JP2015027718A - チップブレーカ付き切削インサートと焼入れ鋼の旋削加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ｃＢＮ切削インサートに比べて安価であり、なおかつ、切込みが０．５ｍｍを超える条件でも焼入れ鋼の安定した加工が行なえる切削インサートを提供することを課題としている。【解決手段】ＨＲＡ９２以上の硬さを有する母材（基体）の表面に硬質被膜を設けた菱形、又は、三角形の切削インサートであって、鋭角コーナ部に設けられる切れ刃が強化処理の施されていないシャープエッジで構成され、すくい面が１?以上、２０?未満のすくい角を有し、さらに、すくい面から中央のランド部に向かって緩やかに切れ上がるチップブレーカを備えるものにした。【選択図】図１

Description

この発明は、ｃＢＮ（立方晶型窒化硼素）よりも安価な工具材料を使用して焼入れ鋼の効率的な旋削加工を可能にしたチップブレーカ付き切削インサートと、それを用いる焼入れ鋼の旋削加工方法に関する。

焼入れ鋼の切削加工には、ｃＢＮ工具が多用されている。焼入れ鋼の表面硬さはＨＲＣ５０〜６６程度である。

そのような高硬度被削材の旋削加工は、高速度鋼や超硬合金製の切削インサートでは実用に耐えられないと考えられている。そのために、焼入れ鋼の加工には、専ら、ダイヤモンドに次ぐ硬さを有し、熱的、化学的安定性にも優れたｃＢＮを刃先部に用いた切削工具（ｃＢＮ切削インサート）が利用されている。

なお、切削インサートにチップブレーカを設けることは一般的になされている。そのチップブレーカは、切屑を衝突させることで強制的にカールさせて処理するのが一般的である。

特開平８−１１８１１３号公報

焼入れ処理がなされる製品として、例えば、パンチやダイなどの金型部品が知られている。そのような製品は、単品での受注が多くを占める。その単品受注の製品の焼入れ後の切削加工にｃＢＮ切削インサートを使用するのは経済的でない。

ｃＢＮ切削インサートは高速加工が可能であるので量産品の加工には適しているが、高価なため単品の加工に用いるとコストが上昇する。

金型部品などについては、短納期対応、低コスト対応のために、切削加工後の研削による仕上げ工程を省略可能とすることが望まれている。

また、焼き入れされた金型部品などについては、焼入れで生じる歪の除去などを目的とした旋削加工が行われており、その加工では被削材（ワーク）の表層から２ｍｍぐらいの深さまでを削ることが要求されることがある。

ｃＢＮ切削インサートを用いずに上記の要求に応えることができればよいが、要求に応え得る代替案が無く、高価なｃＢＮ切削インサートの使用を余儀なくされているのが実情である。

この発明は、ｃＢＮ切削インサートに比べて安価であり、なおかつ、切込みが０．５ｍｍを超える条件でも焼入れ鋼の安定した加工が行なえる切削インサートとそれを用いた焼入れ鋼の旋削加工方法を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、ＨＲＡ９２以上の硬さを有する母材（基体）の表面に硬質被膜を設けた菱形、又は、三角形の切削インサートを提供する。

その切削インサートは、鋭角コーナ部に設けられる切れ刃が強化処理の施されていないシャープエッジで構成され、すくい面が１°以上、２０°未満のすくい角を有し、さらに、すくい面から中央のランド部に向かって緩やかに切れ上がるチップブレーカを備えたものである。

この発明は、この発明のチップブレーカ付き切削インサートを備えた切削工具を使用して焼入れ鋼を加工する焼き入れ鋼の旋削加工方法も併せて提供する。

この発明のチップブレーカ付き切削インサートは、ｃＢＮ切削インサートに比べて安価であり、また、切込みが０．５ｍｍを超える条件でも焼入れ鋼の安定した加工が行なえる。

この発明のチップブレーカ付き切削インサートの一例を示す平面図である。 すくい角４°の切削インサートの図１のII−II線に沿った断面図である。 すくい角１０°の切削インサートの図１のII−II線に沿った断面図である。 図２の要部の拡大断面図である。 図２Ａの要部の拡大断面図である。 すくい角４°の切削インサートの図１のIII−III線に沿った位置の拡大断面図である。 すくい角１０°の切削インサートの図１のIII−III線に沿った位置の拡大断面図である。 母材表面の硬質被膜を示す拡大断面図である。 この発明のチップブレーカ付き切削インサートの他の例を示す平面図である。

以下、添付図面の図１〜図６に基づいて、この発明のチップブレーカ付き切削インサートの実施の形態を説明する。

この発明を適用した三角形のチップブレーカ付き切削インサートの一例を図１〜図４に示す。この切削インサート１は、図５に示すように、ＨＲＡ９２以上の硬さを有する母材２（基体）の表面に硬質被膜３を設けたものである。

