JP6666444B2 - 切削工具及び切削加工物の製造方法 - Google Patents

Description

本態様は、穴あけ加工などに用いられる切削工具に関する。

金属などの穴あけ加工において用いられる切削工具として、例えば特表２００８−５４６５５４号公報（特許文献１）に記載された切削工具が知られている。特許文献１に記載された切削工具は、互いに組成の異なる第一の領域及び第二の領域と、これらの領域の境界に位置する冷却体流路（流路）とを有している。

特許文献１に記載された切削工具においては、回転軸に直交する断面での流路が円形状となっている。より多くの冷却液（クーラント）を流路に供給するために流路の断面積を大きくすると、芯厚と呼ばれる切削工具の中心部分の厚みが低下し、切削工具の耐久性が低下するおそれがあった。そのため、切削工具には、冷却液を供給する構成を有しつつ、耐久性に優れていることが求められている。

本態様は上記の課題に鑑みてなされたものであり、冷却液を供給する構成を有しつつ、耐久性に優れている切削工具を提供するものである。

本態様の切削工具は、回転軸に沿って第１端から第２端にかけて延びた円柱体の少なくとも一部が、前記第１端に切刃を有するチップである。該チップは、前記第１端の側から前記第２端の側に向かって延びた流路を内部に有している。そして、前記回転軸に直交する断面において、前記流路は、前記円柱体の径方向に沿った幅が、前記円柱体の周方向に沿った幅よりも小さい。前記チップは、前記回転軸を含むとともに前記回転軸に沿った第１領域と、該第１領域を覆う第２領域とを有する。前記第１領域は、前記第１端の側における外径よりも前記第２端の側における外径が大きい。前記第１領域の外径は、前記第１端の側から前記第２端の側に向かうにしたがって大きくなっている。前記チップは、前記回転軸を基準として点対称に位置する一対の前記流路を有し、一対の前記流路の間隔は、前記第２端の側よりも前記第１端の側が小さくなっている。

一実施形態の切削工具を示す斜視図である。 一実施形態のチップを示す斜視図である。 図２に示すチップを第１端に向かって見た正面図である。 図３に示すチップをＡ３方向から見た側面図である。 図４に示すチップにおけるＢ１断面図である。 図５おける領域Ａ５を拡大した断面図である。 図２に示すチップを第２端の側から見た背面図である。 図３に示すチップをＡ４方向から見た側面図である。 図９に示すチップにおけるＢ２断面図である。 チップの他の例について、図６と同様の形態で表した断面図である。 図１に示す切削工具を第１端に向かって見た正面図である。 図１１に示す切削工具をＡ１方向から見た側面図である。 図１１に示す切削工具をＡ２方向から見た側面図である。 一実施形態の切削工具を構成するホルダを示す斜視図である。 一実施形態の切削加工物の製造方法における一工程を示す概略図である。 一実施形態の切削加工物の製造方法における一工程を示す概略図である。 一実施形態の切削加工物の製造方法における一工程を示す概略図である。

＜切削工具＞
以下、一実施形態の切削工具について、それぞれ図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、一実施形態を説明する上で必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。したがって、以下に開示する切削工具は、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

本実施形態の切削工具１は、図１に示すように、回転軸Ｘ１に沿って第１端から第２端にかけて延びた柱状体である。本実施形態における柱状体は円柱体である。本実施形態における柱状体は、第１端の側に位置するチップ３と、チップ３に対して第２端の側に位置するホルダ５とを有している。チップ３における第１端の側には切刃７が位置している。すなわち、回転軸Ｘ１に沿って第１端から第２端にかけて延びた円柱体の少なくとも一部が、第１端に切刃を有するチップ３となっている。切刃７は、図２及び図３などに示すように、第１切刃９及び第２切刃１１を有している。

