JPWO2014073610A1 - ドリル及び穿孔の形成方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1には、このような繊維強化複合材の穴あけに用いるドリルが記載されている。
この樹脂軟性化により樹脂剥離がしやすくなり、さらに先端刃の切れ味が低下する。これにより、炭素繊維の一部が切断されずに残り非切断長尺繊維が増大する。また、この非切断長尺繊維が回転工具に巻き込まれて引っ張られることによる被加工部材の破断や、非切断長尺繊維の残存による毛羽立ちが発生するので、加工品質が著しく低下する。
この場合は、ドライ加工となる。この冷却油の供給無しの切削による急激な温度上昇によって樹脂が劣化する。また、穴あけで発生する切屑は、非常に硬い微細粉を大量に含むことから、工具の刃先摩耗が急速に進み切れ味が低下し、これがデラミネーション等の発生を助長する。さらに、飛散した微細粉が人体への悪影響(例えば「じん肺」)や、周辺機械への悪影響(例えば「滑り面の摩耗」)を及ぼす。
(1)切屑は、極めて微細な微細粉状態で噴出し空気中に飛散しながら大量に排出される(本願の図5(従来ドリル)参照)。これは、マージン(7)と切削壁との間に入った切屑が、粉挽き臼のように磨り潰されて微細な微細粉が生成されているからである。この微細粉の飛散現象は、湾曲した二枚刃を有しており溝をストレート溝としたドリル(例えば、特開2010-214478公報)においても同様に発生する。穴あけ時のスラスト力はすべて刃先にかかるので、F(機械側スラスト力)=f(切り刃スラスト力)となる。
本発明の第1の態様に係るドリルは、
後部側をシャンク部とし前部側を切削部とするドリル本体と、
前記切削部に形成された第1のランド〜第nのランドと、
この第1のランド〜第nのランドのランド間に形成された第1の切削部溝〜第nの切削部溝と、
前記切削部の先端に設けられた被加工材に先行切削穴あけを行うパイロット刃と、
このパイロト刃に続いて前記第1のランド〜第nのランドに形成された、前記先行切削穴を拡径切削しながら螺旋凸部位を形成して行く、拡径螺旋山の山群からなる拡径螺旋山部と、
この拡径螺旋山部に続いて前記第1のランド〜第nのランドに形成された、前記螺旋凸部位を切削して平壁面仕上とする、山の高さが同じ仕上螺旋山の山群からなる仕上螺旋山部と、
前記拡径螺旋山および前記仕上螺旋山の螺旋山と螺旋山の間に、前記第1の切削部溝〜第nの切削部溝の隣の切削部溝同士を連絡する形態で形成された螺旋谷と、
前記拡径螺旋山と前記第1の切削部溝〜第nの切削部溝の溝面とによって形成された該拡径螺旋山の山縁部位である、前記パイロット刃によって切削形成された先行切削穴を分断拡径切削ないし分割拡径切削して行く拡径刃の刃群からなる拡径螺旋刃部と、
前記仕上螺旋山と前記第1の切削部溝〜第nの切削部溝の溝面とによって形成された山縁部位である、前記拡径螺旋刃部によって切削形成された拡径切削穴を分断仕上切削ないし分割仕上切削して行く仕上刃の刃群からなる仕上螺旋刃部と、を備えてなる
ことを特徴とする。
「第1のランド〜第nのランドのランド」および「第1の切削部溝〜第nの切削部溝」は、直線形態であるもの、わずかにねじれ形態であるもの、螺旋形態(スパイラル形態)であるものが技術的範疇に含まれるものである。
前記第1の切削部溝〜第nの切削部溝のうち前記サイドスルー溝の連通の無い切削溝が非連通切削部溝とされ、
前記パイロット刃が形成されている部位に、前記連通切削部溝と前記非連通切削部溝を直接に連通する切削部溝連通凹部が形成されていて、
前記連通切削部溝に流入した前記クーラントが、前記切削部溝連通凹部を通り前記非連通切削部溝に流入し切削穴の入口から排出されるようにされ、
前記第1の切削部溝〜第nの切削部溝の溝形態が、前記サイドスルー溝からの前クーラントが前記パイロット刃に供給されるストレート溝形態あるいは弱ねじれ溝形態であることを特徴とする。
クーラントは、エアー、エアー以外のガス、ミスト、潤滑液、潤滑剤、水、研削油剤、切削剤などである。
前記仕上螺旋山部の所望の外径寸法の位置である前記仕上刃の山頂の山頂幅を、P/8よりも幅広であるP/8+αとし、前記山頂幅を前記P/8+αとするための尖がりねじ山がねじ研削によって形成され、
前記尖がりねじ山の外径研削によって、前記P/8+αの山頂幅である前記所望の外径寸法が得られる位置に、前記尖がりねじ山が形成されてなることを特徴とする。
前記仕上螺旋山部の所望の外径寸法位置である前記仕上刃の山頂の山頂幅を、P/n+αとしたことを特徴とする。
前記被加工材面に当接するワーク面当接開口部、このワーク面当接開口部から延長された筒状部、この筒状部に設けられた吸引装置が接続される吸引口、前記筒状部の後部側に設けられた前記シャンク部あるいは前記他の部材を通しかつ前記鍔部が通らない形態のシャンク側通し部とを備えてなる、切削穴の入口から排出される切屑を吸引する吸引カバーを設ける、あるいは取り付け可能とし、
前記シャンク側通し部の縁の前記鍔部への当たりによって前記前部側への移動が止められ、前記ワーク面当接開口部の前記被加工材面への当接によって、切削送りに伴う前記吸引カバーの後部側への移動が可能とされてなることを特徴とする。
そして、本願発明に係るドリルを使用すると、顆粒状切屑はマージンが在る場合にはその殆どがマージンへ入ることなく、螺旋谷へ円滑に流入し切削部溝へ排出される。そのため、顆粒状切削屑は殆ど磨り潰されることなく(微細紛体になることなく)顆粒状態のまま切削穴入口から緩やかに排出されて行く。
よって、マージンと切削穴壁との間に切屑が入ることが極めて少ないので、マージンと切削穴の壁との間の接触圧力が上昇しない。従って、発熱により温度が著しく上昇することや、切削刃先の摩耗が著しく促進されることもない。
