TWI825581B - 經氮化處理之切削螺絲攻及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種切削螺絲攻，該切削螺絲攻可抑制螺絲攻加工時的崩刃或磨耗且耐久性高。
在氮化處理步驟P2中，於加熱下形成使環境氣體中所含氮原子自切削螺絲攻之工具母材表面擴散開的氮擴散層後，在搪磨處理步驟P3中，令研磨粒子衝擊切削螺絲攻之工具母材之切刃部，使切刃部被圓化而除去刀尖。於切刃部藉由來自刀腹面之擴散與來自切削斜面之擴散而預先厚厚地形成氮擴散層，且切刃部之刀尖之氮濃度及硬度相對較高，機械性脆弱。因此，藉由除去機械性脆弱的刀尖，可獲得切削螺絲攻之切刃部磨耗或崩刃減少而可長期保持良好切削性之工具性能。
Description
發明領域
本發明是有關於一種切削螺絲攻及其製造方法，尤其是有關於一種可提升經氮化處理之切削螺絲攻之使用壽命的技術。
背景技術
例如附直槽之螺絲攻、附螺旋槽之螺絲攻、附先端溝槽之螺絲攻、管用螺絲攻、螺紋銑刀等具有切刃之切削螺絲攻，會希望切刃無磨耗或崩刃而可長期保持良好切削性之工具性能。具有此種工具性能的切削螺絲攻可減少像是加工中心機這種工作盤的工具交換次數，加工效率會提高。
對此，專利文獻1中提出一種切削螺絲攻，其錐狀吃入部隨著從吃入部前端朝向完整螺牙部作成從削去頂部之不完整螺牙形狀到完整螺牙形狀，吃入部之螺牙經螺紋槽或直線溝槽於周方向上分隔，且於該經分隔之螺牙之一端部，即，藉由分隔而形成的其中一端面，具有沿著螺紋槽或直線溝槽而形成的切刃，該切削螺絲攻中，為了抑制切削中切刃發生崩刃(切刃產生細小缺損)，會對切刃施行R角倒角。然而，已施行R角倒角的切刃因硬度不足而無法充分獲得切削螺絲攻之耐久性。
對此，專利文獻2中記載，為了抑制雖非切削螺絲攻但具有切刃的工具(別針)之崩刃或折損，對切刃施行表面硬化處理(氣體氮化)，該處理係比在切削方向上相互鄰接的切刃間之高低差h大50μm左右的厚度d，然後，於後處理時使用微噴砂處理來除去表面之白層，以防止所塗佈硬質被膜之剝離。
先前技術文獻
專利文獻
專利文獻1：日本特開2008-272856號公報
專利文獻2：日本特開2020-131310號公報
發明概要
然而，如專利文獻2中記載這般施行利用氣體氮化之表面硬化處理並且對該表面硬化後的表面整體施行微噴砂處理的步驟，即便將其應用在切削螺絲攻，仍容易發生切刃之缺損，無法充分獲得切削螺絲攻之耐久性。
本發明是以上述情形為背景而完成，其目的在於提供一種切削螺絲攻，該切削螺絲攻可獲得該切削螺絲攻之切刃少有磨耗或崩刃而可長期保持良好切削性之工具性能。
本案發明人等以上述情形為背景反覆進行各種探討，結果注意到，若使用金屬顯微鏡來觀察對包含切削螺絲攻切刃在內之截面使用腐蝕液而促進氮擴散層之腐蝕後之狀態，則氮擴散層會以黑色來顯現，且承受來自刀腹面及切削斜面之擴散的切刃部，會形成較其他表層更厚的氮擴散層。一般而言，氮擴散層具有以下性質：從表面越往內部側，形成氮濃度及硬度之梯度。在切刃部之刀尖，氮濃度及硬度會較其他部分更高，因此，設想為越往刀尖越脆弱，由此發現，若在對切削螺絲攻施行利用氣體氮化之表面硬化處理後利用搪磨處理來除去切刃之刀尖部，相較於例如在搪磨處理後再施行利用氣體氮化之表面硬化處理之情形，切削螺絲攻會顯示出格外高的耐久壽命。本發明是基於前述見解而成。
