JP5241123B2

JP5241123B2 - スローアウェイチップ

Info

Publication number: JP5241123B2
Application number: JP2007082908A
Authority: JP
Inventors: 達行中岡
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: JP2008238343A

Description

本発明は基体の表面に被覆層を成膜してなるスローアウェイチップに関する。

本発明は、特に安価で量産性に優れるとともに被削材との反応性も低く、かつ耐欠損性および耐摩耗性が改善されたスローアウェイチップに関する。

一般に、鋼などの各種材料を加工するためのスローアウェイチップとして使用されるスローアウェイチップは超硬合金やセラミックスなどで形成され、特にセラミック工具についてはＡｌ_２Ｏ_３マトリックス中にＳｉＣウイスカーやＴｉＣウイスカー等のウイスカーを分散させて工具の靭性および耐欠損性を高める方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

最近、芯材の外周を表皮材で被覆した複合繊維体を一方向に整列させて集束した複合構造体が注目され、構造体の靭性を高めることができること（特許文献３参照）や、複合構造体をドリルビットの表面等に貼り付けることによってビットの耐摩耗性を向上できることが開示されている（特許文献４）。しかし、かかる複合繊維体を一方向に整列させたものをスローアウェイチップに転用すると、硬度や靭性等の特性に大きな異方性があるために、すくい面方向または逃げ面方向と繊維体の方向によって工具の耐欠損性が変化してしまうことからすくい面および逃げ面の耐欠損性をともに向上させることはできないものであった。

さらに、本出願人は特許文献５において、複合繊維体を加熱してから加圧する方法によって成形することによって、すくい面内がランダムに配置した複合構造体を作製でき、構造体として高い靭性を維持したまま異方性を持たずに等方的な特性を持たせることができることを開示した。
特開平２−６５９０３号公報特開平２−１３３３６９公報米国特許第５６４５７８１号明細書米国特許第６０６３５０２号明細書特開２００４−２８３９４９号公報

しかしながら、上記特許文献３や特許文献４には構造体の靭性を高めた複合繊維体を具備する複合構造体が開示され、また、特許文献４には掘削工具用としての具体例について記載されているが、特許文献３、４のいずれにも旋削やフライス切削などのスローアウェイチップについては記載されておらず、複合繊維体をこのようなスローアウェイチップに応用する際の繊維体の特性を十分に発揮するための具体的な構造については全く検討されていない。また、上記複合構造体をスローアウェイチップにそのまま転用すると構造体自体が異方性を有するために構造体の向きと切刃の向きとの関係によって特定の部分にて耐欠損性および／または耐摩耗性が著しく低下する可能性があった。

また、特許文献５のように、複合繊維体を加熱してから加圧する方法では、複合繊維体がすくい面内ではランダムな配置になって切刃全周で等方的な配列になっているものの、実際には逃げ面にて複合繊維体を観察した場合、繊維がすくい面に対してほぼ平行に並んでしまい、すくい面で層状剥離（フレーキング）等のチッピングが発生しやすく、改善が必要であった。

したがって、本発明の目的は、高い靭性を有する複合繊維体状の芯材と被覆層とからなる複合繊維体をスローアウェイチップに応用する場合に、複合繊維体の特性を十分にスローアウェイチップに反映し、実用的で高い耐欠損性を有するスローアウェイチップを提供することにある。

本発明のスローアウェイチップは、芯材と、該芯材の外周を被覆する異なる組成の被覆層とからなる複合繊維体が互いに不規則に絡み合った構造をなした複合構造体からなる板状体であり、該板状体の主面がすくい面と着座面、側面が逃げ面、該すくい面と該逃げ面との交差稜線が切刃であり、前記主面の中心を通り前記着座面に垂直な方向の断面の前記切刃を起点として該切刃から前記すくい面に２．５ｍｍ長さで該切刃から前記逃げ面に１．５ｍｍ厚さの観察領域において前記複合繊維体の配列方向を観察したとき、下記式にて導かれる複合繊維体の配列方向Ｘが７０〜９５％の数の前記複合繊維体は１０°以内の角度をなし、前記配列方向Ｘが５〜３０％の数の前記複合繊維体は１０°より大きい角度をなしており、かつ切刃全周の各切刃位置の任意位置５箇所を起点とした各断面についての前記観察領域における前記複合繊維体の配列方向Ｘの平均が前記切刃位置によらず３０％以内で均一である。

