JP2010017817A - 繊維強化プラスチック用ドリル - Google Patents

Abstract

【課題】簡易構造かつ低コストであり、高精度の穴加工が実現できる繊維強化プラスチック用ドリルを提供する。
【解決手段】切削排出用の溝１および２が設けられている繊維強化プラスチック用ドリル２０において、繊維強化プラスチック用ドリル２０の先端角である第１の先端角を有する第１の切れ刃４と、第１の切れ刃４に連続して形成されており、かつ第１の先端角よりも小さい第２の先端角を有する第２の切れ刃８と、第２の切れ刃８に連続して形成されており、かつ繊維強化プラスチック用ドリル２０のマージンに逃げ角を設けた第３の切れ刃１１とから構成する繊維強化プラスチック用ドリルとする。また、第１の先端角は６０°〜１５０°の範囲として、第２の先端角は１０°〜９０°の範囲とする。さらに、逃げ角は５°〜２０°の範囲とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化プラスチックの穿孔に用いるドリルに関する。

近年、燃費向上などを目的として自動車部品や航空機部品の軽量化が求められており、炭素繊維やガラス繊維による繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が鉄系合金やアルミニウム合金の代替材料として注目を集めている。

しかし、繊維強化プラスチックを各種部品に適用するには、リベット止めやねじ止め用の穴加工を施す必要があり、金属材料用のドリルで穿孔を行うと、炭素繊維やガラス繊維などの繊維材料に起因したバリなどが発生していた。そのようなバリなどを除去するには、従来まで穴貫通後に再度リーマやエンドミルなどの別工具で再加工をしてバリなどを除去していたが、工具の段取り替え時間が煩雑であった。

そこで、特許文献１では２種類の異なる先端角を有するドリルを繊維強化プラスチックの穿孔に用いることで、炭素繊維やガラス繊維などの繊維材料の剥離を防止できる旨が開示されている。

また、特許文献２では特許文献１と同様に２種類の異なる先端角を有するドリルであり、かつドリル外周に切れ刃を有することで、繊維強化プラスチックの穿孔後に発生するバリなどを抑制できる旨が開示されている。

実用新案登録第２６０２０３２号公報 特開２００８−８３６号公報

しかしながら、特許文献１のドリルでは、穿孔後に炭素繊維やガラス繊維などの繊維材料に起因したバリなどが発生するという問題があった

また、特許文献２に示すドリルでは、穿孔後のバリなどの発生を抑制できるが、ドリル外周部分に正のすくい角を設けるという複雑な構造であるため、コストアップにつながっていた。さらに、外周切れ刃（第３の切れ刃）にマージンが存在しているため、ドリルと繊維強化プラスチックとの摩擦熱により穿孔部が融着して高精度の穴加工が実現できないという問題もあった。ここで「マージン」とは、ランド上の二番取りをしていない円筒面部分をいう。

そこで、本発明においては、簡易構造かつ低コストであり、高精度の穴加工が実現できる繊維強化プラスチック用ドリルを提供することを課題とする。

本発明者は、前述した課題を解決するために、様々な調査を行った結果、穿孔部は穿孔に用いたドリル径よりも小さく収縮する性質があるため、ドリルによる穿孔後に、切れ刃を有していないドリルのマージンと穿孔部とが互いに摺動、摩擦することで摩擦熱が発生して、繊維強化プラスチック中のプラスチックが融着するので、高精度の穴加工が困難であることを知得した。

この知得により、本発明においては、切削排出用の溝を有する繊維強化プラスチック用ドリルにおいて、ドリルの先端角である第１の先端角を有する第１の切れ刃と、第１の切れ刃に連続して形成されており、かつ第１の先端角よりも小さい第２の先端角を有する第２の切れ刃と、第２の切れ刃に連続して形成されており、かつドリルのマージンに逃げ角を設けた第３の切れ刃と、から構成されており、第１の先端角は６０°〜１５０°の範囲であり、第２の先端角は１０°〜９０°の範囲である繊維強化プラスチック用ドリルとした。

