JP2004090148A - 超硬エンドミル - Google Patents

Abstract

【課題】穴、溝加工での切り屑排出性に優れ、面粗度がよく光沢のある加工面が得られ、アルミ合金のドライ切削でも溶着が少なく長寿命のエンドミルを提供する。
【解決手段】３枚刃超硬エンドミル１を底刃ギャッシュが均等に配分された等底刃２とし、底刃中心部の心残し量を０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍ、底刃ランド最小幅を０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍ、底刃ギャッシュ角を３０°〜５０°、底刃アキシャルレーキを０°〜８°、底刃すくい面と底刃ギャッシュ底面とのなす角度を８０°〜１００°とし、ランド幅と溝幅の比率を１：２〜１：４、刃溝５を中凹Ｒ形状、心厚を外径１９の４５％〜５５％、刃溝ねじれ角２０を４０°〜６０°とし、首付きの場合には首下の長さ９を外周切れ刃３の外径１９の３倍以上とし、刃部８に第一層に炭化チタン等の膜、第二層（又は第一層、二層）にダイヤモンドに似た物性を持つ膜を付加する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，アルミニウム合金を高速・高送りの高能率条件で穴あけから溝の連続加工が可能な３枚刃超硬エンドミルの形状、さらに、該加工のドライ切削が可能な該エンドミルのコーティング膜の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の３枚刃超硬エンドミルは、例えば特開２００２−１２６９３４号公報で公開されているように、図６に示す外周切れ刃３および底刃２で構成されており、図７に示すように不等底刃であり、底刃の３刃２２，２４，２５中の１刃の底刃２２が中心まで延びている。底刃２２の切れ刃２２ａに直角な断面を図８に示す、底刃アキシャルレーキ１５を３°〜９°とし、底刃すくい面１７と底刃ギャッシュ底面１２とのなす角度を３０°〜５０°、図９に示す軸直角断面でみた場合、ランド幅Ｌ１と刃溝Ｌ２の比率は１：２〜１：４であり、また心厚１８は外周切れ刃３の外径１９の６２％〜６８％である。図６に示す有効刃長８は外周切れ刃３の外径１９の２〜３倍である。
【０００３】
かかる従来の超硬エンドミルでアルミニウム合金を加工する際、工具への溶着を防止するため、潤滑作用を高める水溶性の切削油剤を給油しながら加工するのが常であった。しかしながら、近年、水溶性切削油剤の腐敗性や産業廃棄物としての処理の難しさから、超硬エンドミルによるアルミニウム合金に対する切削油剤を使用しない、いわゆるドライ加工の要求が高まってきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超硬エンドミルでアルミニウム合金を切削する際に問題になるのは、第一に刃溝５への切りくず詰まりである。従来エンドミルによりアルミニウム合金の穴あけ加工を行う際、送り速度をある程度以上に大きくすると底刃の切れ刃２２，２４，２５により切削された切りくずが排出されにくくなる。特に、切れ刃２２ａが中心まで伸びている底刃２２で切りくずが堆積し易く、底刃すくい面１７と底刃ギャッシュ底面１２により形成される刃溝２３、さらには外周刃の刃溝５を完全に埋めてしまうとそれより深い穴加工あるいは続く溝加工が不可能になる。
【０００５】
第二に、工具切れ刃への溶着である。従来の超硬エンドミル工具では、ドライ加工する際アルミニウム合金の溶着が著しく、一度溶着が始まると加工面を極度に悪化させる、また、最悪は工具が折損し切削不能に陥るケースがあった。一方、スクエアタイプの超硬エンドミルでは、特開２００１−２９３６１１号公報で公開されているように、動摩擦係数の小さいコーティング膜を施し耐溶着性を向上させることによってアルミニウム合金のドライ加工を実現している。しかしながら、図６に示す従来のエンドミル形状にこれと同様のコーティング被膜を施しても、底刃２２等の切れ刃により切り取られた切りくずがそのまま底刃すくい面１７と底刃ギャッシュ底面１２により形成される刃溝２３等に詰まり、加工不可能な状態に陥ってしまうという問題があった。
