JPS6260202B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［発明の技術分野］ 本発明は高速度鋼製ドリルに係り、特に、切削
抵抗の増大および切屑の排出機能の低下を抑制し
つつ強度を可及的に高めることができるドリルに
関するものである。 ［発明の技術的背景とその問題点］ 一般鋼材や鋼鉄などの穿孔作業には、従来から
高速度鋼製が使用されてきた。元来、ドリルは穿
孔によつて生成した切屑を自らの溝部を通して孔
の外部へ排出しながら進行していくものである。
この穿孔作業が効率良く行なわれるためには、切
削抵抗が小さいことと、切屑の排出が順調に行な
われることとが要求され、しかも切屑の排出の良
し要しは切削抵抗の増減にも影響を及ぼす。殊
に、穿孔深さが深くなるほど切削抵抗の増大は顕
著となる。 またドリルは、これに作用する切削抵抗に対し
て十分に耐え得る強度が要求される。ところが、
切屑の排出機能を高めるべく溝部の面積を大き
く、かつ、芯厚を小さくすると、切削抵抗、特に
スラストが必然的に小さくなるのであるが、その
反面、強度が不足するというジレンマを有し、こ
れらの関係をうまく調和させなければならない。 またドリルの強度は、その材料自体が有してい
る靭性や弾性の他に、形状に依存する剛性（曲げ
剛性やねじれ剛性）によつても与えられる。 そこで従来のドリルに関して、その強度を支配
する形状について、その切刃端面直視形状を第１
図に示して説明する。 図において破線で示されている部分１が芯厚部
であり、陸部３は溝部２が形成されていない中実
の部分である。すなわちドリルは、周知のごとく
芯厚部１の周囲に、切屑の排出通路となる溝部２
と肉厚部分である陸部３とが螺旋状に巻き付くよ
うに形成されている。したがつて、ドリル直径Ｄ
に対する芯厚部１の直径Ｃの比率（以後、芯厚比
と称し、％表示する。）がドリルの強度に関与
し、また陸部３の周長Ａに対する溝部２の周長Ｂ
の比（以後、溝幅比と称し、Ｂ：Ａで表示す
る。）も同様にドリルの強度に関与する。これら
２つの要素は、ドリルの強度を形状の上で主に支
配する因子と考えることができる。すなわち、芯
厚比が大きく溝幅比が小さいほどドリル強度は増
大するわけである。第２図は、その関係を、芯厚
比および溝幅比のそれぞれの値におけるねじれ剛
性比で示すグラフ図であり、ねじれ剛性比は溝の
ない円形断面の丸棒部材のねじれ剛性を100％と
し、その値との比率で示されている。図におい
て、サンプルイ〜ニは一般的な従来品のドリルの
形状であり、それぞれのサンプルの溝幅比はイと
ハが１：１，ロとニが1.3：１である。また、サ
ンプルホ〜チは芯厚比を大きく溝幅比を小さくし
た例であり、それぞれのサンプルの溝幅比はホと
ヘが0.4：１，トとチが0.8：１である。図示する
ように、当然のことながらサンプルホ〜チが良い
ねじれ剛性比を示し、強度的に優れていることが
明らかである。 しかし、単に芯厚比を大きく溝幅比を小さくす
るだけでは切削抵抗の増大と切屑排出機能の低下
を招くことになり、必然的にこれらの値がとり得
る範囲は限定され、従来の一般的な値は芯厚比が
15％〜23％、溝幅比が１：１〜1.3：１であつ
た。 なお、ウエブテーパについては周知の適切な勾
配がつけられている。 第３図は、上述のごとき一般的な制約を取り除
くべく工夫された、芯厚大ドリルと呼ばれる従来
品の切端端面直視形状を示している。この例にあ
つては、芯厚比が約50％と大きく設定されてい
る。すなわち、強度を高めるための芯厚比を大き
くとつているが、単に芯厚比を大きくするだけで
は溝部の面積が小さくなつてしまうので、ドリル
の先端部分にチツプポケツト４を設け、さらに剪
断応力の集中を防ぎ、ねじれ剛性を高めるべくヒ
ール部５に丸みをつけている。しかし、この場
合、チツプポケツト４の面積は大きいにもかかわ
らず、排出切屑とは異なつた断面のチツプポケツ
トであるため、決して有効な溝形状とはいえず、
むしろ、ヒール部５の丸みの部分に切屑が詰ま
り、このためにドリルの折損を招くおそれがあつ
た。したがつて、この種のドリルを使用できる条
件は、切屑形状との兼ね合いで狭い範囲に限定さ
