JP2005074532A - 回転工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 ドリル加工の高速化、小径化によっても高い耐摩耗性および耐折損性を兼ね備えたドリルを提供する。
【解決手段】 長尺状の芯材４と、芯材４とは異なる組成の表皮材５で構成される複合繊維体６を複数本収束した複合構造体３からなり、先端に切刃部２を形成してなる回転工具１において、複合構造体３が回転工具１の軸方向Ｌ_１と平行に配置される複合繊維体６ａと前記回転工具の径方向Ｌ_２と平行に配置される複合繊維体６ｂとの集合体からなる構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は鋼等の金属やプリント基板をなす樹脂等の被削材に穴あけ加工するためのドリルや側面加工するためのエンドミル等の回転工具に関する。

従来より、鋼等の金属や樹脂等の被削材に穴あけ加工や側面加工をするためのドリルやエンドミルが好適に使用されており、特に、スラスト抵抗が高い粘りのある被削材については、ドリルの耐折損性を高めることが要求されている。

そこで、特許文献１では、中心部を靭性の高い超硬合金とし、その外周に中心部とは異なる組成の高硬度超硬合金を配設したドリル構成とすることにより、耐摩耗性および耐折損性に優れたドリルとなることが記載されている。

また、特許文献２では、ドリルをセラミックス成分と金属成分で構成するとともに、ドリル中の金属成分を傾斜させて、表面が耐摩耗性に優れ、かつ内部が耐欠損性に優れる構成としたドリルが記載されている。
特開昭５９−１７５９１２号公報 特開平１２−２９６４０５号公報

しかしながら、特許文献１または２に記載された単芯構造からなるドリルでは、特にドリルに強いスラスト抵抗がかかるような切削条件で加工した場合、ドリルのシャンク部分での剛性が不足して折損が発生しやすくなるという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、強いスラスト抵抗等がかかるようなドリルやエンドミル等回転工具の加工によっても高い耐摩耗性および耐折損性を兼ね備えた回転工具を提供することにある。

本発明者らは上記課題に対し、大きなスラスト抵抗がかかるような加工においても優れた耐欠損性および耐摩耗性を発揮するとともに、長期にわたって使用が可能な回転工具を開発すべく研究を行った結果、長尺状の芯材の外周を前記芯材とは異なる表皮材にて被覆してなる複合繊維体を、軸方向に複数本集束するとともに、その集束された軸方向の繊維体自体を複雑に曲げるか、あるいは別の繊維体を径方向にも配置するかして、集束された軸方向の繊維体を径方向にもかしめることによって、ドリルやエンドミル等の回転工具の耐摩耗性および耐折損性をともに高めることができ、かつ、回転工具のねじり方向にかかる応力に対する強度が増すとともに、ドリル内部の組成が複雑になってドリル内部に衝撃やたわみに対抗する残留応力が発生し、回転工具の切刃部における耐欠損性および回転工具の抗折強度を高めることができることを知見し本発明に至った。

すなわち、本発明の回転工具は、回転軸を有する回転工具であって、長尺状の芯材と、該芯材とは異なる組成の表皮材で構成される複合繊維体の複数本を、工具の径方向にねじりながら回転軸方向に編込んで束ねたことを特徴とするものである。

また、本発明の他の回転工具は、回転軸を有する回転工具であって、長尺状の芯材と、該芯材とは異なる組成の表皮材で構成される複合繊維体を、工具の回転軸方向に複数本集束するとともに、該回転軸方向に集束した集束繊維体を径方向に配置した複合繊維体にて束ねたことを特徴とするものである。

ここで、前記径方向に配置した複合繊維体と前記回転工具の軸方向とのなす角度が４５°〜９０°であることが、ねじり方向にかかる応力に対する強度が増すとともに、ドリル内部の組成が複雑になってドリル内部に衝撃やたわみに対抗する残留応力が発生し、回転工具の切刃部における耐欠損性および回転工具の抗折強度を高める点で望ましい。

