複合材料用ドリル並びにそれを用いた機械加工方法及び機械加工装置
【課題】繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材の穿孔加工において、バリ及び層間剥離のほとんど発生しない高品質の穿孔加工を可能にする複合材料用ドリルを提供することを目的とする。
【解決手段】複合材料用ドリル１は、先端切れ刃５が形成された先端部と、先端部の後端側に連接して形成されるとともに先端側外径及び当該先端側外径よりも大径の後端側外径の径差でテーパ形状に形成されたテーパ部４と、テーパ部４の後端側に連接して形成されるとともにテーパ部４の後端側外径よりも大径の仕上げ加工径が形成可能となるように全体が同径に形成されたストレート部３とを有し、テーパ部４の外周には、螺旋状にねじれた外周切れ刃７が形成されて連続的に穿孔径が大きくなるように設定されている。
【解決手段】複合材料用ドリル１は、先端切れ刃５が形成された先端部と、先端部の後端側に連接して形成されるとともに先端側外径及び当該先端側外径よりも大径の後端側外径の径差でテーパ形状に形成されたテーパ部４と、テーパ部４の後端側に連接して形成されるとともにテーパ部４の後端側外径よりも大径の仕上げ加工径が形成可能となるように全体が同径に形成されたストレート部３とを有し、テーパ部４の外周には、螺旋状にねじれた外周切れ刃７が形成されて連続的に穿孔径が大きくなるように設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics；炭素繊維強化プラスチック）に代表される繊維強化複合材料等の複合材料の穿孔加工に好適なドリル、より詳しくは、１回の穿孔作業で加工部分にバリを生じることなく、穿孔加工面に層間剥離を発生させない高品位の穿孔加工を行うことができる複合材料用ドリルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＦＲＰに代表される繊維強化複合材料等の穿孔加工では、ダイヤモンドコートしたストレートの超硬ドリルを用いて行う方法が公知である。
【０００３】
しかし、この方法で一気に穿孔加工を行う場合、穿孔時の切削抵抗が大きく穿孔加工部分にバリが発生しやすい。バリの発生を抑える方法としては、例えば、特許文献１では、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits；フレキシブルプリント基板）加工用のドリルについて、逃げ面を二番逃げ面及び三番逃げ面で形成し、三番逃げ面の逃げ角を３３〜５０°に設定することでチゼル刃よりも外周側の切れ刃の長さを短縮した点が記載されている。そして、その切れ刃によって生成される切屑の幅が小さくなることで切屑の排出性が向上し、排出性の悪化により発生するバリを抑制している。
【０００４】
また、特許文献２及び３には、先端側に小径部を設けて貫通穴のバリを抑制するドリルが記載されている。特許文献４には、ＣＦＲＰ及びアルミ合金板の同時穿孔に適したドリルとして、先端角１１８°の一次切刃と先端角約３０°の二次切刃を連ならせたダブルアングルドリルが記載されている。特許文献５には、ＣＦＲＰの穿孔に適したドリルとして、下穴を加工する下穴加工部と仕上げ部を持つ形状で、仕上げ部と下穴加工部との径差を０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下とした２段構造ドリルが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−８８０８８号公報
【特許文献２】特開２００１−５４８１０号公報
【特許文献３】実開平１−９９５１７号公報
【特許文献４】実用新案登録第２６０２０３２号公報
【特許文献５】特開２００８−８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
繊維強化複合材料、中でもＣＦＲＰは、軽量でありながら高い強度と剛性を備えており、航空機の構造材等に多用されている。航空機の構造材に用いられるＣＦＲＰは、品質に関する要求が厳しく、例えば、他部材との合わせ面等において突出するバリが生じておらず、ＣＦＲＰの穿孔面で層間剥離が生じていないことが求められる。
【０００７】
ところが、ＣＦＲＰは、切断しにくい炭素繊維を含み、炭素繊維とそれを結合させるバインダーである樹脂材料とが層状に形成された構造であるため、穿孔加工では、樹脂材料又は金属材料の単独材料からなる被加工材よりも加工部分にバリが発生しやすく、加工時のスラスト抵抗により層間剥離が発生しやすい。こうした繊維強化複合材料の穿孔加工に関する課題に対して、上記の特許文献１及び２に記載された技術では実用面で十分な効果が得られない。ここで「スラスト抵抗」とは、ドリル加工における穿孔送り方向と反対方向にかかる抵抗力のことである。
【０００８】
特許文献３では、特許文献２と同様にドリルの先端側に小径部を形成するだけの対応であるため、被加工材がＣＦＲＰの場合、特許文献３に記載された技術でもバリの抑制に関して満足な効果が得られない。
【０００９】
このため、ＣＦＲＰの穿孔加工において高品位の加工処理が求められるときには、特許文献４に記載されているような専用のドリルが採用されているが、特許文献４に記載されたダブルアングルドリルは耐久性に問題があり、３０〜４０穴の加工回数で加工部分にバリが発生して新しいドリルとの交換が必要となる。
【００１０】
特許文献４に記載されたドリルは、下穴加工部と仕上げ加工部を有する２段構造のドリルであり、下穴加工部で発生したバリを仕上げ加工部で取り除く加工形態をとっている。しかし、仕上げ加工部と下穴加工部との間の径差を大きくした形状で、切削機構は通常のドリル加工と同じで、むしれやバリの抑制を根本的に解決するものではない。
【００１１】
このため、特許文献４では、ねじれ角を小さくし切屑排出性を良くすることで、切屑づまりによるバリの発生を抑える対策を行っている。しかし、加工部を直線状の切り刃構造とするだけでは、加工時のスラスト抵抗の低減を図ることができず、工具刃先の耐摩耗性向上にはつながらないため、特許文献４に記載された技術でも満足な効果が得られない。
【００１２】
特許文献５では、下穴加工部が複数の段状構造であるため、拡径時のドリルが受けるスラスト抵抗が大きく、工具刃先の耐摩耗性向上に問題がある。
【００１３】
本発明は、こうした従来技術の課題を鑑みてなされたものであって、テーパ形状を有するテーパ部及びストレート部を備えたドリルによる複合加工を行うことで、被加工材にバリや層間剥離をほとんど発生させず高品位の穿孔加工を１工程で行うことができるようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る複合材料用ドリルは、繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材に穿孔する複合材料用ドリルであって、先端切れ刃が形成された先端部と、前記先端部の後端側に連接して形成されるとともに先端側直径及び当該先端側直径よりも大径の後端側直径の径差でテーパ形状に形成されたテーパ部とを有し、前記テーパ部の外周には、螺旋状にねじれた外周切れ刃が形成されて連続的に穿孔径が大きくなるように設定され、また前記テーパ部の後端側に連接して形成されるとともに前記テーパ部の前記後端側直径よりも大径の仕上げ加工径が形成可能となるように全体が同径に形成されたストレート部を有していることを特徴とする。さらに、前記テーパ部には、前記外周切れ刃に沿って螺旋状にねじれた切屑排出溝が形成されていることを特徴とする。さらに、前記テーパ部は、その先端側外径及び後端側外径に接する外径線とドリル軸中心線との間のテーパ角を４５°以下に設定していることを特徴とする。さらに、前記先端部の前記先端切れ刃は、６０°〜１４０°の先端角を有しており、前記テーパ部の前記外周切れ刃は、前記先端切れ刃と連続して形成されているとともに前記テーパ部のランド外周に接する円錐面に対してすくい角又はすくい角及び逃げ角が形成されていることを特徴とする。さらに、前記先端部、前記テーパ部及び前記ストレート部は、同軸状に一体化されていることを特徴とする。さらに、前記ストレート部は、丸ランドドリル状又はリーマ状に形成されていることを特徴とする。さらに、前記先端部、前記テーパ部及び前記ストレート部の軸心を回転軸心に合致させていることを特徴とする。さらに、前記テーパ部及び前記ストレート部の間の連接部は、前記ストレート部の先端側外径が前記テーパ部の後端側外径に向けてテーパ状に縮径して連接していることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る機械加工方法は、上記のドリルを用いて繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材に穿孔する機械加工法であって、前記先端部の前記先端切れ刃及び前記テーパ部の前記外周切れ刃により前記被加工材に下穴加工を行い、形成された下穴に前記ストレート部により仕上げ加工を行って穿孔することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る機械加工装置は、上記のドリルを保持するとともに前記ドリルの中心軸を中心に回転駆動する駆動手段と、繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材を支持する支持手段と、前記ドリルを前記被加工材に対して穿孔加工を行うように前記駆動手段及び／又は前記支持手段を相対的に移動させる移動手段とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る複合材料用ドリルは、下穴をテーパ部で切削抵抗を低く抑えながら拡径して穿孔加工でき、加工部分にバリが生じにくく、さらに被加工材に対して穿孔加工方向にかかるスラスト抵抗も低減し、複合材料内の境界面に対する剥離力も減少するため層間剥離が生じにくい。また、仕上げ加工を行うストレート部をテーパ部と同軸に設定して連接一体化した構成で行うため、高精度の穿孔加工を行うことができる。
