JP6086179B1 - 刃先交換式回転切削工具及びインサート - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2015年11月16日に、日本に出願された特願2015−223958号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
また、ソリッドタイプは、例えば、外径がφ10mm以上のサイズにおいては工具自体も非常に高価であるため、工具突出しの長い(L/Dが4以上)加工においては、刃先交換式ラジアスエンドミルが使用される。加工精度を得るためには、ビビリ振動の発生を抑制するとともに、切れ刃にチッピングや欠損が発生しないように切削条件を落として加工する必要がある。なお、前記「切削条件を落として」とは、例えば、切り込み量や送り等の切削条件を低い値に抑えることである。
このため、刃先交換式ラジアスエンドミルの切れ刃形状に関しては種々の提案がされている。
しかし、特許文献1のエンドミルには、被削材の側面仕上げ加工における外周切れ刃の食付きを向上することや、底面仕上げ加工における工具寿命を延長することについて改善の余地がある。
しかし、特許文献2のエンドミルには、被削材の側面仕上げ加工における外周切れ刃の食付き、および底面仕上げ加工における工具寿命について改善の余地がある。
しかし、特許文献3のエンドミルには、被削材の側面仕上げ加工における外周切れ刃の食付きを向上することや、底面仕上げ加工における工具寿命を延長することについて改善の余地がある。
しかし、特許文献4のエンドミルには、被削材の側面仕上げ加工における外周切れ刃の食付き、および底面仕上げ加工における工具寿命について改善の余地がある。
また、本願発明の他態様のインサートは、上述の刃先交換式回転切削工具に用いられることを特徴としている(以下、「本願発明のインサート」と称する)。
これにより、外周切れ刃において刃先側へ向けて作用する切削抵抗を打ち消すことができる。従って、回転中心軸方向の刃先側へかかる切削抵抗によって工具本体が撓む現象を、改善することができる(切削抵抗による工具の撓みを低減できる)。
このように、一対の前記境界点におけるコーナーR切れ刃の放射方向すくい角が、両方ともに負の値(ネガティブ角)とされていることにより、コーナーR切れ刃の刃先強度を十分に確保することができる。
一方、例えば本願発明とは異なり、一対の前記境界点におけるコーナーR切れ刃の放射方向すくい角のうち、いずれか一方、または両方が正の値(ポジティブ角)の場合は、コーナーR切れ刃の強度低下が生じるため不都合である。
一方、上述した|γ|>|α|>|β|、の関係を有していない場合は、底面仕上げ加工や側面仕上げ加工(特に底面仕上げ加工)において、切れ刃境界部が損傷し易くなることがある。
なお、上記「基準面に投影した仮想直線」とは、基準面に対して垂直に、仮想直線を投影させることを指す。
また、コーナーR切れ刃の放射方向すくい角(真のすくい角)が最小値となる点が、コーナーR切れ刃のうち放射角度が50°以下となる領域に位置することにより、この最小値の部分に形成された刃先強化部が、一般的な底面仕上げ代の範囲に収まりやすくなる。従って、底面仕上げの仕上げ加工代に係わらず、切れ刃境界部のチッピングを防止する効果が顕著に得られる。
工具突出しの長い側面仕上げ加工に適している理由の1つは、コーナーR切れ刃(13)に軸方向すくい角(Ar1)値を負とした面取り面(15)を設けることにより、コーナーR切れ刃(13)と外周切れ刃(9)の被削材への食付きを改善したことによる。
図2は、図1に示す刃先交換式ラジアスエンドミル(6)の平面図である。
図3は、図1に示す刃先交換式ラジアスエンドミル(6)の側面図である。
