JP2023180363A - ドリル本体およびドリル本体の製造方法 - Google Patents

ドリル本体およびドリル本体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】先端部の剛性を確保しつつ、切削液を切削領域へ適切に供給できる流通孔を備えるドリル本体を提供する。【解決手段】ドリル本体は、基端部から先端部へ向かって棒状に伸延する本体部と、本体部の中心軸周りに設けられた、切屑を排出するための排出溝と、本体部のうち排出溝の溝間肉部の内部を少なくとも一部が通過するように設けられた、基端部側から先端部側へ流体を流通させるための流体孔と、先端部に設けられた、着脱可能な切れ刃部材を装着するための装着部とを備えるドリル本体であって、装着部は、先端部の端面から本体部の中心軸に沿って設けられた凹部を有し、流体孔の孔断面は、基端部から先端部へ向かう流体孔の経路の途中で円形状から本体部の軸断面における径方向よりも円周方向に長い非円形状へ変化し、凹部の側方を通過する部分では非円形状である。【選択図】図5

Description

本発明は、ドリル本体およびドリル本体の製造方法に関する。
切削液をドリル本体の内部に設けた流通孔を介して切削領域へ供給する技術が知られている。そのようなドリルにおいて、ドリルの剛性を確保するために、切屑排出溝の形状に応じて流通孔の断面形状を扇状にする工夫なども知られるようになってきている(例えば、特許文献1参照)。
特許5926877号公報
ドリル本体の先端部に着脱可能な切れ刃部材を装着して利用するドリルが存在する。先端部に切れ刃部材を装着する場合、切削領域はドリル本体の先端部よりも更に先に存在することになる。したがって、ドリル本体の内部に切削液の流通孔を設ける場合には、切削液を切削領域へ適切に供給することが難しかった。特に、ドリル本体の先端部には、切れ刃部材を装着するための装着部が設けられており、そのような装着部が設けられていても先端部の剛性を確保する必要もある。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、先端部の剛性を確保しつつ、切削液を切削領域へ適切に供給できる流通孔を備えるドリル本体、およびその製造方法を提供するものである。
本発明の第1の態様におけるドリル本体は、基端部から先端部へ向かって棒状に伸延する本体部と、本体部の中心軸周りに設けられた、切屑を排出するための排出溝と、本体部のうち排出溝の溝間肉部の内部を少なくとも一部が通過するように設けられた、基端部側から先端部側へ流体を流通させるための流体孔と、先端部に設けられた、着脱可能な切れ刃部材を装着するための装着部とを備えるドリル本体であって、装着部は、先端部の端面から本体部の中心軸に沿って設けられた凹部を有し、流体孔の孔断面は、基端部から先端部へ向かう流体孔の経路の途中で円形状から本体部の軸断面における径方向よりも円周方向に長い非円形状へ変化し、凹部の側方を通過する部分では非円形状である。
また、本発明の第2の態様におけるドリル本体の製造方法は、基端部から先端部へ向かって棒状に伸延する本体部と、本体部の中心軸周りに設けられた、切屑を排出するための排出溝と、本体部のうち排出溝の溝間肉部の内部を少なくとも一部が通過するように設けられた、基端部側から先端部側へ流体を流通させるための流体孔と、先端部に設けられた、着脱可能な切れ刃部材を装着するための装着部とを備えるドリル本体の製造方法であって、装着部は、先端部の端面から本体部の中心軸に沿って設けられた凹部を有し、流体孔の孔断面は、基端部から先端部へ向かう流体孔の経路の途中で円形状から本体部の軸断面における径方向よりも円周方向に長い非円形状へ変化し、凹部の側方を通過する部分では非円形状となるように、中心軸に沿って鋼素材を積層し固化して成形する。
本発明により、先端部の剛性を確保しつつ、切削液を切削領域へ適切に供給できる流通孔を備えるドリル本体、およびその製造方法を提供することができる。
