WO2020075698A1 - 硬質皮膜被覆ドリル - Google Patents
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Abstract
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、その本体には逃げ面（２）とすくい面（３）の境界に平滑な領域（４）を設ける。被覆する硬質皮膜の表面硬さは、ビッカース硬さで２０００～２５００ＨＶの範囲とする。 そして、この領域（４）と逃げ面（２）が交差する第１稜線Ｌ１、および逃げ面（２）とマージン（６）が交差する第２稜線Ｌ２の各稜線の断面をＲ形状に加工して、第１稜線Ｌ１のＲ形状における曲率半径ｒ１（μｍ）を本体の直径Ｄ（ｍｍ）に対して、ｒ１＝０．４５×Ｄ+ａ１（１０≦ａ１≦２５）の数式で表される範囲内とする。また、第２稜線Ｌ２のＲ形状における曲率半径ｒ２（μｍ）をｒ２＝０．６５×Ｄ＋ａ２（３９≦ａ２≦６７）の数式で表される範囲とする。さらに、硬質皮膜の厚さｔ１（μｍ）については、ｔ１＝０．８×ｌｎ（Ｄ）＋ａ３（０．７≦ａ３≦３．０）の関係式で表される範囲とする。
Description
本発明は、ＴｉＮ（窒化チタン）等の硬質皮膜が被覆された切削工具（ドリル）に関する。
一般的に、ドリル等の切削工具は超硬合金製の母材（素材）の表面にＴｉＮ等の硬質皮膜が被覆された状態で使用される。
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。
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。
また、硬質皮膜にはＴｉＮ（窒化チタン）等のほかにＣｒやＳｉなど多種多様な元素を任意の割合で含有させることで、硬質皮膜に種々の特性を付与することができる。
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。
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。
硬質皮膜の他にも切削工具の形態についても逃げ面やすくい面を特定の形状とすることで切削時における切削工具の摩耗を抑制することができる。
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。
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。
特許文献３および４では切削工具の切れ刃にホーニング面（チャンファ面）を設けた上に逃げ面や外周コーナとの境界部分に所定の範囲でＲ面取り加工を行うことで、切削工具の摩耗を抑制することが開示されている。
しかし、切削工具の表面に硬質皮膜を被覆する際に、その切削工具の大きさ（直径）によらず刃先エッジ部のＲ面取りの曲率半径の大きさを一律にすることには問題があった。
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。
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。
そのため、工具径の大きさに伴いチャンファ量（幅）を大きくする必要がある。
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。
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。
それらの箇所を起点にして切削工具のチッピング等の損傷や逃げ面の摩耗が進展し、欠損ｃ１～ｃ３に至る場合がある（図２０参照）。
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。
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。
そこで、本発明は被覆する硬質皮膜の特性に応じて、ドリルの切れ刃を形成する稜線に対するＲ面取りおよび硬質皮膜の硬さを最適化することで刃先のエッジ部における膜破壊を抑制して、母材（ドリル本体）と硬質皮膜の密着性を向上させた硬質皮膜被覆ドリルを提供することを課題とする。
前述した課題を解決するために、本発明者は硬質皮膜の特性とドリル本体の関係について鋭意研究した結果、以下の知見を得た。
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。
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。
ここで、従来のドリルにおいて硬質皮膜が自己破壊した場合の代表的な形態を取り挙げて図２１および図２２に示す。
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。
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。
第２の形態としては、図２２に示す様にドリル１６０の逃げ面１６２とチャンファ面１６４の境界である第１稜線Ｌ１６１、マージン１６６の境界である第２稜線Ｌ１６２、チャンファ面１６４とマージン１６６の境界である第３稜線Ｌ１６３が交わる箇所から第１稜線Ｌ１６１に沿って硬質皮膜がはく離する形態（はく離部分ＭＨ２）がある。
これらのように面と面が交差する角部となる稜線上では、硬質皮膜の残留応力が集中しやすく、硬質皮膜が厚くなると応力も大きくなるため、他の箇所よりも優先的に自己破壊が発生しやすい。
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。
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。
つまり、高硬度の硬質皮膜をドリルの本体に対して必要以上に厚く被覆すると、母材と硬質皮膜の間に発生する残留応力の差により硬質皮膜が自己破壊を起こすことで母材が露出して摩耗が進展する原因になる。
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、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。
また、一般的には硬質皮膜の硬度が高くなるほど、切削工具の耐摩耗性は向上するが、逆に高硬度の硬質皮膜も自己破壊を招く一因になり、加えて膜厚さが厚くなれば、その分自己破壊の可能性も一層高まる。
