(57)【要約】【課題】ＦＲＰに代表される繊維強化複合材にバリや毛羽立ちの少ない高品位な穴をあけることができ、しかも、工具寿命を経済負担の増加を抑えながら延ばして優れた加工品位を長時間維持できる穴あけ工具を提供することを課題としている。【解決手段】ツイストドリルを基本形にした穴あけ工具であり、本体部２の先端に回転中心から外周に至る回転中心対称の切れ刃４を有し、その切れ刃４の外周コーナ刃部４ｃを、切れ刃の軌跡を表す図において凸曲線をなすものにした。【選択図】図１
2009039811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
補強繊維とマトリックス樹脂を含む繊維強化複合材の穴あけに用いる回転切削式の穴あけ工具であって、本体部（２）の先端に回転中心から外周に至る回転中心対称の切れ刃（４）を有し、その切れ刃（４）の外周コーナ刃部（４ｃ）を、切れ刃の軌跡を表す図において凸曲線をなすものにしたことを特徴とする繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項２】
前記外周コーナ刃部（４ｃ）の曲率半径Ｒを、０．８ｍｍ以上確保した請求項１に記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項３】
前記外周コーナ刃部（４ｃ）の曲率半径Ｒを、１．５ｍｍ以上確保した請求項１に記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項４】
前記外周コーナ刃部（４ｃ）の工具半径に占める径方向範囲をＡ、穴あけ工具の直径をＤとして、その両者の比Ａ／Ｄを、０．０３以上、０．５以下にした請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項５】
前記外周コーナ刃部（４ｃ）の設置領域の工具軸方向寸法をＢとして、その寸法Ｂと穴あけ工具の直径Ｄの比Ｂ／Ｄを、０．１２以上、３以下にした請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項６】
前記切れ刃（４）の回転中心刃部（４ａ）を、切れ刃の軌跡を表す図において凸曲線をなすものにした請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項７】
前記回転中心刃部（４ａ）の曲率半径をｒとして、その曲率半径ｒと穴あけ工具の直径Ｄの比ｒ／Ｄを、０．２５以上、１以下にした請求項６に記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項８】
前記切れ刃（４）の回転中心刃部（４ａ）を、切れ刃の軌跡を表す図において直線形状にし、その回転中心刃部（４ａ）に１５０°以上、１７０°以下の先端角（θ１）を付与した請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項９】
前記切れ刃（４）の少なくとも回転中心近傍部を、切れ刃の軌跡を表す図において凸曲線をなすものにし、回転中心対称位置の２つの切れ刃（４，４）を工具の回転中心部において角度をもって連ならせた請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項１０】
前記切れ刃（４）の全体を工具半径よりも曲率半径の大きな曲線で形成した請求項９に記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項１１】
前記本体部（２）の外周にマージン部（７）を有し、そのマージン部（７）に、そのマージン部を長手方向に分断するか又はマージン幅を長手方向の各部において変動させる溝（８）を設けた請求項１〜１０のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項１２】
前記本体部（２）を、外周にマージンの無い構造にした請求項１〜１０のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項１３】
前記本体部（２）が、シャンク（３）側に向って外径が減少するバックテーパを有している請求項１〜１２のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項１４】
前記外周コーナ刃部（４ｃ）の外端からシャンク（３）側に向って０．０３Ｄ以上、０．５Ｄ以下の長さ範囲で外径が一定しており、それより後方で前記本体部（２）がシャンク（３）側に向って外径が減少するバックテーパを有していることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項１５】
