JP5432929B2 - チゼルエッジを有する切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、特有に配向されたチゼルエッジを有するツイストドリルのような切削工具に関する。

ねずみ鋳鉄のような脆性材料を穿孔する際に、所望の位置にかつ「穴の真直度(hole straightness)」の直線方向に円形穴を穿孔することが重要である。穿孔工程中、単に、目標位置から離れた加工物の表面にわたって、ドリルが「滑る(walk)」場合があるのみならず、さらに、ドリルが適切な目標位置に位置決めされたときでも、ドリルに対する非対称の切削力がドリルの揺れを引き起こし、これによって、非円形の穴、真直でない穴、又はその両方を生じる可能性がある。１９７６年８月３１日に出願された米国特許第３，９７７，８０７号明細書は、１次マージンの隅部とチゼルエッジ角を形成するチゼルエッジを有するダブルマージンツイストドリル(double margin twist drill)に関する。この特許の図２はこの特徴を示しているが、図２は斜視図であるので、チゼルエッジ角を識別することは難しい。それにもかかわらず、マージンがチゼルエッジに接近するにつれ、１次マージンの外径は低減し、この結果、ある程度のドリル安定性が犠牲にされる。

２００７年９月１１日に出願された米国特許第７，２６７，５１４号明細書は、パイロット先端(pilot tip)を有する自己センタリングビットドリルに関し、この場合、ドリルは単一のマージンのみを有する。この特許は、図４で、チゼルエッジが本質的にドリルマージンと平行である構成を開示している。このことにより、ドリルの「滑り（walking)」が低減されるが、ドリルが穿孔中に揺れる傾向を有するので、同一の問題が穴形状及び穴の真直度に関し存在する。

より真直な、かつより優れた配置の穴を作製し、かつ穴作製工程中の穴内のドリルを安定させるドリル設計が必要とされる。

略円筒状の切削工具の先端は、加工物内に穴を作製するために使用され、この場合、先端は中心軸線と切削端部とを有する。工具は、切断方向に回転するように設計される。先端は、直径方向に対向する２つの溝を有する本体を備え、その２つの溝はその間にランドを有し、この場合、ランドの各々は、前縁として画定される１対の縁部と、工具の回転によって画定される後縁とを有する。１次マージン及び２次マージンは、ランドの各々で互いに離間している。１次マージンは前縁に隣接しており、マージンは、一定である本体の全長に沿ってマージン直径を有する。切削リップは、各々のランドの前縁から最内側端部に内側方向に延在する。チゼルエッジは、各々の切削リップの最内側端部を結ぶ線によって画定され、この場合、中心軸線に沿って見たとき、チゼルエッジは、ランドの前縁からチゼルエッジの中間点まで半径方向内側に延在する線によりチゼルエッジ角を形成する。チゼルエッジ角は８０度〜１００度である。本発明はまた、上述のような先端を有する回転可能な切削工具に関する。

ドリルのシャンクに固定された切削工具を有するモジュール式ツイストドリルの側面図である。 図１のＡとして表された円で囲まれた領域の拡大切り取り詳細図である。 図１のツイストドリルの頂面図である。 図２の矢印「３−３」に沿った側面図である。 図２の矢印「４−４」に沿ったモジュール式ツイストドリルの頂部の側面図である。

図１は、一例としてツイストドリルである回転可能な切削工具１０を示している。切削工具１０は、切削端部２０に先端１５を有する。先端１５は、それを通して延在する中心軸線１７を有する。図２に示したように、先端１５は、直径方向に対向する２つの溝３０Ａ、３０Ｂを有する先端本体２５を有する。切削工具１０の周辺の周りの各々の溝３０Ａ、３０Ｂの間に、ランド３５Ａ、３５Ｂがある。各々のランド３５Ａ、３５Ｂは、先端本体のランド３７Ａ、３７Ｂと、プロングランド３９Ａ、３９Ｂとから構成される。

