JP5517577B2

JP5517577B2 - 溝入れ加工用切削工具

Info

Publication number: JP5517577B2
Application number: JP2009269516A
Authority: JP
Inventors: 佳輝坂本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2029-11-27
Also published as: JP2011110654A

Description

本発明は、基体の表面に被覆層が形成された溝入れ加工用切削工具に関する。

近年、切削工具においては、より効率的な切削加工が求められており、局所的に工具の切刃が摩耗または欠損して工具寿命を迎えることは好ましくない。溝入れ加工用の切削工具では、横切刃の逃げ面側に局所的な異常摩耗が発生してしまい、前切刃はさほど摩耗していないにも関わらず工具寿命となってしまう摩耗形態となることが多々あった。そのため、被覆層を厚く形成すると、被覆層が切刃部で剥離してしまうという問題があった。

そこで、例えば、特許文献１では、基体の表面に多層膜を形成したチップに対して、切刃稜線における多層膜の数層を除去して、被膜の剥離や刃先のチッピングを防止できたことが開示されている。

特開平８−１１００５号公報

しかしながら、特許文献１のように切刃において被覆層を数層除去する構成を単純に溝入れチップに採用しても、横切刃の逃げ面側のみが境界損傷によって異常に摩耗してしまうという不具合は解消されずに、切削加工面の面状態が悪くなってしまうことから、加工品位が悪くなって工具を交換せざるを得ず、工具寿命は延びないことがわかった。

本発明は、被覆層の前切刃および横切刃における被覆層の特性の微調整が可能であり、溝入れ切削性能に求められる前切刃および横切刃の性能の最適化が図れる溝入れチップを提供することを目的とする。

本発明の溝入れ加工用切削工具は、基体の表面に被覆層を形成し、前切刃は平均結晶幅の小さい第１被覆層の単層にて構成され、横切刃は一層目が前記第１被覆層で、二層目は前記第１被覆層よりも平均結晶幅が大きい第２被覆層である多層にて構成されるとともに、前記第１被覆層と前記第２被覆層とが同じ組成からなるものである。

本発明の溝入れ加工用切削工具によれば、前切刃は平均結晶幅の小さい第１被覆層の単層にて構成されるので、切削を始めても切刃がダレて切れ味が悪くなることがない。また、横切刃は第１被覆層の上部に平均結晶幅の大きい第２被覆層が形成されているので、横切刃の表面は比較的早く摩耗して加工面に沿った形状になり、加工面の仕上がり状態が向上するとともに、被覆層全体としての耐摩耗性も高いものである。

本発明の溝入れ加工用切削工具の好適例であるスローアウェイチップの一例についての概略斜視図である。図１のチップを（ａ）上方から見た概略図、（ｂ）先端方向から見た概略図である。図２（ａ）のＡ−Ａ断面図（Ａ）、Ｂ−Ｂ断面図（Ｂ）、Ｃ−Ｃ断面図（Ｃ）である。図１のスローアウェイチップを製造するに際して、被覆層を成膜した後のホーニング処理方法を説明するための模式図である。

本発明の溝入れ加工用切削工具について、その好適例であるスローアウェイチップの概略斜視図である図１、図１のチップを（ａ）上方から見た概略図、（ｂ）先端方向から見た概略図である図２、図２（ａ）の（Ａ）Ａ−Ａ断面図、（Ｂ）Ｂ−Ｂ断面図、（Ｃ）Ｃ−Ｃ断面図である図３を基に説明する。

図１に示すように、スローアウェイチップ（以下、単にチップと称す。）１は、略直方体形状のチップ本体２と、チップ本体２の端部上面に設けられたすくい面３と、すくい面３の先端縁および両端縁にそれぞれ設けられた前切刃４および横切刃５を備えており、前切刃４と横切刃５との交差部分にはノーズ切刃７が形成されている。また、図３に示すように、前切刃４と横切刃５、およびノーズ切刃７にはそれぞれ第１のホーニング１１、１２、１３が設けられており、チップ１は基体６の表面が被覆層１０で覆われている。なお、前切刃４に続く側面には前逃げ面８が、横切刃５に続く側面には横逃げ面９が形成されている。また、すくい面３上にはブレーカ突起２０が形成されている。

そして、チップ１は、図３（Ａ）の前切刃４を含む断面図に示すように、前切刃４においては基体６の表面に平均結晶幅の小さい第１被覆層１０ａの単層にて構成されており、図３（Ｃ）の横切刃５を含む断面図に示すように、横切刃５においては一層目が第１被覆層１０ａで、二層目は第１被覆層１０ａよりも平均結晶幅が大きい第２被覆層１０ｂからなる多層にて構成されている。これによって、前切刃４では切削を始めても前切刃４がダレて切れ味が悪くなることがない。また、横切刃５では第１被覆層１０ａの上部に平均結晶幅の大きい第２被覆層１０ｂが配置されているので、横切刃５の表面は比較的早く摩耗して加工面に沿った形状になり、加工面の仕上がり状態が向上するが、被覆層１０の全体としての耐摩耗性は高い。

