CN102294507B - 立铣刀及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即使为直径2mm以下的小直径也具有稳定的切削性能的立铣刀及其制造方法。一种立铣刀，在围绕轴线(O)旋转的刀片部(11)的工具前端部(12)，至少一对刀刃(13)在刀片部前端夹着轴线(0)相互形成于相反侧，其中，刀刃(13)的外径为直径2mm以下，通过激光加工形成工具前端部(12)整体的形状，并且通过激光加工在刀刃(13)的前刀面(16)侧以带状形成倒角(19)。

Description

立铣刀及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种能够以直径2mm以下的小直径稳定地进行铣削加工的立铣刀及其制造方法。

背景技术

近几年，作为加工在手机等的筐体制造中使用的模具的工具，提供有使用硬质合金或烧结金刚石、立方晶氮化硼(以下称为cBN)烧结体的立铣刀。尤其，cBN具有仅次于金刚石的硬度，与Fe、Co、Ni之类金属的化学反应性低，因此是最适合模具加工的材料。在使用cBN的立铣刀中，由于能够在以往为短寿命的、60HRC以上的非常硬的淬火钢的切削加工中进行长寿命的加工，并且能够提供高精确度、长寿命的模具而受到关注，尤其在直径2mm以下的小直径的立铣刀中，随着模具形状的复杂化及小型化，今后有需求增加的前景。

以往，在立铣刀的制造中，一般通过使用砂轮的切削加工形成形态(形成形状)。并且在该立铣刀中，已知有为了提高刀尖的强度并防止崩刀等而在刀刃的前刀面侧通过切削加工形成倒角作为倒棱的立铣刀。

例如，专利文献1中记载有，在设置于硬质合金的刀柄前端部的刃部以钎焊连接固设一对平板状cBN刀片，在由cBN烧结体构成球头刃的cBN球头立铣刀中，通过基于砂轮的切削加工形成倒角的内容。另外，该cBN球头立铣刀为外径20mm(球头刃的曲率半径R＝10mm)。

并且，作为立铣刀的加工方法，除了基于砂轮的切削加工以外，还已知有激光加工。例如专利文献2中记载有如下立铣刀：其具备具有刀刃部的金刚石刀片和立铣刀主体，并使用了通过基于紫外线激光的激光加工剪切前刀面剪切部的单晶金刚石。另外，在该立铣刀中，也通过用砂轮或自由磨粒研磨来形成构成刀刃的部分。

并且，专利文献3中提出有如下立铣刀：其具备工具主体和由单晶金刚石构成的刃部，对刃部施以激光加工形成由单晶金刚石的(111)结晶面构成的前刀面。该刃部也由单晶金刚石形成为长条状并钎接于安装座上。

专利文献1：日本专利公开2002-187012号公报

专利文献2：日本专利第4339573号公报

专利文献3：日本专利公开2010-23192号公报

上述以往的技术中留有以下课题。

在上述以往的立铣刀的加工方法中，通过使用砂轮的切削加工或研磨加工形成刀刃，但在制作刀刃的外径为直径2mm以下小直径的立铣刀时，若通过砂轮对成为刀刃的倒角进行加工，则存在无法形成稳定的倒角之类的不良情况。即，对小直径且细的立铣刀施加由砂轮产生的力学性负荷的同时，产生砂轮自身的形状经时变化，由此表面粗糙度变大的同时倒角的宽度也产生偏差，很难形成稳定的倒角。当为如cBN烧结体那样硬度非常高的材料时尤为困难。例如，如图12所示，当制作小直径的球头立铣刀1时，在利用砂轮形成倒角2时，由于一边将砂轮接触于弯曲的刀刃13的前刀面4侧一边进行切削，所以磨削时磨削阻力会根据部位发生变化，因此加工中的立铣刀的挠度发生变化，从而无法均匀地加工，中途会产生倒角宽度狭窄的部分。如此，若局部产生倒角宽度狭窄的部分而成变形的倒角2，则刀刃2的刀尖强度局部变低而降低寿命，或者切屑的放出变差，无法得到稳定的切削性能。因此，以往无法用直径2mm以下的小直径立铣刀形成高精确度的倒角，难以进行稳定的切削加工。并且，在将板状cBN刀片或金刚石刀片等装配于立铣刀主体的手法中，难以制作直径2mm以下的小直径的球头立铣刀。

