JP6235737B2 - ３枚刃ドリル - Google Patents

Description

本発明は３枚刃ドリルに関し、特に刃先が滑り難く、切削抵抗が小さい３枚刃ドリルに関する。

従来の３枚刃ドリルの例を図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。図１（ａ）は、刃先先端部の正面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ方向から見た側面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＢ方向から見た側面図である。
従来の３枚刃ドリルでは、ドリルの中心に向けて３か所均等に溝１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃを施してドリルの中心部近くから外周に向け切刃１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃを形成し、ドリルの求心性と、切削力を確保している。この形状は、中心部が点であることから中心部が滑り難いという利点がある（例えば特許文献１及び２参照）。

しかしながら、この形態では、溝加工時に残った稜線１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃの部分が三角錐の形状のままで残り、先端中心部が三角錐の頂点になるので中心部に明確な切刃が存在しない（図１（ａ）の破線で囲んだ箇所）。
切刃となる溝の縁までの中心部からの距離が長く、切刃として働く箇所までの間は切刃ではなく三角錐が回転する。このために中心部に大きな切削抵抗が生まれ、穿孔中の発熱などの不具合が生じる。また、切刃が存在しないことによって切削力が欠如するので、必要以上の力で穿孔せざるを得ない。
また、溝を深くすると先端部の強度が小さくなり、折損の原因となる。

なお、この３枚刃ドリルの形態の特徴は次のようになっている。
１．中心部の三角錐部分を除き、切刃にはすくい角が存在する。
２．切刃は溝によるすくい角が存在する。
３．切刃はドリル中心から３方向・一直線で放射状に外周まで伸びている。
４．切刃のすくい角は任意に設定できる。
５．中心部には切刃がなく、三角錐の稜線が接触しながら回転しているため、切削抵抗が大きく切削に大きな力が必要で、且つ発熱が大きい。
６．中心部の切削抵抗が減少すれば切削に要する力も激減する。

特表２０１３−５２１８９９号公報 実開昭６２−１４７４１３号公報

本発明は、上記したような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、刃先が滑り難く、切削抵抗が小さい３枚刃ドリルを提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、ドリル先端部において外周部から中心部へ向けて延びるように形成された３本の溝と、当該３本の溝の縁にそれぞれ形成された３本の切刃とを備える３枚刃ドリルであって、前記ドリル先端部の回転中心が先端側に突出しており、前記３枚の切刃のうちの１枚の切刃における中心部側の端部は、前記回転中心に位置し、かつ、刃先がすべりにくくなるように先端側に突出しており、他の２枚の切刃の中心部側の端部は、前記溝によって前記回転中心から離間している、ことを特徴とする３枚刃ドリルに関する。

請求項２に係る発明は、前記ドリル先端部における先端角θ１が４５°≦θ１≦１２０°であり、前記切刃の逃げ角θ２が２°≦θ２≦２０°であり、前記切刃のすくい角θ３が０°≦θ３≦２０°であることを特徴とする請求項１記載の３枚刃ドリルに関する。

請求項１に係る発明の３枚刃ドリルによれば、１枚の切刃が回転中心に位置し、かつ、刃先がすべりにくくなるように先端側に突出しており、中心部においても切刃があるので、切削抵抗が小さい。また、他の２枚の切刃が溝によって回転中心から離間しており、回転中心を覆わないので、回転中心が尖った形状になる。このことにより刃先が滑り難くなる。

