JP2016034696A - 耐チャター性エンドミル - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術のカッターの欠点を除去する。
【解決手段】シャンク部と、歯間に配置されたフルートによって複数の歯に分離された少なくとも１つの切削部とを備え、各歯が少なくとも１つの切刃を有し、第１の歯の切刃を時計周り方向に隣接する第２の歯の切刃から離間する第１の角度が、第１の歯の切刃を反時計周り方向に隣接する第３の歯の切刃から離間する第２の角度と異なり、エンドミルが、切削動作中に少なくとも１対の隣接歯間の角度間隔により生じる振動が、少なくとも他の１対の隣接歯間の角度間隔により生じる振動の少なくとも一部を相殺するように構成された、耐チャター性エンドミルまたはシェルミルまたはバーであって、第１の角度と第２の角度の和は１８０°より小さく、第２の歯の切刃を時計周り方向に隣接する第４の歯の切刃から離間する第３の角度が、第１の角度及び第２の角度と異なる。
【選択図】図３

Description

本出願はフライスに関する。特に、フライス自体および被加工物の振動を大幅に低減または解消するように構成されたエンドミルが提供される。

フライス加工はまさにその本質から非連続状の機械加工である。多様なカッターが「既製品として」利用可能であり、必要なタイプを選択するのはユーザである。使用されるカッターは、主にカッターの直径およびそのタイプ、ならびにさらなる要因、例えばカッターが構成される材料、被加工物の材料、切削作業が仕上げ用か荒削り用か、必要または望ましいカッター寿命等によって約２０〜３０の歯を有し得る。

任意の非連続タイプの機械加工から予測できるように、フライス削りにより振動が生成され、このような振動は振幅が無視できるものから深刻なものまでの範囲にわたり得る。エンドミルによる機械加工中、工具は一般に屈曲およびねじり力の両方を受け、これらは歯が機械加工されている面と接触するまたは接触を停止することによる間欠的性質である。工作機械店を訪れる人々が気付くように、これらの振動は人間の耳が感知できる周波数および振幅にある音を生じる。

加工されている被加工物も振動に置かれ、その性質は大型中空物品にとっては重要であり、中実の良好な支持且つ確実に固定された被加工物にとっては重要でない。

チャタリングと称されることもある注目に値する振動は、生じる音のため加工に害を及ぼすだけではない。このような振動は被加工物に対する不良な表面仕上げ、ならびにカッターの寿命の短縮および機械加工精度の低下に直接関与する。

望ましくない振動は切削工具または被加工物に存在し得るとともに、それらの両方に存在することもある。

カッターの振動の周波数が、被加工物の固有周波数と一致するかまたは近く、共振を生じる場合、深刻な問題が生じる。その結果生じる著しい振幅の増大により満足な加工物の製作ができなくなり、生じた音が最大の妨げとなることがある。エンドミルなどのカッターの破壊または被加工物の損傷も起こり得る。より剛性のカッターの使用およびさらなる被加工物支持体の適用は、振動周波数を安全且つ非可聴レベルまで増加させ、かつ振幅を大幅に低下させることにもなるが、これらの望ましいステップは常に可能であるとは限らない。

カッター速度の増加は、工具寿命が実際には大幅に短縮されることになるため、実際的ではないことも多い。

ねじれ歯エンドミルの利用は、はすば歯車装置と同様に、これらの問題の軽減に役立つが解決しない。

先行技術の状態は関連米国特許の検討により評価できる。

米国特許第４，２８５，６１８号明細書において、スタンレー・ジュニア（Ｓｔａｎｌｅｙ，Ｊｒ）は、切刃上に鋸歯が設けられたエンドミルとして示されるフライスを権利請求している。鋸歯は隣接歯に対して軸方向にずれている。このようなカッターが振動を低減するか否かは試験によって証明されなければならない。

米国特許第４，９６３，０５９号明細書において、ヒヤマ（Ｈｉｙａｍａ）はフルートねじれ角が各フルートに対して同じではないエンドミルを提案している。しかし、周辺切刃が少なくとも１つの位置のカッター周囲の周りに均等に離間しているため、提案された設計は部分的解決を提供するに過ぎないこともある。また、歯の形成に利用可能な金属がカッターの長さに沿って大幅に変化することもあるため、前記エンドミルの製造中に問題が起こり得る。

