JP7139266B2

JP7139266B2 - エンドミル

Info

Publication number: JP7139266B2
Application number: JP2019030835A
Authority: JP
Inventors: 潤江藤; 絋和海野
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2022-09-20
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: JP2020131397A; US20220001466A1; WO2020170689A1

Description

本発明は、エンドミルに関するものである。

胴体又は主翼のスキンなどの板状の航空機構造用部品を製造する場合、板状部材（ワーク）に対して、切削加工によって複曲面を形成することがある。複曲面の形成は、ボールエンドミル又はラジアスエンドミルを用いて、等高線加工又は筋彫り加工を行うことが一般的である。

切削工具には、ボールエンドミル又はラジアスエンドミルと異なり、外周刃又は底刃において曲面凸形状の円弧部分を有し、当該円弧部分の曲率半径が大きいバレル工具又はレンズ工具と呼ばれるものがある。下記の特許文献１～３には、外周刃及び底刃の両方において曲率を有する工具が開示されている。

特許第６２７８１７０号公報米国特許第６６８４７４２号明細書米国特許出願公開第２０１０／０１７２７０３号明細書

底刃において曲面凸形状の円弧部分を有するレンズ工具は、ワークに対して底面（面形状）を形成する場合に用いられる。これにより、ボールエンドミルを用いる場合よりも送り間隔（ピックフィード）を大きくすることができ、加工時間の削減や、面粗度の向上を図ることができる。

レンズ工具において、工具中心に切削刃が設けられている場合、切削時、中心では切削速度が０（ゼロ）の領域が発生する。そのため、切削加工の結果、バリが生じる。

また、複曲面を有する加工品を形成する場合、ＣＡＭ制御や加工装置の制約によって、エンドミルを傾けることが困難である。その場合、先端点制御（工具中心制御）によって、切削加工を実施する必要がある。

ラジアスエンドミルのように、工具中心に切削刃を設けない構成とすることが考えられる。しかし、レンズ工具では、ラジアスエンドミルと異なり、底刃が曲率を有するため、中心近傍が削り残しとなる。その結果、工具中心近傍の刃形状が仕上げ面に転写されてしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、複曲面に対して、高送り可能でありながら良好な仕上げ面性状に加工することが可能なエンドミルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のエンドミルは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るエンドミルは、曲面凸形状かつ円弧形状に形成され、加工目標の面形状部分を形成する、レンズ部である底刃と、隅部に設けられて、前記底刃の円弧部分よりも半径が小さい円弧形状に形成され、前記加工目標のフィレット形状部分を形成するラジアス刃とを備え、前記底刃は、エンドミル軸上に刃部分が形成されていない領域を有し、前記底刃の前記領域において、前記底刃の円弧部分よりも半径が小さい円弧形状に形成された中心刃を更に備え、前記底刃の円弧部分の半径は、前記エンドミル軸に対して垂直方向の工具径よりも大きいことを特徴とする。

この構成によれば、底刃において、エンドミル軸上に刃部分が形成されていない領域が設けられて、切削速度が０（ゼロ）となる切削刃がないため、バリの発生を低減できる。
エンドミル軸上に刃部分が形成されていない領域には、中心刃が、底刃の円弧部分よりも半径が小さい円弧形状に形成されている。これにより、中心刃が設けられていない場合と比べて、面粗さを抑制できる。

上記発明において、前記領域のエンドミル軸方向に対して垂直方向の直径は、前記加工目標とする形状のうち面形状部分が目標範囲内の形状に形成されるように設定されてもよい。

この構成によれば、設定された、エンドミル軸上に刃部分が形成されていない領域のエンドミル軸方向に対して垂直方向の直径によって、加工目標とする形状のうち面形状部分が目標範囲内の形状（目標とする形状に基づいて決定される範囲）に形成される。

上記発明において、前記底刃の円弧部分の半径は、前記加工目標とする形状のうち面形状部分が目標範囲内の形状に形成されるように設定されてもよい。

この構成によれば、設定された底刃の円弧部分の半径によって、加工目標とする形状のうち面形状部分が目標範囲内の形状に形成される。

上記発明において、前記中心刃のエンドミル軸方向に対して垂直方向の直径は、前記中心刃のエンドミル軸方向に対して垂直方向の直径をＣＤ、前記中心刃の切削速度をＣＶｃ、エンドミルの主軸回転数をＳ、前記中心刃の許容切削速度をＶｃｌｉｍとすると、以下のように設定されてもよい。
ＣＤ＝ＣＶｃ／（π×Ｓ）ただし、ＣＶｃ≧Ｖｃｌｉｍ

