JP4996278B2 - 深穴加工用超硬質材料製ロングドリル - Google Patents

Description

本発明は深穴加工用超硬質材料製ロングドリルに係り、特に、加工が困難な高硬度材に対しても深穴加工を安定して行うことができる長寿命の深穴加工用超硬質材料製ロングドリルに関するものである。

超硬合金等の超硬質工具材料にて構成されているとともに、先端の複数の切れ刃に連続して所定のねじれ角で切り屑排出溝が設けられ、例えばドリル径に対して溝長が５倍以上、更には１０倍以上で、穴径に対して穴深さが５〜１０倍以上の深穴を加工する深穴加工用超硬質材料製ロングドリルが知られている。特許文献１に記載のドリルはその一例で、切り屑の排出性能を向上させるために、ウェブの厚さがシャンク側へ向かうに従って連続的に小さくなるバックテーパがドリル先端から設けられている。また、特許文献２には、切り屑排出溝の溝切上げ部の手前に、その溝切上げ部に向かうに従ってウェブの厚さが連続的に大きくなる逆テーパを設け、切り屑の排出性能を確保しつつ折損強度を向上させる技術が提案されている。
特開２００４−１２２２８８号公報 特開２００３−３９２１８号公報

しかしながら、このような従来の深穴加工用超硬質材料製ロングドリルにおいても、例えば４０ＨＲＣ程度以上の高硬度の被削材に対して深穴を切削加工する場合には、刃先強度や工具剛性が不足して加工初期に折損したり、加工中に大きな切削音が発生したりするなど、安定した加工が不可能で十分な工具寿命が得られないという問題があった。特許文献１および２を組み合わせ、ドリル先端にバックテーパを設けるとともに、溝切上げ部の手前に逆テーパを設けることも考えられるが、単に組み合わせるだけでは寿命向上に対して必ずしも満足できる効果が得られなかった。なお、溝長がドリル径Ｄの１０倍以上もあるようなロングドリルにおいては、高硬度材に限らず比較的大きなトルクが作用する場合には、上記と同様の問題が生じる。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、加工が困難な高硬度材に対しても深穴加工を安定して行うことができる長寿命の深穴加工用超硬質材料製ロングドリルを提供することにある。

かかる目的を達成するために、第１発明は、超硬合金等の超硬質工具材料にて構成されているとともに、先端の複数の切れ刃に連続して所定のねじれ角で切り屑排出溝が設けられている深穴加工用超硬質材料製ロングドリルにおいて、(a) ウェブの厚さがシャンク側へ向かうに従って連続的に小さくなるバックテーパがドリル先端から設けられたバックテーパ部と、(b) ウェブの厚さが前記バックテーパ部における最小厚さと同じ一定の寸法でそのバックテーパ部に連続してシャンク側へ向かって設けられた平行部と、(c) その平行部と前記切り屑排出溝の溝切上げ部との間に、ウェブの厚さがその溝切上げ部に向かうに従って連続的に大きくなる逆テーパがその平行部に連続して設けられた逆テーパ部と、を有する一方、(d) 前記バックテーパ部の軸方向長さＬ₁ は、ドリル径Ｄに対して３Ｄ〜６Ｄの範囲内で、ドリル先端のウェブの厚さＷ₁ は０．３０Ｄ〜０．４５Ｄの範囲内であり、(e) 前記平行部のウェブの厚さＷ₂ は０．２５Ｄ〜０．４０Ｄの範囲内であり、(f) 前記逆テーパ部の軸方向長さを含めてその逆テーパ部から前記溝切上げ部に達するまでの軸方向長さＬ₃ は、１．５Ｄ〜３．５Ｄの範囲内で、その逆テーパ部におけるウェブの最大厚さＷ₃ は０．３０Ｄ〜０．４５Ｄの範囲内であり、(g) 前記切り屑排出溝のねじれ角は１０°〜２３°の範囲内であるとともに、(h) 前記逆テーパ部と前記溝切上げ部との間には、ウェブの厚さがその逆テーパ部における最大厚さと同じ一定の寸法の中間段部が設けられており、且つ、その中間段部の軸方向長さＬ _3b は前記逆テーパ部の軸方向長さＬ _3a に対してＬ _3b ≦Ｌ _3a の関係を有することを特徴とする。

