(57)【要約】【課題】センサ回路の高い検出感度を維持したまま、工具としての切削性能を高めることができるセンサ回路付切削工具を提供する。【解決手段】導電性母材２の表面に膜厚０．１〜１５μｍで膜内に３０〜１０００μｍ間隔のクラックが存在する絶縁膜３を設けるとともに、絶縁膜３の表面に導電膜４から成るセンサ回路を形成したセンサ回路付切削工具１を作製する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性母材の表面に膜厚０．１〜１５μｍで膜内に３０〜１０００μｍのクラック間隔を有するクラックが存在する絶縁膜を設けるとともに、該絶縁膜の表面に導電膜から成るセンサ回路を形成してなることを特徴とするセンサ回路付切削工具。
【請求項２】
前記絶縁膜が化学蒸着法により作製されたことを特徴とする請求項１記載のセンサ回路付切削工具。
【請求項３】
前記絶縁膜が酸化アルミニウム層を少なくとも１層含むことを特徴とする請求項１または２記載のセンサ回路付切削工具。
【請求項４】
前記酸化アルミニウム層が平均粒径０．５〜１０μｍの粒状晶の酸化アルミニウム粒子からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載のセンサ回路付切削工具。
【請求項５】
前記切削工具のすくい面切刃部における前記導電膜が前記すくい面中央部における前記導電膜の膜厚よりも薄くなるように研磨されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載のセンサ回路付切削工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は切削加工に使用する工具に関し、特にセンサ回路を備えたセンサ回路付切削工具の改良に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
切削加工において、切削工具切刃の逃げ面摩耗の大きさは一般的に工具寿命の判定基準となることから、切削加工中にインプロセスで即座に逃げ面の摩耗量を推定することは高精度加工を維持する上で大変重要であるが、加工中に工具の摩耗を直接観察することは作業環境上大変難しい。
【０００３】
従来、かかる工具切刃の摩耗量の測定法として、加工を中止し工具を一旦はずして工具顕微鏡などで測定したり、あるいは工具の摩耗に付随して起こる他の現象（切削力や振動の変化など）を工作機械上等の加工点付近に設置したセンサで加工中にインプロセスで検出し、検出信号に何らかの信号処理を行って摩耗量を推定しているが、従来の方法では摩耗量の定量化が困難であったり、十分な感度や信頼性が得られなかった。
【０００４】
そこで、特許文献１では、超硬合金やサーメットなどの導電性母材の表面に絶縁性の酸化アルミニウム層と、導電膜からなるセンサ回路をコーティングして工具を形成し、被削材と工具との間に電圧をかけ、酸化アルミニウム層が摩耗し導電性母材が露出したとき、すなわち寿命になると電流が流れることを利用した工具寿命の検知方法が提案されている。
【０００５】
また、本出願人は、先に特許文献２にて、絶縁膜中に発生するクラックを極力抑制するとともに絶縁膜を多層構造とすることによって絶縁膜の絶縁性が確保できることを提案した。
【０００６】
〔特許文献１〕
特開昭５９−８１０４３号公報
〔特許文献２〕
特開２００２−２９２５０４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１、２のように、絶縁膜の絶縁性向上に着目したセンサ回路付切削工具では検出信号の検出感度が向上してセンサの検知信頼性を高めることができるものの、工具表面に絶縁膜および導電膜を付加的に形成した構成となるためにセンサを形成しないものに比べて硬質被覆膜全体としての膜厚が厚くなり、切削工具としての耐欠損性等の切削性能が損なわれてしまうという問題があった。また、そのために、絶縁膜および導電膜の膜厚を調整することによって切削性能の向上を図ることが考えられるが、特に絶縁膜の膜厚を薄くすると絶縁性が低下してセンサ信号を安定して検知できなくなる等、絶縁膜および導電膜の膜厚をセンサ性能と切削性能とが両立できる膜厚に調整することは困難であった。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、センサ回路の高い検出感度を維持したまま、工具としての切削性能を高めることができるセンサ回路付切削工具を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、絶縁膜の構成について再度検討し、絶縁膜中にむしろ絶縁性を損なわないような微細なクラックを所定の割合で積極的に存在せしめることにより、絶縁膜の絶縁性を維持したまま、切削工具の耐欠損性および耐摩耗性を向上させることができることを知見した。
【００１０】