即，第1發明之要旨在於一種具有氮擴散層之切削螺絲攻之製造方
法，該製造方法包含以下步驟：氮化處理步驟，其係於加熱下形成使環境氣體中所含氮原子自前述切削螺絲攻之母材表面擴散開的氮擴散層；及搪磨處理步驟，其係令研磨粒子衝擊業經前述氮化處理步驟的前述切削螺絲攻之前述母材之切刃部來圓化前述切刃部。
又，第2發明之要旨在於一種具有氮擴散層之切削螺絲攻，在且前述切削螺絲攻之切刃部的前述氮擴散層厚度與在不同於前述切刃部之其他部分的前述氮擴散層厚度之差在5μm以內。
依據第1發明之經氮化處理之切削螺絲攻之製造方法，包含以下步驟：氮化處理步驟，其係於加熱下形成使環境氣體中所含氮原子自前述切削螺絲攻之母材表面擴散開的氮擴散層；及搪磨處理步驟，其係令研磨粒子衝擊業經前述氮化處理步驟的前述切削螺絲攻之前述母材之切刃部來圓化前述切刃部。於切刃部藉由來自刀腹面之擴散及來自切削斜面之擴散而厚厚地形成氮擴散層，且切刃部之刀尖之氮濃度及硬度相對較高，機械性脆弱。因此，藉由除去此種機械性脆弱的刀尖，可獲得切削螺絲攻之切刃部磨耗或崩刃減少而可長期保持良好切削性之工具性能，同時氮擴散層之厚度均勻化。
依據第2發明之具有氮擴散層之切削螺絲攻，在前述切削螺絲攻之切刃部的前述氮擴散層厚度與在不同於前述切刃部之其他部分的前述氮擴散層厚度之差在5μm以內。因此，切刃部之氮濃度及硬度不會如此之高，機械性脆弱度也無那般差異，於是便可獲得切削螺絲攻之切刃部磨耗或崩刃減少而可長期保持良好切削性之工具性能。
在此，較為理想的是前述氮化處理步驟中，於在氨氣環境下保持於500℃以上且550℃以下之溫度的氣體環境爐內，實施前述切削螺絲攻之母材之氮化處理。
又，較為理想的是前述搪磨處理步驟中，使用壓縮空氣令前述研磨粒子局部衝擊前述切刃部，藉此除去前述切刃部之刀尖。
又，較為理想的是前述搪磨處理步驟中，藉由除去前述切刃部之刀尖，令在前述刀尖部的前述氮擴散層之厚度比除去前述切刃部之刀尖前的前述氮擴散層之厚度減少，並且接近形成於前述刀尖部以外之表面的前述氮擴散層之厚度。
又，較為理想的是前述搪磨處理步驟中除去前述切刃部之刀尖後，形成於前述切削螺絲攻表面的前述氮擴散層之厚度為10μm以上且30μm以下之厚度，且前述切削螺絲攻之表面硬度為950HV以上且1050HV以下。
又，較為理想的是前述切刃部之刀腹面與切削斜面間之角度為銳角。
10:螺旋螺絲攻(切削螺絲攻)
12:柄部
14:頸部
16:螺紋部
18:螺牙
20:螺旋槽
22:吃入部
24:完整螺牙部
28:切刃部
30:切削斜面(不同於切刃部之其他部分)
32:刀腹面(不同於切刃部之其他部分)
34:刀尖
36:工具母材(母材)
38:氮擴散層
A1:旋轉方向
CL:旋轉中心線
N:噴嘴
P1:螺絲攻磨削步驟
P2:氮化處理步驟
P3:搪磨處理步驟
t1,t2:厚度
△t:差
α:刀尖角
圖1為顯示適合應用本發明之3片刀刃螺旋螺絲攻之圖。
圖2為II-II截面視圖，其顯示圖1之螺旋螺絲攻之吃入部中與旋轉中心線呈直角的截面。
圖3為放大說明圖1之螺旋螺絲攻中搪磨處理前的切刃部之圖。
圖4為放大顯示圖1之螺旋螺絲攻中搪磨處理前的切刃部之金屬顯微鏡照片。
