JP2005034939A

JP2005034939A - 切刃部材、工具保持具及び切削工具

Info

Publication number: JP2005034939A
Application number: JP2003273841A
Authority: JP
Inventors: Yoshimitsu Nagashima; 由光長島; Hisanori Mura; 尚則村
Original assignee: Hitachi Tool Engineering Ltd
Current assignee: Moldino Tool Engineering Ltd
Priority date: 2003-07-14
Filing date: 2003-07-14
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】超硬合金からなる切刃部材に備えられた雌ねじ部に欠けが発生しやすくなるという不具合を防止し、切刃部材と工具保持具との結合力が安定した切削工具を提供する。
【解決手段】超硬合金からなる切刃部材であり、該切刃部材は工具保持具と着脱自在に装着される側の端面にいんろう部が形成され、該いんろう部の奥には軸心方向に工具保持具と螺合するための雌ねじ部を備え、該雌ねじ部の入り口側には、該雌ねじ部の導入部に位置するねじ山に面取り部が形成された切刃部材と、該切刃部材のいんろう部に装入される円柱状突出部を備え該円柱状突出部の端部から該切刃部材と螺合するための雄ねじ部とを有する工具保持具とが、着脱可能に結合された切削工具である。
【選択図】図２

Description

本発明は、超硬合金製切刃部材、該超硬合金製切刃部材と着脱自在に装着される工具保持具及び該超硬合金製切刃部材と工具保持具とが螺合によって結合された切削工具に関する。

切刃部材交換式の切削工具については、従来から種々の構成が提案されている。例えば、下記の特許文献に提案されている。
特許文献１は、超硬合金製の工具保持具（シャンク部）と鋼製のチップホルダー部（切刃部材）とをろう付けで接合したエンドミルが開示されている。
特許文献２は、工具保持具とヘッド（切刃）部材とのいずれか一方に凸部を、他方に凹部を設け、この凹部にねじ部材を収納して、このねじ部材に前記凸部をねじ込むと共に、このねじ部材の緩み止めは、シャンクの軸心と直交する方向からねじ込んだボルトにより行う構成とすることが記載されている。
特許文献３は、切削刃ホルダーに設けた円錐状取付け部を、シャンク端部に形成した円錐状凹部とを嵌合させ、更に、円錐状取付け部に設けたねじ孔にシャンクの軸中心部を貫通する貫通孔を介して挿入した引張ボルトを螺合させる構成としたヘッド交換式切削ホルダーが記載されている。
特許文献４は、エンドミルのシャンクとエンドミルホルダーとを焼き嵌めと螺合とにより結合したシャンク一体型エンドミルが記載されている。
特許文献５は、工具ホルダーと螺合するために雄ねじが形成された切削用インサートが記載されている。

特開平８−１４２５号公報（明細書第２頁〜第３頁、図１）特開平５−５０３０５号公報（明細書第２頁〜第３頁、図１、図３）特開平６−１７０６１５号公報（明細書第１頁〜第２頁、図１）特開２０００−１９０１１８号公報（明細書第３頁、図５）特開２００２−１０３１３０号公報（明細書第３頁、図１、図２、図３）

本発明の第１の目的は、超硬合金からなる切刃を備えた切刃部材と工具保持具とからなる切削工具であって、切刃部材が壊れた場合であっても、切刃部材を容易に交換することができ、工数低減を可能とすることである。第２の目的は、前記切刃部材と工具保持具とを螺合した部分には切削加工時の振動等により切刃部材に備えられた雌ねじ部に欠けが発生しやすくなるという不具合を防止するための構成を提供することである。第３の目的は、切刃部材と工具保持具との結合力が安定した切削工具を提供することである。

