JP6378493B2 - ドリル - Google Patents

Description

本発明は、穴あけ加工に用いるドリルに関する。

近年、燃費向上などを目的として航空機部品や自動車部品の軽量化が求められており、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）が鉄系合金やアルミニウム合金の代替材料として注目を集めている。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多い。このような複合構造の板材として、ＣＦＲＰの一面に金属材を重ねて積層した複合板が用いられている。このような複合板を各種部品に適用するには、リベット止めやねじ止め用の穴加工を施す必要があるため、金属材料用のドリルで複合板を穿孔することが考えられる。しかしながら、従来の一般的なドリルを用いた場合、金属材側から複合板を穿孔すると、繊維材料に起因するＣＦＲＰの層間剥離（デラミネーション）が生じ、ＣＦＲＰ側から複合板を穿孔すると、金属材のバリが発生するという問題がある。

そこで、このような問題を解決するドリルとして、特許文献１に記載されように、切れ刃を二段構成にしたダブルアングルドリルが開発された。このダブルアングルドリルは、ダイヤモンド膜で被覆することにより耐摩耗性が改善され、層間剥離やバリの発生もある程度防止できる。しかしながら、特許文献１に記載されたダブルアングルドリルを用いても、層間剥離やバリが発生を十分に抑制することができない。そこで、特許文献２及び３に記載されたように、先行刃の後側にサラエ刃を形成したドリルが開発された。このドリルは、フィッシュテール型と呼ばれ、層間剥離やバリの発生を低減することができる。特に、特許文献３に記載されたドリルは、サラエ刃をドリル先端部側に傾斜させてサラエ刃のエッジ部を鋭角にしているため、層間剥離やバリの発生を大幅に低減することができる。

実開平０６−０７５６１２号公報 特開２００８−０００８３６号公報 特表２００９−５０２５３８号公報

しかしながら、特許文献３に記載されたドリルは、サラエ刃のエッジ部の角度が小さくなることで、サラエ刃が欠けやすくなり、工具寿命が短くなるという問題がある。

そこで、本発明は、穿孔の加工品位が高く工具寿命が長いドリルを提供することを目的とする。

本発明に係るドリルは、ダイヤモンド膜で被覆されたドリルであって、先端部の回転中心から形成されて、ドリルの軸線に対してドリルの径方向外側に傾斜する先行刃と、先行刃の径方向外側に形成されて、ドリルの軸線に垂直な方向に対してドリルの先端側に傾斜するサラエ刃と、サラエ刃の径方向外側に形成されて、ドリルの軸線に対してドリルの径方向外側に傾斜する仕上げ刃と、を備える。

本発明に係るドリルによれば、先行刃が加工対象物を切削することで、加工対象物に穴を形成することができる。そして、先行刃の径方向外側に、ドリルの軸線に垂直な方向に対してドリルの先端側に傾斜したサラエ刃が形成されているため、サラエ刃により開けられる穴は、サラエ刃の外側先端により、その外周縁から削り取られる。これにより、穴出口においてバリの発生だけでなく層間剥離の発生も大幅に抑制されるため、穿孔の加工品位が高くなる。しかも、サラエ刃の径方向外側に、ドリルの軸線に対してドリルの径方向外側に傾斜した仕上げ刃が形成されているため、サラエ刃のエッジ部の角度を大きくすることができる。これにより、サラエ刃の欠けが抑制されるため、工具寿命が長くなる。

この場合、サラエ刃と仕上げ刃とのなす角が鈍角であってもよい。これにより、サラエ刃の欠けが更に抑制されるため、工具寿命が更に長くなる。

本発明によれば、穿孔の加工品位を高くしつつ工具寿命を長くすることができる。

実施形態に係るドリルの側面図である。 図１に示すドリルの一部拡大図である。 加工対象物を穿孔する際の状態を説明するための図である。 加工対象物を穿孔する際の状態を説明するための図である。 実施例における加工工程を説明するための図である。 実験１の第一工程（アルミニウム板側からの穴加工）における加工ワークの写真である。 実験１の第二工程（ＣＦＲＰ側からの穴加工）における加工ワークの写真である。 実験１における実験前のドリルの状態を示す写真である。 実験１における３６０穴加工後のドリルの状態を示す写真である。 実験１における５００穴加工後のドリルの状態を示す写真である。 比較例１〜４のドリルの先端部分を示す側面図である。