第２発明は、第１発明の深穴加工用超硬質材料製ロングドリルにおいて、前記中間段部の軸方向長さＬ _3b は前記逆テーパ部の軸方向長さＬ _3a に対してＬ _3b ≒Ｌ _3a の関係を有することを特徴とする。

第３発明は、第１発明または第２発明の深穴加工用超硬質材料製ロングドリルにおいて、前記切れ刃の刃数は２枚または３枚で、前記切り屑排出溝の溝長はドリル径Ｄの１０倍以上であることを特徴とする。

このような深穴加工用超硬質材料製ロングドリルによれば、所定の切り屑排出性能を確保しつつ刃先強度や工具剛性が向上し、例えば４０ＨＲＣ程度以上の加工が困難な高硬度材に対して深穴を切削加工する場合でも、工具の早期折損や異音、振動の発生が抑制されて切削加工が安定して行われるようになり、工具寿命の向上に対して顕著な効果が得られた。

本発明の深穴加工用超硬質材料製ロングドリルは、ドリル直径Ｄが８ｍｍ以下の小径で、切り屑排出溝の溝長がドリル直径Ｄの１０倍以上のものに好適に適用されるが、ドリル直径Ｄが６ｍｍ程度以下の場合や、切り屑排出溝の溝長がドリル直径Ｄの１５倍以上の場合には、更に効果的である。但し、切り屑排出溝の溝長がドリル直径Ｄの５倍程度以上の深穴加工用の超硬質材料製ロングドリルであれば、ドリル直径Ｄが８ｍｍより大きいものにも適用され得る。

ドリルを構成している超硬質工具材料としては超硬合金が好適に用いられるが、サーメットや立方晶窒化ほう素（ＣＢＮ）焼結体等の他の超硬質工具材料を採用することもできる。ボデーには、ＴｉＡｌＮやＴｉＣＮ、ダイヤモンドなどの硬質皮膜をコーティングすることが望ましく、硬質皮膜としては、単層或いは多層構造など種々の態様が可能である。

本発明は、２枚刃のドリルに好適に適用されるが、３枚刃以上のドリルにも適用され得る。また、軸心を縦通したりランドに沿ってねじれたりして先端の逃げ面に開口するオイルホールを設け、穴明け加工時に必要に応じて潤滑油剤や冷却エアーなどを供給できるようにすることが望ましい。

本発明の深穴加工用超硬質材料製ロングドリルは、４０ＨＲＣ程度以上、更には４５ＨＲＣ程度以上の金型鋼等の高硬度材に対する穴明け加工に好適に用いられるが、他の被削材の穴明け加工にも使用できることは勿論である。

バックテーパ部の軸方向長さＬ₁ をドリル径Ｄに対して３Ｄ〜６Ｄの範囲内とし、ドリル先端のウェブの厚さＷ₁ を０．３０Ｄ〜０．４５Ｄの範囲内とし、平行部のウェブの厚さＷ₂ を０．２５Ｄ〜０．４０Ｄの範囲内とし、逆テーパ部の軸方向長さを含めてその逆テーパ部から溝切上げ部に達するまでの軸方向長さＬ₃ を１．５Ｄ〜３．５Ｄの範囲内とし、その逆テーパ部におけるウェブの最大厚さＷ₃ を０．３０Ｄ〜０．４５Ｄの範囲内とし、切り屑排出溝のねじれ角を１０°〜２３°の範囲内としたのは、図３に示すようにそれ等の値を種々変更して行った耐久性試験の結果によるもので、上記各数値範囲を何れも満足する場合に工具寿命が著しく向上した。

逆テーパ部と溝切上げ部との間にウェブの厚さが逆テーパ部における最大厚さと同じ一定の寸法の中間段部が設けられるが、切り屑排出性能や工具剛性を両立する上で前記軸方向長さＬ₃ の１／２以上の範囲を逆テーパ部とする。なお、逆テーパ部を設ける位置は、ドリル先端から形成すべき深穴の穴深さよりもシャンク側の部分、すなわち目的とする穴深さまでドリル加工した状態において被削材から外部に突き出している部分に設けられ、溝長はそれよりも大きな寸法に定められる。

ウェブの厚さがシャンク側へ向かうに従って連続的に小さくなるバックテーパ部や、溝切上げ部に向かうに従って連続的に大きくなる逆テーパ部は、例えばウェブの厚さが直線的に変化するように、言い換えれば溝底の回転軌跡形状（ウェブの形状に相当）において、軸心に沿った外形線が直線となるように構成されるが、軸方向において凸形状或いは凹形状に滑らかに湾曲するなど非線形に変化するものでも良い。