本実施形態の切削工具１は、いわゆる先端交換式のドリル（以下、ドリル１と記載する場合がある。）である。切削加工物を製造するために被削材を切削する工程において、ドリル１は、回転軸Ｘ１の周りで回転する。なお、図１などにおける矢印Ｘ２は、ドリル１の回転方向を示している。

ここで、回転軸Ｘ１に沿った方向での一方を便宜的に「第１端」とするとともに、回転軸Ｘ１に沿った方向でのもう一方を便宜的に「第２端」とする。また、対象となる部材における一方の端部の側を「第１端の側」とするとともに、対象となる部材におけるもう一方の端部の側を「第２端の側」とする。ドリル１の使用時において一般的には、第１端が「先端」と呼ばれ、第２端が「後端」と呼ばれる。

まず、ドリル１を構成するチップ３について詳細に説明する。

チップ３は、ドリル１における切削部として機能する。具体的には、チップ３は、被削材の切削加工において主たる役割を有する部位であり、言い換えれば、被削材と接触する部位である。

チップ３は、図５及び図６などに示すように、冷却液（クーラント）を流すために用いられる第１流路１３を内部に有している。第１流路１３は、チップ３における第１端の側から第２端の側に向かって延びている。本実施形態においては、第２端の側から見た背面図である図７に示すように、第１流入口１５は第２端の側において開口している。また、第１流出口１７は、図２及び図３などに示すように、チップ３の第１端の側において開口している。

第１流入口１５から入ったクーラントは、第１流路１３を通って、第１流出口１７からチップ３の外部に噴射される。クーラントは、切削加工時に、ドリル１及び被削材を冷却するために用いることが可能である。ドリル１における切刃７を冷却するため、本実施形態においては、切刃７に接続された逃げ面に位置する第１流出口１７から外部に向かってクーラントが噴射される。

第１流路１３は、チップ３の第１端の側から第２端の側に向かって直線状に真っ直ぐ延びていてもよく、また、少なくとも一部が曲線状に延びていてもよい。本実施形態における第１流路１３は、図９に示すように直線状に延びている。

本実施形態のチップ３では、回転軸Ｘ１に直交する断面において、回転軸Ｘ１の径方向における第１流路１３の幅が、回転軸Ｘ１の周方向における第１流路１３の幅よりも小さくなっている。具体的には、図６に示すように、回転軸Ｘ１の径方向における第１流路１３の幅Ｗ１が、回転軸Ｘ１の周方向における第１流路１３の幅Ｗ２よりも小さい。

第１流路１３が上記の構成であることによって、チップ３の芯厚を大きく確保しつつ第１流路１３の断面積を大きくすることが可能である。これにより、チップ３の強度が高められると同時に、切刃７を効率良く冷却することが可能になる。なお、第１流路１３は１つであっても複数であってもよい。本実施形態において第１流路１３は２つである。

切刃７は、図１及び図２などに示すように、柱状体における第１端の側、言い換えればチップ３における第１端の側に位置している。切刃７は、第１端の側から見た場合において回転軸Ｘ１を通っており、回転軸Ｘ１を基準として１８０°の回転対称の形状となっている。本実施形態における切刃７は、第１切刃９及び一対の第２切刃１１を有している。第１切刃９の２つの端部にはそれぞれ第２切刃１１が接続されている。そのため、切刃７は、図３に示すように、一方の第２切刃１１ａ、第１切刃９、もう一方の第２切刃１１ｂの順に並んでいる。

第１切刃９は、第１端の側から見た場合において回転軸Ｘ１を通る部分であり、一般的に「チゼルエッジ」と呼ばれる部位である。一対の第２切刃１１は、それぞれ第１切刃９の端部に接続されており、切削加工時に被削材を主に切削する、いわゆる「主切刃」と呼ばれる部位である。

