JP2024023943A - ボールエンドミル - Google Patents

Abstract

【課題】切削性を高めて底刃間の欠損と摩耗を抑制できる。【解決手段】ボールエンドミル１は、中心軸線Ｏ回りに回転可能な工具本体の先端側にｃＢＮ製の切刃部３を備えた。切刃部３の先端面４には、１８０度対向配置されていて略１／４円弧状に形成された一対のＲ刃５と、Ｒ刃５の回転方向前方側に形成されていてＲ刃５のすくい面８を形成する一対のギャッシュ溝７と、一対のＲ刃５の中心軸線側の端部同士を接続するチゼル１８と、を備えている。一対のＲ刃５は芯下がりに形成されていて、その芯下がり量はＲ刃５の半径Ｒの０％より大きく６％以下に設定されている。チゼル１８を有する延長逃げ面１８ａの内接円の直径ｔは０．５％～２．０％の範囲に小さく設定され、Ｒ刃５のアキシャルレーキ角は－１０°～＋１５°の範囲に設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、工具本体の先端面に略円弧状の複数の底刃が形成されたボールエンドミルに関する。

一般に精密機械加工分野において、金型や部品等を切削加工するために例えばボールエンドミルが用いられている。例えば図１０に記載されたボールエンドミル１００では、工具本体１０１の先端面に１８０度対向して配設された１／４円弧状の２枚のＲ刃１０２が形成されている。このボールエンドミル１００は中心軸線Ｏ周りに回転可能とされている。各Ｒ刃１０２の回転方向前方側にはＲ刃１０２のすくい面１０２ａを形成するギャッシュ溝１０３が形成されている。

２枚のＲ刃１０２は芯上がりに形成されていて、それぞれ外周面側から中心軸線Ｏの近傍を通過して反対側に延びている。２枚のＲ刃１０２は中心軸線Ｏに重なるチゼル１０４を介して交差している。しかも、各ギャッシュ溝１０３は平面視でＲ刃１０２に沿って外周側から中心軸線Ｏ方向に延びて中心軸線Ｏを超える反対側まで設けられている。そのため、一対のギャッシュ溝１０３は長さｋの範囲で互いに交差している。このようなボールエンドミルは例えば特許文献１等にも開示されている。

特開２０００－１１７５２２号公報

このボールエンドミル１００で被削材の切削加工を行う場合、中心軸線Ｏ付近に切れない刃を有するチゼル１０４が設けられたため、この部分での切削抵抗が増大する。しかも、従来のボールエンドミル１００では、チゼル１０４の欠損を防いで刃先強度を確保するために、Ｒ刃１０２を芯上がりに設定しただけでなく、対向するＲ刃１０２の逃げ面が延長するチゼル１０４を有する肉厚部の幅を太くし、すくい角をネガに設定していた。
しかしながら、この場合でも、切削速度が低いためチゼル１０４にかかる負荷が過大で切削抵抗が大きく、発熱や異常摩耗を引き起こすという問題を改善できていなかった。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、底刃の切削性を高めて底刃及びチゼルまたは凹部の欠損と摩耗を抑制できるようにしたボールエンドミルを提供することを目的とする。

本発明に係るボールエンドミルは、中心軸線回りに回転可能な工具本体の先端側に切刃部を備えたボールエンドミルにおいて、前記切刃部の先端面に略円弧状に形成されている複数の底刃と、前記底刃の回転方向前方側で互いに交差して形成されている複数のギャッシュ溝と、前記複数の底刃の間に前記中心軸線を含んで形成され、前記複数のギャッシュが連通する凹部と、前記複数の底刃の回転方向後方側に形成され、回転方向後方に向かうにつれて逃げ角が変化する二番逃げ面と、を有することを特徴とする。

また、工具本体の先端面に凹部を有するボールエンドミルにおいて、複数のギャッシュ溝は互いに交差して凹部に連通して配設され、底刃間の内接円の直径（ｄ）は底刃の半径Ｒの１％～３％の範囲に設定されていることが好ましい。
複数の底刃の回転方向前方に形成した複数のギャッシュ溝が半径Ｒの１％～３％の範囲で互いに交差しており、これに重なる底刃間の中央に凹部を形成したため、切削時に底刃間の凹部で摩耗と欠損を生じにくく、切削性が高い。