請求項２に係る発明の３枚刃ドリルによれば、先端角、切刃の逃げ角、及びすくい角が所定の範囲内なので、更に刃先が滑り難く、切削抵抗が小さくなる。

従来の３枚刃ドリルの刃先先端部の外観であり、（ａ）は刃先先端部の正面図であり、（ｂ）は図１（ａ）におけるＡから見た側面図であり、（ｃ）は図１（ａ）におけるＢから見た側面図である。 従来の３枚刃ドリルの刃先先端部の正面図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係る３枚刃ドリルの刃先先端部の正面図であり、（ｂ）は本発明の実施形態に係る３枚刃ドリルの刃先先端部の正面図である。 本発明の実施形態に係る３枚刃ドリルの側面図であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、図３のＣ、Ｄ、Ｅ、Ｆ方向からみた側面図であり、（ｅ）は図３（ａ）のＧ方向から見た側面図である。 本発明の実施形態に係る３枚刃ドリルの刃先先端部の正面図である。 本発明の実施形態に係る３枚刃ドリルの側面の図面代用写真とその図面代用写真における正面図であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は図５のＨ−１方向〜Ｈ−６方向からみた側面の図面代用写真とその図面代用写真における正面図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係る３枚刃ドリルの刃先先端部の正面図であり、（ｂ）は同刃先先端部の斜視図である。 本発明の実施形態に係る３枚刃ドリルの刃先先端部の斜視図である。 本発明の実施形態に係る３枚刃ドリルの刃先先端部の斜視図である。 本発明の実施形態に係る３枚刃ドリルの刃先先端部の正面図である。 （ａ）は本発明の実施形態に係る３枚刃ドリルの刃先先端部の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の一部分を抽出した部分抽出図である。 本発明の実施形態に係る３枚刃ドリルの切刃の３枚刃間の分配角度を不等分とした刃先先端部の正面図である。 本発明の実施形態に係る３枚刃ドリルの不等分割における正面図とその側面図であり、１３（ｂ）は１３（ａ）のＡ方向からみた側面図である。 本発明の実施形態に係る３枚刃ドリルの等分割における正面図とその側面図であり、１４（ｂ）は１４（ａ）のＡ方向からみた側面図である。 本発明の実施形態に係る３枚刃ドリルの切刃の３枚刃間の分配角度を不等分とした刃先先端部の正面図である。 （ａ）は本発明の実施例の３枚刃ドリルの刃先先端部の正面図であり、（ｂ）は比較例の３枚刃ドリルの刃先先端部の正面図である。 実施例と比較例の３枚刃ドリルによる切削時の切削抵抗の推移図である。 （ａ）は実施例の３枚刃ドリルによる切削時のサーモグラフィーの図面代用写真であり、（ｂ）は比較例の３枚刃ドリルによる切削時のサーモグラフィーの図面代用写真である。

以下、本発明に係る３枚刃ドリルの好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態の３枚刃ドリルは、３枚の切刃を備える３枚刃ドリルであって、１枚の切刃が３枚刃ドリルの刃先の先端の回転中心を通り、他の２枚の切刃は前記回転中心を覆わない。

本実施形態に係る３枚刃ドリルの刃先先端部を正面から見た図を図３（ａ）、（ｂ）に示し、図３（ａ）のＣ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ方向からみた側面図を図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示す。図３（ａ）および図３（ｂ）は、１枚の切刃が回転中心を通るドリルである。
以下、図３（ａ）および図３（ｂ）のように１枚の切刃が回転中心を通る場合を例として説明する。
刃先先端部の正面図を図５に示し、図５のＨ−１方向〜Ｈ−６方向からみた側面の図面代用写真とその図面代用写真における正面図を図６（ａ）〜（ｆ）に示す。
回転中心Ｃから外周まで周方向に均等な角度で３方向に溝１ａ、１ｂ、１ｃが設けられている（図３（ａ）参照）。すなわち、溝１ａ、１ｂ、１ｃは、図３および図８〜１１に示されるように、ドリル先端部において外周部から中心部へ向けて延びるように形成されている。これらの溝１ａ、１ｂ、１ｃの縁には、それぞれ切刃１１ａ、１１ｂ、１１ｃが形成されている。図８〜９に示されるように、ドリル先端部の回転中心が先端側に突出している。
これらの切刃１１ａ、１１ｂ、１１ｃの内の切刃１１ａは回転中心Ｃを通っている。この切刃１１ａは、回転中心Ｃにおいて先端側に尖った山型になっている（図４（ａ）参照）。すなわち、図３（ｂ）および図８〜９に示されるように、切刃１１ａにおける中心部側の端部は、回転中心Ｃに位置し、かつ、刃先がすべりにくくなるように先端側に突出している。
図３（ａ）、図３（ｂ）に示されるように、他の２枚の切刃１１ｂ、１１ｃの中心部側の端部は、回転中心Ｃから離間している。
具体的には、図３（ａ）、図３（ｂ）に示されるように、他の２枚の切刃１１ｂ、１１ｃのうち回転中心Ｃまで延びる一枚の切刃１１aよりもドリルの回転方向（すなわち、ドリルの回転時に切刃１１ａ、１１ｂ、１１ｃの刃先が切削対象に切り込む方向。具体的には、図３（ａ）、（ｂ）では反時計方向）における前方に位置する切刃１１ｂは、溝１ａによって回転中心Ｃから離されている。一方、他の２枚の切刃１１ｂ、１１ｃのうちの回転中心Ｃまでの延びる一枚の切刃１１ａよりも前記回転方向における後方に位置する切刃１１ｃは、溝１ｂ（図３（ｂ）参照）または稜線５ｃ（図３（ａ）参照）で回転中心から離されている
なお、溝１ａ、１ｂ、１ｃを総称する場合には溝１と記す。また、切刃１１ａ、１１ｂ、１１ｃを総称する場合には切刃１１と記す。
切刃１１ａ、１１ｂ、１１ｃからそれぞれのヒール側に向かって第１逃げ面２ａ、２ｂ、２ｃ及び第２逃げ面３ａ、３ｂ、３ｃが形成されている。第１逃げ面２ａ、２ｂ、２ｃを総称する場合には第１逃げ面２と記し、第２逃げ面３ａ、３ｂ、３ｃを総称する場合には第２逃げ面３と記す。第１逃げ面２ａと第１逃げ面２ｃの間には稜線５ｃが形成されている。
また外周側には３条の切屑排出溝４ａ、４ｂ、４ｃが設けられている。切屑排出溝４ａ、４ｂ、４ｃを総称する場合には切屑排出溝４と記す。

