JP2005118991A - 高速度穴あけ用セラミックビット - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックビットの性能を改善しかつ硬い材料の高速度穴あけを可能とする技術的に簡素で安価な解決方法を提供する。
【解決手段】セラミックドリルビットであって、円柱形のシャンクと、このシャンクと一直線をなして軸方向に延び、ビットのチップを形成する自由端を有する賦形部と、ビットの回転軸に垂直な面に対して約４°から１０°の逃げ角をなして各々の主切り刃から延びる逃げ面と、ビットの回転軸に対して約１°から７°の正の切削角をなして中心刃から延びる２つの二次すくい面を形成する２つのノッチとから成る。
【選択図】 図１

Description

本発明はセラミック材料製のドリルビットに関する。これは特に航空機産業分野において、たとえば耐熱材料および特にニッケル基およびコバルト基超合金たとえば特に航空機産業で使用されるフランジ付き部品の製造に用いられるインコネル７１８等の非常に硬い材料への非常に高速度の穴あけ（ドリリング）用に使用される。

現在、セラミックスはその非常な硬さと高温耐性とによって切削工具の製造に多用されつつある。一般に、たとえば欧州特許第０４７７０９３号明細書に記載の非常に硬い材料の高速度機械加工を可能とする公知のセラミック切削工具はフライス盤と旋盤用刃物である。しかしながら不都合なことに、穴あけ作業中にドリルビットに加わる応力（穴あけ深度、切屑除去、切削抵抗の強度と方向）はたとえば旋盤刃物またはフライス作業中の切削工具にかかる応力よりも大である。これらの応力からして、非常に硬い材料に非常な高速度で穴あけを行なうセラミックビットを提供することはますます困難である。

数多くのメーカがそのカタログ中にセラミックドリルビットを挙げており、また米国特許第５６４１２５１号明細書はその種のビットの１つを記載している。これらのビットは高速度鋼あるいはタングステンカーバイド製の従来のビットに比較して改善された性能を供するとはいえ、それらの利用には制限があり、なおかつ超合金と同程度の硬さを有する材料への非常に高速度の穴あけを実現することは不可能である。セラミック材料の靭性が低いため、セラミックビットはねじり強さおよび圧縮強さの点でたとえばタングステンカーバイド製の金属ビットよりも劣り、こうした機械的特性により、硬い材料への穴あけ時あるいは高速度前進または高速度切削による穴あけ時にセラミックビットは脆性破壊を来たすことになる。セラミックをベースとした材料の機械的特性を改善する取組みが行なわれてきており、米国特許第４７８９２７７号明細書は機械的特性を改善するために炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維（またはウィスカ）を組み込んだセラミックスを記載している。またさらに、ドリルビットの切れ刃を常にゼロまたは負角で形成して切れ刃の摩耗を防止し、こうしてセラミックビットの寿命を延ばすよう万全を期すことが知られておりかつまた推奨されている。

それにもかかわらず、この種のビットにはなお、穴あけし得る材料とビットの切削／前進速度の点で制限がある。たとえばニッケル基およびコバルト基超合金のような耐熱材料と同程度の硬さ（ビッカース硬さ、ほぼ４４０）を有する材料に穴あけする際に、切削／前進速度が非常に高速度で、たとえば切削速度がほぼ４００メートル／分（ｍ／ｍｉｎ）を超えかつ前進速度が０．０４ミリメートル／回転を超える場合には、従来の技術によるビットに発生して加わるねじり力と軸方向圧縮力とはビットの破壊を不可避とするものとなる。これに加えて、非常に硬い材料に高速度で穴あけしようとする場合には、穴あけされる工作物にこの種のビットによっておよぼされる切削抵抗と、ビットの半径方向外側面と穿孔穴の内側円筒面との間の摩擦とによってビットと穴あけされる工作物とに熱応力が生じ、こうしてビットの劣化が促進されかつ工作物に変形が生ずることとなる。