圖5為放大說明圖1之螺旋螺絲攻中搪磨處理後的切刃部之圖。
圖6為放大顯示圖1之螺旋螺絲攻中搪磨處理後的切刃部之金屬顯微鏡照片。
圖7為步驟圖，其說明圖1之螺旋螺絲攻之製造步驟的主要部分。
圖8為顯示表2-1之切削試驗結果之圖表，其可比較每種試料之切削次數。
圖9為金屬顯微鏡照片，其放大顯示表2-1之試料2之切刃部作為崩刃之一例。
圖10為顯示表3-2之切削試驗結果之圖表，其可比較每種試料之切削次數。
用以實施發明之形態
以下，參照圖式詳細說明本發明之實施例。另，以下實施例中圖式會適當簡化或變形，各部之尺寸比及形狀等未必會正確地描繪。
實施例
圖1為顯示適合應用本發明之3片刀刃螺旋螺絲攻10之圖。圖2為圖1之螺旋螺絲攻10之吃入部22的截面，且為圖1之II-II截面視圖。螺旋螺絲攻10是舉出作為切削螺絲攻之一例，且依序於旋轉中心線CL上一體具備柄部12、頸部14及螺紋部16。於螺紋部16設置有與欲加工之內螺紋相對應的螺紋槽形狀之外螺紋，同時環繞旋轉中心線CL以等間隔形成有3條螺旋槽20以分隔該外螺紋。
螺紋部16具備：前端側之吃入部22，其外螺紋之螺牙18於軸方向上被除去成錐狀；及完整螺牙部24，其接連著該吃入部22而設置且具有完整形狀之螺牙18。於吃入部22之螺牙及完整螺牙部24之螺牙與螺旋槽20之稜線部分，且為螺牙之旋轉方向A1側之稜線部分形成有切刃部28。本實施例中，螺旋槽20為右旋，並且越過螺紋部16而遍及頸部14之大致全區域來設置。如圖2所示，形成於吃入部22的切刃部28為夾持於凹圓弧狀之切削斜面30與凸圓弧狀之刀腹面32之區域中的前端部，且刀尖角α為銳角。
圖3為氮化處理(後述氮化處理步驟P2)後、搪磨處理(後述搪磨處理步驟P3)前的螺旋螺絲攻10之切刃部28之放大截面圖，圖4為氮化處理後、搪磨處理前的切刃部28之放大照片。又，圖5為氮化處理後、搪磨處理後的螺旋螺絲攻10之切刃部28之放大截面圖，圖6為氮化處理後、搪磨處理後的切刃部28之放大照片。另，圖4及圖6為利用腐蝕液令螺旋螺絲攻10之截面腐蝕並拍攝已藉金屬顯微鏡放大的放大影像之照片。圖4及圖6中，氮擴散層38比工具母材36更容易腐
蝕，在金屬顯微鏡照片中顯現出相對上較黑。
切刃部28中，施行了例如利用搪磨(R角搪磨)加工的R角倒角，而如圖5所示放大截面圖及圖6所示放大照片所示，在利用磨削等的成形步驟時形成於工具母材36的尖銳刀尖34被除去。如圖5及圖6所示，在切刃部28的氮擴散層38之厚度t1與在不同於切刃部28之其他部分(刀腹面32或切削斜面30)的氮擴散層38之厚度t2之差在5μm以內。在上述切刃部28的氮擴散層38之厚度t1是在刀尖角α之半角(α/2)方向測得之值，在上述刀腹面32或切削斜面30的氮擴散層38之厚度t2則是與刀腹面32或切削斜面30呈直角方向的值。
圖7是顯示螺旋螺絲攻10之製造步驟的主要部分。螺絲攻磨削步驟P1中，於例如高速工具鋼製棒狀工具母材36上，利用螺紋輪磨形成螺牙18，且藉由溝槽磨削而形成螺旋槽20，並藉由去螺牙磨削而形成吃入部22。又，視需要，對工具母材36施行淬火。
