WO2020184668A1

WO2020184668A1 - インサートおよび切削工具

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Publication number: WO2020184668A1
Application number: PCT/JP2020/010848
Authority: WO
Inventors: 充長谷川
Original assignee: 京セラ株式会社
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2020-09-17
Also published as: EP3939725A1; JP7238094B2; US20220143715A1; CN113573829A; CN113573829B; EP3939725A4; JPWO2020184668A1

Abstract

本開示のインサートは、第１面と、第１面に繋がる第２面と、第１面および第２面の稜線の少なくとも一部に位置する切刃と、を具備する基体を有する。第１面は、稜線から離れた位置に、稜線に対して、２０°以上、９０°以下の角度で、延びた複数の溝を有する。溝は、稜線から４０μｍ以上、７００μｍ以下の範囲で離間し、幅Ｗが５０μｍ以上、７００μｍ以下であり、深さＤが２０μｍ以上、７００μｍ以下である。隣り合う溝の間隔Ｓが５０μｍ以上、７００μｍ以下である。本開示の切削工具は、第１端から第２端に亘る長さを有し、第１端側にポケットを有するホルダと、ポケットに位置する前述のインサートを有する。

Description

インサートおよび切削工具

　本開示は、インサートおよび切削工具に関する。

　超硬合金やサーメット、セラミックスは、耐熱性及び耐摩耗性に優れた材料であることから、切削工具用のインサートとして用いられている。インサートは使用時に高速で被削材と接触するため、温度が上昇する。

　そのため、切削加工時には、冷却液を用いてインサートと被削材を冷却することが行われている。このような冷却効果を高くする目的で、特許文献１では、インサートのすくい面に冷却液の流路として機能する複数の溝を設けている。

特許第５８４３１０２号

　本開示のインサートは、第１面と、第１面に繋がる第２面と、第１面および第２面の稜線の少なくとも一部に位置する切刃と、を具備する基体を有する。第１面は、稜線から離れた位置に、稜線に対して、２０°以上、９０°以下の角度で、切刃に最も近い端部である第１端部から、切刃から最も離れた端部である第２端部に向かって延びた複数の溝を有する。溝は、稜線から４０μｍ以上、７００μｍ以下の範囲で離間している。溝は、溝の幅Ｗが５０μｍ以上、７００μｍ以下である。溝は、深さＤが２０μｍ以上、７００μｍ以下である。隣り合う溝の間隔Ｓが５０μｍ以上、７００μｍ以下である。本開示の切削工具は、第１端から第２端に亘る長さを有し、第１端側にポケットを有するホルダと、ポケットに位置する前述のインサートを有する。

本開示のインサートの一例を示す斜視図である。本開示のインサートの一例を示す上面図である。本開示のインサートの一例を示す上面における要部の拡大図である。本開示のインサートの一例を示す要部の断面図である。本開示のインサートの一例を示す上面における要部の拡大図である。本開示のインサートの溝の一例を示す概略図である。本開示のインサートの一例を示す要部の拡大図である。本開示のインサートの一例を示す要部の断面図である。本開示の切削工具の一例を示す平面図である。本開示の切削工具の一例を示す平面図である。

＜インサート＞
　以下、本開示のインサートについて、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、各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。

　図１に示すインサート１は、ホルダ（図示しない）の先端の所定の位置に取り付けられて使用される刃先交換型の切削インサートの一例である。インサート１は、超硬合金やサーメットなどからなる基体３を有する。インサート１は、ＷＣと、結合相であるＣｏやＮｉ、Ｆｅを含有する、いわゆる超硬合金からなる基体３を具備していてもよい。このような基体３を用いると、Ｔｉを含有する金属との耐溶着性に優れる。

　ＷＣとは、ＷＣ粒子のことである。ＷＣ粒子は、例えば、平均粒径が０．５μｍ～１．５μｍであってもよい。結合相は、例えば、ＮｉやＣｏなどの鉄族金属を用いるとよい。基体３は、結合相を４～１２質量％含有していてもよい。基体３は、結合相以外の残部をＷＣのみとしてもよい。なお、本開示において、４～１２質量％のように、範囲を示す場合には、下限の値以上、上限の値以下の意味である。

　インサート１は、多角板形状であって、第１面５と、第１面５に繋がる第２面７とを有する。また、インサート１は、第１面５と第２面７の稜線８の少なくとも一部に位置する切刃９を有する。図１においては、第１面５がすくい面５に相当しており、第２面７が逃げ面７に相当している。以降の図面においても同様である。第１面５には、インサート１を後述するホルダに固定するため、インサート１を上下に貫通する貫通穴１９が設けられていてもよい。インサート１において切刃９は、少なくとも稜線８の一部に位置していればよく、２つの辺に相当する部分に位置してもよく、第１面５の外周部分の全体に環状に位置していてもよい。

