JP2014522735A - ツイストドリル、複合材料孔明け方法、ツイストドリルの使用および再研削方法および製造方法 - Google Patents
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Abstract
本出願は、複合材料を孔明けするためのツイストドリルにおいて、シャンクと、ドリル本体（２）と、切れ刃（１０）、チゼルエッジ、二次チゼルエッジを含むドリルチップであって、二次チゼル角度が１４５°〜１６５°であり、同じく７０°〜１００°の先端角を有するドリルチップと、ドリルチップ（６）からドリル本体（４）まで延在し、一定の螺旋を有するフルート（８）であって、その螺旋角が４５°〜５５°の範囲から選択されるフルート（８）と、を含むツイストドリルを提供する。本出願は同様に、本出願のドリルを使用して繊維を含む複合材料を孔明けする方法をも提供する。好適には、複合材料は、炭素繊維強化プラスチックまたはガラス繊維強化プラスチックであり、任意には、積層材料であって、方法にはスタック孔明けステップが含まれるようになっている。実施形態により、優れた孔品質、優れた工具寿命および優れた孔サイズ広がりの組合せが達成されている。
Description
本発明はツイストドリル、そして詳細には炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）またはガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などの複合材料の孔明け、特に自動孔明けに適応させたツイストドリルに関する。
ＣＦＲＰおよびＧＦＲＰなどの繊維含有複合材料は、特に優れた孔品質の観点からみて、特別な課題を有している。これらの材料は、航空機構造のための一般的な材料である。これらの複合材料、特にツイルファイバまたは一方向繊維配置を伴うＣＦＲＰ、および出口面上にガラスクロスを伴う材料は孔明けが困難であることが良く知らており、孔出口の品質の悪さは、従来のドリルの場合の典型である。
これらの欠点に対処するためにいくつかの試みがなされてきた。特に、本発明者らは、可変螺旋を有するツイストドリルを、ＣＦＲＰおよびＧＦＲＰなどの複合材料の孔明けに使用して優れた孔出口の品質を得ることを示唆した（特許文献１）。しかしながら、可変螺旋を有するツイストドリルは、製造に手間がかかる可能性がある。
典型的な工具寿命は、６０孔であり、したがって航空機などの製造においては著しい数のツイストドリルが使用される。充分な性能を示す場合には、比較的複雑な幾何形状を有利とすることができるように孔品質が重要であるものの、可能な場合にはコストを削減し代替のツイストドリルの容易かつ迅速な供給を保証したいという要望も存在する。したがって、工具寿命および／または単位コストにおける改良が関心の的となっている。
可変螺旋などの複雑な幾何形状を有するドリルの製造には、新しいモデリング技術のみならず、新しい製造方法も求められる。
特許文献２（Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ）は、優れた出口孔品質と優れた工具寿命を有するＣＦＲＰ孔明け用のツイストドリルの提供を目的としている。特許文献２は、１０°〜２０°のリップ逃げ角、−５°〜１０°のノッチすくい角、最高０．０３５ｍｍのチゼル長および７０°〜１１０°の先端角を含む狭く画定された幾何形状を有し、６ｗｔ％のコバルトを含有する炭化タングステン製のダイヤモンドコーティングされたツイストドリルを提案している。Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌは、これらの特徴が組合わさって、優れた出口孔品質と優れた工具寿命を有するコーティングされたツイストドリルが提供されることを教示している。
特許文献２（Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌ）は、優れた出口孔品質と優れた工具寿命を有するＣＦＲＰ孔明け用のツイストドリルの提供を目的としている。特許文献２は、１０°〜２０°のリップ逃げ角、−５°〜１０°のノッチすくい角、最高０．０３５ｍｍのチゼル長および７０°〜１１０°の先端角を含む狭く画定された幾何形状を有し、６ｗｔ％のコバルトを含有する炭化タングステン製のダイヤモンドコーティングされたツイストドリルを提案している。Ｋｅｎｎａｍｅｔａｌは、これらの特徴が組合わさって、優れた出口孔品質と優れた工具寿命を有するコーティングされたツイストドリルが提供されることを教示している。
最も一般的に、本発明は、意外にもＣＦＲＰを含めた繊維強化プラスチック材料における優れた孔サイズ広がり、出口孔品質および工具寿命が、比較的大きい螺旋角を有する一定の螺旋、小さい先端角および大きい二次チゼル角という特徴を含む比較的単純な幾何形状を有するツイストドリルで達成可能であるということを提案している。
