JP2006512211A - 超硬工具を製作するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、異なる硬度を有する少なくとも２種類の材料を有するロッド状の超硬工具を製作するための方法に関する。第２の材料より低い硬度を有する第１の材料が、この第１の材料より高い硬度を有する第２の材料のためのロッド状の支持体を形成している。第１の材料が、第１の押出工具（Ｐ１）内のノズル領域内に塑性質量流として押し込まれる。第２の材料が、第２の押出工具（Ｐ２）内で同様に塑性質量流として第１の質量流内に押し込まれる。本発明は、この方法を実施するための装置にも関する。

Description

本発明は、第１の材料が第２の材料より低い硬度を有していて、第１の材料が、この第１の材料より高い硬度を有する第２の材料のためのロッド状の支持体を形成している形式の、異なる硬度を有する少なくとも２種類の材料を有するロッド状の超硬工具を製作するための方法に関する。

ロッド状の超硬工具特に超硬ドリル工具を製作するための方法は、例えばドイツ連邦共和国特許第４０２１３８３号明細書、ドイツ連邦共和国特許第４１２０１６６号明細書、国際公開第０１／１７７０５号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願第１０２２９３２５．２号明細書並びにドイツ連邦共和国特許出願第１０２２９３２６．０号明細書により公知である。これらの公知の方法においては、それぞれ１つの押出工具が使用されており、この押出工具によって、塑性材料より成る円筒形体が製作され、この円筒形体の内側に、単数又は複数の切欠が形成されている。押出工具は、先細りした領域と、円筒形の通路を形成するノズル口金とを備えたプレスノズルを有している。この公知の方法はいずれも、第１の材料がより低い硬度を有していて、より高い硬度を有する第２の材料のためのロッド状の支持体を形成している形式の、異なる硬度を有する少なくとも２種類の材料を有するロッド状の超硬工具を製作するための方法ではない。

アメリカ合衆国特許第４７６２４４５号明細書によれば、円筒形のベース体を有するドリル工具を製作するための方法が公知である。このベース体は端部領域が円錐形に形成されている。このベース体は、ろう付け又は溶接し易く、良好に研削可能である例えばタングステンカーバイド（Wolframcarbid）より成っている。このベース体に溝が、特に研削によって形成されている。これらの溝に特に硬い第２の材料例えばダイヤモンド又は立方体（キュービック）状の窒化硼素が満たされる。次いで２種類の材料を互いに堅固に結合するために、高圧及び高温を用いて焼結工程が行われる。前記溝は、ダイヤモンド層若しくは立方体の窒化硼素がドリル工具の刃先を形成するように、成形されかつ位置決めされている。

この公知の方法においては、一般的な形式で研削工程によって行われる、ベース体内への溝の形成が高価であるという点が欠点である。研削された溝の深さは小さい。つまりこれらの溝は、工具の長手方向の延在寸法が小さい。このことは、最終的に製作されたドリル工具が場合によっては再研削され、従って限定的にしか使用することができないという点で欠点ある。

英国特許第８８２６９３号明細書によれば、種々異なる金属材料の質量流を１つの流れに合流させることが公知である。２つのコンテナ間に配置されたノズルを使用することによって行われる。質量流は、種々異なる押出ピストンによって提供され、これらの押出ピストンの突起部がそれぞれ２つのコンテナのうちの一方内に突入する。この従来技術の目的は、偏心的な引張力重心点を備えたバイメタルを製作することである。この英国特許第８８２６９３号明細書に記載された方法では、一方の成分が他方の成分を完全に包囲する２成分より成る金属ロッドの製作は不可能である。

