JP5869691B2

JP5869691B2 - ボールエンドミル

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Publication number: JP5869691B2
Application number: JP2014544518A
Authority: JP
Inventors: 雅彦黒田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2033-10-29
Also published as: KR101740423B1; EP2913132A1; JPWO2014069453A1; CN104428089B; CN104428089A; EP2913132A4; US10265784B2; WO2014069453A1; US20150224585A1; EP2913132B1; KR20150040809A

Description

本発明はボールエンドミルに関する。

ボールエンドミルは、主として金型などの切削加工に用いられている。このボールエンドミルの先端側の切刃は、側面視で円弧状である。かかる先端側のボール刃は、先端視でも円弧状であり、曲率半径が内周部から外周部にかけて一定となる形状が一般的であった。また、特許文献１では、ボール刃の内周側の第１刃部と、中間の第２刃部と、外周側の第３刃部とを備えて、第２刃部の曲率半径を第１刃部の曲率半径よりも大きくするとともに、第３刃部の曲率半径を第２刃部の曲率半径よりも小さくしたボールエンドミルが開示され、エンドミル本体の防振性が高まることが開示されている。

特許第４４０７９７５号明細書

しかしながら、特許文献１に開示されたボールエンドミルでは、精密加工で使用するような回転速度が速い加工条件となると、ボール刃の中心軸側において加工面のむしれが発生して、加工面粗度が低下する場合があった。また、ボール刃の内周側における切削抵抗が大きくなることによって、ボール刃にかかる負荷が大きくなり、エンドミル本体の防振性は、むしろ悪くなる場合があった。

本発明は、この問題点を解決するものであり、回転速度が速い加工条件であっても、耐摩耗性が高くかつ防振性能を向上したボールエンドミルを提供することにある。

本発明のボールエンドミルは、中心軸周りに回転する工具本体と、該工具本体の先端側の前記中心軸側から後方に向かって設けられた側面視で円弧状のボール刃と、を具備し、前記ボール刃は、前記中心軸側から外周側に向かって曲率半径が漸次小さくなっているものである。

本発明のボールエンドミルによれば、ボール刃が、中心軸から外周に向かって曲率半径が漸次小さくなっていることによって、回転速度が速い加工条件であっても、ボール刃の内周側における切削抵抗の増大を抑制できて加工面のむしれが発生することなく、加工面粗度の低下を抑制でき、かつボール刃の耐摩耗性が向上する。また、ボール刃にかかる負荷も小さいので、エンドミル本体の防振性が向上する。

図１Ａは本発明のボールエンドミルの概略側面図である。図１Ａを９０°回転した概略側面図である。図１のボールエンドミルを先端Ｘ側から見た先端視図である。図２のボールエンドミルについて、ボール刃の点Ｐについての断面図（Ｉ−Ｉ断面図）である。図２のボールエンドミルについて、ボール刃の点Ｈについての断面図（II−II断面図）である。図２のボールエンドミルについて、ボール刃の点Ｑについての断面図（III−III断面図）である。

本発明のボールエンドミルについて、図１−３を用いて説明する。
図１−３のボールエンドミル（以下、単にエンドミルと略す。）１０は、ソリッドタイプのボールエンドミルであり、中心軸Ｏ周りに回転する工具本体１と、工具本体１の先端（Ｘ）側から後方に向かって（後端（Ｙ）側に向かって）設けられた側面視で円弧状のボール刃２を具備している。ボール刃２は、先端（Ｘ）側から後方に向かう（後端（Ｙ）側に向かう）につれて、先端視では、中心軸Ｏ側から外周側に位置している。ボール刃２の回転軌跡は略半球状となる。なお、図２では、ボール刃２が２枚（２ａ、２ｂ）設けられており、中心軸Ｏに対して点対称に配置されている。また、中心軸Ｏの近傍にはギャッシュが形成され、これによって、中心軸Ｏ上を含むボール刃２ａ、２ｂ間には、チゼルエッジ４が設けられている。

工具本体１は後方が略円柱形状であり、工具本体１の後端（Ｙ）側は、ホルダ（図示せず）に装着されて、切削加工機に取り付けられる。そして、中心軸Ｏを中心に回転方向Ｔに回転させられ、例えば、金型等の加工に用いられる。

エンドミル１０には、ボール刃２以外に、ボール刃２の後方に設けられる外周刃３と、ボール刃２および外周刃３の回転方向に設けられるすくい面５と、ボール刃２および外周刃３の逆回転方向に設けられる逃げ面６と、すくい面５の後方に続く切屑排出溝７とを具備している。切屑排出溝７は後方に向かって回転方向Ｔとは逆の方向にねじれている。

