JP2007038355A - 小径部材及び小径部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被覆硬質材の形成プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での被覆硬質材の欠陥やダメージを回避し、密着性を維持し、小径部材の耐摩耗性を改善することである。
【解決手段】小径部材は棒状体からなり、該棒状体の先端部に被覆硬質材を有し、該被覆硬質材は刃部を有していることを特徴とする小径部材である。被覆硬質材の形成プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での被覆硬質材の欠陥やダメージを回避し、シャープエッジの刃部を維持できる。そして小径部材の先端部が被覆硬質材から構成され、刃部が形成された小径部材を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、小径部材及びその製造方法に関する。

小径部材には、部材本体に切れ刃稜線、刃溝等を加工した後、硬質皮膜を被覆する例が特許文献１に、更に、被覆後に皮膜を研削等で一部除去する例が特許文献２に記載されている。

特開２００４−８２３０１号公報 特開平９−１１０５０号公報

本願発明は、被覆硬質材の形成プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での被覆硬質材の欠陥やダメージを回避し、シャープエッジの刃部を維持し、小径部材の耐摩耗性を改善することである。本願発明では、最終形状の工具に被覆硬質材を形成するよりも、むしろ被覆硬質材を形成した後に、刃部を形成した方が有効であり、被覆前に切れ刃稜線、刃溝を設けると、それらの形状、特に凹凸形状に倣って被覆硬質材が成長するため、被覆硬質材の構造欠陥を生じてしまい、特に、エッジ部では被覆硬質材の成長速度差に起因する構造欠陥を引き起こすことが多く、工具として用いたときに被覆硬質材の剥離・脱落の原因となっている。

小径部材は棒状体からなり、該棒状体の先端部に被覆硬質部材を有し、該被覆硬質部材は刃部を有していることを特徴とする小径部材である。上記構成を採用することによって、被覆硬質材の形成プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での被覆硬質材の欠陥やダメージを回避し、シャープエッジの刃部を維持できる。そして小径部材の先端部が被覆硬質材から構成され、これで刃部が形成された小径部材を提供することができる。本明細書における棒状とは、軸方向に若干のテーパを含む円筒状をした形状、楕円筒状をした形状、あるいは多角柱状をした形状であることを示している。また、被覆硬質材とは、物理蒸着法や化学蒸着法によって形成された硬質材料であることを示す。

本願発明によって、小径部材における被覆硬質材の形成プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での被覆硬質材の欠陥やダメージを回避し、シャープエッジの刃部を維持し、小径部材の耐摩耗性を改善することができた。また、そのその製造方法を提供することができた。

本願発明の小径部材の形態を図１、図２に示す。図１は小径部材において、棒状体１の小径側の先端部に被覆硬質材２を有している。該棒状体は大径部３と小径部４からなる。図２は該小径部を拡大した図であり、小径部の先端部に被覆硬質材を有する。ここで、該先端部における被覆硬質材は物理蒸着法や化学蒸着法によって被覆形成された硬質材料であるために、界面部での高い密着強度が得られる。棒状体からなる該小径部は被覆後に機械加工を施すことから、小径部の左側面図は例えば図３から図７に示すような形状をとることが可能である。小径部が図３の様に円筒状からなる円形である場合はその直径をＤとし、図４の様に楕円筒状からなる楕円形である場合はその短径をＤとし、また図５から図７の様に多角柱状からなる多角形である場合は、その内接円の直径をＤとする。このとき、特に本発明の小径部材の小径部が図４から図７の様な棒状体からなることによって、棒状体のねじれ剛性を向上することができる。これは、図３の円筒状である場合よりも軸直角方向の断面積を広くすることができるからである。ねじれ剛性の改善は、例えば、小径部材を回転工具として使用した場合に、加工精度の向上に有効である。刃部は図３から図７の様に、刃部の加工後の形状によって切削工具、プレス金型等の用途にも適用可能である。
また、棒状体の小径部本体の径であるＡ値は、６００μｍ以下であることが好ましい。これは、Ａ値が６００μｍ以下の場合に耐摩耗性などの小径部材としての特性が十分に発揮されるからである。一方、Ｄ値が５μｍ未満になると、被覆硬質材を形成する前工程におけるプラズマクリーニング工程におけるイオンボンバード処理によって、部材先端の小径部の変形、或いは消滅の可能性があるため、５μｍ以上が好ましい。該小径部に被覆硬質材を形成した後、該被覆硬質材に機械加工等を施すことにより適切な形状の刃部を形成する。これにより被覆硬質材の形成プロセスで発生するプラズマによるエッジ部での被覆硬質材の欠陥やダメージを取り除き、表面の凹凸が極めて少なく、シャープエッジの刃部を有する小径部材が得られる。

