ダイヤモンドの塑性加工工具への適用
日本工業大学 工学部 機械工学科
教授 古閑伸裕（平成 21 年度一般研究開発助成 AF-2009002）

キーワード：ダイヤモンド，PCD，工具，シェービング，深絞り，無潤滑
1. 緒 言って，これらダイヤモンド工具においても上記硬質膜被覆アルミニウム板やステンレス鋼板のせん断や深絞りなどの塑性（プレス）加工においては，被加工材のパンチや工具と同様の効果が得られれば，硬質膜被覆工具を用いる場合の問題の解決が期待できる．

ダイなど金型工具への凝着が発生しやすく，これがせん断

塑性加工の分野では，古くから引抜き（線引き）用ダイ

切口面や深絞り成形品表面粗さの悪化を招く原因になるとして天然ダイヤモンドや焼結ダイヤモンドが利用 7)さ場合が多い．この対策として，DLC やダイヤモンドをコれているが，その他の塑性加工工具への適用はほとんど見ーティングした硬質膜被膜工具の利用 1)，2)がある．これら当たらない．この最大の理由は 3 次元的な複雑形状にダイ被膜工具の利用は被加工材の凝着防止に大きな効果をもヤモンドを成形しなければならないことであり，これが放たらし，条件によってはドライ加工の可能性も期待できる

電加工による成形により可能になれば，ダイヤモンドの工技術として注目を集めている 3)．しかし，これら硬質膜は具への適用範囲は大きく拡大できると考えられる．

膜厚が 1～5µm 程度の薄膜であり，基材との密着力が不本研究では，放電加工による成形が可能なダイヤモンド十分であるため，大きな力が作用するプレス金型工具へこの塑性加工工具としての適用性を評価するための特性調

れら硬質膜コーティングを適用すると，比較的早期に膜の査試験を行う．そしてこれら試験の結果を基に，代表的な摩耗や剥離が生じるため再コーティングが必要となる．さ板材成形法である深絞り加工におけるダイヤモンド製工らに，より現実的な問題として，金型工具は切削工具に比具の有効性や実用性を評価検討する．

べ高価であり，通常は使い捨てができない．このため再コ

2. ダイヤモンド特性調査試験

ーティングを行う期間は生産が中断されるという重大なダイヤモンドを塑性加工工具として用いる場合には，問題が発生する．このような理由から，現状においては塑

(1)被加工材との親和性や摩擦摩耗特性の調査，さらには，性加工に用いられる様々な金型工具への硬質膜コーティ(2)工具材料の靭性に関する調査などが必要である．そこングの用途は限られている．

で，(1)の調査をボールオンディスクタイプの摩擦磨耗試

さて，非鉄金属の切削工具においては，バイトやエンド験を用いて行い，(2)に関する調査を断続的な切削加工でミルなどに工業用ダイヤモンド工具が用いられ，その有効あるシェービング実験により行うこととする．

性が実証されている．また，最近では放電加工が可能な多2.1 摩擦摩耗試験

結晶ダイヤモンド焼結体(PCD)4)や，ボロンをドープした

A5052-O 製のアルミニウムボールを表 1 に示す 3 種類

板状の導電性 CVD ダイヤモンド 5)への注目が集まっていの板状の試験片上で１N の荷重負荷条件下で回転運動さる．すなわち，ダイヤモンドを工具として用いる場合，従せる方法で摩擦摩耗試験を行う．表１中の試験片 A は比

来はその加工に膨大な時間と労力を強いられていたが，放較のための超硬合金製の試験片である．B は導電性を有す電加工が行えるダイヤモンドが利用できれば，比較的低コる Co をバインダとした多結晶ダイヤモンド（平均粒径：ストでダイヤモンド製工具の製作が可能になる 6)．したが約 10µm）の焼結体（PCD）であり，C は CVD により成ー 19 ー

形した導電性ダイヤモンド膜（厚さ：0.5ｍｍ）である．

2.2 シェービング試験

それぞれの試験片について，回転数：60rpm，回転半径：

塑性加工では一般に工具に断続的に大きな荷重が作用2mm，回転回数：3000 回，無潤滑の条件で摩擦摩耗試験するため，これに耐えうる靭性を有する工具材料の選定がを行った．この試験により得られた摩擦係数測定結果を図不可欠である．そこで，2.1 節の試験で用いた試験片をロ1 に示す．超硬製の試験片 A では試験開始直後から，摩擦ウ付けした工具により，図 2 に示すように，2×12×10mm係数が急激に増大する傾向が認められたが，B と C のダの 5052 アルミニウム製角柱の端面を，削り代 0.1mm，イヤモンド製試験片においては，いずれも 0.1 前後の低いシェービング速度 100mm/min，無潤滑の条件で断続的に摩擦係数の状態で試験終了時まで安定していた．試験後の1,000 回のシェービング試験を行い，それぞれの工具の刃試験片表面を観察した結果，図示はしないが，試験片 A先や仕上げ面性状などを観察する．この場合，いずれの工にはアルミニウムの凝着物が顕著に認められたのに対し，具もすくい角 8°，逃げ角 7°，刃物角 75°とする．

