JP6860657B2 - 回転工具及び切削加工物の製造方法 - Google Patents

Description

本態様は、転削加工において用いられる回転工具に関する。

被削材に転削加工をする際に用いられる回転工具の一例として、特許文献１に記載のエンドミルが知られている。被削材としては、例えば、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）のようなＦＲＰ（繊維強化プラスチック）が挙げられる。特許文献１に記載のエンドミルは、主切刃と、主切刃のねじれ角に対して逆にねじれた逆ねじれ角で配列されたニック切刃とを有している。このとき、主切刃の刃溝数とニック切刃の溝条数との差が２以下となっている。特許文献１に記載のエンドミルでは、互いに逆方向にねじれた主切刃及びニック切刃を有していることによって、ＦＲＰに含有される繊維の切削性が高められている。

逆ねじれ角で配列されたニック切刃においては、切屑の排出性が低下するためニック切刃に沿って位置するニック溝の逆ねじれ角を大きくすることが望まれる。しかしながら、特許文献１に記載のエンドミルにおいては、主切刃の刃溝数とニック切刃の溝条数との差が２以下であることから、ニック溝の逆ねじれ角を大きくすることが困難であった。

ニック溝の逆ねじれ角を大きくするためには、ニック切刃の溝条数を減らす対策が考えられるが、単にニック切刃の溝条数を減らした場合には、特許文献１に記載されているように、ニック切刃による繊維を切断する効果が発揮できなくなるおそれがある。

そのため、ＦＲＰのような、繊維を含有する被削材における繊維を良好に切断しつつ、切屑を良好に排出することが可能な回転工具が求められていた。

特開２０１１−０２０２４８号公報

一態様に基づく回転工具は、回転軸を有し、第１端から第２端にかけて延びた円柱形状の本体を有する。該本体は、前記本体の外周に位置し、前記第２端に向かうにしたがってねじれ角θ１で前記回転軸の回転方向の後方に向かう複数の第１溝と、前記本体の外周及び前記複数の第１溝が交わる稜線の少なくとも一部に位置する第１刃とを有する。また、前記本体は、前記本体の外周に位置し、前記第２端に向かうにしたがって逆ねじれ角θ２で前記回転軸の回転方向の前方に向かうとともに、前記複数の第１溝と交差している複数の第２溝と、前記本体の外周及び前記複数の第２溝が交わる稜線の少なくとも一部に位置する第２刃とを有している。また、前記θ２が前記θ１よりも大きく、前記複数の第１溝の数をｍ、前記複数の第２溝の数をｎとしたときに、ｍ≧５、ｍ−ｎ≧３、かつ、ｍ及びｎが互いに素である。

一実施形態の回転工具（エンドミル）を示す斜視図である。 図１に示すエンドミルを第１端に向かって見た正面図である。 図２に示すエンドミルをＡ１方向から見た側面図である。 図１に示すエンドミルにおける第１溝及び第２溝の概要を示す展開図である。 図４に示す領域Ａ２における拡大図である。 一実施形態の切削加工物の製造方法の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の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の一工程を示す概略図である。

以下、一実施形態の回転工具１について図面を用いて詳細に説明する。なお、本実施形態においては、回転工具１の一例としてエンドミル１を示しているが、回転工具はエンドミルに限定されるものではなく、例えばリーマなどであってもよい。

以下で参照する各図は、説明の便宜上、本実施形態を構成する部材のうち主要な部材を簡略化して示したものである。従って、回転工具は、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。

本実施形態の回転工具１（エンドミル１）は、図１などに示すように、回転軸Ｘ１を有するとともに第１端３ａから第２端３ｂにかけて延びた円柱形状の本体３を有している。一般的には、第１端３ａが「先端」と呼ばれ、第２端３ｂが「後端」と呼ばれる。本体３は、回転軸Ｘ１の周りで回転可能であり、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、本体３の回転方向を示している。

