JP2000296410A

JP2000296410A - 複合材製エンドミル

Info

Publication number: JP2000296410A
Application number: JP11105553A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Kuwabara; 光雄桑原
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-04-13
Filing date: 1999-04-13
Publication date: 2000-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】表面が硬く耐摩耗性を有する一方、内部が高靱
性を有する複合材製エンドミルを提供することを可能に
する。【解決手段】エンドミル１０を構成する刃部１２は、端
面切刃１６の両端から２つの切刃１８を有している。こ
の刃部１２のエンドミル内部に金属リッチな金属部２０
が設けられ、エンドミル表面にセラミックスリッチなセ
ラミックス部２２が設けられ、これらの間にエンドミル
内部からエンドミル表面に向かうに従って金属成分の割
合が漸減する傾斜部２４が形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス成分
と金属成分とを含む複合材で構成される複合材製エンド
ミルに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、各種の機械加工分野において、
エンドミルを用いた溝加工や平面または端面加工が行わ
れている。この種の加工作業中には、エンドミルに対し
て種々の応力が作用している。例えば、切削材に押し付
け力を付与する際の圧縮応力、食い付き部や切削部に作
用する引っ張り応力、さらに加工を行う部分と加工に使
用されない部分との間の引っ張り応力等が挙げられる。
このため、エンドミルによる切削加工が、実際上、不安
定となり易く、刃先チッピングや欠損、折損、あるい
は、加工部位の寸法精度の低下が惹起されるおそれがあ
り、高硬度、高強度および高靱性を有するエンドミルが
要求されている。そこで、通常、エンドミルの材質とし
て、高速度鋼や超硬等が広く採用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高速度
鋼は、高強度および高靱性を有するものの、耐摩耗性や
圧縮強度および剛性に問題がある一方、超硬は、高剛
性、高硬度および高圧縮強度を有するものの、靱性に問
題がある。言い換えれば、剛性や耐摩耗性を向上させよ
うとすると靱性や強度が劣化する一方、強度や靱性を向
上させようとすると剛性や硬度が低下してしまい、特に
高速加工および高負荷に耐え得るエンドミルを製作する
ことは、現実的には極めて困難なものとなっている。

【０００４】その際、超硬材や高速度鋼に硬質被膜コー
ティング等の表面処理を施す工夫がなされているが、エ
ンドミル刃先の精度が低下するとともに、高負荷応力下
や高温下では被膜の剥がれ等が惹起してしまい、実用に
供することができなかった。

【０００５】そこで、実際に切削加工を行うエンドミル
表層近傍が高硬度でかつ耐摩耗性を有するとともに、エ
ンドミル内部が高強度を有するエンドミルの開発を検討
したところ、本出願人による特許第２５９３３５４号や
特開平８−１２７８０７号公報等に開示されている「セ
ラミックス粉末と金属成分とを含む傾斜機能を有する複
合材」を応用することを見い出した。

【０００６】すなわち、本発明は、表面が高硬度で内部
に向かうに従って靱性や強度等の物性が向上する傾斜機
能を有する複合材製エンドミルを提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る複合材製エ
ンドミルでは、セラミックス成分と金属成分とを含む複
合材で構成されるとともに、エンドミル内部からエンド
ミル表面に向かうに従って、前記複合材中の前記金属成
分の割合が漸減している。ここで、複合材中の金属成分
の割合と硬度、強度および靱性とには相関があり、金属
成分の割合が少なくなってセラミックス成分の割合が多
くなると、硬度、耐摩耗性および剛性等が向上するもの
の脆くなってしまう。一方、この脆さを改善するため
に、金属成分の割合を多くすると、強度および靱性は向
上するものの、剛性および耐摩耗性が低下してしまう。

