JP2015044275A

JP2015044275A - ボールエンドミル

Info

Publication number: JP2015044275A
Application number: JP2013177857A
Authority: JP
Inventors: 拓矢久保; Takuya Kubo; 日向野　哲; Satoru Higano; 哲日向野; 正訓高橋; Masakuni Takahashi
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2013-08-29
Filing date: 2013-08-29
Publication date: 2015-03-12
Anticipated expiration: 2033-08-29
Also published as: CN104416207B; JP6098440B2; CN104416207A

Abstract

【課題】比較的大きな切込み量での切削が可能で、工具先端形状がボール形状から外れることなく、削り残しを低減することができるボールエンドミルを提供する。
【解決手段】ボールエンドミル１は、軸線ｘ回りに回転される工具先端部２のボール形状部２１に、先端回転中心部分を避けて円弧状のボール刃５２が形成されるとともに、先端回転中心部分に、十点平均粗さＲｚ≧１０μｍの面粗さを有し、その表面の凹凸により被削材に対し研削的加工を行う球面状の研削実行面６が、ボール刃５２の逃げ面７と段差なくつながって形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、精密金型等をフライス加工するための小径のボールエンドミル及びその製造方法に関する。

プレス金型等の三次元曲面の仕上げ加工用として、ダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）やｃＢＮ焼結体等の硬質材料により形成される小型のボールエンドミルが使用されている。しかし、加工条件によっては、ボールエンドミルにより加工した溝に、等間隔に削り残しによる凸形状が発生するため、高平滑の加工面を得るためには後処理工程が必要となる問題があった。
この削り残しによる凸形状は、ボールエンドミルの送り速度に対し、その回転速度（各速度）が相対的に遅いほど大きくなり、加工溝のアップカット側には殆ど現れずに、ダウンカット側に大きく発生する。また、切刃部の回転速度が小さくなるボールエンドミルの先端中心付近（溝の中心付近）で顕著に現れる。

そこで、このような削り残しによる凸形状を抑制するため、特許文献１では、削り残しの発生し易いボールエンドミルの先端回転中心付近の形状を平らにして、削り残しの発生を低減している。
なお、特許文献２に記載されるように、切れ刃がなく、ボールエンドミルの表面全体に微細な凹凸のみを付与したボールエンドミルであれば、削り残しは発生しない。

特公平８‐２５０８６号公報特開２００８‐４９４２８号公報

しかし、特許文献１に記載のボールエンドミルでは、エンドミルの先端回転中心付近を平らに形成しているため、ボール形状とは異なる。このため、ＮＣ加工プログラミングが難しくなるなど、実用上の問題があった。
また、特許文献２に記載のボールエンドミルは、切れ刃が存在しないため、小さい切込み量で使用する場合、すなわち、切込み量の浅い最終仕上げの用途に限定されていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、比較的大きな切込み量での切削が可能で、工具先端形状がボール形状から外れることなく、削り残しを低減することができるボールエンドミルを提供することを目的とする。

本発明のボールエンドミルは、軸線回りに回転される工具先端部のボール形状部に、先端回転中心部を避けて円弧状のボール刃が形成されるとともに、前記先端回転中心部分に、十点平均粗さＲｚ≧１０μｍの面粗さを有し、その表面の凹凸により被削材に対し研削的加工を行う球面状の研削実行面が、前記ボール刃の逃げ面と段差なくつながって形成されていることを特徴とする。

ボールエンドミルの先端部分に球面状の研削実行面を形成したことにより、溝中心付近の削り残しによる凸形状が無くなり、平滑な加工面を形成することができる。また、ボール刃を有しているので、一般的なボールエンドミルと同様の深い切込み量（ａｐ）で切削することができ、結果的に高効率の仕上げ加工が可能となる。
そして、研削実行面の十点平均粗さＲｚは１０μｍ以上であれば、切屑による研削実行面の目詰まりを防止することができる。なお、十点平均粗さＲｚの上限は設けていないが、十点平均粗さＲｚを大きくすると研削実行面の摩滅が早まるため、最大で数十μｍ程度が限界と考えられる。
また、本発明のボールエンドミルは、前記工具先端部の外周に、前記ボール刃に連続する側刃を有する構成とすることもできる。

