JP6089965B2 - ブローチ工具 - Google Patents

Description

本発明は硬質皮膜を被覆したブローチ工具に関する。

切れ刃のすくい面や逃げ面にＴｉＮやＴｉＡｌＮなどの硬質皮膜を均一に被覆することにより、耐摩耗性および耐チッピング性を向上させたブローチ工具がある。

例えば、特許文献１では、被削材の内面または外面で所望の加工精度を得るために、長手方向に荒刃群、中仕上げ刃群、仕上げ刃群へと漸次刃高が高くなる切れ刃を有しており、荒刃群のみに硬質皮膜を被覆したブローチ工具が開示されている。

特許文献２では、漸次切削に関与するように各切れ刃群が荒刃群、中仕上げ刃群、仕上げ刃群に分割され、かつ、各切れ刃群ごとに複数の異なる表面処理を施すことで、工具摩耗の均一化、被削材の加工精度向上、および工具コストの低減を図っている。

特許文献３では、被削材の仕上げ面精度と切れ刃の耐摩耗性を向上させるために、荒刃群、中仕上げ刃群、仕上げ刃群へと硬質皮膜の結晶粒度を漸次減少させつつ、かつ、膜厚を０．２μｍ〜５μｍの範囲で漸次増加させたブローチ工具が開示されている。

実開昭６３−９７４１９号公報 特開昭６０−２６３６１６号公報 特開２０１２−７６２１０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているブローチ工具は、硬質皮膜が被覆されていない中仕上げ刃群および仕上げ刃群は喰付き性が良いので、被削材の加工精度や仕上げ面精度は良好であるが、摩耗の進行が早いという問題があった。さらに、荒刃群の寿命とのバランスが重要であるが、形状が様々異なるブローチ工具ごとに荒刃群の最適な膜厚を見つけることは困難であった。また、荒刃群に被覆する硬質皮膜の膜厚については開示されていない。

特許文献２に開示されているブローチ工具は、各切れ刃群に被覆される硬質皮膜の種類を変えている。しかし、各切れ刃群に被覆する硬質皮膜の種類や膜厚などについては開示もされていない。

特許文献３に開示されているブローチ工具は、各切れ刃群に最適な結晶粒度の硬質皮膜を被覆し、膜厚を０．２μｍ〜５μｍの範囲で漸次増加させている。そのため、荒刃群に比べて仕上げ刃群の膜厚が厚くなり、喰付き性の悪化によって切れ味が低下することでチッピングが発生したり、硬質皮膜が剥離すると懸念される。

そこで、本発明においては前述した問題点に鑑みて、摩耗やチッピングによる工具寿命と被削材の加工精度を向上させ、かつ、従来よりもコストを抑えたブローチ工具を提供することを課題とする。

本発明者等は、各切れ刃群に被覆する硬質皮膜の膜厚が６μｍ以下の範囲について鋭意研究した。その結果、特許文献３で検討および示唆されている０．２μｍ〜５μｍの範囲で漸次増加させるのではなく、３μｍ以下の範囲でむしろ漸次減少させることで各切れ刃群の耐摩耗性および被削材の加工精度が向上することを知得した。

この知得により、本発明においては少なくとも長手方向に荒刃群、中仕上げ刃群、仕上げ刃群へと漸次刃高が高くなる多数の切れ刃を有するブローチ工具において、各切れ刃群に被覆された硬質皮膜の膜厚が荒刃群、中仕上げ刃群、仕上げ刃群へと漸次減少していることを特徴とするブローチ工具を提供することにより前述した課題を解決した。

即ち、被覆された硬質皮膜の膜厚を荒刃群、中仕上げ刃群、仕上げ刃群へと漸次減少させることにより、荒刃群だけでなく中仕上げ刃群と仕上げ刃群の耐摩耗性も確保しつつ、さらに、各切れ刃群の鋭利性が失われないので、切れ味の低下が小さい。

また、請求項２に記載の発明においては、各切れ刃群に被覆された硬質皮膜の平均膜厚を荒刃群、中仕上げ刃群、仕上げ刃群へと漸次減少させているブローチ工具とするのが良い。

さらに、請求項３に記載の発明においては、荒刃群の各切れ刃の膜厚の最小値よりも中仕上げ刃群の各切れ刃の膜厚の最大値が小さく、かつ、中仕上げ刃群の各切れ刃の膜厚の最小値よりも仕上げ刃群の各切れ刃の膜厚の最大値が小さくするのがより好ましい。即ち、荒刃群の各切れ刃の膜厚を最も厚くし、かつ、仕上げ刃群の各切れ刃の膜厚を最も薄くすることで、中仕上げ刃群や仕上げ刃群の各切れ刃の鋭利性が増して喰付き性を確保できるため切れ味が低下しない。

