JP4844654B2

JP4844654B2 - 溝付き工具

Info

Publication number: JP4844654B2
Application number: JP2009170231A
Authority: JP
Inventors: 康史大田; 寛池内
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2009233851A

Description

本発明は、工具本体に切屑排出溝を有して、その内面にコーティング膜が被覆されるとともに、この内面と交差する工具本体表面との交差稜線部に切刃が形成された、穴加工工具や各種エンドミルのような溝付き工具に関するものである。

このような、工具本体表面との交差稜線部に切刃が形成される切屑排出溝の内面にコーティング膜が被覆された溝付き工具としては、例えば特許文献１に、加工穴深さがドリル直径の３倍を越えるような深穴の加工用ドリルとして、ドリルの切刃および切屑排出溝にＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ等の高融点硬質物質を物理蒸着（ＰＶＤ）によってコーティングした後、溝部表面の微細突起を、研磨布またはバフによる研磨もしくは細かいＷＡ砥粒をショット粒子として加圧気体で吹きつけることにより除去したものが提案されている。また、特許文献２には、同様に深穴加工が可能な切刃部の長いドリルにおいて、切屑排出溝の内周面に硬質皮膜を被覆した後にポリッシュ加工を施すことが記載されている。

ここで、これら特許文献１、２においてコーティング膜を被覆した後に研磨布やバフ、ポリッシュ加工による研磨あるいはショット粒子を吹きつけて切屑排出溝内面の微細突起を除去しているのは、上記物理蒸着の際にコーティング膜に成長、付着したこれら微細突起や微細粒子が切屑排出溝内での切屑の円滑な流れを妨げ、切屑排出抵抗の増大や切屑詰まりを生じてしまうからである。

特開２０００−５２１１９号公報特開２００３−２７５９１０号公報

しかしながら、このように切屑排出溝の内面を研磨やショット粒子の吹きつけによって滑らかにしたドリルでは、切刃によって生成された切屑が何等抵抗を受けずにそのまま流れ出てしまうために著しく伸び気味となり、ドリルや工作機械に絡みついたりして穴明け加工作業に支障を来したり加工穴の内周を傷つけてその精度を損なったりするおそれがあった。また、このような研磨や特にショット粒子の吹きつけを切屑排出溝内面に施すと、その影響がこの内面と工具表面との交差稜線部に形成された切刃や切刃近傍に及んでしまうことは避けられず、切刃が丸められてしまってその切れ味が損なわれたり、場合によっては切刃近傍のコーティング膜が剥離して切刃の摩耗が促進され、コーティング膜を被覆したにも拘わらず工具寿命が短縮されてしまうおそれもあった。

本発明は、このような背景の下になされたもので、切屑排出溝内面がコーティング膜で被覆された上記ドリルのような穴加工工具やエンドミル等の溝付き工具において、切屑の形状を制御することにより伸び気味の切屑がそのまま排出されたりするのを防いで円滑かつ安定した切屑処理を可能とするとともに、切刃が丸められたり切刃近傍のコーティング膜が剥離したりするのも防いで、該切刃に鋭い切れ味と十分な耐摩耗性とを確保することが可能な溝付き工具を提供することを目的としている。

上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、概略軸状の工具本体に切屑排出溝が形成され、この切屑排出溝の内面と上記工具本体の表面との交差稜線部に切刃が形成されるとともに、上記切屑排出溝の内面にはコーティング膜が被覆された溝付き工具であって、上記工具本体は切削時にその中心軸線回りに回転されるとともに、上記切刃は、この工具本体の先端面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部と、上記工具本体の外周面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部とに形成され、上記コーティング膜には、上記切刃側の所定の範囲内において０．１μｍ〜５．０μｍの微細粒子または微細突起が突出している一方、この範囲よりも上記切刃から離れた範囲では上記微細粒子または微細突起が突出していないとともに、上記微細粒子または微細突起が突出した範囲は、上記工具本体の外周面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部に形成された切刃との間隔が、上記工具本体の先端面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部に形成された切刃との間隔よりも小さくされていることを特徴とするものである。

