JP2010523356A - 繊維強化プラスチック材料のオービタルドリル加工用のエンドミル - Google Patents

Abstract

繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）材料をオービタルドリル加工するための中心切削または非中心切削エンドミル（１０）は、シャンク（１２）と、ネック（１４）と、切削ヘッド（１６）と、２つ以上のフルート（３６、３８）とを含む。このエンドミル（１０）は次のような特徴を備えた工具の形状を有する。すなわち、約２度から約６度までの間のさら形角度（２８）と、約５度から約１８度までの間のねじれ角（４４）と、約０度および約１５度の間の末端刃の半径方向すくい角（４６）と、約８度および約１６度の間の周囲刃の半径方向すくい角（４７）と、約３度から約１０度までの間の溝部軸方向すくい角（４８）と、約１０度から約１８度までの間の一次逃げ角とを有する。このエンドミルは、超硬コバルトを含む炭化タングステン基材とダイヤモンド被膜とから作製される。

Description

本発明は、繊維強化プラスチック材料のオービタルドリル加工用のエンドミルに関する。

繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）材料は、その高い比強度および比剛性によって航空宇宙産業において広く用いられている。ＦＲＰ材料は、軟質の樹脂母材と高強度の繊維補強材とからなる複合材料である。代表的な繊維補強材には、炭素繊維（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維（ＧＦＲＰ）、ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）繊維等が含まれる。ＦＲＰ材料は層構造に加工処理される場合が多い。ＦＲＰ材料は優れた面内強度を有するが、層間強度は低い。繊維は、機械加工の間に剥離する傾向がある。図１０は、従来型のエンドミルによって機械加工された穿孔の周りの繊維の剥離を示す。

繊維の剥離を低減する１つの方法は、オービタルドリル加工法の使用である。オービタルドリル加工は、エンドミルの中心が、それ自体の軸の回りに回転しながらかつ軸方向に動きながら、意図する孔の中心の回りに軌道を描く方式のフライス加工による穿孔操作である。オービタルドリル加工は、回しフライス加工（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｍｉｌｌｉｎｇ）またはヘリカル補間（ｈｅｌｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）とも呼称される。

特開２００７−０３００７４号 特開２００３−０９４２２６号

従って、繊維強化プラスチック材料を機械加工する場合に繊維の剥離を最小化する切削工具を提供する必要がある。

簡潔に言えば、本発明によって、繊維強化プラスチックをオービタルドリル加工するためのエンドミルであり、シャンク径を有するシャンクと、ネック径を有するネックと、切削径、コーナ半径、さら形角度（ｄｉｓｈ ａｎｇｌｅ）および背面半径（ｂａｃｋ ｒａｄｉｕｓ）を有する切削ヘッドとを含むエンドミルであって、ネック径が切削径の約６５パーセントから約９０パーセントまでであり、さら形角度が約２度から約６度までの間にあり、コーナ半径が切削径の約３パーセントから約８パーセントまでの間にあるエンドミルが提供される。

別の実施形態においては、繊維強化プラスチックをオービタルドリル加工するためのエンドミルが、約２度および約６度の間のさら形角度と、約５度および約１８度の間のねじれ角（ｈｅｌｉｘ ａｎｇｌｅ）と、約５度および約１５度の間の半径方向すくい角と、約３度および約１０度の間の溝部軸方向すくい角（ｇａｓｈｉｎｇ ａｘｉａｌ ｒａｋｅ ａｎｇｌｅ）と、約１０度および約１８度の間の一次逃げ角（ｐｒｉｍａｒｙ ｃｌｅａｒａｎｃｅ ａｎｇｌｅ）とを有する。

本発明のさらなる特徴およびそれから得られる利点は、図面を参照した以下の詳細説明から明らかになるであろう。

本発明の実施形態による繊維強化プラスチック機械加工用エンドミルの形状の側面図である。 図１のエンドミルの切削ヘッドの拡大側面図である。 本発明の実施形態による繊維強化プラスチック機械加工用の４フルート（４−ｆｌｕｔｅｄ）非中心切削エンドミルの端面図である。 図３の４フルート非中心切削エンドミルの部分側面図である。 図３の４フルート非中心切削エンドミルによって生成された孔の品質の写真である。 本発明の実施形態による繊維強化プラスチック機械加工用の２フルート中心切削エンドミルの端面図である。 図６の２フルート中心切削エンドミルの部分側面図である。 図７Ａの線７Ｂ−７Ｂに沿う２フルート中心切削エンドミルの部分断面図である。 図６の２フルート中心切削エンドミルによって生成された孔の品質の写真である。 本発明の実施形態による繊維強化プラスチック機械加工用の４フルート中心切削エンドミルの端面図である。 従来型エンドミルによって穿孔された孔の周りの繊維の剥離を示す。

