JPWO2012046751A1

JPWO2012046751A1 - 孔開けドリル

Info

Publication number: JPWO2012046751A1
Application number: JP2012537727A
Authority: JP
Inventors: 啓溝渕
Original assignee: University of Tokushima
Current assignee: University of Tokushima
Priority date: 2010-10-06
Filing date: 2011-10-05
Publication date: 2014-02-24
Also published as: WO2012046751A1

Abstract

【課題】高精度に小径孔の加工形成が可能な耐久性の高い孔開けドリルを提供する。【解決手段】本実施形態に係る孔開けドリル１は、シャンク５と、先端に砥粒部１２が形成されてシャンク５の先端側に設けられた穿孔部８とを備え、硬脆材料に孔を開けるための孔開けドリル１において、穿孔部８の砥粒部１２には、側面が削がれた切り欠きであって、切り屑を排出するためのチップポケット１１ａ、１１ｂが両側に形成されると共に、砥粒部１２の先端面１３が凸曲面となっている。【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス等の硬脆材料に小孔を開けるための孔開けドリルに関する。

従来、ガラス、石英、シリコン、セラミック等の硬脆材料に小孔を開けるための孔開けドリルとしては、鋼製のシャンクの先端にダイヤモンド等の砥粒が付着された穿孔刃を設けた孔開けドリルが多数提供されている。

このような孔開けドリルとしては、軸中心に貫通孔が形成されたコアドリルや、貫通孔の形成されていないノンコアドリルが提供されており、下記特許文献１乃至４に開示されている。

特開平７−３２２０５号公報特開２００６−３０５６７２号公報特開２００８−１５５３１０号公報特開２００８−２６５０１７号公報

ところが、コアドリルでは、軸中心に貫通孔を形成する必要があるため、ドリルの穿孔刃の細径化に限界があり、直径１ｍｍ以下の極小径の孔形成加工が困難であった。また、ノンコアドリルでは、コアドリルと比べて細径化は容易であるが、硬脆材料の切り屑がドリルに付着して工具が折損する問題や、穴の出入口にコバ欠けや割れが発生し易いという加工精度の問題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、高精度に小径孔の加工形成が可能な耐久性の高い孔開けドリルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る孔開けドリルは、シャンクと、先端に砥粒部が形成されて前記シャンクの先端側に設けられた穿孔部とを備え、硬脆材料に孔を開けるための孔開けドリルにおいて、前記穿孔部の前記砥粒部には、側面が削がれた切り欠きであるチップポケットが両側に形成されると共に、前記砥粒部の先端面が凸曲面となっていることを特徴とする。

本発明に係る孔開けドリルによれば、小径孔を高精度に形成できると共にドリルの寿命を大きく伸ばすことができる。

本発明の実施形態に係る孔開けドリルの正面図である。本発明の実施形態に係る孔開けドリルの側面図である。本発明の実施形態に係る孔開けドリルの平面図である。本発明の実施形態に係る孔開けドリルの斜視図である。本発明の実施形態に係る孔開けドリルによる加工穴数とコバ欠けの最大サイズとの関係を示す図である。図６（ａ）は１５０回目のステップ加工時の、図６（ｂ）は１５０回目のノンステップ加工時の、加工深さ毎のスラスト力の変化をそれぞれ示すグラフである。図７（ａ）はステップ加工、図７（ｂ）はノンステップ加工を、それぞれ１５０回繰り返した各穴の欠け幅のグラフと、１５０回目の孔開けドリルの損傷状態を示す顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための孔開けドリルを例示するものであって、本発明は孔開けドリルを以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施の形態、実施例において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。

図１は、本実施形態に係る孔開けドリルの正面図、図２は、本実施形態に係る孔開けドリルの側面図、図３は、本実施形態に係る孔開けドリルの平面図、図４は、本実施形態に係る孔開けドリルの斜視図を、それぞれ示している。

孔開けドリル１は、鋼製であり、基端側から、チャック等で器具や装置に固定される部分である円柱形状のシャンク５と、被削材を貫通する略円柱形状の穿孔部８とを備えている。

穿孔部８の先端部１０の両側面には、両側から側面が削がれた切り欠きであって、切り屑排出用のチップポケット１１ａ、１１ｂが形成されている。また、孔開けドリル１の回転軸に垂直な断面で見たときには、図３に示すように、このチップポケット１１ａ、１１ｂは、先端部１０の両側が弓形に削られることで形成されている。

