JP5780248B2 - 切削工具、その製造方法および切削品の製造方法 - Google Patents
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Description
(1)本発明の切削工具は、先端にある切れ刃で切削されて生じた被削材の切屑が接触し得る接触表面上の少なくとも一部に、凹凸模様状の表面テクスチャを設けたすくい面を備える切削工具であって、前記表面テクスチャは、前記切屑の排出方向に断続した凹部を有すると共に該凹部がドット状の窪みからなるドット型テクスチャであり、該窪み一つあたりの大きさを指標する窪み径は5〜300μmであり、該表面テクスチャ全面から該凹部を除いた残面の該表面テクスチャ全面に対する面積割合である切屑接触面積率が9〜90%であることを特徴とする。
(1)上述した切削工具は、その製造方法を問わないが、例えば次のような本発明の製造方法により得られる。すなわち、先端にある切れ刃に連なる平滑なすくい面の少なくとも一部に高エネルギービームを照射して、凹凸模様状の表面テクスチャを形成するテクスチャ形成工程を備え、上述した本発明の切削工具が得られることを特徴とする切削工具の製造方法である。
さらに本発明は、上述した切削工具や各製造方法により得られた切削工具を用いて被削材を切削した切削品を得る切削工程を備えることを特徴とする切削品の製造方法としても把握できる。
(1)本明細書でいう「切削性」は、主分力や背分力等の切削抵抗力の大小、切屑厚さの大小、すくい面上における切屑の凝着の有無などにより指標される。この切削性は、被削材の切削加工面の良否、工具寿命の長短、生産性などに反映される。
(1)凹部と切屑接触面積率
本発明に係る表面テクスチャは、切屑が接触し得るすくい面の表面(接触表面)上に設けた凹部からなり、全体として凹凸模様状となっている。表面テクスチャの凹部は、切れ刃で被削材が切削されて生じた切屑が排出される方向に、断続した状態となっている。このため、その切屑排出方向に連続した凹部からなる溝などは除かれる。
本発明に係る表面テクスチャの好例として、凹部がドット状の窪みからなるドット型テクスチャについて説明する。ドット型テクスチャを構成する窪みの形状は、円、楕円、長円形、多角形等のいずれでもよく、配列は問わず、窪みは規則的に配列されていても不規則的に配列されていてもよい。また窪み間隔は、縦方向または横方向に、それぞれ同一でも異なっていてもよい。さらに溝の場合と同様に、窪み毎に窪みの形態(形状、サイズ等)が同一でも異なっていてもよい。窪み全てが同形態であると、表面テクスチャの形成が容易となり好ましい。
表面テクスチャは、切れ刃の近傍に設けた凹部からなるため、テクスチャ域が切れ刃に近接し過ぎると、直線的な切れ刃の維持や刃先強度の確保が困難となる。そこで切削性を考慮しつつ、テクスチャ域を刃先から少し離す(オフセットさせる)と好ましい。つまり、テクスチャ域の切れ刃側の周縁と刃先の間に、15〜300μm程度のマージン(切れ刃マージン)を設けると好ましい。
本発明に係る切削工具は、その種類を問わず、切削方法に適したものが適宜選択される。切削工具は、単刃工具でも多刃工具でもよい。単刃工具は、旋削加工、平削り加工、中ぐり加工、形削り加工等に用いられる。多刃工具は、穿孔加工、フライス加工、リーマ加工、ボブ加工、ブローチ加工等に用いられる。切削工具の一例として、バイト、ドリル、エンドミル等が代表的である。
本発明に係る被削材は、その形態を問わない。被削材は、棒状、ブロック状、管状等いずれでも良く、その加工履歴や加工段階も問わない。また被削材は、その材質がいずれでも良く、鉄系材料(ステンレス鋼等)でも活性金属材料でもよい。活性金属材料として、アルミニウム系、チタン系、マグネシウム材料、銅系材料などがある。中でも、一般的に多用される一方で、切削時に凝着を生じ易く加工し難いアルミニウム合金を本発明に係る被削材とすると特に好ましい。なお、本明細書でいう「X系材料」とは、元素Xに係る純金属、合金および複合材を意味する。
本発明の切削工具によれば、切削部分の冷却や潤滑を行う切削液が供給されるウエット環境下の切削(ウエット切削)は勿論、そのような切削液が供給されないドライ環境下の切削(ドライ切削)も行うことができる。従って本発明の切削工具は、切削液を用いずに切削するドライ切削用として好適である。
(1)本発明に係る表面テクスチャは、すくい面の少なくとも一部に高エネルギービームを照射することにより形成され得る。高エネルギービームを用いると、その照射域の軌跡に応じて凹部ひいては表面テクスチャが形成され、微細な凹部も高精度に形成され得る。また、平面に限らず種々の曲率をもつ曲面からなるすくい面にも、曲線状(直線状を含む)や斑点状の凹部からなる表面テクスチャが高自由度で形成され得る。また高エネルギービームの出力密度、ビーム径、焦点等を調整することにより、凹部の幅や深さを任意に調整可能であり、二次元的な形態に留まらず三次元的な形態の表面テクスチャも高自由度で形成可能である。
