JP2001239403A

JP2001239403A - 切削工具

Info

Publication number: JP2001239403A
Application number: JP2000048196A
Authority: JP
Inventors: Masami Nishi; 正実西
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2001-09-04

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】十分大きなビビリ対策性能を有し、且つ、製作
コスト的に有利な切削工具を提供する。加えて、柱状部
の形状の如何を問わず種々の工具に適用できるビビリ対
策を提供する。【解決手段】先端に直接又は間接に切刃を設けた柱状の
切削工具において、少なくとも柱状部の表面に超硬合金
溶射部を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械で切削加
工を行うための切削工具に関するものであり、より詳細
にはビビリ振動を抑制した切削工具に関する。

【０００２】

【従来の技術】切削工具を用いて加工物を切削加工する
場合には、工具と加工物との間に相対振動（ビビリ振
動）が生じることが多い。このビビリ振動には外部に振
動源のある強制ビビリや切削過程自体が不安定となって
振動が発生する自励びびりとがある。強制ビビリの場合
には、外的原因を除去しさえすれば解決できるものの、
自励ビビリの場合には加工物、保持方法、工具の素材な
ど系全体の性質が関係するため解決は容易なものではな
い。

【０００３】このような自励ビビリ（以下単にビビリ対
策という）の対策の一つに切削柱状部としてのシャンク
全体を超硬合金で構成したものが用いられている。

【０００４】また、切削工具そのものに対策を施すので
はなく、切削工具を工作機械本体に取り付けるためのア
ーバに対するビビリ対策としてアーバの軸方向に、凹溝
を形成し、この凹溝内に超硬筋金をロー付け固定した例
も提案されている（特開平９−１５５６０５）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術のうち、シャンク全体を超硬合金で構成した切削
工具は、超硬合金の有する高剛性特性により一応のビビ
リ対策は実現できるものの、靱性に劣るため欠損し易
く、また、超硬合金そのものが非常に高価であるため、
製作上のコストも非常に高くなってしまうという問題が
あった。

【０００６】また、超硬筋金をロー付け固定してなる前
記超硬筋金入りアーバは、筋金を固定する凹部を形成し
たり、またアーバ自体が回転工具を締め付けねじによっ
て着脱可能に固定する構造になっているため、アーバ自
体を回転工具に対して十分大きなものとする必要があ
り、結果として大きさや形状に制限が生じ、どんな形状
の工具に対しても使用できるというものではない。特に
小型の工具に対しては採用できないという問題点があっ
た。

【０００７】そこで本発明は、これら従来技術の課題に
鑑み、十分大きなビビリ対策性能と靱性を兼ね備え且
つ、製作コスト的に有利な切削工具を提供することを目
的とする。加えて、柱状部の形状の如何を問わず種々の
工具に適用できるビビリ対策を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明の切削工具は、先端に直接又は間接に切刃を設け
た柱状の切削工具において、工具本体の少なくとも柱状
部に超硬合金溶射部を有することを特徴とする。ここ
で、先端に直接に切刃を設けた柱状の切削工具とは、全
体として柱状の外観形状を有する工具本体の先端部に一
体の切刃を備えるソリッドタイプの切削工具であり、間
接に切刃を設けた切削工具としては、工具本体に一体の
切刃を備える代わり切刃を有するチップを工具本体先端
部にロー付けしたロー付けタイプのものや、切刃を備え
たスローアウェイチップを工具本体先端部に設けたチッ
プ座に対して交換自在に取り付けるスローアウェイタイ
プのものなどがある。

【０００９】かかる構成の本発明の切削工具では、柱状
部表面に超硬合金の持つ剛性を賦与することで、工具本
体に使用する材料がもつ材料特性（靱性）を十分活かし
て、工具全体の剛性を高めることが可能となる。

【００１０】また、本発明では溶射により超硬合金膜を
形成しているため、柱状部の形状にかかわらず適用で
き、工具対象物が限定されるという問題は無い。更に超
硬合金を、工具本体の所望する広い領域に亘って容易に
超硬合金を配することができるので、ビビリ対策性能を
一段と高めることができる。

