JP2005074533A

JP2005074533A - スローアウェイチップ

Info

Publication number: JP2005074533A
Application number: JP2003304801A
Authority: JP
Inventors: Kiyotada Takayanagi; 清忠高柳
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】新しいスローアウェイチップで被切削物を切削加工する前の“慣らし加工”が少なくて済み、かつ使用開始後短時間から被切削物を高品質の切削加工面に仕上げることができ、かつ長寿命のスローアウェイチップを提供する。
【解決手段】すくい面７と逃げ面８との交差稜のうちノーズ部５を切刃６とし、ノーズ部５の角度を６０°以下とするとともに、ノーズ部５のすくい面７側における膜厚ｔｆが逃げ面８側における膜厚ｔｒよりも厚く、かつ逃げ面８側における膜厚ｔｒが０．５〜５μｍなるように少なくともノーズ部５に硬質被覆膜２２を被覆したスローアウェイチップである。
【選択図】図４

Description

本発明は、切刃に硬質被覆膜を被覆したスローアウェイチップに関し、特に切削加工の仕上げ面粗度を高めることが可能な超精密切削加工に適したスローアウェイチップに関する。

従来より、切刃に硬質被覆膜をコーティングした切削工具が知られており、例えば、特許文献１では、硬質被覆膜の膜厚ｄに対して切刃の刃先にｄ／２＜ｒ（ホーニングの曲率半径）＜２５ｄのホーニングを施すことによって硬質被覆膜の耐剥離性を防止できることが記載されている。また、本出願人は、特許文献２にて切刃先端に微小ホーニングを施すことによって切刃のシャープネスを損なうことなく切削加工ができ、超精密加工用のチップの長寿命化ができることを提案した。
特開２０００−５２１０７号公報特開２００２−１６０１０８号公報

しかしながら、特許文献１、２のように、切刃に微小ホーニングを施す方法においては、切刃の形状を正確に被削材表面の形状に合わせることができず、チップをホルダに取り付けるときの微妙な取り付き状態の違いによって、加工面には依然としてチップの横切刃形状が転写され、表面粗さの改善には限界があった。

そこで、高い加工面平滑性を要求される超精密加工の加工現場では、切削加工に使用する前にあらかじめダミーの被切削材料を切削して、新品チップの切刃稜をある程度摩耗させる“慣らし加工”が施こされているのが実状であった。また、従来のチップにおいてはこの“慣らし加工”について数百個のオーダーで行われており、“慣らし加工”に用いられる被削材、時間等の無駄が発生していた。

また、かかる“慣らし加工”を長く続けると切刃の形状が初期状態から大きく変化してしまい、早い段階で切れ味が低下しビビリが発生したりすることにより、加工寸法精度が低下してしまい、チップの寿命が短くなるという問題もあった。

本発明は、上記従来の課題を改善して、新しいスローアウェイチップで被切削物を切削加工する前の“慣らし加工”が少なくて済み、かつ使用開始後短時間から被切削物を高品質の切削加工面に仕上げることができ、かつ長寿命のスローアウェイチップを提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するため、本発明では、チップの切刃形状を短時間の“慣らし加工”で被削材の加工面に合った形状となるように硬質被覆膜の膜厚を逃げ面側で０．５〜５μｍに設定するとともに、すくい面側においては逃げ面よりも厚い硬質被覆膜を形成することによって、短時間の“慣らし加工”で高品質な仕上げ面粗度を達成することができ、超精密加工等の仕上げ加工において優れた切削性能を発揮できるとともに、切屑との接触によって摩耗しやすいすくい面側における耐摩耗性にも優れることから、長期間にわたって寸法精度のよい加工が可能であり、長寿命なスローアウェイチップとなることを知見した。

すなわち、本発明のスローアウェイチップは、すくい面と前記逃げ面との交差稜のうち少なくともノーズ部を切刃とし、前記ノーズ部の角度を６０°以下とするとともに、前記ノーズ部のすくい面側における膜厚が前記逃げ面側における膜厚よりも厚く、かつ前記逃げ面側における膜厚が０．５〜５μｍとなるように少なくとも前記ノーズ部に硬質被覆膜を被覆したことを特徴とするものである。

