JP4783224B2 - Ｃｂｎボールエンドミル - Google Patents

Description

この発明は、ボール刃をＣＢＮ（立方晶窒化硼素)焼結体で形成したボールエンドミル、詳しくは、高硬度鋼の加工で優れた切れ刃強度と、優れた加工面品位を得ることができるＣＢＮボールエンドミル関する。

焼き入れ鋼などの高硬度鋼の加工には、切れ刃をＣＢＮ焼結体で形成した工具が使用されている。そのような工具の中に、ボール刃をＣＢＮ焼結体で形成したボールエンドミルがある。その種のボールエンドミルが、例えば、下記特許文献１、２に開示されている。

特許文献１が開示しているボールエンドミルは、ボール刃の中心部（ボール先端部）の局所的損傷を低減する目的でボール刃の法線方向のすくい角を外周側からボール先端部に向かって−２０°〜０°に徐々に変化させている。

また、特許文献２が開示しているボールエンドミルは、３ｍｍ以下の小径エンドミルを対象にして、ボール刃の法線方向断面視において法線の基準線と第１逃げ面とにより定義される刃部肉厚の角度を８５°以上、９０°未満とし、ボール刃の先端部（中心部）に中心対称位置の刃の第１逃げ面同士が交わって形成されるくさび角の大きな強化されたチゼルエッジを設けている。
特開平１０−１１３８０９号公報 特開２００５−３４２８３５号公報

回転切削工具の切削速度は、回転中心に近づくほど小さくなる。そのため、ボールエンドミルはボール先端部の切れ味が悪くなり、切れ刃が硬さと脆さを併せ持つＣＢＮ焼結体によって形成されているものは特に、ボール先端部の局所的損傷が起こり易くなる。前掲の特許文献１は、この問題を解消するためにボール刃のすくい角を徐々に変化させてボール先端部でそのすくい角を０°にしているが、そのような構造にする場合、ボール刃の中心に形成されるチゼルエッジの長さを長くしないとボール先端部の強度が不足してチゼルエッジが欠け易くなる。

ところが、チゼルエッジ長さが長くなるとボール刃のＲ精度が悪化して加工精度に悪影響がでる。また、チゼルエッジ長さが長くなるとチゼルエッジによって削られた切屑が排出され難く、加工面の所謂むしれ等の発生頻度が高まる。

また、特許文献２のボールエンドミルは、ボール刃中心のチゼルエッジを、中心対称位置の切れ刃（以下では左右の切れ刃と言う）の第１逃げ面相互の稜線で形成しているので、Ｒ精度を低下させずにボール刃先端の強度を高めることができるが、第１逃げ面の逃げ角が０．５〜５°と極めて小さくてその第１逃げ面相互の交差稜で形成されるチゼルエッジのくさび角が１７０°以上となるため、中心部は平面に近い面が被削材に押付けられるような状況となって良好な切削がなされず、加工面にむしれなどが発生し易くなる。

このように、特許文献１、２が開示している構造では、ボール刃先端の強度と加工面の品位の少なくとも一方が犠牲になる。

そこで、この発明は、ボール刃の刃先形状を工夫してＣＢＮボールエンドミルの刃先強度の向上と加工面の品位向上を両立させることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、ＣＢＮ焼結体によって形成されるボール刃の中心対称形状をなす左右の切れ刃の各部の法線方向断面におけるくさび角βを１００〜１３５°、逃げ角αを５〜２５°に設定し、ボール刃中心に前記左右の切れ刃の逃げ面が交わって形成される微小長さのチゼルエッジを備え、負のすくい角を有するすくい面が回転中心を越えた位置まで入り込んでいるものとなす。このボールエンドミルのすくい角γは、γ＝（９０−α−β）の式で求まり、好ましくは−３０°〜−５０°である。

チゼルエッジ長さＷは、０．０５ｍｍ以下にする。中でも、その長さＷを０．００５〜０．０４ｍｍの範囲にしたときにボール刃中心部のＲ精度が特に高くて好ましかった。

この発明のボールエンドミルは、ボール刃の各部のくさび角βを１００〜１３５°にしたので、優れた刃先強度が確保される。そのために、左右の切れ刃を回転中心まで寄せることが可能になり、チゼルエッジの長さを従来品に比べて大幅に小さくしてボール刃中心部の切削抵抗を低減することができ、切屑排出性を向上させることも可能になる。チゼルエッジの長さが短いと切屑の切り離れがよく、切屑が切れ残ることが無くなって切屑排出性が向上する。また、チゼルエッジ長さを短くすることで中心部のＲ精度が良くなり、加工精度の向上にも結びつく。