れている。 ［発明の目的］ 本発明は上述のごとき事情に鑑み、ドリルの性
能を有効に改善すべく創案されたものである。 したがつて本発明の目的は、切削抵抗の増大お
よび切屑排出機能の低下を抑制しつつ強度を可及
的に高めることができるドリルを提供することに
ある。 ［発明の概要］ 本発明は、芯厚部の直径をドリル直径の25％〜
35％に、かつ溝幅比を0.4：１〜0.8：１の範囲内
にそれぞれ設定し、また、ドリル直径の少なくと
も2/3より外周側に位置する切刃の半径方向のす
くい角を−５゜〜正の範囲内に設定し、さらに切
刃と、これに互いに向かい合う溝壁との間の相対
的な位置関係を近接させることによつて上記目的
を達成するものである。 ［発明の実施例］ 以下に本発明の好適一実施例について添付図面
に従つて説明する。 第４図は本発明に係るドリルの切刃端面直視形
状を示す側面図であり、第５図はその先端部分の
概略構成を示す斜視図である。 図において、芯厚部１（破線で図示）の直径Ｃ
はドリル直径Ｄの25％〜35％の範囲内に設定され
ている。また、空間部分である溝部２の周長Ｂと
肉厚部分である陸部３の周長Ａとの比は0.4：１
〜0.8：１の範囲内に設定されている。すなわ
ち、従来のドリルに比べて芯厚比が大きく溝幅比
が小さくされている。 次に、ドリル直径の少なくとも2/3よりも外周
側に位置する切刃６は、その半径方向のすくい角
θ_１が−５゜〜正の範囲内に設定されて、切刃形
状は凹状円弧を形成している。 また、切刃６の外周端の点P₁と、その切刃６上
の点であつて中心から半径の2/3の長さ外周寄り
の点P₂とを直線で結ぶ仮想基準線に対する点P₁
上の垂線までの、切刃６に臨んでいる溝壁７の外
周端の点P₃からの距離Ｌ（以後、相対距離と称
す。）がドリル直径Ｄの47％以下に設定されてい
る。 また、芯厚比が大きいので、切刃６の逃げ面８
は、第５図にも示すように、ドリルの回転方向の
後側約半分がシンニングによつて研ぎ落とされて
おり、芯厚部の切刃９が形成されている。シンニ
ングはドリルの軸心Ｏに対して軸対称に施され、
これによつて切刃９のすくい面１０とこれに隣接
する隣接研ぎ出し面１１とが形成される。このよ
うなシンニングの種類をクロスシンニングと呼
び、芯厚部の切刃９は第４図に示すごとく軸心Ｏ
から180゜互いに反対側へ直線状に形成される。
切刃９が形成されないチゼル幅は０mm〜0.4mmの
範囲内に設定されており、０mmに近いほど良い。 また、切刃６の外周端の点P₁および軸心Ｏを結
ぶ直線の方向と、芯厚部の切刃９が延びる方向と
がなす角θ_２は35゜〜45゜の範囲内に設定されて
いる。 シンニングによつて形成されるすくい面１０
は、その軸方向のすくい角θ_３（第７図に図示）
が−５゜〜＋５゜の範囲内に設定されている。ま
た第６図にも示すように、すくい面１０が軸方向
の長さは、軸心Ｏの部分で０mmであり、径方向外
方へいくに従つて漸増している。すくい面１０と
隣接研ぎ出し面１１とが交わつてなす谷線１２と
ドリルの軸心Ｏとがなす角θ_４は25゜〜60゜の範
囲内に設定されている。これは、切刃９によつて
切削された切屑が隣接研ぎ出し面１１に当たつて
スラストを増大させることのないように、すくい
面１０の軸方向の長さを十分に確保できる角度に
設定されており、かつ切屑のブレーキング作用を
十分に得られるように設定されている。また、強
度的にも十分な強度が得られるように設定されて
いる。 また、すく面１０と隣接研ぎ出し面１１とのな
す角θ_５（第７図に図示）は90゜〜110゜の範囲
内に設定されて、切屑によるスラスト増大を防止
するとともにブレーキング作用を十分に得られる
ように設定されている。 第８図はドリルの先端部分が上述のごとく構成
されたドリルにおいて、さらに切屑油の給油孔を
備えた実施例を示す斜視図である。 図示するように、ドリルの先端部から後端部ま
での中実の肉厚を有する部分である陸部３および
シヤンク１３の部分の内部には、溝部２のねじれ
角に沿つて螺旋状に切削油の給油孔１４が２本形
成されている。それぞれの給油孔１４の吐出口１
５は切刃６の逃げ面８に開口され、吸入口１６は
後端部の底面１７に開口されている。給油孔１４
の数は、形成されている陸部３の条数に等しく２