本発明のボールエンドミルにおいて、前記研削実行面は、工具先端から軸線方向の高さが前記工具直径Ｄの１０％以下となる範囲に形成されているとよい。
切込み量ａｐが工具直径Ｄの１５％程度以下とされる場合は、研削実行面が形成される高さ範囲を工具直径Ｄの１０％程度とすることで削り残しを抑制する機能を十分に発揮させることができる。

本発明のボールエンドミルにおいて、前記工具直径Ｄが３ｍｍ以下とされるとよい。
本発明のボールエンドミルは、仕上げ加工用の用途で用いることから、工具直径Ｄが３ｍｍ以下のボールエンドミルに好適に用いることができる。一方、工具直径Ｄが３ｍｍを超える場合は、送り速度や切込み量ａｐがより大きい切削条件（中〜荒削り）の用途で用いられることが多く、切屑の排出性を確保するために、すくい面の広い切れ刃（ギャッシュ）を有する形状とする方が有利である。

本発明によれば、ボールエンドミルの先端部分に球面状の研削実行面を形成したことにより、工具先端形状がボール形状から外れることなく、比較的大きな切込み量での切削が可能となるので、削り残しを低減することができる。

本発明に係るボールエンドミルの一実施形態を示すボールエンドミルの工具先端部の斜視図である。ボールエンドミルの概略図である。図１に示すボールエンドミルの工具先端部を説明する図であり、（ａ）が軸線方向から見た図、（ｂ）が側面図である。図１に示すボールエンドミルの工具先端部の各寸法を説明する模式図である。実施例のボールエンドミルを用いた溝加工を説明する図である。従来例のボールエンドミルを用いた溝加工を説明する図である。研削実行面の高さＧｈを０ｍｍとするボールエンドミルを用いた溝加工シミュレーション結果の加工溝の形状を示す。研削実行面の高さＧｈを０．０１ｍｍとするボールエンドミルを用いた溝加工シミュレーション結果の加工溝の形状を示す。研削実行面の高さＧｈを０．０３ｍｍとするボールエンドミルを用いた溝加工シミュレーション結果の加工溝の形状を示す。

以下、本発明に係るボール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。
本実施形態のボールエンドミル１は、図２に示すように、軸線ｘを中心とした概略円柱状に形成されており、切刃部５が形成される工具先端部２に、円柱状のシャンク部が形成された工具基端部３が接合された構成とされている。また、工具先端部２は、ｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体等の硬質材料により形成され、工具基端部３は、超硬合金により形成されている。

また、このボールエンドミル１は、仕上げ加工用の用途で用いられ、工具先端部２の工具直径Ｄが３ｍｍ以下のボールエンドミルに好適に用いられる。なお、工具直径Ｄが３ｍｍを超える場合は、送り速度や切込み量ａｐがより大きい切削条件（中〜荒削り）の用途で用いられることが多く、切屑の排出性を確保するために、すくい面の広い切れ刃（ギャッシュ）を有する形状とする方が有利である。

ボールエンドミル１の工具先端部２には、図１及び図３に示すように、外周に配置される側刃５１と、その工具先端部２の先端側に配置される円弧状のボール刃５２とからなる少なくとも一対の切刃部５が軸線ｘを中心とする点対称に形成され、工具先端部２のボール形状部２１に、ボール刃５２が先端回転中心部分を避けて形成されるとともに、先端回転中心部分に、十点平均粗さＲｚ≧１０μｍの面粗さを有する球面状の研削実行面６が形成されている。研削実行面６は、その表面の凹凸により砥石のような役割を担い、被削材に対し研削的加工を行うものである。また、切刃部５の逃げ面７は、研削実行面６と滑らかに繋がって形成されており、逃げ面７もまた十点平均粗さＲｚ≧１０μｍの面粗さで形成される。
なお、図１及び図３に示すボールエンドミル１の工具先端部２は、一対の切刃部５が軸線ｘを中心とする点対称に３組形成された６枚刃のボールエンドミルを構成するものである。