【０００８】そこで、実際に加工を行うエンドミル表面
側を高硬度で耐摩耗性を有する物性とし、エンドミル内
部を高靱性で高強度を有する物性とするとともに、前記
表面側と前記内部側との間の組成や物性が緩やかに変化
するようにすれば、応力集中がなく、所望の耐摩耗性を
備えつつ、寸法精度の高い鋭利な刃先を有するエンドミ
ルを得ることができる。

【０００９】このため、エンドミル表面近傍のセラミッ
クス粒子は、内部に比べて粒成長を促して粗大化しつつ
内部に向かうに従って小さくなり、金属成分がこの粒成
長に伴う粒子組成再配列により内部に集積される。従っ
て、実際に加工を行うエンドミル表面部分の組成がセラ
ミックスリッチで高耐摩耗性を有し、エンドミル内部が
金属リッチで高強度および高靱性を有するとともに、エ
ンドミル内部における応力集中を有効に減少させること
が可能になる。

【００１０】また、実際に切削を行うエンドミル表面近
傍をセラミックスリッチとし、粒子を粗大化しているた
めに、切削加工時にこのエンドミル表面近傍に発生する
熱の伝達および拡散性が向上する。従って、熱に伴うマ
イクロクラックの発生を防止して、これにより生ずるチ
ッピングや構成刃先を改善したため、切削性能が大きく
向上することになる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態
に係る複合材製エンドミル１０の一部断面側面図であ
り、図２は、前記エンドミル１０の縦断面正面図であ
る。

【００１２】エンドミル１０は、２枚刃エンドミルを構
成しており、刃部１２とシャンク部１４とを一体的に備
えている。刃部１２は、刃先先端に端面切刃１６を有し
ており、この端面切刃１６の両端から２つの切刃１８が
所定のねじれ角を有して軸方向（矢印Ａ方向）に設けら
れている。エンドミル１０は、セラミックス成分と金属
成分とを含む複合材で構成されており、エンドミル内部
に金属リッチな金属部２０が設けられるとともに、エン
ドミル表面にはセラミックスリッチなセラミックス部２
２が設けられる。金属部２０とセラミックス部２２との
間には、エンドミル内部からエンドミル表面に向かうに
従って金属成分の割合が漸減する傾斜部２４が設けられ
ている。

【００１３】金属成分は、周期表のＶＩＩＩ族元素の鉄
（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）の
中から選ばれる少なくとも一種以上であり、必要に応じ
てクロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、マンガン（Ｍ
ｎ）、モリブデン（Ｍｏ）またはタングステン（Ｗ）等
が混入される。複合材中の金属成分の割合は、３ｗｔ％
〜１５ｗｔ％、より好ましくは、５ｗｔ％〜１０ｗｔ％
の範囲内に設定される。

【００１４】金属成分が３ｗｔ％未満では、金属量が少
なくなり過ぎてエンドミル１０が脆くなり、現実的に使
用することができないものとなってしまう。金属成分が
３ｗｔ％以上であると、エンドミル１０の表面側の金属
成分の割合を１ｗｔ％以下とすることができ、エンドミ
ル内部には相対的に８ｗｔ％程度の金属成分を集積する
ことが可能になり、実用に供することができる。なお、
素材を焼結した後、刃付け等の加工を施してエンドミル
１０を製造する際には、その刃先強度をも考慮する必要
があり、金属成分の割合が５ｗｔ％以上であることが望
ましい。

【００１５】ここで、セラミックス粒子として２μｍ前
後の粉末原料を用いた場合、エンドミル表面近傍の粒子
は、添加される粒子成長剤や焼結温度、時間および雰囲
気等により変化し、例えば、３倍〜３０倍程度に成長す
る。エンドミル１０において、切刃１８の強度が要求さ
れる際には、３倍〜６倍程度まで成長させる一方、主に
耐摩耗性が要求される際には、１０倍〜２０倍程度まで
成長させる。このとき、エンドミル１０の表面近傍の金
属成分の割合は１ｗｔ％〜５ｗｔ％程度であり、このエ
ンドミル１０の内部の金属成分の割合は成長度合いや傾
斜部２４の厚み等により変化し、例えば、表面近傍で５
ｗｔ％の場合、内部で８ｗｔ％〜１３ｗｔ％程度乃至は
それ以上となる。

