JP3988857B2 - 球形転削工具 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は球面上に刃を形成しているボールエンドミル（Ｂａｌｌ Ｅｎｄ Ｍｉｌｌｓ）、テーパーボールエンドミル（Ｔａｐｅｒ Ｂａｌｌ Ｅｎｄ Ｍｉｌｌｓ）などの球形転削工具に関し、特にエクセントリックリリーフ形態のリリーフ角を形成させることができるようにして、相対的に小さいリリーフ角と広いランド幅で刃を補強することができるため、高い移送速度で運転することができ、よって加工効率を大幅増加させることができる球形転削工具に関する。
【０００２】
（背景技術）
従来のボールエンドミルのような球形転削工具の刃は、図１における通り、球面上の刃部分（球面刃先部もしくは球面刃先という）と外周上の刃部分（外周刃先部もしくは外周刃先という）から構成されており、球面刃先部が主切削刃（Ｍａｉｎ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｅｄｇｅ，以下、主切刃という）としての機能を持ち、外周刃先部は球面刃先部の切削を補助したり（補助切削：Ａｕｘｉｌｉａｒｙ Ｃｕｔｔｉｎｇ）、球面上に刃を形成するための手段から成る。
【０００３】
このような球形転削工具の外周刃先部と同一の位置に主切刃を配置した円筒形の転削工具（例：スクエアエンドミル等）の場合は、刃が工具中心軸に対し任意の一定の角度関係（一定螺旋角：Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｈｅｌｉｘ ａｎｇｌｅ；以下、一定へリックス角という）を容易に維持することができるため、加工物の材種や作業条件に適合するヘリックス角を付与することにより、工具性能を著しく向上させることができる。転削工具が一定へリックス角を有するようになると、そうでない場合に比べて刃の長さが延びて刃の単位長さ当たりの切削負荷が軽減され、連続して切削（連続切削；Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｃｕｔｔｉｎｇ）することができるので、切削時の外部衝撃を最小化する。また、被加工面の荒さ（Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）を向上させるなど、精密切削が可能であり、刃の寿命も延びる。これは、ヘリックスが傾斜角（Ｒａｋｅ ａｎｇｌｅ）でも可能であるためであるが、円筒形転削工具の場合、鋼（Ｓｔｅｅｌ）切削用が３０°前後の一定へリックスを有するのに比べて、アルミニウム用は大部分が４５°前後の一定へリックスを有するという点からも容易に分かる。
【０００４】
ヘリックス角はリードおよび工具直径と一定の相関関係を有しているが、この関係は、図２における通り、へリックス角を“Ｈ”，リードを“Ｌ”，工具の直径を“Ｄ”とすると、ｔａｎＨ＝πＤ／Ｌと表示することができる。工具の直径が一定な“球形転削工具の外周刃先”や“円筒形転削工具の主切刃”は、リードを任意の値に設定すると、ヘリックス“Ｈ”が一定の値を有するようになったり、もしくは逆になって、前記の長所を容易に認識ことができる。
【０００５】
反面、一定の角度のヘリックスを刃に付与して工具の性能を著しく向上させることができるにも拘わらず、球面刃先が工具中心軸と一定角度関係（一定へリックス角）を有する球形転削工具は出現していない。只、外周刃先とスムーズに連結される範囲で一定の相関関係や法則なしに球面上に刃を配列した状態ではあるが、図３の曲線▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼などがその例である。これは下記の如き理由に起因する。
【０００６】
円筒は軸方向の位置に拘わらず軸直角断面の直径が同一であるのに反し、軸直角断面の直径が軸方向の位置によってそれぞれ異になる球面体の形状特性（図４）のため、円筒におけるように公式ｔａｎＨ＝πＤ／Ｌを用いてリードを任意の大きさに設定しても、工具の直径Ｄが軸方向の位置によって異なるため、ヘリックス角Ｈは各位置毎に異なる値になってしまい、結果として、一定のへリックス角は期待し得なくなる。
【０００７】
一方、球面体の“軸”と“球面”が互いに交差する二つの点を連結する球面上のいずれの形態の曲線も軸を中心として回転させると、その軌跡は、図５に示すように、球面を形成するため、形状やヘリックス角が一定か否かに拘わらず、刃を任意に球面上に配列した後、工具を回転させて切削すると、被加工物に同一の大きさの球面が形成される。
【０００８】
