(57)【要約】      （修正有）【課題】耐摩耗性に優れるとともに、切刃先端の摩耗に伴う切断性能の低下を抑えることができる切断工具を提供する。【解決手段】切断工具であるエンドミルは、切刃部１とシャンク部２とを有し、切刃部１の周囲には、ねじれ角δの角度で螺旋状に形成された一対の切刃３及び切刃３の間に螺旋状に形成された一対の切屑排出溝４を備えている。切刃３は、切刃先端から逃げ面側が母材よりも硬い耐摩耗性被膜により覆われているとともに切刃先端からすくい面側では母材が露出しており、切削加工により切刃３のすくい面側が逃げ面側よりも摩耗が進むことで切刃３の刃先角及び／又は刃先角が小さくなるように設定されている。【選択図】図１
2016022572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲に切刃が形成されて切刃部を備えている切断工具において、前記切刃は、切刃先端から逃げ面側が母材よりも硬い耐摩耗性被膜により覆われているとともに切刃先端からすくい面側では母材が露出しており、切断加工により前記切刃のすくい面側が逃げ面側よりも摩耗が進むことで前記切刃の刃先角及び／又は切刃角が小さくなるように設定されている切断工具。
【請求項２】
前記耐摩耗性被膜は、前記母材よりも硬い材料からなる請求項１に記載の切断工具。
【請求項３】
前記耐摩耗性被膜は、前記母材表面を熱処理して形成されている請求項１に記載の切断工具。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の切断工具を用いて被加工材を切断する切断加工方法であって、前記被加工材の切断に伴い前記切断工具の前記切刃のすくい面側が逃げ面側に比べて摩耗が進むことで前記切刃のすくい角を小さくしながら切断動作を行う機械加工方法。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載の切断工具を保持するとともに前記切断工具の回転中心軸を中心に回転駆動する駆動手段と、繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材を支持する支持手段と、前記切断工具を前記被加工材に対して切断加工を行うように前記駆動手段及び／又は前記支持手段を相対的に移動させる移動手段とを備えている機械加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切刃に耐摩耗処理が施された手動工具、切削工具、穿孔工具等の切断工具並びにそれを用いた機械加工方法及び機械加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンドミル等の切削工具を用いて炭素繊維強化樹脂複合材（以下「ＣＦＲＰ」(Carbon Fiber Reinforced Plastic)という。）を加工する場合、デラミネーション（層間剥離）、繊維のほつれ、バリの発生等が問題となる。こうした問題は、ＣＦＲＰに含まれる炭素繊維が非常に硬いため、工具の刃先摩耗が進むことにより生じた結果である。こうした刃先の摩耗対策としては、例えば、特許文献１には、ドリル本体の主逃げ面及びマージン部を除く他の表面の少なくとも溝面における掬い面に硬質被覆層を設けた点が記載されている。また、特許文献２では、切刃部のすくい面に切刃部の母材より耐摩耗性の高い材料の被覆が施された切削工具が記載されており、被削材の切削中に、被覆の切刃部の切刃先端の縁部が被削材との摩擦によって摩耗することで脱落するとともに逃げ面及びマージンの母材が被削材との摩擦によって摩耗することにより、切刃最大径部が軸方向へ後退して、切刃最大径部及びその付近の切刃先端が滑らかに連続するように保持され、切刃先端の摩耗に伴う切削性能の低下が抑えられる点が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５７−１８４６１６号公報
【特許文献２】特開２０１１−１０４７７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
