JPH042402A - ウィスカー強化型セラミックス製切削チップ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はウィスカー強化型のセラミックスにより形成さ
れた切削チップに関し、特に、レーザー加工法によりホ
ルダー取り付け用の穴を設けた切削チップに関する。

〔従来の技術及び発明が解決しようとする問題点〕ウィ
スカー強化型セラミックス製切削チップは、次世代を担
う切削工具用チップの一つとして期待されている。とい
うのは、ウィスカーで強化されたセラミックスは、その
ウィスカーの存在によりセラミックス本来の弱点である
靭性を大きく改善しており、このようなウィスカー強化
型セラミックスを切削チップとして用いれば、靭性の低
下をきたすことなく、セラミックスが本質的に持つ高硬
度、耐熱性、化学的安定性等の性能を十分に弓き出すこ
とができるからである。切削チップに高い硬度を付与す
ると、チップの耐摩耗性は向上する。また良好な耐熱性
を有すれば、切削速度の上昇に伴って切削チップ先端の
温度が上昇しても、チップ先端部にクリープが発生する
ことはない。

さらに、セラミックスは一般に化学的に安定であるので
、切削時に被削材と反応することがない。

したがって、靭性の改善がなされれば、セラミックス製
の切削チップは実用性に優れたものとなる。

現在、工業的に広く利用されているウィスカー強化型セ
ラミックスには、主としてＳｉＣウィスカーが用いられ
ている。このようなウィスカー強化型セラミックスから
なる切削チップで、既に商品化されたものとしては、１
２Ｄ、ｓを主体とするセラミックスとＳｉＣウィスカー
材とで製造されたものがある。この切削チップを使用す
れば、インコネル７１８材を被削材とした時、超硬チッ
プの数倍の切削速度で切削することが可能である。また
、上記の切削チップのほかにもいくつかのウィスカー強
化型セラミック切削チップが利用され始めている。例え
ば、Ｓｉ３Ｎ、とＳｉＣウィスカーとからなるセラミッ
ク複合材及びｌ　２０ａ−Ｚｒ口、と　ＳｉＣウィスカ
ーとからなるセラミック複合材等の切削チップが実用化
されつつある。

ウィスカーの導入による靭性の改善で、従来のセラミッ
ク切削チップがその低靭性のために使用されなかった領
域においても、セラミックスはその利用範囲を広げつつ
あり、将来切削チップの分野において、ウィスカー強化
型セラミック切削チップは主要な役割を占めるものと期
待されている。

ところで、切削チップは切削機のホルダーに取り付けて
使用するが、その取付けにはいくつかの方法がある。ホ
ルダー取り付け用の穴がない切削チップの場合には、第
１図に示すようないわゆるクランプオン式、または第２
図に示すような通常のフライス加工機等のホルダーへの
取り付けにみられるカッターポジ式がとられる。第１図
のクランプオン式では、チップ１はホルダー６８とクラ
ンプ４とにより挟持されており、また第２図に示すカッ
ターポジ式の取り付けでも、チップ２はホルダー６ｂに
装着されるロケツタ８ａとチップ押え金８ｂとにより挟
持されている。

一方、ホルダー取り付け用穴のある切削チ・ンプにおい
ては、第３図に示すように、チップ３に形成されたホル
ダー取り付け用穴５にホルダー６Ｃに装着されたピン７
の頭を挿入し、ネジ９を締とることにより切削チップ３
を固定する方法がとられる。この方法は一般にピンロッ
ク式と呼ばれている。

鋼材のように切り粉が連続しカール状になる被削材を切
削する場合には、チップにブレーカ−をつけてカール状
の切り粉が切削加工機にからみつかないようにするのが
一般的である。このときブレーカ−は切り粉を小さく分
断する役目をする。

このような被削材を対象とする場合には、切削チップと
して穴なしチップ、つまりクランプオン式のチップの保
持をするのは適当ではない。というのは、カール状また
はそれが分断された切り粉がクランプの頭の部分に当り
、切り粉が機械にからみついたり、目づまりの原因にな
ったりするためである。従ってこのような場合には必ず
穴つきチップを用い、ビンロック式で保持するのが望ま
しい。

