JP5762020B2 - 切削インサートおよび切削工具ならびにそれを用いた被削材の切削方法 - Google Patents

Description

本発明は、切削インサートおよび切削工具ならびにそれを用いた被削材の切削方法に関する。

従来、正面フライス、エンドミルなどの転削工具として、回転中心軸を有するホルダの外周部に設けられたインサートポケットに、それぞれ切削インサートを、切刃がアキシャルレーキやラジアルレーキといった所定の傾きを設けて装着されたスローアウェイ式の転削工具が用いられている。転削工具を用いて行なう加工としては、例えば平面を加工する平面削り加工、あるいは段を加工したり直角な面を加工したりする肩削り加工、平面や曲面によって構成された立体的な形状を加工する３次元加工などが挙げられる。３次元加工を行なう場合には、切刃を多方向に進行させる必要があるため、近年、例えば特許文献１に開示されるように、環状の切刃を有している略円板状の切削インサート（以下、丸駒チップということがある）が提案されている。なお、このような転削工具は、マシニングセンタ等の工作機械によって制御されており、計算機によって計算された「カッタパス」と呼ばれる切刃の加工経路に沿って切刃を動かして切削を行なう。

特開平４−９３１１０号公報

丸駒チップを用いた加工では、カッタパスと実際の切刃の加工経路とに誤差が生じ、その誤差は加工面に寸法誤差となって現れ、加工面の加工精度が悪くなるおそれがある。

本発明の目的は、特に３次元加工において、加工面の寸法誤差が小さく、加工精度の良好な切削インサートを提供することにある。

本発明の切削インサートは、上面と、下面と、前記上面および前記下面に接続されている側面と、前記上面と前記側面との交差部に位置する切刃とを有している本体部を備え、前記切刃は、前記本体部の外方側に凸の複数の第１円弧状切刃と、前記本体部の外方側に凸で、かつ前記第１円弧状切刃の曲率半径よりも小さい曲率半径の複数の第２円弧状切刃とを有しており、前記複数の第１円弧状切刃と前記複数の第２円弧状切刃とは交互に配置されており、前記第１円弧状切刃は、側面視において、端部から中央部に向かうにつれて前記下面から離れる側に湾曲しており、前記上面は、前記第１円弧状切刃に連続して、前記第１円弧状切刃から前記本体部の内方側に向かうにつれて前記下面に近づくように傾斜しているすくい面を有しており、該すくい面の前記第１円弧状切刃に近い側の端部における傾斜角度は、前記第１円弧状切刃の前記端部から前記中央部に向かうにつれて大きくなっていることを特徴とする。

本発明の切削工具は、本発明の切削インサートと、切削インサートが装着されるホルダとを備えていることを特徴とする。

本発明の被削材の切削方法は、本発明の切削工具を回転させる工程と、回転している前記切削工具の前記切刃を被削材に接触させて前記被削材を切削する工程と、回転している前記切削工具の前記切刃を前記被削材から離間させる工程とを含むことを特徴とする。

本発明の切削インサートによれば、曲率半径がそれぞれ異なる第１円弧状切刃と第２円
弧状切刃とを有しており、第１円弧状切刃は、側面視において、下面から離れる側に湾曲している。このため、丸駒チップのような１つの曲率半径を有する円弧状切刃に比べて、第１円弧状切刃の曲率半径をより大きく設定することができて、切削方向を３次元的に拡張することができるため、より加工精度の高い加工面を得ることができる。その結果、設計されたカッタパスと実際の切刃の加工径路との誤差が小さくなって、寸法誤差が小さくて加工精度の高い加工面を得ることができる。

本発明の実施形態の一例である切削インサート１の斜視図である。 図２に示す切削インサート１の上面図である。 （ａ）は図２に示す切削インサート１の矢印Ａの指す方向の側面図であり、（ｂ）は図２に示す切削インサート１の矢印Ｂの指す方向の側面図である。 （ａ）は図２に示す切削インサート１のＣ−Ｃ線における断面図であり、（ｂ）はＤ−Ｄ線における断面図である。 本発明の切削工具の実施形態の一例を示す斜視図である。 本発明の被削材の切削方法の実施形態の一例を説明する工程図である。

