刀具工具的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種刀具工具，在由非金屬的無機固體材料構(gòu)成的切削刃刃口形成有刻面，其中，在刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨損層，該初期磨損層具有由網(wǎng)狀連接的凹部和由凹部包圍的隆起部（31）構(gòu)成的表面構(gòu)造。隆起部（31）的平均寬度設(shè)為5～50nm。初期磨損層的物理參數(shù)與位于初期磨損層下方的無機固體材料的物理參數(shù)不同，且在初期磨損層和無機固體材料之間不具有固相界面。
【專利說明】刀具工具【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種刀具工具，特別是涉及機械耐久性優(yōu)異且能夠進行高精度的加工的刀具工具。
【背景技術(shù)】
[0002]關(guān)于設(shè)于刀具工具的前端的切削刃，已知有將其刃口(刀尖)加工成怎樣的形狀會很大程度上左右其性能。對圖1 (a)所示的切削刃刃口 11，若如圖1 (b)所示地通過研磨等使刃口銳利化，則雖然增加了鋒利度，但如圖1 (C)所示地在使用時容易引起刃口的崩刃12，使機械耐久性劣化。
[0003]另一方面，為了增大切削刃刃口的強度，設(shè)置被稱為刻面及倒棱的倒角(以下稱為刻面)(例如，參照日本特開2004 — 58168號公報)。圖1 (d)表示在圖1 (b)所示的切削刃刃口 11’的一面形成有刻面13的例子，圖1 (e)表示在切削刃刃口 11’的兩面形成有刻面14的例子。例如,如圖1 (e)所示,若在切削刃刃口 11’形成刻面14,則如圖1 (f)所示在使用時不易產(chǎn)生崩刃，不易損傷。
[0004]但是，即使在切削刃刃口形成刻面，也能以將加工成平面或加工成曲面等的形狀、角度及寬幅等設(shè)計為最佳值。這是因為，在使用刀具工具時向加工裝置的安裝誤差及加工裝置的晃動等事前不知道的因素較多。即使事前知道這些使用條件，進行最佳設(shè)計也不簡單。 [0005]若不使刻面形狀最優(yōu)化，則即使是圖2 Ca)所示地形成有刻面14的切削刃刃口15，也會如圖2 (b)所示地在刃口產(chǎn)生裂紋16，如圖2 (c)所示地由裂紋16產(chǎn)生崩刃17。這樣的崩刃一個接一個地產(chǎn)生，結(jié)果，切削刃刃口如圖2 (d)所示地產(chǎn)生作為刀具工具的功能劣化，不能使用的嚴重問題。另外，可以預想到刻面形狀的最佳值根據(jù)被加工材料的種類及加工條件的不同而不同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于這樣的狀況，本發(fā)明的目的在于提供一種即使不進行刻面的寬度及角度、曲率半徑等的最優(yōu)化，機械耐久性也優(yōu)異且能夠進行高精度的加工的刀具工具。
[0007]本發(fā)明第一方面的刀具工具，在由非金屬的無機固體材料構(gòu)成的切削刃刃口形成有刻面，其中，在刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨損層，初期磨損層具有由網(wǎng)狀連接的凹部和由凹部包圍的隆起部構(gòu)成的表面構(gòu)造，隆起部的平均寬度設(shè)為5~50nm，初期磨損層的物理參數(shù)與位于初期磨損層下方的無機固體材料的物理參數(shù)不同，且在初期磨損層和無機固體材料之間不具有固相界面。
[0008]本發(fā)明第二方面的刀具工具，在由非金屬的無機固體材料構(gòu)成的切削刃刃口形成有刻面，其中，在刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨損層，初期磨損層具有由網(wǎng)狀連接的凹部和由凹部包圍的隆起部構(gòu)成的表面構(gòu)造，隆起部的平均寬度設(shè)為5~50nm，初期磨損層的楊氏模量比位于初期磨損層下方的無機固體材料的楊氏模量小，且在初期磨損層和無機固體材料之間不具有固相界面。
