(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性母材からなる切削工具の表面に、絶縁性硬質膜を介装して前記切削工具の損耗状態を検知する導電膜からなる損耗センサ回路を被着形成した損耗センサ回路付切削工具において、前記絶縁性硬質膜と接する導電性母材の表面粗さ（Ｒｙ）を２〜６μｍとしたことを特徴とする損耗センサ回路付切削工具。
【請求項２】
前記絶縁性硬質膜がＰＶＤ法で成膜されたものであることを特徴とする請求項１記載の損耗センサ回路付切削工具。
【請求項３】
前記絶縁性硬質膜の膜厚が１．０〜１０μｍであることを特徴とする請求項１または２記載の損耗センサ回路付切削工具。
【請求項４】
前記絶縁性硬質膜の平均粒径が０．３μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載の損耗センサ付切削工具。
【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切削工具に関し、特に切刃の摩耗を検知するセンサ回路を設けた損耗センサ回路付切削工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削工具の熱的、機械的、電気的変化を利用して切削工具の寿命を検知する方法が検討されている。例えば、特開２０００−９４２７２号公報では、母材表面の逃げ面の切刃部分に沿って一定幅のセンサライン（薄膜回路）を形成したスローアウェイチップを作製し、該チップで被削材を切削しながらセンサラインの損耗状態に応じた電気抵抗を測定することにより、工具寿命を判定する方法が開示されている。なお、同号公報によれば、センサラインを含むセンサ回路の形成方法として、導電性母材表面に薄膜形成法により絶縁硬質膜を形成し、その上から導電膜を被着形成した後、レーザー加工により導電膜をセンサ回路のパターンに加工することによって、前記センサ回路を作成している。
【０００３】
また、一般的に切削工具として母材表面にＴｉＣやＴｉＮ等の硬度に優れると共に付着力の高い被膜を形成して、工具の耐摩耗性を高めることが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開２０００−９４２７２号のように、導電性母材とセンサ回路となる導電膜との間に絶縁性硬質膜を介装させる際、該絶縁性硬質膜によって導電性母材との間を電気的に絶縁する必要があることから、絶縁性硬質膜にピンホールやクラック等の欠陥が生じることなく均一に被覆しなければならないものであるのに対し、母材の表面が粗面である場合では、前記絶縁性硬質膜にピンホール等の粗悪部ができ、そのため絶縁がとれなくなるという問題点がある。しかし、逆に前記導電性母材の表面粗さを小さくすると、付着力がさほど大きくない絶縁性硬質膜の付着力がますます低下してしまい、前記絶縁性硬質膜に剥離等が発生し、センサ回路に断線、短絡が発生する恐れがある。
【０００５】
さらに、表面にセンサ回路を配する切削工具の前記絶縁性硬質膜の被覆に関して要求される条件については議論されていないのが現状である。
【０００６】
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、前記絶縁性硬質膜が高い付着力を有するとともに、安定した絶縁性をも保持し、それによって優れたセンサ機能を発揮する損耗センサ回路付切削工具を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題に対し、導電性母材の表面に絶縁性硬質膜を介装して、導電帯の損耗センサ回路を形成する際に制御すべき条件について検討した結果、絶縁性硬質膜に接する導電性母材の表面粗さ（Ｒｙ）を２〜６μｍとすることにより、前記絶縁性硬質膜の付着力、および絶縁性が共に良好なものになり、安定したセンサ回路を備えた切削工具となることを知見した。
【０００８】