【００１１】ここで、本発明に従い、超硬合金を外周側
に配することにで、切削工具のビビリ対策効果を非常に
大きいものとすることができることについて、図４を参
照して、超硬合金を外周側に配した簡易なモデル解析に
より説明する。

【００１２】切削工具のビビリ振動は、柱状部のたわみ
量が大きいほど起こり易いことがわかっている。

【００１３】このたわみ量について、仮想的に対比した
分析を行うべく、図４に示すような同じ断面積を有する
中空の超硬合金製の切削工具と中実の超硬合金製の切削
工具を想定して比較する。参考までにこれらは、それぞ
れ前者が外周側に超硬合金を配した切削工具のモデル、
後者が内周側に超硬合金を配した切削工具のモデルであ
る。また、これらモデルにおいて、中空の切削工具にお
ける柱状部の直径Ｄ１は１４．１ｍｍ、穴直径Ｄ２およ
び中実の柱状部の直径Ｄ３はともに１０ｍｍとし、両モ
デルともに超硬合金の断面積を７８．５３ｍｍ²として
いる。

【００１４】なお、切削工具のたわみ量はより剛性の大
きな部分によって決定されるので、本モデルでは鋼材の
部分については考慮してない。

【００１５】各モデルのたわみ量σは下記数１の解析式
により求められる。式中、Ｐは切削応力、Ｌは切削工具
の突き出し長さ、Ｅはシャンクを構成する素材の持つヤ
ング率、ｄ１は柱状部の直径、ｄ２は中空丸棒の場合の
穴直径をそれぞれ示す。

【００１６】

【数１】

【００１７】この数１に前記モデルの値を代入すると、
中空のモデルが数２のようになり、中実のモデルが数３
のようになり、これらの比を求めたものが数４とにな
る。

【００１８】

【数２】

【００１９】

【数３】

【００２０】

【数４】

【００２１】そして、上記計算により求めた数４の結果
から、中空のモデルは中実のモデルに比して約３分の１
のたわみ量であることが判る。すなわち、外周側に超硬
合金を配した切削工具は、内周側に超硬合金を配したも
のよりもたわみ量が少なく、ビビリ振動が発生し難い傾
向であることが理解できる。

【００２２】こうして、工具本体の外周部分に超硬合金
を配することで、工具全体のたわみ量を有効に抑え、ビ
ビリそのものを抑えることができる。そして、本発明で
は、この理論に沿って、工具の外周部に超硬合金を配す
る手段として、溶射方法を採用することで、簡単にかつ
所望する形態のビビリ対策を実現してものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を使って本発明の実施
の形態を説明する。

【００２４】図１は、本発明の内径加工用切削工具の一
例を示す側面図であり、説明を分かり易くするため、そ
の一部を切り欠いて断面図としている。

【００２５】全体として符号１で示す切削工具は、旋盤
用の切削工具に使用したものである。この切削工具１
は、柱状部としての略丸状のシャンク２の先方軸部２ａ
に切刃取付部３が設けられ、この切刃取付部３の先端部
に切刃４１を備えたスローアウェイチップ４が着脱自在
に固定されている。切削工具１のシャンク２は、通常切
削工具に用い得る鋼材を用いることができ、例えば、
Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｐ及びＳの５元素が入った機械構造用
炭素鋼、クロム、モリブデン、ニッケルなどを添加した
機械構造用合金鋼、或いは、炭素工具鋼、合金工具鋼や
高速度工具鋼などの工具鋼やステンレス鋼などをシャン
ク２に使用することができる。

【００２６】そして、この切削工具１のシャンク２の表
面には超硬合金からなる超硬合金溶射部５が形成されて
いる。

【００２７】この超硬合金溶射部５を形成する溶射材料
としての超硬合金は、ＷＣ−Ｃｏ系の超硬合金や、ＷＣ
−ＴｉＣ−Ｔａ（Ｎｂ）Ｃ−Ｃｏ系超硬合金を使用する
ことができる。なかでもＷＣ−Ｃｏ系の超硬合金は、機
械的強度とコストの観点から、特に好ましい。

