JP2004122264A

JP2004122264A - 被覆切削工具

Info

Publication number: JP2004122264A
Application number: JP2002287793A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Murakami; 村上　大介; Hideki Moriguchi; 森口　秀樹
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】一般にマイクロメートル単位の高精度な部品の旋削加工において、良好な加工面品位が得られ、かつ溶着による寸法バラツキの小さい被覆切削工具を提供する。
【解決手段】本発明の被覆切削工具は、切れ刃のすくい面と逃げ面にコーティング層が形成され、そのすくい面のコーティング層の膜厚が０．４〜３μｍで、且つ逃げ面の膜厚が１μｍ以下である。この被覆切削工具を用いることによって、すくい面の溶着を防止し、かつ逃げ面の摩耗による加工面の白濁を防止できるので、高精度でかつ良好な加工面品位が長時間保たれる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器部品などのようにマイクロメーター単位の高い精度が要求される分野での利用に最適な被覆切削工具に関するものである。特に、切れ味に優れ、良好な加工面粗さと形状精度を得ることのできる被覆切削工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般にマイクロメートル単位の高い精度が要求される時計や、カメラ、電子機器部品の旋削加工では、寸法精度や加工面の表面粗さはもちろん、虹色に輝くような光沢のある加工面が要求される。しかし、近年の電子機器等の小型化に伴って、それらの部品についても、高い表面粗さ精度や、形状精度などが要求されるようになってきた。これらの高精度部品加工用の工具では、少なくとも切れ刃にＴｉＡｌＮやＴｉＣＮなどが被覆されたコーティングチップが広く使用されている。さらに詳しくは、これらの分野のコーティングチップでは主にＰＶＤ（物理的蒸着）法によりコーティングがなされた被覆切削工具が使用される場合が多い。（例えば、特許文献１参照）
【０００３】
しかし、一般的なＰＶＤコーティングチップでは、３〜５μｍ程度の厚みのコーティング層が被覆されるが、すくい面のコーティング層の厚みに相当する分の切れ刃先端部に丸みが生じて切れ味が低下する問題がある。また、特に加工面の面粗さが小さいことを強く要求される加工では、逃げ面のコーティング層の厚さが厚いと摩耗している部分と摩耗していない部分に段差が生じて、仕上げ面粗さを増大させるなどの問題があった。従って、高精度加工を行う工具では、コーティング層の厚さを薄くするなどの工夫がなされてきた。（例えば、特許文献１および特許文献２参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３４７４０３号公報（第２−３頁、図２）
【特許文献２】
特開２００１−２７７００４号公報（第２−３頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、コーティング層全体を薄くすると、特にすくい面のコーティング層が摩耗したときに、母材の露出量が増加し、さらに露出した母材に被削材が溶着して、加工面が白濁したり、寸法のバラツキが発生する問題があった。
【０００６】
かかる問題を解決する手段として、特許文献２では、母材のすくい面の面粗さを小さくした上で２μｍ以下の薄いコーティング層を被覆する。こうして安定な構成刃先を発生させて、刃先を構成刃先で保護することで寸法の安定を図っている。しかし、かかる発明は構成刃先を利用するために構成刃先脱落時に工具に小さな欠けを生じることがある。また、被削材の材質によってはコーティング層全体が薄いために、すくい面のコーティング層が早期に摩耗して、母材が露出して必要以上に構成刃先が成長して、寸法精度が低下するなどの問題があった。
【０００７】
また、特許文献２では、すくい面の膜厚を０．５〜２μｍで、逃げ面の膜厚を１〜４μｍとする被覆切削工具が開示されている。この発明は被膜のチッピングによる寸法精度の低下を抑制することを目的としたものである。しかし、逃げ面の膜厚が１μｍ以上と厚いために、コーティング層と母材露出部分に生じた段差のために、加工面粗さの数値が増大したり、形状精度が低下する問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
