JP4812255B2 - 切削工具の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は寿命の長い切削工具を製造する方法と、寿命の長い切削工具に関する。本発明における切削工具には、所謂使い捨てタイプのスローアウエィチップや、被削材を切削する切刃チップと工具本体をガイドするガイドチップを銀ロー付け材などによって工具本体にロー付けした切削工具が含まれる。被削材に接触し擦れ合う部分であるチップやガイドは超硬合金で作られる。チップやガイドを支える工具本体は特殊鋼などで作られる。このような切刃等をロー付けした工具の場合も被処理物の加工を行う内に摩耗して切刃の刃先が鈍磨してくるともはや使いものにならず、そこで寿命は終わる。スローアウエィチップは、そのものだけを使い捨てすればよいが、切刃等をロー付けした切削工具にあっては工具本体ごと新しいものに交換しなければならない。

切削工具の寿命の定義は様々であるが、ある特定の同一形状、同一物質の対象物を幾つ加工できるかということで寿命を定義することができる。対象物である被削材を４０個加工できる切削工具は、同じ対象物を２０個加工できる切削工具に比べ寿命が２倍だということができる。

特公昭６１−４０４８５号「ソリッドタイプの切削刃」 特公昭６１−４０４８６号「スローアウエイチップ」 特開２００３−２３６７１３「深孔切削用スローアウエイチップと深孔切削用スローアウエイドリル」 特許第２７０２０６１号「ドリルヘッド」 特許第２６５５９９５号「二枚刃切削工具」 実公平７−３９５２３号「深孔切削用ドリルヘッド」 実公平７−１２２０号「深孔加工用超硬ドリル」

特許文献１〜３は本出願人になるスローアウエイチップの文献である。これは単独の切刃をもつチップでありボルトによって回転治具に固定される。図１にその一例を示す。平行四辺形で長辺の両側が切断刃になり真ん中にボルト止め孔がある。

特許文献４〜７は本出願人になる切刃やガイドを工具本体にロー付けした切削工具である。例えば、中空の回転軸からなる工具本体の先端に切刃とガイドの小片が埋め込まれている。図２にその一例を示す。本発明はそれらの切削工具のどれにも適用できるし、それ以外の一般の切削工具にも適用することができる。適用範囲の広い発明である。

切削工具の切刃の部分やガイドの部分はＷＣ、ＳｉＣ、ＴｉＣなどの超硬合金で作られる。超硬合金の切刃はだいたい黒鼠色である。極めて硬い材料であるがそれでも超硬合金単独では欠けたり摩耗したりしやすいので、切刃部分の表面に硬質の薄膜を被覆する事が多い。それはＴｉとアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮなどである。ＣＶＤ（化学的気相合成法）で付けることもあるし、ＰＶＤ（物理的気相合成法）で付ける場合もある。

ＣＶＤは被膜の成分となる化学物質を原料として、これを加熱蒸発して気相で化学反応をおこさせ基材の上に堆積させるものである。原料ガスを励起する手段によって、幾つかのＣＶＤ法がある。ヒータによる抵抗加熱、フィラメント加熱あるいはランプ加熱によって基材と原料を加熱するのが熱ＣＶＤ法である。原料の組成によるが、これは１０００℃以上の高温を必要とすることが多い。それでは温度が高すぎて困るという場合は原料に高周波、マイクロ波をかけてプラズマ状態にして化学反応をおこさせるというのもある。それはマイクロ波ＣＶＤと呼ぶ。

ＰＶＤ法は化学反応を用いないで原料を蒸発させ基材へ直接に堆積させるものである。これは化学反応を介さないから５００℃〜７００℃程度の低い温度で被膜を形成できる。

硬質被膜をＣＶＤ、ＰＶＤ法で超硬合金の切刃やガイドの上に被覆したものは、超硬合金の地肌のままのものよりも耐摩耗性や硬度が上昇しており、長寿命である。しかしさらに長寿命の切削工具が望まれる。本発明は、超硬合金生地のままの工具や、超硬合金下地を硬質被膜で被覆した工具よりもさらに耐摩耗性、硬度に優れ、より数多くの被処理物を加工できるようにした切削工具を提供することを目的とする。

