JP2013146804A

JP2013146804A - 超硬エンドミルおよびそれを使用したスクロール部材の加工方法

Info

Publication number: JP2013146804A
Application number: JP2012007401A
Authority: JP
Inventors: Kibo Araki; 希望荒木; Tsugio Honoki; 継雄朴木; Takeshi Izawa; 毅司井沢; Tomoaki Nakasuji; 智明中筋; Yusaku Miyamoto; 優作宮本; Naosuke Takahashi; 直亮高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2013-08-01

Abstract

【課題】現状の高硬度焼結体のエンドミルと同等レベルの加工能率と高品質な加工面粗度、及び同等レベル以上の工具寿命を実現することができる安価な超硬エンドミルおよびそれを使用したスクロール部材の加工方法を提供する。
【解決手段】本体１の先端部に、外周刃２と底刃３から成る切れ刃を複数枚設けた超硬エンドミルにおいて、切れ刃の数を１０〜１６枚とし、底刃３の先端にさらえ刃４を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超硬エンドミルおよびそれを使用したスクロール圧縮機におけるスクロール部材の加工方法に関するものである。

例えば、スクロール圧縮機におけるスクロール部材の底面と側面の仕上加工には通常、切削工具の一種であるエンドミルが使用される。
一般的なエンドミルは、軸体である本体の外周から底面にかけて一連の切れ刃が数枚形成されており、エンドミル自体の回転運動と上下左右の送り運動により被削材を削り取っていく。また、外周の切れ刃を外周刃、底面の切れ刃を底刃と言う。

上記のようなエンドミルについては、例えば特許文献１に開示されている。このエンドミルは、工具本体の外周部に先端から基端側に向けて複数の排出溝が設けられ、各排出溝に対して回転方向後部側の外周に外周切刃が形成され、上記の外周切刃の部分から排出溝の溝底部までの部分をダイヤモンド及び立方晶窒化ホウ素から選択される少なくとも一種の高硬度焼結体で構成したものである。

特開２００２−１８６３０号公報

ところで、従来のエンドミルの底刃には、切り屑が排出される空間であるチップポケットを形成するために外周部から中央に向かって、すかし角が形成されている。
図６は、あるエンドミルでの底面加工後の被削材断面図とエンドミル断面形状を示すが、底面の加工面粗度１５はエンドミル底刃の転写になるため、１刃当たりの送り量１６とすかし角１４により導くことができ、下記のような公式にて表される。
Ｒｚ＝ｆ×ｔａｎα
（Ｒｚ：加工面粗度、ｆ：エンドミルの１刃当たりの送り量、α：すかし角度）

上記の公式からも分かるように、より高品質な底面の加工面粗度を得るためには、エンドミルの１刃当たりの送り量とすかし角を小さくさせることが有効であるが、すかし角を小さくすると底刃のチップポケット１７が小さくなり切り屑の詰まりが発生しやすくなり、加工精度の悪化や工具の欠損などが懸念される。そのため、いかにエンドミルの１刃当たりの送り量を小さくさせるかが重要となってくる。これは、側面の加工にも同じ事が言え、１刃当たりの送り量を小さくさせることにより、より高品質な加工面粗度を得る事ができる。
エンドミルの１刃当たりの送り量を小さくさせる方法としては、回転数や切れ刃の数を増加させる方法と送り速度を減少させる方法がある。

エンドミルの各種素材は、素材毎に最適な切削速度領域が存在し、必然的にその素材に適した回転数が決まってしまう。図７は鋳鉄材を被削材とした場合のエンドミル素材の最適切削速度領域を示したものであり、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）が他の超硬合金や高速度炭素鋼よりも高い切削速度領域を持っていることが分かる。つまり、ＣＢＮで構成されたエンドミル（ＣＢＮエンドミル）は、高速回転が可能であり、高能率な加工が行えることになる。

