JP4855395B2 - ねじれ剛性を有するエンドミル - Google Patents

Description

本発明は、材料のフライス削りのための工具に関する。

さらに詳細には、本発明は、エンドミルの工具本体のねじれ剛性および曲げ剛性を改善し、これによって、高い金属除去率での機械加工、およびよりよい表面品質を可能にしながら、一方で振動を防いで、工具の寿命を延ばす。

エンドミルは、その用途が広く、工具の原価が安価であることから、フライス削り作業において広く用いられている。エンドミルは、円筒形であることが多く、約８０ｍｍ直径のものまで市販されている。エンドミルの多くは、平坦な端面を有するが、円錐形および円形の端面など他の形状も用いられる。エンドミルは、一般に、直径、サイズ、および粗切削または仕上げのどちらのために構成されているかによって、２枚から１０枚の刃を有する。刃は、通常、螺旋形であるが、軸に平行な直線状であることもできる。構造材料は、高速度鋼、超硬合金（ｓｏｌｉｄ ｃａｒｂｉｄｅ）、サーメットもしくはセラミック、またはそれらの組合せである。

以下の本文では、「エンドミル」という用語は、刃物が硬質皮膜でめっきされているかいないかにかかわらず、鋼鉄、超硬合金、もしくは硬質セラミック材料、またはそれらの組合せでできた刃物を意味する。

ねじれ剛性および曲げ剛性は、エンドミルにおいて、特に粗削り、仕上げおよび超仕上げに、非常に望ましい特性である。

粗加工中には多量の材料が取り除かれるが、切削部位から切り屑を除去するには、切削刃の間に適度な空間が必要である。そのような空間は、刃物の直径によって一般に２枚から４枚と刃数が少なく、工具の芯径が工具の破損を防ぐに足る大きさながらも小さい場合にのみ実現できる。芯径が小さいと、工具が圧力で曲がることによって精度がわずかに損失することになりかねないが、これは粗削りの作業にとってはほんのわずかなモーメントである。

適切な芯径を選択する際には、一方で、小さい芯径を必要とする、切り屑を除去して冷却液を届かせる必要性と、他方で、大きい芯径を必要とする、工具の剛性および耐破損性に対する要求とを、常にバランスさせる必要がある。

エンドミルのねじれ剛性および曲げ剛性が高いと、よりよい表面仕上げが得られるため、仕上げおよび超仕上げ作業においても有利である。

粗加工中に、工作機械がエンドミルのシャンク部を駆動し、一方でワークと接触している刃物の刃が高い抵抗を受けると、フライス刃物は大きなねじれおよび曲げを受ける。不適切なねじれ剛性および曲げ剛性を有するエンドミルは、大きい振幅で角度的に（ａｎｇｕｌａｒｌｙ）振動をし、高い金属除去率を達成しない。高速供給速度によって深く切削しようとすると、精度および表面品質の悪化、騒音および刃物の早期破損という結果になりやすい。

従来技術のエンドミルは、米国特許第４，８１２，０８７号、第５，１８８，４８７号、第５，９７１，６７１号、第６，２３１，２７５ Ｂ１号、およびそれらの中に参照として引用されている文書に見られる。さらなる従来技術のエンドミルは、本明細書の本文の図１から図４に見られる。

したがって、本発明の目的の１つは、従来技術のエンドミルの欠点を取り除き、改善されたねじれ剛性および改善された曲げ耐性を実現しながら、適切な切り屑除去溝を有する刃物の刃形を提供することにある。

本発明は、剛性を改善するように構成された外径Ｄのエンドミルを提供することによって上記の目的を達成し、このエンドミルは、工作機械によって把持される本体部分と、複数の溝に隣接して切削刃を形成するように機械加工された前記複数の溝を有する切削部分とを備え、各刃の後部は、切削端部から始まる短い外周逃げ部と、より長くされた弓型の刃支持部とを有し、前記より長くされた弓型の刃支持部は、前記外周逃げ部に隣接し、前記より長くされた刃支持部と前記溝との間に形成された角部に終わり、前記角部は、前記外径Ｄから距離Ｃだけ離間し、値Ｃは０から０．２０Ｄの範囲である。

本発明の好ましい実施形態によると、短い凹状の移行丸み部が、前記外周逃げ部を前記より長くされた弓型の刃支持部につなぐエンドミルが提供される。

本発明の最も好ましい実施形態によると、値Ｃが約０．０６Ｄ以下であり、前記角部が、機械加工される表面を艶出しする作用をする、軟質金属を機械加工するように構成されたエンドミルが提供される。

