JP2004034171A - エンドミル加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より高精度の切削加工を実現する。
【解決手段】軸線回りに回転される略円柱状をなす工具本体の外周面に、軸線回りにねじれる外周刃１２…が形成されたエンドミルを用いて、被削材の側面を切削するときに、外周刃１２…における軸線方向切り込み量Ａ_ｄ、ねじれ角β、ピッチｐを、以下の式を満たすように設定する。
Ａ_ｄ・ｔａｎβ＝ｎ・ｐ　（ｎ：正の整数）
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンドミルを用いて被削材を切削するときの加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、様々な加工技術の研究によって高精度な加工を行うことが可能になってきたのにともない、自動車部品、家電製品などはより多機能化・高性能化が進み、これらの主要部品に対する要求精度もますます厳しくなっている。
このような要求精度を満たすためには、被削材に対する切削加工、研削加工、研磨加工などの複数の工程を経なければならないが、その一方で、製品に対するコストダウンの要求も厳しく、新たな加工技術を導入しなければ、高精度かつ低コストの加工は難しくなってきている。
このため、被削材のエンドミル加工においても、より高精度な切削加工を実現することにより、加工工程の省略を行い、リードタイムを短縮してコストダウンを図る必要が生じていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、エンドミル加工では、軸線回りに回転される工具本体の外周面及び先端面に、上記軸線回りにねじれる螺旋状をなす複数の外周刃と複数の底刃とが形成されたエンドミルを用いて、このエンドミルを軸線回りに回転させつつ、軸線方向に直交する方向に送りを与えることにより、被削材に対して、例えば外周刃による側面切削などの切削加工を施していくことになる。
このようなエンドミル加工において、加工面の精度に影響を与える要因としては、工具回転振れによって外周刃の切り込み量が変化し、このために生じる上記送り方向での面粗さの低下や、切削抵抗によって工具本体が弾性変形したときの倒れ量、とくに切削抵抗の変動にともなう倒れ量の変動によって生じる形状精度の悪化などが挙げられる。
これらのうち、切削抵抗の変動による加工面の形状精度への悪影響は大きく、重切削でなくても、加工面上における凹凸の差が非常に大きくなってしまい、より高精度な切削加工を実現する上での大きな障害となっていた。
【０００４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、より高精度の切削加工を実現することができるエンドミル加工方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そして、本発明者らは、鋭意検討を続けた結果、エンドミルを用いて被削材を切削加工するときに、工具本体の外周面に形成された外周刃について、被削材の加工面に接触して切削に関与する部分の長さの総和を一定に維持し続けることによって、切削抵抗の変動をなくすことができるのに着目し、この外周刃の接触長さの総和を一定にするための加工条件を見い出した。
このようにしてなされた本発明は、軸線回りに回転される略円柱状をなす工具本体の外周面に前記軸線回りにねじれる外周刃が形成されたエンドミルを用いて、被削材の切削加工を行うときに、前記外周刃における軸線方向切り込み量Ａ_ｄ、ねじれ角β、ピッチｐを、以下の式を満たすように設定することを特徴とするものである。
Ａ_ｄ・ｔａｎβ＝ｎ・ｐ　（ｎ：正の整数）
このような加工条件を設定して、被削材に対する切削加工を施していくと、その切削期間中において、被削材の加工面に接触して切削に関与している外周刃の長さの総和を一定に維持し続けることが可能となる。
これにより、外周刃にかかる切削抵抗を変動させずに、ほぼ一定で維持し続けることが可能となり、切削抵抗の変動に起因して生じていた工具本体の倒れ量の変動が生じるのを抑制し、加工面の形状精度を向上させて、より高精度の切削加工を実現することができる。
【０００６】
