L3付近における模式図を図6に示す。
これら第1〜第3の各稜線L1〜L3は図4〜図6に示すようにR形状に加工(R面取り加工)されている。
加えて、第2稜線L2の曲率半径r2(μm)は、r2=0.65×D+a2(39≦a2≦67)の数式(以下、「式2」とする)で表される範囲とする。
なお、領域4とマージン6で形成される第3稜線L3の曲率半径r3については、25μm以上50μm以下の範囲であることが好ましい。
硬質皮膜被覆ドリル50における硬質皮膜10全体の模式断面図を図7、同図に示す硬質皮膜10のB部拡大図を図8にそれぞれ示す。
硬質皮膜被覆ドリル50の表面に被覆される硬質皮膜10は、図7に示すようにドリル本体1側から最下層に当たる第1層10A,中間層に当たる第2層10B,最上層に当たる第3層10Cの順に積層されている。
また、硬質皮膜10の表面硬さはビッカース硬さで2000〜2500HVの範囲として、硬質皮膜10の厚さt1(μm)はドリルの本体1の直径をD(mm)とした場合にt1=0.8×ln(D)+a3(0.7≦a3≦3.0)の数式(以下、「式3」とする)で表される範囲である。
また、硬質皮膜10の中で最上層である第3層10Cは、第1層10Aおよび第2層10Bの上に積層されて、ドリルの本体1から最も離れた位置に被覆される硬質皮膜であり、その化学成分はTiとSiが含有された窒化物(TiSiN)である。
第2層10Bを形成している2種類の硬質皮膜は、TiとAlとSiが含有された窒化物(TiAlSiN)を化学成分とする第1中間硬質皮膜10B1と、TiとAlとCrとSiが含有された窒化物(TiAlCrSiN)を化学成分とする第2中間硬質皮膜10B2である。
発明品および比較品は共に超硬合金製のドリル本体に対して種々の大きさでR面取り加工を施した後に、硬質皮膜を被覆した。
発明品1〜3および比較品1〜4における第1〜第3稜線の曲率半径r1〜r3(R面取りの大きさ)、硬質皮膜の厚さおよび硬さは表1のとおりとした。
発明品1〜3を代表して発明品1(ドリル200)のR面取り後(硬質皮膜の被覆前)のすくい面側から見た形態を図12、同様に逃げ面側から見た形態を図17に示す。
また、比較品1〜4(ドリル110〜140)のR面取り後(硬質皮膜の被覆前)ののすくい面側から見た形態を図9〜11および図13、同様に逃げ面側から見た形態を図14〜16および図18にそれぞれ示す。
さらに、硬質皮膜の硬さはマイクロビッカース硬度計を用いて測定し、必要に応じてJIS Z2244「曲面における硬さ試験」に基づく補正を行なった。
また、発明品1のドリル200の第1稜線L201,第2稜線L202,第3稜線L203は、比較品1〜4のドリル110〜140の第1稜線L111〜141,第2稜線L112〜142,第3稜線L113〜143にそれぞれ相当する。
・ドリルの回転数:5300rev/min
・ドリルの送り速度:795mm/min
・ドリルの切削速度:100m/min
・ドリルの送り量:0.150mm/rev
・被削材:炭素鋼S50C(0.5%C)
・加工形態:深さ30mmの止まり穴
・冷却条件:水溶性切削油による外部供給
まず、比較品1は穴加工を開始してからの総切削長が43m、同様に比較品2の総切削長は60m、比較品3の総切削長は94m、比較品4の総切削長は103mの時点で外周コーナ部が欠損し、その時点で切削加工を終了とした。
これに対して、発明品1は穴加工を開始してから総切削長が140m、同様に発明品2の総切削長は156m、発明品3の総切削長は134mの時点で外周コーナ部が欠損したので、その時点で切削加工を終了とした。
比較品1〜3は、第1稜線または第2稜線の曲率半径のいずれかが前述の範囲よりも小さく、比較品4は、第1および第2稜線の曲率半径のいずれも前述の範囲を超えていた。
また、比較品4の硬質皮膜の厚さも前述した範囲を超えていた。
その要因は、発明品1〜3の第1および第2稜線の曲率半径r1、r2および硬質皮膜の厚さt1のいずれもが前述した式1〜式3の範囲内であったためと考える。
発明品および比較品は実施例1と同じく超硬合金製のドリル本体に対して種々の大きさでR面取り加工を施した後に、硬質皮膜を被覆した。
