JP2009154251A - 超硬回転工具 - Google Patents

Abstract

【課題】超硬合金同士を強固に接合できる超硬回転工具を提供する。
【解決手段】超硬エンドミルは、シャンクと、そのシャンクの先端に接合された刃部とからなるものであって、何れも超硬合金を材質とする。超硬エンドミルの製造工程では、まず、シャンクの半焼結体であるシャンク中間体を製造するシャンク中間体製造工程と、刃部の本焼結体である刃部中間体を製造する刃部中間体製造工程とが別々に行われる。次いで、シャンク中間体に形成された挿入穴に、刃部中間体の突起部が挿入されて一体となったチップ中間体が作製される。そしてこのチップ中間体が本焼結される。すると、シャンク中間体の挿入穴の内周面と、刃部中間体の突起部の外周面との境界部分において、コバルト粒子が液相焼結する。これにより、シャンク中間体と刃部中間体とを強固に接合できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、超硬回転工具に関し、詳細には、超硬合金を材質とする超硬回転工具に関する。

従来から、超硬合金製のシャンクの先端に、超硬合金製の刃部が接合されたエンドミル・ドリル・タップ等（超硬回転工具）が知られている。超硬合金は炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）等の硬い化合物の微粉末にコバルトを結合材として加えて焼結して形成されるものである。一般的な合金工具鋼や高速度工具鋼（ハイス）に比べて耐摩耗性に優れている反面、じん性は劣る性質を有するのが特徴である。そして、コバルトの含有量を調節することで工具の硬度を調節できる。従って、上記したタイプのエンドミルやドリル等を製造する場合、ワークに直接接触させる刃部の硬度をシャンクよりも高く調整することが多い。そして、シャンクと刃部との接合はロウ付けや溶接等によって行われる。例えば、ビット本体の上部にシャンクを延設し、ビット本体の下端にブロック体からなる超硬合金製の切刃チップをロウ付けや溶接等で固着したドリルビットが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−１７９５１８号公報

しかしながら、ロウ付けは熟練した技術が必要であるため、製造工程の短縮化および簡素化が要望されている現状では好ましくなかった。また、シャンクと刃部の硬度が異なると結合密度が低下すると共に、硬度が異なることに起因して加工時の安定性や精密性が低下するおそれがあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、超硬合金同士を強固に接合できる超硬回転工具を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の超硬回転工具は、切削加工するための超硬回転工具であって、棒状のシャンクと、当該シャンクの先端に接合された刃部とからなり、何れか一方を超硬合金製の焼結体とし、他方を前記焼結体の焼結温度よりも低い温度で予備焼結された超硬合金製の予備焼結体とし、前記焼結体と前記予備焼結体とを接合する態様で一体焼結して成ることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明の超硬回転工具では、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記刃部を前記焼結体とし、前記シャンクを前記予備焼結体とし、前記刃部には凸部が設けられ、前記シャンクの前記先端には軸心に沿った凹部が設けられ、当該凹部に前記凸部が差し込まれて接合する態様で一体焼結して成ることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明の超硬回転工具では、請求項１又は２に記載の発明の構成に加え、前記刃部を高硬度の耐摩耗性がある材質とし、前記シャンクは前記刃部より破壊じん性に優れた材質としたことを特徴とする。

また、請求項４に係る発明の超硬回転工具では、請求項１又は２に記載の発明の構成に加え、前記シャンクの、前記刃部との接合側端部のみ超硬材質にしたことを特徴とする。

請求項１に係る発明の超硬回転工具では、超硬合金製のシャンクの先端に超硬合金性の刃部が接合されている。シャンクと刃部との接合は以下の順序で行われる。まず、シャンク及び刃部のうち、何れか一方を超硬合金製の焼結体とし、他方をその焼結体の焼結温度よりも低い温度で予備焼結された超硬合金製の予備焼結体として用意する。そして、焼結体と予備焼結体とを接合する態様で一体焼結する。すると、シャンクと刃部との接合面において、結合材（例えば、コバルト）の液層焼結が起こる。これにより、超硬合金製のシャンクと超硬合金製の刃部とを互いに強固に接合できる。

