JP7008412B2 - 機械加工用/研磨用デュアル構造のオービタルドリル加工ツール - Google Patents

機械加工用/研磨用デュアル構造のオービタルドリル加工ツール Download PDF

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Description

本開示は、概して物体に孔をドリル加工することに関する。具体的には、本開示の実施形態は、オービタルドリル加工ツールを用いて材料内に孔を機械加工し、次に同一のツールを用いてこの孔の内部を研磨するための、装置及び方法に関する。
航空機の建造は、様々な材料で作られた様々な部品に、(何千でなければ)何百という孔をドリル加工することを含み得る。これらの孔の品質、及びこれらの孔がドリル加工される効率は、航空機を組み立てるのに必要な時間、及び航空機の製造後の耐久性に対して、劇的な影響を有し得る。個々の孔を作成するのに時間がどれだけかかるか、孔の作成後にクリーンアップがどれだけ必要か、プロセスがどれだけ反復可能か、ドリル加工ツールにどれだけ耐久性があるか、及びドリル加工後の部品にどれだけ耐久性があるかを含む多数の要因が、孔の品質と効率性に影響する。
オービタルドリル加工は、単一成分材料及び種々の材料のスタックアップを含む様々な材料の中に、高品質の孔を作成する効率的な方法であることが、示されてきた。従来型のドリル加工では、ドリルビットまたは切削ツールが、それら自身の長手方向軸上でスピンしている状態で、材料内に押し通される。したがって、従来型のドリル加工で作成される孔は、その孔を作成したドリルビットと同一の直径を有するであろう。対照的に、オービタルドリル加工では、ドリルビットまたは切削ツールがそれら自身の長手方向軸上で回転する一方、同時に、材料を通って送られるのに加えて、その長手方向軸が作成中の孔の中心を周って回転、即ち「周回(orbit)」する。したがって、オービタルドリル加工で作成される孔は、その孔を作成したドリルビットよりも大きい直径を有していてよい。
オービタルドリル加工は、従来型のドリル加工に対して数々の利点を有する。これらの利点は、クリーンアップが少ないこと、同一のツールを用いて様々な直径の孔を作成し得ること、生成される削り屑が小さくなり熱が少なくなること、様々に異なる材料及び材料のスタックに対してドリル加工し得ること、並びにツールの寿命が長くなることを含む。
部品内に孔を作成する別の方法は、2段階のプロセスであり、第1に、ドリル加工プロセスでパイロット孔が作成され、第2に、後続のリーマー加工プロセスで材料を除去することによって、このパイロット孔の直径が拡大される。アルミニウムといった特定の材料の場合には、ドリル加工/リーマー加工プロセスによる孔の疲労性能は、オービタルドリル加工プロセスと比較して、向上し得る。即ち、孔がドリル加工及びリーマー加工によって作成された場合、部品自体がより長い耐久性を有し得る。この性能上の便益は、リーマー加工プロセスによって誘起される残留応力によるものであり得るが、標準的なオービタルドリル加工の場合には、アルミニウム内の孔は、応力的に中立状態で残される。チタニウム及びステンレス鋼といった他の材料の場合には、孔の疲労性能は、孔をオービタルドリル加工する場合とドリル加工/リーマー加工する場合との両方で、ほぼ同じであり得る。
ドリル加工と、次いでリーマー加工とを行う場合には、2つの別々のツールが必要になり得、またリーマー加工によって、除去を要することになるバリが発生し得る。このどちらも、オービタルドリル加工の場合に比べて効率性を低下させる。現在、アルミニウムの中に孔を作成するには、オービタルドリル加工の場合の効率上の便益と、ドリル加工及びリーマー加工の場合の性能上の便益とを比較検討することが必要であり得る。
ある実施形態では、切削・研磨組み合わせ式オービタルドリル加工ツールは、切削端を含み且つ長手方向軸に沿って延びる、長尺のツール本体を含む。ツール本体は、切削端から間隔を空けて配置され、材料を除去することなく孔の側壁内に残留応力を誘起するように構成された、研磨部を含む。ツール本体は、切削端と研磨部との間に間置された切削部をさらに含む。切削部は、オービタルドリル加工プロセス中にワークピースから材料を除去し、それによって孔が形成されるように構成されている。
ある実施形態では、切削ツールは本体を有し、ツールの機械加工端の近傍に、第1の機械加工直径から始まる複数の機械加工直径を有する機械加工部を含む。後続の各機械加工直径は、先行の機械加工直径よりも大きい。このツールは、複数の機械加工直径のうちの最大のものよりも大きい研磨直径を有する、研磨部をさらに含む。
ある実施形態では、ワークピース内に孔を製作する方法は、切削端を有し且つ長手方向軸に沿って延びるツールを、回転させることを含む。このツールは、切削端から間隔を空けて配置された研磨部、及び切削端と研磨部との間に挿入された切削部を有する。この方法は、回転ツールを、軌道を周回するような態様(orbital fashion)でワークピース内に動かすことを含む。ツールの長手方向軸は孔軸を中心に孔軸に沿って動き、それによって、側壁を有し、孔軸に沿ってワークピースの内部に延びる孔が作成される。方法は、回転ツールの研磨部を、作成された孔の側壁に沿って側壁に接触しながら、孔の側壁内に残留応力を誘起する態様で、動かすことを含む。
本開示は、様々な装置及びそれらの使用方法を提供する。ある実施形態では、装置は、切削部及び研磨部を有する切削ツール本体を含み得る。ある実施形態では、切削部は、オービタルドリル加工プロセス中に孔を作成するように構成され得、研磨部は、材料を除去することなく、作成された孔の側壁内に残留応力を誘起するように構成され得る。特徴、機能、及び利点は、本開示の様々な実施形態で個別に実現され得るか、または、後述の説明及び図面を参照してさらなる詳細が理解可能である、さらに別の実施形態において組み合わされ得る。
