JP2004216410A - 切削工具、およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超硬合金製の切削刃部を有する切削工具を効率的に製造できる切削工具の製造方法を提供する。
【解決手段】超硬合金製の切削刃用部材１１と鋼製のシャンク用部材１３とを接合するための棒状の中間材用部材２５と、棒状の鋼製シャンク用部材１３とを、一方を回転させ他方を固定して、同軸的に圧接させることによって発生する摩擦熱を利用して接合した後、これによって得られた複合部材と超硬合金製の切削刃用部材とを同様に摩擦接合して切削工具用素材を作製し、これを機械加工して、切削工具を製造する。
前記中間材としては、鉄−ニッケル−コバルト系合金が好ましい。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超硬合金製の切削刃部を有する、例えば穴加工用の切削工具、およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被加工物を切削して穴加工を行う回転切削工具では、切削刃部を、被加工物よりも硬質の、かつ、切削時に発生する摩擦熱に対して耐性を有する材料を使用して構成する必要がある。したがって、切削工具の材料には超硬合金がしばしば用いられる。しかしながら、切削工具全体を超硬合金で構成すると、材料費が高く、かつ研削加工処理に手間がかかるので、切削工具の製造コストが高くなってしまう。そこで、先端側の切削刃部を超硬合金で形成するとともに、穴加工のような機械加工装置等に取り付けられるシャンク部を鋼材製として切削工具を構成し、必要な切削機能を確保するとともに、製造コストを低く抑えている。
【０００３】
切削刃部が超硬合金製であり、シャンク部が鋼材製の一体的な切削工具を構成するには、超硬合金製の切削刃用部材と、鋼材製のシャンク用部材とを準備し、この切削刃用部材とシャンク用部材とをろう付けにより接合し、その後、切削刃用部材に切削刃を形成するなどの必要な研削加工処理を施すといった方法が広く用いられている。
【０００４】
すなわち、従来の超硬合金のロウ付け作業は次のように行っていた。
先ず切削工具の刃先となる超硬合金と支持体となる鋼材シャンクを接合するためのロウ付け作業は、ロウ付け強度を上げるためるシャンクにＶ字型の溝を入れ、超硬側に接合面積を広くする前加工でＶカットと称するＶ型の接合面を作るテーパ加工、ネジ加工などを行う。次にロウ付けする超硬合金と鋼材シャンクを、溶剤を使って十分洗浄してロウ材と専用のフラックスを塗布する。その後に銅ロウまたは銀ロウを挟んで固定して、加熱炉（電気炉・コークス炉・ガスバーナー・高周波等）で加熱する。この際に、ガスバーナーは直接火焔を加工物に当たることのないように相互の位置を制御する。ロウが溶けて一面に拡散したら、加熱を止めて細い棒で超硬合金を動かすか、または軽く叩きその後で正常な位置に固定加圧しロウの固まるのを待つ。ロウの厚さはなるべく薄く、各部均一にロウが廻るようにした後、石灰、木灰などを使用して徐冷する。また接合を完全にするために銅ロウと銀ロウを二重にロウ付けする事もある。
しかしながら、従来のロウ付け作業においては、このように時間と手間をかけても、超硬合金と鋼材シャンクのロウ付けの際発生する残留応力のために超硬合金にしばしばクラックが起き易いので、加工費以外の重大な難点がある。さらに、この方法で用いているロウ材は、比較的低温で溶融するために、このロウ材を用いた接合による工具は、高温においては使用できないという問題がある。
【０００５】
従来のこのようなロウ材を用いた接合における不都合を解消するために、摩擦接合を用いて工具を製造することが知られている（特許文献１参照）。
この方法は、超硬合金を鉄族金属で結合したチップ（超硬合金チップ）にＮｉまたはＣｏあるいはこれらの合金の薄い板状体を真空中加熱接合し、これと鋼製の支持体（鋼材シャンク）との間に摩擦接合することにより、超硬合金製のチップと鋼製の支持体とを接合するものである。この方法によれば、チップと支持体との間に、上記合金中にチップを構成している結合材が拡散して、接合が行われるものであるが、これは切削工具製造過程における残留応力を緩和するには十分でなく、このような方法によって製造した工具においても、前述のロウ付け方法による工具の製造方法と同様に、接合時の残留応力によるクラック発生、及びこれによる工具破壊の問題は解消されず、この方法によって製造した工具への信頼性は十分ではなかった。