切削加工時の作業性を考えると、切削チップの交換につ
いては穴なし、穴つきチップのどちらも同じ程度の作業
性となるが、切削チップの位置決めにおいては穴つきチ
ップの方が格段に作業性に優れる。というのは、穴つき
チップは決とられた位置に穴がおいているので、これを
ピンに通しネジを締めるだけで正確にホルダーに取りつ
けることができるからである。したがって、特別の注意
を必要とせず、熟練工でなくとも容易にその取付けがで
きる。−万人なしチップの場合は、上からクランプで押
えるだけでそれを止めるので、チップを正しい位置にセ
ットした後にクランプで押えつけないと切削加工の精度
が低下することになる。

すなわち、切削チップの取付けにはある程度の熟練が要
求される。現在、加工機はどんどんＮＣ化し、熟練工と
呼ばれる職人はどんどん減少している。このような社会
状況からも、容易にかつ正確に切削チップをホルダーに
保持する方法が望まれるようになってきた。その意味で
も、作業性に優れた穴つきチップが好ましい。

ところで、ウィスカー強化型セラミックスは一般にはホ
ットプレスで製造される。ウィスカー強化型セラミック
スで切削チップを製造する場合には、ホットプレスによ
りたとえば円板を作製し、これを研削・切断・加工する
ことによりチップ形状とするのが一般的である。そして
、得られたウィスカー強化型セラミックスからなるチッ
プの中心にホルダー取り付け穴を形成する。しかしなが
ら、従来の穴あけ方法でホルダー取り付け用の穴を形成
するのは、以下の点において問題があった。

ホルダー取り付け用穴を精度良く作製するた約に超音波
加工を用いることが考えられる。このときは、超音波加
工によりまず貫通穴を開け、その後研削加工により穴の
寸法を出す工程が一般的である。超音波加工によれば、
周辺部にクラックを生じることなく穴を形成することが
できる。しかしながらこの加工法では、長時間を要する
こと、研削にダイヤモンド工具等の特殊な工具を使用し
なければならないこと等、加工コストが高くつく。

また別の方法として、ホットプレスの段階つまり焼成の
段階で穴をあけることも考えられるが、この方法ではチ
ップに精確に（たとえば１００μｍ未満の誤差を有する
程度で）穴をあけることができない。そのため、この方
法ではまず焼成の段階で小さめの下穴をあけておき、そ
の後研削加工により規定の径の穴とする必要がある。し
たがって、この方法もコスト高となるのを免れない。

以上の理由により、これまでウィスカー強化型セラミッ
クスはホルダー取り付け穴のない切削チップにしか適用
されていなかった。

従って本発明の目的は、このような従来の問題点を解消
し、ウィスカー強化型セラミックス製切削チップに精度
よく、安価にかつ破損につながるような大きなりラック
の発生を防止してホルダー取り付け用穴を形成した、切
削性に優れるだけでなく作業性にも良好な切削チップを
提供することである。

〔課題を解決するための手段し 上記目的に２み鋭意研究の結果、本発明者は、ウィスカ
ー強化型複合セラミックスを用いて切削チップを形成し
、これにレーザー加工法によりホルダー取り付け用の穴
を設ければ、寸法精度が良いホルダー取り付け穴を有し
、かつ、加工した穴の周辺部から破壊が生じることのな
い切削チップを安価に製造することができることを発見
し、本発明を完成した。

すなわち本発明の切削チップは、ウィスカー強化型セラ
ミックスからなり、レーザー加工により設けたホルダー
取り付け用穴を有することを特徴とする。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明の切削チップは、ウィスカー強化型セラミックス
からなる。このようなウィスカー強化型セラミックスと
しては、たとえばホットプレス法により製造したものが
良い。

ウィスカー強化型セラミックス中のウィスカーの含有量
は、ウィスカー強化型セラミックス全体を１００容量％
として、１０〜４５容量％とするのがよい。ウィスカー
の含有量が４５容量％を超えると、焼結の収縮時にウィ
スカー同士が絡み合って、形成されるウィスカー強化型
セラミックス焼結体の緻密化が阻害される。またウィス
カーの含有量が１０容量％に満だない場合には、ウィス
カーの導入によるセラミックスの高靭化の効果が現れな
い。

