JPH04304916A - スローアウェイ式ドリル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、主として、Ａｌ−Ｓ
ｉ合金をはじめとする各種軽合金、およびこれらの繊維
強化合金、プラスチック、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ　　Ｒｅ
ｉｎｆｏｒｃｅｄ　　Ｐｌａｓｔｉｃ）、グラファイト
などの非金属の穿孔加工に供されるドリルの構造に関し
、特に耐摩耗性や靭性に優れ、高い品質を有するスロー
アウェイ式ドリルの構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ドリルは、各種材料の穿孔加工に用いら
れる切削工具の１つである。その一例としてツイストド
リルの構造が図９に示されている。ツイストドリルは、
穿孔加工に供される切刃部１と、切削に関与せず、主と
して切り屑の排出と、ボール盤などの切削機械のチャッ
ク部などに装着するためのシャンク部２とから構成され
る。

【０００３】従来より、一般的にドリルの材質は高速度
鋼（ハイス）および超硬合金である。高速度鋼は、靭性
に富むが耐摩耗性が低く、高速切削に不適である。一方
、超硬合金は耐摩耗性や工具としての精度特性に優れる
反面、脆い性質を有し、たとえば剛性の低い工作機械に
使用されると折損を生じる場合があった。

【０００４】これらの改良として、高速度鋼の切刃部に
硬質のＴｉＮをコーティングする構造、あるいは切刃部
を超硬合金にし、ろう付けする構造などが考えられてき
た。

【０００５】さらに近年では、耐摩耗性および靭性の向
上などを意図して、異なる材質の超硬合金同士（Ｐ３０
とＤ３０）をろう付けした構造（実開昭５８−１４３１
１５号公報）あるいは冶金学的に一体化接合した構造（
実公昭６２−４６４８９号公報）、さらに、ドリルの中
心部と外周部との要求される特性の違いに着目し、その
中心部と外周部との超硬合金の材質を異ならせた２重構
造に成形したもの（特開昭６２−２１８０１０号公報）
、あるいはこの２重構造を射出成形で形成する方法（特
開昭６３−３８５０１号公報、特開昭３８５０２号公報
）などが考案されている。また、ドリルの耐凝着性の向
上のために、ドリルの材質をサーメット（特開昭６２−
２９２３０７号公報）、あるいは窒化珪素セラミックス
（特願平２−４８４５４号）などで構成した構造などが
ある。

【０００６】また、極めて高度が高く、化学的に安定し
、高い熱伝導率を有するなどの数多くの優れた特性を持
つダイヤモンドは、その特性を生かして、硬質材料とし
て、あるいはダイヤモンドやダイヤモンド状炭素を被覆
した硬質材料として、広く実用に供されている。このよ
うなダイヤモンドの工具への従来の適用例としては、各
種軽金属やその合金、あるいはプラスチックなどの加工
を目的とした、スローアウェイチップ、ドリル、マイク
ロドリル、エンドミルなどの切削工具、あるいはチップ
状部品の実装工程に用いるボンディングツールなどの各
種耐摩工具が挙げられる。

【０００７】これらの工具の製造に適用される人工的な
ダイヤモンドの製造法のうち、気相よりダイヤモンド被
覆層を形成する方法としては、μ波プラズマＣＶＤ法、
ＲＦ−プラズマＣＶＤ法、ＥＡ−ＣＶＤ法、誘磁場μ波
プラズマＣＶＤ法、ＲＦ熱プラズマＣＶＤ法、ＤＣプラ
ズマＣＶＤ法、ＤＣプラズマジェットＣＶＤ法、フィラ
メント熱ＣＶＤ法、燃焼法など数多くの方法が知られて
おり、これらはいずれもダイヤモンド被覆硬質材料製造
の有力な方法である。

