JP6877859B2 - 切削インサート及び切削工具 - Google Patents
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Description
本態様は、切削加工に用いられる切削インサートに関する。
旋削加工及び転削加工のような切削加工において切削インサートが用いられている。切削インサートの一例として、特許文献１及び２に記載されているように、炭化タングステン（ＷＣ）粒子を含有する超硬合金からなるものが知られている。特許文献１及び２に記載された切削インサートはいずれも、ＷＣ粒子の粒径が相対的に小さいグループ（第１グループ）と、ＷＣ粒子の粒径が相対的に大きいグループ（第２グループ）とからなる超硬合金によって構成されている。特許文献１及び２では、第１グループによって強度（抗折力）を高めるとともに、第２グループによって靭性（破壊靭性）を高めることが試みられている。
特許文献１及び２に記載の切削インサートにおける上記の２つのグループでは、それぞれの粒径分布が重複していない。すなわち、第１グループ及び第２グループが互いに独立したピーク値を有しており、第１グループ及び第２グループの中間となる粒径のＷＣ粒子を備えていない。そのため、第１グループによる強度を高める効果と、第２グループによる靭性を高める効果とを十分に結びつけることが難しく、強度及び靭性の両方を高いものとすることが課題であった。
一態様に基づく切削インサートは、複数の炭化タングステン粒子を含有する基体を備え、前記炭化タングステン粒子の粒径分布を０．０２５μｍ間隔で測定した場合において、前記粒径分布は、最大ピーク及び２番目のピークとして、粒径が０．５〜０．９μｍの範囲に現れる第１ピーク値と、粒径が１．１〜１．５μｍの範囲に現れる第２ピーク値とを有し、前記第１ピーク値及び前記第２ピーク値の間での最も前記粒径分布が少ない谷部での前記粒径分布の値が０より大きい。
以下、一実施形態の切削インサート１（以下、単にインサート１ともいう。）について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、一実施形態を説明する上で必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、インサート１は、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
一実施形態のインサート１は、第１面３（図１における上面）と、この第１面３の反対側に位置する第２面５（図１における下面）と、これら第１面３及び第２面５の間に位置する第３面７（図１における上面と下面の間の面（側面））とを有する。本実施形態においては、第１面３及び第２面５はそれぞれ四角形であり、インサート１は四角板形状となっている。
第３面７は、第１面３及び第２面５とそれぞれ交差している。これらの交差する稜線の少なくとも一部に切刃９が位置している。本実施形態においては、第１面３及び第３面７が交差する稜線の全体が切刃９となっている。例えば、第１面３及び第３面７が交差する稜線の全体が切刃９となっていてもよく、また、第２面５及び第３面７が交差する稜線の全体が切刃９となっていてもよい。言い換えれば、第３面７は、第１面３及び第２面５とそれぞれ稜線を介して繋がっている。
切刃９は、切削加工において被削材を切削するために用いられる部位である。そのため、切刃９が位置する稜線を構成する２つの面の一方がすくい面領域を有しており、もう一方が逃げ面領域を有している。ここで、すくい面領域とは、切削加工時に切刃９で生じた切屑を接触させて、切屑の流れをコントロールする領域を意味している。
本実施形態においては、第１面３がすくい面領域を有しており、第３面７が逃げ面領域を有している。より具体的には、第１面３における切刃９に沿った部分的な領域がすくい面領域となっている。また、第２面５における切刃９に沿った部分的な領域が逃げ面領域となっている。なお、すくい面領域は第１面３の全体である必要はなく、第１面３の一部のみがすくい面領域であっても何ら問題無い。
本実施形態のインサート１は、図１に示すように、四角板形状の基体１１と、この基体１１の表面を被覆する被覆層１３とを備えている。なお、被覆層１３は必須の構成ではなく、インサート１が基体１１のみによって構成されていてもよい。被覆層１３を備えている場合であっても、被覆層１３の厚みは、インサート１の大きさと比較して十分に小さい。そのため、基体１１の形状及び大きさは、実質的にインサート１の形状及び大きさとほぼ一致する。