ここで、例えば、被削材の厚みが薄いといった事情により、上記の式を満たすような大きさの軸線方向切り込み量Ａ_ｄを設定することができない場合には、被削材あるいは工具本体を傾斜させて配置することにより、被削材の軸線方向での距離を大きくするように調節して、外周刃における軸線方向切り込み量Ａ_ｄを大きくすることで対応できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付した図面を参照しながら説明する。
本実施形態によるエンドミル加工方法では、図１に示すように、エンドミル１０の工具本体１１における外周面に形成された外周刃１２によって、被削材２０の側面２１を切削していくような、いわゆる側面切削について考える。
このエンドミル１０は、軸線Ｏ回りに回転（回転方向Ｔ）される略円柱状をなす半径ｒの工具本体１１を有していて、その外周面には、複数の外周刃１２…が形成されている。なお、本実施形態においては、例えば外周刃１２の刃数Ｚ_ｎが６枚に設定されて、６枚刃のエンドミル１０となっている。
【０００８】
これら外周刃１２…は、軸線Ｏ方向の後端側に向かうにしたがい工具回転方向Ｔ後方側に向けて軸線Ｏを中心として螺旋状に、所定のねじれ角βでねじれるように形成されており、また、所定のピッチｐ（＝２πｒ／Ｚ_ｎ）を介して周方向で略等間隔に配列されている。なお、本実施形態においては、外周刃１２…におけるねじれ角βは、例えば４５゜に設定されている。
このようなエンドミル１０は、その工具本体１１が軸線Ｏ回りに回転させられつつ、軸線Ｏに直交する方向に送り（送り方向Ｐ）が与えられることにより、被削材２０の側面２１に切削加工を施していく。
【０００９】
そして、本実施形態においては、被削材２０の側面２１を切削していくときの加工条件について、以下の式を満たすように設定される。
Ａ_ｄ・ｔａｎβ＝ｎ・ｐ　（ｎ：正の整数）　　・・・（１）
ここで、Ａ_ｄは、外周刃１２の軸線方向切り込み量であり、被削材２０の加工面に接触して切削に関与する外周刃１２…において、その最先端と最後端との間の軸線Ｏ方向での距離を示す。
この式（１）を説明するため、工具本体１１の外周面に形成された所定のねじれ角βでねじれる６枚の外周刃１２…を平面に展開したときの展開図を図２に示す。この図２において、Ｘ軸は、工具本体１１における周方向での位置を示し、Ｙ軸は、工具本体１１における軸線Ｏ方向での位置を示している。
【００１０】
図２に示される四角形で囲まれた領域▲１▼，▲２▼は、切削関与領域の一例であり、被削材２０の側面２１を切削するときに、これら領域▲１▼，▲２▼内に位置する外周刃１２…が切削に関与することを示している。
つまり、領域▲１▼，▲２▼におけるＸ軸方向に沿って延びる辺の長さが、径方向切り込み量Ｒ_ｄに依存して決定される工具本体１１の周方向での切削領域範囲とされ、かつ、領域▲１▼，▲２▼におけるＹ軸方向に沿って延びる辺の長さが、工具本体１１の軸線Ｏ方向での切削領域範囲（軸線方向切り込み量Ａ_ｄ）とされている。
【００１１】
ここで、径方向切り込み量Ｒ_ｄが大きく設定された領域▲１▼について、切削期間中に工具本体１１が工具回転方向Ｔに回転させられる、つまり、この領域▲１▼がＸ軸方向に沿って移動させられたときでも、加工面に接触して切削に関与する外周刃１２…の長さの総和（領域▲１▼内に位置する外周刃１２…の長さの総和）
【数１】

を一定に維持し続けるには、図２から、領域▲１▼における軸線Ｏ方向の上端に交差する点Ｂと、領域▲１▼における軸線Ｏ方向の下端に交差する点ＣとのＸ軸方向での位置を同一にすればよいことが分かる。
【００１２】
また、径方向切り込み量Ｒ_ｄが小さく設定された領域▲２▼についても、切削期間中に工具本体１１が工具回転方向Ｔに回転させられる（領域▲２▼がＸ軸方向に沿って移動させられた）ときでも、加工面に接触して切削に関与する外周刃１２…の長さの総和（領域▲２▼内に位置する外周刃１２…の長さの総和）
【数２】

を一定に維持し続けるには、図２から、領域▲２▼における軸線Ｏ方向の上端に交差する点Ｂ′と、領域▲２▼における軸線Ｏ方向の下端に位置する点Ｅ′とのＸ軸方向での位置を同一にすればよいことが分かる。
【００１３】
そして、上記のような切削関与領域（領域▲１▼，▲２▼）について考慮すると、切削期間中において、外周刃１２…における加工面に接触して切削に関与する部分の長さの総和を一定に維持し続けるためには、図２から導き出されるように、上記の式（１）で示したような関係を有していればよいことが分かるのである。
【００１４】
また、式（１）を考慮すると、このような切削関与領域（領域▲１▼，▲２▼）について、そのＸ軸方向に沿って延びる辺の長さ（径方向切り込み量Ｒ_ｄに依存して決定される工具本体１１の周方向での切削領域の範囲）の設定は、外周刃１２…における加工面に接触して切削に関与する部分の長さの総和を一定に維持し続けるための必須要件とはならない。
