(57)【要約】【課題】  刃先交換式球面カッタに用いるインサートを取り付ける操作のみによって、その切刃が所定の位置に配置できる刃先交換式球面カッタとそれに使用するインサートを提供する。【解決手段】回転中心軸線Ｑの回りに回転するカッタ本体１の軸線方向を向く端面２に形成されたインサート取付座３に、円弧状切刃部４を有するインサート５が着脱自在に装着された刃先交換式球面カッタにおいて、該インサート取付座３は該軸線Ｑ方向の座面６、径方向の外周部の座面７とからなり、該座面７は軸線上の１点Ｐを中心とした外側に凸形状の円弧部を有し、該インサート５は該座面７の円弧部半径と略同一半径の円弧部を有する拘束面８によって該座面７と当接していることを特徴とする刃先交換式球面カッタである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心軸線Ｑの回りに回転するカッタ本体１の軸線方向を向く端面２に形成されたインサート取付座３に、円弧状切刃部４を有するインサート５が着脱自在に装着された刃先交換式球面カッタにおいて、該インサート取付座３は該軸線Ｑの座面６、径方向の外周部の座面７とからなり、該座面７は軸線上の１点Ｐを中心とした外側に凸形状の円弧部を有し、該インサート５は該座面７の円弧部半径と略同一半径の円弧部を有する拘束面８によって該座面７と当接していることを特徴とする刃先交換式球面カッタ。
【請求項２】
請求項１記載の刃先交換式球面カッタにおいて、該カッタ本体１の座面７の円弧部半径をＲｂとし、該インサート５の拘束面８の円弧部半径をＲｉとした時、Ｒｂ≧Ｒｉであることを特徴とする刃先交換式球面カッタ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の刃先交換式球面カッタのインサートにおいて、該インサートの円弧状切刃は、該軸線上の１点を中心とした球面上に有ることを特徴とする刃先交換式球面カッタ。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれかに記載の刃先交換式球面カッタに用いられるインサートにおいて、該インサートの円弧状切刃部４が、拘束面８の円弧部と略同心円であることを特徴とするインサート。
【請求項５】
請求項４記載のインサートにおいて、該インサートの少なくとも円弧状切刃部４の近傍に硬質皮膜が被覆されていることを特徴とするインサート。
【請求項６】
請求項５記載のインサートにおいて、該硬質皮膜は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族、Ａｌ、Ｓｉから選ばれる１種以上の金属成分と、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選ばれる１種以上の非金属成分とから構成されていることを特徴とするインサート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、被削材である加工対象物に球面状のザグリ部を形成するのに好適な刃先交換式球面カッタ及びこれに用いるインサートに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、切刃が形成されたインサートをカッタ本体に着脱可能としたスローアウェイ式球面カッタが開示され、カッタ本体に切刃の位置を微調整する調整機構を備えたものである。しかし、カッタ本体のインサート座面、インサート拘束面についての詳細な記載は無く、インサートに硬質皮膜を被覆する技術に関する記載も無い。