JP5350131B2 - Drilling device and drilling method - Google Patents
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Abstract
Description
ここに開示する技術は、例えば難削材である繊維強化プラスチック等の複合材に、ドリルによって孔あけ加工を施す穿孔装置に関する。 The technology disclosed herein relates to a drilling device that drills a composite material such as a fiber reinforced plastic, which is a difficult-to-cut material, with a drill.
例えば炭素繊維強化プラスチック(Cabon Fiber Reinforced Plastics:CFRP)等の複合材は、切削加工の分野においては難削材に区分され、特に積層構造を有するCFRPにドリルによる孔あけ加工を施したときには、その孔の出口側において層間剥離が発生する場合がある。CFRPが航空機部品として用いられる場合には、高い加工品質が要求されることから、層間剥離が発生したときにはそれを補修をしなければならず、その補修にコスト及び時間がかかってしまう。こうした層間剥離の発生は工具摩耗に起因する。例えば特許文献1は、工具寿命を延ばすことによって層間剥離の発生を長時間に亘って抑制するようにしたドリルを開示している。 For example, composite materials such as carbon fiber reinforced plastic (Cabon Fiber Reinforced Plastics: CFRP) are classified as difficult-to-cut materials in the field of cutting, and especially when CFRP having a laminated structure is drilled with a drill. Delamination may occur on the exit side of the hole. When CFRP is used as an aircraft part, high processing quality is required. Therefore, when delamination occurs, it must be repaired, which requires cost and time. Such delamination is caused by tool wear. For example, Patent Document 1 discloses a drill that suppresses the occurrence of delamination for a long time by extending the tool life.
ところが、前記特許文献1に開示されたドリルであっても、孔あけ個数が増加して工具摩耗が進行した場合には、層間剥離を生じ得ることになる。層間剥離の発生を確実に回避しようとすれば、工具摩耗の進行によって層間剥離が発生しそうなことを正確に予測して、工具の交換を適切に行う必要がある。 However, even the drill disclosed in Patent Document 1 can cause delamination when the number of holes increases and tool wear proceeds. In order to surely avoid the occurrence of delamination, it is necessary to accurately predict that delamination is likely to occur due to the progress of tool wear, and to change the tool appropriately.
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、繊維強化プラスチックを始めとする難削材にドリルによって孔あけ加工を施す際に、層間剥離が発生しそうなことを正確に予測して、層間剥離の発生を未然に回避することにある。 The technology disclosed herein has been made in view of the above points, and the purpose of the technology is to cause delamination when drilling a difficult-to-cut material such as fiber reinforced plastic with a drill. It is to accurately predict that this is the case and to avoid the occurrence of delamination.
前記の目的に鑑みて、本願発明者らが検討を重ねたところ、孔の出口側で発生する層間剥離は、ドリルの先端が被穿孔物の出口側に相当する面の近傍にまで到達して以降の、ドリルの先端と肩部との間で被穿孔物の厚みが薄くなった部分(つまり、縦断面では、孔の中心から周縁に向かって厚みが増大するような概略三角形状となって、その周縁側において片持ち支持される部分。以下、片持ち部分ともいう)において生じていることを見出した。このことから、層間剥離は、ドリルのスラスト力と、当該片持ち部分における層間接着の強度等に基づく耐力(せん断力)との大小関係に起因して発生し、ドリルの摩耗によりスラスト力が増大したときには、片持ち部分における耐力を上回って層間剥離が生じると推定される。このように層間剥離の発生は、単にドリルのスラスト力の大小だけに起因するのではなく、片持ち部分における耐力も関係し、当該耐力はドリルの送り量(言い換えると、穿孔中の孔が当該被穿孔物の出口側の面に完全に貫通するまでの残り距離であり、この残り距離は、被穿孔物の出口側の面からドリルの肩部までの距離に相当する)によって変化する、つまり、ドリルの送り量が大きくなって残り距離が短くなるほど、片持ち部分の厚みが薄くなって耐力は低下する。 In view of the above object, the inventors of the present application have repeatedly studied, and delamination that occurs on the outlet side of the hole reaches the vicinity of the surface corresponding to the outlet side of the drilled object. Thereafter, the portion where the thickness of the drilled object is reduced between the tip and the shoulder of the drill (that is, in the longitudinal section, it becomes a substantially triangular shape in which the thickness increases from the center of the hole toward the periphery. It was found that this occurs in a portion that is cantilevered on the peripheral side (hereinafter also referred to as a cantilever portion). Therefore, delamination occurs due to the magnitude relationship between the thrust force of the drill and the proof stress (shearing force) based on the strength of interlayer adhesion at the cantilever part, and the thrust force increases due to wear of the drill. When it does, it is estimated that delamination arises exceeding the yield strength in a cantilever part. In this way, the occurrence of delamination is not simply caused by the magnitude of the thrust force of the drill, but is also related to the proof stress in the cantilevered portion, and the proof strength is related to the feed amount of the drill (in other words, the hole being drilled This is the remaining distance until it completely penetrates the surface on the outlet side of the drilled object, and this remaining distance corresponds to the distance from the surface on the outlet side of the drilled object to the shoulder of the drill). As the feed amount of the drill increases and the remaining distance becomes shorter, the thickness of the cantilevered portion becomes thinner and the proof stress decreases.