本実施形態に係るドリルの全体斜視図である。 切れ刃部材をドリル本体へ装着する様子を示す斜視図である。 ドリル本体内に形成された流体孔の構造を示す図である。 ドリルの側面図である。 中心軸に直交する断面による断面図である。 先端部近傍の拡大斜視図である。 別実施例に係る先端部の拡大斜視図である。 3Dプリンタによってドリル本体を製造する様子を模式的に示す図である。
添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。また、各図において、同一又は同様の構成を有する構造物が複数存在する場合には、煩雑となることを回避するため、一部に符号を付し、他に同一符号を付すことを省く場合がある。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。
図1は、本実施形態に係るドリル10の全体斜視図である。ドリル10は、ドリル本体100の先端に着脱可能な切れ刃部材200が装着されて構成される切れ刃交換式ドリルである。例えば、ワークを切削する切れ刃部材200は超硬合金で形成され、ドリル本体は超硬でない鋼によって形成されている。このように、摩耗や損傷が生じやすい切れ刃部材200を交換式にすることにより、刃先に要求される硬度とドリル全体の運用コストを両立させることができる。
ドリル本体100は、排出溝113が螺旋状に設けられた本体部110と、ボール盤等の工作機械に固定される柄の部分であるシャンク部150とが、直線状に連続して構成されている。なお、本実施形態においては、ドリル10が工作機械に固定された場合に、固定側を基端側と称し、ワークと対向する側を先端側と称する。
本体部110は、シャンク部150と連続する基端部111から、切れ刃部材200が装着される先端部112へ向かって棒状に伸延する。本実施形態に係る本体部110は、シャンク部150と接続する基端部111が鍔状に拡径されているが、基端部111から先端部112まで同一径の円柱形状であってもよい。
排出溝113は、本体部110の中心軸周りに螺旋状に設けられた、ワークの切屑を排出するための溝であり、本実施形態においては2本の排出溝113が配列されている。ワークから切り出された切屑は、例えば、排出溝113に沿って本体部110を上昇し、鍔状にせり出した基端部111によってドリル10の外周方向へ排出される。すなわち、鍔状にせり出した基端部111は、切屑がシャンク部150を支持する工作機械側に衝突したり付着したりすることを防ぐ役割を担う。これにより、例えばシャンク部150の固定時に切屑を噛み込んでしまうことを防いでドリル10の取り付け精度を向上させ、ひいてはワークの加工精度を向上させることが期待できる。
ドリル本体100の内部には、詳細については後述するが、シャンク部150の基端側から供給される切削液を流通させ、本体部110の先端部112に設けられた吐出口131、141から吐出させる流通孔が形成されている。切削液は、切削領域で発生する熱を除去したり、刃先とワークの摩擦力を低減したりするために供給されるクーラントと称される媒体である。本実施形態においては、水と油を混合したエマルジョンや切削油などの液体の利用を想定するが、クーラントの代わりに圧縮空気などの気体を用いることもできる。
図2は、切れ刃部材200をドリル本体100へ装着する様子を示す斜視図である。ドリル本体100は、切れ刃部材200を装着するための装着部である装着凹部120を先端部112に備えている。具体的には、装着凹部120は、先端部112の端面から本体部110の中心軸Pに沿って設けられた凹形状を成す。本実施形態においては、排出溝113が先端部112から設けられているので、凹形状の外周部は、実質的には排出溝113と重ならない部分が先端側へ突出する形状となっている。具体的には後述するが、吐出口131、141は、この突出形状部分に設けられている。
切れ刃部材200は、ドリル本体100の装着凹部120へ装着するための装着部である装着凸部210を備えている。具体的には、装着凸部210は、装着凹部120に嵌入可能な略円筒状を成す。また、切れ刃部材200は、装着凸部210とは反対側のワークと対向する側に放射状に設けられた複数の切れ刃220を備える。作業者は、吐出口131、141と切れ刃220の位相を確認しつつ、装着凸部210を装着凹部120へ嵌入させることにより、切れ刃部材200をドリル本体100へ固定することができる。
