JP2016179543A

JP2016179543A - ドリル及びドリルの製造方法

Info

Publication number: JP2016179543A
Application number: JP2016143816A
Authority: JP
Inventors: 斎藤　学; Manabu Saito; 学斎藤; 中畑　達雄; Tatsuo Nakahata; 達雄中畑; 高橋　秀治; Hideji Takahashi; 秀治高橋; 政雄渡邉; Masao Watanabe; 利男西野; Toshio Nishino
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2016-07-22
Filing date: 2016-07-22
Publication date: 2016-10-13

Abstract

【課題】金属や複合材等の様々な被削材に対して、より好適な条件で穿孔を行うことが可能なドリルを提供することである。【解決手段】実施形態に係るドリルは、工具軸を中心に回転させた場合における稜線の通過領域を前記工具軸に平行な投影面に投影した場合に、前記工具軸を中心に線対称かつ曲率が不連続に変化する線が前記投影面上に描かれる形状を有する切れ刃を有する。前記曲率が不連続に変化する線は、前記工具軸を中心に線対称な単一の放物線の一部を近似した線である。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ドリル及びドリルの製造方法に関する。

従来、金属のみならずガラス繊維強化プラスチック(GFRP: Glass fiber reinforced plastics)や炭素繊維強化プラスチック(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics)等の複合材の穿孔を高精度に行うことを狙いとして、様々な多角ドリルが提案されている（例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。

特開２０１３−２５２５８８号公報実開平６−７５６１２号公報特開２０１０−２８４７８３号公報

本発明は、金属や複合材等の様々な被削材に対して、より好適な条件で穿孔を行うことが可能なドリル及びドリルの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係るドリルは、工具軸を中心に回転させた場合における稜線の通過領域を前記工具軸に平行な投影面に投影した場合に、前記工具軸を中心に線対称かつ曲率が不連続に変化する線が前記投影面上に描かれる形状を有する切れ刃を有する。前記曲率が不連続に変化する線は、前記工具軸を中心に線対称な単一の放物線の一部を近似した線である。
また、本発明の実施形態に係るドリルは、異なる３つ以上の複数の先端角を有し、前記複数の先端角を形成する複数の稜線の各両端の位置が単一の放物線上となる切れ刃を有する。
また、本発明の実施形態に係るドリルは、異なる４つ以上の複数の先端角を有し、前記複数の先端角を形成する複数の稜線が単一の放物線に接する切れ刃を有する。
また、本発明の実施形態に係るドリルの製造方法は、ドリルの素材をセットする工程と、工具軸を中心に回転させた場合における稜線の通過領域を前記工具軸に平行な投影面に投影した場合に、前記工具軸を中心に線対称かつ曲率が不連続に変化する線が前記投影面上に描かれる形状を有する切れ刃を前記素材を用いて形成する工程とを有する。前記曲率が不連続に変化する線は、前記工具軸を中心に線対称な単一の放物線の一部を近似した線である。

本発明の実施形態に係るドリル及びドリルの製造方法によれば、金属や複合材等の様々な被削材に対して、より好適な条件で穿孔を行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係るドリルの形状を示す図。図１に示すドリルの切れ刃の設計方法を説明する図。２つの放物線に沿うようにドリルの切れ刃の形状を設計した例を示す図。本発明の第２の実施形態に係るドリルの形状を示す図。

本発明の実施形態に係るドリル及びドリルの製造方法について添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るドリルの形状を示す図である。

ドリル１は、切れ刃２と、切れ刃２を回転させるためのシャンク３とを有する。切れ刃２の数は任意である。すなわち、ドリル１は、１枚刃、２枚刃、３枚刃、４枚刃、５枚刃又は６枚刃以上のドリルとすることができる。また、切れ刃２は、シャンク３と一体型としてソリッドタイプのドリル１を構成することが剛性、対摩耗性及びじん性等の機械的特性を良好にする観点から好ましい。但し、交換可能なチップ式の切れ刃２をシャンク３に取付ける構造としても良い。

図１において（ａ）は、切れ刃２を工具軸Ｔａｘを中心に回転させた場合における切れ刃２の稜線の通過領域を工具軸Ｔａｘに垂直な投影面に投影した図を示している。一方、図１において（ｂ）は、切れ刃２を工具軸Ｔａｘを中心に回転させた場合における切れ刃２の稜線の通過領域を工具軸Ｔａｘに平行な投影面に投影した図を示している。

従って、切れ刃２の数が偶数であれば、図１（ｂ）は、切れ刃２の形状を示すドリル１の断面図となる。一方、切れ刃２の数が奇数であれば、図１（ｂ）は、切れ刃２に沿って工具軸Ｔａｘで切断方向が変化するドリル１の断面図となる。

