JP5691424B2 - ドリル - Google Patents

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Description

本発明は、主に炭素繊維強化プラスチック(CFRP)などの穴あけ加工で使用するドリルに関する。
自動車や航空機などに用いられる部品(部材)の穴あけ加工を行う際には、その材質に応じた種々のドリルが使用されている。被削材がアルミニウムなどの金属材料の場合には、切り屑詰まりを防止するために被削材とドリルとが溶着しない性能がドリルには求められる。また、被削材がCFRPのような高密度繊維材料のような場合には、加工穴精度を確保するために繊維材料に起因した層間剥離やバリの発生を抑制する性能がドリルには求められる。
例えば、特許文献1ではドリルの逃げ面を、切れ刃を含む第1逃げ面と、第1逃げ面より回転方向後方にある第2逃げ面と、チゼルエッジを含む第3逃げ面と、第2逃げ面と第3逃げ面との間に形成された段差面からなる第4逃げ面とから構成し、第4逃げ面が外周方向に向かって増大しているために、アルミニウムなどの合金を被削材とする場合に被削材とドリルとの切削熱による溶着を防止する旨が開示されている。当該ドリル先端部の拡大斜視図を図4に示す。
特許第4120319号公報
しかし、図4に示すように特許文献1に開示されたドリル1’は切り屑の排出特性を向上させるために第4逃げ面23が外周方向に向かって増大しており、第1逃げ面20は第2逃げ面21と第3逃げ面22とのみ境界(稜線)を有しているので、第1逃げ面20に発生する摩擦熱は第1逃げ面20以外に第2逃げ面21および第3逃げ面22のみから放熱されることになる。そのため、油穴を有しないドリルにおいて被削材がCFRPのような高密度繊維材料であり、エアブローのみで切削加工を行う場合には、第1逃げ面20に発生する摩擦熱が放熱量を上回ると被削材の穴径精度の確保が困難になり、最終的には層間剥離(デラミネーション)を引き起こすという問題があった。
また、ドリル径が小さい場合、第3逃げ面22の逃げ角を第2逃げ面21よりも大きくする(第2逃げ面21と第3逃げ面22との間で段差面を設ける)ためには、先端が微小な砥石を用いて熟練した加工(製作)技術が必要になり、大量生産を要するドリルの寸法品質を確保し難いという問題があった。
そこで、本発明においては前述した問題点に鑑みて、加工穴数が増加しても穴径精度を保ちながら、層間剥離(デラミネーション)を抑制できるドリルを提供することを課題とする。また、従来の砥石でも製作容易なドリルを提供することを課題とする。
前述した課題を解決するために、本発明においては、切れ刃を形成する稜線を有する第1逃げ面と、第1逃げ面に連続して形成されるランド部を形成する稜線を有する第2逃げ面と、第1逃げ面に連続して形成されるチゼルエッジを形成する稜線を有する第3逃げ面とを有するドリルであって、第1逃げ面および第3逃げ面の各逃げ面を形成する稜線ならびに第2逃げ面を形成する谷線によって囲まれる第4逃げ面を有し、第1逃げ面が第4逃げ面と共有する稜線を介して接触しているドリルを提供する。これにより、第1逃げ面は、第2逃げ面および第3逃げ面だけでなく第4逃げ面とも共有する稜線を介して接触しているので、第4逃げ面からも第1逃げ面に発生する摩擦熱を迅速に放熱できる。以下、本発明に係るドリルの逃げ面を構成する第1ないし第4逃げ面について説明する。
第1逃げ面は、本発明に係るドリルの切れ刃を形成する稜線を有する逃げ面であり、一般的なドリルにおいて単に「逃げ面」と称される部位である。また、第1逃げ面には、ドリル回転方向の後方側に境界部(稜線)を介して後述する第2逃げ面ないし第4逃げ面が連続的に形成されている。第1逃げ面の逃げ角(第1逃げ角)は、5度以上10度以下とする。第1逃げ角を限定する理由は、5度未満の場合には表面粗さの大きい被削材との間で摩擦抵抗が発生するおそれがあり、10度を超える場合には切れ刃の剛性が低下してチッピングが発生しやすくなるためである。
第2逃げ面は、第1逃げ面よりもドリル回転方向の後方側であって、第1逃げ面に連続して形成されており、ランド部を形成する稜線を有する逃げ面である。また、第2逃げ面と第1逃げ面とが共有する稜線はチゼルポイントから外周側に延びる稜線とは異なる。すなわち、後述する第3逃げ面と第1逃げ面とが共有する稜線は、チゼルポイントから外周側に延びる稜線と同一の稜線であるが、第2逃げ面と第1逃げ面とが共有する稜線とは異なる稜線である。さらに、第2逃げ面の逃げ角(第2逃げ角)は20度以上30度以下とする。第2逃げ角を限定する理由は、20度未満の場合には第1切れ刃の剛性が小さくなることでチッピングが発生しやすくなり、30度を超える場合には後述する第3逃げ面よりも大きいとドリル回転方向の後方側で第3逃げ面との間で段差が生じる結果、被削材との摩擦抵抗が増大するおそれがあるためである。
