JP6057943B2 - Rolling tool manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、転造工具の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a rolling tool.
転造工具の耐摩耗性の向上を図る技術として窒化処理を母材の表面に施すものが知られている（特許文献１）。かかる窒化処理によれば、例えば、高速度鋼やダイス鋼の表面に窒素を拡散させることで、表面硬さを向上させるが、最大１４００ＨＶ程度の表面硬度であり、耐摩耗性の向上を十分に図ることができなかった。 As a technique for improving the wear resistance of a rolling tool, a technique for performing nitriding treatment on the surface of a base material is known (Patent Document 1). According to such nitriding treatment, for example, the surface hardness is improved by diffusing nitrogen on the surface of high-speed steel or die steel, but the surface hardness is about 1400 HV at the maximum, and sufficient improvement in wear resistance is achieved. I couldn't plan.
一方、ＴｉＮをＣＶＤ処理により母材の表面にコーティングすることで、最大で１７００ＨＶ程度の表面硬さを確保して、耐摩耗性を向上させることができるが、コーティング温度が高速度鋼やダイス鋼の焼き戻し温度を越えるため、母材の硬度が低下する。そのため、母材とコーティング層との間の硬度の差が大きくなり、コーティング層の剥離が生じやすくなるため、耐久性が十分ではなかった。 On the other hand, by coating TiN on the surface of the base material by CVD, it is possible to secure a surface hardness of up to about 1700 HV and improve wear resistance, but the coating temperature is high speed steel or die steel. Since the tempering temperature is exceeded, the hardness of the base material decreases. Therefore, the difference in hardness between the base material and the coating layer is increased, and the coating layer is likely to be peeled off, so that the durability is not sufficient.
これに対し、ＰＶＤ処理を採用することで、比較的低温でのコーティングが可能となるため、母材の硬度が低下することを抑制でき、コーティング層の剥離を生じ難くできる。 On the other hand, since the coating at a relatively low temperature is possible by adopting the PVD treatment, it is possible to suppress the decrease in the hardness of the base material and to prevent the coating layer from peeling off.
しかしながら、上述したＰＶＤ処理によるコーティングでは、コーティング層の摩擦係数が低いため、被加工物に滑りが生じるという問題点があった。被加工物に滑りが生じる場合には、転造工具を被加工物に押し付けて転造加工を行うことが必要となるため、転造工具の耐久性の低下を招く。 However, the above-described coating by the PVD treatment has a problem that the workpiece is slipped because the friction coefficient of the coating layer is low. When the work piece slips, it is necessary to perform the rolling process by pressing the rolling tool against the work piece, which causes a decrease in durability of the rolling tool.
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、被加工物の滑りを抑制できる転造工具の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a rolling tool that can suppress slippage of a workpiece.
この目的を達成するために請求項１記載の転造工具の製造方法は、被加工物を塑性変形させて所定形状を転造する転造面を備えた転造工具の製造方法であって、周期律表の第３周期および第４周期のうちの少なくとも一つの金属元素とＡｌとからなりＡｌ含有量が３０ｗｔ％以上かつ７５ｗｔ％以下に設定されるターゲットを形成する準備工程と、その準備工程の後に前記ターゲットを用いてアークイオンプレーティング法でＰＶＤ処理を行い、前記転造面にコーティング素材をコーティングしてコーティング層を形成する処理工程と、を備え、前記処理工程では、表面にドロップレットが分散配置されるコーティング層を前記転造面に形成する。 Method for producing a rolling tool of claim 1, wherein in order to achieve this object is achieved by a method for producing a rolling tool having a rolling surface for rolling the predetermined shape of the workpiece is plastically deformed, A preparation step of forming a target composed of at least one metal element in the third period and the fourth period of the periodic table and Al and having an Al content set to 30 wt% or more and 75 wt% or less, and the preparation process wherein performs PVD processing by using a target with an arc ion plating method after, and a processing step of forming a coating layer by coating a coating material on the rolling surface, in the processing step, the drop on the surface Rett Is formed on the rolled surface .
請求項２記載の転造工具の製造方法は、請求項２記載の転造工具の製造方法において、前記処理工程では、厚み寸法が０．５μｍ以上かつ４μｍ以下の範囲に設定される前記コーティング層を前記転造面に形成する。 Method for producing a rolling tool according to claim 2 is a method of manufacturing a rolling tool according to claim 2, wherein, in said processing step, the coating layer thickness is set to and the range 4μm over 0.5μm the formed on the rolling surface.
請求項３記載の転造工具の製造方法は、請求項１又は２に記載の転造工具の製造方法において、前記転造面は、食付き部およびその食付き部の転造方向後端側に連設される仕上げ部を少なくとも備え、前記処理工程では、前記ドロップレットが分散配置される前記コーティング層を、前記転造面のうちの食付き部に形成する。 Method for producing a rolling tool according to claim 3 is a method of manufacturing a rolling tool according to claim 1 or 2, wherein the rolling surface, chamfer and rolling direction rear side of the chamfer at least provided with a finishing portion provided continuously to, and in the processing step, the coating layer in which the droplets are distributed, you formed chamfer of said rolling surface.
請求項１記載の転造工具の製造方法によれば、転造面にはコーティング素材がＰＶＤ処理によりコーティングされることでコーティング層が形成されるので、表面硬さを高くして、耐摩耗性の向上を図ることができる。 According to the method for manufacturing a rolling tool according to claim 1, since a coating layer is formed on the rolling surface by coating the coating material by PVD treatment, the surface hardness is increased and the wear resistance is increased. Can be improved.
一方で、かかるコーティング層では摩擦係数が低くなるところ、その表面にはドロップレットが分散配置されるので、ドロップレットを被加工物の表面に食い込ませて、被加工物の滑りを抑制できる。特に、ドロップレットは、三角錐形状であるので、被加工物の表面に対する食い込み性および離反性の両立を図ることができ、転造性能の向上を図ることができる。 On the other hand, in such a coating layer, where the friction coefficient is low, the droplets are dispersedly arranged on the surface thereof, so that the droplets can bite into the surface of the workpiece and the slippage of the workpiece can be suppressed. In particular, since the droplet has a triangular pyramid shape, it is possible to achieve both the biting property and the separation property with respect to the surface of the workpiece and to improve the rolling performance.
