JP3878246B2 - 金属切削インサートの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多結晶の立方晶窒化ホウ素（即ち、ＰＣＢＮ）や多結晶のダイヤモンド（即ち、ＰＣＤ）等の超硬研磨材料で作られた切刃を有する金属切削インサートの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＣＤで作られた切刃を有する金属切削インサートは通常黄銅、マグネシウム、アルミニウム等の非鉄合金の工作に使用されるのに対し、ＰＣＢＮで作られた切刃を備えたインサートは通常鋳鉄、硬化鋼等の工作に使用される。
【０００３】
これらのインサート（植刃）は異なる方法で製造される、即ち（ｉ）ＰＣＢＮ或いはＰＣＮの材料を高温、高圧の下で焼結することによって固形体にし、次いでこれを仕上加工することによって最終のインサート形状にする、或いは基体（通常はセメンテッドカーバイドのディスク）に高圧、高温下でＰＣＢＮ或いはＰＣＤの層を結合し、次いで結果の結合物を切断することにより複数の小個片（チップ）にすることによって製造される。これらのチップは次に四角形のセメンテッドカーバイド製インサートに半田付けされ、そして仕上サイズに研削加工される。この種のインサートはその製造が仕上に至るまでに多くの工程を要することから、比較的高いものにつく。また、一般にインサート当り１個或いは２個の超硬コーナしか利用出来ない。
【０００４】
米国特許第４，８６６，８８５号に開示の金属切削インサートの製造方法によれば、セメンテッドカーバイド（焼結炭化物合金）の基体の表面にその外周から内方に離間した個所において浅い凹所が形成され、そして各凹所にＰＣＤ或いはＰＣＢＮ等の硬い研磨材粒子が充填される。次に、結果の基体と研磨材粒子から成る１体物は高温、高圧で焼結処理され、それにより粒子が互いに焼結されると共にセメンテッドカーバイド基体に結合される。得られた焼結物は焼結されて成る研磨材体を通るラインに沿って切断することによって概して正方形の切削インサート群に成形される。得られた各インサートはセメンテッドカーバイドの基体とその１側面に配位する研磨材の切削体を有するものになる。この製造方法の欠点の１つはそれによって得られるインサートがその１側面にしか研磨材体を有していないことにある。この種の研磨材体をインサートの他側面（裏面）にも配設するには、当該他側面にも同様に凹所を形成し、そして研磨材料を充填しなければならない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
それ故に、切削コーナ当りのコストを低減するためにインサートに配設される研磨材体の数を増大させ、しかもこれをインサート製造の工程とコストを不当に増大させることなく実現することが要望される。本発明の目的はこの要望を満すインサートの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、縁面（周面）によって相互に接続している第１、第２側面を有する基体と、当該縁面に結合され且つ該第１側面から第２側面まで延在している研磨材体とを含んで成るインサートが提供される。好ましくは、第１、第２側面は、縁面がインサートのコーナを形成するように接続した複数のセグメントを含んで成るように、多角形になっている。更に好ましくは、インサートの複数のコーナに研磨材体が配設される。
【０００７】
超硬研磨材体は基体の縁面に第１側面から第２側面まで延在するように形成されている溝に配設され得る。研磨材料は好ましくはＰＣＮとＰＣＢＮを含む群から選定される。
【０００８】
本発明のインサート製造方法によれば、基体と研磨材料を容器の中において高温、高圧条件の下で処理することによって研磨材料の相互結合と当該材料と基体との結合を実行させる。この基体は縁面とこれによって接続されている第１、第２側面とを有している。超硬研磨材料は基体に、第１側面から第２側面まで縁面に沿って延在するように施こされる。
【０００９】