发明内容

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种即使为直径2mm以下的小直径也具有稳定的切削性能的立铣刀及其制造方法。

本发明为了解决上述课题而采用以下构成。即，本发明的立铣刀，在围绕轴线旋转的工具前端部，至少一对刀刃在前端夹着所述轴线而相互形成于相反侧，其特征在于，所述刀刃的外径为直径2mm以下，通过激光加工形成所述工具前端部整体的形状，并且通过激光加工在所述刀刃的前刀面侧形成倒角。

在该立铣刀中，由于是刀刃的外径为直径2mm以下的小直径立铣刀，通过激光加工形成工具前端部整体的形状，并且通过激光加工在刀刃的前刀面侧以带状形成倒角，所以通过未施加力学性负荷的激光加工，在工具前端部一体形成包含表面粗糙度小且高精确度的倒角的刀刃。即，与以往由基于砂轮的加工产生的变形的倒角相比，具有侧边成光滑曲线的尺寸精确度高的带状倒角，能够得到作为整体较高的刀尖强度等。由此，不会产生由变形的倒角引起的刀尖强度的局部降低或切屑的排出性恶化，在小直径立铣刀中，能够得到高寿命及稳定的切削性能。并且，由于并非将平板状刀片钎接于工具主体，而是以激光加工形成包含刀刃的工具前端部整体的形状，所以能容易且高精确度地做成直径2mm以下的小直径的工具前端部。

并且，本发明的立铣刀的特征在于，所述倒角以一定宽度形成。

即，在该立铣刀中，由于倒角以一定宽度形成，所以能够得到遍及倒角延伸方向的稳定的刀尖强度，且能够获得更稳定的切削性能。

并且，本发明的立铣刀是一种作为所述刀刃具有以所述轴线为中心的旋转轨迹呈大致半球状的球头刃部的球头立铣刀，其特征在于，所述工具前端部中至少所述球头刃部由cBN烧结体、烧结金刚石、硬质合金中的任意一种或其组合形成。

即，在该立铣刀中，由于工具前端部中至少球头刃部由cBN烧结体、烧结金刚石、硬质合金中的任意一种或其组合形成，所以耐磨性优异且高寿命，作为具有优异切削性能的小直径球头立铣刀，适合于模具等的精加工等中，尤其是cBN烧结体适合于高硬度钢的精加工等中。

本发明的立铣刀的制造方法是一种制造上述本发明的立铣刀的方法，其特征在于具有三维激光加工工序，所述三维激光加工工序照射光束截面的光强度分布为高斯分布的激光束来形成所述工具前端部整体的形状，在该三维激光加工工序中，至少在形成所述倒角时，在加工前形状和设计上的加工后形状的两方面将所述激光束相对加工面的角度设定为不到50°而照射所述激光束。

在该立铣刀的制造方法中，由于在三维激光加工工序中，至少在形成倒角时，在加工前形状和设计上的加工后形状两方面将激光束相对加工面的角度设定为不到50°而照射激光束，所以能够以高尺寸精确度形成倒角。即，在进行激光加工时，即使仅有激光束的聚光点在被加工物的表面上一致，也根据照射的激光束与加工面所成的角度而加工后的形态发生变化，有时尺寸精确度也变差。激光束的光束截面的光强度分布通常具有高斯分布，如图13所示，由于越是激光束L的中心强度越高，所以越是激光束L的中心越深加工的同时，越是周边越浅加工，加工对象物5的照射激光的加工部分5a的侧面产生一定的倾斜而导致加工形状走形。因此，通过在加工前形状和设计上的加工后形状的两方面将激光束相对加工面的角度(激光束的传播方向和照射激光束的面的法线方向所成的角度)设定为考虑光束截面的光强度分布的角度即不到50°的角度，从而能够在加工形状不走形的前提下得到高尺寸精确度的倒角。