本発明の切削チップのセラミックス母材とすることがで
きるものとしては、ＡＩＪ３、Ａｉ’、０３ＺｒＯ，，
５１３Ｎ４　、ＺｒＬ、Ｖ２Ｏ３−Ｔｉｅ　、　ＳｉＣ
５Ｓｉ３ＬＴｉＣ等が挙げられる。またウィスカーとし
ては、ＳＩＣ１Ｖ２Ｌ　、ＴｉＣ等が挙げられる。なお
ウィスカーとしては、アスペクト比が３〜５０で、平均
の長さが１５ＪＡ程度のものが好適である。

本発明ではホルダー取り付け用穴をレーザー加工法によ
って形成する。用いることのできるレーザーとしては、
ＹＡＧレーザ−、ＣＯ２レーザー等がある。またレーザ
ーの出力は用いるセラミックス母材によって多少異なる
が、１００Ｗ程度が良い。

レーザー加工法によるチップ中央への穴あけは次のよう
な利点を持っている。

（１）加工速度が他のセラミック加工法に比べて桁違い
に速い。

（２）レーザービームを絞ることができるので寸法精度
が良い。

（３）どのような径の穴でも対応可能である。

したがって、レーザー加工法による穴あけは、他の加工
法に比べて安価にしかも高い生産性で行うことができる
。

レーザー加工法によりセラミックス部材に穴をあける方
法は知られてはいたが、対象となるセラミックスが通常
の単相のセラミックスであると、形成される穴の周辺部
にクラックが発生し、それが破壊源となってしまう。こ
のクラックが発生する機構は、レーザーでセラミックス
の一部分を加熱して昇華させた後に急冷する際、穴の周
方向に引張応力が発生し、その応力が材料の破壊応力を
越えた時発生するというものである。

ところが、上述したようなウィスカーにより強化された
セラミックスに対してこのレーザー加工による穴あけを
行うと、材料の持つ高靭性によりクラックが生じないか
、または生じたとしても小さなりラックとしかならない
。たとえクラックが発生しても、それを成長させるには
クラックに相当大きな応力が必要となり、切削チップの
破壊には到らない。

一般に、セラミックスの破断時の臨界強度σ。

（クラックが進行しはじ狛る時の強度）は、破壊靭性Ｋ
ＩＣと臨界クラックサイズＡＣとを用いて、次式のよう
に表される。

σ。＝Ｌｃ／’Ｊ（＾ｃ　）　ｌ　／　２　　　　　　
　　（１）ここでｙは臨界クラックに関する投何学的定
数であり、臨界タラックサイズＡｃは、セラミックス内
に存在する破壊源が外部応力σ、によりマクロ的な破壊
を引き起こす破壊源のサイズである。

ウィスカー強化型セラミックスにおいては、般にＫＩＣ
は大きな値をとる。また手違したように、レーザー加工
法によって穴をあけた際に発生するクラックのサイズは
小さいと考えられる。したがって臨界強度σ。が相当に
大きくなければ、レーザー加工によって発生したクラッ
クが周囲に伝播してマクロ的な破壊につながることはな
い。換言すれば、たとえレーザー加工法によって穴をあ
けた際に穴周囲にクラックが発生したとしても、チップ
として切削に使用したときにかかる程度の応力ではクラ
ックが成長または伝播してチップの破壊を起こすという
ことはない。

〔実施例〕

本発明を以下の具体的実施例により、詳細に説明する。

実施例１，２ 実施例１として、５容量％のＺｒＯ２と３２容量％のＳ
ｉＣウィスカーとを含有するＡＬ０３からなるウィスカ
ー強化型セラミックスをホットプレス法により製造した
。

実施例２として、２５容量％のＳｉＣウィスカーを含有
する５１３Ｎ、からなるウィスカー強化型セラミックス
をホットプレス法により製造した。実施例１及び２のセ
ラミックスの機械的性質を第１表に示す。