一定の大きな螺旋、小さな先端角および大きな二次チゼル角のこの組合せを具現するツイストドリルは、本明細書中で示されている通り、優れた工具寿命を有し、容易に製造可能で、かつ良好な許容誤差を伴う孔サイズ広がりを有し最小限の欠陥しか有さない出口孔を伴う孔を生成することができる。
第１の態様において、本発明は、複合材料を孔明けするためのツイストドリルにおいて、
シャンクと、
ドリル本体と、
切れ刃、チゼルエッジ、二次チゼルエッジを含むドリルチップであって、二次チゼル角度が１４０°〜１６５°であり、同じく７０°〜１００°の先端角を有するドリルチップと、ドリルチップからドリル本体まで延在し、一定の螺旋を有するフルートであって、その螺旋角が４５°〜５５°の範囲から選択されるフルートと、を含むツイストドリルを提供する。
シャンクと、
ドリル本体と、
切れ刃、チゼルエッジ、二次チゼルエッジを含むドリルチップであって、二次チゼル角度が１４０°〜１６５°であり、同じく７０°〜１００°の先端角を有するドリルチップと、ドリルチップからドリル本体まで延在し、一定の螺旋を有するフルートであって、その螺旋角が４５°〜５５°の範囲から選択されるフルートと、を含むツイストドリルを提供する。
本発明者らは、意外にも、比較的高角度の一定の螺旋および比較的小さい先端角そして大きい角度の二次チゼルエッジの提供を組み合わせることによって、例えばエポキシまたはビスマレイミド（ＢＭＩ）ベースのＣＦＲＰなどの繊維を含有する複合材料を孔明けする場合に、優れた工具寿命、優れた出口孔品質および良好な許容誤差を伴う優れた孔サイズ広がりがツイストドリルに提供される、ということを発見した。実際、この態様のドリルは、このような複合材料を孔明けするために適応されており、一つの利点は、ドリルの実施形態が、ツイルファイバまたは一方向繊維配置を伴うＣＦＲＰおよび出口面上にガラスクロスを伴う材料を含めた広範囲の繊維含有複合材料のために充分な性能（優れた孔品質、孔サイズ許容誤差および工具寿命）を示すということにある。実施形態において、ドリルは複合ツイストドリルである。
それでも、ドリルを他の材料、例えば鋼およびアルミニウムの孔明けのために使用することができる。
螺旋は一定の螺旋である。すなわち、螺旋角は、ドリルチップからドリル本体全体にわたって、つまりフルートの出発点からフルートの終点まで一定であり、こうして螺旋には可変部分は存在しなくなる。
好適には、ドリルは、少なくとも４５°、好ましくは少なくとも４６°、より好ましくは少なくとも４７°、より好ましくは少なくとも４８°、より好ましくは少なくとも４９°、そして最も好ましくは少なくとも約５０°の一定の螺旋角を有する。
好適には、ドリルは、５５°以下、好ましくは５４°以下、より好ましくは５３°以下、より好ましくは５２°以下、より好ましくは５１°以下、そして最も好ましくは約５０°以下の一定の螺旋角を有する。
螺旋角についてのこれらの値（上限および下限）は、任意の組合せで実施形態内に存在し得る。
特に好ましい螺旋角は４５°〜５５°、好ましくは約４７°〜５３、より好ましくは約４９°〜５１°、そして最も好ましくは約５０°である。
比較的大きい一定の螺旋角は、孔明けされている材料に素早く食いつく上で一助となる。実際には、実施形態は、繊維を含む複合材料を迅速かつきれいに切削する。
好適には、ドリルチップは、１００°〜１２５°、より好ましくは１０５°〜１２０°、そして最も好ましくは１１４°〜１１８°のチゼルエッジ角を有するチゼルエッジを含む。
本明細書中に記載されている比較的大きいチゼルエッジ角は、スラスト力を低減させる上で一助となることが発見されている。
好ましくは、チゼルエッジ長は０．０３ｍｍ〜０．１５ｍｍ、より好ましくは０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍ、より好ましくは０．０６ｍｍ〜０．１４ｍｍ、より好ましくは０．０７ｍｍ〜０．１３ｍｍ、より好ましくは約０．０８ｍｍ〜０．１２ｍｍ、より好ましくは約」０．０９ｍｍ〜０．１１ｍｍそして最も好ましくは約０．１ｍｍである。
本明細書中に記載の比較的小さいチゼルエッジ長は、スラスト力を低減させる上で一助となることが発見されている。
本発明者らは、二次チゼルエッジが、切削抵抗を低減させることによって切削作用の改善を提供すると考えている。
好適には、ドリルは、少なくとも１４０°、好ましくは少なくとも１４１°、より好ましくは少なくとも１４２°、より好ましくは少なくとも１４３°、より好ましくは少なくとも１４４°そして最も好ましくは少なくとも約１４５°の二次チゼル角を有する。
好適には、ドリルは、１６５°以下、好ましくは１６４°以下、より好ましくは１６３°以下、より好ましくは１６２°以下、より好ましくは１６１°以下、より好ましくは１６０°以下、より好ましくは１５９°以下、より好ましくは１５８°以下、より好ましくは１５７°以下、より好ましくは１５６°以下、そして最も好ましくは１５５°以下の二次チゼル角を有する。
