JP6102568B2

JP6102568B2 - エンドミル

Info

Publication number: JP6102568B2
Application number: JP2013133966A
Authority: JP
Inventors: 日向野　哲; 哲日向野; 正訓高橋; 拓矢久保; 勇樹松岡
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: CN104249185B; CN104249185A; JP2015009285A

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。
また、小径のエンドミルは、側刃を有効に使用するために、切刃部がシャンク部よりも小径に設けられており、切刃部とシャンク部との間はストレート形状やテーパ形状のネック部を介して接続される。ところが、このような外径が増加する形状の変曲点には、切削時に応力集中やたわみが生じ易く、切刃部とネック部との接続部の境界面から折損し易いことが問題であった。

そこで、特許文献１に記載のエンドミルでは、ネック部のストレート形状とテーパ形状との間に連続曲線からなる凹状部を設けることにより、切削時の応力集中を分散させている。また、切削時に生じるたわみの起点を凹状部のシャンク側端部に位置させており、たわみの起点となる位置の外径を太くすることで、強度と耐折損性を向上させることが記載されている。
また、特許文献２に記載のエンドミルでは、刃部（切刃部）の刃溝面と逃げ面の延長面を、テーパ部に至るまで設けるとともに、その逃げ面の延長面を凹曲線状に設けることにより、最も折損の起点となり易い刃部とテーパ部との繋ぎ部付近に切削応力が集中することを抑制している。そして、切削応力が集中する位置が刃部よりも断面積が大きいテーパ部に移行することにより、エンドミル全体としての耐折損強度が向上することが記載されている。

特許第３７１１２５５号公報特許第４０６６２６３号公報

特許文献１や特許文献２に記載されるエンドミルでは、シャンク部の径が変化する部位に対し曲面の加工を施すことによってチャンク自体の欠損を高める工夫がなされている。ところが、小径のエンドミルにおいては、シャンク部を超硬合金で形成し、切刃部をｃＢＮ焼結体等で形成することにより、切刃部とシャンク部を別々の材料で構成したものが多く用いられている。このため、超硬合金のみで構成されている場合には、特許文献１又は特許文献２のように形成されたエンドミルは有効であるが、切刃部とシャンク部とを別々の材料を接合して構成したエンドミルの場合には、各部材の境界面で軸と垂直方向の応力集中が生じ易いことから、境界面からの亀裂によって欠損を生じることが問題であった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、切刃部とシャンク部との境界面の折損を防止し、長寿命化を図ることができるエンドミルを提供することを目的とする。

本発明のエンドミルは、刃径が０．５ｍｍ以下の切刃部が形成された工具先端部と、シャンク部が形成された工具基端部とを有し、前記工具先端部が前記工具基端部よりもヤング率の大きい材料により形成されたエンドミルであって、前記切刃部と前記シャンク部との間に前記シャンク部よりも小径で連続曲線面からなるネック部が形成されており、該ネック部に形成された前記工具先端部と前記工具基端部との境界面が前記切刃部の刃先先端から前記刃径の１倍以上３倍以下の範囲内の距離に配置され、前記ネック部の最細部の直径が前記刃径の０．８倍以上０．９５倍以下に設定され、該最細部は、前記境界面から刃先先端に向けて前記刃径の０．１倍以上１倍以下の範囲内の距離に配置されていることを特徴とする。

ネック部を有するエンドミルにおいて、工具先端部と工具基端部との境界面の近傍に、その境界面よりも小径の最細部を設けることにより、被削材加工時の応力集中を境界面から最細部に移動させることができ、境界面の垂直方向への応力を緩和させることができる。
また、工具先端部が工具基端部よりもヤング率の大きい材料により形成されたエンドミルにおいて、ヤング率の大きい工具先端部側にネック部の最細部を設けることで、ヤング率の小さい工具基端部側に最細部を設ける場合と比べて、応力集中による耐欠損性を向上させることができる。
したがって、境界面及び最細部からの折損を回避することが可能となり、エンドミルの長寿命化を図ることができる。
なお、工具先端部を形成するヤング率の大きい材料としてはｃＢＮ焼結体又はダイヤモント焼結体を用いることができ、工具基端部を形成するヤング率の小さい材料としては超硬合金を用いることができる。