また、請求項２に係る発明の超硬回転工具では、請求項１に記載の発明の効果に加え、刃部を焼結体とし、シャンクを予備焼結体とする。そして、シャンクに設けられた凹部に、刃部に設けられた凸部を差し込み、互いに接合する態様で一体焼結を行う。すると、予備焼結されたシャンクが刃部よりも収縮するため、凸部が凹部に締め付けられて互いに密着する。さらに、凸部と凹部との境界面において結合材（例えば、コバルト）の液層焼結が起こるので、超硬合金製のシャンクと超硬合金製の刃部とを互いに強固に接合できる。

また、請求項３に係る発明の超硬回転工具では、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、刃部は高硬度の耐摩耗性がある材質であるので、ワークの切削を良好に行うことができる。一方、シャンクは刃部より破壊じん性に優れた材質であるので、ワークの切削に伴う振動に強く折れにくい効果を発揮することができる。

また、請求項４に係る発明の超硬回転工具では、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、シャンクの、刃部との接合側端部のみ超硬材質にしているので、超硬合金製のシャンクと、刃部の超硬合金製の接合側端部とを強固に接合できる。そして、シャンクの接合側端部以外の部分を、例えば、破壊じん性に優れた材質を使用することによって、ワークの切削加工を良好にできると共に、振動に強く折れにくい超硬回転工具を提供できる。

以下、本発明の一実施形態である超硬エンドミル１について、図面を参照して説明する。図１は、超硬エンドミル１の斜視図であり、図２は、超硬エンドミル１の製造工程のフローであり、図３は、挿入工程（Ｓ３１）において、シャンク中間体３０の挿入穴３１に対して、刃部中間体４０の突起部４２が挿入される状態を示す図であり、図４は、最終本焼結工程（Ｓ３２）において、チップ中間体５０が本焼結される状態を示す図である。

なお、以下説明において、「超硬」とは「超硬合金」の略であり、炭化タングステンとコバルトとを粉末冶金（焼き固めて造ること）した合金のことをいう。一般的には、コバルトの混ざる比率が少ないほど硬くなり、耐摩耗性が高くなるが、じん性が低くなってもろくなる。その逆に、コバルトの混ざる比率が多いほど、じん性が高くなって折れにくくなるが、耐摩耗性は低くなる性質を有する。

まず、超硬エンドミル１の構造について説明する。図１に示すように、超硬エンドミル１は、円柱状のシャンク１０と、当該シャンク１０の先端に接合され、ワークに接触して切削加工を行う略円柱状の刃部２０とから構成されている。シャンク１０及び刃部２０は何れも超硬合金を材質としている。そして、シャンク１０の硬度よりも刃部２０の硬度の方が高くなっている。これは、刃部２０に耐摩耗性が付与されていると共に、シャンク１０のじん性が高くなるように調整されている。刃部２０は先端が球状に形成され、その先端の外表面には切り刃２３が刻設されている。

次に、超硬エンドミル１の製造工程について説明する。図２に示すように、超硬エンドミル１の製造工程では、まず、超硬エンドミル１の加工前の状態である「超硬チップ」を製造する。超硬チップ製造工程は、シャンク１０の予備焼結体であるシャンク中間体３０（図３参照）を製造するシャンク中間体製造工程（Ｓ１１〜Ｓ１４）と、刃部２０の本焼結体である刃部中間体４０（図３参照）を製造する刃部中間体製造工程（Ｓ２１〜Ｓ２４）とが別々に行われる。次いで、シャンク中間体３０の先端部に形成された後述する挿入穴３１に対して、刃部中間体４０の後端部に設けられた突起部４２を挿入する挿入工程（Ｓ３１）が行われる。その後、シャンク中間体３０と刃部中間体４０とが一体となったチップ中間体５０（図４参照）を本焼結する最終本焼結工程（Ｓ３２）が行われる。最後に、本焼結されて得られた超硬チップを加工する加工工程（Ｓ３３）が行われ、超硬エンドミル１の製品が出来上がる。以下、各工程について詳細に説明する。

まず、シャンク中間体製造工程について説明する。図２に示すように、シャンク中間体製造工程は、超硬の原料粉末を混ぜ合わせる粉砕・混合工程（Ｓ１１）と、混合された材料を加圧して所定の形状を作る加圧工程（Ｓ１２）と、加圧された形状品の予備焼結を行う予備焼結工程（Ｓ１３）と、予備焼結された形状品の成型を行う成型工程（Ｓ１４）とからなる。これら一連の工程を経ることによって、予備焼結体である円柱状のシャンク中間体３０（図３参照）が製造される。

