JP2007229849A - エンドミル及びそれを用いた加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ジェットエンジン等の凹曲面を高い面精度に切削能率よく３次元曲面加工することができるエンドミル及びそれを用いた加工方法を提供する。
【解決手段】シャンク１３先端に形成された切れ刃部の円弧切れ刃１１が円弧１４を回転軸線１２回りに回転させた仮想回転体１５に内接する形状に形成され、該円弧の中心が、円弧切れ刃の後端１６より所定量シャンク側に位置されている。これにより、かかるエンドミル１０の円弧切れ刃と被加工面との共通接線に対する回転軸線の傾斜角度を大きくすることができるので、ジェットエンジンブレードのような被加工凹曲面の例えば中央水平面部が円弧切れ刃により加工されているときに、シャンクが被加工凹曲面の縁部と干渉することがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、ジェットエンジンブレード等の３次元凹曲面を加工するのに適したエンドミル及びそれを用いた加工方法に関するものである。

従来、ジェットエンジンブレードのような凹曲面形状を５軸数値制御工作機械により加工する場合、シャンクの先端にシャンクと同径の半球状の切れ刃部が形成されたボールエンドミルが使用されている。また、特許文献１には、特許文献１の図２，３に示されるように、エンドミル本体１の一端に円弧状の切れ刃４を軸線方向に備え、他端にはシャンク７を備えたソリッドエンドミルにおいて、円弧状の切れ刃の円弧半径を刃径の０．６倍ないし３倍とする円弧刃エンドミルが記載されている。

この円弧刃エンドミルによれば、工作物を加工する円弧状の切れ刃の半径がシャンクの半径より大きいので、ピック送り量を大きくしてピックフィード加工しても、ピック送り量に応じて生じるカスプ高さが小さくなり、特に金型等の勾配の険しい斜面を切削能率よく加工することができる。
特開平１１−１５６６２１号公報（第２頁、図２，３）

上述の円弧刃エンドミルでは、特許文献１の段落〔０００６〕に記載されているように、円弧半径をエンドミル直径の０．６倍とした場合、エンドミル軸と平行から３０度程度の傾斜面を余裕を持って切削することができる。

しかしながら、かかる円弧刃エンドミルでは、特許文献１の図３に示されているように、円弧刃４の円弧の中心が、円弧刃４の後端においてエンドミル軸と直交する直線上に位置するので、円弧刃４と被加工面との共通接線に対するエンドミル軸の傾斜角度を大きくとることができない。従って、該円弧刃エンドミルを主軸を工作物に対して相対的に傾斜させる回転軸を有する数値制御工作機械の主軸に装着し、ジェットエンジンブレードのような凹曲面の加工に使用すると、図８に示すように、円弧刃４が凹曲面の中央水平面部を加工するときにシャンク７が凹局面の縁部と干渉する問題が生じる。つまり、該円弧刃エンドミルは、主軸が工作物に対して常に直交している３軸数値制御工作機械で用いることを前提とするものであり、主軸を工作物に対して相対的に傾斜させる回転軸を有する数値制御工作機械での使用には適さない。

本発明は係る点に鑑みてなされたもので、ジェットエンジン等の凹曲面を高い面精度に切削能率よく３次元曲面加工することができるエンドミル及びそれを用いた加工方法を提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、円弧が回転軸線回りに回転された仮想回転体に内接する形状の複数の円弧切れ刃を有する切れ刃部と、該切れ刃部から前記回転軸線と同軸に後方に突出されたシャンクとを備えたエンドミルにおいて、前記円弧の中心が前記円弧切れ刃の後端より所定量シャンク側に位置するとともに、前記円弧の半径が前記仮想回転体の最大半径より大きいことである。

