JP5081159B2 - 応力スプリッタを備えた切削工具 - Google Patents

Description

切削工具（例えば、エンドミル切削工具）では、高応力領域はインサート・ポケットの隅の丸みが応力除去部と交差するこの応力除去部にある、と観察されてきた。

切削工具（例えば、フライス）は、複数の切削刃を有する、円柱形の、円錐形の又は円盤形の回転式工具である。このような切削工具は、多くの形態で利用可能であり、例として、円柱形の平フライス、側フライス、正面フライス、エンドミル、総形フライス、標準プロファイルのフライス、及び特殊プロファイルのフライスが挙げられる。

切削用インサートをその前端に取り付けて用いるエンドミルは、当技術分野では周知である。このエンドミルは、取り付ける切削用インサートの形状に応じて、数種類の用途に用いることができる。切削用インサートは、側フライス削りには外周切削刃を、正面フライス削りには正面切削刃を、様々な倣い削り用途にはいわゆる「ボールノーズ」エンドミルの曲線形切削刃を提供し得る。４つのフルートを備えたミルが恐らく最も一般的であるが、２つ、３つ、又は６つのフルートも広く用いられる。エンドミルは、多種多様なフライス削り作業を行うことができると共に、フライスにかかる初期費用がそれほど高くないため、多く使用されている。円柱形以外の形状も、よく使用されている。シャンクは、平行であっても傾斜していてもよく、必ずしも刃の直径と同じでなくてもよい。

エンドミルの作動中、加工力は、通常、フライスの１つの刃に対して及ぼされる。この結果生じるモーメントには、シャンクをしっかりと掴む工具ホルダが耐える。フライスが回転するとモーメントの方向は絶えず変化するという事実を無視すれば、フライスは片持ち梁として応力を受けると考えることができる。

図６に示されているように、切削工具１００（例えば、エンドミル）は、工具本体１１４を含み、この工具本体１１４は、頂面１３４と、ねじ穴１３８の開いたインサート受容ポケット１２２と、側壁１２６と、これらの間にある応力除去溝１２４とを含む。測定結果によれば、応力除去溝１２４の頂面１３４に隣接した領域に最大相当応力およそ１．０６３×ｅ^５ｐｓｉが生じることが示された。

上記応力の問題は工具破壊の回避に関連しているが、同じぐらい重要なことは、工具の変形を最小限に抑えて精度及び表面仕上げを向上させると共に振動及び騒音を軽減する必要がある、ということである。工具ホルダ付近且つシャンクに最も近いフルート端部付近の大きな曲げモーメントが加工力によってフライスを曲げるため、コアの直径が一定であると、必要以上に工具の変形が大きくなる。この結果フライスの切削刃に生じる変形は、コアを構成する工具鋼をより適切に分配すれば、つまり、フライスにおいて、より小さな応力を受ける歯状端部を犠牲にして、より大きな応力を受ける部分により多くの金属を配分すれば、軽減されるであろう。

従って、既知の切削工具の限界を打破することができると共に、切削工具全体の応力を減少させる若しくは除去することができる、改良された切削工具が必要である。

従来の切削工具に関するこれらの及びその他の課題を解決するために、本発明の発明者らは、工具本体を備える切削工具であって、前記工具本体が、それぞれがポケット基壁、側壁、及びこれらの間にある応力除去溝を備える複数のインサート受容ポケットと、このポケットそれぞれに取り付けられた少なくとも１つの切削用インサートと、第１部分及び第２部分を含む頂面とを含み、この頂面が、前記第１部分と前記第２部分との交差部に応力スプリッタを更に含み、この応力スプリッタが、加工作業中、前記応力除去溝の領域における最大応力を減少させるような、切削工具を開発した。

本発明の別の態様では、工具本体は、それぞれがポケット基壁、側壁、及びこれらの間にある応力除去溝を備える複数のインサート受容ポケットと、第１部分及び第２部分を含む頂面とを備え、この頂面は、前記第１部分と前記第２部分との交差部に応力スプリッタを更に含み、この応力スプリッタは、加工作業中、前記応力除去溝の領域における最大応力を減少させる。

本発明の更なる特徴及び本発明から得られる利点については、図面に関して為された以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

図面（同一の参照文字は同一の要素を表す）を参照すると、図１には、１セットの切削用インサート１２が取り付けられた切削工具１０が示されている。この切削工具１０は、回転軸１６を中心にほぼ放射状に対称的な工具本体１４を備える。この工具本体１４は、円柱形で工具シャンク１５と当接するのが好ましい。これらの工具本体１４及びシャンク１５は、回転軸１６を共有する。工具本体１４は、それぞれが複数のインサート受容ポケット２０を有する複数のフルート１８を含むのが好ましいが、必ずしもそうでなくてもよい。これらのインサート受容ポケット２０は、軸１６に対して回転対称的に配置されている。切削用インサート１２のうちの少なくとも１つ（可能であればそれ以上）は、各ポケット２０に受容されて固定されるような形状及び寸法とされている。