【００１６】金属成分の割合は、上限が１５ｗｔ％、よ
り好ましくは１０ｗｔ％に設定される。例えば、ブロー
チ盤等における加工や深穴加工では、ガンドリルに近似
した長尺なエンドミル１０が用いられ、高剛性と高強度
が要求されるとともに、特に、大きな引っ張り強度が要
求される。この場合、含有する金属成分の量を増加して
折損等を回避しようとする際、金属成分の割合が１５ｗ
ｔ％以上になると、耐摩耗性が劣化するおそれがある。

【００１７】また、金属成分の割合が１５ｗｔ％に設定
され、表面近傍で金属成分が５ｗｔ％程度のエンドミル
１０において、ＨＲＡ９３程度の硬度を確保しようとし
た場合、前記エンドミル１０の直径が２５ｍｍ程度の大
きさであれば、エンドミル中央部の金属成分が２０ｗｔ
％以上程度となって、高速度鋼に近い靱性を有して機能
的には十分である。

【００１８】なお、直径が１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度のエ
ンドミル１０において、上記のようにエンドミル中央部
の金属成分の量を２０ｗｔ％以上程度にするためには、
複合材中の前記金属成分の割合を１０ｗｔ％に設定すれ
ばよく、これ以上の割合で金属成分を添加しても強度や
靱性に寄与することがなく、エンドミル１０全体の剛性
が低下してしまう。

【００１９】エンドミル１０の傾斜部２４の厚さは、数
１００μｍ、好ましくは０．３ｍｍ以上に設定される。
エンドミル１０では、金属成分の量と熱伝導および粒子
の大きさと熱伝導に相関があり、発生する熱応力が熱伝
達の勾配になるため、傾斜部２４の厚さが変化すること
により熱応力そのものが変化する。傾斜部２４の厚さが
数μｍ〜数１０μｍでは、発生する熱応力や加工時の応
力の緩和量が小さく、金属成分の割合を好適にコントロ
ールしたとしても所望の効果を得ることができない。

【００２０】一方、傾斜部２４の厚さを大きく設定する
ことが考えられるが、エンドミル１０が大径なものとな
ってしまう。実用上のエンドミル１０の直径が２５ｍｍ
程度以下であるため、傾斜部２４の厚さの上限を１０ｍ
ｍに設定する。

【００２１】エンドミル１０を構成する複合材中のセラ
ミックス成分は、炭化タングステン（ＷＣ）、炭化チタ
ン（ＴｉＣ）、炭化２モリブデン（Ｍｏ₂Ｃ）、炭化タ
ンタル（ＴａＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化クロム
（Ｃｒ₃Ｃ₂）または炭化バナジウム（ＶＣ）の中から
選択される少なくとも一種以上を主体とするものであ
り、必要に応じて窒化物、硼化物あるいは炭窒化物の種
々のものをその一部に添加してもよい。

【００２２】セラミックス量は、８５ｗｔ％≦ＷＣ＋Ｔ
ｉＣ＋Ｍｏ₂Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ＋Ｃｒ₃Ｃ₂＋ＶＣ≦
９７ｗｔ％に設定される。これらのセラミックス成分
は、エンドミル１０による切削時に実際に切削を行う切
刃１８を構成しており、耐熱性、耐摩耗性および耐蝕性
等の性質を備えている。セラミックス量が９７ｗｔ％を
超えると、金属成分の量が少なくなりすぎ、耐摩耗性は
十分であるものの、強度および靱性が低くなって実用に
供することが難しい。