主切刃として用いられる一対の第２切刃１１は、２つの面が交わる稜部に形成されている。このとき、２つの面のうち第１端の側に位置する面がいわゆる「逃げ面」である。また、２つの面のうち第２端の側に位置する面がいわゆる「すくい面」である。したがって、主切刃は、逃げ面とすくい面とが交わる稜部に形成されているとも言える。主切刃で切削された被削材の切屑は、すくい面を流れる。本実施形態においては、２つの主切刃が存在していることから、すくい面もまた２つ存在している。

なお、切刃７の具体的な構成として、第１切刃９及び一対の第２切刃１１を有する構成を例示したが、切刃７としては上記の構成に限定されるものではない。例えば、第２切刃１１のみによって構成され、第１切刃９を有さない構成であってもよい。

本実施形態において第２切刃１１を２つ備えており、それぞれ２つの第２切刃１１を冷却するため２つの第１流路１３を備えている。これにより、２つの第２切刃１１は、それぞれが効率良く冷却される。第１流路１３の数は、第２切刃１１の数と異なっていてもよいが、本実施形態のように第２切刃１１の数と同じであってもよい。

チップ３は、１つの部材によって構成されていてもよく、また、複数の部材によって構成されていてもよい。本実施形態のチップ３は、第１領域１９及び第２領域２１の２つの部材によって構成されている。なお、第１領域１９は、図４及び図８においては破線で存在位置を示している。第１領域１９は、回転軸Ｘ１を含むとともに回転軸Ｘ１に沿って位置しており、第２領域２１は、第１領域１９の少なくとも一部を覆っている。

第１領域１９を構成する材質としては、例えば、金属、超硬合金及びサーメットなどが挙げられる。金属としては、例えば、ステンレス及びチタンが挙げられる。超硬合金の組成としては、例えば、ＷＣ（炭化タングステン）−Ｃｏ（コバルト）、ＷＣ−ＴｉＣ（炭化チタン）−Ｃｏ及びＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ（炭化タンタル）−Ｃｏが挙げられる。

ここで、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣは硬質粒子であり、Ｃｏは結合相である。また、サーメットは、セラミック成分に金属を複合させた焼結複合材料である。具体的には、サーメットとして、炭化チタン（ＴｉＣ）及び窒化チタン（ＴｉＮ）などのチタン化合物を主成分としたものが一例として挙げられる。

第２領域２１を構成する材質としては、例えば、ダイヤモンド焼結体、ＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素：Cubic Boron Nitride）、超硬合金及びサーメットなどが挙げられる。超硬合金及びサーメットとしては、第１領域１９を構成する材質として説明したものと同様のものが用いられる。

第１領域１９及び第２領域２１を構成する材質として、同じ材質のものを用いてもよく、また、異なる材質のものを用いてもよい。例えば、第１端の側に切刃７が位置する第２領域２１が超硬合金のような高硬度の材質によって構成されているとともに、第１領域１９が、チタンなどの金属のような熱伝導性の良好な材質によって構成されていてもよい。

第２領域２１は第１領域１９に接合されている。ここで「接合」とは、はんだや樹脂などの接着材を用いて２つの部材を接着した場合だけでなく、２つの部材同士を溶接した場合及び溶着した場合のように、２つの部材が直接的に接合された場合も含む概念である。

本実施形態における第１流路１３は、図５及び図６に示すように、回転軸Ｘ１に直交する断面において曲面部分を有している。第１流路１３が曲面部分を有している場合には、クーラントが第１流路１３において流れ易くなる。そのため、第１流出口１７から外部に向かって噴射されるクーラントの噴射圧を高めることができる。また、本実施形態における第１流路１３は、回転軸Ｘ１の周方向に沿って湾曲した形状となっている。このように、第１流路１３が、回転軸Ｘ１の周方向に沿って湾曲した形状である場合には、流路面積を確保すれば、チップ３の芯厚をより大きく確保し易くなる。

一方、回転軸Ｘ１に直交する断面における第１流路１３の形状としては、上記の形状に限定されるものではなく、図１０に示すような形状であってもよい。図１０には、本実施形態の第１流路１３の他の例が示されている。

