JP7216698B2 - 切削工具及び切削加工物の製造方法 - Google Patents

Description

本態様は、転削加工に用いられる、エンドミル及びドリルなどの回転工具に関する。

転削加工に用いられる回転工具として、例えば、特開２００４－３３８０３２号公報（特許文献１）及び特開２００４－２６８２３０号公報（特許文献２）に記載のドリルが知られている。特許文献１及び２に記載のドリルは、切刃の内周端側に連なるシンニング部を有している。

切刃の内周端側においては、外周端側と比較して切削速度が遅いため、切屑の進む方向が不安定になり易い。このとき、特許文献１に記載のドリルにおいては、シンニング部の延びる方向を示す、回転軸に対する傾斜角（通し角）が大きいため、シンニング部を流れる切屑が外周側へ進み易い。そのため、被削材においてドリルによって形成される加工孔の周囲に位置する面（以下、便宜的に加工表面という）に巻き傷が生じるおそれがあった。

一態様に基づく切削工具は、回転軸を有し、第１端から第２端にかけて延びた棒形状の本体と、該本体の前記第１端に位置する切刃と、該切刃から前記本体の前記第２端の側に向かって螺旋状に延びた溝とを備えている。前記切刃は、正面視した場合に前記回転軸と交差する第１刃と、該第１刃から前記本体の外周面に向かって延びた第２刃とを有し、前記溝は、前記第１端の側において前記第１刃と繋がって位置する第１シンニング部と、前記第１端の側において前記第２刃と繋がって位置する第２シンニング部とを有している。そして、前記第１シンニング部のシンニング通し角が、前記第２シンニング部のシンニング通し角よりも小さい。

実施形態の一例に係る切削工具（ドリル）を示す斜視図である。 図１における第１部材（スローアウェイチップ）を示す斜視図である。 図２に示す第１部材の第１端における正面図である。 図３に示す第１部材をＡ１方向から見た側面図である。 図３に示す第１部材をＡ２方向から見た側面図である。 図５に示す第１部材のＢ１における断面図である。 図１に示す切削工具の側面図である。 図７に示す切削工具のＢ２における断面図である。 実施形態の一例に係る切削加工物の製造方法における一工程を示す斜視図である。 実施形態の一例に係る切削加工物の製造方法における一工程を示す斜視図である。 実施形態の一例に係る切削加工物の製造方法における一工程を示す斜視図である。

＜切削インサート＞
以下、実施形態の切削工具１について、図面を用いて詳細に説明する。但し、以下で参照する各図は、説明の便宜上、実施形態を説明する上で必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。従って、以下に開示する切削工具１は、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

＜ドリル＞
実施形態の切削工具１は、回転工具の一例であるドリルである。回転工具としては、ドリルの他にも例えばエンドミルなどが挙げられる。

図１に示す一例のドリル１は、第１端から第２端にかけて延びた棒形状の本体３（body）と、本体３の第１端に位置する切刃５（cutting edge）と、切刃５から本体３の第２端の側に向かって螺旋状に延びた溝７（flute）とを備えている。

本体３は、回転軸Ｘを有しており、この回転軸Ｘに沿って延びた棒状体であってもよい。切削加工物を製造するための被削材の切削加工時において、本体３は回転軸Ｘを中心に回転する。以下、第１端を先端とするとともに第２端を後端とする。また、回転軸Ｘに近い側を回転軸Ｘ側とし、回転軸Ｘから遠い側を外周面側とする。また、本体３の後端から先端に向かう方向を先端方向とし、本体３の先端から後端に向かう方向を後端方向とする。

図１に示す一例の本体３は、把持部９及び切削部１１を備えている。把持部９は、工作機械（不図示）の回転するスピンドル等で把持される部位であり、工作機械におけるスピンドル等の形状に応じて設計される部位である。切削部１１は、把持部９に対して先端側に位置している。切削部１１は、被削材と接触する部分を含む部位であり、被削材の切削加工において主たる役割を有する部位である。なお、図１などにおける矢印Ｙは、回転軸Ｘを中心とした本体３の回転方向を示している。

切削部１１は１つの部材によって構成されていてもよく、また、複数の部材によって構成されていてもよい。切削部１１が１つの部材によって構成されている場合に、ドリルは、一般的にソリッドドリルと呼ばれる。図１に示す一例の切削部１１は、先端側に位置する第１部材１１ａと、後端側に位置する第２部材１１ｂによって構成されている。また、複数の部材によって構成されている場合であって先端側の第１部材１１ａが交換可能である場合に、ドリルは、一般的にスローアウェイドリルと呼ばれる。このとき、第１部材１１ａは、一般的にスローアウェイチップ（チップ）と呼ばれる。

