KR101740423B1

KR101740423B1 - 볼 엔드밀

Info

Publication number: KR101740423B1
Application number: KR1020147035703A
Authority: KR
Inventors: 마사히코 쿠로다
Original assignee: 쿄세라 코포레이션
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2017-05-26
Also published as: KR20150040809A; CN104428089B; EP2913132B1; CN104428089A; EP2913132A1; WO2014069453A1; EP2913132A4; JP5869691B2; JPWO2014069453A1; US10265784B2; US20150224585A1

Abstract

[과제] 볼 날의 선단의 중심축 부근에 있어서의 내마모성을 개선함과 아울러 절삭 중에 공구 본체가 진동하는 것을 억제할 수 있는 볼 엔드밀을 제공한다.
[해결 수단] 중심축(Ｏ) 둘레로 회전하는 공구 본체(1)와 공구 본체(1)의 선단측의 중심축(Ｏ)측으로부터 후방을 향해 형성된 측면으로부터 봐서 원호 형상인 볼 날(2)을 구비하고, 볼 날(2)은 중심축(Ｏ)측으로부터 외주(Q)측을 향해 곡률 반경(r)이 점차 작아지고 있는 볼 엔드밀(10)이다.

Description

볼 엔드밀{BALL END MILL}

본 발명은 볼 엔드밀에 관한 것이다.

볼 엔드밀은 주로 금형 등의 절삭 가공에 이용되고 있다. 이 볼 엔드밀의 선단측의 절삭날은 측면으로부터 볼 때에 원호 형상이다. 이러한 선단측의 볼 날은 선단으로부터 볼 때에도 원호 형상이며, 곡률 반경이 내주부로부터 외주부에 걸쳐 일정하게 이루어지는 형상이 일반적이었다. 또한, 특허문헌 1에서는 볼 날의 내주측의 제 1 날부와, 중간의 제 2 날부와, 외주측의 제 3 날부를 구비하고, 제 2 날부의 곡률 반경을 제 1 날부의 곡률 반경보다 크게 함과 아울러 제 3 날부의 곡률 반경을 제 2 날부의 곡률 반경보다 작게 한 볼 엔드밀이 개시되어 엔드밀 본체의 방진성이 높아지는 것이 개시되어 있다.

일본 특허 제 4407975 호 명세서

그러나, 특허문헌 1에 개시된 볼 엔드밀에서는 정밀 가공에서 이용하는 회전 속도가 빠른 가공 조건으로 하면 볼 날의 중심축측에 있어서 가공면의 뜯김이 발생해서 가공면 조도(粗度)가 저하되는 경우가 있었다. 또한, 볼 날의 내주측에 있어서의 절삭 저항이 커짐으로써 볼 날에 걸리는 부하가 커져 엔드밀 본체의 방진성은 오히려 나빠지는 경우가 있었다.

본 발명은 이 문제점을 해결하는 것이며, 회전 속도가 빠른 가공 조건이더라도 내마모성이 높고 또한 방진 성능을 향상시킨 볼 엔드밀을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 볼 엔드밀은 중심축 둘레로 회전하는 공구 본체와 상기 공구 본체의 선단측의 상기 중심축측으로부터 후방을 향해 형성된 측면으로부터 봐서 원호 형상인 볼 날을 구비하고, 상기 볼 날은 상기 중심축측으로부터 외주측을 향해 곡률 반경이 점차 작아지고 있는 것이다.

[발명의 효과]

본 발명의 볼 엔드밀에 따르면, 볼 날이 중심축으로부터 외주를 향해 곡률 반경이 점차 작아지고 있음으로써 회전 속도가 빠른 가공 조건이더라도 볼 날의 내주측에 있어서의 절삭 저항의 증대를 억제할 수 있어 가공면의 뜯김이 발생하지 않아 가공면 조도의 저하를 억제할 수 있고 또한 볼 날의 내마모성이 향상된다. 또한, 볼 날에 걸리는 부하도 작으므로 엔드밀 본체의 방진성이 향상된다.

도 1A는 본 발명의 볼 엔드밀의 개략 측면도이다.
도 1B는 도 1A를 90° 회전한 개략 측면도이다.
도 2는 도 1의 볼 엔드밀을 선단 X측으로부터 본 선단도이다.
도 3A는 도 2의 볼 엔드밀에 대해서, 볼 날의 점(P)에 대한 단면도(Ⅰ-Ⅰ 단면도)이다.
도 3B는 도 2의 볼 엔드밀에 대해서, 볼 날의 점(H)에 대한 단면도(Ⅱ-Ⅱ 단면도)이다.
도 3C는 도 2의 볼 엔드밀에 대해서, 볼 날의 점(Q)에 대한 단면도(Ⅲ-Ⅲ 단면도)이다.

