特開 2022-45081 高硬度材用スカイビングカッタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022045081

(43)【公開日】2022-03-18

(54)【発明の名称】高硬度材用スカイビングカッタ

(51)【国際特許分類】

   B23F 21/10 20060101AFI20220311BHJP

   B23B 27/14 20060101ALI20220311BHJP

【ＦＩ】

B23F21/10

B23B27/14 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020150578

(22)【出願日】2020-09-08

(71)【出願人】

【識別番号】000005197

【氏名又は名称】株式会社不二越

(74)【代理人】

【識別番号】100192614

【弁理士】

【氏名又は名称】梅本 幸作

(74)【代理人】

【識別番号】100158355

【弁理士】

【氏名又は名称】岡島 明子

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 嗣紀

(72)【発明者】

【氏名】笠井 康

(72)【発明者】

【氏名】山崎 格

【テーマコード（参考）】

3C025

3C046

【Ｆターム（参考）】

3C025EE02

3C046FF09

3C046FF10

3C046FF13

(57)【要約】

【課題】高硬度材（ロックウエルＣスケールで５０ＨＲＣ以上）に対して耐摩耗性に優れた高硬度材用スカイビングカッタを提供する。
【解決手段】円筒状の基体の外周縁部に複数の切れ刃が外周方向に向けて円環状に設けられている高硬度材用スカイビングカッタにおいて、切れ刃の先端に曲率半径で２０μｍ以上４０μｍ以下の範囲でＲ面取り加工を設ける。また、切れ刃の逃げ面には、少なくともＡｌＴｉＣｒＮまたはＡｌＣｒＮの硬質皮膜を被覆する。さらに、ＡｌＴｉＣｒＮの硬質皮膜については、Ａｌ：Ｔｉ：Ｃｒ＝６０～６５％：３０～３５％：５％の原子比率で構成することもできる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

円筒状の基体の外周縁部に複数の切れ刃が外周方向に向けて円環状に設けられており、前記切れ刃の先端には曲率半径が２０μｍ以上４０μｍ以下の範囲でＲ面取り加工がされていることを特徴とする高硬度材用スカイビングカッタ。

【請求項2】

前記切れ刃の逃げ面には、少なくともＡｌＴｉＣｒＮの硬質皮膜が被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の高硬度材用スカイビングカッタ。

【請求項3】

前記ＡｌＴｉＣｒＮの硬質皮膜は、Ａｌ：Ｔｉ：Ｃｒ＝６０～６５％：３０～３５％：５％の原子比率で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の高硬度材用スカイビングカッタ。

【請求項4】

前記切れ刃の逃げ面には、少なくともＡｌＣｒＮの硬質皮膜が被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の高硬度材用スカイビングカッタ。

【請求項5】

前記ＡｌＣｒＮの硬質皮膜は、Ａｌ：Ｃｒ＝６０～７０％：３０～４０％の原子比率で構成されていることを特徴とする請求項４に記載の高硬度材用スカイビングカッタ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高硬度の材料に対して内歯車または外歯車の加工を行うスカイビングカッタに関する。

【背景技術】

【0002】

材料の表面硬さが、ロックウエルＣスケールで５０ＨＲＣ以上の高硬度材に対して、歯車加工する場合、加工に使用するスカイビングカッタも相応の高硬度材（高速度工具鋼や超硬合金やセラミックス等）が使用される。このような、高硬度材を対象としてスカイビングカッタによる加工形態は、通常のスカイビング加工と区別するために、「ハードスカイビング加工」とも呼ばれる（特許文献１参照）。

【0003】

このハードスカイビング加工ではスカイビングカッタが高硬度であるので、歯車加工中にスカイビングカッタの切れ刃の先端部が突発的に折損する、もしくは摩耗量が大幅に増加する傾向にある。通常のスカイビング加工(いわゆるソフト加工)では、突発的な切れ刃の折損を防止するために、ＴｉＣＮやＴｉＡｌＮに代表される硬質皮膜の被覆（特許文献２および３参照）やスカイビングカッタの切れ刃先端部に丸める加工（面取り加工）が施される（特許文献４および５参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２０１９－５２４４６８号公報

