JP5230374B2

JP5230374B2 - 溝入加工用スローアウェイチップ

Info

Publication number: JP5230374B2
Application number: JP2008301039A
Authority: JP
Inventors: 和範石川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: JP2010125542A

Description

本発明は、略直方体形状のチップ本体の表面に被覆層が形成された溝入加工用スローアウェイチップに関する。

先端切刃と側面切刃とを持つ略直方体形状のスローアウェイチップをホルダの先端に取り付けて被削材を溝入加工する方法が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

この溝入チップのような切削工具においては、より高い耐摩耗性のために、表面に被覆層を形成して切刃の耐摩耗性を向上することが行われているが、例えば物理蒸着（ＰＶＤ）法により被覆層を成膜する場合には、切刃稜近傍にて被覆層の層厚が厚くなって、切刃においてチッピングが発生やすくなる傾向にある。そこで、例えば、特許文献３では、切刃稜近傍の被覆層を研磨加工して膜厚を切刃稜に向かって滑らかに薄くして、切刃におけるチッピングを防止することが記載されている。
実開平７−６０３号公報特開２００３−２４５８０５号公報特公平５−９２０１号公報

しかしながら、特許文献１、２のような溝入加工用スローアウェイチップに被覆層を成膜すると、先端切刃の角部に被覆層が厚く成膜されてしまい、切刃における被覆層の膜厚が薄くせざるを得ないので、さらなる耐摩耗性の向上は困難であった。

また、特許文献３のように、先端切刃の角部に成膜した被覆層を後で研磨して薄くする方法では、加工精度に限界があって先端切刃における被覆層の厚みを一様に合わせることが困難で、工具寿命にバラツキが生じるという問題があった。

本発明は、先端切刃における被覆層の厚みが極端に厚くなって欠損することを抑制でき、かつ先端切刃における被覆層の厚みを一様に合わせることができて切刃全体における耐欠損性のばらつきが小さい溝入加工用スローアウェイチップを提供することを目的とする。

本発明の溝入加工用スローアウェイチップは、
略直方体形状のチップ本体と、
該チップ本体の端部上面に設けられたすくい面と、
該すくい面の先端縁および両端縁にそれぞれ設けられた先端切刃および側面切刃とを備えて、
前記先端切刃の角部におけるすくい角が前記先端切刃の中央部におけるすくい角よりも小さく、
前記先端切刃の前記中央部の逃げ面側に着座面に対して垂直のストレート部が形成されているとともに、前記先端切刃の角部においては前記ストレート部がないかまたは前記中央部におけるストレート部の長さよりも短い長さで前記ストレート部が形成されてなり、
かつ、少なくとも前記先端切刃は被覆層にて覆われていることを特徴とする。

ここで、前記先端切刃は、前面視において、両方の前記角部から中央部側へ向かうに従って低くなるように凹状をなしていることが望ましい。

また、前記先端切刃の中央部における前記ストレート部の長さＬ_ｃが０．０５ｍｍ〜０．０９５ｍｍであることが望ましい。

本発明の溝入加工用スローアウェイチップによれば、前記先端切刃の前記中央部の逃げ面側に、着座面に対して垂直、すなわち逃げ角がゼロ度のストレート部が形成されているとともに、前記先端切刃の角部においては前記ストレート部がないかまたは前記中央部におけるストレート部長さよりも短い長さでストレート部が形成されているので、先端切刃の表面に成膜される被覆層の層厚を制御することができる。すなわち、切刃全体における被覆層の厚みの差を小さくすることができて、切削性能のバラツキを抑制できる。

ここで、前記先端切刃は、前記角部の切刃の両端から中央部側へ向かうに従って低くなるように凹状をなしていることが、切屑の流れを中央部に向かわせて安定した切屑処理ができるとともに、成形時のストレート部の長さを容易に制御できる点で望ましい。

また、前記先端切刃の中央部における前記ストレート部の長さＬ_ｃが０．０５ｍｍ〜０．０９５ｍｍであることが、先端切刃における被覆層の耐欠損性を向上できる点で望ましい。

