JP3759098B2

JP3759098B2 - ボールエンドミル

Info

Publication number: JP3759098B2
Application number: JP2002311218A
Authority: JP
Inventors: 聡石井; 健志渡辺
Original assignee: NS Tool Co Ltd
Current assignee: NS Tool Co Ltd
Priority date: 2002-10-25
Filing date: 2002-10-25
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2022-10-25
Also published as: JP2004142055A; US7281883B2; EP1413376B1; DE60331883D1; EP1413376A1; US20040081520A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ボールエンドミルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、金型加工の高精度化が強く求められている。そのため、切削工具の高精度化、長寿命化に関する研究開発が盛んに行われてきた。中でも曲面の切削加工、特にその仕上工程においては、きわめて高精度の半球状の切削を行うボールエンドミルが必要とされる。
従来、ボールエンドミルは、先端面に径方向にほぼ１／４円弧状の二枚の切刃が対向して設けられ、これらの切刃は回転軸線上で点状に接するか、または両切刃が互いに芯をずらして配設され、両切刃間で回転軸線の近傍にチゼル部が形成されるという構成を備えていた。
また、特許文献１に記載されているボールエンドミルでは、回転軸線回りに回転する工具本体の先端に、回転軸線を通るほぼ円弧状の切刃を連続して設け、切刃に沿った両側には、それぞれの側ですくい面および逃げ面が切刃に沿って連続して形成され、かつ切刃を挟んですくい面と逃げ面が対向して形成されている。そして、切刃を挟む両面ではすくい角と逃げ角とが連続的に変化している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−５２４１２号公報（第１−３頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術に係るボールエンドミルには以下のような問題があった。
二枚の切刃が回転軸線上の一点で接するボールエンドミルでは、切刃の接する部分の剛性が弱く、切刃や工具の欠けが発生しやすいので、工具寿命が短いという問題があった。
回転軸線近傍にチゼル部が形成されているボールエンドミルでは、切刃や工具の欠けの発生は抑えられるが、チゼル部では切削力が伴わず、横移動することで被削材を押しつぶすような加工となっている。そのため、チゼル部では、むしれなどが生じ、面粗度の小さいきれいな加工面が得られなかった。そのため、このようなボールエンドミルは、仕上工程などの高精度が求められる加工工程では使用できないという問題があった。
また、特許文献１に記載の技術では、切刃が連続しているため、上記の点は改善されているものの、回転軸線上では切刃の周速が０となっているので、回転軸線近傍では切削抵抗が大きくなるため、切刃の摩耗が激しくなり欠損を生じやすくなって、工具の寿命が短くなるという問題があった。
さらに、特許文献１に記載のボールエンドミルは、すくい面と逃げ面を複雑な凹曲面形状に加工することが必要となるので、製造コストが高価につくという問題があった。特に、高精度の切削に不可欠な高剛性材料で製造しようとすると、加工が困難で、きわめて製造コストが高いという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、高精度の切削が可能で、切刃の摩耗や欠損を抑制することができるボールエンドミルを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、回転軸線回りに回転する工具本体の先端にほぼ円弧状の切刃を備え、該切刃に沿って、両側にそれぞれすくい面および逃げ面が形成されたボールエンドミルであって、前記切刃が、前記回転軸線から所定距離だけずれているとともに、前記切刃に沿う両側において、それぞれの側に前記すくい面と前記逃げ面とが連続する刃面が形成され、前記それぞれの側の刃面は、前記切刃と直交する断面でそれぞれ所定角度の傾斜を有しており、かつ、該それぞれの所定角度が、すくい角として異なる大きさを有する構成とする。
