JP7463772B2 - 切削工具 - Google Patents
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Description
なお水平クラックとは、工具基体の表面の面方向に沿う剥離状の亀裂であり、垂直クラックとは、硬質被膜や工具基体表層を分断する亀裂である。
また上記X値が0.6を超えると、レーザ照射時に炭窒化チタン層が工具基体の瞬間的な塑性変形に追随できなくなり、硬質被膜の剥離や水平クラックが生じて、所期する圧縮残留応力を付与できないおそれがある。
上記切削工具は、前記切れ刃に接続するすくい面を備え、前記切れ刃と隣接する部分は、前記すくい面のうち前記切れ刃から少なくとも200μmの範囲である。
本発明の上記構成によれば、工具寿命に至るまで、切れ刃近傍の耐欠損性を安定して高めることができる。
中心軸Cと直交する方向を径方向と呼ぶ。径方向のうち、中心軸Cに近づく向きを径方向内側と呼び、中心軸Cから離れる向きを径方向外側と呼ぶ。
中心軸C回りに周回する方向を周方向と呼ぶ。
図1に示すように、切削工具10は、一対の板面10a,10bと、外周面10cと、貫通孔10dと、を備える。
一対の板面10a,10bのうち、少なくとも一方の板面10aは、板面10aの一部(コーナ部等)が切削加工時に図示しない被削材と対向する。
ランド部5aは、すくい面5のうち、切れ刃3と接続される部分である。ランド部5aは、切れ刃3の径方向内側に配置される。本実施形態ではランド部5aが、切れ刃3から径方向内側へ向かうに従い軸方向他方側へ向けて傾斜する傾斜面である。なおランド部5aは、中心軸Cと垂直な方向に拡がる平面状でもよい。
なお、本実施形態でいう「工具基体1の表層」とは、工具基体1のうち、工具基体1の表面(外面)から少なくとも1μmの表層部分を指す。
また本実施形態において、上記「切れ刃3と隣接する部分」とは、すくい面5のうち切れ刃3から少なくとも200μmの範囲Aである。なお上記「切れ刃3と隣接する部分」は、すくい面5のうち切れ刃3から500μm以下の範囲Aであることが好ましい。
なお、本実施形態でいう「炭窒化チタン層2aの最表層」とは、炭窒化チタン層2aのうち、膜厚方向において炭窒化チタン層2aの最表面から少なくとも1μmの表層部分を指す。
具体的には、炭窒化チタン層2aのうち範囲Aに位置する部分全体(最表層を含む膜厚方向における全域)の残留応力が、-1.5GPa以下であり、本実施形態では-2.0GPa以下である。
特に図示しないが、本実施形態の切削工具10の製造方法は、焼結工程と、成膜工程と、レーザピーニング工程と、を含む。
すなわち、本願の発明者は、硬質被膜2とレーザピーニング技術の関連について鋭意研究した結果、炭窒化チタン層2aが、組成式Ti(CXN1-X)で表した場合のX値が0.4~0.6を満足する最表層を有するとき、つまり従来品に比べて高窒素原子比の炭窒化チタン層2aが硬質被膜2中に存在するときに、炭窒化チタン層2aがレーザピーニング時の塑性変形に追随できることを発見した。これにより、切れ刃3近傍にレーザピーニング処理を施したときに、工具基体1の表面に硬質被膜2を残しながら、炭窒化チタン層2aに-1.5GPa以下、工具基体1の表層に-2.0GPa以下の大きな圧縮残留応力を付与することが可能となった。
また上記X値が0.6を超えると、レーザ照射時に炭窒化チタン層2aが工具基体1の瞬間的な塑性変形に追随できなくなり、硬質被膜2の剥離や水平クラックが生じて、所期する圧縮残留応力を付与できないおそれがある。
この場合、炭窒化チタン層2aにより上述した優れた作用効果が得られつつ、炭窒化チタン層2aの構成を簡素化でき、切削工具10の製造が容易となる。
一般に切削工具は、切削により、すくい面のうち(未使用の初期位置の)切れ刃から200μmの範囲まで摩耗したときに、工具寿命に至ったと判断される場合が多い。本実施形態の上記構成によれば、工具寿命に至るまで、切れ刃3近傍の耐欠損性を安定して高めることができる。
