切削工具及びうねり形状の作製方法
【課題】切削加工において工具と被加工材料の摩擦を低減し、切削工具の長寿命化、切削動力の低減、仕上げ面性状の改善を図ること。
【解決手段】工具の表面に幅１μｍ〜２０μｍ、深さ０．１μｍ〜１０μｍのおおきさの微細なうねり形状を設けることを特徴としている。微細なうねり形状を設けることで、うねりが油溜まりとしての作用や接触面積の減少を促し、工具と被削材の間の摩擦が低減され、切削抵抗、工具摩耗を抑制することができるようになる。
【解決手段】工具の表面に幅１μｍ〜２０μｍ、深さ０．１μｍ〜１０μｍのおおきさの微細なうねり形状を設けることを特徴としている。微細なうねり形状を設けることで、うねりが油溜まりとしての作用や接触面積の減少を促し、工具と被削材の間の摩擦が低減され、切削抵抗、工具摩耗を抑制することができるようになる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工具のすくい面に微細なうねり形状を有する切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削加工では、工具のすくい面で加工材料と工具との摩擦によって多大な切削熱、摩擦抵抗が生じ、工具寿命や加工面性状の低下を引き起こしていた。これを改善する方法として、加工中に油を供給して工具と被加工材料の間に油膜を作製し、潤滑性を良くしながら加工を行う方法が一般的に行われているが、油が進入しにくくその効果は十分ではない。
【０００３】
また近年、環境負荷や加工コストの低減の観点から、セミドライ加工や乾式加工など油の使用量が少ない加工方法が注目されている。これらの方法では、油の供給不足がさらに顕著になりやすく、工具と加工材量の摩擦によって上記の問題が現れやすくなる。
【０００４】
なお、下記特許文献１には、回転工具のマージン部に研削加工によって油溜まりを作製した例が存在するが、その幅は大きいとともに形状を任意に設定することが困難であるため、その効果は十分ではない。また、工具は回転工具に限定されている。非特許文献１では、フライス工具の表面をセグメント状にすることで油溜まりを作製しているが、その幅は１００μｍ以上と大きく、十分な効果を得られていない。非特許文献２では、フェムト秒レーザによる干渉やアブレーションを利用して、旋削加工用工具表面にピッチ８００ｎｍ、深さ１５０ｎｍの周期構造や溝構造を作製しているが、構造が小さすぎる、幅に対して溝深さが大きすぎるなどの問題より、切削加工では有効には作用しない。
【特許文献１】特開２００５−３１９５４４
【非特許文献１】榎本俊之、渡部敬士、青木佑一、大竹尚登、微細表面形状を有する切削工具の開発、日本機械学会論文集（Ｃ編）、７３、７２９（２００７）１５６０．
【非特許文献２】川堰宣隆、森本英樹、杉森博、微細周期構造を有する切削工具の開発研究、富山県工業技術センター研究報告（２００７）II−３６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、切削加工において工具と被加工材料の摩擦を低減し、切削工具の長寿命化、切削動力の低減、仕上げ面性状の改善を図ることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、この発明においては、工具の表面に微細なうねり形状を作製する。
【０００７】
そのうねり形状は、幅１〜２０μｍ、深さ０．１〜１０μｍが望ましく、このうねりを切削工具のすくい面に５〜１００μｍの間隔で規則的に配置する。その間隔は一定の場合だけではなく、間隔を変化させながら配置しても良い。これらのうねり形状は、以下の方法で作製することができる。
【０００８】
その方法には、ビーム径数μｍ〜十数μｍを持ったフェムト秒レーザを利用し、加工閾値よりやや大きいエネルギ密度の条件で任意の間隔で走査する。これによって、工具の表面に約０．１μｍの精度でうねり形状を作製できる。また、同時にレーザの干渉によって幅０．１〜１．０μｍの周期的な構造が作製されるが、これらの構造は本発明においては摩擦の改善には作用しない。エネルギ密度や走査回数によって、うねりの深さや幅を変化させることができる。
【０００９】
この発明を適用する切削工具には、例えば超硬合金、ダイヤモンド、ｃＢＮ、高速度工具鋼などがあげられる。また、工具形状は切りくずを切断するためのチップブレーカの有無によらない。
【００１０】
また本発明は、コーティングを行った工具にも適用することが可能である。
