JP2014511776A - 鉄−鋳造材料の高性能穴あけのためのセラミックドリル - Google Patents

Abstract

本発明は、特に鉄−鋳造材料の穴あけのための、ワークピースの切削加工のための工具（１）であって、第１の材料から成る本体部（２）と、前記第１の材料よりも高い硬度を有する第２の材料から成る切削インサート（３）とを含み、該切削インサート（３）が前記本体部（２）に素材結合式に取り付けられている前記工具に関するものである。高い切削速度及び長い工具寿命を達成するために、本発明に基づき、前記切削インサート（３）がＶ字状の連結部（４）を備え、前記本体部（２）がこれに対応する範囲（５）を備えており、前記切削インサート（３）が、前記連結部（４）と共に前記本体部（２）の前記対応する範囲（５）に素材結合式に取り付けられるようになっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特に鉄−鋳造材料の穴あけのための、ワークピースの切削加工のための工具であって、第１の材料から成る本体部と、前記第１の材料よりも高い硬度を有する第２の材料から成る切削インサートとを含み、該切削インサートが前記本体部に素材結合式に取り付けられている前記工具に関するものである。

今日、セラミックのインサートは、ワークピースの研削式の仕上げあるいは加工において、例えば鋳造材料のドライ加工のようなわずかな範囲においてのみ使用されている。高い耐摩耗性を得るために、多くの場合、適当なスローアウェイチップのための切れ刃材料として窒化ケイ素を基礎とするセラミックが使用される。このようなセラミックにより、現在においては切削加工が経済的かつ好ましい費用便益比において可能であり、同時に幾何形状的に簡易な工具あるいはインサート及び特別な使用形態への制限が与えられている。

上述の特別な使用形態においては、セラミックのスローアウェイチップによるフライス切削時又は回転時に、より短い処理時間及び加工時間により、硬質金属から成るスローアウェイチップによるフライス切削又は回転に比して実際上の利点が得られる。ただし、このために使用すべきセラミックの切れ刃材料は、硬質金属よりも大幅に高価である。スローアウェイチップの切れ刃の適当な再研磨によって１つの切削エッジ当たりの切削コストを更に削減することができるものの、セラミックの切れ刃材料の高いコストは変わらず、このコストは、実際上の利点を部分的に相殺してしまうものである。

セラミックのスローアウェイチップのほかにも、近年は全体がセラミックのフライス工具及び穴あけ工具がより多く試用されている。ただし、これら工具は、その非常に高いコストと、特に工具破損による高い故障率とにより、適所への応用を除いて大量生産には全く至っていない。その理由は、セラミックの切れ刃材料の高い脆性、及び高性能穴あけに不適な、過剰に高い切削力を招く穴あけ工具の先端幾何形状である。

特許文献１から、硬質金属から成るシャフトと、窒化ケイ素から成るセラミック製の切削インサートとを備えた穴あけ工具が公知となっている。この切削インサートは硬質金属から成る本体部のスリット部の範囲において素材結合式に本体部に接合されており、素材結合式の結合のために、はんだ付け又は接着が考慮の対象となっている。また、シャフト状の本体部の一端への、多くの場合円筒状の切削インサートの丸められた素材結合式の結合にも言及されている。このような工具においては、シャフトが強靭で高い剛性を備えている一方、取り付けられた切削インサートが高い耐摩耗性を有することができるという利点がある。ただし、このような工具は高い切削速度についても、また長い工具寿命についても十分な特質を有していないため、このような工具は、実際上は定着していない。

独国特許出願公開第１０１１４８８２号明細書

本発明の課題は、ワークピースの切削加工時に高い切削速度を達成でき、このとき同時に長い工具寿命をもたらす特にドリルである冒頭に記載した様式の工具を提供することである。

上記課題は、本発明に基づき、切削インサートがＶ字状の連結部を備え、本体部がこれに対応する範囲を備えており、前記切削インサートが、前記連結部と共に前記本体部の前記対応する範囲に素材結合式に取り付けられている場合に達成される。