本実施形態における基体１１は、複数の炭化タングステン（ＷＣ）粒子を含有している。ここで、炭化タングステン粒子の粒径分布頻度を０．０２５μｍ間隔で測定、評価した場合に、本実施形態においては、粒径分布が、最大ピーク及び２番目のピークとして、粒径が０．５〜０．９μｍの範囲に現れる第１ピーク値Ｐ１と、粒径が１．１〜１．５μｍの範囲に現れる第２ピーク値Ｐ２とを有している。
粒径分布が上記の構成であって単に１つのピーク値のみを有する構成ではないため、粒径が相対的に小さく強度を高めることが可能な炭化タングステン粒子（第１粒子）と、粒径が相対的に大きく靭性を高めることが可能な炭化タングステン粒子（第２粒子）とが、それぞれ高い分布のピークを有する。
さらに、このとき粒径分布が、最大ピーク及び２番目のピークとして、粒径が相対的に小さい粒子と、粒径が相対的に大きい粒子とによって独立した２つのピークを有する構成ではなく、第１ピーク及び第２ピークが連なった構成である。具体的には、第１ピーク値Ｐ１及び第２ピーク値Ｐ２の間での最も粒径分布頻度の値が小さい谷部においても粒径分布頻度の値が０ではなく、０よりも大きい値となっている。そのため、谷部においても、第１粒子及び第２粒子の中間のサイズの粒子の数が確保され、第１粒子による強度を高める効果と、第２粒子による靭性を高める効果とを結びつけ易い。これにより、基体１１の強度及び靭性の両方が高いものとなる。
特に、谷部での粒径分布頻度の値が、第１ピーク値Ｐ１及び第２ピーク値Ｐ２のそれぞれに対して１／２以上である場合には、第１粒子による強度を高める効果と、第２粒子による靭性を高める効果とが一層結びつけられ易くなる。そのため、基体１１の強度及び靭性の両方をより高いものにできる。
第１ピーク値Ｐ１となる粒径を第１粒子の粒径Ａ１、第２ピーク値Ｐ２となる粒径を第２粒子の粒径Ａ２としたとき、図２に示す例においては、第１粒子の粒径Ａ１が０．６５μｍであり、第２粒子の粒径Ａ２が１．２μｍである。本実施形態においては、第２粒子の粒径Ａ２が第１粒子の粒径Ａ１よりも小さい。
第１粒子の粒径Ａ１が、０．５〜０．９μｍである場合には、インサート１の強度を高く確保できる。また、第２粒子の粒径Ａ２は特定の値に限定されるものではないが、１．１〜１．５μｍである場合には、インサート１の靭性を高く確保できる。
図２においては、炭化タングステン粒子全体の数に対する粒子数の比率によって分布量が示されており、第１粒子の粒径Ａ１における分布量である第１ピーク値Ｐ１が４％であり、第２粒子の粒径Ａ２における分布量である第２ピーク値Ｐ２が２．２％である。
第１ピーク値Ｐ１に対する第２ピーク値Ｐ２の比率は特に限定されるものではない。図２に示す例のように、第１ピーク値Ｐ１が第２ピーク値Ｐ２より大きくてもよく、また、図３に示す例のように、第２ピーク値Ｐ２が第１ピーク値Ｐ１より大きくてもよい。
図２に示す例のように、第１ピーク値Ｐ１が第２ピーク値Ｐ２より大きい場合には、基体１１の強度を特に高めることができる。第２粒子の粒径Ａ２よりも第１粒子の粒径Ａ１が小さいことから、この相対的に粒径の小さい粒子の含有比率が高められることによって、基体１１における炭化タングステンの充密性を高めることができるからである。
特に、インサート１が被覆層１３を備えている場合には、第２ピーク値Ｐ２が第１ピーク値Ｐ１より小さいことによって、インサート１の耐久性を高めることができる。一般的にインサートが基体に被覆層を備えている場合、基体及び被覆層の熱膨張係数の差に起因して基体にクラックが生じる場合がある。しかしながら、第２ピーク値Ｐ２が第１ピーク値Ｐ１より小さい場合には、粒径が相対的に大きい第２粒子の分布量が多くなり、靭性が高められるため、クラックの進展が遅くなる。これにより、インサート１の耐久性を高めることができる。
なお、上記の場合であっても、第２粒子による靭性を高める効果を確保するためには、第２ピーク値Ｐ２に対する第１ピーク値Ｐ１の比率（Ｐ１／Ｐ２）が２以下であることが望ましい。
また、図３に示す例のように、第２ピーク値Ｐ２が第１ピーク値Ｐ１より大きい場合には、粒径の大きい粒子を多く含んでいるため、基体１１に含有される炭化タングステン粒子の平均粒径が大きいということである。このような場合、切削加工時における熱的な要因による刃先の損傷が抑制される。
