精加工面的粗糙度優異的cbn刀片的製作方法

2023-05-14 12:04:11

專利名稱：精加工面的粗糙度優異的cbn刀片的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種以CBN(立方晶氮化硼)為主要成分且將其在超高壓、高溫下燒結成型而形成的CBN刀片，特別涉及ー種在由合金鋼、軸承鋼等的淬火材料構成的高硬度鋼的精切削加工或Al合金、Cu合金等的非鉄金屬材料的精切削加工中，能夠抑制邊界磨損且在長期使用中能夠維持優異的精加工面精度的CBN刀片。
背景技術：
以往，作為精切削加工用刀片使用立方晶氮化硼(以下用「CBN」表示)基的燒結體等，但以提高精切削加工中的被切削材料的精加工面精度為目的，提出各種方案。例如，如專利文獻I所示，在由CBN基的燒結體製造的切削工具的表面(特別是前刀面)上形成有TiN覆膜的切削工具(稱為「現有刀片I」)由於能夠抑制切屑的熔敷，因此能夠防止成為熔敷產生的原因的精加工面的精度下降。另外，例如，如專利文獻2所示，周知在工具的前刀面上設置有細微的波浪形狀的切削工具(稱為「現有刀片2」)能夠延長切削工具的使用壽命，或減少切削阻力，改善精加工面的特性。專利文獻I特開平7-75902號公報專利文獻2特開2009-202283號公報但是，在使用上述的現有刀片進行精切削加工的時候，例如，在使用現有的刀片I進行高硬度被切削材料的精切削加工的時候，由於TiN覆膜在切削中途會被剝離，因此存在無法持續熔敷抑制的效果，在長期使用中無法維持充分的精加工面精度的問題。另外，在使用現有的刀片2進行高硬度被切削材料的精切削加工的時候，當後刀面上產生缺損的時候無法維持面粗糙度精度，且若在刀刃上形成有波浪形狀，則無法按所期望的面粗糙度進行精加工。

發明內容
因此，本發明人們針對在由合金鋼、軸承鋼等的淬火材料構成的高硬度鋼的精切削加工或Al合金、Cu合金等的非鉄金屬材料的精切削加工中，能夠在長期使用中發揮優異的精加工面精度，且能抑制邊界磨損的產生及進行的刀片形狀進行了精心研究，結果發現，在由CBN基的燒結體製作規定形狀的刀片後，如圖I所示，在刀片的後刀面上形成槽且將槽形狀確定為槽的平臺寬度及槽寬在特定的數值範圍時，能夠減少CBN刀片的邊界磨損的產生，結果在長期使用中，能夠維持優異的精加工面精度的同時發揮優異的耐磨損性。本發明是基於上述認識而提出的。(I) 一種在後刀面上形成有槽和覆膜的CBN刀片，其特徵在於(a)在形成該覆膜後的槽形狀為在觀察槽的包含凹凸的剖面時，由高度一半的 覆膜表面位置上的槽的寬度而定義的槽寬Wl為Ιμπι以上25μπι以下，由高度一半的覆膜表面位置上的平臺的寬度而定義的平臺寬度W2為3μηι以上25 μ m以下,從表面至槽的最低位置的高度H為I. 5 μ m以上15 μ m以下，以一個平臺與槽的組合，即W1+W2為I周期時，所述槽形狀為由2周期以上而構成的形狀；(b)覆膜為TiN、TiAlN, TiAlSiN, CrAlN中的一個膜或兩個以上的膜，覆膜的厚度總計為I. O μ m以上10 μ m以下；(C)在後刀面內的槽形成區域為從斜切珩磨麵與後刀面的交線向後刀面側5μπι以上300 μ m以下的範圍；(d)形成槽的方向為，平行於刀刃稜線的線與槽形成方向所形成的夾角Θ (與刀刃前端相反的方向)為大於或等於-10°且小於或等於10°的範圍。(2)根據(I)所述的CBN刀片，其特徵在於，在觀察槽的包含凹凸的剖面時，所述覆
