JP5845218B2 - ボールエンドミル - Google Patents

Description

本発明は、高硬度鋼材等の金型や部品等を切削加工するのに適するボールエンドミルに関する。

近年、超精密機械加工分野において、横送り加工して高精度な金型および部品等を切削加工する際、被削材として高硬度鋼材を用いて、高い表面粗さで高精度の仕上げ切削加工を行うエンドミルが要望されている。
このような硬脆材等からなる被削材をエンドミルで切削加工する場合、耐欠損性を向上させるために、切刃にホーニングを施すことが行われている。

このようなエンドミルとして、例えば特許文献１に記載されたものが提案されている。このエンドミルは、ソリッドタイプのエンドミルであり、エンドミル本体の先端部外周に切り屑排出溝が軸線回りに捩じれて螺旋状に形成され、その回転方向前方側を向く壁面の外周側縁部に外周切刃が形成されている。そして、この外周切刃の先端部には円弧状の曲率半径を有するホーニングが形成され、このホーニングは軸線方向に沿って切刃の回転方向前方側から回転方向後方側に向かって曲率半径が小さくなるように変化して形成されている。これによって、切刃の耐欠損性を向上させると共に被削材にバリが発生することを防止できるとしている。

特許第５１９４６３７号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたエンドミルでは、外周切刃の後方側は高速回転するため切れ味は良好であるが、硬脆材や高硬度鋼材を高速切削すると切刃が欠損し易くなるという欠点があった。また、特許文献１に記載のエンドミルは切刃が円筒状の外周面に沿って形成されたフラットエンドミルであり、先端の周速が０に近いボールエンドミルには適用できなかった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、加工面を鏡面仕上げすると共に切刃のチッピングを抑制するようにしたボールエンドミルを提供することを目的とする。

本発明によるボールエンドミルは、軸線回りに回転する工具本体の外周面には先端から基端側に向けて工具本体の回転方向後方側に捩じれた複数の切り屑排出溝が形成され、工具本体の先端側の切刃部における切り屑排出溝の回転方向を向く壁面に略円弧状の切刃が形成されたボールエンドミルにおいて、切刃は軸線の先端側から基端側に向けて断面円弧状のホーニングが形成され、該ホーニングの曲率半径は切刃の先端側と基端側で大きく、その中間で小さく形成してなり、切刃のすくい面側にはギャッシュ側面が形成され、すくい面とギャッシュ側面との交差稜線の軸線に対する傾斜角度は先端側から基端側に向けて負の角度から正の角度に変化しており、負の角度から正の角度への変化位置は、切刃の最大外径をＤとして、軸線方向における先端側から０．３Ｄ〜０．７Ｄの範囲に設定されていることを特徴とする。
本発明によるボールエンドミルは、切刃の周速の低い先端側でホーニングの曲率半径を大きくしたから刃先強度が高くてチッピングを防ぐと共にこすれ作用が大きいため、加工面を鏡面加工することができ、しかも、円弧状の切刃の中間では高速回転するため切刃に与える負担が大きいが、ホーニングの曲率半径を小さくしたから切れ味が良くチッピングを防止して高速切削加工ができる。更に、切刃の後端側では、外周刃に近く高速回転切削するが、切刃部が高圧焼結体等の比較的脆い素材であると、切削時の衝撃が上昇するが、切刃は回転方向後方側に捩じれているため切削時の衝撃を和らげてチッピングを抑制できる。しかも、切刃の後端側では、ホーニングの曲率半径が大きいためチッピングと切れ味の低下を抑制して高速切削を行える。
しかも、すくい面とギャッシュ側面との交差稜線の負の角度から正の角度への変化位置を軸線方向において０．３Ｄ〜０．７Ｄの範囲に設定することで切り屑排出性が良好で刃先強度を高く維持できる。一方、上記交差稜線において、負の角度から正の角度への変化位置が先端から０．３Ｄより短いと刃先強度が低下し、０．７Ｄより長いと切り屑の排出性が悪いという不具合がある。

また、切刃にはスモールリリーフが形成されており、スモールリリーフの逃げ角は切刃の先端側から基端側に向けて０．５°〜１０°の範囲で次第に大きくなるように変化させたことが好ましい。
切刃にスモールリリーフを設け、先端側から基端側に向けて０．５°〜１０°の範囲で次第に大きくさせたため、切刃の先端側ではスモールリリーフの逃げ角が小さくホーニングが大きいため、こすれ作用を行って鏡面加工でき、切刃の中間ではホーニングが小さくスモールリリーフの逃げ角は増大するため切れ味が高く高速切削でき、更に切刃の後端側ではホーニングは大きいがスモールリリーフの逃げ角が大きくなるため、切れ味を落とさず高速回転切削加工を行える。

