JP2020131310A - 切削工具およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】切削工具の再研削においてすくい面を研削した後もすくい面に窒化処理等の表面硬化処理の効果が残存する切削工具およびその製造方法を提供する。【解決手段】表面硬化処理された複数の切れ刃２を有する高速度工具鋼製の切削工具１において、切れ刃２の表面には硬質皮膜５が被覆されており、かつ切れ刃２における表面硬化処理層６の厚さｄを切削工具１の切削方向において互いに隣接する切れ刃２間の高低差ｈよりも大きくする。【選択図】図１

Description

本発明は、切れ刃に窒化や浸炭等の表面硬化処理を施した切削工具およびその製造方法に関する。

これまで切削工具の耐摩耗性を向上させるために、窒化や浸炭などの表面拡散処理（表面硬化処理）が行われてきた。また、耐摩耗性を更に向上させるため、あるいは被削材との凝着の抑制，摩擦係数の低減，耐酸化性の向上などの目的でＰＶＤによるセラミックス皮膜（硬質皮膜）の被覆が施されてきた。これらの表面硬化処理は、切削工具が新しい状態では切削工具の切れ刃のすくい面および逃げ面に形成され、それぞれの目的を果たしている。

しかし、一部の切削工具では一定の切削加工後にすくい面を研削することで摩耗した部分を除去し、再び使用されており、いわゆる再研磨や再研削と呼ばれる工程である。また、主にブローチの場合には鋭利な刃先を得る目的で、新品時から表面硬化処理後にすくい面を研削して表層を除去することも行われている。このように表面硬化処理を施した後にすくい面を研削した状態で使用される切削工具は、その表面硬化処理効果が逃げ面にしかなく、しばしばすくい面側の摩耗が大きくなるという問題があった。

一方、表面硬化処理の中には硬質皮膜の膜厚よりもはるかに深い部分まで、その効果を及ぼす処理方法がある。例えば、ガス窒化は一般的に表面から１０〜１００μｍの範囲で窒素拡散層を形成する。これは、表面硬化処理の条件によっては切込量よりも深くなるので、研削されたすくい面でも一定の表面硬化処理による効果が期待できる。

しかし、ガス窒化した切削工具の表面には鉄窒化物化合物層、いわゆる白層が存在する。そのため、ガス窒化後にＰＶＤにより硬質膜を被覆しても、硬質膜と窒化物層との付着性が弱く、容易に剥離してしまう。そのため、ガス窒化された切削工具は、ＰＶＤによる硬質皮膜被覆工具より安価であるが、逃げ面側の耐摩耗性においては硬質皮膜被覆工具に劣っていた。

一方、イオン窒化・プラズマ窒化の一部では、処理中の雰囲気窒素濃度を制御することにより化合物層がない窒化処理が可能となり、窒素拡散層上に硬質膜を被覆した例が特許文献１ないし５に開示されている。

特開２００３−２７５９２３号公報 特開２００６−３２１０２８号公報 特開２００４−１３１８２０号公報 特開２００４−２８３９９５号公報 特開２００５−１５３１２６号公報

しかし、これらの窒素拡散層の厚さは薄く、逃げ面で硬質皮膜の効果をさらに向上させることはできるものの、再研削されたすくい面における効果は望めなかった。また、切削工具の摩耗は、一般的に主に逃げ面が進行しやすいため、すくい面の表面硬化処理層が除去されても逃げ面の硬質膜は残っており、切削工具に施される表面硬化処理の効果は大きいと言える。ところが、切削条件によってはすくい面側で切り屑との接触によるアブレシブ摩耗や凝着摩耗、熱影響によるクレーター摩耗が発生するという問題があった。

そこで、本発明はこのような問題を解決するためにされたものであって、切削工具の再研削においてすくい面の表層を一部除去した後もすくい面に表面硬化処理の効果が残存する切削工具およびその製造方法を提供することを課題とする。

本発明の切削工具は、表面硬化処理された複数の切れ刃を有する高速度工具鋼製の切削工具において、切れ刃の表面に硬質皮膜を被覆する。そして、切れ刃における表面硬化処理層の厚さｄを切削工具の切削方向における隣接した切れ刃間の高低差ｈよりも大きくする。

表面硬化処理については窒化処理とした上で、さらに硬質皮膜を切れ刃のすくい面を除く部分に被覆する形態（すくい面には硬質皮膜を被覆しない）としても構わない。また、切削工具はブローチまたはタップのいずれかでも良い。