アメリカ合衆国特許第３４５７７６０号明細書によれば同様に、種々異なる金属製の材料の質量流を１つの流れに合流させることが公知である。これは電気的に加熱されるコンテナを有する特別なメカニズムを用いて行われる。このコンテナに、既に存在する２成分より成る金属ロッドが供給され、この場合、第２の金属成分が第１の金属成分のコーティング（被覆）を形成する。これらの金属成分は、押出ピストンによって特別に成形されたノズルを通して押し出される。ノズルの出口に、２成分より成る金属ロッドが提供され、この場合、第２の金属成分が第１の金属成分のコーティングを形成する。アメリカ合衆国特許第３４５７７６０号明細書に記載された方法によれば、既に存在するロッドの横断面が変化せしめられるだけである。

本発明の課題は、以上のような欠点を取り除くことができる、超硬工具を製作するための方法を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載した方法によって解決される。有利な実施例及び実施態様は、請求項２から１２に記載されている。請求項１３から２０は、請求項１から１２までのいずれか１項に記載した方法を実施するための装置に関する。請求項２１及び２２は、請求項１から１２までのいずれか１項に記載した方法に従って製作された超硬工具に関する。

本発明の利点は、ベース体に溝を形成する必要がないという点にある。何故ならば第２の材料は押出作業中に既に第１の材料内に押し込まれるようになっているからである。これによって特に、第２の材料を第１の材料の縁部領域だけでなく、第１の材料の内部領域内にも供給することができる。第２の材料は、ロッド状の工具の軸方向で大きい寸法を有しているので、工具を頻繁に後作業で研削することができる。これによって工具の耐用年数が著しく延長される。

本発明のその他の有利な特徴が、図示の実施例を用いて以下に説明されている。

図１は、本発明の第１実施例の概略図、
図２は、本発明の第２実施例の概略図、
図３は、本発明の第３実施例の概略図である。

図１には、本発明の第１実施例の概略図が示されている。この概略図を用いて、本発明の基本的な作用形式について説明する。

図１に示した装置によって、超硬工具のためのロッド状のブランク（半製品）が製作される。このブランクは硬さの異なる２種類の材料を有している。第１の材料は、第２の材料より低い硬さを有していて、第１の材料より硬い第２の材料のためのロッド状の支持体を形成している。第１の材料は超硬合金であって、この超硬合金は高い粘性及びひいては、高い破壊強度を有している。第１の材料は、第２の材料のための支持体を形成しているので、最終的に製作された工具の破壊強度は、第１の材料の粘性に基づいている。しかしながら、より硬い第２の材料は、所望の高い硬さを得るために、第１の材料とは別の組成を有している。より硬い第２の材料は、この実施例では第１の材料の心線、つまり第２の材料の、長手方向に延びる中心軸を形成している。しかしながら、第２の材料は、図示していない別の実施例に従って、偏心的に（中心を外れて）配置されていてもよい。

このような形式の工具の製作は次のように行われる。

第１の押出工具Ｐ１内で、塑性質量流８として提供される第１の材料が、押出ノズルの幅の広い領域を通って方向７で、ノズル口金２に向かって押し出される。幅の広い領域１とノズル口金２との間に、幅の狭い領域１ａが設けられている。ノズル口金は、円筒形の通路を形成している。

第２の材料は、第２の押出工具Ｐ２によって提供される。第２の押出工具内で、同様に塑性質量流として提供される第２の材料が、幅の広い領域１１を通って方向７で、ノズル口金１２に向かって押し出される。幅の広い領域１１とノズル口側１２との間に、幅の狭い領域１１ａが設けられている。ノズル口側１２は円筒形の通路を形成しており、この円筒形の通路を通って、第２の材料が質量流として導管４に供給される。この導管４は、２つの押出工具Ｐ１とＰ２との間に設けられている。この導管を通って、第２の押出工具Ｐ２によって提供された材料が第１の押出工具Ｐ１に供給される。第１の押出工具Ｐ１は、プレスノズルの領域内、有利にはズル口金２の領域内で入口開口１３を有しており、この入口開口を通って、導管４を介して提供された第２の材料が供給される。

ノズル口金２は図示の実施例では２つに分割して構成されており、この場合、第１の部分５ａは、幅の広い領域１と一体的に、及びプレスノズルの幅の狭い領域１ａと一体的に構成されている。ノズル口側２の第２の部分５ｂは、このノズル口金の端部領域を形成しており、この端部領域は、第１の部分５ａから、取り外す（例えばねじ外す）ことができる。

