JP5470478B2 - 正面フライス - Google Patents

Description

本発明は、フライス削りによる材料の機械加工用の工具に関する。

より詳細には、本発明は、金属除去率を向上させ工具摩耗を低減すると同時に工具寿命を長くするように構成された、フェイスエンドミル等の回転切削工具用の改良された形態を提供する。

フライスは、適用の範囲が広いため、かつ工具の素原価が手頃であるため、フライス削り作業で広く使用されている。フライスは、円筒形状であることが多く、約８０ｍｍ径まで入手可能であるが、本発明は、５ｍｍ〜３２ｍｍの径範囲に言及する。多くのフライスは平坦な端面を有するが、円錐形または円形の端面等、他の形状も使用される。フライスは通常、径サイズと、荒削り用かまたは仕上げ用かと、に応じて、２〜１０個の刃を有する。刃は、通常、螺旋形状であるが、軸に対して平行に直線状であってもよい。構成材料は、高速度鋼、ソリッドカーバイド、立方晶窒化ホウ素、多結晶ダイヤモンド、サーメット、セラミックおよびそれらの組合せである。

以下の最近の米国特許は、従来技術の評価を提供する。

米国特許第５，７２７，９１０号明細書において、リーブ（Ｌｅｅｂ）は、内側に向いたＶ型形状の複数の切刃を有するインサートを含む切削工具を開示している。このインサートは、丸コーナを備えた内部および外部の逃げ面切刃を有する。切刃は、チゼルエッジによって荒削り部と仕上げ削り部とに分割される。

ねじ込み式インサートに関する２つの既知の問題は、穴が過大にならないようにインサートの位置決めに高い精度が必要であり、インサートを保持するねじが、使用時に工具の振動のために緩む傾向にあるということである。さらに２つのインサートを使用する工具に関するさらなる問題は、同一である必要のある２つのインサートの設定に高い精度が不可欠であるということである。インサートのサイズが、設定および締付を可能にするために十分大きくなければならないため、中小のサイズの穴を機械加工することができない。

幾分か同様のインサートが、米国特許第６，１９３，４４６Ｂ１号明細書においてオストレム（Ａｓｔｒｏｅｍ）らによって記載されている。側面において、突出部に、段状の逃げを介して第２の螺旋状に捩じれた逃げ面まで延在する逃げ面が形成され、その切り屑角は切削深さの増大によって増大する。インサートは、チップブレーカを有する。

ワーデル（Ｗａｒｄｅｌｌ）は、米国特許第６，４３９，８１１Ｂ１号明細書において、少なくとも１つのフルートが低角度切削面を画定し、第２フルートが高角度切削面を有する、フライスを権利請求している。２つのフルートが交差して、複合切削面を形成する。

クロダ（Ｋｕｒｏｄａ）らは、米国特許第６，８４６，１３５Ｂ２号明細書において、丸コーナを有する平底フライスを開示している。記載されているコーナ構成は、フライスのチッピングおよび破砕に対する耐性を向上させると主張されている。

セキグチ（Ｓｅｋｉｇｕｃｈｉ）らは、ねじれ角が３５°〜６０°であり芯厚が外径の６２％〜６８％であるフライスについて記載している米国特許出願公開第２００２／００６７９６４Ａ１号明細書を出願している。切刃は、超極細超硬合金である。切り屑排出の改良とコーナ摩耗の低減とが主張されている。

マッカーサー（ＭａｃＡｒｔｈｕｒ）によるさらなる米国特許出願公開第２００２／０１４１８３３Ａ１号明細書は、非常に平滑かつ研磨された切刃ランドが切刃の境界を画すフライスについて開示している。ここでの明らかな問題は、研磨された部分が、数分を上回る作業に対しもたないということである。

