JP2008049404A - ボールエンドミル - Google Patents

Abstract

【課題】 本願発明は、ボール刃強度を損なわず、ボール刃に生じる欠損及び摩耗の発生を抑えて、工具寿命の長いボールエンドミルを提供することである。
【解決手段】 ボールエンドミルにおいて、少なくとも、ボール刃の刃径５０％以下の刃直交断面におけるすくい面が、２つのすくい面から構成され、ボール刃稜線に最も近い第１すくい面における第１すくい角Ｒ１（度）は、−１０≦Ｒ１≦０であり、第２すくい面における第２すくい角Ｒ２（度）は、０＜Ｒ２≦１５、としたことを特徴とするボールエンドミルである。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、ボール刃に生じる欠損及び摩耗の発生を抑え、良好な工具寿命が得られるエンドミルに関する。

ボールエンドミルは、工具回転中心では切削速度が限りなくゼロに近づくため、切削抵抗が大きくなり、被削材を削るというよりは押し潰すような状態となる。これにより切れ味が低下し溶着も発生し易くなり、仕上げ面の面粗度が悪化するという問題がある。また、チゼルエッジ部は切れ味が悪く耐摩耗性が低下すること、チゼルエッジから排出される切り屑の逃げ場がなく、溜まった切り屑が被削材と加工面との間で押し潰され加工面に凝着して仕上げ面の面粗度を悪化させてしまうこと、更に凝着物が逃げ面に回り込んで逃げ面摩耗が進行し易いこと等の問題があった。これらの不具合点を解消するために、特許文献１から３が開示されている。

特開２００２−２５４２３４号公報 特開２０００−２９６４０９号公報 特開２００５−２９７１０８号公報

特許文献１は、チゼルエッジ近傍に窪み部を設けて前記チゼル部付近における切り屑排出を促進させると共に、仕上げ面の面粗度をも良好にするボールエンドミルが開示されている。しかし、チゼルエッジ近傍に窪み部を設ける構成では、チゼルエッジ近傍の肉厚を減じることとなり、ボール刃強度に問題がある。即ち、常に加工に供されているチゼルエッジのボール刃強度を低下させて、特に高速回転で加工するような場合には耐欠損性および耐摩耗性が低下する恐れがある。特許文献２は、ボール刃強度を確保する手段が開示されている。すくい面をボール刃直交断面において凸曲面形状に形成することで、すくい面と被削材及び切り屑との接触面積を小さくし、ボール刃強度を確保しつつ切り屑排出を良好にしたことを開示している。しかし、チゼルエッジ近傍では切り屑の逃げ場がなく、切り屑の排出は良好にならない。このため、一般的なボールエンドミルのボール刃直交断面すくい面形状は、連続した１つのフォーム・凹曲面形状として正角のすくい角を設定することで、切り屑の逃げ場を確保し、切れ味を重視してきた。しかし、すくい角を正角にしたことで切れ味が良い反面、刃物角が小さく、鋭角となるために欠損しやすく、耐久性が低くなるという課題があった。
そこで本願発明は、ボール刃強度を損なわず、ボール刃に生じる欠損及び摩耗の発生を抑えて、工具寿命の長いボールエンドミルを提供することである。

本願発明は、
ボールエンドミルにおいて、少なくとも、ボール刃の刃径５０％以下の刃直交断面におけるすくい面が、２つのすくい面から構成され、ボール刃稜線に最も近い第１すくい面における第１すくい角Ｒ１（度）は、−１０≦Ｒ１≦０であり、第２すくい面における第２すくい角Ｒ２（度）は、０＜Ｒ２≦１５、としたことを特徴とするボールエンドミルである。上記の構成を採用することによって、ボール刃強度を損なわず、ボール刃に生じる欠損及び摩耗の発生を抑えて、工具寿命の長いボールエンドミルを提供することができる。

本願発明のボールエンドミルは、第１すくい面の長さＲＬは、外径の０．１〜３％とし、また、ボール刃を構成する刃物角ε度を、６０≦ε≦１００、とすることが好ましい。更により好ましくは、ボールエンドミルのＲ１値を、−５≦Ｒ１≦０、Ｒ２値を、０＜Ｒ２≦５、とすることである。