さらには、式（１）から、外周刃１２…におけるねじれ角βを大きくすればするほど、軸線方向切り込み量Ａ_ｄを小さくできることが分かる。
【００１５】
このような本実施形態によるエンドミル加工方法によれば、式（１）のような加工条件を設定した、つまり、あるエンドミル１０に対して、その外周刃１２…における軸線方向切り込み量Ａ_ｄを調整して制御することにより、式（１）を満たすような加工条件を設定したことから、被削材２０の側面２１を切削加工するときに、加工面に接触して切削に関与する外周刃１２…の長さの総和を一定に維持し続けることができるので、これに対応して、切削期間中における切削抵抗の変動をゼロにして切削抵抗を一定に保つことができる。
【００１６】
それゆえ、従来のエンドミル加工方法のように、切削抵抗の変動に起因して生じていた工具本体１１の倒れ量の変動が生じてしまうのを抑制することができ、被削材２０の側面２１における加工面の軸線Ｏ方向の形状精度を向上させ、より高精度な切削加工の実現が可能となる。
これにより、近年、とくに厳しくなってきた要求精度を満たすために必要であった加工工程を減らすことができる、例えば、要求される寸法精度を出すための軽切削加工などを省略することができるので、高い精度を維持しながらも、コストダウンを図ることが可能となる。
【００１７】
なお、式（１）のような加工条件については、従来のような刃数Ｚ_ｎが少なく、ねじれ角βの小さいエンドミルではその設定が困難であり、本実施形態のように、刃数Ｚ_ｎが多く、かつ、ねじれ角βの大きいエンドミル１０で容易に設定することができる。
ただし、外周刃１２…の刃数Ｚ_ｎが２に設定されたような２枚刃のエンドミル１０であっても、外周刃１２…のねじれ角βを６０゜程度に設定すると、式（１）のような加工条件を設定することが可能であるので、この外周刃１２…については、そのねじれ角βが、３０゜〜６０゜に設定されていることが望ましい。
【００１８】
ここで、例えば、被削材２０の厚みが薄く、側面２１における軸線Ｏ方向での距離が小さくて、式（１）を満たすために最低限必要な軸線Ｏ方向切り込み量Ａ_ｄさえも設定することができない場合には、被削材２０あるいは工具本体１１を傾斜させて配置することにより、被削材２０の側面２１における軸線Ｏ方向での距離を大きくするように調節して、外周刃１２…における軸線方向切り込み量Ａ_ｄを大きくすることで、これに対応できる。
例えば、図３に示すように、被削材２０を傾斜させて配置し、工具本体１１の送り方向Ｐを被削材２０の傾斜方向と同一にすると、この被削材２０の側面２１における軸線Ｏ方向での長さが、Ｄ１からＤ２のように大きくなるので、外周刃１２…による軸線方向切り込み量Ａ_ｄを大きくすることができるのである。
【００１９】
また、本実施形態では、式（１）を満たすような加工条件を設定することにより、切削抵抗の変動をなくして工具本体の倒れ量の変動をなくすようにしているのであるが、これに加え、平均切削抵抗による工具本体１１の倒れが要因である加工面の軸線Ｏ方向への傾きに対して、工具本体１１の倒れを打ち消す方向に被削材２０あるいは工具本体１１を傾斜させることにより、この工具本体１１の倒れによって悪化していた加工面形状を補正することで、さらなる高精度化を図ることができる。
【００２０】
【実施例】
上記で示した式（１）の有効性を確認するため、被削材２０の側面２１を切削加工する試験を行った。
そのとき用いたエンドミル１０、被削材２０、加工方法等は以下の通りである。
・エンドミル（ラジアスエンドミル）
半径ｒ：５ｍｍ
外周刃のねじれ角β：４５゜
外周刃の刃数Ｚ_ｎ：６枚
外周刃のピッチｐ：５．２３（＝２πｒ／Ｚ_ｎ）
・被削材
材質：ＳＮＣＭ４３９　ロックウェル硬さＨＲｃ４０
・加工方法
ダウンカット
径方向切り込み量Ｒ_ｄ：０．５ｍｍ
工具本体１回転当たりの送り量ｆ：０．１ｍｍ
ここで、式（１）に、外周刃のねじれ角β及びピッチｐを当てはめて軸線方向切り込み量Ａ_ｄを求めると、ｎ＝２の場合には、Ａ_ｄ＝１０．４７ｍｍとなるので、被削材２０の板厚（側面２１における軸線Ｏ方向の距離）を１０．４７ｍｍに設定したものを、本発明の加工条件を満たす一例である実施例とした。つまり、この被削材２０の側面２１における軸線Ｏ方向全体をエンドミル１０の外周刃１２…で切削することによって軸線方向切り込み量Ａ_ｄを１０．４７ｍｍとしているのである。
