JP2009544481A - 繊維強化複合材料を切削するドリル - Google Patents

Abstract

【課題】複合材料の切削に好適なドリルを提供する。
【解決手段】約３重量％〜１０重量％の間の範囲のコバルトで結合され、約３ミクロン〜２０ミクロンの間の範囲の厚さを有するダイヤモンドコーティングがなされ、タングステンカーバイド基体から作製され、シャンク、長手方向軸を有し、軸に対して約２５度〜約３５度のねじれ角に、２つの溝を含み、マージン幅がドリル径の約５％〜約１０％であり、二番取り面径が、ドリル径の約９２％〜約９６％の間で、分割前の心厚が、ドリル径の約２０％〜約３０％であり、切刃逃げ角が、約１０度〜約２０度であり、チゼルエッジ角が、約１０５度〜約１２０度であり、チゼルエッジ長が、約０．０３５ｍｍ以下であり、分割角が、約１３０度〜約１５０度であり、切欠き角が、ドリル軸に対して約３０〜約４０度であり、切欠きすくい角が、約−５度〜約１０度であり、分割先端角（３４）が、約７０度〜約１００度である。
【選択図】図１

Description

本発明は繊維強化複合材料を切削するドリルに関する。

炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、繊維タイプ、繊維配向、繊維含有率およびマトリクス材が異なる広範囲の複合材料からなる。近年、多くの産業において、繊維強化複合材料の使用が着実に増加してきた。たとえば、ＣＦＲＰ複合材料は、比強度および比剛性が高いため、航空宇宙産業および自動車産業において応用が拡大してきた。かかる材料の使用が広がるに従い、かかる材料に、狭い公差内の寸法で高品質な穴を生成する、費用効率のよい方法がますます必要となってくる。

しかしながら、ＣＦＲＰ複合材料には、切削において非常に大きい問題がある。目下、市場は、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）ドリルが占めている。従来のＰＣＤドリルを使用して穿孔した後の典型的な欠陥には、図８に示すように、スポーリング、繊維引抜け、焼損等がある。

スポーリングおよび繊維引抜けは工具スラストによってもたらされることが理解されている。ドリルの形状は、工具性能に影響を与えるもっとも重要な要素のうちの１つであると考えられている。さらに、繊維補強材の強度が高いため、ＣＦＲＰは極めて研磨性が強く、工具の硬度が優れていることが必要である。

このため、ＣＦＲＰ複合材料を切削する時の出口穴欠陥を最小限にするドリルを提供する必要がある。

簡単に、本発明によれば、繊維強化複合材料を切削する分割先端（スプリットポイント、ｓｐｌｉｔ−ｐｏｉｎｔ）、２溝付きツイストドリルを提供する。ドリルは、約１０度と約２０度との間の切刃逃げ角と、約−５度と約１０度との間の切欠きすくい角と、約０．０３５ｍｍ以下のチゼルエッジ長と、約１０５度と約１２０度との間のチゼルエッジ角と、約１３０度と約１５０度との間の分割角と、約７０度と約１００度との間の先端角とを有する。

別の実施形態では、約３重量％〜約１０重量％の間の範囲のコバルトで結合されたタングステンカーバイドからなる基体によって作製された、繊維強化複合材料を切削する、分割先端、ダイヤモンドコーティングツイストドリルであって、前記ドリルは、約９０度の先端角を有する。

さらに別の実施形態では、繊維強化複合材料を切削する、分割先端、２溝付き、ダイヤモンドコーティングツイストドリルであって、約１０度と約２０度との間の切刃逃げ角と、約−５度と約１０度との間の切欠きすくい角と、約０．０３５ｍｍ未満のチゼルエッジ長と、約７０度と約１００度との間の先端角と、約２５度と約３５度との間のねじれ角と、ドリル径の約２０％と約３０％との間の、分割前の先端における心厚と、ドリルの長手方向軸に対して約３０度と約４０度との間の切欠き角と、約１０５度と約１２０度との間のチゼルエッジ角と、約１３０度と約１５０度との間の分割角と、ドリル径の約９２％と約９６％との間の二番取り面径と、ドリル径の約５％〜約１０％の間のマージン幅とを有する。