さらに、穿孔深度が増すとともに、セラミックビットに加わるねじり抵抗はますます大きくなるが、これは第一に穿孔穴の内側円筒面との間で摩擦するビットの外側面積がますます増大し、第二に高速度穴あけ時に従来の技術のセラミックビットは発生する大量の切屑を効果的に除去することができないからであり、こうしてビットに詰まり現象が生じ、結果としてビットに加わるねじり力が増大し、ビット破壊の危険が増すこととなる。こうした短所により、一般に、ビットの直径を上回る深度まで高速度で穴あけすることは不可能である。
欧州特許第０４７７０９３号明細書 米国特許第５６４１２５１号明細書 米国特許第４７８９２７７号明細書

本発明の目的は、上記の短所を回避するとともにセラミックビットの性能を改善しかつ硬い材料の高速度穴あけを可能とする技術的に簡素で安価な解決方法を提供することである。

上記目的のため、本発明は
・円柱形のシャンクと、
・シャンクと一直線をなして軸方向に延び、ビットのチップを形成する自由端を有する、下底がビットのチップに隣接して配置された円錐台の形の賦形部とを備えるセラミックドリルビットであって、
チップは２つの主切れ刃と２つの主切れ刃の間の１つの中心刃とを有し、賦形部はビットの回転軸を周回して（回転軸の周りを）交互に延びる２本のリップと２本の溝とを有し、リップと溝とはチップからシャンクの方向に向かって延び、各々のリップは１つのランドを含み、各々の溝はランドと主切れ刃とに隣接した１つの主すくい面を含み、少なくともビットの賦形部はセラミック材料で作られており、
・ビットの切削角は正であり、
・逃げ面は各々の主切れ刃から、ビットの回転軸に垂直な面に対して約４°から１０°の範囲内の逃げ角をなして延び、
２つの二次すくい面を形成する２つのノッチはビットの回転軸に対して約１°から７°の範囲内の正の切削角をなして中心刃から延びているドリルビットを提供する。

一実施形態において、リップと溝とはビットの軸に対して約２０°から３０°の範囲内のねじれ角、好ましくは２０°から２５°の範囲内のねじれ角でビットの回転軸の周りをらせん状に巻いている。

別の実施形態において、賦形部のテーパ角は約１°から５°の範囲内、好ましくは２°から４°の範囲内にある。

別の実施形態において、各々のランドの幅は賦形部の外径のほぼ１／１０を下回っており、好ましくはほぼ１／２０以下である。

本発明のドリルビットの寸法ならびに幾何的形状にかかわる特徴のコンビネーションによりいくつかの利点が得られる。

これらの利点の一つはビットに加わるねじり抵抗と圧縮力とが大幅に低減されることであり、これによりたとえばニッケル基およびコバルト基超合金のような非常に硬い材料に高速度で穴あけする際のビットの破損またはせん断が回避される。ビットの強度特性を損なうことなくねじり抵抗を減少させるためにさまざまな解決方法が採用されてきているが、その一つはランドの幅にあり、その幅はビットと穿孔穴の円筒状内壁との間の摩擦トルクを低下させるために制限される。約１°から３°までの範囲内にあるビット賦形部のテーパもビットと穿孔穴の内壁との間の摩擦トルクの減少に貢献し、この場合、ランドはビットのチップの近傍でのみ穿孔穴の円筒状内壁と接触するにすぎない。セラミックビット製作時の従来の技術の慣行とは異なり、本発明のビットの切削角は正であり、ビットの軸に対して約４°から１０°までの範囲内にあり、これによって切削抵抗が低下させられ、従ってビットにおよぼされるねじり抵抗が減少させられる。従来の技術において、切削角は時とともに切れ刃が摩耗するのを防ぐためゼロもしくは負にさえもされている。また、切削抵抗と、ビットと穿孔穴の内壁との間の摩擦の減少も穴あけ作業中に発生する熱エネルギを減少させることを可能にし、従って、ビットまたは工作物を損傷することなく非常に硬い材料に高速度で実施される穴あけを可能とする。

穴あけ中にビットにおよぼされる圧縮力はセラミックビットの中心刃から出発する２つのノッチが形成されることによって減少させられる。従来のセラミックビットの中心刃は切削角を持たず、従ってビットの軸方向移動に対する大きな抵抗に直面することとなる。ノッチの存在により中心刃を改造してそれがビットの軸に対して約１°から７°までの範囲内の正の切削角を有した切り刃となるようにすることができる。

