(57)【要約】【課題】超高硬度焼結材チップから成る工具先端部、特に刃部から首部にかけた部分の横方向への剛性が高く、しかも首部の取り付け強度が高い、高精度・高効率加工が可能な、優れた切削特性を有する小径エンドミルを提供する。【解決手段】工具先端の刃部が実質的に超高硬度焼結材から成り、該超高硬度焼結材に一体焼結された超硬合金材の１部がシャンク孔部に差し込まれて固定されている小径エンドミルであり、該孔部内に差し込まれている超硬合金材部分の外接円直径Ｄｈと刃部の最大直径Ｄｃとの比Ｄｈ／Ｄｃが２以上であることを特徴とする小径エンドミルである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具先端の刃部が実質的に超高硬度焼結材から成り、該超高硬度焼結材に一体焼結された超硬合金材の１部がシャンク孔部に差し込まれて固定されている小径エンドミルであり、該孔部内に差し込まれている超硬合金材部分の外接円直径Ｄｈと刃部の最大直径Ｄｃとの比Ｄｈ／Ｄｃが２以上であることを特徴とする小径エンドミル。
【請求項２】
請求項１記載の小径エンドミルにおいて、該孔部内も含めた該超硬合金材と該超高硬度焼結材とをあわせた全長Ｌｔと該孔部内の長さＬｈとの比Ｌｔ／Ｌｈが２以上、１０以下であることを特徴とする小径エンドミル。
【請求項３】
請求項１又は請求項２のいずれかに記載の小径エンドミルにおいて、該孔部がシャンク内部をその中心軸に沿って略平行に貫通していることを特徴とする小径エンドミル。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の小径エンドミルにおいて、該孔部に差し込まれている該超硬合金材部の断面形状が多角形であることを特徴とする小径エンドミル。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の小径エンドミルにおいて、超高硬度焼結材が立方晶窒化硼素焼結材であることを特徴とする小径エンドミル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも刃部の１部が超高硬度焼結材から構成され、刃部の直径が６ｍｍ以下の小径エンドミルやリブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
小径エンドミルは小型の精密金型や部品等を３次元形状加工するための工具として最適であり、超高硬度焼結材、特に立方晶窒化硼素（以下、ｃＢＮという。）焼結材やダイヤモンド焼結材を刃部の素材に用いた小径エンドミルの技術が、以下の特許文献１、２に開示されている。
【特許文献１】実開平７−３１２１６号公報（第２頁、図１）
【特許文献２】特開平１０―１１３８０９号公報（第３頁、図１）
【０００３】
特許文献１はダイヤ等の焼結材が刃先保持部の一端に固着され切刃が形成されている小径加工工具が開示されている。先端にダイヤ等の焼結材を固着した超硬合金製刃先保持部の構造を提案しているが、シャンク部内に挿入されている刃先保持部の径が刃先部の径とほぼ同一であり、孔内保持部の剛性が劣る欠点があった。特許文献２はボール刃がｃＢＮ焼結材で形成されている高速用ボールエンドミルの構造を提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
エンドミルのたわみ量は工具突き出しの長さの３乗に比例すると言われており、シャンク端部から工具刃部先端までの長さを大きくすると刃先保持部が倒れる、或いは刃部の振れが大きくなるとともに、シャンク端部にかかるトルクが大きくなり、加工精度が低下する、或いは工具寿命が短くなる欠点がある。この欠点は、特に、シャンク端部から刃部におけるシャンク側端部の部分（以下、首部と言う。）の径が小さく、しかも首部の長い小径エンドミルやリブで顕著に現れる。上記従来技術の欠点を踏まえ、本発明が解決しようとする課題は、超高硬度焼結材チップから成る工具先端部、特に刃部から首部にかけた部分の横方向への剛性が高く、しかも首部の取り付け強度が高い、高精度・高効率加工が可能な、優れた切削特性を有する小径エンドミルを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
