WO2013099841A1 - ドリル - Google Patents

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Abstract

 FRPと金属を重ねた重ね板の穴あけに利用するドリルを、金属層が下になる状態にして穴を加工しても金属層の加工穴の出口に筒状のバリができず、高品位の穴が得られるものにすることを課題としている。切れ刃(3)が少なくとも回転中心側刃部(3a)と外周側刃部(3c)の2部で構成され、各刃部の先端角が、回転中心側刃部(3a)から外周側刃部(3c)にかけて段階的に減少したツイストドリルのボディ(1)の先端側に、ドリル径よりも外径の小さい小径部(6)を設けてその小径部に先端角の変化した切れ刃(3)を形成し、小径部(6)と大径部(7)との間に生じた段差部に、軸直角な線に対する傾斜角βが30°以下のサラエ刃(8)を設けた。

Description

ドリル
 この発明は、特にFRP(繊維強化プラスチックス。補強繊維と樹脂マトリックスの複合材)と金属の重ね板を加工するのに適したドリルに関する。
 最近、FRP、中でも、CFRP(炭素繊維強化プラスチックス)が、飛行機の胴体や翼用の構造材として特に脚光を浴びている。このCFRPは、比較的粘りのある金属、例えば、アルミニウムやチタンなどと組み合わせた複合構造の板材として提供されることがある。
 その複合構造の板材は、CFRPの一面に金属を重ねたもの(以下では単に重ね板と言う)が用いられている。その重ね板は、例えば、飛行機の胴体や翼などを構成する場合、ボルトやリベットなどの締結材を通す穴をあける必要がある。
 その穴あけには、本出願人が下記特許文献1などで提案している専用のドリルや標準刃型の一般的なドリルが利用されている。
 特許文献1のドリルは、本体部の先端に回転中心から外周に至る回転中心対称の切れ刃を有し、その切れ刃が少なくとも回転中心部、その外端に連なる中間刃部、中間刃部の外端に連なる直線の最外周刃部の3部で構成され、各刃部の先端角が、回転中心側から外周側の刃部にかけて段階的に減少したものになっている。
特開2009-172708号公報
 被削材が上記重ね板の場合、金属層を下にして上から加工することでFRP単材の加工で嫌われるスラスト荷重を金属層で受け止めることができる。そのために、標準的刃型のドリルによる加工でも要求品位を満たす穴をあけることができるが、この標準的刃型のドリルは短寿命で生産性の向上が図れない。
 一方、上記特許文献1のドリルは、切れ刃に加わるスラストを外径側において低くすることでFRPに対していわゆるバリや毛羽立ち、むしれ、チッピングの少ない高品位の穴を加工することを可能にしている。
 ところが、FRPの単材の加工では所期の効果を期待できるが、上記重ね板の穴あけでは、金属に加工される穴の品質が悪化する。上述したように、重ね板の被削材を金属層が下になる配置にして上から穴をあけると、金属層に形成される穴の出口に図10に示すような筒状のバリAが生じて高品位の穴が得られない。
 かかる問題は、CFRPの複合材において特に顕著に現われるが、被削材に含まれるFRPが、GFRP(ガラス繊維強化プラスチックス)などである場合にも発生する。
 この発明は、上記課題の解決策として有効なドリルを提供することを課題としている。
 上記の課題を解決するため、この発明においては、FRPと金属の重ね板の穴あけに利用されるドリルであって、ボディの先端に回転中心から外周に至る回転中心対称の切れ刃を有し、その切れ刃が少なくとも回転中心側刃部とその回転中心側刃部の径方向外端に連なる外周側刃部の2部で構成され、各刃部の先端角が、回転中心側刃部から外周側刃部にかけて段階的に減少したツイストドリルにおいて、
