JP7004517B2 - 切削インサート、切削工具及び切削加工物の製造方法 - Google Patents

Description

本態様は、切削加工において用いられる切削インサートに関する。

金属などの被削材を切削加工する際に用いられる切削インサートとして、例えば、特許文献１に記載の焼結体を用いた切削インサートが知られている。特許文献１に記載の焼結体は、炭化タングステン（ＷＣ）を主体として、アルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ_２Ｏ_３）などのセラミックスの粒子が分散含有された硬質相を有している。特許文献１に記載の焼結体においては、硬質相にセラミックスの粒子を含有させることによって耐摩耗性の向上を図っている。

国際公開２００６／０４１３５３

しかしながら、特許文献１に記載の焼結体においては、硬質相にセラミックスの粒子が分散している。そのため、アルミナの耐摩耗性に優れた特性を十分に発揮することができず、更なる耐摩耗性の向上が求められていた。

一態様に基づく切削インサートは、第１面と、第２面と、前記第１面及び前記第２面が交わる稜線の少なくとも一部に位置する切刃とを有する基体を備えている。前記基体は、炭化タングステンを主成分として含有する複数の第１相と、酸化アルミニウムを主成分として含有し、隣り合う前記第１相の境界に位置する第２相とを有している。前記第１面に直交する断面において、複数の前記第１相の少なくとも１つが、前記第２相で囲まれている。前記第１面に直交する断面において、前記第２相の幅が、隣接する前記第１相の径よりも小さく、前記第１相は、酸化アルミニウムを含有している。

上記態様の切削インサートは、切削加工時において第２相を安定して被削材に接触させることができるため、耐摩耗性に優れる。

一実施形態の切削インサートを示す斜視図である。 図１に示す切削インサートにおけるＡ１－Ａ１断面の断面図である。 図２に示す領域Ａ２における拡大図である。 図３に示す領域Ａ３における拡大図である。 図４と同じ領域を示す拡大図である。 一実施形態の切削工具を示す平面図である。 図６に示す領域Ａ４における拡大図である。 一実施形態の切削加工物の製造方法の一工程を示す概略図である。 一実施形態の切削加工物の製造方法の一工程を示す概略図である。 一実施形態の切削加工物の製造方法の一工程を示す概略図である。

以下、一実施形態の切削インサート（以下、単にインサートともいう。）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。

本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、第２面５（図１における側面）と、第１面３及び第２面５が交わる稜線の少なくとも一部に位置する切刃７とを有する基体９を備えている。また、本実施形態における基体９は、第１面３の反対側に位置する第３面１１（図１における下面）をさらに備えている。そのため、第２面５は、第１面３及び第３面１１の間に位置しており、第１面３及び第３面１１にそれぞれ接続されている。

図１に示す一例の基体９においては、第１面３及び第３面１１がそれぞれ四角形であり、基体９は四角板形状となっている。また、第２面５は、４つの四角形の部位によって構成されている。なお、基体９の形状は上記の構成に限定されるものではなく、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。また、第３面１１を有さず、第１面３及び第２面５のみによって構成されていてもよい。

切刃７は、第１面３及び第２面５が交わる稜線の少なくとも一部に位置している。本実施形態の基体９においては、第１面３の外周の全体が切刃７となっているが、基体９はこのような構成に限定されるものではない。例えば、四角形の第１面３における１辺のみ、若しくは、部分的に切刃７を有する構成であってもよい。

第１面３は、少なくとも一部にすくい面領域３ａを有していてもよい。本実施形態においては、第１面３における切刃７に沿った領域がすくい面領域３ａとなっている。第２面５は、少なくとも一部に逃げ面領域５ａを有していてもよい。本実施形態においては、第２面５における切刃７に沿った領域が逃げ面領域５ａとなっている。そのため、すくい面領域３ａ及び逃げ面領域５ａが交わる部分に切刃７が位置していると言い換えてもよい。

