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技術 複合材料加工用ドリル

出願人 オーエスジー株式会社
発明者 滝川義寛林亜雄
出願日 1994年9月12日 (26年3ヶ月経過) 出願番号 1994-217313
公開日 1996年3月19日 (24年9ヶ月経過) 公開番号 1996-071824
状態 特許登録済
技術分野 穴あけ工具
主要キーワード プラスチック板材 スプリングバック作用 手持型 加工用ドリル 破断用 合成樹脂接着剤 複合材料内 ケプラー
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1996年3月19日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

目的

難削材を含む複数種類の材料が積層されてなる複合材料穴加工を施すに際し、穴精度が得られ、加工変質層の厚みを抑制し、しかも耐久寿命を長くしてカーボン繊維毛羽立ちを防止できる複合材料用ドリルを提供する。

構成

外径が1.0〜2.0mm/100mmの割合で減少するバックテーパ部42が、ドリル径Dに対して0.5〜1.0の割合の軸方向長さLにわたって刃部34の先端部に形成され、且つその刃部34のうちバックテーパ部42に続く部分すなわち小径部44の径が一定に形成されているので、複合材料加工用ドリル10の切削抵抗が好適に低減される。したがって、加工された穴の穴精度が高くなると同時に加工変質層の厚さが抑制される。また、切削抵抗が軽減される結果、切れ刃摩耗し難くなってドリルの寿命が長くされるので、CFRP22側の穴の出口においてカーボン繊維が毛羽立つということも好適に解消される。

概要

背景

難削材を含む複数種類の材料が積層されてなる複合材料貫通穴或いは止まり穴を形成する穴加工を行う際には、回転駆動装置チャック把持されたドリルが、回転駆動されつつ上記複合材料内へ向かって前進させられる。

概要

難削材を含む複数種類の材料が積層されてなる複合材料に穴加工を施すに際し、穴精度が得られ、加工変質層の厚みを抑制し、しかも耐久寿命を長くしてカーボン繊維毛羽立ちを防止できる複合材料用ドリルを提供する。

外径が1.0〜2.0mm/100mmの割合で減少するバックテーパ部42が、ドリル径Dに対して0.5〜1.0の割合の軸方向長さLにわたって刃部34の先端部に形成され、且つその刃部34のうちバックテーパ部42に続く部分すなわち小径部44の径が一定に形成されているので、複合材料加工用ドリル10の切削抵抗が好適に低減される。したがって、加工された穴の穴精度が高くなると同時に加工変質層の厚さが抑制される。また、切削抵抗が軽減される結果、切れ刃摩耗し難くなってドリルの寿命が長くされるので、CFRP22側の穴の出口においてカーボン繊維が毛羽立つということも好適に解消される。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
8件

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請求項1

シャンク部と、先端切れ刃およびリーディングエッジを有する円柱状の刃部とを備え、難削材を含む複数種類の材料が積層されてなる複合材料切削によって穴加工する複合材料加工用ドリルにおいて、前記シャンク部に向かうに従って外径が1.0〜2.0mm/100mmの割合で減少するバックテーパ部を、ドリル径に対して0.5〜1.0の割合の軸方向長さにわたって前記刃部の先端部に形成し、該刃部のうち該バックテーパ部に続く部分の径を一定に形成したことを特徴とする複合材料加工用ドリル。

請求項2

ねじれ溝ねじれ角は20〜28°であり、先端切れ刃が全角が100〜120°の一次切れ刃と該一次切れ刃の外周側に続く全角が45〜90°の二次切れ刃とから構成され、該一次切れ刃の径がドリル径の1/3〜3/4とされ、複数の切りくず分断ニックが該先端切れ刃に異なる径方向位置に形成され、周方向において前記ねじれ溝の間に位置するランドヒール部に回転中心を通る基準面に対する角度が35〜55°、幅寸法のドリル径に対する比が1/5〜1/3の面取りが設けられ、前記ドリル径が3.175〜15.875mmである請求項1の複合材料加工用ドリル。

技術分野

0001

本発明は、難削材を含む複数種類の材料が積層されてなる複合材料切削によって穴加工するための複合材料用ドリルに関するものである。

背景技術

0002

難削材を含む複数種類の材料が積層されてなる複合材料に貫通穴或いは止まり穴を形成する穴加工を行う際には、回転駆動装置チャック把持されたドリルが、回転駆動されつつ上記複合材料内へ向かって前進させられる。