 前記ボディの先端側に、ドリル径よりも外径の小さい小径部を設けてその小径部に前記先端角の変化した切れ刃を形成し、さらに、前記小径部とその後方の本来の外径(ドリル径)を有する部分との間に生じた段差部に、軸直角な線に対する傾斜角βが30°以下のサラエ刃を設けた。
 かかるFRPと金属の重ね板加工用ドリルは、ドリル径をD、前記小径部の直径をdとしたときに、{(D-d)/D}の式で求まるサラエ刃設置部の径方向段差寸法をドリル径との比で、0.06~0.13(半径当りの段差寸法はその1/2)程度に設定すると好ましい。
 また、サラエ刃の傾斜角βは、45°、60°も試したが、30°以下、特に15°以下が加工穴の品位が特に優れて好ましかった。なお、サラエ刃の傾斜角βは、負の角度も考えられるが、傾斜角が負のサラエ刃は径方向外端が尖鋭になって欠損等を生じやすくなるので、0°以上の正の傾斜角となすのがよい。
 さらに、ドリルに形成されるねじれ溝の主体となる部分のねじれ角(主ねじれ角)を5~45°、より好ましくは、15~45°に設定し、ドリルの先端側のねじれ角を変化させて主ねじれ角よりも小さくすることも有効である。
 ねじれ溝のねじれ角は、前記小径部において変化させるとよい。その小径部のねじれ角α1と小径部よりも後方の主ねじれ角α2を共に一定にすればドリルも加工が容易であるが、小径部のねじれ角α1自体をドリルの先端側から後方に行くに従って段階的に、或いは、徐々に大きくすることもできる。この構造では、ねじれ角α1を主ねじれ角α2よりも5°~10°程度小さくすると好ましい。
 また、サラエ刃を形成するねじれ溝の一部に戻し部を設け、その戻し部におけるねじれ溝の戻し角を、ねじれ溝の主ねじれ角よりも5°~10°小さくすることや、その戻し部のドリル軸方向幅を0.04D~0.07Dに設定することも好ましい。
 このほか、耐久性向上の観点から、ボディの表面にダイヤモンド被膜を形成するのも好ましい。
 この発明のドリルは、先端小径部と本来の外径を有する部分との間の段差部に、傾き角βが30°以下のサラエ刃を設けており、そのサラエ刃がアルミニウムなどの金属に形成される穴の外径側を加工する。
 アルミニウムなどの粘りのある金属は、先端角が小さくてスラスト荷重が低く抑えられる切れ刃で加工すると穴出口において筒状バリがむしろ発生しやすくなる。この発明で設けたサラエ刃は、一般的なドリルよりも大きなスラスト荷重が加わるので、加工穴の外径側を穴出口まできれいに削り取ることができ、これにより、筒状バリの無い高品位の穴が得られる。
 また、先端側小径部に設けた切れ刃は、先端角を回転中心側から外周側の刃部にかけて段階的に減少させているので、小径部の切れ刃によってFRPに加工される穴の外径側はスラスト荷重の小さな状況で加工される。その後に、段差部のサラエ刃が穴広げの加工を行う。
 そのサラエ刃は、スラスト荷重が大きくなる刃であるので、CFRPやGFRPの加工では、層間剥離(デラミネーション)の誘起因子になるが、そのサラエ刃の設置幅(段差の寸法)を適切に設定する(ドリル径比での設置幅を、好ましくは0.06~0.13の範囲にする)ことで、FRPに加工される穴の品質低下を回避してFRPに加工される穴も高品位を確保することができる。
この発明のドリルの第1形態の全体構成を示す側面図 図1のドリルの先端側の端面図 図2の回転中心部を拡大した図 図1のドリルの刃形の投影図 ボディ表面のダイヤモンド被膜を示すイメージ図 ねじれ溝のねじれ角を一定にしたドリルの先端側の側面図 ねじれ溝のねじれ角を小径部の後端において変化させたドリルの先端側の側面図 図7のドリルの先端側を、図7の位置から90°回転した方向からみた側面図 金属層を下にした重ね板のこの発明のドリルによる穴あけ状況を示す断面図 金属層を下にした重ね板の穴加工で加工穴の出口に形成されるバリを示す図 この発明のドリルのサラエ刃設置部のねじれ溝に施す戻し加工部の軸方向戻し幅の説明図 この発明のドリルのサラエ刃設置部のねじれ溝に施す戻し加工部の戻し角の説明図(図8の矢視X方向視図)