以下、図面を参照して、実施形態に係るドリルを説明する。本実施形態に係るドリルは、ダイヤモンド膜で被覆されたドリルである。なお、各図において同一又は相当する要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、実施形態に係るドリルの側面図である。図１に示すように、本実施形態に係るドリル１は、細長い棒状に形成されており、シャンク２の先端部分にドリル本体３が形成されている。ドリル本体３には、２条のねじれ溝４が形成されており、このねじれ溝４に沿って一対の切れ刃５が形成されている。

ねじれ溝４は、切れ刃５により切削された切削屑を排出する部位である。ねじれ溝４の捩れ角は、特に限定されるものではないが、例えば、３０°とすることで、切削屑の排出効率が高まる。

一対の切れ刃５は、ドリル１の軸線Ａに対して対称に形成されており、それぞれ、先行刃６と、サラエ刃７と、仕上げ刃８と、により構成されている。

先行刃６は、ドリル１の先端部の回転中心から形成された切れ刃である。先行刃６は、ドリル１の軸線Ａに対してドリル１の径方向外側に傾斜している。ドリル１の軸線Ａに対してドリル１の径方向外側に傾斜するとは、ドリル１の先端側（図１における左側）からドリル１の後端側（図１における右側）に向けて拡径すること、また、軸線Ａに垂直な方向（ドリル１の径方向）に対してドリル１の後端側に傾斜することと同義である。この先行刃６は、先端角度の異なる第一先行刃６ａと第二先行刃６ｂとにより構成されている。第一先行刃６ａは、第二先行刃６ｂよりもドリル１の先端側（図１における左側）に形成されており、第二先行刃６ｂは、第一先行刃６ａの径方向外側に形成されている。そして、第一先行刃６ａの先端角度θ１は、第二先行刃６ｂの先端角度θ２よりも大きくなっている。第一先行刃６ａの先端角度θ１としては、例えば１２０°とすることができ、第二先行刃６ｂの先端角度θ２としては、例えば３０°とすることができる。ドリル１の軸線Ａ方向における第一先行刃６ａの長さは、例えば、ドリル１の直径の２０％〜３０％程度とすることができ、その中でも特に２５％程度とすることができる。また、ドリル１の軸線Ａ方向における第二先行刃６ｂの長さは、例えば、ドリル１の直径の５％〜１５％程度とすることができ、その中でも特に１０％程度とすることができる。

サラエ刃７は、第二先行刃６ｂ（先行刃６）の径方向外側に形成された切れ刃である。サラエ刃７は、第二先行刃６ｂからドリル本体３の外周面３ａの少し手前まで延びており、軸線Ａに垂直な方向に対してドリル１の先端側に傾斜している。このため、軸線Ａと垂直な方向におけるサラエ刃７の外側先端７ａが、サラエ刃７の中で最もドリル１の先端側に突出した位置となる。

サラエ刃７の軸線Ａに垂直な方向に対してドリル１の先端側に傾斜する角度θ３は、特に限定されるものではないが、例えば、０°＜θ３≦２０°とすることができ、０°＜θ３≦１５°とすることが好ましく、０°＜θ３≦１０°とすることが更に好ましい。この角度θ３を０°よりも大きくすることで、サラエ刃７の外側先端７ａを最もドリル１の先端側に突出させることができる。これにより、ドリル１を回転させて加工対象物を穿孔する際に、加工対象物から外側先端７ａの回転軌跡により囲まれる部分を削り取ることができる。一方、この角度θ３を２０°以下とすることで、サラエ刃７を形成する際の作業性を高めることができるとともに、サラエ刃７の強度を確保することができる。また、この角度θ３を１５°以下、更には１０°以下とすることで、この効果を更に高めることができる。ドリル１の軸線Ａ方向におけるサラエ刃７の長さは、例えば、ドリル１の直径の５％〜１５％程度とすることができ、その中でも特に１０％程度とすることができる。