このように構成された溝付き工具においては、コーティング膜が被覆された切屑排出溝内面と工具本体表面との交差稜線部に形成された切刃から所定の範囲内では、このコーティング膜に０．１μｍ〜５．０μｍの微細粒子または微細突起が突出したままであるため、切刃によって生成された切屑は、まずこの範囲でこれら微細粒子または微細突起によって抵抗を受け、これにより伸び気味のままとなることなく細かく分断されて切屑処理に適当な形状、長さに制御される。また、切刃側の上記所定の範囲では微細粒子または微細突起が残されたままで除去されることがなく、すなわち研磨やショット粒子の吹きつけを受けることがないので、切刃が丸められたり切刃近傍のコーティング膜が剥離したりすることもない。

その一方で、この所定範囲よりも切刃から離れた範囲では、これら微細粒子や微細突起が除去されたりすることによってコーティング膜に突出していない状態とされていて、切屑排出溝内面が滑らかとされているので、切屑排出抵抗の増大や切屑詰まりを招いたりすることもなく、安定的かつ速やかな切屑排出を促すことができる。従って、上記構成の溝付き工具によれば、切刃に鋭い切れ味とコーティング膜による十分な耐摩耗性とを確保しつつも良好な切屑処理性を得ることができ、工具寿命の確実な延長と加工精度の向上とを図るとともに円滑な切削作業を促すことが可能となる。

さらに、上記工具本体は切削時にその中心軸線回りに回転されるとともに、上記切刃は、この工具本体の先端面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部と、上記工具本体の外周面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部とに形成され、上記微細粒子または微細突起が突出した範囲は、上記工具本体の外周面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部に形成された切刃との間隔が、上記工具本体の先端面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部に形成された切刃との間隔よりも小さくされている。これは、エンドミルの外周刃のように工具本体の外周面と切屑排出溝の内面との交差稜線部に形成された切刃との上記間隔が、エンドミルの底刃のように工具本体の先端面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部に形成された切刃との間隔以上であると、切込み深さ等にもよるが一般に外周刃による切屑は底刃の切屑よりも幅広となるために、切削時に切屑から工具本体が受ける抵抗も底刃側の場合に比べて大きくなり、工具本体にびびり振動が生じたりして円滑な切削や加工精度を損なったりするおそれがあるからである。

なお、工具本体の先端面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部に形成された上記エンドミルの底刃などの切刃については、上記微細粒子または微細突起は、この切刃との間隔が該切刃の上記中心軸線回りの回転直径Ｄすなわち切刃外径に対して０．０１×Ｄ〜３．０×Ｄの位置よりも上記切刃側の範囲内に突出させられているのが望ましい。これは、微細粒子または微細突起が突出する範囲が切刃から０．０１×Ｄよりも切刃側の範囲までであると、切屑に上述のような抵抗を十分に与えることができずにその形状等を制御することができなくなったり、切刃が丸められるのを防止したり切刃近傍でのコーティング膜の剥離を確実に防ぐことができなくなったりするおそれがあるからであり、逆に３．０×Ｄよりも切刃から離れた範囲まで微細粒子または微細突起が突出する範囲が残されていると、切屑から受ける抵抗が大きくなったり切屑詰まりを生じたりするおそれがあるからである。

本発明の参考例を示すドリルの側面図である。図１に示す参考例の先端部の拡大側面図である。本発明の実施形態を示すエンドミルの側面図である。図３に示す実施形態の先端部の拡大側面図である。図３に示す実施形態の切刃部１３中程の拡大側面図である。

