JP2016097452A - エンドミル - Google Patents

Abstract

【課題】工具自体の耐欠損性及び耐摩耗性の向上と、被削材の仕上げ加工精度の向上とを図ることができる小径のエンドミルを提供する。
【解決手段】ラジアスエンドミル１（エンドミル）は、ｃＢＮ焼結体又はダイヤモンド焼結体からなり軸線Ｄ回りに配置される直径φが０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ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１１を備え、外周刃１２のすくい面１５の軸方向との角度αが、軸の先端側から後端側にかけて連続的に変化して設けられる。
【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、先端部に形成される底刃と、外周部に形成される外周刃とにより構成された切刃を有するものであり、被削材底面の仕上げ加工や傾斜部のならい加工等に使用される。特に仕上げ加工用のエンドミルとしては、外径が小さい小径エンドミルが用いられ、このような小径エンドミルでは、高硬度の材料を加工するために、ｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）等により形成される。そして、これらの形態形成には、砥石等が用いられるが、ｃＢＮ焼結体やＰＣＤ等は、非常に高硬度で耐摩耗性に優れる反面、衝撃には脆い側面を持つ。このため、従来から行われている研削加工ではチッピングが生じ易く、歩留まりが非常に悪い。そこで、以前から、すくい面の形状等を調整することにより、形態形成をし易くしたりして、エンドミルの耐欠損性等の向上が図られてきた。

例えば、特許文献１には、外周面に一対のねじれ溝を研削加工することにより、そのねじれ溝に沿って一対の外周刃が設けられるとともに、ねじれ溝の軸方向先端部分にギャッシュを研削加工することにより、外周刃に連続して直線上の底刃が設けられたエンドミル（スクエアエンドミル）が開示されている。また、特許文献１には、ねじれを有した外周刃とすることにより、外周刃の軸方向先端のコーナー部の刃先角を大きくでき、刃先強度を増すことができるので、刃欠けを抑制できることが記載されている。ところが、このＣＢＮエンドミルは、底刃と外周刃とが、ギャッシュとねじれ溝との異なるすくい面により形成されており、これらギャッシュとねじれ溝との境界部に応力が集中しやすい構造となっていることから、その部分を起点として欠損を生じ易いことが問題であった。

そこで、特許文献２には、ねじれた外周切れ刃を有し、６０％以上の外周切れ刃をギャッシュでのみ形成し、すくい面を一定の傾斜面により構成したラジアスエンドミルが提案されている。このように、すくい面を境界部を形成することなく一定の傾斜面により形成することで、応力集中を回避することできる。

特開２００８‐１１０４１１号公報 特開２０１０‐１２５５９４号公報

特許文献１又は特許文献２に記載のエンドミルのように、ねじれを有した外周刃を形成することにより、外周刃の軸方向先端のコーナー部の刃先角を大きくして刃先強度を増すことができる。また、外周刃のねじれ角を大きくする程、切削抵抗を小さくできるので、欠損の発生が回避しやすくなる。しかし、その一方で、外周刃を直刃で形成した場合と比べて加工面の面粗さが大きくなり、仕上げ加工精度の低下につながる。
また、ｃＢＮ焼結体やＰＣＤ等の高硬度の脆性材料により形成される小径のエンドミルは、エンドミル自体の切刃等を形成する際の研削加工時に強い力学的負荷が必要になるため、切刃のチッピングを生じ易く、特許文献１又は特許文献２に記載の加工を実施すること自体が困難であり、複雑な形状を形成することが難しい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、工具自体の耐欠損性及び耐摩耗性の向上と、被削材の仕上げ加工精度の向上とを図ることができる小径の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、ｃＢＮ焼結体又はダイヤモンド焼結体からなり軸線回りに配置される直径が０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ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を備え、前記外周刃のすくい面の軸方向との角度が、軸の先端側から後端側にかけて連続的に変化して設けられる。