ここで、すくい面領域３ａとは、切削加工時に切刃７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。また、逃げ面領域５ａとは、切刃７を間に挟んですくい面領域３ａと隣り合う領域であって、切削加工時に被削材に接触しないように被削材から逃がされた領域を意味している。ただし、逃げ面領域５ａは、必ずしも被削材に全く接触しないというものではない。

図１では、第１面３におけるすくい面領域３ａ及びそれ以外の領域の境界と、第２面５における逃げ面領域５ａ及びそれ以外の領域の境界とを一点鎖線で示している。図１においては、第１面３及び第２面５が交差する稜線の全てが切刃７である例が示されているため、第１面３において切刃７に沿った環状の一点鎖線が示されている。

基体９の大きさは特に限定されるものではないが、例えば、本実施形態においては、第１面３の一辺の長さが３～２０ｍｍ程度に設定される。また、第１面３から第３面１１までの高さは５～２０ｍｍ程度に設定される。

基体９は、炭化タングステンを主成分として含有する複数の第１相１３と、酸化アルミニウムを主成分として含有する第２相１５とを有している。ここで、「主成分」とは、原子比での含有比率が最も大きいことを意味している。そのため、第１相１３においては、原子比での炭化タングステンの含有比率が最も大きく、また、第２相１５においては、原子比での酸化アルミニウムの含有比率が最も大きい。

なお、第１相１３及び第２相１５に含有されている化合物（成分）の評価は、例えば、Ｘ線回折（ＸＲＤ：X-Ray Diffraction）分析を行い、ＪＣＰＤＳカードとの照合によっ
て評価できる。また、第１相１３及び第２相１５に含有される成分の元素分析は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）に付属するエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＳＥＭ－ＥＤＸ）、或いは、電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いた分析によって評価できる。

第２相１５は、隣り合う第１相１３の境界に位置している。第１相１３及び第２相１５の位置関係は、例えば、基体９を側面から見る、或いは、図３に示すように基体９の断面を見ることによって評価できる。なお、図３には、基体９の第１面３に直交する断面を図示している。

図３に示す一例においては、複数の粒子状の第１相１３が存在しており、隣り合う第１相１３の境界に沿って第２相１５が延びている。図３においては、第１相１３が占める割合が第２相１５の占める割合よりも大きく、言い換えれば、基体９の断面積のうち第２相１５の断面積よりも第１相１３の断面積が大きい。

第１相１３及び第２相１５の境界は、例えば、走査型電子顕微鏡の写真又は透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）の写真を観察することにより、特定することが可能である。

第１面３に直交する断面において、複数の第１相１３は特定の形状に限定されるものではなく、図３に示すように、多角形のもの及び凸曲面形のものが入り混じっている。また、第１面３に直交する断面における第１相１３の大きさは特定の値に限定されるものではないが、例えば、各第１相１３の最大径Ｄは１０～１００μｍに設定できる。

第１相１３は、炭化タングステンを主成分として含有している。そのため、第１相１３が機械的な強度に優れており、インサート１の耐久性が高められている。第１相１３は、炭化タングステンを主成分とする１つの粒子によって構成されていてもよく、また、炭化タングステンを主成分とする複数の粒子の集合体によって構成されていてもよい。第１相１３が上記した複数の粒子の集合体によって構成されている場合には、これらの粒子の最大径は、例えば、０．５～５μｍに設定できる。この最大径は、例えば、基体９の断面を数千倍に拡大したＳＥＭ写真又はＴＥＭ写真を観察することにより、特定することが可能である。

第１相１３は炭化タングステンのみを含有した構成であってもよいが、後述するように、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びクロム（Ｃｒ）のような金属成分を含有していてもよく、また、酸化アルミニウムを含有していてもよい。また、上記の成分の他にも、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）を含有していてもよい。第１相１３における上記の金属成分の有無は、上記したＳＥＭ－ＥＤＸ法、或いは、ＥＰＭＡを用いた分析によって評価できる。

