KR20120089685A

KR20120089685A - 복합 재료용 드릴 및 그것을 사용한 기계 가공 방법 및 기계 가공 장치

Info

Publication number: KR20120089685A
Application number: KR1020127010171A
Authority: KR
Inventors: 히로후미 시마다
Original assignee: 후쿠이 켄
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2012-08-13
Also published as: EP2492034A4; WO2011049095A1; CN102574219A; EP2492034A1; JP5135614B2; US20120269591A1; JP2011104766A

Abstract

본 발명은, 섬유 강화 복합 재료를 적어도 일부에 포함하는 피가공재의 천공 가공에 있어서, 버 및 층간 박리가 거의 발생하지 않는 고품질의 천공 가공을 가능하게 하는 복합 재료용 드릴을 제공하는 것을 목적으로 한다. 복합 재료용 드릴(1)은, 선단 절삭날(5)이 형성된 선단부와, 선단부의 후단측에 연접하여 형성됨과 동시에 선단측 외경 및 당해 선단측 외경보다도 대직경의 후단측 외경의 직경차에 의해 테이퍼 형상으로 형성된 테이퍼부(4)와, 테이퍼부(4)의 후단측에 연접하여 형성됨과 동시에 테이퍼부(4)의 후단측 외경보다도 대직경의 마무리 가공 직경이 형성 가능해지도록 전체가 동일한 직경으로 형성된 스트레이트부(3)를 갖고, 테이퍼부(4)의 외주에는 나선 형상으로 비틀어진 외주 절삭날(7)이 형성되어 연속적으로 천공 직경이 커지도록 설정되어 있다.

Description

복합 재료용 드릴 및 그것을 사용한 기계 가공 방법 및 기계 가공 장치{DRILL FOR COMPOSITE MATERIAL AS WELL AS MACHINING METHOD USING SAME AND MACHINING APPARATUS USING SAME}

본 발명은, CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics; 탄소 섬유 강화 플라스틱)로 대표되는 섬유 강화 복합 재료 등의 복합 재료의 천공 가공에 적합한 드릴, 보다 상세하게는 1회의 천공 작업에서 가공 부분에 버를 발생시키지 않고, 천공 가공면에 층간 박리를 발생시키지 않는 고품위의 천공 가공을 행할 수 있는 복합 재료용 드릴에 관한 것이다.

CFRP로 대표되는 섬유 강화 복합 재료 등의 천공 가공에서는, 다이아몬드 코트한 스트레이트의 초경 드릴을 사용하여 행하는 방법이 공지되어 있다.

그러나, 이 방법으로 단번에 천공 가공을 행하는 경우, 천공시의 절삭 저항이 크고 천공 가공 부분에 버가 발생하기 쉽다. 버의 발생을 억제하는 방법으로서는, 예를 들어 특허문헌 1에서는 FPC(Flexible Printed Circuits; 플렉시블 프린트 기판) 가공용의 드릴에 대하여, 릴리프면을 2번 릴리프면 및 3번 릴리프면으로 형성하고, 3번 릴리프면의 릴리프각을 33 내지 50°로 설정함으로써 치즐날보다도 외주측의 절삭날의 길이를 단축한 점이 기재되어 있다. 그리고, 이 절삭날에 의해 생성되는 절삭 칩의 폭이 작아짐으로써 절삭 칩의 배출성이 향상되어, 배출성의 악화에 의해 발생하는 버를 억제하고 있다.

또한, 특허문헌 2 및 3에는, 선단측에 소경부를 설치하여 관통 구멍의 버를 억제하는 드릴이 기재되어 있다. 특허문헌 4에는, CFRP 및 알루미늄 합금판의 동시 천공에 적합한 드릴로서, 선단각 118°의 1차 절삭날과 선단각 약 30°의 2차 절삭날을 이어지게 한 더블 앵글 드릴이 기재되어 있다. 특허문헌 5에는, CFRP의 천공에 적합한 드릴로서, 하부 구멍을 가공하는 하부 구멍 가공부와 마무리부를 갖는 형상에서, 마무리부와 하부 구멍 가공부의 직경차를 0.1mm 이상 2mm 이하로 한 2단 구조 드릴이 기재되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2005-88088호 공보 일본 특허 출원 공개 제2001-54810호 공보 일본 실용신안 출원 공개 평1-99517호 공보 일본 실용신안 등록 제2602032호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-836호 공보

섬유 강화 복합 재료, 그 중에서도 CFRP는, 경량이면서 높은 강도와 강성을 구비하고 있으며, 항공기의 구조재 등에 다용되고 있다. 항공기의 구조재에 사용되는 CFRP는 품질에 관한 요구가 엄격하며, 예를 들어 다른 부재와의 맞춤면 등에 있어서 돌출된 버가 발생하지 않고, CFRP의 천공면에서 층간 박리가 발생하지 않는 것이 요구된다.

그러나, CFRP는 절단하기 어려운 탄소 섬유를 포함하고, 탄소 섬유와 그것을 결합시키는 바인더인 수지 재료가 층상으로 형성된 구조이기 때문에, 천공 가공에서는 수지 재료 또는 금속 재료의 단독 재료로 이루어지는 피가공재보다도 가공 부분에 버가 발생하기 쉽고, 가공시의 스러스트 저항에 의해 층간 박리가 발생하기 쉽다. 이러한 섬유 강화 복합 재료의 천공 가공에 관한 과제에 대하여, 상기한 특허문헌 1 및 2에 기재된 기술에서는 실용면에서 충분한 효과를 얻지 못하였다. 여기서 「스러스트 저항」이란, 드릴 가공에 있어서의 천공 보냄 방향과 반대 방향에 가해지는 저항력이다.

