(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被切削物を切削する刃先部と当該刃先部に連なるすくい面とを備え、
前記すくい面は、
前記刃先部の全長に亘って前記刃先部から所定の範囲に基材が露出した第一領域と、
当該第一領域に対して前記刃先部とは反対側に隣接配置され、前記被切削物の切り屑に対する摩擦係数が前記基材より小さいコーティング層を設けた第二領域と、を有し、
前記第一領域と前記第二領域との境界部は、前記コーティング層の剥離部により構成され、
前記刃先部を鋭角に加工する第一工程と、
前記すくい面に、前記被切削物の切り屑に対する摩擦係数が基材より小さい前記コーティング層を被覆する第二工程と、
前記刃先部の全長に亘って前記コーティング層を冷却によって自然剥離させて前記第一領域と前記剥離部とを形成する第三工程と、を備えている刃工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、刃先部およびすくい面を有する刃工具の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超硬合金等の基材で構成される刃先部およびすくい面の全体をＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）被膜で被覆した刃工具が知られている（例えば、特許文献１−２参照）。このＤＬＣ被膜は、被切削物の切り屑に対する摩擦係数が基材より小さいコーティング層であり、切り屑の凝着を防止するものである。
【０００３】
特許文献１の刃工具（エンドミル）は、基材の表面から順に、水素含有量が１原子％以下の水素フリーＤＬＣ被膜、水素含有量が２原子％〜２０原子％の水素含有ＤＬＣ被膜を積層している。
【０００４】
特許文献２の刃工具（ダイカッター）は、基材にコーティング工程とエッジング工程とを交互に行うことにより、ＤＬＣ被膜が被覆された刃先部を鋭角形状にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１３１８９３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１７３２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の刃工具にあっては、刃先部がＤＬＣ被膜によって曲面形状に形成されてしまうので、切削性能が低下する。また、特許文献２の刃工具では、エッジングによって刃先部を鋭角形状にしているものの、切削時の曲げ加重を受けてＤＬＣ被膜に亀裂が入るおそれがある。その結果、刃工具の耐久性が低下してしまう。
【０００７】
そこで、切り屑の凝着を防止しつつ、良好な切削性と耐久性を兼ね備えた刃工具の製造方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
刃工具の製造方法の特徴構成は、被切削物を切削する刃先部と当該刃先部に連なるすくい面とを備え、前記すくい面は、前記刃先部の全長に亘って前記刃先部から所定の範囲に基材が露出した第一領域と、当該第一領域に対して前記刃先部とは反対側に隣接配置され、前記被切削物の切り屑に対する摩擦係数が前記基材より小さいコーティング層を設けた第二領域と、を有し、前記第一領域と前記第二領域との境界部は、前記コーティング層の剥離部により構成され、前記刃先部を鋭角に加工する第一工程と、前記すくい面に、前記被切削物の切り屑に対する摩擦係数が基材より小さい前記コーティング層を被覆する第二工程と、前記刃先部の全長に亘って前記コーティング層を冷却によって自然剥離させて前記第一領域と前記剥離部とを形成する第三工程と、を備えている点にある。
【０００９】
本構成では、すくい面の第一領域において、基材の表面を刃先部の全長に亘って露出させている。つまり、切削機能を有する刃先部がコーティング層で被覆されていないので、刃工具の切削性能が低下しない。また、従来のように切削時の曲げ加重を受けて、コーティング層に亀裂が入るといった不都合もない。
【００１０】
また、第一領域に対して刃先部とは反対側に隣接配置され、基材より摩擦係数の小さいコーティング層で被覆された第二領域を設けている。つまり、この第二領域は、刃先部よりも送り方向の奥側に配置されており、切り屑が強く摺擦する領域である。これにより、切り屑と接触することによって第二領域に発生する摩擦熱が小さくなり、切り屑の凝着が抑制される。しかも、第二領域で摩擦熱を抑制しているので、第一領域が高温となり難く、第一領域に流動した切り屑の凝着も抑制できる。その結果、刃先部やすくい面に切り屑が凝着することに起因して、切削面にバリが発生するといった不都合を長期間に亘って解消することができる。つまり、切削面にバリを発生させない所望の切削性能を有する刃工具として、延命化を図ることができる。