切削部１１は、例えば図１に示すように回転軸Ｘに沿って延びる円柱状体から溝７及びクリアランス１３（clearance）に該当する部分を除いた形状となっている。そのため、回転軸Ｘに直交する断面において、切削部１１の外周における溝７やクリアランス１３を除き、マージン１５などに相当する部分は、同一円上に位置する円弧形状となっている。この同一円の直径が切削部１１の外径に対応する。

ドリル１は、特定の大きさに限定されるものではないが、例えば、切削部１１の外径が６ｍｍ～４２．５ｍｍに設定されてもよい。また、ドリル１は、例えば、軸線の長さ（切削部１１の長さ）をＬとし、径（切削部１１の外径）をＤとするとき、Ｌ＝３Ｄ～１２Ｄに設定されてもよい。

本体３の材質としては、ＷＣ（タングステンカーバイド）を含有し、バインダとしてＣｏ（コバルト）を含有する超硬合金、この超硬合金にＴｉＣ（チタンカーバイド）又はＴａＣ（タンタルカーバイド）のような添加物を含んだ合金、ステンレス及びチタンのような金属などが挙げられる。

ドリル１は、第１部材１１ａの先端に位置する切刃５を有している。図１に示す一例の第１部材１１ａは、切削部１１の先端側に位置している。そのため、切刃５は、本体３の先端に位置していると言い換えてもよい。切刃５は、被削材を切削するための部位として用いることが可能である。図２などに示す一例における切刃５は、第１刃１７及び第２刃１９によって構成されている。第１刃１７は、正面視した場合に回転軸Ｘと交差しており、第２刃１９は、第１刃１７に対して外周面側に位置している。第２刃１９は、第１刃１７から本体３の外周面に向かって延びていると言い換えてもよい。

第１刃１７は、回転軸Ｘと交差しており、いわゆるチゼルエッジ（chisel edge）として機能することが可能である。ここでチゼルエッジとは、すくい角が負の値であって、被削材を切削するというより被削材を押しつぶすように機能する切刃５の領域を指す。切刃５が１つのみの第２刃１９を有する構成であっても問題ないが、図２に示す一例のように、切刃５が２つの第２刃１９を有していてもよい。２つの第２刃１９は、それぞれ第１刃１７の端部に接続されており、本体３を正面視した場合において、回転軸Ｘを中心にして１８０°の回転対称となっている。

本体３における切削部１１の外周には、図１に示すように溝７が切刃５から本体３の後端側に向かって位置していてもよい。溝７は、切刃５によって生成される切屑を外部に排出するために用いることが可能である。図１に示す一例の溝７は、回転軸Ｘの周りに螺旋状に延びている。図１に示す一例のドリル１は、２つの第２刃１９を有していることから、１つのみではなく２つの溝７を有している。

螺旋状に延びた溝７のねじれ角（helix angle）は、先端側から後端側にかけて一定であってもよく、また、途中で変化していてもよい。なお、ねじれ角とは、リーディングエッジ（leading edge）と、回転軸Ｘに平行な仮想直線とがなす角を意味している。リーディングエッジは、溝７と、この溝７に対して回転軸Ｘの回転方向Ｙの後方側に位置するマージン１５とで形成される交線によって示される。ねじれ角は、例えば、３～４５°程度に設定してもよい。

図２に示す一例の溝７は、先端の側において第１刃１７と繋がって位置する第１シンニング部２１と、先端の側において第２刃１９と繋がって位置する第２シンニング部２３とを有している。なお、第１シンニング部２１及び第２シンニング部２３の両方を指す時には、単にシンニング部とする。

第１シンニング部２１及び第２シンニング部２３は、それぞれ切削加工時の切削抵抗を小さくすることを主目的として形成されている。第１シンニング部２１及び第２シンニング部２３の形状としては、特に限定されるものではなく、例えば、平坦面の形状であってもよく、また、一部が曲面形状であってもよい。

