JPH11502775A - 切削工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 軸と、切りくずを除去しながら工作物を加工するための少なくとも１個の切れ刃が設けられている刃部とを備えた切削工具、特にドリル、フライス、ねじ切りフライス、リーマまたはコアドリルが開示されている。刃部には、刃部の基礎層よりも低い硬度のスライド層が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 切削工具 本発明は、請求項１の前段部分に記載の切削工具、たとえばドリル、フライス 、ねじタップ、リーマまたはコアドリルに関する。 数値制御工作機械の使用は、現代の製造装置の生産性、フレキシビリティ、製 造品質および効率を向上するのに相当な貢献であった。制御技術および情報処理 の融通性が、自動製造システムに使用するのに適した機械設計の要因であった。 この種のシステムは普通、機械のオペレータが手動で行う工程が最小限になるよ う、工具・工作物貯蔵手段と、自動交換手段と、統合計測ステーションとを備え ている。機械機能およびプロセス状態、たとえば工具の摩耗および破損を監視す るためのセンサが自動的な製造シーケンスを保証する。そのような工作機械の能 力をフルに活用するには、工作機械の開発と並行に、製造時間を最小限に減らす ことができるよう、長い工具寿命および切削速度の増大を可能にする適切な工具 を提供しなければならない。しかし、現代の加工工程の場合、切削速度の増大は 必ずしも重要ではなく、特定の用途、たとえば軽金属の加工の場合など、冷却剤 および潤滑剤をなしで済ませたり、少なくともその使用を減らそうとして、他方 で、切削速度の減少を容認することもある。 幾何学的に画定された切れ刃を有する工具、たとえばドリル、フライス、リー マ、ねじタップ、コアドリルなどの場合、好ましくは高合金工具鋼、硬質合金、 すなわち金属の硬質材料の焼結材料、たとえばサーメット、セラミックインサー ト、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、多結晶窒化ホウ素などが切削材 料として使用される。 そのうえ、硬質材料層、たとえば窒化チタン、炭化チタンおよび酸化アルミニ ウムでコーティングすることによって工具の耐摩耗性がさらに高められている公 知の工具がある。 ドイツ特許公開公報第２３５７１３４号には、イオンめっき法によって貴金属 の塗膜を被着した切削工具が開示されている。ドイツ特許公告公報第１２７１４ ９５号は、硬化処理の前に、硬化させない部分に銅または黄銅の保護層を被着さ せる切削工具製造方法に関する。 前記二つの公報から公知である切削工具は、保護層が比較的高価な材料からな るという共通の欠点を抱えている一方、特に軽金属を加工する場合には、工具寿 命が改善可能である。 工作機械の絶え間ない開発および新規な方法、たとえば、工作物を、冷却剤／ 潤滑剤を使用せずに加工するか、少ない量の冷却剤しか使用せずに加工する乾式 加工の使用ならびにより短い製造時間を達成するための努力が、工具寿命および 最大切削速度に関し、従来の工具によって完全には満たすことができない、工具 に対する要求を作り出す。 本発明の基礎をなす目的は、設計が簡単で、改善された工具寿命を有すると同 時に、切削速度が増し、冷却剤の使用量が減る切削工具を提供することである。 この目的は、請求項１の特徴によって達成される。 工具の摩耗は、硫化物、セレン化物、テルル化物、たとえばＭｏＳ₂、ＮｂＳ₂ 、ＴａＳ₂、ＷＳ₂、ＭｏＳｅ₂、ＮｂＳｅ₂、ＴａＳｅ₂、ＷＳｅ₂、ＭｏＴｅ₂、 ＮｂＴｅ₂、ＷＴｅ₂または混成物を含有する軟質のスライド層を切削工具に被着 する手法によって大幅に減らすことができる。切りくずが滑って軟質のスライド 層から離れ、したがって、すくい面摩耗が減り、構成刃先の形成が妨げられるか らである。そのうえ、工具と開放面との間の摩擦が最小限になり、開放面の摩耗 もまた減少する。したがって、本発明のスライド層により、工具寿命を、従来の 解決方法に比べて大幅に改善することができる。被覆膜を切削工具に被着するた めのいくつかのコーティング方法がすでに公知であるため、それぞれの記載は省 略する。本願と同じ出願人VILAB AG／スイスの方法が特に適していることがわか った。 軟質のスライド層を耐摩耗ベース層に被着し、またこの耐摩耗ベース層が切削 工具のベース本体に被着されて、ベース本体が二つの層を備えるようにすること が特に有利である。 最適な加工動作を保証するため、軟質のスライド層は、切れ刃の区域には被着 させない。 