(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転ドリル用のビットの製造方法であって、前記ビットは、先端角を備えたドリルチップを含み、前記方法は、基体及び前記基体の上面に接合された超硬度材料からなる部分を有する前躯体型体を用意するステップを含み、前記前躯体型体は、前記前躯体型体の互いに反対側の端相互間に延びる中央頂部を備え、前記中央頂部は、前記先端角に実質的に等しい刃先角を形成し、前記方法は、前記前躯体型体から複数のインサートを切り出すステップを更に含み、各インサートは、前記部分及び前記基体の一部から成ると共に、相互に実質的に同一形状を有するが、必ずしも同一サイズではなく、前記方法は、前記インサートを受け入れるよう構成されたドリルチップを用意するステップと、前記インサートを前記ドリルチップに接合するステップとを更に含む、方法。
【請求項２】
前記複数のインサートは、相互に実質的に同一形状を有するが、必ずしも同一サイズではない側面を有するよう構成されている、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記部分の前記上面は、前記ドリルの刃先に関する所望の幾何学的形状に適当であるよう構成された少なくとも２つの非平行領域を有する、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記インサートを加工するステップを含む、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項５】
前記ドリルチップへの前記インサートの接合後に前記インサートを加工し又は処理するステップを含む、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項６】
前記インサートは、同一サイズのものである、請求項１〜５のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項７】
前記前躯体型体は、角柱形状であり、前記前躯体型体の上面は、前記前躯体型体の本体の互いに反対側の端相互間に延びる中央頂部を備える、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項８】
前記前躯体型体の上面は、前記先端角に等しい刃先角を有する中央頂部を備える、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項９】
前記前躯体型体の前記基体はコバルト焼結炭化タングステンからなる、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１０】
前記部分は、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料又は多結晶質立方晶窒化硼素（ＰＣＢＮ）材料から成る、請求項１〜９のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１１】
前記部分と前記基体の間に配置された少なくとも３つの中間層により、前記部分を前記前躯体型体に接合するステップを有し、前記中間層は、超硬度結晶粒、金属炭化物結晶粒及び金属結合剤を有する、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１２】
前記部分の厚さは、一様である、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１３】
前記部分は層の形態をなし、前記層の少なくとも一部は、厚さが少なくとも０．４ｍｍである、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１４】
前記インサートは、少なくとも部分的に螺旋状の湾曲した側部を有する、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項１５】
前記インサートを受け入れるよう構成されたドリルチップを用意するステップを有し、前記ドリルチップにはスロットが形成されており、前記スロットは、前記インサートの輪郭形状と相補する、請求項１〜１４のうちいずれか一に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、回転ドリル用のビットを製造する方法に関し、特に、超硬度ドリルチップ（tip ）を有するツイストドリルに関するが、本発明の技術分野がこれで全てであるというわけではない。
【背景技術】
【０００２】
