(57)【要約】【課題】浸炭焼き入れ後のギア等の６０ＨＲＣ前後の高硬度材を安定して加工できるブローチ工具を提供する。【構成】合金鋼の本体２の一端につかみ部１１を有し、つかみ部１１の反対側に配設された棒状の延出部に嵌合固定された中空円筒状又はリング状の組立体３が１以上嵌合固定され、少なくとも１の組立体３は外周に多数の切れ刃３２を有し、切れ刃３２の一部又は全部が超硬合金材で組立体３と一体に焼結された高硬度材加工用超硬ブローチ１であって、切れ刃３２がＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＯＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＡｌＣＮＯの１又は２以上のＴｉとＡｌを主成分とする硬質被膜の層を有することとする。また、硬質被膜のＴｉ成分の一部を０．５原子％から２０原子％以下の範囲においてＣｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｙ、Ｗ、Ｚｒのうち１種もしくは２種以上の成分で置き換えることとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合金鋼の本体の一端につかみ部を有し、該つかみ部の反対側に配設された棒状の延出部に嵌合固定された中空円筒状又はリング状の組立体が１以上嵌合固定され、少なくとも１の前記組立体は外周に多数の切れ刃を有し、該切れ刃の一部又は全部が超硬合金材で前記組立体と一体に焼結された高硬度材加工用超硬ブローチであって、
前記切れ刃がＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＯＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＡｌＣＮＯの１又は２以上のＴｉとＡｌを主成分とする硬質被膜の層を有することを特徴とする高硬度材加工用超硬ブローチ。
【請求項２】
前記硬質被膜のＴｉ成分の一部を０．５原子％から２０原子％以下の範囲においてＣｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｙ、Ｗ、Ｚｒのうち１種もしくは２種以上の成分で置き換えたことを特徴とする請求項１記載の高硬度材加工用超硬ブローチ。
【請求項３】
前記硬質被膜の膜厚が０．２μｍから２．５μｍ以下の範囲であることを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載の高硬度材加工用超硬ブローチ。
【請求項４】
前記硬質被膜の上層に潤滑性を有する被膜を被覆したことを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の高硬度材加工用超硬ブローチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は本体の外周に軸方向に多数の切刃を配置されたブローチであって、特に切れ刃の材質が超硬合金である超硬ブローチに関する。さらに、被加工材料が焼入後の固さが６０ＨＲＣ（ロックウェル硬さＣスケール：以下同じ）前後の高硬度材の加工に適した超硬ブローチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般の単体ブロ−チは、その切れ刃にそれぞれ切り込み量の異なる切削刃群、中仕上げ刃群、仕上げ刃群からなる一連の切れ刃群を備えていて、１駆動の工程で加工を終了することができ、成形品の量産工程に適する。つまり、他の加工方法では対応できない異形形状が容易に成形でき、とくに作業に熟練を要することなく優れた加工寸法、仕上げ面粗さが得られるという特徴がある。そして、高硬度切削においては、切削速度が遅い場合であっても切削温度が４００℃を超えることは稀ではなく、こうした場合に被膜が軟化をきたし、酸化が進行することによりチッピングや切れ刃の損耗が起こるという問題がある。こうした問題に対すべく、工具母材を粉末高速度工具鋼とし、切削負荷が軽減された切れ刃にＴｉとＡｌを主成分とする硬質皮膜が被覆されたブローチ工具が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１７０８１６号（第２−４頁、第１図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１のブローチ工具においてはブローチ加工に適する被加工物は硬さが一般に３５〜５５ＨＲＣ相当までとされ、ブローチ工具による成形を特に必要とする自動車等の部品に用いられるギアは浸炭焼き入れ後には６０ＨＲＣ前後の硬度となるため、特許文献１記載のブローチ工具はその成形に耐えうる十分な硬度を有していないという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は係る従来技術の問題を解決するためになされたものであり、浸炭焼き入れ後のギア等の６０ＨＲＣ前後の高硬度材を安定して加工できるブローチ工具を提供するものである。
