JP5168597B2 - ヘッド着脱式切削工具 - Google Patents

Description

この発明は、切れ刃を有する切削ヘッドを工夫された継手を用いてシャンク部に着脱自在に締結するヘッド着脱式切削工具に関する。

首記の切削工具の従来技術として、例えば、下記特許文献１〜４に開示されたものがある。

特許文献１の切削工具（ボールエンドミル）は、エンドミルヘッドとシャンクとその両者にねじ込まれるプルロッドとで構成され、エンドミルヘッドとシャンクが工具中心軸に対してほぼ垂直な突き合わせ面を含み、このエンドミルヘッドとシャンクを、前記プルロッドで互いに引き寄せ、前記突き合わせ面を互いに突き合わせて締結する。

また、特許文献２の切削工具（フライス工具）は、切削ヘッドとシャンクと保持手段とで構成され、シャンク先端のテーパ穴に挿入した保持手段をシャンクにねじ込み、テーパ穴との嵌合部の作用で保持手段を切削ヘッドに係合させてその切削ヘッドを前記テーパ穴に引き込み、シャンクにテーパ嵌合させて切削ヘッドをシャンクに締結する。

特許文献３の刃部交換式切削工具も、特許文献２のフライス工具とほぼ同様の構造である。刃部に係合させた固定用部材を工具本体の先端に設けられた挿入孔に挿入して工具本体にねじ込むことで刃部を工具本体側に引き寄せ、刃部の突き合わせ面を工具本体の先端にテーパ嵌合させて刃部を工具本体に締結する。

さらに、特許文献４の切削工具は、切削ヘッドに相当する雄の部材に締結用の雄ねじを形成し、その雄ねじをシャンクに相当する雌の部材の雌ねじ（ねじ孔）にねじ込んで雄の部材を雌の部材に締結する。雄ねじは工具継手の長さ短縮や強度維持を図るために不完全ねじ部の含まれないねじにしており、締結完了位置で雄の部材のショルダー面（軸方向端面）が雌の部材の先端に突き当たり、同時に、雄の部材の雄ねじの根元部分が雌の部材のねじ孔の入口部にテーパ嵌合する。

特表２００１−５００８０１号公報 特表２００１−５０５１３７号公報 特開２００８−６５０８号公報 特許第４１１７１３１号公報

シャンクと切削ヘッドをねじで締結する着脱式切削工具は、ソリッドタイプと比べて、切削工具全体の剛性が低くなるため、切削加工時において切削ヘッドの振動が発生しやすいという問題点があり、高加工精度の確保が難しかった。

この発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、シャンクと切削ヘッドとを着脱可能に組み合わせる着脱式切削工具を、シャンクと切削ヘッドの締結の信頼性を高めて切削加工時における振動を抑制できるものにすることを目的としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、シャンクと、そのシャンクの先端に着脱可能に取り付けられて被加工物の切削加工を行う切れ刃を有した切削ヘッドとを備えた切削工具において、
前記シャンクが超硬合金によって構成され、
そのシャンクと前記切削ヘッドのいずれか一方の端部に形成されると共に外周に雄ねじが螺刻される雄ねじ部と、
前記シャンクと前記切削ヘッドのいずれか他方の端部に形成されると共に内周に雌ねじが螺刻される雌ねじ部と、
前記シャンクの超硬合金よりも軟質の材料（好ましくは鋼）で構成された螺旋コイル状の締結補助具とを備え、
前記締結補助具を前記雄ねじ部又は雌ねじ部に形成されたねじれ溝に螺旋コイル状に装着し、この締結補助具が装着された前記雄ねじ部又は前記雌ねじ部に対し他方の前記雌ねじ部又は前記雄ねじ部が螺合されることで、前記シャンクに前記切削ヘッドが固定されることを特徴とする着脱式切削工具を提供する。

前記切削ヘッドは、好ましい形態として、切れ刃を超硬合金、ｃＢＮ、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンドなどの硬質材で形成し、切れ刃以外の箇所は、鋼や超硬合金を材料としたものが考えられる。切削ヘッドが超硬合金で形成されるものは、締結用の雌ねじ部と雌ねじ部の双方が超硬合金で構成されてその雌ねじ部と雌ねじ部の間に超硬合金よりも軟質の材料からなる前記締結補助具が介在されることになる。

