JP7373161B2 - 穴加工方法および中ぐり工具 - Google Patents

Description

本開示は、中ぐり工具を用いた穴加工方法および中ぐり工具に関する。

特許文献１は、高剛性材料からなるシャンク芯部材と、軟質材料からなり高熱膨張係数を有する筒状部材とを焼きばめ構造にて接合したシャンクを備えた防振中ぐり工具を開示する。この防振中ぐり工具は、シャンク芯部材と筒状部材の密着度を高くすることで、シャンクの曲げ変形振動に対して機械的強度差によるすべり摩擦を生じさせ、この摩擦により振動エネルギを熱エネルギに変換することで、防振中ぐり工具と工作物との間に発生するびびり振動を抑制する。

特開平１１－２７７３０８号公報

被加工材の穴加工に用いられる中ぐり工具のシャンクは、片持式に支持される。そのため加工する穴が深く、シャンク長が長くなるほど、シャンクの長手方向に垂直な方向の剛性が低下し、その低剛性に起因した自励振動を生じやすくなる。中ぐり工具を用いた穴加工で最も問題になる自励振動は「再生びびり振動」である。再生びびり振動は、一回転前（多刃工具では一刃前）に切削した際に生じていた振動が加工面の起伏として残り、その振動が現在の切削において切取り厚さの変動として再生する振動である。

図１は、従来の中ぐり工具の刃部の刃先形状を示す。中ぐり工具を用いて円筒状の仕上げ面を形成する穴加工では、相対回転している被加工材の穴の内面に切れ刃を切り込ませた状態で、中ぐり工具を被加工材の回転軸線方向に相対的に送り、穴の内面に仕上げ面を形成する。従来の中ぐり工具では、ノーズ半径Ｒを有する円弧切れ刃が、穴の内面を切削加工する。

再生びびり振動は、機械構造が振動しやすい振動モードの方向に垂直な方向の切削幅に依存する。中ぐり工具を用いた穴加工では、振動モードの方向が、シャンクの長手方向に略垂直な方向となるため、再生びびり振動は、シャンクの長手方向に略平行な方向の切削幅に依存する。再生びびり振動では、現在の切削幅ｂ（「有効切削幅」と呼ぶ）よりも、一回転前（多刃工具では一刃前）に切削した加工面を現在の切削で削り取る幅ｃ（「有効再生幅」と呼ぶ）の方が問題となり、有効再生幅ｃが大きいと、再生びびり振動が生じやすい。

図１に示すように、円筒状内面を仕上げ加工する場合、送り量ｆ、有効切削幅ｂ、有効再生幅ｃには、
有効再生幅ｃ≒有効切削幅ｂ－送り量ｆ ・・・ （式１）
の関係が近似的に成立する。
中ぐり工具の低剛性を改善できない場合であっても、有効切削幅ｃを小さくすることで、再生びびり振動を抑制できる。

一方で、中ぐり工具を用いた穴加工では、仕上げ面粗さＲthおよび加工能率も実用的に重要である。理論上の仕上げ面粗さＲthは、以下の式で近似的に表現される。
Ｒth≒ｆ^２／（８×Ｒ） ・・・ （式２）
このように仕上げ面粗さＲthは、円弧切れ刃のノーズ半径Ｒに反比例し、送り量ｆの２乗に比例する。これらのパラメータの中で、送り量ｆは加工能率に比例するため、送り量ｆを小さくして仕上げ面粗さＲthを低減することは実用的でない。一方、ノーズ半径Ｒを大きくして仕上げ面粗さＲthを低減しようとすると、（式１）から、有効切削幅ｂが大きくなることで有効再生幅ｃが大きくなり、再生びびり安定性の低下につながる。以上から、被加工材を円弧切れ刃で穴加工する従来の中ぐり工具では、小さな仕上げ面粗さＲth、大きな加工能率（送り量ｆ）、高い再生びびり安定性の３つを同時に満足することが困難であった。

