JP4856586B2 - 小径超硬エンドミル - Google Patents

Description

本発明は小径超硬エンドミルに係り、特に、工具の撓み変形や折損を抑制して高い加工精度が得られる高寿命の小径超硬エンドミルに関するものである。

超硬合金にて構成されているとともに、底刃および外周刃を有する刃部がシャンクの先端側に同軸に一体に設けられており、且つその底刃の外径Ｄ１が０．５ｍｍ以下の小径超硬エンドミルが提案されている。特許文献１に記載のエンドミルはその一例で、シャンクの先端側には、径寸法が直線的に小さくなる第１テーパ部と、径寸法が一定の首部と、径寸法が直線的に小さくなる第２テーパ部と、を介して小径の刃部が一体に設けられている。
特開２００６−８８２２９号公報

しかしながら、このような従来の小径超硬エンドミルは、シャンクから刃部までの突出寸法が大きくなるため、剛性や機械的強度を確保することが困難で、切削加工時に撓み変形や折損が生じ易く、十分な加工精度や耐久性が得られ難いばかりでなく、刃部の研削加工時やホルダに装着する際の段取り時等にも折損する可能性があり、取り扱いが容易でなかった。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、底刃の外径Ｄ１が０．５ｍｍ以下の小径超硬エンドミルにおいて、刃部の剛性や機械的強度を高くし、工具の撓み変形や折損を抑制して加工精度や耐久性を向上させるとともに、刃部の研削加工時や段取り時等の取り扱いを容易にすることにある。

かかる目的を達成するために、第１発明は、超硬合金にて構成されているとともに、底刃および外周刃を有する刃部がシャンクの先端側に同軸に一体に設けられており、且つその底刃の外径Ｄ１が０．５ｍｍ以下の小径超硬エンドミルであって、(a) 前記底刃と外周刃とを接続しているコーナと前記シャンクの先端外周縁とを結ぶ傾斜直線Ｓが、中心線Ｏに対して傾斜する先端半角αが、１５°以上になるように、前記刃部と前記シャンクとの間にその刃部と同じ外径からシャンクと同じ外径になるまでシャンク側へ向かうに従って径寸法が大きくなる径増大部を備えているとともに、(b) その径増大部は、(b-1) 前記刃部から前記シャンク側へ向かうに従って、その刃部と同じ外径から径寸法が直線的に大きくなるテーパ部を、その刃部に連続して備えているとともに、(b-2) そのテーパ部に滑らかに接続されるとともに、軸方向の外形線が凹円弧状となるように径寸法が非線形に増大させられて前記シャンクの先端外周縁に達している凹円弧形状部を、そのテーパ部とシャンクとの間に備えており、(b-3) 前記刃部から前記シャンクに達するまで径寸法が滑らかに連続的に増大させられていることを特徴とする。

第２発明は、第１発明の小径超硬エンドミルにおいて、前記凹円弧形状部は、前記軸方向の外形線が一定の半径Ｒで湾曲させられていることを特徴とする。

第３発明は、第２発明の小径超硬エンドミルにおいて、前記先端半角αは１５°〜３５°の範囲内で、前記テーパ部のテーパ半角βは５°以上、２０°未満の範囲内であることを特徴とする。
なお、テーパ半角βは、テーパ角度の１／２のことである。

このような小径超硬エンドミルにおいては、先端半角αが１５°以上になるように刃部とシャンクとの間に径増大部が設けられているため、シャンクから刃部の先端までの突出寸法が小さくなり、刃部を含む突出部分の機械的強度や剛性が高くなって工具の撓み変形や折損が抑制される。これにより、切削加工時に高い加工精度が得られるとともに耐久性が向上する一方、刃部の研削加工時やホルダに装着する際の段取り時等における折損も抑制されて、取り扱いが容易になる。

また、上記径増大部の径寸法が滑らかに連続的に増大させられているため、径寸法の急な変化に起因する応力集中が防止され、切削加工時等の折損が一層効果的に抑制される。

また、径増大部がテーパ部と凹円弧形状部とを備えているため、径寸法の急な変化による応力集中を防止しつつ前記先端半角αを容易に１５°以上として、機械的強度や剛性を向上させることができる。