また、工具本体の先端面にチゼルを有するボールエンドミルは、工具本体の先端面において、複数のギャッシュ溝が互いに交差しない形状とされ、底刃の間にチゼルが形成されていてもよい。
底刃の間にチゼルを設けているが、底刃が高硬度で芯下がりに形成したため、底刃の切削性が高い上に底刃の間のチゼルの摩耗と欠損を低減することができる。

また、チゼルを有する部分の内接円の直径（ｔ）は底刃の半径Ｒの０．５％～２．０％の範囲に設定されていることが好ましい。
切刃部で切削加工する際、チゼルを有する部分が高硬度で厚みが小さいため被削材に押圧されてもチゼルの摩耗と欠損を低減することができる。

また、底刃のアキシャルレーキ角は－１０°～＋１５°の範囲に設定されていることが好ましい。
底刃のアキシャルレーキ角を－１０°～＋１５°の範囲で正角側に形成したため、芯下がりと相まって切削性が高い。

本発明に係るボールエンドミルによれば、高硬度材質のｃＢＮからなる切刃部を用い、
底刃の間の中心軸線付近にチゼルまたは凹部が設けられ、底刃の芯下がり量を底刃の半径Ｒの０％より大きく６％以下に形成したため、底刃の切削性を向上できる上に、底刃及び底刃間のチゼル及び凹部の耐欠損性と耐摩耗性に優れている。

本発明の第一実施形態によるボールエンドミルの切刃部を示す先端面図である。 図１に示すボールエンドミルの側面図である。 Ｒ刃のアキシャルレーキ角を示すボールエンドミルの側面図である。 第二実施形態によるボールエンドミルの切刃部を示す先端面図である。 図４に示すボールエンドミルの側面図である。 Ｒ刃のアキシャルレーキ角を示すボールエンドミルの側面図である。 従来例を示すもので、（ａ）は加工前のＲ刃の中心付近の逃げ面の図、（ｂ）は加工前のＲ刃の輪郭投影図、（ｃ）は加工後のＲ刃の中心付近の逃げ面の図、（ｄ）は加工後のＲ刃の輪郭投影図である。 実施例１を示すもので、（ａ）は加工前のチゼルの逃げ面の図、（ｂ）は加工前のＲ刃の輪郭投影図、（ｃ）は加工後のチゼルの逃げ面の図、（ｄ）は加工後のＲ刃の輪郭投影図である。 実施例２を示すもので、（ａ）は加工前のＲ刃の中心付近の逃げ面の図、（ｂ）は加工前のＲ刃の輪郭投影図、（ｃ）は加工後のＲ刃の中心付近の逃げ面の図、（ｄ）は加工後のＲ刃の輪郭投影図である。 従来のボールエンドミルの切刃部の先端面図である。

以下、本発明の各実施形態によるボールエンドミルについて添付図面に基づいて説明する。図１乃至図３は本発明の第一実施形態によるボールエンドミル１を示すものである。図１及び図２において、本実施形態によるボールエンドミル１は、略円柱状に形成されていて中心軸線Ｏを中心に回転される工具本体２と、その先端部に形成された切刃部３と、を備えている。ボールエンドミル１の少なくとも切刃部３は高硬度材料からなるｃＢＮ焼結体によって形成されている。或いは、ボールエンドミル１の切刃部３の材質としてｃＢＮに代えてＰＣＤを用いてもよい。
このボールエンドミル１は機械部品や金型等の高硬度材を切削加工するのに用いられる。本明細書では工具本体２の中心軸線Ｏに沿った切刃部３側を先端側、先端といい、主軸に連結する反対側を基端側、基端というものとする。

