JP2012086323A - 高速加工で優れた耐摩耗性を発揮する表面被覆歯切工具 - Google Patents

Abstract

【課題】高速加工ですぐれた耐摩耗性を発揮する表面被覆歯切工具を提供する。
【解決手段】 高速度鋼からなる歯切工具基体の表面に、すくい面摩耗性に優れた第一の被覆層と、逃げ面摩耗性に優れた第二の被覆層とを被覆形成した表面被覆歯切工具において、切れ刃エッジから１ｍｍの位置における上記第一の被覆層のすくい面側の膜厚をＴ１、逃げ面側の膜厚をｔ１、また、上記第二の被覆層の逃げ面側の膜厚をＴ２、すくい面側の膜厚をｔ２とした場合に、逃げ面側の膜厚が、Ｔ２／ｔ１＞１、かつ、すくい面側の膜厚が、ｔ２／Ｔ１＜１を満足し、さらに、切れ刃エッジ部において、第一の被覆層と第二の被覆層の界面が連続して繋がっている層構造を有する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、歯切工具の基体表面に硬質被覆層を物理蒸着法によって被覆形成した表面被覆歯切工具に関し、特に、切れ刃のチッピング発生を抑制し、長期の使用にわたって、優れた耐摩耗性を発揮する表面被覆歯切工具に関する。

従来から、歯車を製作する際の粗切り工程ではホブが用いられており、ホブは高能率で歯車の粗加工が可能な歯切工具であるが、ホブの耐摩耗性等の改善を目的として、種々の硬質被覆を被覆形成した表面被覆歯切工具が提案されている。
例えば、特許文献１に示すように、高速度鋼製ホブを基体とし、その表面にＴｉＣＮ層と（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層の２層からなる硬質被覆層を被覆形成することにより、硬質被覆層の耐酸化性、硬度、密着性を改善した表面被覆歯切工具が提案されている。
また、例えば、特許文献２、３に示すように、高速度鋼製ホブを基体とし、その表面に（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｃｒ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層等からなる硬質被覆層を被覆形成したホブにおいて、層厚方向の膜の組成比を調整し、また、交互積層構造の被覆層とすることにより、耐摩耗性等を改善した表面被覆歯切工具が提案されている。

特開２００４−２８３９３０号公報 特開２００７−１５０６８号公報 特開２００７−１５０６９号公報 特開２００７−１５０７０号公報

歯切加工技術の高能率化はめざましいものがあるが、近年では、より一層の高能率化を目指し、高い切削速度や切削油を用いないドライ加工が志向されており、そのため切削条件は益々過酷なものとなっている。また製作される歯車にも長寿命化が求められるため、歯車に使用される材料も難削化が進み、いっそう歯切工具に求められる性能は厳しくなっている。このため歯切工具には耐逃げ面摩耗性、耐すくい面摩耗性の高いレベルでの両立が求められる。
上記特許文献１に示される従来の表面被覆歯切工具においては、ＴｉＣＮ層と（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層からなるそれぞれの層が十分な性能を発揮するためには、それぞれの層厚が一定以上必要となるが、その結果、切れ刃エッジ部の丸みが顕著になるため切削抵抗が増大し、特に、高速加工あるいはドライ加工等においては、切れ刃エッジ部にチッピングが発生しやすくなるという問題点がある。
また、上記特許文献２〜４に示される従来の表面被覆歯切工具においては、各層の組成調整、層厚調整が必要となるため、被覆形成操作が煩雑であるばかりか、異なる材質の被覆層を形成することができないため、硬質被覆層の特性を十分に発揮できないという問題点があった。

そこで、本発明者等は、表面被覆歯切工具において、被覆形成した硬質被覆層がその特性を十分に発揮し、長期の使用にわたって優れた耐摩耗性を発揮する硬質被覆層の層構造について鋭意研究を行った結果、次のような知見を得たのである。