また、ＰＶＤ処理には、アークイオンプレーティング法が用いられると共に、周期律表の第３周期および第４周期のうちの少なくとも一つの金属元素とＡｌとからなりＡｌ含有量が３０ｗｔ％以上かつ７５ｗｔ％以下に設定されるターゲットが使用されるので、コーティング層の表面に三角錐形状のドロップレットを発生させやすくできる。その結果、転造性能の向上を図ることができる。 In addition , arc ion plating is used for the PVD treatment, and at least one metal element in the third period and the fourth period of the periodic table and Al are included, and the Al content is 30 wt% or more and 75 wt%. Since a target set to not more than% is used, it is easy to generate triangular pyramid-shaped droplets on the surface of the coating layer. As a result, the rolling performance can be improved.
請求項２記載の転造工具の製造方法によれば、請求項１記載の転造工具の製造方法の奏する効果に加え、コーティング層の厚み寸法が０．５μｍ以上かつ４μｍ以下の範囲に設定されるので、ドロップレットを転造加工に適した大きさとして、転造性能の向上を図ることができる。 According to the manufacturing method of the rolling tool according to claim 2, in addition to the effects of the manufacturing method of the rolling tool according to claim 1, thickness of the coating layer is set to and the range 4μm over 0.5μm Therefore, the drop performance can be improved by setting the droplets to a size suitable for the rolling process.
即ち、コーティング層の厚み寸法が０．５μｍよりも小さい場合には、ドロップレットを十分に分散配置させることができず、被加工物の滑りを十分に抑制することができない一方、コーティング層の厚み寸法が４μｍよりも大きい場合には、ドロップレットの数が過大となり、転造抵抗が増加する。 That is, when the thickness dimension of the coating layer is smaller than 0.5 μm, the droplets cannot be sufficiently dispersed and arranged, and the slip of the workpiece cannot be sufficiently suppressed, while the thickness of the coating layer When the dimension is larger than 4 μm, the number of droplets becomes excessive and the rolling resistance increases.
請求項３記載の転造工具の製造方法によれば、請求項１又は２に記載の転造工具の製造方法の奏する効果に加え、ドロップレットは、転造面のうちの食付き部に分散配置されるので、食付き部を転動される被加工物の滑りを抑制して、転造精度の向上を図ることができる。一方、仕上げ部には、ドロップレットが非形成とされるので、ＰＶＤ処理によるコーティング層の表面が平滑であるという特性を活かして、転造抵抗の低減を図ると共に、被加工物の転造面の平滑化を得ることができる。 According to the manufacturing method of the rolling tool of Claim 3 , in addition to the effect which the manufacturing method of the rolling tool of Claim 1 or 2 show | plays, a droplet is disperse | distributed to the biting part in a rolling surface. Since it arrange | positions, the slip of the workpiece rolled by the biting part can be suppressed and the improvement of rolling accuracy can be aimed at. On the other hand, since the droplets are not formed in the finished portion, the rolling resistance of the workpiece is reduced while taking advantage of the property that the surface of the coating layer by PVD treatment is smooth. Smoothing can be obtained.
以下、本発明の好ましい実施形態について、添付図面を参照して説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施形態である転造工具１の正面図であり、図１（ｂ）は、転造工具１の側面図である。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1A is a front view of a rolling tool 1 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a side view of the rolling tool 1.
転造工具１は、円柱状の軸状素材（以下、被加工物と称す。）の外周面を塑性変形させることにより複数条の歯形を転造する為の工具であり、この転造加工は、被加工物を一対の転造工具１の対向面間に挟持した状態で行われる。なお、図１では、転造加工を行う一対の転造工具１のうち、転造盤（図示せず）に固定される一方の転造工具１を図示しており、かかる一方の転造工具１に対して平行移動される他方の転造工具１の図示を省略している。 The rolling tool 1 is a tool for rolling a plurality of tooth profiles by plastically deforming the outer peripheral surface of a cylindrical shaft-shaped material (hereinafter referred to as a workpiece). The workpiece is sandwiched between the opposing surfaces of the pair of rolling tools 1. In addition, in FIG. 1, one rolling tool 1 fixed to a rolling machine (not shown) is illustrated among a pair of rolling tools 1 which perform a rolling process, and this one rolling tool Illustration of the other rolling tool 1 translated in parallel with respect to 1 is omitted.
転造工具１は、転造に適した合金工具鋼、冷間ダイス鋼または高速度工具鋼等の金属材料から略直方体状に形成されており、その一面（図１（ａ）紙面手前側、（ｂ）上側）には、被加工物の外周面に複数条の歯形の転造を行う転造歯形面２が設けられている。この転造歯形面２には、後述するＰＶＤ処理によりコーティング層が形成され、転造工具１の転造方向始端側（図１（ａ），（ｂ）右側）から終端側（図１（ａ），（ｂ）左側）へ向けて、食付き部２ａ、仕上げ部２ｂおよび逃げ部２ｃが順に連続して設けられている。 The rolling tool 1 is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape from a metal material such as alloy tool steel, cold die steel or high-speed tool steel suitable for rolling, and one surface thereof (FIG. 1 (a) on the front side of the paper surface, (B) The upper side is provided with a rolling tooth profile surface 2 for rolling a plurality of tooth profiles on the outer peripheral surface of the workpiece. A coating layer is formed on the rolling tooth profile surface 2 by PVD processing, which will be described later, and the rolling tool 1 starts from the rolling direction start end side (the right side in FIGS. 1A and 1B) and the terminal end side (see FIG. 1A ), (B) toward the left side), a chamfered portion 2a, a finish portion 2b, and a relief portion 2c are successively provided.
