JP6386530B2 - 内側に配置された冷却管を備えた多刃ドリル工具 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に係る、内側に配置された冷却管を備えた多刃ドリル工具に関する。

上述のようなドリル工具は、例えば、ＷＯ２００４／０５６５１９Ａ２に開示されている。この公報において、工具の冷却剤の流量、耐破断性、耐圧性、耐捻れ性および曲げ強度の相互関係を可能な限り適切にすることで、冷却管の構成を最適化する方法が知られている。

ＷＯ２００４／０５６５１９Ａ２の型式の工具で使用されている内側に配置された冷却管の断面は、その断面が全体にわたって凸状の輪郭線で囲まれているという意味で、ＤＥ１９９４２９６６Ａ１、ＤＥ３６２９０３５Ａ１またはＣＨ２６５２６２における断面形状と同様である。

そのような型式のドリル工具を、製造業者が、総寿命、すなわち、要求される全切削過程において、寸法安定性や表面の品質を保証しなければならない高性能のドリル工具に発展させる中で、あらゆる決定的な、すなわち熱的負荷や機械的負荷を受けやすい部分を、できる限り工具から取り除かなければならない。このことは、一方では噛み合っている刃に関係するが、他方では、切削によって摩耗するか、あるいは特別な機械的または熱的負荷に曝される工具の他の部分にも関係する。

それゆえに、本発明の課題は、多刃ドリル工具であって、特に、局所的な過度の熱負荷および過度の機械的負荷による危険性がさらに低減された、固体に孔をあけるための多刃ドリル工具を提供することにある。

この課題は、請求項１の特徴によって解決される。

本出願人が長年、広範囲にわたって冷却管断面の輪郭を様々な方法で検討した結果、請求項１に係る特徴を有する冷却管断面が、ドリル工具における応力分布においても、ドリル工具の問題となる部分の熱的負荷に関しても、従来のあらゆる冷却管断面形状よりもはるかに優れていることが判明した。特に、本発明に係る断面形状によって、切屑溝の底面における引張応力のピークを最小限に抑えることができ、同時に、シンニングと共に噛み合っている主要刃に、もしくは主要刃において発生している切り屑に、従来到達できなかった冷却／潤滑剤量を到達させることができた。このことは第一に、断面を非対称の腎臓に似た形状に選択することによって保証され、個々の境界曲線部分で選択された曲率半径に基づいて、シンニングおよびシンニングとドリル中心部との交差角を経由して、多量の冷却／潤滑剤が、最も早い経路を通って主要刃または主要刃の近くに達することが証明された。最大の応力がかかっていた工具の体積は、主要刃の後方に凹状の曲線を有する断面輪郭部分を予め設けておくことによって最小限に抑えられる。この方法により、従来の内側に配置された冷却管の構成または形態で可能であった材料よりも多くの材料を主要刃の後方に集中させることができる。それゆえに、本発明に係る内側に配置された冷却管の形状は、特に、高硬度材料、例えば、硬金属(超硬金属 ＶＨＭ）またはサーメット材料からなる工具に適している。なぜならば、このような材料は、他の延性材料と比較して、耐衝撃性および継続的な折り曲げ耐性が低いからである。

さらなる有利な構成は、下位請求項の対象である。

断面部分の非対称の腎臓形状は、請求項３のさらなる構成によって、より明確になる。これによれば、切屑溝の底面における応力のピークは、より縮小された範囲に抑えられるという効果を奏する。そのため、断面輪郭の凹状の曲線部分に基づいて、主要刃と内側に配置された冷却管との間のドリルウェブの壁厚を効果的に大きくすることができる。

本発明に係る内側に配置された冷却管の断面の構成によれば、ドリル先端のへの冷却／潤滑剤の供給を抑えることなく、冷却管がドリルウェブに延びる中心角を、３０°と４０°との間の比較的狭い領域に制限することができる。

特に、ＭＭＳ（最少量潤滑）技術に従った冷却／潤滑剤供給において、冷却／潤滑剤の供給圧を２０ｂａｒと６０ｂａｒとの間の範囲で行うときには、ドリルウェブにおいて、冷却管が請求項５の範囲にわたって径方向に延びていると、工具の強度はさらに向上することが示された。