また、前記複合繊維体が一本の長尺状の芯材の外周を表皮材で被覆した単芯繊維体が複数本集束された多芯繊維体からなることが、ねじり方向にかかる応力に対する強度が増すとともに、衝撃やたわみに対抗する残留応力を増して、より回転工具の耐欠損性および抗折強度を高める点で望ましい。

上記本発明の回転工具によれば、長尺状の芯材の外周を前記芯材とは異なる表皮材にて被覆してなる複合繊維体を、軸方向に複数本配置するとともに、軸方向の繊維体自体あるいは別の繊維体を径方向にも配置して、軸方向の繊維体を径方向にもかしめることによって、回転工具の耐摩耗性および耐折損性をともに高めることができるとともに、ねじり方向の応力に対する強度を増すことができるため、耐折損性および耐欠損性を向上させることができる。

本発明の回転工具についてその好適例であるツイストドリルの一例について、概略側面図を示す図１を基に説明する。

図１によれば、ツイストドリル（以下、単にドリルと略す。）１は、全体が略円柱状をなし、その先端にチゼル形状の切刃部２を形成した形状からなる。また、ドリル１は図２に示すような、高硬度、高強度の芯材４の外周を、芯材４とは異なる組成からなる表皮材５にて被覆した（ａ）シングルフィラメント構造、または（ｂ）マルチフィラメント構造の複合繊維体６が複数本ドリル１の径方向にねじりながら回転軸方向に編込んで束ねられており、この構造によって、ドリル１の強度を高めることができ、かつクラックの進展を抑制してドリル１が根元から破壊することを防止することができることから、優れた耐摩耗性と耐折損性を併せ持つ工具寿命の長いドリル１となる。また、複合繊維体６の複数本を複雑な構造に集束させることにより、ドリル１の強度の向上やクラックを偏向してクラックの進展を抑制する作用が働き、ドリル１全体としての耐折損性を飛躍的に高めることができる。さらに、複合繊維体６同士が複雑に絡み合った構造からなるために、構造体内に複雑な応力分布が発生する結果、ドリル１のヤング率が向上するため、安定した穴位置精度を発揮することができる。

ここで、複合繊維体６としては、図２に示すように、（ａ）１本の芯材４の外周を被覆材５にて被覆した単芯繊維体６ｓ、または（ｂ）単芯繊維体６ｓを複数本集束した多芯繊維体６ｍのいずれも適応可能であるが、本発明によれば、多芯繊維体６ｍとすることがドリル１の強度を高めることができる点で望ましい。

さらに、本発明によれば、図１に示されるように、複合繊維体６の複数本を、ドリル１の径方向Ｌ_２にねじりながら回転軸Ｌ_１方向に編込んで束ねた構造からなり、これによって、ドリル１のねじり方向にかかる応力に対する強度が増すとともに、ドリル内部の組成が複雑になってドリル内部に衝撃やたわみに対抗する残留応力が発生し、回転工具の切刃部２における耐欠損性および回転工具の抗折強度を高めることができる。

また、本発明によれば、図３、４の本発明の他の実施態様に示すように、軸方向Ｌ_１に配置した複数本の複合繊維体６ａをドリル７の径方向Ｌ_２に配置した複合繊維体６ｂにて束ねた構造となっており、これによって、ドリル１のねじり方向にかかる応力に対する強度が増し、切刃部２の耐欠損性およびドリル１の抗折強度を向上させることができる。さらに、ドリル内部の組成が複雑に構成されるため、ドリル内部に残留応力が発生し、ドリル１の強度を増す効果もある。

なお、本発明によれば、軸方向に配置する複合繊維体６ａの軸方向Ｌ_１とのなす角度は０〜１０°、特に０〜５°、さらには０〜３°の範囲内とすることがドリル１の抗折強度の低下を防ぐことができる点で望ましい。

