JP3799962B2

JP3799962B2 - 耐チッピング性を向上させる表面処理方法

Info

Publication number: JP3799962B2
Application number: JP2000149527A
Authority: JP
Inventors: 洋尚砂田; 一樹渡辺; 正信幸地; 俊夫毛呂; 昭弘後藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2000-05-22
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2020-05-22
Also published as: JP2001329382A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削工具や金型等の耐チッピング性を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削工具で金型等を加工する場合に切削工具の刃先にチッピングが生じ易いという問題がある。また、金型で冷間鍛造等を実施する場合に、チッピングが生じ易いという問題がある。このチッピングは材料の強度が低いために発生する。チッピングを防止するには、「材料の強度」を「材料にかかるせん断力」より大きくすることが必要とされる。
【０００３】
例えば、切削工具に生じるチッピングを防止する方法として、従来から以下の３つの方法が提案されている。
まず、「刃先の強度」を向上させる方法として、
（１）工具母材自体を靭性の高い材種に変更すること、
（２）工具形状を変更すること、が提案されている。
また、「刃先にかかるせん断力」を低減させる方法として、
（３）切削条件を変更すること、が提案されている。
しかしながら、（１）および（２）については、工具費が増加するという問題がある。また、（３）については、加工時間が増加するという問題がある。
【０００４】
また、工具表面をＰＶＤ処理またはＣＶＤ処理する方法が提案されている。
ＰＶＤ処理では、工具表面に密着性に優れるコーティング（例えばＴｉＡＩＮ皮膜）を１〜５μｍ皮膜する。このＰＶＤ処理をすると、切刃の耐磨耗性が向上して潤滑性が付与されるために、切刃に微小クラックが発生するのを抑制する。ただし、膜厚が１〜５μｍと薄いため、耐チッピング性を向上する効果はほとんど得られない。
ＣＶＤ処理では、超硬合金の表面に、Ｔｉ系化合物被膜とＡｌ_２Ｏ_３を交互に積層する。このＣＶＤ処理によると、２〜１５μｍの多層コーティングが得られる。このＣＶＤ処理で形成される膜厚が１０μｍ以上の場合には、耐チッピング性を向上させる効果が多少は得られるものの、その効果は非常に不十分である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、耐チッピング性を効果的に向上させることができる方法を理論的および実験的に詳細に検討したところ、放電加工による表面処理を施すことによって耐チッピング性を効果的に向上させることができることを見出した。
【０００６】
【課題を解決するための手段および作用と効果】
本発明に係る耐チッピング性を向上させる表面処理方法（耐チッピング性向上方法）は、硬質母材の耐チッピング性を向上させる表面処理方法であって、被膜材料を有する電極と前記硬質母材との間に放電を発生させて前記硬質母材の表面に被膜層を形成した後に、前記電極と前記硬質母材との間に前記被膜層の形成が実質的に進行しない小電流による放電を発生させる工程を実施することを特徴とする。
本発明によれば、硬質母材の表面に高硬度の被膜層を充分な厚みとなるまで形成し得るので、耐チッピング性を効果的に向上させることができる。
従って、本発明によると、チッピングの発生を防止しながら、切削工具等の材質を従来のものから代える必要がなく、また、切削条件を高能率なものに維持できる。