このような構成の繊維強化プラスチック用ドリルを提供することで、第１の切れ刃によって繊維強化プラスチックに対する食付き性が向上して、ドリルの歩行現象が低減する。また、第２の切れ刃によってバリ発生を抑制する。さらに、逃げ角を設けた第３の切れ刃を備えることで穿孔部に発生する摩擦熱を低減する。ここで、「ドリルの歩行現象（ウォーキング）」とは、穿孔時にドリルがぶれる現象を言い、穴加工の精度を判断する指標の１つである。つまり、被削材（繊維強化プラスチック）への食付き性が良好であるほど、ドリルに歩行現象は見られないので、その後のドリルにかかる切削抵抗が小さくなる。

以下、本発明に係るドリルの第１の切れ刃、第２の切れ刃および第３の切れ刃について説明する。

第１の切れ刃は、被削材（繊維強化プラスチック）に対して最初に食付きを行い、切削加工を行う切れ刃である。また、その先端角（第１の先端角）を６０°〜１５０°の範囲とすることでドリルの食付き性が向上して、歩行現象が低減する。

次に、第２の切れ刃は、第１の切れ刃に連続して形成されており、第１の切れ刃による穿孔部を拡径する切れ刃である。また、その先端角（第２の先端角）を１０°〜９０°の範囲とすることでバリ発生を抑制する。

最後に、第３の切れ刃は、第２の切れ刃に連続して形成されており、通常のドリルのマージンに逃げ角を設けた切れ刃である。そのため、穿孔部がドリル径よりも小さく収縮する場合においても、第３の切れ刃にはマージンが存在しないので、穿孔部に発生する摩擦熱を低減して繊維強化プラスチック中のプラスチックに起因した融着の発生を防止できる。

請求項２に記載の発明においては、第２の先端角を４０°〜９０°未満の範囲として、第３の切れ刃の逃げ角を５°〜２０°の範囲とした繊維強化プラスチック用ドリルとすることで、高精度の穴加工が短時間で実現できる。

第３の切れ刃の逃げ角の範囲を限定した理由は、逃げ角が５°未満では、ドリルの送り量が大きくなった時に逃げ面の後方にて繊維強化プラスチックと擦り合う恐れがあり、２０°を超えるとドリル強度が低下する恐れがあるからである。

なお、溝のねじれ角を１６°〜４５°の範囲に設定することで繊維材料を含んだ切り屑を速やかに排出できる。またドリルの溝幅比を０．７〜１．４の範囲とし、かつドリルの心厚をドリル径の１０％〜５０％の範囲に設定することでドリル自体の剛性を高めることができる。

以上述べたように、本発明においては、第１および第２の切れ刃を有するドリルのマージンに逃げ角を設けた第３の切れ刃を備えたドリルとすることによって、穿孔部の融着の発生を防止できるので、高精度の穴加工が実現できる繊維強化プラスチック用ドリルとなった。また、引用文献１に示すドリルのように刃長を長く設ける必要も無く、引用文献２に示すドリルのように正のすくい角を設ける必要もないため、簡易構造かつ低コストの繊維強化プラスチック用ドリルとなった。

本発明の実施の形態について、本発明を二つのねじれ溝を有するツイストドリルに適用した場合について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の一例である繊維強化プラスチック用ドリルの正面図、図２は図１の繊維強化プラスチック用ドリルの先端部３を拡大して示した部分拡大図、図３は図１のＸ−Ｘ線矢視の断面図、図４は図１の繊維強化プラスチック用ドリルの左側面図である。

図１および図２に示すように、溝１および２を有する繊維強化プラスチック用ドリル２０の先端部３には、第１の切れ刃４を形成している刃先の稜線５および６とで第１の先端角αが形成されている。先端角αは６０°〜１５０°の範囲である。また、第１の切れ刃４から繊維強化プラスチック用ドリル２０のシャンク部７側に連続して形成されている第２の切れ刃８には、その刃先の稜線９および１０とで第２の先端角βが形成されている。先端角βは１０°〜９０°の範囲である。また、図１に示すように、溝１および２は本発明に係るドリルの中心軸に対してねじれ角γを形成しており、１６°〜４５°の範囲である。

