(57)【要約】【課題】ＴｉＡｌＳｉＮ系膜の耐酸化性を充分に発揮することのでき、工具基体である被覆母材と硬質被膜との密着性と硬度が確保された膜構造を有する切削用ホブ及びかかる切削用ホブを用いた歯車加工方法を提供。【解決手段】高速度鋼を母材質とし、アーク放電イオンプレーティング法により硬質被膜を被覆してなる工具であって、前記硬質被膜の成分が、（Ｔｉｘ  Ａｌ１−ｘ−ｙ  Ｓｉｙ  ）（Ｃｚ  Ｎ１−ｚ  ）、ただし、金属元素の原子分率で０．２８≦ｘ≦０．４５，  ０．１＜ｙ≦０．３，  ０≦ｚ≦０．４で示される化学組成からなるａ層と、前記硬質被膜の成分がＴｉ（ＣＵ  Ｎ１−Ｕ  ）、ただし、金属元素の原子分率で  ０≦ｚ≦０．５  で示される化学組成からなるｂ層と、がそれぞれ１層以上交互に被覆されたものであり、かつ、ｂ層が被覆母材表面上にある。【選択図】図１
2004283930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速度鋼を母材質とし、アーク放電イオンプレーティング法により硬質被膜を被覆してなる工具であって、前記硬質被膜の成分が、
（Ｔｉｘ  Ａｌ１−ｘ−ｙ  Ｓｉｙ  ）（Ｃｚ  Ｎ１−ｚ  ）、ただし、金属元素の原子分率で
０．２８≦ｘ≦０．４５，  ０．１＜ｙ≦０．３，  ０≦ｚ≦０．４
で示される化学組成からなるａ層と、
前記硬質被膜の成分が、Ｔｉ（ＣＵ  Ｎ１−Ｕ  ）、ただし、金属元素の原子分率で
０≦ｕ≦０．５  で示される化学組成からなるｂ層と、
がそれぞれ１層以上交互に被覆されたものであり、
かつ、ｂ層が被覆母材表面上にあることを特徴とする切削用ホブ。
【請求項２】
高速度鋼を母材質とし、アーク放電イオンプレーティング法により硬質被膜を被覆してなる工具であって、前記硬質被膜の成分が、
（Ｔｉｘ  Ａｌ１−ｘ−ｙ  Ｓｉｙ  ）（Ｃｚ  Ｎ１−ｚ  ）、ただし、金属元素の原子分率で
０．２８≦ｘ≦０．３３，  ０．１３≦ｙ≦０．２８，  ０≦ｚ≦０．４
で示される化学組成からなるａ層と、
Ｔｉ（Ｃｕ  Ｎ１−ｕ  ）、ただし、金属元素の原子分率で、０．１≦ｕ≦０．４
で示される化学組成からなるｂ層と、
がそれぞれ１層以上交互に被覆されたものであり、
かつ、ｂ層が被覆母材表面上にあることを特徴とする切削工具。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の切削用ホブを用いて、
切削速度が１００ｍ／ｍｉｎ  から３００ｍ／ｍｉｎ  の範囲で、かつ
完全乾式または微少な油剤ｓｃｃ／ｍｉｎただし０＜ｓ≦２０を噴霧状にして切削部に吹き付けて切削を行うことを特徴とする歯車加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速度工具鋼を母材とする刃部を有するホブを用いて歯形を形成させる歯車加工方法及び切削用ホブに関する。
【０００２】
【従来の技術】これまで歯車加工においては切削中に油剤を用いる湿式法が主流であったが、最近では環境問題を考慮にいれた、切削時に油剤を全く用いない乾式方法が登場している。工具本体のホブについても、耐熱性を向上させたＴｉＡｌＮ膜をホブに被覆して高速切削加工を乾式で行うことが可能となった。例えば特許文献１では、高速度工具鋼製の刃部を備えたホブを用いて、
（Ｔｉ１−ｘ  Ａｌｘ  ）（Ｎｙ  Ｃ１−ｙ  ）    ０．２≦ｘ≦０．８５、
０．２５≦ｙ≦１．０    の組成からなる膜を少なくとも１層コーティングしたホブを用い、切削速度が１２０ｍ／ｍｉｎ  をこえて４００ｍ／ｍｉｎ  以下の範囲で、切削油剤を用いずドライカット、または切削部にエアを吹き付けて歯形を創成することを特徴とする歯車加工方法を提唱している。
【０００３】
また特許文献２ではギヤシャーパにおいて窒化物形成元素をＭとし、実質的に（Ｔｉｚ  Ａｌｘ  Ｍ１−ｚ−ｘ  ）（１−ｗ）  （Ｎｙ  Ｃ１−ｙ  ）ｗ      ただし