＜切削インサート＞
以下、図１〜図４を用いて、本発明の実施形態の例である切削インサート１（以下、単にインサート１と略す）について説明する。

本発明の実施形態の一例であるインサート１は、上面２と、下面３と、上面２および下面３に接続されている側面４とを有する本体部を備える。本例においては、図１および図２に示すように、この本体部は板状であり、その形状は、上面視において、例えば円形状、または三角形状、四角形状、五角形状、六角形状、八角形状といった多角形状などの当業者が通常インサートに使用する形状である。本例においては、具体的には、本体部の形状は三角形状である。上面２と側面４との交差部には切刃５が位置している。本例において、本体部の寸法は上面２における最大幅が９〜１１ｍであり、下面３から上面２までの高さは２〜１０ｍｍである。

インサート１の材質としては、例えば、超硬合金あるいはサーメットなどが挙げられる。超硬合金の組成としては、例えば、炭化タングステン（ＷＣ）にコバルト（Ｃｏ）の粉末を加えて焼結して生成されるＷＣ−Ｃｏ、ＷＣ−Ｃｏに炭化チタン（ＴｉＣ）を添加したＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ、あるいはＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏに炭化タンタル（ＴａＣ）を添加したＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｏがある。また、サーメットは、セラミック成分に金属を複合させた焼結複合材料であり、具体的には、炭化チタン（ＴｉＣ）、または窒化チタン（ＴｉＮ）を主成分としたチタン化合物がある。

インサート１の表面は、化学蒸着（ＣＶＤ）法または物理蒸着（ＰＶＤ）法を用いて被膜でコーティングされていてもよい。被膜の組成としては、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）またはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などが挙げられる。

上面２のうち切刃５に沿う領域は、切屑が擦過するすくい面として機能する。側面３のうち切刃に沿う領域は、逃げ面として機能する。また、下面３は、ホルダに装着するための着座面として機能する。

上面２と側面４とは、具体的には、上面２と側面４とのなす角が鋭角となるように接続している。すなわちインサート１は、図３に示すように、側面４に正の逃げ角θが付与された、いわゆるポジティブ型のインサートである。ここで、逃げ角θは、側面視において、下面３に垂直な補助線Ｖに対する側面４の傾斜角度である。逃げ角θとしては、５°〜３０°の範囲であり、この範囲内で適宜設定されており、その値は、切刃５に沿う方向に一定である。この構成によって、被削材の表面に平行な方向と垂直な方向との両方に切刃が進行して切削を行なう、沈み込み加工を良好に行なうことができる。

切刃５は、本体部の外方側に凸の第１円弧状切刃５１と、本体部の外方側に凸で、かつ第１円弧状切刃５１の曲率半径よりも小さい曲率半径の第２円弧状切刃５２を有している。円弧状の切刃は理論上、１点で被削材に接触して、その点における法線方向に進行して切削を行なう。したがって、第１円弧状切刃５１および第２円弧状切刃５２を有していることによって切削方向を任意に決定することができ、３次元加工等の複雑な曲面の形成を容易に行なうことができる。なお、本例においては、第１円弧状切刃５１および第２円弧状切刃５２は、切削方向をより良好に拡張するために、それぞれ１つの曲率半径を有している。具体的には、第１円弧状切刃５１の曲率半径は６．５ｍｍであり、第２円弧状切刃５２の曲率半径は３ｍｍである。