図１及び図２において、ボールエンドミル１は切刃部３の略半球面状をなす先端面４に略１／４円弧状の底刃として複数、例えば２枚のＲ刃５が１８０度対向する位置に形成されている。工具本体２の外径をＤとした場合、Ｒ刃５の半径をＲとして２Ｒ≧Ｄに設定されている。しかも、各Ｒ刃５は芯下がりに形成されている。
切刃部３において、各Ｒ刃５の回転方向前方側にはギャッシュ溝７が形成されている。ギャッシュ溝７に形成されたギャッシュ面はＲ刃５のすくい面８とされ、すくい面８は平面、凹曲面、凸曲面のいずれに形成されていてもよい。本実施形態ではすくい面８は例えば凸曲面とされている。

図３において、中心軸線Ｏに対するＲ刃５のすくい面８のすくい角αは－１０°～＋１５°の範囲に設定されている。Ｒ刃５のすくい角αはアキシャルレーキ角αに設定されている。Ｒ刃５のすくい角αが－１０°より小さいと刃先強度は高いが切削性が著しく低下し、＋１５°より大きいと切削性は高いが切刃強度が低下する。
Ｒ刃５の回転方向後方側には逃げ面として正の逃げ角を有する二番逃げ面９と三番逃げ面１０が順次形成されている。二番逃げ面９の逃げ角は＋１０°～＋２５°の正角に設定
されている。この逃げ角は一定の角度でもよいし、Ｒ刃５側から回転方向後方に向かうに従って次第に大きくなるように、または小さくなるように変化してもよい。三番逃げ面１０の逃げ角は二番逃げ面９の逃げ角より大きい逃げ角を有している。

Ｒ刃５の基端側には外周刃１３が形成されている。外周刃１３の回転方向前方側にはフルート溝１４が形成されている。フルート溝１４には外周刃１３のすくい面１５が形成されている。外周刃１３とフルート溝１４は先端側から基端側に向けて次第に回転方向後方側に螺旋状に捩じれるようにねじれ角を有している。
工具本体２の側面視で、Ｒ刃５と外周刃１３は先端側から基端側に向けて回転方向後方側に捩じれている。外周刃１３はＲ刃５と同一角度またはそれ以上の角度で後方に捩じれたねじれ角を有している。Ｒ刃５のギャッシュ溝７と外周刃１３のフルート溝１４もＲ刃５及び外周刃１３と同様に先端側から基端側に向かうに従って回転方向後方側に捩じれている。

図１に示す切刃部３の先端面図において、一対のＲ刃５は芯下がりに形成されている。なお、Ｒ刃５は回転方向前方に湾曲して突出する凸曲線状または直線状に形成されていてもよい。各Ｒ刃５の中心軸線Ｏ側の端部は中心軸線Ｏに近接する位置まで延びており、この端部同士は二番逃げ面９の延長部同士が接続される肉厚の延長逃げ面１８ａに接続されている。この延長逃げ面１８ａの中央には中心軸線Ｏに重なるチゼル１８が形成されている。チゼル１８を有する延長逃げ面１８ａ(チゼル１８を有する部分)の内接円の直径(厚み)ｔはＲ刃５の半径Ｒの０．５％～２．０％の範囲に設定されている。内接円の直径ｔが０．５％より小さいと切削時に著しく欠損し易く、２．０％より大きいと切削抵抗が増大して異常摩耗の原因になる。
チゼル１８はデッドスポットに相当する。チゼル１８は延長逃げ面１８ａが中心軸線Ｏに重なっており、すくい面と延長逃げ面１８ａの間の稜線を切刃として工具本体２の回転時に切削可能ではあるが、中心軸線Ｏの近傍であるため切削速度が低い部分であり切削性が悪い。

また、一対のＲ刃５同士の間隔である芯下がり量ｓはＲ刃５の半径Ｒの０％より大きく６％以下の範囲に設定されている。芯下がり量ｓが０％であれば芯下がりに設定できずにＲ刃５の切削性が低下し、６％を超えると切削性は高いが切刃強度が低下する。そのため、一対のＲ刃５の芯下がり量ｓは上記範囲に設定することが切削性と切刃強度を確保する上で好ましい。芯下がり量ｓは一対のＲ刃５による切削バランスを確保するために、中心軸線Ｏからの距離がそれぞれｓ／２であることが好ましい。