即ち、本発明のセンサ回路付切削工具は、導電性母材の表面に膜厚０．１〜１５μｍで膜内に３０〜１０００μｍのクラック間隔を有する絶縁膜を設けるとともに、該絶縁膜の表面に導電膜から成るセンサ回路を形成してなることを特徴とするものである。
【００１１】
ここで、前記絶縁膜が化学蒸着法により作製されたこと、酸化アルミニウム層を少なくとも１層含むこと、前記酸化アルミニウム層が平均粒径０．５〜１０μｍの粒状晶の酸化アルミニウム粒子からなることによって、クラック間隔を所定の範囲に制御することができるとともに、導電性母材に対する付着強度が高くなるという効果がある。
【００１２】
また、前記切削工具のすくい面切刃部における前記導電膜が前記すくい面中央部における前記導電膜の膜厚よりも薄くなるように研磨されていることにより、センサ回路間の電気抵抗値を低くすると同時に、切削工具としての耐欠損性が大幅に改善されるという効果がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の一例であるスローアウェイ工具を例としてその概略断面図である図１を用いて説明する。なお、本発明のセンサ回路付切削工具は、スローアウェイ工具の他、ソリッドドリル等のソリッド工具への応用も可能である。
【００１４】
図１のスローアウェイ工具１は、導電性母材２の表面に絶縁膜３を設けるとともに、絶縁膜３の表面に導電膜４から成るセンサ回路を形成してなる。
【００１５】
本発明によれば、絶縁膜３が膜厚０．１〜１５μｍ、特に２〜８μｍで、膜内に３０〜１０００μｍ間隔、特に１００〜１０００μｍのクラック間隔を有するクラックが存在することが大きな特徴であり、これによって、絶縁膜３の絶縁性を維持したまま、工具１の耐欠損性および耐摩耗性を向上させることができる。
【００１６】
すなわち、絶縁膜３の膜厚が０．１μｍより薄いと、絶縁層３の絶縁性が損なわれて導電膜４と導電性母材２との絶縁性が悪くなり、センサ回路が短絡してしまい、逆に、絶縁膜３の膜厚が１５μｍを超えると、切削工具１としての耐欠損性が悪くなって工具寿命が短くなる。また、絶縁膜３中に存在するクラック間隔が３０μｍより短いと、導電膜４と導電性母材２間の絶縁性が悪くなり、逆に、絶縁膜３中に存在するクラック間隔が１０００μｍより長いと、切削における絶縁膜３の靭性が低下して工具１の耐欠損性が悪くなる。
【００１７】
ここで、本発明におけるクラック間隔とは、工具１の表面を硝酸３３重量％、フッ化水素酸１重量％、水６６重量％の割合で混合したエッチング液中に工具１を浸漬して９０分間エッチングした後金属顕微鏡写真にて工具１の表面を観察した際（図２参照）に、工具１の表面部分に観察されるクラックについて、インタセプト法に基づき、写真上に任意の縦断線Ｌを引いたときのクラック間の距離（この縦断線Ｌの長さ（図２では１０００μｍ）をクラックが交差する交点の数（図２ではＮの平均値）で割った長さ）を指し、このクラック間隔が広い（長い）とクラックが少なく、クラック間隔が狭い（短い）とクラックが多くなることを指す。
【００１８】
また、本発明によれば、絶縁膜３の形成方法としては、化学蒸着（ＣＶＤ）法、プラズマ化学蒸着（ＰＣＶＤ）法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、蒸着法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法、めっき法などで形成されるが、絶縁膜３が化学蒸着法（ＣＶＤ法）により作製されたものであることが、絶縁膜４を上記所定範囲のクラック間隔に制御し、導電性母材２への密着力が良いという点で望ましい。
【００１９】
さらに、絶縁膜３が酸化アルミニウム層を少なくとも１層含むことが、工具１としての耐摩耗性に優れるとともに、被削材と反応しにくいため、切削工具としての耐摩耗性や耐チッピング性に優れている点で望ましい。
【００２０】
さらにまた、前記酸化アルミニウム層が平均粒径０．５〜１０μｍの粒状晶の酸化アルミニウム粒子からなることによって、上記所定範囲のクラック間隔を達成できるとともに、絶縁膜３の耐欠損性および耐摩耗性を高くできる。粒径を上記範囲にすることで、酸化アルミニウム粒子が破壊源となることを防ぎ、酸化アルミニウムを基点とする膜剥離を防ぎ付着強度を高くすることができる。また、０．５μｍ以下だと耐摩耗性が悪く、１０μｍを超えると耐欠損性が悪くなる。また、前記酸化アルミニウム層がκ結晶、又はα結晶であることが、切削工具としての耐摩耗性および耐欠損性を維持することができるため望ましい。このような粒状晶は、ＣＶＤ法によって作製できる。
【００２１】
具体的には、酸化アルミニウム層３を例えばＣＶＤ法で形成する場合、成膜温度は８５０℃から１１００℃の間で行うことがクラック間隔の制御、並びに耐摩耗性および耐欠損性向上の点で重要であり、８５０℃より低いとクラック間隔が１０００μｍより長くなるとともに絶縁性および耐欠損性、耐摩耗性とも低下する。また、１１００℃より高いとクラック間隔が３０μｍより短くなり、絶縁性が低下する。
