JP4359221B2 - 非鉄金属加工用チップの作製方法 - Google Patents

Description

本発明は非鉄金属加工用チップに関し、特に切屑分断性の悪いアルミ合金等の切削に好適な非鉄金属加工用チップに関するものである。

従来から鋼材を切削する際に発生する切屑をカールさせて適度の長さに切断し、切屑排出方向をコントロールするためにチップブレーカが使用されている。

このチップブレーカは鋼材に限らず、非鉄金属を加工する場合にも用いられていたが、延性の非鉄金属を切削した場合には長い切屑が発生し工具に絡みつき切削不能になる場合があった。

そこで、例えば特許文献１の回転多刃工具ではこれを解消するため、本体に複数のダイヤモンドチップが接合された回転多刃工具において、ダイヤモンドチップのすくい面上にチップブレーカを設けている。

上記チップブレーカは、超硬合金製の本体の刃先部に焼結ダイヤモンドからなるダイヤモンドチップをろう付けにより接合したものであり、このダイヤモンドチップに切刃が形成され、この切刃とすくい面とのコーナー部にチップブレーカが形成されている。

このようにダイヤモンドチップのすくい面上に直接、チップブレーカを形成したものは、耐摩耗性が高く、切削加工を行ってもチップブレーカの切削性能が低下しにくいようになっている。

また、特許文献２の切削工具では、台金のコーナー上面に多結晶ダイヤモンド等を主成分とする超高硬度焼結体を接合し、その超高硬度焼結体にチップブレーカと切刃を付けるようになっており、アルミ合金や非鉄金属の仕上げ切削が行えるようになっている。
特開２００１−３２２０２９号公報 特開平８−１１８１１３号公報

しかしながら、上記した従来の非鉄金属加工用のチップブレーカは、ダイヤモンドまたはダイヤモンドを主成分とするため高価であり、負荷をかけると欠けてしまうという問題がある。例えば特許文献１のものではチップブレーカが形成されるダイヤモンドチップの幅が僅か２ｍｍという極小部品であるように、ダイヤモンドを用いたチップブレーカの用途は精密仕上げ用に限られていた。

このため、アルミニウムを粗加工する場合には、依然として鋼材用の超硬工具が使用されており、切削分断性が悪い点は解消されていない。

本発明は以上のような従来の非鉄金属加工用のチップブレーカにおける課題を考慮してなされたものであり、粗加工から仕上げ加工まで広範囲に使用することができる非鉄金属加工用チップを提供するものである。

本発明に係る非鉄金属加工用チップの作製方法は、切削時のチップ送り方向に垂直な切り刃（４ｄ）と、上記チップ送り方向と同方向の切り刃（４ｃ）とを有し、切屑処理をするためのチップブレーカが前記切り刃（４ｄ）と所定の配置角θａをもって形成されてなる非鉄金属加工用チップの作製方法であって、第一のモデル式として切込み量ｔ＜ノーズ半径ｒの場合には下記式（１）を、切込み量ｔ≧ノーズ半径ｒの場合には下式（２）を用い、これら式（１）或いは（２）からチップブレーカ配置角θａを求め、第二のモデル式として下記式（３）を用い、この式（３）からチップブレーカ幅Ｓを求め、求められた上記チップブレーカ配置角θａ及びチップブレーカ幅Ｓに従って上記チップ上にチップブレーカを形成してなることを特徴とする。
θａ＝９０−cos^-1〔（ｒ−ｔ）／ｒ〕×０．５−α …（１）
θａ＝（ｒ／ｔ）×４５°−α …（２）
θａ：チップブレーカ配置角〔°〕
ｒ：ノーズ半径〔mm〕
ｔ：切込み量〔mm〕
α：角度補正値〔°〕（ただし、最大値１０°）
Ｓ＝ｆ×２５ｍｍ±０．３ｍｍ …（３）
Ｓ：チップブレーカ幅〔mm〕
ｆ：送り〔mm／rev〕
つまり本発明は、チップ上に切屑処理をするためのチップブレーカを備えた非鉄金属加工用チップにおいて、チップの切り刃の形状と切込み量ｔから推定される切屑排出角に基づいてチップブレーカ配置角θａを計算する第一のモデル式と、切り刃によって切り取られる被削材の厚さｆからチップブレーカ面と切り刃との最大距離であるチップブレーカ幅Ｓを計算する第二のモデル式とを用い、切り刃の形状としてのノーズ半径ｒと切込み量ｔに基づいて第一のモデル式から推定される切屑排出角によりチップブレーカ配置角θａを求め、切り取られる被削材の厚さｆに基づいて第二のモデル式からチップブレーカ幅Ｓを求め、求められたチップブレーカ配置角θａ及びチップブレーカ幅Ｓに従ってチップ上にチップブレーカを形成してなる非鉄金属加工用チップの作製方法である。