図２〜図４は、すくい角が４°の切削インサートの断面である。また、図２Ａ〜図４Ａは、すくい角が１０°の切削インサートの断面であり、図１に示した平面の形状は、すくい角４°、１０°の切削インサートとも同じになっている。

このチップブレーカ付き切削インサート１の鋭角コーナ部に設けられる切れ刃４は、強化処理の施されていないシャープエッジで構成された切れ刃になっている。

また、すくい面５は正のすくい角θ（図３，図３Ａ参照）を有する面として構成されており、そのすくい面５の終端側には、すくい面５から中央のランド部６に向かって滑らかに彎曲して切れ上がるチップブレーカ７が設けられている。

例示のチップブレーカ付き切削インサート１は、母材２として高硬度で高温での安定性にも優れるＪＩＳ規格のＫ０１に相当する超硬合金を用いている。

ＪＩＳ規格Ｋ０１の超硬合金には複炭化物が含まれていることが好ましい。その複炭化物は、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ，Ｗなどの２種以上の元素が化合してできる金属間化合物である。

硬質被膜３は、耐酸化温度が９００°Ｃ以上の硬質被膜であり、例えば、ＴｉＡｌＮとＡｌＣｒＮの薄膜を１０ｎｍ以下の積層周期で交互に積層した超多層膜構造の膜である。

その硬質被膜３を施す前に、母材２の表面を研磨加工してチャンファ加工やホーニングなどの強化処理がなされていないシャープな切れ刃４を形成し、さらに、すくい面５を形成し、その後に、硬質被膜３のＰＶＤ法による被覆処理を行っている。

すくい面５のすくい角θは、１°以上、２０°未満,より好ましは４°〜１０°に設定される。そのすくい角により、切れ刃４は突端（コーナ角の２等分点）から離れるに従って下り傾斜をなす刃になっている。

チップブレーカ７は、勝手違いの無いブレーカ、即ち、終端がコーナ角の２等分線ＣＬに対して直交し、コーナを先にした左右の切れ刃４のどちらを横切れ刃とする加工にも対応できるものにしている。

また、例示の切削インサートにおいては、コーナ角の２等分線ＣＬ（図１参照）に沿った位置におけるブレーカ幅ｗ（図１参照）を約５．０ｍｍに設定し、さらに、そのチップブレーカ７のすくい面５からの切れ上り面を、曲率半径ｒ（図３参照）が２．５ｍｍの曲面で構成している。なお、ここで言う約５．０ｍｍとは、例えば、４．０ｍｍ以上、６．０ｍｍ以下の数値である。
前記特許文献１も述べているように、ブレーカ幅を大きくすることは切屑処理範囲を狭くすると考えられて敬遠されているが、この発明ではそのブレーカ幅ｗをあえて大きくしている。

以上のように構成した例示のチップブレーカ付き切削インサート１は、切れ刃４をシャープ切れ刃にしたことにより、切削抵抗が低減され、加工中の発熱が抑えられる。

このチップブレーカ付き切削インサート１は、焼入れ鋼を加工するために母材にＨＲＡ９２以上の硬さを有する材料を使用している。このような硬度の高い材料は、脆くて欠けやすいため、一般的には、ホーニング処理やネガランド処理が施されており、シャープな切れ刃を付すことはなされない。

その一般的な考え方に逆らって切れ刃４をシャープ切れ刃にしたのは、ユーザの要望に応えるために試作と試験を繰り返した結果、切り込みを大きく設定した加工では、切れ刃をシャープ切れ刃にした方が寿命や加工面の面粗さに関してむしろ好結果が得られることを見出したからである。

このチップブレーカ付き切削インサート１は、すくい角θを２０°未満、好ましくは４°〜１０°と小さくしており、これにより、刃先強度の低下が抑えられ、従来不可能と考えられていた、切込みａｐ＝０．５ｍｍ以上の条件での切削が可能になっている。

切込みａｐ＝０．５ｍｍ以上の条件は、ｃＢＮ切削インサートを用いた加工でも用いられていない。ｃＢＮ切削インサートは負荷の大きな加工には適していないため、そのｃＢＮ切削インサートを使用して被削材の表層の０．５ｍｍを超える深さ領域を削る場合、０．５ｍｍ以下の切り込みによる切削を数回繰り返す方法が採られている。

この発明のチップブレーカ付き切削インサートは、切り込み量ａｐ＝３．０ｍｍの条件での切削も可能であり、ｃＢＮ切削インサートでは加工を数回繰り返すことになる深さ領域を１度の作業で一気に加工することができる。