０．２≦ｘ≦０．９、  ０．２≦ｙ≦１．０、  ０．１≦ｚ≦０．８、
０．７≦（ｚ＋ｘ）＜１．０、  ０．４５≦ｗ≦０．５５
の組成の膜を少なくとも一層を、少なくとも逃げ面にコーティングしたものを用い、切削油剤を用いずに、切削速度３００ｍ／ｍｉｎ  以下で加工することを特徴とするギヤシェーパ加工方法およびギヤシェーパを提唱している。そして窒化物形成元素Ｍの１つとしてしてＶ，Ｂなどの各種の第３元素も含めて、「窒化物形成元素ＭはＴｉＡｌと置換可能で良質な窒化物を形成できる」として第３元素を添加した実施例を述べているが、第３元素が積極的な効果を有するなどの提唱はしていない。また切削加工についてもあくまでも「窒化物形成元素を添加しない場合と同一」加工が実現できるとして、実施例でもＶ，Ｂの微量添加の場合に対しても影響のないこと実証しているにすぎない。したがって上記引用例においてはいずれもＴｉＡｌＮ膜の効果の範疇をでることはなく、高速切削条件下でのホブの早期摩耗は避けることができず、いずれも高速切削に対応したコーティング被覆ホブおよびそれを用いた加工法を提案しているとはいえない。
【０００４】
【特許文献１】特許第３１６５６５８号  請求項１
【特許文献２】特許第２９６１１０６号  請求項１
【特許文献３】特許第２７９３７７３号  請求項１
【特許文献４】特許第３０８９２５２号  請求項２、〔００１４〕表１
【０００５】
【解決しようとする課題】しかしながら、特許文献１、特許文献２の発明を用いて歯車加工をした場合には、高速でドライカットは実現されるが、近年の加工機械の能力向上に伴って切削速度がさらに向上し、ＴｉＡｌＮ被膜でも耐熱性が不十分なためクレータ摩耗の進行がはやくなり、実用的な摩耗限界幅までに早期に至るという欠点がある。これに対してＴｉＡｌＮ膜の耐熱性を向上させる添加元素についての研究が行われ、特許文献３に記述され
の向上に対して有効であることが分かった。しかしながら、金属元素の原子分率でＳｉの含有量が１０％を越えると耐熱性自身は向上するものの被膜自身の密着性が低下し、かつ被膜の硬度が低下するため、十分な耐摩耗性が得られなかった。このためＳｉの含有量が１０％を越えても被膜の密着性と硬度が確保されている硬質被膜の開発が期待されていた。
この他にも金属加工の高能率化を目的としてＴｉＡｌＮ被膜にＳｉを添加した例がいくつかあるが、それぞれ次の様な問題があった。特許文献４ではＴｉＡｌＳｉ合金を成膜しているが、スパッタリング法ではターゲット材料に用いている材料元素のスパッタ収率の相違により成分が継続的に変化しやすいため、この変化を見込んだ組成のターゲットを要する。また、工具母材の上に直接ＴｉＡｌＳｉＮ膜を被膜するので、被膜膜の密着性が必ずしも良好でなく、複雑な形状の基材を被覆する場合の生産性も低い。さらにスパッタ粒子のイオン化率が低いため、基板に突入するイオンの量が少なく、従って十分な膜硬さが得られないという欠点があった。さらに成膜速度が遅く量産化が困難である。
【０００６】
本発明の課題は、ＴｉＡｌＳｉＮ系膜の優れた耐酸化性に注目し、金属元素の原子分率でＳｉの含有量が１０％を越えてもＴｉＡｌＳｉＮ系膜の耐酸化性を充分に発揮することのでき、工具基体である被覆母材と硬質被膜との密着性と硬度が確保された膜構造を有する切削用ホブ及びかかる切削用ホブを用いた歯車加工方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】このため本発明は、高速度鋼を母材質とし、アーク放電イオンプレーティング法により硬質被膜を被覆してなる工具であって、前記硬質被膜の成分が、（Ｔｉｘ  Ａｌ１−ｘ−ｙ  Ｓｉｙ  ）（Ｃｚ  Ｎ１−ｚ  ）、ただし、金属元素の原子分率で  ０．２８≦ｘ≦０．４５，  ０．１＜ｙ≦０．３，
０≦ｚ≦０．４  で示される化学組成からなるａ層と、
前記硬質被膜の成分が、Ｔｉ（ＣＵ  Ｎ１−Ｕ  ）、ただし、金属元素の原子分率で
０≦ｚ≦０．５  で示される化学組成からなるｂ層と、
