JP2009172708A - 繊維強化複合材の穴あけ工具と穴あけ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＲＰに代表される繊維強化複合材にバリや毛羽立ちの少ない高品位な穴をあけることができ、しかも、工具寿命を経済負担の増加を抑えながら延ばして優れた加工品位を長時間維持できる穴あけ工具を提供することを課題としている。
【解決手段】ツイストドリルを基本形にした穴あけ工具であり、本体部２の先端に回転中心から外周に至る回転中心対称の切れ刃４を有し、その切れ刃４が、少なくとも回転中心刃部４ａと中間刃部４ｂと最外周刃部４ｃの３部によって構成され、最外周刃部４ｃが直線形状をなし、各刃部の先端角が、回転中心側から外周側の刃部にかけて段階的に減少する構造にした。
【選択図】図１

Description

この発明は、炭素繊維などの補強繊維を用いてマトリックス樹脂を強化した繊維強化複合材にいわゆるバリや毛羽立ち、むしれ、チッピングの少ない高品位な穴をあけることを可能にした回転切削式の穴あけ工具と、その工具を用いる繊維強化複合材の穴あけ方法に関する。

ＦＲＰ（繊維強化プラスチックス）に代表される繊維強化複合材、中でも、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチックス）は、比強度、比弾性率が大きいことから、近年、航空機や車両の外板などとして多用される傾向にある。このＦＲＰで形成された部材は、ボルトやリベットなどの締結要素を用いて構造体に固定される。このため、航空機部品などの構造体にＦＲＰ材を使用するときには、締結要素を通すための穴をＦＲＰ材に多数あけることが必要になる。

ＦＲＰ材に対するその穴あけは、通常ドリルを用いてなされるが、一般的なドリルによる穴あけでは、加工した穴の出口部に図６に示すような繊維の毛羽立ちが発生しやすい。また、積層された繊維層の層間剥離も発生しやすく、加工品位上の問題が生じる可能性が高い。これに対し、航空機用の構造体などの製造では特に、高品位加工が求められており、上記の毛羽立ちや層間剥離などを回避することが極めて重要になる。

加工品位を悪くする上記の毛羽立ちなどは、工具摩耗が進展して切削抵抗が増大するほど発生し易くなる。一方、高強度のＣＦＲＰ材の加工などでは工具の摩耗進行が速くなりがちであり、結果的に加工品位維持のために工具交換を早めることになり、加工コストに占める工具費の割合が高くなっているのが実情である。

このような問題を解消するために、既にいくつかの技術が提案されている（例えば、下記特許文献１〜３参照）。これらのうち、特許文献１は、ねじれ溝を通常とは逆ねじれの溝（先端側から基端側に向ってドリル回転方向にねじれる溝）にするとともに、先端の切れ刃を回転方向から見て内周部と外周部とがそれらの中間部で交差するＶ字状に形成したツイストドリルを提案しており、そのドリルは、ねじれ溝を逆ねじれの溝にすることで切れ刃のアキシャルレーキが負の角度になってＦＲＰ中の繊維が押し切るような形で切断され、また、切れ刃をＶ字形状にすることで加工中の振動が防止され、穴縁部のバリ、むしれを抑制できるとしている。

また、特許文献２は、先端の切れ刃を径方向に２区画に分けた切れ刃部によって構成し、外周側切れ刃部の先端角を回転中心側の切れ刃部の先端角よりも小さくし、さらに、切れ刃の外周側に回転中心側よりも高硬度部材を配置したドリルを提案している。そのドリルは、切削速度が大きくなる切れ刃外周部の耐摩耗性が高硬度部材によって高められ、この高硬度部材に案内されつつ回転中心部の切れ刃の摩耗が進行するので、ドリル回転の振れが抑えられるとしている。さらに、外周側切れ刃部の先端角が回転中心側の切れ刃部の先端角よりも小さいために切れ刃外周部による穴の押し広げ作用が低減されてバリの発生が抑制されるとしている。

さらに、特許文献３は、先端からシャンク部に向うに従って外径が所定の割合で減少するバックテーパ部を、ドリル径の０．５〜１．０倍の軸方向長さ範囲にわたってドリルの先端部に形成し、そのバックテーパ部に続く部分の径を一定にすること、さらには、特許文献２と同様に切れ刃を先端角の大きい先端切れ刃部と先端角の小さい外周側切れ刃部の２部分に分け、各切れ刃部に切屑分断用の複数のニックを設ける構造を提案している。このドリルは、前記バックテーパ部の設置やニックによる切屑の分断によって切削抵抗が低減され、そのために工具摩耗が減少して良好な加工品位を維持できる時間を長くすることが可能になるとしている。
特許第２６９９５２７号公報 特許第２９８４４４６号公報 特許第３５３４８３９号公報