本発明者らは、規定形状の単一フライスを使用して荒加工および仕上げ加工を行うように意図された米国特許出願公開第２００５／０１１７９８２Ａ１号明細書を出願している。

先のイスラエル特許および米国特許において本発明者が開示している刃形を含む、エンドミルおよびフライス用の多数の刃形が知られている。いずれの形が最良であるかを判断するために、文献におけるさまざまな開示に従って作製されたカッタに対し、比較する広範囲な加工試験を行う必要がある。かかる試験は、費用がかかるという理由でめったに行われていない。目下、大部分の発明者は、作業場において自身が選択した形を試運転するが、加工試験結果が発表された場合であっても、機械加工の条件（材料硬度、カッタ径および材料、刃の数、機械剛性、加工速度および送り量、冷却剤組成、表面仕上げ品質、フライスが窒化物でコーティングされているか否か、およびさらなる要因）は標準化されておらず、それらを比較することができない。比較試験結果がない場合、刃形に関する従来技術による開示の利点を評価することは困難である。

しかしながら、本明細書による正面フライスは、広範囲にわたって試験されており、同じ機械加工作業に対して試験された従来技術によるフライスに比較して、実際の加工物で使用された場合に加工結果を改善したことが分かった。本発明者ら（試験報告では「ハニタ（ＨＡＮＩＴＡ）」という名前で呼ぶ）は、１２ｍｍ径フライスを使用して、第一基準が、４３４０合金鋼に凹部を加工している間の工具の最大径に対する摩耗であるものとして、試験を行った。

多くの従来技術によるフライスは、非鉄金属に対し、かつ軟鋼に対し極めて十分に作用する。しかしながら、切削工具鋼（型、打抜き機、鋳造型、鍛造型およびプレス工具の製造においてしばしば必要）の場合、送り量が急速に低下し、振動が発生し、工具破損が発生する。

米国特許第５，７２７，９１０号明細書 米国特許第６，１９３，４４６Ｂ１号明細書 米国特許第６，４３９，８１１Ｂ１号明細書 米国特許第６，８４６，１３５Ｂ２号明細書 米国特許出願公開第２００２／００６７９６４Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１４１８３３Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１１７９８２Ａ１号明細書

したがって、本発明の目的の１つは、従来技術によるフライスの限界をなくし、金属除去率を大幅に向上させる刃形を提供することである。本発明のさらなる目的は、耐摩耗性が向上した、かかる正面フライスを提供することである。

本発明は、切削部に隣接するシャンク部を有する高速金属除去用の、径の範囲が４ｍｍ〜５１ｍｍである、正面フライスであって、前記切削部が、正面フライスの軸からほぼ径方向に配置された複数の端面切刃で終端し、前記端面切刃が、正面フライスの端面から見ると少なくともそれらの長さの一部に沿って湾曲している、正面フライスを提供することにより、上記目的を達成する。

本発明の好ましい実施形態では、前記切刃の少なくとも外側部分が高速度鋼より硬い材料で作製される、正面フライスを提供する。

本発明のさらなる好ましい実施形態では、立面投影図で見ると、前記切刃の中心が、軸方向において前記シャンクからもっとも遠い点である点Ｘより、軸方向において前記シャンクに近く、
Ｙが、Ｘとカッタ軸との間の距離であり、
Ｚが、Ｘと前記刃が径Ｄに達する第１位置の中心との間の軸方向距離であり、
Ｒ１が、Ｒ２の端部からＬまでを含む径であり、Ｚの値が、Ｄの２％〜９％であり、
Ｌが、径Ｄに配置された切刃の軸方向長さであり、
Ｒ２が、点Ｘを含みＺの軸長にわたって延在する（径）湾曲であり、
Ｃが、直線状径方向線と湾曲した切刃の外端に接する接線との間の角度である、正面フライスを提供する。

本発明のさらなる好ましい実施形態では、Ｙの値がＤの２０％〜４０％である、正面フライスを提供する。

本発明のさらなる好ましい実施形態では、Ｒ２の値（それが径である場合）が、Ｄの５％〜１５％の範囲にあり、硬質材料を加工するように構成されたフライスの場合は１０％〜１５％であり、軟質材料を加工するように意図されたフライスの場合は５％〜１０％であるように選択される、正面フライスを提供する。