粉砕・混合工程（Ｓ１１）について説明する。粉砕・混合工程（Ｓ１１）では、原料粉末として、例えば、炭化タングステン、コバルト、炭化チタン、炭化タンタル、固溶体が使用される。これらの粉末を所定の組成に配合し、通常はボールミル等により湿式で数時間〜数日間粉砕・混合する。このとき、炭化物を所定の粒度に粉砕すると同時に、各成分が均一になるように十分混合する。湿式粉砕・混合の溶媒としては、原料粉末の混合性の向上及び酸化防止の目的から、アセトン、アルコール、ベンゼン、四塩化炭素等の有機溶剤が使用される。ボールミルの場合の条件として、原料粉末とボールとの比率が１：１から１：３で、溶媒の量が原料粉末１ｋｇ当たり２００〜３００ｍｌとなるように調整する。また、後の加圧工程での成形性を持たせるため、潤滑剤の添加・混合も行われる。なお、本実施形態では、シャンク中間体３０のコバルト含有量が１２．５％となるように調整されている。

加圧工程（Ｓ１２）について説明する。加圧工程（Ｓ１２）では、粉砕・混合工程（Ｓ１１）で混合された原料粉末に対して、１００〜３００ＭＰａ程度の圧力で加圧して、図３に示す円柱状のシャンク中間体３０を作製する。さらに、そのシャンク中間体３０の一端面の中心に、円形状の挿入穴３１を形成する。この挿入穴３１には、後述する刃部中間体４０の後端面に凸設された突起部４２が挿入されるようになっている。この加圧工程によって、シャンク中間体３０の原料粉末の結合性を高めることができる。なお、図３に示す挿入穴３１が本発明の「凹部」に相当する。

予備焼結工程（Ｓ１３）について説明する。予備焼結工程（Ｓ１３）では、加圧工程（Ｓ１２）で加圧されて作製されたシャンク中間体３０の予備焼結を行う。予備焼結の温度は、６００〜１０００℃で行われる。予備焼結では、加圧工程（Ｓ１２）に有用であった潤滑剤の除去と共に、コバルト粒子の焼結が若干進行する。これにより、シャンク中間体３０は白墨程度の強度となる。

成形工程（Ｓ１４）について説明する。成形工程（Ｓ１４）では、予備焼結工程（Ｓ１３）にて得られたシャンク中間体３０への成形加工を行う。旋削、切削加工等により、シャンク中間体３０の一端面の中心に、円形状の挿入穴３１を成形する。この挿入穴３１には、後述する刃部中間体４０の突起部４２が挿入されるようになっている。こうしてシャンク中間体製造工程の一連の作業が終了する。

次に、刃部中間体製造工程について説明する。図２に示すように、刃部中間体製造工程は、途中までは上述したシャンク中間体製造工程の流れと類似している。刃部中間体製造工程は、超硬の原料粉末を混ぜ合わせる粉砕・混合工程（Ｓ２１）と、混合された材料を加圧して形状を作る加圧工程（Ｓ２２）と、成型された形状品の本焼結を行う本焼結工程（Ｓ２３）と、本焼結後に外周面を整える研削工程（Ｓ２４）からなる。即ち、刃部中間体製造工程では、予備焼結されて成型された形状品を最後に本焼結する点において、シャンク中間体製造工程と異なる。これら一連の工程を経ることによって、本焼結体である刃部中間体４０が製造される。この刃部中間体４０は、図３に示すように、短円柱状の頭部４１と、当該頭部４１の後端面に凸設された突起部４２とからなるものである。なお、突起部４２が本発明の「凸部」に相当する。

ここで、シャンク中間体製造工程と異なる点について具体的に説明する。まず、粉砕・混合工程（Ｓ２１）では、刃部中間体４０のコバルト含有量が９％となるように調整される。つまり、シャンク中間体３０のコバルト含有量（１２．５％）に比べて低く調整される。これは、ワークに直接接触する刃部２０を硬くすることによって、刃部２０に必要とされる耐摩耗性を付与するためである。

