(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に略半球状の回転軌跡を呈する略円弧状の切れ刃を具備したボールエンドミルにおいて、少なくとも前記切れ刃部に前記略半球の回転中心に位置する切れ刃部分の硬質膜の厚みが、前記略半球の周面に位置する切れ刃部分の硬質膜の厚みよりも薄い硬質膜を被着形成してなり、前記略半球の回転中心に位置する切れ刃部分の硬質膜の厚みｄ1と、前記略半球部の周面に位置する硬質膜の最大厚みｄ2との比ｄ1／ｄ2が０．７以下であることを特徴とするボールエンドミル。
【請求項２】
前記略半球の周面に位置する切れ刃部分の硬質膜が、前記略半球の回転中心に位置する切れ刃部分の硬質膜よりも多層被覆されてなることを特徴とする請求項１記載のボールエンドミル。
【請求項３】
前記硬質膜の厚みが、前記略半球の回転中心に位置する切れ刃部分から前記略半球の周面に向かって次第に増加することを特徴とする請求項１または２記載のボールエンドミル。
【請求項４】
前記硬質膜が物理気相蒸着法にて被着形成された少なくとも１層からなることを特徴とする請求項１乃至３いずれか記載のボールエンドミル。
【請求項５】
母材表面の少なくとも切れ刃部に硬質膜を被着形成したスローアウェイチップを、工具本体の先端に切れ刃の回転軌跡が略半球状を呈するように取り付けるボールエンドミルの製造方法において、前記略半球状の回転中心近傍に成膜厚みを制御する遮蔽板を配置して、前記硬質膜を成膜することを特徴とするボールエンドミルの製造方法。
【請求項６】
母材表面の少なくとも切れ刃部に硬質膜を被着形成したスローアウェイチップを、工具本体の先端に切れ刃の回転軌跡が略半球状を呈するように取り付けるボールエンドミルの製造方法において、前記半球状の回転中心に位置する切れ刃部分にマスクを用いて、前記略半球の周面に位置する切れ刃部分に硬質膜が多層になるように前記硬質膜を成膜することを特徴とするボールエンドミルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、金型加工など自由曲面を高速回転しながら加工するボールエンドミルに関し、特に耐摩耗性と耐欠損性を兼備したスローアウェイ式ボールエンドミルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
金型加工等に多用されるボールエンドミルのうち、特にスローアウェイ式ボールエンドミルは、回転軸を有するホルダの所定位置に１つまたは複数のスローアウェイチップを取り付け、前記ホルダの回転に伴って、前記チップの切れ刃が略半球を呈しつつ被削材を複雑な形状に加工するものである。
【０００３】
かかるボールエンドミルにおいては、切削加工時に回転中心付近は切削速度が小さく、また外周刃付近では切削速度が大きくなるため、低速加工となる回転中心では摩擦抵抗が大きく、逆に外周部では、摩耗進行が速いという問題があった。
【０００４】
そこで、実開平５−８８８２２号公報ではチップ母材の表面にＴｉＣＮやＴｉＮ等の硬質膜を回転中心部に被着形成し、被削材との摩擦抵抗を低減して耐欠損性を高める方法が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記硬質膜を回転中心部に被着形成したボールエンドミルでは、切削初期は、回転中心付近の摩擦抵抗を低減することはできるものの、切削時間を延長して硬質膜の剥離が発生すると、硬質膜を被覆しないものよりも大きく損傷してしまい、また、外周部での耐摩耗性を改善できないためにエンドミル全体として性能が低下してしまうものであった。
【０００６】
本発明は上記課題に対してなされたもので、その目的は耐欠損性と耐摩耗性に優れた長寿命のボールエンドミルを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、ボールエンドミル用チップに被着形成する硬質膜の構成について検討した結果、切削速度が高くなる外周部には耐摩耗性を重視して膜厚を厚くするとともに、回転中心近くでは耐チッピング性を重視して膜厚を薄くし、前記略半球の回転中心に位置する切れ刃部分の硬質膜の厚みｄ1と、前記略半球部の周面に位置する硬質膜の最大厚みｄ2との比ｄ1／ｄ2を０．７以下とすることにより、耐摩耗性と耐欠損性を兼備した長寿命のチップが得られることを知見し本発明に至った。
