ドリル
【課題】金属部材と繊維強化樹脂複合材とを重ねた被削材を一度に穿孔するにあたり、長期にわたり、安定して精度良く穿孔することができるドリルを提供する。
【解決手段】切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルａであって、先端から第１段目の切刃１０は、第２段目以降の切刃２０，３０対し、切刃枚数が少ないか、先端角が大きいか、又は逃げ角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同切刃枚数、同先端角、同逃げ角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリルである。例えば第１段目は２枚刃、第２段目は４枚刃、第３段目は４枚刃とされ、先端角はθ１＞θ２＞θ３の条件、逃げ角はγ１≧γ２≧γ３の条件とされ、第１，２段目はそれぞれ先端角一定、第３段目はドリル後端側に移るに従って先端角が漸減することにより刃先稜線が滑らかな曲線形状に形成される。
【解決手段】切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルａであって、先端から第１段目の切刃１０は、第２段目以降の切刃２０，３０対し、切刃枚数が少ないか、先端角が大きいか、又は逃げ角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同切刃枚数、同先端角、同逃げ角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリルである。例えば第１段目は２枚刃、第２段目は４枚刃、第３段目は４枚刃とされ、先端角はθ１＞θ２＞θ３の条件、逃げ角はγ１≧γ２≧γ３の条件とされ、第１，２段目はそれぞれ先端角一定、第３段目はドリル後端側に移るに従って先端角が漸減することにより刃先稜線が滑らかな曲線形状に形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切刃が軸方向に分割された段付き状のドリルに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように穿孔工具としてドリルが利用されている。２枚刃ドリルは多用されている（例えば特許文献１）。
従来の典型的なドリルは、図１０及び図１１に示すドリルｂのように一定の先端角の２枚の切刃を先端部に有している。
一方、各種産業において図１０及び図１１に示す金属部材Ｗ１と繊維強化樹脂複合材Ｗ２とを重ねた被削材Ｗを同一ドリルで一度に穿孔加工することが要請される。これは、例えば、繊維強化樹脂複合材が適用されることで軽量化を図りつつ、内表面や外表面に金属面が配置された構造を、双方の部材に穿孔した孔にボルトなどの締結具を挿通して構成するためであり、各部材の対応位置に効率及び精度良く穿孔作業を行うためである。金属部材Ｗ１の例としてはアルミニウム、繊維強化樹脂複合材Ｗ２の例としてはカーボン繊維強化樹脂複合材を挙げることができる。
【０００３】
被削材Ｗとしては、図示したものに限らず、金属部材Ｗ１が複数層である場合及び繊維強化樹脂複合材Ｗ２が複数層である場合、並びにそれぞれの場合に異なる材料層が交互に重なる場合など、様々に考えられるが、いずれの場合にも対応できるドリルが望まれる。
また、穿孔作業を行う時に被削材Ｗを固定する方法としては、図１０及び図１１に示す固定具ＣＬのように穿孔位置から離れた位置で固定して行い、ドリルが抜ける側に当て材を配置して支持することは行わないことが望ましい。当て材を使用すると、材料の無駄、ドリルに余計な切削作業をさせる、余分な切削屑が出るなどの不都合があるためである。
【０００４】
図１０及び図１１に示すように、片側表面に金属部材Ｗ１が配置され、反対側表面に繊維強化樹脂複合材Ｗ２が配置される被削材Ｗの場合は、金属部材Ｗ１から穿孔するか、繊維強化樹脂複合材Ｗ２から穿孔するかを選択することができる。しかしながら、例えば航空機製造業など、これらの部材を用いた構造物の製造現場においては、その構造物の構造上、あるいは周囲の部材との位置関係などに起因して、どちら側の表面から穿孔するかを選択することができない場合も多く、どちらでも良好に穿孔することができるドリルが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３６７５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１０及び図１１に示すように、一定の先端角の２枚の切刃を先端部に有した従来の典型的なドリルｂにより、繊維強化樹脂複合材Ｗ２から穿孔する場合には次のような現象が生じる。
まず、図１０(b1)に示すように、ドリルｂにより繊維強化樹脂複合材Ｗ２から切削し、ドリルｂが先端方向へと送られていく。
図１０(b2)に示すように、ドリルｂの先端が金属部材Ｗ１に触れると、図１０(b2)さらには図１０(b3)に示すように、金属部材Ｗ１をドリルｂの先端方向に膨らむように撓ませながら、ドリルｂによる金属部材Ｗ１の切削が進行していく。この時、金属の切削屑は長く繋がりやすいので、金属の切削屑を繊維強化樹脂複合材Ｗ２に既にあいた孔を通してドリルｂの後方へ排出することができるかが懸念される。切削屑の排出性が悪化すれば、切削効率も落ちる。また、金属部材Ｗ１と繊維強化樹脂複合材Ｗ２との間に切削屑を残すと問題である。
その後、ドリルｂの先端が金属部材Ｗ１の表面に到達して小さな孔が開口することをきっかけに、それまでの撓み変形により金属部材Ｗ１中に生じていた張力によって、図１１(b4)に示すように金属部材Ｗ１が元の位置に戻ろうとする。この時、負荷が急激に高まりドリルの駆動が停止したり、切刃を損傷したりするおそれがある。また、このように一旦撓んで戻ったままの孔では高い加工精度が望めない。図１１(b4)に示す時点で金属部材Ｗ１にあけられた孔をさらに仕上げ加工する切刃をドリルｂは備えておらず、ドリルｂでの加工終了後に、それ相応の仕上げ加工を要する。その後、図１１(b5)に示すように、ドリルｂの切刃最大径部が金属部材Ｗ１を抜け、穿孔加工が終了する。
【０００７】
金属部材Ｗ１と繊維強化樹脂複合材Ｗ２のどちらから穿孔するにしても、以上の従来の典型的なドリルｂでは、繊維強化樹脂複合材Ｗ２にデラミネーションを発生させるおそれがあり、精度良く孔を仕上げることは難しく、金属部材Ｗ１に対しても繊維強化樹脂複合材Ｗ２に対しても高精度に穿孔加工を行うには限界がある。
【０００８】
なお、以上のように金属部材Ｗ１がドリルの先端方向に膨らむように撓むときの撓み量は、金属部材Ｗ１の特性のみならず、ドリルの特性に依存する。
表１に、以下の各条件に対応する金属部材Ｗ１の撓み量（ｍｍ）を示す。
金属部材Ｗ１の材料をアルミニウム（A7075）、チタン合金（6-4Ti）の２種、金属部材Ｗ１の厚みを３（ｍｍ）、４（ｍｍ）、ドリルｂの直径を４（ｍｍ）、５（ｍｍ）とする条件の各組合せに対応する金属部材Ｗ１の最大撓み量が表１に記載される。図１０(b2)(b3)に示したように金属部材Ｗ１はドリルｂの先端に押されて撓むが、表１に記載される撓み量は、金属部材Ｗ１のドリル軸方向の最大変位である。なお、図１０(b1)に示した固定具ＣＬ間の距離Ｓを１００（ｍｍ）とし、ドリルの送りを０．１５（ｍｍ／rev）とした条件による。
表１を参照すればわかるように、ドリルによる穿孔加工時の金属部材Ｗ１の撓み量は、アルミニウム（A7075）よりチタン合金（6-4Ti）の方が大きくなり、金属部材Ｗ１の厚みが薄くなるほど大きくなる。これは金属部材Ｗ１の曲げ剛性によるものである。
一方、ドリル径が大きいほど、ドリルによる穿孔加工時の金属部材Ｗ１の撓み量は大きくなる。これは、ドリル径が大きいほどドリルｂによって金属部材Ｗ１に加えられる金属部材Ｗ１を撓ませようとする力、すなわち、スラスト力が大きくなるからである。
【０００９】
【表１】
【００１０】
本発明は、以上の従来技術に鑑みてなされてものであって、金属部材と繊維強化樹脂複合材とを重ねた被削材を一度に穿孔するにあたり、長期にわたり、安定して精度良く穿孔することができるドリルを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、切刃枚数が少ないか、先端角が大きいか、又は逃げ角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同切刃枚数、同先端角、同逃げ角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリルである。
【００１２】
請求項２記載の発明は、切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、切刃枚数が少なく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同切刃枚数とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリルである。
【００１３】