【０００８】高い密着強度を持つダイヤモンド被覆硬質
材料の基材の材質としては、ダイヤモンドと同じ熱膨張
係数を持ったものを選択する方法がすでに提案されてお
り、特開昭６１−２９１４９３号公報においては、Ｓｉ
３　Ｎ４　を主成分とする焼結体、およびＳｉＣを主成
分とする焼結体を基材として用いることが提案されてい
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ドリルの切刃部および
シャンク部は各々異なった負荷状態で使用される。その
ため、ドリルの各部に要求される特性は異なる。たとえ
ば、切刃部の刃先部では耐摩耗性や耐凝着性などが要求
され、シャンク部では工具としての強度を保持するため
の靭性が要求される。また、切刃部の刃先部についても
、その中心部と外周部とでは切削速度が大きく異なるた
め、要求される特性も異なる。

【００１０】このようなドリルに備えられるべき特性に
対する複雑な要求に応えるため、その対策として一体物
ドリルの切刃部にコーティングを施したものは、継続使
用のために通常行われるドリルの再研削を実施すると、
少なくとも前逃げ面側のコーティング層が除去されてし
まい、コーティングの効果の大半が失われてしまうとい
う欠点を有していた。

【００１１】また、切刃部に超硬合金をろう付けする構
造のものは、ろう付け自体が本質的に熱的強度や機械的
強度に劣る方法であり、難削材の深孔加工には適用でき
ないという欠点を有していた。さらに、シャンク部が鋼
の場合、刃先の超硬合金との間で熱膨張係数に大きな差
があり、ろう付け時に割れや亀裂が発生しやすくなる。

【００１２】さらにまた、近年、ドリルのシャンク部の
靭性を向上させる目的で、超硬合金の粗粒化や高結合相
化を行なったものは、逆に材料の強度を低下させたり、
あるいは弾性限界の歪を低下させ、被削材のぶれや切削
機械の不安定な回転などにより、孔あけ加工中において
シャンク部が折損してしまうという問題があった。

【００１３】また、ダイヤモンド被覆超硬合金性ドリル
においては、ダイヤモンド被覆層の密着強度が不足して
いるため、初期に薄利が生じ、耐摩耗性の向上が図れな
い。

【００１４】窒化珪素基セラミック焼結体を基材とした
ツイストドリルにダイヤモンドを被覆した場合、ダイヤ
モンド被覆層の剥離が大幅に減少するが、焼結体の強度
が不足しているため、過酷な切削条件下においては折損
が生じる。これは、アルミナ，ＳｉＣなどのセラミック
を基材としたダイヤモンド被覆ドリルについても同様で
ある。

【００１５】また、上記のような刃先とシャンク部が分
離不可能に一体的に接合されたドリルの場合、所定の使
用時間ごとに刃先を再研削することにより継続使用が可
能であるが、再研削の回数にも限界があり、コストが高
くなる。また再研削の作業の好不調によって、切れ味や
工具寿命にばらつきが生ずるという問題があった。さら
に、ドリルを使用する切削機械のＮＣ化，自動化が進み
、これに対応してドリルの長さを逐次正確に把握する必
要があるため、再研削する度にその長さを計測するとい
う煩雑な作業を必要としていた。

【００１６】そこで本発明は、上記のような問題点を解
決するため、ドリルの切刃部において優れた耐摩耗性と
耐凝着性を有し、かつシャンク部は耐折損性としての十
分な靭性を有するとともに、継続使用のための再研削を
伴なわないスローアウェイ式ドリルを提供することを目
的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明のスローアウェイ式ドリルは、被削物を切削する
ための切刃部と、切削機械の所定位置に取付けるための
シャンク部とを備え、切刃部がシャンク部と分離可能に
機械的に接合されたスローアウェイ式ドリルであって、
その切刃部はＳｉ３　Ｎ４　および／またはＳｉＣを主
成分とする焼結体を基材とし、この基材の表面のうち少
なくともその切刃先端にダイヤモンドを被覆した、ダイ
ヤモンド被覆焼結体からなる。また、シャンク部は鋼よ
り構成されるのが望ましい。