工具の形状（ｔｏｏｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）

図１および２において同じ参照符号は同等の要素を表すが、この両図を参照すると、繊維強化プラスチックをオービタルドリル加工するためのエンドミルが全体として符号１０で示されている。一般的に、エンドミル１０は、シャンク１２とネック１４と切削ヘッド１６と縦軸１８とを含む。１つの実施形態において、シャンク１２は、約０．４インチ（１０．１６ｍｍ）のシャンク径２０を有し、ネック１４は、約０．２２インチ（５．５９ｍｍ）のネック径２２を有し、切削ヘッド１６は、約０．２８インチ（７．１１ｍｍ）の切削径２４を有する。一般的に、ネック径２２は切削径２４よりも小さく、例えば、ネック径２２を、切削径２４の約６５から９０パーセントまでとすることができる。

図２によく見られるように、切削ヘッド１６は、端面に対するさら形角度２８を含む前方の切削端２６を含む。１つの実施形態においては、さら形角度２８を約２度から約６度までの範囲とすることができる。切削ヘッド１６は、またコーナ半径３０を有し、これは、切削径２４の約３パーセントから約８パーセントまでである。コーナ半径３０は切削径２４に依存して変化する。例えば、１つの実施形態においては、約０．２８インチ（７．１１ｍｍ）の切削径２４の場合、コーナ半径３０は約０．０２インチ（０．５１ｍｍ）である。切削ヘッド１６は、また、コーナ半径３０から背面半径３４に延びる直線部３２を含む。背面半径３４によって、切削ヘッド１６からネック１４への直径の縮小がもたらされる。１つの実施形態においては、約０．２８インチ（７．１１ｍｍ）の切削径および約０．２２インチ（５．５９ｍｍ）のネック径２２の場合、背面半径３４は約０．１６インチ（４．０６ｍｍ）である。

工具の形態（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）

一般的に、エンドミルは、約２度から約６度までの間のさら形角度と、約５度から約１８度までの間のねじれ角と、約０度から約１５度までの間の末端刃の半径方向すくい角と、約８度から約１６度までの間の周囲刃の半径方向すくい角と、約３度から約１０度までの間の溝部軸方向すくい角と、約１０度から約１８度までの間の一次逃げ角とを有する。

前記の工具の形状の原理は種々の切削工具の形態に適用できる。この目的のために、エンドミル１０のいくつかの異なる工具形態について、前記の工具の形状の原理を用いて試験し、比較した。

図３及び図４に示す例においては、工具の形状の原理を、縦軸１８に対して約１０度のねじれ角４４の４つのフルート３６、３８、４０、４２を含む非中心切削エンドミル１００に適用した。さらに、エンドミル１０は、約４度のさら形角度２８と、約１０度の末端刃の半径方向すくい角４６と、約１０度の周囲刃の半径方向すくい角４７と、約５度の溝部軸方向すくい角４８と、約１２度の一次逃げ角５０とを有するが、これに限定はされない。末端刃の半径方向すくい角４６と、周囲刃の半径方向すくい角４７とはほぼ等しいことが注目される。

図５に示すように、このエンドミルによって優れた孔の品質が実現され、繊維の剥離は観察されなかった。

図６、７Ａおよび７Ｂに示す別の例においては、工具の形状の原理を、２フルートの中心切削エンドミル２００に適用した。このエンドミル２００は、約１０度のねじれ角４４の２つのフルートと、約４度のさら形角度と、約０度の末端刃の半径方向すくい角４６と、約１０度の周囲刃の半径方向すくい角４７と、約５度の溝部軸方向すくい角４８と、約１２度の一次逃げ角とを有するものである。末端刃の半径方向すくい角４６は、溝の形成によって、周囲刃の半径方向すくい角４７よりも小さいか、あるいはそれと等しいことが注目される。