특허문헌 3에서는, 특허문헌 2와 마찬가지로 드릴의 선단측에 소경부를 형성하는 것 뿐인 대응이기 때문에, 피가공재가 CFRP인 경우, 특허문헌 3에 기재된 기술에서도 버의 억제에 대하여 만족스러운 효과를 얻지 못하였다.

이로 인해, CFRP의 천공 가공에 있어서 고품위의 가공 처리가 요구될 때에는, 특허문헌 4에 기재되어 있는 바와 같은 전용의 드릴이 채용되고 있지만, 특허문헌 4에 기재된 더블 앵글 드릴은 내구성에 문제가 있으며, 30 내지 40 구멍의 가공 횟수에서 가공 부분에 버가 발생하여 새로운 드릴과의 교환이 필요해진다.

특허문헌 4에 기재된 드릴은, 하부 구멍 가공부와 마무리 가공부를 갖는 2단 구조의 드릴이며, 하부 구멍 가공부에서 발생한 버를 마무리 가공부에서 제거하는 가공 형태를 취하고 있다. 그러나, 마무리 가공부와 하부 구멍 가공부 사이의 직경차를 크게 한 형상에 의해, 절삭 기구는 통상의 드릴 가공과 동일하며, 뜯김 및 버의 억제를 근본적으로 해결하는 것은 아니다.

이로 인해, 특허문헌 4에서는 비틀림각을 작게 하여 절삭 칩 배출성을 양호하게 함으로써, 절삭 칩 막힘에 의한 버의 발생을 억제하는 대책을 행하고 있다. 그러나, 가공부를 직선상의 절삭날 구조로 하는 것만으로는 가공시의 스러스트 저항의 저감을 도모할 수 없으며, 공구날 끝의 내마모성 향상으로는 이어지지 않기 때문에, 특허문헌 4에 기재된 기술로도 만족스러운 효과를 얻지 못하였다.

특허문헌 5에서는, 하부 구멍 가공부가 복수의 단 형상 구조이기 때문에 직경 확장시의 드릴이 받는 스러스트 저항이 크고, 공구날 끝의 내마모성 향상에 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 테이퍼 형상을 갖는 테이퍼부 및 스트레이트부를 구비한 드릴에 의한 복합 가공을 행함으로써, 피가공재에 버나 층간 박리를 거의 발생시키지 않고 고품위의 천공 가공을 1 공정으로 행할 수 있도록 하는 것을 과제로 하고 있다.

본 발명에 관한 복합 재료용 드릴은, 섬유 강화 복합 재료를 적어도 일부에 포함하는 피가공재에 천공하는 복합 재료용 드릴이며, 선단 절삭날이 형성된 선단부와, 상기 선단부의 후단측에 연접하여 형성됨과 동시에 선단측 직경 및 당해 선단측 직경보다도 대직경의 후단측 직경의 직경차에 의해 테이퍼 형상으로 형성된 테이퍼부를 갖고, 상기 테이퍼부의 외주에는 나선 형상으로 비틀어진 외주 절삭날이 형성되어 연속적으로 천공 직경이 커지도록 설정되며, 상기 테이퍼부의 후단측에 연접하여 형성됨과 동시에 상기 테이퍼부의 상기 후단측 직경보다도 대직경의 마무리 가공 직경이 형성 가능해지도록 전체가 동일한 직경으로 형성된 스트레이트부를 갖고 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 테이퍼부에는 상기 외주 절삭날을 따라 나선 형상으로 비틀어진 절삭 칩 배출 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 테이퍼부는 그 선단측 외경 및 후단측 외경에 접하는 외경선과 드릴 축 중심선 사이의 테이퍼각을 45° 이하로 설정하고 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 선단부의 상기 선단 절삭날은 60° 내지 140°의 선단각을 갖고 있으며, 상기 테이퍼부의 상기 외주 절삭날은 상기 선단 절삭날과 연속하여 형성되어 있음과 동시에 상기 테이퍼부의 랜드 외주에 접하는 원추면에 대하여 경사각 또는 경사각 및 릴리프각이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 선단부, 상기 테이퍼부 및 상기 스트레이트부는 동축형으로 일체화되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 스트레이트부는 둥근 랜드 드릴 형상 또는 리머 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 선단부, 상기 테이퍼부 및 상기 스트레이트부의 축심을 회전 축심에 합치시키고 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 테이퍼부 및 상기 스트레이트부 사이의 연접부는 상기 스트레이트부의 선단측 외경이 상기 테이퍼부의 후단측 외경을 향해 테이퍼 형상으로 직경 축소되어 연접하고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 기계 가공 방법은, 상기한 드릴을 사용하여 섬유 강화 복합 재료를 적어도 일부에 포함하는 피가공재에 천공하는 기계 가공법이며, 상기 선단부의 상기 선단 절삭날 및 상기 테이퍼부의 상기 외주 절삭날에 의해 상기 피가공재에 하부 구멍 가공을 행하고, 형성된 하부 구멍에 상기 스트레이트부에 의해 마무리 가공을 행하여 천공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 기계 가공 장치는, 상기한 드릴을 유지함과 동시에 상기 드릴의 중심축을 중심으로 회전 구동하는 구동 수단과, 섬유 강화 복합 재료를 적어도 일부에 포함하는 피가공재를 지지하는 지지 수단과, 상기 드릴을 상기 피가공재에 대하여 천공 가공을 행하도록 상기 구동 수단 및/또는 상기 지지 수단을 상대적으로 이동시키는 이동 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 복합 재료용 드릴은, 하부 구멍을 테이퍼부로 절삭 저항을 낮게 억제하면서 직경 확장하여 천공 가공할 수 있으며, 가공 부분에 버가 발생하기 어렵고, 피가공재에 대하여 천공 가공 방향으로 가해지는 스러스트 저항도 저감하고, 복합 재료 내의 경계면에 대한 박리력도 감소하기 때문에 층간 박리가 발생하기 어렵다. 또한, 마무리 가공을 행하는 스트레이트부를 테이퍼부와 동축으로 설정하여 연접 일체화한 구성으로 행하기 때문에, 고정밀도의 천공 가공을 행할 수 있다.