ノズル口側２の第１の領域５ａ内にはホルダ３が挿入されており、このホルダ３は同心的なホルダリングである。このホルダは、端部領域５ｂを取り外せば、押出工具Ｐ１内に容易に挿入することができ、またこの押出工具Ｐ１から再び取り出すことができる。

ホルダ３は通路３ａを有していて、この通路３ａの閉鎖部がホルダ出口ノズル１０を形成している。通路３ａは入口側で通路１４に接続されていて、この通路１４はノズル口金２のケーシング内に設けられている。

第２の押出工具Ｐ２によって生ぜしめられて導管４を介して提供された第２の材料は、入口開口１３を通って第１の押出工具Ｐ１内に侵入し、ここでさらに通路１４を通ってホルダ３の通路３ａに供給される。ホルダ３の出口ノズル１０から押し出される第２の材料は、第１の質量流（Massestrom；マスフロー）に押し込まれる。出口開口１０は図示の実施例では中央に配置されているので、第２の材料は、第１の材料（質量流）内に押し込まれると、第１の材料の心線を形成する。

従って第１の押出工具Ｐ１によって形成される円筒形体９は支持体を有しており、この支持体は、円筒形体９のすべての外側領域９ｂが第１の材料より成っている。円筒形体９の心線９ａは第２の材料によって形成される。これは、図１の右下の横断面図に示されている。

以上の実施例に対して選択的に次の変化実施例が可能である。

第１の変化実施例では、ホルダ３がホルダリングとして形成されているのではなく、ピン状のホルダエレメントとして構成されている。第２の変化実施例では、第２の材料は円形横断面を有する質量流として形成されているのではなく、非円形の横断面を有する質量流として第１の材料内に押し込まれるようになっている。非円形の横断面とは、有利には、例えばノズル口金の内径の半部又は全部に亘って延在する縦長の横断面形状である。このような形式によって、より高硬度の第２の材料によって刃先領域が形成されるドリル工具を製作することができる。

図示の実施例では、硬さの異なる２種類の材料を有するロッド状の超硬工具を製作するための方法及び装置について開示されている。第１の材料は、より低い硬度を有していて、より高い硬度の第２の材料のためのロッド状の支持体を形成している。第１の材料は、第１の押出工具内で、塑性質量流として押出ノズルのノズル口金に向かって押し出される。有利な形式で第２の押出工具によって塑性質量流として提供される第２の材料は、第１の押出工具内で第１の質量流内に押し込まれる。

第１の押出工具Ｐ１によって供給されたロッド状の、有利には円筒形体はさらに、完成された超硬工具、有利には超硬ドリル工具又は超硬フライス工具に加工される。

さらに行われる加工の枠内で、第１の押出工具Ｐ１から提供される円筒形体は、第１の押出工具Ｐ１の外で所望の長さに切断されて短くされる。次いでこのように短くされた円筒形体は、摩擦接触（Reibflachenanordnung；例えば国際公開第０１／１７７０５号明細書に詳しく記載されている）によって、一様にねじられる。短くされ、ねじられ又はねじられていない円筒形体は、乾燥され、場合によってその外周面に、単数又は複数のチップガイド溝が形成され、次いで焼結される。

このような手段によって、第１の材料の特性に基づいて破壊に対して強く、かつ第２の材料の特性に基づいて作業領域において著しく高い硬度を有している超硬工具が得られる。

図２には、図１に示した実施例の変化実施例に相当する、本発明の第２実施例の概略図が示されている。第２実施例によれば、第３の押出工具Ｐ３を付加的に使用して、第２の材料と同じ特性を有しているか又は別の所望の特性を有している第３の材料が提供されている。この第３の材料は、別の導管２０を介して第１の押出工具Ｐ１に供給される。

