JP2013188847A - 超硬合金製切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】工具本体の剛性を確保するとともに構造の簡略化を図りつつ、近年の小型の工作機械にも使用可能な軽量な超硬合金製切削工具を提供する。
【解決手段】軸線Ｏ回りに回転される工具本体１の後端部に軸線Ｏを中心とした外形円柱状のシャンク部２が形成されるとともに工具本体１の先端部には切刃部３が形成された超硬合金よりなる一体型の超硬合金製切削工具であって、工具本体１には、シャンク部２の後端面に開口して先端側に延びる止まり穴状の中空部６が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超硬合金よりなる一体型の工具本体を備えた超硬合金製切削工具に関するものである。

従来、エンドミルのような軸線回りに回転される切削工具（転削工具）については、その切刃部の外径が大径のものについては、鋼製の工具本体に超硬合金よりなる切削インサートが着脱可能に取り付けられた刃先交換式のものが多く、また中径のものについては切刃片をロウ付けによって接合したロウ付けタイプのものがあり、そして切刃部の外径が小径のものではシャンク部から切刃部に亙って工具本体全体が超硬合金により形成された一体型のソリッドタイプのものが多い。

このうち、ソリッドタイプの超硬合金製切削工具は、剛性が高くて被削材の縦壁を形成するときの加工精度が良好であり、また切刃エッジをシャープに形成することができるため切れ味が鋭くて切削抵抗が小さいという特長を有している。さらに、切刃部がシャンク部と一体となっていて、通常は切刃が連続していることから、仕上げ面精度が高いという特長もある。

また、例えば特許文献１に記載されているように、シャンク部と切刃部とが分割されていて、ネジ止めにより一体化されたものも提案されている。このような切削工具では、切刃部を超硬合金製とするとともにシャンク部は鋼製とすることにより、ソリッドタイプの超硬合金製切削工具と同等の切削性能を確保しながら、低コスト化を図ることが可能となる。

特開平７−１６４２３４号公報

ところが、工具本体全体が超硬合金により一体に形成されたソリッドタイプの切削工具では、超硬合金の比重が鉄の約２倍であることから重たく、シャンク部を把持して切削加工を行う工作機械に負担をかけることが問題となっていた。特に、近年は、従来に比べて小型の工作機械が増えてきており、チャック部を含む工具の総質量に制限がある小型機も多くなってきていて、例えばＢＴ３０タイプの小型工作機械では、チャック部と工具本体との総質量が３ｋｇ以下という制限も珍しくはなくなってきている。

この点、特許文献１に記載の切削工具のように超硬合金製の切刃部をシャンク部とは別体としてネジ止めした切削工具では、シャンク部を比重の小さい鋼製することによって軽量化を図ることができる。しかしながら、そのような切削工具では、超硬合金製の切刃部にネジを切ることが難しいとともにネジ部に欠けを生じ易く、切削中に突発的に欠損を生じるおそれがある。また、ネジ止め以外の手段で切刃部とシャンク部を連結するには、連結機構が複雑となることが避けられず、さらにシャンク部が鋼製であって切刃部とは一体でないために、工具全体の剛性を確保することも困難となる。

本発明は、このような背景の下になされたもので、工具本体の剛性を確保するとともに構造の簡略化を図りつつ、近年の小型の工作機械にも使用可能な軽量な超硬合金製切削工具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、本発明は、軸線回りに回転される工具本体の後端部に上記軸線を中心とした外形円柱状のシャンク部が形成されるとともに上記工具本体の先端部には切刃部が形成された超硬合金よりなる一体型の超硬合金製切削工具であって、上記工具本体には、上記シャンク部の後端面に開口して先端側に延びる止まり穴状の中空部が形成されていることを特徴とする。

従って、このような超硬合金製切削工具では、工具本体の後端部のシャンク部から先端部の切刃部までが超硬合金よって一体に形成されているので、ソリッドタイプの切削工具の特長を損なうことなく、工具本体に高い剛性を確保することができるとともに、良好な加工精度を得ることができる。また、切刃に鋭い切れ味を与えて切削抵抗の低減を図ることもできる。