膜為母材的最上表面上的覆膜數比槽的凹部內表面上的覆膜數多一層以上。(3)根據⑴或⑵所述的CBN刀片，其特徵在於，在觀察槽的包含凹凸的剖面時，所述覆膜為在槽的凹部內膜被分割。(4)根據(I)至(3)中的任一項所述的CBN刀片，其特徵在於，在觀察槽的包含凹凸的剖面時，所述槽為將構成槽的凸部的母材形狀的平臺面與槽底部面連結的側面的傾斜度 從平臺側觀察為30° μ m以上90°以下。(5)根據(I)至(3)中的任一項所述的CBN刀片，其特徵在於，在觀察槽的包含凹凸的剖面時，所述槽為構成一個槽的凸部的母材表面形狀由三個以上的面構成。(6)根據(I)至(5)中的任一項所述的CBN刀片，其特徵在於，在所述CBN刀片上使用的CBN微粒的平均粒徑為6 μ m以下。(7)根據⑴至(5)中的任一項所述的CBN刀片，其特徵在於，在所述CBN刀片中所含有的CBN微粒為40 90容量％的範圍。在此，在所述(5)即方案(5)中，「構成一個槽的凸部的母材表面形狀由三個以上的面構成」是指如圖2所示，在觀察槽的包含凹凸的剖面時，若規定如斜線部所示，在平臺部(凸部)區域中後刀面側的母材表面由兩個面構成的形狀稱為三角形，除此以外的稱為多邊形，則為多邊形的情況。以下，對本發明進行說明。圖I顯示觀察槽的包含凹凸的剖面時的覆膜形成後的槽形狀。若槽寬Wl小於I μ m,則由於槽部的形成不充分而使凹部內產生熔敷，從而易產生覆膜的剝離。若Wl為25 μ m以上，則相對於形狀加工的時間所得到的效果低，因此是不理想的。若平臺寬度W2小於3 μ m，則平臺部的強度不足而使缺損的可能性變大。若W2大於25 μ m,則萬一塗層被剝離，此時被分割的面積較大，因此長時間維持優異的精加工面的效果下降。若從表面至槽的最低位置的高度H小於I. 5 μ m，則由於槽部的形成不充分而使凹部內產生熔敷等，從而易產生覆膜的剝離。若H為30 μ m以上，則平臺部的強度不足而缺損的可能性變大，因此是不理想的。若後刀面內的形成槽的區域距刀刃的距離近於5 μ m,則無法保持刀刃的強度，且缺損的可能性變大，若遠於300 μ m,則無法得到槽的效果，因此是不理想的。關於形成槽的方向，若刀刃稜線與槽形成方向所形成的夾角(與刀刃前端相反的方向)大於10°，則槽的凹凸會影響精加工面，無法得到所期望的面粗糙度，因此是不理想的。若小於-10°，由於槽的凹凸會影響精加工面，無法得到所期望的面粗糙度，因此是不理想的。(關於槽的具體的形狀，參照圖4)作為易於確保接合性的膜，優選為TiN、TiAlN的覆膜，作為硬度和耐熱性優異的膜，優選為TiAIN、TiAlSiN的覆膜，作為耐氧化性優異的膜，優選為CrAlN的覆膜。在做成兩層以上的情況下，若考慮到與CBN的接合性，則第一層優選為TiN，最上層優選為TiAIN、TiAlSiN、CrAlN。當考慮到TiAlN為IVxAlxN時，TiAlN中的Al的含有比例X (原子比)的值優選在O. 4 O. 6的範圍內。若不到O. 4，則高溫硬度和耐熱性下降，且耐磨損性下降；若大於O. 6，則高溫強度下降，且易產生剝離，因此，在O. 4 O. 6的範圍之外是不理想的。當考慮到CrAlN為CivxAlxN時，CrAlN中的Al的含有比例X (原子比)的值優選在O. 4 O. 8的範圍內。若不到O. 4，則耐磨損性下降；若大於O. 8，也會使耐磨損性下降，因此,在O. 4 O. 8的範圍之外是不理想的。 當考慮到AlTiSiN為(AlxTinySiy)N時，AlTiSiN中的Al的含有比例X (原子比)的值優選在O. I O. 7的範圍內，Si的含有比例Y(原子比)的值優選在O. 01 O. I的範圍內。若X不到O. I或Y不到O. 