JPWO2016189935A1 - 切削インサートおよび切削工具、並びに切削加工物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
一態様に基づく切削インサートは、基体と、少なくとも一部に被覆層を備え、複数の角部を有する第１面と、該第１面に隣り合う第２面と、前記第１面および前記第２面の稜線部の少なくとも一部に位置する切刃と、前記第１面の角部に位置するノーズ部と、を有し、前記切刃は、前記ノーズ部を挟んで第１切刃と第２切刃とを有している。そして、前記第１切刃は、前記被覆層上に位置するとともに、前記第１面の正面視における第１幅が５μｍ〜３０μｍであり、チャンファ角度が３５°〜５０°のＣ面を有する。【選択図】 図７
Description
本開示は、切削インサートおよび切削工具、並びに切削加工物の製造方法に関し、特に、基体の表面に被覆層を有する切削インサートに関する。
切削工具として、超硬合金やサーメット等の基体の表面に被覆層を成膜して、耐摩耗性、摺動性、耐欠損性を向上させた切削インサートが広く使われている。また、切削インサートの切刃部にはＣ面（チャンファホーニング）やＲホーニングを形成して、切刃の強度を高めることが知られている。
例えば、特許文献１（特開平１０−４３９１２号公報）では、超硬合金製の基体の表面にＴｉＡｌＮ層などの被覆層を形成するとともに、すくい面とのなす角度が２０〜３０度であり、すくい面側から見た幅が０．０１５〜０．０５ｍｍの面取りを切刃に形成した切削インサートが開示されている。
本実施形態の切削インサートは、基体と、少なくとも一部に被覆層を備え、
複数の角部を有する第１面と、該第１面に隣り合う第２面と、前記第１面および前記第２面の稜線部の少なくとも一部に位置する切刃と、前記第１面の角部に位置するノーズ部と、を有し、
前記切刃は、前記ノーズ部を挟んで第１切刃と第２切刃とを有し、
前記第１切刃は、前記被覆層上に位置するとともに、前記第１面の正面視における第１幅が５μｍ〜３０μｍであり、チャンファ角度が３５°〜５０°のＣ面を有する。
複数の角部を有する第１面と、該第１面に隣り合う第２面と、前記第１面および前記第２面の稜線部の少なくとも一部に位置する切刃と、前記第１面の角部に位置するノーズ部と、を有し、
前記切刃は、前記ノーズ部を挟んで第１切刃と第２切刃とを有し、
前記第１切刃は、前記被覆層上に位置するとともに、前記第１面の正面視における第１幅が５μｍ〜３０μｍであり、チャンファ角度が３５°〜５０°のＣ面を有する。
本実施形態の切削工具は、ホルダの先端に設けられたインサートポケットに上記切削インサートを装着したものである。
本実施形態の切削加工物の製造方法は、被切削物を回転させる工程と、回転している前記被切削物に上記切削工具の前記切刃を接触させる工程と、前記切削工具を前記被切削物から離す工程とを備える。
図１〜５の切削インサート（以下、インサートと称す。）１は、第１面と、第１面に隣り合う第２面を有する。本実施形態では、第１面２がすくい面、第２面３が逃げ面として機能し、以下においては、すくい面２、逃げ面３と記載して説明する。また、すくい面２と逃げ面３との稜線部の少なくとも一部が切刃４として機能する。すくい面２は複数の角部を有し、本実施形態では、概略多角形形状である。すくい面２の角部に、曲線状のノーズ部５が位置している。切刃４は、ノーズ部５を挟んで第１切刃４ａと第２切刃４ｂを有する。本実施形態では、第１切刃４ａが前切刃として機能し、第２切刃４ｂが横切刃として機能し、以下においては、前切刃４ａ、横切刃４ｂと記載して説明する。逃げ面３は、前切刃４ａに続く前逃げ面３ａと、横切刃４ｂに続く横逃げ面３ｂとを有する。本実施形態では、前切刃４ａと横切刃４ｂとの境界は、ノーズ部５のうち、すくい面２の中心から最も離れた点と定義する。すくい面２の中央部には、ネジを挿入するための貫通孔６が設けられている。
