JP3847192B2

JP3847192B2 - ドリルおよびその製造方法

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Publication number: JP3847192B2
Application number: JP2002081866A
Authority: JP
Inventors: 大輔柴田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: JP2003275914A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋼やプリント基板等の被削材に孔開け加工するためのドリルとその製造方法に関し、特に優れた耐折損性および耐摩耗性を兼ね備えたドリルとその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、配線回路基板の回路パターンを形成する方法の１つとして基板の所定位置にドリルを用いて孔開け加工する方法が用いられている。近年、回路基板の高集積化につれてドリル加工に対しても加工数の増加および高速化、加工径の小径化が要求されている。
【０００３】
しかしながら、ドリルで高速加工を行うとドリルの回転数が上がり外周刃の摩耗が顕著になり、また芯部では外周部ほど速度が上がらず、スラスト荷重によって圧壊や折損を生じるという問題があった。また、ドリル径が小径化すると耐折損性はますます低下することが知られている。
【０００４】
そこで、特開昭５９−１７５９１２号公報では、中心部を靭性の高い超硬合金とし、その外周に中心部とは異質の高硬度超硬合金を配設したドリル構成とすることにより、耐摩耗性および耐折損性に優れたドリルとなることが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開昭５９−１７５９１２号公報の構成では、特にドリル径が小径化した場合、ドリルのシャンク部分で折損が発生しやすくなり耐折損性が不十分であるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的は、ドリル加工の高速化、小径化によっても高い耐摩耗性および耐折損性を兼ね備えたドリルを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題に対し、小径高速穴あけ加工に用いても優れた耐欠損性を発揮し、長期にわたって使用が可能なドリルを開発すべく研究を行った結果、長尺状の異なる特性を発揮する材料の複合構造体を複数本収束して構成されるドリル材料を用いることによって、ドリルの耐摩耗性および耐折損性をさらに高めることができることを知見し本発明に至った。
【０００８】
すなわち、本発明のドリルは、長尺状の芯材の外周を異なる組成からなる表皮部材にて被覆してなる単芯構造体を複数本収束した略円柱状の複合構造体からなり、その先端と周面に切刃を形成したこと特徴とする。
【０００９】
上記ドリルでは、前記単芯構造体が長尺方向に複数本でねじれて収束されていることが望ましい。
【００１０】
また、上記ドリルでは、前記芯材の硬度が前記表皮部材の硬度よりも高いこと、前記表皮部材の靭性が前記芯材の靭性よりも高いことが望ましい。
【００１１】
さらに、本発明のドリルの製造方法は、（ａ）芯材となる原料粉末と有機バインダからなる混合物を混合し長尺状に成形して芯材用成形体を作製する工程と、（ｂ）前記（ａ）工程の成形体とは異なる組成からなる表皮部材用成形体を成形して前記（ａ）工程の芯材用成形体の外周を被覆するように配して共押出成形により伸延し、単芯成形体を作製する工程と、（ｃ）前記単芯成形体を複数本収束して再度共押出成形し、複合成形体を作製する工程と、（ｄ）前記（ｃ）前記複合成形体を焼成する工程と、（ｅ）前記（ｄ）工程で得られた複合構造体の先端および周面に切れ刃部を形成する工程と、を具備することを特徴とするものである。
【００１２】
上記ドリルの製造方法では、前記（ａ）工程および（ｂ）工程の有機バインダを３０〜７０体積％添加することが望ましい。
【００１３】
上記ドリルの製造方法では、前記（ｄ）工程において、複数本収束させた複合構造体をねじりながら押し出すか、あるいは押出した成形体の端部を回転させることによって物理的にねじることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のドリルについてその好適例であるツイストドリルの一例についての概略側面図である図１を基に説明する。
【００１５】