本開示はこうした状況に鑑みてなされており、良好な穴加工を実現するための方法および良好な穴加工を実現するための中ぐり工具を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様は、中ぐり工具を用いて被加工材の穴を加工する穴加工方法であり、中ぐり工具は、第１切れ刃と、第２切れ刃と、第１切れ刃および第２切れ刃を繋げるノーズ切れ刃と、シャンクとを備える。穴加工方法は、中ぐり工具に対して被加工材を相対回転させる工程と、被加工材の穴の内面に第１切れ刃およびノーズ切れ刃を切り込ませた状態で、被加工材の回転軸線に対して所定の角度となる方向に被加工材に対して中ぐり工具を相対的に送る工程とを有する。送り工程において、第１切れ刃およびノーズ切れ刃の境界点とノーズ切れ刃のノーズ中心とを結ぶ線分と、ノーズ切れ刃が穴の内面を最も大きく切り込む点とノーズ中心とを結ぶ線分とのなす角度が、３０度以内に設定され、またシャンクの長手方向に垂直な面に対して、被加工材に切り込む第１切れ刃のなす角度が、所定の範囲内に設定される。

本発明の別の態様は、中ぐり工具である。この中ぐり工具は、第１切れ刃と、第２切れ刃と、第１切れ刃および第２切れ刃を繋げるノーズ切れ刃と、シャンクとを備え、ノーズ切れ刃の円弧の角度が４０度以内に設定されている。シャンクの長手方向に垂直な面に対して、第１切れ刃およびノーズ切れ刃の境界点とノーズ切れ刃のノーズ中心とを結ぶ線分のなす角度が３０度以内に設定され、シャンクの長手方向に垂直な面に対して、第１切れ刃のなす角度が所定の範囲内に設定される。

従来の中ぐり工具の刃部の刃先形状を示す図である。 中ぐり工具を用いて被加工材の穴を加工する工程を示すフローチャートである。 中ぐり工具が被加工材の穴を加工している様子を示す図である。 実施例の中ぐり工具の刃部の刃先形状の例を示す図である。 刃先形状の一例の拡大図である。 刃先形状の別の例の拡大図である。 刃先形状のさらに別の例の拡大図である。 実施例の中ぐり工具の刃部の刃先形状の別の例を示す図である。

図２は、中ぐり工具を用いて被加工材の穴を加工する工程を示し、図３は、中ぐり工具が被加工材の穴を加工している様子を示す。中ぐり工具１は、シャンク２および刃部１０を備え、刃部１０はシャンク先端部２ａに設けられる。中ぐり工具１はスローアウェイ式切削工具であってよく、刃部１０は交換式のスローアウェイチップであってよい。この場合、スローアウェイチップは、シャンク先端部２ａに交換可能にネジで固定される。

中ぐり加工を行う前、被加工材３には、ドリル等によって穴４が形成される。中ぐり加工は、被加工材３の穴４の表面状態を良好にし、寸法精度を高める目的で実施される。中ぐり加工の開始時、穴加工装置（図示せず）は、中ぐり工具１に対して被加工材３を相対的に回転させ（Ｓ１）、被加工材３の穴４の内面に刃部１０の切れ刃を切り込ませた状態で、被加工材３の回転軸線に対して所定の角度となる方向に被加工材３に対して中ぐり工具１を相対的に送り（Ｓ２）、穴４の内面を仕上げていく。

「被加工材３の回転軸線に対して所定の角度」は、被加工材３の円筒内面を仕上げる場合には、回転軸線に対する角度は０度であり（すなわち被加工材３の回転軸線と送り方向とが平行であり）、被加工材３の円錐内面を仕上げる場合には、回転軸線に対する角度は（９０度－円錐側面の角度）となる。中ぐり工具を用いた穴加工では、小さな仕上げ面粗さＲthと大きな加工能率を維持しつつ、同時に再生びびり振動を抑制することが好ましい。

図４は、実施例の中ぐり工具１の刃部１０の刃先形状の例を示す。実施例の刃部１０は、被加工材３の円筒状内面の形成に用いられ、第１切れ刃１１と、第２切れ刃１２と、第１切れ刃１１および第２切れ刃１２を繋げるノーズ切れ刃１３とを有する。なおスローアウェイチップである刃部１０は、それそれの角部において、第１切れ刃１１、第２切れ刃１２およびノーズ切れ刃１３を備えてよい。第１切れ刃１１、第２切れ刃１２およびノーズ切れ刃１３は、すくい面と逃げ面が交わる稜線にそれぞれ形成される。

