JP4977282B2 - 立ち壁加工用エンドミル - Google Patents

Description

本発明は、首部の先端側に大径の刃部が連続して設けられており、その刃部の軸方向寸法よりも深い立ち壁を切削加工する立ち壁加工用エンドミルに関するものである。

軸心まわりに回転駆動されつつその軸心と直角な方向へ相対的に送り移動させられることにより、刃部に設けられた外周刃によって被削材に側面切削加工を行うエンドミルが知られている。特許文献１に記載のエンドミルはその一例で、切削抵抗による工具の倒れを考慮して、外周刃の径寸法が、軸方向の先端側へ向かうに従って直線的に大きくなるように定められており、その外周刃の回転軌跡形状は軸方向の先端側程大径のテーパ形状（截頭円錐形状）となり、これが撓み変形させられることにより平坦な加工面が得られるようにされている。
実開昭６２−１９８０１２号公報

ところで、深さ寸法が大きい立ち壁を１回で切削加工する場合、刃部の軸方向寸法を大きくする必要があるが、切削抵抗が大きくなって撓み変形が大きくなるため、特許文献１のように外周刃の径寸法を直線的に大きくするだけでは対応できない。これに対し、刃部の軸方向寸法よりも短い所定の切込み量ずつ軸方向へずらして側面切削加工を繰り返すことにより、刃部の軸方向寸法よりも深い立ち壁を切削加工することが行われているが、特許文献１のように外周刃の径寸法を直線的に変化させたエンドミルをそのまま用いた場合、１回毎の側面切削加工では平坦な加工面が得られるものの、撓み変形の僅かな相違で刃部が傾斜して軸方向の端部が被削材に食い込むことにより、複数の側面切削加工の境界部分に段差が生じるとともに、びびり振動が発生し易くなり、必ずしも十分に満足できる加工面粗さが得られないという問題があった。

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、刃部の軸方向寸法よりも短い所定の切込み量ずつ軸方向へずらして側面切削加工を繰り返すことにより、刃部の軸方向寸法よりも深い立ち壁を切削加工する場合に、優れた加工面粗さが得られるようにすることにある。

かかる目的を達成するために、本発明は、首部の先端側にその首部よりも大径の刃部が連続して設けられており、軸心まわりに回転駆動されつつその軸心と交差する方向へ相対的に送り移動されることにより、その刃部に設けられた外周刃によって被削材に側面切削加工を行うとともに、その刃部の軸方向寸法Ｌよりも短い所定の切込み量ｔずつ軸方向へずらしてその側面切削加工が繰り返されることにより、その刃部の軸方向寸法Ｌよりも深い立ち壁を切削加工することができるスクエア型の立ち壁加工用エンドミルであって、(a) 前記首部は前記刃部の軸方向寸法Ｌの５倍以上の長さ寸法を有する一方、(b) 前記外周刃は、その回転軌跡形状における軸心と平行な断面が一定の半径Ｒｓで外側に凸となる凸湾曲形状を成すように設けられているとともに、(c) その半径Ｒｓは、前記外周刃の最大径寸法である工具径Ｄに対して１×Ｄ〜５×Ｄの範囲内で、且つ、その半径Ｒｓの中心点Ｑは、軸方向において前記刃部の先端と同じかそれよりも先端側へ離間した位置に定められており、(d) 前記外周刃の回転軌跡形状は、軸方向の先端が最も大径で前記首部に向かうに従って徐々に小径となる釣り鐘形状であることを特徴とする。

このような立ち壁加工用エンドミルによれば、刃部の軸方向寸法よりも短い所定の切込み量ｔずつ軸方向へずらして側面切削加工を繰り返すことにより、刃部の軸方向寸法Ｌよりも深い立ち壁を切削加工する際に、外周刃の回転軌跡形状における軸心と平行な断面が外側に凸となる凸湾曲形状を成すように、その外周刃が刃部に設けられているため、１回毎の側面切削加工では外周刃の回転軌跡形状に対応して加工面が湾曲するものの、エンドミルの撓み変形の相違で刃部の傾斜角度がばらついても、刃部の軸方向端部が被削材に食い込むことが抑制される。これにより、複数の側面切削加工の境界部分に段差が生じたり、刃部の食い込みに起因してびびり振動が発生したりすることが抑制され、優れた加工面粗さが得られるようになる。

また、外周刃の回転軌跡形状における軸心と平行な断面が一定の半径Ｒｓで外側に凸となる凸湾曲形状を成しているため、その外周刃の加工、具体的には外周刃の回転軌跡形状と略同一形状の工具素材を用意する際の加工や設計、加工プログラムの作成等が容易になり、製造コストを低減できる。