インサート１は、図２に示すように、基体８と、基体８の表面に設けられた被覆層９とを具備する。そして、少なくとも前切刃４ａは被覆層９の表面に設けられる。なお、本実施形態では、インサート１の外表面の全体に被覆層９が設けられたものに限定されるものではなく、基体８の表面が、すくい面２または逃げ面３となるものであってもよい。
図２に示すように、本実施形態における前切刃４ａは、被覆層９上に位置し、すくい面２と逃げ面３との間にＣ面１０を有する。Ｃ面１０は、チャンファ角度βが３５°〜５０°で、すくい面２の正面視におけるＣ面幅である第１幅Ｌが５μｍ〜３０μｍである。これによって、図７に示すように、Ｃ面１０の表面において、インサート１が被切削物に接触する際に生じる溶着物７が生成し、この溶着物７が被覆層９の摩耗を抑制する保護膜として働く。そのために、Ｃ面１０における被覆層９の摩耗が抑制できる結果、インサート１の耐摩耗性が抑制できる。
ここで、被切削物２２とＣ面１０との位置関係を説明するために、インサート１を装着した切削工具２０を用いて被切削物を切削し、切削加工物を製造する方法について、図６に基づき説明する。
図６に示すように、切削工具２０は、ホルダ２４の先端角部に設けられたインサートポケット２１にインサート１が装着されている。ホルダ２４は概略四角柱形状で、先端の側方に開口する位置にインサートポケット２１を有する。ホルダ２４は、鋼や焼入れ鋼で構成されている。インサートポケット２１の載置面（図示せず）はネジ孔を有する。切削工具２０は、インサートポケット２１にインサート１を嵌め込み、インサート１のすくい面２側からネジ（図示せず）を挿入して、ホルダ２４のネジ孔にネジを螺合することによって、インサート１を装着されたものである。
そして、以下（ｉ）〜（ｉｉｉ）によって、切削加工物を製造する。
（ｉ）準備された被切削物２２の上方に切削工具２０を配置する。そして、被切削物を、回転軸Ｏを中心に矢印ｒ方向に回転させ、切削工具２０を被切削物２２に近づける（図６Ａ）。ここでは、被切削物２２と切削工具２０とが相対的に近づけばよいため、固定された切削工具２０に被切削物２２を近づけてもよい。
（ｉ）準備された被切削物２２の上方に切削工具２０を配置する。そして、被切削物を、回転軸Ｏを中心に矢印ｒ方向に回転させ、切削工具２０を被切削物２２に近づける（図６Ａ）。ここでは、被切削物２２と切削工具２０とが相対的に近づけばよいため、固定された切削工具２０に被切削物２２を近づけてもよい。
（ｉｉ）切削工具２０をさらに被切削物２２に近づけ、切削工具２０の切刃４を、回転している被切削物２２の表面の所定の位置に接触させることによって、被切削物２２を切削加工する（図６Ｂ）。切削加工に際しては、先に、切削工具２０を被切削物の側面に対して垂直な方向から切削工具２０に装着されたインサート１を接触させる。その際、被切削物２２の回転軸に対して平行に、切削工具２０をスライドさせることによって被切削物を加工することができる。いわゆる旋削加工である。切削工具２０は、指定された横すくい角度αに傾けた状態で被切削物２２に接触させる。
（ｉｉｉ）切削工具２０を被切削物２２から離す（図６Ｃ）。
次に、図７の図６ＢにおけるＡ部の断面模式図を用いて、説明する。Ｃ面１０の被切削物２２との接触角θは、被切削物２２の仕上げ面に対して垂直な方向からの傾きによって求められるが、図７の模式図に示すように、Ｃ面１０の被切削物２２との接触角θは、ホルダ２４の横すくい角度αと、Ｃ面１０のチャンファ角度βとを合わせた角度α＋βとなる。Ｃ面１０が被切削物２２から受ける力は、送り分力と主分力の合力Ｆとなる。ここで、Ｃ面１０に直交する角度（９０°−θ）と合力Ｆの角度との差が小さくなるほど溶着物７による保護膜が生成しやすく、保護膜が生成しやすいＣ面１０の被切削物２２との接触角θは４０°〜５５°である。本実施形態では、チャンファ角度βが３５°〜５０°であり、一般的に、横すくい角αが−５°〜−６°なので、Ｃ面１０に直交する角度（９０°−θ）は、４０°〜５６°である。このように、本実施形態のインサート１は、Ｃ面１０に直交する角度（９０°−θ）と合力Ｆの向きとのなす角は、ゼロまたはゼロに近くなる。そのため、Ｃ面１０に溶着物７が存在する形態で切削することになり、Ｃ面１０に存在する被覆層９の摩耗が抑制される。