0003

ところで、上記複合材料には、たとえばβチタンチタン合金などの耐食性比強度の高い構造材が積層されるが、その構造材は難削材であるため、たとえば図8に示す従来のドリル80により穴精度、仕上げ面粗さが充分に得られず、また加工変質層の厚さを充分に薄く抑えることができなかった。たとえば、航空機用スポイラーラダーエレベータなどに用いられる複合材料では、たとえばβチタン、CFRPカーボン繊維強化樹脂)、アルミニウム合金などが厚さ1mm程度の合成樹脂接着剤であるリキッドシムを介して積層されているが、βチタンの切削時にはそのスプリングバック作用によって切削抵抗が極めて大きくなることから、高接触圧下の摺動摩擦によって穴精度が低下するとともに、摩擦熱によって発生する加工変質層が厚くなる欠点があった。また、難削材であるβチタンの切削や、カーボン繊維の含有率の高いCFRPの切削によって切れ刃摩耗し易いので、ドリルの寿命が短縮されるとともに、CFRP側の穴の出口においてカーボン繊維が毛羽立つという欠点もあった。

0004

本発明は以上の事情背景として為されたものであり、その目的とするところは、難削材を含む複数種類の材料が積層されてなる複合材料に穴加工を施すに際し、穴精度が得られ、加工変質層の厚みを抑制し、しかも耐久寿命を長くしてカーボン繊維の毛羽立ちを防止できる複合材料用ドリルを提供することにある。

課題を解決するための手段

0005

斯る目的を達成するための、本発明の要旨とするところは、シャンク部と、先端切れ刃およびリーディングエッジを有する円柱状の刃部とを備え、難削材を含む複数種類の材料が積層されてなる複合材料に切削によって穴加工する複合材料加工用ドリルにおいて、前記シャンク部に向かうに従って外径が1.0〜2.0mm/100mmの割合で減少するバックテーパ部を、ドリル径に対して0.5〜1.0の割合の軸方向長さにわたって前記刃部の先端部に形成し、その刃部のうちバックテーパ部に続く部分の径を一定に形成したことにある。

0006

このようにすれば、外径が1.0〜2.0mm/100mmの割合で減少するバックテーパ部が、ドリル径に対して0.5〜1.0の割合の軸方向長さにわたって前記刃部の先端部に形成され、且つその刃部のうちバックテーパ部に続く部分の径が一定に形成されているので、複合材料加工用ドリルの切削抵抗が好適に低減される。

0007

上記バックテーパ部においてシャンク部に向かって減少する径の割合が1.0mm/100mm未満となると、βチタンのような難削材のスプリングバックのために加工穴内周面とバックテーパ部および刃部のうちのそれに続く部分とが高い接触圧で摺接するので、切削抵抗軽減効果が得られ難くなる。また、上記バックテーパの割合が2.0mm/100mmを超えると、刃部のうちのバックテーパ部に続く部分の強度が低下し、工具性能劣化する。

0008

また、上記バックテーパ部の軸方向寸法Lがドリル径Dの0.5未満となると、上記バックテーパの割合が1.0mm/100mm未満となったときと同様に、βチタンのような難削材のスプリングバックのために加工穴の内周面とバックテーパ部および刃部のうちのそれに続く部分とが高い接触圧で摺接するので、切削抵抗軽減効果が得られ難くなる。反対に、上記バックテーパ部の軸方向寸法Lがドリル径Dの1.0を超えると、上記バックテーパの割合が2.0mm/100mmを超えたときと同様に、刃部のうちのバックテーパ部に続く部分の強度が低下し、工具性能が劣化する。

発明の効果

0009

したがって、本発明によれば、シャンク部に向かうほど外径が1.0〜2.0mm/100mmの割合で減少するという極めて大きなバックテーパ部が、ドリル径に対して0.5〜1.0の割合の軸方向長さにわたって前記刃部の先端部に形成され、且つその刃部のうちバックテーパ部に続く部分の径が一定に形成されているので、難削材のスプリングバックに拘わらず、高接触圧下の摺動摩擦が軽減されて複合材料加工用ドリルの切削抵抗が好適に低減されるので、加工された穴の穴精度が高くなると同時に、摩擦熱が抑制されて加工変質層の厚みが抑制される。また、難削材であるβチタンの切削や、カーボン繊維の含有率の高いCFRPの切削においても、上記のように高接触圧下の摺動摩擦が軽減される結果、切れ刃が摩耗し難くなってドリルの寿命が長くされるので、CFRP側の穴の出口においてカーボン繊維が毛羽立つということも好適に解消される。