【０００６】
【特許文献１】特公昭６２−６０２０４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来のロウ付けによる接合を用いた工具の製造方法においては、切削刃用部材とシャンク用部材との間にろう材を配置し、このろう材を加熱装置を用いて加熱し、融かすといった作業が必要となるので、特にろう材を融かすのに時間がかかり、切削工具の製造作業効率がよくなかった。
また、従来公知の摩擦接合による切削工具の製造方法においては、超硬合金とシャンク材との熱膨張率差による残留応力によって超硬合金とシャンク材との間に発生するクラックを防止することが困難で、信頼性のある工具を製造することが困難であった。
【０００８】
そこで本発明は、超硬合金製の切削刃部を有する切削工具を効率的に、かつ信頼性の高い工具を製造できる切削工具の製造方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の切削工具の他の製造方法は、軸方向とほぼ直交するように広がる先端面をもつ鋼材製の棒状シャンク用部材と、軸方向とほぼ直交するように広がる後端面をもつ接合用の棒状中間材用部材をそれぞれ準備し、前記シャンク用部材及び前記中間材用部材の一方を回転させ、他方を固定するとともに、前記シャンク用部材の先端面と前記中間材用部材の後端面とを押し付けることによって、前記シャンク用部材と前記中間材用部材との間に、前記シャンク用部材の先端部及び前記切削刃用部材の後端部を軟化させるのに十分な摩擦熱を発生させ、前記摩擦熱によって前記シャンク用部材の先端部及び前記中間材用部材の後端部が十分に軟化したときに、前記シャンク用部材または前記中間材用部材の回転を停止し、前記シャンク用部材の先端面と前記中間材用部材の後端面とを圧接させて前記シャンク用部材と前記中間材用部材とを接合する工程と、
得られた複合部材と、超硬合金製の棒状切削刃用部材とを準備し、前記複合部材及び前記切削刃用部材の一方を回転させ、他方を固定するとともに、前記複合部材の中間材側先端面と前記切削刃用部材の後端面とを押し付けることによって、前記複合部材の中間材用部材と前記切削刃用部材との間に、前記複合部材の先端部及び前記切削刃用部材の後端部を軟化させるのに十分な摩擦熱を発生させ、前記摩擦熱によって前記複合部材の中間材先端部及び前記切削刃用部材の後端部が十分に軟化したときに、前記複合部材または前記切削刃用部材の回転を停止し、前記複合部材の中間材先端面と前記切削刃用部材の後端面とを圧接させて前記複合部材と前記切削刃用部材とを接合し、得られた切削工具部材を低温徐冷却し、その後、必要な機械加工処理を施して、前記切削刃用部材に切削刃を形成するものである。
【００１０】
また、上記本発明において、前記シャンク用部材と前記中間材用部材とを摩擦接合した後、低温で徐冷却することが好ましい。
【００１１】
この方法によれば、熱膨張率差の大きな超硬合金製棒状切削刃用部材と鋼材製棒状シャンク用部材を用いた場合においても、クラックなどによる破損のない切削工具を製造することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
（中間材を使用した接合）
この実施の形態は、超硬合金製切削刃用部材と鋼材シャンク用部材とを中間材を用いて接合する例を示すものである。以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１３】
図１乃至図７が、本発明に係る切削工具の製造方法のプロセスを概念的に説明する図である。
【００１４】
切削工具の製造方法を実施するために、ここでは、回転軸１の先端に取り付けられた回転挟み付け装置（コレットチャック）３と、この回転挟み付け装置３と離接する方向にクランプ台５に回転挟み付け装置３と同軸的に取り付けられた非回転挟み付け装置（バイス）７とを備えた摩擦圧接機構９を用いている。
【００１５】
まず、適当な径と長さを有する棒状の中間材用部材２５と、この中間材用部材２５とほぼ同径で、適当な長さを有する棒状の鋼材製シャンク用部材１３とを準備し、中間材用部材２５を回転挟み付け装置３で挟んで回転軸１側に固定し、シャンク用部材１３を非回転挟み付け装置７で挟んでクランプ台５側に固定する（図１）。
【００１６】