　インサート１の大きさとしては特に限定されるものではないが、例えば、第１面５の一辺の長さが５～２０ｍｍ程度に設定され、第１面５から第１面５の反対側に位置する面（下面）までの高さは３～２０ｍｍ程度に設定される。

　本開示のインサート１は、図２の上面図に示すように、第１面５における稜線８から離れた位置に複数の溝１１を有している。溝１１は、稜線８に最も近い端部である第１端部１２ａから切刃９から最も離れた端部である第２端部１２ｂに向かって伸びている。これらの溝１１は、稜線８に対して、２０～９０°の角度θ１で位置している。溝１１の稜線８に対する角度とは、溝１１の進展方向と切刃９の交わる角度のうち、小さい方の角度である。なお、複数の溝１１のうち、少なくともひとつの溝１１が切刃９に対して、２０°以上、９０°以下の角度で位置していればよく、全ての溝１１が上記の関係を満たす必要はない。

　上記の角度を２０°以上、９０°以下とすることで、切りくずが溝１１に溜まりにくく、切りくずが溝１１に沿って排出されやすくなる。切刃９のうち、コーナー部１４に位置する溝１１の上記角度を９０°とするとよい。

　図２における溝１１－１は、切刃９に対して、約４５°の角度で位置している。

　溝１１は、稜線８から４０μｍ以上、７００μｍ以下の範囲で稜線８と離間している。言い換えると、溝１１と稜線８の間の距離は、４０μｍ以上、７００μｍ以下である。すなわち、溝１１は、稜線８とつながってはいない。溝１１と稜線８との距離を４０μｍ以上とすると、切刃９が欠損しにくくなる。溝１１と稜線８との距離を７００μｍ以下とすると、切削抵抗を小さくすることができる。

　溝１１と稜線８との距離は、５０μｍ以上、１２０μｍ以下としてもよい。このような構成を有すると、インサート１の切刃１１が欠損しにくく、切削抵抗も小さい。

　溝１１と稜線８との間の距離は、一つの溝１１と稜線８との最短距離を測定するとよい。なお、本開示のインサート１は、複数の溝１１のうち、一部が稜線８に連通するものを排除しない。

　図３は、第１面５を上面視した、切刃９近傍の拡大図である。図３の例では、溝１１は稜線８に対して９０°の角度で位置している。第１面５の表面に位置する溝１１の幅Ｗは、５０μｍ以上、７００μｍ以下である。

　図４は、切刃９である稜線８の近傍における、第１面５の表面に垂直なインサート１の断面である。溝１１は、底面１１ａと開口部１３とを有する。また、溝１１の第１端部１２ａ側には、底面１１ａと繋がる立ち上がり面１１ｂを有している。図４に示す溝１１の深さＤ（Ｄについては図４参照、深さは図３における奥行方向の長さ）は、２０μｍ以上、７００μｍ以下である。図３に示す、隣り合う溝１１の間隔Ｓは、５０μｍ以上、７００μｍ以下である。溝１１の幅Ｗおよび溝１１の深さＤは、平均値が上記の範囲にあればよい。

　本開示のインサート１は、上記の構成を有することで、切削抵抗が低く、耐欠損性に優れる。また、本開示のインサート１は、冷却性に優れることから高速切削加工を行うことができる。

　すなわち、インサート１が、上記の構成を有する溝１１を備えることで、すくい面５と被削材の削りくずとの摩擦が小さいため、切削抵抗が小さい。また、溝１１が稜線８にまで達していないため、切刃９の耐欠損性が優れる。そして、冷却液を切刃９に向けて供給した場合には溝１１が冷却液の流路となるため、高速での切削が可能となる。

　なお、溝１１の幅Ｗは、５０μｍ以上、２００μｍ以下であってもよい。溝１１の深さＤは、５０μｍ以上、２００μｍ以下であってもよい。また、隣り合う溝１１の間隔Ｓは、５０μｍ以上、２００μｍ以下であってもよい。

　なお、溝１１の第１端部１２ａの側には、立ち上がり面１１ｂが位置しているが、溝１１の第２端部１２ｂの側には、立ち上がり面がなくてもよい。例えば、図５に示すように第２端部１２ｂにおいて、溝１１が、他の空間、例えば凹部１５に連通しており、溝１１における第２端部１２ｂが解放されていてもよい。