前掲の特許文献１〜３が開示しているようなドリルは、繊維強化複合材の加工で良好な加工品位をより長時間にわたって維持する要求に十分に応えたものとは言えない。例えば、特許文献１のドリルは、加工時の負荷が切れ刃の尖った外周部に集中し、同部に摩耗やチッピングが生じやすい。また、刃先が損傷している状態で加工がなされるとバリや毛羽立ちが不可避的に発生するが、切れ刃の外周部の全域が同時に被削材を切り抜ける上に、アキシャルレーキが負の角度になっているために、発生したバリや毛羽立ちが除去されずに残り、良好な加工品位を維持することが難しい。

また、特許文献２，３のドリルは、外周側切れ刃で加工穴を徐々に拡大していくので、一旦発生したバリ、毛羽立ちの後続の刃による再切削が繰り返され、その再切削によってバリ、毛羽立ちを削り取ることが可能である。しかし、切れ刃を２区画に分けた特許文献２，３の構造では、回転中心側切れ刃部の先端角を大きくし、なおかつ、外周側切れ刃部の先端角を小さくすると、回転中心側切れ刃と外周側切れ刃のつなぎ目における角度変化が大きくなって鋭利になりすぎ、加工数を増やしたときに同箇所に異常損傷が発生しやすく、その結果、バリの除去が不十分になって加工品位が低下する。また、ダイヤモンドなどの高硬度部材を外周部に配置することは摩耗の抑制に関しては効果があるが、工具のコストアップを招くため、摩耗量の抑制は、超硬合金等で形成される基材のみでの対応や、その基材に対する硬質膜のコーティング処理程度にとどめるべきである。

なお、ＦＲＰ材そのものをバリや毛羽立ちの起こり難いものに改善する試みもなされているが、航空機用材料などとして利用実績のある既存の材料の穴あけにおいて上記の問題を無くすには、工具の改善や穴あけ方法の改善で対処する必要がある。

この発明は、繊維強化複合材にバリや毛羽立ち、むしれ、チッピングの少ない高品位な穴をあけることができ、しかも、工具寿命を経済負担の増加を抑えながら延ばして優れた加工品位を長時間維持できるようにすることを課題としている。

発明者等は、種々の工具形状による穴あけテストを繰り返した結果、上記の課題を解決できる穴あけ工具と穴あけ方法を見出した。前者の穴あけ工具は、回転切削式であって、
本体部の先端に回転中心から外周に至る回転中心対称の切れ刃を有し、その切れ刃が、少なくとも回転中心刃部とその回転中心刃部の外端に順に連なる中間刃部及び最外周刃部の３部によって構成され、前記最外周刃部が直線形状をなし、各刃部の先端角が、回転中心側から外周側の刃部にかけて段階的に減少している構造になっている。

この発明の穴あけ工具の具体的形態や好ましい形態を以下に列挙する。
（１）前記最外周刃部の先端角を５°以上、４５°以下にしたもの。
（２）前記最外周刃部が切れ刃の軌跡を表す図において工具半径に占める領域をＡ、穴あけ工具の直径をＤとして、その両者の比Ａ／Ｄを、０．０３以上、０．２５以下にしたもの。
なお、ここで言う切れ刃の軌跡を表す図とは、工具が振れずに回転したとして、このときに工具の輪郭が転写されて描かれる穴形状を軸心に沿って回転中心で切断した図を言う。
（３）前記回転中心刃部が、切れ刃の軌跡を表す図において凸曲線をなすようにしたもの。
（４）前記回転中心刃部の切れ刃の軌跡を表す図における曲率半径をｒとして、その曲率半径ｒと穴あけ工具の直径Ｄの比ｒ／Ｄを、０．２５以上、１以下にしたもの。
（５）前記回転中心刃部を、切れ刃の軌跡を表す図において直線形状にし、その回転中心刃部に１４０°以上、１７０°以下の先端角を付与したもの。
（６）前記切れ刃の少なくとも回転中心近傍部を、切れ刃の軌跡を表す図において凸曲線をなすものにし、回転中心対称位置の２つの切れ刃を工具の回転中心部において角度をもって連ならせたもの。
（７）前記本体部の外周にマージン部を有し、そのマージン部に、そのマージン部を長手方向に分断するか又はマージン幅を長手方向の各部において変動させる溝を設けたもの。
（８）前記本体部を、外周にマージンの無い構造にしたもの。
（９）前記切れ刃が、ホーニング処理のなされていない鋭利な刃として形成されている
もの。
（１０）本体部を含めた基部をＷＣ基超硬合金で形成して表面に硬質炭素膜を設けたもの。