ここで、前記芯材が酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとの混合物であり、前記被覆層が窒化珪素であることが望ましい。

また、前記芯材と前記被覆層との面積比（芯材／被覆層）が６０／４０〜９５／５であることが望ましい。

本発明によれば、芯材の外周を被覆層とで被覆した複合繊維体が互いに不規則に絡み合ったランダムな構造をなした複合構造体をスローアウェイチップに適応するにあたって、切刃近傍の所定位置における複合繊維体の７０〜９５％がすくい面に配列方向Ｘが１０°以内とほぼ平行な配列方向であるとともに、５〜３０％の複合繊維体はすくい面に平行な方向に対する配列方向が１０°より大きい構成となっている。また、切刃全周の各切刃位置の任意位置５箇所を起点とした各断面についての前記領域における繊維の平均配列方向Ｘが前記切刃位置によらず切刃全周の任意の位置で３０％以内で均一である。これによって、主面が円の丸駒チップや主面が三角形の三角チップにおいても切刃全周にわたって異方性がなく等方的な切削性能を示すとともにすくい面に発生するフレーキング等のチッピングを抑制でき、スローアウェイチップの耐欠損性を向上させることができる。

ここで、前記芯材が酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとの混合物であり、前記被覆層が窒化珪素である組み合わせによれば、耐熱合金の切削において優れた切削性能を発揮する。この場合、芯材の酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとの混合物と、被覆層の窒化珪素との面積比（芯材／被覆層）は６０／４０〜９５／５である場合には、硬度、化学的安定性、靭性、耐熱衝撃性がバランスよく出現する。

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。

図１は本発明のスローアウェイチップを示す概略斜視図であり、図２は、図１のスローアウェイチップ中に含有される複合繊維体の模式図である。

図１に示すスローアウェイチップ１は、主面２が円形の平板状をなしてすくい面２ａと着座面２ｂを、側面が逃げ面４を、すくい面２ａと逃げ面４との交差稜線部が切刃５として使用される、いわゆる丸駒チップ形状である。

また、スローアウェイチップ１は、図２に示す芯材１１と、芯材１１の外周を被覆し芯材とは異なる組成の被覆層１２とからなる複合繊維体１３が、図１に示すように互いに不規則に絡み合った構造をなした複合構造体７にて構成されている。

そして、図３は図１のスローアウェイチップ１の主面２ａ、２ｂの中心を通り着座面２ｂに垂直な方向の断面の切刃５を起点として切刃５からすくい面２ａに２．５ｍｍ長さで切刃５から逃げ面４に１．５ｍｍ厚さの観察領域において複合繊維体１３の配列方向を観察した顕微鏡写真であるが、図３において、下記式にて算出される配列方向Ｘが、複合繊維体１３の７０〜９５％が着座面２ｂに１０°以内の角度とほぼ平行な配列方向であるとともに、５〜３０％の複合繊維体１３は着座面２ｂに平行な方向に対して１０°より大き
い角度をなした配列方向の構成となっている。また、図３の観察領域における複合繊維体１３の配列方向Ｘの平均が切刃５位置によらず図３以外の他の断面のいずれについて観察したときであっても３０％以内で均一であることが大きな特徴である。

