JP2012192426A - 摩擦圧接中空材の製造方法およびクーラント孔付き切削工具の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クーラント孔付きの工具に製造されるような中空素材同士を摩擦圧接により接合するのに際して、溶融した素材がバリとして中空孔を塞いでしまうようなことがない摩擦圧接中空材の製造方法を提供する。
【解決手段】中空孔１１、２１を有する中空素材１０、２０同士を、中空孔１１、２１同士が連通するように摩擦圧接により接合する摩擦圧接中空材の製造方法であって、中空素材１０、２０の接合部Ｐにおける中空孔１１、２１の開孔部１３、２３同士の間に間隔ｄがあけられるようにして、その周囲を摩擦圧接する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばクーラント孔が形成されたドリルやエンドミル等の工具となる中空孔が形成された中空素材同士を摩擦圧接により接合する摩擦圧接中空材の製造方法、および該摩擦圧接中空材の製造方法を用いたクーラント孔付き切削工具の製造方法に関するものである。

このように、工具となる素材を摩擦圧接により接合する方法としては、例えば特許文献１に、軸線方向と略直交するように広がる先端面をもつ鋼材製の丸棒状シャンク用部材と、同じく軸線方向と略直交するように広がる後端面をもつ超硬合金製の丸棒状切削刃用部材とを、軸線回りに相対的に回転させつつこれら先後端面を押し付けてその摩擦熱により接合し、その後に研削加工によって切削刃を形成する方法が記載されている。このような方法では、高価な超硬合金を使用する部分が少なくて済むため、コストの低減を図ることができる。

ところで、ドリルやエンドミル等の工具では、切刃にクーラントを供給するために中心軸線に沿って内部にクーラント孔が形成されたものが用いられることがある。そして、このようなクーラント孔付きの工具を上述のような摩擦圧接により製造する場合には、上記丸棒状シャンク用部材と丸棒状切削刃用部材とに中心軸線に沿って中空孔を形成しておいて、これらの中空孔が連通するように上記先後端面を圧接することになるが、特許文献１に記載されているようにこれら先後端面が軸線方向と略直交するように広がる平坦面であると、摩擦熱によって溶融した素材が圧接により中空孔内にバリとなって流れ込み、中空孔を塞いでしまうおそれがある。

そこで、このようなバリによる問題を解決するために、例えば特許文献２には、接合する素材のうち機械的強度の高い金属材料に回転軸を中心とするリング状の溝を設けて、溶融した素材をこの溝に収めてバリとして外部に押し出させないようにすることが記載されている。

特開２００３−５３５５８号公報 特開平８−１４１７５５号公報

しかしながら、この特許文献２に記載の方法を特許文献１に記載の方法に適用しても、溝がリング状であるので中空孔の開孔部は軸線方向と直交する平坦面のまま圧接されることになり、外側に流れた溶融素材は溝に収容されても、中空孔の内側に流れ込んだ溶融素材がバリとなって中空孔を塞いでしまうおそれは払拭できない。また、特許文献２に記載の方法では、高硬度の超硬合金製の丸棒状切削刃用部材に溝加工を施さなければならず、加工コストが増大するおそれもある。

本発明は、このような背景の下になされたもので、クーラント孔付きの工具に製造されるような中空素材同士を摩擦圧接により接合するのに際して、溶融した素材がバリとして中空孔を塞いでしまうようなことがない摩擦圧接中空材の製造方法、および該摩擦圧接中空材の製造方法を用いたクーラント孔付き切削工具の製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明の摩擦圧接中空材の製造方法は、中空孔を有する中空素材同士を、該中空孔同士が連通するように摩擦圧接により接合する中空素材の摩擦圧接方法であって、上記中空素材の接合部における上記中空孔の開孔部同士の間に間隔があけられるようにして、その周囲を摩擦圧接することを特徴とする。また、本発明のクーラント孔付き切削工具の製造方法は、このような摩擦圧接中空材の製造方法により、上記中空素材としてクーラント孔付き切削工具の中空孔を有する切刃部側部分とシャンク部側部分とを接合することを特徴とする。

