JP2019534163A - 超硬材料切削部材及びその製造方法並びにその用途 - Google Patents

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本発明の超硬材料切削部材及びその製造方法、並びに用途は、超硬材料切削部材（１１０)が第一曲面及び第二曲面を備え、第一曲面が第一円に沿って投影され、第二曲面が第二円に沿って投影され、第一円及び第二円が同心円である。第三面は螺旋形面であり、更に第一曲面及び第二曲面と交わる。超硬材料切削部材は切削工具の刃部に用いられ、切削工具の寿命が顕著に延び、加工効果が大幅に向上する。【選択図】図７

Description

本発明は、切削工具の製造に用いられる部材に関し、より詳しくは、超硬材料で製造され、切削工具の刃部として加工される切削部材に関する。
切削工具業者では円盤状を呈する人工合成ダイヤモンド複合片及び人工立方晶窒化ホウ素複合片等の超硬材料(図１参照)を大量に使用し、これを切削工具の刃部として加工している。従来の技術では、原盤を必要な形状に切断(図２参照)すると共に切削用工具(例えば、硬質合金材及び鋼材等)に溶接(例えば、真空溶接または高周波溶接等の方法)する(図３参照)。
これらの複合片は平面にのみ貼付可能であり(図３参照)、螺旋形の切削工具には応用不可能であり、これにより製造される切削工具による切削はスクイ角が小さく、十分に鋭利であるとは言えない。これに対し、業界内ではタオレ角設計を採用しているが、スクイ角の角度は１５度以下にしかならず(螺旋切削工具のスクイ角(螺旋角)は一般的に３０度以上)、(タオレ角15度以上と)切削工具の剛性不足に陥った。或いは、多段刃を採用して螺旋角を模倣しているが(図９参照)、製造技術的に複雑であり、コストも高かった。
次いで、円盤状の超硬材料を採用するものは利用率に限界があり、大量のスクラップが発生し、材料が浪費された。これに対し、切削工具の製造業界では大直径の円盤を製造することで製造コスト及び価格を抑制している。
また、金属セラミック、ダイヤモンド、及び立方晶窒化ホウ素等の超硬材料を切削工具の刃部とする場合、小直径の切削工具では上述の材料の製造に直接応用不可能であり、皮膜方法により製造された小直径の切削工具に皮膜を形成させ、硬質合金で製造される刃先に金属セラミック皮膜、ダイヤモンド皮膜、または立方晶窒化ホウ素皮膜を形成させる。但し、これらの皮膜には通常欠陥が存在する。例えば、皮膜自体の厚さは約０．００２ｍｍ乃至０．０１ｍｍの範囲であり、これでは切削工具の刃部の半径を０．００４ｍｍ乃至０．０２ｍｍに増やさなければならない。精密な切削を行う場合、切削半径の増加は切削の抵抗力を大きく高めてしまい、被加工表面の品質が低下するのみならず、切削工具の寿命も縮め、或いは破断することもあった。さらには、皮膜と刃との結合力が不足し、特にダイヤモンド皮膜及び立方晶窒化ホウ素皮膜では、大量生産技術が成熟していない。また、皮膜切削工具のコストも顕著に高騰する。
本発明は、螺旋形切削工具の製造時間を短縮し、製造コストも削減される超硬材料切削部材を提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、螺旋形切削部材の製造を実現する超硬材料切削部材の製造方法を提供することである。
本発明のさらなる他の目的は、螺旋形の超硬材料を切削刃部とし、切削工具の寿命を延ばし、加工効率を高める切削工具を提供することである。
本発明の又別の目的は、超硬材料切削部材を切削工具の製造に応用することである。
本発明に係る超硬材料切削部材は、第一曲面及び第二曲面を備え、第一曲面は第一円に沿って投影され、第二曲面は第二円に沿って投影され、第一円及び第二円は同心円である。
第三面は螺旋形面であり、且つ第一曲面及び第二曲面と交わる。
超硬材料は、例えば、金属セラミック、ダイヤモンド(特に人工合成ダイヤモンド)、及び立方晶窒化ホウ素、或いは硬質合金と金属セラミック、ダイヤモンド、及び立方晶窒化ホウ素のうちの１つのまたは複数とで形成される複合材料である。
第一円の円心を通過させる軸線を参照とすると、切削部材の厚さは０．３ｍｍ乃至１５ｍｍの範囲であり、切削部材の軸方向の幅は０．３ｍｍ乃至１５ｍｍの範囲であり、軸方向の長さは０．８ｍｍ乃至１５０ｍｍの範囲である。
切削部材の第三面の螺旋角度は５度乃至７５度の範囲である。