 以下、添付図面の図1~図9に基づいて、この発明の重ね板加工用ドリルの実施の形態を説明する。これ等の図は、ソリッドドリルへの適用例を示している。図示のドリルは、超硬合金などで形成されたものであって、シャンク2の先端から延びだすボディ1の先端に中心対称形状の2枚の切れ刃3,3と、芯厚を減少させる中心対称形状のシンニング部4,4を有し、さらに、ボディ1の外周に2条のねじれ溝5,5を有する。
 ボディ1には、先端側に小径部6を設けており、その小径部6に切れ刃3を形成している。例示のドリルの切れ刃3は、図4に詳細を示すように、回転中心側刃部3aとその回転中心側刃部の径方向外端に連なる中間刃部3bと、その中間刃部3bの径方向外端に連なる外周側刃部3cの3部で構成されている。
 各刃部の先端角は、回転中心側刃部から外周側刃部にかけて段階的に減少しており、いわゆる3アングル型ドリルになっている。
 ボディ1の小径部6よりも後方に位置する部分をここでは大径部と言う。その大径部7は本来の直径を有しており、その大径部7と小径部6との間に径方向の段差が生じている。
 この発明では、その段差部にサラエ刃8を設けており、そこに発明の特徴がある。ボディの大径部7の直径をD、小径部6の直径をdとして、大径部と小径部の径差、即ち、{(D-d)/D}の式で求まるサラエ刃設置部の径方向段差寸法(2S)を、ドリル径に対する比率で0.06~0.13の範囲に設定している。
 その比率範囲を選択したのは以下の理由による。即ち、サラエ刃8によるサラエ領域が狭すぎると、図9に示すように金属層21を下にした重ね板20の穴加工では金属層21が削られずに押し潰されるような状況が生じて加工穴出口に筒状バリが生じる。径方向段差寸法のドリル径に対する比率を0.06以上にすることで、サラエ刃8による金属層21の切削が安定してなされ、押し潰しの現象が緩和されてきれいな穴があく。
 また、径方向段差寸法のドリル径に対する比率が0.13以下とすることで、切れ刃3によってFRP22に先行加工された下穴のサラエ刃8による穴広げ領域が適正範囲に納まり、FRP22に良好に加工された下穴がサラエ刃8による穴広げで荒らされることが回避される。
 サラエ刃8の傾斜角β(ドリルの軸線と直角な線に対する傾き角。図4参照)は、0°以上、30°以下に設定している。その傾斜角βを30°以下とすることで、金属層を下にした穴加工で加工穴出口に生じる筒状バリを低減することができる。その傾斜角βは、15°以下が特に好ましかった。なお、その傾斜角βは、負の角度も考えられるが、負の角度ではサラエ刃8の径方向外端が尖鋭になりすぎて強度に問題が生じる。このために、下限を0°以上とした。
 さらに、切れ刃3の径方向外端とサラエ刃8の始端との間に、0.8~2.0/100程度の微細なバックテーパが付されたつなぎ部9を設けている。このつなぎ部9は、必須の要素ではないが、これがあると、切れ刃3による加工が完全に終了した後にサラエ刃8が被削材に喰いつくため、切れ刃3による加工で重ね板の金属層に生じるバリの除去がより安定してなされる。
 図示のドリルについては、図4に示した回転中心側刃部3aの先端角θ1を130°、中間刃部3bの先端角θ2を70°、外周側刃部3cの先端角θ3を35°に設定したが、先端角は例示数値に限定されるものではない。
 例えば、回転中心側刃部3aの先端角θ1は120°~135°程度、中間刃部3bの先端角θ2は70°~100°程度、外周側刃部3cの先端角θ3は55°~10°程度を選択範囲にしてその中から適当な数値が選ぶことができる。