第３の押出工具Ｐ３によって形成され、導管２０を解して提供された第３の材料は、入口開口１８を通って、第１の押出工具Ｐ１内に侵入し、ここでさらに通路１９を通ってホルダ３の通路３ｂに供給される。ホルダ３の出口ノズル１０ｂから押し出された第３の材料は、ホルダ３の出口ノズル１０ａから押し出された第２の材料と同様に、第１の質量流内に押し込まれる。

この実施例においては、第１の押出工具Ｐ１から円筒形体９が押し出されている。この円筒形体は、円筒形体のすべての外側領域が第１の材料から成っている支持体を有している。この支持体９ｂ内には、図２の右下の上側の横断面図に示されているように、２つのインサートが設けられている。２つのインサートのうちのインサート９ｄは第２の材料より成っていて、インサート９ｃは第３の材料より成っている。

図２の変化実施例では、ホルダ３の出口ノズル１０ａ，１０ｂが方形に形成されていて、インサート９ｃ′及び９ｄ′が、ドリル工具の完成時に刃先を形成するように、選択されている。これは、図２の右下の下側の横断面図に示されている。インサートの湾曲された形状は、ホルダ３の出口ノズル１０ａ及び１０ｂが予め湾曲された形状を有していることによって形成されるか、又は第１の押出工具Ｐ１によって提供された円筒形体が第１の押出工具Ｐ１の外側でまず切断されて短くされ、次いで所望の形式でねじられることによって、形成される。

図３には、図２に示した実施例の変化実施例に相当する、本発明の第３実施例の概略図が示されている。

この第３実施例では、図２に示した実施例のものに対して付加的に、制御ユニット２１，センサ２２、弁２３及び弁２４が設けられている。弁２３は、第２の押出工具Ｐ２と第１の押出工具Ｐ１との間で導管４内に配置されている。弁２４は第３の押出工具Ｐ３と第１の押出工具Ｐ１との間で導管２０内に配置されている。センサ２２は、第１の押出工具Ｐ１の外側で円筒形体９の出口領域に設けられていて、行程速度センサ若しくは出口速度センサとして用いられるか、又は第１の押出工具Ｐ１から押し出された円筒形体が所定の位置にいつ達したかを検出するために用いられる。提供された円筒形体が所定の位置に達すると、センサ２２は出力信号ｓｓを発信する。

この出力信号ｓｓは制御ユニット２１に送信され、この制御ユニット２１によって、制御信号ｓ１，ｓ２，ｓ３及びｓ４の検出時に考慮される。制御信号ｓ１は、第２の押出工具Ｐ２内に配置されたピストン６の速度を調節するために用いられる。制御信号ｓ２は、弁２３を制御するために用いられる。制御信号ｓ３は、第３の押出工具Ｐ３内に設けられたピストン１７の運動速度を調節するために用いられる。制御信号ｓ４は弁２４を制御するために用いられる。制御ユニット２１の別の制御振動は、押出工具Ｐ１内で第１の材料の容積流を調節するために用いられる。容積流の前記制御若しくは調節は例えば、第２の材料及び、後加工におけるドリル工具の刃先領域を形成する第３の材料が、ドリル工具の前半部内でだけ第１の材料内に押し込まれるように、行われる。これによって、完成されたドリル工具の後ろ領域が加工作業中にドリルチャック内で緊締され、短時間刃先領域を形成するような場合が考慮される。このような形式によってコストが節約される。何故ならば、ドリル工具の刃先領域を形成し、従って非常に高硬度でなければならない第２及び第３の材料が一般的に、より低い硬度を有する第１の材料よりも非常に高価だからである。

有利には、使用されたすべての材料は、それぞれ所望の特性を有する超硬合金成分である。これはリサイクリングを簡略化するという利点も有している。何故ならばすべての製品は超硬合金成分より成っているからである。ろう付け結合部は設けられておらず、異なる物質を選別する必要もない。