切り屑排出溝が設けられたボデーの外径は、例えば全長に亘ってドリル直径Ｄと略同じ寸法であっても良いが、加工穴との干渉を軽減するため、シャンク側程径寸法が多少小さくなるバックテーパを設けたり、先端側の一部にのみバックテーパを設け、それよりシャンク側は一定の外径寸法としたりするなど、種々の態様が可能である。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１の深穴加工用超硬質材料製ロングドリル（以下、単に深穴加工用ドリルという）１０は参考例で、(a) は軸心Ｏと直角な方向から見た正面図、(b) は軸心Ｏを含む縦断面図、(c) は軸心Ｏと直角な横断面図、(d) は先端側から見た底面図である。この深穴加工用ドリル１０は、超硬質工具材料である超微粒子超硬合金にて一体に構成されている２枚刃のツイストドリルで、主軸に把持されて回転駆動されるシャンク１２とボデー１４とを軸方向に同心に備えており、ボデー１４の表面にはＴｉＡｌＮの多層構造の硬質皮膜がコーティングされている。ボデー１４の先端には一対の切れ刃１６が軸心Ｏに対して対称的に設けられているとともに、その切れ刃１６のすくい面に連続して一対の切り屑排出溝１８が軸心Ｏに対して対称的にボデー１４の略全長に亘って設けられている。切り屑排出溝１８は、切り屑をシャンク１２側へ排出するように右まわりにねじれたねじれ溝であるが、図１の(b) では、切り屑排出溝１８の底部によって形成されるウェブ２０の厚さ（径寸法）Ｗの軸方向における変化を明確に示すため、切り屑排出溝１８が軸心Ｏと平行な直溝で示されている。すなわち、図１の(b) のウェブ２０の形状は、切り屑排出溝１８の溝底の回転軌跡形状に相当する。

ボデー１４は、その全長に亘って切れ刃１６の直径であるドリル径Ｄと同じ一定の径寸法で構成されている。図１の(a) および(b) におけるボデー１４の外周形状は、リーディングエッジの回転軌跡形状に相当する。また、切り屑排出溝１８の溝長、すなわちボデー１４と略等しい軸方向寸法は、ドリル径Ｄの１５倍以上で、本参考例ではドリル径Ｄ＝６ｍｍで、溝長＝１４０ｍｍである。なお、図１は各部の寸法を正確な割合で図示したものではない。

上記切り屑排出溝１８のねじれ角は、１０°〜２３°の範囲内で例えば１５°程度とされている。また、一対のランドには、それぞれ切り屑排出溝１８に沿って螺旋状にねじれたオイルホール２４が設けられ、一端は先端の逃げ面に開口しているとともに、他端はシャンク１２を縦通して端面に開口しており、穴明け加工時に必要に応じて潤滑油剤や冷却エアーなどを供給できるようになっている。また、各ランドの径方向の中間位置には、ドリル径Ｄと等しい外径寸法で第２マージン２６が設けられており、加工穴の内面をバニシ仕上げするとともに、ドリル姿勢を加工穴と同心に保持するようになっている。

前記ウェブ２０は、(a) ウェブの厚さＷがシャンク１２側へ向かうに従って直線的に小さくなるバックテーパがドリル先端から設けられたバックテーパ部３０と、(b) ウェブの厚さＷがバックテーパ部３０における最小厚さと同じ一定の寸法Ｗ₂ でそのバックテーパ部３０に連続してシャンク１２側へ向かって設けられた平行部３２と、(c) その平行部３２と切り屑排出溝１８の溝切上げ部１８ｅとの間に、ウェブの厚さＷが溝切上げ部１８ｅに向かうに従って直線的に大きくなる逆テーパがその平行部３２に連続して設けられた逆テーパ部３４と、を備えている。そして、上記バックテーパ部３０の軸方向長さＬ₁ は、ドリル径Ｄに対して３Ｄ〜６Ｄの範囲内で例えば５Ｄ（＝３０ｍｍ）であり、ドリル先端のウェブの厚さＷ₁ は０．３０Ｄ〜０．４５Ｄの範囲内で例えば０．４０Ｄ（＝２．４ｍｍ）である。平行部３２のウェブの厚さＷ₂ は、０．２５Ｄ〜０．４０Ｄの範囲内で例えば０．３５Ｄ（＝２．１ｍｍ）である。また、逆テーパ部３４は、平行部３２と溝切上げ部１８ｅとの間の全域に設けられており、その軸方向長さＬ₃ は、１．５Ｄ〜３．５Ｄの範囲内で例えば２．５Ｄ（＝１５ｍｍ）であり、その逆テーパ部３４におけるウェブの最大厚さＷ₃ は０．３０Ｄ〜０．４５Ｄの範囲内で例えば０．４０Ｄ（＝２．４ｍｍ）である。

