JP4653744B2 - 高品位・高能率加工用ｃｂｎ切削工具 - Google Patents

Description

この発明は、鉄系高硬度難削材の高速、高能率切削に利用する、ｃＢＮ（立方晶型窒化硼素）基焼結体で切れ刃を形成した切削工具、詳しくは、高送り切削においても耐欠損性に優れ、また、面粗度が良好で、疲労寿命やシール性に優れた加工面が得られるＣＢＮ切削工具に関する。

ｃＢＮ基焼結体で切れ刃を形成したＣＢＮ切削工具は、ｃＢＮ基焼結体の化学的安定性と高硬度により高能率で長寿命を達成できる優れた材料特性と、研削工具を大きく凌ぐ優れた適応性や高環境性が評価され、鉄系難削材、特に、焼入れ鋼の研削加工を切削加工に置換できる工具として認知されている。近年では、工作機械の高剛性化やｃＢＮ基焼結体の材種の改良により、例えば鋼からなる自動車のトランスミッション部品の焼き入れ後の加工において、送り量ｆが０．３ｍｍ／ｒｅｖを超える粗加工から、十点平均粗さ(Ｒｚ)で３．２μｍの面粗さが要求される仕上げ加工にまでＣＢＮ切削工具が適用されつつある。

近年では、多品種小ロット生産の導入や環境問題に対する意識の高まりを背景に、切削抵抗が増加する更なる高能率加工や刃先温度が上昇する乾式加工に適用でき、かつ生産コスト低減の観点から、高価なｃＢＮ基焼結体の面積を最小限に抑えた形状で充分な切削性能を発揮するＣＢＮ切削工具の開発が要求されている。

しかしながら、ノーズＲ部、逃げ面、すくい面及び切れ刃に平行に沿う幅の一定したチャンファー部とで構成される従来のＣＢＮ切削工具（以降ノーズＲ工具と略す）は、被削材の回転方向（主分力方向）の切削負荷に対しては、例えば下記特許文献１や特許文献２のように、逃げ面とすくい面の稜線部に備えられたチャンファー部１３のチャンファー幅ＣＷとチャンファー角γ（図９参照）を大きく（０．１〜０．２ｍｍ、１５°〜４５°程度が一般的）することで、ある程度耐久性を上げることができるが、高能率加工での高送りや大切り込み切削において発生する工具送り方向や背分力方向の切削負荷に対しては、効果的な耐久性向上の方法が少なく、ノーズＲを大きくすることが唯一の問題解決策として行われているといっても過言ではない。

工具単価が比較的安価なことから広く普及しているｃＢＮ基焼結体面積を必要最小限に設定した鑞付けタイプの切削工具では、鑞付け強度確保のためにノーズＲの増加可能代が少なく、許容される増加代は高々２．０Ｒ（単位はｍｍ、以下も同じ）程度までであった。そのために、ノーズＲを可及的に大きくしたチップ、例えば２．０Ｒとしたチップでも、高送りによる高能率加工では、刃先に加わる高応力に対応できる充分な強度を持ち合わせているとはいえず、例えば、自動車のミッション部品に代表される形状の複雑な焼入れ鋼のならい加工やぬすみ加工においては、０．８Ｒ以下のノーズＲを有するチップでの高送り加工が要求されることがしばしばある。

更に最近では、加工面の疲労強度やシール性を決定する最終仕上げ工程においても、加工能率や柔軟な適応性の観点で制約のある研削加工に代わり、被削材の加工面に、高品位な表面性状を付与できる切削工具の開発が急務となっている。

従来のノーズＲ工具では、刃先の幾何学的な形状が転写される切削加工のメカニズムから、高能率加工条件下で、良好な面粗さを得ることは原理的に相反する事象であり、また、従来のノーズＲ工具を用いての切削加工では、部品の疲労寿命を向上させる圧縮応力を積極的に導入することができなかったことも問題となっていた。

これらの問題を解決するための手段として、下記特許文献３において、従来のノーズＲ工具の前切れ刃にサラエ刃（図１０の１２）を付加した高能率・高精度加工用のＣＢＮ切削工具（以降ワイパー工具と略す）が開発されている。

しかしながら、このワイパー工具も、理論上はサラエ刃の幅ＷＷに相当する送り量まで高送り加工を実施しても良好な面粗さが得られるが、高送り、ないしは大切り込み条件での高能率加工では、工具送り方向や背分力方向の切削負荷に対しては、従来のノーズＲ工具と同様の耐久性しか示さず、切れ刃が欠損しやすい。

また、加工面の表面性状についても、従来のノーズＲ工具と比較すると、被削材の回転方向の残留応力に対しては、ワイパー工具の場合、工具刃先形状の転写によって形成される送りマークＭ（図３（ａ）参照）がサラエ刃により繰返し押しならされるバニッシュ効果が発揮されるため、熱応力によって生じる引っ張り応力が緩和され、従来のノーズＲ工具と比較すると残留応力が圧縮傾向になる場合があった。

しかしながら、工具の送り方向の残留応力については、ワイパー工具も通常のノーズＲ工具を用いた切削加工と同様の残留応力が付与されることが多く、過酷な状況下で使用される摺動部品や厳密なシール性が要求される部品の加工には適用することができなかった。
実開昭６４−３４１０３号公報 特開平８−３１８４１１号公報 特開２００３−１７５４０８号公報