選択的に、後の加工作業でドリル工具の刃先領域を形成する、より高い硬度の材料として多結晶ダイヤモンド（polykristallindaimant；ＰＫＤ）を使用してもよい。この多結晶ダイヤモンドは、従来公知のドリル工具においても刃先領域に使用されている。

本発明による方法及び装置は、支持体材料として高い粘性及び比較的低い硬度の第１級の超硬合金品質を有する、ロッド（棒）状の超硬ドリル又はフライス工具を製作するためにも使用することができる。このような超硬合金品質は、例えば高い含有量のコバルトを有していて、超硬工具の刃先領域のために適していない比較的粗い粒子を有している。このような形式の超硬合金品質は、比較的安価である。この支持体材料内に、押出工程の範囲内で刃先材料が押し込まれる。この場合、超硬工具の刃先領域における要求を満たすために、有利な形式で非常に高い硬度及び微細な粒子を有する超硬合金品質使用される。選択的に、刃先領域内に多結晶ダイヤモンドを使用してもよい。

製作された工具は、リーマであってもよい。

製作された工具は、前記国際公開第０１／１７７０５号明細書により公知なように、内側に位置する冷却通路を有しており、この冷却通路を通って、工具の加工作業中に、液状の冷却媒体が、それぞれの工具の作業領域内に供給される。

上記実施例に対して選択的に、それぞれ製作プロセスに関与する容積流の押出のために公知であれば、ピストン押出の代わりにスクリュー押出を使用してもよい。

本発明の第１実施例の概略図である。 本発明の第２実施例の概略図である。 本発明の第３実施例の概略図である。

符号の説明

Ｐ１ 第１の押出工具、 Ｐ２ 第２の押出工具、 Ｐ３ 第３の押出工具、 １ 押出ノズルの幅の広い領域、 １ａ 押出ノズルの幅の狭い領域、 ２ ノズル口金、 ３ａ ホルダ内の通路、 ３ｂ ホルダ内の通路、 ４ 導管、 ５ａ ノズル口金２の第１の領域、 ５ｂ ノズル口金２の端部領域、 ６ 第２の押出工具のピストン、 ７ 押出方向、 ８ 塑性質量流、 ９ 円筒形体、 ９ａ 第２の硬い材料より成る心線、 ９ｂ 第１の柔軟な材料より成る支持体、 ９ｃ 第２の硬い材料より成るインサート、 ９ｄ 第３の硬い材料より成るインサート、 １０，１０ａ，１０ｂ ホルダ出口ノズル、 １１ 第２の押出の幅の広い領域、 １１ａ 第２の押出ノズルの幅の狭い領域、 １２ ノズル口金、 １３ 入口開口、 １４ ノズル口金２内の通路、 １５ 第３の押出ノズルの幅の広い領域、 １５ａ 第３の押出ノズルの幅の狭い領域、 １６ 第３の押出ノズルのノズル口金、 １７ 第３の押出工具のピストン、 １８ 入口開口、 １９ ノズル口金２内の通路、 ２０ 導管、 ２１ 制御ユニット、 ２２ センサ、 ２３，２４ 弁、 ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４ 制御信号、 ｓｓ センサ２の出力信号

Claims (22)