繊維強化複合材料のうちＣＦＲＰは、軽量でありながら高い強度と剛性を備えており、航空機の構造材等に多用されている。航空機の構造材に用いられるＣＦＲＰは、品質に関する要求が厳しく、例えば、他部材との合わせ面等において突出するバリが生じておらず、ＣＦＲＰの加工面で層間剥離が生じていないことが求められる。  
【０００５】
図７は、従来の切削工具を用いてＣＦＲＰからなる被削材に対して切削加工を行う場合の説明図である。切削工具は、刃先２００全体にダイヤモンド等の硬質被覆層２０１を形成して耐摩耗性を高めている。図７では、切削工具の中心軸と直交する方向の断面を示しており、切削加工が行われる刃先２００を一部拡大して示している。図７（ａ）に示すように、刃先２００全体が逃げ面及びすくい面も含めて硬質被覆層２０１で均一に覆われている。そして、切刃先端２０２についても硬質被覆層２０１に覆われているため、切刃先端２０２は全体的に均一な硬さとなっている。切削加工を繰り返し行うことで切刃先端２０２は摩耗していくことになるが、全体が均一な硬さに形成されているため、摩耗が全体的に均一に進行するようになり、切刃先端２０２は全体的に丸みを帯びるようになる。こうした摩耗による形状変化により、切刃先端２０２の切削性能が低下し、バリや切残し、層間剥離などが生じるようになる。  
【０００６】
上記の特許文献１及び２に記載された技術では、逃げ面側を摩耗しやすくさせることで刃先のシャープエッジを保つようにしている。しかし、逃げ面側は、被削材との摩擦摩耗が発生しにくいため、実用面では、十分な効果が得られないおそれがある。  
【０００７】
本発明は、こうした従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、耐摩耗性に優れるとともに、切刃先端の摩耗に伴う切断性能の低下を抑えることができる切断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】
【０００８】
本発明に係る切断工具は、周囲に切刃が形成されて切刃部を備えている切断工具において、前記切刃は、切刃先端から逃げ面側が母材よりも硬い耐摩耗性被膜により覆われているとともに切刃先端からすくい面側では母材が露出しており、切断加工により前記切刃のすくい面側が逃げ面側よりも摩耗が進むことで前記切刃の刃先角及び／又は切刃角が小さくなるように設定されている。さらに、前記耐摩耗性被膜は、前記母材よりも硬い材料からなる。さらに、前記耐摩耗性被膜は、前記母材表面を熱処理して形成されている。  
【０００９】
本発明に係る機械加工方法は、上記の切断工具を用いて被加工材を切断する切断加工方法であって、前記被加工材の切断に伴い前記切断工具の前記切刃のすくい面側が逃げ面側に比べて摩耗が進むことで前記切刃のすくい角を小さくしながら切断動作を行う。  
【００１０】
本発明に係る機械加工装置は、上記の切断工具を保持するとともに前記切断工具の回転中心軸を中心に回転駆動する駆動手段と、繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材を支持する支持手段と、前記切断工具を前記被加工材に対して切断加工を行うように前記駆動手段及び／又は前記支持手段を相対的に移動させる移動手段とを備えている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、切刃の逃げ面側において母材よりも硬い耐摩耗性被膜を切刃先端まで形成することにより優れた耐摩耗性を備えているとともに、切刃のすくい面側には母材が露出しているので、切断加工の際には、耐摩耗性被膜が形成された逃げ面側に比べてすくい面側の摩耗が進むようになる。そのため、切刃は、すくい角が小さくなって刃先角が小さくなり、シャープエッジが維持されるようになる。そして、刃先角が小さくなることで切刃角が小さくなって、切断性能が向上するとともに切断抵抗が低減される。そして、切刃先端の摩耗に伴う切断性能の低下を抑えることができるようになり、長期に亘り切断性能が持続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンドミルの正面図である。