　本開示のインサート１は、基体３の表面に、例えば、ＴｉＣＮ層（図示しない）やＡｌ₂Ｏ₃層（図示しない）を含有する被覆層（図示しない）を設けてもよい。　また、本開示のインサート１は、少なくとも、第１面５における切刃９や溝１１の近傍である第１領域１７において基体３が露出していてもよい。言い換えると、すくい面５における切刃９や溝１１の近傍においては、基体３の表面に被覆層が存在しなくてもよい。なお、第１領域１７とは切刃９、溝１１から０．５ｍｍ以内の領域をいう。さらに、基体３の全面において被覆膜が存在しなくてもよい。

　このような構成を有すると、溶着性の高い、例えば、チタンを含有する金属を加工する場合であっても、被削材がインサート１に溶着することを抑制することができる。

　本開示のインサート１は、溝１１の幅Ｗに対する、隣り合う溝１１の間隔Ｓの比（Ｓ／Ｗ）は、０．９以上、２．０以下であってもよい。このような構成を有すると、インサート１は、耐摩耗性と冷却性のバランスに優れる。

　また、溝１１の幅Ｗに対する、溝１１の深さＤの比（Ｄ／Ｗ）は、０．５～２．０であってもよい。このような構成を有すると、インサート１は、耐摩耗性と冷却性のバランスに優れる。また、溝１１に切りくずが溜まりにくく、インサート１の性能を維持しやすい。

　なお、本開示における溝１１の幅Ｗとは、図６（ａ）に示すように、溝１１が、第１端部１２ａから第２端部１２ｂにかけて略同じ幅Ｗを有する場合、溝１１を進展方向に５等分し、第１端部１２ａからみて２０～８０％の長さの領域Ｍ１における溝１１の幅Ｗの平均値を意味する。

　また、図６（ｂ）に示すように、溝１１が、第１端部１２ａから第２端部１２ｂにかけて、略一定の割合で溝の幅が変化する場合、溝１１を進展方向に５等分し、第１端１２ａからみて２０～６０％の長さの領域Ｍ２における溝１１の幅Ｗの平均値を意味する。

　また、溝１１の深さＤや、隣り合う溝１１の間隔Ｓについても、同様の基準で測定するとよい。このように溝１１のうち、第１端部１２ａに近い領域のＷを測定するのは、切刃９に近い領域の溝１１の幅Ｗが本開示のインサート１の範囲内であれば、本開示のインサート１の作用効果が発現するためである。

　また、図７に示すように、第１端部１２ａから０．５ｍｍ離れた位置における溝１１の幅をＷ１とし、第１端部１２ａから２．０ｍｍ離れた位置における溝１１の幅をＷ２としたとき、Ｗ１＜Ｗ２としてもよい。このような構成とすると、第１端部１２ａ付近で溝１１の幅が狭くなるため、冷却液が溝１１から勢いよく吐出されやすい。

　また、図８に示すように、第１端部１２ａから０．５ｍｍ離れた位置における溝１１の深さをＤ１とし、第１端部１２ａから２．０ｍｍ離れた位置における溝１１の深さをＤ２としたとき、Ｄ１＜Ｄ２としてもよい。このような構成とすると、第１端部１２ａ付近で溝１１の深さが浅くなるため、冷却液が溝１１から勢いよく吐出されやすい。

　また、溝１１は、（Ｄ２／Ｄ１）＞（Ｗ２／Ｗ１）の関係を充足してもよい。このような構成とすると、溝１１の深さＤの変化の方が、溝１１の幅Ｗの変化よりも大きいため、冷却液が溝１１から勢いよく吐出されやすい。

　溝１１の進行方向に直角に交差する基体３の断面における、溝１１の形状（以下、溝１１の断面形状ともいう）は、開口部１３の幅が底面１１ａの幅よりも広い形状であればよく、例えば、半円状、三角状、台形状であってもよい。

　このような溝１１をすくい面５に有するインサート１は、例えば、溝１１のないインサート形状の超硬合金を作製した後、例えば、ドリル加工やレーザ光を用いて本開示のインサート１における溝１１となるようにすくい面５に溝１１を形成してもよい。また、溝１１に対応する凸部を有する金型を用いて、焼成後に溝１１となる凹部を備えた成形体を作製し、その成形体を焼成することでインサート１を得ることもできる。