第3逃げ面は、第1逃げ面よりもドリル回転方向の後方側であって、第1逃げ面に連続して形成されており、チゼルエッジを形成する稜線を有する逃げ面である。第3逃げ面と第1逃げ面とが共有する稜線は、チゼルポイントから外周側に延びる稜線と同一の稜線である。また、第3逃げ面と第2逃げ面との間には段差があり、その段差面が後述する第4逃げ面を形成している。さらに、第3逃げ面の逃げ角(第3逃げ角)も第2逃げ角と同様に20度以上30度以下とする。第3逃げ角を限定する理由は、20度未満の場合には切り屑の排出特性が損なわれてしまい、30度を超える場合にドリル先端部分の切れ刃の剛性が小さくなりチゼルエッジ付近でのチッピングが発生する恐れがあるためである。
第4逃げ面は、第1逃げ面および第3逃げ面の各逃げ面を構成する稜線ならびに第2逃げ面を構成する谷線に囲まれた逃げ面である。また、第4逃げ面は第1逃げ面および第3逃げ面と第2逃げ面との段差面でもあるので、第1ないし第3逃げ面とは互いに垂直に交わっている。第4逃げ面の幅(第2逃げ面と第3逃げ面との段差幅)は、本発明のドリルの外周方向に近づくにつれて小さくなる。第4逃げ面は第1逃げ面と共有する稜線を介して接触しているので、第1逃げ面で発生する摩擦熱を迅速に放熱できる。
また、請求項2に係る発明においては、第2逃げ面と第3逃げ面との段差幅である第4逃げ面の幅が本発明に係るドリルの外周方向に近づくにつれて狭くなり、第2逃げ面の最外周を形成する稜線が第3逃げ面の最外周を形成する稜線と段差なく連続的につながっているドリルとした。このような構成により、被削材がCFRPのような高密度繊維材料の場合には切削加工完了時のドリル貫通がスムーズになる。
なお、本発明に係るドリルは、通常のドリルをランド部側より所定寸法だけ砥石の角部へ押し付けて研削することで第2逃げ面および第4逃げ面が形成されるので、ドリルの製作も容易である。
以上述べたように、本発明においては、切れ刃を形成する稜線を有する第1逃げ面と、第1逃げ面に連続して形成されてランド部を形成する稜線を有する第2逃げ面と、第1逃げ面に連続して形成されてチゼルエッジを形成する稜線を有する第3逃げ面とを有するドリルであって、第1逃げ面および第3逃げ面の各逃げ面を形成する稜線ならびに第2逃げ面を形成する谷線によって囲まれる第4逃げ面を有し、第1逃げ面が第4逃げ面と共有する稜線を介して接触しているドリルを用いることにより、第4逃げ面を介して第1逃げ面に発生する摩擦熱を迅速に放熱できるので、被削材の穴径精度を保ちながら層間剥離(デラミネーション)を抑制できるという効果を奏する。
また、本発明に係るドリルは、通常のドリルをランド部側より通常の砥石の角部へ所定寸法だけ押し付けて研削することで、第2逃げ面および第4逃げ面が形成されて容易に製作できるので、先端が微小な砥石を用いた熟練した加工(製作)技術も不要になり、大量生産を要するドリルの寸法品質を満たすことができる。
本発明の実施の形態の一例であるドリルの正面図である。 図1のドリル先端部の拡大斜視図である。 (a)は図1のX−X線矢視の断面図であり、(b)は図1のY−Y線矢視の断面図である。 従来ドリル先端部の拡大斜視図である。
本発明の実施の形態について、本発明に係るドリル1を二つのねじれ溝を有するツイストドリルに適用した場合について図面を参照して説明する。図1は本発明の実施の形態の一例であるドリル1の正面図、図2は図1のドリル1先端部の拡大斜視図、図3(a)は図1のX−X線矢視の断面図、同図(b)は図1のY−Y線矢視の断面図である。
図1および図2に示すように、二つのねじれ溝5、5を持つドリル1は、その先端部であるチゼルポイント2を含むチゼルエッジ3から延びる稜線である切れ刃4を有する。また、切れ刃4とドリル1の外周との交点では外周コーナ6が形成されている。さらに、ドリル1の逃げ面は、第1逃げ面10、第2逃げ面11、第3逃げ面12、および第4逃げ面13から構成されている。
第1逃げ面10は、本発明に係るドリル1の切れ刃4を形成する稜線を有する逃げ面である。また、第1逃げ面10にはドリル1の回転方向の後方側に境界部(稜線)を介して、第2逃げ面11、第3逃げ面12、および第4逃げ面13が連続的に形成されている。