【００１８】切刃部に被覆されるダイヤモンドの層厚と
しては、好ましくは、０．１μｍ以上かつ１００μｍ以
下のものを用いる。

【００１９】なお、被覆層としてダイヤモンドを用いる
代わりに、ダイヤモンド状炭素を被覆した場合、および
これらの被覆層が硼素や窒素などの他の元素を含有した
場合、あるいはこれらの複層を被覆した場合にも、同様
の効果が得れらる。また、窒化硼素を含む被覆層の被覆
も高い効果が予想される。これらの被覆層を設けた後、
何らかの熱処理を加えても、その効果は変わることがな
い。また、これらの被覆層を設けた上に、さらに、チタ
ンの炭化物または窒化物または炭窒化物や、Ａｌ２　Ｏ
３　の被覆層からなる少くとも１層以上の表面層を設け
た場合も、同様の効果を得ることかできる。さらに、こ
れらの表面層をダイヤモンド砥粒などにより平坦化する
ことが望ましい。

【００２０】本発明のスローアウェイ式ドリルの切刃部
とシャンク部との接合方式の例としては、主として図５
（ａ）ないし（ｃ）に示すもの、図６に示すもの、図８
に示したスペードドリルと呼ばれるもの、および図１，
図２（ａ），（ｂ）に示すものの４種類が挙げられる。 これらのうち図５（ａ）ないし（ｃ）に示すものは、２
枚刃のスローアウェイ式ドリルである。このドリルでは
、シャンク部１２の先端の外周部にチップ１１ａが内周
部にチップ１１ｂがそれぞれねじ止めによって固定され
ている。また図６に示すドリルは、１枚刃のスローアウ
ェイ式ドリルの典型的な例である。このドリルは、切刃
部２１がシャンク部２２に矢印で示すように嵌め込まれ
、ビス２３によってねじ孔２４に固定される。クーラン
ト供給孔２５からは切刃部２１の刃先に直接クーラント
が供給される。また切刃部１１の刃先には切屑分断処理
用のチップブレーカ２６が形成されている。このチップ
ブレーカ２６については、用途に応じて形成されない場
合もある。図８に示したスペードドリルにおいては、切
刃４１が、ビス４３によってシャンク４２に締結されて
いる。

【００２１】図１および図２（ａ），（ｂ）に示す切刃
部とシャンク部との接合方式は、切刃部３１を図１の矢
印方向にシャンク部３２に嵌め込むことによって、ビス
などを用いることなく切刃部３１とシャンク部３２を接
合させるいわゆるセルフグリップ方式を採用している。 本接合方式において切刃部３１とシャンク部３２が接合
された状態は、図２（ａ），（ｂ）に示すとおりである
。この接合状態においては、切刃部３１の被挾持部３１
ａの側部がシャンク部３２の挾持部３３ａ，３３ｂの内
側端面と当接することによって生じる摩擦力により、切
刃部３１がシャンク部３２に固定される。本実施例にお
ける切刃部３１とシャンク部３２の嵌合による接合の様
子は、図３（ａ），（ｂ）を参照して次のように説明さ
れる。切刃部３１とシャンク部３２の嵌合前の状態にお
いては、図３（ａ）に示すように被挾持部３１ａの左右
側部同士のなす角度θ１　は、挾持部３３ａ，３３ｂの
対向する内側の端面同士のなす角度θ２　よりもわずか
に大きくなっている。切刃部３１をシャンク部３２に圧
入していくと、被挾持部３１ａの左右側部がテーパを有
することによるくさび作用と、挾持部３３ａの側にはス
リット３４が形成されていることによって、角度θ２　
が徐々に押し広げられる。θ１　＞θ２　の関係にある
間は、被挾持部３１ａと表示部３３ｂとは、挾持部３３
ａの内側端面の上端においてのみ接触している。θ２　
がθ１　に一致した時点で、図３（ｂ）に示すように被
挾持部３１ａの両側部と挾持部３３ａの内側端面との接
触面積が最大となる。この状態で圧入が止められ、挾持
部３３ａの弾性変形による弾性力で、被挾持部３１ａと
の当接面に押圧力が生じ、当接面間の摩擦力によって切
刃部３１がシャンク部３２に接合固定されることになる
。

