JP2014217933A - ｃＢＮ切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱合金の切削に利用するｃＢＮ切削工具の寿命を向上させることを課題としている。【解決手段】平均粒径が０．５μｍ以上、２μｍ以下のｃＢＮ粒子を使用した熱伝導率が２０〜７０Ｗ／ｍ・ＫのｃＢＮ焼結体からなる刃先チップと、その刃先チップをコーナ部に保持した台金をｃＢＮ切削工具に具備させ、その工具の前記刃先チップに設けられる切れ刃に正のすくい角を付与した。【選択図】図４

Description

この発明は、ｃＢＮ（立方晶型窒化硼素）焼結体で切れ刃を構成したｃＢＮ切削工具、詳しくは、Ｎｉ基耐熱合金に代表される耐熱合金の高速切削用途での寿命向上を図ったｃＢＮ切削工具に関する。

切削加工における難削材のひとつにＮｉ基耐熱合金がある。このＮｉ基耐熱合金を被削材とする切削加工において従来多用されている超硬合金製工具を使用すると、強度面から切削速度が早くとも８０ｍ／ｍｉｎ以下に制限され、加工能率が高まらない。

このために、高温硬度に優れるｃＢＮ焼結体で切れ刃を構成したｃＢＮ切削工具を用いて２００ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削を行うことが検討されている。

ところが、ｃＢＮは超硬合金に比べて高硬度である半面、靭性が低いことから、そのｃＢＮ切削工具で耐熱合金を切削する場合、横切れ刃部に欠損が生じ、寿命維持の信頼性に欠ける。ｃＢＮはセラミックスに比べると靭性が高いが、耐熱合金の切削では靭性不足を否めない。

その対策として、下記特許文献１に記載されるように、切れ刃を構成するｃＢＮ焼結体の熱伝導率を低下させ、それにより、刃先で発生する熱（切削熱）で被削材を軟化させながら切削を行う試みがある。

また、切れ刃の強化策として、ネガランドを付与するなどして刃先のすくい角を負にする方法があり、この方法は脆い材料からなる切れ刃の欠損防止に有効である。

特開２０１１−１８９４２１号公報

靭性の低い脆い材料からなる切れ刃については、刃先の強化処理を行うことが通常なされている。その強化処理（ネガランドの付与など）を施した切れ刃は、強化処理による刃先の鈍化によって切れ味が鈍り、それにより、発生する切削熱が多くなる。

従って、切れ刃の材料としてｃＢＮ焼結体を用い、切削熱で被削材を軟化させながら切削を進める場合には、刃先を鈍らせることが工具の寿命向上に関して有効と考えた。

ところが、その方法では、ｃＢＮ切削工具の寿命は十分に高まらなかった。

そこで、この発明は、耐熱合金の切削に利用するｃＢＮ切削工具の寿命を従来敬遠されていた手法を適用して向上させることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、平均粒径が０．５μｍ以上、２μｍ以下のｃＢＮ粒子を使用した熱伝導率が２０〜７０Ｗ／ｍ・ＫのｃＢＮ焼結体からなる刃先チップと、その刃先チップをコーナ部に保持した台金をｃＢＮ切削工具に具備させ、その工具の前記刃先チップに設けられる切れ刃に正のすくい角を付与した。

この発明のｃＢＮ切削工具は、刃先チップを熱伝導率の低いｃＢＮ焼結体で形成し、その刃先チップに設けられる切れ刃に正のすくい角を付与している。

切れ刃に正のすくい角を付与したｃＢＮ切削工具は、実験の結果、従来の刃先に強化処理を施した耐熱合金切削用ｃＢＮ切削工具に比べて横切れ刃部境界摩耗（以下、ＶＮと表記）や逃げ面摩耗（フランク摩耗：以下、ＶＢと表記）が抑制され、これにより、従来の工具よりも寿命が向上することが確認された。

この発明のｃＢＮ切削工具の一例を示す斜視図である。 この発明のｃＢＮ切削工具の他の例を示す斜視図である。 図１のｃＢＮ切削工具の刃先チップを設けたコーナ部の拡大平面図である。 図３のコーナ角の２等分線ＣＬに沿った断面図である。 刃先部の拡大斜視図である。 この発明の工具の製造に利用する研削盤の一例の要部を示す平面図である。 研削盤のチャックの動きを示す正面図である。 研削盤のチャックの動きを示す平面図である。 すくい面の研削状態を示す図である。