この状態で、回転軸１を回転させて中間材用部材２５を回転させるとともに、中間材用部材２５をクランプ台５側にスライド移動させ、中間材用部材２５の後端面２７にシャンク用部材１３の先端面１７を同心的に押し付けて、中間材用部材２５とシャンク用部材１３との間に摩擦熱を発生させる（図２）。中間材用部材２５の後端面２７及びシャンク用部材１３の先端面１７はともに、軸方向とほぼ直交して広がるように形成されているので、中間材用部材２５の後端面２７とシャンク用部材１３の先端面１７とは全面的に接触した状態で回転することとなる。
【００１７】
摩擦熱を発生させる過程で、回転軸１の回転数は一定に維持されるが、クランプ台５の押圧による中間材用部材２５の後端面２７とシャンク用部材１３の先端面１７との押し付け力は漸次大きくなるように構成されている。回転軸１の一定に維持される回転数は、毎分１０００回転乃至１００００回転の範囲内で選択される。
【００１８】
中間材用部材２５とシャンク用部材１３との間に発生した摩擦熱により、シャンク用部材１３の先端部１７及び中間材用部材２５の後端部が十分に軟化したときに、回転軸１の回転を急停止させ、スライド部材５による押圧力を高めるいわゆる二次加圧（アプセット加圧）を行い、シャンク用部材１３の先端面１７を中間材用部材２５の後端面２７に強く圧接させる。これによって、中間材用部材２５の後端部２７及びシャンク用部材１３の先端部が十分塑性変形して接合することとなる（図３）。
この工程において、中間材用部材２５の後端面２７とシャンク用部材１３の先端面１７とは全面的に接触した状態で回転しているので、中間材用部材２５の後端部とシャンク用部材１３の先端部は全面的に又は全体的に必要な温度まで短時間で加熱されて十分軟化し、したがって、中間材用部材２５とシャンク用部材１３との接合は強固なものとなる。
二次加圧後、得られた中間材用部材とシャンク用部材とで形成された棒状の複合部材３１を炉内に収容し、低温徐冷却を行い、発生したバリを切削加工して、棒状複合部材３１とする。また、この中間材用部材の長さを、最終製品の形態である切削工具にして、０．１〜１．０ｍｍとすることが望ましく、そのためには、この棒状複合部材３１を以下超硬合金製切削刃用部材と摩擦接合する際の縮み代を見込んだ長さに切断加工する。
【００１９】
次いで、こうして得られた中間材用部材２５とシャンク用部材１３とで形成された棒状の複合部材３１を、前記中間用部材２５側端部が回転軸１側に近接するように非回転挟み付け装置７で挟んでクランプ台５側に固定し、一方、超硬合金製切削刃用部材１１を回転挟み付け装置（コレットチャック）３で挟んで回転軸１側に固定する（図４）。
【００２０】
この状態で、回転軸１を回転させて切削刃用部材１１を回転させるとともに、切削刃用部材１１をクランプ台５側にスライド移動させ、切削刃用部材１１の後端面１５に棒状の複合部材３１の先端面２９を同心的に押し付けて、切削刃用部材１１と棒状の複合部材３１との間に摩擦熱を発生させる（図５）。切削刃用部材１１の後端面１５及び棒状の複合部材３１の先端面２９はともに、軸方向とほぼ直交して広がるように形成されているので、切削刃用部材１１の後端面１５と棒状の複合部材３１の先端面２９とは全面的に接触した状態で回転することとなる。
【００２１】
摩擦熱を発生させる過程で、回転軸１の回転数は一定に維持されるが、クランプ台５の押圧による切削刃用部材１１の後端面１５と棒状の複合部材３１の先端面２９との押し付け力は漸次大きくなるように構成されている。回転軸１の一定に維持される回転数は、毎分１０００回転乃至１００００回転の範囲内で選択される。
【００２２】
切削刃用部材１１と棒状の複合部材３１との間に発生した摩擦熱により、棒状の複合部材３１の先端部及び切削刃用部材１１の後端部が十分に軟化したときに、回転軸１の回転を急停止させ、スライド部材５による押圧力を高めるいわゆる二次加圧（アプセット加圧）を行い、棒状の複合部材３１の先端面２９を切削刃用部材１１の後端面１５に強く圧接させる。これによって、切削刃用部材１１の後端部及び棒状の複合部材３１の先端部が十分塑性変形して接合することとなる（図６）。
この工程において、切削刃用部材１１の後端面１５と棒状の複合部材３１の先端面２９とは全面的に接触した状態で回転しているので、切削刃用部材１１の後端部と棒状の複合部材３１の先端部は全面的に又は全体的に必要な温度まで短時間で加熱されて十分軟化し、したがって、切削刃用部材１１と棒状の複合部材３１との接合は強固なものとなる。
二次加圧後、軸方向の寸法決めをし、接合が完了した時点で、炉内で低温徐冷却を行い、発生したバリを切削加工して、切削工具素材を製造する。
【００２３】
