JP2008519701A - 金属加工用の切削工具及び切削工具の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明によれば、引っ張り降伏点の６０％を超える荷重における疲労強度が高められたホルダー本体が得られる金属加工用の切削工具及び切削工具の製造方法が提供される。切削工具の製造方法及び切削工具は、工具のホルダー本体に深部硬化を生ずる硬化プロセスによる処理が施され、次にホルダー本体の表面領域に圧縮応力を導入するための表面処理がホルダー本体に施されて表面の歪み硬化が得られることを特徴とする。

Description

本発明は、割出可能なインサートのための一つ以上のインサート座を有するホルダー本体など、あるタイプの金属加工用の切削工具及び切削工具の製造方法に関する。このような工具の一例として、超硬合金、サーメット又はセラミックの複数の切削インサートを有するドリルがあげられる。

例えば、金属材料を加工する切り屑除去加工用の切削工具には、多数の異なるタイプがあり、穴あけ、転削、および旋削のための工具が含まれる。これらの工具に共通していることは、それらが通常、ホルダー本体並びにこのホルダー本体のインサート座に収容される一つ以上の切削インサートを含むことである。通常、ホルダー本体は硬い鋼で製造された後に黒い表面にするために低温で黒染めされ、切削インサートは超硬合金、サーメット又はセラミックから製造される。

金属材料の切削加工で工具にかかる静的及び動的な荷重はますます高くなっている。荷重の増加は、より効率的な切削インサートが用いられるようになったためと、ホルダー本体の幾何設計がますます最適化されたためである。ホルダー本体において特に荷重がかかる部分は、インサート座の部分及びそれに隣接する部分である。これは、当然ながら機械加工中の荷重はインサート座に装着された切削インサートにかかるためである。したがって、このホルダー本体の疲労強度を高める必要性が、特にインサート座の部分及びそれに隣接する部分で疲労強度を高める必要性がますます大きくなっている。

ある材料物質の疲労強度を高める一つの方法は、表面領域に圧縮応力を導入することである。例えば、圧縮応力は、材料物質の表面領域に表面硬化によって、例えば窒化によって導入でき、その場合、通常は鋼であるホルダー本体の表面に気体雰囲気中で本質的に５１０〜５５０℃という温度で窒素が供給される。別の方法は、材料物質に浸炭窒化処理を施すことであり、その場合、炭素と窒素が気体雰囲気中で、通常は約５７０℃という温度で表面に供給される。さらに別の方法は、材料物質にイオン窒化を施すことであり、その場合、本質的に真空下で、約４５０〜６５０℃という温度で表面に供給される。

表面領域に圧縮応力を導入して材料物質の疲労強度を高めるさらに別の方法にはショットピーニングがある。この方法の考え方は、表面を小さな粒子、例えば鋼、ガラス、又はセラミックの粒子によって、正確にコントロールされた条件の下で打撃するということである。

ＵＳ ２００５／０００２７４４は、金属加工用の切削工具及び切削工具の製造方法を開示しており、工具のホルダー本体にまず表面硬化を施して表面に圧縮応力を生成した後に表面処理を施して表面の圧縮応力をさらに高めることを特徴とする。こうして、一方で、表面硬化で得られた相転移層の一部又は全部を改良／加工又は除去しながら、同時に新たな圧縮応力を表面に蓄積することができる。しかし、この方法では、非常に高い荷重で、例えば材料物質の引っ張りにおける降伏点の６０％を超えるような荷重で、満足できるようなホルダー本体の疲労強度が得られないことが判明している。

本発明の第一の目的は、高い荷重における疲労強度が高められたホルダー本体を提供することである。
本発明の別の目的は、クラック発生の危険が低いホルダー本体を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、シンプルで安価に製造できるホルダー本体を提供することである。
本発明の別の目的は、高い荷重で長い使用寿命を有するホルダー本体を提供することである。
少なくとも本発明の第一の目的は、以下の特許請求の範囲における独立クレームによって規定される特徴を有する方法及び切削工具によって達成される。本発明の好ましい実施形態は従属クレームによって規定される。

