JP6089596B2 - エンドミル及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、精密金型等の加工に用いられる小径のエンドミル及びその製造方法に関する。

エンドミルは、外周部に形成される外周刃と先端に形成される底刃とからなる切刃部と、シャンク部とを有している。このエンドミルは軸線回りに回転し、その外周刃により軸方向に沿った垂直面の切削加工が行われ、底刃により軸方向と直交する水平面の切削加工が行われる。
この種のエンドミルにおいては、切刃部が鋭利すぎると欠損が生じやすいので、切刃部には、長寿命化のために一般に砥石を使った研削加工によってチャンファーホーニング等を形成して、耐欠損性を向上させ、長寿命化を図っている。この場合、軸線を中心として回転する工具では、底刃の軸線に近い側と外周部に近い側とでは周速度が異なり、速度が速い外周部側ではチッピングなどを防ぐための耐欠損性が必要であり、速度が遅い軸線側では切削抵抗を小さくすることが必要となる。

耐チッピング性を向上させて長寿命化を図ったエンドミルとしては、例えば、特許文献１のエンドミルが提案されている。このエンドミルでは、先端に複数のアール刃を有するエンドミルにおいて、アール刃にマージンを設けてこのマージンの幅を１刃内で可変とすることで安定した切削加工を得ようとするものである。

特開２００３−２８５２１８号公報

しかしながら、特許文献１のエンドミルではマージンの幅の調整によって切削抵抗を減少して高効率化を図ろうとはしているが、このマージンは切削時に平面接触によって被削材と接触するため、切削抵抗が大きい。
近年では、金型の形状の複雑化や小型化に伴って直径２ｍｍ以下の小径のエンドミルの需要の増加が見込まれており、このような小径のエンドミルにおいては、特に切削抵抗の減少と、耐欠損性の向上を果たすことが重要となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、回転時に速度の速い外周部側の耐欠損性を向上し、速度の遅い軸線側の切削抵抗を小さくして、直径２ｍｍ以下の小径の場合でも安定した強度を維持しながら切削でき、切削性の向上と長寿命化を図ることができるエンドミル及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明のエンドミルは、直径が２ｍｍ以下であり、底刃のすくい面と逃げ面との稜線部に、該稜線部の長さ方向と直交する断面が凸円弧状となるホーニング面が形成されるとともに、該ホーニング面の曲率半径が半径方向の外方に向かうにしたがって漸次大きく形成されており、前記ホーニング面の曲率半径は、軸線上から半径方向外方に向けて１／５０以上１／２０以下のテーパ率で変化し、外周端で標準切り込み深さの１／２以下であることを特徴とする。

このようにホーニング面の曲率半径が底刃の半径方向外方に向かうにしたがって漸次大きく形成されていることで、軸線側の中央付近ではホーニング面の曲率半径が小さくなって切刃がシャープになり、外周部側になるにしたがってホーニング面の曲率半径が大きくなる。そのため、速度の遅い軸線側では切刃の切削性を向上して切削抵抗を抑制し、速度の速い外周側では耐欠損性を向上してチッピングを防止できる。しかも、ホーニング面の曲率半径を連続的に変化させることで強度的に安定したバランスのとれた切削性のよい底刃を形成することができる。

また、前記ホーニング面の曲率半径は、軸線上から半径方向外方に向けて１／５０以上１／２０以下のテーパ率で変化し、外周端で標準切り込み深さの１／２以下であることから、軸線上にほぼピン角の鋭利な切刃を形成し、外周端では大きな曲率半径のホーニング面を形成することができ、切削性と耐欠損性の両方を向上させた小型のエンドミルを提供することができる。
この場合、テーパ率が１／５０未満では所望のホーニング面を得ることができず、１／２０を超える角度では外周部側の抵抗と軸線側とでの抵抗が大きく異なって十分な強度が得られない。また、外周端のホーニング面の曲率半径が標準切り込み深さに対して１／２を超える場合、ホーニングによる抵抗が大きくなりすぎるため、同様に十分な強度が得られなくなる。

