JP4894054B2 - ツイストドリル - Google Patents

Description

この発明は、金属の穴あけ加工に利用するツイストドリル、より詳しくは、優れた切屑排出性能を付与して高能率条件での加工を可能にしたツイストドリルに関する。

金属加工用のドリル、中でも、ドリル軸端面視で凹曲線をなす切れ刃を備えたドリルが下記特許文献１、２などに開示されている。

特開平２−１２４２０８号公報（特許文献１）が開示しているツイストドリルは、切屑を無理なくカールさせて処理するために、芯厚がドリル径の２０〜３５％で、ドリル軸端面視におけるねじれ溝形状が、切れ刃外端においてその切れ刃外端とドリル中心とを結ぶ直線と直交する垂線に対して凹となる形状のドリルを前提にして、上記垂線からねじれ溝の壁面までの距離をドリル径の４５〜６５％に設定し、かつ、溝幅比を０．９〜１．２とし、芯厚を表す仮想円柱に接触するねじれ溝の底部周辺の曲率半径をドリル径の１５〜２０％に設定している。

また、特開２００１−９６４１１号公報（特許文献２）が開示しているドリルは、切屑の噛み込みに起因したヒール部のチッピング防止や、切削油剤によるねじれ溝（切屑排出溝）の潤滑不足の解消を目的として、ドリルの軸直角断面視において、ねじれ溝を芯厚と接する部分からヒール部に向ってＳ字状に広げ、その溝のヒール部に凸部を設け、その凸部の先端からねじれ溝のドリル回転方向最前部までの距離を規定している。
特開平２−１２４２０８号公報 特開２００１−９６４１１号公報

特許文献１は、上記の設定により切削抵抗の軽減や切屑詰まりの防止などが図れるとしているが、同文献のドリルは、より一層の高能率条件での加工では切屑処理性能をさらに向上させる必要があった。特許文献２のドリルも同様である。

特許文献１，２が開示しているものも含めて、従来のツイストドリルは、切屑の形状や処理状況が加工条件や被削材特性によって変化し、そのために、条件別の設計、被削材の種類に合わせた設計が必要になり、製造コストが高くなるなどの不具合が生じていた。

加工条件や被削材特性が変化しても切屑の処理、排出が良好に行われるドリルがあれば、切削速度や送りを大きくして加工能率を向上させることが可能になる。また、ドリルの種類を統合して製造コストを低減することも可能になる。

この発明は、かかる要望に応えて加工条件や被削材特性の変化に広範囲に対応できるようにするとともに、従来ドリルよりも高能率加工が行えるようにすることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、ツイストドリルに、ドリル軸端面視で凹曲線をなす切れ刃と、ドリル軸直角断面視の溝広げ角が８０°〜１１０°の範囲に設定されたねじれ溝と、チゼルエッジの幅を縮めるシンニング溝を備えさせ、
前記ねじれ溝の切屑処理に関与する部位が、ドリル軸直角断面視で前記ねじれ溝に沿う第１の円と、その第１の円に内接する第２の円に沿って形成され、第１の円と第２の円は芯厚を表す第３の円に共に外接し、
ドリル径をＤとして前記第１の円の半径Ｒが０．４０Ｄ〜０．７０Ｄの範囲に、前記第２の円の半径Ｒ１が０．１５Ｄ〜０．３０Ｄの範囲にそれぞれあり、
前記ねじれ溝のドリル回転方向最前部が前記第２の円に沿って形成されてドリル中心（回転中心）と同心で直径が０．６５Ｄの第４の円よりもドリル中心側にあるようにした。

ここで言う第１〜第４の円は、いずれも設計上利用する仮想円である。
このドリルは、マージン部のリーディングエッジによって形成される外周切れ刃のすくい角（切れ刃の外周部のラジアルレーキγ）を正に設定したものや、正のすくい角を有する外周切れ刃に面取りによる刃先強化処理を施したものが好ましい。

なお、上記の「凹曲線をなす切れ刃」とは、ドリル軸端面視において前記第３の円に一点で接して切れ刃の外端に至る基準線と平行な直線から切れ刃がドリル回転方向後方に入り込む形状を言う。また、上記の「溝広げ角」は、ドリル軸直角断面視においてドリル中心から切れ刃の外端に至る直線と、ドリル中心からねじれ溝のドリル回転方向最前部を通って外径側に延びる直線とのなす角である。

