(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
立方晶窒化硼素焼結体からなる工具を用いた切削方法であって、前記工具の表面にシリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、およびこれらの酸化物のうちの一種または複数種の組み合わせからなる粉末を吹きつけながら、１５００（ｍ／ｍｉｎ）以上の切削速度で加工することを特徴とする高速切削方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立方晶窒化硼素焼結体からなる切削工具（以下、ＣＢＮ焼結工具という）およびＣＢＮ焼結工具を用いた高速切削方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削加工における基本的課題は、高精度、高能率、低コストの３つである。この３つの課題のうち、高能率加工を実現する一手段として切削速度の高速化が求められている。ＣＢＮ焼結工具はダイヤモンドについで高硬度で熱伝導率が大きく、また、高温になっても金属材料と拡散反応を起こしにくいといった優れた切削性能を有することから、超硬、サーメット、セラミックス等の切削工具に比べて高速切削に適している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、切削速度を増加するとそれに伴って切削能率は向上するが、逆に工具寿命が短くなり、ツールコストが増加するという問題がある。特にＣＢＮ焼結工具は他の工具に比べて非常に高価であるため、上述した３つの課題のうち、低コストという課題を解決することができない。さらに、工具寿命が低下すると工具交換の頻度が増加するため生産性が悪くなるという問題もあり、高能率加工の実現は困難なものとなっている。
【０００４】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、ＣＢＮ焼結工具に保護膜を生成させることにより、切削速度の増加に伴う工具寿命の低下を防止して高速切削を行うことを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
一般に切削速度を増加させると、それに伴って工具寿命が短くなることが、次式のテイラーの寿命方程式として知られている。
Ｃ＝ＶＴｎ  
ここで、Ｖは切削速度、Ｔは工具寿命、ｎとＣは切削速度以外の諸条件によって決まる定数である。
【０００６】
ところが、本発明者は種々の実験を重ねた結果、ＦＣ３００、ＦＣ２５０等のパーライト組織の鋳鉄をＣＢＮ焼結工具を用いて高切削速度で加工したとき、上記テイラーの寿命方程式に反して、切削速度の増加に伴って工具寿命が延長されることを見いだした。
この現象を解析した結果、パーライト組織の鋳鉄に含有される物質が工具表面に付着して保護膜を生成し、この保護膜の存在により工具寿命が延長されるということがわかった。
【０００８】
本発明は上記の現象を応用してパーライト組織の鋳鉄以外の任意の工作物に対する高速切削を実現しようとするものであり、請求項１に記載の発明は、ＣＢＮ焼結体からなる工具を用いた切削方法であって、前記工具の表面にシリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、およびこれらの酸化物のうちの一種または複数種の組み合わせからなる粉末を吹きつけながら、１５００（ｍ／ｍｉｎ）以上の切削速度で加工するようにしたことを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に用いるＣＢＮ焼結工具１を示すものであり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ矢視拡大図であり、２はすくい面、３はチャンファ部、４は逃げ面である。このＣＢＮ焼結工具を用いてパーライト組織の鋳鉄であるＦＣ３００の正面フライス加工を行った。加工条件は以下のとおりである。
【００１０】
・切削速度                    ３００〜６０００（ｍ／ｍｉｎ）
・１刃当たりの送り量          ０．３３（ｍｍ／ｒｅｖ）
・切り込み                    １．０（ｍｍ）
・クーラントの有無            乾式切削
・切削方向                    ダウンカット