本が望ましいが、１本であつてもよい。また、給
油孔１４の内経はドリル強度との関係からドリル
直径Ｄの数％〜20％が望ましい。 このドリルの給油孔１４は、板状の棒部材に形
成された高速度鋼材に、その軸方向に沿つて給油
孔となるべき孔を２本形成し、この板状棒部材を
高温度下でねじることによつて塑性変形させて形
成することができる。 さらに、上述のごときそれぞれの形状に構成さ
れたドリルには、その表面にTiC，TiCN，TiN
およびAl₂O₃のいずれか１種または２種以上の組
合わせによる被覆層が形成されてもよい。また、
その被覆層はイオンプレーテイング法や化学蒸着
法によつて緻密に薄層が形成される。 次に、本発明の実施例の作用を従来例との比較
において実験データに基づいて説明する。 次の表１は、一般的な構成のドリル（従来品―
１）、強度を高めるべく単に芯厚比を大きくし溝
幅比を小さくしたドリル（従来品―２）、本発明
に係るドリル（発明品）の３種類のサンプルにつ
いて行なつた実験のデータを示している。 なお、シンニングによる効果を一定にするため
いずれのサンプルにおいても、発明品と同様のシ
ンニングが施されている。テストサンプルのシン
ニングの形状としては、チゼル幅＝0.1mm、θ_２
＝40゜、θ_３＝０゜、θ_４＝38゜、θ_５＝100゜
である。ドリル直径は8.5mm、材質はSKH9，Ｈ_RC
63である。被削材はS50C，Ｈ_B250であり、切削
条件は、切削速度Ｖ＝15ｍ／分、１回転あたりの
送り量ｆ＝0.25mm／回転、穿孔深さ40mmである。
切削油はエマルジヨンタイプで、外部給油によつ
て行なつた。

【表】 表１から明らかなように、溝幅比を小さく芯厚
比を大きくした従来品―２と発明品とは、断面２
次モーメントおよびねじれ剛性比がともに高めら
れ、強度増大の効果が顕著である。ところで、こ
のような効果の予測は十分なされるところである
が、従来技術において従来品―２のようなドリル
が採用されなかつて理由は既に述べたとおりであ
る。表１において切削抵抗を示すトルクと推力
（スラスト）のデータ値に表わされているよう
に、本発明品によれば推力は若干増大している
が、従来品―２ほどではなく、トルクに関しては
従来品―１と同一の値に抑制されている。しかも
強度は十分に増大している。すなわち、切刃６の
半径方向のすくい角を大きくすることによつて得
られる効果である。 本発明のもう１つの特長は切屑排出機能に低下
を抑制することである。切屑排出機能の良し悪し
に関しては、生成される切屑の形状と、その溝部
２内での動きとが影響する。第９図は従来品―２
のドリルによる切屑の動きを示す模式図である。
切刃６および９から削り出される切屑１８は、溝
壁７に沿つてカール形状に形成されつつドリルの
中心側から外周側へ向かつて流れる。このとき、
切刃６と溝壁７との間の距離が大きいと、切屑１
８のカール半径が大きくなり切屑１８は溝部２内
に詰まりやすくなる。また、切屑１８は孔の壁１
９に当たつて折れ、仕上げ面を粗くする。このよ
うに切屑１８の動きを支配する重要な要素の１つ
は、切刃６の形状（曲り具合）と溝壁７の形状
（曲り具合）との互いの相対的な関係であり、し
がつて、切屑１８が溝部２内を通つて順調に排出
されるためには、切刃６と溝壁６と溝壁７との間
に適切な形状関係がある。その形状を何らかの指
標によつて表わすとすれば、切刃６に対する溝壁
７の、あるいは溝壁７に対する切刃６の互いの相
対的な位置関係を、これらの間の距離（相対距
離）で表わすことが１つの表示方法として有効で
ある。そこで、相対距離Ｌを１つの指標として定
義し、ドリル直径Ｄに対する相対距離Ｌの比をも
つて切屑の排出機能の良し悪しを表わすことが可
能である。すなわち第９図の例では、この相対距
離Ｌが大きいために狭い溝部２では切屑の排出機
能を十分に発揮できない。 次に、第３図の従来ドリル、表１の従来―１の
ドリル、本発明のドリルの３種間での性能を比較
する。この場合、第３図のシンニングも他のドリ
ルと同じとした。従来―１のドリルでは、表１に
示されるごとくトルクおよびスラストがほぼ安定
している。第３図の従来ドリルでは、通常トルク
