(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に摩擦加工作用面を有し、かつ軸線回りに回転中の金属からなる被加工材の表面に前記摩擦加工作用面を押し当てて、前記被加工材の軸線と平行なチップ送り方向へ送られることで、前記被加工材の表面の浅い領域に高強度化のための摩擦加工を施す切削摩擦加工用チップにおいて、前記被加工材の表面のうち、前記摩擦加工作用面の押し当て位置よりチップ送り方向の領域で、前記摩擦加工に伴ってこの被加工材の表面の一部分が盛り上がった部分を切除する側方切れ刃が、前記先端部のチップ送り側の部分に形成されるとともに、前記摩擦加工作用面は前記先端部を平面視したとき円弧形状であって、前記側方切れ刃は、前記先端部のチップ送り側の部分が、該チップ上面と平行に陥没することにより形成された切削摩擦加工用チップ。
【請求項２】
前記先端部の摩擦加工作用面の形成部分のうち、チップ幅方向の中央部の上側の部分には、摩擦加工により発生して前記被加工材に付着した金属片が、軸線回りに回転中の前記被加工材と前記摩擦加工作用面との間に上方から挟み込まれる直前に、前記被加工材の表面の部分を切除する上方切れ刃が形成された請求項１に記載の切削摩擦加工用チップ。
【請求項３】
前記先端部の摩擦加工作用面は、チップ厚さ方向の中間部が内方へ凹んだ円弧形状に湾曲している請求項１または請求項２に記載の切削摩擦加工用チップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、切削摩擦加工用チップ、詳しくは被加工材の表面から浅い領域に微細結晶粒層を形成可能な切削摩擦加工用チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属材の機械加工時にその表層が超強加工され、金属材の表面から厚さ数ミクロン〜数十ミクロン程度の浅い領域で、微細結晶組織が生成されることが発見された。微細結晶粒層は、母材に比べて高硬度で圧縮残留応力も高く、機械部品に好適な特性を有している。
微細結晶粒層の生成方法の１つとして、特許文献１に開示された摩擦加工が知られている。これは、例えば旋盤により回転中の被加工材（金属材）の外周面に、先端部の摩擦加工作用面がなだらかな湾曲面（丸面）の摩擦加工用チップを押し当てることで、被加工材の表層を微細結晶化するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１０５９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１で使用される摩擦加工用チップは、その被加工材の表面（加工面）と接触する摩擦加工作用面が、単に角部が存在しないなだらかな丸面となっているのみであった。そのため、摩擦加工時、チップ先端部の押し付け圧によって、チップ押し付け部分よりチップ送り方向の表面の一部が、（内部）亀裂を伴って盛り上がり、その直後、送り方向へ移動中のチップがこの盛り上がり部分を押しつぶすことで、表面改質後の表面直下の部分に、欠陥としての空洞が発生していた。しかも、このように表面から盛り上がって一部分が剥がれた金属片（付着物）が、摩擦加工の終点部分に迫り寄せられてササクレ状態で環状に付着していた。
また、摩擦加工後の被加工材の表面には、ツールマーク（摩擦加工痕）とは異なる深いキズ（窪み）が局所的に発生していた。これは、摩擦加工により表面が凹凸形状に荒れてしまい、そのうちの隆起部分（凸部）が剥がれて摩擦加工用チップの先端部に金属片として付着し、その後、このチップ先端部から剥がれた金属片が、摩擦加工中の被加工材とチップ先端部の摩擦加工作用面との間に挟み込まれ、被加工材の表面を傷つけたためと推察される。この局所的な深いキズは、被加工材の表面状態（表面粗さ）の悪化につながり、好ましくない。
【０００５】
