JP7527796B2

JP7527796B2 - 多刃ボールエンドミル及び多刃ボールエンドミルの加工方法

Info

Publication number: JP7527796B2
Application number: JP2020011915A
Authority: JP
Inventors: 章義高橋; 善則白戸
Original assignee: NS Tool Co Ltd
Current assignee: NS Tool Co Ltd
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2024-08-05
Anticipated expiration: 2040-01-28
Also published as: JP2021115684A

Description

本発明は、工具本体先端の切刃部に底刃が３枚以上形成された多刃ボールエンドミル及び多刃ボールエンドミルの加工方法に関する。

一般に精密機械加工分野において、金型や精密部品等の高硬度材を切削加工するためにボールエンドミル等が用いられている。しかも、被削材の切削加工には、長時間安定して加工面を形成でき、高精度で高能率な切削加工が要求される。

例えば特許文献１に記載された３枚刃のボールエンドミルでは、工具本体の略半球状の切刃部の先端面に３枚の円弧状切刃が周方向に等間隔に形成されている。そして、各円弧状切刃の内周側に設けられたチゼル部には、各円弧状切刃の内側端部から工具本体の中心軸線に向けてチゼル刃が形成されている。このチゼル刃は円弧状切刃の回転軌跡のなす半球形状を超えない範囲で形成され、しかもチゼル刃の中心軸線方向の幅はチゼル刃に沿って中心軸線に向かうにしたがって次第に小さくなるよう形成されている。

特許第４６７７７２２号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載されたボールエンドミルは等間隔に配列された３枚のチゼル刃と３枚の円弧状切刃によって被削材の切削加工を行うため、加工面に接触する切刃が多くなると振動が増大して加工精度を低下させる恐れがある。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、３枚以上の多刃を備えていても切削時の振動を抑制して高精度に切削加工できるようにしたボールエンドミル及び多刃ボールエンドミルの加工方法を提供することを目的とする。

本発明による多刃ボールエンドミルは、中心軸線回りに回転可能な工具本体の先端側に切刃部を備えた多刃ボールエンドミルにおいて、切刃部の先端面に形成されていて円弧状部分を有する３枚以上の底刃と、底刃の回転方向前方側に形成されていて底刃のすくい面を有するギャッシュ溝と、底刃の回転方向後方側に形成された逃げ面と、底刃の先端側端部にそれぞれ形成されていて中心軸線方向に延び、すくい面が凹曲面状であることで中心軸線方向の刃厚の変化を抑制して起立する３枚以上のチゼル刃と、を備え、底刃は不等分割形状とされていると共に隣り合う底刃同士の角度差は２０°以内に設定され、前記底刃の逃げ角が１８°以上に設定され、前記底刃のすくい角は０°超から１５°の範囲に設定されていること特徴とする。
本発明によれば、工具本体を高速回転させて底刃及びチゼル刃によって切削加工でき、効率よく荒加工ができる。しかも、底刃を不等分割形状にしたため切削時の共振を防いで振動を抑制できると共に、底刃同士の角度差を２０°以内に設定したため切削のバランスを確保できる。

本発明による多刃ボールエンドミルは、中心軸線回りに回転可能な工具本体の先端側に切刃部を備えた多刃ボールエンドミルにおいて、切刃部の先端面に形成されていて円弧状部分を有する３枚以上の底刃と、底刃の回転方向前方側に形成されていて底刃のすくい面を有するギャッシュ溝と、底刃の回転方向後方側に形成された逃げ面と、底刃の先端側端部に形成されるとともに、内部に刃が形成されていない凹部と、を備え、底刃は不等分割形状とされていると共に隣り合う底刃同士の角度差は２０°以内に設定され、前記底刃の逃げ角が１８°以上に設定され、前記底刃のすくい角は０°超から１５°の範囲に設定されていることを特徴とする。
本発明によれば、切刃部に設けた底刃の中心側領域に凹部を形成したため、軸方向の切削時に凹部による削り残しが生じるが横送りによって削り残しを切除して切削加工でき、仕上げ加工の精度が高い。また、底刃を不等分割形状にしたため切削時の共振を防いで振動を抑制できると共に、切削のバランスを確保できる。