図３は切削速度Ｖ（ｍ／ｍｉｎ）を３００（ｍ／ｍｉｎ）、８００（ｍ／ｍｉｎ）、１５００（ｍ／ｍｉｎ）、３６００（ｍ／ｍｉｎ）、６０００（ｍ／ｍｉｎ）と変化させたときの１刃当たりの切削距離Ｌ（ｍ）と工具寿命の指標の一つである逃げ面摩耗幅ＶＢ  （ｍｍ）との関係を示すものである。ここで、切削速度が８００（ｍ／ｍｉｎ）以上で切削加工した場合、工具摩耗がほとんど進行しない領域が現れる。切削速度８００（ｍ／ｍｉｎ）では切削距離約２０（ｍ）〜約４０（ｍ）の間で、切削速度１５００（ｍ／ｍｉｎ）では切削距離約２０（ｍ）〜約６０（ｍ）の間で工具摩耗がほとんど進行しておらず、特に切削速度６０００（ｍ／ｍｉｎ）では切削距離約２０（ｍ）から工具摩耗がほとんど進行しなくなり、切削距離１２０（ｍ）を超えても工具摩耗はほとんど進行してない。このように切削速度が大きい程、この工具摩耗がほとんど進行しない領域が長くなり、工具寿命に達するまでの切削距離が長くなっていることがわかる。（ここでは、工具寿命は逃げ面摩耗幅が０．３（ｍｍ）以上となったときとしている。）
【００１１】
この結果は、上記テイラーの寿命方程式に反するものであるため、この現象を解析するべく、切削後の工具表面をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｏｒｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）観察を行った。図４は切削速度６０００（ｍ／ｍｉｎ）で切削した後の工具形状を測定したものであり、図１のＩＩ−ＩＩ矢視図である。図４からわかるように、工具表面、特にチャンファ部３および逃げ面４に付着物５が確認された。この付着物５は１５００（ｍ／ｍｉｎ）以上の切削速度で切削したときに観察され、それ以下の切削速度で切削加工したときには確認されなかった。
【００１２】
この付着物を解析した結果、ＦＣ３００に含有されるマンガン（Ｍｎ）、シリコン（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、あるいはこれらの酸化物が切削に伴う熱および圧力によって工具表面に生成されるものであり、この付着物が工具を保護し工具寿命が延長されることが判明した。
【００１３】
図５は切削速度Ｖ（ｍ／ｍｉｎ）を変化させたときの切削距離Ｌ（ｍ）と表面粗さＳ（μｍＲｚ）との関係を示すグラフである。図５からわかるように、切削速度３６００（ｍ／ｍｉｎ）以上になると表面粗さが悪くなる。これは、本実施の形態においては正面フライス加工であるため、フライス後刃が切削後の被削材表面に接触し、その際、工具表面に生成された付着物がワーク表面に悪影響を与えたことが原因であると考えられる。すなわち、表面粗さが悪化する程、厚い付着物が生成されているということを意味している。切削速度が１５００（ｍ／ｍｉｎ）で切削したときは付着物が確認されたにも係わらず、表面粗さが悪化していないことから、切削速度が３６００（ｍ／ｍｉｎ）以上の切削速度で切削したときは１５００（ｍ／ｍｉｎ）で切削したときよりも厚い付着物が生成されるため、工具寿命がさらに延長されるものと考えられる。
【００１４】
以上の結果から、ＣＢＮ焼結工具の表面に保護膜を生成させるためには、パーライト組織の鋳鉄を切削速度は１５００（ｍ／ｍｉｎ）以上、さらに好ましくは３６００（ｍ／ｍｉｎ）以上で加工すればよいことがわかる。
【００１５】
ここで、工作物がＦＣ３００等のパーライト組織の鋳鉄の場合は、上記したように工具保護膜を生成しながら加工が行われるので、高速切削が可能となる。しかし、パーライト組織の鋳鉄以外の他の材質の工作物に対する切削では保護膜は生成されない。そこで、任意の材質の工作物にも対応できる高速切削用工具の実施の形態について説明する。
【００１６】
ＣＢＮ焼結工具の製造過程において、ＣＢＮ粉末およびＴｉＣ、Ａｌ２  Ｏ３  等の通常用いられるバインダーの他に、ＳｉＯ２  およびＭｎＯ２  をあらかじめ混合し、この状態で従来の製造方法と同様に、プレス成形し、高温高圧下で焼結を行う。
このようにして得られたＣＢＮ焼結工具は、ＳｉＯ２  およびＭｎＯ２  が予め含有されているので、１５００（ｍ／ｍｉｎ）以上の切削速度で加工を行うと、工作物の材質に係わらず、切削に伴う圧力や熱により、工具中のＳｉＯ２  およびＭｎＯ２  によって工具保護膜が生成され、工具寿命が延長される。
【００１７】
次に本発明の高速切削方法の実施の形態について説明する。
図６において、６はＣＢＮ焼結工具のチップであり、７は図略のテーブル等に取り付けられた任意の材質の工作物である。８はノズルであり圧縮空気を利用して先端から粉末が吐出されるように構成されている。
このような構成において、ＣＢＮチップ６と工作物７とを相対移動させて切削加工を行う。このとき、ノズル８から工具の逃げ面４に粒径数μから数十μの粉末状のＳｉＯ２  およびＭｎＯ２  を吹きつけると共に、切削速度を１５００（ｍ／ｍｉｎ）以上にすると、上述した現象により粉末が吹きつけられた工具の逃げ面４には、切削に伴う圧力や熱によって、ＳｉＯ２  およびＭｎＯ２  による保護膜が生成され、この保護膜により工具寿命が延長される。