本願発明に係るドリルを用いて穴あけを行うと、発熱が少なく、ドリルと切削穴壁との接触圧力が低いので、軟化や溶融・融解が起こらずデラミネーションも発生しない。そのため、硬質状態での切削が切削工程全体を通して行われる。また、螺旋山部の仕上げのために、多数の仕上刃によって仕上のための切削が行われて行く。これにより、FRP等の加工の難しい材料であっても、デラミネーション(層間剥離)、表面剥離、未切断の繊維によるバリ、または樹脂や繊維の欠損の少ない、高品位な切削穴(穿孔)の加工が可能となる。
また、拡径螺旋山部の切削動作は食付き切削動作であるので、拡径螺旋山部によって直進性が確保される。よって、直進性のために設けられる従来ドリルの必須の構成要件であるマージンを、パイロット刃、パイロット刃および拡径螺旋山部あるいはパイロット刃、拡径螺旋山部および仕上螺旋山部に有さないドリルを可能としている。 本発明に係る穿孔の形成方法も上記した効果と同様の効果を得ることができる。
本発明のドリルの拡径螺旋山部および仕上螺旋山部の螺旋山形態(螺旋形態、山形状、谷形状)は、多様な螺旋山形態をその技術的範疇としている。その中には、ねじ規格(例えばJIS規格)の螺旋山形態のものも含まれる。
図1〜図7に示す本発明の実施例1において、1はドリルであってドリル1は次のような構成となっている。
ドリル本体4は、後部側に設けられたシャンク部2と前部側に設けられた切削部3を有している。
切削部3には第1のランドA〜第4のランドDが形成されており、この第1のランドA〜第4のランドDの間には、第1〜第4の切削部溝5a〜5dが設けられている。第1〜第2の切削部溝5a〜5dは、ドリル本体4の軸方向に伸びており、第1のランドA〜第4のランドDをそれぞれ分離している。
第1のランドA〜第4のランドDには仕上螺旋山部12が形成されている。
切削部3の先端には、回転して切削することにより被加工材S(「被切削材」、「被穿孔材」ともいう。)に先行切削穴をあける〈初期穿孔する〉ための、仕上螺旋山部12の外周径より小径のパイロット刃6が設けられている。このパイロト刃6に連絡され前記後部側に行くに従って径が大きくなり、切削溝部5a〜5dにより分断されており、仕上螺旋山部12に向かって伸びる拡径螺旋山AK1〜DK4(図2参照)が形成されている。拡径螺旋山AK1〜DK4は、食付き切削動作により先行切削穴を拡径切削しながら、螺旋凸部位20を形成して行く。拡径螺旋山AK1〜DK4の山群を総称して、拡径螺旋山部9と称する。
この拡径螺旋山部9に続いて第1のランドA〜第4のランドDに、山の高さが同じであり、4本の切削溝部5a〜5dにより分断された、前記螺旋凸部位を切削して平壁面仕上とする、仕上螺旋山AF1〜DF5(図2参照)が形成されている。この複数の仕上螺旋山AF1〜DF5の山群を総称して、前記した仕上螺旋山部12と称する。
拡径螺旋山AK1〜DK4および仕上螺旋山AF1〜DF5の軸方向に隣接する各山の間には、第1〜第5の切削溝5a〜5dの隣接する切削溝同士を連絡するように形成された螺旋谷14を備えている。
パイロット刃6のパイロット刃の切れ刃51は、拡径螺旋山AK1〜DK4と第1の切削部溝5a〜第4の切削部溝5dの溝面との交線によって形成された該拡径螺旋山AK1〜DK4の山縁部位(パイロット刃のすくい面52とパイロット刃の逃げ面50の交線部位)により形成される。(図12参照)
穴あけに際しては、まず、このパイロット刃6によって先行切削穴が切削形成され、拡径螺旋山AK1〜DK4の拡径刃の刃群からなる拡径螺旋刃部18により、この先行切削孔の径を拡げるように切削(「拡径切削」と称する)しながら螺旋凸部位を形成して行く、すなわち食付き切削動作で拡げるよう切削して行く。このようにして、形成された切削穴を拡径切削穴と称する。
仕上螺旋刃部19は、仕上螺旋山AF1〜DF5と第1の切削部溝〜第4の切削部溝の溝面との交線部に形成される複数の仕上刃からなる刃群の総称である。この仕上刃は、仕上螺旋山AF1〜DF5の山縁部位(すくい面と逃げ面の交線部位)に形成される。拡径切削穴は仕上螺旋刃部19により切削されることにより、螺旋凸部位が切削された滑らかな壁面(「平壁面仕上」と称する)の最終穴に仕上げられる。
切削時のドリルの送り量は、ドリルが被加工材を切削することにより形成される切削穴の壁面に、螺旋凸部位20が形成されず、平らな壁面に仕上がりとなる送り量に設定する。送り量と仕上螺旋刃部の関係は、後述する。
なお、この実施例では、切削溝を4本設けているが、本発明はこれに限定されることなく、切削溝を2〜3本設けても、または4本以上設けても良い。
シャンク部2をチャッキングしたチャック装置22(図8参照)側から供給されるクーラントの一種である冷却・切屑排出用エアー、ドライアイスガス、窒素ガスやこれらの混合ガスを含む冷却・切屑排出用ガスGが、サイドスルー溝21a、21bを通り「連通切削部溝」に流入案内されてパイロット刃6にまで到達供給される。
第1の切削部溝5a〜第4の切削部溝5dの溝形態が、サイドスルー溝21a、21bからの冷却・切屑排出用ガスが、略直線的にパイロット刃6に供給されるストレート溝形態あるいは弱ねじれ溝形態(例えば、1度〜5度)である。
切削部溝連通凹部23aは第2の切削部溝5bと第3の切削部溝5cを直接に連通し、切削部溝連通凹部23bは第2の切削部溝5bと第1の切削部溝5aを直接に連通している。
切削穴が非貫通状態にあっては「連通切削部溝」に流入した冷却・切屑排出用ガスGが、切削部溝連通凹部23a、23bを通り「非連通切削部溝」に流入し、切削穴の入口から切屑を含んで排出されるようにされる。
