JP5119581B2 - ボールエンドミル - Google Patents

Description

本発明は金型等を加工するためのボールエンドミルに関し、特に、切刃が立方晶窒化硼素を含有する多結晶焼結体からなり、工具径が０．５〜６．０ｍｍの範囲にある小径のボールエンドミルに関する。

近年、金型の高精度・短納期化の要求が強くなっており、切削加工の能率を高めるため焼き入れ処理した金型に対して粗切削加工及び仕上げ切削加工を行う、いわゆる直彫り加工が主流となってきている。また、金型の長寿命化の要求も高く、硬さ５０ＨＲＣを超える材料が増えつつある。以下の説明では、前述した、焼き入れ処理した金型及び硬さ５０ＨＲＣを超える金型を高硬度金型という。

このような事情を背景として、金型の切削加工に用いられるボールエンドミルにおいては、切刃寿命の向上をはかるため、従来用いられてきた超硬合金あるいは被覆超硬合金よりも耐摩耗性が高い立方晶窒化硼素（以下、「ｃＢＮ」という。）を含有した多結晶焼結体（以下、「ｃＢＮ焼結体」という。）が用いられている。この種のボールエンドミルを図５に例示する。

図５に示すボールエンドミルは、円弧形状の先端ボール刃１３が少なくとも１つ形成されているボールエンドミルであり、先端ボール刃１３を含む先端部全体がｃＢＮ焼結体で構成されており、先端ボール刃が形成された部分にセラミックコーティングが施されているものである。このボールエンドミルは、ｃＢＮ焼結体層１０と母材超硬合金層１１とを一体焼結したブランク材から切り出された円柱体の母材超硬合金部分にシャンク２を鑞付けするとともに、前記円柱体のｃＢＮ焼結体部分に先端ボール刃１３を形成してある。先端ボール刃１３が母材超硬合金から外れることがなく、先端ボール刃１３がＳ字刃形に容易に形成でき、先端ボール刃１３が耐熱摩耗性に優れるというものである（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１４４１３１号公報

しかしながら、図５に示すボールエンドミルでは、工具径が６．０ｍｍ以下程度の小径になると、一体焼結したｃＢＮ焼結体と母材超硬合金の接合にくらべ、鑞付けした母材超硬合金とシャンク２の接合が弱くなるため、高硬度金型を粗切削加工した場合には、先端ボール刃１３に高い切削抵抗が作用し、刃部は母材超硬合金ごと鑞付け部から外れてしまうおそれがあった。

また、先端ボール刃１３を研削砥石によって研削成形するとき、切刃稜線には０．０１０ｍｍ程度の微小な欠けが発生するおそれがあり、この微小な欠けは、金型の仕上げ切削加工において、仕上げ面の表面に転写され面粗さを悪化させるおそれがあり、さらに、金型の粗切削加工において、チッピングや欠損等の起点となり局所的な損傷を急速に進行させ、切刃寿命を短くしたり不安定にしたりするおそれがあった。

本発明は、前記の事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、高硬度金型の切削加工において、ｃＢＮ焼結体と工具本体の接合強度の向上、ならびに、粗切削加工における切刃寿命の向上及び仕上げ切削加工における仕上げ面の面粗さの向上をはかったボールエンドミルを提供することにある。

前記の課題を解決するため、本発明は、工具先端部に形成された刃部と、この刃部から工具基端側に向かって順次、首部と、シャンク部と、が連続的に形成され、前記刃部の工具先端部に設けられた略半円状のボール刃と、このボール刃に連続して工具基端側へ延びる外周刃とが形成されてなるボールエンドミルにおいて、少なくともボール刃が立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）を含有する多結晶焼結体（ｃＢＮ焼結体）からなり、この多結晶焼結体（ｃＢＮ焼結体）と一体焼結された超硬合金の端部が前記シャンク部に差込み鑞付けされ、さらに、前記ボール刃の切刃稜線に沿って特定形状のホーニングが形成されていることを特徴とするボールエンドミルである。本発明における多結晶焼結体（ｃＢＮ焼結体）とは、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）を２０体積％以上含み、ＴｉＣ−Ａｌ、ＴｉＣＮ−Ａｌ、ＷＣ−Ｃｏ−Ａｌ、ＴｉＮ−ＷＣ−Ａｌ等の結合相を用いて焼結された多結晶焼結体（ｃＢＮ焼結体）、または、上記のような結合相が一切用いられない立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）のみを焼結した多結晶焼結体（ｃＢＮ焼結体）である。