なお、第１被覆層１０ａを構成する結晶の平均結晶幅の望ましい範囲は０．０１〜０．１μｍであり、第２被覆層１０ｂを構成する結晶の平均結晶幅の望ましい範囲は０．１〜０．３μｍである。これによって、前切刃４および横切刃５における耐摩耗性と耐欠損性のバランスがよい。

また、前切刃４における第１被覆層１０ａの望ましい厚みは０．５〜３．０μｍであり、横切刃５における第１被覆層１０ａの望ましい厚みは０．５〜３．０μｍ、第２被覆層１０ｂの望ましい厚みは２．０〜５．０μｍである。これによって、前切刃４および横切刃５における耐摩耗性と耐欠損性のバランスがよい。なお、前切刃４および横切刃５における被覆層３の厚みは増減していることもあるので、前切刃４および横切刃５のそれぞれ中央の位置にて測定する。

さらに、前切刃４における基体６の表面には第１のホーニング１１が形成されるとともに、前切刃４の第１被覆層１０ａの表面には第２のホーニング１４が形成されており、第１のホーニング１１および第２のホーニング１４のすくい面３側の除去量ａ_１、ａ_２と逃げ面側の除去量ｂ_１、ｂ_２とを比較したとき、第１のホーニング１１のａ_１／ｂ_１比の方が第２のホーニング１４のａ_２／ｂ_２比よりも小さいことが望ましい。これによって、前切刃４においては切れ味を重視して耐摩耗性がさらに高くなり、横切刃５においては耐欠損性を重視してチッピングや層剥離を抑制することができる。

なお、チップ１は、図３に示すように、前切刃４におけるすくい角α_１がノーズ切刃７におけるすくい角α_２および横切刃５におけるすくい角α_３よりも大きくなっている。この構成によって、ノーズ切刃７の耐欠損性を向上させるという効果がある。また、図３中
、β_１、β_２、β_３はそれぞれ前切刃４、ノーズ切刃７および横切刃５における逃げ角である。

さらに、チップ１を構成する基体６は、例えば超硬合金、サーメット、セラミックス、ダイヤモンド、ｃＢＮ等の硬質焼結体からなる。

（製造方法）
上記のチップを製造する方法について、その具体的な一例を挙げて説明する。まず、原料粉末を所定の割合に混合して所定の形状に成形し、焼成する。次に、この焼結体に対して所望によって表面研削加工を施した後、切刃部分にホーニング加工を施す。本発明の望ましい製造方法によれば、このときのホーニング処理条件は切削液を用いたブラスト処理方法を採用する。前切刃４におけるホーニング量は、すくい面３側から見たホーニング（除去）量ａ_１と前逃げ面８側から見たホーニング（除去）量ｂ_１との比ａ_１／ｂ_１が小さくなる、すなわちすくい面側のホーニング量ａが小さくなるように加工することが望ましい。比ａ_１／ｂ_１の望ましい範囲は０．６〜１．２である。

次に、焼成後の基体６に被覆層１０を形成する。被覆層１０の成膜方法としてはイオンプレーティング法等の物理蒸着（ＰＶＤ）法が好適に適応可能である。ターゲットとしては、例えば、金属チタン（Ｔｉ）、金属アルミニウム（Ａｌ）、金属Ｍ（ただし、ＭはＴｉを除く周期表第４、５、６族元素、希土類元素およびＳｉから選ばれる１種以上）をそれぞれ独立に含有する金属ターゲット、これらを複合化した合金ターゲット、これらの化合物粉末または焼結体からなる混合物ターゲットを用いることができる。

そして、ターゲットを用いて、アーク放電やグロー放電などにより金属源を蒸発させイオン化すると同時に、窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスと反応させることにより、基体６の表面に被覆層１０が堆積する。また、プラズマを発生するためにはアーク放電やグロー放電などを用い、導入ガスとしては窒素源の窒素（Ｎ_２）ガスや炭素源のメタン（ＣＨ_４）／アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスを用いることができる。そして、窒素（Ｎ_２）ガスやアルゴン（Ａｒ）ガスを流した状態で成膜する。また、成膜時のバイアス電圧は被覆層１０の内部応力を小さくするために３０〜１２５Ｖに設定することが望ましい。

ここで、本実施態様においては、第１被覆層１０ａと第２被覆層１０ｂとを順に成膜する。その際、同じターゲットを用いて、第１被覆層１０ａを成膜する際はバイアス電圧を
７０〜１２５Ｖと高く設定し、第２被覆層１０ｂを成膜する際には３０〜７０Ｖと低く設定して成膜することによって、上述した横切刃５における被覆層１０の積層構成を形成することができる。