すなわち、本発明の切削工具は、導電性母材の表面に絶縁性硬質膜を被覆した切削工具の前記絶縁性硬質膜の表面に、前記切削工具の損耗状態を検知する導電膜からなる損耗センサ回路を備えた損耗センサ回路付切削工具において、前記絶縁性硬質膜と接する導電性母材の表面粗さ（Ｒｙ）を２〜６μｍとしたことを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、前記絶縁性硬質膜をＰＶＤ法で成膜することが望ましい。
【００１０】
また、前記絶縁性硬質膜の膜厚が１．０〜１０μｍとすることが望ましい。
さらに、前記絶縁性硬質膜の平均粒径が０．３μｍ以下であることが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の切削工具の好適例であるスローアウェイチップの一例について、その概略斜視図である図１およびその要部拡大断面図である図２を基に説明する。なお、図１（ａ）はスローアウェイチップ１を斜上方から見た図であり、図１（ｂ）は、スローアウェイチップ１を斜下方から見た図である
図１および図２によれば、スローアウェイチップ１は、略平板状（図１では略直方体形状）を呈する導電性母材２の一方の主面にすくい面５、他方の主面に着座面６を、側面に逃げ面７を形成し、すくい面５と逃げ面７との交差稜部分、特に図１のような主面が多角形状の場合には、逃げ面７が複数の平面からなり、すくい面５と隣接する２つの逃げ面７とが交差するコーナー部８に切刃９が形成されている。
【００１２】
本発明によれば、スローアウェイチップ１が導電性母材２の表面に絶縁性硬質膜を介装してスローアウェイチップ１の損耗状態を検知する導電膜１２からなる損耗センサ回路１３を被着形成すると共に、絶縁性硬質膜と接する導電性母材２の表面粗さ（Ｒｙ）を２．０〜６．０μｍ、更に２．０〜３．０μｍとすることが大きな特徴であり、これによって絶縁性硬質膜１１の付着力および絶縁性を共に維持、または向上させることができる。
【００１３】
なお、本発明における表面粗さ（Ｒｙ）とは、図３に示すように、スローアウェイチップを切刃９に垂直な方向に切断した任意断面でのＳＥＭ観察において、導電性母材２の凹凸の高さの最大値を意味する。
【００１４】
ここで、本発明によれば、絶縁性硬質膜１１は、絶縁性を確保するとともに、導電性母材２からの剥離を防止するために１．０〜１０μｍの厚みに形成されることが望ましい。
【００１５】
また、絶縁性硬質膜１１に用いられる膜質として、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＮ、ＺｒＯ2の群より選ばれる少なくとも１種、特にピンホール等の欠陥なく形成でき、絶縁性に優れると共に、耐摩耗性を損なわない点でＡｌＮが好適である。なお、絶縁性硬質膜１１の平均粒径は、絶縁性と剥離防止の点で０．３μｍ以下であることが望ましい
他方、センサ回路１３を形成する導電膜１２は、スローアウェイチップ１の導電性母材２上に形成される絶縁性硬質膜１１に対する接合力が強いこと、被削材と反応しにくく、センサ回路１３の電気抵抗値が常に安定を示し、スローアウェイチップ１の摩耗度合い、欠損の発生の有無を正確に検出できやすいこと、被削材の加工表面に反応生成物が発生しにくいこと、耐酸化性に優れ、酸化物生成によるセンサ回路１３の電気抵抗値の変化がなく、スローアウェイチップ１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、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等の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、特にＴｉＮ、（Ｔｉ、Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ、Ａｌ）ＣＮの群から選ばれる少なくとも１種、さらには金色を呈するＴｉＮが好適である。
【００１６】
一方、スローアウェイチップ１の導電性母材２としては、抵抗値が１０Ω以下の導電性を有するもの、特にサーメット、超硬合金、鉄族金属を結合材とするダイヤモンド焼結体等が好適に使用できる。
【００１７】
他方、センサ回路１３のパターンとしては、例えば図１に示すように、逃げ面７の切刃９近傍に該切刃９に沿って平行に導電帯からなるセンサライン１５を設けたものが好適であり、センサライン１５の形成位置と幅によって、工具寿命（摩耗量）の許容摩耗幅を規定することができる。