また、切刃のホーニングの曲率半径は軸線方向の先端側から基端側にかけて０．５μｍ〜２０μｍの範囲内で変化するようにしてもよい。
切刃のホーニングの曲率半径は０．５μｍより小さいとホーニング効果が小さくチッピングを生じ易く、２０μｍより大きいと切削抵抗が増加して加工精度と加工面粗さが低下してバリを発生し易い。

また、切刃の軸線方向の先端部におけるすくい角は−５°〜−３０°の範囲に設定してもよい。
切刃の先端部のすくい角を−５°〜−３０°の範囲の負角に設定したことで、切刃強度が高く切削時にチッピングを生じにくい。

また、切刃の軸線に対するねじれ角を５°〜３０°の範囲に設定してもよい。
切刃の軸線に対するねじれ角を５°〜３０°の範囲に設定することで、高速回転させて切削する切刃の基端側で切刃が回転方向後方側に捩じれているために切削時の衝撃を和らげてチッピングを抑制して切れ味が良好である。

本発明によるエンドミルによれば、ホーニングの曲率半径が切刃の先端側と基端側で大きく、その中間で小さく形成したため、切刃の先端側は周速が小さいがホーニングが大きいので加工面を擦って鏡面加工できるとともにチッピングを抑制し、切刃の基端側ではホーニングの曲率半径が大きくても周速が高いので高速切削加工できてチッピングを防止し、またその中間ではホーニングの曲率半径が小さいために高速切削できて加工精度と加工面粗さが良好である。
しかも、すくい面とギャッシュ側面との交差稜線の負の角度から正の角度への変化位置を軸線方向において０．３Ｄ〜０．７Ｄの範囲に設定することで切り屑排出性が良好で刃先強度を高く維持できる。

本発明の実施形態によるボールエンドミルの側面図である。 図１に示すボールエンドミルを回転方向に９０°異なる角度から見た側面図である。 図１に示すボールエンドミルの先端面図である。 図１に示すボール刃の先端側から基端側に向けた刃先断面を示すものであり、（ａ）はＡ−Ａ線断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ線断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図１乃至図４に沿って詳述する。
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、シャンク部材を有する工具本体２の先端部に例えばｃＢＮ等の高硬度材料からなっていて略半球状の刃先部３をろう付け等で固定しており、中心の軸線Ｏ回りに回転可能とされている。本明細書では、工具本体２の軸線Ｏにおいて刃先部３側を先端側といい、主軸に取り付ける側を基端側というものとする。
工具本体２にはその軸線Ｏ方向の先端部から基端側に向かって軸線Ｏ回りの回転方向後方側に螺旋状に捩じれた二条の切り屑排出溝４が工具本体２の周方向に等間隔に配設され、刃先部３まで延びている。各切り屑排出溝４の回転方向を向く壁面と工具本体２の外周面との交差稜線部には切り屑排出溝４に沿って２条の外周刃６が形成されている。各外周刃６の回転方向前方の面がすくい面であり、外周刃６の後方の外周面が逃げ面とされている。

そして、工具本体２の先端部の刃先部３には、各外周刃６に続いて切刃として略円弧状の一対のボール刃８(底刃)が周方向に１８０°間隔に形成されている。また、一対のボール刃８の先端側の端部は軸線Ｏを通る小幅のチゼルエッジを介して連結されている。
ボール刃８は先端側から基端側に向けて回転方向先端側から後方側に正角の方向に捩じれて形成され、径方向にも正角で捩じれて形成され、正角の軸方向すくい角と径方向すくい角を有している。ボール刃８と外周刃６は軸線Ｏに対するねじれ角θが５°〜３０°の範囲に設定されている。ねじれ角θがこの範囲であれば、ボール刃８の切れ味と切り屑排出性を良好に維持できる。