第１の発明は、超硬合金からなる切刃部材であり、該切刃部材は工具保持具と着脱自在に装着される側の端面にいんろう部が形成され、該いんろう部の奥には軸心方向に工具保持具と螺合するための雌ねじ部を備え、該雌ねじ部の入り口側には、該雌ねじ部の導入部に位置するねじ山に面取り部が形成されていることを特徴とする切刃部材である。第２の発明は、上記切刃部材に着脱自在に装着される工具保持具であって、該工具保持具は一端側に該いんろう部に装入される円柱状突出部と、該円柱状突出部の端部から該切刃部材と螺合するための雄ねじ部とを有し、該円柱状突出部と該雄ねじ部との接続部には、ねじ山ピッチ長さをＦとした時に、軸心方向に２Ｆから３Ｆの長さを有し、該雄ねじ部のねじ径より小さい径を有する円柱状軸部を備えていることを特徴とする工具保持具である。第３の発明は、該切刃部材のいんろう部に装入される円柱状突出部を備え該円柱状突出部の端部から該切刃部材と螺合するための雄ねじ部とを有する工具保持具とが、着脱可能に結合された構成からなり、該切刃部材の雌ねじ部には、該雌ねじ部の入り口側であって、雌ねじのねじ山の導入部の１〜３山は、該切刃部材の該雄ねじ部と螺合していない領域が設けられていることを特徴とする切削工具である。

本発明を適用することにより、超硬合金からなる切刃部材と、工具保持具とからなる切削工具であって、切刃部材の切刃などが壊れた場合であっても、切刃部材を容易に交換することができ、工数低減を可能とすることができ、前記切刃部材と工具保持具とを螺合した部分には切削加工時の振動等により切刃部材に備えられた雌ねじ部に欠けが発生しやすくなるという不具合を防止し、切刃部材と工具保持具との結合力が安定した切削工具を提供することできた。

図１は、本発明を構成する工具保持具の一例を示し、合金鋼、例えば、ＳＣＭ４４０、或いはＳＫＤ６１から製作される。工具保持具１は、外径Ｄ１のシャンク径を有する細長い円柱形状をなす。工具保持具１の軸心Ａ−Ａ方向の一端面２には、軸心Ａ−Ａ軸方向に突出する円柱状突出部３と、更に、この円柱状突出部３の端部から軸心Ａ−Ａ方向に突出するように雄ねじ部４が形成されている。端面２は、軸心Ａ−Ａ方向と直交する様に形成されている。円柱状突出部３と雄ねじ部４の外径は、工具保持具１の外径Ｄ１より小さくなるように構成されている。また、円柱状突出部３の外径は、雄ねじ部４のねじ径より若干大きくなるようにする。また、雄ねじ部４のねじ種は、一般に用いられているメートルねじ、インチねじ等を用いることができる。図２に示すように、工具保持具１の雄ねじ部４に、切刃を備えた切刃部材５を、螺合すると、本発明の切削工具を得ることができる。図２に示す本発明の切削工具は、スクエアエンドミルとした例を示している。図３、図４に基づいて本発明の切刃部材５の構成を説明する。本発明の切刃部材５は、ＷＣ−Ｃｏ系の超硬合金、例えばＪＩＳ−Ｚ２０相当材から製作されている。切刃部材５の軸心Ａ−Ａ方向の一端部近傍には切刃６が形成され、同じく、軸心Ａ−Ａ方向の他端面７には、軸心Ａ−Ａ方向にいんろう部８、該いんろう部８の端部から軸心Ａ−Ａ方向に雌ねじ部９を有する円筒状内径部１０が形成されている。該いんろう部８、雌ねじ部９の軸心は、軸心Ａ−Ａと一致させる。図５から図７に基づいて切刃部材５の円筒状内径部１０に形成したいんろう部８と雌ねじ部９の構成を説明する。図５より、いんろう部８の内径ｄ１は、雌ねじ部９のねじ径ｄ２より若干大きくなるように形成する。また、雌ねじ部９には、５から１０山程度のねじ山を形成する。本発明では、いんろう部８の一端部に続く雌ねじ部９の入り口側であって、雌ねじ部９が開始する導入部に位置するねじ山に、面取り部１１を形成している。この面取り部１１は、図６に示すように、ねじ山の導入部をこのねじ山の進行方向に若干の長さに渡り面取りを行って、ねじ山の進行方向に緩やかな平面または曲面状の上り傾斜面を設けたものである。この面取り部１１の傾斜角度θは、図７に示すように、面取り部１１の起点１２の雌ねじ部９の接線に対して、３０度〜９０度にするとよい。雌ねじ部９のねじ種は、工具保持具１の雄ねじ部４に合わせて、メートルねじ、あるいはインチねじを用いることができる。