がそれぞれ１層以上交互に被覆されたものであり、
かつ、ｂ層が被覆母材表面上にあることを特徴とする切削用ホブを提供することにより、上述した本発明の課題を解決した。
【０００８】
【発明の効果】本発明のかかる構成により、金属元素の原子分率でＳｉの含有量が１０％を越えてもＴｉＡｌＳｉＮ系膜の耐酸化性を充分に発揮することのできるａ層と、かかるａ層を被覆母材に被覆したＴｉＣＮ層のｂ層上に被覆することにより、工具基体である被覆母材と硬質被膜との密着性と硬度が確保された膜構造を有する切削用ホブを提供するものとなり、従来のＴｉＡｌＮ膜又はＴｉＡｌＳｉＮ系膜を被覆したものに較べてすくい面のクレータ摩耗とフランク面の逃げ面摩耗の進行を遅れさせることができ、その結果、逃げ面摩耗も大きく進行することなく高速切削おけるホブの寿命を大幅に延ばすことが可能となった。
【０００９】
本発明の硬質被膜ａ層を構成する金属元素中のＴｉの原子比率は、膜硬度の測定結果から、金属元素の原子分率で２８％以上、４５％以下を満足することが必要である。より好ましくは２８％以上、３３％以下である。同じく硬質被膜ａ層におけるＳｉの添加量は、耐酸化性の観点から金属元素の原子分率で１０％こえて多ければ多いほど効果が高いが、３０％を越えると密着性が低下し、切削に耐えることが出来ない。より好ましくは１３％以上、２８％以下である
本発明において硬質被膜ａ層の密着性を向上し、被膜の硬度低下を抑制する下地の硬質被膜ｂ層のＴｉ（Ｃｕ  Ｎ１−ｕ  ）膜としてはａ層と結晶構造の等しいＴｉＣＮ系の被膜である必要がある。従って硬質被膜ｂ層における金属元素中の炭素の原子分率で、０≦ｕ≦０．５を満足する必要があり、０％、すなわちＴｉＮでもかまわない。より好ましくは１０％以上、４０％以下である。
【００１０】
請求項３では、請求項１又は請求項２記載の切削用ホブを用いて、切削速度が１００ｍ／ｍｉｎ  から３００ｍ／ｍｉｎ  の範囲で、かつ完全乾式または微少な油剤ｓｃｃ／ｍｉｎただし０＜ｓ≦２０を噴霧状にして切削部に吹き付けて切削を行うことを特徴とする歯車加工方法を提供するものであり、完全乾式あるいはエアを吹き付けた時の寿命を大幅に向上させることができ、また微小な油剤の噴霧吹き付けによりさらに摩耗の進行を防ぎ、より効果的な歯車加工が実現できる歯車加工方法を提供するものとなった。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明品の切削用ホブのコーティング膜の構成を示すブロック図を図１に示す。本発明品の切削用ホブは、高速度鋼を母材質とし、アーク放電イオンプレーティング法により硬質被膜を被覆してなる工具２０であって、前記硬質被膜の成分が、Ｔｉ（Ｃｕ  Ｎ１−ｕ  ）、ただし、金属元素の原子分率で、０≦ｕ≦０．５で示される化学組成からなるｂ層２１を被覆し、ｂ層２１の上に、
前記硬質被膜の成分が、（Ｔｉｘ  Ａｌ１−ｘ−ｙ  Ｓｉｙ  ）（Ｃｚ  Ｎ１−ｚ  ）、ただし、金属元素の原子分率で  ０．２８≦ｘ≦０．４５，  ０．１＜ｙ≦０．３，
０≦ｚ≦０．４  で示される化学組成からなるａ層２２を、
それぞれ１層以上交互に被覆されたものである。図１では各１層のみ示す。
【００１２】
図２に図１の構成の硬質被膜を被覆した切削用ホブを使用しホブ盤を用いた本発明の歯車加工法の実施形態を示す概略側面図を示す。切削速度が１００ｍ／ｍｉｎ  から３００ｍ／ｍｉｎ  の範囲で、かつ完全乾式または微少な油剤ｓｃｃ／ｍｉｎ、ただし