本発明の別の好ましい実施形態では、Ｃの値が１５度を上回る正面フライスを提供する。

本発明のさらなる好ましい実施形態では、各刃の逃げ面が前記切刃にほぼ平行であるように湾曲している、正面フライスを提供する。

本発明の別の好ましい実施形態では、高速度鋼より硬い前記材料が、軸方向においてフライスの外面に沿ってＤの約７０％〜１８０％の距離Ｌだけ延在する、正面フライスを提供する。

本発明の別の好ましい実施形態では、第１刃と隣接する第２刃との間の径方向角度間隔が、前記第２刃と隣接する第３刃との間の角度間隔に等しくない、正面フライスを提供する。

本発明のもっとも好ましい実施形態では、軸方向通路から前記シャンク部を通り前記切削部の一部を通って前記切刃に近接する少なくとも１つの出口まで至る冷却剤導管が設けられている、正面フライスを提供する。

フライスの提供された試験結果を検討することから、本発明では、径方向に湾曲した刃が、適当なすくい角、逃げ角およびねじれ角、ならびにコーティングされたカーバイド刃と組み合わせて、目下入手可能な従来技術によるフライスよりはるかに長持ちする耐摩耗性工具を提供する役割を果たすことが理解されよう。

タングステンカーバイド切削部を高速度鋼本体に取り付けるために蝋付けを使用することにより、保持ねじとそれが通るために必要な穴とがなくなる。これら穴がないことは、工具破損を防止するためにもっとも重要である。それは、穴の周囲の部分が、工具破損に至る高応力集中に晒されるためである。

図４に示す放物線形状の使用が特に注目され、それは、従来技術によるカッタにみられる径より優れていることが分かった。切削試験結果により、本発明の重要性に関して明確になる。

切削速度に関し、「機械類の便覧(Machinery's Handbook)」第１６版では、提供される試験報告の主題であるような、０．６ｍｍの仕上げ切削に対する推奨は、コーティングされていないカーバイド工具によって加工される合金鋼の場合、１５０フィート〜２００フィート（４６ｍ〜６１ｍ）／分、または８５フィート〜１２５フィート／分である。推奨される送り量／回転は、０．００４インチ〜０．０４インチ（０．１ｍｍ〜１ｍｍ）の範囲である。

試験では、窒化物がコーティングされたカーバイド工具を、１６０ｍ／分のはるかに高速な切削速度で使用した。送り量（０．６ｍｍ／刃、すなわち３．６ｍｍ／回転）もまた、便覧に示す値よりはるかに大きい。さらに、試験では、カッタをエアジェットで冷却し、液体冷却は適用しなかった。

ここで、本発明の好ましい実施形態を例によって表す添付図面を参照して、本発明についてさらに説明する。構造的詳細は、その基本的な理解のために必要な範囲でのみ示す。説明する例は、図面とともに、本発明のさらなる形態をいかに具現化することができるかを当業者に明らかにするものである。

本発明によるフライスの好ましい実施形態の立面図である。 同じ実施形態の端面刃に面する端面図である。 堅いコーナが設けられたフライスの先端の断面図である。 この場合もまた、フライス比率の計算に有用な記号を含む、堅いコーナが設けられたフライスの先端の断面図である。 特別な刃間隔を有する一実施形態の、端面刃に面する断面図である。 油導管が設けられたフライスの好ましい実施形態の立面図である。 従来技術によるフライスおよび本発明に従って作製されたフライスの試験に関する試験条件の表である。 試験結果の図である。 摩耗の中間値も提供する棒グラフである。 利用可能な刃形オプションの図である。 利用可能な刃形オプションの図である。

図１および図２に、シャンク部１２が首部１６によって切削部１４に連結された、高速金属除去用のフライス１０が示されている。切削部１４は、フライスの軸からほぼ径方向に配置された複数の端面切刃１８で終端しており、端面切刃１８は、フライス切削部１４の端面２０から見ると、少なくともそれらの長さの一部に沿って湾曲している。

切削部の刃は、各外径Ｄ側において深さが約０．１Ｄであり、芯は約０．８Ｄに等しい。短いフルートと組み合わせて、フライス１０の結果としての剛性は、さらに詳述する高速および高送り量を可能にするための要素である。

