JP4608433B2 - 回転切削工具およびこれを用いた切削方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属等の切削加工に用いられるエンドミル等の回転切削工具およびこれを用いた切削方法に関する。

従来より、金属等の切削加工の分野において、回転軸を中心として回転させながら切削加工を行うエンドミル等の回転切削工具が用いられている。この回転切削工具は、先端部分や先端部分の側面等に切刃を有しており、回転軸を中心として回転させることで切削加工を行うことができる。
このような回転切削加工は、例えば、金型の加工等に用いられている。金型材料となる金属ブロックに対してポケット加工を行う場合には、加工時間の短縮のために径の大きいエンドミルを用いて粗加工が行われる。そして、図６に示すように、所望のポケット形状に適合する径のエンドミルを用いて四隅の加工等を行っている。

しかしながら、上記従来のエンドミル等を用いた回転切削方法は、以下に示すような問題点を有している。
すなわち、上述したエンドミル等の回転切削工具は、回転軸を中心として回転しながら切削加工を行う。このため、上述した金型加工のように、ブロック状の金属片に所定の深さのポケット加工を行うような場合には、図６に示すように、そのポケットの四隅の角のＲの大きさはエンドミル５０の径と一致することになる。

よって、ポケット加工の角を直角に近い０．１〜０．２Ｒの小さいＲで加工したい場合には、粗加工の後、０．１〜０．２Ｒの径の小さいエンドミルを用いて何度も繰り返し切削する必要がある。このため、加工に要する時間およびコストが増大するという問題がある。
また、限りなく直角加工に近い形状で四隅を加工するためには、エンドミルの径が０．１ｍｍ〜０．２ｍｍと非常に小さくなるため、エンドミルの先端部分の強度が低下して加工中等において破損しやすくなるという問題もある。

さらに、上記特許文献１〜５には、エンドミルを用いた切削方法について開示されているものの、直角加工や極小隅Ｒのエッジ加工を行う切削方法についてはなんら開示されていない。
特開２００３−５３６１６号公報（平成１５年２月２６日公開） 特開２０００−２６３３０８号公報（平成１２年９月２６日公開） 特開２０００−５９１５号公報（平成１２年１月１１日公開） 特開平１０−１２８６１０号公報（平成１０年５月１９日公開） 特開平６−８０２６号公報（平成６年１月１８日公開）

本発明の目的は、径の小さいエンドミルを用いて繰り返し切削加工を行うことなく、効率よく直角加工あるいは極小隅Ｒのエッジ加工を行うことが可能な回転切削工具およびこれを用いた切削方法を提供することにある。
請求項１に記載の回転切削工具は、回転軸を中心として回転することで被切削物に対して切削加工を行う回転切削工具であって、先端部分に切刃を備えている。そして、回転軸に対して切刃のなす角度がαになるように設定されている。
（ただし、α＝atan（１／√２）とする）

ここでは、回転切削工具の回転軸に対する切刃の角度を約３５度に特定している。これにより、先端角度を形成する一方の切刃が直角三角錐の一面に沿うようにセットされ、一定の角度を保ちながらその一面と９０度の角度をなす方向に回転切削工具を引き上げるように切削加工を行うことで、例えば、ＸＹ平面とＺ軸との間の直角加工を行うことができる。そして、この切削加工をＹＺ平面に対するＸ軸方向、ＺＸ平面に対するＹ軸方向についても同様に行うことで、３次元における直角加工を実現できる。よって、ポケット加工の四隅において同様の切削加工を行うことで断面形状が長方形のポケット加工等を行うことが可能になる。これにより、径の小さい回転切削工具を用いて繰り返し切削加工を行うことなく、３次元直角加工や極小隅Ｒのエッジ加工を行うことができる。

なお、上述した回転軸に対して切刃のなす角度（約３５度）は、以下の式によって導出できる。すなわち、３次元における直角加工により形成される直角三角錐では、この直角三角錐の頂点から底面となる被切削物の表面へ下ろした垂線が底面となる被切削物の表面に形成される正三角形の頂点からその正三角形の対向する辺に下ろした垂線を２：１に分割する。そして、この垂線によって構成される３つの三角形は相似形となる。このため、垂線の長さは、上記２：１で分割された辺の長さを３とすると、√２となる。以上により、３次元における直角加工を実現するために必要な角度αは、以下の式によって算出することができる。
ｔａｎα＝１／√２
より、
α＝ａｔａｎ（１／√２）＝３５．２６４４・・・≒３５（°）