本発明のエンドミルにおいて、前記境界面の直径が、前記最細部の直径の１倍を超えて１．１倍以下の範囲で形成され、前記ネック部の境界面部分が凸状面に形成されているとよい。
工具先端部と工具基端部との境界面部分に凸状面を設けることで、境界面の断面積が大きくなり、ネック部全体を凹状面で形成した場合より、境界面での剛性が向上する。また、凸状面を設けることにより、境界面を補強した形状となるため、耐欠損性を向上させることができる。またこの場合、凸状面の前後に必ず凹状面が形成されるので、被削材を加工する際に発生する応力が凸状面と凹状面との組合せにより凹状面側に移動するため、境界面の垂直方向への応力が緩和され、境界面からの折損を回避することができる。

本発明のエンドミルにおいて、前記凸状面と前記最細部とを結ぶ曲線面の曲率半径が、前記刃径の１倍以上１０倍以下とされているとよい。
ネック部を緩やかな連続曲線面で形成することにより、切削時の応力集中を回避して応力発生を分散させることができる。また、凸状面と最細部との形状の変曲点に応力集中が生じることを防止でき、ネック部における折損を確実に回避することができる。

本発明によれば、工具先端部と工具基端部との境界面での応力集中を防止することができるので、境界面での折損を防止でき、エンドミルの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すエンドミルの工具先端部の要部側面図である。図１に示すエンドミルの全体側面図である。エンドミルの製造方法の説明図である。本発明に係るエンドミルの実施例において、工具先端部を示す拡大画像である。

以下、本発明に係るエンドミルの一実施形態を、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に示すように、軸線ｘ回りに回転される工具先端部２に、一対の切刃部５が軸線ｘを挟んで互いに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、切刃部５の刃径Ｄが０．５ｍｍ以下の小径のエンドミルである。このエンドミル１は、図２に示すように、軸線ｘを中心とした概略円柱の軸状に形成されており、切刃部５が形成される工具先端部２に、円柱状のシャンク部６が形成された工具基端部３が接合された構成とされている。

また、工具先端部２は、ｃＢＮ焼結体やダイヤモンド焼結体（ＰＣＤ）等の硬質材料により形成され、工具基端部３は、超硬合金により形成されている。つまり、工具先端部２が工具基端部３よりもヤング率の大きい材料により形成されている。
なお、切刃部５は、工具先端部２の外周に配置される側刃５１と、工具先端部２の先端に配置される底刃５２とにより構成される。

切刃部５とシャンク部６との間は、図１に示すように、シャンク部６よりも小径で連続曲線面からなるネック部４が形成されており、このネック部４に、工具先端部２と工具基端部３との境界面２３が設けられている。そして、境界面２３は、ネック部４の横断面に沿う平坦面により形成され、切刃部５の刃先先端から切刃部５の刃径Ｄの１倍以上３倍以下の範囲内の距離Ｌ１に配置される。
また、ネック部４の最も小径に設けられた最細部４１の直径Ｄ１は、刃径Ｄの０．８倍以上０．９５倍以下に設定される。この最細部４１は、境界面２３から切刃部５の刃先先端に向けて刃径Ｄの０．１倍以上１倍以下の範囲内の距離Ｌ２であって、刃先先端から刃径Ｄの０．９倍以上２倍以下の範囲内の距離Ｌ１２に配置されている。
そして、境界面２３の直径Ｄ２は、最細部４１の直径Ｄ１の１倍を超えて１．１倍以下の範囲で直径Ｄ１よりも大径とされ、ネック部４の境界面２３部分は凸状面４２により形成され、凸状面４２と最細部４１とを結ぶ曲線面４３の曲率半径Ｒが、刃径Ｄの１倍以上１０倍以下で形成されている。

境界面２３の位置を規定する距離Ｌ１が刃径の１倍未満では、切刃部５の形成領域を確保することが難しくなる。その一方で、距離Ｌ１が刃径Ｄの３倍を超えると、切削時に境界面２３に生じるモーメントが大きくなり、境界面２３からの欠損を生じ易くなることから、距離Ｌ１を刃径Ｄの１倍以上３倍以下の範囲内に設定している。
そして、境界面２３への応力集中を最細部４１によって回避する効果を良好に発揮させるには、最細部４１と境界面２３との間の距離Ｌ２を刃径Ｄの０．１倍以上１倍以下に設定する必要がある。０．１倍未満では、境界面２３への応力集中を充分に回避することができない。また、１倍を超える場合には、切削時の応力集中を境界面２３から最細部４１へと移動させることができず、境界面２３に応力が集中する危険性が高まるからである。
なお、最細部４１の形成位置は、これら距離Ｌ１及び距離Ｌ２に伴い変化し、距離Ｌ１２の値も刃径Ｄの０．９倍以上２倍以下の範囲内で変化する。

