JP2005059120A

JP2005059120A - 切削工具

Info

Publication number: JP2005059120A
Application number: JP2003290261A
Authority: JP
Inventors: Shiro Yoshioka; 史郎吉岡
Original assignee: Tungaloy Corp
Current assignee: Tungaloy Corp
Priority date: 2003-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】加工中の切りくず擦過や噛み込みによる工具本体の表面の摩耗、摩減を抑制し、該工具本体の寿命を改善した切削工具を提供する。
【解決手段】頭部２と保持部３とからなる工具本体１を有し、上記頭部に切れ刃部を備えた切れ刃チップ４を着脱可能に固着する切削工具において、該工具本体１は鋼材からなるとともに、該工具本体の少なくとも上記頭部の表面にはビッカース硬さでＨｖ１０００〜５０００の硬質被膜を被覆する。
【選択図】図１

Description

本発明は、転削工具や旋削工具等の切削工具に関する。

従来から一般にスローアウェイ式切削工具の工具本体（１）は、機械構造用合金鋼等の鋼材で製作されており、該工具本体（１）の硬度を高めるため焼入れ焼戻し等の熱処理、場合によっては浸炭や窒化といった表面硬化処理がなされている。そして、該工具本体（１）の表面には錆び防止、外観品位の向上等を目的とした黒色酸化被膜が形成されている。

また、他の従来スローアウェイ式正面フライスを図６に例示する。図６はこの正面フライスの斜視図である。この正面フライスは、アルミ製工具本体（１）の表面に化学めっき法によりニッケルリン合金で被覆してなり、該工具本体（１）の軽量化、該工具本体（１）の表面の強度と耐摩耗性を目的としたものである。（例えば、特許文献１参照）

特開２０００−４２８２０号公報

上述した従来切削工具において、工具本体（１）の表面に黒色酸化被膜を形成したものは、上記被膜の硬度が不十分なため、切削加工に使用されたときには切りくずの擦過により早期に摩滅してしまう。特に切りくずが生成する切れ刃部に近接する工具本体の切りくずポケット（６）、チップ座（５）、および、これら周辺の工具本体（１）外周面（２ａ）の表面（以下、切れ刃部周辺という。）では切りくずが生成排出される過程で切りくずの擦過が顕著に発生するため、該工具本体（１）を構成する鋼材が剥き出しになってしまい、上記鋼材にキズ、摩耗等が及んでしまうという問題があった。

一方、工具本体（１）の表面に化学めっき法によりニッケルリン合金の被膜を形成したものでは、上記被膜の硬度が黒色酸化被膜よりも高くなるため、上述した工具本体（１）のキズ、摩耗の抑制効果は高められる。しかしながら、例えば転削工具を用いて金型のポケット加工をしたときには切りくずが上記ポケット部に滞留し、該転削工具の工具本体（１）は常に切りくずが擦過した状態となる。このような状態では、上記ニッケルリン合金の被膜でも硬度が不足してしまい、上記被膜の摩耗、摩滅が短時間のうちに生じ、工具本体（１）を構成する鋼材が剥き出しとなってしまう。さらに、上述した金型のポケット加工では、転削工具の工具本体（１）と被削材の加工面との隙間が非常に狭くなり、該工具本体（１）と加工面との間に切りくずが頻繁に噛み込まれるため、上記被膜の摩耗、摩滅を早めるとともに切りくずの凝着が生じるおそれがある。特に切りくず擦過、噛み込みが生じやすい頭部（２）の切れ刃部周辺では、上記摩耗、摩滅、切りくず凝着に起因する上記チップ座（５）の変形により切れ刃チップ（４）の固着強度、取付精度等の劣化を招き、工具本体（１）の寿命が短くなるおそれがある。また、工具本体（１）への切りくず凝着が進行していくと加工面との隙間がなくなってしまい、加工面へキズを付けてしまうというおそれもある。

本発明は、上述した問題に鑑みなされたものであり、その目的は、工具本体の表面の耐摩耗性と耐凝着性を高め、該工具本体の寿命を改善した切削工具を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、頭部と保持部とからなる工具本体を有し、上記頭部に切れ刃部を備えた切れ刃チップを着脱可能に固着する切削工具において、該工具本体は鋼材からなるとともに、該工具本体の少なくとも上記頭部の表面にはビッカース硬さでＨｖ１０００〜５０００の硬質被膜を被覆することを要旨とする。

