JP5327740B2

JP5327740B2 - 切削用チップ

Info

Publication number: JP5327740B2
Application number: JP2008271310A
Authority: JP
Inventors: 英二近藤
Original assignee: 国立大学法人鹿児島大学
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: JP2010099758A

Description

本発明は、タングステンの使用量を抑え、かつ長寿命な切削用チップに関する。

自動車部品等を加工する際には、融点が高く、高温においても硬度の低下が小さい超硬合金を用いた切削工具が一般に用いられる。ここで、超硬合金とは、主にタングステンカーバイド（ＷＣ）とコバルト（Ｃｏ）とからなる合金であり、超硬合金を用いた切削工具は生産額の半数以上を占めている。超硬合金を用いた切削工具の形態としては、バイトホルダー等の先端に取り付けられるチップや、ドリルなどがある。

図４は、バイトホルダーに取り付けられた従来の超硬合金チップを示す図である。ステンレスや合金鋼などを加工する際には、バイトホルダー１２に超硬合金チップ１１を取り付け、被削材を回転させて超硬合金チップ１１の先端部分で外周加工などを行う。

前述したように、超硬合金には主成分としてタングステンが含まれている。超硬合金を用いた切削工具の主要原料であるタングステンは、将来は安定的な確保が難しい稀少金属であることが指摘されている。そこで、超硬合金に代わる材料の開発や使用量を削減するための技術の開発が進められている。

ところが、図４に示すように、一般に使用されている切削用チップは、チップの先端の切れ刃近傍とそれ以外の被削材と接触しない部分とで同一の材料となっている。一方、超硬合金の上に窒化物等のセラミックスでコーティングされた切削用チップが使用されることがあるが、チップの先端の切れ刃近傍とそれ以外の部分とでは同一の材料となっており、本質的には変わりはない。また、切削用チップのすくい面側において、切り屑が接触することによる発熱と、さらには高応力に耐えられる耐摩耗性の高い超硬合金を用いると、工具逃げ面の摩耗が大きくなるのに伴い、切削用チップの逃げ面側では逆に摩擦力が増加し、更なる発熱を招いてしまう。

切削用チップの刃先部分の発熱を抑制するための技術としては、積層構造や傾斜機能構造の材料からなる切削用チップが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、優れた熱伝導率を有する立方晶窒化硼素（cubic Boron Nitride：以下、ｃＢＮ）を含む超高硬度焼結体と、超硬合金とを積層させた切削用チップも知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−１５６６０５号公報特開平８−３３１２１３号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の技術では、超硬材料（ＷＣ）と高い熱伝導率を有する銅とを組み合わせて傾斜組成化することにより、切削用チップの刃先の温度上昇を抑えることはできるが、工具逃げ面摩耗の増加に伴う切削抵抗の増大を抑えることはできなかった。

また、前記特許文献２に記載の技術では、ｃＢＮを含む超高硬度焼結体を製造するコストが多くかかるという観点から、被削材と接触する部分にのみｃＢＮを含む超高硬度焼結体を用いている。したがって、工具逃げ面摩耗の増加に伴う切削抵抗の増大を抑えることはできなかった。

本発明は前述の問題点に鑑み、タングステンの使用量を少なくするとともに、工具逃げ面摩耗の増加に伴う切削抵抗を抑えることが可能な切削用チップを提供することを目的としている。

本発明の切削用チップは、工具のホルダーに取り付け及び取り外しが可能な切削用チップであって、すくい面側の層が厚さ０．１ｍｍ〜０．６ｍｍの超硬合金からなり、前記すくい面側の層と隣接する層がモリブデン系高速度鋼からなることを特徴とする。

本発明によれば、すくい面の表層側にのみタングステンの含有量の高い超硬合金を用いているので、タングステンの使用量を抑えることができる。また、隣接する層が超硬合金よりも耐摩耗性が低い合金であるため、逃げ面が摩耗したときの切削抵抗を低減することができる。これにより、工具寿命を向上させることができる。

本発明者は、切削加工で工具が被削材と接触する部分は切れ刃に近い狭い部分であること、工具寿命は逃げ面の摩耗によって生じる切削抵抗（切削熱）の増加が原因になることに着目し、鋭意検討した結果、超硬合金の薄板とモリブデン系高速度鋼の母材とからなる二層構造の切削用チップを見いだした。