図４及び図５に示すように第１面３に直交する断面において、耐摩耗性に優れた酸化アルミニウムを主成分として含有する第２相１５が、単に基体９内に分散して存在しているのではなく、隣り合う第１相１３の境界に沿って延びている。すなわち、第２相１５が第１相１３の表面の少なくとも一部を覆うように位置している。第２相１５は、例えば、酸化アルミニウムを主成分とする複数の粒子が連なった構成としてもよい。

これによって、切削加工時において第２相１５を安定して被削材に接触させることができる。言い換えれば、切削加工時において第１相１３が被削材に接触しにくくなる。そのため、第１相１３が摩耗しにくくなることから、インサート１の耐摩耗性が高められる。

第１面３に直交する断面において、第２相１５が各第１相１３の表面を部分的に覆う構成であってもインサート１の耐摩耗性が高められる。しかしながら、第１面３に直交する断面において、複数の第１相１３の少なくとも１つが、第２相１５で囲まれている、言い換えれば、複数の第１相１３の少なくとも１つの表面の全体が第２相１５で覆われている場合には、第１相１３がより摩耗しにくくなることから、インサート１の耐摩耗性がさらに高められる。

なお、第１相１３が第２相１５で囲まれているか否かは、例えば、ＳＥＭ－ＥＤＸ、或いは、電子線マイクロアナライザーを用いて数千倍に拡大した基体９の断面の状態を観察することにより、特定することが可能である。

第１面３に直交する断面において、第２相１５の幅Ｗ１、言い換えれば、隣り合う第１相１３の間隔は特定の値に限定されるものではない。ただし、第２相１５の幅Ｗ１が、この第２相１５に隣接する第１相１３の最大径Ｄよりも小さい場合には、第２相１５に対して第１相１３を大きくできるため、基体９の強度を高めることができる。第２相１５の幅Ｗ１は、例えば、０．５μｍ～５μｍに設定できる。

既に示したように、第１相１３は、コバルト、ニッケル及びクロムのような金属成分を含有していてもよい。例えば、第１相１３が複数の炭化タングステンの粒子の集合体によって構成されている際に、第１相１３が上記の金属成分を含有している場合には、これらの金属成分を上記の粒子の結合相として機能させることが可能である。そのため、第１相１３の機械的な強度をさらに高めることができる。

また、第１相１３は酸化アルミニウムを含有してもよい。第１相１３が酸化アルミニウムを含有している場合には、第１相１３及び第２相１５の熱膨張差を小さくできる。そのため、インサート１が高温になり易い切削加工時においても、第２相１５と第１相１３との境界にクラックが生じにくくなる。

第１相１３に酸化アルミニウムが分散して含有されていてもよいが、図４に示す一例においては、第１相１３が、炭化タングステンを主成分とする複数の第１粒子１７と、酸化アルミニウムを主成分とする複数の第２粒子１９とを有している。

なお、図４においては、視覚的な理解を容易にするため、複数の第１相１３のうち図面の中央に位置する第１相１３のみ、第１粒子１７と第２粒子１９を示すとともに、第２粒子１９を着色して示している。図面の中央に位置する第１相１３以外においては、粒子構成の記載は省略している。図４では、図面の中央に位置する第１相１３において第２粒子１９が複数の第１粒子１７に囲まれている。

第１相１３において、酸化アルミニウムが第２粒子１９として存在している場合には、第１粒子１７における炭化タングステンの結晶構造を安定したものにできる。そのため、第１相１３を機械的な強度により優れたものにできることから、基体９の強度をさらに高めることができる。

また、既に示したように、第２相１５は炭化タングステンを含有してもよい。第１相１３が酸化アルミニウムを含有している場合と同様に、第２相１５が炭化タングステンを含有している場合には、第１相１３及び第２相１５の熱膨張差を小さくできる。そのため、インサート１が高温になり易い切削加工時においても、第２相１５と第１相１３との境界にクラックが生じにくくなる。

特に図示しないが、第２相１５に炭化タングステンが分散して含有されていてもよく、
また、第２相１５が、酸化アルミニウムを主成分とする複数の第３粒子と、炭化タングステンを主成分とする複数の第４粒子とを有する構成であってもよい。