本体３は、シャンク（shank）と呼ばれる把持部５及びボディー（body）と呼ばれる切削部７によって構成されている。把持部５は、工作機械（不図示）のスピンドル等で把持される部分である。そのため、把持部５の形状は、スピンドルの形状に応じて設計される。切削部７は、把持部５よりも第１端３ａの側に位置している。切削部７は、被削材と接触する部位であり、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る。

本実施形態における本体３は、複数の第１溝９、複数の第１刃１１、複数の第２溝１３及び複数の第２刃１５を有している。複数の第１溝９は、それぞれ本体３の外周に位置しており、第２端３ｂに向かうにしたがって回転方向Ｘ２の後方に向かうようにねじれている。このとき、第１溝９のねじれ角をθ１とする。複数の第１溝９のそれぞれは、図４に示すように展開図において真っ直ぐ延びている。第１溝９の数は特定の値に限定されるものではないが、例えば５〜２０に設定できる。

複数の第２溝１３も、第１溝９と同様に本体３の外周に位置している。ただし、第２溝１３は、第１溝９とは逆に、第２端３ｂに向かうにしたがって回転方向Ｘ２の前方に向かうようにねじれている。このとき、第２溝１３の逆ねじれ角をθ２とする。複数の第２溝１３のそれぞれは、図４に示すように展開図において真っ直ぐ延びている。第１溝９の数は特定の値に限定されるものではないが、例えば２〜１７に設定できる。

本実施形態における複数の第１溝９及び複数の第２溝１３は、本体３の外周において交差しており、第２溝１３が第１溝９によって分断された構成となっている。第２溝１３が第１溝９によって分断されていることから、図５に示す例のように、１つの第２溝１３ａは、第１溝９によって分断された複数の第２溝要素１３ａａによって構成されている。第２溝１３が展開図において真っ直ぐ延びていることから、上記の複数の第２溝要素１３ａａは、一つの直線に沿って位置している。

複数の第１刃１１は、本体３の外周及び複数の第１溝９が交わる稜線の少なくとも一部に位置している。本実施形態においては、本体３の外周及び複数の第１溝９が交わる稜線のそれぞれに第１刃１１が位置しているが、第１刃１１は、必ずしも本体３の外周及び複数の第１溝９が交わる稜線の全てに位置していなくてもよい。第１刃１１は、一般的に外周刃と呼ばれる切刃の部位である。また、第１刃１１は、エンドミル１を用いた被削材の切削加工において主たる役割を有する切刃の部位であり、主切刃とも呼ばれる。

複数の第１溝９及び複数の第２溝１３が本体３の外周において交差していることから、主切刃として機能させることが可能な第１刃１１は、第２溝１３によって分断されている。そのため、第２溝１３は、一般的にニック溝とも呼ばれる。また、第１刃１１が第２溝１３によって分断されていることから、１つの第１溝９及び本体３の外周が交わる稜線に位置する１つの第１刃１１ａは、第２溝１３によって分けられた複数の第１刃要素１１ａａによって構成されていると言い換えることができる。

本実施形態における第２溝１３は、回転軸Ｘ１に直交する方向ではなく、逆ねじれ角θ２で傾斜した方向に延びている。そのため、本体３の外周及び複数の第２溝１３が交わる稜線の少なくとも一部には、複数の第２刃１５が位置している。

本実施形態においては、本体３の外周及び複数の第２溝１３が交わる稜線のそれぞれに第２刃１５が位置しているが、第２刃１５は、必ずしも本体３の外周及び複数の第２溝１３が交わる稜線の全てに位置していなくてもよい。本実施形態における第２刃１５は、ニック溝とも呼ばれる第２溝１３及び本体３の外周が交わる稜線に位置していることから、ニック切刃とも呼ばれる。

複数の第１溝９及び複数の第２溝１３が本体３の外周において交差していることから、ニック切刃として機能させることが可能な第２刃１５は、第１溝９によって分断されている。第２刃１５及び第２溝１３が第１溝９によって分断されていることから、１つの第２溝１３及び本体３の外周が交わる稜線に位置する１つの第２刃１５ａは、第１溝９によって分けられた複数の第２刃要素１５ａａによって構成されていると言い換えることができる。

