WO2017208939A1

WO2017208939A1 - 切削工具

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Publication number: WO2017208939A1
Application number: PCT/JP2017/019400
Authority: WO
Inventors: 裕文家永; 太郎竹内; 範之榊原; 祐輔大竹
Original assignee: 三菱重工業株式会社; オーエスジー株式会社
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2017-12-07

Abstract

切削工具（１）は、難削材からなる第１の層（ｗ１）と、第１の層（ｗ１）と異なる難削材からなる第２の層（ｗ２）とを備えた積層材（Ｗ）に対して共穴あけ加工を施すために使用される。切削工具（１）は、先端部に設けられ、積層材（Ｗ）に穴を開けるドリルとして機能する小径部（１０）と、小径部（１０）から連続して形成され、小径部（１０）よりも外径が大きく形成されて穴を拡げるリーマとして機能する大径部（２０）とを備える。小径部（１０）は、第１の先端角を有する第１の切れ刃が設けられた第１の部分（１０ａ）と、第１の部分（１０ａ）から大径部（２０）に向かって連続し、第１の先端角よりも小さな第２の先端角を有する第２の切れ刃が設けられた第２の部分（１０ｂ）とを有する。

Description

切削工具

　本発明は、切削工具に関する。
　本願は、２０１６年５月３１日に出願された特願２０１６－１０８５４１号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　例えば航空機等の製造分野においては、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）からなる層に対して、Ｔｉ合金からなる層を積層して得られた積層材が使用されることが多くなっている。こうした積層材に穴あけ加工を行う場合、従来は、まず、必要な穴径よりも小さな径のドリルを用いて事前の穴あけ加工を行う（ステップ１）。次に、必要な穴径と略同一径のドリルを用いて本穴あけ加工を行う（ステップ２）。最後にリーマを用いて穴の仕上げ加工を行っている（ステップ３）。積層材の共穴あけ加工の際、ワンショット加工ではなくこうしたステップ加工を実施する理由は、ドリルでの加工によって生じるＴｉ合金層の切粉がＣＦＲＰ層の穴の内面を傷つけ、穴の仕上げ品質に影響を与えるためである。つまり、こうした切粉による悪影響をできる限り最小限に抑えるために、ステップ加工を実施している。

　また、ＣＦＲＰ層への穴あけ加工では、ＣＰＲＰ層のデラミネーション（層間剥離）を抑制するために、スラスト作用が小さい形状の鋭いドリルが使用されることが望ましい。すなわち、切れ刃の先端角が小さな鋭いドリルが使用されることが望ましい。だが、これに続くＴｉ合金層の穴あけ加工では、こうした鋭いドリルが使用されると、ドリルの刃が欠ける現象が生じやすい。このため、鋭いドリルが使用してＴｉ合金層の穴あけ加工を行う際には、刃当て等をすることによってドリルの切れ味を鈍くする必要が生じる。それゆえ、ＣＦＲＰ層及びＴｉ合金層からなる積層材の共穴あけ加工には、形態の異なる複数種類のドリルを使用する必要がある。そのため、こうした積層材への穴あけ加工の際には、途中でドリルを交換することなく、ワンショットで穴あけ加工を完了させることが難しい。

　これに加えて、ＣＦＲＰ層及びＴｉ合金層からなる積層材を共穴あけ加工する際には、両層の熱膨張係数の相違に起因した問題も生じる。すなわち、加工時に発生する熱に起因して積層材の各層は熱膨張するが、両者の熱膨張係数が大きく異なる。Ｔｉ合金層の熱膨張量に比べてＣＦＰＲ層の熱膨張量が僅かであるために（ＣＦＲＰ層は伸縮し難く、一方、Ｔｉ合金層は伸縮し易い）、穴あけ加工後に積層材が常温に戻ると、各層の穴径間に無視し得ない差異が生じることがある。そのため、積層材への共穴あけ加工の最終段階においては、リーマを用いて、こうした穴径差を修正し、かつ、バリを除去する必要がある。

　以上の理由から、ＣＦＲＰ層及びＴｉ合金層からなる積層材の共穴あけ加工の際には、ステップ加工を行うことで、積層材に形成される穴の仕上げ品質を確保しているのが実情である。なお、良好な穴の仕上げ品質を得るための従来技術としては、ペック（つつき）式穴あけサイクルを利用するものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特許第２７２１７２０号公報

