WO2011129310A1

WO2011129310A1 - 穿孔装置

Info

Publication number: WO2011129310A1
Application number: PCT/JP2011/059037
Authority: WO
Inventors: 政計柿本
Original assignee: ＮｅｘｔＩ＆Ｄ株式会社
Priority date: 2010-04-12
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2011-10-20
Also published as: BR112012026001A2; EP2559508A1; EP2559508A4; EP2559508B1; JP5463464B2; CA2796365A1; JP2011218507A; US20140119845A1

Abstract

　装置前部であるドリル周りから給気管・給気ホースや吸引管・吸引ホースの配備をなくして装置のバランス性を改善するとともに使用性、作業性を高めること。また、駆動源として中空モータを使用し、機械主軸に２重筒主軸を採用することにより、給気経路および吸引経路の内蔵化を容易ならしめ、装置の小型化や実用性を高めること。　駆動源１０により回転する主軸を内通路１２ａと外通路１２ｂからなる２重筒構造とし、その２重筒主軸１２の先端に、シャンク３１ｂから刃部３２の近傍に至る軸心上に通気孔３３を開孔してなるドリル３０を取り付けるとともにドリルの外周を覆うフード部材１７，４を設ける。また、前記２重筒主軸１２の後端に内通路１２ａへ圧縮空気を送り込む給気機構４０および外通路１２ｂを吸気する集塵機構５０を連結する。そして、前記内通路１２ａを介してドリル刃部まわりへ圧縮空気を給気しながらワークを穿孔することにより、発生する切り屑が外通路１２ｂを通して集塵機構５０へ吸引回収されるようにしたこと。

Description

穿孔装置

　本発明は穿孔装置に関し、詳しくはドリルを用いた穴あけ加工用であって、被穿孔材料（ワーク）が繊維強化複合材料、特に航空機の主翼素材や車両用の車体素材であるＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などの非金属材料、あるいはＡｌ合金等の穴あけ加工に好適な穿孔装置に関する。

　一般に、ＣＦＲＰ素材をドリル穿孔する場合は、加工中に切断された微細な炭素繊維が切削粉となって切り屑に大量に混在するとともに時には有害ガスを発生し、それらが作業場に飛散した場合には作業環境を著しく悪化することになる。そのため、作業者が防塵服や防塵マスクを着用するなどの対応をしているが、人体に有害な炭素繊維の微粉であることから、より確実な切り屑の回収が要請されている。
　従来、作業環境を改善する目的で、本体ケース内で回転可能な機械主軸（スピンドル）の先端にチャックを介してドリルを取り付け、そのドリルの周囲を取り囲む筒状のフード部材に圧縮空気を噴出させる給気管を接続するとともに、前記フード部材内を吸引する吸引管（集塵管）を本体ケースに接続した装置が提案されている（特許文献１）。この従来装置は、給気管からドリルの先端刃部に向けて圧縮空気を噴出し、その圧縮空気によって、ドリルを冷却しかつドリルから切り屑を離脱させると共に舞い上がらせ、また、噴出された圧縮空気の一部が穿孔により発生する切り屑等をフード部材に沿って上昇させ、それらを吸引管により吸引して外部に排出し集塵させるようにしている。
　また、上記圧縮空気を送気させる給気経路の変形として、給気管から本体ケース又はドリルのフード部材内に送気した圧縮空気を、ドリル側面の通路口からドリル軸心に形成した通気孔を通してドリル先端部へ噴出させることも提案されている（特許文献２）。

特開平６－１７９１０８号公報特開平１１－１３８３１９号公報

　しかしながら、上記特許文献１および特許文献２のような従来装置においては、穿孔装置のドリル周りである本体ケース又はフード部材に給気管および吸引管を突設して、それら両管に給気ホース、吸引ホースを接続する構造が採用されている。
　しかるに、従来装置を使用した穿孔加工時には、加工するワークに近い装置前部つまりドリル周りに給気ホース、吸引ホースが配置され、しかも、それらがコンプレッサや真空ポンプなどへ取り回される全体システムであるため、穿孔機や穿孔装置としてのバランスが悪いばかりでなく給気ホース、吸引ホースが邪魔になるなど使用上・作業上の不具合がみられた。また、回転モータなどの駆動源により機械主軸が回転する構造であることから、本体ケース内に上記給気経路および吸引経路を共に内蔵させることは構造上必ずしも容易ではなかった。