 この発明の適用対象は、2種類の先端角が組み合わされた2アングル型ドリルや、異なる先端角が3つ以上組み合わされたドリルであってもよい。
 また、シンニング部4は、図3に示すようなオーバラップシンニング(シンニング溝がドリル中心を越えて逃げ面側に入り込む構造)がスラストの低減効果が高くて好ましいが、これに限定されるものではない。
 ねじれ溝5は、5°~45°程度のねじれ角を有する。そのねじれ角も特に限定されないが、FRPの加工では切れ刃の刃先が尖鋭であることが望まれるので、ねじれ角は大きい方が好ましく、15°~45°が適当である。
 また、ねじれ溝5のねじれ角αは、図6に示すように一定にしてもよいが、図7、図8に示すように、先端側の小径部6におけるねじれ角α1を、小径部を除く箇所のねじれ角(主ねじれ角α2)よりも小さくするとよく、この構造では、下記の如き効果が得られる。このように、ねじれ角をねじれ溝5の長手途中で変化させることは、ねじれ溝5の溝面の一部を削ることによって可能である。
 これにより、ドリル先端部の切屑ポケットが大きくなり、切屑排出性を向上させることができる。また、先端側でねじれ角が小さくなることで、刃物角が大きくなるため、刃先の強度を向上させることができる。さらに、切れ刃3のすくい角が小さくなるので、被削材をすくい上げる力が小さくなり、FRPのデラミの発生を抑制することができる。
 このように、小径部6におけるねじれ角を小さくする場合は、小径部6におけるねじれ角α1を主ねじれ角α2に対して5°~10°程度小さくすることが好ましい。その差を5°以上とすることでねじれ角を変えた効果を十分に得ることができる。また、その差を10°以下とすることで、切れ刃形成部の厚み(バックメタル量)が小さくなりすぎて強度が低下することを回避することができる。
 なお、先端側小径部6におけるねじれ角α1は、必ずしも一定である必要はない。ドリルの先端側から後方に行くに従って段階的に、或いは、徐々に大きくなる設定も考えられる。
 ボディの大径部7の外周には、2箇所のランド部12のドリル回転方向前縁に、それぞれマージン10が設けられている。
 このほかの好ましい構成として、ボディ1の表面に、ダイヤモンド被膜11(図5参照)を設けている。このダイヤモンド被膜11を有するドリルは、寿命に優れる反面、被膜の影響により刃先に丸みが生じやすい。加えて、ダイヤモンド被膜11が被削材との摩擦係数を高める。そのために、重ね板の金属層の穴出口におけるバリの発生やドリルに対する金属の溶着が被膜の無いドリルよりも顕著になる。
 この発明のドリルは、金属加工に適したサラエ刃を設けているため、ダイヤモンド被膜を設けてもバリの発生や金属の溶着が起こり難い。
 なお、以上の説明はソリッドドリルを例に挙げて行ったが、この発明は刃先交換式ドリルにも適用することができる。ボディの先端側に着脱自在の切削ヘッドを装着し、その切削ヘッドに切れ刃3とサラエ刃8を設ければ、刃先交換式ドリルができる。
 刃先交換式ドリルは、ソリッドドリルに比べて刃先再生のための再研磨回数が少ない反面、切削ヘッドのみの交換によって傷んだ切れ刃を簡単に、短時間に再生できる利点がある。
 この発明の課題、すなわち、重ね板の金属層の穴出口におけるバリの発生の問題は、CFRPの重ね板において特に顕著であるが、被削材に含まれるFRPが、GFRP(ガラス繊維強化プラスチックス)などである場合にも発生するので、この発明は、GFRPの重ね板の加工でも有効性が発揮される。
 ドリル径D=6.375mm、段差部寸法S=0.2mm、切れ刃の先端角θ1=130°、θ2=70°、θ3=35°、先端角θ1が付された領域の直径=φ3.5mm、先端角θ2が付された領域の直径=φ5.3mm、先端角θ3が付された領域の直径=φ6.35mm、先端からサラエ刃までの軸方向寸法L=6mm、サラエ刃の傾斜角β=15°、ねじれ溝のねじれ角30°のドリルを試作した(発明品1)。