第２相１５において、炭化タングステンが第４粒子として存在している場合には、第３粒子における酸化アルミニウムの結晶構造を安定したものにできる。そのため、第２相１５の耐摩耗性をより優れたものにできることから、基体９の耐摩耗性をさらに高めることができる。

図３に示す一例における第２相１５は、この第２相１５に隣接する第１相１３に向かって突出した突出部２１を有している。第１相１３に向かって突出した突出部２１を第２相１５が有している場合には、この突出部２１が第１相１３に対してアンカー効果を発揮することができる。そのため、第１相１３と第２相１５の接合性を高めることができ、第２相１５が第１相１３から剥離しにくくなる。

また、突出部２１は、その基底部分から先端部分に向かうにしたがって幅が小さくなる三角形状であってもよいが、例えば図５に示すように、基底部分よりも先端部分の側に、基底部分における幅Ｗ２よりも幅Ｗ３が広い部分を有する形状であってもよい。突出部２１が上記の形状である場合には、基底部分における幅Ｗ２よりも幅Ｗ３が広い部分が第１相１３に対して係合するため、第２相１５が第１相１３からさらに剥離しにくくなる。なお、図４及び図５に示す突出部２１は、いずれも先端が鋭角状に尖っているが突出部２１はこのような構成に限定されるものではない。なお、図５においては、視覚的な理解を容易にするため、図４において示した第１粒子１７の記載を省略している。

第２相１５が隣り合う第１相１３の境界に沿って延びていることから、第２相１５には対となる２つの第１相１３が隣接している。このとき、第２相１５が、隣接する一対の第１相１３に向かってそれぞれ突出した２つの突出部２１を有している場合には、第２相１５が隣接する一対の第１相１３のそれぞれに対して剥離しにくくなる。

特に、上記の２つの突出部２１が、第２相１５における同じ部分からそれぞれ突出している場合、言い換えれば、第２相１５が、図４及び図５に示すように隣接する一対の第１相１３に向かって同じ部分からそれぞれ突出した一対の突出部２１を有している場合には、第２相１５が隣接する一対の第１相１３のそれぞれから一層剥離しにくくなる。これは、切削加工時などにおいて、隣接する一対の第１相１３の一方から第２相１５に対して加わる負荷と、隣接する一対の第１相１３の他方から第２相１５に対して加わる負荷とが互いに逆方向に加わった場合に、これらの負荷が互いに打ち消し合うことによって、第２相１５に加わる負荷を軽減できるからである。

本実施形態における基体９は、図１に示すように、貫通孔２３を有している。図１に示す貫通孔２３は、基体９の第１面３から第３面１１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２３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２３は、第２面５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。

インサート１は、上記の基体９に加えてこの基体９の表面を被覆する被覆層（不図示）を備えていてもよい。なお、被覆層は、基体９の表面の全体を被覆していてもよく、また、基体９の表面の一部のみを被覆していてもよい。例えば、基体９が貫通孔２３を有する場合において、基体９の表面のうち、この貫通孔２３の内壁面を除く領域の上に被覆層が位置していてもよい。

被覆層の材質としては、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９の上に位置させることが可能である。

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６に示すように、第１端（図６における上端）から第２端（図６における下端）に向かって延びる棒状体であり、図７に示すように、第１端側にポケット１０３を有するホルダ１０５と、ポケット１０３に位置する上記の実施形態に代表される被覆工具１とを備えている。

ポケット１０３は、被覆工具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には被覆工具１が位置している。このとき、被覆工具１の下面がポケット１０３に直接に接していてもよく、また、被覆工具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。

被覆工具１は、第１面及び第２面が交わる稜線における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装着される。本実施形態においては、被覆工具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、被覆工具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、被覆工具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被覆工具１を用いてもよい。