前記の構成を有したボールエンドミルによれば、ｃＢＮ焼結体と一体焼結された超硬合金の一端部がシャンク部に設けた差込み孔に差込み鑞付けにより接合されて、大きな鑞付け面積を確保することができ接合強度が大幅に高められる。さらに、鑞付け部は、ボール刃から遠ざかり当該ボール刃の発熱の影響が及びにくくなるため、鑞付けの接合強度が低下しにくくなる。以上のことから、切削抵抗及びボール刃の発熱によってｃＢＮ焼結体が外れるという問題が解消する。

さらに、ボール刃の切刃稜線に沿って設けられた特定形状のホーニングは、当該切刃稜線に発生した微小な欠けを除去するため、金型の仕上げ切削加工における仕上げ面の面粗さが良化するとともに、チッピングや欠損等の局所的な損傷が抑制されボール刃の長寿命化及び安定化する。

本発明のボールエンドミルにおいて、前記ホーニングは、ボール刃に直交する断面でみたとき、すくい面側の幅が０．０１〜０．１０ｍｍの範囲にあり、且つ前記すくい面に平行な直線とのなす角度が１０°〜４５°の範囲にある平坦なホーニング面で形成されている。その理由は、前記ホーニングの幅が０．０１ｍｍ未満、前記ホーニングの角度が１０°未満の少なくともいずれか一方となった場合、切刃稜線部の微小な欠けを除去できないおそれがあり、前記ホーニングの幅が０．１０ｍｍを超えるか、もしくは前記ホーニングの角度が４５°を超えるかの少なくともいずれか一方となった場合、切削抵抗が大きくなりｃＢＮ焼結体がエンドミル本体から外れるおそれがあるからである。また、すくい面に平行な直線とのなす角度が１０°未満になっても微小な欠けが除去されないおそれがあり、４５°を超えると切削抵抗が大きくなりｃＢＮ焼結体が外れるか、もしくは切刃に溶着が発生し加工面の面粗さを悪化させてしまうおそれがあるからである。

さらに、前記ホーニングに関して、前記ホーニング面と逃げ面との交差稜線部が、その断面で０ｍｍを超え且つ０．００３ｍｍ以下の丸みをもつか、もしくは丸みのないシャープエッジに形成されていることが好ましい。そうすると、金型の切削加工におけるボール刃の食付き性がきわめて良好となるため、工具ビビリがなく仕上げ面の面粗さの良好な切削加工が可能となる。前記交差稜線に０．００３ｍｍを超える丸みが形成された場合には、ボール刃が食付きにくくなり、工具ビビリ、あるいはチッピングや欠損等の損傷が生じやすくなり、仕上げ面の面粗さが悪化しやすくなる。

次に、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。本発明を適用したボールエンドミルを図１〜図４に例示する。図１は軸心に直交する方向からみた正面図である。図２は軸心方向先端側からみた先端視拡大図である。図３は要部の拡大底面図である。図４はボール刃に設けたホーニングの拡大図である。

図１のボールエンドミル１０において、刃部２１を構成するｃＢＮ焼結体２０は、超硬合金３０と一体焼結されている。このｃＢＮ焼結体２０と超硬合金３０の一体焼結素材は、１．０〜４．０ｍｍ厚のｃＢＮ焼結体層と、６．０〜１２．０ｍｍ厚の超硬合金層を一体焼結した円板状素材からワイヤーカットによって切り出された円柱状素材Ａである。この円柱状素材Ａは、形成される刃部２１の最大径に応じて、その直径が１．０〜６．５ｍｍの範囲で選択され、超硬合金３０の工具基端側の端部３２をシャンク部４０の端面に設けた差込み孔４１に差込み鑞付けすることによって、シャンク部４０に一体的に接合されている。このように差込み鑞付けすることによって鑞付け面積が大幅に増すことから鑞付けの接合強度が大幅に大きくなる。特に、鑞付け接合部の外れを防止する効果は、従来技術では鑞付け面積の確保が難しい工具径０．５〜６．０ｍｍの小径工具において顕著である。また、後述するホーニングを切刃に形成したボールエンドミルのように、切削抵抗が高くなるものに対しても非常に有効である。

