JP5094293B2

JP5094293B2 - 切削工具

Info

Publication number: JP5094293B2
Application number: JP2007233642A
Authority: JP
Inventors: 正人松澤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2027-09-10
Also published as: JP2009061572A

Description

本発明は、基体の表面に被覆層を被着形成し、かつ切刃にホーニングを形成した切削工具に関する。

金属の切削加工分野ではその加工条件が年々厳しくなり、これに用いる切削工具として超硬合金やサーメット等硬質焼結体母材の表面に被覆層を被覆した切削工具が普及している。例えば、特許文献１では、フライス加工用の切削工具として耐欠損性が高くかつ刃先の品位がよい物理蒸着法（ＰＶＤ法）を用いて膜厚０．５〜７μｍのＴｉＡｌＮ被覆層を形成したことが開示されている。しかしながら、被覆層を厚くすると耐摩耗性は向上するものの切刃において被覆層が剥離しやすくなってしまうことは良く知られている。特にＰＶＤ法にて形成した被覆層には高い圧縮応力が発生するとともに、エッジ効果により切刃稜線部のみに局所的に被覆層が厚く形成される傾向があり、切刃における耐欠損性が不十分であるという問題があった。

この問題を解決する方法として、特許文献２では切刃稜線部に被覆層の厚みに応じたサイズのホーニングを設けることによって、稜線近傍にて被覆層が破壊や剥離することを防止できることが開示されている。また、特許文献３には、切刃部分にＲ：０．０３（０．０３ｍｍ）のホーニングを設けて、ＰＶＤ法の一種であるスパッタ法により層厚１〜１５μｍのＴｉＡｌＮ層を形成したことが記載されている。

さらに、本出願人は特許文献４にて、ミーリング工具にホーニングを形成する際に辺部切刃の境界損傷が発生しやすい部分についてのホーニング寸法を所定の範囲内に制御することによって、ミーリング加工性能を安定化できることを開示した。
特開２００３−３２６４１５号公報特開２０００−５２１０７号公報特開２００５−７５５８号公報特開２００５−２３８３６７号公報

しかしながら、特許文献２や特許文献３のように基体の切刃部にホーニングを設けた状態でＰＶＤ層を形成する方法でも、これをステンレス等の難削材を加工用として用いた場合やミーリング加工用として用いた場合には切削性能が不十分であった。すなわち、被覆層の層厚が薄くて耐摩耗性が不十分であったり、被覆層の厚みを厚くしてそれに応じたホーニングをつけると切刃のノーズＲの頂部から離れた辺部位置に境界損傷が発生しやすくなってさほど工具寿命を延ばすことにはならなかった。

また、特許文献４のように、境界損傷が発生しやすい部分のホーニング寸法を所定の範囲に制御する方法でも、ミーリング加工性能を安定化することはできるものの、加工性能の向上にはつながらなかった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、被覆層を有する切削工具において、耐摩耗性に優れるとともに境界損傷等の異常摩耗を抑制した切削工具を提供することにある。

本発明の切削工具は、ノーズＲを有する工具形状の基体の表面に、膜厚５〜８μｍの（Ｔｉ，Ｍ） _１−ａＡｌ _ａ（Ｃ _ｂＮ _１−ｂ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、Ｓｉ、Ｙ、Ｃｅのうちの一種以上の金属元素、０．２５≦ａ≦０．７５、０≦ｂ≦１）で表わされる被覆層を被着形成するとともに、前記ノーズＲにホーニングを設けて、前記ノーズＲの頂部でのすくい面側から見たホーニング幅をＲｒｃ、該ノーズＲの頂部での逃げ面側から見たホーニング幅をＲｆｃとしたとき、０．０１５ｍｍ≦Ｒｒｃ≦０．０３０ｍｍ、０．０１３ｍｍ≦Ｒｆｃ≦０．０３０ｍｍであり、かつ前記ノーズＲの頂部から３ｍｍ離れた位置でのすくい面側および逃げ面側から見たホーニング幅をそれぞれＲｒｐ、Ｒｆｐとしたとき、０．０１３ｍｍ≦Ｒｒｐ≦０．０２９ｍｍ、０．０１０ｍｍ≦
Ｒｆｐ≦０．０２１ｍｍであり、かつＲｒｐ／Ｒｆｐ比がＲｒｃ／Ｒｆｃ比よりも大きい構成としたものである。