【０００６】
第三に、アルミニウム合金の加工は鉄系の材料と比較して切削抵抗が低く、そのため深彫りのポケット加工が可能になる。しかしながら、従来エンドミルでは有効刃長８が不足しており加工が不可能である。
【０００７】
本発明の課題は、上記従来製品の課題を解決した、穴明け加工や溝加工での切り屑排出性に優れ、面粗度がよく光沢のある加工面が得られる３枚刃超硬エンドミルを提供すること、そして、アルミニウム合金をドライ切削しても溶着が少なく、長寿命を保ち、かつ表面性状も良好な加工が可能な超硬エンドミルを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は研究の結果、アルミニウム合金等の軟質非鉄金属材料を切削加工する際に使用するエンドミルにおいては、底刃ギャッシュを均等に配分した等底刃を採用し、底刃の各々の切れ刃が均等量排出するようにすれば切りくず詰まりを防止できること、さらに、略底刃中心部にまで切れ刃を設けることにより、エンドミルであっても高能率穴明け加工が可能になること、また、アルミニウム合金等の非鉄金属の切削加工においては、切削抵抗が鉄系材料の場合と比較して低いことに着目し、全長を長くしたロングシャンクタイプとしても十分な剛性を備えつつアルミニウム合金の高速・高送りによる高能率加工が実現可能なエンドミルが得られることを知得した。
【０００９】
これらの知得により、本発明においては、外周に刃溝ねじれ角を有する３枚刃超硬エンドミルにおいて、底刃ギャッシュが均等に配分された等底刃とし、底刃中心部の心残し量を０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍとし、底刃ランドの最小幅を０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍとし、底刃ギャッシュ角を３０°〜５０°とし、底刃アキシャルレーキを０°〜８°とし、底刃すくい面と底刃ギャッシュ底面とのなす角度を８０°〜１００°とした（請求項１）。また、このエンドミル切れ刃の軸直角断面でみて、ランド幅Ｌ１と溝幅Ｌ２の比率を１：２〜１：４とし、同断面内における刃溝を中凹Ｒ形状とし、心厚は外径の４５％〜５５％とし、前記刃溝ねじれ角を４０°〜６０°とした（請求項２）。さらに、首付きとした場合には、全長からシャンク長を除いた首下の長さを外周切れ刃の外径の３倍以上とした超硬エンドミルを提供することにより上記課題を解決した。
【００１０】
即ち、底刃については次の通りとした。不等底刃では刃溝への切りくず詰まりが生じやすいため等底刃とした。底刃中心部の心残し量が０．０３ｍｍ未満では強度不足となり、また０．５ｍｍより大きくなると穴明け性能が低下するため心残し量を０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲とした。同様に、底刃ランドの最小幅が０．０５ｍｍ未満では強度不足となり、また０．３ｍｍより大きくなると穴明け性能が低下するため心残し量を０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲とした。底刃ギャッシュ角が３０°未満ではチップポケットが小さく、また５０°超えでは切れ刃強度が低下するので、底刃ギャッシュ角を３０°〜５０°の範囲とした。同じく、底刃アキシャルレーキは、０°未満になると切れ味が低下し、８°超えでは切れ刃エッジ強度が低下するので、０°〜８°の範囲とした。底刃すくい面と底刃ギャッシュ底面とのなす角度は、８０°未満ではチップポケットが小さくなり切りくず排出性が悪くなり、１００°以上では底刃のランド幅が狭くなり強度不足となることから、８０°〜１００°の範囲とした（請求項１）。
【００１１】
