JP2006130615A - 切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 すくい面の耐摩耗性に優れた切削工具を提供すること。
【解決手段】 切削工具１は、超硬合金製の基材よりも硬い複数の砥粒１１を刃先側エッジ部１２Ｅに固着させたすくい面１２と、すくい面１２に隣接する逃げ面１３と、すくい面１２と逃げ面１３との境界により形成され、基材を露出させた切れ刃１４と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、切削工具に関し、特に、すくい面の耐摩耗性に優れた切削工具に関する。

切削工具の材料としては様々なものがあるが、代表的な例としてＷＣ（炭化タングステン）を主成分とする超硬合金があり、例えば、鉄合金、アルミ合金、木材の切削に用いられる。

超硬合金を切削工具に用いる場合、超硬合金の基材のみで切削工具を製作する以外にも、ダイヤモンドやｃＢＮ（polycrystalline cubic boron nitride）などの硬度の高い材料を焼結したチップを超硬合金製シャンクの先端に取り付けたり、ダイヤモンド膜を超硬合金の基材に被覆させたりすることが知られている。

さらに、切れ味や加工精度の向上を目的として、ダイヤモンド膜を超硬合金の基材に被覆させた切削工具において、逃げ面からダイヤモンド膜を研磨によって除去して、ダイヤモンド膜で鋭利な切れ刃を形成することが知られている。（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）
特開平４−２０１１０２号 特開平３−６７６０２号

切削工具を超硬合金の基材のみで製作する場合、切れ刃が超硬合金となるため、切れ刃をダイヤモンド等の硬い材料としたときよりも、切れ刃の欠けが生じにくいという利点がある。しかしながら、すくい面の摩耗が大きくなり、工具の寿命が短いという問題があった。

一方、ダイヤモンドなどの焼結チップを超硬合金製シャンクの先端に取り付ける場合や、ダイヤモンド膜を超硬合金の基材に被覆させる場合には、すくい面の耐摩耗性向上には一定の効果が期待できる。しかしながら、硬くて靭性の低い材料を切れ刃とするために欠けが生じやすいだけでなく、品質にばらつきが出やすく、工具の寿命にもばらつきが出るという問題があった。

また、上記特許文献１及び上記特許文献２のようにダイヤモンド膜を逃げ面から除去した場合には、ダイヤモンド膜が剥離しやすく、被削面を傷つける恐れがあった。

これらのダイヤモンド膜の剥離や被削面への傷という現象は、超硬合金以外の材料（例えば、セラミックス、サーメット、ハイス）を基材にした場合にも同様に発生する可能性がある問題であった。

そこで本発明は、すくい面の耐摩耗性に優れた切削工具の提供を目的とする。

本発明の切削工具は、超硬合金製の基材よりも硬い複数の砥粒を刃先側エッジ部に固着させたすくい面と、すくい面に隣接する逃げ面と、すくい面と逃げ面との境界により形成され、基材を露出させた切れ刃と、を備える。

本発明の切削工具によれば、超硬合金の基材を切れ刃としながらも、超硬合金よりも硬い複数の砥粒がすくい面の刃先側エッジ部を覆い、すくい面の基材を切り屑から保護するため、耐摩耗性を向上させることができる。

また、本発明の切削工具において、砥粒は超砥粒であることが好ましい。硬度の高い超砥粒がすくい面を覆うことで、すくい面の基材をより効果的に切り屑から保護することができる。また、超砥粒としてダイヤモンドやｃＢＮ（polycrystalline cubic boron nitride）を選択した場合には、砥粒の硬度の高さだけでなく、高い耐熱性にも起因して、切削工具の耐磨耗性が向上する。

さらに、本発明の切削工具において、砥粒は金属膜を介して刃先側エッジ部に固着されていることが好ましい。このように構成することで、砥粒を前記刃先側エッジ部へ容易に固着することができる。特に、砥粒としてダイヤモンドやｃＢＮの超砥粒を用いた場合に、容易に砥粒を基材に固着することができる。