　なお、溝１１の形状は、例えば、形状解析レーザ顕微鏡を用いて測定することができる。本開示においては、ＫＥＹＥＮＣＥ社製ＶＫ－Ｘ１０００を用いて測定した。測定条件は、以下の条件とした。
測定モード：簡単測定
スキャンモード：フォーカスバリエーション
測定サイズ：標準
ピッチ：４．５０μｍ
明るさ：７０
ノイズ領域の処理を有効にする：ＯＮ
同軸落射：１００
リング照明：ＯＦＦ
Ｚ軸モード：推奨設定
Ｚ測定距離固定：ＯＦＦ
自動上下限：ＯＮ
ヘッド：Ｒ
対物レンズ名：Ｐｌａｎ
対物レンズ倍率：１０Ｘ
ＮＡ：０．３
ＷＤ：１６．５ｍｍ
明るさモード：オート
明るさ（オート）：７０
明るさ（マニュアル）：２
エッジ強調：５

　＜切削工具＞
　次に、本開示の切削工具について図面を用いて説明する。

　本開示の切削工具１０１は、図９に示すように、例えば、第１端（図９における上端）から第２端（図９における下端）に向かって延びる棒状体である。

　切削工具１０１は、図９に示すように、第１端（先端）から第２端に亘る長さを有し、第１端側に位置するポケット１０３を有するホルダ１０５と、ポケット１０３に位置する上記のインサート１とを備えている。切削工具１０１は、インサート１を備えているため、長期に渡り安定した切削加工を行うことができる。なお、図９においては溝１１の記載は省略している。

　ポケット１０３は、インサート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、着座面に対して垂直か、又は、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にはインサート１が位置している。このとき、インサート１の下面がポケット１０３に直接に接していてもよく、また、インサート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。

　インサート１は、すくい面５である第１面５及び逃げ面７である第２面７が交わる稜線８における切刃９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ホルダ１０５に装着される。本実施形態においては、インサート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、インサート１の貫通穴１９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、インサート１がホルダ１０５に装着されている。

　本開示の切削工具１０１は、切刃９に冷却液を供給するために、先端にノズルを設けたホース（図示しない）を備えていてもよい。そして、このホースには、冷却液を供給するためのポンプが接続されている。

　また、図１０に示すように、本開示の切削工具１０１は、切刃９に冷却液を供給するためのノズル１２０をホルダ１０５に備えていてもよい。ノズル１２０の噴出口がインサート１の近傍に位置すると切刃９に冷却液を供給しやすくなる。ノズル１２０は、ホルダ１０５の一部に固定されていてもよい。また、図１０に示すようにホルダ１０５に穴を設け、ノズル１２０として用いてもよい。ノズル１２０から吐出する冷却液は、例えば、水性のものであってもよく、油性のものであってもよい。

　ノズル１２０は、ポンプ（図示しない）に接続されており、例えば、０．５～２０ＭＰａの圧力で吐出されるとよい。特に、圧力を１０ＭＰａ以上とすると、より高速での加工が可能となる。

　ホルダ１０５の材質としては、鋼、鋳鉄などを用いることができる。これらの部材の中で靱性の高い鋼を用いてもよい。

　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などが挙げられる。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インサート１を用いてもよい。

　以下に本開示のインサートの実施例を示す。本開示のインサートは、ＷＣと結合相を有する超硬合金からなる基体を具備している。

　この例では、ＳＮＧＮ１２０４０８の形状の基体のすくい面に種々の溝を形成した。なお、比較例として、溝のないインサートも作製した。

　種々の形態を有するインサートを用いて、被削材（Ｔｉ－６Ａｌ－４Ｖ）を切削して、溝の形態とインサートの寿命との関係を調べた。また、ノズルから吐出する切削液の圧力とインサートの寿命との関係も調査した。

　表１に、溝の有無、溝の形態、用いたインサートの種類と、切削液の圧力、切削評価を示す。なお、溝と切刃との関係は、図１、２に示すように、コーナー部に向かって溝が延びる形態とした。

　なお、以下に切削条件を記載する。
＜切削条件＞
切削速度：１００ｍ／分
送り速度：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：０．５ｍｍ
その他　：水溶性切削液使用
切削液圧力：１０ＭＰａ
評価項目：剥離の発生または刃先が脱落したときの切削時間

　なお、表１に示す試料は、全て、基体の表面が露出しており、いわゆる被覆膜を設けていない。被覆膜を設けた試料でも、同様の評価を行ったが、被覆膜を設けない場合に比べて、溶着性が劣る結果となった。

　本開示の構成を有するインサートおよび切削工具は、切削寿命が長い。なお、表１における試料Ｎｏ．２を用いて、切削液圧力と加工距離の関係を調べたところ、切削圧力が大きいほど、加工距離は長くなった。また、切削圧力が、１０ＭＰａ以上の場合、加工距離の変化は小さかった。

