JP2012525987A - 高硬度インサート - Google Patents

Abstract

工作機械用の高硬度インサートであって、すくい面２２と、逃げ面２４と、すくい面２２と逃げ面２４の間の移行部によって形成された丸みを帯びた切刃２６とを有する高硬度切削構造２０を備え、逃げ面２４が、切刃２６から離れる方向に延在している凸形状の弓形面部分２８を含み、弓形面部分２８が曲率半径Ｒ２を有する、高硬度インサート。

Description

本発明は、工作機械用の高硬度インサートに関するものである。限定的ではないが、詳細には本発明は、金属を含む物体を機械加工するための高硬度インサートに関し、より具体的には、チタン又は超合金を含む物体への溝の形成、突切り、切削、又は旋削を行うための高硬度インサートに係るものである。本発明は、高硬度インサートを備える工具、及びその工具を使用して物体を機械加工するための方法にも関する。

切削工具は、工作物又は物体から材料を取り去ることにより、それらを形成、中ぐり、又は分離するために使用される。切削工具の例として、旋削、フライス削り、又は穿孔用の工具、石油及びガス掘削用のバイトなどの岩石穿孔工具、並びに舗装の解体及び軟岩の採掘に使用されるピックなどのアタック・ツールがあげられる。このような工具は通常、典型的には少なくとも１つの切刃を有する、１つ又は複数の切削インサートを備える。金属合金、セラミックス、サーメット、特定の複合材料及び石などの、硬質の又は研磨用の被削材は、硬質の又は高硬度の切削先端部を有する工具を使用して機械加工する必要がある。焼結炭化タングステン硬質合金は、硬質の被削材を機械加工するために最も広く使用されている工具材料であり、硬質でもあり強靱でもある。多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）及び多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）は高硬度材料であり、例えば、自動車産業において広く使用されている特定の金属合金を機械加工するために使用される。

高硬度材料は極めて硬質であるが、それらは一般に焼結炭化物合金材料よりも強度及び靱性に劣るため、欠損及びチッピングをより起こしやすい。焼結炭化物合金切削工具は、ＰＣＤ及びＰＣＢＮのほうがはるかに耐摩耗性があるという事実にもかかわらず、そのより高い靱性及び耐チッピング性のために、ＰＣＤ及びＰＣＢＮの工具よりも工具寿命において優れている。例えば、標準的教科書は、チタン合金の荒削り、すなわち荒切削には、負のすくい角を有する炭化物工具を極力使うべきであると指摘している。

特願平６−２８４１３号(特許文献１)は、水平（上面）投影図において弓形であって切刃を形成する表面を有する焼結ダイヤモンド材の層を備える、極めて硬質の（ｕｌｔｒａ−ｈａｒｄ）切削工具を開示している。

特願昭６３−２６４３００号(特許文献２)は、湾曲した主切刃、トレーリング面、及びそれらの間で湾曲した表面を形成する逃げ面を有する、ダイヤモンド・インサートを開示している。

米国特許第５，００６，０２０号(特許文献３)は、機械加工用の切削インサート、特に、丸みを帯びた切削コーナ、及び切削先端部に沿って延びる二重ベベルとして形成された保護ベベルを有する、多角回転可能な切削インサートを開示している。この切削インサートは、上面及びコーナ半径を有し且つコーナ半径を除き平らな主ベベルを備える二重ベベルを有する本体を備える。