二次チゼル角についてのこれらの値（上限および下限）は、任意の組合せで実施形態内に存在し得る。
特に好ましい二次チゼル角は１４０°〜１６５°、好ましくは１４５°〜１６０°、そして最も好ましくは１４５°〜１５５°である。特に好ましい値は、約１４６°である。
本明細書中に記載されている二次チゼルエッジを提供することによって、本発明者らは、本明細書中に記載の複合材料中の孔品質、特に出口孔の品質を著しく改善させることができることを発見した。詳細には、大きな二次チゼルエッジ角の提供は、例えば切削抵抗を低減させこうして今度は加熱を低減させて、例えば樹脂の溶融を回避することによってドリルの切削作用を改善することがわかっている。
「先端部」および「先端角」という用語は、先端角が慣例によりポジティブとみなされるという事実と併せて、当業者にはなじみのあるものである。例えば、本発明の一実施形態の先端角は、図１に特徴１２として示されている。過誤を回避する上で、先端角は、ドリル軸に沿って測定された切れ刃間に含まれる角度である。
好適には、ドリルは、少なくとも７０°、好ましくは少なくとも７１°、好ましくは少なくとも７２°、好ましくは少なくとも７３°、より好ましくは少なくとも７４°、好ましくは少なくとも７５°、より好ましくは少なくとも７６°、好ましくは少なくとも７７°、より好ましくは少なくとも７８°、好ましくは少なくとも７９°、より好ましくは少なくとも８０°、より好ましくは少なくとも８１°、より好ましくは少なくとも８２°、より好ましくは少なくとも８３°、より好ましくは少なくとも８４°そして最も好ましくは少なくとも約８５°の先端角を有する。
好適には、ドリルは、１００°以下、好ましくは９９°以下、好ましくは９８°以下、好ましくは９７°以下、好ましくは９６°以下、好ましくは９５°以下、好ましくは９２°以下、より好ましくは９０°以下、より好ましくは８９°以下、より好ましくは８８°以下、より好ましくは８７°以下、より好ましくは８６°以下、そして最も好ましくは約８５°以下の先端角を有する。
先端角についてのこれらの値（上限および下限）は、任意の組合せで実施形態内に存在し得る。
特に好ましい先端角は７０°〜１００°、より好ましくは７５°〜９５°、より好ましくは８０°〜９０°、より好ましくは８３°〜８８°、より好ましくは８５°〜８８°そして最も好ましくは約８５°である。
本発明者らは、本明細書中に記載されている先端角がスラスト力を低減させ優れた出口孔品質を生み出す上で一助となることを発見した。
好適には、ドリルチップは、切れ刃の後ろに延在する一次ファセットと一次ファセットの後ろに延在する二次ファセットを含む。
好適には、一次逃げ角は３５°未満である。
好適には、二次逃げ角は３５°未満である。
好ましくは、一次ファセットの逃げ角（一次逃げ角）は１５°〜２５°であり、二次ファセットの逃げ角（二次逃げ角）は１５°〜３０°である。
一次および二次逃げ角を提供することにより、ドリルチップにおける放熱を改善することが発見されている。これは、本明細書に記載の通り複合材料を孔明けする場合に孔品質、特に出口孔品質を改善することがわかっている。詳細には、発明者らが実施した実験は、複合材料に観察される断裂が少なくなることを示した。
好ましくは、一次逃げ角は少なくとも１０°、そしてより好ましくは少なくとも１５°である。
好ましくは、一次逃げ角は、２５°以下そしてより好ましくは２０°以下である。
一次逃げ角についてのこれらの値（上限および下限）は、任意の組合せで実施形態内に存在し得る。
特に好ましい一次逃げ角は１５°〜２５°である。
好ましくは、二次逃げ角は少なくとも１５°そしてより好ましくは少なくとも２０°である。
好ましくは、二次逃げ角は３０°以下そしてより好ましくは２５°以下である。
二次逃げ角についてのこれらの値（上限および下限）は、任意の組合せで実施形態内に存在し得る。
特に好ましい二次的逃げ角は２０°〜２５°である。
好適には、ドリルチップは、５°〜１５°、好ましくは５°〜８°そして最も好ましくは５°の軸方向すくい角を有する。
本発明者らは、本明細書中で記述されている軸方向すくい角が切削中に発生する熱の量を削減するかまたは最小限に抑えることができ、こうして優れた品質の出口孔の形成を助けるということを発見した。
ドリルは、右勝手の螺旋または左勝手の螺旋を含むことができる。右勝手の螺旋が好ましい。
好ましくは、ツイストドリルは直線切れ刃を有する。
好適には、ツイストドリルは、直線切れ刃を提供するためのエッジ補正を有する。したがって、以下で論述する実施形態において、ツイストドリルの製造にはエッジ補正ステップが含まれる。
好ましくは、ドリルは自動ドリルである。すなわち、ドリルは、自動孔明け用である。自動孔明けは、切削速度および送りが予め決定されているコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）機械を用いて実施される。繊維質材料中に優れた孔品質を作り出すのは、難易度の高いこととしてよく知られている。これは、製織一方向タイプの材料ならびに出口面に追加層を伴う材料、例えばガラススクリムを伴う材料の両方について、特に言えることである。