切削工具を製造する方法については、切削工具の母材に対して表面硬化処理を行う第１工程と、第１工程後に表面硬化処理で母材の表面に形成された化合物層を除去する第２工程と、第２工程後に母材に対して硬質皮膜を被覆する第３工程と、第３工程後に切れ刃のすくい面に被覆された硬質皮膜を除去する第４工程の各工程を含む製造方法とした。この場合、表面硬化処理を窒化処理としたり、切削工具をブローチまたはタップのいずれかとしても構わない。

本発明の切削工具の切れ刃には、窒化処理等の表面硬化処理を隣接する切れ刃間の高低差よりも深く浸透させている。言い換えると、切削工具を用いた一刃当たりの切削量よりも深く表面硬化処理がなされている。そのため、当該切削工具が再研磨や再研削された後も切れ刃のすくい面（の切削に寄与する刃先部分）に表面硬化処理された層を残存させることができる。つまり、再研磨や再研削においてもなお切削工具の切れ刃（刃先）の摩耗を低減することができる。

表面硬化処理が施された切削工具（ブローチ）１における切れ刃２の形態を示す模式図である。 本発明の切削工具１を用いた被削材Ｗに対する切削加工の形態を示す模式図である。 実施例の切削加工試験前後における発明品のすくい面および逃げ面の輪郭変化を示す。 実施例の切削加工試験前後における比較品のすくい面および逃げ面の輪郭変化を示す。

本発明の切削工具の実施形態について、図面を用いて説明する。本発明の切削工具１の切れ刃２に対して表面硬化処理が施された状態を示す模式図を図１、同図に示す切削工具１を用いた切削加工時の使用形態の模式図を図２にそれぞれ示す。以下、本発明の切削工具がブローチの場合について説明する。なお、図１に示す切削工具（ブローチ）１は２枚の切れ刃２，２の周辺のみに限定して説明する。

図１に示す切削工具（ブローチ）１には、一般的なブローチと同様に複数の切れ刃２，２が切削方向に沿って規則的に配置されている。これらの切れ刃２，２間は距離ｈの高低差を有しており、この高低差（距離）ｈが、ブローチ１を用いて被削材を切削加工する際の切り込み量となる。なお、高低差（距離）ｈは切れ刃から刃溝底までの距離である刃溝深さの差としても定義できる。

各切れ刃２，２にはすくい面３，３および逃げ面４，４が設けられており、表面硬化処理が施された層（表面硬化処理層）６，６が厚さｄだけ存在する。また、その表面硬化処理層６，６上には、すくい面３，３を除いた逃げ面４，４やヒール等の一部に硬質皮膜５，５が被覆されている。

本発明の切削工具における切削性能を確認するために切削加工試験を行ったので、その試験結果について図面等を用いて説明する。本切削加工試験で使用した試験品については、粉末製高速度工具鋼（ハイス鋼）でできた単刃（一刃）の切削工具を用いた。その切削工具にガス窒化の処理を行うことで窒素拡散層（表面硬化処理層）を約５０μｍの厚さで形成した。その後、この切削工具に対してジルコニアビーズ（＃４００）によるマイクロブラスト処理を行い、組織自体が硬く脆いために硬質皮膜の剥離原因となる表面の白層を除去した。

なお、ここで「窒素拡散層（表面硬化処理層）」とは、母材である鉄の組織中に窒素が溶け込んだ状態（固溶状態）と、鉄以外のＡｌやＣｒなどの合金元素とともに窒化物を形成して析出することで基地組織が強化された状態の層を言う。一方、「白層」とは、化合物層とも呼ばれる化合物として窒化鉄が形成されている層を指し、これらは互いに区別する。

次に、この切削工具にアークイオンプレーティング法により硬質皮膜（ＡｌＣｒＮ）を約３μｍの厚さで被覆した（発明品）。本試験の比較材として、ガス窒化を行っていない切削工具を準備して、マイクロブラスト処理のみを行った後、硬質皮膜（ＡｌＣｒＮ）を被覆した（比較品）。なお、発明品と比較品のマイクロブラスト処理は同一の装置で連続的に行い、硬質皮膜（ＡｌＣｒＮ）の被覆も同一の装置で同時に行った。

最後に、これら試験品（発明品および比較品）の切れ刃におけるすくい面に対して約０．１ｍｍの厚さだけ研削により硬質皮膜を除去した。本切削加工試験で使用した切削工具の主な仕様を表１、本切削加工試験の切削加工条件を表２にそれぞれ示す。これら試験品を直交３軸のマシニングセンタに取り付けて、表２に示す加工条件で切削試験を行った。