図4は、図1に示す刃先交換式ラジアスエンドミル(6)の正面図である。
図5は、図1に示す刃先交換式ラジアスエンドミル(6)のインサート(5)を示す斜視図である。
図1〜図4に示すように、刃先交換式ラジアスエンドミル(6)は、略円柱状をなす工具本体(1)と、工具本体(1)の回転中心軸(C)方向の先端部(2)に形成された取付座(3)に着脱自在に装着され、切れ刃部(4)を有するインサート(5)と、を備えている。
工具本体(1)の回転中心軸(C)方向の基端部には、図示しないシャンク部がこの工具本体(1)と一体に形成されている。
取付座(3)に取り付けられたインサート(5)は、その切れ刃部(4)が、工具本体(1)の先端側及び径方向外側に突出して配置される。
本実施形態においては、工具本体(1)の回転中心軸(C)が延在する方向、つまり回転中心軸(C)に平行な方向を、回転中心軸(C)方向という。また、回転中心軸(C)方向のうち、工具本体(1)のシャンク部から取付座(3)へ向かう方向を先端側(図2及び図3における下側)といい、取付座(3)からシャンク部へ向かう方向を基端側(図2及び図3における上側)という。
また、回転中心軸(C)回りに周回する方向を周方向という。周方向のうち、切削時に主軸の回転駆動により工具本体(1)が回転させられる向きを工具回転方向(R)といい、これとは反対の回転方向を、工具回転方向(R)とは反対側(つまり反工具回転方向)という。
取付座(3)は、工具本体(1)の先端部(2)に、工具の回転中心軸(C)を含んで径方向に延びて形成されたスリット状のインサート嵌合溝(7)と、インサート嵌合溝(7)に挿入されたインサート(5)を固定するための固定用ネジ(8)と、を備えている。
また、一方の先端半体部を通って、他方の先端半体部内に達するインサート固定用ネジ穴の内周面には、固定用ネジ(8)の雄ネジ部とネジ嵌合させるための雌ネジ部が刻設されている。
切れ刃を備えているインサート(5)の構成例を、図5〜図11を参照して説明する。
図5は、本発明例のインサート(5)の斜視図である。
図6は、図5に示すインサート(5)のコーナーR切れ刃(13)近傍を拡大した平面図である。
図7は、図5に示すインサート(5)のコーナーR切れ刃(13)近傍を拡大した側面図である。
図8は、図5に示すインサート(5)のコーナーR切れ刃(13)近傍を拡大した正面図である。
図9は、図5に示すコーナーR切れ刃(13)近傍の拡大図である。
図10は、本実施形態の刃先交換式ラジアスエンドミル(6)のコーナーR切れ刃(13)における、放射方向すくい角(δ)及び放射角度(θ)を説明する図である。
図11は、本実施形態の刃先交換式ラジアスエンドミル(6)のコーナーR切れ刃(13)における、放射方向すくい角のプロファイルである。
取付座(3)にインサート(5)を装着して刃先交換式ラジアスエンドミル(6)を回転中心軸(C)回りに回転させると、一対の外周切れ刃(9)の回転軌跡は、円筒状に形成される。
取付座(3)にインサート(5)を装着して刃先交換式ラジアスエンドミル(6)を回転中心軸(C)回りに回転させると、一対の底切れ刃(11)の回転軌跡は、略円錐状に形成される。
ただし、底切れ刃(11)のすくい面(12)における、回転中心軸(C)方向における単位長さあたりの周方向へ向けた変位量、つまりすくい面(12)の回転中心軸(C)方向に対する傾きは、内側底切れ刃(20)よりも外側底切れ刃(19)において大きくされている。
これは、底切れ刃(11)のすくい面(12)のうち、外側底切れ刃(19)に対応する部分が、面取り面(15)に配置されているためである。面取り面(15)については、別途後述する。なお、本実施形態の例では、内側底切れ刃(20)の軸方向すくい角が0°とされ、外側底切れ刃(19)の軸方向すくい角が負の値とされている。