即ち、図4の上図に示すように、切削部溝が直溝(ストレート溝)の場合は、特に拡径螺旋刃部18において、ドリル進行方向に発生する応力F3が刃先に傾いて作用するため、回転方向に発生する応力F2と進行方向への応力F1とに分かれて無用な応力が発生する。
しかるに、図4の下図に示すように、第1の切削部溝5a〜第4の切削部溝5dが左ねじれ溝の場合は、特に拡径螺旋刃部18において、進行方向に発生する応力F3が拡径螺旋山AK1〜DK4の拡径刃(刃先)に直角に作用するため、回転方向への応力F2はドリル進行方向に発生する応力F1と同一になり、スラスト方向への応力F3は発生しない。
パイロット刃6の終端外径は前記拡径螺旋山部9の先端外径と同じであることによって、パイロット刃6によって切削形成された先行切削穴に最初に食い込む拡径刃の食い込み量を浅い食い込み量にできるので、その切削抵抗を小さくしその耐久性を向上させている。
クーラントは冷却・切屑排出用ガスに限られものではなく、ミスト、液体でもよい。被切削部材の加工条件、使用、環境、生産性などによって最適なクーラントを選択すればよい。
四角部24の4角はシャンク部2の外径より若干小さくする。これは、軸研削のときの砥石の摩耗を防ぐことと、軸のバラツキをなくすためのものである。対抗関係にある二つの角に直線形態のサイドスルー溝21a、21bを形成し、このサイドスルー溝21a、21bの真下に切削部溝が形成されている。
四角部24は、主に再研削の際に螺旋山の出発点を見出すために必要であるが、四角部のない丸棒シャンク部でもよい。
例えば、1ピッチ=1.0mm、呼び径6mmで、1回転当りの送り量を0.1mmとした場合では、螺旋凸部位は1回転するごとに仕上螺旋刃部によって0.1mmずつ削り取られて行く。よって、10回転目で全て切削されて螺旋凸部位の無い穿孔が形成される。
実際には、一般的なドリルはその発熱量等の理由から送り量は通常0.05mm〜0.2mmであり、本発明のドリルにおいては0.05mm〜0.4mmの送り量が適当である。
手動ドライバーで0.2mm以上の送り量操作では、ドリルの破損を作業者が身体で感じるほどの強いスラスト抵抗となって行くので、0.2mmを超えるような送り量での使用にはならず、手動では0.05mm以下が操作者の身体が安全と感じる適当な送り量である。
逃げ面16および逃げ面17によって、切削壁面との接触する部位を可能なかぎり少なくし、刃先に切れ味を鋭いものにし、拡径螺旋山AK1〜DK4および仕上螺旋山AF1〜DF5の稜線に切屑がとどまることのないようにしている。
ドリル1のように4枚刃の場合は第1のランドA〜第4のランドDの刃は0.25ピッチずらして切削するのがよい。
また、切削部溝は偶数とすることにより全ての切削部溝を切削部溝連通凹部で連通された連通切削部溝と非連通切削部溝にできるので、冷却・切屑排出用ガスGによる全ての切屑の偏りのないスムーズな排出移動と回収を実現し、切削部を偏りなくその隅々までくまなく効率的に冷却することができる。
ランドおよび切削部溝は本実施例の4つ形態に限定されず、2つ形態、3つ形態、5つ形態、6つ形態それ以上の形態のものでもよい。姿勢安定性からランドおよび切削部溝を偶数とするのが好ましい。
しかるに、ねじの規格とは異なる山頂幅、谷底幅、山高さ、谷深さ、螺旋線形態、山形状のものにするのもよい。特に、拡径螺旋山部9および仕上螺旋山部12の山頂幅を、ねじ山の山頂幅であるP(ピッチ)/8よりも広くすることが、送り量の自由度を広げることができる。
また、谷底を浅くすることにより、工具の剛性を高めることができる。
ガラス繊維強化プラスチック(GFRP):比較的安価で、電波透過性に優れる。
炭素繊維強化プラスチック(CFRP):アルミニウム合金の後継材料として使用される。
ボロン繊維強化プラスチック(BFRP):強度、対弾丸性が大きく、軍事兵器などによく使用される。
アラミド繊維強化プラスチック(AFRP,KFRP)アラミド繊維(ケブラー)による強化で耐衝撃性に優れる。
その耐熱性は、JIS−K−6911にて熱変形温度が200℃以上と定められている。
具体的には、従来ドリルの切屑は指に着け指間で擦ると、大量の微粉末を感じることができ、指から払い落としても皮膚の微細な隙間に微細粉が残り、さらに水洗いしても微細粉が落ちないで残るほどの大量の微細粉を含むものである。
これに対して、本発明の実施例であるドリル1の切屑は、微粉末の存在を感じることはできず、指から払い落とすと切屑は殆ど落とすことができ、さらに水洗いすると略完全に落とすことができるものである。
よって、切屑は微細粉を殆ど含まない顆粒状のものだけであると言っても過言ではないものである。
それは、吸引無しでの切削で排出される切屑が、ドリル1では空気中に殆ど飛散することなく穿孔の周りに推績されて行くのに対して、従来ドリルにあっては微細粉塵が空気中に飛散して行くことからも(図5参考)、指で穿孔入口と出口を撫でての粗さの少なさからも、その違いが一目瞭然であるものである。
また、切削温度がCFRPの樹脂が軟性化することのない低温度で加工できるので、CFRPの熱による劣化を回避でき、かつ切削穴の仕上を高品位のものにすることができる。
このときの切削送り量は、切削穴の壁面に螺旋凸部位が形成されない平璧面とする送り量であるので拡径切削は高品位な平壁面となる。
すなわち、炭素繊維の非切断長尺繊維の増大、該非切断長尺繊維の回転工具の巻引っ張りによる軟性化樹脂を付着させての破断、非切断長尺繊維の残存による毛羽立ちが発生しないか、あるいは発生し難い機構・動作を実現している。
すなわち、本発明のドリルは分断刃形態ないし分割刃形態のリーマ―部(仕上部)を有する分割リーマ―刃付ドリルである。