本発明において、上記第一のモデル式としてｔ≧ｒの場合にはチップブレーカ配置角θａを
（ｒ／ｔ）×４５°−α、
ｔ＜ｒの場合にはブレーカ配置角θａを９０−cos^-1〔（ｒ−ｔ）／ｒ〕×０．５−α
ただし、α：角度補正値〔°〕
によりそれぞれ計算することができる。

また、上記第二のモデル式として、上記チップブレーカ幅Ｓは
Ｓ＝ｆ×２５ｍｍ±０．３ｍｍ
から計算することができる。

また、上記チップブレーカ面の傾斜角は、チップのすくい面に対して４０〜６０°であり先下がりに傾斜した状態で形成することが好ましい。
また、上記チップブレーカの高さは、１．０〜１．５ｍｍであることが好ましい。

本発明によれば、非鉄金属の粗加工から仕上げ加工まで広範囲に使用することができる非鉄金属加工用チップを提供することができる。

以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１は、先端部に非鉄金属加工用の四辺形チップ（以下、チップと略称する）が取り付けられた外径加工用の切削工具の構成を示したものである。

切削工具１のホルダ１ａ先端部にはチップ取付用の凹溝２が形成されており、この凹溝２にクランプねじ３を介してチップ４が取り付けられることにより、外周Ａと端面Ｂとにそれぞれ切り刃が形成されるようになっている。

なお、図中二点鎖線で示す５は棒状の被削材を示し、Ｗは送り方向、Ｖは回転方向を示している。

図２は上記チップ４を拡大して示したものであり、(ａ)は側面図、(ｂ)は平面図、(ｃ)は正面図を示している。

これらの図において、チップ４のすくい面４ａ上にチップブレーカ４ｂが形成されている。

このチップブレーカ４ｂは、同図(ｃ)に示すように、端面Ｂに形成されている切り刃４ｄから外周Ａに形成されている切り刃４ｃにかけて、後述するチップブレーカ配置角θａを持って直線状に形成されている。

また、同図(ｂ)に示すように、ブレーカ壁面４ｅはすくい面４ａに対し後述するチップブレーカ傾斜角θｂを持って形成されている。

また、４ｆは切り刃４ｃと切り刃４ｄが交わる角部をアールに面取りすることによって形成された食い付き切り刃であり、この食い付き切り刃４ｆは切削加工開始時において最初に切削を行い、切屑をチップブレーカ４ｂに向けて送り出すことができるようになっている。なお、図中、４ｇはクランプねじ３（図１参照）を挿通するためのねじ孔である。