取付座(3)にインサート(5)を装着して刃先交換式ラジアスエンドミル(6)を回転中心軸(C)回りに回転させると、一対のコーナーR切れ刃(13)の回転軌跡(回転軌跡の回転中心軸(C)を含み回転中心軸(C)方向に平行な断面の形状)は、略1/4円弧状に形成される。
本実施形態の例では、面取り面(15)が、上述の切れ刃及び稜線に囲まれて形成された平面領域となっている。
そして、刃先交換式ラジアスエンドミル(6)は、切れ刃部(4)のコーナーR切れ刃(13)近傍に、下記の特別な技術的特徴を備えている。
図10に示す符号「Pr」は、刃先交換式ラジアスエンドミル(6)の工具の主運動方向(工具回転方向R)に垂直な基準面である。基準面(Pr)は、回転中心軸(C)を含む仮想の平面であり、本実施形態では図10に示すように、コーナーR切れ刃(13)上の所定の点(A)をその面内に含んでいる。また、図10の左上図は、基準面(Pr)に垂直な方向から見たインサートのコーナーR切れ刃部近傍の拡大図である。
符号「VL」は、コーナーR切れ刃(13)の円弧中心点(O)とコーナーR切れ刃(13)の所定の点(A)とを通る仮想直線である。
図10の右下図に符号「VS」で示すインサート(5)の断面(ハッチングした面)は、基準面(Pr)に対して垂直であり、かつ、仮想直線(VL)を含む仮想平面である。
符号「η」で示すものは、コーナーR切れ刃(13)の所定の点(A)における逃げ角であり、言い換えると、仮想平面(VS)において仮想直線(VL)に直交する直線とコーナーR切れ刃(13)の逃げ面とのなす角度である。
また、コーナーR切れ刃(13)と底切れ刃(11)との境界点(P)(つまりθ=0°)におけるコーナーR切れ刃(13)の放射方向すくい角(δ)は、コーナーR切れ刃(13)と外周切れ刃(9)との境界点(Q)(つまりθ=90°)におけるコーナーR切れ刃(13)の放射方向すくい角(δ)よりも、小さい。
なお、図11において、θ=90°における右端のデータは、コーナーR切れ刃(13)と外周切れ刃(9)との境界点(Q)における外周切れ刃(9)の真のすくい角であり、正の値を有している。
詳しくは、放射方向すくい角(δ)の最小値は、コーナーR切れ刃(13)のうち、放射角度(θ)で5°以上50°以下の範囲に設定されている。言い換えると、放射すくい角(δ)が最小値となる点が、コーナーR切れ刃(13)のうち放射角度(θ)が5°以上50°以下の領域に位置している。図11に示す例では、放射方向すくい角(δ)が、放射角度(θ)で10°以上30°以下の範囲(特に20°付近)において、最小値となっている。
以上説明した本実施形態の刃先交換式ラジアスエンドミル(6)及びインサート(5)は、円弧状のコーナーR切れ刃(13)と外周切れ刃(9)との境界点(Q)(最外周位置)におけるコーナーR切れ刃(13)の軸方向すくい角(Ar1)が負の値を有し、コーナーR切れ刃(13)と底切れ刃(11)との境界点(P)(最先端位置)におけるコーナーR切れ刃(13)の軸方向すくい角(Ar2)が負の値を有している。つまり、コーナーR切れ刃(13)の軸方向すくい角(Ar)は、ネガティブ角とされている。また、外周切れ刃(9)のねじれ角(ε)は、正の値を有しており、ポジティブ角とされている。
これにより、外周切れ刃(9)において刃先側へ向けて作用する切削抵抗を打ち消すことができる。従って、回転中心軸(C)方向の刃先側へかかる切削抵抗によって工具本体(1)が撓む現象を、改善することができる。
このように、一対の前記境界点(P、Q)におけるコーナーR切れ刃(13)の放射方向すくい角(δ)が、両方ともに負の値(ネガティブ角)とされていることにより、コーナーR切れ刃(13)の刃先強度を十分に確保することができる。