また、ボール刃の逃げ角を５〜２５°にしたことと、特許文献２に比べるとチゼルエッジのくさび角が小さくなることにより、チゼルエッジの切れ味も向上し、これによるボール刃中心部の切削抵抗低減も期待できるものになる。

さらに、この発明のボールエンドミルは、常識を越えた大きな負のすくい角をつけて被削材の取り代部分を擦り取るように加工を行う。このために、磨き効果が得られ、従来品に比べて加工面の面粗さも向上する。

なお、刃先の保護のために、すくい角を負にしたり刃先をホーニング処理して強化することは一般的になされているが、常用される負のすくい角は平均的には−５°程度、最大でも−２０°程度である。負のすくい角をそれ以上に大きくすると切削抵抗が大きくなりすぎて切削ができないと考えられ、負のすくい角をこの発明のエンドミルのように極端に大きくすることは従来はなされていなかった。この点で、この発明のエンドミルは、従来の概念を打ち破ったものと言うことができる。

ＣＢＮボールエンドミルは１分間当たりの回転数が２００００〜５００００と言った高速回転で使用される。このような条件で使用するときには、被削材を切り取るのではなく、擦り取るような状況で加工した方が刃先の欠損が少なく、安定した加工がなされることを見出した。

以下、この発明の実施の形態を添付図面の図１〜図６に基づいて説明する。例示のＣＢＮボールエンドミルは、シャンク１の先端にＣＢＮ焼結体２を接合し、そのＣＢＮ焼結体２に、ボール刃３とチップポケットとなるギャッシュ４を設けている。

ボール刃３は、中心対称形状をなす半円状の左右の切れ刃３ａ、３ａと、その左右の切れ刃３ａ、３ａ間（ボール刃中心）に設けられるチゼルエッジ３ｂとで構成されている。左右の切れ刃３ａ、３ａの、回転中心から外端に至るθの角度範囲（θは約９０°）の部分のすくい面５は、負のすくい角γをもつ面として形成されている。このすくい面５のすくい角γ（図６参照）は、例示のボールエンドミルの場合−４０°にしている。

また、左右の切れ刃３ａ、３ａの逃げ面は、二番逃げ面６と三番逃げ面７とで形成し、二番逃げ面６の逃げ角α（図３及び図６参照）を２０°、三番逃げ面７の逃げ角α１（図３参照）を４５°にそれぞれ設定している。

さらに、図５に示すチゼルエッジ３ｂの長さＷを好ましくは、０．００５〜０．０４ｍｍにし、左右の切れ刃のすくい面５、５の内端を、図５に示すように、回転中心を越えた位置まで入り込ませている。チゼルエッジ３ｂは、回転中心において左右の切れ刃の二番逃げ面６、６間に形成される稜線によって形成されており、二番逃げ面６の逃げ角αが５〜２５°に設定されるため（より好ましくは１０〜２０°。図示のエンドミルはα＝２０°）、チゼルエッジ３ｂのくさび角が１７０°以下になって、切削抵抗が低減される。

その他の寸法は以下のように設定される。今、図２に示すＲ０．５（加工径φＤ＝１ｍｍ）のボールエンドミルの場合、図３に示すギャッシュ４の芯上り量Ｓが０．０５〜０．１０ｍｍに設定されてその芯上り量Ｓの範囲にすくい面５が配置される。また、二番逃げ面６の幅Ｗ１は０．１０ｍｍ程度に、図２の有効刃長Ｌが約０．７ｍｍにそれぞれ設定される。

次に、図７〜図９に基づいて、この発明のボールエンドミルによる加工のメカニズムを説明する。
前掲の特許文献１、２が開示しているボールエンドミルや既存のその他のＣＢＮボールエンドミル（従来品）は、超硬エンドミルに採用されている技術をそのままＣＢＮボールエンドミルに転用しており、シャープエッジで被削材を切るといったイメージの切削になる。図８、図９にその様子を示す。図８は、すくい面５に負のすくい角γをつけているが、その負の角度が一般的には−５°程度と小さいため、刃先が弱くて欠損しやすい。
また、図９のように、刃先の鋭利なエッジを無くすホーニング８を施して刃先を強化することもなされているが、この方法を採ると、切れ味が低下して被削材Ｗの加工面の品位が悪化する。

これに対し、この発明のボールエンドミルは、図７に示すように、くさび角βの大きい切れ刃を−３０°以上のすくい角γをつけて被削材Ｗに押付け、被削材の取り代部分を擦り取るように加工を行う。この場合の加工イメージは研削に近いものになり、削るのと同時に磨き効果が得られる。このために、従来品に比べて加工面の面粗さも向上する。
また、くさび角の大きい切れ刃は強度に優れ、欠損し難い。さらに、切れ刃のくさび角を大きくすることで、左右の切れ刃を回転中心まで寄せてチゼルエッジ長さを短くすることが可能になるので、ボール刃中心部の切削抵抗の低減と切屑排出性の向上も図れるようになる。また、チゼルエッジ長さを短くすることでボール刃中心部のＲ精度も良くなる。