B と C の試験片にはこのような凝着物の発生は全く認めヘット部（フライス盤)られなかった．

表1
試験片

表面粗さ(µm)

UXR250.10mmRa(Misumi)0.60mmRz

CTB-0100.07mmRa(Element Six)

0.40mmRz

C:CVD

CVDITE-CDE

0.08mmRa

diamond(Element Six)

0.40mmRz

A:超硬B:PCD被加工材（A5052-O）

バイト

摩擦摩耗試験条件

材質

加工方向

導電性ダイヤモンド
チップ

サイズ(mm)13×13×3
11×11×0.5

図 2 シェービング試験概略図

10×10×0.5

図 3 に 1,000 回加工後の工具刃先性状を示す．いずれの工具刃先にもチッピングなどの発生は認められなかった．
しかし，A の超硬試験片をロウ付けした工具 A の場合は，摩擦係数/ µ

刃先やすくい面にアルミニウムと思われる凝着物の発生試験片

A試験片

B試験片

Cが顕著に認められた．これに対し，工具 B や工具 C のダイヤモンド製工具にはこのような凝着物の発生はほとんど認められなかった．
シェービングされた切口面は，工具 A では 10 回加工後頃から加工面の一部にうろこ状の破断面の発生が認められるようになり，1,000 回加工後には図 4(a)に示すように，回転回数 /回加工面の全域がむしれ状態になり，シェービング方向に対

図１ 摩擦摩耗試験結果

し垂直な方向にも大きなかえりの発生が認められた．これ以上の観察結果から，上記のようにダイヤモンド試験片に対し，工具 B と工具 C のダイヤモンド製工具により加とアルミニウム製ボール間の摩擦係数が試験終了時まで工されたシェービング面は，同図(b)，(c)に示すように，低い値で維持できたのは，アルミニウムのダイヤモンドへ1,000 回加工後においても平滑な仕上げ面が得られた．この凝着が防止できたためと推測される．

れは，被加工材と工具間の摩擦抵抗が工具 A に比べ低減

また，ステンレス硬球を用いた同様の試験を実施し，ダイヤモンド（PCD）の摩擦係数低減効果を確認した．

し，切削的機構により容易にシェービング屑の排出がなされたことに加え，断続的な加工を行ったにも関わらず工具ー 20 ー

刃先にチッピングなどの工具不良が発生せず，刃先にアル3.1 単型による深絞り加工

ミニウムが凝着し構成刃先を発生させることなく加工が3.1.1 実験条件および方法行われたためと推測される．

深絞り加工に用いるダイには，被加工材の変形を容易にするため，肩部には被加工材板厚の 5 倍程度の半径のアールが設けられる．従って，ダイヤモンド製のダイを製作するためには，少なくともこのアール半径以上の厚みのダイ刃先ヤモンド板が必要である．しかし現状においては，まだ深観察部分
100μm

バイト

(a)工具 A

モンドを入手することは困難である．そこで，本実験では，2mm 厚の多結晶ダイヤモンド（PCD）を焼結した PCD

刃先

刃先製深絞り工具（ダイとしわ抑え）を製作し，これら PCD100μm100μm製工具の有効性を調査する．
まず，PCD 製深絞り工具の成形性に及ぼす効果を調査(c)工具 C(b)工具 B

絞り工具として用いるに十分な厚みの導電性 CVD ダイヤするため，表 2 に示す 2 種類の工具（ダイのみを表示）
図 3 1,000 回シェービング加工後の工具刃先性状により，板厚 t=0.15mm の 5052 アルミニウム合金板と，板厚 t=0.1mm の SUS304 ステンレス鋼板の限界絞り比を調査する．工具 1 は比較のための SKD11 製工具である．

加工方向

工具 2 は，超硬基材に厚み 2mm の PCD を高温焼結によ
被加工材観察部分り接合した円柱ブロックから，放電加工と研磨加工により製作した PCD 製ダイである．工具 1 による加工では，2mm

SKD11 製しわ抑えを用い，工具 2 による加工では PCD製しわ抑えを用いる．また，いずれの加工においてもパン(a)工具 A

チには SKD11 製パンチを用い，このパンチの外径は Dp=2mmφ3.0mm（パンチ先端アール半径 Rp=0.5mm）とし，ダイ内径は Dd=φ3.36（ダイ肩アール半径 Rd=0.75mm）と(b)工具 Bする．これら工具により，直径の異なるそれぞれの円形の2mm

