JP7842731B2 - 回転切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム、アルミニウム合金などの非鉄金属、木材、樹脂、ＣＦＲＰなどを加工する多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）焼結体及び／又は立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）焼結体を含む硬質焼結体から切れ刃が形成され、チップのねじれ角を有する回転切削工具に関する。

回転切削工具の切れ刃は、硬質焼結体から形成される場合がある。従来のねじれ角をもつ回転切削工具において、硬質焼結体からなる切れ刃を形成する場合には、超硬合金のボディと一緒にＰＣＤを焼結して形成する丸棒から研削して製造されており、硬質焼結体は切れ刃のねじれ角に合わせてらせん状に硬質焼結体が配設されていた（特許文献１－４など）。

特許第２９３４９２７号公報 特開２００２－１８６３０号公報 実公平５－２２４７号公報 特許第３４７７１８３号公報

従来の回転切削工具では、ねじれ角の大きさに合わせて異なった角度で硬質焼結体を一体化させた丸棒などの円筒状の部材を用意する必要があり、多品種の製造に適しているとは言い難かった。

本発明は上記実情に鑑み完成したものであり、従来よりも簡単に製造できるねじれ角をもつ切れ刃を有する回転切削工具を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の回転切削工具は、少なくともすくい面と逃げ面が交差する稜線である切れ刃がダイヤモンドおよび／又は立方晶窒化硼素を含む硬質焼結体から形成されるチップと、前記チップが座に接合されたボディとを有する回転切削工具であって、
前記座の背面は、平面で前記回転切削工具の軸心と傾斜し、すくい面と逃げ面を曲面とし、
前記切れ刃の実効範囲では、前記回転切削工具の軸心にねじれ角、及び垂直な断面から見た逃げ角及びすくい角のそれぞれの最大値と最小値との差が１０°以下であり、
前記座の背面に垂直で前記軸心を含む平面を垂直方向に見て、前記チップと接合する前記軸心方向を基準とした前記座の背面の両端のうち、一端が前記軸心より前記回転切削工具の回転方向前方に位置し、他端が前記軸心より前記回転切削工具の回転方向後方に位置する。

そして、前記ねじれ角、逃げ角、及びすくい角のそれぞれの最大値と最小値との差が５°以下、３°以下、２°以下、更には０°であることが好ましい。切れ刃の実効範囲とは、チップに形成される切れ刃の端から端までの範囲をいう。

また、前記チップの両端の径方向の長さが、中間の長さより短いことが好ましい。
更に、前記チップは、硬質焼結体からなる硬質焼結体層と、前記座に接合される接合面を形成する超硬合金製の超硬合金層との積層体からなり、前記回転方向前方の端において前記すくい面の前記軸心側が前記超硬合金層となることが好ましい。

本発明の回転切削工具は、上記構成を有することで、逃げ角、すくい角、及びねじれ角のそれぞれの大きさを所定範囲に収めたことで高い性能を発揮できると共に、座の背面が平面であるために簡易に製造することが可能になる。