請求項３記載の発明は、切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、先端角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同先端角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリルである。
【００１４】
請求項４記載の発明は、切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、逃げ角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同逃げ角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリルである。
【００１５】
請求項５記載の発明は、切刃を軸方向に分割して３段以上有し、
第２段目以降の切刃は、先端側の段の切刃に対し、切刃枚数が等しいか増加するか、先端角が等しいか減少するか、又は逃げ角が等しいか減少していることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のドリルである。
【００１６】
請求項６記載の発明は、ドリル先端と第２段目の切刃とのドリル軸方向の離間距離は、第１段目の切刃の直径以上である請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載のドリルである。
【００１７】
請求項７記載の発明は、第１段目の切刃は２枚刃である請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載のドリルである。
【００１８】
請求項８記載の発明は、第２段目の切刃は４枚刃である請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載のドリルである。
【００１９】
請求項９記載の発明は、第３段目の切刃を有し、第３段目の切刃は４枚刃である請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のドリルである。
【００２０】
請求項１０記載の発明は、被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃は、そのドリル先端側端において、先端側の段の切刃の先端角より小さい先端角を有し、ドリル後端側に移るに従って先端角が漸減することにより刃先稜線が滑らかな曲線形状に形成された請求項１から請求項９のうちいずれか一に記載のドリルである。
【００２１】
請求項１１記載の発明は、被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃のドリル後端側端における先端角がゼロである請求項１から請求項１０のうちいずれか一に記載のドリルである。
【００２２】
請求項１２記載の発明は、被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃の先端角がゼロの位置でドリル最大径となる請求項１１に記載のドリルである。
【００２３】
請求項１３記載の発明は、前記最終穿孔切刃は、そのドリル先端側端の最小直径とそのドリル後端側端の最大直径との差が１ｍｍ以上である請求項１１又は請求項１２に記載のドリルである。
【００２４】
請求項１４記載の発明は、前記最終穿孔切刃は第３段目である請求項１０から請求項１３のうちいずれか一に記載のドリルである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、切刃を軸方向に分割して２段以上有するため、第１段目の切刃の直径は穿孔する孔径より小さくなり、穿孔する孔径と同径の切刃により切削する場合に比較して、切削のスラスト抵抗が小さくなる。
また、第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、切刃枚数が少ないか、先端角が大きいか、又は逃げ角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同切刃枚数、同先端角、同逃げ角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されている。
したがって、先行して被削材を切削する第１段目の切刃による切削のスラスト抵抗は小さくされており、被削材に大きなスラスト方向の負荷を与えることなく安定して切削を進めることができる。
穿孔側から見て裏面に金属部材が配置されていても、これを第１段目の切刃によって撓ませる撓み量は切削のスラスト抵抗が小さいため自ずと小さくなる。
そして、この金属部材の撓みが減少してドリル後端方向へ移動した時にも、第２段目の切刃は、第１段目の切刃に対しドリル軸方向に離れて配置されているから、この金属部材が第２段目の切刃に当たりにくく、切刃への負荷が急激に高まってドリルの駆動が停止したり、第２段目の切刃を損傷する可能性は低減される。金属部材の撓みが減少してドリル後端方向へ移動した時に金属部材が第２段目の切刃に当たりにくくするために、ドリル先端と第２段目の切刃とのドリル軸方向の離間距離は、第１段目の切刃の直径以上を確保することが好ましい。
さらに、第１段目の切刃が先行して切削した孔に対し、第２段目以降の切刃が切削して被加工孔を拡径し、最終段の切刃によって仕上げ加工を行い、最終段の切刃が被削材を抜けることで穿孔加工が終了する。
【００２６】
被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃は、被加工孔内面の仕上げ加工を行うため、先端側のいずれの段に対しも先端角が小さいもの、特に、ドリル後端側に移るに従って先端角が漸減することにより刃先稜線が滑らかな曲線形状に形成され、ドリル後端側端で先端角がゼロに収束するものが好ましく、これにより維強化樹脂複合材にデラミネーションを生じさせることなく、金属部材及び繊維強化樹脂複合材に対して良好な精度で仕上げ加工することができ、被加工孔の面粗度を向上することができる。
なお、最終穿孔切刃は被加工孔を貫通して被加工孔の孔径を決定する切刃であり、最終穿孔切刃より後方に被加工孔の開口縁部を面取りする、サラザグリする切刃などの被加工孔を貫通しない切刃をドリルに設けることは任意である。
【００２７】
第１段目の切刃の枚数は、切削のスラスト抵抗を少なくするため２枚が好ましい。
第２段目の切刃の枚数は、４枚が好ましい。仮に、上述の現象により金属部材が第２段目の切刃に当たっても、より多い枚数で受けるために損傷しにくくなり、ドリルの駆動停止になりにくい。切刃の枚数が多い方が、繊維強化樹脂複合材に対してはデラミネーションを発生させにくい。
最終段の切刃よりドリル先端に４枚刃の切刃を配置することにより、この４枚刃が求心力をもって最終段の仕上げ切刃を軸精度よく保持して案内することで、寸法精度の良い孔を加工し終了することができる。
最終穿孔切刃の枚数は、繊維強化樹脂複合材のデラミネーションを抑制するために、４枚以上が好ましい。切刃枚数が多いほど一枚の切刃当たり切削量が減少し、１回転当たりの切刃が増え、被削材を細かく分断しデラミネーションを抑制できるからである。また、軸精度よく安定して切削を終えるためにも、最終段の切刃の枚数は、４枚以上が好ましい。また、４枚以上とすることで、１枚当たりの切削量が減少し、刃先摩耗の進行を遅らせることができるから、長期に亘り孔径精度を良好に確保することができる。
【００２８】
また、切刃はドリル軸方向に分割されているため、金属部材の切削屑も細かく分断され、切削屑の排出性が良好である。
第１段目の切刃は、上述したように切削のスラスト抵抗を小さくした方がよく、最終穿孔切刃は、仕上げ加工の安定性のために切削抵抗を小さくした方がよい。そのため、第１段目の次に最終穿孔切刃を配置するのではなく、第１段目と最終穿孔切刃との間に一又は複数の切刃を配置することによって、第１段目及び最終穿孔切刃の切刃長をそれぞれ短くしてその切削抵抗を低減することが好ましい。その場合でも、仕上げ加工を十分にするために、最終穿孔切刃により直径で１ｍｍ以上拡径加工させることが好ましい。
以上のように摩耗、欠け等の抑制により工具寿命の長期化も図られ、工具の交換サイクルを長期化することで、作業効率を向上できる。
以上により、本発明によれば、金属部材と繊維強化樹脂複合材とを重ねた被削材を一度に穿孔するにあたり、長期にわたり、安定して精度良く穿孔することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係るドリルの刃部の正面図である。図２に示す矢印Ｃ方向からの見た図に相当する。
【図２】図１に示す矢印Ａ方向から見たドリルの側面図(a)、第１段目の切刃断面図(b1)、第２段目の切刃断面図(b2)、及び第３段目の切刃断面図(b3)である。
【図３】図１に示す矢印Ｂ方向から見たドリルの側面図(a)、第２段目の切刃断面図(b1)、及び第３段目の切刃断面図(b2)である。
【図４】図２に示す直径φＤ１部までを描いた矢印Ｃ方向からの見た正面図(a)、図２に示すα‐α線（φＤ２部内）についての断面図(b)、及び図２に示すβ‐β線（φＤ３部内）についての断面図(c)である。
【図５】本発明の一実施形態に係るドリルによる穿孔加工の過程を示した被削材断面視模式図である。