本発明のさらなる特徴は、そこから得られる利点と同様に、図面を参照して行う以下の詳細な説明から明らかとなろう。

本発明の一実施形態による繊維強化複合材料を切削するドリルの部分斜視図である。 先端角を示す図１のドリルの部分側面図である。 逃げ角を示す図１のドリルの別の部分側面図である。 切欠きすくい角を示す図１のドリルの拡大側面図である。 分割角、心厚およびマージン厚さを示す図１のドリルの端面図である。 それぞれ、タイプＡのＣＦＲＰ複合材料を穿孔する場合の、本発明の５μｍダイヤモンドコーティングドリルと従来のＰＣＤドリルとによって生成された穴品質を比較する説明図である。 タイプＢのＣＦＲＰ複合材料を穿孔する場合の、従来のＰＣＤドリルと本発明のダイヤモンドコーティングドリルとによって生成される穴品質を比較する説明図である。 従来のＰＣＤドリルを使用して穿孔した後の典型的な欠陥を示す説明図である。

同様の参照文字が同様の要素を表す図１〜図５を参照すると、本発明の一実施形態による、分割する前の２溝付きダイヤモンドコーティングツイストドリルが一般的に１０で示されている。ドリル１０は、約３重量％〜約１０重量％の間の範囲のコバルト（Ｃｏ）で結合されたタングステンカーバイド（ＷＣ）基体から作製され、化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスを使用することによって約３μｍ〜約２０μｍの間の範囲の厚さでダイヤモンドコーティングがなされることが好ましい。ホーン半径（または切刃半径）は、コーティング後、約５ミクロン〜約３０ミクロンの間である。

ドリル１０は、シャンク１１、長手方向軸１２を有し、長手方向軸１２に対して約２５度と約３５度との間の範囲であるねじれ角１８に、２つの溝１４および１６を含む。マージン幅２４が、ドリル径２２の約５％〜約１０％の間で維持されている。二番取り面径２６が、ドリル径２２の約９２％〜約９６％の間で維持されている。先端３０（分割前）における心厚２８（切刃３８および４０の間の間隔）が、ドリル径２２の約２０％〜約３０％である。先端角３４が、約７０度と約１００度との間、好ましくは約９０度である。すきま角または切刃逃げ角３６が、約１０度と約２０度との間である。チゼルエッジ角４２が、約１０５度と約１２０度との間である。チゼルエッジ長４３が、約０．０３５ｍｍ未満である。分割角４４（第２切刃角）が、約１３０度と約１５０度との間である。切欠き角４６が、ドリル軸１２に対して約３０度と約４０度との間である。切欠きすくい角４８が、約−５度と約１０度との間にある。

ドリル形状

本発明のドリル１０の形状を、試験し、表Ｉに列挙するように複数の異なる形状と比較した。比較の結果は、鉤状（ｂｒａｄ）・棘状突起（ｓｐｕｒ）先端形状と９０度分割先端ドリル形状とが、出口穴欠陥サイズが最小であるという結果を実証したことを示す。しかしながら、鉤状・棘状突起先端ドリルにはチッピング問題があり、そのため、工具寿命が低減した。さらに、鉤状・棘状突起先端ドリルは研磨がより困難であり、その鋭利な刃によりコーティングが不適当なものとなる。このため、９０度分割先端ドリル形状が、全体的な性能および結果が最良であることを実証した。

