JP2012532763A

JP2012532763A - ドリル

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Publication number: JP2012532763A
Application number: JP2012519908A
Authority: JP
Inventors: クレス，ディーター
Original assignee: マパルファブリックフュールプラツィジョンズベルクゼウグドクトル．クレスカーゲー
Priority date: 2009-07-14
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: BR112012001021A2; EP2454043A1; CA2768107C; MX2012000586A; CA2768107A1; US20120114440A1; WO2011006587A1; DE102009033942A1; EP2454043B1; CN102470452A; JP5683584B2; ES2660537T3; CN102470452B

Abstract

繊維強化プラスチックを有する被加工物に穴を製造するためのドリル(1)であって、少なくとも一つの正面の主切刃(3)と、ドリル(1)の周面(9)の領域内に設けられた少なくとも一つの副切刃(11)と、少なくとも一つの副切刃(11、11')の円周側に隣接する丸研磨マージン部(21)とを備えたドリルを提案する。このドリルは、好ましくは連続的な丸研磨マージン部(21)が、ドリル(1)の前方領域を起点とし、第一の幅(B1)での第一の長手区間(22)及びそれに隣接している第二の幅(B2)での第二の長手区間(24)を有しており、第一の長手区間(22)の幅(B1)が、第二の長手区間(24)の幅(B2)より小さく、好ましくは何倍も小さいことを特色とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに基づく、繊維強化プラスチックを有する被加工物に穴を製造するためのドリルに関する。

繊維強化プラスチック、例えばガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックを有する材料を加工する際は、とりわけ、繊維が切断縁できれいに切断され、材料複合体から引き抜かれないことが重要である。きれいでない、つまり繊維が飛び出ているほつれた縁は、後加工のために多大な手間、したがって高い費用を必要とするか、それどころか加工した被加工物を使い物にならなくする可能性がある。このような材料を穿孔すると、特に穴の出口、つまりドリルが被加工物を貫通する場所で、ほつれた縁、いわゆる層間剥離が生じ、これは例えば飛行機製造において構造部材にリベット穴を穿孔する場合に非常に厄介である。

DE 202 09 768 U1からは、本明細書で論じる種類のドリルが明らかである。このドリルは、その正面で二つの主切刃を備えており、この主切刃は、ドリルの周面領域に設けられた副切刃へと移行する。主切刃は、隣り合うすくい面と逃げ面によって形成されている。主切刃により除去された切屑は、すくい面上を通って排出される。ここでは、ドリルの中心軸の領域内に、両方の正面の主切刃と境を接するチゼルエッジが設けられている。ドリルの周面領域内では、正のすくい角を有する副切刃が設けられており、各々の主切刃に一つの副切刃が割り当てられている。被加工物の比較的硬い層を加工する場合でも層間剥離が阻止されるように、このドリルはその先端の領域内で、比較的直径の小さい予備穿孔区間及びドリルの送り方向とは反対方向に続く比較的直径の大きな精密加工区間を有している。精密加工区間に設けられた副切刃の円周側には丸研磨マージン部が隣接しており、この丸研磨マージン部は、穿孔工程中にドリルを穴壁で突っ張り支持してセンタリングする働きをもつ。丸研磨マージン部の幅は、主切刃からの間隔が大きくなるにつれて線形に増していく。欠点は、穴壁の表面品質及び穴の形状精度に対する要求に、穿孔結果が必ずしも対応していないことであり、したがって改善されるべきである。さらに、ドリルを製造する際の手間、したがって費用が比較的高い。

それゆえ本発明の課題は、特に穴の出口でも、繊維強化プラスチックにおいて層間剥離を引き起こさず、つまり繊維がほどけ出る原因とならず、それでもなお正確な穴及び高い表面品質の穴壁を作り出すことができる、冒頭に挙げた種類のドリルを提供することである。