国際公開２００８／０４４９９１号(特許文献４)は、上面、上面に直角をなすクリアランス面、及びそれらの面を相互に連結し且つそれらの面に実質的に平行して延在している領域内の切削先端部を有する、切削機械加工用のネガティブ・インサートを開示している。このインサートは、インサートのコーナの辺りで、切削先端部をインサートの少なくとも１つの外側面上のクリアランス面に連結している、平らな又は丸みを帯びた食付き部を有し、この食付き部は、インサートによって実行される切削機械加工作業中に、クリアランス面に１度〜１５度の角度をつけて、食付き部を機械加工される工作物に実質的に接線方向に当てることを可能にして、工作物に対してインサートを２つの面で支持する。ＷＯ２００８／０４４９９１号で開示されているインサートは、その明細書の図６で示されるように、凸形状のワイパー刃１４を含むこともできることに留意すべきである。このワイパー刃をインサートのクリアランス面１０又は逃げ面と混同してはならない。より詳細には、図６は切削インサートの上面平面図であるのに対し、同一の明細書中の図３及び図５は、切削インサートの横断側面図である。

特開平７−１３０９２４号公報（特願平６−２８４１３号） 特開平２−１０９６１１号公報（特願昭６３−２６４３００号） 米国特許第５，００６，０２０号明細書 国際公開第２００８／０４４９９１号

機械加工が困難な合金、特にチタン合金及び耐熱超合金を荒削り及び溝切りするための、長寿命及び優れた生産性を有するインサートの提供が必要である。

本発明の第１の観点によれば、すくい面と、逃げ面と、すくい面と逃げ面との間の移行部によって形成された丸みを帯びた切刃とを有する高硬度切削構造を備える、工作機械用の高硬度インサートが提供される。逃げ面は、切刃から離れる方向に延在している曲率半径を有する弓形面部分を含む。弓形面部分は凸形状である。

本発明の一具体例において、高硬度切削構造は、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）を有する。また、本発明の一実施例において、高硬度構造は多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）を含む。

本発明の一具体例において、高硬度インサートは、チタンを含む物体などの金属体を機械加工するためのものであり、また幾つかの具体例において、高硬度インサートは、金属体を溝切り、切削及び旋削するためのものである。

本発明の一具体例において、逃げ面の弓形面部分の曲率半径は、最小で約０．１５ｍｍ、最小で約１ｍｍ、又は最小で約２ｍｍである。本発明の一具体例において、逃げ面の弓形面部分の曲率半径は、最大で約１０ｍｍ、又は最大で約８ｍｍ、又は最大で約４ｍｍ、又は最大で約２ｍｍである。一具体例において、逃げ面の弓形面部分の曲率半径は約１．２ｍｍである。

本発明の一具体例において、丸みを帯びた切刃は、最小で約０．０１ｍｍ、又は最小で約０．０２ｍｍ、又は最小で約０．０４ｍｍのすくい面と逃げ面との間にわたる曲率半径を有する。一具体例において、丸みを帯びた切刃の曲率半径は、約０．１５ｍｍ未満、最大で約０．０９ｍｍ、又は最大で約０．０７ｍｍである。

本発明の一具体例において、すくい面は、切刃から離れる方向に延在し最小で約０．１５ｍｍ、又は最小で約１ｍｍの曲率半径を有する、弓形面部分を含む。一具体例において、すくい面の弓形面部分の曲率半径は、最大で約１０ｍｍ、又は最大で約８ｍｍ、又は最大で約４ｍｍ、又は最大で約２ｍｍである。

本発明の高硬度インサートの一最大で例において、逃げ面は、切刃とクリアランス面とを連結する円弧を形成するバットレス（buttress）面を含む。

本発明の一具体例において、すくい面は少なくとも１つのすくいランド面、及び少なくとも１つのクリアランス・ランド面を含むクリアランス面を含み、少なくとも１つのすくいランド面と少なくとも１つのクリアランス・ランド面とがつくる内角は鋭角である。

幾つかの具体例において、高硬度構造は、円相当径（ＥＣＤ）で見て最小で約０．５ミクロン、最大で約１０ミクロン、又は最大で約５ミクロンの平均粒径を有する相互接着されたダイヤモンド粒子を含むＰＣＤを有する。