この発明は、鉄系高硬度難削材を、高速、高能率加工を目的として高送り切削するときにも優れた耐欠損性を示し、また、被削材の加工面の面粗度も良好で、加工面の疲労寿命やシール性を向上させることができるｃＢＮ基焼結体を使用したＣＢＮ切削工具とそれを用いた旋削加工方法を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、切削に関与する部位がｃＢＮ基焼結体によって形成され、そのｃＢＮ基焼結体が、前逃げ面、横逃げ面、ノーズＲ、すくい面、及びノーズＲ部近傍のすくい面に形成されるネガランドを有し、前記ネガランドとすくい面との間に形成される稜線が前記前逃げ面、すくい面及びネガランドの３者が交わるＱ１点から横逃げ面、すくい面及びネガランドの３者が交わるＱ２点に至り、前逃げ面と前記ネガランドとの間及び横逃げ面と前記ネガランドとの間にそれぞれ形成される切れ刃稜線の位置がノーズＲ部の頂点Ｐにおいてすくい面から最大に低下し、その低下量が、頂点Ｐから前記Ｑ１点とＱ２点に向かって次第に小さくなっており、さらに前記頂点ＰからＱ１点に向かう直線Ｐ―Ｑ１のすくい面に対する傾斜角β´が２０°以上、３５°以下に設定されたＣＢＮ切削工具を提供する。

なお、切削に関与する部位を形成するｃＢＮ基焼結体は、ｃＢＮを体積で４５〜９９．９％含むものが望ましい。

この発明のＣＢＮ切削工具の好ましい態様と、好ましい使用法は後に詳しく説明する。

この発明は、上記のＣＢＮ切削工具を、使用状態における切れ刃傾き角と横すくい角が共に負、前逃げ角、横逃げ角、前切れ刃角が共に正となり、さらに、ノーズＲ部の頂点から前記Ｑ１点に至る前切れ刃のすくい面に対する芯下がり角βが２０°〜３５°でネガランドと逃げ面との間に形成される切れ刃稜線のノーズ頂点Ｐでの位置が、工具のすくい面と平行な面かつ被削材の回転軸を含む面から０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下、より好ましくは０．７ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下芯下がりとなる状態に配置し、この工具を被削材に切り込ませ、０．１ｍｍ／ｒｅｖ以上、０．５ｍｍ／ｒｅｖ以下、より好ましくは０．１５ｍｍ／ｒｅｖ以上、０．５ｍｍ／ｒｅｖ以下の送りをかけて外径加工を行う旋削加工方法も提供する。

この発明の切削工具は、ｃＢＮ基焼結体で形成したノーズＲ部近傍のすくい面に、特殊なネガランドを設けてノーズＲ部の頂点Ｐの位置ですくい面からの低下量が最大となり、その低下量が前記Ｑ１点とＱ２点に向かって次第に小さくなる切れ刃稜線をノーズＲ部の両側に作り出しており、使用状態において、被削材の回転方向、工具送り方向のどちらに対してもバニッシュ作用を有する鈍角切れ刃を形成することができる。

既知のチャンファー部は、切れ刃稜線に対して平行で幅も一定している。それと違って、この発明の工具のネガランドは、前逃げ面、横逃げ面のどちら側においてもノーズＲ部の頂点に向かって下り降りており、そのために、被削材の回転方向だけでなく、工具送り方向にも鈍角をなす３次元的に高さ位置の変化した切れ刃を構成して高応力に耐える強度を確保することができる。

また、この発明の切削工具の刃先は、この発明の方法で規定した姿勢にして使用すると、切削主分力が作用する方向に見たときに、図２に示すように、工具前切れ刃部における切れ刃稜線１０の位置が図に鎖線で示す従来のノーズＲ工具の切れ刃稜線の位置よりも内側に移り、工具を例えば、図中Ａ方向に送りをかけて使用したときには、切れ刃稜線１０の図中点線枠で囲んだ領域がサラエ刃１０ａとして機能する。

図３（ａ）に、従来のノーズＲ工具の刃先の送り状況とこの発明の工具の刃先の送り状況を示す。また、図３（ｂ）に、加工した面の送りマークＭ（十点平均面粗さＲｚ) を拡大して示す。図３（ａ）、図３（ｂ）の一点鎖線は従来のノーズＲ工具の刃先の軌跡、実線はこの発明の工具の刃先の軌跡を表している。これからわかるように、この発明の切削工具は、使用状態においてサラエ刃が創成され、サラエ刃の無いノーズＲ工具に比べて加工面の面粗さも向上する。

（ａ）この発明の切削工具の一例を示す斜視図、（ｂ）同上の工具の平面図、（ｃ）（ｂ）のＣ−Ｃ線に沿った側面図、（ｄ）（ｂ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図、（ｅ）同上の工具の刃先部の拡大斜視図 ネガランドを設けた刃先と設けていない刃先の形状を切削主分力が作用する方向に見て比較した図 （ａ）従来工具とこの発明の工具の刃先の送りの軌跡を示す図、（ｂ）従来工具とこの発明の工具の送りマークを比較した図 この発明の工具の他の形態を示す斜視図 この発明の工具のさらに他の形態を示す斜視図 この発明の工具のさらに他の形態を示す斜視図 この発明の工具の使用姿勢の説明図 （ａ）この発明の工具の使用状態の概略を示す平面図、（ｂ）この発明の工具の使用状態の概略を示す端面図 （ａ）刃先部にチャンファーを付けた従来のノーズＲ工具の概要を示す斜視図、（ｂ）同上の工具の刃先部の拡大断面図 従来のワイパー工具の概要を示す斜視図

符号の説明

１ 切削工具
２ 超硬合金製基材
２ａ 上面
２ｂ 下面
２ｃ 側面
２ｄ クランプ穴
３ 座
４ 刃先チップ
４ａ ｃＢＮ基焼結体
４ｂ バックメタル
５ ノーズＲ
６ すくい面
７ 前逃げ面
８ 横逃げ面
９ ネガランド
９ａ、９ｂ 相反する方向に傾斜した面
１０ 切れ刃稜線
１１ ネガランドとすくい面との間の稜線
１２ 従来のサラエ刃
１３ チャンファー部
２０ 被削材