被削材が繊維を含有する材質である場合、第１刃１１がねじれ角θ１でねじれていることに起因して、繊維の一部が第１刃１１で切断されずに残ってしまうおそれがある。しかしながら、第２刃１５が逆ねじれ角θ２でねじれていることによって、上記の残った繊維を第２刃１５で切断することが可能となる。

このとき、本実施形態のエンドミル１では、第２溝１３の逆ねじれ角θ２が第１溝９のねじれ溝θ１よりも大きくなっている。そのため、第２刃１５において生じる切屑の排出性が高められる。θ１及びθ２の具体的な値は、特定の値に限定されるものではないが、例えば、θ１は０°より大きく４５°より小さい値に設定できる。θ１が４５°よりも小さい値である場合には、本体３の外周面の面積を大きく確保できるため、本体３の剛性が高められる。特に、θ１が１０°より大きく３０°より小さい場合には、切屑の排出性及び本体３の剛性をより高めることができる。

θ２が４５°よりも大きい場合には、第２刃１５において生じる切屑が、第２溝１３における回転方向Ｘ２の後方へ送り出され、第１溝９へと流れ易くなる。そのため、第２刃１５において生じる切屑の排出性が高められる。また、θ２が４５°よりも大きい場合には、径方向、すなわち回転軸Ｘ１に直交する方向の角度が小さくなる。そのため、例えば、ＦＲＰのような、繊維を含有する被削材を切削加工する際に、繊維を切削し易くなる。特に、θ２が５５°より大きく７５°より小さい場合には、切屑の排出性をより高めるとともに繊維をより切削し易くなる。

本実施形態のエンドミル１において、複数の第１溝９の数をｍ、複数の第２溝１３の数をｎとしたとき、これらの数ｍ、ｎは、ｍ≧５、ｍ−ｎ≧３の関係を満たしており、さらに、ｍ及びｎが互いに素である。なお、図４に示す例においては、ｍ＝１０（≧５）、ｎ＝７（ｍ−ｎ＝１０−７＝３≧３）となっている。ただし、図４に示す例は、あくまで一例であり、例えばｍ＝１２、ｎ＝５であっても何ら問題無い。

第１溝９の数が５以上であることから、各第１溝９に沿って位置する第１刃１１に加わる切削負荷が分散され、切削負荷が特定の第１刃１１に過度に集中することが避けられ、本体３の耐久性が高められる。また、第２溝１３の数が第１溝９の数よりも３つ以上少なくなっていることから、第２溝１３の逆ねじれ角を大きくすることが可能となる。

ｍ及びｎが互いに素でなく１以外の公約数を有している場合には、第２溝１３の位置が同期するため、第１刃１１のみによって切削される領域が増加するおそれがある。しかしながら、本実施形態においては、ｍ及びｎが互いに素である。これにより、第２溝１３の位置が同期しなくなるため、第２溝１３の数が第１溝９の数よりも３つ以上少なくなっている場合であっても、第１刃１１のみによって切削される領域を減らす、あるいは無くすことが可能となる。

以上の通り、本実施形態のエンドミル１では、第２溝１３の数を減らして第２溝１３の逆ねじれ角を大きくすることによって第２刃１５において生じる切屑の排出性を高めつつ、第２刃１５による繊維を切断する効果が良好に発揮される。

本実施形態におけるエンドミル１は、右回転で使用される工具であるため、第１溝９及び第１刃１１が右ねじれであるとともに、第２溝１３及び第２刃１５が左ねじれであるが、エンドミル１はこのような実施形態に限定されるものではない。例えば、左回転で使用される工具であって、第１溝９及び第１刃１１が左ねじれであるとともに、第２溝１３及び第２刃１５が右ねじれであっても何ら問題無い。