図１に示すように、ドリル１は、複数の先端角を有する多角ドリルである。図１には、３つの異なる先端角α１、α２、α３を有する３段角のドリル１が例示されている。このため、図１（ｂ）に示すように、切れ刃２は、稜線の通過領域を工具軸Ｔａｘに平行な投影面に投影した場合に、複数の直線的な線分を不連続に連結した線対称な折れ線が不連続な線として投影面上に描かれる形状を有する。

但し、投影面上における切れ刃２の形状を、複数の直線的な線分を連結する代わりに、複数の連続的な曲線を連結した形状としてもよい。その場合には、切れ刃２は、稜線の通過領域を工具軸Ｔａｘに平行な投影面に投影した場合に、複数の連続的な曲線を不連続に連結した線対称な曲線が不連続な線として投影面上に描かれる形状となる。

更に、ドリル１の切れ刃２は、稜線の通過領域を工具軸Ｔａｘに平行な投影面に投影した場合に、単一又は２つの放物線又は楕円に沿う線対称かつ不連続な線が投影面上に描かれる形状を有している。図１（ｂ）に示す例では、単一の放物線に沿う線対称かつ不連続な折れ線が投影面上に描かれている。

このような設計方法で切れ刃２を設計すると切れ刃２を構成する複数の稜線によって切削される被削材（ワーク）の体積を稜線間において概ね一定にすることができる。

図２は、図１に示すドリル１の切れ刃２の設計方法を説明する図である。

図２において（ａ）は、切れ刃２を工具軸Ｔａｘを中心に回転させた場合における切れ刃２の稜線の通過領域の、工具軸Ｔａｘに垂直な投影面を示している。一方、図２において（ｂ）は、切れ刃２を工具軸Ｔａｘを中心に回転させた場合における切れ刃２の稜線の通過領域の、工具軸Ｔａｘに平行な投影面を示している。

図２（ｂ）に示すように工具軸Ｔａｘ方向をｘ軸方向、工具軸Ｔａｘを含む投影面上において工具軸Ｔａｘに垂直な方向をｙ軸方向とするｘｙ座標系を定義すると、ドリル１の切れ刃２の稜線が沿う曲線の式をy=f(x)として関数で表すことができる。仮に、ドリル１の切れ刃２の稜線がy=f(x)で表される曲線であるとすると、工具軸Ｔａｘ方向の長さが送り量aの隣接する稜線C1, C2の部分が切削するワークの体積V1, V2は、式(1-1)及び式(1-2)で計算できる。
V1=aS1=a{πf(x_１+a)²-πf(x_１)²}=aπ{f(x_１+a)²-f(x_１)²} (1-1)
V2=aS2=a{πf(x_１)²-πf(x_１-a)²}=aπ{f(x_１)²-f(x_１-a)²} (1-2)
但し、式(1-1)及び式(1-2)において、S1, S2は図２（ａ）に示す各領域の面積、すなわち工具軸Ｔａｘを中心に切れ刃２を回転させた場合における各稜線C1, C2の通過領域を工具軸Ｔａｘに垂直な投影面上に投影して得られる２次元領域における各面積を示す。また、x_１は、稜線C1, C2の境界点におけるｘ座標を示す。

従って、稜線C1の部分が切削するワークの体積V1と稜線C2の部分が切削するワークの体積V2とが互いに等しくなるような曲線y=f(x)が理想的な曲線となる。そこで、式(1-1)及び式(1-2)の右辺が等しいとする式を変形すると式(2)が導かれる。
2f(x_１)²=f(x_１+a)²+f(x_１-a)² (2)

式(2)の条件を満足する関数は、式(3)で示す放物線である。
f(x)=bx^1/2 (3)
但し、式(3)において、bは、任意の定数である。尚、図２（ａ）に示す各領域の面積S1, S2が互いに等しくなるという条件で方程式を解いても、同様に放物線が解として得られる。

従って、式(3)で表される放物線を稜線とする切れ刃２を設計すれば、工具軸Ｔａｘ方向の単位長さ当たりの稜線が切削するワークの体積を一定にすることができる。但し、曲率が連続的に変化する放物線を稜線とする切れ刃２を製造することは製造コストの増加に繋がる。

