(57)【要約】【課題】ワークピースに対する配置の際にドリルが自動心出しされ、ワークピース内へのドリルの初期貫通を行うような形状をドリルのヘッドに付与することである。【解決手段】ドリルは、チップ移送溝を有するシャフトと、ドリル前方端の少なくとも２つの切削インサートを有するドリルヘッドとを具備する。各切削インサートには、チップ破砕面と第１の逃げ面との間に画定され、かつ外側真直エッジを含む少なくとも１つの切削エッジが設けられる。シャフトの中心軸線の近傍に湾曲切削エッジ部が設けられ、このエッジ部に隣接補強斜面が接続されている。切削エッジは中心軸線の直近傍にあり、また心出しコア部分として機能するための切削インサートの間のチゼルエッジによって終端される。調整補強斜面のない主真直部分は、ドリルの中心軸線を通して延びている水平線に対して約４０〜５０°の角度で配向される方向に、湾曲切削エッジ部に内側方向に続いている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸線を有するシャフトと、
前記シャフトに形成された複数のチップ移送溝と、
少なくとも２つの切削インサートを有するドリルヘッドとを備え、各前記切削インサートには少なくとも１つの切削エッジが設けられ、前記少なくとも１つの切削エッジがチップ破砕面と第１の逃げ面との間に画定されており、前記少なくとも１つの切削エッジは、外側真直エッジ部と、前記シャフトの中心軸線の近傍の湾曲切削エッジ部と隣接補強斜面とを有する、ドリルにおいて、
前記少なくとも１つの切削エッジは、前記中心軸線の直近傍にあり、かつドリル加工中に心出し手段として機能するために前記少なくとも２つの切削インサートの間のチゼルエッジによって終端されており、隣接補強斜面のない主真直部分が、前記ドリルの中心軸線を通して延びている水平線に対して約４０〜５０°の角度で配向される方向に、前記湾曲切削エッジ部に内側方向に続いている、ドリル。
【請求項２】
中心の前記チゼルエッジが、前記ドリルの直径の約０．０１０〜０．０２０倍の長さを有している、請求項１に記載のドリル。
【請求項３】
前記チゼルエッジの方向と前記ドリル中心を通した水平線との間の角度は約４４〜６７．５°である、請求項１に記載のドリル。
【請求項４】
前記主真直部分から鈍角に配向される第２真直部分が内側方向に続く方向に、前記主真直部分が湾曲部に隣接して配置されている、請求項１に記載のドリル。
【請求項５】
前記中心軸線のいずれかの側の前記主真直部分の半径方向外側の終端点の間の交点の間の半径方向直線距離が、前記ドリルの直径の約０．１７〜０．２１倍である、請求項１に記載のドリル。
【請求項６】
前記少なくとも１つの切削エッジに沿った第１の逃げ面の逃げ角が、約３〜２０ｍｍの直径を有するドリルに対し約４〜９°である、請求項１に記載のドリル。
【請求項７】
凸状の湾曲部に沿って、また前記湾曲部から内側方向に配置された前記真直エッジ部分に沿ったチップ角度が、約０°である、請求項４に記載のドリル。
【請求項８】
第２逃げ面の逃げ角が、約２０〜２７°である、請求項４に記載のドリル。
【請求項９】
前方ドリルヘッドの背後に軸方向にある距離で断面に沿って見た前記ドリルのコア領域の寸法が、前記ドリルの外接円の領域全体の約４８〜５２％である、請求項１に記載のドリル。
【請求項１０】
各チップ移送溝に隣接してリブが設けられており、前記リブの幅が、約３〜２０ｍｍの直径を有するドリルに対し約０．２０〜０．９０ｍｍである、請求項１に記載のドリル。
【請求項１１】
平坦に研磨された補強斜面が、前記真直エッジ部分及び前記湾曲縁部分に沿って設けられており、前記補強斜面の幅が、約３〜２０ｍｍのドリル直径範囲内の約０．０４〜０．１６ｍｍである、請求項１に記載のドリル。
【請求項１２】
前記インサートが約１３８〜１４２°の角度で設けられている、請求項１に記載のドリル。
【請求項１３】
前記複数の溝の半径方向外側部分の各々が、略平坦に研磨された表面として設けられ、前記表面が半径方向内側の凹状湾曲部から鈍角に配向されている、請求項１に記載のドリル。
【請求項１４】
前記チップ移送溝が前記ドリルの周縁面と交差する複数の点の間の前記外接円の長さが、前記ドリルの外接円の全長の約２５〜３１％である、請求項９に記載のドリル。
【請求項１５】
前記ドリルの少なくとも前方部分にＴｉＡｌＮ層が設けられている、請求項１に記載のドリル。