この発明の着脱式切削工具は、超硬合金よりも軟質の材料で構成された締結補助具を雄ねじ部と雌ねじ部の間に介在させることで、シャンクと切削ヘッドの振動を締結補助具を利用して緩衝、減衰させることができる。その結果、切削加工時の振動が抑制される。

この発明の切削工具の一例を示す側面図 図１の切削工具の構成要素を分解して示す側面図 図１の切削工具の切削ヘッドに設けたテーパ軸部を拡大して示す側面図 図１の切削工具のシャンクに設けたテーパ孔を拡大して示す断面図 図１の切削工具で用いる締結補助具が自由状態にあるときの断面図 図１の切削工具の切削ヘッドとシャンクの締結部を拡大して示す断面図 図６の締結部の一部を拡大して示す断面図 ねじれ溝の他の断面形状を示す図 性能評価試験で得られた切削振動データを示す図 性能評価試験で得られた発明品の切削振動データを示す図 性能評価試験で得られた発明品の切削振動データを示す図 発明品による加工面粗さの測定結果を示す図 性能評価試験における加工精度の測定結果を示す図 一般的なねじ嵌合部を誇張して示す図 テーパ嵌合部とねじを併用した締結部を誇張して示す図

以下、添付図面の図１〜図８に基づいて、この発明のヘッド着脱式切削工具の実施の形態を説明する。

例示の切削工具は、スクエアエンドミルにこの発明を適用したものであって、周知の外周刃、底刃、チップポケット、ギャッシュなどを有する切削ヘッド１と、これを締結するシャンク２と、切削ヘッド１とシャンク２の締結を助勢し、かつ、締結状態を保持する締結補助具３を組み合わせてなる。

切削ヘッド１は、突端側が細くなるがテーパ軸部４と、そのテーパ軸部４の外周に形成されたねじれ溝５と、テーパ軸部４の根元から径方向外側に張り出す平坦なショルダー面６を後部に有している。

ねじれ溝５は、図３に示したねじれ角θを有する溝であり、その溝の設置ピッチＰが当該ねじれ溝の溝幅Ｗよりも大に設定されてテーパ軸部４の外周にテーパの外周面４ａが残されている。

シャンク２は、切削ヘッドのショルダー面６を突き当てる前端面７と、テーパ孔８と、テーパ軸部４の外周のねじれ溝５に対応させてテーパ孔８の内面に形成されたねじれ溝９を有している。テーパ孔８は前端面７に開口しており、そこに切削ヘッドのテーパ軸部４が挿入される。

図３に示したテーパ軸部４のテーパ角αと図４に示したテーパ孔８のテーパ角α１は等しく、テーパ軸部４はテーパ孔８に適合して受け入れられる。

また、図４に示したねじれ溝９の溝幅Ｗ１，ねじれ角θ１、設置ピッチＰ１は、それぞれ、ねじれ溝５の溝幅Ｗ、ねじれ角θ、設置ピッチＰに等しく、そのために、テーパ孔８のテーパの内面８ａも残存している。

締結補助具３は、テーパ軸部４の外周のねじれ溝５とテーパ孔８内面のねじれ溝９との間に形成される空間Ｓ（図７参照）と略相似形の断面形状を有する。この締結補助具３は、ばね鋼線などで形成されており、弾性を有する。また、外観がテーパの螺旋コイル状をなし、自由状態でのコイルの巻きピッチがねじれ溝５，９の設置ピッチよりも小さい。

例示の切削工具では、締結補助具３が引き伸ばされてテーパ軸部４の外周のねじれ溝５又はテーパ孔８内面のねじれ溝９のどちらか一方に装着される。ここでは、ねじれ溝９に装着されると仮定して説明を進める。

テーパ孔８の内面のねじれ溝９に締結補助具３の小径側端部を入れ、その後、締結補助具３を回転させながら挿入（ねじれ溝５に装着する場合には回転させながら外嵌）すると、ねじれ溝９の溝面との間に働く推力で締結補助具３が引き伸ばされてねじれ溝９のほぼ全域にはめ込まれる。

その装着状態（はめ込み状態）では、締結補助具３が装着したねじれ溝の溝面に弾性復元力で押し付けられる。

この状態で締結補助具３をねじ山として機能させて切削ヘッド１のテーパ軸部４をシャンク２のテーパ孔８にねじ込む。このとき、ねじれ溝５が締結補助具３に接触した状態でテーパ軸部４とテーパ孔８が相対回転することによって推力が発生し、その推力でテーパ軸部４がテーパ孔８に引き込まれるので、ねじ込み終点では締結補助具３がねじれ溝５の溝面にも弾性的に押し付けられた状態となる。