本発明での小径部材の刃部は、外周逃げ面とすくい面が交差するエッジ部に切れ刃稜線を形成する。本発明の小径部材は、切れ刃部の少なくとも１部が被覆硬質材で構成されることによって、逃げ面では耐摩耗性の改善効果が得られ、すくい面では被加工物の溶着、凝着等の低減効果が得られる。従って、加工後の被加工物面の精度を向上させることができる。本発明における小径部材の製造方法は、該小径部の先端に被覆硬質材を形成する工程と、機械的加工手段によって該被覆硬質材に刃部を形成する工程とからなることを特徴とする小径部材の製造方法である。被覆硬質材の欠陥を生ぜず、硬質材本来の耐摩耗性、耐熱性が発揮される。更に、切れ刃等の形状もシャープエッジで形成することができ、加工性能も改善することができる。

本願発明の被覆硬質材の少なくとも１層は、硬質炭素材であることが好ましい。被覆硬質材が硬質炭素材である場合、該硬質炭素材の有する固体潤滑材としての特性が被加工物との間に潤滑層を形成し、部材本体の耐摩耗性の改善に寄与するからである。更に、刃部を加工する際の加工性に優れ、シャープエッジの刃部を形成することができる。硬質炭素材は、水素含有非晶質硬質炭素材、水素非含有非晶質硬質炭素材、水素及び金属含有非晶質硬質炭素材、ＳＰ３結合の割合が３０％から９０％の硬質炭素材、実質的にＳＰ３結合のみからなるダイヤモンド材等を含む。一方、硬質炭素材は硬質炭素材を主体とするものであってもよい。即ち、上記の硬質炭素材からなり、全体の３０原子％未満を他の元素で置換されたものであっても良い。ここで他の元素としては、Ｓｉ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｆ、Ｃｌ、Ｏ、Ｓ等が挙げられる。これらの元素との置換によって、耐チッピング性が向上する効果が得られ、好ましい。また、硬質炭素材と棒状体との密着性を維持する目的で、金属層等の密着強化層を組合せることもできる。更に、耐摩耗性を強化し、補強するために、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ、Ｈｆ、Ｆｅ、より選択される１種以上の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物、硫化物から選択される１種以上の固溶体又は混合物からなる耐摩耗性層を組合せることもできる。例えば（ＴｉＳｉ）Ｎ、（ＡｌＣｒＳｉ）Ｎ、ＴｉＮ、ＣｒＮ、（ＣｒＳｉ）Ｎ、（ＡｌＣｒ）Ｎ、（ＴｉＡｌ）Ｎ、ＳｉＣ、ＴａＮ、ＷＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、ＡｌＯ、ＳｉＯ、ＭｏＳ、ＨｆＮ等が挙げられる。窒化硼素、或いは窒化硼素を主体とした被覆硬質材であっても良い。

部材本体は、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金、Ｔｉ基合金、超硬合金、サーメット、窒化硼素焼結体の何れかであることが好ましい。被覆硬質材との組合せを適切に選択することによって、耐摩耗性と耐折損性のバランスが好適である。部材本体は、Ｆｅ基合金としては炭素鋼、ステンレス鋼、高速度鋼が挙げられる。超硬合金のＣｏ含有量としては、３重量パーセントから２０重量パーセントの範囲で各種用途に応じて選択することができる。用途は回転工具に適用し、例えばエンドミル、ドリル、リーマで優れた耐摩耗効果を発揮することができる。以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

棒状体からなる部材本体は、Ｃｏ含有量が７重量％、ＷＣ平均粒径が０．３μｍ〜０．６μｍの超硬合金を使用した。棒状体は大径部と小径部とを備えている。最も径の大きい大径部はシャンク部となり、最も径の小さい小径部が刃部を有する。実施例は、シャンク直径を４ｍｍとした。被覆硬質材をアークイオンプレーティング（以下、ＡＩＰと記す。）法、スパッタリング（以下、ＳＰと記す。）法、あるいは化学蒸着（以下、ＣＶＤと記す。）法により小径部に被覆した。例えばＡＩＰ法でＴｉターゲットを用いた場合、小径部の表面にＴｉＮ材を被覆した。その後、小径部の直径が目的値となるように研削加工を実施した。図８より、本発明例５の模式図で、逃げ面６とすくい面７が交差する切れ刃稜線となるエッジ部８を形成し、心厚がＢ、刃部の直径がＤの２枚刃エンドミルに近似の工具形状を作成した。表１に小径部材について本発明例１から３５を示した。また比較例も併記した。比較例は予め超硬合金の棒状体に切れ刃稜線と刃溝を形成した２枚刃エンドミル形状に研削加工し、その後硬質皮膜を約１μｍ被覆したものを用いた。