第２発明では、凹円弧形状部が一定の半径Ｒで湾曲させられているため、その設計や加工が容易で、高い寸法精度で凹円弧形状部を加工することができる。

第３発明では、テーパ部のテーパ半角βが２０°未満であるため、径寸法の急な変化による刃部との境界部分の応力集中が防止される一方、そのテーパ半角βは５°以上であるため、テーパ部による応力集中防止作用を享受しつつ凹円弧形状部によって前記先端半角αが１５°以上になるようにすることができる。また、先端半角αが３５°以下とされているため、テーパ部として所定長さを確保しつつ、一定の半径Ｒの凹円弧形状部によってシャンクと同じ外径まで径寸法を増大させることができる。

本発明の小径超硬エンドミルは、底刃の外径Ｄ１が０．５ｍｍ以下であれば良く、その外径Ｄ１と同じ一定の径寸法の外周刃を備えているストレート刃のエンドミルや、径寸法が外径Ｄ１から直線的に大きくなるテーパ刃エンドミルに好適に適用されるが、底刃が半球面上に設けられているボールエンドミルなどの他のエンドミルにも適用され得る。本発明は外径Ｄ１が０．１ｍｍ以下のエンドミルに好適に適用される一方、外径Ｄ１が０．５ｍｍより大きいエンドミルについても、本発明と同様に構成することが可能である。

刃部には、切り屑排出用の溝が形成され、その溝に沿って外周刃が設けられるとともに、その外周刃に連続するように底刃が設けられる。溝としてはねじれ溝が望ましいが、加工が容易な直溝を採用することもできる。溝数すなわち刃数は、極めて小径であることから２本（２枚刃）が適当であるが、１本（１枚刃）または３本（３枚刃）以上とすることも可能である。

先端半角αが１５°より小さいと、シャンクから刃部の先端までの突出寸法が大きくなり、機械的強度や剛性が得られ難くなるため、先端半角αが１５°以上になるように径増大部を構成する必要がある。径増大部を、刃部に接続されるテーパ部と、シャンクに接続される一定の半径Ｒの凹円弧形状部とによって構成した場合には、所定の長さ寸法のテーパ部を確保する上で、先端半角αが３５°以下の範囲で径増大部を構成することが望ましい。

第２発明では、凹円弧形状部が一定の半径Ｒで湾曲させられているが、他の発明の実施に際しては、例えばシャンクに向かうに従って曲率が連続的に大きくなるなど、曲率が変化している凹円弧形状部を採用することもできる。

第３発明では、テーパ部のテーパ半角βが５°以上、２０°未満であり、２０°以上になると刃部との境界部分に応力集中が生じ易くなり、５°未満では先端半角αを１５°以上にすることが難しくなるが、他の発明の実施に際しては必ずしもテーパ半角βを５°以上、２０°未満の範囲内で設定する必要はない。

シャンクは、例えば外径が一定の円柱形状のストレートシャンクが好適に用いられるが、径寸法が直線的に変化しているテーパシャンクを採用することも可能で、少なくとも先端部が円形状を成していれば良い。

シャンクの先端部の外径Ｄ２は、そのシャンクを把持するホルダの規格等に応じて適宜定められる一方、シャンクから刃部の先端までの突出寸法Ｌ２は、前記先端半角αおよびシャンクの外径Ｄ２に応じて定まり、例えばＤ２≒４ｍｍで、先端半角α≒１５°であれば、突出寸法Ｌ２は７．４ｍｍ程度になり、突出寸法Ｌ２が７．４ｍｍ以下になるように径増大部を構成するようにしても良い。Ｄ２≒５ｍｍで、先端半角α≒１５°であれば、突出寸法Ｌ２は９．３ｍｍ程度になり、Ｄ２≒１０ｍｍで、先端半角α≒１５°であれば、突出寸法Ｌ２は１８．６ｍｍ程度になるが、剛性や機械的強度は突出寸法Ｌ２が大きくなるのに伴って低下するため、シャンクの外径Ｄ２が大きくなるに従って前記先端半角αを大きくすることが望ましい。例えば、シャンクの先端部の外径Ｄ２の大きさに拘らず、突出寸法Ｌ２が所定値（例えば７．４ｍｍ）以下になるように先端半角αを設定するようにしても良い。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例である２枚刃の小径超硬エンドミル１０を示す図で、(a) は中心線Ｏと直角方向から見た拡大正面図、(b) は先端部分を更に拡大して示す正面図、(c) は刃部１４を更に拡大して示す正面図、(d) は刃部１４を更に拡大して斜め先端側から見た斜視図である。この小径超硬エンドミル１０は、超硬合金にて構成されているとともに、円柱形状のシャンク（ストレートシャンク）１２と、そのシャンク１２の先端側に設けられた刃部１４と、それ等の間の径増大部１６とが、共通の中心線Ｏ上に一体に設けられている。刃部１４は、ストレート刃のエンドミルとして機能するもので、径増大部１６の先端部分に達するように一対のねじれ溝１８が砥石による研削加工によって設けられており、そのねじれ溝１８に沿って径寸法が一定の外周刃２０が形成されているとともに、軸方向の先端部には、その外周刃２０に連続して底刃２２が設けられている。底刃２２の外径Ｄ１すなわち工具径は０．５ｍｍ以下で、本実施例では０．０５ｍｍであり、刃長Ｌ１は０．０７５ｍｍである。また、シャンク１２の外径Ｄ２は４ｍｍである。