【請求項１６】
前記チップ移送溝が前記ドリルの周縁面と交差する複数の点の間の距離を規定している円弧の長さが、前記ドリルの外接円の全長の約２５〜３１％である、請求項１４に記載のドリル。
【請求項１７】
前記切削インサートが焼結炭化物で製造されており、同じ焼結炭化物で製造されるドリルシャフトの一体部分として与えられている、請求項１に記載のドリル。
【請求項１８】
前記ドリルの前方部分が完全に又は部分的に焼結炭化物で製造されており、前記ドリルの前記前方部分が、機械的又はトルクに耐える接続によって後部シャフト部分に接続されており、前記後部シャフト部分が、焼結炭化物に対してより軟質の材料から製造されている、請求項１に記載のドリル。
【請求項１９】
前記主真直部分と、前記中心軸線を通して延びている水平線との間の角度が、約４２〜４８°である、請求項１に記載のドリル。
【請求項２０】
前記チゼルエッジの方向と、前記ドリル中心を通した水平線との間の角度が、約５０〜５５°である、請求項１に記載のドリル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ワークピースを加工するためのドリルに関する。より詳しくは、本発明は、チップ移送溝を有するシャフトと、シャフト前部の、２つ以上の切削インサートを有する一体ドリルヘッドとを具備する、金属ワークピースを加工するためのドリルに関し、これら切削インサートの各々は少なくとも１つの切削エッジと逃げ面とを備え、切削インサートは、ドリルの幾何学的中心または回転軸線の少なくとも近傍に湾曲部を備える。
【背景技術】
【０００２】
上述のタイプのドリルは、特許文献１及び２から公知である。しかしながら、これらの従来技術のドリルでは、エッジの逃げ面は、エッジの周端からコア心出し部分に隣接するその湾曲部まで途切れずに延びている。このことは、ドリルヘッドが、主平面から側方に延びている平面でなく、真直エッジ部分と平行である１つの主平面のみに尖端角を得ることを意味する。このようなドリルは、コア心出し部分が設けられているにもかかわらず、このような心出しコア部分が設けられない従来のドリルと比較して、その心出し能力を極めて小さく改良して機能できるに過ぎない。ほぼ同様のドリルが特許文献３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４，９８３，０７９号
【特許文献２】米国特許第５，０８８，８６３号
【特許文献３】米国特許第４，５８３，８８８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の１つの目的は、以前に知られているドリルの上述の問題を解消し、かつ改良された心出し能力を有するドリルを提供することである。したがって、本発明の第１の目的は、ワークピースに対する配置の際にドリルが自動心出しされ、ワークピース内へのドリルの初期貫通を行うような形状をドリルのヘッドに付与することである。ドリルはまた、ワークピースの継続貫通中に優れた心出し能力を維持すべきであり、この場合、大きな送り力または配置力を必要とすることなく優れた心出し能力の達成が可能であるべきである。
【０００５】
本発明の他の目的は、切削エッジの能動長さを実質的に低減する必要なく優れた心出し能力を達成することである。本発明の他の目的は、送りの増大およびより大きなドリル加工速度を可能にするドリルを達成することである。本発明のさらに他の目的は、加工中の改良されたチップ排出能力をドリルに提供し、同時により安定したドリル加工および公差の厳しさの緩和を達成することである。本発明の他の目的は、従来よりも優れた方法で切削エッジ部分の再研磨が行われることができるような形状をドリル中心の近傍に有するドリルを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態によれば、ドリルは、中心軸線を有するシャフトを有している。チップ移送溝はシャフトに形成される。少なくとも２つの切削インサートを有するドリルヘッドが提供され、切削インサートの各々には少なくとも１つの切削エッジが設けられる。少なくとも１つの切削エッジが、チップ破砕面と第１の逃げ面との間に画定されている。少なくとも１つの切削エッジは、外側真直エッジ部と、シャフトの中心軸線の近傍の湾曲切削エッジ部と、隣接補強斜面とを有する。少なくとも１つの切削エッジは中心軸線の直近傍にあり、かつドリル加工中に心出し手段として機能するために前記切削インサートの間のチゼルエッジによって終端される。隣接補強斜面なしの主真直部分は、ドリルの中心軸線を通して延びている水平線に対して約４０〜５０°の角度で配向される方向に、湾曲切削エッジ部に内側方向に続いている。