エンドミルは、その刃径や回転速度、送り速度等の切削条件の違いによって、切刃の軸の先端側と後端側で要求される刃先強度が異なる。
この点、本発明のエンドミルにおいては、外周刃を形成するすくい面の軸方向との角度（ねじれ角）を、軸の先端側から後端側にかけて連続的に変化させることで、外周刃の軸の先端側から後端側にかけて切削条件に適応した切刃を形成することができ、各々の位置において必要な刃先強度と被削材の仕上げ加工精度とを確保することができる。
なお、外周刃のすくい面の軸方向との角度を連続的に変化させることにより、底刃から外周刃にかけて滑らかに接続されたすくい面を形成できるので、切削時に生じる応力集中を回避でき、工具自体の耐欠損性及び耐摩耗性のより一層の向上を図ることができる。

本発明のエンドミルにおいて、前記すくい面の軸方向との角度が、軸の先端側よりも後端側の方が小さく設定される。
外周刃のすくい面の軸方向との角度を大きくする程、外周刃と被削材との接触面積が大きくなるが、外周刃が傾斜して設けられることで切削抵抗が小さくなり、切削屑の排出性も高くなる。このため、軸の先端側においては、すくい面の軸方向との角度を大きくすることにより、接触面積を大きくして外周刃の被削材への食い付きを良くすることができ、かつ、切削抵抗を小さくして仕上げ加工精度を向上させることができる。
一方、軸の後端側においては、すくい面の軸方向との角度を大きくし過ぎると、軸の後端側において仕上げ面にうねりが発生しやすくなり、すくい面の軸方向との角度を小さくすることが望ましい。しかし、このすくい面の軸方向との角度を小さくし過ぎると、切削抵抗が大きくなり切削屑の排出性が低下するため、工具のビビリや欠損が発生しやすくなる。
そこで、すくい面の軸方向との角度を、軸の先端側よりも後端側の方が小さくなるように変化させて設けることにより、軸の先端側から後端側の各々の位置において、耐欠損性、耐摩耗性の向上を図ることができ、被削材の仕上げ加工精度の向上を図ることができる。

本発明のエンドミルにおいて、前記すくい面の面粗さＲｚは、前記外周刃から直径の１／５０の幅の外側範囲が０．０５μｍ未満とされ、それよりも内側の内側範囲が０．０５μｍ以上０．０８μｍ以下とされる。
切刃を形成するすくい面の面粗さは、被削材の仕上げ面の面粗さに影響を与えることから、面粗さＲｚ（最大高さ）を０．１μｍ以下の滑らかな面で形成することが望ましい。この点、本発明のエンドミルでは、すくい面の面粗さＲｚを、外周刃から直径の１／５０（推奨切り込み深さの約２倍）の幅の外側範囲を０．０５μｍ未満の滑らかな面で形成することで、切刃を鋭利な稜線をもって形成することができる。また、外側範囲よりも内側の内側範囲では、面粗さＲｚを０．０５μｍ以上０．０８μｍ以下で形成し、内側から外側にかけて面粗さが小さくなるように形成していることから、内側範囲では切削屑の接触面積を小さくして発熱を少なくできるとともに、放熱性を上げて切削屑の溶着を防ぐことが可能となり、工具寿命を向上させることができる。さらに、わずかな傾斜角度で形成されたすくい面であっても、その滑らかな面により切削屑を円滑に排出することができるので、切削性の高い切刃を構成することができる。

本発明によれば、外周刃のすくい面の軸方向との角度を、軸の先端側から後端側にかけて連続的に変化させることで、各々の位置において必要な刃先強度と被削材の仕上げ加工精度とを確保することができ、工具自体の耐欠損性及び耐摩耗性の向上と、被削材の仕上げ加工精度の向上とを図ることができる。

本発明に係るラジアスエンドミルの工具先端部の概略図であって、（ａ）がすくい面を正面に向けた側面図、（ｂ）が外周刃を正面に向けた側面図である。 図１（ｂ）に示すラジアスエンドミルの要部拡大図である。 ラジアスエンドミル全体の概略側面図である。 ラジアスエンドミルの工具先端部の斜視図である。 ラジアスエンドミルの製造方法を説明する模式図であり、（ａ）と（ｂ）とは異なる方向から見た図である。 本発明に係るエンドミルの製造方法に使用するレーザ加工装置を示す全体構成図である。 レーザビームの光強度分布を説明する模式図である。

以下、本発明に係るエンドミルの実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本実施形態のエンドミルは、図３及び図４に示すように、軸線Ｄ回りに回転される工具先端部２を有し、その工具先端部２に、一対の切刃１１が周方向に１８０°離間した位置に配置された２枚刃のラジアスエンドミル１である。また、このラジアスエンドミル１は、工具先端部２の外径φが０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とされる小径のエンドミルである。

