JP2014069246A - ドリル及び穴明け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】重ね板や厚い材料の穴明け加工に適用できながら、所要の穴径に達するまでの加工ステップ数を少なくでき、また工具寿命が長く、加工精度にも優れるドリル及び重ね板の穴明け方法を提供する。
【解決手段】ボディー１０の先端にボディ１０よりも径小で同心に突設されたパイロット軸部２０を有する。パイロット軸部２０は軸主体部２１とその軸主体部２１の先端に位置する先端平坦面２２と軸主体部２１の外周面及び先端平坦面２２との間に位置する所定の先端角βの先端テーパー面２３とを備える。ボディ１０には、外周面に奇数本のねじれ溝１１と、外周面からパイロット軸部２０に至る領域に所定の先端角αで形成されたボディ先端面１２に３枚の切り刃１３が設けられている。パイロット軸部２０には、軸主体部２１の外周面から先端テーパー面２３にかけてねじれ溝１１に連なった補助ねじれ溝２４と、先端テーパー面２３に補助切り刃２６とが形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、厚い板材の深穴加工や合わせ板材の穴明け加工に適するドリルに関する。

例えば、航空機製造の現場では、航空機用の高硬度アルミニウム合金からなる構造材や厚い合わせ板材に手作業によって多数の穴明け加工を施す。この場合、ドリルとしては、二枚刃の段付きダブルマージンドリルが使用されている。二枚刃のダブルマージンドリルは例えば特許文献１に示すような構造で、２カ所のマージンの存在により、穴の内周面の平滑性が高く、優れた穴加工精度が得られるという利点が知られている。また、先端に径小なドリルを突設した段付きタイプとするのは、特に航空機用材料においてワークに切削歪みが残留することは厳格に排除されねばならず、そのために１回の穴明け加工による切削代（段付きドリルにおける先端側径小部の外形寸法と、基端側径大部の外形寸法との差に相当する）を小さく抑えて徐々に穴径を拡大してゆく必要があるためである。

しかしながら、段付き二枚刃ダブルマージンドリルは、本来的に二枚の切り刃のみで切削を行ってゆくから、切削抵抗が高く、１回の穴明け加工の切削代を大きくすることができない。このため、最終的に所望の穴径に達するまでに多くの加工ステップ数を必要とする。また、切削抵抗が大きいことは、切り刃の摩耗量が大きいことにもなるから、工具寿命が短く、ドリル１本当たりの加工穴数を多くすることができない。

さらには、二枚刃ドリルは、切り屑を排出するためのねじれ溝は２本であり、所定体積の切り屑を排出するためにねじれ溝は比較的深くしなくてはならず、実質的な軸径が細くなる。このことは、ドリルの剛性が低くなることを意味し、深穴加工時にドリルが撓んで、穴が途中で僅かに曲がってしまう可能性が高くなる。しかも、二枚刃ドリルは、アルミニウム合金を加工する場合には、切り屑が長く連なってねじれ溝内で詰まり、穴の内周面やワークの表面に傷を付けたり、ワークに比較的大きなバリを発生させるという問題があり、穴加工精度を低下させるという問題もあった。

これらの問題を解決するには、三枚刃ドリルとすることも考えられるが、そもそも高硬度のアルミニウム合金のワークに対して三枚刃ドリルを使用することは、当業者における工具選択の常識に反する。なぜなら、三枚刃ドリルは、切り刃を設けられない先端のチゼルが二枚刃ドリルに比べて大きくなるため、ワークに対する食い付きが悪く、高硬度のアルミニウム合金では孔加工の位置精度が低下したり、ドリルが傾いて進入したりすることが懸念される。また、アルミニウム合金は鉄鋼に比べて熱膨張率が大きいため、切り屑の円滑な排出が必須であるところ、三枚刃ドリルはで切り屑排出用のねじれ溝の深さが十分にとれず、切り屑の排出性が劣ることが知られているからである。

