JPWO2018139585A1 - 回転工具及び切削加工物の製造方法 - Google Patents

Abstract

一態様の回転工具は、第１端から第２端にかけて延びた棒形状であって、中心軸の周りで回転可能な本体を有している。本体は、第１端に位置する第１切刃と、第１切刃から第２端に向かって延びた第１溝と、第１切刃よりも第２端の側且つ外周側であって、第１切刃から離れて位置する第２切刃と、第２切刃から第２端に向かって延び、第１溝に沿って位置する第２溝とを備えている。第２溝は、第１端の側から第２端の側に向かって延びた凸条部を有している。

Description

本態様は、切削加工に用いられる回転工具及び切削加工物の製造方法に関する。

切削加工の一例である転削加工において用いられる切削工具として、例えば、ドリル、エンドミル及びリーマなどの回転工具が知られている。上記の回転工具に関しては、例えば特開平６−３１５１７号公報（特許文献１）及び特開２００１−１０５２１６号公報（特許文献２）に記載されているように、先端側に位置する小径の切刃と、後端側に位置する大径の切刃とを有する、いわゆる段付きの回転工具が提案されている。

特許文献１及び２に記載されているような段付きの回転工具においては、切刃が２段構成となっているため、それぞれの切刃において切屑が生じる。先端側に位置する切刃で生じた切屑が排出溝を流れる際に、この排出溝の後端側に位置する切刃で生じた切屑が勢いよく流れ込むと、各切刃で生じた切屑同士が絡まり、切屑の詰まりが生じるおそれがある。そのため、段付きの回転工具においては、切屑の排出性を良好することが課題であった。本態様は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、切屑の排出性が良好な回転工具を提供することを目的とする。

一態様に基づく回転工具は、第１端から第２端にかけて延びた棒形状であって、中心軸の周りで回転可能な本体を有している。該本体は、前記第１端の側に位置する第１切刃と、該第１切刃から前記第２端に向かって延びた第１溝と、前記第１切刃から前記第２端の側に離れているとともに、前記第１切刃よりも外周側に位置する第２切刃と、該第２切刃から前記第２端に向かって延びているとともに、前記第１溝に沿って位置する第２溝とを備えている。該第２溝は、前記第１端の側から前記第２端の側に向かって延びた凸条部を有している。

実施形態の回転工具（ドリル）を示す斜視図である。 図１に示すドリルにおける先端方向からの正面図である。 図２に示すドリルにおけるＡ１方向からの側面図である。 図２に示すドリルにおけるＡ２方向からの側面図である。 図３に示すドリルのＤ１における断面図である。 図３に示すドリルのＤ２における断面図である。 図６に示すドリルにおける領域Ｂ１を拡大した図である。 実施形態の切削加工物の製造方法における一工程を示す斜視図である。 実施形態の切削加工物の製造方法における一工程を示す斜視図である。 実施形態の切削加工物の製造方法における一工程を示す斜視図である。

＜ドリル＞
以下、実施形態の回転工具１の一例として、ドリル１を例示して説明する。なお、回転工具としては、ドリルの他にもエンドミル及びリーマなどが挙げられる。従って、回転工具の他の実施形態が、例えばエンドミルであっても何ら問題無い。また、実施形態の一例のドリル１は、いわゆるソリッドタイプのドリルであるが、先端交換式のドリルであっても何ら問題無い。

以下で参照する各図は、説明の便宜上、実施形態を構成する部材のうち主要な部材を簡略化して示したものである。従って、本発明の回転工具は、参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。

実施形態のドリル１は、図１などに示すように、中心軸Ｘ１に沿って、第１端から第２端にかけて延びた棒形状の本体３を有している。本体３は、中心軸Ｘ１の周りで回転可能であり、切削加工物を製造するために被削材を切削する工程において中心軸Ｘ１の周りで回転することが可能である。なお、図１などにおける矢印Ｘ２は、本体３の回転方向を示している。そのため、実施形態における中心軸Ｘ１は、回転軸と読み替えてもよい。

