(57)【要約】【課題】基材の先端の曲率半径を大きくしながらも、硬質炭素被膜による切刃部の刃物角を小さく形成でき、摩耗による切れ味の低下と刃先強度の低下との両方を抑制する。【解決手段】ツイストドリル（硬質炭素被膜付切削工具）１は、硬質炭素被膜１２を研磨することにより、すくい面２１と逃げ面２２とを形成して、すくい面２１と逃げ面２２とにより切刃部１０が形成されており、基材１１の先端の曲率半径Ｒ１が１０μｍ以上２０μｍ以下に形成され、すくい面２１は、硬質炭素被膜１２とともに基材１１の一部を研磨することにより形成され、逃げ面２２は、基材１１を露出することなく硬質炭素被膜１２のみを研磨することにより形成され、すくい面２１と逃げ面２２とがなす切刃部１０の刃物角αが５０°以上９０°以下に形成され、切刃部１０の先端作用点ａから基材１１の露出部２３までの距離ｖが１２μｍ以上３５μｍ以下に形成されている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の表面に硬質炭素被膜がコーティングされた硬質炭素被膜付切削工具であって、
前記硬質炭素被膜を研磨することにより、すくい面と逃げ面とを形成して、前記すくい面と前記逃げ面とにより切刃部が形成されており、
前記基材の先端の曲率半径が１０μｍ以上２０μｍ以下に形成され、
前記すくい面は、前記硬質炭素被膜とともに前記基材の一部を研磨することにより形成され、
前記逃げ面は、前記基材を露出することなく前記硬質炭素被膜のみを研磨することにより形成され、
前記すくい面と前記逃げ面とがなす前記切刃部の刃物角が５０°以上９０°以下に形成され、
前記切刃部の先端作用点から前記基材の露出部までの距離が１２μｍ以上３５μｍ以下に形成されている硬質炭素被膜付切削工具。
【請求項２】
前記切刃部の先端は、前記すくい面と前記逃げ面との間を接続する円弧状のコーナー部により形成される請求項１に記載の硬質炭素被膜付切削工具。
【請求項３】
前記切刃部の先端に、面取り部が設けられる請求項１に記載の硬質炭素被膜付切削工具。
【請求項４】
前記硬質炭素被膜の膜厚は、１０μｍ以上２５μｍ以下に設けられる請求項１から３のいずれか一項に記載の硬質炭素被膜付切削工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料加工に用いられるドリルやエンドミル等の切削工具であり、基材の表面に硬質炭素被膜を被覆した硬質炭素被膜付切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
超硬合金製の基材の表面にＣＶＤダイヤモンド等の硬質炭素被膜を被覆した硬質炭素被膜付切削工具が産業用途で広く用いられている。このような硬質炭素被膜付切削工具は、硬質炭素被膜の厚みを増すと、刃先摩耗に起因する工具寿命が延びる反面、その硬質炭素被膜により刃先の曲率半径が大きくなる。このため、加工品質の低下や、切削抵抗の上昇により被膜が剥離しやすくなる。特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の穴あけ加工では、バリの発生量が増加する。
そこで、この対策として、工具刃先の硬質炭素被膜を研磨することにより、刃先をシャープに形成する方法が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、基材上にダイヤモンド及び／又はダイヤモンド状炭素によりなる超硬質膜を形成した後に、そのすくい面側のダイヤモンド膜を研磨加工により除去して、平滑に仕上げることが記載されている。特許文献２には、少なくとも切刃のエッジ及びエッジ近傍の逃げ面のダイヤモンド被覆層表面を研磨して、露出させることなく平滑化することが記載されている。特許文献３には、基材（超硬合金製刃物母材）の刃部にダイヤモンド膜を被覆し、刃部のすくい面側を研磨するとともに、逃げ面側のダイヤモンド膜を研磨により除去することが記載されている。
また、特許文献４では、少なくとも切れ刃の刃先の逃げ面側にダイヤモンド被覆よりも優れた面粗さとなるように研削加工を施すことが記載されている。さらに、特許文献５には、刃部に設けられたダイヤモンド被膜の表面を研磨することにより二段に屈折した先端研磨部を設け、刃部の先端部分を尖らせることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７‐６０５０９号公報
【特許文献２】特開平３‐１９０６０５号公報
【特許文献３】特開平３‐６７６０２号公報
【特許文献４】特許第３４７７１８２号公報