そこで、本願発明者らは、例えば荷重試験を事前に行うことによって、残り距離と許容スラスト力との関係を予め得るようにしておくと共に、孔あけ最中にはドリルのスラスト力を検知することにより、検知したスラスト力が、残り距離の関数である許容スラスト力を超えるか否かに基づいて層間剥離が発生しそうなことを正確に予測して、層間剥離の発生を未然に防止し得ることに着目した。 Therefore, the inventors of the present application obtain the relationship between the remaining distance and the allowable thrust force in advance, for example, by performing a load test in advance, and detect the thrust force of the drill during drilling. Based on whether or not the detected thrust force exceeds the allowable thrust force that is a function of the remaining distance, it is possible to accurately predict that delamination will occur and prevent delamination from occurring Focused on.
ここに開示する穿孔装置は、積層構造を有する被穿孔物の孔あけを行うドリルと、前記ドリルを所定の回転数で回転させる回転駆動手段と、前記回転しているドリルを前記被穿孔物に対して所定の送り速度で送る送り手段と、穿孔中に前記ドリルに作用するスラスト力を検知する検知手段と、前記被穿孔物における孔出口側の面から前記ドリルの肩部までの距離に相当する残り距離と、前記ドリルの許容スラスト力との関係を記憶している記憶手段と、前記検知されたスラスト力と、前記ドリルの送り量に基づく前記残り距離と、前記記憶されている許容スラスト力とに基づいて、前記スラスト力が前記許容スラスト力を超えているか否かを逐次判定すると共に、前記スラスト力が前記許容スラスト力を超えたときには、前記送り手段に対して、前記ドリルを原点位置に戻させる制御手段と、を備えている。 A drilling device disclosed herein includes a drill for drilling a drilled object having a laminated structure, a rotation driving means for rotating the drill at a predetermined rotational speed, and the rotating drill as a drilled object. Corresponding to the distance from the surface on the hole exit side of the drilled object to the shoulder of the drill, the feed means for feeding at a predetermined feed speed, the detecting means for detecting the thrust force acting on the drill during drilling Storing the relationship between the remaining distance to be performed and the allowable thrust force of the drill, the detected thrust force, the remaining distance based on the feed amount of the drill, and the stored allowable thrust Based on the force, it is sequentially determined whether the thrust force exceeds the allowable thrust force, and when the thrust force exceeds the allowable thrust force, , And a, and a control means for causing return the drill to the origin position.
この構成によると、前述したように、例えば静荷重試験等を通じて、穿孔中の孔が被穿孔物の出口側の面に完全に貫通するまでの残り距離と許容スラスト力との関係を予め取得し、記憶手段に記憶しておく一方で、ドリルを用いて被穿孔物に孔あけ加工を施している最中には、検知手段によりドリルのスラスト力を検知する。 According to this configuration, as described above, the relationship between the remaining distance until the hole being drilled completely penetrates the surface on the outlet side of the drilled object and the allowable thrust force is acquired in advance through, for example, a static load test. While being memorized in the memory means, while the drilling is being performed on the drilled object using the drill, the thrust force of the drill is detected by the detecting means.
そうして、検知したスラスト力と、その時の残り距離に対応する許容スラスト力とを逐次比較する。スラスト力が許容スラスト力以下であるときには、層間剥離が発生しないとして孔あけ加工を継続する一方、ドリルの摩耗等によりスラスト力が増大し、そのスラスト力が許容スラスト力を超えたときには、層間剥離が発生し得るため、孔あけ加工を中断すべくドリルを原点位置に戻させる。その後は、摩耗したドリルを、新しいドリルと交換して孔あけ加工を再開すればよい。 Then, the detected thrust force and the allowable thrust force corresponding to the remaining distance at that time are sequentially compared. When the thrust force is less than or equal to the allowable thrust force, drilling is continued assuming that delamination does not occur.On the other hand, when the thrust force increases due to wear of the drill and the thrust force exceeds the allowable thrust force, delamination occurs. Therefore, the drill is returned to the origin position to interrupt the drilling process. After that, the worn drill may be replaced with a new drill and the drilling process may be resumed.
従ってこの穿孔装置では、積層構造を有する被穿孔物に孔あけ加工を施しているときに層間剥離が発生してしまうことが、未然にかつ確実に回避し得る。 Therefore, in this perforating apparatus, it is possible to reliably and surely prevent delamination from occurring when a perforated object having a laminated structure is drilled.
前記制御手段は、前記スラスト力が前記許容スラスト力を超えたときには、前記送り手段に対して、前記ドリルの送り速度を低下させ、前記送り速度の低下後に、前記前記スラスト力が前記許容スラスト力を超えたときには、前記送り手段に対して、前記ドリルを原点位置に戻させる、としてもよい。 When the thrust force exceeds the allowable thrust force, the control means decreases the feed speed of the drill with respect to the feed means, and after the feed speed is reduced, the thrust force is reduced to the allowable thrust force. When the value exceeds, the feed means may be caused to return the drill to the original position.
