(57)【要約】【課題】より安定して高い強度が得られるＳｉＣ切削工具を提供する。【解決手段】切刃部１０をＳｉＣ単結晶によって構成すると共に、切刃部１０のうち切削加工時の荷重の印加方向がｃ軸を中心とする径方向となるようにする。具体的には、すくい面および荷重がかかる面に対して垂直な面が｛０００１｝ｃ面と平行となるようにする。これにより、高い温度下においても高い強度を得ることが可能となるため、より安定して高い強度が得られるＳｉＣ切削工具とすることができる。そして、安定して高い強度が得られることから、ＳｉＣ切削工具の切削効率を高くすることが可能となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素単結晶で構成された炭化珪素切削工具であって、
すくい面および荷重がかかる面に対して垂直な面が｛０００１｝ｃ面とされている炭化珪素単結晶で構成された切刃部（１０）を有する炭化珪素切削工具。
【請求項２】
前記切刃部は、２つの刃側面（１３、１４）が構成する刃先となる先端部を二等分する中心面（１６）が｛０００１｝ｃ面とされている炭化珪素単結晶で構成されている請求項１に記載の炭化珪素切削工具。
【請求項３】
前記先端部が鋭角とされている請求項２に記載の炭化珪素切削工具。
【請求項４】
前記切刃部は三角柱形状の部分を有し、三角柱形状の一面（１１）および該一面と対向する他面（１２）が二等辺三角形を構成していると共に、二等辺三角形の等しい二辺を構成する側面が前記２つの刃側面とされている請求項２または３に記載の炭化珪素切削工具。
【請求項５】
前記切刃部は四角柱形状で構成され、四角柱形状の一面（１１）および該一面と対向する他面（１２）が四角形を構成していると共に、四角形の二辺を構成する２つの側面（１３、１４）が前記２つの刃側面とされている請求項２または３に記載の炭化珪素切削工具。
【請求項６】
前記四角柱形状のうち前記刃先と異なる２つの角部が面取り部とされた平坦面となっている請求項５に記載の炭化珪素切削工具。
【請求項７】
前記一面もしくは前記他面の一方がすくい面とされ、該すくい面は、｛１−１００｝ｍ面または｛１１−２０｝ａ面もしくはこれらいずれかの面に対して所定のオフ角傾斜した面となっている請求項４ないし６のいずれか１つに記載の炭化珪素切削工具。
【請求項８】
前記切刃部は、４Ｈ、６Ｈ−ＳｉＣ、もしくは、これらの結晶構造に２Ｈ、８Ｈ−ＳｉＣを含めたα−ＳｉＣ単結晶同士または３Ｃ、１５Ｒ−ＳｉＣのＳｉＣ単結晶が混在したもので構成されている請求項１ないし７のいずれか１つに記載の炭化珪素切削工具。
【請求項９】
前記切刃部は、被削物の切削加工に用いられるバイトであり、刃先を露出させるようにして前記切刃部を挟持する支持部（２０）を備えている請求項１ないし８のいずれか１つに記載の炭化珪素切削工具。
【請求項１０】
前記切刃部は、被削物に対して穴開け加工を行うドリルであり、刃先を露出させるようにして少なくとも１つの前記切刃部を挟持すると共に回転軸を中心として回転させられることで前記切刃部を回転駆動する支持シリンダ（２２）を備えている請求項１ないし８のいずれか１つに記載の炭化珪素切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素（以下、ＳｉＣという）を刃具とするＳｉＣ切削工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１において、ＳｉＣ単結晶を切削工具として使用することが提案されている。特許文献１に示される切削工具では、切刃部のうちのすくい面、つまり切削抵抗が加わって被削物の切屑をすくう側の一面が、ＳｉＣ単結晶における｛０００１｝面もしくはそれから所定オフ角傾斜したオフ面とされている。また、切刃部のうちのすくい面と反対側の一面については、｛１−１００｝面もしくはそれから所定オフ角傾斜したオフ面とされている。このように、ＳｉＣ単結晶を用いた切削工具とした場合、ＳｉＣが通常の切削温度７００〜１１００℃の高温下において科学的に不活性で、他の元素と殆ど反応しないため、安定した切削工具として用いることが可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２９８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、切削工具として通常使用される温度範囲において、科学的には安定したものになるものの、｛０００１｝面をすくい面とする場合、曲げ強度が低く、効率の良い切削工具とすることができないことが本発明者により確認された。また、切削工具では、使用状況によってはより高温化することもあり得るし、高温環境下で使用されることもあり得るが、｛０００１｝面は１５００℃を超えると塑性変形して強度が弱くなることも本発明者により確認されている。