【特許文献５】特許第５５９７３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１から３に記載の方法では、逃げ面とすくい面のダイヤモンド膜の全体を一様に薄く研磨するため、ダイヤモンド膜の加工体積が大きくなり、加工時間がかかることが問題である。また、ダイヤモンド膜が薄い場合には、刃先を十分にシャープ化するための研磨代を確保することができないため、研磨前の状態で厚膜に形成する必要があり、生産効率が低下することも問題となる。
一方、特許文献４又は５の方法では、刃先のみを局所的にシャープ化するために、加工時間や生産効率は問題とならないが、刃先の角度が鈍角化する。このため、切削初期においては刃先の曲率半径が小さく切れ味が良いものの、刃先の摩耗に伴う刃先の曲率半径の増加量が大きいため、シャープ化した効果がすぐに失われることが問題である。
そこで、基材の刃先の曲率半径を小さくしておき、硬質炭素被膜をシャープ化しても鋭利な刃先の角度が得られるようにすることで、これらの問題を解決しようとすることが考えられるが、基材の刃先の曲率半径を小さくした場合には刃先の靱性が低下するため、刃先が破損しやすくなる。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、基材の先端の曲率半径を大きくしながらも、硬質炭素被膜による切刃部の刃物角を小さく形成でき、摩耗による切れ味の低下と刃先強度の低下との両方を抑制することができる硬質炭素被膜付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】
【０００７】
本発明は、基材の表面に硬質炭素被膜がコーティングされた硬質炭素被膜付切削工具であって、前記硬質炭素被膜を研磨することにより、すくい面と逃げ面とを形成して、前記すくい面と前記逃げ面とにより切刃部が形成されており、前記基材の先端の曲率半径が１０μｍ以上２０μｍ以下に形成され、前記すくい面は、前記硬質炭素被膜とともに前記基材の一部を研磨することにより形成され、前記逃げ面は、前記基材を露出することなく前記硬質炭素被膜のみを研磨することにより形成され、前記すくい面と前記逃げ面とがなす前記切刃部の刃物角が５０°以上９０°以下に形成され、前記切刃部の先端作用点から前記基材の露出部までの距離が１２μｍ以上３５μｍ以下に形成されている。
【０００８】
基材の表面に一様にコーティングされた硬質炭素被膜に対して、基材の一部を露出させるまで研磨し、すくい面を形成することにより、基材の先端の曲率半径を大きくしても、切刃部の刃物角を小さく形成でき、切刃部の先端（切刃）を尖らせることができる。これにより、被削材の加工時における切削抵抗を小さくすることができるので、切れ味が向上し、加工品質を向上させることができる。さらに、切刃部近傍の基体を一部露出させることにより、硬質炭素被膜の残留応力が緩和され、その結果、切削時の硬質炭素被膜の剥離発生が低減されるので、工具寿命が向上する効果が得られる。
また、被削材の加工時においては、切刃部の摩耗が徐々に進行することにより、切刃部の先端が丸くなり、その曲率半径が徐々に大きくなるが、切刃部の先端は、逃げ面とすくい面とにより刃物角が小さく形成されているので、切刃部の先端の硬質炭素被膜の摩耗に伴う切刃部先端の曲率半径の増加率を小さく抑えることができる。さらに、基材については、曲率半径を大きく形成しており、剛性が高められている。このため、切刃部の欠損や、基材ごと切刃部が欠損することを防止することができる。
また、すくい面に比べて逃げ面は、被削材の加工時において、切刃部の先端作用点から離れた位置においても被削材と接触する。このため、逃げ面は、被削材との摺動により摩耗しやすい。そこで、本発明の硬質炭素被膜付切削工具においては、すくい面については基材を露出させるまで加工を行うが、逃げ面については硬質炭素被膜により被覆された状態を確保することにしている。
このように、本発明の硬質炭素被膜付切削工具においては、硬質炭素被膜を基材の一部を露出させるまで研磨して、すくい面を形成することにより、基材の先端の曲率半径を大きく形成しながら、硬質炭素被膜による切刃部の刃物角を小さく形成することができるので、摩耗による切れ味の低下と刃先強度の低下との両方を抑制することができ、良好な切れ味を持続でき、工具の高寿命化を図ることができる。
【０００９】
本発明の硬質炭素被膜付切削工具において、前記切刃部の先端は、前記すくい面と前記逃げ面との間を接続する円弧状のコーナー部を形成しても良い。