当該３枚刃ドリルを製造する過程の状態であり、第１逃げ面２、及び第２逃げ面３を形成した後で、溝１を形成する前の状態の刃先先端部を正面から見た図を図７（ａ）に、斜視図を図７（ｂ）に示す。
回転中心Ｃから３方向に放射状に伸びた稜線５ａ、５ｂ、５ｃを有している。この稜線５ａ、５ｂ、５ｃを総称する場合には稜線５と記す。
図３（ａ）に示す溝１ａは、図７（ａ）に示す稜線５ａを覆い、切刃１１ａが回転中心Ｃを通るように形成される。
溝１ｂは、稜線５ｂと溝１ａの一部とを覆い、回転中心を覆わないように形成される。
溝１ｃは、稜線５ｃの一部を覆い、回転中心を覆わないように形成される。
１枚の切刃１１ａが回転中心を通る図３（ｂ）に示す溝１ａは、図７（ａ）に示す稜線５ａを覆い、切刃１１ａが回転中心Ｃを通るように形成される。
溝１ｂは、稜線５ｂを覆い、回転中心Ｃを通るように形成される。
溝１ｃは、稜線５ｃの一部を覆い、回転中心を覆わないように形成される。

当該３枚刃ドリルの先端の斜視図を図８、９に示し、正面図を図１０に示す。図８は溝１ａ側から見た斜視図であり、図９は溝１ｂ側から見た斜視図である。３枚刃ドリルのドリル先端部における先端角θ_１は４５°≦θ_１≦１２０°が好ましい。この先端角θ_１は、切刃１１ａ、１１ｂ、１１ｃが回転することによって形成される円錐の角度であり、図５において、矢印Ｘ方向から見たときの切刃１１ａとドリルの軸方向（紙面に垂直な方向）とが成す角度の２倍になる。
切刃１１の逃げ角θ_２は２°≦θ_２≦２０°が好ましい。
切刃１１のすくい角θ_３は０°≦θ_３≦２０°が好ましく、１°≦θ_３≦１５°が更に好ましい。
溝１の形状や寸法は特に限定されない。すくい角が形成でき、かつ先端中心部の三角錐稜線によって切削性が低下しなければよい。
第２逃げ面３の逃げ角は特に限定しないが、最低限第１逃げ面２の逃げ角（切刃１１の逃げ角）よりも大きいことが条件となり、現実には２０〜４０°程度が最適と思われる。
本案の構成上、逃げ面を第１逃げ面２と第２逃げ面３とによるレーキ形状（平面形状）としているが、逃げ角を所定値に設定した上で、切刃からヒール側に向かって、徐々に逃げ角が大きくなる曲面としてもよい。このような逃げ面は一般の汎用ドリルに多く用いられている。

回転中心Ｃにおいては、点接触の状態から切刃１１ａによる切削が開始され、中心がぶれない状態で明確なすくい角を持った切刃１１ａによる切削後、切刃１１ｂ及び切刃１１ｃが追従し、３枚刃の切削に移行される。
この間、切刃１１ｃの回転中心Ｃ側は切刃１１ａの切削時には被切削物に接触しないので、切刃１１ａの切削を阻害することはない（図１０で破線で囲んだ部分）
切刃１１ｃを創生するために施す溝１ｃに於いては、切刃として働き始める位置（切刃にすくい角が存在する位置）を図１０の破線部内に設定すれば良い。