また、本発明に係るドリルには、図３に示すように通常のドリルのランド上で二番取りをしていない円筒面部分、いわゆるマージンに５°〜２０°の範囲で逃げ角ηが設けられており、ドリルの外周縁が切れ刃となる第３の切れ刃１１を備えている。そのため、本発明に係るドリルの第３の切れ刃にはマージンは存在しない。

さらに、図４に示すように本発明に係るドリルの溝幅比は、ランド角θ１に対する溝角θ２の比（θ２／θ１）が０．７〜１．４の範囲となるように設定されている。また、ドリルの心厚ｔがドリル径ｄの１０％〜５０％の範囲となるように設定されている。

なお、本発明に係るドリルの第３の切れ刃には、少なくとも加工穴深さ以上の長さにおいてマージンが存在しなければ良いので、第３の切れ刃上の一部分においてマージンが存在しても、本発明に係るドリルと同様の効果を得ることができる。

第１の先端角の変化による被削材（繊維強化プラスチック）への食付き性について、本発明に係るドリルおよび本発明外のドリルを用いて切削試験を行った。その結果を表１および図５に示す。

本切削試験には、本発明に係るドリルが４種類、および本発明外の比較ドリルが３種類の計７種類のドリルを使用した。本発明に係るドリルは、ドリル径６．０ｍｍ、ドリル長さ１１５ｍｍ、溝長さ８５ｍｍ、シャンク径６．０ｍｍ、ねじれ角２０°、溝幅比１．０、心厚をドリル径の３５％、第２の先端角４５°、第３の切れ刃の逃げ角１０°を共通仕様として、第１の先端角をαとすると、α＝６０°（ドリルＡ）、α＝９０°（ドリルＢ）、α＝１２０°（ドリルＣ）およびα＝１５０°であるドリル（ドリルＤ）の計４種類を使用した。一方、本発明外の比較ドリルは、ねじれ角、溝幅比、ドリル径に対する心厚および第２の先端角を本発明に係るドリルと同様の仕様として、α＝５５°（ドリルＥ）およびα＝１５５°であるドリル（ドリルＦ）、片刃クラウンタイプドリル（ドリルＧ）の計３種類を使用した。

本切削試験は、以下の条件で行い、加工穴が１ｍｍ深さに到達するまでにドリルにかかる切削抵抗を動力計により測定しながら、繊維強化プラスチックの切削加工を行った。
・切削速度：５０ｍ／ｍｉｎ
・ドリルの送り量：０．１２ｍｍ／ｒｅｖ
・ドリルの送り速度：３２０ｍｍ／ｍｉｎ
・被削材：炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）
・切削油：不使用
・ドリル加工機：ファナック社製縦型ＭＣ（型番：ＢＴ３０）
・切削抵抗測定機器：キスラー社製動力計（型式：９２７３）

表１は、本発明に係るドリル（４種類）および本発明外の比較ドリル（３種類）を使用した切削試験後の被削材（繊維強化プラスチック）に対する食付き性能結果を示す。図５（ａ）は本発明に係るドリル（ドリルＡ〜Ｄ）を用いた切削試験時のＸＹ方向におけるドリルの切削抵抗の変化を示し、図５（ｂ）は、本発明外の比較ドリル（ドリルＦ）を用いた切削試験時のＸＹ方向におけるドリルの切削抵抗の変化を示す。

表１および図５（ａ）に示すように、第１の先端角αが６０°〜１５０°（ドリルＡ〜Ｄ）の範囲である本発明に係る各ドリルを用いて行った切削試験時のドリルにかかる切削抵抗は、ＸＹ方向のいずれにおいても１０Ｎ以下であった。このことから、ドリルＡ〜Ｄには歩行現象が見られず、被削材に対して良好な食付き性を示し、高精度の穴加工が施されていることがわかった。

一方、表１に示すように本発明外のドリルである第１の先端角が５５°であるドリル（ドリルＥ）および片刃クラウンタイプドリル（ドリルＧ）は、被削材への食付き時に刃先で欠けが発生したので、切削試験を行うことができなかった。また、表１および図５（ｂ）に示すように、本発明外の比較ドリルである第１の先端角が１５５°であるドリル（ドリルＦ）を用いた切削試験時のドリルにかかる切削抵抗は、Ｘ方向に約１００Ｎの抵抗がかかり、Ｙ方向にも約２００Ｎの抵抗がかかっていた。このことから、本発明外の比較ドリルである第１の先端角が１５５°であるドリル（ドリルＦ）には切削時にドリルの歩行現象が見られるため、被削材に対する食付き性が悪いことがわかった。