 また、下記のドリルも併せて試作した。
・発明品2:サラエ刃の傾斜角β=30°。その他は発明品1と同一仕様。
・発明品3:段差部寸法S=0.4mm。その他は発明品1と同一仕様。
・発明品4:段差部寸法S=0.4mm、サラエ刃の傾斜角β=30°。その他は発明品1と同一仕様。
・比較品1:サラエ刃なし。その他は発明品1と同一仕様。
・比較品2:サラエ刃の傾斜角β=45°。その他は発明品1と同一仕様。
 次に、上記試料を用いてCFRP板とアルミ板の積層、接着された重ね板(板厚CFRP19mm+アルミ4mm=23mm)をアルミ板を下にして下記の条件で加工した。
 切削条件:加工速度S=3200min-1、送りf=0.1mm/rev
 この試験の結果、比較品1は、アルミ板に形成される加工穴の出口に円筒状の大きなバリが生じた。また、比較品2も、比較品1ほどではないが、アルミ板に形成される加工穴の出口に円筒状のバリが生じた。
 これに対し、発明品3、4で加工した穴は、出口にバリの無いきれいな穴であった。発明品1、2は、アルミ板に形成される加工穴の出口に円筒状のバリが少し生じた。これは、段差部寸法Sが不足気味であることが影響していると思われる。
 実施例1と同一試料、同一被削材を用い、加工条件も同一にしてCFRP板を下にした状態で被削材に穴をあけた。その結果、比較品1は、CFRP板に形成される加工穴の出口に顕著なむしれや毛羽立ちが生じた。比較品2も、比較品1ほどではないが、CFRP板に形成される加工穴の出口に毛羽立ちが生じた。
 これに対し、発明品1~4で加工した穴は、出口の毛羽立ちが少なかった。発明品3、4は、毛羽立ちが若干あったが、これは、サラエ刃が、CFRPよりも金属加工に適した刃になっていることが原因と思われる。
 サラエ刃の傾斜角β=15°、段差部寸法S=0.5mm、その他は発明品1と同一仕様の比較品3と、サラエ刃の傾斜角β=30°、段差部寸法S=0.5mm、その他は発明品1と同一仕様の比較品4を用いて実施例1と同一加工条件で同一被削材に穴をあけた。その結果、比較品3,4による加工では、アルミ板の積層界面部においてCFRP板に層間剥離が生じた。その原因は、段差部寸法Sが大き過ぎたからであると思われる。
 ねじれ溝のねじれ角を、小径部の部分のみ25°とし、その他は発明品1と同一仕様にしたドリルを試作し、そのドリルを使用して実施例1と同一加工条件で同一被削材に穴をあけた。その結果、CFRP出口部のバックカウンター(返り)が発生しなかった。これは、切刃近傍の切屑ポケットが大きくなったことで切りくず排出性が向上したためと考えられる。
 サラエ刃設置部のねじれ溝(サラエ刃のすくい面となる部分)にねじれの戻し加工を行った。その戻し部の軸方向戻し幅W(図11参照。戻し部5aの軸方向幅)を0.04Dとし、ねじれ溝のねじれ角(主ねじれ角)と戻し角γ(図12参照)を変えた点以外の点は、実施例1と同一にして同一加工条件で同一被削材に穴をあけた。その結果、サラエ刃形成部のねじれ溝の戻し角γを5°~10°にしてサラエ刃形成部のねじれ溝のねじれ角を主ねじれ角よりも5°~10°小さくしたものは、バリ、デラミネーションの発生を抑制することができ、刃先強度及び加工面品位を共に向上させることができた。
 サラエ刃形成部のねじれ溝に上記の角度戻しを行った、ねじれ溝の主ねじれ角45°及び40°のドリルの性能評価の結果を表1と表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 実施例5と同じくサラエ刃設置部のねじれ溝(サラエ刃のすくい面となる部分)に戻し加工を行った。戻し部の戻し角γ(図12参照)を35°とし、ねじれ溝のねじれ角と戻し部の軸方向戻し幅W(図11参照)を変えた点以外の点は、実施例1と同一にして同一加工条件で同一被削材に穴をあけた。その結果、戻し部の軸方向戻し幅Wを0.04D~0.07Dの範囲に設定したものは、バリ、デラミネーションの発生を抑制することができ、刃先強度及び加工面品位を共に向上させることができた。