また、一対のＲ刃５の回転方向前方側にそれぞれ形成した２つのギャッシュ溝７は互いに交差しておらず、チゼル１８の延長逃げ面１８ａの内接円の直径ｔだけの間隙が設定されている。ｃＢＮ製の切刃部３は高硬度であるため中心軸線Ｏ付近にチゼル１８が存在していると大きな抵抗になり欠損し易くなる。本実施形態ではチゼル１８の延長逃げ面１８ａの内接円の直径ｔの範囲を上記の範囲に小さくすることで切削性を向上させて摩耗を抑制している。

本実施形態によるボールエンドミル１は上述した構成を備えており、次にその切削方法について説明する。
ボールエンドミル１を中心軸線Ｏ回りに回転させつつ切刃部３の中心軸線Ｏ方向の縦送りによる切り込みでは、中央のチゼル１８では切削できないため切削抵抗が上昇し、切刃部３の先端面４に位置する延長逃げ面１８ａが摩耗する。しかし、チゼル１８の延長逃げ面１８ａの内接円の直径ｔは半径Ｒの０．５％～２．０％の範囲と小さいため延長逃げ面１８ａの摩耗量が小さい。その後、ボールエンドミル１を横送りすることでＲ刃５によって加工面の立壁を切削加工する。ボールエンドミル１の横送りによって、切り込み時に切
削できなかったチゼル１８の部分の被削材をＲ刃５で切削加工する。

しかも、切刃部３のＲ刃５はｃＢＮ製で高硬度である上にチゼル１８を有する延長逃げ面１８ａの内接円の直径ｔが小さいため、Ｒ刃５による切削性を向上できると共に延長逃げ面１８ａの摩耗と欠けを抑制することができる。

上述のように本実施形態によるボールエンドミル１によれば、切刃部３がｃＢＮ製で高硬度である上に一対のＲ刃５のアキシャルレーキ角αがポジ側に傾斜しており、Ｒ刃５で挟まれたチゼル１８の延長逃げ面１８ａ部分の内接円の直径ｔが小さく形成されている。そのため、Ｒ刃５による切削性が高く、Ｒ刃５及びチゼル１８の部分での耐摩耗性と耐欠損性に優れている。

以上、本発明の実施形態によるボールエンドミル１について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の異なる形態や態様を採用できることはいうまでもない。これらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
以下に本発明の他の実施形態や変形例について説明するが、上述した実施形態の部分や部品と同一または同様なものについては同一の符号を用いて説明を行うものとする。

図４乃至図６は本発明の第二実施形態によるボールエンドミル２０を示すものであり、第一実施形態によるボールエンドミル１と同様な構成を有している。ボールエンドミル２０は切刃部３の先端面４に略１／４円弧状の底刃として複数、例えば２枚のＲ刃５が１８０度対向する位置に形成されている。工具本体２の外径をＤとし、Ｒ刃５の半径をＲとして２Ｒ≧Ｄに設定されている。しかも、各Ｒ刃５は芯下がりに形成されている。
切刃部３において、各Ｒ刃５の回転方向前方側にはギャッシュ溝７が形成されている。ギャッシュ溝７のギャッシュ面はＲ刃５のすくい面８とされている。すくい面８は例えば凸曲面とされている。

中心軸線Ｏに対するＲ刃５のすくい面８のすくい角であるアキシャルレーキ角αは－１０°～＋１５°の範囲に設定されている。Ｒ刃５のすくい角αが－１０°より小さいと刃先強度は高いが切削性が著しく低下し、＋１５°より大きいと切削性は高いが切刃強度が低下する。
Ｒ刃５の基端側には外周刃１３が形成され、外周刃１３の回転方向前方側にはフルート溝１４が形成されている。フルート溝１４には外周刃１３のすくい面１５が形成されている。Ｒ刃５の回転方向後方側には逃げ面として正の逃げ角を有する二番逃げ面９と三番逃げ面１０が順次形成されている。二番逃げ面９の逃げ角は＋１０°～＋２５°の正角に設定されている。二番逃げ面９の逃げ角は一定角度または可変の逃げ角に設定されている。

