JP2016022572A - Cutting tool, and machining method and machining device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、切刃に耐摩耗処理が施された手動工具、切削工具、穿孔工具等の切断工具並びにそれを用いた機械加工方法及び機械加工装置に関する。 The present invention relates to a cutting tool such as a manual tool, a cutting tool, and a drilling tool in which wear resistance is applied to a cutting blade, and a machining method and a machining apparatus using the cutting tool.
エンドミル等の切削工具を用いて炭素繊維強化樹脂複合材(以下「CFRP」(Carbon Fiber Reinforced Plastic)という。)を加工する場合、デラミネーション(層間剥離)、繊維のほつれ、バリの発生等が問題となる。こうした問題は、CFRPに含まれる炭素繊維が非常に硬いため、工具の刃先摩耗が進むことにより生じた結果である。こうした刃先の摩耗対策としては、例えば、特許文献1には、ドリル本体の主逃げ面及びマージン部を除く他の表面の少なくとも溝面における掬い面に硬質被覆層を設けた点が記載されている。また、特許文献2では、切刃部のすくい面に切刃部の母材より耐摩耗性の高い材料の被覆が施された切削工具が記載されており、被削材の切削中に、被覆の切刃部の切刃先端の縁部が被削材との摩擦によって摩耗することで脱落するとともに逃げ面及びマージンの母材が被削材との摩擦によって摩耗することにより、切刃最大径部が軸方向へ後退して、切刃最大径部及びその付近の切刃先端が滑らかに連続するように保持され、切刃先端の摩耗に伴う切削性能の低下が抑えられる点が記載されている。
When processing carbon fiber reinforced resin composites (hereinafter referred to as “CFRP” (Carbon Fiber Reinforced Plastic)) using cutting tools such as end mills, there are problems such as delamination, fiber fraying, and burr formation. It becomes. Such a problem is a result of advanced wear of the cutting edge of the tool because the carbon fiber contained in CFRP is very hard. As a countermeasure against such wear of the cutting edge, for example,
繊維強化複合材料のうちCFRPは、軽量でありながら高い強度と剛性を備えており、航空機の構造材等に多用されている。航空機の構造材に用いられるCFRPは、品質に関する要求が厳しく、例えば、他部材との合わせ面等において突出するバリが生じておらず、CFRPの加工面で層間剥離が生じていないことが求められる。 Among fiber reinforced composite materials, CFRP is lightweight and has high strength and rigidity, and is frequently used for aircraft structural materials. CFRP used for aircraft structural materials has strict requirements regarding quality. For example, there is no burr protruding on the mating surface with other members, and no delamination occurs on the processed surface of CFRP. .
図7は、従来の切削工具を用いてCFRPからなる被削材に対して切削加工を行う場合の説明図である。切削工具は、刃先200全体にダイヤモンド等の硬質被覆層201を形成して耐摩耗性を高めている。図7では、切削工具の中心軸と直交する方向の断面を示しており、切削加工が行われる刃先200を一部拡大して示している。図7(a)に示すように、刃先200全体が逃げ面及びすくい面も含めて硬質被覆層201で均一に覆われている。そして、切刃先端202についても硬質被覆層201に覆われているため、切刃先端202は全体的に均一な硬さとなっている。切削加工を繰り返し行うことで切刃先端202は摩耗していくことになるが、全体が均一な硬さに形成されているため、摩耗が全体的に均一に進行するようになり、切刃先端202は全体的に丸みを帯びるようになる。こうした摩耗による形状変化により、切刃先端202の切削性能が低下し、バリや切残し、層間剥離などが生じるようになる。
FIG. 7 is an explanatory diagram when cutting is performed on a workpiece made of CFRP using a conventional cutting tool. In the cutting tool, a
上記の特許文献1及び2に記載された技術では、逃げ面側を摩耗しやすくさせることで刃先のシャープエッジを保つようにしている。しかし、逃げ面側は、被削材との摩擦摩耗が発生しにくいため、実用面では、十分な効果が得られないおそれがある。
In the techniques described in
本発明は、こうした従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、耐摩耗性に優れるとともに、切刃先端の摩耗に伴う切断性能の低下を抑えることができる切断工具を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems in the prior art, and an object thereof is to provide a cutting tool that has excellent wear resistance and can suppress a decrease in cutting performance due to wear of the cutting edge tip. And
本発明に係る切断工具は、周囲に切刃が形成されて切刃部を備えている切断工具において、前記切刃は、切刃先端から逃げ面側が母材よりも硬い耐摩耗性被膜により覆われているとともに切刃先端からすくい面側では母材が露出しており、切断加工により前記切刃のすくい面側が逃げ面側よりも摩耗が進むことで前記切刃の刃先角及び/又は切刃角が小さくなるように設定されている。さらに、前記耐摩耗性被膜は、前記母材よりも硬い材料からなる。さらに、前記耐摩耗性被膜は、前記母材表面を熱処理して形成されている。 The cutting tool according to the present invention is a cutting tool in which a cutting blade is formed around and provided with a cutting blade portion, and the cutting blade is covered with a wear-resistant coating whose flank side is harder than the base material from the cutting blade tip. In addition, the base material is exposed on the rake face side from the tip of the cutting edge, and the cutting edge of the cutting edge and / or the cutting edge of the cutting edge is worn more than the flank face by cutting. The blade angle is set to be small. Further, the wear resistant coating is made of a material harder than the base material. Further, the wear resistant coating is formed by heat-treating the base material surface.