この図１に示した実施形態では、３つの切削用インサート１２が、対応するポケット２０に受容されて固定されている。しかし、当然のことながら、本発明は、インサート１２及びポケット２０の数によって限定されず、いずれの所望の数のインサート１２及びポケット２０を用いて実施されてもよい。例えば、本発明の本体１４は、図２に示されているように、２つのインサート１２及び２つのポケット２０を用いて実施され得る。別の実施例では、切削工具１０の本体１４は、４つ以上のインサート１２及びポケット２０を含み得る。

インサート受容ポケット２０はそれぞれ、軸１６に対し鋭角を成して前方且つ下方に傾斜していてもよいポケット基壁２２を有する。このポケット基壁２２は、インサート受容ポケット２０の接線方向当接面を構成している。また、ポケット２０は、側壁２６も含み、この側壁２６は、図１及び図２に示されているようにインサート１２がポケット２０に取り付けられた際の、インサート１２の側壁に対する半径方向当接面を構成している。これらポケット基壁２２と側壁２６との間には、応力除去溝２４が設けられている。図示した実施形態では、この応力除去溝２４の半径は、およそ０．０４７インチ（およそ１．１９ｍｍ）である。しかし、この応力除去溝２４の半径は、特に切削用インサート１２の設計によって様々である。

ポケット基壁２２の中央を、ねじ穴３８が貫通しており、このねじ穴３８は、ポケット基壁２２に対して実質的に垂直である。図１及び図２に示されているように、切削工具１０の組み立て位置において、切削用インサート１２はそれぞれ、締め付けねじ４０によってインサート受容ポケット２０に保持されており、この締め付けねじ４０は、切削用インサート１２の貫通穴４２を通って、インサート受容ポケット２０のねじ穴３８と螺合する。

工具本体１４の頂面３４は、第１部分２８と実質的に平面状の第２部分２９とを含む。また、工具本体１４は、頂面３４の第１部分２８と交差する面取り面３０と、ポケット基壁２２及び面取り面３０と交差する周囲面３２も含み得る。

図３を参照すると、本発明の一態様では、応力スプリッタ３６が、工具本体１４の頂面３４に設けられており、第１部分２８及び第２部分２９と交差している。この応力スプリッタ３６は、尖った頂部若しくは尾根部、丸みを帯びた頂部、丸みのある瘤部若しくは隆起部などの形態であってよい。応力スプリッタ３６の高さは、切削工具１０それぞれの設計に応じて、頂面３４の第１部分２８及び第２部分２９に対し、およそ０．００１インチ（０．０２５４ｍｍ）から応力除去溝２４の半径にほぼ等しい最大高さの範囲であり得る。上記のように、図示した実施形態における応力除去溝２４の半径は、およそ０．０４７インチ（およそ１．１９ｍｍ）であるが、インサート１２の設計に応じて様々であってよい。また、応力除去溝２４の最大高さは、インサート１２の切削刃の高さに制限され得る。

この図３に示されている実施形態では、応力スプリッタ３６は、応力除去溝２４からインサート受容ポケット２０の後面４０まで、曲線若しくは弧に沿って延びている。しかしながら、この応力スプリッタ３６は、応力除去溝２４からポケット２０の後面４０までの距離全体に及んでいなくてもよく、この応力除去溝２４からポケット２０の後面４０までの距離の一部のみにわたって延びていてもよい。例えば、応力除去溝２４間の距離全体がおよそ１．０インチ（２５．４ｍｍ）である場合、応力スプリッタ３６は、応力除去溝２４からポケット２０の後面４０の方向に、およそ０．１０インチ（２．５４ｍｍ）の距離だけ延びていてもよい。更に、この応力スプリッタ３６は、応力除去溝２４から必ずしも実質的な曲線に沿って延びていなくてもよく、本発明は、応力除去溝２４からあらゆる所望の線形（例えば、実質的な直線など）に沿って延びる応力スプリッタ３６によって実施され得る。

次に、図４を参照すると、工具本体１４が、その頂面３４の第１部分２８及び第２部分２９と交差している尖った隆起部の形態をした応力スプリッタ３６を含む、切削工具１０（例えば、エンドミル）に対し、相当（フォン・ミーゼス(Von-Meses)）応力の測定が行われた。この応力スプリッタ３６は、図６の従来の切削工具１００において最大応力が生じた位置の真上に最適に配置されている。図４に示されているように、この応力スプリッタ３６によって、最大相当（フォン・ミーゼス）応力が、従来の切削工具１００におけるおよそ１０６．３ｋｓｉからおよそ８５．８ｋｓｉに（即ち、およそ１９％）減少した。更に、この応力スプリッタ３６によって、最大応力領域が、図６の従来の切削工具１００に比べ、広い領域にわたって分布された。

次に、図５を参照すると、工具本体１４が、その頂面３４の第１部分２８及び第２部分２９と交差している丸みを帯びた頂部若しくは隆起部の形態をした応力スプリッタ３６を含む、切削工具１０（例えば、エンドミル）に対し、相当（フォン・ミーゼス）応力の測定が行われた。この図５における応力スプリッタ３６の位置は最大応力真上の最適位置でない、ということに留意されたい。それにもかかわらず、この応力スプリッタ３６は、最大相当応力がおよそ１８％減少するという予期せぬ結果をもたらした。この応力スプリッタ３６が最大応力真上の最適位置にあれば、最大相当応力は１８％よりも更に大きく減少するであろう。