【００１８】
切削距離が長く保護膜が摩耗しても、前記粉末を連続的にあるいは断続的に吹きつけるようにすれば、切削に伴って次々と工具保護膜が生成されるので、切削距離の長い加工にも対応できる。
図６では、工具の逃げ面２に粉末を吹きつけたが、工作物の材質や切削条件等によって、工具の逃げ面２よりすくい面４の方が工具摩耗が大きいと判断される場合には、図７に示すようにすくい面４に粉末を吹きつけるようにすればよい。また、ノズル８を複数設け逃げ面２とすくい面４の両方に粉末を吹きつけるようにすることも可能である。
【００１９】
図８は、本発明の高速切削方法の他の実施の形態を示すものである。９は図略のモータによって回転駆動される主軸であり、ＣＢＮチップ６が先端に取り付けられた正面フライス工具１０が着脱可能に保持されている。主軸９および正面フライス工具１０には、中心に粉末供給孔１１が設けられており、いわゆるスピンドルスルークーラントのように、主軸軸心を貫通して粉末が吐出されるように構成されている。
【００２０】
このような構成において、粉末供給孔１１から粒径数μから数十μの粉末状のＳｉＯ２  およびＭｎＯ２  を吐出させながら、主軸９を回転させると共に、主軸９と工作物７とを相対移動させることにより、切削加工を行う。このとき、工具の回転により、粉末供給孔１１から吐出された粉末はＣＢＮチップ６の方へ移動するため、切削速度を１５００（ｍ／ｍｉｎ）以上にすると、上記の実施の形態と同様に、工具表面にはＳｉＯ２  およびＭｎＯ２  による保護膜が生成され、この保護膜によって工具寿命が延長される。
【００２１】
なお、上述した実施の形態における、工具保護膜を形成する物質、工具中に含有させる物質、および工具表面に吹きつける粉末状の物質としては、上記のＳｉＯ２  およびＭｎＯ２  のみに限定されるものではなく、シリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）の単体、ＳｉＯ、ＭｎＯ、Ｍｎ２  Ｏ３  、Ｍｎ２  Ｏ７  、Ｍｎ３  Ｏ４  、ＴｉＯ２  、Ｔｉ２  Ｏ３  等の酸化物、さらにはＭｎＳｉＯ３  、Ｍｎ２  ＳｉＯ４  、ＭｎＴｉＯ３  等の複合酸化物でもよい。また、これらは一種類だけに限られるものではなく、複数種類を混合したものでもよい。
【００２２】
【発明の効果】
【００２３】
本発明の高速切削方法によれば、粉末状のシリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、およびこれらの酸化物を吹きつけながら切削を行うことにより、切削と共に工具保護膜が生成されるので、パーライト組織の鋳鉄以外の任意の工作物の加工に際して、切削速度を増加させてもそれに伴って工具寿命が低下することがなく、高速切削を低コストで達成することができる。
【００２４】
さらに、本発明の高速切削方法によれば、従来の工具では切削開始直後に欠けが発生して加工不可能になるような、あるいは切削開始直後に欠けは発生しないまでも極めて工具寿命が短くなるような高切削速度での加工が可能となり、高能率加工を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＢＮ焼結工具の上面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ矢視拡大図である。
【図３】切削距離と工具逃げ面摩耗幅との関係を示すグラフである。
【図４】切削速度６０００（ｍ／ｍｉｎ）で切削したときの工具表面の状態を示す、図１のＩＩ−ＩＩ矢視拡大図である。
【図５】切削距離と表面粗さとの関係を示すグラフである。
【図６】本発明の高速切削方法を示す断面図である。
【図７】本発明の高速切削方法の他の実施の形態を示す断面図である。
【図８】本発明の高速切削方法のさらに他の実施の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１    ＣＢＮ焼結工具
２    すくい面
３    チャンファ部
４    逃げ面
５    付着物（工具保護膜）
６    ＣＢＮチップ
７    工作物
８    ノズル
９    主軸
１０    フライス工具
１１    粉末供給孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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