食付き部２ａは、転造工具１の転造歯形面２を被加工物の外周面に食い付かせる為の部位である。この食付き部２ａは、転造工具１の転造方向始端側（図１（ａ），（ｂ）右側）から仕上げ部２ｂ側（図１（ａ），（ｂ）左側）へ向けて所定の傾斜角κ１で上昇傾斜して形成されており、また、この食付き部２ａの表面には、後述するドロップレット４（図３参照）が形成されることによる滑り止め加工が施されている。よって、食付き部２ａは、被加工物を滑動させることなく、その食付き部２ａに刻設された複数の加工歯３を被加工物の外周面へ徐々に食い付かせることができる。 The biting part 2a is a part for allowing the rolling tooth profile surface 2 of the rolling tool 1 to bite against the outer peripheral surface of the workpiece. This biting part 2a is predetermined toward the finishing part 2b side (FIG. 1 (a), (b) left side) from the rolling direction start end side (FIG. 1 (a), (b) right side) of the rolling tool 1. Further, an anti-slip process is performed on the surface of the biting portion 2a by forming a droplet 4 (see FIG. 3) to be described later. . Therefore, the biting portion 2a can gradually bite the plurality of processing teeth 3 engraved on the biting portion 2a on the outer peripheral surface of the workpiece without sliding the workpiece.
仕上げ部２ｂは、食付き部２ａによって被加工物に転造された複数条の歯形を仕上げるための部位であり、転造工具１の下端面（図１（ｂ）下側）に対して略平行に形成されている。また、逃げ部２ｃは、仕上げ部２ｂにより仕上げられた被加工物を転造工具１の転造歯形面２から排出するための部位である。この逃げ部２ｃは、仕上げ部２ｂの終端から転造工具１の転造方向終端側（図１（ｂ）左側）へ向けて所定の傾斜角κ２で下降傾斜して形成されている。 The finishing portion 2b is a portion for finishing a plurality of tooth profiles rolled on the workpiece by the biting portion 2a, and is approximately the lower end surface of the rolling tool 1 (lower side in FIG. 1 (b)). They are formed in parallel. The relief portion 2 c is a portion for discharging the workpiece finished by the finishing portion 2 b from the rolling tooth profile surface 2 of the rolling tool 1. The relief portion 2c is formed so as to be inclined downward at a predetermined inclination angle κ2 from the end of the finishing portion 2b toward the end of the rolling tool 1 in the rolling direction (left side in FIG. 1B).
次に、図２及び図３を参照して転造歯形面２の食付き部２ａについて説明する。図２（ａ）は、食付き部２ａの正面図である。なお、図２（ａ）では、転造工具１の長手方向の一部が省略して図示されている。 Next, the biting portion 2a of the rolling tooth profile surface 2 will be described with reference to FIGS. Fig.2 (a) is a front view of the biting part 2a. In FIG. 2A, a part of the rolling tool 1 in the longitudinal direction is omitted.
食付き部２ａには、図２（ａ）に示すように、複数の加工歯３が刻設されている。この加工歯３は、被加工物の外周寸法に対応した一定のピッチを有しつつ転造方向（図２（ａ）左右方向）へ向けて連続して刻設されており、また、転造方向に対して略直交する方向（図２（ａ）上下方向）へ列設された状態で刻設されている。被加工物は、かかる食付き部２ａ（仕上げ部２ｂ及び逃げ部２ｃ）上を転造方向始端側から終端側へ向けて相対的に転動移動することにより、その外周面に複数条の歯形が転造される。 As shown in FIG. 2A, a plurality of processing teeth 3 are engraved on the biting portion 2a. The processing teeth 3 are continuously engraved in the rolling direction (FIG. 2 (a) left-right direction) while having a constant pitch corresponding to the outer peripheral dimension of the workpiece. They are engraved in a state of being lined up in a direction substantially perpendicular to the direction (vertical direction in FIG. 2A). The workpiece is relatively rolled and moved on the biting portion 2a (finishing portion 2b and relief portion 2c) from the start side to the end side in the rolling direction, so that a plurality of tooth profiles are formed on the outer peripheral surface thereof. Is rolled.
図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩＩｂ部を拡大して示した転造工具１の部分拡大正面図であり、図３は、転造工具１の食付き部２ａを拡大視した部分拡大正面斜視図である。なお、図３では、拡大視されたドロップレット４が模式図で図示される。食付き部２ａの表面には、図２（ｂ）及び図３に示すように、多数のドロップレット４が形成される。 FIG. 2B is a partially enlarged front view of the rolling tool 1 showing the IIb portion of FIG. 2A enlarged, and FIG. 3 is an enlarged view of the biting portion 2a of the rolling tool 1. It is a partial expansion front perspective view. In FIG. 3, the enlarged droplet 4 is shown in a schematic view. A large number of droplets 4 are formed on the surface of the biting portion 2a, as shown in FIGS.
ドロップレット４は、転造工具１に施されたコーティング層の表面から三角錐形状に凸設される粒子である。このドロップレット４は、ＰＶＤ処理によりコーティングを施す際の副産物として形成されるものであり、コーティング層の厚み寸法が増大するほど形成頻度が高くなると共に、個々の外形も大きくなる。ここで、コーティング層の厚み寸法は、０．５μｍ以上かつ４μｍ以下に設定されることが好ましい。これにより、ドロップレット４が転造加工に適した大きさ及び頻度で形成され、転造工具１の転造性能の向上を図ることができる。 The droplet 4 is a particle protruding in a triangular pyramid shape from the surface of the coating layer applied to the rolling tool 1. The droplet 4 is formed as a by-product when the coating is performed by the PVD process, and the frequency of formation increases as the thickness dimension of the coating layer increases, and the individual external shape also increases. Here, the thickness dimension of the coating layer is preferably set to 0.5 μm or more and 4 μm or less. Thereby, the droplets 4 are formed with a size and frequency suitable for the rolling process, and the rolling performance of the rolling tool 1 can be improved.
即ち、コーティング層の厚み寸法が０．５μｍよりも小さい場合には、ドロップレット４が小さく、かつ十分に分散配置させることができないために、被加工物の滑りを十分に抑制することができない。一方、コーティング層の厚み寸法が４μｍよりも大きい場合には、ドロップレットの数が過大となり、転造抵抗が増加する。 That is, when the thickness dimension of the coating layer is smaller than 0.5 μm, since the droplets 4 are small and cannot be sufficiently dispersed and arranged, the workpiece cannot be sufficiently prevented from slipping. On the other hand, when the thickness dimension of the coating layer is larger than 4 μm, the number of droplets becomes excessive and the rolling resistance increases.