ここで、上記構成において、前記Ｒｆｃが前記Ｒｆｐよりも大きいことが望ましい。

また、上記構成において、１．０５≦Ｒｆｃ／Ｒｆｐ≦２．４であることが望ましい。

さらに、上記構成において、前記被覆層がスパッタリング法により形成されたものであることが望ましい。

上記本発明の切削工具によれば、被覆層の膜厚を５〜８μｍの（Ｔｉ，Ｍ） _１−ａＡｌ _ａ（Ｃ _ｂＮ _１−ｂ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、Ｓｉ、Ｙ、Ｃｅのうちの一種以上の金属元素、０．２５≦ａ≦０．７５、０≦ｂ≦１）で表わされる被覆層とし、かつノーズＲの頂部でのすくい面側から見たホーニング幅Ｒｒｃを０．０１５ｍｍ≦Ｒｒｃ≦０．０３０ｍｍに、ノーズＲの頂部での逃げ面側から見たホーニング幅Ｒｆｃを０．０１３ｍｍ≦Ｒｆｃ≦０．０３０ｍｍに制御するとともに、ノーズＲの頂部から３ｍｍ離れた位置でのすくい面側および逃げ面側から見たホーニング幅Ｒｒｐ、Ｒｆｐとしたとき、０．０１３ｍｍ≦Ｒｒｐ≦０．０２９ｍｍ、０．０１０ｍｍ≦Ｒｆｐ≦０．０２１ｍｍであり、かつＲｒｐ、Ｒｆｐの比（Ｒｒｐ／Ｒｆｐ）が、ノーズＲの頂部における比（Ｒｒｃ／Ｒｆｃ）よりも大きい構成となっている。これによって、強い衝撃がかかるノーズＲの頂部においては微小なホーニング幅でありながら衝撃に対しても被覆層がチッピングや剥離することがない。しかも、切刃辺部のうちの切削中に被削材が加工硬化して発生する境界損傷を引き起こしやすい部分では、ホーニング形状が耐摩耗性に優れたものとなっているので、切刃辺部の摩耗が抑制できる。その結果、境界損傷の発生を遅らせることができて、切削工具の寿命を延ばすことができる。

ここで、前記Ｒｆｃ（ノーズＲの頂部での逃げ面側から見たホーニング幅）が、前記Ｒｆｐ（ノーズＲの頂部から３ｍｍ離れた位置での逃げ面側から見たホーニング幅）よりも大きいことが望ましく、これによって、切刃辺部のうちの境界損傷を引き起こしやすい部分での切れ味が良く、かつノーズＲ部での耐欠損性が向上する結果となる。また、ノーズＲの頂部ではエッジ効果によって被覆層がより厚く形成される傾向にあるが、比較的大きなホーニングを設けることによって被覆層の厚みを他の部分に近づけることができる結果、ノーズＲの頂部における耐欠損性を高めることができる。一方、被削材の加工硬化により切削によってより摩耗が進行しやすい辺部では、被覆層の厚みが厚くなる傾向となり耐摩耗性が向上し、境界損傷の発生をさらに抑制できるのである。特に、その比率は、１．０５≦Ｒｆｃ／Ｒｆｐ≦２．４であることが、耐摩耗性及び耐欠損性のバランスがよく切れ刃全体の切削性能を高める点で望ましい。

さらに、前記被覆層がスパッタリング法により形成されたものであることが、表面が平滑で耐溶着性が高いとともに、被覆層に内在する内部応力が小さくて層厚を厚くしても自己破壊することなく被覆層のチッピングや剥離が発生しにくい点で望ましい。また、被覆層の組成は、Ｍ_１−ａＡｌ_ａ（Ｃ_ｂＮ_１−ｂ）（ただし、Ｍは周期表第４、５、６族元素、Ｓｉ、Ｙ、Ｃｅのうちの一種以上の金属元素、０．２５≦ａ≦０．７５、０≦ｂ≦１）で表わされるものであることが、硬度と耐酸化性に優れて高い耐摩耗性を有する点で重要である。