切削工具のベース本体がＨＳＳ、硬質合金、サーメットまたはセラミック材料 で作られ、耐摩耗層がＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ダイヤモンドなどからな るとき、特に有利である。 用途にもよるが、ベース層は、厚さ１〜１０μに被着することが好ましく、ベ ース層の硬さは２０００〜１００００HVであり、スライド層は１〜２のモース硬 度を有するべきである。 フルート（溝）中に１個または複数の溝を特に溝形状に形成することによって 、たとえば自動工作機械における動作サイクルを妨害し且つ切りくずの除去を妨 げる長くつながる切りくずの形成を防ぐように、切りくずの破断が促進される。 短い不連続の切りくずの場合、高い表面品質が保証され、切りくずを容易に除去 することができる。そのうえ、湿式加工の場合、溝が工具の刃部への冷却剤およ び潤滑剤の供給を促進し、それにより、工具の安定性が増し、切りくずの排除が さらに促進される。 好ましくは、フルートに沿って平行な間隔をおいて延びる複数の溝がすくい面 に形成されている。 切れ刃から離れる方向に延びる溝状の凹みを開放区域にも設けることにより、 切りくずの形成および切りくずの排出をさらに改善することができる。そのよう な凹みにより、冷却剤および潤滑剤の供給もまた、上述の実施態様に比べてさら に改善することができる。 乾燥状態または少ない冷却剤の供給量で工作物を加工する場合でさえ、切りく ずの量およびそのような工具による加工時間は、従来の工具の場合よりも優れて いる。 切れ刃が、たとえばドリル、正面フライス、コアドリルなどの切削部材の正面 に形成されている場合、凹みは、切削工具の軸線に対してほぼ同心に配置された 、開放面上の円またはらせんの部分円弧として形成することが有利である。 凹みが実質的に溝の延長部に設けられるよう凹みが各溝に対応しているという 事実により、切りくずの形成ならびに冷却剤および潤滑剤の供給をさらに改善す ることができる。 特殊な用途の場合、フルートおよび開放区域のそれぞれの一部の区域だけにか かる溝または凹みを形成することが有利であるかもしれない。 溝および／または凹みの幅および深さが０．０２〜２mm、好ましくは０．０２ 〜０．５mmである場合、特に有利であることがわかった。 本発明のさらなる有利な展開が従属項に記載されている。 以下、図面により、本発明の好ましい実施態様を詳細に説明する。 図１は、ツイストドリルの切削部材を示す図である。 図２は、ドリル工具の穂先を示す平面図である。 図３は、本発明の切削工具の三次元部分図である。 図４は、本発明の切削工具における切りくずの形成を説明する図である。 図５は、従来の切削工具を本発明の切削工具と比較する図である。 図６は、従来の切削工具を、スライド層が設けられた切削工具と比較する図で ある。 図１は、ツイストドリル１の切削部材２を示す。切削部材２は、同部材２に沿 ってドリルの突端６まで延びる２本のらせんフルート４，５を有する。各主切れ 刃８，９は、一方では開放面１０によって形成され、他方ではフルート５のすく い面１２によって形成されるくさびに形成されている。 そのうえ、図面に示す実施態様では、主切れ刃８（９）から開放面の後縁１６ まで同心に延びる溝状の凹み１４が開放面１０に形成されている。 各フルート４，５には、隣接する複数の溝１８が形成され、同溝１８の軸線は 、フルート５（４）の軸線に対してほぼ平行に配置されている。すなわち、溝１ ８も同様に、ドリル１の軸線２７を中心にらせん状に延びている。溝１８および 凹み１４の構造のさらなる詳細に関しては、図２および図５を参照されたい。 図１に一点鎖線でさらに示すように、ドリル１、特に切削部材２は、主切れ刃 ８，９の区域には被着されないスライド層２０でコーティングされている。スラ イド層２０は、硫化物、セレン化物、テルル化物、たとえばＭｏＳ₂、ＮｂＳ₂、 ＴａＳ₂、ＷＳ₂、ＭｏＳｅ₂、ＮｂＳｅ₂、ＴａＳｅ₂、ＷＳｅ₂、ＭｏＴｅ₂、Ｎ ｂ Ｔｅ₂、ＷＴｅ₂またはそれらの混成物を含むことが好ましい。そのようなスライ ド層２０を被着するとき、一点鎖線によって示される穂先６の区域は、主切れ刃 ８，９がより硬質の材料によって構成されるよう、適切な材料によって覆った。 スライド層２０のさらなる詳細に関しては、以下の図３および図６を参照された い。 図２は、ドリル１の穂先６の平面図である。この図では、ドリルの穂先６のす くい面だけを表し、投影面の外で回転するドリルの副切れ刃は省略してある。 