　しかしながら、上述したように積層材に対して共穴あけ加工する際に、ステップ加工を行うことで作業効率の低下が生じている。

　本発明は、積層材に対して共穴あけ加工を施す際に、ワンショットにて穴あけ加工を完了させることが可能な切削工具を提供する。

　本発明の一態様に係る切削工具は、難削材からなる第１の層と、この第１の層と異なる難削材からなる第２の層とを備えた積層材に対して共穴あけ加工を施すために使用される。本発明の一態様に係る切削工具は、先端部に設けられ、積層材に穴を開けるドリルとして機能する小径部と、小径部から連続して形成され、小径部よりも外径が大きく形成されて穴を拡げるリーマとして機能する大径部とを備える。さらに、小径部は、第１の先端角を有する第１の切れ刃が設けられた第１の部分と、この第１の部分から大径部に向かって連続し、第１の先端角よりも小さな第２の先端角を有する第２の切れ刃が設けられた第２の部分とを有することを特徴とする。

　このように構成された切削工具を用いて、上記積層材を加工する際には、まず、ドリルとして機能するダブルアングル形状を有する小径部の作用によって、デラミネーションを伴わずに第１の層に穴をあけることができる。小径部が、ある程度、第１の層内に貫入すると、続いては、リーマとして機能する大径部の作用によって第１の層に対する加工が始まる。第１の層に続いて、第２の層もまた、切削工具の小径部及び大径部の作用によって、順次、加工されていく。この過程で、大径部の作用によって、積層材からバリが除去されると共に、第１及び第２の層間の熱膨張率の差に起因する穴径差が修正される。したがって、上記のように構成された切削工具を用いることで、切削工具を交換することなく、ワンショットにて積層材への穴あけ加工を完了させることができる。

　上記の切削工具においては、小径部はさらに、第２の部分と大径部との間に介在させられたバックテーパー部分を有し、このバックテーパー部分の直径は、第２の部分から大径部に向かうにしたがって漸次減少するよう構成される。

　また、上記の切削工具は、小径部と大径部との間の接続部分に配置され、凹状の曲面からなるＲ部を有するように構成されてもよい。

　この構成によれば、切削工具の剛性をさらに高めることができ、すなわち切削工具の耐久性がさらに向上する。

　また、上記の切削工具においては、大径部は１８０°リーマとして機能するよう構成されてもよい。

　この構成によれば、第２の層を押さずにカットすることができ、切りくず排出性も向上する。この結果、第２の層のバリの発生を抑えることができるようになる。

　また、上記の切削工具においては、小径部の第１の部分における第１の先端角は１２０～１４０°であることが好ましい。

　第１の先端角及び第２の先端角を、こうした範囲に設定することで、特に優れた穴の仕上げ品質が実現される。

　本発明の切削工具によれば、難削材からなる第１の層と、この第１の層とは異なる難削材からなる第２の層とを備えた積層材に対して共穴あけ加工を施す際に、切削工具を交換することなく、ワンショットにて穴あけ加工を完了させることができる。この結果、作業効率の改善が図れる。

本発明に係る切削工具の一実施形態を、被加工材である積層材と共に示す全体概略図である。図１に示す切削工具の先端部分の拡大図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図１及び図２を参照して詳しく説明する。なお、図１及び図２は、実際の切削工具の正確な縮尺に基づいて描かれたものではなく、その特徴を明瞭にするために縮尺が必要に応じて変更されていることに留意されたい。

　本発明の実施の形態に係る積層材共穴あけ加工用切削工具（切削工具）１は、被加工材である積層材Ｗに対して、共穴あけ加工を施すために使用されるものである。本発明の実施の形態に係る積層材共穴あけ加工用切削工具１は、難削材からなる第１の層ｗ１と、この第１の層ｗ１とは異なる難削材からなる第２の層ｗ２とを備えた積層材Ｗを加工対象としている。本実施形態では、第２の層ｗ２が第１の層ｗ１に比べて被削性が劣る材料で構成されている。本発明の実施の形態に係る積層材共穴あけ加工用切削工具１を用いた穴あけ加工は、基本的に、第１の層ｗ１側から実施されるが、場合によっては、第２の層ｗ２側から実施されることもある。

　ここで、難削材とは、切削しづらい材料である。難削材は、例えば、高硬度の材料、低熱伝導性の材料、高延性の材料、高脆性の材料である。本実施形態の積層材では、第１の層はＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）であり、第２の層はＴｉ合金である。第１の層としては、ＣＦＲＰ以外にも、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＢＦＲＰ（ボロン繊維強化プラスチック）、アラミド繊維強化プラスチック (ＡＦＲＰ)等からなるものが挙げられる。一方、第２の層としてはさらに、Ｔｉ合金からなる層の上に、ステンレススチール、ＣＲＥＳ（耐腐食鋼）、Ｎｉ合金等からなる層をさらに積層させたものが挙げられる。