対向する２枚のＲ刃５の間で中心軸線Ｏを含む領域にギャッシュ溝７に連通する凹部２１が形成されている。凹部２１は、図４及び図５では略円錐状に形成されているが、凹部２１の形状は任意である。そのため、２枚のＲ刃５の間には中心軸線Ｏを含む領域にチゼル１８やデッドスポットが形成されていない。
また、切刃部３の先端面４において、Ｒ刃５の回転方向前方側に形成されたギャッシュ溝７は、それぞれ中心軸線Ｏを超えて径方向の反対側の領域にまで延びている。二つのギャッシュ溝７は中心軸線Ｏの領域において凹部２１で重複して互いに交差している。図４に示す対向するＲ刃５の中心側端部間の内接円(凹部２１)の直径ｄはＲ刃５の半径Ｒの１％～３％の範囲に設定されている。中心軸線Ｏ側のＲ刃５間の内接円の直径ｄは１％より小さいと切り屑が凝着して異常摩耗を生じるという欠点がある。また、３％より大きいと切刃部３による立壁加工時の凹部２１の径が大きくなりすぎて非切削で残る凸部の径が増大し、横送りした際のＲ刃５による凸部の切削負荷が増大し、加工面粗さが劣化するとい
う欠点がある。

本実施形態によるボールエンドミル２０は上述した構成を備えており、次にその切削方法について説明する。
例えば、ボールエンドミル１の切刃部３を中心軸線Ｏ回りに回転させつつ縦方向に切り込んで横送りする等高線荒取り加工を行うと、縦送り時に２枚のＲ刃５の中央に形成された凹部２１で切削できない。すると、被削材に凹部２１による切削残りの凸部が生じる。
その後、ボールエンドミル１を横送りすることで、切刃部３の中心軸線Ｏ部分の凹部２１に刃がなくても、切り込み時に切削できなかった切削残りの凸部をＲ刃５によって切削加工する。しかも、切刃部３のＲ刃５はｃＢＮ製で高硬度である上に凹部２１の径が小さいため、切削性を向上できて摩耗と欠けを抑制することができる。

上述のように本第二実施形態によるボールエンドミル２０によれば、切刃部３がｃＢＮ製で高硬度である上に一対のＲ刃５のアキシャルレーキ角がポジ側に傾斜しており、Ｒ刃５で挟まれた凹部２１の部分の削り残しを横送りで切削加工できる。
そのため、Ｒ刃５による切削性が高くＲ刃５及び凹部２１の部分での摩耗と欠損を抑制できる。しかも、Ｒ刃５の間の凹部２１にチゼル１８がないため、切削抵抗をより一層低減できる。

次に上述した第一実施形態によるボールエンドミル１と第二実施形態によるボールエンドミル２０について等高線荒取り加工の切削試験を行った。各試験例は、第一実施形態のボールエンドミル１を実施例１、第二実施形態のボールエンドミル２０を実施例２とし、図１０に示す従来のボールエンドミル１００を従来例として、高硬度材質からなる被削材の金型加工を行った。
実施例１、実施例２はそれぞれ一対のＲ刃５が芯下がりであり、従来例は芯上がりとされている。実施例１は切刃部３の中心軸線Ｏ付近に内接円の直径ｔのチゼル１８があり、実施例２は切刃部３の中心軸線Ｏ付近に凹部２１が形成されている。従来例は中心軸線Ｏ付近にチゼル１８より大きな厚みのチゼル１０４が形成されている。

切削条件は、回転速度ｎは１２００００ｍｉｎ-１、送り速度Ｖｆは１０５０ｍｍ／ｍｉｎ、ａｐ(Ｚ軸方向の切り込み量)は０．００５ｍｍ、ａｅ（横方向の切り込み量)は０．００５ｍｍとした。クーラントはオイルミストを使用した。
そして、比較試験結果として、被削材を１０時間切削加工した切削前と切削後の各ボールエンドミル１、２０、１００の回転中心付近の逃げ面の摩耗状態、Ｒ刃５、１０２の摩耗量を示す輪郭投影写真を示した。