そして、本実施態様によれば、ボール刃２の形状は、図２の先端視図における中心軸Ｏ側のボール刃２とチゼルエッジ４との境界である点Ｐ（ボール刃２の中心軸側の端部の位置）から外周に位置する点Ｑに向かって曲率半径が漸次小さくなっている。なお、本発明におけるボール刃２の各位置における曲率半径ｒは、ボール刃２の各位置と、この点を中心として０．２ｍｍの距離に位置するボール刃２の２点との３点を通る円弧の曲率半径を指す。また、本発明において、ボール刃２の各位置における曲率半径を測定するには、０．４ｍｍの距離の間隔で測定する。

すなわち、ボール刃２の各点を中心として描ける円弧の曲率半径ｒが同じ場合でも、図２の先端視図に投影されるボール刃２の軌跡は、中心軸Ｏ側の点Ｐから外周に位置する点Ｑに向かって曲率半径ｒが小さく見えることもあるが、本実施態様においては、先端視図に投影されるボール刃２の軌跡ではなく、３次元の立体形状で測定して、ボール刃２の各点を中心として描ける円弧の曲率半径ｒが中心軸Ｏ側の点Ｐから外周に位置する点Ｑに向かって小さくなっている。

これによって、回転速度が速い加工条件で切削しても、ボール刃２の中心軸Ｏ側が必要以上に被削材に接触することを抑制できるので、ボール刃２の中心軸Ｏ側の点Ｐ付近における切削抵抗の増大を抑制できる。その結果、加工面のむしれが発生することなく、加工面粗度の低下を抑制でき、かつボール刃２の耐摩耗性が向上する。また、ボール刃２にかかる負荷も小さいので、切削加工時の衝撃によって発生するエンドミル本体１の振動も小さくできる。

なお、ボール刃２の端部である点Ｐおよび点Ｑにおける曲率半径ｒは、点Ｐおよび点Ｑを終端として、終端からボール刃２の０．２ｍｍおよび０．４ｍｍの距離に位置する２点を合わせた３点を通る円弧の曲率半径ｒとして求められる。図面には曲率半径の記載を省略している。

また、本実施態様によれば、ボール刃２の中心軸Ｏ側の端部の位置である点Ｐから、ボール刃２の中心軸Ｏを中心とする半径Ｒ／２の円（図２における円Ｃ）との交点Ｈまでの間におけるボール刃２の曲率半径ｒ_Ｐ−Ｈは、エンドミル１０の刃径に相当する工具本体１の直径Ｄ（＝２Ｒ）に対して０．８〜２の比率であるとともに、工具本体１の半径Ｒの半分の位置Ｈから外周の点Ｑまでの間におけるボール刃２の曲率半径ｒ_Ｈ−Ｑは、工具本体１の直径Ｄに対して０．２〜１．２の比率となっている。これによって、ボール刃２の耐摩耗性とエンドミル本体１の防振性をともに満足させることができる。

さらに、本実施態様によれば、中心軸Ｏ側の端部の位置である点Ｐにおけるボール刃２の曲率半径ｒ_Ｐは、工具本体１の直径Ｄに対して１．５〜２の比率であり、工具本体１の半径Ｒの半分の位置である点Ｈにおけるボール刃２の曲率半径ｒ_Ｈは、工具本体１の直径Ｄに対して０．８〜１．２の比率であり、かつ外周の点Ｑにおけるボール刃２の曲率半径ｒ_Ｑは、工具本体１の直径Ｄに対して０．２〜０．６の比率となっている。これによって、ボール刃２の耐摩耗性とエンドミル本体１の防振性をともに満足させることができる。

ここで、ボール刃２の形状が点Ｐから点Ｑに向かって曲率半径ｒが漸次小さくなっているとは、曲率半径ｒが段階的に小さくなっているものであってもよく、一定の割合で連続的に小さくなっているものであってもよい。本実施態様では、中心軸Ｏ側の点Ｐから外周の点Ｑに向かって、ボール刃２の曲率半径ｒが一定の割合で連続的に小さくなっている。これによって、ボール刃２には曲率半径ｒが変わる特異点ができないので、切削抵抗が局所的に増大することがなく、ボール刃２全体としての耐摩耗性が向上する。

