JP7569633B2

JP7569633B2 - ２枚刃ボールエンドミル

Info

Publication number: JP7569633B2
Application number: JP2020110088A
Authority: JP
Inventors: 昌之 ▲高▼野; 真桂澤
Original assignee: NS Tool Co Ltd
Current assignee: NS Tool Co Ltd
Priority date: 2020-06-26
Filing date: 2020-06-26
Publication date: 2024-10-18
Anticipated expiration: 2040-06-26
Also published as: JP2022007242A

Description

本発明は、工具本体先端の切刃部に底刃が２枚配設された２枚刃ボールエンドミルに関する。

一般に精密機械加工分野において、金型や精密部品等の高硬度材を切削加工するためにボールエンドミル等が用いられている。しかも、高硬度材の被削材の切削加工には、長時間安定して加工面を形成でき、高精度な切削加工が要求される。

例えば特許文献１に記載された２枚刃のボールエンドミルでは、工具本体の略半球状切刃部の先端面に２枚の略円弧状の底刃が周方向に等間隔に形成されている。各底刃のすくい角は底刃の外周側９０°付近で－１５°～-３５°の範囲、回転中心では－２０°～－４０°の範囲に設定されている。また、各底刃のにげ角は底刃の外周側９０°付近で１２°～２０°の範囲、０°の回転中心では１５°～３０°の範囲に設定されている。
これにより、切刃強度及び逃げ量を確保し、３次元加工においても摩耗やチッピングを抑えるとしている。

また、特許文献２に記載の２枚刃ボールエンドミルは、外径３ｍｍ以下の小径のボールエンドミルであり、先端部の法線方向断面視で、法線の基準線と第１逃げ面との間の刃物角（刃先角）は８５°～９０°に設定され、逃げ角は０．５°～５．０°の範囲に設定されている。これによって、刃先角を確保して底刃の摩耗を抑制でき、特にチゼル刃の摩耗を抑制している。

特開平６－２１８６１２号公報特開２００５－３４２８３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたボールエンドミルは底刃のすくい角が負角に設定されていて刃先角が大きいため切削抵抗が大きく加工精度が低い上にバリを生じ易いという問題があった。また、特許文献２に記載されたボールエンドミルは刃先角が大きく逃げ角が小さいため、加工面を擦過し易く摩耗の進行速度が速くてバリを生じ易く、削り残しを生じ易いという問題がある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、加工精度を向上させ、切削抵抗を低減させて工具摩耗を抑制させる２枚刃ボールエンドミルを提供することを目的とする。

本発明による２枚刃ボールエンドミルは、中心軸線回りに回転可能な工具本体の先端側に切刃部を備えたボールエンドミルにおいて、切刃部の先端面に形成されていて円弧状部分を有する２枚の底刃と、底刃の回転方向前方側に形成されていて底刃のすくい面を有するギャッシュ溝と、底刃の回転方向後方側に形成されている逃げ面と、を備え、底刃のすくい角が－５°～１０°の範囲に設定され、底刃の逃げ角が１５°～２５°の範囲に設定されていることを特徴とする。
本発明によれば、底刃のすくい角が－５°～１０°、逃げ角が１５°～２５°の範囲に設定されているため、刃先角が鋭角に設定されており、被削材が高硬度材であっても切削性が良く切削抵抗を低減させることができると共に工具摩耗を抑制することができる。そのため、荒加工では切削性が良く工具寿命を向上でき、仕上げ加工では加工誤差を抑制して加工面を高精度に仕上げることができ、バリの発生量を抑制できる。

また、底刃の刃先角は鋭角に設定されていることが好ましい。
底刃が鋭角に設定されていると被削材に対する加工精度が向上する。
また、底刃には高硬度材切削加工用のコーティング被膜が形成されていてもよい。
これによって、被削材が高硬度材であっても、刃先角が鋭角をなす底刃の強度を確保して加工精度と切刃寿命を向上できる。

本発明に係る２枚刃ボールエンドミルによれば、底刃のすくい角が－５°～１０°の範囲に設定され、逃げ角が１５°～２５°の範囲にされているため、刃先角が鋭角で逃げ角を強くできて加工精度を向上させて切削抵抗を低減でき、工具摩耗を抑制して工具寿命を向上できる。しかも、逃げ角が強く設定されているため加工面を擦過することを抑えてバリの発生を防止できる。

本発明の実施形態によるボールエンドミルの切刃部を示す側面図である。図１に示すボールエンドミルの切刃部の先端面図である。（ａ）は実施形態による底刃の刃物角を示す断面図、（ｂ）は従来技術による底刃の刃物角を示す断面図である。従来例１、２と実施例の切れ刃形状のすくい角、逃げ角、刃物角と仕上げ加工の加工誤差、バリ量、加工面を示す表１である。被削材の加工済み形状を示す斜視図である。従来例１、２、実施例について加工１時間後と３時間後の状態を示すグラフであり、（ａ）は加工誤差量を示すグラフ、（ｂ）はバリ量を示すグラフである。従来例１、２、実施例について３時間加工後の加工面粗さと切削面の模様を示す図である。従来例１、２、実施例の各底刃で切削した後の摩耗状態を示す先端面図である。