なお、図３では図１の着座面２ｂに平行な直線Ｙ−Ｙを示し、配列方向Ｘを簡易的な仮の記載で示している。

これによって、主面であるすくい面２ａが円の丸駒チップや主面が三角形の三角チップにおいても切刃全周にわたって異方性がなく等方的な切削性能を示すとともに、すくい面２ａに発生するフレーキング等のチッピングを抑制でき、スローアウェイチップ１の耐欠損性を向上させることができる。

つまり、複合繊維体１３が整列し一方向に揃った複合構造体７をそのままスローアウェイチップとして使用すると、切削時にかかる様々な応力の方向のうちの１つが複合繊維体１３の芯材１１と被覆層１２との境界で剥離が発生する方向と合致した場合には前記境界で引張応力がかかるために、切削時に切刃５に位置するこの境界部にて剥離してチッピングや欠損を生じやすくなるおそれがある。また、複合繊維体１３の配列が完全にランダムであると、フレーキングには効果的であるが、境界摩耗が進行してしまう。

なお、スローアウェイチップ１の切刃５先端、すなわち図１のコーナー部３において、ホーニング等により芯材１１を露出させると常に芯材１１の外周に存在する被覆層１２を予め研磨して切刃稜線部分を高硬度な芯材１１にて形成することができることから切刃５の耐摩耗性を特に向上させることができる。

図２（ａ）（ｂ）は、本発明において用いられている複合繊維体の概略斜視図である。（ａ）の複合繊維体１３は、芯材１１とこの芯材１１の外周を被覆し芯材１１とは異なる組成の材料からなる被覆層１２とからなるシングルタイプの繊維体である。また、（ｂ）の複合繊維体１７は、（ａ）のシングルタイプの繊維体１１の集合体を伸延したものでマルチタイプの繊維体である。本発明によれば、スローアウェイチップ１を形成する複合構造体１５は、このような（ａ）または（ｂ）の複合繊維体１３、１７を寄せ集めた構造体によって形成されている。望ましくは、（ｂ）のマルチタイプの繊維体１７を用いることが耐欠損性に優れる。

また、上記シングルタイプの複合繊維体１３またはマルチタイプの複合繊維体１７の形状としては、繊維体の平均長さ：ａが０．１〜５０ｍｍ、特に５〜３０ｍｍであること、および複合繊維体１３、１７の平均繊維径（マルチタイプの複合繊維体１７の場合には複数本集束される各々の複合繊維体の平均直径）：ｂが５〜３００μｍ、特に１０〜１００μｍであることがクラックディフレクション（偏向）の効果を高める点で望ましく、かつａ／ｂが３以上、特に５〜１００であることが、成形時に繊維体が配向した組織となることを防止してランダムな配置を維持し、スローアウェイチップとしての耐摩耗性および耐欠損性を高める点、および製造上の取り扱いの容易性の点で望ましい。

さらに、スローアウェイチップ１の中央部には、バイトなどの工具に取り付けるためのクランプねじ等が挿通される取付孔（図示せず）を形成してもよく、本発明によれば、スローアウェイチップとしてはソリッドタイプの工具であっても良いが、低コスト、製造の容易さ等の点でスローアウェイ式の工具であることが望ましい。

さらに、工具本体の切刃部分を切り欠いて複合構造体１５からなる切刃チップを取付座にはめ込んでロウ付け等で固定する、いわゆるロウ付けタイプのスローアウェイチップ（図示せず）にも適応可能であるが、本発明は汎用の工具全体を一体的に同じ部材にて形成するシンプルで安価な工具に適応した場合に特に有効な効果を発揮するものである。

本発明において用いる複合繊維体１３の芯材１１を構成する材質としては、周期表４、５および６族金属、アルミニウム、シリコンの群から選ばれる少なくとも１種の酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物からなる第１のセラミックス、中でも酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとの混合物が好適に使用可能である。なお、第１のセラミックス中には適宜焼結助剤成分を含有せしめることも可能である。