そこで、発明者は、鋭意研究の結果、チップ先端部のうち、チップ送り側の部分に側方切れ刃を形成すれば、摩擦加工に伴い切削摩擦加工用チップを送り方向へ移動する際、側方切れ刃を使用して、チップ押し付け部分よりチップ送り方向の表面の盛り上がり部分を、亀裂（亀裂の一部または全部）ごと切除可能なことを知見し、この発明を完成させた。すなわち、あらかじめ側方切れ刃により盛り上がった部分を切除しておけば、その後、盛り上がった部分をチップ先端部が押しつぶすことで、被加工材の表面直下の亀裂を原因とした空洞の発生を低減できるとともに、摩擦加工に伴い表面の摩擦加工の終点部分に発生するササクレ状態の環状の金属片が発生しないように、摩擦加工しながら小さいササクレ部分を順次取り除くこともできる。
また発明者は、鋭意研究の結果、先端部の中央上側の部分に上方切れ刃を形成すれば、摩擦加工中に発生した金属片が被加工材に付着し、被加工材の回転に伴って摩擦加工中の被加工材とチップ先端部の摩擦加工作用面との間に（上方から）挟み込まれるのを防止できることを知見した。すなわち、従来チップによる摩擦加工では、摩擦加工により発生した金属片が摩擦加工用チップの先端部に付着し、その後、このチップ先端部から剥がれた金属片が、摩擦加工中の被加工材とチップ先端部の摩擦加工作用面との間に挟み込まれてしまい、その結果、ツールマークとは異なる深い傷が被加工材の表面に局所的に発生していたが、本発明ではこのような局所的な深いキズの発生を防止することができる。
【０００６】
この発明は、被加工材の表面直下での空洞の発生を低減することができるとともに、被加工材の表面の摩擦加工の終点部分に生じるササクレ状態の環状の金属片の発生を防止することができる切削摩擦加工用チップを提供することを目的としている。
また、この発明は、上述した効果に加えて、チップ先端部から剥がれた金属片を原因とする被加工材の表面の局所的な深いキズの発生を防止できる切削摩擦加工用チップを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、先端部に摩擦加工作用面を有し、かつ軸線回りに回転中の金属からなる被加工材の表面に前記摩擦加工作用面を押し当てて、前記被加工材の軸線と平行なチップ送り方向へ送られることで、前記被加工材の表面の浅い領域に高強度化のための摩擦加工を施す切削摩擦加工用チップにおいて、前記被加工材の表面のうち、前記摩擦加工作用面の押し当て位置よりチップ送り方向の領域で、前記摩擦加工に伴ってこの被加工材の表面の一部分が盛り上がった部分を切除する側方切れ刃が、前記先端部のチップ送り側の部分に形成されるとともに、前記摩擦加工作用面は前記先端部を平面視したとき円弧形状であって、前記側方切れ刃は、前記先端部のチップ送り側の部分が、該チップ上面と平行に陥没することにより形成された切削摩擦加工用チップである。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、摩擦加工に伴って切削摩擦加工用チップを送る際、側方切れ刃によって被加工材の表面の盛り上がり部分を切除する。これにより、従来は、亀裂を伴って被加工材の表面から盛り上がった部分を、その後に送り方向（摩擦加工方向）へ移動中の摩擦加工用チップの先端部が押しつぶすことで、被加工材の表面直下に空洞が発生していた。しかしながら、本発明ではこの盛り上がり部分を切削摩擦加工用チップの上方通過がなされる前に側方切れ刃によって亀裂（亀裂の一部または全部）ごと切除するため、空洞の発生を低減（防止）できる。しかも、この盛り上がり部分は、見方を変えれば被加工材の表面の小さなササクレ部分となる。そこで、この盛り上がり部分を、その発生直後に側方切れ刃によって順次切除することで、従来品による摩擦加工の場合には、摩擦加工に伴い表面の摩擦加工の終点部分に現出していたササクレ状態の環状の金属片の発生を防止することができる。
【０００９】
ここでいう摩擦加工とは、金属からなる被加工材の表面に、切削摩擦加工用チップの先端部のなだらかに湾曲した摩擦加工作用面を押し当てることにより、被加工材の表面から厚さ数ミクロンから数十ミクロン程度の表層（浅い領域）に、微細結晶組織への表面改質を伴う微細結晶粒層と、微細結晶組織への表面改質を伴わず、かつ摩擦加工による塑性変形により発生する加工硬化層とのうち、少なくとも加工硬化層を生成させる超強加工である。なお、被加工材の表層に微細結晶粒層と加工硬化層との両方が生成される摩擦加工では、被加工材の表面からその内部へ向かって微細結晶粒層と加工硬化層とが連続して生成される。摩擦加工を施す際には、例えば、金属研削加工用の旋盤を用い、バイトに固定される研削用チップ（刃）に代えて切削摩擦加工用チップを採用し、そのチップ先端部の摩擦加工作用面を被加工材の表面に押し当てて、被加工材の表層に微細結晶化等を施す。具体的には、被加工材の外周面（表面）を右片刃バイトに固定した切削摩擦加工用チップにより摩擦加工する場合が挙げられる。
