JP2010179450A - 穴加工用工具 - Google Patents

Abstract

【課題】インサート式の穴加工用工具で、切れ刃が摩耗した時のチップの交換が容易になり、工具本体に対してインサートを精度良く取り付けることが容易で、切屑が巻き付きにくく、工具の剛性も高くて、高精度の加工が可能な穴加工用工具を提供する。
【解決手段】切れ刃チップを有するインサートを軸状の工具本体の先端にネジなどの締結具により固定する構造とし、インサートは、一方の側面および後端面が工具本体に形成された取付面と接して固定される。取付面と接する面の内、側面は２つの平面からなり、かつ２つの平面が交差して断面が凸Ｖ字状を成している。締結具は、その軸心がインサートのすくい面と略平行となるように、工具本体の外周側から内周側に向かって設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種材料に予め形成された下穴の仕上げ加工を行う工具に関するもので、特にアルミダイカストなどの非鉄金属に形成された下穴を高精度に仕上げ加工を行うことができるリーマに関する。

自動車のエンジン部品などには、アルミダイカストなどの材料が使用されており、低燃費化や低騒音化などの環境対策のためにバルブ用の穴などは高精度な加工が要求されるようになっている。このような穴の仕上げ加工を行うために、例えばダイヤモンド焼結体からなるチップに切れ刃を形成したリーマが用いられる。このリーマで加工を行う際に、加工形態によっては切屑がリーマに巻き付くことがあり、作業能率を低下させたり加工面に傷が入るなどの問題が生じやすくなる。特に、加工部分の形状が貫通穴ではなく止まり穴である場合は切屑の排出性が悪くなり、工具に切屑が巻き付いたり、加工後に穴の中に切屑が残り、次工程で切屑の処理が必要になって生産能率の低下をきたすなどの問題が生じる。

切屑が巻き付くのを防止する対策を行った工具として、特許文献１に記載のリーマがある。このリーマを図５に示す。このリーマ２１は、切れ刃チップ３１に切屑のブレーク機能を持たせて切屑を分断させるものであり、ブレーク機能を有する形状として切れ刃チップ３１のすくい面上に段差３１ｂを設けたものである。

一方、リーマの一般的な形態として、軸状の工具本体の先端に切れ刃を形成したチップがロウ付けされている。このようなリーマでは、切れ刃が摩耗した際にはチップ周辺を加熱してロウ材を溶かし、チップの位置をずらせて切れ刃の再研磨を行ったり、或いは新たなチップをロウ付けして切れ刃を形成することが行われる。図５のリーマも、工具本体２３の先端に凹部２４を形成し、凹部２４の先端にダイヤモンド焼結体からなる切れ刃チップ３１をロウ付けしたものである。

しかしながら、ロウ付けを行うために加熱を繰り返すと、工具本体に熱歪みが発生し、工具としての精度の保証ができなくなるという問題が生じる。この対策としては、工具本体にインサートチップを固定するタイプのリーマを使用することが考えられる。インサートチップを工具本体に固定するインサート式工具の例として、特許文献２や特許文献３に記載の工具がある。

特許文献２に記載の工具を、図６に示す。このリーマ２１は、工具本体２３の先端に凹部２４が形成され、凹部２４の先端側には切欠部２７が形成されている。この切欠部２７にインサート２２がクランプネジ２６により固定されている。また、インサート２２はその先端側に切れ刃チップ３１がチップ固定用ネジ３４で固定されている。このような構造になっているので、切れ刃チップ３１に形成された切れ刃が摩耗した際には、インサート２２や工具本体２３を加熱することなく切れ刃チップ３１が交換できるものである。

また、特許文献３に記載の工具を図７に示す。このリーマ２１は、工具本体２３の先端に凹部２４が形成され、凹部２４にはインサート２２が着座面３０に接するようにクランプネジ２６で固定されている。また、インサート２２に設けられた切れ刃チップ３１の位置を微調整できるように、工具本体２３には押圧部材２８がインサート２２に接するように設けられており、押圧ネジ２９により押圧部材２８を移動させて微調整をできる構造になっている。