ドリルの送り速度を低下させることによりドリルのスラスト力が低下するため、許容スラスト力以下となって、層間剥離の発生を回避し得る。つまりこの構成では、検知したスラスト力が許容スラスト力を超えたときには先ず、ドリルの送り速度の低下によりスラスト力を低下させて孔あけ加工を継続すると共に、その送り速度を低下させた状態で、スラスト力が許容スラスト力を超えたときには、ドリルの摩耗が激しく、これ以上、孔あけ加工を継続したのでは層間剥離が生じ得るとして、ドリルを原点位置に戻す。そうしてドリルを交換するようにする。従ってこの構成では、前記と同様に、層間剥離の発生を未然にかつ確実に回避しつつも、ドリルの交換頻度は抑制されるため、コストの点で有利になる。 Since the thrust force of the drill is reduced by lowering the feed rate of the drill, it becomes less than the allowable thrust force and the occurrence of delamination can be avoided. That is, in this configuration, when the detected thrust force exceeds the allowable thrust force, first, the drill force is continued by lowering the thrust force by lowering the feed rate of the drill, and the feed rate is reduced, When the thrust force exceeds the allowable thrust force, the wear of the drill is severe, and if the drilling process is further continued, delamination may occur, and the drill is returned to the origin position. Then try to replace the drill. Therefore, this configuration is advantageous in terms of cost because the frequency of exchanging the drill is suppressed while avoiding the occurrence of delamination in advance and surely, as described above.
前記送り手段は、前記ドリルの送り速度を、その送り量が所定量になるまでは相対的に速く設定する一方、前記所定量になった以降は相対的に遅く設定する、としてもよい。 The feed means may set the feed speed of the drill relatively fast until the feed amount reaches a predetermined amount, and relatively late after the feed amount reaches the predetermined amount.
前述したように層間剥離は、穿孔中の孔が出口側に完全に貫通する直前において発生しやすく、そこに至るまでの間は発生し難いことから、送り量が所定量になるまでの孔あけ加工の初期から中期にかけての期間では、ドリルの送り速度を比較的速く設定して、ドリルのスラスト力を大きくしても層間剥離は発生しない。逆にドリルの送り速度を比較的速く設定することは、ドリルの摩耗を抑制すると共に、孔あけ加工の効率を向上させる。 As described above, delamination is likely to occur immediately before the hole being drilled completely penetrates to the outlet side, and is difficult to occur until reaching the outlet side. In the period from the initial stage to the middle stage of machining, delamination does not occur even if the drill feed speed is set relatively high and the thrust force of the drill is increased. Conversely, setting the drill feed rate relatively fast suppresses drill wear and improves the efficiency of drilling.
そうして、送り量が所定量になった以降の孔あけ加工の後期においては、ドリルの送り速度を相対的に低下してスラスト力を低下させることにより、層間剥離の発生が回避し得る。 Thus, in the later stage of drilling after the feed amount reaches the predetermined amount, the delamination can be avoided by lowering the thrust force by relatively reducing the feed rate of the drill.
ここに開示する穿孔方法は、積層構造を有する被穿孔物に対してドリルにより孔あけを行う穿孔方法であって、所定の回転数で回転している前記ドリルを前記被穿孔物に対し、所定の送り速度で送る工程、前記ドリルに作用するスラスト力を検知する工程、前記検知したスラスト力と、前記被穿孔物における孔出口側の面から前記ドリルの肩部までの距離に相当する残り距離に基づき設定される許容スラスト力と、を逐次比較する工程、及び、前記検知したスラスト力が前記許容スラスト力を超えたときに、前記ドリルを原点位置に戻す工程、を備えている。 The drilling method disclosed herein is a drilling method in which a drilled object having a laminated structure is drilled by a drill, and the drill rotating at a predetermined number of rotations is predetermined with respect to the drilled object. A step of feeding at a feed speed of, a step of detecting a thrust force acting on the drill, the detected thrust force, and a remaining distance corresponding to a distance from a hole outlet side surface of the drilled object to a shoulder portion of the drill And a step of sequentially comparing the allowable thrust force set based on the above and a step of returning the drill to the home position when the detected thrust force exceeds the allowable thrust force.
この方法によると、ドリルを用いて被穿孔物に孔あけ加工を施している最中に、ドリルのスラスト力を検知し、その検知したスラスト力と、予め取得しておいた、残り距離に対応する許容スラスト力とを比較する。スラスト力が許容スラスト力以下であるときには、層間剥離が発生しないとして、孔あけ加工を継続すればよい。一方、スラスト力が許容スラスト力を超えたときには、層間剥離が発生し得るとして孔あけ加工を中断すべく、ドリルを原点位置に戻す。これによって、積層構造を有する被穿孔物に孔あけ加工を施しているときに層間剥離が発生してしまうことが、未然にかつ確実に回避し得る。尚、孔あけ加工を中断したときには、摩耗したドリルを、新しいドリルと交換して孔あけ加工を再開すればよい。 According to this method, the drill thrust force is detected while the drilled object is being drilled, and the detected thrust force and the previously acquired remaining distance are supported. Compare the allowable thrust force. When the thrust force is less than or equal to the allowable thrust force, it is only necessary to continue the drilling process assuming that no delamination occurs. On the other hand, when the thrust force exceeds the allowable thrust force, the drill is returned to the origin position in order to interrupt the drilling process because delamination may occur. Accordingly, it is possible to avoid the occurrence of delamination when the perforated object having the laminated structure is subjected to the drilling process. When the drilling process is interrupted, the worn drill may be replaced with a new drill and the drilling process may be resumed.
前記穿孔方法は、前記スラスト力が前記許容スラスト力を超えたときに、前記ドリルの送り速度を低下させる工程をさらに備え、前記送り速度を低下した後に、前記スラスト力が前記許容スラスト力を超えたときには、前記ドリルを原点位置に戻す、としてもよい。 The drilling method further includes a step of reducing the feed rate of the drill when the thrust force exceeds the allowable thrust force, and after the feed rate is reduced, the thrust force exceeds the allowable thrust force. The drill may be returned to the origin position.