本発明の切削工具の一例について、その好適例であるスローアウェイチップ（以下、単にチップと略す。）を装着したスローアウェイ式ミーリング工具Ａの先端部概略斜視図である図１、および装着されるスローアウェイチップの（ａ）概略斜視図、（ｂ）平面図である図２、図２のスローアウェイチップについて（ａ）ａ−ａライン、（ｂ）ｂ−ｂラインについての断面図である図３を基に説明する。

図１〜３によれば、チップ１は、主面が略平板状を呈する基体２のすくい面３をなす主面および逃げ面４をなす側面との交差稜線がコーナー切刃５を挟んで主切刃６および副切刃７を具備した切刃８をなし、かつ基体２表面に被覆層９を被覆し、切刃８のすくい面３から逃げ面４にわたってホーニング１０を設けてなる。そして、スローアウェイ式ミーリング工具Ａはホルダ２０のチップポケット２１にチップ１を装着してなる。なお、チップ１は中央部に形成されているねじ穴２３にねじ２２を挿入してホルダ２０にねじ２２を螺合することによりクランプされている。

そして、図３に示すように、チップ１は、コーナー切刃５のようなノーズＲを有する工具形状の基体２の表面に、膜厚５〜８μｍのの（Ｔｉ，Ｍ） _１−ａＡｌ _ａ（Ｃ _ｂＮ _１−ｂ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、Ｓｉ、Ｙ、Ｃｅのうちの一種以上の金属元素、０．２５≦ａ≦０．７５、０≦ｂ≦１）で表わされる被覆層９を被着形成するとともに、コーナー切刃（ノーズＲ）５にホーニング１０を設けて、コーナー切刃５の頂部１１でのすくい面３側から見たホーニング幅をＲｒｃ、コーナー切刃５の頂部での逃げ面側から見たホーニング幅をＲｆｃとしたとき、０．０１５ｍｍ≦Ｒｒｃ≦０．０３０ｍｍ、０．０１３ｍｍ≦Ｒｆｃ≦０．０３０ｍｍであり、かつコーナー切刃５の頂部から３ｍｍ離れた位置（以下、切刃境界部と称す。）１２でのすくい面３側および逃げ面４側から見たホーニング幅をそれぞれＲｒｐ、Ｒｆｐとしたとき、０．０１３ｍｍ≦Ｒｒｐ≦０．０２９ｍｍ、０．０１０ｍｍ≦Ｒｆｐ≦０．０２１ｍｍであり、かつＲｒｐ／Ｒｆｐ比が、コーナー切刃５の頂部１１におけるＲｒｃ／Ｒｆｃ比よりも大きい構成となっている。

これによって、強い衝撃がかかるコーナー切刃５の頂部１１においては微小なホーニング幅でありながら衝撃に対しても被覆層９がチッピングや剥離することがない。しかも、切刃８のうちの切削中に被削材が加工硬化して発生する境界損傷を引き起こしやすい切刃境界部１２では、ホーニング幅の小さくかつ耐摩耗性に優れたホーニング１０が形成されているので切れ味がよく、被削材の加工硬化を極力抑制できるとともに切刃境界部における摩耗が抑制できる。その結果、境界損傷の発生を遅らせることができて、チップ１の寿命を延ばすことができる。

ここで、上記構成によれば、被覆層９の層厚が５μｍ未満では耐摩耗性が急激に低下して境界損傷の進行が著しくなり早期に摩耗してしまう。また、Ｒｒｃが０．０１５ｍｍ未満であるとエッジ効果により切刃８において被覆層９の剥離が生じやすく、耐欠損性も低下する。Ｒｒｃが０．０３０ｍｍを越えると、耐摩耗性が著しく減少する。一方、Ｒｆｃが０．０１３ｍｍ未満であるとノーズＲ部と同様に被覆層９が剥離を生じやすい傾向となり、Ｒｆｃが０．０３０ｍｍを越えると、耐摩耗性が低下することとなる。また、被覆層９の層厚の範囲は５〜８μｍである。