次に、切れ刃数の増加については、切れ刃の数が増加すると、被削材に作用する切れ刃の数が増え、１刃当たりの送り量が小さくなり、良好な面粗度が得られるようになる。しかし、切れ刃の数を増加させると、隣り合う切れ刃同士の間隔が狭くなってしまい、チップポケットが少なくなってしまう。そのため、やみくもに切れ刃の数を増加させることはできず、切り屑の排出性を考慮して切れ刃の数を決定しなくてはならない。
一般の市販品では粗加工から仕上加工までを汎用的に網羅する切れ刃の数が２〜８枚のエンドミルが主流である。特許文献１においても切れ刃の数は６枚となっている。

図８に、ＣＢＮエンドミルの１刃当たりの送り量と同等にすると想定した場合の超硬エンドミルの切れ刃の数を示す。超硬合金素材は、低切削速度での加工となるため、切れ刃の数を２６枚まで増加させないとＣＢＮエンドミルと同等の１刃当たりの送り量にならない。２６枚のエンドミルは、チップポケットが微小となること、また切れ刃成形に多くの時間がかかってしまい工具自体の価格が上がってしまうため、現実的ではない。
また、切削速度を減少させる方法は、低能率加工になってしまうため、通常は行わない。

以上の理由により、高能率で高品質な面粗度を要求されるスクロール部材の底面と側面の仕上げ加工には、特許文献１のように高速回転切削が可能である立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）やダイヤモンドからなる高硬度焼結体を切れ刃に使用したエンドミルが使用される場合がある。
しかし、その高硬度焼結体のエンドミルは、素材自体の価格が高く、また高硬度であるが故に切れ刃として成形が困難であるなどの理由により、エンドミルとしては非常に高価となる。また、他の素材に比べて高硬度であるが、靭性が低く刃先の欠損を起こしやすいため、工具寿命が短いといった問題があり、工具費増加の大きな要因となっている。
また、スクロール部材の底面と側面の加工を比較すると、側面の加工は、加工点への加工油の侵入が容易く、加工油の冷却効果が効果的に働き、切り屑の排出性も良くなる。それに対し、底面の加工は、加工油の進入が難しく、側面の加工の方が比較的、良好な加工面粗度が得られる。
その為、一般的には工具費を抑制する為に、少し低能率となってしまうが側面の仕上加工には安価な超硬素材のエンドミルを使用し、底面の仕上加工には、高硬度焼結素材を切れ刃として備えたエンドミルを使用する。しかし、それでも底面仕上加工用高硬度焼結素材のエンドミルは、安価な超硬素材のエンドミルに対し、３〜４倍ほど高価となってしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来の底面仕上加工用の高硬度焼結体のエンドミルと同等レベルの加工能率と高品質な加工面粗度、及び同等レベル以上の工具寿命を実現することができる安価な超硬エンドミルおよびそれを使用したスクロール部材の加工方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る超硬エンドミルは、切れ刃の数を１０〜１６枚とし、底刃の先端にさらえ刃を形成したものである。

本発明の超硬エンドミルは、切れ刃の数を１０〜１６枚とし、底刃の先端にさらえ刃を形成したので、エンドミルでの底面加工において、従来の高硬度焼結体のエンドミルと同等レベルの加工能率と高品質な加工面粗度、及び同等レベル以上の工具寿命を実現することができる安価な超硬エンドミルが得られる。

本発明の実施の形態に係る超硬エンドミルの先端部の正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。超硬エンドミルの側面図（ａ）および底刃の先端に設けたさらえ刃の拡大図（ｂ）で、（ｃ）は従来の底刃の拡大図である。仕様（切れ刃の枚数及びさらえ刃の有無）を変化させた超硬エンドミルと従来のスクロール部材の底面仕上げ加工に使用されているＣＢＮエンドミルによる加工テストの結果を示すグラフである。実施の形態に係る超硬エンドミルの寿命試験の結果を示すグラフである。本発明のスクロール部材の加工方法が実施されるスクロール圧縮機の構造を示す断面図である。エンドミルでの底面加工後の被削材断面形状とエンドミル断面形状を示す図である。エンドミル素材による最適切削速度領域を示すグラフである。ＣＢＮエンドミルの１刃当たりの送り量と同等にすると想定した場合の超硬エンドミルの切れ刃の数を示す表である。