切削・研磨組み合わせ式オービタルドリル加工ツールの概略図である。 別の切削・研磨組み合わせ式オービタルドリル加工ツールの概略等角図である。 図2のツールの概略側面図である。 切削プロセス中である、切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールの一実施形態を示す側面図である。 切削プロセス中である、切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールの別の実施形態を示す側面図である。 ワークピース内に孔を製作する方法を示すフロー図である。 ワークピース内に孔を作成する様々な段階にある、切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールを概略的に示す。 ワークピース内に孔を作成する様々な段階にある、切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールを概略的に示す。 ワークピース内に孔を作成する様々な段階にある、切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールを概略的に示す。 ワークピース内に孔を作成する様々な段階にある、切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールを概略的に示す。 ワークピース内に孔を作成する様々な段階にある、切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールを概略的に示す。
概要
切削部と研磨部とを有する切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールの様々な実施形態が以下に記載され、付随の図面に示される。別様の定めのない限り、切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール、及び/またはその様々な構成要素は、本書で説明され、例示され、かつ/または本書に組み込まれた、構造物、構成要素、機能、及び/または変形例のうちの少なくとも1つを包含し得るが、それらを包含することが必要な訳ではない。さらに、本教示に関連して本書に記載され、例示され、及び/または組み込まれた、構造物、構成要素、機能、及び/または変形例は、他のオービタルドリル加工ツールに含まれ得るが、それらに含まれることが必要というわけではない。様々な実施形態の下記の説明は、本質的に単なる例示であり、本開示、その応用または用途を限定することを意図するものではない。加えて、実施形態によって提供される利点は、後述のように、本質的に例示的であり、すべての実施形態が同じ利点または同程度の利点を提供するわけではない。
実施例、構成要素及び代替手段
以下の各節は、例示の切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールの選択された態様、並びに関連するシステム及び/または方法を記載する。これらの節の実施例は、例示を目的としており、本開示の範囲全体を限定するものと解釈すべきではない。各節は、1つ以上の個々の発明、及び/または、状況から得られるあるいは関連する、情報、機能、及び/または構造物を含み得る。
実施例1
本実施例は、例示的な切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールを示す。この切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールはまた、切削ツールとも称される(図1参照)。
図1は、概して10で示される、切削・研磨組み合わせ式オービタルドリル加工ツールの概略図である。本例では、切削ツール10は、ツールシャフト14、切削部即ち機械加工部16、及び研磨部18を含む、長尺のツール本体12を有する。ツール本体12は、切削端即ち機械加工端20を含み、長手方向軸22に沿って延びている。研磨部18は、切削端20から間隔を空けて配置され、切削部16は、切削端20と研磨部18との間に間置されている。
研磨部18からドリル端24まで、ツールシャフト14が延びていてよい。代わりに、切削ツール10の研磨部18は、ツールシャフト14の延長であって、研磨要素が、長手方向軸22から径方向に離れて、ツールシャフト14から延びていてもよい。ドリル端24は、オービタルドリルに連結されるように構成されていてよい。切削ツール10をドリルに連結する方法はいくつかあり、そのどれもが適切であり得る。
切削部16は、オービタルドリル加工プロセス中にワークピースまたは部品から材料を除去し、それによってワークピース内に孔が作成されるように構成されていてよい。以下でより詳細に記載されるように、オービタルドリル加工プロセスでは、ツール本体12が長手方向軸22上でスピンし得、一方で同時に、長手方向軸22は、長手方向軸22から間隔を空けて配置され長手方向軸22と平行である孔軸を中心に回転し得る。ツール本体12は、スピンし回転しながら、ワークピース内を前進し得る。
切削部16は、切削ツール10がワークピースを通って前進する際にワークピースから材料を除去するように構成された、複数の切削エッジを含み得る。切削エッジは、切削端20上に配置されていてよく、長手方向軸22に沿って延びていてよい。ワークピースから除去された材料が切削エッジから引き離され得るように、切削部16は、細長い窪み(flute)、チャネル、または通路を含んでいてよい。切削部16は、冷却剤または潤滑剤を切削エッジの近傍に導入しそこから除去するための、通路を含み得る。
研磨部18は、材料を除去することなく孔の側壁内に残留応力を誘起するように構成されていてよい。研磨部18は、ワークピースから材料を除去することなく孔の側壁を変形することによって、残留応力を誘起する。非限定的な例として、研磨部18は、円形、円錐形、先細形、またはその他の鈍形エッジを、ワークピースの降伏強さを超えるのに十分な力でワークピースに対して走らせることによって、側壁を変形し得る。切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール10がワークピース内を進むのにつれて、切削端20から始まって、切削ツール10の切削部16がワークピース内に孔を作成し得る。切削ツール10がワークピース内を前進し続けるのにつれて、研磨部18は、切削部16によって作成された孔の側壁を研磨するか、または他の態様で変形し得る。ワークピースが、切削部16の長手方向の伸長よりも大きい厚さを有している場合、切削部16によって孔のより深い部分が作成されているときに、一方では研磨部18が同時に同じ孔のより浅い部分の側部を研磨していてよい。
孔の側壁を研磨することによって、側壁の近傍にあるワークピースの材料が変形し得る。孔の側壁は、研磨部18によって平滑化され得る。研磨部18がワークピースから材料を除去しないにも関わらず、孔の直径は、研磨部18によって接触されることによってわずかに拡大し得る。こうして、研磨はリーマー加工と対比され得るが、リーマー加工は、孔の側壁から材料をさらに除去することによって、孔の直径を拡大するものである。孔の側壁に変形を生じさせることによって、側壁内に有益な残留応力が誘起され得る。ある場合、例えばワークピースがアルミニウムからできている場合には、切削部16で孔を作成することによって、孔の側壁は応力の中立状態のまま残され得る。その結果、時間と共に亀裂が形成されやすく成り得る。アルミニウムのワークピース内に形成された孔の側壁を研磨することによって、ワークピースを亀裂や他の欠陥がより形成されにくくし得る。