本発明の範囲においては、広範囲にわたるシミュレーション及び実験において、硬質金属から成る本体部と、セラミックから成る切削インサートとで構成された複合工具の製造の際に結合部が本質的に重要であることが分かった。突出したピンを備えた本体部と、このピンを包囲するための対応する凹部を備えたセラミックの切削インサートとがはんだ付けによって形成された第１のシミュレーション及び試験は、ブランクの加工時においてすでにこのブランクの特に亀裂、また部分的に破損した大きな損傷が結果として生じた。これに続くシミュレーションでは、これには、セラミック、はんだ及び硬質金属の種々の熱膨張係数に起因する個々の高い引張応力が関連していることが示された。丸められたはんだ付けはたしかに個々の引張応力に関してその低減の意味において改善をもたらしたものの、まだ完全に満足のいく結果が得られなかった。本発明による切削インサートの一端へＶ字状の連結部を設けること、これに対応する範囲を有する本体部の形成、及び連結部と共に本体部の対応する範囲への切削インサートのはんだ付け又は素材結合式の結合の他の様式の結合により、十分な特質の（切削）工具あるいは単に高い切削速度を可能にするだけでなく使用時に長い工具寿命をももたらす工具が得られる。適当なＶ字状の形成によって境界面あるいは連結面の最大化が可能であり、このことは、本体部における切削インサートの良好な保持に好都合なものである。さらに、使用の際に作用するねじり力も効果的に抑制することが可能である。

素材結合式の結合のそれぞれ任意の様式が可能であるものの、穴あけプロセス中の工具への熱的作用に基づき、切削インサートが本体部にはんだ付けされているのが好ましい。

Ｖ字状の連結部は、１２０〜１６０°、好ましくは１３０〜１５０°の開放角度をもって形成されている。このとき、Ｖ字状の連結部は、有利には切削インサートにおいて突出状に形成されている。そして、本体部のための適当な溝あるいは対応する範囲のための凹部が形成される。しかし、逆の状況であってもよく、この場合、溝が切削インサートにおいてネガティブなＶ字状の連結部として形成され、本体部が対応する突出状の範囲を備えている。選択されたバリエーションにかかわらず、両方の場合において、工具の保持性の観点から、セラミック−はんだ−硬質金属という材料の順番による高い引張応力のための出発点であり得、かつ、同時に結合面を最大化するエッジ部が結合範囲に存在しないことが重要である。その他の点では、切削インサートにおけるＶ字状の連結部及び本体部における対応する範囲が、簡易に研削によって製作される。

上述の構成に合わせて、本体部は、完全な硬質金属で構成されている。このとき、切削インサートは、セラミック又はセラミック−ウィスカー−複合材料で構成されることが可能である。

本体部は、好ましくは切削インサートまで延在しているか、あるいはこれとは逆になっている。これにより、本体部が切削インサートを包囲したり、切削インサートが本体部を包囲することがなく、そのため、結合面の範囲にエッジ部が存在することがない。そうでなければ、上述の引張応力及びこれに伴う材料破損につながってしまう。

本発明の一般的なコンセプトは、切削加工のための任意の工具に転用できるが、ドリルとしての工具、特にツイストドリルとして形成されている場合に使用されるのが好ましい。本発明に基づき形成されたドリルは基本的に複数の主切れ刃を備えており、ドリルの端部側で延在する２つの主切れ刃が設けられているのが好ましい。この関係において、端部側には、ドリルの呼び径の１〜５％、特に２〜３％の長さを有するチゼルエッジが形成されている。上記主切れ刃は、チゼルエッジに接続している。上述の長さを有するチゼルエッジのこのような形成により、一方では切削開始時における良好な心合わせ特性につながり、他方ではドリルのわずかな軸方向の切削圧力が保障される。基本的に、ワークピースの穴あけに対してより小さい値はより好都合であるが、ただし、このことは、セラミックの切れ刃材料の高い硬性及びこれに関連する脆性に基づきドリル中心部における脱落につながってしまい、このドリル中心部では、穴あけ時に一般に極端に低い切削速度が生じる。主切れ刃は、チゼルエッジからドリルの外径まで延在している。このとき、主切れ刃からチゼルエッジへの移行部に径が設定されているのが好ましい。主切れ刃のこのような径状の形成により、更に、特に鉄−鋳造材料の加工時に発生する大きな研削による摩耗、より少ない作用点及びこれに伴うよりわずかな作用する力並びにこの結果によるより長い工具寿命が達成されるということが生じる。