図１および図２は、本発明の実施形態を説明する上での参考例を示すものであって、ドリルを示している。すなわち、本参考例において工具本体１は、超硬合金等の硬質材料により形成されて軸線Ｏを中心とした概略円柱軸状をなし、その後端部（図１において右側部分）は円柱状のままのシャンク部２とされて、切削時にはこのシャンク部２が工作機械の主軸等に把持され、中心軸線Ｏ回りに図中に符号Ｔで示す回転方向に回転させられてワークの穴明け加工に供される。また、工具本体１の先端部（図１において左側）は切刃部３とされ、この切刃部３の外周には、当該工具本体１の先端面に開口して後端側に向かうに従い上記軸線Ｏ回りに上記回転方向Ｔの後方側に一定の捩れ角で捩れる一対の切屑排出溝４が軸線Ｏに関して対称に形成され、これらの切屑排出溝４の内面のうち回転方向Ｔを向く部分の先端側辺稜部、すなわちこの切屑排出溝４の回転方向Ｔ側を向く内面部分と工具本体１の表面であるその先端面（先端逃げ面）との交差稜線部には、それぞれ切刃５が形成されている。

さらに、この切屑排出溝４の内面には、その全面に渡ってコーティング膜６が被覆されている。このコーティング膜６は、例えばＴｉ，Ａｌ，Ｖ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｈｆの１種または２種以上を含む金属の炭化物、窒化物、または炭窒化物よりなるものであって、代表的にはＴｉＣ，ＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ，ＴｉＡｌＣ，ＴｉＡｌＣＮなどの高融点硬質皮膜であり、イオンプレーティング法やスパッタリング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法によって所定の膜厚でコーティングされる。ただし、こうしてコーティングされたままのコーティング膜６の表面には、上記金属の炭化物、窒化物、または炭窒化物による微細粒子または微細突起が０．１μｍ〜５．０μｍ程度の大きさで疎らに突出した状態とされている。

そして、このように突出した微細粒子または微細突起を、例えば研磨砥粒を含有したブラシで切屑排出溝４内面を研磨したり、研磨布やバフ、ポリッシュ加工による研磨あるいはショット粒子の吹きつけ等によって除去するのであるが、このとき本参考例では、切屑排出溝４内面の上記切刃５から所定の範囲７内においてはこの突出した微細粒子または微細突起を残したままとして、それ以外の範囲（図２において打点をつけた部分）８の微細粒子または微細突起を研磨等により除去する。なお、このように切刃５から所定の範囲７に微細粒子または微細突起が残るように切屑排出溝４内面に研磨等を施すには、例えばこの微細粒子または微細突起を突出させる上記範囲７にマスキングを施したりした上で研磨を行えばよい。

従って、上記範囲７においては、０．１μｍ〜５．０μｍの微細粒子または微細突起が突出したままの状態とされ、その表面粗さがこれ以外の微細粒子または微細突起が除去された上記範囲８よりも粗くされている。なお、本参考例では切刃５の工具本体１後端側に連なる上記範囲７以外の切屑排出溝４内面は、回転方向Ｔ側（ヒール側）から回転方向Ｔ後方側（マージン側）の全面に渡ってコーティング膜６の微細粒子または微細突起が除去されている。また、この範囲８におけるコーティング膜６は、その表面から微細粒子または微細突起が除去されるだけであるので、その膜厚に大きな変化はない。さらに、工具本体１の上記先端面やマージンやヒールを含んだ工具本体１の外周面にもコーティング膜１８を被覆してもよい。

ここで、本参考例のドリルのように、切削時にその中心軸線Ｏ回りに回転される工具本体１の上記先端面（先端逃げ面）と切屑排出溝４の内面との交差稜線部に切刃５が形成されている場合には、上記微細粒子または微細突起が突出させられる範囲７は、この切刃５との間隔Ｌが該切刃５の上記中心軸線Ｏ回りの回転直径Ｄ、すなわち当該ドリルの外径に対して軸線Ｏ方向に０．０１×Ｄ〜３．０×Ｄの位置よりも切刃５側とされるのが望ましい。なお、この範囲７は、図２においては切刃５からの上記間隔Ｌが、該切刃５に沿って略一定の幅をなすようにされているが、０．０１×Ｄ〜３．０×Ｄの範囲内であれば間隔Ｌが一定でなくても構わない。また、本参考例のドリルは、この切刃５の回転直径（ドリル外径）Ｄに対して、切屑排出溝４が形成された上記切刃部３の軸線Ｏ方向の長さが８×Ｄ以上とされた深穴加工用のドリルとされている。

