JP4471407B2 - ドリル、穴開けする方法及び耐熱ドリル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、一般的には、ドリルに関し、より具体的には、例えば冷却材の逸失の場合に、過熱による損傷からドリルを保護する形状を有しているドリルに関する。
【０００２】
【従来技術の説明】
多くのドリル加工用途では、ドリル加工中にドリル加工する区域に液体冷却材を供給することにより重要な利点が得られる。例えば、ドリルの切れ刃に冷却材を送ると、ドリルと加工片との界面における摩擦及び温度が実質的に低減し、摩耗が減少してドリル寿命が長くなる。液体冷却材をドリルに供給することにより、チップ（屑）の除去も又、改善され、チップを除去するためにドリル加工サイクルを周期的に中断する必要がなくなることにより、生産性が向上する。
【０００３】
経費面の考慮点に加えて、液体冷却材を用いると、材料の欠け及び亀裂がなくなることにより、ドリル加工される孔の表面健全性（surface integrity）が優れたものになるという重要な利点がある。表面健全性は、例えば航空機産業のように、安全性に配慮する産業では特に重要となる可能性がある。なぜなら、孔の表面の小さな亀裂が部品内に伝播することがあるからである。従って、表面健全性の弱い孔は、周期的な応力にさらされる構造部品の疲労寿命を大幅に低下させるおそれがある。
【０００４】
液体冷却によって提供される利点と相応して、冷却材の流れが期せずして中断した場合に生じる不利益が存在する。この不利益は、ドリル加工作業中に時として生ずる。ドリルの切削区域において冷却材の流れが中断すると、２つの直接の影響が出る。即ち、切削区域からの熱除去の速度が大幅に低下すること、及びドリルと加工片との間の接触区域の潤滑性が失われることである。冷却材の流れが中断することによる他の派生的な影響には、ドリル及び加工片の温度が上昇すること、ドリルの摩耗及び損傷が加速すること、ドリルの破損が生じること、及び孔の表面健全性が損なわれることがある。冷却材の逸失は、ドリル加工される部分が周期的な応力にさらされる構造部品である場合には、表面健全性に乏しいことにより安全上の理由で部品を破棄することが要求されるかもしれないので、経費が非常に高くつく可能性がある。
【０００５】
従って、冷却材の逸失の際の損傷に耐えるドリルを得、ドリル及び加工片の温度を低くした状態で切削を行って、優れた表面健全性を有している孔を形成することが望ましい。
要 約
本発明の実施例によるドリルは、ドリルを駆動するシャンクと、シャンクに連結されており、表面を有しているボディと、ボディに設けられている溝（flute）と、ドリル先端に設けられている切れ刃と、ボディの表面からドリルの外円周まで外向きに延びており、ドリル軸に垂直なドリルの断面について、溝のエッジにおける外周点において外円周に交差している外周逃げ表面（peripheral relief surface）とを備えている。このドリルは、ドリル又は加工片を深刻に過熱することなく、ドリル及び加工片に殆ど損傷を与えずに、ドリル加工中の冷却材の逸失に耐える改善された性能を有している。
【０００６】
本発明の他の特徴及び利点は、図面と共に以下の詳細な記載を読解することにより、より容易に理解されよう。
【０００７】
【好ましい実施例の詳しい説明】
図１は、本発明の一実施例によるドリルを示している。ドリル１００は、ドリル１００を駆動する回転装置によって把握されるシャンク１１０と、ドリル加工を行うボディ１２０とを含んでいる。ボディ１２０は、チップの除去を可能にすると共にドリルの切れ刃に冷却材を流すことのできる溝１３０を含んでいる。ドリル１００は、任意の所望の数の溝を含んでいてもよく、例えば、２つ、３つ又は４つの溝を含んでいてもよい。これらの溝は、ボディ１２０内に設けられた螺旋状の溝の形態を有している。
【０００８】
ボディ１２０は、隣接する溝と溝との間のドリル・ボディの部分であるランド１４０として従来公知の部分を含んでいる。ランド１４０は、全体的に円筒形である内側部分１４４を含んでいてもよい。各々のランド１４０のエッジにおいて、外周逃げ表面１５０が内側部分１４４から延びている。外周逃げ表面１５０の形状については後述する。ドリルの一方の端部は、少なくとも１つのドリル切れ刃又はリップ１６０を含んでいる。切れ刃１６０は、図２でより明瞭にわかるように、概略でドリルの点１８０からドリルの外周まで延びている。