被加工材について無潤滑深絞り加工を行い，それぞれの工具を用いた場合の限界絞り比（LDR）を調査する．

(c)工具 C

図 5 に，上記工具をセットした深絞り金型（単型）の構図 4 1,000 回加工後の被加工材シェービング面

造概略図を示す．この金型は，ダイヤモンド製のダイとしわ抑えが加工中に直接接触することがないよう，金型が閉以上の結果から，本実験で用いたダイヤモンドは塑性加じた状態でも両者間に被加工材板厚と同一の隙間が保て工工具に用いてもチッピングなどの工具不良が発生しなるようにし，固定しわ抑えを用いる場合と同様の方式でしい程度の靭性を有し，被加工材の凝着も防止できることかわ抑え力を被加工材に作用させることとした．また，加工ら，塑性加工工具として利用できる見通しが得られた．には NC サーボプレスを利用し，PCD 製工具に作用する

3. 深絞り加工実験

衝撃力を緩和するため，加工開始直前の位置からクランク代表的な板材成形法である深絞り加工におけるダイヤモンド製工具の有効性や実用性を評価検討する．

軸の回転数を 5spm まで低下させることでスライドの下降速度を減速するソフトモーションで加工を行う．

ー 21 ーているステンレス鋼板の深絞り加工においても，PCD 製

表 2 工具（ダイ）条件
工具

外観

表面粗さ

工具 10.09µmRa(SKD11)0.50µmRz

工具 20.07µmRa(PCD)

0.50µmRz

工具の有効性が確認された．
工具寸法図

表 4 限界絞り比の調査結果
2.122.13

2.14

2.15

2.16

2.17

2.182.19

工具 1○

○×

―――――

工具 2○

○

○

○

○

○

○

×

3.2 順送型による深絞り加工
インナーガイドパンチ

3.2.1 実験条件および方法

コイルスプリング

円形の被加工材を用いた単型による加工では，より多くの加工回数による評価が難しいこと，さらには円形の被加0.15

工材のセッティングや成形品の取り出しなどに時間を要するため，加工ストローク数が大きく設定ができないことから発熱の影響が把握し難いことなど，実用的な評価が行えないことが懸念される．
そこで，図６に示すような行程で連続深絞り加工が行え
しわ抑え(b) 拡大図

ダイる順送型（プログレッシブ）を準備し，これを NC サーボ(a) 深絞り金型概略図

プレスに取付け，ソフトモーションにより，20spm のス

図 5 金型（単型）構造概略図

トローク数で無潤滑連続深絞り加工を行い，PCD 製工具の実用性を評価する．

3.1.2 実験結果および考察

被加工材には，A5052 アルミニウム合金板と SUS304(a) アルミニウム合金板

ステンレス鋼板を用いる．それぞれの板材の板厚は表 3 に限界絞り比（LDR）調査結果を示す．工具 1 の場合の LDR は 1.91 であったのに対し，工具 2 を用いる0.15mm（A5052）, 0.1mm（SUS304）であり，板幅はいずれも 20mm とし，これを金型内に送りピッチ 10mmと LDR が 1.95 まで上昇した．これは 2.1 節の摩擦係数測定の結果からも分かるように，PCD 製工具を用いること

カッティングパンチ 1

被加工材

カッティングパンチ 2

しわ抑え

深絞りパンチ

で，被加工材と工具間の摩擦係数が小さくなり，材料の変形が容易に行われたためと推測される．
表 3 限界絞り比の調査結果
1.90

1.91

1.92

1.93

1.94

1.95

1.96

工具 1○○×―

工具 2○○○

○

―――

○○

×

深絞りダイ

(a) 加工工程(b)ステンレス鋼板
ステンレス鋼板の加工においても，表４に示すように，
工具 1 の場合の LDR は 2.13 であり，工具 2 では LDR が(b) 被加工材2.18 まで上昇する結果が得られた．
アルミニウム合金板だけでなく，難加工材の一つとされー 22 ー

図 6 加工原理概略図

逆抑えパンチで順次送り込込む．そして，曲率半径が異なる 2 種類の 工具により 2 重のの切込みを入れれ，φ5.4mm の円形状ブラ ンクを作製した後後，これを外径径 Dp=φ3.0mmm(パンチ先端端アー
ル半径 Rp=00.75mm)のパンンチと，内径 Dd=φ3.36mmm(ダ50μm1.5m

イ肩アール半半径 Rd=0.75mmm)のダイにより加工する ．こ(aa)の場合の絞りり比は DR=1.880 であり，無潤潤滑で加工を行行う．

SKD11 製工
工具による拡大
大図

加工 30 回目
目

3.2.2 実験結結果および考察察
アルミニウウム合金板とスステンレス鋼板板の無潤滑連 続深絞り加工を行行ったところ，SKD11 製工具（工具 1） の場
合は，図７(aa)や図８(a)に示示すように，少ない加工回 数で50μm1.5m

