JP2010179447A - 円筒状穿孔工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 シャンクとボディが、ネジにより合体分離可能な円筒状穿孔工具におき、小さなトルクで強固な合体が可能で、かつ穿孔作業中の振動でボディとシャンクの中心軸が偏心することを抑制する機能を有し、穿孔中の振動を低減して安定した穿孔を可能とする、円筒状穿孔工具を提供する。
【解決手段】 上記課題を解決するための円筒状穿孔工具は、工具の中心軸に対し３０度から６０度の範囲の傾斜をもつ円錐状傾斜面を有する、ボディ受け部を有するシャンクと、シャンク受け部を有するボディで構成される。ネジでシャンクとボディを締結し合体すると、２つの円錐状傾斜面が接合した面で、傾斜面に垂直に、抗力が発生する。この抗力による摩擦力でネジの締結が緩むことを抑制すると共に、抗力の中心軸方向の分力で、ボディの中心軸がシャンクの中心軸から偏心することを抑制する。
【選択図】図１

Description

被切削材（例えば、金属、モルタル、木材等）を穿孔するための工具のうち、電動ドリル等に装着するためのシャンクと、円筒状の穴を穿孔するボディが、互いに分離合体可能な工具に関する。

円筒状穿孔工具は、切削中の回転数が高く、切削抵抗による振動が大きいため、高い剛性を必要する。そのため、電動工具に装着するためのシャンクと、穿孔用の切れ刃を有するボディは一体加工されているものが多い。この場合、切れ刃が破損や磨耗したら、工具全体を廃棄し、新しい工具に交換する必要がある。

しかし、シャンクとボディが分離合体可能な円筒状穿孔工具は、剛性についてはシャンクとボディが一体型の工具より劣るものの、切れ刃が損傷したり磨耗した場合でも、ボディを交換するだけでよく、シャンクは何度も使用できる。また、穿孔する穴径が異なる場合は、異なる直径を有するボディに交換する必要があるが、ボディとシャンクの合体部の形状や寸法を所定の形状、寸法に加工しておけば、一つのシャンクで、全ての直径のボディに対応することも可能である。

図４は、分離合体可能な円筒状穿孔工具の代表的な従来例を示す。
円筒状穿孔工具１は、回転駆動用の電動ドリル（図示せず）に装着されるシャンク２と、前記シャンク２に連結され、先端部に穿孔用の切れ刃を備えるボディ７と、シャンク２にネジ（図示せず）で固定され、シャンクと一体的に回転するセンタードリル６から構成されている。シャンク２には雄ネジ５が、ボディ７には雌ネジ１１が、加工されていて、雄ネジ５を雌ネジ１１にねじ込むことにより、シャンク２とボディ７が合体される。

センタードリル６の先端は、ボディ７の切れ刃９よりも突出していて、まず、センタードリル６で被切削材（図示せず）に小さな穴を穿孔し、次に、切れ刃９が前記被切削材に目的とする直径の穴を穿孔する。（例えば、特許文献１参照）

穿孔作業を行うには、まず、シャンク２、ボディ７、センタードリル６がネジで一体化組立された円筒状穿孔工具１のシャンク２を、図示していない電動ドリルの工具装着部にソ装着して固定し、被切削物にセンタードリルを押し当てる。次に、電動ドリルのモータを作動し、工具全体を回転させながら、被切削材に押し付ければよい。
特開平０９−１０３９０６号（図１、図２）

しかしながら、回転中心に設けられたネジを用いてシャンクとボディを分離合体する円筒状穿孔工具には、次のごとき欠点がある。すなわち、シャンク２とボディ７を合体するための雄ネジ５と雌ネジ１１の間には、組立を可能にするための多少の隙間が必要で、この隙間のために、シャンク２とボディ７をネジで締結した時、それぞれの中心が完全に一致することはない。

例えば、ネジがＭ１２，すなわちネジ山の外径が１２ｍｍの場合、通常０．１ｍｍ以上の隙間が雄ネジ５と雌ネジ１１の間に発生していると想定される。この場合、シャンク２とボディ７の中心間で、最大で隙間の半分、すなわち０．０５ｍｍの偏心が発生する。偏心した状態で円筒状穿孔工具を高速回転すると、ボディに遠心力が作用し、円筒状穿孔工具全体が振動する。この振動は、穿孔作業の妨げになるばかりでなく、被切削材に穿孔される穴を真円でなく楕円にしたり、穴周辺にバリを発生させる要因になる。