超硬合金もしくはサーメットを母材としてコーティング層を被覆した被覆切削工具において、該切れ刃がシャープエッジで、切れ刃の表面粗さが中心線平均粗さＲａ：０．４μｍ以下で、逃げ面のコーティング層の膜厚が１μｍ以下でかつ、すくい面のコーティング層の膜厚が０．４〜３μｍである被覆切削工具を提供するものである。本発明においてシャープエッジとは、超硬合金やサーメットを構成する硬質粒子の脱落により生じたと推定される小さな凹凸がある部分を除き、すくい面と逃げ面を研削して得られたままの切れ刃のことである。
【０００９】
逃げ面のコーティング層の膜厚が０．２μｍ以上、１μｍ以下であって、すくい面のコーティング層の膜厚よりも薄い被覆切削工具の方が望ましい。逃げ面のコーティング層を薄く、すくい面のコーティング層を厚くすることで、逃げ面の摩耗部と非摩耗部の段差を小さくできる。こうして、良好な仕上げ面粗さと形状精度を得つつ、すくい面のコーティング層の摩耗に起因する溶着を防ぎ、安定した寸法と加工面を得ることができる。
【００１０】
さらに、前記逃げ面のコーティング層の膜厚が０．２μｍ以上１μｍ以下で、すくい面のコーティング層の膜厚が０．４〜２μｍで、かつ、逃げ面とすくい面のコーティング層の膜厚の比が１：２以上の被覆切削工具がさらに望ましい。
【００１１】
用いる超硬合金は、３〜１２質量％の結合材と残部が炭化タングステン及び不可避不純物からなり、ビッカース硬度が１４〜２２ＧＰａであり、該炭化タングステンの平均粒径が０．３〜２μｍのものが適している。結合材が３質量％未満であれば、超硬合金が脆くなり、また１２質量％を超えると、硬度が下がる。又、炭化タングステンの平均粒径が小さい方が中心線平均粗さを０．４μｍ以下に制御し易い。
【００１２】
また、サーメットを用いる場合は、１０〜２０質量％の結合材と３〜６質量％の窒素を含有するチタン系硬質粒子及び不可避不純物からなり、ビッカース硬度が１４〜２２ＧＰａであり、かつ該チタン系硬質粒子の平均粒径が０．３〜２μｍのものが適している。夫々の数値の限定理由は、超硬合金の理由と同じである。
【００１３】
超硬合金とサーメットにおいて、結合材としては通常ＣｏやＮｉが使われる。超硬合金においてはＣｏが、またサーメットにおいてはＣｏとＮｉが併用されることが多い。しかしながら、いずれの場合にもＣｏやＮｉは、単独でも使用できるし併用することも出来る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて、本発明を説明する。図１（ｂ）は、刃先交換チップの側面図であり、その部分拡大図が図１（ａ）である。本発明は、母材４の上に逃げ面のコーティング層３の厚みを１μｍ以下とし、すくい面のコーティング層２の厚みを０．５〜２μｍとする被覆切削工具である。そしてすくい面と逃げ面の交差する部分が切れ刃５である。図１（ａ）は、すくい面のコーティング層の方が逃げ面のコーティング層より厚くなっている例を示している。
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
本発明の効果を実証するために、９種類の試料を作製した。試料に用いた母材は、炭化タングステンの平均粒径が約１μｍ程度、Ｃｏの含有量が１０質量％、ビッカース硬度１４ＧＰａ程度の超硬合金からなる。図２は、頂角５５°の菱形形状をなし、逃げ面側には７°の逃げ角が形成され、すくい面側には２０°のすくい角が形成され、いずれも中心線平均粗さＲａが０．３μｍ以下となるように加工したシャープエッジを持つ刃先交換チップである。
【００１６】
なお、コーティング層の厚みはコーティングを施す時間を制御することで変化させることができる。また、逃げ面のコーティング層が厚くならないようコーティング時に障害物を設けたり、コーティング炉内にセットする被覆切削工具の向きを変化させることで、すくい面と逃げ面のコーティング層の膜厚比を制御することができる。また、本実施例では超硬合金を母材としてＴｉＡｌＮ系のコーティング層をＰＶＤ法により被覆した。また、逃げ面のコーティング層の膜厚を０とした試料▲６▼は、コーティング後に逃げ面のコーティング層を研磨加工により除去するか、コーティング前に逃げ面にマスキングをするなどの方法で作製した。
【００１７】
次に前記形態の試作チップを一般的に用いられるホルダーに取り付けた切削工具として、切削加工実験を行った。直径１２ｍｍ、長さ１０ｍｍの丸材のＳＵＳ４３０からなる被削材を次の切削条件で、１０００ヶ加工して、加工面の粗さと寸法のばらつきを調査した。切削条件は、切削速度５０ｍ／分、切り込み量０．０５ｍｍ、送り速度０．００５ｍｍ／ｒｅｖ．で湿式切削した。なお、試作したチップの形状は頂角５５°の菱形で、ノーズＲは０．１ｍｍである。
【００１８】
【表１】

