JP2019508262A - 工具及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】工具及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の工具及びその製造方法は、柄部及び切削部を備え、切削部はベース部及びブレード部を含み、ブレード部はベース部に固定される。ブレード部は２つの湾曲部または弧形曲部を少なくとも備え、ブレード部の正投影面は第一縁端及び第二縁端を含み、第一縁端と第二縁端との間の各箇所の距離は０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲である。本発明に係る工具は、刃口線に沿って形成される各断面の断面積に急激な変化が発生するのを回避させ、硬質材料ブレードが溶接によって生じる変形応力が、硬質材料の断面積が急激な変化を起こす箇所に集中的に解放されて材料に破損及び亀裂等の損傷が発生する事態を減少させる。更には、硬質材料を３０％以上節約させ、同等の面積の硬質材料でより多くの切削部を製造可能にし、硬質材料の利用率を向上させる。
【解決手段】本発明の工具及びその製造方法は、柄部及び切削部を備え、切削部はベース部及びブレード部を含み、ブレード部はベース部に固定される。ブレード部は２つの湾曲部または弧形曲部を少なくとも備え、ブレード部の正投影面は第一縁端及び第二縁端を含み、第一縁端と第二縁端との間の各箇所の距離は０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲である。本発明に係る工具は、刃口線に沿って形成される各断面の断面積に急激な変化が発生するのを回避させ、硬質材料ブレードが溶接によって生じる変形応力が、硬質材料の断面積が急激な変化を起こす箇所に集中的に解放されて材料に破損及び亀裂等の損傷が発生する事態を減少させる。更には、硬質材料を３０％以上節約させ、同等の面積の硬質材料でより多くの切削部を製造可能にし、硬質材料の利用率を向上させる。
Description
本発明は、切削工具に関し、より詳しくは、機械加工に用いられる工具及び前記工具の製造方法に関する。
工具は機械製造において切削加工に用いられるツールであり、切削工具とも呼ばれる。絶対多数の工具は機械用であり、基本的には全て金属材料の切削に用いられるため、「工具」とは一般的に金属切削工具を指す。但し、材料工学の発展に伴い、様々な材料がすでに製品の製造及び加工に広く応用されており、例えば、エンジニアリングプラスチック及び炭素繊維複合材料等（CN203401118U参照）がある。工具は加工物の加工表面の形式によって様々な外表面の加工を行う工具、穴加工工具、ねじ山加工工具、歯車加工工具、及び切断工具等の種類に分けられる。
特に工具のブレード部の耐用性を高めるために、硬質合金、金属セラミック、ダイヤモンド、及び立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）等の硬質材料で製造されるブレード部が広く応用されている。現在、硬質材料は通常「パッチ」形式で焼結、溶接、或いはリベット結合等の方式で鋼製の工具のベースに固定される。ダイヤモンド及びＣＢＮ自体の理化学的特性及び製造技術の制限のために未だに棒材を獲得できずにいるため、業界では主に材料を円盤状に加工した後、小片に切断してから工具のベースに溶接させて工具の溶接を構成させている。
しかしながら、長いブレード部でなければ加工要求を満たせない工具について、例えば、フライス加工に用いられるフライスや穴加工に用いられるリーマ及びタップ等や、特にフライス、ボールエンドミル、高速フライス、ドリル、リーマ、及びタップの成形等の成形加工に用いられる工具では、円盤から非常に小さい小片を切り出してブレード部とする方法を採用するのは難しかった。
なお、工具のブレード部の成形は時間がかかるため、大量の原材料が消費されるため価格が高い上、硬質材料の工具は溶接過程において、ブレード及びブレード体を１０００℃近くまで加熱しなければはんだが溶融して液体にならなかった。その直後の冷却過程において、硬鑞の凝固力の作用によってブレード及びブレード体が１つに凝固され、工具を溶接させる目的が達成される。溶接過程では、加熱及び冷却の２つの過程が相互に関係し、どの材料の加熱及び冷却であっても熱膨張及び冷却収縮が発生し、且つ熱膨張及び冷却収縮程度は各材料の熱膨張係数によって決まる。同じ温度の場合、硬質材料及びブレード体の熱膨張係数の差が非常に大きく（硬質合金及び鋼材のベースを例にすると、前者の熱膨張係数は後者の約３０％前後）、このため、溶接過程において、この２種類の材料の熱膨張及び冷却収縮程度に相当の違いが出る。硬質材料のブレード及び工具のベースが１０００℃近い高温になるとはんだが溶融して液体になるが、ブレード及びブレード体はまだ溶接されて１つにはならず、自由膨張状態になり、ブレードにも亀裂が生じない。