前記切れ刃（４）が、ホーニング処理のなされていない鋭利な刃として形成されている請求項１〜１４のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項１６】
本体部（２）を含めた基部をＷＣ基超硬合金で形成して表面に硬質炭素膜を設けた請求項１〜１５のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ工具。
【請求項１７】
補強繊維とマトリックス樹脂を含む繊維強化複合材に、請求項１〜１６のいずれかに記載の穴あけ工具（１）を用いて穴あけ加工を行う繊維強化複合材の穴あけ方法。
【請求項１８】
穴あけ時の工具の１刃当たりの送り量ｆを、０．０３ｍｍ以下にして加工を行う請求項１７に記載の繊維強化複合材の穴あけ方法。
【請求項１９】
工具の１刃当たりの送り量ｆを０．０３ｍｍ以下にするのに加えてさらに、切れ刃の外周コーナ刃部の曲率半径をＲとして、そのＲと前記工具の１刃当たりの送り量ｆの比ｆ／Ｒを０．０３以下にして加工を行う請求項１８に記載の繊維強化複合材の穴あけ方法。
【請求項２０】
切屑吸引手段（９）を用いて穴あけ時に発生する切屑を吸引しながら穴あけ加工を行う請求項１７〜１９のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ方法。
【請求項２１】
前記繊維強化複合材が炭素繊維強化プラスチックスであり、この炭素繊維強化プラスチックスに貫通穴をあける請求項１７〜２０のいずれかに記載の繊維強化複合材の穴あけ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、炭素繊維などの補強繊維を用いてマトリックス樹脂を強化した繊維強化複合材にいわゆるバリや毛羽立ち、むしれ、チッピングの少ない高品位な穴をあけることを可能にした回転切削式の穴あけ工具と、その工具を用いる繊維強化複合材の穴あけ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＲＰ（繊維強化プラスチックス）に代表される繊維強化複合材、中でも、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチックス）は、比強度、比弾性率が大きいことから、近年、航空機や車両の外板などとして多用される傾向にある。このＦＲＰで形成された部材は、ボルトやリベットなどの締結要素を用いて構造体に固定される。このため、航空機部品などの構造体にＦＲＰ材を使用するときには、締結要素を通すための穴をＦＲＰ材に多数あけることが必要になる。
【０００３】
ＦＲＰ材に対するその穴あけは、通常ドリルを用いてなされるが、一般的なドリルによる穴あけでは、加工した穴の出口部に図７に示すような繊維の毛羽立ちが発生しやすい。また、積層された繊維層の層間剥離も発生しやすく、加工品位上の問題が生じる可能性が高い。これに対し、航空機用の構造体などの製造では特に、高品位加工が求められており、上記の毛羽立ちや層間剥離などを回避することが極めて重要になる。
【０００４】
加工品位を悪くする上記の毛羽立ちなどは、工具摩耗が進展して切削抵抗が増大するほど発生し易くなる。一方、高強度のＣＦＲＰ材の加工などでは工具の摩耗進行が速くなりがちであり、結果的に加工品位維持のために工具交換を早めることになり、加工コストに占める工具費の割合が高くなっているのが実情である。
【０００５】
このような問題を解消するために、既にいくつかの技術が提案されている（例えば、下記特許文献１〜３参照）。これらのうち、特許文献１は、ねじれ溝を通常とは逆ねじれの溝（先端側から基端側に向ってドリル回転方向にねじれる溝）にするとともに、先端の切れ刃を回転方向から見て内周部と外周部とがそれらの中間部で交差するＶ字状に形成したツイストドリルを提案しており、そのドリルは、ねじれ溝を逆ねじれの溝にすることで切れ刃のアキシャルレーキが負の角度になってＦＲＰ中の繊維が押し切るような形で切断され、また、切れ刃をＶ字形状にすることで加工中の振動が防止され、穴縁部のバリ、むしれを抑制できるとしている。
【０００６】
また、特許文献２は、先端の切れ刃を径方向に区画された複数の切れ刃部によって構成し、外周側切れ刃部の先端角を回転中心側の切れ刃部の先端角よりも小さくし、さらに、
