JP2012514541A - 超合金を溝削りする方法およびそのための切削インサート - Google Patents

Abstract

超合金のワークピース（２４）を溝削りする方法は、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）層で少なくとも覆われた切削インサート（１２）であって、切削インサート（１２）内に形成され、１つまたは複数の対応する開口部（２６）内でインサートのすくい面（１６）に開口する１つまたは複数の内部ダクト（１８）を有する溝削り切削インサート（１２）を使用する。２００バールを下らない圧力でこれらの内部ダクト（１８）を介して運ばれた１つまたは複数の冷却流体の流れは、切削インサート（１２）の刃先（１４）とワークピース（２４）の間の相互作用領域に向かって上向きかつ外向きに方向付けられ、その結果、溝削り作業中に作り出されたワークピースチップ（２８）の長さを抑える。切削インサートの内部ダクト（１８）の開口部（２６）は、インサートの刃先（１４）から０．５〜３．０ｍｍの間に位置することができる。

Description

本発明は、超合金、たとえばインコネルを機械切削する方法およびその方法を実施するための切削インサートに関する。

超合金は、金属業界において何年にもわたり使用されてきた。超合金または高性能合金は、たとえば高温における優れた機械的強度およびクリープ抵抗、高い表面安定性、腐食および酸化に対する高い抵抗性を示す金属合金である。超合金は通常、オーステナイト系面心立方結晶構造を有する。超合金の合金化要素はたいてい、ニッケル、コバルト、またはニッケル−鉄を含む。超合金の開発は、化学およびプロセスの革新に依存しており、航空産業、および工業ガスタービンおよび海洋タービン工業などの電力産業によって主に推進されている。

超合金の例は、ハステロイ（Ｈａｓｔｅｌｏｙ）、ワスパロイ（Ｗａｓｐａｌｏｙ）、ルネ（Ｒｅｎｅ）合金（たとえばルネ４１、ルネ８０、ルネ９５）、ヘインズアロイ（Ｈａｙｎｅｓ ａｌｌｏｙｓ）、インコロイ（Ｉｎｃｏｌｏｙ）、単結晶合金、および高温用途において通常使用されるオーステナイト系ニッケルベースの超合金族を含むインコネルである。

インコネルは、一部の他の超合金と同様に、極限状態で良好に機能する酸化および腐食抵抗材料を含む。たとえば、加熱されたとき、インコネルは、厚く、安定的な保護酸化層を形成し、この層は、複数の望ましくない効果からインコネルの表面を保護する。したがって、インコネルは、幅広い温度にわたってその強度を保持し、高温の用途での使用に魅力的なものであるが、アルミニウムまたは鋼などの他の材料は、そのような用途では満足に機能しない。

それにも関わらず、インコネルおよび他の超合金は、たとえば機械切削プロセス中にすばやく加工硬化するため、成形および機械切削することは極めて困難である。たとえば、インコネルのワークピース上の最初の機械パスの完了後、そのすばやい加工硬化により、次の機械パスでは、切削工具と相互作用するワークピースのさまざまな領域における望ましくない可塑性および弾性の変形を引き起こす。

上記で述べた欠点を克服するための現在の解決策は、外部アダプタによって提供された冷却流体を、約７０〜８０バールの圧力で、全体切削領域上に供給することを含む。加えられた冷却流体は、機械切削プロセスにおいて発生した熱を排出することに寄与する。しかし、たとえば知られている超硬切削インサートを使用する、冷却流体の提供を含む現在の解決策は、ワークピースの切削速度（Ｖ_c）を１分あたり約４０〜６０メートルに抑えており、これは、他の切削作業の切削速度に比べて相対的に抑えられた切削速度である。たとえば、低速の切削速度は、高い機械切削コスト、したがって高い製造コストをもたらす。

本発明の目的は、上記で述べた欠点を大幅に低減または克服する、機械切削方法およびこの機械切削方法を実施するための切削インサートを提供することである。

本発明の実施形態は、超合金のワークピースを溝削りする方法、および／またはこの方法を実施するための切削インサートを含む。

一部の実施形態では、たとえば切削インサートの少なくとも一部分、たとえば切削インサートの少なくとも刃先は、ＣＢＮ多結晶体（Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ＣＢＮ）（ＰＣＢＮ）層などの立方晶窒化ホウ素（Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）（ＣＢＮ）層で覆われ、切削インサートは、その中に形成された１つまたは複数の内部ダクトを含む。方法は、たとえば冷却流体を、刃先とワークピースの相互作用領域上に直接方向付けるステップを含み、この場合冷却流体は、１つまたは複数の内部ダクトによって相互作用領域に運ばれる。冷却流体は、切削インサートのすくい面内に形成されたそれぞれの１つまたは複数の開口部を通って内部ダクトを退出し、開口部は、相互作用領域の近位にある。冷却流体は、２００バールを下らない圧力で、開口部を通るようにかつ相互作用領域上に直接方向付けられる。