また、本発明の切削工具において、前記刃先側エッジ部が、前記切れ刃に沿って形成された面取り部を備え、面取り部にも砥粒を固着させることが好ましい。このように構成することで、切れ刃の欠けを抑制することができる。

なお、基材の材料は超硬合金以外の材料であっても良い。超硬合金以外の材料を基材とした場合、その基材が備える切削に関する特徴を生かしつつ、切削工具としての耐摩耗性を向上させることができる。具体的には、超硬合金を採用した場合、工具の欠けに強いといった超硬合金の特徴を生かしつつ、切削工具としての耐摩耗性を向上させることができる。

本発明によれば、基材よりも硬い複数の砥粒がすくい面の刃先側エッジ部を覆い、すくい面の基材を切り屑から保護するため、切削工具の耐摩耗性を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。なお、可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

図１は本実施形態に係る切削工具の一例を示す図であり、本発明を超硬バイトに適用した例を示す図である。図１に示す超硬バイト１は、ＷＣ（炭化タングステン）を主成分とする超硬合金を基材として構成され、すくい面１２と、すくい面１２に隣接する逃げ面１３と、すくい面１２と逃げ面１３との境界により形成され、基材を露出させた切れ刃１４と、を備える。すくい面１２の刃先側エッジ部１２Ｅには、基材よりも硬い複数の砥粒１１が固着されている。

この刃先側エッジ部１２Ｅに複数の砥粒１１が固着されることで、砥粒１１は切り屑による摩耗からすくい面１２を保護する。刃先側エッジ部１２Ｅの上で、固着された砥粒１１が分布する密度は特に限定されないが、すくい面保護の観点からは、細密に分布していることが好ましい。

また、砥粒１１を固着させる部分は、少なくとも切削に際して被削物の切り屑がすくい面と接触する部分を含めば、すくい面１２上の刃先側エッジ部１２Ｅよりも広い部分であっても、すくい面１２全体であっても良い。

図２は、すくい面１２と逃げ面１３との境界付近において、砥粒１１がすくい面１２の刃先側エッジ部１２Ｅに金属膜１６を介して固着されている様子を示す図である。この図に示されるように、砥粒１１は、すくい面１２上においてのみ固着されており、逃げ面１３や切れ刃１４には固着されていない。そのため、被削物を切削する過程で、固着された砥粒１１が刃先側エッジ部１２Ｅから剥がれて、逃げ面１３や切れ刃１４に一時的に付着することがあったとしても、砥粒１１は被削物の切削には直接的には関与しない。すなわち、基材（本実施の形態の場合は、超硬合金）が切れ刃となっている点で、ダイヤモンド焼結チップを取付けた工具やダイヤモンド膜を超硬合金の基材に被覆させた工具のようにダイヤモンド等の硬い材料を切れ刃とした従来の切削工具と異なる。

このように、本発明では、ダイヤモンド等の硬い材料と比べて工具の欠けに強い超硬合金の基材を切れ刃としながらも、超硬合金よりも硬い複数の砥粒がすくい面の刃先側エッジ部を覆い、すくい面の基材を切り屑から保護するため、耐摩耗性を向上させることができる。また、ダイヤモンド焼結チップの製作・取付けやダイヤモンド膜の被覆といった煩雑な工程が不要であり、工具を製作するための作業が簡単に済むため、工具の製作費用を抑えることができる。

さらに、ダイヤモンド焼結チップを取付けた切削工具を製作する場合、板状のダイヤモンド焼結チップの形状に適合する専用の形状を持った基材を用意する必要があるが、本発明では切削工具のすくい面に砥粒１１を固着させているため、専用の形状を持った基材は必要ない。また、基材の形状が問われないため、平面部、曲面部を問わず本発明を適用することができる。したがって、チップブレーカー等を含む様々な形状の切削工具に本発明を適用することができる。