さらにまた、請求項４に記載の発明においては、荒刃群の各切れ刃の膜厚が１μｍ以上３μｍ以下の範囲であり、中仕上げ刃群および仕上げ刃群の各切れ刃の膜厚が０μｍを超え２μｍ以下の範囲とした。即ち、荒刃群の各切れ刃の膜厚に範囲を設けることにより、鋭利性が失われないので、切削開始時の切削抵抗の上昇を小さく抑えることができ、摩耗やチッピングが発生しにくくなる。また、中仕上げ刃群および仕上げ刃群の各切れ刃の膜厚に範囲を設けることにより、硬質皮膜と基材の密着性が向上して剥離を抑制することができ、加工時の切削抵抗を低く抑えることもできる。さらに、被削材への転写性を向上させることもできる。

本発明においては、切れ刃に被覆された硬質皮膜の膜厚が荒刃群、中仕上げ刃群、仕上げ刃群へと漸次減少させることで、荒刃群だけでなく中仕上げ刃群と仕上げ刃群の耐摩耗性も確保しつつ、かつ、切れ味の低下を抑えることもできるので工具寿命が向上する。

また、請求項２に記載の発明においては、各切れ刃群に被覆された硬質皮膜の平均膜厚を漸次減少させることで、中仕上げ刃群と仕上げ刃群の耐摩耗性と鋭利性の低下をさらに抑えて、荒刃群の摩耗やチッピングの発生を防ぐこともできる。

さらに、請求項３に記載の発明においては、荒刃群の各切れ刃の膜厚を最も厚くし、かつ、仕上げ刃群の各切れ刃の膜厚を最も薄くした。そうすることで、中仕上げ刃群や仕上げ刃群の喰付き性を確保でき、切れ味が低下しないので、切削加工を繰り返しても被削材の加工精度を高く保つことができる。

さらにまた、請求項４に記載の発明においては、荒刃群の各切れ刃の膜厚に範囲を設けることで、切削抵抗が抑えられ、摩耗やチッピングが発生しにくくなるので工具寿命が向上する。また、中仕上げ刃群および仕上げ刃群の各切れ刃の膜厚に範囲を設けることで、密着性が向上して剥離が抑制されて切削抵抗を低く抑えて、被削材への転写性を向上させるので、被削材の加工精度および仕上げ面精度が向上する。即ち、工具寿命が長く、被削材の加工誤差が小さい安定したブローチ加工ができる。

本発明の実施の形態の一例であるブローチ工具１の正面図である。 図１の切れ刃９の縦断面部分拡大図である。 荒刃群５の代用切削試験に用いたテストブローチに被覆した硬質皮膜８の膜厚Ｃと摩耗幅の関係を示すグラフである。 荒刃群５の代用切削試験時に発生した本発明（膜厚１．５μｍ）と従来（膜厚４．０μｍ）の切削抵抗（背分力）の測定結果である。 中仕上げ刃群６および仕上げ刃群７の代用切削試験のテストブローチに被覆した硬質皮膜８の膜厚Ｃと被削材の加工誤差の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態の一例であるブローチ工具１の各切れ刃９群に被覆された硬質皮膜８の膜厚Ｃ分布を示すグラフである。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明のブローチ工具１は図１および図２に示すように、少なくとも長手方向に荒刃群５、中仕上げ刃群６、仕上げ刃群７へと漸次刃高Ｈが高くなる多数の切れ刃９（荒刃２、中仕上げ刃３、仕上げ刃４）を有している。切れ刃９には硬質皮膜８が被覆されている。硬質皮膜８の膜厚Ｃが荒刃群５、中仕上げ刃群６、仕上げ刃群７へと漸次減少している。また、硬質皮膜８は切れ刃９の逃げ面１０に被覆され、すくい面１１には被覆されていない。また、平均膜厚とは荒刃群５、中仕上げ刃群６、仕上げ刃群７の各切れ刃９に被覆された硬質皮膜８の膜厚Ｃの測定点の算術平均値である。また、荒刃群５の各切れ刃９（荒刃２）の膜厚Ｃは１μｍ以上３μｍ以下の範囲であり、中仕上げ刃群６および仕上げ刃群７の各切れ刃９（中仕上げ刃３および仕上げ刃４）の膜厚Ｃは０μｍを超え２μｍ以下の範囲であることが望ましい。

