JP3564178B2 - 傾斜周面支持軸状工具部材およびその製法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、旋盤や研削盤に用いられるレースセンタのような傾斜周面支持軸状工具部材、およびその製法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの旋盤や研削盤作業において、回転する工作物の回転中心を支持するために、レース（旋盤）センタが使用され、通常工作物の端部に設けた円錐形穴に、円錐形乃至円錐台状の端部を嵌合し押し付けた形で用いられる。したがってセンタの円錐傾斜面は高い剛性と共に耐摩耗性が要求されるが、一方、全体としては製作時の加工性、経済性等の観点から、硬質鋼で作製することが好ましい。この結果、この工具部材は鋼製本体の円錐形端部を超硬合金で置換したものが通常使用されているが、これは工具寿命の点で、必ずしも満足いくものとは言えない。
【０００３】
一方、耐摩耗材としてダイヤモンドのような超砥粒の焼結体を使用することは公知である。このような焼結体は一般に、超砥粒を、この物質が熱力学的に安定となる超高圧（数ＧＰａ）・高温条件下において、（１）焼結助剤の存在下で処理することにより、砥粒粒子を相互に結合（直接結合）したもの、あるいは結合と同時に、この超砥粒の焼結層を超硬合金の支持ブロック体に接合（同時焼結）したもの、および（２）結合材金属やセラミックスを介して結合したもので、これは必要に応じて別体の支持体に接合される。
【０００４】
これらは一般に平面的な部材として製造・市販されている。したがってこれらを平面形状に近い切削工具類の作製に適用する場合には、放電加工によってほぼ所定の寸法に切断し、刃先部付近のみを研摩加工する方法が採られている。
【０００５】
ある種の立体的形状を有する工具部材も、同時焼結法に基づいて作製することが知られている。この場合一般的に超砥粒焼結体は、超高圧装置への収容・処理に好都合な円板状ないしは円筒状に形成し、これらに放電加工や研摩加工による後加工を行って所定の工具形状に仕上げる手法が採られている。このような方法は最終形状が円筒に近い単純なものに対しては効率的な適用が可能である。
【０００６】
上記同時焼結法は、超高硬度を要求される作用面の形状が円錐状や半球状、その他の立体構造を有する部材の製造へ適用することも原理的には可能である。ただしこの場合、素材を円筒状に作製する従来方法では通常、焼結超砥粒層として、超高硬度先端部の最大高低差に相当する厚みを必要とすることに加えて、後加工も複雑化する。このことは設計・操作上、品質・歩留まり、材料コストにおいて次のような問題を生じるので、好ましくない。例えば焼結ダイヤモンド層の厚みを増すことは、多量の原料ダイヤモンド粉未圧縮のために、焼結に用いる超高圧装置に大きな加圧ストロークが必要となる。またこのために余分の原料を無駄に消費することになる。一方焼結助剤としての金属相は超硬合金側から供給されるので、原料ダイヤモンド微粉末量の増加に従って融液の移動が困難になり、焼結不足の状態が生じやすい。また後加工は通常ダイヤモンド砥石を用いて行なわれるが、後加工が複雑化することは、単結晶ダイヤモンドよりも研摩しにくい多結晶体の加工に、高価なダイヤモンド砥石を相当量消費することになり、多くの加工工数と費用とを要することになる。
【０００７】
レースセンタのような、先細り形状乃至立体構造の耐摩耗面を有する工具部材も、直径１０ｍｍφ程度の比較的小型のものは同時焼結体素材からの切り出し加工による製法が利用可能であるが、これより大型のものは上記、その他の問題のため市販されていず、満足できる耐摩耗性を有するこの種の工具は、比較的大型のものについては利用できないのが現状である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の目的は、従来に比して耐摩耗性の向上した作用面を有する先細り形状、その他の立体的構造を有する、特に比較的大型のレースセンタその他の工具部材、およびその製法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、これらの工具部材において傾斜支持面の構成を最適化することによって解決される。即ち本発明の要旨は、本質的に、高剛性材から成る軸状基体およびこの基体の周面に接合された焼結超砥粒層を有し、かつ一端を含む部分が連続的な先細り形状を呈する傾斜周面支持軸状工具部材であって、先端周辺部は金属質またはサーメット系高剛性材で構成され、また焼結超砥粒層は、超砥粒と金属または非金属質の結合材または焼結助剤とから成り、かつ基体の表面に接合されていることを特徴とする軸状工具部材、にある。