切れ刃の外周側に回転中心側よりも高硬度部材を配置したドリルを提案している。そのドリルは、切削速度が大きくなる切れ刃外周部の耐摩耗性が高硬度部材によって高められ、この高硬度部材に案内されつつ回転中心部の切れ刃の摩耗が進行するので、ドリル回転の振れが抑えられるとしている。さらに、外周側切れ刃部の先端角が回転中心側の切れ刃部の先端角よりも小さいために切れ刃外周部による穴の押し広げ作用が低減されてバリの発生が抑制されるとしている。
【０００７】
さらに、特許文献３は、先端からシャンク部に向うに従って外径が所定の割合で減少するバックテーパ部を、ドリル径の０．５〜１．０倍の軸方向長さ範囲にわたってドリルの先端部に形成し、そのバックテーパ部に続く部分の径を一定にすること、さらには、特許文献２と同様に切れ刃を先端角の大きい先端切れ刃部と先端角の小さい外周側切れ刃部の２部分に分け、各切れ刃部に切屑分断用の複数のニックを設ける構造を提案している。このドリルは、前記バックテーパ部の設置やニックによる切屑の分断によって切削抵抗が低減され、そのために工具摩耗が減少して良好な加工品位を維持できる時間を長くすることが可能になるとしている。
【特許文献１】特許第２６９９５２７号公報
【特許文献２】特許第２９８４４４６号公報
【特許文献３】特許第３５３４８３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前掲の特許文献１〜３が開示しているようなドリルは、繊維強化複合材の加工で良好な加工品位をより長時間にわたって維持する要求に十分に応えたものとは言えない。例えば、特許文献１のドリルは、加工時の負荷が切れ刃の尖った外周部に集中し、同部に摩耗やチッピングが生じやすい。また、刃先が損傷している状態で加工がなされるとバリや毛羽立ちが不可避的に発生するが、切れ刃の外周部の全域が同時に被削材を切り抜ける上に、アキシャルレーキが負の角度になっているために、発生したバリや毛羽立ちが除去されずに残り、良好な加工品位を維持することが難しい。
【０００９】
また、特許文献２，３のドリルは、外周側切れ刃で加工穴を徐々に拡大していくので、一旦発生したバリ、毛羽立ちの後続の刃による再切削が繰り返され、その再切削によってバリ、毛羽立ちを削り取ることが可能である。しかし、切れ刃の各部のつなぎ目（先端角が変化した部分）が被削材を切り抜ける際に大きなバリが発生しやすく、穴加工数が増えてそのつなぎ目部が損傷したときに、外周側切れ刃によるバリの除去が不十分になって加工品位が低下する。また、ダイヤモンドなどの高硬度部材を外周部に配置することは摩耗の抑制に関しては効果があるが、工具のコストアップを招くため、摩耗量の抑制は、超硬合金等で形成される基材のみでの対応や、その基材に対する硬質膜のコーティング処理程度にとどめるべきである。
【００１０】
なお、ＦＲＰ材そのものをバリや毛羽立ちの起こり難いものに改善する試みもなされているが、航空機用材料などとして利用実績のある既存の材料の穴あけにおいて上記の問題を無くすには、工具の改善や穴あけ方法の改善で対処する必要がある。
【００１１】
この発明は、繊維強化複合材にバリや毛羽立ち、むしれ、チッピングの少ない高品位な穴をあけることができ、しかも、工具寿命を経済負担の増加を抑えながら延ばして優れた加工品位を長時間維持できるようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明者等は、種々の工具形状による穴あけテストを繰り返した結果、上記の課題を解決できる穴あけ工具と穴あけ方法を見出した。前者の穴あけ工具は、回転切削式であって、本体部の先端に回転中心から外周に至る回転中心対称の切れ刃を有し、その切れ刃の外周コーナ刃部を、切れ刃の軌跡を表す図において凸曲線をなすものにしている。ここで言う切れ刃の軌跡を表す図とは、工具が振れずに回転したとして、このときに工具の輪郭が転写されて描かれる穴形状を軸心に沿って回転中心で切断した図を言う。その断面図に表れる工具の輪郭形状が軌跡である。
【００１３】
この発明の穴あけ工具の具体的形態や好ましい形態を以下に列挙する。
（１）前記外周コーナ刃部の曲率半径Ｒを、０．８ｍｍ以上、より望ましくは１．５ｍｍ以上確保したもの。
（２）前記外周コーナ刃部の工具半径に占める径方向範囲をＡ、穴あけ工具の直径をＤとして、その両者の比Ａ／Ｄを、０．０３以上、０．５以下にしたもの。
（３）前記外周コーナ刃部の工具軸方向寸法をＢとして、その寸法Ｂと穴あけ工具の直径Ｄの比Ｂ／Ｄを、０．１２以上、３以下にしたもの。
（４）前記切れ刃の回転中心刃部を、切れ刃の軌跡を表す図において凸曲線をなすようにしたもの。