また、上記半径Ｒｓの中心点Ｑが、軸方向において刃部の先端と同じかそれよりも先端側へ離間した位置に定められているため、その外周刃の回転軌跡形状が、軸方向の先端が最も大径で首部に向かうに従って徐々に小径となる釣り鐘形状になり、凸湾曲形状による加工面粗さの向上効果を損なうことなく、刃部の軸方向寸法Ｌをできるだけ短くすることができる。すなわち、凸湾曲形状の最大径寸法よりも先の部分は、切削抵抗による撓み変形で被削材から離間する方向へ変位するため、切削加工には殆ど寄与せず、元々必要ないのである。また、先端側の不要な小径部分が存在しないため、例えば立ち壁の下端に底面を有する場合、その底面部分まで高い寸法精度で立ち壁を切削加工することができる。

また、上記半径Ｒｓは工具径Ｄに対して１×Ｄ〜５×Ｄの範囲内で設定されているため、凸湾曲形状による加工面粗さの向上効果を良好に享受できる。すなわち、半径Ｒｓが工具径Ｄよりも小さいと、それに対応して個々の側面切削加工の加工面の湾曲半径が小さくなるため、加工面粗さが悪くなる一方、半径Ｒｓが５×Ｄよりも大きくなると、外周刃の回転軌跡形状がストレートの円筒形状に近くなり、刃部の軸方向端部が被削材に食い込み易くなって、複数の側面切削加工の境界部分に段差が生じて面粗さが悪くなるのである。

本発明の立ち壁加工用エンドミルは、例えば軸心が略鉛直方向となる垂直姿勢で垂直な立ち壁を切削加工するように用いられるが、軸心が略水平状態となる姿勢で略水平な立ち壁を切削加工するようにしても良いなど、種々の切削態様で使用できる。立ち壁は、必ずしも垂直な壁面を意味するのではなく、エンドミルの軸心と平行な面であれば良く、平面でも湾曲面などでも良い。

刃部および首部は一体に構成することが望ましいが、別体に構成して一体的に接合しても良い。首部は、例えば刃部の首部側の端部の径寸法と同じ径寸法とされるが、被削材との干渉を防止するためにそれより小さな径寸法とすることも可能である。

外周刃は、例えば刃部に一体に設けられるが、スローアウェイチップ等を採用することも可能である。外周刃は、軸心と平行なストレート刃でも良いが、軸心に対して所定のねじれ角でねじれたねじれ刃を採用することが望ましい。また、外周刃の刃数は例えば２枚が適当であるが、１枚でも３枚以上でも良く、径寸法等に応じて適宜定められる。

本発明の立ち壁加工用エンドミルは、外周刃と底刃とが接続される外周コーナーが角張ったスクエアエンドミルである。

立ち壁加工用エンドミルを軸心と交差する方向へ相対的に送り移動して側面切削加工を行う際には、軸心と直角な方向へ送り移動することが望ましいが、直角な方向から軸方向へ傾斜した方向へ送り移動して側面切削加工を行うことも可能である。この送り移動は、立ち壁加工用エンドミルを移動しても良いが、被削材の方を移動することも可能である。

また、立ち壁加工用エンドミルを所定の切込み量ｔだけ軸方向へずらす場合、エンドミルの先端側へずらすようにしても良いし、その反対方向へずらすようにしても良い。すなわち、立ち壁の上端から下方へ加工部位をずらしながら側面切削加工を繰り返すようにしても良いし、立ち壁の下端から上方へ加工部位をずらしながら側面切削加工を繰り返すようにしても良いのである。この場合も、立ち壁加工用エンドミルを移動するか被削材の方を移動するかは適宜定めることができる。

上記切込み量ｔは、加工面粗さの点ではできるだけ小さい方が望ましいが、例えば刃部の軸方向寸法Ｌに対して０．１×Ｌよりも小さいと加工能率が悪くなり、切込み量ｔが大きくなると切削抵抗が大きくなってびびり振動が発生したり加工面粗さが悪くなったりするため、被削材の材質や外周刃形状（前記半径Ｒｓの大きさなど）、刃部の軸方向寸法Ｌの大きさ等によっても異なるが、例えば０．１×Ｌ〜０．５×Ｌ程度の範囲内が適当で、０．１×Ｌ〜０．３×Ｌの範囲内が望ましい。