成形品側壁部部にすり傷の発発生が認められれた．これ対 し，(bb)PCD 製工具（工具 2）を用用いた加工では，図７ (c) や図８ (b) に示す
すように，いいずれの板材のの成形におい てもPCD11 製工
工具による加工 5,000 回目

拡大
大図

図８ ステ
テンレス鋼板のの無潤滑深絞りり加工によより得られた成成形品

5,000 回目にに得られた容器器は，１回目に得られた容器器とほぼ変化のないいものであるこことが判明した
た．また，図９ に示2.4からもわかる
るように，PCDD 製工具を用いれば安定し た加2.2工が行われたたことが理解でできる．
ただし，5,,000 回の加工工後には，金型内の材料位置置決め用の穴の打抜抜き加工に用いいたパンチ（SSKD11）には ，被加工材の凝着着や摩耗が顕著著に認められた
た．すなわち，ダイ

表面粗さ/ µm (Rz)

す成形回数のの増加に伴う成成形品側壁部のの表面粗さの 変化

SKD11
1 製工具

21.81.61.41.2

ヤモンド製工工具による製品品の加工を行う
う場合には，こ のよ01000

うな点を考慮
慮した金型設計
計や生産技術のの改善が必要 にな

2000
30000
4000
5000
5
深絞り加加工回数 / 回6000(a) アルミニニウム合金板

ると思われるる．

1.5mm

表面粗さ / µm (Rz)

1.2傷(a))

PCD 製工具SKD111 製工具

1P
PCD 製工具

0.8
00.6
00.4
00.20

SKD11 製工
工具により 150 回目に得られた容器

001000
02000
30000
4000
5000
深絞り加加工回数 / 回6000(b) ステ ンレス鋼板
図９ 表面粗粗さ測定結果

4. 結

1.5m(b)

PCD 製工具による加工 1 回目

1.5mm(c)PCD
D 製工具によるる
加工
加 5,000 回目

図７ アルルミニウム合金
金板の無潤滑深深絞り加工によより得られた成成形品

言

放電加工が可能放能なダイヤモン
ンドの塑性加工工具への適適用性性を評価するたため，摩擦摩耗
耗試験，シェーービング試験，そしして深絞り加工工実験を行った
た．その成果を以下にまとめ
める．

ー 23 ー

1)

摩擦摩耗試験の結果から，多結晶ダイヤモンド焼結体る加工も十分可能であることが明らかになり，ダイヤ（PCD）やボロンをドープした板状の導電性 CVD ダ

モンド工具の実用化の見通しが得られた．

イヤモンドは，DLC 膜やダイヤモンド膜と同様に，謝辞

アルミニウムに対する摩擦係数は超硬や合金工具鋼最後に，本研究の実験をお手伝いいただいた，日本工業に比べ大幅に低減できることが明らかになった．また，大学大学院生の許ステンレスに対しても，ダイヤモンド（PCD）の摩の前戸貴裕に感謝する．

擦係数低減効果が確認された．
2)

断続的な切削を行うシェービング試験の結果より，い成 21 年度一般研究開発助成を賜り実施したものであり，ずれのダイヤモンドもこのような加工にも十分耐え

同財団に厚く御礼申し上げる．

参考文献

凝着防止効果が高いことから，安定して良好な仕上げ

1)

古閑伸裕：塑性と加工，45-518 (2004)，158-161.

面が得られることが明らかになった．

2)

M.Murakawa,N.Koga,S.takeuchi：Transactions of

ダイヤモンド（PCD）製のダイやしわ抑えを用いた

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深絞り加工を行えば，アルミニウム合金板，ステンレ

3)

玉置賢次，片岡征二：プレス技術，47-3 (2009)，58-61.

ス鋼板いずれの成形においても，鋼（SKD11）製工

4)

鈴木清，二ノ宮進一，岩井学：電気加工学会全国大会

具に比べ限界絞り比が向上することが確認できた．
4)

憲毅の両君，および卒研生

本研究は，財団法人天田金属加工機械技術振興財団の平える靭性を有し，超硬工具に比べ被加工材の工具への3)

昌龍，薄講演会論文集，(2009)，57-60.

アルミニウム合金板とステンレス鋼板の深絞り加工

5)

竹内貞雄，村石貴志：表面技術，61-3 (2010)，274-278.

において，PCD 製工具の実用性を評価するため，同6)

南久，渡邊幸司，増井清徳，鍋倉伸嘉：電気加工学会

工具を備えた順送型による 5,000 回の無潤滑深絞り加工を行った．その結果，5,000 回目に得られた成形誌，44-105 (2010)，17-24.
7)

品は初回成形品と同程度の精度を有しており，さらなー 24 ー日本塑性加工学会編：塑性加工技術シリーズ 6 引抜き加工， (1990)，51-53.