또한, 선단 절삭날을 갖고, 테이퍼부의 랜드 외주에 접하는 원추면에 대하여 경사각 또는 경사각 및 릴리프각이 형성된 외주 절삭날과, 거기에 연접한 스트레이트부를 구비하고 있기 때문에, 절삭 저항을 저감시키며, 버나 층간 박리를 거의 발생시키지 않고 고정밀도의 천공 가공을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 제1 실시 형태에 관한 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시하는 드릴의 선단부에 관한 정면도이다.
도 3은 도 1의 A-A선 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 4는 도 1의 B-B선 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 5는 본 발명에 관한 제2 실시 형태에 관한 측면도이다.
도 6은 도 5에 도시하는 드릴의 선단부에 관한 정면도이다.
도 7은 도 5의 C-C선 화살표 방향에서 본 단면도이다.
도 8은 도 5에 도시하는 드릴의 외주 절삭날에 관한 확대 단면도이다.
도 9는 외주 절삭날을 형성하는 테이퍼부의 테이퍼각 및 가공시에 가해지는 스러스트 저항에 대하여 모델을 사용한 설명도이다.
도 10은 종래의 스트레이트 트위스트 드릴과 본 발명 드릴의 절삭 작용의 차이에 관한 설명도이다.
도 11은 본 발명에 관한 드릴을 사용한 경우의 기계 가공 방법에 관한 설명도이다.
도 12는 본 발명에 관한 드릴을 사용한 기계 가공 장치에 관한 외관 사시도이다.
도 13은 절삭 시험에 있어서의 측정 결과를 나타내는 표이다.
도 14는 관통 구멍 부근의 버의 발생의 유무에 관한 관찰 결과를 나타내는 표이다.
도 15는 관통 구멍 부근의 버의 발생의 유무를 촬영한 사진을 나타내는 표이다.

본 발명의 실시 형태에 대하여, 본 발명을 2개의 비틀림 홈을 갖는 2매날 드릴에 적용한 경우에 대하여 제1 실시 형태로서 스트레이트부를 리머 형상으로 형성한 것, 제2 실시 형태로서 스트레이트부를 둥근 랜드 드릴 형상으로 형성한 것의 2 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명에 관한 제1 실시 형태를 도 1 내지 도 4에 기초하여 설명한다. 도 1은, 제1 실시 형태에 관한 드릴(1)의 측면도이다. 도 2는, 도 1의 테이퍼부를 선단측으로부터 후단측을 향해 본 정면도다. 도 3은, 도 1의 A-A선 화살표 방향에서 본 단면도이다. 도 4는, 도 1의 B-B선 화살표 방향에서 본 단면도이다.

본 실시 형태에 관한 드릴(1)은 2매날 드릴이며, 섕크(2)의 선단에 리머를 형성하는 스트레이트부(3)를 연접하고, 스트레이트부(3)의 선단에 테이퍼부(4)를 일체로 연접하여 이루어진다. 테이퍼부(4)의 선단에는, 선단부인 선단 절삭날(5)이 형성되어 있다.

선단 절삭날(5)은, 피가공재에 대하여 최초로 챔퍼 가공을 행하고, 절삭 가공을 행하는 절삭날로 테이퍼부(4)에 형성된 외주 절삭날(7)에 의한 직경 확장 가공을 유도하는 것이다. 또한, 그 선단각을 60° 내지 140°의 범위로 형성함으로써 드릴의 챔퍼 가공성 및 구심성이 향상되고, 드릴의 회전 흔들림이 저감된다.

도 1에 도시한 바와 같이, 역원추 연마 형상의 날 세움면 중앙부의 돌기부와 절삭날면의 축 방향 단차 길이(L1)는 0.5mm 이상으로 설정된다. 날 세움면 중앙부를 절삭날면보다도 돌출시킴으로써, 하부 구멍 가공시의 구심성이 양호해진다. 선단 절삭날(5)의 선단각(α1)은 90°의 각도로 설정함으로써 드릴 선단의 강성과 구심성을 향상시키고, 선단 절삭날(5)의 예리함이 양호해진다.

테이퍼부(4)는, 선단측 외경(D1)과 후단측 외경(D2)의 직경차에 의해 형성되는 테이퍼 형상의 형태를 이루고, 그 후단측에는 스트레이트부(3)가 일체로 연접되어 있다. 스트레이트부(3)는, 테이퍼부(4)보다도 대직경으로 형성되어 있다. 여기서, 「테이퍼」란, 선단측 외경 및 후단측 외경에 접하는 직선과 드릴 중심축 사이에 소정의 각도가 설정되어 있는 형상을 의미한다.

테이퍼부(4)는, 도 2에 도시한 바와 같이 역원추 연마 형상으로 하고, 선단 절삭날(5)과 연속하여 형성되는 2매의 외주 절삭날(7)을 갖는다. 선단측 외경(D1)으로부터 후단측 외경(D2)까지 형성되는 테이퍼 형상 외주에는, 나선 형상으로 비틀어진 외주 절삭날(7)이 형성되어 연속적으로 천공 직경이 커지도록 설정되고, 외주 절삭날(7)을 따라 나선 형상으로 비틀어진 절삭 칩 배출 홈(6)이 형성되어 있다.

