JP2008221459A - セラミック切削インサート - Google Patents

Abstract

【課題】 従来技術の問題を軽減するセラミック切削インサートを製造する方法およびセラミック切削インサートブランクの焼結後処理の効率的な方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、すぐに加圧成形できるセラミック粉末を準備する工程、すぐに加圧成形できる粉末を所望の形状の加圧成形体に加圧成形する工程、加圧成形体を高密度のセラミックブランクに焼結する工程およびセラミックブランクをタンブリングして焼結表皮を除去し且つ刃先丸めを行なう工程から成る粉末冶金処理を含んでなるプロセスにおいて、任意にウィスカを含む、酸化物セラミックまたは窒化物セラミックまたは混合セラミック材料に基づくセラミック切削インサートを製造する方法に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属機械加工のためのセラミック切削インサートを製造する方法およびセラミック切削インサートに関する。

セラミック切削インサートは、混練、加圧成形および焼結を含んでなる粉末冶金処理により製造される。焼結プロセスによりセラミックインサートブランクが得られる。加圧成形操作の結果として、ブランクはかなり鋭い刃先を有し、焼結プロセスの結果として焼結表皮（sinter skin）も有する。しかし、鋭い刃先は使用時に容易に壊れ、焼結表皮は、使用中のインサートの亀裂発生点として作用する表面欠陥を含むことがある。そのため、焼結されたブランクには焼結後処理（post-sintering treatment）を施さなければならない。通常、正しい最終形状および寸法公差を有する切削インサートを得るためにも焼結後処理を実施する必要がある。

金属機械加工のためのセラミックインサート材料は硬いが脆いタイプであり、したがって、表面が不適当な方法で処理されるとチッピングなどの表面欠陥が容易に生ずる。そのため、焼結後処理の間、インサートブランク表面および特に焼結したままの鋭い刃先に損傷を与えないように注意を払わなければならない。特定の種類のセラミック材料の表面処理などにおいて、場合によっては、許容できない表面欠陥が生じ仕上がりインサートが不良品とならないようにするために、特殊な手段を採らなければならない。

セラミックインサートブランクを成形し焼結表皮を除去するための一般的な方法は、従来の研磨ホイールなど研磨性摩擦工具の使用による。しかし、所望の最終形状を得るためにセラミックブランクを研磨することは、精密研磨装置ならびにブランクの大規模な手作業による取扱いあるいは自動取扱いのための高価な装置の使用を必要とする費用のかかる処置であることが知られている。刃先の丸め（edge rounding of the cutting edge）を行なうためには、第２の焼結後工程を、通常はブラシ研磨操作の形態で行なうことも必要である。

得られる刃先丸めの度合いはＷ／Ｈ比により表され、Ｗはすくい面に沿った刃先丸めの幅であり、Ｈはクリアランス面に沿った刃先丸めの幅である。期待通りの切削インサートの使用寿命を得るために、処理により得られるＷ／Ｈ比は交差内になければならない。

金属および合金物品の表面調製および処理、例えば、ブレード、羽（ベーン）およびノゾルなどのガスタービンエンジン用部品のばり取り、丸め（radiusing）または研磨を行なうために、長年に亘ってタンブリングプロセスが利用されてきた。

米国特許第４，８６９，３２９号は、例えば、Ｃｏと結合した炭化タングステンの複合材料またはＮｉ−Ｆｅ組成物を含んでなる穿孔用ロックビット用インサートを、その破壊靭性を高めるために長期間の振動タンブリングを利用して処理する方法を開示している。

本発明の目的は、従来技術の問題を軽減するセラミック切削インサートを製造する方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、セラミック切削インサートブランクの焼結後処理の効率的な方法を提供することである。

驚くべきことに、セラミックインサートブランクの単一の焼結後処理で、表面処理、焼結表皮の除去を達成し、W、Hおよび要求される公差内のＷ／Ｈ比に刃先丸めを達成することが可能であることが見いだされた。

本発明によると、すぐに加圧成形できるセラミック粉末を準備する工程、すぐに加圧成形できる粉末を所望の形状の加圧成形体（compact）に加圧成形する工程、加圧成形体を高密度のセラミックブランクに焼結する工程およびセラミックブランクをタンブリングして焼結表皮を除去し且つ刃先丸めを行なう工程から成る粉末冶金処理を含んでなるプロセスにおいて、任意にウィスカ（例えば、ＳｉＣの）を含む、酸化物セラミック、窒化物セラミックまたは混合セラミック材料に基づくセラミック切削インサートを製造する方法が提供される。

より具体的には、前記方法は、３０から７０μｍのＷ値、３０から７０μｍのＨ値および０．８から１．６のＷ／Ｈ比を持つ刃先の丸めならびに０．３０μｍ以下、好ましくは０．２５μｍ以下の平均表面粗度値、すなわちMR_a値をセラミックインサートが有するようになるまでタンブリングプロセス工程を行うことを特徴とする。