ボール刃８には、切り屑排出溝４の回転方向前方側の壁面にすくい面９が形成され、回転方向後方側にはスモールリリーフ１０と二番逃げ面１１とが形成されている。円弧状のボール刃８は先端側から基端側の外周刃６との接続部までの間に、先端部８ａ，中間部８ｂ、後端部８ｃを有している。また、ボール刃８の軸線Ｏ方向のすくい角αは先端部８ａで例えば−５°〜−３０°の範囲の負角とされ、その後、負角から正角に変化して基端側に向けて刃先部３の回転方向後方側に正角で捩じれて形成されている。ボール刃８の先端部８ａにおけるすくい角αが上記範囲であればボール刃８のチッピングを抑えてこすれ作用による鏡面仕上げ加工行うことができ、すくい角αが−５°より大きいとボール刃８の刃先のチッピングを生じ易く、−３０°より小さいと周速の小さい軸線Ｏ付近での切れ味が著しく小さい。

また、各切り屑排出溝４の先端側には軸線Ｏ方向に肉厚を切除したギャッシュ溝１３が形成され、図２において、すくい面９とギャッシュ溝１３のギャッシュ側面１３ａとの交差稜線１４は先端側から基端側に向けて延びてボール刃８に対して中央領域で他の領域より離間する凹曲線状に形成されている。この交差稜線１４は刃先部３の刃先強度と切り屑排出溝４の切り屑排出性の決定に貢献している。

そして、ボール刃８のすくい面９とギャッシュ側面１３ａとの交差稜線１４は先端側でボール刃８の先端部８ａに重なる負角に形成されていると共に、基端側に向けて負角から正角に変化している。交差稜線１４の負角から正角への変化位置は、ボール刃８の最大外径をＤとして、軸線Ｏ方向の先端から０．３Ｄ〜０．７Ｄの範囲に設定されている。交差稜線１４の負角から正角への変化位置が０．３Ｄより短いと負角の範囲が小さすぎて刃先部３の強度が低下し、０．７Ｄより大きいと刃先部３における切り屑排出溝４が浅くなり切り屑排出性が低下する欠点がある。このすくい面９とギャッシュ側面１３ａとの交差稜線１４の曲線はボール刃８及び外周刃６のねじれ角の強さに影響を受けている。
なお、交差稜線１４の負角から正角への変化位置の範囲は、好ましくは０．４Ｄ〜０．６Ｄの範囲であり、更に好ましくは０．５Ｄである。

次に、ボール刃８の逃げ面に形成したスモールリリーフ１０は小幅に設定されて先端から外周刃６まで延びており、その逃げ角βは軸線Ｏ方向の先端から外周刃６に向けて０．５°〜１０°の範囲で次第に増大するように変化している。図４において、スモールリリーフ１０の逃げ角βは、０．５°より小さいとワークの加工面との擦れによって加工面の面粗さを低下させ、１０°より大きいと刃先角度が相対的に小さくなってチッピングを生じ易い。なお、スモールリリーフ１０の逃げ角βは、好ましくは２°〜８°の範囲とし、更に好ましくは４°〜６°の範囲とする。

また、図４において、ボール刃８には、軸線Ｏ方向の先端から外周刃６に向けてホーニング１６が形成されている。ホーニング１６は断面Ｒ状に形成され、軸線Ｏ側の先端から外周刃６に向けたボール刃８の各領域である先端部８ａ、中間部８ｂ、後端部８ｃに順次形成されている。
先端部８ａのホーニング１６ａは曲率半径Ｒ１が比較的大きく周速が低くてもチッピングを生じることなく加工面を鏡面加工できるように形成されている。中間部８ｂのホーニング１６ｂは曲率半径Ｒ２が比較的小さく高速で切削する際の切れ味が良好で加工精度が高くチッピングを生じにくい。また、後端部８ｃのホーニング６ｃは曲率半径Ｒ３が中間部の曲率半径Ｒ２より大きく中間部８ｂよりも高速切削する際に良好な切れ味を確保してチッピングを防止できるように設定している。そのため、ボール刃８の先端部８ａ、中間部８ｂ、後端部８ｃにおける各ホーニング１６ａ、１６ｂ、１６ｃは曲率半径がＲ１＞Ｒ２＜Ｒ３とされている。

また、各ホーニング１６ａ、１６ｂ、１６ｃの曲率半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は０．５μｍ〜２０μｍの範囲に設定され、滑らかに変化して互いに連続するように形成されており、これらの範囲であれば、チッピングを抑えて加工精度を良好にして加工面粗さを劣化させず、また、加工面にバリが発生することを防止できる。一方で、ボール刃８におけるこれらのホーニング１６ａ、１６ｂ、１６ｃの曲率半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が０．５μｍより小さいとホーニング効果を生じない上にチッピングを発生するおそれがあり、２０μｍより大きいと切削抵抗が増大して加工精度と加工面粗さが劣化する。