테이퍼부(4)의 외주에 설치되는 절삭 칩 배출 홈(6)은, 비틀림각(α3)을 갖는 홈으로서 형성된다. 절삭 칩 배출 홈(6)의 비틀림각(α3)은 선단각의 크기나 피가공재의 재질에 따라서도 상이하지만, 절삭날이 지나치게 날카로워져 절결되기 쉬워지는 것을 방지하기 위해 60° 이하로 설정하는 것이 바람직하고, 60° 이하로 설정함으로써 복합 재료의 섬유 재료를 포함한 절삭 칩을 빠르게 배출할 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 외주 절삭날(7)은 마진(8) 및 절삭 칩 배출 홈(6)의 교차 모서리에 형성되어 있으며, 테이퍼부(4)의 랜드 외주에 접하는 원추면에 대하여 양의 경사각(α4)을 10 내지 30°로 설정한 절삭날로서 형성된다. 이와 같이 형성함으로써, 날끝의 각도가 날카로워져 예리함을 현저하게 향상시킬 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 테이퍼부(4)의 선단측 외경(D1) 및 후단측 외경(D2)의 직경차로부터 발생하는 테이퍼각(α2)은 45° 이하로 설정된다. 테이퍼각(α2)이 45°보다 커지면 스러스트 저항이 회전력을 상회하기 때문에, 큰 버가 발생하여 스트레이트부에서 확실하게 제거할 수 없게 된다. 테이퍼부(4)의 선단측 외경(D1)으로부터 후단측 외경(D2)까지의 길이(L2)는 테이퍼각(α2)으로 결정된다.

도 3에 도시한 바와 같이 테이퍼부(4)의 외주에는 마진(8)이 형성되어 있으며, 10 내지 30°의 양의 경사각(α4)을 갖는 절삭날로서 설정된다.

도 1 및 도 4에 도시한 바와 같이 스트레이트부(3)의 선단에는 테이퍼부(4)가 연접되고, 스트레이트부(3)의 후단부에는 섕크가 연접된다. 특히, 테이퍼부(4)와 스트레이트부(3)의 연접부에서는 극단적인 단차 형상을 없애기 위해, 스트레이트부(3)의 선단측이 테이퍼 형상으로 가공되어 있다.

스트레이트부(3)는, 하부 구멍 가공을 행하는 테이퍼부(4)에 의해 절삭되어 남은 부분을 정형 가공하기 위해 리머 형상으로 형성되어 있으며, 테이퍼부(4)의 후단측 외경(D2)보다도 0.01mm 내지 0.1mm 대직경의 마무리 가공 직경(D3)으로 형성되어 있다. 선단 절삭날(5), 테이퍼부(4) 및 스트레이트부(3)의 축심을 회전 축심에 합치시키고, 테이퍼부(4) 및 스트레이트부(3) 사이의 연접부는 스트레이트부(3)의 선단측 외경이 테이퍼부(4)의 후단측 외경을 향해 테이퍼 형상으로 직경 축소되어 동축도(同軸度) 0.01의 공차로 연접되어 가공을 행함으로써, 버를 발생시키지 않고 가공 품질이 양호한 천공 가공이 가능해진다. 또한, 선단 절삭날(5), 테이퍼부(4), 스트레이트부(3) 및 섕크(2)에 대해서도 동축도 0.01의 공차로 연접되어 있다.

드릴의 소재로서는 초경합금, 하이스, 공구강 등을 들 수 있지만, 하부 구멍 가공을 행하는 테이퍼부(4) 및 선단 절삭날(5)에는 초경합금을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 테이퍼부(4) 및 스트레이트부(3)는 각각 상이한 소재로 구성하여도 좋다.

섬유 강화 복합 재료의 천공 가공에서는 드릴 날끝의 칩핑이나 마모가 심하기 때문에, 드릴 표면을 다이아몬드 박막이나 DLC막으로 코팅하는 것이 바람직하다.

드릴(1)은 공지된 기계 가공 장치에 장착되어, 피가공재로서 복합 재료의 천공 가공에 사용된다. 복합 재료로서는 섬유 강화 복합 재료의 천공 가공에 적합하며, 특히 섬유가 층상으로 적층된 복합 재료에 적합하다. 섬유 강화 복합 재료로서는, 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP), 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP), 유리 장섬유 강화 플라스틱(GMT), 붕소 섬유 강화 플라스틱(BFRP), 아라미드 섬유 강화 플라스틱(AFRP, KFRP), 폴리에틸렌 섬유 강화 플라스틱(DFRP)을 들 수 있다. 또한, 피가공재는 일부에 섬유 강화 복합 재료를 포함하는 것이어도 좋으며, 특별히 한정되지 않는다.

이어서, 본 발명에 관한 제2 실시 형태를 도 5 내지 도 8에 기초하여 설명한다. 도 5는, 본 발명에 관한 제2 실시 형태에 관한 측면도이다. 도 6은, 도 5에 도시하는 드릴의 선단부에 관한 정면도이다. 도 7은, 도 5의 C-C선 화살표 방향에서 본 단면도이다. 도 8은, 도 5에 도시하는 드릴의 외주 절삭날에 관한 확대 단면도이다.

본 실시 형태에 관한 드릴(10)은, 도 5에 도시한 바와 같이 선단부인 선단 절삭날(14), 외주 절삭날(16)을 갖는 테이퍼부(13), 둥근 랜드 드릴 형상으로 형성된 스트레이트부(12) 및 섕크(11)로부터 구성되고, 각각이 동축 상에 연접 일체화되어 구성된다.

드릴(10)은 2매날 드릴이며, 섕크(11)의 선단에 스트레이트부(12)를 연접하고, 스트레이트부(12)의 선단에 테이퍼부(13)를 일체로 연접하여 이루어진다. 테이퍼부(13), 스트레이트부(12) 및 섕크(11)는, 동축도 0.01의 공차로 연접된다.

테이퍼부(13)는, 선단측 외경(D4) 및 후단측 외경(D5)의 직경차에 의해 형성되는 테이퍼 형상의 형태를 이루고, 그 후단측에는 스트레이트부(12)가 일체로 연접되어 있다. 스트레이트부(12)는, 테이퍼부(13)보다도 대직경으로 형성되어 있다. 테이퍼부(13)의 선단측에는, 선단각(β1)을 갖는 선단 절삭날(14)이 연접되어 있다.