【図２】図１に示すＡ−Ａ線矢視の断面図である。
【図３】図２に示す切刃部の刃先の一部拡大図である。
【図４】エンドミルを用いてＣＦＲＰからなる被削材に対して切削加工を行う場合の説明図である。
【図５】本発明に係る切断工具を用いた場合の機械加工方法に関する説明図である。
【図６】本発明に係る切断工具を用いた機械加工装置に関する外観斜視図である。
【図７】従来の切削工具を用いてＣＦＲＰからなる被削材に対して切削加工を行う場合の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。  
【００１４】
図１は、本発明に係る切断工具の一実施形態であるエンドミルに関する正面図である。本実施形態のエンドミルは、切刃部１とシャンク部２とを有する。切刃部１の周囲には、ねじれ角δの角度で螺旋状に形成された一対の切刃３及び切刃３の間に螺旋状に形成された一対の切屑排出溝４を備えている。  
【００１５】
図２は、図１においてエンドミルの回転中心軸Ｏと直交するＡ−Ａ線矢視の断面図であり、図３は、図２に示す断面図の刃先を拡大した一部拡大図である。切刃部１には、一対の切刃３が回転中心軸Ｏに対して対称となるように設けられている。切刃３には、切屑排出溝４側にすくい面５が形成されており、外周側に切刃二番逃げ面６及び切刃三番逃げ面７が形成されている。そして、逃げ面６及び７には切刃先端９まで耐摩耗性被膜８で被覆されている。  
【００１６】
図３に示すように、すくい角αは、すくい面５と切刃二番逃げ面６とが交差する切刃先端９から０．１ｍｍ〜０．２ｍｍだけすくい面に沿って回転中心軸Ｏ側へプロットされる点群で形成され平均化された直線と、切刃先端９及び回転中心軸Ｏを結ぶ基準となる直線Ｔとの間の角度である。そして、すくい角度αは、基準となる直線Ｔに対して反時計回りを正の角度とすると、−５°〜４５°の範囲に設定される。また、逃げ角βは、すくい面５と切刃二番逃げ面６とが交差する切刃先端９から０．１ｍｍ〜０．２ｍｍだけ切刃二番逃げ面６に沿って外周側へプロットされる点群で形成され平均化された直線と、切刃先端９及び回転中心軸Ｏを結ぶ直線Ｔと直交する直線Ｓとの間の角度である。そして、逃げ角βは、直交する直線Ｓに対して時計回りを正の角度とすると、０°〜４５°の範囲に設定される。  
【００１７】
また、刃先角γは、すくい面５と切刃二番逃げ面６との間の角度で、切刃先端９のシャープエッジの程度を示しており、以下の算出式により求められる。γ＝９０−（α＋β）また、切刃角θは、直線Ｓと刃先角γの２等分線Ｕとの間の角度で、直線Ｓに対して時計回りを正の角度とする。切刃角θは、刃先の切削加工時のせん断力と密接に関連しており、切刃角θが小さくなると、せん断力が大きくなる。  
【００１８】
切刃二番逃げ面６の切削方向後方に連続して切刃三番逃げ面７が形成されており、切刃三番逃げ面７と切刃二番逃げ面６との間の内角は１８０°より小さい角度に設定されている。  
【００１９】
エンドミルの母材としては、耐摩耗性、耐熱性、耐欠損性、耐塑性変形性、化学的安定性、熱伝導性といった特性を有する材料が望ましく、例えば、高速度工具鋼、超硬合金、サーメット、セラミックスといった公知の材料が挙げられる。また、逃げ面６及び７に被覆された耐摩耗性被膜８は、母材よりも硬い材料が用いられており、例えば、ダイヤモンド（単結晶、焼結）、ＤＬＣ等の硬質カーボン、チタン系硬質膜（ＴｉＣ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＮ）といった材料が挙げられる。  
【００２０】
材料の硬さについては、例えば、材料のビッカース硬さ（ＨＶ）を測定することで、定量的に比較することができ、母材のビッカース硬さよりも硬い材料を選択すればよい。例えば、母材が超硬合金材料の場合には、耐摩耗性被膜として焼結ダイヤモンドを用いることができる。また、母材が高速度工具鋼の場合には、耐摩耗性被膜としてチタン系硬質膜（ＴｉＡｌＮ）を用いることができる。  