　本開示のインサート及びこれを用いた切削工具は、上述の形態に限定されず、本開示の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよい。

　１・・・インサート
　３・・・基体
　５・・・第１面、すくい面
　７・・・第２面、逃げ面
　８・・・稜線
　９・・・切刃
１１・・・溝
１１―１・溝
１１ａ・・底面
１１ｂ・・立ち上がり面
１２ａ・・第１端部
１２ｂ・・第２端部
１３・・・開口部
１４・・・コーナー部
１５・・・凹部
１７・・・第１領域
１９・・・貫通穴
１０１・・切削工具
１０３・・ポケット
１０５・・ホルダ
１０７・・固定ネジ
１２０・・ノズル
Ｗ・・・・溝の幅
Ｗ１・・・第１端部から０．５ｍｍ離れた位置における溝の幅
Ｗ２・・・第１端部から２．０ｍｍ離れた位置における溝の幅
Ｄ・・・・溝の深さ
Ｄ１・・・第１端部から０．５ｍｍ離れた位置における溝の深さ
Ｄ２・・・第１端部から２．０ｍｍ離れた位置における溝の深さ
Ｓ・・・・隣り合う溝間の間隔
θ１・・・溝の稜線に対する角度

Claims

　第１面と、該第１面に繋がる第２面と、前記第１面および前記第２面の稜線の少なくとも一部に位置する切刃と、を具備する基体を有するインサートであって、
　前記第１面は、前記稜線から離れた位置に、前記稜線に対して、２０°以上、９０°以下の角度で、前記切刃に最も近い端部である第１端部から、前記切刃から最も離れた端部である第２端部に向かって延びた複数の溝を有し、
　該溝は、開口部と、底面とを有し、
　前記溝は、前記稜線から４０μｍ以上、７００μｍ以下の範囲で離間しており、
　前記溝は、溝の幅Ｗが５０μｍ以上、７００μｍ以下であり、深さＤが２０μｍ以上、７００μｍ以下であり、隣り合う前記溝の間隔Ｓが５０μｍ以上、７００μｍ以下である、インサート。
　前記溝の幅Ｗに対する、隣り合う溝の間隔Ｓの比（Ｓ／Ｗ）は、０．９～２．０である、請求項１に記載のインサート。
　前記溝の幅Ｗに対する、前記溝の深さＤの比（Ｄ／Ｗ）は、０．５～２．０である、請求項１または２に記載のインサート。
　前記第１端部から０．５ｍｍ離れた位置における前記溝の幅をＷ１とし、前記第１端部から２．０ｍｍ離れた位置における溝の幅をＷ２としたとき、Ｗ１＜Ｗ２の関係を充足する、請求項１～３のいずれかに記載のインサート。
　前記第１端部から０．５ｍｍ離れた位置における前記溝の深さをＤ１とし、前記第１端部から２．０ｍｍ離れた位置における溝の深さをＤ２としたとき、Ｄ１＜Ｄ２の関係を充足する、請求項１～４のいずれかに記載のインサート。
　前記第１端部から０．５ｍｍ離れた位置における前記溝の幅をＷ１とし、前記第１端部から２．０ｍｍ離れた位置における溝の幅をＷ２とし、前記第１端部から０．５ｍｍ離れた位置における前記溝の深さをＤ１とし、前記第１端部から２．０ｍｍ離れた位置における溝の幅をＤ２としたとき、
　（Ｄ２／Ｄ１）＞（Ｗ２／Ｗ１）の関係を充足する、請求項１～５のいずれかに記載のインサート。
　（Ｄ２／Ｄ１）／（Ｗ２／Ｗ１）は、１．５以上である、請求項７に記載のインサート。
　前記溝の最大幅は、前記開口部の幅である、請求項１～７のいずれかに記載のインサート。
　前記基体が、ＷＣを含む硬質相と、Ｃｏを含む結合相とを含む、請求項１～８のいずれかに記載のインサート。
　前記切刃および前記溝から０．５ｍｍ以内の範囲である前記第１面の第１領域において、前記基体が露出している、請求項１～９のいずれかに記載のインサート。
　第１端から第２端に亘る長さを有し、前記第１端側に位置するポケットを有するホルダと、
　前記ポケットに位置する請求項１～１０のいずれかに記載のインサートと、を有する切削工具。
　前記ホルダは、冷却液が流通する流路を有する、請求項１１に記載の切削工具。