本例においては、図２に示すように、第１円弧状切刃５１と第２円弧状切刃５２とはそれぞれ複数形成されており、第１円弧状切刃５１と第２円弧状切刃５２とが交互に配置されている。ここで、第１円弧状切刃５１と第２円弧状切刃５２とが交互に配置されることによって形成される形状は限定されない。例えば、本体部の形状が上面視において多角形状の場合には、上面２の各辺に第１円弧状切刃５１を、上面２のコーナーに第２円弧状切刃５２を配置して多角形状を形成していてもよい。本例においては、図２に示すように、上面２は三角形状であり、３つの辺に３つの第１円弧状切刃５１（５１ａ，５１ｂ，５１ｃ）を、３つのコーナーに３つの第２円弧状切刃５２（５２ａ，５２ｂ，５２ｃ）を有している。したがって、第１円弧状切刃５１は主として切削に関与する主切刃として機能し、第２円弧状切刃５２は、コーナー切刃として機能する。このように、上面視において、第１円弧状切刃５１と第２円弧状切刃５２とを多角形状に配置することによって、第１円弧状切刃５１および第２円弧状切刃５２の曲率半径が大きくなることに起因してインサート１の寸法が大きくなることを抑制することができる。

本例においては、図３（ａ）に示すように、第１円弧状切刃５１は、側面視において、下面３から離れる側に湾曲している。この構成によって、３次元的に切削方向を拡張することができる。

また、この構成によって、カッタパスと加工軌跡との誤差をさらに補正することができる。この誤差は、第１円弧状切刃５１の回転体の形状、すなわち加工曲面の形状が、アキシャルレーキおよびラジアルレーキによって変化することによっても生じる。そのため、アキシャルレーキおよびラジアルレーキの値によって、通常の方法で第１円弧状切刃５１の湾曲形状を適宜調節して設計すればよい。例えば、アキシャルレーキおよびラジアルレーキの値を定数として、所望の回転体を得るための曲線の式を計算してもよいし、アキシャルレーキおよびラジアルレーキの値を変化させながら、第１円弧状切刃５１の回転体の形状の変化を観察して、試行錯誤的に設計してもよい。

さらに、この構成によって、第１円弧状切刃５１はアキシャルレーキを正の方向により
大きく確保することができるため、切削抵抗を低減することができる。

本例においては、図２に示すように、上面視において、第１円弧状切刃５１の長さは、第２円弧状切刃５２の長さよりも長い。この構成によって、主切刃である第１円弧状切刃５１の長さを可及的に長くすることができるため、切削方向をより良好に拡張することができる。

本例においては、図３（ａ）に示すように、側面視において、第１円弧状切刃５１は、端部５１１から中央部５１２に向かうにつれて下面３から離れる側に湾曲している。この構成によって、上面視および側面視において、第１円弧状切刃５１における頂部がほぼ一致し、切削時に被削材に最も先に接触する第１円弧状切刃５１の中央部５１２において、切削方向を効果的に拡張することができる。

さらに、図３（ａ）に示すように、側面視において、第１円弧状切刃５１は、第１円弧状切刃５１の中央部５１２を通り下面３に垂直な線Ｌを対称軸として、左右対称である。この構成によって、３次元的に拡張された切削方向を中央部５１２の中央部において左右対称にすることができるため、カットパスの設計をより簡単にすることができる。

本例においては、図３（ｂ）に示すように、側面視において、第２円弧状切刃５２は、下面３に近づく側に湾曲している。この構成によって、主切刃である第１円弧状切刃５１によって切削を行なう場合には、第２円弧状切刃５２が切削に関与しにくくなるため、カッタパスの設計をより簡単に行なうことができる。また、第２円弧状切刃５２によって切削を行なう場合には、生成された切屑の厚みが部分的に変化するため、切屑が幅方向に圧縮されやすくなり、切屑の排出方向が定まり易くなる。

本例においては、図２における第１円弧状切刃５１ａの法線Ｎ方向の断面視（図４（ａ）参照）において、上面２と側面４との成す角度は鋭角である。この構成によって、アキシャルレーキを正の方向により大きく設定することができ、切削抵抗をより低減することができる。