本発明のエンドミルの製造方法は、底刃のすくい面と逃げ面との稜線部に、断面の光強度分布が径方向の中心で大きく外周部で小さいガウシアン分布となるレーザビームを照射して、前記稜線部の長さ方向と直交する断面が凸円弧状となるホーニング面を加工するレーザ加工工程を有し、該レーザ加工工程における前記レーザビームの走査方向を前記底刃の半径方向外方に向かうにしたがってレーザビームの中心が前記稜線部より離れた位置から漸次稜線部にくい込む方向に傾斜させることを特徴とする。

本発明のエンドミルの製造方法では、レーザビームのガウシアン分布の光強度分布を利用し、照射位置に対してビームの径方向位置をずらしながら連続する曲率半径のホーニング面を形成することができ、軸線側から外周部側まで高精度の切刃を有するエンドミルを製造することができる。
前述したように、金型の形状の複雑化や小型化に伴って直径２ｍｍ以下の小径のエンドミルの需要の増加が見込まれており、このような小径のエンドミルにおいては、従来の砥石を使った加工方法では、特に外周部側と軸線側との研削量を調整しながら研削することが難しいが、本発明の製造方法により、底刃の切削性を向上しつつその消耗を抑えた小径のエンドミルを提供することができ、複雑で小型化した金型等に適用して、その製作性を向上させることができる。

本発明によれば、小径の場合であっても切削性を向上しつつ安定した強度を確保して切刃部の消耗や破損を防止しながら切削でき、工具として長寿命化を図ることができる。

本発明に係るエンドミルの一実施形態を示し、（ａ）が工具先端部の斜視図、（ｂ）がホーニング面の拡大斜視図である。 工具先端部を先端方向からみた正面図である。 図２のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線に沿う断面図である。 工具先端部をすくい面方向からみた側面図である。 エンドミル全体の概略側面図である。 本発明に係るエンドミルの製造方法に使用される一実施形態のレーザ加工装置を示す全体構成図である。 ホーニング面を加工するレーザビームと工具先端部との位置関係を示す模式図である。 レーザビームの走査状態を示す模式図である。

以下、本発明に係るエンドミル及びその製造方法の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
本実施形態のエンドミル１は、図１〜図４に示すように、軸線Ｄ回りに回転される工具先端部２に、一対の切刃部１１が軸線Ｄを挟んで１８０°反対側に形成された２枚刃のスクエアエンドミルであり、工具先端部２の外径は、２ｍｍ以下の小径に設けられる。
図５に示すように、エンドミル１には円柱状のシャンク部３が設けられ、このシャンク部３の先端部が小径に形成され、その小径の首部４の先端に略円周状のチップ部５が接合された構成とされている。チップ部５は、首部４に接合される超硬合金部６と、その超硬合金部６に接続され、切刃部１１が形成されるｃＢＮ焼結体、焼結ダイヤモンド等の工具先端部２とで構成されている。

切刃部１１は、工具先端部２の外周部に配置される外周刃１２と、工具先端部２の先端に配置される底刃１３とにより形成され、これら外周刃１２の先端と底刃１３の外周端とが鋭利な角部で交差している。そして、この一対の切刃部１１が、周方向に１８０°離間した位置に配置されている。
この場合、外周刃１２は、工具先端部２に周方向に１８０°離間して形成されたすくい面１４と外周の逃げ面１５とにより形成され、底刃１３は、すくい面１４と先端の逃げ面１６とにより形成される。