切れ刃の外周部のラジアルレーキγ（＝外周切れ刃の径方向すくい角α）は、１〜２０°くらいが好ましい。

この発明のドリルは、切れ刃を緩やかに湾曲した凹曲線形状にしており、この切れ刃形状によって生成される切屑に厚み変化が生じる。また、切れ刃を凹曲線形状にしたことによって切れ刃の外周部に正のラジアルレーキγが付与され、生成された切屑の流れが制御されるようになる。

さらに、ねじれ溝のドリル回転方向最前部が前記第２の円に沿って形成されてドリル中心に近い位置（ドリル中心と同心で直径が０．６５Ｄの第４の円よりもドリル中心側）にあるようにしたことにより、凹曲線の切れ刃に削り取られた切屑が流出エネルギーの比較的大きいうちにドリル回転方向最前部に到達し、第２の円に沿って形成された溝壁によって良好に処理される。加えてシンニング溝部の切れ刃に削り取られた切屑も抵抗少なくスムーズにねじれ溝に流れ込むようになる。

これらの相乗効果と、切れ刃の形状とねじれ溝の形状が最適化されたことによって安定した切屑形状、安定した切屑処理性能が得られ、広範な加工条件の変化と広範な被削材特性の変化に同じドリルで対応できるようになる。また、対応可能範囲が広がることによって、条件別の設計、被削材の種類に合わせた設計が不要になり、ドリルの品種を統合して製造コストを低減することも可能になる。

なお、外周切れ刃のすくい角を正に設定したドリルは、外周切れ刃の切れ味が良くなって切削性能が向上する。その一方で、外周切れ刃の強度低下が考えられるようになるが、外周切れ刃の強度不足は、その外周切れ刃に面取りによる刃先強化処理を施すことで補うことができる。

この発明のドリルの一例の要部を示す側面図 図１のドリルの拡大ドリル軸端面図 ドリル軸直角断面を簡略化して示す説明用の補助図 外周切れ刃のすくい角を示す断面図 他の実施形態のドリルの拡大端面図 図５の領域βを拡大して示す端面図 切屑形状評価用の寸法比を示す図

符号の説明

１ ドリル本体、２ ランド部、３ 切れ刃、３ａ シンニング溝に沿った部分の切れ刃、３ｂ 切れ刃の外端、４ ねじれ溝、４ａ ドリル回転方向最前部、４ｂ ねじれ溝の第２の円に沿って形成される部分の終端、５ シンニング溝、６ マージン部、７ 外周切れ刃、８ チゼルエッジ、９ 面取り部、Ｃ 基準線、Ｌ 基準線と平行な直線、Ｏ ドリル中心、Ｓ１ 第１の円、Ｓ２ 第２の円、Ｓ３ 第３の円、Ｓ４ 第４の円、Ｒ 第１の円の半径、Ｒ１ 第２の円の半径、γ ラジアルレーキ、θ 溝広げ角、α 外周切れ刃のすくい角、Ｈ 終端４ｂのドリル回転方向最前部からの突出量。

以下、添付図面の図１〜図６に基づいてこの発明のツイストドリルの実施の形態を説明する。このツイストドリルは、ドリル本体１の先端に、図２に示す端面視において凹曲線をなす切れ刃３を有する。その切れ刃３はドリル中心Ｏを境にした両側に点対称形状にしてそれぞれ設けられている。

また、ドリル本体１の外周には、図１、図２に示す２条のねじれ溝４が設けられ、さらに、図２示すように、ドリル本体１の最先端部には、チゼルエッジ８の幅を縮めるシンニング溝５が中心対称状態にして２箇所設けられている。３ａは、シンニング溝５に沿った部分の切れ刃である。

図３は、ドリル軸直角断面形状を簡略化して示した補助図面であり、以下の説明は、この図３を用いて行う。図３のＣは、ドリル軸直角断面視でドリルを周方向に２等分する基準線である。その基準線Ｃを境にした右半分の断面形状と左半分の断面形状は同じである。