本発明の第２の観点によれば、本発明の一観点による高硬度インサートを備える工具が提供される。

本発明の一具体例における工具は、硬質な又は機械加工が困難な材料の機械加工用、又は石油及びガス掘削産業において使用することができるドリル・ビットなどの岩石穿孔用の工具である。一具体例における工具は、チタン又は超合金を含む物体への溝の形成、突切り、荒削り、又は多方向旋削を行うためのものである。

本発明の第３の観点によれば、チタン若しくはその合金又は耐熱超合金を含む物体への溝の形成、突切り、荒削り、又は多方向旋削を行うための方法が提供され、この方法は、物体から材料を取り去るのに十分なエネルギーをもって、物体を、本発明の一観点による高硬度インサートを備える工具に係合させるステップを含む。

一具体例において、この方法は、高硬度インサートを工作物に対して正の切削幾何形状（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）に配置するステップを含む。

本発明の一具体例において、この方法は、（Ｉｎｃｏｎｅｌ（登録商標）などの）ニッケル−クロム基超合金又は硬化鋼を含む工作物を、本発明の一観点によるインサートを備える工具に係合するステップを含む。

本発明の各具体例は、機械加工が困難な材料を含む物体、詳細には金属含有材料を含む物体、及びより詳細にはチタン及び特定の超合金を含む物体の機械加工の生産性を、結果的に大きく向上させる利点を有する。本発明の各具体例は、そのような材料の積極的な機械加工すなわち荒削りにおいて工具寿命を高める利点を有する。

次に、添付図面を参照しながら、限定的ではない各実施例を説明する。

全ての図面において、同じ符号は、同じ構成を示す。

高硬度工作機械の実施例の上面（水平投影面）概略図。 図１に示された高硬度工作機械の実施例の側面（側方向）概略図。 図１及び図２に示された高硬度インサートの実施例の断面Ｘ−Ｙの部分的な側面（側方向）の概略図。 工作物から材料を取り去るのに使用される際の高硬度インサートの実施例の断面の部分的な側面（側方向）の概略図。 高硬度インサートの実施例の部分的な断面の側面（側方向）概略図。

本明細書において、切削工具の「すくい面」又は「すくい表面」とは、使用に際して切りくずがその面上を流動する、切削工具の表面又は複数の表面である。本明細書において、「切りくず」とは、使用に際して工作機械により被削面から取り去られた工作物の小片である。すくい面が互いに傾斜した幾つかの面で構成される場合、これらの面は、切刃を発端として、第１面、第２面などと呼ばれる。

本明細書において、「逃げ面」とは、切削工具が通過することによって工作物上に作られる面（すなわち、すくい面上を流動する切りくず材が切削された工作物上の面）の上方にある、工具の表面又は複数の表面である。逃げ面が互いに傾斜した幾つかの面で構成される場合、これらの面は、切刃を発端として、第１逃げ面、第２逃げ面などと呼ばれる。当技術分野において、クリアランス面は逃げ面と呼ばれることがあり、また切刃を発端として、第１面、第２面などで構成されてもよい。

本明細書において、「切刃」とは、切削の遂行を目的とするすくい面の端部である。「丸みを帯びた切刃」とは、すくい面と逃げ面との間の丸みを帯びた移行部によって形成された切刃である。

本明細書において、「高硬度材料」とは、少なくとも約２５ＧＰａのビッカース硬さを有する材料である。多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材、及び多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰＣＢＮ）材が、高硬度材料の例としてあげられる。本明細書において、ＰＣＤ材は、大量のダイヤモンド粒子を含み、ダイヤモンド粒子の大部分は互いに直接相互接着され、そのダイヤモンドの含有量は少なくともＰＣＤ材の約８０体積％である。ＰＣＤ材の一実施例において、各ダイヤモンド粒子の間隙は、ダイヤモンド用の触媒を含む結合材によって少なくとも部分的に充填されてもよい。本明細書において、ＰＣＢＮ材は、セラミック若しくは金属材、又はその両方を含むことのできる耐摩耗基質に分散された大量のｃＢＮ粒子を含み、そのｃＢＮの含有量は、ＰＣＢＮ材の少なくとも約５０体積％である。ＰＣＢＮ材の幾つかの実施例において、ｃＢＮ粒子の含有量は、少なくとも約６０体積％、又は少なくとも約７０体積％、又は少なくとも約８０体積％である。本明細書において、「多結晶高硬度構造」は、多結晶高硬度材料を含む構造を意味する。