01，則無法得到充分的耐氧化性效果，若X大於O. 75或Y大於O. 1，則膜的結晶結構會由立方晶向六方晶變化，由此硬度下降，無法得到充分的耐磨損性，因此，X在O. I O. 7的範圍之外、Y在O. 01 O. I的範圍之外是不理想的。另外，當TiN、TiAIN、TiAlSiN, CrAlN 的各覆膜標記為(Ti)N, (TiAl)N, (AlTiSi)N、(CrAl)N時，在各覆膜中，氮N與其他原子之比不限於I : 1，且並不特別限定兩者之比。覆膜的厚度總計若小於I. O μ m，則覆蓋效果低，若為IOym以上，則覆蓋膜本身就變得易於剝離，因此是不理想的。方案2的方式僅在平臺上的狹窄區域增多覆膜數量，由此能夠減少母材給予膜的應力，抑制做成兩層以上時的膜之間的剝離。方案3的方式通過使膜分割，在萬一產生剝離的時候，能夠抑制剝離的進行。在方案4的方式中，若連接平臺和槽底部的側面的傾斜度 從平臺側觀察小於30°，則覆蓋後的凹部的形成不充分而使凹部內產生熔敷，從而易產生覆膜的剝離，因此是不理想的。若大於90°則相對於形狀加工的時間所得到的效果低，或在覆膜與凹部表面產生間隙而不能充分得到固定效果且產生覆膜的剝離，若角度過大，則母材凸部的強度不足而缺損的可能性大等等，因此是不理想的。方案5的方式若構成一個槽的凸部的母材表面側的剖面形狀由兩個面構成(三角形)，則角部的強度不足，凸部缺損的可能性變大。方案6的方式若母材的CBN微粒的平均粒徑大於6 μ m，則在形成槽時一個CBN微粒內形成兩個以上平臺部的概率變高，無法得到槽的充分的強度，因此是不理想的。另外，由於CBN微粒與結合材料的接觸面積減少，且CBN微粒與結合材料的結合力變弱，因此，作為保持覆膜的槽的母材強度不充分，所以是不理想的。在方案7的方式中，若包含在CBN刀片中的CBN微粒少於40%，則保持覆膜的母材的強度不充分，若多於90%，保持覆膜的母材的強度也將變得不充分，因此是不理想的。(關於上述槽與覆膜的關係，參照圖3)根據本發明方案I的CBN刀片，能夠期待降低熔敷、防止覆膜的剝離、降低後刀面的損傷、保持切削液等效果。
根據本發明方案2的CBN刀片，能夠進一歩期待抑制覆膜的剝離、加強耐磨耗性的效果。根據本發明方案3的CBN刀片，能夠進一歩期待阻止覆膜剝離的進行的效果。根據本發明方案4的CBN刀片，能夠進一歩期待抑制缺損的效果。根據本發明方案5的CBN刀片，能夠進一歩期待抑制缺損的效果。S卩，本發明的CBN刀片通過在其後刀面上形成槽和覆膜，在將其供以精切削加工的情況下，通過所述槽，抑制邊界磨損的產生及進行，並且抑制塗層的剝離，防止剝離的進行，因此能夠維持鋒利的刀刃，另外，能夠在長期使用中獲得良好的精加工面精度和優異的耐磨損性。


圖I是對於覆膜形成後的槽形狀觀察其包含凹凸的剖面的剖面示意圖。圖2是顯示槽形狀的定義的剖面示意圖。圖3是顯示本發明的變化的剖面示意圖。圖4是顯示本發明的方案I的概念的概念圖。其中(a)是工具示意圖；(b)是(a)中的後刀面側面的示意圖，顯示槽形成區域；(c)是(b)中的槽形成區域的剖面示意圖，放大顯示槽形成區域中的槽開始位置；(d)是(a)中後刀面側面的示意圖，顯示槽形成方向。圖5是本發明的方案5的槽凸部形成方法例的概念圖，顯示通過部分地改變雷射掃描次數而形成傾斜。