第１表かられかるように、実施例１及び２のセラミック
スともに高靭性を示した。

得られたウィスカー強化型セラミックスを研削して、実
施例１の試料ではＳＮＭＦ−４３１ＬＯ２８形状のチッ
プを形成した。また実施例２の試料では５ＰＧＮ１２０
３０Ｂ形状のチップを形成した。

得られた二つのチップにＹＡＧレーサーを用いて、それ
ぞれ直径が５．１６ｍｍ±０．０８及び３．８１ｍｍ±
００８の穴をあけた。あけた穴の径の測定結果を第２表
に示す。第２表に示すように穴径は規格内に入っており
、レーザー穴あけによる穴径の精度はチップとして要求
されるものを十分に満足することが示された。

次に、穴あけした部分で切削チップを切断し、その断面
を顕微鏡写真をとって観察した。これによると、レーサ
ー穴あけをした周辺部に発生したクラックの長さは２０
〜３０μｍ程度であった。観測された最大のクラック長
さの値（３０μｍ）と、第１表に示したＫＩＣの値を（
１）式に代入して臨界応力σ４を計算すると、実施例１
の試料では２３４ｋｇ／ｍｍ２、実施例２の試料では２
８８ｋｇ　／　ｍｍ　２とｆ＝Ｋ　ッだ。

なお、ここでクラックはベニ−クラックと仮定しており
、（１）式のｙの値は　（π）１／２とした。

以上の計算かられかるように、レーザー加工により発生
したクラックは、非常に大きな応力がかからないかぎり
、成長して切削チップを破壊することはないど考えられ
る。このような大きな応力は、チップをホルダーにセッ
トする時や切削中に発生するとは考えられないので、レ
ーザー穴あけにより発生する穴周辺のクラックは、実用
的には問題にならないと考えられる。

次に、上記の方法で作製したチップを用いて、実際に切
削試験を行った。実施例１の試料については切削速度４
００ｍ／ｍｉｎ、切り込み１．０ｍ＋ｎ、送り　０．５
ｍｍ　／　ｒｅｖとなる条件で６回の切削試験を行った
。切削試験結果を第３表に示す。第３表からわかるよう
に、切削チップに異常はみられなかった。

また実施例２の試料についても切削速度４００ｍ／ｍｉ
ｎ、切り込み１．０ｍｍ、送り　０．３ｍｍ　／　ｒｅ
ｖとなる条件で８回の切削試験を行った。切削試験結果
を第４表に示す。この試験でもチップになんら異常は生
じなかった。

また、疲労特性を見るために試料１．２ともに切削速度
４００’ｍ／ｍｉｎ　、切り込み０．５ｍ＋ｎ、送り　
０゜３ｍｍ／ｒｅｖで３パス切削したが、この場合もチ
ップ割れは生じなかった。

試験後、穴周辺に存在しているクラックを観察したが、
切削試験前に測定した長さと変わりはなく、チップのホ
ルダーへの取付け及び実際の切削試験において、クラッ
クを伝播させるような応力は発生しなかったことがうか
がわれる。

Ｃ発明の効果コ 以上詳述したように、本発明では、切削チップとしてウ
ィスカー強化型セラミックス製のものを用い、これにレ
ーザー加工法により穴あけしているので、穴の寸法精度
及び破壊に対する高い信頼性を有する。

したがって、本発明のウィスカー強化型セラミックス製
切削チップは、良好な切削を与えるばかりでなく、作業
性の向上および破壊に対する高い信頼性をも有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、クランプオン式の切削チップをホルダーに取
付けた状態を示す部分断面図であり、第２図は、フライ
ス加工に用いるホルダーにカッターポジ式で切削チップ
を装着した状態を示す部分斜視図であり、 第３図は、ピンロック式によりチップをホルダーに装着
した状態を示す部分断面図である。 １．２．３・・・切削チップ ５・・・センター穴 ６ａ、６ｂ、６ｃ　・ ・ピン ７　・ ホルダー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザー加工法により形成されたホルダー取り付け用の
   穴を有することを特徴とするウィスカー強化型セラミッ
   クス製切削チップ。