本発明者等は、高速度鋼を歯切工具基体とし、その表面に第一の被覆層と第二の被覆層とからなる硬質被覆層を物理蒸着法によって形成するに際し、
（ａ）歯切工具のすくい面では、耐すくい面摩耗性に優れた第一の被覆層の膜厚Ｔ１を、耐逃げ面摩耗性に優れた第二の被覆層の膜厚ｔ２より厚く被覆し（即ち、ｔ２／Ｔ１＜１）、
（ｂ）歯切工具の逃げ面では、耐逃げ面摩耗性に優れた第二の被覆層の膜厚Ｔ２を、耐すくい面摩耗性に優れた第一の被覆層の膜厚ｔ１より厚く被覆し（即ち、Ｔ２／ｔ１＞１）、
（ｃ）切れ刃エッジ部において、第一の被覆層と第二の被覆層の界面が連続して繋がっているように形成することによって、
第一の被覆層、第二の被覆層を必要以上に厚くすることなく、合計層厚を一定以下に抑えることができることから、切れ刃エッジ部が丸みを帯びることはなく、切削抵抗の上昇を抑えられること、また、歯切工具のすくい面および逃げ面のそれぞれにおいて、第一の被覆層、第二の被覆層が本来備える膜特性を十分発揮できること、さらに、第一の被覆層、第二の被覆層とは、切れ刃エッジ部においても連続的に形成されているから、切れ刃エッジ部で異常チッピングの発生する恐れはないこと、を知見したのである。

この発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１） 高速度鋼からなる歯切工具基体の表面に、耐すくい面摩耗性に優れた第一の被覆層と、耐逃げ面摩耗性に優れた第二の被覆層とを物理蒸着法によって被覆形成した表面被覆歯切工具において、
切れ刃エッジから１ｍｍの位置における上記第一の被覆層のすくい面側の膜厚をＴ１、逃げ面側の膜厚をｔ１とし、
また、切れ刃エッジから１ｍｍの位置における上記第二の被覆層の逃げ面側の膜厚をＴ２、すくい面側の膜厚をｔ２とした場合に、
逃げ面側の膜厚が、Ｔ２／ｔ１＞１、かつ、
すくい面側の膜厚が、ｔ２／Ｔ１＜１を満足し、さらに、切れ刃エッジ部において、第一の被覆層と第二の被覆層の界面が連続して繋がっていることを特徴とする表面被覆歯切工具。
（２） 上記第一の被覆層は、ＴｉＣＮ層、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層および（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層のうちの何れかからなることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆歯切工具。
（３） 上記第二の被覆層は、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層および（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層の何れかからなることを特徴とする前記（１）に記載の表面被覆歯切工具。
（４） 上記第一の被覆層の膜厚Ｔ１、ｔ１及び上記第二の被覆層の膜厚Ｔ２、ｔ２が、
逃げ面側においてＴ２／ｔ１＞２、かつ、
すくい面側においてｔ２／Ｔ１＜０．５を満足することを特徴とする前記（１）乃至（３）の何れかに記載の表面被覆歯切工具。
（５） 上記第一の被覆層の膜厚Ｔ１、ｔ１及び上記第二の被覆層の膜厚Ｔ２、ｔ２が、
逃げ面側においてＴ２／ｔ１＞３、かつ、
すくい面側においてｔ２／Ｔ１＜０．３５を満足することを特徴とする前記（１）乃至（４）の何れかに記載の表面被覆歯切工具。
（６） 上記歯切工具がホブであることを特徴とする前記（１）乃至（５）の何れかに記載の表面被覆歯切工具。」
に特徴を有するものである。

この発明について、以下に説明する。

この発明の表面被覆歯切工具は、高速度鋼からなる歯切工具基体の表面に、耐すくい面摩耗性に優れた第一の被覆層と、耐逃げ面摩耗性に優れた第二の被覆層とを被覆形成することによって作製するが、工具基体を構成する高速度鋼については、従来から知られている各種の高速度鋼を用いることができ、特に限定されるものではない。
また、耐すくい面摩耗性に優れた第一の被覆層としては、例えば、ＴｉＣＮ層、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層などを挙げることができる。
さらに、耐逃げ面摩耗性に優れた第二の被覆層としては、好適には、例えば、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層等を挙げることができる。
上記第一の被覆層、第二の被覆層は、例えば、物理蒸着法の一種であるアークイオンプレーティング法によって形成することができる。