본 발명의 볼 엔드밀에 대해서 도 1~도 3을 이용해서 설명한다.

도 1~도 3의 볼 엔드밀(이하, 간단히 엔드밀로 약기한다.)(10)은 솔리드 타입의 볼 엔드밀이며, 중심축(Ｏ) 둘레로 회전하는 공구 본체(1)와 공구 본체(1)의 선단(X)측으로부터 후방을 향해[후단(Y)측을 향해] 형성된 측면으로부터 봐서 원호 형상인 볼 날(2)을 구비하고 있다. 볼 날(2)은 선단(X)측으로부터 후방을 향함[후단(Y)측을 향함]에 따라 선단으로부터 볼 때에는 중심축(Ｏ)측으로부터 외주측에 위치하고 있다. 볼 날(2)의 회전 궤적은 대략 반구 형상으로 된다. 또한, 도 2에서는 볼 날(2)이 2매(2a, 2b) 형성되어 있고 중심축(Ｏ)에 대해서 점대칭으로 배치되어 있다. 또한, 중심축(Ｏ) 근방에는 개쉬(gash)가 형성되고, 이것에 의해 중심축(Ｏ) 상을 포함하는 볼 날(2a, 2b) 사이에는 치즐 에지(chisel edge)(4)가 형성되어 있다.

공구 본체(1)는 후방이 대략 원기둥 형상이며 공구 본체(1)의 후단(Y)측은 홀더(도시하지 않음)에 장착되어 절삭 가공기에 부착된다. 그리고, 중심축(Ｏ)을 중심으로 회전 방향(T)으로 회전시켜 예를 들면 금형 등의 가공에 이용된다.

엔드밀(10)에는 볼 날(2) 이외에 볼 날(2)의 후방에 형성되는 외주 날(3)과, 볼 날(2) 및 외주 날(3)의 회전 방향으로 형성되는 레이크면(5)과, 볼 날(2) 및 외주 날(3)의 역회전 방향으로 형성되는 플랭크면(6)과, 레이크면(5)의 후방으로 이어지는 절삭 부스러기 배출홈(7)을 구비하고 있다. 절삭 부스러기 배출홈(7)은 후방을 향해 회전 방향(T)과는 반대의 방향으로 비틀어져 있다.

그리고, 본 실시형태에 따르면 볼 날(2)의 형상은 도 2의 선단도에 있어서의 중심축(Ｏ)측의 볼 날(2)과 치즐 에지(4)의 경계인 점(P)[볼 날(2)의 중심축측의 단부의 위치]으로부터 외주에 위치하는 점(Q)을 향해 곡률 반경이 점차 작아지고 있다. 또한, 본 발명에 있어서의 볼 날(2)의 각 위치에 있어서의 곡률 반경(r)은 볼 날(2)의 각 위치와 이 점을 중심으로 해서 0.2㎜의 거리에 위치하는 볼 날(2)의 2점의 3점을 지나는 원호의 곡률 반경을 가리킨다. 또한, 본 발명에 있어서 볼 날(2)의 각 위치에 있어서의 곡률 반경을 측정하기 위해서는 0.4㎜의 거리 간격으로 측정한다.

즉, 볼 날(2)의 각 점을 중심으로 해서 그려지는 원호의 곡률 반경(r)이 동일한 경우에도 도 2의 선단도에 투영되는 볼 날(2)의 궤적은 중심축(Ｏ)측의 점(P)으로부터 외주에 위치하는 점(Q)을 향해 곡률 반경(r)이 작게 보이는 것도 있지만, 본 실시형태에 있어서는 선단도에 투영되는 볼 날(2)의 궤적이 아니라 3차원의 입체 형상으로 측정해서 볼 날(2)의 각 점을 중심으로 해서 그려지는 원호의 곡률 반경(r)이 중심축(Ｏ)측의 점(P)으로부터 외주에 위치하는 점(Q)을 향해 작아지고 있다.

이것에 의해, 회전 속도가 빠른 가공 조건으로 절삭해도 볼 날(2)의 중심축(Ｏ)측이 필요 이상으로 피절삭재에 접촉하는 것을 억제할 수 있으므로 볼 날(2)의 중심축(Ｏ)측의 점(P) 부근에 있어서의 절삭 저항의 증대를 억제할 수 있다. 이 결과, 가공면의 뜯김이 발생하지 않아 가공면 조도의 저하를 억제할 수 있고 또한 볼 날(2)의 내마모성이 향상된다. 또한, 볼 날(2)에 걸리는 부하도 작으므로 절삭 가공시의 충격에 의해 발생하는 엔드밀 본체(1)의 진동도 작게 할 수 있다.