【００１８】
また、先端切れ刃を有しテーパ部のランド外周に接する円錐面に対してすくい角又はすくい角及び逃げ角が形成された外周切れ刃と、それに連接したストレート部を備えているので、切削抵抗を低減させ、バリや層間剥離をほとんど発生させず高精度の穿孔加工が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る第一実施形態に関する側面図である。
【図２】図１に示すドリルの先端部に関する正面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線矢視の断面図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ線矢視の断面図である。
【図５】本発明に係る第二実施形態に関する側面図である。
【図６】図５に示すドリルの先端部に関する正面図である。
【図７】図５のＣ−Ｃ線矢視の断面図である。
【図８】図５に示すドリルの外周切れ刃に関する拡大断面図である。
【図９】外周切れ刃を形成するテーパ部のテーパ角及び加工時に加わるスラスト抵抗についてモデルを用いた説明図である。
【図１０】従来のストレートツイストドリルと本発明のドリルの切削作用との違いに関する説明図である。
【図１１】本発明に係るドリルを用いた場合の機械加工方法に関する説明図である。
【図１２】本発明に係るドリルを用いた機械加工装置に関する外観斜視図である。
【図１３】切削試験における測定結果を示す表である。
【図１４】貫通穴付近のバリの発生の有無に関する観察結果を示す表である。
【図１５】貫通穴付近のバリの発生の有無を撮影した写真を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態について、本発明を二つのねじれ溝を有する２枚刃ドリルに適用した場合について、第一実施形態としてストレート部をリーマ状に形成したもの、第二実施形態としてストレート部を丸ランドドリル状に形成したものの二形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
本発明に係る第一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は、第一実施形態に関するドリル１の側面図である。図２は、図１のテーパ部を先端側から後端側に向かって見た正面図である。図３は、図１のＡ−Ａ線矢視の断面図である。図４は、図１のＢ−Ｂ線矢視の断面図である。
【００２２】
本実施形態に係るドリル１は、２枚刃ドリルであって、シャンク２の先端にリーマを形成するストレート部３を連接し、ストレート部３の先端にテーパ部４を一体に連接してなる。テーパ部４の先端には、先端部である先端切れ刃５が形成されている。
【００２３】
先端切れ刃５は、被加工材に対して最初に食付きを行い、切削加工を行う切れ刃で、テーパ部４に形成された外周切れ刃７による拡径加工を誘導するものである。また、その先端角を６０°〜１４０°の範囲で形成することでドリルの食付き性および求心性が向上し、ドリルの回転ぶれが低減する。
【００２４】
図１に示すように、ローソク研ぎ形状の刃立て面中央部の突起部と切り刃面との軸方向段差長さＬ１は、０．５ｍｍ以上に設定される。刃立て面中央部を切り刃面よりも突出させることで、下穴加工時の求心性が良くなる。先端切れ刃５の先端角α１は、９０°の角度に設定することで、ドリル先端の剛性と求心性を向上させ、先端切れ刃５の切れ味が良くなる。
【００２５】
テーパ部４は、先端側外径Ｄ１と後端側外径Ｄ２の径差で形成されるテーパ状の形態をなし、その後端側にはストレート部３が一体に連接されている。ストレート部３は、テーパ部４よりも大径に形成されている。ここで、「テーパ」とは、先端側外径及び後端側外径に接する直線とドリル中心軸との間に所定の角度が設定されている形状を意味する。
【００２６】
テーパ部４は、図２に示すように、ローソク研ぎ形状とし、先端切れ刃５と連続して形成される２枚の外周切れ刃７を有する。先端側外径Ｄ１から後端側外径Ｄ２まで形成されるテーパ状外周には、螺旋状にねじれた外周切れ刃７が形成されて連続的に穿孔径が大きくなるように設定され、外周切れ刃７に沿って螺旋状にねじれた切屑排出溝６が形成されている。
【００２７】
テーパ部４の外周に設けられる切屑排出溝６は、ねじれ角α３をもつ溝として形成される。切屑排出溝６のねじれ角α３は、先端角の大きさや被加工材の材質にもよるが、切れ刃が鋭くなりすぎて欠け易くなることを防止するために、６０°以下に設定することが好ましく、６０°以下に設定することで複合材料の繊維材料を含んだ切屑を速やかに排出できる。
【００２８】
図３に示すように、外周切れ刃７は、マージン８及び切屑排出溝６の交差稜で形成されており、テーパ部４のランド外周に接する円錐面に対して正のすくい角α４を１０〜３０°に設定した切れ刃として形成される。このように形成することで、刃先の角度が鋭くなり切れ味を著しく向上させることができる。
【００２９】
図１に示すように、テーパ部４の先端側外径Ｄ１及び後端側外径Ｄ２の径差から生じるテーパー角α２は、４５°以下に設定される。テーパ角α２が４５°より大きくなるとスラスト抵抗が回転力を上回るため、大きいバリが発生してストレート部で確実に除去することができなくなる。テーパ部４の先端側外径Ｄ１から後端側外径Ｄ２までの長さＬ２は、テーパ角α２で決定される。
【００３０】
図３に示すように、テーパ部４の外周にはマージン８が形成されており、１０〜３０°の正のすくい角α４を有する切れ刃として設定される。
【００３１】
図１及び図４に示すように、ストレート部３の先端にはテーパ部４が連接され、ストレート部３の後端にはシャンクが連接される。特に、テーパ部４とストレート部３との連接部においては、極端な段差形状を無くすために、ストレート部３の先端側がテーパ状に加工されている。
【００３２】
ストレート部３は、下穴加工を行うテーパ部４によって切り残された部分を整形加工するためにリーマ状に形成されており、テーパ部４の後端側外径Ｄ２よりも０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ大径の仕上げ加工径Ｄ３に形成されている。先端切れ刃５、テーパ部４及びストレート部３の軸心を回転軸心に合致させ、テーパ部４及びストレート部３の間の連接部は、ストレート部３の先端側外径がテーパ部４の後端側外径に向けてテーパ状に縮径して同軸度０．０１の公差で連接されて加工を行うことで、バリを発生させず加工品質の良い穿孔加工が可能となる。また、先端切れ刃５、テーパ部４、ストレート部３及びシャンク２についても、同軸度０．０１の公差で連接されている。
【００３３】
ドリルの素材としては、超硬合金、ハイス、工具鋼などが挙げられるが、下穴加工を行うテーパ部４及び先端切れ刃５には超硬合金を使うのが望ましい。また、テーパ部４及びストレート部３は、それぞれ異なる素材で構成してもよい。
【００３４】
繊維強化複合材料の穿孔加工では、ドリル刃先のチッピングや磨耗が激しいため、ドリル表面をダイヤモンド薄膜やＤＬＣ膜でコーティングすることが望ましい。
【００３５】
ドリル１は、公知の機械加工装置に装着され、被加工材として複合材料の穿孔加工に用いられる。複合材料としては、繊維強化複合材料の穿孔加工に好適であり、特に繊維が層状に積層した複合材料に好適である。繊維強化複合材料としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ）、ボロン繊維強化プラスチック（ＢＦＲＰ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ, ＫＦＲＰ）、ポリエチレン繊維強化プラスチック（ＤＦＲＰ）が挙げられる。なお、被加工材は、一部に繊維強化複合材料を含むものでもよく、特に限定されない。
【００３６】
次に、本発明に係る第二実施形態を図５〜図８に基づいて説明する。図５は、本発明に係る第二実施形態に関する側面図である。図６は、図５に示すドリルの先端部に関する正面図である。図７は、図５のＣ−Ｃ線矢視の断面図である。図８は、図５に示すドリルの外周切れ刃に関する拡大断面図である。
【００３７】