本発明に係る機械加工方法は、上記の切断工具を用いて被加工材を切断する切断加工方法であって、前記被加工材の切断に伴い前記切断工具の前記切刃のすくい面側が逃げ面側に比べて摩耗が進むことで前記切刃のすくい角を小さくしながら切断動作を行う。 The machining method according to the present invention is a cutting method for cutting a workpiece using the cutting tool described above, and the rake face side of the cutting blade of the cutting tool is a flank as the workpiece is cut. The cutting operation is performed while the rake angle of the cutting edge is reduced by the progress of wear compared to the side.
本発明に係る機械加工装置は、上記の切断工具を保持するとともに前記切断工具の回転中心軸を中心に回転駆動する駆動手段と、繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材を支持する支持手段と、前記切断工具を前記被加工材に対して切断加工を行うように前記駆動手段及び/又は前記支持手段を相対的に移動させる移動手段とを備えている。 The machining apparatus according to the present invention holds the above-described cutting tool and supports a workpiece that includes at least a part of a fiber reinforced composite material, and a driving unit that rotates around the rotation center axis of the cutting tool. Support means and moving means for relatively moving the drive means and / or the support means so as to cut the cutting tool with respect to the workpiece.
本発明によれば、切刃の逃げ面側において母材よりも硬い耐摩耗性被膜を切刃先端まで形成することにより優れた耐摩耗性を備えているとともに、切刃のすくい面側には母材が露出しているので、切断加工の際には、耐摩耗性被膜が形成された逃げ面側に比べてすくい面側の摩耗が進むようになる。そのため、切刃は、すくい角が小さくなって刃先角が小さくなり、シャープエッジが維持されるようになる。そして、刃先角が小さくなることで切刃角が小さくなって、切断性能が向上するとともに切断抵抗が低減される。そして、切刃先端の摩耗に伴う切断性能の低下を抑えることができるようになり、長期に亘り切断性能が持続することができる。 According to the present invention, it has excellent wear resistance by forming a wear-resistant coating harder than the base material on the flank side of the cutting edge up to the tip of the cutting edge, and on the rake face side of the cutting edge. Since the base material is exposed, during cutting, wear on the rake face side proceeds as compared with the flank face on which the wear-resistant coating is formed. For this reason, the cutting edge has a small rake angle, a small cutting edge angle, and maintains a sharp edge. The cutting edge angle is reduced by reducing the cutting edge angle, so that cutting performance is improved and cutting resistance is reduced. And the fall of the cutting performance accompanying abrasion of a cutting-blade front end can be suppressed now, and cutting performance can be maintained over a long period of time.
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail. The embodiments described below are preferable specific examples for carrying out the present invention, and thus various technical limitations are made. However, the present invention is particularly limited in the following description. Unless otherwise specified, the present invention is not limited to these forms.