【０００７】
前記耐チッピング性向上方法においては、前記被膜層を前記硬質母材からなる切削工具のすくい面に形成することが好ましい。
本発明によれば、切削工具において、チッピングを発生させる要因であるせん断力がかかるすくい面に被膜層を形成しているため、切削工具の耐チッピング性をより効果的に向上させることができる。
【０００８】
前記耐チッピング性向上方法においては、前記被膜層を構成する前記被膜材料のヤング率を前記硬質母材のヤング率より小さくすることが好ましい。
本発明によれば、被膜材料のヤング率を硬質母材のヤング率より小さくしているため、被膜材料の方が硬質母材より靭性が高くなる。従って、耐チッピング性をより効果的に向上させることができる。
【０００９】
前記耐チッピング性向上方法においては、前記被膜層の膜厚を１０〜３０μｍにすることが好ましい。
本発明によれば、被膜の膜厚を１０〜３０μｍとしているため、硬質母材にまですくい面磨耗が容易に進行しない。従って、耐チッピング性をより一層向上させることができる。
【００１０】
前記耐チッピング性向上方法においては、前記被膜層の表面から内部に向かって、前記硬質母材の構成成分の割合が漸増する傾斜性組織に形成することが好ましい。
本発明によれば、被膜層を傾斜性組織としているため、応力を受けた際のひずみ量の差によって硬質母材と被膜の間に剥離が生じにくくなる。従って、高い耐チッピング性を長期にわたって維持できる。
【００１１】
前記耐チッピング性向上方法においては、前記硬質母材の表面に前記被膜層を形成後、ショットピーニング的効果を付与する工程を実施することが好ましい。本発明では、硬質母材の表面にショットピーニング的効果を与えることで被膜層を形成しているため、被膜層が圧縮応力層に形成されるので、耐チッピング性をより一層に向上させることができる。
【００１２】
前記耐チッピング性向上方法においては、前記硬質母材を、超硬合金、サーメット、セラミックス、ハイスのいずれか１つとすることが好ましい。
本発明によれば、超硬合金、サーメット、セラミックス、ハイスで形成される切削工具、金型等の耐チッピング性を向上させることができる。
【００１３】
本発明の他の態様として、請求項１から６のいずれかに記載の耐チッピング性向上方法によって切削工具または金型の硬質母材の表面に被膜層を形成してもよい。
本発明に係る切削工具または金型によれば、請求項１から６に記載の耐チッピング性向上方法による作用効果と同様の作用効果を奏することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）本発明の実施の形態に係る放電表面処理方法に使用する放電加工装置の構成について図１を用いて説明する。図１は、放電表面処理装置の構成図である。図１に示す放電表面処理装置２０は、エンドミル（被処理材）２２、このエンドミル２２を保持する保持装置２６、この保持装置２６をモータ３６に連結された回転軸３７を介して回転させるとともにＺ軸駆動機構３４によって矢印Ｚ方向にスライドさせるＺ軸駆動装置３０、前記エンドミル２２に改質層を形成する圧粉体電極２４、この圧粉体電極２４を保持する電極保持装置２８等を備えている。
前記エンドミル２２と前記圧粉体電極２４は加工槽３８内に配置されている。この加工槽３８内は、放電加工液４０で満たされている。また、この加工槽３８は、Ｘテーブル４２およびＹテーブル４４上に載置され、Ｘ軸駆動機構４６およびＹ軸駆動機構４８によってＸ軸およびＹ軸の方向に移動可能となっている。このため、加工槽３８内に配置された電極保持装置２８もＸ軸およびＹ軸方向に移動可能となっている。
【００１５】
また、図１に示す放電表面処理装置２０は、前記エンドミル２２の刃先が前記圧粉体電極２４に沿って動くように制御する制御装置５０、この制御装置５０に送信するための前記エンドミル２２と前記圧粉体電極２４との間の極間距離を検出する極間検出回路５４、前記エンドミル２２と前記圧粉体電極２４との間に放電を発生させる電力を供給する電源装置５６等を備えている。