以下、中心軸Ｘ１に沿った方向での一方を便宜的に「第１端」とするとともに、中心軸Ｘ１に沿った方向でのもう一方を便宜的に「第２端」とする。一般的には、第１端が「先端」と呼ばれ、第２端が「後端」と呼ばれる。

本体３は、シャンク（shank）と呼ばれる把持部５及びボディー（body）と呼ばれる切削部７を備えていてもよい。図１に示す一例における把持部５は、工作機械（不図示）のスピンドル等で把持される部分である。そのため、把持部５の形状は、スピンドルの形状に応じて設計してもよい。図１に示す一例における切削部７は、把持部５よりも第１端の側に位置している。切削部７は、被削材と接触する部位であり、被削材の切削加工において主たる役割を有する部位である。

実施形態における切削部７は、図１などに示すように、第１端の側に位置する第１切刃９と、第１切刃９から第２端の側に離れているとともに、第１切刃９よりも外周側に位置する第２切刃１１とを有している。実施形態のドリル１は、上記の第１切刃９及び第２切刃１１を備えており、いわゆる段付きドリルの構成となっている。

本体３の第１端に位置する第１切刃９は、中心軸Ｘ１上又は中心軸Ｘ１の近傍から本体３の外周面に向かって延びていてもよい。第１切刃９は、１つのみであっても複数であってもよい。実施形態における本体３は、２つの第１切刃９を有している。第１切刃９は、被削材の切削加工において主たる役割を有する刃であり、一般的には主切刃とも呼ばれる。

第１切刃９から第２端の側に離れて位置する第２切刃１１は、第１切刃９よりも外周側に位置している。このとき、第２切刃１１は、少なくともその一部が第１切刃９よりも外周側に位置していればよく、第２切刃１１の全体が第１切刃９よりも本体３の外周側に位置している必要はない。

第２切刃１１は、第１切刃９と同様に１つのみであっても複数であってもよい。第２切刃１１は、被削材の切削加工において被削材の加工面を仕上げる仕上げ刃として用いることができる。なお、第２切刃１１は、仕上げ刃としての用途に限定されるものではなく、例えば、穴あけ加工における加工孔の開口部分にテーパ面を形成するために用いることも可能である。

本体３は、上記の第１切刃９及び第２切刃１１に加えて、第１切刃９から第２端に向かって延びた第１溝１３と、第２切刃１１から第２端に向かって延びた第２溝１５とを備えている。第２溝１５は、第１溝１３に沿って位置している。第１溝１３及び第２溝１５は、第１切刃９及び第２切刃１１で生じた切屑を外部に排出する際に用いることが可能であり、一般的に、切屑排出溝（flute）と呼ばれる。工作機械で安定して本体３を把持するため、実施形態における第１溝１３及び第２溝１５は、本体３の切削部７にのみに設けられ、把持部５には設けられていなくてもよい。

第１溝１３は、例えば、中心軸Ｘ１に沿って第１端の側から第２端の側に向かって真っ直ぐ延びた形状であってもよいが、図１に示す一例の第１溝１３は、本体３の第２端に向かって、中心軸Ｘ１の周りで螺旋状に延びた形状である。第２溝１５は、第１溝１３に沿って位置していることから、図１に示す一例においては、第２溝１５もまた、中心軸Ｘ１の周りで螺旋状に延びた形状である。

実施形態における第２溝１５は、第１端の側から第２端の側に向かって延びた凸条部１７を有している。凸条部１７は、第２溝１５の延びる方向に沿って位置している。図１に示す一例においては、第２溝１５が中心軸Ｘ１の周りで螺旋状に延びた形状であることから、凸条部１７もまた、中心軸Ｘ１の周りで螺旋状に延びた形状である。凸条部１７が第１溝１３に沿って延びている場合には、凸条部１７により、第２切刃１１で生じた切屑が第１溝１３に流れ込みにくい。