本発明の立ち壁加工用エンドミルは、例えば刃部の軸方向寸法Ｌよりも浅い立ち壁の切削加工等に用いることもできる。

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立ち壁加工用エンドミル１０（以下、単にエンドミル１０という）、およびそのエンドミル１０を用いて行う立ち壁切削加工方法の一例を説明する図で、(a) はエンドミル１０の正面図、(b) はエンドミル１０の刃部１６の拡大図、(c) は被削材３０に設けられたコの字形状の立ち壁３２に対して仕上げ切削加工を行う際の切削加工方法を説明する斜視図である。エンドミル１０は、シャンク１２と首部１４と刃部１６とを同軸上に一体に備えており、シャンク１２側から見て右まわりに回転駆動されることにより刃部１６で切削加工を行う。首部１４は、刃部１６よりも小径で且つ刃部１６の軸方向寸法Ｌの５倍以上の長さ寸法を有し、刃部１６の軸方向寸法Ｌよりも深い立ち壁３２を被削材３０と干渉することなく切削加工することができる。

刃部１６には、軸心に対して対称的に一対の外周刃１８が設けられている。これ等の外周刃１８は、軸心に対して所定のねじれ角でねじれたねじれ刃で、図示しない底刃に接続される外周コーナーが角張っているスクエア型である。また、この外周刃１８は、その回転軌跡形状における軸心と平行な断面が一定の半径Ｒｓで外側に凸となる凸湾曲形状を成すように設けられているとともに、その半径Ｒｓの中心点Ｑは、軸方向において刃部１６の先端と同じ位置に定められている。これにより、外周刃１８の回転軌跡形状は、軸方向の先端が最も大径で首部１４に向かうに従って徐々に小径となる釣り鐘形状となる。図１に示す刃部１６は、何れも外周刃１８の回転軌跡形状を示したもので、釣り鐘形状を成している。また、上記半径Ｒｓは、軸方向の先端における外周刃１８の径寸法、すなわち外周刃１８の最大径寸法である工具径Ｄに対して、１×Ｄ〜５×Ｄの範囲内で設定されている。

そして、このようなエンドミル１０を用いて立ち壁３２に仕上げ切削加工を行う場合、そのエンドミル１０を軸心まわりに回転駆動しつつ、図１の(c) に一点鎖線の矢印で示すように、立ち壁３２に沿ってコの字形状にエンドミル１０を軸心と直角方向すなわち水平方向へ送り移動することにより、刃部１６に設けられた外周刃１８によって立ち壁３２に側面切削加工を行う。この側面切削加工は、立ち壁３２の上下方向の一方の端部から行われ、本実施例では上端部から行う。そして、立ち壁３２の上端部の側面切削加工が終了したら、刃部１６の軸方向寸法Ｌよりも短い所定の切込み量ｔだけエンドミル１０を軸方向の先端側へずらして、上記と同様に一点鎖線の矢印で示すように立ち壁３２に沿ってコの字形状にエンドミル１０を送り移動して側面切削加工を行う。このような側面切削加工を、切込み量ｔずつずらしながら繰り返すことにより、刃部１６の軸方向寸法Ｌよりも十分に深い立ち壁３２の全面に仕上げ切削加工を行うことができる。切込み量ｔは、例えば軸方向寸法Ｌに対して０．１×Ｌ〜０．３×Ｌ程度の範囲内で設定される。

このような立ち壁切削加工方法によれば、刃部１６の軸方向寸法Ｌよりも短い所定の切込み量ｔずつエンドミル１０を軸方向へずらして側面切削加工を繰り返すことにより、刃部１６の軸方向寸法Ｌよりも深い立ち壁３２を切削加工する際に、回転軌跡形状における軸心と平行な断面が外側に凸となる凸湾曲形状を成す外周刃１８を有するエンドミル１０が用いられるため、１回毎の側面切削加工では外周刃１８の回転軌跡形状に対応して加工面が湾曲するものの、エンドミル１０の撓み変形の相違で刃部１６の傾斜角度がばらついても、刃部１６の軸方向端部が被削材３０に食い込むことが抑制される。これにより、複数の側面切削加工の境界部分に段差が生じたり、刃部１６の食い込みに起因してびびり振動が発生したりすることが抑制され、優れた加工面粗さが得られるようになる。