本願発明は、ボール刃強度を損なわず、ボール刃に生じる欠損及び摩耗の発生を抑えて、工具寿命の長いボールエンドミルを提供することができた。

本願発明のボールエンドミルを実施するための最良の形態について、図を参照して説明する。図１から図４は、本願発明に係るボールエンドミルの概略構成を説明する図である。図１において、工具本体１は超硬合金やサーメット等の硬質材料、またはＣＢＮ焼結体であり、このような基体材料に各種の被覆処理が施された材料から形成されて略円柱状をなしている。図２において、その先端部には工具先端から基端側に向かうに従い工具回転方向の後方側に向かって捩れる２条の切り屑排出溝２が、工具本体１の周方向に等間隔に形成されている。そして、各切り屑排出溝２の工具回転方向を向く壁面のすくい面３と、工具本体１の外周側を向く外周逃げ面４との交差稜線部には、夫々ボール刃５が形成されている。
図３及び図４は、本願発明に係るボールエンドミルの先端部の構成を説明する図である。工具本体１の先端には上記切り屑排出溝２の工具回転方向を向く各壁面にあたるすくい面３と、工具先端側を向く外周逃げ面４との交差稜線部に、上記各ボール刃５に連なり、工具本体１の先端外周側から工具本体１先端の工具軸線上の工具回転中心部Ｃに向かうように、夫々ボール刃５が底刃を形成している。これらのボール刃５は工具本体１の軸線に対する径方向からの側面視に略１／４円弧状をなすように形成されており、その軸線回りに半球状の回転軌跡をなすように形成されている。
図５は、図２のＡ−Ａ線に沿った刃直交断面を示す概略構成説明図である。本願発明ボールエンドミルのボール刃の刃直交断面におけるすくい面形状を示す要部拡大断面図である。図３に示す工具回転中心部Ｃから任意の位置におけるボール刃５に直交する方向にＡ−Ａ線をとっている。
本願発明のボールエンドミルは、軸線回りに回転する工具本体の先端部に少なくとも２つの円弧状のボール刃を有するボールエンドミルにおいて、該ボール刃の刃直交断面におけるすくい面が、すくい角の異なる２つの面３ａ、３ｂから構成され、ボール刃稜線に最も近い第１すくい面における第１すくい角Ｒ１は、図２に記載されている略１／４円弧状のボール刃で構成される円弧の中心Ｐとボール刃５を通る線と第１すくい面３ａとが形成する角度と定義して、Ｒ１（度）を−１０≦Ｒ１≦０、と設定する。第２すくい面における第２すくい角Ｒ２は、Ｐとボール刃５を通る線と第２すくい面３ｂがなす円弧の接線とが形成する角度と定義して、Ｒ２（度）を０＜Ｒ２≦１５、と設定する。Ｒ１＜Ｒ２であることが好ましい。ボール刃稜線から最も近い角Ｒ１値が０度を超える値、つまり正角のボール刃になると、高硬度材の切削加工時にはボール刃強度が不足してボール刃の耐欠損性が低下し、Ｒ１値が−１０度未満であると切れ味が悪くなり切削抵抗が増大してしまうために、Ｒ１値は、−１０≦Ｒ１≦０、に設定した。Ｒ２値が０度以下であると、形成されるすくい面は負角の連続したフォームとなり、十分なチップポケットが確保できず、切り屑排出性が悪化し、切り屑の噛み込みによる仕上げ面の面粗度の悪化に繋がるばかりだけでなく、すくい面と切り屑との接触面積が小さくならないために、これらの間で生じる摩擦を小さくすることができず、結果溶着を抑えることができなくなってしまう。Ｒ２値が１５度を超えると、ボール刃の肉厚が減少し、ボール刃全体の強度が低下してしまうために、Ｒ２値は、０＜Ｒ２≦１５、に設定した。本願発明のボールエンドミルは、ボール刃の刃直交断面におけるすくい面が負角から正角に変化する少なくとも２段の面から形成されるので、すくい面と切り屑との接触面積が小さくなる。つまり、切り屑接触長さが短くなり切削抵抗を軽減して切り屑排出に十分なチップポケットを確保しつつ、Ｒ１値は負角であるために十分なボール刃強度を確保したボールエンドミルを実現できる。また、すくい面と切り屑との接触面積が小さくなるので、これらの間に生じる摩擦は小さくすることができ、高硬度材および難削材といった被削材を加工する際に切り屑がすくい面に溶着しにくくなって、ボール刃の切れ味を長時間持続させることが出来る。Ｒ１値がＲ２値より大きいと、ボール刃を構成する刃物角が極端に鋭角になってしまい、ボール刃強度を確保できないために、Ｒ１＜Ｒ２に設定することが好ましい。