従って、このような摩擦圧接中空材の製造方法および該摩擦圧接中空材の製造方法を用いたクーラント孔付き切削工具の製造方法では、溶融した素材がバリとして中空孔の内側に流れ込んでも、この中空孔の開孔部同士の間にあけられた間隔部分に収容することができるので、中空孔が塞がれてしまうのを防ぐことができる。また、このように中空素材の中空孔の開孔部同士の間に間隔をあけるには、一方の中空素材の接合部に凹部を形成してこの凹部に該一方の中空素材の中空孔の開孔部を形成すればよく、中空素材同士は互いに硬度が異なる材質により形成されていても、硬度が低くて素材が溶融し易い中空素材に凹部を形成して上記間隔部分にバリが流れ込むようにすればよいので、加工コストの増大を防ぐことができる。

また、こうして中空素材同士のうち一方の中空素材の接合部に凹部が形成されているときに、この凹部の底面に凸部を形成して、該一方の中空素材の上記中空孔の開孔部を上記凸部の突端面に形成したり、あるいは他方の中空素材の接合部に上記凹部に収容される凸部を形成して、上記中空孔の開孔部は凹部の底面と上記凸部の突端面とにそれぞれ形成したりすることにより、溶融した素材がバリとして中空孔に流れ込むのを、この凸部によって一層確実に遮ることができる。

特に、こうして中空素材同士の接合部に凹部と凸部を形成したときには、これら凹部と凸部とが上記中空孔の径方向に間隔があけられるようにして、その周囲を摩擦圧接することにより、内側に流れ込んだバリをこの径方向の間隔部分に収容することができて、一層確実に中空孔の閉塞を防止することができるとともに、中空素材同士の接合強度の向上を図ることも可能となる。

また、同様にこうして中空素材同士の接合部に凹部と凸部を形成したときに、これら中空素材同士が互いに硬度が異なる材質により形成されている場合には、上述のようにこのうち硬度の低い中空素材に上記凹部が、従って硬度の高い中空素材に上記凸部が形成されるのが望ましい。これは、特に硬度の高い中空素材として硬質焼結素材を仕上げ研削したものを用いる場合に好適であり、すなわち、上記クーラント孔付きの工具の切刃部側部分に用いられる超硬合金等の硬質焼結素材は圧粉体をプレス成形して形成されるので、焼結後に凹部を内径研削で仕上げるよりは、予め凸部を圧粉体に形成しておいて焼結後に外周面を研削で仕上げる方が容易であるからである。

以上説明したように、本発明によれば、クーラント孔付き工具に製造されるような中空素材を、バリによって中空孔を閉塞することなく、低コストで摩擦圧接により接合することが可能となる。

本発明の第１の実施形態により中空素材同士が接合されて製造された摩擦圧接中空材よりなるクーラント孔付き工具であるエンドミルを示す図である。 図１に示すクーラント孔付きエンドミルに製造される中空素材同士を接合する際の本発明の第１の実施形態を説明する断面図である。 図２に示した第１の実施形態により中空素材同士を接合した状態を示す図である。 本発明の第２の実施形態により中空素材同士を接合した状態を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態により中空素材同士を接合した状態を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態により中空素材同士を接合した状態を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態により中空素材同士を接合した状態を示す断面図である。 本発明の第６の実施形態により中空素材同士を接合した状態を示す断面図である。 本発明の第７の実施形態により中空素材同士を接合した状態を示す断面図である。

図１ないし図９は、本発明の第１ないし第７の実施形態を説明するものである。このうち、図１は、これら本発明の実施形態により接合された中空素材から製造されるクーラント孔付きの工具としてのエンドミルを示すものであり、このエンドミルは、外形が略円柱軸状をなすエンドミル本体１の後端部（図１において左側部分）が円柱軸状のままのシャンク部２とされるとともに先端部（図１において右側部分）は切刃部３とされている。