次に、切削刃用部材１１及び棒状の複合部材３１の接合により構成された切削工具素材１９を摩擦圧接機構９から取り外し、この切削工具素材１９に必要な研削加工等の機械加工処理を施し、先端側に位置する超硬合金製の切削刃用部材１１に切削刃２１が形成されて、ドリルなどの切削工具２３が製造される（図７）。
【００２４】
尚、前記棒状切削刃用部材、中間材用部材及びシャンク用部材としては、丸棒状でも良いし、断面多角形の角棒状部材でもよい。また、切削刃用部材、中間材用部材及びシャンク用部材は、概ね同径であることが好ましい。
【００２５】
この実施の形態で用いている中間材としては、鉄−ニッケル−コバルト系合金が適している。これらの構成元素の比率は、ニッケル２５〜４０重量％、コバルト１５〜３０重量％及び残部鉄からなるものであり、具体的には、コバールと呼ばれているニッケル２９重量％、コバルト重量１７％、及び残部鉄からなるものが好ましい。この合金には、不可避的に少量の炭素、珪素、マンガンなどが含まれていても差し支えない。
【００２６】
この中間材は、最終的に製造された切削工具において、０．１〜１．０ｍｍ程度の範囲で存在していることが好ましく、更に０．２〜０．５ｍｍであることが望ましい。この中間材の長さが０．１ｍｍを下回った場合、残留応力緩和作用が不十分で、超硬合金製部材にクラックが入りやすく、製造歩留まりが低下して好ましくない。一方、中間材の長さが１．０ｍｍを超えた場合には、製造される切削工具の機械的強度が不十分となり、不都合である。
【００２７】
尚、上記説明では、シャンク用部材と中間材部材との接合を行った後、得られた複合部材と超硬合金製部材との接合を行った例を示したが、逆に超硬合金性部材と中間材部材との接合を行った後、シャンク用部材との接合を行っても差し支えない。
【００２８】
［第２の実施の形態］
（小径部品の接合）
本実施の形態は、φ３ｍｍ以下のような小径の棒状部材を接合する例である。φ３以下の小径の棒状部材は、高速回転で摩擦熱を起こしても接合する素材を溶融するだけの摩擦熱は発生しにくい。このような部材を摩擦接合するためには、接合する２つの棒状部材間に通電し、電気抵抗による発熱を利用して補助加熱を行うこともでき、電気的発熱と摩擦熱で、小径部材であっても、溶融可能になる。この方法によれば、φ１〜２ｍｍの小径部材であっても、圧接が可能になる。
また、この通電加熱に用いる電源としては、一般の通電加熱に用いられている高周波電源を採用することができる。
また本実施の形態のような小径部材の接合においては、特に接合面の面粗さが大きく影響する。即ち接合しようとする超硬合金製部材の端面と中間材もしくは支持部材の端面の粗さを１０μｍ以上に加工すると摩擦熱が発生しやすい。
【００２９】
［第３の実施の形態］
（超硬合金同士の接合）
超硬合金製部材と鋼材シャンク材を接合する技術を応用することにより、超硬合金同士を接合することができる。
すなわち、２種の超硬合金性部材同士を摩擦接合する際に、２種の超硬合金性部材同士の熱膨張率差が、大きく、接合過程において、クラック発生等によって接合が困難な場合には、この２種の超硬合金製部材の内の少なくとも１種の組成を傾斜配合して、熱膨張率差を小さくすることによって、摩擦接合が可能になる。この傾斜配合とは、超硬合金の組成を順次変化させて、その熱的特性等の特性を変化させるものである。
しかしながら、摩擦接合しようとする超硬合金製部材において傾斜配合できない場合には、前述の中間材を介して接合することによって実現することができる。この方法によって、異質の超硬合金性部材または径が異なる２つの超硬合金性部材を接合することができ、加工費および材料費のコストダウンになる。
すなわち、上述の実施の形態において説明した方法と同様にして、φ２までの超硬合金性棒状部材同士を、中間材を介して最高回転数９８００ｒｐｍでアプセット圧４〜４．５ＭＰａとすることにより接合することができた。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、先端側に超硬合金製の切削刃部を有する切削工具を工程中においてクラック等による破損もなく、効率的に製造することができ、しかも、超硬合金製の切削刃用部材と鋼材製のシャンク用部打との接合強度を、ろう付けによる接合の場合と比較して大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る切削工具の製造方法のプロセスを概念的に説明する図であり、中間材用部材及びシャンク用部材を摩擦圧接機構に取り付けた状態を示す図である。