接著，在氮化處理步驟P2中，於例如在氨氣環境下保持500℃以上且550℃以下之溫度的氣體環境爐內施行氣體氮化，藉此，如圖3所示放大截面圖及圖4所示放大照片，會於工具母材36之表面以例如10μm至30μm左右之厚度形成氮擴散層38。形成有該氮擴散層38的工具母材36之表面硬度例如為950HV以上且1050HV以下(JIS Z 2244：2009)。該維氏硬度HV之測定中使用了0.3Kgf之壓陷負載。
又，在搪磨處理步驟P3中，Al2O3、SiC等研磨粒子會與壓縮空氣一同自噴嘴N朝經氮化處理之切刃部28之前端、亦即刀尖34局部噴射，使刀尖34被除去，而使切刃部28之前端被圓化。藉此，切刃部28之氮擴散層38之厚度t1與刀腹面32或切削斜面30等之氮擴散層38之厚度t2間之差可設為5μm以內。即，施行搪磨加工。圖5所示放大截面圖及圖6所示放大照片是顯示該狀態。上述噴嘴N之方向宜為刀尖34之刀尖角α之半角(α/2)方向。
[切削試驗1]
本案發明人等如表2所示般來作成試料1至試料6，該等試料1至試料6係與螺旋螺絲攻10相同之材質及形狀，但表面處理及搪磨加工卻不相同，針對每一試料各2支，於以下表1所示切削試驗條件下進行切削(內螺紋加工)，每100孔觀察工具(試料)來掌握損傷狀態，並且進行評價。又，在從有無缺損或磨耗大小的狀態判斷為難以繼續使用之時間點，判斷為已達使用壽命，並且記錄此時的加工數(加工孔數)之值。
(表2-1)
表2-1是顯示使用複數種類之螺旋螺絲攻來進行切削試驗1之結果的圖表，其顯示切削試驗1之試驗結果，圖8則為顯示表2-1之試驗結果所示加工數之圖表，其可就每種試料進行對比。又，圖9為放大顯示試料2之切刃部28的金屬顯微鏡照片，其為崩刃之一例。
表2-1及圖8中，試料1是在最普遍的螺旋螺絲攻規格中迄今所使用之物，且未施行搪磨加工及氮化處理。該試料1中，刀尖34發生微小之刀刃缺口，以其為起點之磨耗變大。第1支之使用壽命(加工數)為700，第2支之使用壽命(加工數)為600。
試料2是為了提高試料1之耐磨耗性而進行了與氮化處理步驟P2相同的氮化處理。該試料2在發揮耐磨耗性之前便已發生切刃部28之刀尖34之折損、崩刃，因此相較於試料1使用壽命大幅縮短。
試料3是施行搪磨加工作為試料1刀刃缺口的因應對策。依據該試料3，雖然刀刃缺口會受到抑制，但由於搪磨加工，從新品時即產生初始磨耗，因此磨耗會大於試料1，故而耐久性差。
試料6雖與試料5相同地施行搪磨加工及氮化處理，但相較於試料5，氮化處理是在搪磨加工後施行，在此點上是不同的。該試料6中，切刃部28之刀尖34會被除去，但由於在除去刀尖34後才施行氮化處理，因此，切刃部28之氮擴散層38之厚度t1會比其他刀腹面32或切削斜面30之厚度t2更大，在切刃部28之表面，氮濃度及硬度高而脆弱，因此缺損的抑制效果有限。吾人推論由於氮濃度
及硬度是從表面以指數函數方式改變，因此，即便是較些微的氮擴散層38之厚度差，影響仍大。
相對於此，氮化處理是在搪磨加工前施行的試料4及試料5，即使於900次加工後，亦無切刃部28之損傷，且磨耗亦少，因此判斷為可繼續加工，且於該900次時結束切削試驗。吾人推論這是因為氮濃度及硬度相對較高且機械性脆弱的切刃部28之刀尖34會利用氮化處理後的搪磨加工而被除去，因此氮擴散層38會均勻化，故而使得切削螺絲攻10之切刃部28無磨耗或崩刃而可長期保持良好之切削性。
[切削試驗2]