ねじれ溝４は、溝広げ角θが７９°以下であるとそのねじれ溝の断面積が不足して切屑の排出性が高まり難い。また、その溝広げ角θが１１１°以上であるとランド部２の面積が不足してドリルの強度確保が難しくなるので、その問題を回避するために、溝広げ角θを８０°〜１１０°の範囲に設定している。

ねじれ溝４の切屑処理に関与する部位は、第１の円Ｓ１と第２の円Ｓ２に沿って形成されている。第１の円Ｓ１は、図２の凹曲線の切れ刃３に沿う円であり、芯厚Ｗを表す第３の円Ｓ３に外接する。また、第２の円Ｓ２は、第１の円Ｓ１に対して内接する一方で、第３の円Ｓ３に外接する。

第１の円Ｓ１は、その半径Ｒが０．４０Ｄ〜０．７０Ｄ（Ｄ：ドリル径）の範囲にあり、また、第２の円Ｓ２は、その半径Ｒ１が０．１５Ｄ〜０．３０Ｄの範囲にある。第１の円Ｓ１の半径Ｒは、第２の円Ｓ２の半径Ｒ１の１．３〜４．６倍となっている。

切れ刃３は、第１の円Ｓ１の半径Ｒを小さくするほど、第３の円Ｓ３に一点で接して切れ刃の外端３ｂに至る直線Ｌ（これは基準線Ｃと平行）からのドリル回転方向後方への入り込み量(へこみ量)が大きくなって外周部のラジアルレーキγが大きくなる。その切れ刃３の外周部のラジアルレーキγは、好ましいとした角度範囲の１〜２０°に設定されている。ここで言う切れ刃外周部のラジアルレーキγは、切れ刃３の外端３ｂと、そこからドリル径Ｄの５％に相当するところまでドリル中心側に戻った位置とを結ぶ直線と、ドリル中心Ｏと切れ刃３の外端３ｂとを結ぶ直線とのなす角度で定義したものである。このラジアルレーキγは、図４に示す外周切れ刃７のすくい角αと等しく、その角度は、外周切れ刃７の切れ味向上と切屑の流れの制御効果を不足なく発揮させるために1°以上にするのがよい。また、その角度を大きくしすぎると外周切れ刃の強度が低下し、強化面取りなどでは対応しきれなくなるので、上限は２０°くらいがよい。

ねじれ溝４のドリル回転方向最前部４ａは、第２の円Ｓ２上に形成されている。このドリル回転方向最前部４ａは、第４の円Ｓ４よりもドリル中心側にある。第４の円Ｓ４は、ドリル中心と同心で直径が０．６５Ｄの円である。このドリル回転方向最前部４ａを半径の小さい第２の円Ｓ２に沿って形成し、さらに、ドリル中心に近づけることで、凹曲線の切れ刃によって生成された切屑を巻き込み易く（カール性を向上させる）するとともに、シンニング溝部の切れ刃３ａによって生成された切屑の流出も円滑にし、それらの機能がバランスよく発揮されるようにして加工条件や被削材特性の変化に対する対応能力を高めている。

なお、芯厚Ｗは、０．１８Ｄ以上にすると不足のない強度を得ることができる。この芯厚Ｗが過大になるとねじれ溝４の断面積が不足して切屑の排出性が悪化するので、芯厚Ｗの上限は０．３２Ｄ程度にするのがよい。

また、ねじれ溝４の、第２の円Ｓ２に沿って形成される部分の終端４ｂをドリル回転方向最前部４ａよりもドリル回転方向後方に突出させると、切屑が上記の終端４ｂよりも外径側に流れ難くなって円滑な排出がなされる。このときの終端４ｂのドリル回転方向最前部４ａからの突出量Ｈは、０．０２Ｄ〜０．０５Ｄ程度にするのがよい。突出量Ｈが０．０２Ｄ以下では突出させることの効果が薄く、０．０５Ｄ以上ではヒール部の強度低下などが起こり易くなる。

図５および図６は、外周切れ刃７の強化処理を施した例を示すものである。すくい角αを大きくすることで外周切れ刃７の強度に問題が発生する場合には、図５および図６に示すように、面取り部９を設けてその外周切れ刃７を強化するとよい。