また、切削加工試験前後における試験品の刃先形状を触針式形状測定機を用いて切れ刃の稜線（逃げ面およびすくい面）に垂直に測定した。その測定結果を図３および図４に示す（両図における縦軸および横軸の単位はいずれもμｍとする）。両図中の破線は試験前のすくい面および逃げ面の輪郭線、実線は試験後のすくい面および逃げ面の輪郭線をそれぞれ示す。

本切削加工試験を行った結果、発明品は逃げ面側の減少はほとんど確認できない程度であったが、すくい面側は最大７μｍ程度の減少があることが確認された。一方、比較品も逃げ面側の減少は確認できない程度であったが、すくい面側は最大１０μｍ程度の減少があることが確認された。

ところが発明品の切れ刃先端位置は切削加工試験の前後でほぼ変化は無かったが、比較品の切れ刃先端部は試験前の位置から約７μｍ程度低くなり、さらにすくい面の中間位置には大きな凹みが現れて、切れ刃全体の形状が大きく変化した。

言い換えると、硬質皮膜のみを被覆した切削工具（比較品）は切れ刃全体が大きく後退しているが、硬質皮膜の被覆に加えて表面硬化処理であるガス窒化も行った切削工具（発明品）の刃先の後退量は比較品に比べて小さくなっており、特にすくい面側においてその差が顕著にみられた。

切削加工試験後の発明品と比較品の間で形状が変化した理由は、発明品は研削されたすくい面にも表面硬化処理の効果が得られるように逃げ面側からの表面硬化処理を（切削工具の切込量よりも）深く施工したことにより、結果として再研削後のすくい面に表面硬化処理の効果を残すことができたためと思われる。

以上より、ガス窒化により十分に厚い窒素拡散層（表面硬化処理層）を形成した後、余分な化合物層（白層）をマイクロブラストにより除去する。その後、ＰＶＤ等による硬質皮膜を切削工具に被覆した。これにより、逃げ面においては従来の硬質皮膜を被覆した切削工具と同等の耐摩耗性を有しながら、すくい面の切れ刃付近には切込量よりも深い窒素拡散層があるため、切り屑との接触によるアブレッシブ摩耗を低減し、より長寿命の切削工具を得ることができた。

すなわち、１刃当たりの切込量よりも深い位置まで表面硬化処理を逃げ面側から行うことにより、切削工具のすくい面を再研削してもすくい面の刃先において表面硬化処理の効果が残存する切削工具となる。

なお、本実施例では表面硬化処理にガス窒化処理を行っているが、その他の処理形態として窒素，炭素，酸素あるいは金属の拡散またはピーニング等の物理的な衝撃による応力付与手段であってもよい。また、より過酷な条件での切削加工に対応するために、逃げ面は硬質皮膜で保護されることが望ましい。

１ 切削工具（ブローチ）
２ 切れ刃
３ すくい面
４ 逃げ面
５ 硬質皮膜
６ 表面硬化処理層
ｈ 隣接する切れ刃間の高低差
ｄ 表面硬化処理層の深さ（厚さ）

Claims (6)

1. 表面硬化処理された複数の切れ刃を有する高速度工具鋼製の切削工具であって、前記切れ
   刃の表面には硬質皮膜が被覆されており、かつ前記切れ刃における表面硬化処理層の厚さ
   は、前記切削工具の切削方向において互いに隣接する前記切れ刃間の高低差よりも大きい
   ことを特徴とする切削工具。
2. 前記表面硬化処理は窒化処理であって、かつ前記硬質皮膜は前記切れ刃のすくい面を除く
   部分に被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の切削工具。
3. 前記切削工具は、ブローチまたはタップのいずれかであることを特徴とする請求項１また
   は２に記載の切削工具。
4. 前記切削工具を製造する方法において、
   前記切削工具の母材に対して前記表面硬化処理を施す第１工程と、前記第１工程後に前記
   表面硬化処理で前記母材の表面に形成された化合物層を除去する第２工程と、前記第２工
   程後に前記母材に対して前記硬質皮膜を被覆する第３工程と、前記第３工程後に前記切れ
   刃のすくい面に被覆された前記硬質皮膜を除去する第４工程と、を有することを特徴とす
   る切削工具の製造方法。
5. 前記表面硬化処理は、窒化処理であることを特徴とする請求項４に記載の切削工具の製造
   方法。
6. 前記切削工具は、ブローチまたはタップのいずれかであることを特徴とする請求項４また
   は５に記載の切削工具の製造方法。

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