本発明の切削工具の製造方法は、超硬合金、サーメット、又はセラミックなどの硬い材料から成る切削インサートを収容するための一つ以上のインサート座を有するホルダー本体を備えた金属加工用の切削工具の製造方法において、前記ホルダー本体の少なくとも一部分を深部硬化させるステップと、前記ホルダー本体の表面領域に圧縮応力を導入するために、前記ホルダー本体のこの部分の少なくとも一部を表面処理するステップと、の組み合わせを特徴とする。

本発明の切削工具は、超硬合金、サーメット、又はセラミックなどの硬い材料から成る切削インサートを収容するための一つ以上のインサート座を有するホルダー本体を備え、該ホルダー本体が鋼から製造されたものである金属加工用の切削工具において、前記ホルダー本体の少なくとも一部分が深部硬化され、該ホルダー本体のこの部分の少なくとも一部がさらに歪み硬化された表面を有することを特徴とする。

以下では、本発明の好ましい実施形態を、例として添付図面を参照して詳細に説明する。図では次の参照ナンバーが用いられる。１１はドリルシャンク、１２，１３はインサート座、１４，１５は切り屑排出路、１６は接線方向支持面、１７は軸方向支持面、１８は半径方向支持面、１９は付加スペース、２０は対向面、２１は区分移行部である。

図１〜３は、円筒状のドリルシャンク１１を示し、その前部には複数のインサート座１２，１３がドリルのセンターラインＣＬの両側に配置されて設けられている。切り屑の輸送のために形成された軸方向の凹所又は排出路が１４，１５で表されている。二つのインサート座１２，１３には、インサートを固定する固定ねじ（図示せず）を受け入れる孔が中央に設けられている。各インサート座は、接線方向支持面１６、軸方向支持面１７、及び半径方向支持面１８を備えている。支持面には、切削インサートのコーナを収容して損傷が生じないようにするために付加スペース１９が設けられている。接線方向支持面１６は、センターラインＣＬを通る半径方向平面と実質的に平行である。各軸方向支持面１７は分割されて実質的にＶ字形の輪郭を形成し、その先端は軸方向後方にシャンク固定部の方に向いている。中央のインサート座１２に位置し、半径方向支持面１８に対向する面２０は切削インサートを支持する機能はなく、切り屑がシャンクと中央の切削インサートの間にくさびのように入り込むことを防止するためだけのものである。半径方向支持面１８と接線方向支持面１６の間の区分移行部は、２１と表される。ワークピースと完全に係合したときに、この区分移行部２１でインサート座における最大の応力集中が生ずる。したがって、疲労強度を高めて、クラックの発生と伝播の危険をできる限り減らすことが望ましい。

本発明によれば、工具鋼から作られた工具ホルダーが深部硬化されている、すなわち、ホルダーの断面の実質的に全体にわたって、鋼の基本構造がマルテンサイトによって決定され、少なくともＨＲＣ４０の硬度を有する。これはドリルのホルダー本体にあてはまる。転削又は旋削作業のためのホルダーは、少なくともＨＲＣ３６の表面硬度を有する。これは、例えば、当業者に公知のように工具を加熱した後に急冷することで達成できる。ホルダーの材料によっては、急冷は空気、オイル、又は水などの媒体で行われる。高硬度は、柔らかい物質の冷間加工に比べて、その後の冷間加工の効果が高い残留応力を与える転位密度の増加と堆積によって高められるということを意味する。