本発明の切刃部材５は、第１工程として、ＷＣ−Ｃｏ等からなる超硬合金製粉末をプレス成形等により、図８に示すような切刃部材５の素材である切刃素材１３を形成する。切刃素材１３は、その軸心Ａ−Ａ方向の端面７から、第１の円筒状内径部１４と、第２の円筒状内径部１５とが形成されている。第２工程として、切刃素材１３を約８００℃で仮焼結して冷却した後、第２の円筒状内径部１５に雌ねじ部９を形成し、この雌ねじ部９の導入部に位置するねじ山に、図５に示すような面取り部１１を形成する。更に、第１の円筒状内径部１４のいんろう部内周面２０を機械加工する。第３工程として、切刃素材１３を約１４００℃で本焼結して冷却した後、第１の円筒状内径部１４のいんろう部内周面２０とその端面７の部分の仕上げ加工を行うことにより、図３、４に示す切刃部材５を作成することができる。

本発明の切削工具は、切刃を備えた切刃部材５と工具保持具１とを螺合する。切刃部材５は超硬合金によって構成する。工具保持具１はＳＣＭ４４０、ＳＫＤ６１等の合金鋼によって構成する。図９に、切刃部材と工具保持具の結合部分の構成を示す。図９より、工具保持具１の軸心Ａ−Ａ方向の一端面２には、軸心Ａ−Ａ方向に突出し外径ｄ３を有する円柱状突出部３と、この円柱状突出部３の端部から軸心Ａ−Ａ方向に長さＬほど突出する突出部を備えている。この突出部のうち、長さＰ１については雄ねじ部４が形成されている。円柱状突出部３の端部から雄ねじ部４の間には、長さＰ２の雄ねじが形成されていない外径ｄの円柱状軸部１６が設けられている。軸心Ａ−Ａ方向の長さＰ２は、図９より、雌ねじ部９の断面方向からみて、ねじ山の２〜３山程度に相当する長さにするとよい。なお、円柱状軸部１６の外径ｄは、雄ねじ部４のねじ径より小さくし、雌ねじ部９と雄ねじ部４とを螺合したとき、円柱状軸部１６は雌ねじ部９のねじ山に接触しないようにする。これら円柱状突出部３、雄ねじ部４、円柱状軸部１６の軸心は同一になるようにし、雌ねじ部９と雄ねじ部４とを螺合したときには、工具保持具１の軸心Ａ−Ａと一致させるようにする。本発明の切削工具は、図９より、切刃部材５に形成した雌ねじ部９と工具保持具１に形成した雄ねじ部４とを螺合したとき、これら雌ねじ部９と雄ねじ部４とは、雌ねじ部９のねじ山の少なくとも５山以上が雄ねじ部４と螺合させて、ねじ結合の強度を保持させるようにする。雌ねじ部９と雄ねじ部４とが螺合したとき、切刃部材５のいんろう部８と、工具保持具１の円柱状突出部３とは、図９より、嵌合部１７を形成している。嵌合部１７は、工具保持具１と切刃部材５とを螺合したときに、両者を軸心Ａ−Ａ方向に精度の高い芯合せを行う作用を発揮する。この精度の高い芯合せを行うためには、いんろう部８の内径ｄ１と円柱状突出部３の外径ｄ３との寸法差は２〜２０μｍ程度に設定する。雌ねじ部９と雄ねじ部４との螺合は、切削加工時に切削工具の回転方向がこれらのねじを締める方向となる締り勝手になるようにする。

切刃部材５と工具保持具１とが螺合されると、上記した嵌合部１７が形成され、かつ、切刃部材５の端面７と工具保持具１の端面２とが密着した状態で、切刃部材５と工具保持具１とが着脱可能に、強固に一体化される。このためには、切刃部材５と工具保持具１とが螺合され、端面７と端面２とが密着したとき、雄ねじ部４の軸心Ａ−Ａ方向の端部には若干の空間部２１が形成されるように、雌ねじ部９の軸心Ａ−Ａ方向の長さを適切に設定する。切刃部材５と工具保持具１とが螺合により着脱可能に接合されているので、切刃部材の切刃などが壊れた場合であっても、容易に交換することができ、工数低減を可能としている。

