JP2006123022A - スローアウェイインサート - Google Patents

Abstract

【課題】 加工性に優れて自由に切刃形状を切屑処理性に優れる形状にできるとともに仕上げ面粗度が高く、かつ耐衝撃性に優れて長寿命なスローアウェイインサートを提供する。
【解決手段】 すくい面２と逃げ面３との交差稜のうちノーズ部４を含んで切刃５を形成し、少なくとも基体６の切刃５およびすくい面２の表面に硬質炭素膜７を０．０１〜０．３μｍの厚みで被覆し、さらに切刃５に切刃５断面の曲率半径Ｒが１〜６μｍのホーニングを形成したスローアウェイインサート１である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表面に硬質炭素膜を被覆したスローアウェイインサートに関し、特に超精密切削加工に適したスローアウェイインサートに関する。

従来より、スローアウェイインサートの切刃部分にダイヤモンド焼結体をロウ付けしたロウ付けタイプのインサートが知られている。しかしながら、製造コストがかさみ高価である上に、ロウ付けチップの強度を維持するためにある程度のロウ付け面積が必要であり小さな切刃チップを形成することはできず、しかも加工性に乏しくて所望のブレーカ形状を作製することが困難であるという問題があった。

そこで、基体の表面にダイヤモンド膜やダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜等の硬質炭素膜を被覆したスローアウェイインサートが検討されている（特許文献１、２参照）。特に、ＤＬＣ膜は高い摺動性を有するとともに平滑な表面を得られやすく、スローアウェイインサートのコーティング材料として盛んに研究されている。
特開昭６２−１３３０６８号公報 特開平３−２４０９５７号公報

しかしながら、特許文献１、２の基体の表面にダイヤモンド膜やＤＬＣ膜の硬質炭素膜を被覆したスローアウェイインサートは、優れた耐摩耗性を有するものの衝撃に対して弱く、特に切刃形状がシャープな精密加工等に用いられるスローアウェイインサートでは、切削加工の初期段階で切刃に微小の膜剥離やチッピング等が発生し、加工した仕上げ面粗度が低下したり、インサートの寿命が短くなってしまうという問題があった。

本発明は上記課題に対してなされたもので、その目的は、加工性に優れて自由に切刃形状を切屑処理性に優れる形状にできるとともに仕上げ面粗度が高く、かつ耐衝撃性に優れて長寿命なスローアウェイインサートを提供することにある。

上記課題について検討した結果、(i)シャープエッジ形状の切刃に硬質炭素膜を成膜すると、図３に示すようにエッジ部のみに異常に厚く盛り上がった状態で硬質炭素膜が付着する結果、切削加工においてチッピングや膜剥離が発生すること、(ii)硬質炭素膜を０．０１〜０．３μｍの厚みだけ成膜することによって、エッジにおいて膜厚が異常に厚くなることなく、切刃でのチッピングや欠損等の発生を抑制できて硬質炭素膜の高い耐摩耗性を得ることができる。しかもエッジにおいて膜厚が異常に厚くなることがないので、エッジのシャープさが従来のインサートに匹敵するほど持続できる結果、仕上げ面粗度が高く、かつ長寿命なスローアウェイインサート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インサートは、すくい面と逃げ面との交差稜に切刃を形成し、少なくとも基体の前記切刃および前記すくい面の表面に硬質炭素膜を０．０１〜０．３μｍの厚みで被覆したことを特徴とするものである。

ここで、前記切刃に該切刃断面の曲率半径が１〜６μｍのホーニングを形成することが、硬質炭素膜の切刃において異常な厚みに成膜されることを防止できる点で望ましい。

特に、前記すくい面上には前記切刃に連続してブレーカ溝が形成されるとともに、該ブレーカ溝におけるすくい角が３〜１５°であることが、切屑処理性に優れてさらに高い仕上げ面粗度を安定して維持できる。

さらに、前記すくい面の基体表面に前記ブレーカ溝と平行な向きの研磨痕が存在し、該研磨痕に前記硬質炭素膜を被覆してなることが、研磨ブレーカを作製するための加工が容易であり、しかも切屑の排出性を妨げることを低減できる点で望ましい。

また、前記逃げ面の下逃げ角が５°〜４０°であることが、加工時にインサートの逃げ面側が被削材に干渉することを避け、かつ切刃のシャープさおよび強度を維持しつつ切削抵抗を低減して切刃がチッピングや欠損することを防止する点で望ましい。

さらに、前記切刃における前記硬質炭素膜の膜厚ｔ_ｃと、前記すくい面における前記硬質炭素膜の膜厚ｔ_ｆとの比ｔ_ｃ／ｔ_ｆが、１〜４であることが、切刃の耐摩耗性が高く長寿命であるとともに切刃の耐欠損性を高めることができる点で望ましい。