ここで、切刃境界部１２での逃げ面側から見たホーニング幅Ｒｆｐが、ノーズＲの頂部１１での逃げ面側から見たホーニング幅Ｒｆｃよりも小さいことが、切刃辺部のうちの境界損傷を引き起こしやすい切刃境界部での切れ味が良く、かつコーナー切刃５の頂部１１での耐欠損性が向上するので望ましい。すなわち、コーナー切刃５の頂部１１ではエッジ効果により被覆層９がより厚く形成される傾向にあるが、比較的大きなホーニング１０を設けることによって被覆層の厚みを他の部分に近づけることができる結果、コーナー切刃５の頂部１１における耐欠損性を高めることができる。一方、被削材の加工硬化により切削によってより摩耗が進行しやすい切刃境界部１２では、被覆層９の厚みが厚くなる傾向となり耐摩耗性が向上し、境界損傷の発生をさらに抑制できるのである。特に、その比率は、１．０５≦Ｒｆｃ／Ｒｆｐ≦２．４であることが、耐摩耗性及び耐欠損性のバランスがよく切れ刃全体の切削性能を高める点で望ましい。Ｒｆｃ／Ｒｆｐの望ましい範囲は、１．２〜２．０である。

ここで、上記のような寸法に制御されたホーニングを得る方法としては、コーナー切刃５の頂部１１に向かう方向と、コーナー切刃５の頂部１１に隣接する辺部方向に対して、すくい面または逃げ面の方向にチップの傾き角度を変化させながら図４に示すようなブラシを当てるか、砥粒の当たる向きを変えながらブラスト処理によるホーニング加工を行うことによって、上記所望のホーニング形状を得ることができる。このとき、コーナー切刃５の頂部１１に対して線対称となるようなホーニング形状とするためには、コーナー切刃５の頂部１１に対して線対称な２つ以上の方向からホーニング加工を行えばよい。なお、コーナー切刃５の頂部１１はエッジなので、形状上隣接する辺部よりもホーニングが大きくなる傾向にある。

また、ホーニング１０の形状は、被覆層の剥離を抑制するためにＲホーニングであることが望ましいが、Ｃホーニング（チャンファホーニング）であってもよい。

なお、チップ１のコーナー切刃５の逃げ面には、ポジ角θが形成されているが、コーナー切刃５の頂部１１におけるポジ角θｃが切刃境界部１２におけるポジ角θｐよりも大きいことが、コーナー切刃５の頂部１１における耐欠損性を高めるために望ましい。また、切刃境界部１２におけるランド幅ｄｐがコーナー切刃５の頂部１１におけるランド幅ｄｃよりも小さいことが、切刃境界部１２における切れ味を高めるために望ましい。

さらに、前記被覆層がスパッタリング法により形成されたものであることが、表面が平滑で耐溶着性が高いとともに、被覆層に内在する内部応力が小さくて層厚を厚くしても自己破壊することなく被覆層のチッピングや剥離が発生しにくい点で望ましい。さらに、被覆層９に関しては、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法によって形成されたＴｉＣ、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、（ＴｉＭ）Ｎ（ただし、ＭはＡｌ、Ｓｉ、Ｚｒ及びＣｒの群から選ばれる少なくとも１種）、Ａｌ_２Ｏ_３、ダイヤモンド（ＰＣＤ、ＤＬＣを含む）及びｃＢＮの群から選ばれる少なくとも１層またはこれらの複層が適応可能であるが、中でも付着強度の点で、Ｍ_１−ａＡｌ_ａ（Ｃ_ｂＮ_１−ｂ）（ただし、Ｍは周期表第４、５、６族元素、Ｓｉ、Ｙ、Ｃｅのうちの一種以上の金属元素、０．２５≦ａ≦０．７５、０≦ｂ≦１）で表わされるものであることが、硬度と耐酸化性に優れて高い耐摩耗性を有する点で重要である。