さらに、図４のドリル７の（ａ）縦（Ｌ_１方向）断面図、（ｂ）横（Ｌ_２方向）断面図に示すが、図４（ｂ）に示すように、径方向に配置する複合繊維体６ｂの軸方向Ｌ_１とのなす角度αを４５〜９０°、特に６０〜９０°、さらには８０〜９０°、さらにまた８５〜９０°（ほぼ平行）の範囲内とすることがドリル１のねじり方向に対する強度を高め、抗折強度と耐欠損性を向上させることができる点で望ましい。なお、図４（ｂ）ではα＝９０°をなしている。

また、例えば、一般的なドリル径１．０〜５．０ｍｍ、切刃部＋フルート部の合計長さ１５〜７５ｍｍの金属加工用小径ドリルにおいて、ドリル１の横断面で見たときに複合繊維体単芯の平均直径１０〜１００μｍ、特に２０〜５０μｍからなることがドリル全体における強度と硬度を保持させる点で望ましい。

本発明におけるドリル１は、芯材４と表皮材５の材質の選択により熱膨張係数の差から芯材４と表皮材５間に残留応力を生じさせることが可能であり、ドリル１の耐折損性を向上させることができる。芯材４−表皮材５の材質としては、ハイス鋼などの金属、超硬合金、サーメット、セラミック、ダイヤモンド、ｃＢＮ等が挙げられ、中でも、ドリル１の耐摩耗性および耐折損性、穴位置精度、焼成等の製造の容易性、コスト等を勘案すると、芯材４および表皮材５共にＷＣを主成分とする硬質相と、ＣｏやＮｉ等の鉄族金属の結合相を有するＷＣ基超硬合金とすることが望ましい。また、硬質相としてはＷＣ以外にＷ以外の周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物、窒化物または炭窒化物の少なくとも１種である、いわゆるβ相が分散していても良い。また、本発明によれば、ドリル１の耐摩耗性および耐折損性のバランスを考えると、芯材４が表皮材５よりも靭性が高く、かつ表皮材５が芯材４よりも硬度が高い材料からなることが望ましい。さらに、ＷＣ基超硬合金を表皮材５に用いることにより加工時に発生した熱を効率的に逃がす効果もある。

ここで、表皮材５を構成するＷＣ基超硬合金としては、硬度が高く、耐摩耗性の優れているＷＣ粒子の平均粒径が１μｍ未満と微細な超微粒超硬合金を用いることがより耐摩耗性の優れたドリル１を作製できるため望ましい。

また、本発明によれば、切刃部２の耐摩耗性をさらに高めるために、少なくとも切刃部２に、周期律表４ａ，５ａ，６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＢＮ、ＤＬＣ等の硬質被覆膜を少なくとも１層形成することもできる。

（製造方法）
次に、本発明のドリルを製造する方法の一例について、図５の模式図をもとに説明する。

まず、芯材４用の原料として、例えば平均粒径０．０１〜１０μｍの芯材４を形成する粉末に、パラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン‐エチルアクリレート、エチレン‐ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコールおよびジブチルフタレート等の有機バインダ、可塑剤および溶剤を添加して混錬して作成した芯材用混合物をプレス成形または鋳込み成形等の成形法により円柱形状に成形した芯材用成形体８を作製する。ここで、後述する共押出成形によって均質な複合成形体１２を得るためには、前記有機バインダの添加量を５０〜２００体積部、特に７０〜１５０体積部とすることが望ましい。

一方、上述した表皮材５をなす原料粉末を前述したバインダとともに混錬してプレス成形、押出成形または鋳込み成形等の成形方法により半割り形状を有する表皮材用成形体９を作製し、芯材用成形体８の周囲を覆うようにして成形体１０を作製する（図５（ａ）〜（ｃ）参照）。

なお、成形体１０を作製する際、中空状の表皮材用成形体（図示せず。）に芯材用成形体８を挿入する方法を用いることもできる。

そして、上記成形体１０を押出機１５内に入れて押出成形することにより芯材用成形体８の周囲に表皮材用成形体９が被覆された複合繊維成形体１１を作製する（図５（ｄ）参照）。さらに、所望により、複合繊維成形体１１を複数本集束して再度押出し成形することにより、集束繊維成形体１２を作製する（図５（ｅ）参照）。