この発明の穴あけ方法では、上記したこの発明の穴あけ工具を用いて補強繊維とマトリックス樹脂を含む繊維強化複合材に穴あけ加工を行う。

この穴あけ方法は、穴あけ時の工具の１刃当たりの送り量ｆを０．０３ｍｍ以下にして加工を行うと好ましい。また、切屑吸引手段を用いて穴あけ時に発生する切屑を吸引しながら穴あけ加工を行うのも好ましい。

なお、この発明の方法は、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチックス）やＫＦＲＰ（ポリエステル繊維強化プラスチックス）などに対する穴あけにも勿論利用できるが、他のＦＲＰ材の加工に比べて工具が摩耗し易く、加工品位の長時間の維持が難しくなるＣＦＲＰ材の貫通穴加工に利用すると特に大きな効果を期待できる。

繊維強化複合材の加工においては、上述したように繊維を切断する必要があり、良好な繊維切断のために、繊維の向き（長手方向）に対して切れ刃が極力垂直に近い角度で当たることが望まれる。特に、穴出口部においては被削材が下に支えがなくて撓みやすいため、繊維に対して切れ刃の向きを垂直にして繊維を切断しやすくすることが高品位の穴あけにつながる。また、一方で、穴入口部では加工対象の複合材（板材）の剛性を利用し、工具で繊維を押えつけながら繊維に対して角度の小さい（平行に近い）切れ刃で繊維を切るのではなく削った方が、切削抵抗の抑制、切屑詰まりによる加工品位低下の抑制が図れて有利となる。この発明の穴あけ工具を使用することで上記の要求に応えることが可能になる。

繊維強化複合材にあける穴は、繊維の向きに対して垂直となる。一般的な先端角が付された直線の切れ刃を有する工具、例えば汎用ドリルなどでは、繊維の配向方向に対する切れ刃の当たり角度が小さすぎて良好な繊維切断ができないのに対し、この発明の穴あけ工具は、切れ刃が径方向に少なくとも３部に分けられて各刃部の先端角が回転中心側から外周側の刃部にかけて段階的に減少しているので、切れ刃の最外周刃部を繊維の向きに対して垂直に近づけて繊維の切断機能を外周側で高めることができる。また、切れ刃を径方向に少なくとも３部に分けることで、前記の特許文献２，３の工具に比べて回転中心刃部の先端角を大きくし、各刃部のつなぎ目における切れ刃の角度変化は緩やかにすることができる。この切れ刃形状により穴広げの加工が徐々に進行し、加工中に発生したバリ、毛羽立ちが、穴広げが終わるまでの間に後続の刃によって効果的に削り取られる。また、切れ刃は本体部の外周に近づくほど立ち上がり角（繊維に対する交差角)が急になるので、被削域の外周側が加工されるときの新たなバリの発生が抑えられ、穴面のさらえ効果も得られるようになって穴の面粗さも良くなる。これに加えて、穴が広がるにつれて先端角が小さくなって切削抵抗（スラスト力）が低減されるため、これによる穴の加工品位向上も期待できるようになる。

また、切れ刃を少なくとも３つの刃部に分けて各刃部の先端角を漸減させることで、最外周刃部の長さの増加を抑え、切れ刃が無駄に軸方向に長くなることによる加工能率低下の問題を回避することもできる。さらに、切削負荷を切れ刃の広い領域で分担可能であるので切れ刃の各部の摩耗状況も安定し、切れ刃の局部損傷の問題も起こりにくい。

なお、本体部の外周にマージン部を形成したものは、穴の直進性改善や加工中の振動抑制に加え、工具の摩耗による外径減少が抑制されて加工の安定性の長期維持が可能となる
。ＣＦＲＰ材の加工では長さがｍｍ単位となる一般の金属に比べると各段に細かな切屑が形成されるため、工具と穴内壁面の間で切屑詰まりが発生しやすいが、マージン部を設けてそのマージン部に当該マージン部を長手方向に分断する溝やマージン幅を長手方向の各部において変動させる溝を設けたものは、溝の働きによって切屑の排出性が高まり、そのために、切屑詰まりとそれに起因した穴壁面のむしれなどが減少して穴壁面の品位向上につながる。