このように両側にチップポケット１１が形成されて細くなった先端部１０には、ダイヤモンド砥粒が付着された砥粒部１２が形成されている。この砥粒部１２は、先端部１０の先端から基端近傍まで形成されている。また、先端部１０の先端面１３は、半球状の凸曲面となっており、この半球面の半径ｒは先端部１０（穿孔部８）を構成する円柱の半径と同じである。なお、本明細書において「球面」とは、完全な球面を要求するものでなく、ほぼ球面、例えば先端面が点接触する程度の曲面であれば足りる意味で使用する。

このような構成の先端部１０のチップポケット１１は、円柱状の先端部の両側面を放電加工機によって放電加工することによって形成することができる。また、先端面１３の半球面は、ＮＣ旋盤を用いた切削加工により形成できる。砥粒部１２は、ダイヤモンド砥粒をＮｉ電着することで形成できる。なおチップポケット部分の加工精度を上げるために、研削砥石を用いて形成することもできる。

続いて、孔開けドリル１のサイズについて説明する。孔開けドリル１の全長は２８ｍｍであり、シャンク５の直径は３ｍｍである。穿孔部８の全長は１０ｍｍ、直径は１ｍｍであり、先端部１０は穿孔部８の先端から３．５ｍｍの位置まで形成されており、チップポケット１１の全長は３．５ｍｍとなる。

砥粒部１２は、先端部１０の先端から３ｍｍの位置まで形成されており、半球状の先端面１３の半径ｒは０．５ｍｍである。もちろん、孔開けドリル１のサイズや、チップポケット１１、砥粒部１２及び先端面１３の形成方法は、適宜変更可能である。

ただし、先端面１３の球面の半径ｒが小さ過ぎたり、大き過ぎたりすると、切り屑をチップポケット１１へと適切に案内できなくなったり、コバ欠けの発生を抑えられなくなったりして加工精度が低下する。したがって、先端面１３の球面の半径ｒは、穿孔部８の円柱の半径をｒ₁としたときに、好ましくは０．１ｒ₁＜ｒ＜１．０ｒ₁、より好ましくは０．３ｒ₁＜ｒ＜０．６ｒ₁、最もより好ましくは０．３ｒ₁＜ｒ＜０．５ｒ₁とする。また穿孔部８の円柱の半径ｒ₁は、小口径を意図するのであれば２ｍｍ以下とすることが好ましい。

以上、孔開けドリル１の構成について説明したが、続いて、上記孔開けドリル１により硬脆材料に小孔を開ける場合の作用について説明する。本実施形態では、厚さ２．８ｍｍのガラス板に直径１ｍｍの小孔を開ける場合を例に挙げて説明する。なお、加工条件は、ステップ送り加工、主軸回転数１５，０００ｒｐｍ、送り速度１ｍｍ／ｍｉｎ及びステップ量０．１ｍｍ／ｓｔｅｐである。

孔開け機にセットされた孔開けドリル１を徐々に下降させると、まず、先端面１３がガラス板に到達し、その頂点がガラス板の上面に接触する。さらに、孔開けドリル１を下降させると、先端面１３のダイヤモンド砥粒によりガラス板表面が削られ、孔開けドリルの降下に従って徐々に小孔が形成されていく。

このとき、ガラス板が削られることで発生する粉状の切り屑は、先端面１３の球面に沿ってチップポケット１１ａ、１１ｂへと案内される。小孔が掘り進められるに従って、チップポケット１１に案内された切り屑はチップポケット１１の基端側から順次排出される。

そして、先端面１３がガラス板の下面まで到達してガラス板を貫通すれば、貫通穴である小孔が完成する。このように、本実施形態では、孔開けドリル１の先端が凸状球面となっているため、孔開けドリル１によって徐々に穴が拡がって開けられていく。よって、平面状のドリル先端によって一気に穴が開けられる場合と比べて、穴の出入口に発生するコバ欠けや割れの発生を抑えることができる。

また、本実施形態では、先端部１０の両側面にチップポケット１１ａ、１１ｂが形成されているので、先端面１３の切削によって発生する切り屑がチップポケット１１に収容されて排出される。これにより、切り屑が孔開けドリル１とガラス板との間に滞留することを抑えることができる。

切り屑が滞留して砥粒部１２に付着すると、切削性能が低下し、大きなコバ欠けや割れの発生の原因となってしまうが、本実施形態では、このような事態の発生を防止し、加工精度を大きく向上させることができる。

また、切り屑の滞留は、孔開けドリル１の損傷につながりやすいが、本実施形態のように切り屑の排出性を向上させることで、損傷を抑え、孔開けドリル１の寿命を大きく延ばすこともできる。また、切り屑による孔開けドリル１の損傷が少ないため、穿孔部８の細径化も可能となり、１ｍｍ以下の極小径の孔の形成を行うことができる。また、切り屑の滞留によるスラスト力（軸方向の力）の増加も抑えることができる。