実施例2
本実施例は、別の例示的な切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールを示す。この切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールは、切削ツールと称され得る(図2、図3参照)。
図2は、概して100で示される、切削・研磨組み合わせ式オービタルドリル加工ツールの概略斜視図である。図3は、切削ツール100の概略側面図である。図2及び図3を、下記で合わせて説明する。切削ツール100は切削ツール10と同様であってよく、切削ツール10の便益や使用方法の記載は、全て繰り返して記載することはしない。
本実施例では、切削・研磨組み合わせ式オービタルドリル加工ツール100は、切削端即ち機械加工端104を含み且つ長手方向軸106に沿って延びる、長尺のツール本体102を有する。このツール本体102は、切削端104から間隔を空けて配置された研磨部108、及び切削端104と研磨部108との間に間置された切削部即ち機械加工部110を有する。ツール本体102は、長手方向軸106に沿って配置されたツールシャフト112をさらに含む。研磨部108が、ツールシャフト112と切削部110との間に間置されている。
機械加工部とも称される切削部110は、複数の切削直径即ち機械加工直径を含む。これらの直径は、切削端即ち機械加工端104の近傍の切削直径114即ち機械加工直径114を始めとして、数字Nで示されている。後続の各切削直径は、先行の切削直径よりも大きい。例えば、図2及び図3で概略的に示されている切削直径100は、N番目の切削直径即ち機械加工直径116を有し得、このN番目の切削直径116は、第1の切削直径114よりも大きくてよい。切削ツール100は、2つの切削直径114と116を有するが、任意の数の切削直径が適切であり得る。即ち、数字Nは、1、2、または2よりも大きい数を含む任意の適切な数であり得る。後続の各切削直径は、隣接する先行の切削直径よりも大きくてよく、隣接する先行の切削直径よりも、切削端104からより遠くに配置されていてよい。言い換えれば、切削直径は、切削端104から漸進的に増大してよい。
ある実施形態では、切削部110は、1つの切削直径のみを含んでいてよい。即ち、N番目の切削直径116が切削部の唯一の切削直径であるように、切削ツール100の第1の切削直径114は、オプションであってよい。
ツールシャフト112はシャフト直径118を有し得、研磨部108はシャフト直径112よりも大きい研磨直径120を有し得る。シャフト直径よりも大きい研磨直径を有することによって、切削ツール100の長手方向軸106が孔軸に対して傾斜していることが可能になる一方、ツールシャフトもまた孔の側壁に接触することなしに、切削ツール100の研磨部が孔の側壁に接触することが可能になる。
切削ツール100の切削部110は、最大切削直径、例えばN番目の切削直径116を有し得る。研磨直径120は、最大切削直径よりも大きい。研磨直径120と最大切削直径との差は、わずかであってよい。例えば、ある実施形態では、研磨直径は、1000分の1インチと同じくらい小さいか、それ以下の差で、N番目の切削直径116よりも大きくてよい。こうした精細な仕様の切削ツールを作成するには、精密な製造が必要になり得る。
ある実施形態では、研磨直径は、最大切削直径116よりも小さくてよい。オプションで、より小さい研磨直径を有する例が、図3の122で示されている。オプションの研磨直径122は、シャフト直径118より大きくてよい。
図2及び図3の検討では、様々な直径114、116、118、120、及び122のうちの任意のものが、長手方向軸106から測定された適切な半径という点で、等しいものとして示されていてよい。
実施例3
本実施例は、例示的な切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールの実施態様を示す。この切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールはまた、切削ツールとも称され得る(図4参照)。
図4は、切削プロセス中に概して200で示されている、切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールの一実施形態を示す側面図である。切削ツール200は、切削ツール100または切削ツール10と同様であってよい。
切削ツール200は、切削端204を有し且つ長手方向軸206に沿って延びる、長尺のツール本体202を含み得る。ツール本体は、切削部即ち機械加工部208、及び研磨部210を含み得る。研磨部210は、切削端から間隔を空けて配置されていてよく、切削部即ち機械加工部208は、切削端と研磨部との間に間置されていてよい。
切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール200の切削部208は、ワークピース212から材料を除去し、それによって孔214を作成するように構成されていてよい。切削部は、ツール本体202上に配置された少なくとも1つの切削エッジ216を含み得る。切削エッジ216は、切削端204に沿って延びていてよく、切削端から、長手方向軸206に沿って切削螺旋部218内に延びていてよい。
切削ツール200がその長手方向軸206を中心に回転し、孔軸220を中心に周回するのにつれて、切削エッジ216は、切削端204または接触螺旋部218でワークピースに接触することによって、ワークピース212から材料を除去し得る。切削端に配置された切削エッジの一部は、孔214のフロア222を作成し得、一方で切削螺旋部218に配置された切削エッジの一部は、孔の側壁224を作成し得る。切削ツールがワークピース内を進むのにつれて、孔のフロア222は、孔内のより深くへ進行し得る。切削端がワークピース内部を完全に通過しきった場合、孔はワークピースを貫通する通路となり、孔はフロアを有さなくなる。
研磨部210は、ツール本体202に沿って長手方向に延びる複数の研磨要素226を含み得る。複数の研磨要素のそれぞれは、ドリル加工ツールの回転中にワークピースに反復して接触させるために配置された、鈍形の径方向外表面228を有し得る。即ち、鈍形の径方向外表面228は、長手方向軸206に垂直な平面で見たときに、湾曲した凸面であってよい。