一方、穴径寸法自体がそれほど重要でない場合には、むしろマージン部を形成しないことが穴壁面のむしれ抑制の観点で好適である。また、穴径減少に対しても、例えば、ダイヤモンドコーティングを施すことで高い耐摩耗性を付与すれば、その穴径減少とそれによる悪影響をある程度抑制することが可能である。

また、後述する理由から刃先強化用のホーニング処理は無い方がよく、本体部も含めて基部を超硬合金で形成するのも好ましい。

この発明の穴あけ方法では、切れ刃が少なくとも３つの刃部に分かれ、各刃部の先端角が回転中心側から外周側に向って漸減し、最外周刃部は直線で形成された工具を使用するので、回転中心刃部による繊維を押さえつけながらの削りと、最外周刃部による繊維の良好な切断、加工中に発生したバリ、毛羽立ちの除去、穴面の仕上げの作用・効果が得られる。これに加え、加工時の送り量を一定範囲内に制限する、具体的には、穴あけ時の工具の１刃当たりの送り量ｆを０．０３ｍｍ以下にすることで、加工品位向上の効果をより一層高めることができる。この方法での切屑の排出性は、発生した切屑を、切屑吸引手段を用いて強制的に吸引除去するとより良くなり、穴壁面の品位低下の原因になる工具外周と穴壁面との間への切屑詰まりがより確実に防止されて切屑詰まりに起因した加工品位の低下がなくなる。

−実施形態１−
以下、この発明の実施の形態について説明する。図１に、この発明の第１形態の穴あけ工具を示す。この穴あけ工具１は、２枚刃のツイストドリルを基本形とするものであって、本体部２と工作機械のホルダに把持されるシャンク３とからなり、本体部２の先端に回転中心対称形状の切れ刃４を有し、また、本体部２の外周に２条のねじれ溝５を有する。ねじれ溝５，５間にはランド部６があり、そのランド部６のねじれ溝５に沿った工具回転方向前方の縁に一定幅のマージン部７が形成されている。このマージン部7は、加工穴の穴径精度が重視されないときには省くことがある。

また、この第１形態の穴あけ工具１は、切れ刃４の軌跡を表す図（図１で代用、この図１の工具の輪郭形状が切れ刃４の軌跡）において、切れ刃４を回転中心刃部４ａ、その外側に順次連なる中間刃部４ｂ及び最外周刃部４ｃの３部に区画し、各刃部に先端角を付与してその先端角を回転中心側から外周側の刃部にかけて段階的に減少させている。最外周刃部４ｃは、図１において直線形状をなし、その最外周刃部４ｃの外端がマージン部７のリーディングエッジに小さな角度をもって連なっている。また、その直線の最外周刃部４ｃを、図１に示すように、その設置領域が工具半径においてＡの径方向範囲を占め、軸方向においてはＣの範囲を占めるものにしている。さらに、回転中心刃部４ａを半径Ｒの円弧の曲線で構成している。

この図１の形態となすことで、回転中心刃部４ａと最外周刃部４ｃに要求される機能を両立させることができ、加えて、各刃部のつなぎ目における切れ刃の角度変化を緩やかにすることもできる。

なお、最外周刃部４ｃの先端角は、５°以上、４５°以下が適当である。その最外周刃部４ｃの先端角が小さすぎると、最外周刃部４ｃによる穴広げに時間がかかり、大きすぎると繊維との角度差が大きくなって繊維の切断が良好になされなくなる。

また、最外周刃部４ｃの工具半径に占める範囲Ａが小さすぎると最外周刃部４ｃによる穴広げや仕上げの効果が十分に得られず、その範囲Ａが大きすぎると最外周刃部４ｃの軸方向長さが長くなって加工能率が悪くなり、或いは、最外周刃部４ｃの先端角が大きくなって加工品位向上の効果が薄れるので、工具径Ｄとの比Ａ／Ｄを、０．０３以上、０．２５以下にするのがよい。

さらに、回転中心刃部４ａは、第１形態の工具の場合、切れ刃の軌跡を表す図（図１で代用）において凸曲線をなすものにしており、穴入口部では工具で繊維を押えつけながら繊維に対して角度の小さい切れ刃で繊維を削ることができ、切削抵抗の抑制、切屑詰まりによる加工品位低下の抑制が図れる。

その凸曲線で形成される回転中心刃部４ａの図１に示した曲率半径ｒと工具径Ｄの比ｒ／Ｄは、０．２５以上、１以下がよい。その比ｒ／Ｄが、０．２５以下では、切れ刃を３部以上に分ける効果が十分に引き出されず、切れ刃を２部に分けたものと大して差のないものになる。また、その比が１以上では、被削材に対する食い付きが悪くなって穴位置精度の確保などが難しくなる。