本発明において、ビットの破壊またはせん断の危険を減少させるため、リップと溝とはらせん形であり、これによりビットはその他の強度特性を損なうことなくビットにおよぼされるねじり抵抗によりよく耐えることができる。２５°を下回るねじれ角を有したらせん形の溝により、切削速度にかかわりなく、ビットの外径を超える穴あけ深度でも切屑を十分確実に排出することが可能となる。

懸念された事態とは逆に、熱応力と穴縁での材料の損傷は軽微であり、数百マイクロメートル（μｍ）の深度に限定されている。切屑は穴から排出される際に赤色を帯びており、これは切屑がほぼ１０００℃の温度であることを意味している。これから、高速度穴あけ中に発生するエネルギーはほとんどが切屑に伝達され、切屑によって放出されると結論することができる。ほとんどの場合に工作物は穴あけによって荒仕上げされたままである。これとは異なり、高い応力の生ずるたとえばターボジェットのロータのような工作物については、穴あけ加工によって荒仕上げされた穴は続いて従来の手段による仕上げに付される。いずれにせよ、本発明のビットを使用した高速度穴あけは有利である。

本発明のその他の特徴として、溝とリップとのねじれ角は好ましくは約２０°から２５°までの範囲内にあり、ビット賦形部はほぼ１°に等しいテーパ角を有し、各々のランドはビット外径のほぼ１／２０を下回る幅を有し、逃げ面は各々の切れ刃から、ビットの軸に垂直な面に対して１２°を下回る角度をなして延び、前記角度は好ましくは８°を下回り、各々の逃げ面と一直線をなして延びるアンダカット面も形成されていてよい。ビットの各々の切れ刃と、各々のランドと主すくい面との間の交差線を形成する各々のランド前縁とは約２μｍから４０μｍまでの範囲内の半径で丸み付けられている。切れ刃の角もビットの軸に対してほぼ２０°の角度でほぼ０．５ミリメートル（ｍｍ）だけ面取りされ（食付き部が形成され）ていてよい。これらの付加的な特徴はセラミックビットにおよぼされるねじり抵抗および圧縮力の減少に貢献する。これらの特徴はまた高速度穴あけ中に発生する熱エネルギーの減少に貢献すると同時に切屑による前記エネルギーの放出の改善にも貢献する。

別の有利な特徴として、２つの主切れ刃の間に形成される角度に相当するビット頂角は約１４０°から１５５°の範囲内にある。この特徴によりビットは自動センタリングが可能となり、従ってビットをセンタリングするための位置決め動作は不要となる。

本発明のさらにその他の特徴として、
・各々のランドは０．２ｍｍから０．８ｍｍまでの範囲内、好ましくは０．４ｍｍから０．８ｍｍまでの範囲内の幅を有し、
・ビットのシャンクと賦形部とはセラミック製であり、
・セラミックはアルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素または混合セラミックスを基材とし、
・セラミックは炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維で強化され、
ビットは特にニッケル基またはコバルト基の航空機産業用材料たとえばほぼ４４０（ＨＶ）のビッカース硬度を有するインコネル７１８等の耐熱材料への穴あけに好適である。

本発明はまた、コバルト基およびニッケル基の航空機産業用耐熱材料への高速度穴あけ用にビットの切削速度が約４００ｍ／ｍｉｎから１０００ｍ／ｍｉｎの範囲内にありかつビットの進み速度が１回転当たり０．０４から０．１ミリメートルの範囲内にある、上記のタイプのセラミックビットによる穴あけ方法を提供する。ビットの摩耗または破壊を促進する危険なしに本発明のセラミックビットの使用を可能とし、同時になお切屑の良好な排出を可能として切屑による優れた熱放出を実現する条件はこれらの範囲によって決定される。使用最適条件を実現するビットの切削速度は約４００ｍ／ｍｉｎから６００ｍ／ｍｉｎの範囲である。