この基体は長尺のロッド形式のものにすることが出来る。この場合にはロッドの焼結後に、横断状に薄切り（スライス）することによって、各インサートが縁面によって接続された第１、第２側面を有し、研磨材体が当該第１側面から第２側面に延在している斯ゝる構造の複数のインサートが作成される。
【００１０】
本発明の別の方法によれば、容器に複数の基体を積み重ねて収容する。これらの基体はセパレータを介して重積される。焼結後に各基体は他の基体から分離される。
【００１１】
容器内の基体は前述の溝に代えて縁面から離間した位置で第１側面から第２側面まで貫通している孔を有するようにしてもよい。各孔には超硬研磨材料が充填される。高温、高圧条件の焼結後に、基体と焼結研磨材体の１部分を除去し、それによって焼結研磨材体の第１側面から第２側面まで延在する１部分を露出させる。
【００１２】
容器と各基体の縁面との間にスペースを設けるように基体群を容器に挿置し、各スペースに研磨材料を導入するようにすることも出来る。
【００１３】
容器は複数の共面上の部室を具備することが出来る。この場合、夫々の部室に基体が挿置され、そして各部室に研磨材料が充填される。この状態において、全部の基体が同時に焼結処理を施こされる。
【００１４】
【実施例】
図１−図８には本発明に係る金属切削インサートの第１好適例を製造する工程が描かれている。円形ディスク１０の形式のブランク、即ち基体（好ましくはセメンテッドカーバイドの）が図１に示すように準備される。基体の側面１６，１８に接続している基体の縁面１２は基体全長、即ち側面１６から他側面１８までの長さに沿って延在する縦溝１４を具備する。これらの溝１４は多重辺や図示のような半円形等の如何る形状も採り得る。図３，４にはこの種の縦溝が９０°間隔で示されている。基体１０は対応する形状の容器２０（図５，６）に挿置され、そして溝１４に材料１３が充填される。この材料１３はＰＣＤ（バインダ金属と併せて）やＰＣＢＮ等の超硬研磨粒子を含む。材料１３は流動性粉末や予圧グリーンコンパクトの形態であり得る。容器２０は次に封止られてから、昇温、昇圧の条件下で従来式の焼結操作を施こされる。この焼結操作で、研磨粒子は互いに結合し、且つ溝１４の側壁に結合する。
【００１５】
その後、結果の基体は容器から取り出され（図７）、そしてライン２６に沿って機械工作（好ましくは研削）されてインサート（植刃）２４を形成する。
【００１６】
このインサート２４は基体の全厚に亘って延在する研磨材体を溝の数だけ有し、従ってこれらの研磨材体がインサートの上下面、即ち両側面、における切刃のために利用出来ることになる。要するに、本発明によれば、裏返し使用可能な、即ち裏返し割付け可能なインサートとして研磨材の切刃を有するインデキシャブルインサートが得られる。研磨材部分が底の浅い凹所に形成されることになる従来の方法（例えば、前述の米国特許第４，８６６，８８５号に開示の方法）で以って類似の結果を達成するためには、本発明例の４個の溝ではなくむしろ第１、第２側面に併せて８個の凹所を形成することが必要である。従って、本発明は製造コストと労力を著しく節約することになる。
【００１７】
本発明に従って作成されたインサートで行った金属切削試験では、研磨材体は溝１４の側面に付着された状態を維持して、許容可能な状態で機能した。即ち、溝側面と研磨材体の間の結合は基体から研磨材体を剪断する性向が代表的に存在する金属切削作業中に受ける力に対し抵抗することが出来た。
【００１８】
本発明によれば、研磨材体の数とその個所は作製されるインサートのタイプに従って選定され得る。インサート当りの研磨材エッジ（切刃）の数を最大にするために、出来るだけ多くの数の研磨材体を配設するのが好ましい。
【００１９】
所望であれば、基体は図９に示すように円筒形ロッド１０Ａの形式にすることが可能である。この場合、凹所は超硬研磨材粒子の充填された縦長の溝１４Ａの形式である。焼結工程に続いて、円筒基体はその縦軸線に直角な方向の平行な複数の平面Ｐに沿って薄切り（スライス）されて、個別のインサートを形成することになる。
【００２０】
インサートは所望の形状にすることが出来る。例えば、２種のインサートの事例３０Ａ，３０Ｂとして図１０，１１に夫々示されるものは、いづれも円形であるが、異なる断面形態の２個の研磨材体３０Ａ′，３０Ｂ′を有している。