図１〜図４に示した実施形態は、切削工具１０及びシャンク１２を示し、この場合、先端本体２５はシャンク１２から取り外し可能である。図３に示したように、先端本体２５は、延在する２つのプロング１４Ａ、１４Ｂの間に固定される。

本明細書に説明する切削工具は、切削端部２０から見ると対称であり、この結果、切削工具１０の半分のみについて、接尾辞「Ｂ」を使用して参照した対称面が対称であるという理解のもとで説明する。したがって、「Ａ」面に関する同一の説明は「Ｂ」面に適用される。

先端本体のランド３７Ａは、前縁４０Ａ及び後縁４２Ａとして画定される１対の縁部を有する。回転可能な切削工具１０及び関連の先端本体２５は、矢印「４５」で示した単一の回転方向に動作するように設計される。この結果、加工物に接触するための先端本体のランド３７Ａの第１の部分は、前縁４０Ａとして画定され、一方、残りの縁部は後縁４２Ａである。先端本体のランド３７Ａは、先端本体のランド３７Ａの互いに離間した１次マージン４７Ａと２次マージン４９Ａとから構成される。１次マージン４７Ａは前縁４０Ａに隣接しており、マージン４７Ａ、４９Ａの各々は、対向する１次マージン４７Ｂと２次マージン４９Ｂと共に、外径４と同一のマージン直径ＭＤを形成する。図２に示した２次マージン４９Ａは、後縁４２Ａに接触するが、１次マージン４７Ａにより近い方向に２次マージン４９Ａを後縁４２Ａから離間させることが完全に可能であり、かつ容易に想像される。

マージン直径５０は、先端本体２５の全長に沿って延在し、実質的に一定である。特に、ツイストドリル設計では、ドリルの切削端部に切削端部の背後の領域よりもわずかに大きな外径を設けることが標準的である。一例として、ツイストドリルは、切削端部からドリル外径よりも約０．０５ミリメートル大きな切削端部外径を有してもよく、これによって、切削端部の背後のクリアランスを提供する。この点に関し、マージン直径５０は、先端本体２５の全長に沿って延在し、実質的に一定である。

図２に関し、マージン直径ＭＤは、先端本体２５のみでなく、同様にシャンク１２の最大直径であり、先端本体２５及びプロング１４の周辺の残りのセグメントは、マージン直径ＭＤよりも小さい直径を有することを認識すべきである。

切削リップ５５Ａは、先端本体のランド３７Ａの前縁４０Ａから最内側端部５７Ａに内側方向に延在する。

チゼルエッジ６０は、各々の切削リップ５５Ａ、５５Ｂの最内側端部５７Ａ、５７Ｂを結ぶ線６３によって画定される。

チゼルエッジ６０は、切削リップ５５Ａ及び切削リップ５５Ｂの両方によって画定され、この理由で、先端本体２５の対称と関連する２つの部分とは表されないことを認識すべきである。

中心軸線１７に沿って見たとき、チゼルエッジ６０は、ランド３５Ｂの前縁４０Ｂからチゼルエッジ６３の中間点６７まで半径方向内側に延在する線６５Ｂによりチゼルエッジ角Ａを形成する。チゼルエッジ角Ａは、８０度〜１００度、好ましくは約９０度である。

図２に示したように、チゼルエッジ６０は、湾曲端部７０Ａ、７０Ｂの略真直な中央部６９を有する「Ｓ」形状を有する。例えば、チゼルエッジ６０の真直な中央部６９は、１２ミリメートル〜１３ミリメートルの外径を有するドリルについて０．２５ミリメートルの長さを有する。

図２に示したように、チゼルエッジ６０は、湾曲端部７０Ａ、７０Ｂを有する切削リップ５５Ａ、５５Ｂ内に移行する。これらの湾曲端部７０Ａ、７０Ｂは、１２ミリメートル〜３４ミリメートルの外径について、０．４ミリメートル〜１．５ミリメートルの半径を有する。