また、図２の先端視図によれば、エンドミル１０のボール刃２は２つ（２枚）存在しているが、ボール刃２は２枚に限定されるものではなく、３枚またはそれ以上であってもよい。ボール刃２が２枚の形態では、刃径の小さいボールエンドミルを用いて加工時に発生する切屑の排出性が良好であるという効果がある。また、図示はしないが、他の実施態様では、少なくとも１つのボール刃の先端視形状が他のボール刃の先端視形状と異なっている構成も適用可能である。これによって、少なくとも１つのボール刃は非対称な形状となり、切削時にエンドミル１０が共振してびびりが発生することを抑制することができる。少なくとも１つのボール刃を非対称な形状とする一例としては、１つのボール刃の形状を先端視におけるボール刃の曲率半径ｒを段階的に小さくする構成とし、他のボール刃では先端視におけるボール刃の曲率半径ｒを連続的に小さくする構成等が挙げられる。なお、この１つのボール刃の先端視形状が他と異なる構成は、刃数が３つ以上の場合に好適に採用できる。

ここで、本実施態様においては、ボール刃２のすくい角θが０°〜−２０°である。すなわち、ボール刃２のすくい角θはゼロ度であるか、またはいわゆるネガのすくい角がついている。さらに、本実施態様によれば、図３Ａ〜図３Ｃのボール刃２の点Ｐ，Ｈ，Ｑについての断面図に示すように、中心軸Ｏ側から外周側に向かってすくい角の負の値が大きくなっている。すなわち、点Ｐにおけるすくい角θ_Ｐ、点Ｈにおけるすくい角θ_Ｈ、点Ｑにおけるすくい角θ_Ｑの順に、ボール刃２から遠ざかるにつれてすくい面５が隆起するように、すくい角θの負の値が大きくなっている。

これによって、ボール刃２の強度を確保し、ボール刃２の欠損を抑制することができる。すなわち、外周側ではボール刃２の曲率半径が小さいため、ボール刃２が突き出た形になり強度的に弱くなりやすい。また、この外周側では切削速度も速いため、摩耗の進行も速い。一方、中心軸Ｏ側では、切削速度がゼロに近くなるため切削抵抗が大きくなる傾向にある。そのため、中心軸Ｏ側から外周側に向かってすくい角θの負の値が大きくなることによって、外周側におけるボール刃２のチッピングや欠損を抑制することができるとともに、中心軸Ｏ側の切削抵抗を小さくして、加工面が荒れることを抑制する。

本実施態様によれば、中心軸Ｏ側の点Ｐにおけるすくい角θ_Ｐは、０°〜−１°であり、中間の点Ｈにおけるボール刃２のすくい角θ_Ｈは、−１°〜−５°であり、かつ外周の点Ｑにおけるボール刃２のすくい角θ_Ｑは、−１０°〜−２０°である。

また、本実施態様によれば、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、ボール刃２の逃げ角αが中心軸Ｏ側から外周側に向かって大きくなっている。すなわち、点Ｐにおける逃げ角α_Ｐ、点Ｈにおける逃げ角α_Ｈ、点Ｑにおける逃げ角α_Ｑの順に大きくなっている。

なお、上述の実施形態においては、図１Ａ、図１Ｂ、図２に示すように工具本体１自体の所定部位に切刃が形成された所謂ソリッドタイプの構成を例にとって説明したが、これに代えて、所謂スローアウェイチップをホルダに装着した所謂スローアウェイタイプの構成であっても良い。

図１Ａ、図１Ｂ、図２の概略形状のボールエンドミル形状で、ボール刃の曲線形状および工具本体の直径に対する点Ｐ（中心軸側）、点Ｑ（外周）、点Ｈ（半径の半分）の各位置での曲率半径ｒ_Ｐ、ｒ_Ｈ、ｒ_Ｑ、曲率半径の直径（Ｄ）に対する比率ｒ_Ｐ／Ｄ、ｒ_Ｈ／Ｄ、ｒ_Ｑ／Ｄ、すくい角θ_Ｐ、θ_Ｈ、θ_Ｑ、逃げ角α_Ｐ、α_Ｈ、α_Ｑが表１の寸法を有する試料Ｎｏ．１〜１０のボールエンドミルを作製し、下記条件で切削加工評価を行った。結果は表２に示した。なお、エンドミルのボール刃は２枚、工具本体の直径（刃径Ｄ＝２Ｒ）は６ｍｍのものを用いた。
（切削条件）
被削材：ＨＰＭ３８鋼
加工径：φ６ｍｍ
加工速度：２２０ｍ／分
回転数：１１，７００回／分
送り：０．０５８ｍｍ／刃
切込深さ：０．６ｍｍ×０．３ｍｍ
切削形態：肩加工
切削環境：乾式切削
評価項目：切削長１００ｍ加工時点で、ボール刃を先端視した状態での最大摩耗量と加工面粗度（最大高さ）