後続の冷却過程では、温度が低下することではんだが徐々に凝固し、ブレード及びブレード体が凝固して一体になるとブレード及びブレード体の間の自由収縮が制限を受け、膨張係数が大きいブレード体に引張応力が発生し、膨張係数が小さいブレードに圧縮応力が発生し、硬質材料が巨大な応力の作用により応力が集中する点が割れやすくなる。亀裂が発生してなくとも、断面積に応力集中点が突然増大または減少することにより重大な応力の集中が形成され、続く加工及び使用において応力集中点が割れてしまうことがある。
上述の欠陥を克服するため、従来の技術の一般的な方法では、ブレードを出来る限り厚くまたは広くし、材料自体の応力に対する抵抗力を増加させる（図１乃至図３参照）。或いは、ベースと硬質材料との間に適度な硬度及び膨張係数を有するパッドが充填されて応力過渡層とする。または、選択及びブレードの熱膨張係数の差が小さいベースの材料により応力により生じる変形等を減少させている。もしくは、特許文献CN1439482Aに記載の内容のように、強制冷却及びローラー整形方式により応力の解放を減少させている。
また、工具業界では円盤状を呈する人口多結晶ダイヤモンド複合片及び人口立方晶窒化ホウ素複合片等の超硬材料を大量に使用し、工具のブレード部として加工している。従来の技術では、原盤が必要な形状に切断されて工具のベースに溶接される。また、複合片は平面にのみ貼付可能であり、空間を有する幾何形状のブレード部の工具には応用不可能である（例えば、螺旋ブレードの工具）。これに対し、業界内では切れ刃傾き角設計を採用するが、前切れ刃角の角度は１０度以下しかなく（螺旋工具の前切れ刃角は一般的に３０度以上）、且つ工具の剛性も低かった。或いは、多段ブレードを採用して螺旋切れ刃角を模倣しているが、技術的に製造が極めて複雑になり、コストが上昇した。
これ以外にも、硬質材料（例えば、金属セラミック、ダイヤモンド、及び立方晶窒化ホウ素）は耐摩耗性が高いが、靭性は往々にして低く、細長い円柱回転工具とする場合、曲げ強さが不足しているため断裂してしまい、工具の効力が失われた。
本発明の主な目的は、上述の問題を解決するために、工具を提供することにある。すなわち、硬質材料をブレード部とし、機械加工に応用されるブレード部を成形するための工具を提供する。
本発明の他の目的は、工具を提供することにある。すなわち、硬質材料のブレード及び硬質材料によりブレード及び工具のベースが成形される際に溶接不足の発生を減少させる。
本発明のさらなる他の目的は、工具を提供することにある。すなわち、硬質材料のブレード及び硬質材料により成形されるブレードが工具のベースに固定される過程で熱により損傷することを減少させる。
本発明の又別の目的は、硬質材料のブレード部の工具を提供することにある。前記工具のブレード部は硬質材料で構成される円弧ブレード、曲線ブレード、角度ブレード、直線ブレード、またはそれらの組み合わせである。
本発明の又別の目的は、工具を提供することにある。すなわち、靭性不足の硬質材料を複雑な形状の回転工具の製造に応用可能にする。
本発明の又別の目的は、工具の製造に利する工具の製造方法を提供することにある。
前記工具のブレード部は硬質材料で構成される円弧ブレード、曲線ブレード、角度ブレード、直線ブレード、またはそれらの組み合わせである。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の工具は、柄部及び切削部を備え、切削部はベース部及びブレード部を含み、ブレード部はベース部に固定される。ブレード部の正投影面は第一縁端及び第二縁端を含み、第一縁端と第二縁端との間の各箇所の距離は０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲であり、０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲が優先的に選択され、特に０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲が選択される。