本発明の方法のその他の特徴として、穴あけは潤滑剤なしで乾式実施され、あらかじめドリルをセンタリングするための位置決め動作は不要である。

切削パラメータと工具寿命の点でビットの性能を減ずることからして、本発明のビットを用いた穴あけ時に潤滑剤を使用することは望ましくない。

所要の最終面状態に応じ、前もっての位置決め動作とその後の仕上げ作業とを要しない１回の穴あけ作業で最終的な穴あけに十分とすることができる。穴あけが高速度で行なわれ、穴あけ動作の回数が減少することから、本発明のビットは非常に硬い材料の穴あけに要する時間を大幅に減少させることができる。非常に硬い材料に本発明のビットで可能であるのと同程度の高速度で穴あけを実施することのできない従来の技術のビットに比較して、本発明に基づく穴あけ動作に要される時間は少なくとも１／５に短縮される。

本発明のその他の特徴として、
・本発明の方法は特にニッケル基またはコバルト基の航空機産業用材料たとえばほぼ４４０（ＨＶ）のビッカース硬度を有するインコネル７１８等の耐熱材料への穴あけに好適であり、
・穴あけは荒削り作業である。

以下、添付図面に基づく実施形態の説明により本発明の理解をさらに深め、本発明のその他の特徴、詳細および利点をより明瞭にする。

一例として図１から図４は非常に硬い材料たとえば超合金製および特にインコネル７１８製の航空機産業用耐熱材料に高速度穴あけ（ドリリング）するための一体形（ｏｎｅ−ｐｉｅｃｅ）セラミックドリルビットを示している。

このセラミックビット１（図１）は円柱形シャンク２と、シャンクからビットの軸４に沿って延びる賦形部３とを有している。シャンクは工作機械（不図示）のチャックへのビット取り付けに使用される１本の環状溝５を含んでいる。軸状円柱形シャンクの自由端６は工作機械のチャックへの挿入を容易にする食付き部７に終端処理されている。

ビット１の賦形部３は、ビットの「チップ（ｔｉｐ）」と称される、シャンク２とは反対側のビット１の軸方向端部１０から軸４を周回して交互に延びる２本のリップ８と２本の溝（フルート）９とを有している。リップ８と溝９とは約２５°以下のねじれ角１１で軸４の周りをらせん状に巻いている。

各々のリップ８は穿孔穴の内壁に対して摺動するためのランド１２とクリアランス面１３とを有しており、これらはいずれもらせん形をなしている。本発明により、各々のランド１２はビット１の賦形部３の直径１５のほぼ１／１０以下の幅１４を有している。各々の溝９はランド１２に隣接した主すくい面１６（メインカッティングフェース）を含んでいる。ランド１２と主すくい面（メインカッティングフェース）１６との間の交差線（インターセクション）はランド１２の前縁（リーディングエッジ）１７と称される刃（エッジ）を形成している。

各々のランド１２はビット１のチップ１０の脇まで延びて主切れ刃（メインカッティングエッジ）１８を形成している。２つの主切れ刃は中心刃（セントラルエッジ）１９によって分離されている。２つの主切れ刃の間に形成される頂角２０はほぼ１４０°から１５５°までの範囲内にある。各々の主切れ刃１８は溝９の主すくい面１６とビットの軸４に垂直な面に対してほぼ１０°を下回る角度をなす逃げ面（リリーフフェース）２１との交差線によって形成されている。各々の逃げ面２１は主切れ刃１８から、ビット１の軸４に垂直な面に対して約４°から１０°、好ましくは約６°から８°の逃げ角をなして延びている。正または負の切削角は切削方向２３に対するすくい面１６の配向によって決定される。すくい面が切れ刃から切削方向２３に向かって傾斜している場合には、切削角は負（ｎｅｇａｔｉｖｅ）と呼ばれ、逆にすくい面１６が切削方向２３から離れる方向に向かって切れ刃から傾斜している場合には、切削角２２は正（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）と呼ばれる。

主切れ刃１８とランド１２の前縁１７との間の交差線によって形成されるビットの各々のコーナ２４はビットの軸４に対して約２０°をなす、ほぼ０．５ｍｍの食付き部（ｃｈａｍｆｅｒ）２５を含んでいる。