以下、この発明のｃＢＮ切削工具の実施の形態を添付図面の図１〜図９に基づいて説明する。

図１は、この発明を三角形ｃＢＮ切削インサートに適用したものであり、また、図２はこの発明を正方形ｃＢＮ切削インサートに適用したものである。

これ等のｃＢＮ切削工具（ｃＢＮ切削インサート）１は、超硬合金、セラミックス、サーメット、焼結合金などからなる台金（形状は菱形を含む多角形）２のコーナ部にｃＢＮ焼結体の小片で構成された刃先チップ３を接合するなどして設け、切れ刃４をそのｃＢＮ焼結体で構成している。５は刃先チップ３に形成されたすくい面、６は逃げ面である。

刃先チップ３は、平均粒径が０．５μｍ以上、２μｍ以下のｃＢＮ粒子を使用し、そのｃＢＮ粒子の含有率を調整することによって熱伝導率を２０〜７０Ｗ／ｍ・Ｋに設定した
ｃＢＮ焼結体で作られている。

ｃＢＮ焼結体の原料となすｃＢＮ粉末の平均粒径を０．５μｍ以上、２μｍ以下とし、さらに、そのｃＢＮ粉末を用いたｃＢＮ焼結体の熱伝導率を２０〜７０Ｗ／ｍ・Ｋとなすことで後述する正のすくい角の付与と、横切れ刃部の欠損及び摩耗の抑制を両立させることができる。

図２の工具は、その刃先チップ３が全コーナ部に設けられている。その刃先チップ３は、全コーナ部にある必要はない。図１の工具のように、１箇所のコーナ部に設けられていてもよいし、菱形切削インサートでは、２箇所の鋭角対角コーナ部に設けられていてもよい。

ｃＢＮ焼結体の刃先チップの製造は、以下に述べる方法で行える。その方法は前掲の特許文献１に詳しく記載されているので、ここでは、簡単に述べるにとどめる。

特許文献１が記載している製造方法は、先ず、微細粒径のＷＣ粉末とＣｏ粉末とＡｌ粉末を質量比で、ＷＣ：Ｃｏ：Ａｌ＝２５：６８：７の割合で混合し、これを真空中１０００℃で３０分間熱処理した化合物を粉砕して結合相を構成する原料粉末を得る。

次に、これも微細粒径のＡｌ粉末とＺｒ粉末の混合物を窒素雰囲気中１０００℃で３０分間熱処理して第１化合物を得る。その後、同化合物を粗粉砕し、さらに、直径が１ｍｍに満たないジルコニア製メディアを用いてエタノール溶媒中でメディアと粗粉砕された第１化合物を微粉砕し、メディアを除去して断熱相を構成する原料粉末を得る。

次いで、得られた結合相を構成する原料粉末と断熱相を構成する原料粉末と平均粒径が０．５μｍ以上、２μｍ以下のｃＢＮ粉末を焼結後のｃＢＮ含有率が所望の体積％となるように配合、混合し、これを乾燥させる。そしてさらに、その混合粉末を金属製支持板に積層してＭｏカプセルに充填後、超高圧装置により、例えば，７ＧＰａ、温度１７５０℃で３０分間焼結する。

そして、このようにして得られたｃＢＮ焼結体を所定の形状に切断し、台金に接合して
工具のブランク材を得る。その後、必要箇所の研削を実施して所定形状の工具に仕上げる。

研削は、少なくとも刃先チップ３に設けるすくい面５と逃げ面６について行い、すくい面５を研削するときに切れ刃４に正のすくい角を付与する。図４に示したそのすくい角θは、２°以上、２０°以下、より好ましくは５°以上、１５°以下の正の値とする。

また、そのすくい角θは、切れ刃先端（刃先）での値とする。図４は、図３の平面図においてコーナ角の２等分線ＣＬに沿った断面を表したものであって、図３においてコーナ角の２等分線ＣＬが切れ刃４と交差した位置が切れ刃先端である。

なお、すくい角θを上記の範囲に設定する理由は、評価試験の結果、すくい角θは２°〜５°或いは１５°〜２０°でも摩耗抑制の効果が確認されたが、θが５°以上、１５°以下で特に摩耗抑制の効果が高かったことによる。

工具製造時の必要箇所の研削は、ＮＣ研削盤を使用して行う。使用する研削盤は、位置と姿勢の数値制御がなされる図６に示すようなチャック１１と、定位置で回転する砥石（図のそれはカップ砥石）１２を有する。

