JP2020519457A - 複合材料およびその積層構造に対する高品質な穴開けに用いられる縦刃ダブルステップマイクロ歯刃具 - Google Patents

Abstract

本発明は機械加工におけるドリル工具の技術分野に属し、複合材料およびその積層構造に対する高品質な穴開けに用いられ、主要切れ刃領域Ａと、副次切れ刃領域Ｂと、シャンク領域Ｃとの３つの部分からなる縦刃ダブルステップマイクロ歯刃具に関し、副次切れ刃領域Ｂにはステップ縦刃領域Ｄとマイクロ歯切削領域Ｅが含まれる。本発明に係る複合材料およびその積層構造に対する高品質な穴開けに用いられる縦刃ダブルステップマイクロ歯刃具は、ステップ構造を有し、第１ステップにマイクロ歯構造が分布され、入口での再切削機能と出口での主要切削運動方向と反対の逆せん断機能を有し、複合材料の入口、出口の層間剥離、バリなどの損傷の効果的な抑制を実現できる。第２ステップに、縦刃構造が分布されるとともに、第２ステップ角度は負の値であり、切り屑の切断、切り屑の崩しを実現でき、上層複合材料と金属穴壁への傷付きを減らし、根元から金属出口のバリと複合材料出口のバリを除去し、金属と複合材料の出口の品質を向上させた。

Description

本発明は、機械加工におけるドリル工具の技術分野に属し、複合材料およびその積層構造に対する高品質な穴開けに用いられる縦刃ダブルステップマイクロ歯刃具に関する。

複合材料は、軽量、高強度及び一体的に製造可能などの利点があるため、既に先進的な飛行機部品の製造に広く応用され、飛行機構造の軽量化を実現するための好適な材料となっている。例えば、エアバスＡ３５０のように、その複合材料の使用量は５２％まで達し、飛行機の構造重量が大幅に軽減され、飛行機の省燃費性が向上した。また、飛行機が衝撃、交番などの複雑な荷重に耐えられるようにするために、複合材料と高性能金属からなる積層構造は飛行機の支持と接続部位によく応用されている。複合材料部品とその積層構造の部品との接続・組立を実現するために、一連の機械加工が必要で、穴開け加工はその中で最も手間がかかる機械加工方法の一つである。

しかしながら、複合材料は主に繊維強化相と樹脂マトリックス相からなる混合形態であり、マクロ的に明らかな異方性と積層特徴を呈し、しかも層間結合強度が低い。複合材料を単独にドリルすると、発生する軸力が強く、入口と出口との位置制約作用が弱く、最表面の複数層の材料が押し開けされやすく、層間剥離の損傷が発生するとともに、繊維を切断できないことで繊維が曲がって、裂け目やバリなどの損傷を引き起こす。また、複合材料／金属積層材料の一体化的な穴開けでは、複合材を上、金属を下にする取り付け方式がよく採用されている。このような取り付け方式では、金属材料出口側の支持作用が弱く、バリの損傷が発生しやすく、しかも、切削中で金属が連続した帯状の切り屑を発生しやすく、金属の切り屑が螺旋溝に沿って排出される過程で、上層の複合材料が傷付きやすく、複合材料の積層構造に対する高品質で効率的な加工の実現が困難になる。従って、複合材料に対する高品質な穴開けを実現することができ、かつ、複合材料の積層構造に対する高品質な穴開けも実現することもできる刃具を自主的に開発しなければならない。