穴加工時、第１切れ刃１１の一部と、ノーズ切れ刃１３の少なくとも一部が、相対回転する被加工材３に切り込んで、送り方向に送られる。第１切れ刃１１の被加工材３に切り込む部分は直線状に形成され、ノーズ切れ刃１３は、ノーズ半径Ｒを有する円弧に形成されてよい。送り工程において、シャンク２の長手方向に垂直な面に対して、被加工材３に切り込む第１切れ刃１１のなす角度は、所定の範囲内に設定される。

図５は、図４に示す刃部１０の刃先形状の拡大図を示す。図５において、点Ｐはノーズ切れ刃１３と第１切れ刃１１の境界を、点Ｑはノーズ切れ刃１３と第２切れ刃１２の境界を示す。点Ｐと点Ｑの間の円弧状稜線はノーズ半径Ｒを有するノーズ切れ刃１３であり、ノーズ切れ刃１３の円弧の角度は４０度以内に設定されてよい。なおノーズ切れ刃１３と第１切れ刃１１の境界点Ｐには、チッピング（微小な欠損）を防止するために、エッジを丸めたり、小さな面取りを施すなどのホーニング処理が行われてもよい。ノーズ切れ刃１３は、仕上げ面を形成する。

ノーズ切れ刃１３における点Ｓは、穴加工時、ノーズ切れ刃１３が被加工材３の穴４の内面を最も大きく切り込むポイントである。点Ｐとノーズ中心Ｏとを結ぶ線分と、点Ｓとノーズ中心Ｏとを結ぶ線分とのなす角度αは所定の範囲内に設定される。たとえば角度αは、３０度以内に設定されるのが好ましく、２０度以内に設定されるのがさらに好ましい。角度αは、１５度以内に設定されてよい。点Ｑとノーズ中心Ｏを結ぶ線分と点Ｓとノーズ中心Ｏとを結ぶ線分とは角度βをなすが、角度αは、角度βよりも小さく設定されることが好ましい。実施例では角度αを所定の範囲内に制限することで、有効切削幅ｂを小さくできる。

図４および図５に示す刃先形状において、被加工材３に切り込む第１切れ刃１１は、シャンク２の長手方向に垂直な面に対して平行に設定される。ここで「平行」とは、完全に平行だけでなく、ほぼ平行の状態も含み、ほぼ平行とは、送り方向の前後方向にたとえば５度未満のずれがある状態も含む。第１切れ刃１１の切り込み部分を、シャンク２の長手方向に垂直な方向すなわち再生びびり振動の発生方向と平行にすることで、ノーズ切れ刃１３と第１切れ刃１１との境界点Ｐよりも送り方向側に、第１切れ刃１１が存在しない状態を作り出す。そのため、図４および図５に示す刃先形状によると、図１に示す従来の刃先形状と比較して、送り量ｆに対する有効切削幅ｂを小さくできる。
（式１） 有効再生幅ｃ≒有効切削幅ｂ－送り量ｆ
から、有効再生幅ｃを小さくでき、したがって再生びびり振動を抑制できる。

このように被加工材３に切り込む第１切れ刃１１を、シャンク２の長手方向に垂直な面に対して平行にして送り工程を実施することで、図１に示す従来の穴加工と比較すると、仕上げ面粗さＲthおよび加工能率（送り量ｆ）を維持しつつ、再生びびり安定性を向上できる。

中ぐり工具単体として見た場合、ノーズ切れ刃１３の円弧の角度が４０度以内に設定されている中で、シャンク２の長手方向に垂直な面に対して、境界点Ｐとノーズ中心Ｏとを結ぶ線分のなす鋭角側の角度が３０度以内に設定されてよい。この角度は、２０度以内に設定されることが好ましく、さらには１５度以内に設定されることが好ましい。またシャンク２の長手方向に垂直な面に対して、第１切れ刃１１のなす鋭角側の角度が所定の範囲内に設定される。これにより、仕上げ面粗さＲthおよび加工能率（送り量ｆ）を維持しつつ、再生びびり安定性を向上する中ぐり工具１を実現できる。

図６は、刃部１０の刃先形状の別の例の拡大図を示す。図６に示す刃先形状では、ノーズ切れ刃１３との境界点Ｐを起点として第１切れ刃１１が延びる方向が、シャンク２の長手方向に垂直な面に対して、送り方向とは逆方向（後退する方向）に傾斜する。これにより、図５に示す刃先形状と比較すると、有効切削幅ｂを確実に小さくでき、再生びびり安定性を向上できる。シャンク２の長手方向に垂直な面に対して第１切れ刃１１が延びる方向のなす角度γは、０度より大きく、１０度未満であることが好ましい。