この課題を解決するため、請求項１に挙げた特徴を有するドリルが提案される。このドリルは、少なくとも一つの正面の主切刃を含み、この主切刃には、ドリルの周面領域内で副切刃が隣接している。副切刃の円周側には丸研磨マージン部が隣接しており、この丸研磨マージン部の幅は、主切刃に対する間隔が大きくなるにつれて、規定の長さにわたって増していく。このドリルは、丸研磨マージン部が、ドリルの前方領域を起点とし、第一の幅での第一の長手区間及びそれに隣接している第二の幅での第二の長手区間を有しており、第一の長手区間の幅が、第二の長手区間の幅より小さく、好ましくは何倍も小さいことを特色とする。その際、丸研磨マージン部は好ましくは連続的に形成されており、つまり丸研磨マージン部は、ドリル先端で主切刃が副切刃に移行する又は副切刃と境を接する縁から、固定区間の方向、例えばドリルのシャフトの方向に、副切刃に沿って好ましくは副切刃の全長にわたって、しかし特には少なくともドリルの規定の作用深さと同じだけのドリルの長さにわたって延びている。

つまり丸研磨マージン部は、ドリルの前方領域内、すなわち丸研磨マージン部の第一の長手区間の領域内では極端に狭く、その幅は好ましくは一定又は実質的に一定である。この幾何形状は、あたかも副切刃が丸研磨マージン部ではなく逃げ角を有しているかのように作用する。丸研磨マージン部の第一の長手区間の領域内では丸研磨マージン部と穴壁の間の当接接触面が非常にわずかしかないことにより、ドリルは少ししか磨滅せず、したがってドリルの耐用期間を容易により長くすることができる。それでもなお、この非常に狭い丸研磨マージン部は十分にドリルの切刃縁を突っ張り支持及び案内し、したがって安定化させ、それゆえ精密で表面品質の高い穴を製造することができる。さらにこのドリルは、丸研磨マージン部が第一の長手区間の領域内では非常に狭いことにより、繊維強化プラスチック中の繊維を非常に高い信頼性で断ち切り、したがってこのような繊維を有するプラスチック材料の層の層間剥離又は縁のほつれを、特に被加工物のドリル出口の領域内でも回避することができる。

丸研磨マージン部は、ドリルの固定シャフト若しくは固定区間又はその類似物への方向に見て第一の長手区間に隣接する第二の長手区間内でも、好ましくは一定又は実質的に一定の幅を有しており、この幅は、ドリルを穴内で最適に突っ張り支持するため、丸研磨マージン部の第一の長手区間での丸研磨マージン部の幅より明らかに大きい。

本発明によるドリルは、比較的直径の小さい予備穿孔区間及び完成直径での精密加工区間を有する既知のドリルとは違い、唯一の変化しない加工直径しか有さないことが好ましく、これはドリルの安価な製造を可能にする。

以下では、丸研磨マージン部のうち幅を減らした第一の長手区間を、簡単に「見えているマージン部」とも言い、丸研磨マージン部のうち見えているマージン部に隣接しており、幅がより大きな第二の長手区間を、簡単に「丸研磨マージン部」とだけ言うこともある。

ドリルの特に好ましい一つの例示的実施形態は、丸研磨マージン部の第一の長手区間の幅、つまり見えているマージン部が0.01mm〜0.1mmの範囲内にあることを特色とする。見えているマージン部の幅が0.05mmの場合に、このドリルで特に良い作業結果を達成できることが分かった。

特に好ましいのは、このドリルの、見えているマージン部の長さが1mm〜3mmの範囲内にある例示的実施形態である。つまり見えているマージン部は、丸研磨マージン部の軸方向の全長に比べて極端に短い。

