JP4976181B2 - スローアウェイドリルのチップ配置方法 - Google Patents

Description

この発明は、切れ刃が複数個のスローアウェイチップで構成されるスローアウェイドリル、詳しくは、切削性能が安定し、穴出口のばりの発生も抑制されるスローアウェイドリルの安定した切削性能をドリル径変更後も維持可能となすチップ配置方法に関する。

金属の穴あけに用いるスローアウェイドリルの中に、下記特許文献１、２などに開示されたものや、図１６、図１７に示すようなものがある。

これらのドリルは、中心にクランプ穴を有する板状スローアウェイチップ５（符号は図１６、図１７を参照）を２個組み合わせて使用し、そのスローアウェイチップ５をドリル本体１の先端にドリル中心からの設置距離を異ならせて、かつ、設置点の位相をドリル周方向に１８０°異ならせて配置し、ドリル内径側に配置されるスローアウェイチップで中心刃８を、ドリル外径側に配置されるスローアウェイチップで外周刃９をそれぞれ形成している。

この種のドリルは、同一仕様のスローアウェイチップを使用してドリル径を変更する場合（外径の異なるドリルを作る場合）、図１８に示すように、中心刃８を固定し、外周刃９を径方向に移動させてドリル径（図の１／２Ｄはドリル半径を表す）を変化させる方法が一般的に採られている。

また、各刃のワークに対する食いつきは、中心刃８の中央部や外周刃９の中央部からなされるようにするのが一般的である。
特許第２７０４９１７号公報 特開平１１−２３５６０６号公報

特許文献１が開示しているような従来のスローアウェイドリルは、ワークに対する食いつきが中心刃や外周刃の中央部から起こるため、食いつき時の切削抵抗（水平分力）が安定せず、これが原因で加工穴の食いつき側では入口穴径のばらつき、面粗度の悪化などの問題が発生する。また、貫通穴加工の場合、穴貫通時の切削バランスが悪化し、出口穴径のばらつきや面粗度悪化などの問題も発生する。穴貫通時に外径側の切り抜けが遅れて外径側から内側に向かって押す力が働くため、穴出口側では穴径が縮小傾向となり、そのドリルを加工した穴から引き抜くときに、穴の内面にいわゆる戻りマークがつきやすい。これに加えて、穴貫通時にばりが発生し易い。外径側の切り抜けが遅れることによって切り抜けが遅れた位置に薄くて切れ難い肉が残り、それが切り残されてワークＷに加工された穴１１出口の縁に図１９に示すようなばり１２が発生する。

また、上記の従来法によるドリル径変更では、中心刃が固定され、外周刃のみが径方向に移動する。そのために、中心刃と外周刃の切削負担率（図１８のＡ：Ｂ）が外周刃の移動の前後において変化し、これに伴う切削バランスの変動によってドリル性能（加工穴径や切削抵抗など）のばらつきが起こる。

この発明は、切れ刃が複数個のスローアウェイチップで構成されるスローアウェイドリルを、安定した性能が発揮されて入口穴径、出口穴径の精度が向上し、穴出口のばりの発生も抑制されるようにすること、及び、ドリル径変更後も安定した切削性能が維持されるようにすることを課題としている。

上記の課題を解決するため、この発明においては、ドリル径を変更したときの切削性能の変動をなくするために、ドリル本体の先端のドリル周方向に半周した位置に第１、第２の２個のスローアウェイチップをドリル中心からの設置距離を異ならせて配置し、
ドリル外径側に配置される第２スローアウェイチップをドリル内径側に配置される第１
スローアウェイチップよりも軸方向前方に突出させてワークに対する食いつきが第２スローアウェイチップの外端コーナ部から起こるようにし、さらに、前記第１スローアウェイチップによって形成される中心刃の切削負担量Ａと第２スローアウェイチップによって形成される外周刃の切削負担量Ｂの割合をＡ：Ｂ＝５２：４８〜５５：４５の範囲に設定し、
以上の構成としたスローアウェイドリルの外径を変更する際に、第２スローアウェイチップと第１スローアウェイチップの位置を共に変化させて前記中心刃と外周刃の切削負担量の比率Ａ：Ｂ＝５２：４８〜５５：４５をドリル径変更後も維持するチップ配置方法を提供する。

この発明のチップ配置方法によれば、ドリル径が変わっても中心刃と外周刃の切削負担量の割合が変更前と同じ値に維持されるので、切削負担量の割合の変動に起因した性能変化が防止され、ドリル径変更後も安定した切削性能が発揮されて加工穴精度のばらつきが抑制される。

