JP2008142890A

JP2008142890A - 切削工具を用いた精密加工方法

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Publication number: JP2008142890A
Application number: JP2007331630A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ohata; 浩志大畑
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2007-12-25
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】切削抵抗の小さい『シャープエッジ』形状の性能を維持したままで、耐摩耗性に優れた硬質被膜を剥離することなく安定して成膜する。
【解決手段】Ｔｉと、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属またはＡｌの１種または２種以上と、炭素、窒素、または酸素から選ばれた１種または２種以上とから構成される膜厚１．０〜３．８μｍの硬質被膜を表面に被覆した超硬合金基体の外郭稜線部に切れ刃稜が形成され、前記基体の切れ刃稜部に加工によって幅１〜１２μｍのホーニングＲまたはチャンファを設けた切削工具を用いて、切込み量と送り量が数μｍ〜数十μｍの条件で切削加工を行うことを特徴とする切削工具を用いた精密加工方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は切削工具を用いた精密加工方法に関し、特に切込み量と送り量が数μｍ〜数十μｍ条件で加工する精密加工に関する。

精密加工用切削工具は、主として精密機械の構成部品や電子機器などに使われる可動ユニットの機械加工などに使用されている。これら加工物の特徴としては、(1)寸法が小さい（外径加工部３０ｍｍ、内径加工部５ｍｍなど）こと、(2)高い加工精度（数μｍ〜数十μｍオーダーの加工寸法と加工面精度）が要求されること、などがある。

従来、このような用途に用いられる精密加工用切削工具は、加工精度と切削抵抗などの観点から、切れ刃稜を挟む両面をダイヤモンドホイール等で研磨して鋭い切れ刃稜を作製したいわゆる『シャープエッジ』工具が使用されてきた。また、場合によってはこのようにして作製した『シャープエッジ』工具の表面に硬質セラミックの薄膜コーティングを施して使用していた。

しかしながら、加工時間を短縮するために、加工機の主軸回転数は５０００ｒｐｍから８０００ｒｐｍへと上昇してきており、最近では１２，０００ｒｐｍの加工機が市販されている。このような主軸回転数の高速化に伴い、切削工具にも高速切削に対応した材種が要求されている。

従来、正面フライスやエンドミル等の高速加工に対応したコーティング工具材種としては、表面を（Ｔｉ_ｘＡｌ_１−ｘ）Ｎ系硬質被膜で被覆したものがある。これは（Ｔｉ_ｘＡｌ_１−ｘ）Ｎの持つ高温安定性と高硬度という材料特性を利用したものであるが、精密加工用工具ではほとんど利用されておらず、あっても十分な性能が出ているとは言い難かった。

これは『シャープエッジ』で利用される精密加工用工具に問題の要因があった。すなわち、（Ｔｉ_ｘＡｌ_１−ｘ）Ｎ系硬質被膜は被膜の残留圧縮応力が大きく、これを刃先が鋭い精密加工用工具に成膜しても、残留圧縮応力のために、すぐに剥離してしまうか、わずかな衝撃で剥離してしまう。硬質被膜が剥離すれば、コーティング工具の切削性能は母材以下となるのは周知のことである。

本発明者は、上記の問題点について検討を重ねた結果、切削工具の切れ刃に幅０．１〜２０μｍのホーニングＲまたはチャンファを設け、かつこの表面に、Ｔｉと、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属またはＡｌの１種または２種以上と、炭素、窒素、または酸素から選ばれた１種または２種以上から構成される膜厚０．５〜５μｍの硬質被膜を成膜することで、切れ刃にシャープエッジ並の低切削抵抗を保持したまま、（Ｔｉ_ｘＡｌ_１−ｘ）Ｎ系硬質被膜が剥離せずに安定して成膜でき、低切削抵抗と耐摩耗性を両立した精密加工用切削工具が得られることを知見し、本発明に至った。

本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、請求項１に係る切削工具を用いた精密加工方法は、Ｔｉと、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属またはＡｌの１種または２種以上と、炭素、窒素、または酸素から選ばれた１種または２種以上とから構成される膜厚１．０〜３．８μｍの硬質被膜を表面に被覆した超硬合金基体の外郭稜線部に切れ刃稜が形成され、前記基体の切れ刃稜部に加工によって幅１〜１２μｍのホーニングＲまたはチャンファを設けた切削工具を用いて、切込み量と送り量が数μｍ〜数十μｍの条件で切削加工を行うことを特徴とする。

請求項１に係る切削工具を用いた精密加工方法は、切削工具に対して基体の切れ刃稜部に幅１〜１２μｍのホーニングＲまたはチャンファを設けるとともに、Ｔｉと、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属またはＡｌの１種または２種以上と、炭素、窒素、または酸素から選ばれた１種または２種以上とから構成される膜厚１．０〜３．８μｍの硬質被膜を設けたことから、切削抵抗の小さい『シャープエッジ』形状の性能を維持したまま、耐摩耗性に優れた硬質被膜を剥離することなく安定して成膜することができ、低切削抵抗と耐摩耗性の両立ができる。

