JP5939687B2 - 切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、切削機械の回転主軸に取り付けられ、切刃を回転させながら主に金属の被加工物から材料を除去する切削工具に関する。特に、先端側に設けられる切削部位の切削面における外形が正多角形の切削工具に関する。

金属の被加工物を切削加工する場合、所望の形状によって使用する切削工具の形状が異なる。例えば、ボール盤のような穴あけを行なう切削機械では、螺旋状の切刃を有するドリルが用いられる。また、旋盤または平削盤のように木工におけるノミやカンナのように平坦面を削りだすような加工を施す切削機械の場合は、基本的に刃数が一刃であるバイトが適用される。また、例えば、フライス盤またはマシニングセンタのように任意の形状の溝もしくは底付穴を加工する切削機械の場合は、主に複数の回転刃を有するフライスが使用される。

各切削工具の材質は、加工対象の被加工物の材質と切削する方向および加工結果に対する要求に対応してそれぞれ異なる。切削工具は、基本的に切刃が被加工物と同等以上の硬度を有し、磨耗量をより少なくすることができる材料で形成されることが要求される。代表的な金属である鉄系の被加工物を加工するときは、被加工物の硬さに対応して、被加工物の硬さを上回る硬度を有する炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度工具鋼（ハイス）のような鋼系の切削工具が使用される。

フライス加工では、多くの場合、回転方向に刃先が向けられた複数の切刃を円筒形状の切削部位の中心軸から外周に向けて放射状に延伸して設けた切削工具を使用している。そして、複数の切刃を有する切削工具を中心軸廻りに高速で回転させながら被加工物に対して相対移動させることによって被加工物を切削する。高速で回転させる正面フライスあるいはエンドミルのような切削工具の切刃の材料には、被加工物の材料に対応して、高速度工具鋼、超硬合金、多結晶立方晶窒化珪素（ＰｃＢＮ）、多結晶焼結ダイヤモンド（ＰＣＤ）のように、より高い耐磨耗性を有する高硬度材が選ばれる。

超硬合金のように非鉄系の高硬度材を切削加工するときは、切刃がダイヤモンドの切削工具が有利である。ただし、高硬度の被加工物に対して切刃を接触させて高速で回転させるため、切削工具と被加工物との間に継続的に高温の摩擦熱が発生している。ダイヤモンドは、格別耐熱性が高いというわけではないので、例えば、エンドミルのように毎分数万回転程度まで高速に回転させて加工に供される切削工具では、高温の摩擦熱によって切刃の硬度が急激に低下して耐磨耗性が失われ、磨耗量が増大する。

特許文献１の発明は、切削工具の天面に形成された多結晶焼結ダイヤモンドの層に多数の島を形成し、各島を切刃とする切削工具を開示している。特許文献１の発明の切削工具によると、多数の島形状の切刃によって加工効率が相当向上する。また、特許文献１の発明の切削工具は、切削粉の排出を促進することができるとともに、摩擦熱が効果的に逃がされることによって、切削部位の温度上昇を抑制することができる。

特開２００９−２６２２８６号公報

島形状の切刃は、平坦面を有する。平坦面には、切削粉が付着しやすい。切刃の平坦面は、被加工物の加工面に当接するので、平坦面と被加工物との間に切削粉が介在すると、切刃が欠けるチッピングが発生する可能性が高くなる。平坦面の面積が大きいほどチッピングが発生しやすい。また、切刃の数が多いほど、チッピングが発生しやすく、切削工具が短期間で使用できなくなる可能性がより高くなる。

また、切削加工において要求される加工形状精度が高いほど、切削部位の外周の形状と切刃の形状に対してより高い精度が求められる。ダイヤモンドのように切削が困難な高硬度材料で成る切削部位に多数の微小な切刃を精密に加工することは相当に大変な作業であり、この種の切削工具の製作における作業性の向上が望まれている。

本発明は、上記課題に鑑みて、回転させて使用する微細加工に適する高精度の切削工具であって、切刃の破損のおそれが低減され、より長時間の使用に耐える改良された切削工具を提供することを主たる目的とする。本発明の切削工具のいくつかの有利な点は、好適な実施の形態の説明において、その都度具体的に記述される。