以下、本発明の実施形態によるボールエンドミルについて添付図面に基づいて説明する。
図１乃至図３は本発明の実施形態による２枚刃を有するボールエンドミル１を示すものである。図１乃至図３において、本実施形態によるボールエンドミル１は、略円柱状に形成されていて中心軸線Ｏを中心に回転される工具本体２とその先端部にろう付けまたは一体に形成された切刃部３とを備えている。
切刃部３は超硬合金、ｃＢＮ、ＰＣＤ(ダイヤモンド焼結体)等を適宜採用できる。本実施形態によるボールエンドミル１は、略半球状の切刃部３の最大外径Ｄが例えば６．０ｍｍ以下の小径のボールエンドミル１に用いられる。

このボールエンドミル１は小型で精密な機械部品や金型等の高硬度材や非鉄金属、一般鋼材等を切削加工するのに用いられる。本明細書では工具本体２の中心軸線Ｏに沿った切刃部３側を先端側、先端といい、主軸に連結する反対側を基端側、基端というものとする。

図１及び図２において、ボールエンドミル１の切刃部３は先端面が略半球状に形成されており、その周方向に略１８０度の間隔で基端側から先端側に向けて複数、例えば２つのギャッシュ溝４が凹状に対向して形成されている。中心軸線Ｏを中心とした切刃部３の各ギャッシュ溝４における回転方向後方には逃げ面６が形成され、ギャッシュ溝４と逃げ面６の交差稜線部には略１／４円弧状の底刃５が形成されている。各底刃５はそれぞれ芯上がりに形成されている。各ギャッシュ溝４における工具本体２の回転方向前方側を向く面は底刃５のすくい面７を形成している。

底刃５のすくい面７は、従来例のボールエンドミルではすくい角が負角に設定されているが、本実施形態ではすくい角αが－５°～＋１０°の範囲に設定されている。すくい角αを従来のものより正角側に強く設定することで切削性を高めて切削抵抗を軽減できる。しかも、底刃５は芯上がりに形成されているため耐欠損性と耐摩耗性を高めることができる。
一方、すくい角αが－５°未満では負角が大きくなりすぎて上記効果を発揮できず、＋１０°を超えると刃物角（刃先角）が小さくなって刃先が欠け易くなるという欠点がある。

また、底刃５の回転方向後方側に形成された逃げ面６の逃げ角βは、１５°～２５°の範囲の正角に設定されている。逃げ角βを従来品より大きく設定することで、底刃５の切削性を高めて切削抵抗を軽減し背分力を小さくすることができる。また、逃げ角が１５°未満であると底刃５の切削性が小さくなり切削抵抗が増大するという欠点がある。
そのため、底刃５のすくい角αと逃げ角βの関係により、その刃先角（刃物角）は５５°～８０°の範囲の鋭角に設定される。そのため、底刃５の切削性がよく切削抵抗を低減できる。

なお、底刃５のすくい角αは－５°～＋１０°の範囲内で外周側（９０°側）から中心軸線Ｏ側（０°側）に向けて次第に負角側または正角側に向けて変化してもよいし、同一角度に保持されていてもよい。同様に、逃げ角βは１５°～２５°の範囲で外周側（９０°側）から中心軸線Ｏ（０°側）に向けて次第に大きく、または小さくなるように変化してもよいし、同一角度に保持されていてもよい。
切刃部３における底刃５のすくい面７を有するギャッシュ溝４はその基端側でフルート溝９に接続されており、フルート溝９はギャッシュ溝４と同一ねじれ角またはギャッシュ溝４より大きいねじれ角によって回転方向後方側に捩じれている。そのため、切り屑はすくい面７からギャッシュ溝４を通って外部へ流れるか、またはギャッシュ溝４からフルート溝９へスムーズに流れて外部に排出される。

２枚の底刃５は、中心軸線Ｏを中心に略１８０°回転対称に対向して配設されている。しかも、図２において、２枚の底刃５は中心軸線Ｏ側端部で中心軸線Ｏを通るチゼル刃１０を介して接続されている。各底刃５の逃げ面６は第一逃げ面６ａと第二逃げ面６ｂとを回転方向後方に向けて順次有しており、第一逃げ面６ａにおいて１５°～２５°の範囲の逃げ角βを有しており、第一逃げ面６ａに続く第二逃げ面６ｂは逃げ角βよりも更に大きい正の逃げ角を有している。