以上の構造にすることで、凹曲線の切れ刃形状によって生成される切屑に厚み変化が生じ、さらに、切れ刃の外周部に正のラジアルレーキγが付与されて生成された切屑の流れが制御されるようになる。また、ねじれ溝のドリル回転方向最前部がドリル中心と同心の直径０．６５Ｄの第４の円よりもドリル中心側にあるようにしたので凹曲線の切れ刃に削り取られた切屑が流出エネルギーの比較的大きいうちにドリル回転方向最前部に到達し、第２の円に沿って形成された溝壁によって良好に処理される。加えてシンニング溝部の切れ刃に削り取られた切屑も抵抗少なくねじれ溝に流れ込むようになり、これらの相乗効果で広範な加工条件の変化と広範な被削材特性の変化に同じドリルで対応できるようになる。

また、対応可能範囲が広がることによって、条件別の設計、被削材の種類に合わせた設計が不要になるのでドリルの品種が減少して製造コストを低減することも可能になる。

（実施例）
この発明のドリルの性能評価試験を行った。その結果を以下に示す。試験は表１に示すテスト品No.１〜１２のドリルを用いて以下の条件で切削を行った。テスト品No.１〜１２のドリルは、いずれも直径φ８ｍｍ×有効刃長５５ｍｍ×全長１１０ｍｍの油穴付きドリルである。

テスト品の１２本のドリルのうち、No.３〜５、及び８〜１０が発明品である。
被削材：Ｓ５０Ｃ（ブリネル硬さＨＢ２３０）
切削条件：切削速度Ｖｃ＝８０ｍ／ｍｉｎ、送りｆ＝０．３０ｍｍ／ｒｅｖ、加工穴深さＨ＝４０ｍｍ、内部給油
この評価試験では、１）切屑形状（長さと形状）、２）切屑排出性（加工機の主軸負荷電流値）、３）切れ刃外周の損傷（欠損状態）、４）切削抵抗（トルク）の４項目について評価を行った。その結果も表１に併せて示す。

切屑形状の判定・・・図７のａ，ｂの比 Ａ：ａ＞ｂ、Ｂ：ａ＝ｂ、Ｃ：ａ＜ｂ
主軸電流値・・・食付き部と穴奥との差 Ａ：５％アップ以下、Ｂ：１０％アップ以下、Ｃ：１０％アップ越え
切削抵抗（トルク）・・・数値評価 Ａ：４５０Ｎｃｍ以下、Ｂ：４８０Ｎｃｍ以下、Ｃ：４５０Ｎｃｍ越え
この試験結果から判るように、この発明のドリル（試料Ｎｏ.３〜５、及び８〜１０）は、全ての評価項目において満足できる性能が得られる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (3)

1. ドリル軸端面視で凹曲線をなす切れ刃（３）と、ドリル軸直角断面視の溝広げ角が８０°〜１１０°の範囲に設定されたねじれ溝（４）と、チゼルエッジ（８）の幅を縮めるシンニング溝（５）を有し、
   前記ねじれ溝（４）の切屑処理に関与する部位が、ドリル軸直角断面視において前記ねじれ溝（４）に沿う第１の円（Ｓ１）とその第１の円（Ｓ１）に内接する第２の円（Ｓ２）に沿って形成され、前記第１の円（Ｓ１）と第２の円（Ｓ２）は芯厚を表す第３の円（Ｓ３）に共に外接し、ドリル径をＤとして前記第１の円（Ｓ１）の半径Ｒが０．４０Ｄ〜０．７０Ｄの範囲に、前記第２の円（Ｓ２）の半径Ｒ１が０．１５Ｄ〜０．３０Ｄの範囲にそれぞれあり、前記ねじれ溝（４）のドリル回転方向最前部（４ａ）が前記第２の円（Ｓ２）上に形成されてドリル中心と同心で直径が０．６５Ｄの第４の円（Ｓ４）よりもドリル中心側にあるツイストドリル（１）。
2. マージン部（６）とそのマージン部（６）のリーディングエッジによって形成される外周切れ刃（７）を有し、前記外周切れ刃（７）の径方向のすくい角αが正に設定された請求の範囲第１項に記載のツイストドリル（１）。
3. 前記外周切れ刃(７)に面取りによる刃先強化処理を施した請求の範囲第２項に記載のツイストドリル（１）。

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