特開２００６−２０５２７２公報

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、重ね板や厚い材料の穴明け加工に適用できながら、所要の穴径に達するまでの加工ステップ数を少なくでき、また工具寿命が長く、加工精度にも優れるドリルを提供することを目的とする。

本発明のドリルは、ボディーの先端に前記ボディよりも径小で同心に突設されたパイロット軸部を有する。そのパイロット軸部は軸主体部と、その軸主体部の先端に位置する先端平坦面と、軸主体部の外周面及び先端平坦面との間に位置する所定の先端角の先端テーパー面とを備える。一方、前記ボディには、外周面に奇数本のねじれ溝と、外周面から前記パイロット軸部に至る領域に所定の先端角で形成されたボディ先端面に前記ねじれ溝に隣接する奇数枚の切り刃とが設けられている。そして、前記パイロット軸部には、軸主体部の外周面から先端テーパー面にかけてねじれ溝に連なった補助ねじれ溝と、先端テーパー面に補助ねじれ溝に隣接する補助切り刃とが形成されている。

本発明のドリルによれば、３或いは５枚等の奇数枚の切り刃と、それに対応した奇数本のねじれ溝を有するドリルとなり、そのドリルの先端にパイロット軸部が設けられ、かつ、そのパイロット軸部の先端テーパー面に補助切り刃が設けられていることになる。奇数枚数の切り刃のドリルでは、例えば３枚刃ではマージンの位置が１２０°の角度間隔で配置されることになり、二枚刃等の偶数刃ドリルに比べて振れが少なく、より真円に近く高精度な穴明け加工を行うことができる。また、切り屑の排出路となるねじれ溝の本数も多くなるから、そのねじれ溝の深さを浅くでき、結局、ドリルの軸剛性が高くなり、撓みが減少してドリルの直進性が向上し、ひいては深穴でも直線性が良い穴明け加工が可能である。また、ワークが高硬度アルミニウム合金であっても、従来の二枚刃ダブルマージンドリルのように切り屑が一連に連なることがなく、粉々に分断されて排出されるから、切り屑による穴内周面の傷付きが少なく、その面からも穴明け精度の向上が可能になる。

さらには、従来の二枚刃ダブルマージンドリルに比べて切り刃が多い分、効率的に切削を行うことができるから、下穴からの穴径の拡大代をより大きくすることができ、それにより所要の穴径に達するまでの加工ステップ数を少なくでき、その上に、切り刃の１回当たりの摩耗量が少なくなるから、ドリル１本当たりの穴加工数を格段に増加させることができる。

上記のように本発明のドリルは、二枚刃ダブルマージンドリルに比べて優れた切削性能を発揮する一方で、三枚刃以上の多数刃ドリルでは、高硬度ワークへの食い付きが悪くなって穴明け加工の位置精度が低下することが懸念される。しかし、本発明のドリルは、先端部がパイロット軸部の平坦面部となっているから、段付きドリルとは全く相違して自ら第１回目の穴明けを行うことができず、下穴を必要とする。このことは、かえって下穴形成用のドリルには、食い付きが良い二枚刃ドリルを使用することになり、高い位置精度で下穴を形成できることになる。そして、本発明のドリルでは先端にパイロット軸部を有するから、あらかじめ高精度で形成した下穴にパイロット軸部を挿入してドリル作業を行うことになるため、結局、最終的に形成される穴の位置精度は高く維持することができる。

この発明において、パイロット軸部における先端角は、ボディにおける先端角と同程度に設定されることが好ましい。そのようにすると、ドリルの製造が容易になるからである。なお、パイロット軸部における先端テーパー面の先端角は６０°以上であることが最も好ましい。