【０００６】
【問題を解決するための手段】
本発明においては、合金鋼の本体の一端につかみ部を有し、つかみ部の反対側に配設された棒状の延出部に嵌合固定された中空円筒状又はリング状の組立体が１以上嵌合固定され、少なくとも１の組立体は外周に多数の切れ刃を有し、切れ刃の一部又は全部が超硬合金材で組立体と一体に焼結された高硬度材加工用超硬ブローチであって、切れ刃がＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＯＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＡｌＣＮＯの１又は２以上のＴｉとＡｌを主成分とする硬質被膜の層を有する高硬度材加工用超硬ブローチを提供することにより前述した課題を解決した（請求項１）。
【０００７】
即ち、外周に切れ刃を有する円筒状又はリング状の超硬合金で一体に焼結成形された超硬合金の組立体からなる部分と靱性のある合金鋼からなるつかみ部を有する部分とを一体に組み付けて一本のブローチとしたので、靱性の少ない超硬合金をつかみ部にした場合のすべりや破損の問題がない。また、超硬合金材からなる切れ刃部分は組立体に一体に焼結されているので欠落することがない。さらに、本発明者は４００℃以上の高温において安定した切削寿命を得るために鋭意研究した結果、ＴｉとＡｌを主成分とする硬質被膜は固溶強化機構により高温での硬さの低下が少なく、また８００℃に至るまで酸化が発生しないため高硬度材のブローチ加工においては最適な被膜であることを見いだすに至った。また、ＴｉＡｌＮで充分長寿命を示す結果を得たが、さらに酸素もしくは炭素の添加により著しく優れる結果を得た。本現象に関しその原因を追求した結果、酸素もしくは炭素の添加により被膜の摩擦係数の低下が確認され、それに起因する切削抵抗の低下、それに伴う寿命向上が確認されたことから被膜の摩擦係数自体も非常に重要なな因子であることを確認するに至った。このような観点からＴｉとＡｌを主成分とする硬質被膜がＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＯＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＡｌＣＮＯの１種あるいは２種以上の積層とした。なお、合金鋼は例えば、工具鋼、軸受鋼等であり、ブローチ工具一般に使用されている高速度工具鋼が好ましい。
【０００８】
また、硬質被膜のＴｉ成分の一部を０．５原子％から２０原子％以下の範囲においてＣｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｙ、Ｗ、Ｚｒのうち１種もしくは２種以上の成分で置き換えた高硬度材加工用超硬ブローチとした（請求項２）これは、耐酸化性を向上させるために種々の第３成分を添加したところ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｙ、Ｗ、Ｚｒの添加において酸化開始温度を上記記載の８００℃よりも５０℃から１５０℃高くすることができることを知得したからである。ここで、Ｔｉを上記の第３の成分に置き換える範囲を規定したのは、その置換量が０．５原子％を下回ると耐酸化性の向上に効果なく、２０原子パーセントを越えると硬度の劣化をきたし耐摩耗性を劣化させるからである。
【０００９】
また、硬質被膜の膜厚が０．２μｍから２．５μｍ以下の範囲であることを特徴とする高硬度材加工用超硬ブローチとした（請求項３）。これは、被膜の膜厚は０．２μｍを下回ると耐摩耗性向上に寄与しなく、また２．５μｍを越えると刃先にチッピングが発生するからである。
【００１０】
また、ＴｉとＡｌを主成分とする硬質被膜の上層として潤滑性を有する被膜を被覆した高硬度材加工用超硬ブローチとした（請求項４）。つまり、ＴｉとＡｌを主成分とする被膜の上層にさらに摩擦係数の低いＭｏＳ２やＣ系硬質被膜、ＣＮ系被膜、Ｖ系被膜等を被覆することにより、さらに切削寿命を向上せしめるからである。