好ましくは、ツイストドリルは１ｍｍ〜５０ｍｍ、好ましくは１〜２０ｍｍ、より好ましくは１ｍｍ〜１５ｍｍ、そして最も好ましくは２ｍｍ〜１５ｍｍの範囲内の直径を有する。
好ましくは、ツイストドリルは、炭化物で作られる。好ましい炭化物は、炭化タングステン（ＷＣ）である。別の好ましい炭化物は、結合剤無しの炭化物である。代替的な構成材料としては、高速度鋼（ＨＳＳ）、ＨＳＣｏおよびＨＳＣｏＸＰ、窒化ケイ素およびＰＣＤ（多結晶ダイヤモンド）またはそれらの組合せ（例えば金属または炭化物基材上に取付けられた、例えばＨＳＳまたは炭化物基材上に取付けられたＰＣＤ）、および炭化タングステンおよび炭化ケイ素などの任意のダイヤモンド含浸基材が含まれる。
炭化物ツイストドリルの場合、好ましくは、炭化物は超硬合金である。好適には、金属マトリクスはコバルトである。すなわち、炭化コバルトである。好ましくは、ツイストドリルは炭化タングステンコバルトで作られている。コバルトの特に好ましい濃度は、超硬合金の合計重量に対してコバルト３ｗｔ％〜１０ｗｔ％である。実施形態においては、５ｗｔ％〜７ｗｔ％、任意には約６ｗｔ％が使用される。他の実施形態においては、約１０ｗｔ％が好ましい。他の実施形態においては、約４．２ｗｔ％が使用される。
実施形態において、ツイストドリルはコーティングされている。ツイストドリルは、部分的にまたは全面的にコーティングされ得る。好ましくは、コーティングは、好適には未コーティング工具に比べて低い摩擦係数を有する耐摩耗性コーティングである。
好適なコーティングとしては、金属窒化物系コーティング（例えば、ＴｉＮ、ＡｌｘＴｉｙＮなど）、金属酸化物系コーティング（例えばＡｌｘＯ、ＡｌｘＣｒｙＯなど）、炭素系コーティング（例えばＤＬＣ、Ｄｉａｍｏｎｄ Ｃｏａｔｉｎｇなど）およびそれらの組合せが含まれる。
実施形態においては、ダイヤモンドコーティング、好適にはＣＶＤダイヤモンドコーティングが使用される。好適には、ダイヤモンドコーティングは５〜１５μｍ、より好ましくは約８μｍの厚みを有する。
好適には、ドリルは光輝である（コーティングされていない）。
好適には、ツイストドリル、例えばコーティングされていないツイストドリルは、少なくとも１００孔、好ましくは少なくとも１５０孔、より好ましくは少なくとも２００孔、より好ましくは少なくとも２５０孔、より好ましくは少なくとも３００そして最も好ましくは少なくとも３６０孔の工具寿命を有する。
好適には、工具寿命は、１２０／ｍｉｎのドリル表面速度および０．０８ｍｍ／ｒｅｖの送り速度で１０ｍｍ前後の厚みを有するＣＦＲＰを切削して測定される。
好適には、孔サイズ広がりは、Ｈ９孔サイズ許容誤差内、より好ましくはＨ８孔サイズ許容誤差内そして最も好ましくはＨ７孔サイズ許容誤差内にある。Ｈ７孔サイズ許容誤差は、ドリルによって作り出される孔が、ドリルの公称サイズと公称ドリル直径より１５μｍ大きい値の間に入ることを表わす。直径が６．３５ｍｍであるドリルについては、Ｈ７は６．３５ｍｍ以上、６．３６５ｍｍ以下となる。
理論により束縛されることは望まないものの、本発明者らは、本明細書中で言及されている孔品質の改善が少なくとも部分的に、孔明け中の熱の発生および／または集積を削減することによって達成されると考えている。過熱は、複合材料のマトリクス（典型的には樹脂マトリクス）の軟化または溶融をひき起こし、このことはそれ自体複合材料中の繊維がマトリクスから移動、さらには分離できるようにする。このプロセスは効果として繊維の損傷および複合材料のほつれをもたらす可能性である。
例えば、本発明者らは、本明細書中に記載されている一次および二次逃げ角を使用することによって、有意な量の熱を放出させることができるということを発見した。
実際、以下でさらに詳述する通り、本発明の実施形態は、低いスラスト力しか必要とせず、こうして材料の層間剥離の発生率を低減させ、電力消費量を削減した。さらに、特にツイルファイバまたは一方向繊維配置の両方を伴うＣＦＲＰならびに出口面上にガラスクロスを伴う材料を切削する場合に、卓越した入口および出口孔品質が達成された。製織された、例えば２×２ツイル、一方向タイプの材料および出口面上にガラスクロスを伴う材料は、孔明けが困難が良く知られており、孔品質の低さは従来のドリルの場合の典型であることから、これは当該技術分野に対する非常に重要な貢献である。
第２の態様で、本発明は、繊維を含む複合材料の孔明け方法において、第１の態様に係るツイストドリルを用いて複合材料を孔明けするステップを含む方法を提供している。
好適には、複合材料はマトリクス、例えば、炭素繊維またはガラス繊維などの繊維質材料によって強化されるプラスチック材料（例えばポリマー）、セラミックまたは金属マトリクスで構成される。