本明細書において、「工作機械」とは、金属、複合材、木材、又はポリマーなどの材料を含む構成部品を機械加工によって製造するために使用することのできる動力付き機械装置である。本明細書において、「機械加工」とは、工作物と呼ばれる物体から材料を選択的に取り去ることである。

図１、図２及び図３を参照すると、金属工作物（図示せず）に機械加工で溝を切るための工作機械（図示せず）用の高硬度インサート１０の実施例は、すくい面２２と、逃げ面２４と、すくい面２２と逃げ面２４との間の移行部によって形成された丸みを帯びた切刃２６とを有する多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）構造２０を備える。丸みを帯びた切刃２６は曲率半径Ｒ３を有する。逃げ面２４は、切刃２６から延在し側方向において曲率半径Ｒ２を有する弓形面部分２８を含む。弓形面部分２８は、側方向から見ると通常は凸形状である。逃げ面２４の弓形面部分２８の曲率半径Ｒ２は、側方向から見ると、丸みを帯びた切刃２６の曲率半径Ｒ３よりも大きい。すくい面２２も、側方向から見ると、丸みを帯びた切刃から延在し曲率半径Ｒ１を有する凸形状の弓形面部分２９を含む。逃げ面２４の弓形面部分２８は、使用に際してバットレス面として機能することができる。すくい面と逃げ面との作る最小角度ωは、最小で約６６度且つ９０度未満である。

本明細書において、すくい角は、工作物表面に対するすくい面の傾きであり、正のすくい角は、切りくずを工作物から離れる方向に移動させ、負のすくい角は、切りくずを工作物の方へ向かわせる。

図４を参照すると、インサート（インサート全体は図示せず）の実施例の高硬度切削構造２０は、正のすくい角γ及びクリアランス角αによって規定された正の切削幾何形状の状態で工作物４０に対して使用されるように配置されている。逃げ面の弓形面部分２８は、バットレス面として見なしてもよく、すくい面２２に対して切刃２６より後方の工作物４０と接触することができ、工作物４０の本体に、切刃２６が食い込むよりもなおわずかに深く食い込むことができる。切削は、例えば、方向５０に工作物４０を回転又は旋回させることで、切削構造２０を工作物４０に突き当てることによって達成することができ、工作物４０を切削することで、切削作用によって切りくず６０が取り去られる。一実施例において、αは１度〜１２度であり、γは０度〜１２度であり、Ｒ１は１０ミリメートル以下であり、Ｒ２は１０ミリメートル未満であり、Ｒ３は０．１５ミリメートル未満であり、角ωは６６度〜９０度である。

図５を参照すると、工作機械（図示せず）用の高硬度インサート１０の実施例は、焼結炭化タングステンで形成された基材３０に接着されたＰＣＤ材の層の形で、高硬度構造２０を有する。ＰＣＤ構造２０は、すくい面２２と逃げ面２４との間の移行部に丸みを帯びた切刃２６を有して形成され、すくい面２２及び逃げ面２４の両方は、切刃２６に隣接したそれぞれの凸形状の弓形面部分を含む。切削構造２０は、正のすくい角γ及びクリアランス角αによって規定された正の切削幾何形状での使用に際した配置で示されている。

使用に際して、逃げ面の弓形面部分、すなわちバットレス面は、切刃の後で工作物に接触し、切刃が食い込むよりも若干深く工作物の本体に食い込むことができる。特定の理論に束縛されるものではないが、逃げ面の弓形面部分、すなわちバットレス面と隣接したインサートの内側領域は、使用に際して切刃に対する機械的支持を向上させることができ、したがって切刃を強化する役割を果たす。