一方、本発明において、基体２は、超硬合金、サーメットまたはセラミックのいずれも適応可能であるが、中でも被覆層６との付着強度の点およびホーニング加工時の形状調整が容易な点で超硬合金に対して最も好適に適応可能である。

（実施例１）
平均粒径０．８μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を主成分として、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０質量％、平均粒径１．０μｍの炭化バナジウム（ＶＣ）粉末を０．３質量％、平均粒径１．０μｍの炭化クロム（Ｃｒ_３Ｃ_２）粉末を０．６質量％の割合で添加し混合して、プレス成形により刃先交換式ミーリング用切削工具形状（ＢＤＭＴ１１Ｔ３０８ＥＲ−ＪＴ）に成形した後、脱バインダ処理を施し、０．０１Ｐａの真空中、１４５０℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。なお、θｃ＝０．５°、θｐ＝３°、ｄｃ＝０．１８ｍｍ、ｄｐ＝０．２２ｍｍとした。

次に、各試料のすくい面表面をブラスト加工、またはブラシ加工等によって両頭研磨加工を行った。さらに、切刃付近に対してブラシ加工またはブラスト加工によって、下記被覆層を成膜したチップの形状が、コーナー切刃の頂部でのすくい面側と逃げ面側から見たホーニング幅：Ｒｒｃ、Ｒｆｃ、および切刃境界部でのすくい面３側と逃げ面４側から見たホーニング幅：Ｒｒｐ、Ｒｆｐが表１に示す寸法となるようにホーニングを形成した。

このようにして作製した基体に対してスパッタリング法により表１に示す種々の組成にて被覆層を成膜した。

得られた試料に対して、ホーニング幅（Ｒｒｃ、Ｒｆｃ、Ｒｒｐ、Ｒｆｐ）を投影機及び実体顕微鏡にて観察して定量化した。また、被覆層の層厚は被覆層の断面について走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察して測定した。また、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて観察する際に、エネルギー分散分光分析（ＥＤＳ）によって各被覆層の任意３箇所における組成を測定し、これらの平均値を各被覆層の組成として算出した。

次に、得られたスローアウェイチップを図１に示す刃先交換式ミーリング用切削工具に取り付けて、以下の切削条件にて切削試験を行った。結果は表２に示した。なお、表１、２の試料Ｎｏ．１、３は参考試料を示す。

切削方法：肩削り（ミーリング加工）
被削材：ＳＫＤ１１
切削速度：１５０ｍ／ｍｉｎ
送り：０．１２ｍｍ／ｔｏｏｔｈ
切り込み：横切り込み１０ｍｍ、深さ切り込み３ｍｍ
切削状態：乾式
評価方法：１５分間切削した時点で、インサート逃げ面における摩耗量（幅）を測定した。なお、摩耗幅の算出に際して、加工前のホーニング幅分を差し引くようにした。

表１、２に示すとおり、刃先ホーニング幅が大きい試料Ｎｏ．７では、切削抵抗が多きいため、加工初期において刃先付近に不均一な微小剥離が生じやすい傾向にあり、摩耗の進行も不均一となり、大きな境界損傷が生じた。また、被覆層の層厚が５μｍより薄い試料Ｎｏ．９では、切刃全体において摩耗の進行が早かった。さらに、被覆層の層厚が８μｍより厚い試料Ｎｏ．８では、加工早期に被膜の大規模なチッピングを生じ、母材の摩耗の進行により加工不可能となった。また、ホーニングを形成しなかった試料Ｎｏ．１０、およびホーニング幅Ｒｒｃが０．０１５ｍｍより小さい試料Ｎｏ．１１では、加工初期に突発欠損してしまった。さらに、ノーズＲの頂部におけるホーニング幅の比（Ｒｒｃ／Ｒｆｃ）がノーズＲの頂部から３ｍｍ離れた位置におけるホーニング幅の比（Ｒｒｐ／Ｒｆｐ）よりも大きい試料Ｎｏ．１２では、境界摩耗が進行して最終的に境界損傷を引き起こした。