一方、例えば本実施形態とは異なり、一対の前記境界点(P、Q)におけるコーナーR切れ刃(13)の放射方向すくい角(δ)のうち、いずれか一方、または両方が正の値(ポジティブ角)の場合は、コーナーR切れ刃(13)の強度低下が生じるため不都合である。
つまり、コーナーR切れ刃(13)と底切れ刃(11)との境界点(P)におけるコーナーR切れ刃(13)の放射方向すくい角(δ)が、コーナーR切れ刃(13)と外周切れ刃(9)との境界点(Q)におけるコーナーR切れ刃(13)の放射方向すくい角(δ)よりも負の角度側(ネガティブ角側)に大きくされているので、底切れ刃(11)の耐欠損性の向上と切り屑の排出性の改善を図り、仕上げ面を高品質に維持することができる。
これにより、粗加工や中仕上げ加工において切れ刃境界部のチッピングを防止する効果が顕著に得られるため好ましい。
一方、本実施形態とは異なり、上述した|γ|>|α|>|β|、の関係を有していない場合は、底面仕上げ加工や側面仕上げ加工(特に底面仕上げ加工)において、切れ刃境界部が損傷し易くなることがある。
また、コーナーR切れ刃(13)の放射方向すくい角(δ)(真のすくい角)の最小値となる点が、コーナーR切れ刃(13)上の放射角度(θ)が50°以下となる領域に位置することにより、この最小値の部分に形成された刃先強化部が、一般的な底面仕上げ代の範囲に収まりやすくなる。従って、底面仕上げの仕上げ加工代に係わらず、切れ刃境界部のチッピングを防止する効果が顕著に得られる。
なお、本願発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
まず、本願発明の実施例である本発明例1として、前述した実施形態の刃先交換式ラジアスエンドミル(6)を用意した。
工具本体(1)は、刃先径(刃径)がφ20mm、シャンク径がφ20mm、全長220mm、首下長さ120mm、首下径がφ19mmとされた超硬シャンクタイプを用いた。
また、取付座(3)のインサート固定部(インサート嵌合溝7)はマシニングセンターにてフライス加工により形成した。インサート(5)を着脱するための固定用ネジ(8)は、呼び径がM6、ピッチが0.75mmのネジサイズを使用した。
インサート(5)の形状は図5に示すように略平板形状であり、コーナーR切れ刃(13)のR寸法が1mm、図8に示す厚さ寸法T値が5.2mm、図3に示すインサート側面視における外周切れ刃(9)の長さは7mm、このインサート側面視における外周切れ刃(9)の軸方向すくい角(つまりねじれ角ε)を正の値で4°とした。また、外周切れ刃(9)の径方向すくい角(回転中心軸(C)に直交する方向から見た場合のすくい角)を0.5°とした。
底切れ刃(11)は、該底切れ刃(11)とコーナーR切れ刃(13)との境界点(P)を通り回転中心軸(C)に垂直な水平面に対して、境界点(P)から径方向内側へ向かうに従い漸次回転中心軸(C)方向の基端側へ向けて延びるように傾斜し、この傾斜する角度である正の中低勾配角を3°に設定した。
本発明例1のインサート(5)は面取り面(15)を備え、コーナーR切れ刃(13)の境界点(Q)の位置における軸方向すくい角(Ar1)と、境界点(P)の位置におけるコーナーR切れ刃(13)の軸方向すくい角(Ar2)を、同じ負の値となる−6.8°に設定した。
しかしながら、インサート(5)の製作時において、実際に面取り面(15)の研削加工を行ったときには、外周切れ刃(9)の形成予定領域(理論上、外周切れ刃(9)が形成されることが予定される領域)の先端部から、コーナーR切れ刃(13)の形成予定領域(理論上、コーナーR切れ刃13が形成されることが予定される領域)の基端部にわたる、所定の領域(S)におけるいずれかの部分に、実際の境界点(Q)となる点Eが形成される。つまり、理論上の境界点(Q)に対して、実際の境界点(Q)である点Eの位置が、製造上の諸事情等により僅かにずれて配置される場合がある。