ここで、前記ノーズ部の交差稜における硬質被覆膜の膜厚が、前記逃げ面における硬質被覆膜の膜厚以下であることが、慣らし加工をさらに短時間で終了させる点で望ましい。

また、前記ノーズ部から連続するすくい面に、すくい角：５°〜２５°、幅：０．５〜３．０ｍｍのチップブレーカを形成したことが、精密加工を行う上で切屑が被削材表面に滞留して切刃６との間に噛み込んで加工面の面粗度が低下することを防止する点で望ましく、このようなブレーカを形成した場合でも、すくい面が早期に摩耗することなく、長期にわたって安定した加工精度で良好に加工することができる。

また、周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる硬質粒子間を鉄族金属からなる結合相８質量％以上にて結合してなる超硬合金またはサーメットからなること、さらには、前記硬質粒子の平均粒径が１μｍ以下であることが、慣らし加工にて早く切刃を加工面形状に変形させることができて、早期に安定した面粗度を達成できる点で望ましい。

上記本発明のスローアウェイチップによれば、すくい面と前記逃げ面との交差稜のうちノーズ部を切刃とし、前記ノーズ部の角度を６０°以下とするとともに、前記ノーズ部のすくい面側における膜厚が前記逃げ面側における膜厚よりも厚く、かつ前記逃げ面側における膜厚が０．５〜５μｍなるように少なくとも前記ノーズ部に硬質被覆膜を被覆してチップの切刃形状を短時間の“慣らし加工”で被削材の加工面に合った形状とすることによって、短時間の“慣らし加工”で高品質な仕上げ面粗度を達成することができ、超精密加工等の仕上げ加工において優れた切削性能を発揮できるとともに、切屑との接触によって摩耗しやすいすくい面側における耐摩耗性にも優れることから、長期間にわたって寸法精度のよい加工が可能であり、長寿命なスローアウェイチップとなる

本発明のスローアウェイチップについてその一実施態様をホルダ内に装着した一例である内径加工用の切削工具についての平面図である図１、図１の切削工具をＡ方向から見た図である図２、および図１の切削工具をＢ方向からみた図である図３に基づいて説明する。

図１によれば、切削工具（以下、単に工具と略す。）１はホルダ２の先端に孔３が形成され、この孔３内にスローアウェイチップ（以下、単にチップと略す。）４を装着してなる。

また、図１によれば、チップ４は、略棒状をなし、長手方向の一端にノーズＲ５が形成されて切刃６をなすとともに、他端に長手方向に対して斜めに配設された後端斜面９を有する形状からなり、この後端斜面９をホルダ２に取り付けられた円柱状の固定部材１０に当接して固定されている。

本発明によれば、図４の切刃６付近の（ａ）要部側面拡大図、および（ｂ）要部断面拡大図に示すように、切刃６は母材２１の表面に硬質被覆膜２２が被覆された構成からなるが、本発明によれば、すくい面７と逃げ面８との交差稜のうち少なくともノーズ部５を切刃６とし、ノーズ部５の角度θを６０°以下とするとともに、切刃６のすくい面７側における膜厚ｔ_ｆが逃げ面８側における膜厚ｔ_ｒよりも厚く、かつ逃げ面８側における膜厚ｔ_ｒが０．５〜５μｍ、特に２〜４μｍになるように少なくとも切刃６に硬質被覆膜２２を被覆したことを特徴とするものであり、かかる構成によって、短時間の“慣らし加工”で高品質な仕上げ面粗度を達成することができ、超精密加工等の仕上げ加工において優れた切削性能を発揮できるとともに、切屑との接触によって摩耗しやすいすくい面７側における耐摩耗性にも優れることから、長期間にわたって寸法精度のよい加工が可能であり、長寿命な工具１となる。なお、本発明におけるノーズ部の角度θとは、図４に示すように前逃げ面８aと横逃げ面８ｂとの外挿線同士を交差させたときのなす角θの意である。また、本発明の切刃６のすくい面７側における膜厚ｔ_ｆ、および逃げ面８側における膜厚ｔ_ｒとは切刃６以外の部分よりも１．５〜５倍厚く形成される傾向にある。

ここで、ノーズ部５の角度θは６０°以下であること、かつ、切刃６断面における曲率半径：Ｒｒ＝１０μｍ以下のシャープエッジとすることが望ましく、これによって、短時間の“慣らし加工”で高品質な仕上げ面粗度を達成することができ、超精密加工等の仕上げ加工において優れた切削性能を発揮できるとともに、長期間にわたって寸法精度の高い加工が可能となり、チップ４の長寿命化につながる。