【図６】図５に続く、本発明の一実施形態に係るドリルによる穿孔加工の過程を示した被削材断面視模式図である。
【図７】図６に続く、本発明の一実施形態に係るドリルによる穿孔加工の過程を示した被削材断面視模式図である。
【図８】図７に続く、本発明の一実施形態に係るドリルによる穿孔加工の過程を示した被削材断面視模式図である。
【図９】本発明例及び比較例に関し、ドリルの進行位置に対するスラスト抵抗の変化を示すグラフである。
【図１０】従来の典型的なドリルによる穿孔加工の過程を示した被削材断面視模式図である。
【図１１】図１０に続く、従来の典型的なドリルによる穿孔加工の過程を示した被削材断面視模式図である。
【図１２】図１に示す矢印Ａ方向から見たドリルの側面図(a)、第１段目の切刃断面図(b1)、第２段目の切刃断面図(b2)、及び第３段目の切刃断面図(b3)である。但し、第３段目の切刃の刃先稜線を直線形状に変更した他の形態について作成したものである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
図１、図２及び図３に示すように、本実施形態のドリルａは、のみ刃部１とシャンク部２とを有する。のみ刃部１からシャンク部２に至る４条のストレートＶ溝３ａ，３ｂ，３ａ，３ｂが形成されている。
【００３１】
本実施形態のドリルａは、軸方向に分割して３段の切刃１０，２０，３０を有する。
第１段目の切刃１０は、ドリル軸回りの互いに１８０度異なる位置に配置された２枚刃であり、ドリル先端から形成され、最大直径φＤ１を有する。
第２段目の切刃２０は、ドリル軸回りに９０度ずつ異なる位置に配置された４枚刃であり、ドリル先端からドリル後端方向へ距離ｈ１（図２に図示）だけ隔てた位置から形成され、ドリル先端側端で最小直径φＤ１を、ドリル後端側端で最大直径φＤ２を有する。
第３段目の切刃３０は、ドリル軸回りに９０度ずつ異なる位置に配置された４枚刃であり、ドリル先端からドリル後端方向へ距離ｈ１＋ｈ２（図２に図示）だけ隔てた位置から形成され、ドリル先端側端で最小直径φＤ２を、ドリル後端側端で最大直径φＤ３を有する。
第２段目の切刃２０及び第３段目の切刃３０のそれぞれのうち、２枚の切刃はドリル軸回りの位置について第１段目の切刃１０と同位置に配置されている。
【００３２】
第１段目の切刃１０の先端角を、図２(a)に示すようにθ１とする。
第２段目の切刃２０の先端角を、図２(a)に示すようにθ２とする。
第３段目の切刃３０の先端角を、図２(a)に示すようにθ３とする。
第１段目の切刃１０の逃げ角を、図２(b1)に示すようにγ１とする。
第２段目の切刃２０の逃げ角を、図２(b2)及び図３(b1)に示すようにγ２とする。
第３段目の切刃３０の逃げ角を、図２(b3) 及び図３(b2)に示すようにγ３とする。
【００３３】
各段における切刃枚数、先端角及び逃げ角について説明する。
本実施形態のドリルａのように、切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルを構成する場合に、単純に各段における切刃枚数、先端角及び逃げ角を共通にしてしまうと、第１段目の切刃１０を特別に切削のスラスト抵抗が小さい特性にすることができない。
第１段目の切刃１０を、第２段目以降の切刃と同切刃枚数、同先端角、同逃げ角とした場合を基準に、第１段目の切刃１０の切削のスラスト抵抗が小さい特性にするには、以下の条件１，２，３及びこれらの組合せによって成し得る。
【００３４】
（条件１）条件１としては、切刃枚数を少なくすることである。切刃枚数が少ない方が、被削材に当たる切刃の合計長さが短くなるために、切削抵抗が減少するからである。なお、第２段目以降の切刃の切刃枚数が異なる場合は、いずれの切刃枚数よりも、切刃枚数を少なくすること、すなわち、第２段目以降の切刃で最少の切刃枚数より切刃枚数を少なくすることを条件とする。但し、被加工孔を貫通して被加工孔の孔径を決定する最終穿孔切刃までを考慮する。本実施形態では、第３段目の切刃３０が最終穿孔切刃である。
【００３５】
（条件２）条件２としては、先端角を大きくすることである。一定の切刃形成直径（本実施形態の場合φＤ１）内にあっては、先端角を小さくするほど切刃長は長くなってしまう。したがって、先端角が大きい方が、被削材に当たる切刃の合計長さが短くなるために、切削抵抗が減少するからである。なお、第２段目以降の切刃の先端角が異なる場合は、いずれの先端角よりも大きくすること、すなわち、第２段目以降の切刃で最大の先端角（本実施形態ではθ２）より先端角を大きくすることを条件とする。但し、被加工孔を貫通して被加工孔の孔径を決定する最終穿孔切刃までを考慮する。
【００３６】
（条件３）条件３としては、逃げ角を大きくすることである。逃げ角が大きい方が、被削材に対して鋭利に切り込み、切削抵抗が小さいからである。なお、第２段目以降の切刃の逃げ角が異なる場合は、いずれの逃げ角よりも大きくすること、すなわち、第２段目以降の切刃で最大の逃げ角より逃げ角を大きくすることを条件とする。但し、被加工孔を貫通して被加工孔の孔径を決定する最終穿孔切刃までを考慮する。
【００３７】
（単独又は組合せ）以上の条件１，２，３のうちいずれか１つのみを実施してもよいし、いずれか２つ又はすべてを実施してもよい。
【００３８】
本実施形態のドリルａにあっては、上述したとおり先端から２枚刃、４枚刃、４枚刃の三段構成であるから、条件１を実施する。また、本実施形態のドリルａにあっては、θ１＞θ２＞θ３の条件を有する。すなわち、条件２を実施するものである。
本実施形態のドリルａにあっては、γ１≧γ２≧γ３である。条件３を実施しない場合でも、γ１＝γ２＝γ３とすることが好ましい。γ１＝γ２＞γ３の関係としてもよい。条件３を実施する場合は、γ１＞γ２＞γ３、又はγ１＞γ２＝γ３、の関係で実施する。
【００３９】
切刃を軸方向に分割して３段以上有する場合、第２段目以降の切刃は、先端側の段の切刃に対し、切刃枚数が等しいか増加し、先端角が等しいか減少し、逃げ角が等しいか減少している条件で実施するとよい。
本実施形態にあっては、第３段目の切刃３０は、第２段目の切刃２０に対し切刃枚数が等しい、先端角が減少する。逃げ角は等しいか減少している条件で実施する。
【００４０】
距離ｈ１については以下の条件とされる。
すなわち、ドリル先端と第２段目の切刃２０とのドリル軸方向の離間距離ｈ１は、第１段目の切刃１０の直径φＤ１以上である。これにより、被削材を構成する金属部材の撓みが減少してドリル後端方向へ移動した時に金属部材が第２段目の切刃に当たりにくくすることできる。
【００４１】
本実施形態においては、第１段目の切刃１０の先端角θ１を一定とし、第２段目の切刃２０の先端角θ２を一定とする。したがって、第１段目の切刃１０及び第２段目の切刃２０の刃先稜線は直線形状となる。
第３段目の切刃３０は、被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃であり、この第３段目の切刃３０をもって精度良く被加工孔を仕上げたい。そのため、先端側の段の切刃、すなわち、第２段目の切刃２０に対して、近い先端角から切削を開始しながらも、最終的に先端角ゼロで終了して被加工孔の面粗度を向上したい。
そのため、本実施形態の最終穿孔切刃である第３段目の切刃３０は、そのドリル先端側端（＝φＤ２位置）において、先端側の段の切刃（＝第２段目の切刃２０）の先端角θ２より小さい先端角を有し、ドリル後端側に移るに従って先端角が漸減することにより刃先稜線が滑らかな曲線形状に形成された切刃形状とされ、ドリル後端側端（＝φＤ３位置）における先端角がゼロである。
したがって、第３段目の切刃３０の刃先稜線は、外に膨らんだ滑らかな曲線形状であり、その接線が、ドリル先端側端（＝φＤ２位置）からドリル後端側に移るに従ってドリル軸方向へ次第に近づくように傾き、ドリル後端側端（＝φＤ３位置）でドリル中心軸と平行となる。
最終穿孔切刃である第３段目の切刃３０は、そのドリル先端側端の最小直径φＤ２とそのドリル後端側端の最大直径φＤ３との差が１ｍｍ以上である。すなわち、（φＤ３−φＤ２）＞１ｍｍである。第３段目の切刃３０により仕上げ加工量を十分に確保するためである。
なお、本実施形態のドリルａにあっては、φＤ３がドリル最大径である。これに拘わらず、最終穿孔切刃より後方に被加工孔の開口縁部を面取りする、サラザグリする切刃などの被加工孔を貫通しない切刃をドリルに設けて、φＤ３よりドリル最大径を大きくすることは任意である。
【００４２】
さて、以上の構成を有する本発明実施形態のドリルａによって、図１０及び図１１に記載したものと共通の被削材Ｗを穿孔する場合につき説明する。図１０及び図１１に示した一定の先端角の２枚の切刃を先端部に有した従来の典型的なドリルｂの場合と同様に、繊維強化樹脂複合材Ｗ２から穿孔する場合である。被削材Ｗは金属部材Ｗ１と繊維強化樹脂複合材Ｗ２とを重ねたもので共通である。固定具ＣＬ間の距離Ｓなどその他の条件も共通であり、両者とも同じ径の孔φＤ３を加工する場合で比較する。
【００４３】
図５から図８に本ドリルａによる穿孔加工過程を示した。これに対する比較例はドリルｂであり、その穿孔加工過程は図１０及び図１１に示した通りである。
また、穿孔加工過程における金属部材Ｗ１の切削に関するスラスト抵抗の変化を、本ドリルａによる場合と、比較例のドリルｂによる場合とを併せて図９のグラフに示した。