ここで、切刃部３には、その先端から後端側に向けてエンドミル本体１の中心軸線Ｏ回りに螺旋状に捩れる切屑排出溝４が形成され、この切屑排出溝４のエンドミル回転方向側を向く壁面の先端側辺稜部に底刃５が、外周側辺稜部に外周刃６が形成されている。なお、図示のエンドミルはこれら底刃５と外周刃６とが中心軸線Ｏ回りの回転軌跡において略直交するようにされたスクエアエンドミルとされている。

さらに、エンドミル本体１には、シャンク部２の後端面から中心軸線Ｏに沿って断面円形のクーラント孔７が形成されており、このクーラント孔７は中心軸線Ｏに沿ったまま切刃部３に延びて切刃部３の先端面に貫通する手前で止まるようにされている。さらに、このクーラント孔７からは、切刃部３内で枝分かれした分岐孔８が先端外周側に延びて切屑排出溝４に開口し、上記底刃５および外周刃６に向けられるようにされている。

そして、このエンドミル本体１は、シャンク部２が鋼材等の低硬度材料により形成されるとともに切刃部３は超硬合金等のシャンク部２より硬度の高い高硬度材料により形成され、図２および図３に示すようにこれらの材料により形成された中空素材１０、２０が、切屑排出溝４よりも後端側に位置する接合部Ｐにおいて摩擦圧接により接合されて一体化された摩擦圧接中空材に切屑排出溝４や底刃５および外周刃６、分岐孔８が形成されることにより製造されている。

このうち、切刃部３となる中空素材（本実施形態における他方の中空素材）１０は、本実施形態では上述のように超硬合金により形成され、図２に示すように超硬合金より成る外形円柱状のものに、その中心軸線Ｏに沿ってクーラント孔７となる中空孔１１が、中空素材１０の焼結前の圧粉体をプレス成形する際のプレス成形金型にピンが配置されることにより、止まり孔状に形成されている。なお、本実施形態では、この中空素材１０側の接合部Ｐの接合面１２となる後端面は、この中空孔１１の開孔部１３を除いて、中心軸線Ｏに垂直な平坦面とされている。

一方、シャンク部２となる中空素材（本実施形態における一方の中空素材）２０は、本実施形態ではやはり上述のように鋼材により形成され、切刃部３とされる中空素材１０と等しい外径の円柱状のものに中心軸線Ｏに沿って中空孔１１と等しい内径のクーラント孔７となる中空孔２１が形成されたものとされている。そして、このシャンク部２となる中空素材２０側の接合部Ｐの接合面２２となる先端面には、接合の際に中空孔２１の開孔部２３と切刃部３となる中空素材１０の中空孔１１の開孔部１３との間に中心軸線Ｏ方向に間隔があけられるように凹部２４が形成されている。

この凹部２４は、中心軸線Ｏに直交する断面が該中心軸線Ｏを中心とする一定内径の円形をなすように形成されたものであり、ただし本実施形態ではその底面２５の中央に凸部２６が形成されていて、中空素材２０の中空孔２１は、この凸部２６の突端面２７に上記開孔部２３を有している。この凸部２６は、その外形が凹部２４の内径よりも小さな外径の中心軸線Ｏを中心とした円板状をなしており、この凸部２６の上記突端面２７と、凹部２４の底面２５、および接合面２２とは中心軸線Ｏに垂直な平坦面とされている。

そして、本実施形態では、凹部２４の底面２５からこの突端面２７までの凸部２６の突出高さが、凹部２４の外周側の接合面２２から底面２５までの凹部２４の深さよりも小さく設定されることにより、上述のように中心軸線Ｏ方向において中空素材１０、２０同士の中空孔１１、２１の開孔部１３、２３間に図２に示すような間隔ｄがあけられるようにされている。

