JP5062536B2 - 小径エンドミル - Google Patents

Description

本願発明は、刃部が実質的に立方晶窒化硼素（以下、ｃＢＮという）焼結材から構成され、刃部の直径Ｄが２ｍｍ以下の小径エンドミルに関する。特に、Ｂ／Ｄ値が５以上、２０以下の深彫り加工用に適した小径エンドミルに関する。

ｃＢＮ焼結材を刃部の素材に用いた小径エンドミルは、例えば金型の加工工具として用いられている。特許文献１、２では、チップ端面と取り付け軸部端面との接合部にＮｉによる拡散接合を用いたエンドミルが開示され、特許文献２は、工具先端から接合部までの長さを規定して、接合部への応力集中を防止する技術を開示している。

特開２００６−１０２８２３号公報 特開２００７−２６８６４７号公報

本願発明は、刃部が実質的に超高硬度焼結材から構成され、接合部を有しながらも、接合部の折損や欠損がなく長寿命で安定した小径エンドミルを得ることである。特に、刃部の直径Ｄが２ｍｍ以下、Ｂ／Ｄ値が５以上、２０以下の小径エンドミルの長寿命化を得ることである。

本願発明は、工具先端の刃部１とこれに連なる軸部２の他端が軸部３の端部と同一軸線上に拡散接合された接合部４を有する小径エンドミルにおいて、該軸部３は首部５、テーパー部７、シャンク部６を有し、該刃部１は実質的に立方晶窒化硼素焼結材であり、該軸部２と該軸部３は超硬合金材であり、該接合部４における該軸部２の他端と該首部５の端部とは同一外径を有し、該工具先端から該接合部４までの長さ（ｍｍ）をＡ、該工具先端から該テーパー部７の該首部５側の端部８までの長さ（ｍｍ）をＢとしたとき、０．５０≦Ａ／Ｂ≦０．８０であることを特徴とする小径エンドミルである。上記の構成を採用することによって、刃部がｃＢＮ焼結材から構成され、接合部を有しながらも、接合部の折損や欠損がなく長寿命で安定した小径エンドミルを得ることができる。
本願発明の小径エンドミルにおいて、該接合部４はＮｉにより拡散接合されていることが好ましい。また、Ｄ≦２．０、５≦Ｂ／Ｄ≦２０、であることが好ましい。

本願発明により、刃部がｃＢＮ焼結材から構成され、接合部を有しながらも、接合部の折損や欠損がなく長寿命で安定した小径エンドミルを得ることができた。特に、刃部の直径Ｄが２ｍｍ以下、Ｂ／Ｄ値が５以上の小径エンドミルの長寿命化を得ることができた。