【００１９】
【表２】

【００２０】
【表３】

【００２１】
表１は、本実施例で用いた試料の番号と、すくい面と逃げ面のコーティング層の厚さとその比を示したものである。表２は、加工テストを行ったときの加工された面の粗さを中心線平均粗さ：Ｒａで表したものである。表２のように本発明品は１０００ヶ加工時まで、Ｒａで１．２μｍ以下を安定して得ることができた。
【００２２】
本発明品の中でも逃げ面のコーティング層を除去して０とした場合は、逃げ面側の摩耗が増大するために、加工数量が増大すると効果が低下してしまう。従って、少なくとも０．２μｍ以上のコーティング層を被覆した方が、加工された面の面粗さはむしろ小さくなる。さらに、逃げ面よりもすくい面の膜厚を厚くした方が、すくい面の摩耗に起因する溶着を防止できるので、加工された面の表面粗さが小さくなり望ましい。さらに言えばすくい面のコーティング層の膜厚が逃げ面のコーティング層の膜厚の２倍以上である場合に、加工された面粗さを最も安定してＲａ：１．２μｍ以下とすることができた。
【００２３】
一方、特開２００１−２７７００４号公報で開示されている逃げ面とすくい面のコーティング層厚さが１．５μｍ程度の比較例▲７▼では、切削初期には、加工された面の面粗さはＲａ：１．２μｍ以下である。しかし、加工数量が増大して、逃げ面のコーティング層が摩耗してくると、コーティング層と母材との段差のために、加工された面の面粗さが増大する。また、膜厚を全体に５μｍと厚くした比較品▲８▼や、すくい面の膜厚を４μｍと厚くした比較品▲９▼では、切れ刃にすくい面の膜厚分の丸みが生じてしまうために、切れ味が低下して、加工された面の面粗さが増大してしまう。
【００２４】
さらに表３は加工された試料の寸法バラツキを示すものである。加工された物の寸法のバラツキは、それぞれ所定数加工したとき、所定個数の直前１０ヶの被削材の外径を測定して定めた。直径の最大のものと最小のものの差が１／１０００ｍｍ以下は◎、１／１０００ｍｍを超えて５／１０００ｍｍ未満は○、５／１０００以上は×と表現した。表３のように発明品の被覆工具で加工された物は寸法バラツキが小さく、すくい面のコーティング層の膜厚が１〜２μｍとした試料▲３▼、▲４▼で特に良好な結果となっている。
【００２５】
一方、比較例のうち、すくい面のコーティング層の膜厚が１．５μｍ程度の試料▲７▼では、寸法バラツキについては良好な結果となっているが、他の試料▲８▼、▲９▼ではすくい面の膜厚が厚いために、切れ味が低下して寸法バラツキが大きくなっている。
【００２６】
以上、本発明によれば、工具の切れ味を確保したまま、溶着を防ぎ、摩耗による母材の露出量を小さくできるので、良好な仕上げ面品位が長時間得られ、加工された物の寸法のバラツキも小さくすることができる。
【００２７】
（実施例２）
超硬合金母材が切削性能に与える効果を確認するために表４に示す超硬合金母材の逃げ面に０．７μｍ、すくい面に１．５μｍのＴｉＡｌＮを被覆したサンプルを製作した。その他は実施例１に同様とした。次に前記形態の試料を一般的に用いられるホルダーに取り付けた切削工具として、切削加工実験を行った。
【００２８】
切削試験は、直径１２ｍｍ、長さ１０ｍｍの丸材のＳＵＳ４３０Ｆからなる被削材を次の切削条件で、１０００ヶ加工して、加工面の品位と寸法のばらつきを調査した。切削条件は、一般的な高精度部品の旋削加工を想定して、切削速度５０ｍ／分、切り込み量０．１ｍｍ、送り速度０．０５ｍｍ／ｒｅｖ．で湿式切削した。実験後、実施例１と同様に寸法の変化量を測定し表４に示した。
【００２９】
【表４】

【００３０】
表４に示すように、試料１ａ〜４ａでは寸法変化が１０μｍ以下と小さく、加工面も白濁のない美しい加工面が得られた。試料５ａ、６ａおよび試料７ａは、試料１ａ〜４ａに比較して、欠損、チッピングや摩耗、寸法変化が大きく、加工面品位に劣る。
【００３１】
（実施例３）
サーメット母材が切削性能に及ぼす影響を確認するために表５に示すサーメット合金母材に逃げ面に０．７μｍ、すくい面に１．５μｍのＴｉＡｌＮを被覆したサンプルを製作した。その他は実施例１に同様とした。次に前記形態の試料を一般的に用いられるホルダーに取り付けた切削工具として、切削加工実験を行った。
【００３２】
実験は、直径１２ｍｍ、長さ１０ｍｍの丸材のＳＵＳ４３０Ｆからなる被削材を次の切削条件で、１０００ヶ加工して、加工面の品位と寸法のばらつきを調査した。切削条件は、一般的な高精度部品の旋削加工を想定して、切削速度５０ｍ／分、切り込み量０．１ｍｍ、送り速度０．０５ｍｍ／ｒｅｖ．で湿式切削した。実験後、実施例１と同様に寸法の変化量を測定した。
【００３３】
【表５】

