JP5013434B2 - ボールエンドミル - Google Patents

Description

この発明は、金属の切削加工に用いるボールエンドミル、特に、切れ刃の強度向上、円滑な切削及び円滑な切屑排出を実現して工具寿命や加工面の面粗さを向上させたボールエンドミルに関する。

エンドミルは、硬度の高い超硬合金などの素材で形成して高硬度材の切削や高速切削に対応したものが増加している。ボールエンドミルも同様であるが、硬質素材で形成したボールエンドミルは、ハイス鋼などを素材としたボールエンドミルに比べて切れ刃が欠けやすいことから、先端のボール刃の耐チッピング性や切屑排出性を高めて工具寿命や加工面の面粗さを向上させることが行われている。そのことについて述べた文献として、例えば、下記特許文献１〜３がある。

特許文献１に開示されたボールエンドミルは、ボール刃の各部におけるすくい角を、ボール刃の径方向内端側は０°又は正の値、径方向外端側は負の値となるように変化させている。

また、特許文献２が開示しているボールエンドミルは、２枚刃エンドミルを改善の対象にしており、各ボール刃を芯上がりの配置にし、さらに、回転中心に位置するチゼルエッジのチゼル角を限定している。

特許文献３が開示しているボールエンドミルも２枚刃エンドミルのボール刃を芯上がりの配置にしている。この文献３のボールエンドミルは、チゼルエッジの長さを規定している。

特許第３９５７２３０号公報 特開２０００−２３３３１１号公報 特許第３８３３８７５号公報

特許文献１に開示されたボールエンドミルは、ボール刃の各部におけるすくい角を、ボール刃の径方向内端側は０°又は正の値、径方向外端側は負の値となるように変化させることで高硬度材切削での刃先チッピングを減少させている。

また、特許文献２が開示しているボールエンドミルは、２枚刃エンドミルの各ボール刃を芯上がりの配置にすることでノーズ部の刃厚を増加させて回転中心部の刃先を強化し、さらに、回転中心に位置するチゼルエッジのチゼル角を限定することでチゼルエッジで削られた切屑を良好に排出するようにしている。

特許文献３が開示しているボールエンドミルも２枚刃エンドミルのボール刃を芯上がりの配置にしている。この文献３のボールエンドミルは、チゼルエッジの長さを規定することでチゼルエッジの前方に刃溝が存在する割合を大きくして切屑の排出性を向上させている。

いずれの文献の発明も、工具寿命や加工面の面粗さの向上の効果を奏する。しかしながら、その工具寿命や加工面の面粗さ向上に関して、特許文献１〜３などに開示された構造よりもさらに有効な構造があることを発明者は見出した。

この発明は、その構造を提供して切れ刃の強度向上、円滑な切削及び切屑の円滑な排出の効果をより高めることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、略１／４円の円弧のボール刃を有しているボールエンドミルを対象にして、前記ボール刃の各部のすくい角γを−１０°〜０°の範囲に設定し、かつ、そのすくい角γの負の値をボール刃の先端及びそのボール刃の径方向外端から径方向中間地点に向って増大させて径方向の略中間の地点において最大にした。

ここで言うボール刃の先端は、回転中心の刃である。また、ボール刃の各部のすくい角は、ボール刃の円弧中心から放射方向の断面におけるすくい角である。さらに、ボール刃の径方向の中間地点とは、ボール刃が略１／４円として現われる平面図（図１参照、これは図３のＸ方向視の図）において、ボール刃の円弧中心から放射状に延びだす直線が工具軸心からα＝４５°回転した地点を指す。

なお、この発明の適用対象が、２枚刃エンドミルの場合には、各ボール刃を芯上がり量が０又はほぼ０になる配置にして回転中心に設けた長さが０．００５〜０．０６ｍｍのチゼル刃に連ならせ、さらに、それぞれのボール刃の内端を工具の回転中心を越えて他方のボール刃側に入り込ませて工具の正面視において回転中心部でオーバラップさせ、工具の回転中心を越えた部分のすくい面と刃溝（ギャッシュ）の壁面とのコーナをＲ曲面で形成すると好ましい。

