JP5234359B2 - 高精度切削加工用ｃＢＮ焼結体工具 - Google Patents

Description

本発明は、立方晶窒化硼素（cＢＮ）を主成分とした焼結体を基材とする高精度切削加工用cＢＮ焼結体工具に関する。

cＢＮ焼結体工具による焼入鋼の高精度加工では、特許文献１のようにcＢＮ焼結体のcＢＮ粒子の粒径を微粒とし、被削材の面粗度を改善した工具が開示されている。しかし、このような多結晶体では焼結体を構成する粒子をどれだけ微粒にしても、Ｒzで１μｍ以下の高精度加工では工具寿命が短く、かつ、切れ刃を構成する粒子の脱落や粒界の損傷により被削材の面に筋が発生するという問題があった。

また、非特許文献１には「cＢＮ単結晶の評価」として、cＢＮ単結晶工具による焼入鋼の超精密加工について記述がある。ここでは、被削材および切削条件を選択することで一応、鏡面加工ができたが、予想以上に摩耗が激しいとの記載がある。さらに、このようなcＢＮ単結晶工具は工具を生産するに十分な大きさのcＢＮ単結晶の合成が極めて困難なことと、単結晶と台金の接合が困難で高コストであること等から、実用化には至っていない。

また、特許文献２には精密加工用工具として、切削時の切り込み量または送り量より大きい粒径のcＢＮ単結晶粒子を切れ刃先端部に配置した精密加工用工具が開示され、切り込み量は０．０５ｍｍ以下、送り量は０．０１ｍｍ／rev以下であると記載されている。

特公平６−９４５８０号公報 実公昭５８−１６４６０３号公報

ＮＥＷ ＤＩＡＭＯＮＤ、Ｖol.５、Ｎo.４、ｐ２０

本発明は、耐摩耗性に優れ、被削材の面粗度の悪化や筋の発生を抑制するcＢＮ焼結体工具を低コストで提供することを課題とする。

工具により被削材の切削を行う場合、図２に示すように、横切れ刃境界部で被削材が大きく切り取られ、前切れ刃境界部により仕上げ面の形成が行われる。このため、被削材表面には前切れ刃境界部の形状が転写されることとなる。したがって、前切れ刃境界部の摩耗が進行して前切れ刃の表面粗さが悪くなると、被削材表面も粗くなり仕上がり状態が悪くなる。また、被削材表面に筋が発生し始めると境界摩耗が更に発達して前切れ刃境界部に溝が形成され、上記問題が一層顕著となり、短時間で加工表面粗さが悪化してしまう。（図３参照）

本発明者等は、工具刃先の前切れ刃境界部の摩耗が、なるべく平滑に進行するようにすることができれば、被削材の面粗さが悪化しにくく、長寿命で高精度加工が行えることを見出した。すなわち、切れ刃の切削時における前境界部を、cＢＮ単結晶体に、横境界部を多結晶体にすることが有効であることを見出し、本発明を完成させた。なお、「平滑に摩耗する」とは、前切れ刃境界部の摩耗が抑制され、段差や溝（筋）の形成が押さえられて滑らかになる状態のことをいう。

本発明は以下の特徴を有する。
（１）本発明に係る高精度切削加工用cＢＮ焼結体工具は、cＢＮ粒子を含有する焼結体を切れ刃部分とする高精度切削加工用cＢＮ焼結体工具であって、該焼結体のcＢＮ含有率が２０−８０体積％であり、被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がcＢＮ単結晶で形成され、ｘが１０以上５０以下であり、ｙが１０以上であり、被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成されていることを特徴とする（図１）。
（２）上記（１）に記載のcＢＮ焼結体工具であって、前記焼結体の結合相が、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種と、アルミニウムの窒化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種とを含むことを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）に記載のcＢＮ焼結体工具であって、被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ≦５０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）の切れ刃部分が、粒子径が５０μｍ以上のcＢＮ粒子からなることを特徴とする。
（４）上記（１）〜（３）のいずれか一に記載のcＢＮ焼結体工具であって、被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ≦５０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）の切れ刃部分が、粒子径が１００μｍ以上のcＢＮ粒子からなることを特徴とする。

