JPWO2009122937A1

JPWO2009122937A1 - エンドミル

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Publication number: JPWO2009122937A1
Application number: JP2009537344A
Authority: JP
Inventors: 久雄岡; 達也志野; 一勇前田
Original assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Current assignee: Sumitomo Electric Hardmetal Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2011-07-28
Also published as: WO2009122937A1; DE112009000013B4; DE112009000013T5; DE112009000013C5; US8562261B2; US20100196108A1

Abstract

エンドミルを用いた繊維強化複合材などの切削加工において、バリの発生を効果的に抑制することを課題としている。ねじれ角が正となる方向にねじれた第１の切れ刃４と、ねじれ角が負となる方向にねじれた第２の切れ刃５を周方向に位置をずらして形成したエンドミルであり、第１の切れ刃４と第２の切れ刃５の各々を、有効刃長間で連続した切れ刃として構成し、工具先端における第１の切れ刃４から工具回転方向後方の第２の切れ刃５までの位相角Ｐ１と、第２の切れ刃５から工具回転方向後方の第１の切れ刃４までの位相角Ｐ２を異ならせた。

Description

この発明は、繊維強化プラスチックスに代表される繊維強化複合材や金属材などの切断や溝加工、突っ込み加工などに利用するエンドミルに関する。

繊維強化複合材、特に、炭素繊維を使用した炭素繊維強化複合材（以下ＣＦＲＰと言う）は、構造体の軽量化に有効な材料であり、軽量化による燃費改善を期待して航空機や自動車などでの需要が旺盛になってきている。このＣＦＲＰは、炭素繊維の織布や炭素繊維を一方向に配向した材料に樹脂を含浸させて得られるプリプレグを積層一体化して作られるが、ＣＦＲＰパネルなどは、製法上、外周縁部が品質不安定領域となることから、その部分を予め余縁として見込んだ部材を作製し、樹脂の硬化成形後に余縁を切除して製品化する方法が採られている。

このときの余縁の切断は、ウォータジェットによる方法とエンドミルによる方法が知られている。エンドミルを使用する後者の方法は、大掛かりな設備が不要、既存の加工機を使用可能、余縁の切り抜き切断を下孔無しで行えると言った利点がある反面、エンドミルの寿命が問題となる。

寿命対策として硬度の高い膜（例えば、ダイヤモンド膜）を表面にコーティングしたエンドミルが採用されているが、ＣＦＲＰはいわゆるバリの発生しやすい材料であるため、切れ刃の摩耗量が金属加工では問題のないレベルと判断される場合にもバリが発生し、その時点で工具（エンドミル）は寿命と判定される。従って、硬度の高い膜をコーティングしたエンドミルであっても、ＣＦＲＰの加工では寿命が短くなる。

また、航空機の胴体や羽根などに利用するＣＦＲＰはサイズの大きなものが多く、その大サイズワークは加工時の固定箇所が限定されて固定が不安定になり易い。そのために、加工中のいわゆるワークビビリが発生し、それに起因した工具刃先の損傷が起こる。このことも工具寿命を悪化させ、工具の短寿命が加工コストを高める結果を招いている。

ここで、下記特許文献１は、繊維強化複合材の加工においてバリの発生を抑えるために、シャンク先端にチップを装着してそのチップで右ねじれの切れ刃と左ねじれの切れ刃を構成し、その右ねじれと左ねじれの切れ刃を周方向に交互に配置した回転切削工具を開示している。
特開昭６１−１４２００９号公報

特許文献１が開示している回転切削工具は、右ねじれと左ねじれの切れ刃を軸方向にステップさせて配置して双方の切れ刃で被削域の上側部分と下側部分を分担切削するようにしており、被削域の上側部分と下側部分における切削力が共にワークの板厚中心方向を向いてバリの発生が抑制されるものになっている。しかしながら、この工具は、右ねじれの切れ刃と左ねじれの切れ刃で被削域の上側部分と下側部分を別々に切削するので、バリの抑制が十分とは言えなかった。