1. 異なる硬度を有する少なくとも２種類の材料を有するロッド状の超硬工具を製作するための方法であって、第１の材料が第２の材料より低い硬度を有していて、第１の材料が、この第１の材料より高い硬度を有する第２の材料のためのロッド状の支持体を形成するようにする方法において、
   第１の材料を、第１の押出工具（Ｐ１）内で塑性質量流として提供し、
   第２の材料を、第２の押出工具（Ｐ２）内で同様に塑性質量流として提供し、
   第２の材料を、第１の押出工具（Ｐ１）に供給し、第１の押出工具（Ｐ１）内で第１の質量流に押し込み、
   第１の材料と第２の材料とから成る共通の塑性質量流を、第１の材料が第２の材料のためのロッド状の支持体を形成するロッド状体として、第１の押出工具から押し出し、
   次いで、第１の押出工具から押し出されたロッド状体を超硬工具に加工する、
   ことを特徴とする、超硬工具を製作するための方法。
2. 第２の材料を、ノズルを使用して第１の質量流に押し込む、請求項１記載の方法。
3. 第２の材料を、円形横断面形状を有するノズルを使用して第１の質量流に押し込む、請求項２記載の方法。
4. 第２の材料を、縦長の横断面形状を有するノズルを使用して第１の質量流に押し込む、請求項３記載の方法。
5. 第２の材料を第２の押出工具（Ｐ２）によって提供し、第１の押出工具（Ｐ１）に、２つの押出工具を接続する通路を介して供給する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 複数の材料の必要とされる容積流を、センサの出力信号に関連して調節する、請求項５記載の方法。
7. センサによって、第１の押出工具（Ｐ１）から円筒形体の出口速度を測定する、請求項６記載の方法。
8. 第１及び第２の押出工具（Ｐ１，Ｐ２）の質量流の速度を、それぞれセンサの出力信号に関連して、ピストンの運動によって制御する、請求項７記載の方法。
9. 第２の押出工具（Ｐ２）によって提供される材料を、制御された弁を介して第１の押出工具（Ｐ１）に供給する、請求項５から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 弁をセンサの出力信号に関連して制御する、請求項９記載の方法。
11. 所定の時間内で第１の質量流内に第２の材料を押し込むことによって、第１の押出工具（Ｐ１）を通過した第１の材料流の前方領域内だけに第２の材料が押し込まれるように、ピストン及び／又は弁の運動の制御を行う、請求項８から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 第１の押出工具（Ｐ１）内に、それぞれ塑性質量流として提供される別の材料を第１の質量流内に押し込む、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法を実施するための装置において、
    第１の押出工具（Ｐ１）が設けられていて、該第１の押出工具（Ｐ１）のノズル口金（２）に向かって、第１の材料（２）が塑性質量流として押し込まれるようになっており、
    第２の押出工具（Ｐ２）が設けられていて、該第２の押出工具（Ｐ２）によって第２の材料が塑性質量流として提供されるようになっており、
    前記第１及び第２の押出工具を接続する通路（４）が設けられており、
    第２の材料を第１の材料内に押し込む別のノズル（１０）が設けられている、
    請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置。
14. 別のノズル（１０）が非円形の横断面形状を有している、請求項１３記載の装置。
15. 別のノズルが細長い横断面形状を有している、請求項１４記載の装置。
16. 複数の材料の必要な容積流を調節するための制御ユニット（２１）が設けられている、請求項１３から１５までのいずれか１項記載の装置。
17. 前記制御ユニット（２１）に接続されたセンサ（２２）が設けられており、前記制御ユニット（２１）が、必要な容積流をセンサの出力信号（ｓｓ）に関連して調節するようになっている、請求項１６記載の装置。
18. 弁（２３）が設けられていて、該弁（２３）が２つの押出工具を接続する通路（４）内に配置されている、請求項１３から１７までのいずれか１項記載の装置。
19. 前記制御ユニット（２１）が前記弁（２３）を制御するようになっている、請求項１６から１８までのいずれか１項記載の装置。
20. 少なくとも１つの別の押出工具（Ｐ３）が設けられており、該別の押出工具（Ｐ３）が通路（２０）を介して第１の押出工具（Ｐ１）に接続されており、塑性質量流としての別の材料を提供するための少なくとも１つの別の押出工具（Ｐ３）が設けられている、請求項１３から１９までのいずれか１項記載の装置。
21. 請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法に従って製作された、異なる硬度を有する少なくとも２種類の材料を有するロッド状の超硬工具において、
    第１の材料が第２の材料より低い硬度を有していて、第１の材料が、この第１の材料より高い硬度を有する第２の材料のためのロッド状の支持体を形成していることを特徴とする、超硬工具。
22. 第１の材料より高い硬度を有する第２の材料が工具の刃先領域形成している、請求項２１記載の超硬工具。

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