側面視において、第１シンニング部２１のシンニング通し角（以下、単に通し角ともいう）θ１は、第２シンニング部２３の通し角θ２よりも小さくなっている。第１刃１７が正面視した場合に回転軸Ｘと交差するように位置していることから、第１刃１７が第２刃１９よりも内側に位置することになるので、切削加工時の第１刃１７の切削速度は第２刃１９の切削速度よりも遅い。そのため、第１刃１７で生じる切屑の流れは、第２刃１９で生じる切屑の流れよりも遅いので、シンニング部の通し角の影響を受けやすく、切屑が通し角で傾斜する方向に流れ易い。

ここで、シンニング通し角とは、ドリル１の回転軸Ｘとシンニング部のヒール面とがなす角を意味する。ヒール面とは、シンニング部において回転方向Ｙの前方に位置するヒール側の面を意味する。そのため、通し角は、回転軸Ｘに直交するとともにヒール面に平行な方向からドリル１を側面視した場合における回転軸Ｘとシンニング部のヒール面とがなす角によって評価できる。

図６に示す一例において、第１刃１７から延びている第１シンニング部２１は、第１シンニング部２１における後端側に位置する平坦な部分２１ａを有しており、この部分２１ａがヒール面となっている。そのため、図４に示す一例における第１シンニング部２１の通し角θ１は、部分２１ａに平行な方向からドリル１を側面視した場合における回転軸Ｘと部分２１ａとがなす角によって評価できる。

図６に示す一例において、第２刃１９から延びている第２シンニング部２３は、回転方向Ｙの前方に位置する平坦な部分２３ａを有している。そのため、図５に示す一例における第２シンニング部２３の通し角θ２は、上記のヒール側の平坦な部分２３ａに平行な方向からドリル１を側面視した場合における回転軸Ｘと部分２３ａとがなす角によって評価できる。

図４及び図５に示す一例のドリル１においては、第１シンニング部２１の回転軸Ｘに対する通し角θ１が相対的に小さくなっている。そのため、第１シンニング部２１を流れる切屑が本体３の外周側に進みにくく、後端の側に進み易い。結果として、加工表面の面精度を高めることができる。

図４及び図５に示す一例のドリル１においては、第２シンニング部２３の回転軸Ｘに対する通し角θ２が、第１シンニング部２１の通し角θ１と比較して大きい。第２刃１９が第１刃１７よりも外周側に位置していることから、切削加工時の第２刃１９の切削速度は第１刃１７の切削速度よりも速い。第２刃１９で生じる切屑の流れは、第１刃１７で生じる切屑の流れよりも速いため、シンニング部の通し角の影響を受けにくく、切刃５に直交する方向に流れ易い。そのため、第２シンニング部２３の回転軸Ｘに対する通し角θ２が大きい場合であっても加工表面は損傷しにくい。ここで、切削速度（ｖ）とは、π×Ｄ（ドリル径）×ｎ（回転速度）で表されるものである。

また、第２シンニング部２３の通し角θ２が、第１シンニング部２１の通し角θ１と比較して大きくなっている場合には、本体３の芯厚（web thickness）を大きくすることができる。そのため、本体３が折損するおそれを小さくでき、本体３の耐久性を高めることができる。

溝７の形状としては、螺旋状に延びていれば特に限定されるものではないが、溝７は、回転軸Ｘに直交する断面で見た場合に、第１シンニング部２１及び第２シンニング部２３を除いて概ね曲率が一定の円弧形状となっていてもよい。

溝７の深さＶとしては、切削部１１の外径に対して１０～４０％程度に設定してもよい。ここで、溝７の深さＶとは、図８に示すように、回転軸Ｘに直交する断面における、溝７の底と回転軸Ｘとの距離を本体３の半径から引いた値を意味している。底とは、溝７における回転軸Ｘに最も近い部分を意味している。

そのため、本体３における回転軸Ｘに直交する断面での内接円の直径Ｄ２によって示される芯厚の直径としては、切削部１１の外径Ｄ１に対して２０～８０％程度に設定してもよい。具体的には、例えば、切削部１１の外径Ｄ１が２０ｍｍである場合、溝７の深さＶは２～８ｍｍ程度に設定できる。

第１シンニング部２１及び第２シンニング部２３は、それぞれ切刃５から後端側に向かって延びていてもよい。第１シンニング部２１が第２シンニング部２３よりも後端側に向かって延びている場合には、切屑を後端の側へ安定して排出することができる。そのため加工表面の面精度をさらに高めつつ、本体３の耐久性をさらに高めることができる。第１シンニング部２１が第２シンニング部２３よりも後端側に向かって延びているとは、第１シンニング部２１の後端が、第２シンニング部２３の後端よりも本体３における後端側に位置していると言い換えてもよい。

