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JP6810807B2 - 切削インサート、切削工具及び切削加工物の製造方法 - Google Patents

切削インサート、切削工具及び切削加工物の製造方法 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、2017年8月2日に出願された日本国特許出願2017−149840号及び、2017年8月30日に出願された日本国特許出願2017−164974号の優先権を主張するものであり、これらの先の出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
本態様は、一般的には、切削加工において用いられる切削インサートに関する。より具体的には、PCD及びcBNのように硬度が比較的高い材質の切削工具に関する。
金属などの被削材を切削加工する際に用いられる切削工具として、例えば国際公開2016/043127号(特許文献1)に記載の切削インサートが知られている。特許文献1には、上面におけるすくい面及び側面における逃げ面の間に配置される不等幅のネガランドを含む切削インサートが記載されている。
一態様に基づく切削インサートは、多角形状の第1面と、前記第1面の反対側に位置する第2面と、前記第1面及び前記第2面の間に位置する第3面と、前記第1面及び前記第3面の間に位置して、前記第1面及び前記第3面に対して傾斜したランド面とを備えている。前記第1面は、第1コーナと、前記第1コーナからそれぞれ延びた第1辺及び第2辺とを有し、前記ランド面は、前記第1コーナに接続された第1ランド面を有している。
前記第1面の中心及び前記第2面の中心を結ぶ中心軸に対して直交する仮想平面を基準面としたとき、前記第1ランド面における、前記第1コーナの中央に接続された部分の前記基準面に対する第1傾斜角が、前記第1ランド面における、前記第1コーナの前記第1辺側の端部に接続された部分の前記基準面に対する第2傾斜角よりも大きい。
実施形態の切削インサートを示す斜視図である。 図1に示す切削インサートを第1面の側から見た平面図である。 図2に示す切削インサートをA1方向から見た側面図である。 図2に示す切削インサートをA2方向から見た側面図である。 図2に示す領域A3における拡大図である。 図5に示す切削インサートにおけるVI断面の断面図である。 図5に示す切削インサートにおけるVII断面の断面図である。 図5に示す切削インサートにおけるVIII断面の断面図である。 図5に示す切削インサートにおけるIX断面の断面図である。 図5に示す切削インサートにおけるX断面の断面図である。 図5に示す切削インサートにおけるXI断面の断面図である。 図5に示す切削インサートにおけるXII断面の断面図である。 図5に示す切削インサートの別の実施形態における拡大図である。 図13に示す切削インサートにおけるXIV断面の断面図である。 図13に示す切削インサートにおけるXV断面の断面図である。 図13に示す切削インサートにおけるXVI断面の断面図である。 図13に示す切削インサートにおけるXVII断面の断面図である。 実施形態の切削工具を示す斜視図である。 図18に示す領域A4における拡大図である。 実施形態の切削加工物の製造方法の一工程を示す概略図である。 実施形態の切削加工物の製造方法の一工程を示す概略図である。 実施形態の切削加工物の製造方法の一工程を示す概略図である。
以下、複数の実施形態の切削インサート(以下、単にインサートともいう。)について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、各実施形態を説明する上で必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、インサートは、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
<切削インサート>
実施形態のインサート1は、多角板形状であって、第1面3(図1における上面)と、第2面5(図1における下面)と、第3面7(図1における側面)と、ランド面9とを備えている。
第1面3は、図1に示すように、多角形であってもよい。第2面5は、図1に示すように、第1面3の反対側に位置していてもよい。第3面7は、図1に示すように、第1面3及び第2面5の間に位置していてもよい。ランド面9は、図1に示すように、第1面3及び第3面7の間に位置して、第1面3及び第3面7に対して傾斜していてもよい。