次に、チップブレーカ４ｂの切屑処理について図３〜図５を参照しながら説明する。

まず、説明に使用する記号を図３に示し、その定義を以下に整理して示す。
チップブレーカ配置角θａ〔°〕：切り刃４ｄに対し傾斜した状態で配置されるチップブレーカ４ｂの角度
ブレーカ傾斜角θｂ〔°〕：すくい面４ａに対し矢印Ｗ方向に向けて先下がりに傾斜した状態で配置されるブレーカ壁面４ｅの角度
ブレーカ高さｈ〔mm〕：すくい面４ａからチップ上面４ｈまでの高さ
ブレーカ幅Ｓ〔mm〕：チップブレーカ４ｂから外周側の切り刃４ｄまでの最大距離
ノーズ半径ｒ〔mm〕：食い付き切り刃４ｆにおけるアールの半径
リード角θｃ〔°〕：切屑がブレーカ壁面４ｅに衝突して矢印Ｅ方向に反射する角度
送りｆ〔mm／rev〕：被削材５の１回転当たりの移動量（切り刃によって切り取る被削材の厚さ）
径方向切込みｔ〔mm〕：被削材５の径方向の切込み量

本発明は、粗加工から仕上げ加工まで広範囲に適用することができる非鉄金属加工用チップを提供することを目的としている。従って、以下の説明では仕上げ加工に適用するブレーカ付きチップ（図４参照）と粗加工に適用するブレーカ付きチップ（図５参照）とに分けて説明する。

粗加工および仕上げ加工に共通して、食い付き切り刃４ｆから流出する切屑は、図４に示すように、まずブレーカ壁面４ｅに衝突し、反射することによってその向きを矢印Ｅ方向に変え排出される。

ところが、ノーズ半径ｒを超えるような粗加工（切込みｔが大きい）では、図４に示したブレーカ配置角θａでは切屑の排出方向に被削材が位置することになり、排出不良が発生する。

そこで、粗加工では図５に示すようにブレーカ配置角θａを小さくなる方向に設定する。そうすれば、食い付き切り刃４ｆから排出された切屑は矢印Ｆ方向またはＧ方向にそれぞれ反射され、食い付き切り刃４ｆ以外の切り刃部分、例えば切り刃４ｄから送り出された切屑も矢印Ｈ方向に反射されるため、円滑に排出されるようになる。

このようにブレーカ配置角θａを調整すれば、切屑の排出方向をコントロールすることができることは知られているが、チップブレーカ４ｂを粗加工から仕上げ加工まで広範囲に適用することができるようにするには、ブレーカ配置角θａを適性な値に設定する必要がある。

そこで食い付き切り刃４ｆの幾何学的形状から切屑の排出角を推定し、チップブレーカの形状を決定するためのモデル式を作成した。

(ａ) ブレーカ配置角θａ
(ａ-１) まず、仕上げ加工としてｔ＜ｒの場合
図６に示すようにノーズ半径ｒの中心Ｐから垂直に降ろされた線分と切り刃４ｃとが交わる点をＮ、食い付き切り刃４ｆにおける被削材表面と交わる点をＮ′とするとき、
線分ＰＮと線分ＰＮ′とに挟まれた角度θは切削範囲を示しており、この範囲で食い付き切り刃４ｆから切屑が排出されることになる。

その切屑が送り出される角度の平均をθ／２（図中、矢印Ｉ参照）とすると、その矢印Ｉ方向に送り出される切屑に対して設定されるブレーカ配置角θａは下記式(１)によって表される。
θａ(°)＝９０−cos^-1〔（ｒ−ｔ）／ｒ〕×０．５−α°……(１)

本実施形態では、図４に示したように切屑が矢印Ｄ方向に入射する角度と、矢印Ｅ方向に反射する角度とが略同じになるようにチップブレーカ４ｂを配置するにあたり、cos^-1〔（ｒ−ｔ）／ｒ〕×０．５で求められるθ／２分、チップブレーカ４ｂを傾斜させている。

また、式中、αは切屑のリード角θｃを考慮して決められた値であり、最大値は１０°であるが本実施形態では４°に設定している。すなわち、矢印Ｄ方向に送り出された切屑を被削材に当てることなく矢印Ｅ方向に排出するための角度としてαを減じるようにしている。