図4に示す実施形態では、複数の研磨要素226は、ツール本体から径方向に延びる複数のフィン229を含む。フィン229は、長手方向軸206に沿って延びる長さ230を有し得、フィンは、ツール本体の周囲に円周状に分布していてよい。各フィンは、長手方向軸から測定した最大半径232にまで延びていてよい。複数のフィンの最大半径は、研磨直径234の半分であってよい。フィンは、その長さ230に沿って任意の適切な形状を有していてよい。図4に示す実施形態では、各フィンは、フィンの側面238から垂直に見たときに、アーチ形の径方向外表面236を有する。他の実施形態では、フィンは、長手方向軸を中心に方位角方向に延びていてよく、同様に径方向、及び長手方向にでもよい。
ツールの切削部208は、切削半径即ち機械加工半径240を有し得る。切削部が、ツール本体202に沿って配置された複数の機械加工セクション即ち切削セクションを有している場合、それぞれに直径または同等の機械加工半径即ち切削半径があるが、機械加工半径240が最大の機械加工半径即ち切削半径であり得る。図4に示す実施形態では、複数のフィン229の最大半径232は、切削半径240よりも大きい。他の実施形態では、フィンの最大半径は、切削半径とほぼ同じであるか、切削半径よりも小さくてよい。フィンの最大半径232と、切削部の最大機械加工半径240との差は、理解を助けるため、図4では誇張されていてよい。
研磨要素の、鈍形の径方向外表面228は湾曲した凹面であってよいため、鈍形の径方向外表面は、孔214の側壁224と接線方向またはほぼ接線方向の接触をしてよい。研磨要素が孔の側壁に沿って動くのにつれて、フィンの鈍形の径方向外表面228は、ワークピースから材料を除去することなく、孔の側壁を変形し得、それによって、孔の側壁内に有益な残留応力を誘起し得る。他の実施形態では、研磨要素は、鈍形のエッジまたは円形のエッジの代わりに、エッジの進行方向から離れて指向された、鋭形の研磨エッジを含み得る。これらの他の実施形態では、研磨要素と孔の側壁との接触角は、研磨要素が材料を除去することなく側壁を変形させるように、十分小さくてよい。
実施例4
本実施例は、例示的な切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールの別の実施態様を示す。この切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールはまた、切削ツールとも称され得る(図5参照)。
図5は、切削プロセス中に概して300で示されている、切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールの一実施形態を示す側面図である。切削ツール300は、切削ツール100または切削ツール10と同様であってよい。
切削ツール300は、切削端即ち機械加工端304を有し且つ長手方向軸306に沿って延びる、長尺のツール本体302を含み得る。ツール本体302は、切削部即ち機械加工部308、及び研磨部310を含み得る。研磨部308は、切削端から間隔を空けて配置されていてよく、切削部306は、切削端と研磨部との間に配置されていてよい。
切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール300の切削部308は、ワークピース312から材料を除去し、それによって孔314を作成するように構成されていてよい。切削部は、ツール本体302上に配置された少なくとも1つの切削エッジ316を含み得る。切削エッジ316は、切削端304に沿って延びていてよく、切削端から、長手方向軸306に沿って切削螺旋部318内に延びていてよい。切削ツール300の切削部308は、ワークピース312からの材料の除去に関して、切削ツール200の切削部208と同様に機能し得る。切削ツール300は、除去された材料を切削エッジ316から遠ざけるように構成された、複数の切削用の細長い窪み320を含み得る。
研磨部310は、ツール本体302に沿って長手方向に延びる複数の研磨要素322を含み得る。複数の研磨要素のそれぞれは、ドリル加工ツールの回転中にワークピースに順次接触させるために配置された、鈍形の径方向外表面324を有し得る。即ち、鈍形の径方向外表面324は、長手方向軸306に垂直な平面で見たときに、湾曲した凸面であってよい。
図5の実施形態では、複数の研磨要素は複数の鈍形エッジ326であり、鈍形エッジ326のそれぞれは、各切削エッジ316と関連づけられている。即ち、各切削エッジ316は、切削螺旋部318に沿って、切削端304の近傍から切削エッジ終端部328まで延びていてよい。各鈍形エッジ326は、関連する切削エッジ316の切削螺旋部318が実質的に続いていくように、鈍形螺旋部330内に延びていてよい。切削エッジ終端部では、鋭形切削エッジ316から鈍形エッジ326への移行があってよい一方、長手方向306に沿った螺旋部の渦巻形状は、実質的に継続していてよい。
ツールの切削部308は、切削半径即ち機械加工半径332を有し得る。切削部が、異なる機械加工直径即ち切削直径である、または同様に複数の異なる機械加工半径即ち切削半径である、複数の機械加工セクション即ち切削セクションを有している場合、機械加工半径332が最大の機械加工半径即ち切削半径であり得る。図6に示す実施形態では、研磨部310の最大半径334は、切削半径332よりも大きい。他の実施形態では、研磨部の最大半径は、切削半径とほぼ同じであるか、切削半径よりも小さくてよい。研磨部の最大半径334と、切削部の最大機械加工半径332との差は、理解を助けるため、図5では誇張されていてよい。
研磨プロセス中、切削ツール300が孔軸340に沿い孔314の側壁336と接触して動くのにつれて、切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール300は、長手方向軸306を中心にして回転し得る。したがって、切削ツールが回転するのにつれて、複数の鈍形エッジ326は、順次ワークピース312と接触し得る。鈍形エッジの鈍形の径方向外表面324は、ワークピースから材料を除去することなく、孔の側壁を変形し得、それによって、孔の側壁内に有益な残留応力を誘起し得る。
実施例5
この実施例は、本書に記載の任意の切削ツールと組み合わせて用いられ得る、ワークピース内に孔を製作する例示的な方法を示している(図6参照)。本方法の様々なステップは図7~図11に概略的に示されており、これらの図面は、図6で概説される各ステップに沿って参照される。