また、実施形態のインサート1は、ランド面9及び第3面7が交わる稜線の少なくとも一部に位置する切刃11を有していてもよい。切刃11は、後述するように、第1切刃11a、第2切刃11b、第3切刃11c及び第4切刃11dを有していてもよい。
図1に示す一例における第1面3は、外周縁が多角形状であり、図2においては菱形である。そのため、第1面3は、4つの角及び4つの辺を有している。このとき、4つの角の一つを第1コーナ13とするとともに、この第1コーナ13から延びる2つの辺を第1辺15及び第2辺17としてもよい。
ここで、多角形状とは、厳密に多角形の形状であることに限定されない。例えば、第1面3を正面から見た場合、言い換えれば第1面3を平面視した場合において、第1面3における4つの角は、丸みを帯びており、外側に向かってわずかに凸となる形状であってもよい。
また、第1面3を平面視した場合において、4つの辺は、それぞれ厳密な直線形状に限定されない。これらの辺は、第1面3を平面視した場合において、それぞれ外側に向かってわずかに凸となる形状、又はわずかに凹となる形状であってもよい。
第2面5は、多角形状であり、実施形態においては第1面3と同様に菱形である。そのため、図1に示す一例における第3面7は、概ね平坦な4つの平面と、これらの平面を接続する4つの曲面とを有している。
なお、第1面3及び第2面5の形状は、上記の形態に限定されない。実施形態のインサート1においては第1面3及び第2面5の形状が四角形である。しかし、第1面3及び第2面5の形状は、例えば三角形又は六角形であってもよい。
第1面3の中心及び第2面5の中心を結ぶ中心軸X1に対して直交する仮想平面を基準面X2とする。実施形態における第2面5は、基準面X2に対して平行な平面となっていてもよい。
インサート1の大きさは特に限定されない。例えば、第1面3の一辺の長さが3〜20mm程度に設定されてもよい。また、第1面3から第2面5までの高さが5〜20mm程度に設定されてもよい。
ランド面9は、切刃11に沿って位置しており、幅の狭い帯状の領域である。ランド面9は切刃11に接続されていてもよい。第1面3を平面視した場合において、切刃11及び第1面3の間隔で示されるランド面9の幅は、例えば、0.01〜0.5mm程度に設定されてもよい。インサート1がランド面9を有していることによって、切刃11の耐久性が高い。
ランド面9は、第1面3の外周の全体に沿って位置していてもよく、また、第1面3の外周の一部のみに沿って位置していてもよい。具体的には、例えば、四角形の第1面3における1辺のみ、若しくは、一部のみに沿ってランド面9が位置していてもよい。
実施形態におけるランド面9は、第1面3に接続された側から第3面7に接続された側に向かうにしたがって第2面5に近づくように、第2面5に対して傾斜している。すなわち、実施形態におけるランド面9は、いわゆるネガランドとなっている。
第1面3は、少なくとも一部にすくい面領域3aを有していてもよい。実施形態においては、第1面3におけるランド面9に沿った領域がすくい面領域3aである。すくい面領域3aは、ランド面9に接続されていてもよい。
第3面7は、少なくとも一部に逃げ面領域7aを有していてもよい。実施形態においては、第3面7におけるランド面9に沿った領域が逃げ面領域7aである。逃げ面領域7aは、ランド面9に接続されていてもよい。図1に示す一例においては、第1面3におけるすくい面領域3a及びそれ以外の領域の境界と、第3面7における逃げ面領域7a及びそれ以外の領域の境界とが、それぞれ一点鎖線で示されている。
実施形態におけるランド面9は、第1ランド面19を有している。第1ランド面19は、第1面3における第1コーナ13に沿って位置しており、第1コーナ13に接続されている。前述の基準面X2に対する第1ランド面19の傾斜角θは、一定ではなく第1ランド面19の場所によって異なる値となっている。
第1面3が第1コーナ13を有している場合においては、この第1コーナ13に位置する第1ランド面19に大きな負荷が加わり易い。第1ランド面19の耐久性を高めるためには、第1ランド面19の傾斜角θを大きくすることが求められる。一方、単に第1ランド面19の傾斜角θを大きくすると、第1ランド面19に接続された切刃11の切れ味が悪くなり、切削性が低下するおそれがある。
