JP3891793B2 - 高速歯切加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する高速度工具鋼製むく歯切工具の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、歯切加工を高速で行なった場合にも、歯面を構成する逃げ面とすくい面の交わる切刃稜線部にチッピング（微小欠け）の発生なく、すぐれた歯切性能を長期に発揮する高速度工具鋼製むく歯切工具（以下、単に歯切工具という）の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般に自動車や航空機、さらに各種駆動装置などの構造部材としての各種歯車の歯形の歯切加工に、図１に概略斜視図で例示される形状の歯切工具（ソリッドホブ）が用いられている。
また、上記の歯切工具が、
（ａ）高速度工具鋼のインゴットに１１００〜１１５０℃の温度で熱間鍛造を施して、直径：５０〜１５０ｍｍの棒材とし、
（ｂ）上記棒材を完全焼きなましした状態で、所定の長さに切断した後、フライス加工を施して最終歯切工具の形状に対応した形状をもった工具素材に粗加工し、
（ｃ）上記工具素材に、窒素雰囲気中で、１２１０〜１２７０℃の温度に加熱保持後、窒素加圧ガスを吹き付けて冷却の条件で焼入れ処理を施して、組織をマルテンサイト化し、
（ｄ）ついで上記焼入れ処理後の工具素材に、窒素雰囲気中、５００〜５５０℃の温度に加熱保持の条件で焼戻し処理を施して、前記焼入れ処理で形成されたマルテンサイト化組織の素地中に分散分布する残留オーステナイトのマルテンサイト化を図り、
（ｅ）最終的に上記焼戻し処理後の工具素材を、例えば砥石研磨などにより最終形状に仕上加工する、
以上実質的に（ａ）〜（ｅ）の工程により製造されることもよく知られるところである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の歯切加工に対する省力化および省エネ化、さらに低コスト化の要求は強く、これに伴い、歯切加工は切削機械の高性能化とも相俟って高速化の傾向にあるが、上記の従来歯切工具においては、これを通常の条件での歯切加工に用いた場合には問題はないが、これを高速歯切条件で用いると、特に歯面のすくい面と逃げ面の交わる切刃稜線部にチッピングが発生し易くなり、この結果比較的短時間で使用寿命に至るのが現状である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等は、上述のような観点から、上記の従来歯切工具に着目し、これを高速歯切条件で用いた場合にも、歯面における切刃稜線部がすぐれた耐チッピング性を発揮する歯切工具を製造すべく研究を行った結果、
（１）上記の従来歯切工具の製造方法においては、焼入れ処理後の工具素材は、マルテンサイトの素地に質量％（以下同じ）で２０〜３０％の残留オーステナイトが存在し、この状態で焼戻し処理を施して、前記焼入れ処理で形成されたマルテンサイト化組織の素地中に分散分布する残留オーステナイトのマルテンサイト化を図っても１〜５％程度の残留オーステナイトが存在するのを避けることができず、この１〜５％程度の残留オーステナイトが、相対的に粗粒で、かつその形状が相互に不均一であることから、高速歯切加工時のチッピング発生の起点となること、
（２）上記焼入れ処理後の工具素材に、−１５０℃以下の温度に冷却保持のサブゼロ処理を施すと、前記焼入れ処理でマルテンサイトの素地に２０〜３０％の割合で分散分布していた残留オーステナイトが５％以下に低減し、かつその形状が微細均一化するようになること、
（３）上記サブゼロ処理後の工具素材に、焼戻し処理を施すと、マルテンサイトの素地中に実質的に残留オーステナイトが存在しない状態、または存在してもその割合が０．５％以下にして、その形状がきわめて微粒となること、