加えて、切削工具が摩耗して研磨が必要となった際にも、本発明の切削工具では、固着させた砥粒を剥がし、切削工具を研磨した後に再度新しい砥粒を固着させることで、以前と同様の切削工具として利用でき、再利用も容易である。

また、従来のように基材にダイヤモンド膜を被覆させる構成では、例えばＣＶＤ（chemical vapor deposition、化学気相蒸着）により膜を形成するが、ダイヤモンドの代わりとして、ダイヤモンドと同様に高い硬度を持つｃＢＮ（polycrystalline cubic boron nitride）を用いることは技術的に困難である。しかしながら、本発明では、砥粒１１がすくい面１２の刃先側エッジ部１２Ｅに金属膜１６を介して固着される構成であるため、ｃＢＮを砥粒１１として用いることが容易である。

砥粒１１の材料としては、切削工具の基材に対して耐摩耗材の役割を果たすものであれば良く、アルミナ、ＳｉＣ、ＧＣ、ＷＡといった一般的な砥石の材料を粒状とした砥粒や、ダイヤモンドやｃＢＮといったアルミナよりも硬度の高い材料で構成される超砥粒を用いることができる。硬度の高い超砥粒がすくい面を覆うことで、すくい面の基材をより効果的に切り屑から保護することができる。また、ダイヤモンドやｃＢＮを砥粒として選択した場合には、砥粒の硬度の高さだけでなく、高い耐熱性にも起因して、切削工具の耐磨耗性が向上する。

砥粒１１の平均粒径は、すくい面保護の観点から、被切削物の材料特性を考慮した大きさにする必要がある。具体的には、砥粒１１の平均粒径として好ましい範囲は２０〜１５０μｍであり、さらに好ましい範囲は３０〜６０μｍである。

砥粒１１を固着する手段は、特に限定されないが、金属膜であることが好ましく、より具体的には金属を主成分とするろう材であることが好ましい。金属膜によって砥粒１１を固着することで、砥粒１１を刃先側エッジ部１２Ｅへ容易に固着することができる。特に、砥粒としてダイヤモンドやｃＢＮの超砥粒を用いた場合に、基材への固着が容易となる。

ろう材は、砥粒１１を固着することができるものであれば、特に限定されない。なお、砥粒としてダイヤモンドやｃＢＮを用いた場合には、砥粒との親和性を高めるため、少なくともＴｉまたはＣｒのいずれかを含む材料とすることが好ましい。具体的には、ダイヤモンドを砥粒とした場合、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ−Ｚｒ、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ、Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉを用いることが好ましい。また、ｃＢＮを砥粒とした場合、Ｔｉを含む材料を用いることが好ましく、具体的には、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ−Ｚｒ、Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ、Ｃｕ−Ａｇ−Ｔｉを用いることが好ましい。

図２に示されるように、金属膜１６は、例えば、上述のようなろう材で構成され、砥粒１１の一部を外面に表出させつつ、刃先側エッジ部１２Ｅに固着させる。なお、金属膜１６に固着されているすべての砥粒１１を、刃先側エッジ部１２Ｅの表面と接するように配置する必要はない。また、すべての砥粒１１を金属膜から外面に表出させる必要もなく、一部の砥粒が金属膜１６の中に埋まった状態であって良い。さらに、図２において、砥粒１１は１つの層を形成するように刃先側エッジ部１２Ｅに対して平面的に固着されているが、いくつもの砥粒１１が金属膜１６を介して積層されて、砥粒１１が複数の層を形成するように立体的に固着されていても良い。