以下、添付図面の図１乃至図７に基づいて、この発明のＣＢＮ切削工具の実施形態を説明する。

図１に示すＣＢＮ切削工具１は、菱形のネガティブ型の刃先交換式チップとして構成されたものである。この切削工具１は、超硬合金製基材２の対角位置にある２つの鋭角コーナ部に座３を形成し、ｃＢＮ基焼結体で形成される小片の刃先チップ４を座３に鑞付けして取付け、その刃先チップ４に、ノーズＲ５、すくい面６、前逃げ面７、横逃げ面８及びネガランド９を設けている。左右の勝手の無い工具では、その工具の使い方によって逃げ面７と逃げ面８の前、横の関係が入れ替わることがあるがここでは説明の便宜上７を前逃げ面、８を横逃げ面と称する。

超硬合金製基材２は、互いに平行な上面２ａ、下面２ｂと、それらの面の各辺に直角に交わる４つの側面２ｃと、上面２ａ、下面２ｂの中心部を貫通したクランプ穴２ｄを有する。面２ａ、２ｂは、同一構造の面であり、両者に上下の関係はないが、説明の便宜上ここでは面２ａを上面、面２ｂを下面と言う。この超硬合金製基材２の上下面の各鋭角コーナ部に、ｃＢＮ基焼結体４ａと超硬合金のバックメタル４ｂとからなる刃先チップ（ｃＢＮ基焼結体のみで構成される単層構造の刃先チップでもよい）４を鑞付けして取付けており、４箇所のコーナ部を切削に使用することができる。刃先チップ４を構成するｃＢＮ基焼結体は、焼き入れ鋼の高能率切削で良好な性能を得るために、ｃＢＮを体積で４５〜９９．９％含むものを採用している。

刃先チップ４に設けたネガランド９は、すくい面６と逃げ面７、８の両者に対してともに鈍角に交わっている。また、そのネガランド９は、前切れ刃として使用する切れ刃稜線１０（頂点ＰからＱ１点に向かう直線Ｐ−Ｑ１）のすくい面６に対する傾斜角β´が２０°以上、３５°以下になるランドにしており、さらに、そのネガランド９と前逃げ面７との間に形成される切れ刃稜線(前切れ刃となる)１０の位置が、ノーズＲ部の頂点Ｐにおいて最大に低下し、その低下量が、頂点Ｐから頂点の両側のＱ１点、Ｑ２点の双方に向かって次第に小さくなっている。Ｑ１点は、すくい面６、前逃げ面７及びネガランド９の３者が交わる点であり、Ｑ２点は、すくい面６、横逃げ面８、ネガランド９の３者が交わる点である。ネガランド９とすくい面６との間に形成される稜線１１は、Ｑ１点からＱ２点に至っている。

経済性に優れる極力小さな刃先チップを使用して目的の工具を実現するために、ノーズＲ５のＲ寸法は、０．４ｍｍ以上、１．６ｍｍ以下、ノーズＲ部の頂角αは、５５°〜９０°、ノーズＲ部の頂点ＰからＱ１点に至る切れ刃稜線１０(この稜線が前切れ刃として使用される)のすくい面６に対する傾斜角β´は、２０°〜３５°、ノーズＲ部の頂角αの２等分点におけるネガランド９のランド幅Ｗは、０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下に設定するのが好ましい。

刃先交換式チップのノーズ部の頂角は、ＩＳＯ規格では、５５°、６０°、８０°および９０°に分類されている（上から順にＩＳＯ分類のＤ、Ｔ、Ｃ、Ｓ）。これらの規格に適合した刃先交換式チップにこの発明を適用する場合には、ノーズＲ５のＲ寸法を０．８ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下にし、さらに、前述の傾斜角β´を２５°以上、３２°以下に、ネガランド９の幅（頂角αの２等分点における最大幅）Ｗを０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下にそれぞれ設定するのがよい。

刃先チップ４は、ｃＢＮ基焼結体のみで形成された単層構造の小片チップ、又はｃＢＮ基焼結体と超硬合金などのバックメタルが一体化された積層構造の小片チップのどちらであってもよい。この刃先チップ４の超硬合金製基材２による保持は、鑞付けに限定されない。安定保持が可能であれば、一体焼結、圧入、焼き嵌め、冷やし嵌め、セルフグリップ（自己拘束）式クランプ機構による固定なども利用できる。

刃先チップ４は、耐久性を確保するためにｃＢＮ基焼結体の厚みｔを、０．８ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下にするのがよく、また、この刃先チップ４を超硬合金製基材２に鑞付けする場合の鑞付け面積は、コスト低減のためのチップサイズの縮小と接合強度の確保を両立させるために２．５ｍｍ²以上、５ｍｍ²以下にするがよい。また、刃先形状は、図４に示すような右左の勝手があるものも採用できるが、それよりは図1に示すような勝手なしの設計、すなわち、ノーズＲ部の頂角αの２等分線を基準にして対称形状にしたものが外周加工だけでなく、端面加工にも利用できて好ましい。

図５、図６は、勝手なしの刃先形状の他の例を示している。図５の工具は、ネガランド１９を、ノーズＲ部の頂角αの２等分線上で交差する、相反する方向に傾いた２つの面９ａ、９ｂで構成している。面９ａ、９ｂはノーズＲ部の頂角αの２等分線ＣＬを基準にして対称形状をなし、ノーズＲ部の頂点Ｐの位置で高さが最も低くなっている。図６の工具は、平面視においてノーズＲ部の頂角αの２等分線ＣＬを基準にして対称形状をなす曲面でネガランド２９を構成しており、図５の工具の変形例と考えてよい。

刃先交換式チップの中には、ＩＳＯ規格で超硬合金製基材２の厚みｔ１が、３．１８ｍｍ、４．７６ｍｍ、６．３５ｍｍのうちのいずれかに設定され（ＩＳＯ規格の０３、０４ないし０５）、その超硬合金製基材２にクランプ穴２ｄが設けられ（このクランプ穴は必須ではない）、さらにその超硬合金製基材２が、直径φ＝６．３５ｍｍ、９．５２５ｍｍ又は１２．７ｍｍの内接円寸法をもち、ｃＢＮ基焼結体で形成される刃先（ノーズＲ部）の頂角αが８０°に設定されたものがある。この発明は、これらの刃先交換式チップにも適用することができる。