前記制御装置５０は、エンドミル２２の刃先の長さ、刃先の軌跡移動に関する数値データを記憶するメモリ、ＣＰＵを備えている。
【００１６】
次に、以上のように構成された放電表面処理装置２０の動作について説明する。まず、圧粉体電極２４を固定した状態で、エンドミル２２の刃先が圧粉体電極２４に対し所定の放電間隙となるように、エンドミル２２をＺ軸駆動装置３０およびＺ軸駆動機構３４によってＺ方向にスライドおよびＺ方向の軸を中心に回転させることでエンドミル２２の位置を制御する。
その後、放電加工液４０中において、エンドミル２２と圧粉体電極２４との間に電源装置５６によって電力を供給して両者間に放電を発生させる。
【００１７】
このとき、制御装置５０は、Ｚ軸駆動装置３０およびＺ軸駆動機構３４に対し、エンドミル２２の刃先を圧粉体電極２４に沿って移動させるための指令信号（刃先の軌跡移動を指令する）を送信する。そして、前記指令信号を受信したＺ軸駆動装置３０およびＺ軸駆動機構３４によって、刃先が圧粉体電極２４に沿うようにエンドミル２２を移動させる。
また、制御装置５０は、Ｘ軸駆動機構４６、Ｙ軸駆動機構４８に対し、エンドミル２２と圧粉体電極２４との間の極間距離を所定値に維持するため、極間制御信号を送信する。そして、前記極間制御信号を受信したＸ軸駆動機構４６およびＹ軸駆動機構４８によって、Ｘテーブル４２、Ｙテ−ブル４４をＸおよびＹ方向に移動させることで前記エンドミル２２と前記圧粉体電極２４との極間距離を一定に維持する。
上記に示した放電表面処理装置２０によって、エンドミル２２の刃先に被膜層を形成することができる。即ち、この放電によって圧粉体電極２４が消耗し、この圧粉体電極２４の成分であるＴｉＣを中心とした高硬度（２０００〜２５００ｍＨＶ）の被膜層を充分な厚みとなるまでエンドミル２２の刃先に形成することができる。
【００１８】
（実施の形態２）本発明の実施の形態に係る放電表面処理方法によって、切削工具の刃先のすくい面に被膜層を形成する場合について説明する。図２に切削工具の刃先を示した図を示す。図２において６０は切削工具、６０ａは切削工具の刃先のすくい面、６０ｂは切削工具の刃先の逃げ面である。また、６０ｃは超硬母材、６０ｄは被膜層である。切削工具６０のすくい面６０ａは、すくい面６０ａに対して垂直に作用する垂直力６２と、すくい面６０ａに対して平行に作用する摩擦力６４との２つの力の合力で刃先にチッピングを発生させる直接の目安となるせん断力６６を受けている。このため、このせん断力を受けているすくい面６０ａに対し、チッピングの発生を防止する対策を施す必要がある。
本発明の実施の形態に係る放電表面処理方法では、切削工具６０の刃先のすくい面６０ａに被膜層６０ｄを形成しているため、チッピングの発生をより効果的に防止することができる。また、切削工具６０の刃先のすくい面６０ａのみの局部処理であれば、放電加工による処理であるため、数十秒から数分で表面処理をすることができる。
【００１９】
（実施の形態３）本発明の実施の形態に係る放電表面処理方法によって、超硬母材のヤング率よりも小さいヤング率の被膜材料によって被膜層を形成する場合について説明する。エンドミル２２とＴｉ系の圧粉体電極２４との間の放電を発生させると、超硬母材のヤング率（４５０００〜５７０００ｋｇ／ｍｍ^２）よりも小さいヤング率（３２０００〜３５０００ｋｇ／ｍｍ^２）のＴｉＣ（炭化チタン）を主成分とする被膜層をエンドミル２２の刃先に形成することができる。これは、放電加工液４０が油であるため、放電の熱で分解した油の成分のＣ（炭素）と電極中のＴｉ（チタン）が熱により化学反応を起こしてＴｉＣとなるからである。このように、母材である超硬のヤング率よりも小さいヤング率の被膜材料を被覆すると、耐チッピング性をより向上させることができる。