図１０に示すチップ３は、図６に示すチップ３と同様に、第１領域１９及び第２領域２１を有しており、第１流路１３は、これら第１領域１９及び第２領域２１の間に位置している。このとき、回転軸Ｘ１に直交する断面において、第１流路１３は、第１領域１９における輪郭が第２領域２１における輪郭よりも大きくなっていてもよい。このような構成を満たすときには、第１領域１９が第２領域２１よりも内側に位置しているため、第２領域２１と比較して第１領域１９からは放熱されにくくなる。そのため、このような構成によれば、外部に放熱されにくい第１領域１９に溜まった熱を、第１流路１３を通じて外部に効率良く放熱できる。

また、回転軸Ｘ１に直交する断面において、第１流路１３の表面は、内側に位置する凹曲面形状の第１部位１３ａと、第１部位よりも外側に位置する凹曲面形状の第２部位１３ｂとを有し、第１部位１３ａの曲率半径が、第２部位１３ｂの曲率半径よりも小さくなっていてもよい。

第１流路１３が上記の構成である場合には、第１流路１３を過度に大きくすること無く、第１領域１９における第１流路１３の輪郭を第２領域２１おける第１流路１３の輪郭よりも大きくすることができる。そのため、チップ３の耐久性を高めつつ、外部に効率良く放熱することができる。

本実施形態のチップ３は、第１領域１９及び第２領域２１を有している。このとき、図９に示すように、第１領域１９は、第１端の側における外径Ｄ１よりも第２端の側における外径Ｄ２が大きい構成となっていてもよい。このような構成を満たすときには、第１領域１９と第２領域２１との接合面積を大きくすることができる。

例えば、本実施形態のチップ３のように第１流路１３が第１領域１９及び第２領域２１の間に位置している場合には、第１流出口１７の位置が第１流入口１５の位置よりも回転軸Ｘ１に近付き易くなる。これにより、芯厚を確保しつつ第１流出口１７の位置を回転軸Ｘ１に近付けることができる。そのため、切刃７における回転軸Ｘ１に近い部分を効率良く冷却することができる。

また、第１領域１９の外径が、第１端の側から第２端の側に向かうにしたがって大きくなっていてもよい。第１領域１９が上記のように構成されている場合には、第１領域１９が単純な構成であって容易に製造することができつつ、第１領域１９と第２領域２１との接合面積を大きくすることができる。

さらに、第１流路１３が第１領域１９及び第２領域２１の間に位置している場合には、第１流路１３におけるクーラントの噴射圧が大きく低下することなく、第１流出口１７の位置を回転軸Ｘ１に近付けられる。そのため、切刃７における回転軸Ｘ１に近い部分をより効率良く冷却することができる。

本実施形態のチップ３は、既に述べたように２つの第１流路１３を有している。本実施形態における２つの第１流路１３は、回転軸Ｘ１を基準として互いに反対側に位置している。言い換えれば、チップ３は、回転軸Ｘ１を基準として点対称に位置する一対の第１流路１３を有している。

このとき、一対の第１流路１３は、それぞれ第２端の側から第１端の側に向かうにしたがって回転軸Ｘ１に近付いていてもよい。言い換えれば、一対の第１流路１３の間隔は、第２端の側よりも第１端の側が小さくなっていてもよい。一対の第１流路１３が上記のように構成されている場合には、芯厚を確保しつつ第１流出口１７の位置を回転軸Ｘ１に近付けることができる。そのため、切刃７における回転軸Ｘ１に近い部分を効率良く冷却することができる。

第２端の側よりも第１端の側において第１領域１９の外径が小さい一方で、回転軸Ｘ１に沿った方向の第１領域１９を含む部分において、第２領域２１の外径は、第２端の側から第１端の側に向かって一定であってもよい。このような構成を満たすときには、第２端の側におけるチップ３の外径が確保されるため、チップ３の芯厚を確保し易く耐久性を高めることができる。