実施形態１の回転切削工具の側面図である。座の背面に垂直で前記軸心を含む平面を垂直方向に見た図である。 実施形態１の回転切削工具の軸心に垂直方向且つ軸心のＳ～Ｚの各位置における図１の左方から見た端面図及び断面図である。ボディの先端（図１の紙面左方）からの距離は、Ｓが０ｍｍ、Ｔが５ｍｍ、Ｕが１０ｍｍ、Ｖが１５ｍｍ、Ｗが２０ｍｍ、Ｘが２５ｍｍ、Ｙが３０ｍｍ、Ｚが３４ｍｍである。 実施形態１のボディの側面図である。 実施形態２の回転切削工具の側面図である。 実施形態２の回転切削工具の軸心に垂直方向且つ軸心のＳ～Ｘの各位置における図４の左方から見た端面図及び断面図である。先端（図４の紙面左方）からの距離は、Ｓが０ｍｍ、Ｔが５ｍｍ、Ｕが１０ｍｍ、Ｖが１５ｍｍ、Ｗが２０ｍｍ、Ｘが２３ｍｍである。 実施形態２のボディの側面図である。 実施形態３の回転切削工具の一部斜視図である。 実施形態３の回転切削工具の一部正面図である。 実施形態３の回転切削工具を構成する部材の一部斜視図である。 実施形態３のボディにチップが接合された部位の拡大図である。 従来の回転切削工具の側面図である。座の背面に垂直で前記軸心を含む平面を垂直方向に見た図である。 従来の回転切削工具の軸心に垂直方向且つ軸心のＳ～Ｘの各位置における図１１の左方から見た端面図及び断面図である。先端（図１１の紙面左方）からの距離は、Ｓが０ｍｍ、Ｔが５ｍｍ、Ｕが１０ｍｍ、Ｖが１５ｍｍ、Ｗが２０ｍｍ、Ｘが２３ｍｍである。 変形態様２の回転切削工具の先端部の一部斜視図である。 図１３の一部拡大図である。 変形態様２の回転切削工具の先端部の正面一部拡大図である。

本発明の回転切削工具について実施形態に基づき以下詳細に説明を行う。本実施形態の回転切削工具は、外周に切れ刃が形成されており、外周にて切削加工を行うことができる工具である。先端側についても切れ刃が形成されていることもできる。本実施形態の回転切削工具は、エンドミルなどのフライスに好適に採用できる。本実施形態の回転切削工具は、切れ刃が硬質焼結体から形成されている。硬質焼結体はＰＣＤ及び／又はＣＢＮにより形成されている。本実施形態の回転切削工具の大きさは特に限定しない。直径が、下限値として、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍ、上限値として、５０ｃｍ、３０ｃｍ、２０ｃｍ、１０ｃｍなどにすることができる。なお、本明細書における図面は模式図であり、説明を容易にするために縮尺や細部の構造について強調や省略を行っている。また、符号については別個のものであっても同機能のものに同じ符号をつける場合がある（軸心、切れ刃など）。

（実施形態１）
図１及び２に示すように、本実施形態の回転切削工具１は、先端側（図１の左方）から見て反時計回り（図２のＲ方向）に回転して切削加工を行う工具である。回転切削工具１は、ボディ１０（図３）と、ボディ１０の溝１０ａ内に設けられた座の背面１１１上に固定されたチップ２０とを有する。溝１０ａは、刃部１１の外周部に先端から後方に向けてらせん状に形成された溝である。この溝１０ａ内にチップ２０が接合される。

チップ２０は、ボディ１０の外周に１８０°間隔で２つ設けられ、溝１０ａ内に設けられた座の背面１１１に接合面２０ａで接合される。溝１０ａは切削加工時に発生する切削屑を排出する作用も併せ持つ。図２に示すように、座の背面１１１に垂直で軸心Ａｘを含む平面（図１の紙面と平行な面）を垂直方向に見て、軸心Ａｘ方向を基準とした座の背面１１１の両端（図１の左右の端部）のうち、一端（図１の左方の端部、先端）が軸心Ａｘより回転切削工具１の回転方向前方（図１の上方）に位置し（図２（Ｓ））、他端（図１の右方の端部、後端）が軸心Ａｘより回転切削工具１の回転方向後方（図１の下方）に位置する（図２（Ｙ）及び（Ｚ））。従来の回転切削工具３では、図１１、図１２のように座の背面３１１は、座の背面３１１に垂直で軸心Ａｘを含む平面を垂直方向に見て、座の背面３１１の軸心Ａｘ方向を基準とした端部の両端（一端及び他端）の全てが軸心Ａｘより回転切削工具５の回転方向後方に位置している（図１１、図１２（Ｓ））。