その後、表面処理が行われ、ホルダー本体の表面領域に圧縮応力を導入するための冷間加工によって歪み硬化が得られる。表面領域とは、表面の１０〜１６０μmの下を意味する。これは、例えば、ショットピーニングによって行われる。好ましくは、このショットピーニングは少なくともインサート座及びその隣接部分で行われる。高い残留応力値を得るためには、ホルダー本体に正しい強度でショットピーニングが行われる必要がある。強度は、ショットピーニング媒体の硬度、密度、及びサイズの選択、並びにショットピーニング・プロセスの圧力、流量、入射角、回転及び時間の選択によって決まる。以下の条件が適当であることが認められている。
圧力： １〜７ｂａｒ
流量： ０．３〜１．９ｋｇ／ｍｉｎ
入射角： ９０度
工具回転： ２５〜５０ｒｅｖ／ｍ
時間： １５〜９０ｓ
媒体の硬度： ＨＲＣ４５〜５５
密度： ７〜８ｇ／ｃｍ³
サイズ： ０．２５〜０．５０ｍｍ

正しい強度では、すなわち、適当には少なくとも７Ａ、好ましくは少なくとも１５Ａ、最も好ましくは少なくとも１８Ａ（ただしＡは実質的にＵＳ ２３５０４４０に開示されているように決定されたＡｌｍｅｎ値）であり、圧縮応力が鋼に蓄積され、疲労強度が増大する。良くバランスされたショットピーニングによって、表面はまたさらに二つの別の仕方で影響される。第一に、表面構造が疲労強度の観点から見て好ましいものになる。すなわち、機械加工による引っかき傷が除去されてランダムな細かいピット構造が得られる。これは、クラックがある方向に伝播しにくくなるということを意味する。第二に、表面性状が良くなる。

あるいはまた、歪み硬化を生ずる表面処理は、当業者に公知の他の冷間加工処理によって、例えばインデンテーション（indentation）、又はローラーバニシ加工（roller burnishing）によって行うこともできる。この場合ホルダー本体の表面ではある程度の塑性変形が起こってホルダー本体の表面領域に圧縮応力が導入される。好ましくは、この冷間加工処理は、疲労強度の観点から好ましい表面構造が得られるような仕方で行われる。

どのようなタイプの表面処理が選択されたかによらず、表面処理は、最も多く曝露される部分、例えばインサート座の部分又はそれに隣接する部分で行われることが好ましい。一般に、ホルダー本体の少なくとも一部分は硬化プロセスを受けて深部硬化を生じ、ホルダーの深部硬化を生じた部分のうちの少なくとも一部はその後で表面処理を受けてホルダー本体の表面領域に圧縮応力が導入される。あるいはまた、硬化プロセスと表面処理の両方が、ホルダー本体の全体にわたって行われる。

本発明によれば、従来技術のホルダーに比べて疲労強度が驚くほど高められたホルダー本体が得られる。特に、例えば浸炭窒化されたホルダー本体は、引っ張りにおける降伏点の６０％を超える荷重で、初期クラック発生の問題に遭遇することになり、疲労強度が驚くほど高められる。高い荷重におけるクラック発生及びクラック伝播の危険は、一方でインサート座とその隣接部分において、他方においてはホルダー本体のインサート座の軸方向背後の部分において減少する。

本発明の実行可能な変更
上述した実施形態では、ホルダー本体の形態は回転可能なドリルである。しかし、本発明のコンセプトは一般的なものであり、切り屑除去加工用の他のタイプの工具、例えば旋削工具や転削工具にも適用できる。

実施例１
割出可能な浅穴用ドリルが、本発明に従って工具鋼ＳＳ２２４２から最終的な形と寸法に製造された。それらは、９６０℃に加熱された後、空気中で急冷して引っ張りでの降伏点が１５２０Ｎ／ｍｍ²、硬度がＨＲＣ５０となるように深部硬化された。その後、この工具を以下の条件でホルダー本体の全体にわたってショットピーニング処理された。
入射角： ドリルの長手方向の軸に対して９０度、
ノズルと工具ホルダーの距離： １００ｍｍ、
回転速度、ホルダー本体： ３０ｒｅｖ／ｍｉｎ、
時間： ６０ｓ、
媒体： ＨＲＣ５２の丸い鋼球、０．２０ｍｍ、
圧力と流量は、Ａｌｍｅｎ値が１８Ａに達するように調整された。