本実施形態では、コーティング層の厚み寸法が２．２μｍに設定される。この場合、転造工具１の食付き部２ａの表面に形成される多数のドロップレット４は、食付き部２ａの面積に対して１５％〜４０％程度の面積率（ドロップレット４の底面積の総和と食付き部２ａの面積とを比較）で形成されると共に、転造工具１の表面に略均一に形成される（図２（ｂ）参照）。 In the present embodiment, the thickness dimension of the coating layer is set to 2.2 μm. In this case, many droplets 4 formed on the surface of the biting portion 2a of the rolling tool 1 have an area ratio (the bottom area of the droplet 4) of about 15% to 40% with respect to the area of the biting portion 2a. Are formed on the surface of the rolling tool 1 substantially uniformly (see FIG. 2B).
また、ドロップレット４は、最大のもので、底面の大きさが外接円直径で８μｍ、高さが４μｍであり、大多数は底面の大きさが外接円直径で約３μｍ、高さが１．５μｍに形成される（図３参照）。このように、ドロップレット４は小さいため、ドロップレット４により被加工物の延性が低下することを抑制できる。なお、後述するドロップレット４の形成メカニズムから、コーティング層の厚み寸法が増加すれば、それに比例してドロップレットの底面の大きさ及び高さが増加する。 In addition, the droplet 4 is the largest, and the bottom surface has a circumscribed circle diameter of 8 μm and a height of 4 μm, and the majority has a bottom surface size of a circumscribed circle diameter of about 3 μm and a height of 1. It is formed to 5 μm (see FIG. 3). Thus, since the droplet 4 is small, it can suppress that the ductility of a to-be-processed object falls by the droplet 4. FIG. In addition, if the thickness dimension of a coating layer increases from the formation mechanism of the droplet 4 mentioned later, the magnitude | size and height of the bottom face of a droplet will increase proportionally.
ここで、転造工具１に窪みを形成することで滑り止め加工を行うことも考えられる。しかし、この場合、窪み部分で応力集中が生じ、転造工具１に亀裂が生じやすいという問題点があった。一方、本実施形態における滑り止め加工は、転造工具１に凸部を形成するものであるので、転造工具１に加えられる応力が過多となる場合でも滑り止め加工部分（本実施形態におけるドロップレット４）がクラックの起点となることを抑制することができる。 Here, it is also conceivable to perform anti-slip processing by forming a recess in the rolling tool 1. However, in this case, there is a problem that stress concentration occurs in the recessed portion and the rolling tool 1 is likely to crack. On the other hand, since the anti-slip process in this embodiment forms a convex part in the rolling tool 1, even if the stress applied to the rolling tool 1 becomes excessive, the non-slip process part (drop in this embodiment) It can suppress that let 4) becomes a starting point of a crack.
次いで、ドロップレット４の製造方法について説明する。ドロップレット４の製造方法は、アークイオンプレーディング法でＰＶＤ処理を行う際に使用するターゲットを製造する準備工程と、製造されたターゲットを用いてＰＶＤ処理を行う処理工程と、を主に備える。 Next, a method for manufacturing the droplet 4 will be described. The manufacturing method of the droplet 4 mainly includes a preparation process for manufacturing a target used when performing the PVD process by the arc ion plating method and a processing process for performing the PVD process using the manufactured target.
まず、準備工程では、周期律表の第３周期および第４周期のうちの少なくとも一つの金属元素とＡｌとからなるターゲットがＨＩＰ製法（熱間等方圧加圧法）で形成される。なお、ＨＩＰ製法とは、高温と等方的な圧力とを被処理体に同時に加えて処理するプロセスであって、本実施形態ではＡｒガスを圧力媒体として等方的な圧力をＴｉ及びＡｌを含む粉体に加えることで、ＴｉＡｌ合金から形成されるターゲットが製造される。 First, in the preparation step, a target composed of at least one metal element of the third period and the fourth period of the periodic table and Al is formed by the HIP manufacturing method (hot isostatic pressing method). The HIP manufacturing method is a process in which a high temperature and an isotropic pressure are simultaneously applied to an object to be processed. In this embodiment, an isotropic pressure is set to Ti and Al using Ar gas as a pressure medium. By adding to the contained powder, a target formed from a TiAl alloy is manufactured.
なお、ターゲットは、Ａｌ含有量が３０ｗｔ％以上かつ７５ｗｔ％以下に設定されることが好ましく、特に４０ｗｔ％以上かつ６０ｗｔ％以下に設定されることが好ましい。これにより、Ａｌと他の金属元素との間にアークを集中させることができるので、後述するＰＶＤ処理において、転造工具１の表面にドロップレット４が形成されやすくすることができる。本実施形態では、ターゲットはＡｌ含有量が５０ｗｔ％かつＴｉ含有量が５０ｗｔ％に設定される。次いで、準備工程に引き続いて行われる処理工程について説明する。 The target is preferably set to have an Al content of 30 wt% or more and 75 wt% or less, and particularly preferably 40 wt% or more and 60 wt% or less. Thereby, since an arc can be concentrated between Al and another metal element, the droplet 4 can be easily formed on the surface of the rolling tool 1 in the PVD process described later. In the present embodiment, the target is set to have an Al content of 50 wt% and a Ti content of 50 wt%. Next, a processing process performed following the preparation process will be described.
処理工程は、アークイオンプレーディング装置の内部で行われる。そのアークイオンプレーディング装置は、装置内を真空状態に形成可能な箱状の装置であって、アーク放電により金属イオンを発生させるターゲットと、転造工具１を回転させると共に負に帯電させる回転テーブルと、内部に導入される反応ガスの通路である反応ガス導入孔と、を主に備える。 The processing step is performed inside the arc ion plating apparatus. The arc ion plating apparatus is a box-shaped apparatus capable of forming the inside of the apparatus in a vacuum state, a target that generates metal ions by arc discharge, and a rotary table that rotates the rolling tool 1 and negatively charges it. And a reaction gas introduction hole which is a passage for the reaction gas introduced into the interior.