ラジアスエンドミル１は、図３に示すように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の先端に略円柱状のチップ部５が接合された構成とされる。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１１が形成されるｃＢＮ焼結体又はダイヤモンド焼結体からなる工具先端部２とで構成される。

切刃１１は、図１及び図２に示すように、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、外周刃１２の先端と底刃１３の外周端との間に配置される円弧状のコーナー刃１４とにより形成される。また、外周刃１２は、図１（ｂ）及び図２に示すように、軸線Ｄ回りにねじれたねじれ刃とされ、底刃１３は外周刃１２の先端（切刃１１の先端に位置するＡ点）から径方向に沿って内方に向かう直刃とされる。そして、外周刃１２を形成するすくい面１５は、図２に示すように、その軸方向との角度α（ねじれ角）が軸の先端（Ａ点）側から後端（Ｂ点）側（シャンク部３側）にかけて連続的に小さくなるように形成される。

例えば、図１及び図２に示すラジアスエンドミル１では、工具先端部２（外周刃１２）の外径（直径）φを０．５ｍｍとし、切刃１１の有効長ｈ（軸線方向距離）を０．４ｍｍとして、すくい面１５を、ネガティブ形状に設けている。この場合、すくい面１５の角度αは、軸の先端（０ｍｍ）から軸方向に０．３ｍｍの位置にかけて５°から２°にかけて変化して設けられ、さらに０．３ｍｍの位置から０．４ｍｍの位置にかけて１°に変化して設けられる。また、このすくい面１５の面粗さＲｚ（最大高さ）は、切刃１１の稜線付近（図１（ａ）にハッチングで示す範囲、切刃１１から直径の１／５０の幅、ここでは切刃１１から０．０１ｍｍの外側範囲）が０．０５μｍ未満とされ、それよりも内側の内側範囲が０．０５μｍ以上０．０８μｍ以下に設けられ、内側から外側にかけて面粗さＲｚが小さくなるように連続的に変化して設けられる。

このように構成されるラジアスエンドミル１は、図５に示すように、工具先端部２となる円柱状素材２０にレーザビームＬを照射することにより、切刃１１等の形状が形成される。
この製造方法に用いるレーザ加工装置１００は、図６に示すように、ｃＢＮ焼結体又はダイヤモンド焼結体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、被削材を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上に設けられて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上に設けられて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上設けられた円柱状素材２０の軸線Ｄとレーザパルスの照射がなす角度を調整させるための旋回機構３２と、旋回機構３２に固定され、円柱状素材２０を保持可能であり、且つ円柱状素材２０を軸線Ｄ回りに回転可能な回転機構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、例えばサーボモータが用いられ、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レーザ光源２６と、照射するレーザビームＬを走査させるとともに同一平面上にレーザ光をスポット状に集光させる光学系を有す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、ＵＶ‐ＹＡＧレーザ（３倍波：波長３５５ｎｍ、加工位置出力：５Ｗ、６０ｋＨｚ）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おり、レーザビームＬは鉛直方向（ｚ軸方向）から照射されるようになっている。

なお、加工対象の素材によってレーザの偏光状態を制御するとよい。例えば、ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ（ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）の粒子とバインダとの複合材であり、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大きなバンドギャップ差がある。同様に、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あり、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り、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剤との間に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させる場合であっても、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、加工後の表面起伏が安定しなくなるため、ｃＢＮ焼結体やＰＣＤでは特にラジアル偏光が本発明の効果を発揮する。

このように構成されるレーザ加工装置１００により、ラジアスエンドミル１を製造する方法について説明する。
まず、円柱状素材２０に外径加工を施す（外径加工工程）。外径加工工程は、円柱状素材２０を軸線ｘ回りに回転させた状態で、その回転する円柱状素材２０にレーザビームＬを加工後の切刃１１の形状に沿って移動させることにより行う。
この際、円柱状素材２０を軸線Ｄ回りに回転させた状態で、レーザビームＬを照射することにしているので、回転する円柱状素材２０の外周面には、レーザービームＬがランダムに照射される。したがって、円柱状素材２０の外周面の面粗さＲｚを０．１μｍ以下の滑らかな面で形成することができる。