本発明のさらなる実施形態は、以下に説明される。

ねじりを受ける軸部のようにトルクを受ける本体、および切削時に金属が除去される際のフライス刃物のねじれ剛性Ｊは、軸部の断面積だけではなく、各面積が軸心から離れている距離の二乗にも関係する。値Ｊは、ある部分が構成される様々な面積を加算し、その各面積を、各面積の中央と輪郭の中央との間の距離を表す距離ｒの二乗で掛けることにより計算される。Ｊは通常、慣性極モーメントと呼ばれ、その値はｃｍ^４で与えられることができる。

したがって、トルクを受ける軸部またはフライス刃物は、その断面積に１つ以上の面積を加えてそのＪ値を増すことにより、硬化させることができる。

値ｒはＪを計算する式ではｒ^２として現れるため、Ｊを増加させる非常に有効な方法は、ねじれの中心から可能な限り離れた断面積を含む様々な面積部分を配置することによりｒを増加させることである。これの簡単な実例は、中実の円形軸部を同じ断面積で同じ重量の中空の円筒またはパイプで置き換えると、円筒のＪ値が高いため、軸部がずっと硬くなることにより分かる。

本明細書に示された図を見れば、本発明の主な特徴である付加面積が、従来技術のフライス刃物の幾何学形状に比べてかなり大きくなっており、最も重要なことに、付加面積が刃物の外径の近傍に配置されていることが明らかになるであろう。

エンドミルの刃の後面のこの付加面積は、主に切削時のねじれ変形を減らす作用をするが、この新しい構成によって提供されるさらなる利点は、シャンク端部を機械によって保持され、切削端部をワークに対して押さえられる際の刃物の片持ち式の曲げに対する耐性が改善された点にある。よく知られているように、刃物の剛性を改善すると、機械加工表面の仕上げが改善して、機械加工能力が精密許容差まで改善し、粗加工については可能な金属除去率が増加して、一方で振動および騒音の発生が少なくなる。

したがって、本発明の新規な切削工具は、溝のサイズを縮小させることなくＪ値を増す作用をすることが理解されるであろう。溝のサイズを維持することにより、切削端部に対する冷却材の流れが妨げられることなく、さらに重要なことに、切削部位から溝を介しての切り屑の排出が妨害されない。

本発明は、本発明の好ましい実施形態を例によって示す添付の図面を参照してさらに説明される。構造上の詳細は、その基本的な理解が必要である限りにおいてのみ示されている。図とともに説明されている例によって、本発明のさらなる形態がどのように実現されてよいか当業者には明らかとなろう。

図１は、シャンクまたは本体部分１０および切削部分１２を有する従来技術のエンドミルである。図示のエンドミルは８枚の刃、および刃と刃の間から切り屑を除去するのに十分な大きさの外径（直径約５０〜８０ｍｍ）を有している。

図２の従来技術の刃物は２枚の刃１４を有し、各刃は、約１６０度にわたって芯径１８まで後退する支持部１６を有する。値Ｃは約０．５８である。

図３の従来技術のエンドミルは５枚の刃２０を有しており、各刃は、芯径２４と外径Ｄとのおよそ中間の位置まで後退する支持部２２を有する。

図４は、従来技術の６枚刃の刃物２６を示す図である。刃形２８は、５５ＨＲｃを超える高硬度鋼を機械加工することを意図しているため、負のすくい角を有し、工具２８は焼結超硬合金でできている。

図５には、本発明による剛性改善のために構成された３枚刃のエンドミルを示す。このエンドミルは、工作機械に把持される図７に示す本体部分１０と、図に示される外径Ｄを有する切削部分とを有する。

３本の溝３０が切削部分に沿って機械加工され、前記溝に隣接して切削刃３２を形成する。各刃３２の後部には、切削端部に始まる短い外周逃げ部３４を有する。ここまでの説明においては、刃物は従来技術と一致する。

より長くされた弓型の刃支持部３８が、外周逃げ部３４に隣接し、より長くされた刃支持部３８と隣接する溝３０との間に形成された角部４０で終わる。角部４０は、外径Ｄから距離Ｃだけ離間し、値Ｃは０から０．２０Ｄの範囲である。たとえば、径１６ｍｍのエンドミルでは、Ｃは０ｍｍから３．２ｍｍの範囲になろう。値Ｃが小さいことは、刃を硬くする材料が実質的に多いということを意味する。点描部分４２に見られる付加材料がエンドミルの中心から遠いところに配置され、それによって工具のねじれ剛性Ｊを大きく増加し、一方で曲げ剛性も改善する。

適度なすくい角（０〜８度）を選択することによって、このエンドミルは、特に、切削加工の容易な真鍮が１００の機械加工性の評価、３１６ステンレス鋼が１０の評価を有する尺度で、４０未満の機械加工性の評価を有する金属の、粗加工の用途のために容易に構成される。