また、研削実行面６は、図４に示すように、工具先端から軸線ｘ方向の高さＧｈが工具直径Ｄの１０％以下となる範囲に形成されている。
切込み量ａｐが工具直径Ｄの１５％程度以下とされる場合は、研削実行面６が形成される高さ範囲を工具直径Ｄの１０％程度とすることで削り残しを抑制する機能を十分に発揮させることができる。

なお、研削実行面６の高さＧｈは、研削実行面６の十点平均粗さＲｚの値よりも小さく設定されることが望ましい。研削実行面６の十点平均粗さＲｚの値よりも高さＧｈを小さく設定することで、溝加工時の切込み量ａｐを高さＧｈ以上とした場合に、研削実行面６の目詰まり発生確率を減少させることができる。ただし、目詰まりの発生し易さは、他の切削条件や被削材の種類等にも影響を受けるため、必ずしも研削実行面６の十点平均粗さＲｚの値が高さＧｈよりも大きいことが、目詰まりを回避するための条件とされるわけではない。

このように構成されるボールエンドミル１は、工具先端部２を形成する円柱状素材に研削加工、放電加工、レーザ加工等の一般的な加工方法により切刃部５が形状形成される。
また、研削実行面６の微細な凹凸形状は、例えばフェムト秒レーザ等の材料への熱的ダメージを与えず微細加工が可能な装置を用いて形成され、パルスビームの照射により発生する微小なディンプル状の加工痕を無数に付与することで、目標とする十点平均粗さＲｚの値となる表面を形成することができる。特に、ダイヤモンド焼結体は、研削加工（研磨加工）や放電加工により内部のダイヤモンド粒子が集団で脱落しやすいことから、表面に不規則な凹凸形状を形成することができ、研削又は放電加工などで形態形成した面に後処理を加えることなく、そのまま研削実行面として用いることができる。

そして、このように構成されたボールエンドミル１を用いて、図５に示すように、被削材１０に溝加工を施す際には、工具基端部３が工作機械（図示略）の主軸に保持されて軸線ｘ回りに回転される。そして、ボールエンドミル１又は被削材１０を軸線ｘに交差する方向に送り出すことにより、切刃部５及び研削実行面６によって被削材１０に溝１１を形成することができる。

なお、図６に示すように、一般的なボールエンドミル２０による溝加工では、ボールエンドミル２０の送り速度に対し、その回転速度が相対的に遅くなると、溝１１のダウンカット側（溝１１の右側）に削り残しによる凸形状１２が生じる。この削り残しによる凸形状１２は、切刃部５の回転速度が小さくなるボールエンドミル２０の先端中心付近で顕著に表れる。

一方、本実施形態のボールエンドミル１においては、図５に示すように、ボールエンドミル１（工具先端部）の先端部分に球面状の研削実行面６を形成していることから、研削実行面６により被削材１０表面の研削加工が施され、溝中心付近の削り残しが生じることなく、平滑な加工面を形成することができる。
また、ボール刃５２を有しているので、一般的なボールエンドミルと同様の深い切込み量ａｐで切削加工を施すことができる。したがって、削り残しを低減しつつ、このボール刃５２に達する切込み量ａｐを設定することにより、高効率の仕上げ加工が可能となる。

また、研削実行面６は、十点平均粗さＲｚが１０μｍ以上であれば、切屑による切削実行面６の目詰まりを防止することができる。なお、十点平均粗さＲｚの上限は設けていないが、十点平均粗さＲｚを大きくすると研削実行面の摩滅が早まるため、最大で数十μｍ程度が限界と考えられる。

