JP5722909B2 - 丸め成形されたノーズエンドミルの切削エッジの形状の最適化 - Google Patents

Description

本発明は、丸め成形されたノーズエンドミルに、より詳しくは、丸め成形されたノーズエンドミルの丸め成形部に沿ったすくい角及び逃げ角の最適化に関する。

図１に一般に１０で示したような典型的なボールノーズエンドミルは、シャンク１２、真っ直ぐな又は円錐状の切削部１４及び丸め成形された切削部１６を含む。ボールノーズエンドミルの丸め成形部１６の切削速度はボールの全径１８から先端２０に向かって徐々に減少している。切削速度は直径に直接関連しており、図２及び図３に関連して、式Ｖ＝ＮπＤｓｉｎθで表すことができる。ここで、Ｖは切削速度又は接線速度（毎秒メートル）であり、Ｎは回転速度（毎秒回転数）であり、Ｄは全径１８（メートル）であり、θ（２１で示した）は工具の長手方向中心線２２と、丸め成形された切削部１６の中心点２６から切削エッジ２９の測定点２８まで延びる任意の線２４との間の角度である。

したがって、切削速度は正弦波式によって角度θに関連しており、このことは、速度が、工具の中心に隣接するゼロの近傍にあり、０°＜θ＜３０°の範囲で急上昇し、この場合、θ＝３０°では速度Ｖが最大速度の半分であり、そして速度が、丸め成形部１６の全径１８において３０°＜θ＜９０°の範囲で最大速度までゆっくりと増加することを意味する。

図４に見られるような切削エッジの形状（図３の線Ａ−Ａに沿った断面図）は、ギリシャ文字α、β、γで通常それぞれ表されるすくい角３０、くさび角３２及び逃げ角３４を示している。

研削工程によって従来仕上げられる中実の高速度鋼（ＨＳＳ）工具及びカーバイド工具は、典型的に、丸め成形部１６の切削エッジ２９に沿った一定のすくい角、くさび角及び逃げ角を有する。結果として、異なるθ値で得られる図３のような各Ａ−Ａセクションは、同一の角度α、β、γを有する。

現在の研削技術は、より柔軟な逃げ角を形成を可能にする。一例が米国特許第５，５５８，４７５号明細書に提案されており、半径全体に沿ったサイズ＋８°±２°の一定の正のすくい角αと、中心に向かって１７°±２°〜１０°±２°減少するクリアランス（逃げ）角γに応じた連続的な寸法とを有する工具を開示している。すくい角及びクリアランス角は、切削エッジに対して直角な平面で測定される。上述の特許の好ましい実施形態では、ボールノーズエンドミルは、周囲から中心に１５°〜１０°減少するクリアランス角を有する。

使い捨て可能なカーバイドインサートをボールノーズエンドミル及びブルノーズエンドミルに導入することにより、より一層複雑な構造が可能になる。このような構造は例えば米国特許第６，０２４，５１９号明細書に記載されており、この文献は、傾斜したすくい面を有するボールエンドミル用の使い捨てのインサートを開示しており、これによって、ノーズから遠く離れるほど、溝からのすくい面の隆起がより急になる。したがって、切削速度がより高い側部に近接するほど、すくい角がより大きくなる。

上述の特許に記載されている特定の例は、工具の周囲に５°〜２５°のすくい角αと８５°〜６５°のくさび角βとを有し、逃げ角γが最小である工具である。したがって、切削エッジの任意の長手方向部のすくい角は、すくい角αが負であるノーズ部を除いて、全て正である。

しかし、高速の水平送り速度による多軸ＣＮＣ加工用の工具では、先端２０に隣接する負又はさらにゼロのすくい角は、機械、工具及びワークピースに対して非常に大きな力を加える。このことは、図３の線Ａ−Ａ及び線Ｂ−Ｂに沿った断面図を示している図４及び図５を参照すれば、より良く理解される。機械の水平送りに対して平行な水平線に沿ったセクションＢ−Ｂは、水平送りが含まれる場合の実際の作業セクションを表す。図５に示したように、切削エッジ２９に沿った任意の点２８までの半径方向線に沿った断面図に見られるような正のすくい角α及び逃げ角γ（図４に図示）のそれぞれは、切削エッジ２９に沿った同一の点２８を通る水平部に対して平行なセクションで見た場合、より小さく見える（α１＜α、γ１＜γ）ことが三角法の当業者によって認識されるであろう。