図5〜図8に示す一例においては、第1ランド面19における、第1コーナ13の中央に接続された部分(以下、便宜的に中央部19aとする。)の基準面X2に対する傾斜角である第1傾斜角θ1が、第1ランド面19における、第1コーナ13の第1辺15側の端部に接続された部分(以下、便宜的に第1端部19bとする。)の基準面X2に対する傾斜角である第2傾斜角θ2よりも大きい。
第1ランド面19のうち中央部19aには、大きな切削負荷が加わり易い。しかしながら、この中央部19aにおける第1ランド面19の第1傾斜角θ1が相対的に大きい。そのため、第1ランド面19の耐久性が高い。
また、実施形態においては、第1端部19bにおける第1ランド面19の第2傾斜角θ2が相対的に小さいため、この第1端部19bにおける切れ味が良い。したがって、実施形態のインサート1によれば、第1ランド面19のうち中央部19aから第1端部19bにかけての部位と第3面7とが交わる稜線を第1切刃11aとして用いた場合において、第1ランド面19の耐久性が高く、かつ、切れ味が良い。
中央部19aにおける第1ランド面19の第1傾斜角θ1は、例えば、25〜55°に設定できる。また、第1端部19bにおける第1ランド面19の第2傾斜角θ2は、例えば、5〜30°に設定できる。なお、上記の数値は一例であるため、第1傾斜角θ1及び第2傾斜角θ2は、それぞれ上記の値に限定されない。
インサート1の材質としては、例えば、超硬合金、サーメット、セラミックス、PCD(ポリクリスタルダイヤモンド)及びcBN(キュービックボロンナイトライド)などが挙げられる。
超硬合金の組成としては、例えば、WC(炭化タングステン)−Co、WC−TiC(炭化チタン)−Co及びWC−TiC−TaC(炭化タンタル)−Coが挙げられる。ここで、WC、TiC及びTaCは硬質粒子であり、Coは結合相である。また、サーメットは、セラミック成分に金属を複合させた焼結複合材料である。具体的には、サーメットとして、TiC又はTiN(窒化チタン)を主成分とした化合物が挙げられる。なお、インサート1の材質としては、これらに限定されない。
また、インサート1は、上に例示する材質によって構成される1つの部材のみを有していてもよく、また、上に例示する材質によって構成される複数の部材を有していてもよい。
例えば、インサート1が、図1に示すように、本体部21及び切削部23を有しており、全体として多角板形状になっていてもよい。図1に示す一例における本体部21は、略多角板形状であり、一部が切り欠かれた凹形状となっている。この切り欠かれた凹形状の部分に切削部23がロウ材などを用いて接合されていてもよい。
ここで、図1に示す一例のように、第1コーナ13、第1辺15及び第2辺17が、切削部23に位置していてもよい。なお、視覚的な理解を容易にするため、図1において、切削部23の部分に斜線によるハッチングを加えている。
切削部23が、例えばPCD及びcBNのように硬度が比較的高い材質であるとともに、本体部21が、例えば、超硬合金、サーメット又はセラミックスであってもよい。本体部21及び切削部23が上記の材質である場合には、インサート1を安価に製造できる。また、切削負荷に対するインサート1の耐久性が高い。本体部21及び切削部23の硬度は、それぞれの部位のビッカース硬さを測定することによって評価すればよい。
また、インサート1は、上記の切削部23及び本体部21のみを有していてもよいが、例えば、切削部23及び本体部21の部位に加えて、これらの部位の表面を被覆する被覆層を備えていてもよい。被覆層は、切削部23及び本体部21によって構成される基体の表面の全体を覆っていてもよく、また、基体の表面の一部のみを覆っていてもよい。
被覆層の材質としては、例えば、酸化アルミニウム(アルミナ)、並びに、チタンの炭化物、窒化物、酸化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒化物及び炭窒酸化物などが挙げられる。被覆層は、上記の材質のうち1つのみを含有していてもよく、また、複数を含有していてもよい。
また、被覆層は、1つのみの層によって構成されていてもよく、複数の層が積層された構成であってもよい。なお、被覆層の材質としては、これらに限定されない。被覆層は、例えば、化学蒸着(CVD)法又は物理蒸着(PVD)法を用いることによって、基体の上に位置させることが可能である。