【図２】本発明に係る切削工具の製造方法のプロセスを概念的に説明する図であり、中間材用部材とシャンク用部材との間に摩擦熱を発生させる場合を示す図である。
【図３】本発明に係る切削工具の製造方法のプロセスを概念的に説明する図であり、中間材用部材の後端部とシャンク用部材の先端部とを接合させる場合を示す図である。
【図４】本発明に係る切削工具の製造方法のプロセスを概念的に説明する図であり、中間材用部材とシャンク用部材からなる複合部材と超硬合金性部材を摩擦圧接機構に取り付けた状態を示す図である。
【図５】本発明に係る切削工具の製造方法のプロセスを概念的に説明する図であり、中間材用部材とシャンク用部材からなる複合部材と超硬合金性部材との間に摩擦熱を発生させる場合を示す図である。
【図６】本発明に係る切削工具の製造方法のプロセスを概念的に説明する図であり、中間材部材とシャンク用部材の先端部とが接合した複合部材と切削刃用部材を接合させる場合を示す図である。
【図７】本発明に係る切削工具の製造方法のプロセスを概念的に説明する図であり、製造された切削工具の正面図である。
【符号の説明】
１ 回転軸
３ 回転挟み付け装置
５ クランプ台
７ 非回転挟み付け装置
９ 摩擦圧接機構
１１ 切削刃用部材
１３ シャンク用部材
１５ 切削刃用部材の後端面
１７ シャンク用部材の先端面
１９ 切削工具素材
２１ 切削刃
２３ 切削工具
２５ 中間材用部材
２７ 中間材用部材の後端面
２９ 複合部材の中間材側先端面
３１ 中間材用部材とシャンク用部材の複合部材

Claims (5)

1. 先端側に切削刃部が形成された切削工具の製造方法であって、
   軸方向とほぼ直交するように広がる先端面をもつ鋼材製の棒状シャンク用部材と、軸方向とほぼ直交するように広がる後端面をもつ棒状中間材用部材とをそれぞれ準備する工程と、
   前記シャンク用部材及び前記中間材用部材の一方を回転させ、他方を固定するとともに、前記シャンク用部材の前記先端面と前記中間材用部材の前記後端面とを押し付けることによって、前記シャンク用部材と前記中間材用部材との間に、前記シャンク用部材の先端部及び前記中間材用部材の後端部を軟化させるのに十分な摩擦熱を発生させる工程と、
   前記摩擦熱によって前記シャンク用部材の前記先端部及び前記中間材用部材の前記後端部が十分に軟化したときに、前記シャンク用部材または前記中間材用棒状部材の回転を停止し、前記シャンク用部材の前記先端面と前記中間材用部材の前記後端面とを圧接させて前記シャンク用部材と前記中間材用部材とを接合して複合部材を形成する工程と、
   前記複合部材と、超硬合金製の棒状切削刃用部材とを準備する工程と、
   前記複合部材及び前記切削刃用部材の一方を回転させ、他方を固定するとともに、前記複合部材の中間材側先端面と前記切削刃用部材の後端面とを押し付けることによって、前記複合部材の中間材側先端面と前記切削刃用部材の後端面との間に、前記複合部材の先端部及び前記切削刃用部材の後端部を軟化させるのに十分な摩擦熱を発生させる工程と、
   前記摩擦熱によって前記複合部材の中間材側先端部及び前記切削刃用部材の後端部が十分に軟化したときに、前記複合部材または前記切削刃用部材の回転を停止し、前記複合部材の中間材側先端面と前記切削刃用部材の後端面とを圧接させて前記複合部材と前記切削刃用部材とを接合して切削工具素材を形成する工程と、
   前記切削工具素材を低温徐冷却する工程と、
   前記熱処理した切削工具素材に機械加工処理を施して、前記切削刃用部材に切削刃を形成する工程を備えたことを特徴とする切削工具の製造方法。
2. 前記シャンク用部材と前記中間材用部材とを接合して形成した複合部材を、さらに低温徐冷却することを特徴とする請求項１記載の切削工具の製造方法。
3. 前記中間材用部材が、鉄−ニッケル−コバルト合金であることを特徴とする請求項１記載の切削工具の製造方法。
4. 前記中間材用部材である鉄−ニッケル−コバルト系合金の組成が、ニッケル２５〜４０質量％、コバルト１５〜３０質量％、及び残部の鉄からなるものであることを特徴とする請求項３記載の切削工具の製造方法。
5. 超硬合金製切削刃と、鋼製シャンク用部材とが中間材用部材を介して接合している切削工具であって、前記中間材用部材が、鉄−ニッケル−コバルト系合金からなるものであり、その長さが０．１〜１．０ｍｍであることを特徴とする切削工具。

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