この図から見てとれるように、一方では主切れ刃８および９によって、他方で は後縁１６によって図２の中に画定されている二つの開放面１０が、二つのフル ート４，５によって形成されている。開放面１０の半径方向外側は、副切れ刃２ ２および副開放面２４によって画定される。二つの主切れ刃８，９は、ドリルの 軸線２７を通るように延びるチゼルエッジ２６によってつながっている。各開放 面１０には、すでに述べたように、図示する実施態様では、ドリル１の軸線２７ に対して同心にある円またはらせんの部分円弧として形成されている凹み１４が 組み込まれている。図２に示す円形の線のそれぞれは、凹み１４の底を表す。さ らに、図２によると、フルート４，５に沿って投影面に対してほぼ垂直に延びる 溝１８が、（投影面に対して垂直な）フルート４，５の表面に形成されている。 主切れ刃８，９が波形に形成されるよう、溝１８および凹み１４はいずれも、ほ ぼ波形またはＵ字形の断面を有している。溝１８および／または凹み１４の深さ および幅は、個々の場合に応じて、約０．０１〜２mm、好ましくは約０．０２〜 ０．５mmである。 はじめに述べたスライド層２０は、図２の一点鎖線と開放面１０の後縁１６と の間の区域だけがスライド層２０によって覆われるよう、主切れ刃８，９の区域 には形成されない。 特別な用途の場合には、スライド層２０を切れ刃８，９にまで延ばすことが有 利である。 フルート４，５の表面１２および開放面１０の波形状により、主切れ刃８，９ への冷却剤／潤滑剤（使用するのなら）の供給が大幅に改善され、それにより、 ドリル１の摩耗を実質的に減らすことができるか、そうでなければ、冷却剤の量 を減らすことができる。そのうえ、フルートの波形構造が必然的に切りくずをよ り早期に破断させて、それにより、すでにはじめに述べたように、高い表面品質 を保証すると同時に容易に排出することができる、比較的短い不連続の切りくず が形成される。 従来の研削部分に対するいわゆる「溝付き部分」の優秀さを図５に強調する。 これは、２種のツイストドリルの工具寿命を比較したものである。一方のツイス トドリルには、平面状の開放面および平面若しくはフルートを設け、比較工具に は、本発明の溝付き部分をフルート４，５および開放面１０に設けた。４２Ｃｒ Ｍｏ４Ｖの工作物を両ドリルによって加工した。このとき、これらの２種のドリ ルには、上述のスライド層２０を設けなかった。溝付き部分は別として、両ツイ ストドリルは同一の幾何学的寸法を有し、同じ切削速度ｖｃ、同じ送り量ｆおよ び同じ切削深さａｐで作動させた。 図５から見てとれるように、溝付き部分を設けるだけで、工具寿命を従来の工 具に比べて実質的に改善することができ、それにより、特に乾式加工の場合また は少ない量の冷却剤／潤滑剤を使用する加工の場合、本発明の工具の寿命および 可能な最大切削速度は従来の工具のそれらよりも優れている。 図３は、ドリル工具の三次元図を表す。この図では、明確に示すため、主切れ 刃８，９の区域でフルート４，５の溝１８が破線として示されている。図３には ドリル１のコーティングを示さなければならないため、開放面１０の凹み１４は 単に一点鎖線として示す。 ドリルのベース本体は、従来のＨＳＳ鋼で製造することができ、たとえば、ド リル全体に、あるいは図３に示すように切削部材２だけに、硬質ベース層２６を 被着する。このベース層２６は、たとえば硬質セラミック材料、たとえばＴｉＮ 、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮまたはダイヤモンドなどから構成することができる。す でにはじめに述べたように、記載を簡略化するため、ＰＶＤコーティング法はこ こで論じないが、関連の文献、特にVILABのそれぞれの特許出願を参照されたい 。 ベース層２６は主切れ刃８，９まで延びている。図３では、ベース層２６を示 すハッチングは、主切れ刃８，９の区域には施さなかった。 ベース層２６の上には、図３に灰色の陰影によって示す前述のスライド層２０ が形成されている。このスライド層２０は、硫化物、セレン化物またはテルル化 物を基材として調製されることが好ましく、したがって、以下さらに詳細に説明 する特定の潤滑特性を有する。スライド層２０は、切削部材２全体にかかるので はなく、主切れ刃が硬質の耐摩耗性ベース層２６によって形成されるよう、主切 れ刃８，９から距離をおいたところで終端している。すなわち、ドリル１の実際 の切削区域は、たとえば約２０００〜１００００HVのビッカース角錐硬さを有す るものでもよい硬質ベース層２６によって覆われ、加工動作に直接は貢献しない 切削部材２の他の区域は、たとえば１〜２のモース硬度を有するものでもよい比 較的軟質のスライド層２０で覆われている。 