米国特許第６，１６８，３５５号明細書において、ワーデル（Ｗａｒｄｅｌｌ）は、本体と工具の地点から外側に延びる耳とを有するエンドミルを記載している。振動を低減する手段は設けられていない。

米国特許第６，１６４，８７７号明細書において、カマタ（Ｋａｍａｔａ）らは特別に成形された溝を切削するための成形形状カッターを開示している。歯の逃げ角は、工具の軸長に沿って一定の状態である。チャッター防止手段は示されていない。

ワーデル（Ｗａｒｄｅｌｌ）はさらなる米国特許において、低角度切削面を画定する主ねじれフルートと、高角度切削面用の副フルートとを有するエンドミルを開示している。この装置は工具振動に関する問題を解決しない。

変動ねじれフルートを有するさらなるエンドミルが、マッカーサー（ＭａｃＡｒｔｈｕｒ）による米国特許出願公開第２００５／０１０５９７３号明細書に示されている。カッターの歯は工具周囲の周りに均等に離間している。

従来技術から満足な解決策が知られていないことは明らかである。

そのため少なくとも１つの実施形態の目的の１つは、従来技術のカッターの欠点を除去すること、および工具および被加工物の両方に有害な周期的振動を解消または大幅に低減するエンドミルを提供することである。

少なくとも１つの実施形態のさらなる目的は、製造用に容易にプログラム可能であり、かつ従来のエンドミルよりほんの僅か高いコストで製造可能な工具設計を開示することである。

上記の目的は、シャンク部と、歯間に配置されたフルートによって複数の歯に分離された少なくとも１つの切削部とを備え、各歯が少なくとも１つの切刃を有し、第１の歯の前記切刃を時計周り方向に第１の歯に最も近い歯の切刃から離間する第１の角度が、前記第１の歯の前記切刃を反時計周りまたは逆時計周り方向に第１の歯に最も近い歯の切刃から離間する第２の角度とは異なる、耐チャター性エンドミル、シェルミルおよびバーの少なくとも１つの実施形態で達成され得る。例えば２つの歯しか有さない実施形態において、第１の歯の切刃を時計周り方向で第２の歯（第２の歯が唯一の他の歯であるため第１の歯に最も近い）の切刃から離間する第１の角度が、第１の歯の切刃を逆時計周り方向で第２の歯の切刃から離間する第２の角度とは異なる。３つ以上の歯を有する実施形態において、第１の歯の切刃を時計周り方向で第１の歯に最も近い第２の歯の切刃から離間する第１の角度が、第１の歯の切刃を逆時計周り方向で第１の歯に最も近い第３の歯の切刃から離間する第２の角度とは異なる。

一実施形態において、前記第１の角度と前記第２の角度との差が０．２〜６０度の範囲であるエンドミルが提供される。

他の実施形態において、前記第１の角度と前記第２の角度との差が０．２〜３０度の範囲であるエンドミルが提供される。

他の実施形態において、前記切削部内のすべてのフルートの幅および深さが同等であるエンドミルが提供される。

さらなる実施形態において、フルートが２つの隣接歯間に配置され、前記隣接歯が等角度間隔により生じるであろう角度を超える角度で離間し、前記フルートが１対の等間隔隣接歯に適合する第２のフルートより幅広くかつ深いエンドミルまたはバーが提供される。

さらに他の実施形態において、フルートが２つの隣接歯間に配置され、前記隣接歯が等角度間隔により生じるであろう角度未満の角度で離間し、前記フルートが１対の等間隔隣接歯に適合する第２のフルートより狭くかつ浅いエンドミルまたはバーが提供される。

さらなる実施形態において、フルートねじれ角が各歯に沿って一定であるとともに、エンドミル、シェルミルおよびバーの切削部内で歯ごとに一定であるエンドミル、シェルミルおよびバーが提供される。