其次，本案發明人等如表3所示般來作成試料A、試料B、試料C、試料D、試料E，該等試料A、試料B、試料C、試料D、試料E係與螺旋螺絲攻10相同材質及形狀，並且施行前述氮化處理及搪磨加工，同時改變了工具母材36表面(不同於切刃部28之其他部分)的氮擴散層38之厚度t2與切刃部28表面的氮擴散層38之厚度t1之差△t(=｜t1-t2｜)。又，針對每一試料各2支試料，於前述表1所示切削試驗條件下進行切削(內螺紋加工)，每100孔觀察工具(試料)來掌握損傷狀態，並且進行評價。又，從有無缺損或磨耗大小的狀態，在判斷為難以繼續使用之時間點判斷為已達使用壽命，並且記錄此時的加工數(加工孔數)之值。另，表3之「厚度差」之項目表示t1-t2。
表3-1是顯示使用複數種類之螺旋螺絲攻來進行切削試驗2之結果的圖表，其顯示切削試驗2之試驗結果。圖10為顯示表3-1之試驗結果所示加工數之圖表，其可就每種試料進行對比。
表3-1及圖10中，試料1是在最普遍的螺旋螺絲攻規格中迄今所使用之物，且未施行搪磨加工及氮化處理。該試料1中，刀尖34發生微小之刀刃缺口，以其為起點之磨耗變大。第1支之使用壽命(加工數)為700，第2支之使用壽命(加工數)為600。
試料2是為了提高試料1之耐磨耗性而進行了與氮化處理步驟P2相同的氮化處理者，且厚度t1與厚度t2之差△t為13μm。該試料2在發揮耐磨耗性之前便已發生切刃部28之刀尖34之崩刃、折損，因此相較於試料1使用壽命大幅縮短。
試料A是對試料2輕微施行搪磨加工作為後處理，其結果，厚度t1與厚度t2之差△t為9μm。該試料A因作為後處理的搪磨加工不足，因此發生了折損或崩刃。
試料B及試料C是對試料2適當施行後處理之搪磨加工(搪磨處理步驟P3)，且厚度t1與厚度t2之差△t分別為5μm及1μm。試料B及試料C即使於900次加工後，亦無切刃部28之損傷，且磨耗亦少，因此判斷為可繼續加工，且於該
900次時結束切削試驗。
試料D是對試料2稍微過度地施行後處理之搪磨加工，其結果，厚度t1與厚度t2之差△t為5μm(t1-t2=-5μm)。該試料D在900次加工後並無切刃部28之損傷，但由於磨耗大，因此判斷為無法繼續進一步之加工，雖然如此，耐磨耗性仍優於試料1。吾人推論這是因為氮濃度及硬度相對較高且機械性脆弱的切刃部28之刀尖34會經由氮化處理後的搪磨加工而被除去，且厚度t1與厚度t2之差△t(絕對值)在5μm以內，因此氮擴散層38均勻化，故而使得切削螺絲攻之切刃部28無磨耗或崩刃而可長期保持良好之切削性。
試料E是對試料2過度地施行後處理之搪磨加工，其結果，厚度t1與厚度t2之差△t為9μm(t1-t2=-9μm)。該試料D之耐磨耗性不足，與試料1相同，若大於700次，磨耗會變得過大。
如上述，依據本實施例之螺旋螺絲攻(切削螺絲攻)10之製造方法，在氮化處理步驟P2中，於加熱下形成使環境氣體中所含氮原子自切削螺絲攻之工具母材36表面擴散開的氮擴散層38後，在搪磨處理步驟P3中，令研磨粒子衝擊切削螺絲攻之工具母材36之切刃部28，使切刃部28被圓化而除去刀尖34。於切刃部28藉由來自刀腹面32之擴散與來自切削斜面30之擴散而預先厚厚地形成氮擴散層38，且切刃部28之刀尖34之氮濃度及硬度相對較高，機械性脆弱。因此，藉由除去此種機械性脆弱的刀尖34，可獲得在切削螺絲攻之切刃部28的磨耗或崩刃減少而可長期保持良好切削性之工具性能，同時氮擴散層38之厚度均勻化。