【００２２】クーラント供給孔３５からは切刃部３１の
刃先に直接クーラントが供給される。また切刃部３１の
刃先には切屑分断処理用のチップブレーカ３６が形成さ
れている。このチップブレーカ３６については、用途に
応じて形成されない場合もある。

【００２３】シャンク部３２の他の例として、図４に示
すように挾持部３３ａの側のみでなく挾持部３３ｂの側
にもスリット３３を形成してもよい。この場合には切刃
部３１がシャンク部３２に圧入されるとともに挾持部３
３ａ，３３ｂの双方が押し広げられ、その弾性力によっ
て被挾持部３１ａが挾圧される。

【００２４】

【作用】ドリルに要求される特性は、切刃部の耐摩耗性
および耐凝着性と、シャンク部の靭性に代表される耐折
損性とに大別される。本発明において、切刃部の少なく
とも切刃先端をダイヤモンド被覆焼結体で形成すること
により、切刃部の耐摩耗性、耐凝着性および靭性が向上
する。これは、被覆層をなすダイヤモンドが、工具材料
の主成分として用いられるＷＣやＡｌ２　Ｏ３　に比べ
て非常に硬く、また熱伝導率が高く、さらに、基材をな
す、Ｓｉ３　Ｎ４　あるいはＳｉＣを主成分とする焼結
体は、強度が高く、また熱膨張係数がダイヤモンドと近
似しているためにダイヤモンドの蒸着強度が高く、剥離
も生じないためである。

【００２５】また、シャンク部の材質として鋼を用いる
のが望ましいのは、鋼が靭性に優れ耐折損性が良く、し
かも材料コストも低くすることができるためである。

【００２６】さらに本発明においては、切刃部とシャン
ク部を分離可能に機械的に接合した構造を有するため、
比較的損傷が多く寿命の短い切刃部が容易に着脱可能で
あり、使い捨てにすることができる。また、切刃部の形
状を比較的単純にできるため、窒化珪素基セラミックの
ような難加工材を基材として適用可能になる。さらに、
切刃部を射出成形法により製造することもできる。

【００２７】なお、ダイヤモンド被覆層の層厚が０．１
μｍ〜２００μｍとするのが望ましいのは、層厚が０．
１μｍより小さい場合には、耐摩耗性向上の効果が現わ
れず、また層厚が２００μｍを越えると、もはや耐摩耗
性の向上の度合が増加しないため、２００μｍ以上の層
厚にすることは経済的にみてもかえって不利益であるか
らである。

【００２８】

【実施例】以下、この発明の第１の実施例について説明
する。本実施例におけるスローアウェイ式ドリルは、図
１に示す方法で、切刃部とシャンク部とを分離可能なよ
うに機械的に接合されている。また、本実施例において
は、切刃部の基材として、窒化珪素基焼結体あるいは炭
化硅素基焼結体、シャンク部の材質として鋼を用いた。 具体的組成は、表１に示すとおりである。ダイヤモンド
被覆層は、図７に示した切刃部の斜線部分に形成した。 このダイヤモンド被覆層は、少なくともすくい面、逃げ
面の一方または両方に被覆する必要があるが、その採用
は被削材や加工条件により異なってくる。切刃部の基材
表面のうち、ダイヤモンド被覆層を設ける部分には、一
般に行なわれているダイヤモンド被覆時初期核発生密度
を高めるための方法として、８〜１６μｍのダイヤモン
ド砥粒を用い、５分間超音波振動を与えることにより、
傷付け処理を行なった。これらの切刃部に、公知の熱フ
ィラメントＣＶＤ法を用い、以下の条件で、表１に示し
た層厚のダイヤモンド被覆層を形成し、本発明ドリル１
〜６を製造した。なお、本発明ドリル５は、０〜３μｍ
のダイヤペーストによって、ダイヤモンド被覆表面を、
５時間ラッピング加工し、刃先の表面面粗度の向上を図
った。