特定の場合、スライド層２０はまた、ベース本体がベース層を構成するよう、 ベース本体に直接被着してもよい。 このスライド層２０の効果を示すために、図４は、加工処理の間の切削工具の 切れ刃２８の断面図を示す。矢印の方向への送り動作により、切りくず３２が工 作物３０から除去される。切れ刃２８は、工作物３０の加工を実際に行うその区 域が硬質の耐摩耗性ベース層２６によって形成されている。切りくずはすくい面 １２に沿って除去される。破線として示されるスライド層２０は、すくい面１２ に沿った切りくずの滑動を、そのスライド効果（ＭｏＳ₂．．．）によって支援 する。切りくずはこのスライド層２０の上を移動する。このようにして、実際の 加工区域からの切りくずの除去は、一方では、切りくず、ひいては熱エネルギー が工作物から急速に放出されるように支援され、他方では、特別な構造、すなわ ち切削区域の硬質ベース層２６およびフルート４，５の排出区域の軟質スライド 層２０によってすくい面の摩耗が最小限になるように支援され、構成刃先の形成 が妨げられる。 そのうえ、工具の開放面１０の上にスライド層２０を設けることにより、工作 物３０の加工面３４との摩擦が最小限になり、その結果、切れ刃の区域の開放面 の摩耗をも最小限に減らすことができる。したがって、スライド層２０を設ける ことにより、スライド層２０を有しない従来の工具に比べて工具の摩耗を実質的 に減らすことができる。 したがって、このような工具は、乾式加工に使用されるか、少ない冷却剤で軽 金属（アルミニウム／マグネシウム合金）を加工する場合に特に有利であり、そ れは、自動車および航空産業においてますます重要になる。冷却剤および潤滑剤 をなしで済ます、あるいは減らすと、一方では相当な投資費を節約することがで きる。他方では、そのような冷却剤／潤滑剤のリサイクルまたは廃棄が問題とな っており、そのような問題がなおまた、厳しい法的課税の観点で、ますます重要 な費用要因を作り出す。 コーティングなしの工具に対するコーティング付き工具の利点は、図６に示す 比較試験によって説明することができる。これらの試験は、ＴｉＡｌＮコーティ ングされたツイストドリルを用いて、同一の加工パラメータ（切削速度、送り量 、切削深さ）に基づいて実施した。図６の左側に示す一連の試験は、ＡｌＳｉ９ で作られた工作物を用いて実施した。硬質ベース層および軟質スライド層（Ｈ＋ Ｓ）を設けた工具により、ほぼ３倍の工具寿命が達成された。 より高いケイ素含有量を有するＡｌ合金（ＡｌＳｉ１８）を用いても同じ結果 が得られた。この材料の劣る加工性のために全体的に低めの数値となったが、コ ーティングされた工具は、他の点では等しい試験条件で相当に長い工具寿命を示 した。 すなわち、工具の硬質ベース層または硬質ベース本体の上に軟質スライド層を 設けることにより、工具寿命、ひいては可能な最大切削速度を従来の工具に比べ て実質的に改善することができる。図１および図３に表す工具に溝付き部および 軟質スライド層の両方を設けると、最適な結果を達成することができる。個々の 場合においては、前記改良点のいずれか（溝付き部またはスライド層）だけを設 けることが有利であるかもしれない。 溝１８および凹み１４を形成するとき、０．０１〜２mm、好ましくは０．０２ 〜０．５mmの範囲の半径（深さおよび幅）が好ましい。そのような溝１８および 凹み１４は、フルートおよびドリルの穂先それぞれを研削する間に１回の作業サ イクルで設けることができ、それにより、溝／凹みを設けるのに別個の研削作業 および工具は不要である。 スライド層２０は、この層がベース層２６の表面に被着されるだけでなく、一 部がベース層の中にも拡散するよう、イオンスパッタリングによって作ることが できる。 本発明は、当然、ドリル工具の使用に限定されず、本発明の溝付き部および／ または本発明のスライド層はまた、他の切削工具、好ましくは幾何学的に画定さ れたすくい面を有する工具にも応用することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｂ２３Ｇ 5/06 Ｂ２３Ｇ 5/06 Ｃ Ｂ２３Ｐ 15/28 Ｂ２３Ｐ 15/28 Ａ (31)優先権主張番号 ２９６ ０１ ６５３．