JP5519723B2 - 刃先交換式ドリル - Google Patents

Description

この発明は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチックス）と金属の重ね板を加工するのに特に適した刃先交換式ドリルに関する。

近年、ＦＲＰ、中でもＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチックス）が、飛行機の胴体や翼用の構造材として特に脚光を浴びている。このＣＦＲＰは、チタン合金やアルミニウムなどの金属を組み合わせて複合板材として提供されることがある。

その複合板材は、ＣＦＲＰの一面に金属を重ねたもの（以下では単に重ね板と言う）が用いられている。その重ね板は、例えば、飛行機の胴体や翼などを構成する場合、ボルトやリベットなどの締結材を通す穴をあける必要がある。

その穴あけのための工具として、例えば、下記特許文献１がＦＲＰ加工用として提案しているドリルを使用することが考えられる。

特許文献１に記載されたドリルは、先端角を多段設定にして外径側の先端角を内径側の先端角よりも小さくしており、その多段設定によって、切れ刃の外周側（外径方向外端側）で押し広げ作用が低減し、それにより、加工される貫通穴の抜けぎわ（出口）などにおけるバリの発生が抑えられるものになっている。

特開平５−１７７４２０号公報

特許文献１のドリルは、ＦＲＰの単板の加工では、先端角を多段にした効果が発揮されるが、ＣＦＲＰと金属が積層された前掲の重ね板の加工では、強度が十分でなく、下穴加工後に同ドリルで本加工を行う場合には特に、下穴に喰いつく際に、切れ刃が欠け易い。

下穴付きの加工は動力増加の抑制が図れる。そのために、金属加工に利用されている一般的な形状のソリッドドリルでも予め下穴を設けることで上記重ね板の加工を行うことができるが、この場合にも、下穴に喰いつく際に切れ刃に欠けの問題が発生する。

なお、切れ刃の欠け対策としていわゆるネガランドの付与やホーニングによる刃先強化処理が知られている。ところが、これ等の方法では、切れ味が鈍るため、主軸負荷の軽減効果が損なわれ、さらに、重ね板の穴入口・出口部においてデラミネーション（層間剥離。ＣＦＲＰの剥離やＣＦＲＰと金属の剥離）が起こり易くなる。

そこで、この発明は、ＦＲＰ、中でも前掲の重ね板加工用のドリルについて、製品の品質低下を招くデラミネーションを抑制しながら切れ刃の欠けを減少させること、それによって、良好な加工性能の確保と耐久性向上を両立させ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、ドリル本体の先端に着脱自在の切削ヘッドを設け、その切削ヘッドに軸方向端面視において回転中心から径方向外端まで直線的に延びる切れ刃とねじれ溝を備えさせた刃先交換式のドリルに以下の構成を加えた。即ち、前記切れ刃に連なるすくい面に、回転軸に対して傾斜して切れ刃の軸方向すくい角を負の角度にするシンニング面（ネガシンニング面）を形成し、そのシンニング面を、切れ刃の径方向内端から径方向外端に至る間の全領域に設置した。
なお、回転中心部は、チゼル幅が０．５ｍｍ以下のチゼル刃を有していてもよい。

この刃先交換式ドリルは、前記シンニング面の回転軸に対する傾き角（＝切れ刃の軸方向すくい角）の大きさθを、０°＜θ＜２５°、より良くは５°＜θ＜１０°に設定する。

前記シンニング面の切れ刃の径方向外端部における回転軸方向の寸法（シンニング幅）Ｗを、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍにする。

前記切削ヘッドの外周のランド部に、前記ねじれ溝に隣接する主マージンとその主マージンよりもドリル回転方向後方に配置される副マージンを形成し、両マージン間に形成されるクリアランス（両マージン間に形成されるぬすみ）の大きさ（径方向寸法）を０．３ｍｍ〜１．０ｍｍに設定する。

さらに、前記切削ヘッドに、１／１００〜１．５／１００ｍｍのバックテーパを付すのがよい。このほか、ねじれ溝は、ねじれ角が２０°程度の弱ねじれの溝がよい。

この発明のドリルは、切れ刃を回転中心から径方向外端まで直線的に延びる形状にし、なおかつ、その切れ刃の全域を、シンニング面の設置によって負のすくい角を持つ刃にしたことで、デラミネーションの抑制と切れ刃の耐久性向上を両立させることができる。

切削ヘッドの交換が可能なドリルは、ソリッドドリルに比べてバックテーパを大きく（例えば上記１／１００〜１．５／１００ｍｍ程度）設定することができ、摩擦面を減少させて加工時の発熱、それによる加工穴面の品質低下（穴壁面の焦げなど）を抑制することができる。