具體實施例方式下面，通過實施例具體說明本發明的CBN刀片。實施例在表3中顯示實施例。下面顯示實施例試樣的製作方法。I.工具基體的製作(1-1)將平均粒徑為8 μ m以下的立方晶氮化硼原料粉末、氮化鈦粉末、氧化鋁粉末作為原料粉末而準備，將這些原料粉末按表I中的所佔配比而配合，分別使用丙酮並用球磨機進行24小時的溼式混合。(1-2)將所製得的混合粉末乾燥後，用液壓衝壓機在成型壓IMpa下成型。(1-3)將成型體在真空中在lPa、1000°C、30分鐘的條件下進行熱處理，去除揮發成分以及吸附在粉末表面的成分。(1-4)將成型體和硬質合金基體材料層疊，代表性地在5Gpa的壓力、1500°C的溫度、30分鐘的保持時間的條件下進行超高壓高溫處理，並得到CBN燒結體。(1-5)用電火花線切割機按規定尺寸切割CBN燒結體圓板。(1-6)在硬質合金刀片的角部設置凹陷部，並在950°C下用Ag-Cu-Ti系的焊料在所述凹陷部上焊接被切割的CBN片。(1-7)進行上下表面及外周的研磨、珩磨處理，得到CNGA120408的刀片形狀。如上，分別製作了具有CNGA120408的刀片形狀的工具基體A F (表I)。2.刀片的製作
在I中製作的工具基體上按以下的3 7所示步驟的任ー個製作槽和覆膜。在表2所示的各種條件下形成槽形狀和覆膜形成條件的一部分(槽形成的開始位置、槽角度(當刀刃稜線為0°時的角度)、覆膜的總膜厚)。3.具有一層膜或ニ層膜以上的覆膜的刀片的製作為了在I.中製作的刀片上形成具有平滑的面的槽，優選採用波長為600nm以下的雷射進行加工。這次採用波長為紫外線區域的雷射進行加工。(3-1)用YAG (釔鋁石榴石)的四倍波(輸出為1W，掃描速度為lOmm/sec，頻率為IOkHz的條件)在從斜切珩磨麵I與後刀面2的交線L向後刀面側形成具有所期望的平臺寬度、槽寬、槽高、側面角度、周期的槽。例)平臺寬度W2 :1· Ομπκ槽寬Wl :13· Ομπκ槽高H :8μπκ側面角度O :90°的形 狀為25周期(工具基體D)(3-2)用PVD (物理氣相沉積)裝置實施覆膜。例)在3-1中製作的試樣上形成整體厚度為Iym的TiAlSiN膜(表3內的Ν0.6)。4.具有母材的最上表面的覆膜數比槽的凹部內表面的覆膜數多ー層以上的覆膜的刀片的製作(方案2) (4-1)用PVD裝置在工具基體上形成覆膜。例)在工具基體C上，用PVD裝置在刀片上形成平均厚度為I. Oym的TiN膜。(4-2)為了在4-1中製作的帶有覆膜的刀片上形成具有平滑的精加工面的槽，優選採用波長為600nm以下的雷射進行加工。這次採用波長為紫外線區域的雷射進行加工。例)使用YAG的四倍波，在輸出為1W，掃描速度為lOmm/sec，頻率為IOkHz的條件下，形成8周期的以下槽形狀平臺寬度W2 :5. Ομπκ槽寬Wl :10. Ομπκ槽高H :8. Ομπκ側面角度O :70° (工具基體C)(4-3)用PVD裝置實施覆膜。例)在4-2中製作的試樣上形成厚度為2. O μ m的TiAlN膜(表3內的No. 22)。5.觀察槽的包含凹凸的剖面時，具有在槽的凹部內部膜被分割的覆膜的刀片的製作(方案3)為了在I.中製作的刀片上形成具有平滑的精加工面的槽，優選採用波長為600nm以下的雷射進行加工。這次採用紫外線區域的雷射進行加工。(5-1)用YAG的四倍波，在輸出為1W，掃描速度為lOmm/sec，頻率為IOkHz的條件下，在從斜切珩磨麵與後刀面的交線向後刀面側形成具有所期望的平臺寬度、槽寬、槽高、側面角度、周期的槽。例)平臺寬度W2 :3· 5μπκ槽寬Wl :12· Ομπκ槽高H :6μπκ側面角度O :70°的形狀為10周期(工具基體C) (5-2)用PVD裝置形成覆膜。例)在5-1中製作的試樣上形成整體厚度為3μπι的TiAlSiN膜(表3內的Νο·8)。