この発明は、エンドミルを用いた加工において、バリの発生を効果的に抑えることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、ねじれ角が正となる方向にねじれた第１の切れ刃と、ねじれ角が負となる方向にねじれた第２の切れ刃を周方向に位置をずらして形成したエンドミルにおいて、前記第１の切れ刃と第２の切れ刃の各々を有効刃長間で連続した切れ刃として構成し、さらに、工具先端における第１の切れ刃から工具回転方向後方の第２の切れ刃までの位相角と、第２の切れ刃から工具回転方向後方の第１の切れ刃までの位相角を異ならせた。第１の切れ刃と第２の切れ刃は、周方向に交互に配置してもよいし、両切れ刃の配列を、例えば、第１の切れ刃−第２の切れ刃−第２の切れ刃−第１の切れ刃という具合に変則的にしても構わない。

このエンドミルの好ましい形態を以下に列挙する。
（１）工具先端における第１の切れ刃から工具回転方向後方の第２の切れ刃までの位相角を、第２の切れ刃から工具回転方向後方の第１の切れ刃までの位相角よりも大きく設定したもの。
（２）第１の切れ刃のねじれ角を第２の切れ刃のねじれ角よりも大きく設定したもの。
（３）第１の切れ刃のねじれ角を＋３〜＋１０°に設定し、第２の切れ刃のねじれ角を−３〜−１０°に設定したもの。
（４）第１の切れ刃の少なくとも１刃が、エンドミルの最外径から工具の回転中心を越えた位置まで延び出す底刃を備えさせたもの。
（５）第１の切れ刃、第２の切れ刃或はその両方にニック溝を備えさせたもの。

この発明のエンドミルは、第１の切れ刃から工具回転方向後方の第２の切れ刃までの位相角と、第２の切れ刃から工具回転方向後方の第１の切れ刃までの位相角（いずれも工具先端における位相角）を異ならせたので、ねじれ方向が逆になっている第１の切れ刃と第２の切れ刃をクロスさせずに有効刃長間で連続した切れ刃として構成することができる。その第１の切れ刃と第２の切れ刃を連続した切れ刃にすることで切削が滑らかに進行し、切れ刃の断続的な喰いつきが防止されてバリが発生し難くなる。また、正のねじれ角を有する第１の切れ刃が主として切削を担当するが、ねじれ角が正の切れ刃で切削を行なうとバリの発生を十分に減少させることが難しい。特に、ワークの板厚中心に向う方向とは反対向きの切削力が働くワークの上面側でバリが発生し易い。しかし、ねじれ角が正の切れ刃による切削でバリが仮に発生したとしても、後続のねじれ角が負の切れ刃による補完切削がなされて発生したバリが切り取られ、これにより、バリの少ない切断面が得られ、高品位加工が可能になる。

また、ねじれ角が正、負の切れ刃による軸方向切削力が相反する方向を向いて互いに打ち消し合う。これに加えて、第１の切れ刃から工具回転方向後方の第２の切れ刃までの位相角と、第２の切れ刃から工具回転方向後方の第１の切れ刃までの位相角を異ならせたことで両切れ刃による切削周期が異なったものになるため、加工中のビビリが起こり難く、ビビリに起因した工具刃先のチッピングなどが抑制され、これによる工具寿命の向上効果も得られる。
このような効果は、ワーク固定が不安定になりやすい場合、例えば、大サイズのワークを加工する場合などに特に顕著である。

なお、第１の切れ刃から工具回転方向後方の第２の切れ刃までの工具先端における位相角を第２の切れ刃から工具回転方向後方の第１の切れ刃までの位相角よりも大きく設定したエンドミルは、その条件を満たしていないものに比べて第１の切れ刃部のバックメタル量を大きくとることができ、刃先強度の確保が容易となる。第１の切れ刃から工具回転方向後方の第２の切れ刃までの位相角は、切れ刃の後端側（シャンクに近い側）に行くに従って次第に狭くなるが、この発明の上記の構成によれば、第１、第２切れ刃間の間隔を先端側で広げた分、後端側でも切れ刃間間隔が広がるため、第１の切れ刃のバックメタル量を切れ刃の後端側でも不足なく確保することができる。