一部の実施形態では、たとえば次の、切削インサートをＣＢＮ層で覆うステップと、冷却流体を内部ダクトを通して直接相互作用領域上に方向付けるステップと、内部ダクトと相互作用領域の接近性を組み合わせるまたは部分的に組み合わせることにより、超合金を溝削りすることに関して従来技術に比べて大幅に改良された性能が実現される。この組み合わせまたは部分組み合わせにより、方法は、１分あたり２００〜５００メートルの切削速度（Ｖ_cｓ）でインコネルワークピースを溝削りステップを含んで、良好ないし極めて優れた表面品質およびチップ形成を達成する、たとえば１〜５ミリメートルの長さ範囲内のチップの形成を達成することができる。本方法を用いて達成されたこれらの改良された切削速度は、従来技術で得ることができるインコネルの最大切削速度を大幅に、すなわち数十から数百パーセント上回る。したがって、本方法は、インコネルおよび他の超合金を機械切削するコストにおいて大幅な低減を取り入れる。

本発明をより良好に理解し、本発明が実際に実施され得る方法を示すために、次に添付の図面を参照する。

本発明による、中に取り外し可能に保持された切削インサートを有する切削工具の斜視図である。 図１の切削工具の切削部分の斜視図である。 図１の切削工具の側面図である。 図１の切削工具の上面図である。 図１の切削インサートの上面斜視図である。 中に形成された複数の内部ダクトを示す、図５の切削インサートの正面の部分切取図である。 図５の切削インサートの側面図である。 図５の切削インサートの上面図である。 本発明の一部の実施形態によって溝削りされたワークピースからチップを切削する図１の切削工具の一部分を示す図である。

例示を簡単かつ明確にするために、図に示す要素は、必ずしも正確にまたは原寸通りに描かれていないことを理解されよう。たとえば、要素の一部の寸法を、明確にするために他の要素に対して誇張することがあり、またはいくつかの物理的構成要素が、１つの機能ブロックまたは要素に含まれることがある。たとえば、適切と考えられるところでは、対応するまたは類似の要素を示すために、参照番号を図中で反復することがある。

以下の説明において、本発明のさまざまな態様を説明する。説明のために、具体的な構成および詳細が、本発明の完全な理解を与えるために記載される。しかし、本発明を、本明細書で提示する具体的な詳細無しに実施できることもまた当業者に明確であろう。さらに、本発明を不明瞭にしない目的で、よく知られた特徴を省略または簡略することがある。

本明細書における一部の説明は、インコネルを機械切削するための方法および／または切削インサートに言及しているが、本発明は、この点に限定されない。たとえば、本発明の一部の実施形態は、他の超合金、従来の金属合金、高温合金、他のニッケルベースの合金、または同様のものの溝削りに言及することができる。

取り外し可能に中に保持された溝削り切削インサート１２を有する切削工具１０のさまざまな図を示す、図１〜９を参照する。

一部の実施形態では、たとえば切削インサート１２は、超合金、たとえばインコネル超合金を溝削りするために使用されてもよい。切削インサート１２の少なくとも１つの部分は、強化立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）層１３、たとえばＣＢＮ多結晶体（ＰＣＢＮ）層で覆われる。少なくとも１つの部分は、切削インサート１２の刃先１４、そのすくい面１６、および／または切削インサート１２の１つまたは複数の他の部分、たとえば刃先１４に関連する部分を含むことができる。象徴的な非限定的な例として、たとえば図６、７および８の陰影部分は、ＣＢＮ層１３で覆われる。ＣＢＮ層１３は、切削インサート１２に、たとえば以下で説明するように、高速の切削速度で超合金を溝削りするなどの激しい切削作業を実施するための耐久性および保護を与える。

すべての実施形態において、切削インサート１２は、その中に形成された１つまたは複数の内部ダクト１８を含み、その数は、たとえば刃先１４の幅によって決まる。非限定的な例として、約３ミリメートル以下の幅を有する刃先は、１つの内部ダクトを有することができ、約４ミリメートルの幅を有する刃先は、２つの内部ダクトを有することができ、約６ミリメートルの幅を有する刃先は、その中に形成された３つの内部ダクトを有することができる。１つまたは複数の内部ダクト１８は、図９に示すように、それに連結された投入ダクト２０から冷却流体を受け入れ、そこを通る冷却流体の対応する１つまたは複数の流れを、刃先１４と溝削りされているワークピース２４の間の相互領域２２に運ぶ。