処理工程では、まず転造工具１を回転テーブルに乗せ、アークイオンプレーディング装置の内部を真空状態にした後で、転造工具１を加熱すると共に、転造工具１を負に帯電させる。次いで、回転テーブルを回転させることで転造工具１を回転させながら、反応ガス導入孔から窒素ガスを導入させると共に、ターゲットをアーク放電によって蒸発させることでＴｉやＡｌの金属イオンを発生させる。そして、正に帯電した窒素ガスや金属イオンが、負に帯電している転造工具１に引き寄せられ、転造工具１から電子を受け取ることで転造工具１にＴｉＡｌＮから形成されるコーティング層（以下「ＴｉＡｌＮコーティング」と称す）が形成される。 In the processing step, first, the rolling tool 1 is placed on a rotary table, and after the inside of the arc ion-plating apparatus is evacuated, the rolling tool 1 is heated and the rolling tool 1 is negatively charged. Next, while rotating the rolling tool 1 by rotating the rotary table, nitrogen gas is introduced from the reaction gas introduction hole, and metal ions of Ti and Al are generated by evaporating the target by arc discharge. The positively charged nitrogen gas and metal ions are attracted to the negatively charged rolling tool 1 and receive electrons from the rolling tool 1 to form a coating layer (formed from TiAlN on the rolling tool 1). (Hereinafter referred to as “TiAlN coating”).
本実施形態では、ＴｉＡｌＮコーティングが２段階で形成される。まず、第１段階で、転造工具１の食付き部２ａにマスクを貼り付けた状態で転造工具１の仕上げ部２ｂ及び逃げ部２ｃにＰＶＤ処理が施されることでＴｉＡｌＮコーティングが形成される。このＴｉＡｌＮコーティングが形成されることで、転造工具１の表面硬さ及び対摩耗性は向上するが、転造工具１の摩擦係数が低下する。それに対応する滑り止め加工を行うために、続く第２段階で、食付き部２ａに貼り付けられたマスクは剥がされると共に仕上げ部２ｂ及び逃げ部２ｃにマスクが貼り付けられ、その状態でＰＶＤ処理が施されることで、ＴｉＡｌＮコーティング及びドロップレット４が食付き部２ａに形成される。なお、上述した第１段階と第２段階とは、順番が逆転しても良い。 In this embodiment, the TiAlN coating is formed in two stages. First, in the first stage, a TiAlN coating is formed by performing PVD treatment on the finishing portion 2b and the relief portion 2c of the rolling tool 1 with a mask attached to the biting portion 2a of the rolling tool 1. The By forming this TiAlN coating, the surface hardness and wear resistance of the rolling tool 1 are improved, but the friction coefficient of the rolling tool 1 is reduced. In order to perform the corresponding anti-slip processing, in the subsequent second stage, the mask attached to the chamfered portion 2a is peeled off and the mask is attached to the finished portion 2b and the escape portion 2c. The TiAlN coating and the droplet 4 are formed on the biting portion 2a. Note that the order of the first stage and the second stage described above may be reversed.
次いで、ドロップレット４の形成メカニズムについて説明する。上述した処理工程において、ターゲットをアーク放電によって加熱する際に、ＴｉとＡｌとの境界にアークが集中することで、蒸発前のＡｌが塊のまま噴出され、その噴出されたＡｌの塊が転造工具１に付着する。その付着したＡｌの塊に、新たにＡｌやＴｉＡｌが付着することで、三角錐形状のドロップレット４が形成される。 Next, the formation mechanism of the droplet 4 will be described. In the treatment process described above, when the target is heated by arc discharge, the arc concentrates on the boundary between Ti and Al, so that the Al before evaporation is ejected as a lump, and the ejected Al lump is turned off. It adheres to the tool 1. A triangular pyramid-shaped droplet 4 is formed by newly adhering Al or TiAl to the adhered lump of Al.
ドロップレット４の大きさは、ドロップレット４の核となるＡｌの塊がどの段階で転造工具１に付着するかにより変化する。即ち、上述した処理工程の初期段階で転造工具１に付着したＡｌの塊を核として成長したドロップレット４は大きく成長し、処理工程の終盤で転造工具１に付着したＡｌの塊を核として成長したドロップレット４は小さなものとなる。そのため、処理工程においてＡｌの塊を転造工具１に付着させるタイミングを調整することで、ドロップレット４の大きさ（底面の大きさ、高さ）を調整することができる。 The size of the droplet 4 varies depending on at which stage the Al lump which is the nucleus of the droplet 4 adheres to the rolling tool 1. That is, the droplet 4 that grows with the Al lump adhering to the rolling tool 1 in the initial stage of the above-described processing process as a nucleus grows greatly, and the Al lump adhering to the rolling tool 1 at the end of the processing process becomes the nucleus. The grown droplet 4 becomes a small one. Therefore, the size (the size and the height of the bottom surface) of the droplet 4 can be adjusted by adjusting the timing at which the lump of Al is attached to the rolling tool 1 in the processing step.
ここで、本実施形態における処理工程の第２段階では、アーク放電の条件がターゲットからＡｌを塊として噴出させやすい条件に設定される。一方、処理工程の第１段階では、アーク放電の条件がターゲットからＡｌを塊として噴出させにくい（蒸発させやすい）条件に設定される。 Here, in the second stage of the treatment process in the present embodiment, the arc discharge condition is set to a condition in which Al is easily ejected as a lump from the target. On the other hand, in the first stage of the treatment process, the arc discharge condition is set to a condition in which Al is not easily ejected from the target as a lump (evaporation is easy).
これにより、転造歯形面２の食付き部２ａにドロップレット４が形成されやすくすることができるので、滑り止め機能を向上させることができる。また、仕上げ部２ｂ及び逃げ部２ｃにドロップレット４が形成されることを抑制できるので、ＴｉＡｌＮコーティングが平滑であるという特性を活かして、転造抵抗の低減を図ると共に、被加工物の転造面を平滑化することができる。即ち、滑り止め機能の向上と転造抵抗の抑制とを両立することができる。 Thereby, since the droplet 4 can be easily formed in the biting part 2a of the rolling tooth profile surface 2, the anti-slip function can be improved. Moreover, since it can suppress that the droplet 4 is formed in the finishing part 2b and the escape part 2c, while taking advantage of the characteristic that the TiAlN coating is smooth, the rolling resistance is reduced and the rolling of the workpiece is performed. The surface can be smoothed. That is, it is possible to achieve both improvement of the anti-slip function and suppression of rolling resistance.