この切削時の回転のまま抜き動作をさせることによって、抜き動作時においても仕上螺旋山AF1〜DF5の仕上刃群による抜き動作切削が行われることになり、この抜き動作切削によって残っているわずかな毛羽立ちの刈取りが行われる。
実際、切削穴6mmを開ける本発明のドリルを使い、1回転あたり0.4mmの切削送り量で穴切削を行ったが、デラミネーションの発生は確認できない、良好な穴仕上げとなった。これは、炭素繊維用ドリル、鋼材用ドリルともに1回転あたりの送り量は0.05mm〜0.2mmであることからみると、格別で顕著なものである。
<ドリルの形状と表面処理>
*母材:超硬
*ドリル:呼び径6mm。
*パイロット刃の形状:
・ドリル刃(実施例1のパイロット刃6に相当)
・ボールエンドミルは(実施例5のパイロット刃43に相当)
*表面処理
・無処理品
・水素フリーDLCコート
・薄膜ダイヤDIAコート
*被加工材:CFRP(厚さ5mm、表面クロス織り、両面艶出し)
*主軸回転数:2500rpm
*切削速度:47m/min
*送り速度:125mm/min
*1回転当りの送り量:0.05mm/rev
*クーラント:無し
*切屑の除去:ドリルに掃除機の吸引ノズルを近づけての吸引
*固定サイクル:G18ノンステップ
*加工機:VKC45II(日立精機製)
無処理品:30穴を加工してもパリやデラミネーションが発生していないこと。
コート品:150穴を加工してもパリやデラミネーションが発生していないこと。
表面処理 パイロット刃 加工穴数 デラミネーションが
出始めた穴数
無処理品 パイロット刃43 200穴 50穴
DLC パイロット刃43 400穴 100穴
DIA パイロット刃43 2000穴 1400穴
DIA パイロット刃6 1400穴 400穴
また、DIAコートをしたパイロット刃43の2穴目(切削送り量0.05mm)の発熱温度Maxは62.41℃(切削開始前温度18.68℃)であり、発熱による温度上昇は43.73℃であった。温度測定条件は、赤外線サーモグラフィでドリルの温度お監視しながら、ドリルが切削を完了してドリル先端が切削入口に来た時の、最も高い温度である。
それは、切削タップを制作する装置および技術によって容易にドリルを制作できるからである。
ねじ研削によるドリルの制作とする場合は、仕上刃(仕上螺旋山AF1〜DF5)の山頂幅が前記P/8+αとなる位置まで山頂を削り取って形成するのがよい。
これは、ねじ研削の山頂切削をP/8よりも多く削り取ることによって容易に実現できるからである。
この場合は、所望の外径寸法(山頂幅をP/8+αとする位置)が得られる位置まで、有効径寸法(図7参照)を大きくすることによって実現することが容易にできる。
しかるに、ねじ研削によるドリル1の形成は、ねじ研削を行い全ての螺旋山の山頂幅がP/8あるいはP/8+αとし、次に拡径螺旋山部となる箇所に拡径螺旋山の傾斜をつける拡径螺旋山形成研削を行い、最後にパイロット刃を形成する。よって、拡径螺旋山は先端側に近付くほど山頂幅は広くなる。
具体的には、呼び寸法を所望の外径寸法Wとし、有効径寸法W2を所望の外径寸法Wを得られる大きさにし、ねじ山の高さH2を切削して低くすることで容易に実現できる。
山頂幅をP/8より0.1mm広くするには、H2を0.1×√3=0.173mm低くする。この場合、所望の外径寸法Dである呼び寸法を確保するために、ねじ研削の有効径寸法を0.346mm(0.173×2)(図7のG=0.173mm)大きくする。(図7参照)
山頂幅をP/8より0.2mm広くするには、H2を0.2×√3=0.346mmを低くする。この場合、所望の外径寸法である呼び寸法(外径寸法D)を確保するために、ねじ研削の有効径寸法は0.692mm(0.346×2)(図7のG=0.346mm)大きくする。(図7参照)
前記<請求項7記載の発明の効果>で説明したように、山頂幅をP/n+αは山頂幅P/8+αより広い山頂幅であり、切削自由度をますものである。
溝数n=4とした場合、山頂幅はP/4である。仕上刃はランド毎にP/4ずつピッチ(P)がずれることになるので、山頂幅がP/4以上すなわちP/4+αであれば、段差のない穿孔が可能となる。
螺旋凸部位20が切削されていく様子を、図6を参照して説明する。山頂幅がP/4で、P/4ずつ後行の仕上螺旋山の仕上刃で螺旋凸部位20を切削して行く状態は、第1ランドAの仕上螺旋山AF1とAF2の間に螺旋凸部位20が形成され、次に仕上螺旋山AF1の後行の第2ランドBの仕上螺旋山BF1で螺旋凸部位20の1/4が切削され、次に仕上螺旋山BF1の後行の第3ランドCの仕上螺旋山CF1で残る螺旋凸部位20の1/4が切削され、次に仕上螺旋山CF1の後行の第4ランドDの仕上螺旋山DF1で残りの螺旋凸部位20(残りの1/4)の全部が切削される。
ドリル1を使用しての穴あけはピッチと同じ送り量ではやらず、ピッチより小さい送り量で行うので、計算上では螺旋凸部位は残らず切削されるので、計算上ではαは必要ない。
しかし、実際には、ねじ研削時のピッチ誤差、角度誤差により山頂幅にバラツキが発生する。そうすると、このバラツキによる螺旋凸部位20の残痕が穿孔内に残される可能性が生ずる。また、送り量に個人差のある手動ドライバーによる穿孔加工のように、1回転あたりの送り量が不均一になる場合も、切り残しが発生する可能性がある。
そこで、α(0.01mm〜0.5mmの間)を加えた広めの山頂幅とすることで、前記のようなバラツキがあっても、穿孔内に螺旋凸部位(段差)が形成されないようにしている。
溝数をn、ピッチをPで表す。
山頂幅は(P/n+α)である。
αは、0.01mm〜0.5mmの範囲、好ましくは0.01mm〜0.3mmの範囲、より好ましくは0.01mm〜0.2mmとするのがよい。また、0.05mm〜0.5mmの範囲、0.05mm〜0.3mmの範囲、0.05mm〜0.2mmの範囲とするのもよい。これは、ピッチ誤差・角度誤差によるバラツキが出て、切り残しが発生するのを防止するためであり、山頂幅のバラつきを是正する程度で十分であることによる。