この発明によれば、切刃が回転軸線から所定距離だけずれているため、切刃の任意の位置で被削物に対して周速を有するので、切削抵抗を低減して切刃の摩耗量を低減でき、欠損を防止できる。また、回転軸線近傍の切削残りは工具の移動により切削して除去されるので、加工面を高精度に仕上げることができる。さらに、切削時に切刃は、回転径方向の一方で芯下がり、他方で芯上がりとなっているから、一種の不等間隔刃として作用し、そのために共振を抑制することができる。
また、切刃を挟んで両側にそれぞれ切刃と直交する断面で所定角度の刃面が形成され、例えば、すくい面であればすくい角、逃げ面であれば逃げ角の余角（直角−逃げ角）が、それぞれの刃面内で等しい所定角度となっており、かつ、それぞれの刃面ではそれらの所定角度がすくい角として異なる大きさを有するので、切削時にすくい角の異なる２枚切刃として切削が行われる。その結果、それぞれの切刃に作用する切削抵抗が異なるものとなるから、励振力が回転軸に対して非対称となり、より効果的に共振を抑制することができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のボールエンドミルにおいて、前記所定距離が、前記切刃の外径に対して０．５％〜１０％の範囲にある構成とする。
この発明によれば、回転軸線上に切刃を有するボールエンドミルの摩耗量に比べて格段に摩耗量を低減することができる。実験結果によれば、回転軸線上に切刃を有するボールエンドミルと同等の摩耗量となる範囲が切刃の外径の０％〜１２％であり、０．５％〜１０％では、約２０％程度摩耗量が改善される。
ここで、切刃の外径とは、切刃先端の円弧部の直径を意味するものとする。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のボールエンドミルにおいて、前記すくい面のすくい角が負角である。
この発明によれば、すくい角が負角であるため、すくい面で切くずを圧縮していく切削となるので、引張応力によるバリが発生せず、高精度の加工面を形成することができる。また、工具にとっても、すくい角が負角であるため切刃に直交する断面形状の刃物角を大きくして工具の剛性を向上することができ、しかもチャンファ効果があるため、切削時および工具製造時のチッピングを防止することができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載のボールエンドミルにおいて、前記切刃に、鏡面研磨によって微細丸め処理を施した構成とする。
この発明によれば、切刃を鏡面研磨して微細丸め処理を施すので、切刃の欠損を抑えるとともに、鏡面の面精度が加工面に転写され、加工面の面精度を向上させることができる。
【００１１】
請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれかに記載のボールエンドミルにおいて、前記切刃が前記回転軸線と平行な平面上に設けられた構成とする。
この発明によれば、切刃の製作が容易となるから、高精度な切刃を製作することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の一実施形態に係るボールエンドミルを説明するためのそれぞれ平面視、正面視、側面視の説明図である。図２（ａ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ断面図であり、図２（ｂ）は、その部分拡大図である。本発明の実施形態に係るボールエンドミル１の概略構成は、シャンク２と切刃部３とからなる。
【００１３】
シャンク２は、切削機などの回転主軸上に固定するための所定円径と所定長さとを有する円柱状部材であり、その円柱の中心軸であるシャンク中心軸２ａが、ボールエンドミル１の切削時の回転軸線と一致するようになっている。
切刃部３は、シャンク２の端部に設けられ、図１（ｂ）、（ｃ）に示したように、正面視で先端側が半円のＵ字状で、側面視の先端が山形状であるブロック部材である。そのＵ字状の外周端部は、切刃４を構成している。
【００１４】
切刃４は、半径Ｒを有する円弧刃４ａと、幅２Ｒで対向する外周刃４ｃ、４ｄとが滑らかに接続され、シャンク中心軸２ａに平行で、所定距離ｄだけ離された平面上に配置された直刃である。なお、符号４ｂは、円弧刃４ａの円弧の頂点を示す。
切刃４は、その延長方向に直交する断面で所定角度の山形に交差する刃面５、６が交差する稜線で形成され、しかもこの稜線からなる切刃４を微細丸め処理して、鏡面処理を施すことにより形成されている。切刃４の丸め量（微細丸め処理量）は、半径ｒとして、ｒ＝１μｍ〜２０μｍであることが好ましい。
【００１５】