図１に本願発明の小径エンドミルの概略図を示す。図１より、工具先端の刃部１は、実質的にｃＢＮ焼結材で構成されている。ｃＢＮ焼結材と軸部２とは一体焼結されている。更に、該軸部２は超硬合金材であり、軸部３と同一軸線上に拡散接合された接合部４を有する。該接合部４における外径は、該軸部２と首部５とが同一外径を有している。該接合部４には、Ｎｉを拡散接合用材料として使用することが好ましい。本願発明の小径エンドミルにおける軸部３は、超硬合金材からなり、首部５、テーパー部７、シャンク部６を備えている。また、本願発明の小径エンドミルのＡ／Ｂ値は、０．５０≦Ａ／Ｂ≦０．８０と規定する。その理由は、Ａ／Ｂ値が０．５０未満の場合、また、０．８０を超えて大きい場合も、小径エンドミルの高速回転時に接合部から折損や破損がしやすいという不都合があるためである。より好ましいＡ／Ｂ値は、０．５５≦Ａ／Ｂ≦０．７０である。上記の理由について、振動時に発生する２次の振動モデルを参照して考察する。
本願発明の小径エンドミルは、回転数が毎分４万回転以上で使用されるため、切刃が被削材と接触することによって発生する周期的な切削抵抗により振動が発生する。この振動は回転軸に対して略垂直方向に振幅を有する複数の振動であると考えられ、複数の振動から共振が発生した場合には、ｎ次の振動モードが発生する。ｎ次の振動モードは、開放端を腹部、固定端を節部とする（２ｎ−１）／４波長の振動モードであり、ｎ個の節部を有する。特に、接合部を有する小径エンドミルでは、耐折損性を確保するため、振動モードの節部位置に配慮した接合部配置を考えることが必要である。但しここでは、ｎ次の振動モードのうち、３次以上の高次の振動モードについては、考慮から除外しても差し支えないと考える。その理由は、接合部の耐折損性を確保するためには振動によって発生する応力の集中箇所を考慮すれば良いことから、回転軸方向に多数の振幅モードが発生する高次の振動モードでは、応力は分散傾向にあり、集中箇所が発生しないと考えるからである。そこで、１次及び２次の振動モードについて考察することにする。ここで、接合部を有する小径軸部をモデルにして、振動の１次モードの概略図を図２に、２次モードの概略図を図３に示した。図２に示した１次モードの振動では、固定端の位置に振動の節部９が、反対側の先端部に振動の腹部１０となる１／４波長の振動モードが発生する。しかし今回の実験的な検討より、振動の１次モードに起因すると思われる現象は発生しなかった。その理由としては、今回、振動モデルの対象とした小径軸部には、超硬合金材と異なるＮｉの接合部が存在したため、振動の伝播に何らかの影響を与えたものと考えられる。そこで高次の振動モードと同様に、１次モードも考慮から除外しても差し支えないと考える。さらに、２次の振動モードについて考察を進めることにする。図３に示した２次モードの振動では、固定端と、先端部より１／３の位置の２箇所に振動の節部９が、先端部と先端部より２／３の位置の２箇所に振動の腹部１０が発生する。２次モードは、３／４波長の振動モードであり、節部は、固定端以外に、先端部より１／３の位置にも発生し計２個の節部を有する。通常、振動による応力は節部に集中するため、接合部は節部近傍を回避して配置するべきである。逆に、節部近傍に接合部を配置した場合には、小径軸部を構成する超硬合金材よりも強度が劣る接合部から折損に至るためである。上記の理由から、２次モードの振動が支配的な場合では、接合部を配置は、振動の節部近傍は回避し、腹部近傍に配置する必要がある。振動の腹部の位置をＡ／Ｂ値で表すと、０．６６が腹部となり、この位置を中心とした前後の位置に接合部を配置すれば、小径軸部の耐欠損性を得るのに好都合であり、工具寿命に優れた小径エンドミルが得られる。本願発明の小径エンドミルのＡ／Ｂ値は、０．５０≦Ａ／Ｂ≦０．８０と規定し、より好ましくは、０．５５≦Ａ／Ｂ≦０．７０であるとするのは、上記の考察をもとに実験的にもとめた接合部の対折損性に配慮したものである。更に、Ａ／Ｂ値が０．７０を超えて大きいと、曲げモーメントの影響も発生するため、Ａ／Ｂ値の上限を０．７０にすることが好ましい。
小径エンドミルの刃部１は、実質的にｃＢＮ焼結体によって形成される。小径エンドミルの外周刃の刃長（ｍｍ）をＥＦＬとすると、一般的に、ＥＦＬ／Ｄ値が、１．５〜２となることから、外周刃はｃＢＮ焼結体と一体焼結された軸部２の超硬合金材にまで延在する場合がある。しかし、外周刃が、軸部２を超えて接合部４を横断して首部５にまで延在する場合、外周刃が欠損しやすくなると言う不都合が生じるため、Ａ＞ＥＦＬとしなければならない。従って、Ａ／Ｂ値が小さすぎると、外周刃が欠損しやすくなると言う不都合が生じる。

本願発明の小径エンドミルに用いる拡散接合用材料は、Ｎｉであることが好ましい。この理由は、Ｎｉが超硬合金に含有されるＣｏに容易に拡散して固相拡散接合層を形成するため、軸部２の超硬合金材と首部５の超硬合金材とは高い接合強度が得られるからである。またＮｉはＣｏと全率固溶する性質を有することからも、好適である。或いは、Ｎｉ合金として例えばＣｕやＺｎを含有した拡散接合用材料であっても良い。また、本願発明の小径エンドミルのＤ値は、２．０ｍｍ以下の小径であり、またＢ／Ｄ値も、５≦Ｂ／Ｄ≦２０、となるような、Ｄ値に対してＢ値の長い小径エンドミルであって、様々な加工深さに対応可能な工具を対象としている。本願発明の小径エンドミルを実施例により具体的に説明する。