本実施形態におけるｃＢＮ焼結体とは、ｃＢＮを２０体積％以上含み、ＴｉＣ−Ａｌ、ＴｉＣＮ−Ａｌ、ＷＣ−Ｃｏ−Ａｌ、ＴｉＮ−ＷＣ−Ａｌ等の結合相を用いて焼結されたｃＢＮ焼結体、または、上記のような結合相が一切用いられないｃＢＮのみを焼結したｃＢＮ焼結体である。そして、前記のｃＢＮ焼結体において、ｃＢＮの平均粒径は、例えば０．１〜５．０μｍの範囲のものが用いられる。

前記円柱状素材Ａの長さは、必要とするシャンク部４０からの突出し長さに応じて７．０〜１６．０ｍｍの範囲で選択され、ｃＢＮ焼結体層の長手方向の幅は、必要とする刃部２１の長さに応じて１．０〜４．０ｍｍの範囲で選択される。シャンク部４０は直接又はチャックホルダ等の保持部を介して工作機械の主軸に取付けられるため、機械的強度の高い超硬合金からなるのが望ましいが、ハイスや合金鋼等の鉄基金属で製作することもできる。

ｃＢＮ焼結体２０からなる刃部２１の外周面には、軸心ＣＬを挟んで対称的に一対のチップポケット２５が切欠き形成されている。各チップポケット２５は、図１において、回転方向Ｋ後方側を向く壁面が工具先端中心付近から基端側に向かうにつれ軸心ＣＬから漸次離間するように形成され、図３において、工具回転方向Ｋを向く壁面は、工具先端から基端側に向かって前記軸心ＣＬに沿って延びる平面状に形成されたすくい面２３となる。さらに刃部２１の外周面には、前記すくい面２３に交差する逃げ面２４が形成されていて、これらすくい面２３と逃げ面２４の交差稜線には、工具先端側に中心角が略９０°をなす円弧状のボール刃２２ａと、このボール刃２２ａから連続して工具基端側に延びる直線状の外周刃２２ｂとが形成されている。以下、これらボール刃２２ａ及び外周刃２２ｂを総じて切刃２２と呼ぶ。なお、金型の切削加工では主にボール刃２２ａが切削を担うことから、当該ボール刃２２ａのみをｃＢＮ焼結体２０で構成した態様としても特に支障はない。また、本実施形態において、切刃２２はねじれない直刃の形式となっているが、すくい面２３、逃げ面２４をねじれ面で構成し、ねじれ刃とすることも可能である。

刃部２１の成形は研削砥石を用いた研削加工により行われる。このとき、研削抵抗、振動等を起因とした微小な欠けが切刃稜線部に生じやすくなる。この微小な欠けが生じたボールエンドミルで金型を切削加工した場合、仕上げ切削加工では、微小な欠けが仕上げ面に転写するため面粗さが悪化し後工程の磨き加工にかかる時間が長くなるという問題がある。また、金型の粗切削加工では、微小な欠けを起点としてチッピングや欠けが発生するため局所的な損傷が急速に進行し切刃寿命が短くなるという問題がある。

微小な欠けを解消するため、本ボールエンドミル１０では、切刃稜線に沿って特定形状のホーニング２６を形成している。このホーニング２６は、図４に示すように、すくい面２３に対して所定の角度で傾斜する平坦なホーニング面２６ａで構成されていて、切刃２２に直交する断面でみたとき、すくい面２３側のホーニング幅Ｗが０．０１〜０．１０ｍｍの範囲にあり、且つ前記すくい面２３に平行な直線とのなすホーニング角度θが１０°〜４５°の範囲にある。このようにホーニング形状を特定形状とした理由は、ホーニング幅Ｗが０．０１ｍｍになると微小な欠けが残存するおそれがあり、０．１０ｍｍを超えると切削抵抗が高くなり切れ味が悪化するおそれがあるからである。ホーニング角度θが１０°未満においても微小な欠けが残留するおそれがあり、４５°を超えると切れ味が悪化するおそれがあるからである。