図１は、本実施形態に係る切削用チップ１の構造例を示す図である。
図１において、切削用チップ１のすくい面の表層側には、超硬合金の薄板２が形成されており、下部の母材３には、モリブデン系高速度鋼が用いられている。また、薄板２と母材３とは、銀ろう等を用いてろう付けにより接合されている。なお、切削を行う際には、バイトホルダー４等に切削用チップ１が取り付けられて行われる。

すくい面の表層側の薄板２に用いられる超硬合金は、耐摩耗性が優れ、高硬度であり、切削によって刃先温度が上昇しても、硬度の低下が小さいという特徴がある。一方、母材３に用いられるモリブデン系高速度鋼は、耐熱性及び剛性に優れているという特徴がある。被削材と接触して切り屑を生成するすくい面側では強度が必要とされるため、強度の優れた超硬合金の薄板２が上部に接合されている。一方、耐摩耗性が高くなると、逃げ面の摩耗部と被削材との接触面では、切削抵抗が大きくなるため、母材３としては耐摩耗性が低い高速度鋼が下部に接合されている。これにより、逃げ面摩耗部に母材３が露出した場合には、母材３は耐摩耗性が低いため、切削抵抗の上昇を抑えることができる。

図２は、本実施形態に係る切削用チップ１を用いて被削材を切削加工している状態を示す図である。図２に示すように、被削材を切削加工すると、すくい面側では主として被削材の切り屑により主分力Ｆ_zを受け、逃げ面側では、主として被削材から背分力Ｆ_yを受ける。逃げ面摩耗量Ｖ_Bが大きくなると、逃げ面摩耗部に母材３である高速度鋼が露出する。高速度鋼が露出した状態では、母材３である高速度鋼は高温での耐摩耗性が低いため、母材の部分は大きく摩耗して後退する。この結果、母材３の部分は、被削材と接触しないか、もしくは接触してもその部分で生じる切削抵抗は小さくなるため、実質的には背分力Ｆ_yを受ける部分は超硬合金の部分のみとなる。したがって、切削抵抗は一定に保たれるようになり、工具寿命が向上する。

図３は、逃げ面摩耗幅と切削抵抗との関係を示す図である。図３における破線６は、工具逃げ面摩耗幅を示している。また、実線７で示した２層構造を有する切削用チップ１での切削抵抗は、逃げ面の摩耗に伴って増加するが、逃げ面摩耗幅が表層の薄板の厚さよりも大きくなると、切削抵抗は一定値に保たれる。図２に示す例のように、被削材のワーク面と切削用チップ１のすくい面とが垂直である場合、逃げ面摩耗量Ｖ_Bが超硬合金の薄板２の厚さを超えると、逃げ面摩耗部に母材３が露出する。母材３である高速度鋼が露出した状態では、前述したように切削抵抗を受ける部分は超硬合金の部分のみとなるため、２層構造を有する切削用チップ１の場合は、切削抵抗がほぼ一定に保たれる。一方、点線８で示す従来の超硬チップでの切削抵抗は、逃げ面の摩耗の増加に伴い、増大し続ける。

以上のように２層構造からなる切削用チップ１は、従来の超硬合金のみの単層構造のチップと比べて使用する超硬合金の量を少なくすることができるとともに、逃げ面摩耗量Ｖ_Bが大きくなっても切削抵抗をほぼ一定に保つことができる。これにより、従来の単層構造の超硬合金のチップと比べて切削抵抗が小さくなり、工具寿命を長くすることができる。

なお、単層構造の切削用チップの場合、逃げ面摩耗量Ｖ_Bが０．６ｍｍを超えると、切削抵抗が大きくなりすぎてチッピングやブレが生じ、切削用チップとしての機能を保つことができなくなる。したがって、チッピングやブレが生じない程度の切削抵抗に保つためには、超硬合金からなる薄板２の厚さが０．６ｍｍ以下であることが好ましい。さらに安定した性能を確保するためには、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。

一方、超硬合金からなる薄板２の厚さが０．１ｍｍ未満となると、切り屑による主分力Ｆ_yに対する強度が十分に確保できなくなり、さらに、製造が非常に困難なものとなるため、超硬合金からなる薄板２の厚さは０．１ｍｍ以上であることが好ましい。

なお、図１に示す構造例においては、切削用チップの片面側にのみ超硬合金の薄板が形成されている。一方、すくい面と逃げ面とが垂直な形状の切削用チップの場合は、表面と裏面とで超硬合金の薄板を形成した３層構造であってもよい。これにより、１コーナーにおいて表面側と裏面側とで使用することが可能となる。