この発明のボールエンドミルは、ボール刃の各部のすくい角γを−１０°〜０°の範囲（ネガティブ）に設定し、さらに、そのすくい角γの負の値をボール刃の径方向の略中間の地点において最大にしており、ボール刃の径方向の略中間の地点が最大に強化される。

ボールエンドミルは、ボール刃の径方向内端から径方向中間付近までが多用される傾向にあり、従って、上記範囲の中でも切削速度の大きいボール刃の径方向中間地点付近を強化することで、切れ刃の強度を効果的に高めることができる。

切削速度の小さい径方向内端側はすくい角を大きくして切れ味低下を抑えているので、良好な切削性も確保される。

また、ボール刃の各部のすくい角γをボール刃の径方向の内、外端から径方向の中間地点に向って変化させた（負の値を増大させた）ことで、図３のＹ方向視（側面視）においてボール刃に沿って凸曲面のすくい面が形成される。このすくい面の形状が切屑の流出性を向上させ、その効果で切屑排出が良好になり、加工面の傷付きの少ない円滑な切削が期待できるようになる。

なお、この発明を適用した２枚刃ボールエンドミルにおいて各ボール刃を芯上がり量がほぼ０になる配置にして中心のチゼル刃に連ならせ、さらに、それぞれのボール刃の内端を回転中心部でオーバラップさせ、工具の回転中心を越えた部分のすくい面とそのすくい面に連なる刃溝の壁面とのコーナをＲ面で形成したものは、刃溝が回転中心を越えた位置まで形成されて回転中心部における切屑排出性が向上する。

また、回転中心部がドリルに近似した形状になって軸方向に送りをかける加工（いわゆる突っ込み加工）が可能になる。

さらに、ボール刃の芯上がり量を０又はほぼ０にしたことで、ボール刃が回転して生成される回転軌跡のＲ精度が高精度に維持されやすくなり、加工面の面精度が向上する。また、芯上がり量を０又はほぼ０にしたことで突っ込み加工でのスラストが低減され、加工の安定性がさらに向上する。

このほか、回転中心を越えた刃のすくい面と刃溝の壁面とのコーナをＲ面で形成したことでこの部分のすくい角がよりネガティブになって回転中心部の刃先の強度低下が抑制され、これが欠けの防止に有効に作用する。

以下、添付図面の図１〜図６に基き、この発明のボールエンドミルについて説明する。ボールエンドミルの実施形態の要部を図１〜図３に示す。例示のボールエンドミルは、本体部１とシャンク（図示せず）が超硬合金によって一体に形成された２枚刃のコーティング超硬ソリッドボールエンドミルである。

本体部１の先端には、２枚のボール刃２と、各ボール刃の径方向外端に連なるねじれ刃の外周切れ刃３と、各刃に沿って延びる刃溝４を設けている。

２枚のボール刃２は、回転中心対称位置に配置している。外周切れ刃３と刃溝４も、同様に回転中心対称をなす配置にしている。

ボール刃２は、略１／４円の円弧をなす刃であり、図３に示す工具の正面視において、回転中心Ｏと当該ボール刃の径方向外端２ｏを結ぶ線Ｌ１に対して工具回転方向に凸形状をなしている。

回転中心にはチゼル刃５を設けており、各ボール刃２は、そのチゼル刃５に連なってチゼル刃５の位置から径方向が外側に延びだしている。

そのボール刃２の、図１におけるＩ−Ｉ，II−II，III−IIIの各線に沿った部分の断面を図４の（ａ）〜（ｃ）に示す。これ等の図において、符号６は、ボール刃のすくい面、７は逃げ面である。これ等の図からわかるように、ボール刃２の各部のすくい角γを徐々に変化させている。