前記径増大部１６は、刃部１４からシャンク１２側へ向かうに従って刃部１４と同じ外径（底刃２２の外径Ｄ１）から径寸法が直線的に大きくなるテーパ部３０を刃部１４に連続して備えているとともに、そのテーパ部３０とシャンク１２との間に、テーパ部３０に滑らかに接続されるとともに軸方向の外形線が凹円弧状となるように径寸法が非線形に増大させられてシャンク１２の先端外周縁に達する凹円弧形状部３２を備えており、刃部１４からシャンク１２に達するまで径寸法が滑らかに連続的に増大させられている。凹円弧形状部３２は、軸方向の外形線が一定の半径Ｒで湾曲させられており、テーパ部３０との境界では円弧の接線がテーパ部３０の外周面（テーパの母線）と一致している。これ等のテーパ部３０および凹円弧形状部３２は、底刃２２と外周刃２０とを接続しているコーナＣ１とシャンク１２の先端外周縁Ｃ２とを結ぶ傾斜直線Ｓが、中心線Ｏに対して傾斜する先端半角αが、１５°〜３５°の範囲内となり、且つテーパ部３０のテーパ半角βが５°以上、２０°未満の範囲内となるように構成されている。本実施例では、テーパ半角β＝１０°、半径Ｒ＝３ｍｍで、先端半角αが２０°となるように設計されており、シャンク１２から刃部１４の先端までの突出寸法Ｌ２は約５．５ｍｍで、テーパ部３０と凹円弧形状部３２との境界の径寸法Ｄ３は約１．２ｍｍである。

図２は、本実施例の小径超硬エンドミル１０の先端部分の電子顕微鏡写真で、(a) はシャンク１２よりも先端側部分の拡大写真、(b) は(a) の白丸で囲った部分の拡大写真、(c) は(b) の白丸で囲った部分の拡大写真、(d) は(c) の白丸で囲った部分の拡大写真、(e) は刃部１４を斜め先端側から写した写真である。この図２の(a) 、(d) 、および(e) は、それぞれ図１の(b) 、(c) 、(d) に対応する。

このような本実施例の小径超硬エンドミル１０によれば、先端半角αが１５°以上になるように刃部１４とシャンク１２との間に径増大部１６が設けられているため、シャンク１２から刃部１４の先端までの突出寸法Ｌ２が小さくなり、刃部１４を含む突出部分の機械的強度や剛性が高くなって工具の撓み変形や折損が抑制される。これにより、切削加工時に高い加工精度が得られるとともに耐久性が向上する一方、刃部１４の研削加工時やホルダに装着する際の段取り時等における折損も抑制されて、取り扱いが容易になる。

また、本実施例では、径増大部１６の径寸法が滑らかに連続的に増大させられているため、径寸法の急な変化に起因する応力集中が防止され、切削加工時等の折損が一層効果的に抑制される。

また、上記径増大部１６がテーパ部３０と凹円弧形状部３２とを備えているため、径寸法の急な変化による応力集中を防止しつつ先端半角αを容易に１５°以上として、機械的強度や剛性を向上させることができる。

また、凹円弧形状部３２が一定の半径Ｒで湾曲させられているため、その設計や加工が容易で、高い寸法精度で凹円弧形状部３２を加工することができる。

また、テーパ部３０のテーパ半角βが２０°未満であるため、径寸法の急な変化による刃部１４との境界部分の応力集中が防止される一方、そのテーパ半角βは５°以上であるため、テーパ部３２による応力集中防止作用を享受しつつ凹円弧形状部３２により先端半角αが１５°以上になるようにして突出寸法Ｌ２を小さくすることができる。