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３４３３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、インサートを取り付ける操作のみによって、その切刃が所定の位置に配置できる刃先交換式球面カッタとそれに使用するインサートを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、回転中心軸線Ｑの回りに回転するカッタ本体１の軸線方向を向く端面２に形成されたインサート取付座３に、円弧状切刃部４を有するインサート５が着脱自在に装着された刃先交換式球面カッタにおいて、該インサート取付座３は該軸線Ｑ方向の座面６、径方向の外周部の座面７とからなり、該座面７は軸線上の１点Ｐを中心とした外側に凸形状の円弧部を有し、該インサート５は該座面７の円弧部半径と略同一半径の円弧部を有する拘束面８によって該座面７と当接していることを特徴とする刃先交換式球面カッタである。上記の構成を採用することによって、インサートを取り付ける操作のみによって、その切刃が所定の位置に配置できる。刃先位置の微調整について、特段の作業を施す事無く、高い精度で装着することが可能となる。
【０００６】
本発明の刃先交換式球面カッタは、カッタ本体１の座面７の円弧部半径をＲｂとし、インサート５の拘束面８の円弧部半径をＲｉとした時、Ｒｂ≧Ｒｉであることが好ましい。また、装着するインサートの円弧状切刃部４は、該軸線上の１点を中心とした球面上に有ること、拘束面８の円弧部と略同心円であることが好ましい。また、インサートは着脱自在であることから、カッタ本体への装着前にインサートの円弧状切刃部４の近傍に硬質皮膜が被覆しておくことが好ましい。この硬質皮膜は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族、Ａｌ、Ｓｉから選ばれる１種以上の金属成分と、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選ばれる１種以上の非金属成分とから構成されていることによって、刃先に密着性の優れた硬質皮膜が施され、耐摩耗性、耐溶着性、耐欠損性などに優れた効果を発揮することができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、カッタ本体にインサートを取り付ける操作のみによって、所定の位置にその切刃を装着することのできる刃先交換式球面カッタ、及びそれに使用するインサートを提供することができる。即ち、インサートとカッタ本体との当接面として径方向の外周部の座面７を設けたことにより、切刃を所定の球面上に配置するための調整作業の必要がなくなる。更に、硬質皮膜を被覆したインサートを用いることができるので、工具寿命を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１、２に、本発明の刃先交換式球面カッタの１実施形態を示す。図１、２に示す球面カッタは、加工物の空洞部内周に球面状のザグリ部を形成するために用いられる。
本実施形態における刃先交換式球面カッタは、回転中心軸線Ｑの回りに回転するカッタ本体１の軸線方向を向く端面２に形成されたインサート取付座３に、円弧状切刃部４を有するインサート５が着脱自在に装着される。この刃先交換式球面カッタにおけるインサート取付座３は該軸線方向の座面６、径方向の外周部の座面７とからなり、図３に示すように、該座面７は軸線上の１点Ｐを中心とした外側に凸形状の円弧部を有し、該インサート５は該座面７の円弧部半径と略同一半径の円弧部を有する拘束面８によって該座面７と当接している。
この様な構造によって、インサート５は径方向の取り付け位置によらず、球面加工形状には変化が生じない。この理由は、インサート５の拘束面８は径方向の外周部の座面７とは同一中心、同一半径の円弧からなり、この円弧部で当接しているからである。これより、工具刃先部が回転軸中心に回転した時の球面形状は、インサート５の拘束面８とカッタ本体１の座面７との加工状態によって決定され、インサートの取付け時の作業性のばらつきを回避することができる。径方向の外周部の座面７を設けたことにより、切刃を所定の球面上に調整することなく配置することができる。これは、図３に破線で示す様に、インサート５の円弧状切刃部４の稜線部は径方向の位置によらず、円周上に沿って移動するだけであり、円弧状切刃部４は軸線Ｑ上の点Ｐを中心とした半径Ｒの球面上に有る。