この発明の一番目の特徴であるが、歯切工具のすくい面、逃げ面で、第一の被覆層の膜厚Ｔ１、ｔ１と、第二の被覆層の膜厚ｔ２、Ｔ２を異ならせているが、すくい面の全面、あるいは、逃げ面の全面において異ならせる必要はない。
しかし、図１に示すように、第一の被覆層のすくい面側の膜厚Ｔ１と逃げ面側の膜厚ｔ１、第二の被覆層の逃げ面側の膜厚膜厚Ｔ２とすくい面側の膜厚ｔ２とは、少なくとも切れ刃エッジ部近傍（即ち、切れ刃エッジから１ｍｍの位置）において、
逃げ面側の膜厚が、Ｔ２／ｔ１＞１（好ましくは、Ｔ２／ｔ１＞２、より好ましくはＴ２／ｔ１＞３）を満足し、かつ、
すくい面側の膜厚が、ｔ２／Ｔ１＜１（好ましくは、ｔ２／Ｔ１＜０．５、より好ましくはｔ２／Ｔ１＜０．３５）
を満足していることが必要である。
逃げ面側の膜厚が、切れ刃エッジから１ｍｍの位置でＴ２／ｔ１≦１であると、耐逃げ面摩耗性に優れた第二の被覆層である（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層等がその作用を十分発揮することができない。
一方、すくい面側の膜厚が、切れ刃エッジから１ｍｍの位置でｔ２／Ｔ１≧１であると、耐すくい面摩耗性に優れた第一の被覆層であるＴｉＣＮ層、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層等がその作用を十分発揮することができない。
上記いずれの場合にも、逃げ面側の第二の被覆層の膜厚を厚くしたり、あるいは、すくい面側の第一の被覆層の膜厚を厚くしたりする必要が生じ、硬質被覆層の合計層厚が過大な厚さとなり、また、その結果として、切れ刃エッジ部が丸みを帯び、切削抵抗が上昇するため好ましくない。
なお、膜厚Ｔ１、ｔ１、Ｔ２、ｔ２の相互の関係は上記のとおりであるが、硬質被覆層の合計層厚を必要以上に厚くすることによる切削抵抗の上昇を避け、また、長期の使用にわたってすぐれた耐摩耗性を発揮するためには、
逃げ面においては、
５ ≧ｔ１≧ １ （μｍ）、 ６ ≧Ｔ２≧ ２ （μｍ）
すくい面においては、
６ ≧Ｔ１≧ ２ （μｍ）、 ５ ≧ｔ２≧ １ （μｍ）
の範囲内であることが望ましい。

また、この発明の二番目の特徴であるが、上記第一の被覆層と第二の被覆層の界面は、切れ刃エッジ部において不連続面を形成してはならず、連続して繋がっていることが必要である。
仮に、切れ刃エッジ部近傍において、すくい面には上記第一の被覆層のみが形成され、また、逃げ面には上記第二の被覆層のみが形成されていると、切れ刃エッジ部では被覆層の界面が不連続となるため、ホブによる高い切削速度や切削油を使わないドライ加工においては切れ刃エッジ部で異常チッピングが発生するからであり、このような異常チッピングの発生を避けるためには、切れ刃エッジ部において、上記第一の被覆層と第二の被覆層の界面は連続して繋がっていなければならない。

上記の硬質被覆層構造を有する本発明の表面被覆歯切工具は、例えば、以下の製造方法によって作製することができる。
即ち、
（ａ）高速度鋼からなる歯切工具基体の全面に、耐すくい面摩耗性に優れた第一の被覆層を、例えば、アークイオンプレーティング法で所定の膜厚Ｔ１にまで被覆形成し、
（ｂ）ついで、逃げ面を研磨し、すくい面と逃げ面との境界において、第一の被覆層の膜厚変化が連続的になるようにして、逃げ面から上記第一の被覆層を一部除去し、
（ｃ）ついで、形成されている第一被覆層の全面に、耐逃げ面摩耗性に優れた第二の被覆層を、例えば、アークイオンプレーティング法で所定の膜厚Ｔ２にまで被覆形成し、逃げ面の合計膜厚を所定の目標合計膜厚とし、
（ｄ）ついで、すくい面を研磨し、すくい面の合計膜厚が所定の目標合計膜厚となるまで、すくい面から第二の被覆層を一部除去する。
上記（ａ）〜（ｄ）の工程で、本発明の表面被覆歯切工具を作製することができる。
なお、本発明の表面被覆歯切工具は、上記の製造工程で作製することに限定されるものではなく、例えば、遮蔽物を利用した次のようなアークイオンプレーティング法によっても作成することができる。
即ち、アークイオンプレーティング法で、歯切工具基体の全面に、耐すくい面摩耗性に優れた第一の被覆層を膜厚Ｔ１にまで被覆形成する際に、逃げ面側には網状遮蔽物を配置し、逃げ面における第一の被覆層の成膜速度を低下させ、ついで、耐逃げ面摩耗性に優れた第二の被覆層を膜厚Ｔ２にまで被覆形成する際に、すくい面側に上記と同様の網状遮蔽物を配置し、すくい面に形成される第二の被覆層の成膜速度を低下させることによって、本発明の表面被覆歯切工具を作製することもできる。