上記バックテーパ部３０および逆テーパ部３４は、何れもウェブ２０の厚さＷが直線的に変化するように、言い換えれば溝底の回転軌跡形状（図１(b) に示すウェブ２０の形状に相当）において、軸心Ｏに沿った外形線が直線となるように構成されている。切り屑排出溝１８は、研削砥石による研削加工によって螺旋状に設けられており、研削砥石と工具素材とを相対的に接近・離間させることによりウェブの厚さＷを増減変化させることができる。なお、平行部３２の軸方向長さＬ₂ は、溝長からバックテーパ部３０、逆テーパ部３４、および溝切上げ部１８ｅの軸方向長さを差し引いた残りの寸法で、溝長が１４０ｍｍの本参考例では約８６ｍｍである。

上記深穴加工用ドリル１０は、逆テーパ部３４が平行部３２と溝切上げ部１８ｅとの間の全域に設けられていたが、図２に示す深穴加工用ドリル５０のように、逆テーパ部３４と溝切上げ部１８ｅとの間に、ウェブの厚さＷが逆テーパ部３４における最大厚さと同じ一定の寸法Ｗ₃ の中間段部５２を設けた二段構造とすることもできる。この場合も、逆テーパ部３４の軸方向長さＬ_3aを含めて逆テーパ部３４から溝切上げ部１８ｅに達するまでの軸方向長さＬ₃ は、１．５Ｄ〜３．５Ｄの範囲内で例えば２．５Ｄ（＝１５ｍｍ）とされ、その逆テーパ部３４におけるウェブの最大厚さ、言い換えれば中間段部５２のウェブの厚さＷ₃ は、０．３０Ｄ〜０．４５Ｄの範囲内で例えば０．４０Ｄ（＝２．４ｍｍ）とされる。また、逆テーパ部３４の軸方向長さＬ_3aと中間段部５２の軸方向長さＬ_3bとの割合は、Ｌ_3a≧Ｌ_3b であり、例えばＬ_3a≒Ｌ_3bとされる。この深穴加工用ドリル５０が本発明の実施例である。

ここで、図３に示すようにバックテーパ部３０の有無や長さＬ₁ 、ウェブの最大厚さＷ₁ 、平行部３２のウェブの厚さＷ₂ 、逆テーパ部３４の有無や長さＬ₃ 、形状（上記中間段部５２の有無で、中間段部５２が無い場合が「テーパ」、中間段部５２を有する場合が「二段」）、ウェブの最大厚さＷ₃ 、および切り屑排出溝１８のねじれ角が異なる多数の試験品（テスト１〜２５）を用意し、以下の加工条件で深穴の穴明け加工を行って耐久性を調べた結果を説明する。各試験品の基本的な諸元は前記実施例と同じで、超硬合金にて構成されているとともに、ドリル径Ｄ＝６ｍｍ、全長１９０ｍｍ、溝長１４０ｍｍで、オイルホール付きの２枚刃のツイストドリルであり、ボデー１４の表面にはＴｉＡｌＮの多層構造の硬質皮膜がコーティングされている。図３における「バックテーパ部」、「平行部」、「逆テーパ部」の欄の各数値の単位はｍｍで、括弧内はドリル径Ｄに対する割合である。

《加工条件》
・被削材：プラスチック金型用鋼（５２ＨＲＣ）
・穴深さ：１０５ｍｍ（１７．５Ｄ）貫通
・切削速度：３０ｍ／ｍｉｎ
・送り量：０．０６ｍｍ／ｒｅｖ
・ステップ：９ｍｍピック（ピック時に０．１ｍｍ戻し）
・使用機械：立形マシニングセンタ
・切削油：水溶性切削油
・クーラント圧：７ＭＰａ