　本発明は、上記従来不具合を解消すべく穿孔装置の前部であるドリル周りから給気管・給気ホースや吸引管・吸引ホースの配備をなくして装置のバランス性を改善するとともに使用性、作業性を高めることを目的とする。また、駆動源として中空モータを使用し、機械主軸に２重筒主軸を採用することにより、給気経路および吸引経路の内蔵化を容易ならしめるとともに装置の小型化や実用性を高めるものである。

　斯る本発明の穿孔装置は、駆動源により回転する主軸を内通路と外通路からなる２重筒構造とし、その２重筒主軸の先端に、シャンクから刃部の近傍に至る軸心上に通気孔を開孔してなるドリルを取り付けるとともにドリルの外周を覆うフード部材を設け、前記２重筒主軸の後端に内通路へ圧縮空気を送り込む給気機構および外通路を吸気する集塵機構を連結し、前記内通路を介してドリル刃部まわりへ圧縮空気を給気しながらワークを穿孔することにより、発生する切り屑が外通路を通して集塵機構へ吸引回収されるようにしたものである（請求項１）。

　本発明によれば、駆動源により２重筒主軸を介して回転するドリルがワーク（被穿孔材料）を切り込みながら穿孔加工するときに、給気機構より給気された圧縮空気が内通路、通気孔を通してドリル刃部へ圧送されるので、主軸の外通路に生じる吸引力と相俟って、穿孔時の切り込みにより発生する微細な切り屑がドリル周りのフード部材内から前記外通路を通して集塵機構へ吸引回収される。また、穿孔時に有害ガスが発生する場合には当該ガスも切り屑と共に集塵機構へ回収される。

　上記駆動源は、２重筒主軸を回転させる回転モータであれば特に種類や構造に制約されるものではないが、装置の小型化を考慮すれば、装置のハウジング内に配設される中空モータを採用することが好ましく、その場合には、中空モータのロータに前記２重筒主軸を回転可能に組み込むようにする（請求項２）。
　また、好ましい実施形態として駆動源は前記中空モータと送りモータの組み合せがよく、それによりワークの厚さや材質等に対応させたドリルの自動送りが可能である（請求項３）。その中空モータと送りモータとの組み合せにおいては、両モータを同軸上に配設してコンパクトな構造とすることも任意であるが、製作性を考慮すれば、送りモータが前記中空モータに近接する下位に配設され、この送りモータの駆動により送り機構を介して中空モータを進退動させて２重筒主軸およびドリルをピッチ送りするようにする（請求項４）。

　本発明によれば、２重筒主軸の内通路を通してドリルの先端刃部まわりへ圧縮空気を給気することにより、穿孔加工時に発生する切り屑等を２重筒主軸の外通路へ誘導し集塵機構で吸引回収して集塵効果を高め作業環境を改善することができる。そして、２重筒主軸を採用して、その後端に給気機構、集塵機構を連結するので、装置前部には給気機構の給気ホースや集塵機構の集塵ホースを配備する必要がなくなり、装置バランスが改善されるとともに装置前部が簡素化されて装置の操作性、作業性を改善することができる。また、２重筒主軸はじめ、中空モータや送りモータの採用などの構造的特徴によれば、装置の小型化や作業性を高めるなど実用性を向上させることができる。

本発明第１実施例装置の要部を一部切欠して概要を示した側面図図１における中空モータ（ドリル）を前進させた同側面図本発明穿孔装置の全体概要を示す側面図ワークを穿孔加工する状態を示す要部の拡大側面図穿孔装置における２重筒主軸の後端部の詳細を示す拡大断面図図４における（６）－（６）線断面図図４における（７）－（７）線断面図図４におけるドリル先端部の拡大断面図図５における（９）－（９）線断面図図５における（１０）－（１０）線断面図図５における（１１）－（１１）線断面図