本発明の表面被覆歯切工具は、そのすくい面には、耐すくい面摩耗性に優れた第一の被覆層が相対的に厚く被覆形成され、一方、逃げ面には、耐逃げ面摩耗性に優れた第二の被覆層が相対的に厚く被覆形成されていることから、歯切加工において、それぞれの硬質被覆層がその特性を十分に発揮することができる。
また、硬質被覆層を過大に厚く被覆する必要がなく、切れ刃エッジ部をシャープな形状に維持できることから、エッジ部での丸みによる切削抵抗の上昇を抑えることができる。
さらに、切れ刃エッジ部においては、第一の被覆層と第二の被覆層の界面が連続して繋がっていることから、高速歯切加工においても異常チッピングの発生の恐れはない。

本発明の表面被覆歯切工具の硬質被覆層の概略断面模式図を示す。 実施例で用いたソリッドホブの概略斜視図である。

以下、本発明を実施例を用いて詳細に説明する。

歯切工具基体として、材質がＪＩＳ・ＳＫＨ５５の高速度工具鋼からなる直径：１１０ｍｍ×長さ：１７０ｍｍの寸法をもった素材から、機械加工にて外径：１０８ｍｍ×長さ：１６０ｍｍの全体寸法をもち、かつ３条右捩れ×１２溝の形状をもった図２に概略斜視図で示されるソリッドホブを製造した。

（ａ）ついで、所定の第一被覆層を形成するための第一カソード電極（蒸発源）および所定の第二の被覆層を形成するための第二カソード電極（蒸発源）を配備した物理蒸着装置の１種であるアークイオンプレーティング装置内に、上記のソリッドホブを装着し、
（ｂ）まず、装置内を排気して０．１Ｐａ以下の真空に保持しながら、ヒーターで装置内を４００℃に加熱した後、上記ソリッドホブに−１０００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記第一カソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もってソリッドホブ表面をボンバード洗浄し、
（ｃ）装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記ソリッドホブに−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記第一カソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記ソリッドホブの全面に、表１に示される目標組成および目標層厚Ｔ１の第一の被覆層を蒸着形成し、
（ｄ）ついで、アークイオンプレーティング装置から上記ソリッドホブを取り出し、ソリッドホブの逃げ面に形成された第一の被覆層を研磨（タッピング）して、かつ、切れ刃エッジ部で第一の被覆層が連続するように、逃げ面から第一の被覆層を一部除去し、第一の被覆層の膜厚をｔ１とし、
（ｅ）上記ソリッドホブを、再度、アークイオンプレーティング装置内に装着し、
（ｆ）ついで、装置内に反応ガスとして窒素ガスを導入して３Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記ソリッドホブに−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加し、かつ前記第二カソード電極（蒸発源）とアノード電極との間に１００Ａの電流を流してアーク放電を発生させ、もって前記ソリッドホブの全面に、表１に示される目標組成および目標層厚Ｔ２の第二の被覆層を蒸着形成し、
（ｇ）ついで、アークイオンプレーティング装置から上記ソリッドホブを取り出し、ソリッドホブのすくい面に形成された第二の被覆層を研磨（ラッピング）して、すくい面から第二の被覆層を一部除去することにより、第二の被覆層の膜厚をｔ２とし、
すくい面および逃げ面の合計膜厚を所定の目標合計膜厚とした表１に示す本発明の表面被覆歯切工具１〜１０（本発明例１〜１０という）を作製した。

また、比較の目的で、上記の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｆ）の工程によって（即ち、工程（ｄ）、（ｅ）、（ｇ）を行わない）、膜厚Ｔ１の第一の被覆層と膜厚Ｔ２の第二の被覆層を有する比較例の表面被覆歯切工具１〜６（比較例１〜６という）を作製した。
さらに比較の目的で、上記の（ａ）〜（ｇ）の工程によって、比較例の表面被覆歯切工具７〜１０（比較例７〜１０という）を作製した。
但し、比較例７〜１０は、第一の被覆層の膜厚Ｔ１，ｔ１と第二の被覆層の膜厚Ｔ２，ｔ２が本発明で規定する関係を満足しないものである。
表２に、比較例１〜１０を示す。
なお、参考のために、上記の（ａ）〜（ｄ）の工程によって、すくい面に目標層厚Ｔ１、また、逃げ面に目標層厚ｔ１の第一の被覆層を形成した後、目標層厚Ｔ２の第二の被覆層としてのＡｌ_２Ｏ_３層を形成し、ついで、ソリッドホブのすくい面に形成された第二の被覆層（Ａｌ_２Ｏ_３層）を研磨（ラッピング）して、すくい面から第二の被覆層（Ａｌ_２Ｏ_３層）を一部除去することにより、第二の被覆層（Ａｌ_２Ｏ_３層）の膜厚をｔ２とし、すくい面および逃げ面の合計膜厚を所定の目標合計膜厚とした参考例の表面被覆歯切工具１１（参考例１１という）を作製した。