ツイストドリルは、一般に、１つ又は２つ以上の切削フェース又はリップを有すると共に更にあけられている穴からの切り屑を運搬するための１つ又は２つ以上の螺旋又は直線溝を有する回転ロータリエンド型切削工具と呼ぶことができる。ツイストドリルは、金属、プラスチック、木材及びメーソンリに穴をあけるために使用される場合があり、種々の材料、例えば低炭素鋼、高炭素鋼、高速度鋼及びコバルト鋼から製造される。良好な耐摩耗性が必要である場合、チップ付きツールが用いられ、かかるチップ付きツールでは、ドリルは、ドリル本体に固定される炭化タングステン又は超硬度（超硬質）の刃先（切り刃先ともいう）を有する場合がある。
【０００３】
英国特許出願公開第２４６２０２５号明細書は、従来型工具基体、例えばツイストドリル、ドリルやエンドミルに取り付け可能な螺旋形状の無垢のＰＣＤ及びＰＣＢＮチップを製造する方法を開示している。この方法は、導電性多結晶超砥粒ブランクを提供することによって異形の無垢多結晶超砥粒材料を作るステップを含む場合がある。多結晶超砥粒ブランクをワイヤ放電加工すると、所定の形状を有する異形の無垢多結晶超砥粒材料を形成することができる。ドリルチップセグメントをＰＣＤブランクの湾曲スライシングによって無垢ブランクから切り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】英国特許出願公開第２４６２０２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
回転機械工具用の超硬度チップを製造する効率的な方法が要望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一観点から見て、回転ドリル用のビットの製造方法であって、ビットは、ドリルチップを含み、この方法は、基体及び基体の上面に接合された超硬度構造体を有する前躯体型構造体を用意するステップを含み、前躯体型構造体から複数のコンフォーマルインサートを切り出すステップを含み、各インサートは、超硬度構造体の一部から成り、この方法は、インサートを受け入れるよう構成されたドリルチップを用意するステップと、インサートをドリルチップに接合するステップとを更に含むことを特徴とする方法が提供される。前躯体型構造体は、ドリルチップ用の２つ以上の実質的にコンフォーマル（共形）のインサートの状態に切削可能であるように構成される。本明細書で用いられる「実質的にコンフォーマルインサート」という表現は、実質的に同一形状を有する、しかしながら必ずしも同一のサイズを有する必要はないそれぞれの超硬度構造体から成る（ただし、本発明の幾つかの形態では、インサートは、実質的に同一サイズを有する場合がある）。
【０００７】
種々の構成及び組み合わせが本発明により想定され、これら構成及び組み合わせの非限定的であり且つ非網羅的な実施例は、次の通りである。
【０００８】
超硬度構造体は、層の形態をしているのが良い。
【０００９】
複数のインサートは、基体の上面とこの上面と反対側の基体の底端部との間に延びる実質的に共形の（例えば平行な）側面を有するよう構成されるのが良い。基体の側面は、湾曲しているのが良く、例えば、螺旋状に又は部分的に螺旋状に湾曲しているのが良い。側面は、実質的に、それぞれの底面に垂直であるのが良い。上面（超硬度構造体が取り付けられている）は、ドリルの所望の点幾何学的特徴に適するよう構成され、例えば角度が付けられた少なくとも２つの非平行領域を有するのが良い。上面は、複数の実質的に平面状の領域及び／又は１つ又は２つ以上の湾曲表面領域を有するのが良い。
【００１０】
本発明の方法は、インサートを例えば研削によって加工するステップを有するのが良く、加工は、インサートの形状又は寸法を実質的に変えることはない。この方法の幾つかの形態では、加工は、インサートの寸法及び／又は表面仕上げをせいぜい約５００ミクロン、せいぜい約１００ミクロン又はせいぜい約２０ミクロンだけ変更することができる。幾つかの構成例では、各インサートは、インサート本体に接合されたそれぞれの超硬度構造体から成るのが良く、幾つかの実施形態では、インサート本体は、実質的に同一の寸法形状を有していても良い。この方法の幾つかの形態は、インサートがドリルチップに接合する前にインサートを加工し又は処理するステップを有するのが良く、幾つかの形態は、インサートをドリルチップに接合し、次にインサートの露出部分を加工するステップを有するのが良い。ドリルチップへのインサートの接合後にインサートを加工することは、仕上げ寸法のより高い精度を達成することができるという観点を提供するものと考えられ、幾つかの実施例では、インサートは、５ミクロンの公差の範囲内で加工されるのが良い。