本発明切削工具を用いて切削加工を行うと、切削抵抗に基づく振動は、切刃部材５に形成されている雌ねじ部９の導入部に集中する。切刃部材５が超硬合金から構成されていると、超硬合金は剛性は高いが脆い材質であるので、雌ねじ部９の導入部のねじ山には欠けが発生しやすくなる。この雌ねじ部９の導入部のねじ山に欠けが発生すると、切刃部材５と工具保持具１との螺合による締め付け力が低下するので、この螺合部が不安定になって、欠けの発生が進行し、雌ねじ部９に割れが生じることになる。そこで、切刃部材５の雌ねじ部９の導入部に位置するねじ山に面取り部１１を形成することにより、この雌ねじ部９の導入部に位置するねじ山は、工具保持具１の雄ねじ部４と螺合しないような構成にしている。切刃部材５を超硬合金から構成しても、両者を螺合する時の過度の締め付け力や、切削加工時の振動により、雌ねじ部９のねじ山の導入部において欠けの発生を防止することができる。

上記のように、工具保持具１には円柱状突出部３の端部と雄ねじ部４との間には、雄ねじ部４を形成していない円柱状軸部１６を形成している。そして、切刃部材５と工具保持具１とを螺合したとき、切刃部材５の雌ねじ部９の入り口側であって、ねじ山の導入部から１〜３山は、工具保持具１の雄ねじ部４と螺合していない長さＰ２の領域を形成している。これにより、切刃部材５と工具保持具１との過度な締め付け、あるいは切削加工時の振動により、超硬合金からなる雌ねじ部９の導入部に位置するねじ山の欠けの発生を一層防止することができる構成にしている。切刃部材５をヤング率の高い超硬合金から構成することにより、切削加工時のたわみ量を小さくすることができる。切刃部材５の材質は超硬合金で、公知のＷＣ−Ｃｏ系、ＷＣ−ＴｉＣ−Ｃｏ系等の超硬合金を使用することができる。また、切刃部材５の材質は、超硬合金の中でも比較的強度を有する材料を内層材とし、高硬度を有する材料を外層材として、両者が金属接合された複合材料とすることができる。強度を有する材料を内層材とすることにより、雌ねじ部の強度を確保しつつ、切刃部材として耐摩耗性等の適切な特性を兼ね備えた切刃部材５を得る事ができる。更に、切刃部材５の内層材には、靭性が更に優れる鋼材を選択することも可能である。一方、切刃部材５の１部にｃＢＮなどの超高硬度材を接合させて使用することにより、切刃の耐久性を向上させることができる。

本発明の切削工具においては、切刃部材を剛性が高い超硬合金から構成し、この切刃部材をシャンク部材と強固に螺合して一体化しているので、従来から広く使用されている焼きばめタイプの切刃部材交換式の切削工具と比較して、より高い切削抵抗に耐えられるので、多刃化した切削工具を提供することが可能になる。

本発明の切削工具例として図１０に示すようなボールエンドミルを製作した。図１０に示す本発明例１のボールエンドミルの工具保持具１は、ＳＣＭ４４０、ＳＫＤ６１等の合金鋼から構成され、軸心Ａ−Ａ方向の長さは２００ｍｍであり、軸心Ａ−Ａ方向に円柱状突出部３と雄ねじ部４が形成されている。一方、超硬合金製の切刃部材１８は、軸心Ａ−Ａ方向の一端部側に刃径が３０ｍｍの円弧状の切刃１９が形成され、他端部には、いんろう部８と雌ねじ部９が形成され、更に、この雌ねじ部９の導入部のねじ山には、図６に示すような面取り部１１が形成されている。そして、切刃部材１８と工具保持具１とを螺合して一体化するとボールエンドミルとすることができる。このとき、切刃部材１８に形成した、いんろう部８と、工具保持具１に形成した円柱状突出部３とは、嵌合部１７を形成するようにする。本発明例１のボールエンドミルについて、工具保持具１と切刃部材１８の螺合ねじ山数は６山、面取り部１１の傾斜角度θは３０度とした。比較例２は、本発明例と同様なサイズのボールエンドミルであるが、該雌ねじ部の導入部に面取り部を形成していないものを作成した。また、本発明例１のボールエンドミルと比較するために、工具保持具と切刃部材とを焼きばめにより接合した比較例３のボールエンドミルも製作し、同じく焼きばめによる接合部の状況を観察した。なお、比較例３のボールエンドミルにおいて、工具保持具と切刃部材とを焼きばめによって接合する方式を採用した理由は、現時点において、切刃部材交換式切削工具として一般的に採用されているからである。前記のボールエンドミルを用いて、図１１に示すように、抜き勾配２０度の傾斜面について上下方向に往復切削加工を行った。そして、これら３種類のボールエンドミルの切刃部材１８と工具保持具１との接合部の状況を観察した。
（切削加工条件）
被削材：Ｓ５０Ｃ材
切削速度：１５０ｍｍ／分
回転数：１６００／分
一刃当りの送り：０．２４ｍｍ／刃
テーブル送り：７６８ｍｍ／分
切込み幅：３ｍｍ
ピック量：６ｍｍ
加工方法：乾式切削による彫り込み加工