このような点から、“一定角度の螺旋形刃を有する球形転削工具”の出現の必要性が低減したのであろうと思われる。即ち、使用上の効率と性能は劣るとしても加工形状は満足し得たため、その出現が切に要望されなかったのである。このことによりボールエンドミル等の既存の球形転削工具が、切削能率上スクエアエンドミルのように一定へリックス角を有する円筒形転削工具より大いに後れをとる問題があった。
【０００９】
（発明の開示）
本発明の目的は、これら既存の工具が有する欠点を刃の形状面から解決しようとするもので、特に刃を構成しているそれぞれの幾何学的点が描く軌跡、またはその点の配列により解決しようとするものである。即ち、球面上で刃が形成しているそれぞれの点を通過する接線が工具軸と一定へリックス角を維持するようにして、円筒形転削工具の主切刃が有する加工能率を球形転削工具の主切刃に具現させた球形転削工具を提供することにある。
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明による転削工具は、球面上に刃を配置した切削工具であって、前記刃のヘリックス角がいずれの位置においても一定であることを特徴とする。
【００１１】
また、前記球面上の一定へリックス角を基礎にして所定領域が小さいリリーフ角と広いランド幅から成るのが望ましい。
【００１２】
また、前記刃は胴体と同一の材料から成るのが望ましい。
【００１３】
更に、前記転削工具は、鋼製の胴体に刃部を溶着または機械的手段により固着させるのが望ましい。
【００１４】
（発明を実施するための最良の形態）
以下において、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者が本発明を容易に実施し得る程度に本発明による球形転削工具を説明する。
【００１５】
図６は本発明による球面上に一定ヘリックスが形成されたとき、球中心角・軸回転角およびヘリックス角の相関関係を示す説明図である。本発明の球形転削工具は同一の大きさの半径ｒを有する円筒と半球が互いに軸直角断面（以下、境界断面という）を境界として結合された“円筒と半球の複合体（以下、複合体という）”で、その表面に任意の形態の曲線が描かれた場合を仮定し、境界断面と曲線の交点を“球面曲線の基点”、球面曲線の基点と複合体の軸線を含む仮想平面を“基準平面”と称し、球面にある曲線上の“任意点の半径”が基準平面と成す角を“軸回転角ｙ”，境界断面と成す角を“球中心角β”とすれば、任意点の位置はｒ，β，ｙと表示できる。出願人はｒ，β，ｙの相互関係を定義する際に、球面上で曲線（或いは刃を形成している各点）が同一のヘリックス角Ｈを維持するとき、ｙとβは“ｔａｎＨ”を媒介として互いに従属されることを、即ち、“ｙ＝β・ｔａｎＨ”の関係を明し出した。
【００１６】
つまり、球面上の球中心角がβ（β＝０°〜９０°）である位置の軸直角断面で基準平面から“β・ｔａｎＨ”の位置に刃が配置されると、この刃はＨ°（Ｄｅｇｒｅｅ）の完璧な一定へリックス角を有するようになるのである。即ち、工具使用条件に適合するヘリックス角を設定した後、その角のｔａｎ値が定数、球中心角βが変数である比例式で軸回転角を算出し、その交差点を連結すると、“設定した大きさ”の一定ヘリックス角を有する曲線、即ち、刃になるのである。その一例として３０°の一定ヘリックス角の軌跡を図３に示した。
【００１７】
前記公式“ｙ＝β・ｔａｎＨ”における一定ヘリックス角を備えるために必要な要素は、球中心角と軸回転角だけで、球の大きさ、即ち、半径ｒとは関係がない。これは、円筒形転削工具のヘリックス発生が工具の直径Ｄ、即ち、２ｒに従属されることと大いに異なる点であり、同一の値の一定ヘリックス角を有する球面転削工具であればその直径に拘わらず一つのカムで、或いは数値制御式機械においては一つのプログラムで製作・再研削することができる長所がある。また、刃が一定の相関関係により形成されるため、球面上に配置することも容易である。
【００１８】
球形転削工具が一定ヘリックス角を有することにより得られる画期的な長所は、刃のリリーフ面形状としてエクセントリックリリーフ（Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ Ｒｅｌｉｅｆ；図７ｃ）を取ることができる点である。従来の球形転削工具は、全てコンケーブ（Ｃｏｎｃａｖｅ）形態（図７ａ）であったり、通常の状態ではないがフラット（Ｆｌａｔ）形態（図７ｂ）を取るしかなかった。この場合はリリーフ（ｒｅｌｉｅｆ）の機能を生かすためにランド幅を小さくしたり、リリーフ角を増加させるしかないため、刃の強度が弱くなる。この場合の問題は工具の直径が小さい程、工具軸に近い刃である程深刻である。
【００１９】