上記測定によって示されるように、この応力スプリッタ３６は、最大引張応力(tensilestress)（引張り応力(tension stress)）位置で最小引張応力（圧縮応力(compressive stress)）を生じさせることにより、最大相当応力が減少するという予期せぬ結果をもたらす。その結果、応力スプリッタ３６は、この最大引張応力位置における引張応力を無効化して、切削工具１０全体の応力を減少させる。この最大引張応力位置は、図示したように、頂面３４に隣接した応力除去溝２４に沿った位置である。この最大引張応力位置に応力スプリッタ３６を設けることにより、最大相当（フォン・ミーゼス）応力が、図６に示した従来の工具本体１００に対する最大相当応力に比べ、少なくともおよそ１８％減少した。

本明細書中で言及した文献、特許、及び特許出願は、参照により本明細書中に組み込まれる。

本発明を、そのいくつか特定の実施形態に関して具体的に説明してきたが、当然のことながら、これは、例示目的であって限定目的ではなく、添付の特許請求の範囲は、従来技術の最大許容範囲で解釈されるべきである。

本発明の一実施形態による応力スプリッタを備えた、フライスの斜視図である。 本発明の別の実施形態による応力スプリッタを備えた、異なるタイプのフライスの斜視図である。 本発明の一実施形態による応力スプリッタを備えると共に、明確にするためインサートを取り外した、フライス本体の部分拡大斜視図である。 本発明の一実施形態による応力スプリッタを備えた、フライス本体の応力分布を示す図である。 本発明の一実施形態による応力スプリッタを備えた、異なるフライス本体の応力分布を示す図である。 応力スプリッタを備えていない、従来のフライス本体の応力分布を示す図である。

Claims (15)

1. 工具本体を備える切削工具であって、前記工具本体が、それぞれがポケット基壁、側壁、及びこれらの間にある応力除去溝を備える複数のインサート受容ポケットと、前記ポケットそれぞれに取り付けられた少なくとも１つの切削用インサートと、第１部分及び第２部分を含む頂面とを含み、前記頂面が、前記応力除去溝から前記工具本体の隣接ポケットの後面に向かって延びて前記第１部分及び前記第２部分と交わる隆起した応力スプリッタを更に含み、前記応力スプリッタは、加工作業中、前記応力除去溝の領域における最大応力を減少させることを特徴とする切削工具。
2. 前記応力スプリッタの高さが、０．００１インチから前記応力除去溝の半径に等しい最大高さの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の切削工具。
3. 前記応力スプリッタの高さが、０．００１インチから前記切削用インサートの切削刃よりも高くない最大高さの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の切削工具。
4. 前記応力スプリッタが、前記応力除去溝から前記工具本体の隣接ポケットの後面まで延びることを特徴とする、請求項１に記載の切削工具。
5. 前記応力スプリッタが、前記応力除去溝から前記工具本体の隣接ポケットの後面までの距離の一部にわたって延びることを特徴とする、請求項１に記載の切削工具。
6. 前記応力スプリッタが、前記応力除去溝から実質的な曲線に沿って延びることを特徴とする、請求項１に記載の切削工具。
7. 前記応力スプリッタが、隆起した尾根部から成ることを特徴とする、請求項１に記載の切削工具。
8. 前記応力スプリッタが、隆起部から成ることを特徴とする、請求項１に記載の切削工具。
9. それぞれがポケット基壁、側壁、及びこれらの間にある応力除去溝を備える複数のインサート受容ポケットと、第１部分及び第２部分を含む頂面とを備える、工具本体であって、前記頂面が、前記応力除去溝から前記工具本体の隣接ポケットの後面に向かって延びて前記第１部分及び前記第２部分と交わる隆起した応力スプリッタを更に含み、前記応力スプリッタが、加工作業中、前記応力除去溝の領域における最大応力を減少させることを特徴とする工具本体。
10. 前記応力スプリッタの高さが、前記頂面の前記第１部分及び前記第２部分に対し、０．００１インチから前記応力除去溝の半径と同じ大きさの範囲に、この最大高さに対するもう一方の制限が、切削用インサートの切削刃よりも高くないことを特徴とする、請求項９に記載の工具本体。
11. 前記応力スプリッタが、前記応力除去溝から前記工具本体の隣接ポケットの後面まで延びることを特徴とする、請求項９に記載の工具本体。
12. 前記応力スプリッタが、前記応力除去溝から前記工具本体の隣接ポケットの後面までの距離の一部にわたって延びることを特徴とする、請求項９に記載の工具本体。
13. 前記応力スプリッタが、前記応力除去溝から実質的な曲線に沿って延びることを特徴とする、請求項９に記載の工具本体。
14. 前記応力スプリッタが、隆起した尾根部から成ることを特徴とする、請求項９に記載の工具本体。
15. 前記応力スプリッタが、隆起部から成ることを特徴とする、請求項９に記載の工具本体。

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