雌ねじ部の観察の結果、本発明例１は、図１２より、その雌ねじ部には欠けの発生は認められなかった。比較例２は、図１３より、雌ねじ部の導入部に欠けが発生していた。これより、本発明による構造とすることによって、工具保持具側に備えられた雌ねじ部に欠けが発生するという不具合を防止することができる。更に、本発明例１のボールエンドミルでは、切刃部材の抜け現象は全く見られず、安定した切削加工を継続することができたが、比較例３の切削工具においては、切刃部材が工具保持具から抜けてしまう現象が発生した。この理由は、工具保持具と切刃部材とが焼きばめによる接合では、その接合強度が螺合と比較して弱くなるため、傾斜面の上下往復加工を行った場合に切刃部材が抜けたものと考えられる。

図１は、本発明工具保持具の一実施形態を示す縦断面図を示す。図２は、本発明の切削工具の一実施形態を示す縦断面図を示す。図３は、図２に示す切刃部材の断面図を示す。図４は、図３の正面図を示す。図５は、図２に示す切刃部材の部分拡大図を示す。図６は、図５の模式図を示す。図７は、図６の模式図を示す。図８は、本発明の切刃部材の素材の形状の縦断面図を示す。図９は、図２の結合部分の模式図を示す。図１０は、本発明の切削工具の他の一実施形態を示す縦断面図を示す。図１１は、切削加工方法を説明するための説明図を示す。図１２は、本発明例１の雌ねじ部の状況を示す。図１３は、比較例２の雌ねじ部の状況を示す。

符号の説明

１：シャンク部材
２：工具保持具の端面
３：円柱状突出部
４：雄ねじ部
５：切刃部材
６：切刃（スクエア刃）
７：切刃部材の端面
８：いんろう部
９：雌ねじ部
１０：円筒状内径部
１１：面取り部
１２：面取り部１１の傾斜角度の起点
１３：切刃素材
１４：第１の円筒状内径部
１５：第２の円筒状内径部
１６：円柱状軸部
１７：嵌合部
１８：切刃部材
１９：切刃（ボール刃）
２０：いんろう部内周面
２１：空間部

Claims

超硬合金からなる切刃部材であり、該切刃部材は工具保持具と着脱自在に装着される側の端面にいんろう部が形成され、該いんろう部の奥には軸心方向に工具保持具と螺合するための雌ねじ部を備え、該雌ねじ部の入り口側には、該雌ねじ部の導入部に位置するねじ山に面取り部が形成されていることを特徴とする切刃部材。
請求項１記載の切刃部材に着脱自在に装着される工具保持具であって、該工具保持具は一端側に該いんろう部に装入される円柱状突出部と、該円柱状突出部の端部から該切刃部材と螺合するための雄ねじ部とを有し、該円柱状突出部と該雄ねじ部との接続部には、ねじ山ピッチ長さをＦとした時に、軸心方向に２Ｆから３Ｆの長さを有し、該雄ねじ部のねじ径より小さい径を有する円柱状軸部を備えていることを特徴とする工具保持具。
請求項２記載の工具保持具において、該工具保持具は合金鋼から構成されていることを特徴とする工具保持具。
請求項１に記載の切刃部材と、該切刃部材のいんろう部に装入される円柱状突出部を備え該円柱状突出部の端部から該切刃部材と螺合するための雄ねじ部とを有する工具保持具とが、着脱可能に結合された構成からなり、該切刃部材の雌ねじ部には、該雌ねじ部の入り口側であって、雌ねじのねじ山の導入部の１〜３山は、該切刃部材の該雄ねじ部と螺合していない領域が設けられていることを特徴とする切削工具。