ガッシュ(gash)７５Ａ（図３）は、溝３０Ａからチゼルエッジ６０に上方に延在し、一実施形態において、チゼルエッジ６０における２度〜１０度の正のすくい角Ｒを画定する。

１次マージン４７Ａと２次マージン４９Ａとの間に、マージン直径ＭＤよりも小さい対向凹部７８Ａ、７８Ｂの間のクリアランス直径ＣＤによって、凹部７８Ａが画定される。

ランド３５Ａとチゼルエッジ６０との間の領域は、一般に、フランク８０Ａと称される。典型的に、フランク８０Ａは、縁部を形成するためにランド３５Ａに出会う。しかし、強度、耐久性の向上のため、鋳鉄のような脆性材料用の出口におけるブローアウト／ブレークアウト(blow out/breakout)を最小にするために、面取り部８２Ａをランド３５Ａとフランク８０Ａとの間に導入してもよい。面取り部８２Ａは、中心軸線１７に対して７０度〜９０度の面取り角度ＣＡ（図４）を形成してもよい。

図１に示したように、切削工具は、先端１５を収容するシャンク１２を有するモジュール式ツイストドリルである。しかし、先端本体２５がシャンク１２の一体部分であることが可能であり、かつ容易に想像可能であり、これによって、中実のドリルが提供される。

ここまで、螺旋状の溝を有するツイストドリルについて説明してきたことも指摘したい。本発明はまた、真直な溝を有するツイストドリルにも適用してもよい。

図３に示したように、プロング１５は、異なる技術を使用して、シャンク１２の先端１４Ａ、１４Ｂ内に固定してもよい。本明細書に示した実施形態では、図１Ａに示したような切削端部２０の反対側の先端本体は、シャンク１２内の内側肩部１０９に当接する頭部１０７を有する噛合ボルト１０５と係合するための中心軸線１７に沿ったねじ付きボア８５である。先端１５をシャンク１２に固定するための他の装置が工作機械の当業者に公知であり、これらの装置は、弾性により先端１５をシャンク１２にクランプするプロング１４を含むがそれらに限定されないことを認識すべきである。

先端１５の領域のシャンク１２の構造は、先端１５がシャンク１２内に取り付けられるとき、シャンク１２のプロフィルが先端１５のプロフィルに対応するようなものであり、この結果、図１に示したように、組み合わせは連続的な表面を有する一体成形の部片であるように見える。

切削工具１０は、シャンク１２の長さにわたる、かつシャンクの基部１３で冷却剤が供給される冷却剤通路１１０を有してもよいことに留意されたい。さらに、図示したように、シャンク１２は、回転を切削工具１０に付与するために使用されるスピンドル（図示せず）に固定された舌部(tang)１１を有する。シャンク１２は、ドリル製造の当業者に公知の任意の数の異なる方法でスピンドルに固定してもよい。

先端本体１５は、タングステン、炭化チタン又はＴｉＣ−ＴｉＮのような硬質の焼結炭化物から製造してもよい。一般に、先端本体１５は、関連技術で周知であるいくつかの耐火性コーティングの超硬合金材料のうちの１つのような硬質の耐摩耗性材料から製造してもよい。カーバイド工具に関連する費用のため、両方の先端本体２５及びシャンク１２の両方をカーバイド材料から構成することが可能であるが、その可能性は低く、また先端本体２５がカーバイド材料から構成され、一方、シャンク１２は工作機械鋼から構成される可能性が高い。

本発明による切削工具の設計により、他の切削工具と較べ非常に優れた結果が提供される。穴の真直度に関し、１２５ミリメートルの深さを有する盲孔を穿孔するために、１２．５ミリメートルの直径、１４０度のポイント角、及び３０度のねじれ角を有するモジュール式ツイストドリルを使用して試験を実行した。加工物はねずみ鋳鉄クラス４０であり、ドリルを毎分１９８ミリメートル及び１回転当たり０．３５ミリメートルの速度で前進させた。さらに、冷却剤をドリルシャンクの内側通路を通して加工物に導入した。