[0009]本發(fā)明第三方面的刀具工具，在由非金屬的無機固體材料構(gòu)成的切削刃刃口形成有刻面，其中，在刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨損層，初期磨損層具有由網(wǎng)狀連接的凹部和由凹部包圍的隆起部構(gòu)成的表面構(gòu)造，隆起部的平均寬度設(shè)為5?50nm，初期磨損層的密度比位于初期磨損層下方的無機固體材料的密度小，且在初期磨損層和無機固體材料之間不具有固相界面。
[0010]本發(fā)明第四方面的刀具工具，在由非金屬的無機固體材料構(gòu)成的切削刃刃口形成有刻面，其中，在所述刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨損層，所述初期磨損層具有由網(wǎng)狀連接的凹部和由所述凹部包圍的隆起部構(gòu)成的表面構(gòu)造，所述隆起部的平均寬度設(shè)為5?50nm，初期磨損層的硬度比位于初期磨損層下方的無機固體材料的硬度小，且在初期磨損層和無機固體材料之間不具有固相界面。
[0011]本發(fā)明第五方面的刀具工具，在由非金屬的無機固體材料構(gòu)成的切削刃刃口形成有刻面，其中，在刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨損層，初期磨損層具有由網(wǎng)狀連接的凹部和由凹部包圍的隆起部構(gòu)成的表面構(gòu)造，隆起部的平均寬度設(shè)為5?50nm，初期磨損層具有非晶構(gòu)造，位于初期磨損層下方的無機固體材料具有晶體構(gòu)造，在無機固體材料和初期磨損層的邊界區(qū)域具有從無機固體材料向初期磨損層，從晶體構(gòu)造逐漸向非晶構(gòu)造變化的構(gòu)造。
[0012]本發(fā)明第六方面的刀具工具，在由非金屬的無機固體材料構(gòu)成的切削刃刃口形成有刻面，其中，在刻面表面形成有用于使切削刃刃口使用時的應力集中部分快速磨損，使刻面的形狀最優(yōu)化的、比無機固體材料更容易磨損的厚度5nm以上的初期磨損層，初期磨損層的物理參數(shù)與位于初期磨損層下方的無機固體材料的物理參數(shù)不同，且在初期磨損層和無機固體材料之間不具有固相界面。
[0013]本發(fā)明第七方面，在上述第一?第六方面中的任一方面的基礎(chǔ)上，初期磨損層通過氣體團簇離子束的照射而形成。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，能夠得到機械耐久性優(yōu)異且能夠進行高精度的加工的刀具工具。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是用于說明對切削刃刃口形成刻面的效果的圖，(a)表示切削刃刃口，(b)表示銳利化后的刃口，(C)表示崩刃的刃口，(d)表示在一面形成刻面的切削刃刃口，(e)表示在兩面形成刻面的切削刃刃口，(f)表示在使用時不易產(chǎn)生崩刃的刃口 ；
[0016]圖2是用于說明未使刻面最優(yōu)化的情況下的崩刃的產(chǎn)生的圖，Ca)表示形成刻面后的切削刃刃口，(b)表示產(chǎn)生了裂紋的刃口，(c)表示產(chǎn)生了崩刃的刃口，(d)表示功能劣化的刃口 ；
[0017]圖3中的(al)?(a5)是用于說明切削刃刃口的局部作為裂縫及崩刃而脫離的模式的圖，圖3中的(b)、(c)是用于說明切削刃刃口的局部作為裂縫及崩刃而脫離的模式的照片，圖3中的(d)、(e)是用于說明切削刃刃口的局部作為裂縫及崩刃而脫離的模式的示意圖；
[0018]圖4中的(al)?(a7)是用于說明切削刃刃口的局部以納米級單位逐次脫離的模式的圖，圖4中的(b)、(c)、(f)是用于說明切削刃刃口的局部以納米級單位逐次脫離的模式的照片，圖4中的(d)、(e)是用于說明切削刃刃口的局部以納米級單位逐次脫離的模式的不意圖；
[0019]圖5中的(al)?(a4)是用于說明在初期磨損層與基底材料之間具有固相界面的情況下的初期磨損層的剝落的圖，圖5中的(b)、(c)是用于說明在初期磨損層與基底材料之間具有固相界面的情況下的初期磨損層的剝落的照片，圖5中的(d)是用于說明在初期磨損層與基底材料之間具有固相界面的情況下的初期磨損層的剝落的示意圖；
[0020]圖6中的(a)是用于說明本發(fā)明中的初期磨損層的構(gòu)造和磨損的機制的照片，圖6中的(b)、(C)、(d)、(e)、(f)是用于說明本發(fā)明中的初期磨損層的構(gòu)造和磨損的機制的圖；
