JP5893960B2 - 刃先交換式内径加工用切削工具 - Google Patents

Description

この発明は、鋳抜き穴の高精度内径加工を１工程の作業で実現できる刃先交換式の内径加工用切削工具に関する。

鋳造部品や鋳造部材に設けられた鋳抜き穴の加工では、穴の真円度を高めるために、２種類の工具を使用して粗加工と仕上げ加工を別々に行う方法が採られているが、２工程を要する作業は加工時間が長くなって生産性やコスト面で不利なことから、加工時間の短縮が求められている。

その要求に応える手法の一つとして、例えば、下記特許文献１が提案している技術を応用することが考えられる。その特許文献１は、粗加工用チップと仕上げ加工用チップを１つの工具に併設している。その２種類のチップを内径加工用の切れ刃として使用することで加工の工程を１工程にすることができる。

特開２００４−２９１１６７号公報

１つの工具に粗加工用チップと仕上げ加工用チップを具備させて粗加工用チップで先行加工した領域を仕上げ加工用チップで仕上げる方法は、加工時間短縮の目的は果たせるが、粗加工用切れ刃と仕上げ加工用切れ刃の切削負荷が異なるため、加工時の切削バランスが悪化し、加工した穴の真円度が低下する。従って、高精度が要求されるベアリング組み込み穴などの加工用途には適していない。

この発明は、鋳抜き穴の内径の高精度加工を１工程の作業で行うことを可能にした、切削バランスに優れた内径加工用切削工具を提供することを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、穴の加工入口に連通する内径面と、前記加工入口を有する平面から落ち込んで前記内径面に連なる穴軸に対して垂直な段差面と、前記内径面と前記段差面との交差部に配置されるぬすみ部とを有する加工部を加工する刃先交換式内径加工用切削工具を次の通りに構成した。
即ち、内径加工用切れ刃を有する切削インサートを備え、前記切削インサートが工具本体の外周に工具回転方向に均等ピッチで複数個配置され、工具の回転中心から各切削インサートの内径加工用切れ刃までの距離は全て等しく、
前記複数個の切削インサートは、内径以外の領域を内径加工と同時進行で加工する切れ刃を備え、
前記内径以外の領域を加工する切れ刃は、前記ぬすみ部を加工するぬすみ部加工用切れ刃であるものにした。

この内径加工用切削工具は、複数個の切削インサートを全て同一形状にすることができる。

前記内径以外の領域を加工する切れ刃として、例えば、穴の段差面を加工する切れ刃をさらに具備させることもできる。

内径加工用切れ刃は、外周の逃げ面との間に加工穴の内径面にガイドされる丸ランドを形成すると好ましい。

また、この発明の切削工具は、前記切削インサートと小径穴加工用切削インサートとを工具回転方向の位相が揃う位置に有し、
前記切削インサートに付随する切屑ポケットと前記小径穴加工用切削インサートに付随する切屑ポケットを工具回転方向の位相が揃う位置に有する構造にして、小径穴と大径穴が連なった段付き鋳抜き穴の内径面を加工する段付き鋳抜き穴用切削工具となすこともできる。

このほか、必要に応じて、大径穴の入口の縁を面取りする面取り用切削インサートも具備させることができ、その面取り用切削インサートも複数個を工具回転方向に均等ピッチで配置する。

上述したこの発明の切削工具は、複数箇所に設けられる内径加工用切れ刃による切り込み深さを、最終仕上げ領域までが同時に削り取られる値に設定することで、鋳抜き穴の内径面の切削を１工程で行なうことができる。この発明は、かかる加工方法も併せて提供する。
なお、工具に設置する切削インサートの数は、好ましくは３個以上であり、より好ましくは３個である。

従来、２種類の切れ刃で分担切削していた領域（粗加工領域と仕上げ加工領域）を分担せずに加工すると各切削インサートによる取り代が従来工具に比べて増加する。また、鋳抜き穴は精度が良くないため１工程での加工では取り代の変動があり、このために、切削バランスが崩れ易い。

この発明の切削工具は、その切削バランスの崩れを、切削インサートを工具回転方向に均等ピッチで複数個設置し、さらに、工具の回転中心から内径加工用切れ刃までの距離を等しくすることで防止している。

切削インサートの数を複数個にすることで、工具本体の剛性低下を最小限に抑えながら工具の径方向振れの抑制効果を高めており、これによって、切削バランスが飛躍的に向上し、仕上げのための追加工を行なわずに済むようになった。また、１工程での加工であるのに従来よりも真円度の高い穴を得ることができた。
なお、上記の効果を得るためには、切削インサートの数を３個以上とすることが好ましいが、３個以上の場合は効果の差がなくなってくるので、３個とするのがもっとも好ましい。