好適には、複合材料は、プラスチック材料マトリクス、好ましくはポリマーマトリクス、好適には樹脂マトリクスを含む。特に好ましいマトリクスは、ポリエステル、エポキシおよびビスマレイミド（ＢＭＩ）から選択される。
好適には、典型的に繊維質補強材として機能する繊維は、無機または有機繊維である。特に好ましいのは、ガラス繊維および炭素繊維である。
好適には、複合材料は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）またはガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）である。好適には、材料は、ツイルファイバまたは一方向繊維配置を伴うＣＦＲＰ、および出口面上にガラスクロスを伴う材料である。
複合材料は、積層材料であり得、あるいは積層材料の一部を成すことができる。積層材料は、金属層、ガラスクロス層、塗料および銅メッシュの１つ以上を含むことができる。これらの層は、仕上げ層であってよい。
例えば、積層材料は、ＣＦＲＰ／Ａｌ材料、すなわち１層以上のＣＦＲＰ層と１層以上のＡｌ層とを含む材料であり得る。このような材料の孔明けは、スタック孔明けとしても公知である。
積層材料は、乾燥または予備含浸材料のいずれかから製造可能である。複合材料の繊維は連続繊維または短繊維であり得る。このような材料の製造方法としては、真空バッグ成形、オートクレーブ加工、樹脂トランスファ成形およびハンドレイアップが含まれる。
本発明のツイストドリルは同様に、３つ以上の層、例えば３層、４層、５層または６層を含む積層品の場合に使用するために特に好適である。
これに関連して、積層材料に対する言及には、ＣＦＲＰ積層品などに対する言及も含まれる。例えば、このような材料は、予備含浸段に繊維を取り込み、このようなプライを最高５０層使用して（例えば１０ｍｍの）ＣＦＲＰ積層品を作ることによって製造可能である。別の例においては、積層品は、短繊維で構成されており、短繊維は軟質樹脂内に取込まれてその後硬化してＣＦＲＰ材料を形成することから、原則としていかなる層も存在しないものの、それでもなお当該技術分野においてそれは積層品として公知である。
好適には、複合材料は、航空機コンポーネント（例えば翼または胴体パネル）、風力タービンコンポーネント（例えば、風力タービン翼またはハウジング）、船体コンポーネントまたは車両パネル（例えば車体パネル）である。実際、本明細書中に記載のツイストドリルは、繊維を含有する複合材料を含む任意のワークを孔明けするために適応されている。それは同様に、ＣＦＲＰ／アルミニウムすなわちＣＦＲＰ／Ａｌ、ＣＦＲＰ／ステンレス／Ａｌなどをスタック孔明けする上でも使用可能である。さらなる例は、スポーツ用品であり、この場合、複合材料は軽量で高い強度を提供するために使用される。
第１の態様に付随する任意のおよび好ましい特徴は、この態様にも同様にあてはまる。
第３の態様において、本発明は、本明細書中に記載の複合材料の自動孔明け方法における第１の態様に係るツイストドリルの使用を提供している。
以上で説明した通り、本明細書中に記載のツイストドリルは、自動孔明けのために適応されており、実施形態は、工具寿命、出口孔品質および孔サイズ広がりの観点からみた有意な利点をユーザーに提供する。
第１の態様に付随する任意のおよび好ましい特徴は、この態様にもあてはまる。
第４の態様において、本発明は、第１の態様に係るツイストドリルを形成するためツイストドリルを再研削するステップを含む再研削方法を提供している。
好ましくは、再研削方法には、先端部の再研削ステップが含まれる。好適には、再研削方法は、同一のドリル上で２回以上、例えば３回、実施可能である。
好適には、方法には、存在する場合チゼルエッジの１つ以上（好適にはチゼルエッジ長および／またはチゼルエッジ角）、二次チゼルエッジ（好適には二次チゼルエッジ角）、一次逃げ面／クリアランス、二次逃げ面／クリアランスおよびすくい角を再研削するステップが含まれる。
好ましくは、チゼルエッジ、二次チゼルエッジ、一次逃げ面／クリアランス、二次逃げ面／クリアランスおよびすくい角は全て、再研削に付される。
第１の態様に付随する任意のおよび好ましい特徴は、この態様にもあてはまる。
第５の態様において、本発明は、第４の態様の再研削方法の製品であるツイストドリルを提供する。
第６の態様において、本発明は、第１の態様に係るツイストドリルの製造方法を提供する。
好適には、方法は、ブランクを機械加工するステップを含む。任意には、方法は、好適には例えばドリルの長さなどの所望の長さにロッドを切削することによって、ブランクを形成するステップを含む。
好適には、ブランクはバックテーパーを備えている。
好ましくは、方法は、一定の螺旋を伴うフルートを研削するステップを含む。
好適には、方法は、フルートまたは各フルートに沿って本体クリアランスを形成することによってランドを生成するステップを含む。