第１の切れ刃のねじれ角を第２の切れ刃のねじれ角よりも大きく設定したものは、第１の切れ刃のねじれ角を大きくすることによる第１の切れ刃のバックメタル量の減少を、第２の切れ刃のねじれ角を小さくすることによって補うことができ、第１の切れ刃の刃先強度を維持しながらその第１の切れ刃の切れ味を高めることができる。

このほか、工具の回転中心を越えた底刃を有するものは、溝加工や突っ込み加工が行える。なお、第１の切れ刃と第２の切れ刃は、周方向に交互に形成されていると正のねじれ角の切れ刃による切削と、負のねじれ角の切れ刃によるバリ取りのための補完切削が交互になされて好ましいが、同一向きにねじれた切れ刃が周方向に連続して配置されていても発明の目的は達成される。
なお、この発明のエンドミルを金属材の加工に使用した場合も上述した効果が得られるが、繊維強化複合材の加工に適用した場合に特に顕著な効果を得ることができる。

また、第１の切れ刃や第２の切れ刃にニック溝を設けたものは、加工時の切削抵抗を低減することができる。この発明のエンドミルは、一般的なエンドミルに比べて切れ刃のねじれ角が小さく設定されているが、この構造でも、切れ刃にニック溝を設けて切削抵抗を低減することでバリを抑制する効果を高めることができる。そのニック溝は、側面加工での面粗さを考慮する場合は、第１の切れ刃と第２の切れ刃のいずれか一方、好ましくは、ねじれ角が正で切削負担が大きい第１の切れ刃にニック溝を設けるとよい。

この発明のエンドミルの第１実施形態を示す斜視図図１のエンドミルの底面図図１のエンドミルの正面図図１のエンドミルの側面図図３のＸ−Ｘ線に沿った断面図この発明のエンドミルの第２実施形態を示す斜視図図６のエンドミルの底面図図６のエンドミルの正面図図６のエンドミルの側面図図８のy−y線に沿った断面図（ａ）この発明のエンドミルの第３実施形態の要部を示す斜視図、（ｂ）同上のエンドミルの正面図、（ｃ）同上のエンドミルの第１の切れ刃を手前に見た側面図、（ｄ）同上のエンドミルの第２の切れ刃を手前に見た側面図（ａ）この発明のエンドミルの第３実施形態の変形例の要部を示す斜視図、（ｂ）同上のエンドミルの正面図、（ｃ）同上のエンドミルの第１の切れ刃を手前に見た側面図、（ｄ）同上のエンドミルの第２の切れ刃を手前に見た側面図この発明のエンドミルによる切削プロセスの説明図

符号の説明

１エンドミル
２本体部
３シャンク部
４第１の切れ刃
５第２の切れ刃
６底刃
７第１逃げ面
８第２逃げ面
９ねじれ溝
１０ワーク
１１バリ
１２ニック溝
Ｐ１第１の切れ刃から工具回転方向後方の第２の切れ刃までの位相角
Ｐ２第２の切れ刃から工具回転方向後方の第１の切れ刃までの位相角
Ａワークの上縁
Ｂワークの下縁
θ１第１切れ刃のねじれ角
θ２第２切れ刃のねじれ角
Ｌ有効刃長

以下、添付図面の図１〜図１３に基づいて、この発明のエンドミルの実施の形態を説明する。図１〜図５に示す第１の実施形態は、ソリッドタイプの４枚刃のエンドミルにこの発明を適用したもの、図６〜図１０に示す第２の実施形態は、ソリッドタイプの６枚刃のエンドミルにこの発明を適用したものである。また、図１１、図１２は、第３の実施形態であって、ソリッドタイプの４枚刃のエンドミルにこの発明を適用したものである。