さらなる実施形態において、フルートねじれ角が各歯に沿って変動するとともに、エンドミル、シェルミルおよびバーの切削部内で歯ごとに同じであるエンドミル、シェルミルおよびバーが提供される。

さらに他の実施形態において、前記切刃の少なくとも１つの群が等間隔位置から変位され、少なくとも１つのさらなる群が等間隔構成で位置決めされた切刃を有するエンドミルが提供される。

そのため少なくとも１つの実施形態のカッターが、エンドミル内および被加工物内の両方に望ましくない振動を生じる入力の規則性を破壊する役目をすることが実現される。カッターまたは被加工物の固有周波数が誘起振動の周波数に相当するかまたは近い場合に共振が発生する。不均等間隔の切削面を有する少なくとも１つの実施形態のエンドミルは不規則時間周期で切削力を加え、その結果は共振の抑制および任意の周波数における振動の大きな低減になる。振動制御は表面仕上げの向上、工具寿命の延長および当然ノイズの低下という所望の利点を提供する。

工具さらには被加工物の複雑な形状のため、さらにエンドミルにねじりおよび屈曲力の両方により応力がかけられるため、カッターおよび被加工物の振動周波数の理論計算は困難である。しかし、試験片を加工しながらの振動の測定は単純作業である。さらにまた、振動入力は、歯数および機械主軸の速度（ＲＰＭ）に基づいて容易に計算される。このため、単純な試験は、どの工具直径および少なくとも１つの実施形態の歯の不均一周囲間隔の利点が共振の条件に制限されないかを示す。いかなる固有周波数でも、不要な振動が切刃の不均一周囲位置決めによって抑制される。振幅を最小限に抑えるための振動の低減は、任意の機械工具による正確且つ経済的加工にとって必須条件である。

少なくとも１つの実施形態により作製されたカッターの試作品を試験して以下の結果になった。
工具：
超硬エンドミル直径１２ｍｍ：
＃１−実施形態による不均等切刃空間分離を有する５フルート
＃２−均等切刃空間分離を有する５フルート
材料：ステンレス・スチール（Ｓｔ．Ｓｔｅｅｌ）３１６Ｌ
切削条件：
スロッティング適用：切削深さ−１２ｍｍ（１Ｄ）

このように、少なくとも１つの実施形態によるエンドミルが上記の目的を達成したことが分かった。

一実施形態による不均等切刃空間分離を有する５フルート超硬エンドミル直径１２ｍｍは、広範囲の速度５０〜９０ｍ／分および送り速度０．０３〜０．０７ｍｍ／歯の振動を防止する。

少なくとも１つの可能な実施形態によれば、カッターまたはエンドミルの２つの歯間の間隔は実験によって、他の歯間の間隔により生じる振動を大幅にまたは少なくとも部分的に相殺するように調節される。一例としてさらに説明すると、５切歯を有するエンドミルにおいて、各対の隣接歯はそれらの間の角度測定値を規定する。上述したように角度測定値は、振動により生じる共振を大幅に低減または解消するために、５対の切歯すべてに対して同等ではない。そのような振動の大幅な低減または解消を達成するために、切歯の間隔、ひいてはそれらの間の角度測定値を、各対の歯に対するエンドミルの設計中に選択することができる。例えば特定のタイプの加工用エンドミルの場合、少なくとも１対の歯の角度間隔が他の対の歯の異なる角度間隔により生じる振動に対する相殺効果を有すると考えられるかまたは実際に有する場合には、エンドミルをそれに応じて設計することもできる。エンドミルを被加工物に対して試験することも可能であり、振動および／または共振を測定および観察して相殺効果の度合いを決定することもできる。相殺効果が所望のものでない場合には、所望の相殺効果が得られるまで角度間隔を調節することもできる。このようにして、切歯ごとの振動を変化させて共振を解消するだけでなく、１つまたは複数対の歯の間隔により生じる振動を利用して、１つまたは複数の他の対の歯の間隔により生じる振動を、少なくとも部分的に相殺し、そのため大幅に低減または解消するエンドミルまたはカッターを設計することもできる。少なくとも１つの実施形態によれば、振動を最も効果的に相殺する最適なまたは所望の間隔は、場合によっては理論計算、周波数の測定、またはそれらの組み合わせによって決定することもできる。