砥粒１１のろう付け（すなわち、上述のようなろう材で金属膜１６を構成して砥粒１１を刃先側エッジ部１２Ｅに固着する場合）は、砥粒１１と粉末状態のろう材を刃先側エッジ部１２Ｅに載せ、ろう材が溶ける温度まで加熱した後に冷却し、すくい面１２に固着することにより行うことができる。これにより、砥粒１１が刃先側エッジ部１２Ｅに固着される。砥粒１１を刃先側エッジ部１２Ｅに固着する方法としては、ろう付けではなく、焼結によっても図２に示される構成と同様の構成とすることが可能である。しかしながら、ろう付けは、焼結と異なり、特別な型を必要とせず、炉の中で加熱するだけであるため、簡単に砥粒１１を刃先側エッジ部１２Ｅに固着することができる点で有利である。なお、ろう付けの場合、加熱中の粉末には流動性があるという点で、金属粉末が完全には溶けない温度までの加熱により、当該金属粉末を結合させる焼結とは態様が異なる。

切削を続ける途中で、熱による金属膜１６の溶融や切り屑との接触等が原因となって、ろう付けにより刃先側エッジ部１２Ｅに固着された砥粒１１は、次第に金属膜１６から剥がれていく。金属膜１６から剥がれた砥粒１１は、一時的に逃げ面１３や切れ刃１４に付着することがあるが、固着も固定もされないため、砥粒１１が被削物の切削に直接関与することはない。したがって、切削は基材が露出することで形成されている切れ刃によって行われる。そのため、すくい面だけでなく逃げ面や切れ刃もダイヤモンド等で覆われた切削工具と比べて、砥粒１１が被削物の仕上げ面を傷つけることがない。また、本実施の形態のように超硬合金で切れ刃を形成した場合には、ダイヤモンド等の硬く靭性の低い材料を切れ刃とした場合に比べて、欠けの発生を抑えることができる。

図３は、本発明を適用した超硬バイトによる被削物の切削状態を示す図である。図３に示されるように、すくい面１２の刃先側エッジ部１２Ｅに砥粒１１が固着されているので、被削物１００の切り屑１０５はすくい面１２の基材に直接接触することはない。

さらに、逃げ面１３及び切れ刃１４には、砥粒１１が固着していないので、逃げ面や切れ刃にも砥粒を固着させた切削工具と比べて、砥粒１１が被削物の仕上げ面を傷つけることがない。

次に、本発明の切削工具と従来の切削工具との耐摩耗性に関する比較を、自動車用エンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシート内側の面取り（４５度面）加工を例にとって説明する。

この比較において、被削材は、鉄をベースとした焼結金属であり、Ｆｅ−Ｍｏ、Ｗ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃ、その他の硬質粒子を含む材料を用いた。また、切削工具としては、次の３種類を用いた。
（１）本発明による切削工具
（２）超硬製切削工具 ： コーティング、砥粒等を施さない超硬バイト
（３）ｃＢＮチップ付き切削工具 ： ｃＢＮ焼結体チップを取り付けたバイト

上記（１）〜（３）の切削工具を用いて、面取り（４５度面）の加工が所定規格を維持する切削ワーク数を測定したところ、次のようになった。
（１）本発明による切削工具 ： 平均１００００個
（２）超硬製切削工具 ： 平均５００個
（３）ｃＢＮチップ付き切削工具 ： 最低１００個、最高４０００個

なお、（３）ｃＢＮチップ付き切削工具は、工具の品質が安定せず、データのばらつきが大きかったため、最低と最高の切削ワーク数を記載している。

この結果から、本発明による切削工具がすぐれた耐摩耗性を備えていることがわかる。

図４から図６は、図１に示される切削工具とは形状が異なる切削工具に本発明を適用した例を示している。

図４に示される超硬バイト１Ａは、図１の超硬バイト１とほぼ同様の形状であるが、刃先側エッジ部１２Ｅが、切れ刃１４に沿って形成された面取り部１２Ｃを備えている点で異なる。図４に示されているように、砥粒１１は、面取り部１２Ｃにも固着されており、切り屑から面取り部１２Ｃを保護する。このように、面取り部１２Ｃを設けることで、切れ刃の欠けを抑制することができる。