本発明の切削工具は、超硬合金の切刃やガイドや切削チップを、Ｔｉ化合物からなる硬質被膜で一旦覆い、それを更にダイヤモンド砥粒を用いたラッピング（ｌａｐｐｉｎｇ）加工によって被膜の一部を削り取って超精密平坦仕上げするものである。砥粒加工の一例であるラッピングというのはダイヤモンド砥粒等の砥粒材を使って厚みを減らすための一種の研磨であるが、工具の形状が許せばダイヤモンド砥粒を含んだバフラッピング（研磨布、定盤、砥粒、研磨液）をする。それによって一旦形成した硬質被膜の一部を削り取る。それによって表面より平滑平坦にして加工による減耗を防ぎ長寿命にすることができる。

工具の形状に凹凸が多くてバフラッピングができない場合は、砥粒を吹き付けて被膜の一部を削り取る。被膜の全部を削り取るのではなくて、一部を除去するのである。

より詳しく順をおって説明する。初めの硬質被膜形成はＣＶＤでもＰＶＤでも可能であるが、本発明ではＰＶＤを用いる。ＰＶＤ法によると１μｍ〜５μｍ程度の薄いＴｉＮ、ＴｉＡｌＮなどの被膜を形成できる。工具本体に切刃やガイドをロー付けした複合的な切削工具の場合は、ＣＶＤ法のように１０００℃もの高温にするとロー付けがはずれてしまうので、５００℃〜６００℃ですむＰＶＤ法を使う。被膜材料によるが硬質被膜を付けたものは金色等の着色を帯びた外観を呈する。硬質被膜の一例としては次のチタン化合物を挙げることができる。

（硬質被膜の種類）
ＴｉＣＮＯ
ＴｉＡｌＮ
ＴｉＮ

従来はそのような形態で切削工具として使っていたのであるが、本発明はさらに被膜をダイヤモンド砥粒を用いたラッピング加工によって一部除去する。被膜の３０％〜７０％程度をラッピングで除去してしまう。そうしたものはやはり金色等の着色で外観はあまり変わらないが先ほどの（ラッピングしない）ものよりもやや光沢が増えているようである。

たとえば２μｍの被膜を付けたものは１μｍ削って１μｍの厚みに減らす。たとえば５μｍの被膜を付けたものは２μｍ〜３μｍラッピングして２μｍ〜３μｍの厚みに減らす。

本発明は、被膜形成＋ラッピング加工による被膜除去によって長寿命の切削工具を提供するものである。初めの被膜形成は通常の切削工具でも普通に行われているから、後段のラッピング加工による被膜除去が新規な工夫である。

折角付けた硬質被膜の一部を取ってしまうのはいかにももったいないような気がする。しかしダイヤモンド砥粒を使ったラッピング加工によって、被膜の一部を除去した本発明の切削工具はラップ（超精密研削）しないものより優れた切削性能を有することが分かった。

本発明は、一旦形成された硬質被膜を一部削り取って、より薄い被膜をもつ超硬合金の切削工具を与える。それによって被膜の表面がより平滑になり被処理物をより数多く加工することができるようになる。これが本発明の利点である。

即ち、本発明によれば、従来の切削工具に比べて格段に長寿命の切削工具を製造することが可能である。

たとえば、ＰＶＤ法でＴｉＡｌＮの２μｍの被膜を形成した工具を用いて、ある大きさ、ある組成の硬い鋼材試料に穿孔加工を行った場合、１０個〜２０個加工すると刃先が鈍摩して使えなくなった。つまり被処理物で数えた寿命が１０〜２０個だということである。同じ切削工具で同じようにＰＶＤでＴｉＡｌＮの２μｍの被膜を形成した工具を使って、同じ鋼材試料に穿孔加工を行った場合、８５〜１５０個の鋼材試料に穿孔加工をすることができた。本発明の切削工具は、従来のものに比べて５倍〜１０倍程度に寿命が延びたということである。

