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あいち産業科学技術総合センター

研究報告 2016

研究論文

パルスレーザで刃先成形したダイヤモンドコーティング工具による超硬合金の高能率加工
児 玉 英 也 ＊ 1、 河 田 圭 一 ＊ 1、 石 川 和 昌 ＊ 1

High-efficiency Cutting of Cemented Carbide Using a Diamond Coated Tool
Sharpened by Pulse Laser
Hideya KODAMA *1 ,Keiichi KAWATA * 1 and Kazumasa ISHIKAWA * 1
Industrial Research Center *1
ダイヤモンドコーティング工具による超硬合金の切削加工は、切削初期にすくい面のコーティングが剥離するため送り量に制限があり加工能率が他の被削材に比べ低い。本研究では短パルスレーザ加工機を用いて、市販工具のコーティングを加工し、刃先を鋭利にした工具を試作した。この試作工具は市販工具と比較して送り量 5 倍の高能率加工を可能にし、さらに除去体積や加工面の表面粗さも改善することを確認した。

１．はじめにものづくりの高付加価値化の流れの中で、従来よりし、切削抵抗と工具摩耗、表面粗さを評価した。切削抵抗の測定はキスラー製 3 分力切削動力計を用いた。

も強度や耐熱性に優れた材料の金型成形が求められてい回転る。それにより、金型への負荷が増加し、耐衝撃性や耐摩耗性に優れる超硬合金製金型のニーズが高まっている。
超硬合金の加工法は放電加工や研削加工が一般的である

Fy

が、加工時間が長い、金型亀裂の起点となるクラックが被削材発生する

1)

Fz

工具
Fx

工具
送り方向
被、形状に制限がある等の問題がある。これらの問題を解決する加工技術として切削加工が挙げられる。

削

近年、低価格の超硬合金切削用のダイヤモンドコーティ材(a)

ング工具が登場し、超硬合金の切削加工技術は注目を集めている。しかし、本加工は加工能率が他の被削材に比刃

(b)

立体図
図１

加工模式図

表１

加工条件

平面図

べ低いことや工具寿命が短いことなどが課題であり、加工技術のさらなる向上が求められている。
そこで本研究では加工能率の向上を目標とし、始め被削材

超硬合金(VM-40)に市販工具を用いた超硬合金の切削実験を行い、加工能

工具

形状：φ2mm-R0.1mm ラジアスエンドミル率の低下要因について検討した。その後短パルスレーザ

コーティング：CVD ダイヤモンド

加工機で市販工具の刃先を鋭利にした工具を試作し、送母材：超硬合金

り量を増加したときの影響について調べた。

ねじれ角：0°刃数：1 枚

２．実験方法2.1 工具の切削性能評価

回転数

12000min-1

切込み

軸方向：0.5mm

送り量

市販工具：18、90μm/刃

市販工具および後述する試作工具を用いた切削実験

径方向：0.01mm

試作工具：90μm/刃の加工模式図を図１に示す。加工機は立形マシニング

切削方式

ダウンカットセンタ（オークマ㈱MU-400VA）を使用した。加工条

切削油剤なし（エアブロー）件を表１に示す。被削材の側面をダウンカットで加工＊

1 産業技術センター 自動車・機械技術室

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2.2 短パルスレーザ加工による刃先成形

逃げ面

逃げ面

図２にレーザ加工の模式図を示す。本加工法は PLG（Pulse Laser Grinding）と呼ばれ 2)、パルスレーザを比較的緩い角度で集光することで、光軸方向に長い円筒状の加工可能領域を生成し、これを加工面と平行に繰りすくい面側のコーティング部を加工面として、工具刃先1mm1mm返し走査して加工する方法である。市販工具の外周刃のすくい面