ドリルの外周は切屑排出溝４によって外周切刃（３刃共通）が創成されている（図３、８、９等参照）。
溝１によって形成される切刃１１は、ドリル中心より外周に向かって放射状に伸びており、外周到達点と外周切刃の位置を一致させたシャープエッジが形成される（図８、９の破線で囲んだ部分）。
ドリル外周部と切刃１１の外周到達点は文字通り点であり、外周切刃のすくい角は切屑排出溝の捩れによって創成されるすくい角であって捩れ角と一致し、切刃１１のすくい角と一致しない。
尚、外周切刃のすくい角を大きくして、切削力を大きくしたい場合に、外周切刃のすくい角＞切刃１１のすくい角≧０°とし、切刃１１のすくい角は前述の０〜２０°とする。
しかし、外周切刃のすくい角が大きいと穴あけする切削対象に割れや欠けが生じる可能性が大きくなるため、骨組織の損傷に繋がりかねない。
特に骨粗しょう症患者に対する懸念などから、切刃１１の外周到達点を外周切刃と一致させず、切刃１１のすくい角をそのまま外周切刃のすくい角にすることもできる。（図１１に示す。）
切刃１１ａ、１１ｂ、１１ｃのすくい角は切削のバランスを考慮して共通であることが望ましいが、切刃長さが３刃とも異なるため、各々異なる角度を設定してもよいし、切刃１１ａ≠切刃１１ｂ＝切刃１１ｃなど２刃が共通で１刃が異なる角度にしてもよい。

３枚刃間の分配角度は、等分であっても不等分であってもよい。２枚の切刃が回転中心を通る場合を例として図１２、図１３に示すが、分配角度を不等分とした場合、直線部が長い刃を長刃、直線部が短い刃を短刃１、２、とすると、長刃から短刃１及び２までの分割角を９０°〜１４０°に設定できる。１枚の切刃が回転中心を通る場合も同様である。
図１４に２枚の切刃が回転中心を通る等分割の場合、図１５に１枚の切刃が回転中心を通る不等分割の場合を示す。

当該３枚刃ドリルは、上述したような構成であることにより、次のような効果が得られる。
１．３か所の溝の内の１か所の溝１ａが回転中心Ｃから第１逃げ面２ｂに至る箇所を削り取ること、又は３か所の溝の内の２か所の溝１ａ及び１ｂが回転中心Ｃからそれぞれ第１逃げ面２ｂ及び２ｃに至る箇所を削り取ることで、従来の３枚刃ドリルの三角錐形状の弊害を解決することができる。
２．切刃１１ａには回転中心Ｃから外周まで明確なすくい角が形成される。
３．回転中心Ｃには明確な中心点が形成されるので、回転時に中心部がずれるおそれがない。
４．回転中心Ｃの強度は溝１ｃの形状を調整することで十分な強度を確保することができる。
５．切刃１１ｂには切刃１１ａと同様、外周まで明確なすくい角が形成される。
６．切刃１１ａの第１逃げ面２ａと切刃１１ｃとの間に三角錐の稜線の一部が残るものの、従来の３枚刃ドリルの様にこの部分が被切削物に接触して、切削抵抗として作用することが皆無となり、切削抵抗が大幅に削減される。
７．切刃１１ａ及び切刃１１ｂの２枚の切刃が回転中心Ｃを通過する場合、より明確に回転中心部を形成することができ、回転中心部が穿孔対象の表面をずれることなく確実に捉えることが出来、予定穿孔箇所に対する穿孔穴の位置ずれを防止することができる。
８．３枚の切刃の分配角度を不等分割すれば、切削時に生ずるビビリ現象を抑制する効果が生まれ、穿孔対象が固い場合や組織が一定でない穿孔対象に対して、効果を発揮することができる。
９．３枚の切刃の分配角度を不等分割にすれば、回転中心部付近の強度を高く持たせることができ、穿孔対象に応じて、硬い対象物まで広範囲に使用することできる。

前述の様に、本実施形態の３枚刃ドリルは、従来の３枚刃ドリルの弱点であった先端中心部の切削能力を大幅に改善させることで、３枚刃の特長である切削時の安定性に優れた性能を兼ね備えた高性能のドリルとなる。

先端角θ_１は、前述の範囲内で穿孔対象の材質によって変更すればよく、例えば金属など比較的硬い材料の場合は９０°≦θ_１≦１２０°、樹脂や整形外科用ドリルなど医療用ドリルの場合は４５°≦θ_１≦１００°に設定するとよい。
材質は工業用途では、高速度鋼、超硬合金など硬度の高いものが好ましい。医療用の場合は、ステンレス、チタン合金など、医療用途に定められた材質が好ましい。
医療用では垂直に向かって穿孔するだけでなく、斜位、強斜位での切削が必要である。本実施形態のドリルの場合、先端中心部が最初の接触時に点接触するので、滑るおそれが少ない。また、同時に中心部にすくい角を持った切刃が存在して、接触と同時に穿孔が開始されるので、人骨に対し円滑に穿孔することができる。ドリルの先端角を穿孔時のドリルの傾斜角（ドリルの軸と被切削物表面とが成す角度）の２倍以下に設定することで斜位、強斜位での穿孔が可能となる。