切削構造の形状の変形形態を、工作物の各特徴、詳細には被削材、及び速度、切削深さ、送り量などの機械加工条件に応じて、使用及び改変することができる。例えば、逃げ面若しくはすくい面、又は逃げ面及びすくい面の両方が、２つ以上の弓形の部分を含んでもよく、又は連続して変動する曲率半径を有する表面部分を含んでもよい。高硬度構造の構造及び特性を改変することもできる。例えば、幾つかの実施例において、高硬度構造は、高温でのＰＣＤの特性を高めるためにダイヤモンド用の触媒が除去された領域を含むことができる熱安定性ＰＣＤで形成することができ、又はＣＶＤダイヤモンドで形成することができる。すくい面若しくはクリアランス面の少なくとも１つの部分、又はその両方が、切削構造の保護又は機械加工作業の向上のために被覆で覆われていてもよい。この被覆は、炭化物、窒化物、又はホウ化物などの、高硬度構造の材料よりも柔らかい材料を含むことができる。

「荒切削」は、大きい切込み深さ及び送り量を用いることにより、被削材が比較的高速で取り去られる、機械加工の積極的な形態であると理解されている。荒切削は「仕上げ削り」と区別され、仕上げ削りでは、高度の許容誤差で仕上げることが目標とされており、そのため切込み深さ及び送り量はより小さい。荒切削作業において、工具の切刃にかかる荷重は、仕上げ削り作業の際よりも遙かに大きく、そのため荒切削作業において、特にすくい角が正である場合は、切刃はより堅固であることが必要とされる。このことにより、硬質又は高硬度だが比較的砕けやすい材料は、チタン合金などの機械加工が困難な特定の被削材の荒切削用には一般的に不適切である。例えば、ＰＣＤ、ＰＣＢＮ、又はアドバンスト・セラミックスは、耐摩耗性が大きいにもかかわらず、機械加工が困難な材料の荒削りには通常使用されない。

本発明の各実施例は、インサートが、チタンを含有した工作物の荒切削又は溝切りにおいて長い実用寿命を有する高硬度材料で形成された切削構造を備えるという利点を有する。特定の理論に束縛されるものではないが、逃げ面の弓形面部分は、使用に際して切刃を支持するバットレスとして機能することができ、したがって切刃の欠損を遅延、防止又は減少させる。

本明細書において、粒子の円相当径（ＥＣＤ）とは、その粒子の横断面と同じ面積を有する円の直径である。複数の粒子のＥＣＤサイズ分布及び平均サイズは、本体の横断面又は表面の画像解析によって、個々の接着されていない粒子、又は本体内で互いに接着された粒子に対して計測することができる。

本発明の実施例を、本発明を限定することを意図するものではない実例を参照にして、以下により詳細に説明する。

「例１」
多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）成形体を、切削工具用インサートに形成した。ＰＣＤ成形体には、基体を支持するコバルト−焼結炭化タングステンに一体的に接着されたＰＣＤの層を含み、ＰＣＤは、連晶した（ｉｎｔｅｒ−ｇｒｏｗｎ）多量のダイヤモンド粒子、及びダイヤモンド粒子の間の間隙内で分散したコバルトを含む。ダイヤモンド粒子は、円相当径（ＥＣＤ）で見て約０．５〜２マイクロメートルの平均サイズを有し、ＰＣＤの任意の研磨面の表面積の少なくとも８５％を占めた。ＰＣＤの抗折力は約２，２０９ＭＰａであり、当技術分野でよく知られているように、Ｋ１Ｃとして計測されたＰＣＤの破壊靱性値は、約１３．４ＭＰａ．ｍ^１／２であった。ＰＣＤは、約１６６Ｗ．ｍ^−１．Ｋ^−１の熱伝導率を有した。ＰＣＤ切削インサートは、以下の幾何学的パラメータによって特徴付けられた。