　なお、積層材Ｗは、第１の層ｗ１と第２の層ｗ２とがそれぞれ異なる難削材であればよく、本実施形態の組み合わせに限られるものではない。例えば、第１の層ｗ１及び第２の層ｗ２は、ともに金属材料であってもよく、樹脂材料であってもよい。

　図１に示すように、本発明の実施の形態に係る積層材共穴あけ加工用切削工具１は、当該切削工具の先端側に存在する小径部１０と、この小径部１０から続く大径部２０と、この大径部２０から続くシャンク部３０とを備える。小径部１０、大径部２０及びシャンク部３０は一体品として連続的につながっている。図１に示される積層材共穴あけ加工用切削工具１は、例えば超硬合金から一体的に製造される。小径部１０及び大径部２０の表面には、必要に応じて表面処理がほどこされてもよい。表面処理としては、例えばダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、ダイヤモンド（ＤＩＡ）膜によるコーティングが挙げられる。

　小径部１０は、切削工具１を用いた積層材Ｗに対する共穴あけ加工の際に、ドリルとして機能するものである。さらに図２に詳しく示すように、小径部１０は、第１の部分１０ａと、第２の部分１０ｂとを備える。第１の部分１０ａには、第１の先端角θ１を有する第１の切れ刃１１が設けられている。第２の部分１０ｂには、この第１の切れ刃１１から続く、第１の先端角θ１よりも小さな第２の先端角θ２を有する第２の切れ刃１２が設けられている。第２の部分１０ｂは、第１の部分１０ａから後述するバックテーパー部分１０ｃを介して大径部２０に向かって連続している。したがって、本発明の実施の形態に係る積層材共穴あけ加工用切削工具１の小径部１０は、ダブルアングル形状を有している。なお、第１の先端角θ１は１２０～１４０°である。一方、第２の先端角θ２は４０～６０°である。

　本発明の実施の形態に係る積層材共穴あけ加工用切削工具１においては、小径部１０はさらに、当該小径部１０の第２の部分１０ｂと、大径部２０との間の介在させられたバックテーパー部分１０ｃを有する。このバックテーパー部分１０ｃの直径は、小径部１０の第２の部分１０ｂから大径部２０に向って漸次的に減少する。

　取り代Ｓは、小径部１０と大径部２０との外径の差である。取り代Ｓは、少なくとも後述するＲ部Ｃ１を形成することができる程度の幅で形成される。本実施形態の取り代Ｓは、２．５ｍｍ以下であることが好ましい。

　取り代Ｓと、バックテーパー部分１０ｃの長さＬとの比率Ｓ／Ｌは、特に限定されない。長さＬは第２の層ｗ２の板厚以上であることが望ましい。さらに、図２においてＣ１で示すＲ部が、小径部１０と大径部２０との間の接続部分に配置される。当該Ｒ部Ｃ１は凹状に曲面からなる。Ｒ部Ｃ１（根本Ｒ）の大きさ、すなわち曲率半径は、特に限定されない。

　小径部１０と共に、本発明の実施の形態に係る積層材共穴あけ加工用切削工具１を形成する大径部２０は、その周面に例えば螺旋状の切れ刃２１を有している。大径部２０は、当該切削工具１を用いた積層材Ｗに対する共穴あけ加工の際に、リーマ、特に１８０°リーマとして機能する。

　ここで、１８０°リーマとは、大径部２０の最も小径部１０側の面が、軸線Ｘに対して略直角となる面となるリーマである。したがって、図２において、大径部２０の段付き角度θ３は１８０°である。だが、大径部２０は、この段付き角度θ３が１８０°よりも僅かに（例えば５°程度）大きく又は小さく構成されてもよい。さらに、大径部２０は、図２においてＣ２で示すそのコーナーに、丸み、すなわちコーナーＲを有して良いが、無い方が穴品位は良好である。