図1は、本発明に係る切断工具の一実施形態であるエンドミルに関する正面図である。本実施形態のエンドミルは、切刃部1とシャンク部2とを有する。切刃部1の周囲には、ねじれ角δの角度で螺旋状に形成された一対の切刃3及び切刃3の間に螺旋状に形成された一対の切屑排出溝4を備えている。
FIG. 1 is a front view of an end mill which is an embodiment of a cutting tool according to the present invention. The end mill of this embodiment has a
図2は、図1においてエンドミルの回転中心軸Oと直交するA−A線矢視の断面図であり、図3は、図2に示す断面図の刃先を拡大した一部拡大図である。切刃部1には、一対の切刃3が回転中心軸Oに対して対称となるように設けられている。切刃3には、切屑排出溝4側にすくい面5が形成されており、外周側に切刃二番逃げ面6及び切刃三番逃げ面7が形成されている。そして、逃げ面6及び7には切刃先端9まで耐摩耗性被膜8で被覆されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1 and orthogonal to the rotation center axis O of the end mill, and FIG. 3 is a partially enlarged view of the cutting edge of the cross-sectional view shown in FIG. The
図3に示すように、すくい角αは、すくい面5と切刃二番逃げ面6とが交差する切刃先端9から0.1mm〜0.2mmだけすくい面に沿って回転中心軸O側へプロットされる点群で形成され平均化された直線と、切刃先端9及び回転中心軸Oを結ぶ基準となる直線Tとの間の角度である。そして、すくい角度αは、基準となる直線Tに対して反時計回りを正の角度とすると、−5°〜45°の範囲に設定される。また、逃げ角βは、すくい面5と切刃二番逃げ面6とが交差する切刃先端9から0.1mm〜0.2mmだけ切刃二番逃げ面6に沿って外周側へプロットされる点群で形成され平均化された直線と、切刃先端9及び回転中心軸Oを結ぶ直線Tと直交する直線Sとの間の角度である。そして、逃げ角βは、直交する直線Sに対して時計回りを正の角度とすると、0°〜45°の範囲に設定される。
As shown in FIG. 3, the rake angle α is the rotation center axis O side along the rake face by 0.1 mm to 0.2 mm from the
また、刃先角γは、すくい面5と切刃二番逃げ面6との間の角度で、切刃先端9のシャープエッジの程度を示しており、以下の算出式により求められる。γ=90−(α+β)また、切刃角θは、直線Sと刃先角γの2等分線Uとの間の角度で、直線Sに対して時計回りを正の角度とする。切刃角θは、刃先の切削加工時のせん断力と密接に関連しており、切刃角θが小さくなると、せん断力が大きくなる。
Further, the blade edge angle γ is an angle between the
切刃二番逃げ面6の切削方向後方に連続して切刃三番逃げ面7が形成されており、切刃三番逃げ面7と切刃二番逃げ面6との間の内角は180°より小さい角度に設定されている。
A third
エンドミルの母材としては、耐摩耗性、耐熱性、耐欠損性、耐塑性変形性、化学的安定性、熱伝導性といった特性を有する材料が望ましく、例えば、高速度工具鋼、超硬合金、サーメット、セラミックスといった公知の材料が挙げられる。また、逃げ面6及び7に被覆された耐摩耗性被膜8は、母材よりも硬い材料が用いられており、例えば、ダイヤモンド(単結晶、焼結)、DLC等の硬質カーボン、チタン系硬質膜(TiC、TiAlN、TiN)といった材料が挙げられる。
As the base material of the end mill, a material having characteristics such as wear resistance, heat resistance, fracture resistance, plastic deformation resistance, chemical stability, and thermal conductivity is desirable. For example, high-speed tool steel, cemented carbide, Known materials such as cermet and ceramics can be used. The wear-
材料の硬さについては、例えば、材料のビッカース硬さ(HV)を測定することで、定量的に比較することができ、母材のビッカース硬さよりも硬い材料を選択すればよい。例えば、母材が超硬合金材料の場合には、耐摩耗性被膜として焼結ダイヤモンドを用いることができる。また、母材が高速度工具鋼の場合には、耐摩耗性被膜としてチタン系硬質膜(TiAlN)を用いることができる。 The hardness of the material can be compared quantitatively, for example, by measuring the Vickers hardness (HV) of the material, and a material harder than the Vickers hardness of the base material may be selected. For example, when the base material is a cemented carbide material, sintered diamond can be used as the wear-resistant coating. When the base material is high-speed tool steel, a titanium-based hard film (TiAlN) can be used as the wear-resistant film.