現在、一部の学者は複合材料の穴開け刃具と複合材料の積層構造の穴開け刃具をそれぞれ研究開発していた。複合材料の穴開け刃具について、大連理工大学の賈振元らは、特許出願番号２０１５１０４０８７４３．７において、「炭素繊維複合材料の穴開けに用いられる効率的な専用ドリル」を開示している。炭素繊維複合材料の穴開けに用いられる歯状マイクロ刃付きのダブル頂角構造のドリルに関し、主要切れ刃のダブル頂角構造、主要切れ刃と副次切れ刃との接続部位のマイクロ歯構造によって、ドリル−拡張−ヒンジが一体化される加工機能を実現し、高寸法精度の穴の加工を実現する。しかしながら、マイクロ歯構造は最終的に切削成形された切れ刃の部位にあるため、出口や入口で微小な裂け目である損傷を起こしやすく、穴壁の面精度を低下させてしまう。蘇州阿諾精密切削技術株式会社は特許出願番号が２０１３１０１０４１７８．６である低横刃ドリルを発明し、このようなドリルのヘッド部に二つの切り屑排出溝が形成されており、前記二つの切り屑排出溝と刃裏面との軸方向の交線にそれぞれ二つの主要切れ刃が形成されており、主な特徴は三つのセンタで、中央のセンタは両側のセンタよりも低く、この設計により刃具の強度と芯出し能力を両立できる。二つの外方のセンタは穴周辺の繊維を効果的に切断でき、バリを減らすことができるが、高強度繊維と低層間の強度の複合材料を加工するとき、裂け目の損傷が発生しやすい。複合材料の積層構造の穴開け刃具に関し、日本の川崎重工は、「ＳＡＥＴｅｃｈｎｉｃａｌＰａｐｅｒ」で発表されている『Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ Ｄｉｌｌ Ｂｉｔ ｆｏｒ ＣＦＲＰ／Ａｌｕｍｉｎｕｍ−Ａｌｌｏｙ Ｓｔａｃｋ：Ｔｏ ＩｍｐｒｏｖｅＦｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，Ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ Ｗｏｒｋ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ』において、薄い横刃変化角度切削を採用した複合材料／アルミニウム合金積層ステップドリルを提案した。この刃具は、一回の切削量を減らすことで、一体化的な穴開け品質をある程度まで向上させた。しかしながら、金属の信頼性の高い切り屑の問題は依然として十分に考慮されておらず、ドリル中で大量の金属の切り屑が蓄積して刃具に絡まり、さらに刃具が回転過程で偏心し、穴開けの精度や刃具の使用寿命に大きく影響してしまう。

本発明が解決しようとする技術課題は、複合材料およびその積層構造を穴あけ加工する時に発生する複合材料出口の層間剥離、金属出口のバリや金属穴壁の傷付きなどの損傷を低減し、複合材料およびその積層構造に対する高品質な穴開けに用いられる縦刃ダブルステップマイクロ歯刃具を発明することである。当該刃具は縦刃構造、ダブルステップ構造とマイクロ歯構造を有する右ねじれドリルであり、縦刃構造は金属切り屑を効果的に折り曲げ、連続した帯状の切り屑が上層の複合材料と金属穴壁を傷付けることを抑制できると同時に、ダブルステップ構造のステップ角度は負の値であり、根元から金属出口のバリと複合材料出口のバリを除去し、マイクロ歯構造はドリル軸線周りに大きな螺旋角で分布し、複合材料の入口、出口の層間剥離、バリなどの損傷を効果的に抑制でき、最終的に複合材料およびその積層構造に対する高品質な穴開け加工を実現する。

本発明による技術案は下記となる。

複合材料およびその積層構造に対する高品質な穴開けに用いられる縦刃ダブルステップマイクロ歯刃具は、主要切れ刃領域Ａ、副次切れ刃領域Ｂ、およびシャンク領域Ｃの３つの部分から構成され、副次切れ刃領域Ｂには、ステップ縦刃領域Ｄとマイクロ歯切削領域Ｅが含まれる。

主要切れ刃領域Ａの主要切れ刃１が初期すくい面８を一部ドレッサすることにより、第２すくい面９を取得し、初期すくい面８と第２すくい面９とは、第１頂角ｎ_１が１００°〜１０６°、第２頂角ｎ_２が９０°〜９５°であるダブル頂角構造を形成する。

副次切れ刃領域Ｂにはドリル先側に近接する第１ステップとシャンク側に近接する第２ステップからなるダブルステップ構造を有し、副次切れ刃領域Ｂには２つの切り屑排出溝６があり、２本の副次切れ刃５が形成され、副次切れ刃５の螺旋前角γ_１が１４°〜１６°であり、切り屑排出溝の幅ｃが刃具の第１ステップの直径ｄの０．６〜０．８倍であり、縦切り屑切断刃４のマージン幅ａと副次切れ刃５のマージン幅ｂはともに１〜１．５ｍｍであり、かつ、縦切り屑切断刃４のマージン幅ａは副次切れ刃５のマージン幅ｂよりも大きい。