【００２１】
耐摩耗性被膜８は、切削性能に影響を与えない程度の厚さに設定することが望ましく、具体的には５μｍ〜５０μｍが好ましい。そして、すくい面５側には、耐摩耗性被膜は形成されておらず、母材が露出した状態となっている。  
【００２２】
耐摩耗性被膜８の形成方法としては、母材を加工して切刃部１を形成した後、すくい面５を含めた切刃３全体にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等によりダイヤモンド等の硬質材料の被覆を施す。その後、すくい面５に形成された被膜を研削により除去して母材を露出させることで、逃げ面６及び７側のみに耐摩耗性被膜８を形成した状態に仕上げる。こうした方法以外にも、切刃部１の形成後にすくい面５を耐熱コーティング剤でマスキングし、切刃３全体にダイヤモンド等の硬質材料で被覆を施した後、すくい面５に形成された被膜を研削により除去して母材を露出させることで、逃げ面６及び７側のみに耐摩耗性被膜８を形成することもできる。   
【００２３】
耐摩耗性被膜８は、母材表面を熱処理して形成することもできる。例えば、母材表面を、高周波焼入れ、炎焼入れ、レーザ焼入れ等の熱処理を行うことで、母材表面の金属組織を変化させて硬度を高めた被膜を形成することができる。例えば、炭素鋼では、母材であるフェライトの金属組織を熱処理により表面処理してマルテンサイト又はオー
ステナイトの金属組織に変化させて硬度を高めた被膜を形成することができる。  
【００２４】
本実施形態のエンドミルを使用した際の作用につき説明する。図４は、エンドミルを用いてＣＦＲＰからなる被削材３０に対して切削加工を行う場合の説明図である。図４では、エンドミルの回転中心軸と直交する方向の断面を模式的に示しており、切削加工が行われる切刃３の部分を一部拡大して示している。図４（ａ）に示すように、エンドミルは、切刃３の逃げ面６及び７側において母材よりも硬い耐摩耗性被膜８が切刃先端９まで形成されており、切刃３のすくい面５側には耐摩耗性被膜８が形成されておらず母材が露出している。  
【００２５】
ＣＦＲＰからなる被削材３０に対してエンドミルによる切削加工を繰り返し行っていくうちに、切刃３の摩耗が進むようになるが、図４（ｂ）に示すように、母材が露出したすくい面５の方が耐摩耗性被膜８で被覆された逃げ面６及び７側よりも摩耗量が大きくなる。そのため、すくい面５ではすくい角αが大きくなるように摩耗が進み、切刃３の刃先角γが小さくなって切刃先端９のシャープエッジが保持されるようになる。また、刃先角γが小さくなるため、切刃角θも小さくなって切削性能を向上させるように作用する。したがって、すくい角が大きくなることにより切削抵抗が低減するとともにシャープエッジが保持されて切削性能が向上するようになり、切刃先端９の摩耗に伴う切削性能の低下を抑えることができる。また、逃げ面６及び７は、耐摩耗性被膜８により摩耗量が小さくなって刃先３の耐摩耗性を向上させることができ、長期に亘り切削性能を持続させることが可能となる。  
【００２６】
したがって、切刃先端９の摩耗が進行しても 、切刃部１の欠損並びに被削材のバリ及び層間剥離が確実に防止され、切削工具寿命が大幅に向上するとともに、長期間に亘って安定した連続切削加工が可能となり、作業時間短縮及び工具費削減の効果が得られる。    以上の説明では、切断工具として、切削工具であるエンドミルを例に挙げたが、本発明は、エンドミルに限らず、旋盤のバイト、ドリル等の切刃にすくい面及び逃げ面が形成された切削工具や穿孔工具にも適用できる。切削工具の切刃については、上述した２枚の切刃以外に、４枚切刃、６枚切刃等の複数の切刃を設けることが可能で、特に限定されない。また、本発明の切削工具を用いて上述した効果を発揮することができる被削材としては、上述のＣＦＲＰに限定されることはなく、切削加工に伴って切削工具に摩耗が生じる被削材であれば、対象とすることができる。  
【００２７】
また、切削工具以外にも、すくい面及び逃げ面を有する切刃部を備えた鋏、包丁等の手動工具にも本発明を適用することができる。  