また、第１スローアウェイチップで中心刃を、第２スローアウェイチップで外周刃をそれぞれ形成し、中心刃の切削負担量Ａと外周刃の切削負担量Ｂの割合をＡ：Ｂ＝５２：４８〜５５：４５の範囲に設定したので、切削時のスラスト、水平分力が小さく抑えられて切削の安定性が高まる。

また、同一仕様の平行四辺形のチップを採用してそのチップの長辺の稜線と短辺の稜線で中心刃と外周刃をそれぞれ形成するものは、使用するスローアウェイチップの種類が統合されて経済効果が高まる。

以下、この発明の実施の形態を、添付図面の図１〜図６に基づいて説明する。図１〜図５は、この発明を適用するスローアウェイドリルの具体例を示している。このドリル１０は、ドリル本体１と、そのドリル本体の先端外周に装着する２個のスローアウェイチップ５_−１，５_−２（付加記号の_−１、_−２は区別の便宜上付した）と、各スローアウェイチップ５_−１，５_−２をドリル本体１に着脱自在に固定するクランプねじ７とで構成されている。

ドリル本体１は、外周に切屑排出用の２条の溝２を有し、さらに、先端のドリル周方向に半周した位置にチップ座３，３を有する。溝２はストレート溝も考えられるが、例示のドリルではねじれ溝を採用しており、また、チップ座３，３は、回転中心Ｏからの距離を異ならせた位置に設けられている。

スローアウェイチップ５_−１，５_−２は、中心にクランプ穴６を設けた平行四辺形のチップであり、同一仕様（同一形状、同一寸法）のチップが採用されている。この２個のスローアウェイチップ５_−１，５_−２が、ドリル本体１の先端に設けたチップ座３，３に装着され、クランプねじ７によってドリル本体１に固定されている。

一方のスローアウェイチップ（第１スローアウェイチップ）５_−１は、ドリル本体１の中心側に回転中心Ｏを越える状態に配置されており、このチップ５_−１の鈍角コーナのひとつを含む長辺の稜線によってドリルの中心刃８が形成されている。また、他方のスローアウェイチップ（第２スローアウェイチップ）５_−２はドリル本体１の外周部に配置されており、このチップ５_−２の鋭角コーナのひとつを含む短辺の稜線によってドリルの外周刃９が形成されている。

その中心刃８と外周刃９は、図１、図２に示すように、共に径方向外端側が軸方向前方に突出する方向に傾いた刃として形成されて図４に示すように、外周刃９が中心刃８よりも軸方向前方にｈ突出するように配置されており、そのために、ワークに対するドリルの食いつきと貫通穴加工時のドリルの切り抜けが共に外周刃９の外端コーナ部９ａの位置から起こる。それによって、食いつき当初の水平分力の変動が小さくなり、切削バランスの崩れが抑制されて入口穴精度のばらつきが抑制される。また、貫通穴の加工では、穴の外径側が先に切り抜けるため、出口穴径の縮小傾向がなくなり、ばりも発生し難くなる。なお、中心刃８に対する外周刃９の突出量ｈは、外周刃９の外端コーナ部９ａがワークに食いついてからドリルが１回転するまでの間に中心刃８がワークに食いつくように設定すると食いつき当初の回転バランスの崩れが起こり難い。その突出量ｈは、ドリルの使用時の送り量を考慮して適正な値に設定するとよい。

図６に示す中心刃８の切削負担量Ａは外周刃９の切削負担量Ｂよりも大きい。図６の１／２Ｄはドリル半径を表す。中心刃８の切削負担量Ａと外周刃９の切削負担量Ｂの割合は、Ａ：Ｂ＝５２：４８〜５５：４５の範囲に設定されており、この割合は、ドリル径に関係なく固定され、ドリル径を変更するとき（同一仕様のチップを使用して外径の異なるドリルを作るとき）にも同一割合での設定がなされる。

ドリル径の変更は、中心刃８と外周刃９を形成するスローアウェイチップ５_−１，５_−２の相対位置を、図６（ａ）から図６（ｂ）のように、或いは図６（ｂ）から図６（ａ）のように変化させて変更し、そのときに各刃の切削負担量Ａ、Ｂの比率がドリル径変更後も維持される位置にスローアウェイチップを配置する方法でなされる。図６（ａ）、（ｂ）のように、外周刃９だけでなく中心刃８の固定位置も変えるようにすることで、ドリル径の選択範囲を広げることができる。