(1)先ず、表面テクスチャが形成されていない市販の切削チップ(住友電工株式会社製 ハードメタル H1)を用意した。この切削チップ(適宜「ブランクチップ」という。)はK種超硬合金(JIS B4053)からなり、アルミニウム合金製の被削材に対応している。
(1)観察
一部の試料のすくい面に形成された表面テクスチャを光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した様子を図1A、図2、図3Aおよび図4に示した。また図1Aおよび図3Aに示した試料の表面テクスチャの表面粗さをレーザ顕微鏡で測定し、得られた各表面テクスチャの深さ方向の変化をそれぞれ図1Bおよび図3Bに示した。
各試料のすくい面に形成された表面テクスチャの諸元を、既述した方法に基づいて測定または算出した。その結果を表1に併せて示した。表1に示した溝幅または窪み径:D、縦間隔(縦周縁間距離):Lおよび横間隔(横周縁間距離):Aは、前述したよう図16、図17Aおよび図17Bに示した各距離を既述の方法に基づき実測し、算出した値である。また、切屑接触面積率の算出に必要なテクスチャ域の特定、そのテクスチャ域の面積および各凹部(溝、窪み)を除く残面積の測定等も既述した方法により行った。それらに基づき、各試料の切屑接触面積率を算出して、表1に併せて示した。
(1)主分力および背分力
上述した方法により製作した各種の切削チップ(ブランクチップを含む)を用いて切削試験を行った。この切削試験の概要を図19Aおよび図19Bに模式的に示した。被削材Wには、特に断らない限りアルミニウム合金(JIS A6063/H18)からなる引き抜き管材(外径φ50mm×内径φ46mm)を用いた。
各切削チップCで二次元切削を行った際に排出された切屑Scの厚さをポイントマイクロメータで測定した。その結果を表1に併せて示した。
切削試験後の各切削チップCに係る表面テクスチャTの表面を走査型電子顕微鏡(SEM)または光学顕微鏡で観察した一部を、図5A〜図5Dと図6Aに示した。
〈表面テクスチャの表面性状〉
(1)切削試験前
図1A、図3Aおよび図4からわかるように、ナノ秒パルスレーザを用いることにより、凹部の境界が明確で所望する形態の表面テクスチャが得られることが確認された。一方、図2からわかるように、フェムト秒パルスレーザを用いて形成した従来の表面テクスチャ(試料No.A16)は、各溝が非常に微細で溝の形態が安定していなかった。
図5Bから明らかなように、切屑排出方向に連続した凹部が形成されていない表面テクスチャの場合、つまり切屑排出方向に断続的な凹部からなる表面テクスチャの場合、図5Dに比べて、切削試験後も被削材(切屑)の凝着が少ないことがわかる。ちなみに、図5Bと図5Dに示したSEM像を画像処理(二値化処理)して、それぞれのすくい面における被削材(アルミニウム合金)の凝着量を調べた。その結果、図5Bに係る凝着量は面積率で60.9%であったが、図5Dに係る凝着量は面積率で82.5%であった。このことからも、すくい面に表面テクスチャを設けることにより、被削材の凝着が大幅に低下することが確認された。
(1)表1に示す結果に基づき、溝型テクスチャの溝幅と完全ドライ環境下における切削性との関係を図7に示した。表面テクスチャを形成していない試料No.D0(溝幅:0μm)を除き、図7に示した試料No.A11、A13およびA15の切屑接触面積率は全て75%である。
(1)先ず、ドット型テクスチャを有する試料No.B19とすくい面が平滑な試料No.D0を用いて、アルミニウム合金管材(外径φ100mm×内径φ94mm)を切削して切削速度と切削性の関係を調べた。この結果を図10に示した。図10から明らかなように、切削速度に拘わらず、すくい面に表面テクスチャを設けることにより切削性が向上した。つまり、すくい面に表面テクスチャを設けた場合に、切削速度が切削性に及ぼす影響は小さいことが確認できた。
表1に示す結果に基づき、ドット型テクスチャのパターンと切削性の関係を図14Aおよび図14Bに示した。図14Aは完全なドライ環境下で切削試験を行った場合であり、図14Bはウエット環境下で切削試験を行った場合である。表面テクスチャを形成していない試料No.D0および試料No.D1を除き、各図に示した試料No.B15および試料No.C11〜C13はいずれも、窪み径:14μm、切屑接触面積率:61.5%である。
先ず、表面テクスチャが形成されていない市販の超硬製切削チップ(住友電工株式会社製ハードメタル ST20E)と、すくい面がTiAlN/AlCrN積層被膜でコーティングされた市販の超硬製切削チップ(住友電工株式会社製ハードメタル AC510U)を用意した。これら切削チップ(適宜「ブランクチップ」という。)は、ステンレス鋼製の被削材に対応している。各ブランクチップのすくい面に、表2Aに示す交互配置したドット型テクスチャを形成した。この表面テクスチャの形成は、ナノ秒パルスレーザを用いて既述した方法により行った。
