JP6889128B2

JP6889128B2 - 工具及びこれを備えた切削工具

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Publication number: JP6889128B2
Application number: JP2018053021A
Authority: JP
Inventors: 佳輝坂本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-03-20
Filing date: 2018-03-20
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2038-03-20
Also published as: JP2019162702A

Description

本開示は、切削加工において用いられる工具およびこれを備えた切削工具に関する。

現在、切削工具や耐摩耗性部材、摺動部材等の耐摩耗性や摺動性、耐欠損性を必要とする部材の材料として、ＷＣからなる硬質相とＣｏやＮｉからなる結合相を含有する超硬合金やチタンの炭窒化物とＣｏやＮｉからなる結合相を主成分とするサーメットが広く用いられている。

特許文献１には、ＷＣを含む硬質分散相と鉄属金属の結合相とからなる超硬合金において、合金表面に合金内部よりも結合相量の減少した領域を設けることで、合金表面部に圧縮応力を生じさせ、優れた靱性と耐摩耗性とを有する超硬合金を提供することが記載されている。

また、特許文献２には、硬質相成分としてＷＣを有し、結合相成分としてＣｏを有する工具基体において、逃げ面側のＣｏの含有量を基体内部よりも少なくし、すくい面側のＣｏの含有量を基体内部よりも多くすることで、優れた耐摩耗性と耐欠損性を有する表面被覆ＷＣ基超硬合金製切削工具を提供することが記載されている。

特開平２−２０９４４８号公報特開２０１３−１４１７１９号公報

切削加工には、さらなる工具の耐久性の向上が求められている。

本開示の工具は、ＷＣを含む硬質相またはＴｉを含む炭窒化物の硬質相と、ＣｏおよびＮｉの少なくともいずれかを含む結合相とを有する基体を備える工具である。前記基体は、多角形状であり、主面と、該主面を取り囲んで位置する周辺面とを有する第１面と、第１面の反対に位置する第２面とを有する。また、基体は、前記第１面および前記第２面の間に位置する第３面と、前記第１面および前記第２面の間に位置する第４面と、前記第１面および前記第２面の間に位置するとともに、前記第３面および前記第４面の間において前記第３面および前記第４面につながる第５面とを有している。また、前記基体は、前記周辺面と前記第３面との交稜部に位置する第１切刃をと、前記周辺面と前記第５面との交稜部に位置する第２切刃と、を有している。該第２切刃は、前記第１面の正面視において半径Ｒの曲線であり、前記第１切刃につながっており、前記周辺面は、前記第２切刃の中心から半径０．７Ｒに囲まれた第１領域の前記結合相の含有量が、前記第２切刃の中心から半径１．５Ｒ以上半径２．０Ｒ以下に囲まれた第２領域の前記結合相の含有量よりも少ない。また、切削工具は、第１端から第２端に向かって延び、前記第１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上述の工具とを備える。

本開示の工具及びこれを備えた切削工具によれば、耐久性に優れることから、長期に渡り安定した切削加工を行うことができる。

図１（ａ）は、本開示の工具を上面視した概要図であり、（ｂ）は本開示の工具を側面視した概要図である。図２は、図１に示す工具の要部拡大図である。図３は、本開示の工具を用いた加工時の一例を示す模式図である。図４は、本開示の工具を備えた本開示の切削工具の概要図である。

＜工具＞
本開示の工具は、ＷＣを含む硬質相またはＴｉを含む炭窒化物の硬質相と、ＣｏおよびＮｉの少なくともいずれかを含む結合相とを有する基体を備える。基体は、いわゆる超硬合金またはサーメットからなるものである。

超硬合金およびサーメットは、いずれも結合相を含有するものである。超硬合金およびサーメットは、それぞれ、被削材によってさまざまな組成を有する材料が用いられており、基体が含有する結合相の量もさまざまである。一般的には、サーメットの結合相量は、超硬合金の結合相量よりも多く含まれている。