また、加圧工程（Ｓ２２）では、シャンク中間体製造工程の加圧工程（Ｓ１２）と同条件で加圧される。そして、加圧工程（Ｓ２２）では、図３に示すように、円柱状の刃部中間体４０を作製する。

そして、その加圧工程（Ｓ２２）の後に、本焼結工程（Ｓ２３）が行われる。本焼結の温度は、予備焼結の温度よりも高く、１３５０〜１５５０℃で行われる。本焼結では、コバルト粒子同士が溶着される「液相焼結」が行われ、組織の緻密化がさらに進行する。これにより、刃部中間体４０の体積は２０〜３０％程度収縮する。

次に、研削工程（Ｓ２４）について説明する。後述する挿入工程（Ｓ３１）で挿入穴３１との密着性を得るため、刃部中間体４０へセンタレスなどによる外周研削を行う。これにより、刃部中間体製造工程の一連の作業が終了する。

次に、挿入工程（Ｓ３１）について説明する。挿入工程（Ｓ３１）では、図３に示すように、シャンク中間体製造工程で製造されたシャンク中間体３０と、刃部中間体製造工程で製造された刃部中間体４０とを組み合わせて一体化させる工程である。詳細には、シャンク中間体３０の先端面に形成された挿入穴３１に対して、刃部中間体４０の頭部４１の後端面に設けられた突起部４２を挿入して、チップ中間体５０（図４参照）を作製する。ここで、挿入穴３１の内径と、刃部中間体４０の突起部４２の外径とは同じに調整されている。さらに、挿入穴３１の長さと、突起部４２の長さとについても同じに調整されている。従って、挿入穴３１に対して、突起部４２の先端部が隙間無く密着して挿入される。

次に、最終本焼結工程（Ｓ３２）について説明する。最終本焼結工程（Ｓ３２）では、図３に示すように、挿入工程（Ｓ３１）で作製されたチップ中間体５０の本焼結を行う。本焼結の温度は、上述した本焼結工程（Ｓ２３）と同じであり、１３５０〜１５５０℃で行われる。このとき、シャンク中間体３０及び刃部中間体４０においては、以下の様な現象が起きる。

まず、予備焼結されたシャンク中間体３０は本焼結されていないため、シャンク中間体３０の原料粉末であるコバルト粒子が液相化する液相焼結が起きる。一方、刃部中間体４０は既に本焼結されているので、シャンク中間体３０だけが収縮する。従って、シャンク中間体３０の挿入穴３１に挿入された刃部中間体４０の突起部４２は、シャンク中間体３０の収縮によって締め付けられる。さらに、シャンク中間体３０の挿入穴３１の内周面と、刃部中間体４０の突起部４２の外周面との境界部分においてもコバルト粒子の液相焼結が起きる。つまり、シャンク中間体３０のコバルト粒子と、刃部中間体４０のコバルト粒子との液相焼結が起きるのである。

ここで、シャンク中間体３０と刃部中間体４０との境界部分における接合度合を調査するため、本焼結後の境界部分を電子顕微鏡での確認を行った。図５，図６を参照して説明する。図５は、図４に示す二点鎖線Ｗで囲んだ領域内の電子顕微鏡写真（×５，０００）であり、図６は、図４に示す二点鎖線Ｗで囲んだ領域内の電子顕微鏡写真（×１０，０００）である。なお、電子顕微鏡は、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）を用いた。

図５，図６に示すように、シャンク中間体３０の粒子構造と、刃部中間体４０の粒子構造とは全く同じである。そして、シャンク中間体３０の挿入穴３１の内周面と、刃部中間体４０の突起部４２の外周面との境界が完全に無くなっていた。これにより、シャンク中間体３０と刃部中間体４０とが確実に一体化されたことが確認された。従って、従来のロウ付け法に比較してはるかに強固な接合が可能であることが証明された。こうして、最終本焼結工程において、超硬チップが得られる。

最後に、加工工程（Ｓ３３）について説明する。加工工程（Ｓ３３）では、最終本焼結工程（Ｓ３２）で得られた超硬チップに対して製品としての最終加工を行う。つまり、刃部中間体４０の頭部４１の先端表面に切り刃２３（図１参照）を刻設する。こうして、超硬チップ製造工程の一連の作業が終了し、シャンク１０と刃部２０とが一体となった超硬エンドミル１の製品が出来上がる。