ドット型テクスチャの場合、切屑接触面(テクスチャ域)の単位面積あたりにできる凹部の空間(空間体積)は、前述したように1.0×10−3〜1.0×10−1mm3/mm2さらには9.0×10−3〜4.5×10−2mm3/mm2であると好ましい。
上述した円形状のドット型テクスチャに替えて、図18に示すような破線溝状(長円状)のドット型テクスチャをすくい面に形成した切削チップを複数用意して、前述した場合と同様にアルミニウム合金管材をドライ切削した。これにより得られた各試料に係る表面テクスチャと切削性の関係を表2Bに示した。また、各試料に係る切屑接触面積率と切削性の関係を図20に示した。
試料No.B43に示したドット型テクスチャ(窪み径:100μm、切屑接触面積率:9.6%)を有する切削チップを用いて、上述した場合よりも切削距離が長い切削試験を行い、各切削距離毎の切削性を測定した。この結果を図21に示した。なお、図21中で最小の切削距離は15.7mである。図21から明らかなように、ドット型テクスチャを設けた切削チップは、切削距離が10倍(235.6m→2356m)に伸びても、良好な切削性を安定して発揮し、耐久性にも優れることがわかった。
上述した切削試験(切削距離:2356m)後の試料No.B43に係る切削チップのすくい面を電子プローブマイクロアナライザ(EPMA)で観察した写真を図22Aおよびその拡大写真である図22Bに示した。これらから明らかなように、切削後の切屑接触面領域(窪み周縁から外方に向かう領域)において、Coが濃化(逆にCは薄化)していることがわかる。このような表面性状がすくい面上に現れる理由は現状定かではないが、
この表面性状が少なくとも超硬合金製切削チップに係る優れた切削性や耐久性に何らかの影響を及ぼしている可能性はあり得る。
C 切削チップ(切削工具)
Cr すくい面
Ce 切れ刃
H バイトホルダー
Sc 切屑
W 被削材
Fm 主分力
Fb 背分力
Claims (13)
- 先端にある切れ刃で切削されて生じた被削材の切屑が接触し得る接触表面上の少なくとも一部に、凹凸模様状の表面テクスチャを設けたすくい面を備える切削工具であって、
前記表面テクスチャは、前記切屑の排出方向に断続した凹部を有すると共に該凹部がドット状の窪みからなるドット型テクスチャであり、
該窪み一つあたりの大きさを指標する窪み径は5〜300μmであり、
該表面テクスチャ全面から該凹部を除いた残面の該表面テクスチャ全面に対する面積割合である切屑接触面積率が9〜90%であることを特徴とする切削工具。 - 切削液を用いずに切削するドライ切削用である請求項1に記載の切削工具。
- 刃先と前記窪みの切れ刃側の周縁との間に、該窪みが形成されていない15〜300μmのマージンを有する請求項1または2に記載の切削工具。
- 前記ドット型テクスチャは、前記窪みを除いた残面が前記切屑の排出方向に不連続となっている請求項1〜3のいずれかに記載の切削工具。
- 前記ドット型テクスチャは、隣接する前記窪みを交互にずらして配置してなる請求項1〜4のいずれかに記載の切削工具。
- 前記ドット型テクスチャは、単位面積当たりの空間体積が1.0×10−3mm3/mm2〜 1.0×10−2mm3/mm2である請求項1〜5のいずれかに記載の切削工具。
- 前記窪みの一つあたりの空間体積は1.0×10−8〜1.0×10−2mm3である請求項1〜6のいずれかに記載の切削工具。
- 炭化タングステン(WC)とバインダーであるコバルト(Co)とを含む混合物を焼結した超硬合金からなり、Coが前記凹部の周縁近傍に濃化している請求項1〜7のいずれかに記載の切削工具。
- 前記被削材は、活性金属材料からなる請求項1〜8のいずれかに記載の切削工具。
- 先端にある切れ刃に連なる平滑なすくい面の少なくとも一部に高エネルギービームを照射して、凹凸模様状の表面テクスチャを形成するテクスチャ形成工程を備え、
請求項1〜9のいずれかに記載の切削工具が得られることを特徴とする切削工具の製造方法。 - 先端にある切れ刃で切削されて生じた被削材の切屑が接触し得る接触表面上の少なくとも一部に凹凸模様状の表面テクスチャを設けたすくい面を有する切削工具を、使用後に回収する回収工程と、
該回収した切削工具のすくい面上の少なくとも一部へ高エネルギービームを照射して、該すくい面上に凹凸模様状の表面テクスチャを形成するテクスチャ形成工程とを備え、
請求項1〜9のいずれかに記載の切削工具が得られることを特徴とする切削工具の製造方法。 - 前記テクスチャ形成工程は、前記切削工具の表面テクスチャを再生させるテクスチャ再生工程である請求項11に記載の切削工具の製造方法。
- 請求項10〜12のいずれかに記載の製造方法により得られた切削工具を用いて被削材を切削した切削品を得る切削工程を備えることを特徴とする切削品の製造方法。
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