請求項に挙げた、各々の冷却管を挿入する輪郭部分を構成するための数値は、通常は、個々の事例においてドリル中心のシンニングがどのように形成されているか、および／または、それがどの程度の大きさであるかを考慮に入れて最適化することができる。それに応じて冷却管断面領域を規定する形状パラメータが示され、その範囲内において、当業者は、請求項１によって定性的に定められた断面輪郭を最適化することができる。

以下、模式図により本発明の実施例をより詳しく説明する。

図１は、本発明に係る冷却管の断面輪郭の形状およびその配置を説明するための、内側に配置された冷却管を備えた２刃のドリル工具の拡大断面図である。 図２は、超硬合金（ＶＨＭ）ドリル工具における、内側に配置された冷却管の寸法およびその調整を説明するための模式図である。 図３は、本発明に係る構成を備えた、内側に配置された冷却管と、４面研削部の形態の先端研削部とを備えた多刃ドリル工具の正面図である。 図４は、ドリル先端範囲における、冷却／潤滑剤の質量流およびその速度を明らかにするための、本発明に係る多刃ドリル工具の先端の斜視図である。

図１に、切屑溝１２およびドリルウェブ１４を備えた２刃ドリル工具１０の断面を示す。ドリル工具１０は、直線溝またはらせん状溝のドリル工具であってもよい。

ドリルウェブ１４には、内側に配置され、特定の断面を有する冷却管１６が設けられており、その詳細については後述する。この内側に配置された冷却管は、成形方法、すなわち、例えばＤＥ４２４２３３６Ａ１に開示されているような押出プレス方法によってドリル体の中に設けられている。この方法によれば、内側に配置された冷却管を備えた、超硬合金からなるドリル工具用の金型を経済的に製造することができる。その際、冷却管の断面形状は、ノズル軸に保持された留めピンの断面に適合するように選択される。本願には、製造方法に関して、ＤＥ４２４２３３６Ａ１の開示が引用される。当然ながら、本発明に係る断面輪郭を、例えば、ＵＳ−ＰＳ２４２２９９４、ＤＥ−ＰＳ３６０１３８５、ＥＰ０４６５９４６Ａ１またはＥＰ０４３１６８１Ａ２に記載されているような他の方法で製造することもできる。

内側に配置された冷却管１６の断面輪郭は、次の特徴を備えている。

断面輪郭は、実質的に、非対称な腎臓の断面形状を有している。冷却管断面に実質的には完全に内接している最大円ＫＥは、ドリルウェブ１４の中央と重なっている。このことは、図１に従えば、中心軸ＡＺ（ドリル工具の中心Ｚを参照）は、実質的にはドリルウェブ１４の中央を通って延びており、また、内接している最大円ＫＥの中央を通り抜けていることから明らかである。

さらにまた、この内接している最大円ＫＥは、径方向外側に配置され、回転方向ＲＳ（図１を参照）と反対方向の領域において、８０°と９０°との間の範囲の中心角ＷＺＫＥを介して冷却管断面の輪郭を制限している。その制限される輪郭部分をＫＥＺＷで示す。

内接している円ＫＥによって定められた境界曲線ＫＥＺＷに、径方向外側の切削方向において、実質的には周方向に、断面輪郭部分ＢＱ１が続いている。この断面輪郭部分ＢＱ１は、内接している円ＫＥと同じ意味であるものの、それと比較してかなり小さい曲率半径Ｒ１を有する（図２を参照）。

図１および図２から明らかなように、断面輪郭部分ＢＱ１の小さい曲率半径Ｒ１は、内接している円ＫＥの曲率よりも何倍も大きい曲率半径Ｒ２（図２参照）の凹状の曲線ＫＫに移行している。

凹状の曲線ＫＫは、他方側、すなわち径方向内側に配置され、内接している最大円ＫＫ（図１および図２を参照）の外側で、新たに曲率半径Ｒ３（図２を参照）の凸状の管膨張部分ＡＫＡに続いている。この曲率半径Ｒ３は、断面輪郭部分ＢＱ１における小さい曲率半径Ｒ１よりも実質的には大きい。結局、図１および図２からわかるように、膨張部分ＡＫＡから領域ＫＥＺＷまでの断面境界の曲率は、連続的に増大していることがわかる。