【０００５】
本発明は上記点に鑑みて、より安定して高い強度が得られるＳｉＣ切削工具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、炭化珪素単結晶で構成された炭化珪素切削工具であって、すくい面および荷重がかかる面に対して垂直な面が｛０００１｝ｃ面とされているＳｉＣ単結晶で構成された切刃部（１０）を有する。
【０００７】
このように、すくい面および荷重がかかる面に対して垂直な面が｛０００１｝ｃ面とされているＳｉＣ単結晶で切刃部を構成している。これにより、高い温度下においても高い強度を得ることが可能となるため、より安定して高い強度が得られるＳｉＣ切削工具とすることができる。そして、高温化しても安定して高い強度が得られることから、切削速度を上げることができ、ＳｉＣ切削工具の切削効率を高くすることが可能となる。
【０００８】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態にかかるＳｉＣ切削工具の断面図である。
【図２】切刃部の詳細を示した斜視図である。
【図３】ＳｉＣ単結晶の面方位および軸について説明した図である。
【図４】切刃部のすくい面や逃げ面の面方位について説明した図である。
【図５】ｃ軸荷重やｍ軸荷重を掛けて曲げ応力測定を行う際に用いる試験片を示した図である。
【図６】曲げ応力測定に用いる測定装置の模式図である。
【図７】曲げ応力測定の詳細を示した図である。
【図８】温度変化に対する最大曲げ応力σｍａｘの変化を実験により調べた結果を示した図である。
【図９】第２実施形態にかかるＳｉＣ切削工具の断面図である。
【図１０】他の実施形態で説明するＳｉＣ切削工具の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１１】
（第１実施形態）
第１実施形態にかかるＳｉＣ切削工具について、図１〜図８を参照して説明する。本実施形態のＳｉＣ切削工具は、旋盤や平削盤などの切削加工に用いられるバイトを構成するものとして使用される。
【００１２】
図１に示すように、ＳｉＣ切削工具は、切刃部１０が支持部２０に支持された構成とされている。なお、ここでは切刃部１０および支持部２０しか記載していないが、ＳｉＣ切削工具は、支持部２０にて支持された切刃部１０を駆動する駆動装置なども備えられている。そして、例えば図１の紙面垂直方向に駆動されること、もしくは、紙面下方向に駆動されることにより、被削物の切削加工を行う。
【００１３】
切刃部１０は、４Ｈ、６Ｈ-ＳｉＣもしくは、これらの結晶構造に２Ｈ、８Ｈ−ＳｉＣを含めたα−ＳｉＣ単結晶同士または３Ｃ、１５Ｒ−ＳｉＣのＳｉＣ単結晶が混在したもので構成されている。図２に示すように、本実施形態の切刃部１０は、例えば三角柱形状で構成されており、三角柱における３つの側面のうち１つの両端部が挟持されることによって、支持部２０に支持されている。以下、三角柱形状とされた切刃部１０のうち相対する二等辺三角形の一方を一面１１、他方を他面１２とし、三つの側面のうち刃先を構成する辺を１７とし、刃先を構成する等しい大きさの２つの側面を刃側面１３、１４とし、残りの一つを上面１５と呼ぶ。
【００１４】
切刃部１０は、一面１１および他面１２と、これらに垂直な面であって、刃側面１３、１４を二等分する図中ハッチングで示した平面（以下、中心面という）１６について、所定の面方位となるように形作られている。これについて、ＳｉＣの基本的な面方位などを参照しながら説明する。なお、｛｝は等価な面、（）は特定の面、＜＞は等価な方向を示す。
【００１５】
ＳｉＣ単結晶は、六方晶を有しており、図３（ａ）に示すように、六方晶の上面および下面が｛０００１｝ｃ面、より詳しくは上面が（０００−１）Ｃ面、下面が（０００１）Ｓｉ面、（０００−１）Ｃ面に対する法線が＜０００−１＞方向のｃ軸となっている。また、図３（ｂ）に示すように、六角柱の各側面が｛０−１００｝ｍ面となっており、｛０−１００｝ｍ面に対する法線が＜１−１００＞方向のｍ軸となっている。また、図３（ｃ）に示すように、六角のうち隣り合う角部同士ではなく、１つ間を空けた角部同士を結ぶｃ軸に平行な面が｛１１−２０｝ａ面となっており、｛１１−２０｝ｍ面に対する法線が＜１１−２０＞方向のａ軸となっている。
【００１６】