そして、本実施態様によれば、成膜終了後、図４に示すように、横切刃５を含む切削工具１の表面をマスキング２２に覆った状態で再びホーニング処理する。このときのホーニング処理条件は、ブラシ研磨によってホーニング加工を行うことが望ましい。具体的には、チップのすくい面側がブラシの毛先に対して対向する向きに載置してホーニング加工を行う。そして、上述した基体６の表面に施した第１のホーニング１１の形状に対して、すくい面３側から見たホーニング（除去）量ａ_２と前逃げ面８側から見たホーニング（除去）量ｂ_２との比ａ_２／ｂ_２が大きくなる、すなわちすくい面側のホーニング量ａ_２が大きくなるような第２のホーニング１４の形状に加工することが望ましい。比ａ_２／ｂ_２の望ましい範囲は、１．２〜２．０である。

ＷＣ粉末、Ｃｏ粉末、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末およびＶＣ粉末を混合し、溝入加工用スローアウェイチップ（京セラ製スローアウェイチップ型番ＧＭＭ３０２０-０４０ＭＷ）のチップ形状にプレス成形し、焼成して研削加工を行い、さらに、メディアとしてＭＹＢＬＡＳＴＭＹ−４０(アルミナ粉末)を用い、ブラスト加工によりホーニング処理を行った。その後、試料を成膜装置内に載置して、窒素（Ｎ_２）ガスをチャンバ内に導入して表１の条件でＰＶＤ法によって表１に示す厚みの被覆層を成膜してチップを作製した（試料Ｎｏ．１〜６）。なお、成膜途中でバイアス電圧を表１に示す条件に変えて成膜した。その後、図４に示すように、横切刃を含むチップの前切刃部分を除く中央部分をカーボンテープでマスキングして、前切刃、ノーズ切刃および前逃げ面部分を露出させた状態でブラシ加工を施し、前切刃における第２被覆層を研磨除去した。なお、試料Ｎｏ．６についてはマスキングなしでブラシホーニングを行った。

得られたチップを顕微鏡で観察して、前切刃および横切刃におけるすくい面側から見たときのホーニング量と逃げ面側から見たときのホーニング量を測定した。また、チップの前切刃および横切刃を含むそれぞれの断面について走査型電子顕微鏡観察を行って、断面の基体形状から第１のホーニング量（すくい面側から見たときのホーニング量ａ_１と逃げ面側から見たときのホーニング量ｂ_１）および第２のホーニング量（すくい面側から見たときのホーニング量ａ_２と逃げ面側から見たときのホーニング量ｂ_２）を見積もった。さらに、エネルギー分散型分光分析にて被覆層を構成する成分を分析し、被覆層の組成を算出した。また、上記断面において透過型電子顕微鏡観察を行い、各部位における平均結晶幅（表には結晶幅と記載）、平均厚み（表には厚みと記載）を測定した。結果は表２に示した。

そして、このチップをホルダに装着して以下の切削試験を行い、切削性能評価を行った。
切削方法：溝入れ加工
被削材：ＳＮＣＭ４３９
切削速度：２００ｍ／分
送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
切込み：２．０ｍｍ
切削状態：湿式
評価方法：６０分間切削した後で切刃の状態を確認し、逃げ面（先端（前切刃）、横逃げ面（横切刃））摩耗量を測定した。測定後、さらに切削加工を継続してチップが寿命に至るまでの加工可能時間を評価した。結果は表３に示した。

表１〜３の結果から明らかなように、前切刃においても横切刃においても第２層を研磨除去しなかった試料Ｎｏ．６では、横逃げ面における摩耗の進行が早くて工具寿命が短いものであった。また、前切刃においても横切刃においても第２層を研磨除去した試料Ｎｏ．５でも、横逃げ面における摩耗の進行が早くて工具寿命が短いものであり、かつ切削加工面が粗いものであった。さらに、被覆層全体を同じ条件で成膜した試料Ｎｏ．７では、横逃げ面における被覆層に剥離が見られて比較的に早く摩耗した。

これに対して、本発明に従い、前切刃は平均結晶幅の小さい第１被覆層の単層にて構成され、横切刃は一層目が第１被覆層で、二層目に第１被覆層よりも平均結晶幅が大きい第２被覆層の多層にて構成した試料Ｎｏ．１〜４では、いずれも摩耗の進行が抑制され、工具寿命も長いものであった。

１スローアウェイチップ（チップ）
２チップ本体
３すくい面
４前切刃
５横切刃
６基体
７ノーズ切刃
８前逃げ面
９横逃げ面
１０被覆層
１０ａ第１被覆層
１０ｂ第２被覆層
１１、１２、１３第１のホーニング
１４第２のホーニング
２０ブレーカ突起
２２マスキング

Claims

基体の表面に被覆層を形成し、前切刃は平均結晶幅の小さい第１被覆層の単層にて構成され、横切刃は一層目が前記第１被覆層で、二層目は前記第１被覆層よりも平均結晶幅が大きい第２被覆層である多層にて構成されるとともに、前記第１被覆層と前記第２被覆層とが同じ組成からなる溝入れ加工用切削工具。