以上説明したように、本実施形態の超硬エンドミル１は、円柱状のシャンク１０と、当該シャンク１０の先端に接合された刃部２０とから構成されている。シャンク１０及び刃部２０は何れも超硬合金を材質とする。このような超硬エンドミル１を製造するための製造工程では、シャンク１０の半焼結体であるシャンク中間体３０を製造する刃部中間体製造工程と、刃部２０の本焼結体である刃部中間体４０を製造する刃部中間体製造工程とが別々に行われる。そして、シャンク中間体３０に形成された挿入穴３１に対して、刃部中間体４０の後端面に凸設された突起部４２が挿入される。さらに、シャンク中間体３０と刃部中間体４０とが一体となったチップ中間体５０が本焼結される。

ここで、シャンク中間体３０は本焼結されていないため、シャンク中間体３０の原料粉末であるコバルト粒子が液相化する液相焼結が起きる。一方、刃部中間体４０は既に本焼結されているので、シャンク中間体３０だけが収縮する。従って、シャンク中間体３０の挿入穴３１に挿入された刃部中間体４０の突起部４２は、シャンク中間体３０の収縮によって締め付けられる。さらに、シャンク中間体３０の挿入穴３１の内周面と、刃部中間体４０の突起部４２の外周面との境界部分においてもコバルト粒子の液相焼結が起きる。これにより、シャンク中間体３０と刃部中間体４０とを強固に接合することができる。

なお、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、上記実施形態で示した超硬エンドミル１の原料粉末の組成については一例であって、これ以外の粉末を混合させてもよい。

また、上記実施形態の製造工程では、最終本焼結工程（Ｓ３２）において、予備焼結されたシャンク中間体３０の収縮と液相化現象を利用した接合であり、その接合強度を得るために、刃部中間体４０は研削面に、また穴と軸の関係は０．２程度の締まりの関係とした。

さらに、上記実施形態では、シャンク１０は超硬合金で作製されているが、例えば、シャンク１０の先端側の接合端部のみを超硬合金で作製し、それ以外の後端側の部分を破壊じん性の高い材質で作製してもよい。破壊じん性の高い材質の例として、合金工具鋼、高速度工具鋼等が挙げられる。

本開示の超硬回転工具は、シャンクの先端に刃部を接合した工具に適用可能である。

超硬エンドミル１の斜視図である。 超硬エンドミル１の製造工程のフローである。 挿入工程（Ｓ３１）において、シャンク中間体３０の挿入穴３１に対して、刃部中間体４０の突起部４２が挿入される状態を示す図である。 最終本焼結工程（Ｓ３２）において、チップ中間体５０が本焼結される状態を示す図である。 図４に示す二点鎖線Ｗで囲んだ領域内の電子顕微鏡写真（×５，０００）である。 図４に示す二点鎖線Ｗで囲んだ領域内の電子顕微鏡写真（×１０，０００）である。

符号の説明

１ 超硬エンドミル
１０ シャンク
２０ 刃部
２３ 切り刃
３０ シャンク中間体
３１ 挿入穴
４０ 刃部中間体
４１ 頭部
４２ 突起部
５０ チップ中間体

Claims (4)

1. 切削加工するための超硬回転工具であって、
   棒状のシャンクと、
   当該シャンクの先端に接合された刃部と
   からなり、
   何れか一方を超硬合金製の焼結体とし、他方を前記焼結体の焼結温度よりも低い温度で予備焼結された超硬合金製の予備焼結体とし、前記焼結体と前記予備焼結体とを接合する態様で一体焼結して成ることを特徴とする超硬回転工具。
2. 前記刃部を前記焼結体とし、
   前記シャンクを前記予備焼結体とし、
   前記刃部には凸部が設けられ、
   前記シャンクの前記先端には軸心に沿った凹部が設けられ、
   当該凹部に前記凸部が挿入されて接合する態様で一体焼結して成ることを特徴とする請求項１に記載の超硬回転工具。
3. 前記刃部を高硬度の耐摩耗性がある材質とし、前記シャンクは前記刃部より破壊じん性に優れた材質としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の超硬回転工具。
4. 前記シャンクの、前記刃部との接合側端部のみ超硬材質にしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の超硬回転工具。

Images