本発明に係る工具は、ブレード部が連接する２つの幾何構造を少なくとも備え、ブレード部の断面形状は多辺形、楕円形、または円形である。ブレード部の各箇所の断面の高さと前記箇所（断面を発生させるブレード部が切断を行う箇所）が正投影面に形成される第一縁端と第二縁端との間の距離との比率は１：０．５ 〜１：２の範囲であり、１：０．８〜１：１．８が優先的に選択される。
本発明に係る工具の第一縁端は連接する２つの幾何形状を少なくとも備え、幾何形状は直線及び弧線から選択される。
本発明に係る工具のブレード部の刃口（edge）またはランド（magin）の正投影は第一縁端である。
本発明に係る工具は、ベース部にブレード部を納置するための溝部が設けられる。
本発明に係る工具のブレード部は２つの湾曲部または弧形曲部を少なくとも備える。
本発明に係る工具の第一縁端及び第二縁端の各箇所の距離の差は０．００１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲である。
本発明に係る工具の湾曲部がある第一縁端から第二縁端までの距離は第一縁端及び第二縁端の各箇所の距離の最小値より長い。
本発明に係る工具の弧形曲部の弧形底部がある第一縁端から第二縁端までの距離は第一縁端及び第二縁端の各箇所の距離の最小値より長い。
本発明に係る工具のベースの材料は限定されないが硬質合金、タングステン合金、及び合金鋼等である。
本発明に係る工具のブレード部は硬質合金、金属セラミック、ダイヤモンド、及び立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）等である。
本発明の各種工具は、特に回転工具である。
本発明の別の態様は、工具の製造方法である。前記工具の製造方法は、先ず要求に応じて硬質材料がブレード部として加工され、その後にブレード部がベース部に固定される。
他の工具の製造方法は、先ず研磨剤、線形切断、レーザーによりブレード部本体が獲得され、前記ブレード部本体の形状が二次元平面空間内または三次元立体空間内に分布される。次いで、ブレード部本体が（例えば、高周波溶接や真空溶接により）ベース部に固定され、工具本体が形成される。その後、工具本体に対する加工（例えば、研磨剤、線形切断、及びレーザー等）が施されて刃口及びランド等が形成される。
本発明に係る工具は、硬質材料を約３０％以上節約させ、同等の面積の硬質材料でより多くの切削部を製造可能にし、硬質材料の利用率を高める。
本発明に係る工具は、切削部が正投影されて形成される第一縁端及び第二縁端の距離が０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲に設定され、刃口線に沿って形成される各断面の断面積に急激な変化が発生する事態を回避させ、硬質材料のブレードが溶接によって生じる変形応力が、硬質材料の断面積が急激な変化を起こす箇所に集中的に解放されて材料に破損及び亀裂等の損傷が発生する事態を減少させる。
本発明に係る工具は、切削部が正投影されて形成される第一縁端及び第二縁端の距離が０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲に設定され、切削部全体が溶接に必要な温度に高速に達し、一部の温度が溶接に必要な温度に達しない現象を発生しにくくさせる。特に、高周波はんだ付けでは、電磁誘導が電磁場内のブレード体の一部分に作用すると共に硬質材料のブレードに伝導されることで加熱されるため、ブレードには溶接温度に達するまでの時間差が存在する。本発明に係る工具の硬質材料は体積及び面積が小さいため、溶接時に硬質材料のブレード面積が大きくて熱が均等にならずに部分的に溶接不足が生じる事態が回避される。
本発明に係る工具は、切削部が正投影されて形成される第一縁端及び第二縁端の距離が０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲に設定され、厚さを薄くすることにより溶接に必要な温度に高速に達し、硬質材料が融点温度に保持される時間を短縮させる。これにより、従来の技術では厚さがあるために溶接に必要な温度に保持される時間を長くすることで熱を均等にさせるため、硬質材料のブレードが長時間熱を受けて損傷するという事態を減少させる。