以上の結果より、第１の先端角が６０°〜１５０°の範囲であるドリル（ドリルＡ〜Ｄ）は、第１の先端角が６０°未満であるドリル（ドリルＥ）や１５０°を超えるドリル（ドリルＦ）と比較して、穿孔時の切削抵抗を抑制し、優れた食付き性能を示すことがわかった。

次に、第２の先端角の変化による被削材（炭素繊維強化プラスチック）の加工穴付近のバリ等の有無について、本発明に係るドリルおよび本発明外のドリルを用いて切削試験を行った。その結果を表２および図６に示す。

本切削試験には、本発明に係るドリルが３種類、および本発明外の比較ドリルが３種類の計６種類のドリルを使用した。本発明に係るドリルは、ドリル径６．０ｍｍ、ドリル長さ１１５ｍｍ、溝長さ８５ｍｍ、シャンク径６．０ｍｍ、ねじれ角２０°、溝幅比１．０、心厚をドリル径の３５％、第１の先端角１４０°、第３の切れ刃の逃げ角１０°を共通仕様として、第２の先端角をβとすると、β＝１０°（ドリルＨ）、β＝４５°（ドリルＩ）およびβ＝９０°であるドリル（ドリルＪ）の計３種類を使用した。一方、本発明外の比較ドリルは、ねじれ角、溝幅比、ドリル径に対する心厚および第１の先端角を本発明に係るドリルと同様の仕様として、β＝５°（ドリルＫ）およびβ＝９５°であるドリル（ドリルＬ）および実施例１で用いた片刃クラウンタイプドリル（ドリルＧ）の計３種類を使用した。

本切削試験は、以下の条件で行い、加工穴が貫通するまで切削加工して、切削加工完了後に加工穴付近のバリ等の有無を確認した。また、切削加工に要した時間も測定した。
・切削速度：５０ｍ／ｍｉｎ
・ドリルの送り量：０．１２ｍｍ／ｒｅｖ
・ドリルの送り速度：３２０ｍｍ／ｍｉｎ
・被削材：炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）
・切削油：不使用
・ドリル加工機：ファナック社製縦型ＭＣ（型番：ＢＴ３０）

表２は、本発明に係るドリル（ドリルＨ、Ｉ、Ｊ）および本発明外の比較ドリル（ドリルＫ、Ｌ、Ｇ）を使用した切削試験後における被削材（ＣＦＲＰ）の加工穴付近のバリ発生の有無および一穴当たりの加工時間を示す。図６（ａ）は本発明に係るドリルＨ、ＩおよびＪを用いた切削試験後における被削材（ＣＦＲＰ）の加工穴付近の拡大写真であり、図６（ｂ）は本発明外の比較ドリルとしてドリルＫを用いた切削試験後における被削材（ＣＦＲＰ）の加工穴付近の拡大写真を示す。

表２および図６（ａ）に示すように、第２の先端角βが１０°（ドリルＨ）、４５°（ドリルＩ）および９０°（ドリルＪ）である本発明に係る各ドリルを用いて行った切削試験後の加工穴の状態は、被削材であるＣＦＲＰの繊維によるバリの発生が見られないことから良好な穴加工が施されたことを示すものとなった。

一方、表２および図６（ｂ）に示すように、本発明外の比較ドリルであるドリルＫを用いて行った切削試験後の加工穴の状態は、ＣＦＲＰの繊維に起因したバリが発生している。これは、ドリルＫの第２の切れ刃によるバリの切削が不十分であったことを示している。片刃クラウンタイプドリル（ドリルＧ）においては、実施例１の結果と同様に被削材への食付き時に刃先でチッピング（欠け）が発生したので、切削試験を行うことができなかった。