好適には、方法は、ポインティングすなわち先端部を形成するステップを含む。好ましくは、このステップは、一次ファセットおよび二次ファセットを形成するステップを含む。
好適には、一次ファセットは、好ましくは１０５°〜１２５°のチゼルエッジ角度を伴うチゼルエッジを生成するように形成される。
好適には、一次ファセットは、１０°〜２５°、好ましくは１５°〜２５°の逃げ角（クリアランスまたはクリアランス角としても公知である）を有するように形成される。
好適には、方法は、二次チゼルエッジを形成するステップを含む。好ましくは、二次チゼルエッジは１４０°〜１６５°の二次チゼル角を有する。
好適には、二次ファセットは、１５°〜３０°、好ましくは２０°〜２５°の逃げ角（クリアランスまたはクリアランス角としても公知である）を有するように形成される。
好適には、方法は、軸方向すくい角を作り上げるためのガッシングステップを含む。好適には、軸方向すくい角は５°〜１５°、好ましくは５°〜８°である。好適には、ガッシングステップは、０．０３ｍｍ〜０．１５ｍｍ、好ましくは０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍのチゼルエッジ長を作り出す。
好適には、方法は、直線切れ刃を提供するステップを含む。好ましくは、直線切れ刃は、エッジ補正ステップによって提供される。
第７の態様で、本発明は、複合材料を孔明けするためのツイストドリルの製造方法において、
（ｉ） フルートの最初から最後まで４５°〜５５°の範囲内の一定の螺旋角でヘリカルフルートを生成するためのドリルブランクをフルート加工するステップと、
（ｉｉ） フルートの端部に切れ刃を形成するステップと、
（ｉｉｉ） ７０°〜１００°の先端角を形成するようポインティングするステップと、（ｉｖ） １４０°〜１６５°の範囲内の二次チゼル角を形成するステップと、を含む方法を提供している。
（ｉ） フルートの最初から最後まで４５°〜５５°の範囲内の一定の螺旋角でヘリカルフルートを生成するためのドリルブランクをフルート加工するステップと、
（ｉｉ） フルートの端部に切れ刃を形成するステップと、
（ｉｉｉ） ７０°〜１００°の先端角を形成するようポインティングするステップと、（ｉｖ） １４０°〜１６５°の範囲内の二次チゼル角を形成するステップと、を含む方法を提供している。
第６の態様の任意のおよび好ましい特徴は、第７の態様にも同様にあてはまる。
第８の態様において、本発明は、第６の態様の方法の製品であるツイストドリルを提供する。
第９の態様で、本発明は、第７の態様の方法の製品であるツイストドリルを提供する。
いずれかの一態様の任意のおよび好ましい特徴は、他の態様のいずれかにも同様にあてはまり得る。さらに、いずれかの一態様を他の態様のうちの１つ以上と組み合わせてもよい。詳細には、製品（ツイストドリル）に関して開示された特徴は同様に、対応する方法ステップとしての方法にもあてはまるかもしれず、その逆もまた同様である。
いずれかの一態様の任意のおよび好ましい特徴は、他の態様のいずれかにも同様にあてはまり得る。さらに、いずれかの一態様を他の態様のうちの１つ以上と組み合わせてもよい。詳細には、製品（ツイストドリル）に関して開示された特徴は同様に、対応する方法ステップとしての方法にもあてはまるかもしれず、その逆もまた同様である。
本発明の実施形態および本発明の利点および／または実施を例証する実験について以下で、添付図面を参照しながら単なる一例として記述する。
図１は、本発明のツイストドリル２を示す。ドリルは、シャンク（図示せず）、ドリル本体４およびドリルチップ６を含む。２つのヘリカルフルート８が、ドリルチップからドリル本体まで延在する。螺旋角は５０°の一定の螺旋角であるが、例えば４５°〜５５°などの他の一定の螺旋角も可能である。
フルートの幅は、フルートの長さに沿って実質的に一定である。
ドリルチップにある一次および二次切れ刃１０（切削リップ）は、８５°の先端角１２を有する先端部を形成する。例えば７０°〜１００°の他の先端角も可能である。
ドリル２の切れ刃１０は、直線の切れ刃１０を生成するようにエッジ補正されたものであり、このエッジ補正のアーチファクトが、図１に特徴１４として見ることができる。
ドリル２は、フルート８に沿って本体のクリアランス１６を有する。
図２は、ドリル２の回転した側面図を示す。先端部の切れ刃には、一次逃げ面２１（一次ファセットまたはフランク面クリアランスとしても公知である）および二次逃げ面２２（二次ファセットまたはフランク面クリアランスとしても公知である）が備わっている。それぞれの逃げ角（クリアランスとしても公知である）は、それぞれ１０°と２０°である。
図３は、ドリル２の軸方向図を示す。チゼルエッジ３１は、０．５ｍｍの長さと１１５°のチゼル角３４を有する。本明細書中に記載の通り、他のチゼル長およびチゼル角も可能である。
二次チゼルエッジ３２には、１４６°の大きい二次チゼル角３３が備わっている。