切刃部の先端を、円弧状に丸めて形成しておくことにより、刃先のチッピングや欠損を防止することができる。
【００１０】
本発明の硬質炭素被膜付切削工具において、前記切刃部の先端に、面取り部が設けられるとよい。
面取り部（チャンファ）を設けておくことにより、刃先のチッピングや欠損を防止することができる。
【００１１】
本発明の硬質炭素被膜付切削工具において、前記硬質炭素被膜の膜厚は、１０μｍ以上２５μｍ以下に設けられる。
硬質炭素膜が１０μｍ未満では、研磨代が少なく、逃げ面を露出させないことと刃物角を小さくすることとの両立が難しいことや、研磨後のコーナー付近の膜の体積が小さいために工具寿命が短くなること等の問題がある。一方、硬質炭素被膜が２５μｍを超える場合には、結晶粒が粗大化するために硬質炭素被膜の剥離が発生しやすくなることや、成膜時間を要することなどの問題がある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、硬質炭素被膜を基材の一部を露出させるまで研磨してすくい面を形成することにより、基材の先端の曲率半径を大きく形成しながら、硬質炭素被膜による切刃部の刃物角を小さく形成することができるので、摩耗による切れ味の低下と刃先強度の低下との両方を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るツイストドリルの工具先端部の概略図である。
【図２】図１に示す二点鎖線で囲われたツイストドリルの切刃部の先端の要部断面図である。
【図３】図１に示す二点鎖線で囲われたツイストドリルの切刃部の先端の要部断面図であり、（ａ）が被削材の加工前、（ｂ）が被削材の加工により刃先が摩耗した状態、（ｃ）が（ｂ）の状態よりもさらに刃先の摩耗が進行した状態を示す。
【図４】本発明のその他の実施形態を説明する図であり、（ａ）〜（ｂ）は、いずれもツイストドリルの切刃部の先端の要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る硬質炭素被膜付切削工具の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本実施形態の硬質炭素被膜付切削工具は、図１に示すように、軸線回りに回転される工具先端部２を有し、その工具先端部２の外周に、一対の切刃部１０が周方向に１８０°離間した位置に配置され、切刃部１０よりも内側に二条のねじれ溝２０を有する２枚刃のツイストドリル１である。
【００１５】
そして、このツイストドリル１の工具先端部２には、図２に示すように、基材１１の表面に硬質炭素被膜１２がコーティングされている。基材１１には、超硬合金、サーメット、高速度鋼等の硬質材料を好適に用いることができる。また、硬質炭素被膜１２には、多結晶ダイヤモンド膜や非晶質炭素膜（ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ））、テトラヘデラルアモルファスカーボン（ＴＡＣ）等の高硬度炭素膜を用いることができる。そして、硬質炭素被膜１２の好ましい膜厚は、膜剥離の防止と耐摩耗性の観点から、１０μｍ以上２５μｍとされる。
【００１６】
本実施形態のツイストドリル１は、超硬合金からなる基材１１の表面に、多結晶ダイヤモンド膜からなる硬質炭素被膜１２をコーティングしたものであり、基材１１の表面に、硬質炭素被膜１２が１５μｍ程度の略一定の膜厚で、すなわち一様にコーティングされるものである。
【００１７】
なお、基材１１への硬質炭素被膜１２のコーティングは、例えばマイクロ波プラズマＣＶＤ法や、ホットフィラメントＣＶＤ法、高周波プラズマＣＶＤ法等の公知の方法を好適に用いることができるが、イオンビーム法等の他のコーティング法を適用することもできる。
【００１８】
このように、硬質炭素被膜１２をコーティングしたツイストドリル１の切刃部１０では、図２に破線で示すように、基材１１の周りには硬質炭素被膜１２が一定の膜厚で被覆される。このため、硬質炭素被膜１２をコーティングした切刃部１０の先端の曲率半径Ｒ２は、基材１１の先端の曲率半径Ｒ１よりも、硬質炭素被膜１２の膜厚分だけ大きくなる。そして、このように基材１１の表面にコーティングされた硬質炭素被膜１２を研磨することにより、すくい面２１と逃げ面２２とを形成して、すくい面２１と逃げ面２２とにより切刃部１０が形成されている。
【００１９】
