JP4671968B2 - ツイストドリル - Google Patents

Description

本発明はツイストドリルに関する。より詳細には、本発明は、切削チップをスムーズに放出し、切削抵抗に対する剛性を向上させるように工具本体（tool body）の外周面にねじれ溝(helical flute)を含む工具本体を有するツイストドリルに関する。

従来のツイストドリルは、少なくとも１つのねじれ溝及びランドを備えた円柱状の工具本体を含み、溝及びランドはねじれ角をたどって前方の刃部(cutting point)まで延びている。ツイストドリルの工具本体の後端は、例えば手工具やボール盤のチャックに固定可能である。ドリルの刃部はほぼ円錐形で切削エッジを有し、この切削エッジは、溝付きランドの前面と、溝付きランド（fluted land）の端面を形成するドリル先端部の逃げ面とによって定められた径方向に対向する一対の切削エッジから形成されている。各溝付きランドの外周の先端には半径方向の突起があり、この突起はランド、円柱状ランド、サポートマージンなど種々の用語で呼ばれている。これら２つのサポートマージンは、溝付きランドの長さに沿って延びている。

ツイストドリルの溝の設計は、ツイストドリルの性能にとってきわめて重大である。溝の設計は、切削作業の際に生じるチップの形成、収容及び排出を行い、これによって熱を取り除くツイストドリルの能力を決定する。

簡潔にいうと、本発明によってツイストドリルが提供される。このツイストドリルは、前部逃げ面を有する切削先端部と、切削先端部から後方に延びるほぼ円柱状の工具本体と、シャンクとを含む。工具本体は、工具本体を貫通する回転軸と、工具本体の外周面に形成されて前部逃げ面に延びる少なくとも１つの溝とを含む。少なくとも１つの溝は、前部逃げ面に対して開かれた第１のらせん部分と、第１のらせん部分の後端から工具本体の後部に向かって延びる第２のらせん部分とを含む。第２のらせん部分は、第１のらせん部分と反対の方向にねじれている。他の実施の形態では、ツイストドリルは第３のらせん部分を更に含む。第３のらせん部分は、第２のらせん部分と反対の方向にねじれている。

本発明の更なる特徴や本発明から得られる利点は、図面を参照してなされる下記の説明によって明らかになる。

同様の参照番号が同様の要素を表す図面を参照すると、本発明に従ったツイストドリル１０が示されている。このツイストドリルは３つの主要部分を含む。ツイストドリルの第１の部分は、前部逃げ面１４を含む刃部、即ち切削先端部１２である。切削先端部１２は、工作物の切削を行って穴を形成する。ツイストドリルの第１の部分には、工具本体１６を含む第２の部分が隣接している。工具本体１６は切削先端部１２から後方に延びている。ツイストドリル１０の第３の部分はシャンク１８、即ちツイストドリルの溝のない中実部分である。

ツイストドリル１０の刃部、即ち切削先端部１２は、殆どどのような好適な形状をとってもよいことが理解されよう。例えば、本発明は取り外し可能なインサート切削先端部によって形成された切削先端部形状を有するツイストドリル１０の形態で示されているが、ツイストドリルは、当該技術分野で周知のような金属又は超硬合金からなる中実のツイストドリルとして形成されてもよい。従って、取り外し可能な切削先端部を有するツイストドリル１０に関する溝の設計例は、特に主張されない限りは本発明を限定するものと解釈すべきでない。

本発明を例示するために、切削先端部１２は交換可能な切削先端部として示されている。交換可能な切削先端部の更なる詳細については、交換可能な切削インサートを含む回転切削工具というタイトルで本明細書に完全に援用される特許出願番号ＰＣＴ／ＥＰ０３／０１５２６を参照のこと。当該技術分野で周知である工作物の材料やドリル条件に応じて種々の切削先端部の形状の設計及び選択を行い、容認可能な切削速度を達成できることが理解されよう。例えば、本発明の例示的な実施の形態において用いることのできる切削先端部１２の他の形状は、分割先端部(split point)、圧延切欠先端部(rolled notched point)、片角先端部(single-angle point)、等角先端部(double-angle point)、すくい角減少先端部(reduced rake point)、らせん状先端部、多面先端部、エッジの丸い先端部(rounded edge point)などを含む。好適な実施の形態では、切削先端部１２の形状はＳ字状のチゼルエッジである。