さらに、切刃６にホーニング加工を施す等して切刃６断面の曲率半径Ｒｒが１０μｍより大きくなると、切刃６の切れ味が低下してびびりが発生しやすく、また、慣らし加工に長時間を要して切削工程の効率が悪くなる。さらに、切刃６断面はシャープエッジである必要があり、切刃６断面の曲率半径Ｒｒは５μｍ以下、特に３μｍ以下であることが望ましい。

また、本発明においては、図１および図４に示すように、スローアウェイチップ４のノーズ部５からすくい面７側に凹状または凸状のブレーカ部２４を形成してもよく、これによって切り屑の排出性が向上してびびり発生の抑制および加工面粗度の向上を図ることができるとともに、特に凹状のブレーカは切刃６をよりシャープにして慣らし加工をより短くできる。

なお、チップ４の材質として、周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる硬質粒子間を鉄族金属からなる結合相８質量％以上、特に１０質量％以上にて結合してなる超硬合金またはサーメットを用いることにより、加工初期に切刃６にチッピング等が発生することなく、かつ短時間の“慣らし加工”で高品質な仕上げ面粗度を達成することができる。

また、上記超硬合金またはサーメットの硬質粒子の平均粒径を１μｍ以下とすることによって、強度に優れて長時間の切削加工を可能とすることができる。

さらに、上記母材２１の表面に被着形成される硬質被覆膜２２は、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法等公知の気相蒸着法にて周期律表４ａ、５ａおよび６ａ族金属、Ａｌ、Ｓｉの群から選ばれる少なくとも１種の炭化物、窒化物、炭窒化物、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）または立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）からなることが耐摩耗性および耐欠損性の点で望ましい。なお、硬質被覆膜２２の膜厚調整は必要な部分に所定時間マスクを施しながら成膜することにより可能である。また、本発明によれば、上記成膜方法としてＰＶＤ法を用いる場合にはエッジ効果およびマスク設置の影響により切刃６のすくい面７側における膜厚ｔ_ｆ、および逃げ面８側における膜厚ｔ_ｒとは切刃６以外の部分よりも１．５〜５倍厚く形成される傾向にある。

また、ノーズ部５の交差稜における硬質被覆膜２２の膜厚ｔ_ｃが、逃げ面８における硬質被覆膜２２の膜厚ｔ_ｒ以下であることが、慣らし加工をさらに短時間で終了させる点で望ましい。

さらに、ノーズ部５から連続するすくい面７に、すくい角：５°〜２５°、幅：０．５〜３．０のチップブレーカ２４を形成したことが、精密加工を行う上で切屑が被削材表面に滞留して切刃６との間に噛み込んで加工面の面粗度が低下することを防止する点で望ましく、このようなチップブレーカ２４を形成した場合でも、すくい面７が早期に摩耗することなく、長期にわたって良好に加工することができる。

さらに、ノーズ部５において、逃げ角αを７°以上としたことが、切れ味を高めて加工面精度および面粗度を高めることができる点で望ましい。

また、周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる硬質粒子間を鉄族金属からなる結合相８質量％以上にて結合してなる超硬合金またはサーメットからなること、さらには、前記硬質粒子の平均粒径が１μｍ以下であることが、慣らし加工にて早く切刃６を加工面形状に変形させることができて、早期に安定した面粗度を達成できる点で望ましい。

なお、図１に示されるように、工具１はチップ後端斜面９がホルダ２の固定部材１０に当接されて固定されているため、チップ４を交換する際にも切刃６を精度よく位置決めして装着することができるとともに、チップ４を強固に拘束できることから切削中にチップ４が回転して切刃６の位置がずれたりチップ４が緩んだりすることを防止できる。

なお、図１によれば、チップ４の後端斜面９は棒状体の長手方向に対して斜めに配設されており、製造上寸法精度が高く、製造が容易であるというメリットがある。

ここで、図１のチップ４についての拡大図である図６、および図６のチップ４をＡ方向から見た投影図である図７（ａ）に示すように、切刃６は突出部１６の横切刃に続く側面からわずかｓ＝０．１〜１．０ｍｍに断面方向の外側に形成され、突出部１６が被削材に干渉することを防止する。ここで、切刃６を形成する方法としては、棒状の突出部１６を作製した後、突出部１６の切刃６より後端の部分を研磨して作製してもよいし、予め切刃６が棒状の突出部１６よりも大きくなるように棒状体を作製してもよい。