なお、ノーズＲ部近傍のすくい面に設けるネガランドは、フラットなランドに限定されない。図５に示すように複数の面が角度をもって山折れの状態に連なったネガランド１９や、図６に示すような曲面のあるネガランド２９であってもよい。また、ノーズＲ部の頂角αの２等分線ＣＬを基準にして非対称形状の図４に示すようなネガランド３９であってもよい。このほか、この発明を適用する工具は、逃げ面７をすくい面６に対して９０°以下の角度で交わらせたものや正方形の刃先交換式チップなどであってもよい。

この発明のＣＢＮ切削工具は、図７に示す切れ刃傾き角λと横すくい角γｎが共に負、前逃げ角αｏｆ、横逃げ角αｏｓ、前切れ刃角κｆ、横切れ刃角κｓが共に正となり、さらに、図８に示すネガランド９の芯下がり角βが２０°〜３５°で、ネガランド９と前逃げ面７との間に形成される切れ刃稜線１０の位置がノーズＲ部の頂点Ｐにおいて芯下がり量ｈ＝０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下となる状態に配置して旋削加工に供する。

芯下がり角βとは、工具の使用状態において定まる角度であり、前切れ刃として使用する稜線（ノーズＲ部の頂点ＰからＱ１点に至る切れ刃稜線１０（直線Ｐ−Ｑ１）のすくい面６に対する傾き角を言う。この芯下がり角βは、２０°以下では効果的なサラエ刃が創成されず、また、３５°を超えると切削抵抗が大きくなって耐欠損性改善の効果が薄れる。

芯下がり量ｈは、工具のすくい面６と平行な面かつ被削材２０の回転軸Ｏを含む面Ｔからの切れ刃のノーズ頂点部での低下量である。この芯下がり量ｈを０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下としたときに切れ刃の耐欠損性向上と加工面の面粗度向上の効果がともに発揮される。なお、このような芯下がり配置での旋削加工は、通常行われていない。

この旋削加工での工具送り量ｆは、０．１ｍｍ／ｒｅｖ以上、０．５ｍｍ／ｒｅｖ以下に設定するのがよい。より好ましくは、図８(ｂ)に示す芯下がり量ｈを０．７ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下とし、工具送り量ｆを０．１５ｍｍ／ｒｅｖ以上、０．５ｍｍ／ｒｅｖ以下に設定して加工を行うのがよく、この条件を満たすと発明の効果がより顕著に発揮される。

以下により詳細な実施例を挙げる。

表１に示す、形状の異なるｃＢＮ基焼結体で切削に関与する部位を形成した試料番号１〜３９のＣＢＮ切削工具を用意し、下記の条件にて切削性能の評価を行った。

ｃＢＮ基焼結体は、ｃＢＮ粉末と、ＴｉＮ及びＡｌからなる結合材粉末を超硬合金製のボールミルで混合し、超高圧装置を用いて５ＧＰａ、１５００℃の条件で焼結したものであって、平均粒径３μｍのｃＢＮ粒子を体積比で６０％含有し、残部がＴｉＮを主成分と
するＴｉ化合物とＡｌの窒化物、硼化物、酸化物などのＡｌ化合物、及び微量のＷやＣｏ化合物からなる。

本実施例で用いた切削工具は、いずれも、ｃＢＮ基焼結体を有する、厚み１．８ｍｍ、ノーズＲ部頂角α８０°、底辺長さ４ｍｍの刃先チップを鋼製シャンクに直接接合したもの、あるいは、ノーズＲ部頂角αが８０°の上記と同一仕様のｃＢＮ基焼結体の刃先チップを超硬合金製基材(台金)に接合して構成されたＩＳＯ型番：ＣＮＭＡ１２０４０４、ＣＮＭＡ１２０４０８、ＣＮＭＡ１２０４１２、ＣＮＭＡ１２０４１６、及びＣＮＭＡ１２０４２０に分類されるチップ形状の工具をベースにして数種類の従来形状のチャンファーやこの発明を特徴付けるネガランドを刃先に備えさせたものである。

いずれの工具も、ｃＢＮ基焼結体と超硬合金のバックメタルを有する刃先チップを鋼製シャンクや超硬合金製基材に鑞付けし、この刃先チップにすくい面とノーズＲを研削して付与した後、前述のチャンファーやネガランドを研削して設けた。チャンファーやネガランドを付す前のｃＢＮ基焼結体の厚みは、各工具とも１．５ｍｍであり、０．８Ｒ、１．２Ｒ、１．６Ｒ、２．０ＲのノーズＲを有する（工具形状の末尾の２桁の数字がＲ寸法を表す）刃先チップ底面の鑞付け面積は、それぞれ３．１５ｍｍ²、２．９０ｍｍ²、２．５５ｍｍ²、２．１０ｍｍ²であった。

図８で説明した工具の使用状態における切刃傾き角λ、横すくい角γｎ、前逃げ角、横逃げ角、前切れ刃角、横切れ刃角は、それぞれ、上から順に−５°、−５°、５°、５°、５°、−５°とし、各試料とも諸元が同一となるようにした。また、前切れ刃となる稜線の芯下がり量ｈ、ネガランド幅Ｗ、前記稜線の芯下がり角βは表２に示す値に設定し、さらに、被削材及び切削条件は以下の通りとした。

被削材：ＪＩＳ型番：ＳＣＲ４１５Ｈ外周加工（ＤＩＮ型番：１５Ｃｒ３相当品）、硬度ＨＲｃ５８〜６０
切削速度：Ｖ＝１５０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：ｄ＝０．２ｍｍ
送り量：ｆ＝０．３ｍｍ／ｒｅｖ
加工形態：丸棒の外径部の連続加工、クーラントなし