本実施形態に係るドリル１０は、図５に示すように、先端部である先端切れ刃１４、外周切れ刃１６を有するテーパ部１３、丸ランドドリル状に形成されたストレート部１２及びシャンク１１から構成され、それぞれが同軸上に連接一体化されて構成する。
【００３８】
ドリル１０は、２枚刃ドリルであって、シャンク１１の先端にストレート部１２を連接し、ストレート部１２の先端にテーパ部１３を一体に連接してなる。テーパ部１３、ストレート部１２及びシャンク１１は、同軸度０．０１の公差で連接される。
【００３９】
テーパ部１３は、先端側外径Ｄ４及び後端側外径Ｄ５の径差で形成されるテーパ状の形態をなし、その後端側にはストレート部１２が一体に連接されている。ストレート部１２は、テーパ部１３よりも大径に形成されている。テーパ部１３の先端側には、先端角β１を有する先端切れ刃１４が連接されている。
【００４０】
テーパ部１３の先端側外径Ｄ４から後端側外径Ｄ５までに形成されるテーパ状外周には、螺旋状にねじれた外周切れ刃１６が形成されて連続的に穿孔径が大きくなるように設定され、外周切れ刃１６に沿って螺旋状にねじれた２条の切屑排出溝１５が形成されている。ストレート部１２は、下穴加工部であるテーパ部１３によって切り残された部分を整形加工するために丸ランドドリル状に形成されている。
【００４１】
図５に示すように、先端部である先端切れ刃１４は、刃先の稜線１７及び１８で先端角β１が形成されており、先端角β１は、６０°〜１４０°の範囲に設定されている。
【００４２】
図５に示すように、テーパ部１３及びストレート部１２の外周には、切屑排出溝１５がねじれ角β３で螺旋状に連続して形成されている。切屑排出溝１５のねじれ角β３は、先端角の大きさや被加工材の材質にもよるが、切れ刃が鋭くなりすぎて欠け易くなることを防止するために、６０°以下に設定することが好ましく、６０°以下に設定することで複合材料の繊維材料を含んだ切屑を速やかに排出できる。
【００４３】
下穴加工部であるテーパ部１３の外周切れ刃１６は、図３に示すようなマージン８が設定されておらず、図６に示すように、テーパ部１３のランド外周に接する円錐面に対して、すくい角β５及び逃げ角β４をそれぞれ５°〜２０°の範囲で設定しており、テーパ部１３の外周縁に外周切れ刃１６が形成されている。
【００４４】
図５に示すように、テーパ部１３の先端側外径Ｄ４及び後端側外径Ｄ５の径差から生じるテーパー角β２は、４５°以下に設定される。テーパ角β２が４５°より大きくなるとスラスト抵抗が回転力を上回るため、大きいバリが発生してストレート部で確実に除去することができなくなる。テーパ部１３の先端側外径Ｄ４から後端側外径Ｄ５までの長さＬ５は、テーパ角β２で決定される。
【００４５】
図７は、図５に示すＣ−Ｃ断面をストレート部１２の後端側からテーパ部１３方向に見たストレート部１２の断面図である。ストレート部１２は、丸ランド形状に形成され、テーパ部１３の後端側外径Ｄ５よりも０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ大径の仕上げ加工径Ｄ６に形成されている。先端切れ刃１４、テーパ部１３及びストレート部１２の軸心を回転軸心に合致させ、テーパ部１３及びストレート部１２の間の連接部は、ストレート部１２の先端側外径がテーパ部１３の後端側外径に向けて縮径したテーパ形状で連接している。また、先端切れ刃１４、テーパ部１３、ストレート部１２及びシャンク１１は、同軸度０．０１の公差で一体化される。
【００４６】
ドリル１０本体の表面は、図８に示すように、ダイヤモンドからなる被膜１９に覆われている。被膜１９は、例えば、周知のＣＶＤ法又はＰＶＤ法で形成することができ、ＤＬＣ膜であってもよい。繊維強化樹脂材料等の複合材料の加工に特化したドリルでは、刃先を鋭くし切れ味を向上させることが必要で、ドリル母材に超微粒子超硬合金材料を使用することで、刃先先端半径を小さく整形することができる。また、刃先を鋭くした場合刃先先端の欠けや磨耗が発生しやすいため、ナノダイヤモンドコーティングで被膜１９を形成することで、刃先先端半径の径を大きくすることなく、外周切れ刃の良好な切れ味を長時間維持することができる。また、刃先の磨耗等により切れ味が悪くなった場合でも、下穴加工時に発生したバリをストレート部１２によって効果的に除去することができるので、高精度の穿孔加工を安定して行うことができる。
【００４７】
図９は、外周切れ刃を形成するテーパ部のテーパ角及び加工時に加わるスラスト抵抗にについてモデルを用いた説明図である。テーパ部は、テーパ角α２（第二実施形態ではβ２）とし、穿孔加工時に加わる切削抵抗Ｆは、テーパ面中心から中心線に向かって引いた垂線との交点までをベクトルで表示する。そして、切削抵抗Ｆの垂直成分をスラスト抵抗Ｈ、Ｆの水平成分を背分力Ｕとする。
【００４８】
図９（ａ）は、テーパ角α２が４５°未満のモデルであり、図９（ｂ）は、テーパ角α２が４５°のモデルであり、図９（ｃ）は、テーパ角α２が４５°より大きいモデルであり、それぞれ切削抵抗Ｆ、スラスト抵抗Ｈ及び背分力Ｕについてベクトル表示している。図９（ａ）、図９（ｂ）及び図９（ｃ）をみると、テーパ角α２が大きくなるに従いスラスト抵抗Ｈが増加するようになっており、テーパ角α２を４５°以下とすることでスラスト抵抗Ｈが小さくなってバリ及び層間剥離の発生の低減に寄与することができる。
【００４９】
図１０は、従来のストレートツイストドリルと本発明のドリルの切削作用との違いに関する説明図である。図１０（ａ）は、ストレートツイストドリルの切削作用に関する説明図であり、先端に設けられた直線状の刃が軸方向に回転して切削するようになっており、鉋で切削する場合と同様の切削作用である。図１０（ｂ）は、本発明のドリルによる切削作用に関する説明図であり、部分Ｂ２は、ストレートツイストドリルの切削作用と同様に切削するが、テーパ部に設けた外周切れ刃を誘導するための求心性向上の役割も担っている。部分Ｂ１は、テーパ部の外周切れ刃による切削作用を示し、テーパ部に設けた外周切れ刃は円弧状で螺旋状に形成され全体としてテーパ状に形成されているため、外周切れ刃及び被加工材は、点接触による切削が連続的に行われ、粉体状の切屑を生成し、外周切れ刃の磨耗低減に寄与する。また、外周切れ刃は、ねじれ角による傾斜とドリル回転に伴う外周面方向に沿う切れ刃の回転により、ナイフで切削する場合と同様の切削作用となり、鋭い切れ味が得られる。また、外周切れ刃は、螺旋状で全体としてテーパ状に形成されているため、拡径を行う切れ刃の総延長を長く取ることができるため、工具寿命の向上にも寄与する。
【００５０】
図１１は、本発明に係るドリルを用いた場合の機械加工方法に関する説明図である。図１１（ａ）では、穿孔開始直前の状態を示しており、ドリル１０の先端部が板状の被加工材Ｍに対して垂直に当接するように設定されている。次に、図１１（ｂ）では、ドリル１０が回転しながら先端部の先端切れ刃が被加工材Ｍ（例；繊維強化複合材料）に対して最初に食付きを行い、テーパ部の外周切れ刃による拡径加工を誘導する。次に、図１１（ｃ）は、ドリル１０が回転しながらテーパ部が被加工材Ｍに進入して外周切れ刃による拡径加工が行われる。この段階では、加工部分に層間剥離及びバリを発生させないで下穴加工が行われる。次に、図１１（ｄ）では、ドリル１０が回転しながらストレート部が被加工材に進入して仕上げ加工が行われる。そして、ストレート部が仕上げ加工を行いながら被加工材Ｍから抜け出た後、ドリル１０を引き上げて穿孔加工が終了する。
【００５１】
図１２は、本発明に係るドリルを用いた機械加工装置に関する外観斜視図である。機械加工装置１００は、ボールねじ機構又はリニアモータ機構等によるＸＹＺの３軸方向の可動機構並びにＸ軸及びＹ軸周りの回転機構を付加した５軸機構を備える移動手段を備えている。Ｚ軸移動機構１０１は、スピンドル軸１０３に取り付けられたドリル１０４を支持して上下方向に移動させる。移動手段としては、ボールねじ機構又はリニアモータ機構が用いられる。また、Ｚ軸移動機構１０１は、スピンドル軸１０３を回転駆動する駆動源を備えている。
【００５２】
ＸＹ軸移動機構１０２は、Ｘ軸又はＹ軸あるいはＸＹ複合軸に設置テーブルを移動させる。移動手段としては、ボールねじ機構又はリニアモータ機構が用いられる。設置テーブルには、バイス又は拘束治具等の支持具１０６が配置されており、支持具１０６に繊維強化複合材料等からなる被加工材１０５が載置固定されている。ＸＹ軸移動機構１０２は、ボールねじ機構又はリニアモータ機構により駆動される。
【００５３】
そして、Ｚ軸移動機構１０１及びＸＹ軸移動機構１０２を制御して被加工材１０５に対してドリル１０４を回転駆動しながら穿孔加工が行われる。
【００５４】
なお、支持具１０６としては、被加工材１０５の厚み方向又は面方向から挟む機能を有するものを用いてもよい。また、スピンドル軸をＸ軸又はＹ軸に配置するようにすることもできる。
【実施例】
【００５５】
［実施例１］
図５に示すように、先端切れ刃を有する先端部並びに外周切れ刃が形成されたテーパ部及びストレート部を備えたドリルについて切削試験を行い、スラスト抵抗（ドリル軸方向にかかる力）測定した。
【００５６】