実施形態の回転工具１においては、第２溝１５が上記の凸条部１７を有していることから、第２溝１５が単純な凹形状である場合と比較して、第２切刃１１で生じた切屑の流れが凸条部１７によってコントロールされ易い。そのため、この切屑が第１溝１３に流れ込む可能性が小さくなる。また、仮に第２切刃１１で生じた切屑が凸条部１７を乗り越えて第１溝１３に流れ込む場合があっても、凸条部１７によって第２切刃１１で生じた切屑の流れる勢いが抑えられるため、第２切刃１１で生じた切屑が第１溝１３に勢いよく流れ込むことが避けられる。従って、第１切刃９及び第２切刃１１で生じた切屑同士が絡まるおそれが小さいため、切屑の排出性が良好である。

実施形態における第２溝１５は、第２切刃１１から第２端に向かって延びている第１領域１９と、第１領域１９に対して回転方向の前方に位置する第２領域２１とを有している。図３に示す一例においては、第２領域２１が、回転方向の前方において第１領域１９に隣接している。そして、凸条部１７が、第１領域１９及び第２領域２１の境界となっている。

第２溝１５が、並列に配置された第１領域１９及び第２領域２１を有し、これらの領域の境界に凸条部１７が位置している場合には、第２溝１５を形成する工程において、凸条部１７を容易に形成できる。

中心軸Ｘ１に直交する断面において、第１領域１９及び第２領域２１はそれぞれ凹形状であってもよい。具体的には、中心軸Ｘ１に直交する断面において、第１領域１９及び第２領域２１はそれぞれ凹曲線形状であってもよい。第１領域１９及び第２領域２１は、特定の形状に限定されるものではないが、例えば、第１領域１９の深さｄ１が、第２領域２１の深さｄ２より大きくてもよい。

第１領域１９及び第２領域２１の深さが上記の構成である場合には、切屑の詰まりが生じるおそれが更に小さい。これは、第２切刃１１で生じた切屑が第２溝１５を流れる際に、切屑が第１領域１９において安定して流れ易いからである。第１領域１９は、第２領域２１を間に介して第１溝１３から離れているので、第２切刃１１で生じた切屑が第１溝１３に流れ込みにくい。そのため、切屑の詰まりが生じるおそれが更に小さい。

第１領域１９及び第２領域２１の深さは以下の手順によって評価できる。まず、図６に示すように、中心軸Ｘ１に直交する断面において第１領域１９及び第２領域２１を特定する。以下、第１領域１９の深さｄ１について説明する。図７に示すように、凹形状である第１領域１９における回転方向の前方の端部及び回転方向の後方の端部を特定する。これらの端部を仮想直線で繋いだ場合に、この仮想直線の長さが第１領域１９の幅Ｗ１に相当する。第１領域１９における、この仮想直線から最も離れた部分が第１領域１９の底であり、上記の仮想直線から第１領域１９の底までの幅が第１領域１９の深さｄ１に相当する。以上は第１領域１９の深さｄ１を評価する手順であるが、第２領域２１の幅Ｗ２及び第２領域２１の深さｄ２も同様にして評価できる。

実施形態における第１領域１９は、第１端の側から第２端の側に向かって延びているが、このとき、第１領域１９は、図４に示すように、幅が一定である第１部分１９ａと、第１部分１９ａよりも第２端の側に位置して、第２端に向かうにしたがって幅が大きくなる第２部分１９ｂとを有していてもよい。

第１領域１９が上記の構成である場合には、第２切刃１１で生じた切屑が第２溝１５によって安定して外部に排出され易い。第２切刃１１で生じて第１領域１９に流れてくる切屑は、まず第１部分１９ａを進む。このとき、第１部分１９ａの幅が一定である場合には、切屑の進行方向が第１溝１３に向かう方向ではなく、第１領域１９の延びる方向に向かい易くなる。