図１によれば、ツイストドリル（以下、単にドリルと略す。）１は、全体が略円柱状をなし、その先端および周面にチゼル形状の切れ刃部２を形成した形状からなり、ドリル１のａ−ａ面の断面図の要部拡大図である図２（ｂ）に示すように芯材４の外周を表皮部材５にて被覆した単芯構造体６が複数本収束された構造からなる。
【００１６】
ドリル１の切削性能を主として担う芯材４に高硬度材料を用いることによって耐摩耗性を高めることができるとともに、ドリル１の耐欠損性を高めるために高靭性材料の表皮部材５で被覆した単芯成形体を複数本収束させることにより３次元でネットワーク構造になった表皮部材５によりドリル１全体としての耐折損性を飛躍的に高めることができる。
【００１７】
ドリル１を構成する単芯構造体６は、図１に示すように、長尺方向に複数本ねじれた状態で収束されていることが望ましい。また、この場合には、ドリル１の中心部は単芯構造体６がほとんど位置を変えることなく単独でねじられており、外周部は近接する単芯構造体６とともに大幅に位置を変えるようにねじられた構造となる。
【００１８】
なお、図１に示すように、単芯構造体６のねじり方向とドリル１の切れ刃部２のねじれ方向とを同じとすると、耐摩耗性を発揮する芯材４の断面が切れ刃部２に対して垂直に近い角度で配列するために、芯材４の切れ刃２表面に占める割合が高くなりドリル１の耐摩耗性が向上する。
【００１９】
逆に、図３に示すように、単芯構造体６のねじり方向とドリル１の切れ刃部２のねじれ方向とが逆方向になるように配置すると、隣接する単芯構造体６間に残留した応力が切削時のトルク抵抗に対して効果的に働き、ねじれによる折損に対する性能が向上する。ドリル１の穴あけ性能のバランスを考慮すると、単芯構造体６のねじり方向とドリル１の切れ刃部２のねじれ方向とが逆方向になって直交する図３のような配置とすることが望ましい。
【００２０】
また、芯材４−表皮部材５の材質としては、ハイス鋼などの金属、超硬合金、サーメット、セラミック、ＣＢＮ等が挙げられ、中でも、ドリル１の耐摩耗性および耐折損性、耐欠損性、コスト等を勘案すると、芯材４−表皮部材５の組み合わせとしては超微粒子超硬合金−超硬合金、セラミック−超硬合金などが望ましい。
【００２１】
なお、上記芯材４と表皮部材５の材質の選択により熱膨張係数の差から各複合構造体間に残留応力を生じさせることが可能であり、ドリル１の耐折損性を向上させることができる。さらには超硬合金、金属のような熱伝導に優れる材質を表皮部材５に用いることにより加工時に発生した熱を効率的に逃がすことができる。
【００２２】
さらに、ドリル１の耐摩耗性および耐折損性を向上させるためには、芯材４の硬度が表皮部材５の硬度よりも高い材質からなり、かつ表皮部材５の靭性が芯材４の靭性よりも高い材質からなることが望ましい。
【００２３】
また、図２（ａ）のドリル１のａ−ａ断面で見たときに、芯材４は単芯構造体６の平均直径（単芯構造体６が多角形を呈している場合には対角辺長さの平均、以下平均直径と略す。）に対して６０〜９０％、特に７０〜８５％を占める円柱形あるいは多角柱であることことが応力集中を防止する点で望ましいが、星形や花びら形、波形等の突起を有する形状であってもよい。
【００２４】
なお、当然のことながら表皮部材５については隣接する単芯構造体６の芯材４の隙間を埋めるように配設されており、芯材４の平均直径に対して１０〜４０％、特に１５〜３０％を占めることが望ましい。さらにドリル１の外周刃外径に対して単芯構造体の直径あるいは対角辺長は１〜１０％、好ましくは２〜５％であることが望ましい。
【００２５】
他方、たとえば一般的な外周刃外径１．０ｍｍ、切れ刃長さ９．０ｍｍのプリント基板用ドリルにおいて単芯構造構造体は、ドリル１の横断面で見たときに平均直径１０〜１００μｍ、特に２０〜５０μｍからなることがドリル全体における強度と硬度を保持させる点で望ましい。
【００２６】
さらに、本発明によれば、切れ刃部２の耐摩耗性をさらに高めるために、単芯構造体６を複数本収束した複合構造体７の外周の少なくとも一部に、さらに硬質被覆膜を少なくとも１層形成することもできる。
【００２７】
（製造方法）
次に、本発明の複合構造体を製造する方法について、図４の模式図をもとに説明する。
【００２８】