切削試験では、外周切れ刃にマージンが設定されていない図５に示す４種類のドリル及び比較例として３種類のドリルの計７種類のドリルを使用した。
【００５７】
図５に示すドリルとしては、ドリル母材を超硬合金、ダイヤモンドコーティングとし、ドリルの先端部の先端角β１＝１３５°、ドリル全長１０３ｍｍ、テーパ部のテーパ角β２＝２°、テーパ部の先端側外径Ｄ４＝３．０ｍｍ、テーパ部の後端側外径Ｄ５＝５．０ｍｍ、ストレート部の外径Ｄ６＝５．０ｍｍ、シャンク径６．０ｍｍ、テーパ部の外周切れ刃の逃げ角β４＝１０°、テーパ部の外周切れ刃のすくい角β５＝１０°を共通仕様とし、切屑排出溝のねじれ角β３を、β３＝２０°（ドリルＡ）、β３＝３０°（ドリルＢ）及びβ３＝４０°（ドリルＣ）に設定した３種類ドリルＡ〜Ｃを使用した。また、ドリル母材をハイスとし、ＴｉＣＮコーティングを行い、ねじれ角β３＝２０°（ドリルＤ）に設定し、それ以外はドリルＡ〜Ｃと同様に設定したドリルＤの計４種類を使用した。
【００５８】
比較例のドリルとしては、ドリル外周縁の外周切れ刃にテーパ角が付いていない（β２＝０°）ドリルを比較対象とし、ドリル母材を超硬合金、ダイヤモンドコーティング、ドリルの先端角β１＝１１８°、外周切れ刃のねじれ角β３＝３０°、ドリルの外径Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＝５．０ｍｍ（ドリルＥ）、ドリル母材を超硬合金、ＴｉＣコーティング、ドリルの先端角β１＝１４０°、外周切れ刃のねじれ角β３＝３０°、ドリルの外径Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＝５．０ｍｍ（ドリルＦ）、ドリル母材をハイス、先端形状を特殊刃立て（ローソク形）、外周切れ刃のねじれ角β３＝３０°、ドリルの外径Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＝５．０ｍｍ（ドリルＧ）の計３種類を使用した。
【００５９】
切削試験は、以下の条件で行い、穿孔加工におけるスラスト抵抗（ドリル軸方向にかかる力）測定を目的として、炭素繊維強化プラスチックの切削加工を行った。
＜切削速度＞
ドリル母材が超硬合金の場合１００ｍ／ｍｉｎ
ドリル母材がハイスの場合２４ｍ／ｍｉｎ
＜ドリルの送り速度＞
ドリル母材が超硬合金の場合２００ｍｍ／ｍｉｎ
ドリル母材がハイスの場合１５０ｍｍ／ｍｉｎ
＜被加工材＞
炭素繊維強化プラスチック（東レ製；型式Ｔ７００）からなる板厚５ｍｍの板状体
＜切削油＞
使用しない
＜ドリル加工機＞
株式会社松浦機械製作所製縦型ＭＣ（型式ＭＣ−５１０ＶＦ−Ｇｒ 型番ＢＴ４０）
＜切削抵抗測定機器＞
キスラー社製切削動力計（型式９１２３Ｃ）
【００６０】
図１３は、外周切れ刃にマージンが設定されていない図５に示すドリルＡ〜Ｄ及び比較例のドリルＥ〜Ｇを使用した場合の切削試験における測定結果を示す表である。スラスト抵抗（単位；Ｎ）については、１穴〜５穴加工時の測定値の平均値を算出した。
【００６１】
スラスト抵抗の値をみると、実施例ではすべて５０Ｎ以下であり、比較例よりも低い値となった。また、一般に炭素繊維強化プラスチックの切削には不適とされる、母材がハイスからなるドリルＤで切削した場合でも、比較例の超硬合金からなるドリルＥよりスライス抵抗が低く、良好な切削特性を示している。
【００６２】
以上の結果から、図５に示すように、先端切れ刃を有する先端部並びに外周切れ刃が形成されたテーパ部及びストレート部を備えたドリルは、スラスト抵抗の低減に効果があることがわかった。また、外周切れ刃のねじれ角を大きくすることでスラスト抵抗が低下することがわかった。
【００６３】
［実施例２］
次に、実施例１と同様の７種類のドリルを用いて同様の切削試験を行い、被加工材（炭素繊維強化プラスチック）の貫通穴付近のバリの有無について肉眼で観察した。
【００６４】
図１４は、７種類のドリルによる貫通穴付近のバリの発生の有無について、１０穴、４０穴、８０穴、１２０穴の加工数までそれぞれ加工した場合の観察結果を示す表である。
【００６５】
観察結果をみると、実施例であるドリルＡ及びＢについては、１２０穴の加工時においてもバリの発生は無かった。ドリルＣについては、９２穴目で折損した。ドリルＣの折損は、切屑排出溝の角度であるねじれ角を大きくすることにより、ドリル心厚が細くなるとともに切屑の排出性の悪化が相乗して生じたと考えられる。一方、ドリルＤについては、ハイス製のドリルでありながらドリルＥとほぼ同等の効果を得ることができ、実施例のドリルは、バリ発生の抑制効果が大きいことがわかった。
【００６６】
図１５は、実施例であるドリルＡ及び比較例であるドリルＥ〜Ｇについて切削試験後のバリ発生の有無について、１穴、１０穴、４０穴、１００穴の加工数までそれぞれ加工した場合における貫通穴を撮影した写真を示す表である。
【００６７】
写真で示すように、比較例のドリルを使用した場合、１穴目からバリが発生して良好な加工ができなかった。
【００６８】
以上の結果から、本発明に係るドリルのように、先端切れ刃を有する先端部、外周切れ刃を有するテーパ部及び仕上げ加工を行うストレート部を連接一体化した構造を備えることで、複合材料に対してバリ及び層間剥離の発生しない安定した切削加工を行うことが可能となり、簡易構造かつ低コストで高品位・高精度の穿孔加工を１本のドリルで実現することができた。
【符号の説明】
【００６９】
１・・ドリル、２・・シャンク、３・・ストレート部、４・・テーパ部、５・・先端切れ刃、６・・切屑排出溝、７・・外周切れ刃、８・・マージン、１０・・ドリル、１１・・シャンク、１２・・ストレート部、１３・・テーパ部、１４・・先端切れ刃、１５・・切屑排出溝、１６・・外周切れ刃、１７・・刃先の稜線、１８・・刃先の稜線、１９・・被膜、１００・・機械加工装置、１０１・・Ｚ軸移動機構、１０２・・ＸＹ軸移動機構、１０３・・スピンドル軸、１０４・・ドリル、１０５・・被加工材、１０６・・支持具
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastics；炭素繊維強化プラスチック）に代表される繊維強化複合材料等の複合材料の穿孔加工に好適なドリル、より詳しくは、１回の穿孔作業で加工部分にバリを生じることなく、穿孔加工面に層間剥離を発生させない高品位の穿孔加工を行うことができる複合材料用ドリルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＦＲＰに代表される繊維強化複合材料等の穿孔加工では、ダイヤモンドコートしたストレートの超硬ドリルを用いて行う方法が公知である。
【０００３】
しかし、この方法で一気に穿孔加工を行う場合、穿孔時の切削抵抗が大きく穿孔加工部分にバリが発生しやすい。バリの発生を抑える方法としては、例えば、特許文献１では、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits；フレキシブルプリント基板）加工用のドリルについて、逃げ面を二番逃げ面及び三番逃げ面で形成し、三番逃げ面の逃げ角を３３〜５０°に設定することでチゼル刃よりも外周側の切れ刃の長さを短縮した点が記載されている。そして、その切れ刃によって生成される切屑の幅が小さくなることで切屑の排出性が向上し、排出性の悪化により発生するバリを抑制している。
【０００４】
また、特許文献２及び３には、先端側に小径部を設けて貫通穴のバリを抑制するドリルが記載されている。特許文献４には、ＣＦＲＰ及びアルミ合金板の同時穿孔に適したドリルとして、先端角１１８°の一次切刃と先端角約３０°の二次切刃を連ならせたダブルアングルドリルが記載されている。特許文献５には、ＣＦＲＰの穿孔に適したドリルとして、下穴を加工する下穴加工部と仕上げ部を持つ形状で、仕上げ部と下穴加工部との径差を０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下とした２段構造ドリルが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−８８０８８号公報
【特許文献２】特開２００１−５４８１０号公報
【特許文献３】実開平１−９９５１７号公報
【特許文献４】実用新案登録第２６０２０３２号公報
【特許文献５】特開２００８−８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
繊維強化複合材料、中でもＣＦＲＰは、軽量でありながら高い強度と剛性を備えており、航空機の構造材等に多用されている。航空機の構造材に用いられるＣＦＲＰは、品質に関する要求が厳しく、例えば、他部材との合わせ面等において突出するバリが生じておらず、ＣＦＲＰの穿孔面で層間剥離が生じていないことが求められる。
【０００７】
ところが、ＣＦＲＰは、切断しにくい炭素繊維を含み、炭素繊維とそれを結合させるバインダーである樹脂材料とが層状に形成された構造であるため、穿孔加工では、樹脂材料又は金属材料の単独材料からなる被加工材よりも加工部分にバリが発生しやすく、加工時のスラスト抵抗により層間剥離が発生しやすい。こうした繊維強化複合材料の穿孔加工に関する課題に対して、上記の特許文献１及び２に記載された技術では実用面で十分な効果が得られない。ここで「スラスト抵抗」とは、ドリル加工における穿孔送り方向と反対方向にかかる抵抗力のことである。
