JP6114975B2 - 立方晶窒化硼素焼結体工具 - Google Patents

Description

この発明は、切れ刃を立方晶窒化硼素粒子と結合相で構成される立方晶窒化硼素焼結体で構成した立方晶窒化硼素（以下、ｃＢＮ）焼結体工具にかんする。詳しくは、耐熱合金の切削加工において、横切れ刃部の境界損傷と逃げ面摩耗を抑制し長寿命化を実現する立方晶窒化硼素焼結体工具に関する。

ｃＢＮ焼結体工具は、従来の超硬工具などの工具材料と比較して化学的安定性に優れ、鉄との低親和性や高硬度に起因する高能率で長寿命を達成できる材料的な高性能特性を有する。さらに、切削工具などの塑性加工工具としての研削工具を大きく凌ぐ優れたフレキシビリティーを有し、環境への負荷も小さい点が評価されて鉄系難加工性材料の加工においてｃＢＮ焼結体工具は従来工具を置換してきた。

一方、Ｎｉ基系耐熱合金や鉄系耐熱合金の切削加工において通常使用される超硬合金製工具では、切削速度が５０ｍ／ｍｉｎ程度、早くても８０ｍ／ｍｉｎ程度までしか上げることができない。そのため、高温硬度に優れるｃＢＮ焼結体工具を用いて２００ｍ／ｍｉｎ以上の高速切削が検討されている。しかし、耐熱合金をｃＢＮ焼結体工具で切削する場合の問題点は、横切れ刃部に欠損が生じることであり、現状では工具の信頼性が十分得られていない。

そのような状況に鑑みて、下記特許文献１に記載されているように、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率を低下させることにより、刃先に発生した熱を被削材側に効率的に分配することで被削材の硬度を低下させて被削性を改善し、それによって横切れ刃の境界欠損を抑制する試みがなされている。

また、形状面での工夫では、下記非特許文献１や特許文献２に記載されているように、工具表面に微細な凹凸構造を形成することで、耐溶着性を改善することが試みられている。

また、非特許文献２では、工具すくい面に０．０５ｍｍの溝を形成し切屑の流れを制御する試みがなされている。しかしながら、以上のような形状面の工夫によっても耐熱合金の加工におけるｃＢＮ焼結体工具の横切れ刃の欠損を抑制することは実現できていなかった。

特開平１１−５８０８７号公報 特開２０００−１４０９９０号公報

２００９年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集（２００９）ｐｐ１２５−１２６ ２００９年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集（２００９）ｐｐ１１１−１１２

この発明は、ｃＢＮ焼結体工具の欠点である耐熱合金の高速加工における横切れ刃部の境界損傷を抑制して工具の信頼性向上と長寿命化を実現することを目的としている。

本願発明者らは、Ｎｉ基系耐熱合金の中でも最も汎用的な材料であるインコネル７１８を用いて、横切れ刃部の境界損傷の発生原因を調査した。その結果、横切れ刃部で溶着が発生し、切屑の流れと共にｃＢＮ焼結体が切屑の流出方向（切れ刃の各部における接線に対して直角に近い方向）にチッピングしていることを突き止めた。さらに、溶着の程度が、切れ刃稜線の形状に強く依存することを見出し、上記の課題を解決するのに有効なｃＢＮ焼結体工具を完成させた。

上記の知見に基づいて完成させたこの発明のｃＢＮ（立方晶窒化硼素）焼結体工具は、ｃＢＮ粒子と結合相で構成されるｃＢＮ焼結体を少なくとも刃先に有する工具であって、始端が刃先稜線（切れ刃）上にあって刃先稜線を波打たせる複数の溝がすくい面に形成されている。また、その溝の終端が刃先稜線よりも内側に配置されている。

すくい面に設ける上記溝の溝幅は、１０〜１００μｍ、溝深さは１０〜５０μｍであってその溝の溝幅が刃先稜線から離れるに従って狭くなり、さらに、その溝の溝深さが、刃先稜線から離れるに従って浅くなり、かつ、すくい面は正のすくい角を有することが好ましい。