図５は、本発明を超硬合金製のスローアウェイチップに適用した例を示す図である。図１の超硬バイトと同様に、スローアウェイチップ２において、すくい面２２の刃先側エッジ部２２Ｅには、超硬合金製の基材よりも硬い複数の砥粒２１が固着されている。その一方で、砥粒２１は、すくい面２２に隣接する逃げ面２３にも、すくい面２２と逃げ面２３との境界により形成される切れ刃２３にも固着されていない。切れ刃２４は、基材であるスローアウェイチップが露出することで形成されている。

なお、図５に示されるように、スローアウェイチップ２において、砥粒２１を固着させる部分は被削物の切削に用いる部分だけとすれば良く、必ずしもすくい面２２の全体に砥粒２１を固着させなくても良い。

図６は、本発明をエンドミルに適用した例を示す図であり、図６（ａ）は概略正面図、図６（ｂ）は切れ刃の長さ方向中央部における中心線に対して直角な方向の概略断面図である。

図６（ｂ）に示されるように、図１の超硬バイトと同様に、エンドミル３において、すくい面３２の刃先側エッジ部３２Ｅには、超硬合金製の基材よりも硬い複数の砥粒３１が固着されている。その一方で、砥粒３１は、すくい面３２に隣接する逃げ面３３にも、すくい面３２と逃げ面３３との境界により形成される切れ刃３３にも固着されていない。切れ刃３４は、基材であるエンドミルが露出することで形成されている。

このように、本発明は、バイト、スローアウェイチップ、エンドミル、ドリルといった様々な形状の切削工具に適用することができる。また、一体成形されたバイトでも、いくつかの部分に分割して構成されたバイトにも適用することができる。さらに、被削物に対して切削工具を回転させる装置（例えば、ドリルやフライス盤）における切削工具にも、平行移動させる装置（例えば、旋盤）における切削工具にも、同様に本発明を適用することできる。

本実施の形態では、基材の材料として欠けに強い超硬合金を例にとって説明したが、セラミックス、サーメット、ハイスなどの他の材料を基材とした切削工具についても、同様に適用することができる。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を超硬バイトに適用した例を示す図である。 砥粒がすくい面の刃先側エッジ部に金属膜を介して固着されている様子を示す図である。 本発明を適用した超硬バイトによる被削物の切削を示す図である。 本発明を面取り部が設けられた超硬バイトに適用した例を示す図である。 本発明をスローアウェイチップに適用した例を示す図である。 本発明をエンドミルに適用した例を示す図であり、（ａ）は概略正面図、（ｂ）は切れ刃の長さ方向中央部における中心線に対して直角な方向の概略断面図である。

符号の説明

１，１Ａ，２，３…切削工具、１１，２１，３１…砥粒、１２…すくい面、１２Ｃ…面取り部、１２Ｅ，２２Ｅ，３２Ｅ…刃先側エッジ部、１３，２３，３３…逃げ面、１４，２４，３４…切れ刃、１６…金属膜。

Claims (5)

1. 超硬合金製の基材よりも硬い複数の砥粒を刃先側エッジ部に固着させたすくい面と、
   前記すくい面に隣接する逃げ面と、
   前記すくい面と前記逃げ面との境界により形成され、前記基材を露出させた切れ刃と、を備える切削工具。
2. 前記砥粒が、超砥粒であることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
3. 前記砥粒が、金属膜を介して前記刃先側エッジ部に固着されていることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の切削工具。
4. 前記刃先側エッジ部が、前記切れ刃に沿って形成された面取り部を備え、前記面取り部に前記砥粒を固着させていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の切削工具。
5. 基材よりも硬い複数の砥粒を刃先側エッジ部に固着させたすくい面と、
   前記すくい面に隣接する逃げ面と、
   前記すくい面と前記逃げ面との境界により形成され、前記基材を露出させた切れ刃と、を備える切削工具。

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