根据本发明，能够获得以下效果。

即，根据本发明所涉及的立铣刀及其制造方法，即使在刀刃的外径为直径2mm以下的小直径立铣刀中，也通过激光加工形成工具前端部整体的形状，并且通过激光加工在刀刃的前刀面侧以带状形成倒角，因此具有表面粗糙度小且高精确度的倒角，不会产生由变形的倒角引起的刀尖强度的局部降低或切屑排出性的恶化，能够得到高寿命及稳定的切削性能。由此，本发明的立铣刀例如作为耐磨性优异且高寿命的小直径球头立铣刀，适合于难加工材料的精加工等中。

附图说明

图1是在本发明所涉及的立铣刀及其制造方法的一实施方式中表示立铣刀的工具前端部的侧视图及俯视图。

图2是在本发明所涉及的立铣刀及其制造方法的一实施方式中表示立铣刀的整体侧视图。

图3是表示在本实施方式所涉及的立铣刀的制造方法中使用的激光加工装置的简要的整体构成图。

图4是在本实施方式所涉及的立铣刀的制造方法中表示激光束的扫描方向与激光束的截面形状的关系的说明图。

图5是在本实施方式所涉及的立铣刀的制造方法中表示激光束与加工面的关系的以往方法(a)与本实施方式的方法(b)的说明图。

图6是在本实施方式所涉及的立铣刀的制造方法中表示设计上的加工面与实际加工面相对激光束的照射角度的倾斜角偏离的说明图。

图7是在本实施方式所涉及的立铣刀的制造方法中表示相对激光束的照射角度的倾斜角偏移的图表。

图8是在本实施方式所涉及的立铣刀的制造方法中表示激光束相对加工前的加工面与设计上的加工后的加工面的照射角度的说明图。

图9是在本实施方式所涉及的立铣刀的制造方法中表示将加工区域在周向上进行四分割而加工的工序的说明图。

图10是在本实施方式所涉及的立铣刀的制造方法中表示每个加工层的加工的说明图。

图11是在本发明所涉及的立铣刀及其制造方法的实施例中表示倒角部分的工具前端部的放大图像。

图12是在本发明所涉及的立铣刀及其制造方法的以往例中表示立铣刀的倒角部分的工具前端部的简要图。

图13是表示照射激光束而加工的部分的截面形状的示意图。

符号说明

1、10-立铣刀，2、19-倒角，11-刀片部，12-工具前端部，13-刀刃，13a-球头刃部，13b-外周刃部，16-前刀面，29、29a、29b、29c、29d-加工面，L-激光束，0-刀片部的轴线。

具体实施方式

以下，参照图1至图10对本发明所涉及的使用cBN烧结体时的立铣刀及其制造方法的一实施方式进行说明。另外，在以下说明中使用的各附图，有为了设为可识别或容易识别各部件的大小而根据需要适当变更比例尺的部分。

如图1及图2所示，本实施方式的立铣刀10为如下2片刃的球头立铣刀：在以轴线O为中心旋转的工具前端部12，一对刀刃13在前端夹着轴线0相互形成于相反侧，且作为刀刃13具有以上述轴线0为中心的旋转轨迹呈大致半球状的一对球头刃部13a。该立铣刀10由如下构成：圆柱状的刀柄部14，由硬质合金等硬质材料形成且在前端侧具有小直径的头部14a；及大致圆柱状的刀片部11，通过扩散接合接合于头部14a前端。