【０００７】
本発明のさらなる特徴および特性は、添付図面を参照して考慮される次の詳細な説明からより明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明によるドリルの側面図である。
【図２】図１によるドリルのヘッドの端面図である。
【図３】図１のドリルの線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った断面図である。
【図４】図１〜図３に示したのと同一のドリルの拡大図である。
【図５】端面図として見たドリルヘッドの中心尖端部の拡大図である。
【図６】ドリルヘッドの尖端の局部拡大図である。
【図７】図５の線ＶＩＩ−ＶＩＩに沿った部分断面図である。
【図８】米国特許第４，５８３，８８８号に開示されているようなドリルを使用した穿孔から得られた表面粗さの測定結果を示している。
【図９】本発明用のドリルを使用した穿孔から得られた対応する表面の測定結果を示している。
【図１０】図８と図９によるドリルで行った測定のｘ方向およびｙ方向の測定値の位置を示している。
【図１１】図８と図９によるドリルで行った測定のｘ方向およびｙ方向の測定値の位置を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１と図２に示したドリルは、シャフト１と、全体を参照番号２で示したドリルヘッドとを具備する。２つの螺旋形またはねじ形状の溝３、３’がシャフト１に形成されている。これら２つの溝は同様の螺旋形突出ランド４、４’によって画定されている。ドリルヘッド２は、本例では２つの、同一であるが裏返しの切削要素５、５’を備え、これら２つの切削要素は、ドリルの中心または回転軸線を切っている共通の主平面Ａ−Ａの互いの延長部に延びている（図４では、この回転軸線はＣで示されている）。本実施形態では、これら切削要素５、５’は、例えば焼結炭化物製の共通の切削体の部分として形成されており、この切削体は、同一の材料で形成されており、その後、図面に示したように最終形状に研磨されたシャフトの一体部分である。ドリル工具のこの最終賦形は、研磨、射出成形、または他の手段によって行うことができる。
【００１０】
各切削要素５、５’は、全体を参照番号７で示した切削エッジを備え、この切削エッジ７は、一方で、第二逃げ面８と、そこから鈍角で設けられた第二逃げ面８’との間に一般に画定されており、他方で、斜面相１０が存在するが、第一逃げ面９がそれらの間に設けられる。
【００１１】
逃げ面８には、切削エッジを通した水平面Ｈからの逃げ角α1が設けられ、これに対し、逃げ面８’は、前記水平面Ｈから他の逃げ角α2で設けられる。このチップ面の半径方向内側部分９’は凸状に湾曲しており、約０°の軸線方向傾斜を有し、半径方向内側部分は中心に近くであり、これに対し、半径方向外側部分９”は、径方向外側へ平坦部分９”’まで延びている凹状形状を有する。面部９”の外端部と平坦端部９”’との間の湾曲移行ゾーンにおいて、加工中にチップが後方に取り除かれる前に、最終的にチップが破砕される。
【００１２】
個々の切削エッジ７は第１の略真直の主部分１１を有し、この主部分は、ドリルヘッドの周囲から内側方向に延びており、かつドリル中心により近い湾曲部１２まで延びている。ドリルには、ドリルを通して延びている２つの螺旋状の冷却チャンネル１３と１４の形状の内部冷却のための手段が設けられている。側面図で見られるドリルでは、複数の主切削エッジは、これらの間に、１１６〜１５２°、好ましくは１３８〜１４２°の角度βを含んでいる。
【００１３】