例示のチップブレーカ付き切削インサート１は、ブレーカ幅ｗを上記の値に設定したことで、切り込み量ａｐ＝３．０ｍｍの条件で切削を行なったときにも生成される切屑がブレーカ壁にきつく衝突せずに良好に処理されるブレーカ機能が発揮されるものになっている。

チップブレーカ７のすくい面５からの切れ上り面を曲率半径ｒが大きくて緩やかに彎曲した面で構成したことも切屑の処理性を高めるのに役立っている。

焼入れ鋼の加工では硬度の高い切屑が生成される。その硬度の高い切屑に曲率半径の大きな曲面で適度な曲げ癖をつけることで切屑がスムーズに詰ることなく流れる。これにより加工挽き目が安定し、加工面の面粗さに対する悪影響も及び難い。

ブレーカ幅ｗは、上記数値から上下にそれぞれ１．０ｍｍ程度振れても大差のない機能が得られる。そのために、ブレーカ幅については「約５．０ｍｍ」の表現を用いた。

このほか、チップブレーカ７を、右勝手、左勝手のないブレーカにしたことで、右勝手、左勝手の両ホルダに装着した使用が可能になり、また、外径加工用ホルダ、内径ボーリング加工用ホルダと組み合わせての使用も可能になる。

これに加え、同一工具で被削材の端面を加工した後に連続して外径面を加工することも可能になる。

なお、図１〜図３のチップブレーカ付き切削インサート１は、正三角形を基本形とするものであるが、この発明は、図５に示すような菱形のチップブレーカ付き切削インサート１にも適用できる。

その菱形の切削インサートは、鋭角部のコーナ角が３５°、５５°、６０°、８０°のものなどがある。図５はそのうちのひとつを例示した。

また、例示したチップブレーカ付き切削インサート１は、いずれも上面と下面のコーナに切れ刃を設けているが、切れ刃は片面側にのみ設けられていてもよい。

この発明のチップブレーカ付き切削インサートを用いて行なう切り込み０．５ｍｍ以上の条件での焼入れ鋼の切削は、工具の送りを０．１０ｍｍ／ｒｅｖ以下に設定して行なうと加工面の面粗さや寿命に優れることが実験結果から見出された。

−実施例１−
下記のチップブレーカ付き切削インサート（ＪＩＳ規格型番：ＴＮＧＧ１６０４０４）を試作した。
・工具材質：Ｋ０１規格の超硬合金の母材上にＴｉＡｌＮとＡｌＣｒＮの薄膜を交互に積層した超多層膜構造の被覆をＰＶＤコーティングして設けたものである。

・仕様 図１の内接円直径ｄ＝φ９．５２５ｍｍ、図３のすくい角θ：４°、チップブレーカ：勝手無し、図３のブレーカ幅ｗ：４．６ｍｍ、図３に示したチップブレーカ７の切り上がり面の曲率半径ｒ：２．５ｍｍ
・切れ刃 ：シャープな切れ刃
なお、切れ刃４は、図３に示すように、刃先がランド部６の高さ位置から落ち込んだいわゆる芯下がりの刃になっている。その切れ刃の芯下がり量ｈは、すくい面５を研磨加工することによって生じたものであって、０．０５ｍｍ〜０．１０ｍｍ程度である。この芯下がり量ｈは、可能な範囲でできるだけ小さくするのがよい。

この試作品をバイトホルダに装着し、下記の被削材Ｉ）、II）を以下の条件で加工した。
被削材Ｉ）：ＳＫＨ５１（硬度：ＨＲＣ６６）
被削材II）：ＳＫＤ１１（硬度：ＨＲＣ６２〜６３）
・切削条件 切削速度 Ｖ＝２０ｍ
送り ｆ＝０．０５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み ａｐ＝１．０〜３．０ｍｍ
加工形態：乾式切削

この評価試験の結果、被削材Ｉ（ＳＫＨ５１）の切り込みａｐ＝１．０ｍｍでの加工は、３４分間の連続加工が可能であった。また、加工された面の面粗さは０．５４Ｒａで仕上げ工程を省けるものであった。

また、被削材II）：ＳＫＤ１１の切り込みａｐ＝３．０ｍｍでの加工は、４４分間の連続加工が可能であった。

−実施例２−
工具材質：Ｋ１０の表１に示したＪＩＳ規格型番の切削インサートを試作した。
試作品のすくい角θは、４°、１０°及び０°（これはチップブレーカ無し）とした。
すくい角θが１０°の切削インサートの図１の内接円直径ｄや、図３Ａに示したブレーカ幅ｗ、チップブレーカの切り上がり面の曲率半径ｒ、刃先の芯下がり量ｈは、すくい角４°の記述の切削インサートと同じである。