ここで例示的実施形態を表わす添付の図面を参照して実施形態をさらに説明する。構造細部はその基本的な理解にとって必要な範囲のみ示されている。記載の例は図面と共に、実施形態のさらなる形状が実現され得る方法を当業者に明らかにするであろう。

少なくとも１つの実施形態によるエンドミルの立面図である。 少なくとも１つの実施形態による２歯エンドミルの端面図である。 少なくとも１つの実施形態による５歯エンドミルの端面図である。 フルート変形を示す、少なくとも１つの実施形態によるエンドミルの立面図である。 各歯における一定フルートねじれ角と、歯ごとに一定フルートねじれ角とを有する３フルートエンドミルの図である。 各歯における低い角度から高い角度への変動フルートねじれ角と、歯ごとに同じフルートねじれ角の変動性とを有する３フルートエンドミルの図である。 各歯における高い角度から低い角度への変動フルートねじれ角と、歯ごとに同じフルートねじれ角の変動性とを有する３フルートエンドミルの図である。 少なくとも１つの実施形態による６歯エンドミルの端面図である。 均等分離箇所からの２つの離間歯オフセットと２つの群の等間隔歯とを有する、少なくとも１つの実施形態による８歯エンドミルの端面図である。

図１に、工作機械により把持するためのシャンク部１２を備える耐チャター性エンドミル１０が見られる。切削部１４、１６が側面および端面の両方に見られる。切削部１４は、歯１８間に配置された４つのフルート２０により４つの歯１８に分離されている。

図２は２歯エンドミル２２を示しており、切削部１６に各歯１８の底切刃２４が見られる。第１の角度Ｂおよび第２の角度Ｃは、第１の歯１８ａの２つの切刃２４ａを第２の歯の切刃２４ｂから離間する。角度Ａと角度Ｂとの差は図において約３０Ｅであるが、必要に応じてエンドミルに対して６０Ｅほど大きくもなり得る。なおＡ＋Ｂ＝３６０Ｅである。

残りの図面に対して、同様な参照番号が同様な部分を識別するために用いられている。

図３は５歯エンドミル２６を図示し、第１と第２の角度Ｂ、Ｃとの間の差は０．２〜３０度の範囲である。図で分かるように差は小さいほど５歯（以上）を有するカッターに適している。図示される例では２対ＢＣの切刃の不規則間隔、および同等間隔による角度である単一の範囲Ａ、すなわち７２Ｅがある。製造の単純化のため同一フルートプロファイル２８が、すべての歯に対して用いられている。

ここで図４を参照すると、隣接歯３８の切刃３６間に配置された、異なるフルート３２、３４を示すエンドミル３０が示されている。隣接歯３８は、図３に見られるような等角度間隔により生じるであろう角度Ａを超える角度Ｂで離間されている。

角度Ｂに関連するフルート３２は角度Ａに関連するフルート３４より幅広く且つ深いため、歯が等歯溝分離（角度Ａによる）に比べてより高い送り歯当り速度で動作する場合、冷媒供給を向上させるとともにチップ撤去および除去を容易にする。

図４ａは各歯における一定フルートねじれ角と、歯ごとに一定のフルートねじれ角とを有する３フルートエンドミルの図である。

図４ｂは各歯における低い角度から高い角度への変動フルートねじれ角と、歯ごとに同じフルートねじれ角の変動性とを有する３フルートエンドミルの図である。

図４ｃは各歯における高い角度から低い角度への変動フルートねじれ角と、歯ごとに同じフルートねじれ角の変動性とを有する３フルートエンドミルの図である。

図５は６歯エンドミル４０を示し、切刃範囲Ａの４つは等間隔である（Ａ＝６０Ｅ）一方で、残りの２つの範囲ＢおよびＣは不規則であり、組み合わせて残りの１２０Ｅの範囲にわたっている。