基材１１の先端の曲率半径Ｒ１は、１０μｍ以上２０μｍ以下に形成されており、すくい面２１は、硬質炭素被膜１２とともに基材１１の一部を研磨することにより形成され、逃げ面２２は、基材１１を露出することなく硬質炭素被膜１２のみを研磨することにより形成されている。また、これらすくい面２１と逃げ面２２とがなす切刃部１０の刃物角αは、５０°以上９０°以下に形成され（ツイストドリルの場合は肩部付近の値）、切刃部１０の先端作用点ａから基材１１の露出部２３までの距離ｖが１２μｍ以上３５μｍ以下に形成されている。
なお、すくい面２１及び逃げ面２２の研磨は、弾性砥石、ブラシ、サンドブラスト等の機械研磨の他、レーザ加工やイオンビームによる加工等の手段を用いることができる。
【００２０】
このように、ツイストドリル１のすくい面２１にあっては硬質炭素被膜１２とともに基材１１の一部を研磨し、逃げ面２２にあっては硬質炭素被膜１２のみを研磨することにより、切刃部１０の刃物角αは、図２に実線で示すように、尖った断面形状に設けられている。
【００２１】
このように構成されるツイストドリル１においては、基材１１の表面に一様にコーティングされた硬質炭素被膜１２に対し、基材１１の一部を露出させるまで研磨してすくい面２１を形成することにより、基材１１の先端の曲率半径Ｒ１を大きくしても、切刃部１０の刃物角αを小さく形成でき、切刃部１０の先端（切刃）を尖らせることができる。これにより、被削材加工時の切削抵抗を小さくすることができるので、切れ味が向上し、加工品質を向上させることができる。さらに、被削材加工時の切削抵抗を小さくすることにより、硬質炭素被膜１２の剥離を防止できるので、工具寿命の向上を図ることができる。
【００２２】
また、被削材の加工時においては、切刃部の摩耗が徐々に進行することにより、図３（ａ）に示す切削前の切刃部１０の先端が尖った状態から、図３（ｂ）や（ｃ）に示すように、切刃部１０の先端が摩耗して丸くなり、その曲率半径Ｒ３が徐々に大きくなる。ところが、切刃部１０の先端は、研磨により形成したすくい面２１と逃げ面２２とにより刃物角αが予め小さく形成されているので、切刃部１０の先端の硬質炭素被膜１２の摩耗に伴う切刃部１０先端の曲率半径Ｒ３の増加率を小さく抑えることができる。さらに、基材１１については、曲率半径Ｒ１を大きく形成しており、剛性が高められている。このため、切刃部１０の欠損や、基材１１ごと切刃部１０が欠損することを防止することができる。
【００２３】
また、すくい面２１に比べて逃げ面２２は、被削材の加工時において、切刃部１０の先端作用点から離れた位置においても被削材と接触する。このため、逃げ面２２は、被削材との摺動により摩耗しやすい。この点、ツイストドリル１においては、すくい面２１については基材１１を露出させるまで加工を行うが、逃げ面２２については硬質炭素被膜１２により被覆された状態を確保することにしている。
【００２４】
このように、ツイストドリル１においては、硬質炭素被膜１２を基材１１の一部を露出させるまで研磨して、すくい面２１を形成することにより、基材１１の先端の曲率半径Ｒ１を大きく形成しながら、硬質炭素被膜１２による切刃部１０の刃物角αを小さく形成することができるので、摩耗による切れ味の低下と切刃強度の低下との両方を抑制することができる。したがって、被削材の加工において良好な切れ味を持続でき、工具の高寿命化を図ることができる。
なお、本実施形態のように、ＣＶＤ法により多結晶ダイヤモンド膜をコーティングし、本発明を適用したドリルは、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の穴あけ加工に好適に用いることができる。
【００２５】
なお、上記実施形態のツイストドリル１では、図２に示すように、すくい面２１と逃げ面２２とを研磨する際に、切刃部１０の先端の硬質炭素被膜１２を除去して、先端を尖らせた形状としていたが、図４（ａ）に示すツイストドリルの切刃部１０Ａのように、切刃部１０Ａの先端に、すくい面２１と逃げ面２２との間を接続する円弧状のコーナー部２４を形成することとしてもよい。また、図４（ｂ）に示すツイストドリルの切刃部１０Ｂのように、すくい面２１と逃げ面２２とを研磨する際に、切刃部１０Ｂの先端の硬質炭素被膜１２については、コーティング時の表面形状を残して研磨を行うことにより、コーナー部２５を形成することとしてもよい。これら図４（ａ），（ｂ）に示すように、切刃部１０Ａ，１０Ｂの先端を、円弧状に丸めて形成した場合には、刃先のチッピングや欠損を防止する効果を高めることができる。
また、刃先のチッピングや欠損を防止する効果を得るために、図４（ｂ）に示すツイストドリルの切刃部１０Ｃのように、切刃部１０Ｃの先端に面取り部２６（チャンファ）を設ける構成とすることも効果的である。
【実施例】
【００２６】