[0021]圖7中的(a)是表示本發(fā)明中的初期磨損層的構(gòu)造和磨損的情形的照片，圖7中的(b)、(C)、(d)、(e)是表示本發(fā)明中的初期磨損層的構(gòu)造和磨損的情形的圖；
[0022]圖8是表示刀具工具的形狀例的圖，Ca)是形成刻面前的刀具工具的形狀例，(b)是形成刻面后的刀具工具的形狀例；
[0023]圖9是表示刀具工具的其它形狀例的圖，Ca)是直線狀切削刃，(b)是圓盤狀切削刃，(C)是旋轉(zhuǎn)立銑刀狀切削刃；
[0024]圖10中的(a)、(b)、(d)是表示氣體團簇離子束照射前后的切削刃刃口的狀態(tài)的照片，圖10中的(c)、(e)是表示氣體團簇離子束照射前后的切削刃刃口的狀態(tài)的圖；
[0025]圖11中的(a)、(b)是表示氣體團簇離子束照射后的切削刃刃口的狀態(tài)的照片，圖11中的(C)、(d)是表示氣體團簇離子束照射后的切削刃刃口的狀態(tài)的圖；
[0026]圖12 (a)是表示氣體團簇離子束照射后的切削刃刃口的狀態(tài)的照片，圖12 (b)是表示氣體團簇離子束照射后的切削刃刃口的狀態(tài)的圖；
[0027]圖13是表示刻面為曲面的例子的圖，(a)是沒有刻面的切削刃刃口，(b)是刻面全由曲面構(gòu)成的例子，(C)是刻面是由兩個平面部和連接這些平面部的曲面部構(gòu)成的例子，Cd)是刻面由三個曲面部構(gòu)成，曲面部稍為凹面的例子；
[0028]圖14是表示在切削加工試驗中形成的槽形狀的圖；
[0029]圖15是表示切削加工試驗的試驗結(jié)果的表；
[0030]圖16是表示本發(fā)明的刀具工具的使用后的刻面形狀的圖，(a)是刀具工具使用前的刻面的形狀，(b)是對超硬合金進行切削加工后的刻面的形狀，(c)是對銅進行切削加工后的刻面的形狀，Cd)是對鋁進行切削加工后的刻面的形狀。
【具體實施方式】
[0031 ] 首先，對實現(xiàn)本發(fā)明的過程及本發(fā)明的要點進行說明。
[0032]在切削刃刃口形成刻面的情況下，通常大多是在首先形成鋒利的刃口后，除去該刃口的一部分而形成。關(guān)于使用硬質(zhì)材料的刀具工具，由于利用其硬度，故而刻面也以母材的硬質(zhì)材料自身形成。另外，有時也會在切削刃刃口進行涂敷以提高耐久性，但在該情況下，涂敷有耐磨損性比母材更優(yōu)異的材料。作為該耐磨損性優(yōu)異的材料的性質(zhì)，大多具有硬度高、楊氏模量大、密度大等性質(zhì)中的至少一種。
[0033]這樣，在現(xiàn)有的技術(shù)中，為了提高切削刃刃口的機械耐久性，認為必須提高切削刃刃口自身的耐磨損性。
[0034]對此，本發(fā)明通過在形成于切削刃刃口的刻面形成容易磨損的層即初期磨損層，從而提高切削刃刃口自身的機械耐久性。本發(fā)明的技術(shù)本質(zhì)上為與現(xiàn)有技術(shù)中所使用的提高切削刃刃口自身的耐磨損性的技術(shù)不同的方法。
[0035]接著，對為什么在刻面形成初期磨損層即可提高切削刃刃口自身的機械耐久性進行說明。
[0036]在未形成刻面的切削刃刃口，在處于切削刃刃口的微裂紋等產(chǎn)生應力集中，以此為起點而產(chǎn)生損傷。若在切削刃刃口形成刻面，則即使存在微裂紋也會緩和應力集中，因此，不易產(chǎn)生損傷。切削刃刃口的磨損損傷以以這種應力集中部位為起點而脫落的方式產(chǎn)生，該應力集中部位脫落的結(jié)果，緩和應力集中，因此，脫落停止，該部位不再磨損。關(guān)于形成有刻面的切削刃刃口，若這種磨損進一步發(fā)展，則切削刃刃口的形狀有時會鈍化，但也有時會變得鋒利。另外，往往即使整體鈍化，也會局部形成鋒利的部位，在磨損發(fā)展的情況下的切削刃刃口的形狀取決于應力集中的方式，因此，難以籠統(tǒng)地預想會成為怎樣的形狀。但是，在以緩和應力集中的方式磨損的情況下，切削刃刃口變得鋒利也好，鈍化也好，由于難以產(chǎn)生應力集中，因此，磨損的發(fā)展變得非常緩慢。