本発明の各種超硬材料切削部材を製造するため、本発明は製造方法を更に提供し、超硬材料で円柱形外表面を有するブランク材(例えば、管状、円柱形、円錐形、及び円盤状)が製造され、 ブランク材の軸方向に沿って切断用工具による切断が行われ、且つ５度乃至７５度の螺旋角度に更に基づいて回転運動が行われ、これにより螺旋形曲線の切断軌跡が形成され、少なくとも２つの切削部材が製造され、切断により少なくとも１つの切削部材上に１つの螺旋形曲線の走査面が形成されることを含む。
製造される切削部材は１面の走査面及び２面の円弧面を少なくとも有し、各前記円弧面は相互に平行し、前記走査面は２面の円弧面とそれぞれ交わり、交差箇所に形成される交線は螺旋形曲線を呈する。
獲得された螺旋形切削部材が高周波溶接または真空溶接等の方式により予め溝が開設された切削用工具に固定され、切削工具として加工される。工具に使用される材料は鋼、硬質合金、またはタングステン合金である。
タングステン合金は鉄、銅、及びニッケルのうちの１つまたは複数の金属を含み、具体的には、タングステン鉄合金、タングステン銅合金、及びタングステンニッケル合金等の高比重高密度なタングステン合金である。これらタングステン合金はクローム、マンガン、及びコバルト等のうちの１つまたは複数の金属を更に含むが、但し、切削工具業界において刃部の加工に用いられる硬質合金ではない。
螺旋形刃片(すなわち、製造される切削部材)が固定された工具に対してよくある加工方法により各刃部の前刃面及び後刃面を形成させ、切削工具を製造する。
本発明の技術方法は以下の有益な効果を実現する。本発明に係る超硬材料切削部材を使用することで切削工具の寿命が顕著に延び、使用効果が大幅に高まる。例えば、螺旋形金属セラミック刃片を採用する切削工具によりアルミニウム合金の加工を行う場合、切削工具のコストを２０％削減しつつＰＣＤ直刃ドリルに近似する表面加工品質及び耐用年数を獲得できる。螺旋形ダイヤモンド刃片を採用する切削工具により複合繊維材料を加工する場合、皮膜ダイヤモンド切削工具の約４倍の寿命及び３倍の加工効率を獲得できる。
円盤状超硬材料複合片の概略図である。 円盤状超硬材料複合片から必要な形状のパッチを獲得する概略図である。 獲得したパッチを切削用工具に結合する概略図である。 ブランク材に用いる超硬材料を製造する実施形態の概略図である。 超硬材料でブランク材を製造する実施形態の概略図である。 切削部材に用いるブランク材を製造する実施形態の概略図である。 ブランク材で切削部材を製造する実施形態の概略図である。 切削部材を工具に固定して切削工具として製造する実施形態の概略図である。 多段刃を採用して螺旋角を模倣する切削工具の概略図である。
以下に説明する実施の形態は、特許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に示されるように、焼結ダイカスト、研磨、レーザー、またはワイヤ切断方法を採用して硬質材料をブランク材に製造し、例えば、円柱形または円錐を製造する(テーパーエンドミルに使用されるテーパーを有する切削部材を製造する)。
円柱形硬質材料が円柱形外表面を有する若干の同心円シリンダー１００に加工される(図５参照)。同心円シリンダーのブランク材を得るため(図６参照)、レーザーまたは砥石車加工法を採用し、軸方向に沿って切断し、且つ５度乃至７５度の螺旋角度に更に基づいて回転運動を行い、螺旋形曲線の切断軌跡を形成させ、少なくとも１つの切削部材１１０に１つの螺旋形曲線の走査面を形成させる。走査面は円筒ブランク材の２面の円弧面とそれぞれ交わり、交差箇所に形成される交線は螺旋形曲線を呈する。走査面は直線軸及び回転軸を通過させて連動加工される方式で獲得され、例えば、５軸連動レーザー加工機により獲得される。
獲得された螺旋形面を有する切削部材が高周波溶接または真空溶接等の方式により予め溝が開設された切削用工具２００に固定される。工具材料は鋼、硬質合金、またはタングステン合金である(内部冷却孔が更に設けられる)。
溶接された螺旋形刀片の切削工具に対して正常な各刃部の前刃面及び後刃面の研磨を行い、切削加工に用いられる切削工具が形成される(図７参照)。
直刃ダイヤモンド切削工具と比較し、螺旋刃ダイヤモンド切削工具の作業用スクイ角が約１０°乃至３０°増加すると切削抵抗が１０％以上減少し、これにより被加工表面の品質が高まり、主軸の負担が減り、切削工具の寿命が延びる。実際の試験では、螺旋形金属セラミック刃片が採用される切削工具によりアルミニウム合金を加工すると、切削工具のコストが２０％削減され、ＰＣＤ直刃ドリルに近似する表面加工品質及び耐用年数が得られた。螺旋形ダイヤモンド刃片が採用される切削工具により複合繊維材料を加工すると、皮膜ダイヤモンド切削工具の約４倍の寿命及び３倍の加工効率が得られた。
１００ 同心円シリンダー
１１０ 切削部材
２００ 切削用工具