【０００８】
すなわち、本発明の工具本体の先端に略半球状の回転軌跡を呈する略円弧状の切れ刃を具備したボールエンドミルにおいて、少なくとも前記切れ刃部に前記略半球の回転中心に位置する切れ刃部分の硬質膜の厚みが、前記略半球の周面に位置する切れ刃部分の硬質膜の厚みよりも薄い硬質膜を被着形成してなり、前記略半球の回転中心に位置する切れ刃部分の硬質膜の厚みｄ1と、前記略半球部の周面に位置する硬質膜の最大厚みｄ2との比ｄ1／ｄ2が０．７以下であることを特徴とするボールエンドミルである。
【００１０】
さらに、前記硬質膜の厚みが、前記略半球の回転中心に位置する切れ刃部分から前記略半球の周面に向かって次第に増加することが望ましい。
【００１１】
さらに、前記硬質膜が物理気相蒸着法にて被着形成された少なくとも１層からなることが望ましい。
【００１２】
さらに、前記略半球の周面に位置する切れ刃部分の硬質膜が、前記略半球の回転中心に位置する切れ刃部分の硬質膜よりも多層被覆されていてもよい。
【００１３】
また本発明の製造方法は、母材表面の少なくとも切れ刃部に硬質膜を被着形成したスローアウェイチップを、工具本体の先端に切れ刃の回転軌跡が略半球状を呈するように取り付けるボールエンドミルの製造方法において、前記略半球状の回転中心近傍に成膜厚みを制御する遮蔽板を配置して、前記硬質膜を成膜することが望ましく、さらに母材表面の少なくとも切れ刃部に硬質膜を被着形成したスローアウェイチップを、工具本体の先端に切れ刃の回転軌跡が略半球状を呈するように取り付けるボールエンドミルの製造方法において、前記半球状の回転中心に位置する切れ刃部分にマスクを用いて、前記略半球の周面に位置する切れ刃部分に硬質膜が多層になるように前記硬質膜を成膜してもよい。
【００１４】
さらに第一の成膜工程では摺動性、表面平滑性に優れた窒化チタン、窒化アルミニウムチタン、窒化クロム、窒化クロムチタン、硫化マンガン、炭化タングステン等の被膜を成膜することが望ましく、第二の成膜工程での周面刃領域へのコーティングでは炭窒化チタン、窒化アルミニウムチタン、炭化チタン、酸化アルミニウム等の耐摩耗性に優れる硬質膜を成膜することが望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明ボールエンドミルの好適例であるホルダにスローアウェイチップを装着してなるスローアウェイ式ボールエンドミルの例について、その概略正面図である図１とスローアウェイチップを拡大して示す図２をもとに説明する。
【００１６】
図１によれば、スローアウェイ式ボールエンドミル１は円柱状のシャンク２の先端に挟持部３が配備されたホルダ（工具本体）４の挟持部３にスローアウェイチップ６が止めネジ７にて装着、固定されている。そしてシャンクの中心ａを軸にして回転することによりスローアウェイチップ６の切れ刃が略半球状を呈するようにチップ６の切れ刃８は円弧状をなしている。
【００１７】
本発明によれば、図２に示すように、前記略半球の回転中心に位置する切れ刃８部分の硬質膜１０ａの厚みが、前記略半球の周面に位置する切れ刃８部分の硬質膜１０ｂの厚みよりも薄いことが大きな特徴であり、これによってボールエンドミルの耐欠損性と耐摩耗性をともに向上させることができる。
【００１８】
すなわち、切れ刃８部分の硬質膜１０ａ、１０ｂの厚みが全領域にわたって均一であるか、略半球の回転中心に位置する切れ刃８部分の硬質膜１０ａの厚みが前記略半球の周面に位置する切れ刃８部分の硬質膜１０ｂの厚みよりも厚いと、切れ刃８位置の切削速度の違いにより、切削速度の遅い中心近辺で切れ刃８に負荷がかかり、硬質膜の剥離、切れ刃８の損傷を引き起こし、切削工具として使用できなくなる。
【００１９】
本発明によれば、耐欠損性と耐摩耗性を両立するために、前記略半球の回転中心に位置する切れ刃８部分の硬質膜１０ａの厚みｄ1と、前記硬質膜の最大厚みｄ2との比ｄ1／ｄ2が０．７以下、特に０．３〜０．６であることが望ましい。