評価試験の結果を表１に併せて示す。

※１
・No.１〜No.１０の工具は、従来形状のｃＢＮ基焼結体を刃先部に鑞付けしたチップ(
従来のノーズＲ工具)であり、それぞれ０．４Ｒ〜２．０ＲのノーズＲを有し、かつ、刃先稜線部に、幅ＣＷ：０．１５〜０．４ｍｍ、チャンファー角γ：２５°〜４５°の刃先稜線と平行な一定幅のチャンファーを有する。
・No.１１、１２は、従来形状のｃＢＮ基焼結体を刃先部に使用した鑞付けチップ(従来のワイパー工具)であり、０．８ＲのノーズＲと、No.１０までの工具と同一仕様のチャンファーを有し、そのチャンファーに加えてさらにワイパー幅ＷＷ：０．５ｍｍのサラエ刃を有する。
・No.１〜３８は、切削に関与する部分にｃＢＮ基焼結体を用いた刃先交換式チップを、一辺の寸法が２５ｍｍの角柱状鋼製ホルダにピンロック方式のクランプ機構で固定した工具。試料No.３９は、切削に関与する部分にｃＢＮ基焼結体を用いた刃先チップを一辺の寸法が２５ｍｍの角柱状鋼製シャンクに直接鑞付けした工具である。旋盤タレット部からの刃先までの突き出し量は、全試料とも４０mmにした。
・ｃＢＮ基焼結体の鑞付けは、7２ｗｔ％Ａｇ−２５ｗｔ％Ｃｕ−３ｗｔ％Ｔｉの組成の活性鑞材を使用して行った。

※２
・加工面の面粗度(以下単に面粗度という)と加工面の残留応力(以下単に残留応力という)の測定は、切削開始から５分後の時点で、欠損を生じていない工具で加工した面について行った。
・面粗度は、ＪＩＳ Ｂ０６０１に準拠した十点平均粗さ（Ｒｚ）であり、カットオフ０．８μｍ、基準長さ４ｍｍの条件で被削材の軸方向で測定した。
・残留応力は、微小部Ｘ線応力測定装置と化学処理を用いたエッチングにより、表面から２０μｍの深さの残留応力を測定し、表1中の−記号は圧縮応力が残留していることを表す。

実施例１の試験結果を表1に併せて示す。
−総評―
ネガランドを設けたNo.１３〜No.３９の工具の中でも、前述の芯下がり量ｈを０．５ｍｍ以上、１．５mm以下に設定して使用するこの発明のＣＢＮ切削工具（No.１３〜１７、
１９〜２１、２４〜２８、３２〜３５、３７〜３９）は、従来のＣＢＮ切削工具（No.１〜No.１２）と比較すると欠損までの工具寿命、面粗度、残留応力のいずれにおいても優れるが、芯下がり量ｈを０．７〜１．２ｍｍとして使用したものが特に良好な面粗度を達成している。

芯下がり量ｈがこの発明の規定範囲外のNo.３０、３１の工具は、３次元的に変位した
稜線によって創成されるサラエ刃と被削材の加工面との間の隙間が大きく、そのために、面粗度が悪い。

No.１３〜１７、１９〜２１、２４〜２８、３２〜３５、３７〜３９より、前切れ刃となる稜線の芯下がり角βが２０°以上、３５°以下であるこの発明のＣＢＮ切削工具の中でも特に、芯下がり角βが２５°〜３５°のものが良好な面粗度を達成している。芯下がり角βが４５°のNo.１８とNo.２９の工具は、切削抵抗が大きく加工が不安定になって切れ刃の欠損を招き短寿命になっている。

また、ネガランドの幅Ｗが０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下のこの発明の工具、中でもネガランドの幅Ｗが０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの工具（No.１４〜１７、１９、２０、２４〜２８、３２〜３４、３７〜３９）が、No.１〜１２の従来工具と比較して寿命、面粗度、残留応力ともに良好な結果が得られている。このネガランドの幅Ｗが３．０ｍｍの試料No.２２は、ノーズＲ部の頂点Ｐにおける切れ刃稜線のすくい面からの低下量が大きくなった分、ｃＢＮ基焼結体の刃先チップ厚みが薄くなり、それによる強度低下によって早期に欠損した。また、このネガランドの幅Ｗが０．４５ｍｍのNo.２３の工具は、前述の切れ刃稜線のすくい面からの低下量を十分に確保できず、Ｑ１点を超えた位置でも切削が行われるため、面粗度が低下し、切れ刃の欠損も比較的早期に発生している。

なお、ｃＢＮ基焼結体の厚みは、厚くするほど強度を確保し易いが、その厚みが１．５ｍｍを超えると高価なｃＢＮの使用量が増加し、工具製造時の研削性も悪くなるので、製造コストの観点から１．５ｍｍ以下にするのが望ましい。

この発明のＣＢＮ切削工具は、No.１〜No.１２の従来工具と比較して残留圧縮応力が大きい。中でも、被削材切削面の軸方向(工具送り方向)圧縮応力の残留が顕著である。これは、この発明の工具の刃先形状が、従来のチャンファー形状やワイパー形状と違って工具送り方向にも強力なバニッシュ作用を発揮したからであると推測される。

なお、No.１〜No.１２の従来工具は、ｃＢＮ基焼結体からなる刃先チップだけでなく、超硬合金の台金にもチャンファーやホーニング加工を施す必要がある。これに対し、この発明のＣＢＮ切削工具は、ネガランド付与のための研磨やホーニングを刃先部分のみに行えばよく、生産性や製造コストの面でも従来工具に比べて有利になる。