【特許文献2】特開２０１６－０１６５１４号公報

【特許文献3】特表２０１９－５３１９１２号公報

【特許文献4】特許第６０９４０９３号公報

【特許文献5】特許第６３３０４４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、切れ刃の表面に被覆する硬質皮膜や特許文献４および５のような面取り加工のみでは、高硬度材の歯車加工では不十分であり、なおも切れ刃先端の欠け（チッピング）や異常摩耗という問題があった。

【0006】

そこで、本発明では、焼入処理や浸炭処理等の表面硬化処理を行った、いわゆる高硬度材（ロックウエルＣスケールで５０ＨＲＣ以上）に対して耐摩耗性に優れた高硬度材用スカイビングカッタを提案する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前述した課題を解決するために、本発明は、円筒状の基体の外周縁部に複数の切れ刃が外周方向に向けて設けられており、切れ刃の先端には曲率半径で２０μｍ以上４０μｍ以下の範囲でＲ面取り加工がされた高硬度材用スカイビングカッタとする。また、切れ刃の逃げ面には、ＡｌＴｉＣｒＮの硬質皮膜を被覆しても構わない。この場合、Ａｌ：Ｔｉ：Ｃｒ＝６０～６５％：３０～３５％：５％の原子比率（原子％）で構成することもできる。

【0008】

また、逃げ面に被覆する硬質皮膜をＡｌＣｒＮとすることもできる。この場合、ＡｌＣｒＮの硬質皮膜を、Ａｌ：Ｃｒ＝６０～７０％：３０～４０％の原子比率（原子％）で構成することもできる。

【発明の効果】

【0009】

本発明の高硬度材用スカイビングカッタは、高硬度材（ロックウエルＣスケールで５０ＨＲＣ以上）に対して優れた耐摩耗性を有する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施例１における高硬度材用スカイビングカッタの各形態に要する製作費用の対比図である

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の一実施形態である高硬度材用スカイビングカッタの実施形態について説明する。本高硬度材用スカイビングカッタは、従来のスカイビングカッタと同様に中央部に円筒状の基体を有して、その外周部分に複数の切れ刃が円周方向に配列されている。各切れ刃の先端には曲線形態の面取り（Ｒ面取り）加工が施されており、面取り加工の大きさは曲率半径で２０μｍ以上４０μｍ以下の範囲である。また、少なくとも各切れ刃の逃げ面には、複層の硬質皮膜の場合には下層にＴｉＮ、上層にＡｌＴｉＣｒＮの各硬質皮膜を積層したり、単層の場合にはＡｌＣｒＮの硬質皮膜を被覆したりすることができる。

【0012】

ここで、本発明の高硬度材用スカイビングカッタにおける硬質皮膜を被覆する位置について説明する。従来は、切れ刃を中心にして逃げ面やすくい面などの切れ刃に隣接する周囲を硬質皮膜で被覆していた。これに対して、本発明の高硬度材用スカイビングカッタの一実施形態として、少なくとも高硬度材用スカイビングカッタの切れ刃に隣接する逃げ面に硬質皮膜を被覆して、すくい面には硬質皮膜を被覆しない形態を含めるものとした。

【0013】

スカイビングカッタ等の切れ刃を有する工具は、工具の切削時間が増えるにつれて切れ刃が徐々に摩耗し、当初の切削性能が低下する。そのため、切れ刃の摩耗量に応じて切れ刃に隣接するすくい面を研磨することで、切れ刃の刃先を鋭利にする作業（「刃先の再研磨」という）を行う。

【0014】

刃先の再研磨を行った後、工具に当初から被覆されている硬質皮膜を一旦除去する作業（「除膜」という）を行い、すべての硬質皮膜が除去された（除膜された）ことが確認された後に、硬質皮膜を再度被覆する（「再被覆（再コート）」という）ことで工具の再使用に供される。

【0015】

ところが、超硬合金製の工具を除膜すると、超硬合金にバインダとして含有されるコバルトが化学的あるいは電気化学的な影響を受けて、超硬合金中から脱落する結果、母材の強度が大幅に低下する。

【0016】

そのため、超硬合金製の工具を除膜する際には、そのような影響を受けないようにイオンエッチングにより除膜を行う必要があり、この方法は溶液を使用した除膜に比べて、費用が嵩む要因となっていた。同時に、イオンエッチングによる除膜では、超硬合金の表面も若干削られるので、切れ刃の刃先形状が変化する原因にもなっていた。