図２は、上記のような立ち壁切削加工方法に従って立ち壁３２を切削加工する場合の断面図で、(a) は本実施例のエンドミル１０を使用した場合、(b) は径寸法が一定の円柱形状（ストレート）の刃部１００を有する従来のエンドミルを使用した場合である。これ等の比較から、図２の(a) に示す本実施例では、外周刃１８の回転軌跡形状に対応する滑らかな湾曲面が連続した滑らかな加工面が得られるのに対し、図２の(b) に示す従来例では、刃部１００の首部側端部が被削材３０に食い込むため、複数の側面切削加工の境界部分に段差が生じて加工面粗さが悪くなる。

一方、本実施例では、外周刃１８の回転軌跡形状における軸心と平行な断面が一定の半径Ｒｓの凸湾曲形状を成しているため、その外周刃１８の加工、具体的には外周刃１８の回転軌跡形状と略同一形状の工具素材を用意する際の加工や設計、加工プログラムの作成等が容易になり、製造コストを低減できる。

また、上記半径Ｒｓの中心点Ｑが、軸方向において刃部１６の先端と同じ位置に定められているため、外周刃１８の回転軌跡形状が、軸方向の先端が最も大径で首部１４に向かうに従って徐々に小径となる釣り鐘形状となるため、凸湾曲形状による加工面粗さの向上効果を損なうことなく、刃部１６の軸方向寸法Ｌをできるだけ短くすることができる。すなわち、凸湾曲形状の最大径寸法よりも先の部分は、切削抵抗による撓み変形で被削材３０から離間する方向へ変位するため、切削加工には殆ど寄与せず、元々必要ないのである。また、先端側の不要な小径部分が存在しないため、例えば立ち壁３２の下端に底面を有する場合、その底面部分まで高い寸法精度で立ち壁３２を切削加工することができる。

また、上記半径Ｒｓは工具径Ｄに対して１×Ｄ〜５×Ｄの範囲内で設定されているため、凸湾曲形状による加工面粗さの向上効果を良好に享受できる。すなわち、半径Ｒｓが工具径Ｄよりも小さいと、それに対応して個々の側面切削加工の加工面の湾曲半径が小さくなるため、加工面粗さが悪くなる一方、半径Ｒｓが５×Ｄよりも大きくなると、外周刃１８の回転軌跡形状がストレートの円筒形状に近くなり、図２(b) の従来例と同様に刃部１６の軸方向端部が被削材３０に食い込み易くなって、複数の側面切削加工の境界部分に段差が生じて面粗さが悪くなるのである。

また、本実施例では切込み量ｔが軸方向寸法Ｌに対して０．１×Ｌ〜０．３×Ｌ程度の範囲内で設定されるため、所定の加工能率を維持しながらびびり振動が抑制されて優れた加工面粗さが得られる。

次に、図３の(a) に示すように工具径Ｄ＝２ｍｍ、刃部１６の軸方向寸法Ｌ＝２ｍｍ、刃部１６と首部１４とを合わせた軸方向寸法が１６ｍｍで、前記半径Ｒｓ＝１ｍｍ（０．５×Ｄ）、３ｍｍ（１．５×Ｄ）、５ｍｍ（２．５×Ｄ）、１０ｍｍ（５×Ｄ）、１５ｍｍ（７．５×Ｄ）、２０ｍｍ（１０×Ｄ）の６種類のエンドミル１０、および図２(b) に示すように刃部１００が円柱形状（ストレート）の従来のエンドミルを用いて、図３の(b) に示す寸法の立ち壁３２を切削加工し、びびり振動や切削異常音の有無、加工面粗さについて調べた結果を説明する。図３(b) の切込み量ｔは０．２ｍｍ（＝０．１×Ｌ）および０．４ｍｍ（＝０．２×Ｌ）の２種類で、その他の加工条件は以下の通りであり、結果を図４に示す。図４の「切込／Ｐ」は、１回の側面切削加工（ＰＡＳＳ）当りの軸方向の切込み量で、上記切込み量ｔのことである。
《加工条件》
・被削材：Ｃ１１００（純銅）
・周速：２００ｍ／ｍｉｎ
・１刃当りの送り速度：０．００８ｍｍ／ｔ、０．０２ｍｍ／ｔ
・使用機械：縦型マシニングセンタ
・切削油剤：水溶性切削油剤