残りの図においては、同様の符号が同様の部分を指すのに使われている。

図６は、短い凹状の移行丸み部４４面取り部が、外周逃げ部４６をより長くされた弓型の刃支持部４８につなぐエンドミルの詳細図である。面取り部または移行丸み部４４は、刃物の使用中に応力が集中するのを防止するのに有用である。

図７および８は、ボール先（ｂａｌｌ ｎｏｓｅ）刃物として形成されたエンドミル５０である。このエンドミルは、それ以外の部分では、図５に関して説明されたものと同様である。

図９には、切削加工の容易な鋼材、非鉄金属およびプラスチックなどの軟質材料の機械加工のために構成された、本発明によるさらなるエンドミルを示す。値Ｃは約０．０３Ｄである。中実の芯部５２は約０．４Ｄの直径を有する。

刃物は２枚の刃５４を有し、それぞれが１０度〜２０度のすくい角を有する。このエンドミルは、高速度鋼、超硬合金、サーメット、またはセラミックで構成されている。

値Ｃが小さいために、溝５８とより長くされた弓型の刃支持部６０との間の角部５６がワークに接触して、機械加工される表面を艶出ししてもよい。

刃の後部に付加材料を追加したことで、このエンドミルは小さいサイズでも破損に耐えられ、同じ外径の従来技術のエンドミルよりも振動および騒音の発生が少なくなる。したがって、これまで可能であったよりも、より高い金属除去率が達成できる。

記載される発明の範囲は、以下の特許請求の範囲の趣旨の範囲に入るすべての実施形態を含むことが意図される。以上の例は、本発明の有用な形態を示すが、その範囲を限定するものとみなされるべきでなく、また、以下の特許請求の範囲の趣旨から逸脱することなく、本発明の追加の変形形態および修正形態が容易に考案できることが当業者には明らかであろう。

従来技術のエンドミルの斜視図である。 ２枚の刃を有する従来技術のエンドミルの端面図である。 ５枚の刃を有する従来技術のエンドミルの端面図である。 ６枚の刃を有する従来技術のエンドミルの端面図である。 追加された材料を点描領域で示す、本発明によるエンドミルの好ましい実施形態の図である。 中間の滑らかなアールを示す刃形状の詳細図である。 ボールエンドミルの斜視図である。 ボールエンドミルの端面図である。 軟質金属およびプラスチックをフライス削りするためのエンドミルの端面図である。

Claims (9)

1. 剛性を改善するように構成された外径Ｄのエンドミルであって、
   工作機械によって把持される本体部分と、複数の溝に隣接する切削刃を形成するように機械加工された前記複数の溝を有する切削部分とを備え、
   各刃の後部は、切削端部から始まる短い外周逃げ部と、より長くされた弓型の刃支持部とを有し、前記より長くされた弓型の刃支持部は、前記外周逃げ部に隣接し、前記より長くされた刃支持部と前記溝との間に形成された角部に終わり、前記角部は、前記外径Ｄから距離Ｃだけ離間し、値Ｃは０から０．２０Ｄの範囲であり、
   前記エンドミルは、前記角部を前記より長くされた弓型の刃支持部より前記外径Ｄに近くすることにより該角部の方に向かって増加された曲げ耐性を有し、この増加された曲げ特性は切削時の前記エンドミルの曲げを減少させて機械加工される表面の仕上げを改善する、エンドミル。
2. 前記角部が機械加工される表面を艶出しする作用をする、請求項１に記載のエンドミル。
3. 前記エンドミルはボールノーズエンドミルであり、軟質金属を機械加工するように構成され、前記値Ｃが約０．０６Ｄ以下である、請求項１または２に記載のエンドミル。
4. 前記値Ｃは約０．０３Ｄである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンドミル。
5. 非鉄材料およびプラスチックのフライス削りのために構成された、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンドミル。
6. 切削加工の容易な真鍮が１００の機械加工性の評価、３１６ステンレス鋼が１０の評価を有する尺度で、４０未満の機械加工性の評価を有する金属の粗加工の用途のために構成された、請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンドミル。
7. 短い凹状の移行丸み部または面取り部が、前記外周逃げ部を前記より長くされた弓型の刃支持部につなぐ、請求項１〜６のいずれか１項に記載のエンドミル。
8. 前記より長くされた弓型の刃支持部が前記外周逃げ部に隣接する部分は、前記角部より前記外径Ｄから離れている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のエンドミル。
9. 前記より長くされた弓型の刃支持部と前記外径Ｄとの間の距離は、前記より長くされた弓型の刃支持部が前記外周逃げ部に隣接する部分から前記角部まで連続的に減少する、請求項８に記載のエンドミル。

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