特開２００１−３２２０２９号公報（図１） 特開平８−６６８１４号公報（図１） 特開２００８−１２６５５号公報（図３、図４）

特許文献２に記載の工具では、切れ刃チップ３１のすくい面３１ａ上に切れ刃チップ３１を固定するチップ固定用ネジ３４の頭部が存在している。この構造では、切れ刃部で発生した切屑がすくい面３１ａ上を流れてきた際にチップ固定用ネジ３４の頭部に接触し、切屑の流れを阻害してしまうため、切屑が排出されにくくなる。そのため、リーマのような穴内面の加工を行う場合には、穴内部に切屑が溜まって、切れ刃部と加工面との隙間に切屑が噛み込んで、加工面精度や加工面表面粗さを悪化させる恐れがある。

また、特許文献３に記載の工具では、インサート２２の底面を工具本体２３の着座面３０と接触させてクランプネジ２６で固定しており、工具本体２３の軸方向において着座面３０が平面と曲面の組み合わせで形成されている。この構造では、軸方向においてはインサート２２の位置決めが正確に行われるが、径方向については押圧ネジ２９で微調整するようになっており工具本体２３の構造が複雑になってしまう。また、工具本体２３の着座面３０や着座面３０と接するインサート２２の底面を精度良く加工する必要があり、切れ刃位置の精度を向上させるには工具本体２３やインサート２２の加工に手間がかかることになる。

このようなことから、本発明は、ロウ付けによる熱歪みの影響を受けずに切れ刃位置精度を向上させることが容易で、切屑を巻き付きにくくすることができ、インサートや工具本体の構造も簡単なものにできる穴加工用工具を提案するものである。

本発明の穴加工用工具の第１の特徴は、軸状の工具本体の先端に切れ刃チップを有するインサートがネジにより固定された穴加工用工具であって、前記インサートは、一方の側面および後端面が前記工具本体に形成された取付面と接して固定され、前記取付面と接する面の内、前記側面は２つの平面からなるとともに、前記２つの平面が交差して断面が凸Ｖ字状を成し、前記ネジは、その軸心が前記インサートのすくい面と略平行となるように、前記工具本体の外周側から内周側に向かって設けられることである。また、前記側面を形成する２つの平面が交差する稜線は、前記工具本体の軸線と平行であることが好ましい。

このような構成の穴加工用工具によれば、ロウ付けするのは切れ刃チップをインサート本体に固定する場合だけであり、工具本体にはロウ付けのための加熱をしないので、工具本体が熱歪みの影響を受けず、工具としての精度を容易に保証できる。そして、インサートを固定するためのネジは、その軸心がインサートのすくい面と略平行になるように、工具本体の外周側から内周側に向かって設けられ、インサートのすくい面側にはネジの頭部などの凹凸がなく平坦になるため、切屑が巻き付いたりせず、しかも切屑が加工部に噛み込むことを起因とする穴内面の精度を悪化させることが大幅に減少する。

また、インサートは、一方の側面が工具本体の取付面と接して固定され、この側面形状は２つの平面からなり、これらの平面が交差して断面が凸Ｖ字状を成す形状であるため、工具本体に対してインサートの位置が精度良く決められ、インサートを交換した際にも切れ刃位置の微調整は必要なくなる。ここで側面を形成する２つの平面が交差する稜線を、工具本体の軸線と平行にしておけば、切れ刃チップの周方向位置はネジを締めるだけで決められる。そして、インサートの後端面も工具本体の取付面と接して固定されるため、切れ刃チップの軸方向位置も決められることになり、インサートの取付を極めて高精度に実施することが可能となる。

そして、凸Ｖ字状の角度は６０°以上１２０°以下であることが好ましい。
穴加工用工具では外周切れ刃にかかる力は、切れ刃稜からすくい面と垂直方向にかかる切削抵抗と切れ刃稜に穴の壁面から径方向にかかる力との合力になる。この合力は、インサートの側面を形成する凸Ｖ字状の平面のうちの１つの面が垂直に近い向きで受けることになるため、インサートの変形を抑制し工具剛性が向上するため、加工精度が向上する。また、インサートを正面視した時の形状は五角形となっており、従来の一般的な形状である四角形のものに比べると工具を回転させたときの遠心力による変形も小さく、この点でも工具剛性が向上する。さらに、本発明の穴加工用工具ではインサートの厚み（すくい面と垂直の高さ方向）を大きくすることができるため、インサートを固定するネジの直径を大きくすることもでき、さらに工具剛性を向上させることができる。従って、高速送りなど過酷な切削条件下であっても加工性能が向上する。