図４の(a) は切削異常音およびびびり振動の判定結果で、切込み量ｔ（切込／Ｐ）＝０．２ｍｍの場合には、半径Ｒｓ＝１ｍｍ（０．５×Ｄ）〜１５ｍｍ（７．５×Ｄ）の範囲でびびり振動や切削異常音が殆ど無い良好な結果が得られ、切込み量ｔ（切込／Ｐ）＝０．４ｍｍの場合には、半径Ｒｓ＝１ｍｍ（０．５×Ｄ）〜１０ｍｍ（５×Ｄ）の範囲でびびり振動や切削異常音が殆ど無い良好な結果が得られた。また、図４の(b) は、切込み量ｔ（切込／Ｐ）＝０．２ｍｍ、１刃当りの送り速度＝０．０２ｍｍ／ｔの場合の加工面粗さの測定結果で、３．２μｍ以下を合格の判定基準とすると、半径Ｒｓ＝３ｍｍ（１．５×Ｄ）〜１０ｍｍ（５×Ｄ）の場合に合格となる。これ等の結果から総合的に判断すると、半径Ｒｓは３ｍｍ（１．５×Ｄ）〜１０ｍｍ（５×Ｄ）程度の範囲内が適当である。

また、図５は、上記の切削加工試験において、切込み量ｔ（切込／Ｐ）＝０．２ｍｍ、１刃当りの送り速度＝０．０２ｍｍ／ｔの場合に、半径Ｒｓ＝１０ｍｍ（５×Ｄ）、１５ｍｍ（７．５×Ｄ）、およびストレートの３種類のエンドミルによる加工面を示す写真で、それぞれ同じ加工条件で加工した４つの加工面を写した４枚の写真を並べて示したものである。これ等の写真から明らかなように、(a) の半径Ｒｓ＝１０ｍｍ（５×Ｄ）の場合には、きめ細かな優れた加工面が得られるのに対し、(b) の半径Ｒｓ＝１５ｍｍ（７．５×Ｄ）の場合には表面がざらざらした感じになり、(c) のストレートの場合にはびびり振動で表面に多数の疵（白い斜めの線）が見られるようになる。

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。

本発明の一実施例である立ち壁加工用エンドミル、およびそのエンドミルを用いて行う立ち壁切削加工方法を説明する図で、(a) はエンドミルの正面図、(b) は(a) のエンドミルの刃部の拡大図、(c) は被削材に形成されたコの字形状の立ち壁に対して仕上げ切削加工を行う際の切削加工方法を説明する斜視図である。 図１の(c) の立ち壁切削加工方法に従って立ち壁に切削加工を行う場合の加工面を説明する断面図で、(a) は本発明の立ち壁加工用エンドミルを用いた場合で、(b) は従来のエンドミルを用いた場合である。 立ち壁の切削加工試験を説明する図で、(a) は使用エンドミルの具体的寸法を示す図、(b) は切削加工すべき立ち壁の具体的寸法を示す図である。 図３の切削加工試験の試験結果を説明する図で、(a) は切削異常音およびびびり振動の判定結果を示す図、(b) は加工面粗さの測定結果を示す図である。 図３の切削加工試験において、所定の加工条件で切削加工が行われた時の３種類のエンドミルによる加工面を示す写真である。

符号の説明

１０：立ち壁加工用エンドミル １４：首部 １６：刃部 １８：外周刃 ３０：被削材 ３２：立ち壁 Ｌ：刃部の軸方向寸法 Ｄ：工具径 Ｒｓ：半径 ｔ：切込み量

Claims (1)

1. 首部の先端側に該首部よりも大径の刃部が連続して設けられており、軸心まわりに回転駆動されつつ該軸心と交差する方向へ相対的に送り移動されることにより、該刃部に設けられた外周刃によって被削材に側面切削加工を行うとともに、該刃部の軸方向寸法Ｌよりも短い所定の切込み量ｔずつ軸方向へずらして該側面切削加工が繰り返されることにより、該刃部の軸方向寸法Ｌよりも深い立ち壁を切削加工することができるスクエア型の立ち壁加工用エンドミルであって、
   前記首部は前記刃部の軸方向寸法Ｌの５倍以上の長さ寸法を有する一方、
   前記外周刃は、その回転軌跡形状における軸心と平行な断面が一定の半径Ｒｓで外側に凸となる凸湾曲形状を成すように設けられているとともに、
   該半径Ｒｓは、前記外周刃の最大径寸法である工具径Ｄに対して１×Ｄ〜５×Ｄの範囲内で、且つ、該半径Ｒｓの中心点Ｑは、軸方向において前記刃部の先端と同じかそれよりも先端側へ離間した位置に定められており、
   前記外周刃の回転軌跡形状は、軸方向の先端が最も大径で前記首部に向かうに従って徐々に小径となる釣り鐘形状である
   ことを特徴とする立ち壁加工用エンドミル。