表２に示すNo.４１〜No.５６の工具を準備した。ここで用いた工具は、いずれも、底辺長さ４ｍｍ、厚み１．１ｍｍのｃＢＮ基焼結体(組成は実施例１のものと同じ)と厚み０．７ｍｍの超硬合金製バックメタルが一体焼結された刃先チップを超硬合金製基材（台金）にバックメタルを鑞付けして取り付けた、ＩＳＯ型番のＣＮＭＡ１２０４１２、ＣＮＭＡ１２０４１６、ＣＮＭＡ１２０４２０に分類される頂角α８０°の菱形の刃先交換式チップをベースにしてそのチップのｃＢＮ基焼結体に数種類のチャンファーや、実施例１と同様の平面状ネガランドなどを付加したものである。超硬合金製基材に対する刃先チップの鑞付けは、Ｃｕ５０ｗｔ％−Ｔｉ２５ｗｔ％−Ｚｒ２５ｗｔ％の組成の活性鑞材を用いて行った。

各工具とも、基材に刃先チップを鑞付けした後、ｃＢＮ基焼結体のすくい面とノーズＲを研削加工し、その後、チャンファーやネガランドをつけるための刃先加工を行った。チャンファーやネガランドを付す前のｃＢＮ基焼結体の厚みは、No.５６の工具が０．７ｍｍで、その他の工具は全て０．８ｍｍである。０．８Ｒ、１．２Ｒ、１．６Ｒ、２．０Ｒの４種類のノーズＲを有する工具の刃先チップ底面の鑞付け面積は、上から順に３．１５ｍｍ²、２．９０ｍｍ²、２．５５ｍｍ²、２．１０ｍｍ²であった。

いずれの工具も、図７で説明した使用状態における切れ刃傾き角λ、横すくい角γｎ、前逃げ角αｏｆ、横逃げ角αｏｓ、前切れ刃角κｆ、横切れ刃角κｓが、それぞれ上から順に−５°、−５°、５°、５°、５°、−５°になる設定にし、前切れ刃となる稜線の芯下がり量ｈ、ネガランド幅Ｗ、前記稜線の芯下がり角βは、表２に示す値に設定し、さらに、被削材及び切削条件は以下の通りとした。

被削材：ＪＩＳ型番：ＳＣＲ４１５Ｈ端面加工（ＤＩＮ型番：１５Ｃｒ３相当品）、硬度ＨＲｃ５８〜６０
切削速度：Ｖ＝１２０ｍ／ｍｉｎ
切り込み：ｄ＝０．２５ｍｍ
送り量：ｆ＝０．１〜０．６ｍｍ／ｒｅｖ
加工形態：円盤端面部の断続切削、クーラントなし

評価試験の結果を表２に示す。

※１
・No.４１〜No.４７の工具は、ｃＢＮ基焼結体を刃先部に鑞付けしたチップであり、それぞれ０．８Ｒ〜２．０ＲのノーズＲを有し、かつ、刃先稜線部に、幅ＣＷ：０．１５ｍ
ｍ、チャンファー角γ：２５°の刃先稜線と平行な一定幅のチャンファーを有する(従来のノーズＲ工具)。
・No.４８の工具は、ｃＢＮ基焼結体を刃先部に使用した鑞付けチップであり、１．２
ＲのノーズＲと、No.４１〜No.４７の工具と同一仕様のチャンファーを有し、そのチャンファーに加えてさらにワイパー幅ＷＷ：０．５ｍｍのサラエ刃を有する(従来のワイパー
工具)。
・No.４９〜No.５５の工具は、切削に関与する部分にｃＢＮ基焼結体を用いた刃先交換式チップを、実施例１と同様に一辺の寸法が２５ｍｍの角柱状鋼製ホルダにピンロック方式のクランプ機構で固定した工具であり、旋盤タレット部からの刃先までの突き出し量は、全試料とも４０mmにした。

※２
・加工面の面粗度の測定は、切削開始から２個を加工した時点で、切れ刃に欠損を生じていない工具について行った。測定値は実施例１と同じＲｚ表示である。

−総評−
高硬度の焼き入れ鋼の切削では、工具の刃先に極めて大きな配分力が負荷される。特に、本実施例のような高送り、大切り込み条件での断続切削加工では、大きな背分力が衝撃として刃先に負荷されるため、工具のすくい面にフレーキング欠損（貝殻状の欠け）を生じやすくなり、表２のNo.４１〜No.５６までの工具で欠損を生じたものは、いずれもそのフレーキング欠損であった。

従来工具でも、ノーズＲを大きくすることにより高送りによる高能率切削用途においてもある程度の寿命を期待できるが、ノーズＲを大きくしすぎると刃先チップの鑞付け面積が減少し、そのために高送り条件で高切削抵抗が負荷されると、鑞付け部が破壊されて刃先チップの外れが発生する(No.４５、４６)。

また、チャンファー角γが４０°のNo.４７の工具は、鑞付け部が外れる前の切削初期に切れ刃の欠損が発生し、短寿命となっている。これは、チャンファー角γが大きすぎるために切れ味が悪く、切削抵抗が増加したことが原因と推定される。

No.４８のサラエ刃を有するワイパー工具は、刃先チップの鑞付け部の外れは生じていないが、No.４１〜No.４６の工具と同様、フレーキング欠損が生じた。

一方、No.５０〜No.５４、５６のこの発明の工具は、送り量０．１５ｍｍ／ｒｅｖ〜０．５ｍｍ／ｒｅｖの広範囲な高送り条件下でも鑞付けした刃先チップの外れは発生しておらず、更にフレーキング欠損も抑制されており、また、実施例1の結果と同様に、切れ刃の３次元的変位によって創成されたサラエ刃の効果によって良好な面粗度を達成している。

No.５０〜No.５４、５６のこの発明の工具がフレーキングを発生しにくくなった理由は、大きな背分力が衝撃的に工具刃先に負荷されたときに、脆性材料であるｃＢＮ基焼結体に対して主分力方向（すくい面法線方向）に引っ張り応力が加わるが、この発明の工具は、ネガランドの作用によって、主分力方向、工具送り方向のいずれにおいても、切り屑生成の反作用として大きな圧縮応力が刃先に負荷され、前記背分力による引っ張り応力をキャンセルするためと考えられる。

