JP5846098B2 - 多刃ボールエンドミル - Google Patents
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Description
特許文献8に記載のボールエンドミルは、このような構成を備えていることにより、回転中心付近の強度を高め、かつ切屑の排出性を向上させて切れ刃のチッピングを防止するとともに、切れ刃を回転中心からわずかに離間させて仕上げ面粗さを向上させる効果を発揮させるものである。
前記先端部の回転軸心の近傍で各ボール刃の先端から前記回転軸心まで中低勾配刃が延在しており、
各中低勾配刃は前記回転軸心と直交する面に対して前記シャンク部の側に0.5°以上3°以下傾斜しており、
各中低勾配刃の少なくとも前記回転軸心側の部分は回転方向後方に凹んだ曲線状であることを特徴とする。
(1) 各中低勾配刃は、ボール刃の回転軸心Oの近傍から回転軸心Oに直交する平面に対してシャンク部2の側に微小な傾斜角度αをもって傾斜している。これにより、切れ刃部3の回転軸心O方向の最先端部に、微小な幅tを有し、かつシャンク部側に傾斜した中低勾配刃が配置されたチップポケット(窪み部)を有する。これにより、高送り荒加工中に回転軸心O近傍に大きな負荷が作用しても、中低勾配刃8a、8b、8c、8dは被削材の切削加工を行うことができる。中低勾配刃により生成された切屑は、チップポケットから各ギャッシュを介して切屑排出溝に排出される。このため、高送り切削を行っても、各ボール刃の回転軸心O近傍に切屑詰りの発生を防止でき、ボール刃の早期の摩耗やチッピングや欠損の発生を防止できる。
「荒加工」とは、仕上げ加工の前に行う加工であって、切れ刃の削り代を極力大きくした切削加工であり、一般的には、加工能率を上げるために、切り込み深さ、または送り量を大きくした加工である。このため、切削工具の加工負荷は大になる。
「高送り加工」とは、高能率加工を実施するために送り速度(Vf)を速くした加工、または軸方向切込み量(ap)や径方向切込み量(ae)を大きくした加工である。例えば、従来の2枚刃からなるボールエンドミル(刃径:8 mm)でHRC 60の被削材の切削加工では、送り速度(Vf)が1000 mm/min以上、軸方向切込み量(ap)が0.2 mm以上、径方向切込み量(ae)が0.6 mm以上の切削加工であると言われている。
第1の実施形態による多刃ボールエンドミル1は、図1に示すように、シャンク部2と、シャンク部2の前方側の端部(図1では左側の端部)に形成された切れ刃部3を備え、全長がLの略円柱形状をなしている。シャンク部2の後方側(図1では右側の端部)は、工作機械に装着される部分になる。切れ刃部3の外周面には、所定のねじれ角を有する螺旋状の切屑排出溝4が等間隔で4条形成され、さらに、切屑排出溝4を構成する壁面であって多刃ボールエンドミル1(シャンク部2)の回転方向(図3に示す「A」方向)を向く面と切れ刃部3の外周逃げ面とが交差する稜線に外周刃5が形成されている。
なおかつ、ボール刃6dのすくい角γ1よりも負側に大きくなるように設定するのが望ましい。これにより、中低勾配刃8a〜8dの剛性を向上させることができるので、切削加工中に各中低勾配刃に大きな加工負荷が作用しても中低勾配刃にチッピングや欠損の発生を防止できる。
本発明の多刃ボールエンドミルはWC基の超硬合金からなるソリッド型のボールエンドミルである。超硬合金からなるボールエンドミルは、前記したように、WC(炭化タングステン)粉末にCo(コバルト)粉末を混合した超硬合金粉末を金型で円柱状に成形し、得られた成形体を1300℃程度で焼成した後に、切れ刃部等に所定の仕上げ加工を実施し、さらに、必要に応じて、切れ刃部3の表面に耐摩耗性硬質皮膜を被覆することにより製造される。この硬質皮膜は、例えば、TiSiN、TiAlSiN、CrSiN、AlCrSiNなどからなる。具体的には、周期律表4a、5a、6a族金属、Al、Si、Bの元素から選択される1種以上の元素を含有する窒化物、炭窒化物、酸窒化物のいずれかからなる硬質皮膜を3〜5μmの厚さに被覆するのが望ましい。
本発明の多刃ボールエンドミルを製造するためには、焼成後の多刃ボールエンドミルの切れ刃部3などに仕上げ加工、特に、切れ刃部3の先端部にボール刃6a、6b、6c、6d、中低勾配刃8a、8b、8c、8d、ギャッシュ7a、7b、7c、7dを所定の形状に仕上げ加工を行う。仕上げ加工は、薄板円板状のダイヤモンド砥石を装着したNC(CNC)制御の研削加工機を用いて実施する。