なお、上記の場合であっても、第１粒子による強度を高める効果を確保するためには、第１ピーク値Ｐ１に対する第２ピーク値Ｐ２の比率（Ｐ２／Ｐ１）が２以下であることが望ましい。
また、第２粒子の粒径Ａ２と第１粒子の粒径Ａ１との差をδＡとしたとき、δＡが第１粒子の粒径Ａ１よりも小さい場合には、強度及び靭性の両方をさらに高くすることができる。本実施形態においては、粒径分布が第１ピーク値Ｐ１及び第２ピーク値Ｐ２を有する構成である。第１粒子の粒径Ａ１及び第２粒子の粒径Ａ２が過度に小さくなることが避けられることによって靭性を高める効果を確保できる。また、δＡが過度に大きくなることが避けられることによってピーク値及び準ピーク値が相対的に小さくなることが避けられる。具体的には、δＡと第１粒子の粒径Ａ１との比（δＡ／Ａ１）が、１以上である場合には、強度及び靭性の両方をさらに高くすることができる。
本実施形態における基体１１は、炭化タングステン粒子に加えて、コバルトなどの金属成分を含有している。金属成分は、炭化タングステン粒子同士を接合する機能を有しており、一般的に結合相と呼ばれる。結合相は、コバルトのみを含有していてもよく、また、コバルトに加えてクロム（Ｃｒ）などの金属成分を願有していてもよい。
金属成分が結合相と呼ばれる一方で、基体１１における炭化タングステン粒子は硬質相と呼ばれる。なお、硬質相としては、炭化タングステンに限定されるものではなく、例えば、炭化タングステン粒子に加えて、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）又は炭化ニオブ（ＮｂＣ）といった成分からなる粒子を含む構成であってもよい。
被覆層１３の材質としては、例えば、チタンの炭化物、窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒化物及び炭窒酸化物などが挙げられる。被覆層１３は、上記の材質のうち１つのみを含有していてもよく、複数を含有していてもよい。また、被覆層１３は、１つのみの層によって構成されていてもよく、複数の層が積層された構成であってもよい。被覆層１３は、化学蒸着（ＣＶＤ）法又は物理蒸着（ＰＶＤ）法を用いることによって、基体１１の上に位置させることが可能である。
本実施形態のインサート１は、図１に示すように四角板形状であるが、インサート１の形状としてはこのような形状に限定されるものではない。例えば、上面が四角形ではなく、三角形、六角形又は円形であっても何ら問題無い。
本実施形態のインサート１は、図１に示すように、貫通孔１５を有している。本実施形態における貫通孔１５は、第１面３から第２面５にかけて形成されており、これらの面において開口している。貫通孔１５は、インサート１をホルダに保持する際に、ねじ又はクランプ部材を取り付けるために用いることが可能である。なお、貫通孔１５は、第３面７における互いに反対側に位置する領域において開口する構成であっても何ら問題無い。
次に、本実施形態のインサート１の製造方法について説明する。
まず、基体１１の原料である無機材料の粉末を準備する。炭化タングステン粒子の粉末として、平均粒径が０．１〜１μｍの第１粒子と、平均粒径が０．６〜２μｍの第２粒子とを準備する。このとき、第２粒子の平均粒径が第１粒子の平均粒子よりも大きいが、第１粒子の粒径分布が第２粒子の粒径分布と重なり合っている。
硬質相の成分として、炭化タングステンに加えて炭化バナジウム及び炭化クロムの粉末を、結合相として、金属コバルトの粉末をそれぞれ準備する。そして、炭化バナジウムが０．０５〜０．２質量％、炭化クロムが０．１〜１質量％、金属コバルトが４〜２０質量％、炭化タングステン粒子である第１粒子及び第２粒子が残りの質量％となる比率で上記の無機材料の粉末を混合する。さらにカーボン粉末及びバインダーなどを適宜添加、混合することで混合粉末を作製する。このとき、第１粒子及び第２粒子の比率としては、例えば、第２粒子に対する第１粒子の比率が、０．５〜５程度となるように第１粒子及び第２粒子が混合される。
次に、プレス成形、鋳込成形、押出成形又は冷間静水圧プレス成形などの公知の成形方法を利用して、上記の混合粉末を所定の工具形状に成形して成形体を得る。
その後、成形体を真空中又は非酸化性雰囲気中にて焼成することによって基体１１が作製される。作製された基体１１の表面に、研磨加工又はホーニング加工を施す。なお、研磨加工及びホーニング加工は不要であれば省略しても構わない。
焼成は、成形体のサイズ及びバインダーの含有量などによって条件が異なる。例えば、０．０１Ｐａの真空中、１４００〜１６００℃の温度で１〜２時間程度行われる。