実施例１、実施例２、従来例について被削材の等高線荒取り加工を１０時間行った。図７～図９において、（ａ）、（ｂ）は加工前のＲ刃の中心軸線Ｏの近傍部分とＲ刃の輪郭投影写真を示している。図７～図９（ｃ）、（ｄ）は１０時間切削加工後のＲ刃の中心軸線Ｏの近辺部分とＲ刃の輪郭投影写真を示している。１０時間加工後のＲ刃の輪郭投影写真において、黒色部分が残ったＲ刃の輪郭を示し、灰色部分がＲ刃の摩耗した部分を示す。

図７（ａ）、（ｂ）において、従来例では、切削加工前のチゼル１０４の逃げ面とＲ刃１０２に対し、同図（ｃ）、（ｄ）に示す切削加工後にはチゼル１０４の逃げ面が大きく摩耗し、Ｒ刃１０２の刃先も大きく摩耗した。
これに対し、図８（ａ）、（ｂ）に示す実施例１では、切削加工前のチゼル１８の延長逃げ面１８ａとＲ刃５に対し、同図（ｃ）、（ｄ）に示す切削加工後にチゼル１８の延長逃げ面１８ａが僅かに摩耗し、Ｒ刃５の刃先は僅かに摩耗したにすぎない。

図９（ａ）、（ｂ）に示す実施例２では、切削加工前の凹部２１とＲ刃５に対し、同図（ｃ）、（ｄ）に示す切削加工後に凹部２１の両端側のＲ刃５の二番逃げ面９が僅かに摩耗し、Ｒ刃５の刃先も僅かに摩耗したにすぎない。
これらの試験結果から、従来例の結果に対して、実施例１及び実施例２では、一対のＲ刃５の中心部分の摩耗が小さく、Ｒ刃５の刃先の摩耗も小さかった。そのため、実施例１及び実施例２は切削性を向上できて摩耗と欠けを抑制することができることを確認できた。

また、上述した各実施形態によるボールエンドミル１、２０において、Ｒ刃５の二番逃げ面９側にスモールリリーフを設けてもよい。この場合、加工面にチッピングを生じることなく鏡面加工を行える。或いは、スモールリリーフに代えて刃先ホーニングを設けてもよい。
なお、上述した各実施形態によるボールエンドミル１、２０において、切刃部３に形成するＲ刃５（底刃）は２枚に限定されることなく、３枚または４枚以上でもよい。Ｒ刃５が３枚以上配設された場合、これら複数のＲ刃５は等ピッチに配設されているが、不等ピッチに配設されていてもよい。

１、２０ ボールエンドミル
２ 工具本体
３ 切刃部
５ Ｒ刃
７ ギャッシュ溝
８ すくい面
９ 二番逃げ面
１３ 外周刃
１４ フルート溝
１５ すくい面
１８ チゼル
２１ 凹部
Ｏ 中心軸線

Claims (3)

1. 中心軸線回りに回転可能な工具本体の先端側に切刃部を備えたボールエンドミルにおいて、
   前記切刃部の先端面に略円弧状に形成されている複数の底刃と、
   前記底刃の回転方向前方側で互いに交差して形成されている複数のギャッシュ溝と、
   前記複数の底刃の間に前記中心軸線を含んで形成され、前記複数のギャッシュが連通する凹部と、
   前記複数の底刃の回転方向後方側に形成され、回転方向後方に向かうにつれて逃げ角が変化する二番逃げ面と、
   を有する、ボールエンドミル。
2. 前記中心軸線を中心とする複数の底刃間の内接円の直径が各底刃の半径Ｒの１％～３％の範囲に設定されている、請求項１に記載のボールエンドミル。
3. 前記複数の底刃がそれぞれ芯下がりに設定されており、底刃間の芯下がり量が各底刃の半径Ｒの０％より大きく６％以下である、請求項１に記載のボールエンドミル。