また、切れ刃の全域のすくい角を、切れ刃に沿ったすくい面にシンニング面を設けて負の角度（ネガティブ）となしたことで、切れ刃の耐欠損性が改善されて下穴に喰いつくときの切れ刃の欠けが抑制される。

さらに、シンニング面の設置によって切れ刃の耐欠損性を高める構造によれば、切れ味の鈍化がネガランドやホーニング処理で刃先を強化したドリルほどきつくならない。これに加えて、切れ刃を回転中心から径方向外端まで直線的に延びる形状にしたことでリーディングエッジが鋭角になり、ＣＦＲＰの炭素繊維が切断され易くなってデラミネーションの抑制機能も確保される。

なお、刃先交換式ドリルは、ソリッドドリルに比べて工具費が低減されるので、素材の使用量が多くなる直径が１２ｍｍを越えるようなドリルを使用するときには特に、経済効果が高まる。また、金属加工時に比べて寿命が極端に短縮されるＣＦＲＰの重ね板の加工では、短研磨サイクルでの工具管理が煩雑になるが、刃先交換式ドリルは、刃先再生のための再研磨工程を無くすことができるため、工具管理の面でも有利になる。

（ａ）：この発明のドリルの一例を示す側面図、（ｂ）：切れ刃外端近傍のマージン部を図１（ａ）のＸ方向に見た拡大図 図１のドリルの正面図 図２のIII−III線に沿った箇所の拡大断面図 この発明のドリルのマージン高さを高くした例を示す正面図 シンニング面の無いドリル（θ＝０°）を図２のIII−III線と同一箇所で切断した図 （ａ）：従来ドリルの芯上がり角度の説明図、（ｂ）：この発明でチゼルエッジを設けるドリルの芯上がり角度の説明図 ドリルの一般的刃型を示す正面図 被削材の一例を示す断面図

以下、添付図面の図１〜図６に基づいて、この発明の刃先交換式ドリルの実施の形態を説明する。図１〜図３に示したドリルは、工具鋼などで形成されたドリル本体１の先端に切削ヘッド２を２本の締結ボルト３で着脱自在に装着し、その切削ヘッド２に、中心対称形状の２枚の切れ刃４，４を設けている。また、切屑排出用の２条のねじれ溝５、５と、主マージン６，６及び副マージン７，７を設けている。

ドリル本体１は、切削ヘッド２のねじれ溝５、５につながる２条のねじれ溝５´、５´を有するが、このドリル本体１にはマージンはない。また、ドリル本体１は、その外径が切削ヘッド２の軸方向後端の外径よりも小さい。

切削ヘッド２には、１／１００〜１．５／１００ｍｍのバックテーパが付されている。この大きなバックテーパの付与によって加工時の摩擦熱を抑制できる。

切削ヘッド２に設けた切れ刃４，４は、図２に示すように、ドリルの軸方向端面視（正面図）において回転中心から径方向外端まで直線的に延びる刃になっている。図７のような一般的な刃型では、リーディングエッジ８の部分で、切れ刃４と被切削材との接触角βが大幅に鈍角（β＞９０°）となるのに対し、直線の切れ刃では図２に示すように、切れ刃４と被切削材との接触角βを９０°とすることができ、繊維が切れ易くなる。このように、接触角βを９０°近傍に保つことができれば、本発明の効果が得られるので、切れ刃が微小の芯上がり量を有していてもよい。より具体的には、切れ刃４が、回転中心部にチゼルエッジを有していてもよく、このチゼルエッジの幅は、接触角βとの関係から０．５ｍｍ以下とするのが好ましい。そのチゼルエッジの幅が０．５ｍｍ以下であれば、芯上がり量Ｙも小さくて図６に示す芯上がり角度αが図６（ｂ）のように小さく抑えられるため、切れ刃外端の被削材に対する接触角が小さく保たれ、そのために、デラミネーションの抑制効果も期待通りに発揮される。そのことを実験で確認した。

切れ刃４に沿ったすくい面９には、シンニング面１０を設けている。そのシンニング面１０は、図３に示すように、ドリルの回転軸（中心の軸線）ＣＬに対して面の軸方向後部が離反する方向に傾いた面にして切れ刃の回転中心にある内端から径方向外端に至る領域に設けており、これにより、切れ刃４の全域に負のすくい角が付与される。

シンニング面１０の回転軸ＣＬに対する傾き角の大きさθは、０°＜θ＜２５°、より好ましくは５°〜１０°の範囲に設定する。その傾き角の大きさθが０°或いはそれ以下では刃先の強化効果が不足し、また、２５°を超えると切れ味の低下によってデラミネーションの抑制が不十分になる。