図９のグラフにおいて縦軸は金属部材Ｗ１の切削に関するスラスト抵抗である。
図９のグラフにおいて横軸は被削材Ｗに対するドリルの位置である。図９のグラフの横軸において本発明例ドリルａの番号「１」は、図５に示す図(a1)に示すドリル位置に対応し、本発明例ドリルａの番号「２」は、図５に示す図(a2)に示すドリル位置に対応し、以下順に対応して、最後の本発明例ドリルａの番号「１１」は、図８に示す図(a11)に示すドリル位置に対応する。
図９のグラフの横軸において比較例のドリルｂの番号「１」は、図１０に示す図(b1)に示すドリル位置に対応し、ドリルｂの番号「２」は、図１０に示す(b2)図に示すドリル位置に対応し、以下順に対応して、最後のドリルｂの番号「５」は、図１１に示す(b5)図に示すドリル位置に対応する。
以下それぞれ、ドリル位置「a4」、ドリル位置「b2」のように指定する。
図９において本ドリルａのグラフは実線で示され、比較例のドリルｂのグラフは破線で示される。
【００４４】
比較例のドリルｂの場合、先端角一定の２枚刃によって穿孔する。ドリル位置「b1」→「b5」の送り行程で金属部材Ｗ１にφＤ３の穿孔を完了する。スラスト抵抗は比較的大きなものとなり、ドリル位置「b2」→「b3」の送り行程で切刃のほぼ全体が金属部材Ｗ１に接触しているため、最大のスラスト抵抗となる。
【００４５】
これに対し、本ドリルａにあっては、「b1」→「b5」の送り行程と同距離の送り行程に相当するドリル位置「a1」→「a5」の送り行程で、第１段目の切刃１０により金属部材Ｗ１にφＤ１の穿孔を行う。したがって、第１段目の切刃１０による切削のスラスト抵抗は、ドリルｂによるそれに比較して小さなものとなり、それ故に、図５(a2)(a3)に示すように金属部材Ｗ１の撓み量は、ドリルｂのそれ（図１０(b2)(b3)参照）に比較して小さなものとなる。
ドリル位置「a4」若しくは「a5」において、金属部材Ｗ１が撓み量を減少させて元の位置に戻っても、最大撓み量が小さいことに加え、第２段目の切刃２０がドリル先端から距離ｈ１だけ離れていることもあり、金属部材Ｗ１が第２段目の切刃２０に当たることなく、切刃への負荷が急激に高まってドリルａの駆動が停止したり、第２段目の切刃を損傷したりすることは防がれる。
【００４６】
その後、ドリル位置「a6」から第２段目の切刃２０による金属部材Ｗ１の切削が始まる。ドリル位置「a6」→「a9」の送り行程で第２段目の切刃２０が金属部材Ｗ１の孔をφＤ１からφＤ２まで拡径する。続いて、ドリル位置「a9」→「a11」の送り行程で第３段目の切刃３０が金属部材Ｗ１の孔をφＤ３まで拡径し、寸法精度、面精度よく穿孔を完了する。
【００４７】
第２段目の切刃２０による切削量（φＤ２−φＤ１）や、第３段目の切刃３０による切削量（φＤ３−φＤ２）が第１段目の切刃１０による切削削量φＤ１のより小さいため、第２段目、第３段目の切刃２０，３０による切削のスラスト抵抗は、第１段目の切刃１０によるそれに比較して小さなものとなる。
【００４８】
以上の本ドリルａによる切削過程において、本ドリルａの切刃はドリル軸方向に３つに分割されているため、金属部材の切削屑も細かく分断され、切削屑の排出性が良好である。
【００４９】
また、仮に第２段目の切刃２０が無いドリルを想定すると、第２段目の切刃２０による切削量（φＤ２−φＤ１）の分を、第１段目の切刃１０の切削量又は／及び第３段目の切刃３０の切削量に振り分けなければならない。そうすると、例えば第１段目の切刃１０の直径をφＤ２にすれば、第１段目の切刃１０による切削のスラスト抵抗が大きくなり、金属部材Ｗ１の撓み量も大きくなってしまう。また、第３段目の切刃３０の最小直径をφＤ１にすることが考えられる。第３段目の切刃３０は仕上げ加工を十分にするために、直径で１ｍｍ以上拡径加工させることが好ましい。しかし、それを超えてあまり大きくすると切削抵抗が大きくなりすぎて、仕上げ精度が悪化するおそれがある。
また、第３段目の切刃３０によって、被削材Ｗを切削する時に、先行して４枚刃の第２段目の切刃２０が求心力をもって第３段目の切刃３０を軸精度よく保持して案内することで、寸法精度の良い孔を加工し終了することができる。第２段目の切刃２０が無いとすれば、第３段目の切刃３０に先行するのは、第１段目の切刃１０となり、第１段目の切刃１０は２枚刃であるから、４枚刃に比較すると軸保持性が良好でない。
【００５０】
以上の実施形態にあっては、ドリルの溝をストレート溝としたが、ねじり溝としてもよいことは勿論である。
また以上の実施形態にあっては、第１段目の切刃と最終段との間に中間の段として１段の切刃を設けたが、加工する孔径によっては、中間の段を設けない、中間の段を２段以上にするなどの変更を適宜に行って実施してもよい。
さらに以上の実施形態にあっては、第３段目の切刃は、ドリル後端側に移るに従って先端角が漸減することにより刃先稜線が滑らかな曲線形状に形成された切刃形状とされ、ドリル後端側端における先端角がゼロとされた。要求される被加工孔の面粗度によっては、図１２に示すように、第２段目の切刃と同様に先端角を一定として第３段目の切刃の刃先稜線を直線形状としてもよい。
なお、本発明のドリルは、繊維強化樹脂複合材のみからなる被削材を穿孔する場合、金属部材のみからなる被削材を穿孔する場合にも有効に使用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５１】
１ のみ刃部
２ シャンク部
３ａ，３ｂ ストレートＶ溝
１０ 第１段目の切刃
２０ 第２段目の切刃
３０ 第３段目の切刃
ａ ドリル（本発明）
ｂ ドリル（比較例）
ＣＬ 固定具
Ｗ 被削材
Ｗ１ 金属部材
Ｗ２ 繊維強化樹脂複合材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、切刃が軸方向に分割された段付き状のドリルに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように穿孔工具としてドリルが利用されている。２枚刃ドリルは多用されている（例えば特許文献１）。
従来の典型的なドリルは、図１０及び図１１に示すドリルｂのように一定の先端角の２枚の切刃を先端部に有している。
一方、各種産業において図１０及び図１１に示す金属部材Ｗ１と繊維強化樹脂複合材Ｗ２とを重ねた被削材Ｗを同一ドリルで一度に穿孔加工することが要請される。これは、例えば、繊維強化樹脂複合材が適用されることで軽量化を図りつつ、内表面や外表面に金属面が配置された構造を、双方の部材に穿孔した孔にボルトなどの締結具を挿通して構成するためであり、各部材の対応位置に効率及び精度良く穿孔作業を行うためである。金属部材Ｗ１の例としてはアルミニウム、繊維強化樹脂複合材Ｗ２の例としてはカーボン繊維強化樹脂複合材を挙げることができる。
【０００３】
被削材Ｗとしては、図示したものに限らず、金属部材Ｗ１が複数層である場合及び繊維強化樹脂複合材Ｗ２が複数層である場合、並びにそれぞれの場合に異なる材料層が交互に重なる場合など、様々に考えられるが、いずれの場合にも対応できるドリルが望まれる。
また、穿孔作業を行う時に被削材Ｗを固定する方法としては、図１０及び図１１に示す固定具ＣＬのように穿孔位置から離れた位置で固定して行い、ドリルが抜ける側に当て材を配置して支持することは行わないことが望ましい。当て材を使用すると、材料の無駄、ドリルに余計な切削作業をさせる、余分な切削屑が出るなどの不都合があるためである。
【０００４】
図１０及び図１１に示すように、片側表面に金属部材Ｗ１が配置され、反対側表面に繊維強化樹脂複合材Ｗ２が配置される被削材Ｗの場合は、金属部材Ｗ１から穿孔するか、繊維強化樹脂複合材Ｗ２から穿孔するかを選択することができる。しかしながら、例えば航空機製造業など、これらの部材を用いた構造物の製造現場においては、その構造物の構造上、あるいは周囲の部材との位置関係などに起因して、どちら側の表面から穿孔するかを選択することができない場合も多く、どちらでも良好に穿孔することができるドリルが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−３６７５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１０及び図１１に示すように、一定の先端角の２枚の切刃を先端部に有した従来の典型的なドリルｂにより、繊維強化樹脂複合材Ｗ２から穿孔する場合には次のような現象が生じる。
まず、図１０(b1)に示すように、ドリルｂにより繊維強化樹脂複合材Ｗ２から切削し、ドリルｂが先端方向へと送られていく。
図１０(b2)に示すように、ドリルｂの先端が金属部材Ｗ１に触れると、図１０(b2)さらには図１０(b3)に示すように、金属部材Ｗ１をドリルｂの先端方向に膨らむように撓ませながら、ドリルｂによる金属部材Ｗ１の切削が進行していく。この時、金属の切削屑は長く繋がりやすいので、金属の切削屑を繊維強化樹脂複合材Ｗ２に既にあいた孔を通してドリルｂの後方へ排出することができるかが懸念される。切削屑の排出性が悪化すれば、切削効率も落ちる。また、金属部材Ｗ１と繊維強化樹脂複合材Ｗ２との間に切削屑を残すと問題である。