この発明のエンドミルは、基本的には２枚刃以上の刃数を有するエンドミルでも成立するが、高能率加工や工具寿命の面では刃数が多いものが有利である。通常多用されている直径がφ６ｍｍ〜１２ｍｍ程度のエンドミルの場合、切れ刃の強度確保の面から、刃数の上限はφ６ｍｍ程度に制限されると思われる。

これらのエンドミル１は、本体部２と、その本体部２の後方に一体に連なるシャンク部３とで構成されている。両エンドミルとも、本体部２の外周に、正のねじれ角θ１｛図４、図９、図１１（ｃ）、図１２（ｃ）参照｝を有する第１の切れ刃４と、負のねじれ角θ２｛図３、図８、図１１（ｄ）、図１２（ｄ）参照｝を有する第２の切れ刃５が周方向に交互に形成され、さらに、本体部２の先端に底刃６が形成されている。

７は各切れ刃に沿って設けた第１逃げ面、８は第２逃げ面、９は切屑排出用のねじれ溝である。第１の切れ刃４のねじれ角（これはねじれ角θ１と同一）は、第２の切れ刃５のねじれ角（これはねじれ角θ２と同一）よりも大きく設定されている。これらのエンドミルは、超硬合金などで形成して表面にダイヤモンド膜などの硬質コーティング膜を設けたものが、特に耐久性に優れる。

図示の各エンドミル１は、第１の切れ刃４が右ねじれ、第２の切れ刃５が左ねじれとなっており、それらの切れ刃４，５は、有効刃長Ｌ（第３の実施形態については図示せず。これはエンドミルの直径Ｄの２倍程度に設定されている）の間でそれぞれに連続した切れ刃として構成されている。また、第１の切れ刃４から工具回転方向後方の第２の切れ刃５までの位相角Ｐ１｛図２、図７、図１１（ｂ）、図１２（ｂ）参照｝と、第２の切れ刃５から第１の切れ刃４までの工具先端における位相角Ｐ２を異ならせている。位相角Ｐ１、Ｐ２は工具先端における位相角であって、ここではＰ１＞Ｐ２の関係が成立するようにしている。また、４枚刃の第１の実施形態と第３の実施形態のエンドミルについては、図２、図１１（ｂ）、図１２（ｂ）に示すように、底刃６を第１の切れ刃４のエンドミル最外径から工具の回転中心Ｏを越える位置まで延ばして設け、６枚刃の第２の実施形態のエンドミルについては、図７に示すように、底刃６を、任意のひとつの第１の切れ刃４の先端から工具の回転中心Ｏを越える位置まで延ばして設けている。

また、第３の実施形態のエンドミルは、切れ刃にニック溝１２を備えさせている。そのニック溝１２は、切れ刃の長手方向に定ピッチで多数個設けており、そのニック溝１２の働きにより切屑が細かく分断されて加工時の切削抵抗が小さくなる。

図１１に示すように、ニック溝１２を第１の切れ刃４と第２の切れ刃５の双方に設けると、加工時の切削抵抗低減についてより大きな効果が望めるが、第１の切れ刃４と第２の切れ刃５のいずれか一方のみにニック溝１２を設けることで、ニック溝の無い切れ刃によるサラエ効果を利用して側面加工における面粗さを良くすることができる。この場合のニック溝１２は、ねじれ角が正の第１の切れ刃４の方がねじれ角が負の第２の切れ刃５よりも切削負荷が大きくてビビリを誘発しやすいので、また、第２の切れ刃５は切削負荷が小さくてサラエ刃としての適正に富むので、図１２に示すように、第１の切れ刃４に設けるのがよい。