【００１８】
そして、例えば、センサライン１５の幅を切刃９の寿命基準量（切刃９の摩耗限界幅）、例えば０．０５〜０．７ｍｍに一致させておき、該切刃９にて切削加工を行うことにより、前記センサライン１５の少なくとも一部が摩耗等の損傷により断線した時点で、センサライン１５間、すなわちセンサ回路１３が断線され、該センサ回路１３の両端に形成された一対の接続端子２０、２０（２０’、２０’）間の抵抗値の変化を測定することによって、切刃９の寿命を検知することができる。
【００１９】
一方、図１によれば、一対の接続端子２０、２０を着座面６に形成しており、これによって、センサ回路１３を着座面６と接する後述のチップホルダ３０に形成した一対の外部回路３６、３６に容易に接続できる。
【００２０】
さらに、図１によれば、一対の接続端子２０、２０を隣接して形成しており、これによって、該一対の接続領域と接続される外部端子の位置決めが容易にできる。
【００２１】
また、図１によれば、一方の接続端子２０とセンサライン１５との間は導電性母材２の側面（逃げ面７）に形成された第１の側面ライン２４および接続部２７ａを介して接続され、またセンサライン１５の他方端はすくい面５に形成された折り返しライン２６と接続部２７ｂを介して接続され、さらに折り返しライン２６と他方の接続端子２０との間は逃げ面７（側面）に形成した第２の側面ライン２８を介して接続されている。なお、図１によれば、センサライン１５は、スローアウェイチップ１の表面に形成された接続ライン１７の接続部２７（２７ａ、２７ｂ）と接続されている。つまり、図１によれば、センサ回路１３は、第１の接続端子２０−第１側面ライン２４−接続部２７ａ−センサライン１５−接続部２７ｂ−折り返しライン２６−第２の側面ライン２８−第２の接続端子２０と経由される。なお、センサ回路１３は導電性母材２に対して絶縁された状態で設けられ、センサ回路１３はそれ自体が所定の電気抵抗値を有する導電膜にて構成される。
【００２２】
また、図１によれば、特にスローアウェイチップ等の着脱ができる切削工具において、両主面の各コーナー部８それぞれに切刃９が形成され、かつセンサライン１５、１５’が各切刃９近傍に１つずつ配設されている。
【００２３】
つまり、図１のように、導電性母材２の主面が多角形状（図１では四角形）からなり、逃げ面７が複数（図１では４つ）形成されるとともに、主面２と隣接する２つの逃げ面７とが交差するコーナー部８を有する場合には、各コーナー部８それぞれ（図１では８つ）にセンサライン１５を形成することが望ましく、これによって、後述する取付方法により、８つのコーナー部８を順に用いて切削加工をすることができる。
【００２４】
なお、図１によれば、逃げ面７に形成された第１の側面ライン２４および第２の側面ライン２８は、センサ回路１３の接続端子２０、２０の配置位置と、該センサ回路１３の接続端子２０、２０の反対面に他のセンサ回路１３’の接続端子２０’、２０’の配置位置とが主面上の同じ位置となるように配置し、ともに後述する図４のチップホルダ３０の同じ外部端子３６に接続できるように、センサライン１５に対して（換言すれば切刃９に対して）、直交方向ではなく、所定の傾斜角度を有するように配設されている。
【００２５】
また、本発明によれば、スローアウェイチップ１の形状としては、図１に示すように主面（すくい面５および着座面６）が正方形に限定されるものではなく、円形、楕円形、正三角形等の他の正多角形、平行四辺形、菱形等が適応可能であり、また、スローアウェイチップ１の断面形状は長方形に限定されるものではなく、台形形状であってもよい。以上説明した形状の他、溝入れチップ等にもこの発明を適用することが可能である。
【００２６】
さらに、図１によれば、導電性母材２の中央には、導電性母材２を貫通するクランプ孔２９が形成されており、図１のスローアウェイチップ１をチップホルダ３０に取り付けた図４の一例に示すように、スローアウェイチップ１は、クランプ孔２９にクランプねじ３４が螺合されるか、もしくは、金具（図示せず）にてすくい面５側から押さえられることによりチップホルダ３０等に装着される。