ビット１の賦形部３は円錐台の形の全体的輪郭を有している。この円錐台の下底はチップ１０に隣接して配置され、賦形部３のテーパ角２６はほぼ１°から３°の範囲内にある。

２つのノッチ２７（図１、図２および図４）によって形成される二次すくい面２８はビットの軸４に対して約１°から７°の正の切削角２９（図４）を成してビット１の中心刃１９から延びている。従って本発明の中心刃１９は２つの副切れ刃を含んでいる。

ビット１の主および副切れ刃１８および１９と各々のランド１２の前縁１７は２μｍから４０μｍの範囲の半径で丸み付けられている。

一体形ビット１を構成するセラミック材料は炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維強化されたアルミナを基材としている。

本発明のビット１の一変形実施形態において、セラミック材料はジルコニア、窒化ケイ素あるいは、ジルコニアと窒化ケイ素とから成る混合セラミックスを基材とし、任意に炭化ケイ素繊維強化されていてよい。

別の変形実施形態において、ビット１の賦形部３とシャンク２とは異なった材料から別々に作られ、たとえばロウ付けによって互いに結合されている２つの要素である。この場合、ビット１の賦形部３はセラミック製であり、他方、ビット１のシャンク２はビット１に加わる力によりよく耐えることができるようにセラミックよりも高い強度を有する材料で作られている。一例として、ビット１のシャンク２の材料はタングステンカーバイドであってよい。

本発明のビット１の性能を改善するため、ねじれ角１１は好ましくは約２０°から２５°までの範囲内にあり、賦形部３はほぼ１°のテーパ角２６を有し、各々のランド１２は賦形部３の外径１５のほぼ１／２０を下回る幅１４を有し、各々の逃げ面２１はビット１の軸４に垂直な面に対してほぼ８°の角度を有し、各々の逃げ面２１はまたアンダカット面３０によって延長されていてもよい。

本発明のビット１の一変形実施形態において、各々のランド１２の幅１４はほぼ０．５ｍｍである。

本発明のセラミックビット１は耐熱材料、例えば一般に「超合金」と呼ばれる、ニッケル基またはコバルト基の航空機産業用耐熱材料の穴あけに特に好適であり、たとえば、ビッカース硬度ほぼ４４０のインコネル７１８に非常に高速度で穴あけすることが可能である。本発明において、インコネル７１８と同程度の硬度を有する材料の穴あけ時に、ビットの切削速度は約４００ｍ／ｍｉｎから１０００ｍ／ｍｉｎの範囲内にあり、進み速度は１回転当たり約０．０４から０．１ミリメートルの範囲内にあるため、ねじりと圧縮力の形でビット１に熱的および機械的に作用する応力を大幅に減少させることが可能である。こうした速度において熱応力はこの熱エネルギを穿孔穴から速やかに放出する切屑による放熱の実現によって減少させられる。最適な使用条件として、ドリルの切削速度は約４００ｍ／ｍｉｎから６００ｍ／ｍｉｎの範囲内にある必要があろう。これらの推奨速度以外でビットを使用する場合にはビットの摩耗が促進されることとなる。

本発明のその他の特徴として、穴あけは潤滑剤なしで乾式実施され、あらかじめビットをセンタリングするための位置決め動作を要しない荒削り作業である。

所要の最終面状態に応じ、前もっての位置決め動作とその後の仕上げ作業とを要しない１回の穴あけ作業で最終的な穴あけに十分とすることができる。

本発明のドリルビットの側面図である。 図１に示したビットの先端を示す図である。 図２に示した方向Ａから見た、図１のビットの一部の側面図である。 図２に示した方向Ｂから見た、図１のビットの一部の側面図である。

符号の説明

１ セラミックビット
２ 円柱形シャンク
３ 賦形部
４ ビットの軸
５ 環状溝
６ 自由端
７ 食付き部
８ リップ
９ 溝
１０ 軸方向端部
１１ ねじれ角
１２ ランド
１３ クリアランス面
１４ 幅
１５ 直径
１６ 主すくい面
１７ 前縁
１８ 主切れ刃
１９ 中心刃
２０ 頂角
２１ 逃げ面
２２、２９ 切削角
２３ 切削方向
２４ コーナ
２５ 食付き部
２６ テーパ角
２７ ノッチ
２８ 二次すくい面
３０ アンダカット面

Claims (23)