このように構成された本参考例の溝付き工具（ドリル）においては、切刃５に連なる切屑排出溝４の内面のうち回転方向Ｔを向いて該切刃５のすくい面となる部分の切刃５側の所定の範囲７に、コーティング膜６の微細粒子または微細突起が突出したままの状態とされているため、この範囲７では切刃５によって生成された切屑に大きな抵抗を与えることができ、これによって切屑を短く分断してその形状や長さを制御し、切屑排出溝４の後端側に送り出すことができる。また、こうして切刃５側の範囲７でコーティング膜６が研磨されたりすることなく微細粒子や微細突起が突出したままとされていることにより、この研磨の際に切刃５が丸められたり範囲７内でコーティング膜６が剥離したりすることもないので、この切刃５に鋭い切れ味とコーティング膜６による高い切刃強度や優れた耐摩耗性とを確実に確保することができる。

その一方で、この範囲７以外の切屑排出溝４内面の後端側の範囲８ではコーティング膜６の研磨等により微細粒子や微細突起が除去されて平滑な状態とされているので、こうして分断された切屑を抵抗の増大や切屑詰まりを生じされることなく速やかに排出することが可能となる。従って、上記構成の溝付き工具によれば、たとえ上述のような深穴加工用のドリルであっても良好な切屑処理を図ることができて、伸び気味の切屑がそのまま排出されたりすることで作業に支障を来したりすることなく円滑な穴明け加工を行うことができ、また切屑詰まりや抵抗の増大によるドリルの折損や加工穴内周面の傷付きなどを防いで、加工精度の向上を図るとともに、コーティング膜６の被覆による効果とも相俟って工具寿命を確実に延長させることが可能となる。

ところで、本参考例のように、切刃５が、切削時に軸線Ｏ回りに回転される工具本体１の先端面とこの回転方向Ｔを向く切屑排出溝４内面との交差稜線部に形成されたドリルなどの場合、切刃５によって生成された切屑は、コーティング膜６のうち上記微細粒子や微細突起が突出した範囲７を擦過して切屑排出溝４内を工具本体１の後端側に押し出されるように排出されることとなるため、切刃５からのこの範囲７の間隔Ｌが大きすぎると切屑に与えられる抵抗が大きくなりすぎ、工具本体１の回転駆動力の増加や、場合によっては却って切屑詰まりを生じてしまうおそれがある。これは、特に本参考例のような深穴加工用のドリルにおいて顕著である。

ところが、これとは逆にこの範囲７の間隔が小さすぎても、切屑に十分な抵抗を与えて分断することができなくなったり、また研磨等によって上記範囲８の微細粒子や微細突起を除去する場合には、範囲７まで研磨が及んでコーティング膜６が剥離したり切刃５が丸められたりするおそれもあるので、この範囲７は、本参考例のように切刃５の軸線Ｏ回りの回転直径Ｄに対して０．０１×Ｄ〜３．０×Ｄとされるのが望ましい。特に、ドリルのような溝付き工具に本発明を適用する場合には、こうして切刃５の回転直径（ドリル外径）Ｄに対して微細粒子または微細突起が突出する範囲７を比較的大きく設定することにより、工具本体１の先端面（先端逃げ面）を再研磨して当該ドリルを使用する場合にも効果的である。

次に、図３ないし図５は、本発明をエンドミルに適用した場合の実施形態を示すものである。本実施形態においても、工具本体１１は、やはり超硬合金等の硬質材料により形成されて軸線Ｏを中心とした概略円柱軸状をなし、その後端部（図３において右側部分）がシャンク部１２とされるとともに先端部（図３において左側部分）は切刃部１３とされていて、この切刃部１３の外周には、その先端から後端側に向けて軸線Ｏ回りに切削時の工具本体１１の回転方向Ｔの後方側に捩れる複数条（本実施形態では２条）の切屑排出溝１４が軸線Ｏに関して対称に形成されている。