５ (32)優先日 1996年１月31日 (33)優先権主張国 ドイツ（ＤＥ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＢＲ，ＣＡ，ＪＰ，Ｋ Ｒ，ＭＸ，ＵＳ (72)発明者 セレ、ティボール ドイツ連邦共和国 Ｄ−72488 ジグ−マ ーリンゲン ヴィンターリンガー シュト ラーセ 12 ゴットリーブ ゲーリング カーゲー内 (72)発明者 レヒベルガー、ヨハセム スイス国 ＣＨ−3014 ベルン スタウフ ファヒャーシュトラーセ 130アー ヒラ プ アクチェンゲゼルシャフト内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．特にドリル、フライス、ねじタップ、リーマ、コアドリルである切削工具 において、軸と、工作物（３０）を加工するための少なくとも１個の切れ刃（８ ，９；２８）が設けられている切削部材（２）とを含み、前記切削部材が、前記 切削部材のベース層（２６）またはベース本体（２０）よりも低い硬度を有する スライド層（２０）でコーティングされ、切削工具（２）の開放区域（１０）に 、隣接する複数の溝状凹み（１４）が形成され、さらに／あるいは、前記切れ刃 （８，９）の区域のフルート（４，５）に、少なくとも１個の溝（１８）が形成 されている切削工具。 ２．前記ベース層（２６）が耐摩耗性材料で形成されており、この材料によっ て切削部材（２）のベース本体がコーティングされていることを特徴とする請求 項１に記載の切削工具。 ３．前記切削部材（２）の前記ベース本体（２０）が、ＨＳＳ、硬質合金、サ ーメットまたはセラミック材料で製造されていることを特徴とする請求項１また は２に記載の切削工具。 ４．前記ベース層（２６）が、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣＮ、ダイヤモンド などのセラミック材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に 記載の切削工具。 ５．前記スライド層（２０）が切れ刃（８，９）の区域には設けられていない ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の切削工具。 ６．前記ベース層（２６）の厚さが１〜１０μであり、さらに／あるいは、前 記スライド層（２０）の厚さが０．０１〜５μであることを特徴とする請求項１ 〜５のいずれか１項に記載の切削工具。 ７．前記ベース層（２６）の硬さが１０００〜１００００HV、好ましくは２０ ００〜４０００HVであり、さらに／あるいは、前記スライド層（２０）が１〜２ のモース硬度を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の切 削工具。 ８．前記切削部材（２）の開放面（１０）に、前記切れ刃（８，９）から前記 開放区域（１０）の後縁（１６）まで延びる隣接する複数の溝状凹み（１４）が 設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の切削工具 。 ９．前記切れ刃（８，９）が前記切削部材（２）の正面に形成され、前記凹み （１４）が、切削工具の軸線（２７）に対してほぼ同心に配置されていることを 特徴とする請求項１に記載の切削工具。 １０．前記凹み（１４）が円またはらせんの部分円弧であることを特徴とする 請求項８に記載の切削工具。 １１．前記切れ刃（８，９）の区域のフルート（４，５）に、好ましくは前記 フルート（４，５）の軸線に対してほぼ平行に延びる軸線を有する少なくとも１ 個の溝（１８）が形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１ 項に記載の切削工具。 １２．隣接する複数の波形の溝（１８）が前記フルート（４，５）に形成され ていることを特徴とする請求項１１に記載の切削工具。 １３．前記溝（１８）および／または凹み（１４）がほぼ波形の断面を有する ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の切削工具。 １４．各溝（１８）が、前記溝（１８）の延長部に設けられた凹み（１４）と 対応していることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の切削工 具。 １５．前記溝（１８）および凹み（１４）が、前記フルート（４，５）および 前記開放面（１０）それぞれの一部の区域にかかっていることを特徴とする請求 項１１〜１４のいずれか１項に記載の切削工具。 １６．前記溝（１８）および／または前記凹み（１４）の幅および深さが０． ０１〜２mm、好ましくは０．０２〜０．５mmであることを特徴とする請求項１１ 〜１５のいずれか１項に記載の切削工具。