【００１１】
本発明者は、基材に例えばイオンプレーティング法でコーティングした後、自然放冷すれば第一領域のみコーティング層を剥離させることができるとの知見を得た。これは、基材がプラズマ処理されることで第一領域に電荷が集中してコーティング層が多く付着し、室温で冷却した際に基材とコーティング層との収縮応力の差が大きくなり、第一領域のコーティング層が自然剥離したものと推測される。このため、本構成のように第一領域と第二領域との境界部を剥離部で構成すれば、すくい面全体にコーティングした後にレーザー加工を施すといった後処理を省略でき、製造コストが低減できる。
【００１２】
本方法では、刃先部は、全長に亘って基材の表面が露出することとなる。つまり、刃先部はコーティング層で被覆されていないので、刃工具の切削性能が低下しない。また、刃先部より送り方向の奥側の領域は、基材より摩擦係数の小さいコーティング層で被覆される。これにより、切り屑と接触することによって発生する摩擦熱が小さくなり、切り屑の凝着が防止される。しかも、刃先部より奥側の切り屑が強く摺擦する領域にコーティング層を被覆して摩擦熱を抑制しているので、刃先部が高温となり難く、刃先部に流動した切り屑の凝着も防止できる。よって、切り屑の凝着を防止しつつ、良好な切削性と耐久性を兼ね備えた刃工具となる。
【００１３】
また、本方法のように刃先部のコーティング層を自然剥離させれば、すくい面全体にコーティングした後にレーザー加工を施すといった後処理を省略でき、製造コストが低減される。
このように、切り屑の凝着を防止しつつ、良好な切削性と耐久性を兼ね備えた刃工具の製造方法を提供できた。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】刃工具の斜視図である。
【図２】刃工具の先端部の正面図である。
【図３】刃先部が切削している状態を示す図である。
【図４】被覆領域を設けない場合におけるすくい面の伝熱状態を示す図である。
【図５】本実施形態に係るすくい面の伝熱状態を示す図である。
【図６】切削例を示す比較表である。
【図７】刃工具の製造方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明に係る刃工具および刃工具の製造方法の実施形態について、図面に基づいて説明する。本実施形態における刃工具Ｘとして、被切削物１を切削するスクエアエンドミルを一例として説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
【００２３】
［刃工具］
図１に示すように、本実施形態における刃工具Ｘは、被切削物１を切削して溝や穴などを形成するものである。刃工具Ｘは、耐摩耗性に優れる超硬合金を基材２として構成されており、刃部２０と、首部３１を介して刃部２０を支持するシャンク部３とを備えている。
【００２４】
図１および図２に示すように、刃部２０は、４枚の刃先部２３を有し、被切削物１を切削する先端部２０Ａと、先端部２０Ａからシャンク部３に向かって螺旋状に形成されたねじれ刃溝２０Ｂとを備えている。刃先部２３は、先端部２０Ａの径方向に沿って設けられ、ねじれ刃溝２０Ｂは、夫々の刃先部２３の間から刃部２０の側面まで設けられている。なお、夫々のねじれ刃溝２０Ｂの間で刃部２０の側面に形成される外周刃２５も切削機能を有するが、本実施形態では、刃部２０の先端に設けられる先端部２０Ａを中心に説明する。なお、先端部２０Ａの刃数は４枚に限定されず、２枚以上あれば良い。
【００２５】
図２および図３に示すように、先端部２０Ａは、刃先部２３と連なり、被切削物１の切り屑Ｋが摺擦するすくい面２１と、被切削物１から離間した逃げ面２２とを有している。つまり、すくい面２１は刃工具Ｘの回転方向Ｓに向いており、逃げ面２２は刃工具Ｘの回転方向Ｓと反対側に向いている。すくい面２１と逃げ面２２との境界には刃先部２３が鋭角に形成されており、夫々の先端部２０Ａにおける刃先部２３の回転軌跡は同一平面状となっている。刃部２０を被切削物１に押し当てながら回転させることで、被切削物１の表面に平坦形状の溝や穴などが形成される。
【００２６】
刃工具Ｘを用いて被切削物１を切削すると、被切削物１から順次切り屑Ｋが発生する。この切り屑Ｋは、ねじれ刃溝２０Ｂに沿って上昇し、外部に排出される。
【００２７】
一方、図４に示すように、全ての基材２が露出した従来の刃工具Ｘａを用いた場合、切り屑Ｋがすくい面に摺接して摩擦熱が発生することで、すくい面の全域が高温になって切り屑Ｋが凝着し易い。また、すくい面の全域に切り屑Ｋが凝着すると、切り屑Ｋの流動性が低下して、切り屑Ｋがねじれ刃溝から円滑に排出されない。その結果、基材２が摩耗したり、切り屑Ｋの凝着と脱落が繰り返されて刃先部にチッピングを誘発したりする。また、基材２に凝着する切り屑Ｋに起因して、被切削物１の切削面にバリが発生してしまう。一方、従来のように基材２の全範囲をコーティングした場合は、摩擦抵抗を低減することができるものの、刃先部が丸みを帯びて所望の切削性能を発揮できない。