Ｗ、ＨおよびＷ／Ｈ比の特定の値を持つ所望の刃先丸めならびに所望のＭＲ_a値を得るために必要なタンブリング時間を決定することは当業者に可能な範囲内である。

本発明は、丸みのある形状の切削インサートに関する方法を応用する際に、特に有効である。

本発明は、サイアロングレードの切削インサートに関する方法を応用する際に、本発明が特に効果的であることが、さらに明らかになった。

タンブリング媒体として、セラミックチップ、好ましくは酸化アルミニウムチップを使用することが好ましい。

１実施形態において、タンブリング時間は３００分以上、より好ましくは３６０分以上、ただし好ましくは７２０分以下、より好ましくは６６０分以下である。

好ましい実施形態において、タンブリングプロセスは振動タンブラー中で実施される。

１実施形態において、タンブリングプロセスは、焼結したセラミックブランクを、タンブリング媒体としてのセラミックチップと共に振動タイプのタンブラーに装入する工程であって、チップ：ブランクの重量比が３：１から７：１であり、全ブランク重量が５から１３ｋｇである工程、１４００から１８００ｇの量の研磨支援コンパウンドを加える工程、１リットル／時間の速度で水を流す工程およびタンブリングプロセスを５７０から６３０分行う工程を含んでなる。

１実施形態において、タンブリングされたインサートは、丸みのある形状のインサートの上面および底面などの選択された表面に研磨操作がさらに施され、その後、なめらかな表面および／または刃先丸めを提供する第２のタンブリング工程が施される。

本発明によると、仕上げたインサートが、３０から７０μｍのＷ値、３０から７０μｍのＨ値および０．８から１．６のＷ／Ｈ比を持つ刃先の丸めならびに０．３０μｍ以下、好ましくは０．２５μｍ以下のＭＲ_a値を持つなめらかな表面を有する上記の方法により製造される、おそらくはウィスカを含む、酸化物セラミックまたは窒化物セラミックまたは混合セラミック材料に基づくセラミック切削インサートも提供される。

好ましい実施形態において、前記切削インサートは丸みのある形状を有する。

他の好ましい実施形態において、前記切削インサートはサイアロングレードである。
実施例１（本発明）
丸みのある形状を有するRNGN 1207000タイプのセラミック切削インサートを、６８．６２重量％のＳｉ₃Ｎ₄、９．２８重量％のＡｌ₂Ｏ₃、１７．１１重量％の21R-Fおよび４．９９重量％のＹ₂Ｏ₃の原料粉末混合物を、サイアロン混練媒体を利用して水中で混練して製造した。有機バインダーをスラリーに混合し、次いで噴霧乾燥により粒状化した。粉末を一軸冷間プレスして生部材（未焼成体）を形成し、次いで、６５０℃で別々に焼き抜いた。次いで、焼き抜いた生部材を窒素圧力下で、最大焼結温度１８１０℃で焼結した。焼結したブランクを、高度に研磨効率のよい種類の円柱状セラミックチップ（３×６ｍｍ）と共に、５：１のチップ：ブランク重量比で、２００リットル振動タンブラーに装入した。総ブランク重量は１０ｋｇであった。全部で２０００グラムのコンパウンドを加え、１リットル／時間の速度で流水を加えた。振動タンブラーの不安定設定（out-of-balance setting）は４／４０／１１０°であり、モーターは１７００ｒｐｍで運転し、２．５ｍｍの振幅を生じた。これらの設定で、２組のインサート、試料Ａおよび試料Ｂをそれぞれ３６０分間および５４０分間タンブラー中で運転して製造した。

試料Ａ（図１）の表面状態の測定は、インサートが、６７μｍのＷ値、６５μｍのＨ値を有し、従って刃先丸めのＷ／Ｈ比が１．０３であることを示した。更に測定した結果、表面領域が、概略８μｍの深さまで除去され、スタイラス技術により（Mitutoyo surftest 211）測定して０．２５３μｍのＭＲ_a値を有するなめらかな表面を残し、表面の不規則性が除去されたことが分かった。この測定により、インサートの円形形状がタンブリングプロセスで変化しなかったことも分かった。刃先のわずかなチッピングの傾向が見られた。