また、ｃＢＮ焼結体に含まれるｃＢＮ粒子の平均粒径が２μｍ以下で、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。

この発明のｃＢＮ焼結体工具は、上記の構成を有することで耐熱合金の高速加工において横切れ刃部の境界損傷が抑制され、信頼性向上と長寿命化が実現される。その理由は後述する。

この発明のｃＢＮ焼結体工具の一例を示す斜視図である。 図１のｃＢＮ焼結体工具の刃先側の拡大平面図である。 図１のｃＢＮ焼結体工具の刃先側の拡大斜視図である。 図２のＸ−Ｘ線に沿った位置の拡大断面図である。

以下、この発明の実施形態であるｃＢＮ焼結体工具について説明する。この発明の実施形態であるｃＢＮ焼結体工具は、既述の通り、ｃＢＮ粒子と結合相で構成されるｃＢＮ焼結体を少なくとも刃先に有するものであって、すくい面に、始端が刃先稜線上にある複数の溝が形成され、その溝の終端が刃先稜線よりも内側に配置されることを特徴とする。

その特徴を有するｃＢＮ焼結体工具の一例を図１〜図４に示す。例示のｃＢＮ焼結体工具１は、鋭角コーナ部を刃先として使用する菱形ネガティブｃＢＮ刃先交換式チップである。このｃＢＮ焼結体工具１は、台金２の鋭角コーナ部に段落ちした支持座３を設け、その支持座３にｃＢＮ焼結体４を接合し、そのｃＢＮ焼結体４のすくい面５に、複数の溝６を設けてなる。隣り合う溝６，６間には、畝（凸部）７が形成されている。

溝６は、始端が刃先稜線（鋭角コーナ部の切れ刃）８上にある。また、その溝６は、刃先稜線８からその刃先稜線の各部における接線に対して直角に近い方向に延びて終端が刃先稜線８よりも内側に置かれている。さらに、溝幅Ｗ（図２、図３参照）が、刃先稜線８から離れるに従って狭くなり、なおかつ、溝深さｄ（図４参照）が刃先稜線８から離れるに従って浅くなっており、チップの平面視において刃先稜線８に沿った一定幅の領域に放射状に配置された溝になっている。

また、すくい面５は、１５°程度の正のすくい角θ（図４参照）を持つ面とされている。

このように、構成されたこの発明のｃＢＮ焼結体工具１は、すくい面５に形成される溝６によって刃先稜線８が波打つため、生成される切屑の接触面積が減少して溶着が抑制される。

また、溝６の終端が刃先稜線８よりも内側に配置されて溝６，６間の畝７が横切れ刃側の逃げ面９を直視した状態で直視方向に延び出すため、生成される切屑の断面形状が刃先稜線８（切れ刃）の波形状を転写したものになる。その波形断面の切屑は、溝幅Ｗが刃先稜線８から離れるに従って狭くなっているために溝６の底部と畝７の稜線側における流出速度が変化し、それにより、剪断力が作用して切屑が湾曲し、また、すくい面５との接触圧の低下、剪断促進による接触領域の減少などで横切れ刃部に発生する引っ張り応力も低下し、これ等の相乗効果によってチッピングが抑制されると推測される。

溝深さｄを刃先稜線８から離れるに従って浅くしたことによって切屑に作用する剪断力が高められ、また、すくい面５を切屑の流出抵抗の小さい正のすくい角を持つ面にしたことや溝６による誘導効果などによって切屑の排出もスムーズになり、これらによって、溶着の低減や横切れ刃部チッピングのより一層の低減が図られる。

すくい面５に設ける溝６は、溝幅Ｗ、溝深さｄが１０μｍ未満の場合、溝底と畝７の稜線側における切屑の流出速度に差異を生じ難く、横切れ刃部のチッピングを抑制する効果が薄い。また、溝幅Ｗが１００μｍを超えると、横切れ刃の位置に波形状の１ピッチ分を入れることが難しくなり、溝深さｄが５０μｍを超えると、凸部の強度が低下してチッピングが発生しやすくなる。従って、溝幅Ｗは１０〜１００μｍ、溝深さｄは１０〜５０μｍにするのが好ましい。