図１（ａ）は、本開示の工具１を上面視したものである。図１（ｂ）は、工具１を側面視したものである。

基体２は、多角形状であり、第１面３と、第１面３の反対に位置する第２面５とを有している。第１面３は、主面３ａと、主面３ａを取り囲んで位置する周辺面３ｂとを有している。また、基体２は、第１面３および第２面５の間に位置する第３面７と、第１面３および第２面５の間に位置する第４面９と、第１面３および第２面５の間に位置するとともに、第３面７および第４面９の間において第３面７および第４面９につながる第５面１１とを有している。また、言い換えると、基体２は、第３面７、第４面９および第５面１１と、主面３ａとの間に位置する周辺面３ｂとを有している。

なお、工具１の大きさは特に限定されるものではないが、例えば、第１面３の一辺の長さを３〜２０ｍｍ程度としてもよい。また、第１面３から第１面３の反対側に位置する第２面５までの高さは５〜２０ｍｍ程度としてもよい。

また、基体２は、周辺面３ｂと第３面７との交稜部に位置する第１切刃１５と、周辺面３ｂと第５面１１との交稜部に位置する第２切刃１７と、を有している。第２切刃１７は、第１面３の正面視において半径Ｒの曲線であり、第１切刃１５につながっている。半径Ｒは、例えば、０．１〜２．０ｍｍである。なお、第１面３における主面３ａと周辺面３ｂとの境界は、図１（ａ）では、破線で示している。

また、工具１における周辺面３ｂは、第２面５からの高さが主面３ａと同じであってもよい。言い換えると、主面３ａと周辺面３ｂが一つの平面を構成していてもよい。また、周辺面３ｂよりも、中心に近い位置に溝（図示しない）が形成されていてもよい。また、周辺面３ｂが、第３面７、第４面９および第５面１１となす角度は９０°でなくてもよい。また、周辺面３ｂが曲面となっていてもよい。

なお、主面３ａと周辺面３ｂとが一つの平面を形成している場合、すなわち第１面３に主面３ａと周辺面３ｂとの境界が存在しない場合には、第１面３と第３面７〜第５面１１などの側面との交稜部から内方に１ｍｍ以内の領域を周辺面３ｂとする。

また、主面３ａと周辺面３ｂとの高さが異なっており、周辺面３ｂが主面３ｂよりも高い位置に存在していてもよく、いわゆる周辺面３ｂがランド面であってもよい。図１（ａ）、（ｂ）は、主面３ａおよび周辺面３ｂのそれぞれにおける第２面５からの高さが同じ、若しくは、主面３ａが周辺面３ｂよりも第２面５からの高さが低いときの一例を示すものである。

本開示の工具１は、図１に示すように、第１面３と第２面５とを繋ぐ貫通孔２７を有していてもよい。この貫通孔２７は、工具１をホルダに固定するためのねじ穴として用いることができる。

図２に、基体２の第２切刃１７近傍を上面視した要部拡大図を示す。周辺面３ｂは、第２切刃１７の中心１７ａから半径０．７Ｒに囲まれた第１領域１９の結合相の含有量が、第２切刃１７の中心１７ａから半径１．５Ｒ以上半径５．０Ｒ以下に囲まれた第２領域２１の結合相の含有量よりも少ない。なお、図２において、第２切刃１７の中心１７ａから半径０．７Ｒの位置と半径１．５Ｒの位置は破線で示した。半径５．０Ｒの位置は、省略した。

図３に、本開示の工具１を用いて、被削材２３を切削する状態を記載した。図３においては、図示における左側から右側に工具１が進行する状態を示しており、工具１が進行した後に加工面２３ａが形成される。

本開示の工具１における第２切刃１７を用いて、被削材２３を切削するとき、第１面３はすくい面として機能する。第１領域１９は、被削材２３を削り取るために、被削材２３と高速で接触することになる。そのため、第１領域１９には高い硬度が求められる。