また、仮にシャンク２とボディ７の中心が完全に一致し、偏心による遠心力が発生しない場合でも、現実の穿孔作業では、工具は振動する。原因は、電動ドリルの性能、被切削材の材質や固定方法、ボディ７に取り付けられた切り刃の損傷や耗度による切削抵抗の変動、穿孔作業をする作業者の熟練度、など多岐に渡り、振動の様子や大きさは様様である。
この振動により、本来なら、穿孔中の切削抵抗で、ボディ７が、ネジの締結力を強くする方向に回転トルクを与えられる情況で穿孔作業をしても、締結力が弱まる現象が発生することがある。締結力が弱い状態で振動が継続すると、ネジは緩む。一旦、ネジが緩むと、ボディ７の振動は増幅され、数秒後にはシャンク２の雄ネジ部５付近で破断が発生し、穿孔作業が中断したり、作業者が、飛散したボディ７で負傷する事故が起きることもある。

また、被切削材の板厚が厚く、穿孔すべき穴の径が大きい場合は、図５に示すように、ボディ本体８の直径が大きく、長さも大きい円筒状穿孔工具１を使用する。この場合、穿孔作業中の振動は図４の円筒状穿孔工具１と比べると更に大きく、工具の破損や作業者の負傷などの事故が発生する確率は高まる。
本発明は、このような欠点を解決した円筒状穿孔工具を提供することを目的とするものである。

問題を解決するための手段

上記課題を解決するための本願発明による円筒状穿孔工具は、シャンクに円錐状傾斜面を持つボディ受け部と、ボディにも同様の円錐状傾斜面を持つシャンク受け部とを有し、これらの円錐状傾斜面が中心軸となす傾斜角が、３０度から６０度の範囲にあることを特徴とする。

２つの傾斜面を介在してシャンクとボディをネジで締結するため、シャンクの雄ネジを回転させてボディの雌ネジにシャンクを装着する締結トルクが小さくても、ネジ部では大きな締結力を得ることが出来る。

この締結力は、円錐状傾斜面において、シャンクとボディの間に抗力を発生する。抗力の大きさは、円錐状傾斜面と工具の中心軸とがなす角により異なる。この抗力で誘発される摩擦力は、シャンクとボディが互いに反対方向に回動しネジが揺るんだり、必要以上に強まることを抑制する。また抗力の、回転軸に向いた分力は、ボディ中心がシャンク中心から偏心しようとする力に常に対抗する方向に作用し、ボディ中心をシャンク中心に維持する力になる。

傾斜角は、４５度が適当である。この場合、円錐状傾斜面に働く抗力の大きさは、締結力の√２倍に増幅され、ボディ中心をシャンク中心に求心させる力は、締結力と同じ大きさになる。

発明の効果

本願発明に係る円筒状穿孔工具では、シャンク２を、小さな締結トルクで回転させてボディ７にねじ込むだけで、シャンク２とボディ７を大きな締結力で締結することが出来るだけでなく、締結力により円錐状傾斜面に発生する抗力が、ボディとシャンクが互いに回動してネジが緩む方向に回転することを防止する摩擦力を発生するため、穿孔作業中の振動などでネジが緩む危険は少ない。
被切削材が固く、被切削材の板厚が厚く、穿孔すべき穴の直径が大きい場合、より強力で、大型のボディ７をシャンク２に取り付けることになるが、この場合でも、小さな締結トルクでボディを着脱でき、穿孔中の振動でネジが緩むこともない。

また、円錐状傾斜面に発生する抗力の、回転軸に直交する方向の分力は、ボディ中心とシャンク中心の偏心を抑制する力として作用するため、ボディ中心は、常にシャンク中心に維持されることになり、穿孔作業中の工具の遠心力による振動は抑制され、真円度の高い穴を安定的に穿孔することが可能である。当然、シャンク部が破損する事故の発生も抑制される。

また、円錐状傾斜面の工具中心軸に対する傾斜角の大きさを適切に設定すれば、穿孔時の切削抵抗でネジの締結力が極端に大きくなる問題も解消でき、切削後、ボディをシャンクから容易に分離することが可能である。

本願発明に係る円筒状穿孔工具１により穿孔を行う場合、まず、シャンク２の把持部３を、図示していない電動ドリルの工具装着部に装着する。次に、被切削材の材質、板厚、穿孔する穴径、などに応じたボディ７を、シャンク２に装着する。
装着は、ボディを、例えば右手で持ち、ボディの雌ネジ１１をシャンク２の雄ネジ５に当接し、ボディを回転させればよい。ボディのシャンク受け部がシャンクのボディ受け部に当接したら、少し強い力でボディに締結トルクを与えれば、強固な締結と、ボディとシャンクの中心合わせが完了する。
最後に、センタードリル６をシャンク２にネジ止めして固定する。