以下に、ピッチ:P、溝数:n、+αの具体的な関係例を下記に示す。
P n 山頂幅+(α) n 山頂幅+(α)
(mm) (本) (mm) (本) (mm)
1.0 3 0.3333+(0.1〜0.2) 4 0.2500+(0.1〜0.2)
1.25 3 0.4167+(0.1〜0.2) 4 0.3125+(0.1〜0.2)
1.5 3 0.5000+(0.1〜0.2) 4 0.3750+(0.1〜0.2)
1.0÷3=0.3333 1.25÷3=0.4167 1.5÷3=0.5000
1.0÷4=0.2500 1.25÷4=0.3125 1.5÷3=0.3750
よって、ねじ研削によって本発明のドリルを形成するのが技術的にも設備的にも好適である。
3本溝を採用する小径寸法のドリルとする必要がある場合、パイロット刃に切削部溝連通凹部23a、23bを設けると、ドリルの直進性に影響が出る場合には、切削部溝連通凹部23a、23bを設けずに、通常のドリルの先端形状にし、発生する切屑は外部よりの吸引のみで処理するのがよい。
しかるに、本発明のドリルはねじ山を形成するものでないので、先端を幅広とした砥石によって、ねじ谷よりも底幅の広い螺旋谷とすることが可能である。その砥石はねじ研削用のものよりも先端幅の広いものとなるので、砥石の持ちが良くなりドレス回数をねじ研削のものよりも減らすことができる。
すなわち、サイドスルー溝21a、21bから供給され第2の切削部溝5bおよび第4の切削部溝5dに流入した冷却・切屑排出用ガスGは、螺旋谷に流入し第1、第3の切削部溝5a、5cに流出し該第1、第3の切削部溝5a、5cを逆流して切削穴入口から排出されて行く。この際、冷却・切屑排出用ガスGは拡径螺旋刃部18の螺旋谷にも流入して冷却をするので、パイロット刃の熱も奪われ結果パイロット刃の発熱を低減させるものである。
図8に示す本発明の実施例2において実施例1と主に異なる点は、シャンク部2のチャック装置22にチヤツキングされない部分に、線部側(図では下部側)に鍔部27を有するガス飛散防止筒34が動かないように嵌着された構成とした点にある。
さらに、被加工材S面に当接するワーク面当接開口部28、このワーク面当接開口部28から延長された筒状部29、この筒状部29に設けられた吸引装置(図示せず省略)が接続される吸引口30、筒状部29の後部側(図では上部側)に設けられた、ガス飛散防止筒34は通しかつ前記鍔部27が通らない形態のシャンク側通し部31とを備えている。
切削穴32の切削穴入口35から排出される切屑を吸引する吸引カバー33を設けるか、あるいは取り付け可能とし、シャンク側通し部31の縁の鍔部27への当たりによって前部側への移動が止められ、ワーク面当接開口部28の被加工材S面への当接によって、切削送りに伴う前記吸引カバー33の後部側への移動が可能とされている。
また、切削穴32が貫通した瞬間においても、その切削穴出口36と非連通切削部溝である第1の切削部溝5a、第3の切削部溝5cとで形成される開口は、吸引装置の吸引により外の空気を吸い込む吸引口となるので切屑は飛散することなく外の空気とともに吸い込まれ、切削穴32が貫通した瞬間および後においても、切屑の飛散を防止できる。
鍔部27に変えて、シャンク部2の形成時に突出形成した鍔部を一体的に形成する形態もよい。この場合のシャンク側通し部31はシャンク部2に通される。
図9に示す本発明の実施例3において実施例1と主に異なる点は、拡径螺旋山部を実施例1のドリルの拡径螺旋山部9と同じ長さで、その螺旋谷47aの谷底が2度〜8度の傾斜角度線状に形成されてなる拡径螺旋山部40aとし、パイロット刃を実施例1のパイロット刃6よりも小刃径のパイロット刃39aとし、切削部を切削部41aとしてなる形態1のドリル42aを形成した点にある。
拡径螺旋山部40を2度〜8度の緩やかな傾斜としたことによって、該拡径螺旋山部40aの先端径は小さくなり、この小さくなった拡径螺旋山部40aの先端に同径のパイロット刃39aが設けられるので、該パイロット刃39aの刃径は小さいものになり、よって、切削抵抗(スラスト力)を小さいものにできる。
傾斜が緩くなった分だけ拡径螺旋山部の距離も長くなり、よって拡径螺旋山数も増え、その分1拡径刃の被加工材への食い込み量(切削深さ)も小さくなるので、拡径螺旋刃部のスラスト力(切削抵抗)を小さくできその耐久性も向上する。貫通孔形成に好適である。
図9の下図は、対比用に実施例1のドリル1を示したものであり、螺旋谷14の谷底は水平(0度)である。パイロット刃39がパイロット刃6に比べて小刃径であることが分かる。
図10に示す本発明の実施例4において実施例3の形態1のドリル42aと主に異なる点は、拡径螺旋山部を仕上螺旋山部12側に距離Sだけずらして、形態1のドリル42aでは仕上螺旋山である部位の一部の山を、拡径螺旋山とした拡径螺旋山部40cとした構成の形態3のドリル42cを形成した点にある。
この「距離S分のずらし」によって、拡径螺旋山部40cとパイロット刃39cとの連絡部位の幅Taを形態1のドリル42aの連絡部位の幅Tbより広くすることができ、パイロット刃39cの強度をあげることができる。
これは、パイロット刃が小さくなりすぎる懸念のある、6mm以下の細いドリルで有効な形態である。
図11に示す本発明の実施例5において前記実施例1と主に異なる点は、パイロット刃をボールエンドミル刃(又は、底刃付きのエンドミル刃でも良い)からなるパイロット刃43とし、切削部を切削部44として、シャンク部2にガス飛散防止筒45を嵌着してなるドリル46を形成した点にある。