【０００８】
特許文献３では、特許文献２と同様にドリルの先端側に小径部を形成するだけの対応であるため、被加工材がＣＦＲＰの場合、特許文献３に記載された技術でもバリの抑制に関して満足な効果が得られない。
【０００９】
このため、ＣＦＲＰの穿孔加工において高品位の加工処理が求められるときには、特許文献４に記載されているような専用のドリルが採用されているが、特許文献４に記載されたダブルアングルドリルは耐久性に問題があり、３０〜４０穴の加工回数で加工部分にバリが発生して新しいドリルとの交換が必要となる。
【００１０】
特許文献４に記載されたドリルは、下穴加工部と仕上げ加工部を有する２段構造のドリルであり、下穴加工部で発生したバリを仕上げ加工部で取り除く加工形態をとっている。しかし、仕上げ加工部と下穴加工部との間の径差を大きくした形状で、切削機構は通常のドリル加工と同じで、むしれやバリの抑制を根本的に解決するものではない。
【００１１】
このため、特許文献４では、ねじれ角を小さくし切屑排出性を良くすることで、切屑づまりによるバリの発生を抑える対策を行っている。しかし、加工部を直線状の切り刃構造とするだけでは、加工時のスラスト抵抗の低減を図ることができず、工具刃先の耐摩耗性向上にはつながらないため、特許文献４に記載された技術でも満足な効果が得られない。
【００１２】
特許文献５では、下穴加工部が複数の段状構造であるため、拡径時のドリルが受けるスラスト抵抗が大きく、工具刃先の耐摩耗性向上に問題がある。
【００１３】
本発明は、こうした従来技術の課題を鑑みてなされたものであって、テーパ形状を有するテーパ部及びストレート部を備えたドリルによる複合加工を行うことで、被加工材にバリや層間剥離をほとんど発生させず高品位の穿孔加工を１工程で行うことができるようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る複合材料用ドリルは、繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材に穿孔する複合材料用ドリルであって、先端切れ刃が形成された先端部と、前記先端部の後端側に連接して形成されるとともに先端側直径及び当該先端側直径よりも大径の後端側直径の径差でテーパ形状に形成されたテーパ部とを有し、前記テーパ部の外周には、螺旋状にねじれた外周切れ刃が形成されて連続的に穿孔径が大きくなるように設定され、また前記テーパ部の後端側に連接して形成されるとともに前記テーパ部の前記後端側直径よりも大径の仕上げ加工径が形成可能となるように全体が同径に形成されたストレート部を有していることを特徴とする。さらに、前記テーパ部には、前記外周切れ刃に沿って螺旋状にねじれた切屑排出溝が形成されていることを特徴とする。さらに、前記テーパ部は、その先端側外径及び後端側外径に接する外径線とドリル軸中心線との間のテーパ角を４５°以下に設定していることを特徴とする。さらに、前記先端部の前記先端切れ刃は、６０°〜１４０°の先端角を有しており、前記テーパ部の前記外周切れ刃は、前記先端切れ刃と連続して形成されているとともに前記テーパ部のランド外周に接する円錐面に対してすくい角又はすくい角及び逃げ角が形成されていることを特徴とする。さらに、前記先端部、前記テーパ部及び前記ストレート部は、同軸状に一体化されていることを特徴とする。さらに、前記ストレート部は、丸ランドドリル状又はリーマ状に形成されていることを特徴とする。さらに、前記先端部、前記テーパ部及び前記ストレート部の軸心を回転軸心に合致させていることを特徴とする。さらに、前記テーパ部及び前記ストレート部の間の連接部は、前記ストレート部の先端側外径が前記テーパ部の後端側外径に向けてテーパ状に縮径して連接していることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る機械加工方法は、上記のドリルを用いて繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材に穿孔する機械加工法であって、前記先端部の前記先端切れ刃及び前記テーパ部の前記外周切れ刃により前記被加工材に下穴加工を行い、形成された下穴に前記ストレート部により仕上げ加工を行って穿孔することを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る機械加工装置は、上記のドリルを保持するとともに前記ドリルの中心軸を中心に回転駆動する駆動手段と、繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材を支持する支持手段と、前記ドリルを前記被加工材に対して穿孔加工を行うように前記駆動手段及び／又は前記支持手段を相対的に移動させる移動手段とを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る複合材料用ドリルは、下穴をテーパ部で切削抵抗を低く抑えながら拡径して穿孔加工でき、加工部分にバリが生じにくく、さらに被加工材に対して穿孔加工方向にかかるスラスト抵抗も低減し、複合材料内の境界面に対する剥離力も減少するため層間剥離が生じにくい。また、仕上げ加工を行うストレート部をテーパ部と同軸に設定して連接一体化した構成で行うため、高精度の穿孔加工を行うことができる。
【００１８】
また、先端切れ刃を有しテーパ部のランド外周に接する円錐面に対してすくい角又はすくい角及び逃げ角が形成された外周切れ刃と、それに連接したストレート部を備えているので、切削抵抗を低減させ、バリや層間剥離をほとんど発生させず高精度の穿孔加工が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る第一実施形態に関する側面図である。
【図２】図１に示すドリルの先端部に関する正面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線矢視の断面図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ線矢視の断面図である。
【図５】本発明に係る第二実施形態に関する側面図である。
【図６】図５に示すドリルの先端部に関する正面図である。
【図７】図５のＣ−Ｃ線矢視の断面図である。
【図８】図５に示すドリルの外周切れ刃に関する拡大断面図である。
【図９】外周切れ刃を形成するテーパ部のテーパ角及び加工時に加わるスラスト抵抗についてモデルを用いた説明図である。
【図１０】従来のストレートツイストドリルと本発明のドリルの切削作用との違いに関する説明図である。
【図１１】本発明に係るドリルを用いた場合の機械加工方法に関する説明図である。
【図１２】本発明に係るドリルを用いた機械加工装置に関する外観斜視図である。
【図１３】切削試験における測定結果を示す表である。
【図１４】貫通穴付近のバリの発生の有無に関する観察結果を示す表である。
【図１５】貫通穴付近のバリの発生の有無を撮影した写真を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態について、本発明を二つのねじれ溝を有する２枚刃ドリルに適用した場合について、第一実施形態としてストレート部をリーマ状に形成したもの、第二実施形態としてストレート部を丸ランドドリル状に形成したものの二形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
本発明に係る第一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は、第一実施形態に関するドリル１の側面図である。図２は、図１のテーパ部を先端側から後端側に向かって見た正面図である。図３は、図１のＡ−Ａ線矢視の断面図である。図４は、図１のＢ−Ｂ線矢視の断面図である。
【００２２】
本実施形態に係るドリル１は、２枚刃ドリルであって、シャンク２の先端にリーマを形成するストレート部３を連接し、ストレート部３の先端にテーパ部４を一体に連接してなる。テーパ部４の先端には、先端部である先端切れ刃５が形成されている。
【００２３】
先端切れ刃５は、被加工材に対して最初に食付きを行い、切削加工を行う切れ刃で、テーパ部４に形成された外周切れ刃７による拡径加工を誘導するものである。また、その先端角を６０°〜１４０°の範囲で形成することでドリルの食付き性および求心性が向上し、ドリルの回転ぶれが低減する。
【００２４】
図１に示すように、ローソク研ぎ形状の刃立て面中央部の突起部と切り刃面との軸方向段差長さＬ１は、０．５ｍｍ以上に設定される。刃立て面中央部を切り刃面よりも突出させることで、下穴加工時の求心性が良くなる。先端切れ刃５の先端角α１は、９０°の角度に設定することで、ドリル先端の剛性と求心性を向上させ、先端切れ刃５の切れ味が良くなる。
【００２５】
テーパ部４は、先端側外径Ｄ１と後端側外径Ｄ２の径差で形成されるテーパ状の形態をなし、その後端側にはストレート部３が一体に連接されている。ストレート部３は、テーパ部４よりも大径に形成されている。ここで、「テーパ」とは、先端側外径及び後端側外径に接する直線とドリル中心軸との間に所定の角度が設定されている形状を意味する。