第１溝９及び第２溝１３の幅及び深さは、それぞれ特定の数値に限定されるものではないが、例えば、側面視した場合において第１溝９の幅が第２溝１３の幅より大きくてもよい。第１刃１１が主切刃であるとともに第２刃１５がニック切刃であるとき、第２刃１５で生じる切屑よりも第１刃１１で生じる切屑の量が多くなり易いが、このような構成において、第１溝９の幅が第２溝１３の幅より大きい場合には、エンドミル１における切屑の排出性が高められる。

また、図４に示す例のように、複数の第１溝９のうち回転軸Ｘ１の回転方向Ｘ２において隣り合う複数の第１溝９の間隔Ｗ１よりも、複数の第２溝１３の幅Ｗ２が狭くなっていてもよい。この場合においては、回転軸Ｘ１の回転方向Ｘ２において隣り合う複数の第１溝９の間に位置する第２溝１３の形状が、逆ねじれ角θ２に沿った方向に細長い形状となる。

被削材が繊維を含有する材質である場合においては、第２刃１５は第１刃１１で切断できずに残った繊維を切断することに主に使用される。このとき、第２溝１３が上記のように細長い形状である場合には、残った繊維の可動領域が第２溝１３に制約されやすいため、第２刃１５で切断し易くなる。そのため、被削材の仕上げ面を良好なものにできる。

なおここで、複数の第２溝１３の幅よりも複数の第２溝１３の深さが深い場合には、第２溝１３における切屑を排出するスペースも確保することができるため、第２溝１３における切屑の排出性が高められる。

また、第２刃１５が、側面視において第１刃要素１１ａａの第２端３ｂの側の端部における回転軸Ｘ１との直交線と重なっている場合には、被削材に含有される繊維を安定して切断し易い。そのため、被削材の仕上げ面をさらに良好なものにできる。

本実施形態における本体３の大きさは、特定の大きさには限定されないが、例えば、本体３の直径（外径）Ｄが５ｍｍ〜４０ｍｍに設定される。また、切削部７の回転軸Ｘ１に沿った方向の長さは、１．５Ｄｍｍ〜２５Ｄｍｍ程度に設定される。

このとき、本体３の外径は、第１端３ａの側から第２端３ｂの側にかけて一定であってもよく、変化していてもよい。例えば、本体３の外径が、第１端３ａの側から第２端３ｂの側にかけて小さくなっていてもよい。

本体３を構成する材質としては、例えば、金属、超硬合金、サーメット及びセラミックスなどが挙げられる。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、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ（炭化タンタル）−Ｃｏ及びＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｒ_３Ｃ_２（炭化クロム）−Ｃｏが挙げられる。ここで、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ及びＣｒ_３Ｃ_２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、ＴｉＣ及びＴｉＮ（窒化チタン）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。セラミックスとしては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３（酸化アルミニウム）やＳｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）、ｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素：Cubic Boron Nitride）が挙げられる。

本体３は、上記の材質のみによって構成されていてもよく、また、上記の材質によって構成された部材と、この部材を被覆する被覆層（不図示）とによって構成されていてもよい。被覆層を構成する材質としては、例えば、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ（炭窒化チタン）、ＴｉＭＮ（ＭはＴｉ以外の周期表４、５、６族金属、Ａｌ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素）、Ａｌ_２Ｏ_３から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。

本体３が、上記の被覆層を有している場合には、第１刃１１及び第２刃１５の耐摩耗性を向上させることができる。特に、被覆層がダイヤモンドを含んでいる場合には、被削材がセラミック素材であっても、エンドミル１が良好な耐摩耗性を発揮する。

被覆層は、例えば気相合成法にて成膜することができる。気相合成法としては、例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）法又は物理蒸着（ＰＶＤ）法が挙げられる。被覆層の厚みは、例えば、０．３μｍ〜２０μｍに設定される。なお、被覆層の組成によって好適な範囲は異なる。