Ｒ１＝１．５ｍｍ（すくい面の弓形面の曲率半径）
Ｒ２＝１．２ｍｍ（逃げ面の弓形面の曲率半径）
Ｒ３＝０．０２ｍｍ（丸みを帯びた切刃の曲率半径）
ω＝６６°（刃物角）

この切削工具を使用して、Ｇｉｌｄｅｍｅｉｓｔｅｒ（登録商標）ＣＴＸ４１０工作機械を使用してＴｉ−６ＡＩ−４Ｖで形成された工作物への溝切り作業を実施する試験を行った。切削速度は８０ｍ／ｍｉｎ、送り量は０．２〜０．３ｍｍ／ｒｅｖ、切込み深さは３ｍｍ、噴流圧力は１５０バールとした。切削工具に対する「実用寿命の終わり」の判定基準は、チッピング、欠損、若しくは塑性変形の兆候、又は０．６ｍｍの「最大摩耗幅（Ｖｂｍａｘ）」摩耗傷長さとした。比較のために、この種の用途に商業的に使用されている炭化物工具、並びに既知の設計のＰＣＤ切削工具も試験した。本実例のＰＣＤ切削工具の工具寿命は、炭化物工具の約９分間、及び既知のＰＣＤ工具の約３分間に比べて、４０分間を超えた。既知のＰＣＤ工具は、欠損によりすぐに機能しなくなった。

「例２」
実例１に記載の通りに、ＰＣＤ切削インサートを製造した。ただし、このＰＣＤ切削インサートは、以下の幾何学的パラメータによって特徴付けられた。

Ｒ１＝９ｍｍ（すくい面の弓形面の曲率半径）
Ｒ２＝５ｍｍ（逃げ面の弓形面の曲率半径）
Ｒ３＝０．０５ｍｍ（丸みを帯びた切刃の曲率半径）
ω＝６６°（刃物角）

Claims (10)

1. 機械工具用の高硬度インサートにおいて、
   すくい面と、
   逃げ面と、
   前記すくい面と前記逃げ面との間の移行部によって形成された丸みを帯びた切刃と
   を有する高硬度切削構造体を備え、前記逃げ面が、前記切刃から離れる方向に延在している凸形状の弓形面部分を含み、該弓形面部分が曲率半径を有する、高硬度インサート。
2. 前記高硬度切削構造体が多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）を含む請求項１に記載された高硬度インサート。
3. 前記逃げ面の前記弓形面部分の前記曲率半径が最小で０．１５ｍｍ、最大で１０ｍｍである請求項１又は請求項２に記載された高硬度インサート。
4. 前記丸みを帯びた切刃が、前記すくい面と前記逃げ面との間にわたり延在する最小で０．０１ｍｍ且つ０．１５ｍｍ未満の曲率半径を有する請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された高硬度インサート。
5. 前記すくい面が、前記切刃から離れる方向に延在し、最小で０．１５ｍｍ、最大で１０ｍｍの曲率半径を有する弓形面部分を含む請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された高硬度インサート。
6. 前記すくい面が、
   少なくとも１つのすくいランド面、及び
   少なくとも１つのクリアランス・ランド面を含むクリアランス面
   を含み、前記少なくとも１つのすくいランド面と前記少なくとも１つのクリアランス・ランド面とがつくる内角が鋭角である、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された高硬度インサート。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された高硬度インサートを備える工具。
8. チタン若しくは超合金を含む物体への溝の形成、突切り、荒削り、又は多方向旋削を行うための請求項７に記載された工具。
9. チタン若しくはその合金又は耐熱超合金を含む物体への溝の形成、又は荒削りを行うための方法において、前記物体から材料を取り去るために十分なエネルギーをもって、前記物体を、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された高硬度インサートを備える工具に係合させるステップを含む、方法。
10. 前記高硬度インサートを、工作物に対して正の切削幾何形状に配置するステップを含む、請求項９に記載された方法。

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