【００３４】
表５の結果より、超硬合金を母材とした場合と同様に、試料１ｂ、２ｂでは寸法変化が１０μｍ以下と小さい。これに対し試料３ｂと試料４ｂは、試料１ｂ、２ｂと比較して欠損や摩耗、寸法変化が大きかった。
【００３５】
なお、上記実施例１〜３においては、コーティング層としてＴｉＡｌＮ層を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明のコーティング層は、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、Ａｌ及び、Ｇｅからなる群から選ばれる元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼窒化物、酸化物とそれらの固溶体からなる群より選ばれた１種以上の化合物からなる１層以上の膜からなる。こうして、白濁のない、良好な加工面品位から得られ、寸法変化も小さくなることを確認した。
【００３６】
さらに、コーティング層の材質については、ＴｉＣＮ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、などが特に適しており、単層であっても多層であっても同様の効果が得られることを確認した。
【００３７】
さらに、本実施形態では外径の旋削加工にて、その効果を説明したが、前挽き旋削加工だけではなく、図３に示すような刃先交換チップである内径旋削加工用工具や、図４に示すような刃先交換チップである後挽き旋削用工具、または、溝入れ加工用工具、ねじ切り加工用工具などでも同様の効果が得られる。
【００３８】
また、切削工具の形状としては、逃げ角が５°〜２０°程度のものが、切れ味と耐欠損性を両立する上で望ましい。すくい角については、一般的なステンレスや鋼の加工では５°〜３０°程度のすくい角をつけると切れ味が良く、本発明の効果を向上させることが可能である。例えば、真鍮や黄銅の加工においてすくい角は、むしろ０°の方が良い場合もある。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、特にマイクロメートル単位の高い精度が要求される部品の旋削加工において、ステンレスなどの溶着しやすい被削材を、小さな寸法ばらつきで高精度かつ、良好な仕上げ面粗さで長時間加工することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、本発明に係わる刃先交換チップの切れ刃の拡大断面図、図１（ｂ）は、刃先交換チップの側面図である。
【図２】本発明の実施例１に用いた刃先交換工具である被覆切削工具の外観図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す刃先交換工具である被覆切削工具の外観図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す高精度加工用被覆切削工具の外観図である。
【符号の説明】
１　　刃先交換チップ
２　　すくい面のコーティング層
３　　逃げ面のコーティング層
４　　母材
５　　切れ刃

Claims

超硬合金もしくはサーメットを母材としてコーティング層を被覆した被覆切削工具において、該切れ刃がシャープエッジで、切れ刃の表面粗さが中心線平均粗さＲａ：０．４μｍ以下であって、
逃げ面のコーティング層の膜厚が１μｍ以下でかつ、すくい面のコーティング層の膜厚が０．４〜３μｍであることを特徴とする被覆切削工具。
前記逃げ面のコーティング層の膜厚が０．２〜１μｍであって、すくい面のコーティング層の膜厚よりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の被覆切削工具。
すくい面のコーティング層の膜厚が０．４〜２μｍで、かつ、逃げ面とすくい面のコーティング層膜厚の比が１：２以上であることを特徴とする請求項２に記載の被覆切削工具。
前記超硬合金は、３〜１２質量％の結合材と残部が炭化タングステン及び不可避不純物からなり、ビッカース硬度が１４〜２２ＧＰａであり、該炭化タングステンの平均粒径が０．３〜２μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の被覆切削工具。
前記サーメットは、１０〜２０質量％の結合材と３〜６質量％の窒素を含有するチタン系硬質粒子及び不可避不純物からなり、ビッカース硬度が１４〜２２ＧＰａであり、かつ該チタン系硬質粒子の平均粒径が０．３〜２μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されている被覆切削工具。
前記コーティング層は、周期律表ＩＶａ、Ｖａ、ＶＩａ族元素、Ａｌ及び、Ｇｅからなる群から選ばれる１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、硼窒化物、酸化物とそれらの固溶体からなる群より選ばれた少なくとも１種からなる１層以上の膜であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の被覆切削工具。