この構成によれば、設定された、エンドミル軸上に刃部分が形成されていない領域のエンドミル軸方向に対して垂直方向の直径によって、中心刃の切削速度が許容最小切削速度以上となるように設定されている。

上記発明において、前記中心刃の円弧部分の半径は、切削加工時において擦れが生じないように設定されてもよい。

この構成によれば、設定された中心刃の円弧部分の半径によって、切削加工時において擦れが生じない。

上記発明において、前記中心刃の数が、加工目標とする形状のうち面形状部分が要求面粗度以下に形成されるように設定されてもよい。

この構成によれば、設定された中心刃の数によって、加工目標とする形状のうち面形状部分が要求面粗度以下に形成される。

本発明によれば、複曲面に対して、高送り可能でありながら良好な仕上げ面性状に加工することができる。

本発明の一実施形態に係る加工装置を示す構成図である。ワークを示す斜視図である。ワークを示す部分拡大平面図である。本発明の一実施形態に係る加工装置のエンドミルを示す概略図である。本発明の一実施形態に係る加工装置のエンドミルの底刃及び中心刃を示す部分拡大概略図である。本発明の一実施形態に係る加工装置のエンドミルの底刃及び中心刃を示す部分拡大概略図である。本発明の一実施形態に係る加工装置のエンドミルを示す底面図である。本発明の一実施形態に係る加工装置のエンドミルの底刃及び中心刃を示す部分拡大概略図であり、中心刃において中心刃ノーズ部が設けられていない例を示している。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の一実施形態に係る加工装置１は、図１に示すように、例えば、エンドミル２と、駆動部３と、制御部４を備える。加工装置１は、エンドミル２によって、ワーク５０を切削して、ワーク５０に所定の形状を形成する。本実施形態における所定の形状は、特に、ワーク５０に対して深さ方向に形成された凹状形状である。ワーク５０は、例えばアルミニウム合金、チタン合金などの金属材料である。

図１～図３に示すように、例えば、ワーク５０は、板状部材であり、ワーク５０の強度を確保するため、一面側において高さ方向（厚さ方向）に突出したリブ５１が形成され、リブ５１に囲まれた領域が薄肉に形成される。この場合、リブ５１の最上面以外の領域が、凹状形状を有する。凹状形状は、凹状部分の底部に形成された面形状部分５２を有する。そして、凹状形状は、面形状部分５２とリブ５１の接続部には、強度向上のため、丸みのないピン角とするのではなく、フィレット形状部分５３が設けられる。

面形状部分５２は、曲率のない平面でもよいし、曲率を有する曲面形状でもよい。フィレット形状部分５３は、所定の半径を有する円弧形状である。フィレット形状部分５３のうち一端側は、面形状部分５２と連続的に形成され、フィレット形状部分５３のうち他端側は、リブ５１の側壁面を構成する、又は、リブ５１の側壁面と連続的に形成される。

面形状部分５２とフィレット形状部分５３の境界部５４は、面形状部分５２の曲率（曲率が０（ゼロ）である平面の場合を含む。）と、フィレット形状部分５３の曲率とが変化する部分である。

エンドミル２は、軸線周りに回転しながら、軸線方向又は送り方向に移動することによって、ワーク５０を切削できる。エンドミル２は、図４に示すように、曲面凸形状に形成された底刃２Ａと、隅部に設けられて円弧形状に形成されたラジアス刃２Ｂとを有し、底刃２Ａは、エンドミル２の軸上に底刃２Ａが形成されていない領域を有する。また、当該領域において、エンドミル２は、底刃２Ａの円弧部分よりも曲率半径が小さい円弧形状に形成された中心刃２Ｃを有する。

