JP6747791B2 - ドリル及び被穿孔品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ドリル及び被穿孔品の製造方法に関する。

従来、複合材や金属を対象とする穿孔を高精度に行うことを狙いとして、様々なドリルが提案されている（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４参照）。ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ： Ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ： Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材の穿孔を行う場合には、層間剥離（デラミネーション）やバリの発生を低減させることが重要である。

特開２００８−０００８３６号公報 特開２０１４−０３７００８号公報 国際公開第２０１３／０９９８４１号 特開平２−１９８７０８号公報

本発明は、金属及び複合材の少なくとも一方を対象として、より高精度な穿孔を行えるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係るドリルは、繊維強化プラスチック及び金属のいずれであっても穿孔できるようにした、２つ以上の直径を有する段付きのドリルであって、前記ドリルの各直径に対応する心厚を前記ドリルの各直径の５％以上２５％未満とし、かつ超硬が有する硬度及び靭性以上の硬度及び靭性を有する材料又は超硬でボディを構成したものである。
また、本発明の実施形態に係る被穿孔品の製造方法は、前記ドリルを用いて繊維強化プラスチック及び金属の少なくとも一方から成る被削材を穿孔することによって被穿孔品を製造するものである。

本発明の実施形態に係るドリルの正面図。 図１に示すドリルの拡大左側面図。 図１に示すドリルのウェブ形状を示す部分縦断面図。 図１に示すドリルの拡大横断面図。 図３に示すウェブ形状の第１の変形例を示す部分縦断面図。 図３に示すウェブ形状の第２の変形例を示す部分縦断面図。

本発明の実施形態に係るドリル及び被穿孔品の製造方法について添付図面を参照して説明する。

（構成及び機能）
図１は本発明の実施形態に係るドリルの正面図、図２は図１に示すドリルの拡大左側面図、図３は図１に示すドリルのウェブ形状を示す部分縦断面図、図４は図１に示すドリルの拡大横断面図である。

ドリル１は、シャンク２とボディ３とを有する。シャンク２は、手持ち式のドリル駆動装置又は工作機械等の機械加工装置のホルダでドリル１を保持するための部分である。ボディ３は、被削材の切削加工を行う部分であり、刃数に応じた数のランド４の先端側の縁に切れ刃５を形成した構造を有する。

図示されたドリル１は、２枚刃のドリルであるため、２つのランド４の先端にそれぞれ切れ刃５が形成されている。隣接するランド４の間には、溝６が形成される。また、ドリル１の先端に形成されるランド４間の稜線はチゼルエッジ７と呼ばれる。もちろん、任意の数の切れ刃５をボディ３に形成し、４枚刃等の任意の刃数のドリルを製作することができる。尚、２つの切れ刃５のなす角度は、先端角と呼ばれる。先端角は、一般的には１１８°から１２０°程度である。

ドリル１の中心軸を通る板状の部分は、ウェブ８と呼ばれる。ウェブ８の板厚は、心厚（ウェブ厚）Ｗと呼ばれる。心厚Ｗが厚いとドリル１の強度が高くなる反面、チゼルエッジ７が長くなるためスラスト方向の切削抵抗が増加する。そこで、チゼルエッジ７を短くするために、ドリル１の先端における心厚Ｗを薄くするシンニングを施すことができる。シンニングには、Ｒ型、Ｘ型、Ｎ型その他様々なタイプがあり、図示された例では、Ｘ型のシンニングが施されている。

ドリル１は、複合材及び金属の少なくとも一方を穿孔するためのドリルである。すなわち、ドリル１は、複合材で構成される被削材、金属で構成される被削材又は複合材と金属とを重ねて構成される被削材を穿孔するためのドリルである。従って、超硬で少なくともボディ３を構成することが現実的である。すなわち、ドリル１を超硬ドリルとすることが現実的である。超硬ドリルの場合、通常は、ボディ３とシャンク２が粉末焼結法等によって一体的に成形されるため、ドリル１全体が超硬で構成される。