【００１０】
ここでいう「微細結晶粒層」とは、摩擦加工によって微細結晶組織に表面改質された領域をいう。微細結晶粒層の厚さは、厚いほど良好な結果が得られる。
摩擦加工による微細粒組織（微細結晶粒層）の生成もさることながら、摩擦加工による塑性変形によって発生する加工硬化を利用し、被加工材の表層の硬度を高めることができる。この領域（以下、加工硬化層）は微細結晶粒層が得られる最表面と加工の影響を受けない内部組織との間に位置し、被加工材の表層の高強度化（超強加工）に重要な役割を果たす。摩擦加工は、その加工条件によっては微細粒組織が得られない場合も生じるが、加工硬化層によって疲労強度を十分に高めることができる。
被加工材の外周面の摩擦加工の場合において、「被加工材の表面のうち、チップ先端部の押し当て位置よりチップ送り方向の領域」とは、例えば、切削摩擦加工用チップが被加工材の外周面の一端から他端に向かって移動する際、チップ先端部の押し当て位置より被加工材の他端側の領域（部分）をいう。
【００１１】
切削摩擦加工用チップの素材としては、炭化タングステン、サーメットなどを採用できる。
切削摩擦加工用チップは、被加工材の表面を先端が鋭角な旋削加工チップによって旋削加工するのではなく、摩擦加工を行うためにチップ先端部の摩擦加工作用面が、角部を有しないなだらかな丸面となっている。切削摩擦加工用チップの外観形状としては、例えば三角板形状、四角板形状などを採用できる。
切削摩擦加工用チップの先端部の厚さは、１．０ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。１．０ｍｍ未満では、摩擦加工押し当て部分の厚さが不十分となり、被加工材がはみ出す。また、２０ｍｍを超えれば、チップ先端部が厚すぎてしまい、摩擦加工に関係しない部分が必要以上に増大し、経済的でない。
【００１２】
摩擦加工作用面の平面視した曲率半径は、０．１〜１５．０ｍｍである。０．１ｍｍ未満では、摩擦加工時にチップ先端部から被加工材の外周面に作用する面圧が高くなり過ぎてしまい、チップ先端が必要以上に被加工材にめり込む。また、１５．０ｍｍを超えれば、摩擦加工時の面圧が低くなり過ぎてしまい、被加工材の表層に対して必要な塑性加工度が得られない。これにより、摩擦加工後の被加工材の加工面の硬度上昇が十分でなくなる。摩擦加工作用面の平面視した際の好ましい曲率半径は、０．２〜１５．０ｍｍである。この範囲であれば、適度な押し付け圧（面圧）が得られ、被加工材の滑らかな加工面が得られる。
切削摩擦加工用チップの摩擦加工作用面を側面視（縦断面視）した形状は、平坦（平面）でも、円弧形状でもよい。
【００１３】
切削摩擦加工用チップの表面への押し当て荷重は、切削摩擦加工用チップの形状や被加工材の材質に応じて、最適な大きさに変更する必要がある。硬い被加工材の場合および切削摩擦加工用チップの平面視した曲率半径が大きい場合には、押し当て荷重は大きめとし、反対に柔らかい材質の場合やチップ曲率半径が小さい場合には、押し当て荷重を小さめとする。しかしながら、おおむね２０〜２０００Ｎである。２０Ｎ未満では、十分な塑性加工が得られず、加工表面の硬度上昇が十分でなくなる。また、２０００Ｎを超えれば、加工面の粗さが良好でなくなるとともに、被加工材のたわみも大きくなる。
切削摩擦加工用チップの送り速度は、材質やチップの曲率半径に応じて最適な値を選択する。チップノーズ半径が小さいほど、送りも小さくする必要があるが、おおむね０．０１〜２．０ｍｍ／ｒｅｖである。０．０１ｍｍ／ｒｅｖ未満では、摩擦加工の効率が低下し、焼き付きを起こし易い。また、２．０ｍｍ／ｒｅｖを超えれば、十分な被加工材の表層に塑性加工を施せず、被加工材の加工表面の硬度上昇が十分でなくなる。
被加工材と摩擦加工チップの相対速度は早い方が望ましいが、低速でも条件によっては良好な加工層を得ることができる。