そこで、放物線を近似する不連続な線分を稜線とする切れ刃２を設計することが好適である。尚、楕円の一部も局所的には放物線と同等な曲線とみなすことができる場合がある。従って、放物線の代わりに近似的に楕円に沿う線対称かつ不連続な線が投影面上に描かれるように切れ刃２の形状を設計することもできる。その場合においても、楕円を近似する不連続な線分を稜線とする切れ刃２を設計することが切れ刃２の製造コストの低減化に繋がる。つまり、放物線又は楕円を多角近似した折れ線又は不連続な曲線を稜線とする多角ドリルの切れ刃２を設計することが好適である。

例えば、切れ刃２の形状を複数の直線的な線分を不連続に連結した形状とする場合には、図１に例示されるように切れ刃２の形状をそれぞれ両端の位置が放物線上となる６本以上の直線的な線分を不連続に連結した線対称な折れ線が不連続な線として投影面上に描かれる形状とすれば、特定の係数bを有する放物線を近似した切れ刃２を設計することができる。換言すれば異なる３つ以上の複数の先端角を有し、複数の先端角を形成する複数の稜線の各両端の位置が単一又は複数の放物線上となる切れ刃２を設計することが好適な切れ刃２の設計条件となる。

また、工具軸Ｔａｘに線対称な２つの放物線も、局所的には工具軸Ｔａｘに線対称な単一の放物線と同等な曲線とみなすことができる場合がある。そこで、単一の放物線の代わりに２つの放物線に沿う線対称かつ不連続な線が投影面上に描かれるように切れ刃２の形状を設計することもできる。

図３は、２つの放物線に沿うようにドリル１の切れ刃２の形状を設計した例を示す図である。

図３に示すように、工具軸Ｔａｘに線対称な２つの放物線に沿うようにドリル１の切れ刃２の形状を設計することもできる。

次に、ドリル１の製造方法について説明する。

ドリル１は任意の方法で製造することができる。具体例としては、切削又は研削による機械加工の他、粉末を焼き固める焼結法が挙げられる。これは、シャンク３に切れ刃２を形成したソリッドタイプのドリル１を製造する場合に限らず、切れ刃２をチップとして製造する場合においても同様である。

具体的にはドリル１を製造するためには、まずドリル１の素材がセットする工程が実施される。次に、工具軸Ｔａｘを中心に回転させた場合における稜線の通過領域を工具軸Ｔａｘに平行な投影面に投影した場合に、単一又は２つの放物線又は楕円に沿う線対称かつ不連続な線が投影面上に描かれる形状を有する切れ刃２を、セットされた素材を用いて形成する工程が実施される。

例えば、機械加工によってソリッドタイプのドリル１を製造する場合には、棒状の素材がドリル加工機にセットされる。そして、棒状の素材に対する切削又は研削によって上述したような構造を有する切れ刃２が形成される。

一方、焼結法によってドリル１を製造する場合には、切れ刃２の形状及び構造に対応する型に超硬材料等の粉末が素材としてセットされる。そして、粉末の焼結によって切れ刃２が形成される。

つまり以上のようなドリル１は、放物線又は楕円に沿って不連続な稜線を形成した多角ドリルである。

このため、ドリル１によれば、切れ刃２の各部分によって切削されるワークの体積を均一にすることができる。その結果、切れ刃２に沿う方向における切削抵抗を均一にすることができる。切削抵抗が均一になれば、複合材の加工において顕著な剥離（デラミネーション）の低減に加え、バリの発生を低減できるという効果が得られる。このため、ワークに良好な加工面を形成することができる。他方、ドリル１の摩耗を低減させることによって、ドリル１の寿命を向上させることができる。

しかも、ドリル１の切れ刃２の形状は、投影面上における稜線の形状を曲率が一定でない連続的な放物線等の自由曲線とする場合に比べて、単純である。このため、ドリル１の製造が従来よりも容易となる。

例えば、ドリル１の切れ刃２の形状を、投影面上において複数の曲線を不連続に連結した不連続な線が描かれる形状とすれば、製造が容易な特定の曲率を有する曲線加工又は曲面加工を繰返すことによってドリル１を製造することができる。すなわち、曲線加工又は曲面加工における曲率を連続的に変化させる範囲を限定することができる。

更に、ドリル１の切れ刃２の形状を、投影面上において直線的な複数の線分を不連続に連結した折れ線が描かれる形状とすれば、ドリル１の製造コストを一層低減させることができる。例えば、切削又は研削によって切れ刃２を形成する場合であれば、切削工具又は研削工具の向きを必ずしも連続的に変化させる必要がなくなる。また、焼結法によって切れ刃２を形成する場合であっても、型の構造が簡易となり、製造コストを下げることができる。