本発明の溝入加工用スローアウェイチップについて、その好適例についての概略斜視図である図１、図１のチップを（ａ）上方から見た概略図、（ｂ）先端方向から見た概略図である図２、図２（ａ）の（Ａ）Ａ−Ａ断面図、（Ｂ）Ｂ−Ｂ断面図、（Ｃ）Ｃ−Ｃ断面図である図３を基に説明する。

図１に示すように、溝入加工用スローアウェイチップ（以下、単にチップと称す。）１は、略直方体形状のチップ本体２と、
チップ本体２の端部上面に設けられたすくい面３と、
すくい面３の先端縁および両端縁にそれぞれ設けられた先端切刃４および側面切刃５とを備えている。

また、チップ１は、図２、３に示すように、先端切刃４の角部４ａにおけるすくい角α_１が先端切刃４の中央部４ｂにおけるすくい角α_２よりも小さく、かつ先端切刃４の中央部４ｂの逃げ面７（前逃げ面７ａ）側に着座面８に対して垂直のストレート部９が長さＬ_ｃで形成されているとともに、先端切刃４の角部４ａにおいてはストレート部９がないかまたは中央部４ｂにおけるストレート部９の長さよりも短い長さＬ_ｅでストレート部９が形成されている。そして、図３に示すように、チップ１は基体１１の先端切刃４の表面が被覆層１０で覆われている。

これによって、チップ１の先端切刃４に成膜される被覆層１０の層厚を制御すること、すなわち、先端切刃４における被覆層１０の厚みを同程度に合わせることができて、チップ１は切削バラツキの小さい工具性能を有するものとなる。なお、被覆層１０は基体１１の全面を覆っていなくてもよく、例えば、側面切刃５が被覆層１０で覆われない構成であってもよい。かかる構成であれば、加工面粗度を小さくすることができる。

ここで、先端切刃４は、図２に示すように、両側の角部４ａ，４ａから中央部４ｂ側へ向かうに従って低くなるように凹状をなしていることが、切屑の流れを中央部に固定させて安定した切屑処理ができるとともに、成形時のストレート部Ｌ_ｅ、Ｌ_ｃの長さを容易に制御できる点で望ましい。なお、図１〜３にはすくい面３上に４つのブレーカ突起１３が形成されており、切屑排出性がさらに向上する。

また、先端切刃４の中央部４ｂにおけるストレート部の長さＬ_ｃが０．０５ｍｍ〜０．０９５ｍｍであることが、先端切刃４における被覆層１０の耐欠損性を向上できる点で望ましい。

なお、上記構成において、先端切刃４の中央部４ｂでのストレート部９における被覆層１０の厚みをｔ_ｓ、逃げ面７における被覆層９の厚みをｔ_ｆとしたときに、ｔ_ｓ／ｔ_ｆが１．２〜１．５であることが、切刃における耐欠損性をさほど低下させずに耐摩耗性の向上ができる点で望ましい。なお、逃げ面７（前逃げ面７ａ、横逃げ面７ｂ）においては時折衝突する切屑によって被覆層１０が剥離しないように被覆層１０の厚みが薄いほうがよい。

また、チップ１を構成する基体１１は、例えば超硬合金、サーメット、セラミックス、ダイヤモンド、ｃＢＮ等の硬質焼結体からなる。

（製造方法）
上記ストレート部９を形成する方法について、図４に示すチップ１の成形体を作製するための成形用金型におけるダイスの一例を基に説明する。

本発明においては、成形体を作製するための顆粒として弾性の高いバインダを添加する。これによって、プレス成形時に成形体がスプリングバックによって膨張して切刃となるエッジ部が金型の壁面にこすれて摩耗する形態とする。
ここで、先端切刃４の角部４ａのストレート部９の長さＬ_ｅを先端切刃４の中央部４ｂのストレート部９の長さＬ_ｃよりも小さくする方法について図４を基に説明する。図にはチップ用の成形体を作製するためのプレス成形用金型におけるダイスの一例についての（ａ）概略平面図、（ｂ）（ａ）のＤ−Ｄ断面（先端切刃の角部）の要部拡大断面図、（ｂ）（ａ）のＥ−Ｅ断面（先端切刃の中央部）の要部拡大断面図を示す。図５には図４のプレス成形用金型を用いて（ａ）成形体を加圧している状態、（ｂ）プレス成形体を取り出す状態を示す模式図を示している。