【００２１】
基体に研磨材粒子を受容する溝や凹所を具備させる代りに、基体の外周の１以上のセグメント３３が容器の２つの対向側面から離間するように基体を寸法設定し、それによって図１２に示すように基体と容器の間に空間３４を形成するようにすることが出来る。これらの空間（スペース）に超硬研磨材粒子を含有する材料３５を充填してから、焼結工程を実行し、それによって図１１に示すようなインサート３０Ｂを形成する。
【００２２】
インサートは必要な多重コーナ形状に焼結することを望む場合があり得る。例えば、図１３に示すものでは基体の夫々のコーナに形成された凹所４２を具備し、これらの凹所に超硬研磨材料４４が充填されている斯ゝる基体が容器４１に配置されている。焼結後には、図１４に示すようなインサート４６が得られる（コーナは研削により滑かにしてある）。本例は、容器内の多重コーナ付き基体の焼結中にコーナがクラックの原因となる応力増大因子として作用し得るので、現状ではそれ程好ましいものとはいえない。
【００２３】
図１５，１６には、インサートのコーナに研磨材体を形成する別の方法が示されている。セメンテッドカーバイド基体７２のコーナ部分７０は裁断され、その結果のロッド（基体）と容器２０の間の横断面形の空間には研磨材粉末７４（或いは予加圧固化物のグリーン）が充填され、次いでこの充填物の高温、高圧条件の下での焼結によってインサート７６が形成される。
【００２４】
多数のインサートを同時に作る方法は肉薄ディスク８０の形式の複数の基体を容器８４の共面上の部室群８２の夫々に挿置する工程を含む。従って、複数の個別インサートが高温／高圧処理で１個の容器において同時に形成される。この方法は丸い形状を含む所望形状のインサートの形成にも使用可能である。
【００２５】
図１８−図２０には、別の方法例として、セメンテッドカーバイド基体９０が規則的なパターンで、適宜の仕方で、例えば基体の作成時或いはその後に、形成された複数の孔９２を有している。これらの孔は基体を貫通していて、それには研磨材料９３〔即ち、粉末や圧縮固化物（コンパクト）〕が充填され、その後に高温／高圧焼結工程が容器（図示省略）間の基体に適用される。その後、個々のインサート９６（図２０参照）は孔９２に平行に延在するライン９４に沿ってワイヤＥＤＭによって基体から切断され、それによって各インサートのコーナにおいて研磨材体９８を有するように形成される。
【００２６】
基体９０は比較的肉薄に、即ちインサートの厚さに等しい厚さにすることが出来る。或いは、基体９０を図１９に示すように相対的に肉厚のものにし、後にワイヤＥＤＭによって孔９２をそれに直角に通るライン１００に沿って薄切りすることも可能である。
【００２７】
図１８に示すように孔群を有する中実基体を形成する代りに、コーナを切欠いている一連のブランクを、図１８に示す各孔が隣り合う４個のブランクの切欠きコーナによって実際に形成されるように共面上に配置することが出来る。
【００２８】
図１８に示すような大きな基体を利用する代りに、相対的に小さな基体１０２として、複数の孔１０４が基体を貫通するように形成されている斯ゝる小さな基体を使用することが出来る（図２１）。これらの孔１０４は基体の外周から内方へ離間配位していて、これらには高温／高圧の焼結処理の前に研磨材料が充填される。焼結に次いで、基体１０２はＥＤＭワイヤでライン１０６に沿って切断或いは機械工作されて、図２０に示すものに類似したインサートプロイールのものに形成する。基体１０２は単一インサートを形成するために薄い（ウエハ）基体であり得るし、或いはライン１０６に沿って工作或いは切断される前に個別のウエハを形成するように横断状にスライスされるべき長尺ロッドであり得る。
【００２９】