請求項１において、前記仮想回転体の前記円弧切れ刃後端での外径が、前記シャンクの外径より大きくなるように前記切れ刃部が形成されていることである。

請求項３に係る発明の構成上の特徴は、工作物を保持するワークテーブルに対して直交３直線軸方向に相対移動可能かつ少なくとも一つの回転軸回りに相対回転可能に装架された主軸ヘッドと、該主軸ヘッドに回転駆動可能に軸承され先端に工具を保持する主軸と、前記主軸ヘッドの前記直交３軸方向の直線移動および前記回転軸回りの回転移動を数値制御する数値制御装置と、を備えた数値制御工作機械において、前記主軸に請求項１又は請求項２に係るエンドミルを同軸に保持させ、前記エンドミルにより加工される被加工凹曲面と前記仮想回転体とが前記円弧切れ刃部分で接するように前記主軸ヘッドを前記ワークテーブルに対して数値制御して移動させ、前記工作物の被加工凹曲面を前記エンドミルの円弧切れ刃により加工することである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、シャンク先端に形成された切れ刃部の円弧切れ刃が、円弧を回転軸線回りに回転させた仮想回転体に内接する形状に形成され、該円弧の中心が、円弧切れ刃の後端より所定量シャンク側に位置している。これにより、かかるエンドミルの円弧切れ刃と被加工面との共通接線に対する回転軸線の傾斜角度を大きくすることができるので、ジェットエンジンブレードのような被加工凹曲面の例えば中央水平面部が円弧切れ刃により加工されているときに、シャンクが被加工凹曲面の縁部と干渉することがない。さらに、円弧切れ刃が内接する仮想回転体の円弧の半径が、仮想回転体の最大半径より大きいので、エンドミルが被加工凹曲面の両端の間を各端でピック送りされて回転軸線と直角方向に往復移動され、円弧切れ刃により被加工凹曲面を加工するとき、切削能率を高くするためにピック送り量を大きくしても、高い面精度を得ることができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、複数の円弧切れ刃が内接する仮想回転体の円弧切れ刃後端での外径が、シャンクの外径より大きいので、エンドミルが被加工凹曲面の両端の間を回転軸線と直角方向に送り移動されるときに、回転軸線回りに回転する各円弧切れ刃により切り残されるカスプの高さが小さくなり、送り移動速度を速くして切削能率を高くしても、被加工凹曲面を高い面精度に加工することができる。

さらに、円弧切れ刃後端での外径がシャンクの外径より大きい仮想回転体に内接する円弧切れ刃で加工するので、切れ刃部を工作物に向かって切り込む切込み量を多くしても、シャンクが工作物と干渉することがなく、加工能率を向上することができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１又は請求項２に係るエンドミルが、円弧切れ刃が内接する仮想回転体と被加工凹曲面とが円弧切れ刃部分で接するように工作物に対して数値制御により移動されるので、ピック送り量を大きくして被加工凹曲面を高い切削能率で高い面精度に加工することができるとともに、円弧切れ刃が、例えば被加工凹曲面の中央水平面部を加工しているときに、シャンクが被加工凹曲面の縁部と干渉することがない。

以下、本発明に係るエンドミル及び該エンドミルを用いた加工方法の実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、エンドミル１０は、複数、例えば４枚の円弧切れ刃１１が回転軸線Ｏ回りにねじれて形成された切れ刃部１２を備え、切れ刃部１２からシャンク１３が回転軸線Ｏと同軸に後方に突出されている。各円弧切れ刃１１は回転軸線方向に長さＬを有し、各円弧切れ刃１１の外周縁が円弧１４を回転軸線Ｏ回りに回転させた仮想回転体１５に内接する形状に形成されている。

円弧切れ刃１１は、シャンク１３側の後端１６でシャンク１３の外周面と交差し、円弧１４の中心ROは、円弧切れ刃１１の後端１６より所定量Ｓだけシャンク１３側に位置されている。そして、円弧１４の半径Ｒは、仮想回転体１５の最大半径ｒとなるシャンク１３の半径より大きくされている。