以下、母材である超硬のヤング率よりも小さいヤング率の被膜材料を被覆すると、耐チッピング性をより向上させることができる理由を説明する。
【００２０】
セラミックス材料に対して引張り試験を行うと、図３に示すような応力とひずみの関係が得られる。横軸７２はひずみεを示し、縦軸７４は応力σを示す。応力σを大きくしていくと、塑性変形の始まる降伏点前で破断が生じ、８０に示す時点で脆性破壊と呼ばれる現象が生じる。この脆性破壊を生じにくくさせるには靭性（図３に示す部分の面積７６：σ・ε／２）を大きくする必要がある。なお、靭性とは、材料が破壊するのに要する単位時間当たりの仕事である。
チッピングもこの脆性破壊の一態様である。よって、チッピングを生じにくくするためには、靭性を大きくする必要がある。
【００２１】
被覆面と母材に加わる応力σ（荷重）は等しい。よって、靭性（図３に示す部分の面積７６：σ・ε／２）を大きくするためには、ひずみεを大きくする必要がある。ここで、応力σは、σ＝Ｅ・ε（Ｅ：ヤング率）で表される。よって、応力σが等しい場合には、ヤング率Ｅが小さいほどひずみεが大きくなり、靭性が高くなる。
よって、母材のヤング率Ｅよりも被膜のヤング率Ｅを小さくすれば、母材の靭性よりも被膜の靭性の方が大きくなるため、耐チッピング性をより向上させることができる。具体的には、母材である超硬のヤング率は、４５０００〜５７０００ｋｇ／ｍｍ^２であるため、被膜材料としては、ＴｉＣの他には、例えば、ＺｒＣ（２６０００〜３５５００ｋｇ／ｍｍ^２）、ＶＣ（２７３００〜２７６００ｋｇ／ｍｍ^２）、ＮｂＣ（３４５００〜３４６００ｋｇ／ｍｍ^２）、ＴａＣ（２９０００〜２９１００ｋｇ／ｍｍ^２）等を用いればよい。
【００２２】
（実施の形態４）本発明の実施の形態に係る放電表面処理方法によって、被膜層を厚膜化する場合について説明する。被膜層の厚さはパルス幅τ_ｐに関係しており、被膜層を厚膜化するためには、パルス幅τ_ｐを長くすればよい。被膜層の厚さは、チッピングに対する効果を十分に得るためには、１０μｍ以上であることが望ましい。ただし、３０μｍを超えると切削時に母材と被膜の間の熱膨張の差が大きくなり、亀裂が生じて剥離しやすくなるため、３０μｍ以下であることが望ましい。
【００２３】
図４に被膜材料の弾性体モデルを示す。図４に示すように、被膜材料８４と超硬母材８２にかかる荷重８６（＝応力σ）が等しい場合は、σ＝Ｅ・εであるから、超硬母材８２よりも被膜材料８４のヤング率Ｅが小さいと、超硬母材８２よりも被膜材料８４のひずみεが大きくなる。この結果、図４に示すように、被膜材料８４を弾性体とみなすことができる。弾性体は厚いほど、被覆面上に受けた荷重８６による衝撃を被膜材料８４で吸収することができる。また、硬質母材にまですくい面磨耗が容易に進行しない。従って、被膜材料８４の膜厚を厚くすると、耐チッピング性をより一層向上させることができる。
【００２４】
（実施の形態５）本発明の実施の形態に係る放電表面処理方法によって、超硬母材に傾斜性組織の被膜層を形成する場合について図１および図５を用いて説明する。図５は、図２に示す切削工具の刃先の拡大図である。図１に示す圧粉体電極２４を用いて、一定の放電エネルギーで放電を発生させて表面処理をすると、図５に示すように成分に傾斜性を有する被膜層６０ｄを得ることができる。
即ち、被膜層６０ｄの上面部６０ｆでは、ほぼＴｉＣで形成され、被膜層６０ｄと超硬母材６０ｃとの接触面６０ｅに向かうにつれてＴｉＣの量が漸減するとともに母材の量が漸増する。このため、被膜層６０ｄは、ＴｉＣが単独で形成されているより硬度変化がなめらかな傾斜性組織となる。
【００２５】
このように、本実施の形態に係る放電表面処理方法によれば、被膜層６０ｄを傾斜性組織としているため、ヤング率Ｅの差で生じる被膜層６０ｄの特性と硬質母材６０ｃの特性が徐々に変化する。よって、ヤング率Ｅの差で生じるひずみεの差が被膜層６０ｄと硬質母材６０ｃの接触面６０ｅの付近で大きくなることはない。このため、応力σを受けた際のひずみεの差によって硬質母材６０ｃと被膜層６０ｄの間に剥離が生じることはない。従って、被膜層６０ｄが傾斜性組織であると、密着性、耐衝撃性が高くなり、また、熱膨張に対しても優れるため、チッピングが容易に発生しないようになる。