また、底刃の逃げ角が１８°以上に設定されていることが好ましい。
また、底刃のすくい角は０°超から１５°の範囲に設定されていることが好ましい。
そのため、底刃の切削性を高めて切削抵抗を軽減できる。

本発明による多刃ボールエンドミルの加工方法は、中心軸線回りに回転可能な工具本体の先端側に切刃部を備えた多刃ボールエンドミルにおいて、切刃部の先端面を凹状に加工してギャッシュ溝を形成して３枚以上の底刃を不等分割形状に形成する工程と、ギャッシュ溝の先端側をレーザ光で更に凹溝状に加工することで、底刃の先端側のチゼル部に、すくい面を凹曲面状にすることで中心軸線方向の刃厚の変化を抑制して起立する３枚以上のチゼル刃をそれぞれ形成する工程と、を備え、前記底刃の逃げ角が１８°以上に設定され、前記底刃のすくい角は０°超から１５°の範囲に設定されていることを特徴とする。
本発明によれば、レーザ光は砥石より加工精度が高いので、ギャッシュ溝の先端側をレーザ光で加工することで中心軸線方向における刃厚の変化を抑制したチゼル刃を形成でき、切削時にチゼル刃が摩耗しても刃厚の拡大を抑制できるため切削精度が高く切削抵抗を抑えて剛性を確保できる。

本発明に係る多刃ボールエンドミルによれば、底刃及びチゼル刃は不等分割形状とされていると共に隣り合う底刃同士の角度差は２０°以内に設定されているため、切削加工時に共振によるボールエンドミルの振動を抑制してバランスよく高精度な仕上げ加工面が得られる。
本発明による多刃ボールエンドミルの加工方法によれば、ギャッシュ溝の先端側をレーザ光で凹溝状に加工することで、切削時に摩耗しても刃厚の拡大を抑制できるようにチゼル刃を形成したため、高い加工精度と剛性を確保できる。

本発明の第一実施形態によるボールエンドミルの切刃部を示す側面図である。図１に示すボールエンドミルの先端面図である。実施形態によるボールエンドミルの切刃部の要部斜視図である。ボールエンドミルのチゼル刃部分の拡大図である。実施例と従来例の試験例を示すもので、ボールエンドミルの底刃及びチゼル刃の加工前と加工後の先端面図である。第一実施形態の変形例によるボールエンドミルを示すもので、（ａ）はチゼル刃部分の側面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ－Ａ線断面図である。本発明の第二実施形態によるボールエンドミルの側面図である。図７に示すボールエンドミルの底刃を示す先端面図である。第二実施形態によるボールエンドミルの切刃部の要部斜視図である。

以下、本発明の各実施形態によるボールエンドミルについて添付図面に基づいて説明する。
図１乃至図５は本発明の第一実施形態による３枚刃を有する多刃のボールエンドミル１を示すものである。図１乃至図４において、本実施形態によるボールエンドミル１は、略円柱状に形成されていて中心軸線Ｏを中心に回転される工具本体２とその先端部にろう付けまたは一体に形成された切刃部３とを備えている。切刃部３は超硬合金、ｃＢＮ、ＰＣＤ(ダイヤモンド焼結体)等を適宜採用できる。本実施形態によるボールエンドミル１は、切刃部３の最大外径Ｄが０．３ｍｍ未満の小径のボールエンドミル１に用いられる。
このボールエンドミル１は小型で精密な機械部品や金型等の高硬度材や非鉄金属、一般鋼材等を切削加工するのに用いられる。本明細書では工具本体２の中心軸線Ｏに沿った切刃部３側を先端側、先端といい、主軸に連結する反対側を基端側、基端というものとする。

図１及び図２において、ボールエンドミル１の切刃部３は先端部が略半球状に形成されており、その周方向に所定間隔で基端側から先端側に向けて複数、例えば３つのギャッシュ溝４が凹状に形成されている。中心軸線Ｏを中心とした切刃部３の回転方向におけるギャッシュ溝４の後方には逃げ面６が形成され、ギャッシュ溝４と逃げ面６の交差稜線部には円弧状の底刃５が形成されている。底刃５は芯上がりに形成されている。ギャッシュ溝４における工具本体２の回転方向前方側を向く面は底刃５のすくい面７を形成している。