すなわち、チャンファ角度βが３５°より小さいか、またはチャンファ角度βが５０°より大きいと、溶着物７が生成しにくく、被覆層９の摩耗が進行しやすい。なお、チャンファ角度βとは、インサート１をホルダ２４に載置したときの接地面（図示せず）に対するＣ面１０のなす角度である。
また、第１幅Ｌが５μｍより小さいと、溶着物７が生成しにくいとともに、切刃４が欠損しやすくなる。逆に、第１幅Ｌが３０μｍより大きいと、切削抵抗が増大し、摩耗進行が早くなる。
また、本実施形態では、すくい面２の正面視において、横切刃４ｂのＣ面（以下識別のため第２Ｃ面と記載する。）の幅である第２幅が、前切刃４ａにおける第１幅よりも狭くてもよい。なお、第２幅が前切刃４ａにおける第１幅よりも狭い横切刃４ｂとは、第２Ｃ面が形成されていないシャープエッジ、または、第２Ｃ面が形成されていても、第１幅よりも狭いことをいう。そして、このような構成を満たしているときには、横切刃４ｂにおいて溶着物７の付着が生じない、若しくは付着しにくいため、切れ味が良くなり、被切削物２２の仕上げ面を平滑で曇りのない状態とすることができる。また、横切刃４ｂが、被覆層９上に位置するものであるときにも、上記構成を満たしていることにより、被覆層９に溶着物７が付着しない、若しくは付着しにくいため、切れ味が良くなり、被切削物２２の仕上げ面を平滑で曇りのない状態とすることができる。
なお、前切刃４ａにおける第１幅と、横切刃４ｂにおける第２幅を変える方法としては、図４に示すように、前切刃４ａと横切刃４ｂのチャンファ角を同じであるものの深さを変える方法や、図５に示すように、チャンファ角を変える方法が挙げられる。
また、すくい面２の正面視において、切刃４の幅が、前切刃４ａからノーズ部５を経由して横切刃４ｂに向かって漸次狭くなってもよい。この漸次狭くなっている状態とは、図３（ｂ）に示すような構成である。このような構成を満たしているときには、良好な耐摩耗性と良好な仕上げ面が得られる。横切刃４ｂにおいては、第２Ｃ面を設けないことが望ましく、すくい面から見た幅が５μｍ以下の場合には、特に、被切削物２２の仕上げ面を平滑で曇りのない状態とすることができる。
また、逃げ面３における算術平均粗さが、すくい面２における算術平均粗さよりも小さい場合には、Ｃ面１０に生成する溶着物７が適正量になるとともに、被切削物２２の仕上げ面を平滑にできる。逃げ面３における算術平均粗さが、０．０１〜０．１μｍである場合には、被切削物２２の仕上げ面を平滑にできる。すくい面２における算術平均粗さが、０．０２〜０．５μｍである場合には、溶着物７の生成量が適正量となる。
さらに、すくい面２および逃げ面３における算術平均粗さは、基体８に被覆層９を成膜した後、被覆層９の表面から研磨加工を施すことによって調整できる。研磨加工としては、ブラスト加工またはブラシ加工が好適である。ブラスト加工を採用する場合には、砥粒を吐出させるノズルの位置や向きを調整することによって、すくい面２および逃げ面３における算術平均粗さを制御することができる。
なお、本実施形態の切削工具２０における好適な切削条件は、切削速度が５０ｍ／分〜２５０ｍｍ／分、切り込みが０．０５ｍｍ〜３．０ｍｍ、送りが０．０５ｍｍ／ｒｅｖ〜０．４ｍｍ／ｒｅｖである。この条件であれば、切削加工中に、Ｃ面１０に溶着物７が生成しやすい。
特に、被切削物２２が低炭素鋼またはアルミニウム合金鋼である場合、溶着物７の生成が生じやすく、被覆層９の耐摩耗性が向上する。