本発明の切削工具は、上記課題を解決するために、先端側に設けられ横断面における外周（１０Ｃ）の形状が正多角形であって正多角形の各頂点（Ｐ）から中心軸（Ｏ）を結ぶ直線を中心線として、中心線を挟んで対称に中心線に平行な２本の直線を長手方向の輪郭とする所定の長さ（ｌ）でかつ材質に対応して加工面との接触にともなう摩擦に因るそれぞれの均等な磨耗によって避けることができない磨耗量に対応して決まる切削能力が維持できなくなるまでの寿命を短くしない範囲で可能な限り小さくされる所定の幅（ｇ）の細長い長方形の平坦面（２Ｂ）を有する所定の刃高（ｈ）の直線突起形状の複数の同形の切刃（２）が各切刃（２）同士が繋がらない状態で放散同形に設けられる切削部位（１０）と、後端側に設けられ切削部位（１０）を保持するシャンク（２０）と、を含んで成るようにされる。好ましくは、切刃（２）の側面が傾斜面（２Ｃ）である。また、望ましくは、切刃（２）が多結晶焼結ダイヤモンドで形成される。

本発明の切削工具は、切削部位の切削面の外形が正多角形であり、正多角形の各頂点から中心軸に向かって直線突起形状の複数の同形の切刃を各切刃同士が繋がらない状態で放散同形に設けて成る。そのため、切刃の平坦面の面積がより小さく切削粉が平坦面と被加工物の加工面との間に噛みにくいので、チッピングの発生が抑えられる。また、切削面において切刃と被加工物とが接触しない領域が比較的広く、切刃同士が繋がっていないため、摩擦抵抗をより小さくできるとともに、摩擦熱をより効率よく逃がすことができるので、磨耗量をより少なくすることができる。

そして、本発明の切削工具は、ワイヤカットによって切削部位の外周と切刃を成形することができる。そのため、より容易に高硬度材料で成る微細加工に適する精密な切削工具を製作することができる。特に、本発明の切削工具は、真円度がより高く、複数の切刃の形状誤差がより小さい。したがって、加工形状精度と加工速度が向上する。

本発明の切削工具を先端側から見た平面図である。 本発明の切削工具の一部断面を含む側面図である。 本発明の切削工具を先端側から見た斜視図である。 本発明の切削工具をワイヤカットで加工するプロセスを示す模式図である。 本発明の切削工具の切刃をワイヤカットで加工するプロセスを示す模式図である。

図１および図２に、本発明の好適な実施の形態の切削工具が示されている。図３は、図１および図２に示される実施の形態の切削工具の切刃を示す。本発明では、切削工具の長手方向の中心線を中心軸とし、切刃が設けられて加工に供される側を先端側とし、切削機械に取り付けられる側を後端側とする。そして、切削工具の先端面を天面と称し、天面に直交する面を側面とする。また、切削部位における天面と同一の面を切削面という。

切削工具１は、フライス盤あるいはマシニングセンタのような数値制御切削機械の回転主軸（スピンドル）に取り付けられる。切削工具１は、主に切削部位１０とシャンク２０とから成る。切削部位１０は、切削工具１の先端側に設けられる。シャンク２０は、切削工具１の後端側に設けられる。実施の形態の切削工具１では、切削部位１０とシャンク２０とが一体で成形されている。

切削部位１０は、図２に断面において斜線で示されるように、少なくとも切削面１０Ａから切刃２の刃高ｈよりも大きい厚さの多結晶焼結ダイヤモンドの層で形成されている。実施の形態の切削工具１では、切削面１０Ａと側面１０Ｂに沿って切刃２が設けられているので、少なくとも切削部位１０の切削面１０Ａと側面１０Ｂとを含めた表面の全体にわたって切刃２の刃高ｈよりも大きい厚さの多結晶焼結ダイヤモンドの層を有する。したがって、切刃２は、多結晶焼結ダイヤモンドで形成されている。切削部位１０の多結晶焼結ダイヤモンドの層以外の部位は、超硬合金で形成される。

シャンク２０は、超硬合金で形成されている。シャンク２０は、切削部位１０を直接または間接的に保持する。シャンク２０は、円柱形状である。シャンク２０の外径ｄは、切削部位１０の最小幅ｗよりも小さい。シャンク２０は、切削機械の回転主軸または回転主軸に装着される工具ホルダのチャックに締め付けられる切削工具１の後端側の部位である。シャンク２０をチャックに締め付けて固定することによって切削工具１を回転主軸に取り付けることができる。