또한, 볼 날(2)의 단부인 점(P) 및 점(Q)에 있어서의 곡률 반경(r)은 점(P) 및 점(Q)을 종단으로 해서 종단으로부터 볼 날(2)의 0.2㎜ 및 0.4㎜의 거리에 위치하는 2점을 합친 3점을 지나는 원호의 곡률 반경(r)으로서 구해진다. 도면에는 곡률 반경의 기재를 생략하고 있다.

또한, 본 실시형태에 따르면 볼 날(2)의 중심축(Ｏ)측의 단부의 위치인 점(P)으로부터 볼 날(2)의 중심축(Ｏ)을 중심으로 하는 반경(r/2)의 원[도 2에 있어서의 원(C)]과의 교점(H)까지의 사이에 있어서의 볼 날(2)의 곡률 반경(r_P _-H)은 엔드밀(10)의 날 직경에 상당하는 공구 본체(1)의 직경(D)(=2R)에 대해서 0.8~2의 비율임과 아울러, 공구 본체(1) 반경(r)의 절반의 위치(H)로부터 외주의 점(Q)까지의 사이에 있어서의 볼 날(2)의 곡률 반경(r_H _-Q)은 공구 본체(1)의 직경(D)에 대해서 0.2~1.2의 비율로 되어 있다. 이것에 의해, 볼 날(2)의 내마모성과 엔드밀 본체(1)의 방진성을 함께 만족시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태에 따르면 중심축(Ｏ)측의 단부의 위치인 점(P)에 있어서의 볼 날(2)의 곡률 반경(r_P)은 공구 본체(1)의 직경(D)에 대해서 1.5~2의 비율이고, 공구 본체(1) 반경(r)의 절반의 위치인 점(H)에 있어서의 볼 날(2)의 곡률 반경(r_H)은 공구 본체(1)의 직경(D)에 대해서 0.8~1.2의 비율이며, 또한 외주의 점(Q)에 있어서의 볼 날(2)의 곡률 반경(r_Ｑ)은 공구 본체(1)의 직경(D)에 대해서 0.2~0.6의 비율로 되어 있다. 이것에 의해, 볼 날(2)의 내마모성과 엔드밀 본체(1)의 방진성을 함께 만족시킬 수 있다.

여기서, 볼 날(2)의 형상이 점(P)으로부터 점(Q)을 향해 곡률 반경(r)이 점차 작아지고 있다는 것은 곡률 반경(r)이 단계적으로 작아지고 있는 것이여도 좋고, 일정 비율로 연속적으로 작아지고 있는 것이여도 좋다. 본 실시형태에서는 중심축(Ｏ)측의 점(P)으로부터 외주의 점(Q)을 향해 볼 날(2)의 곡률 반경(r)이 일정 비율로 연속적으로 작아지고 있다. 이것에 의해, 볼 날(2)에는 곡률 반경(r)이 바뀌는 특이점이 생기지 않으므로 절삭 저항이 국소적으로 증대하지 않아 볼 날(2) 전체로서의 내마모성이 향상된다.

또한, 도 2의 선단도에 따르면 엔드밀(10)의 볼 날(2)은 2개(2매) 존재하고 있지만, 볼 날(2)은 2매에 한정되는 것은 아니고 3매 또는 그 이상이여도 좋다. 볼 날(2)이 2매인 형태에서는 날 직경이 작은 볼 엔드밀을 이용해서 가공시에 발생하는 절삭 부스러기의 배출성이 양호하다는 효과가 있다. 또한, 도시는 하지 않지만 다른 실시형태에서는 적어도 1개의 볼 날의 선단으로부터 본 형상이 다른 볼 날의 선단으로부터 본 형상과 다른 구성도 적용 가능하다. 이것에 의해, 적어도 1개의 볼 날은 비대칭 형상으로 되어 절삭시에 엔드밀(10)이 공진해서 채터링(chattering)이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 적어도 1개의 볼 날을 비대칭 형상으로 하는 일례로서는 1개의 볼 날의 형상을 선단으로부터 볼 때에 있어서의 볼 날의 곡률 반경(r)을 단계적으로 작게 하는 구성으로 하고, 다른 볼 날에서는 선단으로부터 볼 때에 있어서의 볼 날의 곡률 반경(r)을 연속적으로 작게 하는 구성 등을 들 수 있다. 또한, 이 1개의 볼 날의 선단으로부터 본 형상이 다른 것과 다른 구성은 날수가 3개 이상인 경우에 적합하게 채용할 수 있다.