上面２は、切刃５に連続して、切刃５から本体部の内方側に向かうにつれて下面３に近づくように傾斜しているすくい面２１を有している。すくい面２１は、すくいとして機能し、切刃５から生成される切屑の厚みに関与する。一般に、角度αが大きくなると、切屑の厚みは薄くなる傾向がある。上面２が切刃５に連続してすくい面２１を有していることによって、切刃５の被削材への食い付きが良好になって、切削抵抗を低減することができる。なお、本例においては、図４に示すように、切刃５の刃先の強度を強くするため、切刃５とすくい面２１との交差部に平坦なランド６を設けている。ランド６の幅は、切削条件によって適宜設定されるが、本例においては０．１５ｍｍである。

本例においては、切刃５が円弧状であるため、切刃５によって生成された切屑は、すくい面２１を擦過しながら、螺旋状にカールして排出される。すなわち、すくい面２１によって切屑の排出方向が制御される。切削条件によって切屑の排出方向の制御が不良となる場合には、上面２に凹部や凸部などを別途設けて、ブレーカ形状を適宜設計すればよい。

本例においては、図４（ａ）に示すように、すくい面２１は、第１円弧状切刃５１に連続している第１すくい面２１ａと、第１すくい面２１ａと連続するとともに、第１すくい面２１ａの傾斜角度よりも大きい傾斜角度の第２すくい面２１ｂを有している。特に、高負荷切削条件下においては、生成された切屑とすくい面２１との接触面積を可及的に減少させて、必要最小限の面積で接触することによって、生成された切屑を螺旋状にカールさせて、切屑排出性を良好にすることができる。このように、第２すくい面２１ｂの傾斜角
度を第１すくい面２１ａの傾斜角度よりも大きくすることによって、生成された切屑が第２すくい面２１ｂを擦過しにくくなって、生成された切屑とすくい面２１との接触面積を減少させて、切屑の排出方向をより良好に制御することができる。

具体的には、図４（ａ）に示すように、第１すくい面２１ａの第１円弧状切刃５１に近い側の端部の仮想延長線Ｐ１と水平面Ｈとが成す角度をα１とし、第２すくい面２１ｂの第１円弧状切刃５１に近い側の端部の仮想延長線Ｑと水平面Ｈとが成す角度をβとすれば、α１＜βである。角度α１は５°〜２５°の範囲から、また角度βは１５°〜４５°の範囲から適宜設定される。なお、図４（ａ）は側面図であるため、水平面Ｈは直線で表わされている。

また、本例においては、図４（ａ）に示すように、すくい面２１の傾斜角度は、第１円弧状切刃５１の端部５１１から中央部５１２に向かうにつれて大きくなっている。第１円弧状切刃５１の中央部５１１における切削抵抗は最も高く、端部５１２における切削抵抗は最も低くなる。したがって、すくい面２１の傾斜角度が第１円弧状切刃５１の端部５１２から中央部５１１に向かうにつれて大きくなっていることによって、切削抵抗のばらつきを低減することができる。具体的には、図４（ｂ）に示すように、第１すくい面２１aの第１円弧状切刃５１に近い側の端部の仮想延長線Ｐ２と水平面Ｈとが成す角度をα２とすれば、α１＞α２である。

本例においては、図４（ａ）に示すように、すくい面２１は、第２円弧状切刃５２に連続している第３すくい面２１ｃを有している。この構成によって、第２円弧状切刃５２の被削材への食い付きが良好になって、切削抵抗を低減することができる。具体的には、図４（ａ）に示すように、第３すくい面２１ｃの第２円弧状切刃５２に近い側の端部の仮想延長線Ｒと水平面Ｈとが角度γを成している。

上面２の中央部には、図４（ａ）に示すように、上面２の中央から下面３の中央まで貫通する貫通孔７を有しており、貫通孔７の周囲には、ネジ頭当接部８を有している。貫通孔７は、ホルダに取り付けるために取付けネジを挿通する孔であり、ネジ頭当接部８は、取付けネジのネジ頭と当接する。このとき、ネジ頭当接部８は、切刃５と同じ高さに位置しているか、あるいは切刃５よりも低い位置にあるのがよい。本例においては、具体的には、図４に示すように、ネジ頭当接部８は切刃５よりも低い位置にある。この構成によって、取付けネジのネジ頭とネジ頭当接部８とが接触する位置が切刃５よりも低い位置にあるため、取付けネジのネジ頭とネジ頭当接部８との間に切屑が噛み込まれにくくなる。