次に、作成した複合繊維成形体１１または集束繊維成形体１２を編込みながら束ねてゆくか、または複数本集束した軸方向の複合繊維体６aに対して、他の複合繊維体６bを用いて径方向Ｌ_２に縫いこみながら複合繊維体６aを束ねてゆくことによって、ドリルまたはエンドミル形状の基となる棒状の複合成形体１３を作製する（図５（ｆ）参照）。なお、複合成形体１３は、所望により金型１７内に配置して加熱プレス成形するか、または冷完成水圧プレス（ＣＩＰ）を施し、繊維間を強固に結合させておくことが望ましい（図５（ｇ）参照）。

次に、上記複合成形体１２を３００〜７００℃で１０〜２００時間昇温または保持する脱バインダ処理した後、さらに所定の条件にて焼成を行う。焼成については通常の無加圧焼成であってもよいが、ホットプレスやＨＩＰ焼成、超高圧焼成を用いてもよい。

そして、上記工程にて得られた焼結体に対し、所望により外周研磨を施した後、繊維体の配置を勘案しつつ、上記複合成形体１２の先端に切刃を、および周面にフルートを研削によって形成して表皮材５からなる切刃部２を形成することにより本発明のドリル１を作製することができる（図５（ｈ）参照）。

なお、図１乃至３については、ドリル１について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、エンドミル等の他の回転工具であってもよく、上述したドリル同様の耐折損性、耐欠損性および耐摩耗性を向上させることができる。

原料粉末として、ＷＣ粉末（平均粒径０．３μｍ）、Ｃｏ粉末（平均粒径０．６μｍ）、ＶＣ粉末（平均粒径１．０μｍ）、Ｃｒ_３Ｃ_２粉末（平均粒径１．２μｍ）を用意し、これら原料粉末を表１に示す配合組成に配合し、湿式ボールミルで７２時間混合した。さらに、所定量の有機バインダとして、ポリビニルアルコール、セルロース、ポリエチレングリコールを用い、潤滑剤、分散剤を上記混合粉末に対して１００体積部添加して混練機で混練して２種の混練物を作製した。

次に、図３に示した方法により外径２２ｍｍの中空状の表皮材用成形体と直径１８ｍｍの芯材用成形体をそれぞれ成形した後芯材用成形体の外周に表皮材用成形体を被覆した配置として、共押出成形し単芯成形体を作製した。さらにこの単芯成形体を２５０本束ねて再度共押出成形して多芯成形体も作製した。

そして、上記単芯成形体または多芯成形体を編込みながら束ねてゆくか、または複数本集束した軸方向の複合繊維体に対して他の複合繊維体を用いて径方向Ｌ２に縫込みながら複合繊維体を束ねてゆくことによって、図１または図２に示すような構成からなる棒状の複合成形体を作製し、この複合成形体を丸棒状の金型内に載置して１５０℃に加熱した状態で再度成形した。

上記複合成形体を５００℃で５０時間脱バインダ処理を行った後、真空中、１４００℃で１時間焼成し、引き続いてＡｒ雰囲気中、温度：１３４０℃、圧力：１００ＭＰａ、保持時間：１時間の条件でＨＩＰ処理を施し、外周加工を施して直径が３．５ｍｍ、全長４０ｍｍの円柱形状の複合構造体を作製した。

さらに、上記複合構造体の外周に径方向に配置された複合繊維体の位置を確認しながら先端から側面に切刃部およびフルート部を加工によって形成して（切刃部＋フルート部）の長さ９．０ｍｍの外径２．０ｍｍφの表１に示される試料Nｏ．１〜３のドリルを作製した。

得られたドリルを用いて、厚さ２．０ｍｍのＳＣＭ４４０板に対し、下記の条件で孔あけ加工を行い、ドリルが折損するまでに加工できた加工数および基板上面の穴位置に対する基板下面の穴位置のずれを穴位置精度として竹内製作所製ピクセルを用いて測定した。結果は表２に示した。