又，依據本實施例之螺旋螺絲攻(切削螺絲攻)10，在螺旋螺絲攻10之切刃部28的氮擴散層38厚度t1與在不同於切刃部28之其他部分(刀腹面32或切削斜面30)的氮擴散層38厚度t2之差△t(絕對值)在5μm以內。因此，切刃部28之氮濃度及硬度不會如此之高，機械性脆弱度也無那般差異，因此，可獲得在螺旋螺絲攻10之切刃部28的磨耗或崩刃減少而可長期保持良好切削性之工具性能。
以上，基於圖式詳細說明本發明之實施例，惟本發明亦可應用在其他態樣中。
舉例言之，於前述實施例之切削螺絲攻(螺旋螺絲攻10)上形成有螺旋槽20，惟溝槽形狀亦可為直槽或螺旋先端溝槽。又，本發明之切削螺絲攻亦可為具直槽之螺絲攻、具螺旋槽之螺絲攻、螺紋銑刀等，只要是具有切刃之旋轉切削工具即可。
又，前述實施例之切削螺絲攻(螺旋螺絲攻10)是由3片刀刃構成，惟刀刃數並無特殊限制。又，本發明之切削螺絲攻可使用例如高速工具鋼或超硬合金鋼等各種工具材料(工具母材36)來構成，亦可視需要於氮擴散層38上被覆AlCrN等硬質被膜。
又，前述實施例之氮化處理步驟P2是進行氣體氮化，惟除了氣體氮化外，亦可使用氣體軟氮化、離子氮化、鹽浴氮化、電漿氮化等。
又，前述實施例之搪磨處理步驟P3是對切刃部28局部施行使用磨粒之噴砂處理，藉此除去切刃部28之刀尖34，惟亦可施行使用玻璃珠之噴砂處理，且亦可實行使用鋼球等其他材料之噴砂處理。
又，搪磨處理步驟P3是令研磨粒子與壓縮空氣一同噴射，惟亦可與液體一同噴射，也可以與研磨片一同於滾筒槽內進行滾筒研磨。滾筒研磨並非局部研磨，但切削螺絲攻10之尖銳刀尖34會優先除去。又，研磨粒子可為Al2O3、SiC等磨粒，惟亦可使用玻璃粒子、鋼球等。
另，上述畢竟是一實施形態，本發明可基於該發明所屬技術領域中具有通常知識者的知識加入各種變更、改良而以該態樣來實施。
P1:螺絲攻磨削步驟
P2:氮化處理步驟
P3:搪磨處理步驟
Claims (3)
- 一種經氮化處理之切削螺絲攻之製造方法，特徵在於該切削螺絲攻具有氮擴散層，並且該切削螺絲攻之製造方法包含以下步驟：氮化處理步驟，其係於加熱下以10μm至30μm之厚度形成氮擴散層，該氮擴散層係環境氣體中所含氮原子自前述切削螺絲攻之母材表面擴散而成；及搪磨處理步驟，其係令研磨粒子局部性地衝擊業經前述氮化處理步驟的前述切削螺絲攻之前述母材之切刃部，而以令前述切刃部之氮擴散層厚度與挾持前述切刃部之刀腹面及切削斜面之氮擴散層厚度的差為5μm以內之方式來圓化前述切刃部。
- 如請求項1之經氮化處理之切削螺絲攻之製造方法，其中前述搪磨處理步驟使用從前述切刃部之刀尖角的半角方向朝前述切刃部噴射前述研磨粒子之噴嘴。
- 一種經氮化處理之切削螺絲攻，特徵在於其具有氮擴散層，並且，前述切削螺絲攻之切刃部的前述氮擴散層厚度與切削斜面及刀腹面中不同於前述切刃部之其他部分的前述氮擴散層厚度之差係在5μm以內；前述切刃部之氮擴散層厚度係前述切刃部之刀尖角之半角方向的厚度，前述其他部分之氮擴散層厚度係與前述其他部份之表面呈直角方向的厚度。
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