そして、切刃部１０は、図２に示すように、切刃部１０の一面１１および他面１２が｛１−１００｝ｍ面または｛１１−２０｝ａ面もしくはこれらいずれかの面に対して所定のオフ角傾斜した面となっている。すなわち、一面１１や他面１２の法線方向がａ軸またはｍ軸もしくはこれらの軸から所定のオフ角傾斜した軸となっている。さらに、中心面１６が｛０００１｝ｃ面となるようにしている。また、切刃部１０の刃先を構成する辺１７は、｛０００１｝ｃ面と平行な辺となっている。
【００１７】
支持部２０は、切刃部１０の一部が収容される収容孔を有した構造とされ、刃先を露出させるようにして切刃部１０を挟持することで支持する。これにより、切刃部１０によって切削加工を行う際に、支持部２０によって切刃部１０が強固に支持され、刃先を被削物に向けて切削加工が行われるようにできる。支持部２０の構成材料については任意であるが、切刃部１０が高温化したり、切削加工が高温環境下で行われることがあることを考慮すると、高温下においても形状を維持できる材料で構成されると好ましい。
【００１８】
このように構成された切刃部１０は、例えば図示しない駆動装置により、切刃部１０は、図１の紙面下方へ駆動させることにより、切刃部１０の先端部全体が被削物に押し当てられることで切削加工を行うことになる。この場合、図２中の矢印Ａ１方向に荷重が掛かって切削加工が行われることになる。
【００１９】
または、切刃部１０は、支持部２０が図１の紙面垂直方向の一方へ駆動または双方への往復駆動されること、つまり図２の紙面Ｂ方向に駆動されることによって被削物の切削加工を行う。この場合、図２中の矢印Ａ２方向に荷重が掛かって、一面１１もしくは他面１２がすくい面となって被削物の切屑をすくうことになる。
【００２０】
すなわち、矢印Ａ１方向に荷重が掛かる場合と矢印Ａ２方向に荷重が掛かる場合、いずれの場合にも、｛０００１｝ｃ面とほぼ平行な方向に荷重が掛かることで切削加工が行われることになる。より詳しく説明すると、特許文献１に示されるＳｉＣ切削工具では、図４（ａ）に示すように、すくい面Ｓ１は｛０００１｝ｃ面またはそれに対して所定のオフ角が設けられた面とされる。これに対して、本実施形態のＳｉＣ切削工具では、図４（ｂ）に示すように、すくい面Ｓ１は法線が＜１−１００＞方向のｍ軸となる｛０−１００｝ｍ面となる。または、図４（ｃ）に示すように、すくい面Ｓ１は法線が＜１１−２０＞方向のａ軸となる｛１１−２０｝ａ面か、図４（ｄ）に示すように、すくい面Ｓ１は法線が＜１−１００＞方向もしくは＜１１−２０＞方向に対してオフ角を有した面になる。なお、図４（ａ）〜（ｄ）中に示した面Ｓ２は逃げ面である。
【００２１】
ここで、切削工具による切削加工は、荷重を加えて切削が行われることから、切削部の温度が高温化する。例えば、一般的には切削温度が７００〜１１００℃の温度範囲となり、それ以上の温度になることもあり得る。また、高温環境下で切削工具による切削加工が行われるような使用状況もあり得るし、切削温度が１５００℃以上になることも考えられる。このため、一般的な切削温度の温度範囲となる７００〜１１００℃において高い強度が得られ、さらに１５００℃を超える温度でも高い強度が得られれば、より安定して高い強度が得られるＳｉＣ切削工具とすることが可能となる。
【００２２】
これを実現すべく、本発明者らは、様々な実験を行い、高温下においても高い強度が得られる構造を見出した。以下、この実験の詳細について説明する。
【００２３】
実験では、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶を所定の面方位で切り出した試験片を準備し、その試験片の曲げ応力測定を行った。具体的には、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、長方体状の試験片３０、３１を用意した。
【００２４】
試験片３０については、上面および下面がｃ面、長手方向の両先端面がａ面、残る二つの長手方向側面がｍ面となるようにした。この試験片３０については、ｃ軸荷重、つまりｃ面に対する法線方向となる＜０００−１＞ｃ軸の方向に荷重を加えるようにした。
【００２５】
また、試験片３１については、上面および下面がｍ面、長手方向の両先端面がａ面、残る二つの長手方向側面がｃ面となるようにした。この試験片３０については、ｍ軸荷重、つまりｍ面に対する法線方向となる＜１−１００＞ｍ軸の方向に荷重を加えるようにした。
【００２６】
具体的には、４点曲げ試験において、各試験片３０、３１に対してｃ軸荷重やｍ軸荷重を加え、試験片３０、３１が破損したときの曲げ荷重を測定した。４点曲げ試験は、図６に示す測定装置を用いて行った。
【００２７】