第２切刃１１で生じた切屑は、第１領域１９上を進行するにしたがって長さが長くなるため、進行方向が不安定になり易くなる。しかしながら、第１領域１９上を進行する切屑が第１部分１９ａを通過して第２部分１９ｂに流れ込んだ場合において、第２部分１９ｂが第２端に向かうにしたがって幅が大きくなる構成であることから、上記の切屑が第２部分１９ｂから逸脱しにくく、第１溝１３に流れ込みにくくなる。結果として、第２切刃１１で生じた切屑が第２溝１５において安定して外部に排出され易い。

第１領域１９における幅が一定である第１部分１９ａは、図４に示すように、第１領域１９における第１端の側の端部を正面視する方向から本体３を側面視することで概ね評価できる。より正確には、本体３の外周の展開図を示すことによって第１部分１９ａを評価することが可能である。本体３の外周の展開図は、本体３の外周を撮影した画像を処理することなどによって得られる。

また、実施形態における凸条部１７は、第１端の側から第２端の側に向かうにしたがって中心軸Ｘ１からの距離が大きくなる領域を有している。実施形態においては、２つの断面のうち第２端の側に位置する図６における凸条部１７の中心軸Ｘ１からの距離Ｌ２が、第１端の側に位置する図５における凸条部１７の中心軸Ｘ１からの距離Ｌ１よりも大きくなっている。そのため、凸条部１７は、これら２つの断面で挟まれる部分の少なくとも一部に、中心軸Ｘ１からの距離が大きくなる領域を有している。

凸条部１７が上記の領域を有している場合には、第２溝１５の第１端の側においては、第２溝１５の深さが深く、また、第２溝１５の第２端の側においては、凸条部１７の高さが高いため、第２切刃１１で生じた切屑が第１溝１３に流れ込みにくい。

実施形態の本体３は、切刃として、第１切刃９及び第２切刃１１に加えて第３切刃２３を備えている。第３切刃２３は、本体３の第１端に位置しており、第１端の側から正面視した場合に、中心軸Ｘ１を通っている。２つの第１切刃９は、それぞれ第３切刃２３に繋がっており、第３切刃２３を介して互いに接続されている。第３切刃２３は、一般的にはチゼルエッジとも呼ばれる。

２つの第１切刃９は、特定の構成には限定されないが、第１端の側から正面視した場合において、中心軸Ｘ１を中心に互いに１８０°回転対称となる位置に設けられている。２つの第１切刃９が中心軸Ｘ１を基準として互いに点対称である場合には、主切刃として機能する第１切刃９における切削バランスが良好であるため、ドリル１の直進安定性が高い。

また、ドリル１の直進安定性をさらに高めるため、２つの第２切刃１１もまた、第１端の側から正面視した場合において中心軸Ｘ１を基準として互いに点対称であってもよいが、２つの第２切刃１１は、第１端の側から正面視した場合において中心軸Ｘ１を基準として互いに点対称でなくてもよい。

２つの第２切刃１１が上記のように中心軸Ｘ１を基準として互いに点対称でない場合には、２つの第２切刃１１が被削材に食い付くタイミングをずらすことができる。そのため、びびり振動による影響が小さいので、穴あけ加工における加工孔の精度が高い。

本体３が有する凸条部１７の数は、１つのみであってもよく、複数であってもよい。実施形態における本体３は、複数の凸条部１７を有している。実施形態における第２溝１５は、第１領域１９及び第２領域２１に加えて第３領域２５を有している。第３領域２５は、第２領域２１に対して回転方向の前方において隣接している。第１領域１９及び第２領域２１の境界に加えて、第２領域２１及び第３領域２５の境界もまた凸条部１７である。

本体３が複数の凸条部１７を有している場合には、各凸条部１７において第２切刃１１で生じた切屑の流れる勢いが抑えられるため、第１切刃９及び第２切刃１１で生じた切屑同士が絡まるおそれがさらに小さく、切屑の排出性がさらに良好である。