上記において説明した本発明に係るツイストドリルについて、その効果を確認するために実験を行った。
ツイストドリルの各試料は、超硬合金からなる基材の表面に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により多結晶シリコンのダイヤモンド膜からなる硬質炭素被膜を１５μｍの膜厚でコーティングした後、フェムト秒レーザを用いたレーザ加工によりすくい面と逃げ面とを形成することにより製作した。また、各試料の切刃部の形状は、表１に示すとおりである。なお、表１の曲率半径Ｒ１、刃物角α、距離ｖは、図２に示すとおり、切刃部に係る部位の寸法値である。そして、距離ｖは、刃先に直角方向に沿って測定した。また、各試料の直径は、φ１０ｍｍであり、逃げ角は１０°、ねじれ角は１５°である。各試料は、それぞれ１０個ずつ（Ｎ＝１０）製作し、表１には、１０個の寸法値の平均値を記載した。
【００２７】
なお、実施例１，２は、すくい面を、硬質炭素被膜とともに基材の一部を研磨することにより形成し、逃げ面を、基材を露出することなく硬質炭素被膜のみを研磨することにより形成したものである。また、比較例１，２は、すくい面と逃げ面とを、いずれも基材を露出することなく硬質炭素被膜のみを研磨することにより形成したものである。このため、比較例１，２においては、表１において、距離ｖを「―」と記載した。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
そして、製作した各試料を用いて、板厚１０ｍｍの炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製の被削材の表面に穴あけ（貫通孔）加工を行い、１０穴加工する毎に被削材の加工面の状態を顕微鏡で観察し、切断面にバリが発生した時点、又は図１に示す肩部の折損やダイヤモンド膜の剥離が発生した時点を工具寿命として評価を行った。なお、最大２００穴の加工で試験終了とした。また、この工具寿命時の切刃部の状態を、顕微鏡により観察した。
なお、表１の「加工穴数」については、上述したように、ぞれぞれ１０個ずつある各試料のうちの、最も多く穴あけ加工を行えた試料の結果、すなわち最大加工穴数を記載した。
切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ
１刃当たりの工具送り量：０．０７ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
【００３０】
表１の結果から明らかなように、実施例１，２については、１０個ある試料のすべてにおいて２００穴の加工を行うことができたが、比較例１，２については、２００穴の加工に至らずに寿命に達する結果となった。すなわち、寿命に達するまでの加工穴数は、本発明を適用した実施例１，２が、従来形態である比較例１，２を上回る結果が得られた。
そして、実施例１，２では、安定した穴加工ができ、その穴品質もバリの発生がほとんど見られない良好なものだった。一方、これらの実施例１，２に対し、比較例１では、ドリルの肩部が幅１ｍｍ程度の大きさで基体ごと折損する状況が発生する結果となった。また、比較例２では、バリの発生量が相対的に多く、すべてのドリルでバリが発生することにより、２００穴の加工に至ることなく寿命となった。さらに、比較例２においては、試験後の刃先観察では、幅数十〜数百μｍ程度幅での局所的なダイヤモンド膜の剥離が見られた。
【００３１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、ツイストドリルについて説明を行ったが、本発明の硬質炭素被膜付切削工具はこれに限定されるものではなく、例えばエンドミルやリーマ等の回転工具に適用が可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１  ツイストドリル（硬質炭素被膜付切削工具）
２  工具先端部
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ  切刃部
１１  基材
１２  硬質炭素被膜
２０  ねじれ溝
２１  すくい面
２２  逃げ面
２３  露出部
２４，２５  コーナー部
２６  面取り部
３０  肩部
α  刃物角
【図１】
2016175141.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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