底刃５のすくい面７は、従来品のボールエンドミルではすくい角が－２０°～０°の範囲に設定されているが、本実施形態ではすくい角が０°超～１５°の範囲の正角に設定されている。すくい角を従来のものより強く設定することで切削性を高めて切削抵抗を軽減でき、しかも底刃５は芯上がりに形成されているため耐摩耗性と耐欠損性を高めることができる。
一方、すくい角が０°以下では上記効果を発揮できず、１５°を超えると刃物角が小さくなって刃先が欠けやすくなるという欠点がある。

また、底刃５の回転方向後方側に形成された逃げ面６の逃げ角は、従来品のボールエンドミルでは１８°以下に設定されているが、本実施形態では１８度超の正角に設定されている。逃げ角を従来品より大きく設定することで、底刃５の切削性を高めて切削抵抗を軽減し背分力を小さくすることができる。また、逃げ角が１８°以下であると底刃５の切削性が小さくなり切削抵抗が増大するという欠点がある。
切刃部３における底刃５のすくい面７を有するギャッシュ溝４はその基端側でフルート溝９に接続されており、フルート溝９はギャッシュ溝４と同一ねじれ角またはより大きいねじれ角によって回転方向後方側に捩じれている。そのため、切り屑はギャッシュ溝４から外部へ流れるか、またはフルート溝９へスムーズに流れて外部に排出される。

また、３枚の底刃５において、隣接する各底刃５間の周方向の角度をθ１、θ２、θ３として各底刃５は不等分割に設定されている。この場合、各角度θ１、θ２、θ３は少なくとも１つの角度が他の角度と相違していればよく、しかも角度差は２０°以下に制限されている。３枚以上の底刃５を有する多刃のボールエンドミル１において被削材の加工面に接触する底刃５が多くなると共振して工具本体２の振動が増大する。
しかし、周方向における各底刃５の間隔を不等角度に設定することで、共振させないように振動を抑制することができる。この場合、各底刃５間の角度θ１、θ２、θ３の差について２０°以下に設定することで切削加工時の負荷のバランスを確保でき、底刃５の間隔差による切削加工のアンバランスや振動を抑制できる。

また、図２に示す切刃部３の先端部において、３枚の底刃５の内側端部の間に形成される中心領域の内接円には中心軸線Ｏを含むチゼル部１０が設けられている。チゼル部１０には各底刃５の内側端部から中心軸線Ｏに向けて延びる３枚のチゼル刃１１が形成されている。図３及び図４に示す各チゼル刃１１は工具本体２の回転方向に凹曲線状に形成されている。なお、チゼル刃１１は直線状や凸曲線状でもよい。
各チゼル刃１１は円弧状の底刃５の中心軸線Ｏ周りの回転によって描く略半球状軌跡に沿ってまたはその内部に形成されている。３枚のチゼル刃１１は中心軸線Ｏ上で内側端部が結合するように形成したが、各チゼル刃１１は中心軸線Ｏ上で交差する必要はなく、互いにずれていてもよい。

本実施形態によるボールエンドミル１は上述した構成を有しており、次にチゼル刃１１の加工方法について説明する。
本実施形態によるボールエンドミル１の切刃部３において、例えば砥石によってギャッシュ溝４を先端側から基端側に向けて研削加工する。また、ギャッシュ溝４の回転方向後方側の逃げ面６を研削加工する。ギャッシュ溝４のすくい面７と逃げ面６を研削加工することによってその交差稜線部に底刃５を形成する。しかも、円弧状の底刃５は切刃部３における先端の中心領域には形成されず、この中心領域をチゼル部１０とする。３枚の底刃５は高速回転するため切刃部３の周辺領域の切削性を高めることができる。
中心軸線Ｏを含むチゼル部１０は略三角錘状に形成されている低速回転領域であるが、図４に示すように、砥石によって３枚のチゼル刃１１を例えば平面視凹曲線状に形成する。