[0037]接著，對切削刃刃口的磨損損傷的形態(tài)進行詳細研究。圖3 (al)?圖3 (a5)表示切削刃刃口作為裂縫及崩刃而損傷的模式的例子。在形成于切削刃刃口的刻面14(參照圖3 (al))如圖3 (a2)所示地產(chǎn)生裂紋16，從這里起如圖3 (a3)所示地開始裂縫。這種裂縫18及崩刃大多會再次形成銳利的刃口 19。由該裂縫18新形成的銳利的刃口 19容易受到應力集中，如圖3 (a4)、(a5)所示，會誘發(fā)進一步的裂縫18’及崩刃。這樣，即使切削刃刃口的刻面14的損傷發(fā)展，也不會緩和應力集中，因此，損傷會繼續(xù)發(fā)展，刀具工具的壽命即將結(jié)束。另外，圖3 (b)、(c)的照片分別是從上方(從前端)觀察到的與圖3 (al)、圖3 (a5)所示的狀態(tài)對應的刻面14的圖，圖3 (d)、(e)分別是在圖3 (b)、(c)用虛線表示的部分的剖面形狀的示意圖。
[0038]另一方面，圖4 (al)?(a7)表示切削刃刃口由于裂縫及崩刃而損傷，而是逐漸磨損的逐次磨損模式的例子。在該模式中，產(chǎn)生切削刃刃口的表面層的原子以納米級單位逐次脫離的現(xiàn)象。在力作用于切削刃刃口的刻面14 (參照圖4 (al))的情況下，應力最大的部分以I原子?數(shù)IOnm直徑程度的小單位逐漸脫離的情形示于圖4 (a2)?(a6)。若產(chǎn)生該納米級單位下的脫離，則該部分成為平滑的形狀，故而不易產(chǎn)生應力集中，不易磨損。另夕卜，若繼續(xù)使用刀具工具，則在其它場所會產(chǎn)生同樣的納米級單位的脫離。反復如此，切削刃刃口的形狀發(fā)生變化。在實際的例子中，在切削刃刃口形成兩個刻面，若使用將其前端刃口的曲率半徑設(shè)為0.5 μ m程度的刀具工具，則刻面的對稱性瓦解，切削刃刃口比初期鋒利，其曲率半徑成為0.Ιμπι程度。另外，在切削刃刃口完全看不到裂縫及崩刃。
[0039]這樣，圖4 (al)所示的初期的刻面形狀發(fā)生變化，如圖4 (a7)所示，成為進一步緩和應力集中的穩(wěn)定的形狀，在刀具工具使用中自動形成適合該使用條件的刻面形狀。另夕卜，圖4 (b)、(C)的照片分別是從上方觀察到的與圖4 (al)、圖4 (a7)所示的狀態(tài)對應的刻面14的圖，圖4 (d)、(e)分別是在圖4 (b)、(C)中用虛線表示的部分的剖面形狀的示意圖。另外，圖4 (f)的照片是將圖4 (b)的局部(圖4 (b)中由四角包圍的部分)放大的圖。
[0040]如上，為了提高切削刃刃口的機械耐久性，重要的條件是，避免產(chǎn)生圖3中說明的裂縫及崩刃的損傷模式，且進入產(chǎn)生圖4中說明的逐次磨損的狀態(tài)。為了從刀具工具的使用初期抑制裂縫及崩刃，進行逐次磨損模式，起初就要明確關(guān)鍵是預先形成容易磨損的初期磨損層。另外，為了成為自動形成適合使用條件的刻面形狀的狀況，我們經(jīng)過深入研究，結(jié)果明確以下兩點非常重要。
[0041](a)在初期磨損層和基底材料之間沒有固相界面
[0042](b)初期磨損層的表面具有由連接成網(wǎng)狀的凹部、和由該凹部包圍的隆起部形成的表面構(gòu)造
[0043]圖5 (al)?(a4)是表示在切削刃刃口的刻面14，與上述(a)條件相反，在初期磨損層21和基底材料22之間具有固相界面23的情況下的狀況的圖。產(chǎn)生這種固相界面23的典型方法是通過蒸鍍等成膜法形成初期磨損層21。這樣，若在初期磨損層21和基底材料22之間形成固相界面23，則如圖5 (a2)?(a4)所示，固相界面23因為應力集中而使裂痕24容易擴散，容易產(chǎn)生膜剝落25，因此，會受到初期磨損層21自身剝落等大損傷。由此，不會產(chǎn)生初期磨損層21的逐次磨損，不會自動形成適合緩和應力集中的刻面形狀。圖5 (b)、(c)的照片是從刻面14的上方觀察到的在刻面14的表面通過成膜形成初期磨損層21的狀態(tài)及初期磨損層21剝落后的狀態(tài)的照片，圖5 (d)是對圖5 (c)進行繪圖的圖。在圖5 (d)中，部分26表示初期磨損層21剝落的部分。另外，在膜剝落部位形成銳利的刃口等，再次形成應力集中部位。由于這樣，因此，若在初期磨損層21和基底材料22之間具有固相界面23，則不會自動生成耐久性高的切削刃刃口形狀。