【００１０】
本発明において、超砥粒焼結層は、超砥粒同士を１．焼結助剤の作用により相互に結合させた直接結合型、２．金属質または非金属質結合材を用いて結合させた金属結合型、３．金属質および／または非金属質マトリックス中に超砥粒を分散保持した分散型焼結体等、いくつかの構成のものが利用できる。
【００１１】
直接結合型のダイヤモンド焼結体作製において、ＷＣ−Ｃｏ系超硬合金製の基体を用いる場合には、この基体から供給されるコバルトを主成分とする金属融液を、焼結助剤金属として利用することができる。
【００１２】
レースセンタは使用時に、一般に先細り乃至傾斜した周面において工作物と直接接触するので、この部分には高度の耐摩耗性が要求されるが、その他の部分については、格別の耐摩耗性は特に必要としない。したがって、この周面は本発明においては超砥粒焼結体で被覆される。しかしその他の部分については、超砥粒焼結体の使用は要せず、むしろ、通常ガイドとして機能する尖った先端部については、工作物着脱の際の衝撃に耐えられる靭性が重視される。それ故、この未端部は焼入鋼等の、より低硬度・高靭性の材料で構成する。
【００１３】
本発明においては、しばしば要望されているように、先端部を交換可能な構成にすることができる。このためには、基体を小径側の先端（尖端）と残りの本体部分とから成る二部構成として両者をロウ付けによって固定したり、尖端部の後方に設けたテーパーピンを、本体中心軸部に設けた窪み乃至軸孔に嵌合させて、固定することができる。これらの尖端部は実質的に半球状、円錐状、テーパー付き円筒状、またはこれらの変形、あるいはこれらの組合せとして構成することができる。
【００１４】
本発明による工具は、各種の公知手法によっても製造可能であるが、特に効果的な方法として、次の各段階を含む新規方法を挙げることができる。すなわちまず直接結合型焼結体の製造工程は次の各段階を有する。
（１）雄型乃至工具基体を金属質またはサーメット系高剛性材で形成する段階。
（２）工具の焼結超砥粒を固着すべき被着部分の外形に近似的に対応する内面を有する雌型を非金属質材料で形成する段階。
（３）超砥粒粉粒体を、結合材または焼結助剤の粉粒体との混合状態、あるいは焼結助剤供給源と隣接状態において雌型に配置する段階。
（４）この雌型に工具基体を進入させて超砥粒粉粒体を押すことにより流動させて上記被着部分の周囲に到達せしめる段階。
（５）予め混合されている結合材または焼結助剤、あるいは上記焼結助剤供給源から供給された焼結助剤金属の存在下で超砥粒粉粒体を熱力学的に安定な圧力温度条件下に供することにより、超砥粒相互間の焼結および工具基体との接合を達成する段階。
【００１５】
雌形ブロックの材料としては圧力伝達性、成形性等の点で食塩（ＮａＣｌ）が優れているが、この外にも、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＺｒＯ_２などの酸化物、ＴｉＣ、ＳｉＣ、Ｂ_４Ｃ、ＺｒＣなどの炭化物、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＮ、ＡｌＮなどの窒化物の粉末成型品または焼結品が利用できる。
【００１６】
直接結合のための上記焼結助剤としてはＣｏ、Ｎｉ、その他の鉄族金属またはこれらをベースとする合金が使用できる。これは粉体として超砥粒粉体に予め混合しておいたり、箔として、または蒸着・メッキにより、雌型内面に配置乃至被覆して使用することができる。
【００１７】上記工具基体を超硬合金で形成する場合には、工具基体から、鉄族金属をベースとする融液が供給されるので、この融液を焼結助剤として利用することが可能である。
【００１８】
超砥粒としては特にこゝではダイヤモンドについて説明する。しかし必要な公知の変更を加えることにより、その他の超砥粒として、ｃ−ＢＮやウルツ型ＢＮも利用できることは明らかである。
【００１９】
上記の各種の焼結体製法において、超砥粒層と工具基体との間には、ＴｉやＴａのような高融点金属の箔を配置し、焼結工程中に炭化物を形成させて中間層として超砥粒と工具基体との接合力向上に寄与させることができる。次に本発明を、添付の図面により説明する。
【００２０】