インサートの形状は７つの平面を主体とした単純な形状で製作することが可能であり、精度面においても製作が容易になる。また、この単純な形状により、インサートが工具本体の取付面と接する部分に隙間が形成されにくくなるため、隙間に切屑が引っかかって巻き付き、加工面の精度を悪化させる問題も生じにくい。

本発明の穴加工用工具によれば、切れ刃が摩耗した時のチップの交換が容易になり、工具本体に対してインサートを精度良く取り付けることも容易になる。また、切屑の巻き付きが起こらないため、加工面の精度を悪化させることも大幅に減少するとともに、工具の剛性も向上し、高精度の加工が可能になる。さらに、インサートの形状を単純な形状にできるため、精度良く製作することも容易になる。

本発明の穴加工用工具の例を示す先端側の部分斜視図である。 本発明の穴加工用工具の例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は先端側のみの部分側面図である。 本発明の穴加工用工具に使用されるインサートの例を示す斜視図である。 本発明の穴加工用工具に使用されるインサートの例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は平面図である。 従来の穴加工用工具の第１の例を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 従来の穴加工用工具の第２の例を示す先端側の部分斜視図である。 従来の穴加工用工具の第３の例を示す図で、（ａ）は正面から見た断面を示す図、（ｂ）は先端側のみの部分側面図である。 実施例における比較例１の穴加工用工具を示す先端側の部分斜視図である。 実施例における比較例２の穴加工用工具を示す先端側の部分斜視図である。 本発明の穴加工用工具の先端部分の分解斜視図である。 本発明の穴加工用工具の先端部分の分解斜視図である。

本発明の穴加工用工具の例を図１、図２、図３および図４に示す。図１は本発明の穴加工用工具の先端側を示す部分斜視図であり、図２（ａ）は図１の工具の正面図、（ｂ）は図１の工具の先端側のみの部分側面図である。また、図３は本発明の穴加工用工具に使用されるインサートの例を示す斜視図であり、図４（ａ）は図３のインサートの正面図、（ｂ）は図３のインサートの側面図、（ｃ）は図３のインサートの平面図である。

図１および図２を参照して、本発明の穴加工用工具１は、超硬合金や炭素鋼などからなる軸状の工具本体３の先端側に凹部４が周方向に等間隔で４ヶ設けられており、この凹部４の先端側にはぬすみ部が設けられ、このぬすみ部は主に３つの平面からなる取付面５により形成されている。このぬすみ部にはクランプ穴１３を有するインサート２がクランプネジ６により固定されている。

図３および図４を参照して、本発明の穴加工用工具１に使用されるインサート２は、超硬合金や炭素鋼などからなるインサート本体１２の先端側に切欠部が設けられ、この切欠部にダイヤモンド焼結体やＣＢＮ焼結体などの高硬度焼結体からなる切れ刃チップ１１がロウ付けにより固定されている。この切れ刃チップ１１のすくい面１１ａと逃げ面との境界のうち、先端側には先端切れ刃、外周側には外周切れ刃、先端切れ刃と外周切れ刃との境界部には食付き刃がそれぞれ形成されている。切れ刃チップ１１のすくい面１１ａとインサート本体１２の上面１４は面一になっており、段差の無い形状になっている。インサート２の後端側には、インサート２を工具本体３に固定するためのクランプ穴１３が２ヶ設けられており、このクランプ穴１３はその軸心方向が切れ刃チップ１１のすくい面１１ａと略平行になるように形成されている。従って、クランプ穴１３に挿入するクランプネジ６の軸心もすくい面１１ａと略平行になる。

