JP4816844B2

JP4816844B2 - 高速歯切加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する表面被覆炭化タングステン基超硬合金製むく歯切工具

Info

Publication number: JP4816844B2
Application number: JP2001084129A
Authority: JP
Inventors: 幸生青木; 俊之谷内
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2001-03-23
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2021-03-23
Also published as: JP2002283142A

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、刃部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表面被覆炭化タングステン基超硬合金製むく歯切工具（以下、被覆超硬歯切工具という）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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各種歯車が用いられているが、近年これら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被覆超硬歯切工具（ソリッドホブ）、すなわち炭化タングステン基超硬合金基体（以下、超硬基体という）の表面に０．５〜７μmの平均層厚で硬質被覆層を化学蒸着および／または物理蒸着してなる被覆超硬歯切工具が用いられるようになっている。
【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、上記の従来被覆超硬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、高速回転に伴って発生する微小な振動ぶれが原因で、特に刃部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、上記の従来被覆超硬歯切工具に着目し、これを高速歯切条件で用いた場合にも、刃部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被覆超硬歯切工具を開発すべく研究を行った結果、
被覆超硬歯切工具を構成する超硬基体を、長さ方向に沿って管状内側部と刃部を含む管状外側部とに分けて、それぞれ異なった組成の炭化タングステン基超硬合金（以下、超硬合金という）で構成し、かつ前記外側部を構成する超硬合金のもつ比重を、前記内側部の超硬合金のもつ比重に比して５〜１０％小さい比重として、相対的に前記外側部の重さを前記内側部のそれに比して小さいものとすると共に、上記超硬基体の全体厚さを（径方向に位置したそれぞれの刃部の最先端逃げ面間の前記超硬基体中心線を通る外径×１／２−中心孔径×１／２）で現した場合、前記外側部の厚さを前記全体厚さの３０〜６０％に相当する厚さとすると、この結果の被覆超硬歯切工具においては、高速回転に伴って発生する振動ぶれが著しく抑制されるようになり、きわめて安定した回転モーメントを示すことから、特に刃部の切刃稜線部におけるチッピング発生が防止され、すぐれた切削性能を長期に亘って発揮するようになる、という研究結果が得られたのである。
【０００５】
この発明は、上記の研究結果に基づいてなされたものであって、
超硬基体の表面に２〜７μmの平均層厚で硬質被覆層を蒸着形成してなる被覆超硬歯切工具において、
（ａ）上記超硬基体を、長さ方向に沿って、管状内側部と、逃げ面およびすくい面で構成された刃部を含む管状外側部とに分けると共に、前記管状内側部と前記管状外側部とで異なった成分組成を有する超硬合金で構成し、
（ｂ）かつ上記外側部を、上記内側部の超硬合金のもつ比重に比して５〜１０％小さい比重を有する超硬合金で構成し、
（ｃ）さらに、上記超硬基体の全体厚さを（径方向に位置したそれぞれの刃部の最先端逃げ面間の前記超硬基体中心線を通る外径×１／２−中心孔径×１／２）で現した場合、上記外側部の厚さを前記全体厚さの３０〜６０％に相当する厚さとしてなる、
高速歯切加工ですぐれた耐チッピング性を発揮する被覆超硬歯切工具に特徴を有するものである。
【０００６】
なお、この発明の被覆超硬歯切工具を構成する上記超硬基体における上記外側部の上記内側部に対する相対比重差割合および相対厚さ割合は実験結果に基づいて定めたものであり、したがって、前記外側部の前記内側部との相対比重差の割合が５％未満であったり、またこれが１０％を超えたりしても高速切削時に回転振動ぶれが発生するようになるものであり、さらに前記外側部の相対厚さ割合が全体厚さの３０％未満でも、またこれが６０％を超えても高速切削時に所望の回転振動ぶれ抑止効果を得ることができない場合が生じるようになることから、それぞれ前記外側部の相対比重差の割合を５〜１０％、相対厚さの割合を全体厚さの３０〜６０％と定めたのである。
また、同じくこれを構成する硬質被覆層の平均層厚を２〜７μmに限定したのは、その平均層厚が２μm未満では所望の耐摩耗性向上効果が得られない場合は生じ、一方その平均層厚が７μmを越えると、切刃稜線部にチッピングが発生し易くなる、という理由によるものである。
【０００７】
さらに、この発明の被覆超硬歯切工具を構成する硬質被覆層としては、組成式：（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）Ｎおよび同（Ｔｉ_1-XＡｌ_X）Ｃ_1-YＮ_Y（ただし、原子比で、Ｘは０．３５〜０．７０、Ｙは０．５〜０．９９を示す）を有するＴｉとＡｌの複合窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎで示す］および複合炭窒化物［以下、（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮで示す］のうちのいずれか、あるいは両方で構成された単層または複層からなる硬質被覆層の適用が望ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の被覆超硬歯切工具を実施例により具体的に説明する。
まず、原料粉末として、いずれも１〜３μｍの範囲内の所定の平均粒径を有するＷＣ粉末、ＴｉＣ粉末、ＺｒＣ粉末、ＶＣ粉末、ＴａＣ粉末、ＮｂＣ粉末、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末、ＴｉＮ粉末、ＴａＮ粉末、およびＣｏ粉末を用意し、これら原料粉末を、表１に示される配合組成に配合し、ボールミルで７２時間湿式混合し、乾燥して、内側部形成用混合粉末Ａ〜Ｅおよび外側部形成用混合粉末ａ〜ｅを調製し、ついで、これら混合粉末を表２に示される組み合わせで、かつ１００ＭＰａの圧力で同じく表２に示される相対厚さの圧粉体にプレス成形し、この圧粉体を６Ｐａの真空中、温度：１４００℃に１時間保持の条件で焼結して、外径：８５ｍｍ×中心孔径：４０ｍｍ×長さ：１２５ｍｍの超硬合金製丸棒素材を形成し、この素材から機械加工にて、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もち、さらに同じく表２に示される内側部厚さおよび外側部厚さをもった本発明超硬基体Ａ−２〜Ａ−８および比較超硬基体ａ−１〜ａ−４をそれぞれ製造した。
なお、比較超硬基体ａ−１〜ａ−４は、いずれもこれを構成する超硬合金の外側部の相対比重差割合および相対厚さ割合のうちの少なくともいずれかの割合がこの発明の範囲から外れたものである。
また、表２には、超硬基体の外側部の相対比重差割合および相対厚さ割合を示した。
【０００９】
ついで、これら超硬基体Ａ−２〜Ａ−８およびａ−１〜ａ−４を、アセトン中で超音波洗浄し、乾燥した状態で、それぞれ図２に概略説明図で示される通常のアークイオンプレーティング装置に装入し、一方カソード電極（蒸発源）として種々の成分組成をもったＴｉ−Ａｌ合金を装着し、装置内を排気して０．５Ｐａの真空に保持しながら、ヒーターで装置内を５００℃に加熱した後、Ａｒガスを装置内に導入して１０ＰａのＡｒ雰囲気とし、この状態で超硬基体に−８００Ｖのバイアス電圧を印加して超硬基体表面をＡｒガスボンバート洗浄し、ついで装置内に反応ガスとして、窒素ガス、またはメタンガスと窒素ガスを導入して６Ｐａの反応雰囲気とすると共に、前記超硬基体に印加するバイアス電圧を−２００Ｖに下げて、前記カソード電極とアノード電極との間にアーク放電を発生させ、もって前記超硬基体Ａ−２〜Ａ−８およびａ−１〜ａ−４のそれぞれの表面に、表３に示される目標組成および目標層厚の（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ層および／または（Ｔｉ，Ａｌ）ＣＮ層からなる硬質被覆層を蒸着することにより、本発明被覆超硬歯切工具１〜７および比較被覆超硬歯切工具１〜４をそれぞれ製造した。
【００１０】
なお、上記の本発明被覆超硬歯切工具１〜７および比較被覆超硬歯切工具１〜４について、硬質被覆層の組成については、オージェ分光分析装置を用い、またその層厚については、走査型電子顕微鏡を用いて断面測定したところ、それぞれ目標組成および目標層厚と実質的に同じ値（層厚については５点平均の平均層厚と比較）を示した。
【００１１】
つぎに、上記の本発明被覆超硬歯切工具１〜７および比較被覆超硬歯切工具１〜４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）：４５０ｍ／ｍｉｎ、
送り：３．２ｍｍ／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。この測定結果をそれぞれ表３に示した。
【００１２】
【表１】