図3は、ドリル本体100内に形成された流体孔の構造を示す図である。本実施形態においては2本の排出溝113が設けられており、流体孔もこれに合わせて第1流体孔130と第2流体孔140の2本が設けられている。図3は、ドリル本体100のおよその外形を点線で示し、その内部に設けられた第1流体孔130と第2流体孔140の配置がわかるように透視図として表すと共に、それぞれの流体孔の形状がわかるように抜き出し、互いに分離して表している。
第1流体孔130は、供給口132から供給された切削液を吐出口131まで導く。第1流体孔130は、シャンク部150の内部に位置する部分においては中心軸Pと平行な直進部133を、本体部110の内部に位置する大半の部分においては排出溝113と平行な螺旋部134を、本体部110のうち先端部112の内部に位置する部分においては屈曲部135を有する。吐出口131は、屈曲部135の直後に設けられている。
第2流体孔140は、供給口142から供給された切削液を吐出口141まで導く。第2流体孔140は、シャンク部150の内部に位置する部分においては中心軸Pと平行な直進部143を、本体部110の内部に位置する大半の部分においては排出溝113と平行な螺旋部144を、本体部110のうち先端部112の内部に位置する部分においては屈曲部145を有する。吐出口141は、屈曲部145の直後に設けられている。
したがって、直進部133と直進部143は互いに平行であり、螺旋部134と螺旋部144は中心軸P周りに互いにねじれた配置関係となる。また、屈曲部135と屈曲部145が互いに異なる方向へ屈曲されていることにより、切削液は、後述するように互いに異なる特定方向へ向けて吐出される。
図4は、ドリル10の側面図である。図示するように、本体部110のうち基端側と先端側の中間付近であって中心軸Pに直交するA-A断面と、装着凹部120を横断する先端付近であって中心軸Pに直交するC-C断面と、A-A断面とC-C断面の間であって中心軸Pに直交するB-B断面を定める。
図5は、中心軸Pに直交する各断面による断面図である。具体的には、図5(a)は図4に示すA-A断面を表し、図5(b)は図4に示すB-B断面を表し、図5(c)は図4に示すC-C断面を表す。
図5(a)に示すように、A-A断面においては、第1流体孔130の孔断面および第2流体孔140の孔断面は、いずれも円形状である。そして、図3を用いて説明したように、A-A断面が位置する本体部110の中間付近では、第1流体孔130と第2流体孔140は中心軸Pを中心として互いにねじれ関係にあるので、それぞれの孔断面は、互いに中心軸Pに対して点対称の位置に現れる。また、それぞれの孔断面は、本体部110の外形円に対し、2つの排出溝113に径方向に挟まれた中心軸部114の外周側であって、円周方向に対してはこれらの排出溝113の溝間にあたる溝間肉部115に位置する。溝間肉部115は、換言すれば、中心軸Pまわりに螺旋状に設けられた2つの排出溝113間の肉部であり、したがって2つの溝間肉部115もまた中心軸部114の周りに螺旋状に形成される。
第1流体孔130と第2流体孔140は、それぞれがこの溝間肉部115の内部を通過するように設けられている。なお、それぞれの孔断面の一部が中心軸部114に重なっても構わない。第1流体孔130と第2流体孔140のそれぞれをこのように設けることにより、孔断面の比較的大きな面積と本体部110の高剛性を両立させることができる。なお、本体部110に1つの排出溝113が螺旋状に設けられている場合にも、中心軸P方向に前後する溝間に同様の溝間肉部115が形成される。また、3つ以上の排出溝113が螺旋状に設けられている場合にも、中心軸P方向に隣り合う溝間に同様の溝間肉部115が形成される。流体孔は、それぞれの溝間肉部の構造やドリル10の仕様に応じてその数や大きさが決められればよい。