パイロット刃43の高さHはH=r/3〜r/2とし、切削抵抗や摩耗による加工トルクの上昇を極力抑制している。
パイロット刃の形状、構造には多様な構成のものが含まれる。例えば、パイロット刃43のような膨らみ形湾曲形態ではなく、その逆の凹み形湾曲形態であるものなどがある。
図12に示す本発明の実施例6において実施例1と主に異なる点は、パイロット刃6の底刃のマージンが形成される部位(以下「マージン形成部位」という)、そのマージン形成部位がマージンではなく被加工材Sの切削面と接触しないようにするための1度〜5度の逃げ48を設けた点にある。
これにより、切れ味が増すようにし、切削抵抗を小さくし、切屑を磨り潰す面を少なくしている。
また、拡径螺旋山AK1〜DK4および仕上螺旋山AF1〜DF5にマージンが在る場合に同様の逃げ48を設けるのもよい。
ドリル形成当初からマージン部位を有さない逃げ面を形成するのがよい。
こうすることによって、摩耗によって逃げ48側が先に摩耗し、高硬質膜49は摩耗しにくいので、常に硬質膜49が切り刃を形成して行く、すなわち常に切れ刃が研がれて行く状態となり、よって切れ味が衰えないドリルとすることができる。
逃げ面50のパイロット刃の切り刃51に近接する部位ないし逃げ面50全体に高硬質膜49は施さない。マージンが在る場合には該マージンには高硬質膜49を施さない構成とするのもよい。高硬質膜49は施さない形態には、コーティングした高硬質膜49を後で研磨除去した形態、イオン粒子を衝突させるスパッタリング等で除去した形態等を含む。
硬質膜49をすくい面のみに設ける箇所は、パイロット刃、パイロット刃および拡径螺旋山部、あるいは切削部全体とする形態がある。
図13に示す本発明の実施例7において実施例1と主に異なる点は、パイロット刃をローソク型の刃先とするパイロット刃55とし、拡径螺旋山部をのこ刃形状の拡径螺旋山の群からなる拡径螺旋山部56と、仕上螺旋山部をのこ刃形状の仕上螺旋山の群からなる仕上螺旋山部57とした切削部8を形成し、ドリル59とした点にある。
のこ刃形状は、先行山面は略垂直(垂直でなくてもよい)で、後行山面が緩やかな傾斜面であるので、その表面積が大きい後行山面からの放熱をアップさせることができ、切削効率アップに寄与する。
ローソク型のパイロット刃55は、外周刃で切削しかつ向心性に優れているので、アラミド繊維等がCFRP材の表面についている場合には、効果的に切削を行うことができる。
のこ刃形状は拡径螺旋山部56の仕上螺旋山部57両方、あるはいずれか一方でもよい。
ねじ研削により形成されている仕上螺旋山部の切り刃の山頂幅はP/8である。この場合は、ドリルの送り量を山頂幅P/8より小さくすることによって、回転ごとに螺旋凸部位は仕上螺旋山部によって少しずつ切削されて行き、何回転かすると全部切削されて、螺旋凸部位の無い穿孔が形成される。
すなわち、従来ドリルによる切削屑は、払い落としても水洗いしても指の皮膚隙間に残るほど微細である。これに対して本発明のドリルによる切屑は、払い落しによっても、水洗によっても皮膚の隙間に殆ど残らないで落ちる大きさである。
切屑の吸引無しでの切削では、従来のドリルは微粉となった切屑が外気中に噴出飛散する。これに対して本発明のドリルによる切屑は、切屑は穿孔入口の周りに綺麗に推績山形態(蟻の巣の入口の推績山状態)に綺麗に盛られて行き、飛散は肉眼では確認できないものである。(図6のイメージ図参照)
そして、顆粒状切屑はマージンが在る場合にはその殆どがマージンへ無理して入ることなく、螺旋谷へ円滑に流入し切削部溝へ排出されため、顆粒状切削屑は殆ど磨り潰されることなく(微細紛体になることなく)顆粒状態のまま切削穴入口から緩やかに排出されて行く。
よって、マージンと切削穴壁との間に切屑が入ることが極めて少ないので、その接触圧力が上昇することが生じない。よって、発熱温度が著しく上昇することがなく、かつ切削刃先の摩耗が著しく促進されることもない。
発熱し難く、ドリルと切削穴壁との接触圧力が低いので、軟化や溶融・融解が起こらずデラミネーションも発生しない。よって、硬質状態での切削が切削工程全体を通して行われて、切削穴(穿孔)の仕上が高品位なものになる。
また、パイロット刃によって形成された先行切削穴は、拡径螺旋山部の多数の拡径刃(例えば、実施例1では、パイロット刃を加えた20枚の切り刃)によって、少しずつ分断拡径切削ないし分割拡径切削して行くので、切屑は顆粒状切屑で硬質状態を維持した、切屑同士がくっ付かない状態で効率よく円滑に螺旋谷へと入って隣の切削部溝へと円滑に流れて行く。
すなわち、炭素繊維の非切断長尺繊維の増大、該非切断長尺繊維の回転工具の巻引っ張りによる軟性化樹脂を付着させての破断、非切断長尺繊維の残存による毛羽立ちが発生しない、切削動作を実現している。
このことは、穿孔の入口、出口を指でなでてみることで、穿孔の入口、出口のいずれの側でも毛羽立ち、デラミ、縁の荒れが極めて少ないことで分かる。
切削屑を吸引装置(吸引時に外気も同時に吸引されるようにしたもの。)により吸引することもできる。この場合、切削開始時から切屑が飛散することなく、より確実に吸引されて行く。また、横穴を開ける場合、重い切削屑は落下して行くので、強靭な吸引力は必要ではない)切屑を下で受け止めつつ吸引する装置を設ければよい。
従来のドリルでは、その直進性を維持するためにマージン部が必須とされていた。しかし、本願発明によると、マージン部が無くても直進性を維持できるので、マージン部のないドリルを提供することが可能となった。
すなわち、パイロット刃、パイロット刃および拡径螺旋刃、あるいはパイロット刃、拡径螺旋刃および仕上刃の下流側である稜線側を、マージン部を有さない全て逃げ面(「逃げ」ともいう。)としたドリルを提供することが可能となった。