ツイストドリル１０の刃部、即ち切削先端部１２は、機能上工具本体１６に取り付けられている。工具本体１６を、例えば高速度鋼や前述の超硬合金のような鋼で作ることができる。工具本体１６は、少なくとも１つのねじれ溝２０及びランド２２を含む。好適な実施の形態では、一対のねじれ溝２０が工具本体１６の外周面に形成されている。

ツイストドリル１０の溝２０の設計は、ツイストドリル１０の性能にとってきわめて重大であることが理解されよう。溝２０の設計は、切削作業の際に生じるチップの形成、収容及び排出を行い、これによって熱を取り除くツイストドリル１０の能力を決定する。

本発明によれば、ツイストドリル１０の溝２０は第１のらせん部分２４及び第２のらせん部分２６を含む。第１のらせん部分２４は切削先端部１２の前部逃げ面１４に対して開かれており、第２のらせん部分２６に向かってあるらせん角でねじれている。第１のらせん部分２４のらせん角θ_Aを変えてもよいし、切削先端部１２から工具本体１６までの長さにわたり、及びＡ部分での工具本体の溝の一部においてほぼ一定にしてもよい。

ツイストドリル１０が１つ以上の冷却液用穴１１を含む場合、切削先端部の回転位置及び第１のらせん部分２４の長さを冷却液用穴の出口の位置に基づいて調節できることが理解されよう。冷却液用穴の出口は、切削作業の際に冷却液及び潤滑剤の最適な送出を確実にするために切削エッジと一直線になるよう配置することが好ましい。

好適な実施の形態では、チップの容易な形成や切削ゾーンからのチップの搬送を確実にするために、第１のらせん部分２４は工具本体の中心軸２８に対して正のらせん角θ_A（即ち、すくい角）で配置される。第１のらせん部分２４のらせん角θ_Aは約０°から約４０°であり、好ましくは約３０°である。また、第１のらせん部分２４を負のらせん角で配置してもよいことが理解されよう。本明細書に用いられるように、正のらせん角及び負のらせん角といった用語は、工具本体の中心軸２８に対するらせんの回転方向を指している。正のらせん角は切削ウェッジを小さくするが、負のらせん角はこれを大きくする。

第２のらせん部分２６は、第１のらせん部分２４と反対の方向にねじれている。第２のらせん部分２６は、図２の記号「Ｂ」で示される第１のらせん部分２４の後部から記号「Ｃ」で示される部分に向かって延びている。

切削先端部のチゼルエッジ３０が最も弱い自動調心特性をもたらす角度にツイストドリル１０の最も剛性の高い（stiffest）断面領域を向ける目的で、第２のらせん部分のらせん角θ_Bは第１のらせん部分θ_Aと反対の方向にねじれている。この角度は、切削先端部のチゼルエッジ３０の角度に近似する。切削先端部のチゼル角は、切削先端部の切削条件を最適にするように選択される。あいにく、切削先端部のチゼル角は最も弱い方向としても知られている。これは、切削中ツイストドリルが工作物と初めて接触した際に切削先端部のチゼルエッジがブレードとして作用し、先端部がこのブレード上で「スライドして」ツイストドリルの工具本体の逸れを生じてしまうことがあるためである。好適な実施の形態では、Ｓ字状の切削先端部のチゼルエッジ３０が最も弱い自動調心特性をもたらす角度は、チゼルエッジの長手方向の長さに平行である。

反対方向にねじれた第２のらせん部分２６はチゼルエッジ３０に沿ってツイストドリルの工具本体１６の剛性を高め、これによってドリルの逸れが減少し、よりまっすぐでより正確な穴の形成が可能になると考えられる。

第２のらせん部分２６のらせん角θ_Bを変えてもよいし、Ｂ部分からＣ部分までの長さにわたってほぼ一定に保ってもよい。第２のらせん部分の最大長は約７Ｄ（Ｄは先端部の切削直径）までの範囲に設定される。Ｂ部分からＣ部分までの第２のらせん部分２６のらせん角θ_Bを約１°から約３０°、好ましくは約３°にすることができる。好適な実施の形態では、第２のらせん部分２６は負のらせん角で配置される。

ツイストドリル１０は第３のらせん部分３２を含むことができる。第３のらせん部分３２は、第２のらせん部分２６と反対の方向にねじれている。好適な実施の形態では、第３のらせん部分３２は正のらせん角で配置される。