一方、複数枚の単位板を重ね合わせてなる重ね板に穴明け加工を行う場合、上記の本発明のドリルを使って次のように作業を行うことができる。まず、ワークである重ね板に所定の径寸法の下穴を形成する（下穴形成工程）。この場合には、本発明のドリルではなく、下穴を高い位置精度で形成できるドリルを使うことが好ましい。この下穴形成工程では、各単位板のドリル貫通先側の面にバリが発生することがあるため、重ね板を分離して単位板のバリを除去するバリ取り工程を行う。そして、バリ取り後の単位板を再組立して形成した下穴が繋がった重ね板を構成し（再重ね工程）、再組立した重ね板の下穴に本発明のドリルのパイロット軸部を挿入してボディーに形成されている切り刃によって穴を空け進める（穴拡張工程）。このとき、再重ね工程における組立誤差によって各単位板の位置がずれた場合には、下穴の内周面が段付き状にずれていることがあり得るが、本発明のドリルのパイロット軸部には外周部に補助切り刃が形成されており、その補助切り刃に隣接する補助ねじれ溝がボディのねじれ溝に連なっているから、補助切り刃によって下穴の段付き状の内周面が切削され、パイロット軸部の下穴貫通、ひいてはボディの切り刃による穴明け作業には影響がなく、途中で進行が止まることなく穴明け作業を完了させることができる。

なお、本発明のドリルによって穴拡張工程を行った後に、バリ取り工程及び再重ね工程を繰り返し、その穴を下穴としてより太い本発明のドリルを利用して穴拡張工程を繰り返すことで、ステップ的に穴を広げて必要な寸法の穴を空けることができる。

以上述べたように、本発明によれば、重ね板や厚い材料の穴明け加工に適用できながら、所要の穴径に達するまでの加工ステップ数を少なくでき、また工具寿命が長く、加工精度にも優れるドリル及び重ね板の穴明け方法を提供することができる。

本発明の一実施形態のドリルを示す側面図 ドリルの先端部を拡大して示す拡大側面図 ドリルの先端部を拡大して示す正面図 ドリルの先端部を拡大して示す拡大側面図 本発明に係る重ね板の穴明け方法の下穴形成工程を示す断面図 下穴形成工程の完了後の状態を示す断面図 バリ取り工程を示す断面図 穴拡張工程を示す断面図 穴拡張工程の完了後の状態を示す断面図 ２回目の穴拡張工程を示す断面図 穴拡張工程における単位板のズレ発生状況を示す断面図

本発明の実施形態を図１ないし図１１によって説明する。

本実施形態のドリル１は、所定の直径を有するボディ１０の先端に、そのボディ１０よりも径小のパイロット軸部２０を同心に突設した形状で、鋼製又は超硬合金製の丸棒を切削して製造してある。

ボディ１０には、外周面に奇数、例えば３本のねじれ溝１１が所定のリード、ねじれ角及び溝長で形成されている。ボディ１０の外周面からパイロット軸部２０の軸主体部２１の基端部に連なるボディ先端面１２は、軸主体部２１の基端部の周りを環状に取り巻くように位置しているが、前記ねじれ溝１１によって３分割された状態となっている。そのボディ先端面１２は、所定の先端角α（図４参照）を有する先細のテーパ状をなしており、この実施形態の場合、先端角αは例えば１１８°に設定してあるが、ドリルの強度及び切削効率から適切な値を選定すればよい。ボディ先端面１２には、各ねじれ溝１１に隣接して合計３枚の切り刃１３が形成してあり、それにボディ１０の外周面側に連続してボディ１０の最外周面に相当してその直径を決めているマージン１４がねじれ溝１１に沿って形成されている。

パイロット軸部２０は、直円柱状をなして基端がボディ１０の先端に一体に連なる軸主体部２１と、その軸主体部２１の先端に位置する先端平坦面２２と、軸主体部２１の外周面及び前記先端平坦面２２の間に位置する先端テーパー面２３を備える。先端テーパ面２３の先端角β（図４参照）は、この実施形態では一例として９０°に設定してあるが、切削性を考慮すると、６０°以上の範囲とすることが好ましい。また、前記ボディ１０におけるボディ先端面１２の先端角αと同程度としておくことが、ドリルの製造上好ましい。