一つの変形形態によれば、ドリルは少なくともその見えているマージン部の領域内でハードコーティングを備えており、この場合、実質的にはドリルの直径を規定するためにしか役立たない見えているマージン部の幅はごくわずかであり、好ましくは技術的に製造可能な最小限である。見えているマージン部が狭ければ狭いほど、それだけ確実に穴の領域内にある繊維が切断されることが分かった。コーティングは、例えば、鋭利に研いだ状態でも切刃縁を損耗/磨滅及び欠けから十分に保護するダイヤモンドコーティングであることができる。

ドリルの好ましい一つの例示的実施形態は、丸研磨マージン部の第二の長手区間の幅が0.3mm〜0.8mmの範囲内にあることを特色とする。特に望ましいのは0.4mm〜0.7mmの幅であることが分かった。つまり、丸研磨マージン部の見えているマージン部に続く長手区間の幅は、見えているマージン部の幅より明らかに大きい。

ドリルのさらなる好ましい一つの例示的実施形態では、丸研磨マージン部の第一と第二の長手区間の間の移行部が段として形成されている。この段は、見えているマージン部から、軸方向にドリルシャフトの方向に続く第二の長手区間への移行が、ドリルの軸方向の規定の位置で起こるように形成することができ、これにより丸研磨マージン部の縁の輪郭はほぼZ字状になる。もう一つの例示的実施形態では、移行部を構成する段がアーチ状に形成されている。その際、丸研磨マージン部を上から見た場合にアーチ状に延びている段は、好ましくは開放空間ができるように研磨された逃げ面により形成することができる。

ドリルのさらなる好ましい一つの例示的実施形態では、副切刃がそれぞれ少なくとも一つの閉じていない凹部を備えている。この凹部内では、被加工物中にある繊維をさながら捕獲するようなことができ、その直後に副切刃により確実に断ち切ることができる。凹部は、例えば切込みとして形成することができ、この切込みは、副切刃内に好ましくは研磨、レーザ加工、又は腐食される。

一変形形態によれば、副切刃はそれぞれ、互いに間隔をあけて配置された複数の閉じていない凹部を備えている。これにより、被加工物中にある繊維が、ドリルの送り方向に見て第一の凹部内では捕獲されず、隣接して配置された凹部の間にある副切刃区間内で断ち切られない場合に、次又はさらにその次の凹部によって捕獲され、続いて断ち切られることが保証される。したがってドリルの作業結果をさらに最適化することができる。

ドリルの好ましい一つの例示的実施形態では、凹部の長手方向の長さが、凹部の領域内での丸研磨マージン部の幅より小さい。これにより、繊維がちぎれる原因になり得るドリルと穴壁の間への繊維の入り込みが確実に回避される。

好ましい実施形態では、それぞれ少なくとも一つの凹部が、丸研磨マージン部の第二の長手区間の領域内で副切刃に配置されており、つまり非常に狭い見えているマージン部の領域内では配置されていない。

さらに、チゼルエッジでの又は主切刃の間での90°未満の先端角を特徴とするドリルの一つの例示的実施形態が好ましい。ドリル端部のこの形態により、通常はドリルの先端で生じる層間剥離を回避することができる。

ドリルは、例えばスパイラルドリルとして形成することができ、又は長手中心軸に平行に延びる副切刃と真っ直ぐに溝を付けられた切屑溝とを備えたドリルとして形成することができる。

ドリルは、好ましくは二つの主切刃と、主切刃に割り当てられており、場合によっては螺旋状に延び、それぞれ上述の丸研磨マージン部を具備する二つの副切刃とを備えている。とはいえ上で説明したように、ドリルが一つだけの主切刃と、この主切刃に割り当てられており、隣接する上述の丸研磨マージン部を具備する一つだけの副切刃とを備えることも考えられる。ただしもちろん、隣接する丸研磨マージン部を備えた副切刃を一つずつ割り当てられた三つ以上、例えば三つ又は四つの主切刃を設けることもできる。