そして、このように一体形成された工具本体には、シャンク部の後端面に開口して先端側に延びる止まり穴状の中空部が形成されているので、欠け易いネジ部や連結機構等の複雑な構造を必要としなくても、工具本体の軽量化を図ることができる。また、切削加工時にこの中空部にクーラントを供給すれば工具本体の冷却を図ることができ、さらにこうして中空部が形成された分、高価な超硬合金材料を削減することができるので、工具コストを低減することもできる。

ただし、シャンク部の外径が小さい切削工具では、あまり大きな中空部を形成することができずに十分な軽量化を図ることができなくなったり、中空部を形成すること自体が不可能であったり、元々軽量であるために中空部を形成する必要がなかったりもする。このため、本発明は、シャンク部の外径が１２ｍｍ以上の切削工具に適用するのが望ましく、その場合でも、シャンク部の剛性を確実に確保しつつ十分な軽量化を図るには、中空部の内周面とシャンク部の外周面との間の工具本体の肉厚は、シャンク部の外径の１５％以上３０％以下とされるのが望ましい。

一方、止まり穴状とされた中空部の深さは、浅ければやはり十分な軽量化を図ることができなくなる一方、深すぎても工具本体の剛性低下を招くおそれがある。このため、中空部の軸線方向の深さは、工具本体の軸線方向の全長の６０％以上８０％以下であることが望ましい。

なお、望ましくはこのような深さであれば、中空部は、軸線方向において切刃部に達していてもよく、この場合に上述のように中空部にクーラントを供給すれば、切刃部の冷却をも図ることができる。また、切刃部の外径がシャンク部より小さくて、シャンク部と切刃部との間に、外径が軸線方向先端側に向かうに従い漸次縮径する首部が形成されている場合には、止まり穴状の中空部の穴底が軸線方向においてこの首部に位置して、小径の切刃部まで中空部が達しないようにしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、複雑な構造を要することなく、ソリッドタイプの超硬合金製切削工具の高い切削性能や剛性を確保したまま工具本体の軽量化を図ることができ、近年多用されつつある小型の工作機械の工具質量制限にも十分に対応することが可能となる。

本発明の第１の実施形態を示す（ａ）側面図、（ｂ）断面図である。 本発明の第２の実施形態を示す（ａ）側面図、（ｂ）断面図である。 本発明の第３の実施形態を示す（ａ）側面図、（ｂ）断面図である。 本発明の第４の実施形態を示す（ａ）側面図、（ｂ）断面図である。 本発明の第５の実施形態を示す（ａ）側面図、（ｂ）断面図である。 本発明の第６の実施形態を示す（ａ）側面図、（ｂ）断面図である。

図１ないし図６は、それぞれ本発明の第１ないし第６の実施形態を示すものである。これらの実施形態では共通して、工具本体１は超硬合金により一体に形成されて外形が軸線Ｏを中心とした略円柱軸状をなし、その後端部（各図において右側部分）は外形円柱状のままのシャンク部２とされるとともに、先端部（各図において左側部分）は切刃部３とされ、この切刃部３には周方向に間隔をあけて複数の切刃４が形成されている。なお、シャンク部２の後端面と外周面との交差稜線部は面取りされている。

ここで、図１および図２に示す第１および第２の実施形態は、本発明をスクエアエンドミルに適用した場合を示すものであって、切刃４は、軸線Ｏ回りの回転軌跡が該軸線Ｏを中心とした円筒面状をなす外周刃４ａと、この外周刃４ａの先端から工具本体１の内周側に向けて、軸線Ｏに直交する平面に沿って延び、またはこれよりも僅かに内周側に向かうに従い工具本体１の後端側に向けて延びる底刃４ｂとから構成されている。なお、外周刃４ａは軸線Ｏ回りに捩れた螺旋状をなすように形成されている。