請求項２に記載の回転切削工具は、請求項１に記載の回転切削工具であって、切刃は、先端部分に回転軸を中心として対称に複数枚配置されている。

ここでは、３次元における直角加工を行う切刃が、回転切削工具の先端部分に回転軸を中心として対称に２枚以上配置されている。これにより、１枚の切刃で切削加工を行うよりも切削抵抗を低減して、より安定した切削加工が可能になる。

請求項３に記載の回転切削工具は、請求項１または２に記載の回転切削工具であって、エンドミルである。
ここでは、本発明をエンドミルに適用可能である。これにより、３次元における直角加工が可能なエンドミルを提供できる。

本発明の一実施形態に係るエンドミルを示す側面図。 図１のエンドミルによる角錐加工方法について説明する図。 図１のエンドミルを用いた切削方法を示す概略図。 （ａ）〜（ｅ）は、図２の切削方法によって３次元直角加工される被切削物を示す図。 （ａ），（ｂ）は、本発明の切削方法によって加工された被切削物の一例を示す図。 従来の切削方法によって加工された被切削物の一例を示す図。 （ａ），（ｂ）は、本発明の切削方法によって加工された被切削物の他の例を示す図。 （ａ），（ｂ）は、本発明の切削方法による面取りを行う際の原理を説明するための図。 （ａ），（ｂ）は、本発明の切削方法によって面取り加工を行った一例を示す図。

１０ エンドミル（回転切削工具）
１１ａ 切刃（第１の切刃）
１１ｂ 切刃（第２の切刃）
２０ａ〜２０ｅ 被切削物
３０ａ、３０ｂ 被切削物
４０ａ，４０ｂ 被切削物
Ｄ１ 先端角度
Ｄ２ 傾斜角度

［エンドミルの構成］
本発明の一実施形態に係るエンドミル（回転切削工具）１０は、金型等の金属ブロックに対して切削加工を行う工具であって、フライス盤等の工作機械にセットされて使用される。このエンドミル１０は、図１に示すように、先端部分に２枚の切刃１１ａ，１１ｂを有している。切刃１１ａ，１１ｂは、それぞれ回転軸に対して３５．２６度の角度で回転軸に対して対称に配置されている。このため、その２枚の切刃１１ａ，１１ｂによって形成される先端角度Ｄ１は、図１に示すように７０．５３度である。

この先端角度Ｄ１は、エンドミル１０のような回転切削工具を用いて３次元における直角加工を実現するために算出された数値である。
ここで、エンドミル１０の先端角度Ｄ１について、図２（ａ）および図２（ｂ）を用いて説明すれば、以下の通りである。図２（ａ）は、本切削方法によって切削される直角三角錐形状にポケット加工された被切削物の上面図を示しており、図２（ｂ）は、上記直角三角錐形状にポケット加工された被切削物の横断面図を示している。

直角三角錐を切削加工によって形成する場合には、図２（ａ）に示すように、切削加工によって形成される直角三角錐の底面は被切削物の表面となり、その形状は正三角形になる。よって、図２（ｂ）に示すように、直角三角錐の頂点から直角三角錐の底面に下ろした垂線は、図２（ｂ）に示す直角三角錐の横断面図における正三角形の底面をなす辺を２：１に分割する。ここで、図２（ｂ）に示された３つの三角形はそれぞれが相似形となっている。このため、直角三角錐を形成するために必要なエンドミル１０の先端角度Ｄ１は以下の式によって算出することができる。

図２（ｂ）に示す角度αを用いて、
ｔａｎα＝１／√２より
α＝ａｔａｎ（１／√２）≒３５．２６（°）
よって、回転切削工具であるエンドミル１０の先端角度Ｄ１は、上記角度αの２倍となるから、以下の式により算出できる。
Ｄ１＝α×２＝３５．２６・・・×２≒７０．５３（°）

＜本エンドミルを用いた切削方法＞
本実施形態のエンドミル１０を用いた切削方法では、図３に示すように、エンドミル１０の回転軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からそれぞれ傾斜角Ｄ２だけ傾けた状態で切削加工を行う。本実施形態においては、傾斜角Ｄ２は５４．７４度である。これは、エンドミル１０の先端角度Ｄ１に対応して決まる角度である。

