JP7320391B2 - エンドミル及び穿孔方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、エンドミル及び穿孔方法に関する。

従来、穿孔法の１つとしてオービタル加工法が知られている（例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。オービタル加工法は、エンドミル等の工具を工具軸を中心に自転させ、かつ穿孔対象となる孔の中心軸を中心に工具軸を一定量オフセットさせて公転させながら工具軸方向に送りを与えることによって、被削材の穿孔を行う方法である。オービタル加工法によれば、特に複合材とも呼ばれる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）を含む異種材料を重ね合せた被削材の穿孔を行う場合において、ドリルやリーマを用いる一般的な穿孔法と比較して、高速で高品質の孔を穿孔できるというメリットがある。このため、オービタル加工を行うための専用の機械加工装置も提案されている（例えば特許文献３及び特許文献４参照）。

オービタル加工法用の穿孔工具としてエンドミルを使用する場合には、従来のエンドミルが使用される（例えば特許文献５、特許文献６及び特許文献７参照）。

特開２０１３－２７９４３号公報 国際公開第９４／０１１１４２号 国際公開第２００３／００８１３６号 国際公開第２００４／１１３００２号 特開昭６０－４８２１１号公報 特開平６－３１５２０号公報 特開２０００－１０７９２６号公報

しかしながら、オービタル加工で穿孔した被削材の孔にボルト等を挿入して締結すると、ドリルやリーマを使用して穿孔する場合に比べて締結部の疲労強度が低下するという問題が報告されている。特にアルミニウム合金においては、締結部の疲労強度の低下が顕著である。

そこで、本発明は、オービタル加工によって被削材に形成した孔の疲労強度を改善することを目的とする。

本発明の実施形態に係るエンドミルは、工具軸を中心に工具を回転させ、かつ穿孔対象となる孔の中心軸から前記工具軸をオフセットさせて前記工具を前記孔の中心軸を中心に回転させながら、前記工具に前記工具軸方向の送りを与えることによって被削材の穿孔を行うオービタル加工用のエンドミルであって、シャンクと、前記シャンクの外周部分に形成される第１の切れ刃と、前記シャンクの底部分に形成される第２の切れ刃とを有し、前記第１の切れ刃のすくい面と逃げ面とを連結する稜線の前記逃げ面側に半径が１０μｍ以上３０μｍ以下となるようにＲ面取りを形成する一方、前記稜線の前記すくい面側に前記被削材の切込方向に対して０度より大きく３０度よりも小さい角度となるようにチャンファを形成したものである。

また、本発明の実施形態に係る穿孔方法は、上述したエンドミルを用いて前記被削材の前記オービタル加工を行うことによって、被穿孔品を製造するものである。

本発明の実施形態に係るエンドミルの形状を示す正面図。 図１に示すエンドミルの下面図。 図１に示すエンドミルの外周切れ刃と底切れ刃との境界部分における形状例を示す部分拡大図。 図１乃至図３に示す外周切れ刃の先端部分の形状を被削材とともに示す拡大部分断面図。 図１乃至図３に示す底切れ刃の先端部分の形状を被削材とともに示す拡大部分断面図。 図１に示すエンドミルで被削材を対象としてオービタル加工を行う方法を説明する断面図。

本発明の実施形態に係るエンドミル及び穿孔方法について添付図面を参照して説明する。

（構造）
図１は本発明の実施形態に係るエンドミルの形状を示す正面図であり、図２は図１に示すエンドミルの下面図である。

エンドミル１は、オービタル加工用の工具として使用される。オービタル加工は、工具軸を中心に工具を回転させ、かつ穿孔対象となる孔の中心軸から工具軸をオフセットさせて工具を孔の中心軸を中心に回転させながら、工具に工具軸方向の送りを与えることによって被削材の穿孔を行う孔あけ加工である。

エンドミル１は、シャンク２に切れ刃３を形成して構成される。切れ刃３は、シャンク２の外周部分と、底部分にそれぞれ形成される。以降では、シャンク２の外周部分に形成される第１の切れ刃を外周切れ刃４と称し、シャンク２の底部分に形成される第２の切れ刃を底切れ刃５と称する。すなわち、切れ刃３は、シャンク２の外周部分に形成される外周切れ刃４と、シャンク２の底部分に形成される底切れ刃５とによって構成される。