荒刃群５の各切れ刃９の膜厚Ｃに範囲を設ける理由は、切削抵抗が抑えられ、荒刃群５の各切れ刃９に摩耗やチッピングが発生しにくくなり工具寿命が向上するためである。荒刃群５の各切れ刃９の膜厚Ｃは１μｍより薄くなると耐摩耗性が確保されないので工具寿命が向上しない。また、３μｍより厚くなると切れ刃９の鋭利性が失われて、切削開始時に切削抵抗が大きくなる。そのため、荒刃群５の各切れ刃９の膜厚Ｃは１μｍ以上３μｍ以下の範囲に設定することが望ましい。

さらに、中仕上げ刃群６および仕上げ刃群７の各切れ刃９の膜厚Ｃに範囲を設ける理由は、切れ刃の耐摩耗性を確保しながら、被削材の加工精度および仕上げ面精度を向上させるためである。まったく硬質皮膜を被覆しないと耐摩耗性が確保されず、２μｍより厚くなると切れ味が悪くなり加工精度および仕上げ面精度が低下する。そのため、中仕上げ刃群６および仕上げ刃群７の各切れ刃９の膜厚Ｃは０μｍ〜２μｍの範囲内に設定することが望ましい。

各切れ刃群の硬質皮膜の膜厚の影響について、各切れ刃群を代用するテストブローチを作製して代用切削試験を行い、荒刃群の摩耗幅と中仕上げ刃群および仕上げ刃群について被削材の加工誤差を測定した。荒刃群は切り込み量が他の切れ刃群より大きいため、被削材にＳＣＭ４２０を使用して摩耗幅の評価を実施した。また、中仕上げ刃群および仕上げ刃群は切り込み量が微小であるため、摩耗幅よりも被削材への転写性を重視して、被削材にカーボンを使用して加工誤差（指示値との差）の評価を実施した。代用切削試験に使用したテストブローチの材質は高速度工具鋼、硬質皮膜はＴｉＡｌＮとした。

表１は荒刃群の膜厚と摩耗幅の関係を測定した結果であり、図３は膜厚と摩耗幅の関係を示すグラフである。表１および図３に示すように、荒刃群の膜厚が本発明の１μｍ以上３μｍ以下の範囲では、摩耗幅は２５μｍから５０μｍであり、摩耗幅を小さくできる。これに対して、従来の膜厚が４μｍ程度では摩耗幅が９５μｍであり、摩耗幅が本発明のほぼ２倍となる。さらに摩耗幅を小さくするために、荒刃群の膜厚を１．５μｍ以上２．５μｍ以下とするのがより好ましい。なお、この膜厚の場合に摩耗幅は最小値となっている。

また、図４は荒刃群の代用切削試験時に発生した本発明（膜厚１．５μｍ）と従来（膜厚４．０μｍ）の切削抵抗（背分力）の測定結果を示したグラフである。図４に示すように、膜厚が従来の４μｍの場合は、切削開始点での背分力の立ち上がりピークが７０ｋｇｆ、その後の背分力が４０ｋｇｆであった。これに対し、本発明の膜厚が１．５μｍの場合の切削開始点での立ち上がりピークは６０ｋｇｆと小さく、その後は４０ｋｇｆであったが、変動が少なくなった。これにより、本発明では、従来のものに対し切削抵抗の影響が小さいので、摩耗やチッピングが発生しにくく、長寿命で加工誤差の小さい安定したブローチ加工が可能となった。

表２は中仕上げ刃群および仕上げ刃群の膜厚と被削材の加工誤差の関係を測定した結果であり、図５は膜厚と加工誤差の関係を示すグラフである。表２および図５に示すように、中仕上げ刃群および仕上げ刃群の膜厚を０μｍを超え２μｍ以下の範囲とすることで、被削材の加工誤差を３μｍ以下にでき、ほぼ指示値通りの加工が実施できていることがわかる。さらに加工誤差を小さくして摩耗も防ぐために、より好ましくは中仕上げ刃群および仕上げ刃群の各切れ刃の膜厚を０．５μｍ以上１．５μｍ以下の範囲とすれば、被削材の加工誤差は２μｍ以下となり良好である。