また、切れ刃４は、ホーニング処理のなされていない鋭利な刃として形成されている。そのために、繊維の切断が良好になされて高い加工品位が得られる。この点において、工具材料は刃立ち性の良い超硬合金が適している。刃先を鈍らせるホーニング処理は無い方がよい。本体部も含めて基部を超硬合金で形成すると耐摩耗性やコスト面でもバランスの取れた工具を実現できる。基部の超硬合金を硬質炭素膜で覆った被覆工具となすことで耐摩耗性をさらに高めることができ、これは耐摩耗性が重視されるときに有効である。

−実施形態２−
図２に、この発明の第２形態の穴あけ工具を示す。この穴あけ工具１は、切れ刃４の軌跡を表す図（図２で代用）において、回転中心刃部４ａを直線形状にし、その回転中心刃部４ａに先端角θ１を付与したものである。

回転中心刃部４ａの先端角θ１は中間刃部４ｂの先端角よりも大きい。その先端角θ１は、１４０°以上、１７０°以下ぐらいが適当である。この角度が小さすぎると回転中心刃部４ａによる繊維を押さえつけながらの削りの効果などが薄れ、逆にこの角度が大きすぎると被削材に対する良好な食い付き性の確保などが難しくなる。この図２の形態は、穴位置精度の向上と穴入口部での削りによる加工を両立させることが可能であり、また、板材を複数枚重ねて加工するときの上側の板材の浮き上がりを抑制することもでき、剛性の確保が難しいときに有効である。その他の構成は、図１の第１形態と同一であるので説明を省く。

−実施形態３−
図３に第３形態の穴あけ工具を示す。この穴あけ工具１は、切れ刃４の軌跡を表す図（図３で代用）において、回転中心刃部４ａを複数の凸曲線（図のそれは半径ｒの２つの円弧曲線）で形成してその２つの曲線を工具の回転中心部において角度をもって連ならせ、さらに、回転中心刃部４ａの外端に中間刃部４ｂを連ならせ、その中間刃部４ｂの外端に最外周刃部４ｃを連ならせている。この場合の回転中心刃部４ａの先端角も図２で述べたθ１と同程度にするのがよい。中間刃部４ｂの先端角はθ１より小さく、最外周刃部４ｃの先端角は中間刃部４ｂの先端角よりも小さい。その他の構成は、図１の第１形態と同一である。

この図３の形態の工具は、回転中心刃部４ａを複数の凸曲線で構成した点が図２の第２形態と異なっているが、得られる効果は、第２形態の工具とおおむね同じになる。

なお、図１、図２、図３の中間刃部４ｂは、切れ刃４の軌跡を表す図においていずれも直線になっているが、凸曲線をなす刃にしてもよい。また、各穴あけ工具とも、切れ刃４をドリルの端面視で曲線をなす刃にしてもよい。

−実施形態４−
図４に第４形態の穴あけ工具を示す。この穴あけ工具１は、本体部２の外周に形成されるマージン部７に、そのマージン部７を長手方向に分断する溝（ニック）８を適当な間隔をあけて設けている。溝８は、マージン部７の幅を長手方向の各部で変化させてマージン部の面積を減少させるものであればよく、マージン部７を長手方向に分断することは必須ではない。その他の構成は、図１の第１形態と同一である。

この図４の穴あけ工具１は、マージン部７によって工具の摩耗による外径減少が抑制され、加工の安定性の長期維持が可能となる。また、一方で、ＣＦＲＰ材の加工では粉状の切屑が生成されるため、連続したマージン部が外周にあるとそのマージン部と加工した穴の穴壁面との間に切屑が詰まりやすくなって穴壁面のむしれなどが起こるが、マージン部７を長手方向に分断するか又はマージン幅を長手方向の各部において変動させる溝８を設けることでその問題が解消される。マージン部に溝が形成されているとマージン部７と穴壁面との間に切屑が詰まり難くなり、繊維強化複合材、特にＣＦＲＰの穴あけ加工においては、切屑詰まりとそれに起因した穴壁面のむしれなどが減少して穴壁面の品位低下が抑制される。