No.５５の工具は、鑞付けした刃先チップの外れが発生し、No.５０〜No.５４の工具と
比較し、面粗度も悪い。これは、送り量が０．６ｍｍ／ｒｅｖと極めて過酷であったためである。
No.４９の工具では、切削初期からのビビリ発生により、従来工具よりも面粗度が劣る
結果となったが、これは送り量が０．０８ｍｍ／ｒｅｖと小さい低送り条件では、この発明の工具形状の場合固有振動が発生しやすくなったためと推定される。従って、この発明の工具は、送り量を０．１〜０．５ｍｍ／ｒｅｖとする加工条件が適しており、０．１２〜０．５ｍｍ／ｒｅｖでの使用がより好ましく、加工能率を重視した場合には、０．１５〜０．５ｍｍ／ｒｅｖにするとさらに好ましい。

No.５６の工具は、No.４４の従来工具と比較して耐欠損性が向上し、面粗度についても改善されているが、ｃＢＮ基焼結体の厚みが０．８ｍｍであり、工具剛性がより高いNo.５２の工具は、No.５６の工具よりも耐欠損性がさらに向上している。

表３に示すNo.６１〜No.７１の工具を準備した。ここで用いた工具は、実施例1と同じ
材種のｃＢＮ基焼結体と超硬合金製バックメタルが一体焼結された刃先チップを超硬合金製基材に超硬バックメタルを鑞付けして接合したＩＳＯ型番のＤ(頂角α＝５５°)、Ｔ（頂角α＝６０°)、Ｃ（頂角α＝８０°、及びＳ（頂角α＝９０°）の菱形の刃先交換式チップをベースにしてそのチップのｃＢＮ基焼結体に数種類のチャンファーと、図１、図５、び図６に示す形状のネガランドを付加したものである。

No.６７の工具は、刃先部のネガランドを加工した後にさらに、基材を含めた表面に、ＰＶＤ法（アークイオンプレーティング）で（Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5）Ｎの組成の硬質膜を３μｍ厚さに被覆した。

各工具とも、基材に刃先チップを鑞付けした後、ｃＢＮ基焼結体のすくい面とノーズＲを研削加工し、その後、チャンファーやネガランドをつけるための刃先加工を行った。チャンファーやネガランドを付す前のｃＢＮ基焼結体の厚みは、いずれの工具も１．２ｍｍであり、刃先チップ底面の鑞付け面積は、２．９０ｍｍ²とした。また、超硬合金製基材に対する刃先チップの鑞付けは、実施例２と同じ組成の活性鑞材を用いて行った。

各工具の、図７で説明した使用状態における切れ刃傾き角λ、横すくい角γｎ、前逃げ角αｏｆ、横逃げ角αｏｓ、前切れ刃角κｆ、横切れ刃角κｓは、Ｄ型番の工具については上から順に（−７°、−５°、７°、５°、３２°、−３°）とし、また、Ｔ型番の工具については（−６°、−６°、６°、６°、１５°、−１５°）、Ｃ型番の工具については（−５°、−５°、５°、５°、５°、−５°）、Ｓ型番の工具については（−５°、−６°、５°、６°、１５°、１５°）とした。また、各工具ともノーズＲは０．８ｍｍに統一した。また、前切れ刃となる稜線の芯下がり量ｈ、ネガランド幅Ｗ、前記稜線の芯下がり角βは、表３に示す値に設定し、さらに、被削材及び切削条件は以下の通りとした。

被削材：ＪＩＳ型番：ＳＣＲ４１５Ｈ端面加工（ＤＩＮ型番：１５Ｃｒ３相当品）、硬度ＨＲｃ４８〜６０（表面から深さ方向に硬度が変化(低下)し、切り込み１ｍｍの深さ位置の硬度がＨＲｃ４８）
切削速度：Ｖ＝１００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：ｄ＝１．０ｍｍ
送り量：ｆ＝０．２ｍｍ／ｒｅｖ
加工形態：外径と端面の面積の割合が１：１の複合加工（浸炭層除去加工）、外径と端面の境界は０．８Ｒ以下のＲ面にする必要がある。エマルジョンタイプ２０倍希釈のクーラント使用

評価試験の結果を表３に示す。

※１
・No.６１、６３、６５、７０の工具は、従来形状のｃＢＮ基焼結体を刃先部に使用した鑞付けチップであり、それぞれが０．８ＲのノーズＲを有し、かつ刃先稜線部に幅ＣＷ：０．１５ｍｍ、チャンファー角γ：２５°のチャンファーを設けた（従来工具と比較例）。
・No.６７の工具は、刃先諸元はNo.６６の工具と同じであるが、基材を含めた表面に、（Ｔｉ_0.5Ａｌ_0.5）Ｎの組成の硬質膜をＰＶＤ法で被覆している。
・表３の各工具は実施例1と同様、切削の関与する部分にｃＢＮ基焼結体を用いた刃先交換式のチップを、一辺の寸法が２５ｍｍの角柱状の鋼製ホルダにピンロック方式で固定した工具であり、旋盤タレット部からの工具刃先までの突き出し量はいずれの工具も４０ｍｍとした。

※２
・面粗度Ｒｚの測定は、切削開始後１５分の時点で実施例1と同様にして行った。逃げ面の摩耗量については、切削開始後１５分の時点で、実態顕微鏡で観察しながら測定した。また、切り屑の長さについては、切削開始後５分の時点での切り屑を回収してその長さを測定した。

−総評−
本実施例では、被削材の外径と端面の境界部の形状の制約により、０．８Ｒ以下のノーズＲを有する工具での加工が必須であるが、高送りでの高能率加工であるために、No.６１、６３、６５、７０の従来工具は送り分力の上昇に起因する欠損が発生して短寿命になっている。