その後、ドリルｂの先端が金属部材Ｗ１の表面に到達して小さな孔が開口することをきっかけに、それまでの撓み変形により金属部材Ｗ１中に生じていた張力によって、図１１(b4)に示すように金属部材Ｗ１が元の位置に戻ろうとする。この時、負荷が急激に高まりドリルの駆動が停止したり、切刃を損傷したりするおそれがある。また、このように一旦撓んで戻ったままの孔では高い加工精度が望めない。図１１(b4)に示す時点で金属部材Ｗ１にあけられた孔をさらに仕上げ加工する切刃をドリルｂは備えておらず、ドリルｂでの加工終了後に、それ相応の仕上げ加工を要する。その後、図１１(b5)に示すように、ドリルｂの切刃最大径部が金属部材Ｗ１を抜け、穿孔加工が終了する。
【０００７】
金属部材Ｗ１と繊維強化樹脂複合材Ｗ２のどちらから穿孔するにしても、以上の従来の典型的なドリルｂでは、繊維強化樹脂複合材Ｗ２にデラミネーションを発生させるおそれがあり、精度良く孔を仕上げることは難しく、金属部材Ｗ１に対しても繊維強化樹脂複合材Ｗ２に対しても高精度に穿孔加工を行うには限界がある。
【０００８】
なお、以上のように金属部材Ｗ１がドリルの先端方向に膨らむように撓むときの撓み量は、金属部材Ｗ１の特性のみならず、ドリルの特性に依存する。
表１に、以下の各条件に対応する金属部材Ｗ１の撓み量（ｍｍ）を示す。
金属部材Ｗ１の材料をアルミニウム（A7075）、チタン合金（6-4Ti）の２種、金属部材Ｗ１の厚みを３（ｍｍ）、４（ｍｍ）、ドリルｂの直径を４（ｍｍ）、５（ｍｍ）とする条件の各組合せに対応する金属部材Ｗ１の最大撓み量が表１に記載される。図１０(b2)(b3)に示したように金属部材Ｗ１はドリルｂの先端に押されて撓むが、表１に記載される撓み量は、金属部材Ｗ１のドリル軸方向の最大変位である。なお、図１０(b1)に示した固定具ＣＬ間の距離Ｓを１００（ｍｍ）とし、ドリルの送りを０．１５（ｍｍ／rev）とした条件による。
表１を参照すればわかるように、ドリルによる穿孔加工時の金属部材Ｗ１の撓み量は、アルミニウム（A7075）よりチタン合金（6-4Ti）の方が大きくなり、金属部材Ｗ１の厚みが薄くなるほど大きくなる。これは金属部材Ｗ１の曲げ剛性によるものである。
一方、ドリル径が大きいほど、ドリルによる穿孔加工時の金属部材Ｗ１の撓み量は大きくなる。これは、ドリル径が大きいほどドリルｂによって金属部材Ｗ１に加えられる金属部材Ｗ１を撓ませようとする力、すなわち、スラスト力が大きくなるからである。
【０００９】
【表１】
【００１０】
本発明は、以上の従来技術に鑑みてなされてものであって、金属部材と繊維強化樹脂複合材とを重ねた被削材を一度に穿孔するにあたり、長期にわたり、安定して精度良く穿孔することができるドリルを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、切刃枚数が少ないか、先端角が大きいか、又は逃げ角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同切刃枚数、同先端角、同逃げ角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリルである。
【００１２】
請求項２記載の発明は、切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、切刃枚数が少なく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同切刃枚数とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリルである。
【００１３】
請求項３記載の発明は、切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、先端角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同先端角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリルである。
【００１４】
請求項４記載の発明は、切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、逃げ角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同逃げ角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリルである。
【００１５】
請求項５記載の発明は、切刃を軸方向に分割して３段以上有し、
第２段目以降の切刃は、先端側の段の切刃に対し、切刃枚数が等しいか増加するか、先端角が等しいか減少するか、又は逃げ角が等しいか減少していることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のドリルである。
【００１６】
請求項６記載の発明は、ドリル先端と第２段目の切刃とのドリル軸方向の離間距離は、第１段目の切刃の直径以上である請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載のドリルである。
【００１７】
請求項７記載の発明は、第１段目の切刃は２枚刃である請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載のドリルである。
【００１８】
請求項８記載の発明は、第２段目の切刃は４枚刃である請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載のドリルである。
【００１９】
請求項９記載の発明は、第３段目の切刃を有し、第３段目の切刃は４枚刃である請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のドリルである。
【００２０】
請求項１０記載の発明は、被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃は、そのドリル先端側端において、先端側の段の切刃の先端角より小さい先端角を有し、ドリル後端側に移るに従って先端角が漸減することにより刃先稜線が滑らかな曲線形状に形成された請求項１から請求項９のうちいずれか一に記載のドリルである。
【００２１】
請求項１１記載の発明は、被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃のドリル後端側端における先端角がゼロである請求項１から請求項１０のうちいずれか一に記載のドリルである。
【００２２】
請求項１２記載の発明は、被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃の先端角がゼロの位置でドリル最大径となる請求項１１に記載のドリルである。
【００２３】
請求項１３記載の発明は、前記最終穿孔切刃は、そのドリル先端側端の最小直径とそのドリル後端側端の最大直径との差が１ｍｍ以上である請求項１１又は請求項１２に記載のドリルである。
【００２４】
請求項１４記載の発明は、前記最終穿孔切刃は第３段目である請求項１０から請求項１３のうちいずれか一に記載のドリルである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、切刃を軸方向に分割して２段以上有するため、第１段目の切刃の直径は穿孔する孔径より小さくなり、穿孔する孔径と同径の切刃により切削する場合に比較して、切削のスラスト抵抗が小さくなる。
また、第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、切刃枚数が少ないか、先端角が大きいか、又は逃げ角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同切刃枚数、同先端角、同逃げ角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されている。
したがって、先行して被削材を切削する第１段目の切刃による切削のスラスト抵抗は小さくされており、被削材に大きなスラスト方向の負荷を与えることなく安定して切削を進めることができる。
穿孔側から見て裏面に金属部材が配置されていても、これを第１段目の切刃によって撓ませる撓み量は切削のスラスト抵抗が小さいため自ずと小さくなる。
そして、この金属部材の撓みが減少してドリル後端方向へ移動した時にも、第２段目の切刃は、第１段目の切刃に対しドリル軸方向に離れて配置されているから、この金属部材が第２段目の切刃に当たりにくく、切刃への負荷が急激に高まってドリルの駆動が停止したり、第２段目の切刃を損傷する可能性は低減される。金属部材の撓みが減少してドリル後端方向へ移動した時に金属部材が第２段目の切刃に当たりにくくするために、ドリル先端と第２段目の切刃とのドリル軸方向の離間距離は、第１段目の切刃の直径以上を確保することが好ましい。
さらに、第１段目の切刃が先行して切削した孔に対し、第２段目以降の切刃が切削して被加工孔を拡径し、最終段の切刃によって仕上げ加工を行い、最終段の切刃が被削材を抜けることで穿孔加工が終了する。
【００２６】