0010

ここで、好適には、前記ねじれ溝ねじれ角は20〜28°であり、先端切れ刃が全角が100〜120°の一次切れ刃とその一次切れ刃の外周側に続く全角が45〜90°の二次切れ刃とから構成され、その一次切れ刃の径がドリル径の1/3〜3/4とされ、複数の切りくず分断ニックがその先端切れ刃に異なる径方向位置に形成され、周方向において前記ねじれ溝の間に位置するランドヒール部に回転中心を通る基準面P2 に対する角度γが35〜55°、幅寸法wが前記ドリル径Dの1/5〜1/3の面取りが設けられ、前記ドリル径Dが3.175〜15.875mmであるドリルに対して、前記の発明の特徴的構成が適用されると、前記の効果が一層顕著に得られる。

0011

また、好適には、前記ドリルまたは少なくともその先端切れ刃或いはリーディングエッジの表面は、高速度鋼超硬合金ダイヤモンド超高圧焼結体のいずれかから構成される。また、上記ドリルの先端切れ刃或いはリーディングエッジの表面には、チタン(Ti)と、アルミニウム(Al)、炭素(C)、および窒素(N)のうちの少なくとも1つとから成る硬質被膜、たとえばTiC、TiN、TiAlNなどが1〜5μmの厚さで設けられる。

0012

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、ドリル10の側面図であり、図2は、上記ドリル10の先端部の要部斜視図であり、図3図4、および図5は、そのドリル10の先端面、図1のIV−IV断面、および後端面をそれぞれ示す図である。

0013

上記ドリル10は、たとえば図6および図7に示す複合材料12および14に穴16および18を切削加工するために、据置型回転駆動装置或いは手持型回転駆動装置のチャックに把持されて回転駆動されつつ、複合材料12および14内へ向かって前進させられる。

0014

上記複合材料12は、たとえば耐食性および比強度の高いβチタン20とCFRP(カーボン繊維強化型樹脂)22とが合成樹脂接着剤であるリキッドシム24によって張り合わせられることにより構成された2層型の航空機用のパネル材である。また、上記複合材料14は、βチタン20、CFRP22、およびβチタン20が順次積層され且つリキッドシム24によってそれぞれ張り合わせられることにより構成された3層型の航空機用のパネル材である。上記βチタン20、CFRP22は、たとえば10mm程度の厚みを備えた板材であり、上記リキッドシム24は0.5mm程度の厚みに形成されている。

0015

上記ドリル10は、全体として円柱状を成し、図示しないチャック装置によって把持されるためのシャンク部30と、リーディングエッジ32が形成された刃部34とを備えている。この刃部34には、先端部に向かうに従って予め設定された回転方向(右まわり方向)Aへねじれ角θが20〜28°の範囲内の値好適には24°程度でねじれる2本のねじれ溝36が周方向において等間隔で形成されており、そのねじれ溝32の回転方向Aに対向する内壁面外周面すなわち正確にはランド38との間の稜線に上記リーディングエッジ32が設けられている。

0016

上記刃部34には、その先端からシャンク部30に向かうに従って外径が1.0〜2.0mm/100mmの範囲内の割合で減少するバックテーパ部42と、このバックテーパ部42に続いて設けられ、そのバックテーパ部42の最小径と同じ一定の径を備えた小径部44と、この小径部44に続いて設けられ、バックテーパ部42の最大径と同じ一定の径すなわちドリル径Dを備えた定径部46とが順次設けられている。上記バックテーパ部42の軸方向長さLは、ドリル径Dの0.5〜1.0の範囲内に設定されている。たとえば、ドリル径Dが7.5mmである場合は、バックテーパ部42の軸方向長さLは5mm程度の値に設定される。また、このときの上記小径部44の軸方向長さ、定径部46の軸方向長さ、ドリル10の全長などは、加工の都合上、前記複合材料12或いは14の厚みに応じてたとえば25mm程度に設定される。