테이퍼부(13)의 선단측 외경(D4)으로부터 후단측 외경(D5)까지 형성되는 테이퍼 형상 외주에는, 나선 형상으로 비틀어진 외주 절삭날(16)이 형성되어 연속적으로 천공 직경이 커지도록 설정되고, 외주 절삭날(16)을 따라 나선 형상으로 비틀어진 2조의 절삭 칩 배출 홈(15)이 형성되어 있다. 스트레이트부(12)는, 하부 구멍 가공부인 테이퍼부(13)에 의해 절삭되어 남은 부분을 정형 가공하기 위해 둥근 랜드 드릴 형상으로 형성되어 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 선단부인 선단 절삭날(14), 날끝의 능선(17 및 18)으로 선단각(β1)이 형성되어 있으며, 선단각(β1)은 60° 내지 140°의 범위로 설정되어 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 테이퍼부(13) 및 스트레이트부(12)의 외주에는 절삭 칩 배출 홈(15)이 비틀림각(β3)으로 나선 형상으로 연속하여 형성되어 있다. 절삭 칩 배출 홈(15)의 비틀림각(β3)은, 선단각의 크기나 피가공재의 재질에 따라서도 상이하지만, 절삭날이 지나치게 날카로워져 절결되기 쉬워지는 것을 방지하기 위해 60° 이하로 설정하는 것이 바람직하고, 60° 이하로 설정함으로써 복합 재료의 섬유 재료를 포함한 절삭 칩을 빠르게 배출할 수 있다.

하부 구멍 가공부인 테이퍼부(13)의 외주 절삭날(16)은 도 3에 도시한 바와 같은 마진(8)이 설정되어 있지 않고, 도 6에 도시한 바와 같이 테이퍼부(13)의 랜드 외주에 접하는 원추면에 대하여 경사각(β5) 및 릴리프각(β4)을 각각 5° 내지 20°의 범위로 설정하고 있으며, 테이퍼부(13)의 외주연에 외주 절삭날(16)이 형성되어 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 테이퍼부(13)의 선단측 외경(D4) 및 후단측 외경(D5)의 직경차로부터 발생하는 테이퍼각(β2)은 45° 이하로 설정된다. 테이퍼각(β2)이 45°보다 커지면 스러스트 저항이 회전력을 상회하기 때문에, 큰 버가 발생하여 스트레이트부에서 확실하게 제거할 수 없게 된다. 테이퍼부(13)의 선단측 외경(D4)으로부터 후단측 외경(D5)까지의 길이(L5)는 테이퍼각(β2)으로 결정된다.

도 7은, 도 5에 도시하는 C-C 단면을 스트레이트부(12)의 후단측으로부터 테이퍼부(13) 방향으로 본 스트레이트부(12)의 단면도이다. 스트레이트부(12)는 둥근 랜드 형상으로 형성되고, 테이퍼부(13)의 후단측 외경(D5)보다도 0.01mm 내지 0.1mm 대직경의 마무리 가공 직경(D6)으로 형성되어 있다. 선단 절삭날(14), 테이퍼부(13) 및 스트레이트부(12)의 축심을 회전 축심에 합치시키고, 테이퍼부(13) 및 스트레이트부(12) 사이의 연접부는, 스트레이트부(12)의 선단측 외경이 테이퍼부(13)의 후단측 외경을 향해 직경 축소된 테이퍼 형상으로 연접하고 있다. 또한, 선단 절삭날(14), 테이퍼부(13), 스트레이트부(12) 및 섕크(11)는 동축도 0.01의 공차로 일체화된다.

드릴(10) 본체의 표면은, 도 8에 도시한 바와 같이 다이아몬드로 이루어지는 피막(19)으로 덮어져 있다. 피막(19)은, 예를 들어 주지된 CVD법 또는 PVD법으로 형성할 수 있으며, DLC막이어도 좋다. 섬유 강화 수지 재료 등의 복합 재료의 가공에 특화된 드릴에는 날끝을 날카롭게 하여 예리함을 향상시키는 것이 필요하며, 드릴 모재에 초미립자 초경합금 재료를 사용함으로써 날끝 선단 반경을 작게 정형할 수 있다. 또한, 날끝을 날카롭게 한 경우 날끝 선단의 절결이나 마모가 발생하기 쉽기 때문에, 나노 다이아몬드 코팅으로 피막(19)을 형성함으로써, 날끝 선단 반경의 직경을 크게 하지 않고, 외주 절삭날의 양호한 예리함을 장시간 유지할 수 있다. 또한, 날끝의 마모 등에 의해 예리함이 악화된 경우에도, 하부 구멍 가공시에 발생한 버를 스트레이트부(12)에 의해 효과적으로 제거할 수 있기 때문에, 고정밀도의 천공 가공을 안정적으로 행할 수 있다.

도 9는, 외주 절삭날을 형성하는 테이퍼부의 테이퍼각 및 가공시에 가해지는 스러스트 저항에 대하여 모델을 사용한 설명도이다. 테이퍼부는 테이퍼각(α2)(제2 실시 형태에서는 β2)으로 하고, 천공 가공시에 가해지는 절삭 저항(F)은, 테이퍼면 중심으로부터 중심선을 향해 그은 수선과의 교점까지를 벡터로 표시한다. 그리고, 절삭 저항(F)의 수직 성분을 스러스트 저항(H), F의 수평 성분을 배분력(U)으로 한다.