ボディ１０は、工具鋼、超硬合金など通常の材料から形成されている。ボディ１０は、軸心Ａｘ方向の先端側から順に、刃部１１、遷移部１２、シャンク部１３からなる。刃部１１は、円筒状であっても良いし、テーパ状であっても良い。

刃部１１には、回転切削工具１の回転軸である軸心Ａｘ対して所定の角度（回転切削工具１では１０°）だけ傾斜した平面の一部である座の背面１１１が溝１０ａ内に形成されている。その座の背面１１１及び底面上にはチップ２０がろう付などの溶接などにより接合されている。

チップ２０は、座の背面１１１に接合される接合面２０ａをもち、切れ刃Ｅが形成されている。チップ２０は、硬質焼結体からなり切れ刃Ｅが形成される硬質焼結体層２１と、超硬合金からなり接合面２０ａ側の超硬合金層２２とを接合した２層構造をもっている。

チップ２０は、２層構造の直方体のチップ粗体をボディ１０の座の背面１１１及び底面上に接合した後に、すくい角と逃げ角が軸心方向のどの回転断面においても一定になるように放電加工、レーザ加工、ダイヤモンド砥石などによる研磨加工などにより切れ刃Ｅを形成することができる。ここで特に限定するものではないが、逃げ角は８°、すくい角は１０°とした。最初から切れ刃Ｅを形成して座の背面１１１上に接合するよりも簡単に製造することができる。なお、最初から切れ刃Ｅを形成する方法を排除するものではない。

座の背面１１１は、平面の一部、すなわち平らな面である。座の背面１１１上にはチップ２０が接合されている。座の背面１１１は径方向の長さが、先端付近と後端付近では短くなる。特に加工上の都合から座の背面１１１の後端側の接合面を越えた後では曲面状になっている。チップ２０は直方体の部材であり、座の背面１１１に接合される面（接合面２０ａ）と直交する面であり軸心Ａｘに近い側の面（内側面２０ｂ）が軸心Ａｘと略平行な面となっている。ボディ１０の座の背面１１１と交差して、チップ２０の内側面２０ｂが当接する面は、チップ２０の内側面２０ｂの形状と相補的な形状になっている（本実施形態では平面）。

本実施形態の回転切削工具は、例えば以下のように製造できる。まず、ボディ１０を製造する。ボディ１０は、全体を同じ棒材から切削して製造してもよいし、複数の部位（例えば刃部１１、遷移部１２、シャンク部１３）に分離して形成した後に係合させて製造してもよい。刃部１１には、先端から後方に向けた螺旋状の溝１０ａが切削などにより形成されている。溝１０ａ内には、チップ２０が接合される座の背面１１１も形成する。座の背面１１１の形成は溝１０ａと同じであっても良いし、溝１０ａを形成した後に独立して行っても良い。

座の背面１１１及び底面を形成した後、座の背面１１１及び底面にチップ２０をろう付などにより接合する。チップ２０を接合後、チップ２０を放電加工や研削等により所定の逃げ面と所定のすくい面になるように切れ刃Ｅを形成する。切れ刃Ｅは逃げ面とすくい面が交差する稜線である。切れ刃Ｅの形成時には、チップ２０がボディ１０の外周面から外方に突出した部分も所定の直径になるように研削などにより削除される。この構成では、チップ２０の両端（先端と３４ｍｍ）の径方向の長さが、中間の長さより短くなる。

（実施形態２）
図４及び図５に示すように、本実施形態の回転切削工具５は、ボディ５０とチップ６０とを有する。ボディ５０（図６）は、らせん状の溝５０ａの傾斜（すなわちチップ６０の傾斜）が１５°であることが、ボディ１０では１０°であったのと比べて異なる以外は同様の構成をもつ。チップ６０は、硬質焼結体層６１と超硬合金層６２とを接合した２層構造をもっており、ボディ５０に設けられた溝５０ａの形状に合わせて切削により形成される細かい形状が異なる以外はチップ２０と同様の構成をもつ。