また、被削材２０の板厚を７．８５ｍｍに設定したものを用意し、この被削材２０の側面２１における軸線Ｏ方向全体を、エンドミル１０の外周刃１２…で切削することによって軸線方向切り込み量Ａｄを７．８５ｍｍとし、これを従来の加工条件の一例である従来例とした。
【００２１】
まず、式（１）を満たすように設定された加工条件によるエンドミル加工では、その切削抵抗が一定になるかどうかを確認する。
実施例である板厚１０．４７ｍｍの被削材２０の側面２１を切削した場合の、時間［ｍｓｅｃ］−切削抵抗［Ｆ］の測定結果を図４に示し、また、従来例である板厚７．８５ｍｍの被削材２０の側面２１を切削した場合の、時間［ｍｓｅｃ］−切削抵抗［Ｆ］の測定結果を図５に示す。
図４に示すように、本発明の一例である実施例においては、工具回転振れによる変動成分が表れているだけで、切削抵抗の値はほぼ一定であり、式（１）を満たす加工条件を設定すると、切削抵抗の変動をなくすことができるのが分かる。これに対して、図５に示すように、従来例においては、切削抵抗の変動が激しく生じていることが分かる。
【００２２】
次に、式（１）を満たすように設定された加工条件によるエンドミル加工では、加工面における軸線Ｏ方向での形状精度を向上できるかどうかを確認する。
実施例である板厚１０．４７ｍｍの被削材２０の側面２１を切削した場合の、加工面における軸線Ｏ方向の位置［ｍｍ］−加工面上における凹凸の高さ［μｍ］の測定結果を図６に示し、また、従来例である板厚７．８５ｍｍの被削材２０の側面２１を切削した場合の、加工面における軸線Ｏ方向の位置［ｍｍ］−加工面上における凹凸の高さ［μｍ］の測定結果を図７に示す。
図６に示すように、本発明の一例である実施例においては、平均切削抵抗による工具本体１０の倒れの影響で、加工面の軸線Ｏ方向への傾斜が生じていたが、この加工面上における凹凸の高さの差を小さくできていることが分かる。
これに対して、図７に示すように、従来例においては、平均切削抵抗による加工面の軸線Ｏ方向への傾斜だけでなく、切削抵抗の変動に起因する加工面の形状精度の悪化が見られ、凹凸の高さの差が非常に大きくなっていることが分かる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によるエンドミル加工方法では、被削材の加工面に接触して切削に関与する外周刃の長さの総和を一定に維持し続けることによって、切削抵抗の変動をなくすことができ、この切削抵抗の変動に起因して生じていた工具本体の倒れ量の変動が抑制されるので、加工面の形状精度が向上して、より高精度の切削加工を実現することができる。
これにより、近年、とくに厳しくなってきた要求精度を満たすために必要であった加工工程、例えば要求される寸法精度を出すための軽切削加工などを省略することができ、高い精度を維持しながらも、コストダウンを図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態によるエンドミル加工方法の概略説明図である。
【図２】図１におけるエンドミルの外周刃の展開図である。
【図３】本発明の実施形態によるエンドミル加工方法の変形例を示す概略説明図である。
【図４】実施例による切削抵抗の測定結果を示すグラフである。
【図５】従来例による切削抵抗の測定結果を示すグラフである。
【図６】実施例による加工面形状の測定結果を示すグラフである。
【図７】従来例による加工面形状の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１０　エンドミル
１１　工具本体
１２　外周刃
２０　被削材
２１　側面
Ｏ　軸線
Ｐ　送り方向
Ｔ　工具回転方向

Claims (2)

1. 軸線回りに回転される略円柱状をなす工具本体の外周面に前記軸線回りにねじれる外周刃が形成されたエンドミルを用いて、被削材の切削加工を行うときに、
   前記外周刃における軸線方向切り込み量Ａ_ｄ、ねじれ角β、ピッチｐを、以下の式を満たすように設定することを特徴とするエンドミル加工方法。
   Ａ_ｄ・ｔａｎβ＝ｎ・ｐ　（ｎ：正の整数）
2. 請求項１に記載のエンドミル加工方法において、
   前記被削材あるいは前記工具本体を傾斜させて配置することにより、前記被削材の前記軸線方向での距離を調節して、前記外周刃における軸線方向切り込み量Ａ_ｄを調節することを特徴とするエンドミル加工方法。

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