なお、ドロップレット４と同一形状かつ同一姿勢（高さ方向に先細りした三角錐形状）の凸部を他の方法で形成することは困難である。例えば、三角錐形状の粒子を転造工具１に打ち付けて凸部を形成する場合、三角錐形状の粒子の姿勢を操作することは困難なので（例えば、高さ方向に先端を向ける姿勢や、高さ方向に底面を向ける姿勢を取り得る）、転造工具１に形成される凸部の形状がまばらになる。一方で、本実施形態によれば、ドロップレット４は、転造工具１に付着されたＡｌの塊を核として高さ方向（図２（ｂ）紙面手前方向）に成長するため、ドロップレット４の形状を高さ方向に先細りした三角錐形状にしやすくすることができる。 In addition, it is difficult to form the convex part of the same shape and the same posture as the droplet 4 (triangular pyramid shape tapered in the height direction) by another method. For example, when forming a convex portion by hitting a triangular pyramid-shaped particle on the rolling tool 1, it is difficult to manipulate the posture of the triangular pyramid-shaped particle (for example, a posture in which the tip is directed in the height direction, The shape of the convex portion formed on the rolling tool 1 is sparse. On the other hand, according to the present embodiment, the droplet 4 grows in the height direction (the front side in FIG. 2 (b)) with the Al lump attached to the rolling tool 1 as a nucleus, and thus the droplet 4 Can be easily formed into a triangular pyramid shape tapered in the height direction.
次いで、図４を参照して、上述のように構成された転造工具１を用いて行った工具寿命試験の結果について説明する。図４は、工具寿命試験の試験結果を示した表である。この工具寿命試験は、転造工具１の寿命を計測する試験であり、被加工物に転造したスプラインのオーバーピン径のばらつきが予め定めた基準値を越えた場合に寿命と判定するものである。ここで、転造工具１は、上述のように、食付き部２ａに施された滑り止め加工が摩耗すると、被加工物を転造加工時に滑動させてしまい、かかる被加工物に転造されるスプラインのオーバーピン径が悪化する。よって、以下に説明する工具寿命試験は、転造工具１に施された滑り止め加工の耐久試験と言い替えることができる。 Next, with reference to FIG. 4, the result of the tool life test performed using the rolling tool 1 configured as described above will be described. FIG. 4 is a table showing the test results of the tool life test. This tool life test is a test for measuring the life of the rolling tool 1, and it is determined that the life is over when the variation of the overpin diameter of the spline rolled onto the workpiece exceeds a predetermined reference value. is there. Here, as described above, when the anti-slip process applied to the biting portion 2a is worn, the rolling tool 1 slides the workpiece during the rolling process, and is rolled into the workpiece. The overpin diameter of the spline becomes worse. Therefore, the tool life test described below can be rephrased as an anti-slip durability test performed on the rolling tool 1.
寿命試験では、本発明のＴｉＡｌＮコーティングが厚み寸法２．２μｍで形成された転造工具１（以下「本発明品Ａ」と称す。）と、コーティングが施されていない従来の転造工具（以下、「従来品Ｂ」と称す。）とを用いて行った。なお、本発明品Ａと従来品Ｂとの差異は、ＴｉＡｌＮコーティングが形成されているか否かのみであり、その他の形状や寸法、材質などは同一である。また、被加工物は、ステンレス（ＳＵＳ３０１）から形成される円柱状の軸状素材であって、転造加工によりＭ１０×１．５のボルト形状が形成される。 In the life test, a rolling tool 1 (hereinafter referred to as “the product A of the present invention”) in which the TiAlN coating of the present invention is formed with a thickness of 2.2 μm and a conventional rolling tool that is not coated (hereinafter referred to as “the present invention product A”). And “conventional product B”). The difference between the product A of the present invention and the conventional product B is only whether or not the TiAlN coating is formed, and other shapes, dimensions, materials, and the like are the same. The workpiece is a cylindrical shaft-shaped material formed of stainless steel (SUS301), and a M10 × 1.5 bolt shape is formed by rolling.
なお、寿命試験では、被加工物３０００本の連続転造加工が終了する毎に最終転造品１０本を抜き取り、かかる最終転造品１０本を測定したオーバーピン径のばらつきの平均値が基準値を満たしているか否かにより寿命を判定した。 In the life test, every time the continuous rolling process of 3000 workpieces is completed, 10 final rolled products are sampled, and the average value of the overpin diameter variation obtained by measuring the 10 final rolled products is a standard. The lifetime was judged by whether or not the value was satisfied.
まず、転造加工本数１５０００本の時点では、本発明品Ａ及び従来品Ｂともに、良好な精度でスプラインを被加工物に転造しており、転造加工本数１８０００本の時点においてもほぼ同様の結果であった。 First, when the number of rolling processes is 15000, both the product A of the present invention and the conventional product B roll the spline to the workpiece with good accuracy, and the same is true when the number of rolling processes is 18000. It was the result.
次いで、転造加工本数２１０００本の時点では、従来品Ｂにより転造された転造品の測定結果が基準値を越えており、従来品Ｂが寿命に達した。なお、従来品Ｂは、転造加工本数２４０００本まで試験を続行したが、転造品の測定結果が大幅に悪化しており、また、その食付き部の表面は、目視により確認できるほど摩耗が進行していた。 Next, when the number of rolling processes was 21,000, the measurement result of the rolled product rolled with the conventional product B exceeded the reference value, and the conventional product B reached the end of its life. In the conventional product B, the test was continued until the number of rolled products was 24,000. However, the measurement result of the rolled product was greatly deteriorated, and the surface of the bite portion was so worn that it could be visually confirmed. Was progressing.