【０００９】
ドリルは典型的には、フラッド（flood）冷却により、即ち、ドリル加工中に孔の上のドリルの所に液体冷却材の流れを注入することにより、液体冷却される。例えば、ドリル１００を、その先端１８０を下向きにした状態で、ドリルが当たると同時に液体冷却材が孔に流れ落ちるように垂直に整列させることができる。当業者は、例えば、冷却材供給式ドリル（coolant fed drill）のように、液体冷却材を供給する他の方法も又、本発明の実施例と共に実現され得ることが理解されよう。
【００１０】
図２は、ドリル１００をその先端１８０から示している。ドリル１００は、３対の平面状面と、一対の溝１３０とを含んでいる。第１の平面状面１７０（従来は「フランク面」又は「第１クリアランス面」と呼ばれている）の対が、ドリル１００の中心で点１８０において突合している。第１の平面状面１７０の一方の側には、２つのドリル切れ刃１６０及び１６２が設けられている。図２に示す２つの切れ刃１６０及び１６２は、従来のスプリット・ポイント（split-point）・ドリルとして形成されている。第２の平面状面１９０（従来は「第２クリアランス面」と呼ばれている）の対が、第１の平面状面１７０の対に隣接して設けられており、エッジ１９２の所で平面状面１７０と突合している。第３の平面状面２００（従来は「ガッシュ」（gash）と呼ばれている）の対が、第２の平面状面１９０の対に隣接して設けられており、エッジ２０２の所で平面状面１９０と突合している。第３の平面状面２００の対は又、エッジ２０４の所で溝１３０の対と交差している。
【００１１】
第１の平面状面１７０の逃げ角（平面状面とドリル回転軸に垂直な平面との間の角度）は典型的には、第２の平面状面１９０の逃げ角よりも小さく、第２の平面状面１９０の逃げ角は典型的には、第３の平面状面２００の逃げ角よりも小さい。先端角（ドリル軸に平行で且つ切れ刃１６０に平行な平面上に投影された切れ刃１６０同士の間に挟まれた角度として定義される）は、１８０°よりも小さく、例えば、約１００°と１４５°との間にあり、典型的には、約１１８°又は１３５°である。典型的にはスプリット・ポイントが用いられるが、シングル・アングル・ポイント（single-angle point）、ダブル・アングル・ポイント（double-angle point）、すくい角縮小型ポイント（reduced rake point）、ヘリカル・ポイント（helical point）、マルチ・ファセット・ポイント（multi-facet point）及びラウンディッド・エッジ・ポイント（rounded edge point）等のその他の形式のドリル先端を本発明の実施例に用いることができる。これらの形式のドリル先端は、例えば、「Tool and Manufacturing Engineer's Handbook」、第１巻、第９章、Society of Manufacturing Engineers（Thomas J. Drozda及びCharles Wick編、第４版、１９８３年）に記載されている。
【００１２】
本発明の実施例は、液体冷却材の逸失の場合に重要な利点を提供する外周逃げ表面１５０を含んでいる。外周逃げ表面１５０は、ランド１４０の内側部分１４４から外向きに延びており、溝１３０のエッジ１３２と交差して、螺旋状の線に沿って外円周１５２を画定している。図２に示すように、外円周１５２は、ランドの内側部分１４４の半径よりも大きな半径を有している。このように、内側部分１４４の半径がより小さいので、ランド１４０の内側部分１４４とドリル加工される孔との間にクリアランス１４２が設けられている。一実施例によれば、各々の外周逃げ表面１５０に対応している外円周１５２の円弧の長さは、約０．０１０インチと約０．０２０インチとの間にあり、ドリルの直径は、約０．３２３インチである。従って、各々の外周逃げ表面は、ドリルの円周の約３．５°と約７°との間に対応する幅を有している。
【００１３】