−実施形態５−
図５に、この発明の穴あけ方法の実施の形態を示す。例示の穴あけ方法は、発生する切屑を切屑吸引手段９で強制的に除去しながら加工を進めるものである。図５に示すように、マシニングセンタ１０の主軸１１に、通常実施されるのと同様に工具ホルダ１２を介して穴あけ工具１（第１形態の符号を代表して使用する）を装着し、その後、加工部を覆うカバー１４を取り付ける。カバー１４は、切屑吸引手段９の構成要素となるものである。切屑吸引手段９は、吸引装置１３とカバー１４とその両者間を接続するホース１５とからなる。カバー１４は、マシニングセンタ１０に取り付ける固定カバー１４ａの下部に軸方向相対スライドが可能な筒状の可動カバー１４ｂを有しており、その可動カバー１４ｂが工具に先行して被削材Ｗの上面に押し当てられ、この状態で主軸１１がさらに降下して穴あけ工具１による穴あけがなされる。従って、加工中は常時加工部がカバー１４に囲われ、発生した切屑が強制的に吸引除去されることになる。

以下に、より詳細な実施例を挙げる。
−実施例１−
先に説明した図１の第１形態の穴あけ工具を準備した。また、比較のために、ツイストドリルも準備した。これらの工具の詳細を表１に示す。工具の材質は、ＪＩＳ Ｚ２０種超硬合金であり、一部の工具には、物理蒸着法で合成した非晶質炭素（ＤＬＣ）被膜と気相合成法で合成したダイヤモンド被膜を表面に設けている。
比較例のツイストドリルは、先端角１４０°で、直線の切れ刃を有する一般的な形状のドリルである。一方、各発明工具の中間刃部の先端角は１００°、回転中心刃部の曲率半径はｒ＝２ｍｍとした。また、回転中心刃部の径方向に占める範囲はＢ＝０．８ｍｍとした。切れ刃の稜線はホーニング処理をせずに鋭利な状態にした。各工具の直径はφ６ｍｍである。

加工対象の材料（被削材）はＣＦＲＰの板材であり、その板材の面内方向に炭素繊維で補強したプリプレグを８層重ねて接合し、全体の厚みを２．７８ｍｍにしている。
このＣＦＲＰ材に、上記の各工具を用いて穴あけを行った。このときの加工条件は、切削速度９０ｍ／ｍｉｎ、１刃当たりの工具送り量ｆ＝０．０３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、ドライ方式での貫通穴加工とした。

加工した穴の１穴目および１００穴目の穴出口におけるバリ（毛羽立ち）の最大長さ、工具最外周部の逃げ面の摩耗量を表１に併せて示す。

この表１のデータから、本発明の工具は比較例のドリルに対して、加工品位、耐摩耗性のいずれにおいても勝っていることがわかる。最外周刃部の先端角については、発明例２と３の比較から、４５°以下であることが望ましい。また、最外周刃部が径方向に占める範囲については、発明例４と５の比較から、Ａ／Ｄが０．０３以上であることが望ましい。
なお、最外周刃部の先端角が小さいほど、あるいは径方向に占める範囲が大きいほど加工品位の面では有利になるが、最外周刃部の軸方向長さＣが長くなり、所定径に貫通するまでに必要な加工時間も長く成りすぎる。最外周刃部が半径方向に占める範囲Ａについては大きくても工具半径の半分（すなわちＡ／Ｄ＝０．２５）程度にとどめるべきである。最外周刃部の先端角については、例えば、Ａ／Ｄを好適範囲の中間値である０．１４とした場合、５°であればＣ／Ｄの値が３強にとどまるため、最外周刃部の先端角は５°以上とすることでおおむね加工時間の増大の問題を回避できると考えられる。

また、工具材質に関しては、ＤＬＣ被膜やダイヤモンド被膜などの硬質被膜を施した工具で特に優れた摩耗抑制の効果が確認できる。その効果により、１００穴目の穴のバリ長さが短くなり、長い期間にわたって高加工品位を維持できることがわかる。

−実施例２−
次に、加工時の工具送り量の加工品位に及ぼす影響を確認する試験を行った。ここでは、実施例１における発明例１の穴あけ工具を使用し、１刃当たりの送り量を変化させて加工して得られた穴の性状を比較した。加工の条件も含めて他の条件は実施例１と同じにした。試験結果を表２に示す。

表２からわかるように、工具送り量が増すにつれて加工品位は低下傾向を示す。従って、この発明の穴あけ工具を用いた繊維強化複合材の穴あけ方法としては、１刃当たりの工具送り量ｆを０．０３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ以下にして加工を行うことが望まれる。