第２シンニング部２３は、第２刃１９から本体３の外周面にかけて延びていてもよいが、図２に示す一例の第２シンニング部２３は、本体３の外周面から離れている。第２シンニング部２３が本体３の外周面から離れている場合には、喰いつき時の抵抗を抑えることができ、加工表面の面精度を向上する事ができる。

第２刃１９で生じる切屑の流れは、第２シンニング部２３の通し角θ２の影響を受けにくいが、全く影響を受けない訳ではない。第２シンニング部２３が本体３の外周面から離れている場合には、第２シンニング部２３を流れる切屑が第２シンニング部２３に沿って流れたとしても、本体３の外周面から飛び出しにくくなる。従って、加工表面が損傷しにくくなるとともに、切屑の排出性が高められる。

また、上記の場合において、正面視した際に、第１シンニング部２１が、第２シンニング部２３よりも外周面に向かって延びているときには、第１刃１７で生じた、流れる速度の遅い切屑の流れる方向を、第１シンニング部２１において安定してコントロールすることができる。

図３に示す一例においては、正面視した場合に、第２刃１９が、第１刃１７に接続された直線形状の第１部位１９ａと、第１部位１９ａよりも外周面の側に位置する第２部位１９ｂとを有している。第２刃１９が直線形状の第１部位１９ａを有している場合には、第１刃１７で生じた切屑と第２刃１９で生じた切屑とが一体的に流れ易い。そのため、切屑の排出性が向上する。なお、第２部位１９ｂは、第１部位１９ａと同様に直線形状であってもよく、また、図３に示す一例のように凹曲線の形状であってもよい。第２部位１９ｂが凹曲線の形状である場合には、第２刃１９における切削抵抗の急激な上昇を抑えることができる。

第２シンニング部２３は、第１部位１９ａと繋がって位置しており、第１部位１９ａで生じた切屑が第２シンニング部２３に沿って流れ易い。第１部位１９ａは第１刃１７に接続されていることから、第１刃１７で生じた切屑は第１部位１９ａで生じた切屑と繋がっている。第１部位１９ａで生じた切屑が第２シンニング部２３に沿って流れ易い場合には、第１部位１９ａで生じた切屑によって第１刃１７で生じた切屑が引っ張られ易い。そのため、切屑の排出性が向上する。

図３に示す一例の切刃５は、第１刃１７及び第２刃１９を有している。このとき、第１刃１７の長さＬ１及び第２刃１９の長さＬ２は特に限定されるものではないが、図３に示す一例においては、正面視において第２刃１９の長さＬ２が第１刃１７の長さＬ１よりも長い。

また、回転軸Ｘに直交する断面における第１シンニング部２１の回転軸Ｘに直交する方向の幅Ｗ１及び第２シンニング部２３の回転軸Ｘに直交する方向の幅Ｗ２は特に限定されるものではないが、図６に示す一例においては、回転軸Ｘに直交する断面において、上記の幅Ｗ２が、上記の幅Ｗ１よりも大きい。第１シンニング部２１及び第２シンニング部２３が上記のように構成されている場合には、本体３の耐久性を過度に低下させることなく、切削性を高めることができる。

第１シンニング部２１及び第２シンニング部２３が交わっていてもよい。言い換えれば、第１シンニング部２１及び第２シンニング部２３の境界に稜線が形成されていてもよい。図６に示す一例のように、回転軸Ｘに直交する断面において、第１シンニング部２１及び第２シンニング部２３が鈍角で交わっている場合には、第１シンニング部２１に沿って進む切屑と第２シンニング部２３に沿って進む切屑との間に亀裂が生じにくい。そのため、これらの切屑が一体的に流れ易い。回転軸Ｘに直交する断面における第１シンニング部２１及び第２シンニング部２３が交わる角度は特に限定されるものではないが、例えば、１２０°～１７０°に設定してもよい。

＜切削加工物（machined product）の製造方法＞
次に、実施形態の切削加工物の製造方法について、上述の実施形態の一例に係るドリル１を用いる場合を例に挙げて詳細に説明する。以下、図９～図１１を参照しつつ説明する。なお、図９～図１１において、把持部を把持する工作機械を省略している。