上述刀片部11由接合于头部14a的硬质合金部15和接合于该硬质合金部15且成为cBN烧结体的刃部的工具前端部12构成。即，上述刀片部11的工具前端部12由cBN烧结体形成。

并且，该立铣刀10的刀刃13的外径为直径2mm以下，通过激光加工形成工具前端部12整体的形状，并且通过激光加工在刀刃13的前刀面16侧以带状形成倒角19(图1的阴影线部分)。

上述刀刃13具有：一对球头刃部13a，设置于前端侧并形成为圆弧状；及一对外周刃部13b，从球头刃部13a连续沿着轴线0延伸为直线状。即，工具前端部12为形成有由球头刃部13a及外周刃部13b构成的刀刃13的前端部分。另外，球头刃部13a的外径例如设定为R＝0.5mm。

在上述工具前端部12中，在朝向立铣刀旋转方向的壁面形成有从前端向基端侧沿着轴线0延伸的平面状的前刀面16。并且，在工具前端部12的外周面形成有后刀面17。即，在前刀面16与后刀面17的交叉棱线处形成有球头刃部13a和外周刃部13b。

上述倒角19从球头刃部13a延伸至外周刃部13b以一定宽度形成。例如，倒角的宽度在30～40μm的范围内设定为恒定。并且，倒角19的表面粗糙度至少在Rz(最大表面粗糙度)：2μm以下、Ra(算术平均粗糙度)：1μm以下。

接着，参照图3至图10对本实施方式的立铣刀10的制造方法进行说明。

如图3所示，用于本实施方式的制造方法的激光加工装置21是向加工对象物的工具前端部12照射激光束(激光)L而进行三维加工的装置，其具备有：激光照射机构22，其脉冲振荡激光束L，向工具前端部12以一定的反复频率照射并扫描；电动机等旋转机构23，能够保持接合刀片部11的刀柄部14而进行旋转；移动机构24，设置有该旋转机构23并可移动；及控制这些机构的控制部25。

上述移动机构24由如下构成：X轴载物台部24x，能够向与水平面平行的X方向移动；Y轴载物台部24y，设置于该X轴载物台部24x上，能够向相对于X方向垂直且与水平面平行的Y方向移动；及Z轴载物台部24z，设置于该Y轴载物台部24y上，可通过固定旋转机构23而保持刀柄部14的同时，向相对于水平面垂直的方向移动。

上述激光照射机构22具备有：激光光源26，根据Q开关的触发信号振荡成为激光束L的激光的同时，具有聚光成点状的光学系统；电磁扫描仪27，扫描所照射的激光束L；及CCD摄像机28，为确认被保持的刀片部11的加工位置而进行拍摄。

由该激光照射机构22出射的激光束L为单模且光束截面的光强度分布成为高斯分布，并且如图4所示，在聚光点上光束截面的光强度分布呈椭圆形状。

并且，激光照射机构22使激光束L的扫描方向与椭圆形状的上述光强度分布的长轴方向或短轴方向一致。这是因为，如果激光束L的扫描方向与上述光强度分布的长轴方向或短轴方向不一致，且为相对于长轴或短轴倾斜的方向，则会导致扫描终端部分的加工形状倾斜而产生偏移。另外，本实施方式中，使激光束L的扫描方向与上述光强度分布的短轴方向一致。

上述激光光源26可使用能够照射190～550nm中的任意波长的激光的光源，例如在本实施方式中使用能够振荡波长355nm的激光而进行出射的光源。

上述电磁扫描仪27配置于移动机构24的正上方。并且，上述CCD摄像机28邻接设置于电磁扫描仪27。

当使用该激光加工装置21来制作立铣刀10时，照射激光束L而形成工具前端部12整体的形状(三维激光加工工序)。此时，如图5至图9所示，在加工前形状与设计上的加工后形状两方面将激光束L相对加工面的角度设定为不到50°而照射激光束L。尤其是在形成倒角19时，将激光束L的角度设定为不到50°。