図6には、概して400で示される、ワークピース内に孔を製作する方法の複数のステップが示されている。方法400は、図1~図5に関連して示され記載された、切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールのうちの任意のものと併用され得る。具体的には、方法400の例示的な実装形態が図7~図11に示されているが、他の実施形態もまた可能である。方法400の様々なステップが後述され、図6に示されているが、ステップは必ずしも全て実行される必要がある訳ではなく、場合によっては、図示された順番とは異なる順番で実行されてもよく、またある場合には同時に実行されてもよい。
方法400は、切削部と研磨部とを有するツールを回転させるステップ402を含む。ツールは、切削端を有していてよく、且つ長手方向軸に沿って延びていてよい。研磨部は、切削端から間隔を空けて配置されていてよく、切削部は、切削端と研磨部との間に間置されていてよい。ツールを回転させることは、ツールを長手方向軸を中心にして回転させることを含み得る。ツールは、ツールが連結されているオービタルドリルによって回転されてよい。
ツールを回転させることは、最大切削直径を有する切削部と、最大切削直径よりも大きい研磨直径を有する研磨部とを有する、ツールを回転させることを含み得る。さらに、ツールを回転させることは、研磨部がツールシャフトと切削部との間に間置され、長手方向軸に沿って配置されたツールシャフトを有する、ツールを回転させることを含み得る。
例えば、図7では、概して500で示されるツールが示されている。上記のように、ツール500は、切削部502、研磨部504、及び切削端506を含み、長手方向軸508に沿って延びている。ツール500の切削部502は最大切削直径510を有し、研磨部504は最大切削直径よりも大きい研磨直径512を有する。ツール500は、オービタルドリル(図示せず)に連結されていてよいドリル端514を有し得る。ツールは、長手方向軸508を中心にして回転またはスピンするように構成されていてよく、長手方向軸は、長手方向軸に垂直な1つ以上の方向に動くように構成されていてよい。
方法400は、回転ツールを、軌道を周回するような態様でワークピース内に動かし、それによって、ワークピース内に延びる孔を作成するステップ404を含む。回転ツールを、軌道を周回するような態様で動かすことは、ツールの長手方向軸を、孔軸を中心に及び孔軸に沿って、動かすことを含み得る。作成された孔は、単数または複数の側壁を有していてよく、孔軸に沿ってワークピース内に延びていてよい。回転ツールを、軌道を周回するような態様で、アルミニウム、チタニウム、もしくは鋼といった単一の材料からできているワークピース内に動かすこと、または、炭素繊維補強ポリマー、もしくは他の何らかの積層ワークピースといった複数の材料からできているワークピース内に動かすことが、適切であり得る。
回転ツールを、軌道を周回するような態様で動かすことは、長手方向軸が孔軸から第1の距離になるように回転ツールを動かすことと、第1の直径を有する孔を作成することとを含み得る。
図8は、ステップ404の例示的な一実施形態の図であり、ツール500が軌道を周回するような態様でワークピース516内に動いている。切削部502がワークピースから材料を除去し、それによって孔518が作成されている。研磨部504は、未だワークピースと接触するに至っていない。長手方向軸508は、孔軸522から第1の距離520のところに配置されていてよい。ツール500は、長手方向軸508が孔軸522を中心に回転または周回し、それによって、ツールが動く際に長手方向軸と孔軸が第1の距離520で距離を維持するようにして、動いてよい。この段階では、孔518は、第1の距離520及び切削部の最大切削直径510によって規定され得る、第1の直径524を有し得る。ツールは、孔軸を中心に動くのに加えて、孔軸に沿ってワークピース内により深く動き得る。
回転ツールを、軌道を周回するような態様でワークピース内に動かすことは、回転ツールの切削端と、回転ツールの研磨部の前縁との間の距離よりも短い厚さを有するワークピース内に、回転ツールを、軌道を周回するような態様で動かすことを含み得る。ツールの切削部は、長手方向軸に沿って測定された切削長を有し、この切削長は、ワークピースの厚さよりも長くてよい。切削長は、切削端と研磨部の前縁との間の距離と等しいか、それよりも長くてよい。しかし、例えばツールの切削部と研磨部の前縁との間にスペースがある例では、切削長は、切削端と研磨部の前縁との間の距離とは異なっていてよい。
図9は、ステップ404の例示的な一実施形態の図であり、ツール500の切削部502が、ワークピース516を完全に貫通している。孔518は、今やワークピースを貫通する通路である。研磨部504は、未だワークピースと接触するに至っていない。ワークピース516は、回転ツールの切削端526と研磨部の前縁530との間の距離528よりも短い厚さ526を有し得る。例示的なツール500の切削端502は、長手方向軸508に沿って測定された切削長532を有し得る。切削長532は、ワークピースの厚さ526よりも長くてよい。
切削部の切削長が、ワークピースの厚さよりも長くなくてもよいことは、留意されたい。例えば、図4及び図5に示す例示的な実施形態では、切削部の切削長は、ワークピースの厚さよりも短い。図4及び図5に示す実施形態は、最大切削直径よりも大きい研磨直径を有する。これらの場合、ツールの研磨部は、ツールの切削部が孔の作成を完了するよりも前に、孔の側壁を研磨し始めてよい。オプションで、切削部と研磨部との間には、切削部の長さよりも厚いワークピースを通る孔のドリル加工を可能にする距離があってよい。
方法400は、回転ツールの研磨部を、作成された孔の側壁に沿って側壁に接触しながら、側壁内に残留応力を誘起する態様で、動かすステップ406を含む。即ち、回転ツールの研磨部は、ツールが動くのにつれて研磨部が側壁と接触するように、孔軸を中心に且つ光軸に沿って、孔内を動き得る。研磨部と側壁との接触は、ツールが回転する際の滑り接触であってよい。この接触によって、孔の側壁の表面は、ワークピースから材料を除去することなく変形され得る。
回転ツールの研磨部を、作成された孔の側壁に沿って側壁に接触しながら動かすことは、長手方向軸が孔軸から第1の距離にあり、それによって、作成された孔の直径が第1の直径よりも大きい第2の直径に拡大されるように、研磨部を動かすことを含み得る。即ち、ステップ404で切削部がワークピースから材料を除去していた時に存在していた長手方向軸と孔軸との間の距離は、研磨部が孔の側壁に接触しているときにも、維持され得る。研磨直径が最大切削直径よりも大きくてよいため、この距離を維持することで、材料を除去することなく孔の側壁を変形させることによって孔の直径が拡大され得る。