【００１４】
側方切れ刃の形状は任意である。側方切れ刃は、切削摩擦加工用チップと一体的に形成されても、チップと別体でもよい。側方切れ刃の形成位置は、チップ先端部のチップ送り側の部分であり、少なくとも摩擦加工を行うチップ先端よりも、被加工物に対して離れた位置に配置される必要がある。切れ刃が先端に位置すれば切削加工が優先的になり、摩擦加工による表面改質の効果が薄れる。さらに、側方切れ刃は切削摩擦加工用チップの上面より下方位置に配置する必要がある。このように、摩擦加工は切削摩擦加工用チップの上面よりも下がった位置で行うため、摩擦加工に伴って切削摩擦加工用チップを送る際、側方切れ刃によって被加工材の表面の盛り上がり部分を切除する効果が生まれる。
側方切れ刃の形成数は１つでも２つ以上でもよい。また、側方切れ刃をチップ先端部の両側部分に形成すれば、チップ送り方向を左右反対にすることができる。
【００１５】
平面視してチップ最先端と側方切れ刃の最短距離は、０．１〜１．５ｍｍである。０．１ｍｍ未満では切削加工が優先的になり、１．５ｍｍを超えれば被加工材の部分的な盛り上がりを効果的に切除できない。
「摩擦加工に伴って表面の一部分が盛り上がった部分」とは、摩擦加工時、送り方向へ移動する切削摩擦加工用チップの大きな押し付け圧によって被加工材の表層が組成変形し、これに伴い、摩擦加工作用面のチップ先端部のチップ送り側の領域で発生する表面の隆起部分をいう。
【００１６】
被加工材の素材としては、Ｓ４５Ｃなどの各種の鉄鋼、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金などの各種のチタン合金などのほとんどすべての金属を対象とすることができる。被加工材の形状としては、例えば丸棒、円筒などを採用することができる。切削摩擦加工用チップの摩擦加工作用面とは、チップの先端部のうち、被加工材の表面に押し当てられ、かつ角部が存在しない丸面の領域をいう。
切削摩擦加工用チップの素材としては、例えば超硬合金などを採用することができる。
切削摩擦加工用チップの先端部とは、研削用チップの刃部に該当し、かつチップ全長の３分の１以下となるチップ先側の部分をいう。ここでの「被加工材の表面の浅い領域」とは、被加工材のうち、摩擦加工が施される表面と、表面から深さ（厚さ）数ミクロンから数十ミクロン程度の浅い領域とからなる表層をいう。
【００１７】
「先端部のチップ送り側の部分」とは、チップ先端部をチップ幅方向に左側部分、中央部分（中間部分）、右側部分と３等分したとき、摩擦加工中に切削摩擦加工用チップが移動する方向（送り方向）の端側の部分をいう。例えば、切削摩擦加工用チップが被加工材の先端（右端）から元端（左端）に送られる場合には、チップ先端部の左側の部分をいう。
ここでの「ササクレ状態」とは、被加工材の表面（加工面）が細かく裂けたり、めくれた状態をいう。小さな各ササクレ部分のサイズは、盛り上がり高さ０．１〜２．０ｍｍ、長さ１．０〜２．０ｍｍである。多数の小さいササクレ部分が被加工材の周方向に連続して発生することで、被加工材の表面の摩擦加工の終点部分に、幅が０．１〜０．５ｍｍの大きな「ササクレ状態の環状の金属片」が発生する。
【００１８】
特に、請求項２に記載の発明は、前記先端部の摩擦加工作用面の形成部分のうち、チップ幅方向の中央部の上側の部分には、摩擦加工により発生して前記被加工材に付着した金属片が、軸線回りに回転中の前記被加工材と前記摩擦加工作用面との間に上方から挟み込まれる直前に、前記被加工材の表面の部分を切除する上方切れ刃が形成された請求項１に記載の切削摩擦加工用チップである。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、摩擦加工に伴い、切削摩擦加工用チップの先端部を被加工材の表面に押し付けることで、圧力が高い場合、被加工材の表面が微細な凹凸形状に荒れ、一部は金属片となり被加工材に付着する。その後、被加工材の回転に伴い、この被加工材に付着した金属片が、摩擦加工中の被加工材とチップ先端部の摩擦加工作用面との間に上方から挟み込まれる直前に、この金属片を上方切れ刃により切除することができる。すなわち、従来チップによる摩擦加工では、この金属片が剥がれて摩擦加工用チップの先端部に付着し、その後、このチップ先端部から剥がれた金属片が、摩擦加工中の被加工材とチップ先端部の摩擦加工作用面との間に挟み込まれてしまい、その結果、ツールマークとは異なる深い傷が被加工材の表面に局所的に発生していたが、本発明ではこの局所的な深いキズの発生を防止することができる。