また、第１端に切刃７が位置する第２領域２１が第１領域１９よりも高硬度の材質によって構成されている場合には、第１端における第２領域２１の厚みが厚く確保されることになる。そのため、切刃７の耐久性が高められる。

なお、上記における外径が一定であるとは、厳密に外径が一定であることを意味するものではなく、外径が多少違う場合を含んでいる。具体的には、第２領域２１における第１端の側の外径が第２端の側の外径に対して±５％程度異なっている場合を含んでいる。

次に、ドリル１を構成するホルダ５について詳細に説明する。

ホルダ５は、例えば図１及び図１４に示すように、回転軸Ｘ１に沿って細長く伸びた棒形状である。本実施形態のホルダ５は、特に図示しない工作機械の回転するスピンドル等で把持される、シャンク（shank）５ａと呼ばれる部位と、この部位よりも第１端の側に位置する、ボディ（body）５ｂと呼ばれる部位とを有している。

また、本実施形態におけるホルダ５は、第１端の側に位置するポケット２３を１つ有している。ポケット２３は、チップ３が装着される部分であり、ホルダ５の第１端の側に開口している。本実施形態におけるポケット２３には、チップ３が位置している。チップ３はポケット２３に直接に接していてもよく、また、チップ３とポケット２３との間に、特に図示しないシートが挟まれていてもよい。チップ３は、ホルダ５に対して着脱可能な構成となっている。

ホルダ５におけるボディ５ｂの外周には、一対の溝２５が位置している。一対の溝２５は、第１端の側の端部がそれぞれ、チップ３におけるすくい面に接続されており、部位に向かって回転軸Ｘ１の周りで螺旋状に延びている。

本実施形態における溝２５は、すくい面を流れてきた切屑を外部に排出するために用いられる。そのため、一対の溝２５は、一般的に切屑排出溝（flute）と呼ばれている。このとき、工作機械で安定してホルダ５を把持するため、一対の溝２５はボディ５ｂにのみ形成されており、シャンク５ａには形成されていない。ホルダ５の材質としては、例えば、金属、超硬合金及びサーメットなどが挙げられる。

また、ホルダ５は、クーラントを流すために用いられる、第２流路２７を有している。第２流路２７は、ホルダ５の内部に位置しており、ホルダ５の第１端の側から第２端の側に向かって延びている。なお、クーラントの流れに沿えば、第２流路２７は、第２端の側から第１端の側に向かって延びている。第２流路２７は第１流路１３に接続されており、クーラントは第２流路２７を通って第１流路１３に供給される。第２流路２７は１つであっても複数であってもよい。

以上、一実施形態の切削工具１について例示したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り任意のものとすることができることは言うまでもない。例えば、一実施形態の切削工具１はドリルであったが、例えば、切削工具１がエンドミル又はリーマであってもよい。

また、上記の実施形態の切削工具１は、ホルダ５と、ホルダ５に対して着脱可能なチップ３とによって構成された先端交換式のドリル１であるが、ホルダ５及びチップ３が一体的になっている、いわゆるソリッドドリルであってもよい。ソリッドドリルにおいては、チップ３がホルダ５に相当する部分を含んだ構成となる。また、チップが、上記の実施形態における第２領域２１のみによって構成され、ホルダが、上記の実施形態における第１領域１９及びホルダ５が一体的になった構成であってもよい。

＜切削加工物の製造方法＞
次に、一実施形態の切削加工物の製造方法について、上述の実施形態のドリルを用いる場合を例に挙げて詳細に説明する。以下、図１５〜図１７を参照しつつ説明する。

本実施形態にかかる切削加工物の製造方法は、以下の（１）〜（４）の工程を備える。

（１）準備された被削材１０１に対して上方にドリルを配置する工程（図１５参照）。

（２）ドリルを、回転軸Ｘ１を中心に矢印Ｘ２の方向に回転させ、被削材１０１に向かってＹ１方向にドリルを近付ける工程（図１５及び図１６参照）。

本工程は、例えば、被削材１０１を、ドリルを取り付けた工作機械のテーブル上に固定し、ドリルを回転した状態で近付けることにより行うことができる。なお、本工程では、被削材１０１とドリルとは相対的に近付けばよく、例えば被削材１０１をドリルに近付けてもよい。