被覆層９が、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＭＮ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族金属、Ａｌ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種）およびダイヤモンドライクカーボン層の少なくとも１種を含有する場合には、被覆層９の表面が平滑で、かつ溶着物７の生成が起きやすい。特に、被覆層９の最表面が、ＴｉＮ、ＴｉＭＮからなる場合には、溶着物の生成が生じやすく、被覆層９の耐摩耗性が向上する。被覆層９は、１層であってもよいし、２層以上の多層であってもよい。
一方、基体８は、炭化タングステン（ＷＣ）と、所望により周期表第４、５、６族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の群から選ばれる少なくとも１種と、からなる硬質相を、コバルト（Ｃｏ）やニッケル（Ｎｉ）等の鉄属金属からなる結合相にて結合させた超硬合金やＴｉ基サーメット、またはＳｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）等のいずれかが好適に使用できる。中でも、基体８は、超硬合金またはサーメットからなることが耐欠損性および耐摩耗性の点で望ましい。また、用途によっては、基体８は炭素鋼、高速度鋼、合金鋼等の金属からなるものであっても良い。
本実施形態のインサート１を製造するには、まず、所定の混合粉末を成形して焼成した焼結体を作製する。次に、上記焼結体の表面に所望によって両頭加工や外周加工等の研磨加工を施した後、稜線部にＣ面加工を施す。具体的なＣ面加工の方法は、ダイヤモンド砥石での加工などが挙げられる。
そして、得られた基体８の表面に物理気相蒸着（ＰＶＤ）法または化学気相蒸着（ＣＶＤ）法によって被覆層９を形成する。さらに、Ｃ面１０が、溶着物７の保護膜の生成を促進可能な平滑な面となるように、Ｃ面１０に相当する被覆層９の表面を研磨加工することにより、さらに耐摩耗性に優れた切削インサートとなる。
平均粒径１．５μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末に対して、平均粒径１．２μｍの金属コバルト（Ｃｏ）粉末を６質量％の割合で添加、混合して、プレス成形により切削インサート形状（ＳＮＧＮ１２０４０８）に成形した。得られた成形体について、脱バインダ処理を施し、０．５〜１００Ｐａの真空中、１４００℃で１時間焼成して超硬合金を作製した。さらに、作製した超硬合金に対して、ダイヤモンド砥石での加工を行った。
次に、上記超硬合金に対して、ＰＶＤ法によりＣ面部における厚みが４μｍのＴｉＡｌＮ層を形成して、試料Ｎｏ．１〜１４の切削インサートを作製した。そして、各試料につき、前切刃のＣ面におけるチャンファ角度およびすくい面の正面視におけるＣ面の幅、横切刃の第２Ｃ面におけるチャンファ角度およびすくい面の正面視における第２Ｃ面の幅、すくい面および逃げ面における算術平均粗さを測定した。
得られたインサートを横すくい角αが６°のホルダに装着して、以下の切削条件にて図２の加工工程で切削試験を行った。結果は表１に示した。
切削方法：旋削加工
被切削物：ＳＣＭ４３５
切削速度：２００ｍ／分
送り ：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削状態：湿式（切削油使用）
評価方法：逃げ面摩耗０．１ｍｍまでの切削距離(km）
切削方法：旋削加工
被切削物：ＳＣＭ４３５
切削速度：２００ｍ／分
送り ：０．２ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：１．５ｍｍ
切削状態：湿式（切削油使用）
評価方法：逃げ面摩耗０．１ｍｍまでの切削距離(km）
表１に示される結果から、試料Ｎｏ．５はチャンファ角度が５０°より大きく、試料Ｎｏ．１３はチャンファ角度が３５°より小さく、いずれもＣ面に溶着物の発生がなくて、切削距離が伸びなかった。また、試料Ｎｏ．６はＣ面をすくい面側から見た幅が５μｍより小さいため、切刃にチッピングが生じ、切削距離が短くなった。試料Ｎｏ．１１はＣ面をすくい面側から見た幅が３０μｍより大きいため、切削抵抗が増大し、逃げ面摩耗が顕著になり、切削距離が短くなった。