実施形態における第1ランド面19の傾斜角θが一定ではなく、第1傾斜角θ1が第2傾斜角θ2よりも大きくなっている。ここで、第1端部19bから中央部19aに近づくにしたがって第1ランド面19の傾斜角θが大きくなっている場合には、第1ランド面19の耐久性がさらに高く、かつ、切れ味がさらに良い。
具体的には、第1ランド面19のうち大きな切削負荷が加わり易い部分である程に傾斜角θが大きくなっているため、第1ランド面19の耐久性がさらに高い。また、第1ランド面19のうち大きな切削負荷が加わる部分から離れる程に傾斜角θが小さくなっているため、第1ランド面19の切れ味がさらに良い。
また、図5〜図8に示す一例のように、第1ランド面19の傾斜角θは、第1コーナ13の第2辺17側の端部に接続された部分(以下、便宜的に第2端部19cとする。)から中央部19aに近づくにしたがって大きくなっていてもよい。この場合には、第1ランド面19のうち中央部19aから第2端部19cにかけての部位と第3面7とが交わる稜線を第2切刃11bとして用いた際においても、第1ランド面19の耐久性が高く、かつ、切れ味が良い。すなわち、いわゆる右勝手及び左勝手のいずれの切削工具においても使用することが可能である。したがって、インサート1は経済性に優れる。
図5〜図10に示す一例のように、第1ランド面19の傾斜角θは、中央部19aから、第1端部19b及び第2端部19cのそれぞれに近づくにしたがって小さくなっていてもよい。すなわち、中央部19aにおいて第1ランド面19の傾斜角θが最も大きくてもよい。
一方、第1ランド面19の傾斜角θは上記の構成に限定されない。例えば、図13〜図17に示す構成であってもよい。図13〜図17に示す一例においては、第1コーナ13が、第1コーナ13の中央及び第2辺17側の端部の間に位置する第1部位25を有している。そして、第1ランド面19の傾斜角θは、第1部位25に接続された部分において最大であってもよい。
図13〜図17に示す一例においては、第1切刃11aに加えて、中央部19aよりも第2辺17側に位置する部分と第3面7とが交わる稜線に位置する第2切刃11bを切刃11として用いた場合であっても、第1ランド面19の耐久性が高く、かつ、切れ味が良い。特に、第2切刃11bを主切刃とするとともに、第1切刃11aをさらい刃とした場合においては、相対的に大きな切削負荷が加わる主切刃の耐久性が高い。
図5に示す一例におけるランド面9は、第2ランド面27と、第3ランド面29とを有している。第2ランド面27は、第1面3における第1辺15に沿って位置している。第2ランド面27は、第1辺15に接続されていてもよい。第3ランド面29は、第1面3における第2辺17に沿って位置している。第3ランド面29は、第2辺17に接続されていてもよい。このとき、図11及び図12に示すように、前述の基準面X2に対する第2ランド面27の傾斜角を第3傾斜角θ3とする。
第2ランド面27と第3面7とが交わる稜線の少なくとも一部を第3切刃11cとして用いる場合において、第3傾斜角θ3が一定であってもよい。ただし、第3傾斜角θ3が第1コーナ13から離れるにしたがって大きくなっているときには、インサート1の耐久性がさらに高い。特に、第3切刃11cを主切刃として用いた場合には、相対的に大きな切削負荷が加わる主切刃の耐久性が高い。
第3切刃11cは、第1コーナ13から離れる程に切削加工時に被削材の仕上げ面から離れて位置する。そのため、第3切刃11cには、第1コーナ13から離れる程に切れ味よりも耐久性が求められる。図11及び図12に示す一例においては、第3傾斜角θ3が第1コーナ13から離れるにしたがって大きくなっている。そのため、被削材の仕上げ面の面品位を高くしつつもインサート1の耐久性が高い。
また、第2ランド面27と第3面7とが交わる稜線の少なくとも一部を第3切刃11cとして用いる場合において、第3傾斜角θ3が第1コーナ13から離れるにしたがって小さくなっていてもよい。この場合には、被削材の仕上げ面の面精度が高い。特に、第3切刃11cがさらい刃として用いられた場合には、被削材の仕上げ面の面精度がさらに高い。
ランド面9は、切刃11に沿って位置する幅の狭い帯状の領域である。このとき、ランド面9の幅は一定であってもよく、また、場所によって異なっていてもよい。図3に示す一例においては、第3面7を平面視した場合に、中央部19aの幅が、第1端部19bの幅よりも広い。第1ランド面19が上記の構成である場合には、第1ランド面19の耐久性がさらに高く、かつ、切れ味がさらに良い。これは、中央部19aの幅W1が相対的に広いことによって第1ランド面19の耐久性がより高く、また、第1端部19bの幅W2が相対的に狭いことによって第1ランド面19の切れ味がより良いからである。