これにより、図２に示すように、エンドミル１０の円弧切れ刃１１と被加工面との共通接線に対する回転軸線Ｏの傾斜角度αを大きくすることができるので、ジェットエンジンブレードのような工作物Ｗの被加工凹曲面１７の中央水平面部を円弧切れ刃１１が加工しているときに、シャンク１３が被加工凹曲面１７の縁部１８と干渉することがない。さらに、図３に示すように、円弧切れ刃１１が内接する仮想回転体１５の円弧１４の半径Ｒが仮想回転体１５の最大半径より大きいので、エンドミル１０が被加工凹曲面１７の両端の間を各端でピック送りされて回転軸線Ｏと直角方向に往復移動され、被加工凹曲面１７が円弧切れ刃１１により加工されるとき、切削能率を高くするためにピック送り量Pfを大きくしても、円弧切れ刃１１により切り残されるカスプ１９の高さｈが小さくなり、高い面精度を得ることができる。円弧切れ刃１１の半径がＲ、ピック送り量がPfである場合、カスプ１９の高さｈは、式Ｒ^２＝(Ｒ−ｈ)^２＋(Pf／2) ^２ から算出することができる。

シャンク１３の直径Ｄが２０ｍｍの場合、円弧１４の半径Ｒは、０．６Ｄ＝１２ｍｍ、１．０Ｄ＝２０ｍｍ、１．５Ｄ＝３０ｍｍ、３．０Ｄ＝６０ｍｍ、５Ｄ＝１００ｍｍ等にすることができる。特に、円弧１４の半径Ｒを１００ｍｍとし場合、円弧１４の半径Ｒが従来の切れ刃部が半球状のエンドミルの切れ刃部の半径の１０倍となるので、被加工凹曲面１７を高い切削能率で高い面精度に加工することができるとともに、円弧切れ刃１１が被加工凹曲面１７の中央水平面部を加工しているときに、シャンク１３が被加工凹曲面１７の縁部１８と干渉することがない。

なお、円弧切れ刃１１の後端１６に続いて逃げ切れ刃をシャンク１３の先端部に形成してもよい。この場合、切れ刃部１２は、円弧切れ刃１１と逃げ切れ刃により構成される。

図４に示すエンドミル２１においては、円弧切れ刃１１が内接する仮想回転体１５の円弧切れ刃後端１６での外径が、シャンク１３の外径より大きくなるように円弧切れ刃１１が形成されている。他の構成はエンドミル１０と同じであるので、同一要素に同一参照番号を付して説明を省略する。

これにより、エンドミル２１が被加工凹曲面１７の両端の間を回転軸線Ｏと直角方向に送り移動されるときに、回転軸線Ｏ回りに回転する各円弧切れ刃１１により切り残されるカスプ２０の高さｈが小さくなり、送り移動速度ｖを速くして切削能率を高くしても、被加工凹曲面を高い面精度に加工することができる(図５参照)。さらに、円弧切れ刃１１後端での外径２×ｒが、シャンク１３の外径より大きい仮想回転体１５に内接する円弧切れ刃１１で加工するので、円弧切れ刃１１の後端における仮想回転体１５の回転軸線Ｏと直角な断面での半径ｒが、主軸１０に装着可能な最大シャンクの半径より大きい円弧切れ刃１１で加工することができ、切れ刃部１２を工作物Ｗに向かって切り込む切込み量を多くしても、シャンク１３が工作物Ｗと干渉することがなく、加工能率を向上することができる。

エンドミル１０，２１において円弧切れ刃１１の前端部及び後端部に、各端部での仮想回転体１５の半径より小さい半径の円弧部を設けることにより円弧切れ刃１１の端部の剛性を向上することができる。

次に、エンドミルを５軸数値制御工作機械の主軸先端に同軸に保持し、エンドミルにより加工される工作物の被加工凹曲面と仮想回転体とが円弧切れ刃部分で接するように、主軸が軸承された主軸ヘッドが工作物を保持する回転テーブルに対して５軸数値制御により相対移動され、被加工凹曲面をエンドミルの円弧切れ刃１１により加工するエンドミルを用いた加工方法について説明する。