この研削盤に対するワーク（ｃＢＮ切削工具）の搬入・搬出と、チャック１１に対するワークの受け渡しは、位置制御がなされるロボットハンド（図示せず）を用いて行われる。

この発明の工具の研削に用いた研削盤は、図７、図８に示す４軸制御、即ち、Ｘ軸、Ｙ軸方向へのチャック移動、チャック１１の軸心Ｏを中心にした回転及び図８のｂ軸方向回転の各機能（Ｚ軸方向には動かない）を有するものであり、逃げ面、すくい面及び後述する切れ上がり面を工具を持ち替えずにいわゆるワンチャックで研削することができる。

すくい面５の研削加工は、ｃＢＮ切削工具１を掴んだチャック１１を必要な方向に回転させて図９に示すように、刃先チップ３のすくい面を砥石１２の端面に平行に押しつける方法で行う。

このとき、砥石１２の端面に対して刃先チップ３を少し傾けて研削を行うことで、正のすくい角を有するすくい面５を生じさせることができる。

この発明においては耐熱合金の旋削用工具に対してその正のすくい角を付与する。

切れ刃に正のすくい角を付与することは、靭性の高い超硬合金や高速度鋼などからなる切削工具では一般的である。

しかしながら、耐熱合金の旋削加工に利用するｃＢＮ切削工具においてすくい角を正に設定することは、従来は行なわれていなかった。

その理由の一つは、ｃＢＮ焼結体で形成される切れ刃は、耐熱合金の切削用途では耐欠損性を高めることが重要と考えられていたことにある。

理由の２つ目は、すくい角を正にすると切れ味の向上による刃先温度の低下が起こる。これは、耐熱合金の切削を目的として熱伝導率の低いｃＢＮ焼結体を刃具材料として選択し、また、切削速度を高めて刃先温度を上げることで切削熱で被削材を軟化させながら行う切削加工法においては意に反することであり、切れ刃の欠損防止の効果を低減させると考えられていたことにある。

その耐熱合金を切削する用途のｃＢＮ切削工具に、正のすくい角を付与することで切削工具の寿命を向上させ得る知見は本発明者等にもなかった。種々の模索と試験を繰り返した中で偶然その効果を見出したのである。

すくい面５は平坦な面が加工性に優れて好ましい。その正のすくい角のついたすくい面５を形成すると、研削されて落ち込んだ面と研削されていない面との間に段差が生じる。

その段差が生じる箇所は、彎曲した切れ上り面７にしてその切れ上り面７をすくい面５
の終端（切れ刃から離れる側の端部）に連ならせるのがよい。

彎曲した切れ上り面７は、砥石１２の側面で加工することができる。砥石１２は、半径が５０ｍｍ〜２００ｍｍ程度のものでよく、そのような砥石の側面で研削した切れ上り面７は、コーナ部が、内接円の半径ｒが５μｍ〜５０μｍ程度の面になって切屑のカール性を良好にする。

すくい面５の研削により、図４に示すように、コーナ角の２等分線ＣＬに沿った断面において、切れ刃４の先端（刃先）が台金２の平坦な上面２ａの延長上（上面２ａと同一高さ位置）から台金下面側に向かって多少低下する。その芯下がり量（上面２ａの延長上からの低下量）ｄは、１０μｍ〜１００μｍの範囲にあるようにするのがよい。

その芯下がり量ｄの下限を１０μｍにすることで、すくい面の研削時にシャープエッジの切れ刃を生じさせることができる。

一方、その芯下がり量ｄが大きくなる程すくい面の無駄な研削量が増える。また、芯下がり量ｄが大きくなるにつれて切削抵抗も増加する。これ等を考えると芯下がり量ｄの上限は１００μｍ程度が許容範囲である。

なお、切れ刃４は、先端（刃先）から離れるに従って台金上面の延長上からの低下量が大きくなる。その影響で、先端から後退した位置における切れ刃各部のすくい角（平面図において切れ刃各部に直交する線に沿った断面に現われるすくい角）は、例えば、図４に示した先端でのすくい角が例えば１０°の場合、後方では先端よりも小さい７°や８°と言った値になる。

切れ刃４は中心部（刃先）から離れた位置では刃先よりも強度が高くなるのが望ましく、平坦な面で構成されるすくい面にすることでその要求にも応えることができる。

図９の方法でのすくい面５の研削により、図３に示すように、すくい面５に工具の平面視においてコーナ角の２等分線ＣＬに対してほぼ垂直な研摩筋８が形成される。その方向に延びた研摩筋８は、切屑の溶着防止に効果を奏する。研摩筋８は厳密には砥石１２の外径に近い曲率半径で彎曲しており、そのためにここではほぼ垂直と表現した。

なお、この発明のｃＢＮ切削工具は、正のすくい角の付与によって切れ刃がシャープになる。そのシャープな切れ刃は欠けやすいので、必要に応じて、切れ刃に刃先強化のための微小なＲホーニング処理を施すのがよい。