＜実施例＞
本発明の実施例と比較例との３枚刃ドリルを用いて、主たる使用目的である医療用ドリルとしての性能試験を行った。
（３枚刃ドリルのスペック）
実施例の３枚刃ドリルの刃先先端部の正面図を図１６（ａ）に、比較例の３枚刃ドリルの刃先先端部の正面図を図１６（ｂ）に示す。比較例の３枚刃ドリルは、図１に示した従来の３枚刃ドリルである。
実施例と比較例の両３枚刃ドリルは、下記のスペックを同一にした。
１．ドリル径：３．２ｍｍ
２．捩れ角：３０°
３．第１逃げ面の逃げ角θ_２：８°
４．第２逃げ面の逃げ角：３０°
５．すくい角θ_３：１５°（外周からφ１．１ｍｍ迄の切刃部分で実長：１．０５ｍｍ）
６．先端角θ_１：１００°
７．全長：１１０ｍｍ
８．溝長：４５ｍｍ
９．材質：ＳＵＳ４２０Ｊ２（硬さ：ＨＲＣ５３）／３．２ｍｍの焼入れ研磨棒材より加工
比較例の３枚刃ドリルの先端部分における切刃に関する寸法は下記のようになっている（図１６（ｂ）参照）
１．すくい角１５°以下の範囲（径）：φ１．１ｍｍ
２．すくい角がなくなる範囲（径）：φ０．５ｍｍ
３．三角錐の稜線が残る範囲（径）：φ０．２６ｍｍ

（試験方法）
実施例と比較例の２種類のドリルを使って、牛の大腿骨に穴あけ切削を行い、切削時の抵抗と温度上昇を、切削抵抗計、サーモグラフィーを用いて測定した。
試験条件を下記に示す。
１．使用機器：大鳥機工製ＮＣフライス盤
２．回転数：８００ＲＰＭ
３．送り速度：３０ｍｍ／ｍｉｎ．
４．切込深さ：骨表面から７ｍｍ
５．室温：１９℃
６．骨表面温度：１５．３℃

（試験結果）
切削時の切削抵抗の推移を図１７に示す。
実施例の３枚刃ドリルでは、切削抵抗が２．５ｋｇ程度であったが、比較例では６．０ｋｇ以上になった。
また切削時のサーモグラフィーの図面代用写真を図１８に示す。
実施例の３枚刃ドリルでは、切削時の温度上昇が２５．５℃で最高４０．８℃であったが、比較例では温度上昇が５９．１℃で最高７４．４℃であった。また、切削時の目視観察では実施例の３枚刃ドリルでは発煙が確認出来なかったが、比較例では発煙が確認できた。
このように、本発明の３枚刃ドリルは、従来の３枚刃ドリルよりも格段に優れた結果を示した。

本発明は、例えば医療用のドリルに好適に使用される。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ 溝
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ 切刃
２、２ａ、２ｂ、２ｃ 第１逃げ面
３、３ａ、３ｂ、３ｃ 第２逃げ面
４、４ａ、４ｂ、４ｃ 切屑排出溝
５、５ａ、５ｂ、５ｃ 稜線
Ｃ 回転中心

Claims (2)

1. ドリル先端部において外周部から中心部へ向けて延びるように形成された３本の溝と、当該３本の溝の縁にそれぞれ形成された３本の切刃とを備える３枚刃ドリルであって、
   前記ドリル先端部の回転中心が先端側に突出しており、
   前記３枚の切刃のうちの１枚の切刃における中心部側の端部は、前記回転中心に位置し、かつ、刃先がすべりにくくなるように先端側に突出しており、
   他の２枚の切刃の中心部側の端部は、前記溝によって前記回転中心から離間している、
   ことを特徴とする３枚刃ドリル。
2. 前記ドリル先端部における先端角θ１が４５°≦θ１≦１２０°であり、
   前記切刃の逃げ角θ２が２°≦θ２≦２０°であり、
   前記切刃のすくい角θ３が０°≦θ３≦２０°であることを特徴とする請求項１記載の３枚刃ドリル。

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