外周刃および首部の形状については、十分な剛性と良好な切りくず排出性とを両立した形状となるよう、該エンドミル切れ刃の軸直角断面でみて、ランド幅と溝幅の比率を１：２〜１：４とし、同断面内における刃溝を中凹Ｒ形状とし、心厚は外径の４５％〜５５％とし、前記刃溝ねじれ角を４０°〜６０°とし、さらに、深い溝を加工できるように首付きとするのが好ましく、首部を全長からシャンク長を除いた首下の長さを外周切れ刃の外径の３倍以上とした（請求項２，３）。かかる構成により、切り屑排出溝を広くかつ均等に配置し、良好な切り屑排出性を得ると共に、十分な刃剛性を有するものとなり、アルミニウム合金のセミドライ、ウエット加工の加工性能が向上する。
【００１２】
さらに、請求項４の発明においては、前記超硬エンドミルの刃部に、第一層に炭化チタン（ＴｉＣ）又は窒化アルミチタン（ＴｉＡｌＮ）コーティング膜を形成し、その上にダイヤモンドに似た物性を持つ炭化チタン系（ＴｉＣ／Ｃ），ダイヤモンドに以た物性を持つ炭化珪素系の非晶質膜（ＳｉＣ／Ｃ），炭化系クロム膜（ＣｒＣ／Ｃ），又は炭化系ホウ素膜（ＢＣ／Ｃ）の第二層コーティング膜を付加した超硬エンドミルとした。これにより、さらに、セミドライ、ウエット加工能力が向上し、さらには、ドライ加工も可能なエンドミルを提供するものとなった。さらに、請求項５に記載の発明においては、第一層及び第二層ともダイヤモンドに以た物性を持つ炭化珪素系の非晶質膜（ＳｉＣ／Ｃ），炭化系クロム膜（ＣｒＣ／Ｃ），又は炭化系ホウ素膜（ＢＣ／Ｃ）のコーティング膜を付加してもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態を示す３枚刃超硬エンドミルの側面図、図２は図１のエンドミルの底刃形状、図３は図２に示す超硬エンドミル底刃中心部の部分拡大図である。図４は図２のＢ−Ｂ線断面を示し、エンドミル１の底刃すくい面１７および底刃ギャッシュ底面１２と直角に交わる平面で切断した断面形状、図５は図１のＡ−Ａ線断面を示し、エンドミル１の有効刃長８の範囲内で中心軸に直角な平面で切断した断面形状である。外周切れ刃３の一方に底刃２、他方に首部６およびシャンク７が順次設けられている。この例では外周切れ刃３の外径１９はφ１０ｍｍの場合について説明する。図２において、底刃ギャッシュ１２が均等に配分された等底刃２に、図３において底刃中心部の心残し量１３を０．２ｍｍ、底刃ランドの最小幅１４を０．１５ｍｍに、図４において底刃ギャッシュ角ρ（図示せず、ＪＩＳ　Ｂ　０１７２　６０３２参照）は４０°、底刃アキシャルレーキ１５を４°、底刃すくい面と底刃ギャッシュ底面とのなす角度１６を９０°になるよう底刃を形成している。次に、図５において、逃げ面４のランド幅Ｌ１を３．１ｍｍとし、刃溝５の幅Ｌ２を６．１として、ランド幅と刃溝幅との比率を１：２に、心厚１８を５０％に、そして刃溝形状が中凹Ｒ形状になるように刃溝５を形成している。刃溝５のねじれ角２０は４５°である。さらに、図１に示すように首付きとし、全長１０からシャンク７の長さを除いた首下の長さ９を外周切れ刃３の外径１９の４倍とした。なお、より好ましくは首径を外周切れ刃の外径の９２％〜９８％がよく、本発明の実施の形態においては、首径１１を外周切れ刃の外径の９７％とした。シャンク７の径２１は外径１９と同じであるが、異なってもよいことはいうまでもない。
【００１４】
また、本発明の実施の形態に係る本発明品の超硬エンドミルは、母材には，ＷＣ９４．４％，Ｃｏ５％，その他０．６％の超微粒子超硬合金を使用し、少なくとも図１に示す刃部８の範囲に、第一層に炭化チタン（ＴｉＣ）又は窒化アルミチタン（ＴｉＡｌＮ）コーティング膜を形成して耐摩耗性を確保したのち、その上にダイヤモンドに似た物性を持つ炭化珪素系の非晶質膜（ＳｉＣ／Ｃ）の第二層コーティング膜を付加しアルミニウム合金に対する耐溶着性を向上させている。なお、本発明の実施の形態ではコーティング被膜を施しているが、例えば切削油剤を使用するとして切れ刃への被削材の溶着の程度が実用上問題が無ければ表面処理を施さない無処理のまま使用してもよいこと、また同実施形態においては深彫り加工が可能な首を有する仕様としているが、深彫り加工の必要が無い場合には従来品と同様に首を付けないでもよいことは言うまでもない。