【００２８】超硬合金溶射部５を形成するに当たって、
超硬合金としては焼結体を適当な粒度に粉砕したものを
用い、後述する溶射装置を使用するのが望ましく、具体
的には中心粒径で５〜５３μｍのものが望ましい。粒径
が上記範囲よりも大きい場合には、供給する超硬粒子が
内部まで十分に軟化されておらず、被着された超硬合金
膜にはがれが生じたり、はがれないまでも望む被覆強度
が確保されなかったりするなど、工具そのものの耐久性
が劣る傾向がある。

【００２９】さらに本発明で使用する超硬合金として
は、剛性を高める観点からヤング率Ｅがより大きいもの
が望ましい。この場合、超硬合金のヤング率Ｅそのもの
はその組成により決まり、金属成分含有量が少なめのも
のがより高い値を示すことから、金属含有率が少ない超
硬合金が好ましいが、金属成分含有量が少な過ぎると靱
性が低く、割れや、微小クラックを生じやすくなる傾向
や溶射形成による被着強度の低下傾向もでてくる。そこ
でこれらのことを考慮すると、柱状部のサイズや形状に
よっても異なるが、Ｃｏ、Ｎｉなどの金属成分含有量は
５〜３０重量％、さらには、１０〜２０重量％であるこ
とが好ましい。

【００３０】図２は、切削工具１に超硬合金溶射部５を
形成するための溶射装置の一例（高速フレーム溶射装
置）を示したものである。

【００３１】全体として２０で示す溶射装置は、内部燃
焼室２１内へ炭化水素系や水素ガスなどの燃焼ガスを供
給する燃焼ガス供給部２４及び燃焼ガスを燃焼させるた
めの酸素ガスを供給する酸素ガス供給部２５並びにスパ
ークプラグ２６を備え、内部燃焼室２１で両ガスが混合
され燃焼させられる。そしてこの燃焼により生じた燃焼
ガスは、内部燃焼室２１に隣接して設けられた小径の集
中噴射孔２３から約２０００〜２５００Ｋの高温の超音
速燃焼ガスジェットとして噴射される。

【００３２】一方、集中噴射孔２３の噴射方向下流側に
は、ガスジェットの中心にに向けて超硬合金粉末材２２
を供給する超硬合金粉末供給手段２７が設けられてい
る。そして、この供給手段２７へ窒素ガスをキャリアガ
スとして超硬合金粉末材２２を上記集中噴射孔２３に送
給すると、供給された超硬合金粉末材２２は、燃焼ガス
ジェット中で溶融し、加速されながら被射体に向けて放
出される。こうして超音速で放出された溶融状態にある
超硬合金粉末材は、柱状部に激突して、固着される。こ
のとき、工具本体を適宜回転並びに移動させることで、
柱状部の表面の所望する範囲に超硬合金溶射部５を形成
することができる。

【００３３】以上説明した高速フレーム溶射は、母材側
の材質の種類に関わらず、容易に溶射を行うことが可能
であり、溶射する超硬合金と母材材質の組み合わせに関
わらず、目的とするビビリ対策性能を奏することができ
る。

【００３４】超硬合金を溶射する範囲として、少なくと
も柱状部の表面に超硬合金溶射部５が設けられること
で、後述する実施例からもわかるように十分な効果が得
られるが、切刃取付部３にまで超硬合金溶射部５を設け
ることは勿論可能である。

【００３５】なお、上記溶射過程においては、溶射され
る柱状部の表面が１５００℃以上の高温に加熱されるた
め、この熱的影響により、柱状部の表面に残留応力を発
生させることができる。この残留応力は、切削加工を行
っている際に生じた振動の伝播を抑制することができ、
その結果、超硬合金を溶射した超硬合金溶射部５の剛性
向上と相成って、切削工具のビビリ対策性能を一層高め
ることが可能となる。

【００３６】本発明に従い、柱状部の表面に超硬合金溶
射部５を形成することでビビリ防止効果は達成できる
が、柱状部の耐久性、換言すると、超硬合金溶射部５自
体の耐久性を高めるためには、超硬合金溶射部５の膜強
度をより一層強くすることが望ましい。柱状部のサイズ
や形状によっても異なるが、超硬合金溶射部５自体を８
０％以上、特に９０％以上の高密度とすることで膜強度
を高めることができる。なお超硬合金溶射部５を、上述
したような密度とすることは、燃焼ガス並びに酸素ガス
の流量を制御し、燃焼ガスジェットのスピードをマッハ
４乃至５程度にすることで容易に行うことができる。