そして、ねじ込み終点でテーパ軸部４の外周面４ａがテーパ孔８の内面８ａに密着し、同時に切削ヘッドのショルダー面６がシャンクの前端面７に密着してこの状態でシャンク２に対する切削ヘッド１の締結が完了する。

なお、ねじれ溝５，９は、図８（ａ）に示す半円溝や、図８（ｂ）に示す台形溝にしても発明の目的が達成されるが、図７に詳細に示した三角形の溝が加工しやすい。その三角形の溝は、両ねじれ溝５，９間に平行四辺形の空間Ｓを作り出す。そのために、空間Ｓと相似形にする締結補助具３の断面形状は略平行四辺形になり、ねじれ溝５，９の溝面に対する締結補助具３の接触面積が広く確保される。従って、締結の緩み防止の面でも有利と言える。

切削ヘッド１は、加工性能、耐久性、経済性を考慮して総合的に判断したときの好ましい形態として、切れ刃を、超硬合金、ｃＢＮ、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンドなどの硬質材で形成し、切れ刃以外の箇所は、鋼や超硬合金を材料としたものが考えられる。

シャンク２は、超硬合金を材料としたものが剛性が高くて好ましい。

締結補助具３は、切れ刃材質よりも軟質材、好ましくはばね鋼で形成するとよい。装着時にねじれ溝９に装着するものは縮径され、ねじれ溝５に装着するものは拡径されるようにしてねじれ溝に対する抱きつき力を増強することもできる。

ねじれ溝５，９のねじれ角θ、θ１は、７５°以上、９０°未満の範囲が適当である。そのねじれ角θ、θ１が９０°に近づくほど強い軸方向締め付け力を発生させ、締結の緩みも生じ難くすることができる。また、上記の角度範囲とすることで、切削ヘッド１の着脱時間が長くなりすぎることも回避することができる。

また、テーパ軸部４とテーパ孔８のテーパ嵌合部の相互接触面積（テーパ軸部の外周面とテーパ孔の内面の接触面積）は、テーパ軸部４の径方向拘束を強固にするために、ねじれ溝５，９と締結補助具３のサイズが犠牲にならない範囲でその相互接触面積はできるだけ広くするのがよい。

その相互接触面積は、ねじれ溝５，９が無い状態でテーパ軸部４の外周面とテーパ孔８の内面を接触させたときの相互接触面積を１００として、それとの比で７５％以上確保することが推奨される。

テーパ軸部４とテーパ孔８のテーパ角α、α１は、５°〜１０°程度が適当と考えられるが、これに限定されるものではなく、テーパ軸部４のねじ込み操作に要する力やねじ込み量とテーパ嵌合部に生じる径方向拘束力の兼ね合いなどを考慮して任意の値に設定することができる。

このほか、切削ヘッドのショルダー面６とシャンクの前端面７は軸直角な面が加工性に優れるが、両者がテーパ嵌合する面であっても差し支えない。

工具径：φ２５ｍｍ、全長：２５０ｍｍ、切削ヘッド１の先端からショルダー面６までの長さ：７２ｍｍ、テーパ軸部４の根元直径：φ１３ｍｍ、テーパ軸部４の長さ：２１ｍｍ、テーパ軸部４のテーパ角α：７°、ねじれ溝５のねじれ角θ：８５．８°〜８４．８°、ねじれ溝５の設置ピッチＰ：３ｍｍ、締結補助具３の自由時大径端寸法：外径φ１４．６３ｍｍ、内径φ１１．５ｍｍ、刃数６枚、切れ刃材質：超硬合金、切削ヘッドの本体部の材質：ダイス鋼（ＳＫＤ材）の図１に示す構造のエンドミルを試作した。
その試作エンドミルは、超硬合金製シャンクを用いたもの（発明品）とした。

次に、上記発明品と、比較用のエンドミルを用い、ＢＴ４０の仕様のマシニングセンターで以下の条件で加工を行い、そのときの切削振動と加工精度（加工面粗さと壁面直角度）を比較した。比較用のエンドミルは、工具径：φ２６ｍｍの４枚刃の高速度鋼（ハイス）製エンドミル（比較品１）と、４枚刃の刃先交換式エンドミル（比較品２）の２種類とした。