そのＲホーニングは、すくい角を正に設定すること（すなわち切れ味を高めること）の効果が損なわれないものにする。曲率半径が０．００５ｍｍ以上、０．０２ｍｍ以下のＲホーニングであれば、その要求に応えることができる。

表１に示す諸元のｃＢＮ切削工具を試作してその性能を評価した。試作工具は、図１に示した形状である。表１の試料No.１〜１０に用いた刃先チップの熱伝導率とその刃先チップの切れ刃に付与した正のすくい角を表１に併せて示す。また、表１の各試料の刃先チップの組成を表２に示す。

刃先チップを構成するｃＢＮ焼結体は、平均粒径が１μｍのｃＢＮ粒子を使用したが、平均粒径が０．５μｍ以上、２μｍ以下であれば、大差の無い性能が得られる。

試料No.１〜３及びNo.７〜１０は、ｃＢＮ焼結体からなる刃先チップの熱伝導率と正のすくい角の大きさのどちらも本発明の条件を満たす。試料No.４〜６は、刃先チップの熱伝導率が本発明の条件外となっている。

試料No.１〜４及びNo.７〜１０の刃先チップの熱伝導率はｃＢＮの含有量を調整して異ならせた。試料No.５は、刃先チップに市販のボラゾン（Diamond Innovation社商品名）を使用し、試料No.６は、市販のβ−SiAlONセラミックス工具を使用した。

この試作工具を使用して被削材：ＨＲＣ４６の硬さの直径：１２０ｍｍ、長さ：２５０ｍｍのインコネル７１８の棒材を以下の条件で切削した。

切削条件 切削速度Ｖ：２００ｍ／ｍｉｎ
送り ｆ：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切り込みａｐ：０．３ｍｍ
クーラント：２０倍希釈エマルジョン

この評価試験はＶＮとＶＢのどちらか一方が０．２ｍｍに達したときを工具の寿命とし、その寿命までの切削長を調べた。その結果を表１に併せて示す。

この試験結果からわかるように、ｃＢＮ焼結体からなる刃先チップの熱伝導率が２０〜７０Ｗ／ｍ・Ｋの範囲にある切削工具は、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋの試料No.４や熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋの試料No.５に比べて寿命が大きく延びている。その寿命向上の効果は、正のすくい角を５°〜１５°にしたものが特に顕著である。

なお、この発明を適用する切削工具は、菱形、三角形、正方形、コーナ数が５以上の多角形など形状は特に問わない。また、台金のコーナ部の少なくとも１箇所にｃＢＮ焼結体の刃先チップを備えるものの全てがこの発明の適用対象となる。

１ ｃＢＮ切削工具
２ 台金
２ａ 平坦な上面
３ 刃先チップ
４ 切れ刃
５ すくい面
６ 逃げ面
７ 切れ上り面
８ 研摩筋
θ すくい角
ＣＬ コーナ角の２等分線
ｄ 切れ刃先端の台金上面の延長上からの低下量
１１ チャック
１２ 砥石
Ｏ チャックの軸心

Claims (6)

1. 平均粒径が０．５μｍ以上、２μｍ以下のｃＢＮ粒子を使用した熱伝導率が２０〜７０Ｗ／ｍ・ＫのｃＢＮ焼結体からなる刃先チップと、その刃先チップをコーナ部に保持した台金を具備し、工具の前記刃先チップに設けられる切れ刃に正のすくい角が付与されたｃＢＮ切削工具。
2. 前記正のすくい角の大きさが、５°以上、１５°以下である請求項１に記載のｃＢＮ切削工具。
3. 前記コーナ部のコーナ角の２等分線に沿った断面において、切れ刃の先端が前記台金の平坦な上面の延長上から台金下面側に向かって１０μｍ〜１００μｍ低下しており、先端から離れるに従って切れ刃位置の低下量が大きくなっている請求項１又は請求項２に記載のｃＢＮ切削工具。
4. 前記刃先チップに付されるすくい面が平坦な面で構成された請求項３に記載のｃＢＮ切削工具。
5. 前記刃先チップの、正のすくい角が付与されたすくい面の終端にＲ５０ｍｍ〜Ｒ２００ｍｍの曲率半径を有する彎曲した切れ上り面を連ならせた請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のｃＢＮ切削工具。
6. すくい面の正のすくい角を有する部分が、工具の平面視において前記コーナ部のコーナ角の２等分線に対してほぼ垂直な研摩筋を有する請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のｃＢＮ切削工具。

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