図４、５に示すように、プレス成形用金型３８は、内側に空洞３４が形成されたダイス３５と、棒状をなす上パンチ３６および下パンチ３７の一対のパンチとからなる。空洞３４の先端切刃の角部に対応する部分は、Ｄ−Ｄ断面に示すように、逃げ角β_２（＞０）のチップ１を成形するために上部に向かって幅が広がる成形体部３１と、成形体部３１の先端切刃４の角部４ａの上端面Ｘの直上に位置して垂直壁面部３２の高さｔ_２との比ｔ_２／成形体部３１の高さｔ_１＝０．０３〜０．３５の垂直壁面部３２と、垂直壁面部３２の直上に位置して垂直壁面部３２よりも角度θ（θ＞β）で幅（ｗ）が広がる逃がし部３３とを具備する形状からなる。また、空洞３４の先端切刃の中央部に対応する部分は、Ｅ−Ｅ断面に示すように、逃がし部３３を設けずに、垂直壁面部３２が前記高さｔ_２よりも高くなる、もしくはそのまま金型３８の上面まで続く形状からなる。

このプレス成形用金型３８を用いて成形すると、図５に示すように、先端切刃４の角部４ａ側においては、成形体３９をダイス３５から取り出す際に成形体３９がスプリングバックによって膨張しても垂直壁面部３２の長さ分だけしか成形体３９の上面側側面端部４０が干渉しないので、成形体３９の上面側側面端部４０の形状が潰れることなく擦れ摩耗部が小さくなる。また、一対のパンチ３６、３７で加圧する際に成形体部３１の上面から上横部に押し出された粉末は、通常上パンチ３６とダイス３５との間に挟まれてバリを生じさせてしまうこともあるが、本発明によれば、この押し出された粉末が逃がし部３３に抜けてゆくのでさほど高い圧力で加圧されることもなくて発生するバリを極薄くかつ低密度なものとすることができる。そのため、成形後にエアを吹き付けるようなわずかな力で容易にバリ取りをすることができる。その結果、成形体３９の先端切刃４の角部４ａ側のストレート部９を小さくして鋭利なエッジとすることができる。

一方、先端切刃の中央部においては、逃がし部３３を設けずに垂直壁面部３２が前記高さｔ_２よりも高くなるかそのまま金型３８の上面まで続く形状であることから、成形体３９をダイス３５の上部に押し上げて取り出す際に先端切刃４の中央部４ｂ、先端切刃４の角部４ａの部分がダイス３５の内壁面に干渉して成形体３９の側面１２の交差稜線部１８の直下に擦れ摩耗によるストレート部９を形成できる。

また、焼成後の基体１１に被覆層１０の成膜方法としてはイオンプレーティング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。詳細な成膜方法の一例について、アークイオンプレーティング成膜装置（以下、ＡＩＰ装置と略す。）５０の模式図である図６を参照して説明する。

図６のＡＩＰ装置５０は、真空チャンバ５１の中にＮ_２やＡｒ等のガスをガス導入口５２から導入し、カソード電極５３とアノード電極５４とを配置して、両者間に高電圧を印加してプラズマを発生させ、このプラズマによってターゲット５５から所望の金属あるいはセラミックスを蒸発させるとともにイオン化させて高エネルギー状態とし、このイオン化した金属を試料（基体１１）の表面に付着させて、基体１１の表面に被覆層１０を被覆する構造となっている。また、図６によれば、基体１１は試料支持冶具５６に設けられた複数の試料支持部５８それぞれにすくい面がターゲット５５に対向するように載置されてタワー５７が複数（図６では試料支持冶具５６が８セット、タワー５７が２セット図示されている。）配置された構成となっている。また、タワー５７および試料支持冶具５６はそれぞれ回転しており、各試料が順にターゲット５５に対向して被覆層の厚みは均一となるように配慮されている。この構成によって、各試料の切刃全周の厚みばらつきを小さくできるので、全体の厚みが厚くなっても部分的に欠損しやすい部分ができにくい。

さらに、図６によれば、基体１１を加熱するためのヒータ５９と、ガスを系外に排出するためのガス排出口６０と、基体１１にバイアス電圧を印加するためのバイアス電源６１が配置されている。そして、ターゲット５５を用いて、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスと反応させることにより、基体１１の表面に被覆層１０が堆積する。