検知したスラスト力が許容スラスト力を超えたときには先ず、ドリルの送り速度の低下によりスラスト力を低下させて孔あけ加工を継続すると共に、その送り速度を低下させた状態で、ドリルのスラスト力が許容スラスト力を超えたときには、ドリルを原点位置に戻し、ドリルを交換する。このように、検知したスラスト力が許容スラスト力を超えたときの処理を、2段階の処理とすることによって、層間剥離の発生を未然にかつ確実に回避しつつも、ドリルの交換頻度は抑制されるため、コストの点で有利になる。 When the detected thrust force exceeds the allowable thrust force, first the drill force is continued by reducing the thrust force by reducing the feed rate of the drill, and the thrust force of the drill is reduced while the feed rate is reduced. When the allowable thrust force is exceeded, return the drill to the home position and replace the drill. In this way, the processing when the detected thrust force exceeds the allowable thrust force is a two-step process, so that the occurrence of delamination can be avoided in advance and the drill replacement frequency is suppressed. This is advantageous in terms of cost.
前記穿孔方法は、前記ドリルの送り量が所定の送り量になったときに、当該ドリルの送り速度を低下させる工程をさらに備えている、としてもよい。 The drilling method may further include a step of reducing the feed rate of the drill when the feed amount of the drill reaches a predetermined feed amount.
前述したように層間剥離は、穿孔中の孔が出口側に完全に貫通する直前において発生しやすいことから、送り量が所定量になるまでの孔あけ加工の初期から中期にかけての期間では、ドリルの送り速度を比較的速く設定して、ドリルの摩耗の抑制と共に、孔あけ加工の効率を向上させる。一方、送り量が所定量になった以降の孔あけ加工の後期においては、ドリルの送り速度を相対的に低下してスラスト力を低下させることにより、層間剥離の発生を回避する。 As described above, delamination is likely to occur immediately before the hole being drilled completely penetrates to the outlet side. Therefore, during the period from the beginning to the middle of the drilling process until the feed amount reaches a predetermined amount, drilling is performed. The feed rate is set relatively fast, and drilling is suppressed and the drilling efficiency is improved. On the other hand, in the latter stage of drilling after the feed amount reaches a predetermined amount, the occurrence of delamination is avoided by lowering the thrust force by relatively lowering the feed rate of the drill.
以上説明したように、ここに開示する穿孔装置及び穿孔方法は、残り距離と許容スラスト力との関係に基づき、検知しているドリルのスラスト力に応じて孔あけ加工を中断するため、層間剥離が発生することを未然にかつ確実に回避することができる。 As described above, since the drilling apparatus and the drilling method disclosed herein interrupt the drilling process according to the detected thrust force of the drill based on the relationship between the remaining distance and the allowable thrust force, delamination is performed. It is possible to reliably and reliably avoid the occurrence of.
以下、穿孔装置の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。 Hereinafter, embodiments of a perforating apparatus will be described with reference to the drawings. The following description of the preferred embodiment is merely exemplary in nature.
(実施形態1)
図1は、実施形態に係る穿孔装置1の概略構成を示している。穿孔装置1は、ドリル11の自動送りが可能なパワーフィードドリルであり、主軸X上に配置され、被穿孔物4に対して孔をあけるドリル11と、ドリル11を主軸X周りに回転させるための主軸回転用のACサーボモータ(以下、主軸モータ)12と、回転しているドリル11を、主軸Xに沿って往復移動させるための送り用ACサーボモータ(以下、送りモータ)13と、がケース14内に収容されて構成されている。ここで、この穿孔装置1によって穿孔を行う被穿孔物4は、CFRP製の板材単体であったり、CFRP製の板材にチタンやアルミニウム製の板材を重ねたものであったりする。CFRP製の板材と金属製の板材との間には隙間が形成される場合もある。ここでは、図4に示すように、被穿孔物4を、CFRP製の板材41にチタン製の板材42を隙間無く重ねたものとして、以下の説明を行う。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a schematic configuration of a perforating apparatus 1 according to the embodiment. The drilling device 1 is a power feed drill capable of automatically feeding a