0017

図2に詳しく示すように、ドリル10の先端面には、全角(テーパ角)θT1が100〜120°の範囲内の値好適には110°の一次切れ刃50と、その一次切れ刃50の外周側に続いて全角(テーパ角)θT2が45〜90°の範囲内の値好適には90°の二次切れ刃52とが形成されている。一次切れ刃50の最大径dはドリル径Dの1/3〜3/4の範囲内の値に設定されている。たとえばドリル径Dが7.5mmであるとすると、一次切れ刃50の最大径dは5mm程度に設定される。上記一次切れ刃50および二次切れ刃52は、ドリル10の先端切れ刃すなわち主切れ刃として機能し、複合部材12或いは14の切削を専ら行う。前記リーディングエッジ32は副切れ刃であって専ら案内として機能し、前記ねじれ溝36は切りくず排出溝として機能する。

0018

図3にも詳しく示すように、上記ドリル10の先端面には、切削を分断するための複数(本実施例では4個)のニック54が設けられている。これら複数のニック54は、中心線に対して点対称となる2個所に位置する一対の一次切れ刃50および二次切れ刃52において、径位置が異なるように、それぞれ交互に設けられている。なお、56は一次切れ刃50の逃げ面であり、58は二次切れ刃52の逃げ面であり、60は軸方向に貫通して形成されたクーラント供給穴である。このクーラント供給穴60は、図5のシャンク部30側の端面にも開口している。

0019

図4に示す図1のIV−IV断面から明らかなように、ランド38のヒール部には、そのヒール部の角が面取り加工によって除去されて面取り面62が形成されている。この面取り面62は、軸断面における幅寸法wがドリル径Dに対する比が1/5〜1/3の範囲内の値を備えている。また、その面取り面62は、回転中心を通る基準面P2 に対する角度γが35〜55°の範囲内となるように形成されている。この基準面P2 は、図4に示すように、回転中心を通り且つねじれ溝36の内壁面に平行な基準面P1 に垂直な面である。

0020

ここで、上記ドリル10は、通常は高速度鋼により構成され、好適には、そのドリル10の表面或いは少なくともその一次切れ刃50、二次切れ刃52、或いはリーディングエッジ32の表面に、チタン(Ti)と、アルミニウム(Al)、炭素(C)、および窒素(N)のうちの少なくとも1つとから成る硬質被膜、たとえばTiC、TiN、TiAlNなどが1〜5μmの厚さで設けられる。また、上記ドリル10、またはその表面であって少なくともその一次切れ刃50、二次切れ刃52、或いはリーディングエッジ32の表面は、超硬合金やダイヤモンド超高圧焼結体により構成される。

0021

本発明者らの実験によれば、ねじれ溝36のねじれ角θが24°、全角θT1およびθT2が110°および90°、一次切れ刃50の最大径dがD×2/3、ランド38のヒール部に形成された面取り面62の角度γが40〜50°、面取り面62の幅wがドリル直径D比で1/5〜1/4、バックテーパ部42の長さLがD×2/3、バックテーパ部42のバックテーパの割合が1.0〜1.5mm/100mm、ドリル径Dが7.5mm、小径部44の径が7.3mmであって、超硬合金から構成され且つ表面に5μmの前記硬質被膜が施された上記ドリル10を用い、周速が約40m/min(1600min-1)且つ送り量が0.01mm/revという条件に従って、前記複合材料12に穴16を切削した場合には、12個の穴を充分な穴精度で形成できた。因に、図8に示す従来のドリル80、すなわち一様の径を備えるためにバックテーパ部が刃部に設けられていない従来のドリル80によれば複合材料12に1乃至2個の穴しか充分な穴精度で形成できなかった。この従来のドリル80では、切削抵抗が高いので加工穴の直径の拡大が大きく、切削熱によってリキッドシム24の剥離半径で10mm以上にも及んでいたのである。

0022

また、ねじれ溝36のねじれ角θが24.5°、全角θT1およびθT2が100°および60°、一次切れ刃50の最大径dがD×2/3、ランド38のヒール部に形成された面取り面62の角度γが40〜50°、面取り面62の幅wがドリル径Dに対する比で1/4〜1/3、バックテーパ部42の長さLがD×1、バックテーパ部42のバックテーパの割合が1.5〜2.5mm/100mm、ドリル径Dが9.1mm、小径部44の径が8.9mmであって、超硬合金から構成され且つ表面に5μmの前記硬質被膜が施された上記ドリル10を用い、周速が約20m/min(650min-1)且つ送り量が0.05mm/revという条件に従って、前記複合材料14に穴18を切削した場合には、8個の穴を充分な穴精度で形成できた。因に、図8に示す従来のドリル80によれば複合材料14に1個の穴しか充分な穴精度で形成できなかった。