次にボールエンドミル１を用いた被削材の切削加工方法について説明する。
ボールエンドミル１を中心軸線Ｏ回りに回転させつつ、等高線加工方法により被削材に直角の立壁加工を行う。切り込み時には切刃部３の底刃５で被削材を切削加工することで、生成された切り屑はギャッシュ溝４のすくい面７を走行して、基端側に流れて外部に排出される。
その際、切刃部３の外周面に形成された底刃５は０°超～１５°の範囲のすくい角と１８°超の逃げ角を有するため、切削抵抗の大きい荒加工でも底刃５による切削性が高く切削抵抗が軽減され、しかも耐摩耗性と耐欠損性を向上できる。また、３枚の底刃５は不等分割されているため加工時の振動を抑制できる。

また、切刃部３の先端部のチゼル部１０では、底刃５の内側端部にチゼル刃１１が接続されている。これらチゼル刃１１は低速回転させられるが、チゼル部１０は小さい領域であるため底刃５全体の剛性は確保される。また、仕上げ加工時には、切り込みが小さく切削抵抗が小さいため、中心のチゼル刃１１の擦れをなくして面粗さの小さい仕上げ加工面が得られる。

次に実施形態によるボールエンドミル１の実施例と従来例について行った切削加工試験について図５により説明する。
本試験例において、実施例は実施形態による３枚刃のボールエンドミル１を用い、従来例は２枚刃のボールエンドミルを用いて、それぞれ工作機械に装着して等高線加工を行った。工作機械の回転数を４００００ｍｉｎ^-１、実施例の送り速度は７５０ｍｍ／ｍｉｎ、従来例は５００ｍｍ／ｍｉｎとし、いずれも１刃当りの送り速度０．００６２５ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、ａｐ(Ｚ軸方向の切り込み量)は０．０１３ｍｍ、ａｅ（横方向の切り込み量)は０．０３６ｍｍとした。クーラントはオイルミストを使用した。

実施例と従来例についてそれぞれ１０分間被削材ＨＡＰ４０（６５ＨＲＣ）を加工し、加工後の切刃の摩耗量をそれぞれ加工前と比較すると、図５に示すようになった。加工後の切刃の摩耗量を比較すると、従来例はチゼル刃とその両側の底刃が全体に大きく摩耗しているのに対し、実施例ではチゼル刃は摩耗しているものの３枚の底刃５の摩耗量が小さいことを確認できる。

上述したように、本実施形態によるボールエンドミル１によれば、底刃５及びチゼル刃１１は不等分割形状とされていると共に隣り合う底刃同士の角度差は２０°以内に設定されているため、切削加工時にボールエンドミル１の振動を抑制して底刃５の切削バランスが良く、高精度な加工面が得られる。
また、底刃５は芯上がりに形成したため、チゼル刃１１の切削精度や加工精度、底刃５及びチゼル刃１１の剛性を確保することができる。

以上、本発明の実施形態によるボールエンドミル１及びその加工方法について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で他の実施形態や変形例を採用できることはいうまでもない。これらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
以下に本発明の他の実施形態や変形例について説明するが、上述した実施形態と同一または同様なものについては同一の符号を用いて説明を行うものとする。

図６（ａ）、（ｂ）は第一実施形態によるボールエンドミル１の変形例を示すものである。本変形例では、実施形態と同一構成の３枚刃の底刃５の内側に形成されたチゼル刃１１についてレーザ光で追加加工を行った。
各チゼル刃１１は芯上がりに形成された底刃５の各逃げ面６の延長面上に逃げ面１１ａが形成されている。しかも、ギャッシュ溝４の内側端部から中心軸線Ｏ側に向けて、図６（ａ）のハッチング部で示すように、レーザ光で更に凹溝状に切除した。これによって、チゼル刃１１のすくい角がより正角方向に大きくなったすくい面１１ｂが形成されている。特にギャッシュ溝４を内側に延長して略Ｖ字状またはＵ字状に切除することで凹曲線状のチゼル刃１１が形成されている。