【００２７】
また、図４によれば、チップホルダ３０の先端にはチップ装着用のポケット３１が形成されている。ポケット３１の底面はチップ座３２となっている。またポケット３１の側面はチップの側面に当接し、チップを拘束するための拘束面３３となっている。スローアウェイチップ１はこのポケット３１に納められ、着座面６がチップ座３２に、またチップ２１の側面が拘束面３３に当接される。そして上方からクランプねじ３４がスローアウェイチップ１のクランプ孔２９に差し込まれて、その先端がチップ座３２の中央に形成されたねじ孔３５に螺合されることによりスローアウェイチップ１はチップホルダ３０に装着される。
【００２８】
さらに、チップ座３２には、装着されたスローアウェイチップ１の切削に使用するコーナー部に設けられたセンサライン１５と接続された一方の接続端子２０、２０に対向する位置に、例えば、上方へ弾力付勢され、チップ座３２から数ｍｍ突出した一対の外部端子３６、３６が突設されている。そして、スローアウェイチップ１がポケット３１に装着されると、スローアウェイチップ１の着座面６によって外部端子３６、３６は押し下げられ、外部端子３６、３６の上端はチップ座３２と面一となる。このとき外部端子３６、３６の上端はスローアウェイチップ１の着座面６に設けられた一対の接続端子２０、２０とそれぞれ電気的に接触した状態となる。
【００２９】
また、図４によれば、外部端子３６、３６には、チップホルダ３０内に配設されたリード線３８がつながれていて、このリード線３８はオーム計等を備えた検知回路３９に接続されており、これによりポケット３１に装着されたスローアウェイチップ１の切刃９（切削に使用するコーナー部８）に設けられたセンサライン１５の抵抗値を測定することができる。
【００３０】
なお、図４の装着状態では、例えばスローアウェイチップ１のコーナー部８Ａの切刃９が切削に用いられる。そして、コーナー部８Ａの切刃９が摩耗した場合には、クランプねじ３４や押さえ金具を緩めて、すくい面５の中央を中心にしてスローアウェイチップ１を９０°回転させて、コーナー部８Ａと隣接する別のコーナー部８を切刃９として切削に使用できる。このようにスローアウェイチップ１を９０°ずつ回転させて、チップ１の一方の主面側にある４つのコーナー部を順次切削に使用することができる。さらに、スローアウェイチップ１の上下を反転させてホルダ等に装着すれば、他方の主面にある４つのコーナー部を順に切削に使用することができ、合計８つのコーナー部８を使用することができる。なお、他方の主面のコーナー部を使用する場合は、すくい面と着座面が逆転して機能する。
【００３１】
また、上述した本発明の損耗センサ回路付切削工具を作製するには、周期律表の４ａ、５ａ，６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物粉末と、鉄族金属粉末とを所定の比率で混合し、それをプレス成形法等の所定の方法で成形して、焼成した導電性母材を作製し、該導電性母材の表面を、所望により研削、研磨加工を施すことによって、前記導電性母材の表面粗さ（Ｒｙ）を２〜６μｍとなるように調整する。そして、前記導電性母材の表面に、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、めっき法等の公知の薄膜形成法、またはディッピングや印刷処理後熱処理する方法等のいずれかの方法、特に、クラック等の粗悪部が発生しにくいＰＶＤ法によって絶縁性硬質膜を形成する。そして、前記絶縁性硬質膜を成膜するいずれかの方法より、前記絶縁性硬質膜の表面に導電膜を形成し、所望によりエッチングまたはレーザー加工等を用いて前記導電膜を所定のセンサ回路パターンに加工することによって、本発明の損耗センサ回路付切削工具ができる。
【００３２】
【実施例】
（実施例１）
平均粒径２μｍのＷＣ粉末を８３重量％、ＴｉＣ粉末を１０重量％、Ｃｏ粉末を７重量％の比率で混合し、プレス圧１００ＭＰａで所定の工具形状にプレス成形した後、真空中１４００℃で１時間焼成して超硬合金母材を得た。そして、上記超硬合金母材の表面を研磨加工して、前記超硬合金母材の表面粗さを表１に示すように調整した後、ＰＶＤ法にて表１に示す絶縁性硬質膜を厚さ５μｍで成膜した。その後、ＰＶＤ法により、ＴｉＮからなる導電膜を１．０μｍに成膜し、レーザー加工により図１に示すパターンのセンサ回路を作製した。