したがって、工具の先端２０に隣接する低い切削速度と、上述のような幾何学的に減少した水平送りのすくい角及び逃げ角との組み合わせにより、より大きな切削力、熱及び粗い表面品質がもたらされる。

本出願人によって行われた実験的研究において、切削エッジの形状のさらなる最適化により、より優れた性能、表面品質及び工具の寿命の延長がもたらされることが明らかになった。

したがって、本発明の目的は、丸め成形されたノーズエンドミルの丸め成形部に沿ったすくい角及び逃げ角の最適化を提供し、工具の性能をさらに向上させることである。

本発明の他の目的は、異なるワークピース材料に同等に適用可能である一般的な解決策を提供することである。

これらの目的は、本発明の一実施形態によれば、丸め成形部の切削エッジに沿ったすくい角及び逃げ角の両方の幾何学的パラメータを最適化することによって修正された丸め成形されたノーズエンドミルであって、すくい角が、負角ではなく、丸め成形部の全径から切削エッジに沿って先端まで徐々に減少せずに増加し、逃げ角が、丸め成形部の全径から切削エッジに沿って先端まで徐々に増加する丸め成形されたノーズエンドミルを提供することによって達成される。

角度位置に対する切削エッジに沿ったすくい角又は逃げ角の増加率は、他の任意の数式に従う１次式、３次式、指数、対数のリストから選択される項によって表されてもよく、線形補間によってリンクされた表形式の収集値によって規定されてもよい。

さらに、すくい角及び逃げ角の増加は、特定の値に限定されず、同一のワークピース材料に関し修正されない等価の工具について典型的に特定されうる初期値に加えられる。

次に、本発明を理解するために及び本発明が実際にどのように実施され得るかを示すために、添付図面を参照して、非限定的な実施例のみによって、実施形態について説明する。

標準的なボールノーズエンドミルの正面図である。 図１のエンドミルの丸め成形部の部分断面図である。 図２のエンドミルの丸め成形部の拡大断面図である。 半径方向線に沿った切削形状を示した、図３の線Ａ−Ａに沿った拡大断面図である。 水平線に沿った切削形状を示した、図３の線Ｂ−Ｂに沿った拡大断面図である。 第２の実施形態による、図３のエンドミルの丸め成形部の拡大断面図である。 置き換え可能なカーバイドインサートが備えられたボールノーズエンドミルの正面図である。 ブルノーズエンドミルの図３の拡大断面図である。 置き換え可能なカーバイドインサートが備えられたブルノーズエンドミルの正面図である。

図面に関連して、添付図面が、一般的な工具の切削形状を表し、したがって、従来技術、並びに本発明によって提案されるような新しい技術の実証に同等に適用されることに留意されたい。

本発明によれば、丸め成形部１６の切削エッジ２９（図１）に沿ったすくい角３０（α）及び逃げ角３４（γ）（図４）の両方の幾何学的パラメータを最適化することによって修正された、一般に１０（図１）で示した丸め成形されたノーズエンドミルが提供される。くさび角３２（β）は、すくい角３０（α）と逃げ角３４（γ）の和の９０°の余角、すなわち（β＝９０°−（α＋γ））であるので、以下では考慮しない。

本発明の第１の実施形態では、すくい角３０（α）及び逃げ角３４（γ）は、真っ直ぐな切削部１４に関してθ＝９０°である全径１８から、切削エッジ２９に沿って、θ＝０°である先端２０まで徐々に増加する。すくい角３０（α）の合計増加量は１°〜１０°の範囲にあり、逃げ角３４（γ）の合計増加量は１°〜１５°の範囲にある。

例えば、この実施形態によるボールノーズエンドミルには、切削エッジに沿ってθ＝０°で１５°まで徐々に増加するθ＝９０°における１０°のすくい角と、切削エッジに沿ってθ＝０°で１２°まで徐々に増加するθ＝９０°における５°の逃げ角とを設けてもよい。