一方、本発明品Ａは、転造加工本数が３６０００本に達した時点においても、転造品の測定結果は基準値を満たしており、その後、転造加工本数３９０００本の時点で、その寿命が確認された。また、この時点においても、ＰＶＤ処理により形成されたコーティングに剥離は認められず、ドロップレット４が食付き部２ａの表面へ強固に密着して形成されていることも確認された。 On the other hand, the product A of the present invention satisfies the standard value of the measurement result of the rolled product even when the number of rolling processes reaches 36,000, and then the life of the product when the number of rolling processes is 39000. Was confirmed. Also at this time point, no peeling was observed in the coating formed by the PVD process, and it was confirmed that the droplet 4 was formed in close contact with the surface of the biting portion 2a.
試験結果から、本発明品Ａは、従来品Ｂに比較して工具寿命が１８０％向上した。ここで、本発明品Ａは、食付き部２ａの表面にＰＶＤ処理によりＴｉＡｌＮコーティングが形成されることで転造工具１の耐摩耗性が向上される。更に、ＴｉＡｌＮコーティングに多数のドロップレット４が形成されることで、食付き部２ａの滑り止め機能が向上される。これらＴｉＡｌＮコーティングとドロップレット４とが相乗効果を生じ、工具寿命が大幅に向上されたと考えられる。 From the test results, the product life of the product A of the present invention was improved by 180% compared to the conventional product B. Here, in the product A of the present invention, the wear resistance of the rolling tool 1 is improved by forming a TiAlN coating on the surface of the biting portion 2a by PVD treatment. Further, the formation of a large number of droplets 4 on the TiAlN coating improves the anti-slip function of the biting portion 2a. The TiAlN coating and the droplet 4 are considered to have a synergistic effect, and the tool life is greatly improved.
即ち、例えば、転造工具１にＴｉＡｌＮコーティングが形成されるのみで、ドロップレット４のような滑り止め機能を有する部分が形成されないと、転造時に被加工物と転造工具１との間に滑りが生じる。この場合、被加工物の滑りを抑えるために、食付き部２ａにおいて転造工具１から被加工物へ与えられる圧力を増強させる必要が生じ（例えば、傾斜角κ１を小さくする）、転造時に転造工具１に与えられる負荷が過大となる。そのため、ＴｉＡｌＮコーティングが早期に剥がれることとなり、転造工具１の工具寿命を短くしていた。 That is, for example, if a TiAlN coating is only formed on the rolling tool 1 and a portion having an anti-slip function such as a droplet 4 is not formed, a gap between the work piece and the rolling tool 1 is formed during rolling. Slip occurs. In this case, in order to suppress the slip of the workpiece, it is necessary to increase the pressure applied to the workpiece from the rolling tool 1 in the biting portion 2a (for example, to reduce the inclination angle κ1), and at the time of rolling The load applied to the rolling tool 1 becomes excessive. Therefore, the TiAlN coating is peeled off early, and the tool life of the rolling tool 1 is shortened.
一方、本発明品Ａは、ドロップレット４が三角錐形状に凸設されるため、被加工物に食付きやすく、かつ被加工物から抜け（剥がれ）やすい。即ち、ドロップレット４が先端へ行くにつれて先細りする形状となるため、被加工物の表面に転造歯形面２を容易に食付かせることができると共に、被加工物から転造歯形面２を離間させる際の抵抗を抑制することができる。これにより、転造加工時の被加工物の滑りを抑制することができると共に、被加工物の離反性を向上させることができる。よって、転造加工時に被加工物が食付き部２ａ上を滑動してしまうことがないので、転造工具１と被加工物との間に生じる圧力を適正に保つことができる。従って、ＴｉＡｌＮコーティングの剥離を抑制できるため、転造工具１の工具寿命を向上させることができる。 On the other hand, in the product A of the present invention, the droplets 4 are projected in a triangular pyramid shape, so that the workpiece is easily eroded and easily detached (peeled) from the workpiece. That is, since the droplet 4 is tapered toward the tip, the rolled tooth profile surface 2 can be easily eaten on the surface of the workpiece, and the rolled tooth profile surface 2 is separated from the workpiece. The resistance at the time of making it can be suppressed. Thereby, while being able to suppress the slip of the workpiece at the time of a rolling process, the separation property of a workpiece can be improved. Therefore, since the workpiece does not slide on the biting portion 2a during the rolling process, the pressure generated between the rolling tool 1 and the workpiece can be properly maintained. Therefore, since peeling of the TiAlN coating can be suppressed, the tool life of the rolling tool 1 can be improved.
また、溶射などで転造工具１に塊を配設することで滑り止め加工を施す場合、溶射により配設される塊と被加工物との離反性が低いため、転造抵抗を大きくしたり、被加工物の表面を粗くしたりするという問題点があった。一方、本実施形態のドロップレット４は、上述したように被加工物の離反性が高いため、滑り止め機能を確保しながら、転造抵抗を小さくしたり、被加工物の表面が粗くなることを抑制したりすることができる。 In addition, when anti-slip processing is performed by disposing a lump on the rolling tool 1 by thermal spraying or the like, the separation resistance between the lump disposed by spraying and the workpiece is low, so that the rolling resistance can be increased. There is a problem that the surface of the workpiece is roughened. On the other hand, the droplet 4 of the present embodiment has a high work piece separation property as described above, so that the rolling resistance is reduced or the surface of the work piece becomes rough while ensuring the anti-slip function. Can be suppressed.
なお、上述したように、ドロップレット４は三角錐形状に凸設されるため、加工歯３のドライブサイド（転造時の被加工物に対する向かい面側）に形成されるドロップレット４を特に被加工物に食付きやすくすることができる。そのため、加工歯３のコーストサイド（転造時の被加工物に対する追い面側）に形成されるドロップレット４に比較してドライブサイドに形成されるドロップレット４の形成頻度を高くしたり、ドロップレット４を大きくしたりすることにより、転造時の滑り止め機能を向上させることができる。 As described above, since the droplet 4 is projected in a triangular pyramid shape, the droplet 4 formed on the drive side (opposite side to the workpiece during rolling) of the machining tooth 3 is particularly covered. The processed material can be easily eaten. Therefore, compared to the droplet 4 formed on the coast side of the machining tooth 3 (the trailing surface side with respect to the workpiece during rolling), the frequency of forming the droplet 4 formed on the drive side is increased, By increasing the size of the let 4, it is possible to improve the anti-slip function during rolling.