【００２８】
そこで、図３に示すように、本実施形態では、すくい面２１に、刃先部２３の全長に亘って刃先部２３から所定の範囲に基材２が露出した第一領域２１ａと、第一領域２１ａに対して刃先部２３とは反対側に隣接配置され、被切削物１の切り屑Ｋに対する摩擦係数が基材２より小さいコーティング層Ｃを設けた第二領域２１ｂと、を形成することとした。つまり、第一領域２１ａは、基材２の表面が刃先部２３の径方向に亘って露出しており、コーティング層Ｃで被覆された第二領域２１ｂは、第一領域２１ａより刃部２０の切削方向Ｒ（送り方向）の奥側に配置されている。なお、本実施形態におけるコーティング層Ｃは、ビッカース硬さがＨｖ１５００以上で、水素含有量が５原子％以下のＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）で構成されている。
【００２９】
また、第二領域２１ｂは、少なくとも切り屑Ｋが最も強く摺擦する部位に設けられていることが望ましい。一方、すくい面２１のうち、切り屑Ｋが最も強く摺擦する部位は、切込み深さＡとなる切り屑Ｋの厚みに比例して引退する。そこで、切込み深さＡに応じて第二領域２１ｂの範囲を決定すれば、所望の切削性能を確保しつつ、切り屑Ｋの凝着を効果的に防止できるとの仮説を立てた。この仮説の下、実験を重ねた結果、被切削物１の材質やすくい角が異なる場合でも、切り屑Ｋが最も強く摺擦する部位は、概ね刃先部２３から切込み深さＡの３倍離れた位置であるとの知見を得た。
【００３０】
そこで、図３に示すように、本実施形態における第二領域２１ｂは、すくい面２１のうち刃先部２３から切込み深さＡの３倍の位置を含んでいる。つまり、第二領域２１ｂは、被切削物１の表面と垂直方向において、被切削物１に当接する刃部２０の刃先部２３から、切込み深さＡの３倍の距離を離間させた領域を含むように設定した。また、第一領域２１ａの基材２が露出する所定の範囲は、刃先部２３の切削性能を低下させないように、被切削物１の表面と垂直方向において、少なくとも刃先部２３から切込み深さＡの０．２倍の領域まで形成するのが好ましい。一方、刃先部２３の切削性能をより向上させるためには、第一領域２１ａを少なくとも切込み深さＡの領域まで形成するのが好ましい。
【００３１】
図５に示すように、すくい面２１にＤＬＣで被覆した第二領域２１ｂを設けた場合、第二領域２１ｂに発生する摩擦熱を確実に小さくすることができる。しかも、切り屑Ｋが第一領域２１ａより奥側の第二領域２１ｂで摩擦熱を抑制しているので、第一領域２１ａが高温となり難い。その結果、第一領域２１ａや第二領域２１ｂには切り屑Ｋが凝着し難くなり、被切削物１の切削面にバリが発生することが抑制される。つまり、切削面にバリを発生させない所望の切削性能を有する刃工具Ｘとして、延命化を図ることができる。
【００３２】
図６には、被切削物１の切込み深さＡを０．８ｍｍに設定して切削した場合における刃工具の耐久性（切削距離）および製造コストを比較した実施例が示される。実施例１〜２は、上述した本実施形態のように、第一領域２１ａと第二領域２１ｂとに区分した刃工具Ｘを用いた例である。なお、実施例１〜２は共に、第二領域２１ｂを刃先部２３から切込み深さＡの約０．２５倍以上の領域に設けた。比較例１〜２は、超硬合金で構成される基材を被覆しない従来例と、超硬合金で構成される基材の全域をＤＬＣで被覆した従来例である。また、比較例３は、高価なダイヤモンドを基材に用いた例である。
【００３３】
実施例１〜２は共に、すくい面２１に切り屑Ｋの凝着が発生したことに起因して被切削物１にバリが発生するまで、５０ｍ程度の切削距離を確保することができた。一方、比較例１は、切削距離が少ないにも関わらず、すくい面や刃先部に切り屑Ｋが凝着して、チッピングが発生した。また、比較例２は、ＤＬＣ被膜によって刃先部が丸みを帯びるので切削性能が低下し、切削距離が少ないにも関わらず、ＤＬＣ被膜に亀裂が入って刃工具にカケが生じた。比較例３は、すくい面に凝着が発生したことに起因して被切削物１にバリが発生するまで、多くの切削距離を確保することができたが、非常に高価なため、切削距離あたりの製造コストが大きくなってしまった。
【００３４】
このように、本実施形態における刃工具Ｘは、最も安価で、優れた耐久性を有することが分かる。一方、実施例１と実施例２とを比較すると、第二領域２１ｂの膜厚を１．０μｍに設定した実施例１は、第二領域２１ｂの膜厚を０．３μｍに設定した実施例２に比べて耐久性がやや劣ることが分かった。これは、第一領域２１ａと第二領域２１ｂとの段差（剥離部２４の高さ）が実施例１の方が大きく、この段差によって切り屑Ｋの流動性が若干低下し、第一領域２１ａに滞留した切り屑Ｋによって、被切削物１にバリが発生するタイミングが早まったためと推測される。よって、第二領域２１ｂにおけるコーティング層Ｃの膜厚は、１．０μｍ以下が好ましく、０．３μｍ以下であればより好ましい。