なお、第1流体孔130および第2流体孔140がそれぞれの流路方向に直交する断面が円形状となるように形成されていれば、厳密には中心軸Pの直交断面に対しては流路のねじれの影響を受けてその断面は若干楕円形状となる。しかし、ドリルにおける排出溝の一般的な螺旋角を考慮すると、そのような場合であっても孔断面の比較的大きな面積と本体部110の高剛性を両立させることができるので、実質的には孔断面が円形状であるとみなすことができる。
図5(b)に示すように、B-B断面においては、第1流体孔130の孔断面および第2流体孔140の孔断面は、円形状に近い非円形状である。より具体的には、A-A断面における円形状に対して、本体部110の外形円に対する径方向の長さが短くなった長円形状である。
図5(c)に示すように、C-C断面においては、第1流体孔130の孔断面および第2流体孔140の孔断面は、いずれも非円形状である。より具体的には、本体部110の外形円に対する円周方向に長い長円形状である。なお、C-C断面においては、中心軸部114に相当する領域に装着凹部120が形成されており、図においては、装着凸部210の断面が現れている。
図5(a)、図5(b)、図5(c)に示したように、第1流体孔130および第2流体孔140の孔断面は、本体部110において、基端部111から先端部112へ向かう経路の途中で円形状から本体部110の軸断面における径方向よりも円周方向に長い非円形状へ変化し、装着凹部120の側方を通過する部分では非円形状である。装着凹部120の側方を通過する部分で、孔断面を本体部110の軸断面における径方向よりも円周方向に長い非円形状とすれば、当該側方が先端側へ突出する形状であっても、高剛性を確保しつつ大きな孔断面を実現することができる。なお、本実施形態においては、非円形状として長円を採用したが、楕円や扇台形状、長方形などであっても構わない。
このように流体孔の断面形状を変化させることにより、ドリル本体の先端部に装着部を設けて切れ刃部材を装着する構成であっても、先端部を含めたドリル本体全体の剛性を確保しつつ、切削液をより切削領域付近まで供給することができる。なお、円形から非円形へ変化する位置は、本実施形態のように装着凹部120の側方を通過する位置よりも基端側であることが好ましいが、装着凹部120の側方に位置する場合であっても構わない。孔断面の大きさや装着凹部120の側方の肉厚などを考慮して円形から非円形へ変化する位置を決定すればよい。
また、非円形状である孔断面の断面積は、円形状である孔断面の断面積以下であることが好ましい。すなわち、図5(a)に示すように円形状である状態から、図5(c)に示すように非円形状の状態へ変化する移行段階(図5(b)に示す状態)で、孔断面の断面積が漸減することが好ましい。このような関係を満たせば、大量の切削液を供給できると共に、先端部近傍において絞り効果を得て吐出圧力を高めることができる。
なお、本実施形態における第1流体孔130および第2流体孔140は、シャンク部150の内部も通過する構成であるが、シャンク部150の内部を通過する部分(直進部133および直進部143)における孔断面は、円形状でなくても構わない。なお、その断面積は、図5(a)に示す円形状の断面積よりも大きいことが好ましい。
図6は、先端部112近傍の拡大斜視図である。より具体的には、切れ刃部材200を装着した状態の先端部112近傍であって、第1流体孔130の吐出口131から吐出される切削液の流れを説明する図である。吐出口131は、図3を用いて説明したように第1流体孔130が装着凹部120の側方で屈曲され、その直後に設けられている。
図示するように、本実施形態における吐出口131は、装着凹部120の2つの端面(第1端面120aおよび第2端面120b)を跨ぐように設けられている。吐出口131のうち第1端面120aに位置する開口部分から吐出された切削液は、主に、切れ刃部材200の切れ刃220のうち、主切れ刃221へ直接的に到達する。一方、吐出口131のうち第2端面120bに位置する開口部分から吐出された切削液は、主に、切れ刃部材200の切れ刃220のうち、シンニング切れ刃222へ直接的に到達する。このように、第1流体孔130が先端部112において屈曲されていることにより、切削液を切れ刃220へ直接的に供給することができる。