設置点を変更した２個のスローアウェイチップ５_−１，５_−２を、ドリル本体（これは径変更前のドリル本体とは仕様が異なる）に装着して外径の異なるドリルを作成する。そのドリルは、中心刃の切削負担量Ａと外周刃の切削負担量Ｂの割合がドリル径を変更する前と同じになるように設定されているので、切削負担量の割合の変化に起因した切削性能の変動は起こらない。

図６のように、中心刃８と外周刃９として同一仕様の平行四辺形のスローアウェイチップを使用する場合、切削負担量の大きい中心刃８に長辺の稜線を、切削負担量の小さい外周刃９に短辺の稜線を各々割り当てるとよい。これにより、径の異なるドリルに対して、同一仕様のスローアウェイチップを対応させることが可能になる。このときのスローアウェイチップの形状は、短辺の稜線の長さに対して長辺の稜線の長さを１．１倍程度にすると、中心刃と外周刃の最適長さの比率を保ちつつ幅広く径展開を行なうことができて好ましい。

例示のドリル１０の切屑排出用の溝２（ねじれ溝）は、ドリル本体１の周囲をほぼ１／４周する溝にし、図５（ａ）のドリル端面視において、各ねじれ溝の終端の切れ上がり開始点２ａ（その開始点の溝幅方向中心点）を、外周刃９から周方向にα＝８５〜９５°回転した位置に設定してあり、そのために、ドリル本体１の２箇所のランド部４の終端がドリルの正面視においてチップ設置部のドリル軸方向後方、すなわち、穴加工時に水平分力が作用する方向の両側に位置してその位置にドリル本体の肉が残され、これにより、ドリル本体１の根元側の水平分力に耐える方向の強度が確保され、水平分力によるドリル本体の振れが小さく抑えられる。

なお、例示のドリル１０は、中心刃８と外周刃９の回転中心と直角な線に対する傾き角θ（図１、図２参照）を共に５°としたが、この角度は外周刃の半径方向すかし角β（図６（ａ）参照）が０°とならない範囲で任意に設定することができる。

また、中心刃８の半径方向すくい角γ１を−５°、外周刃９の半径方向すくい角γ２、
を＋５°に設定したが、その半径方向すくい角は切れ味やチップの耐久性に支障の出ない範囲で任意に変更してよい。

さらに、中心刃８は、直線である必要はなく、例えば、径方向途中が軸方向前方に突き出す山形の刃などであってもよい。

このほか、スペース的な問題がなければスローアウェイチップを３個、或いはそれ以上組み合わせて切れ刃を構成しても構わない。

−実施例１−
中心刃の切削負担量Ａと外周刃９の切削負担量Ｂの割合を、Ａ：Ｂ＝５２：４８〜５５：４５としてドリル径を変更するときにもその割合を維持することの有効性を確認するために、直径Ｄ＝１８．５ｍｍ、２０．０ｍｍ、２２．５ｍｍの３種類のドリル（いずれも図１〜図５に示す形状）を使用して以下の実験を行った。
実験は、各ドリルについて、外周刃に対する中心刃の切削負担量の割合を５０％にした試料Ｉ、５２．５％にした試料II、５５．０％にした試料IIIをそれぞれ準備し、以下の条件で穴あけを行ってそのときのスラストと水平分力を、キスラー動力計を使用して測定した。また、送りを変えたときのドリル径の実測値と加工された穴の入口径、中間径（深さ方向中間点の径）、出口径をそれぞれ求めた。
−切削条件−
ワーク材質：Ｓ５０Ｃ
切削速度Ｖ＝１７５ｍ／ｍｉｎ
送りｆ＝０．０８ｍｍ／ｒｅｖ及びｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
湿式切削

この試験の結果を、図７〜図１２に示す。図７〜図９は、試料Ｉ〜IIIに関するｆ＝０．０８ｍｍ／ｒｅｖのときとｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖのときのスラストＳと水平分力Ｆを表している。
また、図１０〜図１２は、試料Ｉ〜IIIに関するｆ＝０．０８ｍｍ／ｒｅｖのときとｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖのときのドリル径の実測値と加工された穴の径をそれぞれ表している。

図７〜図９のデータからわかるように、中心刃の切削負担量Ａの割合を５２．５％にした試料IIは、Ａの値を５０．０％にした試料Ｉや５５．０％にした試料IIIに比べてスラストＳと水平分力Ｆが明らかに小さくて安定している。また、試料IIは、図１０〜図１２のデータからわかるように、送り量変更に伴うトルク変動に対して送り量変更前後の穴径の変化の傾向も近似しており、試料Ｉ、IIIよりも切削性能が安定していることがわかる。