各チゼル刃１１は円弧状の底刃５の中心軸線Ｏ周りの回転によって描く略半球状軌跡に沿ってまたはその内部に形成されている。しかも、図４及び図６に示すように、各チゼル刃１１は底刃５の逃げ面６の延長面からなる逃げ面１１ａと、ギャッシュ溝４の内側端部を更に中心軸線Ｏ側に向けて凹溝状に切除するすくい面１１ｂとの交差部に形成されている。
チゼル刃１１は図６（ｂ）の断面図に示すように、すくい面１１ｂを凹曲面状にえぐることで、切削加工時に摩耗したとしても刃厚が増大することを抑制できるように厚みが形成されている。チゼル刃１１は刃厚の変化を抑制しつつ中心軸線Ｏ方向前方に起立して形成されている。

図６（ａ）は、図４に示す切刃部３のチゼル部１０の部分の側面図である。このようなチゼル刃１１を備えたボールエンドミル１を用いて、被削材を切削加工することで、先端部のチゼル刃１１が二点鎖線ａで示すように摩耗したとしても、図６（ｂ）に示すようにチゼル刃１１の刃厚が拡大されることが抑制される。そのため、チゼル刃１１の切削抵抗は上がらない。しかも、チゼル刃１１の部分的な摩耗、損耗を生じるにすぎないため、底刃５全体の剛性と強度は維持される。

他方、従来のボールエンドミルでは、切削加工時にチゼル刃１１の摩耗が進行すると、ギャッシュ溝４がチゼル部１０における中心軸線Ｏ側に追加工されていないため、チゼル刃１１の刃厚が拡大して切削抵抗が増大するという欠点が生じる。
なお、本変形例では、３枚のチゼル刃１１は中心軸線Ｏ上で内側端部が結合するように形成したが、各チゼル刃１１は中心軸線Ｏ上で交差する必要はなく、互いにずれていてもよい。

本変形例によるボールエンドミル１によれば、中心軸線Ｏを含むチゼル部１０は低速回転領域であるが、３枚のチゼル刃１１を備えた略三角錘状に形成されている(図４参照)。しかも、ギャッシュ溝４のチゼル部１０側をレーザ光によって凹溝状に追加工することでチゼル刃１１の加工精度を高めることができる。なお、砥石の加工精度は最小値で直径０．０１５ｍｍ程度であるが、レーザ光は直径０．００５ｍｍ程度であるため、より先端側に高精度に加工できる。

従って、本変形例によれば、ギャッシュ溝４の先端側をレーザ光によって凹溝状に切削加工することによって、各チゼル刃１１のすくい面１１ｂ及び隣接するチゼル刃１１の逃げ面１１ａの領域を、チゼル刃１１が中心軸線Ｏ方向に突出する所定厚の刃厚を形成するように高精度に加工できる。これにより、被削材の切削加工によって各チゼル刃１１が摩耗したとしてもチゼル刃１１の刃厚の拡大を抑制できるため、切削抵抗の増大を抑制しチゼル刃１１の剛性を確保することができる。
また、チゼル部１０は小さい領域であるため底刃５全体の剛性は確保される。仕上げ加工時には、切り込みが小さく切削抵抗が小さいため、中心のチゼル刃１１の擦れをなくして面粗さの小さい仕上げ加工面が得られる。

また、ボールエンドミル１の加工方法によれば、チゼル刃１１のすくい面１１ｂ及び逃げ面１１ａをレーザ光によってギャッシュ溝４の先端側から高精度に切削加工できる。そのため、チゼル刃１１が摩耗したとしてもチゼル刃１１の刃厚の拡大と切削抵抗を抑制できる。