図４のように座の背面５１１は、座の背面５１１に垂直で軸心Ａｘを含む平面を垂直方向に見て、座の背面５１１の軸心Ａｘ方向を基準とした両端のうち、一端としての先端が軸心Ａｘより回転切削工具５の回転方向前方に位置し（図５（Ｓ））、他端としての後端（図５（Ｗ）（Ｘ））が軸心Ａｘより回転切削工具５の回転方向後方に位置している。従来の回転切削工具３では、図１１、図１２のように座の背面３１１は、座の背面３１１に垂直で軸心Ａｘを含む平面を垂直方向に見て、座の背面３１１の先端が軸心Ａｘより回転切削工具５の回転方向後方に位置している（図１１、図１２（Ｓ））。

チップ６０の傾斜が大きくなると、従来の回転切削工具の構成ではチップ６０の両端では傾斜が大きくなり過ぎて溝５０ａ内に納まらなくなって、切れ刃Ｅが形成できるチップ６０の長さは短くなる。あるいは図１１のように、傾斜（ねじれ角）を弱くすることになる。この構成を採用することによって、ボディ５０の溝５０ａ内に納まるチップ６０の径方向の長さが切れ刃Ｅを形成するのに必要な長さを確保できるチップ６０の軸心Ａｘ方向の長さが長くなる。この構成では、チップ６０の両端（先端と２３ｍｍ）の径方向の長さが、中間の長さより短くなる。

（実施形態３）
図７及び８に示すように、本実施形態の回転切削工具７は、回転方向Ｒに回転する工具であり、ボディ７０及び８０とチップ９０（９１及び９２）とを有する。ボディ７０及び８０は、略円盤状の部材であり、厚み方向（軸心方向）に重ね合わせられて一体化している。

図９に示すように、ボディ７０には、外周に配置された６つのチップ９１が回転方向Ｒに向けて軸心方向外側に開くように（軸心との角度が、反時計回りに７０°）配置される。ボディ８０には、外周に配置された６つのチップ９２が回転方向Ｒに向けて軸心方向外側に開くように（軸心との角度が、時計回りに７０°）配置される。チップ９１及び９２は、ボディ７０及び８０が一体化したときに軸心方向でオーバーラップするように配置される。

ボディ７０及び８０には、チップ接合部７１及び８１が形成されており、チップ接合部７１及び８１には、平らな座の背面７１１及び８１１が形成され、その座の背面７１１及び８１１にてチップ９１及び９２が接合される。
座の背面７１１は、座の背面７１１に垂直で軸心を含む平面を垂直方向に見て、軸心方向を基準とした座の背面７１１の両端７１ａ及び７１ｂのうち、一端７１ａが軸心Ａｘより回転切削工具７の回転方向前方（図８の下方）に位置し、他端７１ｂが軸心より回転切削工具７の回転方向後方（図８の上方）に位置している。
座の背面８１１は、座の背面７１１とはねじれ角が正負反対になっており、座の背面８１１に垂直で軸心を含む平面を垂直方向に見て、軸心方向を基準とした座の背面８１１の両端８１ａ及び８１ｂのうち、一端８１ａが軸心より回転切削工具７の回転方向前方に位置し、他端８１ｂが軸心より回転切削工具７の回転方向後方に位置している。

チップ９１及び９２は、すくい角と逃げ角が切れ刃のどの部位でも一定になるように放電加工、レーザ加工、研磨加工などにより加工されている。

（変形形態１）
実施形態においては、チップ２０の軸心Ａｘに近い内側面２０ｂが平面となっていたが、内側面２０ｂの軸心Ａｘに近い部位（図２ではＶのあたり、図５ではＵのあたり）が最も凹んだ凹面を形成することが好ましい。それに合わせてチップの接合する面の形状もチップの内側面と相補的な形状にすることができる。