−実施例３−
ＣＦＲＰの板材を重ねた被削材に穴あけを行って切れ刃の先端中心部（回転中心刃部）の形状が加工に及ぼす影響を評価した。この試験には、前述の第１〜第３形態の穴あけ工具を使用した。工具の材質は、ＪＩＳ Ｚ２０種の超硬合金である。また、切れ刃の稜線はホーニング処理が施されておらず、鋭利な状態になっている。工具の外径はφ６ｍｍである。図１の第１形態の穴あけ工具については、回転中心刃部の半径ｒを変化させ、工具半径に占める領域Ｂを０．７ｍｍ、中間刃部の先端角を１００°、最外周刃部の先端角を２５°、最外周刃部の工具半径に占める領域Ａ＝０．６ｍｍとした。第２形態の穴あけ工具は、回転中心刃部を直線で形成した点を除いて他の構成は第１形態の工具と同じにした。また、回転中心刃部の先端角は１６０°とした。第３形態の穴あけ工具は、回転中心刃部を半径ｒ＝３．２ｍｍの２つの円弧曲線で形成し、その他の構成は第１形態の工具と同じにした。回転中心刃部の先端角は１６２°とした。比較例の工具は汎用のツイストドリルである。

被削材は実施例１，２で用いたものと同様のＣＦＲＰの板材である。この板材を５枚
接着せずに重ね合わせて加工テーブル上にクランプし、試料の工具で貫通穴の加工を行った。そして、加工中の切削抵抗（スラスト力)を測定し、全板材を加工し終える間のスラスト力の変動幅（その最大値）を調べた。また、加工中の様子をビデオカメラで撮影し、加工中に板材が浮き上がる現象の有無を検証した。加工条件は実施例１と同じである。その結果を表３に示す。

この試験結果から切れ刃の回転中心刃部の曲率半径が大きいほど切削抵抗の変動幅が小さく、板材の浮き上がり抑制されることがわかる。工具径Ｄとの比率で見ると、ｒ／Ｄが
０．２５未満では切削抵抗の変動や板材の浮き上がりが発生しやすいと言える。また、加工例８の結果から、切れ刃の回転中心刃部が、切れ刃の軌跡を表す図において直線をなしていても、同部の先端角を大きくすることで同様の効果が得られることがわかる。さらに、加工例９から、回転中心において回転対称位置の切れ刃間に角ができていても、回転中心近傍の切れ刃を凸曲線とすることで同様の効果が得られることがわかる。

−実施例４−
次に、工具のマージン部が加工に及ぼす影響について検討した結果を記す。ここでは、穴あけに図４の第４形態の工具を用いた。工具の材質は、ＪＩＳ Ｚ２０種の超硬合金であり、切れ刃の稜線はホーニング処理のない鋭利な状態を維持している。工具の外径はφ６ｍｍである。また、本体部外周のマージン部は、幅（工具周方向の寸法）を０．４ｍｍにし、軸方向に１ｍｍおきに１ｍｍ幅（これは軸方向寸法）の溝を周期的に設けた。マージン部以外の工具形態は実施例１の発明例１と同様である。比較方法には実施例１〜３と同じ構造のツイストドリルを用いた。そのツイストドリルのマージン幅は０．４ｍｍであり、マージン部を長手方向に分断する溝は存在しない。

被削材は実施例１〜３で用いたものと同じＣＦＲＰの板材であり、その他の条件は実施例１と同じにした。
この試験の結果、本発明の工具を使用した加工では、加工穴の穴壁面でのむしれは１ｍｍ以下の微細なものしか観察されなかった。これに対し、比較例のドリルによる加工では
は２〜３ｍｍ程度の長さの大きなむしれが発生した。この加工結果の相違は、マージン部の溝の有無により、マージン部と加工穴との間への切屑の噛み込みや詰まりの状況に差が出たためであると考えられる。

図５に示すように、切屑吸引手段９を用い、発生する切屑を吸引しながらの加工も行ったところ、加工穴の穴壁面のむしれは目視確認が困難なレベルにまで小さくなり、切屑の強制除去が加工品位をさらに向上させるのに有効であることも確認された。
また、図４の第４形態の穴あけ工具と汎用のツイストドリルによる穴あけを、穴加工数が２００穴になるまで実施した結果、両工具とも２００穴目の加工穴径は５．９９ｍｍ程度で、初期からの工具摩耗による穴径の減少幅は０．０１ｍｍ程度に収まっていた。マージン部のない工具での同一条件での穴あけでは、工具外周の摩耗により穴径の減少幅がマージン部有りのものに比べて大きくなると思われ、マージン部は加工寸法の維持に関しては望ましいものと言える。逆に、穴径寸法がさほど重視されない場合は、マージン部の無い構造とすることで穴壁面の性状を一層向上させるという選択も可能であり、状況に応じてその２形態を使い分けるとよい。