【００２３】一方、セラミックス成分が８５ｗｔ％未満
では、金属成分が多くなりすぎ、エンドミル１０のドレ
ス後の使用等においては、耐摩耗性が著しく劣化する場
合がある。エンドミル１０の表面硬度は、ＨＲＡ８８以
上である。この値未満では、エンドミル１０の切刃１８
に金属成分の露出割合が多くなり、被削材との摩擦係数
（μ）が高くなって発熱の増大を招き、前記被削材の加
工表面が粗くなるとともに、前記エンドミル１０の切刃
１８自体の損耗が大きくなってしまう。

【００２４】このように、第１の実施形態に係るエンド
ミル１０では、高速度鋼に比べて物性的にも有利であ
り、加工精度および加工面が有効に向上することにな
る。しかも、エンドミル１０の交換頻度が少なくなり、
長期間にわたって良好に使用することが可能になる。ま
た、エンドミル１０では、粒成長剤を適宜選択すること
により、例えば、金属成分としてニッケルが使用される
場合、前記エンドミル１０の表面硬度がＨＲＡ９４、さ
らにＨＲＡ９８になり、硬質セラミックス被膜コーティ
ングを施した以上の値が得られる。

【００２５】図３は、本発明の第２の実施形態に係る複
合材製エンドミル（４枚刃エンドミル）１０ａの一部断
面側面図であり、図４は、本発明の第３の実施形態に係
る複合材製エンドミル（直刃型エンドミル）１０ｂの一
部断面側面図である。また、図５、図６および図７は、
本発明の第４、第５および第６の実施形態に係る複合材
製エンドミル（２枚刃、３枚刃および４枚刃スパイラル
エンドミル）１０ｃ〜１０ｅの一部断面側面図である。
なお、上述した第１の実施形態に係るエンドミル１０と
同一の構成要素には同一の参照数字に符号ａ〜ｅを付し
て、その詳細な説明は省略する。

【００２６】このように構成されるエンドミル１０ａ〜
１０ｅでは、高速度鋼や超硬で構成されるエンドミルに
比べ、高速加工が容易に遂行される等、第１の実施形態
に係るエンドミル１０と同様の効果が得られる。実施例１実施例１では、平均結晶粒径が２．２μｍの炭化タング
ステン（ＷＣ）粉末を８９ｗｔ％、平均粒径が２μｍの
炭化ニオブ（ＮｂＣ）粉末を２ｗｔ％、平均粒径が２．
４μｍの炭化タンタル（ＴａＣ）粉末を１ｗｔ％、およ
び、コバルト（Ｃｏ）粉末を８ｗｔ％の割合で、有機溶
媒を媒液としてボールミルを用いて７２時間十分に混合
した。この混合物を液分が９％になるように調製した
後、成形用バインダの影響を回避するためにバインダレ
スで、金型内静水圧加圧成形法により１００ＭＰａの成
形圧力にて外接円がφ２５ｍｍ×１５０ｍｍの成形体を
成形した。

【００２７】成形後、窒素ガスを流通させながら５０Ｐ
ａで成形体に残存するヘキサンを除去した後、９００℃
で３０×６０秒間の仮焼成を行い、成形体の含浸時にお
ける崩壊を防止した。さらに、仮焼成体の均質性を向上
させるため、焼成後にφ１５ｍｍになるように切削加工
が施された。次いで、１０％濃度のＮｉ塩水溶液中に仮
焼成体を浸漬し、その後、１３０℃の排気型熱風乾燥炉
で乾燥処理を施し、仮焼成体内におけるＮｉ濃度の傾斜
化を図った。

【００２８】一方、上記の基礎物性において、Ｎｉ濃度
を同一としながら、コバルト量を炭化タングステン量の
制御によって増減させ、仮焼成体をＮｉ塩水溶液中に浸
漬するとともに、粉体中に埋設して乾燥させることによ
り均質体を得た。

【００２９】これらを十分乾燥させた後、窒素流通下に
おいて、５０Ｐａ、１４００℃の温度で１時間保持して
焼結処理を施した。図８に、焼結体の表面からの距離と
硬度および靱性との関係が示されている。