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る工具及びその製造方法について具体的に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、実用新案登録請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。
図４は本発明の切削部の実施形態を例示する概略図である。ブレード部１００はベース部２００に固定される。本実施形態では、ベース部２００の材料は硬質合金、タングステン合金、及び合金鋼等である。ブレード部１００の材料は硬質合金、金属セラミック、ダイヤモンド、及び立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）等が挙げられる。
図５は本発明のブレード部の正投影図の実施形態を例示する概略図である。ブレード部１００の正投影面は第一縁端１１０及び第二縁端１２０を含み、第一縁端１１０と第二縁端１２０との間の各箇所の距離は０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲である。本実施形態では、ブレード部１００の刃口の正投影は第一縁端１１０であり、第一縁端１１０と第二縁端１２０との間の各箇所の距離として０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲が優先的に選択され、特に０．１ｍｍ〜２ｍｍが選択される。ブレード部の各箇所の断面の高さと前記箇所（断面を発生させてブレード部により切断される箇所）が正投影面に形成される第一縁端と第二縁端との間の距離との比率は０．５：１〜２：１の範囲である。
図５に示されるように、第一縁端１１０は若干の直線段が連接されることにより形成され、連接箇所の行程は湾曲される。また、図６に示されるように、第一縁端１１０は若干の直線段が連接されることにより形成され、連接箇所の行程は湾曲される。なお、図７に示されるように、第一縁端１１０は若干の直線段及び１本の曲線段が連接されることにより形成され、連接箇所の行程は湾曲される。
硬質材料のブレード及び工具のベースの溶接不足の発生を減少させるため、本実施形態では、第一縁端１１０及び第二縁端１２０の各箇所の距離の差を０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲とする。類似するブレード部の正投影面については図６及び図７を参照する。図６及び図７に示されるように、ブレード部は２つの湾曲部または弧形曲部を少なくとも備える。湾曲部がある第一縁端から第二縁端までの距離は第一縁端及び第二縁端の各箇所の距離の最小値より長い。弧形曲部の弧形底部がある第一縁端から第二縁端までの距離は第一縁端及び第二縁端の各箇所の距離の最小値より長い。
本実施形態に係る工具の製造方法は、まず研磨剤、線形切断、及びレーザーの内の少なくとも１種類によりブレード部１００が獲得され、獲得されたブレード部の形態は二次元平面状または三次元立体状である。次いで、ブレード部がベース２００に固定されて（例えば、高周波溶接や真空溶接）工具本体が形成される。その後、工具本体に対する加工が施されて（例えば、研磨剤、線形切断、及びレーザー等）刃口及びランド等が形成される。図８、図９、図１０及び図１１は螺旋ブレードを有するボールエンドミルの各種実施方式を示し、ベース２００にはブレード部１００を固定させるための溝部２１０が予め開設され、その螺旋外周ブレード及びボールエンドミルブレードは共に硬質材料が加工されることにより得られる。
図３に示される工具のブレード部は実際の製造において、応力が集中するため、円弧曲線ブレードの起点付近が割れやすく、図７に示される工具のブレード部に交換することではんだ付け後の亀裂率が５０％以上減少する。同じベースの材質及び同じブレードの材質で図３及び図７に示される２種類の工具が製造され、且つ様々な溶接条件で測定を行い、具体的な結果は表１に示される。
上述の実施形態は本発明の技術思想及び特徴を説明するためのものにすぎず、当該技術分野を熟知する者に本発明の内容を理解させると共にこれをもって実施させることを目的とし、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。従って、本発明の精神を逸脱せずに行う各種の同様の効果をもつ改良又は変更は、後述の請求項に含まれるものとする。
