JP2014108506A

JP2014108506A - エンドミル

Info

Publication number: JP2014108506A
Application number: JP2012265558A
Authority: JP
Inventors: Satoru Higano; 哲日向野; Masakuni Takahashi; 正訓高橋; Takuya Kubo; 拓矢久保
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2032-12-04
Also published as: JP5983364B2

Abstract

【課題】直径２ｍｍ以下の小径の場合でも安定した強度を維持しながら切削でき、切削性の向上と長寿命化を図ることができるエンドミルを提供する。
【解決手段】エンドミル１は、軸線Ｄ回りに回転される直径が２ｍｍ以下の工具先端部２に、その工具先端部２の外周に配置される外周刃１２と、工具先端部２の先端に配置される底刃１３とからなる少なくとも一対の切刃部１１が軸線Ｄを挟んで互いに反対側に形成されてなり、底刃１３の逃げ面１６の軸線Ｄ側に緩やかな凹面で形成されたポケット部１７を有し、ポケット部１７の凹面には、半径方向に対して底刃１３のすくい面１４に向かう方向に傾斜する多数のガイド溝１８が互いに略平行に並んで形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、精密金型等の加工に用いられる小径のエンドミルに関する。

エンドミルは、外周部に形成される外周刃と先端に形成される底刃とからなる切刃部と、シャンク部とを有している。このエンドミルは軸線回りに回転し、その外周刃により軸方向に沿った垂直面の切削加工が行われ、底刃により軸方向と直交する水平面の切削加工が行われる。
この種のエンドミルにおいては、底刃によって被削材を切削する際に生成される切屑が分断されることなく長く成長すると、その長い切屑がエンドミルに巻きついたり、エンドミルと被削材との間に詰まったりすることによって、エンドミルに傷をつけることがある。そこで、底刃で生成される切屑の排出性を向上させるための様々な対策がなされている。
例えば、特許文献１には、エンドミル（切削工具）に、外周刃（第２切刃）を分断する溝（第２溝）が設けられており、底刃（第１切刃）によって被削材を切削する際に出てくる切屑が、第１溝（第１切刃から工具本体の後端部に向かって延びる溝）を通って排出される際に、第２溝の壁に衝突することによって、短片に分断され、あるいは長く成長することが抑制されることが記載されている。また、第１溝に加えて第２溝を通じて切屑を排出することができ、切屑の排出性を向上させることができる。さらに、第２溝によって、エンドミルを冷却するための冷却オイルが第１切刃及び第２切刃に供給され易くなるため、別途のオイル供給用の貫通穴などを設ける必要が無く、エンドミルの冷却性を向上させることができるとされている。

特開２０１１‐９３０３６号公報

特許文献１の切削工具では、切刃に溝形状（第２溝）を設けることにより切屑の排出性を向上させることが記載されているが、一方で、切屑が溝形状に衝突することにより、その溝形状を起点として欠損が生じるおそれがある。
また、近年では、金型の形状の複雑化や小径化に伴って直径２ｍｍ以下の小径のエンドミルの需要の増加が見込まれており、このような小径のエンドミルにおいて、特に切削抵抗の減少と耐欠損性の向上を果たすことが重要となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、直径２ｍｍ以下の小径の場合でも安定した強度を維持しながら切削でき、切削性の向上と長寿命化を図ることができるエンドミルを提供することを目的とする。

本発明のエンドミルは、軸線回りに回転される直径が２ｍｍ以下の工具先端部に、該工具先端部の外周に配置される外周刃と、該工具先端部の先端に配置される底刃とからなる少なくとも一対の切刃部が前記軸線を挟んで互いに反対側に形成されてなり、前記底刃の逃げ面の前記軸線側に緩やかな凹面で形成されたポケット部を有し、該ポケット部の凹面には、半径方向に対して前記底刃のすくい面に向かう方向に傾斜する多数のガイド溝が互いに略平行に並んで形成されていることを特徴とする。

軸線を中心として回転する工具では、底刃の軸線に近い側と外周部に近い側とでは回転速度が異なり、軸線側から外周部側に向かって回転速度が速くなる。本発明のエンドミルにおいては、軸線側に設けられたポケット部により切削油を保持できるとともに、その保持された切削油が、エンドミルの回転に伴いガイド溝に沿って底刃のすくい面に円滑に流れるようになっている。したがって、底刃に切削油を円滑に供給することができ、切屑が工具の後方に流れやすくなるとともに、その切屑が分断されやすくなることから、小径のエンドミルでも安定した切削性の向上と長寿命化を図ることができる。