底刃２Ａは、エンドミル２の軸線上部分が最も下方に位置するように突出しており、所定の半径（ラジアス）を有する円弧形状に形成されている。ラジアス刃２Ｂは、底刃２Ａの外周側隅部に設けられ、所定の半径（ラジアス）を有する円弧形状に形成されている。底刃２Ａの円弧部分の半径は、エンドミル２の工具径（外径）よりも大きく、いわゆるボールエンドミルの円弧部分の半径よりも大きい。

駆動部３は、複数のモータや、エンドミル２を切り換える構成を有する切換部などを備える。主軸モータは、電力を受けて駆動し、エンドミル２を軸線周りに回転させる。移動用モータは、電力を受けて駆動し、エンドミル２を軸線方向又は軸線方向に対して垂直方向（送り方向）に移動させる。

制御部４は、例えば、面形成部５と、フィレット形成部６などを有する。

面形成部５は、底刃２Ａによってワーク５０に対して加工目標とする形状のうち面形状部分５２を形成するように駆動部３を制御する。フィレット形成部６は、ラジアス刃２Ｂによってワーク５０に対してフィレット形状部分５３を１回のパスで形成するように駆動部３を制御する。

制御部４は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

ワーク５０に対して加工目標とする形状は、凹状形状であり、凹状形状は、面形状部分５２と、面形状部分５２に隣接するフィレット形状部分５３を有する。

次に、本実施形態に係るエンドミル２の形状について説明する。
本実施形態のエンドミル２によれば、底刃２Ａにおいて、エンドミル２の軸上に刃部分が形成されていない領域が設けられて、切削速度が０（ゼロ）となる切削刃がないため、バリの発生を低減できる。

また、エンドミル２の軸上に刃部分が形成されていない領域には、中心刃２Ｃが、底刃２Ａの円弧部分よりも半径が小さい円弧形状に形成されている（中心刃ノーズ部）。これにより、図８に示すように、中心刃２Ｃにおいて円弧形状の中心刃ノーズ部が設けられていない場合と比べて、面粗さを抑制できる。

エンドミル２のラジアス刃（ノーズ部）２Ｂの曲率半径（ノーズ径）をＮＲ、底刃（レンズ部）２Ａの曲率半径（レンズ径）をＬＲ、底刃２Ａが占める領域のエンドミル２の軸方向に対して垂直方向の直径（底刃径）をＬＤとする。

図５に示すように、底刃２Ａにおいて、エンドミル２の軸上に刃部分が形成されていない領域のエンドミル２の軸方向に対して垂直方向の直径（中心刃径）をＣＤ、中心刃２Ｃの円弧部分の半径（中心刃ノーズ径）をＣＲとする。中心刃径ＣＤと、中心刃ノーズ径ＣＲは、以下のとおり、決定される。

中心刃径ＣＤは、以下の２項目を満たす必要がある。
底刃２Ａにおいてエンドミル２の軸上に刃部分が形成されていないことによって、底刃２Ａにおいて刃部分が形成されている場合に比べて、工具長が短縮する。この工具長短縮量をＤｌとすると、工具長短縮量Ｄｌは、工具長許容公差ｌ以下とする。
Ｄｌ ≦ ｌ
工具長許容公差ｌは、加工精度に応じて設定され、例えば－０．０１ｍｍである。なお、工具長短縮量Ｄｌは、下記の式で表される。

また、中心刃２Ｃの切削速度ＣＶｃは、許容切削速度Ｖｃｌｉｍ以上とする。
ＣＶｃ ≧ Ｖｃｌｉｍ
例えば、許容切削速度Ｖｃｌｉｍは、切削加工時において、ワークに対する溶着が発生しない切削速度である。中心刃２Ｃの切削速度ＣＶｃは、下記の式で表される。

ここで、Ｓは、エンドミル２の主軸回転数である。

許容切削速度Ｖｃは、ワークがアルミニウム合金の場合、Ｖｃｌｉｍ＝１００ｍ／ｍｉｎ以上とする。加工装置１が高速の回転数を実現できる場合、例えばＳ＝３０，０００ｍｉｎ－１以上に到達できるため、中心刃径ＣＤは、１ｍｍ以上とする。
ＣＤ ≧ １ｍｍ