１００ ブレード部
２００ ベース部
１１０ 第一縁端
１２０ 第二縁端
２１０ 溝部
２００ ベース部
１１０ 第一縁端
１２０ 第二縁端
２１０ 溝部
Claims (16)
- 柄部及び切削部を備える工具であって、前記切削部はベース部及びブレード部を含み、前記ブレード部は前記ベース部に固定され、
前記ベースの材料は硬質合金、タングステン合金、及び合金鋼の内の内の一種または複数種から選択され、
前記ブレード部は硬質合金、金属セラミック、ダイヤモンド、及び立方晶窒化ホウ素の内の一種または複数種から選択され、
前記ブレード部の正投影面は第一縁端及び第二縁端を備え、前記第一縁端と前記第二縁端との間の各箇所の距離は０．１ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲であることを特徴とする工具。 - 前記第一縁端と前記第二縁端との間の各箇所の距離は０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の工具。
- 前記第一縁端と前記第二縁端との間の各箇所の距離は０．１ｍｍ〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の工具。
- 前記ブレード部の刃口またはランドの正投影は第一縁端であることを特徴とする請求項１に記載の工具。
- 前記第一縁端及び前記第二縁端の各箇所の距離の差は０．００１ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の工具。
- 湾曲部がある第一縁端から第二縁端までの距離は前記第一縁端及び前記第二縁端の各箇所の距離の最小値より長いことを特徴とする請求項１に記載の工具。
- 弧形曲部の弧形底部がある第一縁端から第二縁端までの距離は前記第一縁端及び前記第二縁端の各箇所の距離の最小値より長いことを特徴とする請求項１に記載の工具。
- 前記ブレード部の断面形状は多辺形、楕円形、または円形であることを特徴とする請求項１に記載の工具。
- 前記ブレード部の各箇所の断面の高さと前記箇所が前記正投影面に形成される第一縁端と第二縁端との間の距離との比率は１：０．５ 〜１：２の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の工具。
- 前記ブレード部の各箇所の断面の高さと前記箇所が前記正投影面に形成される第一縁端と第二縁端との間の距離との比率は１：０．８〜１：１．８の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の工具。
- 前記ブレード部は連接する２つの幾何構造を少なくとも備えることを特徴とする請求項１に記載の工具。
- 前記第一縁端は連接する２つの幾何形状を少なくとも備え、前記幾何形状は直線及び弧線から選択されることを特徴とする請求項１に記載の工具。
- 先ず要求に基づいて硬質材料がブレード部として加工され、その後にブレード部が基材部に固定され、
前記硬質材料は硬質合金、金属セラミック、ダイヤモンド、及び立方晶窒化ホウ素の内の一種または複数種から選択され、
前記基材部は硬質合金、タングステン合金、及び合金鋼の内の一種または複数種から選択されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の工具の製造方法。 - 先ず研磨剤、線形切断、レーザーによりブレード部本体が獲得され、前記ブレード部本体の形状は二次元平面空間内または三次元立体空間内に分布され、次いでブレード部本体が基材部に固定され、工具本体が形成され、その後に工具本体に対する加工が施されて刃口及びランドの内の１つまたは複数が形成されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の工具の製造方法。
- 前記ブレード部本体は溶接方式で前記ベース部に固定されることを特徴とする請求項１４に記載の工具の製造方法。
- 研磨剤、線形切断、及びレーザーにより前記工具本体に対する加工が施されて刃口及びランドの内の１つまたは複数が形成されることを特徴とする請求項１４に記載の工具の製造方法。
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