−実施例２−
直径Ｄ＝２０ｍｍの図１〜図５に示す形状のドリル（発明適用品）と、同一外径の比較ドリル（住友電工ハードメタル社製 ＷＤＳ２００Ｍ３Ｓ２５ その刃先形状は図１３を参照）を使用して以下の条件で穴あけを行い、この実験における食いつき時の水平分力Ｘ、Ｙをキスラー動力計で測定した。
−切削条件−
ワーク材質：ＳＣＭ４１５
切削速度Ｖ＝１３０ｍ／ｍｉｎ
送りｆ＝０．１０ｍｍ／ｒｅｖ
加工穴：深さｄ＝５０ｍｍの貫通穴
湿式切削

この試験で得られたデータを図１４に示す。発明適用品のドリルは、ワークに対する食いつき時の水平分力Ｘ、Ｙが比較品に比べて小さく、その分力の変動も少ない。

また、送りｆ＝０．１０ｍｍ／ｒｅｖの条件と、ｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖの条件（その他の条件は変化なし）でのドリル径の実測値に対する加工穴の入口径、中間径、出口径の変化状況を調べた。その結果を図１５に示す。比較品は送りが変化したときの穴径変動が大きく、送りｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖでの穴出口径の縮小傾向も顕著であるが、発明適用品は送り量が変化しても穴径の変化傾向が安定しており、また、穴出口径の縮小傾向が殆ど生じていない。

−実施例３−
実施例２で用いた発明適用品のドリルと比較ドリルを使用して以下の条件で貫通穴の加工を行い、加工された穴の出口側（切り抜け側）におけるばりの発生状況を調べた。
−切削条件−
ワーク材質：ＳＵＳ３０４
切削速度Ｖ＝１４０ｍ／ｍｉｎ
回転数Ｎ＝１７８３ｍｉｎ^−１
送りｆ＝０．１０ｍｍ／ｒｅｖ及びｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
加工穴：深さｄ＝５０ｍｍの貫通穴
湿式切削

その結果を以下に比較して示す。
送りｆ＝０．１０ｍｍ／ｒｅｖ時の発生ばり高さ（図１９のｓ１）。発明品ドリル：Ｍａｘ０．８０ｍｍ、比較ドリル：Ｍａｘ１．２０ｍｍ
送りｆ＝０．１５ｍｍ／ｒｅｖ時に発生したばりの高さ。発明品ドリル：Ｍａｘ０．９５ｍｍ、比較ドリル：Ｍａｘ１．２０ｍｍ

この試験結果から、切れ刃の径方向外端が先に切り抜けるこの発明のドリルは、ばりの抑制効果も得られることがわかる。

−実施例４−
ドリル本体の外周に設ける切屑排出用の溝を、ドリル本体の周囲をほぼ１／４周するねじれ溝にして各ねじれ溝の終端側切れ上がり開始点を、前記外周刃から周方向に８５〜９５°回転した位置に設定したドリルの性能評価試験を行った。その評価試験は、図２０に示す、タイプ１〜タイプ５の形状の評価ドリル（ドリル径Ｄ＝φ２０．０ｍｍ、Ｌ／Ｄ＝４）を用いて行った。Ｌは有効長さである。

試験は、ドリル本体に負担を与える加工として、いわゆるだるま穴の加工｛図２１（ａ）に示すだるま穴の斜線部の加工｝と、ワークに対する斜め食い付き加工｛図２１（ｂ）の４５°傾斜の面を有するワークに対する穴加工｝を行って、切屑排出用の溝の切れ上がり位置の違いによる加工穴の穴面性状の違いを比較した。
だるま穴加工での加工条件は、ワーク：Ｓ５０Ｃ、切削速度Ｖ＝１３０ｍ／ｍｉｎ、送りｆ＝０．１０ｍｍ／ｒｅｖ、湿式切削である。斜め食い付き加工での加工条件も、だるま穴加工での条件と同一とした。

だるま穴加工で得られた加工面の写真を図２２に、斜め食い付き加工で得られた加工面の写真を図２３にそれぞれ示す。タイプ１〜タイプ５の形状のドリルは、だるま穴加工、斜め食い付き加工のどちらにおいても、切削抵抗値の差はほとんど無かったが、加工面の性状はタイプ３のドリルによるものが他のドリルによるものに比べて良好であった。