これに対して、本発明に基づくホーニング形状および被覆層の層厚である試料Ｎｏ．２、４〜６では、いずれもコーナー切刃の頂部における摩耗の進行も遅くかつ境界摩耗の進行も遅くて工具寿命の長いものであった。

（実施例２）
実施例１の試料Ｎｏ．４、６のスローアウェイチップに対して、被覆層の成膜をスパッタリング法による成膜からアークイオンプレーティング法による成膜に変更して、表３に示す被覆層とする以外は実施例１と同様にスローアウェイチップを作製し、切削性能を評価した。

表３に示すように、表１、２の実施例のようにスパッタリング法を用いて成膜した試料と比較すると耐摩耗性、耐欠損性とも少し劣るが、表１、２の比較例よりは切削性能に優れたものであることがわかった。

本発明の一実施例のミーリング工具の好適例であるスローアウェイ式ミーリング工具についての先端部概略斜視図である。図１のスローアウェイ式ミーリング工具に装着されるスローアウェイチップの（ａ）概略斜視図、（ｂ）平面図である。図２のスローアウェイチップの（ａ）ａ−ａ断面図、（ｂ）ｂ−ｂ断面図である。図１〜３のスローアウェイチップのホーニング加工方法を説明するための模式図である。

符号の説明

１スローアウェイチップ（チップ）
２母材
３すくい面
４逃げ面
５コーナー切刃
６主切刃
７副切刃
８切刃
９被覆層
１０ホーニング部
１１ノーズＲの頂部
１２切刃境界部（ノーズＲの頂部から３ｍｍ位置）
２０工具本体
２１チップポケット
２２ねじ
２３ねじ穴
３０ブラシ
θ ポジ角
Ｒｒｐ切刃のノーズＲの頂部から３ｍｍ位置のすくい面方向のホーニング量
Ｒｆｐ切刃のノーズＲの頂部から３ｍｍ位置の逃げ面方向のホーニング量
Ｒｒｃ切刃のコーナー部中央（ノーズＲの頂部）のすくい面方向のホーニング量
Ｒｆｐ切刃のコーナー部中央（ノーズＲの頂部）の逃げ面方向のホーニング量

Claims

ノーズＲを有する工具形状の基体の表面に、膜厚５〜８μｍの（Ｔｉ，Ｍ） _１−ａＡｌ _ａ（Ｃ _ｂＮ _１−ｂ）（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、Ｓｉ、Ｙ、Ｃｅのうちの一種以上の金属元素、０．２５≦ａ≦０．７５、０≦ｂ≦１）で表わされる被覆層を被着形成するとともに、前記ノーズＲにホーニングを設けて、前記ノーズＲの頂部でのすくい面側から見たホーニング幅をＲｒｃ、該ノーズＲの頂部での逃げ面側から見たホーニング幅をＲｆｃとしたとき、０．０１５ｍｍ≦Ｒｒｃ≦０．０３０ｍｍ、０．０１３ｍｍ≦Ｒｆｃ≦０．０３０ｍｍであり、かつ前記ノーズＲの頂部から３ｍｍ離れた位置でのすくい面側および逃げ面側から見たホーニング幅をそれぞれＲｒｐ、Ｒｆｐとしたとき、０．０１３ｍｍ≦Ｒｒｐ≦０．０２９ｍｍ、０．０１０ｍｍ≦Ｒｆｐ≦０．０２１ｍｍであり、かつＲｒｐ／Ｒｆｐ比がＲｒｃ／Ｒｆｃ比よりも大きい構成とした切削工具。
前記Ｒｆｃが前記Ｒｆｐよりも大きい請求項１記載の切削工具。
１．０５≦Ｒｆｃ／Ｒｆｐ≦２．４である請求項２記載の切削工具。
前記被覆層がスパッタリング法により形成されたものである請求項１乃至３のいずれか記載の切削工具。