さらに、図１および図２から、ここに示した実施形態では、冷却管断面に実質的には内接している最大円ＫＥは、実質的にはドリルウェブ１４の中央に設けられていることがわかる。しかしながらこのような構成は必須ではない。先端研削部の形態、特に、ドリル切削領域におけるシンニングの形状、大きさ、位置および広がりに従って、内側に配置された冷却管は、周方向へとずれていてもよい。ただし、いずれの場合にも、冷却管断面に実質的には内接している最大円ＫＥは、ドリルウェブ１４の中央と重なっている。

図１および図２から、さらに、冷却管断面に実質的に内接している最大円ＫＥは、２つの点１８および２０で凹状の曲線ＫＫと交差していることがわかる。このようにして（図１から最も良くわかるように）、切屑溝または主要刃と内側に配置された冷却管１６との間には、最小の壁厚ＷＳＭが生じており、この壁厚は、従来の冷却管断面の形態と比較してかなり大きい。このことには、ドリル工具にねじれが要求されるときに引張応力が上昇する部分Ｓ（図１を参照）を従来技術と比較して縮小することができるという有利な効果がある。

図１に、中心角を符号ＷＺＫＫで示す。この中心角を通って冷却管１６は延びている。本発明によれば、この中心角ＷＺＫＫは、３０°と４０°との間にある。

図２からわかるように、冷却管１６は、ドリルウェブにおいて、０．１５×Ｄと０．２×Ｄの間の範囲にある領域ＢＲを通って径方向に延びており、Ｄは、ドリル工具の公称直径である。

内接している最大円ＫＥの中心点Ｍは、０．５×Ｄの範囲内にある、直径ＤＴＫ（図２を参照）のピッチ円上にある。

図２に、内接している最大円ＫＥの直径をＤＫＥで示す。本発明によれば、それは０．１×Ｄと０．１５×Ｄとの間の範囲にある。

断面輪郭部分ＢＱ１の小さい曲率半径Ｒ１（図２を参照）の値は、実質的に、内接している最大円ＫＥの直径ＤＫＥの０．２５倍に相当する。

凹状の曲線ＫＫ（図２を参照）の曲率半径Ｒ２は、実質的に、内接している最大円ＫＥの直径ＤＫＥの２倍の値に相当する。

凸状の管の膨張部分ＡＫＡの曲率半径Ｒ３は、実質的に、断面輪郭部分ＢＱ１における小さい曲率半径Ｒ１の１．５倍に相当する。

図１および図２に基づいて概要を述べた内側に配置された冷却管１６の断面輪郭によれば、内側に配置された冷却管を通る冷却／潤滑剤を所定の量に設定したときに、刃を最大限に冷却することができると同時に、ドリル体に要求される体積を小さくできる、という効果が生じる。このような効果は、特に、ドリル工具またはドリル工具の切削部分が、強度が高いもののそれに伴い高い脆弱性を有する例えば超硬金属またはサーメット材料等の超硬材料からなる場合に有利である。詳細には、次の効果が生じる。

冷却管１６の断面の面積は、比較的小さい半径であって周方向に延びる断面輪郭部分ＢＱ１によって拡大する。しかしながらこれによってドリル断面が著しく減少することはない。なぜなら、径方向外側に設けられた領域において、小さい曲率半径は、応力変化に著しく弱く影響するからである。凹状の部分を介して主要刃の後方の壁厚は大きくなり、これはドリル断面における応力分布に寄与する。凹状の部分ＫＫにつながった、径方向内側に設けられた膨張部分ＡＫＡによって、潤滑／冷却剤を多量にチゼルエッジおよび主要刃の方向に導くことができ、その結果、それらの刃で発生している切り屑の冷却を効果的に行うことができる。熱による過度な負荷から刃を保護するために、切り屑の冷却が重要であることが示された。

本発明に係る冷却管断面の構成は、特に、図３および図４に係る研削部が使用されるときに有利である。図３は、本発明に係る、いわゆる４面研削部を備えた工具の上面図である。図において、刃角４０から出発した部分２２Ａおよび２２Ｂを有する主要刃２２の後方に、第１の逃げ面２４および第２の逃げ面２６が設けられている。