図10は、ステップ406の例示的な一実施形態の図であり、研磨部504が、孔518の側壁534内に残留応力を誘起し始めている。長手方向軸508は、孔軸522から第1の距離520、即ち図8に示すものと同じ距離で配置されていてよい。より大きい研磨直径512が孔の側壁と接触するため、及び長手方向軸と孔軸の相対的配置が維持されているため、孔の直径は、第1の直径524から第1の直径よりも大きい第2の直径536へと拡大し得る。理解を助けるため、図10では第2の直径と第1の直径の間の差が、誇張されていてよい。
回転ツールの研磨部を、作成された孔の側壁に沿って側壁に接触しながら動かすことは、切削部がワークピースの第1の側面上で作成された孔を越えて延び、ツールシャフトの一部が、ワークピースの第1の側面とは反対側の第2の側面上で作成された孔を越えて延びるように、回転ツールを動かすことを含み得る。
図11は、ステップ406の例示的な一実施形態の図であり、切削部502がワークピース516の第1の側面538上で作成された孔518を越えて延び、ツールシャフト540の一部が、ワークピースの第1の側面とは反対側の第2の側面542上で作成された孔を越えて延びている。
実施例6
この節では、実施形態のさらなる態様及び特徴が説明されるが、これらは、限定されずに一連の段落として提示され、一連の段落の一部または全部は、明確性及び効率性のために英数字で指定され得る。これらの段落の各々は、1つ以上他の段落と、及び/または本願の他の部分からの開示と、任意の適した方法で組み合わせることができる。以下の段落のいくつかは、適切な組み合わせのいくつかの例を非限定的に示しながら、明示的に他の段落に言及し、さらに他の段落を限定する。
A1.切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールであって、
切削端を含み且つ長手方向軸に沿って延びる長尺のツール本体を備え、
ツール本体は、
切削端から間隔を空けて配置され、材料を除去することなく孔の側壁内に残留応力を誘起するように構成された研磨部と、
切削端と研磨部の間に間置された切削部であって、オービタルドリル加工プロセス中に、ワークピースから材料を除去し、それによって孔を作成するように構成された切削部とを含む、
切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール。
A2.切削部は、切削端の近傍の第1の切削直径を始めとして、後続の各切削直径が先行する切削直径よりも大きい複数の切削直径を含む、段落A1に記載の切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール。
A3.ツール本体は、長手方向軸に沿って配置されたツールシャフトを含み、研磨部はツールシャフトと切削部の間に間置されており、ツールシャフトはシャフト直径を有し、研磨部はシャフト直径よりも大きい研磨直径を有する、段落A1に記載の切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール。
A4.ツールの切削部は最大切削直径を有し、研磨直径は最大切削直径よりも大きい、段落A3に記載の切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール。
A5.研磨部は、ツール本体から径方向に延び且つ長手方向軸に沿って延びる長さを有する複数のフィンであって、ツール本体の周囲に円周方向に分布している複数のフィンを含む、段落A1に記載の切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール。
A6.複数のフィンのそれぞれが長手方向軸から測定された最大半径まで延び、ツールの切削部は切削半径を有し、複数のフィンの最大半径は切削半径よりも大きい、段落A5に記載の切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール。
A7.各フィンは、フィンの側面に対して垂直に見たときにアーチ形の径方向外表面を有する、段落A6に記載の切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール。
A8.切削部は少なくとも1つの切削エッジを含み、各切削エッジはツール本体上に配置され且つ切削端から長手方向軸に沿って切削螺旋部内に延び、研磨部は各切削エッジに関連付けられた鈍形エッジを含み、各鈍形エッジは関連する切削エッジの切削螺旋部に実質的に続いている鈍形螺旋部内に延びている、段落A1に記載の切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール。
A9.研磨部は、ツール本体に沿って長手方向に延び、且つドリル加工ツールの回転中にワークピースに順次接触するために配置された鈍形の径方向外表面を有する複数の研磨要素を含む、段落A1に記載の切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール。
B1.本体を有する切削ツールであって、
ツールの機械加工端の近傍の第1の機械加工直径を始めとして、後続の各機械加工直径が先行する機械加工直径よりも大きい複数の機械加工直径を含む機械加工部と、
複数の機械加工直径のうちの最大のものよりも大きい研磨直径を有する研磨部と
を備える、切削ツール。
B2.機械加工部は、オービタルドリル加工プロセス中にワークピース内に孔を作成するように構成され、研磨部は、材料を除去することなく、孔の側壁内に残留応力を誘起するように構成されている、段落B1に記載の切削ツール。
B3.切削ツールの本体は、長手方向軸に沿って配置され、機械加工部は、ツールの機械加工端と研磨部との間に間置されている、段落B1に記載の切削ツール。
B4.研磨部は、長手方向軸から離れる方向に本体から延び且つ長手方向軸に沿って延びる複数のフィンを含む、段落B3に記載の切削ツール。
B5.複数のフィンのそれぞれが長手方向軸から測定された最大半径まで延び、複数のフィンの最大半径は、研磨直径の半分である、段落B4に記載の切削ツール。
B6.機械加工部は少なくとも1つの機械加工エッジを含み、各機械加工エッジはツール本体上に配置され且つ機械加工端から長手方向軸に沿って機械加工螺旋部内に延び、研磨部は各機械加工エッジに関連付けられた鈍形エッジを含み、各鈍形エッジは関連する機械加工エッジの機械加工螺旋部に実質的に続いている鈍形螺旋部内に延びている、段落B3に記載の切削ツール。
C1.切削端を有し、且つ長手方向軸に沿って延びるツールを回転させることであって、ツールは切削端から間隔を空けて配置された研磨部と、切削端と研磨部との間に間置された切削部とを有する、回転させることと、