【００１１】
以下、本発明にかかる高硬度材加工用超硬ブローチの実施の形態について、図面を参照しつつ説明するが、本発明はこれに限定するものではない。図１の（ａ）は本発明の実施の形態を示す超硬ブローチの一部を切り欠いた側面図、（ｂ）は同Ｃ−Ｃ線断面図、（ｃ）は同Ｂ−Ｂ線断面図、（ｄ）は同Ａ−Ａ線断面図、（ｅ）は同後つかみ部を下側からみた図、図２の（ａ）は図１に記載の本体２の側面図、（ｂ）は同Ｆ−Ｆ線断面図、（ｃ）は同Ｅ−Ｅ線断面図、（ｄ）は同Ｄ−Ｄ線断面図、（ｅ）は同後つかみ部を下側からみた図、図３の（ａ）は図１に記載の組立体３の一部を切り欠いた側面図、（ｂ）は左側から見た正面図、（ｃ）は同Ｇ−Ｇ線断面図、（ｄ）は刃形の詳細拡大図である。図１に示す超硬ブローチ１は幅が８ｍｍで４個のスプライン溝を有するスプラインのスプライン溝外径を加工するものであり、被加工物の材質はＳＣＭ４１５で熱処理したもので、５５〜６５ＨＲＣの硬度のものをブローチ加工する。また、加工部分はスプライン溝の外径のみであり、熱処理前にφ４７．６ｍｍであったものをφ４８ｍｍ即ち片側０．２ｍｍを加工するものである。図１及び図２に示すように、超硬ブローチ１の本体２は高速度工具鋼材料を用いて製作されており、一端にブローチ加工するためブローチを引き抜くためのつかみ部１１が形成され、続いて被加工物の最小内径よりやや小さい外径を有する円筒部１２がある。円筒部１２とつかみ部１１間にはテーパ部１３が設けられている。円筒部１２の外周に被加工物のスプライン溝に嵌合可能な案内部１４が長手方向に４ヶ所設けられている。案内部１４はつかみ部１１側で徐々に幅、高さが増加するようにされた漸増部１５が設けられ、被加工物のスプライン溝に嵌合位置決めし易いにようにされている。円筒部１２の反つかみ部側、即ち図でみて右側端面（円筒後端部）１６より棒状の延出部１７が伸びており、延出部の先端に後ろつかみ部１８が設けられている。後ろつかみ部１８より左方向に向かって調整部１９、ロックナット嵌合部２０、止め溝２１が順に設けられている。図１、２に示すように、円筒後端部１６の延出部１７を挟んで二面幅２２ａ、２２ｂを形成する凸部２２が設けられている。
【００１２】
図１乃至図３に示すように、本体２の円筒後端部１６とロックナット４間に中空円筒状の組立体３が挟持されている。組立体３の中空穴３１は延出部１７に嵌合するようにされ、外周には順次刃丈が高くなるように切刃３２が設けられ、超硬合金材料で一体に焼結されている。組立体３の一端、図でみて左側に二面幅３３ａ、３３ｂをもつ凹部３３が形成され、本体２の凸部２２に嵌合するようにされ、凹部３３と凸部２２とでドライブフラットを形成して、本体２と組立体３との回転方向の位置ずれを防止する。また、組立体３の凹部３３側の外周には本体２の案内部１４と同相、同寸法、同形状の組立体側案内部３４が長手方向に４ヶ所設けられている。組立体案内部３４の両側は若干のテーパ面取りがされている。図３に示す、切刃のない谷径部３５は刃殺しを行い、被加工物の既に加工済みの下穴部と嵌合するようにされている。符号３６は逃げ部である。
【００１３】
延出部１７先端より組立体３が挿入され、延出部１７と中空穴３１、凸部２２と凹部３３を案内部１４と組立体側案内部３４と一致するように嵌合させ、組立体後端（図でみて右側端）３７にロックナット４を当接させ、ロックナットに斜めに空けられた雌ねじ４１に止めボルト４２を螺着し、その先端４２ａを止め溝２１に当接させ、本体２の円筒後端部１６に付勢するようにして組立体３を挟持固定する。かかる構成により、超硬の切れ刃を有しながら、つかみ部は靱性を有する超硬ブローチとした。また、案内部１４、組立体側案内部３４、刃殺し部３５により被加工物と組立体３の切刃部３２との位置合わせが確実に行われ、精度の高いブローチ加工を実現できる。
【００１４】
なお、図３（ｄ）に示すように、切刃強度を増加させるために、超硬合金製の組立体の切刃のすくい角は負角とし、その範囲は０〜−３０°が好ましい。また、逃げ角を１〜２°とするのがよい。また、超硬ブローチ加工においては、せん断時の発生熱を切り屑に吸収させるために切削速度を４０ｍ／ｍｉｎ以上にするのが好ましい。また、案内部等の長さは長い方がよいが、実施例では円筒部長さで６０ｍｍ、組立体凹部側端面から第１切刃まで５０ｍｍとした。回転方向の位置あわせは、超硬合金材料の強度の面から、凹凸の２面幅で嵌合させたが、ノックピン、スプリングピン等の他の位置決め嵌合方法でもよい。
【００１５】