[0044]在刀具工具使用中，對為了自動生成適合其使用條件的刻面形狀而必須的另一條件(b)進行研究。圖6 (a)表示初期磨損層的表面構(gòu)造的SEM (掃描式電子顯微鏡)圖像?？芍?，在其表面具有寬度為數(shù)IOnm程度的隆起部。在SEM圖像上描繪有其隆起部的示意圖。另外，觀察隆起部31的剖面，如圖6(b)所示的示意圖那樣地在與基底的材料之間沒有固相界面。另外，作為該隆起部31的特性，具有如下至少一個，即:與基底材料的特性相比，硬度?。慌c基底材料的特性相比，楊氏模量?。慌c基底材料的特性相比，密度小。沒有固相界面，材料特性發(fā)生變化是指，在初期磨損層和基底材料之間至少具有材料特性連續(xù)地逐漸發(fā)生變化的區(qū)域。
[0045]圖6 (C)?(f)是示意性地表示對隆起部31施力的情況下的變化的圖。在對隆起部前端施力的情況下，例如由于硬度比基底小，隆起部前端如圖6 (d)所示地發(fā)生彈性變形或塑性變形而緩和應力集中。盡管如此，若強烈施力，則隆起部前端的一部分如圖6 Ce)所示地以納米級單位逐漸脫離。隆起部前端僅施力最大的部分脫離，因此，發(fā)生變形以緩和應力集中。若這種情況反復發(fā)生，則典型地，隆起部前端在外觀上如圖6 (f)所示地變化成帶有圓弧的形狀。
[0046]圖7 (a)是表示與圖6 (a)相同的照片的圖，圖7 (b)?(e)是表示隆起部31如上述所述地變化，且進一步磨損的情形的圖。若繼續(xù)使用刀具工具，則如圖7 (e)所示，隆起部、即初期磨損層自身不再磨損，在施力最大的部分露出基底材料。此時，沿在切削刃刃口施加的應力分布，磨損順暢地進行，因此，切削刃刃口成為平滑的形狀，不產(chǎn)生裂紋，且不產(chǎn)生裂縫及崩刃。這樣，適合刀具工具的使用條件的刻面形狀在使用中自動形成。另外，強烈施力的表面的初期磨損層消失，發(fā)揮了材料本來的耐磨損性。
[0047]以下，對本發(fā)明的實施方式進行說明。
[0048]例如，如圖8 (a)所示，本實施方式的刀具工具40在塊狀的材料形成切削刃41，典型地，具有前刀面42和后刀面43。圖8 (b)所示的刀具工具40’在圖8 (a)的刀具工具40形成有刻面44。另外，如分別在圖9 Ca)?(c)所示的直線狀切削刃51、圓盤狀切削刃52、旋轉(zhuǎn)立銑刀狀切削刃53那樣地，只要形成有切削刃，則刀具工具可以為任意形態(tài)。
[0049]作為原材料，只要是硬質(zhì)的非金屬的無機固體材料，則能夠使用任意的材料，但典型的有單晶體金剛石、無粘合劑cBN (立方氮化硼)、多晶體金剛石燒結(jié)體、cBN燒結(jié)體、碳化鎢燒結(jié)體(也稱超硬合金)、氧化鋁燒結(jié)體及氧化鋯燒結(jié)體等陶瓷材料等。另外，單晶硅及玻璃等脆性材料也能夠作為刀具工具材料而使用。另外，在本發(fā)明中，“非金屬的無機固體材料”是指“含有硬質(zhì)的無機固體材料的材料”，作為無機固體材料并非完全排除含有金屬。這是由于，作為切削刃而起作用的主體如果是非金屬的無機固體材料，則可以發(fā)揮本發(fā)明的作用效果。例如，在碳化鎢燒結(jié)體中，使硬質(zhì)的非金屬的無機固體材料即碳化鎢粒子具有以鈷等金屬為粘合劑而結(jié)合的構(gòu)造，作為切削刃起作用的主體變成碳化鎢粒子。
[0050]作為形成切削刃的方法，通過激光加工及金屬絲放電加工等對刀具工具的外形進行整理后，通過研磨等形成切削刃。在單晶體金剛石及無粘合劑cBN這樣的硬材料中，大多采用被稱為旋刮研磨的方法。
[0051]作為典型例，通過激光加工從無粘合劑cBN原材料切出長2mm、高寬都是1mm。然后，通過金剛石砂輪對各面進行研削以整理形狀，切削刃部分通過旋刮車床進行研磨精加工。刀尖角設(shè)為65度，切削刃刃口前端的曲率半徑設(shè)為約50nm。
[0052]對該切削刃刃口形成刻面。作為刻面形成方法，能夠采用通過浸潰金剛石研磨膏的旋刮車床對切削刃刃口以倒角的方式進行研磨的方法。作為其它的方法，通過對切削刃刃口照射氣體團簇離子束(GCIB)也能夠?qū)崿F(xiàn)。該情況下的典型的條件為作為原料氣體使用氬氣、加速電壓20kV、照射劑量能夠使用3X1018ionS/cm2。作為原料氣體，只要是形成氣體團簇的氣體，則不作特別限定。關(guān)于加速電壓及照射劑量也能夠在設(shè)計事項的范圍變化。