ドリルのさらなる有利な形態は従属請求項から明らかである。

以下に、本発明を図面に基づいてさらに詳しく説明する。

ドリルの第一の例示的実施形態を斜め前方からドリル先端に向かって見た部分透視図である。図１に基づくドリルを副切刃の上から見たさらなる透視図である。図１及び図２に基づくドリルのドリル先端の領域内を副切刃の上から見た部分拡大透視図である。ドリルの第二の例示的実施形態を斜め前方からドリル先端に向かって見た部分透視図である。

図１では、ドリル1の第一の例示的実施形態の一部を透視図において示している。視線方向は、前方の斜め上からドリル1の先端に向かっている。

ここに示した例示的実施形態では、ドリル1はスパイラルドリルとして形成されており、基体2を有しており、この基体に、第一の主切刃3及びドリル1の中心軸に対して点対称に配置された第二の主切刃3'が設けられている。この例示的実施形態では、両方の主切刃3、3'は、中心軸を通って延びるチゼルエッジ5により相互に繋がれていることが好ましい。両方の主切刃3、3'は、ドリル1の正面を上から見た場合に中心軸を通って延びる直径線に平行に配置されていることが好ましい。主切刃同士は、一般的に先端角と呼ばれる角度を挟んでおり、この角度は90°未満である。したがってドリルのうち主切刃を備えた端部は比較的尖っている。

主切刃3、3'に、それぞれ一つのすくい面が割り当てられており、図１に基づく表示では、このすくい面のうち第二の主切刃3'に割り当てられたすくい面7'だけが見える。すくい面は正のすくい角を有しており、つまりすくい面は、ドリルの回転方向において後方に下がっており、したがって引切がもたらされる。ドリル1が、その正面を上から見た場合に反時計回りに回転すると、主切刃3'が図１の図平面から外に出てくる一方で、もう一つの主切刃3は図平面の中へと移動する。

主切刃3、3'は、ドリル1の周面9の領域内に配置された副切刃11及び11'へと移行する。副切刃11及び11'は、真っ直ぐに溝を付けられたドリルではドリルの中心軸に対して実質的に平行に位置合わせされるが、図示した例示的実施形態では仮想の渦巻き線に沿って延びている。

チゼルエッジ5の領域内ではドリル1の切断特性が悪いので、チゼルエッジはできるだけ短いことが望ましい。これはシンニング加工部13によって達成され、このシンニング加工部は、特別な研磨技術によって製造されることが好ましい。これによりチゼルエッジが縮小/短縮されるので、送り力、したがって穿孔トルクが小さくなる。

ドリルの正面側の端部領域内には、さらなる逃げ面15、17、及び19が設けられているが、これらの逃げ面に関してはここでは詳しく論じない。

副切刃11及び11'の円周側には、それぞれ一つの丸研磨マージン部が隣接しており、図１に基づく表示では、この丸研磨マージン部のうち副切刃11に割り当てられた丸研磨マージン部21だけが認識できる。副切刃11及び11'の丸研磨マージン部は同一に形成されているので、以下では丸研磨マージン部21だけを詳しく説明する。

この例示的実施形態では、丸研磨マージン部21は連続的に形成されており、副切刃11の前端部から、ドリル1の図示されていないシャフトの方向に延びている。丸研磨マージン部21は、ドリルの前方領域を起点とし、第一の幅B1での第一の長手区間22及びそれに隣接している第二の幅B2での第二の長手区間24を有している。丸研磨マージン部21の第一の長手区間22の幅B1が、第二の長手区間24の幅B2より明らかに、つまり何倍も小さいことは容易に認識できる。

幅B1での丸研磨マージン部21の第一の長手区間22は、以下に、その幅が少ししかないことから減らされた丸研磨マージン部とも言い、又は見えているマージン部23とも言う。見えているマージン部23は、作製すべき穴の半径、つまりドリル1の加工直径に対応する半径を有している。丸研磨マージン部21の上記の長手区間における丸研磨マージン部の幅の違いは、図に示した例示的実施形態の場合、第一の長手区間22の領域内で、好ましくは開放空間を作る研磨により製造された逃げ面25によって形成される。その際、逃げ面25は、ドリル1の周面9まで延びており、逃げ面17及び19と境を接している。逃げ面25の軌道は、穿孔工程中に逃げ面が穴壁に接触しないように選択されている。