符号２８は、図３において斜線で埋められたシンニングを示す。シンニングを介して、主要刃の中心近傍領域２２Ｂが形成される。当該中心近傍領域２２Ｂは、屈曲点３０を経て主要刃の径方向外側に位置する部分２２Ａに移行する。

符号１６で示した内側に配置された冷却管は、一部が逃げ面２６に、また一部がシンニングの基礎面２８に至るように配置されている。

このような構成により、図４からわかるように、次の効果が生じる。

点線は、冷却管１６から出ている冷却／潤滑剤の流れの筋を示している。矢印の長さは、工具の刃部分の位置における、それぞれの速度を表している。

本発明に係る内側に配置された冷却管１６の断面輪郭の形状によれば、発生する切り屑の冷却が特に重要である箇所において、最大の流量速度が保証される。

詳細には、図４から、流体は、速度Ｖ１で刃部分２２Ｂに導かれ、これは断面輪郭の膨張部分ＡＫＡによって促進されることが明らかである。速度Ｖ１は、シンニングとドリル中心との間の切込角３４の領域において速度Ｖ２に加速され、その結果、この領域において特に良好に冷却を行うことができる。径方向外側にある主要刃２２Ａの領域においても、速度Ｖ３は、その箇所で発生している切り屑を効果的に工具の冷却に用いるためには、十分に高い。

本発明に係る冷却管断面の形状は、まさに、多刃ドリル工具が、例えば超硬金属またはサーメット材料等の高硬度材料から製造され、さらに、こうした工具が、固体、特に極めて切削が困難な物質のドリルに使用されるときに特に有利である。

それゆえに、本発明は、主要切れ刃がドリルウェブの領域において中央刃部に移行し、そのとき、各々のドリルウェブにはドリル先端に至る管が形成されている、内側に配置された冷却管およびシンニングを有する先端研削部を備えた多刃ドリル工具を創造している。冷却管は、ドリルの断面において次の特徴を備えている。
ａ）冷却管は、非対称の腎臓の断面形状を有し、
ｂ）冷却管断面に実質的に内接している最大円（ＫＥ）は、ドリルウェブの中央と重なっており、径方向外側の回転方向と反対方向の領域（ＫＥＺＷ）において、８０°と９０°との間の範囲にある中心角（ＷＺＫＥ）を介して冷却管断面の輪郭を制限しており、
ｃ）径方向外側の切削方向では、内接している円（ＫＥ）によって定められた境界曲線（ＫＥＺＷ）に、実質的に周方向において内接している円（ＫＥ）と意味合いは同じであるがかなり小さい曲率半径（Ｒ１）を有する断面輪郭部分（ＢＱ１）が続いており（隣接しており）、
ｄ）前記断面輪郭部分ＢＱ１の前記小さい曲率半径（Ｒ１）は、前記内接している最大円（ＫＥ）の曲率半径の何倍も大きい曲率半径（Ｒ２）の凹状曲線（ＫＫ）に移行しており、
ｅ）前記凹状曲線（ＫＫ）に、径方向内側で、前記内接している最大円（ＫＥ）の外側に、断面輪郭部分（ＢＱ１）において前記小さい曲率半径（Ｒ１）よりもかなり大きい曲率半径（Ｒ３）を有する管膨張部分（ＡＫＡ）が続いており（隣接しており）、
ｆ）前記断面境界の曲率は、前記管膨張部分（ＡＫＡ）から前記領域（ＫＥＺＷ）まで連続的に増大している。

Claims (14)