内部ダクト１８は、切削インサート１２の全体底部分から上向きかつほぼ外向きに、切削インサート１２のすくい面１６内へと延び、すくい面１６内で１つまたは複数のそれぞれの開口部２６を形成する。たとえばすくい面１６がＣＢＮ層１３で覆われる実施形態では、たとえば図８に示すように、１つまたは複数の内部ダクト１８は、ＣＢＮ層１３を貫通してすくい面に開口し、それぞれの１つまたは複数の開口部２６をその中に形成する。

すくい面１６内の開口部は、そこを通るように方向付けられた冷却流体が、熱を相互作用領域２２から効率的に排出するように、刃先１４のかなり近位に配置される。たとえば刃先１４からの開口部２６のそれぞれの中心の距離は、０．５ミリメートルから３ミリメートルの間の範囲になり得る。開口部２６の中心を刃先１４に対して０．５ミリメートルより近くに配置すると、刃先が弱体化することがあり、一方で開口部２６を３ミリメートルより遠くに配置すると、相互作用領域２２の低質の冷却および所望よりも長いワークピースチップ２８の形成のいずれかまたは両方をもたらすことがある。この点において限定されないが、一部の実施形態では、内部ダクト１８は、電食製造技術を用いて形成されてもよい。

一部の実施形態では、開口部２６が中に形成されるすくい面１６の部分は、ほぼ平坦であり、畝部などのチップ形成構造および数多くの従来技術の切削インサートに見られる他の形成物を有さない。また一部の実施形態では、すくい面１６内の開口部２６の近位の内部ダクト１８の末端部分は、一定の直径を有し、ほぼ真直ぐであり、切削インサート１２の側面図では、すくい面１６と共に３０°から９０°の間の角度を形成する。

一部の実施形態は、上記で説明した切削インサート１２を用いて超合金を溝削りし、冷却流体を、内部ダクト１８を通して高圧または非常に高圧、たとえば２００〜５００バールの範囲内の圧力で運ぶ方法を含む。たとえば図９に示すように、１つまたは複数の内部ダクト１８およびそれぞれの開口部２６は、内部ダクト１８によって運ばれたそれぞれの冷却流体の流れが、溝削り作業中に形成されたワークピースのチップ２８の下面と直接的にかつほぼ概ね垂直に突き当たるために、概ね上向きの方向に方向付けられるように配向される。これにより、方向付けられた冷却流体がチップ２８を「持ち上げる」、したがってチップ２８を効率的に壊し、ワークピース２４から離すことが可能になる。

方法は、インコネルなどの超合金を非常に高速の切削速度Ｖｃで溝削りするステップを含んで、改良された表面品質およびチップ形成を達成することができる。たとえば、一部の実施形態では、方法は、超合金のワークピース、たとえばインコネルワークピースを、１分あたり２００〜５００メートルの範囲の切削速度Ｖｃで溝削りするステップを含む。方法は、追加的に、たとえば、１〜５ミリメートルの一般的な長さを有するワークピースチップを形成しながら、上記で述べた切削速度で超合金ワークピースを溝削りするステップを含むことができ、このとき、ワークピースチップの少なくとも９０％は、この長さ範囲内にある。ワークピースチップ２８の長さは、ワークピースチップ２８が溝削り作業中に形成されるときに高圧においてワークピースチップ２８の下面に衝突する冷却流体の流れによって抑えられる。冷却流体の流れの不在下では、ワークピースチップ２８の長さは、より長くなるはずである。一部の実施形態では、すくい表面１６が、チップ形成構造を有さないなどのとき、ワークピースチップ２８は、冷却流体の流れがワークピースチップ２８の下面に衝突するだけで、壊れて離れる。

切削インサート１２は、１つの切削部分のみを有するようにこれらの図に示されているが、切削インサートは、その代わりに多くの切削部分を有し、割付け可能になり得ることが理解される。したがって、切削インサートは、上面の両端上に設けられた２つのそのような切削部分を有する、したがって切削インサートの上面を通り抜ける第１の軸の周りで１８０°の回転対称を有することができる。あるいは、切削インサートは、対角線上に対向する２つの切削部分を有する、したがって、切削インサートの側面を通り抜ける第２の軸の周りで１８０°の回転対称を有することができ、第２の軸は、第１の軸に対して垂直である。