【００２６】
（実施の形態６）本発明の実施の形態に係る放電表面処理方法によって、被膜層を圧縮応力層に形成する場合について説明する。電流値を限りなく０に近い値に設定し、電圧だけ印加して処理時間を増加させると、ショットピーニング的効果が発生し、これによってチッピングの発生を防止することができる。即ち、電流値を限りなく０に近い値に設定し、電圧だけ印加して処理時間を増加させると、母材と電極との極間には加工が進行しない程度の小さな放電が発生する。この放電加工時の気化爆発が生じたときの極間における圧力の衝撃によって、ショットピーニングにおける物理的な球状粉末の衝撃と同様の衝撃が超硬母材に作用する。この衝撃によって、超硬母材の表面は加工硬化し、表面応力層が圧縮方向に変化し、圧縮応力層が形成される。
このように、被膜層が圧縮応力層に形成されると、耐チッピング性をより効果的に向上させることができる。
【００２７】
（実施の形態７）本発明の実施の形態に係る放電表面処理方法によって表面処理を施したヘリカルチップ（放電ＴｉＣコート）と、表面処理を施していないヘリカルチップ（ノーマル）について、以下の条件でチッピングに対する試験を行った。
（条件１）切削長：約１０ｍ、回転数：７１６ｍｉｎ^−１、径切込：１ｍｍ、周速：５４．０ｍ／ｍｉｎ、Ｚ切込：３ｍｍ、送り速度：３３７ｍｍ／ｍｉｎ、１刃送り：０．４７ｍｍ／刃、加工機：ＮＣフライス盤、被削材：ＳＫＤ６１、電極：ＴｉＣ焼結体電極、処理時間：１ｍｉｎ
（条件２）切削長：約１０ｍ、回転数：１１９４ｍｉｎ^−１、径切込：１ｍｍ、周速：９０．０ｍ／ｍｉｎ、Ｚ切込：３．３ｍｍ、送り速度：５６１ｍｍ／ｍｉｎ、１刃送り：０．４７ｍｍ／刃、加工機：ＮＣフライス盤、被削材：ＳＫＤ６１、電極：ＴｉＣ焼結体電極、処理時間：１ｍｉｎ
この結果、条件１および条件２のいずれの場合にも、表面処理を施していないヘリカルチップ（ノーマル）についてはチッピングが発生したが、表面処理を施したヘリカルチップ（放電ＴｉＣコート）についてはチッピングが発生しなかった。
このように、本発明の実施の形態に係る放電表面処理方法をヘリカルチップに適用すれば、ヘリカルチップの耐チッピング性を向上させることができ、工具の長寿命化、工具費の低減を図ることができる。
【００２８】
（実施の形態８）また、本発明の実施の形態に係る放電表面処理方法によって表面処理を施した打ち抜きパンチ（放電ＴｉＣコート）と、表面処理を施していない打ち抜きパンチ（ノーマル）について、以下の条件でチッピングに対する試験を行った。条件は、放電電流：Ｉ_Ｐ＝１．４、パルス幅：ＯＮ＝１．０、休止時間：ＯＦＦ＝６．０、処理時間：端面１０ｍｉｎ、側面１０ｍｉｎである。なお、放電加工後の面粗さを改善するために人手による磨きを実施している。
この結果、表面処理を施していない打ち抜きパンチ（ノーマル）については５０％の確率でチッピングが発生したが、表面処理を施した打ち抜きパンチ（放電ＴｉＣコート）についてはチッピングが発生しなかった。
このように、本発明の実施の形態に係る放電表面処理方法を打ち抜きパンチに適用すれば、従来、打ち抜きパンチの端面にチッピングが発生した場合は、パンチ端面を引き下げ、パンチ長さをシムで調整していたが、このような調整をする必要がなくなる。
【００２９】