【００２０】
「先端部の摩擦加工作用面の形成部分のうち、チップ幅方向の中央部の上側の部分」とは、切削摩擦加工用チップの先端部の摩擦加工作用面の形成部分のうち、摩擦加工に伴う切削摩擦加工用チップの送り方向の長さの中間領域の上側の部分（チップ先端部の幅方向の中間領域の上側の部分、または、チップ先端部のうち、チップ送り側の部分とこれとは反対側の部分との間に存在する中央部の上側の部分）をいう。切削摩擦加工用チップが旋削用チップに代えて使用される旋盤では、切削摩擦加工用チップに対する被加工材の回転方向が、一般に上方から下方に向かうように設定される。そのため、前記上方切れ刃は、摩擦加工により荒れて盛り上がった被加工材の表面の金属片を円滑に切除できるように、チップ先端部の摩擦加工作用面のうち、中央上側の部分に形成されている。
上方切れ刃の形状、大きさは任意である。例えばその形状は、円弧形状などを採用できる。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、前記先端部の摩擦加工作用面は、チップ厚さ方向の中間部が内方へ凹んだ円弧形状に湾曲している請求項１または請求項２に記載の切削摩擦加工用チップである。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、摩擦加工時、チップ先端部の摩擦加工作用面を、側面視して平面（平坦）でなく、チップ厚さ方向の中間部が内方へ凹んだ円弧形状（鼓形状）の湾曲面とした。これにより、切削摩擦加工用チップの先端部を（円柱形状または円筒形状の）被加工材の表面に押し付けたときの面圧を、摩擦加工作用面が単に切削摩擦加工用チップを平面視した際の湾曲のみの場合に比べて低下させることができる。その結果、例えば硬度が低い被加工材を摩擦加工する際、被加工材の加工面へのササクレおよび荒れの発生を抑制することができる。
【００２３】
ここでいう「チップ厚さ方向の中間部が内方へ凹んだ円弧形状」とは、摩擦加工チップを側面視（縦断面視）したときの摩擦加工作用面の形状である。
摩擦加工作用面の側面視した曲率半径は、少なくとも被加工材の半径よりも大きい必要がある。被加工材の半径よりも摩擦加工面を側面視した曲率半径が小さい場合、切削摩擦加工用チップと被加工材の接触部分が２か所となり好ましくない。しかしながら、被加工材の半径と摩擦加工面を側面視した曲率半径が近いほど、接触面圧を下げる効果が大きくなる。
【発明の効果】
【００２４】
請求項１に記載の発明によれば、チップ先端部のチップ送り側の部分に側方切れ刃を形成したため、摩擦加工に伴い、切削摩擦加工用チップを送り方向へ移動する際に、側方切れ刃によって被加工材の表面のうち、亀裂を含む盛り上がり部分を切除する。これにより、送り方向へ移動中の切削摩擦加工用チップの先端部がこの盛り上がり部分を押しつぶすことで、被加工材の表面直下に生じる空洞の発生を低減することができる。しかも、この盛り上がり部分は、見方を変えれば被加工材の表面の小さなササクレ部分となる。そこで、この盛り上がり部分を、その発生直後に側方切れ刃によって順次切除することで、従来品による摩擦加工の場合には、摩擦加工に伴い表面の摩擦加工の終点部分に現出していたササクレ状態の環状の金属片の発生を防止することができる。
【００２５】
特に、請求項２に記載の発明によれば、摩擦加工に伴い、切削摩擦加工用チップの先端部が被加工材の表面に押し付けられて表面が微細な凹凸形状に荒れ、一部は金属片となり被加工材に付着する。この被加工材に付着した金属片が、被加工材の回転に伴って、摩擦加工中の被加工材とチップ先端部の摩擦加工作用面との間に上方から挟み込まれる直前に上方切れ刃により切除される。そのため、チップ先端部から剥がれた金属片を原因として被加工材の表面に生じる局所的な深いキズの発生を防止することができる。
【００２６】