これにより、ボディ１０及び５０の強度を保ったままチップ２０及び６０の大きさを大きくすることができる。図５に基づき説明する。先端（図５（Ｓ））や２３ｍｍの部分（図５（Ｗ））では、チップ６０の径方向の長さが１０ｍｍの部分の長さよりも短くなっているのは、チップ６０の内側面が最も軸心Ａｘと近接する１０ｍｍの部分（図５（Ｕ））を基準に十分な強度が発揮できるようにチップ６０の大きさ（径方向の長さ）を決定しているためである。そのため、両端の部分ではチップ６０の径方向の長さが足りなくなってしまうことがあるが、チップ６０の内側面の形状を軸心Ａｘに最も近い部分の近傍が凹んだ凹面（座の底面の形状としては反対に中央付近が膨らんだ形状）にすることで、そこから両端に遠ざかるにつれてチップ６０の径方向の長さが長くなる。その結果、チップ６０の軸心Ａｘ方向の長さを長くすることが可能になるため、切れ刃Ｅを長くしたり、それに加えて（又は代えて）切れ刃Ｅの傾斜を更に大きくしたりすることが可能になる。更に、座の背面は基本的に平面であるが、周囲に僅かな凹凸を設けたり、溝やディンプルを形成たりした場合であっても形成した凹凸などを除くとほぼ平面である場合には許容される。

（変形態様２）
また、実施形態１の回転切削工具１のねじれ角（切れ刃の角度）は、正であったが、負にすることもできる。例えば、図１３～１５に示すように、本変形態様の回転切削工具Ａ１は、先端側（図１３の右上）から見て反時計回りに回転して切削加工を行う工具である。回転切削工具Ａ１は、外周に１８０°間隔で２条の溝Ａ１０ａが設けられたボディＡ１０と、ボディＡ１０の２条の溝Ａ１０ａの間のランド部に設けられた座Ａ１１２の背面上に固定されたチップＡ２０とを有する。座の背面は、平面の一部、すなわち平らな面である。

ボディＡ１０の先端部には、底刃チップＡ３０と先端外周刃チップＡ４０とが固定されている。底刃チップＡ３０は、本変形態様の回転切削工具Ａ１の軸心Ａｘと垂直方向に切れ刃が設けられており、本変形態様の回転切削工具Ａ１が回転することにより、先端方向を加工する。先端外周刃チップＡ４０は、本変形態様の回転切削工具Ａ１の軸心Ａｘと正のねじれ角が設定されており、本変形態様の回転切削工具Ａ１が回転することにより、先端の外周方向を加工する。

溝Ａ１０ａは、刃部Ａ１１の外周部に先端から後方に向けてねじれ角が正となるように形成されている。溝Ａ１０ａは切削加工時に発生する切削屑を排出する作用も併せ持つ。

チップＡ２０は、負のねじれ角をもつように、ボディＡ１０の外周のランド部のそれぞれに４つずつ、計８つ設けられている。図１５に示すように、座の背面に垂直で軸心Ａｘを含む平面を垂直方向に見て、軸心Ａｘ方向を基準とした座の背面の両端Ｔｆ及びＴｅのうち、一端Ｔｆが軸心Ａｘより回転切削工具Ａ１の回転方向後方（図１５の左方）に位置し、他端Ｔｅが軸心Ａｘより回転切削工具Ａ１の回転方向前方（図１５の右方）に位置する。
ランド部のそれぞれに設けられた４つのチップＡ２０は、ボディＡ１０の軸心Ａｘの方向において均等に配置されており、その端部が隣接するチップＡ２０と軸心Ａｘの方向において、他のランド部の切れ刃と一部オーバーラップする位置に配置される。

チップＡ２０は、座の背面に接合される接合面をもち、切れ刃Ｅが形成されている。チップＡ２０は、硬質焼結体からなり切れ刃Ｅが形成される硬質焼結体層Ａ２１と、超硬合金からなり接合面側の超硬合金層Ａ２２とを接合した２層構造をもっている。