第１、第２、第３の実施形態のエンドミルは、共に、第１の切れ刃４と第２の切れ刃５でワークの同一領域を加工する。このときの各切れ刃の役割は、右ねじれの第１の切れ刃４が主として切削を担当し、左ねじれの第２の切れ刃５は、バリ除去のための補完切削を行なう。第１の切れ刃４は、正のねじれ角を有しているので、図１３に示すワーク（繊維強化複合材）１０の上面の縁部（図のＡ点）ではワークの板厚中心から離れる方向、すなわち、図において上向きの切削力が働く。従って、特に、Ａ点には第１の切れ刃４による切削でバリ１１が発生し易い。そのバリ１１は、ワーク１０の下面の縁部（図のＢ点）にも発生し、そのバリ１１を、ワーク１０の板厚中心側に向けて切削力が働く第２の切れ刃５で切り取る。この第１の切れ刃４による切削、後続の第２の切れ刃５によるバリの除去が繰り返されてバリ発生の少ない切断がなされ、高品位加工が可能になる。

上述したように、この発明のエンドミルは、第１の切れ刃４から工具回転方向後方の第２の切れ刃５までの位相角Ｐ１と第２の切れ刃５から工具回転方向後方の第１の切れ刃４までの位相角Ｐ２を異ならせることで、逆向きにねじれた第１の切れ刃４と第２の切れ刃５をクロスさせずに有効刃長間で連続した切れ刃として構成することを可能にしており、その連続した切れ刃を採用することで切削が滑らかに進行する。また、第１、第２の切れ刃４，５による相反する方向の軸方向切削力が生じて互いに打ち消し合う。これに加えて、第１の切れ刃４から工具回転方向後方の第２の切れ刃までの位相角Ｐ１と、第２の切れ刃５から工具回転方向後方の第１の切れ刃４までの位相角Ｐ２を異ならせたことで両切れ刃４，５による切削周期が異なったものになり、これらの相乗効果で加工中のビビリが抑えられてビビリに起因した工具刃先のチッピング、コーティング膜剥離などが減少し、工具寿命の向上効果がさらに高められる。

また、上記の位相角Ｐ１とＰ２について、Ｐ１＞Ｐ２の関係を満足させたので、その条件を満たしていないものに比べて第１の切れ刃４について回転方向後方のバックメタル量を大きくとることができ、第２の切れ刃５との間の間隔が狭くなる第１の切れ刃の後端側でも第１の切れ刃４の刃先強度を不足なく確保することが可能になる。

さらに、第１の切れ刃４のねじれ角を第２の切れ刃５のねじれ角よりも大きく設定しており、第１の切れ刃４のねじれ角を大きくとることによる第１の切れ刃４のバックメタル量の減少を第２の切れ刃５のねじれ角を小さくすることによって補うことができ、第１の切れ刃４の刃先強度を維持しながらその第１の切れ刃４の切れ味を高めることができる。

なお、第１の切れ刃４のねじれ角は３〜１０°が適当であった。そのねじれ角が３°以下では、第１の切れ刃４と第２の切れ刃５が直線切れ刃に近づくためワークに対する切れ刃の喰いつき時に衝撃が発生してバリ発生の抑制効果が小さい。また、そのねじれ角は、切削性能面では１０°以上であってもよいが、切れ刃のねじれ角が大きくなるにつれてワークにこれを持ち上げようとする力が強く働くので、好ましい数値の上限は１０°、ねじれ角の上限は最大でも１５°以下にするのがよい。

底刃６は、ワークの余縁のトリミングなどでは必須の要素とはならないが、内端が工具の回転中心を越える位置まで延びた底刃６を備えさせると、溝加工、突っ込み加工が可能になってエンドミルの用途が拡大する。