これらの、稜線側をマージン部の無い必要部位を全て逃げ面としたドリルによって、切れ味の持続化、スラスト抵抗の低減化、ラジアル抵抗の低減化、切削屑の粉挽き磨り潰し現象の解消が可能となる。
この構成にすると、強制的に噴入供給され強制的に切削部溝および螺旋谷を高速に流される冷却・切屑排出用ガスによって、切削部、切削穴の壁面および切屑は強力に冷却されるので、より低い温度での切削を実現する。よって、耐久性を著しく向上させることができる。また、寸法の点でも、面精度の点でも、より高精度の切削仕上げが可能となる。
また、クーラントの高速化によって切屑は高速で移動するので、切削壁面とドリルとの間の隙間または螺旋谷に切屑が溜まることなく排出される。
山頂幅がP/8では、実際上はピッチ誤差、角度誤差によるバラツキが出て、切り残しが発生する可能性がある。また、送りが一定となり難く送り量に個人差のある手動ドライバーによる穿孔加工のように、1回転あたりの送り量が不均一になる場合も、切り残しが発生する可能性がある。切り残しは穿孔面に螺旋状の凸部の形態で残るため、正回転のままではドリルを抜くことができないという不具合が生じる。
山頂幅をP/8+αとすることによって、このようなバラツキによる切り残しの発生を防止することができ、よって、正回転のままでのドリルの確実な抜き操作と、高品質な穿孔面を実現する。
切削送り量には個人差が生じる、人が直接手に持って穴あけ作業を行うドリルドライバによる穴あけであっても、広い山頂幅によって確実に螺旋凸部位の無い穿孔を実現するので、正回転のまま抜き操作が確実に行える。
例えば、切削部溝数n=6、P=1.0mmとした場合の山頂幅は1.0/6=0.16mm、切削部溝数n=4とした場合の山頂幅は1.0/4=0.25mm、切削部溝数n=3とした場合の山頂幅は1.0/3=0.33mm、切削部溝数n=2とした場合の山頂幅は1.0/2=0.5mmである。
すなわち、いずれの上記溝数でも、ねじ規格の山頂幅の1.0/8=0.125mmよりも広い山頂幅となるので、それだけ送り量の自由度が増すという効果を奏する。
切削送り量には個人差が生じる、人が直接手に持って穴あけ作業を行うドリルドライバによる穴あけであっても、広い仕上刃の山頂の山頂幅によって確実に螺旋凸部位の無い穿孔を実現するので、正回転のまま抜き操作が確実に行える。
山頂幅がP/nでは、実際上はピッチ誤差、角度誤差によるバラツキが出て、切り残しが発生する可能性がある。また、送り量に個人差のある手動ドライバーによる穿孔加工のように、1回転あたりの送り量が不均一になる場合も、切り残しが発生する可能性がある。切り残しは穿孔面に螺旋状の凸部として残り、正回転のままではドリルを抜くことができないという不具合が生じる。
山頂幅をP/n+αとすることによって、このようなバラツキによる切り残しの発生を防止することができる。これにより、正回転のままでのドリルの確実な抜き操作と、高品質な穿孔面を実現するという効果を奏する。
被加工材面に当接するワーク面当接開口部、このワーク面当接開口部から延長された筒状部、この筒状部に設けられた吸引装置が接続される吸引口、筒状部の後部側に設けられたシャンク部あるいは他の部材を通しかつ鍔部が通らない形態のシャンク側通し部を備える、切削穴の入口から排出される切屑を吸引する吸引カバーを設けて、
シャンク側通し部の縁の鍔部への当たりによって前部側への移動が止められ、ワーク面当接開口部の被加工材面への当接によって、切削送りに伴う吸引カバーの後部側への移動が可能とする構成とすることにより、以下の効果を有する。
切削穴が未貫通の状態でサイドスルー溝からのクーラントの一種である冷却・切屑排出用ガスによって切削穴入口から吹き出す切屑を吸引カバーに閉じ込め、外に飛散させることなく、吸引装置で効率的に吸引処理できる。
また、切削穴が貫通した瞬間においても、その切削穴出口と非連通切削部溝で形成される開口は、吸引装置の吸引により外の空気を吸い込む吸引口となるので、切削穴出口側の切屑は飛散することなく外の空気とともに吸い込まれる。よって、切削穴32が貫通した瞬間および後の切削穴出口側での切屑の飛散を防止できる。
AK1〜DK4:拡径螺旋山
AF1〜DF5:仕上螺旋山
G:冷却・切屑排出用ガス
1:ドリル
2:シャンク部
3:切削部
4:ドリル本体
5a〜5d:第1の切削部溝〜第4の切削部溝
6:パイロット刃
9:拡径螺旋山部
12:仕上螺旋山部
12:仕上螺旋山部
14:螺旋谷
16:逃げ面
17:逃げ面
18:拡径螺旋刃部
19:仕上螺旋刃部
20:螺旋凸部位
21a、21b:サイドスルー溝
22:チャック装置
23a、23b:切削部溝連通凹部
24:四角部
25:ザグリ穴
27:鍔部
28:ワーク面当接開口部
29:筒状部
30:吸引口
31:シャンク側通し部31
32:切削穴
33:吸引カバー
34:ガス飛散防止筒
35:切削穴入口
36:切削穴出口
39a、39b、39c:パイロット刃
40a、40b、40c:拡径螺旋山部
41a、41b、41c:切削部
42a:形態1のドリル
42b:形態2のドリル
42c:形態3のドリル
43:パイロット刃
44:切削部
45:ガス飛散防止筒
46:ドリル
47a、47b、47c:螺旋谷
48:逃げ
49:高硬質膜
50:パイロット刃の逃げ面
51:パイロット刃の切り刃
52:パイロット刃のすくい面
55:パイロット刃
56:拡径螺旋山部
57:仕上螺旋山部
58:切削部
59:ドリル
Claims (11)
- 後部側をシャンク部とし前部側を切削部とするドリル本体と、
前記切削部に形成された第1のランド〜第nのランドと、
この第1のランド〜第nのランドのランド間に形成された第1の切削部溝〜第nの切削部溝と、