但し、超硬と同程度以上の硬度及び靭性を有する材料でボディ３を構成してもよい。例えば、靭性が超硬と同程度に改良された、十分な硬度を有するサーメットやセラミックをボディ３の材料として用いることができる。或いは、硬度が超硬と同程度に改良された、十分な高速度工具鋼（ハイス）をボディ３の材料として用いることもできる。

複合材及び金属の少なくとも一方を穿孔するための従来の超硬ドリルの場合、十分な強度を確保して切れ刃の欠損を回避するために、心厚がドリル径の２５％以上となるように設計される。しかしながら、上述したようにドリルの心厚が厚いと穿孔中におけるスラスト方向の切削抵抗が大きくなる。その結果、ＣＦＲＰ等の複合材を穿孔すると、孔の入口にデラミネーションが生じるという問題がある。

そこで、図示されたドリル１は、従来の既成概念とは大きく異なり、ドリル１の少なくとも先端の心厚Ｗがドリル１の直径Ｄの５％以上２５％未満となるように製作される。そうすると、チゼルエッジ７の長さが一層短くなり、すくい角をドリル１の先端付近まで設けることが可能となる。従って、ドリル１のスラスト方向における切削抵抗を一層低減させ、複合材の穿孔時におけるデラミネーションの発生を良好に抑制することができる。一方、複合材及び金属の少なくとも一方を穿孔するために必要なドリル１の強度を確保することができる。

複合材及び金属の少なくとも一方を穿孔する場合において、ドリル１のスラスト方向における切削抵抗を低減しつつ、ドリル１の強度を確保する観点から最も好適なドリル１の先端における心厚Ｗは、ドリル１の直径Ｄの１０％以上２０％以下であることが確認された。従って、ドリル１の少なくとも先端の心厚Ｗがドリル１の直径Ｄの１０％以上２０％以下となるようにドリル１を製作することが好適である。

航空機部品の穿孔を行う場合に使用されるドリルは、呼び番号が１１番（＃１１）のドリルの直径以上の直径を有するドリルである。＃１１のドリルの直径は、４．８５１４ｍｍ（０．１９１０ｉｎｃｈ）である。従って、ドリル１の直径Ｄを、呼び番号が１１番の直径以上とすることができる。但し、ドリル１の強度を維持する観点からドリル１の直径Ｄを５ｍｍよりも大きい直径としてもよい。ドリル１の直径Ｄの最大値としては、１００ｍｍ等の被削材の設計要求に従って任意に決定することができる。

ドリル１の心厚Ｗを薄くすると、ドリル１の強度を補償することが重要となる。そこで、ドリル１を、２つ以上の直径を有する段付きドリルとすることが好適である。すなわち、切れ刃５の形状を、ステップ形状とすることができる。そうすると、被削材の孔の直径を徐々に広げるステップ加工を行うことが可能となる。このため、スラスト方向における切削抵抗を一層低減させ、強度を確保するために必要なドリル１の心厚Ｗを薄くすることができる。

図示された例では、ドリル１が、２つの直径Ｄ１、Ｄ２を有する２段の段付きドリルとなっている。すなわち、第１の直径Ｄ１及び第１の先端角α１を有する第１の切れ刃５Ａと、第２の直径Ｄ２及び第２の先端角α２を有する第２の切れ刃５Ｂが、ドリル１のボディ３に形成されている。もちろん、３段以上の段付ドリルを製作してもよい。

更に、ウェブ８の少なくとも一部を大幅にテーパさせることで、ドリル１のねじれ強度を飛躍的に向上させることができる。これは、シャンク２側における心厚Ｗを厚くすることによってウェブ８の強度が向上するためである。