ドリル２を繊維含有複合材料を孔明けする上で特に有効なものにしているその１つの特徴は、二次チゼルエッジである。さらに、二次チゼルエッジ面３３は、１４６°と、大きいものである。例えば１４０°〜１６５°の他の二次チゼルエッジ角も可能である。
上述の通り、一定の大きな（高速）螺旋、規定の先端角および二次チゼルエッジの組合せは、特に、ＣＦＲＰなどの複合材料を切削する場合に予想外の優れた性能をドリルに付与する。実際、優れた孔品質（材料のほつれがほとんどまたは全く無い）、優れた工具寿命、およびＨ７許容誤差内の孔サイズ広がりのきわめて望ましい組合せが達成される。ツイストドリルは同様に、（例えば可変螺旋と比べて）製造が比較的容易である。
ドリル性能の試験 本発明の一実施形態の性能を、ＣＦＲＰでの使用向けに市販されている自動ドリルと比較した。工具寿命、出口孔品質および孔サイズ広がりを測定することによって、ドリルの性能を数量化した。
試験（１） 出口孔品質
出口孔品質を測定するために、試験用ワーク上で自動孔明けを実施した。各試験のための試験用ワークは、一方向繊維とガラススクリムを伴う厚み１０ｍｍのエポキシ系ＣＦＲＰであった。航空宇宙産業などにおいて遭遇するこの構成は、きわめてむずかしい課題を表している。
出口孔品質を測定するために、試験用ワーク上で自動孔明けを実施した。各試験のための試験用ワークは、一方向繊維とガラススクリムを伴う厚み１０ｍｍのエポキシ系ＣＦＲＰであった。航空宇宙産業などにおいて遭遇するこの構成は、きわめてむずかしい課題を表している。
ドリルの幾何形状
ツイストドリルを、本明細書中に記載の方法にしたがって製造した。具体的には、以下のステップを行なった。
１．ドリル長である所望の長さにロッドを切断する。
２．ブランクに、バックテーパーを設ける。
ツイストドリルを、本明細書中に記載の方法にしたがって製造した。具体的には、以下のステップを行なった。
１．ドリル長である所望の長さにロッドを切断する。
２．ブランクに、バックテーパーを設ける。
ＣＮＣ機械を用い、以下のステップを実施した。
すなわち、
３．一定の螺旋を伴う２つのフルート８を形成するためのフルーティングステップ。
４．フルーティングランドを作り、本体クリアランス１６をフルートに沿って生成する（ＳＴ）。
５．８５°の先端角１２で一次ファセット２１、二次ファセット２２および先端部を作り上げるためのポインティングステップ。一次ファセットは１０°の一次クリアランスを有するように構築される。二次ファセットは２０°の二次クリアランスと１４６°の二次チゼル角を有するように構築される。
６．５°のすくい角で作り出すためにガッシングを実施するステップ。
すなわち、
３．一定の螺旋を伴う２つのフルート８を形成するためのフルーティングステップ。
４．フルーティングランドを作り、本体クリアランス１６をフルートに沿って生成する（ＳＴ）。
５．８５°の先端角１２で一次ファセット２１、二次ファセット２２および先端部を作り上げるためのポインティングステップ。一次ファセットは１０°の一次クリアランスを有するように構築される。二次ファセットは２０°の二次クリアランスと１４６°の二次チゼル角を有するように構築される。
６．５°のすくい角で作り出すためにガッシングを実施するステップ。
完成したドリルは、以下の幾何形状を有していた。
螺旋角＝５０°
先端角＝８５°
軸方向すくい角＝５°
二次チゼル角＝１４６°
一次クリアランス＝１０°
二次クリアランス＝２０°
螺旋角＝５０°
先端角＝８５°
軸方向すくい角＝５°
二次チゼル角＝１４６°
一次クリアランス＝１０°
二次クリアランス＝２０°
このドリルは、試験の目的ではドリル＃１と呼ばれる。
市販の自動ドリルである、ドリル＃２も同様に試験した。
図４Ａを見ればわかるように、ドリル＃１の出口孔品質は卓越したものであり、ドリル＃２により作られるものよりもはるかに優れている。
試験（２） 工具寿命
高い強度および繊維補強材に起因して、ＣＦＲＰは極めて研磨性が高い。（上述の通りの）コーティングされていないドリル＃１の工具寿命は、コーティングされていないドリル＃２の工具寿命よりも有意に長いことが発見された（ドリル＃２が１４０孔であるのに対し、ドリル＃１は３６０孔を孔明けした）。
高い強度および繊維補強材に起因して、ＣＦＲＰは極めて研磨性が高い。（上述の通りの）コーティングされていないドリル＃１の工具寿命は、コーティングされていないドリル＃２の工具寿命よりも有意に長いことが発見された（ドリル＃２が１４０孔であるのに対し、ドリル＃１は３６０孔を孔明けした）。
試験（３） 孔サイズの広がり
この比較試験において使用されたツイストドリルは螺旋角を除いて同一である。ドリル＃Ａは５０°の一定の螺旋角を有し、ドリル＃８は２０°の一定の螺旋角を有する。
この比較試験において使用されたツイストドリルは螺旋角を除いて同一である。ドリル＃Ａは５０°の一定の螺旋角を有し、ドリル＃８は２０°の一定の螺旋角を有する。
２０°の一定螺旋（低速）および５０°の一定螺旋（高速）を伴う直径φ６．３５ｍｍ（ドリルの直径は図５と６にそれぞれライン５１および６１で示されている）のドリルの性能を試験した。