【００１１】
幾つかの例示としての構成例では、インサートは、互いに協働的に入れ子状に重ねて配置され又は配置可能であるのが良い。
【００１２】
幾つかの例示としての構成例では、インサートは、同一サイズのものであるのが良い。超硬度構造体の形状又は寸法に差があったとしてもかかる差は、超硬度構造体を加工し又は違ったやり方で処理して完成状態のインサートを形成するほど十分小さく、加工又は処理は、超硬度構造体の形状及び／又は寸法をせいぜい約５００ミクロン、せいぜい約１００ミクロン又はせいぜい約２０ミクロンだけ変更する。
【００１３】
この方法の幾つかの形態では、前躯体型構造体は、全体として角錐台形状であるのが良く、かかる前躯体型構造体は、実質的に長方形の側部により連結された一対の実質的に互いに平行な互いに反対側の側部を有するのが良い。前躯体型構造体は、前躯体型構造体の本体の互いに反対側の端相互間に延びる中央頂部を備えた上面を有するのが良い。ドリルチップは、先端角を備え、前躯体型構造体の本体の頂部は、先端角に実質的に等しい刃先角を有するのが良い。
【００１４】
この方法の幾つかの形態では、刃先角は、少なくとも約１１０°であり且つせいぜい約１２５°であるのが良く、一形態では、刃先角は、約１１８°であるのが良い。
【００１５】
この方法の幾つかの形態では、側面から見たインサートは、端から見た前躯体型構造体と実質的に同一の形状を有するのが良い。
【００１６】
この方法の幾つかの形態では、前躯体型構造体の基体は、コバルト焼結炭化タングステン（ＷＣ）から成るのが良い。
【００１７】
この方法の幾つかの形態では、超硬度構造体は、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料又は多結晶質立方晶窒化硼素（ＰＣＢＮ）材料であるのが良い。
【００１８】
この方法は、超硬合金（焼結炭化物）基体を超硬度層と基体との間に設けられた少なくとも３つの中間層により互いに接合するステップを有するのが良く、中間層は、超硬度結晶粒、金属炭化物結晶粒及び金属結合剤を含む。
【００１９】
この方法の幾つかの形態では、各中間層は、厚さが少なくとも約０．１ｍｍであり又は少なくとも約０．２ｍｍであるのが良い。幾つかの実施例では、各中間層は、厚さがせいぜい約０．２ｍｍ又はぜいぜい約０．３ｍｍであるのが良い。
【００２０】
この方法の幾つかの形態では、前躯体型構造体は、ダイヤモンドの結晶粒及びＣｏを含む結合剤中に分散したＷＣの結晶粒を含む少なくとも１つの中間層を介してコバルト焼結炭化タングステン基体に接合されたＰＣＤ層を有するのが良い。
【００２１】
この方法の幾つかの形態では、超硬度構造体の厚さは、一様であるのが良く、幾つかの形態では、超硬度構造体の厚さは、非一様であっても良い。
【００２２】
この方法の幾つかの形態では、超硬度構造体の少なくとも一部は、厚さが少なくとも０．４ｍｍ又は少なくとも約０．６ｍｍであるのが良い。幾つかの形態では、超硬度構造体の少なくとも一部は、厚さがせいぜい約３ｍｍ又はせいぜい約６ｍｍであるのが良い。
前躯体型構造体からインサートを切り出すステップは、非平行な側部又は湾曲した側部を備えたインサートを切り出すステップを含むのが良い。
【００２３】
この方法は、ドリルチップにスロットを形成するステップを含むようインサートを受け入れるようになったドリルチップを提供するステップを含むのが良く、このスロットは、インサートの輪郭形状と相補する。
【００２４】
ドリルは、材料、例えばセラミック材料、ポリマー、繊維強化ポリマー、木材含有材料、複合材料、金属若しくは金属合金又は超合金から成る材料を穴あけするための産業機械工具用のものであるのが良い。
【００２５】
次に、添付の図面を参照して非限定的な実施例について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】例示の前躯体の概略斜視図である。
【図２】図１に示された前躯体型構造体から切り出された例示の超硬度インサートの概略側面図である。
【図３】図２のインサートの端面図である。
【図４】図２のインサートの斜視図である。
【図５】図２のインサートの平面図である。
【図６】ドリルビットを製造する際に用いられる例示のドリルチップの概略側面図であり、ドリルビットがインサートを受け入れるよう前処理された状態を示す図である。