発明品11および12および比較品11〜13における第1〜第3稜線の曲率半径r1〜r3(R面取りの大きさ)、硬質皮膜の厚さおよび硬さは表2のとおりとした。発明品11および12、比較品11〜13の第1〜第3稜線の曲率半径r1〜r3の大きさは、実施例1の場合と同様に三次元測定機を用いて測定した。
硬質皮膜の硬さはマイクロビッカース硬度計を用いて測定し、必要に応じてJIS Z2244「曲面における硬さ試験」に基づく補正を行なった。
また、ドリル本体に被覆した硬質皮膜は、実施例1と同様の化学成分とした。
なお、比較品11および12についてはドリル本体に硬質皮膜を被覆した際に硬質皮膜の一部に図22に示す形態の膜の自己破壊が確認されたが、比較品11および12の2本のドリルはその状態で切削試験を行なった。
・ドリルの回転数:12739rev/min
・ドリルの送り速度:637mm/min
・ドリルの切削速度:80m/min
・ドリルの送り量:0.05mm/rev
・被削材:炭素鋼S50C(0.5%C)
・加工形態:深さ10mmの止まり穴
・冷却条件:水溶性切削油による外部供給
まず、比較品11は穴加工を開始してからの総切削長が35m、比較品12の総切削長は47m、比較品13の総切削長は59mの時点で外周コーナ部が欠損し、その時点で切削加工を終了とした。
これに対して、発明品11は穴加工を開始してから総切削長が94m、同様に発明品12の総切削長は82mの時点で外周コーナ部が欠損し、その時点で切削加工を終了とした。
比較品11は硬質皮膜の厚さが前述した範囲を超えており、比較品12は硬質皮膜の硬さが既存の硬さと同じく2500HVを超えていた。
そのために比較品11および12は前述したように試験前には硬質皮膜の一部に自己破壊が見られたので、この試験での総切削長は発明品に比べて低調な結果であった。
また、比較品13は第1稜線の曲率半径が前述の範囲を超えており、ドリル母材に対する硬質皮膜の密着度が低下したことで、同様にこの試験での総切削長は発明品に比べて低調な結果となった。
その要因は、発明品11および12の第1および第2稜線の曲率半径が前述の式1および式2の範囲内であることに加えて、硬質皮膜の硬さが2000〜2500HVの範囲で硬質皮膜の厚さも前述した式3の範囲内であることによると考える。
Claims (5)
- 少なくとも、2以上の切れ刃と、逃げ面と、すくい面と、マージンを有する超硬合金製のドリル本体の表面に硬質皮膜が被覆された硬質皮膜被覆ドリルにおいて、前記ドリル本体には前記逃げ面および前記すくい面に隣接する平滑な領域が設けられており、
前記硬質皮膜の表面硬さはビッカース硬さで2000〜2500HVの範囲であって、
前記平滑な領域と前記逃げ面が交差する第1稜線,前記逃げ面と前記マージンが交差する第2稜線の各稜線は断面視でR形状に形成されており、前記第1稜線のR形状の曲率半径r1(単位:μm)は、前記ドリル本体の直径をD(単位:mm)とした場合に、
r1=0.45×D+a1(10≦a1≦25)の関係式で表されて、
前記第2稜線のR形状の曲率半径r2(単位:μm)は、
r2=0.65×D+a2(39≦a2≦67)の関係式で表される
ことを特徴とする硬質皮膜被覆ドリル。 - 前記硬質皮膜の厚さt1(単位:μm)は、
t1=0.8×ln(D)+a3(0.7≦a3≦3.0)の関係式で表される
ことを特徴とする請求項1に記載の硬質皮膜被覆ドリル。 - 前記第1稜線のR形状の曲率半径r1は15〜35μmの範囲であることを特徴とする請求項1または2に記載の硬質皮膜被覆ドリル。
- 前記硬質皮膜は、前記ドリル本体側から近い順に、AlとTiが含有された窒化物を主成分とする硬質皮膜から成る第1層、組成が異なる2種類の硬質皮膜が交互に積層されて成る第2層、TiとSiが含有された窒化物を主成分とする硬質皮膜から成る第3層、と積層されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の硬質皮膜被覆ドリル。
- 前記第2層は、TiとAlとSiが含有された窒化物を主成分とする第1中間硬質皮膜と、TiとAlとCrとSiが含有された窒化物を主成分とする第2中間硬質皮膜と、から構成されていることを特徴とする請求項4に記載の硬質皮膜被覆ドリル。
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