前記ドリル11は、チャック21を介してドリル本体22の先端側に対し着脱可能に取り付けられる。この穿孔装置1では、加工内容に応じて径の異なるドリル11が取り付けられると共に、ドリル11の摩耗が進んだときには新しいドリル11に交換される。
The
送りモータ13は、ドリル本体22の基端側において、前記の主軸X上に配設されている。送りモータ13は、その駆動により、ドリル本体22を主軸Xに沿って往復移動させる(図1の矢印参照)。このことで、前記ドリル11は、ケース14に設けられた先端開口を通じて進退し、被穿孔物4に対して相対移動する(図1の一点鎖線参照)。送りモータ13とドリル本体22との間には、ドリル11に作用するスラスト力を検知する送りトルク検知器23が配設されている。この送りトルク検知器23は、検知したスラスト力を、後述する制御盤32に出力する。
The
主軸モータ12は、送りモータ13に並設するように主軸Xに対してずれて配置されている。主軸モータ12は、詳細な図示は省略するが、ベルト又はギヤセットによって構成される駆動伝達機構24を介して、ドリル本体22に駆動連結されている。主軸モータ12の駆動力は、駆動伝達機構24及びドリル本体22を介して、ドリル11に伝達され、ドリル11が主軸X周りに回転することになる。主軸モータ12と駆動伝達機構24との間には、ドリル11の回転トルクを検知する回転トルク検知器25が介設されている。回転トルク検知器25は、検知した回転トルクを制御盤32に出力する。
The
穿孔装置1はまた、操作盤31及び制御盤32を備えている。操作盤31は制御盤32に対して情報伝送可能に接続されていると共に、図示は省略するが、穿孔作業の担当者が、穿孔装置1の起動や停止等を含む各種の操作や、情報入力が可能な操作部を備えている。操作盤31にはまた、穿孔作業の状態を示す表示ランプ33が取り付けられており、作業担当者は、この表示ランプ33の表示を見ることによって、穿孔作業が正常に行われていること及び異常が発生したこと(後述するように、ドリル11の交換要求等を含む)を認識することができる。
The punching apparatus 1 also includes an
制御盤32は、前記主軸モータ12及び送りモータ13の制御を行うものであって、前記操作盤31からの各種信号及び主軸モータ12及び送りモータ13からの信号に基づいて、ドリル11の回転数が目標回転数となるように前記主軸モータ12のフィードバック制御を行うと共に、ドリル11の送り速度が目標送り速度となるように、送りモータ13のフィードバック制御を行う。前記制御盤32にはまた、回転トルク検知器25からの回転トルク及び前記送りトルク検知器23からのスラスト力がそれぞれ入力される。制御盤32は、検知された主軸回転トルクから主軸モータ12の過負荷を、また、検知されたスラスト力から送りモータ13の過負荷をそれぞれ判断して、主軸モータ12及び送りモータ13を停止させる。
The
制御盤32はさらに、検知したスラスト力とドリル11の送り量(換言すれば、ドリル11の肩部が被穿孔物4の出口側の面に到達して、穿孔中の孔が被穿孔物4の出口側に完全に貫通するまでの残り距離、図2参照)とに基づいて、層間剥離の発生を未然に予測し、孔あけ加工を中断する制御をも行う。この制御についての詳細は後述する。
The
図2は、積層構造を有するCFRPにおいて層間剥離が発生するメカニズムを説明した図である。CFRPの板材(被穿孔物)に対しドリル11による孔あけ加工を行う際に生じ得る層間剥離は、孔の出口側で発生し、ドリル11の先端が被穿孔物4の出口側に相当する面付近に到達した以降において発生し得る。つまり、ドリル11の先端が被穿孔物4の出口側の面に到達した状態では、ドリル11の先端と肩部との間において、被穿孔物の厚みが薄くなった部分(図2においては、孔の中心から周縁に向かって厚みが増大するような概略三角形状となって、その周縁側において片持ち支持される片持ち部分)が生じることになる。ドリル11のスラスト力が、片持ち部分における層間接着の強度等に基づく耐力を上回ったときに、この片持ち部分が破損して、層間剥離が発生する(図2の白抜きの矢印参照)。従って、層間剥離の発生には、ドリル11のスラスト力の大きさだけでなく、片持ち部分の耐力が関係し、穿孔の進行によりドリル11の送り量が大きくなるほど片持ち部分の厚みが薄くなるため、耐力は低下することになる。つまり、例えば図3に示すように、許容されるスラスト力(層間剥離が発生しないスラスト力)は、ドリル11の送り量の増大に伴い変化し、その送り量が大きくなって残り距離が短くなるほど、許容スラスト力は小さくなる。
FIG. 2 is a diagram illustrating a mechanism in which delamination occurs in a CFRP having a laminated structure. The delamination that may occur when drilling with a
層間剥離の発生を回避するには、ドリル11のスラスト力が、残り距離に基づく許容スラスト力を超えないようにすればよく、そのためには、例えば図3に示すような残り距離と許容スラスト力との関係を求める必要がある。残り距離と許容スラスト力との関係は、例えば残り距離を異ならせた片持ち部分を有する複数種の試験片を用意し、ドリルと同様にその先端側に肩部を有するアンビルを用いて、各試験片における片持ち部分に対してスラスト力を付与することでその片持ち部分のせん断力を測定する、静荷重試験を行うことにより得られる。この特性線は、残り距離が長くなればなるほど、片持ち部分の厚みが分厚くなって耐力が大きいため、許容スラスト力も大きくなり、残り距離が短くなればなるほど、片持ち部分の厚みが薄くなって耐力が小さくなり、小さなスラスト力でも層間剥離し得ることから、許容スラスト力は小さくなる。従って、特性線を挟んだ下側の領域は、層間剥離が生じない安全領域であり、特性線を挟んだ上側の領域は、層間剥離が生じ得る層間剥離発生領域である。
In order to avoid the occurrence of delamination, the thrust force of the
また、この特性はドリル径に応じて変化し、ドリル径が相対的に大きいときには特性線の傾きが急になり、ドリル径が相対的に小さいときには特性線の傾きは緩やかになる。 Further, this characteristic changes according to the drill diameter. When the drill diameter is relatively large, the inclination of the characteristic line becomes steep, and when the drill diameter is relatively small, the inclination of the characteristic line becomes gentle.