第2逃げ面11は、第1逃げ面10よりもドリル1の回転方向の後方側であって、第1逃げ面10に連続して形成されており、ドリル1のランド部7を形成する稜線を有する逃げ面である。また、第2逃げ面11と第1逃げ面10とが共有する稜線100はチゼルポイント2から外周側に延びる稜線101とは異なる。すなわち、第3逃げ面12と第1逃げ面10とが共有する稜線101は、チゼルポイント2から外周側に延びる稜線101と同一の稜線であるが、第2逃げ面11と第1逃げ面10とが共有する稜線100とは異なる稜線である。
第3逃げ面12は、第1逃げ面10よりもドリル1の回転方向の後方側であって、第1逃げ面10に連続して形成されており、チゼルエッジ3を形成する稜線を有する逃げ面である。第3逃げ面12と第1逃げ面10とが共有する稜線101は、チゼルポイント2から外周側に延びる稜線101と同一の稜線である。また、第3逃げ面12と第2逃げ面11との間には段差があり、その段差面が第4逃げ面13を形成している。
第4逃げ面13は、第1逃げ面10および第3逃げ面12の各逃げ面を構成する稜線102、稜線103ならびに第2逃げ面11を構成する谷線104に囲まれた逃げ面である。また、第4逃げ面13は、第2逃げ面11と第3逃げ面12との段差面でもあるので、第2逃げ面11および第3逃げ面12とは互いに垂直に交わっている。第4逃げ面の幅d(第2逃げ面11と第3逃げ面12との段差幅)は、ドリル1の外周方向に近づくにつれて狭くなり、第3逃げ面12と第4逃げ面13とが共有する稜線103と、第2逃げ面11と第4逃げ面13とが共有する谷線104とは交点107で交わっている。
また、図3(a)に示すように第1逃げ面の逃げ角(第1逃げ角)α1は5度以上10度以下として、第3逃げ面の逃げ角(第3逃げ角)α3は20度以上30度以下の各範囲になるように設定し、図3(b)に示すように第2逃げ面の逃げ角(第2逃げ角)α2も20度以上30度以下の範囲になるように設定する。さらに、第3逃げ角α3が第2逃げ角α2よりも大きい場合には、第2逃げ面11の最外周を形成する稜線105は第3逃げ面12の最外周を形成する稜線106と段差なく連続的につながる。
本発明に係るドリル(以下、本発明品という)および従来のドリル(以下、従来品という)を用いた切削加工後の被削材への影響を確認するため、以下の条件で切削試験を行った。その結果について表1ないし表3を用いて説明する。本切削試験に用いたドリル(本発明品および従来品)は、ドリル径6.796mm、ドリル長さ80mm、溝長さ36mm、ねじれ角26°、先端角90°、シャンク径7mmを共通仕様とした。また、本発明品は第1逃げ角7.5°、第2逃げ角25°、第3逃げ角25°とする油穴付きドリルとして、従来品は二番面の角度(本発明品の第1逃げ角に相当)を7.5°、三番面の角度(本発明品の第3逃げ角に相当)を25°とする油穴付きドリルを用いた。
本切削試験は本発明品および従来品の2種類のドリルを用いて、以下の条件で加工穴が12.5mm深さに到達するまで切削加工を行った。同時に累積加工穴数が100穴から600穴までの間で100穴毎に加工穴の観察およびドリルの各部位における摩耗状況の観察を行った。
・切削速度:120mm/min
・ドリルの送り量:0.38mm/rev
・ドリルの送り速度:2128mm/min
・ドリル回転数:5600min−1
・被削材:CFRP(炭素繊維強化プラスチック)
・切削油:なし(エアブロー0.5MPa)
表1は本発明品を用いて切削試験を行い、累積加工穴数が600穴に到達するまで100穴毎にドリルのチゼルエッジ、切れ刃、外周コーナ、マージン、すくい面およびシンニングの各部位を観察したときの摩耗状況の観察結果であり、表2は従来品を用いた場合の観察結果である。表中の「○」とは切削試験後に上述する各観察部位でチッピングなどの損傷が確認されなかったことを示し、「×」は切削試験後に上述する各観察部位でチッピングなどの損傷が確認されたものを示す。また、表中の「−」はドリルに不具合が生じて切削試験を継続できないために観察できなかったことを示す。
表1に示すように、本発明品は累積加工穴数が400穴に到達するまでチゼルエッジ、切れ刃、外周コーナ、マージン、すくい面およびシンニングの各部位のいずれにもチッピングなどの損傷は観察されなかった。しかし、累積加工穴数が500穴に到達したときには外周コーナおよびマージンにチッピングが発生して損傷が確認された。また、累積加工穴数が600穴になった時にも外周コーナおよびマージンには損傷が確認されたが、その他の観察部位(チゼルエッジ、切れ刃、すくい面およびシンニング)には損傷は確認されなかった。