また、前記基体が、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ことが、切刃の高い耐欠損性を維持できる点で望ましい。特に、前記硬質粒子の平均粒径が１μｍ以下であることが、切刃の鋭利さと微小ホーニングの形成が高精度に行えるとともに基体の塑性変形も小さい点で望ましい。

なお、本発明のスローアウェイインサートは、特に直径５ｍｍ以下の極小内径加工用として最適に使用できる。中でも、切削による衝撃が比較的小さいアルミニウム加工用として最適である。

以上のとおり、本発明のスローアウェイインサートによれば、基体の少なくとも切刃およびすくい面に硬質炭素膜を０．０１〜０．３μｍの厚みだけ成膜することによって、エッジにおいて膜厚が異常に厚くなることなく、切刃でのチッピングや欠損等の発生を抑制できて硬質炭素膜の高い耐摩耗性のためにエッジのシャープさが従来のインサートに匹敵するほど持続できる結果、仕上げ面粗度が高く、かつ長寿命なスローアウェイインサートとなる。

本発明のスローアウェイインサートについて、その一例についての切刃部を示す要部拡大平面図である図１（ａ）および切刃部分の要部拡大断面図である図１（ｂ）を基に説明する。

図１によれば、スローアウェイインサート（以下、単にインサートと略す。）１は、すくい面２と逃げ面３との交差稜のうちノーズ部４を含んで切刃５を形成し、少なくとも基体６の切刃５およびすくい面２の表面に硬質炭素膜７を０．０１〜０．３μｍの厚みで被覆したものである。

この構成により、切刃５をなすエッジ部分における膜厚が異常に厚くなることなく、切刃５でのチッピングや欠損等の発生を抑制できて硬質炭素膜７の高い耐摩耗性のためにエッジのシャープさがダイヤモンドロウ付けインサートに匹敵するほど持続できる結果、仕上げ面粗度が高く、かつ長寿命なインサート１となる。硬質炭素膜７の特に望ましい膜厚は０．０５〜０．１５μｍである。

なお、本発明の硬質炭素膜７とは、結晶質ダイヤモンド、非晶質ダイヤモンド（ダイヤモンドライクカーボン：ＤＬＣ）またはそれらが混合された状態のものを指すが、特に平滑な表面が得られやすく摺動性に優れたダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜からなることが望ましい。

ここで、切刃５に切刃５断面の曲率半径Ｒが１〜６μｍ、望ましくは２〜５μｍのホーニングを形成することが、切刃５において硬質炭素膜７が異常な厚みに成膜されることを抑制できる点で望ましい。

また、すくい面２上には、切刃５に連続してブレーカ溝１０が形成されるとともに、このブレーカ溝１０におけるすくい角αが３〜１５°、望ましくは５〜１０°であることが、インサート１が切屑処理性に優れてさらに高い仕上げ面粗度を安定して維持できる点で望ましい。

さらに、すくい面２の基体６表面にブレーカ溝１０と平行な向きの研磨痕９が存在し、基体６の研磨痕９が存在する部分を硬質炭素膜７、中でもＤＬＣ膜にて被覆してなることが、ブレーカ溝（研磨ブレーカ）１０を作製するための加工が容易であり、しかも切屑の排出性を妨げることを低減できる点で望ましい。

なお、本発明によれば、基体６の研磨痕９の方向は上記のようにブレーカ溝１０と平行な向きに限定されるものではなく、例えば切刃５と平行な向きに存在するものであってもよい。この場合には、切屑の排出性がより高くなる。

また、逃げ面３の下逃げ角βが５〜４０°、望ましくは５〜１５°であることが、切刃５のシャープさを維持しつつ切削抵抗を低減して、切刃５がチッピングや欠損することを防止する点で望ましい。

さらに、切刃５における硬質炭素膜７の膜厚ｔ_ｃと、すくい面２における硬質炭素膜７の膜厚ｔ_ｆとの比ｔ_ｃ／ｔ_ｆが１〜４、望ましくは１〜２、特に１〜１．５であることが、切刃５の耐摩耗性が高く長寿命であるとともに切刃５の耐欠損性を高めることができる点で望ましい。

また、基体６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ことが、切刃５の高い耐欠損性を維持できる点で望ましい。結合相の望ましい量は１０〜１３質量％である。特に、前記硬質粒子の平均粒径が１μｍ以下であることが、切刃のシャープさ、および微小ホーニングの形成が高精度に行えるとともに基体６の塑性変形も小さい点で望ましい。硬質粒子の平均粒径の特に望ましい範囲は０．５〜１．０μｍである。