また、加工歯３のコーストサイドに形成されるドロップレット４を特に被加工物から抜け（剥がれ）やすくすることができる。これは、ドロップレット４が先細りする形状（三角錐形状）に形成されること及びドロップレット４の高さが４μｍ以下に設定されることによる。そのため、加工歯３のコーストサイドにおいて、ドロップレット４の剥離が抑制され、ドロップレット４による滑り止め機能の耐久性を向上させることができると共に被加工物の表面が粗くなることを抑制することができる。 Further, the droplet 4 formed on the coast side of the processing tooth 3 can be easily removed (peeled) from the workpiece. This is because the droplet 4 is formed in a tapered shape (triangular pyramid shape) and the height of the droplet 4 is set to 4 μm or less. Therefore, on the coast side of the processed tooth 3, the peeling of the droplet 4 can be suppressed, the durability of the anti-slip function by the droplet 4 can be improved, and the surface of the workpiece can be suppressed from becoming rough. it can.
以上、上記実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変形改良が可能であることは容易に推察できるものである。 The present invention has been described based on the above embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be easily made without departing from the spirit of the present invention. Can be inferred.
上記実施形態では、Ｔｉ及びＡｌを含むターゲットを使用する場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｂ及びＳｉのいずれか一種または二種以上を含むターゲットを使用しても良い。 In the above embodiment, the case where a target containing Ti and Al is used has been described. However, the present invention is not necessarily limited thereto. For example, a target containing one or more of Ti, Al, Cr, B, and Si may be used.
上記実施形態では、ドロップレット４が食付き部２ａに均一に形成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、転造方向に沿って、ドロップレット４の形成される頻度や、ドロップレット４の大きさを変化させても良い。この場合、例えば、食付き部２ａの終端側（仕上げ部２ｂ側）に形成されるドロップレット４に比較して、始端側に形成されるドロップレット４の形成頻度を高くしたり、ドロップレット４を大きくしたりすることで、転造の初期における滑り止め機能を向上させることができる。また、例えば、食付き部２ａの一部にドロップレット４が形成されても良い。この場合、例えば、ドロップレット４が食付き部２ａの転造方向始端側（例えば、食付き部２ａを３分割した各領域の始端側の領域）のみに形成されることで、被加工物が転造歯形面２の内の平滑な領域（ドロップレット４が形成されていない領域）を転動する期間を長くすることができる。そのため、転造品の表面をより平滑化することができる。 In the above embodiment, the case where the droplets 4 are uniformly formed on the biting portion 2a has been described, but the present invention is not necessarily limited thereto. For example, the frequency with which the droplets 4 are formed or the size of the droplets 4 may be changed along the rolling direction. In this case, for example, compared to the droplet 4 formed on the end side (finished portion 2b side) of the biting portion 2a, the frequency of forming the droplet 4 formed on the start end side is increased, or the droplet 4 By increasing the size, the anti-slip function at the initial stage of rolling can be improved. For example, the droplet 4 may be formed in a part of the biting portion 2a. In this case, for example, the droplet 4 is formed only in the rolling direction starting end side of the biting portion 2a (for example, the region on the starting end side of each region obtained by dividing the biting portion 2a into three parts), so that the workpiece is formed. The period during which a smooth region (region in which the droplets 4 are not formed) in the rolling tooth profile surface 2 is rolled can be lengthened. Therefore, the surface of the rolled product can be further smoothed.
上記実施形態では、ドロップレット４が食付き部２ａのみに形成される場合を説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、ドロップレット４が仕上げ部２ｂや逃げ部２ｃに形成されても良いし、転造歯形面２の全面に形成されても良い。この場合、被加工物が特に摩擦抵抗の低い素材であったとしても良好に転造することができるので、被加工物の選択の自由度を向上させることができる。 In the above embodiment, the case where the droplet 4 is formed only on the biting portion 2a has been described, but the present invention is not necessarily limited thereto. For example, the droplet 4 may be formed on the finishing portion 2b or the relief portion 2c, or may be formed on the entire surface of the rolling tooth profile surface 2. In this case, even if the workpiece is a material having a particularly low frictional resistance, it can be rolled well, and the degree of freedom in selecting the workpiece can be improved.
１ 転造工具
２ 転造歯形面（転造面）
２ａ 食付き部
２ｂ 仕上げ部
４ ドロップレット
1 Rolling tool 2 Rolling tooth profile (rolling surface)
2a Chamfered part 2b Finishing part 4 Droplet
Claims (3)
周期律表の第３周期および第４周期のうちの少なくとも一つの金属元素とＡｌとからなりＡｌ含有量が３０ｗｔ％以上かつ７５ｗｔ％以下に設定されるターゲットを形成する準備工程と、
その準備工程の後に前記ターゲットを用いてアークイオンプレーティング法でＰＶＤ処理を行い、前記転造面にコーティング素材をコーティングしてコーティング層を形成する処理工程と、を備え、
前記処理工程では、表面にドロップレットが分散配置されるコーティング層を前記転造面に形成することを特徴とする転造工具の製造方法。 In the manufacturing method of a rolling tool provided with a rolling surface that plastically deforms a workpiece and rolls a predetermined shape,
A preparatory step of forming a target composed of at least one metal element of the third period and the fourth period of the periodic table and Al and having an Al content set to 30 wt% or more and 75 wt% or less;
Its performs PVD processing by arc ion plating method using the target after the preparation step, and a step of forming a coating layer by coating a coating material on the rolling surface,
In the processing step, a method for manufacturing a rolling tool is characterized in that a coating layer in which droplets are dispersed and disposed on the surface is formed on the rolling surface .
前記処理工程では、前記ドロップレットが分散配置される前記コーティング層を、前記転造面のうちの食付き部に形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の転造工具の製造方法。
The rolling surface includes at least a biting portion and a finish portion continuously provided on the rear end side in the rolling direction of the biting portion,
In the processing step, the production of rolling tool according to the coating layer in which the droplets are distributed in claim 1 or 2, characterized that you formed chamfer of said rolling surface Way .
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