【００３７】本発明の柱状部の表面に形成する超硬合金
溶射部５の膜厚ｉとしては、柱状部のサイズによっても
異なるが、柱状部の径Ｄに対して０．５〜２５％、さら
には７．５〜２０％の厚みで形成することが好ましい。

【００３８】超硬合金溶射部５の前記膜厚ｉが柱状部の
Ｄの０．５％未満では切削工具１の防振効果が減少し、
他方、２５％を超えると、切削工具の製作コストが高く
なるからである。

【００３９】本発明においては、後述する実施例からも
明らかなように非常に優れたビビリ対策性能を発揮す
る。

【００４０】特に、ビビリが発生し易くなる次のような
場合、すなわち、柱状部の径Ｄに対する工作機械Ｔから
スローアウェイチップ４までの突き出し量Ｌの比Ｌ／Ｄ
（以下、「突き出し量」と略称する）が大きくなる場合
においても、ビビリ振動を抑えることができる。

【００４１】以上、工具本体の円筒形状の軸部に超硬合
金溶射部を形成した実施形態について説明したが、本発
明は、種々の形状の柱状部に対して超硬合金溶射部を形
成し、ビビリ対策を行えることが大きな特徴である。

【００４２】この一例としてドリル型の切削工具に使用
した場合について図３を使用して説明する。

【００４３】全体として符号１１で示す切削工具は、ド
リル型の切削工具であり、この切削工具１１は、丸棒状
のシャンク１３の先方にリップ１３ａを備え、このリッ
プ１３ａの先方には柱状部として鋼製の突出部１２が形
成されている。そして、この突出部１２には、切屑排出
用の螺旋状のフルート溝１６を備え、全体としては複雑
な曲面形状をなしている。この突出部１２の先端部に
は、切刃１７を備えたスローアウェイチップ１４が着脱
自在に固定されている。

【００４４】この実施形態では、複雑な曲面形状となっ
ているフルート溝１６を含む突出部１２の表面に、超硬
合金からなる超硬合金溶射部１５が、前述した溶射装置
を使用して被着されている。

【００４５】この超硬合金溶射部１５は突出部１２を軸
回転させながら溶射することで曲面に均一に施され、ビ
ビリ対策性能を向上させている。

【００４６】以上、図１乃至図３により、柱状部に超硬
合金溶射部５、１５を形成した切削工具について説明し
たが、超硬合金溶射部５、１５が被着される範囲は、こ
れら実施形態に限定されるものではなく、柱状部の太
さ、長さなど、その切削工具の使用目的に対応させて形
成する範囲を決定すればよい。ただし、内径加工用に使
用する工具のように、特に突き出し量が大きく、柱状部
が細長い場合には、少なくとも超硬合金溶射部を切刃近
傍まで形成することが、防振効果が大きい傾向があるの
で望ましい。また、切削工具の種類も前記実施形態に
限定されるものでなく、例えば、エンドミルなどの回転
工具や、溝入れ工具などの旋盤工具であっても構わな
い。

【００４７】

【実施例】図１に示す切削工具１について、前記突き出
し量（Ｌ／Ｄ）を３、５、６．５と変え、下記条件で切
削加工を行った。そして、加工中のビビリ振動発生の有
無を調べた。ビビリ振動は、加工音を聴覚で確認するこ
とと、加工後に被削材の加工面を目視で観察することで
判断した。

【００４８】なお、実験に用いた切削工具１の柱状部の
径Ｄは１２ｍｍ、前記超硬合金溶射部５の膜厚ｉは２．
０ｍｍ、溶射した超硬合金の組成はＷＣが８８％、Ｃｏ
が１２％であった。