【発明の効果】
【００１１】
工具のすくい面に微細なうねりを設けると、うねりの山の部分でのみ被加工材と接触するようになる。これによって、工具と被加工材料の接触面積は小さくなる。またうねりの谷の部分が油溜まりとして作用し、工具と被加工材料の間に油が入り込み、油膜が維持されやすくなる。さらに油がうねりの谷の部分から山の部分へ流れ込む際に圧力が発生し、油膜厚さを増加させる効果が生じる。これらの作用によって工具と被削材の間の摩擦が低減され、切削抵抗、工具摩耗を抑制することができるようになる。
【００１２】
また、切削加工における切込み量は通常数十μｍ〜数ｍｍであることから、うねりの形状を微細化することで、この加工単位に合わせた形状となる。このため、上記の効果を効率的に得ることが可能となる。また、うねり形状の微細化によって、上記の効果が発現しやすくなり、より強い効果を得ることができる。さらに、うねりを微細化することで、表面の形状によって生じる応力集中を回避することが可能になり、クラックなどの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明について実施例を用いて具体的に説明する。図１は、本発明を旋削加工用工具に適用したときの工具の概略図を示している。工具本体は、ホルダ４とそれに取り付けたチップ３で構成される。チップ先端は、うねり６を作製したすくい面２とその側面の逃げ面５で構成されており、その交差部分が材料の加工を行う切れ刃１となる。
【００１４】
図２は、作製した工具表面のうねり形状である。工具材種には超硬合金を用いている。上記の加工方法によって、規則的な配列を持ったうねり形状が作製されている。
【００１５】
本発明と従来の工具との比較を行うため、下記の条件により切削加工実験を行った。
被加工材料・・・アルミニウム合金
工具材料・・・超硬合金
切削条件・・・切削速度：６００ｍ／ｍｉｎ
・・・送り量：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
・・・切込み量：０．２ｍｍ
図３は、うねりの方向を切りくず排出される方向に対して垂直方向、平行方向に配置した発明工具で加工したときの切削抵抗である。また、図４はそのときのすくい面摩擦係数とせん断角である。本発明による工具を用いて、うねりを垂直方向に配置することで切削抵抗が減少することがわかる。これによって工具にかかる負荷は小さくなり、工具寿命を延ばすことができる。また、うねりを垂直方向に配置したときに摩擦係数は小さくなっており、切削抵抗の減少がすくい面の潤滑性の変化によって生じていることがわかる。
【００１６】
図５は、うねりの深さを変化させたときの切削抵抗である。また図６は、うねりの間隔を変化させたときの切削抵抗である。うねりの深さ、間隔によって切削抵抗は変化することがわかる。本実験条件では、深さ２．９μｍ、間隔１５μｍの時に切削抵抗が最も小さくなった。このことから、うねりの深さ、間隔によって本発明の効果を制御することが可能であり、加工条件や加工材料などに合わせて、最適なうねり形状を任意に作製することができる。
【００１７】
図７は、うねりの幅を変化させたときの切削抵抗である。うねりの幅の幅によって切削抵抗は変化することがわかる。本実験条件では、幅１４μｍの時に切削抵抗が最も小さくなった。このことから、うねりの幅によって本発明の効果を制御することが可能であり、加工条件や加工材料などに合わせて、最適なうねり形状を任意に作製することができる。
【００１８】
図８は、ＤＬＣコーティングを行った発明工具を用いて加工したときの切削抵抗である。ＤＬＣコーティングを行うことで、工具の潤滑性が改善され切削抵抗は小さくなる。さらに、ＤＬＣコーティングを行った発明工具を用いることで、切削抵抗はさらに小さくなる。このことから、本発明とコーティングを組み合わせることで、切削抵抗や耐摩耗性のさらなる改善が可能になることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）本発明を適用した旋削加工用工具の上面概略図、（ｂ）本発明を適用した旋削加工用工具の側面概略図、（ｃ）Ａ部の拡大図
【図２】（ａ）工具の上面図、（ｂ）工具上面の拡大図、（ｃ）工具側面の拡大図
【図３】本発明に係る工具と従来の工具の切削抵抗を比較した図
【図４】本発明に係る工具と従来の工具の摩擦係数を比較した図
【図５】本発明に係る工具を用いて、うねりの深さにより切削抵抗を制御した図