また同様に、最細部４１の直径Ｄ１が、刃径Ｄの０．８倍未満であると、最細部４１の強度が著しく低下して欠損を生じ易くなる。一方で、０．９５倍を超える場合は、境界面２３への応力集中を充分に回避することができない。
そして、境界面２３の直径Ｄ２が、最細部４１の直径Ｄ１の１．１倍を超えると、その部分が被削材と干渉して側刃５１を有効に使用することができなくなるため、エンドミル１による加工深さが制限されることになる。

このように構成されるエンドミル１を製造する場合、例えば、図３（ａ）に示すように、工具先端部２を形成するｃＢＮ焼結体等の円柱状素材２０と、工具基端部３を構成する超硬合金の円柱状素材３０とをろう付けして、一体に形成する。このように一体に設けられた工具先端部２と工具基端部３の加工は、砥石６０を用いた研削加工により行われる。まず初めに、図３（ｂ）に示すように、工具基端部３の先端部を細くしてテーパ部３１や首下部３２を形成した後で、工具先端部２の加工を行い切刃部５の形態形成を行う。そして、最後にネック部４を形成して、エンドミル１を製造する。なお、円柱状素材２０、３０への形態形成は、砥石６０以外の方法、例えば放電加工やレーザ加工を用いてもよい。

このようにして形成されたエンドミル１の工具先端部２（切刃部の刃径Ｄ０．５ｍｍ）を拡大した写真画像を図４に示す。
そして、エンドミル１を用いて、被削材（図示略）に切削加工を施す際には、シャンク部６が工作機械（図示略）の主軸に保持されて軸線ｘ回りに回転される。そして、主軸によってエンドミル１を軸線ｘに交差する方向あるいは軸線ｘ方向に送り出すことにより、切刃部５によって被削材に切削加工を施すことができる。

この際、本実施形態のエンドミル１においては、工具先端部２と工具基端部３との境界面２３の近傍に、その境界面２３よりも小径の最細部４１が設けられることにより、被削材加工時の応力集中を境界面２３から最細部４１に移動させることができ、境界面２３の垂直方向への応力を緩和させることができる。
また、工具基端部３よりもヤング率の大きい材料により形成された工具先端部２側にネック部４の最細部４１を設けているので、ヤング率の小さい工具基端部側３に最細部４１を設ける場合に比べて、応力集中による耐欠損性を向上させることができる。

さらに、工具先端部２と工具基端部３との境界面２３部分に凸状面４２を設けることで、境界面２３の面積が大きくなり、ネック部４全体を凹状面で形成した場合より、境界面２３での剛性が向上する。また、凸状面４２を設けることにより、境界面２３を補強した形状となるため、耐欠損性を向上させることができる。またこの場合、凸状面４２の前後に必ず凹状面が形成されるので、被削材を加工する際に発生する応力が凸状面と凹状面との組合せにより凹状面側に移動するため、境界面２３の垂直方向への応力が緩和され、境界面２３からの折損を回避することができる。

また、ネック部４を緩やかな連続曲線面で形成することにより、切削時の応力集中を回避して応力発生を分散させることができる。さらに、凸状面４２と最細部４１とを結ぶ曲線面４３の曲率半径Ｒを緩やかな曲面となるようにしているので、凸状面４２と最細部４１との形状の変曲点に応力集中が生じることを防止でき、ネック部４における折損を確実に回避することができる。