回転ツールを、軌道を周回するような態様でワークピース内に動かすことであって、ツールの長手方向軸は孔軸を中心に、及び孔軸に沿って動き、それによって側壁を有し且つ孔軸に沿って延びる孔をワークピース内に作成する、動かすことと、
回転ツールの研磨部を、作成された孔の側壁に沿って側壁に接触しながら、孔の側壁内に残留応力を誘起する態様で、動かすことと
を含む、ワークピース内に孔を作成する方法。
C2.回転ツールの研磨部を、作成された孔の側壁に沿って側壁に接触しながら動かすことは、回転ツールの研磨部を、ワークピースから材料を除去することなく、作成された孔の側壁に沿って側壁に接触しながら動かすことを含む、段落C1に記載の方法。
C3.回転ツールの研磨部を、作成された孔の側壁に沿って側壁に接触しながら動かすことは、長手方向軸を孔軸と交差させ、回転ツールを側壁に対して傾けることを含む、段落C1に記載の方法。
C4.回転ツールを、軌道を周回するような態様でワークピース内に動かすことは、回転ツールを、軌道を周回するような態様でアルミニウムのワークピース内に動かすことを含む、段落C1に記載の方法。
C5.ツールを回転させることは、最大切削直径を有する切削部と、最大切削直径よりも大きい研磨直径を有する研磨部とを有する、ツールを回転させることを含み、
回転ツールを、軌道を周回するような態様で動かすことは、長手方向軸が孔軸から第1の距離になり、作成された孔が第1の直径を有するように、回転ツールを動かすことを含み、
回転ツールの研磨部を、作成された孔の側壁に沿って側壁に接触しながら動かすことは、長手方向軸が孔軸から第1の距離になり、それによって作成された孔の直径を第1の直径よりも大きい第2の直径に拡大するように、研磨部を動かすことを含む、
段落C1に記載の方法。
C6.ツールを回転させることは、長手方向軸に沿って配置されたツールシャフトを有するツールであって、研磨部がツールシャフトと切削部との間に間置されているツールを回転させることを含み、回転ツールの研磨部を、作成された孔の側壁に沿って側壁に接触しながら動かすことは、切削部がワークピースの第1の側面上で作成された孔を越えて延び、ツールシャフトの一部が、ワークピースの第1の側面とは反対側の第2の側面上で作成された孔を越えて延びている、回転ツールを動かすことを含む、段落C1に記載の方法。
C7.回転ツールを、軌道を周回するような態様でワークピース内に動かすことは、回転ツールの切削端と、回転ツールの研磨部の前縁との間の距離よりも短い厚さを有するワークピース内に、回転ツールを、軌道を周回するような態様で動かすことを含む、段落C1に記載の方法。
C8.切削部は、長手方向軸に沿って測定された切削長を有し、この切削長は、ワークピースの厚さよりも長い、段落C7に記載の方法。
利点、特徴、便益
本書に記載の、切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツール及びその使用方法の種々の実施形態は、オービタルドリル加工の既知の解決法に対して、いくつかの利点を提供する。例えば、本書に記載の、切削・研磨組合せ式オービタルドリル加工ツールの例示的な実施形態は、単一のツールのみを用いて、ワークピース内に孔がドリル加工され、続いて研磨されることを可能にする。加えて、また他の便益の中の1つとして、本書に記載の切削ツールの例示的な実施形態は、アルミニウム内に孔をドリル加工するための使用に特に適切であり得る。既知のシステムまたはデバイスには、特に単一のツールの一度の通過によって、これらの機能を実行できるものはない。しかしながら、本書で説明されているすべての実施形態が、同じ利点または同一程度の利点を提供する訳ではない。
結論
上述の開示は、個別の有用性を備えた複数の個々の発明を包括しうる。これらの発明の各々は、その好適な形態で開示されているが、本書で開示され例示されているそれらの具体的な実施形態は、数多くの変形例が可能であることから、限定的な意味で捉えるべきものではない。本書で使用されている限り、セクション見出しは構成上の目的のものに過ぎず、なんら本発明の請求の範囲を特徴付けるものではない。本発明の主題は、本書で開示されている様々な要素、特徴、機能、及び/または特性の、新規的かつ進歩的な組み合わせ及びサブコンビネーションのすべてを含む。下記の特許請求の範囲は、新規的かつ進歩的であると見なされる、特定の組み合わせ及びサブコンビネーションを特に指し示すものである。特徴、機能、要素、及び/または特性のその他の組み合わせ及びサブコンビネーションにおいて具現化される発明は、この出願または関連出願からの優先権を主張する出願において特許請求され得る。こうした特許請求の範囲はまた、異なる発明を対象とするか、または同一の発明を対象とするかに関わらず、且つ、出願当初の特許請求の範囲よりも広いか、狭いか、等しいか、またはそれと異なるかに関わらず、本開示の発明の主題の中に含まれると見なされる。

Claims (17)

  1. 切削・研磨組合せ式加工ツールであって、
    切削端(104)を含み且つ長手方向軸(106)に沿って延びる長尺のツール本体(12)を備え、前記切削端(104)は、前記長尺のツール本体(12)の長手方向における端部であり、
    前記ツール本体は、
    前記切削端(104)から長手方向に間隔を空けて配置され、材料を除去することなく孔の側壁内に残留応力を誘起するように構成された研磨部(108)と、
    前記切削端(104)と前記研磨部(108)の間に配置された切削部(110)であって、オービタルドリル加工プロセス中に、ワークピースから材料を除去し、それによって前記孔を作成するように構成された切削部(110)とを含
    前記研磨部(108)は、前記ツール本体から径方向に延び且つ前記長手方向軸(106)に沿って延びる長さを有する複数のフィン(229)であって、前記ツール本体の周囲に円周方向に分布している複数のフィン(229)を含み、各フィンは、該フィンの側面に対して垂直に見たときにアーチ形の径方向外表面を有する、
    切削・研磨組合せ式ドリル加工ツール。
  2. 前記切削部(110)は、複数の切削直径(116)であって、前記切削端(104)の近傍の第1の切削直径(116)を始めとして、後続の各切削直径(116)が先行する切削直径(116)よりも大きい複数の切削直径(116)を含む、請求項1に記載の切削・研磨組合せ式ドリル加工ツール。
  3. 前記ツール本体は、前記長手方向軸(106)に沿って配置されたツールシャフト(112)を含み、前記研磨部(108)は前記ツールシャフト(112)と前記切削部(110)の間に配置されており、前記ツールシャフト(112)はシャフト直径(118)を有し、前記研磨部(108)は前記シャフト直径(118)よりも大きい研磨直径(120)を有する、請求項1に記載の切削・研磨組合せ式ドリル加工ツール。