上記において説明した本発明に係るボールエンドミルについて、その効果を確認するためにシミュレーションを行った。
シミュレーションのモデルとして、工具刃径Ｄ（側刃の刃径）を２．０ｍｍとした二枚刃のボールエンドミルを設定した。そして、研削実行面の高さＧｈを、０ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．０３ｍｍと変更した各モデルについて、被削材に溝加工するシミュレーションを行った。また、被削材は、切れ刃の軌跡が転写される、バリやむしれの発生がない理想的材種とした。なお、研削実行面の高さＧｈが０ｍｍのボールエンドミルは、研削実行面を有しない形態であることを示す。
また、切込み量ａｐを０．１ｍｍ、回転数を１００００ｒｐｍ、テーブル送り速度（被削材の送り速度）を４０００ｍｍ／ｍｉnとした。なお、これらの数値は、一般的な切削条件よりも粗削りのものとなっている。

図７〜図９にシミュレーションの結果を示す。これら図７〜図９は、各モデルにより加工された加工溝のダウンカット側の形状を示しており、図７は研削実行面の高さＧｈが０ｍｍ（Ｇｗ＝０ｍｍ）の場合、図８は研削実行面の高さＧｈが０．０１ｍｍ（Ｇｗ＝０．２８ｍｍ）の場合、図９は研削実行面の高さＧｈが０．０３ｍｍ（Ｇｗ＝０．４９ｍｍ）の場合の各モデルのシミュレーション結果を示している。ここで、Ｇｗは、軸線ｘと直交する方向の研削実行面の幅を示す。
そして、これら図７〜図９からわかるように、研削実行面の高さＧｈの値が大きいほど削り残しが減少する傾向にあり、図９に示す研削実行面の高さＧｈを０．０３ｍｍとしたモデルでは、削り残しが消失していることがわかる。

しかし、研削実行面の高さＧｈを高く設定した場合は、研削実行面の目詰まりを抑制するために研削実行面の十点平均粗さＲｚを大きくする必要があり、研削実行面の強度が低下することが問題となる。このような制限があるため、研削実行面の高さＧｈは、研削実行面の十点平均粗さＲｚの値よりも小さく（工具直径Ｄの１〜３％程度）設定することが望ましい。なお、この場合の研削実行面の幅Ｇｗは、工具直径Ｄの１４〜２５％程度とされる。
例えば、工具直径Ｄを３ｍｍ、研削実行面の高さＧｈを工具直径Ｄの１％とした場合、研削実行面の高さＧｈは０．０３ｍｍ程度とされ、その場合、十点平均粗さＲｚは高さＧｈよりも大きい３０μｍ程度以上であれば良い。

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、側刃５１とボール刃５２とからなる切刃部５を有するボールエンドミル１について説明を行ったが、本発明のボールエンドミルの形態は、側刃を有する構成に限定されるものではなく、側刃を有しない形態により構成することも可能である。

１ボールエンドミル
２工具先端部
３工具基端部
５切刃部
６研削実行面
７逃げ面
１０被削材
１１溝
１２凸形状
２０ボールエンドミル
２１ボール形状部
５１側刃
５２ボール刃

Claims

軸線回りに回転される工具先端部のボール形状部に、先端回転中心部分を避けて円弧状のボール刃が形成されるとともに、前記先端回転中心部分に、十点平均粗さＲｚ≧１０μｍの面粗さを有し、その表面の凹凸により被削材に対し研削的加工を行う球面状の研削実行面が、前記ボール刃の逃げ面と段差なくつながって形成されていることを特徴とするボールエンドミル。
前記工具先端部の外周に、前記ボール刃に連続する側刃が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のボールエンドミル。
前記研削実行面は、工具先端から軸線方向の高さが前記工具直径Ｄの１０％以下となる範囲に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のボールエンドミル。
前記工具直径Ｄが３ｍｍ以下とされることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のボールエンドミル。