この発明のボールエンドミルの性能を評価するために試験を行った。以下に、その試験の内容について述べる。
−実施例１−
下記のボールエンドミルを使用して以下の切削条件で被削材を加工し、切削長１００ｍでの刃先損傷状態と加工面の面粗さと加工面のむしれの発生の有無を調べた。この試験は、ボール刃の逃げ角を２０°で一定させ、くさび角（すくい角）の変化が評価性能にどのような影響を及ぼすかを調べた。その結果を表１に示す。

使用工具：Ｒ１．０、逃げ角２０°、チゼルエッジ長さ０．０２ｍｍ、シャンク先端に接合したＣＢＮ焼結体のＣＢＮ含有率５２体積％のＣＢＮボールエンドミル
切削条件 回転数 ：Ｎ２０，０００ｍｉｎ^-1
送り速度：Ｆ２，０００ｍｍ／ｍｉｎ、ｆ０．０５ｍｍ／刃
切り込み：Ａｄ０．０５ｍｍ
ピックフィード：０．０５ｍｍ
被削材 ＳＫＤ１１（６０ＨＲＣ）
加工形態 平面加工、ドライ切削
切削長 １００ｍ

この試験結果によると、くさび角が１００°以下では刃先損傷が大きく、また、くさび角が１４０°では加工面の品位が良くない。そのために、この発明のボールエンドミルは、ボール刃のくさび角を１００〜１３５°の範囲に制限した。

−実施例２−
次に、ボール刃のすくい角を−４０°で一定させ、逃げ角の変化が評価性能にどのような影響を及ぼすかを調べた。使用工具は、すくい角、くさび角及び逃げ角以外は実施例１と同じＣＢＮボールエンドミルである。切削条件、被削材、切削長は実施例１と同じとした。結果を表２に示す。

この試験結果からわかるように、逃げ角が３°では加工面の品位が良くなく、また、逃げ角が３０°では刃先損傷が大きくなるので、逃げ角は５〜２５°の範囲に制限した。

−実施例３−
ボール刃中心のチゼルエッジ長さが評価性能（ボール刃中心部のＲ精度と加工面粗さと加工面のむしれ）にどのような影響を及ぼすかを調べた。使用工具は、すくい角を−４０°、逃げ角を２０°でそれぞれ一定させ、その他の諸元は実施例１と同じＣＢＮボールエンドミルとした。切削条件、被削材、切削長は実施例１と同じとした。結果を表３に示す。中心部のＲ精度は１０本のサンプルを測定し、その平均値を表している。

この試験結果からわかるように、チゼルエッジの幅を０．０４ｍｍ以下にしたものはボール刃中心部のＲ精度が極めてよくなっており、加工精度が高まる。

この発明のＣＢＮボールエンドミルの実施形態を示す側面図 図１のＣＢＮボールエンドミルの要部の拡大側面図 図２の矢印Ａ方向の側面図 図１のＣＢＮボールエンドミルの拡大正面図 図４のＢ部をさらに拡大して示す図 ボール刃の先端の拡大側面図 この発明のＣＢＮボールエンドミルでの加工状況を示す断面図 従来のＣＢＮボールエンドミルでの加工状況を示す断面図 従来のＣＢＮボールエンドミルでの加工状況を示す断面図

符号の説明

１ シャンク
２ ＣＢＮ焼結体
３ ボール刃
３ａ 切れ刃
３ｂ チゼルエッジ
４ ギャッシュ
５ すくい面
６ 二番逃げ面
７ 三番逃げ面
８ ホーニング
γ すくい角
β くさび角
α 逃げ角
Ｗ チゼルエッジ長さ
Ｓ ギャッシュの芯上り量
Ｌ 有効刃長

Claims (1)

1. ボール刃（３）がＣＢＮ焼結体で形成されたＣＢＮボールエンドミルにおいて、ボール刃（３）の中心対称形状をなす左右の切れ刃（３ａ、３ａ）の各部の法線方向断面におけるくさび角βを１００〜１３５°、逃げ角αを５〜２５°、γ＝（９０−α−β）の式で求まるすくい角γを−３０°〜−５０°に設定し、ボール刃中心に前記左右の切れ刃の逃げ面（６、６）が交わって形成される、長さＷが０．００５〜０．０４ｍｍのチゼルエッジ（３ｂ）を備え、負のすくい角（γ）を有するすくい面（５）が回転中心を越えた位置まで入り込んでいることを特徴とするボールエンドミル。

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