エンドミル１の半径は、エンドミル１の工具軸６から外周切れ刃４の先端までの工具軸６に垂直な方向における最大距離となる。図示された例では、切れ刃３の数が４枚となっているが切れ刃３の数は任意である。従って、標準的なエンドミルと同様に切れ刃３の数を２枚から６枚程度としても良い。

図３は図１に示すエンドミル１の外周切れ刃４と底切れ刃５との境界部分における形状例を示す部分拡大図である。

図３は図１及び図２に示す外周切れ刃４を投影して直線的に描いた図である。図１及び図２では省略されているが典型的なエンドミルと同様に、図３に例示されるように外周切れ刃４と底切れ刃５との境界部分には、Ｒ面取り７を形成することができる。具体例として、エンドミル１の直径が１０ｍｍ以上であれば、半径Ｒ＝３ｍｍ程度のＲ面取り７を、エンドミル１の直径が１０ｍｍ未満であれば、半径Ｒ＝１～２ｍｍ程度のＲ面取り７を、施すことができる。

外周切れ刃４の形状と、底切れ刃５の形状は、Ｒ面取り７の端部を境界として異なる形状とされる。

図４は図１乃至図３に示す外周切れ刃４の先端部分の形状を被削材Ｏとともに示す拡大部分断面図である。

外周切れ刃４のすくい面４Ａと逃げ面４Ｂとを連結する稜線には、少なくともチャンファ（Ｃ面取り）１０が形成される。より好適には、図４に例示されるように、外周切れ刃４のすくい面４Ａと逃げ面４Ｂとを連結する稜線の逃げ面４Ｂ側に更にＲ面取り１１が形成され、チャンファ１０が稜線のすくい面４Ａ側に形成される。

尚、外周切れ刃４のエッジを丸めた微小なＲ面取り１１は丸ホーニングとも呼ばれ、外周切れ刃４のエッジに施された微小なチャンファ１０はチャンファホーニングとも呼ばれる。一般的に、丸ホーニングやチャンファホーニング等のホーニングは、切れ刃の強度を向上させることによって工具の寿命を改善することを狙いとして施される。

外周切れ刃４のすくい面４Ａは、外周切れ刃４のすくい角αがポジティブ（α＞０）となるように形成される。そうすると、チャンファ１０及びＲ面取り１１の一部では外周切れ刃４のすくい角αが局所的にネガティブ（α＜０）となる。このため、すくい角αがネガティブとなる外周切れ刃４のチャンファ１０及びＲ面取り１１の一部からは、被削材Ｏに圧縮応力が付与されることになる。

図５は図１乃至図３に示す底切れ刃５の先端部分の形状を被削材Ｏとともに示す拡大部分断面図である。

底切れ刃５のすくい面５Ａと逃げ面５Ｂとを連結する稜線には、丸ホーニングとしてＲ面取り２０が形成される。但し、底切れ刃５のすくい面５Ａと逃げ面５Ｂとを連結する稜線に、チャンファホーニングは形成されない。また、底切れ刃５のすくい面５Ａは、底切れ刃５のすくい角αがゼロ又はポジティブ（α≧０）となるように形成される。

図６は、図１に示すエンドミル１で被削材Ｏを対象としてオービタル加工を行う方法を説明する断面図である。

図１乃至図５に例示されるエンドミル１を、工具軸６を中心に自転させながら、被削材Ｏの穿孔対象となる孔の中心軸から工具軸６をオフセットさせてエンドミル１が孔の中心軸を中心に公転するように、エンドミル１に工具軸６に垂直な方向における送りを与えることができる。加えて、連続的又は断続的に、エンドミル１に工具軸方向の送りを与えることができる。

そうすると、エンドミル１は螺旋状の軌跡又は複数の円を曲線又は直線で連結した軌跡を描きながら平行移動する。これにより、被削材Ｏには、貫通孔を形成することができる。すなわち、エンドミル１を用いて被削材Ｏのオービタル加工を行うことによって、被穿孔品を製造することができる。

エンドミル１に回転動力と送りを与える装置は、フライス盤やマシニングセンタ等の工作機械であっても良いし、エア式や電動式のドリル駆動装置のようなハンドツールであっても良い。もちろん、オービタル加工専用の機械加工装置を用いてエンドミル１を工具とするオービタル加工を行うようにしても良い。

図１乃至図５に例示されるエンドミル１でオービタル加工を行うと、エンドミル１の外周切れ刃４によって被削材Ｏに貫通孔の仕上げ面３０が形成される一方、底切れ刃５によって形成される加工面３１は被削材Ｏには残らないことになる。