ここで、本実施形態では、この切屑排出溝１４の先端側にはギャッシュ１５が形成されていて、このギャッシュ１５の回転方向Ｔを向く内面と工具本体１１の表面である先端面（先端逃げ面）との交差稜線部には底刃１６が切刃として形成されるとともに、切屑排出溝１４の内面のうち回転方向Ｔを向く部分とやはり工具本体１１の表面である切刃部１３の外周面（外周逃げ面）との交差稜線部には、切屑排出溝４と同様に後端側に向かうに従い切削時の工具本体１１の回転方向Ｔの後方側に捩れる外周刃１７が切刃として形成されている。なお、本実施形態のエンドミルは、これら底刃１６と外周刃１７とが略直角に交差するようにされたスクエアエンドミルの刃型構成とされ、従ってその切刃外径は、底刃１６が軸線Ｏ回りになす回転直径Ｄと外周刃１７が軸線Ｏ回りになす回転直径Ｄとで等しくされる。

そして、本実施形態でも、上記ギャッシュ１５を含めた切屑排出溝１４の内面にはその全体に、参考例と同様のコーティング膜１８が被覆されており、このうち底刃１６から工具本体１１後端側の所定の範囲１９と外周刃１７から工具本体１１内周側の所定の範囲２０では、コーティング膜１８の表面に０．１μｍ〜５．０μｍの微細粒子または微細突起が突出したままの状態とされる一方、これらの範囲１９，２０以外の範囲２１の切屑排出溝１４内面では、研磨等が施されることによって該コーティング膜１８に突出する微細粒子または微細突起が除去されている。ただし、本実施形態では、コーティング膜１８の表面に０．１μｍ〜５．０μｍの微細粒子または微細突起が突出した上記範囲１９，２０は、底刃１６から後端側の範囲１９においては該底刃１６との間隔Ｌが参考例と同様にその回転直径（切刃外径）Ｄに対して軸線Ｏ方向に０．０１×Ｄ〜３．０×Ｄとされる一方、外周刃１７から内周側の範囲２０においてはこの外周刃１７との間隔Ｍが底刃１６側の範囲１９の間隔Ｌよりも小さくされている。

このように構成された実施形態の溝付き工具（エンドミル）においても、その切削時に底刃１６および外周刃１７によって生成された切屑は、これら底刃１６および外周刃１７側の微細粒子または微細突起が突出させられた範囲１９，２０のコーティング膜１８上を擦過して抵抗を受けることにより分断させられてその形状や長さが制御され、次いでこの範囲１９，２０の工具本体１１後端側または内周側の微細粒子または微細突起が除去された範囲２１に送り込まれて速やかに排出されるので、切屑詰まりや切削抵抗の増大を招くことなく円滑な切屑処理を図ることが可能となる。また、底刃１６や外周刃１７側の上記範囲１９，２０には研磨等による微細粒子や微細突起の除去が及ばないため、これら底刃１６や外周刃１７が丸められたりその近傍のコーティング膜１８が剥離したりすることもなく、鋭い切れ味と高い切刃強度や耐摩耗性を維持することができる。

なお、本実施形態のようなエンドミルにおいて、工具本体１１の表面のうち先端面（先端逃げ面）と切屑排出溝１４の内面との交差稜線部である底刃１６からのコーティング膜１８表面に微細粒子または微細突起が突出したままの範囲１９が、底刃１６の回転直径（切刃外径）Ｄに対して０．０１×Ｄ〜３．０×Ｄの間隔Ｌとされているのは、参考例と同様の理由である。特に、この底刃１６によってワークに掘り込み加工を行うような場合には、参考例の切刃５と同様に底刃１６によって生成された切屑が上記範囲１９を擦過して切屑排出溝１４内を工具本体１１後端側へと送り出されることとなるため、間隔Ｌを比較的大きめにとって切屑を確実に処理するのが望ましい。