【００３０】ここで、傾斜機能領域は約７ｍｍであり、
表面の高硬度均質層の厚さは約０．３ｍｍであり、硬度
はＨＲＡ９３であった。図８に示す市販材の同等製品の
硬度がＨＲＡ９０．５程度であるのに比べて、実施例１
の硬度は非常に高い値となった。また、靱性は、同一試
験条件下の測定において、市販品の７ＭＰａｍ^1/2に比
べ、実施例１では、内部がその２倍近い値となった。

【００３１】さらに、実施例１で得られた焼結体の断面
を顕微鏡を用いて観察し、その粒子の大きさを測定した
ところ、図９に示す結果が得られた。これにより、焼結
体の表面近傍の粒子は、内部に比べて３〜４倍程度の大
きさに成長していることが判った。

【００３２】図１０は、均質体組成としたときのコバル
ト量と強度の関係を、粒成長剤の含浸の有無により比較
したものである。これによれば、含浸操作を行うことに
より、含浸物がセラミックス粒子の成長を促進するとと
もに、バインダの役割を担うコバルトと密接に結合し、
強度の改善が見られた。すなわち、セラミックス粒子と
金属とが従来以上に密接に結合し、強度の改善効果が高
くなった。これにより、実施例１で得られた焼結体の各
性質は、超硬を凌ぐものであり、エンドミルとしての性
能が飛躍的に向上するという効果が得られる。実施例２実施例２では、実施例１に従って成形された焼結体を用
いて、図１および図３に示すエンドミル１０、１０ａを
製作した。エンドミル１０ａは、アルミニウムテスト用
の４枚刃エンドミルを構成する一方、エンドミル１０
は、ＳＣＭテスト用の２枚刃エンドミルを構成する。

【００３３】具体的には、実施例１と同様の組成の複合
材を用いて成形体を成形し、この成形体を仮焼成した
後、仮加工しておき、１０％濃度のＮｉ塩水溶液に浸漬
し、乾燥後に同一条件で焼成処理を施した。焼成処理し
た後、刃付け加工等を行ってエンドミル１０ａを製作し
た。比較工具として、市販の超微粒子超硬材を同一加工
条件および同一刃付け条件にて製作し、アルミ加工ライ
ンでそれぞれの性能を比較する実験を行った。被削材
は、高シリコン含有のアルミニウム合金ＡＤＣ１２相当
材であった。

【００３４】そのテスト結果が、図１１に示されてい
る。市販超硬材では、耐摩耗性および強度等が高いにも
かかわらず、５０００×１００ｍｍ溝を経過した時点で
既に構成刃先の形成が見られ、１００００×１００ｍｍ
溝ではチッピングにより刃先の欠け等も確認された。そ
して、この時点で加工された溝精度は相当に劣化してお
り、その後は摩耗によって刃先に欠けが発生してしまっ
た。これに対して、エンドミル１０ａでは、エンドミル
内部からエンドミル表面に向けて金属成分が漸減してお
り、構成刃先の形成も見られず、しかも加工された穴精
度も良好であるという結果が得られた。

【００３５】一方、鉄系材のテストとして、ＪＩＳＰ−
１０を基本組成とし、上記と同様に１０％濃度のニッケ
ル塩水溶液に仮焼成体を浸漬し、焼成処理を施してエン
ドミル１０を製作した。このエンドミル１０では、刃部
１２の領域部分のみに高硬度化されるとともに傾斜材化
されている。比較工具として、市販品のＰ−１０系統材
にアルミナ、窒化チタン、炭窒化チタンまたは炭化チタ
ンの多層コーティングを施した耐摩耗性等に優れるエン
ドミルを製作した。そして、被削材としてＳＣＭ４３５
を用い、回転数が１８００ｒｐｍで送りが６０ｍｍの加
工条件下に、エンドミル１０と市販品の加工実験を行っ
たところ、型寿命までの加工量が、エンドミル１０では
約３００ｋｍであるのに対し、比較工具では６８ｋｍで
あった。このエンドミル１０では、前記比較工具の４倍
程度の加工量となって、非常に優れるという結果が得ら
れた。