【００３３】
得られた損耗センサ付切削工具について、任意箇所にて倍率４０００倍で断面のＳＥＭ観察を行い、超硬合金母材表面の表面粗さＲｙを見積もった。また、得られた損耗センサ回路付切削工具にて切削評価を以下の切削条件で行い、５分間切削する毎に切刃の状態を顕微鏡で観察し、絶縁性硬質膜が剥離していたときの切削時間を測定することで、前記絶縁性硬質膜の付着力の評価を行った。結果は表１に示した。
《切削条件》
切削速度    ２００ｍ／ｍｉｎ
切込み      ２．０ｍｍ
送り        ０．２ｍｍ／ｒｅｖ
被削材      ＳＣＭ４３５
切削状態    切削液有り（エマルション）
また、前記損耗センサ回路付切削工具の絶縁性硬質膜の絶縁性を評価するために、センサ回路に影響のない部位の母材を露出させ、図５のようにして抵抗値を測定するテスター３７を用いて導電性母材と導電膜間の抵抗値を測定した。結果は表１に示した。
（実施例２）
実施例１の母材を平均粒径０．８μｍのＴｉＣＮが６０重量％、Ｃｏが８重量％、Ｎｉが８重量％、ＷＣが１４重量％の比率で作製したサーメットに変える以外は実施例１と全く同様にして損耗センサ回路付切削工具を作製し、同様に評価した。結果は表１に示した。
【００３４】
【表１】
0003929784.tif 000002
【００３５】
表１から明らかなように、表面粗さＲｙが２〜６μｍの試料Ｎｏ．３、６は、絶縁性硬質膜の絶縁性および付着力共に良好であった。
【００３６】
これに対して、導電性母材の表面粗さＲｙが０．１μｍよりも小さい試料Ｎｏ．１は、絶縁性硬質膜の抵抗値は導電性母材と導電膜の間の絶縁をとるのに十分なものであったが、切削評価から、前記絶縁性硬質膜の付着力が他の試料に大きく劣る結果となった。また、導電性母材の表面粗さＲｙが１０μｍよりも大きい試料Ｎｏ．５は、絶縁性硬質膜の抵抗値が低く、センサ回路が導電性母材と短絡してしまい、センサ回路が機能していなかった。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明のセンサ回路付切削工具によれば、導電性母材の表面粗さをＲｙで２〜６μｍに制御することによって、絶縁性硬質膜の付着力および絶縁性を保持、または向上させることができ、安定したセンサ回路付切削工具が作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の切削工具の好適例であるスローアウェイチップの一例についての（ａ）手前上方からみた斜視図、（ｂ）手前下方からみた斜視図である。
【図２】図１のスローアウェイチップの要部拡大図である。
【図３】本発明における表面粗さ（Ｒｙ）の測定方法を説明するための図である。
【図４】図１のスローアウェイチップをチップホルダへ装着する一例を説明するための分解斜視図である。
【図５】実施例１で行った絶縁性硬質膜の抵抗値の測定方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１    スローアウェイチップ
２    導電性母材
５    すくい面
６    着座面
７    逃げ面
８    コーナー部
９    切刃
１１  絶縁性硬質膜
１２  導電膜
１３  センサ回路
１５  センサライン
１７  接読ライン
２４  第１の側面ライン
２６  折り返しライン
２７  接続部
２８  第２の側面ライン
２９  クランプ孔
３０  チップホルダ
３１  ポケット
３２  チップ座
３３  拘束面
３４  クランプねじ
３５  ねじ孔
３６  外部端子
３７  テスター抵抗測定器
３８  リード線
３９  検知回路
【図１】
0003929784.tif 000003
【図２】
0003929784.tif 000004
【図３】
0003929784.tif 000005
【図４】
0003929784.tif 000006
【図５】
0003929784.tif 000007