0023

上述のように、本実施例のドリル10によれば、外径が1.0〜2.0mm/100mmの割合で減少するバックテーパ部42が、ドリル径Dに対して0.5〜1.0の割合の軸方向長さLにわたって刃部34の先端部に形成され、且つその刃部34のうちバックテーパ部42に続く部分すなわち小径部44の径が一定に形成されているので、複合材料加工用ドリル10の切削抵抗が好適に低減される。したがって、本実施例によれば、難削材であるβチタン20のスプリングバックに拘わらず、高接触圧下の摺動摩擦が軽減されて複合材料加工用ドリル10の切削抵抗が好適に低減されるので、加工された穴の穴精度が高くなると同時に、摩擦熱が少なくなって加工変質層の厚みが抑制される。また、難削材であるβチタンの切削や、カーボン繊維の含有率の高いCFRP22の切削においても、上記のように高接触圧下の摺動摩擦が軽減される結果、切れ刃が摩耗し難くなってドリルの寿命が長くされるので、CFRP22側の穴の出口においてカーボン繊維が毛羽立つということも好適に解消される。

0024

ここで、上記バックテーパ部42においてシャンク部30に向かって減少する径の割合が1.0mm/100mm未満となると、βチタン20のような難削材のスプリングバックのために加工穴の内周面とバックテーパ部42および刃部のうちのそれに続く部分とが高い接触圧で摺接するので、切削抵抗軽減効果が得られ難くなる。また、上記バックテーパの割合が2.0mm/100mmを超えると、刃部34のうちのバックテーパ部42に続く小径部44の強度が低下し、工具性能が劣化する。

0025

また、上記バックテーパ部42の軸方向寸法Lがドリル径Dの0.5未満となると、上記バックテーパの割合が1.0mm/100mm 未満となったときと同様に、βチタンのような難削材のスプリングバックのために加工穴の内周面とバックテーパ部42および刃部のうちのそれに続く部分とが高い接触圧で摺接するので、切削抵抗軽減効果が得られ難くなる。反対に、上記バックテーパ部42の軸方向寸法Lがドリル径Dの1.0を超えると、上記バックテーパの割合が2.0mm/100mmを超えたときと同様に、刃部34のうちのバックテーパ部42に続く部分の強度が低下し、工具性能が劣化する。

0026

また、本実施例のドリル10の先端には、一次切れ刃50および二次切れ刃52が設けられ、且つ切りくず破断用のニック54が設けられていることから、一次切れ刃50および二次切れ刃52から発生した切りくずが分断されるので、難削材であるβチタン20を能率よく切削でき、耐久寿命が一層延長される利点がある。

0027

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

0028

たとえば、前述の実施例の面取り面62は、平坦面であったが、R状すなわち凸状の曲面であってもよい。

0029

また、前述の複合材料12および14は、インコネルなどの耐熱合金板材がβチタン20に替えて用いられてもよいし、ケプラーなどの繊維により強化されたプラスチック板材がCFRP22に替えて用いられてもよい。また、上記複合材料12および14は、アルミニウムリチウム合金シートアミラド繊維層とが交互に積層されたものなどであってもよい。

0030

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨を逸脱しない範囲において種々変更が加えられ得るものである。

図面の簡単な説明

0031

図1本発明の一実施例のドリルを示す側面図である。
図2図1の実施例の先端を拡大して示す図である。
図3図1の実施例のドリルの先端面を示す図である。
図4図1のIV−IV断面図である。
図5図1の実施例のドリルの後端面を示す図である。
図6図1の実施例のドリルが穴加工を行うための複合材料の構成を示す断面図である。
図7図1の実施例のドリルが穴加工を行うための複合材料の他の例の構成を示す断面図である。
図8従来のドリルの構成を説明する図である。

--

0032

10:ドリル
12,14:複合材料
16,18:穴
30:シャンク部
32:リーディングエッジ
34:刃部
36:ねじれ溝
42:バックテーパ部
44:小径部
50:一次切れ刃
52:二次切れ刃

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