図６において、５軸数値制御工作機械２２のベッド２３上にはコラム２４が水平面内でＺ軸方向に移動可能に支承され、ベッド２３に回転可能に軸承された送りネジを有する送りネジ機構及び送りネジを回転駆動するサーボモータ２５によりＺ軸方向に往復移動される。コラム２４には、主軸ヘッド２６が上下のＹ軸方向に移動可能に支承され、一対のサーボモータ２７及び図略の送りネジ機構によりＹ軸方向に移動される。主軸ヘッド２６には先端にエンドミル１０又は２１を着脱自在に保持する主軸２８がＺ軸方向に軸承され、図略の主軸モータにより回転駆動される。

ベッド２３にはテーブル２９がコラム２４と対向してＸ軸方向に水平面内で移動可能に装架され、一対のサーボモータ３０及び図略の送りネジ機構によりＸ軸方向に往復移動されるようになっている。テーブル２９上にはチルトテーブル３１がＸ軸と平行なＡ軸回りに回動可能に支承され、サーボモータ３２により旋回駆動される。チルトテーブル３１上には、ワークを保持するワークテーブルとしての回転テーブル３３が回転可能に支承され、図略のサーボモータによりＢ軸回りに回転されるようになっている。回転テーブル３３にはワークＷが取付けられるパレット３５が着脱可能に装着されている。数値制御装置３４は、サーボモータ２５，２７，３０の回転を数値制御してコラム２４、主軸ヘッド２６、テーブル２９をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に直線移動させ、サーボモータ３２等の回転を数値制御してチルトテーブル３１、回転テーブル３３をＡ，Ｂ軸回りに回転移動させる。このようにして主軸ヘッド２６は、工作物Ｗを保持するワークテーブルである回転テーブル３３に対して直交３直線軸方向に相対移動可能かつ直交２回転軸回りに相対回転可能にベッド２３上に装架されている。

エンドミル１０又は２１により工作物Ｗの被加工凹曲面１７を加工する場合、５軸数値制御工作機械２２の主軸２８の先端に例えばエンドミル１０が同軸に保持され、回転テーブル３３上に工作物Ｗが保持される。

数値制御装置３４は、エンドミル１０の円弧切れ刃１１が内接する仮想回転体１５が被加工曲面１７と円弧切れ刃１１部分で接するように主軸ヘッド２６と回転テーブル３３とを５軸制御により相対移動させながら、テーブル２９をＸ軸方向に往復移動させる。即ち、数値制御装置３４は、図７に示すように、被加工凹曲面１７のＸ−Ｚ平面による断面曲線上の点Ｐの接線の傾きβ（図７参照）及び該接線と直角方向の接線の傾きに拘わらず、エンドミル１０の仮想回転体１５が点Ｐで被加工凹曲面１７と接するように、サーボモータ２５，２７，３０，３２等を数値制御してコラム２４、主軸ヘッド２６、テーブル２９を直線移動させ、チルトテーブル３１、回転テーブル３３回転移動させる。

そして、数値制御装置３４は、エンドミル１０が被加工凹曲面１７のＸ軸方向の両端部に到達する度に主軸ヘッド２６と回転テーブル３３との相対移動を同時５軸制御して円弧切れ刃１１を被加工凹曲面内でＸ軸と直角方向にピックフィード量Pfだけ移動させる。

このように、円弧切れ刃１１が内接する仮想回転体１５と被加工凹曲面１７とが円弧切れ刃１１部分で接するように、エンドミル１０が工作物Ｗに対して５軸数値制御により移動されるので、ピック送り量Pfを大きくして被加工凹曲面１７を高い切削能率で高い面精度に加工することができるとともに、円弧切れ刃１１が被加工凹曲面１７の例えば中央水平面部を加工しているときに、シャンク１３が被加工凹曲面１７の縁部１８と干渉することがない。

上記実施の形態では、主軸ヘッドとワークテーブルの相対的なＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の直線移動及びＡ，Ｂ軸回りの回転移動を数値制御する５軸数値制御工作機械に本エンドミルを使用して加工を行っているが、本エンドミルを使用する数値制御工作機械としては、主軸ヘッド２６がさらにＸ軸と平行な回転軸回りに数値制御により回転移動可能な６軸数値制御工作機械でもよく、さらに主軸が主軸ヘッドに対して数値制御により進退移動される７軸数値制御装置でもよい。また、主軸ヘッドとワークテーブルのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の直線移動及びＢ軸回りの回転移動を数値制御する４軸数値制御工作機械で本エンドミルを用いて加工してもよい。