このように形成された中空素材１０、２０は、接合面１２、２２を対向させて中心軸線Ｏが同軸となるように配置され、該中心軸線Ｏ回りに相対的に回転させられながら接近させられて、これら接合面１２、２２同士が押しつけられることにより、摩擦熱によって接合面１２、２２周辺の中空素材１０、２０が溶融して接合させられ、すなわち摩擦圧接させられる。

なお、このとき、図２および図３に示すように接合面１２、２２間に中間層３１を介装してもよい。この中間層３１は、ニッケル等の金属により形成された薄肉円環板状のものであって、その内径は中空孔１１、２１の内径よりも大きく、望ましくは凸部２６の外径よりも大きくされるとともに、外径は中空素材１０、２０の外径と略等しくされ、これら中空素材１０、２０と同軸に配設されて、摩擦圧接の際に溶融することにより中空素材１０、２０の接合強度を向上させる。ただし、中間層３１が介装されずに、中空素材１０、２０が直接接合されてもよい。

そして、この摩擦圧接の際に溶融した中空素材１０、２０の接合面１２、２２周辺部分や上記中間層３１は、接合面１２、２２が押しつけられることによって周囲にバリＢとして流れ出るが、このうち接合面１２、２２の間から内周側に流れ出たバリＢは、本実施形態では図３に示すように接合面１２に形成された上記凹部２４に充填されることになるので、中空孔１１、２１が塞がれることはない。すなわち、これら中空孔１１、２１の開孔部１３、２３の間に間隔ｄがあけられているので、開孔部１３、２３周辺には摩擦熱は発生せず、凹部２４の外周側の接合面２２とこれに押しつけられた接合面１２の外周側部分が溶融して、その内周側の凹部２４内にバリＢとして充填されるのである。

従って、このように接合されて製造された中空素材１０、２０の摩擦圧接中空材の外周にはみ出た図３に示すようなバリＢを研削等によって除去した後、上述のように切刃部３に切屑排出溝４や底刃５および外周刃６、分岐孔８を形成することにより、図１に示したようなクーラント孔付きの切削工具（エンドミル）を製造することができる。

このように、上記構成の中空素材１０、２０を摩擦圧接した摩擦圧接中空材の製造方法では、中空孔１１、２１の開孔部１３、２３間に間隔ｄがあけられることにより、中空孔１１、２１をバリＢによって閉塞することなく確実に連通させることができるので、クーラント孔付き工具を製造する場合でもクーラント孔７を通して底刃５や外周刃６に効率的かつ円滑にクーラントを供給することが可能となる。なお、この間隔ｄや図２に示す中空素材２０外周から凹部２４までのまでの径（接合面２２の幅）ａ、凹部２４の深さｂ、および凹部２４の底面２５の径方向の幅ｃなどは、内周側に流れ込むバリＢの量に応じて決定すればよい。

また、このように中空孔１１、２１の開孔部１３、２３間に間隔ｄをあけるには、本実施形態のように少なくとも一方の中空素材２０側の接合部Ｐの接合面２２に凹部２４を形成してこの凹部２４に開孔部２３が形成されるようにすればよいが、硬度の異なる材料同士を摩擦圧接の際には通常は硬度が低くて融点も低く溶融し易い材料が多く溶融してバリＢを生じるので、このバリＢを収容するためには硬度の低い材料よりなる中空素材２０に凹部２４を形成すればよい。このため、高硬度の中空素材１０に凹部を形成するような加工を施す必要がなくなって、加工コストの削減を図ることができる。

さらに、本実施形態では、この一方の中空素材２０に形成された凹部２４の底面２５に凸部２６が形成されており、当該一方の中空素材２０における中空孔２１の開孔部２３は、この凸部２６の突端面２７に形成されている。このため、凹部２４内に流れ込んだバリＢをこの凸部２６で遮ることができ、中空孔２１が閉塞されるのを一層確実に防ぐことが可能となる。