主切れ刃が好ましくは少なくともその直線状の範囲に沿って丸められている場合には好都合である。主切れ刃が初期にチゼルエッジからドリルの外側まで所定の丸みを有していれば、セラミックの切れ刃材料の高い硬さ及びこれに関連した脆性にかかわらず、使用中におけるセラミックの切れ刃材料のチッピング及びその更なる結果におけるドリルの完全な破断を基本的に回避することが可能である。適当な丸み付けは、合目的には、主切れ刃に沿った最適な切れ刃の丸み付けを可能にするドラグバリ取り手法によって行われる。このとき、丸み付けの範囲は、プロセスの継続時間によって制御されることができ、そのため、非常に良好に再現可能であり、このことは、ドリルの製造時に高いプロセス安全性のために必要不可欠なものである。エッジ部の丸み付けの径を、例えばドリルの外径の０．５〜２％、好ましくは０．８〜１．２％の範囲とすることが考えられる。

さらに、好ましくは２つである複数のチップ溝を設けることができ、該チップ溝の間隔が、ドリルの端部に対する平面図で見て、ドリルの外径の少なくとも２０％、好ましくは２５〜３５％となっている。チップ溝の適当な加工によって、コア直径が増大され、その結果、高い回転数においてもドリルの十分な剛性が得られる。その他の点においては、この手段によってドリルのシャフトから高い軸方向の切削力をより良好に取り出すことができる。

さらに、本発明によるドリルにおいては、好ましくは４つである複数のガイド面取り部が設けられており、該ガイド面取り部は、ドリルの外側あるいは外表面に沿って延在している。チップ溝に沿った通常の２つのガイド面取り部に比して、４つの面取り部によれば、穿孔におけるドリルのより良好なガイドが可能であるとともに、そのために穴あけプロセスにおける工具のより高い安定性につながる。より良好な支持によるドリルのより安定した回転により、より良好な円形精度及び本質的により良好な孔表面が得られるとともに、その他の点では、セラミック切れ刃において特に危険な振動がよりわずかとなる。このとき、摩擦力を低減させるとともに、ドリルの外径における初期の研削による摩耗を生じさせる穿孔におけるドリルの噛込みを回避するために、ガイド面取り部が主切れ刃から見て軸方向に先細状に延在するよう形成されるよう特に設定されることができる。この関係において、ドリルが、本体部の範囲において、主切れ刃あるいは切削インサートの範囲よりも小さな径を有しているよう設定されることも可能であり、このとき、より小さな径への移行部がガイド面取り部の範囲に位置している。この場合、セラミックの切削ヘッドのみが孔における工具あるいはドリルのガイドを担うことになる。そして、ドリルの噛込みが少なくとも大幅に防止される。

本発明の他の特徴、利点及び効果は、以下に説明する実施例から明らかである。この際参照される図面には、以下の事項が示されている。

本発明による工具のブランクを示す図である。 ドリルの形態の本発明による工具の側面図である。 図２に基づくドリルの平面図である。 図３におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 主切れ刃から二次切れ刃への移行部における範囲の拡大図である。