一方、芯材１１の外周を覆う被覆層１２の材質としては、芯材１１とは異なる材質の硬質焼結体またはセラミックスを用いる。また、鉄、コバルトおよびニッケルなどの金属も単独で使用可能である。中でも、芯材１１が酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとの混合物の場合には、被覆層１２が窒化珪素の組み合わせであることが望ましい。この組み合わせによれば、耐熱合金の切削において優れた切削性能を発揮する。この場合、芯材１１の酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとの混合物と、被覆層１２の窒化珪素との面積比（芯材／被覆層）は６０／４０〜９５／５である場合には、硬度、化学的安定性、靭性、耐熱衝撃性がバランスよく出現する。

なお、芯材１１をなす焼結体、例えばＡｌ_２Ｏ_３質セラミックスの結晶粒子の平均粒径は、複合繊維体１３の硬度および強度向上の点、および芯材１１と被覆層１２中の結合材（結合金属、焼結助剤）の含有量を適正化する点で０．０５〜１０μｍ、特に０．１〜３μｍであることが望ましく、他方、被覆層１２をなす結晶粒子の平均粒径は、複合繊維体１３の靭性向上の点で、０．０１〜５μｍ、特に０．０１〜２μｍであることが望ましい。

次に、本発明のスローアウェイチップの製造方法について、図２の複合繊維体１３および１７の製造方法を説明するための工程図である図４を基に説明する。

複合繊維体１３、１７を作製するにあたり、まず、原料粉末と結合剤（バインダ）とを混合して成形する方法で芯材用成形体２１を作製する。具体的には、例えば、平均粒径０．０１〜１０μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末を５５〜８０質量％、特に６５〜７５質量％と、平均粒径０．０１〜１０μｍのＴｉＣＮ粉末を５〜３５質量％と焼結助剤を０〜１０質量％の割合で混合し、さらに有機バインダ、可塑剤、溶剤を添加して混錬し、プレス成形により円柱形状に成形して芯材用成形体２１を作製する（図４（ａ）参照）。

一方、芯材用成形体２１とは異なる組成の被覆層をなす材料を混錬してプレス成形等により半割円筒形状の２本の被覆層用成形体２２を作製し、この被覆層用成形体２２を芯材用成形体２１の外周を覆うように配置した成形体２３を作製する（図４（ｂ）および（ｃ）参照）。

そして、押出機１００を用いて芯材用成形体２１と被覆層用成形体２２とからなる上記成形体２３を共押出成形することにより、芯材用成形体２１の周囲に被覆層用成形体２２が被覆され、細い径に伸延された図２（ａ）のシングルタイプの複合繊維体２４を作製することができる（図４（ｄ）参照）。また、複合繊維体１７の形成にあたり、図４（ｅ）に示すように、上記共押出した長尺状の複合繊維体２４を複数本集束した集束体２５を再度共押出成形することによって、図２（ｂ）の繊維密度の高いマルチタイプの複合繊維体２６を作製することができる。

次に、図５に示したように、この長尺状の複合繊維体２４または２６を０．１ｍｍ〜１０ｍｍの所定長さに切断した後、これを成形型２８内にランダムに充填して０．０１ＭＰａ〜１ＭＰａの加圧圧力で一軸方向に予備加圧する。その後、１００〜１４０℃に加熱して再度１ＭＰａ〜３０ＭＰａの圧力で一軸加圧成形する。この予備加圧した後に上記所定温度まで加熱して上記所定の圧力で一軸加圧成形する工程によって、複合繊維体１３、１７の配列方向を制御できるのである。

そして、得られた複合成形体２７を３００〜７００℃で１０〜２００時間で昇温または保持させて脱バインダ処理し、ついで真空中、大気中または不活性雰囲気中、所定温度、時間でホットプレス焼成して一体化することにより複合構造体１５を作製することができる。