その後、作製された基体１１の表面に化学蒸着法又は物理蒸着法を用いてチタン化合物などをコーティングすることにより、基体１１及び被覆層１３を備えたインサート１が作製される。このコーティングの工程を省略した場合には、基体１１のみを備えたインサート１が作製される。
次に、一実施形態の切削工具１０１について図面を用いて説明する。
本実施形態の切削工具１０１は、図４に示すように、第１端（図４における上端）から第２端（図４における下端）に向かって延びる棒状体であり、第１端側にポケット１０３を有するホルダ１０５と、ポケット１０３に位置する上記のインサート１とを備えている。
ポケット１０３は、インサート１が装着される部分であり、ホルダ１０５の下面に対して平行な着座面と、着座面に対して傾斜する拘束側面とを有している。また、ポケット１０３は、ホルダ１０５の第１端側において開口している。
ポケット１０３にはインサート１が位置している。このとき、インサート１の下面がポケット１０３に直接に接していてもよく、また、インサート１とポケット１０３との間にシートを挟んでいてもよい。
インサート１は、第１面及び第３面が交差する稜線における切刃５として用いられる部分がホルダ１０５から外方に突出するように装着される。本実施形態においては、インサート１は、固定ネジ１０７によって、ホルダ１０５に装着されている。すなわち、インサート１の貫通孔に固定ネジ１０７を挿入し、この固定ネジ１０７の先端をポケット１０３に形成されたネジ孔（不図示）に挿入してネジ部同士を螺合させることによって、インサート１がホルダ１０５に装着されている。
ホルダ１０５としては、鋼、鋳鉄などを用いることができる。特に、これらの部材の中で靱性の高い鋼を用いることが好ましい。
本実施形態においては、いわゆる旋削加工に用いられる切削工具を例示している。旋削加工としては、例えば、内径加工、外径加工及び溝入れ加工が挙げられる。なお、切削工具としては旋削加工に用いられるものに限定されない。例えば、転削加工に用いられる切削工具に上記の実施形態のインサート１を用いてもよい。
１・・・インサート（切削インサート）
３・・・第１面
５・・・第２面
７・・・第３面
９・・・切刃
１１・・・基体
１３・・・被覆層
１５・・・貫通孔
１０１・・・切削工具
１０３・・・ポケット
１０５・・・ホルダ
１０７・・・固定ネジ
Ａ１・・・第１粒子の粒径
Ａ２・・・第２粒子の粒径
Ｐ１・・・第１ピーク値
Ｐ２・・・第２ピーク値
３・・・第１面
５・・・第２面
７・・・第３面
９・・・切刃
１１・・・基体
１３・・・被覆層
１５・・・貫通孔
１０１・・・切削工具
１０３・・・ポケット
１０５・・・ホルダ
１０７・・・固定ネジ
Ａ１・・・第１粒子の粒径
Ａ２・・・第２粒子の粒径
Ｐ１・・・第１ピーク値
Ｐ２・・・第２ピーク値
Claims (5)
- 複数の第１粒子と、複数の第２粒子とからなる炭化タングステン粒子を含有する基体を備えた切削インサートであって、
前記第２粒子の平均粒径は、前記第１粒子の平均粒径よりも大きく、
前記第１粒子と、前記第２粒子とは、互いに混合分散して基体中に位置しており、
前記炭化タングステン粒子の粒径分布を０．０２５μｍ間隔で測定した場合において、前記粒径分布は、最大ピーク及び２番目のピークとして、粒径が０．５〜０．９μｍの範囲に現れる第１ピーク値と、粒径が１．１〜１．５μｍの範囲に現れる第２ピーク値とを有し、
前記第１ピーク値及び前記第２ピーク値の間での最も粒径分布頻度の値が小さい谷部での該粒径分布頻度の値が０より大きいことを特徴とする切削インサート。 - 前記谷部での粒径分布頻度の値が、前記第１ピーク値及び前記第２ピーク値のそれぞれに対して１／２以上であることを特徴とする請求項１に記載の切削インサート。
- 前記第１ピーク値をＰ1、前記第２ピーク値をＰ2としたとき、前記Ｐ1が前記Ｐ2よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の切削インサート。
- 前記Ｐ2に対する前記Ｐ1の比率（Ｐ1／Ｐ2）が、２以下であることを特徴とする請求項３に記載の切削インサート。
- 先端側にポケットを有するホルダと、
前記ポケットに位置する請求項１〜４のいずれか１つに記載の切削インサートとを備えた切削工具。
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