【００２２】
また、キャリアガスとしてＨ２を用い、反応ガスとしてＣＯ２、ＨＣｌ、ＡｌＣｌ３、Ｈ２Ｓを用い、炉内圧力は４ｋＰａ〜３０ｋＰａの間で成膜することが絶縁膜３のクラック間隔を所定の範囲に制御する点で望ましい。
【００２３】
ここで、本発明によれば、絶縁膜３の形成においては多段階または多層に分けて成膜することが、絶縁性の低下を抑制して安定したセンサ機能を有することができる点で望ましい。すなわち、多段階または多層とすることによって１層目に生成したクラックやピンホールなどの欠陥を２層目以降の成膜時に埋めて絶縁性を維持することができるため、より安定した絶縁性が維持される。
【００２４】
上記多段階または多層成膜の具体的な成膜条件において、成膜温度よりも２００℃以上低い温度まで一旦冷却すること、および５〜１５℃／分の降温速度で一旦降温させた後成膜温度まで１〜１５℃／分の昇温速度で昇温することが重要であり、これによって、絶縁膜３中に生じる残留応力等を開放しつつ所定範囲のクラック間隔を有するように制御することができ、安定した絶縁性および優れた切削性能を兼ね備えた絶縁膜３を作製することが可能となる。なお、上記降温および昇温時は真空または不活性ガス雰囲気にて行う。また、降温速度について、絶縁膜３の最終層を成膜した後は０．５〜５℃／分であることがクラック間隔の制御の点で望ましい。
【００２５】
また、本発明によれば、図１に示すように、工具１のすくい面６の切刃部７における導電膜４がすくい面６中央部における導電膜４の膜厚よりも薄くなる（ｔ１＜ｔ２）ように研磨されていることが望ましく、これによって、切刃部７における導電膜４、絶縁膜３、さらには下地膜１０に残存する残留応力をさらに改善して、さらに耐欠損性に優れた工具１となる。なお、本発明においては上記のように切刃部７を研磨する場合、センサ回路の導通状態を維持するためには導電膜４が逃げ面８側で所望の厚み残存している必要があり、豚毛ブラシ等の柔らかいブラシや樹脂やゴム等の軟質材入り砥粒等の柔らかい研磨剤を用いて極微量研磨することが望ましい。また、切刃部７における導電膜４の表面粗さ（Ｒａ）は０．４μｍ以下であることが硬質被覆膜１５が剥離することを防止して耐欠損性を高めるとともに、耐溶着性向上によるセンサ機能の安定性の点で望ましい。
【００２６】
（導電性母材）
本発明において用いられる導電性母材としては、電気抵抗値が１０−２Ω・ｃｍ以下であることが望ましく、特に、酸化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、サーメット、超硬合金、立方晶窒化ホウ素質焼結体（ＣＢＮ／ＣｕｂｉｃＢｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ）、ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ／Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  Ｄｉａｍｏｎｄ）などが使用できる。
【００２７】
酸化アルミニウム質焼結体としては、ＴｉＣまたはＴｉＣＮを２〜４０重量％、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの酸化物のうち少なくとも１種を０．０１〜５．０重量％含有してなる酸化アルミニウム質焼結体などが好適に使用できる。
【００２８】
窒化珪素質焼結体としては、ＡｌをＡｌ２Ｏ３換算で１．５〜１０モル％、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物を３０〜８０モル％、希土類酸化物を窒化珪素に対して１０重量％以下、不純物的酸素をＳｉＯ２換算で１０モル％以下の割合から成る窒化珪素質焼結体が好適に使用できる。
【００２９】
サーメットとしては、Ｔｉを炭化物、窒化物あるいは炭窒化物換算で５０〜８０重量％、周期律表第６ａ族元素を炭化物換算で１０〜４０重量％の割合で含有するとともに（窒素／（炭素＋窒素））で表される原子比が０．４〜０．６の範囲内にある硬質相成分７０〜９０重量％と、鉄族金属から成る結合相成分１０〜３０重量％とから成るＴｉＣＮ基サーメットが好適に使用される。
【００３０】
超硬合金としては、硬質相と結合相で構成されるものなどがあり、硬質相は、炭化タングステン、または炭化タングステンの５〜１５重量％を周期律表第４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物で置換し、結合相は、Ｃｏ等の鉄族金属を５〜１５重量％の割合で含有したものが好適に使用される。
【００３１】
（下地膜）