以下、本発明に係る超硬エンドミルの実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る超硬エンドミルの先端部の正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。また、図２は、超硬エンドミルの側面図（ａ）およびさらえ刃を設けた底刃の拡大図（ｂ）で、（ｃ）は従来の底刃の拡大図である。
この実施の形態に係る超硬エンドミル１０は、底面の加工面粗度向上を目的として、１刃当たりの送り量を増加させる為に、切れ刃である外周刃２、及び底刃３の枚数を通常より大幅に増加させたものである。また、底刃のすかし角を０°に近づける為に、底刃３の先端に図２のようなさらえ刃４を形成したものである。これは、微小な切り屑しか発生せず、切り屑の排出性をあまり考慮しなくてもよい仕上加工用として適用される。本例は、外周刃２、及び底刃３の数が１２枚、外周刃２の直径が１２ｍｍ、さらえ刃４の長さが１ｍｍである仕上げ加工用の「さらえ刃４付き超硬多刃エンドミル１０」として示されている。
また、底刃３のすくい角θ１が１．５°、２番逃げ角θ２が７°、外周刃３のすくい角θ３が４°、２番逃げ角θ４が６°、ねじれ角が４６°に設定されている。

図３は、仕様（切れ刃の枚数及びさらえ刃の有無）を変化させた超硬エンドミルと従来のスクロール部材の底面仕上げ加工に使用されているＣＢＮエンドミルによる加工テストの結果を示すグラフである。また図３において、横軸は各仕様の工具、縦軸は底面の加工面粗度の測定値である。試験は、鋳鉄品であるＦＣ２５０の平板を被削材とし超硬エンドミルに関しては、切削速度１００ｍ／ｍｉｎ、送り速度４０００ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み（軸方向）０．０３ｍｍにて、加工長さ１０００ｍｍの加工を実施。また、ＣＢＮエンドミルに関しては、超硬素材より高硬度でありより高い適正切削速度領域を有している為、切削速度を１２５０ｍ／ｍｉｎに増加させて実施。それ以外の条件は超硬エンドミルと等しい。
試験に供した工具は、次の４種類である。
（Ａ）６枚刃超硬エンドミル（さらえ刃無し）
（Ｂ）１２枚刃超硬エンドミル（さらえ刃無し）
（Ｃ）１２枚刃超硬エンドミル（さらえ刃有り）
（Ｄ）４枚刃ＣＢＮエンドミル
このうち（Ｃ）は上述の仕様と同一仕様の超硬エンドミル（実施例という）であり、他の超硬エンドミル（Ａ）と（Ｂ）の２種類は比較例としてあげたものであり、刃数とさらえ刃の有無以外は実施例とほぼ同一の仕様である。

図３から分かるように、超硬エンドミルにおいて切れ刃の数を６枚から１２枚へと増加させる事により、約４０％の向上を示した。これは、刃数が増加する事により１刃当たりの送り量が小さくなり、より細かく削る事ができ、底面の加工面粗度が向上したものである。また、さらに、さらえ刃４を形成させることにより、約５０％以上もの底面の加工面粗度の向上が確認でき、従来の底面仕上加工用ＣＢＮエンドミルとほぼ同等の底面の加工面粗度を得る事ができた。これは、さらえ刃４の形成により、底刃３の先端部のすかし角が０°に近い状態となり、加工面粗度が向上したものである。さらえ刃４の大きさについては、大きくしすぎるとチップポケット１７が減少し、被削材との接触面積大により工具の早期摩耗などが発生することが懸念される。逆に小さくしすぎると、加工面粗度の改善効果が減少していくため、その適正化が必要となってくる。