図７乃至図９は本発明の第二実施形態によるボールエンドミル２０を示すものであり、第一実施形態によるボールエンドミル１と同様な構成を有している。
本実施形態によるボールエンドミル２０は、チゼル部１０について第一実施形態によるボールエンドミル１と相違し、その余の構成では一致する。本第二実施形態では、ボールエンドミル２０の３枚の底刃５の内側端部に凹部２１が形成され、チゼル刃１１は形成されていない。この凹部２１は切刃部３の外周面に形成された３つのギャッシュ溝４に接続されて形成されている。凹部２１は切刃部３の先端部から中心軸線Ｏ方向基端側に凹んで形成されている。底刃５の内周側端部は先端側の中心部で接続されていない。底刃５は芯下がりに形成されている。

従って、本第二実施形態によるボールエンドミル２０によれば、切刃部３の低速回転する中心軸線Ｏを含む先端部に凹部２１が形成されているため、中心軸線Ｏ方向に送り切削する際に底刃５を摩耗することがない。その際、凹部２１の周縁部に設けられた３枚の底刃５は高速切削するため、底刃５を欠損することがなく切削性を向上できる。また、中心軸線Ｏ方向の送り切削の際、ボールエンドミル２０の凹部２１の部分では切削加工できないため、被削材が凸部として残るが、ボールエンドミル２０を横送りすることで残った凸部を含めて切削加工することができる。
そのため、本実施形態によるボールエンドミル２０は荒切削加工だけでなく仕上げ加工においても高精度な加工を行える。

なお、上述した各実施形態によるボールエンドミル１、２０において、切刃部３に形成する底刃５は３枚に限定されることなく、４枚以上でもよく、多刃ボールエンドミルを構成する。

１、２０ボールエンドミル
２工具本体
３切刃部
４ギャッシュ溝
５底刃
６逃げ面
７すくい面
１０チゼル部
１１チゼル刃
１１ａチゼル刃の逃げ面
１１ｂチゼル刃のすくい面
２１凹部
Ｏ中心軸線

Claims

中心軸線回りに回転可能な工具本体の先端側に切刃部を備えた多刃ボールエンドミルにおいて、
前記切刃部の先端面に形成されていて円弧状部分を有する３枚以上の底刃と、
前記底刃の回転方向前方側に形成されていて前記底刃のすくい面を有するギャッシュ溝と、
前記底刃の回転方向後方側に形成された逃げ面と、
前記底刃の先端側端部にそれぞれ形成されていて中心軸線方向に延び、すくい面が凹曲面状であることで中心軸線方向の刃厚の変化を抑制して起立する３枚以上のチゼル刃と、を備え、
前記底刃は不等分割形状とされていると共に隣り合う底刃同士の角度差は２０°以内に設定され、
前記底刃の逃げ角が１８°以上に設定され、
前記底刃のすくい角は０°超から１５°の範囲に設定されていることを特徴とする多刃ボールエンドミル。
中心軸線回りに回転可能な工具本体の先端側に切刃部を備えた多刃ボールエンドミルにおいて、
前記切刃部の先端面に形成されていて円弧状部分を有する３枚以上の底刃と、
前記底刃の回転方向前方側に形成されていて前記底刃のすくい面を有するギャッシュ溝と、
前記底刃の回転方向後方側に形成された逃げ面と、
前記底刃の先端側端部に形成されるとともに、内部に刃が形成されていない凹部と、を備え、
前記底刃は不等分割形状とされていると共に隣り合う底刃同士の角度差は２０°以内に設定され、
前記底刃の逃げ角が１８°以上に設定され、
前記底刃のすくい角は０°超から１５°の範囲に設定されていることを特徴とする多刃ボールエンドミル。
中心軸線回りに回転可能な工具本体の先端側に切刃部を備えた多刃ボールエンドミルにおいて、
前記切刃部の先端面を凹状に加工してギャッシュ溝を形成して３枚以上の底刃を不等分割形状に形成する工程と、
前記ギャッシュ溝の先端側をレーザ光で更に凹溝状に加工することで、前記底刃の先端側のチゼル部に、すくい面が凹曲面状であり中心軸線方向の刃厚の変化を抑制して起立する３枚以上のチゼル刃をそれぞれ形成する工程と、を備え、
前記底刃の逃げ角が１８°以上に設定され、
前記底刃のすくい角は０°超から１５°の範囲に設定されていることを特徴とする多刃ボールエンドミルの加工方法。