JP2018122365A

JP2018122365A - ボールエンドミル

Info

Publication number: JP2018122365A
Application number: JP2017014024A
Authority: JP
Inventors: 有輝居原田; Yuki Iharada
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2017-01-30
Filing date: 2017-01-30
Publication date: 2018-08-09

Abstract

【課題】ダイヤモンド焼結体等からなるボールエンドミルにおいて、微細で均一な結晶粒による刃部の形成を可能とし、加工面の仕上げ精度を高める。【解決手段】半球状のボール刃部２１を有するボールエンドミルであって、ボール刃部２１は、ダイヤモンド焼結体又は立方晶窒化ホウ素焼結体からなる先端側刃部２３と、超硬合金からなる基端側刃部２４とが、ボール刃部２１の軸心Ｃに沿って連続して形成されており、ボール刃部の半径が０．５ｍｍ以上であり、先端側刃部の軸心に沿う厚さが０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、ダイヤモンド焼結体中のダイヤモンド粒子又は立方晶窒化ホウ素焼結体中の立方晶窒化ホウ素粒子の円相当の平均結晶粒径が０．２μｍ以上であるとよい。【選択図】図１

Description

本発明は、刃部に立方晶窒化ホウ素焼結体又はダイヤモンド焼結体を用いたボールエンドミルに関する。

高硬度の材料を加工する小径のボールエンドミルは、切れ刃が立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体やダイヤモンド焼結体等により形成される。
例えば特許文献１には、工具本体の先端の刃部が半球状の球体面を有し、その球体面がダイヤモンド焼結体により形成されたボールエンドミルが開示されている。そのダイヤモンド焼結体の表面は結合剤の表面からダイヤモンド粒子が突出していることにより、そのダイヤモンド粒子による凸部と結合剤の凹部とにより形成され、その凸部が切れ刃を構成している。
通常、ダイヤモンド焼結体は超硬合金と一体焼結した形で素材メーカから提供される。そして、工具メーカは所望する、ボールエンドミルの刃部を形成するよう、超硬合金と一体焼結したＰＣＤ素材を放電加工により切り出して、その刃部を超硬合金製のシャンク部にろう付けにより接合して作製する。工具径が小さいボールエンドミルを作製する場合は、その工具形状に応じてＰＣＤ素材は比較的薄いもので作製することができるが、工具径が大きくなると、工具のサイズに対応するためＰＣＤ素材も厚いものが必要となる。

特開２０１６−１１２６７８号公報

一般にボールエンドミルは、その球体面によって曲面を形成する場合に用いられるが、近年ではＮＣ工作機械に取り付けられ、仕上げ加工用として広く使用されており、鏡面の加工に適している。ダイヤモンド焼結体を用いたボールエンドミルでは、個々のダイヤモンド粒子が切れ刃として機能するため、加工面の鏡面性を高めるには、ダイヤモンド粒子の結晶粒径を小さくかつ均一にすることが有効である。但し、微粒なダイヤモンド焼結体は、一体焼結した超硬合金との界面に粗大なダイヤモンド粒子が発生する頻度が高い。これは、微粒なダイヤモンド粒子が粒径の大きいダイヤモンド粒子に比べて反応性が高く、異材種である超硬合金と一体焼結した際にその界面で異常成長を起こし易いためと推定される。
このような粗大なダイヤモンド粒子が組織に存在すると、加工面の鏡面性が損なわれるだけでなく、粗大なダイヤモンド粒子を起点にダイヤモンド焼結体が剥離する可能性があり、工具性能が低下する。また、異常成長部分の放電加工性は周辺組織と異なるため、正常な成形を阻害する要因にもなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ダイヤモンド焼結体等からなる刃部を有するボールエンドミルにおいて、微細で均一な結晶粒子による刃部の形成を可能とし、加工面の仕上げ精度を高めることを目的とする。

本発明者はダイヤモンド焼結体の素材について評価し、特にダイヤモンド粒子が微粒になると、ダイヤモンド焼結体の素材の厚みが大きい場合には、一体焼結した超硬合金との界面に、結合剤であるコバルト（Ｃｏ）が極端に少なく、粗大なダイヤモンド粒子で構成される異常成長部が多く存在することを確認した。
一方、仕上げ加工に用いられるボールエンドミルでは、その切削深さが小さいことから、半球状の刃部の先端側の部分が多用されるのに対して、基端側の部分を使う頻度は極端に少ない。この点に着目し、本発明のボールエンドミルを以下の構成とした。

すなわち、本発明は、半球状のボール刃部を有するボールエンドミルであって、前記ボール刃部は、ダイヤモンド焼結体又は立方晶窒化ホウ素焼結体からなる先端側刃部と、超硬合金からなる基端側刃部とが、前記ボール刃部の軸心に沿って連続して形成されている。