軸線Ａに垂直な方向に対する傾斜角度は、向心角とも呼ばれており、向心角は、軸線Ａに垂直な方向に対するドリル１の後端側が正（プラス）、軸線Ａに垂直な方向に対するドリル１の先端側が負（マイナス）となっている。このため、サラエ刃７は、負の向心角となっている。なお、負の向心角を有するドリルを、フィッシュテール型ドリルという。

なお、サラエ刃７は、軸線Ａに垂直な方向に対してドリル１の先端側に傾斜していれば、直線状であってもよく、曲線状であってもよい。

仕上げ刃８は、サラエ刃７のエッジ部７ｂの欠けを抑制するための切れ刃であって、サラエ刃７の径方向外側に形成されて、サラエ刃７から連続して形成された切れ刃である。仕上げ刃８は、ドリル１の軸線Ａに対してドリル１の径方向外側に傾斜して、サラエ刃７の外側先端７ａからドリル本体３の外周面３ａまで延びている。ドリル１の軸線Ａに対してドリル１の径方向外側に傾斜するとは、ドリル１の先端側からドリル１の後端側に向けて拡径すること、また、軸線Ａに垂直な方向に対してドリル１の後端側に傾斜することと同義である。このため、サラエ刃７のエッジ部７ｂの角度θ４は、仕上げ刃８が形成されることにより大きくなっている。なお、エッジ部７ｂの角度θ４とは、サラエ刃７と仕上げ刃８とのなす角度をいう。

エッジ部７ｂの角度θ４は、特に限定されるものではないが、例えば、１２０°≧θ４≧８０°とすることができ、１１５°≧θ４≧８５°とすることが好ましく、１１０°≧θ４≧９０°とすることが更に好ましい。この角度θ４を８０°以上とすることで、サラエ刃７の欠けを抑制することができる。また、この角度θ４を８５°以上、更には９０°以上とすることで、この効果を更に高めることができる。特に、この角度θ４を９０°以上とすることで、サラエ刃７と仕上げ刃８とのなす角（エッジ部７ｂ）が鈍角になるため、サラエ刃７の欠けを大幅に抑制することができる。一方、この角度θ４を１２０°以下とすることで、仕上げ刃８の切削性を保持することができる。また、この角度θ４を１１５°以下、更には１１０°以下とすることで、この効果を更に高めることができる。ドリル１の軸線Ａ方向における仕上げ刃８の長さは、例えば、ドリル１の直径の３％〜１０％程度とすることができ、その中でも特に５％程度とすることができる。

なお、仕上げ刃８は、ドリル１の軸線Ａに対してドリル１の径方向外側に傾斜していれば、直線状であってもよく、曲線状であってもよい。また、仕上げ刃８は、サラエ刃７のエッジ部７ｂの欠けを抑制するための切れ刃であることから、第一先行刃６ａ、第二先行刃６ｂ及びサラエ刃７よりも、ドリル１の径方向における幅が狭くなっている。

このように構成されるドリル本体３は、少なくとも切れ刃５全体がダイヤモンド膜９で被覆されている。ダイヤモンド膜９は、例えば、ＣＶＤ法等により形成することができる。

次に、図３及び図４を参照して、本実施形態に係るドリル１を用いて、ＣＦＲＰに代表される繊維強化複合材とアルミニウムに代表される金属材とを積層した加工対象物１０を穿孔する状態について説明する。

図３及び図４は、加工対象物を穿孔する際の状態を説明するための図である。加工対象物１０は、上層部材１１と下層部材１２とを積層した板状部材である。上層部材１１は、ＣＦＲＰに代表される繊維強化複合材及びアルミニウムに代表される金属材の何れか一方で構成され、下層部材１２は、ＣＦＲＰに代表される繊維強化複合材及びアルミニウムに代表される金属材の何れか他方で構成されている。

図３及び図４に示すように、ドリル１を回転させて加工対象物１０に押し当てると、まず、第一先行刃６ａ及び第二先行刃６ｂにより加工対象物１０が切削され、次に、サラエ刃７及び仕上げ刃８により加工対象物１０が切削される。