切刃長さがザグリ部の加工範囲よりある程度長い場合は、インサートは径方向取り付け位置を必ずしも厳密に規定する必要はない。このため、インサート交換作業が容易である。インサート５は、径方向の取り付け位置が多少異なっても球面加工形状には変化が生じないのである。インサートの拘束面は、インサート取付座の座面の両面、或いは内周側、外周側のどちらか一方の座面に当接するように両部品を加工すれば良い。或いは、インサートの内周側、或いは外周側の側面とインサート取付座の座面とは、必ずしも当接させる必要はない。
【０００９】
図３、４に示す本発明の刃先交換式球面カッタの取付け座３は、カッタ本体１の座面７の円弧部半径をＲｂとし、該インサート５の拘束面８の円弧部半径をＲｉとした時、Ｒｂ≧Ｒｉであることが好ましい。該インサート取付座３は該軸線方向の座面６、径方向の外周部の座面７とからなり、該座面７は軸線上の１点Ｐを中心とした外側に凸形状の円弧部を有しその円弧半径はＲｂである。カッタ本体１の座面７と該インサート５の拘束面８とは当接する面であることから、両者の円弧半径ＲｂとＲｉの関係は、インサート固定の強度に影響を及ぼす。ＲｂとＲｉとが等しい場合は、両面が面全体で接触するので理想的な場合である。しかし現実的には、各々の面には加工公差による寸法差があるため面全体で接触することはほとんど期待できない。このため、インサート５を座面７に安定して固定するという点で、インサート５の拘束面８が座面７上のある程度離れた２箇所の面で接触するような狙いで加工することが好ましい。従って、Ｒｂ≧Ｒｉとなるように加工することが好ましい。しかし、Ｒｂが極端に大きい場合は、接触面間に間隙ができて、切屑等が噛み込んだりするので、適正な範囲に設定するべきである。一方、円弧寸法の関係が、Ｒｂ＜Ｒｉとなった場合、両者は点接触となるため不安定になり、好ましくない。
次に、インサート拘束面８、座面７を安定した固定状態とするために、図６、図７に示すように、インサート拘束面８及び座面７のいずれか一方の略中央部に凹形状部を形成すると、離れた二箇所で当接させることができるので好ましい。更に、インサート拘束面８は必ずしも拘束面１２と直角に形成しなくても良い。拘束面８との接触面積を大きくして、より安定な固定を行うことが好ましい。例えば、図８に示す様に、拘束面８と拘束面１２とが直角に交わる場合に対して、図９、図１０に示す様に、インサート拘束面８と拘束面１２とが鋭角に交わる鋭角部９又は鈍角に交わる鈍角部１０を設け、これに合わせて座面７をインサート拘束面の角度に合わせた形状に形成し、インサート切刃が軸線Ｑ上の点Ｐを中心とした半径Ｒの球体上から逸脱しないようにすることができる。本発明の刃先交換式球面カッタの円弧状切刃は、回転軸線上の１点を中心とした半径Ｒの球面上に有ることが好ましい。更に、座面７の内周、外周の両端部１３、１４はインサートからの応力や、加工時の応力が負荷されクラックが発生しやすいので、図４に示す様に、逃げ部となるような円弧状の面取り加工を施す事が好ましい。
【００１０】
本発明の刃先交換式球面カッタに用いられるインサートにおいて、該インサートの円弧状切刃部４が、拘束面８の円弧部と略同心円であることが好ましい。図５には、インサート５をカッタ本体１に装着した時の状態を示す。インサート５の円弧状切刃部４は半径Ｒｋを有し、また拘束面８は半径Ｒｉを有する略同心円である。Ｒｋ、Ｒｉは、Ｒｋ＞Ｒｉの関係にある。Ｒｋ寸法は、球面カッタとしてインサートをカッタ本体に組み付けた時、該円弧状切刃部４がカッタ本体１の軸線Ｑ上の点Ｐに中心を有した半径Ｒの球面上に位置付けられるように、Ｒｋ＝Ｒとしている。
【００１１】