（３）ドリルをさらに被削材１０１に近付けることによって、回転しているドリルの切刃を、被削材１０１の表面の所望の位置に接触させて、被削材１０１に加工穴（貫通孔）１０３を形成する工程（図１６参照）。

本工程において、良好な仕上げ面を得る観点から、ホルダにおける第２の部位のうち第２端の側の一部が被削材１０１を貫通しないように設定することが好ましい。すなわち、この一部を切屑排出のためのマージン領域として機能させることで、当該領域を介して優れた切屑排出性を奏することが可能となる。

（４）ドリルを被削材１０１からＹ２方向に離す工程（図１７参照）。

本工程においても、上述の（２）の工程と同様に、被削材１０１とドリルとは相対的に離せばよく、例えば被削材１０１をドリルから離してもよい。

以上のような工程を経ることによって、優れた加工性を発揮することが可能となる。

なお、以上に示したような被削材１０１の切削加工を複数回行う場合であって、例えば、１つの被削材１０１に対して複数の加工穴１０３を形成する場合には、ドリルを回転させた状態を保持しつつ、被削材１０１の異なる箇所にドリルの切刃を接触させる工程を繰り返せばよい。

１・・・切削工具（ドリル）
３・・・チップ
５・・・ホルダ
５ａ・・シャンク
５ｂ・・ボディ
７・・・切刃
９・・・第１切刃
１１・・・第２切刃
１３・・・第１流路
１５・・・第１流入口
１７・・・第１流出口
１９・・・第１領域
２１・・・第２領域
２３・・・ポケット
２５・・・溝
２７・・・第２流路
１０１・・・被削材

Claims (5)

1. 回転軸に沿って第１端から第２端にかけて延びた円柱体の少なくとも一部が、前記第１端に切刃を有するチップであり、
   該チップは、前記第１端の側から前記第２端の側に向かって延びた流路を内部に有し、前記回転軸に直交する断面において、前記流路は、前記円柱体の径方向に沿った幅が、前記円柱体の周方向に沿った幅よりも小さく、
   前記チップは、前記回転軸を含むとともに前記回転軸に沿った第１領域と、該第１領域を覆う第２領域とを有し、
   前記第１領域は、前記第１端の側における外径よりも前記第２端の側における外径が大きく、
   前記第１領域の外径は、前記第１端の側から前記第２端の側に向かうにしたがって大きくなっており、
   前記チップは、前記回転軸を基準として点対称に位置する一対の前記流路を有し、
   一対の前記流路の間隔は、前記第２端の側よりも前記第１端の側が小さくなっている、切削工具。
2. 前記第２領域の外径は、前記回転軸に沿った方向の前記第１領域を含む部分において、前記第２端の側から前記第１端の側に向かって一定である、請求項１に記載の切削工具。
3. 前記流路は、前記第１領域及び前記第２領域の間に位置し、
   前記回転軸に直交する断面において、前記流路は、前記第１領域における輪郭が前記第２領域における輪郭よりも大きい、請求項１または２に記載の切削工具。
4. 前記回転軸に直交する断面において、前記流路は、前記回転軸の側に位置する凹曲面形状の第１部位と、該第１部位と交わり、前記チップの外周の側に位置する凹曲面形状の第２部位とを有し、
   前記第１部位の曲率半径が、前記第２部位の曲率半径よりも小さい、請求項１〜３のいずれか１つに記載の切削工具。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の切削工具を回転させる工程と、
   回転している前記切削工具を被削材に接触させる工程と、
   前記切削工具を前記被削材から離す工程とを備えた切削加工物の製造方法。

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