本発明に係る高精度切削加工用cＢＮ焼結体工具は、前境界部を形成する切れ刃がcＢＮ単結晶からなるcＢＮ焼結体工具である。このため、前切れ刃が多結晶体である場合に生じる面粗度の悪化や、被削材表面の筋の発生を抑制し、cＢＮ単結晶工具の耐摩耗性の悪化、コスト高等の問題を解決し、被削材の高精度加工を可能とする。

本発明に係るcＢＮ焼結体工具による切削の概略の一例を表す図である。 従来の切削工具による、良好な切削状態の概略を表す図である。 従来の切削工具による、刃先が摩耗した切削状態の概略を表す図である。

図１に示すように、本発明に係る高精度切削加工用cＢＮ焼結体工具は、cＢＮ粒子を含有する焼結体を切れ刃部分とする高精度切削加工用cＢＮ焼結体工具であって、該焼結体のcＢＮ含有率が２０−８０体積％であり、被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がcＢＮ単結晶で形成され、ｘが１０以上５０以下であり、ｙが１０以上であり、被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成されていることを特徴とする。これにより前切れ刃境界部がcＢＮ単結晶体により形成されるため、粒子の脱落がなく、前切れ刃境界部分が平滑に摩耗するようになり、このため、cＢＮ多結晶体で切削した場合のような被削材表面の面粗度の悪化、筋の発生が抑制され、高精度加工で長寿命の工具となる。

一方、横切れ刃境界部分は、前述のように被削材を大きく切り取る部分であるから、cＢＮ単結晶体で構成されていると劈開性により刃先が欠けるチッピングが生じ、工具寿命が不安定になる可能性がある。このため被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、切り込み量のｘ％（１０≦ｘ≦５０）超の部分がcＢＮ多結晶体により形成されていることが好ましい。更に、cＢＮ単結晶体のみからチップを作製する場合に比べて低コストで提供することが可能となる。特にｙの値が１００以下のときに、低コストで提供することができる。

上記cＢＮ焼結体は、cＢＮ含有率が２０−８０体積％であることを特徴とする。cＢＮの含有率がこれらの範囲にあることにより、焼結体の強度と耐摩耗性を両立させることが可能となる。
更に、焼結体の結合相が、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種と、アルミニウムの窒化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種とを含むことを特徴とする。これらの結合材成分により、cＢＮ焼結体の耐摩耗性及び強度を向上させることができる。当然、これらの成分以外にも不可避的に不純物が含まれていても構わない。

本発明に係る高精度切削加工用cＢＮ焼結体工具は、切削時に被削材に接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ≦５０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）の切れ刃がcＢＮ単結晶からなることを特徴とする。該cＢＮ単結晶の粒径が５０μｍ以上であると好ましい。該cＢＮ単結晶の粒径が１００μｍ以上であると更に好ましい。

被削材が高速度工具鋼やダイス鋼等である場合に、高精度切削加工を行うには、一般的に、切り込み量は０．０５〜０．２ｍｍ、送り量は０．０１〜０．０５ｍｍ／revの条件で行われる。このような場合、摩耗の進展により刃先が後退するため、前記cＢＮ焼結体工具のノーズ先端部分から送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がcＢＮ単結晶で形成され、ｘが１０以上５０以下であり、ｙが１０以上であり、被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成されていることが好ましい。これにより、前切れ刃境界部分が、cＢＮ単結晶体で構成され、横切れ刃境界部分はcＢＮ多結晶体で構成されることとなる。

超硬合金製のポット及びボールを用いて、ＴiＮとＡlＮ、Ｔi₃Ａlを混合してから熱処理を施し、その後粉砕して結合材粉末を得た。次に結合材粉末と平均粒径が２．５μｍと平均粒径が１１０μｍのcＢＮ粉末を混合し、熱処理を施し、Ｍo製容器に充填し、圧力５．５ＧＰa、温度１，３５０℃で２０分焼結し、cＢＮ含有率が５５％のcＢＮ焼結体を得た。