これらの状況下で、次の結果が達成された。

例１ ６０度のチゼル角を有する単一マージンドリルは、０．１５ミリメートルの穴の真直度を達成した。

例２ ９０度のチゼルエッジ角を有する単一マージンドリルは、０．１３ミリメートルの穴の真直度を達成した。

例３ ６０度のチゼルエッジ角を有するダブルマージンドリルは、０．１１ミリメートルの穴の真直度を達成した。

例４ 本発明に一致する９０度のチゼルエッジ角を有するダブルマージンドリルは、０．０４ミリメートルの穴の真直度を達成した。これらの予想外の結果は、本発明による設計の優位性を示している。

チゼル角はまた、加工物に沿ったドリルの「滑り」の最小化に役立つ。特に、６０度のチゼル角を有するドリルでは、目標位置に対する位置誤差は０．００４２ミリメートルであり、一方、９０度のチゼルエッジ角を有するドリルを利用した位置誤差は、０．００３ミリメートルの位置誤差を有した。

理解できるように、本発明によるドリルは、他の設計にとって予想外であるのみならず、非常に優れた結果を提供した。

本明細書に開示したドリル設計の結果、穿孔工程中、チゼルエッジによって生成された力は、同一の方向／線に沿った穴の壁部からのマージンに対する作用力に対抗する。このことにより、ドリルに対する力又はモーメントのアンバランスが最小となり、これによって、ドリルの滑りの傾向が低減され、かつ穴の真直度及び正確な穴の位置決めが保証される。ドリルのこの特徴は、穴の真直度を維持することが困難であると言われているねずみ鋳鉄のような異種の材料で非常に有益である。本明細書に開示したようなチゼルエッジ角は、ダブルマージンと関連してはるかに優れた穴の真直度を提供し、この場合、２次マージンは線から外れた任意の力(any out-of-line forces)を釣り合わせるように作用する。上述の例に示したように、チゼル角が６０度から９０度に変更されるとき、ダブルマージンドリルを利用する穴の真直度では、５０％の改善がある。さらに、９０度のチゼルエッジ角を有するドリルを利用した場合、位置誤差は、６０度のチゼルエッジ角を有するドリルを利用するのに対し、約２５％低減される。

本発明の特定の実施形態について詳細に説明してきたが、それらの詳細に対する様々な修正及び代替形態を本開示の全体的な教示に鑑み発展させることができることが当業者によって認識されるであろう。本明細書に記載した本発明の好ましい実施形態は、例示目的に過ぎず、添付の特許請求の範囲及びそのすべてのあらゆる等価物の全てが記載される本発明の範囲に関し限定するものでないと意図される。

Claims (17)