被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃は、被加工孔内面の仕上げ加工を行うため、先端側のいずれの段に対しも先端角が小さいもの、特に、ドリル後端側に移るに従って先端角が漸減することにより刃先稜線が滑らかな曲線形状に形成され、ドリル後端側端で先端角がゼロに収束するものが好ましく、これにより維強化樹脂複合材にデラミネーションを生じさせることなく、金属部材及び繊維強化樹脂複合材に対して良好な精度で仕上げ加工することができ、被加工孔の面粗度を向上することができる。
なお、最終穿孔切刃は被加工孔を貫通して被加工孔の孔径を決定する切刃であり、最終穿孔切刃より後方に被加工孔の開口縁部を面取りする、サラザグリする切刃などの被加工孔を貫通しない切刃をドリルに設けることは任意である。
【００２７】
第１段目の切刃の枚数は、切削のスラスト抵抗を少なくするため２枚が好ましい。
第２段目の切刃の枚数は、４枚が好ましい。仮に、上述の現象により金属部材が第２段目の切刃に当たっても、より多い枚数で受けるために損傷しにくくなり、ドリルの駆動停止になりにくい。切刃の枚数が多い方が、繊維強化樹脂複合材に対してはデラミネーションを発生させにくい。
最終段の切刃よりドリル先端に４枚刃の切刃を配置することにより、この４枚刃が求心力をもって最終段の仕上げ切刃を軸精度よく保持して案内することで、寸法精度の良い孔を加工し終了することができる。
最終穿孔切刃の枚数は、繊維強化樹脂複合材のデラミネーションを抑制するために、４枚以上が好ましい。切刃枚数が多いほど一枚の切刃当たり切削量が減少し、１回転当たりの切刃が増え、被削材を細かく分断しデラミネーションを抑制できるからである。また、軸精度よく安定して切削を終えるためにも、最終段の切刃の枚数は、４枚以上が好ましい。また、４枚以上とすることで、１枚当たりの切削量が減少し、刃先摩耗の進行を遅らせることができるから、長期に亘り孔径精度を良好に確保することができる。
【００２８】
また、切刃はドリル軸方向に分割されているため、金属部材の切削屑も細かく分断され、切削屑の排出性が良好である。
第１段目の切刃は、上述したように切削のスラスト抵抗を小さくした方がよく、最終穿孔切刃は、仕上げ加工の安定性のために切削抵抗を小さくした方がよい。そのため、第１段目の次に最終穿孔切刃を配置するのではなく、第１段目と最終穿孔切刃との間に一又は複数の切刃を配置することによって、第１段目及び最終穿孔切刃の切刃長をそれぞれ短くしてその切削抵抗を低減することが好ましい。その場合でも、仕上げ加工を十分にするために、最終穿孔切刃により直径で１ｍｍ以上拡径加工させることが好ましい。
以上のように摩耗、欠け等の抑制により工具寿命の長期化も図られ、工具の交換サイクルを長期化することで、作業効率を向上できる。
以上により、本発明によれば、金属部材と繊維強化樹脂複合材とを重ねた被削材を一度に穿孔するにあたり、長期にわたり、安定して精度良く穿孔することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係るドリルの刃部の正面図である。図２に示す矢印Ｃ方向からの見た図に相当する。
【図２】図１に示す矢印Ａ方向から見たドリルの側面図(a)、第１段目の切刃断面図(b1)、第２段目の切刃断面図(b2)、及び第３段目の切刃断面図(b3)である。
【図３】図１に示す矢印Ｂ方向から見たドリルの側面図(a)、第２段目の切刃断面図(b1)、及び第３段目の切刃断面図(b2)である。
【図４】図２に示す直径φＤ１部までを描いた矢印Ｃ方向からの見た正面図(a)、図２に示すα‐α線（φＤ２部内）についての断面図(b)、及び図２に示すβ‐β線（φＤ３部内）についての断面図(c)である。
【図５】本発明の一実施形態に係るドリルによる穿孔加工の過程を示した被削材断面視模式図である。
【図６】図５に続く、本発明の一実施形態に係るドリルによる穿孔加工の過程を示した被削材断面視模式図である。
【図７】図６に続く、本発明の一実施形態に係るドリルによる穿孔加工の過程を示した被削材断面視模式図である。
【図８】図７に続く、本発明の一実施形態に係るドリルによる穿孔加工の過程を示した被削材断面視模式図である。
【図９】本発明例及び比較例に関し、ドリルの進行位置に対するスラスト抵抗の変化を示すグラフである。
【図１０】従来の典型的なドリルによる穿孔加工の過程を示した被削材断面視模式図である。
【図１１】図１０に続く、従来の典型的なドリルによる穿孔加工の過程を示した被削材断面視模式図である。
【図１２】図１に示す矢印Ａ方向から見たドリルの側面図(a)、第１段目の切刃断面図(b1)、第２段目の切刃断面図(b2)、及び第３段目の切刃断面図(b3)である。但し、第３段目の切刃の刃先稜線を直線形状に変更した他の形態について作成したものである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
図１、図２及び図３に示すように、本実施形態のドリルａは、のみ刃部１とシャンク部２とを有する。のみ刃部１からシャンク部２に至る４条のストレートＶ溝３ａ，３ｂ，３ａ，３ｂが形成されている。
【００３１】
本実施形態のドリルａは、軸方向に分割して３段の切刃１０，２０，３０を有する。
第１段目の切刃１０は、ドリル軸回りの互いに１８０度異なる位置に配置された２枚刃であり、ドリル先端から形成され、最大直径φＤ１を有する。
第２段目の切刃２０は、ドリル軸回りに９０度ずつ異なる位置に配置された４枚刃であり、ドリル先端からドリル後端方向へ距離ｈ１（図２に図示）だけ隔てた位置から形成され、ドリル先端側端で最小直径φＤ１を、ドリル後端側端で最大直径φＤ２を有する。
第３段目の切刃３０は、ドリル軸回りに９０度ずつ異なる位置に配置された４枚刃であり、ドリル先端からドリル後端方向へ距離ｈ１＋ｈ２（図２に図示）だけ隔てた位置から形成され、ドリル先端側端で最小直径φＤ２を、ドリル後端側端で最大直径φＤ３を有する。
第２段目の切刃２０及び第３段目の切刃３０のそれぞれのうち、２枚の切刃はドリル軸回りの位置について第１段目の切刃１０と同位置に配置されている。
【００３２】
第１段目の切刃１０の先端角を、図２(a)に示すようにθ１とする。
第２段目の切刃２０の先端角を、図２(a)に示すようにθ２とする。
第３段目の切刃３０の先端角を、図２(a)に示すようにθ３とする。
第１段目の切刃１０の逃げ角を、図２(b1)に示すようにγ１とする。
第２段目の切刃２０の逃げ角を、図２(b2)及び図３(b1)に示すようにγ２とする。
第３段目の切刃３０の逃げ角を、図２(b3) 及び図３(b2)に示すようにγ３とする。
【００３３】
各段における切刃枚数、先端角及び逃げ角について説明する。
本実施形態のドリルａのように、切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルを構成する場合に、単純に各段における切刃枚数、先端角及び逃げ角を共通にしてしまうと、第１段目の切刃１０を特別に切削のスラスト抵抗が小さい特性にすることができない。
第１段目の切刃１０を、第２段目以降の切刃と同切刃枚数、同先端角、同逃げ角とした場合を基準に、第１段目の切刃１０の切削のスラスト抵抗が小さい特性にするには、以下の条件１，２，３及びこれらの組合せによって成し得る。
【００３４】
（条件１）条件１としては、切刃枚数を少なくすることである。切刃枚数が少ない方が、被削材に当たる切刃の合計長さが短くなるために、切削抵抗が減少するからである。なお、第２段目以降の切刃の切刃枚数が異なる場合は、いずれの切刃枚数よりも、切刃枚数を少なくすること、すなわち、第２段目以降の切刃で最少の切刃枚数より切刃枚数を少なくすることを条件とする。但し、被加工孔を貫通して被加工孔の孔径を決定する最終穿孔切刃までを考慮する。本実施形態では、第３段目の切刃３０が最終穿孔切刃である。
【００３５】
（条件２）条件２としては、先端角を大きくすることである。一定の切刃形成直径（本実施形態の場合φＤ１）内にあっては、先端角を小さくするほど切刃長は長くなってしまう。したがって、先端角が大きい方が、被削材に当たる切刃の合計長さが短くなるために、切削抵抗が減少するからである。なお、第２段目以降の切刃の先端角が異なる場合は、いずれの先端角よりも大きくすること、すなわち、第２段目以降の切刃で最大の先端角（本実施形態ではθ２）より先端角を大きくすることを条件とする。但し、被加工孔を貫通して被加工孔の孔径を決定する最終穿孔切刃までを考慮する。
【００３６】
（条件３）条件３としては、逃げ角を大きくすることである。逃げ角が大きい方が、被削材に対して鋭利に切り込み、切削抵抗が小さいからである。なお、第２段目以降の切刃の逃げ角が異なる場合は、いずれの逃げ角よりも大きくすること、すなわち、第２段目以降の切刃で最大の逃げ角より逃げ角を大きくすることを条件とする。但し、被加工孔を貫通して被加工孔の孔径を決定する最終穿孔切刃までを考慮する。
【００３７】
（単独又は組合せ）以上の条件１，２，３のうちいずれか１つのみを実施してもよいし、いずれか２つ又はすべてを実施してもよい。
【００３８】
本実施形態のドリルａにあっては、上述したとおり先端から２枚刃、４枚刃、４枚刃の三段構成であるから、条件１を実施する。また、本実施形態のドリルａにあっては、θ１＞θ２＞θ３の条件を有する。すなわち、条件２を実施するものである。