1. 内側に配置された冷却管およびシンニングを有する先端研削部を備え、ドリル中心の領域（１４）において、主要切れ刃（２２Ａ）が中央刃部（２２Ｂ）に移行しており、各々のドリルウェブにはドリル先端に至る冷却管（１６）が形成された、多刃ドリル工具であって、
   前記冷却管は、前記ドリルの断面において、以下の特徴を備えていることを特徴とするドリル工具：
   ａ）人体を正面から見た際の非対称の腎臓形状を有し、
   ｂ）冷却管断面に内接している最大円（ＫＥ）は、ドリルウェブの縁ではない中央部分と重なっており、前記ドリル工具の中心（Ｚ）及び前記内接している最大円（ＫＥ）の中心を通る中心軸（ＡＺ）を基準線として、回転方向と反対方向の径方向外側の領域（ＫＥＺＷ）において、８０°と９０°との間の範囲にある中心角（ＷＺＫＥ）内で冷却管断面の輪郭を示し、
   ｃ）径方向外側で切削方向において、前記内接している最大円（ＫＥ）によって定められた境界曲線（ＫＥＺＷ）には、前記内接している最大円（ＫＥ）よりも小さい曲率半径（Ｒ１）を有する断面輪郭部分（ＢＱ１）が周方向に続いており、
   ｄ）前記断面輪郭部分（ＢＱ１）の前記小さい曲率半径（Ｒ１）は、前記内接している最大円（ＫＥ）の曲率半径より何倍も大きい曲率半径（Ｒ２）の凹状曲線（ＫＫ）に移行しており、
   ｅ）前記凹状曲線（ＫＫ）には、径方向内側で、前記内接している最大円（ＫＥ）の外側に、前記断面輪郭部分（ＢＱ１）における前記小さい曲率半径（Ｒ１）よりも大きい曲率半径（Ｒ３）を有する凸状の管膨張部分（ＡＫＡ）が続いており、および、
   ｆ）断面境界の曲率半径は、前記管膨張部分（ＡＫＡ）から前記領域（ＫＥＺＷ）まで連続的に増大している。
2. 前記冷却管断面に内接している前記最大円（ＫＥ）は、前記ドリルウェブ（１４）の前記中央部分内にあることを特徴とする、請求項１に記載のドリル工具。
3. 前記冷却管断面に内接している前記最大円（ＫＥ）は、２つの点（１８，２０）で前記凹状曲線（ＫＫ）と交差することを特徴とする、請求項１または２に記載のドリル工具。
4. 前記冷却管は、前記ドリルウェブ（１４）において、前記ドリル工具の中心（Ｚ）から延びる前記冷却管の接線を基準線として、３０°と４０°との間の中心角（ＷＺＫＫ）を通って延びていることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のドリル工具。
5. 前記冷却管は、前記ドリルウェブ（１４）において、前記ドリル工具の中心（Ｚ）を基準点として、０．１５×Ｄと０．２×Ｄとの間の範囲にある領域（ＢＲ）を通って径方向に延びており、Ｄは前記ドリル工具の公称直径（ＤＮ）に相当する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のドリル工具。
6. 前記内接している最大円（ＫＥ）の中心点は、前記ドリル工具の中心（Ｚ）を基準点として、直径（ＤＴＫ）が０．４５×Ｄから０．５５×Ｄの範囲にあるピッチ円上にあり、Ｄは前記ドリル工具の公称直径（ＤＮ）に相当することを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のドリル工具。
7. 前記内接している最大円（ＫＥ）の直径（ＤＫＥ）は、前記ドリル工具の中心（Ｚ）を基準点として、０．１×Ｄから０．１５×Ｄの範囲にあり、Ｄは前記ドリル工具の公称直径（ＤＮ）に相当することを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のドリル工具。
8. 前記断面輪郭部分（ＢＱ１）の前記小さい曲率半径（Ｒ１）の値は、前記内接している最大円（ＫＥ）の直径（ＤＫＥ）の０．２５倍に相当することを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のドリル工具。
9. 前記凹状曲線（ＫＫ）の前記曲率半径（Ｒ２）は、前記内接している最大円（ＫＥ）の直径（ＤＫＥ）の値の２倍に相当することを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のドリル工具。
10. 前記凸状の管膨張部分（ＡＫＡ）の前記曲率半径（Ｒ３）は、前記断面輪郭部分（ＢＱ１）における前記小さい曲率半径（Ｒ１）の１．５倍に相当することを特徴とする、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のドリル工具。
11. 前記主要切れ刃（２２Ａ）は、刃角（４０）から出発し、少なくとも部分的に凹状に形成されていることを特徴とする、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のドリル工具。
12. 前記主要切れ刃は、前記中央刃部（２２Ｂ）への移行領域において屈曲点（３０）を有することを特徴とする、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のドリル工具。
13. 前記冷却管（１６）は、一部が逃げ面（２６）に、他の一部がシンニングの基礎面（２８）に至ることを特徴とする、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のドリル工具。
14. 固体に穴をあけるための工具として構成されていることを特徴とする、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のドリル工具。

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