即，如图5(a)所示，将工具前端部12在周向上进行二分割而进行激光加工时，导致周向的端部中激光束L相对加工面29的角度θ变成50°以上。此时，由于激光束L的光束截面的光强度分布具有高斯分布，所以如图13所示，越是激光束L的中心强度越高，越是激光束L的中心越深加工的同时，越是周边越浅加工，在照射激光的加工部分5的侧面产生一定的倾斜而导致加工形状走形。

即，如图6所示，就欲形成形状的加工面29a的倾斜角度θ2和实际上以激光束L加工而形成形状的加工面29b的倾斜角度θ3而言，若较大倾斜地照射激光束L，则会在倾斜角度上发生偏移。从图7所示的图表中可知，若激光束L相对欲形成形状的加工面29a的照射角度为50°以上，则会明显产生该现象，倾斜角度较大地偏移。

因此，如图8所示，本实施方式中，将激光束L相对加工前形状的加工面29c和设计上的加工后形状的加工面29d双方的角度θ4及角度θ5设定为不到50°而照射激光束L。并且，由于将激光束L的角度θ4及角度θ5设定为不到50°，所以如图5(b)及图9所示，将工具前端部12在周向上进行四分割(分割成区域A～D)而进行激光加工。

即，通过仅在将工具前端部12在周向上进行四分割的其中一个区域扫描激光束L，在该加工区域内激光束L对任何加工面的角度θ都不到50°。由此，如图9所示，利用旋转机构23使工具前端部12以轴线0为中心每90°分割四次旋转而进行加工，以使激光束L的照射方向与被照射的加工面所成的角度始终在适当的角度范围内(θ＜50°)。另外，在本实施方式中，沿着刀片部11的轴线0方向扫描激光束L。

并且，在本实施方式中，进行激光束L的扫描时，如图10所示，通过在扫描程序基础上累积设定多个加工层30，相对各加工层30垂直照射激光束L，每个加工层30都去除预定部分而形成三维形状的加工面29(倒角19或前刀面16等)。即，在激光束L的扫描控制中，首先将加工对象物的刀片部11分成在激光束L的照射方向上层叠的多个加工层30而进行设定。

并且，通过在每个加工层30设定从加工前形状和设计上的加工后形状中加工去除的部分，并对每个加工层30扫描激光束L而去除预定部分，从而形成倒角19等的预定加工面29。在该方法中，由加工层30的分辨率(厚度)和加工层30自身的光滑度等衡量加工后的表面精确度(Rz或Ra等)。另外，在本实施方式中，以表面粗糙度至少在Rz(最大表面粗糙度)：2μm以下、Ra(算术平均粗糙度)：1μm以下的方式设定加工层30的分辨率。

如此，本实施方式的立铣刀10是一种刀刃13的外径为直径2mm以下的小直径立铣刀，通过激光加工形成工具前端部12整体的形状，并且通过激光加工在刀刃13的前刀面16侧以带状形成倒角19，因此通过未施加力学性负荷的激光加工，在工具前端部12一体形成包含表面粗糙度小且高精确度的倒角19的刀刃13。

即，与以往由基于砂轮的加工产生的变形的倒角相比，具有侧边成光滑曲线且高尺寸精确度的带状倒角19，并能够获得作为整体较高的刀尖强度。由此，不会产生因变形的倒角引起的刀尖强度的局部下降或切屑排出性的恶化，在小直径的立铣刀中，能够得到高寿命及稳定的切削性能。并且，并非将平板状刀片钎接于工具主体，而是以激光加工形成包含刀刃13的工具前端部12整体的形状，所以能够容易且高精确度地做成直径2mm以下的小直径的工具前端部12。

