JP7310090B2 - 油孔付きドリル - Google Patents

Description

本発明は、冷却媒体を圧送できる流路を内部に備えた油孔付きドリルに関する。

ドリルを用いた切削加工時における被削材との摩擦熱を低減するために、ドリルの先端から切削液を吐出する、いわゆる油孔付きドリルがある。
この油孔から出た切削液は切れ刃が２枚のドリルの場合、前方側および後方側の２枚の切れ刃に対して冷却効果を発揮するように油孔の位置や大きさが設計されている。
従来の油孔付きドリルに関しては、下記特許文献１ないし３が例として挙げられる。

特許文献１および２に開示されているドリルは油孔の形状を扇形として、かつドリル表面に開口する割合を大きくすることで切削液の量を増大し、ドリルへの冷却効果を高めることが説明されている。
また、特許文献３に記載されているドリルは油孔を凹型を有した非対称の腎臓形状にすることで、切削液をシンニング部から溝を介して流し、切削加工により生じた切り屑の冷却効果を高める点が説明されている。

日本国特許第５９２６８７７号公報 日本国特許第５９５１１１３号公報 日本国特許第６３８６５３０号公報

しかし、特許文献１および２に示すドリルのように油孔の面積を広げても切削液の流量が単純に増えるだけであり、切削液の流れる箇所は変化しない。
つまり、切削液が流れるドリルの特定部位のみが冷却効果の恩恵を受ける。
また、特許文献３に示すドリルではドリルの溝に切削液が流れるので、ドリルと被削材との切削箇所である切れ刃、更には切削速度が最大となる外周コーナへの冷却効果は非常に限定される。

そこで、本発明はシンニング部から切れ刃に至る領域に加えて、切削加工時に被削材と接して、切削速度が最大となる外周コーナを重点的に冷却できる油孔付きドリルを提供することを課題とする。

本発明者らは、これまでのドリルの油孔から吐出される切削液の流れ（方向）について鋭意研究した結果、以下の点を明らかにした。
従来の油孔付きドリルは、油孔の形態により切削液の流れる方向は大きく変化すると思われてきた。
しかし、油孔の場所が大きく変化しない限り、その切削液の流れの方向はほとんど変化せずに、その大部分が後方側の切れ刃へ流れていくことが分かった。

これは、油孔から出た冷却液がドリルの回転による慣性力を受けていることが原因である。
図６は従来の油孔付きドリル１００を用いて被削材Ｗ１００を切削加工した際の丸い油孔Ｈ１０１から吐出される切削液のシミュレーション結果、図７は従来の油孔付きドリル１００の丸い油孔Ｈ１０１から吐出される切削液の流れの方向を示す模式図をそれぞれ示している。

油孔Ｈ１０１の形態が丸い形状である場合には、図６および図７に示す様に油孔Ｈ１０１から吐出される切削液の大部分はヒール付近および後方の切れ刃に流れていることが判明した。
油孔付きドリルのヒール付近は切削加工時において熱影響が最も少ない部分である。
つまり、油孔から出る切削液が油孔付きドリルのヒール付近へ流れていくことは、油孔付きドリルの冷却効率を低下させる要因であると考えた。

そこで、本発明では油孔からヒール付近に流れる切削液を制限し、それに替わり切削液を外周コーナに重点的に流れる油孔の形態とした。
言い換えると、油孔から吐出する切削液を前方の切れ刃に対しては外周コーナへ、後方の切れ刃に対してはシンニング切れ刃から後方の切れ刃全域へ切削液が流れるような孔形態とした。

具体的には、前述した課題を解決するために、本発明では２枚以上の切れ刃と、冷却媒体を流す流路と、この流路の開口部である油孔と、を備える油孔付きドリル（以下、「ドリル」という）であって、ドリルの軸方向と直交する方向の断面における流路の断面形状は、少なくとも、３本の直線部である第１ないし第３直線部を含む。
また、これらの各直線部同士は曲線部により連結されており、第１直線部はドリルの回転方向の前方側に位置し、第２直線部はドリルの回転方向の後方側に位置し、第３直線部はドリルの中心軸側に位置している。
ここで、第１直線部と第２直線部を互いに平行な位置関係にしてもよい。