ＣＶＤダイヤモンドコーティング

飛行機外板に使用されている２つのタイプの炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）複合材料（すなわち、タイプＡおよびタイプＢ）に対する本発明のドリル１０の性能を評価した。特に、この評価では、９０度分割先端ドリル形状を採用した。６重量％コバルト（Ｃｏ）とともにタングステンカーバイド（ＷＣ）で作製されたドリル基体に、化学気相成長（ＣＶＤ）方法を使用することによって厚さの異なる２つのダイヤモンドコーティングを堆積した。本発明は、コバルトの特定の重量パーセントによって限定されず、かつ、本発明を、約３重量％コバルト〜約１０重量％コバルトの間の範囲のコバルトで結合されたＷＣ基体で実施することができる、ということが理解されよう。従来の多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）ドリルは、現在、ＣＦＲＰ穿孔の市場において主流の製品である。切刃の半径と第１穴を穿孔する時のスラストとを、表ＩＩに列挙する。表ＩＩに示すように、９０度分割先端ドリル形状は、より小さいスラストとより鋭利な切刃とをもたらし、それは、本発明者によって観察されるように穴品質に対して有益である。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、それぞれ、タイプＡ炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）複合材料を穿孔する場合の、本発明の５μｍダイヤモンドコーティングドリルと従来の多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）ドリルとによって生成された穴品質を比較する。図示するように、本発明の５μｍダイヤモンドコーティングドリルは、従来のＰＣＤドリルよりはるかに優れた穴品質という予期しない結果をもたらした。さらに、本発明の５μｍダイヤモンドコーティングドリルは、従来のＰＣＤドリルより工具寿命が優れていることにより（９７穴対５０穴）、予期しない結果をもたらした。比較として、コーティングされていないＷＣ−６重量％ドリルは、炭素繊維による深刻なアブレシブ摩耗のために、高品質の穴を１０個しか作成することができない。

本発明のドリルは、ダイヤモンドコーティングの厚さによって限定されないことが理解されよう。たとえば、本発明のドリルを、ダイヤモンドコーティング厚さが約３μｍ〜約２０μｍの間の範囲であるＷＣ基体から作製することができる。さらに、本発明のドリルを、約５μｍ〜約３０μｍの間の範囲の切刃の半径で実施することができる、ということが理解されよう。

図７は、タイプＢのＣＦＲＰ複合材料を穿孔する場合の、ＰＣＤドリルおよびダイヤモンドコーティングドリルによって生成される穴品質を比較したものである。５μｍダイヤモンドコーティングドリルおよび１２μｍダイヤモンドコーティングドリルはともに、従来のＰＣＤドリルより穴品質および工具寿命が優れていることにより、予期しない結果をもたらした。

上述したように、ＷＣ−６重量％Ｃｏ基体と５μｍまたは１２μｍダイヤモンドコーティングを備えた分割先端、２溝付きツイストドリル１０は、タイプＡおよびタイプＢの炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）複合材料等の繊維強化複合材料を切削する場合に、従来の多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）ドリルより優れていることにより、予期しない結果をもたらした。さらに、本発明は、ＣＦＲＰ複合材料を切削するドリルに限定されない。たとえば、本発明のドリルを、ガラス繊維強化材料等を切削するために使用することができる。さらに、本発明のドリルを、乾燥環境または湿潤環境で使用することができる。

本明細書で参照した文書、特許および特許出願は、参照により本明細書に援用される。

本発明を、特に、そのいくつかの特定の実施形態に関連して説明したが、これは、限定を目的とするものではなく例示を目的とするものであり、添付の特許請求の範囲は、従来技術が許容する限り広く解釈されるべきである、ということが理解されよう。

１０ ドリル
１１ シャンク
１２ 長手方向軸
１４ 溝
１６ 溝
１８ ねじれ角
２２ ドリル径
２４ マージン幅
２６ 二番取り面径
２８ 心厚
３０ 先端（分割前）
３４ 先端角
３６ すきま角（切刃逃げ角）
３８ 切刃
４２ チゼルエッジ角
４３ チゼルエッジ長
４４ 分割角
４６ 切欠き角
４８ 切欠きすくい角

Claims (27)