そして、底刃１３のすくい面１４と逃げ面１５との間の稜線部に、この稜線部の長さ方向と直交する断面が凸円弧状となるホーニング面１７が形成される。このホーニング面１７の曲率半径Ｒは、図１（ｂ）及び図２、図３に示すように、エンドミル１の軸線Ｄから半径方向外方に向かうにしたがって漸次大きく形成されている。具体的には、軸線Ｄ上から半径方向外方に向けて１／５０以上１／２０以下のテーパ率、すなわち、１００μｍ進むにしたがって曲率半径が１μｍ以上２．５μｍ以下（直径では２μｍ以上５μｍ以下）の割合で大きくなり、外周端で標準切り込み深さ（１回転当たりの軸方向の切り込み深さ）の１／２以下の半径の曲率半径Ｒに設けられる。
この標準切り込み深さは、エンドミルの直径、被削材の種類、切削条件等によって定まるもので、例えば、焼入れ鋼（−５５ＨＲＣ）を切削する場合、直径０．５ｍｍのエンドミルでは標準切り込み深さは１０μｍ（回転速度５００００ｍｍ^−１、送り速度７５０ｍｍ／分）である。この条件では、テーパ率を１／５０とすると、ホーニング面は、軸中心での曲率半径が０μｍ、外周端の曲率半径が５μｍとなる。同じ被削材を直径２ｍｍのエンドミルで切削する場合は、標準切り込み深さは４０μｍ（回転速度２００００ｍｍ^−１、送り速度８００ｍｍ／分）であり、ホーニング面は、軸中心での曲率半径が０μｍ、外周端の曲率半径が２０μｍとなる。

このように構成されるエンドミル１を製造する場合、レーザ加工により、工具先端部２となる円柱状素材２０に底刃の溝（以下ギャッシュという）及びすくい面１４を形成するとともに、外周側の逃げ面１５を形成して外周刃１２を形成し、先端側の逃げ面１６を形成して底刃１３を形成する。そして、底刃１３のすくい面１４と逃げ面１６との稜線部にホーニング面１７を形成する。

この製造方法に用いられるレーザ加工装置１００は、図６に示すように、超硬合金からなる円柱状素材２０にレーザビームＬを照射して工具先端部２全体を三次元加工する装置である。このレーザ加工装置１００は、レーザビームＬをパルス発振して円柱状素材２０に一定の繰り返し周波数で照射しながら走査するレーザ光照射機構２２と、円柱状素材２０を保持した状態で回転、旋回及びｘｙｚ軸方向にそれぞれ移動可能な素材保持機構２４と、これらを制御する制御部２５とを備えている。

素材保持機構２４は、被加工物をｘ−ｙ−ｚの各方向に並進運動でき、且つ旋回運動、及び自転運動できる機構を有している。具体的には、水平面に平行なｘ方向に移動なｘ軸ステージ部３１ｘと、そのｘ軸ステージ部３１ｘ上に設けられｘ方向に対して垂直で水平面に平行なｙ方向に移動可能なｙ軸ステージ部３１ｙと、ｙ軸ステージ部３１ｙ上に設けられ水平面に対して垂直方向に移動可能なｚ軸ステージ部３１ｚと、ｚ軸ステージ部上に設けられた旋回機構３２と、旋回機構３２に固定され、素材２０を保持可能な回転機構３３とを備える構成とされている。これら各ステージ部３１ｘ〜３１ｚ、旋回機構３２、回転機構３３の各駆動部は、例えばステッピングモータが用いられ、エンコーダにより位相をフィードバックすることができるようになっている。