上述した発明のように工具本体の少なくとも頭部の表面にビッカース硬さでＨｖ１０００〜５０００、特に好ましくはＨｖ１５００〜５０００の硬質被膜が被覆される。該工具本体の表面に被覆した硬質被膜のビッカース硬さがＨｖ１０００より低くては、上記硬質被膜は耐摩耗性が不足し切りくずの擦過や噛み込みによって摩耗、摩滅しやすくなり、該工具本体寿命の改善効果が得られないおそれがある。また、上記ビッカース硬さがＨｖ５０００より大きくなると工具本体との硬度差が大きくなり剥離が生じやすくなる。

上記硬質被膜はＴｉＮ、ＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＺｒＮ、ＣｒＮ、ＴｉＢＮ、Ａｌ₂O₃、ＤＬＣの中の１種の単層又は２種以上の積層からなるのが好ましい。そうすれば、ビッカース硬さＨｖ１０００以上の十分に耐摩耗性の高い硬質被膜が得られ、該工具本体の摩耗、摩滅が抑制される。また、切りくずの耐凝着性が従来被膜にくらべ向上し、該工具本体への切りくず凝着とその進行が抑制され加工面品位の劣化が抑制される。

上記硬質被膜は、膜厚が１μｍ未満では耐摩耗性が不十分となるおそれがあり、１０μｍを超えると切りくずの擦過や噛み込みによる剥離、又は製造コストの高騰、硬質被膜の被覆前後での工具本体の寸法変化の増大といった問題が生じるおそれがあるので、上記膜厚は１〜１０μｍの範囲とするのが好ましい。さらに、被覆処理時間を短縮させ、被覆処理温度を低下させるという点で１〜７μｍの範囲とするのが好ましく、１〜５μｍの範囲とするのが特に好ましい。

上記硬質被膜の被覆処理方法は比較的被覆処理温度が低いＰＶＤ法が好ましい。そうすれば、該工具本体を構成する鋼材の硬度低下と寸法変化が生じにくい。

上記硬質被膜が少なくとも該工具本体の頭部の表面に被覆されていれば切れ刃部周辺の摩耗が抑制されることになるが、該工具本体の表面全体に被覆されてもよい。そうすれば、被覆処理前のマスキングが不要となる。

該切削工具は旋削工具又は転削工具であることが好ましい。そうすれば、切りくずが生成、排出される過程で生じる切れ刃部周辺への切りくず擦過による工具本体の摩耗、摩滅、ならびに切りくず凝着が抑制される。

工具本体への切りくず擦過、噛み込みが特に生じやすい中ぐり（穴ぐり）バイト、穴明け工具、壁面加工用転削工具、３次元加工用転削工具等に適用されるのが好ましい。そうすれば、工具本体の摩耗、摩滅、ならびに切りくず凝着を抑制する効果が特に顕著となり、工具本体寿命の大幅な改善が見込まれる。

次に、本発明をスローアウェイ式転削工具に適用した実施例１について図面を参照しながら説明する。図１はこの実施例に係る転削工具の図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。図２は図１に示す転削工具の加工状態を例示した図である。図３は図１に示す転削工具の工具本体の頭部の損傷状態を示す図である。

この転削工具は、金型の彫り込み加工が可能な３次元加工用転削工具である。図１に示すように、丸棒状をなす工具本体（１）は、頭部（２）と保持部（３）とからなり、上記頭部（２）の先端側外周部には一対の切りくずポケット（６）が軸線（Ｏ）方向に延びるように凹設されている。上記一対の切りくずポケット（６）の該転削工具の回転方向（Ｋ）前方に向く壁面の外周部にはチップ座（５）が凹設され、このチップ座（５）の底面には切れ刃チップ（４）を固着する取付ねじに螺合する雌ねじが開口している。さらに上記チップ座（５）の該軸線（Ｏ）方向後方側には切れ刃チップ（４）上面を押圧する押え駒（７）が備えられている。切れ刃チップ（４）は略三角形板状をなし、着座面となる下面を上記チップ座（５）の底面に当接するとともに切れ刃部（４ａ）を該工具本体（１）の先端面（２ｂ）および外周面（２ａ）から突出するようにして上記チップ座（５）に載置される。そして、該切れ刃チップ（４）は、その上下面の中央部を貫通する取付け穴に係合した上記取付ねじと、上面を押圧する上記押え駒（７）とによって強固に固着される。