第１すくい面長さＲＬは、外径の０．１％未満ではその効果がなく、外径の３％を超えると切り屑接触長さが大きくなり、切削抵抗が増大するので、第１すくい面長さＲＬを外径の０．１％〜３％に設定することが好ましい。ボール刃強度を確保するために、ボール刃を構成する刃物角εを、６０≦ε≦１００、とすることが好ましい。

更に本願発明のボールエンドミルは、Ｒ１値を−５≦Ｒ１≦０、Ｒ２値を０＜Ｒ２≦５とすることにより、特にロックウェルＣスケールでＨＲＣ５５を超える被削材に対し、優れたボール刃強度の確保と、良好な切り屑排出性が得られ、底面加工や形状加工で良好な工具寿命が得られる。ボールエンドミル材料として超硬合金やサーメット等の硬質合金を用いた場合では、耐欠損性に優れ、ＣＢＮ焼結体を用いた場合では耐摩耗性に優れるといった効果がある。コーティングとして（ＴｉＡｌ）Ｎ等の硬質皮膜やＣｒ系の潤滑皮膜を施しても、一層の長寿命化並びに仕上げ面の面粗度が良好になる。

（実施例１）
本発明例１は、軸線回りに回転する工具本体の先端部に少なくとも２つの円弧状のボール刃を有するボールエンドミルである。本発明例１において、ボール刃稜線に最も近いＲ１値を−５度、Ｒ２値を５度、ＲＬ値を外径の１％、ε値を８０度とした。工具母材は超微粒子超硬合金を使用し、ボール径１０ｍｍ、刃数が２枚刃、外周ねじれ角を３０度、ボール刃部には耐摩耗性を向上させるため（ＴｉＡｌ）Ｎ系硬質皮膜を３μｍ被覆した。従来のボールエンドミルと比較するために、従来例１５のすくい角を−５度、従来例１６は０度、従来例１７は５度、に設定したこと以外は本発明例１と同寸法で作製し、同コーティングを被覆し、切削テストを行った。切削テストの条件を以下に示す。
（切削テストの条件）
切削方法 ：底面仕上げ切削
被削材 ：マルテンサイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ規格のＳＵＳ４２０Ｊ２相当）の焼入れ鋼、硬さＨＲＣ５２
回転数 ：１００００ｍｉｎ−１、
送り速度 ：４ｍ／ｍｉｎ
切り込み ：軸方向、０．４ｍｍ、径方向、０．２ｍｍ
切削油 ：水溶性クーラントを用いた湿式
評価方法は、切削長４００ｍ時の工具摩耗状態及び加工面の状態を観察した。４００ｍ切削時における切り屑排出性の判定基準は、◎が、工具への溶着が見られずに切り屑が一方向へ安定して排出されている場合、○は、工具への溶着は見られないが切り屑の飛散状態が安定していない場合、△は、工具へ微小な溶着が認められた場合、×は、工具への溶着が激しい場合、とした。耐欠損性の判定基準は、◎が、チッピング及び欠けは観察されず、且つ摩耗形態も安定している場合、○は、チッピング及び欠けは観察されない場合、△は、微小なチッピングの発生が観察される場合、×は、大きな欠けを伴う場合、とした。加工面性状の判定基準は、○が、ムシレが見られず、カッターマークも加工面に転写されており且つ光沢がある場合、△は、ムシレは見られないが加工面に光沢が無い場合、×は、ムシレの発生を伴い加工面性状が非常に悪化している場合とした。テストの判定結果を表１に示す。

４００ｍ切削を行った結果、本発明例１は、安定した切削状態であり、ボール刃への溶着、欠損は認められず、均一な摩耗形態であり、加工面の状態は良好で、まだまだ切削可能であった。この理由は、本発明例１の２段すくい面ボールエンドミルは、刃先強度を保ちながら、切り屑排出を良好にしているためである。それに対し、従来例１５及び従来例１６は、耐欠損性は良好なものの切り屑排出性が悪く、切り屑詰まりによるボール刃への溶着が認められ、それに伴い加工面の状態も悪化していた。また従来例１７は、一連のすくい面のフォームが正角に形成されてしまうため、切削初期の切れ味は良好なものの、次第に刃先に負担が掛かり、刃先強度が低下して切削中期には欠損により工具寿命に至ってしまった。