図１は所謂使い捨てタイプのスローアウエィチップからなる切削工具１ａを示し、図２は筒状の工具本体２に切刃３やガイドチップ４を銀ロー付けした切削工具１ｂを示し、これらの切削工具１ａ，１ｂ全体にＴｉＡｌＮを厚み２μｍになるようＰＶＤコートした切削工具を試料１とする。試料１にダイヤモンド砥粒を吹き付けて先端部の被膜を一部除去（ラッピング）して平均厚みを１μｍとしたものを試料２とする。試料１（ラッピングなし）によって鋼材の被処理物に長孔を穿孔したところ１０〜２０個程度で刃先が鈍摩して使用不能になった。試料２（ラッピングしたもの）によって同じ鋼材の被処理物に同じ寸法の長孔を穿孔したところ、８５〜１５０個の加工が可能であった。

どうしてそのような著しい寿命の違いがあるのかを推測するために、表面の粗さを調べた。
試料１、２の切刃の部分の３ｍｍの長さを評価長さにとって、表面粗さ計（三豊製ＳｕｒｌｉｃｅｔＳＴー４００型）によって表面の凹凸をスキャンした。その結果を示すのが図３、４である。縦軸が長さ方向の座標である。１ｃｍが２００μｍにあたり全長が１５ｃｍである。横軸が凹凸の高さであり１ｃｍは１μｍである。

試料１（ラッピングしない）は平均２μｍの厚みがあるのであるが、それはあくまで平均である。図３のチャートをよく見ればわかるように厚みに大きなバラツキがある。だからどこでも厚みが２μｍであるのではなくてある部位では１μｍであり、ある部位では３μｍ厚みということもある。図３において中心縦軸が平均２μｍ厚みを示し、それより左は２μｍより薄いものを示し、中心縦線から左２ｃｍのところが基材（超高合金地肌）である。

平均よりも１μｍ厚い３μｍ厚みの部位が上から４．８ｃｍ（測定起点から９６０μｍ）のところにある。その部分は凹凸が激しくてすぐ直近の部位に平均よりも１μｍ薄い１μｍ厚みの部分もある。その付近での厚みのゆらぎは大きくて１μｍ〜３μｍ厚み変動を示す。山の高さは＋１μｍの部分もあり＋０．７μｍ、＋０．６μｍの部分も３箇所ある。その他＋０．５μｍの部分もある。谷（中心線より左）は−１μｍの部分が最深部である。−０．７μｍの部分はその近傍に４箇所ある。−０．５μｍを越える部分はさらに多い。それらの部分が険しい山谷をなす。そのような局所的な厚み揺らぎの大きい部分は上から４．１ｃｍ（測定起点から８２０μｍ）の部分にもある。

そのような局所ゆらぎはＴｉＡｌＮ被膜はかなり大きい多結晶粒子が組み合わさってできているということを示唆する。
それだけでなくて、凹凸の少ない上から７〜８ｃｍ（起点から１４００〜１６００μｍ）の部分では厚みが広い範囲でゆっくりと変化している。厚みの変化は約１μｍである。

一方図４はラッピング後の被膜凹凸の同じ検査の結果を示す。厚み平均は１μｍであるから、中心縦線は１μｍの高さを示す。右へ１ｃｍよったものが厚み２μｍ、左へ１ｃｍよったものが厚み０μｍに対応する。しかし０μｍ厚みの部分は存在しない。最も深い谷で−０．６μｍの程度である。多くは−０．５μｍより厚くなっている。それに先ほどの局所的に凹凸の激しい部分が消失している。山の高さ（中心線から右への偏奇）も最大で０．５μｍ程度である。谷の深さも−０．５μｍ以内である。だから凹凸が中心線の左右±０．５μｍの範囲に大体含まれている。比較的変動の強い４．８ｃｍ〜６ｃｍ（測定起点から９６０〜１２００μｍ）でも山は＋０．５μｍより低く、谷は−０．５μｍを越えない。そのようにラッピングは厚みを減らすだけでなくて表面の凹凸をも減らすという作用がある。