該工具本体（１）は、例えば機械構造用合金鋼ＳＮＣＭ４３９からなり、例えば焼入れ焼戻しの熱処理により所望の硬度まで高められる。該工具本体（１）に形成される上記切りくずポケット（６）、チップ座（５）、雌ねじ等は、例えば機械加工により行われ、上記熱処理前であっても後であってもよい。なお、該工具本体（１）の材料としては上述の機械構造用合金鋼に限らず、鋼材全般から適宜選択されてよい。また、上記熱処理以外に窒化処理、浸炭処理によって硬度の向上がはかられてもよいが、その場合、上記切りくずポケット（６）、チップ座（５）、雌ねじの機械加工後に行われるのが好ましい。その後、該工具本体（１）の少なくとも頭部（２）の表面にはＰＶＤ法の１種であるホローカソード法よってＴｉＮの被膜が１〜１０μｍの平均厚みとなるよう被覆される。

上記ＰＶＤ法としてはイオンプレーティング法、スパッタリング法等があり、これらＰＶＤ法の中から被覆処理方法が適宜選択されてもよいが、工具本体（１）の鋼材と被膜との密着性が高くなるという点でイオンプレーティング法が好ましい。イオンプレーティング法においてはホローカソード（ＨＣＤ）法、アーク法等があり、これら被覆方法から適宜選ばれてよい。ここで、ホローカソード法は、低温コーティングのため工具本体（１）を構成する鋼材の硬度低下、寸法変化が小さくなり、被膜表面にドロップレットの少ない平滑性の高い被膜が得られる点で好ましい。アーク法はＤＬＣの成膜法として採用される。なお、いずれの被覆方法においても、被覆処理温度は１００℃より低いと硬質被膜の密着性と成膜速度が低下するおそれがあり、５００℃より高温になると上記鋼材の硬度が低下するおそれがあるので、１００〜５００℃の範囲とするのが好ましい。さらに好ましくは１００〜４５０℃、特に好ましくは１００〜４３０℃である。

また、ＴｉＮ被膜の平均厚みは、１μｍより薄いと硬質被膜の耐摩耗性の改善効果が小さく、１０μｍより厚いと硬質被膜が剥がれるおそれがあり、また、被覆する前後での工具本体の寸法変化が大きくなるため、１〜１０μｍの範囲が好ましい。さらに、被覆処理時間を短縮させ、被覆処理温度を低下させるという点で１〜５μｍとするのが特に好ましい。

なお、硬質被膜は上述したＴｉＮに限定されず、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＣｒＮ、ＤＬＣのうちいずれか１種又は２種以上から選ばれても、従来の黒色酸化被膜、ニッケルクロム合金被膜よりも高い耐摩耗性が得られる。特にＤＬＣは表面あらさと潤滑性に優れており、切りくず詰まりが生じるようなドリル等に有効である。また、被覆処理の方法はＰＶＤ法に限らずＣＶＤ法でも可能だが、ＣＶＤ法はＰＶＤ法にくらべ被覆処理温度が高くなるので、工具本体（１）を構成する鋼材の硬度低下のおそれがある。そのため該被覆処理後に熱処理が必要となる場合がある。また、寸法変化を生じることもあり、高い精度を要求する工具本体（１）には不向きである。ただし、ＤＬＣを成膜する場合には処理温度が低く、上述の問題を招くことがないのでＣＶＤ法でもよい。