ホーニング面２６ａと逃げ面２４の交差稜線部には、チッピングや欠損の起点となる微小な欠けがないこと、もしくは微小な欠けがあってもその最大幅が０．００５ｍｍ以下に限定されることが望ましい。微小な欠けの幅は、切刃方向の幅又は切刃直角方向の幅のいずれか大きい方の幅とし、すくい面２３側の幅又は逃げ面２４側の幅のいずれか大きい方の幅を最大幅とした。微小な欠けの最大幅を０．００５ｍｍ以下に限定したのは、０．００５ｍｍを超えると、高硬度鋼の仕上げ切削加工における仕上げ面の面粗さが悪化し後工程の磨き仕上げ加工にかかる時間が長くなるおそれがあり、粗切削加工では、当該欠けを起点としてチッピングや欠損が生じることによって損傷が急速に進行し切刃２２の短寿命が短くなるおそれがあるからである。

ホーニング２６が形成された切刃稜線における微小な欠けの最大幅を０．００５ｍｍ以下におさえるために、ホーニング面２６ａは所定の面粗さに管理されている。これは、切刃稜線の微小な欠けがホーニング面２６ａの表面の凹凸に対応して生じるからであり、ホーニング面２６ａの面粗さは、最大高さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ０６０１：'０１）で０．００３ｍｍ以下に管理するのが好ましい。特に好ましくは０．００１ｍｍ以下である。

さらに、高硬度金型への切刃２２の食付き性に配慮して、切刃２２の直交断面において、ホーニング面２６ａと逃げ面２４の交差部は、丸みのないシャープエッジとされている。これは、高硬度金型への切刃２２の食付きを良くして、工具ビビリや工具振動をおさえ仕上げ面精度及び面粗さを良化するためである。前記交差部を円弧状としても良いが、その場合、その円弧の曲率半径は、０．００３ｍｍを超えると切刃２２が食付きにくくなることから、０．００３ｍｍ以下とすべきである。

本発明を適用したボールエンドミルを軸心に直交する方向からみた正面図である。 図１に示すボールエンドミルを軸心方向先端側からみた先端視拡大図である。 図１に示すボールエンドミルの要部拡大底面図である。 切刃に設けたホーニングの断面拡大図である。 従来のボールエンドミルの要部正面図である。

符号の説明

１０ ボールエンドミル
２０ 多結晶焼結体（ｃＢＮ焼結体）
２１ 刃部
２２ 切刃
２２ａ ボール刃
２２ｂ 外周刃
２３ すくい面
２４ 逃げ面
２５ チップポケット
２６ ホーニング
２６ａ ホーニング面
３０ 超硬合金
３１ 首部
３２ 超硬合金の端部
４０ シャンク部
４１ 差込み孔
Ａ 円柱状素材

Claims (1)

1. 工具先端部に形成された刃部と、この刃部から工具基端側に向かって順次、首部と、シャンク部と、が連続的に形成され、前記刃部の工具先端部に設けられた略半円状のボール刃と、このボール刃に連続して工具基端側へ延びる外周刃とが形成されてなる、小径ボールエンドミルにおいて、
   少なくともボール刃が立方晶窒化硼素を含有する多結晶焼結体からなり、この多結晶焼結体と一体焼結された超硬合金の端部が前記シャンク部に差込み鑞付けされ、さらに、少なくとも前記ボール刃の切刃稜線に沿ってホーニングが形成されており、
   前記ホーニングは、すくい面側の幅が０．０１〜０．１０ｍｍの範囲にあり、且つ前記すくい面に平行な直線とのなす角度が１０°〜４５°の範囲にある平坦なホーニング面で形成されており、
   前記ホーニング面と逃げ面の交差稜線部は、その断面で０ｍｍを超え且つ０．００３ｍｍ以下の円弧状、もしくは丸みのないシャープエッジであるとともに、該交差稜線部に存在する欠けの最大幅は０．００５ｍｍ以下であり、
   前記ホーニング面の面粗さは、最大高さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ０６０１：’０１）で０．００３ｍｍ以下であることを特徴とするボールエンドミル。

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