ここで、アルミニウムなどの粘りのある金属は、先端角が小さくスラスト荷重が低く抑えられる切れ刃で穿孔すると、穴出口において筒状のバリが発生しやすくなる。一方、ＣＦＲＰなどの繊維強化複合材は、先端角が大きくスラスト荷重が大きくなる切れ刃で穿孔すると、層間剥離が発生しやすくなる。

図３の（ａ）〜（ｃ）に示すように、第一先行刃６ａ及び第二先行刃６ｂは、ドリル１の回転中心から先端角が段階的に減少している。そして、第一先行刃６ａ及び第二先行刃６ｂにより加工対象物１０を切削する際は、まず、先端角が大きくスラスト荷重が比較的大きく掛かる第一先行刃６ａにより、第一先行刃６ａ及び第二先行刃６ｂで開ける穴の中心部分が形成され、次に、先端角が小さくスラスト荷重が比較的小さく掛かる第二先行刃６ｂにより、第一先行刃６ａ及び第二先行刃６ｂで開ける穴の外径部分が形成される。このため、第一先行刃６ａ及び第二先行刃６ｂにより加工対象物１０に開けられる穴は、その外径部分が第二先行刃６ｂにより開けられることで、穴出口において層間剥離の発生が抑えられる。一方で、穴出口において筒状のバリが発生しやすくなる。

図４の（ａ）〜（ｃ）に示すように、サラエ刃７は、軸線Ａに垂直な方向に対してドリル１の先端側に傾斜しており、負の向心角を有していることから、その外側先端７ａから加工対象物１０を切削して行く。これにより、サラエ刃７により開けられる穴は、サラエ刃７の外側先端７ａにより、その外周縁から削り取られるため、穴出口において層間剥離の発生だけでなくバリの発生も大幅に抑制される。

そして、仕上げ刃８により、ドリル１の切れ刃５全体で開ける穴の外径が形成される。このとき、仕上げ刃８は、第一先行刃６ａ、第二先行刃６ｂ及びサラエ刃７よりも、ドリル１の径方向における幅が狭く、加工代が非常に少ないことにより、穴出口においてバリの発生及び層間剥離の発生が抑制される。

このように、本実施形態に係るドリル１によれば、ドリル１の回転中心から先端角が段階的に減少する第一先行刃６ａ及び第二先行刃６ｂが加工対象物１０を切削することで、穴出口において層間剥離の発生を抑制することができる。そして、先行刃６の径方向外側に、軸線Ａに垂直な方向に対して先端側に傾斜したサラエ刃７が形成されているため、サラエ刃７により開けられる穴は、サラエ刃７の外側先端７ａにより、その外周縁から削り取られる。これにより、穴出口において層間剥離の発生だけでなくバリの発生も大幅に抑制されるため、穿孔の加工品位が高くなる。しかも、サラエ刃７の径方向外側に、ドリル１の軸線Ａに対してドリル１の径方向外側に傾斜する仕上げ刃８が形成されているため、サラエ刃７のエッジ部７ｂの角度θ３を大きくすることができる。これにより、サラエ刃７の欠けが抑制されるため、工具寿命が長くなる。

そして、サラエ刃７と仕上げ刃８とのなす角が鈍角である場合は、サラエ刃７の欠けが更に抑制されるため、工具寿命が更に長くなる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記の実施形態では、繊維強化複合材と金属材とが積層された複合板を加工対象物１０として用いたが、加工対象物は、繊維強化複合材のみを材料とする単一板であってもよい。なお、単一板とは、繊維強化複合材のみで構成された板を意味し、この中には、繊維強化複合材を複数枚積層した積層板も含まれる。

また、上記実施形態では、各切れ刃５に一つのサラエ刃７及び仕上げ刃８が形成されるものとして説明したが、サラエ刃７及び仕上げ刃８は、各切れ刃５に２以上形成されるものであってもよい。

また、上記実施形態では、先行刃６が第一先行刃６ａ及び第二先行刃６ｂの二つの切れ刃により構成されているものとして説明したが、先行刃６は一つの切れ刃により構成されていてもよく、３以上の切れ刃により構成されていてもよい。