まず、芯材４用の原料として平均粒径０．０１〜１０μｍの超硬合金やサーメットを構成する周期律表４ａ、５ａ、６ａ族金属の炭化物、窒化物、炭窒化物の少なくとも１種の粉末、またはダイヤモンド粉末、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）粉末、ｃＢＮ粉末、Ｂ₄Ｃ粉末、Ａｌ₂Ｏ₃粉末、ＺｒＯ₂粉末、Ｓｉ₃Ｎ₄粉末およびＳｉＣ粉末等のセラミックス粉末を総量で７０〜９９重量％、特に７５〜９０重量％と、平均粒径０．０１〜１０μｍの鉄族金属粉末を５〜３０重量％、特に１０〜２５重量％と、焼結助剤成分粉末１〜３０重量％、特に１０〜２５重量％との割合で混合し、これにパラフィンワックス、ポリスチレン、ポリエチレン、エチレン‐エチルアクリレート、エチレン‐ビニルアセテート、ポリブチルメタクリレート、ポリエチレングリコールおよびジブチルフタレート等の有機バインダ、可塑剤および溶剤を添加して混錬し、プレス成形または鋳込み成形等の成形法により円柱形状に成形して芯材用成形体８を作製する。（図４（ａ）参照）
ここで、後述する共押出成形によって均質な複合成形体を得るためには、前記有機バインダの添加量を３０〜７０体積％、特に４０〜６０体積％とすることが望ましい。
【００２９】
一方、芯材用成形体８とは違う組成からなり表皮部材５をなす混合材料を前述したバインダとともに混錬してプレス成形、押出成形または鋳込み成形等の成形方法により半割円筒形状の２本の表皮部材用成形体９を作製し、この表皮部材用成形体９を芯材用成形体８の外周を覆うように配置した成形体１０を作製する。（図４（ａ）参照）
そして、上記成形体１０を押出成形して芯材用成形体８と表皮部材用成形体９を共押出成形することにより芯材用成形体８の周囲に表皮部材用成形体９が被覆され、細い径に伸延された単芯成形体１１を作製する（図４（ｂ）参照）。
【００３０】
次に、上記共押出しした長尺状の単芯成形体１１を複数本収束して再度共押出成形することにより、単芯成形体１１が複数本収束された複合成形体１２を作製する（図４（ｃ）参照）。
【００３１】
さらに、本発明によれば、上記伸延された長尺状の複合成形体１２を所望により再度共押出成形して、複合構造体１２をさらに細く増加させることも可能である。
【００３２】
また、複合成形体１２をねじれ構造にするには図４（ｃ）に用いる共押出用の口金にねじり溝を設けることによるねじり押出しにより得ることが可能であり、あるいはストレートに押し出された複合成形体１２に可塑性をもたせた状態で物理的に一端あるいは両端を固定して回転させることによってねじることも可能である（図４（ｄ）参照）。
【００３３】
そして、上記複合成形体１２を３００〜７００℃で１０〜２００時間昇温または保持する脱バインダ処理した後、さらに所定の条件にて焼成を行う。焼成については通常の無加圧焼成であってもよいが、ホットプレスやＨＩＰ焼成を用いてもよい。
【００３４】
そして、上記工程にて得られた焼結体に対し、所望により外周研磨を施すとともに、上記複合成形体１２の先端および周面をフルート形状に研削して切れ刃部を形成することにより（図４（ｅ）参照）本発明のドリルを作製することができる。
【００３５】
【実施例】
（実施例）
原料粉末として、ＷＣ粉末（平均粒径０．５μｍ）、Ｃｏ粉末（平均粒径１．３μｍ）、ＶＣ粉末（平均粒径１．５μｍ）、Ｃｒ₃Ｃ₂粉末（平均粒径２．５μｍ）を用意し、これら原料粉末を表１に示す配合組成に配合し、湿式ボールミルで７２時間混合した。さらに、所定量の有機バインダとして、ポリビニルアルコール、セルロース、ポリエチレングリコールを用い、潤滑剤、分散剤を上記混合粉末に対して５０体積％添加して混練機で混練して表１に示す２種の混練物を作製した。
【００３６】
【表１】

【００３７】
次に、図４に示した方法により芯材用成形体の外周に表皮部材用成形体を配して共押出成形し単芯成形体を作製し、さらにこの単芯成形体を２５０本束ねて再度共押出成形し、複合成形体（サンプル１）を得た。
【００３８】
また、サンプル１の成形に際して、押し出された複合成形体の一端を固定して回転させることによって、後述する長尺方向に対して切れ刃のねじれ方向と同方向にねじれた複合成形体サンプル２および逆方向にねじれた複合成形体サンプル３も作製した。
【００３９】
上記複合成形体を５００℃で５０時間脱バインダ処理を行った後、真空中、１４００℃で１時間焼成し、引き続いてＡｒ雰囲気中、温度：１３４０℃、圧力：１００ＭＰａ、保持時間：１時間の条件でＨＩＰ処理を施して、直径が１．０ｍｍ、全長３８．１ｍｍの円柱形状の複合構造体を作製した。
【００４０】
さらに、上記複合構造体の先端にフルート加工を施してチゼル部の長さ９．０ｍｍの切れ刃部（フルート部）を有するドリルを作製した。
【００４１】
得られたドリルを用いて、厚さ０．２ｍｍのガラス基板と厚さ０．２ｍｍのエポキシ樹脂基板とを交互に４層ずつ積層した擬似プリント基板に対し、下記の条件で孔あけ加工を行い、ドリルが折損するまでに加工できた加工数および基板上面の穴位置に対する基板下面の穴位置のずれを穴位置精度として竹内製作所製ピクセルを用いて測定した。結果は表２に示した。