巨視的にはなかなか分かりにくいが細かく見れば違いがわかる。凹凸を減らすといっても一様なのではなくて特に隆起陥没の著しいところが矯正されるのであり、初めから穏やかな凹凸がある部分はあまり変化がないのである。だから全体として表面凹凸の数が減り山谷の深さもより小さくなっている。

そのような表面の凹凸の軽減が、ラッピング後の切削工具が被処理物金属面との摩擦を減らし粒界剥離の頻度を減少させているのであろう。初めに４μｍの厚さの被膜を被覆したとしても被処理物の加工をすることによって連続的に４μｍ→３μｍ→２μｍ→１μｍというように厚みが減少していくのではない。直径が４μｍ〜３μｍの結晶粒界があって表面から突出していると、それがポロっと取れるということもある。その場合はその部分は下地（生地）が露出する。下地は超硬合金であるから摩耗の進行が速い。つまり大きい結晶粒界が表面に突出して存在していれば、それは被処理物との接触で剥離しやすく、それが剥離すれば刃物としての寿命も終るということになる。

本発明はラッピングして表面を削り落とすから大きい結晶粒界がなくなり表面の凹凸が減り被処理物との接触によって多結晶の粒界がはげ落ちる可能性が減る。だから、被膜は薄いにも拘らずラッピングしないものよりも多数の被処理物を加工することができるようになるのであろう。

図３、図４を比較して考察すると、上記の推測が正しいことが分かる。それを数字で表現することは難しいので工具切刃の面粗度を測定して比較した。面粗度というのは幾つもの定義があり平均値を使うので必ずしもミクロの表面のランダム構造を表現しない。しかし直接に計算でき定義できるものは面粗度しかないので、それを測定したところ次のとおりであった。

ラッピング前 ラッピング後（本発明）
算術平均粗さ・・・・Ｒａ ０．１４μｍ ０．１３μｍ
最大高さ・・・・・・Ｒｙ １．６μｍ １．３μｍ
十点平均粗さ・・・・Ｒｚ １．２μｍ １．０μｍ
二乗平均平方根高さ・Ｒｑ ０．１８μｍ ０．１６μｍ

この他にＲｍａｘというものもあるが、これは最高突出部高さと最低谷深さの差であるからミクロの面の凹凸を表現しない。それでＲｍａｘは使わない。Ｒａは平均高さを基準として高さの絶対値を積算して点の数で割ったものであり平均値からのズレの絶対値の平均である。これは平均してしまうので凹凸の局所的な乱れがあってもなくても同じようになるから必ずしも切刃の平滑性を表現するのに適切でないが、これを計算した。ラッピング前はＲａ０．１４μｍであり、ラッピング後はＲａ０．１３μｍであるから、Ｒａが０．０１μｍ減少して、より平滑になったということが分かる。

Ｒｙというのはより局所的な特徴を反映できる面粗度である。これは評価長さ（０．４ｍｍ、１．２５ｍｍ、４ｍｍ、１２．５ｍｍ、４０ｍｍ）を決めて、それぞれの評価長さに対して基準長さ（０．０８ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．８ｍｍ、２．５ｍｍ、８ｍｍ）というように大体評価長さの１／５の長さに決め、基準長さの中で最大山高さと最低谷深さを求める。それらの高さと深さを足したものの平均がＲｙである。

つまり基準長さでの最高峰と最低谷の高さの差の平均値である。全体での最高値と最低値の差を表すＲｍａｘと違うのは、Ｒｙは基準長さ内の最高値と最低値の差を求めるということである。この面粗度Ｒｙは定義から当然にＲａよりも局所的な不規則、凹凸をより直接に反映する。基準長さ、評価長さによってＲｙの値が異なってくるからＲｙの値によって評価長さと基準長さが決められる。ここでは評価長さが３ｍｍなので基準長さは０．６ｍｍである。従来例（ラッピングなし）はＲｙが１．６μｍであるが、本発明（ラッピング後）ではＲｙが１．３μｍとなっている。