【図７】図６のドリルチップの側面図であり、例えばインサートがドリルチップに設けられたスロット内に納められている状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１を参照すると、一例としての前躯体型構造体１０が超硬合金（焼結炭化物）基体１４に一体に結合された多結晶超硬度材料（ＰＣＤ又はＰＣＢＮ）の層１２を有し、この前躯体型構造体は、実質的に長方形の側部１４．２によって互いに連結された一対の実質的に互いに平行な互いに反対側の端１４．１を備えた全体として角錐台形状を有している。層１２は、端相互間に延びると共に刃先角αを定める細長い中央の丸くなった頂部１５を備えた突出表面を有している。
【００２８】
一例として、ＰＣＤ前躯体型構造体１０は、次のステップを有する方法を用いて作られるのが良い。
ｉ．全体として角錐台の形状を有すると共に全体として突出した形状を有する表面を備えた超硬合金基体を用意するステップを有し、基体は、ダイヤモンドにとって触媒材料である結合材料、例えばＣｏから成り、
ｉｉ．ダイヤモンド結晶粒の凝集塊を基体の突出表面上に層の形態で配置して予備焼結組立体を形成するステップを有し、
ｉｉｉ．予備焼結組立体を耐熱金属又はセラミック材料のジャケット内に包み込み、そして包み込んだ予備焼結組立体を超高圧炉（超高圧プレスとも呼ばれている）のためのカプセル中に組み込み、そしてこれに少なくとも５．５ＧＰａの圧力及び少なくとも約１，３００度の温度を作用させて基体に一体に結合されたＰＣＤ層を製作するステップを有する。
【００２９】
層状ＰＣＤ構造体を製作する方法の一例は、テープ成形シートを用意するステップを含み、各シートは、結合剤、例えば水を主成分とする有機結合剤により互いに結合された複数のダイヤモンド結晶粒から成り、この方法の一例は、シートを互いに上下に且つ支持本体の頂部上に積み重ねるステップを更に含む。互いに異なるサイズの分布、ダイヤモンド含有量及び添加剤を含むダイヤモンド結晶粒から成る種々のシートは、所望の構造体の実現を達成するよう選択的に積み重ねられるのが良い。シートは、当該技術分野において知られている方法、例えば押し出し又はテープ成形法によって作られるのが良く、この場合、ダイヤモンド結晶粒及び結合材料を含むスラリを表面上に載せて乾燥させる。ダイヤモンド担持シートを製造する他の方法も又使用でき、例えば、米国特許第５，７６６，３９４号明細書及び同第６，４４６，７４０号明細書に記載されている方法を使用することができる。ダイヤモンド担持層を被着させる別の方法としては、吹き付け法、例えば溶射が挙げられる。
【００３０】
幾つかの実施例では、基体は、約１０重量％Ｃｏを含むコバルト焼結炭化タングステン及び約４ミクロン〜約６ミクロンの平均サイズを有するＷＣ結晶粒で作られるのが良い。
【００３１】
前躯体型構造体を例えば上述したようにいったん形成すると、適当なインサートを前躯体型構造体の本体から切り出すのが良い。一例として、これは、所望の輪郭形状を有するインサートを前躯体型構造体本体から切り出す点で自由度のあるワイヤＥＤＭ（放電加工）装置を用いて実施されるのが良い。
【００３２】
セグメントは、全体がＰＣＤで構成された２つ又は３つ以上の上面、ＰＣＤ部分及び炭化物部分で構成された２つの側面及び全体が炭化物で構成された底面を備えた焼結前躯体型構造体又はブランクから取り出されるのが良い。ブランクを多数のセグメントの取り出しを可能にするような寸法で焼結するのが良く、かくして、ドリル製造プロセスの経済性が一段と向上する。
【００３３】
インサート２０は、多種多様な形態を取ることができ、インサートは、実質的に平べったい本体であるのが良いが、非平面上インサートを形成する湾曲側部を有しても良い。これは、ドリルチップ３０をインサートがこれに接合された後に機械加工する場合にインサートの機械加工の可能性を減少させることができる。
【００３４】
かかる湾曲インサート２０の一例が図２〜図５に示されており、このインサートを受け入れる相補形スロット３２を有するドリルチップ３０が図６に示されている。スロット及びインサートが相補形なので、スロット及びインサートの幾何学的説明は、同一であり、スロットに当てはまること（以下において説明する）は、同様にインサートに当てはまる。
【００３５】
ドリルチップは、一端にスロット３２を形成するよう機械加工されるのが良く、スロット３２は、シャフトの軸線に垂直に見て領域が長方形である底面を有する。スロットは、２つの対向した互いに平行な又はほぼ平行な螺旋状表面を有するのが良く、これら螺旋状表面は、シャフトの長さの約２５％に等しい距離に沿って延ばされても互いに交差しない。スロットは、両方の平面に垂直なベクトルに沿って測定して螺旋状表面相互間の距離がスロットの２つの螺旋状表面を横切って一定であり又はスロットの頂部からスロットの底部まで螺旋状表面相互間の最大距離の５０％以下の量だけ減少するような幾何学的形状のものであるのが良い。