かかる高硬度材加工用超硬ブローチ１の切れ刃３２にアークイオンプレーティング法による、ＴｉとＡｌを主成分とする硬質被膜がＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＯＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＡｌＣＮＯの１種の場合、２種以上の積層の場合、あるいはＴｉ成分の一部を本発明に沿って他の成分と置き換えたものを満足する本発明例とＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を用いた比較例との比較を行った。被覆条件はバイアス電圧１５０Ｖ、反応圧力０．５Ｐａとし、被膜組成は蒸発源であるカソードの組成を調整することにより種々変化させ各ブロ−チにて同一条件で供し、切削加工長さを比較した。膜厚は被覆時間により調整し、被膜硬さはＴｉＮ膜を除き、２４００Ｈｖを越える値を得たものとした。その結果、本発明のＴｉとＡｌを主成分とする硬質被膜であるＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＯＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＡｌＣＮＯの１種の場合、２種以上の積層の場合、あるいはＴｉ成分の一部を本発明に沿って他の成分と置き換えた場合においては、少なくとも５０ｍの切削加工長さを得るものとなった。さらに、これに潤滑性を有する被膜を加えたものは１００ｍ以上の切削を行なうことができる結果となった。これに対して、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等を用いた場合では２０ｍにも満たない結果となった。
【００１６】
【発明の効果】
以上のように本発明の高硬度材加工用超硬ブローチによれば、合金鋼の本体の一端に配設された延出部に嵌合固定された組立体と一体に焼結された超硬合金製の切れ刃に、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＯＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＡｌＣＮＯの１又は２以上のＴｉとＡｌを主成分とする硬質被膜の層を有することとしたので、浸炭焼き入れ後の６０ＨＲＣ前後のギア等の高硬度材を安定して加工できるブローチ工具を提供できることとなった。
【００１７】
また、本発明の硬質皮膜ＴｉＡｌＮ、ＴｉＡｌＯＮ、ＴｉＡｌＣＮ、ＴｉＡｌＣＮＯのＴｉ成分の一部を０．５原子％から２０原子％以下の範囲においてＣｒ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｙ、Ｗ、Ｚｒのうち１種もしくは２種以上の成分で置き換えたことによって、酸化開始温度をＴｉ成分を置き換える前より５０℃から１５０℃高めることとなった。
【００１８】
また、本発明の硬質皮膜を０．２μｍから２．５μｍ以下の範囲としたことにより、耐磨耗性の減少や刃先にチッピングが発生に悩まされることなく加工することとなった。
【００１９】
また、本発明の硬質皮膜上に潤滑性を有する被膜を加えたことにより、切削寿命をさらに向上させることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１の（ａ）は本発明の実施の形態を示す超硬ブローチの一部を切り欠いた側面図、（ｂ）は同Ｃ−Ｃ線断面図、（ｃ）は同Ｂ−Ｂ線断面図、（ｄ）は同Ａ−Ａ線断面図、（ｅ）は同後つかみ部を下側からみた図である。
【図２】図２の（ａ）は図１に記載の本体２の側面図、（ｂ）は同Ｆ−Ｆ線断面図、（ｃ）は同Ｅ−Ｅ線断面図、（ｄ）は同Ｄ−Ｄ線断面図、（ｅ）は同後つかみ部を下側からみた図である。
【図３】図３の（ａ）は図１に記載の組立体３の一部を切り欠いた側面図、（ｂ）は左側から見た正面図、（ｃ）は同Ｇ−Ｇ線断面図、（ｄ）は刃形の詳細拡大図である。
【符号の説明】
１      高硬度材加工用超硬ブローチ
２      本体
３      組立体
１１    つかみ部
１７    延出部
３２    切れ刃
【図１】
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【図２】
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【図３】
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