レーザ光照射機構２２は、ＱスイッチによりレーザビームＬとなるレーザ光をパルス発振するレーザ光源２６と、照射するレーザビームＬを走査させるとともに同一平面上にレーザ光をスポット状に集光させる光学系を有するガルバノスキャナ２７とを備えている。
レーザ光源２６は、１９０ｎｍ〜５５０ｎｍの短波長のレーザ光を照射できる光源を使用することができ、例えば本実施形態では、波長３５５ｎｍのレーザ光を発振して出射できるものを用いている。また、ガルバノスキャナ２７は、素材保持機構２４の真上に配置されている。
なお、加工対象の素材によってレーザの偏光状態を制御するとよい。例えば、ｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮ（ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ）の粒子とバインダとの複合材であり、約６ｅＶと大きなバンドギャップをもつｃＢＮ粒子とバインダとの間に大きなバンドギャップ差がある。同様に、ＰＣＤ（ダイヤモンド焼結体）は、ミクロンサイズの合成ダイヤモンドパウダーを高温高圧下で焼結して結合させたものであり、ダイヤモンドの微結晶と焼結時に必要な焼結助材の複合材であり、主に５．４７ｅＶと大きなバンドギャップをもつダイヤモンドと焼結助剤との間に大きなバンドギャップ差がある。このため、多光子吸収により加工させる場合であっても、ｓ偏光ではレーザビームを入射すると吸収率の変動を大きくすることで、ｃＢＮ粒子やダイヤモンド微結晶は加工がよりされにくくなり、加工後の表面起伏が安定しなくなるため、ｃＢＮ焼結体やＰＣＤでは特にラジアル偏光が本発明の効果を発揮する。

このように構成されるレーザ加工装置１００によりエンドミル１を製造する方法について説明する。
円柱状素材２０を移動しながらレーザビームＬを走査して、工具先端部２にギャッシュ及びすくい面１４を形成するとともに、外周側の逃げ面１５、先端側の逃げ面１６をそれぞれ形成して、所定形状の外周刃１２と底刃１３とを形成する。
この底刃１３を形成する方法についてさらに詳述すると、素材保持機構２４における回転機構３３の回転軸と円柱状素材２０の軸線Ｄとを一致させ、且つ、ガルバノスキャナ２７のｘ軸とも一致するように設置する。この状態でレーザビームＬの断面強度分布が通常となる加工領域に円柱状素材２０を移動させ、工具先端部２より不要部分をレーザビームＬの走査によって除去しすくい面１４と逃げ面１６との形態形成を行う。その後、すくい面１４と逃げ面１６との間の稜線部にホーニング加工を施す。

半径方向に対する底刃１３の角度（すかし角）θは、図４に示すように通常２°〜５°の角度をなしており、レーザビームＬは、全体としては、この底刃角度θに沿って軸線Ｄ側から外周端側に向かって走査される。このとき、レーザビームＬの走査方向を図８（ａ）に示すように底刃１３の半径方向外方に向かうにしたがってレーザビームＬの径方向の中心Ｌ_０が底刃（すくい面１４と逃げ面１６との稜線部）１３より離れた位置から漸次底刃１３にくい込む方向にわずかに傾斜させる。図８において二点鎖線で示す領域Ｓがレーザビームの照射範囲である。

すなわち、レーザビームＬの径方向の断面の光強度分布は、図７にハッチングで示したようにビーム中心Ｌ_０で大きく外周部で小さいガウシアン分布となっており、わずかに傾斜させて走査することにより、工具先端部２の中心側では図７の実線で示すようにレーザビームＬの径方向のエッジ付近を照射し、外周側では図７の二点鎖線で示すようにレーザビームＬの半径を越える程度までの範囲で照射する。このレーザビームＬの径方向の照射位置を図７の矢印で示すように徐々に変えながら底刃１３の半径方向に沿って走査することにより、図１（ｂ）及び図２、図３に示すように軸線Ｄ側から外周端にかけて曲率半径Ｒが異なるホーニング面１７を施すことが可能になる。

このレーザビームＬの照射を所望の曲率半径Ｒが得られるまで、円柱状素材２０の向きとレーザビームＬの照射角度とを必要に応じて図８（ａ）（ｂ）で示すように変えながら底刃１３への加工を繰り返すことで、底刃１３に所望の形状のホーニング面１７を形成する。
このときのレーザビームＬの照射の条件としては、工具先端部２のホーニング面１７の曲率半径Ｒが、軸線Ｄ上から半径方向外方に向けて１／５０以上１／２０以下のテーパ率で変化し、外周端で標準切り込み深さの１／２以下になるようにする。