また、ボール刃８の先端部８ａにおけるホーニング１６ａの曲率半径Ｒ１は例えば３μｍ〜２０μｍの範囲に設定し、中間部８ｂにおけるホーニング１６ｂの曲率半径Ｒ２は例えば０．４μｍ〜１０μｍの範囲に設定し、後端部８ｃにおけるホーニング１６ｃの曲率半径Ｒ３は例えば３μｍ〜２０μｍの範囲に設定することが好ましい。
なお、ホーニング１６ａ、１６ｂ、１６ｃの曲率半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は好ましくは２μｍ〜１０μｍ、更に好ましくは３μｍ〜７μｍの範囲に設定するものとする。

本実施形態によるボールエンドミル１は上述の構成を備えており、工具本体２を工作機械の主軸に装着して金型のキャビティ等のワークに挿入して横送り加工する。そして、工具本体２の外周刃６でワークの側壁を加工し、刃先部３のボール刃８でワーク底面やコーナー部の仕上げ加工を行うものとする。しかも、ボール刃８は軸線方向の捩じれ角が５°〜３０°の範囲に設定され、軸線方向先端側から基端側に向けて回転方向後方側に捩じれていると共に、ボール刃８の半径方向の捩じれ角も回転方向後方側に捩じれるため、切削抵抗を抑えて高速切削加工できる。

そして、ボール刃８の先端部８ａではすくい角αが−５°〜−３０°の負角に設定されているから、軸線Ｏ付近の周速が０に近くてもホーニング１６ａの曲率半径Ｒ１を比較的大きく設定しているから刃先強度が高くチッピングを防いでこすれ作用が大きいため、加工面を鏡面加工することができる。しかも、ボール刃８の先端部８ａの逃げ面に設けたスモールリリーフ１０は軸線Ｏ近くの先端側で逃げ角βが小さいから一層こすれ作用を発揮してチッピングを生じることなく鏡面加工を行える。

また、ボール刃８の中間部８ｂでは、軸線Ｏから離れるため高速回転で切削するため、ボール刃８に与える負担が大きいが、ホーニング１６ｂの曲率半径Ｒ２を比較的小さく設定しているから切れ味が良くチッピングを防止して高速切削加工ができる。しかも、スモールリリーフ１０の逃げ角も大きくなるので、この点からも切れ味を向上できる。
更に、ボール刃８の後端部８ｃでは、軸線Ｏから離れた外周刃６に近い位置で高速回転切削できる。また、刃先部３が高圧焼結体のｃＢＮであり比較的脆い素材であるため、周速が高いと切削時の衝撃が大きいが、ボール刃８の後端部８ｃは回転方向後方側に捩じれ角θが５°〜３０°の範囲で捩じれているため、切削時の衝撃を和らげることができてチッピングを抑制できる。
しかも、ボール刃８の後端部８ｃでは、ホーニング１６ｃの曲率半径Ｒ３が比較的大きくてもスモールリリーフ１０の逃げ角βが先端部８ａや中間部８ｂと比較して大きくなっているために、切れ味の低下を抑制して高速切削を行える。

また、ボール刃８の切り屑排出溝４では、すくい面９とギャッシュ側面１３ａとの交差稜線１４は、先端でボール刃８の先端部８ａと交差すると共に軸線Ｏの基端側に向けて負の角度から正の角度に変化する曲線形状であり、負の角度から正の角度への変化位置は軸線Ｏ方向における０．３Ｄ〜０．７Ｄの範囲に設定されている。
そのため、ボール刃８でワークを切削加工する際、刃先部３の強度を高く維持できると共に切り屑排出溝４を通した切り屑の排出性が良好である。

上述のように本実施形態によるボールエンドミル１によれば、ボール刃８の先端部８ａのすくい角αを−５°〜−３０°の範囲の負角に設定したから切刃強度が高くチッピングを生じにくい。また、ボール刃８の先端部８ａ、中間部８ｂ、後端部８ｃでホーニング１６ａ，１６ｂ，１６ｃの曲率半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３をＲ１＞Ｒ２＜Ｒ３に設定することで、周速の低い先端部８ａでの刃先強度が高くチッピングを防ぐと共にこすれ作用が大きいため、ワーク底部の加工面を鏡面加工することができる。しかも、ボール刃８の先端部８ａの逃げ面に逃げ角βの小さいスモールリリーフ１０を設けたからホーニング１６ａと相俟ってこすれ作用を発揮してチッピングを生じることなく鏡面加工を行える。