【0017】

そこで、本発明の高硬度材用スカイビングカッタにおいては、刃先の再研削の際に切れ刃の刃先に所定の大きさのＲ面取り加工を施し、表面に被覆する硬質皮膜を再コート（再被覆）しないこととした。つまり、刃先の再研削後に切れ刃の刃先に所定の大きさのＲ面取り加工を施しておき、刃先の再研削後に残っている逃げ面の硬質皮膜を除膜せずに、逃げ面にのみ硬質皮膜が被覆された状態で切削加工に用いる。

【0018】

なお、本発明の高硬度材用スカイビングカッタの被削材（ワークは）、クロムモリブデン鋼等の鋼材に対して浸炭処理や焼入処理等の表面硬化処理がなされて、表面硬さがロックウエルＣスケールで５０ＨＲＣ以上である高硬度材とする。

【0019】

（実施例１）
高硬度材用スカイビングカッタのすくい面における硬質皮膜の有無と切れ刃の先端（刃先）のＲ面取り加工の有無を種々変更した工具（高硬度材用スカイビングカッタ）を準備し、それらの各工具を用いて切削加工評価（切削加工試験）を行ったので、その試験結果について説明する。本試験で使用した工具（高硬度材用スカイビングカッタ）および本試験での加工条件については、以下の通りとした。

【0020】

（被削材の諸元）
・材質：クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０相当）
・表面処理：浸炭焼入れ（表面硬さ：６１ＨＲＣ以上）
・モジュール：２．０
・圧力角：１８°
・歯数：７１
・ねじれ角：３０°

【0021】

（高硬度材用スカイビングカッタの諸元）
・使用工具：チップ交換式加工試験用スカイビングカッタ
・チップの材質：超硬合金
・歯数：５１
・ねじれ角：１０°
・硬質皮膜の有無：すくい面における硬質皮膜の被覆あり、硬質皮膜の被覆なしの２水準
・硬質皮膜の種類：下層がＴｉＮ、上層がＡｌＴｉＣｒＮ（各原子％としてＡｌ：Ｃｒ＝６０：３５：５）である複層の硬質皮膜
・切れ刃の刃先処理：刃先のＲ面取り加工あり（曲率半径２０μｍと４０μｍの計２水準）およびＲ面取り加工なしの３水準

【0022】

（加工条件）
・加工機：カシフジ社製汎用加工機（品番：ＫＰＳ２０）
・冷却条件：油性冷却剤使用
・切込み量：０．１ｍｍ（歯面）
・送り量：０．０５ｍｍ／ｒｅｖ
・すべり速度：９０ｍ／ｍｉｎ
・交差角：２０°

【0023】

試験結果は、高硬度材用スカイビングカッタのすくい面に硬質皮膜を被覆しない場合において、刃先の面取り加工を行っていない高硬度材用スカイビングカッタの切削長さが４．０ｍであった。一方、刃先に４０μｍの面取り加工を行った高硬度材用スカイビングカッタの切削長さは６．０ｍであった。

【0024】

次に、高硬度材用スカイビングカッタのすくい面に硬質皮膜を被覆した場合において、刃先の面取り加工を行っていない高硬度材用スカイビングカッタの切削長さは６．０ｍとなった。一方、刃先に２０μｍの面取り加工を行った高硬度材用スカイビングカッタの切削長さは８．０ｍ、刃先に４０μｍの面取り加工を行った高硬度材用スカイビングカッタの切削長さは、８．０ｍであった。

【0025】

以上の試験結果より、高硬度材用スカイビングカッタのすくい面に硬質皮膜を被覆することで切削長さが延長されること、および刃先に２０～４０μｍの面取り加工を行った方が、より切削長さが延長されることがわかった。

【0026】

次に、本実施例で使用した高硬度材用スカイビングカッタにおける再研削の使用を前提とした刃先のＲ面取り加工や硬質皮膜の被覆による切れ刃の各形態に要する費用の対比について図１を用いて説明する。図１に示す製作費用の比較は、グラフの横軸に示している高硬度材用スカイビングカッタにおける刃先のＲ面取り加工の有無と硬質皮膜の被覆の有無によって計４形態の各場合について、同グラフの縦軸（工具費）に示す切削長１ｍ当たりに必要とされる製作費用を対比（相対比較）したものである。本対比については、切れ刃の刃先の再研削を上限２０回と仮定して、それに要する費用とそれまでに切削可能な切削長を費用の算出根拠とした。