刃面５は、切刃４を境にしてシャンク中心軸２ａ側に形成された斜面である。また刃面６は、同じくシャンク中心軸２ａと反対側に形成された斜面である。そして、図２（ａ）に示したように、刃面５、６は、Ａ−Ａ断面内で、切刃４の全体を含む平面から測って、それぞれ角度θ_１、θ_２なる傾斜角を有している。本実施形態では、０°＜θ_１＜θ_２＜９０°とされている。ただし、θ_１とθ_２は、それぞれが角度差を有するように、異なる大きさであればよく、どちらが大きくてもよい。なお、図２（ａ）は、Ａ−Ａ断面を表しているが、この断面は、切刃４に直交するすべての断面に共通である。
また、角度φ_１、φ_２は、それぞれ角度θ_１、θ_２の余角である。すなわち、φ_１＝（９０°−θ_１）、φ_２＝（９０°−θ_２）である。
【００１６】
このような構成では、切刃４は連続しているものの、図１（ａ）において頂点４ｂを境にして、円弧刃４ａの図示右側の１／４円弧と外周刃４ｃとからなる第１切刃４Ａと、同じく円弧刃４ａの図示左側の１／４円弧と外周刃４ｄとからなる第２切刃４Ｂとに分けて考えると好都合である。
以下では、ボールエンドミル１がシャンク中心軸２ａを回転軸線として図１（ａ）の矢印方向（左回り）に回転する場合で説明する。この場合、第１切刃４Ａは、芯下がりの切刃となるから、第１切刃４Ａを形成する側の刃面５、６を、すくい面５ａ（すくい角θ_１）、逃げ面６ｂ（逃げ角φ_２）と呼ぶ。また、同様に第２切刃４Ｂは、芯上がりの切刃となるから、第２切刃４Ｂを形成する側の刃面５、６を、逃げ面５ｂ（逃げ角φ_１）、すくい面６ａ（すくい角θ_２）と呼ぶ。
【００１７】
すくい角θ_１、θ_２は切削性や強度の面から、１０°≦θ_１（θ_２）≦６０°の範囲から選ぶことが好ましい。例えば、θ_１＝３５°、θ_２＝４５°（角度差１０°）とすると、φ_１＝５５°、φ_２＝４５°（角度差１０°）となる。このとき、刃物角は、（θ_１＋θ_２）＝８０°となる。このように、すくい角が負角であるために、刃物角と断面形状とを大きくとることができる。
したがって、切削方向の曲げに対して剛性を大きくすることができる。さらに、切刃部３を製造する際にも、刃物角が大きいために、チャンファ効果が得られ、チッピングなどを起こしにくくなって生産性が向上するという利点がある。
【００１８】
また、刃面５、６の両側部には、逃げ角と同様の測り方で、それぞれ角度Ψ_１、Ψ_２（ただし、Ψ_１＞φ_１、Ψ_２＞φ_２）をなす斜面７ａ、７ｂが形成されている。このため、刃面５、６を製作する際に、斜面７ａ、７ｂが加工刃物の逃げ面となるから製作が容易となる。
【００１９】
このような切刃部３は、切削工具の製作用途に用いられるどのような材料によって製造してもよい。例えば、超硬合金や、ＣＢＮ（Cubic Boron Nitride、立法晶窒化ホウ素）焼結体などを好適に用いることができる。特に鉄系材料に対する摩耗が少ない高硬度のＣＢＮ焼結体は、金型などの高精度仕上にきわめて好適である。
具体的な製造方法は、例えば、上記の材質を概略形状の焼結ブロックとして成形し、刃面５、６を研削仕上し、その交差稜線を鏡面研磨することにより微細丸め処理して、切刃４を形成する、といった方法を採用することができる。
【００２０】
その際、刃面５、６の研削仕上は、上記のような構成をとることにより、平面研削工具をθ_１、θ_２に対応する所定角度だけ傾けて、切刃のＵ字形状に沿って移動させるだけで行うことが可能となる。したがって、従来のエンドミルに見られるギャッシュの凹面や複雑な曲面を加工しなくてもよいので、例えばＣＢＮ焼結体などの難加工の材質でも、比較的容易に加工することができ、加工精度も出しやすいという利点がある。
なお、切刃部３のシャンク２への固定方法は、どのような方法によってもよいが、例えば、シャンク２側へ切刃部３を埋め込む方法を採用できる。
【００２１】
次に、ボールエンドミル１の作用について説明する。
図３は、本発明の一実施形態に係るボールエンドミルの側面視での切削の様子を説明するための模式図である。図４（ａ）は、同じく平面視での切削の様子を説明するための模式図である。図４（ｂ）は、図４（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図である。
【００２２】
図３に示したように、ボールエンドミル１が図示矢印方向に回転すると、切刃４によってワーク８の切削が行われ、加工面８ａが形成される。そして、切くず９がすくい面５ａ側に押し出される。すくい角であるθ_１が負角であるため、ワーク８に圧縮応力が働き、引張応力により発生するバリの発生が防止される。その結果、高精度な加工面８ａが得られ、仕上切削工程などに好適となるという利点がある。なお、角度θ_１は、切り込み深さに対応して切くず９の大きさが十分に逃がされる大きさとされる。