広がった出口孔の品質を測定するために、３つの速度および送りを用いて試験用ワークに対し自動孔明けを実施した。各試験のための試験用ワークは、一方向繊維を伴う厚み８ｍｍのＭＴＭ４６樹脂系ＣＦＲＰであった。例えば航空宇宙産業などで遭遇するこの構成は、特にむずかしい課題を表している。
表１は、螺旋角により各試験に使用したドリルを識別し、各試験のために使用した速度および送りを規定している。
図５および図６は、それぞれ２０°螺旋および５０°螺旋のドリルについて異なる速度および送りで得られる孔サイズ広がりを示す。図６は、全ての試験条件にわたり、５０°の一定螺旋のドリルが、Ｈ７に対応するライン６２により識別された許容誤差内のサイズを有する孔を形成したことを示している。図５は、同じ条件下で、２０°螺旋のドリルが、試験された速度および送りの範囲全体にわたり、それぞれＨ７およびＨ８に対応するライン５２または５３のいずれかにより規定される許容誤差内のサイズを有する孔を生成しなかったことを示している。これらの結果は、クレーム中で規定されている通り、大きな螺旋角が一貫して許容誤差内の孔サイズを示すものの、より小さい螺旋角を有するドリルについてこれはあてはまらない、ということを示している。この実験は、大きな螺旋角の利点を例証している。
Claims (15)
- 複合材料を孔明けするためのツイストドリルにおいて、
シャンクと、
ドリル本体（２）と、
切れ刃（１０）、チゼルエッジ、二次チゼルエッジを含むドリルチップであって、二次チゼル角度が１４５°〜１６５°であり、同じく７０°〜１００°の先端角を有するドリルチップと、
ドリルチップ（６）からドリル本体（４）まで延在し、一定の螺旋を有するフルート（８）であって、その螺旋角が４５°〜５５°の範囲から選択されるフルート（８）と、
を含むことを特徴とするツイストドリル。 - ドリルチップが切れ刃の後ろに延在する一次ファセットと一次ファセットの後ろに延在する二次ファセットとを含み、一次ファセットの逃げ角が１５°〜２５°であり、二次ファセットの逃げ角が１５°〜３０°であることを特徴とする請求項１に記載のツイストドリル。
- ドリルチップが、５°〜８°の軸方向すくい角を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のツイストドリル。
- ドリルチップが８５°〜８８°の先端角を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のツイストドリル。
- 二次チゼル角が１４５°〜１５５°であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のツイストドリル。
- フルートが右勝手の螺旋を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のツイストドリル。
- 請求項１〜７のいずれか一項に記載のツイストドリルを用いて複合材料を孔明けするステップを含むことを特徴とする繊維を含む複合材料の孔明け方法。
- 複合材料が、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）またはガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）であることを特徴とする請求項８に記載の孔明け方法。
- 孔明けステップが自動孔明けステップを含むことを特徴とする請求項８または９に記載の孔明け方法。
- スタック孔明け法であることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の孔明け方法。
- スタックがＣＦＲＰおよびＧＦＲＰを含むことを特徴とする請求項１０に記載の孔明け方法。
- スタックがＣＦＲＰおよびＡｌを含むことを特徴とする請求項１０に記載の孔明け方法。
- 請求項８又は９に記載の複合材料の自動孔明け方法において、請求項１〜７のいずれか一項に記載のツイストドリルの使用。
- 請求項１〜７のいずれか一項に記載のツイストドリルを形成するためにツイストドリルを再研削するステップを含むことを特徴とする再研削方法。
- 複合材料を孔明けするためのツイストドリルの製造方法において、
（ｉ） フルートの最初から最後まで４５°〜５５°の範囲内の一定の螺旋角でヘリカルフルートを生成するためにドリルブランクをフルート加工するステップと、
（ｉｉ） フルートの端部に切れ刃を形成するステップと、
（ｉｉｉ） ７０°〜１００°の先端角を形成するようポインティングするステップと、（ｉｖ） １４０°〜１６５°の範囲内の二次チゼル角を形成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
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