また、切刃６の上面にはすくい面７が形成されており、すくい面７はブレーカ２４として機能するように凹曲面をなしている。

さらに、図１乃至３においては、ホルダ２の先端には長手方向にチップ４を固定する孔３に連通する第１のスリット溝１１が設けられ、また、第１のスリット溝１１の終端は図３に示すように略棒状孔と直交する方向に配設される第２のスリット溝１４と連通し、第２のスリット溝１４よりも先端側においては第１のスリット溝１１が開口したコの字状をなしている。そして、ホルダ２の第１のスリット溝１１間（コの字状の開口部）を繋ぐようにホルダ２にボルト１２が螺合されることによってチップ４のホルダ拘束部１５に孔３の壁面が押圧されチップ４の側面がホルダ２に拘束される。

また、図６によれば、チップ４はホルダ２の孔３内に固定されるホルダ拘束部１５とホルダ２から突出する突出部１６とからなり、ホルダ拘束部１５の径ｒ_１よりも突出部１６の径ｒ_２が小さくなるように形成されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、ホルダ拘束部１５の径ｒ_１と突出部１６の径ｒ_２が同じであってもよい。なお、小径の内径加工が可能である点、ホルダの拘束力を向上できる点でｒ_２／ｒ_１の比は０．１５〜１、特に０．３〜０．８であることが望ましい。なお、ｒ_１は強固な拘束力を得るために３ｍｍ以上であることが望ましい。

さらに、チップ４を強固に拘束できるとともにチップ４を小型化する点では、チップ４の全長Ｌに対する突出部１６の長さＬ_２の比Ｌ_２／Ｌは、０．４〜３、特に０．５〜２であることが望ましい。また、チップ４は用途に応じて突出部１６の直径、長さを変えることができ、かつホルダ拘束部１５は同じ直径、長さとすることによって突出部１６のサイズが異なるチップ４であっても同じホルダ２を用いて取り付けることができる。

さらには、図６のチップ４に示すようにチップ４の突出部１６は基本的には断面が円形にて形成されるが、内径加工の際に切屑の排出性をよくし、かつ加工後の被削材壁面との干渉を防止するために、図６のチップのＢ−Ｂ断面図である図７（ｂ）に示すように、突出部１６の断面が楕円形状、または円や楕円の一部を切り欠いた形状からなるものであってもよい。

さらにまた、ホルダ拘束部１５は加工の容易性、製造工程の短縮化、チップ４の取付精度向上、拘束力向上の点で断面が円形をなす、すなわちホルダ拘束部１５が丸棒であることが望ましい。

また、本発明によれば、図８に示すように、チップ４の拘束力を高めるために、チップ側面に凹状の切欠き１９を設け、切欠き１９にホルダ２に固定されるネジ部材２０を挿設することも可能である。

一方、固定部材１０は鋼であってもよいが、耐摩耗性、耐塑性変形性の点で超硬合金、サーメットまたはセラミックスから構成されてもよい。また、固定部材１０はチップ４と当接する部分を精度よく合わせられるとともに加工が容易な円柱形状に形成されることが望ましいが、側面が長手方向に一部切り欠かれてチップ４と当接する部分が平面をなす形状や多角柱形状であってもよい。

他方、本発明のチップ４および工具１は、特に直径が４ｍｍ以下、特に３ｍｍ以下の極小径の内径加工用として最適であり、かかる極小内径加工においても安定して高精度で滑らかな仕上げ面を有する品質の高い加工を達成することができるものであるが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、外径加工や端面加工等の他の旋削加工に対しても高い品質の加工を達成しうるものである。

平均粒径０．４μｍのＷＣ粉末に対して、平均粒径１．５μｍのＣｒ_３Ｃ_２粉末を０．６質量％、平均粒径１．２μｍのＶＣ粉末を０．３質量％、平均粒径０．５μｍのＣｏ粉末を１２質量％との割合で添加、混合して、焼成後の形状が図１となるように成形して焼成した後、膜厚調整が必要な部分に所定時間マスクを施しながらＰＶＤ法にて表１に示す硬質被覆層をコーティングして表１に示す形状のスローアウェイチップを作製した。なお、前記ノーズ部から連続するすくい面に、すくい角度：１５°、幅１．５ｍｍのチップブレーカを形成した。また、ノーズＲ部の曲率半径は０．２ｍｍとした。