図８に示すように、このエンドミルによって優れた孔の品質が実現され、繊維の剥離は観察されなかった。

さらに別の例においては、この２フルート中心切削エンドミルに対するものと同じ工具の形状を、図９に示す４フルート中心切削エンドミル３００に適用した。試験結果は、このエンドミルが優れた孔の品質を実現し、繊維の剥離は観察されなかったことを示している。

ダイヤモンド被膜処理

ＦＲＰ材料に用いられる繊維補強材は非常に摩耗性に富んでおり、非被膜処理の炭化物工具の寿命を大きく短縮する可能性がある。工具寿命を改善するために、約１２μｍの厚さのダイヤモンド被膜を上記のエンドミルに被覆する。１つの実施形態においては、エンドミル１０を、約３から１０重量％までの間の範囲の超硬コバルト（ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｃｏｂａｌｔ）（Ｃｏ）を含む炭化タングステン（ＷＣ）基材と、化学蒸着（ＣＶＤ）法によって堆積した約８から２０μｍまでの間の範囲の厚さのダイヤモンド被膜とから作製する。試験の結果、ダイヤモンド被膜によって、工具寿命を２０倍に延長できることが示された。エンドミル１０を、焼結体ダイヤモンド（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｄｉａｍｏｎｄ）（ＰＣＤ）から作製することも可能である。

工具の形状の原理を、ＦＲＰ材料のオービタルドリル加工用の非中心切削および中心切削両方のエンドミルに適用できることが評価されるであろう。

本明細書において参照した文献、特許および特許出願は参照によって本願に組み込まれる。

以上、本発明を、いくつかの特定の実施形態に関連付けて具体的に説明したが、これは、例示的説明のためであって制限を意図したものではないことが理解されるべきであり、付属の特許請求の範囲は、先行技術が許容する限り幅広く解釈されるべきである。

Claims (12)

1. 繊維強化プラスチックをオービタルドリル加工するためのエンドミルであり、シャンク径を有するシャンクと、ネック径を有するネックと、切削径、コーナ半径、さら形角度および背面半径を有する切削ヘッドとを有するエンドミルであって、
   前記ネック径が前記切削径の約６５パーセントから約９０パーセントまでであり、前記さら形角度が約２度から約６度までの間にあり、前記コーナ半径が前記切削径の約３パーセントから約８パーセントまでの間にあるエンドミル。
2. 約５度および約１８度の間のねじれ角の複数のフルートをさらに有する、請求項１に記載のエンドミル。
3. 約０度および約１５度の間の末端刃の半径方向すくい角と、約８度および約１６度の間の周囲刃の半径方向すくい角とをさらに有する、請求項１に記載のエンドミル。
4. 約３度および約１０度の間の溝部軸方向すくい角をさらに有する、請求項１に記載のエンドミル。
5. 約１０度および約１８度の間の一次逃げ角をさらに有する、請求項１に記載のエンドミル。
6. 約３重量％から約１０重量％までの間の範囲のコバルトによって超硬化された炭化タングステンからなる基材から作製される、請求項１に記載のエンドミル。
7. 約８μｍおよび約２０μｍの間の厚さのダイヤモンド被膜をさらに含む、請求項６に記載のエンドミル。
8. 焼結体ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料から作製される、請求項１に記載のエンドミル。
9. 繊維強化プラスチックをオービタルドリル加工するためのエンドミルであって、
   約２度および約６度の間のさら形角度と、
   約５度および約１８度の間のねじれ角の複数のフルートと、
   約０度および約１５度の間の末端刃の半径方向すくい角と、
   約８度および約１６度の間の周囲刃の半径方向すくい角と、
   約３度および約１０度の間の溝部軸方向すくい角と、
   約１０度および約１８度の間の一次逃げ角とを有するエンドミル。
10. 約３重量％から約１０重量％までの間の範囲のコバルトによって超硬化された炭化タングステンからなる基材から作製される、請求項９に記載のエンドミル。
11. 約８μｍおよび約２０μｍの間の厚さのダイヤモンド被膜をさらに含む、請求項１０に記載のエンドミル。
12. 焼結体ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料から作製される、請求項９に記載のエンドミル。

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