角度θに関する切削エッジ２９に沿ったすくい角又は逃げ角の増加率は、１次式で、３次式で、指数で、対数で表され得るか、又は他の任意の数式に従い得るか、又は線形補間によってリンクされた表形式の収集値によって規定され得ることが理解される。

本発明の原理は特定のワークピース材料に限定されず、すくい角及び逃げ角の増加は、同一のワークピース材料について元々特定されたような初期値に加えられる。例えば、アルミニウム等の軟らかい材料の加工時には、より大きなすくい角及び逃げ角を適用し、鋼の加工時には、より小さなすくい角及び逃げ角を適用することが知られている。したがって、第１の実施形態による、アルミニウムを加工するための典型的なボールノーズエンドミルは、切削エッジ２９に沿ってθ＝０°で２２°まで徐々に直線的に増加するθ＝９０°における１５°のすくい角と、切削エッジ２９に沿ってθ＝０°で２０°まで徐々に直線的に増加するθ＝９０°における１０°の逃げ角とを有し得る。第１の実施形態による鋼を加工するための典型的なボールノーズエンドミルは、切削エッジ２９に沿ってθ＝０°で１０°まで徐々に指数的に増加するθ＝９０°における５°のすくい角と、切削エッジ２９に沿ってθ＝０°で１２°まで徐々に直線的に増加するθ＝９０°における４°の逃げ角とを有し得る。

本発明の第２の実施形態では、切削エッジ２９の円弧は少なくとも２つの個々の円形領域に分割される。例えば図６を参照すると、３つの領域が規定され、第１の領域４０は９０°＞θ＞７０°の範囲について規定され、第２の領域４２は７０°＞θ＞３０°の範囲について規定され、第３の領域４４は３０°＞θ＞０°の範囲について規定される。領域４０、４２、４４の各々では、すくい角３０及び逃げ角３４の異なる増加量が適用される。例えば、第１の領域４０に沿って、すくい角３０の合計の増加は０°〜１°の範囲にあってもよく、第２の領域４４に沿って、すくい角３０の合計の増加は０．５°〜３°の範囲にあってもよく、第３の領域４４に沿って、すくい角３０の増加は２°〜１０°の範囲にあってもよい。したがって、第１の領域４０に沿って、逃げ角３４は０°〜２°の範囲で増加し、第２の領域４４に沿って、逃げ角３４は１°〜５°の範囲で増加し、第３の領域４４に沿って、逃げ角３４は３°〜１５°の範囲で増加する。

本発明は、図１〜図６に関連して上述したような中実のＨＳＳ工具又はカーバイド工具に限定されず、セラミック等の他の適切な切削工具材料を有するボールノーズエンドミル、並びに適切な切削工具材料のろう付けされるか又は置き換え可能で使い捨て可能なインサートが備えられたボールノーズエンドミルにも同様に適用可能である。例えば、図７は、小さな又はゼロの溝ねじれ角を典型的に有するろう付けされるか又は置き換え可能で使い捨て可能なカーバイドインサート４８が備えられたボールノーズエンドミルを示している。

図８及び図９を参照すると、一般に５０で示したブルノーズエンドミルの丸め成形部が示されており、この場合、切削エッジ５３の円弧の中心５２は工具５０の回転軸線５４から外れている。第１及び第２の実施形態による本発明の原理は、θの正の値について、切削エッジ５３の円弧に沿って同様に適用可能である。しかし、好ましくは０°〜５°の範囲の追加の円領域５８がさらに規定される。ブルノーズエンドミルに関する本発明の第３の実施形態によれば、角度θの負の部分にあるが、依然として０°＞θ＞−５°の同一の範囲に従属する追加の領域５８には、０°〜２°の範囲にあり得る角度６２で切削エッジ５３の最下方の接触点６０から工具５０の回転軸線５４に向かって上昇する真っ直ぐな切削エッジ５９が設けられる。

追加の領域５８の切削エッジ５９に沿った切削形状は、上述のような第１及び第２の実施形態に関連してθ＝０°に規定されるようなすくい角及び逃げ角に従うことが好ましい。この第３の実施形態は、図８に示したような中実のＨＳＳ工具又はカーバイド工具、並びに図９に示したようなろう付けされるか又は置き換え可能で使い捨て可能なインサート６４を有する工具に同等に適用可能である。