なお、ターゲット５５としては、例えば、金属チタン（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲット、これらを複合化した合金ターゲット、これらの化合物粉末または焼結体からなる混合物ターゲットを用いることができる。

また、プラズマを発生するためにはアーク放電やグロー放電などを用い、導入ガスとしては窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスを用いることができる。そして、窒素（Ｎ_２）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスを流した状態で成膜する。また、成膜時のバイアス電圧は被覆層１０の内部応力を小さくするために３０〜１２５Ｖに設定することが望ましい。

ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末およびＶＣ粉末を混合し、これにバインダとしてパラフィンを添加、造粒して平均粒径１００μｍの造粒粉末を調整した。次に、所定部分が図１に示す断面の形状で、図１の溝入加工用スローアウェイチップ（チップの厚み（成形体部の高さ）ｔ_１＝４．３ｍｍ、先端切刃逃げ角β_１＝４．５°、側面切刃逃げ角β_２＝６°、先端切刃の角部におけるすくい角α_１＝６．０°、先端切刃の中央部におけるすくい角α_２＝１４．５°）を成形できる図４のダイスと、これに嵌め込まれる一対のパンチを準備し、これに図５のように、上記造粒粉末を充填してプレス成形し、エアブラシによってバリ取り加工を施し、逃げ角が正のポジチップ形状の成形体を得た。この成形体を脱バインダ処理して真空焼成して研削加工およびホーニング加工を行った後、図６の状態で試料を成膜装置内に載置して、窒素（Ｎ_２）ガスをチャンバ内に導入してバイアス電圧５０Ｖの条件でＰＶＤ法によって表１に示す厚みのＴｉＡｌＮ被覆層を成膜してチップを作製した（試料Ｎｏ．１〜１０）。

一方、上記同様にして、先端切刃の角部におけるすくい角α_１＝１４．５°、先端切刃の中央部におけるすくい角α_２＝１４．５°の溝入加工用スローアウェイチップを作製し
た（試料Ｎｏ．１１）。

得られたチップの切刃部を投影機にて観察し、先端切刃および側面切刃における逃げ面の切刃直下にストレート部が形成されたか否か、およびその長さを測定した。測定に際しては、ストレート部長さの測定は形状測定器を用いて行った。より具体的には、チップの側面を形状測定器で観察して写真のコントラストからストレート部長さを測定した。なお、測定に際して切刃にホーニングが形成されている場合には、ホーニング加工された部分の下限を基準点として逃げ面側に伸びるストレート部長さを測定した。また、この方法でストレート部長さがわからないときには、交差稜線部を含む断面でチップを切断し、その断面を顕微鏡にて観察してストレート部長さを計測した。また、試料の断面観察を行って、ストレート部、逃げ面それぞれにおける被覆層の厚みを測定した。なお、逃げ面の被覆層の厚みは逃げ面の中間における被覆層の厚みを測定した。結果は表１に示した。また、先端切刃および側面切刃にバリの残存はなかった。

そして、このチップをホルダに装着して以下の切削試験を行い、切削性能（耐摩耗性評価、耐欠損性評価）を行った。
（耐摩耗性試験）
切削方法：溝入れ加工
被削材：ＳＮＣＭ４３９
切削速度：２００ｍ／分
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：１０．０mm
切削状態：湿式
評価方法：１５０分を上限として切削を行い、欠損が生じるまでの加工時間を評価した。なお、１５０分加工しても欠損しなかった試料については、そのチップの前逃げ面摩耗量を測定した。なお、前逃げ面摩耗量測定の際にはホーニング長さを摩耗量に含めないようにして測定した。
（耐欠損性試験）
切削方法：溝入れ加工
被削材：ＳＣM４４０（５ｍｍ溝×４本入り）
切削速度：１５０ｍ／分
送り：０．１〜０．５ｍｍ／ｒｅｖ（高送り試験）
切込み：１．５mm
切削状態：乾式
評価方法：1パス毎に送りを０．０３ｍｍ／ｒｅｖずつ上げる端面高送り試験を行い、切刃に欠損が生じた送りを測定した。
結果は表２に示した。