（４）上記のマルテンサイトの素地に実質的に残留オーステナイトが存在しない組織、または残留オーステナイトが存在しても、その割合が０．５％以下にして、その形状がきわめて微粒な組織を有する歯切工具は、高速歯切加工を行ってもチッピングの起点が組織上存在しないことから、歯面の切刃稜線部におけるチッピング発生が皆無となり、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮するようになること、
以上（１）〜（４）に示される研究結果を得たのである。
【０００５】
この発明は、上記の研究結果に基いてなされたものであって、
（ａ）高速度工具鋼で構成され、かつ最終むく歯切工具の形状に対応した形状に粗加工された工具素材に、焼入れ処理を施して、マルテンサイトの素地に質量％（以下同じ）で２０〜３０％の残留オーステナイトが存在するマルテンサイト化組織とし、
（ｂ）ついで上記焼入れ処理後の工具素材に、−１５０℃以下の温度に冷却保持のサブゼロ処理を施して、マルテンサイトの素地中に分散分布する残留オーステナイトの割合を５％以下に低減すると共に、その形状を微細均一化し、
（ｃ）上記サブゼロ処理後の工具素材に、焼戻し処理を施して、マルテンサイトの素地中に残留オーステナイトが存在しない組織、または残留オーステナイトが存在しても、その割合が０．５％以下で、その形状がきわめて微粒である組織とし、
（ｄ）最終的に前記焼戻し処理後の工具素材を最終形状に仕上加工すること、以上（ａ）〜（ｄ）からなる、高速歯切加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する歯切工具の製造方法に特徴を有するものである。
【０００６】
なお、この発明の歯切工具の製造方法におけるサブゼロ処理は、液体窒素を用いて、上記焼入れ処理後の工具素材を、１〜１０℃／分の範囲内の所定の冷却速度で−１５０〜−２００℃の範囲内の所定の温度に冷却し、この冷却温度に１〜５時間の範囲内の所定時間保持した後、１〜１０℃／分の範囲内の所定の昇温速度で昇温する条件で行うのが望ましい。
また、上記のサブゼロ処理における冷却速度、−１５０℃以下の冷却温度、前記冷却温度での保持時間、および昇温速度はいずれも経験的に定めたものであって、特に冷却温度については、その温度が−１５０℃を超えて高い場合には残留オーステナイトの所望のマルテンサイト化は困難である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の歯切工具を実施例により具体的に説明する。
まず、いずれも３００ｍｍの外径を有するＪＩＳ・ＳＫＨ５５、同ＳＫＨ５６、および同ＳＫＨ５７の３種の高速度工具鋼インゴットを用意し、このインゴットに１１３０℃の温度に加熱した状態で熱間鍛造を施して直径：１５０ｍｍの棒材とし、これらの棒材を、８８０℃に３０分間保持の条件で完全焼きなましした状態で、長さ：１００ｍｍに切断し、これにフライス加工を施していずれも図１に示される最終形状に対応した形状の工具素材に粗加工し、これらの工具素材に窒素雰囲気中、１２５０℃に２０分間加熱保持後、冷却速度を窒素加圧ガスの吹き付け割合を調整することにより４０℃／分とした条件で冷却の焼入れ処理を施して、組織をマルテンサイト化し、この焼入れ処理後の工具素材におけるマルテンサイトの素地中に分散分布する残留オーステナイトの割合をＸ線回折装置を用いて測定し、ついで、前記焼入れ処理後の工具素材に、液体窒素をガス状にして吹き付け、その吹き付け割合を調整することによりそれぞれ表１に示される冷却速度で、同じく表１に示される冷却温度に冷却し、この冷却温度に１時間保持後、ヒーターによる加熱条件を調整することにより同じく表１に示される昇温速度とした条件で昇温のサブゼロ処理を施し、この場合もマルテンサイトの素地中に分散分布する残留オーステナイトの割合をＸ線回折装置を用いて測定し、引き続いて前記サブゼロ処理後の工具素材に、５５０℃に１．５時間保持の条件で焼戻し処理を施し、同じくこの場合も工具素材におけるマルテンサイトの素地中に分散分布する残留オーステナイトの割合をＸ線回折装置を用いて測定し、最終的に前記焼戻し処理後の工具素材から砥石研磨にて、外径：８０ｍｍ×長さ：１２０ｍｍの全体寸法をもち、３条右捩れ×２０溝の図１に示されるソリッドホブ形状を有する歯切工具を製造することにより本発明方法１〜９をそれぞれ実施した。また、比較の目的で、表１に示される通り、上記のサブゼロ処理を行わない以外は同一の条件で従来方法１〜３を行い、歯切工具をそれぞれ製造した。