上記の先端テーパー面２３は先端平坦面２２の外周を環状に取り巻くように位置しているが、後述する３本の補助ねじれ溝２４によって３カ所に分断された状態にある。

そして、前記パイロット軸部２０には、軸主体部２１の外周面に、ボディ１０のねじれ溝１１に同じねじれ角で連続して補助ねじれ溝２４が形成されており、前記先端テーパ面２３に補助ねじれ溝２４に隣接する補助切り刃２６が形成されている。補助ねじれ溝２４は、各ねじれ溝１１に連続しているから、３本形成されており、従って補助切り刃２６も、切り刃１３と同数の３枚が形成されている。なお、この補助切り刃２６の切り代は、例えば０．３ｍｍとなるように設定されている。補助切り刃２６の切り代は自由に設定することができるが、大きく設定するとパイロット軸部２０の軸方向の有効寸法が短くなってパイロット軸部２０によるガイド性が低下するという問題を生ずる。

さて、上記のドリル１を使用した、例えば航空機用の高強度アルミニウム合金製の重ね板３０の穴明け方法について説明する。図５に示した重ね板３０は、２枚の単位板３１をボルト（図示せず）によって密着状態に積層した材料である。まず、この重ね板３０に下穴形成用のドリル３２によって、図６のように所定寸法の下穴３３を形成する（下穴形成工程）。この下穴形成用のドリル３２は、食い付きが良くて位置精度を出しやすい二枚刃のドリルを用いることが好ましい。

次に、上記ボルトを外し、図７に示すように重ね板３０を分離し、各単位板３１に生じたバリ３４をカウンターカッター等の適切な工具によって除去する（バリ取り工程）。そして、バリの除去後、各単位板３１を再び下穴３３が連続するように位置合わせして重ね合わせてボルトで固定し（再重ね工程）、上記の本実施形態のドリル１を使用して穴拡張工程を実行する。すなわち、図８に示すようにドリル１において、パイロット軸部２０の外径寸法は下穴３３の内径とほぼ同一のものを使用し、そのパイロット軸部２０を下穴３３に嵌め込んで穴明け作業を行う。ドリル１を回転させて押し込めば、ボディ１０の先端に設けられている切り刃１３によって下穴３３の内周面が切削され、ボディ１０の外径寸法まで穴径が拡がる。

このとき、ドリル１はパイロット軸部２０により切り込み位置が確実に決められており、かつ、パイロット軸部２０と下穴３３との嵌合によって進行方向が直線的にガイドされるから、図９に示すように正確な位置に真っ直ぐな穴３５を明けることができる。また、本実施形態のドリル１は、３枚の切り刃１３を有するいわゆる三枚刃ドリルであるから、マージン１４の位置が１２０°の角度間隔で配置されてドリル１がいわゆる三点支持された状態になり、二枚刃ドリルに比べて振れが少なくなる。従来の二枚刃ダブルマージンドリルでは、二点支持構造のためにドリルが縦に振れ、穴が長円形になりやすいという傾向があったところ、本実施形態では、より真円に近い高精度な穴明け加工を行うことができた。

また、切り屑の排出路となるねじれ溝１１が３本と多くなるから、そのねじれ溝１１の深さを浅くでき、結局、ドリル１の軸剛性が高くなり、撓みが減少してドリルの直進性が向上し、ひいては深穴でも直線性が良い穴明け加工が可能である。また、高硬度アルミニウム合金に穴明けを行う場合でも、従来の二枚刃ダブルマージンドリルのように切り屑が一連に連なることがなく、粉々に分断されて排出されるから、切り屑による穴３５の内周面の傷付きが少なく、その面からも精度の高い穴明け作業が可能である。

上記のようにドリル１により穴３５を明けた後、更にその穴径を広げるには、上記のバリ取り工程、再重ね工程及び更に大径のドリル１を使用した穴拡張工程とを段階的に繰り返せば、所望の穴径まで広げることができる。この場合、本実施形態のドリル１では、従来の二枚刃ダブルマージンドリルに比べて多い３枚の切り刃１３を有するから、その分、１回の穴明け作業での切削を効率的に行うことができる。この結果、各ステップでの穴径の拡大代をより大きくすることができるから、結局、所要の穴径に達するまでの加工ステップ数を従来よりも少なくでき、作業効率が高い。また、本実施形態のドリル１では、切り刃１３の枚数が従来ドリルの１，５倍に相当することから、１ステップ当たりのドリル１の摩耗量は少なくなり、ドリル１本当たりの穴加工数を格段に増加させることができた。