第１に、厚み０．５〜９ｍｍ、直径３０ｍｍの円板形状の超硬合金材を作成した。ここで、超硬合金材は、原料粉末として平均粒子径が１．２μｍのＷＣ粉末を使用し、Ｃｏ粉末を８％配合して撹拌混合させ、得られた混合粉末から円板状の成形体を作成した。この成形体を１４００℃、６０分真空中で焼結し、その後、１３５０℃、５０ＭＰａ、の条件で３０分間、ＨＩＰ処理をすることにより作製した。得られた焼結体を研削加工により、厚み０．５〜９ｍｍ、直径３０ｍｍの形状に仕上げた。
第２に、この超硬合金材の円板上に、体積％で６５％のｃＢＮ粉末と、残りがＴｉＮとＡｌからなる粉末を混合した混合粉末を用いて作成した成形体を配置し、５．６ＧＰａ、１４５０℃の超高圧高温条件で一体焼結した。焼結後に研削加工を施し、ｃＢＮ焼結体の厚さが１ｍｍ、ｃＢＮ焼結体と超硬合金材を含めた総厚が１．５から１０ｍｍの各種ｃＢＮ焼結部材を作成した。
第３に、原料粉末として平均粒子径が１．２μｍのＷＣ粉末を使用し、Ｃｏ粉末を８％配合して撹拌混合させ、得られた混合粉末から円柱形状の成形体を作成した。この成形体を１４００℃、６０分真空中で焼結し、その後、１３５０℃、５０ＭＰａ、の条件で３０分間、ＨＩＰ処理をすることにより作製した。その後、厚み４０．０ｍｍ、直径３０ｍｍの円柱形状に仕上げた。
第４に、第２で作成したｃＢＮ焼結部材と第３で作成した円柱状との間に、全面に渡って厚さ１０μｍのＮｉ箔を挟んだ。その後ホットプレス法を用いて、真空中で１０５０℃、３０ＭＰａ、の条件で１０分の熱処理を施した。この熱処理によって、Ｎｉによる拡散接合層が形成された。この処理によって、ｃＢＮ焼結部材と円柱状の超硬合金とが、拡散接合層によって接合した。
第５に、ワイヤー放電加工により直径４．０１ｍｍの円柱を切り出し後、センタレス加工によって直径４ｍｍ、全長４１．５〜５０ｍｍの丸棒材に仕上げた。円筒研削加工によって、刃部１〜首部５とテーパー部７を加工した。次に、溝研削加工で刃溝を刃部１、軸部２の一部に加工し、刃付けにより、刃部１、軸部２の一部に切刃を形成した。
第１〜第５により、刃径Ｄが０．５ｍｍ、１ｍｍ及び２ｍｍ、有効刃長ＥＦＬが２ｍｍの小径スクエアエンドミルを作成した。本発明例１は、Ａ値を５ｍｍ、Ｂ値を１０ｍｍとした。本発明例２から１０、比較例１１から２０のＢ値は、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍの３種類を作成した。

本発明の小径エンドミの工具寿命を評価するために、各本発明例、比較例毎に各々５本の小径ボールエンドミルを下記に示す切削試験の条件によって評価した。評価方法は、切削距離が３００ｍに到達するまでに折損した本数を測定した。この時、折損は何れも接合部で発生した。また外周刃の欠損も確認した。折損本数及び欠損本数は、５本の試験したうちで折損、欠損の発生した本数を表１に示した。これらをもとに３段階の評価ランクに分けた結果を表１に併せて示す。評価ランクは、折損と欠損も発生しなかったものを◎印で示し、折損本数と欠損本数の和が１のものを○印、折損本数と欠損本数の和が２以上を×印で示した。
（試験条件）
加工方法：乾式切削による片削り加工
被切削材：ＳＫＤ１１、硬さ、ＨＲＣ６０
工具回転数：毎分４万回転
送り速度：１５００ｍｍ／分
径方向切り込み量：０．０５ｍｍ
軸方向切り込み量：０．５ｍｍ