図７は、刃部１０の刃先形状のさらに別の例の拡大図を示す。図７に示す刃先形状では、ノーズ切れ刃１３との境界点Ｐを起点として第１切れ刃１１が延びる方向が、シャンク２の長手方向に垂直な面に対して、送り方向と同じ方向に傾斜する。これにより、図４および図５に示す刃先形状と比較すると、刃先強度を向上できる。シャンク２の長手方向に垂直な面に対して第１切れ刃１１が延びる方向のなす角度γは、３０度以内であることが好ましい。この場合であっても、ノーズ中心Ｏから描くノーズ半径Ｒの仮想的な円弧の内側に、被加工材３に切り込む第１切れ刃１１の部分を配置することで、図１に示す中ぐり工具よりも、有効切削幅ｂを小さくできる。

図８は、中ぐり工具１の刃部１０の刃先形状の別の例を示す。図８に示す刃部１０は、被加工材３の円錐内面の形成に用いられ、第１切れ刃１１と、第２切れ刃１２と、第１切れ刃１１および第２切れ刃１２を繋げるノーズ切れ刃１３とを有する。円錐内面を形成する場合、中ぐり工具１の送り工程は、被加工材３の回転軸線に対して、円錐内面を形成する角度となる方向に中ぐり工具１を相対的に送る。

穴加工時、第１切れ刃１１の一部と、ノーズ切れ刃１３の少なくとも一部が、相対回転する被加工材３に切り込んで、送り方向に送られる。第１切れ刃１１の被加工材３に切り込む部分は直線状に形成され、ノーズ切れ刃１３は、ノーズ半径Ｒを有する円弧に形成されてよい。

図８に示す例では、有効再生幅ｃが０となるように、送り量ｆが設定されている。つまり、送り量ｆのシャンク長手方向に平行な成分＝有効切削幅ｂであり、再生びびり安定性を向上できる。なお実際には、振動等によって理論通りに仕上げ面が形成されないことに備えて、仕上げ面が常にノーズ切れ刃１３で形成されるように、送り量ｆのシャンク長手方向に平行な成分＜有効切削幅ｂとしつつ、有効再生幅ｃが小さくなるように送り量ｆを調整することが好ましい。

以上、本開示を実施形態をもとに説明した。本開示の技術は、ラジアスエンドミルとは異なる工具に適用される。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。たとえばノーズ切れ刃１３は、ノーズ半径Ｒの円弧で形成されることを説明したが、円弧以外の曲線であってもよい。また実施例では、一刃の中ぐり工具１について説明したが、多刃の中ぐり工具であってもよい。

本開示の態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様は、中ぐり工具を用いて被加工材の穴を加工する穴加工方法である。中ぐり工具は、第１切れ刃と、第２切れ刃と、第１切れ刃および第２切れ刃を繋げるノーズ切れ刃と、シャンクとを備える。穴加工方法は、中ぐり工具に対して被加工材を相対回転させる工程と、被加工材の穴の内面に第１切れ刃およびノーズ切れ刃を切り込ませた状態で、被加工材の回転軸線に対して所定の角度となる方向に被加工材に対して中ぐり工具を相対的に送る工程とを有し、送り工程において、第１切れ刃およびノーズ切れ刃の境界点とノーズ切れ刃のノーズ中心とを結ぶ線分と、ノーズ切れ刃が穴の内面を最も大きく切り込む点とノーズ中心とを結ぶ線分とのなす角度が、３０度以内に設定され、またシャンクの長手方向に垂直な面に対して、被加工材に切り込む第１切れ刃のなす角度が、所定の範囲内に設定されてよい。シャンクの長手方向に垂直な面に対する第１切れ刃の角度を所定の範囲内に設定することで、再生びびり安定性が向上される。

被加工材に切り込む第１切れ刃は直線状であり、ノーズ切れ刃は円弧状であってよい。仕上げ面は、ノーズ切れ刃によって形成されてよい。被加工材に切り込む第１切れ刃はシャンクの長手方向に垂直な面に対して平行に設定されてよい。ノーズ切れ刃との境界を起点として第１切れ刃が延びる方向は、シャンクの長手方向に垂直な面に対して、送り方向とは逆方向に傾斜してよい。