　本発明の穿孔装置の実施形態を、手持式ドリル装置Ａの場合について図面により説明すれば、図１は当該装置Ａの要部を一部切欠して概要を示した側面図であり、ハウジング１内に駆動源としての中空モータ１０及び送りモータ２０を装備した構造を例示し、図３にドリル装置Ａの全体概要図を示す。
　図１において、ハウジング１は、略矩形状の筐体であって、その内底面に前後方向（図における左右方向をいう）へ延びるレール２を左右方向（図における奥行方向をいう）に間隔をおいて敷設し、そのレール２上に中空モータ１０の摺動ブロック３を摺動可能に搭載する。また、ハウジング１内には、図示省略するが、レール２の上方に複数本の案内部材を設け、その案内部材に中空モータ１０の上部を摺動可能に支持している。
　それにより、中空モータ１０は、ハウジング１内の略中央域に前後動可能に配設されている。
　送りモータ２０は、ハウジング１の後部底面に設置し、前記中空モータ１０を前後方向へ進退動させるように該モータ１０と係合している。

　上記中空モータ１０及び送りモータ２０は、特にその種類に制約はないが中空モータ１０にはサーボモータを使用し、送りモータ２０にはネジ軸一体型のパルスモータを使用する場合を例示している。
　中空モータ１０は、モータケース１１内の中空軸部分に機械主軸（スピンドル）を一体的に備えるが、該主軸として内通路１２ａと外通路１２ｂとを形成した２重筒主軸１２とし、該主軸１２の外周面をロータ１３に一体的に結合して回転可能に組み込まれる。
　送りモータ２０は、その回転駆動軸２１に連結された送りネジ２２を前記中空モータ１０の底面下に延設し、中空モータ１０の底部に設けた図示省略の送りナットに前記送りネジ２２を螺合させ、この送りモータ２０の回転により中空モータ１０を前後方向へ進退動させるものである。

　図１は中空モータ１０を後退させた状態を示し、図２においては送りモータ２０により中空モータ１０を前進させた状態を示している。
　なお、中空モータ１０及び送りモータ２０は、前記主軸１２が２重筒構造である以外は従来知られたモータ構造であるので詳細は省略している。

　２重筒主軸１２を詳細に説明すれば、図９に示すように、外周に複数本の突条１４ａを形成した内筒１４を外筒１５に挿着接合させた一体構造で、その内筒１４内の中空孔を内通路１２ａとし、内筒１４と外筒１５との間で突条１４ａ間に形成された空隙孔を外通路１２ｂとするものである。
　この２重筒主軸１２は、先端にコレットチャック１６を設け該チャック１６によりドリル３０を着脱交換できるように取り付け、後端には給気機構４０に接続する給気ホース４１及び集塵機構５０に接続する集塵ホース５１を接続する。

　ドリル３０は、切り屑排出用の捩れリード溝を有する本体軸３１ａと、それより軸径を大きくした大径のシャンク３１ｂとからなる形状とし、そのシャンク３１ｂから本体軸３１ａに渉る軸心上に通気孔３３を形成した構造を採用する。このドリル３０は、そのシャンク３１ｂをコレットチャック１６でもって２重筒主軸１２に取り付けることにより通気孔３３と前記内通路１２ａとを直線状に連通させる。
　本体軸３１ａは、先端のヘッド部分にドリル刃３２を備えるが、前記内通路１２ａ介して給気される圧縮空気が通気孔３３を通してドリル刃３２の近傍から噴出するようにする。
　通気孔３３は、本体軸３１ａ内の孔径をシャンク３１ｂ部分に比べ小径にして圧縮空気の噴出速度が高くなるようにする。

　上記ドリル３０は、材質として超硬合金や高速度工具鋼などを使用するが、ドリル刃３２には炭化物や窒化物などを表面処理やコーティング等により適宜に施して使用すること、あるいはドリル刃３２を含むヘッド部分を着脱可能とすること、すなわち交換刃方式とすることも任意である。
　なお、ドリル３０は、中空モータ１０及び送りモータ２０の駆動により回転前進する穿孔時に穴あけ加工を施す構造であれば他に制約されるものではないが、切削性を高めるため刃部形状に改善を加えること、例えば、ワークとしてＣＦＲＰなど繊維強化複合材料を対象とする場合には、本願出願人が先に提案（特開２００９－８０６号）しているような、先端ヘッド部分における捩れリード溝の先端リード角を特定値（－１０°～＋１０°）に設定し、かつ外周掬い角を特定値（２０°～４０°）に設定する等とすることもよい。