以上のように製作されたこの実施例に係る転削工具は、工具本体（１）の先端面（２ｂ）から突出する主切れ刃（４ａ）と、この主切れ刃（４ａ）の外周側端部に連設される円弧状のコーナ切れ刃（４ｂ）と、内周側端部に連設される底刃（４ｃ）とが主として切削を行う切れ刃となる。例えば図２に示すような金型等へのポケット部（１０）の彫り込み加工において、該転削工具は、その保持部（３）を図示しない工作機械の主軸に把持され軸線（Ｏ）を中心として回転方向（Ｋ）回りに回転する。さらに上記コーナ切れ刃（４ｂ）が加工するポケット部（１０）の内接円を描きながら該軸線（Ｏ）に直交する方向に対して先端側（図２の下側）へ所定のリード（Ｌ）降下するような螺旋状の送り（工具軌跡）が与えられ、該ポケット部（１０）の彫り込み加工、いわゆる３次元加工を行う。このとき該転削工具は、上記送り方向前方側では上記主切れ刃（４ａ）および上記コーナ切れ刃（４ｂ）が被削材を切削し、上記送り方向後方側では上記底刃（４ｃ）が被削材を切削することになる。なお上述したポケット部（１０）の彫り込み加工は、３次元加工の１例であり、所望するポケット部（１０）の形状にしたがって該転削工具の送り（工具軌跡）は適宜選択される。また、該転削工具は底刃（４ｃ）を備えているので、軸線（Ｏ）方向先端側へ切り込んだ（プランジ加工）後に等高線加工することによってポケット部（１０）の加工を行うことも可能である。

上記彫り込み加工において、加工するポケット部（１０）が深くなるにしたがって切りくずは上記ポケット部（１０）内に滞留してしまう。そうすると、該転削工具においては、主に工具本体（１）の頭部（２）の外周面（２ａ）および先端面（２ｂ）が上記切りくずと激しく擦過してしまう。さらに、コーナ切れ刃（４ｂ）がポケット部（１０）の内壁（１０ａ）を切削しながら彫り込み加工を行うため、工具本体（１）の頭部（２）の外周面（２ａ）と上記内壁（１０ａ）との隙間が非常に狭くなってしまい、この隙間に切りくずが頻繁に噛み込まれてしまう。

このような加工状態において、該転削工具は、工具本体（１）の少なくとも頭部（２）の表面にＴｉＮからなる硬質被膜が被覆されているので、上記頭部（２）の特に切れ刃部周辺において切りくずの擦過、噛み込みによる上記被膜の摩耗、摩滅が抑制される。そして、該工具本体（１）を構成する鋼材の露出と摩耗が抑制され、該工具本体（１）の寿命が大幅に延長する。

次にポケット部（１０）加工後の工具本体（１）の損傷状態について、実施例１の転削工具と従来転削工具とを比較しながら以下に説明する。転削工具の直径は２５ｍｍ、刃数は２枚に統一し、切削条件は、切削速度Ｖｃ＝１５０ｍ／ｍｉｎ、送りＶｆ＝１３３７ｍｍ／ｍｉｎ、リードＬ（１周当たりの降下量）１．０ｍｍ、乾式切削とした。被削材の材質はＳ５５Ｃ（硬度２２０ＨＢ）で、加工するポケット部（１０）は直径が３３ｍｍ、深さが３３ｍｍである。図３は本発明の実施例１に係る転削工具および従来転削工具の工具本体（１）の状態を示す写真であり、上側に加工前、下側に加工後の状態を示す。この図からわかるように従来の黒色酸化被膜を被覆したものは、３回ポケット部（１０）を加工した時点において、頭部（２）の外周面（２ａ）および先端面（２ｂ）、切りくずポケット（６）、チップ座（５）といった切れ刃部周辺において被膜が摩滅し、切りくずの凝着が著しく発生していた。次いでニッケルリン合金被膜を被覆したものは、１５回ポケット部（１０）を加工した時点において、上述した黒色酸化被膜を被覆したものよりも良好なものの、切れ刃部周辺には擦過による摩耗、切りくずの凝着が一部に発生していた。実施例１の転削工具は、１５回ポケット部（１０）を加工した時点において、切れ刃部周辺にキズ、摩耗、切りくずの凝着がなく、最も良好な結果を示した。

他の効果として、例えば工具本体（１）表面にＴｉＮを被覆した場合には金色を呈し、従来の黒色酸化被膜を被覆した工具にくらべ認識しやすくなる。例えば、薄暗い工場内においては、作業者が該工具本体を認識しやすくなったことにより段取り中の事故等が防止でき作業の安全性が向上する。