次に、外径加工が施された円柱状素材２０にすくい面１５を形成し、逃げ面１６を加工して外周刃１２と底刃１３とを有するラジアスエンドミル１を製造する（切刃加工工程）。この切刃加工工程において、すくい面１５は、図２に示すように、その軸方向との角度αが軸の先端（Ａ点）側から後端（Ｂ点）側（シャンク部３側）にかけて５°から１°に連続的に小さくなるように形成される。また、面粗さＲｚは、０．０８μｍ以下の滑らかな面に形成されるとともに、内側から外側にかけて徐々に小さくなるように形成される。

このすくい面１５を形成する方法についてさらに詳述する。
図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、レーザビームＬを、円柱状素材２０の表面上に照射し、形成されるすくい面１５の形状に沿って軸の先端側から後端側に向けて加工を行う。
このレーザビームＬの径方向の断面の光強度分布は、図７にハッチングで示したように、ビーム中心Ｌ_０で大きく、外周部で小さいガウシアン分布となっている。また、レーザビームＬの焦点位置に比べて、デフォーカスされた位置では、光強度分布が径方向に広がり光強度が緩やかなガウシアン分布となる。このため、レーザビームＬの照射位置をその焦点位置から深度をずらした位置に変化させることで、レーザビームＬの照射方向（深度方向）に対して切削面の角度を変化させることができる。そこで、レーザービームＬは、深度位置とガウシアン分布とを考慮して、すくい面１５に対してビーム中心Ｌ_０を傾斜させた状態で、円柱状素材２０上に照射する。

具体的には、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、鉛直方向（ｚ軸方向）から照射されるレーザビームＬに対して、円柱状素材２０を移動させることにより、すくい面１５の加工を行う。この際、レーザビームＬの被削材の加工角度が４°となる深度位置（図４（ａ）に破線で示す位置）に、すくい面１５の加工予定位置を移動させながら加工を行う。すなわち、円柱状素材３０をｚ軸方向に移動させるとともに、軸線Ｄ回りの回動角度（回転機構３３の回動角度）と旋回機構３２の旋回角度とを組み合わせることにより、レーザビームＬの所定の深度位置に円柱状素材２０のすくい面１５の加工予定位置を移動させて加工を行う。

このように、レーザビームＬの加工角度（レーザビームＬの光強度分布）に合わせて、円柱状素材２０の軸線Ｄ回りの回動角度（回転機構３３の回動角度）と旋回機構３２の旋回角度とを組み合わせて角度調整することにより、軸の先端（Ａ点）側から後端（Ｂ点）側にかけて変化する角度αを有するすくい面１５を加工することができる。
なお、レーザビームＬは、パルス発振されており、そのパルスの条件と走査速度、レーザビームＬの深度位置を変化させることにより、加工面の面粗さを連続的に変化させることができる。このため、すくい面１５を、面粗さＲｚが０．０８μｍ以下の滑らかな面で形成でき、さらに内側から外側にかけて面粗さＲｚが徐々に小さくなるように形成することができる。
また、上記手順でレーザ加工を行うことにより、ｃＢＮ焼結体又はダイヤモンド焼結体のような脆性材料であっても、小径化されたエンドミルを高精度に加工することができるので、被削材の仕上げ加工精度の向上を図ることができる。

このように構成されるラジアスエンドミル１においては、外周刃１２のすくい面１５の軸方向との角度α（ねじれ角）を、軸の先端（Ａ点）側から後端（Ｂ点）側にかけて連続的に変化させて設けているので、外周刃１２の軸の先端側から後端側にかけて切削条件に適応した切刃１１を形成することができ、切刃１１の各々の位置において必要な刃先強度と被削材の仕上げ加工精度とを確保することができる。

具体的には、外周刃１２のすくい面１５の軸方向との角度αを大きくする程、外周刃１２と被削材との接触面積が大きくなるが、外周刃１２が軸線Ｄに対して傾斜して設けられることで、切削抵抗が小さくなり、切削屑の排出性も高くなる。このため、軸の先端（Ａ点）側においては、外周刃１２のすくい面１５の軸方向との角度αを大きくすることで、接触面積を大きくして外周刃１２の被削材への食い付きを良くすることができ、かつ、切削抵抗を小さくして仕上げ加工精度を向上させることができる。