この図に示すように、測定装置には、台座４０、荷重印加部４１、モータ４２、移動部４３、脚部４４、加熱室４５およびロードセル４６などが備えられている。台座４０に試験片３０、３１が下面を向けて配置され、モータ４２を駆動すると、脚部４４の長手方向に沿って移動部４３と共に荷重印加部４１が下方に移動させられ、試験片３０、３１に対して荷重が印加できるようになっている。また、台座４０や荷重印加部４１は加熱室４５内に配置され、高温下において曲げ荷重測定が行えるようになっている。
【００２８】
より詳しくは、台座４０には、試験片３０、３１の下面の両先端に対応する位置に円柱状の２つの支持棒４０ａ、４０ｂが備えられ、荷重印加部４１には、支持棒４０ａ、４０ｂよりも内側の位置に荷重棒４１ａ、４１ｂが備えられている。このため、荷重印加時には、図７に示すように、２つの支持棒４０ａ、４０ｂと２つ荷重棒４１ａ、４１ｂの４つが等脚台形状に並ぶ。また、２つの支持棒４０ａ、４０ｂよりも内側において２つ荷重棒４１ａ、４１ｂにて試験片３０、３１に荷重を加えられるようになっている。
【００２９】
そして、試験片３０、３１の上面の幅ｂを４ｍｍ、長手方向側面の高さｈを３ｍｍとし、２つの支持棒４０ａ、４０ｂ間の距離Ｌ１を３０ｍｍ、２つの荷重棒４１ａ、４１ｂの間の距離Ｌ２を１０ｍｍとして荷重Ｆを加える。さらに、荷重Ｆを徐々に上げていき、試験片３０、３１が破壊されたときの荷重Ｆの値Ｆｍａｘをロードセル４６で測定し、次式に基づいて最大曲げ強さσｍａｘ、すなわち破壊強度を求めている。
【００３０】
【数１】
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このような実験を、試験片３０、３１を複数準備し、加熱室４５内の温度を変化させて、様々な温度下において行った。図８は、その結果を示している。
【００３１】
この図に示されるように、ｃ軸荷重とした場合、曲げ強度が５００ＭＰａ前後となり、高い温度においても概ね変化せず、１５００℃を超えると低下していくという傾向となっていた。これは、ｃ軸荷重、つまり｛０００−１｝ｃ面に対する法線方向に対して荷重を印加した場合には、高温化しても切刃部１０の強度が高くならないことを示している。また、１５００℃を超えると、塑性変形することで切刃部１０の強度が低下してしまうことを示している。したがって、切刃部１０によって切削加工を行う際に、荷重の印加方向がｃ軸方向になると、安定して高い強度を得ることができない。
【００３２】
これに対して、ｍ軸荷重とした場合、例えば２５℃程度の室温下においては、曲げ強度が６００ＭＰａとｃ軸荷重とした場合とほぼ同程度であるが、温度が高くなるほど曲げ強度も高くなるという結果が得られた。具体的には、１５００℃を超える範囲において、曲げ強度が１０００ＭＰａ以上という高い値になっていた。このことは、切刃部１０によって切削加工を行う際に、荷重の印加方向がｍ軸方向になると、安定して高い強度を得ることができることを示している。
【００３３】
そして、荷重の印加方向と曲げ強度との関係について調べたところ、ｃ軸に対して垂直な方向において曲げ強度が高くなることが確認され、ｍ軸荷重だけでなく、ａ軸荷重など、ｃ軸を中心とする径方向の荷重に対して高い強度を得ることができた。
【００３４】
このため、本実施形態では、切刃部１０のうちの中心面１６が｛０００１｝ｃ面となるようにしている。
【００３５】
このようにすれば、切刃部１０の刃先を構成する辺１７で切削加工を行う場合にも、図２中の矢印Ａ１方向の荷重がｃ軸を中心とする径方向の荷重となるし、一面１１や他面１２がすくい面となる場合にも、図２中の矢印Ａ２方向の荷重がｃ軸を中心とする径方向の荷重となる。したがって、高い強度の切刃部１０とすることが可能となる。
【００３６】
このように、ｃ軸に対する径方向の荷重となるように、切刃部１０を構成することで、他の方向の荷重が加わるような構造と異なる作用が奏するようにでき、切刃部１０の強度を高めることが可能となる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態のＳｉＣ切削工具では、切刃部１０をＳｉＣ単結晶によって構成すると共に、切刃部１０のうち切削加工時の荷重の印加方向がｃ軸を中心とする径方向となるようにしている。具体的には、切刃部１０の中心面を｛０００１｝ｃ面とし、刃先を構成する面１３、１４が｛０００１｝ｃ面と平行となっている。これにより、高い温度下においても高い強度を得ることが可能となるため、より安定して高い強度が得られるＳｉＣ切削工具とすることができる。そして、安定して高い強度が得られることから、切削速度を上げることができるためＳｉＣ切削工具の切削効率を高くすることが可能となる。
【００３８】