図１に基づくドリル1の端部領域のさらなる透視図を示している図２から分かるように、丸研磨マージン部21の見えているマージン部23と第二の長手区間24の間の移行部は段差をつけて形成されており、その際、見えているマージン部23は、アーチ状に進行しながら第二の長手区間24へと移行する。移行部は、ここでは非常に緩やかであり、屈曲部がない。移行部のこの形状は、逃げ面25を研磨によって作る際に、ドリル1のサイズ、輪郭、及び幾何形状と関連させて研磨することにより、容易にもたらされる。

以下に、図１及び図２に基づくドリルの一部を拡大して示している図３に基づき、丸研磨マージン部21の寸法を詳しく説明する。

第一の長手区間22の幅B1は、好ましくは0.01mm〜0.1mmの範囲内にあり、特に約0.05mmである。丸研磨マージン部21の第一の長手区間22の長さL1は極端に短く、好ましくは1mm〜3mmの範囲内にある。これに対し第二の長手区間24の幅B2は明らかに大きく、0.3mm〜0.8mmの範囲内にある。第二の長手区間24は、見えているマージン部23に隣接する副切刃の残りの領域全体に及ぶことが好ましい。

図４は、ドリル1のさらなる例示的実施形態を透視図において示している。この図は、図１に基づく透視図にほぼ対応している。同じ及び同機能の部分には同じ符号がつけられているので、前述の図１〜図３に関する記述を参照されたい。

図４に示したドリル1の特に好ましい例示的実施形態では、副切刃11及び11'が、それぞれ少なくとも一つの閉じていない凹部27を備えている。図４に基づく例示的実施形態では副切刃11及び11'は、それぞれ複数の、ここでは全部で三つの、互いに間隔をあけて配置された閉じていない凹部27を備えている。

凹部27は切込みとして形成されており、この例示的実施形態では、この切込みは純粋に例として長方形の輪郭を有している。切込みは、研磨、レーザ加工、及び/又は腐食によって製造される。凹部27には容易に別の輪郭を付与することができる。凹部は、例えばV字形に形成してもよく、又はその他の形状を有することもできる。大事なことは、凹部27の長手方向の長さIが丸研磨マージン部21の幅より小さいことであり、つまり凹部27は、丸研磨マージン部21の幅B2の全体にわたっては延びていない。ここで示したドリル1の例示的実施形態では、凹部27は丸研磨マージン部21の第二の長手区間24の領域内に配置されており、つまり凹部27の長手方向の長さは0.3mmより小さく、ここでは約0.15mmである。要するに凹部27は、少なくとも、加工された被加工物から突き出ている繊維が凹部27内に捕獲され、その後、凹部27に軸方向に続いており、場合によっては二つの凹部の間にある副切刃21の部分領域によって断ち切られるような長さでなければならない。

まとめとして、さらに把握しておくべきことは、繊維強化プラスチックを含む被加工物たけでなく、複合材料から成る被加工物及び完全に繊維強化プラスチックから成る被加工物及び繊維強化プラスチックから成る少なくとも一つの層と例えばアルミニウムから成る金属層とを含む被加工物を穿孔する場合にも、図に基づいて説明したドリルにより、特に穴を貫通する際の層間剥離及び加工縁のほつれを回避できるということである。つまり、繊維強化プラスチック及び金属から成る複合材料、すなわちサンドイッチ構造を有する被加工物を加工する際は、まさに、このような被加工物における穴の出口側に繊維強化プラスチックが存在している場合に、ここで説明した利点が生じる。さらに、表面品質の良い非常に正確な穴を形成できることが有利である。これは特に、非常に狭く、軸方向の長さが短い、好ましくは約1.0mm〜3.0mmにすぎない見えているマージン部23によって達成される。見えているマージン部が非常に狭く形成されていることにより、このドリルは繊維強化プラスチック中の繊維を非常に高い信頼性で断ち切り、この場合、穴壁に沿って滑りながら、それによりドリル切刃を安定化させる見えているマージン部は、少ししか磨滅しない。丸研磨マージン部の特殊な形態に加え、ドリルの先端角が90°未満の場合に、特によい結果がもたらされた。主切刃の間のこの小さな先端角により、ドリルに軸方向に作用する合力成分が可能な限り小さくなることが保証される。