２つの溝の円筒状エンドミルを参照して本発明について説明してきたが、同一の原理は、周円で均一又は不均一に離間した１つ、３つ、４つ、５つ又は任意の数の溝を有する他の回転カッター、並びに円錐状、球状又は複数の歯面のカッター等の他のカッター形状に適用可能であり、これらのカッターの全ては請求項の範囲内に含まれる。

本発明が上述の実施形態の詳細に限定されないこと、及び本発明が、その精神又は本質的な属性から逸脱することなく、他の特定の形態で具体化してもよいことが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の実施形態はあらゆる点で例示的であり、制限的でないと考えられるべきであり、本発明の範囲は、上述の説明によってよりも、むしろ添付の特許請求の範囲によって示され、したがって、請求項の意味及び均等物の範囲内に含まれる全ての変更は請求項に包含されることが意図される。

Claims (14)

1. 丸め成形部の切削エッジに沿ったすくい角及び逃げ角の両方の幾何学的パラメータを最適化することによって修正された丸め成形されたノーズエンドミルであって、
   前記すくい角が、負角ではなく、前記丸め成形部の全径から前記切削エッジに沿って先端まで徐々に減少せずに増加し、
   前記逃げ角が前記丸め成形部の前記全径から前記切削エッジに沿って前記先端まで徐々に増加する、丸め成形されたノーズエンドミル。
2. 前記すくい角の合計増加量が１°〜１０°の範囲にあり、前記逃げ角の合計増加量が１°〜１５°の範囲にある、請求項１に記載の丸め成形されたノーズエンドミル。
3. 角度位置に対する前記切削エッジに沿った前記すくい角又は逃げ角の増加率が、１次式、３次式、指数、対数のリストから選択される関数であるか、又は他の任意の数式に従うか、又は線形補間によってリンクされた表形式の収集値によって規定される、請求項１又は２に記載の丸め成形されたノーズエンドミル。
4. 前記すくい角及び逃げ角の増加が、同一のワークピース材料に関し修正されない等価の工具の初期値に加えられる、請求項１に記載の丸め成形されたノーズエンドミル。
5. 前記切削エッジの円弧が少なくとも２つの個別の円領域に分割され、前記円領域の各々では、前記すくい角及び逃げ角の異なる増加量が適用される、請求項１に記載の丸め成形されたノーズエンドミル。
6. 前記ノーズエンドミルが中実のＨＳＳ又はカーバイド又はセラミックから製造される、請求項１に記載の丸め成形されたノーズエンドミル。
7. 前記ノーズエンドミルには、ろう付けされるか又は置き換え可能な使い捨てのカーバイドインサートが備えられる、請求項１に記載の丸め成形されたノーズエンドミル。
8. 前記切削エッジの円弧の中心が工具の回転軸線から外れている、請求項１に記載の丸め成形されたノーズエンドミル。
9. ０°〜５°の範囲の追加の円領域がさらに規定されて、０°〜２°の範囲の角度で前記切削エッジの円弧の最下方の接触点から前記工具の前記回転軸線に向かって上昇する真っ直ぐな切削エッジが設けられる、請求項８に記載の丸め成形されたノーズエンドミル。
10. 前記追加の円領域の前記真っ直ぐな切削エッジに沿った切削形状が、前記最下方の接触点について規定される前記すくい角及び逃げ角に従う、請求項９に記載の丸め成形されたノーズエンドミル。
11. 前記ノーズエンドミルが、中実のＨＳＳ又はカーバイド又はセラミックから製造される、請求項９に記載の丸め成形されたノーズエンドミル。
12. 前記ノーズエンドミルには、ろう付けされるか又は置き換え可能な使い捨てのカーバイドインサートが備えられる、請求項９に記載の丸め成形されたノーズエンドミル。
13. 周円で１つの溝、及び均一又は不均一に離間した複数の溝のリストから選択される回転カッター構造を有する、請求項１に記載の丸め成形されたノーズエンドミル。
14. 真っ直ぐな、円錐状の、球状の、及び複数の歯面のカッターのリストから選択される回転カッター形状を有する、請求項１に記載の丸め成形されたノーズエンドミル。
    

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