ウェブのテーパの度合いＷｔを、単位長さΔＬ当たりの厚さの増加量ΔＷで表すと、従来のドリルにおいても、一般的にはＷｔ＝ΔＷ／ΔＬ＝０．７／１００程度のウェブテーパが設けられる場合がある。

これに対して、ドリル１のウェブ８のテーパの度合いは、Ｗｔ＝ΔＷ／ΔＬ＝３．５／１００以上７．０／１００以下に決定される。すなわち、ドリル１の心厚Ｗの少なくとも一部が、長さ方向１００ｍｍ当たり３．５ｍｍ以上７．０ｍｍ以下厚くなるように製作される。このような従来の５倍から１０倍のウェブ８のテーパは、ドリル１を段付きドリルとするか否かに関わらず、ドリル１の強度を向上させる観点から有効である。

ドリル１が２つ以上の直径を有する段付きドリルの場合には、心厚Ｗを変化させることによって、各直径に対応する心厚Ｗを各直径の５％以上２５％未満とすることができる。図示された例では、ドリル１の先端側におけるウェブ８の所定の長さＬ０の部分における心厚Ｗが一定（Ｗｔ＝０）となっており、シャンク２側におけるウェブ８の部分における心厚Ｗが一定の度合いＷｔでテーパしている。このため、ドリル１の心厚Ｗが、２つの直径Ｄ１、Ｄ２に対応して徐々に厚くなっている。つまり、ドリル１の心厚Ｗが、２つの直径Ｄ１、Ｄ２に対応して断続的に変化している。このため、ドリル１の先端側における切削抵抗を低減しつつドリル１の強度を確保することができる。

特に複合材の穿孔を行う場合には、デラミネーションの他、バリの発生も問題となる。また、金属の穿孔を行う場合においても、バリの発生を抑制することが望ましい。そこで、ドリル１のランド４には、ニック９を設けることが効果的である。すなわち、ドリル１にニック９を設けることによって、バリ及びデラミネーションの発生を抑制することができる。

そして、上述したような特徴を有するドリル１を用いて複合材及び金属の少なくとも一方から成る被削材を穿孔することによって被穿孔品を製造することができる。

つまり以上のようなドリル１は、心厚Ｗの劇的な薄型化、切れ刃５の段付形状化及び心厚Ｗの極端なテーパによって切削抵抗を大幅に低減しつつ強度を確保できるようにしたものである。

（効果）
このため、ドリル１によれば、複合材で構成される被削材、金属で構成される被削材及び複合材と金属とを重ねて構成される被削材のいずれを穿孔する場合においても、バリ及びデラミネーションの発生を抑制することができる。その結果、複合材、金属及び複合材と金属との重ね材のいずれを穿孔する場合においても、良好な精度で被削材の穿孔を行うことができる。

実際に、第１の直径Ｄ１＝φ６．３５、第２の直径Ｄ２＝φ７．９３７５、第１の直径Ｄ１を有するボディ３の長さＬ１＝６．５ｍｍ、第１の直径Ｄ１及び第２の直径Ｄ２を有するボディ３全体の長さＬ２＝６３．４３ｍｍ、第１の先端角α１＝１２０°、第２の先端角α２＝１２０°、ドリル１の先端における心厚Ｗ＝０．７９ｍｍ、心厚Ｗを一定（Ｗｔ＝０）とする長さＬ０＝４０ｍｍ、シャンク２側における心厚Ｗのテーパの度合いＷｔ＝３．５／１００として図示されたドリル１を製作した。そして、製作したドリル１でチタンを穿孔したところバリの発生を抑制して良好な精度で穿孔できることが確認された。しかも、同じドリル１で、バリ及びデラミネーションの発生を抑制して良好な精度でＣＦＲＰの穿孔を行うことができることも確認された。