本例では、切刃１８は凹状湾曲を形成する。図に示すように、フライス１０は、左回り方向に回転する。

本発明では、切削部１４の外径Ｄは４ｍｍ〜５１ｍｍの範囲である。

各刃の逃げ面２２が、切刃１８にほぼ平行であるように湾曲していることが有利である。

図面の残りを参照すると、同様の部分を識別するために同様の参照数字が使用されている。

図３は、フライス２４の頭部を示し、切刃１８の外側部分は、ソリッドカーバイド、（タングステンカーバイド）、立方晶窒化ホウ素、多結晶ダイヤモンド、サーメット、セラミックおよびそれらの組合せ等、高速度鋼より硬質な堅い材料２６で作製される。

材料２６は、軸方向においてフライス２４の外面に沿って、Ｄの約７０％〜１８０％の距離だけ延在している。このため、１２ｍｍ径フライスの場合、硬質材料は、軸方向に約８．４ｍｍ〜２１．６ｍｍ延在する。

図４に、この場合もまたフライス２４の先端を示す。フライス軸ＣＬに近い端面切刃１８の部分２８は、軸方向において、図１に示すシャンク部１２に点Ｘより近い。Ｘは、軸方向においてシャンクからもっとも遠い点である。言い換えれば、フライスの中心部分は陥没して幅広のＶを逆さにした形状を形成している。
Ｄが、切削部１４の外径Ｄであり、
Ｙが、Ｘとカッタ軸との間の距離であり、
Ｚが、Ｘと前記刃が径Ｄに達する第１位置の中心との間の軸方向距離であり、
Ｒ１が、Ｒ２の端部からＬまでを含む径であり、Ｚの値が、Ｄの２％〜９％であり、
Ｌが、径Ｄに配置された切刃の軸方向長さであり、
Ｒ２が、点Ｘを含みＺの軸長にわたって延在する湾曲であり、
Ｂが、フライスの各側面における逃げ角であり、
Ｃが、直線状径方向線と湾曲した切刃の外端に接する接線との間の角度である。
好ましい値は以下の通りである。
Ｚの値が、Ｄの２％〜９％である。
Ｙの値が、Ｄの２０％〜４０％である。Ｒ２の値が、Ｄの５％〜１５％の範囲にあり、硬質材料を加工するように構成されたフライスの場合は１０％〜１５％であり、軟質材料を加工するように意図されたフライスの場合は５％〜１０％であるように選択される。
Ｂの値が、１°〜５°である。
図５に示すＣの値が、１５°を超える。

図５に、第１刃３２と隣接する第２刃３４との間の径方向角度間隔Ｐ１度が、第２刃３４と隣接する第３刃３６との間の角度間隔Ｐ２度と等しくない、フライス３０を示す。刃間隔が不規則であることにより、フライス３０および加工物の、とくに共振振動数近くの振動数での振動が低減する。図４で参照した角度Ｃがまた示されている。

図６は、軸方向入口４２からシャンク部１２および首部１６を通って切削部１４の一部を通る冷却剤導管４０が設けられている、フライス３８を示す。導管４０は、切刃に近接する２つの出口４４で終端する。範囲Ｄ＝２４〜５１等のより大きいサイズでは、追加の出口４４を設けてもよい。既知であるように、切刃に近い位置まで冷却剤を搬送することにより、その冷却が促進される。

図７には、本発明に従って作製されたフライスとともに２つの従来技術によるカッタの試験条件を指定する表４６を示す。

結果を、図８および図９において表４８および棒グラフ５０に表す。各加工済みポケット（図示せず）は、規定された試験条件の下で完成するために１３．３６ｍの工具移動が必要であるようなサイズのものである。

コンピュータ制御下で動作する機械による１ポケットの完成に必要な時間は、約１５．３ｍ／分の送り量で動作しているとき、約５２．５秒である。本明細書における「ポケット」という語の意味は、０．６深さの金属の層である。このため、たとえば５０個のポケットが加工された場合、結果としての凹部の深さは３０ｍｍである。