여기서, 본 실시형태에 있어서는 볼 날(2)의 레이크각(θ)이 0°~－20°이다. 즉, 볼 날(2)의 레이크각(θ)은 0°이거나 또는 소위 네거티브의 레이크각으로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에 따르면 도 3A~도 3C의 볼 날(2)의 점(P, H, Q)에 대한 단면도에 나타내는 바와 같이 중심축(Ｏ)측으로부터 외주측을 향해 레이크각의 음의 값이 커지고 있다. 즉, 점(P)에 있어서의 레이크각(θ_P), 점(H)에 있어서의 레이크각(θ_H), 점(Q)에 있어서의 레이크각(θ_Q)의 순으로, 볼 날(2)로부터 멀어짐에 따라 레이크면(5)이 융기되도록 레이크각(θ)의 음의 값이 커지고 있다.

이것에 의해, 볼 날(2)의 강도를 확보하여 볼 날(2)의 결손을 억제할 수 있다. 즉, 외주측에서는 볼 날(2)의 곡률 반경이 작기 때문에 볼 날(2)이 돌출 형상으로 되어 강도적으로 약해지기 쉽다. 또한, 이 외주측에서는 절삭 속도도 빠르기 때문에 마모의 진행도 빠르다. 한편, 중심축(Ｏ)측에서는 절삭 속도가 제로에 가깝게 되기 때문에 절삭 저항이 커지는 경향이 있다. 이 때문에, 중심축(Ｏ)측으로부터 외주측을 향해 레이크각(θ)의 음의 값이 커짐으로써 외주측에 있어서의 볼 날(2)의 치핑이나 결손을 억제할 수 있음과 아울러 중심축(Ｏ)측의 절삭 저항을 작게 해서 가공면이 거칠어지는 것을 억제한다.

본 실시형태에 따르면 중심축(Ｏ)측의 점(P)에 있어서의 레이크각(θ_P)은 0°~－1°이고, 중간의 점(H)에 있어서의 볼 날(2)의 레이크각(θ_H)은 -1°~－5°이며, 또한 외주의 점(Q)에 있어서의 볼 날(2)의 레이크각(θ_Q)은 -10°~－20°이다.

또한, 본 실시형태에 따르면 도 3A~도 3C에 나타내는 바와 같이 볼 날(2)의 여유각(α)이 중심축(Ｏ)측으로부터 외주측을 향해 커지고 있다. 즉, 점(P)에 있어서의 여유각(α_P), 점(H)에 있어서의 여유각(α_H), 점(Q)에 있어서의 여유각(α_Q)의 순으로 커지고 있다.

또한, 상술한 실시형태에 있어서는 도 1A, 도 1B, 도 2에 나타내는 바와 같이 공구 본체(1) 자체의 소정 부위에 절삭날이 형성된 소위 솔리드 타입의 구성을 예로 들어 설명했지만, 이것 대신에 소위 스로어웨이팁(throwaway tip)을 홀더에 장착한 소위 스로어웨이 타입의 구성이여도 좋다.

실시예 1

도 1A, 도 1B, 도 2의 개략 형상의 볼 엔드밀 형상으로 볼 날의 곡선 형상 및 공구 본체의 직경에 대한 점(P)(중심축측), 점(Q)(외주), 점(H)(반경의 절반)의 각 위치에서의 곡률 반경(r_P, r_H, r_Ｑ), 곡률 반경의 직경(D)에 대한 비율(r_P/D, r_H/D, r_Ｑ/D), 레이크각(θ_P, θ_H, θ_Q), 여유각(α_P, α_H, α_Q)이 표 1의 치수를 갖는 시료 No.1~10의 볼 엔드밀을 제작하고 하기 조건으로 절삭 가공 평가를 행했다. 결과는 표 2에 나타냈다. 또한, 엔드밀의 볼 날은 2매, 공구 본체의 직경[날 직경(D)=2R]은 6㎜의 것을 이용했다.