ただし、この第１の実施形態では、このように一方の中空素材２０における凹部２４の底面２５に凸部２６を形成してその突端面２７に中空孔２１の開孔部２３が開口するようにしているが、図４ないし図８に示す本発明の第２ないし第６の実施形態のように、一方の中空素材２０には凹部２４のみを形成して凸部２６は形成せず、中空孔２１の開孔部２３は凹部２４の底面２５に形成されるようにしてもよい。なお、これら第２ないし第６の実施形態において、第１の実施形態と共通する部分には同一の符号を配して説明を省略する。また、これら第２ないし第６の実施形態では中間層３１は省略され、さらにバリＢも図示が略されている。

このうち、図４に示す第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に高硬度材料よりなる他方の中空素材１０側の接合部Ｐの接合面１２となる後端面は、この他方の中空素材１０の中空孔１１の開孔部１３を除いて、中心軸線Ｏに垂直な平坦面とされるとともに、一方の中空素材２０の凹部２４の底面２５も、この一方の中空素材２０の中空孔２１の開孔部２３を除いて、中心軸線Ｏに垂直な平坦面とされている。

ただし、このように他方の中空素材１０側の接合面１２が中心軸線Ｏに垂直な平坦面とされていると、内周側に流れ込んだバリがこの他方の中空素材１０における中空孔１１の開孔部１３を閉塞するおそれが生じるので、図５ないし図８に示す第３ないし第６の実施形態のように、他方の中空素材１０の接合部Ｐとなる接合面１２に、一方の中空素材２０の凹部２４に収容される凸部１４を形成して、中空孔１１の開孔部１３はこの凸部１４の突端面１５に開口するように形成するのが望ましい。

このうち、図５および図６に示す第３、第４の実施形態では、凸部１４が凹部２４の内径よりも小さな外径の中心軸線Ｏを中心とした外形円板状または円柱状に形成され、その突端面１５は中空孔１１の開孔部１３を除いて中心軸線Ｏに垂直な平坦面とされている。なお、図５に示す第３の実施形態では接合面１２から突端面１５までの凸部１４の突出高さが凹部２４の深さの１／２よりも小さく、図６に示す第４の実施形態では凸部１４の突出高さが凹部２４の深さの１／２よりも大きくされているが、この第４の実施形態でも開孔部１３、２３の間には中心軸線Ｏに間隔ｄがあけられている。

また、図７に示す第５の実施形態では、凸部１４が凹部２４に収容可能な大きさの中心軸線Ｏを中心とした外形円錐台状とされており、この円錐台の軸線Ｏに垂直に面取りされた突端面１５に中空孔１１の開孔部１３が形成されている。このように構成された第３ないし第５の実施形態によれば、凸部１４と凹部２４との間に、中空孔１１の径方向においても間隔があけられるので、この間隔部分に流れ込んだバリを収容するとともに、凸部１４によってバリが中空孔１１を塞ぐのを確実に遮ることができる。

一方、図８に示す第６の実施形態では、外形円柱状に形成された凸部１４の外径が凹部２４の内径よりも僅かに小さく、凸部１４が凹部２４に嵌合するようにされている。このような第６の実施形態では、接合面１２、２２となる凹凸部１４、２４の外周側における中空部材１０、２０の先後端面で生じたバリが内周側に流れ込むこと自体を防止することができるとともに、これら凹凸部１４、２４の内外周面の摩擦接合による接合強度の向上や中空部材１０、２０の同軸性の確保などを期待することもできる。

なお、本実施形態のような超硬合金よりなる高硬度の中空素材１０を仕上げ研削した後に接合する場合には、上述のように中空素材１０の焼結前の圧粉体をプレス成形する際のプレス成形金型に、凸部１４を反転させたような凹所を形成しておいて、このプレス成形金型で成形した圧粉体を焼結した後に、円筒研削によって凸部１４を仕上げ研削する方が、逆にプレス成形金型に凸部を形成して成形、焼結した高硬度の中空素材の凹部を内径研削によって仕上げ研削するよりは容易である。