各直線部同士を連結する曲線部は、ドリルの外周コーナ側に位置して相互が滑らかにつながる第１ないし第３曲線部，第２直線部と第３直線部の間に位置する第４曲線部，ドリルの最も中心軸側に位置して相互が滑らかにつながる第５ないし第７曲線部から構成する。
第１ないし第３曲線部間では第２曲線部の曲率半径を最も大きくし、かつ第５ないし第７曲線部間では第６曲線部の曲率半径を最も大きくしても良い。
また、流路の開口部であるシャンク側の油孔については、シャンクの端部に設けられた凹部形状の溝内に設けても構わない。

本発明に係るドリルは、油孔の形態をこれまでの曲線のみから成る形状から複数の直線部を含む形態とする。
これにより、当該直線部を含む箇所は比較的に曲率半径の小さい曲線部に比べてより多くの切削液が流れることになった。
また、油孔の直線部は切れ刃の外周コーナの方向およびシンニング部の方向にそれぞれ分散して配置した。
その結果、油孔から吐出する切削液は前方の切れ刃の外周コーナおよびシンニング切れ刃から後方の切れ刃全域へ集中的に冷却できる効果を奏する

本発明に係るドリル１の正面図である。 本発明に係るドリル１の先端部分の拡大斜視図である。 本発明に係るドリル１の後端部分の拡大斜視図である。 図１に示すドリル１のＡ－Ａ線断面図である。 図４に示す流路Ｐの拡大断面図である。 従来ドリル１００から吐出される切削液の流れを示すシミュレーション図である。 従来ドリル１００の油孔Ｈ１０１からの切削液の流れを示す模式図である。 本発明のドリル１から吐出される切削液の流れを示すシミュレーション図である。 本発明のドリル１の油孔Ｈ１からの切削液の流れを示す模式図である。

１，１００ 油孔付きドリル
２ 切れ刃
３（３Ａ，３Ｂ） 逃げ面
４ すくい面
５ ねじれ溝
６ シンニング部
７ 外周コーナ
１０ シャンク
１１ 溝
１１Ｂ 溝底
Ｈ１，Ｈ２，Ｈ１０１ 油孔
Ｏ ドリルの中心軸
Ｐ 流路
Ｓ 流路の断面形状
ＲＤ ドリルの回転方向
Ｃ１～Ｃ７ 第１ないし第７曲線部
Ｌ１～Ｌ３ 第１ないし第３直線部
Ｐ１～Ｐ６，Ｐ１１～Ｐ１４ 接点
Ｗ１，Ｗ１００ 被削材
ｒ１～ｒ７ 第１ないし第７曲線部の曲率半径
θ 第１直線部と第２直線部の成す角度

本発明に係る油孔付きドリル１（以下、ドリル１と称する）の実施形態について、以下に図面を用いて説明する。
本発明の一実施形態であるドリル１の正面図を図１、ドリル１の先端部分（切れ刃側）の拡大斜視図を図２、ドリル１の後端部分（シャンク側）の拡大斜視図を図３にそれぞれ示す。

本発明に係るドリル１の先端側は、図１および図２に示す様に２枚の切れ刃２，２を有して、それらの切れ刃２，２に連続して形成される逃げ面３，３、すくい面４，４、ねじれ溝５，５、後端側にはシャンク１０をそれぞれ備える。
逃げ面３は切れ刃２から近い順に第１逃げ面（二番面）３Ａと第２逃げ面（三番面）３Ｂに分かれており、第２逃げ面３Ｂには切削液を吐出する開口部（油孔Ｈ１，Ｈ１）が設けられている。
また、切れ刃２からドリル１の中心側（チゼル側）にはシンニング部６、外周側には外周コーナ７がそれぞれ設けられている。