０＜ｓ≦２０  を噴霧状にして切削部に吹き付けて切削を行うことを特徴とする歯車加工方法であり、完全乾式あるいはエアを吹き付けた時の寿命を大幅に向上させることができ、特に上記歯車加工において、２０ｃｃ／ｍｉｎ以下の微少な油剤を噴霧状にして切削部に吹き付けて歯形を形成する方法ではさらに完全乾式以上の効果が得られることも知見として得られた。これは微小油剤の油滴がワークとホブ切れ刃の間に入り込んで潤滑膜を形成し摩擦係数を減少させることで切削による発熱を押さえる効果となり、結果的に発熱擦過による摩耗の進行が抑制されることによるものと考えられる。ホブ２３は回転機構をもつホブヘッド２４のホブ軸に装着され、ワーク２５は回転自在なテーブルの取り付け具に固定されている。ホブヘッド２４は高速回転しながら、同期回転するワーク２５に接近移動し切り込み送りがされる。ワーク２５外周は送り込まれたホブ２３の刃部２６により削りとられてワークの歯型２７が形成される。切削中は切削油剤は供給されず、完全乾式もしくは加工部近くに設置されたエアノズルよりエアを供給して行う。霧状の微小油剤を噴霧するときはエアノズル２８を利用して切削中に供給する。
【００１３】
〔実施例１〕切削用ホブは高速度鋼製で、ＴｉＡｌＳｉの窒化物と、Ｔｉの窒化物あるいは炭窒化物の図１の構成の積層構造をもつコーティング膜を施したものを使用した。また本発明品の比較としてＴｉＡｌＮ膜を被覆したものを用いた。
ホブの形状はモジュールｍ２．８７で、圧力角１５°、外径９５ｍｍである。ワークである被削歯車の緒元は、歯の大きさｍ２．８７、圧力角１５°、歯数４８，ねじれ角３１°、外径１６６．６ｍｍ、歯たけ、７．９９５，歯厚３．９１７でる。ワークの材質はＳＣＭ４２０Ｈで硬さは１８０ＨＢのものを使用した。
歯車加工の切削速度は１００ｍ／ｍｉｎ  から３００ｍ／ｍｉｎ  の範囲で高速加工を完全乾式または切削部にエアを吹き付ける状態で行った。また微小油剤の潤滑効果を確認するため２０ｃｃ／ｍｉｎ以下の油剤を切削部に霧状に吹き付けて高速切削を行った。
【００１４】
次に本発明品である切削用ホブの製作工程について説明する。本発明品の切削用ホブのコーティング膜を形成するイオンプレーティング装置の概略断面図を示す図３において、アーク方式イオンプレーティング装置１の工具取り付け治具３に図示しない切削用ホブを装着して、真空装置１１で０．１３３Ｐａ以下まで排気し、加熱用ヒータ１２により４００〜５００℃に加熱した。所定の温度に達した後、ガス導入口６から導入したアルコンガスによってイオンボンバードを施した上、０．６６６〜０．４Ｐａの窒素ガスをガス導入口７から導入して金属蒸発源５からＴｉを蒸発させて硬質被膜ｂ層としてＴｉＮ膜またはＴｉＣＮ膜を成膜した。その後硬質被膜ｂ層の上に、Ｔｉ０．４  Ａｌ０．４  Ｓｉ０．２  、Ｔｉ０．３  Ａｌ０．５  Ｓｉ０．２  、Ｔｉ０．３５Ａｌ０．３５Ｓｉ０．３  、Ｔｉ０．５  Ａｌ０．５  の元素分率で異なった組成を有する４つのターゲットを組み合わせて、基板電圧１０〜１００Ｖを印加して、表に示す金属元素の原子分率で示す種々の組成の硬質被膜ａ層を得た。また原子分率の組成は電子プローブアナリシスで行った。
【００１５】
上記方式により請求項の範囲の各種コーティングしたホブを切削した結果を表１に示す。また切削用ホブ切削後の切刃の摩耗形態を表した概略斜視図を図４に模式的に示す。本発明品であるＴｉＡｌＳｉＮを施したホブ（本発明１〜７）のクレータ摩耗は、従来例であるＴｉＡｌＮのクレータ摩耗よりも少なく、逃げ面摩耗幅についても同様な結果となった。このようにＳｉの成分は切削中の耐熱効果に大きく効果を現しているが、本発明の硬質被膜ａ層を構成する金属元素中のＴｉの原子比率は、膜硬度の測定結果から、金属元素の原子分率で２８％以上、４５％以下を満足することが必要である。より好ましくは２８％以上、３３％以下である。同じく硬質被膜ａ層におけるＳｉの添加量は、１０％未満のときはＳｉの含有量が少ないため耐酸化性の観点から耐熱効果が十分に発揮されない。金属元素の原子分率で１０％こえて多ければ多いほど効果が高いが、Ｓｉ含有が３０％を越える場合ではコーティング膜が脆くなり密着性が低下し切削中にチッピング現象（膜飛び）が発生するためこの範囲が望ましい。より好ましくは１３％以上、２８％以下である。本発明において硬質被膜ａ層の密着性を向上し、被膜の硬度低下を抑制する下地の硬質被膜ｂ層のＴｉ（Ｃｕ  Ｎ１−ｕ  ）膜としてはａ層と結晶構造の等しいＴｉＣＮ系の被膜である必要がある。従って硬質被膜ｂ層における金属元素中の炭素の原子分率で、０≦ｕ≦０．５を満足する必要があり、０％、すなわちＴｉＮでもかまわない。より好ましくは１０％以上、４０％以下である。