または、ボディ７の雌ネジ１１に、シャンク２の雄ネジ５をねじ込んだ後、電動ドリルの工具装着部にシャンク２の把持部３を装着し、最後にセンタードリル６をシャンク２にネジ止めして固定してもよい。
電動ドリルに円筒状穿孔工具１を装着したら、電動ドリルを手で持ち、センタードリル６の先端を、穿孔すべき穴位置の中心に当接し、電動ドリルのモータを作動する。
すると、円筒状穿孔工具全体が回転を開始し、まず、センタードリル６が被切削材に小さな穴を穿孔する。この時、センタードリル６の直径は小さいため切削抵抗は小さく、ボディ７の中心はシャンク２の中心と一致しているため、回転中の振動は微小である。

更に電動ドリルを被切削材に押し付けると、ボディ本体８の先端にローズ付けなどで強固に固定された切り刃９が、被切削材に環状の溝を加工する。センタードリル６が被切削材に挿入された状態で工具全体が回転するため、ボディ７が被切削材を穿孔している間も工具全体の振動は抑制され、安定した穿孔作業が可能である。

図１、図２、図３、図６−１、図６−２を使用して本願発明に係る円筒状穿孔工具１について説明する。
円筒状穿孔工具１はシャンク２、ボディ７、及びセンタードリル６により構成される。
図２は、シャンク２を示す。電動ドリルなどに装着される把持部３、ボディ受け部４ａ及び雄ネジ部５により構成される。ボディ受け部４ａの雄ネジ５の側には、円錐状傾斜面４ｂが設けられている。
円錐状傾斜面４ｂの、シャンク中心軸に対する傾斜角の大きさは、４５度である。

図３は、本願発明によるボディ７を示す。ボディ本体８の一端には、切り刃９がロー付けなどで固定される。切り刃９の反対側、すなわち、シャンク２に面する側には、シャンク受け部１０ａが設けられ、前記シャンク受け部１０ａには、円錐状傾斜面１０ｂが形成されている。円錐状傾斜面１０ｂがボディ中心軸と成す傾斜角は、シャンク２の円錐状傾斜面４ｂの傾斜角と同じ大きさの、４５度である。
また、ボディ７の中心には、雌ネジ１１が形成されている。

図１は、図２のシャンク２と、図３のボディ７を組み合わせ、更に、センタードリル６をシャンク２に装着した、円筒状穿孔工具１を示す。

シャンク２、及びボディ７は、通常、ＮＣ旋盤などで加工製造されるため、これらの各部の、中心軸に対する対称性や、寸法精度は極めて高い。従って、シャンク２とボディ７を雄ネジ５と雌ネジ１１で組み立てると、それぞれの円錐状傾斜面４ｂ、１０ｂは、高い精度で密着する。

次に、円錐状傾斜面に働く抗力の効果を、図６−１、図６−２を用いて説明する。
図６−１は、シャンク２とボディ７を締結トルクＴで締結した時の、力の均衡、を示す。ネジが回転し、シャンク２とボディ７の互いの円錐状傾斜面４ｂ、１０ｂが当接した瞬間、回転は止り、締結トルクＴは、締結力Ｆに変換されて、シャンク２とボディ７を互いに締結する。すると、この締結力Ｆに均衡する抗力Ｎが、円錐状傾斜面上に発生する。その向きは、斜面に垂直である。

厳密に言えば、抗力Ｎは、円錐状傾斜面の全周上で均等に、連続的に発生するので、これを円周に沿って積分した値の大きさであるが、本願発明の円筒状穿孔工具１の性能を簡潔に説明する都合上、特定断面における力の均衡、として図示した。この場合、図６−１、図６−２に示すように、抗力Ｎは、２つの円錐状傾斜面４ｂ、１１ｂの、接点Ｂ、及び、点Ｂ’で発生する、と考えられる。２つの抗力は、大きさは同じで、向きは、円錐状傾斜面に垂直である。

点Ｂと点Ｂ’に作用する抗力Ｎは、図６−２に示すように、工具の中心軸Ａと同じ向きの分力Ｎｆと、これに直行し、工具の中心軸に向かう分力Ｎｒ、の２つに分解できる。
分力Ｎｆは、締結力Ｆと逆の方向に作用し、全傾斜面に渡り積分した全体の大きさはＦに等しい。