そのようにして予め設定されたドリル径毎の特性線は、操作盤31を通じて制御盤32に記憶されることになる。また、制御盤32には、操作盤31の操作を通じて各加工条件が予め設定入力されて、記憶されている。ここでの加工条件には、各ドリル径に対応付けられた、送り速度、回転数、及び、穿孔長(切削長)等が含まれる。ここで、ドリル11の回転数及び送り速度について説明すると、前述したように層間剥離の発生は孔の出口側で起こり得るため、その付近においてはドリル11のスラスト力を許容スラスト力よりも小さくすることが重要であるが、そこに至るまでにおいては、例えば回転数や送り速度を低下してドリル11のスラスト力を低下させる必要性に乏しく、逆に回転数や送り速度を低下させて穿孔時間が長くなることは、ドリル11の摩耗を促進してしまうことにもなる。そこで、例えば図4に示すように、この穿孔装置1では、ドリル11の送り量に応じて、ドリル11の回転数及び送り速度を切り替える制御を行う。具体的には、ドリル11の先端が、被穿孔物4の入口側の面に当接して穿孔を開始するときから、そのドリル11の先端がCFRP製板材41の出口側の面に到達する直前(例えば1mm程度手前)の間の第1領域(換言すれば、CFRP製板材41に対する孔あけ加工における初期から中期にかけての期間)は、ドリル11の回転数を、相対的に高い第1回転数とし、送り速度を相対的に速い第1送り速度に設定する。こうすることにより、加工効率が向上する上に、ドリル11の摩耗が抑制されてドリル11の長寿命化が図られる。
The preset characteristic line for each drill diameter is stored in the
そして、ドリル11の先端がCFRP製板材41の出口側の面に到達する直前から、ドリル11の肩部がその出口側の面に到達するまでの間の第2領域(CFRP製板材41に対する孔あけ加工における後期)は、前述したように、層間剥離が発生し得る期間であることから、ドリル11の回転数を、第2回転数(<第1回転数)とし、送り速度を第2送り速度(<第1送り速度)とする。こうして、層間剥離が発生し得る領域では、ドリル11のスラスト力を低下させるようにして層間剥離の発生を抑制するようにする。
A second region (a hole in the
その後の第3領域、つまりCFRP製板材41に重ねたチタン製板材42の穿孔を行うときには、ドリル11の回転数を、チタンの孔あけに適した第3回転数にすると共に、送り速度を第3送り速度に設定する。加工条件として操作盤32に記憶される回転数及び送り速度には、こうした第1〜第3回転数及び第1〜第3送り速度が含まれると共に、それらの回転数及び送り速度を切り替えるタイミングに係る、ドリル11の送り量に関する情報もまた、操作盤31を通じて制御盤32に記憶される。
In the subsequent third region, that is, when drilling the
次に、図5に示すフローチャートを参照しながら、前記制御盤32による孔あけ加工に係る制御について説明する。穿孔作業を行うときには先ず、作業担当者は、操作盤31において使用するドリル径を選択操作する。その選択操作に応じて制御盤32が、対応する加工情報を読み出して、被穿孔物4に対する孔あけ加工を行う。ここでは、第1〜第3の各領域における第1〜第3回転数及び第1〜第3送り速度、回転数及び送り速度の変更タイミングに係るドリル11の送り量の情報、穿孔長(切削長)並びに選択されたドリル径に対応する許容スラスト力の情報(図3参照)がそれぞれ読み込まれる(ステップS11)。
Next, control related to drilling by the
続くステップS12では、ドリル11が到達している第1〜第3の各領域に応じて、ドリル11の回転数が目標回転数となるように主軸モータ12を制御すると共に、ドリル11の送り速度が目標送り速度となるように送りモータ13を制御する。前述したように、第1領域では、第1回転数及び第1送り速度で、第2領域では、第2回転数及び第2送り速度で、第3領域では、第3回転数及び第3送り速度となるように、主軸モータ12及び送りモータ13が制御される。
In the subsequent step S12, the
ステップS13では、送りモータ13(サーボモータ)から得られるドリル11の送り量に基づいて、ドリル11が前記第2領域に到達しているか否かを判定し、到達していないのNOのときにはステップS14に移行する一方、到達しているのYESのときにはステップS15に移行する。ステップS14では、読み込んだ穿孔長と、送りモータ13から得られるドリル11の送り量とに基づいて、孔あけ加工が完了したか否かを判断し、完了していないときにはステップS12に戻って孔あけ加工を継続する。
In step S13, based on the feed amount of the
第2領域に到達したステップS15では、送りトルク検知器23の検知値(スラスト力)を読み込むと共に、ステップS16で、その検知値と、ドリル11の送り量から求められる残り距離と、その残り距離(及びドリル径)に対応する許容スラスト力とに基づいて、検知したスラスト力が、許容スラスト力を超えているか否かを判定する。許容スラスト力を超えているとき(NGのとき)には、そのままでは層間剥離が発生する虞があることからステップS17に移行する一方、許容スラスト力を超えていないとき(OKのとき)には、層間剥離が発生しないことからステップS14に移行して、孔あけ加工を継続する。
In step S15 that has reached the second region, the detection value (thrust force) of the
ステップS17では、ドリル11の回転を維持したまま、そのドリル1を原点位置に戻し、続くステップS18でドリル11を停止させると共に、表示ランプ33において警告灯を点灯させる。こうして、作業担当者に対し、ドリル11の交換を促す。ステップS19では、担当者が新しいドリル11に交換をして、操作盤31において再スタート操作を行ったか否かを判定する。ドリル11が交換されて再スタート操作が行われるまで、警告灯を表示し、再スタート操作が行われれば、ステップS12に戻る。つまり、新たなドリル11によって孔あけ加工を継続する。そうして、加工が完了すれば(ステップS14でYESであれば)、ドリル11を原点に戻して、孔あけ加工を終了する。