また、図３および図４に示す第３および第４の実施形態は、本発明をボールエンドミルに適用した場合を示すものであって、切刃４は、スクエアエンドミルと同様の外周刃４ａと、この外周刃４ａの先端に連なり、軸線Ｏ回りの回転軌跡が該軸線Ｏ上に中心を有する凸半球状をなす底刃４ｂとから構成されている。

さらに、図５および図６に示す第５および第６の実施形態は、本発明をラジアスエンドミルに適用した場合を示すものであって、切刃４は、やはりスクエアエンドミルと同様の外周刃４ａと、この外周刃４ａの先端に連なり、略１／４円弧状をなして先端内周側に延びるコーナ刃４ｃと、このコーナ刃４ｃの内周に連なってスクエアエンドミルと同様に延びる底刃４ｂとから構成されている。

さらにまた、図１、図３、および図５にそれぞれ示すのはストレートタイプのエンドミルであって、シャンク部２の先端に直接切刃部３が形成されており、切刃部３の外径（外周刃４ａの直径）はシャンク部２の外径と略等しくされている。これに対して、図２、図４、および図６にそれぞれ示すのは段付きタイプのエンドミルであって、切刃部３の外径がシャンク部２の外径よりも小さくされており、これらシャンク部２と切刃部３との間には、外径が軸線Ｏ方向先端側に向かうに従い漸次縮径する円錐台状の首部５が一体に形成されている。

そして、これら第１ないし第６の実施形態では、工具本体１に、シャンク部２の後端面に開口して先端側に延びる止まり穴状の中空部６が形成されている。この中空部６は、軸線Ｏに直交する断面が該軸線Ｏを中心とした円形をなし、その内径は軸線Ｏ方向に亙って一定とされている。また、中空部６は止まり穴状であるので、工具本体１の先端側に貫通することはなく、さらに枝穴などが分岐して工具本体１先端側に開口するようなこともない。

ここで、図１、図３、および図５に示すストレートタイプのエンドミルでは、各図（ｂ）に示すように中空部６はシャンク部２から切刃部３に達するように形成されている。これに対して、図２、図４、および図６に示す段付きタイプのエンドミルでは、同じく各図（ｂ）に示すように中空部６は切刃部３には達しておらず、シャンク部２から首部５の途中に止まり穴状の中空部６の穴底が位置するようにされている。

ただし、いずれの場合であっても、中空部６の上記軸線Ｏ方向の深さは、工具本体１の軸線Ｏ方向の全長の６０％以上８０％以下であるのが望ましい。また、シャンク部２の外径は１２ｍｍ以上とされるのが望ましく、さらに上記中空部６の内周面とシャンク部２の外周面との間の工具本体１の肉厚は、シャンク部２の外径の１５％以上３０％以下とされるのが望ましい。

このような超硬合金製切削工具（エンドミル）を製造するには、切刃部３も含めた工具本体１の外形を上述のように形成してから放電加工等によって中空部６を形成することも可能であるが、コスト高となってしまうので、例えば切刃部３を形成する前の超硬合金素材に予め中空部６が形成されるように、この超硬合金素材に焼結される超硬合金原料粉末を圧粉体にプレス成形する金型に、焼結時の超硬合金の収縮などを考慮した寸法のピンを、上記中空部６が形成される位置に合わせて配置しておけばよい。

こうしてプレス成形される圧粉体およびこれを焼結した超硬合金素材は、図１、図３、および図５に示すストレートタイプのものは、外形円柱状の本体のシャンク部２側の一端面から反対の他端面に向けて止まり穴状の中空部６が形成されたものとなる。また、図２、図４、および図６に示す段付きタイプのものは、外形が大径円柱状のシャンク部２側と小径円柱状の切刃部３側との間に切刃部３側に向けて漸次縮径する円錐台状の首部５部分が形成されたものに、この首部５までの深さの中空部６が形成されたものとなるので、これらに切刃４を研ぎ付けて切刃部３を形成すればよい。