このとき、中心軸Ｘ１に直交する断面において、複数の凸条部１７のそれぞれにおける中心軸Ｘ１からの距離が同じである場合には、複数の凸条部１７のそれぞれにおいて第２切刃１１で生じた切屑の流れる勢いを効率良く抑えることが可能である。なお、複数の凸条部１７のそれぞれにおける中心軸Ｘ１からの距離が同じであるとは、２つの距離が厳密に同じであることを要求するものではなく。±５％程度のバラつきがあっても問題無い。

本体３の大きさは、特定の大きさには限定されないが、例えば、本体３の直径Ｄが０．０５ｍｍ〜４０ｍｍに設定される。また、切削部７の中心軸Ｘ１に沿った方向の長さは、１．５Ｄｍｍ〜２５Ｄｍｍ程度に設定される。

本体３を構成する材質としては、例えば、金属、超硬合金、サーメット及びセラミックスなどが挙げられる。金属としては、例えば、ステンレス及びチタンが挙げられる。超硬合金の組成としては、例えば、ＷＣ（炭化タングステン）−Ｃｏ（コバルト）、ＷＣ−ＴｉＣ（炭化チタン）−Ｃｏ、ＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ（炭化タンタル）−Ｃｏ及びＷＣ−ＴｉＣ−ＴａＣ−Ｃｒ_３Ｃ_２（クロムカーバイド）−Ｃｏが挙げられる。ここで、ＷＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２は硬質粒子であり、Ｃｏは結合相である。

また、サーメットは、セラミック成分に金属を複合させた焼結複合材料である。具体的には、サーメットとして、炭化チタン（ＴｉＣ）及び窒化チタン（ＴｉＮ）などのチタン化合物を主成分としたものが一例として挙げられる。セラミックスとしては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４及びｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素：Cubic Boron Nitride）などが挙げられる。

本体３は、上記の材質のみによって構成されていてもよく、また、上記の材質によって構成された部材と、この部材を被覆する被覆層とによって構成されていてもよい。被覆層を構成する材質としては、例えば、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＭＮ（ＭはＴｉ以外の周期表４、５、６族金属、Ａｌ及びＳｉから選ばれる少なくとも１種の金属元素）、並びにＡｌ_２Ｏ_３から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。

本体３が、上記の被覆層を有している場合には、第１端の側に位置する切刃（実施形態においては、第１切刃９及び第３切刃２３）の耐摩耗性が高い。特に、被覆層がダイヤモンドを含んでいる場合には、被削材がセラミック素材であっても、ドリル１が良好な耐摩耗性を発揮する。

被覆層は、例えば気相合成法にて成膜することができる。気相合成法としては、例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）法及び物理蒸着（ＰＶＤ）法が挙げられる。被覆層の厚みは、例えば、０．３μｍ〜２０μｍに設定される。なお、被覆層の組成によって好適な範囲は異なる。

＜切削加工物（machined product）の製造方法＞
次に、実施形態の切削加工物の製造方法について、上述の実施形態に係るドリル１を用いる場合を例に挙げて詳細に説明する。以下、図８〜図１０を参照しつつ説明する。なお、図８〜図１０において、ドリル１における把持部の第２端の側の部分を省略している。

実施形態にかかる切削加工物の製造方法は、以下の（１）〜（４）の工程を備える。

（１）準備された被削材１０１に対して上方にドリル１を配置する工程（図８参照）。

（２）ドリル１を、中心軸Ｘ１を中心に矢印Ｘ２の方向に回転させ、被削材１０１に向かってＹ１方向にドリル１を近づける工程（図８参照）。

本工程は、例えば、被削材１０１を、ドリル１を取り付けた工作機械のテーブル上に固定し、ドリル１を回転した状態で近づけることにより行うことができる。なお、本工程では、被削材１０１とドリル１とは相対的に近づけばよく、被削材１０１をドリル１に近づけてもよい。