【００２６】
テーパ部４は、図２に示すように、ローソク研ぎ形状とし、先端切れ刃５と連続して形成される２枚の外周切れ刃７を有する。先端側外径Ｄ１から後端側外径Ｄ２まで形成されるテーパ状外周には、螺旋状にねじれた外周切れ刃７が形成されて連続的に穿孔径が大きくなるように設定され、外周切れ刃７に沿って螺旋状にねじれた切屑排出溝６が形成されている。
【００２７】
テーパ部４の外周に設けられる切屑排出溝６は、ねじれ角α３をもつ溝として形成される。切屑排出溝６のねじれ角α３は、先端角の大きさや被加工材の材質にもよるが、切れ刃が鋭くなりすぎて欠け易くなることを防止するために、６０°以下に設定することが好ましく、６０°以下に設定することで複合材料の繊維材料を含んだ切屑を速やかに排出できる。
【００２８】
図３に示すように、外周切れ刃７は、マージン８及び切屑排出溝６の交差稜で形成されており、テーパ部４のランド外周に接する円錐面に対して正のすくい角α４を１０〜３０°に設定した切れ刃として形成される。このように形成することで、刃先の角度が鋭くなり切れ味を著しく向上させることができる。
【００２９】
図１に示すように、テーパ部４の先端側外径Ｄ１及び後端側外径Ｄ２の径差から生じるテーパー角α２は、４５°以下に設定される。テーパ角α２が４５°より大きくなるとスラスト抵抗が回転力を上回るため、大きいバリが発生してストレート部で確実に除去することができなくなる。テーパ部４の先端側外径Ｄ１から後端側外径Ｄ２までの長さＬ２は、テーパ角α２で決定される。
【００３０】
図３に示すように、テーパ部４の外周にはマージン８が形成されており、１０〜３０°の正のすくい角α４を有する切れ刃として設定される。
【００３１】
図１及び図４に示すように、ストレート部３の先端にはテーパ部４が連接され、ストレート部３の後端にはシャンクが連接される。特に、テーパ部４とストレート部３との連接部においては、極端な段差形状を無くすために、ストレート部３の先端側がテーパ状に加工されている。
【００３２】
ストレート部３は、下穴加工を行うテーパ部４によって切り残された部分を整形加工するためにリーマ状に形成されており、テーパ部４の後端側外径Ｄ２よりも０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ大径の仕上げ加工径Ｄ３に形成されている。先端切れ刃５、テーパ部４及びストレート部３の軸心を回転軸心に合致させ、テーパ部４及びストレート部３の間の連接部は、ストレート部３の先端側外径がテーパ部４の後端側外径に向けてテーパ状に縮径して同軸度０．０１の公差で連接されて加工を行うことで、バリを発生させず加工品質の良い穿孔加工が可能となる。また、先端切れ刃５、テーパ部４、ストレート部３及びシャンク２についても、同軸度０．０１の公差で連接されている。
【００３３】
ドリルの素材としては、超硬合金、ハイス、工具鋼などが挙げられるが、下穴加工を行うテーパ部４及び先端切れ刃５には超硬合金を使うのが望ましい。また、テーパ部４及びストレート部３は、それぞれ異なる素材で構成してもよい。
【００３４】
繊維強化複合材料の穿孔加工では、ドリル刃先のチッピングや磨耗が激しいため、ドリル表面をダイヤモンド薄膜やＤＬＣ膜でコーティングすることが望ましい。
【００３５】
ドリル１は、公知の機械加工装置に装着され、被加工材として複合材料の穿孔加工に用いられる。複合材料としては、繊維強化複合材料の穿孔加工に好適であり、特に繊維が層状に積層した複合材料に好適である。繊維強化複合材料としては、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）、ガラス長繊維強化プラスチック（ＧＭＴ）、ボロン繊維強化プラスチック（ＢＦＲＰ）、アラミド繊維強化プラスチック（ＡＦＲＰ, ＫＦＲＰ）、ポリエチレン繊維強化プラスチック（ＤＦＲＰ）が挙げられる。なお、被加工材は、一部に繊維強化複合材料を含むものでもよく、特に限定されない。
【００３６】
次に、本発明に係る第二実施形態を図５〜図８に基づいて説明する。図５は、本発明に係る第二実施形態に関する側面図である。図６は、図５に示すドリルの先端部に関する正面図である。図７は、図５のＣ−Ｃ線矢視の断面図である。図８は、図５に示すドリルの外周切れ刃に関する拡大断面図である。
【００３７】
本実施形態に係るドリル１０は、図５に示すように、先端部である先端切れ刃１４、外周切れ刃１６を有するテーパ部１３、丸ランドドリル状に形成されたストレート部１２及びシャンク１１から構成され、それぞれが同軸上に連接一体化されて構成する。
【００３８】
ドリル１０は、２枚刃ドリルであって、シャンク１１の先端にストレート部１２を連接し、ストレート部１２の先端にテーパ部１３を一体に連接してなる。テーパ部１３、ストレート部１２及びシャンク１１は、同軸度０．０１の公差で連接される。
【００３９】
テーパ部１３は、先端側外径Ｄ４及び後端側外径Ｄ５の径差で形成されるテーパ状の形態をなし、その後端側にはストレート部１２が一体に連接されている。ストレート部１２は、テーパ部１３よりも大径に形成されている。テーパ部１３の先端側には、先端角β１を有する先端切れ刃１４が連接されている。
【００４０】
テーパ部１３の先端側外径Ｄ４から後端側外径Ｄ５までに形成されるテーパ状外周には、螺旋状にねじれた外周切れ刃１６が形成されて連続的に穿孔径が大きくなるように設定され、外周切れ刃１６に沿って螺旋状にねじれた２条の切屑排出溝１５が形成されている。ストレート部１２は、下穴加工部であるテーパ部１３によって切り残された部分を整形加工するために丸ランドドリル状に形成されている。
【００４１】
図５に示すように、先端部である先端切れ刃１４は、刃先の稜線１７及び１８で先端角β１が形成されており、先端角β１は、６０°〜１４０°の範囲に設定されている。
【００４２】
図５に示すように、テーパ部１３及びストレート部１２の外周には、切屑排出溝１５がねじれ角β３で螺旋状に連続して形成されている。切屑排出溝１５のねじれ角β３は、先端角の大きさや被加工材の材質にもよるが、切れ刃が鋭くなりすぎて欠け易くなることを防止するために、６０°以下に設定することが好ましく、６０°以下に設定することで複合材料の繊維材料を含んだ切屑を速やかに排出できる。
【００４３】
下穴加工部であるテーパ部１３の外周切れ刃１６は、図３に示すようなマージン８が設定されておらず、図６に示すように、テーパ部１３のランド外周に接する円錐面に対して、すくい角β５及び逃げ角β４をそれぞれ５°〜２０°の範囲で設定しており、テーパ部１３の外周縁に外周切れ刃１６が形成されている。
【００４４】
図５に示すように、テーパ部１３の先端側外径Ｄ４及び後端側外径Ｄ５の径差から生じるテーパー角β２は、４５°以下に設定される。テーパ角β２が４５°より大きくなるとスラスト抵抗が回転力を上回るため、大きいバリが発生してストレート部で確実に除去することができなくなる。テーパ部１３の先端側外径Ｄ４から後端側外径Ｄ５までの長さＬ５は、テーパ角β２で決定される。
【００４５】
図７は、図５に示すＣ−Ｃ断面をストレート部１２の後端側からテーパ部１３方向に見たストレート部１２の断面図である。ストレート部１２は、丸ランド形状に形成され、テーパ部１３の後端側外径Ｄ５よりも０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ大径の仕上げ加工径Ｄ６に形成されている。先端切れ刃１４、テーパ部１３及びストレート部１２の軸心を回転軸心に合致させ、テーパ部１３及びストレート部１２の間の連接部は、ストレート部１２の先端側外径がテーパ部１３の後端側外径に向けて縮径したテーパ形状で連接している。また、先端切れ刃１４、テーパ部１３、ストレート部１２及びシャンク１１は、同軸度０．０１の公差で一体化される。
【００４６】
ドリル１０本体の表面は、図８に示すように、ダイヤモンドからなる被膜１９に覆われている。被膜１９は、例えば、周知のＣＶＤ法又はＰＶＤ法で形成することができ、ＤＬＣ膜であってもよい。繊維強化樹脂材料等の複合材料の加工に特化したドリルでは、刃先を鋭くし切れ味を向上させることが必要で、ドリル母材に超微粒子超硬合金材料を使用することで、刃先先端半径を小さく整形することができる。また、刃先を鋭くした場合刃先先端の欠けや磨耗が発生しやすいため、ナノダイヤモンドコーティングで被膜１９を形成することで、刃先先端半径の径を大きくすることなく、外周切れ刃の良好な切れ味を長時間維持することができる。また、刃先の磨耗等により切れ味が悪くなった場合でも、下穴加工時に発生したバリをストレート部１２によって効果的に除去することができるので、高精度の穿孔加工を安定して行うことができる。
【００４７】
図９は、外周切れ刃を形成するテーパ部のテーパ角及び加工時に加わるスラスト抵抗にについてモデルを用いた説明図である。テーパ部は、テーパ角α２（第二実施形態ではβ２）とし、穿孔加工時に加わる切削抵抗Ｆは、テーパ面中心から中心線に向かって引いた垂線との交点までをベクトルで表示する。そして、切削抵抗Ｆの垂直成分をスラスト抵抗Ｈ、Ｆの水平成分を背分力Ｕとする。