（変形例）
図５は図３に示すウェブ形状の第１の変形例を示す部分縦断面図であり、図６は図３に示すウェブ形状の第２の変形例を示す部分縦断面図である。

ドリル１のウェブ８は、図３に例示される形状に限らず様々な形状とすることができる。例えば、図５に示すように、２段の段付きドリルにおいて、第１の直径Ｄ１のＲ１％をドリル１の先端における第１の心厚Ｗ１（＝Ｄ１・Ｒ１／１００）とする一方、第２の直径Ｄ２のＲ２％を第２の直径Ｄ２の開始部分における第２の心厚Ｗ２（＝Ｄ２・Ｒ２／１００）とすることができる。そして、第１の直径Ｄ１の部分におけるウェブ８を、第１の心厚Ｗ１から第２の心厚Ｗ２に厚さが変化するように第１の度合いＷｔ１＝（Ｗ２−Ｗ１）／Ｌ１でテーパさせることができる。一方、第２の直径Ｄ２の部分におけるウェブ８を、任意の第２の度合いＷｔ２でテーパさせることができる。

或いは、図６に示すように、第１の直径Ｄ１のＲ１％をドリル１の先端における第１の心厚Ｗ１（＝Ｄ１・Ｒ１／１００）とする一方、第２の直径Ｄ２のＲ２％を第２の直径Ｄ２の開始部分における第２の心厚Ｗ２（＝Ｄ２・Ｒ２／１００）とすることができる。そして、第１の心厚Ｗ１から第２の心厚Ｗ２に滑らかに心厚Ｗが変化するように長さＬ３だけ部分的にウェブ８をテーパさせ、他の部分におけるウェブ８の心厚Ｗを一定にするか、或いは他の部分におけるウェブ８を従来と同程度に傾斜させることができる。これにより、ウェブ８の心厚Ｗが局所的に変化することに起因する応力集中を回避することができる。

このように、２つ以上の直径に対応してウェブ８に部分的なテーパ又は傾斜角度が異なる複数のテーパを設けることができる。これにより、ドリル１の先端側における心厚Ｗを薄くして切削抵抗を低減させる一方、ドリル１のシャンク２側における心厚Ｗを確保してドリル１の強度を維持することができる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１ ドリル
２ シャンク
３ ボディ
４ ランド
５、５Ａ、５Ｂ 切れ刃
６ 溝
７ チゼルエッジ
８ ウェブ
９ ニック
α１ 第１の先端角
α２ 第２の先端角
Ｗ 心厚
Ｗ１ 第１の心厚
Ｗ２ 第２の心厚
Ｄ１ 第１の直径
Ｄ２ 第２の直径
Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 長さ
Ｗｔ テーパの度合い

Claims (7)

1. 繊維強化プラスチック及び金属のいずれであっても穿孔できるようにした、２つ以上の直径を有する段付きのドリルであって、
   前記ドリルの各直径に対応する心厚を前記ドリルの各直径の５％以上２５％未満とし、かつ
   超硬が有する硬度及び靭性以上の硬度及び靭性を有する材料又は超硬でボディを構成したドリル。
2. 前記心厚の少なくとも一部を、長さ方向１００ｍｍ当たり３．５ｍｍ以上厚くなるようにした請求項１記載のドリル。
3. 前記ドリルの第１の直径の部分における第１のウェブに第１の度合のテーパを設け、前記ドリルの第２の直径の部分における第２のウェブに第２の度合のテーパを設けた請求項１又は２記載のドリル。
4. 前記第１の度合は、前記第１の直径の部分における第１の心厚、前記第２の直径の部分における第２の心厚及び前記第１の直径の部分の長さに基づく度合である請求項３記載のドリル。
5. 第１の心厚から第２の心厚に滑らかに心厚が変化するようにウェブに部分的なテーパを設けた請求項１又は２記載のドリル。
6. ランドにニックを設けた請求項１乃至５のいずれか１項に記載のドリル。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のドリルを用いて繊維強化プラスチック及び金属の少なくとも一方から成る被削材を穿孔することによって被穿孔品を製造する被穿孔品の製造方法。

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