小径部材の断面積の測定には、刃部の軸直角断面を鏡面加工し、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと言う。）により実測した。測定誤差は、機械的に軸直角断面切断し鏡面加工していること、さらに表面の凹凸等による測定誤差を考慮すると、少なくとも±２μｍの測定誤差が生じると考えられる。表１内でＡＩＰ＋ＳＰは、ＡＩＰ法とＳＰ法の同時稼動を示す。ＣＶＤは熱ＣＶＤ示し、ＰＣＶＤはプラズマＣＶＤを示し、ＥＢは電子ビームを用いたイオンプレーティング法を示す。超硬合金は、特に断りのない限り前述の組成を有する超硬合金である。切削評価には下記に示す切削条件を用いた。条件は被削材にアルミ合金ダイカストであるＡＤＣ１２材を使用した。切削寿命の評価は、同一試料で３本加工し、切削長さの平均値を折損寿命として示した。
（切削条件）
工具：２枚刃エンドミル
切削方法：側面仕上げ切削加工
切り込み：軸方向、５μｍ、径方向、１μｍ
切削速度：６ｍ／ｍｉｎ
送り：１μｍ／刃
切削油：なし

表１に示す様に本発明例１から２６は、比較例２７、２８に対して安定した折損寿命が得られ、本発明の効果が確認された。本発明例１から１６、及び１９から２６は、同様な超硬合金の棒状体上に、異なる種類の被覆硬質材を用いた場合を示す。
本発明例１から３は被覆硬質材が硬質炭素材、本発明例４はダイヤモンド材の場合を示す。ここでは刃部に被削材の溶着現象が見られず、また潤滑特性の効果も現れ、優れた折損寿命が得られた。
また表１には、棒状体の軸直角断面の形状を併記した。形状については、本発明例５と６、本発明例７と８、本発明例９と１０、本発明例２５と２６、の組合せを比較することによって、その効果を確認することができる。即ち、小径部における棒状体の断面形状が、円形より多角形状や楕円形状やある場合にねじれ剛性が高くなり、より優れた折損寿命が得られた。本発明例１６及び本発明例１９から２１は、被覆硬質材からなる刃部の軸直角断面積であるＳ値が異なる場合を示す。Ｓ値のより大きい方が工具寿命は長く、好ましい結果であった。一方、比較例２７、２８は、被覆硬質材の剥離や、刃部に早期欠損が発生し、異常摩耗から工具の折損に至る結果となった。これは、予め刃部が形成されていた基体に被覆したことにより、凹凸面や切れ刃稜線部に被覆硬質材の構造欠陥が生じてしまったことが原因と考えられる。

図１は、被覆小径部材の正面図を示す。 図２は、図１の小径部の拡大図を示す。 図３は、図２の小径部の左側面図を示す。 図４は、刃部を形成した後の左側面図を示す。 図５は、刃部を形成した後の左側面図を示す。 図６は、刃部を形成した後の左側面図を示す。 図７は、刃部を形成した後の左側面図を示す。 図８は、本発明例５の小径部の断面模式図を示す。

符号の説明

１：棒状体
２：被覆硬質材
３：大径部
４：小径部
５：刃部
６：逃げ面
７：すくい面
８：切れ刃稜線のエッジ部
Ａ：部材本体の直径
Ｂ：心厚
Ｄ：刃部の直径
Ｓ：刃部の軸直角方向の断面積

Claims (4)

1. 小径部材は棒状体からなり、該棒状体の先端部に被覆硬質材を有し、該被覆硬質材は刃部を有していることを特徴とする小径部材。
2. 請求項１に記載の小径部材において、該刃部は切れ刃稜線、刃溝を有することを特徴とする小径部材。
3. 請求項１又は２に記載の小径部材において、該被覆硬質材の少なくとも１層は、硬質炭素材であることを特徴とする小径部材。
4. 請求項１に記載の小径部材の製造方法において、該棒状体の先端に被覆硬質材を形成する工程と、機械的加工手段によって該被覆硬質材に刃部を形成する工程とからなることを特徴とする小径部材の製造方法。
   

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