このようにして製造されたエンドミル１は、底刃１３のホーニング面１７が、断面凸円弧状で、その曲率半径が軸線側から外周端に向かうにしたがって漸次大きく形成され、軸線Ｄ上ではホーニングのない鋭利な切刃とし、外周側で大きなホーニングを有する切刃とすることができる。したがって、周速度の遅い軸線側では鋭利な切刃により切削抵抗を抑制することができ、周速度の大きい外周側では大きなホーニングが施されていることにより欠損を防止し、強度的に安定する。
この場合、テーパ率が１／５０未満では所望のホーニング面を得ることができず、１／２０を超える角度では外周部側の抵抗と軸線側とでの抵抗が大きく異なって十分な強度が得られない。また、外周端のホーニング面の曲率半径が標準切り込み深さに対して１／２を超える場合、ホーニングによる抵抗が大きくなりすぎるため、同様に十分な強度が得られなくなる。
この連続的に異なる曲率半径のホーニング面１７とすることにより、エンドミル１の寿命を飛躍的に向上させることができ、例えば従来品の１．５倍〜２倍の寿命を得ることができる。
なお、エンドミルの底刃は、前述したように半径方向に対して２°〜５°の角度（すかし角）θで傾斜しており、このため、直径０．５ｍｍ、すかし角θが５°のエンドミルでは、標準切り込み深さ１０μｍを切り込む際に、外周端から半径方向に１１４μｍまでの範囲の底刃が実際の切刃として使用されることになる。この標準切り込み深さをカバーできる範囲までホーニング面が形成されていればよいとすると、外周端の曲率半径を前述したように５μｍとし、外周端から半径方向に１１４μｍの位置での曲率半径を０μｍとすると、テーパ率は（５−０）／１１４≒１／２０となる。角度θが５°より小さいとテーパ率は小さくなる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本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。
図１（ｂ）等ではホーニング面の曲率半径を単一半径として図示しているが、本発明は複数の円弧の連続形状となるものを含むものであり、その場合、底刃の半径方向外方に向けて全体的に曲率半径が大きくなるように加工すればよい。
また、本実施形態では、外周刃、底刃ともレーザ加工によって形成したが、底刃以外の形態はレーザ以外の方法によって加工することも可能である。

１ エンドミル
２ 工具先端部
３ シャンク部
４ 首部
５ チップ部
６ 超硬合金部
１１ 切刃部
１２ 外周刃
１３ 底刃
１４ すくい面
１５，１６ 逃げ面
１７ ホーニング面
２０ 円柱状素材
２２ レーザ光照射機構
２４ 素材保持機構
２５ 制御部
２６ レーザ光源
２７ ガルバノスキャナ
３１ｘ〜３１ｚ ステージ部
３２ 旋回機構
３３ 回転機構
１００ レーザ加工装置

Claims (2)

1. 直径が２ｍｍ以下であり、底刃のすくい面と逃げ面との稜線部に、該稜線部の長さ方向と直交する断面が凸円弧状となるホーニング面が形成されるとともに、該ホーニング面の曲率半径が半径方向の外方に向かうにしたがって漸次大きく形成されており、前記ホーニング面の曲率半径は、軸線上から半径方向外方に向けて１／５０以上１／２０以下のテーパ率で変化し、外周端で標準切り込み深さの１／２以下であることを特徴とするエンドミル。
2. 底刃のすくい面と逃げ面との稜線部に、断面の光強度分布が径方向の中心で大きく外周部で小さいガウシアン分布となるレーザビームを照射して、前記稜線部の長さ方向と直交する断面が凸円弧状となるホーニング面を加工するレーザ加工工程を有し、該レーザ加工工程における前記レーザビームの走査方向を前記底刃の半径方向外方に向かうにしたがってレーザビームの中心が前記稜線部より離れた位置から漸次稜線部にくい込む方向に傾斜させることを特徴とするエンドミルの製造方法。

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