図３において、網掛けを施した試験品は比較品で、各比較品において網掛けを施した欄は、本発明の数値範囲または形状から外れている項目である。そして、この図３の結果から明らかなように、バックテーパ部３０および逆テーパ部３４を何れも備えていない比較品（テスト１）や、バックテーパ部３０のみを備えている比較品（テスト２〜９）は勿論、バックテーパ部３０および逆テーパ部３４を共に備えている比較品（テスト１０〜１８、２１、２２、２５）においても、加工穴数は３５以下で十分な耐久性が得られない。これに対し、本発明品（テスト２３、２４）によれば、５０穴以上の穴明け加工が可能で、耐久性が格段に向上する。なお、テスト１９、２０は前記参考例の深穴加工用ドリル１０に相当する。

このように、本実施例の深穴加工用ドリル５０によれば、所定の切り屑排出性能を確保しつつ刃先強度や工具剛性が向上し、加工が困難な４０ＨＲＣ程度以上の高硬度材に対して深穴を切削加工する場合でも、工具の早期折損や異音、振動の発生が抑制されて切削加工が安定して行われるようになり、工具寿命の向上に対して顕著な効果が得られる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、これはあくまでも一実施形態であり、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更，改良を加えた態様で実施することができる。

深穴加工用超硬質材料製ロングドリルの参考例で、(a) は正面図、(b) は切り屑排出溝を直溝で示した縦断面図、(c) はボデーの中間位置における拡大断面図、(d) は先端側から見た拡大底面図である。 本発明の実施例を示す図で、図１の(b) に相当する縦断面図である。 図１、図２の深穴加工用超硬質材料製ロングドリルの各部の寸法が異なる種々の試験品を用いて耐久性試験を行った結果を示す図である。

符号の説明

５０：深穴加工用超硬質材料製ロングドリル １６：切れ刃 １８：切り屑排出溝 １８ｅ：溝切上げ部 ２０：ウェブ ３０：バックテーパ部 ３２：平行部 ３４：逆テーパ部 ５２：中間段部 Ｄ：ドリル径

Claims (3)

1. 超硬合金等の超硬質工具材料にて構成されているとともに、先端の複数の切れ刃に連続して所定のねじれ角で切り屑排出溝が設けられている深穴加工用超硬質材料製ロングドリルにおいて、
   ウェブの厚さがシャンク側へ向かうに従って連続的に小さくなるバックテーパがドリル先端から設けられたバックテーパ部と、
   ウェブの厚さが前記バックテーパ部における最小厚さと同じ一定の寸法で該バックテーパ部に連続してシャンク側へ向かって設けられた平行部と、
   該平行部と前記切り屑排出溝の溝切上げ部との間に、ウェブの厚さが該溝切上げ部に向かうに従って連続的に大きくなる逆テーパが該平行部に連続して設けられた逆テーパ部と、
   を有する一方、
   前記バックテーパ部の軸方向長さＬ₁ は、ドリル径Ｄに対して３Ｄ〜６Ｄの範囲内で、ドリル先端のウェブの厚さＷ₁ は０．３０Ｄ〜０．４５Ｄの範囲内であり、
   前記平行部のウェブの厚さＷ₂ は０．２５Ｄ〜０．４０Ｄの範囲内であり、
   前記逆テーパ部の軸方向長さを含めて該逆テーパ部から前記溝切上げ部に達するまでの軸方向長さＬ₃ は、１．５Ｄ〜３．５Ｄの範囲内で、該逆テーパ部におけるウェブの最大厚さＷ₃ は０．３０Ｄ〜０．４５Ｄの範囲内であり、
   前記切り屑排出溝のねじれ角は１０°〜２３°の範囲内であるとともに、
   前記逆テーパ部と前記溝切上げ部との間には、ウェブの厚さが該逆テーパ部における最大厚さと同じ一定の寸法の中間段部が設けられており、且つ、該中間段部の軸方向長さＬ _3b は前記逆テーパ部の軸方向長さＬ _3a に対してＬ _3b ≦Ｌ _3a の関係を有する
   ことを特徴とする深穴加工用超硬質材料製ロングドリル。
2. 前記中間段部の軸方向長さＬ _3b は前記逆テーパ部の軸方向長さＬ _3a に対してＬ _3b ≒Ｌ _3a の関係を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の深穴加工用超硬質材料製ロングドリル。
3. 前記切れ刃の刃数は２枚または３枚で、前記切り屑排出溝の溝長はドリル径Ｄの１０倍以上である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の深穴加工用超硬質材料製ロングドリル。

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