以下、各請求項に係る発明を詳述する。請求項１に係る精密加工用切削工具では、基体は超硬合金で構成される。この超硬合金は、Ｋ種超硬合金（ＷＣ−Ｃｏ系）、Ｐ種超硬合金（ＷＣ−β−Ｃｏ系）のいずれでもよい。精密加工用として、一般的な切削工具よりも鋭い切れ刃形状が要求されるため、硬質相粒子径が１．０μｍ以下の微粒超硬合金もしくは超微粒超硬合金が望ましい。硬質相粒子が１．０μｍより大きいと切れ刃の微小な脱落や塑性変形が発生しやすくなり、所望の切削性能を安定して得ることは困難である。

上記基体は例えば多角形板状を有し、その外郭稜線部が切れ刃稜部となる。この切れ刃稜部に加工によって幅１〜１２μｍのホーニングＲまたはチャンファを設ける。

切れ刃部稜に所望の加工を行なうための手段は、ダイヤモンド砥粒とブラシ加工装置を使って研磨する方法やダイヤモンドホイールを使って平面状や曲面状に研削加工するなどの方法がある。これらの加工方法を利用する場合、特にダイヤモンド砥粒やダイヤモンドホイールの粒径が重要である。

ホーニングＲ加工はダイヤモンド砥粒を用いたブラシ研磨機などで行う。ダイヤモンド砥粒は、オイルなどに分散したスラリー状にして、ホーニングＲ加工する被加工物に塗布したり、吹き付けたりする。ブラシの材質としては毛、植物、化学繊維、ワイヤなどがあるが、被加工物の硬度に応じて使用すればよい。ダイヤモンド砥粒径、ブラシの材質、ブラシの回転速度、圧力、加工時間、ブラシの接触長さなどでホーニング量の制御ができる。

ホーニング幅とは、図１に示すように、工具１のすくい面２側からの測定値Ｗａで示している。すくい面２側からの測定幅Ｗａと逃げ面３からの測定幅Ｗｂの比率Ｗａ／Ｗｂは０．５〜３の範囲にあることが望ましい。

また、チャンファ加工は例えば研削盤を用いて行う。曲面の作製が可能な研削盤を用いれば、ホーニングＲ加工と同様の形状の加工も可能である。

チャンファ幅とは、図２に示すように、工具１のすくい面２側からの測定値Ｗｃで示している。チャンファ角度θｃは１０〜５０°であることが望ましい。

加工したホーニングＲ部、チャンファ部の幅の測定は、光学式投影機を使えば可能である。三次元測定器を使用したり、断面を電子顕微鏡等で観察して測定してもよい。

ホーニングＲまたはチャンファ幅が１μｍ未満の場合は、切れ刃稜加工の効果が得られず、切削加工の安定化が達成できない。さらに、ホーニングＲまたはチャンファ幅が１２μｍより大きい場合は、切削抵抗が大きく、切削温度上昇に起因する異常摩耗、切れ刃の塑性変形などが発生する。

また、上記のようにホーニングＲ加工またはチャンファ加工を施した基体の表面は硬質被膜で被覆される。この硬質被膜は、Ｔｉを必須成分とし、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ等の周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属またはＡｌから選ばれた１種または２種以上の金属元素と、窒素、炭素、または酸素から選ばれた１種または２種以上の非金属元素で構成される。

全金属元素に占めるＴｉの比率は５０〜７５原子％が望ましく、さらには５５〜６５原子％が望ましい。このＴｉの比率が７５原子％より多いと、硬質被膜の硬度が低下して切削工具として使用した場合に耐摩耗性が不十分となる。また、Ｔｉの比率が５０原子％より少ないと、不安定相であるＡｌＮなどが部分的に析出して切削加工時に切れ刃が剥離したり、異常摩耗する原因となりやすい。このような硬質被膜としては、（Ｔｉ_ｘＡｌ_１−ｘ）Ｎを用いることができる。このような硬質被膜は１層設ける場合に限らず、材料を異ならしめて複数層設けてもよい。

上記硬質被膜の膜厚は１．０〜３．８μｍが望ましい。この硬質被膜の膜厚が１．０μｍ未満では超硬合金基体の表面に硬質被膜を成膜する目的である耐摩耗性の向上が実現できず、３．８μｍより大きいと被膜が脆化して硬質被膜が剥離したり脱落し、硬質被膜を成膜する意味がなくなる。

上記硬質被膜で被覆された基体は略多角形板状を有し、その外郭稜線部に切れ刃稜が形成される。

（実施例１）
基体としてＷＣ９０ｗｔ％、Ｃｏ８％、β２ｗｔ％の組成の超硬合金を使用する。ここでβはＴｉＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＷＣから成る固溶体である。ＷＣ粒径は０．６μｍ、β粒径は１．０μｍとする。焼結体の上面、側面、底面をダイヤモンドホイールで研削加工して目的の形状、寸法（ＤＣＧＴ０7０２０２）とした。その後、ブラシ研磨機でＲ５μｍのホーニングＲ加工を施した。ダイヤモンド砥粒径は１μｍ、加工時間は２分とした。ホーニングＲ量は投影機で測定して確認した。ホーニングＲ加工後は酸、アルカリ、純水、有機溶剤で洗浄し、表面の油、錆、しみなどの汚れを除去した。