第1コーナ13に直交する断面における第1ランド面19の形状は、特定の形状に限定されない。上記の断面における第1ランド面19の形状は、例えば、直線形状であってもよく、また、図6〜図10に示す一例のように凹形状であってもよい。図6〜図10に示すように第1ランド面19が凹形状である場合には、第1傾斜角θ1が同じときであっても第1面3を平面視した場合における第1ランド面19の幅が小さい。そのため、切刃11の切れ味がさらに高い。
なお、図6〜図10に示す一例のように、断面における第1ランド面19の形状が直線形状ではない場合には、第1ランド面の傾斜角θは、第1ランド面19の下端における基準面X2に対する傾斜角によって示される。
インサート1は、図1に示すように、貫通孔31を有していてもよい。実施形態における貫通孔31は、第1面3から第2面5にかけて形成されており、これらの面において開口している。貫通孔31は、インサート1をホルダに保持する際に、固定ネジ又はクランプ部材を取り付けるために用いられてもよい。なお、貫通孔31は、第3面7における互いに反対側に位置する領域において開口する構成であっても何ら問題無い。
<切削工具>
次に、実施形態の切削工具101について図面を用いて説明する。
実施形態の切削工具101は、図18に示すように、先端側にポケット103(インサートポケット)を有するホルダ105と、ポケット103に位置する上記のインサート1とを備えている。実施形態の切削工具101においては、稜線がホルダ105の先端から突出するようにインサート1が装着されている。
ホルダ105は、細長く伸びた棒形状をなしている。そして、ホルダ105の先端側には、ポケット103が1つ設けられている。ポケット103は、インサート1が装着される部分であり、ホルダ105の先端面に対して開口している。このとき、ポケット103がホルダ105の側面に対しても開口していることによって、インサート1の装着を容易に行うことができる。具体的には、ポケット103は、ホルダ105の下面に対して平行な着座面と、着座面に対して傾斜する拘束側面とを有している。
ポケット103にはインサート1が位置している。このとき、インサート1の下面がポケット103に直接に接していてもよく、また、インサート1とポケット103との間にシートを挟んでいてもよい。
インサート1は、稜線における切刃として用いられる部分がホルダ105から外方に突出するように装着される。実施形態においては、インサート1は、固定ネジ107によって、ホルダ105に装着されている。すなわち、インサート1の貫通孔に固定ネジ107を挿入し、この固定ネジ107の先端をインサートポケット103に形成されたネジ孔に挿入してネジ部同士を螺合させることによって、インサート1がホルダ105に装着されている。
ホルダ105としては、鋼、鋳鉄などを用いることができる。特に、ホルダ103の靭性を高める観点から、これらの部材の中で鋼を用いてもよい。
実施形態においては、いわゆる旋削加工に用いられる切削工具を例示している。旋削加工としては、例えば、内径加工、外径加工及び溝入れ加工が挙げられる。なお、切削工具としては旋削加工に用いられるものに限定されない。例えば、転削加工に用いられる切削工具に上記の実施形態のインサート1を用いてもよい。
<切削加工物の製造方法>
次に、実施形態の切削加工物の製造方法について図面を用いて説明する。
切削加工物は、被削材201を切削加工することによって作製される。実施形態における切削加工物の製造方法は、以下の工程を備えている。すなわち、
(1)被削材201を回転させる工程と、
(2)回転している被削材201に上記実施形態に代表される切削工具101における稜線を接触させる工程と、
(3)切削工具101を被削材201から離す工程と、
を備えている。
より具体的には、まず、図20に示すように、被削材201を軸O1の周りで回転させるとともに、被削材201に切削工具101を相対的に近付ける。次に、図21に示すように、切削工具101における稜線(切刃)を被削材201に接触させて、被削材201を切削する。そして、図22に示すように、切削工具101を被削材201から相対的に遠ざける。