得られたチップについて、下記条件で慣らし加工を行い、被削材の面粗度が算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ以下となるまでに要した加工本数を比較し、また、慣らし加工を終えた後のチップを用いて引き続き同じ加工条件で本番の切削加工を行い、加工寸法公差から外れた時点を寿命としてチップの本番加工数を比較した。

＜加工条件＞
被削材ＳＵＳ４３０Ｆ
加工形態 Φ７ｍｍ外径端面仕上げ切削
切削速度Ｖ＝１６０ｍ／ｍｉｎ
切り込み０．０２ｍｍ
送り０．０２ｍｍ／ｒｅｖ
切削状態湿式
結果は表１に示した。

表１の結果から明らかなように、本発明に従い、すくい面と前記逃げ面との交差稜のうちノーズ部を切刃とし、前記ノーズ部の角度を６０°以下とするとともに、前記ノーズ部のすくい面側における膜厚が前記逃げ面側における膜厚よりも厚く、かつ前記逃げ面側における膜厚が０．５〜５μｍなるように少なくとも前記ノーズ部に硬質被覆膜を被覆した試料Ｎｏ．３〜７ではいずれも１６０個以下の慣らし加工で被削材の表面粗さ（Ｒａ）を０．１μｍ以下に制御することができ、加工効率が向上した。また、チップの寿命も２８００個以上加工可能と優れたものであった。なお、試料Ｎｏ．３において、突出部の切刃から十分離れた部分における硬質被覆層の平均膜厚を測定したところ１．５μｍであった。

これに対して、すくい面と逃げ面の硬質被覆膜の膜厚が同じである試料Ｎｏ．１、８、逃げ面の硬質被覆膜の膜厚が２．０μｍを超える試料Ｎｏ．９、および逃げ面の硬質被覆膜の膜厚が０．５μｍより薄い試料Ｎｏ．１０では、いずれも本発明のチップと比較して慣らし加工に要する個数が多く、加工効率が低いか、または、本番の加工についても少ない加工数で寸法公差から外れてしまい寿命の短いものであった。

本発明のスローアウェイチップをホルダに装着した切削工具の一実施形態を示す平面図である。図１の切削工具のＡ方向から見た図である。図１の切削工具のＢ方向から見た図である。（ａ）は図１のスローアウェイチップの先端部拡大平面図、（ｂ）は図１のスローアウェイチップの切刃の要部拡大断面図である。図１のスローアウェイチップの平面図である。（ａ）は図５のスローアウェイチップをＡ方向から見た図、（ｂ）は図６のＢ−Ｂ断面図である。本発明のスローアウェイチップの他の実施態様を示す平面図である。

符号の説明

１切削工具（工具）
２ホルダ
３孔
４スローアウェイチップ（チップ）
５ノーズ部
６切刃
７すくい面
８逃げ面
９後端斜面
１０固定部材
１１第１のスリット溝
１２ボルト
１３押え板
１４第２のスリット溝
１５ホルダ拘束部
１６突出部
１７細径部
１８凹部
１９切欠き
２０ネジ部材
２１母材
２２硬質被覆膜
２４チップブレーカ
θ：ノーズ部の角度
α：逃げ角
Ｒｒ：切刃断面における曲率半径

Claims

すくい面と逃げ面との交差稜のうち少なくともノーズ部を切刃とし、前記ノーズ部の角度を６０°以下とするとともに、前記ノーズ部のすくい面側における膜厚が前記逃げ面側における膜厚よりも厚く、かつ前記逃げ面側における膜厚が０．５〜５μｍとなるように少なくとも前記ノーズ部に硬質被覆膜を被覆したことを特徴とするスローアウェイチップ。
前記ノーズ部の交差稜における硬質被覆膜の膜厚が、前記逃げ面における硬質被覆膜の膜厚以下であることを特徴とする請求項１記載のスローアウェイチップ。
前記ノーズ部から連続するすくい面に、すくい角：５°〜２５°、幅：０．５〜３．０ｍｍのチップブレーカを形成することを特徴とする請求項１または２に記載のスローアウェイチップ。
前記スローアウェイチップが、周期律表第４ａ，５ａ，６ａ族金属の少なくとも１種の炭化物、窒化物または炭窒化物からなる硬質粒子間を鉄族金属からなる結合相８質量％以上にて結合してなる超硬合金またはサーメットからなる請求項１乃至３のいずれかに記載のスローアウェイチップ。
前記硬質粒子の平均粒径が１μｍ以下であることを特徴とする請求項４記載のスローアウェイチップ。