ドリル１の後端側は図３に示すようにシャンク１０の端部に凹型の溝１１が形成されている。
その溝１１の溝底１１Ｂには図２に示す２ヶ所の油孔Ｈ１，Ｈ１とドリル１内部に設けられた２条の流路（図示せず）を介してつながっている２ヶ所の油孔Ｈ２，Ｈ２が設けられている。
図１に示すドリル１のＡ－Ａ線における断面図を図４、その断面図における流路Ｐの断面形状Ｓの拡大図を図５に示す。

ドリル１には、図４に示す様に内部に２条の流路Ｐ，Ｐを備えている。
これらの２条の流路Ｐ，Ｐはドリル１の軸方向に沿って図２に示す油孔Ｈ１，Ｈ１と図３に示す油孔Ｈ２，Ｈ２をつないでおり、内部に切削液を流す役割を果たす。
また、ドリル１の軸方向と直交する方向の断面において流路Ｐの断面形状Ｓは図５に示すようにホームベース型に類似した概ね五角形の形状である。

以下、この流路Ｐの断面形状Ｓについて詳細に説明する。
この断面形状Ｓは、少なくとも、長さが互いに異なる第１ないし第３直線部Ｌ１～Ｌ３を含み、これらの第１ないし第３直線部Ｌ１～Ｌ３同士は曲線部により連結されている。
図４，図５に示すように、ドリル１の回転方向をＲＤと表現すると、第１直線部Ｌ１は３本の直線部Ｌ１～Ｌ３の中で最も回転方向ＲＤの前方側に位置し、第２直線部Ｌ２は３本の直線部Ｌ１～Ｌ３の中で最も回転方向ＲＤの後方側に位置している。
第１直線部Ｌ１と第２直線部Ｌ２は、野球のホームベース形状の様に互いに略平行な位置関係にあるのが好ましい。
さらに、第３直線部Ｌ３は３本の直線部Ｌ１～Ｌ３の中で最もドリル１の中心軸Ｏ側に位置している。

次に、これらの第１ないし第３直線部Ｌ１～Ｌ３に接続する複数の曲線部について説明する。
図５に示す流路Ｐの断面形状Ｓは、第１ないし第３直線部Ｌ１～Ｌ３の他に所定の曲率半径を有する第１ないし第７の曲線部Ｃ１～Ｃ７から形成されている。
これらの複数の曲線部Ｃ１～Ｃ７は、大別すると最も外周コーナ側に位置する第１ないし第３曲線部Ｃ１～Ｃ３、第２直線部Ｌ２と第３直線部Ｌ３の間に位置する第４曲線部Ｃ４、ドリル１の最も中心軸Ｏ側に位置する第５ないし第７曲線部Ｃ５～Ｃ７である。

まず、最も外周コーナ側に位置する第１ないし第３曲線部Ｃ１～Ｃ３は、第１直線部Ｌ１と接点Ｐ２（第２接点）を介して接続している第１曲線部Ｃ１（曲率半径ｒ１）、第２直線部Ｌ２と接点Ｐ３（第３接点）を介して接続される第３曲線部Ｃ３（曲率半径ｒ３）、これら２本の第１および第３曲線部Ｃ１，Ｃ３の間に位置して、接点Ｐ１１（第１１接点），接点Ｐ１２（第１２接点）を介して接続される第２曲線部Ｃ２（曲率半径ｒ２）から構成されている。

次に、ドリル１の最も中心軸Ｏ側に位置する第５ないし第７曲線部Ｃ５～Ｃ７は、第３直線部Ｌ３と接点Ｐ６（第６接点）を介して接続している第５曲線部Ｃ５（曲率半径ｒ５）、第１直線部Ｌ１と接点Ｐ１（第１接点）を介して接続される第７曲線部Ｃ７（曲率半径ｒ７）、これら２本の第５および第７曲線部Ｃ５，Ｃ７の間に位置して、接点Ｐ１３（第１３接点），接点Ｐ１４（第１４接点）を介して接続される第６曲線部Ｃ６から構成されている。
第６曲線部Ｃ６は、第１ないし第７曲線部Ｃ１～Ｃ７の中で最も大きい曲率半径ｒ６を有する。