図２に示すように、外周逃げ表面１５０は、ランド１４０の内側部分１４４から外向きに延びており、溝のエッジの所の外周点１５４において外円周１５２と突合している。外周逃げ表面１５０は、外円周１５２に対する接線と、外周逃げ表面１５０との間に逃げ角１５６を設ける。逃げ角１５６は、例えば、約３°と約１２°との間にあればよく、典型的には、約８°である。従って、外周逃げ表面１５０は、外円周１５２によって画定されるドリル加工される孔との表面接触を殆ど有していない。各々の外周逃げ表面１５０は、外周点１５４によって画定される螺旋状の線に沿ってドリル加工される孔と接触している。
【００１４】
実際上は、外周点１５４は、外円周１５２のうちの極く小さなノン・ゼロの円弧を占有し得る。例えば、外周点が占有している外円周の円弧の長さは、ゼロから０．００５インチ（０．３２３インチの直径を有している固定直径のドリル上で約１．８°）にわたり得る。典型的には、この円弧の長さは、約０．００１インチ〜０．００２インチ（０．３２３インチの直径を有しているドリル上で０．３５°〜０．７°）よりも小さい。円弧の長さが短いので、外周点１５４とドリル加工される孔との間の表面接触は殆どない。
【００１５】
図３は、従来の米国航空宇宙規格（National Aerospace Standard, NAS）９０７によるドリル形状を示している。図３に示すドリル３００は、移行部３１２と、外側円筒表面を含んでいるマージン３１０とを含んでいる。マージン３１０の外側円筒表面は、外円周３２０によって画定されるドリル加工される孔と広い表面積にわたって接触している。典型的には、従来のドリル３００の各々のマージン３１０は、外円周のうち約５°を占有しており、例えば、直径０．３２３インチを有している固定直径のドリル上で０．０１５インチの円弧の長さを占有している。冷却材の逸失の場合には、ドリル３００は、切削区域からの熱除去の速度の深刻な低下及びドリルと加工片との間の接触区域の潤滑性の逸失を経験する。これらの影響により、ドリル及び加工片の温度が大幅に上昇し、ドリルの損傷及び摩耗が加速し、ドリルが破損すると共に、ドリル加工された孔の表面健全性が損なわれる。
【００１６】
発明者等による実験の結果から、図１及び図２の耐熱性ドリル１００は、冷却材の逸失の場合に、図３の従来のドリル３００を大幅に上回る性能を示すことが確認された。ドリル加工作業の実験は、タングステン・カーバイド製で螺旋角度が小さい２つの溝のあるドリルでニッケル超合金Ｒｅｎｅ ８８ＤＴから成る航空機エンジンの部品にボルト孔を切削するものであった。ドリル先端の温度は、出口から深さ０．３４インチの孔の内部で測定された。ドリル直径は、０．３２３インチに等しく、スピンドル速度は４１４ＲＰＭであった。
【００１７】
図３の従来のドリルについては、冷却材の逸失の際に深刻な過熱が観測された。冷却材を用いて４つの孔をドリル加工し、冷却材を用いずに９つの孔をドリル加工した後に、孔から出す間のドリル３００の先端での温度は、９７５℃と測定された。ドリル３００には深刻な損傷が観察された。冷却材を用いてドリル加工しているときのドリル先端の温度は、３２５℃と測定された。
【００１８】
図１及び図２に示す耐熱性ドリル１００は、過熱（冷却材を用いたときに発現する温度の２倍よりも高い（℃）温度が発現することとして定義される）することなく、少なくとも９つの孔について冷却材の逸失に耐え、ドリルの損傷は僅かしかなかった。冷却液を用いて４つの孔をドリル加工し、冷却液を用いずに９つの孔をドリル加工した後に、孔から出す間の耐熱性ドリル１００の先端１８０における温度は、６２５℃と測定された。冷却材を用いてドリル加工しているときの耐熱性ドリル１００のドリル先端の温度は、３２５℃と測定された。ドリル１００の外周点１５４によって占有されている外円周１５２上の円弧は、０．３５°よりも小さかった（直径０．３２３インチの固定直径のドリル上で０．００１インチ未満）。
【００１９】
従来のドリル３００及び加工片の過熱は、ドリルのマージン３１０上に、溶接した加工片の層が出現することに関連している。加工片材料の層の厚さは、過熱現象の開始時には従来のドリル３００上で０．０００５インチであるものと観測された。この層によって、ドリルのマージンと加工片との間に干渉（締まり）が生じる。この干渉は、ドリル３００のマージン３１０と孔の壁面との間に高い接触垂直応力の発現をもたらす。接触垂直応力が高くなると、摩擦（frictional, rubbing）応力が高くなり、これにより、過熱及びマージンの損傷が生じる。