耐摩耗性被膜8は、切削性能に影響を与えない程度の厚さに設定することが望ましく、具体的には5μm〜50μmが好ましい。そして、すくい面5側には、耐摩耗性被膜は形成されておらず、母材が露出した状態となっている。
The abrasion-
耐摩耗性被膜8の形成方法としては、母材を加工して切刃部1を形成した後、すくい面5を含めた切刃3全体にCVD(Chemical Vapor Deposition)法等によりダイヤモンド等の硬質材料の被覆を施す。その後、すくい面5に形成された被膜を研削により除去して母材を露出させることで、逃げ面6及び7側のみに耐摩耗性被膜8を形成した状態に仕上げる。こうした方法以外にも、切刃部1の形成後にすくい面5を耐熱コーティング剤でマスキングし、切刃3全体にダイヤモンド等の硬質材料で被覆を施した後、すくい面5に形成された被膜を研削により除去して母材を露出させることで、逃げ面6及び7側のみに耐摩耗性被膜8を形成することもできる。
As a method for forming the wear-
耐摩耗性被膜8は、母材表面を熱処理して形成することもできる。例えば、母材表面を、高周波焼入れ、炎焼入れ、レーザ焼入れ等の熱処理を行うことで、母材表面の金属組織を変化させて硬度を高めた被膜を形成することができる。例えば、炭素鋼では、母材であるフェライトの金属組織を熱処理により表面処理してマルテンサイト又はオー
ステナイトの金属組織に変化させて硬度を高めた被膜を形成することができる。
The abrasion
本実施形態のエンドミルを使用した際の作用につき説明する。図4は、エンドミルを用いてCFRPからなる被削材30に対して切削加工を行う場合の説明図である。図4では、エンドミルの回転中心軸と直交する方向の断面を模式的に示しており、切削加工が行われる切刃3の部分を一部拡大して示している。図4(a)に示すように、エンドミルは、切刃3の逃げ面6及び7側において母材よりも硬い耐摩耗性被膜8が切刃先端9まで形成されており、切刃3のすくい面5側には耐摩耗性被膜8が形成されておらず母材が露出している。
The operation when the end mill of this embodiment is used will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram when cutting is performed on the
CFRPからなる被削材30に対してエンドミルによる切削加工を繰り返し行っていくうちに、切刃3の摩耗が進むようになるが、図4(b)に示すように、母材が露出したすくい面5の方が耐摩耗性被膜8で被覆された逃げ面6及び7側よりも摩耗量が大きくなる。そのため、すくい面5ではすくい角αが大きくなるように摩耗が進み、切刃3の刃先角γが小さくなって切刃先端9のシャープエッジが保持されるようになる。また、刃先角γが小さくなるため、切刃角θも小さくなって切削性能を向上させるように作用する。したがって、すくい角が大きくなることにより切削抵抗が低減するとともにシャープエッジが保持されて切削性能が向上するようになり、切刃先端9の摩耗に伴う切削性能の低下を抑えることができる。また、逃げ面6及び7は、耐摩耗性被膜8により摩耗量が小さくなって刃先3の耐摩耗性を向上させることができ、長期に亘り切削性能を持続させることが可能となる。
As the cutting
したがって、切刃先端9の摩耗が進行しても 、切刃部1の欠損並びに被削材のバリ及び層間剥離が確実に防止され、切削工具寿命が大幅に向上するとともに、長期間に亘って安定した連続切削加工が可能となり、作業時間短縮及び工具費削減の効果が得られる。 以上の説明では、切断工具として、切削工具であるエンドミルを例に挙げたが、本発明は、エンドミルに限らず、旋盤のバイト、ドリル等の切刃にすくい面及び逃げ面が形成された切削工具や穿孔工具にも適用できる。切削工具の切刃については、上述した2枚の切刃以外に、4枚切刃、6枚切刃等の複数の切刃を設けることが可能で、特に限定されない。また、本発明の切削工具を用いて上述した効果を発揮することができる被削材としては、上述のCFRPに限定されることはなく、切削加工に伴って切削工具に摩耗が生じる被削材であれば、対象とすることができる。
Therefore, even if wear of the
また、切削工具以外にも、すくい面及び逃げ面を有する切刃部を備えた鋏、包丁等の手動工具にも本発明を適用することができる。 In addition to the cutting tool, the present invention can also be applied to manual tools such as scissors and knives provided with a cutting edge portion having a rake face and a flank face.