横断カットラインに沿って基体をスライスする必要性を回避する方法は図１７に関連して開示されている。即ちこの方法は共面上に個別の基体を配置することによるものである。更にもう１つ別の方法として、図２２に示すように縦に整合重積したブランク群における隣り合うブランク１１２の間にセパレータ（分離部材）１１０を配置する方法がある。この方法は図１−図５に示す方法に基づくものである。セパレータ１１０は基体並びに超硬研磨材料に結合しないか、或いは両者と比較的浅く結合（反応）した領域のみを形成するに過ぎない材料で作られている。例えば、セパレータはアルカリに溶融することによって除去され得るＮｂ，Ｍｏ或いはＺｒで作ることが出来る。結果として残留している結合領域は、次に研削によって除去される。或いはセパレータはＮａＣＬ、グラファイト、マイカ、タルク、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、六方晶窒化ホウ素等の高融点、低剪断強度を有する材料で作ることも出来る。低剪断強度により、このセパレータは破壊除去され、結合領域は上述したように機械工作によって削除され得る。基体１０２はセパレータ１１０と共に容器（図示省略）に導入される。各セパレータは既に挿置されている基体の溝が研磨材料で充填された後に、挿置される。
【００３０】
基体１１０は上述の方法（図１７に関連して開示された方法を除く）に関連させて使用することが出来る。
【００３１】
既に指摘したように、本発明に関連して採用される研磨材体は適宜の形状の基体（ブランク）に適用され得る。これらの研磨材料はその後に中央孔を伴い、或いは伴うことなく適宜の形状（例えば丸形、四角形や非正方四角形、三角形、菱形、不等辺四角形等々）に研削される。研磨材体それ自体は完成品インサートによる切削工作が研磨材体によって本質的に実行される限り、いかなる形状でもあり得るし、インサートのいづれの個所にも配位させ得る。コーナに配位する研磨材体はコーナに関して対称なものとして図示されているが、これらはコーナに関して非対称に配設されてもよい。また、同一のインサートにおいて同じ或いは異なる形状の研磨材体を配設してもよい。所望であれば、研磨材体は基体に結合（焼結により）された後に再成形（例えば研削によって）してもよい。
【００３２】
研磨材粉末は好ましくはＰＣＤ或いはＰＣＢＮの粒子と、当業界で既知の周期律表におけるIVａ−VIａ族の金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、ホウ化物等のその他の硬質、耐摩耗性の構成物質とを混合状態で含んで成る。特に良好な結果はメガダイヤモンド（Ｍｅｇａｄｉａｍｏｎｄ）グレードＭＮ９０の組成の場合に得られた。この粉末体から従来通りの高温と高圧によって高圧材料、例えば米国特許第４，９９１，４６７号と第５，１１５，６９７号に開示の材料が製造される。
【００３３】
セメンテッドカーバイドの基体はこの基体に係るインサートにより実施される切削作業には関与するものではないので、基体の組成はこの基体がＰＣＤやＰＣＢＮに良好に結合し、研削が容易であり、安価な成分を含有し、且つ適宜の破壊抵抗を有しているものに選定される。好ましくは、１０−２０w.t.％のＣｏ、更に好ましくは約１５−１７％のＣｏを有するＷＣ−Ｃｏセメンテッドカーバイドが使用される。特に良好な結果は１６％Ｃｏのものである場合に得られた。セメンテッドカーバイドに代えて、チタン基炭窒化物（所謂サーメット）を使用することが出来る。本発明に係るインサートは更に、耐摩耗性被覆物を、好ましくは従来式のＰＶＤ法やＣＶＤ法によって施こすことによって具備することが出来る。ＣＶＤ被覆物は約７５０−１０００℃で常態では蒸着される。ＰＶＤ被覆物は好ましくはチタン供給源と窒素雰囲気を用いて約５００℃で沈着されたＴｉＮ層である。この技法で生成されたＰＶＤ層は圧縮残留応力を有している。
【００３４】
例１
１６w.t.％のＣｏを含有する、約２２mm径の円筒ロッド形状のセメンテッドカーバイドブランクにおいて、夫々本質的に半円形の断面を有している４個の溝をブランクの縁面（周面）に沿って等間隔に研削した。これらの溝はＰＣＢＮ粉末混合物（Ｍｅｇａｄｉａｍｏｎｄ ｇｒａｄｅ ＭＮ９０）で充填され、次いで容器に収納され、そして米国特許第５，１１５，６９７号に記述の方法に従って高温、高圧の条件で焼結された。得られた焼結ブランクは両端面の研削、センターレス研削次いで正方形状研削を施こされ、そして約５mm厚のスライスに横断状に切断された。得られたスライスは、研削されて型番ＳＮＧＮ１２０４０８のインサートを形成した。観察によると、ＰＣＢＮとセメンテッドカーバイドのブランクとの間には良好な接触が見られた。