実施例２
実施例１が繰り返され、硬化処理に加えて浸炭窒化処理がＵＳ ２００５／０００２７４４に開示されているように行われた。

実施例３
超硬合金の切削インサートを備えた実施例１と２からの工具ホルダーが６０ｍｍの深さの浅穴ドリル作業でテストされた。穴は、速度が２００ｍ／ｍｉｎで送りが０．２０ｍｍ／ｒｅｖという切削データで、硬度ＨＢ３００の材料ＳＳ２５４１に開けられた。この切削データで、材料の引っ張り降伏点の８５％の力が生ずる。別の参照として市販されている同じタイプの深部硬化された冷間黒染めドリルがテストされた。工具寿命の規準は工具ホルダーの折損であった。
結果：
参照 ３００ｍ
実施例２ ５０ｍ
実施例１ ＞１０００ｍ

本発明に係わる典型的な工具本体のドリルシャンク、詳しくはいわゆる浅穴ドリルのホルダー本体、を示す側面図である。 本発明に係わる典型的な工具本体のドリルシャンク、詳しくはいわゆる浅穴ドリルのホルダー本体、を示す他の方向から見た側面図である。 切削インサートを備えたドリルを前方から見た斜視図である。

Claims (11)

1. 超硬合金、サーメット、又はセラミックなどの硬い材料から成る切削インサートを収容するための一つ以上のインサート座を有するホルダー本体を備えた金属加工用の切削工具の製造方法において、
   前記ホルダー本体の少なくとも一部分を深部硬化させるステップと、
   前記ホルダー本体の表面領域に圧縮応力を導入するために、前記ホルダー本体のこの部分の少なくとも一部を表面処理するステップと、
   の組み合わせを特徴とする切削工具の製造方法。
2. 前記ホルダー本体の全体を深部硬化させることを特徴とする請求項１に記載の切削工具の製造方法。
3. 前記インサート座及び前記インサート座に隣接する部分を表面処理することを特徴とする請求項１又は２に記載の切削工具の製造方法。
4. 前記ホルダー本体の全体を表面処理することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の切削工具の製造方法。
5. ショットピーニングによって表面処理をすることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の切削工具の製造方法。
6. 超硬合金、サーメット、又はセラミックなどの硬い材料から成る切削インサートを収容するための一つ以上のインサート座（１２，１３）を有するホルダー本体（１１）を備え、該ホルダー本体（１１）が鋼から製造されたものである金属加工用の切削工具において、
   前記ホルダー本体の少なくとも一部分が深部硬化され、該ホルダー本体のこの部分の少なくとも一部がさらに歪み硬化された表面を有することを特徴とする切削工具。
7. 前記ホルダー本体は、少なくともＨＲＣ４０の硬度を有するドリルの一部分、好ましくはその断面全体にわたってＨＲＣ４０の硬度を有するドリルの一部分であることを特徴とする請求項６に記載の切削工具。
8. 前記ホルダー本体は、転削又は旋削加工のための工具の一部分であって、その表面で測って少なくともＨＲＣ３６の硬度を有することを特徴とする請求項６に記載の切削工具。
9. 前記表面は、ランダムな微小ピット構造を、好ましくはショットピーニングの結果としてのランダムな微小ピット構造を有することを特徴とする請求項６〜８の何れか１項に記載の切削工具。
10. 前記表面は、前記ホルダー本体の全体にわたってランダムな微小ピット構造を有することを特徴とする請求項９に記載の切削工具。
11. 前記ランダムな微小ピット構造が、前記インサート座及び前記インサート座に隣接する部分に存在することを特徴とする請求項９に記載の切削工具。

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