請求項３に記載の発明によれば、摩擦加工時、チップ先端部の摩擦加工作用面を、チップ厚さ方向の中間部が内方へ凹んだ円弧形状の湾曲面としたため、チップ先端部を被加工材の表面に押し付けた際の面圧を、摩擦加工作用面が単に切削摩擦加工用チップを平面視した際の湾曲のみの場合に比べて低下させることができる。これにより、例えば硬度が低い被加工材を摩擦加工するとき、被加工材の表面にササクレおよび荒れが発生するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の実施例１に係る切削摩擦加工用チップの使用状態を示す斜視図である。
【図２】この発明の実施例１に係る切削摩擦加工用チップの使用状態を示す一部断面図を含む要部拡大平面図である。
【図３】この発明の実施例１に係る切削摩擦加工用チップの使用状態を示す要部拡大縦断面図である。
【図４】この発明の実施例１に係る切削摩擦加工用チップと従来のチップとを用いて、摩擦加工を施した被加工材の外観と表面と加工条件との比較図である。
【図５】この発明の実施例１に係る切削摩擦加工用チップおよび従来チップを用いて摩擦加工されたＳ４５Ｃ調質材の被加工材に疲労試験を行った際のＳＮ曲線のグラフである。
【図６】図５の摩擦加工時に使用された試験片のサイズを示す正面図である。
【図７】この発明の実施例１に係る切削摩擦加工用チップを用いて摩擦加工されたＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金の被加工材と、単に旋削により製作された比較材に疲労試験を行った際のＳＮ曲線のグラフである。
【図８】図７の摩擦加工時に使用された試験片のサイズを示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、この発明の実施例を具体的に説明する。
【実施例】
【００２９】
図１および図２において、１０はこの発明の実施例１に係る切削摩擦加工用チップで、旋盤の旋削用チップに代えてバイトに固定して使用され、被加工材１１の表面を摩擦加工するチップである。切削摩擦加工用チップ１０は、摩擦加工作用面１０ａが形成されたチップ先端部１０ｂを有し、かつ軸線回りに回転中の金属からなる被加工材１１の表面（外周面）１１ａにチップ先端部１０ｂを押し当てて、この状態で切削摩擦加工用チップ１０を被加工材１１の軸線方向と平行な送り方向へ移動することにより、表面１１ａの浅い領域に微細結晶粒層１１ｂと加工硬化層１１ｅとを、被加工材１１の表面からその内部に向かって連続して生成させるものである。なお、旋盤は、バイトに切削摩擦加工用チップ１０を装着することで摩擦加工装置となる。被加工材１１は、Ｓ４５Ｃ調質材からなる図６に示す試験片である。
【００３０】
切削摩擦加工用チップ１０は、超合金製で、厚さが３．０ｍｍの平面視して菱形の板片である。切削摩擦加工用チップ１０は両端面を上下に配置し、チップ中央部の止め孔１０ｃを介して、旋盤のバイトの先端部に通常の旋削用バイトと同じ方法で止められる。チップ先端部１０ｂとは、切削摩擦加工用チップ１０の長さが異なる対角線のうち、長尺側の対角線の一端側の角部をいう。チップ先端部１０ｂの周側面の上部は、平面視して円弧形状（曲率半径０．８ｍｍ）の前記摩擦加工作用面１０ａとなっている。このように、チップ先端部１０ｂの周側面の上部のみを摩擦加工作用面１０ａとしたのは、上方切れ刃１３を有効に作用させるためである。この摩擦加工作用面１０ａは、チップ厚さ方向の中間部が内方へ凹んだ円弧形状の湾曲面である。これにより、チップ先端部１０ｂを円柱形状の被加工材１１の表面に押し付けたときの面圧を、摩擦加工作用面１０ａが平面の場合に比べて低下させることができる（摩擦加工作用面１０ａは平面でも可能）。その結果、例えば硬度が低い被加工材１１を摩擦加工する際、被加工材１１の加工面へのササクレおよび荒れの発生を抑制することができる。摩擦加工において、切削摩擦加工用チップ１０は、旋盤加工時のように旋削用チップの鋭角な先端を旋削加工材の外周面に突き当てるのではなく、チップ先端部１０ｂの厚さ方向の中間部付近の摩擦加工作用面１０ａを、被加工材１１の表面１１ａに押し当てて使用される。
【００３１】