また、本発明例1のコーナーR切れ刃(13)の放射角度(θ)40°における切れ刃断面の模式図を図10に示す(図10の右下図)。放射角度(θ)40°における放射方向すくい角(δ)は、−6.6°の例を示す。
なお、表1においては、放射角度(θ)が0°のとき(境界点P)の放射方向すくい角(δ)を、α値とし、放射角度(θ)が90°のとき(境界点Q)の放射方向すくい角(δ)を、β値とし、放射方向すくい角(δ)の最小値を、γ値として示している。
ここで言う倒れ精度とは、被削材立壁側面部の形状プロファイル線と鉛直線とを、被削材立壁側面部の頂点を基準として比較した場合において、両者の乖離寸法の最大値を倒れ精度(μm)としている。即ち、形状プロファイル線と鉛直線とが一致している場合は、理想的な加工が行えていることを示している。切削速度(Vc)ごとの立壁側面部の形状プロファイル線を図14〜19に示す。
被削材 :炭素鋼S55C(プラスチック金型用途)
被削材硬さ :220HB(ブリネル硬さ)
切削速度(Vc) :100m/分、200m/分
主軸の回転数(n) :1592回転/分、3184回転/分
1刃辺りの送り(fz):0.15mm(一定)
テーブル送り(Vf) :478mm/分、955mm/分
軸方向切込み量(ap):1mm(一定)
径方向切込み幅(ae):0.1mm(一定)
工具突出し :140mm
加工方法 :乾式、立壁側面部の等高線仕上げ加工
切削速度(Vc値)の条件が100m/分の場合においては、面取り面を備えた本発明例1は、倒れ精度が5(μm)となり良好な結果を示した。さらに、高能率条件である、切削速度(Vc値)の条件が200m/分の場合においても、本発明例1は、倒れ精度が5(μm)となり良好な結果を示すことが確認できた。
この理由は、被削材へ食付くコーナーR切れ刃の軸方向すくい角が、外周切れ刃の軸方向すくい角(ねじれ角)と同一であることにより、食付きが線接触で開始されるために、びびり振動の発生率が高いことが影響していると考えられる。
比較例2、3のインサートを用いた加工により形成された立壁側面部は、底部に近づくほど鉛直線との乖離が大きくなっており、切削速度が大きいほどこの傾向が顕著であることが確認できた。これに対し、本発明例1のインサートを用いた加工により形成された立壁側面部は、上部から底部に至るまで鉛直線との乖離寸法が一定に保たれており、水平面に垂直な面が形成されていることが確認できた。
本発明例1に係る工具本体(1)とシャンク部は、例えば、SKD61等の合金工具鋼で製造する場合と、工具本体(1)をSKD61等の合金工具鋼とし、超硬合金で製造したシャンク部を工具本体(1)に接合した超硬シャンクタイプを用いることも可能である。
2 先端部
3 取付座
4 切れ刃部
5 インサート
6 刃先交換式ラジアスエンドミル(刃先交換式回転切削工具)
7 インサート嵌合溝
8 固定用ネジ
9 外周切れ刃
10 外周切れ刃のすくい面
11 底切れ刃
12 底切れ刃のすくい面
13 コーナーR切れ刃
14 コーナーR切れ刃のすくい面
15 面取り面
16、17 切屑排出溝
A コーナーR切れ刃上の所定の点
Ar1、Ar2 軸方向すくい角(アキシャルレーキ)
C 回転中心軸
O 円弧中心点
P、Q 境界点
Pr 基準面
VL 仮想直線
VS 仮想平面
δ 放射方向すくい角(真のすくい角)
ε ねじれ角
θ 放射角度
Claims (4)
- 工具本体(1)の先端部(2)に設けた取付座(3)に、切れ刃部(4)を有するインサート(5)を着脱自在に装着する刃先交換式回転切削工具(6)であって、