【００４９】また、比較のために超硬合金溶射部の有無
のみが異なる切削工具を用いて、同様の加工を行い、ビ
ビリ振動の発生の有無を調べた。（加工条件）Ｖ（切削速度）＝１００ｍ／ｍｉｎｄ（切込み）＝０．５／１．０ｍｍｆ（送り）＝０．１ｍｍ／ｒｅｖＷＥＴワーク材質：ＳＣＭ４１５（合金鋼）チップ形状：ＣＰＭＨ０９０３０８Ｌ−Ｙチップ材種：京セラ（株）製ＰＲＯ９３０型（コーティング超硬合金）この評価結果を表１に示す。

【００５０】

【表１】

【００５１】表１に示すように、比較例の切削工具に
は、前記突き出し量（Ｌ／Ｄ）が大きくなるに従って大
きなビビリ振動が発生した。すなわち、突き出し量（Ｌ
／Ｄ）＝３のときには、正常な加工音に加えて、「キー
ン」という高音のビビリ音が少音量混じるように聞こ
え、（Ｌ／Ｄ）＝５のときには正常な加工音よりもにか
なり大きな前記ビビリ音が聞こえ、（Ｌ／Ｄ）＝６．５
のときには、さらに大きな前記ビビリ音がして、正常な
加工音を圧倒していた。

【００５２】また、突き出し量（Ｌ／Ｄ）＝３の加工例
では、さほど目立たないが、加工面がうろこ状に波う
ち、（Ｌ／Ｄ）＝５の加工例では、加工面が目の粗い不
均一なうろこ状に波うち、（Ｌ／Ｄ）＝６．５の加工例
では、さらに目が粗く不均一なうろこ状に波うってい
た。

【００５３】これに対して、本発明品の切削工具１は、
突き出し量を大きくしたにも関わらずビビリ振動音が聞
こえず、また、加工面が波うつこともなかった。

【００５４】このように本発明の切削工具は、ビビリが
発生し易くなる前記突き出し量が大きくなる場合におい
ても、非常に優れたビビリ対策性能を発揮する。

【００５５】

【発明の効果】以上のように、本発明の切削工具の構成
によれば、超硬合金を溶射により設けるので、外面形状
が丸棒状の柱状部や、また、切屑排出用のフルート溝が
螺旋状に形成されたドリル型の切削工具における柱状部
など、柱状部の外面形状が複雑な切削工具においても問
題なく柱状部の表面に超硬合金を配することができる。

【００５６】また、上記切削工具の構成は、柱状部全体
を超硬合金で構成すると非常なコスト高となるサイズが
大きい切削工具、例えば柱状部の先端にスローアウェイ
チップを着脱自在に取り付けた切削工具に好適に適用さ
れる。特に、柱状部の直径に対して切削工具の突き出し
長さを大きく取らなければならない内径加工用の切削工
具に好適に適用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明一実施形態の切削工具を示す側面図であ
る。

【図２】高速フレーム溶射機械の構造を説明するための
概略図である。

【図３】本発明別実施形態の切削工具を示す側面図であ
る。

【図４】本発明の作用を説明するための説明図で、切削
工具の断面モデルを示す。（ａ）は外周側に超硬合金を
配した切削工具のモデル、（ｂ）は内周側に超硬合金を
配した切削工具のモデルである。

【符号の説明】

１、１１切削工具２シャンク（柱状部）１２突出部（柱状部）４、１４スローアウェイチップ５、１５超硬合金溶射部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】先端に直接又は間接に切刃を設けた柱状の
切削工具において、工具本体の少なくとも柱状部に超硬
合金溶射部を有することを特徴とする切削工具。
【請求項２】前記柱状部がシャンクである請求項１記載
の切削工具。
【請求項３】前記柱状部がシャンクから切刃までの突出
部である請求項１記載の切削工具。
【請求項４】上記切削工具が内径加工用工具である請求
項１記載の切削工具。
【請求項５】上記超硬合金溶射部が本体直径の０．５〜
２５％の厚みで溶射形成されている請求項２記載の切削
工具。
【請求項６】上記超硬合金は金属結合相中にＷＣ粒子を
含む合金であり、金属結合相成分が合金組成の５〜３０
重量％存在させたことを特徴とする請求項２乃至４記載
の切削工具。