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。
そこで、本発明は超硬合金製のドリルの本体の表面に硬質皮膜が被覆されている硬質皮膜被覆ドリルにおいて、その本体には、逃げ面とすくい面が交差する箇所に平滑な領域（平滑面）を設ける。
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。
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。
Ｒ面取り加工の大きさは、第１稜線の曲率半径ｒ１（単位はμｍ）をドリル本体の直径をＤ（単位はｍｍ）とした場合に、ｒ１＝０．４５×Ｄ+ａ１（１０≦ａ１≦２５）の関係式で表される範囲とする。
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。
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。
また、超硬合金製のドリル本体の表面に被覆する硬質皮膜の厚さｔ１（単位はμｍ）は、ドリル本体の直径をＤ（単位はｍｍ）とした場合に、ｔ１＝０．８×ｌｎ（Ｄ）＋ａ３（０．７≦ａ３≦３．０）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。
なお、ここで「ｌｎ」は底をｅとする自然対数を意味する。
硬質皮膜の構成は、大別してドリルの本体側から近い順に第１層，第２層，第３層とする。膜組成については、第１層はＡｌとＴｉが含有された窒化物（ＡｌＴｉＮ）を主成分とする硬質皮膜とする。
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。
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。
さらに、この第２層を形成する２種類の硬質皮膜は、ＴｉとＡｌとＳｉを含有する窒化物（ＡｌＴｉＳｉＮ）を主成分とする第１中間硬質皮膜、ＴｉとＡｌとＣｒとＳｉを含有する窒化物（ＡｌＴｉＳｉＣｒＮ）を主成分とする第２中間硬質皮膜とする。
本発明の硬質皮膜被覆ドリルは、ドリル本体の直径に応じて、その切れ刃の形状を形成する特定の稜線に対するＲ面取りおよび被覆する硬質皮膜の硬さおよび厚みのそれぞれを最適化し、硬質皮膜被覆ドリルの母材と硬質皮膜の密着性を向上させた。
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。
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。
１ ドリルの本体
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
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
本発明である硬質皮膜被覆ドリルの実施形態について、以下に図面を用いて説明する。
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）。
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）。
ここで、「ドリルの本体（ドリル本体）」とは、ＴｉＮ等の硬質皮膜を被覆した最終的なドリルの形態に対して、硬質皮膜を被覆する前段階のドリルの素材自体の状態を言う。
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。
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。
そのＲ加工の大きさは、第１稜線Ｌ１の曲率半径ｒ１（μｍ）として図１および図２に示すようにドリルの本体１の直径をＤ（ｍｍ）とした場合に、ｒ１＝０．４５×Ｄ+ａ１（１０≦ａ１≦２５）の数式（以下、「式１」とする）で表される範囲とする。
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。
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。
次に、前述したドリル本体の表面上に被覆される硬質皮膜について図面を用いて説明する。
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。
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。
硬質皮膜１０の中で最下層である第１層１０Ａは、ドリルの本体１から最も近い位置に被覆される硬質皮膜であり、その組成はＡｌとＴｉが含有された窒化物（ＡｌＴｉＮ）から主に形成されている。
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。
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。
硬質皮膜１０の中で中間層に当たる第２層１０Ｂは、第１層１０Ａと第３層１０Ｃの間に積層される硬質皮膜であり、組成の異なる２種類の硬質皮膜が交互に積層される混合層である。
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。
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。
この第１中間硬質皮膜１０Ｂ１と第２中間硬質皮膜１０Ｂ２が各１層ずつ積層された状態を１組（１サイクル）とすれば、第２層１０Ｂを形成する混合層はこれら２種類の硬質皮膜１０Ｂ１，１０Ｂ２を１５組以上６０組以下の範囲で積層したものとし、その厚さは０．５μｍ以上５．０μｍ以下の範囲となる。
本発明に係るドリル（以下、「発明品」とする）および従来のドリル（以下、「比較品」とする）の２種類のドリルを用いた切削加工試験を行ない、ドリル本体における第１～第３稜線の曲率半径と工具寿命の関係を確認したので、その試験結果について説明する。
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。
発明品および比較品は、ドリル本体の直径：６ｍｍ、ドリルの溝長さ：４２ｍｍ、ドリル長さ：８２ｍｍを共通の仕様とした。
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。