チップＡ２０は、２層構造の直方体のチップ粗体をボディＡ１０の座の背面及び底面上に接合した後に、すくい角と逃げ角が軸心方向のどの部位でも一定になるように放電加工、レーザ加工、ダイヤモンド砥石などによる研磨加工などにより曲線状の切れ刃Ｅを形成することができる。ここで特に限定するものではないが、逃げ角は８°、すくい角は１０°とした。チップの一端（回転切削工具Ａ1の先端側）の逃げ角を１５°、すくい角を５°とし、徐々に変えて他端(シャンク部側)の逃げ角を５°、すくい角を１５°にしてもよい。最初から切れ刃Ｅを形成して座の背面上に接合するよりも簡単に製造することができる。なお、最初から切れ刃Ｅを形成する方法を排除するものではない。

本変形態様の回転切削工具Ａ１は、チップＡ２０のねじれ角を大きくすることで切削抵抗が小さくなり、加工面の切れ味及び精度が向上する。特に切れ刃Ｅのすくい面を曲面にて形成したことで切れ刃Ｅのすくい角を適正な値にすることができるため更に加工面の精度を向上することができる。更に、切削屑は正のねじれ角をもつように形成された溝Ａ１０ａにて後端方向に導出されるため、溝も負のねじれ角をもつように形成した場合と比べて切削屑の排出性に優れる。

１、５、７、Ａ１…回転切削工具 ３…回転切削工具（従来）
１０、３０、５０、７０、８０、Ａ１０…ボディ
１０ａ、５０ａ、Ａ１０ａ…溝 １１、３１、５１、Ａ１１…刃部
１１１、３１１、５１１、７１１、８１１…座の背面 Ａ１１２…座
１２、３２、５２、、Ａ１２…遷移部
１３、３３、５３、、Ａ１３…シャンク部 Ａ３０…底刃チップ
Ａ４０…先端外周刃チップ
２０、４０、６０、９０、９１、９２、Ａ２０…チップ
２０ａ…接合面 ２０ｂ…内側面
２１、４１、６１、Ａ２１…硬質焼結体層
２２、４２、６２、Ａ２２…超硬合金層

Claims (3)

1. 少なくともすくい面と逃げ面の稜線である切れ刃がダイヤモンドおよび／又は立方晶窒化硼素を含む硬質焼結体からなる硬質焼結体層と超硬合金製の超硬合金層との積層体となるチップと、前記チップが座に接合されたボディとを有する回転切削工具であって、
   前記チップは、硬質焼結体からなる硬質焼結体層と、前記座の背面に接合される接合面を形成する超硬合金製の超硬合金層との積層体からなり、
   前記回転方向前方の端において前記すくい面の前記軸心側が前記超硬合金層であり、
   前記座の回転切削工具の回転方向後方に位置する背面は、平面で前記回転切削工具の軸心に対して傾斜し、チップの超硬合金層の面に接合され、すくい面と逃げ面は曲面であり、
   前記切れ刃の実効範囲では、前記回転切削工具のねじれ角、及び軸心に垂直な断面から見た逃げ角及びすくい角のそれぞれの最大値と最小値との差が１０°以下であり、
   前記座の背面に垂直で前記軸心を含む平面を垂直方向に見て、前記軸心方向を基準とした前記座の背面の両端のうち、一端が前記軸心より前記回転切削工具の回転方向前方に位置し、他端が前記軸心より前記回転切削工具の回転方向後方に位置する回転切削工具。
2. 前記ねじれ角、逃げ角、及びすくい角のそれぞれの最大値と最小値との差が０°である請求項１に記載の回転切削工具。
3. 前記チップの両端の径方向の長さが、中間の長さより短い請求項１又は２に記載の回転切削工具。