1. 円柱形のシャンクと、
   シャンクと一直線をなして軸方向に延び、ビットのチップを形成する自由端を有する、下底がビットのチップに隣接して配置された円錐台の形の賦形部とを備え、
   チップは２つの主切れ刃と２つの主切れ刃の間の１つの中心刃とを有し、賦形部はビットの回転軸を周回して交互に延びる２本のリップと２本の溝とを有し、リップと溝とはチップからシャンクの方向に向かって延び、各々のリップは１つのランドを含み、各々の溝はランドと主切れ刃とに隣接した１つの主すくい面を含み、少なくともビットの賦形部はセラミック材料で作られており、
   ビットの切削角が正であり、
   逃げ面は各々の主切れ刃から、ビットの回転軸に垂直な面に対して約４°から１０°の範囲内の逃げ角をなして延び、
   ２つの二次すくい面を形成する２つのノッチはビットの回転軸に対して約１°から７°の範囲内の正の切削角をなして中心刃から延びている、セラミックドリルビット。
2. リップと溝とはビットの軸に対して約２０°から３０°の範囲内のねじれ角をなしてビットの回転軸の周りをらせん状に巻いている、請求項１に記載のセラミックビット。
3. ねじれ角が約２０°から２５°の範囲内にある、請求項２に記載のセラミックビット。
4. 賦形部のテーパ角が約１°から５°の範囲内にある、請求項１に記載のセラミックビット。
5. 賦形部のテーパ角が約２°から４°の範囲内にある、請求項４に記載のセラミックビット。
6. 各々のランドの幅が０．２ｍｍから０．８ｍｍの範囲内にある、請求項１に記載のセラミックビット。
7. 各々のランドの幅が０．４ｍｍから０．８ｍｍの範囲内にある、請求項６に記載のセラミックビット。
8. 各々のランドがビット外径のほぼ１／２０以下の幅を有する、請求項１に記載のセラミックビット。
9. 逃げ角がビットの回転軸に垂直な面に対して６°から８°の範囲内にある、請求項１に記載のセラミックビット。
10. 各々の逃げ面がアンダカット面によって延長されている、請求項１に記載のセラミックビット。
11. ビットの各々の主切れ刃と、各々のランドとすくい面との間の交差線を形成する各々のランド前縁とは約２μｍから４０μｍまでの範囲内の半径で丸み付けられている、請求項１に記載のセラミックビット。
12. ビットの角がそれぞれビットの軸に対してほぼ２０°をなす、ほぼ０．５ｍｍの食付き部を含んでいる、請求項１に記載のセラミックビット。
13. ２つの主切れ刃によって形成される角度に相当するビット頂角が約１４０°から１５５°の範囲内にある、請求項１に記載のセラミックビット。
14. ビットのシャンクと賦形部とがセラミック製である、請求項１に記載のセラミックビット。
15. セラミック材料がアルミナ、ジルコニア、窒化ケイ素または混合セラミックスを基材としている、請求項１に記載のセラミックビット。
16. セラミック材料が炭化ケイ素繊維で強化されている、請求項１に記載のセラミックビット。
17. ビットは、特にニッケル基およびコバルト基の航空機産業用材料たとえばほぼ４４０のビッカース硬さを有するインコネル７１８等の、耐熱材料の穴あけ用である、請求項１に記載のセラミックビット。
18. ビットの切削速度が約４００ｍ／ｍｉｎから１０００ｍ／ｍｉｎの範囲内にありかつビットの進み速度が１回転当たり０．０４から０．１ミリメートルの範囲内にある、請求項１に記載のセラミックビットを使用した穴あけ方法。
19. ビットの切削速度が約４００ｍ／ｍｉｎから６００ｍ／ｍｉｎの範囲内にある、請求項１８に記載の穴あけ方法。
20. 穴あけが乾式実施される、請求項１８に記載の穴あけ方法。
21. 穴あけは前もってのセンタリングを必要としない荒削り作業である、請求項１８に記載の穴あけ方法。
22. 最終穴あけに１回の穴あけ作業が要される、請求項１８に記載の穴あけ方法。
23. 穴あけ深度がビットの賦形部の直径よりも大である、請求項１８に記載の穴あけ方法。

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