(ａ-２) 次に、粗加工としてｔ≧ｒの場合は下記式(２)で表される。
θａ(°)＝（ｒ／ｔ）×４５°−α°……(２)

図５に示したように、切込みｔが大きくなるほど、リード角θｃが小さくなる傾向があるため、切屑が排出されやすいようにチップブレーカ４ｂを立てる、すなわちブレーカ配置角θａを小さく設定する。

式中、ｒ／ｔは切込みｔに対しノーズ半径ｒ部分から排出される切屑の割合を示している。従って、このｒ／ｔに応じてブレーカ配置角θａを増減させれば、切屑を円滑に排出することが可能になる。

図５に示すようにｔがｒよりも十分大きい場合には、ノーズ半径ｒ部分から排出される切屑の割合は例えば０．５と小さくなる。従って、食い付き切り刃４ｆから送り出される切屑の平均角度４５°にその０．５を乗算することにより、ブレーカ配置角θａを小さく設定することになる。なお、αは式(１)と同様の値を採用している。

なお、上記式（１）および（２）は第一のモデル式として機能する。

(ｂ) ブレーカ幅Ｓ
次に、ブレーカ幅Ｓについて説明する。

チップブレーカ４ｂと外周側切り刃４ｄとの距離を示しているブレーカ幅Ｓは下記式(３)によって表される。

(ｂ-１) 粗加工としてｔ＜ｒの場合、下記式(３)で表される。
Ｓ＝ｆ×２５ｍｍ±０．３ｍｍ ……(３)

例えば、仕上げ加工における切取り厚さｆを０．０５ｍｍとする場合、この値を式(３)に代入すると、仕上げ加工を行う場合のブレーカ幅Ｓは０．９５〜１．５５ｍｍの範囲内に設定することになる。上記ブレーカ幅Ｓの値が１．５５ｍｍを超えるとブレーカの効果がなくなり、また、０．９５ｍｍを下回ると切屑排出性が低下するため、好ましくない。

(ｂ-２) 仕上げ加工としてｔ≧ｒの場合は下記式(４)で表される。
Ｓ＝ｆ×２５ｍｍ±０．３ｍｍ ……(４)

例えば、粗加工における切取り厚さｆを０．１ｍｍとする場合、この値を式(４)に代入すると、粗加工を行う場合のブレーカ幅Ｓは２．２〜２．８ｍｍの範囲内となる。

上記ブレーカ幅Ｓの値が２．８ｍｍを超えるとブレーカの効果がなくなり、また、２．２ｍｍを下回ると切屑排出性が低下して仕上げ面の表面性状が悪化するため、好ましくない。

なお、上記式（３）および（４）は第二のモデル式として機能する。

(ｃ) ブレーカ傾斜角θｂ
ブレーカ傾斜角θｂは仕上げ加工、粗加工ともに４０〜６０°に設定する。θｂが４０°を下回った場合、或いは６０°を超えた場合には切屑のつまりが発生したり、切屑のカール半径が大きくなる。また、ブレーカ傾斜角θｂを５０°に設定すると、切屑のつまりが解消され切屑のカール半径が適切になるだけでなく、仕上げ面が良好になるため最も好ましい。

図７は切屑がつまる状態を示したものである。

(ｄ) ブレーカ高さｈ
ブレーカ高さｈは、１．０ｍｍを下回るとブレーカの効果が得られず、１．０ｍｍ以上であれば得られるが、１．５ｍｍ以上に高くした部分についてはブレーカ効果に寄与しない。従ってブレーカ高さｈは仕上げ加工、粗加工ともに１．０〜１．５ｍｍに設定する。なお、図８はチップブレーカ効果が有効でない状態を示したものである。

このように、チップブレーカの形状を仕上げ加工、粗加工毎にモデル化すれば、切削条件としての切込みｔや切取り厚さｆが変動しても、延性のアルミニウムの切削分断性を良好に保ち、切屑をコントロールすることができるようになる。

