JP5230653B2 - 超硬回転工具、及び超硬回転工具の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超硬回転工具、及び超硬回転工具の製造方法に関し、詳細には、超硬合金を材質とする超硬回転工具、及び超硬回転工具の製造方法に関する。

従来から、ロッドの先端に、刃部を有するチップを着脱可能に取り付けできる所謂「スローアウェイ式」の工具が知られている。この工具では、チップが摩耗した場合はチップだけを交換すればよく、ロッドの再利用が可能であるのでコストを大幅に節約できる。例えば、ロッドの先端に設けられた雌ねじに、ツールビット（チップ）の底部に設けられたねじ杵を螺着させるタングステン鋼切削ブレード構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような構造を有する工具において、例えば、超硬合金製のツールビットを作製する場合、超硬合金のムク（ソリッド）から刃部とねじ杵とを研削して作製することになる。
実用新案登録第３１３２１２５号公報

しかしながら、超硬合金のムクから作製されたねじ杵はじん性が弱く、特にそのねじ切り開始位置付近は細く折れやすい。そのため、差し込み時又は切削時において破損するおそれがあった。そこで、刃部とねじ杵とを異なる硬度で別々に作製した後で互いにロウ付けする方法が考えられる。ところが、両者の硬度が異なると結合密度が低下すると共に、硬度が異なることに起因して加工時の安定性や精密性が低下するおそれがあった。また、ロウ付けは熟練した技術が必要であるため、製造工程の短縮化および簡素化が要望されている現状では好ましくなかった。

本開示は、上記問題点を解決するためになされたものであり、超硬合金同士が強固に接合した超硬回転工具、及び超硬回転工具の製造方法を提供することを目的とする。

本開示の第１態様は、棒状のシャンクの先端に着脱可能に取り付けられる支持部と、前記支持部の先端に設けられた刃部とを備えたインデキサブル式の超硬回転工具であって、超硬合金製の焼結体である棒状の前記支持部の中間体である支持部中間体の前記先端を、前記焼結体の焼結温度よりも低い温度で予備焼結された前記刃部の中間体である刃部中間体に設けられた挿入穴に挿入し、前記支持部中間体の前記先端の端面と前記挿入穴の底面とを密着させ、かつ前記支持部中間体の前記先端側の外周面と前記凹部の内周面とが密着する二面拘束の状態で一体焼結して成ることを特徴とする。
また、本開示の第２態様は、棒状のシャンクの先端に着脱可能に取り付けられる支持部と、前記支持部の先端に設けられた刃部とを備えたインデキサブル式の超硬回転工具の製造方法であって、超硬合金製の焼結体である棒状の前記支持部の中間体である支持部中間体を製造する支持部中間体製造工程と、前記焼結体の焼結温度よりも低い温度で予備焼結を行い、前記刃部の中間体である刃部中間体を製造する刃部中間体製造工程と、前記刃部中間体に設けられた挿入穴に、前記支持部中間体の先端を挿入する挿入工程と、前記挿入工程において、前記支持部中間体の前記先端の端面と前記挿入穴の底面とが密着し、かつ前記支持部中間体の前記先端側の外周面と前記挿入穴の内周面とが密着した二面拘束の状態で、前記刃部中間体と前記支持部中間体とを一体焼結する本焼結工程とを備えている。

超硬エンドミル１の分解斜視図である。 超硬チップ２０の平面図である。 超硬チップ製造工程のフローである。 挿入工程（Ｓ３１）において、刃部中間体３０の挿入穴３１に対して、支持部中間体４０が挿入される状態を示す図である。 最終本焼結工程（Ｓ３２）において、チップ中間体５０が本焼結される状態を示す図である。 図５に示す二点鎖線Ｗで囲んだ領域内の電子顕微鏡写真（×５，０００）である。 図５に示す二点鎖線Ｗで囲んだ領域内の電子顕微鏡写真（×１０，０００）である。

以下、本開示の一実施形態である超硬エンドミル１、及びその製造方法について、図面を参照して説明する。なお、以下説明において、「超硬」とは「超硬合金」の略であり、炭化タングステンとコバルトとを粉末冶金（焼き固めて造ること）した合金のことをいう。一般的には、コバルトの混ざる比率が少ないほど硬くなり、耐摩耗性が高くなるが、じん性が低くなってもろくなる。その逆に、コバルトの混ざる比率が多いほど、じん性が高くなって折れにくくなるが、耐摩耗性は低くなる性質を有する。