インサート２の一方の側面は、工具本体３に取り付けた際に内周側になる内側側面１６であり、もう一方の側面は工具本体３に取り付けた際に外周側になる外側側面１５である。内側側面１６は、２つの平面１６ａ，１６ｂで構成されるとともに交差して断面が凸Ｖ字状を成しており、２つの平面の交差部には稜線１７が形成されている。また、稜線１７の後端側は、工具本体３のぬすみ部に取り付けた際にぬすみ部の隅の部分と干渉するのを避けるため、稜線１７から後端面１９にかけて面取りされた曲面が形成されている。

凸Ｖ字の角度θは６０°以上１２０°以下であることが好ましい。角度θが６０°未満であれば小径になるとネジの雌部が工具中心付近に少し残るだけとなり、設計が困難となる。また、ネジの雌部の不連続部分が長くなり、十分な締め付け強度が得られないおそれがある。角度θが１２０°を超えると比較例２に近い形状となり、インサートのクサビ効果が少なくなる。

再び図１および図２を参照して、上記のようなインサート２が、工具本体３のぬすみ部に設けられ、クランプネジ６を締め付けることにより工具本体３へ固定される。これにより、インサート２の内側側面１６と後端面１９のうち平面の部分が工具本体３の取付面５と密着するように固定される。

図１０および図１１を参照して、切れ刃チップ１１は、すくい面１１ａ、逃げ面１０１２を有し、すくい面１１ａと逃げ面１０１２との境界部分である嶺状領域が切れ刃１０１３となる。すくい面１１ａは、締結具としてのクランプネジ６の軸心６００と平行に設けられている。クランプネジ６はクランプ穴１３に挿入されて工具本体側のネジ穴１０３０と螺合する。切れ刃１０１３は、工具の前側から外周側へ向かって延在している。

本発明の穴加工用工具および比較のために２種の従来の穴加工用工具を製作し、予めドリルで加工した下穴の切削加工試験を行った。本発明の穴加工用工具として、上記で説明した図１、図２に示すものを製作した（本発明品）。また、従来の穴加工用工具として、図８に示す工具（比較例１）と図９に示す工具（比較例２）を製作した。

図８に示す穴加工用工具１０１は、インサート１０２の内側側面が１つの平面からなっており断面が凸Ｖ字状にはなっていない点と、クランプネジ１０６の軸心がすくい面と垂直になるような構造とした点が本発明の穴加工用工具と異なる点である。従って、工具本体１０３の先端側に設けられたぬすみ部の形状も本発明品とは異なり、インサート１０２の底面と接する着座面１０５ｂが設けられている。

また、図９に示す穴加工用工具２０１は、インサート２０２の内側側面が１つの平面からなっており断面が凸Ｖ字状にはなっていない点が本発明の穴加工用工具と異なる点である。従って、工具本体２０３側の取付面２０５も１つの平面からなっており、凹Ｖ字状にはなっていない。

以上に記載した以外の点は、本発明、比較例１、比較例２とも同じ仕様とした。これら３種類の工具を使用して下穴の加工試験を行った結果、本発明の工具は、すくい面上で切屑が引っかからずに加工できたが、比較例１の工具は切屑が本体に巻き付く現象が確認された。

以上の結果から分かるように、本発明のリーマは、比較例のリーマに比べて、切れ刃が摩耗した時のチップの交換が容易になり、工具本体に対してインサートを精度良く取り付けることも容易になる。さらに、切屑が巻き付いて、加工面の精度を悪化させるようなことも減少し、高精度の加工が可能になる。

実施例２では、一般的な加工条件で使用した場合のリーマ性能を確認するための試験を行った。

実施例２では、軸方向寸法Ｌ、半径方向寸法Ｒおよび厚み方向寸法Ｔを表１で示すようにさまざまに設定したサンプルを準備した。

これらのサンプルにおいて、表２に示す条件で切削加工の試験を行った。

試験の結果を表３に示す。

表３中、「内面の面粗さ」の欄において「○」は、加工穴の内面が平滑であったことを示す。０．８μｍＲｚは、十点平均粗さＲｚが０．８μｍであることを示す。本発明のリーマが使用される一例として、自動車エンジンのバルブ穴加工などがあり、この加工で要求される表面粗さは、１．６μｍ程度である。本発明のリーマにより加工すれば、要求を満足できる結果が得られるものである。「×」は加工穴の内面が荒れていたことを示す。