【００３５】
例２
例１のインサートを以下の条件で、断続施削作業で試験した。
工作物材料：ねずみ鋳鉄５５０１２５
速 度：４００ｍ／分
送 り：０．１５／０．２５／０．３５mm／rev
切込み（深さ）：１mm
方 式：乾式切削
インサートは深刻な損傷を被らずに２８０パスに亘って使用された。ＰＣＢＮとセメンテッドカーバイドのブランクとの間の結合力は全てのパスに耐えた。
【００３６】
例３
例２を冷媒（湿式）と５００ｍ／分の切削速度を用いて繰返し行った。ＰＣＢＮとセメンテッドカーバイドのブランクの間の結合力は充分であった。
【００３７】
例４
例２を０．５mm／rev の送り速度において、冷媒有り（湿式）と無し（乾式）の両条件下で繰返した。インサートの２つのエッジ（切刃）を試験したが、いづれも１７０パス後でもまだ損傷を被ることはなかった。所望であれば、更に工作を続けることが可能であった。
【００３８】
例５
例３を３mm厚のインサートを用いて、送り速度０．４−０．６mm／rev による湿式と乾式工作法で繰返した。乾式の場合には、２００パスの後に０．４mm／rev から０．５mm／rev に送り速度を高めた。試験を６００パス後に止めたとき、切刃はクリーンで均等なフランク摩耗を有し、チツピングやその他の損傷のしるしは存在しなかった。
【００３９】
湿式の場合には、送り速度０．４mm／rev による３８３パスの後と送り速度０．６mm／rev による２８６パスの後には全部のコーナが破損した。いづれの場合にも、各コーナ全体が破壊された。破損はＰＣＢＮ体の内部で全体的に発生したが、ＰＣＮＢ／セメンテッドカーバイドの接合個所では発生していなかった。これは結合がこの場合にも充分強力であることを表している。
【００４０】
本発明によれば、金属切削インサートとしてその両側面に超硬研磨材体を有するものを比較的低コストで作ることが可能である。従って、インサートは非常に有利なコスト対研磨材切刃の比を発揮し、そして最大限の数の有用な切刃を提供する。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、インサート両面に超硬研磨材の切刃を備えた、裏返し割付け可能（インデキシャブル）なインサートを比較的簡単に且つ低コストで提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１例に係るインサートの製造で実施される工程の１つを示す工程説明図である。
【図２】本発明の１例に係るインサートの製造で実施される工程の１つを示す工程説明図である。
【図３】本発明の１例に係るインサートの製造で実施される工程の１つを示す工程説明図である。
【図４】本発明の１例に係るインサートの製造で実施される工程の１つを示す工程説明図である。
【図５】本発明の１例に係るインサートの製造で実施される工程の１つを示す工程説明図である。
【図６】本発明の１例に係るインサートの製造で実施される工程の１つを示す工程説明図であり、且つ第５図における線VI−VIに沿った縦断面図である。
【図７】本発明の１例に係るインサートの製造で実施される工程の１つを示す工程説明図である。
【図８】本発明の１例に係るインサートの製造で実施される工程の１つを示す工程説明図である。
【図９】本発明で使用され得る基体の別のタイプを示す正面説明図である。
【図１０】インサートの形態例の１つを示す平面図である。
【図１１】インサートの形態例の１つを示す平面図である。
【図１２】使用可能な別のタイプの基体を焼結用容器と共に示している断面説明図である。
【図１３】本発明の別の例に係る金属切削インサートの作成に要する１つの工程を示す説明図である。
【図１４】本発明の別の例に係る金属切削インサートの作成に要する１つの工程を示す説明図である。
【図１５】本発明の別の例に係る金属切削インサートの作成に要する１つの工程を示す説明図である。
【図１６】本発明の別の例に係る金属切削インサートの作成に要する１つの工程を示す説明図である。