【００２０】
さらに、耐欠損性、耐摩耗性、および仕上面粗度向上の点で、前記硬質膜の厚みが、前記略半球の回転中心に位置する切れ刃８部分から前記略半球の周面に向かって次第に、すなわち連続的あるいは段階的に、特に連続的に増加することが望ましい。
【００２１】
なお、スローアウェイチップ６の母材は例えば、超硬合金、サーメットからなり、硬質膜１０ａ、１０ｂはチタンの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物、窒化アルミニウムチタン、窒化アルミニウムチタン、窒化クロム、窒化クロムチタン、窒化ジルコニウム、窒化ジルコニウムチタン、炭化タングステン、硫化マンガン、酸化アルミニウム、ＤＬＣ、ダイヤモンド、ｃＢＮの少なくとも１種、特に窒化チタン、炭窒化チタン、および窒化アルミニウムチタンの群からなることが望ましい。
【００２２】
なお、本発明によれば、チップ６の切れ刃８以外の平面部分においても切りくずの衝突による損傷、発熱を防止する上で、硬質膜１０が形成されることが望ましいが、逃げ面の硬質膜１０の膜厚がすくい面の硬質膜１０の膜厚より大きいことが、耐摩耗性の点から望ましい。
【００２３】
また、本発明によれば、硬質膜１０は膜厚制御が容易な点で物理気相蒸着法にて被着形成されたものであることが望ましい。さらに本発明によれば、硬質膜１０は単層に限定されるものでなく、多層形成されたものであってもよく、この場合、硬質膜１０の層数を変える、すなわち多層化によって膜厚を制御することも可能である。
【００２４】
さらにまた、図１のスローアウェイ式ボールエンドミル１ではスローアウェイチップが１つ装着されたものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、底面と側面に別々にチップを装着するものであってもよい。この場合でも回転中心を含む底面刃の硬質膜１０の膜厚を側面刃のそれよりも薄くするか、または回転中心に向かって次第に、すなわち連続的または段階的に薄くすることによって上述した耐欠損性、耐摩耗性を向上できる。
【００２５】
また、本発明においては、彫り込み加工や等高線加工等のホルダ４を平面方向に動かすことの多いボールエンドミルに対して特に有効なのである。
（製造方法）
次に、上述したスローアウェイボールエンドミルの製造方法を説明する。
まず、超硬合金やサーメット等の母材を従来公知の成形・焼成によって作製し、所望によってダイヤモンドホイール、研削盤、グラインディングセンター等の加工装置を用いて所定形状に研削加工したあと、所望により、酸、アルカリ、有機溶剤、純水にて洗浄し、十分乾燥させる。さらに必要に応じ、ブラスト処理、ブラシ処理、バレル処理等を行なう。
【００２６】
次にチップ母材表面に硬質膜を成膜する方法としてはＣＶＤ法（化学気相蒸着法）、ＰＶＤ法（物理気相蒸着法）が挙げられるが、特にアーク方式、ホローカソード方式等のイオンプレーティング装置、マグネトロンスパッタリング装置等をを利用したＰＶＤ法が膜厚制御の点で好適である。
【００２７】
本発明によれば、上述したように硬質膜１０の膜厚を局所的に異ならしめるために、成膜に際し、図３に示すように回転中心に位置する切れ刃８部を成膜速度の遅い位置に配置したり、より確実な方法として、回転中心に位置する切れ刃８部付近にステンレス等にて作製した遮蔽板１５を配置した状態で成膜する方法や、図４に示すように回転中心に位置する切れ刃８部表面にマスク１７をした状態で成膜し積層数を異ならしめる方法等が挙げられる。なお、多層硬質膜を成膜する場合にはそれぞれの硬度、靭性等の膜質に応じた構成および膜厚に調整し、回転中心では耐欠損性を重視し、かつ側面では耐摩耗性を重視した構成とする。
【００２８】
【実施例】
平均粒径が０．７μｍの炭化タングステン（ＷＣ）粉末を８９％（重量比）、金属コバルト（Ｃｏ）粉末を１０％（重量比）、および炭化バナジウム（ＶＣ）と炭化クロム（Ｃｒ3Ｃ2）を合わせて１％（重量比）、混合・粉砕・造粒し、エンドミル用チップ形状に成形した後、１４００℃×１時間焼成してチップ母材用超硬合金を作製した。この超硬合金を研削盤、グラインディングセンターにて研削加工し、洗浄後、乾燥した。