工具長短縮量Ｄｌは、レンズ曲率半径ＬＲと、中心刃径ＣＤの関数によって定まる値であり、
Ｄｌ＝ｈ（ＬＲ，ＣＤ）
である。
したがって、工具長短縮量Ｄｌが所定値Ｄｌ１であるときのレンズ曲率半径ＬＲと、中心刃径ＣＤの関係である関数ｈが定まる。

関数ｈによって、レンズ曲率半径ＬＲごとに、工具長短縮量Ｄｌが所定値Ｄｌ１以下となる中心刃径ＣＤの範囲が決まる。よって、工具長短縮量Ｄｌが所定値Ｄｌ１以下となるように、あるレンズ曲率半径ＬＲについて中心刃径ＣＤを適宜選定すればよい。

中心刃ノーズ径ＣＲは、中心刃２Ｃの逃げ量ｔに基づいて定まる。
中心刃２Ｃの逃げ量ｔは、中心刃径ＣＤと、中心刃ノーズ径ＣＲの関数によって定まる値であり、

である。
したがって、逃げ量ｔが所定値ｔ１であるときの中心刃径ＣＤと、中心刃ノーズ径ＣＲの関数ｇが定まる。中心刃径ＣＤに対して、ある逃げ量ｔを満たすＣＲの範囲は、

であるから、

である。

関数ｇによって、中心刃径ＣＤごとに、逃げ量ｔが所定値ｔ１以上となる中心刃ノーズ径ＣＲの範囲が決まる。よって、逃げ量ｔが所定値ｔ１以上となるように、ある中心刃径ＣＤについて中心刃ノーズ径ＣＲを適宜選定すればよい。

次に、面粗度ＣＲｚの算出と、中心刃数ｎの決定方法について説明する。
面粗度ＣＲｚは、レンズ曲率半径ＬＲと、中心刃ノーズ径ＣＲと、中心刃１刃当たりの送りＣｆｚの関数によって定まる値であり、
ＣＲｚ＝ｆ（ＬＲ，ＣＲ，Ｃｆｚ）
である。

図６に示すように、面粗度ＣＲｚは、中心刃２Ｃの断面曲線と、底刃２Ａの断面曲線の交点のｙ座標である。
中心刃２Ｃの断面曲線は、

で表される。
底刃２Ａの断面曲線は、

で表される。
したがって、

である。

中心刃１刃当たりの送りＣｆｚは、工具１刃当たりの送り量ｆｚと、工具刃数Ｎと、中心刃数ｎによって表される。

面粗度ＣＲｚが最大値となるのは、加工目標とする面形状部分５２が平面であるときであり、要求面粗度Ｒｚに対してＣＲｚは、以下の式を満たす必要がある。
ＣＲｚ ≦ Ｒｚ÷α
ここで、αは、安全係数であり、例えば４である。

上式よりＣｆｚの最大値が求まる。このとき、切削送りＦは、
Ｆ＝Ｓ×ｆｚ×Ｎ
で表される。なお、Ｓは、回転数である。
ｆｚ、Ｎは、工具、加工機、ワークにより設定された値とすると、中心刃数は、以下の式で決定することができる。

以上より、面粗度ＣＲｚが所定値ＣＲｚ１以下であるときのレンズ曲率半径ＬＲと、中心刃ノーズ径ＣＲ、中心刃１刃当たりの送りＣｆｚとに関する関数ｆが定まる。

中心刃１刃当たりの送りＣｆｚごとに、面粗度ＣＲｚが所定値ＣＲｚ１以下であるときのレンズ曲率半径ＬＲと、中心刃ノーズ径ＣＲの関数ｆが定まる。中心刃１刃当たりの送りＣｆｚが小さい場合は、高い仕上げ面性状を得るため、レンズ曲率半径ＬＲが小さい場合を除いて、中心刃ノーズ径ＣＲに関わらず、広範囲のレンズ曲率半径ＬＲを選定できる傾向にある。他方、中心刃１刃当たりの送りＣｆｚが大きい場合は、高い仕上げ面性状を得るため、中心刃ノーズ径ＣＲに関わらず、比較的大きいレンズ曲率半径ＬＲを選定する必要がある。