図16は、本発明の第2の実施形態による多刃ボールエンドミルの切れ刃部3の先端部を回転軸心O方向から見た正面図である。第2の実施形態による多刃ボールエンドミル1aは3枚のボール刃6a、6b、6cを備え、各ボール刃6a、6b、6cの端部P1、P2、P3から中低勾配刃8a、8b、8cが回転軸心Oまで延在している。また、3つのボール刃6a、6b、6cは回転軸心Oを中心として等間隔で配置され、各ボール刃の間にギャッシュ7a〜7cが設けられている。これ以外の基本的な構成は、第1の実施形態の4枚刃の多刃ボールエンドミルとほぼ同じであるので、その詳細な構成の説明は省略する。
本発明のWC基からなる4枚刃ボールエンドミル(以下、本発明例1という)を試作して、SKD61(合金工具鋼)からなる被削材に平面切削加工実験(実験例1)を実施して、ボール刃と中低勾配刃の摩耗を観察した。実験例1においては、本発明例1と比較するために、比較例1として、既に市販されている4枚刃ボールエンドミルに対しても同様の切削加工実験を実施した。比較例1の多刃ボールエンドミルは、切れ刃部の先端部において、回転軸心Oの近傍範囲C(図5に示す円「C」に相当)内を没入させた形状を有するが、本発明が備えている中低勾配刃を有していない多刃ボールエンドミル(特許文献5に記載されている多刃ボールエンドミルに相当するもの)である。
本発明例1の多刃ボールエンドミルのボール刃の逃げ角を10°、ボール刃のすくい角を−11°に、各中低勾配刃の逃げ角を10°、中低勾配刃のすくい角を−11°とした。一方、比較例1の多刃ボールエンドミルは、ボール刃の逃げ角が17°、ボール刃のすくい角が−14°であって、本発明例1が備えている中低勾配刃を有していなかった。
加工方法 :乾式切削(エアーブロー)による平面切削
切削速度(Vc) :94[m/min]
回転数(n) :3750[min-1]
送り速度(Vf) :1500[mm/min]
1刃当たりの送り量(fz) :0.1[mm/tooth]
軸方向切込み量(ap) :0.7[mm]
径方向切込み量(ae) :1.75[mm]
工具突き出し量(OH) :32[mm]
(1) 本発明例1の多刃ボールエンドミルでは、切削加工時間が60分に達したときには4枚のボール刃及び中低勾配刃に、欠損、チッピング、摩耗が発生していなかった(図17(a)、図18(a) 参照)。
本発明の多刃ボールエンドミルをNC制御の3軸マシニングセンタに装着したときの工具突き出し量OHを実験例1より大きくした場合について、切削加工によるボール刃と中低勾配刃の摩耗を観察した。
実験例2ではOH/Dを6とし、冷間鍛造金型などに用いられる鋼種「YXR3(58 HRC)」(YXR3は登録商標)からなる被削材について、下記の切削条件2で、立ち壁を備えたポケットの切削加工(縦:25 mm、横:25 mm、高さ:14.7 mm)を行った。実験例2に用いた本発明例と比較例のボールエンドミルの仕様は、それぞれ実験例1に用いた本発明例1と比較例1の多刃ボールエンドミルと同じにした。
加工方法 :乾式切削(エアーブロー)、立ち壁のポケット加工
切削速度(Vc) :38[m/min]
回転数(n) :1500[min-1]
送り速度(Vf) :225[mm/min]
1刃当たりの送り量(fz) :0.075[mm/tooth]
軸方向切込み量(ap) :0.35[mm]
径方向切込み量(ae) :1.23[mm]
工具突き出し量(OH) :48[mm]
(1) 本発明例1では、ボール刃の逃げ面の摩耗幅は0.07 mmであって、安定した摩耗であった。中低勾配刃の摩耗、欠損の発生は確認されなかった。
(2) 比較例1では、ボール刃の逃げ面の摩耗幅は0.07 mmであったが、図20の撮影方向Bの列に○印で示す箇所のボール刃に欠けが発生していた。比較例1のボール刃にこのような欠けが発生した原因は、ボール刃の回転軸心O近傍の没入した範囲C内に切れ刃がないので、立ち壁を備えたポケット部の切り込み加工を行った際に範囲Cにおける切削加工の負荷が大になって、ビビリ振動が発生したためであると推測される。