また、先端半角αが３５°以下とされているため、テーパ部３０として所定長さを確保しつつ、一定の半径Ｒの凹円弧形状部３２によってシャンク１２と同じ外径Ｄ２まで径寸法を滑らかに増大させることができる。

図３は、前記先端半角αを種々変更して、径増大部１６を設計した場合の形状を具体的に説明する図で、テーパ部３０のテーパ半角βは何れも１０°である。図３の(a) は先端半角α＝１８°の場合で、半径Ｒ＝３ｍｍであり、突出寸法Ｌ２は約６ｍｍ、境界の径寸法Ｄ３は約１．５ｍｍである。(b) は先端半角α＝２３°の場合で、半径Ｒ＝３ｍｍであり、突出寸法Ｌ２は約４．７ｍｍ、境界の径寸法Ｄ３は約１ｍｍである。(c) は先端半角α＝３０°の場合で、半径Ｒ＝３ｍｍであり、突出寸法Ｌ２は約３．４ｍｍ、境界の径寸法Ｄ３は約０．５ｍｍである。(d) は先端半角α＝３７°の場合で、半径Ｒ＝２．５ｍｍであり、突出寸法Ｌ２は約２．６ｍｍ、境界の径寸法Ｄ３は約０．３ｍｍである。この(d) では、一応テーパ部３０が存在するが、その長さ寸法が短く、径寸法の急な変化による応力集中を防止するというテーパ部３０の効果が必ずしも十分に得られないため、シャンク１２の外径Ｄ２によっても異なるが、先端半角αは３５°以下が望ましい。

また、図４は、テーパ部３０のテーパ半角βを５°〜２０°の範囲で変更して折損までの耐久性を調べた結果を説明する図である。すなわち、テーパ半角β＝５°、１０°、１５°、２０°の４種類の小径超硬エンドミル１０をそれぞれ３本（No１〜No３）ずつ用意し、以下の加工条件で溝切削加工を行なって工具折損までの切削距離を調べたものである。なお、テーパ半角β以外の工具諸元は同じで、工具径すなわち底刃２２の外径Ｄ１＝０．０５ｍｍ、刃数は２枚、刃長Ｌ１＝０．０７５ｍｍ、先端半角α＝２５°、凹円弧形状部３２の半径Ｒ＝３ｍｍである。
《加工条件》
・被削材：プリハードン鋼（ＨＲＣ４０）
・被削材寸法：１００ｍｍ×３０ｍｍ、板厚５ｍｍ
・回転数：４００００ｍｉｎ^-1
・切込み：０．００２ｍｍ
・送り：５０ｍｍ／ｍｉｎ
・加工溝形状：長さ１００ｍｍ、幅０．０５ｍｍ、深さ０．０５ｍｍ
・加工方法：長さ１００ｍｍの溝を深さ（切込み）０．００２ｍｍずつステップ加工

図４の切削距離は、ステップ加工の合計切削距離で、例えば切削距離が２２０ｍｍの場合は、切込み０．００２ｍｍで長さ１００ｍｍの溝加工を２回行なった後、３回目の溝加工の途中（２０ｍｍ）で工具が折損したことを意味している。また、評価の欄の「○」は合格、「×」は不合格を意味し、平均切削距離が２００ｍｍ以上の場合を「○」、２００ｍｍ未満を「×」とした。

図４の結果から明らかなように、テーパ半角βが５°〜１５°の場合は、何れも平均切削距離が２００ｍｍ以上であったのに対し、テーパ半角β＝２０°の場合は、平均切削距離が１２５．７ｍｍで、テーパ半角β＝５°〜１５°の場合の半分程度である。これは、テーパ半角βが２０°になると、径寸法の急な変化によって刃部１４との境界部分に応力集中が生じて折損し易くなるためと考えられる。したがって、テーパ半角βは２０°未満であることが望ましい。