以上、一実施形態のエンドミル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。

＜切削加工物（machined product）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、上述の実施形態に係るエンドミル１を用いる場合を例に挙げて詳細に説明する。以下、図６〜図８を参照しつつ説明する。なお、図６〜図８においては、切削加工物の製造方法の一例として、被削材への肩加工の工程を図示している。また、視覚的な理解を容易にするため、図７及び図８において、エンドミル１によって切削された加工面を着色して示している。

本実施形態にかかる切削加工物の製造方法は、以下の（１）〜（３）の工程を備える。

（１）エンドミル１を、回転軸を中心に矢印Ｘ２の方向に回転させ、被削材１０１に向かってＹ１方向にエンドミル１を近づける（図６参照）。

本工程は、例えば、被削材１０１を、エンドミル１を取り付けた工作機械のテーブル上に固定し、エンドミル１を回転した状態で近づ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とエンドミル１とは相対的に近づけばよく、被削材１０１をエンドミル１に近づけてもよい。

（２）エンドミル１をさらに被削材１０１に近づけることによって、回転しているエンドミル１を被削材１０１の表面の所望の位置に接触させて、被削材１０１を切削する（図７参照）。

本工程においては、第１刃及び第２刃を被削材１０１の表面の所望の位置に接触させている。なお、切削加工としては、例えば、図７に示すような肩加工の他にも、溝加工及びフライス加工などが挙げられる。

（３）エンドミル１を被削材１０１からＹ２方向に離す（図８参照）。

本工程においても、上述の（１）の工程と同様に、被削材１０１からエンドミル１を相対的に離せばよく、例えば被削材１０１をエンドミル１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に対して複数の切削加工を行う場合には、エンドミル１を回転させた状態を保持しつつ、被削材１０１の異なる箇所にエンドミル１を接触させる工程を繰り返せばよい。

１・・・回転工具（エンドミル）
３・・・本体
３ａ・・第１端
３ｂ・・第２端
５・・・把持部
７・・・切削部
９・・・第１溝
１１・・・第１刃
１３・・・第２溝
１５・・・第２刃
１０１・・・被削材

Claims (6)

1. 回転軸を有し、第１端から第２端にかけて延びた円柱形状の本体を有し、
   該本体は、
   前記本体の外周に位置し、前記第２端に向かうにしたがってねじれ角θ１で前記回転軸の回転方向の後方に向かう複数の第１溝と、
   前記本体の外周及び前記複数の第１溝が交わる稜線の少なくとも一部に位置する第１刃と、
   前記本体の外周に位置し、前記第２端に向かうにしたがって逆ねじれ角θ２で前記回転軸の回転方向の前方に向かうとともに、前記複数の第１溝と交差している複数の第２溝と、
   前記本体の外周及び前記複数の第２溝が交わる稜線の少なくとも一部に位置する第２刃とを有し、
   前記θ２が前記θ１よりも大きく、
   前記複数の第１溝の数をｍ、前記複数の第２溝の数をｎとしたときに、ｍ＞５、ｍ−ｎ≧３、かつ、ｍ及びｎが互いに素であることを特徴とする回転工具。
2. 前記複数の第１溝のうち前記回転軸の回転方向において隣り合う前記複数の第１溝の間隔よりも、前記複数の第２溝の幅が狭いことを特徴とする請求項１に記載の回転工具。
3. 前記複数の第２溝の幅よりも前記複数の第２溝の深さが深いことを特徴とする請求項２に記載の回転工具。
4. 前記θ１が０°＜θ１＜４５°であるとともに、前記θ２が４５°＜θ２＜９０°であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の回転工具。
5. 前記第１刃は、前記第２溝によって分けられた複数の第１刃要素を有し、
   前記第２刃は、側面視において前記第１刃要素の前記第２端の側の端部における前記回転軸との直交線と重なっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の回転工具。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の回転工具を回転させる工程と、
   回転している前記回転工具を被削材に接触させる工程と、
   前記回転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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