そのすくい角γは、−１０°〜０°の範囲に設定しており、さらに、そのすくい角γの負の値をボール刃の先端（チゼル刃５との接続点）及びボール刃の径方向外端２ｏから径方向の中間地点に向って増大させて径方向の略中間の地点（角α＝４５°の地点）において最大にしている。そのすくい角γは、例えば、図１のＩ−Ｉ線の位置では−３°、II−II線の位置では−５°、III−III線の位置では−３°といった値に設定される。

このボール刃２の各部におけるすくい角γの変化により、図３のＹ方向視側面図である
図２において、凸曲面のすくい面６がボール刃２に沿って形成される。この凸曲面のすくい面６は、多用されるボール刃の径方向中間地点を最大に強化し、さらに、回転中心側で切屑を回転中心側に誘導する効果が高まる。また、ボール刃の径方向中間地点よりも後方で刃溝４の工具軸心に対する傾きが増加して刃溝の捩れ角を実質的に大きくしたのと同様の状況が作り出され、そのために、切れ刃から離れるに従って排出力が低下する切屑に再び大きな排出力が働くようになって切屑の排出性が向上する。

逃げ面７の逃げ角θは、ボール刃２の各部において一定である。この逃げ角θは、ボールエンドミルで一般的に採用される値でよい。

図５は、図３の正面図を拡大して示している。この図５及び、その図の回転中心部をさらに拡大した図６からわかるように、各ボール刃２は、芯上がり量がほぼ０になる配置にして回転中心のチゼル刃５に連ならせている。各ボール刃の芯上がり量を可及的に小さくすることで、回転して生成されるボール刃の回転軌跡のＲ精度を高精度で維持でき、加工面精度が向上する。

中心部の刃先強度を確保するために、回転中心部に所定厚みの芯を残してチゼル刃５を生じさせている。そのチゼル刃５の長さＬは、例えば、有効径φ＝０．４〜１２．０ｍｍ程度のボールエンドミルの場合、０．００５〜０．０６ｍｍ程度が適当であった。

図６に示すように、ボール刃２の径方向の内端２ｉを、エンドミルの回転中心Ｏを越えて他方のボール刃側にＳ／２入り込ませて工具の正面視において回転中心部でオーバラップさせ、エンドミル中心を越えた部分のすくい面６と刃溝４の壁面４ａとのコーナＣをＲ面で形成すると好ましく、このときに、コーナＣのＲ面のすくい面６側の端部を回転中心Ｏよりも所定量手前側（工具中心を越えない側）に設定することで、各ボール刃２の芯上がり量をほぼ０にして回転中心部にチゼル刃５を生じさせることができる。

このように、ボール刃２の内端を回転中心部でオーバラップさせると、回転中心部における切屑が中心側に誘導されてその切屑の排出性が向上する。また、回転中心部の形状がドリルの形状に近づき、軸方向に送りをかけた突っ込み加工を行うことが可能になる。

このほか、すくい面６と刃溝４の壁面４ａとのコーナＣをＲ面で形成することで、回転中心を越えた位置ですくい角γの負の値が増加し、中心部の刃先強度が高められる。

以上の説明は、コーティング超硬ソリッドエンドミルを例に挙げて行ったが、この発明の適用対象は、ソリッドエンドミルに限定されない。また、素材が硬いほど刃先のチッピングが起こり易くなるので、超硬合金製のエンドミルに適用すると特に優れた効果を期待できるが、発明の効果は、超硬合金以外の素材で形成されたエンドミルにおいても発揮される。

Ｒ半径５ｍｍのボール刃を有するコーティング超硬合金製のボールエンドミル（発明品と比較品）を準備した。発明品は図１の構造で、ボール刃の各部のすくい角がそのボール刃の内、外端で−３°、径方向中間地点で−５°であり、そのボール刃の内端が回転中心部でオーバラップした図６の刃形を有する。比較品は、ボール刃の各部のすくい角が０°で均一、ボール刃の内端のオーバラップなしである。