なお、この発明は、上記の実施例に限定されるものではない。

この発明の穴あけ工具の第１形態を示す側面図 この発明の穴あけ工具の第２形態を示す側面図 この発明の穴あけ工具の第３形態を示す側面図 （ａ）この発明の穴あけ工具の第４形態を示す側面図、（ｂ）図４（ａ）の丸枠部の拡大図 切屑吸引手段を採用した穴あけ方法の概要説明図 ＦＲＰ材に加工された穴あけの出口部の繊維の毛羽立ちを示す図

符号の説明

１ 穴あけ工具
２ 本体部
３ シャンク
４ 切れ刃
４ａ 回転中心刃部
４ｂ 中間刃部
４ｃ 最外周刃部
５ ねじれ溝
６ ランド部
７ マージン部
８ 溝
９ 切屑吸引手段
１０ マシニングセンタ
１１ 主軸
１２ 工具ホルダ
１３ 吸引装置
１４ カバー
１４ａ 固定カバー
１４ｂ 可動カバー
１５ ホース
ｒ 回転中心刃部の曲率半径
Ａ 最外周刃部の径方向範囲
Ｂ 回転中心刃部の径方向範囲
Ｃ 最外周刃部の軸方向寸法
Ｄ 穴あけ工具の直径
Ｗ 被削材

Claims (15)

1. 補強繊維とマトリックス樹脂を含む繊維強化複合材の穴あけに用いる回転切削式の穴あけ工具であって、本体部（２）の先端に回転中心から外周に至る回転中心対称の切れ刃（４）を有し、その切れ刃（４）が、少なくとも回転中心刃部（４ａ）とその回転中心刃部（４ａ）の外端に順に連なる中間刃部（４ｂ）及び最外周刃部（４ｃ）の３部によって構成され、前記最外周刃部（４ｃ）が直線形状をなし、各刃部の先端角が、回転中心側から外周側の刃部にかけて段階的に減少していることを特徴とする繊維強化複合材の穴あけ工具。
2. 前記最外周刃部（４ｃ）の先端角を５°以上、４５°以下にした請求項１に記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
3. 前記最外周刃部（４ｃ）が切れ刃の軌跡を表す図において工具半径に占める領域をＡ、穴あけ工具の直径をＤとして、その両者の比Ａ／Ｄを、０．０３以上、０．２５以下にした請求項１又は２に記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
4. 前記回転中心刃部（４ａ）を、切れ刃の軌跡を表す図において凸曲線をなすものにした請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
5. 前記回転中心刃部（４ａ）の切れ刃の軌跡を表す図における曲率半径をｒとして、その曲率半径ｒと穴あけ工具の直径Ｄの比ｒ／Ｄを、０．２５以上、１以下にした請求項４に記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
6. 前記回転中心刃部（４ａ）を、切れ刃の軌跡を表す図において直線形状にし、その回転中心刃部（４ａ）に１４０°以上、１７０°以下の先端角（θ１）を付与した請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
7. 前記切れ刃（４）の少なくとも回転中心近傍部を、切れ刃の軌跡を表す図において凸曲線をなすものにし、回転中心対称位置の２つの切れ刃（４，４）を工具の回転中心部において角度をもって連ならせた請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
8. 前記本体部（２）の外周にマージン部（７）を有し、そのマージン部（７）に、そのマージン部を長手方向に分断するか又はマージン幅を長手方向の各部において変動させる溝（８）を設けた請求項１〜７のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
9. 前記本体部（２）を、外周にマージンの無い構造にした請求項１〜７のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
10. 前記切れ刃（４）が、ホーニング処理のなされていない鋭利な刃として形成されている
    請求項１〜９のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
11. 本体部（２）を含めた基部をＷＣ基超硬合金で形成して表面に硬質炭素膜を設けた請求項１〜１０のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
12. 補強繊維とマトリックス樹脂を含む繊維強化複合材に、請求項１〜１１のいずれかに記載の穴あけ工具（１）を用いて穴あけ加工を行う繊維強化複合材の穴あけ方法。
13. 穴あけ時の工具の１刃当たりの送り量ｆを、０．０３ｍｍ以下にして加工を行う請求項１２に記載の繊維強化複合材の穴あけ方法。
14. 切屑吸引手段（９）を用いて穴あけ時に発生する切屑を吸引しながら穴あけ加工を行う請求項１２又は１３に記載の繊維強化複合材の穴あけ方法。
15. 前記繊維強化複合材が炭素繊維強化プラスチックスであり、この炭素繊維強化プラスチックスに貫通穴をあける請求項１２〜１４のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ方法。