従って、上記構成の超硬合金製切削工具においては、工具本体１全体が比重の大きい超硬合金によって一体に形成されていても、中空部６が形成されていることにより軽量化を図ることができる。このため、欠け易いネジ部を超硬合金部分に形成したり、複雑な連結機構等を設けたりすることなく、近年多用されつつある小型の工作機械にも取り付け可能として円滑な切削加工を行うことができる。

ここで、表１は、図１に示したようなストレートタイプのスクエアエンドミルを種々の寸法で製造する際の、超硬合金素材の外形寸法（直径×軸線方向の全長）、中空部６を形成しなかった場合の稠密な超硬合金素材の質量、およびこの稠密な超硬合金素材に切刃部３を形成した完成品の稠密な工具本体の質量を示すものであり、表２および表３は、上記と同じ寸法の超硬合金素材に中空部６を形成した場合の中空部の寸法（内径×深さ）、超硬合金素材の質量、この超硬合金素材の稠密な超硬合金素材に対する質量減少率、この超硬合金素材に稠密な工具本体と同じ切刃部３を形成した完成品の工具本体１の質量、およびこの工具本体１の稠密な工具本体の質量に対する質量減少率を示すものである。

ただし、表２は、中空部６の内周面とシャンク部２の外周面との間の工具本体１の肉厚がシャンク部２の外径の１５％となるように、中空部６の内径をシャンク部２の外径の７０％とするとともに、中空部６の軸線Ｏ方向の深さが工具本体１の軸線Ｏ方向の全長の８０％となるようにして、中空部６の容積が上述した範囲内で最大となるようにしたものである。

また、表３は、これとは逆に、中空部６の内周面とシャンク部２の外周面との間の工具本体１の肉厚がシャンク部２の外径の３０％となるように、中空部６の内径をシャンク部２の外径の４０％とするとともに、中空部６の軸線Ｏ方向の深さが工具本体１の軸線Ｏ方向の全長の６０％となるようにして、中空部６の容積が上述した範囲内で最小となるようにしたものである。

これら表１ないし表３の結果より、中空部６の容積を最大としたものでは、いずれの場合でも完成品の工具本体１において稠密なエンドミル本体に対し４２．６％もの軽量化が図られていることが分かる。また、中空部６の容積を最小としたものでも、完成品の工具本体１において稠密な工具本体に対し１０．４％の軽量化を図ることができる。

例えば、上述したＢＴ３０タイプの小型工作機械では、チャック部の質量が概ね０．９ｋｇ〜１．６ｋｇの範囲であるので、最も重い１．６ｋｇのチャック部の場合に工具本体との総質量が３ｋｇ以下の制限であると、中空部６を設けていない稠密なエンドミルでは、直径２５ｍｍ×全長１８０ｍｍのエンドミル（質量１２１９．３ｇ）までしか取り付けることができないのに対し、中空部６の容積を最大としたものでは一回り大きな直径３２ｍｍ×全長２００ｍｍのエンドミル（質量１２７３．９ｇ）まで取り付けることが可能となる。

また、最も軽量な０．９ｋｇのチャック部の場合も、総質量３ｋｇ以下の制限のときに中空部６を設けていない稠密なエンドミルでは、同じく直径２５ｍｍ×全長１８０ｍｍのエンドミル（質量１２１９．３ｇ）までしか取り付けることができないのに対し、中空部６を設けたエンドミルでは、この中空部６の容積が最小のものでも、一回り大きな直径３２ｍｍ×全長２００ｍｍのエンドミル（質量１９８８．１ｇ）まで取り付けることが可能となる。

さらに、このように軽量化を図ることができる一方で、上記構成の超硬合金製切削工具においては、工具本体１全体が超硬合金製で一体形成されているので、従来のソリッドタイプの切削工具と同様に、切刃４の切れ味を鋭くして切削抵抗の低減を図るとともに、高い加工精度を得ることができる。また、中空部６が形成されたシャンク部２においても高い剛性を確保することができ、被削材に縦壁を形成するときでも良好な加工精度を得ることができる。