外周切れ刃４の先端に形成されたチャンファ１０及びＲ面取り１１の一部を含む微少領域では、上述したようにすくい角αがネガティブ角となっている。このため、外周切れ刃４の先端には高い背分力の分布が生じる一方、貫通孔の仕上げ面３０には、高い圧縮応力が付与される。その結果、貫通孔の仕上げ面３０には高い圧縮残留応力が発生する。

一方で、外周切れ刃４の先端における微小領域を除く部分では、すくい角αがポジティブ角となっている。このため、背分力はさほど大きくならず、エンドミル１の撓み等へ影響も小さい。

他方、底切れ刃５にはチャンファが設けられないため、エンドミル１の工具軸方向に発生する切削抵抗は低く抑えられる。その結果、エンドミル１の工具軸方向における変位量が大きくなることが抑止され、加工精度の改善に寄与する。

加えて、外周切れ刃４に丸ホーニングとして設けられたＲ面取り１１及び底切れ刃５に丸ホーニングとして設けられたＲ面取り２０は、それぞれ外周切れ刃４及び底切れ刃５に生じる切削抵抗による欠損を防ぐ効果を奏する。

実際に、工具長が２１ｍｍ、工具径が２０ｍｍ、刃長が１１ｍｍのエンドミルを試作し、工作機械でエンドミルを螺旋状に移動させるオービタル加工によってアルミニウム合金から成る被削材Ｏに直径が３１．７５ｍｍの貫通孔を穿ける加工試験を行った。そして、貫通孔に生じた残留応力を疲労強度の指標として市販のＸ線測定装置で測定した。

その結果、外周切れ刃にチャンファ及びＲ面取りが設けられていない一般的なエンドミルでオービタル加工を行って貫通孔を加工すると、ドリルとリーマを使用して貫通孔を加工する場合に比べて残留応力が減少することが確認された。このため、エンドミルの外周切れ刃にチャンファ及びＲ面取りを設けずにオービタル加工を行って貫通孔を加工すると、ドリルとリーマを使用して貫通孔を加工する場合に比べて、貫通孔内面における疲労強度が低下すると考えられる。

これに対して、被削材Ｏの切込方向に対するチャンファ１０の角度β、すなわち外周切れ刃４のすくい面４Ａ側におけるチャンファ１０の角度βが１０°又は２０°となるように、エンドミル１の送り方向から見た幅Ｗが１００μｍのチャンファ１０を設けたエンドミル１でオービタル加工を行うと、ドリルとリーマを用いた穿孔には及ばないものの、チャンファ及びＲ面取りが無い一般的なエンドミルでオービタル加工を行う場合に比べて、貫通孔に生じる残留応力が増加することが確認された。

また、チャンファを設けずに、半径Ｒ１が１０μｍ又は３０μｍとなるようにＲ面取りを形成したエンドミルでオービタル加工を行うと、チャンファ及びＲ面取りが無い一般的なエンドミルでオービタル加工を行う場合に比べて、貫通孔に生じる残留応力が軸方向については横ばいで、円周方向についてのみ増加することも確認された。

更に、底切れ刃５に半径Ｒ２が３０μｍとなるようにＲ面取り２０を形成する一方、外周切れ刃４に半径Ｒ１が３０μｍとなるようにＲ面取り１１を、被削材Ｏの切込方向に対するチャンファ１０の角度βが１０°となるようにエンドミル１の送り方向から見た幅Ｗが１００μｍのチャンファ１０を、それぞれ設けたエンドミル１でオービタル加工を行うと、ドリルとリーマを用いた穿孔に匹敵する程、貫通孔に生じる残留応力が増加することが確認された。つまり、ホーニングによってチャンファ１０とＲ面取り１１を外周切れ刃４に形成すると、オービタル加工による疲労強度の低下を防止できることが確認された。

但し、チャンファ１０の角度βが３０度を超えるか、チャンファ１０の幅Ｗが１５０μｍを超えると、切削抵抗が大きくなり過ぎると考えられる。従って、外周切れ刃４にチャンファ１０を、被削材Ｏの切込方向に対して０度より大きく３０度よりも小さい角度βとなるように形成することが適切であると考えられる。また、チャンファ１０を、貫通孔の仕上げ面３０に平行な方向となるエンドミル１の送り方向から見た幅Ｗが１５０μｍ以下となるように形成することが適切であると考えられる。