図４は、実施の形態に係る超硬エンドミルの寿命試験の結果を示すグラフであり、横軸は切削長、縦軸は底面の加工面粗度を表している。
試験は、鋳鉄品であるＦＣ２５０の平板を被削材とし、切削速度２００ｍ／ｍｉｎ、送り速度４０００ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み（軸方向）０．０３ｍｍにて、連続加工を実施した。
本実施の形態の超硬エンドミル１０の工具寿命としては、切削長２００ｍまで連続加工が可能で、かつ、加工面粗度は要求スペック以下を保ち、良好な結果を示した。また、同様の切削条件にて、従来のスクロール部材の底面仕上げ加工用ＣＢＮエンドミルを用いた場合、切削長１７５ｍにて寿命となることが図４に示されており、従来の底面仕上げ加工用ＣＢＮエンドミルに対し１．１４倍と同等以上の寿命を得られることが確認できた。これは、ＣＢＮ素材に比べ超硬素材は靭性が高く、刃先の欠損が起こりにくくなった為である。
以上のように、刃数を増加させ、底刃３の先端にさらえ刃４を形成したことにより、超硬エンドミルにて従来の底面仕上加工用ＣＢＮエンドミルと同等レベルの加工能率と高品質な底面の加工面粗度、及び同等レベル以上の工具寿命を実現できた。

図５は、本発明のスクロール部材の加工方法が実施されるスクロール圧縮機２０の構造を示す断面図である。
このスクロール圧縮機２０は、冷凍機、空調機器などに用いられる装置であり、図５に示すように、密閉容器２１内に固定子２２ａと回転子２２ｂとからなるモーター２２およびモーター２２により駆動される圧縮機構部を内蔵し、底部には圧縮機構部の摺動部を潤滑およびシールするための冷凍機油２３が貯留されている。
また、このスクロール圧縮機２０は、低圧の吸入ガスが吸入管２４から固定スクロール２５および揺動スクロール２６の各板状渦巻歯で形成される圧縮室２７に入る。そして、モーター２２に連結されたクランクシャフト２８により駆動される揺動スクロール２６は、偏心旋回運動を行うとともに、圧縮室７の容積を減少させる。この圧縮工程により吸入ガスは高圧となり、固定スクロール２５の吐出ポート２９より吐出され、密閉容器２１内を高圧雰囲気で満たし、やがて吐出管３０から圧縮機外に放出される。

かかるスクロール圧縮機２０において、圧縮室２７での圧縮ガスの漏れや摺動摩擦は、圧縮機の性能や信頼性の低下に直結するため、その圧縮室２７を構成している揺動スクロール２６と固定スクロール２５のスクロール部材の板状渦巻歯の間の底面および側面には、非常に高い加工面粗度が要求される。

上記実施の形態の超硬エンドミル１０は、外周刃２の直径が１２ｍｍ、外周刃２の数が１２枚、底刃３のすくい角θ１が１．５°、２番逃げ角θ２が７°、底刃４の先端に形成したさらえ刃４の長さが１ｍｍに設定したものであるが、外周刃２の直径が８〜１５ｍｍで、外周刃２の数が１０〜１６枚で、底刃３のすくい角θ１が１°〜４°で、２番逃げ角θ２が６°〜８°、さらえ刃４の長さが０．１〜２．０ｍｍの範囲にあるものも、上記超硬エンドミル１０と略同様の効果を有する。
また、この超硬エンドミル１０には外周刃２も成形されているため、側面の仕上加工も可能である。そのため、同一エンドミルにて底面と側面の仕上加工が可能であり、工具交換の時間や更なる工具費の削減に繋がる。

１本体、２外周刃、３底刃、４さらえ刃、１０超硬エンドミル、１４すかし角、１５底面の加工面粗度、１６１刃当たりの送り量、２０スクロール圧縮機、２１密閉容器、２２モーター、２３冷凍機油、２４吸入管、２５固定スクロール、２６揺動スクロール、２７圧縮室、２８クランクシャフト、２９吐出ポート、３０吐出管。

Claims

本体の先端部に、外周刃と底刃から成る切れ刃を複数枚設けた超硬エンドミルにおいて、
前記切れ刃の数を１０〜１６枚とし、前記底刃の先端にさらえ刃を形成したことを特徴とする超硬エンドミル。
前記外周刃の直径が８〜１５ｍｍ、前記さらえ刃の長さが０．１〜２．０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の超硬エンドミル。
請求項１または２に記載の超硬エンドミルを用いて、スクロール圧縮機のスクロール部材を仕上げ加工することを特徴とするスクロール部材の加工方法。