まず、超硬エンドミル１の構造について説明する。図１に示すように、超硬エンドミル１は、円柱状のシャンク１０と、当該シャンク１０の先端に螺着される超硬チップ２０とを備えている。即ち、超硬チップ２０はシャンク１０の先端において交換可能なインデキサブル式の工具である。また、シャンク１０は鉄ベースの合金であるハイス（高速度鋼）により一体成型されている。シャンク１０の先端には軸心に沿ってねじ穴１１が形成され、その先端側には雌ねじが刻設されていない内周面１２が形成されている。

他方、超硬チップ２０は超硬合金を材質としている。超硬チップ２０は、後述する製造工程によって製造される。図２に示すように、超硬チップ２０は、先端が球状に形成された短円柱状の刃部２１と、当該刃部２１の円形状の底面の中心から突出する棒状の支持部２２とを備えている。刃部２１の先端の外表面には切り刃２３が刻設されている。

また、支持部２２の外周面の後端側には、シャンク１０のねじ穴１１に螺合する雄ねじ２４が形成されている。従って、超硬チップ２０の支持部２２を、シャンク１０のねじ穴１１にねじ込むことによって、支持部２２の雄ねじ２４が、ねじ穴１１の奥側のねじ山に螺合し、支持部２２の雄ねじ２４よりも先端側の外周面２５が、ねじ穴１１の先端側の内周面１２に摺接する。こうして、シャンク１０の先端に超硬チップ２０が強固に取り付けられる。

次に、超硬チップ２０の製造工程について説明する。図３に示すように、超硬チップ製造工程では、まず、刃部２１の予備焼結体である刃部中間体３０（図４参照）を製造する刃部中間体製造工程（Ｓ１１〜Ｓ１４）と、支持部２２の本焼結体である支持部中間体４０（図４参照）を製造する支持部中間体製造工程（Ｓ２１〜Ｓ２４）とが別々に行われる。次いで、刃部中間体３０に形成された後述する挿入穴３１（図４参照）に対して、支持部中間体４０の先端部を挿入する挿入工程（Ｓ３１）が行われる。その後、刃部中間体３０と支持部中間体４０とが一体となったチップ中間体５０（図５参照）を焼結する最終本焼結工程（Ｓ３２）が行われる。最後に、本焼結されたチップ中間体５０を加工する加工工程（Ｓ３３）が行われ、超硬チップ２０の製品が出来上がる。以下、各工程について詳細に説明する。

まず、刃部中間体製造工程について説明する。図３に示すように、刃部中間体製造工程は、超硬の原料粉末を混ぜ合わせる粉砕・混合工程（Ｓ１１）と、混合された材料を加圧して所定の形状を作る加圧工程（Ｓ１２）と、加圧された形状品の予備焼結を行う予備焼結工程（Ｓ１３）と、予備焼結された形状品の成型を行う成形工程（Ｓ１４）とからなる。これら一連の工程を経ることによって、予備焼結体である円柱状の刃部中間体３０が製造される。

粉砕・混合工程（Ｓ１１）について説明する。粉砕・混合工程（Ｓ１１）では、原料粉末として、例えば、炭化タングステン、コバルト、炭化チタン、炭化タンタル等が使用される。これらの粉末を所定の組成に配合し、通常はボールミル等により湿式で数時間〜数日間粉砕・混合する。このとき、炭化物を所定の粒度に粉砕すると同時に、各成分が均一になるように十分混合する。湿式粉砕・混合の溶媒としては、原料粉末の混合性の向上及び酸化防止の目的から、アセトン、アルコール、ベンゼン、四塩化炭素等の有機溶剤が使用される。ボールミルの場合の条件として、原料粉末とボールとの比率が１：１から１：３で、溶媒の量が原料粉末１ｋｇ当たり２００〜３００ｍｌとなるように調整する。また、後の加圧工程での成型性を持たせる為、潤滑剤の添加・混合も行われる。なお、本実施形態では、刃部中間体３０のコバルト含有量が９％となるように調整されている。

加圧工程（Ｓ１２）について説明する。加圧工程（Ｓ１２）では、粉砕・混合工程（Ｓ１１）で混合された原料粉末に対して２０〜３００ＭＰａ程度の圧力で加圧して、図４に示す円柱状の刃部中間体３０を作製する。

予備焼結工程（Ｓ１３）について説明する。予備焼結工程（Ｓ１３）では、加圧工程（Ｓ１２）で加圧されて作製された刃部中間体３０の予備焼結を行う。予備焼結の温度は、６００〜１０００℃で行われる。予備焼結では、加圧工程（Ｓ１２）に有用であった潤滑剤の除去と共に、コバルト粒子の焼結が若干進行する。これにより、刃部中間体３０は白墨程度の強度となる。