第１領域１９の結合相量は、第２領域２１の結合相量よりも少ないため、結合相よりも硬度の高い、硬質相の存在割合が高くなっている。これにより、第１領域１９の硬度は第２領域２１の硬度よりも高くなっている。

第２領域２１は、工具１の進行方向に位置しており、被削材２３の表面２３ｂと高速で接触する。第２領域２１は、第１領域１９に比べて、衝撃が加わりやすく、不安定な状態になりやすいため、第２領域２１には高い靭性を有することが求められる。本開示の工具１は、第２領域２１の結合相量が、第１領域１９の結合相量よりも多い。結合相の量が多くなるとその領域の靭性が高くなる。これにより、第２領域２１の靭性は、第１領域１９よりも高い。

以上説明したように、本開示の工具１では、第１領域１９と第２領域２１との結合相量を制御したことで、第１領域１９では第２領域２１よりも硬度が高く、第２領域２１では第１領域１９よりも靭性が高い。これにより、本開示の工具１は、第１領域１９及び第２領域２１の摩耗が抑制されるため被削材２３の寸法精度と面粗さの悪化を抑制するとともに高い耐久性を有している。これは、第１領域１９の硬度が高いことで、第１領域１９における耐摩耗性が向上し、第２領域２１にかかる負担を低減することができることに起因する。

本開示の工具１は、基体２に周辺面３ｂと第４面９との交稜部に位置する第３切刃２５を有していてもよい。このような第３切刃２５を有していると、工具１を溝切用の工具１として用いることもできる。

ＷＣを含む硬質相を有する基体２の場合には、第１領域１９における結合相量は、４．０〜６．０質量％としてもよい。第１領域１９における結合相量を、このような範囲とすると第１領域１９における靭性を維持しながら第１領域１９における硬度を高くすることができる。

また、ＷＣを含む硬質相を有する基体２の場合には、第２領域２１における結合相量は、５．０〜８．０質量％としてもよい。第２領域２１における結合相量を、このような範囲とすると、耐摩耗性と耐欠損性が高い。

また、Ｔｉを含む炭窒化物の硬質相を含有する基体２の場合には、第１領域１９における結合相量は、１０．０〜１４．０質量％としてもよい。このような範囲とすると、耐摩耗性と耐チッピング性が高い。

また、Ｔｉを含む炭窒化物の硬質相を含有する基体２の場合には、第２領域２１における結合相量は、１２．０〜１６．０質量％としてもよい。このような範囲とすると、耐チッピング性と耐欠損性が高いため突発欠損を抑制することが可能となる。

第１領域１９、第２領域２１における結合相量は、例えば、基体２の表面における第１領域１９、第２領域２１の所定の範囲をＥＰＭＡなどの表面分析装置を用いて測定することで特定することができる。所定の範囲とは、例えば、５０μｍ×５０μｍの面積であり、これよりも広い範囲であってもかまわない。

また、第１領域１９、第２領域２１における結合相量は、基体２の表面に直交する断面で測定してもよい。その場合、第１領域１９、第２領域２１に対応する基体２の表面に直交する断面において、例えば、基体２の表面から２μｍの深さの範囲で結合相量を測定すればよい。結合相量の測定にあたっては、測定精度の観点から、測定面積は、２μｍ×４０μｍ以上とするとよい。一度の測定で、この測定面積を測定できない場合には、複数個所で測定して、測定面積の合計を２μｍ×４０μｍ以上としてもよい。

また、本開示の工具１は、基体２の表面に被覆膜（図示しない）を有していてもよい。この被覆膜は、例えば、ＰＶＤやＣＶＤ蒸着によって形成することができる。本開示の工具１において、例えば、第１領域１９の結合相量において結合相量を減少させる処理を施した場合には、ＰＶＤ膜との密着性が高い。