次に、本発明に係る図１に示すブローチ工具（以下、本発明品１および２という）を用いて以下の加工条件で切削試験を行い、切削試験後の荒刃群の摩耗幅と被削材の加工誤差を測定した。切削試験に用いた本発明品１および２の材質は高速度工具鋼、硬質皮膜はＴｉＡｌＮとした。
・工具：インボリュートスプラインブローチ工具
・モジュール：１．１
・圧力角：３０°
・被削材：ＳＣＭ４２０貫通孔あき材
・被削材寸法：外径５５ｍｍ、中心穴径２４．８１ｍｍ、厚さ２３ｍｍ
・切削油：油性切削油
・切削速度：４．３ｍ／ｍｉｎ
・切削長：１００ｍ

表３はＳＣＭ４２０に対する各切れ刃群の膜厚について、切削試験後に荒刃群の摩耗幅および被削材の加工誤差を測定した結果であり、図６は各切れ刃群に被覆された硬質皮膜の膜厚分布を示すグラフである。表３および図６に示すように、本発明品１は平均膜厚が荒刃群で１．９μｍ、中仕上げ刃群で１．７５μｍ、仕上げ刃群で１．４５μｍと漸次減少させたものである。かかる本発明品１の荒刃群の摩耗幅は７０μｍ以下であり、被削材の加工誤差も４μｍ以下となった。

また、本発明品２は膜厚が漸次減少しており、荒刃群の最小値（２．３μｍ）よりも中仕上げ刃群の最大値（１．５μｍ）が小さく、かつ、中仕上げ刃群の最小値（１．４μｍ）よりも仕上げ刃群の最大値（１．０μｍ）が小さいブローチ工具である。そのため、本発明品２は荒刃群の摩耗幅が４０μｍ以下、被削材の加工誤差が１μｍ以下と、本発明品１よりさらに摩耗幅および加工誤差の小さい安定したブローチ加工が可能となった。

なお、本発明に係る硬質皮膜は、周期律表の第４Ａ族ないし第６Ａ族の金属およびＡｌ、Ｓｉのうち少なくとも１種または２種以上からなる炭化物、窒化物、炭窒化物、複合窒化物であり、いずれかの単層もしく選択された複数の層構造を有する積層膜である。また、より好ましくは、TiもしくはCrの窒化物又は炭化物、炭窒化物、TiとAlからなる複合窒化物、AlとCrからなる複合窒化物のうち、いずれかの単層もしくは選択された複数の層構造を有する積層膜であるのがよい。さらに、各切れ刃群の耐摩耗性を向上させるため、硬質皮膜を被覆前の基材に窒化、浸炭もしくはブラスト処理などの表面処理を施してよい。

また、本発明に係る硬質皮膜は、従来の例えば特開昭６２−１８００６３号公報等に開示されている装置と同様なイオンプレーティング装置を用いて被覆することができるので説明を省略する。実施の形態においては、切れ刃の逃げ面だけに硬質皮膜を被覆したが、すくい面や切れ刃以外にも被覆してよいことは言うまでもない。さらに、マスキングなどを必要とせずに１回の成膜工程で各切れ刃群に硬質皮膜を被覆すれば、従来よりも製造コストを抑えることもできる。

１ ブローチ工具
２ 荒刃
３ 中仕上げ刃
４ 仕上げ刃
５ 荒刃群
６ 中仕上げ刃群
７ 仕上げ刃群
８ 硬質皮膜
９ 切れ刃
Ｃ 膜厚
Ｈ 刃高

Claims (4)

1. 少なくとも長手方向に荒刃群、中仕上げ刃群、仕上げ刃群へと漸次刃高が高くなる多数の切れ刃を有するブローチ工具において、前記各切れ刃に被覆された硬質皮膜の膜厚が前記荒刃群、前記中仕上げ刃群、前記仕上げ刃群へと漸次減少していることを特徴とするブローチ工具。
2. 前記各切れ刃に被覆された硬質皮膜の膜厚が平均膜厚であることを特徴とする請求項１に記載のブローチ工具。
3. 前記荒刃群の各切れ刃の膜厚の最小値よりも前記中仕上げ刃群の各切れ刃の膜厚の最大値が小さく、
   かつ、前記中仕上げ刃群の各切れ刃の膜厚の最小値よりも前記仕上げ刃群の各切れ刃の膜厚の最大値が小さいことを特徴とする請求項１に記載のブローチ工具。
4. 前記荒刃群の各切れ刃の膜厚が１μｍ以上３μｍ以下の範囲であり、
   かつ、前記中仕上げ刃群および前記仕上げ刃群の各切れ刃の膜厚が０μｍを超え２μｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちのいずれか一に記載のブローチ工具。

Images