また、表２に示すように、一穴当たりの加工時間を比較すると、第２の先端角βが１０°（ドリルＨ）、４５°（ドリルＩ）および９０°（ドリルＪ）である本発明に係る各ドリルの場合は全て５秒以内であった。一方、本発明外のドリルである第２の先端角βが５°であるドリルＫを用いた場合には、７．７秒を要しており、本発明に係るドリルは加工時間の短縮にも効果を示すことがわかった。特に、第２の先端角βが４５°（ドリルＩ）および９０°（ドリルＪ）の場合には全て２秒以内であり、加工時間の更なる短縮を図ることができた。

これは、第２の先端角βが１０°未満になると第２の切れ刃の全長が長くなる結果、外周コーナ（ドリルの外周と切れ刃とが交わる点）が貫通するまでの加工時間が長くなったことに起因する。また、そのようなドリルを用いると、被削材裏側のドリルの可動空間（逃げ）も大きく確保する必要があるため、実用上にも種々の問題が残る。

以上の結果より、第２の先端角βが１０°〜９０°の範囲に設定されたドリルは、第２の先端角が１０°未満であるドリル（ドリルＫ）や９０°を超えるドリル（ドリルＬ）と比較して、穿孔完了後の被削材によるバリ等の発生を抑制し、高精度の穴加工が短時間で実現できるものとなった。

次に、第３の切れ刃の逃げ角の変化による被削材（炭素繊維強化プラスチック）のバリ等の有無について、本発明に係るドリルおよび本発明外のドリルを用いて切削試験を行った。その結果を表３および図７に示す。

本切削試験には、本発明に係るドリルが４種類、および本発明外の比較ドリルが２種類の計６種類のドリルを使用した。本発明に係るドリルは、ドリル径６．０ｍｍ、ドリル長さ１１５ｍｍ、溝長さ８５ｍｍ、シャンク径６．０ｍｍ、ねじれ角２０°、溝幅比１．０、心厚をドリル径の３５％、第１の先端角９０°、第２の先端角４５°を共通仕様として、第３の切れ刃の逃げ角をηとすると、η＝５°（ドリルＮ）、η＝１０°（ドリルＯ）η＝１５°（ドリルＰ）およびη＝２０°であるドリル（ドリルＱ）の計４種類を使用した。一方、本発明外の比較ドリルは、ねじれ角、溝幅比、ドリル径に対する心厚、第１および第２の先端角を本発明に係るドリルと同様の仕様として、η＝３°（ドリルＲ）およびη＝２５°であるドリル（ドリルＳ）の計２種類を使用した。切削試験は以下の条件で行い、加工穴が貫通するまで切削して、加工穴付近のバリ等の有無を確認した。
・切削速度：５０ｍ／ｍｉｎ
・ドリルの送り量：０．１２ｍｍ／ｒｅｖ
・ドリルの送り速度：３２０ｍｍ／ｍｉｎ
・被削材：炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）
・切削油：不使用
・ドリル加工機：ファナック社製縦型ＭＣ（型番：ＢＴ３０）

表３は、本発明に係るドリルＮ、Ｏ、ＰおよびＱの計４種類のドリルおよび本発明外の比較ドリルＲおよびＳの２種類のドリルをそれぞれ使用した切削試験後における被削材（ＣＦＲＰ）のバリ発生の有無を示す。図７（ａ）は本発明に係るドリルＮ、Ｏ、ＰおよびＱの計４種類のドリルを用いた切削試験後における被削材（ＣＦＲＰ）の加工穴付近の拡大写真であり、図７（ｂ）は本発明外の比較ドリルとしてドリルＲを用いた切削試験後における被削材（ＣＦＲＰ）の加工穴付近の拡大写真を示す。本発明外の比較ドリルとしてドリルＳを用いた切削試験は、実施例２の結果と同様に被削材への食付き時に刃先でチッピング（欠け）が発生したので、切削試験を行うことができなかった。

表３および図７（ａ）に示す様に、第３の切れ刃の逃げ角ηが５°（ドリルＮ）、１０°（ドリルＯ）、１５°（ドリルＰ）および２０°（ドリルＱ）である本発明に係る各ドリルを用いて行った切削試験後の加工穴の状態は、被削材である炭素繊維強化プラスチックの繊維材料によるバリの発生が見られないことから高精度な穴加工が施されたことを示すものとなった。