本開示の工具１は、例えば、以下のようにして作製することができる。まず、図１に示すような所定の形状を有する、硬質相と結合相とを含有する超硬合金やサーメットを準備する。

次に、後に第２領域となる部分を、樹脂を用いて被覆する。その際に、後に第１領域となる部分は露出したままとする。そして、部分的に樹脂で被覆した、超硬合金やサーメットを、酸性の溶液やアルカリ性の溶液に接触させることで、後に第１領域となる部分に存在する結合相の量を減少させる。なお、この樹脂は後述する酸性やアルカリ性の溶液に溶けなければよい。また、一部が溶解するとしても、必要な時間だけ、後に第２領域となる基体２の表面を覆っていればよい。

溶液が酸性の場合、ｐＨは、４．０〜６．０とするとよい。ｐＨが、この範囲であれば、常温で約２〜１０分ほどの時間を掛ければよい。また、溶液がアルカリ性の場合、ｐＨは、８．０〜１０．０とするとよい。ｐＨが、この範囲であれば、常温で約２〜１０分ほどの時間を掛ければよい。また、樹脂による被覆を行わなくとも、選択的に、後に第１領域となる部分にのみ、上記の溶液を接触させてもよい。

第２領域の結合相の量は、用いる超硬合金やサーメットにおける結合相の量を調整すれ
ばよい。第１領域の結合相の量は、第１領域から結合相を減少させる工程で溶液の濃度や、処理時間、処理温度を適宜、調整することで、所望の値とすることができる。

＜切削工具＞
次に、本開示の切削工具について図面を用いて説明する。

本開示の切削工具１０１は、図４に示すように、例えば、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る。切削工具１０１は、図４に示すように、第１端側（先端側）にポケット１０３を有するホルダ１０５と、ポケット１０３に位置する上記の工具１とを備えている。切削工具１０１は、工具１を備えているため、長期に渡り安定した切削加工を行うことができる。

ポケット１０３は、工具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には工具１が位置している。このとき、工具１の下面がポケット１０３に直接に接していてもよく、また、工具１とポケット１０３との間にシート（不図示）が挟まれていてもよい。

工具１は、第１切刃１５及び第２切刃１７など切刃として用いられる部分の少なくとも一部がホルダ１０５から外方に突出するようにホルダ１０５に装着される。本実施形態においては、工具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、工具１の貫通孔２７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、工具１がホルダ１０５に装着されている。

ホルダ１０５の材質としては、鋼、鋳鉄などを用いることができる。これらの部材の中で靱性の高い鋼を用いてもよい。

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、溝入れ加工及び端面加工などが挙げられる。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工具１を用いてもよい。

以下に、本開示の工具について、説明する。なお、工具の形状は、旋削工具用のチップであるＣＮＭＧ１２０４０８である。

基体として、３種類の超硬合金と３種類のサーメットを用いた。処理を行う前の超硬合金の基体の第１領域および第２領域の結合相量は、それぞれ、５．１、７．８、１３．０質量％である。また、処理を行う前のサーメットの基体の第１領域および第２領域の結合相量は、それぞれ１１．１、１３．２、１９．８質量％である。

これらの試料のうち、試料Ｎｏ．１、４、７、１０、１３、１６、１９、２２には、第１領域の結合相量を減少させる処理を施さなかった。残りの試料においては、後に第１領域となる基体の表面を露出させたまま、後に第２領域となる基体の表面に熱硬化性の樹脂を塗布し、加熱して、樹脂を硬化させた。この樹脂は、後に第２領域となる基体の表面に酸性溶液が触れないように、マスキングするために設けたものである。

これらのマスキングをした基体に対して、過硫酸溶液を用いて表１に示す時間で第１領域の結合相量を減少させる処理を施した。そして、基体の第１領域の結合相量と第２領域の結合相量を測定し、表１に示した。