この発明のエンドミルの性能を評価するために、第１の切れ刃のねじれ角θ１を５°、第２の切れ刃のねじれ角θ２を−４°に設定した４枚刃のエンドミルと、第１の切れ刃と第２の切れ刃のねじれ角を上記と同一に設定した６枚刃のエンドミル（いずれも直径φ１２ｍｍ、有効刃長２５ｍｍの発明品）を試作し、従来品との比較切削を行なった。従来品は、ねじれ角が０°及び３０°の一般的な形状の４枚刃と６枚刃のエンドミルと、右ねじれと左ねじれの切れ刃を軸方向にステップさせて配置して双方の切れ刃で被削域の上側部分と下側部分を分担切削するようにした４枚刃のエンドミルを使用した。４枚刃の発明品は、図２の位相角Ｐ１＝約１０８°、Ｐ２＝約７２°である。また、６枚刃の発明品は、図７の位相角Ｐ１＝約７５°、Ｐ２＝約４４°である。４枚刃、６枚刃のエンドミルとも、Ｐ１＝Ｐ２の配置では、第１の切れ刃と第２の切れ刃が終端側で近づきすぎて第１の切れ刃のバックメタル量を終端側で十分確保することができないが、上記の配置ではその問題は起こらなかった。

これらの試料を用いて、プリプレグ積層数８、総板厚８ｍｍのＣＦＲＰの余縁の切断を行なった。切削条件は、切削速度Ｖ=２５０ｍ／ｍｉｎ、送り量ｆ＝０．０３ｍｍ／刃、
総切削長１５ｍとした。

このときの発明品による切削状況を、高速度カメラで監視したところ、バリの発生、切除が繰り返され、工具の使用時間の経過に伴うバリの成長が少ないことを確認した。また、加工中のワークのビビリが少なく、切削音が小さくて静かな切削がなされた。

一方、比較品は、いずれも工具も、使用時間の経過に伴うバリの成長が見られ、また、切削時のワークビビリによる金属音のようなビビリ振動が発生した。
この試験結果に、ねじれ角が正、負の切れ刃を交互配置にして設けること、それらの切れ刃を有効刃長間で連続した切れ刃とすることの有効性が現われている。

Claims

ねじれ角（θ１）が正となる方向にねじれた第１の切れ刃(４)と、ねじれ角（θ２）が負となる方向にねじれた第２の切れ刃(５)を周方向に位置をずらして形成したエンドミルにおいて、前記第１の切れ刃（４）と第２の切れ刃(５)の各々を、有効刃長間で連続した切れ刃として構成し、さらに、工具先端における第１の切れ刃(４)から工具回転方向後方の第２の切れ刃(５)までの位相角（Ｐ１）と、第２の切れ刃(５)から工具回転方向後方の第１の切れ刃(４)までの位相角（Ｐ２）を異ならせたことを特徴とするエンドミル。
前記第１の切れ刃(４)と第２の切れ刃(５)を周方向に交互に形成した請求項１に記載のエンドミル。
前記第１の切れ刃（４）から工具回転方向後方の第２の切れ刃(５)までの位相角（Ｐ１）を、第２の切れ刃（５）から工具回転方向後方の第１の切れ刃(４)までの位相角（Ｐ２）よりも大きく設定した請求項２に記載のエンドミル。
前記第１の切れ刃（４）のねじれ角（θ１）を第２の切れ刃（５）のねじれ角（θ２）よりも大きく設定した請求項２又は３に記載のエンドミル。
前記第１の切れ刃（４）のねじれ角（θ１）を３〜１０°、第２の切れ刃（５）のねじれ角（θ２）を−３〜−１０°に設定した請求項１〜４のいずれかに記載のエンドミル。
前記第１の切れ刃（４）の少なくとも１刃が、エンドミル最外径から工具の回転中心（Ｏ）を越えた位置まで延び出す底刃（６)を備えさせた請求項１〜５のいずれかに記載のエンドミル。
前記第１の切れ刃（４）にニック溝（１２）を備えさせた請求項１〜６のいずれかに記載のエンドミル。
前記第２の切れ刃（５）にニック溝（１２）を備えさせた請求項７に記載のエンドミル。