并且，由于倒角19以一定宽度形成，所以能够得到遍及倒角19的延伸方向的稳定的刀尖强度，并能够得到更稳定的切削性能。

另外，由于工具前端部12中至少球头刃部13a由cBN烧结体形成，所以耐磨性优异且高寿命，作为具有优异的切削性能的小直径球头立铣刀，适合于高硬度钢的精加工等中。

在本实施方式的立铣刀的制造方法中，在三维激光加工工序中，至少在形成倒角19时，在加工前形状与设计上的加工后形状的两方面将激光束L相对加工面29的角度设定为不到50°而照射激光束L，所以能够以高尺寸精确度形成倒角19。

由此，在本实施方式的制造方法中，能够以±2μm以内的倒角宽度精确度且±2°以内的前刀角精确度进行加工。另外，能够将倒角19的表面粗糙度设为Rz：2μm以下、Ra：1μm以下。

[实施例]

接着，有关根据上述本实施方式的立铣刀的制造方法实际制作的立铣刀的实施例，将放大倒角部分的照片图像(350倍的放大图像)示于图11。

从该图像可知，本实施例的立铣刀的倒角，其宽度精确度不到5μm且在延伸方向上具有光滑的侧边并以一定宽度形成，并且表面粗糙度Rz在2μm以下、Ra在1μm以下。

另外，本发明的技术范围不限于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内可以添加各种变更。

例如，在上述实施方式中，将本发明适用于球头立铣刀中，但只要具有倒角，就可适用于径向立铣刀等其他立铣刀。

并且，由cBN烧结体形成球头刃部及外周刃部所形成的工具前端部整体，并由cBN烧结体形成球头刃部及外周刃部双方，但也可以设成如cBN烧结体、烧结金刚石、硬质合金这样的组合，即设成在轴线方向上由cBN烧结体形成从前端至球头刃部的基端的部分且由硬质合金形成从球头刃部的基端至外周刃部基端的部分的工具前端部等。并且，也可由烧结金刚石或硬质合金形成工具前端部整体。

Claims (3)

1.一种立铣刀，在围绕轴线旋转的工具前端部，至少一对刀刃在前端夹着所述轴线相互形成于相反侧，其特征在于，

所述刀刃的外径为直径2mm以下，

通过激光加工形成所述工具前端部整体的形状，并且通过激光加工在所述刀刃的前刀面侧以带状形成倒角，

所述倒角以宽度精确度为±2μm以内的一定宽度形成，前刀角精确度为±2°以内，另外所述倒角的表面粗糙度为Rz：2μm以下、Ra在1μm以下。

2.如权利要求1所述的立铣刀，其特征在于，

是一种球头立铣刀，具有以所述轴线为中心的旋转轨迹呈大致半球状的球头刃部作为所述刀刃，

所述工具前端部中至少所述球头刃部由cBN烧结体、烧结金刚石、硬质合金中的任意一种或其组合形成。

3.一种立铣刀的制造方法，该方法用于制造权利要求1或2所述的立铣刀，其特征在于，

具有三维激光加工工序，所述三维激光加工工序照射光束截面的光强度分布为高斯分布的激光束而形成所述工具前端部整体的形状，

在该三维激光加工工序中，至少在形成所述倒角时，在加工前形状和设计上的加工后形状两方面，将所述激光束相对加工面的角度设定为不到50°而照射所述激光束，

所述激光束为单模，在聚光点上光束截面的光强度分布呈椭圆形状，使所述激光束的扫描方向与椭圆形状的所述光强度分布的长轴方向或短轴方向一致，

在将所述工具前端部在周向上进行四分割的加工区域中的一个加工区域内，使所述工具前端部以轴线为中心每90°分割四次旋转而进行激光加工，以使所述激光束的照射方向与被照射的加工面所成的角度始终不到50°，

在所述激光束的扫描控制中，将所述工具前端部分成在所述激光束的照射方向上层叠的多个加工层而进行设定，在每个所述加工层设定从加工前形状和设计上的加工后形状中加工去除的部分，并对每个所述加工层扫描所述激光束而去除预定部分。

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