【００２３】
図３は、第１切刃４Ａ側の切削の様子を示しているが、第２切刃４Ｂでは、すくい面５ａに代わってすくい面６ａが切削方向側に位置する。この場合もすくい角θ_２が負角であるため、同様に加工面にはバリが発生しないという利点がある。
【００２４】
また、２つのすくい角が異なる結果、切刃部３には、第１切刃４Ａと第２切刃４Ｂとに、それぞれ大きさが異なる非対称な切削抵抗が作用する。したがって、それぞれの側の切刃に異なる励振力が作用するから、ボールエンドミル１の共振が抑制される。その結果、加工面の面精度を向上させることができる。また、共振によるチッピングも防止されるから、例えばＣＢＮのようなチッピングを起こしやすい材質で切刃部３を製作しても、長寿命とすることができるという利点がある。
【００２５】
次に、図４を参照して平面視の切削動作について説明する。
ボールエンドミル１を、シャンク中心軸２ａ回りに回転させながら切削すると、切刃４が回転して形成される加工面は、図４（ａ）に示すように、半径ＯＰ（＝ＯＳ）の球面であるＲ面１０となる。切刃４は連続しており、チゼル部なども存在しないため、切刃４の軌跡がそのままＲ面１０となり、切刃４の形状精度に対応して高精度な加工面を形成することができる。切刃４は、鏡面処理されているので、Ｒ面１０も、鏡面の高精度な表面粗さが転写された加工面として形成されるものである。
【００２６】
一方、切刃４は、シャンク中心軸２ａ（点Ｏ）から所定距離ｄだけずらされているので、シャンク中心軸２ａ回りに、半径ＯＱ（＝ｄ）の円を底面とする三角錐状の突起である切削残り１１が形成される。
その際、切刃４上の任意位置では、点Ｏに対して有限の回転半径を有するから、切削方向に対して所定の周速を有している。したがって、回転軸線が切刃を通る場合のように切刃４の一部の周速が０に近づく箇所で、切削抵抗が増大して切刃が摩耗したり、欠損したりするといった不具合を防止することができる。
【００２７】
切削残り１１は、ボールエンドミル１を平面方向へ移動することにより、切刃４で順次切削され、溝状、平面状または曲面状などの所望の加工面８ａを形成することができる。
【００２８】
ところで、このような切削動作において、切刃４がずらされているため、すくい面５ａの側の切刃４は芯下がり、すくい面６ａ側の切刃４は、芯上がりとなっている。このため、被加工面の定位置から見るとすくい面５ａが到達してからすくい面６ａが到達する場合とその逆の場合とでは、所定距離ｄに応じて経過時間が異なるものである。
【００２９】
このことは、切刃４が直刃であるにもかかわらず、一種の不等間隔刃を形成していることを意味する。すなわち、被加工面の所定位置では、切刃４の回転に伴って、一回転あたり刃数分だけ切刃４により衝撃力を受けるが、その周期がずれているため、共振の抑制効果を備えるものである。
したがって、ボールエンドミル１は、すでに述べた切削抵抗の非対称性と上記の切刃の不等間隔性の相乗作用により、より効果的に共振を抑制できるという利点を備えている。
【００３０】
以上は、ボールエンドミル１が、図１（ａ）の矢印方向に回転するとして説明したが、逆回転させた場合は、上記の逃げ面５ｂ、６ｂがすくい面となり、すくい角は、それぞれ角度θ_２、θ_１となる。このため、正・逆いずれの回転であっても、同様の切削性を有するので、正逆転が自在であるという利点がある。
【００３１】
次に、本実施形態に係るボールエンドミル１の摩耗性能を検証した実験結果について説明する。
図５は、本実施形態に係るボールエンドミルの摩耗特性を示す実験結果のグラフである。横軸は、切刃４とシャンク中心軸２ａとの距離ｄを示し、単位はｍｍである。縦軸は、切刃４の頂点４ｂにおける、２０００ｍ切削後の摩耗量を示し、単位はｍｍである。折れ線２０は、実験結果をプロットしたものである。
【００３２】
本実験に用いたボールエンドミル１は、切刃部３の材質がＣＢＮ、切刃４の先端半径Ｒが、Ｒ＝１ｍｍ、すなわち切刃４の外径２Ｒ＝２ｍｍ、切刃４の丸め半径ｒが、ｒ＝５μｍのものを用いた。同様の条件で、切刃４をｄ＝０ｍｍとして実験した場合の摩耗量は、０．０２５ｍｍであった。
【００３３】
折れ線２０は、ばらつきは見られるものの、全体としては下に凸の湾曲を有する曲線に近似しており、距離ｄの小さい範囲と大きい範囲で、摩耗量が増大する傾向にある。この結果によれば、０ｍｍ＜ｄ≦０．２５ｍｍの範囲で摩耗量が０．０２５ｍｍ以下となっていることが分かる。また、０．０１ｍｍ≦ｄ≦０．２ｍｍの範囲では、摩耗量０．０２ｍｍ以下であり、ｄ＝０ｍｍの場合に比べて、２０％の摩耗量向上となって、格段に摩耗量が低減されることが分かる。
【００３４】