なお、上記実施形態では３次元切削を例に取り説明したが、これに限らず本発明の非鉄金属加工用チップは２次元切削にも適用することができる。

３次元切削において“送り"に比較して“切込み"を大きくとると、ほぼ単一の直線切り刃により切屑生成とみなすことができるため、近似的に２次元切削と考えることができる。ただし、この場合、３次元切削の“径方向切込みｔ"及び“送りｆ"は、２次元切削における“切込みｔ"及び“切取り厚さｆ"としてみなされることになる。

また、上記実施形態では被削材としてアルミニウムを例に取り説明したが、本発明は、アルミニウム以外に銅やチタン合金等の非鉄金属の加工にも適用することができる。

また、上記実施形態では外径加工用の切削工具を例に取り説明したが、これに限らず、本発明のチップブレーカは、内径加工、溝加工、倣い加工、ぬすみ加工等任意の加工に使用することができる。

また、本発明の非鉄金属加工用チップはエンドミルや回転多刃工具等にも取り付けることができる。

本発明に係るチップブレーカ付き超硬工具の正面図である。 (ａ)はチップブレーカ付き超硬工具の側面図、(ｂ)は平面図、(ｃ)は正面図である。 チップブレーカ付き超硬工具の各部の呼び名を説明するための斜視図である。 仕上げ加工時の切屑の排出方向を示す説明図である。 粗加工時の切屑の排出方向を示す説明図である。 ブレーカ配置角を計算するための説明図である。 切屑がつまる状態を例示した模式図である。 チップブレーカが有効に機能しない状態を例示した模式図である。

符号の説明

１ 切削工具
２ 凹溝
３ クランプねじ
４ チップ
４ａ すくい面
４ｂ チップブレーカ
４ｃ 切り刃
４ｄ 切り刃
４ｅ ブレーカ壁面
４ｆ 食い付き切り刃
４ｇ ねじ孔
５ 被削材
ｆ 送り
ｈ ブレーカ高さ
Ｓ ブレーカ幅
ｒ ノーズ半径
ｔ 径方向切込み

Claims (3)

1. 切削時のチップ送り方向に垂直な切り刃（４ｄ）と、上記チップ送り方向と同方向の切り刃（４ｃ）とを有し、切屑処理をするためのチップブレーカが前記切り刃（４ｄ）と所定の配置角θａをもって形成されてなる非鉄金属加工用チップの作製方法であって、
   第一のモデル式として切込み量ｔ＜ノーズ半径ｒの場合には下記式（１）を、切込み量ｔ≧ノーズ半径ｒの場合には下式（２）を用い、これら式（１）或いは（２）からチップブレーカ配置角θａを求め、
   第二のモデル式として下記式（３）を用い、この式（３）からチップブレーカ幅Ｓを求め、
   求められた上記チップブレーカ配置角θａ及びチップブレーカ幅Ｓに従って上記チップ上にチップブレーカを形成してなることを特徴とする非鉄金属加工用チップの作製方法。
   θａ＝９０−cos^-1〔（ｒ−ｔ）／ｒ〕×０．５−α …（１）
   θａ＝（ｒ／ｔ）×４５°−α …（２）
   θａ：チップブレーカ配置角〔°〕
   ｒ：ノーズ半径〔mm〕
   ｔ：切込み量〔mm〕
   α：角度補正値〔°〕（ただし、最大値１０°）
   Ｓ＝ｆ×２５ｍｍ±０．３ｍｍ …（３）
   Ｓ：チップブレーカ幅〔mm〕
   ｆ：送り〔mm／rev〕
2. 上記チップブレーカ面の傾斜角を、上記チップのすくい面に対して４０〜６０°であり先下がりに傾斜した状態に形成する請求項１に記載の非鉄金属加工用チップの作製方法。
3. 上記チップブレーカの高さが、１．０〜１．５ｍｍである請求項１または２に記載の非鉄金属加工用チップの作製方法。

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