第３のらせん部分３２が、記号「Ｃ」で示される第２のらせん部分２６の後部から図２の記号「Ｄ」で示されるツイストドリル１０のシャンク１８まで延びている。第３のらせん部分３２のらせん角θ_Cを変えてもよいし、Ｃ部分からＤ部分までの長さにわたってほぼ一定に保ってもよい。

第３のらせん部分３２は、第３のらせん部分を組み込まないツイストドリルが必要とするトルク、推力及び馬力よりもトルク、推力及び馬力を低下させることがわかった。第３のらせん部分３２はチップ排出工程に利点をもたらすと考えられる。１つの理論にしばられることなく、第３のらせん部分３２は押出ねじと同様に機能し、切削中の穴からチップを除去すると考えられる。更に、第３のらせん部分３２の効果は深穴ドリル条件において特に有益であることが考えられる。

第３のらせん部分３２の長さに沿ったＣ部分からＤ部分までのらせん角θ_Cを約０°から約４０°、好ましくは約５°にすることができる。

ツイストドリル１０のウェブ３４の厚さはほぼ任意の好適な設計とすることができる。例えば、ウェブ３４の厚さをツイストドリル１０の長さに沿ってほぼ一定にしてもよいし、ツイストドリルの長さに沿って先細にしてもよいし、これらの組み合わせにしてもよい。好適な実施の形態では、工具本体１６の後端に向かう溝２０の深さは工具本体の前端に向かう溝の深さよりも大きく、これにより、切削又はチップとツイストドリルによって切削された穴の内壁と溝との接触を効果的に防止でき、チップのスムーズな放出を確実にすることができる。最も好適な実施の形態では、カッタービットにおける第１のらせん部分２４に沿ったウェブの厚さは、第２のらせん部分２６に沿ったウェブの厚さよりも大きく、第３のらせん部分３２に沿ったウェブの厚さよりも大きい。

説明したように、ツイストドリル１０は第１のらせん部分２４、第２のらせん部分２６及び選択的に第３のらせん部分３２を含むが、本明細書に記載の範囲を超えて更なるらせん部分をツイストドリルに加えてもよいことが理解されよう。例えば、第４のらせん部分をツイストドリルに加えてもよい。

本発明を単に例示するよう意図された下記の実施例を考慮することによって本発明を更に明らかにする。

実施例１
＋３０°である第１のらせん部分と、−３°である反対方向の第２のらせん部分と、＋５°である第３のらせん部分を含むツイストドリル（サンプル１）を、＋３０°である第１のらせん部分と−３°である反対方向の第２のらせん部分を含むツイストドリル（サンプル２）に対してテストした。

各ドリルの直径は１６ｍｍであり、切削先端部の材料はケンナメタル社から市販されている超硬合金グレードのＫＣ７３１５であった。各ドリルの切削端部の形状は、理想的なＳ字状のドリル先端部であった。

実験条件
切削した穴の数：６
切削速度＝８０ｍ／分
送り量＝０．４５ｍｍ／回転
穴の深さ＝８０ｍｍ
切削する材料：内部冷却液を２００ＰＳＩで（＠２００PSI）用いた４１４０鋼（２００ブリネル硬度）

キスラー(Kistler)社の９２７２機械加工動力計を用いてトルク及び推力を測定した。この動力計は切削工程に近い力を決定し、スピンドルのトルク及び推力を測定することができる。テストの結果は下記の表１に示すとおりである。

表１に示すように、第３のらせん部分をもたないツイストドリルでは、より高いトルク、推力及び馬力の測定値が観測された。ほぼ同一のドリル条件下にある第３のらせん部分を含まないツイストドリルと比較すると、第３のらせん部分は、トルクの減少では約４．５パーセントの改善、推力の減少では約３．５パーセントの改善、そして平均馬力の減少では約２．２パーセントの改善をもたらした。

実施例２
３つのツイストドリルに対して有限要素解析（ＦＥＡ）を行った。これらのツイストドリルの直径は８ｍｍであり、工具本体の長さは４０ｍｍであった。各ツイストドリルの切削端部の形状はＳ字状のドリル先端部であった。

サンプル１のツイストドリルは、＋３０°である第１のらせん部分と０°である第２のらせん部分を含み、サンプル２のツイストドリルは、＋３０°である第１のらせん部分と、−３°である反対方向の第２のらせん部分と、０°である第３のらせん部分を含み、サンプル３のツイストドリルは、＋３０°である第１のらせん部分と、−３°である反対方向の第２のらせん部分と、＋５°である第３のらせん部分を含んでいた。