図１は、（ａ）〜（ｃ）に、本発明により作製される、焼結超砥粒層を設けた円錐状先細り工具のいくつかの例を示す。図２は、このような工具の作成に適用した本発明方法に利用可能な、雄型および雌型の構成例を示す縦断面図（超高圧法）である。
【００２１】
図において、全体として円錐状を呈する工具部材１は、大半の部分を構成する基体２と、基体表面に固着し工作物と接触してこれを保持するようにした焼結超砥粒層３を有する。基体２は、（ａ）に示すように、先端から基部まで全体を一体成形したり、あるいはレースセンタにおいてガイドとして機能する尖端部分と残りの部分とを別々に作製して、ネジ込み（ｂ）、圧入（ｃ）等の機械的結合手段を用いて両者を結合することができる。尖端部は残りの本体部と共に比較的靭性の高い材料で構成される。これらは同一の材質でも、異種の材質でもよく、例えば焼入鋼等が利用できる。
【００２２】
焼結超砥粒層３は、既述のように、超砥粒同士を直接結合させたもの、金属結合材で結合したもの、金属／非金属マトリックス中に分散・保持したもの等が利用できる。これらは同時焼結により超硬合金製の基体に接合したり、ＳＨＳ反応を熱源にする場合には、溶融したマトリックスにより接合する。あるいは公知のロウ付けによってもよい。
【００２３】
同時焼結には図２の型構成が利用可能である。型集合体１１は、上方に開放した円錐状窪み面１２を有する雌型ブロック１３と、雌型ブロック１３に隣接して共軸的に配置される円筒状の補助スリーブ１４を有する。これらの雌型ブロックおよび補助スリーブは共に、セラミックスや食塩等で作成される。窪み面１２および補助スリーブ１４内に、これらと共軸的に工具部材基体１５が挿入配置され、成型時に雄型として機能する。
【００２４】
窪み面１２は、上記材質の粉末をプレス成型することにより、あるいは成型されたブロックの機械加工により、雌型ブロックの表面に、目的とする工具部材基体１５の尖端から作用部に至る部分の外形に対応する形状に形成し、あるいはさらに、必要に応じて焼成することにより高強度品として使用することができる。工具部材基体１５の周囲には、作用部を含む範囲に亘って、雌型１３との間に間隙１６を設け、超砥粒粒子を単独で、あるいは焼結助剤金属粉体との混合状態で、充填する。図においてはレースセンタ素材として、全体的な外形を円錐状に構成しているが、この外にも、特に尖端部の形状を部分球面またはその近似形、角錐、あるいはある範囲でこれらを組合せたものが利用可能である。
【００２５】
窪み面を、合致する形状の金属層１７で被覆すると、特に焼結層の汚染防止などに有効である。このような被覆法としては、Ｔａ、Ｔｉなどの高融点（遷移）金属、Ｃｏ、Ｎｉ等の鉄族金属の箔を窪みの表面に合わせて形成して挿入配置したり、あるいは蒸着・メッキ等の物理的、あるいは化学的手法によることができる。
【００２６】
工具部材基体１５の、超砥粒が固着される部分の表面に１乃至複数個の線状凹凸、特に溝１８を設け、接合面積を増大させると同時に表面形状の複雑さを増すことにより、超砥粒層の機械的保持性を向上させることができる。これは軸に対して垂直な、または傾斜した線状溝として形成するのが便利である。点状または面状の凹凸によっても、類似の効果を達成できる。
【００２７】
以上のように構成した雌型ブロック１２の窪み内に工具基体１５を挿入し、間隙１６に超砥粒を充填する。さらに雌型ブロック１２の上に、窪み面に適合された貫通孔を有する補助スリーブ１４を載せ、その内外にセラミック製の円板１９およびリング２０、さらに工具基体の上に超硬合金のような剛性材の円板２１を置き、全体をＴａのような高融点金属箔製容器２２に入れて、公知の一軸加圧式超高圧高温装置に装填し、超砥粒材が熱力学的に安定な圧力温度条件に供する。超砥粒粒子間の直接結合は、主としてＣｏなどの鉄族金属の融液の媒介によって生じるが、これは、工具基体を充分な高温に加熱し、これを構成する超硬合金から供給させるか、あるいは超砥粒粉末に予め適量混合した焼結助剤の作用によることができる。
【００２８】
【実施例１】
先端に半球形の作用部を有する工具部材を作成した。食塩のプレス成型により、工具部材先端に対応して、１０ｍｍφの半球形およびこれに接続する長さ４ｍｍの円筒状部分から成る窪みを有する雌型ブロックを作成し、窪みの表面に、Ｔａ箔で形成した半球体を密着して敷き、中に５−１２μｍのダイヤモンド粉末２ｇを入れた。雌型ブロックの上に、雄型ガイドとして食塩製の補助スリーブを載せ、この中心に、雄型乃至工具部材基体として、先端に直径６ｍｍの半球状外面を有する長さ３０ｍｍのＷＣ−１３％Ｃｏ製の棒を、ゆっくりと挿入した。この基体には円筒状部分および円錐形部分に各１本ずつ、深さ０．５ｍｍ、幅１ｍｍのリング状溝を設けておいた。