特に本実施形態においては、第1端面120aに位置する開口部分は、主切れ刃221の延在方向に沿う方向がこれに直交する方向よりも長い非円形状に形成されているので、少ない切削液でも主切れ刃221を効果的に冷却することができる。なお、本実施形態においては、切れ刃220が主切れ刃221とシンニング切れ刃222の2つの領域に亘って設けられていることに合わせて、吐出口131を第1端面120aと第2端面120bを跨ぐように設けたが、吐出口131の形状および配置については、切れ刃220の構成に合わせて決定すればよい。その場合、切れ刃の延在方向に沿う方向がこれに直交する方向よりも長い非円形状に形成されるとよい。
図6には表れていないが、第2流体孔140の吐出口141も、吐出口131と同様の開口形状を成し、吐出口131が対向する切れ刃220とは別の切れ刃220に対向してその主切れ刃221とシンニング切れ刃222へ直接的に切削液を供給する。換言すれば、切れ刃部材200がドリル本体100へ正しく装着されると、吐出口131および吐出口141は、それぞれが別々の切れ刃220と対向する位置関係となる。したがって、作業者は、吐出口131、141と切れ刃220の相対位置を確認しながら回転位相を合わせて装着凸部210を装着凹部120へ嵌入させれば、切れ刃部材200をドリル本体100へ正しく固定することができる。すなわち、流通孔が先端部で屈曲されて吐出口の向きが調整されていることは、切れ刃部材200が規定通りにドリル本体100へ装着されることに貢献する。
一方で、切れ刃部材200の構成やワークの材質等によっては、切削液を切れ刃220へ直接的に打ち当てるよりも、ワーク方向へ向ける方が良い場合もある。そのような場合に対応する別実施例を説明する。図7は、別実施例に係る先端部112’の拡大斜視図である。別実施例は、特に言及しない限りドリル10と同様の構成であるので、その説明を省略する。
装着される切れ刃部材200’の切れ刃構造は、上述の切り刃部材200の切れ刃構造とは異なり、図示するように、第1流体孔130’は、先端部112’において屈曲することなく、吐出口131’がワーク方向へ向くように設けられている。ただし、本体部110において、孔断面が基端部111から先端部112へ向かう経路の途中で円形状から本体部110の軸断面における径方向よりも円周方向に長い非円形状へ変化し、装着凹部120の側方を通過する部分で非円形状である構成は、ドリル本体100と同様である。図には表れない第2流体孔も同様の構成を有する。したがって、それぞれの吐出口から吐出される切削液は、ワーク表面へ打ち付けられるように到達する。このような吐出口を備えるドリル本体100であっても、装着凹部の側方部分の剛性を確保しつつ、大きな孔断面を実現することができる。
次に、ドリル本体100の製造方法の一例について説明する。ドリル本体100を超硬でない鋼によって形成する場合には、3Dプリンタを利用することができる。図8は、3Dプリンタによってドリル本体100を製造する様子を模式的に示す図である。金属素材を扱う3Dプリンタはいくつかの方式が知られているが、ここではFDM方式を例に説明する。
3Dプリンタ400は、図示するステージ410とヘッド420を含み、不図示の制御部によってヘッド420を制御してステージ410上にドリル本体100を形成する。ヘッド420は、白抜き矢印で示すように、ステージ410に対して平面方向および高さ方向に移動可能である。ヘッド420は、ステージ410の方向へ向けられたノズル421を備える。積層材としては、鋼粉末を含む熱可塑性樹脂材が用いられる。ヘッド420へ供給された積層材は、加熱、溶融され、ノズル421から吐出される。ノズル421から吐出される積層材の吐出位置および吐出量は、制御部によって制御される。