第２直線部Ｌ２と第３直線部Ｌ３の間に位置する第４曲線部Ｃ４（曲率半径ｒ４）は、ドリル１の中心軸Ｏ側であり、かつドリル１の回転方向ＲＤの逆側（後方側）に位置している。
なお、第４曲線部Ｃ４を介した第２直線部Ｌ２と第３直線部Ｌ３の成す角度（内角）θは、１１０°～１５０°の範囲が好ましい（図５に示す第２直線部Ｌ２と第３直線部Ｌ３の成す角度は１３０°）。
なお、図５に示す上述した複数の接点Ｐ１～Ｐ６，Ｐ１１～Ｐ１４は直線部と曲線部または曲線部同士の境界を示すために便宜上図示しているものであり、流路の断面形状を形成する直線部と曲線部および曲線部同士は段差なく滑らかに接続されている。

本発明に係るドリルの断面形状において、ドリルの回転方向前方側に第１直線部を配置し、同時にドリルの反回転方向の後方側（ヒール）および中心軸側に第２および第３直線部を配置した。
これら３本の直線部を油孔の形状の一部とすることで、第１直線部を配置した箇所から前方の切れ刃の外周コーナに向けて切削液が吐出されて、同時に第２および第３直線部を配置した箇所から油孔から吐出される切削液がシンニング部を経由して後方の切れ刃の外周コーナに到達する。

つまり、従来のドリルのように回転方向の前方側の切れ刃のヒールに流れていた切削液を制限し、それに替わり前方の切れ刃の外周コーナの方向とシンニング部の方向の二方向へ切削液を重点的に流す油孔の形状とした。
これにより、ドリルの切削加工時において被削剤との摩擦熱が最も発生するドリルの外周コーナ付近への冷却効果を一層高めることができる。

なお、本実施の形態では図１等に示す切れ刃が２枚である、いわゆる２枚刃のドリルの例を示しているが、その他に切れ刃が３枚以上であるドリルについても流路の断面形状を同様に適用できる。
また、流路の断面形状を形成する第１ないし第３直線部の長さ，第１ないし第７曲線部の長さや曲率半径の大きさ，第２直線部と第３直線部の成す角度などは切れ刃の枚数やドリルの直径などの諸条件に応じて任意に変更できる。

本発明に係るドリル（以下、「本発明品」という）と従来のドリル（以下、「従来品」という）を用いて、油孔の形態の違いによる切削液の流れの変化について流体解析（シミュレーション）を行なったので、その結果について図面を用いて説明する。
まず、従来品は丸い形状の油孔が２枚の切れ刃の後方側にそれぞれ配置されているドリルとした。
前述したように、従来品１００の切削加工時において被削材Ｗ１００内で切削液が流れる方向を可視化したシミュレーション結果を図６、油孔Ｈ１０１から吐出される切削液の各方向を矢印ＦＤ１０１～ＦＤ１０６で示した状態を図７にそれぞれ示す。

従来品１００の丸い形状の油孔Ｈ１０１の場合には、図６に示す様に吐出される切削液は、その大部分がヒール部分を含めたランド全体や溝に流れて、前方および後方の切れ刃の外周コーナに流れる切削液は非常に少ない。
また、従来品１００の油孔Ｈ１０１から流れ出る切削液が方向ＦＤ１０１～ＦＤ１０６も、図７に示す様に多くの切削液が従来品１００のランド全体に流れるものの、切れ刃の外周コーナへ流れる切削液は少ない。

これに対して、本発明品１（ドリル１）の切削加工時において被削材Ｗ１内で切削液が流れる方向を可視化したシミュレーション結果を図８、油孔Ｈ１から吐出される切削液の各方向を矢印ＦＤ１～ＦＤ６で示した状態を図９にそれぞれ示す。
本発明品１の油孔Ｈ１の場合、吐出される切削液は油孔Ｈ１の一部に直線部を含むので、それらの直線部分と比較的に大きな曲率半径を有する曲線部から切削液が優先的に流れていることが把握される。
具体的には、図８に示す様に前方の切れ刃２側に位置する直線部からは前方の切れ刃２の外周コーナ７に向けて切削液が流れている状態が把握される。