【００４８】
図９（ａ）は、テーパ角α２が４５°未満のモデルであり、図９（ｂ）は、テーパ角α２が４５°のモデルであり、図９（ｃ）は、テーパ角α２が４５°より大きいモデルであり、それぞれ切削抵抗Ｆ、スラスト抵抗Ｈ及び背分力Ｕについてベクトル表示している。図９（ａ）、図９（ｂ）及び図９（ｃ）をみると、テーパ角α２が大きくなるに従いスラスト抵抗Ｈが増加するようになっており、テーパ角α２を４５°以下とすることでスラスト抵抗Ｈが小さくなってバリ及び層間剥離の発生の低減に寄与することができる。
【００４９】
図１０は、従来のストレートツイストドリルと本発明のドリルの切削作用との違いに関する説明図である。図１０（ａ）は、ストレートツイストドリルの切削作用に関する説明図であり、先端に設けられた直線状の刃が軸方向に回転して切削するようになっており、鉋で切削する場合と同様の切削作用である。図１０（ｂ）は、本発明のドリルによる切削作用に関する説明図であり、部分Ｂ２は、ストレートツイストドリルの切削作用と同様に切削するが、テーパ部に設けた外周切れ刃を誘導するための求心性向上の役割も担っている。部分Ｂ１は、テーパ部の外周切れ刃による切削作用を示し、テーパ部に設けた外周切れ刃は円弧状で螺旋状に形成され全体としてテーパ状に形成されているため、外周切れ刃及び被加工材は、点接触による切削が連続的に行われ、粉体状の切屑を生成し、外周切れ刃の磨耗低減に寄与する。また、外周切れ刃は、ねじれ角による傾斜とドリル回転に伴う外周面方向に沿う切れ刃の回転により、ナイフで切削する場合と同様の切削作用となり、鋭い切れ味が得られる。また、外周切れ刃は、螺旋状で全体としてテーパ状に形成されているため、拡径を行う切れ刃の総延長を長く取ることができるため、工具寿命の向上にも寄与する。
【００５０】
図１１は、本発明に係るドリルを用いた場合の機械加工方法に関する説明図である。図１１（ａ）では、穿孔開始直前の状態を示しており、ドリル１０の先端部が板状の被加工材Ｍに対して垂直に当接するように設定されている。次に、図１１（ｂ）では、ドリル１０が回転しながら先端部の先端切れ刃が被加工材Ｍ（例；繊維強化複合材料）に対して最初に食付きを行い、テーパ部の外周切れ刃による拡径加工を誘導する。次に、図１１（ｃ）は、ドリル１０が回転しながらテーパ部が被加工材Ｍに進入して外周切れ刃による拡径加工が行われる。この段階では、加工部分に層間剥離及びバリを発生させないで下穴加工が行われる。次に、図１１（ｄ）では、ドリル１０が回転しながらストレート部が被加工材に進入して仕上げ加工が行われる。そして、ストレート部が仕上げ加工を行いながら被加工材Ｍから抜け出た後、ドリル１０を引き上げて穿孔加工が終了する。
【００５１】
図１２は、本発明に係るドリルを用いた機械加工装置に関する外観斜視図である。機械加工装置１００は、ボールねじ機構又はリニアモータ機構等によるＸＹＺの３軸方向の可動機構並びにＸ軸及びＹ軸周りの回転機構を付加した５軸機構を備える移動手段を備えている。Ｚ軸移動機構１０１は、スピンドル軸１０３に取り付けられたドリル１０４を支持して上下方向に移動させる。移動手段としては、ボールねじ機構又はリニアモータ機構が用いられる。また、Ｚ軸移動機構１０１は、スピンドル軸１０３を回転駆動する駆動源を備えている。
【００５２】
ＸＹ軸移動機構１０２は、Ｘ軸又はＹ軸あるいはＸＹ複合軸に設置テーブルを移動させる。移動手段としては、ボールねじ機構又はリニアモータ機構が用いられる。設置テーブルには、バイス又は拘束治具等の支持具１０６が配置されており、支持具１０６に繊維強化複合材料等からなる被加工材１０５が載置固定されている。ＸＹ軸移動機構１０２は、ボールねじ機構又はリニアモータ機構により駆動される。
【００５３】
そして、Ｚ軸移動機構１０１及びＸＹ軸移動機構１０２を制御して被加工材１０５に対してドリル１０４を回転駆動しながら穿孔加工が行われる。
【００５４】
なお、支持具１０６としては、被加工材１０５の厚み方向又は面方向から挟む機能を有するものを用いてもよい。また、スピンドル軸をＸ軸又はＹ軸に配置するようにすることもできる。
【実施例】
【００５５】
［実施例１］
図５に示すように、先端切れ刃を有する先端部並びに外周切れ刃が形成されたテーパ部及びストレート部を備えたドリルについて切削試験を行い、スラスト抵抗（ドリル軸方向にかかる力）測定した。
【００５６】
切削試験では、外周切れ刃にマージンが設定されていない図５に示す４種類のドリル及び比較例として３種類のドリルの計７種類のドリルを使用した。
【００５７】
図５に示すドリルとしては、ドリル母材を超硬合金、ダイヤモンドコーティングとし、ドリルの先端部の先端角β１＝１３５°、ドリル全長１０３ｍｍ、テーパ部のテーパ角β２＝２°、テーパ部の先端側外径Ｄ４＝３．０ｍｍ、テーパ部の後端側外径Ｄ５＝５．０ｍｍ、ストレート部の外径Ｄ６＝５．０ｍｍ、シャンク径６．０ｍｍ、テーパ部の外周切れ刃の逃げ角β４＝１０°、テーパ部の外周切れ刃のすくい角β５＝１０°を共通仕様とし、切屑排出溝のねじれ角β３を、β３＝２０°（ドリルＡ）、β３＝３０°（ドリルＢ）及びβ３＝４０°（ドリルＣ）に設定した３種類ドリルＡ〜Ｃを使用した。また、ドリル母材をハイスとし、ＴｉＣＮコーティングを行い、ねじれ角β３＝２０°（ドリルＤ）に設定し、それ以外はドリルＡ〜Ｃと同様に設定したドリルＤの計４種類を使用した。
【００５８】
比較例のドリルとしては、ドリル外周縁の外周切れ刃にテーパ角が付いていない（β２＝０°）ドリルを比較対象とし、ドリル母材を超硬合金、ダイヤモンドコーティング、ドリルの先端角β１＝１１８°、外周切れ刃のねじれ角β３＝３０°、ドリルの外径Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＝５．０ｍｍ（ドリルＥ）、ドリル母材を超硬合金、ＴｉＣコーティング、ドリルの先端角β１＝１４０°、外周切れ刃のねじれ角β３＝３０°、ドリルの外径Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＝５．０ｍｍ（ドリルＦ）、ドリル母材をハイス、先端形状を特殊刃立て（ローソク形）、外周切れ刃のねじれ角β３＝３０°、ドリルの外径Ｄ４＝Ｄ５＝Ｄ６＝５．０ｍｍ（ドリルＧ）の計３種類を使用した。
【００５９】
切削試験は、以下の条件で行い、穿孔加工におけるスラスト抵抗（ドリル軸方向にかかる力）測定を目的として、炭素繊維強化プラスチックの切削加工を行った。
＜切削速度＞
ドリル母材が超硬合金の場合１００ｍ／ｍｉｎ
ドリル母材がハイスの場合２４ｍ／ｍｉｎ
＜ドリルの送り速度＞
ドリル母材が超硬合金の場合２００ｍｍ／ｍｉｎ
ドリル母材がハイスの場合１５０ｍｍ／ｍｉｎ
＜被加工材＞
炭素繊維強化プラスチック（東レ製；型式Ｔ７００）からなる板厚５ｍｍの板状体
＜切削油＞
使用しない
＜ドリル加工機＞
株式会社松浦機械製作所製縦型ＭＣ（型式ＭＣ−５１０ＶＦ−Ｇｒ 型番ＢＴ４０）
＜切削抵抗測定機器＞
キスラー社製切削動力計（型式９１２３Ｃ）
【００６０】
図１３は、外周切れ刃にマージンが設定されていない図５に示すドリルＡ〜Ｄ及び比較例のドリルＥ〜Ｇを使用した場合の切削試験における測定結果を示す表である。スラスト抵抗（単位；Ｎ）については、１穴〜５穴加工時の測定値の平均値を算出した。
【００６１】
スラスト抵抗の値をみると、実施例ではすべて５０Ｎ以下であり、比較例よりも低い値となった。また、一般に炭素繊維強化プラスチックの切削には不適とされる、母材がハイスからなるドリルＤで切削した場合でも、比較例の超硬合金からなるドリルＥよりスライス抵抗が低く、良好な切削特性を示している。
【００６２】
以上の結果から、図５に示すように、先端切れ刃を有する先端部並びに外周切れ刃が形成されたテーパ部及びストレート部を備えたドリルは、スラスト抵抗の低減に効果があることがわかった。また、外周切れ刃のねじれ角を大きくすることでスラスト抵抗が低下することがわかった。
【００６３】
［実施例２］
次に、実施例１と同様の７種類のドリルを用いて同様の切削試験を行い、被加工材（炭素繊維強化プラスチック）の貫通穴付近のバリの有無について肉眼で観察した。
【００６４】
図１４は、７種類のドリルによる貫通穴付近のバリの発生の有無について、１０穴、４０穴、８０穴、１２０穴の加工数までそれぞれ加工した場合の観察結果を示す表である。
【００６５】
観察結果をみると、実施例であるドリルＡ及びＢについては、１２０穴の加工時においてもバリの発生は無かった。ドリルＣについては、９２穴目で折損した。ドリルＣの折損は、切屑排出溝の角度であるねじれ角を大きくすることにより、ドリル心厚が細くなるとともに切屑の排出性の悪化が相乗して生じたと考えられる。一方、ドリルＤについては、ハイス製のドリルでありながらドリルＥとほぼ同等の効果を得ることができ、実施例のドリルは、バリ発生の抑制効果が大きいことがわかった。
【００６６】
図１５は、実施例であるドリルＡ及び比較例であるドリルＥ〜Ｇについて切削試験後のバリ発生の有無について、１穴、１０穴、４０穴、１００穴の加工数までそれぞれ加工した場合における貫通穴を撮影した写真を示す表である。