本発明のエンドミルにおいて、隣接する前記ガイド溝間に、該ガイド溝と交差する方向に延在する多数の微細溝を有し、網目状の微細凹凸が形成されている。
ガイド溝の隣接する方向に延在する微細溝を設けることで、ポケット部の切削油をさらに保持しやすくなり、より安定して底刃に切削油を供給することができる。

また、前記ガイド溝は２μｍ以上１０μｍ以下の間隔で形成され、前記微細溝は０．１μｍ以上１μｍ以下の間隔で形成されるとともに、前記ガイド溝及び前記微細溝は、深さ０．１μｍ以上０．６４μｍ以下に形成されているとよい。
ガイド溝と微細溝を上記のように形成することで、安定して底刃に切削油を供給することができる。さらに、液体潤滑状態を維持して円滑に切削油を保持するためには、切削油の十分な供給がされること、及び切削油との接触面の摩擦が小さくなることが望ましいことから、深さ０．１μｍ以上の溝形状とすることが好ましい。また、深さ０．６４μｍを超える溝形状では、その溝形状を起点として応力が集中し、エンドミルに欠損が生じるおそれがあるため、機械的強度を損なわないために０．６４μｍ以下の深さにすることが好ましい。

本発明によれば、小径の場合であっても切削性を向上しつつ安定した強度を確保して切刃部の消耗や破損を防止しながら切削でき、工具として長寿命化を図ることができる。

本発明に係るエンドミルの一実施形態を示す工具先端部の斜視図である。工具先端部を先端方向から見た正面図である。工具先端部の図１に示すＡ矢視図である。エンドミル全体の概略側面図である。本発明に係るエンドミルの実施例において、ポケット面の凹面を示す拡大画像である。エンドミルの製造方法に使用されるレーザ加工装置を示す全体構成図である。加工レイヤー毎の加工を説明する模式図である。凹面形状の加工を説明する模式図であり、（ａ）が加工前の状態、（ｂ）が加工後の状態を示す。溝の間隔と深さを調整して加工する方法を説明する模式図であり、（ａ）が加工面の傾斜角度を小さくした場合、（ｂ）が加工面の傾斜角度を大きくした場合を示す。レーザビームが照射されて加工された部分の断面形状を示す概念図であり、（ａ）がレーザビーム照射中の状態、（ｂ）がレーザビーム照射後の状態を示す。レーザビームのビーム形状と、その断面方向における強度分布の違いを説明する図である。

以下、本発明に係るエンドミルの一実施形態を図面を参照しながら説明する。
本実施形態のエンドミル１は、図１〜図３に示すように、軸線Ｄ回り（図２に示す矢印Ｔ方向）に回転される工具先端部２に、一対の切刃部１１が二組、軸線Ｄを挟んで互いに反対側に形成された４枚刃のスクエアエンドミルであり、工具先端部２の外径は、２ｍｍ以下の小径に設けられる。
図４に示すように、エンドミル１には円柱状のシャンク部３が設けられ、このシャンク部３の先端部が小径に形成され、その小径の首部４の先端に略円周状のチップ部５が接続された構成とされている。チップ部５は、首部４に接合される超硬合金部６と、その超硬合金部６に接続され、切刃部１１が形成されるｃＢＮ焼結体、焼結ダイヤモンド等の工具先端部２とで構成されている。

切刃部１１は、工具先端部２の外周に配置される外周刃１２と、工具先端部２の先端に配置される底刃１３とにより形成され、これら外周刃１２の先端と底刃１３の外周端とが鋭利な角度で交差している。そして、切刃部１１のそれぞれが、周方向に９０°離間した位置に配置されている。
この場合、外周刃１２は、工具先端部２に周方向に９０°離間して形成されたすくい面１４と外周の逃げ面１５とにより形成され、底刃１３は、すくい面１４と先端の逃げ面１６とにより形成される。

そして、底刃１３の逃げ面１６の軸線Ｄ側には、緩やかな凹面で形成されたポケット部１７が設けられる。このポケット部１７の凹面には、図１及び図２、図５に示すように、半径方向に対して底刃１３及び外周刃１２のすくい面１４に向かう方向に傾斜する多数のガイド溝１８が、互いに略平行に並んで形成されている。また、これら隣接するガイド溝１８間には、ガイド溝１８と交差する方向に延在する多数の微細溝１９が形成されており、これらガイド溝１８及び微細溝１９によって網目状の微細凹凸が形成されている。
具体的には、ガイド溝１８は、２μｍ以上１０μｍ以下の間隔で形成され、微細溝１９は０．１μｍ以上１μｍ以下の間隔で形成されている。また、これらガイド溝１８及び微細溝１９は、深さ０．１μｍ以上０．６４μｍ以下に形成されている。