さらに、本発明品では、切屑の流れ、加工径、およびインサートの固定状況に関しても良好な結果を示すことが確認された。

実施例３では、一般的な加工条件よりさらに高速回転で使用した場合のリーマ性能を確認するための試験を行った。

実施例３では、実施例２と同じ寸法のサンプルを用い、表４に示す条件で切削加工の試験を行った。

試験の結果を表５に示す。

表５から、本発明品では、切屑の流れ、加工径、およびインサートの固定状況に関しても良好な結果を示すことが確認された。

実施例４では、４枚のチップのうち、１つのチップに欠損が発生したと仮定し、そのチップを交換再生するときの難易度を確認した。

具体的には、表６で示すように、欠損したチップを有するインサートを取り外した。取り外したインサートに未研磨状態の１つの多結晶ダイヤモンドＰＣＤチップをインサートに取り付け、そのインサートを工具本体に取り付けた。

さらに、チップに欠損が発生しなかったインサートを半径方向外側に移動させた。移動の方法として、工具本体とインサートとの間に所定の厚みを有する間座を挿入した。間座の厚み方向が工具本体の半径方向である。

試験の結果を表７に示す。

表７より、本発明品では、インサートを正確に装着できることが確認された。

実施例５では、製作したリーマを使用したときに加工径が所定値より１０μｍ小さいと仮定して、当該リーマ径を１０μｍ大きく修整する難易度を調べた。

具体的には、表８で示すように、すべてのインサートを取り外した。インサートを半径方向外側に移動させた。移動の方法として、工具本体とインサートとの間に所定の厚みを有する間座を挿入した。間座の厚み方向が工具本体の半径方向である。

試験の結果を表９に示す。

表９より、本発明品ではインサートを正確に装着することができた。

実施例６では、４つのインサートのうちの１つのチップに欠損が発生したと仮定して、そのチップを研削して再生するとともに、工具径を１０μｍ大きくする試験を行った。

具体的には、製作したリーマから一旦４つのインサートのすべてを取り外し、工具本体とインサートの間にさまざまな厚みの間座を設けた。間座の厚み方向が工具本体の半径方向である。４つのインサートを間座の上に取り付けた。

試験の結果を表１１に示す。

表１１より、本発明品ではインサートを正確に装着することができた。
なお、今回開示した上記実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１，１０１，２０１ 穴加工用工具、２，２２，１０２，２０２ インサート、３，２３，１０３，２０３ 工具本体、４，２４，１０４，２０４ 凹部、５，１０５，２０５ 取付面、６，２６，１０６，２０６ クランプネジ、１１，３１，１１１，２１１ 切れ刃チップ、１１ａ，３１ａ すくい面、１２，１１２，２１２ インサート本体、１３，１１３，２１３ クランプ穴、１４ 上面、１５ 外側側面、１６ 内側側面、１７ 稜線、１８ 先端面、１９ 後端面、２０ 下面、２７ 切欠部、２８ 押圧部材、２９ 押圧ネジ、３０ 着座面、３１ｂ 段差、３４ チップ固定用ネジ、３５ 外周切れ刃、３６ 食い付き刃。

Claims (3)

1. 軸状の工具本体の先端に切れ刃チップ（１１）を有するインサート（２）が締結具（６）により固定された穴加工用工具であって、
   前記インサートは、一方の側面および後端面が前記工具本体に形成された取付面（５）と接して固定され、
   前記取付面と接する面の内、前記側面は２つの平面（１６ａ，１６ｂ）からなるとともに、前記２つの平面が交差して断面が凸Ｖ字状を成し、
   前記締結具は、その軸心が前記インサートのすくい面（１１ａ）と略平行となるように、前記工具本体の外周側から内周側に向かって設けられることを特徴とする穴加工用工具。
2. 前記側面を形成する２つの平面が交差する稜線は、前記工具本体の軸線と平行であることを特徴とする請求項１に記載の穴加工用工具。
3. 前記凸Ｖ字状の角度は６０°以上１２０°以下である、請求項１〜２に記載の穴加工用工具。

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