さらに、本実施形態では、チップポケット１１を形成すると共に孔開けドリル１の先端面１３を球面とすることで、切り屑が先端面１３に沿ってチップポケット１１へと案内されることになり、それぞれの切り屑の排出作用が相俟って、切り屑の排出機能を格段に向上させている。

続いて、本実施形態による加工精度向上の効果について、図５を参照しながら説明する。図５は、本実施形態に係る孔開けドリルによる加工穴数とコバ欠けの最大サイズとの関係を示す図であり、横軸が穴の加工回数、縦軸がコバ欠けの最大サイズを示している。

なお、同図において、黒色の四角が小孔入口に発生したコバ欠けの最大サイズ、白色の四角が小孔出口に発生したコバ欠けの最大サイズを示しており、小孔の加工回数が30回までの結果を示している。

同図に示すように、本実施形態においては、小孔の入口及び出口の双方において、コバ欠けの大きさを略０．１ｍｍ以下、平均で０．０７ｍｍ程度に抑えることができており、孔開けドリル１による加工精度の高さが示されている。

以上、本実施形態に係る孔開けドリルについて詳細に説明したが、本実施形態によれば、切り屑の排出作用を向上させることで、コバ欠けの発生を抑え、高精度な加工が可能で耐久性の高い孔開けドリルを提供することができる。
（ノンステップ加工）

また、上記の例ではステップ送り加工を行った例について説明したが、ステップ送りを省いて加工することも可能である。すなわち、ステップ送り加工は、送りを数回に分けて加工する穴あけ方法であって、切り屑の切断を図り、切り屑詰まりや孔開けドリルの折損を防止する目的で、主として深穴加工に用いられている。本実施の形態によれば、チップポケットを設けたことで、このようなステップ送りを行わずとも切り屑の排出が可能となっている。このことを実証するために、上記の孔開けドリルを用いて、ステップ加工と、ステップ可能を行わないノンステップ加工とで、それぞれ孔開けドリルを洗浄せずに１５０回の穿孔を繰り返した比較試験を行った。この結果を図６（ａ）、（ｂ）〜図７（ａ）、（ｂ）に示す。これらの図において、図６（ａ）、（ｂ）は１５０回目の穿孔時における加工深さ毎のスラスト力の変化を示すグラフである。また図７（ａ）、（ｂ）は、１５０回の各穿孔における、穴の入口側（○で示す）と出口側（△で示す）の欠け幅を示すグラフと、１５０回目の孔開けドリルの損傷状態を示す顕微鏡写真を、それぞれ示している。またいずれの図においても、（ａ）はステップ加工を行った例、（ｂ）はノンステップ加工の例を示している。さらに加工条件として、各孔開けドリルの砥粒粒度を＃６００、主軸回転数を１５０００ｍｉｎ^-1、送り速度を１ｍｍ／ｍｉｎとした。さらにまた、ステップ加工を行う際のステップ送りを０．１ｍｍ／ｓｔｅｐとした。さらに加工対象物は材質をソーダライム系ガラスとし、その厚さを２．８ｍｍとした。

まず図６（ａ）、（ｂ）に示すように、ノンステップ加工の場合は孔開けドリルの挿抜動作を繰り返す作業を省くことができるため、加工時間をほぼ半分に短縮できた。また、スラスト力は、穿孔の直前を除いてほぼ一定に維持された。このように、本実施の形態に係る孔開けドリルを用いることで、孔開けドリルを穴から引き出して切り屑を掻き出す動作を省いても穿孔が可能であり、また穿孔作業工程をより単純化して安定的な穿孔を行うと共に、作業時間を短縮できる利点が得られることが確認された。

さらに図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ステップ加工の場合は穿孔回数の増加と共に、出口側での欠け幅が増加していく一方で、ノンステップ加工の場合は、ほぼ０．１ｍｍ以下で一定に維持できることが確認された。特に電着で砥粒部が形成された孔開けドリルの場合は、ステップ加工で孔開けドリルを引き出す際に穴の端縁に大きな砥粒が触れて、欠けが生じる可能性があったが、このような複数回のステップ送りを省くことで、損傷の可能性を大幅に低減して、仕上がりの綺麗な高品質の穿孔が可能となることが確認できた。