次に、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１は、図１及び図２に示すドリル１を用いた。実施例１のドリル１は、超硬合金により形成し、ＣＶＤ法によりダイヤモンド膜９を形成した。また、実施例１のドリル１は、外径Ｄを６．３７５ｍｍ、ねじれ溝４のねじれ角度を３０°、第一先行刃６ａの先端角度θ１を１２０°、第二先行刃６ｂの先端角度θ２を３０°、軸線Ａに垂直な方向に対してドリル１の先端側に傾斜する角度θ３を１０°、ダイヤモンド膜９の膜厚を１５μｍ、ダイヤモンド膜９が形成される範囲をドリル１の先端から２０ｍｍとした。

（実験１）
図５に示すように、加工対象物として、４ｍｍ厚のアルミニウム板２１に６．３５ｍｍ厚のＣＦＲＰ２２を三枚積層させた加工ワーク２０を使用した。また、１５ｍｍ厚のＣＦＲＰで構成した摩耗促進用ワークを使用した。

そして、ＦＡＮＵＣ社製の立型マシンニングセンタに実施例１のドリル１を装着して、次の第一工程、第二工程及び第三工程を順次繰り返して、合計５００穴開ける実験を行った。

［第一工程］加工ワーク２０にアルミニウム板２１側から５穴開ける（図５の（ａ）参照）
［第二工程］加工ワーク２０にＣＦＲＰ２２側から５穴開ける（図５の（ｂ）参照）
［第三工程］摩耗促進用ワークに６０穴開ける
第一工程及び第二工程の切削条件は、乾式加工とし、回転速度を３２００ｍｉｎ^−１、送り速度を３２０ｍｍ／ｍｉｎとした。第三工程の切削条件は、乾式加工とし、回転速度を５０００ｍｉｎ^−１、送り速度を５００ｍｍ／ｍｉｎとした。

図６は、実験１の第一工程（アルミニウム板側からの穴加工）における加工ワークの写真であり、（ａ）は１穴加工後、（ｂ）は３５５穴加工後、（ｃ）は４９５穴加工後の写真である。図７は、実験１の第二工程（ＣＦＲＰ側からの穴加工）における加工ワークの写真であり、（ａ）は６穴加工後、（ｂ）は３６０穴加工後、（ｃ）は５００穴加工後の写真である。図５及び図６に示すように、アルミニウム板２１側から穴加工を行った場合、ＣＦＲＰ２２の層間剥離は、３５５穴加工後に約１．２ｍｍ、４９５穴加工後に約１．５ｍｍ確認できたが、何れも問題となるレベルではなかった。図５及び図７に示すように、ＣＦＲＰ２２側から穴加工を行った場合、アルミニウム板２１のバリは全て０．４ｍｍ以下となり、何れの穴加工後も問題となるレベルではなかった。

図８は、実験１における実験前のドリルの状態を示す写真である。図９は、実験１における３６０穴加工後のドリルの状態を示す写真である。図１０は、実験１における５００穴加工後のドリルの状態を示す写真である。図８〜図１０に示すように、３６０穴加工後にドリル１を観察したところ、特に異常な点は見られなかった。また、５００穴加工後にドリル１を観察したところ、各サラエ刃７のエッジ部７ｂに、若干のダイヤモンド膜９の剥離とアルミニウムの溶着が見られたが、何れも穿孔性能に大きく影響を及ぼすものではなかった。

（比較例１）
比較例１は、図１１の（ａ）に示すように、切れ刃として、先端角度の異なる第一先行刃４１及び第二先行刃４２のみが形成されたダブルアングルドリル４０を用いた。

（比較例２）
比較例２は、図１１の（ｂ）に示すように、切れ刃として、先端角度の異なる第一先行刃５１、第二先行刃５２及び第三先行刃５３のみが形成されたトリプルアングルドリル５０を用いた。

（比較例３）
比較例３は、図１１の（ｃ）に示すように、切れ刃として、回転中心と外側先端との間がドリル後端側に湾曲した切れ刃６１のみが形成されたローソク型ドリル６０を用いた。