[0053]圖10 (a)的照片是對氣體團簇離子束照射前的切削刃刃口 61從上方進行SEM觀察的照片，圖10 (b)的照片是將圖10 (a)放大的照片。另外，圖10 (d)的照片是表示氣體團簇離子束照射后的切削刃刃口 61的狀態(tài)的照片。另外，圖10 (c)、(e)分別表示從側(cè)面觀察圖10 (b)、(d)的形狀。由圖10 (d)的照片可知，在切削刃刃口 61形成有兩個刻面62。圖11與圖10 (d)、(e)相同，是用照片及相對照片的繪圖對氣體團簇離子束照射后的切削刃刃口 61的狀態(tài)進行表示的圖，圖12 Ca)是將圖11 Ca)的照片放大的圖。另外，圖12 (b)是對圖12 (a)的照片的局部(刻面)進行繪圖的圖。從圖12 (a)、(b)可知，刻面的局部成為曲面。
[0054]形成于切削刃刃口的刻面并非必須為多個，只要至少有一個即可?？堂婵梢詾槠矫?、也可以為曲面，或還可以為它們的組合。若刻面表面為曲面，則刻面能夠與切削刃刃口平滑地連接，緩和切削刃刃口的應力集中并能夠進一步提高機械耐久性。
[0055]圖13表示曲面刻面的例子。圖13 (a)是作為比較，表示沒有刻面的切削刃刃口61的圖，圖13 (b)?(d)是表示曲面刻面的各種例子的圖。在圖13 (b)中，刻面63全部由曲面構(gòu)成。在圖13(c)中，刻面64由兩個平面部64a、64b和連接這些平面部64a、64b的曲面部64c構(gòu)成。在圖13 Cd)中，刻面65由三個曲面部65a?65c構(gòu)成，曲面部65a、65b如圖所示稍為凹面。在基于上述氣體團簇離子束照射的刻面形成方法中，還有一重大特征是，能夠容易將刻面表面如圖13所示地形成平滑的三維曲面。[0056]接著，在切削刃刃口的刻面表面形成初期磨損層。作為初期磨損層的形成方法，不能使用在基底材料和初期磨損層之間存在固相界面那樣的形成方法。例如，通過CVD(Chemical Vapor Deposition:化學氣相沉積)法對類金剛石碳進行成膜那樣的方法會生成固相界面，因此不能采用。如上所述，這是由于若具有固相界面則會以其為起點剝落。另外還由于剝離部分會形成陡峭的臺階差及刃口而容易產(chǎn)生應力集中，因此，會促進切削刃刃口的崩刃及裂縫。
[0057]作為以避免生成固相界面的方式形成初期磨損層的方法，通過在材料表面照射氣體團簇離子束能夠?qū)崿F(xiàn)作為深入研究的結(jié)果已非常明確。在現(xiàn)有的技術(shù)研究中，有如下見解，若在材料表面照射氣體團簇離子束，則材料表面平坦化，作為其平坦化的效果，變得不易磨損。但是，在本發(fā)明起初就已明確，若通過氣體團簇離子束照射形成某種隆起構(gòu)造，則相反容易磨損。在形成隆起構(gòu)造的同時，關(guān)于材料表面物質(zhì)，通過使初期排列構(gòu)造變化而不生成明確的固相界面。只要進行這樣的氣體團簇離子束照射即可，例如照射能量必須比原子間結(jié)合能量大。即，構(gòu)成氣體團簇的每個原子具有的能量只要在數(shù)eV以上即可，典型地，例如構(gòu)成原子數(shù)為1000個，在各原子具有5eV以上的能量時，作為照射能量只要在5keV(力口速電壓5kV)以上即可。另外，原料氣體的種類等其它條件并未特別限定。
[0058]但是，并非如上述只要不生成固相界面什么都可以，初期磨損層具有由連接成網(wǎng)狀的凹部、和由凹部包圍的隆起部構(gòu)成的表面構(gòu)造。隆起部的平均寬度設(shè)為5?50nm，初期磨損層的物理參數(shù)與位于初期磨損層下方的上述無機固體材料的物理參數(shù)不同。關(guān)于隆起部的平均寬度，若過小，則在變形以緩和應力集中前，構(gòu)造變化飽和，不能發(fā)揮功能，因此，必須在5nm以上。相反，若隆起部的平均寬度過大，則難以緩和應力集中，實質(zhì)上，與沒有隆起部的構(gòu)造一樣會產(chǎn)生應力集中，因此，必須設(shè)為50nm以下。
[0059]作為這種初期磨損層的形成方法，與上述一樣，能夠采用在刻面表面照射氣體團簇離子束的方法。這也可以在刻面形成時同時進行。作為該初期磨損層及無機固體材料的物理參數(shù)，可選擇與機械耐久性相關(guān)的物理參數(shù)，具體而言，能夠舉出楊氏模量、密度、硬度等。作為其它的與機械耐久性相關(guān)的物理參數(shù)，也可以采用非晶度(晶體化度)、空隙率等。即，只要是初期磨損層自身的磨損速度變大的物理參數(shù)則可采用任何參數(shù)。