このように構成されるエンドミル１を製造する場合、レーザ加工により、工具先端部２となる円柱状素材２０の外周側の逃げ面１５を形成した後にすくい面１４を形成して外周刃１２を形成し、次に先端側の逃げ面１６を形成して底刃１３を形成する。最後にポケット部１７を形成して、その凹面にガイド溝１８及び微細溝１９の溝加工を施す。

この製造方法に用いられるレーザ加工装置１００は、図６に示すように、超硬合金からなる円柱状素材２０にレーザビームＬを照射して工具先端部２全体を三次元加工する装置である。このレーザ加工装置１００は、レーザビームＬをパルス発振して円柱状素材２０に一定の繰り返し周波数で照射しながら走査するレーザ光照射機構２２と、円柱状素材２０を保持した状態で回転、旋回及びｘｙｚ軸方向にそれぞれ移動可能な素材保持機構２４と、これらを制御する制御部２５とを備えている。

素材保持機構２４は、被加工物をｘ‐ｙ‐ｚの各方向に並進運動でき、且つ旋回運動、及び自転運動できる機構を有している。具体的には、水平面に平行なｘ方向に移動可能なｘ軸ステージ部３１ｘと、そのｘ軸ステージ部３１ｘ上に設けられｘ方向に対して垂直で水平面に平行なｙ方向に移動可能なｙ軸ステージ部３１ｙと、ｙ軸ステージ部３１ｙ上に設けられ水平面に対して垂直方向に移動可能なｚ軸ステージ部３１ｚと、ｚ軸ステージ部３１ｚ上に設けられた旋回機構３２と、旋回機構３２に固定され、円柱状素材２０を保持可能な回転機構３３とを備える構成とされている。これら各ステージ部３１ｘ〜３１ｚ、旋回機構３２、回転機構３３の各駆動部は、例えばステッピングモータが用いられ、エンコーダにより位相をフィードバックすることができるようになっている。

レーザ光照射機構２２は、ＱスイッチによりレーザビームＬとなるレーザ光をパルス発振するとともにスポット状に集光させる光学系を有するレーザ光源２６と、照射するレーザビームＬを走査させるガルバノスキャナ２７とを備えている。
レーザ光源２６は、１９０ｎｍ〜５５０ｎｍの短波長のレーザ光を照射できる光源を使用することができ、例えば、本実施形態では、波長３５５ｎｍのレーザ光を発振して出射できるものを用いている。また、ガルバノスキャナ２７は、素材保持機構２４の真上に配置されている。

ところで、工具先端部２に使用されるｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ（ｃｕｂｉｃＢｏｒｏｎＮｉｔｒｉｄｅ）の粒子とバインダとの複合材である。約６ｅＶと大きなバンドギャップをもつｃＢＮ粒子とバインダとの間には大きなバンドギャップ差がある。また、ＰＣＤ（ダイヤモンド焼結体）は、ミクロンサイズの合成ダイヤモンドパウダーを高温高圧下で焼結して結合させたもので、ダイヤモンドの微結晶と焼結時に必要な焼結助材の複合材である。主に５．４７ｅＶと大きなバンドギャップをもつダイヤモンドと焼結助材との間にも、大きなバンドギャップ差がある。
このため、多光子吸収により加工する場合であっても、ｓ偏光ではレーザビームを入射すると吸収率の変動を大きくすることで、ｃＢＮ粒子やダイヤモンド微結晶は加工がよりされにくくなり、加工後の微細溝の間隔が安定しなくなる。したがって、ｃＢＮ結晶体やＰＣＤの工具先端部２を加工する際には、特にラジアル偏光のレーザビームを使用することで、本発明の効果を発揮させることができる。

なお、本実施形態では、レーザビームＬの走査を行う際に、図７に示すように、走査プログラム上、複数の加工レイヤー４１を積み重ねて設定することで、各加工レイヤー４１に対してレーザビームＬを垂直に照射し、加工レイヤー４１毎に所定部分を除去して、三次元形状の加工面４２を形成していく。すなわち、レーザビームＬの走査制御において、まず加工対象物のチップ部５をレーザビームＬの照射方向に積層された複数の加工レイヤー４１に分けて設定する。
そして、加工前の形状と設計上の加工後形状とから加工除去する部分を、加工レイヤー４１毎に設定し、加工レイヤー４１毎にレーザビームＬを走査して所定部分を除去することにより、所定の加工面４２を形成し、複雑な形態を形成することができる。