（比較例４）
比較例４は、図１１の（ｄ）に示すように、切れ刃として、先端角度の異なる第一先行刃７１及び第二先行刃７２と、第二先行刃７２の半径方向外側に形成されたサラエ刃７３と、のみが形成されたフィッシュテール型ドリル７０を用いた。つまり、フィッシュテール型ドリル７０は、仕上げ刃８を形成しないこと以外、実施例１のドリル１と同様とした。

（実験２）
実施例１のドリル１、比較例１のダブルアングルドリル４０、比較例２のトリプルアングルドリル５０、比較例３のローソク型ドリル６０、比較例４のフィッシュテール型ドリル７０について、刃先強度及び穿孔の加工品位について評価した。穿孔の加工品位として、次の３項目について評価した。１項目目は、実験１で作製した摩耗促進用ワークに穴を開けた時の加工品位。２項目目は、実験１で作製した加工ワーク２０にアルミニウム板２１側から穴を開けた時の加工品位。３項目目は、実験１で作製した加工ワーク２０にＣＦＲＰ２２側から穴を開けた時の加工品位。刃先強度の評価は、５００穴加工でも欠けが発生しなかったものを○、２１０穴加工までは欠けが発生しなかったが３６０穴加工では欠けが発生したものを△、２１０穴加工までに欠けが発生したものを×とした。加工品位の評価は、層間剥離及びバリが殆ど発生しなかったものを○、実用上問題とならない程度に層間剥離又はバリが発生したものを△、実用上問題となる程度に層間剥離又はバリが発生したものを×とした。評価結果を表１に示す。

表１に示すように、比較例１〜４では×の評価があったが、実施例１では全て○の評価となった。また、仕上げ刃のない比較例４では刃先強度の評価が△であるのに対し、仕上げ刃のある実施例１では刃先強度の評価が○であることから、仕上げ刃を形成することで、工具寿命が長くなることが分かった。

１…ドリル、２…シャンク、３…ドリル本体、３ａ…外周面、４…ねじれ溝、５…切れ刃、６…先行刃、６ａ…第一先行刃、６ｂ…第二先行刃、７…サラエ刃、７ａ…外側先端、７ｂ…エッジ部、８…仕上げ刃、９…ダイヤモンド膜、１０…加工対象物、１１…上層部材、１２…下層部材、２０…加工ワーク、２１…アルミニウム板、２２…ＣＦＲＰ、４０…ダブルアングルドリル、４１…第一先行刃、４２…第二先行刃、５０…トリプルアングルドリル、５１…第一先行刃、５２…第二先行刃、５３…第三先行刃、６０…ローソク型ドリル、６１…切れ刃、７０…フィッシュテール型ドリル、７１…第一先行刃、７２…第二先行刃、７３…サラエ刃、Ａ…軸線、θ４…サラエ刃のエッジ部の角度。

Claims (2)

1. ダイヤモンド膜で被覆された、繊維強化複合材の穴あけ加工用のドリルであって、
   先端部の回転中心から形成されて、前記ドリルの軸線に対して前記ドリルの径方向外側に傾斜する先行刃と、
   前記先行刃の径方向外側に形成されて、前記ドリルの軸線に垂直な方向に対して前記ドリルの先端側に傾斜するサラエ刃と、
   サラエ刃の径方向外側に形成されて、前記ドリルの軸線に対して前記ドリルの径方向外側に傾斜する仕上げ刃と、
   を備え、
   前記先行刃は、第一先行刃と、前記第一先行刃の径方向外側に形成されて前記第一先行刃と先端角度が異なる第二先行刃と、を有し、
   前記サラエ刃の前記軸線に垂直な方向に対して前記ドリルの先端側に傾斜する角度は、０°より大きく２０°以下であり、
   前記サラエ刃と前記仕上げ刃とのなす角度は、１２０°以下８０°以上であることを特徴とするドリル。
2. 前記サラエ刃と前記仕上げ刃とのなす角が鈍角であることを特徴とする請求項１に記載のドリル。