実施形態においては、軸O1を固定するとともに被削材201を回転させた状態で切削工具101をY1方向に移動させることによって被削材201に近づけている。また、図21においては、回転している被削材201に切削インサートにおける切刃を接触させることによって被削材201を切削している。また、図22においては、被削材201を回転させた状態で切削工具101をY2方向に移動させることによって遠ざけている。
なお、実施形態の製造方法における切削加工では、それぞれの工程において、切削工具101を動かすことによって、切削工具101を被削材201に接触させる、あるいは、切削工具101を被削材201から離しているが、当然ながらこのような形態に限定されない。
例えば、(1)の工程において、被削材201を切削工具101に近づけてもよい。同様に、(3)の工程において、被削材201を切削工具101から遠ざけてもよい。切削加工を継続する場合には、被削材201を回転させた状態を維持して、被削材201の異なる箇所に切削インサートにおける切刃を接触させる工程を繰り返せばよい。
なお、被削材201の材質の代表例としては、炭素鋼、合金鋼、ステンレス、鋳鉄、又は非鉄金属などが挙げられる。
1・・・切削インサート(インサート)
3・・・第1面
5・・・第2面
7・・・第3面
9・・・ランド面
11・・・切刃
11a・・第1切刃
11b・・第2切刃
11c・・第3切刃
11d・・第4切刃
13・・・第1コーナ
15・・・第1辺
17・・・第2辺
19・・・第1ランド面
19a・・中央部
19b・・第1端部
19c・・第2端部
21・・・本体部
23・・・切削部
25・・・第1部位
27・・・第2ランド面
29・・・第3ランド面
31・・・貫通孔
101・・・切削工具
103・・・インサートポケット(ポケット)
105・・・ホルダ
107・・・固定ネジ
201・・・被削材

Claims (7)

  1. 多角形状の第1面と、
    前記第1面の反対側に位置する第2面と、
    前記第1面及び前記第2面の間に位置する第3面と、
    前記第1面及び前記第3面の間に位置して、前記第1面及び前記第3面に対して傾斜したランド面とを備え、
    前記第1面は、
    第1コーナと、
    前記第1コーナからそれぞれ延びた第1辺及び第2辺とを有し、
    前記ランド面は、前記第1コーナに接続された第1ランド面を有し、
    前記第1面の中心及び前記第2面の中心を結ぶ中心軸に対して直交する仮想平面を基準面としたとき、
    前記第1ランド面における、前記第1コーナの中央に接続された部分の前記基準面に対する第1傾斜角が、前記第1ランド面における、前記第1コーナの前記第1辺側の端部に接続された部分の前記基準面に対する第2傾斜角よりも大きく、
    前記第1コーナは、前記第1コーナの中央及び前記第2辺側の端部の間に位置する第1部位を有し、
    前記第1ランド面の前記基準面に対する傾斜角は、前記第1部位に接続された部分において最大である、切削インサート。
  2. 前記第1ランド面の前記基準面に対する傾斜角は、前記第1辺側の端部に接続された部分から前記第1コーナの中央に接続された部分に近づくにしたがって大きくなっている、請求項1に記載の切削インサート。
  3. 前記ランド面は、前記第1辺に接続された第2ランド面をさらに有し、
    前記基準面に対する前記第2ランド面の前記基準面に対する傾斜角が第3傾斜角であるとき、前記第3傾斜角は、前記第1コーナから離れるにしたがって大きくなっている、請求項1又は2に記載の切削インサート。
  4. 前記第3面を平面視した場合に、前記第1ランド面における前記第1コーナの中央に接続された部分の幅が、前記第1ランド面における前記第1コーナの前記第1辺側の端部に接続された部分の幅よりも広い、請求項1〜のいずれか1つに記載の切削インサート。
  5. 前記第1コーナに直交する断面において、前記第1ランド面は、凹形状である、請求項1〜のいずれか1つに記載の切削インサート。
  6. 先端側に位置するポケットを有するホルダと、
    前記ポケット内に位置する、請求項1〜のいずれか1つに記載の切削インサートとを有する切削工具。
  7. 被削材を回転させる工程と、
    回転している前記被削材に請求項に記載の切削工具を接触させる工程と、
    前記切削工具を前記被削材から離す工程とを備えた切削加工物の製造方法。
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