また、ボール刃８の中間部８ｂでは、高速回転するためボール刃８に与える負担が大きいが、ホーニング１６ｂの曲率半径Ｒ２を小さくし且つスモールリリーフ１０の逃げ角を大きくしたから、切れ味が良くチッピングを防止して高速切削加工ができる。
更に、ボール刃８の後端部８ｃでは、高速回転切削するが、刃先部３が高圧焼結体のｃＢＮであり比較的脆い素材であるため切削時の衝撃が上昇するが、ボール刃８は回転方向後方側に捩じれ角θが５°〜３０°の範囲で捩じれているため、切削時の衝撃を和らげてチッピングを抑制できる。しかも、ボール刃８の後端部８ｃでは、ホーニング１６ｃの曲率半径Ｒ３が比較的大きく且つスモールリリーフ１０の逃げ角βが先端部８ａや中間部８ｂより大きいために、切れ味の低下とチッピングを抑制して高速切削を行える。

また、ボール刃８の切り屑排出溝４には、すくい面９とギャッシュ側面１３ａとの交差稜線１４は、先端でボール刃８の先端部８ａと交差すると共に先端から０．３Ｄ〜０．７Ｄの範囲で軸線Ｏに対して負の角度から正の角度に変化する曲線形状としたから、ボール刃８でワークを切削加工する際、ボール刃８を欠損し難く、負角の部分で刃先部３の刃先強度を高く維持できると共に切り屑排出溝４を通した切り屑の排出性が良好である。

以上、本発明の実施形態によるボールエンドミル１を説明したが、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種々の変更や置換等を採用できることはいうまでもない。
例えば本実施形態では、刃先部３をｃＢＮ等の高圧焼結体で形成したが、これに限定されることなく、超硬合金等、適宜の高硬度材料を採用することができる。なお、ソリッドタイプのボールエンドミルにも適用できる。
また、上述した実施形態では、二枚刃のボール刃８を備えたボールエンドミル１について説明したが、本発明は二枚刃に限定されるものではなく、三枚刃またはそれ以上のボール刃８を備えていてもよい。

１ ボールエンドミル
２ 工具本体
３ 刃先部
４ 切り屑排出溝
６ 外周刃
８ ボール刃
８ａ 先端部
８ｂ 中間部
８ｃ 後端部
９ すくい面
１０ スモールリリーフ
１１ 第二逃げ面
１３ ギャッシュ溝
１３ａ ギャッシュ側面
１４ 交差稜線
１６，１６ａ、１６ｂ、１６ｃ ホーニング

Claims (5)

1. 軸線回りに回転する工具本体の外周面には先端から基端側に向けて工具本体の回転方向後方側に捩じれた複数の切り屑排出溝が形成され、工具本体の先端側の切刃部における前記切り屑排出溝の回転方向を向く壁面に略円弧状の切刃が形成されたボールエンドミルにおいて、
   前記切刃は軸線の先端側から基端側に向けて断面円弧状のホーニングが形成され、該ホーニングの曲率半径は前記切刃の先端側と基端側で大きく、その中間で小さく形成してなり、
   前記切刃のすくい面側にはギャッシュ側面が形成され、前記すくい面とギャッシュ側面との交差稜線の軸線に対する傾斜角度は先端側から基端側に向けて負の角度から正の角度に変化しており、前記負の角度から正の角度への変化位置は、前記切刃の最大外径をＤとして、軸線方向における先端側から０．３Ｄ〜０．７Ｄの範囲に設定されていることを特徴とするボールエンドミル。
2. 前記切刃にはスモールリリーフが形成されており、前記スモールリリーフの逃げ角は切刃の先端側から基端側に向けて０．５°〜１０°の範囲で次第に大きくなるように変化させた請求項１に記載されたボールエンドミル。
3. 前記切刃のホーニングの曲率半径は軸線方向の先端側から基端側にかけて０．５μｍ〜２０μｍの範囲内で変化するようにした請求項１または２に記載されたボールエンドミル。
4. 前記切刃の先端部における軸線方向のすくい角は−５°〜−３０°の範囲に設定した請求項１乃至３のいずれか１項に記載されたボールエンドミル。
5. 前記切刃の軸線に対するねじれ角を５°〜３０°の範囲に設定した請求項１乃至４のいずれか１項に記載されたボールエンドミル。

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