本開示の別の態様は、第１切れ刃と、第２切れ刃と、第１切れ刃および第２切れ刃を繋げるノーズ切れ刃と、シャンクとを備える中ぐり工具であり、ノーズ切れ刃の円弧の角度が４０度以内に設定されている。シャンクの長手方向に垂直な面に対して、第１切れ刃およびノーズ切れ刃の境界点とノーズ切れ刃のノーズ中心とを結ぶ線分のなす角度が３０度以内に設定され、シャンクの長手方向に垂直な面に対して、第１切れ刃のなす角度が所定の範囲内に設定されてよい。シャンクの長手方向に垂直な面に対する第１切れ刃の角度を所定の範囲内に設定することで、再生びびり安定性が向上される。第１切れ刃は直線状であり、ノーズ切れ刃は円弧状であってよい。

１・・・中ぐり工具、２・・・シャンク、２ａ・・・シャンク先端部、３・・・被加工材、４・・・穴、１０・・・刃部、１１・・・第１切れ刃、１２・・・第２切れ刃、１３・・・ノーズ切れ刃。

Claims (7)

1. 中ぐり工具を用いて被加工材の穴を加工する穴加工方法であって、中ぐり工具は、第１切れ刃と、第２切れ刃と、前記第１切れ刃および前記第２切れ刃を繋げるノーズ切れ刃と、シャンクとを備え、
   前記中ぐり工具に対して前記被加工材を相対回転させる工程と、
   前記被加工材の穴の内面に前記第１切れ刃および前記ノーズ切れ刃を切り込ませた状態で、前記被加工材の回転軸線に対して所定の角度となる方向に前記被加工材に対して前記中ぐり工具を相対的に送る工程とを有し、
   前記ノーズ切れ刃の円弧の角度が４０度以内に設定されており、
   前記第１切れ刃および前記ノーズ切れ刃の境界点と前記ノーズ切れ刃のノーズ中心とを結ぶ線分と、前記ノーズ切れ刃が穴の内面を最も大きく切り込む点と前記ノーズ中心とを結ぶ線分とのなす角度αが、前記第２切れ刃および前記ノーズ切れ刃の境界点と前記ノーズ中心とを結ぶ線分と、前記ノーズ切れ刃が穴の内面を最も大きく切り込む点と前記ノーズ中心とを結ぶ線分とのなす角度βより小さく設定され、
   前記シャンクの長手方向に垂直な面に対して、前記被加工材に切り込む前記第１切れ刃のなす角度が、所定の範囲内に設定される、
   ことを特徴とする穴加工方法。
2. 前記被加工材に切り込む前記第１切れ刃は直線状であり、前記ノーズ切れ刃は円弧状である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の穴加工方法。
3. 仕上げ面は、前記ノーズ切れ刃によって形成される、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の穴加工方法。
4. 前記被加工材に切り込む前記第１切れ刃は、前記シャンクの長手方向に垂直な面に対して平行に設定される、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の穴加工方法。
5. 前記境界点を起点として前記第１切れ刃が延びる方向は、前記シャンクの長手方向に垂直な面に対して、送り方向とは逆方向に傾斜する、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の穴加工方法。
6. 第１切れ刃と、第２切れ刃と、前記第１切れ刃および前記第２切れ刃を繋げるノーズ切れ刃と、シャンクとを備える中ぐり工具であって、前記ノーズ切れ刃の円弧の角度が４０度以内に設定されており、
   前記シャンクの長手方向に垂直な面に対して、前記第１切れ刃および前記ノーズ切れ刃の境界点と前記ノーズ切れ刃のノーズ中心とを結ぶ線分のなす角度が、前記シャンクの長手方向に垂直な面に対して、前記第２切れ刃および前記ノーズ切れ刃の境界点と前記ノーズ中心とを結ぶ線分のなす角度より小さく設定され、
   前記シャンクの長手方向に垂直な面に対して、前記第１切れ刃のなす角度が、所定の範囲内に設定される、
   ことを特徴とする中ぐり工具。
7. 前記第１切れ刃は直線状である、
   ことを特徴とする請求項６に記載の中ぐり工具。

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