このボールエンドミルでは、頻度多く使用される先端側刃部をダイヤモンド焼結体又は立方晶窒化ホウ素焼結体により形成し、使用頻度の少ない基端側刃部については超硬合金によって形成することにより、ダイヤモンド焼結体又は立方晶窒化ホウ素焼結体により形成される部分の厚さが小さくなり、粗大粒の発生が防止される。

本発明のボールエンドミルにおいて、前記ボール刃部の半径が０．５ｍｍ以上であり、前記先端側刃部の前記軸心に沿う厚さが０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、前記ダイヤモンド焼結体中のダイヤモンド粒子又は立方晶窒化ホウ素焼結体中の立方晶窒化ホウ素粒子の円相当の平均結晶粒径が０．２μｍ以上であるとよい。

本発明によれば、ダイヤモンド焼結体又は立方晶窒化ホウ素焼結体により形成される部分の厚さを小さくして、粗大粒の発生を防止し、微細で均一な結晶粒による刃部の形成を可能として、加工面の仕上げ精度を高めることができる。

本発明のボールエンドミルの一実施形態を示す刃部付近の拡大図である。図１の刃部を有するボールエンドミルの全体正面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
この実施形態のボールエンドミル１は、図２に全体を示したように、円柱状のシャンク部１０と、シャンク部１０の軸心Ｃの先端に設けられた刃部２０とが一体に形成されたソリッド型ボールエンドミルである。
シャンク部１０は、超硬合金又は高速度鋼により形成され、大径の本体部１１と、その先端から漸次縮径するテーパ部１２と、その先端に設けられた小径の首部１３とから構成される。本体部１１の外径は例えば２ｍｍ〜１０ｍｍ程度、首部１３の外径は０．４ｍｍ〜１０ｍｍ程度に形成される。

刃部２０は、先端が半球状に形成されたボール刃部２１と、このボール刃部２１の基端に連続して円筒面状に形成された外周刃部２２とを有している。この場合、ボール刃部２１の半径は、シャンク部１０の首部１３の半径より大きい寸法に設定されている。また、このボール刃部２１は、軸心方向の先端側に配置される先端側刃部２３と、基端側に配置される基端側刃部２４とにより形成されている。

先端側刃部２３は、ダイヤモンド粒子とコバルト（Ｃｏ）又はニッケル（Ｎｉ）等からなる結合剤とを混合して焼結してなるダイヤモンド焼結体によって形成されており、結合剤からなる結合剤層の表面から複数のダイヤモンド粒子が突出し、その突出した部分が切れ刃を構成している。ダイヤモンド焼結体の組織を微粒で均一にするには、ダイヤモンド粒子は、その円相当の平均結晶粒径が０．２μｍ以上とすることが好ましい。その平均結晶粒径が０．２μｍ未満では、組織の一部に粗大なダイヤモンド粒子が生じ易く、不均一な組織になり易い。更には、ダイヤモンド粒子は、円相当の平均結晶粒径が０．３μｍ以上であることが好ましい。更には、ダイヤモンド粒子は、円相当の平均結晶粒径が０．５μｍ以上であることが好ましい。一方、平均結晶粒径が２．０μｍを超えると被削材の加工面の鏡面性が損なわれる場合がある。更には、ダイヤモンド粒子は、円相当の平均結晶粒径が１．０μｍ以下であることが好ましい。

一方、基端側刃部２４は、炭化タングステン（ＷＣ）と鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）又はニッケル（Ｎｉ）等からなる結合剤とを混合して焼結してなる超硬合金によって形成されており、先端側刃部２３と同様に、結合剤からなる結合剤層の表面から複数の炭化タングステン粒子が突出し、その突出した部分が切れ刃を構成している。

そして、先端側刃部２３は、軸心方向の先端から軸心Ｃに沿って形成され、基端側刃部２４は、先端側刃部２３に連続して軸心Ｃに沿って形成されている。このため、先端側刃部２３の表面は凸球面状に形成されており、一方、基端側刃部２４は、球体を平行な切断面でスライスして切り取った形状で、球体の周方向に沿う帯状の外周面が基端側刃部２４の表面を形成している。この場合、先端側刃部２３の表面及び基端側刃部２４の表面は、同じ球体の表面を構成しており、同じ曲率半径に形成されている。また、先端側刃部２３の後端面及び基端側刃部２４の先端面は、ともに軸心Ｃに直交する平坦面に形成され、後述するように、これら平坦面同士が一体焼結によって接合されている。符号２５がその一体焼結の界面を示す。
先端側刃部２３の厚さ（ｔ１）は、０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下が好ましい。０．１ｍｍ未満では、先端側刃部２３の剛性が低下する。更には、０．５ｍｍ以上が好ましい。また、３ｍｍを超えると、ダイヤモンド焼結体の厚みが大きくなり微粒で均一な組織が得られ難い。更には、２ｍｍ以下が好ましい。この場合、ボール刃部２１の半径をＲとすると、先端側刃部２３の軸心方向に沿う厚さｔ１は、（１／１０）×Ｒ以上（８／１０）×Ｒ以下が好ましい。