上記において説明した本発明に係るエンドミルについて、その効果を確認するために実験を行った。
エンドミルの各試料として、コーナーＲ０．０５ｍｍのラジアスエンドミルを形成し、各試料の形状は、表１に示す条件により形成した。実施例１〜４と比較例１の各試料は、ネック部の形状以外の切刃部やシャンク部等の形状を同じにして形成したものである。また、比較例２の試料は、切刃部の刃径Ｄを０．１ｍｍとし、他の試料よりも小径に形成した。
表１の「境界面部分の形状」は、各試料の工具先端部と工具基端部との境界面部分の形状がどのような形状とされているかを示している。例えば、実施例１は、最細部を形成する凹状面の一部に境界面が配置され、最細部と境界面とが同一の凹状面内に形成されている。また、実施例２〜４は、境界面が凸状面とされ、境界面の前後に凹状面が形成された形状とされる。
また、比較例１は、切刃部と境界面の直径を同径に設け、ネック部に最細部を設けずに軸線と平行なストレート形状に形成したものであり、比較例２は、切刃部からシャンク部にかけて外径が増加するテーパ状のネック部を形成したものである。なお、表１の直径Ｄ１，Ｄ２及び距離Ｌ１，Ｌ２、曲率半径Ｒは、図１に示すとおり、ネック部４に関する部位の寸法値である。また、各試料は、それぞれ１０個ずつ（Ｎ＝１０）製作した。

さらに、効果の違いを明確とするため、通常品（首下長さ０．５ｍｍ）と比べ首下長さを１．４倍にして切削試験を実施した。このように、首下長さを長くすると、切刃部の先端でのたわみが大きくなり、より折損しやすい条件となる。そして、製作した各試料を用いて、ＳＫＤ１１（ＨＲＣ５９）製の被削材の表面に、直線１６０ｍｍの長さを１２５回走査（２０ｍ）する切削加工を行い、欠損発生の有無を評価した。また、切削条件は以下のとおりに設定した。

（切削条件）
主軸の回転数：４００００ｍｉｎ^−１
送り速度：４００ｍ／ｍｉｎ
軸方向の切込み量ａｐ：０．００７ｍｍ
半径方向の切込み量（ピックフィード）ａｅ：０．０２ｍｍ
オイルミストクーラント使用

表１において、「平均切削長」は各試料に欠損が生じるまでの切削長の平均値であり、例えば、実施例１では欠損発生数が「４」であるから、これら４個の試料についての平均値となる。また、実施例４については、欠損発生数が「０」であり、１０個全ての試料が欠損を生じることなく２０ｍの切削を完了していることから、平均切削長の欄に「−」と記載している。
この表１に示されるように、工具先端部と工具基端部との境界面の近傍に、境界面よりも小径の最細部を設けることで（実施例１〜４）、欠損発生数を減少させることができる。また、欠損が生じるまでの平均切削長を長くすることができ、エンドミルの長寿命化を図ることができる。
さらに、ネック部の境界面部分に凸状面を設けることで（実施例２〜４）、凹状面で形成した場合（実施例１）より、耐欠損性を向上させることができる。また、その凸状面と最細部とを結ぶ曲線面の曲率半径Ｒを刃径Ｄの１倍以上１０倍以下の緩やかな連続曲線面で形成することにより（実施例３，４）、耐欠損性をより一層向上させることができる。

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。

１エンドミル
２工具先端部
３工具基端部
４ネック部
５切刃部
６シャンク部
２０円柱状素材
２３境界面
３０円柱状素材
３１テーパ部
３２首下部
４１最細部
４２凸状面
４３曲線面
５１側刃
５２底刃
６０砥石

Claims

刃径が０．５ｍｍ以下の切刃部が形成された工具先端部と、シャンク部が形成された工具基端部とを有し、前記工具先端部が前記工具基端部よりもヤング率の大きい材料により形成されたエンドミルであって、前記切刃部と前記シャンク部との間に前記シャンク部よりも小径で連続曲線面からなるネック部が形成されており、該ネック部に形成された前記工具先端部と前記工具基端部との境界面が前記切刃部の刃先先端から前記刃径の１倍以上３倍以下の範囲内の距離に配置され、前記ネック部の最細部の直径が前記刃径の０．８倍以上０．９５倍以下に設定され、該最細部は、前記境界面から刃先先端に向けて前記刃径の０．１倍以上１倍以下の範囲内の距離に配置されていることを特徴とするエンドミル。
前記境界面の直径が、前記最細部の直径の１倍を超えて１．１倍以下の範囲で形成され、前記ネック部の境界面部分が凸状面に形成されていることを特徴とする請求項１記載のエンドミル。
前記凸状面と前記最細部とを結ぶ曲線面の曲率半径が、前記刃径の１倍以上１０倍以下とされていることを特徴とする請求項２記載のエンドミル。
前記工具先端部がｃＢＮ焼結体又はダイヤモント焼結体により形成され、前記工具基端部が超硬合金により形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のエンドミル。