一方、No.６２、６４、６６〜６９、７１のこの発明の工具は、いずれも大幅に耐欠損
性が向上している。実施例２と同様に、ネガランドの作用によって、主分力方向、工具送り方向のいずれにおいても、切り屑生成の反作用として大きな圧縮応力が刃先に負荷され、前記背分力による引っ張り応力をキャンセルすることが耐欠損性の向上に寄与していると推測される。

ネガランドを、頂角αの２等分線を基準にして対称形状、かつ、相反する方向に傾く面で構成してネガランドの中央部をノーズＲ部の頂点側に突き出させたNo.６８、No.６９の工具は、平面のネガランドを有するもの(No.６２、６４、６６、６７)よりも更に切削性
能が向上している。

また、この発明の工具はネガランドの効果により、本実施例のような大切り込み、高送り条件で焼入れ鋼を旋削加工する際に大きな問題となっている、太く連続した切り屑の被削材、冶工具への絡まりも防止可能という結果が得られた。具体的には、No.６１、６３、６５、７０の従来工具では、３００ｍｍ前後の長い切り屑が発生していたのに対し、この発明の工具では、いずれも切り屑が６０ｍｍ以下の処理性に優れる長さに分断されており、自動車部品などのマスプロダクションにおいての設備稼働率の向上、不良品の低減にも効果を奏する。

No.６６の工具の表面にＴｉＡｌＮ膜をコーティングしたNo.６７の工具は、逃げ面摩耗量が大幅に低減されており、コーティング工具となすことで更なる長寿命化を達成している。

以上述べたように、この発明の工具とこれを使用するこの発明の旋削加工方法は、ｃＢＮ基焼結体のノーズＲ部近傍のすくい面に切れ刃稜線の位置を３次元的に変化させるネガランドを形成し、旋削加工において被削材の回転方向、工具送り方向のどちらに対してもバニッシュ作用を有する高強度の鈍角切れ刃を形成することを可能ならしめ、さらに、この工具を一般的には考えられない芯下がり角と芯下がり量の状態に配置することで前切れ刃となる稜線にサラエ刃を創成するので、一般に相反する事象であるがゆえに従来工具では不可能であった高送りによる高能率加工と高精度加工を両立させ、なおかつ、安定的な長寿命を達成することができる。また、高精度加工により、被削材の加工面の疲労強度向上や嵌め合わせ部のシール性向上も達成できるという効果を有する。

なお、この発明の工具は、焼き入れ鋼の高能率旋削加工に利用すると特に大きな効果を期待できるが、難削材の一種である焼結合金の切削でも優れた効果を期待できる。

Claims (9)

1. 切削に関与する部位がｃＢＮ基焼結体によって形成された切削工具であって、前記ｃＢＮ基焼結体が、前逃げ面、横逃げ面、ノーズＲ、すくい面、及びノーズＲ部近傍のすくい面に形成されるネガランドを有し、前記ネガランドとすくい面との間に形成される稜線が前記前逃げ面、すくい面及びネガランドの３者が交わるＱ１点から横逃げ面、すくい面及びネガランドの３者が交わるＱ２点に至り、前逃げ面と前記ネガランドとの間及び横逃げ面と前記ネガランドとの間にそれぞれ形成される切れ刃稜線の位置がノーズＲ部の頂点Ｐにおいてすくい面から最大に低下し、その低下量が、頂点Ｐから前記Ｑ１点とＱ２点に向かって次第に小さくなっており、さらに前記頂点Ｐと前記Ｑ１点を結んだ直線Ｐ−Ｑ１のすくい面に対する傾斜角β´が２０°以上、３５°以下に設定されていることを特徴とする高品位・高能率加工用ＣＢＮ切削工具。
2. ノーズＲ寸法を０．４ｍｍ以上、１．６ｍｍ以下、ノーズＲ部の頂角αを５５°〜９０°に設定した請求項１に記載の高品位・高能率加工用ＣＢＮ切削工具。
3. ネガランドの幅Ｗを０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下に設定した請求項１又は２に記載の高品位・高能率加工用ＣＢＮ切削工具。
4. ノーズＲ寸法を０．８ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下、前記ネガランドの傾斜角β´を２５°以上、３２°以下、前記ネガランドの幅Ｗを０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下にそれぞれ設定したｃＢＮ基焼結体が超硬合金製基材のコーナに保持され、そのｃＢＮ基焼結体を保持したコーナが複数あり、全体が刃先交換式チップとして構成された請求項２又は３に記載の高品位・高能率加工用ＣＢＮ切削工具。
5. 刃先がノーズＲ部の頂角αの２等分線を基準にして対称形状をなす請求項１乃至４のいずれかに記載の高品位・高能率加工用ＣＢＮ切削工具。
6. 前記ネガランドを、頂角αの２等分線を基準にして対称形状、かつ、相反する方向に傾く面で構成した請求項５に記載の高品位・高能率加工用ＣＢＮ切削工具。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載のＣＢＮ切削工具を、使用状態における切れ刃傾き角と横すくい角が共に負、前逃げ角、横逃げ角、前切れ刃角が共に正となり、さらに、ノーズＲ部の頂点から前記Ｑ１点に至る前切れ刃のすくい面に対する芯下がり角βが２０°〜３５°でネガランドと逃げ面との間に形成される切れ刃稜線のノーズ頂点Ｐでの位置が、工具のすくい面と平行な面かつ被削材の回転軸を含む面から０．５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下芯下がりとなる状態に配置し、この工具を被削材に切り込ませ、０．１ｍｍ／ｒｅｖ以上、０．５ｍｍ／ｒｅｖ以下の送りをかけて切削を行う旋削加工方法。
8. 切れ刃稜線のノーズ頂点Ｐでの芯下がり量を０．７ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下に設定し、さらに工具の送り量を０．１５ｍｍ／ｒｅｖ以上、０．５ｍｍ／ｒｅｖ以下に設定して外径加工を行う請求項７に記載の旋削加工方法。
9. 焼き入れ鋼を被削材としてその焼き入れ鋼の旋削加工を行う請求項７又は８に記載の旋削加工方法。

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