チゼルエッジの長手方向の長さと一直線になる方向に５０ニュートンの力を加えた。そして、その結果生じたツイストドリルの切削先端部の変位をＦＥＡ分析によって決定した。

表２に示すように、サンプル２のツイストドリルの第２のらせん部分は、反対方向の第２のらせん部分を含まないツイストドリル（サンプル１）に比べて、ツイストドリルの工具本体のＳ字状チゼルエッジに沿った剛性の強さを約９．２パーセント高める。更に、反対方向の第２のらせん部分及び第３の部分を含むツイストドリル（サンプル３）は、第２又は第３の反対方向らせん部分を含まないツイストドリル（サンプル１）に比べて、剛性が約５．７パーセント増加していた。

本明細書中で参照した文献、特許及び特許出願は本明細書に援用される。

本発明をある特定の実施の形態に関連させて具体的に説明したが、これは例示であって限定ではなく、添付の請求の範囲を従来技術が許容する限り広く解釈すべきであることが理解されよう。

本発明におけるドリルの斜視図である。 図１のドリルの側面図である。 図１のドリルの端面図である。

Claims (20)

1. 前部逃げ面を含む切削先端部と、該切削先端部から後方に延びるほぼ円柱状の工具本体と、シャンクとを含み、
   前記工具本体が該工具本体を貫通する回転軸を有し、前記工具本体の外周面に形成されて前記前部逃げ面に延びる少なくとも１つの溝を含み、
   前記少なくとも１つの溝が、前記前部逃げ面に対して開かれた第１のらせん部分と、前記第１のらせん部分の後端から延びる第２のらせん部分と、前記第２のらせん部分の後部から前記工具本体の後部に向かって延びる第３のらせん部分とを含み、該第２のらせん部分が前記第１のらせん部分と反対の方向にねじれており、前記第３のらせん部分が前記第２のらせん部分と反対の方向にねじれている、
   ツイストドリル。
2. 前記第１のらせん部分が正のらせんで配置されている、請求項１に記載のツイストドリル。
3. 前記切削先端部が交換可能な切削先端部である、請求項１に記載のツイストドリル。
4. 前記切削先端部がＳ字状のチゼルエッジを含む、請求項１に記載のツイストドリル。
5. 前記工具本体が鋼からなる、請求項１に記載のツイストドリル。
6. 前記工具本体が超硬合金からなる、請求項１に記載のツイストドリル。
7. 前記工具本体が、該工具本体の外周面に形成された一対のねじれ溝を含む、請求項１に記載のツイストドリル。
8. 前記第１のらせん部分のらせん角が、前記切削先端部から前記工具本体まで、及び前記工具本体の前記溝の一部において一定に保たれる、請求項７に記載のツイストドリル。
9. 少なくとも１つの冷却液用穴を含む、請求項１に記載のツイストドリル。
10. 前記第１のらせん部分のらせん角が約０°から約４０°である、請求項１に記載のツイストドリル。
11. 前記第１のらせん部分の前記らせん角が約３０°である、請求項１０に記載のツイストドリル。
12. 前記第２のらせん部分のらせん角が約１°から約３０°である、請求項１に記載のツイストドリル。
13. 前記第２のらせん部分の前記らせん角が約３°である、請求項１２に記載のツイストドリル。
14. 前記第３のらせん部分が前記第２のらせん部分の前記後部から前記ドリルの前記シャンクまで延びている、請求項１に記載のツイストドリル。
15. 前記第３のらせん部分のらせん角が一定である、請求項１に記載のツイストドリル。
16. 前記第３のらせん部分の前記らせん角が約０°から約４０°である、請求項１に記載のツイストドリル。
17. 前記第３のらせん部分の前記らせん角が約５°である、請求項１に記載のツイストドリル。
18. 前記ツイストドリルの長さに沿って一定であるウェブ厚さを有する、請求項１に記載のツイストドリル。
19. 前記ツイストドリルの長さに沿って先細になるウェブ厚さを有する、請求項１に記載のツイストドリル。
20. 前記ツイストドリルの長手方向の長さに沿って変わるウェブ厚さを有する、請求項１に記載のツイストドリル。

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