また、図２に示す切刃部３の先端部において、２枚の底刃５の内側端部の間には中心軸線Ｏを含むチゼル刃１０が設けられている。チゼル刃１０は直線状に形成されているが、凹曲線状や凸曲線状に形成されていてもよい。
チゼル刃１０は円弧状の底刃５の中心軸線Ｏ周りの回転によって描く略半球状軌跡に沿って形成されている。各底刃５に続くチゼル刃１０は中心軸線Ｏ上で内側端部が結合するように形成したが、チゼル刃１０は中心軸線Ｏ上で交差する必要はなく、互いにずれていてもよい。

次に本実施形態によるボールエンドミル１による被削材の切削加工方法について説明する。
ボールエンドミル１を中心軸線Ｏ回りに回転させつつ、等高線加工方法により被削材に直角の立壁加工を行う。切り込み時には切刃部３の底刃５で被削材を切削加工することで、生成された切り屑はギャッシュ溝４のすくい面７を走行して、基端側に流れて外部に排出される。
その際、切刃部３の外周面に形成された底刃５は－５°～＋１０°の範囲のすくい角と１５°～２５°の範囲の逃げ角を有するため、切削抵抗の大きい荒加工でも底刃５による切削性が高く切削抵抗が軽減され、しかも耐欠損性と耐摩耗性を向上できる。

また、切刃部３の先端部では、底刃５の内側端部にチゼル刃１０が接続されている。チゼル刃１０は低速回転させられるが、底刃５はすくい角αが正角側に大きく鋭角の刃先に形成され、しかもチゼル刃１０は小さい領域であるため底刃５全体の切削性と剛性は確保される。また、仕上げ加工時には、切り込みが小さく切削抵抗が小さいため、中心のチゼル刃１０の擦れを小さくして面粗さの小さい仕上げ加工面が得られる。
しかも、切削加工時に逃げ面６で被削材の加工面を擦過するとバリを生じ易いが、逃げ角βを１５°～２５°の範囲に大きく設定したため逃げ面による加工面の擦過を生じにくい。そのため、被削材の加工面にバリを生じ難い。

上述したように、本実施形態に係る２枚刃のボールエンドミル１によれば、底刃５はすくい角が－５°～１０°の正側に設定され、逃げ角が１５°～２５°と強く設定されているため、被削材が高硬度であっても加工精度が良く切削抵抗を低減し、工具摩耗を抑制して工具寿命を向上させることができる。
また、本実施形態によるボールエンドミル１は荒加工だけでなく仕上げ加工においても高精度な加工を行える。しかも、すくい角αが正角側であって逃げ角βが大きく刃先角が鋭角に形成されているため切削性が良く、被削材の加工面に生じるバリ量を抑制できる。

次に実施形態によるボールエンドミル１の実施例と従来例について行った切削加工試験について図４～図８により説明する。
本試験例において、実施例は実施形態による２枚刃のボールエンドミル１を用い、従来例１は上述した特許文献１の発明に相当する２枚刃ボールエンドミル、従来例２は特許文献２の発明に相当する２枚刃ボールエンドミルである。被削材はＨＡＰ４０（ＨＡＰは登録商標であり、普通名称はＳＫＨ。６４ＨＲＣ）とした。
実施例、従来例１、従来例２の各ボールエンドミルを用いて、それぞれ工作機械に装着して荒加工及び仕上げ加工（等高線加工）を行った。その結果を図４の表１に示す。なお、表１に示す切削性能において、〇は良好、△はやや不良、×は不良である。

実施例と従来例１及び従来例２についてそれぞれ図４の表１に示す底刃形状を有しており、これらについて荒加工と仕上げ加工を行った。
実施例、従来例１、従来例２で、被削材ＨＡＰ４０（６４ＨＲＣ）を荒加工及び仕上げ加工した後の底刃５の寿命や加工面の加工精度等をそれぞれ比較すると、表１に示すようになった。なお、表１に示す切削性能において、荒加工では底刃５が大きく損傷するまでの時間を寿命で示し、仕上げ加工では加工誤差量、被削材の加工面に発生するバリ量、加工面の仕上げ形状を観察した。表１の結果において、〇は良好、△はやや不良、×は不良である。
表１に示す結果から、従来例１は荒加工と仕上げ加工のいずれも△（やや不良）であり、従来例２は荒加工の寿命と仕上げ加工のバリ量がやや不良であった。これに対し、実施例では荒加工と仕上げ加工のいずれも良好で長寿命であった。