前記取付座(3)は、
前記工具本体(1)の先端部(2)に、工具の回転中心軸(C)を含んで前記回転中心軸(C)に直交する径方向に延びて形成されたスリット状のインサート嵌合溝(7)と、
前記インサート嵌合溝(7)に挿入された前記インサート(5)を固定するための固定用ネジ(8)と、を備え、
前記インサート(5)の切れ刃部(4)は、
前記回転中心軸(C)方向に沿うように延びる外周切れ刃(9)と、
前記外周切れ刃(9)のすくい面(10)と、
前記径方向に沿うように延びる底切れ刃(11)と、
前記底切れ刃(11)のすくい面(12)と、
前記底切れ刃(11)の前記径方向の外端と前記外周切れ刃(9)の前記回転中心軸(C)方向の先端とを繋ぐとともに、前記工具本体(1)の先端外周側へ向けて凸となる円弧状に形成されたコーナーR切れ刃(13)と、
前記コーナーR切れ刃(13)のすくい面(14)と、
前記コーナーR切れ刃(13)のすくい面(14)、及び、前記底切れ刃(11)のすくい面(12)のうち少なくとも前記径方向の外側に位置する部分を含む面取り面(15)と、
前記底切れ刃(11)のすくい面(12)の前記回転中心軸(C)方向の基端側に形成される切屑排出溝(16)と、
前記外周切れ刃(9)のすくい面(10)の前記径方向の内側に形成される切屑排出溝(17)と、を備え、
前記外周切れ刃(9)のねじれ角(ε)が、正の値を有し、
前記コーナーR切れ刃(13)と前記外周切れ刃(9)との境界点(Q)における前記コーナーR切れ刃(13)の軸方向すくい角(Ar1)が、負の値を有し、
前記コーナーR切れ刃(13)と前記底切れ刃(11)との境界点(P)における前記コーナーR切れ刃(13)の軸方向すくい角(Ar2)が、負の値を有し、
前記コーナーR切れ刃(13)上の所定の点(A)及び前記回転中心軸(C)を含む基準面(Pr)に対して垂直であり、かつ、前記コーナーR切れ刃(13)の円弧中心点(O)と前記所定の点(A)とを通る仮想直線(VL)を含む仮想平面(VS)内において、前記基準面(Pr)に対して前記コーナーR切れ刃(13)のすくい面(14)が傾斜する角度である真のすくい角を、放射方向すくい角(δ)と定義して、
前記コーナーR切れ刃(13)の放射方向すくい角(δ)が、前記コーナーR切れ刃(13)の刃長全域において負の値を有し、
前記放射方向すくい角(δ)は、前記コーナーR切れ刃(13)のうち、一対の前記境界点(P、Q)同士の間に位置する中間部分において最小値となることを特徴とする刃先交換式回転切削工具(6)。 - 請求項1に記載の刃先交換式回転切削工具(6)であって、
前記コーナーR切れ刃(13)と前記底切れ刃(11)との境界点(P)における前記コーナーR切れ刃(13)の前記放射方向すくい角(δ)は、前記コーナーR切れ刃(13)と前記外周切れ刃(9)との境界点(Q)における前記コーナーR切れ刃(13)の前記放射方向すくい角(δ)よりも小さいことを特徴とする刃先交換式回転切削工具(6)。 - 請求項1又は2に記載の刃先交換式回転切削工具(6)であって、
前記基準面(Pr)に投影した前記仮想直線(VL)が、前記基準面(Pr)内において、前記回転中心軸(C)に対して傾斜する角度を、放射角度(θ)と定義して、
前記放射方向すくい角(δ)の最小値が、前記コーナーR切れ刃(13)のうち、前記放射角度(θ)で5°以上50°以下の範囲に設定されていることを特徴とする刃先交換式回転切削工具(6)。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の刃先交換式回転切削工具(6)に用いられることを特徴とするインサート(5)。
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