成形工程（Ｓ１４）について説明する。成形工程（Ｓ１４）では、予備焼結工程（Ｓ１３）にて得られた刃部中間体３０への成形加工を行う。旋削、切削加工等により、刃部中間体３０一端面の中心に、円形状の挿入穴３１を成形する。この挿入穴３１には、後述する指示部中間体４０の一端部が挿入されるようになっている。こうして刃部中間体製造工程の一連の作業が終了する。

次に、支持部中間体製造工程について説明する。図３に示すように、支持部中間体製造工程は、途中までは上述した刃部中間体製造工程の流れと類似している。支持部中間体製造工程は、超硬の原料粉末を混ぜ合わせる粉砕・混合工程（Ｓ２１）と、混合された材料を加圧して形状を作る加圧工程（Ｓ２２）と、加圧成型された支持部中間体４０の本焼結を行う本焼結工程（Ｓ２３）と、本焼結後に外周面を整える研削工程（Ｓ２４）からなる。これら一連の工程を経ることによって、本焼結体である支持部中間体４０が製造される。

ここで、刃部中間体製造工程と異なる点について説明する。まず、粉砕・混合工程（Ｓ２１）では、支持部中間体４０のコバルト含有量が１０％となるように調整される。つまり、刃部中間体３０のコバルト含有量（９％）に比べて高く調整される。これは、後述する最終本焼結工程（Ｓ３２）を行った後に、後述する加工工程（Ｓ３３）において、支持部２２の外周面に雄ねじ２４（図２参照）を加工し易く、また適度なじん性を持たせるためである。

また、加圧工程（Ｓ２２）では、刃部中間体製造工程の加圧工程（Ｓ１２）と同条件で加圧される。そして、加圧工程（Ｓ２２）では、図４に示すように、長尺の円柱状の支持部中間体４０を作製する。なお、支持部中間体４０の外径は、上述した刃部中間体３０の一端面に形成された挿入穴３１の最終本焼結後の内径よりも若干太く調整される。

そして、その加圧工程（Ｓ２２）の後に、本焼結工程（Ｓ２３）が行われる。本焼結の温度は、予備焼結の温度よりも高く、１３５０〜１５５０℃で行われる。本焼結では、コバルト粒子が液相化する「液相焼結」が行われ、組織の緻密化がさらに進行する。これにより、支持部中間体４０の体積は２０〜３０％程度収縮する。

次に、研削工程（Ｓ２４）について説明する。後述する挿入工程（Ｓ３１）で挿入穴３１との密着性を得るために、支持部中間体４０へセンタレスなどによる外周研削を行う。これにより、支持部中間体製造工程の一連の作業が終了する。

次に、挿入工程（Ｓ３１）について説明する。挿入工程（Ｓ３１）では、図４に示すように、刃部中間体製造工程で製造された刃部中間体３０と、支持部中間体製造工程で製造された支持部中間体４０とを組み合わせて一体化させる工程である。詳細には、円柱状の刃部中間体３０の一端面に形成された挿入穴３１に対して、円柱状の支持部中間体４０の先端部を挿入して、チップ中間体５０を作製する。ここで、挿入穴３１の内径と、支持部中間体４０の外径とは最終本焼結後、若干締まる関係に調整された状態で挿入される。

次に、最終本焼結工程（Ｓ３２）について説明する。最終本焼結工程（Ｓ３２）では、図４に示すように、挿入工程（Ｓ３１）で作製されたチップ中間体５０の本焼結を行う。本焼結の温度は、上述した本焼結工程（Ｓ２３）と同じであり、１３５０〜１５５０℃が好ましい。このとき、刃部中間体３０及び支持部中間体４０においては、以下の様な現象が起きる。

まず、予備焼結された刃部中間体３０は本焼結されていないため、刃部中間体３０の原料粉末であるコバルト粒子が液相化する液相焼結が起きる。一方、支持部中間体４０は既に本焼結されているので、刃部中間体３０だけが収縮する。従って、刃部中間体３０の挿入穴３１に挿入された支持部中間体４０の先端部は、刃部中間体３０の収縮によって締め付けられる。さらに、刃部中間体３０の挿入穴３１の内周面と、支持部中間体４０の先端部の外周面との境界部分においてもコバルト粒子の液相焼結が起きる。つまり、刃部中間体３０のコバルト粒子と、支持部中間体４０のコバルト粒子との液相焼結が起きるのである。

ここで、刃部中間体３０と支持部中間体４０との境界部分における接合度合を調査するため、本焼結後の境界部分を電子顕微鏡での確認を行った。電子顕微鏡は、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）を用いた。