　そして、上記中空モータ１０の先端には、図１および図４に示すように、前記２重筒主軸１２の先端に設けたコレットチャック１６の前方を覆う第１フード１７を設け、また、ハウジング１の先端には、第１フード１７の前方を覆う第２フード４を取り付け、第１フード１７は第２フード４に摺動可能に嵌め合うように取り付ける。すなわち、第１フード１７及び第２フード４によりコレットチャック１６に取り付けたドリル３０の外周を覆って保護すると同時に、ドリル３０の周りに前記２重筒主軸１２の外通路１２ｂへ通じる先端通路１８を形成している。
　したがって、前記コレットチャック１６には、図６に示すように、前記２重筒主軸１２の外通路１２ｂと先端通路１８とを連通させる通孔１６ａを開口しておく。
　なお、第１フード１７及び第２フード４は、モータケース１１、ハウジング１と一体に形成することもよいが、好ましくは別部材として着脱可能に取り付ける。

　一方、上記２重筒主軸１２の後端には、二股連結具３４を取り付け、その二股連結具３４に前記給気ホース４１、集塵ホース５１をそれぞれ接続するようにする。
　二股連結具３４は、前記２重筒主軸１２の外筒１５の後端外周に嵌め合う連結部３５を有し、その後端中央に大径の接続管３６ａを設けるとともに接続管３６ａの周りにそれより小径の接続管３６ｂを一体または別体に形成したものである。
　この二股連結具３４は、連結部３５に突設したアーム３５ａを中空モータ１０のケース１１より突設した回り止め１９に掛止させ、それによって回転が阻止されるようにする。

　そして、連結部３５内には、図５に拡大して示すように、２重筒主軸１２の内筒１４の後端を気密状かつ回転可能に嵌め合い連結するとともに内通路１２ａに連通させた内室部３７ａを設け、また、２重筒主軸１２の外筒１５を気密状かつ回転可能に嵌め合い連結するとともに外通路１２ｂの後端に連通させた外室部３７ｂを形成する。
　さらに、連結部３５内は、後部外面と前記内室部３７ａとの間を複数のリブ３８により補強するとともにそれらリブ３８間に連通口３９を開口させ、この連通口３９を介して外室部３７ｂと前記接続管３６ａを連通させている。すなわち、集塵ホース５１に接続する接続管３６ａは、内通路１２ａの後方に位置して外通路１２ｂに連通している。
　一方、接続管３６ｂは、その内端が連結部３５の内室部３７ａに連結されており、外端に給気ホース４１を接続している。すなわち、給気ホース４１から送気される圧縮空気は、接続管３６ｂから内室部３７ａ内を介して内通路１２ａへ流入する。

　給気機構４０は、図３に示すように、圧縮空気を生成するコンプレッサ４０ａとそれから延出された給気ホース４１等で構成され、その給気ホース４１より中空モータ１０内の２重筒主軸１２へ供給し、該主軸１２の内通路１２ａを通してドリル３０のドリル刃３２の周りへ送気するものである。この給気機構４０は、好ましくは冷却器を介して圧縮空気が冷却された状態で送気させ、その冷却空気により中空モータ１０及びドリル３０のドリル刃３２を空冷するようにし、それにより、ドリル刃の切削効率を保持させるとともに切り屑を細かい固形状となるようにして集塵性を高めるようにする。

　集塵機構５０は、吸引機能を備えた集塵機５０ａとそれから延出された集塵ホース５１等で構成され、その集塵ホース５１を前記２重筒主軸１２に接続して吸引させることにより、該主軸１２の外通路１２ｂを介し第１フード１７及び第２フード４内に強力な吸引力を生起させ、その吸引作用によりドリル刃３２の穿孔時に発生する切り屑等を集塵機５０ａに回収するものである。この集塵機構５０は、好ましくは集塵機５０ａにサイクロン５２を内蔵させた構成とし、それにより回収する切り屑等の吸引効率をさらに高めるようにする。