【００１３】
【表２】

【００１４】
【表３】

【００１５】
【発明の効果】
表２、３に示される結果から、本発明被覆超硬歯切工具１〜７は、いずれもこれを構成する超硬基体の外側部の相対比重差割合および相対厚さ割合を適正な値とすることにより高速切削時の回転振動ぶれの発生を抑制でき、きわめて安定した回転モーメントが得られるようになることから、特に刃部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ようになるのに対して、比較被覆超硬歯切工具１〜４に見られるように、超硬基体の外側部の相対比重差割合および相対厚さ割合のうちの少なくともいずれかがこの発明の範囲から外れると、高速切削時の回転振動ぶれの発生を抑制することができず、この回転振動ぶれが原因で切刃稜線部にチッピングが発生し、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、この発明の被覆超硬歯切工具は、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ものであるから、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対応できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】被覆超硬歯切工具（ソリッドホブ）の概略斜視図である。
【図２】アークイオンプレーティング装置の概略説明図である。

Claims

炭化タングステン基超硬合金基体の表面に２〜７μmの平均層厚で硬質被覆層を蒸着形成してなる表面被覆炭化タングステン基超硬合金製むく歯切工具において、
（ａ）上記炭化タングステン基超硬合金基体を、長さ方向に沿って、管状内側部と、逃げ面およびすくい面で構成された刃部を含む管状外側部とに分けると共に、前記管状内側部と前記管状外側部とで異なった成分組成を有する炭化タングステン基超硬合金で構成し、
（ｂ）かつ上記外側部を、上記内側部の炭化タングステン基超硬合金のもつ比重に比して５〜１０％小さい比重を有する炭化タングステン基超硬合金で構成し、
（ｃ）さらに、上記炭化タングステン基超硬合金基体の全体厚さを（径方向に位置したそれぞれの刃部の最先端逃げ面間の前記基体中心線を通る外径×１／２−中心孔径×１／２）で現した場合、上記外側部の厚さを前記全体厚さの３０〜６０％に相当する厚さとしたこと、
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表面被覆炭化タングステン基超硬合金製むく歯切工具。