【図６】本発明に係る工具を用いて、うねりの間隔により切削抵抗を制御した図
【図７】本発明に係る工具を用いて、うねりの幅により切削抵抗を制御した図
【図８】本発明に係るコーティッド工具と従来の工具の切削抵抗を比較した図
【符号の説明】
【００２０】
１ 切れ刃
２ すくい面
３ チップ
４ ホルダ
５ 逃げ面
６ うねり
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工具のすくい面に微細なうねり形状を有する切削工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
切削加工では、工具のすくい面で加工材料と工具との摩擦によって多大な切削熱、摩擦抵抗が生じ、工具寿命や加工面性状の低下を引き起こしていた。これを改善する方法として、加工中に油を供給して工具と被加工材料の間に油膜を作製し、潤滑性を良くしながら加工を行う方法が一般的に行われているが、油が進入しにくくその効果は十分ではない。
【０００３】
また近年、環境負荷や加工コストの低減の観点から、セミドライ加工や乾式加工など油の使用量が少ない加工方法が注目されている。これらの方法では、油の供給不足がさらに顕著になりやすく、工具と加工材量の摩擦によって上記の問題が現れやすくなる。
【０００４】
なお、下記特許文献１には、回転工具のマージン部に研削加工によって油溜まりを作製した例が存在するが、その幅は大きいとともに形状を任意に設定することが困難であるため、その効果は十分ではない。また、工具は回転工具に限定されている。非特許文献１では、フライス工具の表面をセグメント状にすることで油溜まりを作製しているが、その幅は１００μｍ以上と大きく、十分な効果を得られていない。非特許文献２では、フェムト秒レーザによる干渉やアブレーションを利用して、旋削加工用工具表面にピッチ８００ｎｍ、深さ１５０ｎｍの周期構造や溝構造を作製しているが、構造が小さすぎる、幅に対して溝深さが大きすぎるなどの問題より、切削加工では有効には作用しない。
【特許文献１】特開２００５−３１９５４４
【非特許文献１】榎本俊之、渡部敬士、青木佑一、大竹尚登、微細表面形状を有する切削工具の開発、日本機械学会論文集（Ｃ編）、７３、７２９（２００７）１５６０．
【非特許文献２】川堰宣隆、森本英樹、杉森博、微細周期構造を有する切削工具の開発研究、富山県工業技術センター研究報告（２００７）II−３６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、切削加工において工具と被加工材料の摩擦を低減し、切削工具の長寿命化、切削動力の低減、仕上げ面性状の改善を図ることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、この発明においては、工具の表面に微細なうねり形状を作製する。
【０００７】
そのうねり形状は、幅１〜２０μｍ、深さ０．１〜１０μｍが望ましく、このうねりを切削工具のすくい面に５〜１００μｍの間隔で規則的に配置する。その間隔は一定の場合だけではなく、間隔を変化させながら配置しても良い。これらのうねり形状は、以下の方法で作製することができる。
【０００８】
その方法には、ビーム径数μｍ〜十数μｍを持ったフェムト秒レーザを利用し、加工閾値よりやや大きいエネルギ密度の条件で任意の間隔で走査する。これによって、工具の表面に約０．１μｍの精度でうねり形状を作製できる。また、同時にレーザの干渉によって幅０．１〜１．０μｍの周期的な構造が作製されるが、これらの構造は本発明においては摩擦の改善には作用しない。エネルギ密度や走査回数によって、うねりの深さや幅を変化させることができる。
【０００９】
この発明を適用する切削工具には、例えば超硬合金、ダイヤモンド、ｃＢＮ、高速度工具鋼などがあげられる。また、工具形状は切りくずを切断するためのチップブレーカの有無によらない。
【００１０】
また本発明は、コーティングを行った工具にも適用することが可能である。
【発明の効果】
【００１１】
工具のすくい面に微細なうねりを設けると、うねりの山の部分でのみ被加工材と接触するようになる。これによって、工具と被加工材料の接触面積は小さくなる。またうねりの谷の部分が油溜まりとして作用し、工具と被加工材料の間に油が入り込み、油膜が維持されやすくなる。さらに油がうねりの谷の部分から山の部分へ流れ込む際に圧力が発生し、油膜厚さを増加させる効果が生じる。これらの作用によって工具と被削材の間の摩擦が低減され、切削抵抗、工具摩耗を抑制することができるようになる。