【００２９】（ダイヤモンド被覆層形成条件）反応容器
：直径２００ｍｍの石英管 フィラメント材質：金属タングステン フィラメント温度：２４００℃ フィラメント−切刃部間距離：８ｍｍ 全圧：６０Ｔｏｒｒ 雰囲気ガス：Ｈ２　に１％のＣＨ４　を添加した混合ガ
ス被覆時間：２〜１００時間 なお、比較のため、同一形状で、刃先部材質としてダイ
ヤモンド被覆層を設けない窒化硅素基セラミック、およ
びＪＩＳ・Ｐ３０超硬合金に、ＣｉＮ被覆層を３．０μ
ｍの層厚で形成した比較ドリルを準備した。さらに、図
９に示したいわゆるツイストドリルの形状で、材質がＪ
ＩＳ・Ｐ３０超硬合金および窒化硅素基セラミックのも
の、およびこれらのダイヤモンド被覆層を設けたものを
比較ドリルとして準備した。表１に、各試料工具の切刃
部基材の組成、シャンク部材質および切刃部のダイヤモ
ンド被覆層厚を示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】ドリルの切削性能テストは、直径８ｍｍの
ドリルを用いて、以下の条件で行なった。

【００３２】被削材：Ａ３９０（Ａｌ：９３ｗｔ％，Ｓ
ｉ：１７ｗｔ％）） 切削速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ（水溶性切削油）送り：
０．３ｍｍ／ｒｅｖ． 深さ：４５ｍｍ 判定基準：寿命まで加工後、その刃先状態を観察する。

【００３３】寿命：外周面逃げ面摩耗量が０．２ｍｍに
到達したときとする。

【００３４】上記ドリルの切削性能の結果は、表２に示
すとおりである。この結果により、本発明ドリルは、比
較ドリルに比べ、良好な耐摩耗性および靭性を示すこと
がわかる。これは、ダイヤモンド被覆層の密着強度が高
く、かつシャンク部の靭性が高いためである。

【００３５】

【表２】

【００３６】次に、本発明の第２の実施例について説明
する。本実施例は切刃部とシャンク部がそれぞれ上記第
１の実施例における本発明ドリル１と同質の材質で、同
一のダイヤモンド被覆層を設けたものを用い、切刃部と
シャンク部の４種類の接合方法について切削テストを行
なった。４種類の接合方法は次に示すとおりである。

【００３７】本発明ドリルＡ：図１に示すセルフグリッ
プ式 本発明ドリルＢ：図５（ａ）ないし（ｃ）に示す２枚刃
ビス止めドリル 本発明ドリルＣ：図６に示す１枚はビス止めドリル本発
明ドリルＤ：図８に示す１枚刃ビス止めドリル（ＪＩＳ
・スペードドリル） また、本発明の範囲を外れる刃先超硬のろう付接合ドリ
ルについても、上記４種類の接合方法の本発明ドリルと
同様の条件で切削試験を行ない、その切削特性を比較し
た。

【００３８】（切削条件） 被削材：ＡＣ４Ｃ 切削速度Ｖ：５０ｍ／ｍｉｎ、１５０ｍ／ｍｉｎ（水溶
性切削油） 送り：０．１ｍｍ／ｒｅｖ． 深さ：４０ｍｍ 加工穴直径：２０ｍｍ 本実施例における特性評価結果を、表３に示す。なお、
安定性に代表される切削特性は、表３に示す切削抵抗、
ドリルに作用する切削バランスの水平分力、スラスト、
およびトルクがすべて小さいほど、また速度に対して依
存性が小さいほど、良好であるといえる。本実施例の結
果から、本発明ドリルＡ〜Ｄは、比較ドリルＥに比べて
良好な特性を有し、その中でも特に、本発明ドリルＡ，
Ｂの特性が優れていることがわかる。