図示の切削インサートのその他の諸元は以下の通りとなっている。即ち、図４、図４Ａに示した図１のIII−III断面におけるチップブレーカの切れ上がり面の曲率半径ｒ１は、すくい角４°、１０°の切削インサートの両者ともｒ１＝９ｍｍである。

また、すくい角４°の切削インサートは、ランド部６からの切れ刃４の落ち込み量ｈ１が０．２ｍｍ、すくい面５の傾斜角θ１＝２°であり、すくい角１０°の切削インサートは、ランド部６からの切れ刃４の落ち込み量ｈ１が０．４５ｍｍ、すくい面５の傾斜角θ１＝５°となっている。

以上の諸元の試作品にてＳＫＨ５１（硬度：ＨＲＣ６６）、ＳＫＤ１１（硬度：ＨＲＣ６２〜６３）、ＳＫＤ６１（硬度：ＨＲＣ４８）を下記の条件で加工した。

・切削条件 切削速度 Ｖ＝２０ｍ
送り ｆ＝０．０５ｍｍ／ｒｅｖ及び０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込みａｐ＝１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍ
加工形態：乾式切削

そして、各試作品について加工面の面粗さと寿命までの時間を調べた。その結果を表１に併せて示す。その表１の試料No.１と試料No.９は、実施例１の試験で得られたデータである。

加工面の面粗さについては、金型部品などについては、０．８Ｒａを実現できれば仕上げが不要な１パス加工が可能である。

その面粗さ０．８Ｒａは、試料No.４でも満たされているが、この試料No.４では加工中の切削音（キーキー音）が大きく、加工した面の白化も見られた。加工中の発熱が大きいことが原因と考えられる。そのために、他の試料に比べると寿命（総加工時間）も短い。

なお、すくい角を２０°にした切削インサートと、そのすくい角を２３°にした切削インサート（すくい角以外の仕様は表１の試料No.１と同じ）も試作して、Ｖ＝２０ｍ、ｆ＝０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、ａｐ＝１．０ｍｍの条件でＳＫＤ１１材を切削した。

ところが、これ等の切削インサートでは、切れ刃の欠損が早期に発生して目的とする加工が行なえなかった。

この発明の旋削加工方法は、この発明のチップブレーカ付き切削インサートを備えた切削工具を使用して焼入れ鋼の加工を切り込み深さを０．５ｍｍ以上にして行なう。

この方法は、ｃＢＮ切削インサートほどの高速加工は期待できないが、切り込み量ａｐ＝３．０ｍｍの条件での切削も可能なため、被削材の取り代が例えば３ｍｍ以下であれば小さな切込みでの加工を繰り返さずに１度の作業で削除すべき領域を一気に加工することができる。そのために、ｃＢＮ切削インサートによる焼入れ鋼切削の代替案を欲しているユーザに対して多大な恩恵をもたらす。

１ チップブレーカ付き切削インサート
２ 母材
３ 硬質被膜
４ 切れ刃
５ すくい面
６ ランド部
７ チップブレーカ
ＣＬ コーナ角の２等分線
θ すくい角
ｗ ブレーカ幅
ｒ チップブレーカの切れ上り面の曲率半径
ｒ１ 図１のIII−III線に沿った断面におけるチップブレーカの切れ上り面の曲率半径
ｈ 切れ刃の芯下がり量
ｈ１ 図１のIII−III線に沿った断面における切れ刃のランド部からの落ち込み量

Claims (7)

1. ＨＲＡ９２以上の硬さを有する母材の表面に硬質被膜を設けた菱形、又は、三角形の切削インサートであって、鋭角コーナ部に設けられる切れ刃が強化処理の施されていないシャープエッジで構成され、すくい面が１°以上、２０°未満のすくい角を有し、さらに、すくい面から中央のランド部に向かって滑らかに彎曲して切れ上がるチップブレーカを備えたチップブレーカ付き切削インサート。
2. すくい面のすくい角が４°〜１０°に設定された請求項１に記載のチップブレーカ付き切削インサート。
3. 前記チップブレーカのコーナ角の２等分線に沿った位置におけるブレーカ幅を約５．０ｍｍに設定した請求項１又は請求項２に記載のチップブレーカ付き切削インサート。
4. 前記チップブレーカを、勝手違いの無いブレーカにした請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のチップブレーカ付き切削インサート。
5. 前記母材が複炭化物を含む超硬合金であり、その母材の前記被膜に覆われた面が研磨加工されている請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のチップブレーカ付き切削インサート。
6. 焼入れ鋼の加工を、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載されたチップブレーカ付き切削インサートを用いて行なう焼入れ鋼の旋削加工方法。
7. 切削工具の送りを０．１０ｍｍ／ｒｅｖ以下に設定して加工を行なう請求項６に記載の焼入れ鋼の旋削加工方法。

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