 この試験におけるねじれ溝の主ねじれ角45°及び40°のドリルの性能評価の結果を表3と表4に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
1     ボディ
2     シャンク
3     切れ刃
3a    回転中心側刃部
3b    中間刃部
3c    外周側刃部
4     シンニング部
5     ねじれ溝
6     小径部
7     大径部
8     サラエ刃
9     つなぎ部
10    マージン
11    ダイヤモンド被膜
12    ランド部
D     ドリル径
d     小径部外径
θ     先端角
β     サラエ刃の傾斜角
α1    小径部のねじれ角
α2    主ねじれ角
W     サラエ刃形成部のねじれ溝の軸方向戻し幅
γ     サラエ刃形成部のねじれ溝の戻し角

Claims (9)

  1.  穴あけに利用されるドリルであって、ボディ(1)の先端に回転中心から外周に至る回転中心対称の切れ刃(3)を有し、その切れ刃が少なくとも回転中心側刃部(3a)とその回転中心側刃部の径方向外端に連なる外周側刃部(3c)の2部で構成され、各刃部の先端角(θ)が、回転中心側刃部(3a)から外周側刃部(3c)にかけて段階的に減少したツイストドリルにおいて、
     前記ボディ(1)の先端側に、ドリル径よりも外径の小さい小径部(6)を設けてその小径部に前記先端角の変化した切れ刃(3)を形成し、さらに、前記小径部(6)とその後方の本来の外径を有する大径部(7)との間に生じた段差部に、軸直角な線に対する傾斜角(β)が30°以下のサラエ刃(8)を設けたことを特徴とするドリル。
  2.  ドリル径をD、前記小径部(6)の直径をdとしたとき、{(D-d)/D}の式で求まるサラエ刃設置部の径方向段差寸法をドリル径との比で、0.06~0.13に設定した請求項1に記載のドリル。
  3.  ボディ(1)の表面にダイヤモンド被膜(11)を形成した請求項1又は2に記載のドリル。
  4.  前記ドリルに形成されるねじれ溝(5)の主ねじれ角(α2)を、5~45°に設定し、そのねじれ角をねじれ溝の長手途中で変化させてドリル先端側のねじれ角を主ねじれ角(α2)よりも小さくした請求項1~3のいずれかに記載のドリル。
  5.  前記ねじれ溝(5)の主ねじれ角(α2)を、15~45°にした請求項4に記載のドリル。
  6.  前記ねじれ溝(5)のねじれ角を前記小径部(6)の軸方向後端において変化させ、前記小径部(6)におけるねじれ角(α1)を、前記主ねじれ角(α2)よりも小さくした請求項4又は5に記載のドリル。
  7.  前記小径部(6)におけるねじれ角(α1)を、前記主ねじれ角(α2)よりも5°~10°小さくした請求項6に記載のドリル。
  8.  前記サラエ刃(8)を形成するねじれ溝の一部に戻し部(5a)を設け、その戻し部におけるねじれ溝の戻し角(γ)を、ねじれ溝(5)の主ねじれ角(α2)よりも5°~10°小さくした請求項4又は5に記載のドリル。
  9.  前記サラエ刃(8)を形成するねじれ溝の一部に戻し部(5a)を設け、その戻し部のドリル軸方向幅(W)を0.04D~0.07Dに設定した請求項4又は5に記載のドリル。
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