この発明の刃先交換式内径加工用切削工具の一例を示す斜視図 図１の切削工具に採用した切削インサートの斜視図 図２の切削インサートの断面図 この発明の刃先交換式内径加工用切削工具の他の例を示す斜視図 図４の切削工具の側面図 図４の切削工具の端面図 図５の点線枠で囲った部分を拡大して示す図 内径加工用切れ刃の丸ランドを示す拡大断面図 この発明の工具で加工する鋳抜き穴の一例を示す断面図 性能評価試験の方法の概説図 性能評価試験におけるインサートの個数と横荷重と加工穴の真円度の関係を示すグラフ 性能評価試験で工具が１回転する間に受ける切削抵抗の試算値を表すグラフ

以下、添付図面の図１〜図９に基づいて、この発明の切削工具の実施の形態を説明する。
図１に示した第１形態の刃先交換式内径加工用切削工具は、奥端のコーナにぬすみ部の形成される鋳抜き穴の内径加工と穴の入り口の縁の面取りを行うものであって、工具本体１の外周に２種類の切削インサート３，４を装着してなる。

工具本体１の後部には、シャンク２が設けられている。そのシャンク２は、工具本体１にツールホルダを締結ボルトなどで連結して構成されるもの、工具本体１と一体に加工されるものを問わない。

工具本体１は、鋼やアルミニウム合金などで形成されるものであって、外周に、カートリッジ装着溝５を工具回転方向に等間隔で３個設け、さらに、そのカートリッジ装着溝に対応させて切屑ポケット６を３箇所設けている。また、各カートリッジ装着溝５に、カートリッジ７を、それぞれ締結ボルト８を用いて取り付けている。

カートリッジ７は、２種類の座溝９，１０を、先端と軸方向中間部にそれぞれ有しており、座溝９に切削インサート３を、座溝１０に切削インサート４を、それぞれ取付けねじ１１を使用して着脱自在に固定している。

各カートリッジの後部には、調整ねじ１２をねじ込んでいる。その調整ねじ１２の頭頂部をカートリッジ装着溝５の軸方向端部の位置基準面５ａに当接させ、この調整ねじ１２を回転操作することでカートリッジ７を軸方向に変位させて各切削インサート３，４の軸方向位置を微調整するようにしている。

２３は、工具本体１とカートリッジ７との間に挿入したくさび駒である。このくさび駒２３をいわゆるＷねじ２４を操作して工具軸方向に進退させると、カートリッジ７の先端側が工具径方向に変位し、それによって切削インサート３，４の切れ刃の径方向位置が微調整される。

切削インサート３の詳細を図２、図３に示す。この切削インサート３は、内径加工用切れ刃３ａを有しており、その切れ刃３ａで鋳抜き穴の内径面を加工する。この切削インサート３は、３個を工具回転方向に均等ピッチ（１２０°間隔）で配置している。また、工具の回転中心からこの切削インサートの内径加工用切れ刃３ａまでの距離を全て等しくしている。３個の切削インサート３は、同一形状である。

切削インサート３には、内径加工用切れ刃３ａのほかに、穴の奥端面を加工する端面加工用切れ刃３ｂと穴の奥端のコーナに形成されるぬすみ部を加工するぬすみ部加工用切れ刃３ｃを設けている。

一般的な内径加工用切削工具では、端面加工用切れ刃やぬすみ部加工用切れ刃は、内径加工用切れ刃を有する切削インサートとは別の切削インサートに設けて内径加工用切れ刃を有する切削インサートとは別箇所に装着する方法が採られている。それに対し、本発明品の切削インサートには、内径加工用切れ刃とは機能の異なる端面加工用切れ刃やぬすみ部加工用切れ刃等を内径加工用切れ刃と共に同一切削インサートに設けているので、内径加工以外の加工を同時に行なうときにも切削バランスを保つことができる。すなわち、１つの切削インサートが多機能を有しているので、高い真円度の内径加工と同時にその他の加工も行うことができる。

切削インサート４は、面取り用切れ刃４ａを有しており、その面取り用切れ刃４ａで鋳抜き穴の入口の縁に形成される面取り部を加工する。

このように構成された切削工具を用いて粗加工の施されていない鋳抜き穴の内径面を加工する。内径加工用切れ刃３ａによる切り込み深さを、最終仕上げ領域までが同時に削り取られる値に設定することで従来２工程に分けて加工していた領域を１工程の作業で行なうことができ、仕上げのための追加工が不要になる。

図４〜図６は、図９に示されるような段付き穴の内径加工を１工程の作業で行う第２形態の刃先交換式内径加工用切削工具であって、工具本体１の外周に３種類の切削インサート３，４，１３を装着してなる。