すなわち、エンドミル１の先端角度Ｄ１は、上述したように約７１度である。そして、回転軸に対して切刃１１ａ、１１ｂのなす角度αが約３５度になるように２枚の切刃１１ａ，１１ｂが配置されている。よって、切刃１１ａ，１１ｂによって被切削物における所定の面を切削加工する場合には、回転軸と被切削物の所定の面とで形成される角度が切刃１１ａ，１１ｂの回転軸に対する角度α（３５．２６度）と一致するようにしなくてはならない。ここで、この角度α（３５．２６度）を回転軸と被切削物の表面に対する垂直方向との間の角度に置き換えると、以下の式により５４．７４度の角度となる。
９０−３５．２６≒５４．７４（°）

本実施形態のエンドミル１０を用いた切削方法では、以上のように、先端角度Ｄ１が約７１度のエンドミル１０を用いて、図３に示すように、各軸方向に対して傾斜角Ｄ２（約５５度）でエンドミル１０の回転軸を傾けた状態で加工を行う。そして、図３に示す各軸方向へエンドミル１０を引きながら加工することで、直角三角錐のポケット加工、すなわち３次元における直角加工を実現できる。

この直角三角錐の切削加工を応用した切削方法が、図４（ａ）〜図４（ｅ）に示されている。
ここでは、被切削物２０ａに対して、まず、図４（ａ）に示すように、ポケット加工を行う四角形の最大面積を切削可能な径のエンドミルを用いて粗加工を行う。
次に、上述した直角三角錐の切削加工方法を適用して、図４（ｂ）に示すように、被切削物２０ｂに対して、ポケット加工を行う四角形を構成する１つの角の直角加工を行う。このとき、直角加工を行う第１のステップとして、エンドミル１０の切刃１１ａ，１１ｂの角度が３次元直角を構成する各平面（図３のＸＹ平面，ＹＺ平面，ＺＸ平面）に対して所定の傾斜角度Ｄ２を維持しながら、エンドミル１０の先端がポケット加工の３次元における直角の頂点となる位置まで切削していく。次に、第２のステップとして、３次元の直角加工における第１の方向（図３のＸ軸方向）に傾斜角Ｄ２を保ちつつエンドミル１０を引き上げながら切削加工を行う。他の２方向（図３のＹ軸、Ｚ軸方向）についても同様に切削加工を行うことで、直角加工が成されたポケット加工の１つ目の頂点を形成することが可能になる。つまり、エンドミル１０を用いて、被切削物２０ｂの中に図３に示す直角三角錐を切削加工によって形成する。

そして、図４（ｃ）〜図４（ｅ）に示すように、被切削物２０ｃ〜２０ｅに対して、この直角三角錐を他の３つの角においても同様に切削加工により形成する。これにより、エンドミル１０のような回転切削工具を用いても３次元における直角加工が可能になり、断面形状が長方形のポケット加工を行うことができる。
また、本実施形態の切削方法によれば、図５（ａ）に示す円板の中心に四角の穴が形成された古銭形状の中の四角い穴の加工、図５（ｂ）に示す薄肉のポケット加工についても容易に切削加工することができる。同様に、図７（ａ）に示すように平面視において十字型形状を残すような加工や、図７（ｂ）に示すように円柱の円の１／４の部分を直角に欠き取るような加工を行うことも可能である。

＜本エンドミルを用いた面取り方法＞
本実施形態のエンドミル１０を用いて面取りを行う場合には、図８（ａ）に示すように、互いに垂直に交差する３次元平面を有する被切削物３０ａに対してエンドミル１０の回転軸を被切削物３０ａの上面（第１の面）に対して垂直に立てた状態で、３次元平面の角を構成する一辺に対して入射角４５度の角度で移動させる。この結果、図８（ｂ）に示すように、３つの平面に対して均等な正三角形の面が形成された被切削物３０ｂを得ることができる。本実施形態では、エンドミル１０を用いて所定の方法により切削を行うと互いに垂直に交差する３つの平面に対して均等な正三角形の面が形成される原理を利用して、図９（ａ）に示すＤ部分における面取り角度４５度の面取りをエンドミル１０を被切削物３０ａの上面に対して垂直に立てたままの状態で容易に行うことができる。

なお、図９（ａ）に示すＤ部分は、被切削物４０ａを構成する３次元平面（上面、側面、前面）のうち、上面と側面との交差部分を４５度の面取り角度で面取りして形成される第４の面と前面との交差部分を示している。
通常、図９（ａ）に示すような被切削物４０ａにおけるＤ部分の面取りは、切刃角度４５度の回転切削工具を垂直に立てた状態のまま移動させただけでは、面取り角度を４５度にすることができない。このため、職人による手作業で仕上げ加工を行うか、切刃の角度が４５度のエンドミル等の回転切削工具を面取りの角度に併せて調整し直して加工が行われていた。しかし、職人による手作業では、寸法精度にバラツキが出やすいという問題がある。一方、回転切削工具を所定の角度に調整する場合には、加工する部分が小さくて数が少ないにもかかわらず、セッティングに時間がかかるため効率が悪かった。