この場合、切れ刃3近傍のうち特に耐欠損性を高めたい箇所に炭窒化チタン層2aを配置することで、レーザピーニング処理する範囲を小さく抑えて切削工具10の生産性を高めつつ、上述の作用効果を得ることができる。
この場合、切れ刃3近傍のうち特に耐欠損性を高める必要がある境界予定部近傍に炭窒化チタン層2aを配置することで、レーザピーニング処理する範囲を小さく抑えて切削工具10の生産性を高めつつ、上述の作用効果を得ることができる。
この場合、切れ刃3近傍にレーザピーニング処理を施したときに、炭窒化チタン層2aのアブレーション加工、剥離および水平クラック等をより安定して抑制でき、工具基体1の表面に硬質被膜2を安定して残存させつつ、炭窒化チタン層2aに-2.0GPa以下、工具基体1の表層に-2.5GPa以下とより大きな圧縮残留応力を付与できる。
特に図示しないが、前述の実施形態の第1変形例として、炭窒化チタン層2aは、第1炭窒化チタン層と、第1炭窒化チタン層と膜厚方向に重なる第2炭窒化チタン層と、を有していてもよい。第1炭窒化チタン層は、組成式Ti(CXN1-X)で表した場合に、X値が0.4以上0.6以下を満足する。第2炭窒化チタン層は、組成式Ti(CXN1-X)で表した場合に、X値が0.6以上0.8以下を満足する。第2炭窒化チタン層は、第1炭窒化チタン層に比べてNの割合が小さいことから、N-poor TiCN層と言い換えてもよい。
第1変形例において、第1炭窒化チタン層は、炭窒化チタン層2aの最表層に位置し、膜厚が1μm以上である。炭窒化チタン層2a全体の膜厚に占める第1炭窒化チタン層の膜厚の割合は、25%以上である。
この場合、組成式Ti(CXN1-X)のX値の大きさが膜厚方向において変化することで、炭窒化チタン層2aを例えばグラデーション層とすることができる。グラデーション層とは、炭窒化チタン層2aのCとNの原子比の割合が、膜厚方向において徐々に変化する層である。上記構成によれば、炭窒化チタン層2aによって上述の作用効果が得られつつ、様々な切削工具10への要望に柔軟に対応可能である。
また、切削工具10が切削インサートである例を挙げたが、これに限らない。切削工具10は、例えばソリッドタイプのドリル、エンドミル、リーマおよびそれ以外の切削工具であってもよい。
残留応力については、パルステック社製のX線残留応力測定装置を使用し、cosα法を用いて測定した。X線源にはCu管球を使用し、2θ=154°付近にあるWC(113)回折ピーク、および2θ=133°付近にあるTiCN(431)回折ピークを用いて、それぞれの残留応力を測定した。X線遮蔽板を用いて切れ刃3からすくい面5側に幅0.2mmのみを露出させ、レーザピーニング処理部のみの応力値になるように測定を行った。
A:炭窒化チタン層2aの残留応力(TiCN残留応力)が-2.0GPa以下、かつ工具基体1の表層の残留応力(WC残留応力)が-2.5GPa以下であるもの。
B:炭窒化チタン層2aの残留応力(TiCN残留応力)が-1.5GPa以下、かつ工具基体1の表層の残留応力(WC残留応力)が-2.0GPa以下であるもの。
C:炭窒化チタン層2aの残留応力(TiCN残留応力)が-1.5GPaよりも大きいか、または、工具基体1の表層の残留応力(WC残留応力)が-2.0GPaよりも大きいもの。
表1および図3に示すように、X値が0.4~0.6の範囲である実施例1~4は、A判定またはB判定となり、圧縮残留応力が顕著に高められていた。その中でも、X値が0.5~0.6の範囲である実施例3、4はA判定であり、圧縮残留応力が特に顕著に高められることがわかった。
図4に示すように、X値が0.4~0.6の範囲(実施例1~4)では、レーザ照射後においても炭窒化チタン層2aの膜厚が大きく確保され、つまり被膜の消失や目減りが抑制されることがわかった。