硬質被膜の成膜にはアークイオンプレーティング装置を、蒸発金属にはＴｉ−Ａｌ合金を、原料ガスには窒素を使用して複合窒化物を作製した。ここでＴｉ−Ａｌ合金の組成で５０:５０（原子比）、窒素ガスは圧力４Ｐa（流量１０００ｍｌ／ｍｉｎ）、バイアス電圧は３０Ｖとした。ボンバード時間は合計２０分とした。成膜は１５分行ない、膜厚２．２μｍとした。（サンプル１）
（実施例２）
基体としてＷＣ８７ｗｔ％、Ｃｏ１３ｗｔ％の組成の超硬合金を使用した。ＷＣ粒径は０.３μｍとした。焼結体の上面、側面、底面をダイヤモンドホイールで研削加工して目的の形状、寸法（ＤＣＧＴ０7０２０２）とした。その後、ブラシ研磨機で幅４μｍのホーニングＲ加工を施した。ダイヤモンド砥粒径は１μｍ、加工時間は２分とした。

ホーニングＲ量は投影機で測定して確認した。ホーニングＲ加工後は酸、アルカリ、純水、有機溶剤により洗浄し、表面の油、錆、しみなどの汚れを除去した。

硬質被膜の成膜にはアークイオンプレーティング装置を、蒸発金属にはＴｉ−Ａｌ合金を、原料ガスには窒素を使用して複合窒化物を作製する。ここでＴｉ−Ａｌ合金の組成で５０:５０（原子比）、窒素ガスは圧力４Ｐa（流量１０００ｍｌ／ｍｉｎ）、バイアス電圧は３０Ｖとした。

コーティングの前工程としてアルゴンイオンによるボンバード処理を行ない、コーティング母材の清浄度をさらに向上させた。ボンバード時間は合計２０分とした。成膜は１８分行ない、膜厚２.０μｍとした。（サンプル２）実施例１、２をベースに蒸発金属、膜厚、切れ刃加工法を変更したサンプルを作製した。いずれも所望の範囲の精密加工用切削工具が作製できた。（サンプル３〜１４）比較のために、実施例１、２の条件から切れ刃稜の加工を施さないもの、過剰な切れ刃稜加工を行なったものなどのサンプルを作製した。（サンプル１５〜２２）各々のサンプルについて次の条件で切削条件１のテストを行なった。

（切削条件１）
被削材：快削性ステンレスＳＵＳ４３０Ｆ
工具形状：ＤＣＧＴ０7０２０２
切削速度：２００〜４７０ｍ／ｍｉｎ
可変（主軸回転数５０００ｒｐｍ一定）
送り速度：０.０３ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：０.０３ｍｍ
切削時間：４５分
切削液：湿式（油系）
最大４５分までの切削加工を行ない、工具摩耗、切れ刃損傷について検証した。その結果を表１に示す。工具摩耗量は、切れ刃先端のノーズ部の平均摩耗幅で示している。４５分以下の切削時間で、摩耗、切れ刃欠損等の理由で加工の継続ができなくなった場合はその原因を記した。

表１によれば、サンプル１、２に対して、切れ刃稜の加工を行なわないいわゆる『シャープエッジ』形状のサンプルは、剥離により最初から切削不能であるか、剥離に起因すると思われる突発的な損傷が発生し、異常摩耗が発生している（サンプル１８、２１、２２）。また、切れ刃稜の加工を過剰に行なってホーニングＲ量やチャンファ量を１２μｍより大きくした場合は、切削抵抗が増大に起因して切削温度が上昇し、工具摩耗の増大、切れ刃の塑性変形発生を引き起こしている（サンプル１９、２０）。

これに対して、サンプル１〜１４は、いずれも安定した切削性能を発揮することができた。

本発明に係る精密加工用切削工具のホーニングＲ加工部を示す図である。本発明に係る精密加工用切削工具のチャンファ加工部を示す図である。

符号の説明

１：略板状基体
２：すくい面
３：逃げ面

Claims

Ｔｉと、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属またはＡｌの１種または２種以上と、炭素、窒素、または酸素から選ばれた１種または２種以上とから構成される膜厚１．０〜３．８μｍの硬質被膜を表面に被覆した超硬合金基体の外郭稜線部に切れ刃稜が形成され、前記基体の切れ刃稜部に加工によって幅１〜１２μｍのホーニングＲまたはチャンファを設けた切削工具を用いて、切込み量と送り量が数μｍ〜数十μｍの条件で切削加工を行うことを特徴とする切削工具を用いた精密加工方法。
前記硬質被膜が（Ｔｉ_ｘＡｌ_１−ｘ）Ｎであることを特徴とする請求項１に記載の切削工具を用いた精密加工方法。
前記切削工具のすくい角が０°であることを特徴とする請求項１に記載の切削工具を用いた精密加工方法。
前記切削工具のすくい角が１０〜１５°であることを特徴とする請求項１に記載の切削工具を用いた精密加工方法。