【００１６】
【表１】
2004283930.tif 000003
【表２】
2004283930.tif 000004
【００１７】
膜厚については実施例１では（Ｔｉｘ  Ａｌ１−ｘ−ｙ  Ｓｉｙ  ）（Ｃｚ  Ｎ１−ｚ  ）、
ただし、金属元素の原子分率で０．２８≦ｘ≦０．４５，０．１＜ｙ≦０．３，０≦ｚ≦０．４  で示される化学組成からなるａ層は、０．３μｍ〜５．０μｍの範囲で、Ｔｉ（Ｃｕ  Ｎ１−ｕ  ）、ただし、金属元素の原子分率で
０≦ｕ≦０．５で示される化学組成からなるｂ層は０．３μｍ〜５．０μｍの範囲で、ｂ層を母材表面上にして、それぞれ１層以上に組み合わせ、全体の膜厚が２μｍ〜１０μｍ以下であることが望ましい。これは全体の膜厚が２μｍ未満ではコーティング膜の効果は期待できず、１０μｍを越える膜厚ではチッピング（膜飛び）現象が起きる確率が高くなることによるものである。
【００１８】
〔実施例２〕本発明品であるＴｉＡｌＳｉＮ膜（本発明品１、２、４、５）と従来例であるＴｉＡｌＮ膜の耐熱特性を比較するため、実施例１と同時に作成したコーティング被覆超硬チップを大気中で８００℃、１時間加熱保持し、鋼球による擦過痕を利用したカロテスト法により表面からの酸化物層の厚さを測定した結果を表２に併記した。従来例のＴｉＡｌＮ膜は高温度の環境下でコーティング被覆膜の表面から酸化層が進行しているが、本発明品であるＴｉＡｌＳｉＮ膜は酸化層がほとんど観察されることが無く、耐酸化性はＴｉＡｌＮ膜よりも格段に優れている。
【００１９】
〔実施例３〕実施例１と同じホブの高速歯切加工を、切削部に１０ｃｃ／ｍｉｎの微小油剤を霧状に吹き付けて行った結果を表１の本発明５に示す。完全乾式と比較してクレータ摩耗の進行は進行することなく寿命を向上させている。これは微小な油剤がホブとワークの間で潤滑剤として作用することで摩擦係数を低減し、加工による発熱を押さえる働きをするためであると考えられる。この方式は微小潤滑（ＭＱＬ：Ｍｉｎｉｍｕｍ    Ｑｕａｎｔｉｔｙ    Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ）作用としてエンドミル加工などに使用されているが、ホブによる高速歯車加工においても効果を発揮し、本発明品であるＴｉＡｌＳｉＮ膜と併用することによりさらに効果的に作用する。
【００２０】
〔本発明の実施の形態の効果〕上記の実施例から、本発明品であるＴｉＡｌＳｉＮ膜を含むコーティング膜を被覆したホブによる歯車加工は、従来のＴｉＡｌＮ膜又はＴｉＡｌＳｉＮ膜を被覆したものに較べてすくい面のクレータ摩耗とフランク面の逃げ面摩耗の進行を遅れさせることができ、完全乾式あるいはエアを吹き付けた時の寿命を大幅に向上させることができる。また微小な油剤の噴霧吹き付けによりさらに摩耗の進行を防ぎ、より効果的な歯車加工が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明品の切削用ホブのコーティング膜の構成を示すブロック図。
【図２】図１の構成の硬質被膜を被覆した切削用ホブを使用したホブ盤を用いた本発明の歯車加工法の実施形態を示す概略側面図。
【図３】本発明品の切削用ホブのコーティング膜を形成するイオンプレーティング装置の概略断面図。
【図４】切削用ホブ切削後の切刃の摩耗形態を表した概略斜視図。
【符号の説明】
２０・・工具母材      ２１・・硬質被膜ａ層        １２・・硬質被膜ｂ層
【図１】
2004283930.tif 000005
【図２】
2004283930.tif 000006
【図３】
2004283930.tif 000007
【図４】
2004283930.tif 000008