本実施形態のドリルａにあっては、γ１≧γ２≧γ３である。条件３を実施しない場合でも、γ１＝γ２＝γ３とすることが好ましい。γ１＝γ２＞γ３の関係としてもよい。条件３を実施する場合は、γ１＞γ２＞γ３、又はγ１＞γ２＝γ３、の関係で実施する。
【００３９】
切刃を軸方向に分割して３段以上有する場合、第２段目以降の切刃は、先端側の段の切刃に対し、切刃枚数が等しいか増加し、先端角が等しいか減少し、逃げ角が等しいか減少している条件で実施するとよい。
本実施形態にあっては、第３段目の切刃３０は、第２段目の切刃２０に対し切刃枚数が等しい、先端角が減少する。逃げ角は等しいか減少している条件で実施する。
【００４０】
距離ｈ１については以下の条件とされる。
すなわち、ドリル先端と第２段目の切刃２０とのドリル軸方向の離間距離ｈ１は、第１段目の切刃１０の直径φＤ１以上である。これにより、被削材を構成する金属部材の撓みが減少してドリル後端方向へ移動した時に金属部材が第２段目の切刃に当たりにくくすることできる。
【００４１】
本実施形態においては、第１段目の切刃１０の先端角θ１を一定とし、第２段目の切刃２０の先端角θ２を一定とする。したがって、第１段目の切刃１０及び第２段目の切刃２０の刃先稜線は直線形状となる。
第３段目の切刃３０は、被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃であり、この第３段目の切刃３０をもって精度良く被加工孔を仕上げたい。そのため、先端側の段の切刃、すなわち、第２段目の切刃２０に対して、近い先端角から切削を開始しながらも、最終的に先端角ゼロで終了して被加工孔の面粗度を向上したい。
そのため、本実施形態の最終穿孔切刃である第３段目の切刃３０は、そのドリル先端側端（＝φＤ２位置）において、先端側の段の切刃（＝第２段目の切刃２０）の先端角θ２より小さい先端角を有し、ドリル後端側に移るに従って先端角が漸減することにより刃先稜線が滑らかな曲線形状に形成された切刃形状とされ、ドリル後端側端（＝φＤ３位置）における先端角がゼロである。
したがって、第３段目の切刃３０の刃先稜線は、外に膨らんだ滑らかな曲線形状であり、その接線が、ドリル先端側端（＝φＤ２位置）からドリル後端側に移るに従ってドリル軸方向へ次第に近づくように傾き、ドリル後端側端（＝φＤ３位置）でドリル中心軸と平行となる。
最終穿孔切刃である第３段目の切刃３０は、そのドリル先端側端の最小直径φＤ２とそのドリル後端側端の最大直径φＤ３との差が１ｍｍ以上である。すなわち、（φＤ３−φＤ２）＞１ｍｍである。第３段目の切刃３０により仕上げ加工量を十分に確保するためである。
なお、本実施形態のドリルａにあっては、φＤ３がドリル最大径である。これに拘わらず、最終穿孔切刃より後方に被加工孔の開口縁部を面取りする、サラザグリする切刃などの被加工孔を貫通しない切刃をドリルに設けて、φＤ３よりドリル最大径を大きくすることは任意である。
【００４２】
さて、以上の構成を有する本発明実施形態のドリルａによって、図１０及び図１１に記載したものと共通の被削材Ｗを穿孔する場合につき説明する。図１０及び図１１に示した一定の先端角の２枚の切刃を先端部に有した従来の典型的なドリルｂの場合と同様に、繊維強化樹脂複合材Ｗ２から穿孔する場合である。被削材Ｗは金属部材Ｗ１と繊維強化樹脂複合材Ｗ２とを重ねたもので共通である。固定具ＣＬ間の距離Ｓなどその他の条件も共通であり、両者とも同じ径の孔φＤ３を加工する場合で比較する。
【００４３】
図５から図８に本ドリルａによる穿孔加工過程を示した。これに対する比較例はドリルｂであり、その穿孔加工過程は図１０及び図１１に示した通りである。
また、穿孔加工過程における金属部材Ｗ１の切削に関するスラスト抵抗の変化を、本ドリルａによる場合と、比較例のドリルｂによる場合とを併せて図９のグラフに示した。
図９のグラフにおいて縦軸は金属部材Ｗ１の切削に関するスラスト抵抗である。
図９のグラフにおいて横軸は被削材Ｗに対するドリルの位置である。図９のグラフの横軸において本発明例ドリルａの番号「１」は、図５に示す図(a1)に示すドリル位置に対応し、本発明例ドリルａの番号「２」は、図５に示す図(a2)に示すドリル位置に対応し、以下順に対応して、最後の本発明例ドリルａの番号「１１」は、図８に示す図(a11)に示すドリル位置に対応する。
図９のグラフの横軸において比較例のドリルｂの番号「１」は、図１０に示す図(b1)に示すドリル位置に対応し、ドリルｂの番号「２」は、図１０に示す(b2)図に示すドリル位置に対応し、以下順に対応して、最後のドリルｂの番号「５」は、図１１に示す(b5)図に示すドリル位置に対応する。
以下それぞれ、ドリル位置「a4」、ドリル位置「b2」のように指定する。
図９において本ドリルａのグラフは実線で示され、比較例のドリルｂのグラフは破線で示される。
【００４４】
比較例のドリルｂの場合、先端角一定の２枚刃によって穿孔する。ドリル位置「b1」→「b5」の送り行程で金属部材Ｗ１にφＤ３の穿孔を完了する。スラスト抵抗は比較的大きなものとなり、ドリル位置「b2」→「b3」の送り行程で切刃のほぼ全体が金属部材Ｗ１に接触しているため、最大のスラスト抵抗となる。
【００４５】
これに対し、本ドリルａにあっては、「b1」→「b5」の送り行程と同距離の送り行程に相当するドリル位置「a1」→「a5」の送り行程で、第１段目の切刃１０により金属部材Ｗ１にφＤ１の穿孔を行う。したがって、第１段目の切刃１０による切削のスラスト抵抗は、ドリルｂによるそれに比較して小さなものとなり、それ故に、図５(a2)(a3)に示すように金属部材Ｗ１の撓み量は、ドリルｂのそれ（図１０(b2)(b3)参照）に比較して小さなものとなる。
ドリル位置「a4」若しくは「a5」において、金属部材Ｗ１が撓み量を減少させて元の位置に戻っても、最大撓み量が小さいことに加え、第２段目の切刃２０がドリル先端から距離ｈ１だけ離れていることもあり、金属部材Ｗ１が第２段目の切刃２０に当たることなく、切刃への負荷が急激に高まってドリルａの駆動が停止したり、第２段目の切刃を損傷したりすることは防がれる。
【００４６】
その後、ドリル位置「a6」から第２段目の切刃２０による金属部材Ｗ１の切削が始まる。ドリル位置「a6」→「a9」の送り行程で第２段目の切刃２０が金属部材Ｗ１の孔をφＤ１からφＤ２まで拡径する。続いて、ドリル位置「a9」→「a11」の送り行程で第３段目の切刃３０が金属部材Ｗ１の孔をφＤ３まで拡径し、寸法精度、面精度よく穿孔を完了する。
【００４７】
第２段目の切刃２０による切削量（φＤ２−φＤ１）や、第３段目の切刃３０による切削量（φＤ３−φＤ２）が第１段目の切刃１０による切削削量φＤ１のより小さいため、第２段目、第３段目の切刃２０，３０による切削のスラスト抵抗は、第１段目の切刃１０によるそれに比較して小さなものとなる。
【００４８】
以上の本ドリルａによる切削過程において、本ドリルａの切刃はドリル軸方向に３つに分割されているため、金属部材の切削屑も細かく分断され、切削屑の排出性が良好である。
【００４９】
また、仮に第２段目の切刃２０が無いドリルを想定すると、第２段目の切刃２０による切削量（φＤ２−φＤ１）の分を、第１段目の切刃１０の切削量又は／及び第３段目の切刃３０の切削量に振り分けなければならない。そうすると、例えば第１段目の切刃１０の直径をφＤ２にすれば、第１段目の切刃１０による切削のスラスト抵抗が大きくなり、金属部材Ｗ１の撓み量も大きくなってしまう。また、第３段目の切刃３０の最小直径をφＤ１にすることが考えられる。第３段目の切刃３０は仕上げ加工を十分にするために、直径で１ｍｍ以上拡径加工させることが好ましい。しかし、それを超えてあまり大きくすると切削抵抗が大きくなりすぎて、仕上げ精度が悪化するおそれがある。
また、第３段目の切刃３０によって、被削材Ｗを切削する時に、先行して４枚刃の第２段目の切刃２０が求心力をもって第３段目の切刃３０を軸精度よく保持して案内することで、寸法精度の良い孔を加工し終了することができる。第２段目の切刃２０が無いとすれば、第３段目の切刃３０に先行するのは、第１段目の切刃１０となり、第１段目の切刃１０は２枚刃であるから、４枚刃に比較すると軸保持性が良好でない。
【００５０】
以上の実施形態にあっては、ドリルの溝をストレート溝としたが、ねじり溝としてもよいことは勿論である。
また以上の実施形態にあっては、第１段目の切刃と最終段との間に中間の段として１段の切刃を設けたが、加工する孔径によっては、中間の段を設けない、中間の段を２段以上にするなどの変更を適宜に行って実施してもよい。
さらに以上の実施形態にあっては、第３段目の切刃は、ドリル後端側に移るに従って先端角が漸減することにより刃先稜線が滑らかな曲線形状に形成された切刃形状とされ、ドリル後端側端における先端角がゼロとされた。要求される被加工孔の面粗度によっては、図１２に示すように、第２段目の切刃と同様に先端角を一定として第３段目の切刃の刃先稜線を直線形状としてもよい。
なお、本発明のドリルは、繊維強化樹脂複合材のみからなる被削材を穿孔する場合、金属部材のみからなる被削材を穿孔する場合にも有効に使用できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００５１】
１ のみ刃部
２ シャンク部