この第２形態の切削工具で加工する段付き鋳抜き穴の一例を図９に示す。図示の段付き鋳抜き穴２０は、駆動軸（図示せず）を通す小径穴２０ａの後方に大径穴２０ｂを連ならせている。大径穴２０ｂは駆動軸を支持するベアリング（これも図示せず）を組み込むための穴であって、小径穴２０ａとの間に生じる段差面２０ｃは、軸直角な面になっている。また、大径穴２０ｂにベアリングを正確に組み込むために、段差面２０ｃと大径穴２０ｂの内径面との交差部にぬすみ部２０ｄを設け、さらに、大径穴２０ｂの入口の縁に面取り部２０ｅを設けている。

工具本体１は、第１形態と同様の材料で形成されており、小径部１ａとその後方に連設された大径部１ｂを有する。その小径部１ａの外周と大径部１ｂの外周に、カートリッジ装着溝５，１４を各３個設け、さらに、各カートリッジ装着溝に対応させて切屑ポケット６，１５を各３箇所設けており、それぞれのカートリッジ装着溝５，１４には、カートリッジ７，１６を締結ボルト８を用いて取り付けている。

カートリッジ６とそれに装着した切削インサート３、４は第１形態と同一構成であるので、説明を省く。

カートリッジ１６は、座溝１７を先端に有しており、その座溝１７に切削インサート１３を取付けねじ１１を使用して着脱自在に固定している。

このカートリッジ１６も後部に調整ねじ１２をねじ込んでおり、その調整ねじ１２の頭頂部をカートリッジ装着溝１４の軸方向端部の位置基準面１４ａに当接させてこの調整ねじ１２で切削インサート１３の軸方向位置を微調整するようにしている。

切削インサート１３は、内径加工用切れ刃１３ａを有しており、その切れ刃１３ａで段付き鋳抜き穴の小径穴２０ａの内径面を加工する。この切削インサート１３も、同一形状の３個を工具回転方向に均等ピッチで配置している。また、工具の回転中心から各切削インサートの内径加工用切れ刃１３ａまでの距離を全て等しくしている。

なお、第２形態の切削工具は、３種類の切削インサート３，４，１３を、工具回転方向の位相が一致する位置に配置している。このような配置にすることで、切削インサート３に付随させる切屑ポケット６と，切削インサート４，１３に付随させる切屑ポケット１５を同位相上に置かれる一連の溝にして工具本体の剛性低下を小さく抑え、同時に、切屑の排出性も高めることができる。

図４〜図６の１８は、工具本体１の外周に圧入して植えた超硬パッドである。この超硬パッド１８は、小径穴加工用及び大径穴加工用の回転ガイドとして、回転方向前後の切削インサート３、３間と、回転方向前後の切削インサート１３、１３間にそれぞれ設けている。

加工径がさほど大きくない工具（例えばφ３０ｍｍ〜φ２８０ｍｍ程度の工具）や、工具本体をアルミニウム合金で形成する工具は特に、剛性確保が難しく、剛性不足が加工穴の真円度低下を招く。超硬パッド１８は、そのような工具に採用するのに適している（第１形態にも適用可能）が、この発明の必須の要素ではない。

なお、工具本体をアルミニウム合金で形成する工具は、工具本体に回転軸と平行な穴をあけ、その穴に補強材（超硬合金の丸棒など）を埋めて補強してもよい。この場合、補強材は、切削バランスを維持するために、回転中心と同心円上に等間隔で３個設けるとよい。

加工穴の真円度向上に関しては、切削インサート３，１３の内径加工用切れ刃３ａ、１３ａとそれらの切れ刃の外周の逃げ面との間に、加工穴の内径面にガイドされる図８に示すような丸ランド１９を形成するのも有効である。その丸ランド１９がドリルのマージンと同様の働きをして工具の振れが抑制される。剛性の十分でない工具は、横荷重に弱く、そのことも加工穴の真円度低下につながるので、そのようなときには丸ランド１９をつけるとよい。

このほか、各切削インサートには、耐久性を高める硬質被膜を設けることができる。鉄系鋳物の加工では、ＴｉＡｌＮ系ＰＶＤコーティング膜が有効であり、アルミ系鋳物の加工では、ダイヤモンド膜やＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）膜などが適用できる。

この発明の切削工具の性能を評価するために、１枚刃、２枚刃、３枚刃、４枚刃の切削工具を準備し、図１０に示すように、被削材に設けられた下穴の穴広げの切削を以下の条件で行なった。１枚刃の切削工具は比較例、２枚刃、３枚刃、４枚刃の切削工具は発明品である。
切削インサートの個数以外は下記の条件を固定して加工を行なった。
−加工条件−
回転数：４０００ｒｐｍ（切削速度Ｖ：７９５ｍ／ｍｉｎ）
送り ：０．１２ｍｍ／ｒｅｖ
工具径：φ６３．３ｍｍ
取代：φ３．６ｍｍ・・・・（径方向除去量）
芯ずれ量：０．８ｍｍ・・・（下穴の中心と工具中心のずれ量）