以上で説明した本発明の実施の形態に係る放電表面処理方法によれば、ＰＶＤおよびＣＶＤ処理による方法に比較して種々の有利な効果を得ることができる。例えば、ＰＶＤおよびＣＶＤ処理の場合は、被膜層の厚さは約１５μｍが上限であるのに対し、放電加工による表面処理の場合は、被膜層の厚さを３０μｍとすることも容易である。また、ＰＶＤおよびＣＶＤ処理に比較して、被膜の密着性を強くすることができる。また、ＰＶＤおよびＣＶＤ処理では、被膜層を傾斜性組織にすることが１回の処理では不可能であるのに対し、放電加工による表面処理では、１回の処理で可能である。また、表面処理の際の処理時間も短い（特に、すくい面のみの局部処理の場合は、数十秒から数分程度）。また、真空槽など特殊な装置を必要としないので面倒な洗浄も不要であり、どの製造元の切削工具等であっても表面処理を行うことが可能である。従って、ＰＶＤおよびＣＶＤ処理に比較して、短時間に、容易に表面処理を行うことができる。
【００３０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
例えば、本発明の実施の形態では超硬母材について説明をしたが、母材は、サーメット、セラミックス、ハイス等であってもよい。即ち、従来、高速切削における耐酸化性、耐塑性変形性、耐磨耗性、耐溶着性等にすぐれていながら、脆くて、チッピングが発生しやすいという欠点のためにあまり使用されていなかったサーメット、セラミックス等に本発明を適用することでこれらの材料の適用範囲を拡大することができる。また、本発明の実施の形態では、切削工具として、エンドミル、ヘリカルチップ、打ち抜きパンチについて説明したが、本発明は、チッピングの発生し得る切削工具全般について適用することができる。また、本発明の実施の形態では、切削工具について説明したが、本発明は、金型のチッピング防止についても適用することができる。例えば、冷間鍛造金型の使用時に、金型先端の成形面には非常に強い圧力がかかるため、チッピングが生じやすいが、本発明を金型に適用することにより、チッピングの発生を防止することができる。また、加工の種類は、大荒加工、荒加工、中仕上加工、仕上加工等、チッピングの発生し得る加工全般について適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】放電表面処理装置の構成図
【図２】切削工具の刃先を示した図
【図３】応力とひずみの関係を示した図
【図４】被膜材料の弾性体モデル
【図５】切削工具の刃先の傾斜性組織を示した図
【符号の説明】
６０…切削工具
６０ｃ…超硬母材
６０ｄ…被膜層

Claims

硬質母材の耐チッピング性を向上させる表面処理方法であって、被膜材料を有する電極と前記硬質母材との間に放電を発生させて前記硬質母材の表面に被膜層を形成した後に、前記電極と前記硬質母材との間に前記被膜層の形成が実質的に進行しない小電流による放電を発生させる工程を実施することを特徴とする表面処理方法。
前記被膜層を前記硬質母材から構成される切削工具のすくい面に形成することを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
前記被膜層を構成する前記被膜材料のヤング率を前記硬質母材のヤング率より小さくすることを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
前記被膜層の膜厚を１０〜３０μｍにすることを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
前記被膜層の表面から内部に向かって、前記硬質母材の構成成分の割合が漸増する傾斜性組織に形成することを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
前記硬質母材を、超硬合金、サーメット、セラミックス、ハイスのいずれか１つとすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の表面処理方法。
請求項１から６のいずれかに記載の表面処理方法によって硬質母材の表面に被膜層が形成された切削工具。
請求項１および３から６のいずれかに記載の表面処理方法によって硬質母材の表面に被膜層が形成された金型。