【００１２】
また、切削加工における切込み量は通常数十μｍ〜数ｍｍであることから、うねりの形状を微細化することで、この加工単位に合わせた形状となる。このため、上記の効果を効率的に得ることが可能となる。また、うねり形状の微細化によって、上記の効果が発現しやすくなり、より強い効果を得ることができる。さらに、うねりを微細化することで、表面の形状によって生じる応力集中を回避することが可能になり、クラックなどの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明について実施例を用いて具体的に説明する。図１は、本発明を旋削加工用工具に適用したときの工具の概略図を示している。工具本体は、ホルダ４とそれに取り付けたチップ３で構成される。チップ先端は、うねり６を作製したすくい面２とその側面の逃げ面５で構成されており、その交差部分が材料の加工を行う切れ刃１となる。
【００１４】
図２は、作製した工具表面のうねり形状である。工具材種には超硬合金を用いている。上記の加工方法によって、規則的な配列を持ったうねり形状が作製されている。
【００１５】
本発明と従来の工具との比較を行うため、下記の条件により切削加工実験を行った。
被加工材料・・・アルミニウム合金
工具材料・・・超硬合金
切削条件・・・切削速度：６００ｍ／ｍｉｎ
・・・送り量：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
・・・切込み量：０．２ｍｍ
図３は、うねりの方向を切りくず排出される方向に対して垂直方向、平行方向に配置した発明工具で加工したときの切削抵抗である。また、図４はそのときのすくい面摩擦係数とせん断角である。本発明による工具を用いて、うねりを垂直方向に配置することで切削抵抗が減少することがわかる。これによって工具にかかる負荷は小さくなり、工具寿命を延ばすことができる。また、うねりを垂直方向に配置したときに摩擦係数は小さくなっており、切削抵抗の減少がすくい面の潤滑性の変化によって生じていることがわかる。
【００１６】
図５は、うねりの深さを変化させたときの切削抵抗である。また図６は、うねりの間隔を変化させたときの切削抵抗である。うねりの深さ、間隔によって切削抵抗は変化することがわかる。本実験条件では、深さ２．９μｍ、間隔１５μｍの時に切削抵抗が最も小さくなった。このことから、うねりの深さ、間隔によって本発明の効果を制御することが可能であり、加工条件や加工材料などに合わせて、最適なうねり形状を任意に作製することができる。
【００１７】
図７は、うねりの幅を変化させたときの切削抵抗である。うねりの幅の幅によって切削抵抗は変化することがわかる。本実験条件では、幅１４μｍの時に切削抵抗が最も小さくなった。このことから、うねりの幅によって本発明の効果を制御することが可能であり、加工条件や加工材料などに合わせて、最適なうねり形状を任意に作製することができる。
【００１８】
図８は、ＤＬＣコーティングを行った発明工具を用いて加工したときの切削抵抗である。ＤＬＣコーティングを行うことで、工具の潤滑性が改善され切削抵抗は小さくなる。さらに、ＤＬＣコーティングを行った発明工具を用いることで、切削抵抗はさらに小さくなる。このことから、本発明とコーティングを組み合わせることで、切削抵抗や耐摩耗性のさらなる改善が可能になることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）本発明を適用した旋削加工用工具の上面概略図、（ｂ）本発明を適用した旋削加工用工具の側面概略図、（ｃ）Ａ部の拡大図
【図２】（ａ）工具の上面図、（ｂ）工具上面の拡大図、（ｃ）工具側面の拡大図
【図３】本発明に係る工具と従来の工具の切削抵抗を比較した図
【図４】本発明に係る工具と従来の工具の摩擦係数を比較した図
【図５】本発明に係る工具を用いて、うねりの深さにより切削抵抗を制御した図
【図６】本発明に係る工具を用いて、うねりの間隔により切削抵抗を制御した図
【図７】本発明に係る工具を用いて、うねりの幅により切削抵抗を制御した図
【図８】本発明に係るコーティッド工具と従来の工具の切削抵抗を比較した図
【符号の説明】
【００２０】
１ 切れ刃
２ すくい面
３ チップ
４ ホルダ
５ 逃げ面
６ うねり
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に切れ刃を有する切削工具において、そのすくい面にうねりを設けたことを特徴とする切削工具。