　上記のごとく構成された積層材共穴あけ加工用切削工具１を用いて、例えばＣＦＲＰ層／Ｔｉ層の積層材Ｗに穴あけ加工を施す際には、まずダブルアングル形状を有する小径部１０の作用によってデラミネーションを伴わずに、ＣＦＲＰ層に穴をあけることができる。小径部１０が、ある程度、ＣＦＲＰ層内に貫入すると、続いてはリーマとして機能する大径部２０によるＣＦＲＰ層に対する加工が始まる。ＣＦＲＰ層に続いて、Ｔｉ層もまた、積層材共穴あけ加工用切削工具１の小径部１０及び大径部２０の作用によって、順次、加工されていく。この過程で、大径部２０の作用によって、積層材からバリが除去されると共に、ＣＦＲＰ層／Ｔｉ層間の熱膨張率の差に起因する穴径差が修正される。したがって、積層材Ｗに対して共穴あけ加工を施す際に、切削工具を交換することなく、ワンショットにて積層材への穴あけ加工を完了させることが可能となる。しかも、上記のごとく構成された積層材共穴あけ加工用切削工具１を用いた場合、ＣＦＲＰ層を構成する炭素繊維は、１８０°リーマとして機能する大径部２０によって押圧されずに切断される。このため、ＣＦＲＰ層のデラミネーションを効果的に抑えることができ、この結果、良好な穴の仕上げ品質を得ることができる。

　なお、穴あけ加工の中、切削工具１がＴｉ層に到達した時点で、Ｔｉ層の切粉が長く伸びないように、ペック加工が実施されてもよい。すなわち、この場合には、Ｔｉ層の切粉を逃がすために、切削工具１が、積層材Ｗの中に先端部が挿入された状態で、その軸線Ｘの延在する方向である軸方向に沿って上下方向に往復動させられることになる。

　以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、その具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、ここまで、小径部として、ダブルアングル形状をなす第１及び第２の部分に加えて、それに続くバックテーパー部分を有する積層材共穴あけ加工用切削工具の実施形態について説明した。だが、特定の用途のための実施形態においては、このバックテーパー部分が省略されてもよい。この場合には、小径部の第２の部分が、リーマとして機能する大径部と直接的に接続されることになる。

　本発明の実施の形態に係る積層材共穴あけ加工用切削工具によって奏される効果を確認するために、複数種類の積層材共穴あけ加工用切削工具を準備した。

　これらの加工用切削工具を用いて、被加工材、すなわちＣＦＲＰ層／Ｔｉ層の積層材に対して、ワンショットにて共穴あけ加工を実施した。この結果、いずれの切削工具を用いた場合でも、積層材のデラミネーションの発生は認められず、さらにバリが発生していない良好な穴の仕上げ品質が実現された。また、こうして穴あけ加工を行った後、各切削工具の損傷を確認したが、小径部あるいは大径部の切れ刃には欠け等の不具合の発生は確認されなかった。

　上記切削工具によれば、積層材に対して共穴あけ加工を施す際に、ワンショットにて穴あけ加工を完了させることができる。

１     積層材共穴あけ加工用切削工具
１０   小径部
１０ａ第１の切れ刃が設けられた第１の部分
１０ｂ第２の切れ刃が設けられた第２の部分
１０ｃバックテーパー部分
１１   第１の切れ刃
１２   第２の切れ刃
２０   大径部
２１   大径部の切れ刃
３０   シャンク部
Ｗ     積層材
ｗ１   第１の層（ＣＦＲＰ層）
ｗ２   第２の層（Ｔｉ層）

Claims

　難削材からなる第１の層と、前記第１の層と異なる難削材からなる第２の層とを備えた積層材に対して共穴あけ加工を施すために使用される切削工具であって、
　　先端部に設けられ、前記積層材に穴を開けるドリルとして機能する小径部と、
　　前記小径部から連続して形成され、前記小径部よりも外径が大きく形成されて前記穴を拡げるリーマとして機能する大径部とを備え、
　前記小径部は、
　　第１の先端角を有する第１の切れ刃が設けられた第１の部分と、
　　前記第１の部分から前記大径部に向かって連続し、前記第１の先端角よりも小さな第２の先端角を有する第２の切れ刃が設けられた第２の部分とを有する切削工具。
　前記小径部はさらに、前記第２の部分と前記大径部との間に介在させられたバックテーパー部分を有し、
　前記バックテーパー部分の直径は、前記第２の部分から前記大径部に向かうにしたがって漸次減少する請求項１に記載の切削工具。
　前記小径部と前記大径部との間の接続部分に配置され、凹状の曲面からなるＲ部を有する請求項１又は請求項２に記載の切削工具。
　前記大径部は、１８０°リーマとして機能する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の切削工具。
　前記第１の先端角は１２０～１４０°であり、かつ、前記第２の先端角は４０～６０°である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の切削工具。