(5-3)用5-1中使用的雷射在槽部寬度的中心附近實施槽加工，並進行膜的分割。例)以5-2中被覆膜的試樣的槽部寬度的中心為基準，在各槽內形成寬度為2 μ m，高度為5 μ m的槽，進行膜的分割。6.觀察槽的包含凹凸的剖面時，具有一個槽的凸部剖面的表面側形狀由三個以上的面而構成的槽形狀的刀片的製作(方案5)為了在I中製作的刀片上形成具有平滑的精加工面的槽，優選採用波長為600nm以下的雷射進行加工。這次採用波長為紫外線區域的雷射進行加工。(6-1)採用YAG的四倍波，在輸出為1W，掃描速度為lOmm/sec，頻率為IOkHz的條件下，在從斜切珩磨麵與後刀面的交線向後刀面側形成具有所期望的平臺寬度、槽寬、槽高、側面角度、周期的槽。例I)平臺寬度W2為12. O μ m、槽寬Wl為26. 5 μ m、槽高H為15 μ m、側面角度為70°的形狀為5周期(工具基體C)(6-2)針對6-1中製作的平臺部的凸部的端部進行雷射加工。在例I)中，進一步在平臺部的兩角，以從距端部Iym的位置傾斜45°的方式形成傾斜面(I，)。·也可以在6-1中形成槽的時候同時加工凸部。(6-3)用PVD裝置實施覆膜。例)在6-2的I』中製作的試樣上形成整體厚度為10 μ m(第一層TiN :5 μ m、第二層CrAlN :5 μ m)的覆膜(表3內的No. 22)。刀片的製作方法並不僅受限於本實施例。槽形成裝置並不僅限於雷射(化學蝕刻等)。7.切削評價通過用已淬火的合金鋼按溼式進行連續切削試驗，並測定精加工面的粗糙度來進行確認。其結果顯示在表3中。被切削材料SCr420(HRc60)圓棒；切削速度200m/min；進給速度0·1 5mm/rev ；吃刀深度0.2mm;切削距離2km比較例在表5中顯示製作比較例試樣時的槽形狀和覆膜形成條件的一部分(槽形成的開始位置、槽角度(當刀刃稜線為0°時的角度)、覆膜的總膜厚)，在表6中顯示比較例的加工信息和試驗結果。另外，下面顯示比較例試樣的製作方法。I.工具基體的製作方法與實施例內的「I.工具基體的製作」相同，分別製作具有CNGA120408的刀片形狀的工具基體A I (表4)。2.未在具有一層膜或兩層膜以上的覆膜的後刀面上進行槽加工的刀片的製作用PVD裝置在I.中製作的刀片上形成覆膜。例)在I.中製作的工具表面上形成整體厚度為3 μ m(第一層TiAlNd μ m、第二層CrAlN 2ym)的覆膜(表6內的No. 6)。3.在後刀面上具有槽的刀片的製作為了在I.中製作的刀片上形成具有平滑的面的槽，優選採用波長為600nm以下的雷射進行加工。這次採用波長為紫外線區域的雷射進行加工。按表5所示的各種條件形成槽形狀和覆膜形成條件的一部分(槽形成的開始位置、槽角度(當刀刃稜線為0°時的角度))。用YAG 的四倍波，按照輸出為1W，掃描速度為lOmm/sec，頻率為IOkHz的條件，在從斜切珩磨麵與後刀面的交線向後刀面側形成具有所期望的平臺寬度、槽寬、槽高、側面角度、周期的槽。例I)平臺寬度Wl :11μπκ槽寬W2 :5μπκ槽高Η:8μπκ側面角度O :70°、8周期(工具基體C)(表6內的No. 10)例2)平臺寬度Wl :3μπκ槽寬W2 :3μπκ槽高H :1. 5μπκ側面角度O :90°、38周