点Ｂと点Ｂ’における、もう一つの分力Ｎｒは、大きさは互いに等しく、向きは互いに反対で、いずれも、工具の中心軸Ａに直交する方向に向かう力になる。

このような力の均衡状態にある円筒状穿孔工具１に対し、穿孔中の振動などで、シャンク２とボディ３のネジが緩む方向にボディ７が回転しようとした場合、円錐状傾斜面に発生している抗力Ｎが誘発する摩擦力は、回転を抑制し、ネジが緩むことを防止する。
摩擦力は抗力Ｎに摩擦係数をかけた値の大きさを持つ。また抗力Ｎの大きさは、円錐状傾斜面の傾斜角θで決まる。本例では傾斜角θは４５度だから、Ｎ＝√２Ｆ、となる。つまり抗力Ｎは、締結力Ｆの約１．４倍に増幅され、この抗力で誘発された摩擦力がシャンクとボディの締結が緩むことを抑制する。

また、工具の中心軸Ａに向かう抗力Ｎｒは、互いに均衡していて、ボディの中心軸を工具の中心軸Ａに一致させる方向に作用している。もし、振動などで、ボディの中心が工具の中心軸から偏心すると、偏心した側の円錐状傾斜面のみでシャンクとボディの接触が発生することになり、全ての抗力がこの点に集中する。この大きな抗力が、全て、ボディ中心を工具の中心軸方向に戻す力になるため、ボディ中心と工具の中心軸の偏心は、瞬間的に矯正され、偏心したまま回転を続けることはない。

円錐状傾斜面と工具の中心軸からなる傾斜角θを４５度より大きくすると、円錐状傾斜面に発生する抗力Ｎの大きさは小さくなり、その向きは工具の中心軸に平行になる方向に変化する。また、傾斜角θが４５度の場合は√２Ｆだった抗力Ｎは、傾斜角θ大きくなるにつれ小さくなり、傾斜角θが９０度で、Ｆに等しくなる。またボディ７を工具の中心に維持しようとする力Ｎｒの大きさも、傾斜核が大きくなるにつれて小さくなり、傾斜角θが９０度でゼロになって、偏心を抑制する力は完全に消滅する。

前記とは逆に、傾斜角θを４５度から０度の方向に小さくすると、抗力Ｎは増加し、傾斜角θがゼロ度では無限大になる。抗力が大きいほど、摩擦力は大きく、ボディを工具の中心に維持しようとする力も大きいが、穿孔時の切削抵抗でボディをシャンクに捻じ込む力が発生すると、シャンクとボディの締結力は更に強められるため、円錐状傾斜面で発生する摩擦力が大きくなり過ぎて、穿孔作業後にボディをシャンクから分離しようとした場合、過大な摩擦力のため、分離作業は極めて困難になる。
つまり、望ましい抗力は、ボディの中心を工具の中心に確実に維持でき、かつ、想定される切削時の振動でネジの締結が弱まることがない程度の、大きな値を持ち、穿孔作業による切削抵抗がかかった後でも、シャンクとボディの締結を容易に解除できる程度の、小さい値を持つ力、ということになる。

試験の結果、傾斜角θが３０度から６０度の範囲であれば、性能、操作性で問題はないが、被切削材の材質や板厚、穿孔穿孔直径は多様であり、いずれにも適用可能で、工具を製造する上でも都合がよい傾斜角θは、４５度であった。

本願発明の一の実施例における円筒状穿孔工具の断面図 図１中、同工具のシャンクの正面図 図１中、同工具のボディの断面図 従来技術における円筒状穿孔工具の断面図 従来技術における、大口径、厚板対応の円筒状穿孔工具の断面図 本願発明の円筒状穿孔工具における締結力を説明するための図 本願発明の円筒状穿孔工具における抗力の分力を説明するための図

１ 円筒状穿孔工具
２ シャンク
３ 把持部
４，４ａ ボディ受け部
４ｂ 円錐状傾斜面
５ 雄ネジ
６ センタードリル
７ ボディ
８ ボディ本体
９ 切れ刃
１０、１０ａ シャンク受け部
１０ｂ 円筒状傾斜面
１１ 雌ネジ
Ａ 工具の中心軸
Ｂ，Ｂ’ 抗力の作用点
Ｆ 締結力
Ｎ 抗力
Ｎｆ 中心軸Ａに平行な、抗力Ｎの分力
Ｎｒ 中心軸Ａに垂直な、抗力Ｎの分力
Ｔ ネジの締結トルク
θ 傾斜角

Claims (1)

1. 電動ドリル等に装着するためのシャンクと、円筒状の穴を穿孔するためのボディを、互いの中心軸上に設けられた一対の雄ネジと雌ネジで分離合体することが可能な円筒状穿孔工具において、
   シャンクは、円錐状傾斜面を持つボディ受け部を有し、ボディは、円錐状傾斜面を持つシャンク受け部を有し、これらの円錐状傾斜面が円筒状穿孔工具の中心軸となす傾斜角が、３０度から６０度の範囲にあることを特徴とする、円筒状穿孔工具。

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