なお、上記インサート１は、特に直径５ｍｍ以下、さらに直径３ｍｍ以下の極小内径加工用として好適に使用できる。中でも、切削による衝撃が比較的小さいアルミニウム合金加工用として最適である。

そこで、上記インサート１の好適な形状について、その一例である内径加工用のスローアウェイインサートについての平面図である図２に基づいて説明する。

図２によれば、インサート１は、棒状部１１の一端にノーズ部４、切刃５が形成されてり、他端に長手方向に対する長さが短い部分のある後端斜面１２を有する形状からなり、この後端斜面１２をホルダ（図示せず。）に当接して固定されている。そして、上記棒状部１１を加工する被削材の穴内に挿入して先端の切刃５にて加工する形態となる。

本発明によれば、このような内径加工、特に直径が５ｍｍ以下の極小内径加工においても、耐欠損性および切屑処理性に優れることから仕上げ面粗度が高く長寿命なインサートとなる。

表１の組成からなる基体原料粉末を添加、混合して、焼成後の基本形状が図２となるように成形して焼成した後、研磨ブレーカを作製し、さらに表１に示すように切刃のホーニング加工を施した。なお、各試料のすくい角α、下逃げ角βは表１に示した。

そして、加工した基体に対して、表１の種類、および厚みの硬質被覆層をコーティングしてスローアウェイインサートを作製した。なお、表１の硬質被覆層の膜厚はインサート断面写真から見積もった。

得られたチップについて、下記条件で切削加工を行い、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 アルミニウム合金
切削速度：２００ｍ／分
送り速度：０．０５ｍｍ
切り込み：０．０５ｍｍ
その他 ：水溶性切削液使用
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、硬質炭素膜を０．０１〜０．３μｍの厚みで被覆するとともに、切刃に断面の曲率半径が１〜６μｍのホーニングを形成した試料Ｎｏ．１〜３および５、６ではいずれも切屑の排出がスムーズであり、インサートにチッピングや欠損も見られず、かつ寿命も１８００個以上加工可能と優れたものであった。

これに対して、硬質炭素膜以外の被覆層をコーティングした試料Ｎｏ．７では耐摩耗性が悪く、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）膜を０．３μｍより厚く成膜した試料Ｎｏ．４では切刃にチッピングが発生して仕上げ面粗度が悪くインサートの寿命も短いものであった。

本発明のスローアウェイインサートの一例について（ａ）切刃部を示す要部拡大平面図、（ｂ）（ａ）部についての断面図である。 図１のスローアウェイインサートの一例を示す平面図である。 従来のスローアウェイインサートの切刃部分についての要部拡大断面図である。

符号の説明

１ スローアウェイインサート（インサート）
２ すくい面
３ 逃げ面
４ ノーズ部
５ 切刃
６ 基体
７ 硬質炭素膜
９ 研磨痕
１０ ブレーカ溝（研磨ブレーカ）
１１ 棒状部
１２ 後端斜面
Ｒ 切刃におけるホーニングの曲率半径
β 下逃げ角
ｔ_ｃ 切刃における硬質炭素膜の膜厚
ｔ_ｆ すくい面における硬質炭素膜の膜厚

Claims (10)

1. すくい面と逃げ面との交差稜に切刃を形成し、少なくとも基体の前記切刃および前記すくい面の表面に硬質炭素膜を０．０１〜０．３μｍの厚みで被覆したスローアウェイインサート。
2. 前記切刃に曲率半径が１〜６μｍのホーニングを形成した請求項１記載のスローアウェイインサート。
3. 前記すくい面上には前記切刃に連続してブレーカ溝が形成されるとともに、該ブレーカ溝におけるすくい角が３〜１５°である請求項１または２記載のスローアウェイインサート。
4. 前記すくい面の基体表面に前記ブレーカ溝と平行な向きの研磨痕が存在し、該研磨痕に前記硬質炭素膜を被覆してなる請求項１乃至３のいずれか記載のスローアウェイインサート。
5. 前記逃げ面の下逃げ角が５°〜４０°以上である請求項１乃至４のいずれか記載のスローアウェイインサート。
6. 前記切刃における前記硬質炭素膜の膜厚ｔ_ｃと、前記すくい面における前記硬質炭素膜の膜厚ｔ_ｆとの比ｔ_ｃ／ｔ_ｆが、１〜４である請求項１乃至５のいずれか記載のスローアウェイインサート。
7. 前記基体が、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６のいずれか記載のスローアウェイインサート。
8. 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７記載のスローアウェイインサート。
9. 内径加工用である請求項１乃至８のいずれか記載のスローアウェイインサート。
10. アルミニウム加工用である請求項１乃至９のいずれか記載のスローアウェイインサート。

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