が85Kg・ｆcm、スラストが330Kgｆであるが、穴
深さ30mm近くより急増して各々130Kgｆ・cm、380
Kgｆとなる。これに対し、本発明のドリルでは、
表１のごとく低い値で安定している。次に、穴あ
け連続テストの結果、第３図の従来ドリルでは各
穴で穴深さが深くなると抵抗が上昇し、33穴目で
折れた。表１の従来―１ドリルは安定して切削で
きたが、350穴目で折れた。ドリルを観察すると
逃げ面最大摩耗幅が0.7mmにも達しており、抵抗
増による折れと推察された。これに対して、表１
の本発明ドリルでは、400穴加工で従来―１ドリ
ルと同程度の摩耗が生じ、従来―１ドリルと同程
度の強度を有していた。 第１０図は本発明のドリルによる切屑の動きを
示す模式図である。相対距離Ｌがドリル直径Ｄの
47％以下に設定されているので、切屑１８は溝壁
７に沿つてカールし、また、細かく短く折れて切
れ、溝部２内で流動しやすい、すなわち排出しや
すい形状に形成される。 また、第４図に示した角θ_２が35゜〜45゜の範
囲内に設定されることによつて、切屑１８は切刃
６によつて切削される部分と切刃９によつて切削
される部分とが互いにその方向を異にして形成さ
れ、カール切断されやすい形状に削り出される。
この角θ_２が小さすぎると切屑１８は偏平に近い
形状となつてカール切断されにくく、また、大き
すぎると切刃９によつて切削される部分の全体に
占める比率が小さくなつてカール切断されにくく
なる。角θ_３は、中心部のすくい角に相当するも
ので、周知のごとく正に大きいほど抵抗は少なく
なるが強度も低下し、負であれば逆の効果とな
る。角θ_３が−５゜〜＋５゜の範囲であれば、切
れ味・強度が維持できる。また、角θ_３が０゜に
近くないと、再研削のときに１回あたりの再研削
量が大きくなつてしまう。角θ_４は、中心部の切
り屑の排出性と抵抗の大小を左右する。すなわ
ち、角θ_４が小さいと抵抗は少なくてすむが切り
屑のブレーキング効果が劣り、逆にθ_４が大きく
なれば逆の効果となる。実験的には、角θ_４は25
゜〜60゜の範囲内で設定可能であるが、35゜〜41
゜が望ましい。角θ_５は、前記角θ_４とともに切
り屑の排出性に影響する。角θ_５の設定範囲は90
゜〜110゜内で可能であるが、100゜が望ましい。
チゼルは周知のごとく被切削部であり、いかに狭
くして中心まで切刃とするかがポイントとなる。
チゼル幅は０〜0.4mmの範囲にあることが望まし
い。次に切削油の給油孔１４を形成した場合のそ
の作用について説明する。給油孔１４の吸入口１
６からドリル保持具を通して切削油を圧入する
と、切削油は給油孔１４を通つて先端部の吐出口
１５から切刃６の部分に供給され、刃先部分有効
に冷却することができる。また、切削油の戻りは
溝部２内を通つて孔の外部へ排出され、その際
に、切屑の排出を促し、かつ加工物の冷却をも行
なうことになる。したがつて、切削抵抗は安定
し、折損事故を防止することができる。油穴の大
きさについては、大きい方が排出油量は増えより
効果的になるが、大きすぎるとドリル断面積が小
さくなり強度の低下をきたす。ドリル直径の数％
〜20％が望ましいが、溝幅を狭く設定しかつ芯厚
を大きく設定しているため、陸部３の面積が従来
のドリルより大きくなる。したがつて、大きな給
油孔をあけても強度の低下は少なくてすむことに
なる。 さらに、これらのドリルは高速度鋼のみを素材
として形成してもよいが、ドリルの表面にTiC，
TiCN，TiNおよびAl₂O₃のうちの１種または２種
以上の組合わせによる被覆層を形成することによ
つてドリル自体の耐熱性を高め、その摩耗をさら
に防止することができる。また、これらの被覆材
は摩擦係数が小さいのでスラストおよびトルクを
さらに小さくすることができる。 また、ドリルは、その摩耗が進むと再研磨して
刃先部を再生するが、この再研磨に際してドリル
の逃げ面８に母材が露出してもすくい面およびマ
ージンの部分の外周面には被覆層が残り、切削抵
抗は小さいままに維持することができる。 ［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように本発明によれば
次のごとき優れた効果が発揮される。 すなわち、芯厚比を大きく溝幅比を小さくした