つまりラッピングによって山の高さ溝の深さの合計が減ったということである。それは狭い範囲での凹凸の違いが少なくなったということを意味する。硬質被膜（ＴｉＡｌＮ）の表面に砥粒を吹き付けるか、または砥粒を用いたバフ研磨によって削るのだから、山も谷も同様に削られるようなものであるがそうでなく、凹凸変化の周期が狭いので山の方がより顕著に削られるのである。それによって山谷の高低差が減ったということである。０．３μｍの減少であるが平均値がそれだけ減ったのだからかなり大きい減少だということがわかるのである。ＲｙはＲａよりも局所不規則をより強く表現できるパラメータであるが、それによってもラッピングによる凹凸の減少平滑度の高揚ということがわかる。

もう一つの面粗度Ｒｚというのは、やはり評価長さ（０．４ｍｍ、１．２５ｍｍ、４ｍｍ、１２．５ｍｍ、４０ｍｍ）を決めておき、それに対応して基準長さを（０．０８ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．８ｍｍ、２．５ｍｍ、８ｍｍ）というように大体１／５に決めておき基準長さ内で最も高い山に着目し、最高山から数えて５番目までの山の高さ（平均値からのズレ）の合計と、最も深い谷と最深谷から数えて５番目までの深さ（平均値からのズレの絶対値）の合計とを足し合わせて５で割ったものの平均値である。これは基準長さでの最高峰と最低谷の高低差（Ｒｙ）でなくて、それに隣接する４つの山や谷の高低差も加味したものである。Ｒｙと同様に局所的な変動を反映しやすいパラメータである。

面粗度Ｒｚで比較すると、従来例（ラッピングなし）でＲｚ１．２μｍで、本発明（ラッピング済み）ではＲｚ１．０μｍであり、０．２μｍの差異がある。たった０．２μｍの違いだから微差のようにみえるが、それは平均値の違いなのだから有意の差がある。この結果もラッピングによって山がより強く削られて谷がさほど削られないから近接する凹凸の差異が減少したということを意味しているのである。

スローアウエイチップからなる切削工具を示す斜視図。 切刃とガイドチップを工具本体にロー付けした切削工具を示す斜視図。 超硬合金の切削工具の上にＴｉＡｌＮの硬質被膜をＰＶＤ法によって平均２μｍの厚みに形成したもの（従来例）の被膜上に取った基準長さ３ｍｍの直線領域における表面高さ分布を示すグラフ。縦軸は基準長さ上の位置（５０倍：２００μｍ／ｃｍ）、横軸は右方向に表面高さの平均値からのずれ（１００００倍：１μｍ／ｃｍ）を示す。Ｒａ０．１４μｍ、Ｒｙ１．６μｍ、Ｒｚ１．２μｍであった。 超硬合金の切削工具の上にＴｉＡｌＮの硬質被膜をＰＶＤ法によって平均２μｍの厚みに形成しダイヤモンド砥粒を吹き付けるラッピング処理をして平均厚みを１μｍに減少させたもの（実施例）の被膜上に取った基準長さ３ｍｍの直線領域における表面高さ分布を示すグラフ。縦軸は基準長さ上の位置（５０倍：２００μｍ／ｃｍ）、横軸は右方向に表面高さの平均値からのずれ（１００００倍：１μｍ／ｃｍ）を示す。Ｒａ０．１３μｍ、Ｒｙ１．３μｍ、Ｒｚ１．０μｍであった。

Claims (2)

1. 超硬合金で作製した切削工具の表面を、物理的気相合成法により、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＮのいずれかのＴｉ化合物からなる厚みが１μｍ〜５μｍの硬質被膜によって被覆し、しかる後に該切削工具の硬質被膜をダイヤモンド砥粒を用いたラッピング加工にて削り取ることにより、該硬質皮膜の厚みを３０〜７０％減少させると共に、該硬質被膜表面の算術平均粗さＲａ，最大高さＲｙ，十点平均粗さＲｚ，二乗平均平方根粗さＲｑの各面粗度指標の値をいずれもラッピング加工前よりも減少させることを特徴とする切削工具の製造方法。
2. 前記硬質被膜がＴｉＡｌＮからなる請求項１記載の切削工具の製造方法。

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