ステップ縦刃領域Ｄはダブルステップマイナスステップ角構造を採用し、第２ステップの主要切れ刃１０と刃具軸線７とのなす角ｎ_３が９０°よりも大きく、副次切れ刃５ごとに縦切り屑切断刃４がドレッサされ、縦切り屑切断刃４の軸方向の長さｅが少なくとも刃具の歯当たり送り量の２倍であり、縦切り屑切断刃４の螺旋前角γ_２が１３°〜１５°である。

マイクロ歯切削領域Ｅはステップ縦刃領域Ｄと主要切れ刃領域Ａとの間に位置し、ドリル切れ刃に分布する若干のマイクロ歯３と歯溝２からなり、マイクロ歯３と歯溝２はドリル軸線周りに螺旋状に分布し、マイクロ歯螺旋角βは６０°よりも大きい鋭角であり、マイクロ歯３の上歯辺１１を歯切れ刃とするとともに、上歯辺１１を研いでポジティブすくい角を形成し、マイクロ歯３の歯溝幅Ｗ_ｇは加工された繊維強化材の２層プリプレグの厚さ以上で、少なくとも０．３ｍｍであり、マイクロ歯３の歯幅Ｗ_ｔは少なくとも０．５ｍｍであり、歯溝２の深さＤ_ｔは少なくとも０．８ｍｍであり、且つ、歯溝の深さＤ_ｔの２倍とドリルコアの厚さとの和はこの位置の刃具の直径ｄよりも小さく、ドリルコアの剛性に影響を与えずにマイクロ歯３によるせん断加工の目的を満たすことが期待される。

本発明の複合材料およびその積層構造に対する高品質な穴開けに用いられる縦刃ダブルステップマイクロ歯刃具はステップ構造を有し、第１ステップにマイクロ歯構造が分布され、複合材料の入口での再切削機能と出口での主要切削運動方向と反対の逆せん断機能を有し、複合材料の入口、出口の層間剥離、バリなどの損傷の効果的な抑制を実現し、第２ステップに、縦刃構造が分布されるとともに、第２ステップの角度は負の値であり、切り屑の切断、切り屑の崩しを実現し、上層の複合材料と金属穴壁への傷付きを減らし、金属出口のバリと複合材料出口のバリを根元から除去し、金属と複合材料との出口の品質を向上させた。

図１は、複合材料およびその積層構造に対する高品質な穴開けに用いられる縦刃ダブルステップマイクロ歯刃具の正面図である。 図２は図１におけるマイクロ歯切削領域Ｅの局部拡大図である。

以下、図面と技術案を組み合わせ、本発明を実施するための具体的な形態を詳しく説明する。

図１、図２に示すように、本発明の複合材料およびその積層構造に対する高品質な穴開けに用いられる縦刃ダブルステップマイクロ歯刃具であって、該刃具は主要切れ刃領域Ａと、副次切れ刃領域Ｂと、シャンク領域Ｃとの３つの部分からなり、そのうち、副次切れ刃領域Ｂには、ステップ縦刃領域Ｄとマイクロ歯切削領域Ｅが含まれ、主要切れ刃領域Ａの主要切れ刃１が初期すくい面８を一部ドレッサすることにより、第２すくい面９を取得することができ、これによって、ダブル頂角構造が形成され、累進式の切削を実現し、さらに軸力を低減し、複合材料のドリル品質を向上させることができ、そのうち、第１頂角ｎ_１が１０２°であり、第２頂角ｎ_２が９０°であり、副次切れ刃領域Ｂには２つの切り屑排出溝６があり、２本の副次切れ刃５が形成され、副次切れ刃５の螺旋前角γ_１が１５°であり、刃具の公称直径が６ｍｍであり、第１ステップの直径ｄが４．８８ｍｍであり、切り屑排出溝の幅ｃが３ｍｍであり、切り屑排出溝の幅ｃと刃具の第１ステップの直径ｄとの比が０．６１であり、刃具の剛性は加工要求を満足することができ、縦切り屑切断刃４のマージン幅ａが１．５ｍｍであり、副次切れ刃５のマージン幅ｂが１ｍｍであり、縦切り屑切断刃４のマージン幅ａに対して少し大きめの値を取ることで、縦切り屑切断刃４の強度を確保する。