そして、先端側刃部２３は、その一体焼結の界面２５から先端側の凸球面状の表面全体が刃部になり、基端側刃部２４は、周方向に沿う帯状部分の表面が刃部になる。これら刃部２３，２４の表面は、前述したように、ダイヤモンド粒子又は炭化タングステン粒子のそれぞれの粒子の一部が結合剤層の表面から突出した状態に形成され、その突出部の先端が切れ刃となる。ダイヤモンド粒子の先端が先端側刃部２３の切れ刃を構成し、炭化タングステン粒子の先端が基端側刃部２４の切れ刃を構成する。
先端側刃部２３および基端側刃部２４の表面粗さ（ＪＩＳ−Ｂ−０６０１−２００１）は、算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下、最大高さ粗さＲｚが１．０μｍ以下であることが好ましい。このような表面状態にすることにより、被削材の表面をより鏡面に仕上げることができる。更には、算術平均粗さＲａが０．０６μｍ以下、最大高さ粗さＲｚが０．０７μｍ以下であることが好ましい。

これら先端側刃部２３と基端側刃部２４とは、一体焼結されたダイヤモンド焼結体からなる素材と超硬合金からなる素材とをボール刃部２１の形状に加工することにより形成される。このボール刃部２１の形状への加工は、素材を放電加工によって半球状に形成した後、砥石等を用いて半球状の表面を研磨することにより形成される。
この放電加工及びその後の研磨加工により、結合剤層が一部脱落して各粒子の先端部が突出した状態に形成される。前述した刃部２３，２４の表面粗さの程度は、放電加工後の研磨の加工度によって調整することができる。

本発明は、ボール刃部２１の半径が大きなボールエンドミルに適用することが有効である。ボールエンドミルの半径が小さい場合には、その刃部を構成するダイヤモンド焼結体の厚みが薄く微粒で均一なダイヤモンド焼結体で形成することができるため、本発明を適用するメリットは小さい。一方、ボール刃部２１の半径が大きくなると、それを構成するダイヤモンド焼結体は厚くなるため微粒で均一な組織が得られ難くなる。本発明のボールエンドミル１の構成は、ボール刃部２１の半径が０．５ｍｍ以上のボールエンドミルに適用することが好ましい。一方、ボール刃部２１の半径が大きくなり過ぎると、それを構成するダイヤモンド焼結体の厚みが大きくなり、微粒で均一な組織が得られ難い。微粒で均一な組織の刃部を構成するには、ボール刃部２１の半径は１０．０ｍｍ以下であることが好ましい。更には、５．０ｍｍ以下であることが好ましい。
また、本発明は、主に先端側刃部２３で加工することを前提とした構成であり、基端側刃部２４を構成する耐摩耗性に優れる超硬合金について、その炭化タングステン粒子の粒径を特段限定するものではない。例えば、炭化タングステン粒子の円相当の平均粒径が０．１μｍ以上１０．０μｍ以下から適宜選択することができる。特に、基端側刃部２４を使用する場合には、超硬合金の硬度と靭性のバランスから、炭化タングステン粒子の円相当の平均粒径は０．３μｍ以上５．０μｍ以下であることが好ましい。

なお、図１に示す例では、基端側刃部２４、外周刃部２２及びその後端に連続する首部１３の先端部を構成する小径部２６までの部分が超硬合金によって一体に形成されている。この部分の全体を指すときは超硬合金製刃部構成体３０とする。そして、この超硬合金製刃部構成体３０と、ダイヤモンド焼結体からなる先端側刃部２３とは、例えば、それぞれ粉体の圧縮成形により圧粉体として形成した後、両圧粉体を接触させた状態でこれらを一体焼結することにより形成される。また、焼結した超硬合金の上にダイヤモンド粒子の圧粉体を設置した状態で一体焼結することにより形成される。その後、超硬合金製刃部構成体３０の後端面（小径部２６の後端面）と、別途作製しておいたシャンク１０（の首部１３の）先端面とをろう付け接合することにより、ボールエンドミル１が作製される。