工具先端の刃部が実質的に超高硬度焼結材から成り、該超高硬度焼結材に一体焼結された超硬合金材の１部がシャンク孔部に差し込まれて固定されている小径エンドミルであり、該孔部内に差し込まれている超硬合金材部分の外接円直径Ｄｈと刃部の最大直径Ｄｃとの比Ｄｈ／Ｄｃが２以上であり、該孔部内も含めた該超硬合金材と該超高硬度焼結材とをあわせた全長Ｌｔと該孔部内の長さＬｈとの比Ｌｔ／Ｌｈが２以上、１０以下であり、該孔部がシャンク内部をその中心軸に沿って略平行に貫通しており、該孔部に差し込まれている該超硬合金材部の断面形状が多角形であり、該超高硬度焼結材が立方晶窒化硼素焼結材であることを特徴とする小径エンドミルである。上記構成を採用することにより、首部から刃部間の強度を高めるとともに、首部であるシャンク部端部から刃部までが長く、工具突出し量が長くとも高精度な小径エンドミルである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の小径エンドミルは、刃部を実質的に構成する超高硬度焼結材と、首部を実質的に構成する超硬合金材とが一体焼結されていることにより両者間にろう付け材等の機械強度が劣る部分が存在せず、しかも該超硬合金材がシャンク部の孔内に直接挿入され固定されているため、該孔部先端から挿入部分の機械強度が確保され、しかもＤｈ／Ｄｃが２以上と大きいため、首部取り付け部近傍の強度が大きくなり、シャンク部端部から刃部までの長さを大きくとっても十分な機械強度が得られ、耐摩耗性が特に優れている超高硬度焼結材からなる刃部と相まって、極めて高精度の加工が可能な小径エンドミルが実現できる。Ｄｈ／Ｄｃが２未満の時は、切削時に刃部からかかるトルクに対して、首部の根元部分に当るシャンク部端部の孔部入り口部分の強度が不十分になり、首部が根元部分から倒れる、或いは刃部の振れが大きくなり加工精度が悪くなる欠点が現れる。ここで、刃部を構成する超高硬度焼結材と首部を構成する超硬合金材とが一体焼結されているということは、超高硬度焼結材を構成する結晶粒、例えばｃＢＮ結晶粒やダイヤモンド結晶粒と、超硬合金材を構成する結晶粒、例えばＷＣ結晶粒或いは中間層の構成元素が、両材間の界面や両材間に挿入された中間層との界面近傍まで観察され、両材間の界面にＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｄ等のろう付け材成分が観察されないことによって確認される。これら超高硬度焼結材と超硬合金材との間には、例えばＴｉＮやＴｉＣＮ、ＴｉＣ或いはＣｏ−Ａｌ合金等の薄膜からなる中間層が挿入されていることが好ましい。超高硬度焼結材と超硬合金材とをＴｉＮ膜等の中間層を介して超高圧高温で一体焼結することにより超高硬度焼結材と超硬合金材との間の界面強度が更に高まり、更に信頼性の高い小径エンドミルが得られる。刃部は実質的に超高硬度焼結材により構成されていれば良く、例えば刃部の１部が超硬合金材より構成されていても良い。また、超硬合金材の１部をシャンク部の孔部に固定する方法としては、ろう付け、圧着、嵌合等があるが、ろう付けが固定後の精度と信頼性及び経済的利便性が高く好ましい。ろう材にはＮｉ−Ｃｒ系ろう材やＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ系が用いられていることが好ましい。例えば、Ａｇ−Ｃｕ−ＴｉやＡｇ−Ｃｕ−Ｚｎ系ろう材では８９０〜１１７３°Ｋ、Ｎｉ−Ｃｒ系ろう材では１２００〜１４９０°Ｋと、より高温で超高硬度焼結材をろう付けすることが出来、切削時に刃先温度が上がった場合にも、ろう付け強度が落ちることなく、より信頼性の高い小径エンドミルが実現できる。
【０００７】