【００１５】
【実施例】
前述した実施の形態に示した切り屑排出溝を広くかつ均等に配置し、良好な切り屑排出性を得る刃溝形状および耐摩耗性と耐溶着性を向上させるコーティング被膜を施した本発明の超硬エンドミルと、従来品の超硬エンドミルとの比較テストを行った。比較する従来品の超硬エンドミルの母材には，ＷＣ９０％，Ｃｏ８．５％，その他１．５％の超微粒子超硬合金を使用した。なお、従来品においては切れ刃部の表面にコーティング等は施していない。エンドミル外径はφ１０ｍｍとし、被削材圧延アルミＡ５０５２に対して、穴深さが外径の１倍の穴あけ送り速度限界性能試験を実施した。切削速度は２２０ｍ／ｍｉｎ（回転数７，０００ｍｉｎ^−１）とした、ドライ加工および水溶性切削液を使用したウェット加工による加工結果を図１０に示す。同図（ａ）のドライ加工結果では本発明品が従来品の２．５倍、同図（ｂ）のウェット加工結果では、本発明品が従来品の８倍以上にまで限界送り速度が向上している。
【００１６】
次に、同じＡ５０５２の被削材に対し高さが外径の２．５倍で長さが３００ｍｍの壁面を側面切削した結果を示す。外径φ１０ｍｍのエンドミルを使用し図１１に示すように上下２段に分けて加工する方法を採用した。切削速度を２５０ｍ／ｍｉｎ（Ｓ＝８，０００ｍ／ｍｉｎ）、送り速度を２，１５０ｍｍ／ｍｉｎ、軸方向の切り込みを下段は１２ｍｍ、上段は１３ｍｍ、径方向の切り込みを１ｍｍ、エンドミルの突き出し量を４２ｍｍとした。壁面の高さおよびエンドミルの送り方向、そして底面の面粗さを測定した結果を図１２に、壁面の倒れを測定した結果を図１３に示す。これらの結果より、本発明品は突き出し量が外径の４倍で加工面の倒れが生じやすい状況下にあっても、図１２に示すように、最大面粗さＲｙが３〜５μｍ程度であり、良好な加工面が得られる。また、図１４に示すように壁面の倒れが無く、しかも上下のつなぎ目が生じない加工が可能であることが示された。これに対し、従来のものは刃長が２２ｍｍであり、図１１に示すような壁高さの高いワークの加工は不可能である。
【００１７】
さらに、他の加工例として、深さ４Ｄの高能率深彫り加工をドライ切削により実施した例を示す。エンドミル径φ３ｍｍの本発明品を使用し、深さ方向に３ｍｍづつ４回に分けて縦５０ｍｍ×横６０ｍｍのポケット加工を行った。切削速度を２３６ｍ／ｍｉｎ（Ｓ＝２５，０００ｍ／ｍｉｎ）、送り速度を１，５００ｍｍ／ｍｉｎ、軸方向の切り込みを３ｍｍｘ４回、径方向の切り込みを０．３ｍｍ、エンドミルの突き出し量を１２ｍｍとした。図１４の加工結果に示すように、ドライ切削においても深さ４Ｄの高能率深彫り加工が可能であり、しかも光沢のある加工面が得られている。従来のものでは、このような深穴の高能率加工は実現不可能である。
【００１８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明においては、アルミニウム加工に応じた剛性を確保しながら、従来品に対して底刃の切りくず排出溝を広くかつ均等に配置したことによって良好な切り屑排出性が得られ、高速かつ高送り条件で穴あけから溝への連続加工が可能になり、さらには、耐摩耗性および耐溶着性を向上させるコーティング被膜を施したことによって、アルミニウム合金のドライ切削が可能になり、しかも切れ刃への溶着が少なく長寿命を保ち、かつ表面性状も良好な加工が可能となった。高能率加工が可能であり、かつ切削油剤を使用しないためにコストダウンが図られ、対環境性も向上する等の効果を奏するものとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す３枚刃超硬エンドミルの側面図である。
【図２】本発明の実施の形態を示す３枚刃超硬エンドミルの底刃形状である。
【図３】図２の中心部の部分拡大図である。