【００２０】
過熱が生じた場合には、従来のドリル３００が孔をドリル加工し終えた後に、材料を除去しているときと同じスピンドル速度で回転を続けている間にも、ドリル３００によって消費される相当量の捩りトルクが存在する。相当な捩りトルクが存在するということは、従来のドリル３００のマージン３１０上に、溶接した加工片材料の層が発現することに起因するドリル３００のマージン３１０と加工片との間の干渉の存在を示している。相当な捩りトルクは又、ドリルと加工片との熱膨張の差にも起因している。ドリルが熱くなると、加工片の孔よりも大きく膨張し、その結果、ドリルと加工片との間に締まり嵌めが生ずる。
【００２１】
有限要素法によれば、従来のドリルと加工片との間の締め代が０．００１インチであると、ドリル３００と加工片との間には５１０ＭＰａもの高さの接触垂直応力が生じ得ることが予想される。これらの接触垂直応力は、摩擦応力に起因する過熱の発現の説明となる。
図１及び図２に示す例示的なドリルの外周逃げ表面１５０の形状は、ドリルの切削動作を向上させ、これにより、ドリル１００の外周逃げ表面１５０上での溶接した加工片材料層の発現を遅らせる又は排除すると共に、ドリルの外周逃げ表面に沿った高い接触圧力の発現を抑える。その結果、ドリルは、ドリル加工中に過熱しなくなる。加工片の熱残留応力の大きさが減少し、これにより、加工片の疲労耐久性が向上する。ドリルの切削動作が向上するので、加工片に関するドリルの動きは典型的には、ドリルの横方向の動きを防止する切削工具によって制御される。
【００２２】
外周逃げ表面１５０の形状は又、ドリルを回転させるのに必要とされるスピンドルの出力が、従来のドリルにおけるよりも一定となるという利点を提供する。加工片の健全性を確認するために、又は工具寿命を監視するために、プロセス監視が用いられているような用途では、ドリル加工工程の状態を評価するために、ドリルを回転させるのに要求されるトルク又は出力が典型的には用いられる。スピンドルの出力又はトルクが比較的一定であるので、プロセスをより厳しく制御することができ、又、監視設備からの警報がより少なくなる。スピンドルの出力が比較的一定であると、システムに伝達される反作用トルクによって生ずる振動も又、減少する。
【００２３】
実施例を参照して本発明を記載してきたが、当業者には、本発明の要旨から逸脱することなく様々な変更及び改変を行い得ることが理解されよう。本発明は、開示された特定の実施例に限定されているのではなく、特許請求の範囲内にあるすべての実施例を含んでいるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるドリルの側面図である。
【図２】図１に示すドリルの先端から見た端部図である。
【図３】従来のドリルの端部図である。

Claims (7)

1. ドリル（１００）であって、
   前記ドリルを回転させるシャンク（１１０）と、
   該シャンクに連結されており、表面を有しているボディ（１２０）と、
   該ボディに設けられている溝（１３０）と、
   ドリル先端に設けられている切れ刃（１６０）と、
   前記ボディの前記表面から当該ドリルの外円周（１５２）まで外向きに延びており、ドリル軸に垂直な当該ドリルの断面について、前記溝のエッジにおける外周点（１５４）において前記外円周に交差している外周逃げ表面（１５０）と
   を備え、
   前記外周点は、前記外円周上のゼロより大きく１．８°未満の長さの円弧を占有していることを特徴とするドリル（１００）。
2. 前記ドリル先端の先端角は、１８０°より小さい請求項１に記載のドリル。
3. 前記ドリル先端の先端角は、１００°〜１４５°である請求項１に記載のドリル。
4. 前記外周逃げ表面（１５０）と外円周に対する接線との間の逃げ角（１５６）は、３°〜１２°の間である請求項１に記載のドリル。
5. 前記逃げ角（１５６）は、８°である請求項１に記載のドリル。
6. 前記ドリル先端はスプリット・ポイントとして形成されている請求項１に記載のドリル。
7. 前記外周点は、前記外円周上の０．７°未満の長さの円弧を占有している請求項１に記載のドリル。

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