【００２８】
本発明の切断工具は、公知の機械加工装置に装着され、被加工材として複合材料の切断加工に用いられる。複合材料としては、繊維強化複合材料の切断加工に好適であり、特に繊維が層状に積層した複合材料に好適である。繊維強化複合材料としては、上述した炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）以外に、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ）、ボロン繊維強化プラスチック（ＢＦＲＰ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ, ＫＦＲＰ）、ポリエチレン繊維強化プラスチック（ＤＦＲＰ）といったものが挙げられる。なお、被加工材は、一部に繊維強化複合材料を含むものでもよく、特に限定されない。  
【００２９】
図５は、本発明に係る切断工具の実施形態であるエンドミル等の切削工具を用いた場合の機械加工方法に関する説明図である。図５（ａ）では、切削加工開始直後の状態を示しており、切削工具の外周に設けられた切刃部１が板状の被削材３０（例；繊維強化複合材料）に対して回転しながら外周面が当接するように位置決めされる。次に、図５（ｂ）では、切削工具が回転中心軸を中心に回転しながら被削材３０に対してＸＹ平面上を移動し、切刃部１の外周面を被削材３０に押し当てて切削加工を行う。次に、図５（ｃ）では、被削材３０の切削加工中に切刃部１の刃先の摩耗が進むが、刃先のすくい面側において母材が露出しているため耐摩耗性被膜が形成された逃げ面側よりも摩耗量が大きくなることで、切刃先端のすくい角が摩耗と共に大きくなり、切刃先端のシャープエッジが保持されるとともに切削抵抗が低減されて、切削性能の低下を抑えながら切削加工を持続していくことができる。  
【００３０】
図６は、本発明に係る切断工具の実施形態であるエンドミル等の切削工具を用いた機械加工装置に関する外観斜視図である。機械加工装置１００は、ボールねじ機構又はリニアモータ機構等によるＸＹＺの３軸方向の可動機構並びにＸ軸及びＹ軸周りの回転機構を付加した５軸機構を備える移動手段を備えている。Ｚ軸移動機構１０１は、スピンドル軸１０３に取り付けられた切削工具１０４を支持して上下方向に移動させる。移動手段としては、ボールねじ機構又はリニアモータ機構が用いられる。また、Ｚ軸移動機構１０１は、スピンドル軸１０３を回転駆動する駆動源を備えている。  
【００３１】
ＸＹ軸移動機構１０２は、Ｘ軸又はＹ軸あるいはＸＹ複合軸に設置テーブルを移動させる。移動手段としては、ボールねじ機構又はリニアモータ機構が用いられる。設置テーブルには、バイス又は拘束治具等の支持具１０６が配置されており、支持具１０６に繊維強化複合材料等からなる被削材１０５が載置固定されている。ＸＹ軸移動機構１０２は、ボールねじ機構又はリニアモータ機構により駆動される。  
【００３２】
そして、Ｚ軸移動機構１０１及びＸＹ軸移動機構１０２を制御して被削材１０５に対して切削工具１０４を回転駆動しながら切削加工が行われる。なお、支持具１０６としては、被削材１０５の厚み方向又は面方向から挟む機能を有するものを用いてもよい。また、スピンドル軸をＸ軸又はＹ軸に配置するようにすることもできる。
【符号の説明】
【００３３】
１・・切刃部、２・・シャンク部、３・・刃先、４・・切屑排出溝、５・・すくい面、６・・切刃二番逃げ面、７・・切刃三番逃げ面、８・・耐摩耗性被膜、９・・切刃先端、３０・・被削材、１００・・機械加工装置、１０１・・Ｚ軸移動機構、１０２・・ＸＹ軸移動機構、１０３・・スピンドル軸、１０４・・ドリル、１０５・・被加工材、１０６・・支持具、２００・・刃先、２０１・・硬質被覆層、２０２・・切刃先端、α・・すくい角、β・・逃げ角、γ・・刃先角、θ・・切刃角、δ・・ねじれ角
【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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