（実施例２）
本願発明におけるＲ１値の影響を明らかにするため、比較例１０のＲ１値を−１５度、比較例１１として５度と設定したほかは実施例１のものと同様の切削テストを行った。その結果、本発明例１は、安定した切削状態であり、ボール刃への溶着、欠損は認められず、均一な摩耗形態であり、加工面の状態は良好で、まだまだ切削可能であった。それに対し、比較例１０は、耐欠損性は良好なものの、切り屑排出性が悪く、切り屑詰まりによるボール刃への溶着が認められ、それに伴い加工面の状態も悪化していた。また比較例１１は、一連のすくい面のフォームが正角に形成されてしまうため、切削初期の切れ味は良好なものの、次第に刃先に負担が掛かり、刃先強度が低下して切削中期には欠損により工具寿命に至ってしまった。本発明例１と比較しても摩耗量が大きく、加工面の状態も悪い事が観察された。この理由は、比較例１０はＲ１値が大きな負角であるために、切り屑排出がうまくいかず、加工面悪化に寄与してしまったためである。比較例１１はＲ１値自体が正角になるため、ボール刃強度が低下し、耐欠損性が悪くなってしまったのに対して、本発明例１の２段すくい面ボールエンドミルは、刃先強度を保ちながら、切り屑排出を良好にしているためである。

（実施例３）
本発明例２は、Ｒ１値を−７度、Ｒ２値を８度、ＲＬ値を外径の１％とし、ε値を７０度とした。本願発明におけるＲ２値の影響を明らかにするため、比較例１２のＲ２値を２０度、比較例１３を−５度と設定したほかは実施例１のものと同様の切削テストを行った。その結果、本発明例２は、安定した切削状態であり、ボール刃への溶着、欠損は認められず、均一な摩耗形態であり、加工面の状態は良好で、まだまだ切削可能であった。それに対し、比較例１２は、Ｒ２値が２０度であるため、刃先強度が極端に低下し、チッピング先行型の摩耗になり、不安定な摩耗形態であった。また比較例１３は、一連のすくい面のフォームが負角に形成されてしまうため、耐欠損性には優れるものの、切り屑排出性が悪化し、切り屑の噛み込みによる仕上げ面の面粗度の悪化に繋がるばかりだけでなく、すくい面と切り屑との接触面積が小さくならないために、これらの間で生じる摩擦を小さくすることができず、結果溶着を抑えることができなくなってしまうものと考えられる。

（実施例４）
本発明例３は、Ｒ１値を−１０度、Ｒ２値を５度、ＲＬ値を外径の２％とし、ε値を６０度とした。Ｒ１値がＲ２値よりも負角側にする影響を明らかにするため、比較例１４のＲ１値を１０度、Ｒ２値を−５度と設定したほかは実施例１のものと同様の切削テストを行った。その結果、Ｒ１値がＲ２値より大きいと、ボール刃を構成する刃物角が極端に鋭角になってしまい、ボール刃強度を確保できないために、比較例１４はチッピング先行型の摩耗進行により、４００ｍ切削時では欠損に至った。このことから、本願発明の２段すくい面ボールエンドミルにおいては、Ｒ１値をＲ２値より小さく設定するのが好ましい事が判る。

（実施例５）
本発明例４は、Ｒ１値を−１０度、Ｒ２値を１０度、ＲＬ値を外径の３％とし、ε値を１００度とした。ＲＬ値の影響を明らかにするため、本発明例６のＲＬ値を０．０５％、本発明例７を５％と設定したほかは実施例１のものと同様の切削テストを行った。その結果、本発明例４は、安定した切削状態であり、ボール刃への溶着、欠損は認められず、均一な摩耗形態であり、加工面の状態は良好で、まだまだ切削可能であった。それに対し、本発明例６は、ＲＬ値が０．０５％であるため、第１すくい面は負角側に形成されているが、長さが小さく、刃先強度が十分に確保されていないため切削途中から微小なチッピングの発生が確認されされた。また本発明例７は、工具外径に対して５％の第１すくい面長さになり、耐欠損性には大きく寄与するものの、工具へ微小な溶着が認められ切り屑排出性が劣った。切り屑の噛み込みによる仕上げ面は、ムシレは見られないが加工面に光沢が無い状態となった。このことから、本願発明の２段すくい面ボールエンドミルは、ＲＬ値を０．１％〜３％に設定するのが好ましい事が判る。