これに対して、従来品は累積加工穴数が100穴に到達した時点でチゼルエッジ、切れ刃、外周コーナ、マージン、すくい面およびシンニングの全ての部位で著しいチッピングが発生したので、切削試験を継続できなくなった。そのため累積加工穴数が200穴目以降の各部位の観察は行うことができなかった。
次に、表3は本発明品および従来品を用いた切削試験において累積加工穴数が100穴から600穴までの間で100穴毎に被削材の加工穴(貫通側)の層間剥離(デラミネーション)量を測定した結果を示す。層間剥離量はマイクロスコープ等の拡大鏡を用いて、加工穴の外周縁から層間剥離が確認できる位置までの最長距離を測定することにより行った。
表3に示すように、本発明品を用いた切削試験では層間剥離量が、累積加工穴数が100穴目で0.41mm、200穴目で0.43mm、300穴目で0.47mm、400穴目で0.49mmと累積加工穴数の増加に伴って大きくなることがわかった。ところが、累積加工穴数が500穴目では0.34mm、600穴目では0.35mmとなり、累積加工穴数の増加に伴って小さくなった。なお、穴径精度は100穴目から600穴目まで層間剥離量を測定した加工穴については、ドリル径(6.796mm)に対して全て許容範囲内であった。
本発明品については累積加工穴数が500穴目以降になって層間剥離量が小さくなった原因は明確ではないが、表1にも示すように累積加工穴数が500穴目で外周コーナおよびマージンにチッピングが発生しているにもかかわらず、被削材の層間剥離量に対する影響は確認されず、むしろ累積加工穴数が増加するほど層間剥離量は小さくなった。このことから、本発明品は切れ刃を有する第1逃げ面が第4逃げ面に接しており、被削材と切れ刃との間で発生する摩擦熱が第4逃げ面を通して速やかに放熱できたので、結果として累積加工穴数が増加しても穴径精度を保ちながら、層間剥離の進展を抑制できたと考えられる。
これに対して、従来品を用いた切削試験では層間剥離量は累積加工穴数が100穴目で0.41mmであったが、表2に示したようにチゼルエッジ、切れ刃、外周コーナ、マージン、すくい面およびシンニングの全ての部位で著しいチッピングの発生により切削試験が継続できなくなったので、層間剥離量を測定できなかった。
以上の結果より、本発明に係るドリル、すなわち切れ刃を形成する稜線を有する第1逃げ面と、第1逃げ面に連続して形成されてランド部を形成する稜線を有する第2逃げ面と、第1逃げ面に連続して形成されてチゼルエッジを形成する稜線を有する第3逃げ面とを有するドリルであって、第1逃げ面および第3逃げ面の各逃げ面を形成する稜線ならびに第2逃げ面を形成する谷線によって囲まれる第4逃げ面を有し、第1逃げ面が第4逃げ面と共有する稜線を介して接触しているドリルを用いることにより、第4逃げ面を介して第1逃げ面に発生する摩擦熱を迅速に放熱できるので、被削材の穴径精度を保ちながら層間剥離を抑制できた。
1、1’ ドリル
3 チゼルエッジ
4 切れ刃
7 ランド部
10、20 第1逃げ面
11、21 第2逃げ面
12、22 第3逃げ面
13、23 第4逃げ面
100 稜線
101 稜線
102 稜線
103 稜線
104 谷線
105 第2逃げ面の最外周を形成する稜線
106 第3逃げ面の最外周を形成する稜線
d 第4逃げ面の幅

Claims (2)

  1. 切れ刃を形成する稜線を有する第1逃げ面と、前記第1逃げ面に連続して形成されてランド部を形成する稜線を有する第2逃げ面と、前記第1逃げ面に連続して形成されてチゼルエッジを形成する稜線を有する第3逃げ面と、を有するドリルであって、前記第1逃げ面および第3逃げ面の各逃げ面を形成する稜線ならびに前記第2逃げ面を形成する谷線によって囲まれた第4逃げ面を有し、前記第1逃げ面が前記第4逃げ面と共有する稜線を介して接触していることを特徴とするドリル。
  2. 前記第2逃げ面と前記第3逃げ面との段差幅である前記第4逃げ面の幅が前記ドリルの外周方向に近づくにつれて狭くなり、前記第2逃げ面の最外周を形成する稜線が前記第3逃げ面の最外周を形成する稜線と段差なく連続的につながっていることを特徴とする請求項1に記載のドリル。
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