特に、近年では、非常に微細なピッチで切れ刃２又は切れ刃２の形状に対応する型を加工することができる。従って、多数の先端角を形成することによって放物線又は楕円への近似精度を向上させることができる。これにより、ドリル１の製造コストの増加を回避しつつ、高精度な穿孔及びドリル１の寿命の向上を実現することができる。

（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態に係るドリルの形状を示す図である。

図４に示された第２の実施形態におけるドリル１Ａでは、切れ刃２の稜線を設計するための近似方法が第１の実施形態におけるドリル１と異なる。第２の実施形態におけるドリル１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態におけるドリル１と実質的に同様である。このため、第２の実施形態におけるドリル１Ａの同一又は対応する構成要素については同符号を付して共通する事項の説明を省略する。

図４において（ａ）は、切れ刃２を工具軸Ｔａｘを中心に回転させた場合における切れ刃２の稜線の通過領域を工具軸Ｔａｘに垂直な投影面に投影した図を示している。一方、図４において（ｂ）は、切れ刃２を工具軸Ｔａｘを中心に回転させた場合における切れ刃２の稜線の通過領域を工具軸Ｔａｘに平行な投影面に投影した図を示している。

第１の実施形態では、両端の位置が放物線又は楕円上となるような複数の線分を連結することによって放物線又は楕円の近似を行ったが、図４に示すように放物線又は楕円に接する複数の線分を連結することによって放物線又は楕円の近似を行うこともできる。

放物線の直線近似によって切れ刃２の形状を設計する場合には、図４に示すように、切れ刃２の形状は、それぞれ放物線に接する８本以上の直線的な線分を不連続に連結した線対称な折れ線が不連続な線として投影面上に描かれる形状となる。換言すれば、異なる４つ以上の複数の先端角を有し、複数の先端角を形成する複数の稜線が単一又は複数の放物線に接する切れ刃２が設計されることになる。尚、図４には、異なる４つの先端角β１、β２、β３、β４を有するドリル１Ａが示されている。

このような第２の実施形態におけるドリル１Ａにおいても、第１の実施形態におけるドリル１と同様な効果を得ることができる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１、１Ａドリル
２切れ刃
３シャンク
Ｔａｘ工具軸

Claims

工具軸を中心に回転させた場合における稜線の通過領域を前記工具軸に平行な投影面に投影した場合に、前記工具軸を中心に線対称かつ曲率が不連続に変化する線が前記投影面上に描かれる形状を有する切れ刃を有し、
前記曲率が不連続に変化する線は、前記工具軸を中心に線対称な単一の放物線の一部を近似した線であるドリル。
前記切れ刃は、複数の直線的な線分を連結した折れ線であって、前記工具軸を中心に線対称な折れ線が、前記曲率が不連続に変化する線として前記投影面上に描かれる形状を有する請求項１記載のドリル。
前記切れ刃は、それぞれ曲率が連続的に変化する複数の曲線を連結した曲線であって、前記工具軸を中心に線対称な曲線が、前記曲率が不連続に変化する線として前記投影面上に描かれる形状を有する請求項１記載のドリル。
前記切れ刃は、それぞれ両端の位置が前記単一の放物線上となる６本以上の直線的な線分を連結した折れ線であって、前記工具軸を中心に線対称な折れ線が、前記曲率が不連続に変化する線として前記投影面上に描かれる形状を有する請求項２記載のドリル。
前記切れ刃は、それぞれ前記単一の放物線に接する８本以上の直線的な線分を連結した折れ線であって、前記工具軸を中心に線対称な折れ線が、前記曲率が不連続に変化する線として前記投影面上に描かれる形状を有する請求項２記載のドリル。
異なる３つ以上の複数の先端角を有し、前記複数の先端角を形成する複数の稜線の各両端の位置が単一の放物線上となる切れ刃を有するドリル。
異なる４つ以上の複数の先端角を有し、前記複数の先端角を形成する複数の稜線が単一の放物線に接する切れ刃を有するドリル。
ドリルの素材をセットする工程と、
工具軸を中心に回転させた場合における稜線の通過領域を前記工具軸に平行な投影面に投影した場合に、前記工具軸を中心に線対称かつ曲率が不連続に変化する線が前記投影面上に描かれる形状を有する切れ刃を前記素材を用いて形成する工程と、
を有し、
前記曲率が不連続に変化する線は、前記工具軸を中心に線対称な単一の放物線の一部を近似した線であるドリルの製造方法。
前記切れ刃に対応する型に粉末を前記素材としてセットし、前記粉末の焼結によって前記切れ刃を形成する請求項８記載のドリルの製造方法。
棒状の素材をセットし、前記棒状の素材に対する切削又は研削によって前記切れ刃を形成する請求項８記載のドリルの製造方法。