図６，図７に示すように、刃部中間体３０の粒子構造と、支持部中間体４０の粒子構造とは全く同じである。そして、刃部中間体３０の挿入穴３１の内周面と、支持部中間体４０の先端部の外周面との境界が完全に無くなっていた。これにより、刃部中間体３０と支持部中間体４０とが確実に一体化されたことが確認された。従って、従来のロウ付け法に比較してはるかに強固な接合が可能であることが証明された。

最後に、加工工程（Ｓ３３）について説明する。加工工程（Ｓ３３）では、最終本焼結工程（Ｓ３２）で作製された本焼結済みの超硬チップ中間体５０に対して製品としての最終加工を行う。つまり、刃部２１の先端表面に切り刃２３を刻設すると共に、支持部２２の後端側の外周面への雄ねじ加工等を行う。こうして、超硬チップ製造工程の一連の作業が終了し、刃部２１と支持部２２とが一体となった超硬チップ２０の製品が出来上がる。

以上説明したように、本実施形態の超硬チップ２０は、円柱状のシャンク１０の先端に螺着されるものである。超硬チップ２０は超硬合金を材質とする。超硬チップ２０は、先端が球状に形成された短円柱状の刃部２１と、当該刃部２１の底面の中心から突出する棒状の支持部２２とを備えている。このような超硬チップ２０を製造するための超硬チップ製造工程では、まず、刃部２１の半焼結体である刃部中間体３０を製造する刃部中間体製造工程と、支持部２２の本焼結体である支持部中間体４０を製造する支持部中間体製造工程とが別々に行われる。そして、刃部中間体３０に形成された挿入穴３１に対して、支持部中間体４０の先端部が挿入される。さらに、刃部中間体３０と支持部中間体４０とが一体となったチップ中間体５０が本焼結される。

ここで、刃部中間体３０は本焼結されていないため、刃部中間体３０の原料粉末であるコバルト粒子が液相化する液相焼結が起きる。一方、支持部中間体４０は既に本焼結されているので、刃部中間体３０だけが収縮する。従って、刃部中間体３０の挿入穴３１に挿入された支持部中間体４０の先端部は、刃部中間体３０の収縮によって締め付けられる。さらに、刃部中間体３０の挿入穴３１の内周面と、支持部中間体４０の先端部の外周面との境界部分においてもコバルト粒子の液相焼結が起きる。これにより、刃部中間体３０と支持部中間体４０とを強固に接合することができる。

なお、本開示は各種の変形が可能なことはいうまでもない。例えば、図２に示す超硬チップ２０の寸法は一例であって、上記実施形態と異なる寸法であってもよい。また、上記実施形態で示した超硬チップ２０の原料粉末の組成についても一例であって、これ以外の粉末を混合させてもよい。

また、上記実施形態の製造工程では、最終本焼結工程（Ｓ３２）において、予備焼結された刃部中間体３０の収縮と液相化現象を利用した接合であり、その接合強度を得るために支持部中間体４０は研削面に、また穴と軸の関係は０．２程度の締まりの関係とした。

本開示の超硬回転工具は、ロッドの先端に螺着されるインデキサブル式の工具に限らず、ロッドと一体化されて製造される工具にも適用可能である。

Claims (2)

1. 棒状のシャンクの先端に着脱可能に取り付けられる支持部と、前記支持部の先端に設けられた刃部とを備えたインデキサブル式の超硬回転工具であって、
   超硬合金製の焼結体である棒状の前記支持部の中間体である支持部中間体の前記先端を、前記焼結体の焼結温度よりも低い温度で予備焼結された前記刃部の中間体である刃部中間体に設けられた挿入穴に挿入し、前記支持部中間体の前記先端の端面と前記挿入穴の底面とを密着させ、かつ前記支持部中間体の前記先端側の外周面と前記凹部の内周面とが密着する二面拘束の状態で一体焼結して成ることを特徴とする超硬回転工具。
2. 棒状のシャンクの先端に着脱可能に取り付けられる支持部と、前記支持部の先端に設けられた刃部とを備えたインデキサブル式の超硬回転工具の製造方法であって、
   超硬合金製の焼結体である棒状の前記支持部の中間体である支持部中間体を製造する支持部中間体製造工程と、
   前記焼結体の焼結温度よりも低い温度で予備焼結を行い、前記刃部の中間体である刃部中間体を製造する刃部中間体製造工程と、
   前記刃部中間体に設けられた挿入穴に、前記支持部中間体の先端を挿入する挿入工程と、
   前記挿入工程において、前記支持部中間体の前記先端の端面と前記挿入穴の底面とが密着し、かつ前記支持部中間体の前記先端側の外周面と前記挿入穴の内周面とが密着した二面拘束の状態で、前記刃部中間体と前記支持部中間体とを一体焼結する本焼結工程と
   を備えたことを特徴とする超硬回転工具の製造方法。

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