３ａ，３ｂ ストレートＶ溝
１０ 第１段目の切刃
２０ 第２段目の切刃
３０ 第３段目の切刃
ａ ドリル（本発明）
ｂ ドリル（比較例）
ＣＬ 固定具
Ｗ 被削材
Ｗ１ 金属部材
Ｗ２ 繊維強化樹脂複合材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、切刃枚数が少ないか、先端角が大きいか、又は逃げ角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同切刃枚数、同先端角、同逃げ角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリル。
【請求項２】
切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、切刃枚数が少なく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同切刃枚数とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリル。
【請求項３】
切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、先端角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同先端角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリル。
【請求項４】
切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、逃げ角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同逃げ角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリル。
【請求項５】
切刃を軸方向に分割して３段以上有し、
第２段目以降の切刃は、先端側の段の切刃に対し、切刃枚数が等しいか増加するか、先端角が等しいか減少するか、又は逃げ角が等しいか減少していることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項６】
ドリル先端と第２段目の切刃とのドリル軸方向の離間距離は、第１段目の切刃の直径以上である請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項７】
第１段目の切刃は２枚刃である請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項８】
第２段目の切刃は４枚刃である請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項９】
第３段目の切刃を有し、第３段目の切刃は４枚刃である請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項１０】
被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃は、そのドリル先端側端において、先端側の段の切刃の先端角より小さい先端角を有し、ドリル後端側に移るに従って先端角が漸減することにより刃先稜線が滑らかな曲線形状に形成された請求項１から請求項９のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項１１】
被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃のドリル後端側端における先端角がゼロである請求項１から請求項１０のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項１２】
被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃の先端角がゼロの位置でドリル最大径となる請求項１１に記載のドリル。
【請求項１３】
前記最終穿孔切刃は、そのドリル先端側端の最小直径とそのドリル後端側端の最大直径との差が１ｍｍ以上である請求項１１又は請求項１２に記載のドリル。
【請求項１４】
前記最終穿孔切刃は第３段目である請求項１０から請求項１３のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項１】
切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、切刃枚数が少ないか、先端角が大きいか、又は逃げ角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同切刃枚数、同先端角、同逃げ角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリル。
【請求項２】
切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、切刃枚数が少なく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同切刃枚数とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリル。
【請求項３】
切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、先端角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同先端角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリル。
【請求項４】
切刃を軸方向に分割して２段以上有する段付き状のドリルであって、
先端から第１段目の切刃は、第２段目以降の切刃に対し、逃げ角が大きく形成されていることにより、第２段目以降の切刃と同逃げ角とした場合に比較して切削のスラスト抵抗が小さい特性に構成されたドリル。
【請求項５】
切刃を軸方向に分割して３段以上有し、
第２段目以降の切刃は、先端側の段の切刃に対し、切刃枚数が等しいか増加するか、先端角が等しいか減少するか、又は逃げ角が等しいか減少していることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項６】
ドリル先端と第２段目の切刃とのドリル軸方向の離間距離は、第１段目の切刃の直径以上である請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項７】
第１段目の切刃は２枚刃である請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項８】
第２段目の切刃は４枚刃である請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項９】
第３段目の切刃を有し、第３段目の切刃は４枚刃である請求項１から請求項８のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項１０】
被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃は、そのドリル先端側端において、先端側の段の切刃の先端角より小さい先端角を有し、ドリル後端側に移るに従って先端角が漸減することにより刃先稜線が滑らかな曲線形状に形成された請求項１から請求項９のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項１１】
被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃のドリル後端側端における先端角がゼロである請求項１から請求項１０のうちいずれか一に記載のドリル。
【請求項１２】
被加工孔を最終的に拡径する最終穿孔切刃の先端角がゼロの位置でドリル最大径となる請求項１１に記載のドリル。
【請求項１３】
前記最終穿孔切刃は、そのドリル先端側端の最小直径とそのドリル後端側端の最大直径との差が１ｍｍ以上である請求項１１又は請求項１２に記載のドリル。
【請求項１４】
前記最終穿孔切刃は第３段目である請求項１０から請求項１３のうちいずれか一に記載のドリル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−８４３（Ｐ２０１３−８４３Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３５１５３（Ｐ２０１１−１３５１５３）
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【出願人】（５９４１４３２７１）マコトロイ工業株式会社 (5)
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【出願人】（５９４１４３２７１）マコトロイ工業株式会社 (5)
【出願人】（０００００５３４８）富士重工業株式会社 (3,010)
【Ｆターム（参考）】
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