工具突き出し量OHを実験例2よりさらに大きくし(OH/D=7)、下記の切削条件3で、SKD11(60 HRC)からなる被削材に平面切削加工の実験を行って、ボール刃と中低勾配刃の摩耗を観察した。実験例3において、本発明は実験例1及び実験例2における本発明例1の多刃ボールエンドミルを用い、比較例は2種の多刃ボールエンドミルを用いた。
加工方法 :乾式切削(エアーブロー)による平面切削
切削速度(Vc) :94[m/min]
回転数(n) :3750[min-1]
送り速度(Vf) :1500[mm/min]
1刃当たりの送り量(fz) :0.1[mm/tooth]
軸方向切込み量(ap) :0.7[mm]
径方向切込み量(ae) :1.75[mm]
工具突き出し量(OH) :56[mm]
(1) 本発明例1においては、図21の上段に示すように、○印で示すボール刃の箇所に正常な摩耗が発生していた。また、中低勾配刃には摩耗、欠損の発生は確認されなかった。
(2) 比較例2においては、図21の中段に○印で示すボール刃の箇所に欠けの発生が確認された。
(3) 比較例3においては、図21の下段に○印で示すボール刃に、微小な局所的なチッピングの発生が確認された。
実験例4においては、本発明例の多刃ボールエンドミル1種と、比較例の2種の多刃ボールエンドミルを用いて被削材の切削加工を行ったときの切削抵抗の3分力波形をキスラー社製の切削動力計により測定し、3分力Fx、Fy、Fzの波形の時系列変化から振動発生の有無を判定した。実験例4に用いた本発明例の多刃ボールエンドミルは実験例1〜3に用いた本発明例1と同じ仕様とした。また、2種の比較例の多刃ボールエンドミルは、実験例1に用いた比較例1のボールエンドミルと、実験例3に用いた比較例3と同じ仕様とした。
ラジアスエンドミル等の回転切削工具においては、高送り加工を実施するために刃数を増やしたときに発生するビビリ振動を抑制するために、先端部に設ける切れ刃(底刃)をいわゆる「不等分割」に配置する手段が採用されている。切れ刃を不等分割に配置するとは、先端部に形成した複数の切れ刃を、回転軸心Oを中心とした工具本体の円周方向に、同じ角度(等間隔)で配置するのではなく、回転軸心Oを中心として隣り合う切れ刃どうしを異なった角度で配置することである。実験例1〜4に用いた本発明の多刃ボールエンドミルは、回転軸心Oを中心として4枚のボール刃を90°間隔、すなわち、等分割(等角度又は等間隔)に配置したものである。
本発明例2の多刃ボールエンドミルは、回転軸心Oを中心として4枚のボール刃を順次88°、92°、88°及び92°の角度(不等分割2°)で配置した以外、その他の構成は実験例1〜3で用いた本発明例1の多刃ボールエンドミルと同じである。
本発明例3の多刃ボールエンドミルは、回転軸心Oを中心として4枚のボール刃を順次86°、94°、86°及び94°の角度(不等分割4°)で配置した以外、その他の構成は実験例1〜3で用いた本発明例1の多刃ボールエンドミルと同じである。
不等分割2°及び不等分割4°の多刃ボールエンドミルについては、ボール刃のすくい角を−10°に、ボール刃の逃げ角を10°に、中低勾配刃8a〜8cのすくい角を−10°に、中低勾配刃の逃げ角を10°にした。また、切屑排出溝4のねじれ角を30°にした。
実験例1〜3に用いた本発明例1の多刃ボールエンドミルと同じ仕様であって、4枚のボール刃が回転軸心Oを中心として90°で等分割に配置されたボールエンドミルである。この多刃ボールエンドミルの中低勾配刃8a〜8cのすくい角と逃げ角は、不等分割2°及び4°のボールエンドミルと同じ値にした。
(等分割例2)
実験例1及び2に用いた比較例1の多刃ボールエンドミルと同じ仕様であって、4枚のボール刃が回転軸心Oを中心として90°で等分割された多刃ボールエンドミルである。この多刃ボールエンドミルの回転軸心近傍のボール刃のすくい角は−14°、ボール刃の逃げ角は17°、切屑排出溝4のねじれ角は40°である。
加工方法 :乾式切削(エアーブロー)による平面切削
切削速度(Vc) :100[m/min]
回転数(n) :4000[min-1]
送り速度(Vf) :1920[mm/min]
1刃当たりの送り量(fz) :0.12[mm/tooth]
軸方向切込み量(ap) :0.3[mm]
径方向切込み量(ae) :0.1[mm]
工具突き出し量(OH) :32[mm]
(1) 図24(a) に示す不等分割2°の多刃ボールエンドミル(本発明例2)においては、図24(c) に示す等分割例1と比較して、3分力の波形Fx、Fy、Fzともに微小な振幅の変動は現れていなかった。これは、不等分割2°の多刃ボールエンドミル(本発明例2)には共振によるビビリ振動が発生していなかったと判断することができる。