切削部位１０の形状は、正多角柱である。したがって、切削部位１０の横断面における外周１０Ｃの形状、端的に言うと、切削部位１０の切削面１０Ａの外形は、正多角形である。具体的に、実施の形態の切削工具１において、切削面１０Ａの外形は、正六角形である。そのため、実施の形態の切削工具１は、比較的容易に複数の切刃２の切削量のバランスを得ることができる利点を有する。

切刃２は、切削部位１０の外周１０Ｃの正多角形の各頂点Ｐに設けられる。したがって、切削工具１は、外周１０Ｃの正多角形の頂点Ｐの数と同じ数の同形の切刃２を有する。例えば、図１に示される外形が正六角形の切削工具１では、刃数が６である。複数の同形の切刃２は、回転軸Ｏを中心とする回転方向Ｒに向かって刃先２Ａを有する。刃先２Ａは、回転軸Ｏに対して直交する方向（加工送り方向）と、回転軸Ｏに対して平行な方向（加工深さ方向）とに設けられる。

複数の同形の各切刃２は、それぞれ切削部位１０の外周１０Ｃの正多角形の各頂点Ｐから中心軸Ｏに向かって平坦面２Ｂを有する堤防態様の直線突起形状に形成されている。本発明でいう堤防態様の直線突起とは、具体的に、図１に示されるように、正多角形の頂点Ｐから中心軸Ｏを結ぶ直線を中心線として、中心線を挟んで対称に中心線に平行な２本の直線を輪郭とする幅ｇで長さｌの細長い長方形の平坦面２Ｂを有する刃高ｈの突起を示す。

直線突起形状の切刃２の側面を傾斜面２Ｃにすることができる。傾斜面２Ｃは、切刃２の刃先角βを決める。実施の形態の切削工具１は、平坦面２Ｂを有するので逃げ角がないが、切刃２の側面を傾斜面２Ｃにすることによってすくい角αが実質的に負になるため、超硬合金のような高硬度材料の被加工物を高速で切削するときのチッピングを抑制することができる。

平坦面２Ｂは、複数の切刃２がそれぞれ標準的な摩擦に因る均等な磨耗によって、より長時間連続して切削能力を維持するために必要である。ただし、平坦面２Ｂが加工面に当接するので、平坦面２Ｂと加工面との間に切削粉が入り込むことによって切刃２を欠損させるおそれがある。実施の形態の切削工具１における直線突起形状の切刃２では、材質に対応して標準的な摩擦に因る均等な磨耗によって決まる寿命を短くしない範囲で直線突起の幅ｇが可能な限り小さくされている。そのため、切削工具１では、より小さくされた平坦面２Ｂの面積に相応してチッピングのおそれが低減される。

複数の切刃２は、各切刃２同士が中心軸Ｏ廻りにおいてそれぞれ互いに繋がらない状態で各頂点Ｐに放散同形に設けられる。本発明でいう放散同形とは、切削面１０Ａにおいて各切刃２が中心軸Ｏを中心に放射状に同一間隔で均等に分散して配設されることをいう。切削工具１では、可能な限り平坦面２Ｂが小さくされているとともに、各切刃２が放散同形に配置されている。そのため、摩擦抵抗が比較的小さく、より広くされた切刃２と被加工物とが接触しない空間を通して摩擦熱が効率よく逃がされる。その結果、切削工具１では、磨耗量をより少なくすることができる。

刃数が多いほど切削工具１の１回転当たりの切削量が多いと言える。しかしながら、切刃２の形状によるが、複数の切刃２の各平坦面２Ｂの総面積が切削面１０Ａの全体の面積に対して占める割合が多くなると、それだけ摩擦熱が高温になるとともに放熱効果が急速に低下して摩擦量が増大する。実施の形態の切削工具１では、切刃２の平坦面２Ｂの面積が可能な限り小さくされるとともに、刃先２Ａの長い直線突起形状の切刃２が切削面１０Ａの外周１０Ｃの正多角形の頂点Ｐの数だけ設けられているので、十分な切削効率を有しながら、磨耗量がより小さくされている。