次に、湾曲部１２の後に、エッジは、半径方向内側で研磨部分１２”と交差する短い真直部分１２’まで延びており、本実施形態では、この研磨部分１２”は、いわゆるチゼルエッジ１５と鈍角で交差し、これによって、チゼルエッジはドリル中心を通して延びている。あるいは、この研磨部分１２”は凹状に湾曲し得る。際立った特徴は、真直部分１２’の方向を規定する真直線が、ドリル中心を通して延びず、その代わりに、ドリル中心の下のある距離に、適切にはドリル中心の下の約０．０５ｍｍの距離に配置された方向に延びることである。これにより、チップ排出の可能性の向上、同時にドリル中心の再研磨の可能性を改善しうる。真直部分１２’は、ドリル中心を通して延びている垂直線Ｌ1に対し４０〜５０°であるα3の角度、好ましくは４２〜４８°で配向される方向に延びているべきである。他の際立った特徴は、湾曲部１２および真直エッジ部分１１全体の両方に沿って延びている研磨斜面相１０が設けられ、この場合、この斜面相が逃げ面８の長さへの移行部として設けられることである。このエッジ強化斜面１０の延長部は、湾曲部１２がドリル中心に向かって真直エッジ部分１２’と出会うときに終わる。この斜面相１０は、３〜２０ｍｍの直径範囲内の０．０４〜０．１６ｍｍの値である幅ｂを有するべきである。さらに、この斜面相１０のチップ角は２５〜３５°であるべきである。これによって、より効率的なドリル送りの使用の可能性が改善され、同時にドリルの寿命が延びる。
【００１４】
さらに重要な寸法決め規則は、ドリルの心出し能力を改善するように尖端形状がより良く最適化されるように、図６の距離ａを選択することであり、この場合、この距離ａは、切削エッジ部分の１２と１２’それぞれの交差点の間の半径方向の直線距離を規定し、この場合、この距離ａは、Ｄで示されるドリル直径の１７〜２１％の範囲の値であるべきである。他の形態の寸法決め規則では、より小さな角度値が直径範囲の上方部分で有効である３〜２０ｍｍの直径範囲のドリルに関し、主逃げ面８の逃げ角α1が約４〜９°の範囲の値であることを確実にすることが有利であることが確認されている。角度α1は、１６〜２０ｍｍの範囲の直径を有するドリルに関し、例えば約４°であるべきであり、これに対し、対応する角度α2は、３〜５ｍｍの直径範囲で約９°であるべきである。第２逃げ面８’のα2の角度の寸法に関して、２０〜２７°の角度範囲の変化値があるべきであり、この場合、比較的に大きな角度値は、比較的に小さな直径範囲に適用可能であるべきである。
【００１５】
さらに、図１の線III −III に沿った断面で見たドリルのコア領域の寸法に関して、この寸法は、全周に延びている円の領域全体の４８〜５４％であるべきであり、この場合、この点に関してｄ1が芯径を示す図３が参照される。さらに図３から理解されるように、凹部３と３’への移行部の外套面１８にリブ１７が設けられ、このリブは、外套面の隣に配置された周縁面よりも幾分より大きな直径の外套面に配置される。螺旋状に長手方向に延びているリブ１７の幅ｃは、３〜２０ｍｍのドリル直径範囲に関し０．２０〜０．９０ｍｍであるべきである。チゼルエッジ１５の幅に関して、ドリル直径の０．０１０〜０．０２０倍、最善の結果を達成するために好ましくはドリル直径の０．０１６倍を選択することが適切であることが確認されている。チゼルエッジの方向と、中心を通した水平線Ｌ2との間の角度α4の大きさは、４４〜６７．５°、好ましくは５０〜５５°であるべきであることが指摘され、この場合、４４°は１５０°の尖端角βに対応し、６７．５°は１１８°の尖端角に対応する。
【００１６】
さらにドリルの性能を改善し、かつその寿命を延ばすために、少なくともドリルの前側部分に、通常ＰＶＤ被覆と称される物理的蒸着技術によって提供されるＴｉＡｌＮの外層を付与することが有利であることが確認されている。選択された尖端形状と組み合わせて得られるＴｉＡｌＮ被覆により、ドリルは、標準ドリルの変形形態よりも低い切削力で大部分のワークピース材料を貫通でき、このより低い切削力により、効果の要求が低くなり、工具の寿命が長くなり、同時に切削機能が促進され、またドリル孔をより精密にする。
【００１７】
完成された孔の面の均一性に関して、重要なことは、鋭利さが優れていること、ドリル形状が、チップが不正確にドリル孔の孔壁と接触させることを回避するようなものであることである。本発明のドリルにより、凹部３と３’内に望ましい湾曲を有するチップが得られ、その後、チップが破砕されるときにチップが凹部から排出されることが確認されている。このチップ形成への積極的な貢献は、図３から最善に理解されるように、外側の平坦な研磨面９”’との鈍角の交差部を設けている半径方向外側の凹面９”によって得られる。この場合、この平坦面９”’は、図示された垂直交差を形成するように外側リブ１７と交差している。