（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してＳｉＣ切削工具の種類を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００３９】
本実施形態のＳｉＣ切削工具は、切刃部１０を被削物に対して穴開け加工を行うドリルとして使用するものである。図９に示すように、本実施形態のＳｉＣ切削工具には、ドリルの回転軸を構成すると共に切刃部１０を挟持する支持シリンダ２２が備えられている。支持シリンダ２２は、外周部２２ａと内周部２２ｂとを有した構成とされ、外周部２２ａと内周部２２ｂとの間に刃先が露出させるようにして少なくとも１つの切刃部１０を挟持しており、本実施形態では、３つの切刃部１０を挟持している。
【００４０】
このような構成のＳｉＣ切削工具は、支持シリンダ２２の中心軸を回転中心として図示しないモータにて支持シリンダ２２および切刃部１０を回転駆動することで、被削物を切削し、穴開け加工を行う。このとき、切刃部１０の刃先を構成する辺１７やすくい面となる一面１１もしくは他面１２に対して荷重が加えられることになる。したがって、第１実施形態と同様に、切刃部１０を高い強度で利用することが可能となり、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４１】
（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００４２】
例えば、上記各実施形態では、切刃部１０を三角柱形状としたが、必ずしも三角柱形状で形成されている必要はなく、他の形状とされていても良い。すなわち、すくい面および荷重がかかる面に対して垂直な面が｛０００１｝ｃ面とされている炭化珪素単結晶で構成された切刃部１０を備えたＳｉＣ切削工具であれば良く、切刃部１０が他の形状であっても良い。特に、刃側面１３、１４が構成する刃先となる先端部が鋭角とされ、その鋭角を二等分する中心面１６が｛０００１｝ｃ面となるものであれば、より鋭利な切削が行えるようになり、切削効率を高くすることができる。
【００４３】
例えば、三角柱形状の部分を有した構造によって切刃部１０を構成することができる。一例を挙げると、三角柱形状が一部に含まれるような四角柱形状であっても良い。例えば、図１０（ａ）に示すように、２つの三角柱形状を一体化した四角柱形状、具体的には四角形部分が菱形とされたものであっても良い。その場合、四角柱形状の一面１１およびそれと対向する他面１２にて四角形を構成し、２つの相対する２つの角の一方を刃先とし、残る２つの角を支持部２０に挟持される部分とすることができる。そして、相対する２つの角については、両方とも、刃先として利用することができるため、一方の刃先が摩耗したら支持部２０から取り外してもう一方の刃先を用いて切削加工を行うようにすることができる。この場合、刃先の一方を使用する際には、刃先を構成する２つの側面によって刃側面１３、１４が構成され、刃先を取り替えて他方を使用する際には、取り替え前の２つの側面と異なる２つの側面によって刃側面１３、１４が構成されることになる。
【００４４】
さらに、図１０（ｂ）に示すように、四角柱形状のうち刃先と異なる２つの角部、つまり支持部２０に挟持される部分を面取り部として平坦面とすれば、平坦面においてより支持部２０で挟持しやすくなるようにできる。勿論、切刃部１０を三角柱形状とする場合においても、支持部２０で挟持する部分を平坦面とすれば、平坦面においてより支持部２０で挟持しやすくなるようにできる。
【００４５】
勿論、これら、四角柱形状によって切刃部１０を構成する場合にも、一面１１もしくは他面１２をすくい面とし、すくい面が｛１−１００｝ｍ面または｛１１−２０｝ａ面もしくはこれらいずれかの面に対して所定のオフ各傾斜した面とすることができる。また、切刃部１０の刃先にて切削することもできる。このようにしても、上記各実施形態と同様の効果が得られる。
【００４６】
なお、結晶の方位を示す場合、本来ならば所望の数字の上にバー（−）を付すべきであるが、電子出願に基づく表現上の制限が存在するため、本明細書においては、所望の数字の前にバーを付すものとする。
【符号の説明】
【００４７】
１０        切刃部
１１        一面
１２        他面
１３、１４  刃側面
１５        上面
１６        ｛０００１｝ｃ面
２０        支持部
２２        支持シリンダ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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