また顕微鏡写真から、孔開けドリルの損傷の程度は、孔開けドリルの砥粒の摩耗量が少ないことから判別し難いものの、切り屑の付着状況、すなわち切り屑排出能力の相違は確認できる。図７（ａ）に示すステップ加工と図７（ｂ）に示すノンステップ加工とを比較すると、各孔開けドリルの先端部（半球の頂点付近）の切り屑の付着については、相違は余り見られない。一方で、ノンステップ加工では図７（ｂ）に示すように、チップポケットに切り屑が堆積している。これは、ステップ送りを用いていないために切り屑の逃げ場が、チップポケットが大半を占めるためと考えられる。ステップ加工では孔開けドリルの引上げ時にも切り屑が排出されるため、図７（ａ）に示すステップ加工ではチップポケットの切り屑が少ない。このように、チップポケットは切り屑を外部に排出するための空間となっていることが確認できた。また、切り屑の付着を防止するためには、適度な孔開けドリルの洗浄が有効と考えられる。
（加工時間）

さらに加工時間を短縮するために、ノンステップ加工時の送り速度を１ｍｍ／ｍｉｎから、２ｍｍ／ｍｉｎ及び５ｍｍ／ｍｉｎに変更した試験を行った。ここで主軸回転数は１５０００ｒｐｍとした。ただし、加工深さ２．６ｍｍ〜３．４ｍｍまでの送り速度は１ｍｍ／ｍｉｎである。この試験結果を、送り速度と欠け幅の関係として表１に示す。

送り速度を１ｍｍ／ｍｉｎとした場合（従来の実験条件）、加工時間は約２００秒であった。入口及び出口の欠け幅の大きさは約０．０５ｍｍであった。

これに対し、送り速度を２ｍｍ／ｍｉｎとした場合、加工時間は約１２０秒であった。入口及び出口の欠け幅の大きさは、それぞれ０．０６ｍｍ及び０．０４ｍｍであった。送り速度１ｍｍ／ｍｉｎと比べ、欠け幅はほぼ同じ大きさであり、加工時間は約６０％に削減できた。

次に送り速度を５ｍｍ／ｍｉｎとした場合、ガラスは割れ、孔開けドリルは折損した。この原因は、１回転当たり進行する距離が大きいために（１ｍｍ／ｍｉｎで０．０６７μｍ／ｒｅｖ、５ｍｍ／ｍｉｎで０．３３μｍ／ｒｅｖとなる）、ガラス及び孔開けドリルへの負荷（スラスト力）が大きくなったためと考えられる。

以上の通り、本実施例に係る孔開けドリルにおいて、ステップ加工よりもノンステップ加工が好ましく、また適度な送り速度の増加によって、加工精度を保ちながら加工能率を向上できることが確認された。
（工具寿命）

ここでノンステップ加工時の実験条件は、送り速度１ｍｍ／ｍｉｎ、主軸回転数１５０００ｒｐｍとした。孔開けドリルは２本用意し、１本は５０穴ごとに孔開けドリルの洗浄を行い（工具Ａ）、もう１本は孔開けドリルの洗浄を行っていない（工具Ｂ）。工具Ａの欠け幅は０．１ｍｍ以下をほぼ一定で推移するが、工具Ｂの欠け幅はばらつく。ここで孔開けドリルの寿命を、出口の欠け幅が０．１ｍｍ以上となったときと仮定すると、工具Ａの加工穴数は工具Ｂに比べ、３倍以上となった。このように、本実施例に係る孔開けドリルの切りくず排出性は優れているものの、少量の切りくずは加工領域に残留することから、工具洗浄を適宜実施することで工具寿命が延びることが確認できた。

なお、本発明の実施の形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、穿孔部の先端面を球面としたが、球面以外であっても凸曲面であれば、同様の作用効果を奏することができる。

本発明に係る孔開けドリルは、ガラス等の硬脆材料に小孔を開けるドリルとして好適に利用できる。

１…孔開けドリル
５…シャンク
８…穿孔部
１０…先端部
１１、１１ａ、１１ｂ…チップポケット
１２…砥粒部
１３…先端面

Claims

シャンクと、先端に砥粒部が形成されて前記シャンクの先端側に設けられた穿孔部とを備え、硬脆材料に孔を開けるための孔開けドリルにおいて、
前記穿孔部の前記砥粒部には、側面が削がれた切り欠きであるチップポケットが両側に形成されると共に、前記砥粒部の先端面が凸曲面となっていることを特徴とする孔開けドリル。
請求項１に記載の孔開けドリルであって、
前記先端面が略球面状であることを特徴とする孔開けドリル。
請求項２に記載の孔開けドリルであって、
前記穿孔部が半径ｒ₁の略円柱形状であり、球面の半径ｒが、ｒ₁と略等しいことを特徴とする孔開けドリル。