（３）ドリル１をさらに被削材１０１に近づけることによって、回転しているドリル１を被削材１０１の表面の所望の位置に接触させて、被削材１０１に加工孔１０３（貫通孔）を形成する工程（図９参照）。

本工程においては、第１切刃、第２切刃及び第３切刃を被削材１０１の表面の所望の位置に接触させている。第２切刃を加工孔１０３の開口部分の近傍のみに接触させた場合には、加工孔１０３の開口部分にテーパ面を形成することが可能である。

（４）ドリル１を被削材１０１からＹ２方向に離す工程（図１０参照）。

本工程においても、上述の（２）の工程と同様に、被削材１０１からドリル１を相対的に離せばよく、例えば被削材１０１をドリル１から離してもよい。

以上のような工程を経ることによって、優れた穴加工性を発揮することが可能となる。

なお、以上に示したような被削材１０１の切削加工を複数回行う場合であって、例えば、１つの被削材１０１に対して複数の加工孔１０３を形成する場合には、ドリル１を回転させた状態を保持しつつ、被削材１０１の異なる箇所にドリル１を接触させる工程を繰り返せばよい。

以上、実施形態のドリル１について例示したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限り任意のものとすることができることは言うまでもない。

１・・・回転工具（ドリル）
３・・・本体
５・・・把持部
７・・・切削部
９・・・第１切刃
１１・・・第２切刃
１３・・・第１溝
１５・・・第２溝
１７・・・凸条部
１９・・・第１領域
１９ａ・・第１部分
１９ｂ・・第２部分
２１・・・第２領域
２３・・・第３切刃
２５・・・第３領域
１０１・・・被削材
１０３・・・加工孔

Claims (10)

1. 第１端から第２端にかけて延びた棒形状であって、中心軸の周りで回転可能な本体を有し、
   該本体は、
   前記第１端の側に位置する第１切刃と、
   該第１切刃から前記第２端に向かって延びた第１溝と、
   前記第１切刃から前記第２端の側に離れているとともに、前記第１切刃よりも外周側に位置する第２切刃と、
   該第２切刃から前記第２端に向かって延びているとともに、前記第１溝に沿って位置する第２溝とを備え、
   該第２溝は、前記第１端の側から前記第２端の側に向かって延びた凸条部を有していることを特徴とする回転工具。
2. 前記第２溝は、前記第２切刃から前記第２端に向かって延びている第１領域と、該第１領域に対して回転方向の前方に位置する第２領域とを有し、
   前記凸条部は、前記第１領域及び前記第２領域の境界となっていることを特徴とする請求項１に記載の回転工具。
3. 前記中心軸に直交する断面において、前記第１領域の深さが、前記第２領域の深さよりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の回転工具。
4. 前記第１領域は、幅が一定である第１部分と、該第１部分よりも前記第２端の側に位置して、前記第２端に向かうにしたがって幅が大きくなる第２部分とを有していることを特徴とする請求項２又は３に記載の回転工具。
5. 前記凸条部は、前記第１溝に沿って延びていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の回転工具。
6. 前記凸条部は、前記第１端の側から前記第２端の側に向かうにしたがって前記中心軸からの距離が大きくなる領域を有していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の回転工具。
7. 前記本体は、前記第１切刃及び前記第２切刃を２つずつ備え、
   第１端の正面視において、２つの前記第１切刃が、前記中心軸を基準として互いに点対称であるとともに、２つの前記第２切刃が、前記中心軸を基準として互いに点対称ではないことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の回転工具。
8. 前記第２溝は、複数の前記凸条部を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の回転工具。
9. 前記中心軸に直交する断面において、複数の前記凸条部のそれぞれにおける前記中心軸からの距離が同じであることを特徴とする請求項８に記載の回転工具。
10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の回転工具を回転させる工程と、
    回転している前記回転工具を被削材に接触させる工程と、
    前記回転工具を前記被削材から離す工程とを備えた切削加工物の製造方法。

Images