また、本発明によれば、図１に示すように、絶縁膜３と導電性母材２との間に、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物、Ａｌの酸化物や、ＴｉＡｌの窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種を単層または複数層として０．１〜１０μｍの厚みで形成することができる。
【００３２】
特に、導電性母材２と絶縁膜３との付着強度を上げる上では、図１に示すように、絶縁膜３の直下にＴｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物のうちいずれか１種以上による単層または複数層の下地膜１０を設けることが望ましい。
【００３３】
切削性能向上のためには、（Ｔｉａ，Ｍｂ）ＣｘＮｙＯｚ（ただし、ＭはＡｌ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｚｒ、ＮｂおよびＨｆの群から選ばれる少なくとも１種、ａ＋ｂ＝１、０．１≦ａ≦１、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦０．５）を０．１μｍ〜１０μｍの厚みで単層または複数層成膜することが望ましい。その場合は、この層と絶縁膜３との間に上記Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物の単層または多層を介在させることが望ましい。
【００３４】
なお、これらの下地膜１０は、ＣＶＤ法やイオンプレーティング、スパッタリング等のＰＶＤ法群から選ばれる少なくとも１種の成膜法によって形成される。
【００３５】
（導電膜）
導電膜４は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等の周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ等の鉄族金属、あるいはＡｌなどの金属材料やＴｉＣ、ＶＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、Ｃｒ３Ｃ２、Ｍｏ２Ｃ、ＷＣ、Ｗ２Ｃ、ＴｉＮ、ＶＮ、ＮｂＮ、ＴａＮ、ＣｒＮ、ＴｉＣＮ、ＶＣＮ、ＮｂＣＮ、ＴａＣＮ、ＣｒＣＮ等の周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎの群から選ばれる少なくとも１種で形成される。この中でも、ＴｉＮは被削材と反応せず、センサの電気抵抗値が常に所定値を示し、スローアウェイチップの摩耗度合い、欠損の発生の有無を正確に検出することができること、被削材の加工表面に反応生成物による傷が形成されるのを有効に防止できること、耐酸化性に優れ、酸化物生成によるセンサの電気抵抗値の変化がなく、スローアウェイチップの摩耗度合い、欠損の発生の有無を正確に検出することができること等の理由から好適に使用し得る。
【００３６】
導電膜４は、その厚みを０．０５μｍ以上とすることで、スローアウェイチップの摩耗度合いや欠損を正確に検出するためにセンサの電気抵抗を得ることができる。また２０μｍ以下とすることで、導電膜４中への応力の発生を抑制し、導電膜４の密着性を高めることができる。
【００３７】
この導電膜４は、ＣＶＤ法やイオンプレーティング、スパッタリング、蒸着等のＰＶＤ法、めっき法等を採用することによってスローアウェイチップの母材のほぼ全面に所定厚みに導電膜を被着し、その後、レーザ加工によって、導電膜４を図４のような所定パターンに加工される。なお、センサ回路のうち損傷状態を検知するセンサライン部分２０のセンサ幅は一般的には０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍでよいと考え得るが、寿命設定により任意の幅を持たせるとよい。
【００３８】
上述した構成からなる本発明のセンサ回路付き切削工具は、絶縁性と導電性母材との付着力に優れることから、損耗センサとして好適である。
【００３９】
【実施例】
導電性母材として、Ｃｏ：８重量％、Ｔａ：５重量％、Ｔｉ：３重量％、残部がＷＣからなる超硬合金を準備した。
【００４０】
その表面に、ＣＶＤ法でＴｉＣｌ４、Ｎ２、Ｈ２、ＣＨ４、ＣＨ３ＣＮを用いて、炉内温度８００℃以上で膜厚１μｍのＴｉＮ膜と膜厚８μｍのＴｉＣＮ膜とを下地膜として成膜した。
【００４１】
そして、上記下地膜表面に、キャリアガスとしてＨ２を用い、反応ガスとしてＣＯ２、ＨＣｌ、ＡｌＣｌ３を用い、表１に示す成膜温度で、炉内圧力は１０ｋＰａ、成膜時間９０分で酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜を成膜した。次に、成膜温度に対して表１に示す温度まで、表１の降温速度で一旦降温させて、その後成膜温度まで表１の昇温速度で昇温して１層目と同じ成膜条件で酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜の成膜を行った。その後表１に示す最終降温速度条件にて冷却を行った。なお、この絶縁膜の総成膜数および総膜厚は表１に示した。また、試料Ｎｏ．７のみ１層目の酸化アルミニウム膜の膜厚を８μｍ成膜した後、２層目以降を２μｍづつ４層、すなわち酸化アルミニウム膜の総膜厚が１６μｍとなるように成膜した。