[0060]作為物理參數(shù)，在采用楊氏模量的情況下，初期磨損層的楊氏模量比位于初期磨損層下方的無機固體材料的楊氏模量小。作為物理參數(shù)，在采用密度及硬度的情況下，初期磨損層的密度及硬度比位于初期磨損層下方的無機固體材料的密度及硬度小。另外，在采用例如非晶度(晶體化度)作為物理參數(shù)的情況下，初期磨損層具有非晶構(gòu)造，位于初期磨損層下方的無機固體材料具有晶體構(gòu)造。在該情況下，在無機固體材料和初期磨損層的邊界區(qū)域，具有從無機固體材料向初期磨損層從晶體構(gòu)造逐漸向非晶構(gòu)造變化的構(gòu)造。此時，初期磨損層的非晶度比位于初期磨損層下方的無機固體材料的非晶度大。
[0061]基于氣體團簇離子束照射的初期磨損層僅在刻面表面形成即可，但不必在前刀面及后刀面形成。在前刀面及后刀面也照射氣體團簇離子束，也可以在切削刃整體形成初期磨損層。形成初期磨損層的刻面的寬度及長度等形狀只要與在到目前為止的刀具工具中所使用的例子一致即可。關(guān)于初期磨損層的厚度，為了使隆起部構(gòu)造有效地起作用，必須在其平均寬度以上，具體而言，只要設(shè)為5nm以上即可。另外，明確的是，作為初期磨損層的形成方法，不限定于氣體團簇離子束照射，只要是為在上述作用中說明的結(jié)構(gòu)的方法，任何方法都可以。
[0062]形成為上述結(jié)構(gòu)的本實施方式的刀具工具，在處于切削刃刃口的刻面形成有初期磨損層，初期磨損層在使用刀具工具中從應力大的部位逐漸磨損，自動成為不產(chǎn)生應力集中的刻面形狀。不使用本發(fā)明的刀具工具的話，磨損不逐漸發(fā)展，而是崩刃及裂縫從微裂紋及固相界面等應力集中部位發(fā)展。在本發(fā)明的刀具工具中，磨損發(fā)展到某種程度后，由于本來的具有耐磨損性的材料內(nèi)部露出，因此，磨損難以再發(fā)展。這樣，本發(fā)明的刀具工具即使不對設(shè)于切削刃刃口的刻面的寬度及長度、曲率半徑等進行最優(yōu)化，也能以寬泛的切削條件提高機械耐久性，生產(chǎn)性良好地實現(xiàn)機械耐久性高的刀具工具。
[0063]以下，使用下述所示的本發(fā)明的實施例1、現(xiàn)有例1、比較例1、比較例2來表示進行了切削加工試驗的結(jié)果。
[0064].實施例1:在包含刻面的切削刃刃口的整個表面形成有初期磨損層的刀具工具(初期磨損層的厚度為IOOnm)
[0065].現(xiàn)有例1:相對于實施例1，沒有初期磨損層的刀具工具
[0066].比較例1:在包含刻面的切削刃刃口的整個表面，作為在初期磨損的層通過CVD法形成類金剛石碳，具有固相界面的刀具工具
[0067].比較例2:相對于實施例1，使初期磨損層的隆起部的平均寬度比50nm大的刀具
工具
[0068]刀具工具為圖8 (b)所示的形狀，材料為無粘合劑cBN。使用該刀具工具在平削車床進行切削。通過SEM (Scanning Electron Microscope:掃描式電子顯微鏡)對在鋼材(日本工業(yè)標準SKDl 1)70形成有50條圖14所示的寬300 μ m、深100 μ m、長5mm的槽71后的刀具工具的切削刃刃口的卷刃進行觀察，通過光學顯微鏡觀察被加工材表面的質(zhì)地。結(jié)果不于圖15的表中。
[0069]如表I所示可知，在現(xiàn)有例I及比較例1、2中，切削刃刃口產(chǎn)生卷刃，該卷刃集積而變化成較大的脫落，結(jié)果，被加工材的表面質(zhì)地的粗糙度變大，變得模糊。與這些現(xiàn)有例I及比較例1、2相對，實施例1在切削刃刃口的刻面表面形成的初期磨損層逐漸磨損，以緩和應力集中的方式使刻面形狀發(fā)生變化。作為其結(jié)果，可防止切削刃刃口的卷刃，被加工材的表面成為鏡面，實現(xiàn)了高精度加工。
[0070]另外，即使在使用與實施例1相同的刀具工具使被加工材的材質(zhì)變化為超硬合金、銅、鋁等、或使切削速度發(fā)生變化、或者使刀具工具的安裝精度發(fā)生變化的情況下，也能夠得到相同的結(jié)果。使用刀具工具，以產(chǎn)生應力集中的緩和的方式使初期磨損層磨損以使切削刃刃口變形的情形示例于圖16。圖16 (a)是表示刀具工具使用前的刻面80的形狀的圖，圖16 (b)?(d)是分別表示對超硬合金、銅、鋁分別進行切削加工后的刻面81、82、83的形狀的圖。