実施形態にかかる切削加工物の製造方法は、以下の（１）～（４）の工程を備える。

（１）準備された被削材１０１に対して上方にドリル１を配置する工程（図９参照）。

（２）ドリル１を、回転軸Ｘを中心に矢印Ｙの方向に回転させ、被削材１０１に向かってＺ１方向にドリル１を近づける工程（図９及び図１０参照）。

本工程は、例えば、被削材１０１を、ドリル１を取り付けた工作機械のテーブル上に固定し、ドリル１を回転した状態で近づけることにより行うことができる。なお、本工程では、被削材１０１とドリル１とは相対的に近づけばよく、被削材１０１をドリル１に近づけてもよい。

（３）ドリル１をさらに被削材１０１に近づけることによって、回転しているドリル１の切刃を、被削材１０１の表面の所望の位置に接触させて、被削材１０１に加工穴１０３（貫通孔）を形成する工程（図１０参照）。

本工程において、ドリル１の切削部の全体が被削材１０１を貫通してもよく、また、ドリル１の切削部のうち後端側の一部の領域が被削材１０１を貫通しないように設定されてもよい。ドリル１の切削部のうち後端側の一部の領域が被削材１０１を貫通しないように設定されている場合には、良好な仕上げ面を得ることができる。具体的には、上記の一部の領域を切屑排出のための領域として機能させることで、当該領域を介して優れた切屑排出性を奏することが可能となる。

（４）ドリル１を被削材１０１からＺ２方向に離す工程（図１１参照）。

本工程においても、上述の（２）の工程と同様に、被削材１０１とドリル１とは相対的に離隔すればよく、例えば被削材１０１をドリル１から離してもよい。

以上のような工程を経ることによって、加工穴１０３を有する切削加工物を得ることができる。

なお、以上に示したような被削材１０１の切削加工を複数回行う場合、例えば、１つの被削材１０１に対して複数の加工穴１０３を形成する場合には、ドリル１を回転させた状態を保持しつつ、被削材１０１の異なる箇所にドリル１の切刃を接触させる工程を繰り返せばよい。

以上、実施形態の切削工具１を例示したが、本発明の切削工具は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り任意のものとすることができることは言うまでもない。例えば、実施形態の一例に係る切削工具はドリル１であったが、本発明の要旨を適用したエンドミルであっても何ら問題ない。

１・・・切削工具（ドリル）
３・・・本体
５・・・切刃
７・・・溝
９・・・把持部
１１・・・切削部
１１ａ・・・第１部材
１１ｂ・・・第２部材
１３・・・クリアランス
１５・・・マージン
１７・・・第１刃
１９・・・第２刃
２１・・・第１シンニング部
２３・・・第２シンニング部
１０１・・・被削材
１０３・・・加工穴

Claims (6)

1. 回転軸を有し、第１端から第２端にかけて延びた棒形状の本体と、
   該本体の前記第１端に位置し、正面視した場合に前記回転軸から前記本体の外周面に向かって延びたチゼルエッジと、
   該チゼルエッジに対して傾斜するとともに、前記チゼルエッジから前記本体の前記外周面に向かって延びた直線形状の第１切刃と、
   前記第１切刃から前記本体の前記外周面にまで延びた凹曲線形状の第２切刃と、
   前記チゼルエッジの全体から延びた第１凹面と、
   前記第１切刃の全体から延びた第２凹面と、
   前記第１凹面、前記第２凹面及び前記第２切刃から前記本体の前記第２端の側に向かって螺旋状に延びた溝とを備え、
   前記第１凹面は、前記回転軸の回転方向の前方であって前記第２端の側に位置する平坦な第１ヒール面を有し、
   前記第２凹面は、前記回転軸の回転方向の前方に位置する平坦な第２ヒール面を有し、
   前記回転軸と前記第１ヒール面とがなす角が、第１角であり、
   前記回転軸と前記第２ヒール面とがなす角が、第２角であり、
   前記第１角が、前記第２角よりも小さい切削工具。
2. 前記第１凹面は、前記第２凹面よりも前記第２端の側に向かって延びている、請求項１に記載の切削工具。
3. 前記第２凹面は、前記外周面から離れている、請求項１又は２に記載の切削工具。
4. 正面視した場合に、前記第１凹面は、前記第２凹面よりも前記外周面に向かって延びている、請求項３に記載の切削工具。
5. 前記回転軸に直交する断面において、前記第１凹面及び前記第２凹面が鈍角で交わっている、請求項１～４のいずれか１つに記載の切削工具。
6. 請求項１～５のいずれか１つ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を被削材に接触させる工程と、
   前記切削工具を前記被削材から離す工程とを備えた切削加工物の製造方法。

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