【００６７】
写真で示すように、比較例のドリルを使用した場合、１穴目からバリが発生して良好な加工ができなかった。
【００６８】
以上の結果から、本発明に係るドリルのように、先端切れ刃を有する先端部、外周切れ刃を有するテーパ部及び仕上げ加工を行うストレート部を連接一体化した構造を備えることで、複合材料に対してバリ及び層間剥離の発生しない安定した切削加工を行うことが可能となり、簡易構造かつ低コストで高品位・高精度の穿孔加工を１本のドリルで実現することができた。
【符号の説明】
【００６９】
１・・ドリル、２・・シャンク、３・・ストレート部、４・・テーパ部、５・・先端切れ刃、６・・切屑排出溝、７・・外周切れ刃、８・・マージン、１０・・ドリル、１１・・シャンク、１２・・ストレート部、１３・・テーパ部、１４・・先端切れ刃、１５・・切屑排出溝、１６・・外周切れ刃、１７・・刃先の稜線、１８・・刃先の稜線、１９・・被膜、１００・・機械加工装置、１０１・・Ｚ軸移動機構、１０２・・ＸＹ軸移動機構、１０３・・スピンドル軸、１０４・・ドリル、１０５・・被加工材、１０６・・支持具
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材に穿孔する複合材料用ドリルであって、先端切れ刃が形成された先端部と、前記先端部の後端側に連接して形成されるとともに先端側外径及び当該先端側外径よりも大径の後端側外径の径差でテーパ形状に形成されたテーパ部と、前記テーパ部の後端側に連接して形成されるとともに前記テーパ部の前記後端側外径よりも大径の仕上げ加工径が形成可能となるように全体が同径に形成されたストレート部とを有し、前記テーパ部の外周には、螺旋状にねじれた外周切れ刃が形成されて連続的に穿孔径が大きくなるように設定されていることを特徴とする複合材料用ドリル。
【請求項２】
前記テーパ部には、前記外周切れ刃に沿って螺旋状にねじれた切屑排出溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のドリル。
【請求項３】
前記テーパ部は、前記先端側外径及び前記後端側外径に接する外径線とドリル軸の中心線との間のテーパ角を４５°以下に設定していることを特徴とする請求項１又は２に記載のドリル。
【請求項４】
前記先端部の前記先端切れ刃は、６０°〜１４０°の先端角を有しており、前記テーパ部の前記外周切れ刃は、前記先端切れ刃と連続して形成されているとともに前記テーパ部のランド外周に接する円錐面に対してすくい角又はすくい角及び逃げ角が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のドリル。
【請求項５】
前記先端部、前記テーパ部及び前記ストレート部は、同軸状に一体化されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のドリル。
【請求項６】
前記ストレート部は、丸ランドドリル状又はリーマ状に形成されていることを特徴とする請求項５に記載のドリル。
【請求項７】
前記先端部、前記テーパ部及び前記ストレート部の軸心を回転軸心に合致させていることを特徴とする請求項５又は６に記載のドリル。
【請求項８】
前記テーパ部及び前記ストレート部の間の連接部は、前記ストレート部の先端側外径が前記テーパ部の前記後端側外径に向けてテーパ状に縮径して連接していることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のドリル。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載のドリルを備えた穿孔加工具。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれかに記載のドリルを用いて繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材に穿孔する機械加工法であって、前記先端部の前記先端切れ刃及び前記テーパ部の前記外周切れ刃により前記被加工材に下穴加工を行い、形成された下穴に前記ストレート部により仕上げ加工を行って穿孔することを特徴とする機械加工方法。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれかに記載のドリルを保持するとともに前記ドリルの中心軸を中心に回転駆動する駆動手段と、繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材を支持する支持手段と、前記ドリルを前記被加工材に対して穿孔加工を行うように前記駆動手段及び／又は前記支持手段を相対的に移動させる移動手段とを備えていることを特徴とする機械加工装置。
【請求項１】
繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材に穿孔する複合材料用ドリルであって、先端切れ刃が形成された先端部と、前記先端部の後端側に連接して形成されるとともに先端側外径及び当該先端側外径よりも大径の後端側外径の径差でテーパ形状に形成されたテーパ部と、前記テーパ部の後端側に連接して形成されるとともに前記テーパ部の前記後端側外径よりも大径の仕上げ加工径が形成可能となるように全体が同径に形成されたストレート部とを有し、前記テーパ部の外周には、螺旋状にねじれた外周切れ刃が形成されて連続的に穿孔径が大きくなるように設定されていることを特徴とする複合材料用ドリル。
【請求項２】
前記テーパ部には、前記外周切れ刃に沿って螺旋状にねじれた切屑排出溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のドリル。
【請求項３】
前記テーパ部は、前記先端側外径及び前記後端側外径に接する外径線とドリル軸の中心線との間のテーパ角を４５°以下に設定していることを特徴とする請求項１又は２に記載のドリル。
【請求項４】
前記先端部の前記先端切れ刃は、６０°〜１４０°の先端角を有しており、前記テーパ部の前記外周切れ刃は、前記先端切れ刃と連続して形成されているとともに前記テーパ部のランド外周に接する円錐面に対してすくい角又はすくい角及び逃げ角が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のドリル。
【請求項５】
前記先端部、前記テーパ部及び前記ストレート部は、同軸状に一体化されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のドリル。
【請求項６】
前記ストレート部は、丸ランドドリル状又はリーマ状に形成されていることを特徴とする請求項５に記載のドリル。
【請求項７】
前記先端部、前記テーパ部及び前記ストレート部の軸心を回転軸心に合致させていることを特徴とする請求項５又は６に記載のドリル。
【請求項８】
前記テーパ部及び前記ストレート部の間の連接部は、前記ストレート部の先端側外径が前記テーパ部の前記後端側外径に向けてテーパ状に縮径して連接していることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載のドリル。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載のドリルを備えた穿孔加工具。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれかに記載のドリルを用いて繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材に穿孔する機械加工法であって、前記先端部の前記先端切れ刃及び前記テーパ部の前記外周切れ刃により前記被加工材に下穴加工を行い、形成された下穴に前記ストレート部により仕上げ加工を行って穿孔することを特徴とする機械加工方法。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれかに記載のドリルを保持するとともに前記ドリルの中心軸を中心に回転駆動する駆動手段と、繊維強化複合材料を少なくとも一部に含む被加工材を支持する支持手段と、前記ドリルを前記被加工材に対して穿孔加工を行うように前記駆動手段及び／又は前記支持手段を相対的に移動させる移動手段とを備えていることを特徴とする機械加工装置。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１０４７６６（Ｐ２０１１−１０４７６６Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３４８３８（Ｐ２０１０−２３４８３８）
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【出願人】（５９２０２９２５６）福井県 (122)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１９日（２０１０．１０．１９）
【出願人】（５９２０２９２５６）福井県 (122)
【Ｆターム（参考）】
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