ｃＢＮ焼結体４に含まれるｃＢＮ粒子の平均粒径が２μｍ以下であり、さらに、ｃＢＮ焼結体４の熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。ｃＢＮ焼結体４に含まれるｃＢＮ粒子の平均粒径が２μｍを超えると、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が高くなる傾向があり、その熱伝導率を７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下に抑制しようとすると、ｃＢＮ粒子の含有率を低下させる必要が生じ、結果的にｃＢＮ焼結体の強度が低下するので好ましくない。

上記の溝６は、ＹＡＧレーザーやピコ秒レーザーを用いて、ビーム径やパルス幅、出力、ピッチ幅等のパラメータを調整することにより形成することができる。

また、この発明は、耐摩耗性を高めるＴｉＡｌＮ，ＴｉＣＮ，ＡｌＣｒＮ，ＴｉＡｌＣｒＮ，ＴｉＡｌＳｉＮ等のコーティングを施したｃＢＮ焼結体工具にも適用することが可能である。

−実施例１−
以下のようにして、ｃＢＮ焼結体工具を作製した。まず、平均粒子径１．２μｍのＷＣ粉末と、平均粒子径１．５μｍのＣｏ粉末と、平均粒子径２μｍのＡｌ粉末とを、質量比で、ＷＣ：Ｃｏ：Ａｌ＝４０：５０：１０となるように混合し、真空中で１１００℃にて３０分間熱処理した化合物を、φ４ｍｍの超硬合金製ボールを用いて粉砕し結合材を得た。
次いで、同結合材粉末と平均粒子径０．５μｍのｃＢＮ粒子とを焼結後のｃＢＮの割合が７５体積％になるように配合し、混合し乾燥させた。
さらに、これらの粉末を超硬合金製支持板に積層してＭｏ製カプセルに充填後、超高圧装置によって、圧力６．５ＧＰａ、温度１３５０℃で３０分間焼結した。
そして、得られたｃＢＮ焼結体の熱伝導率をレーザーフラッシュ法により測定し、別の方法で算出されたｃＢＮ焼結体の比熱および密度に基づいて算出した結果、その熱伝導率は、５０．５Ｗ／ｍ・Ｋであった。

次に、この試作品のｃＢＮ焼結体を用いて、台金の鋭角コーナ部にＣＢＮ焼結体を接合した菱形ネガティブｃＢＮ刃先交換式チップ（ｃＢＮ焼結体工具）：ＩＳＯ型番ＣＮＧＡ１２０４０８（一辺の長さ１２．７ｍｍ、刃先コーナのコーナ角８０°、全体厚み４．７６ｍｍ）を作製した後に、刃先部に、ＹＡＧレーザーを用いて、溝幅が５０μｍ、溝深さが３０μｍ、溝深さが刃先稜線から離れるに従って浅くなり、かつ、すくい面が１５°の正のすくい角を有する形状に成形した。ＹＡＧレーザーの条件は、加工速度５００ｍｍ／ｓ、周波数５０ｋＨｚ、出力６．０Ｗ、ビーム径８０μｍ、ピッチ幅０．０１ｍｍである。

−実施例２−
実施例１と同様の方法で、溝幅、溝深さ、すくい面のすくい角を変化させ、その他の仕様は実施例１と同じにした菱形ネガティブｃＢＮ刃先交換式チップ（表１に示す発明品２〜６）を作製した。表１の発明品１は実施例１で作製した工具である。

さらに、発明品１〜６と比較例１の菱形ネガティブｃＢＮ刃先交換式チップをホルダに装着して構成されるバイトを使用して、切削速度：３００ｍ／ｍｉｎ、切り込み量ａｐ：０．２ｍｍ、送り量ｆ：０．１ｍｍ／ｒｅｖで、被削材のインコネル（ＩＮＣＯ社商標。Ｎｉ基合金）７１８の外周切削を行った。発明品１〜６と比較例１の形状及び切削結果を表１に示す。比較例１は、すくい面に溝を設けていないｃＢＮ焼結体工具である。