すくい面の鋭利化を試みた。
短パルスレーザ欠損

剥離

1mm1mm(a)
加工可能
加工面

切削距離 1m

図４(b)切削距離 60m

工具観察結果（送り量 18μm/刃）

領域
図５に送り量 90μm/刃で切削したときの切削抵抗の走査方向

被加工物結果を示す。切削距離 1m ですくい面のコーティングが剥離して Fy は大きく減少し、切削距離 3m で刃先が欠

図２

レーザ加工模式図損して切削不能となった。
実験結果について考察する。図６に加工前の工具を３．実験結果及び考察
3.1 市販工具の性能評価示す。加工前の工具はコーティングの厚みのため刃先が丸くなっている。刃先丸みの半径を輪郭形状測定機で評図３に送り量 18μm/刃で切削したときの切削抵抗、価した結果、約 20μm であった。図７に二次元切削模

図４に工具すくい面、逃げ面の観察結果を示す。図３式図を示す。図７(a)のようにコーティング剥離前では、より切削初期の Fy（送り方向に垂直な力成分、背分力刃先丸み部で切削が行われる。このためすくい角は大きに相当）は Fx（送り方向に平行な力成分、主分力に相く負角になり、切削初期の背分力が大きくなったと考え当）の 3 倍以上高く、切削距離 1m で大きく減少した。

られる。また、すくい面接線方向に働く大きな背分力にこのときの工具の状態を図４(a)に示す。すくい面のコより、コーティングが剥離したと推測される。剥離直後ーティングが大きく剥離し、工具母材の超硬合金が露出の刃先丸みの半径は約 5μm で、図７(b)のように刃先した。しかし、逃げ面のコーティングが刃先として機能が鋭利になる。これによりすくい角が増加し、図３のよし、剥離後も切削を継続することができた。その後、コ

うに Fy は減少したと考えられる。剥離後の切削では、ーティングの摩耗の進行に伴い Fy は増加し、切削距離

すくい面と切りくずの接触長さがコーティング膜厚（約60m で再び大きく減少した。このときの工具の状態を20μm）以上になると、すくい面で露出している工具母図４(b)に示す。工具母材が欠損し、切れ刃稜線が後退材と被削材が接触する。送り量を増加すると接触長さはしていた。また、逃げ面のコーティングが剥離していた。

長くなるため、図５のように工具は早期に欠損したと考

ここで切削不能と判断し実験を中止した。

えられる。実験結果よりすくい面のコーティングが剥離

図３

市販工具の切削抵抗（18μm/刃）

図５

市販工具の切削抵抗（90μm/刃）

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研究報告 2016

すると送り量が制限されるため、加工能率を上げられなすくい面

いことが分かった。

逃げ面

すくい面

逃げ面

レーザ加工部

すくい面
すくい面
刃先
(a)

(b)

外観
図６20μm/1 目盛

(a)

市販工具
図９

逃げ面

200μm

逃げ面

縦横

縦横(b)

20μm/1 目盛
試作工具

刃先形状

20μm

刃先

3.3 試作工具の性能評価

加工前の工具

前節で試作した工具を用いて切削実験を行った。図１０に切削抵抗の結果を示す。切削開始時の Fy は市販背分力

すくい面
すくい角

工具と比べて低くなり、切削初期の大きな減少も見られ工具母材なかった。その後、切削距離の増加に伴い Fy は増加し、（超硬合金）

切削距離 45m でコーティングの剥離により大きく減少した。剥離するまでの切削距離は、市販工具と比較するコーティングと 45 倍となった。

主分力
逃げ面

被削材（超硬合金）(a)

コーティング剥離前

すくい面

工具母材
（超硬合金）

切りくず
逃げ面

接触長さ(b)