ステップ縦刃領域Ｄはダブルステップマイナスステップ角構造を採用する。ダブルステップ構造を採用することで、段に区切って切除し、軸力を低減するのを実現できて、複合材料の損傷を減すという目的を達成する。第２ステップはマイナスステップ角を採用することで、出口の根元から金属出口のバリと複合材料出口のバリを直接除去でき、第２ステップの主要切れ刃１０と刃具軸線７とのなす角ｎ_３が１１０°であり、副次切れ刃５ごとに縦切り屑切断刃４がドレッサされ、金属切り屑の元の運動方向を変え、金属切り屑に折り曲げを発生させ、金属の効率的な切り屑の切断、切り屑の崩しを実現し、切り屑を切り屑排出溝に沿ってスムーズに排出させ、切り屑と複合材料および金属穴壁との接触を低減し、穴壁の面精度と穴径の精度を向上させる。縦切り屑切断刃４の軸方向の長さｅが４ｍｍであり、刃具の歯当たり送り量よりも遥かに大きく、縦切り屑切断刃４の螺旋前角γ_２が１３°である。

マイクロ歯切削領域Ｅはドリル切れ刃に分布する若干のマイクロ歯３と歯溝２からなり、そのうち、マイクロ歯３と歯溝２はドリル軸線周りに螺旋状に分布し、マイクロ歯螺旋角βは７９°であり、マイクロ歯の上歯辺１１を歯切れ刃とするとともに、ポジティブすくい角を２０°に形成し、マイクロ歯構造がステップ縦刃領域Ｄと主要切れ刃領域Ａの中央に位置し、マイクロ歯３の数が３つであり、マイクロ歯３の歯溝の幅Ｗ_ｇが０．７ｍｍであり、マイクロ歯３の歯幅Ｗ_ｔが０．５ｍｍであり、歯溝の深さＤ_ｔが０．８ｍｍであり、刃具のドリルコアの厚さが２．２ｍｍであり、歯溝の深さＤ_ｔの２倍とドリルコアの厚さとの和がこの位置にある刃具の直径ｄよりも小さい。複合材料をドリルする場合、出口、入口をドリルする際に、発生したバリがマイクロ歯構造に跳ね返されることを実現するとともに、下向きにドリル中で、マイクロ歯に跳ね返されたバリに対して切削を実施し、バリをせん断し、ドリル中で出口、入口のバリを効果的に除去し、仕上げ穴を形成する際の裂け目損傷を低減した効果に達し、刃具の切削能力を大幅に向上させる。

本発明は複合材料およびその積層構造に対する高品質な穴開けに用いられる縦刃ダブルステップマイクロ歯刃具であって、ステップ構造により段に区切って切削し、加工損傷を低減することを実現できると同時に、ステップ角度が負の値であり、根元から金属出口のバリと複合材料出口のバリを除去することができ、出口の品質を向上させる。縦刃構造により、金属切り屑の元の運動方向を変え、金属切り屑の折り曲げ、切り屑の切断を実現でき、金属切り屑による上層の複合材料及び金属穴壁への傷付きを低減し、マイクロ歯構造により、複合材料のドリルによる入口、出口の層間剥離、バリなどの損傷を効果的に抑制できる。最終的に、複合材料およびその積層構造に対する高品質な穴開けの高品質で効率的な加工を実現する。