側面４は、図３に示すように、ホルダと当接する拘束部４１を有している。この構成によって、インサート１に働く回転モーメントを低減させて、インサート１が回転するのを抑制することができる。拘束部４１の数や配置については、適宜設定すればよく、例えば、複数の拘束部４１が、上面視において、切刃５に沿う方向に等間隔で配置されていてもよい。本例においては、図２に示すように、側面４は、３つの拘束部４１ａ，４１ｂ，４１ｃを有している。３つの拘束部のうち、拘束部４１ａ，４１ｂは、上面視において、第１円弧状切刃５１ａの中央部５１１の法線Ｎ（図２参照）を対称軸として左右対称となるように配置されている。この構成によって、第１円弧状切刃５１ａが受ける切削力の働く方向と２つの拘束部４１ａ，４１ｂの延長線の交点が略同一直線上に位置するため、回転モーメントを効果的に低減させることができる。

＜切削工具＞
本発明の実施形態の一例である切削工具３０は、図５に示すように、切削インサート１と、切削インサート１が装着される、回転中心軸を有している円柱状のホルダ２０とを備えている。

ホルダ２０は、回転中心軸Ｓを中心とする円柱状の形状である。そして、ホルダ２０の先端側の外周部には、インサートポケット２１が等間隔に複数設けられている。インサートポケット２１は、インサート１が装着される部分であり、ホルダ２０の外周面および先端面に開口している。

そして、ホルダ２０に設けられた複数のインサートポケット２１に、インサート１が装着される。複数のインサート１は、切刃５が外周面から外方に突出するように装着される。

本例においては、インサート１は、取付けネジによって、インサートポケット２１に装着されている。すなわち、インサート１の貫通孔７に取付けネジを挿入し、この取付けネジの先端をインサートポケット２１に形成されたネジ孔（図示せず）に挿入してネジ部同士を螺合させることによって、インサート１がホルダ２０に装着されている。

また、本例においては、インサート１は、ホルダ２０に対して、外周面から外方に突出する切刃５が正のアキシャルレーキを有するように装着されている。すなわち、側面視で、ホルダ２０の外周面側に配置されたインサート１の切刃５は、ホルダ２０の先端側から後端側に向かうにつれて、ホルダ２０の回転中心軸Ｓから遠ざかるように傾斜している。このような構成によって、切削時にかかる切削抵抗の低減を図ることができる。

＜被削材の切削方法＞
図６を用いて、本発明の実施形態の一例である被削材の切削方法について、切削工具１０を用いた場合を例示して説明する。本例の被削材の切削方法は、以下の（ｉ）〜（iii）の工程を含む。
（ｉ）図６（ａ）に示すように、切削工具３０をホルダ２０の回転中心軸Ｓを中心に矢印Ｘ方向に回転させる工程、および矢印Ｙ１方向に動かし、被削材１００に切削工具３０の切刃５を近づける工程。
（ii）図６（ｂ）に示すように、インサート１の切刃５を被削材１００の表面に接触させ、回転している切削工具３０を、例えば矢印Ｚ方向に動かし、被削材１００の表面を切削する工程。
（iii）図６（ｃ）に示すように、回転している切削工具３０を矢印Ｙ２方向に動かし、被削材１００から切削工具３０を離間させる工程。

なお、前記（ｉ）の工程では、切削工具３０と被削材１００とは相対的に近づければよく、例えば被削材１００を切削工具３０に近づけてもよい。これと同様に、前記（iii）の工程では、被削材１００と切削工具３０とは相対的に遠ざければよく、例えば被削材１００を切削工具３０から遠ざけてもよい。切削加工を継続する場合には、切削工具３０を回転させた状態を保持して、被削材１００の異なる箇所にインサート１の切刃５を接触させる工程を繰り返せばよい。使用している切刃５が摩耗した際には、インサート１を貫通孔７の中心軸に対して回転させて、未使用の切刃５を用いればよい。