コーティング剥離後

図７

二次元切削模式図

図１０

試作工具の切削抵抗（90μm/刃）

図１１に試作工具の二次元切削模式図を示す。試作
工具は刃先を鋭利化したことで実質のすくい角は小さく3.2 短パルスレーザ加工による刃先成形なり背分力が低減し、切削初期のコーティング剥離を抑すくい面のコーティングを保持したまま刃先を鋭利制できたと考えられる。また、すくい面がコーティングにするためレーザによる刃先成形を試みた。図８にレされていることで、市販工具では欠損してしまうようなーザ加工後の工具を示す。EDS 分析の結果、工具母材送り量でも加工が可能になったと考えられる。実験結果である超硬合金の露出はなかった。図９に輪郭形状測より、すくい面にコーティングを残したまま刃先を鋭利定機で評価した刃先形状を示す。試作工具の刃先丸みのにすることで送り量を増加した高能率加工が可能である

半径は約 5μm となった。

ことが分かった。

レーザ加工部

すくい面

200μm

逃げ面

20μm
送り量(a)

外観
図８(b)

刃先

レーザ加工後の工具増加
図１１

試作工具の二次元切削模式図

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図１２に工具寿命に至ったときの被削材の除去体積

方向①（送り方向）の比較を示す。試作工具の除去体積は 108mm3 となり、市 販工具（ 90μ m/刃）の 15 倍、市 販工具 （18μm/刃）の 3 倍となった。一般に除去体積は送り量、切削(μm)
5.04.03.02.01.00-1.0-2.0-3.0-4.0-5.0②

距離および切込み量により決定される。試作工具は送り量が大きく、切削距離も大幅に延長したため、除去体積①は大幅に向上した。

1200.5μm20μm
方向②除去体積 [mm3]1002μm8050μm

60(b)

40

図１３20

試作工具（90μm/刃）
加工面の表面粗さ

逃げ面

0試作工具
（90μm/刃）図１２

市販工具（90μm/刃）逃げ面

市販工具（18μm/刃）

被削材の除去体積の比較
1mm

図１３に切削距離 20m 付近の加工面の表面粗さの結1mm

すくい面果を示す。市販工具（18μm/刃）の表面粗さ（算術平すくい面

均 粗 さ Ra） は 1.90 μ m、 試 作 工 具 （ 90μ m/刃 ） は0.37μm となった。送り方向（方向①）と送り方向に対して垂直方向（方向②）の粗さ曲線を評価し、市販工
1mm具と試作工具の結果を比較すると、方向①よりも方向②に大きな差異が見られた。一般に送り量を増加すると送り方向の表面粗さは増加するが、本加工では送り量より(a)1mm(b)

市販工具(18μm/刃)
図１４

試作工具(90μm/刃)工具の様子（切削距離 20m）

も切れ刃稜線の凹凸が表面粗さに大きく影響したと考えられる。図１４に工具の様子を示す。市販工具のすく

４．結びい面のコーティングは剥離し、逃げ面のコーティングはダイヤモンドコーティング工具を用いて超硬合金の一部脱落して、切れ刃稜線の凹凸が大きくなった。試作

切削実験を実施した結果、市販工具は刃先丸みの影響

工具はすくい面のコーティングの剥離がなく、逃げ面ので背分力が大きく、切削初期ですくい面のコーティン摩耗は進行しているが良好な切れ刃稜線を維持していた。

グが剥離した。また送り量は逃げ面のコーティングの方向①（送り方向）②①0.5μm(μm)
5.0
4.0
3.02.01.00-1.0-2.0-3.0-4.0-5.0

膜厚で制限され、加工能率を下げる要因 の一つであることが分かった。そこで短パルスレーザを用いて工具刃先を加工することで、すくい面のコーティングを残20μmした刃先丸みの鋭利化を試みた。鋭利化した工具は、市販工具と比較して送り量 5 倍の切削が可能となり、高能率加工を実現することができた。さらに除去体積方向②や加工面の表面粗さも改善することを確認した。

文献1）筒井忠夫，神谷昌志，山田隆一：電気加工学会誌，
2μm

9(18)，8-18 (1975-1976)
50μm(a)

市販工具（18μm/刃）

2）D.Suzuki et al.： Int.J.of Automation Technology ，7(3)，337－344 (2013)