本発明の小径エンドミルは、超硬合金材部がシャンク部の孔部に焼ばめにより固定し、使用されることも好ましい。こうすることにより、首部が比較的容易に交換できるようになり、より経済的利便性が高くなる。次に、超硬合金材部のシャンク部の孔部に差し込まれている部分の外接円の径が１ｍｍ以上であることが好ましい。こうすることにより首部から先をシャンク部に固定している強度が高まり、更に機械強度が高い優れた小径エンドミルが実現できる。更に、シャンク部先端部に形成された孔部内も含めた超硬合金材と超高硬度焼結材とをあわせた全長Ｌｔとシャンク孔部内の長さＬｈとの比Ｌｔ／Ｌｈが２以上１０以下であること好ましい。こうすることによりシャンク孔部先端から首部及び刃部までの全長を長く設定することができ、しかもシャンク部から首部の機械強度が高いため、高精度加工可能な小径エンドミルが実現出来る。Ｌｔ／Ｌｈが２未満の場合は、首部が短くなり、十分な深さの加工ができなくなり、１０を越えるとシャンク孔部内の長さＬｈに比べてシャンク孔部外の長さ（Ｌｔ−Ｌｈ）が長くなりすぎ、首部の根元にかかるトルクが大きくなり、首部が倒れる或いは刃部の振れが大きくなり、工具寿命が短くなる、又は加工精度が悪くなる欠点が現れる。本発明は、Ｌｔ／Ｌｈが４以上であることが更に好ましい。こうすることにより、工具寿命が極端に短くなり、また加工精度が極端に悪くなることを回避でき、加工が可能になる。
【０００８】
本発明の小径エンドミルは、首部を構成する超硬合金材の１部が挿入されているシャンク孔部があり、該シャンク孔部が、シャンクの中心軸に沿って略平行に貫通していることが好ましい。こうすることにより超硬合金材の首部をシャンク孔部にろう付けするときに、空気等のガスがシャンク孔部内にこもることがなく、均一にろう付けすることが出来、機械強度と回転バランスの良い小径エンドミルが実現できる。シャンク孔部がシャンク内を貫通していない場合は、ろう付け時にガスがシャンク孔部内にこもり、首部がシャンク孔部から抜けやすくなるとともに、首部をシャンク孔部に均一にろう付けすることが難しくなり、機械強度が低下する欠点が現れる。また、シャンク孔部がシャンクの中心軸に沿って略平行でないと、小径エンドミルの回転バランスが悪くなり、加工精度が悪くなるとともに、刃部のふれが大きくなり、刃先がチッピングし易くなる等の欠点が現れる。シャンク孔部の形状は、超硬合金材の首部を挿入する領域においては、外接円直径がＤｈの超硬合金材が挿入できる形状、大きさとし、そこから先、シャンク内部の奥の孔径はＤｈよりも小さいことが望ましい。こうすることにより首部の軸方向に対する機械強度が高まるため、更に優れた信頼性を有する小径エンドミルが実現できる。
【０００９】
本発明の小径エンドミルは、シャンク孔部に差し込まれている超硬合金材の断面形状が多角形であることが好ましく、略４角形であることが更に好ましい。シャンク孔部に差し込む部分の超硬合金材の断面形状を多角形とし、この形状に合わせてシャンク孔部の断面形状も同様な多角形とすることにより、該超硬合金材の回転に対する抵抗が高くなり、より信頼性の高い小径エンドミルが実現できる。本発明の小径エンドミルは、超高硬度焼結材が立方晶窒化硼素焼結材であることが好ましい。こうすることにより、より硬度の高い鉄系部品や金型等を高効率かつ高精度に切削加工できる小径エンドミルが実現できる。以下、本発明の小径エンドミルを実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものでない。
【００１０】
【実施例】
（実施例１）
本発明において、シャンク孔部に差し込まれている超硬合金材部のＤｈとＤｃとの比Ｄｈ／Ｄｃの影響を明らかにするため、Ｄｈ／Ｄｃが異なる本発明例と比較例とを作製し、その切削特性を評価した。図１はこれらの小径エンドミルの製作に用いた超高硬度焼結材基板１を例示したものであり、図２は作製した小径エンドミルの代表例を示したものである。図１の超高硬度焼結材基板１は、８０容量％のｃＢＮ粉末と、残りがＣｏとＡｌとからなるバインダー粉とを混合した粉体からなるｃＢＮ成形体と、ＷＣ：９０質量％、Ｃｏ：１０質量％の組成よりなる超硬合金焼結材とを５．６ＧＰａ、１７２３°Ｋで超高圧高温焼結することにより作製した。そして、全体の直径が４５ｍｍ、厚さが８ｍｍで、ｃＢＮ材部１１の厚さが１ｍｍ、超硬合金材部１２の厚さが７ｍｍになるように加工した。この基板を短冊状に放電切断加工し、断面が四角形状で角部を面取りした所定形状の超高硬度焼結材チップ２を作製した。チップのｃＢＮ材部分の長さは１ｍｍ、全長は８ｍｍで、軸直角断面の外径は表１のＤｃに合わせて作製した。シャンク部３は直径６ｍｍ、長さ５４ｍｍで中心軸に沿って直径１ｍｍの貫通孔を設けたＫ種の超硬合金製であり、片側端部の孔部に上記の超高硬度焼結材チップ２を差込み、ろう付けした後、所定形状に加工することにより、図２に示す形状の二枚刃のスクエア型小径エンドミルを作製した。