また、実施の形態の切削工具１では、正多角形の各頂点Ｐに堤防態様の直線突起形状の切刃２を放散同形に配設しているので、切刃２を比較的容易により均一に高精度に加工しやすい利点がある。そして、切削工具１が回転したときに、複数の切刃２の刃先２Ａが作る軌道１０Ｄの真円度をより高くすることができるので、見掛け上の芯振れが小さく抑えられた状態で切削することができ、高い加工形状精度を得ることができる。

図４および図５は、ワイヤカットによって切刃を切り出すプロセスを模式的に示す。図４は、切削工具を製作するための素材の側面を示す。図４は、具体的に、円柱形状の素材から切刃がない切削工具の原型を形成するまでのプロセスを示す。図５は、切削工具の天面に当たる素材の先端面を示す。

素材３は、高硬度の導電性の材料で形成されている。また、素材３は、切刃２を含めて切削工具１の全体が同一の材料で形成されるときを除いて、切刃２の材料を接合ないし被覆することができる材料でなる。具体的に、素材３の材質は、高速度工具鋼あるいは超硬合金である。切刃２は、多結晶焼結ダイヤモンドのような高硬度の導電性の材料で形成される。一方、ワイヤ電極４は、タングステンあるいは黄銅の高抗張力を有する導電性の金属ないし合金から成るφ０．１ｍｍ以下の線であることが望ましい。

図４Ａに示されるように、素材３を図示しないワイヤカット放電加工機の主軸に装着するとともに、ワイヤ電極４を水平に張架する。そして、主軸を所定の回転数で回転させながら、素材３とワイヤ電極４とを水平方向Ｘと垂直方向Ｚに相対移動させ、放電加工によって素材３の表面を最終的に形成される切削工具１の外径を超えない範囲で均一に除去する。さらに、そのまま素材３を主軸に取り付けた状態で、素材３のシャンク２０に該当する部位の表面をシャンク２０の予定されている外径ｄよりもある程度大きい適当な外径になるまで均一に除去する。

次に、段付の円柱形状に形成された素材３を一旦主軸から取り外し、後の工程で段付の外径が大きい部位を外形が正多角形になるように切断することを見込んで、同部位の表面に切刃２の刃高ｈよりも大きい所要の厚さの多結晶焼結ダイヤモンドの層３Ａを形成する。そして、素材３を主軸に装着し直して、ワイヤ電極４を水平に張架する。

図４Ｂに示されるように、主軸を所定の回転数で回転させながら、素材３とワイヤ電極４とを水平方向Ｘと垂直方向Ｚに相対移動させ、放電加工によって段付の外径が小さい部位の表面をシャンク２０の外径ｄになるまで均一に除去する。さらに、そのまま素材３を主軸に取り付けた状態で、素材３の外径が大きい部位の表面を刃先２Ａが作る軌道１０Ｄの直径２ｒになるまで表面を均一に除去する。したがって、真円度が高い外形を有する段付の円柱形状の素材３を得ることができる。

このとき、予め未加工の柱形状の素材３の天面と側面の全面に所要の厚さの多結晶焼結ダイヤモンドの層を形成させておいてから、ワイヤカットによる表面の除去を行なうようにすることができる。また、予め素材３の全部または切削部位１０に該当する部位の全部を多結晶焼結ダイヤモンドで形成させておくことができる。この場合は、材料費がより高くなる欠点があるが、切削工具１を製作するプロセスで素材３を主軸から取り外す必要がなくなるので、作業にかかる負担が一層軽減される利益がある。

図４Ｃに示されるように、主軸を所定角度ずつ回転角度割出を行なって回転させ、素材３とワイヤ電極４とを水平方向Ｘと垂直方向Ｚに相対移動させ、放電加工によって段付の外径が大きい部位における多結晶焼結ダイヤモンドの層３Ａの表面を正多角形に切断する。実施の形態の切削工具１は、外周１０Ｃの形状が正六角形であるので、主軸を６０度ずつ回転角度割出を行ないながら各面を切り出す。なお、合わせて切刃２の刃先２Ａに当たる正多角形の各頂点３Ｂの面取りをしておくとよい。

図５に示されるように、素材３を主軸に取り付けたまま水平に張架しているワイヤ電極４を素材３の先端面に対向配置する。素材３の先端面は、切削工具１の切削面１０Ａになる。回転角度割出の基準位置を水平に張架されている原点の位置にあるワイヤ電極４と外周１０Ｃの形状の正多角形の一辺とが平行になる位置に設定する。そして、素材３に対してワイヤ電極４を水平に維持したまま平行に相対移動させ、放電加工によって切刃２を部分的に切り出す。