【００３６】
上述したように、セグメントの外面は、シートに形成されたスロットの表面と同一の幾何学的形状を有する。かくして、このセグメントは、図７に示されている組立体を形成するよう並進と回転の組み合わせによってスロット内に位置決め可能である。両方のコンポーネントの最終組み立て中、ろうペースト又は箔を互いに合致している表面のうちの幾つか又は全て相互間に挿入する。
【００３７】
スロット及びインサートの特定の幾何学的形状は、ＰＣＤ頂面がドリルの使用の際に力を受けたときにスロット内へのセグメントの固定の信頼性を向上させることができる。さらに、セグメント及びスロットの表面を構成する螺旋は、ツイストドリルの最終螺旋角とほぼ同じであるのが良く、それにより、溝の最終機械加工中に除去されるべきＰＣＤ材料の量を減少させることができ、潜在的にＰＣＤドリル製造コストが減少する。
【００３８】
本明細書で用いられている或る特定の用語及び概念について以下に簡単に説明する。
【００３９】
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）及び多結晶質立方晶窒化硼素（ＰＣＢＮ）は、多結晶超硬質材料の例である。ＰＣＤ及びＰＣＢＮ材料は、ダイヤモンド及び立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）の結晶粒をそれぞれ数ＧＰａの超高圧で焼結することによって形成できる。本明細書で用いられている「超硬度材料」は、少なくとも約２８ＧＰａのビッカース硬度を有する材料である。ダイヤモンド、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）及び多結晶質立方晶窒化硼素（ＰＣＢＮ）材料は、超硬度材料の例である。本明細書で用いられる「超硬度構造体」は、超硬度材料から成る構造体を意味している。
【００４０】
本明細書で用いられる「多結晶ダイヤモンド」（ＰＣＤ）は、複数のダイヤモンド結晶粒から成る材料であり、その大部分は、互いに直接的に内部結合され、かかる材料中のダイヤモンド含有量は、この材料の少なくとも約８０体積パーセントである。ＰＣＤ材料の一実施形態では、ダイヤモンド結晶粒相互間の隙間は、少なくとも部分的に、ダイヤモンドのための触媒を含む結合材料で満たされているのが良い。本明細書で用いられる「隙間」又は「隙間領域」は、ＰＣＤ材料のダイヤモンド結晶粒相互間の領域である。ＰＣＤ材料の実施形態では、隙間又は隙間領域は、実質的に又は部分的に、ダイヤモンド以外の材料で満たされていても良く、或いは、実質的に空であっても良い。ＰＣＤ材料の実施形態は、少なくとも、触媒材料を隙間から除去した起点場所としての領域を有するのが良く、後には、ダイヤモンド結晶粒相互間に隙間ボイドが残る。
【００４１】
本明細書で用いられる「多結晶質立方晶窒化硼素」（ＰＣＢＮ）材料は、結合材料内に分散したｃＢＮ結晶粒の塊を有し、かかる材料中のｃＢＮの含有量は、ＰＣＢＮ材料の少なくとも約５０体積パーセントである。
【００４２】
本明細書で用いられる「溝」は、回転機械工具、例えばツイストドリルの凹み部分であり、この凹み部分は、使用中に工具が回転しているときに切れ刃から切り屑を運び出すことができる。ツイストドリルは、各切れ刃について１つずつ設けられた２つ又は３つ以上の溝を有するのが良い。場合によってはスロットドリルと呼ばれる他の回転機械工具、例えばタップ、ボールエンドミル及び直線エンドミルは、最高６つ以上の切れ刃及び溝を有するのが良い。本明細書で用いられる「螺旋溝」は、当該技術分野においては「ねじれ溝」とも呼ばれる場合があり、かかる螺旋溝は、回転機械工具の回転軸線に対して全体的に又は少なくとも部分的に螺旋状に配置された溝から成る。本明細書で用いられる２方向形態の螺旋溝は、互いに異なる又は互いに反対側の螺旋方向を備えた溝を有する。
【００４３】
本明細書で用いられる「ツイストドリル」は、１つ又は２つ以上の切削リップを有すると共に切り屑の通過及び切削流体の導入のための１本又は２本以上の螺旋の又は真っ直ぐな溝を有する付刃ドリルである。本明細書で用いられるツイストドリルの「先端角」は、ドリル軸線に平行であり且つ２つの切削リップに平行な平面に投影された切削リップ相互間のなす角度である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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