このＲ半径５ｍｍのボールエンドミルによる切削を以下の条件で行った。
被削材：ＮＡＫ８０（４０ＨＲＣ）
−切削条件−
切削速度Ｖｃ：８０ｍ／ｍｉｎ
一刃当たり送り量ｆｚ：０．１ｍｍ／刃
切込みａｐ：３ｍｍ
ピックフィードｐｆ：１．５ｍｍ
水溶性切削液を使用したウエット切削
加工機及：マシニングセンタＢＴ４０
切削長５０ｍの時点で切れ刃部の性状の評価を行った。
その結果、発明品は、ボール刃の各部の正常な状態が維持されていた。これに対し、比較品は、ボール刃の径方向中間地点にチッピングが見られた。

Ｒ半径３ｍｍのボール刃を有するコーティング超硬合金製のボールエンドミル（発明品と比較品）を準備した。Ｒ半径を異ならせた点を除いて、仕様は実施例１のボールエンドミルとほぼ同じである。

このＲ半径３ｍｍのボールエンドミルによる切削を以下の条件で行った。
被削材：ＮＡＫ８０（４０ＨＲＣ）
−切削条件−
切削速度Ｖｃ：８０ｍ／ｍｉｎ
一刃当たり送り量ｆｚ：０．０４ｍｍ／刃
切込みａｐ：２ｍｍ
ピックフィードｐｆ：１．５ｍｍ
水溶性切削液を使用したウエット切削
加工機及：マシニングセンタＢＴ４０
発明品は切削長３０ｍの時点で、比較品は切削長２０ｍの時点でそれぞれ切れ刃部の性状の評価を行った。
その結果、発明品は、ボール刃の各部の正常な状態が維持されていた。これに対し、比較品は、回転中心部における切屑排出性が悪く、ボール刃の内端付近が摩耗して工具回転方向に後退した。

この試験結果に、この発明の有効性が現われている。

この発明のボールエンドミルの実施形態の要部を示す平面図 図１のボールエンドミルの９０°回転した位置での側面図 図１のボールエンドミルの正面図 （ａ）図１のＩ−Ｉ線に沿った位置の拡大断面図、（ｂ）図１のII−II線に沿った位置の拡大断面図、（ｃ）図１のIII−III線に沿った位置の拡大断面図 図３を拡大した図 回転中心部をさらに拡大して示す図

符号の説明

１ 本体部
２ ボール刃
２ｉ 内端
２ｏ 外端
３ 外周切れ刃
４ 刃溝
５ チゼル刃
６ すくい面
７ 逃げ面
Ｏ 回転中心
Ｃ すくい面と刃溝の壁面とのコーナ
α ボール刃の円弧中心と径方向中間地点を結ぶ線までの工具軸心からの角度
γ すくい角
θ 逃げ角
Ｌ チゼル刃の長さ
Ｓ オーバラップ量

Claims (3)

1. 略１／４円の円弧をなすボール刃（２）の各部のすくい角γを−１０°〜０°の範囲に設定し、かつ、そのすくい角γの負の値をボール刃（２）の先端及びそのボール刃の径方向外端（２ｏ）から径方向中間地点に向って増大させて１／４円の略中間の地点において最大にしたボールエンドミル。
2. エンドミルの側面視で、前記ボール刃（２）のすくい面（６）を凸曲面にした請求項１に記載のボールエンドミル。
3. ２枚刃エンドミルの各ボール刃（２）を芯上がり量が０又はほぼ０になる配置にして回転中心部に形成される長さ０．００５〜０．０６ｍｍのチゼル刃（５）に連ならせ、さらに、それぞれのボール刃（２）の内端（２ｉ）を工具の回転中心を越えて他方のボール刃側に入り込ませて工具の正面視において回転中心部でオーバラップさせ、工具の回転中心を越えた部分のすくい面（６）と刃溝（４）の壁面（４ａ）とのコーナ（Ｃ）をＲ面で形成した請求項１に記載のボールエンドミル。

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