【００３６】このように、実施例２では、アルミニウム
系材や鉄系材等の種々の異なる材種の加工の際に、従来
工具に比べて耐久性が著しく向上するとともに、高硬質
コーティング被膜を有するものに比べても、加工性に優
れ、生産ラインの連続性が向上し、しかも、高速加工や
超高速加工にも適するという効果が得られる。

【００３７】

【発明の効果】本発明に係る複合材製エンドミルでは、
エンドミル内部からエンドミル表面に向かうに従って、
複合材中の金属成分の割合が漸減するため、実際に加工
を行う切刃部分が高硬度でかつ耐摩耗性を有する一方、
エンドミル内部が高靱性かつ高強度を有するとともに、
この間の組成や物性が緩やかに変化する。これにより、
高速加工に適するとともに、耐用性が大幅に向上するこ
とになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る複合材製エンド
ミルの一部断面側面図である。

【図２】前記エンドミルの縦断面正面図である。

【図３】本発明の第２の実施形態に係る複合材製エンド
ミルの一部断面側面図である。

【図４】本発明の第３の実施形態に係る複合材製エンド
ミルの一部断面側面図である。

【図５】本発明の第４の実施形態に係る複合材製エンド
ミル（２枚刃）の一部断面側面図である。

【図６】本発明の第５の実施形態に係る複合材製エンド
ミル（３枚刃）の一部断面側面図である。

【図７】本発明の第６の実施形態に係る複合材製エンド
ミル（４枚刃）の一部断面側面図である。

【図８】エンドミル表面からの距離と硬度および靱性の
関係説明図である。

【図９】ニッケル添加による炭化タングステン粒子の成
長状態の説明図である。

【図１０】コバルト量と強度の関係説明図である。

【図１１】実加工ラインのテスト結果の説明図である。

【符号の説明】

１０、１０ａ〜１０ｅ…エンドミル１２、１２ａ〜１２ｅ…刃部１４、１４ａ〜１４
ｅ…シャンク部１６、１６ａ〜１６ｅ…端面切刃１８、１８ａ〜１８
ｅ…切刃２０、２０ａ〜２０ｅ…金属部２２、２２ａ〜２２
ｅ…セラミックス部２４、２４ａ〜２４ｅ…傾斜部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス成分と金属成分とを含む複合
材で構成されるとともに、エンドミル内部からエンドミル表面に向かうに従って、
前記複合材中の前記金属成分の割合が漸減することを特
徴とする複合材製エンドミル。
【請求項２】請求項１記載のエンドミルにおいて、前記
金属成分の割合が漸減する傾斜部の厚さが、０．３ｍｍ
〜１０ｍｍの範囲内に設定されることを特徴とする複合
材製エンドミル。
【請求項３】請求項１または２記載のエンドミルにおい
て、前記複合材中の前記金属成分は、周期表のＶＩＩＩ
族のＦｅ、ＮｉまたはＣｏの中から選択される少なくと
も一種以上の金属成分であり、前記複合材中の前記セラミックス成分は、ＷＣ、Ｔｉ
Ｃ、Ｍｏ₂Ｃ、ＴａＣ、ＮｂＣ、Ｃｒ₃Ｃ₂またはＶＣ
の中から選択される少なくとも一種以上のセラミックス
成分であり、かつ、セラミックス量が、８５ｗｔ％≦ＷＣ＋ＴｉＣ＋Ｍｏ₂Ｃ＋ＴａＣ＋ＮｂＣ
＋Ｃｒ₃Ｃ₂＋ＶＣ≦９７ｗｔ％に設定されることを特徴とする複合材製エンドミル。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエ
ンドミルにおいて、前記エンドミル表面の硬度がＨＲＡ
８８以上であることを特徴とする複合材製エンドミル。