つぎに、上記の本発明例１〜１０、比較例１〜１０および参考例１０を用いて、材質がＪＩＳ・ＳＣｒ４２０Ｈの低合金鋼にして、モジュール：２．５、圧力角：２０度、歯数：４８、ねじれ角：２５度左捩れ、歯幅：５０ｍｍの寸法および形状をもった歯車の加工を、
切削速度（回転速度）：３００ｍ／ｍｉｎ、
送り： ２ｍｍ／ｒｅｖ、
加工形態：クライム、シフトなし、ドライ（エアーブロー）、
の条件で高速ドライ歯切加工（上記ＪＩＳ・ＳＣｒ４２０Ｈの低合金鋼歯車の加工の通常の切削速度は１２０ｍ／ｍｉｎ）で行い、
逃げ面摩耗幅が０．２ｍｍに至るまでの歯車加工数を測定した。
表３に、この測定結果を示す。

表３に示す結果から、本発明例１〜１０は、高速歯切加工において、チッピングを発生することもなく、長期の使用に得わたって優れた耐摩耗性を示した。
これに対して、すくい面および逃げ面のいずれにおいても、第一の被覆層と第二の被覆層の膜厚に差がない比較例１〜６は、早期に逃げ面摩耗が発達する、あるいは総膜厚の厚いものは切れ刃部の膜厚が厚いためチッピングが発生し、短寿命であり、また、第一の被覆層と第二の被覆層の膜厚の関係が、本発明で規定する範囲外である比較例７〜１０においては、すくい面の下層が薄いものはすくい面摩耗の発達により、寿命とする逃げ面摩耗０．２ｍｍに達する前に寿命となり、総膜厚の厚いものはやはりチッピングにより短寿命であった。
さらに、第二の被覆層としてＡｌ_２Ｏ_３層を適用した参考例１１の場合には、第一の被覆層と第二の被覆層の膜厚の関係は、本発明で規定する範囲内であるにも拘らず、早期に第二の被覆層（Ａｌ_２Ｏ_３層）がチッピングし、短寿命であった

この発明は、実施例で具体的に示したホブに限らず、ピニオンカッタ、シェービングカッタなどの歯切工具にも適用可能であり、産業上の利用可能性は非常に大きいといえる。

Claims (6)

1. 高速度鋼からなる歯切工具基体の表面に、耐すくい面摩耗性に優れた第一の被覆層と、耐逃げ面摩耗性に優れた第二の被覆層とを物理蒸着法によって被覆形成した表面被覆歯切工具において、
   切れ刃エッジから１ｍｍの位置における上記第一の被覆層のすくい面側の膜厚をＴ１、逃げ面側の膜厚をｔ１とし、
   また、切れ刃エッジから１ｍｍの位置における上記第二の被覆層の逃げ面側の膜厚をＴ２、すくい面側の膜厚をｔ２とした場合に、
   逃げ面側の膜厚が、Ｔ２／ｔ１＞１、かつ、
   すくい面側の膜厚が、ｔ２／Ｔ１＜１を満足し、さらに、切れ刃エッジ部において、第一の被覆層と第二の被覆層の界面が連続して繋がっていることを特徴とする表面被覆歯切工具。
2. 上記第一の被覆層は、ＴｉＣＮ層、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｂ）Ｎ層および（Ａｌ，Ｃｒ，Ｂ）Ｎ層のうちの何れかからなることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆歯切工具。
3. 上記第二の被覆層は、（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｔｉ，Ｓｉ）Ｎ層、（Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ層および（Ａｌ，Ｃｒ，Ｓｉ）Ｎ層の何れかからなることを特徴とする請求項１に記載の表面被覆歯切工具。
4. 上記第一の被覆層の膜厚Ｔ１、ｔ１及び上記第二の被覆層の膜厚Ｔ２、ｔ２が、
   逃げ面側においてＴ２／ｔ１＞２、かつ、
   すくい面側においてｔ２／Ｔ１＜０．５を満足することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の表面被覆歯切工具。
5. 上記第一の被覆層の膜厚Ｔ１、ｔ１及び上記第二の被覆層の膜厚Ｔ２、ｔ２が、
   逃げ面側においてＴ２／ｔ１＞３、かつ、
   すくい面側においてｔ２／Ｔ１＜０．３５を満足することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の表面被覆歯切工具。
6. 上記歯切工具がホブであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の表面被覆歯切工具。

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