この時、超高硬度焼結材チップ２を差込むためにシャンクの片側端部に設けた孔は、断面形状が各コーナーにＲを付けた四角形で、その寸法と深さとはこれに差込む超高硬度焼結材チップ２に合わせて形成した。超高硬度焼結材チップ２の超硬合金材部２２側を、シャンク部先端に形成した孔部一杯の深さまで差込み、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ合金によりろう付けした。シャンク部３に取り付けた超高硬度焼結材チップ２を所定形状に加工し、超高硬度焼結材製刃部４１と超硬合金材製首部４２とを形成した。本発明例１〜４と比較例５〜７のＬｔ、Ｌｈ、Ｄｃ及びＤｈとを表１に記す。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
表１中の本発明例１〜４と比較例５〜７の切削特性の差異を明らかにするため、両試料を次の条件で切削し、加工溝の数によって比較評価した。切削諸元は、被削材にＨＲＣ３８のプリハードン鋼を用い、工具回転数、５００００ｍｉｎ−１、送り速度、５００ｍｍ／ｍｉｎ、切込み量は工具軸方向に０．０２ｍｍとし、乾式で等高線リブ溝切削を行った。リブ溝の形状は幅１．１ｍｍ、長さ５０ｍｍ、深さ３ｍｍで、曲線加工部を有した止まり溝である。切削テストの結果、表１に示すように、本発明例１〜４はいずれも２１溝以上を切削加工出来たが、比較例５〜７は１０溝以下の溝数で切削加工中にビビリが発生し、首部とシャンク端部の境界付近で折損した。Ｄｈ／Ｄｃが２以上である本発明例は、Ｄｈ／Ｄｃが２未満である比較例に比べて工具寿命が２倍以上長く、優れていることがわかる。
【００１３】
（実施例２）
Ｄｈ／Ｄｃが２以上であり、しかも、Ｌｔ／Ｌｈが２以上、１０以下の場合の影響を明らかにするため、Ｌｔ／Ｌｈが異なる本発明例８〜２１を作製し、その切削特性を評価した。各試料は実施例１と同様の工程で作製した。超高硬度焼結材基板１は全体の直径が４５ｍｍ、厚さが１６ｍｍで、ｃＢＮ材部１１の厚さが１ｍｍ、超硬合金材部１２の厚さが１５ｍｍのものを用いた。Ｄｃを１ｍｍ、Ｄｈを２ｍｍ、Ｌｔを１６ｍｍと一定とし、Ｌｈのみを表１に示すように変化させた小径エンドミルを作製した。実施例１と同じ条件で切削評価した結果、表１に示す結果を得た。Ｌｔ／Ｌｈが１０を超える本発明例８、９は夫々１８溝、２７溝の切削加工が出来たのに対し、Ｌｔ／Ｌｈが１０以下である本発明例１０〜２１品はいずれも３０溝以上の切削加工が出来、切削加工中にビビリが発生すること無かった。Ｌｔ／Ｌｈが１０以下の場合は、工具寿命が１．６倍以上優れており、本発明例のＬｔ／Ｌｈは１０以下であることが好ましいことがわかる。また、Ｌｔ／Ｌｈが２以上、１０以下の場合は、Ｌｔ／Ｌｈを大きくしても切削可能加工回数の低下する割合が比較的小さく、しかもＬｔ−Ｌｈが８ｍｍであるため、８ｍｍ以上の加工が可能となりより好ましいことが判明した。また、Ｌｔ／Ｌｈが４以上、１０以下の場合は、切削可能加工回数の低下する割合が小さく、しかもＬｔ−Ｌｈが１２ｍｍであるため１２ｍｍ以上の加工が可能となり更に好ましいことがわかる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明を適用することにより、超高硬度焼結材から成る工具先端部、特に首部から刃部にかけた部分の横方向への剛性が高く、しかも首部の取り付け強度が高く、高精度・高効率加工が可能な、優れた切削特性を有する小径エンドミルを得ることが出来た。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係わる超高硬度焼結材基板と超高硬度焼結材チップの一例を示す図。
【図２】図２は、本発明に係わる小径エンドミルの一例を示す。
【符号の説明】
１：超高硬度焼結材基板
２：超高硬度焼結材チップ
３：シャンク
４：刃先保持部
１１：ｃＢＮ材
１２：超硬合金材
２２：超高硬度焼結材チップの超硬合金材部
３１：シャンク端部
４１：刃部
４２：首部
【図１】
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【図２】
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