一方、軸の後端（Ｂ点）側においては、外周刃１２のすくい面１５の軸方向との角度αを大きくし過ぎると、軸の後端側において仕上げ面にうねりが発生しやすくなり、角度αを小さくすることが望ましい。しかし、角度αを小さくし過ぎると、切削抵抗が大きくなり、切削屑の排出性が低下するため、工具のビビリや欠損が発生しやすくなる。

この点、上記実施形態のラジアスエンドミル１では、角度αを、軸の先端側よりも後端側を小さく設定すること、言い換えれば、軸の後端側よりも先端側の角度αを大きく設定することにより、軸の先端側から後端側の各々の位置において、耐欠損性、耐摩耗性の向上を図り、被削材の仕上げ加工精度の向上を図っている。
また、角度αを連続的に変化させることにより、底刃１３から外周刃１２にかけて滑らかに接続されたすくい面１５を形成できるので、切削時に生じる応力集中を回避でき、工具自体の耐欠損性及び耐摩耗性のより一層の向上を図ることができる。

さらに、精密な切削加工の用途に用いられる小径のエンドミルの素材には、ｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体、超硬合金等の高硬度の材料が使用されるが、工具先端部２全体を力学的な負荷が掛らないレーザ加工で形成することができるので、従来の砥石による加工で生じるたわみ等による加工精度の低下を防止することができる。

また、レーザ加工によって、すくい面１５を面粗さＲｚが０．０８μｍ以下の滑らかな面で形成することができるので、切刃１１の稜線を鋭利な稜線をもって形成することができ、被削材の仕上がりの面精度を向上させることができる。さらに、角度αが５°から１°のわずかな傾斜角度で形成されたすくい面１５であっても、すくい面１５を滑らかな面で形成することにより、切削屑を円滑に案内して排出させることができ、切削性の高い切刃を構成することができる。
また、ラジアスエンドミル１においては、すくい面１５を、切刃１１の稜線付近（図１（ａ）にハッチングで示す範囲、切刃１１から直径の１／５０の幅、ここでは切刃１１から０．０１ｍｍの外側範囲）を０．０５μｍ未満とし、それよりも内側の内側範囲を０．０５μｍ以上０．０８μｍ以下の面粗さＲｚで形成し、内側から外側にかけて面粗さＲｚが徐々に小さくなるように形成している。これにより、内側範囲では切削屑の接触面積を小さくして発熱を少なくできるとともに、放熱性を上げて切削屑の溶着を防ぐことが可能となり、工具寿命を向上させることができる。また、図１（ａ）にハッチングで示す範囲（外側範囲）は、工具の推奨切り込み深さ（ａｅ，ａｐ）の約２倍の幅である時に最も高い効果が得られる。

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、本発明のエンドミルをラジアスエンドミルに適用した例について説明を行ったが、本発明のエンドミルは、円弧状のコーナ刃を有さずに、外周刃の先端と底刃の外周端とが鋭利な角部で交差する刃先を構成するスクエアエンドミルにも適用することが可能である。

１ ラジアスエンドミル（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
６ 超硬合金部
１１ 切刃
１２ 外周刃
１３ 底刃
１４ コーナー刃
１５ すくい面
１６ 逃げ面
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 ｘ軸ステージ部
３１ｙ ｙ軸ステージ部
３１ｚ ｚ軸ステージ部
３２ 旋回機構
３３ 回転機構
１００ レーザ加工装置

Claims (3)

1. ｃＢＮ焼結体又はダイヤモンド焼結体からなり軸線回りに配置される直径が０．１ｍｍ以上６．０ｍｍ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を備え、
   前記外周刃のすくい面の軸方向との角度が、軸の先端側から後端側にかけて連続的に変化して設けられるエンドミル。
2. 前記すくい面の軸方向との角度が、軸の先端側よりも後端側の方が小さく設定される請求項１に記載のエンドミル。
3. 前記すくい面の面粗さＲｚは、前記外周刃から直径の１／５０の幅の外側範囲が０．０５μｍ未満とされ、それよりも内側の内側範囲が０．０５μｍ以上０．０８μｍ以下とされる請求項１又は２に記載のエンドミル。

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