ただし、このような仕上げ研削を考慮せずに中空素材１０、２０の中空孔１１、２１の開孔部１２、２２同士の間に間隔ｄをあけるだけなら、このように高硬度の中空素材１０側に凹部を形成してもよく、また図９に示す第７の実施形態のように中空素材１０、２０の双方に凹部２４を形成してもよく、さらにこの第７の実施形態のように双方の凹部２４の底面２５に第１の実施形態のような凸部２６を形成して、その突端面２７に中空素材１０、２０の中空孔１１、２１の開孔部１３、２３を形成してもよい。さらに、図５ないし図８に示した第３ないし第６の実施形態において、一方の中空素材２０における凹部２４の底面２５に第１の実施形態のような凸部２６が形成されて、その突端面２７に一方の中空素材２０の中空孔２１の開孔部２３が形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、本発明を、クーラント孔付きのスクエアエンドミルを製造するのに適用した場合について説明したが、他のボールエンドミルやラジアスエンドミル等のエンドミルを製造するのに適用することも勿論可能であるし、中心軸線Ｏに沿ってクーラント孔７が形成されているものであれば、例えばドリルのような他の工具の製造に適用することも可能である。さらに、中空素材１０、２０の境界となる接合面１２、２２は、厳密に切屑排出溝４が形成された切刃部３と円柱状のままのシャンク部２との境界に位置していなくても、これより僅かにエンドミル本体１の先端側や後端側に位置していてもよい。さらにまた、本発明はこのようなクーラント孔付き切削工具に製造されるもの以外の摩擦圧接中空材の製造方法に適用することも可能であるし、接合される中空素材同士は硬度の異なるものに限らない。

１ エンドミル本体
２ シャンク部
３ 切刃部
７ クーラント孔
８ 分岐孔
１０、２０ 中空素材
１１、２１ 中空孔
１３、２３ 中空孔１１、２１の開孔部
１４、２６ 凸部
１５、２７ 凸部１４、２６の突端面
２４ 凹部
２５ 凹部２４の底面
３１ 中間層
Ｏ エンドミル本体１、中空孔１１、２１の中心軸線
Ｂ バリ
ｄ 開孔部１３、２３間の間隔

Claims (6)

1. 中空孔を有する中空素材同士を、該中空孔同士が連通するように摩擦圧接により接合する摩擦圧接中空材の製造方法であって、上記中空素材の接合部における上記中空孔の開孔部同士の間に間隔があけられるようにして、その周囲を摩擦圧接することを特徴とする摩擦圧接中空材の製造方法。
2. 上記中空素材同士のうち、一方の中空素材の接合部には凹部が形成されるとともに、この凹部の底面には凸部が形成されており、該一方の中空素材の上記中空孔の開孔部は上記凸部の突端面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦圧接中空材の製造方法。
3. 上記中空素材同士のうち、一方の中空素材の接合部には凹部が形成されるとともに、他方の中空素材の接合部には上記凹部に収容される凸部が形成されており、上記中空孔の開孔部は上記凹部の底面と上記凸部の突端面とにそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦圧接中空材の製造方法。
4. 上記凹部と凸部とが上記中空孔の径方向に間隔があけられるようにして、その周囲を摩擦圧接することを特徴とする請求項３に記載の摩擦圧接中空材の製造方法。
5. 上記中空素材同士は互いに硬度が異なる材質により形成され、このうち硬度の低い中空素材に上記凹部が形成されていることを特徴とする請求項２から請求項４のうちいずれか一項に記載の摩擦圧接中空材の製造方法。
6. 請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の摩擦圧接中空材の製造方法により、上記中空素材としてクーラント孔付き切削工具の中空孔を有する切刃部側部分とシャンク部側部分とを接合することを特徴とするクーラント孔付き切削工具の製造方法。

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