そこで、本実施形態では、上述したように先端角度が約７１度のエンドミル１０を用いて、図９（ａ）に示すような形状の被切削物４０ａに対して、図８（ａ）に示す進行方向と同じ方向にエンドミル１０を被切削物４０ａの上面（第１の面）に対して垂直に立てたまま移動させる。これにより、被切削物４０ａの上面、側面、前面に対して均等な加工を行うことができるため、上面と側面との交差部分を均等に面取りして形成される第４の面と前面との交差部分であるＤ部分における面取り加工を４５度の面取り角度で行うことができる。よって、図９（ａ）に示すＤ部分に対して図９（ｂ）の斜線部分のような面取りを行うことができ、従来の職人による面取り加工や、図９（ａ）に示すＤ部分の面取りのための角度調整をして加工を行う場合と比較して、加工時間が短く寸法精度が高い被切削物４０ｂを得ることができる。

［本エンドミルおよびこれを用いた切削方法の特徴］
（１）
本実施形態のエンドミル１０では、上述したように、先端部分の切刃１１ａ・１１ｂの角度αがそれぞれ回転軸に対して約３５度になるように配置されている。そして、２枚の切刃１１ａ,１１ｂによって形成される先端角度Ｄ１は、角度αの２倍の約７１度となっている。

通常、３次元における直角加工は、回転切削工具を用いて行うことはできない。このため、できる限り小さい径の工具を用いて長時間かけて繰り返し切削加工を行うことで、直角に近い形状の加工を行っていた。
これに対し、本実施形態のエンドミル１０では、まず、図２に示すように、切刃１１ａあるいは切刃１１ｂが直角三角錐の一面と一致し、直角三角錐の頂点（図２のグラフの原点）となる点に切刃１１ａ，１１ｂの先端が一致するまで切削していく。そして、一定の角度を保ちながらＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のそれぞれの方向にエンドミル１０を引き上げるように切削加工を行う。このとき、切刃１１ａ，１１ｂの回転軸に対するそれぞれの角度αが３５度、先端角度Ｄ１が約７１度であるため、切刃１１ａ，１１ｂが３次元を構成する各平面に干渉することなく、３次元における直角加工を実現できる。よって、このような加工をポケット加工の各角においてそれぞれ行うことで、エンドミル１０のような回転切削工具を用いながら直角の四隅を有するポケット加工を効率よく短時間で行うことが可能になる。

なお、上述した回転軸に対する切刃の角度αが約３５度でないエンドミルを用いた場合には、ＸＹ平面に対するＺ軸方向にエンドミル１０を進めて切削加工を行う際に他の平面へ切刃１１ａ，１１ｂが干渉する等の理由により、直角三角錐形状のポケット加工、すなわち３次元の直角加工を行うことはできない。このため、上述した角度αが約３５度であることは、エンドミル１０を用いた３次元直角加工を行う上で必須の構成となる。

（２）
本実施形態のエンドミル１０は、先端部分に回転軸に対して対称に配置された２枚の切刃１１ａ，１１ｂを有している。
このように、回転軸に対して対称に複数の切刃１１ａ，１１ｂを備えていることで、１枚の切刃で切削加工を行う場合と比較してより安定した切削加工が可能になる。

（３）
本実施形態のエンドミル１０を用いた切削方法では、第１のステップとして、エンドミル１０の先端が切削加工により形成する角錐の頂点となる位置まで切削を行う。そして、第２のステップとして、エンドミル１０が第１のステップにある状態から角錐を構成する各辺の方向へエンドミル１０を引き上げ角度３５．３度で引きながら切削加工を行う。

例えば、三角錐形状のポケット加工を行う場合には、第１のステップにおいて、三角錐の頂点となる位置を割り出して、その位置にエンドミル１０の先端がくるまで切削していく。そして、第２のステップにおいて、その状態から三角錐の頂点から伸びる三辺のそれぞれの方向へエンドミル１０を引きながら一定の傾斜角度を保ちつつ切削加工を行う。このとき、直角三角錐を形成する場合には、三角錐の頂点を原点としてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向へそれぞれエンドミル１０を引きながら切削加工を行えばよい。
これにより、通常、円形の切削加工を行うために用いられるエンドミル１０等の回転切削工具であっても、容易に角錐形状の加工を行うことが可能になる。