さらに、この複合構造体１５の切刃をなすコーナー部３に、端部に芯材１１が露出するようにチャンファホーニングまたはＲホーニングを施して本発明のスローアウェイチップを作製することができる。

平均粒径０．６μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末９０質量％と、平均粒径０．８μｍのＺｒＯ_２粉末１０質量％との混合物に対して、平均粒径０．５μｍのＮｉＯ粉末０．５質量部、平均粒径０．５μｍのＣｏ_３Ｏ_４粉末０．５質量部の割合で添加し、粉末に対し有機バインダとしてエチレンエチルアクリレート、エチレンビニルアセテート、メトキシポリエチレングリコールを、総量で５０体積部加えて混錬して、円柱形状に押出成形して芯材用成形体を作製した。

一方、平均粒径０．６μｍのＳｉ_３Ｎ_４粉末９０質量％と、平均粒径０．８μｍのＺｒＯ_２粉末８質量％と、平均粒径０．５μｍのＭｇ（ＯＨ）_２粉末をＭｇＯ換算で２質量％の割合で添加し、これに、上記同様の有機バインダを加えて混錬し、半割円筒形状の表皮部材用成形体２つを押出成形にて作製し、前記芯材用成形体の外周を覆うように配置して複合構造体を作製した。

そして、上記複合繊維体を共押出して直径が1ｍｍの伸延された複合成形体を作製した後、この伸延された複合成形体3００本を集束して再度共押出成形し、直径が１ｍｍのマルチフィラメントタイプの複合繊維体を作製した。

次に、このマルチフィラメントタイプの複合繊維体を長さ３ｍｍに切断し、切断された繊維をカーボン製の成形型内にランダムに充填した。充填時、充填後に金型に振動を加えないように注意した。充填後金型を０．０５ＭＰａで一軸方向に予備加圧した。そして１４０℃まで加熱してから５ＭＰａで５分間プレス加圧して複合成形体を得た。また、試料Ｎｏ．１１では、上記プレス成形に代えて冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）により複合繊維体の成形を行った。さらに、試料Ｎｏ．１２では、複合繊維体を図６のように整列した配置とした。

その後、前記成形体に対して１００〜７００℃まで７０時間で昇温することによって脱バインダ処理を行った後、昇温速度１０℃／分で昇温し、１５５０℃で１時間ホットプレスにて焼成し、複合構造体を作製した。

そして、この複合構造体をＲＮＧＮ１２０７００タイプのスローアウェイチップ形状に加工してさらに、コーナー部の切刃先端部分に芯材が露出するようにＣ面加工および／またはＲホーニング加工を施すことによってスローアウェイタイプのスローアウェイチップを作製した（試料Ｎｏ．１）。

得られたスローアウェイチップについて、主面（すくい面と着座面）の中心を通り着座面に垂直な方向の断面の切刃を起点として切刃からすくい面に２．５ｍｍ長さで切刃から逃げ面に１．５ｍｍ厚さの観察領域において複合繊維体の配列方向を観察し、複合繊維体の配列方向Ｘを測定した。配列方向Ｘが１０°以内の角度をなす複合繊維体の比率を測定するとともに、観察領域における複合繊維体の配列方向Ｘの平均値を算出した。さらに、切刃の任意位置５箇所についての上記断面についてそれぞれ複合繊維体の配列を観察し、各断面の切刃からすくい面に２．５ｍｍ長さで切刃から逃げ面に１．５ｍｍ厚さの観察領域（各２箇所づつ）における配列方向Ｘの平均値を算出し、そのばらつきを求めた。結果は表２に示した。

また、以下の条件で切削試験を行った。結果は表１に示した。

＜切削条件＞
被削材：Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８
切削速度４００ｍ／ｍｉｎ
切り込み：２ｍｍ送り０．２ｍｍ／ｒｅｖ
状態：湿式
切削評価方法：欠損に至るまでの切削時間（切削後、切刃のチッピング状態を確認した。）また、試料Ｎｏ．１と同様に、表１に示す材料の複合構造体を作製し、同様の条件で切削性能を評価した。
結果は表２に示した。