１…主要切れ刃
２…歯溝
３…マイクロ歯
４…縦切り屑切断刃
５…副次切れ刃
６…切り屑排出溝
７…刃具軸線
８…初期すくい面
９…第２すくい面
１０…第２ステップの主要切れ刃
１１…上歯辺
Ａ…主要切れ刃領域
Ｂ…副次切れ刃領域
Ｃ…シャンク領域
Ｄ…ステップ縦刃領域
Ｅ…マイクロ歯切削領域
ａ…縦切り屑切断刃４のマージン幅
ｂ…副次切れ刃５のマージン幅
ｃ…切り屑排出溝の幅
ｄ…第１ステップの直径
ｅ…縦切り屑切断刃４の軸方向の長さ
ｎ_１…主要切れ刃１の第１頂角
ｎ_２…主要切れ刃１の第２頂角
ｎ_３…第２ステップの主要切れ刃１０と刃具軸線７とのなす角
γ_１…副次切れ刃５の螺旋前角
γ_２…縦切り屑切断刃４の螺旋前角
Ｗ_ｔ…マイクロ歯の歯幅
Ｗ_ｇ…歯溝の幅
Ｄ_ｔ…歯溝の深さ
β…マイクロ歯螺旋角

Claims (1)

1. 複合材料およびその積層構造に対する高品質な穴開けに用いられる、主要切れ刃領域（Ａ）と、副次切れ刃領域（Ｂ）と、シャンク領域（Ｃ）との３つの部分から構成される、縦刃ダブルステップマイクロ歯刃具であって、
   副次切れ刃領域（Ｂ）は、ステップ縦刃領域（Ｄ）とマイクロ歯切削領域（Ｅ）を含み、
   主要切れ刃領域（Ａ）の主要切れ刃（１）が初期すくい面（８）を一部ドレッサすることにより、第２すくい面（９）を取得し、初期すくい面（８）と第２すくい面（９）とは、第１頂角ｎ_１が１００°〜１０６°、第２頂角ｎ_２が９０°〜９５°であるダブル頂角構造を形成しており、
   副次切れ刃領域（Ｂ）にはドリル先側に近接する第１ステップとシャンク側に近接する第２ステップからなるダブルステップ構造が形成されており、副次切れ刃領域（Ｂ）には２つの切り屑排出溝（６）を有し、２本の副次切れ刃（５）が形成され、副次切れ刃（５）の螺旋前角γ_１が１４°〜１６°であり、切り屑排出溝の幅ｃが刃具の第１ステップの直径ｄの０．６〜０．８倍であり、縦切り屑切断刃（４）のマージン幅ａと副次切れ刃（５）のマージン幅ｂはともに１〜１．５ｍｍであり、かつ、縦切り屑切断刃（４）のマージン幅ａは副次切れ刃（５）のマージン幅ｂよりも大きく、
   ステップ縦刃領域（Ｄ）はダブルステップマイナスステップ角構造を採用し、前記第２ステップの主要切れ刃（１０）と刃具軸線（７）とのなす角ｎ_３が９０°よりも大きく、副次切れ刃（５）ごとに縦切り屑切断刃（４）がドレッサされ、縦切り屑切断刃（４）の軸方向の長さｅが少なくとも刃具の歯当たり送り量の２倍であり、縦切り屑切断刃（４）の螺旋前角γ_２が１３°〜１５°であり、
   マイクロ歯切削領域（Ｅ）はステップ縦刃領域（Ｄ）と主要切れ刃領域（Ａ）との間に位置し、ドリル切れ刃に分布する若干のマイクロ歯（３）と歯溝（２）からなり、マイクロ歯（３）と歯溝（２）はドリル軸線周りに螺旋状に分布し、マイクロ歯螺旋角βは６０°よりも大きい鋭角であり、マイクロ歯（３）の上歯辺（１１）を歯切れ刃とするとともに、上歯辺（１１）を研いでポジティブすくい角を形成し、マイクロ歯（３）の歯溝幅Ｗ_ｇは加工された繊維強化材の２層プリプレグの厚さ以上で、少なくとも０．３ｍｍであり、マイクロ歯（３）の歯幅Ｗ_ｔは少なくとも０．５ｍｍであり、歯溝（２）の深さＤ_ｔは少なくとも０．８ｍｍであり、且つ、歯溝の深さＤ_ｔの２倍とドリルコアの厚さとの和はこの位置の刃具の直径ｄよりも小さく、ドリルコアの剛性に影響を与えずにマイクロ歯（３）によるせん断加工の目的を満たすことが期待されていることを特徴とする縦刃ダブルステップマイクロ歯刃具。