【図４】本発明の実施の形態を示す３枚刃超硬エンドミルの図２のＢ−Ｂ線断面を示し、底刃すくい面および底刃溝底面と直角に交わる平面で切断した断面形状である。
【図５】本発明の実施の形態を示す３枚刃超硬エンドミルの図１のＡ−Ａ線断面を示し、有効刃長の範囲内の中心軸に直角な平面で切断した断面形状である。
【図６】従来の３枚刃超硬エンドミルの側面図である。
【図７】従来の３枚刃超硬エンドミルの底刃形状である。
【図８】従来の３枚刃超硬エンドミルの図７のＤ−Ｄ線断面を示し、底刃すくい面および底刃溝底面と直角に交わる平面で切断した断面形状である。
【図９】従来の３枚刃超硬エンドミルの図６のＣ−Ｃ線断面を示し、有効刃長の範囲内の中心軸に直角な平面で切断した断面形状である。
【図１０】本発明品と従来品との穴あけ性能比較結果であり、（ａ）はドライ加工、（ｂ）はウエット加工の場合の結果である。
【図１１】本発明による高さ２５ｍｍの壁面を加工した際の加工法である。
【図１２】本発明品を用いて図１１に示す方法で加工した際の加工面粗さ測定結果であり、（ａ）は底面、（ｂ）は壁面の軸方向（図で縦方向）、（ｃ）は壁面の送り方向（図で横方向）であり、Ｒａは中心線平均粗さ、Ｒｙは最大面粗さ、Ｒｚは１０点平均粗さである。
【図１３】本発明品を用いて図１１に示す方法で加工した際の、壁面の倒れを測定した結果である。
【図１４】本発明品を用いて高能率深彫りポケット加工をドライで実施した際のワーク加工面を示す写真である。
【符号の説明】
１　　エンドミル
２　　底刃（切れ刃）
３　　外周切れ刃
４　　外周刃逃げ面
５　　外周刃刃溝
６　　首下
７　　シャンク
８　　有効刃長（コーティング範囲）
９　　首下長さ
１０　全長
１１　首径
１２　底刃ギャッシュ底面（底刃の刃溝底面）
１３　心残し量
１４　底刃ランド最小幅
１５　底刃アキシャルレーキ
１６　底刃すくい面と底刃ギャッシュ底面とのなす角度
１７　底刃すくい面
１８　心厚
１９　外周切れ刃の外径
２０　刃溝ねじれ角
Ｌ１　ランド幅
Ｌ２　（外周刃刃溝の）溝幅

Claims (5)

1. 外周に刃溝ねじれ角を有する３枚刃超硬エンドミルにおいて、底刃ギャッシュが均等に配分された等底刃とし、底刃中心部の心残し量を０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍとし、底刃ランドの最小幅を０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍとし、底刃ギャッシュ角を３０°〜５０°とし、底刃アキシャルレーキを０°〜８°とし、底刃すくい面と底刃ギャッシュ底面とのなす角度を８０°〜１００°としたことを特徴とする超硬エンドミル。
2. 前記エンドミル切れ刃の軸直角断面でみて、ランド幅と溝幅の比率を１：２〜１：４とし、前記刃溝を中凹Ｒ形状とし、心厚は外径の４５％〜５５％とし、前記刃溝ねじれ角を４０°〜６０°としたことを特徴とする請求項１記載の超硬エンドミル。
3. 前記超硬エンドミルは首付きであって、全長からシャンク長を除いた首下の長さを外周切れ刃の外径の３倍以上としたことを特徴とする請求項１または２記載の超硬エンドミル。
4. 前記超硬エンドミルの刃部に、第一層に炭化チタン（ＴｉＣ）又は窒化アルミチタン（ＴｉＡｌＮ）コーティング膜を形成し、その上にダイヤモンドに似た物性を持つ炭化チタン系（ＴｉＣ／Ｃ），ダイヤモンドに以た物性を持つ炭化珪素系の非晶質膜（ＳｉＣ／Ｃ），炭化系クロム膜（ＣｒＣ／Ｃ），又は炭化系ホウ素膜（ＢＣ／Ｃ）の第二層コーティング膜を付加したことを特徴とする請求項１、２または３記載の超硬エンドミル。
5. 前記超硬エンドミルの刃部に、第一層及び第二層にダイヤモンドに以た物性を持つ炭化珪素系の非晶質膜（ＳｉＣ／Ｃ），炭化系クロム膜（ＣｒＣ／Ｃ），又は炭化系ホウ素膜（ＢＣ／Ｃ）のコーティング膜を付加したことを特徴とする請求項１、２または３記載の超硬エンドミル。

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