　なお、図３において示す符号５３は、電源や制御部を組込んだコントローラであり、このコントローラ５３により動作制御される前記中空モータ１０及び送りモータ２０が配線コード５４、５５により結線されている。
　また、ドリル装置Ａは手持式の場合を例示していることから、図１及び図３に示すように、ハウジング１の上面には持ち運びする際の手提げ用ハンドル５を付設し、底面には、穿孔加工時に支え手となる把手杆６及び中空モータ１０、送りモータ２０の起動・停止を制御する操作杆７を設けておき、その操作杆７によりコントローラ５３を操作するようにする。すなわち、ドリル装置Ａは手持式であるが、穿孔本体部である中空モータ１０等に給気機構４０、集塵機構５０及びコントローラ５３など付属機器を接続してシステム化された装置を例示している。

　上記ドリル装置Ａを用いた穿孔作業の加工状況を図４及び図８等により説明すれば、ワークＷとしてＣＦＲＰに穴あけする場合を示し、ワークＷの表面には該面に沿って固定される治具６０が取り付けられ、その治具６０にドリル装置Ａがセットされる。
　治具６０は、必ずしも限定される構造ではないが、空洞部６１を有する支持筒構造を例示し、その先端面に前記ドリル３０と軸心を一致させて該ドリル３０を差込み可能な挿入口６２を開口しているとともに挿入口６２の外周に複数の通路孔６３を開孔している（図４及び図７参照）。
　また、治具６０の先端外周には前記ハウジング１の前部に突設した第２フード４の先端部を嵌め合い、かつ若干の回動により係止させるロック縁６４を設けている。

　而して、作業者が把手杆６及び操作杆７を持って、第２フード４を治具６０の先端部に嵌め合いロック縁６４に係止することによりドリル装置Ａを治具６０にセットし、次いで操作杆７に付属する起動スイッチ７ａをＯＮさせることにより穿孔加工が開始する。
　先ず、送りモータ２０の起動により、中空モータ１０と共にドリル３０が前進して治具６０の挿入口６２から空洞部６１内に進入する。
　次いで適時のタイミングで、中空モータ１０が起動し２重筒主軸１２を介してドリル３０が設定された回転数をもって回転するとともに、給気機構４０の給気ホース４１から２重筒主軸１２の内通路１２ａへ供給される圧縮空気がドリル３０の通気孔３３を通って本体軸３１ａのドリル刃３２近傍から噴出する。

　そして、上記ドリル３０が前進しドリル刃３２がワークＷに接触して穿孔加工つまり穴あけ加工が開始し、図４、図８に示すように、ワークＷをドリル刃３２の回転により切削しながら前進する。その穿孔加工に伴いドリル刃３２の周辺に切り屑が発生し、時には有害ガスも発生することもあるが、それら切り屑等は、給気機構４０から給気されドリル刃３２の近傍から噴出する圧縮空気によって本体軸３１ａのリード溝に沿って上昇しながら２重筒主軸１２の外通路１２ｂへ吸引される。すなわち、給気機構４０によるドリル刃３２周りへの圧縮空気の噴出と共に、集塵機構５０により２重筒主軸１２の外通路１２ｂが吸引されることによって、コレットチャック１６の通孔１６ａ、第１フード１７の先端通路１８を介し第２フード４内が負圧状態となることにより、切り屑等は、本体軸３１ａの排出用リード溝から治具６０の空洞部６１、通路孔６３を通して前記第２フード４内および第１フード１７の先端通路１８へ上昇しながら前記通孔１６ａを介して外通路１２ｂへ吸引され、次いで集塵ホース５１を介して集塵機５０ａへ回収される。

　したがって、上記実施の形態によれば、穿孔加工中において、発生する切り屑および有害ガスを確実に回収することができるので、作業環境を改善することができる。
　また、中空主軸が２重筒構造であることから２重筒主軸１２の外径が若干大きくなるものの、給気機構４０からドリル３０のドリル刃３２まわりへ圧縮空気を送気する給気経路およびドリル刃３２から集塵機構５０へ切り屑等を吸引回収する集塵経路が中空モータ１０やハウジング１周辺に露出しないので、ドリル装置Ａが簡素化されて取り扱い易く、また穿孔加工の作業性を向上させることができる。