一方、表３および図７（ｂ）に示す様に、本発明外の比較ドリルであるドリルＲを用いて行った切削試験後の加工穴の状態は、実施例２の結果と同様に炭素繊維強化プラスチック中の炭素繊維に起因したバリの発生が見られた。これは、第１の切れ刃および第２の切れ刃で穿孔された穴において、本発明に係るドリルがドリル径より収縮した被削材を第３の切れ刃により切削することを意図しているが、ドリルＲの逃げ角ηが５°未満と小さいため、切れ刃としての作用が十分に発揮できずにバリが残存したと考えられる。また、本発明外の比較ドリルＳを用いて行った切削試験では、被削材への食付き時に刃先でチッピング（欠け）が発生したが、これは逃げ角ηが２０°を超えると、ドリルの刃先強度が不足したためと考えられる。

以上の結果より、第３の切れ刃の逃げ角ηが５°〜２０°の範囲であるドリル（ドリルＮ、Ｏ、ＰおよびＱ）により、バリ等の発生を抑制した高精度の穴加工が実現した。また、当該ドリルは、正のすくい角を設けて外周を切れ刃としたドリルよりも簡易構造かつ低コストのドリルとなった。

したがって、第１の切れ刃と、第２の切れ刃と、ドリルのマージンに５°〜２０°の範囲の逃げ角を設けた第３の切れ刃と、から構成する繊維強化プラスチック用ドリルを用いることにより、繊維強化プラスチックへの食付き性能を向上させて、繊維材料に起因するバリ等の発生を抑制するため、簡易構造かつ低コストであり、高精度の穴加工を実現するドリルとなった。

本発明の実施の形態の一例である繊維強化プラスチック用ドリルの正面図である。 図１の繊維強化プラスチック用ドリルの先端部３を拡大して示した部分拡大図である。 図１のＸ−Ｘ線矢視の断面図である。 図１の繊維強化プラスチック用ドリルの左側面図である。 （ａ）は本発明の実施例１に係るドリル（ドリルＡ〜Ｄ）を用いた切削試験時のＸＹ方向におけるドリルの切削抵抗の変化を示し、（ｂ）は本発明外の比較ドリル（ドリルＦ）を用いた切削試験時のＸＹ方向におけるドリルの切削抵抗の変化を示すグラフである。 （ａ）は本発明の実施例２に係るドリルＨ、Ｉ、ＪおよびＫを用いた切削試験後における被削材（ＣＦＲＰ）の加工穴付近の拡大写真であり、（ｂ）は本発明外の比較ドリルとしてドリルＫおよびＬを用いた切削試験後における被削材（ＣＦＲＰ）の加工穴付近の拡大写真である。 （ａ）は本発明の実施例３に係るドリルＮ、Ｏ、ＰおよびＱを用いた切削試験後における被削材（ＣＦＲＰ）の加工穴付近の拡大写真であり、（ｂ）は本発明外の比較ドリル（ドリルＲ）を用いた切削試験後における被削材（ＣＦＲＰ）の加工穴付近の拡大写真である。

符号の説明

１、２ 溝
４ 第１の切れ刃
８ 第２の切れ刃
１１ 第３の切れ刃
２０ 繊維強化プラスチック用ドリル
α 第１の先端角
β 第２の先端角
η 逃げ角

Claims (2)

1. 切削排出用の溝が設けられている繊維強化プラスチック用ドリルにおいて、前記ドリルの先端角である第１の先端角を有する第１の切れ刃と、前記第１の切れ刃に連続して形成されており、かつ前記第１の先端角よりも小さい第２の先端角を有する第２の切れ刃と、前記第２の切れ刃に連続して形成されており、かつ前記ドリルのマージンに逃げ角を設けた第３の切れ刃と、から構成されており、前記第１の先端角は６０°〜１５０°の範囲であり、前記第２の先端角は１０°〜９０°の範囲であることを特徴とする繊維強化プラスチック用ドリル。
2. 前記第２の先端角は４０°〜９０°未満の範囲であり、かつ前記逃げ角は５°〜２０°の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化プラスチック用ドリル。