3Dプリンタ400は、ステージ410の面上から上方向へ、所定高さ分だけ吐出材を吐出して固化させ、これを繰り返すことにより積層してドリル本体100を成形する。その後、脱脂により樹脂材を除去し、焼結工程を経ることにより、ドリル本体100が完成する。
このような製造方法を採用すれば、上述のような第1流体孔130および第2流体孔140をドリル本体100の内部に比較的容易に形成することができる。なお、本実施形態においては、ドリル本体100が第1流体孔130と第2流体孔140の2本の流体孔を備える場合を説明したが、流体孔の数はこれに限らない。一本であってもよいし、3本以上であっても構わない。特に、3本以上の排出溝113を設ける場合には、その数に合わせて流体孔を設けてもよい。
また、以上説明した本実施形態においては、排出溝113が螺旋状である場合を説明したが、例えば直線的な排出溝を備えるドリル本体100であっても構わない。
10…ドリル、100…ドリル本体、110…本体部、111…基端部、112、112’…先端部、113…排出溝、114…中心軸部、115…溝間肉部、120…装着凹部、120a…第1端面、120b…第2端面、130、130’…第1流体孔、131、131’…吐出口、132…供給口、133…直進部、134…螺旋部、135…屈曲部、140…第2流体孔、141…吐出口、142…供給口、143…直進部、144…螺旋部、145…屈曲部、150…シャンク部、200、200’…切れ刃部材、210…装着凸部、220…切れ刃、221…主切れ刃、222…シンニング切れ刃

Claims (7)

  1. 基端部から先端部へ向かって棒状に伸延する本体部と、
    前記本体部の中心軸周りに設けられた、切屑を排出するための排出溝と、
    前記本体部のうち前記排出溝の溝間肉部の内部を少なくとも一部が通過するように設けられた、前記基端部側から前記先端部側へ流体を流通させるための流体孔と、
    前記先端部に設けられた、着脱可能な切れ刃部材を装着するための装着部と
    を備えるドリル本体であって、
    前記装着部は、前記先端部の端面から前記本体部の前記中心軸に沿って設けられた凹部を有し、
    前記流体孔の孔断面は、前記基端部から前記先端部へ向かう前記流体孔の経路の途中で円形状から前記本体部の軸断面における径方向よりも円周方向に長い非円形状へ変化し、前記凹部の側方を通過する部分では非円形状であるドリル本体。
  2. 前記非円形状である前記孔断面の断面積は、前記円形状である前記孔断面の断面積以下である請求項1に記載のドリル本体。
  3. 前記流体孔の前記先端部における吐出口は、前記装着部に装着された前記切れ刃部材の切れ刃に向けて設けられている請求項1または2に記載のドリル本体。
  4. 前記吐出口は、前記流体孔が屈曲されて設けられている請求項3に記載のドリル本体。
  5. 前記吐出口は、前記切れ刃に沿う第1方向が前記第1方向に直交する第2方向よりも長い非円形状である請求項4に記載のドリル本体。
  6. 前記本体部は、鋼素材で形成された請求項1または2に記載のドリル本体。
  7. 基端部から先端部へ向かって棒状に伸延する本体部と、
    前記本体部の中心軸周りに設けられた、切屑を排出するための排出溝と、
    前記本体部のうち前記排出溝の溝間肉部の内部を少なくとも一部が通過するように設けられた、前記基端部側から前記先端部側へ流体を流通させるための流体孔と、
    前記先端部に設けられた、着脱可能な切れ刃部材を装着するための装着部と
    を備えるドリル本体の製造方法であって、
    前記装着部は、前記先端部の端面から前記本体部の前記中心軸に沿って設けられた凹部を有し、
    前記流体孔の孔断面は、前記基端部から前記先端部へ向かう前記流体孔の経路の途中で円形状から前記本体部の軸断面における径方向よりも円周方向に長い非円形状へ変化し、前記凹部の側方を通過する部分では非円形状となるように、
    前記中心軸に沿って鋼素材を積層し固化して成形するドリル本体の製造方法。
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