In step S17, while maintaining the rotation of the
このようにこの穿孔装置1では、ドリル11のスラスト力と、被穿孔物4における孔の出口付近の片持ち部分の耐力から設定される許容スラスト力と、に基づいて、ドリル11の摩耗等に伴いドリル11のスラスト力が増大して許容スラスト力を上回るようになったことをステップS16において判断し、その場合には孔あけ加工を中断して、ドリル11の交換を促すようにする(ステップS17〜S19)。こうして、積層構造を有する被穿孔物4に対し、ドリル11による孔あけ加工を施す際に、層間剥離が発生してしまうことを未然にかつ確実に回避することが可能になる。
As described above, in this drilling device 1, the wear of the
(実施形態2)
図6は、制御盤32が実行する別の制御に係るフローチャートを示している。先ず、ステップS21では、選択されたドリル径に応じて、第1〜第3の各領域における第1〜第3回転数及び第1〜第3送り速度、回転数及び送り速度の変更タイミングに係るドリル11の送り量の情報、穿孔長(切削長)並びに選択されたドリル径に対応する許容スラスト力の情報がそれぞれ読み込まれる。続くステップS22では、ドリル11が到達している第1〜第3の各領域に応じて、ドリル11の回転数が目標回転数となるように主軸モータ12を制御すると共に、ドリル11の送り速度が目標送り速度となるように送りモータ13を制御する。ステップS23では、ドリル11が前記第2領域に到達しているか否かを判定し、到達していないのNOのときにはステップS24に移行する一方、到達しているのYESのときにはステップS25に移行する。ステップS24では、孔あけ加工が完了したか否かを判断し、完了していないときにはステップS22に戻って、ドリル11による孔あけ加工を継続する。
(Embodiment 2)
FIG. 6 shows a flowchart relating to another control executed by the
第2領域に到達したステップS25では、送りトルク検知器23の検知値(スラスト力)を読み込むと共に、ステップS26で、その検知値と、送り量(残り距離)と、許容スラスト力とに基づいて、スラスト力が許容スラスト力を超えているか否かを判定する。許容スラスト力を超えているとき(NGのとき)には、ステップS27に移行する一方、許容スラスト力を超えていないとき(OKのとき)にはステップS24に移行して、孔あけ加工を継続する。
In step S25 that has reached the second region, the detected value (thrust force) of the
ステップS27では、送りモータ13の制御によりドリル11の送り速度を、予め設定された所定量だけ低下し、そのことによりドリル11のスラスト力を低下させて孔あけ加工を継続する。送り速度の低下量は、例えばドリル径毎に予め設定しておいてもよい。その上で、続くステップS28において検知したスラスト力と許容スラスト力とを比較し、スラスト力が許容スラスト力を超えているか否かを判定する。許容スラスト力を超えていないとき(OKのとき)には、ステップS24に移行して、そのまま孔あけ加工を継続する。一方、許容スラスト力を超えているとき(NGのとき)にはステップS29に移行する。尚、ステップS24に移行して孔あけ加工を継続した場合に、前記S26の判定ステップにおいて再び、検知したスラスト力が許容スラスト力を超えたときには、ステップS27,S28に移行することなく、ステップS29に移行すればよい。
In step S27, the feed speed of the
ステップS29では、ドリル11の交換を行うために、ドリル11の回転を維持したまま原点位置に戻し、続くステップS210でドリル11を停止させると共に、表示ランプ33の警告灯を点灯させる。こうして、作業担当者に対し、ドリル11の交換を促す。ステップS211では、担当者が新しいドリル11に交換をして、操作盤31において再スタート操作を行ったか否かを判定する。交換されて再スタート操作が行われるまで、警告灯を表示し、再スタート操作が行われればステップS22に戻り、新たなドリル11によって孔あけ加工を継続する。そうして、加工が完了すれば(ステップS24でYESであれば)、ドリル11を原点に戻して、孔あけ加工を終了する。
In step S29, in order to replace the
このように実施形態2の制御においては、ドリル11のスラスト力が許容スラスト力を超えたときには、ドリル11の送り速度の低下によってスラスト力を低下させることにより、孔あけ加工を継続する一方(ステップS27)、送り速度の低下後にスラスト力が許容スラスト力を超えたときには、実施形態1の制御と同様に、孔あけ加工を中断すべく、ドリル11を原点位置に戻す(ステップS29)。従って、実施形態2の制御では、層間剥離の発生を未然にかつ確実に回避しつつも、ドリル11の交換頻度が低下して、コストの点で有利になる。
As described above, in the control of the second embodiment, when the thrust force of the
尚、穿孔装置としては、図示するような送り機構を有するフィードドリルに限らず、例えばマシニングセンタ等の、いわゆる工作機械であってもよい。 The drilling device is not limited to a feed drill having a feed mechanism as shown in the figure, and may be a so-called machine tool such as a machining center.