図１には、非常に簡略化された図示において、本発明による工具１のブランクが示されている。工具１のこのブランクは、部分的にのみ示された本体部２と、この本体部２に配置された切削インサート３とを含んでいる。通常、部分的にのみ示された本体部２は、高い靭性及び高い剛性を備えた硬質金属で構成されている。これに対して、切削インサート３は、場合によっては例えばウィスカーである粒子及び／又は繊維質で強化され得る例えば窒化ケイ素又は他の高い耐摩擦性を有するセラミックである、セラミックで形成されている。切削インサート３は、研削によって、一端において突出したＶ字状の連結部４を有して形成されており、この連結部は、１２０〜１６０°の開放角度αを有することができる。Ｖ字状の連結部４の一端は、平坦にあるいは丸めて構成されている。対応範囲５は、本体部２において同様に研削によって形成されているが、接合時にＶ字状の連結部４の丸められた端部と当該中央のエッジ部の間に間隔が生じるよう中央のエッジ部を備えている。つづいて、切削インサート３がはんだ付けによって本体部２に結合され、このとき、市販の活性はんだが使用される。基本的に、例えば本実施例における１４０°のように、開放角度αが１３０〜１５０°であれば好都合である。切削インサート３の本体部２への接合後、図２において側面図で示すドリルが工具１のブランクから製造される。本体部２及びこれに結合された保持部２ａは、中実の硬質金属で構成されている。切削インサート３は、突出したＶ字状の連結部４に沿って、はんだによって素材結合式に本体部２に結合されている。切削インサート３の端部領域には２つの主切れ刃７が配置されており、これら主切れ刃は、図２から分かるように、外径あるいはドリルの呼び径Ｄから中央部へあるいは実質的に円筒状に形成されたドリルの長手軸に沿って配置された工具軸Ｘへ延在している。主切れ刃７は、ドリルの外縁部からまずは実質的に直線状に延び、つづいて、任意の径をもって中央部に配置されたチゼルエッジ６へと移行している。このチゼルエッジ６は、直線状に形成されているとともに、好ましくはドリルの呼び径Ｄの約２．５％の長さを有している。これにより、ドリルのわずかな軸方向の切削圧においても、切削開始時における良好な心合わせ特性が同時に保障される。チゼルエッジ６あるいは設定された径への主切れ刃７の湾曲された移行部により、また、場合によっては異なる径を有する互いに接続された複数の湾曲された領域により、ドリルの使用における研削による摩耗を低減することが可能である。主切れ刃７は、切削エッジの欠損を回避するために、少なくとも直線状の部分の範囲において丸められることができる。また、主切れ刃７は、図２から明らかなとおり、１４０°の先端角βで配置されている。もっとも、先端角βは、１３０〜１５０°の他の角度であってもよい。各主切れ刃７には、２つの逃げ面１１，１２が接続されている。第１の逃げ面１１は、共通の結合エッジ部がドリルの中心を通って延在するよう第２の逃げ面１２に接続されている。第１の逃げ面１１は約８〜１３°の下降した角度を備えており、第２の逃げ面１２は例えば１７〜２５°のより大きく下降した角度を備えている。具体的な実施例においては、図４に示すように、第１の逃げ面１１に対して適当な角度が９°となっており、第２の逃げ面１２に対する角度が２０°となっている。

主切れ刃７の外径あるいは外端部には、当該主切れ刃７へ複数の二次切れ刃１３が接続している。主切れ刃７から二次切れ刃１３への移行部には、その使用時に最大の切削速度及びこれに伴い最大の熱的負荷が生じる。対応するコーナ部を早期の摩耗及びチッピングから保護するために、工具軸Ｘに対して例えば３０〜４０°の角度を有する保護面取り部１４が設けられている。この保護面取り部１４への接続部では、面取りされた二次切れ刃１３が延在している。この二次切れ刃１３はそれぞれ対で１つの凹部９を画成する４つのガイド面取り部８と同様にらせん状の延長部を備えており、ねじれ角は約５°となっている。二次切れ刃１３によって規定される面１５は、最終的に複数のチップ溝１０へ移行している。０°とは異なる約５°のねじれ角は、同時に、主切れ刃７における、同様の角度を有する軸方向のすくい角へと延びている。これにより、ドリルへの切削力及びねじりモーメントが大幅に低減され得る。その他の点では、小さいものの０°とは異なるねじれ角により、発生する不連続形切りくずがより良好に穿孔から搬送され得ることとなる。

図３から分かるように、複数のチップ溝１０は、その断面において互いに間隔Ａをもって互いに離間している。この間隔Ａはドリルの呼び径Ｄの約３０％であり、これにより、適当に強度の高い中心部あるいは高い剛性がボルトに付与される。

特に図５から分かるように、切削インサート３がわずかな逃げ部１６と共に形成されているか、あるいは切削インサートの外径があらかじめ定めた箇所において急激に先細になっている。径の適当な削減により、使用時におけるドリルの良好な移動性が達成される。同時に、切削インサート３のみがドリルのガイドを担うことになる。

本発明による工具１あるいはドリルによれば、６００ｍ／分の切削速度ｖ_ｃでの鋳造ワークピースの加工における使用で、商用利用に対してより十分な長い寿命あるいは工具寿命が達成された。