表１、２の結果から明らかなように、加熱せずに複合成形体を形成してホットプレス焼成を行った試料Ｎｏ．７は、すくい面と繊維のなす角が１０°以上である繊維の割合が４
％となり、欠損までの加工時間が短いものであった。また、成形圧力が１ＭＰａより低い試料Ｎｏ．８はすくい面と繊維のなす角が１０°以上である繊維の割合が４０％となり、欠損までの加工時間が短いものであった。さらに、予備加圧することなく加熱した状態で加圧成形した試料Ｎｏ．９、１０では、すくい面と繊維のなす角が１０°以上である繊維の割合が２％となり、欠損までの加工時間が短いものであった。さらに、配列方向Ｘが１０°より大きい複合繊維体の割合が３０％より多い試料Ｎｏ．１１では、境界摩耗の進行により工具寿命が短く、配列方向Ｘの平均値が切刃の場所によって大きくばらついた試料Ｎｏ．１２では、切刃の位置によって切削性能がばらついてしまい切刃位置によっては早期に欠損してしまった。

これに対して、複合繊維体の配列方向が本発明の範囲内にある試料Ｎｏ．１〜６ではいずれもチッピングが発生しにくく切削時間の長いものであった。

本発明にかかるスローアウェイチップの一実施形態を示す斜視図である。図１のスローアウェイチップをなす（ａ）シングルタイプの複合繊維体、（ｂ）マルチタイプの複合繊維体の構造を説明するための図である。本発明のスローアウェイチップの配列方向Ｘの算出方法を説明するためのものであり、主面の中心を通り着座面に垂直な方向の断面の切刃５を起点として切刃からすくい面に２．５ｍｍ長さで、切刃から逃げ面に１．５ｍｍ厚さの領域について観察した顕微鏡写真である。複合繊維体の製造方法を示す工程図である。複合繊維体の成形工程を説明するための工程図である。実施例の試料Ｎｏ．１２における複合繊維体の配列を示す模式図である。

符号の説明

１スローアウェイチップ
２主面
２ａすくい面
２ｂ着座面
４逃げ面
５切刃
１１芯材
１２被覆層
１３、１７複合繊維体
１５複合構造体
２１芯材用成形体
２２被覆層用成形体
２３成形体
２４、２６複合繊維体
２５集束体
２７複合成形体
２８成形型
１００押出機

Claims

芯材と、該芯材の外周を被覆する異なる組成の被覆層とからなる複合繊維体が互いに不規則に絡み合った構造をなした複合構造体からなる板状体であり、該板状体の主面がすくい面と着座面、側面が逃げ面、該すくい面と該逃げ面との交差稜線が切刃であるスローアウェイチップであって、該スローアウェイチップの前記主面の中心を通り前記着座面に垂直な方向の断面の前記切刃を起点として該切刃から前記すくい面に２．５ｍｍ長さで該切刃から前記逃げ面に１．５ｍｍ厚さの観察領域において前記複合繊維体の配列方向を観察したとき、下記式にて導かれる複合繊維体の配列方向Ｘが７０〜９５％の数の前記複合繊維体は１０°以内の角度をなし、前記配列方向Ｘが５〜３０％の数の前記複合繊維体は１０°より大きい角度をなしており、かつ切刃全周の各切刃位置の任意位置５箇所を起点とした各断面についての前記観察領域における前記複合繊維体の配列方向Ｘの平均が前記切刃位置によらず３０％以内で均一であるスローアウェイチップ。
前記芯材が酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとの混合物であり、前記被覆層が窒化珪素である請求項１記載のスローアウェイチップ。
前記芯材と前記被覆層との面積比（芯材／被覆層）が６０／４０〜９５／５である請求項２記載のスローアウェイチップ。