図６は８歯エンドミル４２を図示する。２つの群の規則的範囲Ａが、２つの群の不規則間隔歯ＢおよびＣと交互になっている。

他の切削工具およびその構成要素は、以下の米国特許および米国特許出願公開、すなわちノーランド（Ｎｏｌａｎｄ）に付与された米国特許第６，９９１，４０９号明細書、キシモト（Ｋｉｓｈｉｍｏｔｏ）に付与された米国特許第４，４９７，６００号明細書、ヒヤマ（Ｈｉｙａｍａ）に付与された米国特許第４，９６３，０５９号明細書、マッカーサー（ＭａｃＡｒｔｈｕｒ）の米国特許出願公開第２００５／０１０５９７３号明細書、ロング２世（Ｌｏｎｇ，ＩＩ）の米国特許出願公開第２００５／００８４３４１号明細書、およびダブ（Ｄｏｖ）らの米国特許出願公開第２００５／０１１７９８２号明細書に開示されている。他の切削工具が２００３ケナメタル社（Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ Ｉｎｃ．）カタログ第ＨＡＮ０３０４０Ｂ号に示されている。前述の文献および本明細書に記載するすべての他の文献は、それらの全体が本明細書に記載されているように参照により本明細書に援用する。

記載した実施形態の範囲は、以下の特許請求の範囲の趣旨に入るすべての実施形態を含むことを意図する。以上の例は実施形態の有用な形状を図示するが、当業者が以下の特許請求の趣旨から逸脱することなく更なる変形例および変更例が容易に考案することができると認識するように、その範囲を限定するものとして考えられるべきではない。

Claims (15)

1. シャンク部と、歯間に配置されたフルートによって複数の歯に分離された少なくとも１つの切削部とを備え、各歯が少なくとも１つの切刃を有し、第１の歯の前記切刃を時計周り方向に隣接する第２の歯の前記切刃から離間する第１の角度が、前記第１の歯の前記切刃を反時計周り方向に隣接する第３の歯の前記切刃から離間する第２の角度と異なり、少なくとも１対の歯間の角度間隔は、他の１対の歯間の異なる角度間隔により生じる振動の相殺効果を有する、耐チャター性のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。
2. 等間隔の隣接角度歯範囲の第１の対と、等間隔の隣接角度歯範囲の第２の対と、を備える請求項１に記載のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。
3. 前記等間隔の隣接角度歯範囲の第１の対及び前記等間隔の隣接角度歯範囲の第２の対は、異なる間隔の切刃の範囲により回転可能に分離されている請求項２に記載のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。
4. 前記等間隔の隣接角度歯範囲の第１の対及び前記等間隔の隣接角度歯範囲の第２の対は、互いに回転可能に隣接する請求項２に記載のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。
5. 前記第２の歯の前記切刃を時計周り方向に第４の歯の前記切刃から離間する第３の角度が定まり、
   前記第１の角度、前記第２の角度、及び前記第３の角度の和は、１８０°より大きく、
   前記切刃の２つの対は、等角度間隔を有する、
   請求項１に記載のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。
6. 前記第１の角度と前記第２の角度との差が０．２〜６０度の範囲である請求項１に記載のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。
7. 前記第１の角度と前記第２の角度との差が０．２〜３０度の範囲である請求項１に記載のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。
8. 前記切削部内のすべてのフルートの幅および深さが同等である請求項１に記載のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。
9. 各歯におけるフルートねじれ角は、一定でありかつ歯ごとに一定である請求項１に記載のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。
10. 各歯におけるフルートねじれ角は、変動しかつ歯ごとに一定である請求項１に記載のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。
11. ５個の切刃を有する請求項１に記載のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。
12. ６個の切刃を有する請求項１に記載のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。
13. ８個の切刃を有する請求項１に記載のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。
14. 前記エンドミルまたはシェルミルまたはバーは超硬である請求項１に記載のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。
15. 前記少なくとも１対の歯間の角度間隔は、５０〜９０ｍ／分の切削速度で前記他の１対の歯間の異なる角度間隔により生じる振動の相殺効果を有する請求項１に記載のエンドミルまたはシェルミルまたはバー。