のでドリルの強度を高めることができ、しかも切
刃の半径方向のすくい角を大きくすることによつ
て切削抵抗の増大を抑制し、かつ相対距離を小さ
くすることで切屑の排出機能の低下を抑制するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のドリルの切刃端面直視形状を示
す側面図、第２図はドリルのねじれ剛性比と芯厚
比および溝幅比との関係を示すグラフ図、第３図
は他の従来例のドリルの切刃端面直視形状を示す
側面図、第４図は本発明のドリルの一実施例にお
ける切刃端面直視形状を示す側面図、第５図は本
発明のドリルの一実施例における先端部分の概略
構成を示す斜視図、第６図は第５図の矢印の方
向から見た側面図、第７図は第５図の矢印の方
向から見た側面図、第８図は本発明のドリルの他
の一実施例を示す斜視図、第９図は従来のドリル
の切屑の動きを示す模式図、第１０図は本考案の
ドリルの切屑の動きを示す模式図である。 なお、図中１は芯厚部、２は溝部、３は陸部、
６は切刃、７は溝壁、９は芯厚部の切刃、１０は
芯厚部の切刃のすくい面、１１は隣接研ぎ出し
面、１２は谷線、１４は給油孔、P₁は切刃の最外
周端の点、P₂は切刃上の点であつて中心から半径
の2/3の長さ外周寄りの点、P₃は溝壁の最外周端
の点、は仮想基準線である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高速度鋼製ドリルであつて、 芯厚部の直径がドリル直径の25％〜35％に、か
   つ溝幅比が0.4：１〜0.8：１の範囲内にそれぞれ
   設定され、 切刃端面直視形状において、ドリル直径の少な
   くとも2/3より外周側に位置する切刃の半径方向
   のすくい角が−５゜〜正に設定され、 前記切刃端面直視形状における切刃の最外周端
   の点と、該切刃上の点であつて中心から半径の2/
   ３の長さ外周よりの点とを直線で結ぶ仮想基準線
   に対して、前記切刃の最外周端の点を通る垂線ま
   で、前記切刃に溝部の空間を隔てて臨む溝壁の最
   外周端の点からの距離がドリル直径の47％以下に
   設定されることを特徴とするドリル。 ２ 前記切刃端面直視形状において、ドリル直径
   の少なくとも2/3より外周側に位置する切刃は、
   その半径方向のすくい角が０゜〜正に設定される
   べく凹状円弧に形成される特許請求の範囲第１項
   記載のドリル。 ３ シンニングによつて形成される前記芯厚部の
   形状は、チゼル幅が０mm〜0.4mmの範囲内に設定
   され、 前記切刃端面直視形状において、前記芯厚部の
   軸心から径方向外方へ延びるそれぞれの切刃を互
   いに直線状に形成し、かつ該芯厚部の切刃が延び
   る方向と、該芯厚部の切刃の外周側の端部からさ
   らに外周側へ延びる切刃の最外周端の点に前記軸
   心から至る方向とが互いに軸心上で交差してなす
   角が35゜〜45゜の範囲内に設定される特許請求の
   範囲第１項または第２項記載のドリル。 ４ シンニングによつて形成される前記芯厚部の
   切刃のすくい面は、軸方向のすくい角が−５゜〜
   ＋５゜の範囲内に設定され、かつ軸方向への長さ
   をドリルの軸心位置で０mmとして、該すくい面
   と、これと同時にシンニングによつて形成される
   隣接研ぎ出し面とが交わつてなす谷線を、ドリル
   の軸心に対して25゜〜60゜の範囲内の傾斜角で形
   成する特許請求の範囲第３項記載のドリル。 ５ 前記芯厚部のすくい面と前記隣接研ぎ出し面
   とのなす角が90゜〜110゜の範囲内に設定される
   特許請求の範囲第４項記載のドリル。 ６ ドリルの後端部から先端部までのシヤンク内
   および本体の陸部内に、ねじれ角に沿つてねじれ
   た切削油の給油孔を有する特許請求の範囲第１項
   記載のドリル。 ７ 少なくとも前記切刃のすくい面およびマージ
   ンの外周面を含むドリルの表面の一部または全部
   がTiC，TiCN，TiNおよびAl₂O₃からなる群より
   選ばれた１種または２種以上の組合わせによつて
   被覆される特許請求の範囲第１項記載のドリル。