【００２９】
得られた母材をアーク方式イオンプレーティング内にセットし、回転中心に位置する切れ刃部の直上にステンレス製の遮蔽板を設置した状態（図３参照）で表１に示す硬質膜を作製した。成膜後、同様に作製したチップ断面をＳＥＭ観察し、膜厚を測定した結果を表１に記載した。
【００３０】
そして、得られたスローアウェイチップを用いて下記切削条件により射出成形用金型の切削加工を行ない、スローアウェイチップの摩耗量および損傷状態を測定した。なお、切削試験中に最大摩耗量が０．２ｍｍあるいは加工部品の表面性状が劣化した場合、その時点を工具寿命とした。
【００３１】
（切削評価条件）
加工部品：射出成形用金型
材質    ：ダイス鋼（ＳＫＤ１１調質材）
使用工具：直径１６ｍｍ
切削速度（回転数）：４０００ｍｉｎ-1
送り速度：７００ｍｍ／ｍｉｎ
切り込み：変動
加工時間：部品１個当たり３０分
その他条件：乾式切削
【００３２】
【表１】
0003810305.tif 000002
【００３３】
表１の結果より、従来手法で作製した硬質膜の分布が均一なＮｏ．１および硬質膜の膜厚の比率ｄ1／ｄ2が０．７より大きい試料Ｎｏ．２は、切削加工中に回転軸中心近辺で硬質膜の剥離が発生し、超硬合金母材が露出した部分に被削物が溶着し、加工面が劣化した。
【００３４】
これに対して、本発明に従う試料Ｎｏ．３〜１０では、回転軸中心近辺の切れ刃においても正常摩耗状態であり、加工部品３個以上（合計加工時間９０ｍｉｎ以上）加工が可能となり、切れ刃の損傷等の異常を起こさず、安定した加工が可能となった。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１に係るボールエンドミルによれば、少なくとも切れ刃部に略半球の回転中心に位置する切れ刃部分の硬質膜の厚みが、略半球の周面に位置する切れ刃部分の硬質膜の厚みよりも薄い硬質膜を被着形成してなり、前記略半球の回転中心に位置する切れ刃部分の硬質膜の厚みｄ1と、前記略半球部の周面に位置する硬質膜の最大厚みｄ2との比ｄ1／ｄ2が０．７以下であることから、耐欠損性と耐摩耗性をともに向上させることができるとともに、仕上面粗度を向上させることができ、一枚もしくは一組のスローアウェイチップで広い加工速度範囲に対応できる。
【００３６】
また、請求項６に係るボールエンドミルの製造方法によれば、ボールエンドミルの略半球状の回転中心近傍に成膜厚みを制御する遮蔽板を配置して硬質膜を成膜することから、簡単方法で略半球の回転中心に位置する切れ刃部分の硬質膜の厚みが略半球の周面に位置する切れ刃部分の硬質膜の厚みよりも薄い硬質膜を形成できる。
【００３７】
また、請求項７に係るボールエンドミルの製造方法によれば、半球状の回転中心に位置する切れ刃部分にマスクを用いて、略半球の周面に位置する切れ刃部分に硬質膜が多層になるように成膜することから、簡単方法で略半球の回転中心に位置する切れ刃部分の硬質膜の厚みが略半球の周面に位置する切れ刃部分の硬質膜の厚みよりも薄い硬質膜を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のボールエンドミルの正面図である。
【図２】図１のボールエンドミルにおけるスローアウェイチップを説明するための図である。
【図３】本発明のボールエンドミルにおけるスローアウェイチップの製造方法の一例を説明するための図である。
【図４】本発明のボールエンドミルにおけるスローアウェイチップの製造方法の一他の例を説明するための図である。
【符号の説明】
１  ボールエンドミル
２  シャンク
３  挟持部
４  ホルダ（工具本体）
６  スローアウェイチップ
７  止めネジ
８  切れ刃
９  母材
１０  硬質膜
１１  取り付け穴
１３  スペーサ
１５  遮蔽板
１７  マスク
【図１】
0003810305.tif 000003
【図２】
0003810305.tif 000004
【図３】
0003810305.tif 000005
【図４】
0003810305.tif 000006