次に、実施例２について図４を参照しながら説明する。図４は実施例２に係るスローアウェイ式ドリル（以下、ドリルという。）の図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。該ドリルは既に公知のドリルの一例である。鋼材で製作された工具本体（１）の表面への硬質被膜の被覆は、実施例１と同様な手順で行われるので、説明は省略する。一般的なドリルでは、切れ刃（４ａ）から生成する切りくずは、工具本体（１）のフルート溝（６Ａ）の壁面に拘束されることによりカール、折断するため、上記フルート溝（６Ａ）の壁面は切りくずによる強い擦過を受けることになるが、この実施例のドリルでは工具本体（１）の表面に硬質被膜が被覆されているので、上記壁面の摩耗、切りくず凝着が抑制され切りくずの拘束状態も変化しなくなるので切りくず形状や切りくず排出性が安定する。上記壁面に限らず切りくずと頻繁に接触するフルート溝（６Ａ）壁面全体において切りくず擦過による摩耗、切りくず凝着が抑制される。さらに、該工具本体（１）の頭部（２）の表面と、加工穴の内壁および底面との隙間は非常に狭いので、実施例１と同様にこの隙間では切りくずの噛み込みが発生しやすく、該工具本体（１）が撓んだときには加工穴の内壁との接触を生じるおそれがある。しかし、この実施例のドリルによれば、上記切りくず噛み込み、加工穴の内壁との接触等に伴う工具本体（１）の頭部（２）における摩耗、切りくず凝着が抑制され、該工具本体（１）の寿命が大幅に向上する。さらに、該ドリルにおいては、フルート溝（６Ａ）内を通る切りくずの上記フルート溝（６Ａ）への凝着が抑制されるので、切りくず排出性を改善する効果も得られる。この効果は、工具本体（１）の表面に摩擦係数の低い例えばＴｉＢＮ膜やＤＬＣ膜が被覆されるとさらに高められる。

次に実施例３について図５を参照しながら説明する。図５は実施例３に係るスローアウェイ式中ぐりバイトの図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。鋼材で製作された工具本体（１）の表面への硬質被膜の被覆は、実施例１と同様な手順で行われるので、説明は省略する。上述した実施例１および実施例２と同様に、この実施例のバイトを用いた中ぐり加工でも工具本体（１）は、加工穴の内壁、穴底との隙間が狭くなるため、頻繁に切りくず擦過を生じてしまう。このときの作用効果についても実施例１および実施例２と同様であり、該工具本体（１）は耐摩耗性と耐凝着性が向上し寿命が延長することとなる。

本発明に係る切削工具は、上述した実施例に限定されず、旋削工具および転削工具全般に適用できる。

本発明の実施例１に係る転削工具の図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。図１に示す転削工具の加工状態を例示した図である。本発明の実施例１に係る転削工具および従来転削工具におけるポケット加工前と加工後の工具本体を示す図である。本発明の実施例２に係るドリルの図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。本発明の実施例３に係る中ぐりバイトの図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。従来のスローアウェイ式正面フライスの斜視図である

符号の説明

１工具本体
２頭部
３保持部
４切れ刃チップ
５チップ座
６切りくずポケット
７押え駒
８油穴
１０ポケット部

Claims

頭部と保持部とからなる工具本体を有し、上記頭部に切れ刃部を備えた切れ刃チップを着脱可能に固着する切削工具において、該工具本体は鋼材からなるとともに、該工具本体の少なくとも上記頭部の表面にはビッカース硬さでＨｖ１０００〜５０００の硬質被膜を被覆したことを特徴とする切削工具。
上記硬質被膜がＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＢＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴｉＡｌＳｉＮ、ＣｒＮ、ＤＬＣの中の１種の単層又は２種以上の積層からなることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
上記硬質被膜の平均厚みが１〜１０μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の切削工具。
上記硬質被膜がＰＶＤ法により被覆されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の切削工具。
上記硬質被膜が該工具本体の表面全体に被覆されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の切削工具。
該切削工具が旋削工具又は転削工具であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の切削工具。
該切削工具が中ぐりバイト、穴明け工具、３次元加工用転削工具のうちいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の切削工具。