本発明のインサートは、少なくとも円弧状切刃部４の近傍に硬質皮膜が被覆されている。該硬質皮膜は、周期律表４ａ、５ａ、６ａ族、Ａｌ、Ｓｉから選ばれる１種以上の金属成分と、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｂから選ばれる１種以上の非金属成分とから構成されていることが好ましい。被覆方法には、物理的蒸着方法として、アークイオンプレーティング法、スパッタ法、真空蒸着法などから選択できる。化学蒸着法としては、熱ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法などから選択できる。硬質皮膜としては、インサートの基体材料や、被削材の組成との組合せを考慮し、例えば、ＴｉＮ、ＣｒＮ、（ＴｉＡｌ）（ＣＮ）、（ＴｉＡｌＳｉ）（ＮＯ）、（ＣｒＡｌ）（ＮＯ）、（ＣｒＡｌＳｉ）（ＮＯ）、（ＴｉＳｉ）（ＣＮＯ）、（ＣｒＳｉ）（ＣＮＯ）、（ＴｉＢ）（ＮＯ）、（ＣｒＳｉ）Ｎ等の材質から選択される少なくとも１種以上の皮膜で構成することが好ましい。硬質皮膜を被覆したインサートを用いることによって、工具寿命を大きく伸ばすことができる。
【００１２】
インサート５をカッタ本体に固定する方法は、図１１から１３に示すように、カッタ本体１のインサート取付座３の少なくとも座面に、拘束面８、１２が密着するように当接され、クランプ駒１９を介してネジ１８で固定される。クランプ駒による固定は大きなネジを使うことができるため、インサート押し付け位置を適切に設定できる。更に強い力で押し付けることもできる。更に、図１２、１３に示す、インサートを直接ネジ２２で固定する方法は、クランプ駒による固定と併用するともできる。インサートの取り付けに関しては、インサートとインサート取付座との当接状態に加え、切屑の排出性、刃先強度なども考慮して決定する必要がある。そこで大径工具では、十分なバックメタルとインサ−トポケットが形成でき、しかも大きな切削抵抗を受けるので、クランプ駒による固定、或いはクランプ駒と直接ネジ締めの併用式を採用する事が好ましい。一方、小径工具では、直接ネジ締め式で対応するのが良い。
【００１３】
本発明の刃先交換式球面カッタの本体は、その両端面に該インサート取付座が形成されて該インサートが装着されている。これに加えて例えば、両端面の中央部に該球面カッタ本体を軸線回りに回転せしめる工作機械のアーバに取付可能な取付部１１を設けることができる。また、ザグリ部の縁部を面取りする面取り用インサート１５も取付可能である。この取付部１１に、工作機械側の一対の軸状のアーバが両端から挿入されて取り付けられることにより、球面カッタ本体１は回転軸線Ｑの回りに矢印の回転方向に回転されるとともに該軸線Ｑ方向に送りを与えることも可能である。
【００１４】
本発明のインサート製造方法の１例として、内外周が同心のリング状部品から切出されて製造することが出来る。インサートは、交換部品であり、寸法精度、形状精度のばらつきが少ないものを、安定してかつ効率的に製造することが重要となる。そこで、本発明のインサートは、例えば、超硬合金、サーメット、ハイス、酸化物系或いは窒化物系セラミックスなどの材料を粉末冶金的な手法を用いてリング状に成形、焼結した後に機械加工で高精度に仕上げ、これから切出すことによって製造することが出来る。通常、円形部品は、研削加工で極めて高い寸法精度と形状精度を出すことができ、また内外径寸法もマイクロメータやボアゲージを用いて容易に高精度で測定することができるので、高精度品を信頼性高く提供することができる。これらにより、インサートの拘束面の円弧となる内周面半径Ｒｉは高精度に形成される。
次に、外周の円弧状切刃は、この高精度の内周面を基準として円筒研磨することで、高精度の半径Ｒｋを有し更に、拘束面の円弧と極めて高い同心度の形状を得ることができる。また、半径寸法の測定も容易であり、品質管理面でも優れている。外周半径がＲｋ及び内周半径がＲｉの加工寸法は、本発明の球面カッタにインサートを装着した状態で、略Ｒｋ＝Ｒ、略Ｒｉ＝Ｒｂに設定される。