また、シンニング面１０の切れ刃の径方向外端部における回転軸方向の寸法（図１のＷ）は、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍとする。刃先の強化効果を得るためには、この幅Ｗを０．２ｍｍ以上の大きさとするのが好ましいが、その幅Ｗが大きいと、ねじれ角やシンニング面の傾き角が大きいマージン付ドリルの場合、図１（ｂ）に示すように、切れ刃近傍のマージン幅Ｗ２´（回転方向）が小さくなってしまう。マージン幅が小さくなる領域が大きいと、マージンのガイド効果が低下してしまうので、Ｗは１．０ｍｍ以下とする。

先端の前逃げ面１１の逃げ角γ（図３参照）は、１５°に設定している。逃げ角γは、この範囲に限定されるものではないが、この逃げ角が大き過ぎるとシンニング面１０による刃先強化の効果が薄れて欠け発生の可能性が高まる。一方、その逃げ角が小さすぎると、被削材の弾性変形により前逃げ面１１が擦れる可能性が高まり、被削材に下穴があるとは言え、加工時のスラスト増加につながる。

主マージン６は、図１、図２に示すように、ねじれ溝５に隣接してランド部１２の回転方向先端の切れ刃４の径方向外端部において幅Ｗ２′を有するように設けられており、この主マージン６のねじれ溝５側端がリーディングエッジ８となっている。その主マージン６から所定量回転方向後方に移動した位置のランド部外周に副マージン７を設けていわゆるダブルマージンの設計にしており、副マージンの設置によるガイド性の向上により被削材に喰いつくときの挙動の乱れが抑制される。

なお、下穴を有する加工の場合、下穴の軸中心と、工具の軸中心が同一軸上でない場合があるため、切削中の挙動が乱れることがある。このため、ＦＲＰの加工では、粉化するなどした切屑やチタン合金の切屑がランド部外周の隙間（加工穴の内周面との間に形成される隙間）に入り込み易い。

この隙間への切りくず詰まりを軽減するため、通常の下穴のない金属加工用ドリルのマージン高さに比べ、比較的高く設計する。図４に示す主マージン６と副マージン７間に形成されるクリアランス（両マージン間に形成されるぬすみ）の大きさを０．３ｍｍ〜１．０ｍｍに設定して図４のようなマージン形状にすることが有効なことを見出した。主マージン６と副マージン７の幅Ｗ２は、０．４ｍｍ〜１．２ｍｍ程度がガイド性能を維持しながら被削材との接触面積を小さく抑えられて好ましかった。また、副マージン７の位置は、主マージン６から４０°〜６０°回転方向後方側に設けるのが好ましい。

ドリルの先端角は、１３７°〜１４３°に設定しており、一般的な金属加工用のドリルの先端角（１３５°が一般的）よりも若干大きい。この範囲の先端角を選択し、さらに、ダブルマージンの設計にすることで、下穴があけられた重ね板を加工するときの下穴に対する喰いつきの挙動を安定させることができる。

−実施例１−
この発明のドリルの性能を評価するために、下記のドリルを使用して下記被削材の切削試験を行った。
・使用ドリルＡ（発明品）：ドリル本体の先端に切削ヘッドを取り付けたダブルマージンの刃先交換式ドリル。直径φ１４．００ｍｍ、切れ刃エッジに微小ホーニングを施したストレート刃型、シンニング面有り。シンニング面の傾き角の大きさθ＝５°、ねじれ溝のねじれ角＝２０°、前逃げ面の逃げ角γ＝１５°
・使用ドリルＢ（比較品）：シンニング面有り。シンニング面の傾き角の大きさθ＝０°（図５参照）、その他の仕様はドリルＡと同一。
被削材：厚みｔ１＝１１．０ｍｍのＣＦＲＰと、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖの組成の厚みｔ２＝８．０ｍｍのチタン合金から成る重ね板（図８参照）。ＣＦＲＰには直径φｄ１＝９．５０ｍｍの下穴があけられ、チタン合金にはＣＦＲＰの下穴と同軸の直径φｄ２＝１０．５０ｍｍの下穴があけられている。
切削条件：切削速度 Ｖｃ＝１７．１５ｍ／ｍｉｎ（ｎ＝３９０ｒｐｍ）
送り量 ｆ＝０．０５０４ｍｍ／ｒｅｖ（Ｖｆ＝１９．８ｍｍ／ｍｉｎ）
切削形式：オイルミスト（アルコール性クーラント使用）

ドリルは、本体の先端側外周を治具でガイドして被削材に切り込ませた。その結果、比較品は、２穴加工段階で切れ刃に欠けが生じた。これに対し、発明品は、３０穴加工時点でも切れ刃は健全であった。