「形状（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）Ａ」という語は、一般に使用される標準グレードのタングステンカーバイドである硬質材料２６を指す。

「形状Ｂ」という語は、たとえば多結晶ダイヤモンド等、プレミアムグレードである硬質材料２６を指す。

棒グラフ５０は、フライスにおける摩耗と中間段階において加工されたポケットの数との関係を示す。

本発明に従って作製されたフライスの優位性は非常に高いため、行われた試験における不正確さ（あるとすれば）がそれほど重要でない。

ここで図１０および図１１を参照すると、あり得る刃形のうちのいくつかが示されており、すべて少なくとも１つの湾曲部を含む。

図示するさまざまな形の多くは、凸状湾曲、凹状湾曲および直線部分等、２つまたはさらには３つの部分の組合せを表し、各々、種々の機械加工条件に適している。湾曲はすべて５２〜７４で番号が付されているが、形は図に示されているため、それ以上の注釈は不要とする。

しかしながら、切刃が長い凸状湾曲を有する形５６には特別に注意する。この形は、硬度が３０ＨＲｃ〜６７ＨＲｃの範囲である合金鋼をフライス削りするという困難な作業にもっとも適していることが分かった。

説明した本発明の範囲は、特許請求の範囲の意味の中にあるすべての実施形態を含むように意図されている。上述した例は、本発明の有用な形態を例示するものであって、その範囲を限定するものとみなされるべきではなく、当業者であれば、特許請求の範囲の意味から逸脱することなく、本発明のさらなる変形および変更を容易に確立することができることに想到するであろう。

Claims (8)

1. 切削部に隣接するシャンク部を有する正面フライスであって、前記切削部が、前記正面フライスの中央の軸から径方向に配置された複数の切刃で終端し、
   前記中央の軸に最も近い前記切刃の部分が、軸方向において前記シャンク部からもっとも遠い、前記切削部上の点である点Ｘより、軸方向において前記シャンクに近く、
   前記点Ｘと前記中央の軸との間の距離であるＹが、前記正面フライスの直径であるＤの２０％〜４０％であり、
   前記複数の切刃の第１の切刃（５６、６２）は、第１の曲率半径を有する第１の凸状湾曲を備え、
   前記複数の切刃の第２の切刃（５４、６０）は、第２の曲率半径を有する第１の凸状湾曲部と第３の曲率半径を有する第２の凸状湾曲部とを備え、
   前記第２の曲率半径及び前記第３の曲率半径は、前記第１の曲率半径より小さく、
   前記複数の切刃の第３の切刃（５２、５８）は、直線部分と、前記第１の曲率半径より小さい、第４の曲率半径を有する凸状湾曲部と、を備えた
   ことを特徴とする正面フライス。
2. 前記切刃の一部は第１の材料で作成されかつ前記シャンク部の一部は第２の材料で作成され、前記第１の材料は、前記第２の材料の硬さよりも硬い硬さを有する、請求項１に記載の正面フライス。
3. 前記第１の材料は、前記軸方向に前記正面フライスの外面に沿って、前記直径Ｄの約７０％〜１８０％の距離だけ伸びる請求項２に記載の正面フライス。
4. 軸の長さＬに沿って伸びる半径Ｒ２は、前記直径Ｄの５％〜１５％の間の範囲にある、請求項１に記載の正面フライス。
5. 前記シャンク部及び前記切削部の一部を通って前記切刃に近接する少なくとも１つの出口まで至る冷却剤導管が設けられている、請求項１に記載の正面フライス。
6. 半径方向の直線と前記直径Ｄでの前記切刃から伸びる接線との間の角度Ｃは１５°よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の正面フライス。
7. 前記点Ｘと前記直径Ｄとの間の軸の距離Ｚが、前記直径のＤの２％〜９％である、請求項１に記載の正面フライス。
8. 前記正面フライスの逃げ角Ｂが、０．１°〜５°の範囲にある、請求項１に記載の正面フライス。

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