　なお、上記中空モータ１０及び送りモータ２０の起動タイミングなどの動作設定は、コントローラ５３により設定されるもので、前記加工状況の説明と必ずしも一致する必要はなく適宜に変更することも任意である。特に、中空モータ１０の回転数や送りモータ２０の送り速度および送り量などはワークＷの材質や厚さを考慮して設定されるものである。
　また、操作杆７には一つの起動スイッチ７ａのみを設けた場合を図示しているが、中空モータ１０と送りモータ２０の起動スイッチを個別に設け、作業者の判断で穿孔作業の進行状況に合わせ両モータ１０，２０を適時に起動させるようにすることもよい。

　上記実施の形態においてはワークとしてＣＦＲＰの場合を説明したが、それに限られるものではなくＦＲＰその他の繊維強化複合材料を対象とすることもよく、あるいは強度の高いドリル刃を備えたドリルを使用する場合には、Ａｌ合金その他の金属材料を対象とすることもよい。

　そして、上記実施の形態では、駆動源としての送りモータは中空モータに近接する下位に配設された場合を例示したが、両モータを同軸上に配置すること、例えば、二重筒主軸に回転運動と直線運動を伝達させるリニア・回転駆動装置とすることもよい。また、駆動源として回転モータ（中空モータ）１０および送りモータ２０の二つを搭載した場合を示したが、必ずしもその必要はなく、送りモータ２０を省略することも任意であり、しかも、手持式ドリル装置の場合を例示したがそれに制約されるものではない。さらに、ドリル３０の外周を第１フード１７、第２フード４のフード部材で覆って圧縮空気の給気通路を形成した場合を例示したが、それに代用できる通路部分が治具側に形成されている場合には、それらフード部材の一方または両方を省略することも可能である。

　　　　Ａ：ドリル装置　　　　　　　　　　　１０：中空モータ
　　　１１：モータケース　　　　　　　　　　１２：２重筒主軸
　　１２ａ：内通路　　　　　　　　　　　　１２ｂ：外通路
　　　１４：内筒　　　　　　　　　　　　　　１５：外筒
　　　１６：コレットチャック　　　　　　　　２０：送りモータ
　　　３０：ドリル　　　　　　　　　　　　３１ａ：本体軸
　　３１ｂ：シャンク　　　　　　　　　　　　３２：ドリル刃
　　　３３：通気孔　　　　　　　　　　　　　４０：給気機構
　　　４１：給気ホース　　　　　　　　　　　５０：集塵機構
　　　５１：集塵ホース

Claims

　駆動源により回転する主軸を内通路と外通路からなる２重筒構造とし、その２重筒主軸の先端に、シャンクから刃部の近傍に至る軸心上に通気孔を開孔してなるドリルを取り付けるとともにドリルの外周を覆うフード部材を設け、前記２重筒主軸の後端に内通路へ圧縮空気を送り込む給気機構および外通路を吸気する集塵機構を連結し、前記内通路を介してドリル刃部まわりへ圧縮空気を給気しながらワークを穿孔することにより、発生する切り屑が外通路を通して集塵機構へ吸引回収されるようにした穿孔装置。
　上記駆動源がハウジング内に配設された中空モータであって、そのロータ内に前記２重筒主軸が回転可能に連結されることを特徴とする請求項１記載の穿孔装置。
　上記駆動源がハウジング内に配設された中空モータと送りモータとの組み合せであり、その中空モータのロータ内に前記２重筒主軸が回転可能に連結され、送りモータにより２重筒主軸を進退動させてドリルをピッチ送りするようにしたことを特徴とする請求項１記載の穿孔装置。
　上記送りモータが前記中空モータに近接する下位に配設され、この送りモータの駆動により送り機構を介して中空モータを進退動させて２重筒主軸およびドリルをピッチ送りするようにしたことを特徴とする請求項３記載の穿孔装置。