ガイド溝１８及び微細溝１９を形成する方法について詳述する。
工具先端部２の先端部分のポケット部１７を形成するには、図８（ａ）に示すように、前述した複数の加工レイヤー４１を積み重ねて設定し、各加工レイヤー４１に対してレーザビームＬを照射し、加工レイヤー４１毎に所定部分を除去して、図８（ｂ）に示すように凹面形状の加工面４２を形成していく。ここで、１つの加工レイヤー４１毎の加工除去量をビーム強度により調整し、且つ凹面形状の加工面４２を形成する際の角度θを調整することによって、ガイド溝１８及び微細溝１９の間隔と深さを調整することができる。
図９に、図８のＢ線に沿う要部断面図を示す。図９（ａ）に示すように、例えば、凹面形状の加工面４２を形成する際の角度θを小さくして、レーザビームＬの強度調整により１つの加工レイヤー４１当たりの加工除去量を減らすことで、溝深さａを浅く、溝の間隔（溝幅）ｂを狭くすることができる。また、図９（ｂ）に示すように、凹面形状を形成する際の角度θを大きくして、レーザビームＬの強度調整により１つの加工レイヤー４１当たりの加工除去量を増やすことで、溝深さａを深く、溝の間隔ｂを広くすることができる。また、同じレーザビームＬの条件で角度θを大きくした場合には、角度θの変更前と変更後とで加工レイヤー４１毎の加工除去量は変わらないので、走査間隔ｃを狭く設定することにより、溝深さａを変えずに溝の間隔ｂを狭くすることができる。
なお、本発明でいう微細溝１９の間隔は、図９の模式図で示されるように、各溝が隙間なく隣接して配置されていることから、隣接する各溝の最も深い形状位置の傾斜方向の間隔（間隔ｂ）で定義している。

レーザビームＬのビーム断面の光強度分布がガウシアン分布を有しているため、図１０（ａ）に示すように、レーザビームＬの中心ほど強度が強く、レーザビームＬの中心ほど深く加工される。一方、周辺ほど浅く加工される。そして、図１０（ａ）に示すように、ガウシアン分布の強度分布を有するレーザビームＬをガイド溝１８の間隔ｂと一致するように一定の繰り返し周波数で照射しながら走査（図１０（ａ）では手前から奥に向けて走査）することで、図１０（ｂ）に示すようなガイド溝１８が形成される。また、図９（ａ），（ｂ）に示すように、レーザビームＬの走査間隔ｃと加工レイヤー４１当たりの加工深さｄ及び形成する凹面形状の傾斜角度θを調整することによって、ガイド溝１８と微細溝１９とを組み合わせた網目状の微細凹凸を形成することができる。

さらに、ガイド溝１８を形成する際に、レーザビームＬの強度及び繰り返し周波数、走査間隔ｃを調整することによっても、溝深さａの調整が可能である。また、レーザビームＬのビーム形態（楕円率）及び走査方向に角度を設けることで、ガウシアン分布の形状を変えることが可能であり、例えば、ビーム形状を楕円とする光学系（シリンドリカルレンズ等）を図６に示すレーザ加工装置１００のレーザ光源２６とガルバノスキャナ２７の間に設けることで、図１１に示すように、レーザビームＬビーム形状ｓを楕円としてガウシアン分布の形状を変更することが可能である。
このように、走査間隔ｃとレーザ走査方向を組み合わせることにより溝間隔ｂの微調整が可能となる。なお、レーザビームＬの走査方向にガイド溝１８が発生するため、レーザ加工装置１００では、レーザビームＬの走査方向とガイド溝１８の方向が一致するように回転機構３３を回転制御して、加工対象物（円柱状素材２０）の回転軸を調整する。

このようにして製造されたエンドミル１は、底刃１３の逃げ面１６の軸線Ｄ側に設けられたポケット部１７により切削油を保持でき、その保持された切削油が、エンドミル１の回転に伴いガイド溝１８に沿ってすくい面１４に円滑に流れるようになっている。したがって、底刃１３に切削油を円滑に供給することができ、切屑が工具の後方に流れやすくなるとともに、その切屑が分断されやすくなることから、小径のエンドミルでも安定した切削性の向上と長寿命化を図ることができる。
また、ガイド溝１８と交差する方向に延在する多数の微細溝１９を設けることで、ポケット部１７の切削油をさらに保持しやすくなり、より安定して底刃１３に切削油を供給することができるようになっている。