・切削条件
被削材：Ｓ５０Ｃ
加工形態：ダウンカット ドライ切削
切削速度Ｖｃ：５０ｍ／ｍｉｎ
１刃送り量ｆｚ：０．０３ｍｍ／刃，０．０５ｍｍ／刃
軸方向切り込み量ａｐ：１０ｍｍ，３８ｍｍ
径方向切り込み量ａｅ：０．１ｍｍ及び０．５ｍｍ
主軸アーバのゲージラインからの工具突き出し量ＯＨ：発明品１，２＝１３０ｍｍ、比較品１＝６０ｍｍ、比較品２＝３５ｍｍ

上記性能評価試験での切削振動の測定結果を図９〜図１１に示す。図９は、Ｖｃ：５０ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ：０．０３ｍｍ／刃、ａｐ：１０ｍｍ、ａｅ：０．１ｍｍでの切削振動、図１０は、発明品のｆｚ：０．０５ｍｍ／刃（他の条件は図９での条件と同じ）での切削振動、図１１は、発明品のＶｃ：５０ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ：０．０３ｍｍ／刃、ａｐ：３８ｍｍ、ａｅ：０．１ｍｍ及び０．５ｍｍでの切削振動である。

さらに、発明品による加工面粗さの測定結果を図１２に、Ｖｃ：５０ｍ／ｍｉｎ、ｆｚ：０．０３ｍｍ／刃、ａｐ：１０ｍｍ、ａｅ：０．１ｍｍの加工条件での発明品と比較品の壁面直角度の測定結果を図１３にそれぞれ示す。

この試験の結果、発明品の切削ヘッドが切削中に外れることはなかった。また、図９からわかるように、発明品の切削振動は、刃数が比較品よりも多く、工具突き出し量も比較品より大きいにも拘らず、比較品１，２と大差がなく、同等レベルと言えるデータが得られた。

また、図１３からわかるように、壁面直角度は、比較品１については直角度の誤差が最大で１５μｍを超え、さらに、比較品２については誤差が最大で４０μｍにも達しているのに対し、発明品は誤差が１０μｍ未満（その誤差が０に近い）であり、明らかに従来品に勝る加工精度が得られている。この結果から、発明品は切削ヘッドとシャンクが強固に安定して締結されていることがわかる。

なお、この発明は、ドリルなどの穴あけ工具、リーマ、フライス工具などにも適用することができ、適用対象はエンドミルに限定されない。

１ 切削ヘッド
２ シャンク
３ 締結補助具
４ テーパ軸部
４ａ 外周面
５ ねじれ溝
６ ショルダー面
７ 前端面
８ テーパ孔
８ａ 内面
９ ねじれ溝
θ、θ１ ねじれ角
α、α１ テーパ角
Ｐ，Ｐ１ ねじれ溝の設置ピッチ
Ｗ，Ｗ１ 溝幅
Ｓ ねじれ溝間に形成される空間
ｇ 隙間

Claims (2)

1. シャンク（２）と、そのシャンク（２）の先端に着脱可能に取り付けられて被加工物の切削加工を行う切れ刃を有した切削ヘッド（１）とを備えた切削工具において、
   前記シャンク（２）が超硬合金によって構成され、
   そのシャンク（２）と前記切削ヘッド（１）のいずれか一方の端部に形成されると共に外周におねじが螺刻される雄ねじ部と、
   前記シャンク（２）と前記切削ヘッド（１）のいずれか他方の端部に形成されると共に内周に雌ねじが螺刻される雌ねじ部と、
   前記シャンク（２）の超硬合金よりも軟質の材料で構成された螺旋コイル状の締結補助具（３）とを備え、
   前記締結補助具（３）を前記雄ねじ部又は雌ねじ部に形成されたねじれ溝（５、９）に螺旋コイル状に装着し、この締結補助具（３）が装着された前記雄ねじ部又は前記雌ねじ部に対し他方の前記雌ねじ部又は前記雄ねじ部が螺合されることで、前記シャンク（２）に前記切削ヘッド（１）が固定されることを特徴とする着脱式切削工具。
2. 前記切削ヘッド（１）が超硬合金で形成された請求項１に記載の着脱式切削工具。

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