また、図５は、先端半角αを１０°〜３０°の範囲で変更して溝の加工精度を調べた結果を説明する図である。すなわち、先端半角α＝１０°、１５°、２０°、２５°、３０°の５種類の小径超硬エンドミル１０をそれぞれ３本（No１〜No３）ずつ用意し、深さ０．００２ｍｍの溝切削加工を行なって溝幅を顕微鏡で測定し、加工前の実際の刃径（外径Ｄ１）と比較した。加工条件は、前記図４の耐久性試験の時と同じであるが、切込み０．００２ｍｍで１回だけ溝加工を行なって溝幅寸法を測定した。また、溝幅および刃径（外径Ｄ１）を測定する測定顕微鏡の測定精度は０．２μｍである。なお、先端半角α以外の工具諸元は同じで、工具径すなわち底刃２２の外径Ｄ１＝０．０５ｍｍ、刃数は２枚、刃長Ｌ１＝０．０７５ｍｍ、テーパ半角β＝１０°、凹円弧形状部３２の半径Ｒ＝３ｍｍである。

図５の結果から明らかなように、先端半角αが１５°〜３０°の場合は、何れも差の平均が０．００１ｍｍ以下であったのに対し、先端半角α＝１０°の場合は、差の平均が０．００３２ｍｍで、先端半角α＝１５°〜３０°の場合の３倍以上である。これは、先端半角αが小さくなるに従ってシャンク１２からの突出寸法Ｌ２が大きくなり、先端半角α＝１０°の場合には突出寸法Ｌ２≒１１ｍｍになるため、工具の撓み変形による振れで溝幅が拡大するものと考えられる。なお、評価の欄の「○」は合格、「×」は不合格を意味し、差の平均が０．００１ｍｍ以下の場合を「○」、０．００１ｍｍを超える場合を「×」とした。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。

本発明が適用された小径超硬エンドミルを説明する図で、(a) は中心線Ｏと直角方向から見た拡大正面図、(b) は先端部分を更に拡大して示した正面図、(c) は刃部を更に拡大して示した正面図、(d) は刃部を更に拡大して斜め先端側から見た斜視図である。 図１の小径超硬エンドミルの先端部分の電子顕微鏡写真を示す図で、(a) はシャンクよりも先端側部分を写した写真、(b) は(a) の白丸で囲った部分の拡大写真、(c) は(b) の白丸で囲った部分の拡大写真、(d) は(c) の白丸で囲った部分の拡大写真、(e) は刃部を斜め先端側から写した拡大写真である。 先端半角αを種々変更して径増大部を設計した場合の形状を具体的に示す図で、(a) はα＝１８°の場合、(b) はα＝２３°の場合、(c) はα＝３０°の場合、(d) はα＝３７°の場合である。 テーパ半角βが異なる複数種類の試験品を用いて折損までの耐久性を調べた結果を説明する図である。 先端半角αが異なる複数種類の試験品を用いて加工精度を調べた結果を説明する図である。

符号の説明

１０：小径超硬エンドミル １２：シャンク １４：刃部 １６：径増大部 ２０：外周刃 ２２：底刃 ３０：テーパ部 ３２：凹円弧形状部 Ｓ：傾斜直線 Ｏ：中心線 α：先端半角 β：テーパ半角

Claims (3)

1. 超硬合金にて構成されているとともに、底刃および外周刃を有する刃部がシャンクの先端側に同軸に一体に設けられており、且つ該底刃の外径Ｄ１が０．５ｍｍ以下の小径超硬エンドミルであって、
   前記底刃と外周刃とを接続しているコーナと前記シャンクの先端外周縁とを結ぶ傾斜直線Ｓが、中心線Ｏに対して傾斜する先端半角αが、１５°以上になるように、前記刃部と前記シャンクとの間に該刃部と同じ外径から該シャンクと同じ外径になるまで該シャンク側へ向かうに従って径寸法が大きくなる径増大部を備えているとともに、
   該径増大部は、
   前記刃部から前記シャンク側へ向かうに従って、該刃部と同じ外径から径寸法が直線的に大きくなるテーパ部を、該刃部に連続して備えているとともに、
   該テーパ部に滑らかに接続されるとともに、軸方向の外形線が凹円弧状となるように径寸法が非線形に増大させられて前記シャンクの先端外周縁に達している凹円弧形状部を、該テーパ部と該シャンクとの間に備えており、
   前記刃部から前記シャンクに達するまで径寸法が滑らかに連続的に増大させられている
   ことを特徴とする小径超硬エンドミル。
2. 前記凹円弧形状部は、前記軸方向の外形線が一定の半径Ｒで湾曲させられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の小径超硬エンドミル。
3. 前記先端半角αは１５°〜３５°の範囲内で、前記テーパ部のテーパ半角βは５°以上、２０°未満の範囲内である
   ことを特徴とする請求項２に記載の小径超硬エンドミル。

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