この試験結果からわかるように、発明品１〜６は、比較例１に比べて横切れ刃部のチッピングが抑制されており、寿命判定基準をチッピングサイズ０．２ｍｍとした場合の工具寿命が、比較例１の３倍以上に延びていることがわかる。

−実施例３−
実施例１と同様の方法で、ｃＢＮ粒子の平均粒子径を２μｍ、ｃＢＮの割合を８０体積％にした菱形ネガティブｃＢＮ刃先交換式チップ（表２に示す発明品７）と、ｃＢＮ粒子の平均粒子径を４μｍ、ｃＢＮの割合を９０体積％にした菱形ネガティブｃＢＮ刃先交換式チップ（表２に示す発明品８）を作製した。これらの工具の他の仕様は発明品１と同じにした。発明品７の熱伝導率は７０Ｗ／ｍ・Ｋ、発明品８の熱伝導率は１２０Ｗ／ｍ・Ｋであった。

次に、発明品１，７，８のｃＢＮ焼結体工具をホルダに装着して構成されるバイトと比較例２のバイトを使用して、切削速度：１００ｍ／ｍｉｎ、切り込み量ａｐ：０．２ｍｍ、送り量ｆ：０．１ｍｍ／ｒｅｖで、前記インコネル７１８の外周切削を行った。切削結果を表２に示す。比較例２は、すくい面に溝形状を施していない市販のｃＢＮ焼結体工具（ｃＢＮの割合６０体積％、結合相：ＴｉＮ）である。

この試験結果から、熱伝導率の低い工具の方が、工具寿命が長いことがわかる。これは、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率が低いと、刃先で発生した剪断熱が被削材側及び切屑側に配分される割合が高まり、そのために、被削材や切屑が軟化し、また、切屑の排出もスムーズになって横切れ刃部のチッピングの発生が抑制されると推測される。

なお、この発明のｃＢＮ焼結体工具は、実施例で挙げたものに限定されない。工具の刃先部のみをｃＢＮ焼結体で構成したものが経済的であるが、工具の全体をｃＢＮ焼結体で構成したものであってもよい。

また、溝６の幅や深さ、ｃＢＮ焼結体に含まれるｃＢＮ粒子の平均粒径、ｃＢＮ焼結体の熱伝導率を適宜変化させて実施例とは異なる組み合わせにしたものであってもよい。

１ ｃＢＮ焼結体工具
２ 台金
３ 支持座
４ ｃＢＮ焼結体
５ すくい面
６ 溝
７ 畝
８ 刃先稜線
９ 逃げ面
Ｗ 溝幅
ｄ 溝深さ

Claims (2)

1. 立方晶窒化硼素粒子と結合相で構成されるｃＢＮ焼結体（４）を少なくとも刃先に有す
   る立方晶窒化硼素焼結体工具であって、始端が刃先稜線（８）上にあってその刃先稜線を
   波打たせる複数の溝（６）がすくい面（５）に形成され、その溝（６）の終端が前記刃先
   稜線（８）よりも内側にあり、
   さらに、前記溝（６）の溝幅（Ｗ）が１０〜１００μｍ、溝深さ（ｄ）が１０〜５０μｍであって、その溝の溝幅（Ｗ）が刃先稜線（８）から離れるに従って狭くなり、かつ、前記刃先稜線（８）から離れるに従って溝深さ（ｄ）が浅くなり、かつ、すくい面（５）が正のすくい角を有する立方晶窒化硼素焼結体工具。
2. 前記ｃＢＮ焼結体（４）に含まれるｃＢＮ粒子の平均粒径が２μｍ以下で、前記ｃＢＮ
   焼結体（４）の熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする請求項１に記載の立方晶窒化硼素焼結体工具。

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