従って、従来の球形転削工具は、高い移送速度（Ｆｅｅｄｒａｔｅ）で運転することができない。前記コンケーブやフラット形態の問題点を補完したエクセントリックリリーフは、リリーフ角をＲ、研削砥石のセッテイング角をＳとするとき、ｔａｎＳ＝ｔａｎＲ・ｔａｎＨの関係下に生成される。刃の位置毎にへリックス角が異なると、これに従って砥石のセッテイング角Ｓも変わらなければならないが、これは現実的に不可能である。反面、刃が一定ヘリックスを有するようになると、砥石のセッテイング角Ｓを固定させたままエクセントリックリリーフ形態の刃のリリーフ角を形成させることができるようになる。このような場合、相対的に小さいリリーフ角と広いランド幅（図８ｃ）で刃を補強することができるため、高い移送速度で運転することができ、よって加工効率を大幅増加させることができる。
【００２０】
また、前記刃は胴体と同一の材料で成り、鋼製の胴体に刃部を溶着または機械的手段により固着させるのが望ましい。
【００２１】
本発明において一定角度というのは、“与えられた刃の長手内にあるいずれの点においても同一の大きさの角度を有すること”を意味し、リードというのは“螺旋形刃先を有する工具において工具が１回転する間に刃先が工具の軸方向へ前進した距離”を意味し、工具の直径というのは工具の外周を形成する直径をいう。また、“円筒に形成されたヘリックス（螺旋）”と同一の概念で、円錐または球面に形成された渦巻き状の曲線を渦線（Ｓｐｉｒａｌ）といい、渦線と工具中心軸が成す角を渦線角（Ｓｐｉｒａｌ ａｎｇｌｅ）と称し、ヘリックス角と区分する場合もあるが、本発明においては概念の混乱を避けるためにヘリックス角と渦線角を共にヘリックス角と称した。
【００２２】
本発明は、上記記載のような実施例に限ってのみ説明したが、これにのみ限定されるものではなく、当業者には本発明の範囲と思想から脱することなくいろいろな変形や修正が可能であろう。
【００２３】
以上の説明の通り、本発明は、刃が一定のヘリックスを有しながらエクセントリックリリーフ形態の刃のリリーフ角を形成させて、相対的に小さいリリーフ角と広いランド幅で刃を補強して高い移送速度で運転することができ、よって、加工効率を大幅増加させることができる効果が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、従来の球形転削工具の形状と構成を示した正面図である。
【図２】 図２は、従来の円筒形転削工具におけるヘリックス角・リードおよび工具直径の相関関係を示した説明図である。
【図３】 図３は、従来の球形転削工具の刃配置例と３０°の一定ヘリックスで刃を配置した例の正面図と側面図である。
【図４】 図４は、一般的に軸方向の位置によって軸直角断面の直径が異になる球面体の形状特性を示した説明図である。
【図５】 図５は、一般的に球面体が回転するとき、球面上の任意曲線が描く軌跡は球面であることを示した説明図である。
【図６】 図６は、本発明による球面上に一定ヘリックスが形成されたとき、球中心角・軸回転角およびヘリックス角の相関関係を示した説明図である。
【図７】 図７は、転削工具の刃形状を示した要部正面図であって、（ａ）は従来のコンケーブリリーフの形状、（ｂ）は従来のフラットリリーフの形状、（ｃ）は本発明に因り球面刃先にも適用することができるようになったエクセントリックリリーフの形状を示した。
【図８】 図８は、転削工具の中心部の刃形状と加工物形状との比較図であって、（ａ）は従来のスクエアエンドミルの中心部の刃形状（フラットリリーフ）、（ｂ）は従来の球形転削工具の中心部の刃形状（コンケーブリリーフ）、（ｃ）は本発明による球形転削工具の中心部の刃形状（エクセントリックリリーフ）を示した。
【符号の説明】
Ｈ へリックス角
Ｄ 直径
Ｌ ヘリックスのリード
ｎ 各地点の位置を示す呼称番号
β 球中心角
ｙ 軸回転角
ｒ 半径
ｌ １次リリーフランド幅
Ｒ リリーフ角

Claims (2)

1. 球面上に刃を配置した切削工具であって、前記刃のへリックス角“Ｈ”がいずれの位置においても一定であり、
   該切削工具は、同一の大きさの半径を有する円筒と半球が互いに境界断面を境界として結合された円筒と半球の複合体であって、前記境界断面と前記刃の交点および前記複合体の軸線とを含む仮想平面を基準平面とし、前記球面上にある前記刃の上の任意点の半径が、前記基準平面と成す角を軸回転角“ｙ”、前記境界断面と成す角を球中心角“β”とする時に、ｙ＝β・ｔａｎＨの関係を満たすことを特徴とする球形転削工具。
2. 前記刃は胴体と同一の材料から成ることを特徴とする請求項１記載の球形転削工具。

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