切削送りＦを大きくして加工能率を下げずに、面粗度ＣＲｚを小さくして高い仕上げ面性状を得るためには、以下の２通りの対処方法がある。
すなわち、（１）中心刃１刃当たりの送りＣｆｚが小さい場合、レンズ曲率半径ＬＲと中心刃ノーズ径ＣＲの適切な組み合わせを選定して、面粗度ＣＲｚを小さくする方法、（２）中心刃１刃当たりの送りＣｆｚが大きい場合、中心刃数ｎを適切に選定して、中心刃１刃当たりの送りＣｆｚを小さくする方法がある。

以下の表に、工具刃数Ｎが４で、工具刃１刃当たりの送り量がｆｚである場合に、中心刃数ｎを変化させたときの中心刃１刃当たりの送りＣｆｚを示す。また、図７には、工具刃数Ｎ＝４で、中心刃数ｎがそれぞれ異なるエンドミル２の例を示している。

工具刃数Ｎに対する中心刃数ｎの割合が大きいほど、中心刃１刃当たりの送りＣｆｚを小さくすることができる。工具刃数Ｎに対する中心刃数ｎの割合が小さいほど、中心刃１刃当たりの送りＣｆｚが大きくなる。工具刃１刃当たりの送り量ｆｚを大きくすれば、高速加工が可能になる。したがって、中心刃１刃当たりの送りＣｆｚを小さくするため、工具刃数Ｎを減らせばよい。しかし、この方法は、レンズ曲率半径ＬＲが大きい場合に限られる。

レンズ曲率半径ＬＲが小さい場合は、中心刃数を１として工具刃数Ｎに対する中心刃数ｎの割合を小さくしても、所望の仕上げ面性状を得られない場合がある。その場合において、工具刃１刃当たりの送り量ｆｚや工具刃数Ｎが加工制約によって変更できないときは、中心刃数ｎを増やして、その条件下で中心刃１刃当たりの送りＣｆｚを小さくする。

以上、本実施形態によれば、どのような曲率半径の面形状部分（複曲面）５２であっても、良好な仕上げ面性状を得ることができ、効率良く加工することが可能な工具を得ることができる。そして、この工具により、複曲面に対して、高送り可能でありながら良好な仕上げ面性状に加工することができる。

１：加工装置
２：エンドミル
２Ａ：底刃
２Ｂ：ラジアス刃
２Ｃ：中心刃
３：駆動部
４：制御部
５：面形成部
６：フィレット形成部
５０：ワーク
５１：リブ
５２：面形状部分
５３：フィレット形状部分
５４：境界部

Claims

曲面凸形状かつ円弧形状に形成され、加工目標の面形状部分を形成する、レンズ部である底刃と、
隅部に設けられて、前記底刃の円弧部分よりも半径が小さい円弧形状に形成され、前記加工目標のフィレット形状部分を形成するラジアス刃と、
を備え、
前記底刃は、エンドミル軸上に刃部分が形成されていない領域を有し、
前記底刃の前記領域において、前記底刃の円弧部分よりも半径が小さい円弧形状に形成された中心刃を更に備え、
前記底刃の円弧部分の半径は、前記エンドミル軸に対して垂直方向の工具径よりも大きいことを特徴とするエンドミル。
前記領域のエンドミル軸方向に対して垂直方向の直径は、前記加工目標とする形状のうち面形状部分が目標範囲内の形状に形成されるように設定されている請求項１に記載のエンドミル。
前記底刃の円弧部分の半径は、前記加工目標とする形状のうち面形状部分が目標範囲内の形状に形成されるように設定されている請求項１に記載のエンドミル。
前記中心刃のエンドミル軸方向に対して垂直方向の直径は、前記中心刃のエンドミル軸方向に対して垂直方向の直径をＣＤ、前記中心刃の切削速度をＣＶｃ、エンドミルの主軸回転数をＳ、前記中心刃の許容切削速度をＶｃｌｉｍとすると、以下のように設定されている請求項１に記載のエンドミル。
ＣＤ＝ＣＶｃ／（π×Ｓ）ただし、ＣＶｃ≧Ｖｃｌｉｍ
前記中心刃の円弧部分の半径は、切削加工時において擦れが生じないように設定されている請求項２から４のいずれか１項に記載のエンドミル。
前記中心刃の数が、前記加工目標とする形状のうち面形状部分が要求面粗度以下に形成されるように設定されている請求項２から５のいずれか１項に記載のエンドミル。