【０００８】
つぎに、上記の本発明方法１〜９および従来方法１〜３で製造された歯切工具を用いて、材質がＪＩＳ・ＳＣｒ４２０Ｈの低合金鋼にして、モジュール：１．７５、圧力角：１７．５度、歯数：３３、ねじれ角：３６度左捩れ、歯丈：５．８６ｍｍ、歯幅：１５．５ｍｍの寸法および形状をもった歯車の加工を、
切削速度（回転速度）：１５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：２ｍｍ／ｒｅｖ、
加工形態：クライム、シフトなし、ドライ（エアーブロー）、
の高速歯切加工条件で行い、逃げ面摩耗幅が０．１０ｍｍに至る（使用寿命）までの歯車加工数を測定した。この測定結果を表１に示した。
また、表１には上記の焼入れ処理後、サブゼロ処理後、および焼戻し処理後におけるマルテンサイトの素地中の残留オーステナイトの測定結果も示した。
【０００９】
【表１】

【００１０】
【発明の効果】
表１に示される結果から、本発明方法１〜９で製造された歯切工具は、いずれもマルテンサイトの素地中に残留オーステナイトが存在せず、また存在してもその割合が０．５％以下と僅かで、かつその形状もきわめて微粒にして均粒であることから、特に歯面における切刃稜線部にチッピングの発生なく、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って示すのに対して、従来方法１〜３で製造された歯切工具は、マルテンサイトの素地中の残留オーステナイトの割合が相対的に多く、その粒径が相対的に粗く、かつ不均一であり、これが高速歯切加工時のチッピングの起点となることから、切刃稜線部にはチッピングの発生が避けられず、この結果比較的短時間で使用寿命に至ることが明らかである。
上述のように、この発明の方法は、低合金鋼などの歯車の通常の条件での歯切加工は勿論のこと、特に高硬度鋼などの歯車の高速歯切加工でもすぐれた耐チッピング性を示し、すぐれた耐摩耗性を長期に亘って発揮する歯切工具の製造を可能とし、したがって歯切加工の高速化、並びに省力化および省エネ化、さらに低コスト化に十分満足に寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】歯切工具（ソリッドホブ）の概略斜視図である。

Claims (1)

1. （ａ）高速度工具鋼で構成され、かつ最終むく歯切工具の形状に対応した形状に粗加工された工具素材に、焼入れ処理を施して、マルテンサイトの素地に質量％（以下同じ）で２０〜３０％の残留オーステナイトが存在するマルテンサイト化組織とし、
   （ｂ）ついで上記焼入れ処理後の工具素材に、−１５０℃以下の温度に冷却保持のサブゼロ処理を施して、マルテンサイトの素地中に分散分布する残留オーステナイトの割合を５％以下に低減すると共に、その形状を微細均一化し、
   （ｃ）上記サブゼロ処理後の工具素材に、焼戻し処理を施して、マルテンサイトの素地中に残留オーステナイトが存在しない組織、または残留オーステナイトが存在しても、その割合が０．５％以下で、その形状がきわめて微粒である組織とし、
   （ｄ）最終的に前記焼戻し処理後の工具素材を最終形状に仕上加工すること、以上（ａ）〜（ｄ）からなることを特徴とする高速歯切加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する高速度工具鋼製むく歯切工具の製造方法。

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