本発明の実施例の各切削工具10として、JIS規格のCNMG120408形状を有する切削インサートを用意した。各切削工具10の工具基体1は、Co9.0質量%の組成を有するWC超硬合金製である。炭窒化チタン層2aは2層構造であり、CVD法により下記表2に示す各膜厚にて、工具基体1の表面上に、下層の第2炭窒化チタン層(N-poor TiCN層)と、上層の第1炭窒化チタン層(N-rich TiCN層)とを成膜した。なお、第1炭窒化チタン層は、組成式Ti(CXN1-X)のX値を0.58とし、第2炭窒化チタン層は、組成式Ti(CXN1-X)のX値を0.7とした。その後、炭窒化チタン層2a上に、CVD法によってAl2O3層を膜厚2μm、TiN層を膜厚0.2μmで成膜した。
Claims (7)
- 焼結合金製の工具基体と、
前記工具基体の表面上に配置される硬質被膜と、
前記工具基体の稜線部に形成され、前記硬質被膜のうち前記稜線部に位置する部分を含む切れ刃と、
前記切れ刃に接続するすくい面と、を備え、
前記硬質被膜は、全体の膜厚が1μm以上30μm以下であり、
前記硬質被膜は、膜厚が1μm以上10μm以下の炭窒化チタン層を有し、
前記炭窒化チタン層は、前記炭窒化チタン層のうち少なくとも最表層の組成が、
組成式Ti(CXN1-X)
で表した場合に、原子比であるX値が0.4以上0.6以下であり、
前記炭窒化チタン層のうち前記切れ刃部分および前記切れ刃と隣接する部分の前記最表層の残留応力が、-1.5GPa以下であり、
前記工具基体の表層のうち前記切れ刃部分および前記切れ刃と隣接する部分の残留応力が、-2.0GPa以下であり、
前記切れ刃と隣接する部分は、前記すくい面のうち前記切れ刃から少なくとも200μmの範囲である、
切削工具。 - 前記炭窒化チタン層は、組成式Ti(CXN1-X)で表した場合に、前記X値が0.4以上0.6以下を満足する第1炭窒化チタン層を有し、
前記炭窒化チタン層は、前記第1炭窒化チタン層の単層により構成される、
請求項1に記載の切削工具。 - 前記炭窒化チタン層は、組成式Ti(CXN1-X)で表した場合に、
前記X値が0.4以上0.6以下を満足する第1炭窒化チタン層と、
前記X値が0.6以上0.8以下を満足し、前記第1炭窒化チタン層と膜厚方向に重なる第2炭窒化チタン層と、を有し、
前記第1炭窒化チタン層は、前記炭窒化チタン層の前記最表層に位置し、膜厚が1μm以上であり、
前記炭窒化チタン層全体の膜厚に占める前記第1炭窒化チタン層の膜厚の割合が、25%以上である、
請求項1に記載の切削工具。 - 前記炭窒化チタン層は、少なくとも、前記切れ刃の一部および前記すくい面の前記一部に接続する部分に配置される、
請求項1から3のいずれか1項に記載の切削工具。 - 前記切れ刃は、
凸曲線状のコーナ刃部と、
前記コーナ刃部と接続される直線状の直線刃部と、を有し、
前記直線刃部は、切削境界位置に予定される境界予定部を有し、
前記炭窒化チタン層は、少なくとも、前記切れ刃の前記境界予定部および前記すくい面の前記境界予定部に接続する部分に配置される、
請求項1から4のいずれか1項に記載の切削工具。 - 前記炭窒化チタン層は、前記最表層の組成が、
組成式Ti(CXN1-X)
で表した場合に、前記X値が0.5以上0.6以下であり、
前記炭窒化チタン層のうち前記切れ刃部分および前記切れ刃と隣接する部分の前記最表層の残留応力が、-2.0GPa以下であり、
前記工具基体の表層のうち前記切れ刃部分および前記切れ刃と隣接する部分の残留応力が、-2.5GPa以下である、
請求項1から5のいずれか1項に記載の切削工具。 - 前記炭窒化チタン層は、組成式Ti(CXN1-X)で表した場合に、膜厚方向において前記最表層から前記工具基体へ向かうに従い前記X値が変化する、
請求項1から6のいずれか1項に記載の切削工具。
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