1. 約１０度と約２０度との間の切刃逃げ角と、約−５度と約１０度との間の切欠きすくい角と、約０．０３５ｍｍ未満のチゼルエッジ長と、約７０度と約１００度との間の先端角とを有する、繊維強化複合材料を切削する、分割先端、２溝付き、ダイヤモンドコーティングツイストドリル。
2. 先端角が約９０度である、請求項１に記載のドリル。
3. 約２５度と約３５度との間の前記溝のねじれ角をさらに含む、請求項１に記載のドリル。
4. ドリル径の約２０％と３０％との間の、分割前の先端における心厚をさらに含む、請求項１に記載のドリル。
5. 前記ドリルの長手方向軸に対する約３０度と約４０度との間の切欠き角をさらに含む、請求項１に記載のドリル。
6. 約１０５度と約１２０度との間のチゼルエッジ角をさらに含む、請求項１に記載のドリル。
7. 約１３０度と１５０度との間の分割角をさらに含む、請求項１に記載のドリル。
8. ドリル径の約９２％と約９６％との間の二番取り面径をさらに含む、請求項１に記載のドリル。
9. ドリル径の約５％〜約１０％の間のマージン幅をさらに含む、請求項１に記載のドリル。
10. 約３重量％〜約１０重量％の間の範囲のコバルトで結合されたタングステンカーバイドからなる基体によって作製された、繊維強化複合材料を切削する、分割先端、ダイヤモンドコーティングツイストドリルであって、約９０度の先端角を有する、ドリル。
11. 前記ダイヤモンドコーティングが、約３μｍ〜約２０μｍの間の範囲の厚さを有する、請求項１０に記載のドリル。
12. 前記ダイヤモンドコーティングの厚さが約５μｍである、請求項１１に記載のドリル。
13. 前記ダイヤモンドコーティングの厚さが約１２μｍである、請求項１１に記載のドリル。
14. 約５ミクロン〜約３０ミクロンの間のホーン半径をさらに含む、請求項１０に記載のドリル。
15. 前記コバルトが約６重量％である、請求項１０に記載のドリル。
16. 約１０度と約２０度との間の切刃逃げ角と、約−５度と約１０度との間の切欠きすくい角と、約０．０３５ｍｍ未満のチゼルエッジ長とをさらに含む、請求項１０に記載のドリル。
17. 約２５度と約３５度との間のねじれ角を有する２つの溝をさらに含む、請求項１６に記載のドリル。
18. ドリル径の約２０％と約３０％との間の、分割前の先端における心厚をさらに含む、請求項１６に記載のドリル。
19. 前記ドリルの長手方向軸に対して約３０度と約４０度との間の切欠き角をさらに含む、請求項１６に記載のドリル。
20. 約１０５度と約１２０度との間のチゼルエッジ角をさらに含む、請求項１６に記載のドリル。
21. 約１３０度と約１５０度との間の分割角をさらに含む、請求項１６に記載のドリル。
22. ドリル径の約９２％と約９６％との間の二番取り面径をさらに含む、請求項１６に記載のドリル。
23. ドリル径の約５％〜約１０％の間のマージン幅をさらに含む、請求項１６に記載のドリル。
24. 繊維強化複合材料を切削する、分割先端、２溝付き、ダイヤモンドコーティングツイストドリルであって、約１０度と約２０度との間の切刃逃げ角と、約−５度と約１０度との間の切欠きすくい角と、約０．０３５ｍｍ未満のチゼルエッジ長と、約７０度と約１００度との間の先端角と、約２５度と約３５度との間のねじれ角と、ドリル径の約２０％と約３０％との間の、分割前の先端における心厚と、前記ドリルの長手方向軸に対して約３０度と約４０度との間の切欠き角と、約１０５度と約１２０度との間のチゼルエッジ角と、約１３０度と約１５０度との間の分割角と、前記ドリル径の約９２％と約９６％との間の二番取り面径と、前記ドリル径の約５％〜約１０％の間のマージン幅とを有する、ドリル。
25. 前記ダイヤモンドコーティングが、約３μｍ〜約２０μｍの間の範囲の厚さを有する、請求項２４に記載のドリル。
26. 前記ダイヤモンドコーティングの厚さが約５μｍである、請求項２５に記載のドリル。
27. 前記ダイヤモンドコーティングの厚さが約１２μｍである、請求項２５に記載のドリル。

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