また、一部の基体には、硬質被覆膜としてＰＶＤ被覆膜を形成した。ＰＶＤ被覆膜は、ＡｌＴｉＮ膜の積層膜である。

以上説明した、それぞれの基体を用いて、被削材にインコネル７１８を用い、周速：Ｖｃ＝４０（ｍ／ｍｉｎ）、送り量：ｆ＝０．１（ｍｍ／ｒｅｖ）、切込み量：ａｐ＝１．０（ｍｍ）の条件で切削試験を行った。その結果を表１に示す。その結果を表１に示す。表１に示す評価結果である加工数（パス）とは、切削距離０．５ｍを１パスとし、工具の刃先が寿命（逃げ面摩耗幅３００μｍ）に達するまで加工できたパス数である。この値が大きいほど、工具の寿命が長いことを示す。

なお、この試験においては、共通の被削材を用いているため、基体の組成ごとに大きく結果が異なっている。これは、それぞれ用途が異なるものであることに起因しており、組成の違いに起因する寿命の差を単純に比較すべきものではない。それぞれの組成の基体において第１領域の結合相量と、第２領域の結合相量との関係と加工数との関係を評価すべきものである。

処理を施さなかった、第１領域の結合相量と第２領域の結合相量とが同じである試料Ｎｏ．１、４、７、１０、１３、１６、１９、２２と比較すると、第１領域の結合相量が、第２領域の結合相量よりも少ない本開示の工具である試料はいずれも加工数が増加している。

１・・・工具
２・・・基体
３・・・第１面、すくい面
３ａ・・主面
３ｂ・・周辺面
５・・・第２面
７・・・第３面
９・・・第４面
１１・・・第５面
１５・・・第１切刃
１７・・・第２切刃
１７ａ・・第２切刃の中心
１９・・・第１領域
２１・・・第２領域
２５・・・第３切刃
２７・・・貫通孔
１０１・・・切削工具
１０３・・・ポケット
１０５・・・ホルダ
１０７・・・固定ネジ

Claims

ＷＣを含む硬質相またはＴｉを含む炭窒化物の硬質相と、ＣｏおよびＮｉの少なくともいずれかを含む結合相とを有する基体を備える工具であって、
前記基体は、
多角形状であり、
主面と、該主面を取り囲んで位置する周辺面とを有する第１面と、
該第１面の反対に位置する第２面と、
前記第１面および前記第２面の間に位置する第３面と、
前記第１面および前記第２面の間に位置する第４面と、
前記第１面および前記第２面の間に位置するとともに、前記第３面および前記第４面の間において前記第３面および前記第４面につながる第５面と、
前記周辺面と前記第３面との交稜部に位置する第１切刃と、
前記周辺面と前記第５面との交稜部に位置する第２切刃と、を有し、
該第２切刃は、前記第１面の正面視において半径Ｒの曲線であり、前記第１切刃につながっており、
前記周辺面は、前記第２切刃の中心から半径０．７Ｒに囲まれた第１領域の前記結合相の含有量が、前記第２切刃の中心から半径１．５Ｒ以上半径５．０Ｒ以下に囲まれた第２領域の前記結合相の含有量よりも少ない、工具。
前記基体は、前記周辺面と前記第４面との交稜部に位置する第３切刃を有している、請求項１に記載の工具。
前記基体は、ＷＣを含む硬質相を含有しており、前記第１領域における結合相量が、４．０％〜６．０％である、請求項１または２に記載の工具。
前記第２領域における結合相量が、５．０％〜８．０％である、請求項３に記載の工具。
前記基体は、Ｔｉを含む炭窒化物の硬質相を含有しており、前記第１領域における結合相量が、１０．０％〜１４．０％である、請求項１または２に記載の工具。
前記第２領域における結合相量が、１２．０％〜１６．０％である、請求項５に記載の工具。
前記第１面の少なくとも一部を覆う被覆膜を有する請求項１〜６のいずれかに記載の工具。
第１端から第２端に向かって延び、前記第１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１〜７のいずれかに記載の工具と、を備えた切削工具。