他方、丸ホーニングとして製造上形成することが可能なＲ面取り１１の半径Ｒ１は１０μｍ程度であり、Ｒ面取り１１の半径Ｒ１が３０μｍを超えると、切削抵抗が大きくなり過ぎると考えられる。従って、Ｒ面取り１１を、半径Ｒ１が１０μｍ以上３０μｍ以下となるように外周切れ刃４に形成することが適切であると考えられる。

尚、試験では予想に反し、Ｒ面取り１１の半径Ｒ１が小さい程、貫通孔に生じる圧縮残留応力が増加することも確認された。外周切れ刃４にチャンファ１０のみならずＲ面取り１１を施すと、残留応力が増加する理由としては、すくい角αがネガティブとなる外周切れ刃４の範囲が大きくなるからであると推測される。

以上のようなエンドミル１は、オービタル加工で貫通孔を形成した場合において貫通孔内面における疲労強度が改善するように、外周切れ刃４にチャンファ１０を設けたものである。また、穿孔方法は、そのような形状を有するエンドミル１でオービタル加工を行うようにしたものである。

（効果）
このため、エンドミル１及び穿孔方法によれば、貫通孔の仕上げ面３０に従来よりも高い圧縮残留応力を付与することができる。このため、貫通孔をボルト等のファスナによる部材の締結用に使用することが可能となる。すなわち、貫通孔の疲労強度が向上し、貫通孔に作用する繰り返し応力で生じる微細な亀裂の進展を抑制することができる。

特に、アルミニウム合金に形成される貫通孔の疲労強度を向上させることができる。このため、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ： Ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ： Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等のＦＲＰを含む異種材料を重ね合せた被削材Ｏはもちろん、アルミニウム合金を含む被削材Ｏに貫通孔を形成してファスナによる締結用に使用することができる。その結果、高い疲労強度が要求される航空機部品等の材料として、アルミニウム合金を採用することが可能となる。

また、外周切れ刃４にチャンファ１０のみならずＲ面取り１１を施すことによって、ドリルによる穿孔とリーマによる仕上げ加工を行った場合と同等の疲労強度を有する貫通孔を被削材Ｏに加工することができる。その結果、複数の部材を重ねて全ての部材を貫通する貫通孔を加工する場合において、寸法や表面粗さ等の点において高品質な貫通孔を高速で形成できるというオービタル加工の利点を活用しつつ、ドリルとリーマを使用した場合と同等な貫通孔の疲労強度を維持することができる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１ エンドミル
２ シャンク
３ 切れ刃
４ 外周切れ刃
４Ａ すくい面
４Ｂ 逃げ面
５ 底切れ刃
５Ａ すくい面
５Ｂ 逃げ面
６ 工具軸
７ Ｒ面取り
１０ チャンファ
１１ Ｒ面取り
２０ Ｒ面取り
３０ 仕上げ面
３１ 加工面
Ｏ 被削材
α すくい角
β チャンファの角度
Ｗ チャンファの幅
Ｒ１、Ｒ２ Ｒ面取りの半径

Claims (5)

1. 工具軸を中心に工具を回転させ、かつ穿孔対象となる孔の中心軸から前記工具軸をオフセットさせて前記工具を前記孔の中心軸を中心に回転させながら、前記工具に前記工具軸方向の送りを与えることによって被削材の穿孔を行うオービタル加工用のエンドミルであって、
   シャンクと、
   前記シャンクの外周部分に形成される第１の切れ刃と、
   前記シャンクの底部分に形成される第２の切れ刃と、
   を有し、
   前記第１の切れ刃のすくい面と逃げ面とを連結する稜線の前記逃げ面側に半径が１０μｍ以上３０μｍ以下となるようにＲ面取りを形成する一方、前記稜線の前記すくい面側に前記被削材の切込方向に対して０度より大きく３０度よりも小さい角度となるようにチャンファを形成したエンドミル。
2. 前記チャンファを、幅が１５０μｍ以下となるように形成した請求項１記載のエンドミル。
3. 前記第２の切れ刃のすくい面と逃げ面とを連結する稜線にＲ面取りを形成した請求項１又は２記載のエンドミル。
4. 前記第２の切れ刃のすくい面と逃げ面とを連結する稜線にはチャンファを形成しない請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエンドミル。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエンドミルを用いて前記被削材の前記オービタル加工を行うことによって、被穿孔品を製造する穿孔方法。

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