Claims (10)

  1. 第一曲面及び第二曲面を備え、第一曲面は第一円に沿って投影され、第二曲面は第二円に沿って投影され、第一円及び第二円は同心円であり、第三面は超硬材料ブランク材が切断されることで形成される走査面であり、且つ第一曲面及び第二曲面と交わり、交差箇所に形成される交線は螺旋形曲線を呈することを特徴とする超硬材料切削部材。
  2. 前記超硬材料は金属セラミック、ダイヤモンド、及び立方晶窒化ホウ素のうちから選択されることを特徴とする請求項１に記載の超硬材料切削部材。
  3. 前記超硬材料は硬質合金と金属セラミック、ダイヤモンド、及び立方晶窒化ホウ素のうちの１つまたは複数とで形成される複合材料であることを特徴とする請求項１に記載の超硬材料切削部材。
  4. 前記切削部材の厚さは０．３ｍｍ乃至１５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の超硬材料切削部材。
  5. 前記切削部材の幅は０．３ｍｍ乃至１５ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の超硬材料切削部材。
  6. 前記切削部材の長さは０．８ｍｍ乃至１５０ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の超硬材料切削部材。
  7. 前記第三面の螺旋角度は５度乃至７５度の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の超硬材料切削部材。
  8. 超硬材料で円柱形外表面を有するブランク材が製造され、ブランク材の軸方向に沿って切断用工具による切断が行われ、且つ５度乃至７５度の螺旋角度に更に基づいて回転運動が行われ、これにより螺旋形曲線の切断軌跡が形成され、少なくとも２つの切削部材が製造され、切断により少なくとも１つの切削部材上に１つの螺旋形曲線の走査面が形成されることを含み、
    製造される切削部材は１面の走査面及び２面の円弧面を少なくとも有し、各前記円弧面は相互に平行し、前記走査面は２面の円弧面とそれぞれ交わり、交差箇所に形成される交線は螺旋形曲線を呈することを特徴とする請求項１に記載の超硬材料切削部材の製造方法。
  9. 切削工具の製造に用いられることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の超硬材料切削部材。
  10. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の超硬材料切削部材を備えることを特徴とする切削工具。
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