例えば、ワイヤ電極４を方向３Ｃに平行に相対移動させて放電加工する場合は、切刃２１と切刃２２の平坦面を加工した後に主軸の高さを相対的に徐々に変化させながら切刃２１と切刃２２の傾斜面を加工する。そのまま切刃２３と切刃２４の裾まで加工してから主軸の高さを徐々に変化させて切刃２３の切刃２４の傾斜面と平坦面を加工する。そして、切刃２５と切刃２６の傾斜面と平坦面を加工して方向３Ｃの加工を終了する。このときにワイヤカットで放電加工される部位は、図５に斜線で示される領域Σである。

１つの方向の加工を完了する毎に、外周１０Ｃの形状の正多角形に依存する回転角度δで主軸の回転角度割出を行なって、方向３Ｃの加工と同じようにして、各切刃２を部分的に切り出す。実施の形態の切削工具１は、外周１０Ｃの形状が正六角形であるので、割出角度δは６０度である。このようにして、順次回転角度割出を行なってから一定の方向で加工していくと、主軸を１周３６０度回転させたところで、所要の数の同形の切刃２が放散同形に切り出される。

各切刃２の平坦面２Ｂは、各方向に加工する毎に常に同時に加工される。したがって、平坦面２Ｂは、最終的に均一の高さに加工される。そのため、切刃２がより高精度に同じ刃高ｈで切り出されるので、切刃２のバランスが保持され、各切刃２に偏磨耗が生じにくく、切削工具１の寿命をより長くすることができる利点がある。また、基本的に、一度位置決めされた素材３とワイヤ電極４との相対位置関係を崩さずにワイヤカットだけで一気に複数の切刃２を放散同形に加工することができる。その結果、真円度が高く、複数の切刃２のばらつきが小さい高精度な切削工具を比較的容易に得ることができる。

以上に示される切削工具１は、外周１０Ｃの形状の正多角形の各頂点Ｐから中心軸Ｏに向かって堤防態様の直線突起形状の複数の同形の切刃２を各切刃２が繋がらない状態で放散同形に設けて成るので、切削が困難な素材３を高精度に切断可能なワイヤカットによって精密な複数の切刃２を同時に形成することができる。その結果、切削工具１を製作するにあたって作業性が向上し、作業の負担が軽減される。

本発明の切削工具は、詳しく説明された実施の形態の切削工具に限定されるべきではない。既にいくつかの例が挙げられているが、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で実施の形態の切削工具を変形ないし応用して実施することができる。

本発明は、金属を切削加工する金属加工機械の技術分野において利用される。本発明の切削工具は、切刃が高硬度材料で成り、耐磨耗性に優れるとともに、製作がより容易で作業の負担が軽減され、加工形状精度と加工速度に優れる。本発明は、金属加工機械の技術分野の発展に寄与する。

１ 切削工具
２ 切刃
２Ａ 刃先
２Ｂ 平坦面
２Ｃ 傾斜面
１０ 切削部位
１０Ａ 切削面
１０Ｂ 側面
１０Ｃ 外周
２０ シャンク
３ 素材
４ ワイヤ電極

Claims (3)

1. 先端側に設けられ横断面における外周の形状が正多角形であって前記正多角形の各頂点から中心軸を結ぶ直線を中心線として、前記中心線を挟んで対称に前記中心線に平行な２本の直線を長手方向の輪郭とする所定の長さでかつ材質に対応して加工面との接触にともなう摩擦に因るそれぞれの均等な磨耗によって避けることができない磨耗量に対応して決まる切削能力が維持できなくなるまでの寿命を短くしない範囲で可能な限り小さくされる所定の幅の細長い長方形の平坦面を有する所定の刃高の直線突起形状の複数の同形の切刃が前記各切刃同士が繋がらない状態で放散同形に設けられる切削部位と、後端側に設けられ前記切削部位を保持するシャンクと、を含んで成る切削工具。
2. 前記切刃の側面が傾斜面である請求項１に記載の切削工具。
3. 前記切刃が多結晶焼結ダイヤモンドで形成される請求項１に記載の切削工具。
   

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