だるま穴加工では、タイプ４，５のドリルは加工面全体に擦れ痕が発生し、戻りマークも発生している。その原因は、ドリル本体の剛性が弱く、撓みながらの切削がなされたことにあると推測される。タイプ１のドリルは擦れ痕の発生はないが、戻りマークが発生しており、これも撓みながらの切削になったことが原因と推測される。タイプ２、３のドリルは、若干のビビリ痕、擦れ痕が見られるが、全体的には良好レベルの加工面が得られていると言える。

斜め食い付き加工では、タイプ１，２，４，５のドリルは加工面全体に擦れ痕が発生し、戻りマークも発生している。その原因は、ドリル本体の剛性が弱く撓みながらの切削になったからであると推測される。タイプ３のドリルは若干の擦れ痕が見られるが、全体的には良好レベルの加工面が得られている。

発明適用ドリルの一例を示す側面図 図１のドリルの１８０°回転した位置の側面図 図１のドリルの正面図 図２のドリル先端側を拡大した側面図 （ａ）外周刃とねじれ溝の終端の位置関係を示す正面図、（ｂ）切屑排出用溝の終端を展開して示す断面図 （ａ）中心刃と外周刃の軌跡を示す図、（ｂ）ドリル径変更後の中心刃と外周刃の軌跡を示す図 直径１８．５ｍｍの試作ドリルのスラストと水平分力の測定結果を示す図 直径２０．０ｍｍの試作ドリルのスラストと水平分力の測定結果を示す図 直径２２．５ｍｍの試作ドリルのスラストと水平分力の測定結果を示す図 直径１８．５ｍｍの試作ドリルによる加工穴の内径の変化傾向を示す図 直径２０．０ｍｍの試作ドリルによる加工穴の内径の変化傾向を示す図 直径２２．５ｍｍの試作ドリルによる加工穴の内径の変化傾向を示す図 実施例２で用いた比較ドリルの刃形を示す図 実施例２の試験で得た発明適用ドリルと比較ドリルの水平分力Ｘ，Ｙを比較して示す図 実施例２の試験で得た発明適用ドリルと比較ドリルの加工穴の内径の変化傾向を示す図 改善対象の従来ドリルの刃形の一例を示す図 改善対象の従来ドリルの刃形の他の例を示す図 中心刃と外周刃を同一スローアウェイチップで形成する場合の従来ドリルの外径変更方法を示す図 貫通穴加工で出口穴の縁に発生するばりの説明図 実施例４の評価試験に用いたタイプ１〜タイプ５のドリルの形状を示す図 （ａ）実施例４におけるだるま穴加工の説明図、（ｂ）実施例４における斜め食い付き加工の説明図 だるま穴加工で得られた加工面の写真 斜め食い付き加工で得られた加工面の写真

符号の説明

１ ドリル本体
２ 切屑排出用の溝
２ａ 切れ上がり開始点
３ チップ座
４ ランド部
５_−１，５_−２ スローアウェイチップ
６ クランプ穴
７ クランプねじ
８ 中心刃
９ 外周刃
９ａ 外端コーナ部
１０ ドリル
１１ 加工穴
１２ ばり

Claims (2)

1. ドリル本体（１）の先端のドリル周方向に半周した位置に第１スローアウェイチップ（５_−１）と第２スローアウェイチップ（５_−２）を回転中心（Ｏ）からの設置距離を異ならせて配置し、
   ドリル外径側に配置される第２スローアウェイチップ（５_−２）をドリル内径側にドリルの回転中心を越えて配置される第１スローアウェイチップ（５_−１）よりも軸方向前方に突出させてワークに対する食いつきが第２スローアウェイチップ（５_−２）の外端コーナ部（９ａ）から起こるようにし、さらに、前記第１スローアウェイチップ（５_−１）によって形成される中心刃（８）の切削負担量（Ａ）と第２スローアウェイチップ（５_−２）によって形成される外周刃（９）の切削負担量（Ｂ）の割合をＡ：Ｂ＝５２：４８〜５５：４５の範囲に設定し、
   以上の構成としたスローアウェイドリルの外径を変更する際に、第２スローアウェイチップ（５_−２）と第１スローアウェイチップ（５_−１）の位置を共に変化させて前記中心刃（８）と外周刃（９）の切削負担量の比率Ａ：Ｂ＝５２：４８〜５５：４５をドリル径変更後も維持するようにしたスローアウェイドリルのチップ配置方法。
   
2. ドリル外径を変更する際に、そのドリル外径の変更前後において同一仕様のスローアウェイチップを使用することを特徴とする請求項１に記載のスローアウェイドリルのチップ配置方法。