本発明の切断工具は、公知の機械加工装置に装着され、被加工材として複合材料の切断加工に用いられる。複合材料としては、繊維強化複合材料の切断加工に好適であり、特に繊維が層状に積層した複合材料に好適である。繊維強化複合材料としては、上述した炭素繊維強化プラスチック(CFRP)以外に、ガラス繊維強化プラスチック(GFRP)、ガラス長繊維強化プラスチック(GMT)、ボロン繊維強化プラスチック(BFRP)、アラミド繊維強化プラスチック(AFRP, KFRP)、ポリエチレン繊維強化プラスチック(DFRP)といったものが挙げられる。なお、被加工材は、一部に繊維強化複合材料を含むものでもよく、特に限定されない。 The cutting tool of the present invention is mounted on a known machining apparatus and used for cutting a composite material as a workpiece. The composite material is suitable for cutting a fiber-reinforced composite material, and particularly suitable for a composite material in which fibers are laminated in layers. As the fiber reinforced composite material, in addition to the above-mentioned carbon fiber reinforced plastic (CFRP), glass fiber reinforced plastic (GFRP), glass long fiber reinforced plastic (GMT), boron fiber reinforced plastic (BFRP), aramid fiber reinforced plastic (AFRP) , KFRP) and polyethylene fiber reinforced plastic (DFRP). In addition, a workpiece may contain a fiber reinforced composite material in part, and is not specifically limited.
図5は、本発明に係る切断工具の実施形態であるエンドミル等の切削工具を用いた場合の機械加工方法に関する説明図である。図5(a)では、切削加工開始直後の状態を示しており、切削工具の外周に設けられた切刃部1が板状の被削材30(例;繊維強化複合材料)に対して回転しながら外周面が当接するように位置決めされる。次に、図5(b)では、切削工具が回転中心軸を中心に回転しながら被削材30に対してXY平面上を移動し、切刃部1の外周面を被削材30に押し当てて切削加工を行う。次に、図5(c)では、被削材30の切削加工中に切刃部1の刃先の摩耗が進むが、刃先のすくい面側において母材が露出しているため耐摩耗性被膜が形成された逃げ面側よりも摩耗量が大きくなることで、切刃先端のすくい角が摩耗と共に大きくなり、切刃先端のシャープエッジが保持されるとともに切削抵抗が低減されて、切削性能の低下を抑えながら切削加工を持続していくことができる。
FIG. 5 is an explanatory diagram relating to a machining method when a cutting tool such as an end mill which is an embodiment of the cutting tool according to the present invention is used. FIG. 5A shows a state immediately after the start of cutting, and the
図6は、本発明に係る切断工具の実施形態であるエンドミル等の切削工具を用いた機械加工装置に関する外観斜視図である。機械加工装置100は、ボールねじ機構又はリニアモータ機構等によるXYZの3軸方向の可動機構並びにX軸及びY軸周りの回転機構を付加した5軸機構を備える移動手段を備えている。Z軸移動機構101は、スピンドル軸103に取り付けられた切削工具104を支持して上下方向に移動させる。移動手段としては、ボールねじ機構又はリニアモータ機構が用いられる。また、Z軸移動機構101は、スピンドル軸103を回転駆動する駆動源を備えている。
FIG. 6 is an external perspective view of a machining apparatus using a cutting tool such as an end mill which is an embodiment of a cutting tool according to the present invention. The
XY軸移動機構102は、X軸又はY軸あるいはXY複合軸に設置テーブルを移動させる。移動手段としては、ボールねじ機構又はリニアモータ機構が用いられる。設置テーブルには、バイス又は拘束治具等の支持具106が配置されており、支持具106に繊維強化複合材料等からなる被削材105が載置固定されている。XY軸移動機構102は、ボールねじ機構又はリニアモータ機構により駆動される。
The XY axis moving
そして、Z軸移動機構101及びXY軸移動機構102を制御して被削材105に対して切削工具104を回転駆動しながら切削加工が行われる。なお、支持具106としては、被削材105の厚み方向又は面方向から挟む機能を有するものを用いてもよい。また、スピンドル軸をX軸又はY軸に配置するようにすることもできる。
Then, cutting is performed while controlling the Z-
1・・切刃部、2・・シャンク部、3・・刃先、4・・切屑排出溝、5・・すくい面、6・・切刃二番逃げ面、7・・切刃三番逃げ面、8・・耐摩耗性被膜、9・・切刃先端、30・・被削材、100・・機械加工装置、101・・Z軸移動機構、102・・XY軸移動機構、103・・スピンドル軸、104・・ドリル、105・・被加工材、106・・支持具、200・・刃先、201・・硬質被覆層、202・・切刃先端、α・・すくい角、β・・逃げ角、γ・・刃先角、θ・・切刃角、δ・・ねじれ角
1 ・ ・
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