도 9의 (a)는 테이퍼각(α2)이 45° 미만인 모델이고, 도 9의 (b)는 테이퍼각(α2)이 45°인 모델이고, 도 9의 (c)는 테이퍼각(α2)이 45°보다 큰 모델이고, 각각 절삭 저항(F), 스러스트 저항(H) 및 배분력(U)에 대하여 벡터 표시하고 있다. 도 9의 (a), 도 9의 (b) 및 도 9의 (c)를 보면, 테이퍼각(α2)이 커짐에 따라 스러스트 저항(H)이 증가하게 되어 있으며, 테이퍼각(α2)을 45° 이하로 함으로써 스러스트 저항(H)이 작아져 버 및 층간 박리 발생의 저감에 기여할 수 있다.

도 10은, 종래의 스트레이트 트위스트 드릴과 본 발명의 드릴의 절삭 작용의 차이에 관한 설명도이다. 도 10의 (a)는, 스트레이트 트위스트 드릴의 절삭 작용에 관한 설명도이며, 선단에 설치된 직선상의 날이 축 방향으로 회전하여 절삭하게 되어 있어, 대패로 절삭하는 경우와 마찬가지의 절삭 작용이다. 도 10의 (b)는, 본 발명의 드릴에 의한 절삭 작용에 관한 설명도이며, 부분(B2)은 스트레이트 트위스트 드릴의 절삭 작용과 마찬가지로 절삭 하지만, 테이퍼부에 설치한 외주 절삭날을 유도하기 위한 구심성 향상의 역할도 담당하고 있다. 부분(B1)은 테이퍼부의 외주 절삭날에 의한 절삭 작용을 나타내고, 테이퍼부에 설치한 외주 절삭날은 원호 형상으로 나선 형상으로 형성되어 전체적으로 테이퍼 형상으로 형성되어 있기 때문에, 외주 절삭날 및 피가공재는 점 접촉에 의한 절삭이 연속적으로 행해지고, 분체 형상의 절삭 칩을 생성하여, 외주 절삭날의 마모 저감에 기여한다. 또한, 외주 절삭날은, 비틀림각에 의한 경사와 드릴 회전에 동반되는 외주면 방향을 따른 절삭날의 회전에 의해 나이프로 절삭하는 경우와 마찬가지의 절삭 작용이 되고, 날카로운 예리함이 얻어진다. 또한, 외주 절삭날은, 나선 형상으로 전체적으로 테이퍼 형상으로 형성되어 있기 때문에, 직경 확장을 행하는 절삭날의 총 연장을 길게 취할 수 있어, 공구 수명의 향상에도 기여한다.

도 11은, 본 발명에 관한 드릴을 사용한 경우의 기계 가공 방법에 관한 설명도이다. 도 11의 (a)에서는 천공 개시 직전의 상태를 나타내고 있으며, 드릴(10)의 선단부가 판상의 피가공재(M)에 대하여 수직으로 접촉하도록 설정되어 있다. 이어서, 도 11의 (b)에서는, 드릴(10)이 회전하면서 선단부의 선단 절삭날이 피가공재(M) (예; 섬유 강화 복합 재료)에 대하여 최초로 챔퍼 가공을 행하고, 테이퍼부의 외주 절삭날에 의한 직경 확장 가공을 유도한다. 이어서, 도 11의 (c)는, 드릴(10)이 회전하면서 테이퍼부가 피가공재(M)에 진입하여 외주 절삭날에 의한 직경 확장 가공이 행해진다. 이 단계에서는, 가공 부분에 층간 박리 및 버를 발생시키지 않고 하부 구멍 가공이 행해진다. 이어서, 도 11의 (d)에서는, 드릴(10)이 회전하면서 스트레이트부가 피가공재에 진입하여 마무리 가공이 행해진다. 그리고, 스트레이트부가 마무리 가공을 행하면서 피가공재(M)로부터 빠져나온 후, 드릴(10)을 인상하여 천공 가공을 종료한다.

도 12는, 본 발명에 관한 드릴을 사용한 기계 가공 장치에 관한 외관 사시도이다. 기계 가공 장치(100)는, 볼 나사 기구 또는 리니어 모터 기구 등에 의한 XYZ의 3축 방향의 가동 기구 및 X축 및 Y축 주위의 회전 기구를 부가한 5축 기구를 구비하는 이동 수단을 구비하고 있다. Z축 이동 기구(101)는, 스핀들 축(103)에 설치된 드릴(104)을 지지하여 상하 방향으로 이동시킨다. 이동 수단으로서는, 볼 나사 기구 또는 리니어 모터 기구가 사용된다. 또한, Z축 이동 기구(101)는, 스핀들 축(103)을 회전 구동하는 구동원을 구비하고 있다.

XY축 이동 기구(102)는, X축 또는 Y축 혹은 XY 복합축으로 설치 테이블을 이동시킨다. 이동 수단으로서는, 볼 나사 기구 또는 리니어 모터 기구가 사용된다. 설치 테이블에는 바이스 또는 구속 지그 등의 지지구(106)가 배치되어 있으며, 지지구(106)에 섬유 강화 복합 재료 등으로 이루어지는 피가공재(105)가 적재 고정되어 있다. XY축 이동 기구(102)는, 볼 나사 기구 또는 리니어 모터 기구에 의해 구동된다.

그리고, Z축 이동 기구(101) 및 XY축 이동 기구(102)를 제어하여 피가공재(105)에 대하여 드릴(104)을 회전 구동하면서 천공 가공이 행해진다.

또한, 지지구(106)로서는, 피가공재(105)의 두께 방향 또는 면 방향으로부터 끼우는 기능을 갖는 것을 사용하여도 좋다. 또한, 스핀들 축을 X축 또는 Y축에 배치하도록 할 수도 있다.

[실시예]

[실시예 1]

도 5에 도시한 바와 같이, 선단 절삭날을 갖는 선단부 및 외주 절삭날이 형성된 테이퍼부 및 스트레이트부를 구비한 드릴에 대하여 절삭 시험을 행하고, 스러스트 저항(드릴 축 방향에 가해지는 힘)을 측정하였다.