この試験における刃数（切削インサートの個数）と工具に作用する横荷重（工具を振れさせる力）と加工穴の真円度の関係を図１１に示す。この試験結果から、刃数を増やすことで横荷重と真円度がともに低減されることがわかる。ただし、３枚刃以上の工具は真円度向上の効果が頭打ちになって３枚刃工具との比較では優位差がないものになるので、切削インサートの数は３個にするのがよい。

取代：φ３．６ｍｍ、芯ずれ量：０．８ｍｍの図１０の加工状況で１枚刃、２枚刃、３枚刃の工具が１回転する間に受けるＸ軸方向とＹ軸方向の力を試算した。その試算値を図１２に示す。
１枚刃の工具は、取代の大きな部分に切れ刃がさしかかると切削抵抗が著しく増大するが、刃数を複数にした工具は、負荷が各刃に分散され、各刃に加わる横荷重が互いに打ち消しあって小さくなる。図１２の試算結果もそれを証明するものになっている。

１ 工具本体
１ａ 小径部
１ｂ 大径部
２ シャンク
３，４，１３ 切削インサート
３ａ，１３ａ 内径加工用切れ刃
３ｂ 端面加工用切れ刃
３ｃ ぬすみ部加工用切れ刃
４ａ 面取り用切れ刃
５，１４ カートリッジ装着溝
５ａ，１４ａ 位置基準面
６，１５ 切屑ポケット
７，１６ カートリッジ
８ 締結ボルト
９，１０，１７ 座溝
１１ 取付けねじ
１２ 調整ねじ
１８ 超硬パッド
１９ 丸ランド
２０ 段付き鋳抜き穴
２０ａ 小径穴
２０ｂ 大径穴
２０ｃ 段差面
２０ｄ ぬすみ部
２０ｅ 面取り部

Claims (8)

1. 穴の加工入口に連通する内径面と、前記加工入口を有する平面から落ち込んで前記内径面に連なる穴軸に対して垂直な段差面と、前記内径面と前記段差面との交差部に配置されるぬすみ部とを有する加工部を加工する刃先交換式内径加工用切削工具であって、
   内径加工用切れ刃（３ａ）を有する切削インサート（３）を備え、前記切削インサート（３）が工具本体（１）の外周に工具回転方向に均等ピッチで複数個配置され、工具の回転中心から各切削インサートの内径加工用切れ刃（３ａ）までの距離は全て等しく、
   前記複数個の切削インサート（３）は、内径以外の領域を内径加工と同時進行で加工する切れ刃を備え、
   前記内径以外の領域を加工する切れ刃は、前記ぬすみ部を加工するぬすみ部加工用切れ刃（３ｃ）である刃先交換式内径加工用切削工具。
2. 前記内径以外の領域を加工する切れ刃として、穴の段差面を加工する端面加工用切れ刃（３ｂ）をさらに有する請求項１に記載の刃先交換式内径加工用切削工具。
3. 前記切削インサート（３）は、直線状の内径加工用切れ刃（３ａ）と、前記内径加工用切れ刃に交差する直線状の端面加工用切れ刃（３ｂ）と、前記内径加工用切れ刃（３ａ）と前記端面加工用切れ刃（３ｂ）の交差部に配置される外周側に凸形状である前記ぬすみ部加工用切れ刃（３ｃ）を有する請求項２に記載の刃先交換式内径加工用切削工具。
4. 前記内径加工用切れ刃（３ａ）とその切れ刃の外周の逃げ面との間に加工穴の内径面にガイドされる丸ランド（１９）を有する請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の刃先交換式内径加工用切削工具。
5. 前記加工部は前記段差面に小径穴を有し、
   前記刃先交換式内径加工用切削工具は複数個の前記切削インサート（３）を工具本体（１）の後部側大径部（１ｂ）に有し、
   さらに、複数個の小径穴加工用切削インサート（１３）を前記工具本体（１）の先端側小径部（１ａ）に有する請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の刃先交換式内径加工用切削工具。
6. 前記切削インサート（３）と小径穴加工用切削インサート（１３）とを工具回転方向の位相が揃う位置に有し、
   前記切削インサート（３）に付随する切屑ポケット（６）と前記小径穴加工用切削インサート（１３）に付随する切屑ポケット（１５）を工具回転方向の位相が揃う位置に有する請求項５に記載の刃先交換式内径加工用切削工具。
7. 前記切削インサート（３）及び前記小径穴加工用切削インサート（１３）の個数はそれぞれ３個である請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の刃先交換式内径加工用切削工具。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の切削工具を用いて粗加工を施していない鋳抜き穴の内径面を切削し、その切削を、前記内径加工用切れ刃（３ａ）による切り込み深さを、最終仕上げ領域までが同時に削り取られる値に設定して１工程で行なう鋳抜き穴の加工方法。

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