また、前述したように、被穿孔物はCFRP製の板材とチタン製の板材とを重ねたものに限らず、被穿孔物は、CFRP製の板材とアルミニウム製の板材とを重ねたものであってもよいし、CFRP製の板材単体であってもよい。前述したドリル11の回転数及び送り速度の切替制御は、被穿孔物の構成に応じて適宜設定すればよい。
Further, as described above, the material to be punched is not limited to a stack of CFRP plate and titanium plate, and the material to be punched is a stack of CFRP plate and aluminum plate. Alternatively, a single plate made of CFRP may be used. The above-described switching control of the rotational speed and feed rate of the
以上説明したように、ここに開示した穿孔装置及び穿孔方法は、繊維強化プラスチックを始めとする積層構造を有する被穿孔物(難削材)において、層間剥離を確実に回避しながらドリルによる孔あけ加工を施すことができ、特に、航空機部品等の高品質の加工精度が求められる孔あけ加工について有用である。 As described above, the drilling device and the drilling method disclosed herein allow drilling with a drill while reliably avoiding delamination in a drilled object (hard-to-cut material) having a laminated structure including fiber reinforced plastic. This is particularly useful for drilling where high quality machining accuracy is required for aircraft parts and the like.
1 穿孔装置
11 ドリル
12 主軸モータ(回転駆動手段)
13 送りモータ(送り手段)
23 トルク検知器(検知手段)
32 制御盤(制御手段、記憶手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
13 Feed motor (feed means)
23 Torque detector (detection means)
32 Control panel (control means, storage means)
Claims (6)
前記ドリルを所定の回転数で回転させる回転駆動手段と、
前記回転しているドリルを前記被穿孔物に対して所定の送り速度で送る送り手段と、
穿孔中に前記ドリルに作用するスラスト力を検知する検知手段と、
前記被穿孔物における孔出口側の面から前記ドリルの肩部までの距離に相当する残り距離と、前記ドリルの許容スラスト力との関係を記憶している記憶手段と、
前記検知されたスラスト力と、前記ドリルの送り量に基づく前記残り距離と、前記記憶されている許容スラスト力とに基づいて、前記スラスト力が前記許容スラスト力を超えているか否かを逐次判定すると共に、前記スラスト力が前記許容スラスト力を超えたときには、前記送り手段に対して、前記ドリルを原点位置に戻させる制御手段と、を備えている穿孔装置。 A drill for drilling a drilled object having a laminated structure;
A rotation driving means for rotating the drill at a predetermined number of rotations;
Feed means for feeding the rotating drill to the drilled object at a predetermined feed rate;
Detecting means for detecting a thrust force acting on the drill during drilling;
Storage means for storing the relationship between the remaining distance corresponding to the distance from the hole exit side surface of the drilled object to the shoulder of the drill and the allowable thrust force of the drill;
It is sequentially determined whether or not the thrust force exceeds the allowable thrust force based on the detected thrust force, the remaining distance based on the feed amount of the drill, and the stored allowable thrust force. And a control means for causing the feed means to return the drill to the original position when the thrust force exceeds the allowable thrust force.
前記制御手段は、前記スラスト力が前記許容スラスト力を超えたときには、前記送り手段に対して、前記ドリルの送り速度を低下させ、
前記送り速度の低下後に、前記前記スラスト力が前記許容スラスト力を超えたときには、前記送り手段に対して、前記ドリルを原点位置に戻させる穿孔装置。 The perforating apparatus according to claim 1,
When the thrust force exceeds the allowable thrust force, the control means reduces the feed speed of the drill with respect to the feed means,
When the thrust force exceeds the allowable thrust force after the feed speed is lowered, the drilling device causes the feed means to return the drill to the original position.
前記送り手段は、前記ドリルの送り速度を、その送り量が所定量になるまでは相対的に速く設定する一方、前記所定量になった以降は相対的に遅く設定する穿孔装置。 The perforation apparatus according to claim 1 or 2,
The feed means is a drilling device that sets the feed speed of the drill relatively fast until the feed amount reaches a predetermined amount, and relatively slow after the feed amount reaches the predetermined amount.
所定の回転数で回転している前記ドリルを前記被穿孔物に対し、所定の送り速度で送る工程、
前記ドリルに作用するスラスト力を検知する工程、
前記検知したスラスト力と、前記被穿孔物における孔出口側の面から前記ドリルの肩部までの距離に相当する残り距離に基づき設定される許容スラスト力と、を逐次比較する工程、及び、
前記検知したスラスト力が前記許容スラスト力を超えたときに、前記ドリルを原点位置に戻す工程、を備えている穿孔方法。 A drilling method for drilling a drilled object having a laminated structure with a drill,
Feeding the drill rotating at a predetermined rotational speed to the drilled object at a predetermined feed rate;
Detecting a thrust force acting on the drill;
A step of sequentially comparing the detected thrust force and an allowable thrust force set based on a remaining distance corresponding to a distance from a hole exit side surface of the drilled object to a shoulder of the drill; and
A drilling method comprising: a step of returning the drill to the origin position when the detected thrust force exceeds the allowable thrust force.
前記スラスト力が前記許容スラスト力を超えたときに、前記ドリルの送り速度を低下させる工程をさらに備え、
前記送り速度を低下した後に、前記スラスト力が前記許容スラスト力を超えたときには、前記ドリルを原点位置に戻す穿孔方法。 The drilling method according to claim 4, wherein
Further comprising the step of reducing the feed rate of the drill when the thrust force exceeds the allowable thrust force;
A drilling method in which the drill is returned to the original position when the thrust force exceeds the allowable thrust force after the feed speed is reduced.
前記ドリルの送り量が所定の送り量になったときに、当該ドリルの送り速度を低下させる工程をさらに備えている穿孔方法。 The drilling method according to claim 4, wherein
A drilling method further comprising a step of reducing the feed rate of the drill when the feed amount of the drill reaches a predetermined feed amount.
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