  4. 前記ツールの前記切削部(110)は最大切削直径(510)を有し、前記研磨直径(120)は前記最大切削直径(510)よりも大きい、請求項3に記載の切削・研磨組合せ式ドリル加工ツール。
  5. 前記複数のフィン(229)のそれぞれが前記長手方向軸(106)から測定された最大半径(232)まで延び、前記ツールの前記切削部(110)は切削半径(240)を有し、前記複数のフィン(229)の前記最大半径(232)は前記切削半径(240)よりも大きい、請求項に記載の切削・研磨組合せ式ドリル加工ツール。
  6. 前記切削部(110)は少なくとも1つの切削エッジ(216)を含み、各切削エッジ(216)は、前記ツール本体上に配置され且つ前記切削端(104)から前記長手方向軸(106)に沿って切削螺旋部(218)内に延び、前記研磨部(108)は各切削エッジ(216)に関連付けられた鈍形エッジ(326)を含み、各鈍形エッジ(326)は関連する前記切削エッジ(216)の前記切削螺旋部(218)に実質的に続いている鈍形螺旋部(330)内に延びている、請求項1に記載の切削・研磨組合せ式ドリル加工ツール。
  7. 前記研磨部は、前記ツール本体に沿って長手方向に延びる複数の研磨要素であって、前記ドリル加工ツールの回転中に前記ワークピースに順次接触するために配置された鈍形の径方向外表面を有する複数の研磨要素を含む、請求項1に記載の切削・研磨組合せ式ドリル加工ツール。
  8. 本体を有する切削ツールであって、
    前記切削ツールの機械加工端(204)の近傍の第1の機械加工直径(114)を始めとして、後続の各機械加工直径が先行する機械加工直径よりも大きい複数の機械加工直径を含む機械加工部(110)と、
    前記複数の機械加工直径のうちの最大のものよりも大きい研磨直径(120)を有する研磨部(108)と
    を備え、
    前記研磨部(108)は、前記切削ツールの本体から径方向に延び且つ長手方向軸(106)に沿って延びる長さを有する複数のフィン(229)であって、前記本体の周囲に円周方向に分布している複数のフィン(229)を含み、各フィンは、該フィンの側面に対して垂直に見たときにアーチ形の径方向外表面を有する、切削ツール。
  9. 前記機械加工部(110)は、オービタルドリル加工プロセス中にワークピース内に孔を作成するように構成され、前記研磨部(108)は、材料を除去することなく、前記孔の側壁内に残留応力を誘起するように構成されている、請求項に記載の切削ツール。
  10. 前記切削ツールの前記本体は、前記長手方向軸(106)に沿って配置され、前記機械加工部(110)は、前記切削ツールの前記機械加工端(204)と前記研磨部(108)との間に配置されている、請求項に記載の切削ツール。
  11. 前記複数のフィンのそれぞれが前記長手方向軸から測定された最大半径まで延び、前記複数のフィンの前記最大半径は、前記研磨直径の半分である、請求項に記載の切削ツール。
  12. 前記機械加工部(110)は少なくとも1つの機械加工エッジ(316)を含み、各機械加工エッジ(316)は前記切削ツールの前記本体上に配置され且つ前記機械加工端(204)から前記長手方向軸(106)に沿って機械加工螺旋部(318)内に延び、前記研磨部(108)は各機械加工エッジ(316)に関連付けられた鈍形エッジ(326)を含み、各鈍形エッジ(326)は関連する前記機械加工エッジ(316)の前記機械加工螺旋部(318)に実質的に続いている鈍形螺旋部(330)内に延びている、請求項10に記載の切削ツール。
  13. ワークピース内に孔を作成する方法であって、
    切削端を有し、且つ長手方向軸に沿って延びるツールを回転させること(402a)であって、前記切削端は、前記ツールの長手方向における端部であり、前記切削端から長手方向に間隔を空けて配置された研磨部と、前記切削端と前記研磨部との間に配置された切削部とを有する前記ツールを回転させることと
    回転中の前記ツールを、軌道を周回するような態様でワークピース内に動かすこと(404)であって、前記ツールの前記長手方向軸は孔軸を中心に、及び孔軸に沿って動き、それによって側壁を有し且つ前記孔軸に沿って延びる孔を前記ワークピース内に作成する、前記回転中のツールを動かすことと、
    前記回転中のツールの前記研磨部を、作成された前記孔の前記側壁に沿って前記側壁に接触しながら、前記孔の前記側壁内に残留応力を誘起する態様で、動かすこと(406)と
    を含む、方法。
  14. 前記回転中のツールの前記研磨部を、作成された前記孔の前記側壁に沿って前記側壁に接触しながら動かすことは、前記回転中のツールの前記研磨部を、前記ワークピースから材料を除去することなく、作成された前記孔の前記側壁に沿って前記側壁に接触しながら動かすことを含む、請求項13に記載の方法。
  15. ツールを回転させることは、前記長手方向軸に沿って配置されたツールシャフトを有するツールであって、前記研磨部が前記ツールシャフトと前記切削部との間に配置されているツールを回転させることを含み、前記回転中のツールの前記研磨部を、作成された前記孔の前記側壁に沿って前記側壁に接触しながら動かすことは、前記切削部が前記ワークピースの第1の側面上で作成された前記孔を越えて延び、前記ツールシャフトの一部が、前記ワークピースの前記第1の側面とは反対側の第2の側面上で作成された前記孔を越えて延びるように前記回転中のツールを動かすことを含む、請求項13に記載の方法。
  16. 前記回転中のツールを、軌道を周回するような態様でワークピース内に動かすことは、前記回転中のツールを、軌道を周回するような態様でアルミニウムのワークピース内に動かすことを含む、請求項13に記載の方法。
  17. 前記ツールを回転させることは、最大切削直径を有する前記切削部と、前記最大切削直径よりも大きい研磨直径を有する前記研磨部とを有する、前記ツールを回転させることを含み、
    前記回転中のツールを、軌道を周回するような態様で動かすことは、前記長手方向軸が前記孔軸から第1の距離になり、作成された前記孔が第1の直径を有するように、前記回転中のツールを動かすことを含み、
    前記回転中のツールの前記研磨部を、作成された前記孔の前記側壁に沿って前記側壁に接触しながら動かすことは、前記長手方向軸が前記孔軸から前記第1の距離になり、それによって作成された前記孔の前記直径を前記第1の直径よりも大きい第2の直径に拡大するように、前記研磨部を動かすことを含む、
    請求項13に記載の方法。
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