【請求項２】
前記うねりが、幅１μｍ〜２０μｍ、深さ０．１μｍ〜１０μｍの大きさであることを特徴とする請求項１記載の切削工具。
【請求項３】
前記うねりが、５〜１００μｍの間隔で規則的に配列されたことを特徴とする請求項１又は２記載の切削工具。
【請求項４】
前記切削工具において、うねりの方向、うねりの幅、うねりの深さ、うねりの間隔によって摩擦係数を制御できることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の切削工具。
【請求項５】
前記切削工具において、その表面がカーボン系ＤＬＣによってコーティングされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の切削工具。
【請求項６】
切削工具の少なくともすくい面をビーム径数μｍ〜十数μｍのフェムト秒レーザで加工閾値よりやや大きいエネルギ密度の条件で走査することで、請求項１乃至６のいずれか一に記載の微細なうねり作製することを特徴とする切削工具へのうねりの作製方法。
【請求項１】
先端に切れ刃を有する切削工具において、そのすくい面にうねりを設けたことを特徴とする切削工具。
【請求項２】
前記うねりが、幅１μｍ〜２０μｍ、深さ０．１μｍ〜１０μｍの大きさであることを特徴とする請求項１記載の切削工具。
【請求項３】
前記うねりが、５〜１００μｍの間隔で規則的に配列されたことを特徴とする請求項１又は２記載の切削工具。
【請求項４】
前記切削工具において、うねりの方向、うねりの幅、うねりの深さ、うねりの間隔によって摩擦係数を制御できることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の切削工具。
【請求項５】
前記切削工具において、その表面がカーボン系ＤＬＣによってコーティングされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の切削工具。
【請求項６】
切削工具の少なくともすくい面をビーム径数μｍ〜十数μｍのフェムト秒レーザで加工閾値よりやや大きいエネルギ密度の条件で走査することで、請求項１乃至６のいずれか一に記載の微細なうねり作製することを特徴とする切削工具へのうねりの作製方法。
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１】
【図２】
【図３】
【図８】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１】
【図２】
【図３】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２０２２８３（Ｐ２００９−２０２２８３Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４７０９７（Ｐ２００８−４７０９７）
【出願日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 〔発行者名〕 社団法人精密工学会 〔刊行物名〕 ２００７年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集 〔発行年月日〕 平成１９年９月３日発行 〔研究集会名〕 社団法人精密工学会 微細加工と表面機能分科会 例会 〔主催者名〕 社団法人精密工学会 微細加工と表面機能分科会 〔開催日〕 平成２０年１月２５日
【出願人】（０００２３６９２０）富山県 (197)
【出願人】（０００００５１９７）株式会社不二越 (625)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 〔発行者名〕 社団法人精密工学会 〔刊行物名〕 ２００７年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集 〔発行年月日〕 平成１９年９月３日発行 〔研究集会名〕 社団法人精密工学会 微細加工と表面機能分科会 例会 〔主催者名〕 社団法人精密工学会 微細加工と表面機能分科会 〔開催日〕 平成２０年１月２５日
【出願人】（０００２３６９２０）富山県 (197)
【出願人】（０００００５１９７）株式会社不二越 (625)
【Ｆターム（参考）】
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