ところが、これに対して外周刃１７側に連なる切屑排出溝１４内面のコーティング膜１８にあっては、その微細粒子または微細突起が突出した範囲２０の外周刃１７との間隔Ｍが小さすぎると十分な切屑処理が図られず、また外周刃１７が丸められたり外周刃１７近傍のコーティング膜１８が剥離したりするおそれがあるのは同様であるものの、この間隔Ｍが底刃１６の後端側に連なる範囲１９の間隔Ｌのように大きすぎると、切込み深さ等にもよるが一般に外周刃１７による切屑は底刃１６の切屑よりも幅広となるために、切削時に切屑から工具本体１１が受ける抵抗も底刃１６側の場合に比べて大きくなり、工具本体１１にびびり振動が生じたりして円滑な切削や加工精度を損なったりするおそれがある。このため、切刃が工具本体１１の外周面（外周逃げ面）と切屑排出溝１４内面との交差稜線部に形成された外周刃１７である場合には、コーティング膜１８の微細粒子または微細突起が突出した範囲２０の外周刃１７との間隔Ｍは、切屑排出溝１４内面と工具本体１１の先端面（先端逃げ面）との交差稜線部に形成された切刃（底刃１６）に対して、この底刃１６側の微細粒子または微細突起が突出した範囲１９の該底刃１６との間隔Ｌよりも小さくされる。ただし、この範囲２０についても、図４および図５においては切刃（外周刃１７）からの上記間隔Ｍが該外周刃１７に沿って略一定の幅をなすようにされているが、間隔Ｍが一定でなくても構わない。

なお、上記参考例ではドリルについて説明したが、例えばリーマ等の他の穴加工工具に本発明を適用することも可能である。また、上記実施形態では、本発明をスクエアエンドミルに適用した場合について説明したが、底刃１６と外周刃１７とが交差するコーナ部が１／４円弧等の凸曲線状とされたラジアスエンドミルや、底刃１６自体が１／４円弧状とされて軸線Ｏ回りの回転軌跡において半球状をなすボールエンドミルなどに本発明を適用することも可能である。

１，１１工具本体
２，１２シャンク部
３，１３切刃部
４，１４切屑排出溝
５切刃（工具本体１の先端面と切屑排出溝４の内面との交差稜線部に形成された切刃）
６，１８コーティング膜
７，１９，２０コーティング膜１８表面に微細粒子または微細突起が突出させられた範囲
８，２１コーティング膜１８表面に微細粒子または微細突起が突出していない範囲
１５ギャッシュ
１６底刃（工具本体１１の先端面と切屑排出溝１４の内面との交差稜線部に形成された切刃）
１７外周刃（工具本体１１の外周面と切屑排出溝１４の内面との交差稜線部に形成された切刃）
Ｏ工具本体１，１１の中心軸線
Ｔ切削時の工具本体１，１１の回転方向
Ｌ微細粒子または微細突起が突出させられた範囲７，１９の切刃５、底刃１６からの間隔
Ｍ微細粒子または微細突起が突出させられた範囲２０の外周刃１７からの間隔

Claims

概略軸状の工具本体に切屑排出溝が形成され、この切屑排出溝の内面と上記工具本体の表面との交差稜線部に切刃が形成されるとともに、上記切屑排出溝の内面にはコーティング膜が被覆された溝付き工具であって、上記工具本体は切削時にその中心軸線回りに回転されるとともに、上記切刃は、この工具本体の先端面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部と、上記工具本体の外周面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部とに形成され、上記コーティング膜には、上記切刃側の所定の範囲内において０．１μｍ〜５．０μｍの微細粒子または微細突起が突出している一方、この範囲よりも上記切刃から離れた範囲では上記微細粒子または微細突起が突出していないとともに、上記微細粒子または微細突起が突出した範囲は、上記工具本体の外周面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部に形成された切刃との間隔が、上記工具本体の先端面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部に形成された切刃との間隔よりも小さくされていることを特徴とする溝付き工具。
上記微細粒子または微細突起は、上記工具本体の先端面と上記切屑排出溝の内面との交差稜線部に形成された切刃との間隔が該切刃の上記中心軸線回りの回転直径Ｄに対して０．０１×Ｄ〜３．０×Ｄの位置よりも上記切刃側の範囲内に突出させられていることを特徴とする請求項１に記載の溝付き工具。