【００４２】
加工条件
回転速度：１００×１０３ｒｐｍ
送り：３．５ｍ／分
（比較例１）
実施例の押出成形において、長さ方向に均一な形状の単芯構造体を作製し、実施例と同様に脱バインダ処理および焼成を行い、同様にドリルを作製した。なお、ドリルの外観形状は実施例と同じとした。実施例と同様に孔あけ加工を行ったところ、表２に示すように加工数４５００個を加工した時点でドリルのチャック部から折損が発生した。
【００４３】
（比較例２）
実施例の芯材の組成に有機バインダを加えた後、金型成形を行って均一な組成からなる成形体を作製する以外は実施例と全く同様にドリルを作製した。なお、ドリルの外観形状は実施例と同じとした。実施例と同様に孔あけ加工を行ったところ、表２に示すように加工数２０００個を加工した時点でドリルのチャック部から折損が発生した。
【００４４】
【表２】

【００４５】
表２の結果から明らかなように、芯材と表皮部材とからなる単芯構造体を複数本収束した試料Ｎｏ．１〜３では、実使用上十分な加工数６０００個まで折損することなく良好な加工ができた。特に、サンプル３については１００００個以上の加工が可能であった。さらに、サンプル２は穴位置精度が最も優れていた。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述したとおり、本発明のドリルによれば、ドリルの耐摩耗性を担う芯材を耐折損性に優れた表皮部材で被覆した単芯構造体を複数本収束させた構造を有することにより、ドリルの耐摩耗性および耐折損性をさらに高めることができる。
【００４７】
さらに、単芯成形体を複数本長手方向にねじった状態とすることによりドリルの耐摩耗性または耐折損性を高めることができる。
【００４８】
また、本発明の製造方法を用いることで、異種材料を幾何学的に組み合わせた複合構造体を容易に作製することができる。また、本発明のドリルを効率的にねじることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のドリルのツイストドリルの概略側面図である。
【図２】図１のツイストドリルのａ−ａ断面を示す断面図である。
【図３】本発明のドリルについての好適例であるのツイストドリルの概略側面図である。
【図４】本発明のドリルの製造方法を説明するための工程図である。
【符号の説明】
１ツイストドリル
２切れ刃部
４芯材
５表皮部材
６単芯構造体
７複合構造体
８芯材用成形体
９表皮材用成形体
１０成形体
１１単芯成形体
１２複合成形体

Claims

長尺状の芯材の外周を異なる組成からなる表皮部材にて被覆してなる単芯構造体を複数本収束した略円柱状の複合構造体からなり、該複合構造体の先端と周面に切れ刃部を形成してなることを特徴とするドリル。
前記単芯構造体が長尺方向に複数本ねじれた状態で収束されていることを特徴とする請求項１記載のドリル。
前記単芯構造体のねじり方向と前記ドリルの切れ刃部のねじれ方向とが同じであることを特徴とする請求項２記載のドリル。
前記単芯構造体のねじり方向と前記ドリルの切れ刃部のねじれ方向とが逆方向であることを特徴とする請求項２記載のドリル。
前記複合構造体の芯材の硬度が前記表皮部材の硬度よりも高いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載のドリル。
前記複合構造体の表皮部材の靭性が前記芯材の靭性よりも高いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載のドリル。
（ａ）芯材となる原料粉末と有機バインダからなる混合物を混合し長尺状に成形して芯材用成形体を作製する工程と、（ｂ）前記（ａ）工程の成形体とは異なる組成からなる表皮部材用成形体を成形して前記（ａ）工程の芯材用成形体の外周を被覆するように配して共押出成形により伸延し、単芯成形体を作製する工程と、（ｃ）前記単芯成形体を複数本収束して再度共押出成形し、複合成形体を作製する工程と、（ｄ）前記複合成形体を焼成する工程と、（ｅ）前記（ｄ）工程で得られた複合構造体の先端および周面に切れ刃部を形成する工程と、を具備することを特徴とするドリルの製造方法。
前記（ａ）工程および（ｂ）工程の有機バインダを３０〜７０体積％添加することを特徴とする請求項７記載のドリルの製造方法。
前記共押出工程（ｃ）において、ねじれ溝を有する口金を用いてねじりながら前記複合成形体を押し出すことを特徴とする請求項７または８記載のドリルの製造方法。
前記共押出工程（ｃ）において前記複合成形体を作成した後、該複合成形体の端部を回転させることによって物理的にねじることを特徴とする請求項７または８記載のドリルの製造方法。