さて、再重ね工程では、各単位板３１の重ね位置にずれが発生し、図１１に示すように下穴３３の内周面が段付き状にずれてしまうことがある。本実施形態で説明する重ね板３０では、組付けの誤差（公差）は例えば０．２ｍｍが予定されており、このようなズレが発生した場合、パイロット軸部２０に補助切り刃２６を設けていないと、パイロット軸部２０の先端が下穴３３の段差部３６に突き当たり、それ以上のドリル１の進行が妨げられることがある。

これに対して、本実施形態では、パイロット軸部２０の先端平坦面２２の外周部に先端テーパ面２３を設け、ここに補助切り刃２６を形成しているから、単位板３１相互のズレに起因する段差部３６が発生していたとしても、その段差部３６は補助切り刃２６によって削り取られ、そのまま真っ直ぐに穴明けを継続することができる。従って、複数枚の単位板３１を積層して構成した重ね板３０に対して、下穴形成工程と、バリ取り工程と、再重ね工程と、穴拡張工程とを順に実行することとして単位板３１のズレが不可避である穴明け作業であっても、支障なく穴明け作業を完遂することができる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

（１）上記実施形態に例示したボディ１０における先端角α及びパイロット軸部２０における先端角βは一例であり、本発明はこれらに限定されるものではない。

（２）上記実施形態では３枚刃のドリル１を例示したが、５枚刃としてもよい。奇数の刃数とすると、マージンが全周に対して奇数で均等配置され、振れ止めに効果的だからである。

（３）上記実施形態では重ね板の穴明け作業を例示したが、本発明のドリルではワークが重ね板に限定されるものではない。例えば、５Ｄ程度或いはそれ以上の深穴加工を行う場合でも、穴の直線性は重要であり、軸剛性が高くて撓みの少ない本発明のドリルはそれに最適だからである。

１０…ボディ
１１…ねじれ溝
１２…ボディ先端面
１３…切り刃
１４…マージン
２０…パイロット軸部
２１…軸主体部
２２…先端平坦面
２３…先端テーパー面
２４…補助ねじれ溝
２６…補助切り刃
３０…重ね板
３１…単位板

Claims (3)

1. ボディーの先端に前記ボディよりも径小で同心に突設されたパイロット軸部を有し、
   前記パイロット軸部は軸主体部とその軸主体部の先端に位置する先端平坦面と前記軸主体部の外周面及び前記先端平坦面との間に位置する所定の先端角の先端テーパー面とを備えており、
   前記ボディには、外周面に奇数本のねじれ溝と、前記外周面から前記パイロット軸部に至る領域に所定の先端角で形成されたボディ先端面に前記ねじれ溝に隣接する奇数枚の切り刃が設けられ、
   前記パイロット軸部には、前記軸主体部の外周面から前記先端テーパー面にかけて前記ねじれ溝に連なった補助ねじれ溝と、前記先端テーパー面に前記補助ねじれ溝に隣接する補助切り刃とが形成されているドリル。
2. 前記パイロット軸部における前記先端角は、６０°以上に設定されていることを特徴とする請求項１記載のドリル。
3. 複数枚の単位板を重ねた重ね板にドリルによって穴を空ける方法であって、
   
   前記重ね板に所定の径寸法の下穴を形成する下穴形成工程と、
   前記下穴形成後の前記重ね板を分離して前記単位板のバリを除去するバリ取り工程と、
   前記単位板を再組立して前記重ね板を構成する再重ね工程と、
   前記再組立した前記重ね板の前記下穴に請求項１のドリルを使用して穴を空ける穴拡張工程と、
   とを順に実行する重ね板の穴明け方法。

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