次に、実施例、従来例１、従来例２について仕上げ加工における性能試験を行った。
被削材はＨＡＰ４０（６４ＨＲＣ）とした。実施例、従来例１、従来例２の回転数ｎを１８０００ｍｉｎ^-１、テーブル送り速度Ｖｆを１０００ｍｍ／ｍｉｎ、一刃送り速度ｆｚは０．０２８ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、仕上げ代は０．０３、加工工具の移動量ｐｆは０．０３ｍｍとした。クーラントはオイルミストを使用し、加工時間は３時間とした。
被削材は、図５に示すように、荒加工と仕上げ加工を行うことで傾斜面を有する凹部を形成する加工形状に加工した。凹部の加工面は直立の９０度側面と４５°斜面と、水平な底面とを有しており、加工サイズは縦横寸法が４３．７ｍｍ×２３．０ｍｍ、深さ１２．０ｍｍとした。被削材は１時間で１個加工するものとし、３時間で３個加工した。被削材加工後の凹部について、９０度側面、４５°斜面、水平な底面について加工面粗さを測定した。

実施例、従来例１、従来例２による２枚刃の各ボールエンドミルを用いて図５に示すように被削材ＨＡＰ４０（６４ＨＲＣ）を仕上げ加工した結果を図６～図７に示す。図６（ａ）、（ｂ）は、実施例、従来例１、従来例２についての加工１時間後と３時間後の加工誤差量とバリ量をそれぞれ測定したものである。実施例は加工誤差量とバリ量のいずれも従来例１、従来例２より小さかった。
図７は実施例、従来例１、従来例２についての３時間加工後の切削面の加工後に生じる底刃５の加工マーク（模様）とその面粗さを示すものである。面粗さは実施例では従来例１より小さく、従来例２と同程度であった。なお、実施例、従来例１、従来例２における加工マークの模様の違いはチゼル刃１０の形状の違いによるものである。

次に、図８は荒加工を１．５時間行った後の底刃５の形状を示す写真である。被削材はＨＡＰ７２（６９ＨＲＣ）とする。
従来例１、従来例２は、底刃５の中心軸線Ｏ付近とチゼル刃１０が大きく損傷してそれ以上の切削加工は困難であった。一方、実施例は底刃５の中心軸線Ｏ付近及びチゼル刃１０の損傷が小さく、わずかに摩耗しただけであった。
以上の試験結果により、実施例は従来例１及び従来例２よりも荒加工による工具寿命が長かった。また、仕上げ加工後の被削材の加工誤差、加工精度が良好であり、バリ量も小さかった。そのため、実施例は従来例１及び従来例２よりも底刃５の切削抵抗が小さく摩耗を抑制できることを確認できた。

以上、本発明の実施形態によるボールエンドミル１について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で適宜の変形例等に採用できることはいうまでもない。これらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
以下に本発明の変形例について説明するが、上述した実施形態と同一または同様なものについては同一の符号を用いて説明を行うものとする。

上述した実施形態による２枚刃のボールエンドミル１に代えて、底刃５を有する切刃部３の表面に適宜のコーティング層を被覆形成してもよい。例えば、切刃部３の材質を超硬合金やｃＢＮ、サーメット、セラミックス等で形成し、その表面にＴｉやＳｉやＣｒ等の窒化物や炭化物等を適宜含有する高硬度材切削加工用の被膜を被覆形成してもよい。
底刃５の表面にコーティング層を被覆形成することで、刃先角を鋭角にすることで欠け易くなる底刃５をコーティング層によって高強度化でき、底刃５の欠損や摩耗等を抑制して工具寿命を一層向上できる。

なお、上述した実施形態によるボールエンドミル１において、切刃部３に形成する底刃５は２枚とされ、２枚刃の底刃が１８０度対向する位置に等間隔に配設されているが、２枚刃の底刃５は不等間隔に配設されていてもよい。２枚の底刃５を不等分割に配設すると切削時の共振を防いで振動を抑制できると共に、切削のバランスを確保できる。

１、２０ボールエンドミル
２工具本体
３切刃部
４ギャッシュ溝
５底刃
６逃げ面
７すくい面
１０チゼル刃
Ｏ中心軸線

Claims

中心軸線回りに回転可能な工具本体の先端側に切刃部を備えた２枚刃ボールエンドミルにおいて、
前記切刃部の先端面に形成されていて略円弧状部分を有する２枚の底刃と、
前記底刃の回転方向前方側に形成されていて前記底刃のすくい面を有するギャッシュ溝と、
前記底刃の回転方向後方側に形成された逃げ面と、
を備え、前記底刃は、すくい角が０°～１０°の範囲で且つ前記底刃の逃げ角が１５°～２５°の範囲で鋭角の刃先に形成され、
前記底刃のすくい角は、０°～１０°の範囲内で外周側（９０°側）から中心軸線側（０°側）に向けて次第に変化し、
前記底刃の逃げ角は、１５°～２５°の範囲で外周側（９０°側）から中心軸線（０°側）に向けて次第に大きくなるように変化し、または小さくなるように変化されていることを特徴とする２枚刃ボールエンドミル。