(2) 図24(b) に示す不等分割4°の多刃ボールエンドミル(本発明例3)においても、上記(1) と同様に共振によるビビリ振動が発生していなかったと判断することができる。
(4) 上記(1)〜(3) により、本発明の多刃ボールエンドミルの先端部に形成するボール刃を、不等分割で配置すると共振によるビビリ振動発生の抑制に有効であると判断できる。不等分割の角度の差(角度の最大値と最小値の差)を大きくすると切削抵抗の変動が大きくなって共振によるビビリ振動が発生するので、4枚刃から構成された本発明のボールエンドミルの場合、不等分割の角度の差、すなわち、90°からの角度差の上限は5°程度にすることが望ましい。
2:シャンク部
3:切れ刃部
4:切屑排出溝
5:外周刃
6a、6b、6c、6d:ボール刃
7a、7b、7c、7d:ギャッシュ
7b1、7c1、7d1:ギャッシュの溝底
8a、8b、8c、8d:中低勾配刃
8a1、8b1、8c1、8d1:凹曲線状中低勾配刃
8a2、8b2、8c2、8d2:直線状中低勾配刃
9a、9b、9c、9d:ボール刃の逃げ面
10a、10b、10c、10d:中低勾配刃の逃げ面
11a、11b、11c、11d:ボール刃のすくい面
12a、12b、12c、12d:中低勾配刃のすくい面
13:窪み部
14a、14b、14c、14d:ボール刃の逃げ面とギャッシュとの稜線
15a、15b、15c、15d:ボール刃の逃げ面と中低勾配刃の逃げ面との境界線
16a、16b、16c、16d:凹状曲面部
A:多刃ボールエンドミルの回転方向
C:回転軸心の近傍範囲
D:切れ刃部の直径
K:凹曲線状中低勾配刃の端部
L:全長
O:多刃ボールエンドミルの回転軸心
P1、P2、P3、P4:回転軸心の近傍位置
W1:ボール刃の逃げ面の回転方向幅
W2:中低勾配刃の逃げ面の回転方向幅
l:刃長
t:窪み部の幅
α:中低勾配刃の傾斜角度
γ1:ボール刃のすくい角
γ2:中低勾配刃のすくい角
X:中低勾配刃の幅
X1:凹曲線状中低勾配刃の幅
a:凹曲線状中低勾配刃の中央に位置する点
a1:凹曲線状中低勾配刃において最も回転方向の後方側に位置する点
h:凹曲線状中低勾配刃の幅の20%以上40%以下の範囲となる区間
Claims (6)
- 回転軸心を中心として回転するシャンク部と、先端部にボール刃を有する3枚以上の切れ刃を有する切れ刃部とを具備する多刃ボールエンドミルであって、
前記先端部の回転軸心の近傍で各ボール刃の先端から前記回転軸心まで中低勾配刃が延在しており、
各中低勾配刃は前記回転軸心と直交する面に対して前記シャンク部の側に0.5°以上3°以下傾斜しており、
各中低勾配刃の少なくとも前記回転軸心側の部分は回転方向後方に凹んだ曲線状であることを特徴とする多刃ボールエンドミル。 - 請求項1に記載の多刃ボールエンドミルにおいて、各中低勾配刃が前記回転軸心側に設けた回転方向後方に凹んだ曲線状中低勾配刃と、前記ボール刃側に設けた直線状中低勾配刃とからなり、かつ回転軸心方向平面視において前記凹曲線状中低勾配刃の半径方向幅が前記直線状中低勾配刃の半径方向幅より大きいことを特徴とする多刃ボールエンドミル。
- 請求項2に記載の多刃ボールエンドミルにおいて、各中低勾配刃が前記凹曲線状中低勾配刃のみからなることを特徴とする多刃ボールエンドミル。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の多刃ボールエンドミルにおいて、各中低勾配刃の半径方向幅Xが前記切れ刃部の直径Dの1.25%以上3.75%以下であることを特徴とする多刃ボールエンドミル。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の多刃ボールエンドミルにおいて、前記中低勾配刃の前記凹曲線状中低勾配刃の回転方向最後点a1が前記凹曲線状中低勾配刃の半径方向幅X1の半分となる位置aより回転軸心側にあることを特徴とする多刃ボールエンドミル。
- 請求項1〜5のいずれかに記載の多刃ボールエンドミルにおいて、4枚の切れ刃を具備することを特徴とする多刃ボールエンドミル。
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