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。
なお、比較品１はドリルの本体のリーディングエッジ（図９に示す稜線１１７）のみにＲ加工を行い、既存の硬質皮膜（硬さが２５００ＨＶを超える）を被覆したものとした。また、発明品１～３および比較品１～４の第１～第３稜線の曲率半径ｒ１～ｒ３の大きさは三次元測定機を用いて測定した。
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。
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。
切削加工試験に用いたドリルは、図９～図１８に示す様に発明品１のドリル２００の逃げ面２０２，すくい面２０３，領域２０４，マージン２０６，リーディングエッジ２０７は、比較品１～４であるドリル１１０～１４０の逃げ面１１２～１４２,すくい面１１３～１４３,領域１１４～１４４，マージン１１６～１４６，リーディングエッジ１１７～１４７にそれぞれ相当する。
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。
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。
被覆した硬質皮膜は、発明品および比較品は共にドリル本体から最下層（第１層）をＡｌＴｉＮ（原子比率として、Ａｌ：Ｔｉ＝６０：４０）、中間層（第２層）をＴｉＡｌＳｉＮ（原子比率として、Ｔｉ：Ａｌ：Ｓｉ＝６２．５：３０：７．５）とする第１中間硬質皮膜とＴｉＡｌＣｒＳｉＮ（原子比率として、Ｔｉ：Ａｌ：Ｃｒ：Ｓｉ＝４２．５：３５：１５：７．５）とする第２中間層からなる混合層、最上層（第３層）をＴｉＳｉＮ（原子比率として、Ｔｉ：Ｓｉ＝８５：１５）とする硬質皮膜の順序で積層させた。
なお、本切削試験は以下の条件で行い、発明品および比較品ともに切れ刃や外周コーナ等の欠損が確認された時点で切削試験を終了し、試験が終了するまでの総切削長（単位：ｍ）をそれぞれ比較した。
・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
・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
切削加工試験の結果について説明する。
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。
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。
本実施例で用いたドリル本体の直径が６ｍｍの場合、前述した式１～式３に代入した第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は、ｒ１＝１２．７～２７．７μｍ、ｒ２＝４２．７～７０．９μｍ、ｔ１＝２．１３～４．４３μｍとなる。
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。
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。
以上の試験結果から、発明品１～３のいずれもが比較品１～４に対して総切削長が１．３倍以上に増えて工具の寿命を延ばすことができた。
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。
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。
次に、発明品と比較品の２種類のドリルを用いた切削加工試験を行ない、硬質皮膜の厚さおよび硬さと工具寿命の関係を確認したので、その試験結果について説明する。
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。
発明品および比較品は、ドリル本体の直径：２ｍｍ、ドリルの溝長さ：１５ｍｍ、ドリル長さ：４９ｍｍを共通の仕様とした。
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。
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。
切削試験は以下の条件で行い、発明品および比較品ともに切れ刃や外周コーナ等の欠損が確認された時点で切削試験を終了し、試験が終了するまでの総切削長（単位：ｍ）をそれぞれ比較した。
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
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
切削加工試験の結果について説明する。
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。
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。
この実施例で用いたドリル本体の直径が２ｍｍの場合、前述の式１～式３に代入した第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は、ｒ１＝１０．９～２５．９μｍ、ｒ２＝４０．３～６８．３μｍ、ｔ１＝１．２５～３．５５μｍとなる。
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。
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。
以上の試験結果から、発明品１１および１２のいずれもが比較品１１～１３に対して切削長さを１．３倍以上に増やして、工具の寿命を延ばすことができた。
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。
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。
本発明に係る硬質皮膜被覆ドリルは、ドリル母材と硬質皮膜の密着性に優れることから、切削工具の分野において、切削品質の向上と工具寿命の長寿命化に寄与できる。
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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