【００２９】
全体を一軸加圧方式の超高圧装置に装墳し、６ＧＰａ、１３５０℃の圧力温度条件に５分間供した。全体を超高圧装置から取り出し、型を壊し、焼結された工具基体焼結品の表面を研摩加工して、研摩工具部材を得た。
【００３０】
なお上記の説明は専ら超砥粒としてダイヤモンドを用いた場合について説明したが、この説明は、同様に鉄族金属の媒介により焼結が可能な別の超砥粒、特に立方晶窒化硼素（ｃ−ＢＮ）に対しても本質的な部分において同様に適用されることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により作製される円錐状傾斜周面支持軸状工具の構成例。
【図２】本発明方法の実施に利用可能な超高圧焼結金型例を示す縦断面図。
【符号の説明】
１ 工具部材
２ 基体
３ 焼結超砥粒層
１１ 型集合体
１２ 円錐状窪み面
１３ 雌型ブロック
１４ 補助スリーブ
１５ 工具部材基体
１６ 間隙
１７ 金属層
１８ 溝
１９ セラミック製円板
２０ リング
２１ 剛性材の円板
２２ 高融点金属箔製容器

Claims (17)

1. 本質的に高剛性材から成る軸状基体およびこの基体の周面に接合されたダイヤモンド及び高圧相窒化硼素から選ばれる超砥粒の焼結層（焼結超砥粒層）を有し、かつ一端を含む部分が連続的な先細り形状を呈する傾斜周面支持軸状工具部材であって、先端周辺部は金属質またはサーメット系高剛性材で構成され、また焼結超砥粒層は、超砥粒と金属または非金属質の結合材または焼結助剤とから成り、かつ基体の先端部を除く傾斜周面に接合されていることを特徴とする軸状工具部材。
2. 上記基体が、本質的に金属質高剛性材で構成された先端部、および周面に焼結超砥粒層が接合され、かつ中心軸に沿って延びた窪み乃至軸孔を有する本体部から成り、上記先端部が本体の窪み乃至軸孔に嵌合されている、請求項１に記載の軸状工具部材。
3. 上記嵌合が圧入による、請求項２に記載の先細り軸状工具部材。
4. 上記先端部の外形が円錐状を呈する、請求項１に記載の軸状工具部材。
5. 上記先端部の外形が截頭円錐状を呈する、請求項１に記載の軸状工具部材。
6. 上記先端部の外形が球面状を呈する、請求項１に記載の軸状工具部材。
7. 次の各段階を有する、請求項１に記載の傾斜周面支持軸状工具部材の製法：
   （１） 工具基体を金属質またはサーメット系高剛性材で形成する段階。
   （２） 工具の焼結超砥粒を固着すべき被着部分の外形に近似的に対応する内面を有する雌型を非金属質材料で形成する段階。
   （３） 超砥粒粉粒体を、結合材または焼結助剤の粉粒体との混合状態、あるいは焼結助剤供給源と隣接状態において雌型に配置する段階。
   （４） この雌型に工具基体を進入させて超砥粒粉粒体を押すことにより流動させて上記被着部分の周囲に到達せしめる段階。
   （５） 予め混合されている結合材または焼結助剤、あるいは上記焼結助剤供給源から供給された焼結助剤金属の存在下で超砥粒粉粒体を熱力学的に安定な圧力温度条件下に供することにより、超砥粒粒子相互間の焼結および工具基体との接合を達成する段階。
8. 上記焼結助剤としてＣｏまたはＮｉの粉粒体を用い、これを超砥粒粉粒体に予め混合する、請求項７に記載の軸状工具部材の製法。
9. 工具基体の進入に先立ち、上記焼結助剤を雌型内面に予め被覆してなる、請求項７に記載の軸状工具部材の製法。
10. 上記焼結助剤が遷移金属である、請求項９に記載の軸状工具部材の製法。
11. 上記金属質高剛性材が超硬合金または高硬度鋼である、請求項７に記載の軸状工具部材の製法。
12. 上記工具基体を超硬合金で構成し、焼結助剤をこの超硬合金から融液として供給する、請求項７に記載の軸状工具部材の製法。
13. 上記非金属材料が金属酸化物、窒化物、炭化物、および食塩から選ばれる、請求項７に記載の軸状工具部材の製法。
14. 上記雌型の内面に接して高融点金属箔、または鉄族金属箔を配置する、請求項７に記載の軸状工具部材の製法。
15. 上記雌型の表面に高融点金属、または鉄族金属を物理的または化学的手法により付着させた、請求項７に記載の軸状工具部材の製法。
16. 工具基体の表面に溝付けまたは階段状加工により、表面積を増した、請求項７に記載の軸状工具部材の製法。
17. 上記超砥粒がダイヤモンドまたは高圧相窒化硼素から選ばれる、請求項７に記載の方法。

Images