表１、２の結果から明らかなように、先端切刃の角部および中央部におけるストレート部の長さが０．００５ｍｍ未満とストレート部が形成されていない試料Ｎｏ．８では、角部においてチッピングが多発し、早期に欠損した。また、内刃および外刃のストレート部における被覆層の厚みが逃げ面における被覆層の厚みより小さくした試料Ｎｏ．１０では、耐摩耗性が悪いものであった。さらに、内刃および外刃のストレート部における被覆層の厚みが逃げ面における被覆層の厚み同じ試料Ｎｏ．９では、外刃における摩耗の進行が速くて、内刃においてはチッピングも発生した。

さらに、先端切刃の角部におけるすくい角が前記先端切刃の中央部におけるすくい角と同じ試料Ｎｏ．１１も耐欠損性および耐摩耗性とも劣るものであった。

これに対して、本発明に従い、内刃と外刃にストレート部を形成して被覆層を５〜厚みをするとともに、ストレート部における被覆層の厚みを逃げ面における被覆層の厚みよりも厚くした試料Ｎｏ．１〜７では、いずれも耐欠損性および耐摩耗性に優れたものであった。

溝入加工用スローアウェイチップについて、その好適例についての概略斜視図である。図１のチップを（ａ）上方から見た概略図、（ｂ）先端方向から見た概略図である。図２（ａ）のＡ−Ａ断面図（Ａ）、Ｂ−Ｂ断面図（Ｂ）、Ｃ−Ｃ断面図（Ｃ）である。図４のチップの製造方法を説明するための図であり、チップ用の成形体を作製するためのプレス成形用金型におけるダイスの一例を示し、（ａ）概略平面図、（ｂ）（ａ）のＤ−Ｄ断面の要部拡大断面図、（ｃ）（ａ）のＥ−Ｅ断面の要部拡大断面図である。図４のプレス成形用金型を用いて（ａ）成形体を加圧している状態、（ｂ）プレス成形体を取り出す状態を示す模式図である。図１のチップの被覆層の成膜方法の一例であるアークイオンプレーティング成膜装置の模式図である。図６の成膜装置における試料のセット方法を示す模式図である。

符号の説明

１溝入加工用スローアウェイチップ（チップ）
２チップ本体
３すくい面
４先端切刃
４ａ先端切刃の角部
４ｂ先端切刃の中央部
５側面切刃
７逃げ面
７ａ前逃げ面
８着座面
９ストレート部
１１基体
１０被覆層
１３ブレーカ突起
３１成形体部
３２垂直壁面部
３３逃がし部
３４空洞
３５ダイス
３６上パンチ
３７下パンチ
３８プレス成形用金型
３９成形体
４０上面側側面端部
５０ＡＩＰ装置
５１真空チャンバ
５２ガス導入口
５３カソード電極
５４アノード電極
５５ターゲット
５６試料支持冶具
５７タワー
５８試料支持部
５９ヒータ
６０ガス排出口
６１バイアス電源
α_１先端切刃の角部におけるすくい角
α_２先端切刃の中央部におけるすくい角
Ｌ_ｅ先端切刃の角部におけるストレート部の長さ
Ｌ_ｃ先端切刃の中央部におけるストレート部の長さ

Claims

略直方体形状のチップ本体と、
該チップ本体の端部上面に設けられたすくい面と、
該すくい面の先端縁および両端縁にそれぞれ設けられた先端切刃および側面切刃とを備えて、
前記先端切刃の角部におけるすくい角が前記先端切刃の中央部におけるすくい角よりも小さく、
前記先端切刃の中央部の逃げ面側に着座面に対して垂直のストレート部が形成されているとともに、前記先端切刃の前記角部においては前記ストレート部がないかまたは前記中央部におけるストレート部の長さよりも短い長さで前記ストレート部が形成されてなり、
かつ、少なくとも前記先端切刃は被覆層にて覆われていることを特徴とする溝入加工用スローアウェイチップ。
前記先端切刃は、前面視において、両方の前記角部から中央部側へ向かうに従って低くなるように凹状をなしていることを特徴とする請求項１記載の溝入加工用スローアウェイチップ。
前記先端切刃の中央部における前記ストレート部の長さＬ_ｃが０．０５ｍｍ〜０．０９５ｍｍであることを特徴とする請求項１または２記載の溝入加工用スローアウェイチップ。