表１に示すように、本発明例１〜１０は、本願発明の規定範囲を満足しているために、折損は１本以下と少なく、工具の長寿命化を図ることが出来て優れていた。また、工具先端部に接合がないため外周刃の欠損も見られなかった。特に、本発明例１〜６は、折損の発生が無く、◎印の評価レベルとなり優れていた。その理由は、Ａ／Ｂ値が０．５から０．７の範囲であり、これによって接合部４の配置が２次振動モードの節部を回避しているためであると考えられる。特に本発明例５は、Ｂ／Ｄ値が２０と大きい場合であるが、接合部４での折損はなく、優れた結果が得られた。この理由は、Ａ／Ｂ値が０．６７であるためと考えられる。即ち、２次モードの振動では、先端部より２／３の位置に振動の腹部が発生し、この位置に接合部を配置したことにより、振動による応力集中を回避できたためと考えられる。本発明例７〜１０は、切削距離が３００ｍに到達する直前で折損が発生したものが１本見られ、Ｏ印の評価レベルであったが、ほぼ満足のいく結果となった。本発明例７〜１０は、Ａ／Ｂ値が０．７から０．８の範囲であることから、振動の１次モードを配慮すると、振動に起因する大きなに応力の作用が予想されたが、今回の実験的な検討より、この１次モードに起因すると思われる影響は少なく、耐折損性の劣化は発生しなかった。特に本発明例９は、Ｂ／Ｄ値が５の場合であるが、Ａ／Ｂ値が０．８０であっても接合部での折損は少なく、満足のいく結果が得られた。従って、より好ましいＡ／Ｂ値は、０．５５≦Ａ／Ｂ≦０．７０である。
一方、比較例１１は、接合部４での欠損が多く発生した。この理由は、Ａ／Ｂ値が０．３３であることから、２次振動モードの節部の位置に接合部があり、２次振動モードで共振したことにより生じた応力が、この位置に集中したものと考えられる。比較例１２、１３は、接合部４での欠損が多く発生したが、この原因もＡ／Ｂ値が本願発明の規定範囲より小さく、２次の振動モードで共振が生じたためであると考えられる。比較例１４〜１９は、接合部４で欠損が多く発生した。Ａ／Ｂ値が本願発明の規定範囲よりも大きいため、２次の振動モードによる共振の影響で接合部に大きな応力が発生し、更に、接合部４での曲げモーメントの作用が大きくなるためであると考えられる。

図１は、本発明例の小径エンドミルの概略図を示す。 図２は、振動の１次モードの概略図を示す。 図３は、振動の２次モードの概略図を示す。

符号の説明

１：刃部（ｃＢＮ焼結体）
２：軸部（超硬合金）
３：軸部（超硬合金）
４：接合部
５：首部
６：シャンク部
７：テーパー部
８：テーパー部における首部側の端部
９：振幅の節部
１０：振幅の腹部
Ａ：工具先端から接合部４までの長さ
Ｂ：工具先端から端部８までの長さ
Ｄ：刃部の直径

Claims (3)

1. 工具先端の刃部１とこれに連なる軸部２の他端が軸部３の端部と同一軸線上に拡散接合された接合部４を有する小径エンドミルにおいて、該軸部３は首部５、テーパー部７、シャンク部６を有し、該刃部１は実質的に立方晶窒化硼素焼結材であり、該軸部２と該軸部３は超硬合金材であり、該接合部４における該軸部２の他端と該首部５の端部とは同一外径を有し、該工具先端から該接合部４までの長さ（ｍｍ）をＡ、該工具先端から該テーパー部７の該首部５側の端部８までの長さ（ｍｍ）をＢとしたとき、０．５０≦Ａ／Ｂ≦０．８０であることを特徴とする小径エンドミル。
2. 請求項１に記載の該小径エンドミルにおいて、該接合部４はＮｉにより拡散接合されていることを特徴とする小径エンドミル。
3. 請求項１又は２に記載の該小径エンドミルにおいて、該刃部１の直径（ｍｍ）をＤとしたとき、Ｄ≦２．０、５≦Ｂ／Ｄ≦２０、であることを特徴とする小径エンドミル。

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