【図１７】本発明の別の例に係る共面上の部室を有する焼結用容器の断面説明図である。
【図１８】本発明の別の例に係る金属切削インサートの作成に要する１つの工程を示す平面説明図である。
【図１９】本発明の別の例に係る金属切削インサートの作成に要する１つの工程を示す説明図であって、且つ第１８図における線XIX −XIX に沿った縦断面図である。
【図２０】本発明の別の例に係る金属切削インサートの作成に要する１つの工程を示す平面説明図である。
【図２１】本発明の別の例に係るインサートに変造されることになる基体の平面説明図である。
【図２２】本発明の別の例に係るセパレータによって分離された状態で整合重積されたインサート群を示す側面説明図である。
【符号の説明】
１０…ディスク（基体）
１２…縁面（周面）
１３…超硬研磨材料
１４…溝
１６，１８…第１、第２側面
２０…容器
２４…インサート
３０Ａ，３０Ｂ…インサート
３２…基体
３３…セグメント
３４…スペース
４０…基体
４１…容器
４２…凹所
４４…超硬研磨材料
４６…インサート
７０…基体
７２…基体コーナ部分
７４…研磨材粉末
７６…インサート
８０…ディスク
８２…共面上の部室
９０…基体
９２…孔
９３…研磨材料
９６…インサート
１００…ライン
１０２…基体
１０４…孔
１１０…セパレータ
１１２…ブランク

Claims (9)

1. 高圧、高温条件下で超硬研磨材料が容器内で焼結されると同時に容器の内側にある基体に結合されることになる金属切削インサートの製造方法において、
   前記基体が縁面によって相互に接続されている第１側面及び第２側面を有しており、重積配置の複数の基体を前記容器内に配置して、前記縁面に沿って前記第１側面から前記第２側面まで延びるように各基体に超硬研磨材料を付与し、焼結工程の際に前記複数の基体を互いにセパレータによって分離させ、焼結工程の後に前記複数の基体をセパレータから分離させることを特徴とする金属切削インサートの製造方法。
2. 超硬研磨材料を前記容器内で前記基体の前記縁面とこれに対向する容器の一部分とによって拘束することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記縁面に前記第１側面から前記第２側面まで延びるように形成された溝の中に容器内において超硬研磨材料を導入し、超硬研磨材料が前記溝とそれに対向する容器部分とによって拘束されるようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記基体とこれに結合されている超硬研磨材体とを含む要素を容器から取り出し、当該要素を前記基体と前記超硬研磨材体とを通るように横断状に薄切りにして、前記要素から複数のインサートを形成し、該インサートの各々が縁面と当該縁面によって相互に接続された１対の対向する側面とを有し、前記超硬研磨材体が前記側面の一方から他方まで延びるようにすることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記基体が、前記縁面から離間して配置され且つ前記第１側面から前記第２側面まで貫通している複数の孔を有しており、当該孔に超硬研磨材料を充填し、高温と高圧を付与した後に基体の一部分を除去することによって前記第１側面から前記第２側面まで延びる超硬研磨材料の一部分を露出させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記除去工程が機械加工を含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記除去工程がワイヤ放電加工によって実行される、請求項５に記載の方法。
8. 前記縁面と前記容器の間に空間を設け、当該空間に超硬研磨材料を導入することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 前記容器に共面上の複数の部室を設け、夫々の部室に基体を挿置し、全ての部室に同時に高温、高圧を付与することを特徴とする、請求項１に記載の方法。

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