発明者がさらに実験を繰り返したところ、条件により、摩耗量の絶対値は異なるものの、距離ｄと、切刃４の外径２Ｒとの比として、
０＜（ｄ／２Ｒ）≦１２％
が満足されれば、ｄ＝０ｍｍとした場合よりも摩耗量を小さく抑えられ、
０．５％≦（ｄ／２Ｒ）≦１０％
が満足されれば、さらに格段に摩耗量が低減されて好ましいことが分かった。
【００３５】
なお、上記の説明では、切刃４が同一平面上にある直刃であるとして説明したが、連続していれば、ねじれ角を有していてもよい。その場合でも、切刃４の中心軸がシャンク中心軸２ａと距離ｄだけずれている結果、切削時は、頂点４ｂで０でない周速を有するから、頂点４ｂ近傍での摩耗を低減できるものである。
【００３６】
また、上記の説明では、切削が円弧刃４ａで行われる例で説明したが、切刃４がより深く切り込まれて、外周刃４ｃによる切削が行われる場合であっても、円弧刃４ａと切刃４の形状が異なるだけで、上記の説明は同様に適用される。
【００３７】
【発明の効果】
以上に述べたように、請求項１に記載の発明では、切刃の任意の位置で被削物に対して周速を有するので、切刃の摩耗量を低減でき、回転軸線近傍の切削残りも工具移動により切削して加工面を高精度に仕上げることができるという効果を奏する。
また、一種の不等間隔刃として作用するとともに、切削抵抗が回転軸線に対して非対称となるので、共振を抑制することができるから、共振による面精度の劣化を防止することができるという効果を奏する。
【００３８】
請求項２に記載の発明では、回転軸線上に切刃を有するボールエンドミルに比べて、切刃の摩耗量を低減することができ、長寿命の工具とすることができるという効果を奏する。
【００４０】
請求項３に記載の発明では、すくい角が負角であるため、バリのない高精度の加工面を形成することができるという効果を奏する。
また、工具の剛性を向上することができるので、製造時および使用時（切削時）に切刃の欠けを防止し、生産性を向上できるから製造コストを低減できるという効果を奏する。
【００４１】
請求項４に記載の発明では、鏡面の面精度が加工面に転写され、加工面の面精度を向上させることができるから、面精度の優れた精密加工ができるという効果を奏する。
【００４２】
請求項５に記載の発明では、切刃の製作が容易であるから、高硬度の難加工材料を用いても安価に製造することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るボールエンドミルを説明するための平面視、正面視、側面視の説明図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図およびその部分拡大図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るボールエンドミルの側面視での切削の様子を説明するための模式図である。
【図４】同じく、平面視での切削の様子を説明するための模式図およびその断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るボールエンドミルの摩耗特性を示す実験結果のグラフである。
【符号の説明】
１ボールエンドミル
２シャンク（工具本体）
２ａシャンク中心軸（回転軸線）
３切刃部
４切刃
４ａ円弧刃
４ｂ頂点
４ｃ外周刃
４Ａ第１切刃
４Ｂ第２切刃
５、６刃面
５ａ、６ａすくい面
５ｂ、６ｂ逃げ面
８ワーク
１０Ｒ面
１１切削残り

Claims

回転軸線回りに回転する工具本体の先端にほぼ円弧状の切刃を備え、該切刃に沿って、両側にそれぞれすくい面および逃げ面が形成されたボールエンドミルであって、
前記切刃が、前記回転軸線から所定距離だけずれているとともに、前記切刃に沿う両側において、それぞれの側に前記すくい面と前記逃げ面とが連続する刃面が形成され、前記それぞれの側の刃面は、前記切刃と直交する断面でそれぞれ所定角度の傾斜を有しており、かつ、該それぞれの所定角度が、すくい角として異なる大きさを有することを特徴とするボールエンドミル。
前記所定距離が、前記切刃の外径に対して０．５％〜１０％の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載のボールエンドミル。
前記すくい面のすくい角が負角であることを特徴とする請求項１または２に記載のボールエンドミル。
前記切刃に、鏡面研磨によって微細丸め処理を施したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のボールエンドミル。
前記切刃が前記回転軸線と平行な平面上に設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のボールエンドミル。