[0071]如圖16所示例，關(guān)于刀具工具的使用前后的形狀變化，不僅是刻面從平面變化成曲面，而且還產(chǎn)生刻面為兩面的進一步附加微細的倒角形狀、或由兩面變成一面、或刻面角度發(fā)生變化的情況。這表示，在實施例的刀具工具中，即使不對設(shè)于切削刃刃口的刻面寬度及長度、曲率半徑等進行最優(yōu)化，也能在寬泛的切削條件下提高機械耐久性(增大切削刃刃口強度)，生產(chǎn)性良好地實現(xiàn)機械耐久性高的刀具工具。
【權(quán)利要求】
1.一種刀具工具，在由非金屬的無機固體材料構(gòu)成的切削刃刃口形成有刻面，其特征在于， 在所述刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨損層，所述初期磨損層具有由網(wǎng)狀連接的凹部和由所述凹部包圍的隆起部構(gòu)成的表面構(gòu)造， 所述隆起部的平均寬度設(shè)為5~50nm， 所述初期磨損層的物理參數(shù)與位于所述初期磨損層下方的所述無機固體材料的物理參數(shù)不同，且在所述初期磨損層和所述無機固體材料之間不具有固相界面。
2.一種刀具工具，在由非金屬的無機固體材料構(gòu)成的切削刃刃口形成有刻面，其特征在于， 在所述刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨損層，所述初期磨損層具有由網(wǎng)狀連接的凹部和由所述凹部包圍的隆起部構(gòu)成的表面構(gòu)造， 所述隆起部的平均寬度設(shè)為5~50nm， 所述初期磨損層的楊氏模量比位于初期磨損層下方的所述無機固體材料的楊氏模量小，且在所述初期磨損層和所述無機固體材料之間不具有固相界面。
3.一種刀具工具，在由非金屬的無機固體材料構(gòu)成的切削刃刃口形成有刻面，其特征在于， 在所述刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨損層，所述初期磨損層具有由網(wǎng)狀連接的凹部和由所述凹部包圍的隆起部構(gòu)成的表面構(gòu)造， 所述隆起部的平均寬度設(shè)為5~50nm， 所述初期磨損層的密度比位于所述初期磨損層下方的所述無機固體材料的密度小，且在所述初期磨損層和所述無機固體材料之間不具有固相界面。
4.一種刀具工具，在由非金屬的無機固體材料構(gòu)成的切削刃刃口形成有刻面，其特征在于， 在所述刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨損層，所述初期磨損層具有由網(wǎng)狀連接的凹部和由所述凹部包圍的隆起部構(gòu)成的表面構(gòu)造， 所述隆起部的平均寬度設(shè)為5~50nm， 所述初期磨損層的硬度比位于所述初期磨損層下方的所述無機固體材料的硬度小，且在所述初期磨損層和所述無機固體材料之間不具有固相界面。
5.一種刀具工具，在由非金屬的無機固體材料構(gòu)成的切削刃刃口形成有刻面，其特征在于， 在所述刻面表面形成有厚度5nm以上的初期磨損層，所述初期磨損層具有由網(wǎng)狀連接的凹部和由所述凹部包圍的隆起部構(gòu)成的表面構(gòu)造， 所述隆起部的平均寬度設(shè)為5~50nm， 所述初期磨損層具有非晶構(gòu)造，位于所述初期磨損層下方的所述無機固體材料具有晶體構(gòu)造，在所述無機固體材料和所述初期磨損層的邊界區(qū)域具有從所述無機固體材料向所述初期磨損層，從晶體構(gòu)造逐漸向非晶構(gòu)造變化的構(gòu)造。
6.一種刀具工具，在由非金屬的無機固體材料構(gòu)成的切削刃刃口形成有刻面，其特征在于， 在所述刻面表面形成有用于使所述切削刃刃口使用時的應力集中部分快速磨損，使所述刻面的形狀最優(yōu)化的、比所述無機固體材料更容易磨損的厚度5nm以上的初期磨損層，所述初期磨損層的物理參數(shù)與位于所述初期磨損層下方的所述無機固體材料的物理參數(shù)不同，且在所述初期磨損層和所述無機固體材料之間不具有固相界面。
7.如權(quán)利要求1~6中的任一項所述的刀具工具,其特征在于， 所述初期磨損層 通過氣體團簇離子束的照射而形成。
【文檔編號】B23B27/00GK103934484SQ201310594660
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月22日
【發(fā)明者】佐藤明伸, 鈴木晃子 申請人:日本航空電子工業(yè)株式會社