1. 加工物内に穴を作製するために使用される略円筒状の切削工具の先端であって、前記先端が中心軸線と切削端部とを有し、かつ切削方向に回転するように設計され、前記先端が、
   ａ１）直径方向に対向する２つの溝を有する本体と、
   ａ２）前記本体の外周部における前記２つの溝の間の部分であるランドであって、前縁と、前記工具の回転方向に対して前記前縁の後方に位置する縁部である後縁とを各々有するランドと、
   ｂ）前記ランドの各々の互いに離間した１次マージン及び２次マージンであって、前記１次マージンが前記前縁に隣接し、前記本体に沿って一定のマージン直径を有する１次マージン及び２次マージンと、
   ｃ）各々のランドの前記前縁から最内側端部に内側方向に延在する切削リップと、
   ｄ）各々の切削リップの前記最内側端部を結ぶ線によって画定されるとともに、真直な中央部と湾曲端部とを有する「Ｓ」形状であるチゼルエッジと、
   を備え、
   ｅ）前記中心軸線に沿って見たとき、前記チゼルエッジは、前記ランドの前縁から前記チゼルエッジの中間点まで半径方向に延在する直線と、前記中間点における前記チゼルエッジの真直な中央部と、によりチゼルエッジ角を形成し、
   ｆ）前記チゼルエッジ角が８０度〜１００度である
   先端。
2. 前記チゼルエッジ角が９０度である、請求項１に記載の先端。
3. 前記チゼルエッジの真直な中央部が、１２ミリメートル〜１３ミリメートルの外径を有するドリルについて０．２５ミリメートルの長さを有する、請求項１に記載の先端。
4. 前記チゼルエッジが前記切削リップ内に移行し、前記移行領域が、１２ミリメートル〜１３ミリメートルの外径について０．４ミリメートル〜１．５ミリメートルの半径を有する、請求項１に記載の先端。
5. ガッシュが、前記溝から前記チゼルエッジに上方に延在し、前記ガッシュが前記チゼルエッジにおける正のすくい角を画定する、請求項１に記載の先端。
6. 前記マージンの間の凹部が、前記マージン直径ＭＤよりも小さいクリアランス直径によって画定される、請求項１に記載の先端。
7. 前記１次マージンが前記ランドの前記前縁に隣接し、前記２次マージンが前記ランドの前記後縁に隣接している、請求項１に記載の先端。
8. 前記１次マージンが前記ランドの前記前縁に隣接し、前記２次マージンが前記１次マージンにより近い方向に前記後縁から離間している、請求項１に記載の先端。
9. フランクが前記ランドと前記チゼルエッジとの間に延在し、前記ランドと前記フランクとの間に面取り部がある、請求項１に記載の先端。
10. 面取り部が前記中心軸線に対して７０度〜９０度の角度を形成する、請求項９に記載の先端。
11. 溝が螺旋状である、請求項１に記載の先端。
12. 前記先端を収容する端部を有するシャンクを有するツイストドリルをさらに含む、請求項１に記載の先端。
13. 前記本体が、工具シャンクからの螺合ボルトと係合するための前記中心軸線に沿ったねじ付きボアを有する、請求項１に記載の先端。
14. 切削端部に先端を有する回転可能な切削工具であって、前記先端が、
    ａ１）直径方向に対向する２つの溝を有する本体と、
    ａ２）前記本体の外周部における前記２つの溝の間の部分であるランドであって、前縁と、前記工具の回転方向に対して前記前縁の後方に位置する縁部である後縁とを各々有するランドと、
    ｂ）前記ランドの各々の互いに離間した１次マージン及び２次マージンであって、前記１次マージンが前記前縁に隣接し、前記本体に沿って一定のマージン直径を有する１次マージン及び２次マージンと、
    ｃ）各々のランドの前記前縁から最内側端部に内側方向に延在する切削リップと、
    ｄ）各々の切削リップの前記最内側端部を結ぶ線によって画定されるとともに、真直な中央部と湾曲端部とを有する「Ｓ」形状であるチゼルエッジと、
    を備え、
    ｅ）前記中心軸線に沿って見たとき、前記チゼルエッジは、前記ランドの前記前縁から前記チゼルエッジの中間点まで半径方向に延在する直線と、前記中間点における前記チゼルエッジの真直な中央部と、によりチゼルエッジ角を形成し、
    ｆ）前記チゼルエッジ角が８０度〜１００度である
    回転可能な切削工具。
15. 前記工具がシャンクを有し、前記先端本体が前記シャンクから取り外し可能である、請求項１４に記載の切削工具。
16. 前記先端本体が、前記工具シャンクからの噛合ボルトと係合するための前記抽伸軸線に沿ったねじ付きボアを有する、請求項１４に記載の切削工具。
17. 前記先端本体が前記工具シャンクの一体部分である、請求項１４に記載の切削工具。

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