（４）
本実施形態の回転切削工具を用いた切削方法では、エンドミル１０の回転軸を被切削物２０の表面に垂直な方向に対して傾斜角度Ｄ２（約５５度）を保ちながら各方向へ切削加工をしている。

ここで、回転軸に対する切刃１１ａ，１１ｂのなす角度αは、上述したように約３５度であるから、傾斜角度Ｄ２を維持しながら切削加工を行うことで、切刃１１ａ，１１ｂを切削加工面に一致させた状態で切削加工を行うことができる。これにより、例えば、三角錐形状のポケット加工を行う場合において、ＸＹ平面に切刃１１ａ，１１ｂの角度を一致させ、Ｚ軸方向にエンドミル１０を進めながら切削加工を行うことで、まず、ＸＹ平面とＺ軸との間の直角が形成される。そして、ＹＺ平面に対するＸ軸方向、ＺＸ平面に対するＹ軸方向について同様の切削加工を行うことで、直角三角錐のポケット加工、すなわち３次元における直角加工が可能になる。

（５）
本実施形態の回転切削工具を用いた切削方法では、回転軸に対する切刃の角度が約３５度のエンドミル１０を、図８（ａ）に示す被切削物３０ａにおける上面に対して回転軸を垂直にした状態のまま、上面を構成する一辺に対して４５度の角度に移動させる。
これにより、図８（ｂ）に示すように、互いに垂直に交差する３つの平面に対して均等な正三角形を形成することができる。そして、この原理を利用して、図９（ａ）に示す被切削物４０ａのＤ部分の直角を、図９（ｂ）に斜線で示すように、角度４５度で面取り加工することができる。

この結果、図９（ａ）に示すＤ部分の４５度の面取りを、エンドミル１０の角度を調整する面倒なセッティングを行うことなく、効率よく行うことができる。また、職人によって手作業で面取り加工を行う場合と比較して、精度にバラツキのない加工を行うことができる。

［他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
（Ａ）
上記実施形態では、エンドミル１０の先端に取り付けられた切刃１１ａ，１１ｂが回転軸に対してなす角度αが約３５度である例を挙げて説明した。しかし、本発明の回転切削工具を用いた切削方法はこれに限定されるものではない。
例えば、エンドミルのような回転切削工具を用いた切削加工によって３次元における直角を出す場合には、上述したように約３５度の角度αを有している必要がある。しかし、３次元における直角加工ではなく、単に三角錐、四角錘等の角錐形状の切削加工をするような場合には、角度αは上述した約３５度でなくてもよい。
また、先端角度Ｄ１および傾斜角度Ｄ２についても、３次元直角加工でなくて単に角錐形状の加工であれば、約７１度、約５５度に限定されるものではない。

（Ｂ）
上記実施形態では、本発明を適用した回転切削工具としてエンドミル１０を例として挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ドリル等の他の回転切削工具に対しても本発明を適用可能である。また、エンドミル１０の中でも、テーパエンドミル等の様々なエンドミルに適用可能である。

（Ｃ）
上記実施形態では、エンドミル１０の先端に２枚の切刃１１ａ，１１ｂが回転軸に対して対称に設けられている例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、切刃が１枚あるいは３枚以上の場合であっても、回転軸に対して切刃のなす角度が約３５度になるように設けられていれば上記と同様の効果を得ることができる。

（Ｄ）
上記実施形態では、金型等の金属に対する加工を例として挙げて説明した。しかし本発明はこれに限定されるものではない。例えば、木材加工、樹脂加工に対しても本発明を適用することができることはいうまでもない。

成形用金型や金属製部品等に対して回転切削工具を用いたポケット加工を行う場合の３次元方向における直角加工等に対して適用可能である。

Claims (3)

1. 回転軸を中心として回転することで被切削物に対して切削加工を行う回転切削工具であって、
   先端部分に切刃を備えており、
   前記回転軸に対する前記切刃の先端角度はα度である、
   回転切削工具。
   （ただし、α＝atan（１／√２）とする）
2. 前記切刃は、前記先端部分に前記回転軸を中心として対称に複数枚配置されている、
   請求項１に記載の回転切削工具。
3. エンドミルである、
   請求項１または２に記載の回転切削工具。

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