１ 工具
２ 本体部
２ａ 保持部
３ 切削インサート
４ 連結部
５ 対応範囲
６ チゼルエッジ
７ 主切れ刃
８ ガイド面取り部
９ 凹部
１０ チップ溝
１１ 第１の逃げ面
１２ 第２の逃げ面
１３ 二次切れ刃
１４ 保護面取り部
１５ 面
１６ 逃げ部
α 開放角度
β 先端角
Ａ 間隔
Ｄ 外径あるいはドリルの呼び径
Ｘ 工具軸

Claims (20)

1. 特に鉄−鋳造材料の穴あけのための、ワークピースの切削加工のための工具であって、第１の材料から成る本体部と、前記第１の材料よりも高い硬度を有する第２の材料から成る切削インサートとを含み、該切削インサートが前記本体部に素材結合式に取り付けられている、前記工具において、
   前記切削インサートがＶ字状の連結部を備え、前記本体部がこれに対応する範囲を備えており、前記切削インサートが、前記連結部と共に前記本体部の前記対応する範囲に素材結合式に取り付けられていることを特徴とする工具。
2. 前記切削インサートが前記本体部にはんだ付けされていることを特徴とする請求項１記載の工具。
3. 前記Ｖ字状の連結部が１２０〜１６０°、好ましくは１３０〜１５０°の開放角度（α）をもって形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の工具。
4. 前記Ｖ字状の連結部が前記切削インサートに突出状に形成されていることを特徴とする請求項３記載の工具。
5. 前記切削インサートにおける前記Ｖ字状の連結部及び／又は前記本体部における前記対応する範囲が研削されていることを特徴とする請求項３又は４記載の工具。
6. 前記本体部が硬質金属で構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の工具。
7. 前記切削インサートがセラミック又はセラミック−ウィスカー−複合材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の工具。
8. 前記本体部が前記切削インサートまでのみ延在していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の工具。
9. 当該工具が特にツイストドリルであるドリルとして形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の工具。
10. 前記ドリルが２つの主切れ刃を備えていることを特徴とする請求項９記載の工具。
11. ドリルの呼び径（Ｄ）の１〜５％、特に２〜３％の長さを有する端部側のチゼルエッジが設けられていることを特徴とする請求項９又は１０記載の工具。
12. 前記ドリルが２つの主切れ刃を備え、
    前記ドリルの呼び径（Ｄ）の１〜５％、特に２〜３％の長さを有する端部側のチゼルエッジが設けられており、
    前記主切れ刃が前記チゼルエッジに接続していることを特徴とする請求項９記載の工具。
13. 前記主切れ刃が前記チゼルエッジから前記ドリルの外径まで延在していることを特徴とする請求項１２記載の工具。
14. 前記主切れ刃から前記チゼルエッジへの移行部に径が設定されていることを特徴とする請求項１２又は１３記載の工具。
15. 前記主切れ刃が、好ましくは少なくともその直線状の範囲に沿って丸められていることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の工具。
16. 好ましくは２つである複数のチップ溝が設けられており、該チップ溝の間隔が、前記ドリルの端部に対する平面図で見て、前記ドリルの外径の少なくとも２０％、好ましくは２５〜３５％であることを特徴とする請求項９〜１５のいずれか１項に記載の工具。
17. 好ましくは４つである複数のガイド面取り部が設けられており、該ガイド面取り部は、前記ドリルの外表面に沿って延在していることを特徴とする請求項９〜１６のいずれか１項に記載の工具。
18. 好ましくは４つである複数のガイド面取り部が設けられており、該ガイド面取り部は、前記ドリルの外表面に沿って延在しており、
    前記ガイド面取り部が前記主切れ刃から見て軸方向に先細状に延在するよう形成されていることを特徴とする請求項１０と１２〜１６のいずれか一項に記載の工具。
19. 前記ドリルが、前記本体部の範囲において、前記主切れ刃あるいは前記切削インサートの範囲よりも小さな直径を有していることを特徴とする請求項１０と１２〜１６、１８のいずれか１項に記載の工具。
20. 前記ドリルが、前記本体部の範囲において、前記主切れ刃あるいは前記切削インサートの範囲よりも小さな直径を有しており、
    より小さな直径への移行部が前記ガイド面取り部の範囲に位置していることを特徴とする請求項１８に記載の工具。

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