(절삭 조건)

피절삭재 : HPM38강

가공 직경 : φ6㎜

가공 속도 : 220m/분

회전수 : 11,700회/분

이송 : 0.058㎜/날

절삭 깊이 : 0.6㎜×0.3㎜

절삭 형태 : 숄더(肩) 가공

절삭 환경 : 건식 절삭

평가 항목 : 절삭 길이 100m 가공 시점에서 볼 날을 선단으로부터 본 상태에서의 최대 마모량과 가공면 조도(최대 높이)

표 1, 표 2의 결과로부터 명백한 바와 같이, 볼 날의 곡률 반경이 중심축측으로부터 외주측에 걸쳐 동일한 시료 No.1은 공구 본체의 진동이 커서 가공면 조도가 나빠졌다. 또한, 볼 날의 곡률 반경이 중심축측과 외주측의 중간 위치에서 큰 시료 No.6에서는 가공면에 뜯김이 발생해서 가공면 조도가 나쁘고 또한 마모량도 커졌다.

이것에 대해서, 본 발명에 따라 볼 날의 곡률 반경이 중심축측으로부터 외주측을 향해 점차 작아지고 있는 시료 No.2~5, 7-10에서는 공구 본체의 진동이 작고 또한 가공면 조도도 작은 것이었다.

실시예 2

날수가 3개, 공구 본체의 직경[날 직경(D)]은 6㎜이며 3개의 날 모두 실시예 1의 시료 No.4의 형상으로 이루어지는 볼 엔드밀을 제작했다(시료 No.11). 마찬가지로, 날수가 3개, 공구 본체의 직경[날 직경(D)=2R]은 6㎜이며 2개의 날은 실시예 1의 시료 No.4의 형상이고 1개의 날이 실시예 1의 시료 No.2로 이루어지는 볼 엔드밀을 제작했다(시료 No.12). 시료 No.11, 12에 대해서 실시예 1의 조건으로 절삭 가공 평가를 행했다. 절삭 길이 100m 가공 시점에서 볼 날을 선단으로부터 본 상태에서의 최대 마모량은 시료 No.11이 0.050㎜, 시료 No.12가 0.047㎜이고, 가공면 조도(최대 높이)는 시료 No.11이 2.02㎛, 시료 No.12가 1.34㎛이었다.

1 : 공구 본체 2 : 볼 날
3 : 외주 날 4 : 치즐 에지
5 : 레이크면 6 : 플랭크면
7 : 절삭 부스러기 배출홈 10 : 엔드밀
X : 선단 Y : 후단
Ｏ : 중심축 P : 볼 날의 중심축측 단부
Q : 볼 날의 외주측 단부 H : 볼 날의 중간 위치
T : 회전 방향

Claims

중심축 둘레로 회전하는 공구 본체와, 상기 공구 본체의 선단측으로부터 후방을 향해 형성된 측면으로부터 봐서 원호 형상인 볼 날을 구비하고, 상기 볼 날은 선단으로부터 봐서 상기 중심축측의 단부로부터 외주측의 단부를 향해 곡률 반경이 일정 비율로 연속적으로 작아지고 있는 것을 특징으로 하는 볼 엔드밀.
제 1 항에 있어서,
중심축측의 단부로부터 상기 외주측을 향해 상기 공구 본체 반경의 절반의 위치까지의 사이에 있어서의 상기 볼 날의 곡률 반경은 상기 공구 본체의 직경에 대해 0.8~2의 비율임과 아울러, 상기 공구 본체 반경의 절반의 위치로부터 외주의 위치까지의 사이에 있어서의 상기 볼 날의 곡률 반경은 상기 공구 본체의 직경에 대해 0.2~1.2의 비율인 것을 특징으로 하는 볼 엔드밀.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 볼 날의 중심축측의 단부의 위치에 있어서의 곡률 반경은 상기 공구 본체의 직경에 대해 1.5~2의 비율이고, 상기 중심축측의 단부로부터 상기 공구 본체의 반경의 절반의 위치에 있어서의 상기 볼 날의 곡률 반경은 상기 공구 본체의 직경에 대해 0.8~1.2의 비율이며, 또한 상기 볼 날의 상기 외주의 위치에 있어서의 곡률 반경은 상기 공구 본체의 직경에 대해 0.2~0.6의 비율인 것을 특징으로 하는 볼 엔드밀.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
선단으로부터 봐서 상기 볼 날이 2개 이상 존재함과 아울러, 적어도 1개의 볼 날의 선단으로부터 본 형상이 다른 볼 날의 선단으로부터 본 형상과 다른 것을 특징으로 하는 볼 엔드밀.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 볼 날은 레이크각이 0°~－20°이고, 상기 중심축측으로부터 상기 외주측을 향해 레이크각의 음의 값이 커지고 있는 것을 특징으로 하는 볼 엔드밀.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
3차원의 입체 형상으로 측정한 경우에 있어서의 상기 볼 날의 곡률 반경은 중심축측의 단부로부터 외주측의 단부를 향해 작아지고 있는 것을 특징으로 하는 볼 엔드밀.
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