例として、図１４に示す様に、点Ｍを中心とした同心で、外周半径がＲｋ、内周半径がＲｉのリング部品から切出して製作することができる。切出し方法は、第１に対向する１対の円弧辺と平行な２辺とを有する略平行四辺形状のインサートを切出す方法と、第２に扇形状のインサートを切出す方法とが考えられる。第１の方法は、図１４の上半分に示す様に、リング部品の中心点Ｍから任意の仮想軸線Ｎを設定し、この線からｈ２離れた点Ｓ１で該仮想軸線Ｎに平行に引いた線Ｖ１と、更に外周に沿って所定の切刃長さＷ離れた点Ｓ２で仮想線Ｎに平行に引いた線Ｖ２とで切出して製作される。この時、Ｖ１側がインサート内周側の側面、Ｖ２側が外周側の側面になる。第２の方法は、図１４の下半分に示す様に、外周上の切刃長さＷのピッチで設定された点Ｓ３と中心点Ｍを結ぶ放射状の線Ｖ３に沿って切出すようにすればよい。この場合、リング部品から最も多くの数のインサートを切出すことが出来る。カッタ本体に装着したインサートの円弧部寸法測定は、例えばワルター社製のボールエンドミルＲ測定機、ヘリチェックで行うことができる。
【実施例】
【００１５】
本発明のカッタ本体は、円柱の金属材料を機械加工によって切出して作成した。図４に示す様に、軸線Ｑに平行でインサート取付座３の内周側の面６と外周側の面２３とした時、内周側の面６は軸線Ｑからｈ１離れた位置に設定した。また、円弧状切刃４の内周側の端部は、軸線Ｑからｈ２離れた位置より外周に向かうように設定した。ここでｈ１≦ｈ２の関係にある。円弧状切刃部４が球面カッタ本体１の軸線Ｑ上に中心Ｐを有する半径Ｒの球面上に正確に装着させるように、球面カッタ本体１は、軸線Ｑ上に中心Ｐを有する半径Ｒｂの円弧部を有するインサート取付座を備えている。インサートは、ＪＩＳ  Ｋ１０相当のＷＣ基超硬合金製の平板状リングを図１４に示す様に作製し、このリング部品から切出すことによって作製した。また、本発明のインサートは、円弧状切刃部と拘束面とが同心円であることから、極めて高い寸法精度と形状精度をもって研削加工を行い、リング部品を仕上げた。次に、このリング部品からの切出し加工を行なった。切り出し方法は、対向する１対の円弧辺と、他の対向する平行な２辺とを有する略平行四辺形状のインサートを切出す方法を採用した。次に、本発明のインサートの１部は、物理的蒸着方法により各種硬質皮膜を被覆した。
上記のカッタ本体にインサートを装着して、本発明の球面カッタとして組み立てた時の、切刃の球面形状精度を評価した。インサートはカッタ本体の一方の端面に２枚のインサートを装着した。
比較のため、円弧形状の当接部を持たない従来の構造をした球面カッタに対して同様な評価を行った。この従来構造では、図１５に示す様に、回転軸線に平行なＹ方向のインサート取付座面と、これに直交するＸ方向のインサート取付座面とを有するカッタ本体に、これと当接する形状のインサートを装着する構造とした。従って、インサートの拘束面も回転軸線に平行なＹ方向とこれに直交するＸ方向との拘束面を有する。表１に評価結果を示す。表１中の数値単位はｍｍであり、基準値に対する変化量で示す。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
表１に本発明例の球面カッタについて、切刃位置の調節の要否を検討した結果を示す。評価基準は、切刃球面半径Ｒの許容値を±０．０１３ｍｍとして判断し、許容値以内であれば切刃位置の調節は不要であり、許容値範囲外の場合は切刃位置の調節が必要である。
本発明例は、ＲｂとＲｉとの加工誤差から生じる寸法差が、球面カッタとして組み立てられた時の切刃の球面形状精度に及ぼす影響を示す。本発明例１から３及び７から９の様に、回転軸からの距離を示すｈ２の値が、基準値からの変位量０の場合について見てみる。本発明例２、８の様に、Ｒｂ＞Ｒｉでは両者の差は＋０．１ｍｍまで許容される。比較例１３、１５の様に、両者の差が＋０．１５ｍｍでは、切刃球面半径の許容値を外れてしまうため、切刃位置の調整が必要となってしまう。一方、本発明例３、９の様に、Ｒｂ＜Ｒｉでは、両者の差は−０．０５ｍｍまで許容される。比較例１４、１６の様に、両者の差が−０．１ｍｍでは、切刃球面半径の許容値を外れてしまうため、切刃位置の調整が必要となってしまう。従って、切刃位置の調節が不要となる範囲の広さ及び、インサートの固定状態の安定性から、Ｒｂ≧Ｒｉとすること更に、−０．０７≦（Ｒｂ−Ｒｉ）≦＋０．１であることが好ましい。