（実施例６）
本発明例５は、Ｒ１値を−５度、Ｒ２値を５度、ＲＬ値を外径の１％とし、ε値を８０度とした。ε値の影響を明らかにするため、本発明例８のε値が５０度、本発明例９は１０５度と設定したほかは実施例１のものと同様の切削テストを行った。その結果、本発明例５は、安定した切削状態であり、刃先強度を保ちながら切り屑排出性も良好で、切削後の加工面状態も良好であった。それに対し、本発明例８は、本発明例５のように２段すくい面ボールエンドミルの形状になっているが、刃物角が５０度であるため刃先強度は劣り、切削途中から微小なチッピングの発生が観察された。加工面性状はムシレは見られないが加工面に光沢が無い状態であった。また本発明例９は、逆に刃物角が１０５度と刃先強度は大きく確保しているものの、実際には工具設計上で逃げ角が小さいために良好な切削とはならず、全ての評価結果は△となった。このことから、本発明の２段すくい面ボールエンドミルのε値は、６０≦ε≦１００、に設定するのが好ましい。

（実施例７）
次に、耐摩耗性を向上させるために本発明例１には（ＴｉＡｌ）Ｎ系硬質皮膜を３μｍ被覆していたが、更に耐摩耗性を向上させた（ＴｉＳｉ）Ｎ系硬質皮膜、潤滑性を向上させたＣｒＮ系硬質皮膜を夫々（ＴｉＡｌ）Ｎ系硬質皮膜の上層に成膜して、実施例１と同様の切削テストを行った。その結果、（ＴｉＳｉ）Ｎ系硬質皮膜のボールエンドミルは非常に耐摩耗性に優れ、更に安定した切削状態を示した。摩耗形態が安定していることから、加工面の状態も更に良好になり、工具寿命も２倍の切削距離が得られた。またＣｒＮ系硬質皮膜のボールエンドミルは、潤滑性に富むことから、切り屑排出性が更に良好になり、刃先強度も確保されたまま、切り屑詰まりも起こりにくくなり、工具寿命も１．７倍の切削距離が得られた。

図１は、ボールエンドミルの正面図。 図２は、略１／４円弧状のボール刃部の拡大図。 図３は、ボールエンドミルをボール刃部からみた側面図。 図４は、ボールエンドミルのボール刃先端要部の拡大図 図５は、図２のＡ−Ａ線に沿った刃直交断面を示す図。

符号の説明

１：工具本体
２：切り屑排出溝
３：すくい面
３ａ：第１すくい面
３ｂ：第２すくい面
４：逃げ面
５：ボール刃
６：第１すくい角Ｒ１
７：第２すくい角Ｒ２
８：第１すくい面長さＲＬ
９：刃物角ε
Ｃ：工具回転中心部
Ｐ：ボール刃が構成する円弧中心

Claims (4)

1. ボールエンドミルにおいて、少なくとも、ボール刃の刃径５０％以下の刃直交断面におけるすくい面が、２つのすくい面から構成され、ボール刃稜線に最も近い第１すくい面における第１すくい角Ｒ１（度）は、−１０≦Ｒ１≦０であり、第２すくい面における第２すくい角Ｒ２（度）は、０＜Ｒ２≦１５、としたことを特徴とするボールエンドミル。
2. 請求項１記載のボールエンドミルにおいて、該第１すくい面の長さＲＬは、外径の０．１〜３％、としたことを特徴とするボールエンドミル。
3. 請求項１、２に記載のボールエンドミルにおいて、該ボール刃を構成する刃物角ε（度）は、６０≦ε≦１００、としたことを特徴とするボールエンドミル。
4. 請求項１記載のボールエンドミルにおいて、該Ｒ１値は、−５≦Ｒ１≦０であり、該Ｒ２値は、０＜Ｒ２≦５、としたことを特徴とするボールエンドミル。
   

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