表１、２の結果から明らかなとおり、ボール刃の曲率半径が中心軸側から外周側にわたって同じ試料Ｎｏ．１は、工具本体の振動が大きくて加工面粗度が悪くなった。また、ボール刃の曲率半径が中心軸側と外周側との中間位置で大きい試料Ｎｏ．６では、加工面にむしれが発生して加工面粗度が悪く、かつ摩耗量も大きくなった。

これに対して、本発明に従い、ボール刃の曲率半径が中心軸側から外周側に向かって漸次小さくなっている試料Ｎｏ．２〜５、７−１０では、工具本体の振動が小さく、かつ加工面粗度も小さいものであった。

刃数が３つ、工具本体の直径（刃径Ｄ）は６ｍｍで、３つの刃とも実施例１の試料Ｎｏ．４の形状からなるボールエンドミルを作製した（試料Ｎｏ．１１）。同様に、刃数が３つ、工具本体の直径（刃径Ｄ＝２Ｒ）は６ｍｍで、２つの刃は実施例１の試料Ｎｏ．４の形状で１つの刃が実施例１の試料Ｎｏ．２からなるボールエンドミルを作製した（試料Ｎｏ．１２）。試料Ｎｏ．１１、１２に対して、実施例１の条件で切削加工評価を行った。切削長１００ｍ加工時点で、ボール刃を先端視した状態での最大摩耗量は、試料Ｎｏ．１１が０．０５０ｍｍ、試料Ｎｏ．１２が０．０４７ｍｍであり、加工面粗度（最大高さ）は試料Ｎｏ．１１が２．０２μｍ、試料Ｎｏ．１２が１．３４μｍであった。

１：工具本体
２：ボール刃
３：外周刃
４：チゼルエッジ
５：すくい面
６：逃げ面
７：切屑排出溝
１０：エンドミル
Ｘ：先端
Ｙ：後端
Ｏ：中心軸
Ｐ：ボール刃の中心軸側端部
Ｑ：ボール刃の外周側端部
Ｈ：ボール刃の中間位置
Ｔ：回転方向

Claims

中心軸周りに回転する工具本体と、該工具本体の先端側から後方に向かって設けられた側面視で円弧状のボール刃と、を具備し、前記ボール刃は、前記中心軸側から外周側に向かって曲率半径が漸次小さくなっているとともに、中心軸から前記外周側に向かって前記工具本体の半径の半分の位置までの間における前記ボール刃の曲率半径は、前記工具本体の直径に対して０．８〜２の比率であるとともに、前記工具本体の半径の半分の位置から外周の位置までの間における前記ボール刃の曲率半径は、前記工具本体の直径に対して０．２〜１．２の比率であるボールエンドミル。
中心軸周りに回転する工具本体と、該工具本体の先端側から後方に向かって設けられた側面視で円弧状のボール刃と、を具備し、前記ボール刃は、前記中心軸側から外周側に向かって曲率半径が漸次小さくなっているとともに、前記ボール刃の中心軸側の端部の位置における曲率半径は、前記工具本体の直径に対して１．５〜２の比率であり、前記中心軸から前記工具本体の半径の半分の位置における前記ボール刃の曲率半径は、前記工具本体の直径に対して０．８〜１．２の比率であり、かつ前記ボール刃の前記外周の位置における曲率半径は、前記工具本体の直径に対して０．２〜０．６の比率であるボールエンドミル。
中心軸周りに回転する工具本体と、該工具本体の先端側から後方に向かって設けられた側面視で円弧状のボール刃と、を具備し、前記ボール刃は、前記中心軸側から外周側に向かって曲率半径が漸次小さくなっているとともに、前記中心軸から前記外周側に向かって、前記ボール刃の曲率半径が一定の割合で連続的に小さくなっているボールエンドミル。
先端視で、前記ボール刃が２つ以上存在するとともに、少なくとも１つのボール刃の先端視形状が他のボール刃の先端視形状と異なっている請求項１乃至３のいずれか記載のボールエンドミル。
前記ボール刃は、すくい角が０°〜−２０°であり、前記中心軸側から前記外周側に向かってすくい角の負の値が大きくなっている請求項１乃至４のいずれか記載のボールエンドミル。