＜切削加工物の製造方法＞
次に、本発明の一実施形態の切削加工物の製造方法について図面を用いて説明する。

切削加工物は、被削材２０１を切削加工することによって作製される。本実施形態における切削加工物の製造方法は、以下の工程を備えている。すなわち、
（１）被削材２０１を回転させる工程と、
（２）回転している被削材２０１に上記の実施形態に代表される切削工具１０１を接触させる工程と、
（３）切削工具１０１を被削材２０１から離す工程と、
を備えている。

より具体的には、まず、図８に示すように、被削材２０１を軸Ｏ２の周りで回転させるとともに、被削材２０１に切削工具１０１を相対的に近付ける。次に、図９に示すように、切削工具１０１における切刃を被削材２０１に接触させて、被削材２０１を切削する。そして、図１０に示すように、切削工具１０１を被削材２０１から相対的に遠ざける。

本実施形態においては、軸Ｏ２を固定するとともに被削材２０１を軸Ｏ２の周りで回転させた状態で切削工具１０１をＹ１方向に移動させることによって被削材２０１に近づけている。また、図９においては、回転している被削材２０１にインサート１における切刃を接触させることによって被削材２０１を切削している。また、図１０においては、被削材２０１を回転させた状態で切削工具１０１をＹ２方向に移動させることによって遠ざけている。

なお、本実施形態の製造方法における切削加工では、それぞれの工程において、切削工具１０１を動かすことによって、切削工具１０１を被削材２０１に接触させる、あるいは、切削工具１０１を被削材２０１から離しているが、当然ながらこのような形態に限定されるものではない。

例えば（１）の工程において、被削材２０１を切削工具１０１に近づけてもよい。同様に（３）の工程において、被削材２０１を切削工具１０１から遠ざけてもよい。切削加工を継続する場合には、被削材２０１を回転させた状態を維持して、被削材２０１の異なる箇所にインサート１における切刃を接触させる工程を繰り返せばよい。

なお、被削材２０１の材質の代表例としては、炭素鋼、合金鋼、ステンレス、鋳鉄、または非鉄金属などが挙げられる。

１・・・インサート
３・・・第１面
５・・・第２面
７・・・切刃
９・・・基体
１１・・・第３面
１３・・・第１相
１５・・・第２相
１７・・・第１粒子
１９・・・第２粒子
２１・・・突出部
２３・・・貫通孔
１０１・・・切削工具
１０３・・・ポケット
１０５・・・ホルダ
１０７・・・固定ネジ
２０１・・・被削材

Claims (7)

1. 第１面と、第２面と、前記第１面及び前記第２面が交わる稜線の少なくとも一部に位置する切刃とを有する基体を備えた切削インサートであって、
   前記基体は、
   炭化タングステンを主成分として含有する複数の第１相と、
   酸化アルミニウムを主成分として含有し、隣り合う前記第１相の境界に位置する第２相とを有しており、
   前記第１面に直交する断面において、複数の前記第１相の少なくとも１つが、前記第２相で囲まれており、
   前記第１面に直交する断面において、前記第２相の幅が、隣接する前記第１相の径よりも小さく、
   前記第１相は、酸化アルミニウムを含有していることを特徴とする切削インサート。
2. 前記第１相は、炭化タングステンを主成分とする複数の第１粒子と、酸化アルミニウムを主成分とする複数の第２粒子とを有していることを特徴とする請求項１に記載の切削インサート。
3. 前記第２相は、炭化タングステンを含有している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。
4. 前記第２相は、隣接する前記第１相に向かって突出した突出部を有していることを特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載の切削インサート。
5. 前記第２相は、隣接する一対の前記第１相に向かって同じ部分からそれぞれ突出した一対の前記突出部を有していることを特徴とする請求項４に記載の切削インサート。
6. 第１端から第２端に向かって伸びる棒状であり、前記第１端の側に位置するポケットを有するホルダと、
   前記ポケット内に位置する、請求項１～５のいずれか１つに記載の切削インサートとを有する切削工具。
7. 請求項６に記載の切削工具を回転させる工程と、
   回転している前記切削工具を被削材に接触させる工程と、
   前記切削工具を前記被削材から離す工程とを備えた切削加工物の製造方法。

Images