【００３９】

【表３】

【００４０】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、切刃
部の少なくとも刃先先端の材質として、被覆層の密着強
度の高いダイヤモンド被覆焼結体を用い、シャンク部の
材質として鋼を用いることにより、刃先部は耐摩耗性，
耐凝着性あるいは耐熱亀裂性（耐チッピング性）に優れ
、シャンク部は靭性に富みかつ比較的コストを低くする
ことができる。したがって切刃部のチッピングやシャン
ク部の突発的な折損などが発生することのない高い信頼
性、長い寿命および高い品質を有するスローアウェイ式
ドリルを低コストで提供することができる。

【００４１】また、切刃部とシャンク部を分離可能に機
械的に接合しているため、両者の装脱着が容易であり、
比較的損傷が多く寿命の短い切刃部が容易に脱着可能で
あり使い捨てすることができる。したがって、切刃部を
再研削によって継続使用することがなくなり、切刃部と
シャンク部とを分離不可能に一体化した従来のドリルに
比べてさらに低コスト化を図ることができる。また切刃
部の再研削を必要としないことにより、切れ味や工具寿
命のばらつきが減少するばかりでなく、ドリルの全長が
一定に保たれ、ドリル長の計測も不要である。また、切
刃部の母材を射出成形で高精度に造形可能であるため、
チップブレーカなどの形成も容易となり、加工コストが
さらに低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用するスローアウェイ式ドリルのう
ち、いわゆるセルフグリップ式ドリルの接合部を拡大し
て示す分解斜視図である。

【図２】（ａ）は第１図に示したセルフグリップ方式の
スローアウェイ式ドリルの正面図、（ｂ）はその右側面
図である。

【図３】（ａ）は、図１に示すスローアウェイ式ドリル
において切刃部３１をシャンク部に圧入を開始する時点
の状態を示す第２Ａ図のＡ−Ａ断面矢視図、（ｂ）は、
切刃部３１がシャンク部３２と接合固定された状態を示
す同断面矢視図である。

【図４】図１に示すスローアウェイ式ドリルの接合部の
他の例であり、挾持部３３ａ，３３ｂの両側にスリット
３４を設けたものの断面図である。

【図５】（ａ）は本発明を適用するスローアウェイ式ド
リルのうち、２枚刃ビス止式スローアウェイ式ドリルの
正面図、（ｂ）は同右側面図、（ｃ）は切刃チップ１１
ａを拡大して示す斜視図である。

【図６】本発明を適用するスローアウェイ式ドリルの１
枚刃ビス止方式のスローアウェイ式ドリルを示す分解斜
視図である。

【図７】本発明を適用したスローアウェイ式ドリルのう
ち、切刃部の摩耗が生じる部分にダイヤモンド膜で被覆
した切刃の例を示す斜視図である。

【図８】（ａ）は、本発明の適用対象の１つである、Ｊ
ＩＳで規定されたスペードドリルの一般的な構造を示す
上面図、（ｂ）はその左側面図である。

【図９】従来の一般的なツイストドリルを示す構造図で
ある。

【符号の説明】

１，２１，３１　　切刃部 ２，１２，２２，３２　　シャンク部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　被削物を切削するための切刃部と、切
   削機械の所定位置に取付けるためのシャンク部とを備え
   、切刃部が前記シャンク部と分離可能に機械的に接合さ
   れたスローアウェイ式ドリルであって、前記切刃部は、
   Ｓｉ３　Ｎ４　および／またはＳｉＣを主成分とする焼
   結体を基材とし、この基材の表面のうち、少くとも切刃
   先端にダイヤモンドまたはダイヤモンド状炭素を被覆し
   た、ダイヤモンド被覆焼結体からなることを特徴とする
   スローアウェイ式ドリル。
2. 【請求項２】前記シャンク部が鋼より構成されたことを
   特徴とする請求項１記載のスローアウェイ式ドリル。
3. 【請求項３】　　前記切刃部に被覆されたダイヤモンド
   の層厚が、０．１μｍ以上かつ２００μｍ以下であるこ
   とを特徴とする、請求項１記載のスローアウェイ式ドリ
   ル。