また、例えば、上記の５軸数値制御工作機械２２では、ワークテーブルを２軸回りに回転させる回転機構を設けて、エンドミル１０，２１とワークＷとを相対回転可能としているが、主軸ヘッドを２軸回りに回転させる２軸回転機構を設けてもよい。更に、ワークテーブルを回転させる１軸回転機構、主軸ヘッドを回転させる１軸回転機構を設ける構成としてもよい。

上記の５軸数値制御工作機械では、主軸ヘッドとワークテーブルは、直線案内機構によりＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に直線移動され、回転機構によりＡ，Ｂ軸回りに回転移動されるが、ワークテーブルに対して主軸ヘッドが、円周方向等角度位置で３組のパラレルリンク機構により支持され、各パラレルリンク機構がサーボモータにより駆動されることによって、主軸ヘッドがワークテーブルに対して直交３直線軸方向に相対移動されるとともに２回転軸回りに回転移動されるようにしてもよい。さらに、多関節ロボットのアーム先端に主軸ヘッドが装着され、主軸ヘッドが直交３直線軸方向に移動され、かつ２回転軸回りに回転されるようにしてもよい。

本実施の形態に係るエンドミルを示す図。 エンドミルの円弧切れ刃と被加工面との共通接線に対する回転軸線の傾斜角度を示す図。 円弧切れ刃の円弧に基づくカスプを示す図。 エンドミルの他の実施形態を示す図。 エンドミルの直径に基づくカスプを示す図。 ５軸数値制御工作機械を示す斜視図。 エンドミルと被加工凹曲面との位置関係を示す図。 従来の円弧刃エンドミルで凹曲面の中央水平面部を加工するとシャンクが凹局面の縁部と干渉することを示す図。

符号の説明

１０，２１…エンドミル、１１…円弧切れ刃、１２…回転軸線、１３…シャンク、１４…円弧、１５…仮想回転体、１６…後端、Ｒ…半径、１７…被加工凹曲面、１８…縁部、１９，２０…カスプ、２２…５軸数値制御工作機械、２３…ベッド、２４…コラム、２５，２７，３０，３２…サーボモータ、２６…主軸ヘッド、２８…主軸、２９…テーブル、３１…チルトテーブル、３３…回転テーブル（ワークテーブル）、３４…数値制御装置、Ｏ…回転軸線、Ｗ…工作物。

Claims (3)

1. 円弧が回転軸線回りに回転された仮想回転体に内接する形状の複数の円弧切れ刃を有する切れ刃部と、該切れ刃部から前記回転軸線と同軸に後方に突出されたシャンクとを備えたエンドミルにおいて、
   前記円弧の中心が前記円弧切れ刃の後端より所定量シャンク側に位置するとともに、前記円弧の半径が前記仮想回転体の最大半径より大きいことを特徴とするエンドミル。
2. 請求項１において、前記仮想回転体の前記円弧切れ刃後端での外径が、前記シャンクの外径より大きくなるように前記切れ刃部が形成されていることを特徴とするエンドミル。
3. 工作物を保持するワークテーブルに対して直交３直線軸方向に相対移動可能かつ少なくとも一つの回転軸回りに相対回転可能に装架された主軸ヘッドと、該主軸ヘッドに回転駆動可能に軸承され先端に工具を保持する主軸と、前記主軸ヘッドの前記直交３軸方向の直線移動および前記回転軸回りの回転移動を数値制御する数値制御装置と、を備えた数値制御工作機械において、
   前記主軸に請求項１又は請求項２に係るエンドミルを同軸に保持させ、
   前記エンドミルにより加工される被加工凹曲面と前記仮想回転体とが前記円弧切れ刃部分で接するように前記主軸ヘッドを前記ワークテーブルに対して数値制御して移動させ、
   前記工作物の被加工凹曲面を前記エンドミルの円弧切れ刃により加工することを特徴とするエンドミルを用いた加工方法。

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