절삭 시험에서는, 외주 절삭날에 마진이 설정되어 있지 않은 도 5에 도시하는 4종류의 드릴 및 비교예로서 3종류의 드릴의 합계 7종류의 드릴을 사용하였다.

도 5에 도시하는 드릴로서는, 드릴 모재를 초경합금, 다이아몬드 코팅으로 하고, 드릴의 선단부의 선단각 β1=135°, 드릴 전체 길이 103mm, 테이퍼부의 테이퍼각 β2=2°, 테이퍼부의 선단측 외경 D4=3.0mm, 테이퍼부의 후단측 외경 D5=5.0mm, 스트레이트부의 외경 D6=5.0mm, 섕크 직경 6.0mm, 테이퍼부의 외주 절삭날의 릴리프각 β4=10°, 테이퍼부의 외주 절삭날의 경사각 β5=10°를 공통 사양으로 하고, 절삭 칩 배출 홈의 비틀림각 β3을 β3=20°(드릴 A), β3=30°(드릴 B) 및 β3=40°(드릴 C)로 설정한 3종류 드릴 A 내지 C를 사용하였다. 또한, 드릴 모재를 하이스로 하고, TiCN 코팅을 행하고, 비틀림각 β3=20°(드릴 D)로 설정하고, 그 이외에는 드릴 A 내지 C와 마찬가지로 설정한 드릴 D의 합계 4종류를 사용하였다.

비교예의 드릴로서는, 드릴 외주연의 외주 절삭날에 테이퍼각이 생성되지 않은 (β2=0°)드릴을 비교 대상으로 하고, 드릴 모재를 초경합금, 다이아몬드 코팅, 드릴의 선단각 β1=118°, 외주 절삭날의 비틀림각 β3=30°, 드릴의 외경 D4=D5=D6=5.0mm(드릴 E), 드릴 모재를 초경합금, TiC 코팅, 드릴의 선단각 β1=140°, 외주 절삭날의 비틀림각 β3=30°, 드릴의 외경 D4=D5=D6=5.0mm(드릴 F), 드릴 모재를 하이스, 선단 형상을 특수 날 세움(역원추형), 외주 절삭날의 비틀림각 β3=30°, 드릴의 외경 D4=D5=D6=5.0mm(드릴 G)의 합계 3종류를 사용하였다.

절삭 시험은 이하의 조건으로 행하고, 천공 가공에 있어서의 스러스트 저항(드릴 축 방향에 가해지는 힘) 측정을 목적으로서 탄소 섬유 강화 플라스틱의 절삭 가공을 행하였다.

<절삭 속도>

드릴 모재가 초경합금인 경우 100m/min

드릴 모재가 하이스인 경우 24m/min

<드릴의 이송 속도>

드릴 모재가 초경합금인 경우 200mm/min

드릴 모재가 하이스인 경우 150mm/min

<피가공재>

탄소 섬유 강화 플라스틱(도레이제; 형식 T700)으로 이루어지는 판 두께 5mm의 판상체

<절삭유>

사용하지 않음

<드릴 가공기>

가부시끼가이샤 마쓰우라 기까이 세이사꾸쇼제 종형 MC(형식 MC-510VF-Gr 형식 번호 BT40)

<절삭 저항 측정 기기>

키슬러사제 절삭 동력계(형식 9123C)

도 13은, 외주 절삭날에 마진이 설정되어 있지 않은 도 5에 도시하는 드릴 A 내지 D 및 비교예의 드릴 E 내지 G를 사용한 경우의 절삭 시험에 있어서의 측정 결과를 나타내는 표이다. 스러스트 저항(단위; N)에 대해서는, 1 구멍 내지 5 구멍 가공시의 측정값의 평균값을 산출하였다.

스러스트 저항의 값을 보면 실시예에서는 모두 50N 이하로, 비교예보다도 낮은 값이 되었다. 또한, 일반적으로 탄소 섬유 강화 플라스틱의 절삭에는 부적합하다고 여겨지는 모재가 하이스로 이루어지는 드릴 D가 절삭된 경우에도, 비교예의 초경합금으로 이루어지는 드릴 E보다 슬라이스 저항이 낮고, 양호한 절삭 특성을 나타내었다.

이상의 결과로부터 도 5에 도시한 바와 같이, 선단 절삭날을 갖는 선단부 및 외주 절삭날이 형성된 테이퍼부 및 스트레이트부를 구비한 드릴은, 스러스트 저항의 저감에 효과가 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 외주 절삭날의 비틀림각을 크게 함으로써 스러스트 저항이 저하된다는 것을 알 수 있었다.

[실시예 2]

이어서, 실시예 1과 마찬가지의 7종류의 드릴을 사용하여 마찬가지의 절삭 시험을 행하고, 피가공재(탄소 섬유 강화 플라스틱)의 관통 구멍 부근의 버의 유무에 대하여 육안으로 관찰하였다.

도 14는, 7종류의 드릴에 의한 관통 구멍 부근의 버의 발생의 유무에 대하여 10 구멍, 40 구멍, 80 구멍, 120 구멍의 가공수까지 각각 가공한 경우의 관찰 결과를 나타내는 표이다.

관찰 결과를 보면 실시예인 드릴 A 및 B에 대해서는, 120 구멍의 가공시에 있어서도 버의 발생은 없었다. 드릴 C는 92 구멍째에 절손되었다. 드릴 C의 절손은, 절삭 칩 배출 홈의 각도인 비틀림각을 크게 함으로써, 드릴 심 두께가 가늘어짐과 동시에 절삭 칩의 배출성의 악화가 상승하여 발생했다고 생각된다. 한편, 드릴 D에 대해서는, 하이스제의 드릴이면서도 드릴 E와 거의 동등한 효과를 얻을 수 있었으며, 실시예의 드릴은 버 발생의 억제 효과가 크다는 것을 알 수 있었다.