【0027】

まず、切れ刃の刃先にＲ面取り加工を行った（図中「Ｒ面取りあり」と表示）高硬度材用スカイビングカッタは、図１に示すように切れ刃の刃先にＲ面取り加工を行わない（図中「Ｒ面取り無し」と表示）場合に比べて、切削長さ１ｍ当たりの製作費用はより低減される。この結果は、切れ刃のすくい面に硬質皮膜を被覆するか否か（図中「すくい面皮膜無し」、「すくい面皮膜あり」と表示）に関わらず、同じ傾向である。

【0028】

次に、切れ刃のすくい面に硬質皮膜を被覆しない（図中「すくい面皮膜無し」と表示）高硬度材用スカイビングカッタは、図１に示すように切れ刃のすくい面に硬質皮膜を被覆した（図中「すくい面皮膜あり」と表示）場合に比べて、切削長さ１ｍ当たりの製作費用はより低減されている。この結果についても、切れ刃の刃先にＲ面取り加工を行っているか否かにに関わらず、同じ傾向である。

【0029】

以上より、高硬度材用スカイビングカッタの再研削による使用を前提とした場合、切れ刃の刃先にＲ面取り加工を行って、かつ切れ刃のすくい面に硬質皮膜を被覆しない形態が最も単位切削長に要する製作費用が最も低減できることがわかる。

【0030】

（実施例２）
実施例１の場合と同様に高硬度材用スカイビングカッタの表面に被覆する硬質皮膜の種類を変更して、その切削加工評価（切削加工試験）を行ったので、その試験結果について説明する。本試験での加工条件等は以下の通りとし、試験結果を表１に示す。本試験で使用した硬質皮膜は、下層にＴｉＮ、上層にＡｌＴｉＣｒＮ（各原子％としてＡｌ：Ｃｒ＝６０：３５：５）の各硬質皮膜からなる複層の硬質皮膜（硬質皮膜１）、ＡｌＣｒＮ（各原子％としてＡｌ：Ｃｒ＝７０：３０）である単層の硬質皮膜（硬質皮膜２）および硬質皮膜を被覆しない（皮膜なし）、の３水準とした。

【0031】

（被削材の諸元）
・材質：クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４２０相当）
・表面処理：浸炭焼入れ（表面硬さ：６１ＨＲＣ以上）
・モジュール：１．２
・圧力角：１８°
・歯数：７８（内歯）
・ねじれ角：１８°

【0032】

（高硬度材用スカイビングカッタの諸元）
・使用工具：加工試験用スカイビングカッタ
・チップの材質：超硬合金
・歯数：４５
・ねじれ角：３°

【0033】

（加工条件）
・加工機：不二越社製複合加工機（品番：ＧＭＳ２００）
・冷却条件：水溶性冷却剤使用
・切込み量：０．１ｍｍ（歯面）
・送り量：０．１ｍｍ／ｒｅｖ
・すべり速度：５０ｍ／ｍｉｎ
・交差角：１５°

【0034】

【表1】

【0035】

まず、表１において、「損傷量１」とはコーティング膜の摩耗量（コーティング内部の損傷量）、「損傷量２」とは工具の基材における摩耗量（基材が外部に露出した量）、をそれぞれ示す。表１に示す試験結果より、硬質皮膜１の損傷量１は３４１μｍ、損傷量２は９５μｍであった。また、硬質皮膜２の損傷量１は２２μｍ、損傷量２は２２μｍであった。

【0036】

以上の試験結果より、本発明の高硬度材用スカイビングカッタの表面に被覆する硬質皮膜は、ＡｌＣｒＮ（各原子％としてＡｌ：Ｃｒ＝７０：３０）である単層の硬質皮膜（硬質皮膜２）が最も耐摩耗性は優れており、次いで、下層にＴｉＮ、上層にＡｌＴｉＣｒＮ（各原子％としてＡｌ：Ｃｒ＝６０：３５：５）の各硬質皮膜を積層した硬質皮膜（硬質皮膜１）が優れていることがわかった。

【図1】