これに対して、チャンファ角度が３５°〜５０°で、すくい面側から見た幅が５μｍ〜３０μｍのＣ面を有する試料Ｎｏ．１〜４、７〜１０、１２、１４については、切削距離が伸びることが確認された。特に、前切刃における第１幅が横切刃における第２幅よりも広い試料Ｎｏ．７、１２では、加工面粗度も良好であった。なお、試料Ｎｏ．７、１２では、いずれも、Ｃ面幅が、前切刃からノーズ部を経由して横切刃に向かって漸次狭くなる形状であった。
また、逃げ面における算術平均粗さが、すくい面における算術平均粗さよりも小さく、かつ逃げ面における算術平均粗さが０．０１〜０．１μｍである試料Ｎｏ．１〜４、７〜９、１２では、前切刃における溶着物の生成量が適量で切削距離が長く、かつ加工面粗度も良好であった。
１ インサート（切削インサート）
２ すくい面
３ 逃げ面
３ａ 前逃げ面
３ｂ 横逃げ面
４ 切刃
４ａ 前切刃
４ｂ 横切刃
５ ノーズ部
６ 貫通孔
７ 溶着物
８ 基体
９ 被覆層
１０ Ｃ面
２０ 切削工具
２１ インサートポケット
２２ 被切削物
２４ ホルダ
α 横すくい角
β チャンファ角
θ 被切削物との接触角
Ｌ 第１幅（すくい面の正面視におけるＣ面幅）
２ すくい面
３ 逃げ面
３ａ 前逃げ面
３ｂ 横逃げ面
４ 切刃
４ａ 前切刃
４ｂ 横切刃
５ ノーズ部
６ 貫通孔
７ 溶着物
８ 基体
９ 被覆層
１０ Ｃ面
２０ 切削工具
２１ インサートポケット
２２ 被切削物
２４ ホルダ
α 横すくい角
β チャンファ角
θ 被切削物との接触角
Ｌ 第１幅（すくい面の正面視におけるＣ面幅）
Claims (11)
- 基体と、少なくとも一部に被覆層を備える切削インサートであって、
複数の角部を有する第１面と、該第１面に隣り合う第２面と、前記第１面および前記第２面の稜線部の少なくとも一部に位置する切刃と、前記第１面の角部に位置するノーズ部と、を有し、
前記切刃は、前記ノーズ部を挟んで第１切刃と第２切刃とを有し、
前記第１切刃は、前記被覆層上に位置するとともに、前記第１面の正面視における第１幅が５μｍ〜３０μｍであり、チャンファ角度が３５°〜５０°のＣ面を有する切削インサート。 - 前記第２切刃は、前記第１面の正面視における第２幅が、前記第１幅より狭い請求項１に記載の切削インサート。
- 前記第１面の正面視における前記切刃の幅が、前記第１切刃から前記第２切刃に向かって漸次狭くなる請求項１または２に記載の切削インサート。
- 前記第２面における算術平均粗さが、前記第１面における算術平均粗さよりも小さい請求項１乃至３のいずれかに記載の切削インサート。
- 前記第２面における算術平均粗さが、０．０１〜０．１μｍである請求項４に記載の切削インサート。
- 前記第１面における算術平均粗さが、０．０２〜０．５μｍである請求項４または５に記載の切削インサート。
- 前記被覆層がＴｉＮ層、ＴｉＭＮ層およびダイヤモンドライクカーボン層のいずれかを含有する請求項１乃至６のいずれか記載の切削インサート。
- ホルダの先端に設けられたインサートポケットに請求項１乃至７のいずれか記載の切削インサートを装着した切削工具。
- 被切削物を回転させる工程と、回転している前記被切削物に請求項８の切削工具の前記切刃を接触させる工程と、前記切削工具を前記被切削物から離す工程とを備えた切削加工物の製造方法。
- 前記切刃を接触させる工程において、切削速度が５０ｍ／分〜２５０ｍｍ／分、切り込みが０．０５ｍｍ〜３．０ｍｍ、送りが０．０５ｍｍ／ｒｅｖ〜０．４ｍｍ／ｒｅｖである請求項９記載の切削加工物の製造方法。
- 前記被切削物が低炭素鋼またはアルミニウム合金鋼である請求項９または１０記載の切削加工物の製造方法。
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