チップ先端部１０ｂの上端部のチップ送り側の部分には、被加工材１１の表面１１ａのうち、チップ先端部１０ｂの押し当て位置よりチップ送り方向の領域で、摩擦加工に伴い表面１１ａの一部分が、亀裂を伴って隆起した盛り上がり部分１１ｃを切除する側方切れ刃１２が、１つだけ形成されている（図１および図２）。側方切れ刃１２は、平面視して略菱形で、かつチップ先端部１０ｂのチップ送り側の端部を、チップ上面と平行に陥没形成したものである。
また、チップ先端部１０ｂの中央上側の部分（チップ先端部１０ｂの摩擦加工作用面１０ａの形成部分のうち、チップ厚さ方向の上側の部分）には、摩擦加工により表面が荒れて盛り上がった被加工材１１の表面１１ａから剥がれた金属片１１ｄを切除する横長な上方切れ刃１３が、１つだけ形成されている（図１および図２）。上方切れ刃１３は、チップ先端部１０ｂの上部を、その全長にわたり一定幅で、かつ断面円弧形状（略鼓形状）に切欠して摩擦加工作用面１０ａを形成することで得られる。これにより、上方切れ刃１３の刃先の角度をこの断面円弧形状にしない場合に比べて鋭角（７５°〜８９°）にすることができ、金属片１１ｄの切除が容易となる。
【００３２】
次に、図１〜図４を参照して、この発明の実施例１に係る切削摩擦加工用チップ１０による被加工材１１の摩擦加工方法を説明する。
まず、被加工材１１を旋盤のチャックに固定し、被加工材１１の軸線を中心にして、チャックとともに被加工材１１を摩擦加工速度が４４．０ｍ／ｍｉｎになるように回転させる。この回転中、チップ先端部１０ｂの摩擦加工作用面１０ａの部分を、被加工材１１の表面１１ａに荷重３１５Ｎで押し当て、この状態を維持して切削摩擦加工用チップ１０を０．０５ｍｍ／ｒｅｖで送り方向（被加工材１１の軸線方向）へ移動させる。これにより、被加工材１１の表面１１ａから深さ５μｍの浅い領域において、被加工材１１の表層が微細結晶組織に表面改質（微細結晶粒層１１ｂ）され、被加工材１１の表面から５〜４０μｍの間（表層）で塑性変形（加工硬化層１１ｅ）による硬度上昇が認められた。このように、被加工材１１の表層を微細結晶粒層１１ｂだけでなく、微細結晶粒層１１ｂと加工硬化層１１ｅとによって表面変質させたことで、結果的により以上に厚い硬化相が得られる。
【００３３】
摩擦加工に伴って切削摩擦加工用チップ１０を送る際、チップ先端部１０ｂの押し付け圧によって、チップ押し付け部分よりチップ送り方向の表面１１ａの一部が、亀裂を伴って盛り上がる（図２）。このとき、平面視してチップ最先端と側方切れ刃１２の最短距離ｄは０．５ｍｍである。この盛り上がり部分１１ｃは、発生直後に、チップ送り方向へ移動してきた側方切れ刃１２によって切除される。これにより、従来は、被加工材１１の亀裂を含む盛り上がり部分１１ｃを、その後に送り方向へ移動中の摩擦加工用チップのチップ先端部が押しつぶすことで、被加工材１１の表面直下に空洞が発生していたが、ここでは、この盛り上がり部分１１ｃの上方を切削摩擦加工用チップ１０が通過する前に、側方切れ刃１２によって、一部または全部の亀裂ごと盛り上がり部分１１ｃを切除するため、空洞の発生を防止できる。
しかも、摩擦加工しながら、側方切れ刃１２を用いて、小さなササクレ部分に該当する盛り上がり部分１１ｃを発生直後に順次切除する（図４（ｂ））。これにより、従来品の場合には摩擦加工に伴って被加工材１１の表面１１ａの摩擦加工の終点部分に生じていたササクレ状態の環状の金属片１１ｆ（図４（ａ））が発生しない。
【００３４】
さらに、摩擦加工に伴い、切削摩擦加工用チップ１０のチップ先端部１０ｂを被加工材１１の表面１１ａに押し付けることで、従来品の場合、この表面１１ａは微細な凹凸形状に荒れ、一部は金属片１１ｃとなり被加工材１１に付着する（図４（ａ））。しかしながら、ここでは、この荒れた面の金属片（微細隆起部分）１１ｄが、被加工材１１の回転に伴って上方切れ刃１３により切除されるため（図１および図３）、チップ先端部１０ｂから剥がれた金属片１１ｄによる表面１１ａの局所的な深いキズ１１ｇが発生し難くなる（図４（ｂ））。すなわち、被加工材１１の表面１１ａが荒れた場合、従来は、荒れた面の微細隆起部分がこの外周面から剥がれてチップ先端部に金属片１１ｄとして付着し、その後、この金属片１１ｄがチップ先端部１０ｂから剥がれて被加工材１１とチップ先端部１０ｂの摩擦加工作用面１０ａとの間に挟まれて被加工材１１の外周面を傷つけていたが（図４（ａ））、ここでは上方切れ刃１３がその原因部分を除去するため、この局所的な深いキズ１１ｇの発生を防止できる。なお、図４の加工条件の欄に記載されたＹは切削摩擦加工チップ１０の上面と被加工材１１の軸線とのずれを表す。ＨＶは被加工材１１のビッカース硬さ、Ｒａは被加工材１１の表面１１ａの算術平均粗さ、Ｒｚは被加工材１１の表面１１ａの十点平均粗さである。