加工条件
主軸回転数：３ｋｒｐｍ
送り：０．０４ｍ／ｒｅｆ．
基板：ＳＣＭ４４０板 厚み２ｍｍ
（比較例１）
実施例１と同様に、図３に示した方法により外径２０ｍｍの芯成形体の周囲に厚さ１ｍｍの半割り形状の表皮材用成形体を配置して、共押出成形し単芯成形体を作製し、この単芯繊維体２５０本を束ねて再度共押出成形したものを実施例と同様に焼成、加工して繊維体の向きが軸方向のみからなるドリルを作製した（試料Ｎｏ．４，５）。得られたドリルを実施例と同様に穴あけ試験を行った。結果は表２に示した。

（比較例２）
実施例の芯材の組成に有機バインダを加えた後、金型成形を行って均一な組成からなる成形体を作製する以外は実施例と全く同様にドリルを作製した（試料Ｎｏ．６）。また、得られたドリルで実施例と同様に穴あけ試験を行った。結果は表２に示した。

表２の結果から明らかなように、多芯繊維体を編込んだ試料Ｎｏ．１および単芯繊維体３本を編込んだ試料Ｎｏ．２では、実使用上十分な加工数１００００個以上まで折損することなく良好な加工ができ、かつ穴位置精度も優れていた。また、軸方向の多芯繊維体を径方向の多芯繊維体で束ねた長尺方向にねじれた構造をもつサンプル３については１１０００個まで加工が可能であった。

これに対して、比較例１である試料Ｎｏ．４，５では、それぞれ加工数５０００個、８０００個まで加工した時点でドリルのチャック部から折損が発生した。また、刃先に微小な欠損が発生したため、穴位置精度が悪くなってしまった。また、比較例２である試料Ｎｏ．６では、加工数２０００個を加工した時点でドリルのチャック部から折損が発生した。

本発明の回転工具の好適例であるドリルの一例についての概略側面図である。 本発明の回転工具を構成する複合繊維体について、（ａ）単芯繊維体、（ｂ）多芯繊維体の概略斜視図である。 本発明の回転工具の好適例であるドリルの他の実施態様を示す概略側面図である。 図３のドリルについて、（ａ）縦（Ｌ_１方向）断面図、（ｂ）横（Ｌ_２方向）断面図である。 （ａ）〜（ｈ）は本発明の回転工具の製造方法について、図１のドリルの製造方法を説明するための工程図である。

符号の説明

１ ツイストドリル（ドリル）
２ 切刃部
３ 複合構造体
４ 芯材
５ 表皮材
６ 複合繊維体
６ａ 軸方向の複合繊維体
６ｂ 径方向の複合繊維体
６ｓ 単芯複合繊維体
６ｍ 多芯複合繊維体
８ 芯材用成形体
９ 表皮材用成形体
１０ 成形体
１１ 複合繊維成形体
１２ 複合成形体
１３ 複合成形体（編込み構造）
１５ 押出成形機
１７ 金型
Ｌ_１ 回転工具の軸方向
Ｌ_２ 回転工具の径方向

Claims (4)

1. 回転軸を有する回転工具であって、長尺状の芯材と、該芯材とは異なる組成の表皮材で構成される複合繊維体の複数本を、工具の径方向にねじりながら回転軸方向に編込んで束ねたことを特徴とする回転工具。
2. 回転軸を有する回転工具であって、長尺状の芯材と、該芯材とは異なる組成の表皮材で構成される複合繊維体を、工具の回転軸方向に複数本集束するとともに、該回転軸方向に集束した集束繊維体を径方向に配置した複合繊維体にて束ねたことを特徴とする回転工具。
3. 前記径方向に配置した複合繊維体と前記回転工具の軸方向とのなす角度が４５°〜９０°であることを特徴とする請求項２記載の回転工具。
4. 前記複合繊維体が、一本の長尺状の芯材の外周を表皮材で被覆した単芯繊維体が複数本集束された多芯繊維体からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の回転工具。

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