次に、軸線Ｑと垂直となる方向へ位置ずれが起こり、基準値からの変位量が生じた場合について見て検討した。本発明例４から６及び１０から１２に示すとおり、ＲｂとＲｉとの加工寸法誤差を上記範囲に設定すれば、基準値からの変位量が生じた場合であってもＲを許容値内に収めることができる。従って、刃先の位置調整を行う必要がない。
これに対して従来例１７から２４の評価結果をみると、インサートの取付面の精度を、Ｘ方向のｈ２、Ｙ方向のｈ３ともに±０．００９ｍｍ以内に収めないと、Ｒの許容値を満たすことができない。これは、本発明例の加工精度より、さらに約１０倍の加工精度を必要とする。逆に言えば、従来例では切刃位置の調整が不可欠となる。
【００１８】
図１６に硬質皮膜の被覆の有無による摩耗曲線を示す。評価には被覆の無い本発明例１と、これと同一寸法であってアークイオンプレーティング法により（ＴｉＢ）（ＮＯ）の硬質皮膜を膜厚３μｍに被覆した本発明例７のインサートを用意した。これらを球面カッタのカッタ本体に装着して切削試験を行った。切削条件を以下に示す。
（切削条件）
被削材：ＦＣＤ６００
切削速度：１００ｍ／分
１刃当たりの送り量：０．１ｍｍ／刃
切削油：有り
上記の切削条件で工具寿命を比較した場合、被覆を行った本発明例７の方が被覆の無い本発明例１よりも約３倍の寿命のあることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の球面カッタの正面図を示す。
【図２】図２は、本発明の球面カッタの側面図を示す。
【図３】図３は、本発明の球面カッタのインサート取付位置を示す。
【図４】図４は、本発明の球面カッタのインサート取付座を示す。
【図５】図５は、本発明の球面カッタのインサート取付状態を示す。
【図６】図６は、本発明の球面カッタのインサート拘束面凹の状態を示す。
【図７】図７は、本発明の球面カッタのインサート取付座凹の状態を示す。
【図８】図８は、図５における本発明のインサートのＡ−Ａ断面例を示す。
【図９】図９は、図５における本発明のインサートの他のＡ−Ａ断面例を示す。
【図１０】図１０は、図５における本発明のインサートの他のＡ−Ａ断面例を示す。
【図１１】図１１は、本発明のインサートのクランプ駒による固定状態を示す。
【図１２】図１２は、本発明のインサートのねじ締めによる固定状態を示す。
【図１３】図１３は、本発明のインサートのねじ締めによる他の固定状態を示す。
【図１４】図１４は、本発明のインサートの製造方法を説明するための図。
【図１５】図１５は、従来例の球面カッタの構成を示す図。
【図１６】図１６は、本発明例１、７の球面カッタの摩耗曲線を示す。
【符号の説明】
【００２０】
１：カッタ本体
２：端面
３：インサート取付座
４：円弧状切刃部
５：インサート
６：軸線方向の座面
７：径方向の外周部の座面
８：円弧部を有するインサート拘束面
９：鋭角部
１０：鈍角部
１１：アーバに取付可能な取付部
１２：インサート拘束面
１３：座面７の内周側逃げ部
１４：座面７の外周側逃げ部
１５：面取り用インサート
１６：インサート５の内周側の拘束面
１７：インサート５の外周側の拘束面
１８：クランプ駒固定用ネジ
１９：クランプ駒
２０：インサート拘束面８の凹形状部
２１：座面７の凹形状部
２２：インサート固定用ネジ
２３：外周側の座面
ｈ１：インサート取付座３の内周側の面１６における軸線Ｑからの距離
ｈ２：円弧状切刃４の内周側の端部における軸線Ｑからの距離
Ｍ：リング部品の円弧中心
Ｐ：回転中心軸線上の点
Ｑ：球面カッタ本体の回転中心軸線
Ｒ：刃先交換式球面カッタの円弧状切刃の回転軌跡となる球面半径
Ｒｂ：座面７の円弧部半径
Ｒｉ：拘束面８の円弧部半径
Ｒｋ：インサート切刃の円弧半径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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