本発明を１つまたは複数の具体的な実施形態を参照して説明してきたが、説明は、全体的に例示的であることが意図され、本発明を図示した実施形態に限定するものとして解釈されるものではない。さまざまな改変形態が、当業者に思い浮かぶであろうが、それにもかかわらず本明細書において特に示されないときは、本発明の範囲内にあることが理解される。

Claims (15)

1. 超合金のワークピース（２４）を溝削りする方法であって、
   立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）層（１３）で少なくとも部分的に覆われた切削インサート（１２）を用いて前記ワークピース（２４）を溝削りするステップと、
   １つまたは複数の冷却流体の流れを、溝削り中に形成されたワークピースチップ（２８）の下面に向かって方向付けるステップであって、前記１つまたは複数の冷却流体の流れは、前記切削インサート（１２）内に形成された１つまたは複数のそれぞれの内部ダクト（１８）を介して方向付けられ、前記内部ダクト（１８）は、それぞれ１つまたは複数の開口部（２６）内で前記切削インサート（１２）のすくい面（１６）に開口し、前記切削インサート（１２）の刃先（１４）と前記ワークピース（２４）の間の相互作用領域（２２）に向かって上向きかつ外向きに方向付けられる、ステップと
   を含み、
   前記１つまたは複数の冷却流体の流れは、２００バールを下らない圧力で方向付けられ、その結果、前記相互作用領域（２２）内に形成されたワークピースチップ（２８）の長さを抑えるようになることを特徴とする方法。
2. インコネルのワークピース（２４）を溝削りするステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記溝削りするステップは、１分あたり２００メートルおよび５００メートルの範囲内の切削速度で実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記１つまたは複数の冷却流体の流れは、前記溝削り作業中に形成されたワークピースチップ（２８）の下面に、直接的かつ概ね垂直に突き当たることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記溝削り作業中に形成されたワークピースチップ（２８）は、１〜５ミリメートルの範囲内の一般的な長さを有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 少なくとも前記すくい面（１６）は、ＣＢＮ層（１３）で覆われ、前記１つまたは複数のダクト（１８）は、前記ＣＢＮ層（１３）を貫通して前記すくい面（１６）に開口して、前記それぞれの１つまたは複数の開口部（２６）を前記すくい面（１６）内に形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記ＣＢＮ層（１３）は、ＣＢＮ多結晶体層を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記冷却流体の流れは、２００バールおよび５００バールの範囲内の圧力で方向付けられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記切削インサートのすくい面（１６）は、チップ形成構造を有さず、
   前記ワークピースチップが溝削り作業中に形成されるときに、前記１つまたは複数の冷却流体の流れが前記ワークピースチップ（２８）の下面に衝突することにより、前記ワークピースチップ（２８）は、壊れ、前記ワークピース（２４）から離れることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 超合金を溝削りするための溝削り切削インサート（１２）であって、
    前記切削インサート（１２）の少なくとも一部分を覆う立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）の層（１３）と、
    前記切削インサート（１２）内側に形成された１つまたは複数の内部ダクト（１８）であって、前記切削インサート（１２）の全体底部分から上向きかつ外向きに延び、前記切削インサート（１２）のすくい面（１６）内へと開口して１つまたは複数のそれぞれの開口部（２６）を前記すくい面（１６）内に形成する、内部ダクト（１８）と
    を備え、
    前記切削インサート（１２）の刃先（１４）からの前記開口部（２６）のそれぞれの中心の距離が、０．５ミリメートルから３ミリメートルの間の範囲であることを特徴とする溝削り切削インサート（１２）。
11. 前記ＣＢＮ層（１３）は、ＣＢＮ多結晶体層を含むことを特徴とする請求項１０に記載の溝削り切削インサート（１２）。
12. 前記少なくとも１つの部分は、前記すくい面（１６）を備え、前記１つまたは複数のダクト（１８）は、前記ＣＢＮ層（１３）を貫通して前記すくい面（１６）に開口して、前記１つまたは複数の開口部（２６）を前記すくい面（１６）の中にそれぞれ形成することを特徴とする請求項１０に記載の溝削り切削インサート（１２）。
13. 前記すくい表面は、チップ形成構造を有さないことを特徴とする請求項１０に記載の溝削り切削インサート（１２）。
14. 前記内部ダクト（１８）の末端部分は、前記切削インサート（１２）の側面図において、前記すくい面（１６）と共に３０°〜９０°の間の角度を形成することを特徴とする請求項１３に記載の溝削り切削インサート（１２）。
15. 前記切削インサートは、割付け可能であり、ＣＢＮ（１３）の前記層および前記１つまたは複数の内部ダクト（１８）が各々に設けられた、少なくとも２つの切削部分が設けられることを特徴とする請求項１０に記載の溝削り切削インサート（１２）。

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