도 15는, 실시예인 드릴 A 및 비교예인 드릴 E 내지 G에 대하여 절삭 시험 후의 버 발생의 유무에 대하여, 1 구멍, 10 구멍, 40 구멍, 100 구멍의 가공수까지 각각 가공한 경우에 있어서의 관통 구멍을 촬영한 사진을 나타내는 표이다.

사진에서 나타내는 바와 같이 비교예의 드릴을 사용한 경우, 1 구멍째로부터 버가 발생하여 양호한 가공을 행할 수 없었다.

이상의 결과로부터, 본 발명에 관한 드릴과 같이 선단 절삭날을 갖는 선단부, 외주 절삭날을 갖는 테이퍼부 및 마무리 가공을 행하는 스트레이트부를 연접 일체화한 구조를 구비함으로써, 복합 재료에 대하여 버 및 층간 박리가 발생하지 않는 안정된 절삭 가공을 행하는 것이 가능해지고, 간이 구조이면서도 저비용으로 고품위ㆍ고정밀도의 천공 가공을 1개의 드릴로 실현할 수 있었다.

1ㆍㆍ드릴, 2ㆍㆍ섕크, 3ㆍㆍ스트레이트부, 4ㆍㆍ테이퍼부, 5ㆍㆍ선단 절삭날, 6ㆍㆍ절삭 칩 배출 홈, 7ㆍㆍ외주 절삭날, 8ㆍㆍ마진, 10ㆍㆍ드릴, 11ㆍㆍ섕크, 12ㆍㆍ스트레이트부, 13ㆍㆍ테이퍼부, 14ㆍㆍ선단 절삭날, 15ㆍㆍ절삭 칩 배출 홈, 16ㆍㆍ외주 절삭날, 17ㆍㆍ날끝의 능선, 18ㆍㆍ날끝의 능선, 19ㆍㆍ피막, 100ㆍㆍ기계 가공 장치, 101ㆍㆍZ축 이동 기구, 102ㆍㆍXY축 이동 기구, 103ㆍㆍ스핀들 축, 104ㆍㆍ드릴, 105ㆍㆍ피가공재, 106ㆍㆍ지지구

Claims

섬유 강화 복합 재료를 적어도 일부에 포함하는 피가공재에 천공하는 복합 재료용 드릴이며, 선단 절삭날이 형성된 선단부와, 상기 선단부의 후단측에 연접하여 형성됨과 동시에 선단측 외경 및 당해 선단측 외경보다도 대직경의 후단측 외경의 직경차에 의해 테이퍼 형상으로 형성된 테이퍼부와, 상기 테이퍼부의 후단측에 연접하여 형성됨과 동시에 상기 테이퍼부의 상기 후단측 외경보다도 대직경의 마무리 가공 직경이 형성 가능해지도록 전체가 동일한 직경으로 형성된 스트레이트부를 갖고, 상기 테이퍼부의 외주에는, 나선 형상으로 비틀어진 외주 절삭날이 형성되어 연속적으로 천공 직경이 커지도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는, 복합 재료용 드릴.
제1항에 있어서, 상기 테이퍼부에는, 상기 외주 절삭날을 따라 나선 형상으로 비틀어진 절삭 칩 배출 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 복합 재료용 드릴.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 테이퍼부는, 상기 선단측 외경 및 상기 후단측 외경에 접하는 외경선과 드릴 축의 중심선 사이의 테이퍼각을 45° 이하로 설정하고 있는 것을 특징으로 하는, 복합 재료용 드릴.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선단부의 상기 선단 절삭날은 60° 내지 140°의 선단각을 갖고 있으며, 상기 테이퍼부의 상기 외주 절삭날은, 상기 선단 절삭날과 연속하여 형성되어 있음과 동시에 상기 테이퍼부의 랜드 외주에 접하는 원추면에 대하여 경사각 또는 경사각 및 릴리프각이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 복합 재료용 드릴.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선단부, 상기 테이퍼부 및 상기 스트레이트부는 동축형으로 일체화되어 있는 것을 특징으로 하는, 복합 재료용 드릴.
제5항에 있어서, 상기 스트레이트부는 둥근 랜드 드릴 형상 또는 리머 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 복합 재료용 드릴.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 선단부, 상기 테이퍼부 및 상기 스트레이트부의 축심을 회전 축심에 합치시키고 있는 것을 특징으로 하는, 복합 재료용 드릴.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 테이퍼부 및 상기 스트레이트부 사이의 연접부는, 상기 스트레이트부의 선단측 외경이 상기 테이퍼부의 상기 후단측 외경을 향해 테이퍼 형상으로 직경 축소되어 연접하고 있는 것을 특징으로 하는, 복합 재료용 드릴.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 드릴을 구비한, 천공 가공구.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 드릴을 사용하여 섬유 강화 복합 재료를 적어도 일부에 포함하는 피가공재에 천공하는 기계 가공법이며, 상기 선단부의 상기 선단 절삭날 및 상기 테이퍼부의 상기 외주 절삭날에 의해 상기 피가공 재에 하부 구멍 가공을 행하고, 형성된 하부 구멍에 상기 스트레이트부에 의해 마무리 가공을 행하여 천공하는 것을 특징으로 하는, 기계 가공 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 드릴을 유지함과 동시에 상기 드릴의 중심축을 중심으로 회전 구동하는 구동 수단과, 섬유 강화 복합 재료를 적어도 일부에 포함하는 피가공재를 지지하는 지지 수단과, 상기 드릴을 상기 피가공재에 대하여 천공 가공을 행하도록 상기 구동 수단 및/또는 상기 지지 수단을 상대적으로 이동시키는 이동 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 기계 가공 장치.