Claims

繊維強化プラスチックを有する被加工物に穴を製造するためのドリル(1)であって、
少なくとも一つの正面の主切刃(3)と、
前記ドリル(1)の周面(9)の領域内に設けられた少なくとも一つの副切刃(11)と、
少なくとも一つの前記副切刃(11、11')の円周側に隣接する丸研磨マージン部(21)と
を備えたドリルにおいて、
好ましくは連続的な前記丸研磨マージン部(21)が、前記ドリル(1)の前方領域を起点とし、第一の幅(B1)での第一の長手区間(22)及びそれに隣接している第二の幅(B2)での第二の長手区間(24)を有しており、前記第一の長手区間(22)の幅(B1)が、前記第二の長手区間(24)の幅(B2)より小さく、好ましくは何倍も小さいことを特徴とするドリル。
少なくとも二つの主切刃(3、3')及び少なくとも二つの副切刃(11、11')が設けられており、各々の主切刃に一つの副切刃が割り当てられていることを特徴とする請求項１に記載のドリル。
前記丸研磨マージン部(21)の前記第一の長手区間(22)の幅(B1)がごくわずかであり、好ましくは技術的に製造可能な最小限であることを特徴とする請求項１又は２に記載の工具。
前記丸研磨マージン部(21)の前記第一の長手区間(22)の幅(B1)が0.01mm〜0.1mmの範囲内にあり、好ましくは0.05mmであることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載のドリル。
前記ドリル(1)が、少なくとも前記丸研磨マージン部の前記第一の長手区間(22)の領域内で、ハードコーティング、好ましくはダイヤモンドコーティングを備えていることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載のドリル。
前記丸研磨マージン部(21)の前記第二の長手区間(24)の幅(B2)が0.3mm〜0.8mm、好ましくは0.4mm〜0.7mmの範囲内にあることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載のドリル。
前記丸研磨マージン部(21)の前記第一の長手区間(22)の長さ(L1)が1mm〜3mmの範囲内にあることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載のドリル。
前記丸研磨マージン部(21)の前記第一の長手区間(22)の幅(B1)及び/又は前記第二の長手区間(24)のが、その/それらの長さにわたって一定又は実質的に一定であることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載のドリル。
前記丸研磨マージン部(21)の前記第一と第二の長手区間(22、24)の間の移行部が段として形成されていることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載のドリル。
前記副切刃(11、11')がそれぞれ少なくとも一つの閉じていない凹部(27)、特に切込みを備えていることを特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載のドリル。
前記副切刃(11、11')がそれぞれ、互いに間隔をあけて配置された複数の周縁が閉じていない凹部(27)を備えていることを特徴とする請求項８に記載のドリル。
前記凹部(27)の長手方向の長さが、前記凹部(27)の領域内での前記丸研磨マージン部(21)の幅(B2)より小さいことを特徴とする請求項１０又は１１に記載のドリル。
それぞれ少なくとも一つの前記凹部(27)が、前記丸研磨マージン部(21)の前記第二の長手区間(24)の領域内で前記副切刃(11、11')に配置されていることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載のドリル。
チゼルエッジ(5)での90°未満の先端角を特徴とする前記請求項のいずれか一項に記載のドリル。