このボールエンドミル１は、例えばレンズ成形用金型の加工など、比較的緩やかな曲面を仕上げ加工する際などに用いられる。緩やかな曲面を加工するため、先端側刃部２３を使用した加工が大半であり、基端側刃部２４を用いて加工する頻度は少ない。そして、この先端側刃部２３のダイヤモンド粒子は、円相当の平均結晶粒径が０．２μｍ以上と微細であるため、切削加工時に被削材の表面にクラック等の欠陥を生じさせることが少なく、被削材の表面を鏡面に仕上げることができる。

その他、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
本発明はダイヤモンド焼結体であれば、Ｃｏ等のバインダーを含有するものやバインダレスのダイヤモンド焼結体にも適用することができる。また、先端側刃部がダイヤモンド焼結体からなる実施形態について説明したが、先端側刃部が立方晶窒化ホウ素焼結体からなる場合も同様であり、基端側刃部を超硬合金製とし、先端側刃部を立方晶窒化ホウ素焼結体からなる構成としてもよい。その場合も、先端側刃部について、軸心に沿う厚さが０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、立方晶窒化ホウ素粒子の円相当の平均結晶粒径が０．２μｍ以上に形成される。

実施例では、ダイヤモンド粒子径が被削材の加工面に与える影響について評価した。ダイヤモンド粒子の円相当の平均結晶粒径が１．０μｍと２．０μｍのＰＣＤ素材（ＰＣＤ厚み１ｍｍ）を放電加工し、ボール半径が０．５ｍｍのボールエンドミルを作製した。いずれのボールエンドミルも工具表面を平滑研磨した。
なお、平均結晶粒径が０．６μｍのＰＣＤ素材（ＰＣＤ素材厚み１ｍｍ）も評価したが、ダイヤモンド焼結体と超硬合金との界面にダイヤモンド粒子の異常成長部が確認され、放電加工が困難でボールエンドミルを作製できなかった。
加工条件は、使用機械：ＨＳＫ−Ｅ３２、被削材：ＳＴＡＶＡＸ（５２ＨＲＣ）、加工形状：Ｒ１０球面加工（加工深さ０．５ｍｍ）、クーラント：オイルミスト、切削速度：５７ｍ／ｍｉｎ、送り速度：２００ｍｍ／ｍｉｎ、加工ピッチ：０．０１ｍｍ、仕上げ代：０．００２ｍｍとして、加工後の被削材の表面粗さを評価した。表１に評価結果を示す。

平均結晶粒径が１．０μｍのＰＣＤ素材を用いたボールエンドミルは、平均結晶粒径が２．０μｍのＰＣＤ素材を用いたボールエンドミルよりも工具表面のＲａおよびＲｚが平滑になった。このように、平均結晶粒径がより小さいＰＣＤ素材を用いることで、より平滑な工具表面を達成できる。そして、被削材の表面粗さも平均結晶粒径が１．０μｍのＰＣＤ素材を用いたボールエンドミルは、平均結晶粒径が２．０μｍのＰＣＤ素材を用いたボールエンドミルよりもＲａおよびＲｚが約半分になりより優れた鏡面性を示すことが確認される。

上述したように、平均結晶粒径がより小さいＰＣＤ素材を適用することで、より優れた鏡面性を達成することができる。但し、微粒なＰＣＤ素材を用いた場合には、素材厚みが大きくなるとダイヤモンド焼結体と超硬合金との界面にダイヤモンド粒子の異常成長部を形成するため放電加工ができず、工具径が大きなボールエンドミルの作製が困難となる。
そこで、本発明のように先端刃先部のみをダイヤモンド焼結体とすることで、厚みのあるＰＣＤ素材を適用せずともよいことから、微粒で均一なダイヤモンド粒子からなる先端刃先部を構成することが可能となり、被削材も優れた鏡面性となる。

１ボールエンドミル
１０シャンク
１１本体部
１２テーパ部
１３首部
２０刃部
２１ボール刃部
２２外周刃部
２３先端側刃部
２４基端側刃部
２５一体焼結の界面
２６小径部
３０超硬合金製刃部構成体

Claims

半球状のボール刃部を有するボールエンドミルであって、前記ボール刃部は、ダイヤモンド焼結体又は立方晶窒化ホウ素焼結体からなる先端側刃部と、超硬合金からなる基端側刃部とが、前記ボール刃部の軸心に沿って連続して形成されていることを特徴とするボールエンドミル。
前記ボール刃部の半径が０．５ｍｍ以上であり、前記先端側刃部の前記軸心に沿う厚さが０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、前記ダイヤモンド焼結体中のダイヤモンド粒子又は立方晶窒化ホウ素焼結体中の立方晶窒化ホウ素粒子の円相当の平均結晶粒径が０．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のボールエンドミル。