また、切削加工時に工作機械の主軸からエア等のクーラントを供給してチャック部などから排出するように循環させれば、工具本体１の冷却を促すことができる。特に、中空部６が切刃部３に達している第１、第３、第５の実施形態では切刃４の冷却効果も期待できる。さらに、上述のようにプレス金型にピンを設けて中空部６を形成する場合には、プレス成形する超硬合金の原料粉末を減らすことができるので、工具コストの削減を図ることができて経済的でもある。

なお、シャンク部２の外径が小さい切削工具では、内径の大きな中空部６を形成すると中空部６の内周面とシャンク部２の外周面との間の工具本体１の肉厚を十分に確保することができなくなって、シャンク部２の剛性が損なわれるおそれがあり、場合によっては中空部６自体を形成することができなくなる。また、このようにシャンク部２の外径が小さい切削工具は元々軽量であって軽量化の必要がないので、上記各実施形態のようにシャンク部２の外径が１２ｍｍ以上の切削工具に中空部６を形成するのが望ましい。

また、シャンク部２の外径が１２ｍｍ以上の切削工具であっても、上述のように中空部６の内周面とシャンク部２の外周面との間の工具本体１の肉厚を十分に確保しつつ、工具本体１の確実な軽量化を図るには、やはり上記各実施形態のようにこの肉厚がシャンク部２の外径の１５％以上３０％以下とされるのが望ましい。

さらに、止まり穴状とされた中空部６の深さも、浅すぎると十分な軽量化を図ることができなくなる一方、深すぎて切刃部３先端の底刃４ｂとの間の肉厚が小さくなると、この切刃部３において工具本体１の剛性低下を招くおそれがある。また、第２、第４、第６の実施形態のように切刃部３がシャンク部２よりも小径とされた切削工具では、切刃部３の外径が中空部６の内径よりも小さいと中空部６を深くすることはできないので、この中空部６の軸線Ｏ方向の深さは、やはり上記各実施形態のように工具本体１の軸線Ｏ方向の全長の６０％以上８０％以下であることが望ましい。

なお、上記各実施形態では、中空部６を軸線Ｏ方向に亙って一定内径の断面円形の止まり穴としたが、工具本体１の先端側に向かうに従い内径が漸次縮径するテーパ穴や、内径が段階的に小さくなる段付き穴でもよく、中空部６の断面も円形に限定されることはない。また、上記各実施形態では、本発明をソリッドタイプの各種エンドミルに適用した場合について説明したが、本発明は例えばドリルやリーマのようなエンドミル以外の超硬合金製切削工具に適用することも可能である。

１ 工具本体
２ シャンク部
３ 切刃部
４ 切刃
５ 首部
６ 中空部
Ｏ 工具本体１の軸線

Claims (5)

1. 軸線回りに回転される工具本体の後端部に上記軸線を中心とした外形円柱状のシャンク部が形成されるとともに上記工具本体の先端部には切刃部が形成された超硬合金よりなる一体型の超硬合金製切削工具であって、上記工具本体には、上記シャンク部の後端面に開口して先端側に延びる止まり穴状の中空部が形成されていることを特徴とする超硬合金製切削工具。
2. 上記シャンク部の外径が１２ｍｍ以上であるとともに、上記中空部の内周面と上記シャンク部の外周面との間の上記工具本体の肉厚が上記シャンク部の外径の１５％以上３０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の超硬合金製切削工具。
3. 上記中空部の上記軸線方向の深さは、上記工具本体の上記軸線方向の全長の６０％以上８０％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超硬合金製切削工具。
4. 上記中空部は、上記軸線方向において上記切刃部に達していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の超硬合金製切削工具。
5. 上記シャンク部と上記切刃部との間には、外径が上記軸線方向先端側に向かうに従い漸次縮径する首部が形成されており、止まり穴状の上記中空部の穴底は上記軸線方向において上記首部に位置していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の超硬合金製切削工具。

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