【００４２】
その後、アークイオンプレーティング法で成膜温度５００℃にてＴｉＮからなる導電膜を層厚１μｍで成膜した後、導電膜にレーザ加工を施して図４の回路パターンからなるセンサ回路を作製し、ＣＮＭＧ１２０４０８形状のセンサ回路付きスローアウェイチップを試料ごとに２０個ずつ作製した。
【００４３】
さらに、上記スローアウェイチップに対して、樹脂入りの砥粒を用いてすくい面側からサンドブラスト処理し、切刃部の導電膜を０．５μｍだけ除去した。
【００４４】
得られた損耗センサ回路つきスローアウェイチップについて、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および光学顕微鏡にて１０００倍〜５００００倍に拡大して測定した。ＳＥＭによる測定では装置は日本電子製ＪＳＭ−６３４０Ｆにて行った。
【００４５】
また、上記スローアウェイチップを、硝酸３３重量％、フッ化水素酸１重量％、水６６重量％の混合溶液からなるエッチング液中に室温で９０分間浸漬してエッチングした後、引き上げてチップの表面を金属顕微鏡にて観察した。そして、チップ表面（すくい面）の金属顕微鏡写真にて観察しインタセプト法によってクラック間隔を測定した。
【００４６】
以上の方法で作製した各試料について以下の方法によって電気絶縁性およびチップの耐欠損性の評価を行った。電気絶縁性の調査は、図３に示すように、テスター１２によって導電性母材と、導電膜１間の電気抵抗を各試料１０個ずつ測定し、２００ｋΩ以上の試料の個数を測定してその割合を算出した。また、切削性能の評価として、以下の切削条件下での切削試験を行った。
【００４７】
≪切削条件≫
切削速度      １００ｍ／ｍｉｎ
送り          ０．４ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み      ２．０ｍｍ
被削材        ＳＣＭ４４０  ４本溝
切削状態      切削液あり（ソリューション）
評価結果      ２分間切削して刃先が欠損した数を評価した。各試料につき１０個ずつ評価し、欠損が見られなかった数を百分率で表した。
【００４８】
以上の測定の結果を表１に示した。
【００４９】
【表１】
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【００５０】
表１より、本発明に従い、導電性母材の表面に膜厚０．１〜１５μｍで膜内に３０〜１０００μｍのクラック間隔のクラックが存在する絶縁膜を設けた試料Ｎｏ．１〜３では、いずれも絶縁性および耐膜剥離性に優れたものであった。
【００５１】
これに対して、成膜温度が８５０℃より低い試料Ｎｏ．４では、クラック間隔が１０００μｍより長く絶縁性および耐膜剥離性とも低いものであった。また、絶縁膜成膜工程において一旦冷却する際の降温速度が５℃／分よりも遅い試料Ｎｏ．５および絶縁膜の膜厚が１５μｍを超える試料Ｎｏ．７では、クラック間隔が１０００μｍよりも長くなり耐膜剥離性が低下した。さらに、一旦冷却する際に冷却温度を８００℃よりも高い温度までしか下げなかった試料Ｎｏ．６については、クラック間隔が３０μｍより短く、多数のクラックが発生して絶縁膜の絶縁性が悪いものであった。
【００５２】
【発明の効果】
以上、詳述したとおり、本発明によれば、絶縁膜中に膜厚０．１〜１５μｍで膜内に３０〜１０００μｍのクラック間隔を有する微細なクラックを積極的に存在せしめることにより、絶縁膜の絶縁性を維持したまま、切削工具の耐欠損性および耐摩耗性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセンサ付切削工具の一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明のセンサ回路付切削工具のクラック間隔の評価方法を説明するための図である。
【図３】実施例における電気絶縁性の測定方法を説明するための概念図である。
【図４】本発明のセンサ回路付切削工具におけるセンサ回路パターンの一例を示す（（ａ）斜め上方から見た、（ｂ）斜め下方から見た）概略斜視図である。
【符号の説明】
１：スローアウェイ工具
２：導電性母材
３：絶縁膜
４：導電膜
６：すくい面
７：切刃
８：逃げ面
１０：下地膜
１２：テスター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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