期(工具基體C)針對在例2中製作的平臺部的凸部的端部進行雷射加工。在例I)中，以從凸部中心傾斜45°的方式形成傾斜(加工成凸部的剖面為三角形)(表6內的No. 16)4.在後刀面上具有槽和覆膜的刀片的製作(4-1)槽的形成與比較例3.的在後刀面上具有槽和覆膜的刀片的製作以及實施例中的3至6相同。例)平臺寬度W2 :2· 8μπκ槽寬Wl :1· Ομπκ槽高H :1· 5μπκ側面角度O :85°的形狀為24周期(工具基體D)(4-2)用PVD裝置形成覆膜。例)在4-1中製作的試樣上形成整體厚度為O. 3 μ m的TiAlN膜(表6內的No. 21)。5.切削評價通過用已淬火的合金鋼按溼式進行連續切削試驗，並測定精加工面的粗糙度來進行確認。其結果顯示在表6中。被切削材料SCr420(HRc60)圓棒；切削速度200m/min；進給速度0·1 5mm/rev ；吃刀深度O.2mm;切削距離2km[表I]所使用的母材組成表
權利要求
1.一種立方晶氮化硼刀片，在後刀面上形成有槽和覆膜，其特徵在於， (a)在形成該覆膜後的槽形狀為在觀察槽的包含凹凸的剖面時，槽寬(Wl)為Iiim以上25 iim以下，平臺寬度(W2)為3 iim以上25 iim以下，從表面至槽的最低位置的高度(H)為I. 5 y m以上15 y m以下，以一個平臺與槽的組合為I周期時，所述槽形成為由2周期以上構成的形狀； (b)覆膜為TiN、TiAlN,TiAlSiN, CrAlN中的一個膜或兩個以上的膜，覆膜的總厚度為l.Oum以上10 u m以下； (c)後刀面內的槽形成區域為從斜切珩磨麵與後刀面的交線向後刀面側5pm以上300 um以下的範圍； (d)形成槽的方向為，平行於刀刃稜線的線與槽形成方向所形成的夾角(0)為大於或等於-10°且小於或等於10°的範圍。
2.根據權利要求I所述的立方晶氮化硼刀片，其特徵在於，在觀察槽的包含凹凸的剖面時，所述覆膜為母材的最上表面上的覆膜數比槽的凹部內表面上的覆膜數多一層以上。
3.根據權利要求I或2所述的立方晶氮化硼刀片，其特徵在於，在觀察槽的包含凹凸的剖面時，所述覆膜為在槽的凹部內膜被分割。
4.根據權利要求I至3中的任一項所述的立方晶氮化硼刀片，其特徵在於，在觀察槽的包含凹凸的剖面時，所述槽為將構成槽的凸部的母材形狀的平臺面與槽底部面連結的側面傾斜度( )從平臺側觀察為30°以上90°以下。
5.根據權利要求I至3中的任一項所述的立方晶氮化硼刀片，其特徵在於，在觀察槽的包含凹凸的剖面時，所述槽為構成一個槽的凸部的母材表面的形狀由三個以上的面構成。
6.根據權利要求I至5中的任一項所述的立方晶氮化硼刀片，其特徵在於，在所述立方晶氮化硼刀片上使用的立方晶氮化硼微粒的平均粒徑為6 u m以下。
7.根據權利要求I至5中的任一項所述的立方晶氮化硼刀片，其特徵在於，含在所述立方晶氮化硼刀片中的立方晶氮化硼微粒為40 90容量％的範圍。
全文摘要
本發明提供一種精加工面的粗糙度優異的CBN刀片，其在長期使用中能夠維持優異的精加工面精度且能發揮優異的耐磨損性。在後刀面上形成有槽和覆膜的CBN刀片的特徵在於(a)在形成覆膜後的槽形狀為在觀察槽的包含凹凸的剖面時，槽寬為1～25μm，平臺寬度為3～25μm，從表面至槽的最低位置的高度為1.5～15μm，以一個平臺與槽的組合為1周期時，所述槽形狀為由2周期以上構成的形狀；(b)後刀面內的槽形成區域為從斜切珩磨麵與後刀面的交線向後刀面側5～300μm的範圍；(c)關於形成槽的方向，平行於刀刃稜線的線與槽形成方向所形成的夾角(與刀刃前端相反的方向)為大於或等於-10°且小於或等於10°的範圍。
文檔編號B23P15/28GK102699363SQ201110287259
公開日2012年10月3日 申請日期2011年9月15日 優先權日2010年9月15日
發明者大橋忠一, 宮下庸介, 田島逸郎, 矢野雅大 申請人:三菱綜合材料株式會社