次に、本実施形態に係る切削用チップ１の切削試験結果について説明する。
図５は、本実施例における切削試験で用いた装置及び切削用チップの刃先部分の形状を示す図である。
本実施例に用いた切削用チップの形状は、図５に示すように厚さ０．５ｍｍの超硬合金と厚さ５．５ｍｍの高速度鋼との２層構造であり、逃げ面摩耗が大きくなったときの切削抵抗を小さくするために、先端部分に約１０°のチャンファーホーニングを設け、先端部分の超硬合金の厚さを０．２ｍｍとした。そして、すくい角は６°で逃げ角を６°に設定した。また、詳細な切削条件は以下の表１に示すとおりである。

比較のため、超硬合金のみを用いた単層構造の切削用チップについても、本実施例で作製した切削用チップと同一の形状のものを作製した。

図６は、本実施例の条件で被削材を切削した場合の、１分後及び１０分後の刃先部分の摩耗形態を示す写真である。
超硬合金がＭ２０で、Ｖ＝２０９ｍ／ｍｉｎ、湿式切削の場合、逃げ面摩耗は大きく進行しているが、すくい面側は大きなクレーターの発達はなかった。

図８は、本実施例で作製した切削用チップを用いて切削試験を行った結果を示す図である。図８（ａ）には、平均の逃げ面摩耗幅Ｖ_B及び最大の逃げ面摩耗幅Ｖ_BMAXの推移を示し、図８（ｂ）には、背分力Ｆ_y及び主分力Ｆ_zの推移を示す。また、"Surface"及び"base"はそれぞれ、図７に示すように、逃げ面での超硬合金の摩耗幅及び高速度鋼の摩耗幅を示している。図７では、超硬合金の薄板の端部（逃げ面）全体が摩耗し、さらに、高速度鋼の部分にも同程度の摩耗（幅）が生じている。

図８（ａ）に示すように、比較例として作製した単層の切削用チップでは、寿命が４〜５分であったのに対し、本実施例で作製した２層構造の切削用チップでは、１０分切削した段階においても寿命には至らなかった。また、図８（ｂ）に示すように、４分過ぎの段階では、比較例の切削用チップでは背分力Ｆ_yが大きくなっていることがわかる。このように、比較例として作製した単層の切削用チップに比べて、本実施例で作製した２層構造の切削用チップの寿命が２倍以上となり、有用性が確認できた。

図９〜図１１は、本実施例で作製した切削用チップを用いて他の切削条件で切削試験を行った結果を示す図である。
図８に示した結果と同様に、図９〜図１１に示すように、比較例として作製した単層の切削用チップに比べて、本実施例で作製した２層構造の切削用チップの方が寿命が長くなり、有用性が確認できた。

以上のように本実施例によれば、従来の超硬合金のみの単層構造の切削用チップと比べて、逃げ面が摩耗しても切削抵抗が一定値以下となり、工具寿命が長くなる。

本発明の実施形態に係る切削用チップの構造例を示す図である。本発明の実施形態に係る切削用チップを用いて被削材を切削加工している状態を示す図である。本発明の実施形態において、逃げ面摩耗幅と切削抵抗との関係を示す図である。バイトホルダーに取り付けられた従来の超硬合金チップを示す図である。本発明の実施例における切削試験で用いた装置及び切削用チップの刃先部分の形状を示す図である。本発明の実施例の条件で被削材を切削した場合の、１分後及び１０分後の刃先部分の摩耗形態を示す写真である。逃げ面側の摩耗形態を示す写真である。本発明の実施例で作製した切削用チップを用いて切削試験を行った結果を示す図である。本発明の実施例で作製した切削用チップを用いて他の切削条件で切削試験を行った結果を示す図である。本発明の実施例で作製した切削用チップを用いてその他の切削条件で切削試験を行った結果を示す図である。本発明の実施例で作製した切削用チップを用いてその他の切削条件で切削試験を行った結果を示す図である。

符号の説明

１切削用チップ
２薄板
３母材
４バイトホルダー
１１超硬合金チップ
１２バイトホルダー

Claims

工具のホルダーに取り付け及び取り外しが可能な切削用チップであって、
すくい面側の層が厚さ０．１ｍｍ〜０．６ｍｍの超硬合金からなり、前記すくい面側の層と隣接する層がモリブデン系高速度鋼からなることを特徴とする切削用チップ。
前記超硬合金からなる層と、前記モリブデン系高速度鋼からなる層との２層構造であることを特徴とする請求項１に記載の切削用チップ。