【００３５】
［刃工具の製造方法］
以下、図７を用いて、刃工具Ｘの製造方法について説明する。本実施形態に係る刃工具Ｘの製造方法は、刃部２０の刃先部２３を鋭角に加工する第一工程と、刃部２０のすくい面２１に、被切削物１の切り屑Ｋに対する摩擦係数が基材２より小さいコーティング層Ｃを被覆する第二工程と、刃先部２３の全長に亘ってコーティング層Ｃを冷却によって自然剥離させる第三工程と、を備えている。
【００３６】
第一工程において、炭化タングステンに結合剤であるコバルトを混合して焼結し、超硬合金の基材２を形成した後、刃部２０の先端部２０Ａを切削加工および研磨加工する。これによって、刃部２０の先端に、鋭角形状の刃先部２３が形成される。
【００３７】
次いで、第二工程において、刃部２０の全域に、イオンプレーティング法を用いて、ビッカース硬さがＨｖ１５００以上で、水素含有量が５原子％以下のＤＬＣで構成されるコーティング層Ｃを被覆する。イオンプレーティング法は、真空中で蒸発させたコーティング層Ｃをプラズマ中に通過させプラスに帯電し、マイナスに帯電させた刃部２０の基材２に吸着させる方法である。この方法を採用すれば、鋭角形状の刃先部２３に電荷が集中するので、第一領域２１ａは、第二領域２１ｂに比べて膜厚が増大する。これによって、図７に示すように、刃先部２３のコーティング層Ｃは、大きな円弧形状を呈することとなる。
【００３８】
次いで、第三工程において刃部２０を成膜装置から外部に取り出すと、刃先部２３のコーティング層Ｃが室温冷却によって自然剥離し、基材２の表面が露出した第一領域２１ａが形成される。つまり、すくい面２１の第一領域２１ａと第二領域２１ｂとの境界部において、コーティング層Ｃが剥離した跡である剥離部２４が形成されることとなる。この剥離部２４は、表面が荒れており微細な凹凸を有している。剥離部２４が形成されるのは、基材２に比べてコーティング層Ｃの収縮速度が遅く、さらに体積の大きい第一領域２１ａの方が第二領域２１ｂより収縮速度が遅く、第一領域２１ａに大きな引張応力が作用するからと推測される。その結果、第一領域２１ａと第二領域２１ｂとの境界部で亀裂が入り、自重で落下するものである。
【００３９】
このように、第一領域２１ａを自然剥離させれば、すくい面２１の全域を被覆した後にレーザー加工を施すといった後処理を省略でき、製造コストが低減できる。
【００４０】
［その他の実施形態］
（１）上述した実施形態では、基材２を超硬合金で構成したが、高速度鋼で構成するなど求められる切削性能に応じて適宜変更しても良い。
（２）上述した実施形態では、コーティング層Ｃをビッカース硬さがＨｖ１５００以上で、水素含有量が５原子％以下のＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）で構成した。これに代えて、例えば、水素含有量が５原子％以上のＤＬＣで構成しても良いし、酸化アルミナおよび窒化チタンの複合層で構成しても良く、特に限定されない。
（３）上述した実施形態におけるイオンプレーティング法に代えて、電荷を利用するスパッタリング法やプラズマＣＶＤ法を用いて剥離部２４を形成しても良い。また、剥離部２４を形成するために、レーザー処理やエッチング処理などを施しても良い。
（４）刃工具Ｘの外周刃２５において、先端部２０Ａの刃先部２３やすくい面２１の構成を採用しても良い。
（５）刃工具Ｘの刃先部２３やすくい面２１の構成を、スクエアエンドミル以外のエンドミル、ダイカッターやドリルなどの切削工具に適用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、刃先部およびすくい面を有する様々な刃工具および当該刃工具の製造方法に利用可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１      被切削物
２      基材
２１    すくい面
２１ａ  露出領域（第一領域）
２１ｂ  被覆領域（第二領域）
２３    刃先部
２４    剥離部
Ａ      切込み深さ
Ｃ      コーティング層
Ｋ      切り屑
Ｘ      刃工具
【図１】
0006696171.tif 000002
【図２】
0006696171.tif 000003
【図３】
0006696171.tif 000004
【図４】
0006696171.tif 000005
【図５】
0006696171.tif 000006
【図６】
0006696171.tif 000007
【図７】
0006696171.tif 000008