なお、安定して底刃１３に切削油を供給するためには、ガイド溝１８を２μｍ以上１０μｍ以下の間隔で形成し、微細溝１９を０．１μｍ以上１μｍ以下の間隔で形成するとともに、ガイド溝１８及び微細溝１９を、深さ０．１μｍ以上０．６４μｍ以下に形成することが好ましい。また、円滑に切削油を保持するために、上記のように深さ０．１μｍ以上の溝形状とすることが好ましいが、深さ０．６４μｍを超える溝形状では、その溝形状を起点として応力が集中し、エンドミルに欠損が生じるおそれがあるため、深さを０．１μｍ以上０．６４μｍ以下に設定している。

すなわち、エンドミル１の機械的強度を損なわないためには、ガイド溝１８及び微細溝１９の深さを０．６４μｍ以下とすることが好ましいが、これらの溝を形成した加工面と加工対象物とが接触しない良好な潤滑状態（流体潤滑状態）を維持するためには、切削油の十分な供給及び切削油と接触面との摩擦を小さくする必要があり、溝深さをなるべく大きく設定することが望ましい。
また、機械面精度の観点からは、溝を形成した加工面の面粗さを例えばＲａ（算術平均粗さ）≦０．２μｍ、Ｒｚ（最大高さ）≦０．８μｍに設定することが望ましい。そのため、ガイド溝１８及び微細溝１９の深さのばらつきが±２０％と仮定した場合に、設計するガイド溝１８及び微細溝１９の深さは、０．１μｍ以上０．６４μｍ以下の範囲に設定することが好ましい。
また、ガイド溝１８の間隔が４μｍ以上１０μｍ以下の場合には、そのガイド溝１８の深さを０．６４μｍにすることによりＲａ≦０．２μｍ（実測）にすることができ、且つ切削油の摩擦を小さくすることができる。また、ガイド溝１８の間隔が２μｍ以上４μｍ未満の場合には、ガイド溝１８の深さを０．１μｍ以上０．５μｍ以下にすることによってＲａ≦０．２μｍ以下とすることができ、且つ切削油の摩擦を小さくすることができる。

次に、上記本実施形態のエンドミルの製造方法により実際に作製したエンドミルの実施例について、ポケット部１７を拡大した写真画像（１０００倍の拡大画像）を、図５に示す。
この画像からわかるように、本実施例のエンドミルのポケット部１７には、互いに略平行に並んで延材する多数のガイド溝１８と、隣接するガイド溝１８間にそのガイド溝１８と交差する方向に延材する多数の微細溝１９とからなる網目状の微細凹凸が形成されている。そして、ガイド溝１８は約３．３μｍの間隔で形成され、微細溝１９は０．４μｍの間隔で形成されている。なお、このようにポケット部１７に網目状の微細凹凸を有するエンドミルは、従来品の１．２倍〜２倍の寿命を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、本発明をスクエアエンドミルに適用したが、ラジアスエンドミル等の他のエンドミルにも適用することができる。
また、本実施形態では、外周刃１２、底刃１３ともレーザ加工によって形成したが、ポケット部１７の凹面に施したガイド溝１８及び微細溝１９以外の形態はレーザ加工以外の方法によって加工することも可能である。

１エンドミル
２工具先端部
３シャンク部
４首部
５チップ部
１１切刃部
１２外周刃
１３底刃
１４すくい面
１５，１６逃げ面
１７ポケット部
１８ガイド溝
１９微細溝
２０円柱状素材
２２レーザ光照射機構
２４素材保持機構
２５制御部
２６レーザ光源
２７ガルバノスキャナ
３１ｘ〜３１ｚステージ部
３２旋回機構
３３回転機構
４１加工レイヤー
４２加工面
１００レーザ加工装置

Claims

軸線回りに回転される直径が２ｍｍ以下の工具先端部に、該工具先端部の外周に配置される外周刃と、該工具先端部の先端に配置される底刃とからなる少なくとも一対の切刃部が前記軸線を挟んで互いに反対側に形成されてなり、前記底刃の逃げ面の前記軸線側に緩やかな凹面で形成されたポケット部を有し、該ポケット部の凹面には、半径方向に対して前記底刃のすくい面に向かう方向に傾斜する多数のガイド溝が互いに略平行に並んで形成されていることを特徴とするエンドミル。
隣接する前記ガイド溝間に、該ガイド溝と交差する方向に延在する多数の微細溝を有し、網目状の微細凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１記載のエンドミル。
前記ガイド溝は２μｍ以上１０μｍ以下の間隔で形成され、前記微細溝は０．１μｍ以上１μｍ以下の間隔で形成されるとともに、前記ガイド溝及び前記微細溝は、深さ０．１μｍ以上０．６４μｍ以下に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のエンドミル。