−実施例２−
リーディングエッジが鋭角になる実施例１のドリルＡ（発明品）と、リーディングエッジが鈍角になる図７の一般的刃型のドリルＣ（比較品２、刃型を除く仕様は、発明品と同一）を使用して、実施例１で挙げた重ね板の穴広げ加工を行った。切削条件は実施例１と同一である。
その結果、比較品２による加工ではデラミネーションが発生したが、発明品による加工ではデラミネーションは起こらなかった。

−実施例３−
実施例１のドリルＡにおいて、シンニング面の切れ刃の径方向外端部における回転軸方向の幅寸法Ｗを、Ｗ＝０．７ｍｍとしたドリルＡ１と、Ｗ＝１．２ｍｍとしたドリルＡ２（Ａ１は発明品、Ａ２は非発明品。Ｗを除くその他の仕様は両者とも実施例１のドリルＡと同一）を使用して実施例１で挙げた重ね板の穴広げ加工を行った。この試験の条件も実施例１と同じである。
その結果、Ｗを大きく設けたことで主マージン部の幅（回転方向）が小さくなったドリルＡ２は、１穴加工後に欠けが発生したが、ドリルＡ１による加工では１０穴加工後でもその不具合が起こらなかった。

−実施例４−
主マージンと、副マージンの高さＨを０．２ｍｍとしたドリルＡ３と、その高さＨを０．５ｍｍとしたドリルＡ４（共に発明品。マージン高さを除くその他の仕様は両者とも実施例１のドリルＡと同一）を使用して実施例１で挙げた重ね板の穴広げ加工を行った。この試験の切削条件も実施例１と同一である。

その結果、ドリルＡ３による加工では、ランド部と加工穴の内周面との間の隙間に切屑が堆積して１０穴加工時点でトルク増加や、２つのマージンの間にチタン合金の切りくずが堆積して溶着が生じたが、ドリルＡ４による加工ではその不具合が起こらなかった。

−実施例５−
実施例１のドリルＡと図７の一般的刃型を有するソリッドタイプのドリルＣ´を使用して実施例１で挙げた重ね板の２０穴連続穴広げ加工を行った。この試験の切削条件も実施例１と同一である。
その結果、ドリルＣ´は、１０穴で欠け又は摩耗によるデラミネーションの増加が発生したため、１度再研磨を必要としたのに対し、ドリルＡは、２０穴加工後も継続使用が可能であった。また、２０穴加工時点で、ドリルＡは、１０穴加工後に行った工具交換の作業に多くの時間を費やしたドリルＣ´よりも加工時間が１時間少なく実施できた。

１ ドリル本体
２ 切削ヘッド
４ 切れ刃
５，５´ ねじれ溝
６ 主マージン
７ 副マージン
８ リーディングエッジ
９ すくい面
１０ シンニング面
１１ 前逃げ面
１２ ランド部
ＣＬ 回転軸
θ シンニング面の傾き角の大きさ
α 芯上がり角度
β 被削材との接触角
γ 逃げ角
Ｈ マージンの高さ
Ｗ シンニング面の切れ刃外端部における回転軸方向の幅寸法
Ｗ２ マージン幅

Claims (1)

1. ドリル本体（１）の先端に着脱自在の切削ヘッド（２）を設け、その切削ヘッド（２）に軸方向端面視において回転中心から径方向外端まで直線的に延びる切れ刃（４）とねじれ溝（５）を備えさせた刃先交換式ドリルであって、
   前記切れ刃（４）に連なるすくい面（９）に、回転軸（ＣＬ）に対して傾斜して切れ刃（４）の軸方向すくい角を負の角度にするシンニング面（１０）を形成し、そのシンニング面（１０）を、前記切れ刃（４）の径方向内端から径方向外端に至る間の全領域に存在させ、
   前記シンニング面（１０）の回転軸（ＣＬ）に対する傾き角の大きさ（θ）について、０°＜θ＜２５°の条件を満たし、
   前記シンニング面（１０）の切れ刃（４）の径方向外端部における回転軸方向の幅寸法（Ｗ）を、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍに設定し、
   前記切削ヘッド（２）の外周のランド部（１２）に、前記ねじれ溝（５）に隣接して前記切れ刃（４）の径方向外端部において回転方向に幅（Ｗ２′）を有する主マージン（６）とその主マージンよりもドリル回転方向後方に配置される副マージン（７）を形成し、前記主マージン（６）の幅（Ｗ２）を０．４ｍｍ〜１．２ｍｍとするとともに、その主マージン（６）の前記ねじれ溝（５）側端がリーディングエッジ（８）を形成し、両マージン（６、７）間に形成されるクリアランスの大きさを０．３ｍｍ〜１．０ｍｍに設定した刃先交換式ドリル。

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