また、油孔Ｈ１には後方の切れ刃２側かつシンニング部６にも２本の直線部が形成されているので、それら２本の直線部からも切削液が優先的に流れており、切削液は溝５内にも流れ込むがシンニング部６を経由して後方の切れ刃２側にも接触していることがわかる。

つまり、本発明に係るドリル１は図９に示す様に油孔Ｈ１から吐出される切削液は、全体として流れの方向ＦＤ１～ＦＤ６に大別されるが、油孔の形態にドリル回転方向の前方側に直線部を含むので、前方の切れ刃２の方向に切削液の流れＦＤ１，ＦＤ２、特に前方の切れ刃２の外周コーナ７に向けて切削液の流れＦＤ３も発生する。
同時に、ドリルの回転方向の逆側（後方側）にも２本の直線部を含むので、後方の切れ刃２の方向に切削液の流れＦＤ６が発生する。
その結果、本発明のドリルではいずれの切れ刃の外周コーナへも切削液を重点的に冷却できることがわかる。

次に、前述の従来品と本発明品を用いた切削加工試験を行なったので、その試験結果について説明する。
従来品および本発明品ともにドリル径８ｍｍ、溝長さ６４ｍｍ、ドリル長さ１１８ｍｍの共通仕様とした。
また、被削材に炭素鋼（Ｓ５０Ｃ）を用いて、加工穴は４０ｍｍ深さの止まり穴とした。
なお、切削加工条件は以下のとおりとした。
・切削速度：１２０ｍ／ｍｉｎ
・回転数：４８００ｍｉｎ^－１
・送り速度：１２２０ｍｍ／ｍｉｎ
・送り量：０．２５６ｍｍ／ｒｅｖ
・切削油：水溶性切削油剤
・使用機械：立形マシニングセンタ（ＢＴ４０）
なお、本試験の使用寿命はドリルの外周コーナにおける摩耗量がマージンの幅を超えた時点で寿命が尽きると判断し、その時点で切削加工試験を終了とした。

従来品を用いた切削試験では、従来品が寿命に至るまでに加工できた総穴数は２７５０穴および３８５０穴であり、平均して３３００穴の加工ができた。
これに対して、本発明品を用いた切削試験では、寿命に至るまでに加工できた総穴数は４９５０穴および４４００穴であり、平均して４６７５穴の加工ができた。
この結果より、本発明品は従来品よりも１．４倍の寿命延長を図ることができた。

本発明に係る油孔付きドリルは、冷却効果が高いため、各種ドリル工具として利用できる。

Claims (3)

1. ２枚以上の切れ刃と、冷却媒体を流す流路と、前記流路の開口部である油孔を備えた油孔付きドリルであって、
   前記油孔付きドリルの軸方向と直交する方向の断面において前記流路の断面形状は、少なくとも、長さが互いに異なる第１ないし第３直線部を含み、
   前記各直線部同士は所定の曲率半径を有して前記油孔の内側から外側に向かって湾曲する曲線部により連結されており、
   前記第１直線部は前記油孔付きドリルの回転方向の前方側に位置し、前記第２直線部は前記油孔付きドリルの回転方向の後方側に位置し、前記第３直線部は前記油孔付きドリルの中心軸側に位置し、かつ前記第１直線部と前記第２直線部は互いに平行な位置関係にあることを特徴とする油孔付きドリル。
2. 前記曲線部は、前記油孔付きドリルの外周コーナ側に位置して相互が滑らかにつながる第１ないし第３曲線部，前記第２直線部と前記第３直線部の間に位置する第４曲線部，前記油孔付きドリルの中心軸側に位置して相互が滑らかにつながる第５ないし第７曲線部と、を有しており、第１ないし第３曲線部間では前記第２曲線部の曲率半径が最も大きく、かつ第５ないし第７曲線部間では前記第６曲線部の曲率半径が最も大きいことを特徴とする請求項１に記載の油孔付きドリル。
3. 前記流路の開口部であるシャンク側の油孔は、前記シャンクの端部にある凹形状の溝内に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の油孔付きドリル。
   

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