【００３５】
ここで、図５のＳ−Ｎ曲線のグラフを参照して、実施例１の切削摩擦加工用チップ１０を用い、Ｓ４５Ｃ調質材（被加工材）の外周面を図６に示すサイズに摩擦加工して得られた試験片について、ＪＩＳ  Ｚ２２７３（金属材料の疲れ試験方法）に則って疲労試験を行った結果を報告する。
図５のグラフから明らかなように、Ｓ４５Ｃ調質材からなる試験片は、応力振幅の限界となる疲労限度が８７０ＭＰａであった。これにより、８７０ＭＰａ以下の繰り返し応力では破断しない安定した強度の試験片が得られた。この試験片は、従来の摩擦加工材と比較して疲労に対しての強度は同等であるが、寿命のばらつきが大幅に抑えられていた。寿命のばらつきは内部破壊が原因であり、これは内部欠陥に起因する。そのため、実施例１の切削摩擦加工用チップ１０を採用したことで、内部欠陥の発生が抑えられたと推測される。
【００３６】
次に、図７のＳ−Ｎ曲線のグラフを参照して、実施例１の切削摩擦加工用チップ１０を用い、実施例１のＴｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金からなる被加工材１１の表面１１ａを摩擦加工して得られた試験片（形状，寸法は図８に示す）と、これと同サイズの摩擦加工しない比較例の試験片（以下、比較片）について、ＪＩＳ  Ｚ２２７３に則り疲労試験を実施した結果を報告する。
図７のグラフから明らかなように、比較片の疲労限度は４８０ＭＰａで、試験片の疲労度は４９０ＭＰａであり、１０７回を基準とした疲労強度において、これらにほとんど差はなかった。しかしながら、有限寿命域での疲労寿命は、比較片に比べて試験片の方が顕著に長くなっていた。この点から、試験片の疲労強度は比較片に比べて高いと評価できる。
【００３７】
また、破面観察の結果、長寿命で破断した試験片のほとんどから、内部破壊のフィッシュアイが観察された。フィッシュアイの起点は、いずれも摩擦加工により強化された表層（微細結晶粒層）より深い位置に存在したα粒の割れである。破壊の起点となった領域の公称応力は４６０〜５６０ＭＰａで、この数値範囲は比較片の疲労限度近くか、それよりも高いレベルであった。すなわち、摩擦加工によって強化されていない領域を起点とする破壊が支配的であった。また、上述したように、試験片は疲労寿命にバラつきがあるものの、バラつきの原因は内部破壊であり、側方切れ刃１２が未搭載の従来の摩擦加工用チップによる摩擦加工時に問題となった表面欠陥（局所的な深いキズ１１ｇ）を起点とする破断ではない。その結果、チップ先端部１０ｂに形成された上方切れ刃１３の効果が、図７のグラフに示す疲労試験の結果から実証された。すなわち、摩擦加工によって、被加工材１１の少なくとも表面は充分に強化されていると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
この発明は、旋盤により製作される金属部品の表面硬度を高め、製品の耐摩耗性、耐疲労特性を向上させる摩擦加工用のチップとして有用である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  切削摩擦加工用チップ、
１０ａ  摩擦加工作用面、
１０ｂ  チップ先端部（先端部）、
１１  被加工材、
１１ａ  外周面（表面）、
１１ｂ  微細結晶粒層、
１１ｃ  盛り上がり部分、
１１ｄ  金属片、
１２  側方切れ刃、
１３  上方切れ刃。
【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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