さらに、被削材１００の材質の代表例としては、炭素鋼、合金鋼、ステンレス、鋳鉄、または非鉄金属などが挙げられる。

１ 切削インサート
２ 上面
２１ すくい面
２１ａ 第１すくい面
２１ｂ 第２すくい面
２１ｃ 第３すくい面
３ 下面
４ 側面
４１（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ） 拘束部
５ 切刃
５１ 第１円弧状切刃
５１１ 中央部
５１２ 端部
５２ 第２円弧状切刃
６ ランド
７ 貫通孔
８ ネジ頭当接部
２０ ホルダ
２１ インサートポケット
３０ 切削工具
１００ 被削材

Claims (10)

1. 上面と、下面と、前記上面および前記下面に接続されている側面と、前記上面と前記側面との交差部に位置する切刃とを有している本体部を備え、
   前記切刃は、前記本体部の外方側に凸の複数の第１円弧状切刃と、前記本体部の外方側に凸で、かつ前記第１円弧状切刃の曲率半径よりも小さい曲率半径の複数の第２円弧状切刃とを有しており、
   前記複数の第１円弧状切刃と前記複数の第２円弧状切刃とは交互に配置されており、
   前記第１円弧状切刃は、側面視において、端部から中央部に向かうにつれて前記下面から離れる側に湾曲しており、
   前記上面は、前記第１円弧状切刃に連続して、前記第１円弧状切刃から前記本体部の内方側に向かうにつれて前記下面に近づくように傾斜しているすくい面を有しており、
   該すくい面の前記第１円弧状切刃に近い側の端部における傾斜角度は、前記第１円弧状切刃の前記端部から前記中央部に向かうにつれて大きくなっていることを特徴とする切削インサート。
2. 前記第１円弧状切刃の法線方向の断面視において、前記上面と前記側面との成す角度は鋭角であることを特徴とする請求項１に記載の切削インサート。
3. 上面視において、前記第１円弧状切刃の長さは、前記第２円弧状切刃の長さよりも長いことを特徴とする請求項１または２に記載の切削インサート。
4. 側面視において、前記第１円弧状切刃は、前記第１円弧状切刃の前記中央部を通り前記下面に垂直な線を対称軸として、左右対称であることを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の切削インサート。
5. 前記すくい面は、前記第１円弧状切刃に連続している第１すくい面と、該第１すくい面よりも内側に位置して前記第１すくい面に連続している第２すくい面とを有し、
   前記第１すくい面の傾斜角度よりも前記第２すくい面の傾斜角度が大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれかの項に記載の切削インサート。
6. 前記第２すくい面は、前記第１円弧状切刃の前記端部の内側に位置する部分での傾斜角度と、前記第１円弧状切刃の前記中央部の内側に位置する部分での傾斜角度とが同じであることを特徴とする請求項５に記載の切削インサート。
7. 側面視において、前記第２円弧状切刃は、前記下面に近づく側に湾曲していることを特徴とする請求項１から６のいずれかの項に記載の切削インサート。
8. 請求項１から７のいずれかの項に記載の切削インサートと、上記切削インサートが装着される、回転中心軸を有している円柱状のホルダとを備えていることを特徴とする切削工具。
9. 上記切削インサートは、前記ホルダの前記回転中心軸に対して、前記第１円弧状切刃が正のアキシャルレーキを有するように前記ホルダの外周部に装着されていることを特徴とする請求項８に記載の切削工具。
10. 請求項８または９に記載の切削工具を回転させる工程と、
    回転している前記切削工具の前記切刃を被削材に接触させて前記被削材を切削する工程と、
    回転している前記切削工具の前記切刃を前記被削材から離間させる工程とを含むことを特徴とする被削材の切削方法。

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