最終的に得られた表面の均一性のデータが図８と図９に示されている。図８には、米国特許第４，５８３，８８８号に示されているものによる外観を有するドリルによる孔貫通の結果が示され、これに対し、図９に示された結果は本発明によるドリルの実施形態に対応する。これらの図の各々では、水平軸は、穿孔すべき材料の１０個の孔のデータを示し、垂直軸は穿孔された孔の直径を示している。各々の３つのステープルについて示されており、この場合、左のステープルは孔の入口の値を示し、中央のステープルは孔の中央の測定を示し、右のステープルの値は孔の出口の値測定を示している。図から理解されるように、孔の均一性は、最終的に得られた表面にほとんど欠陥がない程度に本発明によるドリルで得られる。結果が図８に見られるＲ４１１で示した比較のドリルは、米国特許第４，５８３，８８８号に図示しかつ説明したドリルと対応するドリル形状を有する。図１０と図１１に示されていることから、最終的に得られた面は、ドリルＲ４１１の場合よりもはるかに欠陥のない均一性を有することが明らかである。このことは、本発明によるドリルによるよりも測定結果の分布がはるかに明らかであるので、測定結果の分布を研究すると明らかになる。主にｘ方向の位置は、明らかに、Ｒ４１１で示したドリルに関しはるかに大きく分布している。ｘ方向およびｙ方向に示された値はｍｍで示されている。上記から理解されるように、分布は、ｘ方向で、従来技術のドリルについて約３００であり、新しいドリルについて約１００に過ぎない。望ましい短いチップを得るために、中央のドリル領域から排出することが容易であること、および逃げ面がドリル尖端に隣接する逃げ面が望ましい形状を有することが、支配的な重要性を有する。軸方向の傾斜角度は実質的に０に等しいことが望ましいと確認されており、これにより、中心に近い凸状に湾曲したエッジ１２と組み合わせて、チップ排出凹部３と３’を通して後方に容易に排出できる短いコンマ形状のチップをもたらす。
【００１８】
チップ排出凹部がドリルの周縁面１８に向かって終わることが、ドリルの全体的最適化のために重要である。図３には、２つの凹部３と３’がそれらの出口に対称的に到達し、点１９と２０で周縁面と交差する状態が示されている。この情報は、点１９と２０の間の外接円の長さｌ１が外接円の全長の２５〜３１％であることを示している。
【００１９】
米国特許第４，５８３，８８８号による従来技術のドリルと比較したドリル性能を説明するために、貫通深さおよびドリル加工速度は、従来の炭素鋼、フェライトステンレス鋼および鋳鉄を含む３つの代表的なワークピース材料で加工中に測定され、この場合、水溶性の切削流体が加工中に使用された。
【００２０】
【表１】
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上の表１には、米国特許第４，５８３，８８８号に対応するタイプＲ４１１のドリルで得られたドリル加工結果との比較に示されているように、本発明によるドリルＲ８４０によりドリル加工中にどの種類の性能が達成されたかを示す値が示されている。上記に明らかなように、本質的な結果の改良が得られた。
【００２１】
本発明の別の実施態様によれば、ドリルは、２つの部分、すなわち、部分的または全面的に焼結炭化物から製造される切削インサートを支承する前側部分および工具鋼のような焼結炭化物よりも軟質の材料から製造し得る後側部分で製造することができる。ドリルの前方に配置された部分は、機械的結合またはトルクに耐える結合によって後側ドリルシャフトに接続し得る。
【００２２】
本発明の原理、好ましい実施形態および使用方法について、上述の明細書に説明してきた。しかし、保護されるように意図される本発明は、記述した特定の実施形態に限定されると解釈されるべきでない。さらに、本明細書に記述した実施形態は、制限的であるよりもむしろ例示的であると見なされるべきである。本発明の精神から逸脱することなく、変更および変化が他者によって行われ、また均等物を使用することが可能である。したがって、本発明の精神と範囲内に含まれるこのような変更、変化および均等物のすべては、本発明によって包含されることが明白に意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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