この焼結体を切断し、基材として超硬合金製の台金にロー材を用いて接合した後、研磨加工を実施し、cＢＮ焼結体切削工具（ＣＮＧＡ１２０４０４）を作製した。このとき、工具の前切れ刃境界部に粗粒のcＢＮ単結晶が配置され、被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がcＢＮ単結晶で形成され、ｘ、ｙが表１に記載された値となり、被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成されるように焼結体中の粗粒cＢＮ単結晶粒子の位置を確認した後、切断、接合、研磨を実施した。

このcＢＮ焼結体切削工具を用いて、被削材としてＳＫＨ５１(ＨＲＣ６０）を用い、切削速度１２０ｍ／min、切り込み０．０８ｍｍ、送り量０．０２５ｍｍ／rev、ｗｅｔの条件で、切削試験を行った。工具前切れ刃を形成する部分には粗粒cＢＮ単結晶体が配置され、切削時に被削材に接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がcＢＮ単結晶体となるようにした。このときに表１に記載の条件となるように設定し、切削試験を実施したところ、寿命判定基準をＲzで０．８μｍとして、表１に記載の工具寿命が得られた。

超硬合金製のポット及びボールを用いて、４ａ、５ａ、６ａ族遷移金属元素やＡlの化合物等の結合材材料を混合してから熱処理を施し、その後粉砕して結合材粉末を得た。次に結合材粉末とcＢＮ粉末を混合し、熱処理を施し、Ｍo製容器に充填し、圧力５ＧＰa、温度１，４００℃で２０分焼結し、cＢＮ焼結体を得た。

この焼結体を切断し、基材として超硬合金製の台金にロー材を用いて接合した後、研磨加工を実施し、表２に記載のcＢＮ焼結体切削工具（ＣＮＧＡ１２０４０４）を作製した。このとき、工具の前切れ刃境界部に粗粒のcＢＮ単結晶が配置されるように焼結体中の粗粒cＢＮ単結晶粒子の位置を確認した後、切断、接合、研磨を実施した。

このcＢＮ焼結体切削工具を用いて、被削材としてＳＫＤ１１(ＨＲＣ６０）を用い、工具前切れ刃を形成する部分が粗粒cＢＮ単結晶体となるようにした。この前切れ刃が切削時に被削材に接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ≦５０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）がcＢＮ単結晶体となる条件とした。そして、表２に記載の条件で切削試験を実施したところ、寿命判定基準をＲzで１．０μｍとして、表２に記載の工具寿命が得られた。

Claims (4)

1. cＢＮ粒子を含有する焼結体を切れ刃部分とする高精度切削加工用cＢＮ焼結体工具であって、
   該焼結体のcＢＮ含有率が２０−８０体積％であり、
   被削材と接触する切れ刃部分において、切込みが最大となる点から、
   送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％が、
   送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％がcＢＮ単結晶で形成され、
   ｘが１０以上５０以下であり、
   ｙが１０以上であり、
   被削材と接触する他の切れ刃部分がcＢＮ多結晶体で形成されている
   ことを特徴とする高精度切削加工用cＢＮ焼結体工具
2. 前記焼結体の結合相が、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族元素の窒化物、炭化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種と、
   アルミニウムの窒化物、硼化物、酸化物、及びこれらの固容体からなる群から選択される少なくとも一種と
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の高精度切削加工用cＢＮ焼結体工具。
3. 被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ≦５０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）の切れ刃部分が、
   粒子径が５０μｍ以上のcＢＮ粒子からなる請求項１又は２に記載の高精度切削加工用cＢＮ焼結体工具。
4. 被削材と接触する切れ刃のうち、切込みが最大となる点から、送り方向の切れ刃は切り込み量のｘ％（１０≦ｘ≦５０）が、送りと反対方向の切れ刃は切り込み量のｙ％（１０≦ｙ）の切れ刃部分が、
   粒子径が１００μｍ以上のcＢＮ粒子からなる請求項１〜３のいずれか一に記載の高精度切削加工用cＢＮ焼結体工具。

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