試料Ｂ（図２）の表面状態の測定は、インサートが、５１μｍのＷ値、６２μｍのＨ値を有し、従って刃先丸めのＷ／Ｈ比が０．８２であることを示した。更に測定した結果、表面領域が、おおよそ１０μｍの深さまで除去され、０．２２３μｍのＭＲ_a値を有するなめらかな表面を残し、表面の不規則性が除去されたことが分かった。この測定により、インサートの円形形状がタンブリングプロセスで変化しなかったことも分かった。刃先のチッピングの傾向は見られなかった。
実施例２（比較例）
実施例１と同じグレードおよびタイプのセラミック切削インサートを調製したが、代わりに以下による焼結後処理を施した。焼結したブランクを、実施例１よりも研磨効率が低い種類の三角形セラミックチップ（６×６ｍｍ）と共に、５：１のチップ：ブランク重量比で、遠心ディスク仕上げ型（centrifugal disc finishing type）の２５リットルタンブラーに装入した。総チップ重量は２８ｋｇであった。２体積％水溶液のコンパウンド洗浄剤を加え、３０リットル／時間の速度で溶液を流した。これらの設定で、２組のインサート、試料Ｃ（図３）および試料Ｄ（図４）をそれぞれ３０分間および６０分間タンブラー中で運転して製造した。

試料Ｃ（図３）の表面状態の測定により、インサートが、３０μｍのＷ値、１７９μｍのＨ値を有し、従って刃先丸めのＷ／Ｈ比が０．１６であることが分かった。更に測定した結果、表面領域が、おおよそ１４μｍの深さまで除去され、スタイラス技術により測定して０．５６１μｍのＭＲ_a値を有する表面を残したことが分かった。この測定により、インサートの円形形状がタンブリングプロセスで変化しなかったことも分かった。刃先は過剰なチッピングを受けていた。

試料Ｄ（図４）の表面状態の測定により、インサートが、３８μｍのＷ値、２００μｍのＨ値を有し、従って刃先丸めのＷ／Ｈ比が０．１９であることが分かった。更に測定した結果、表面領域が、おおよそ２１μｍの深さまで除去され、０．５０３μｍのＭＲ_a値を有するなめらかな表面を残したことが分かった。この測定により、インサートの円形形状がタンブリングプロセスで変化しなかったことも分かった。刃先は過剰なチッピングを受けていた。
実施例３
実施例１のインサート、試料Ｂを試験し、同じグレードおよびスタイルであるが、焼結後に旋削作業で最終形状に研磨した参照セラミックインサートと比較した。
材料：ワスパロイ
切削データ：
切削速度＝ ２３０ｍ／分
送り＝ ０．２８ｍｍ／回転
切り込み深さ＝ ２ｍｍ
切削時間＝ ２分
各バリアントの５の刃先を試験した。
結果：
光学顕微鏡による摩耗パターンの観察は、本発明のインサート、試料Ｂ（図５）が、平均として、参照（図６）よりもわずかに少ない刃先のチッピングを得たことを示した。

図１は、本発明による焼結後処理を施した典型的なセラミック切削インサートの刃先の光学観察像（light optical image）である。 図２は、本発明による焼結後処理を施した典型的なセラミック切削インサートの刃先の光学観察像である。 図３は、比較の焼結後処理を施した典型的なセラミック切削インサートの刃先の光学観察像である。 図４は、比較の焼結後処理を施した典型的なセラミック切削インサートの刃先の光学観察像である。 図５は、本発明による典型的なセラミック切削インサートの摩耗した刃先の光学観察像である。 図６は、従来技術による典型的なセラミック切削インサートの摩耗した刃先の光学観察像である。

Claims (9)

1. すぐに加圧成形できるセラミック粉末を準備する工程、すぐに加圧成形できる粉末を所望の形状の加圧成形体に加圧成形する工程、加圧成形体を高密度のセラミックブランクに焼結する工程から成る粉末冶金処理を含んでなるプロセスにおいて、任意にウィスカを含む、酸化物セラミック、窒化物セラミックまたは混合セラミック材料に基づくセラミック切削インサートを製造する方法であって、セラミックブランクをタンブリングして焼結表皮を除去し且つ刃先丸めを行なう工程を特徴とする方法。
2. ３０から７０μｍのＷ値、３０から７０μｍのＨ値および０．８から１．６のＷ／Ｈ比を持つ刃先丸めならびに０．３０μｍ以下、好ましくは０．２５μｍ以下の平均表面粗度値すなわちＭＲ_a値を前記ブランクが有するようになるまで前記ブランクをタンブリングすることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記ブランクが丸みのある形状を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記セラミック材料がサイアロングレードであることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記タンブリングが３００分間以上行われることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記タンブリングが振動タンブラー中で実施されることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. ３０から７０μｍのＷ値、３０から７０μｍのＨ値および０．８から１．６のＷ／Ｈ比を持つ刃先丸めならびに０．３０μｍ以下、好ましくは０．２５μｍ以下のＭＲ_a値を持つなめらかな表面を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法により製造されたセラミック切削インサート。
8. 丸みのある形状を有することを特徴とする、請求項７に記載のセラミック切削インサート。
9. サイアロングレードであることを特徴とする、請求項７または８に記載のセラミック切削インサート。