前記切削部の先端に設けられた被加工材に先行切削穴あけを行うパイロット刃と、
このパイロト刃に続いて前記第1のランド〜第nのランドに形成された、前記先行切削穴を拡径切削しながら螺旋凸部位を形成して行く、拡径螺旋山の山群からなる拡径螺旋山部と、
この拡径螺旋山部に続いて前記第1のランド〜第nのランドに形成された、前記螺旋凸部位を切削して平壁面仕上とする、山の高さが同じ仕上螺旋山の山群からなる仕上螺旋山部と、
前記拡径螺旋山および前記仕上螺旋山の螺旋山と螺旋山の間に、前記第1の切削部溝〜第nの切削部溝の隣の切削部溝同士を連絡する形態で形成された螺旋谷と、
前記拡径螺旋山と前記第1の切削部溝〜第nの切削部溝の溝面とによって形成された該拡径螺旋山の山縁部位である、前記パイロット刃によって切削形成された先行切削穴を分断拡径切削ないし分割拡径切削して行く拡径刃の刃群からなる拡径螺旋刃部と、
前記仕上螺旋山と前記第1の切削部溝〜第nの切削部溝の溝面とによって形成された山縁部位である、前記拡径螺旋刃部によって切削形成された拡径切削穴を分断仕上切削ないし分割仕上切削して行く仕上刃の刃群からなる仕上螺旋刃部と、
を備えることを特徴とするドリル。 - 前記パイロット刃にマージンを有さない、前記パイロット刃および前記拡径螺旋山部の双方にマージンを有さない、または、前記パイロット刃、前記拡径螺旋山部および仕上螺旋山部のいずれにもマージンを有さないことを特徴とする請求項1記載のドリル。
- 前記シャンク部の外周側に前記第1の切削部溝〜第nの切削部溝のいずれかに直接に連通したサイドスルー溝が形成され、前記サイドスルー溝が連通した切削部溝が連通切削部溝とされ、前記シャンク部をチャッキングしたチャック装置側から供給されるクーラントが、前記サイドスルー溝を通り前記連通切削部溝に流入案内されて前記パイロット刃に供給されるようにし、
前記第1の切削部溝〜第nの切削部溝のうち前記サイドスルー溝の連通の無い切削溝が非連通切削部溝とされ、
前記パイロット刃が形成されている部位に、前記連通切削部溝と前記非連通切削部溝を直接に連通する切削部溝連通凹部が形成されていて、
前記連通切削部溝に流入した前記クーラントが、前記切削部溝連通凹部を通り前記非連通切削部溝に流入し切削穴の入口から排出されるようにされ、
前記第1の切削部溝〜第nの切削部溝の溝形態が、前記サイドスルー溝からの前記クーラントが前記パイロット刃に供給されるストレート溝形態あるいは弱ねじれ溝形態であることを特徴とする請求項1、2のいずれか1項に記載のドリル。 - 前記第1の切削部溝〜第nの切削部溝は、加工時にスラスト方向への応力が発生しない方向に、前記拡径螺旋山部および前記仕上螺旋山部のリード角だけねじった形態であることを特徴とする請求項1、2、3のいずれか1項に記載のドリル。
- 前記パイロット刃の終端外径は前記拡径螺旋山部の先端外径と同じであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のドリル。
- ピッチをPとし、αを0.01mm〜0.5mmとし、
前記仕上螺旋山部の所望の外径寸法の位置である前記仕上刃の山頂の山頂幅を、P/8よりも幅広であるP/8+αとし、
前記山頂幅を前記P/8+αとするための尖がりねじ山がねじ研削によって形成され、
前記尖がりねじ山の外径研削によって、前記P/8+αの山頂幅である前記所望の外径寸法が得られる位置に、前記尖がりねじ山が形成されてなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のドリル。 - ピッチをP、前記切削部溝の溝数をnとし、
前記仕上螺旋山部の所望の外径寸法位置である前記仕上刃の山頂の山頂幅をP/nとしたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のドリル。 - ピッチをPとし、αを0.01mm〜0.5mmとし、前記切削部溝の溝数をnとし、
前記仕上螺旋山部の所望の外径寸法位置である前記仕上刃の山頂の山頂幅を、P/n+αとしたことを特徴とする請求項1〜5、7のいずれか1項に記載のドリル。 - 前記拡径螺旋山部の前記螺旋谷の谷底が2度〜8度の傾斜角度線状に形成されてなることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のドリル。
- 前記シャンク部のチャック装置にチヤツキングされない部分に、直接的にあるいは他の部材を介した鍔部を設けてなるとともに、
前記被加工材面に当接するワーク面当接開口部、このワーク面当接開口部から延長された筒状部、この筒状部に設けられた吸引装置が接続される吸引口、前記筒状部の後部側に設けられた前記シャンク部あるいは前記他の部材を通しかつ前記鍔部が通らない形態のシャンク側通し部とを備えてなる、切削穴の入口から排出される切屑を吸引する吸引カバーを設ける、あるいは取り付け可能とし、
前記シャンク側通し部の縁の前記鍔部への当たりによって前記前部側への移動が止められ、前記ワーク面当接開口部の前記被加工材面への当接によって、切削送りに伴う前記吸引カバーの後部側への移動が可能とされてなることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のドリル。 - 被加工材に先行切削穴を形成する先行切削工程と、
前記先行切削穴を拡径切削しながら螺旋凸部位を形成する拡径切削工程と、
前記螺旋凸部位を切削して、開口孔部の壁面を滑らかにする平壁面仕上を行う仕上切削工程と、
を備え、前記各工程を1本のドリルで行うことにより前記被加工材に穿孔を形成することを特徴とする穿孔の形成方法。
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