（５）前記回転中心刃部の曲率半径をｒとして、その曲率半径ｒと穴あけ工具の直径Ｄの比ｒ／Ｄを、０．２５以上、１以下にしたもの。
（６）前記回転中心刃部を、切れ刃の軌跡を表す図において直線形状にし、その回転中心刃部に１５０°以上、１７０°以下の先端角を付与したもの。
（７）前記切れ刃の少なくとも回転中心近傍部を、切れ刃の軌跡を表す図において凸曲線をなすものにし、回転中心対称位置の２つの切れ刃を工具の回転中心部において角度をもって連ならせたもの。
（８）前記（７）の構成において、切れ刃の全体を工具半径よりも曲率半径の大きい曲線で形成したもの。
（９）前記本体部の外周にマージン部を有し、そのマージン部に、当該マージン部を長手方向に分断するか又はマージン幅を長手方向の各部において変動させる溝を設けたもの。
（１０）前記本体部を、外周にマージンの無い構造にしたもの。
（１１）前記本体部が、シャンク側に向って外径が減少するバックテーパを有しているもの。
（１２）前記外周コーナ刃部の外端からシャンク側に向って０．０３Ｄ以上、０．５Ｄ以下の長さ範囲で外径が一定しており、それより後方で前記本体部がシャンク側に向って外径が減少するバックテーパを有しているもの。ここで言う外周コーナ刃部の外端とは、外周コーナ刃部と本体部の外周につながる位置を指す。
（１３）前記切れ刃が、ホーニング処理のなされていない鋭利な刃として形成されているもの。
（１４）本体部を含めた基部をＷＣ基超硬合金で形成して表面に硬質炭素膜を設けたもの。
【００１４】
この発明の穴あけ方法では、上記したこの発明の穴あけ工具を用いて補強繊維とマトリックス樹脂を含む繊維強化複合材に穴あけ加工を行う。
【００１５】
この穴あけ方法は、穴あけ時の工具の１刃当たりの送り量ｆを、０．０３ｍｍ以下にして加工を行うと好ましい。また、工具の１刃当たりの送り量ｆを０．０３ｍｍ以下にするのに加えてさらに、切れ刃の外周コーナ刃部の曲率半径をＲとして、そのＲと前記工具の１刃当たりの送り量ｆの比ｆ／Ｒを０．０３以下にして加工を行うとより好ましい。さらに、切屑吸引手段を用いて穴あけ時に発生する切屑を吸引しながら穴あけ加工を行うのも好ましい。
【００１６】
なお、この発明の方法は、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチックス）やＫＦＲＰ（ポリエステル繊維強化プラスチックス）などに対する穴あけにも勿論利用できるが、他のＦＲＰ材の加工に比べて工具が摩耗し易く、加工品位の長時間の維持が難しくなるＣＦＲＰ材の貫通穴加工に利用すると特に大きな効果を期待できる。
【発明の効果】
【００１７】
繊維強化複合材の加工においては、上述したように繊維を切断する必要があり、良好な繊維切断のために、繊維の向き（長手方向）に対して切れ刃が極力垂直に近い角度で当たることが望まれる。この発明の穴あけ工具は、本体部の先端に設けられる切れ刃の外周コーナ刃部を凸曲線で形成しており、この穴あけ工具を使用することで上記の要求に応えることが可能になる。
【００１８】
繊維強化複合材にあける穴は、繊維の向きに対して垂直となる。一般的な先端角が付された直線の切れ刃を有する工具、例えば汎用ドリルなどでは、繊維の配向方向に対する切れ刃の当たり角度が小さすぎて良好な繊維切断ができないのに対し、この発明の穴あけ工具は、切れ刃の外周コーナ刃部を凸曲線で形成しているので、外周コーナ刃部の外端を繊維の向きに対して垂直あるいはほぼ垂直にすることができる。この切れ刃形状により穴広げの加工が徐々に進行し、加工開始後の早い段階で発生したバリ、毛羽立ちが、穴広げが終わるまでの間に後続の刃によって効果的に削り取られる。また、切れ刃は本体部の外周に近づくほど立ち上がり角（繊維に対する交差角)が急になるので、被削域の外周側が加工されるときの新たなバリの発生が抑えられ、穴面のさらえ効果も得られるようになって穴の面粗さも良くなる。これに加えて、凸曲線の切れ刃による加工では、外周部での切り取り厚さが小さいため単位切れ刃長当たりの切削抵抗（スラスト力）が低減され、被削材がプリプレグを数枚積層して構成されている場合に出やすい層間剥離が抑制されるなど、穴の加工品位向上が期待できる。
【００１９】
直線切れ刃でも先端角を小さくすることで切れ刃の向きを繊維に対して垂直に近づけることができるが、この構造では切れ刃が無駄に長くなって加工能率が低下する。この発明の穴あけ工具は、切れ刃の外周コーナ刃部を凸曲線で形成しているので切れ刃が無駄に長くなることがなく、加工能率低下の問題を回避できる。さらに、切削負荷を切れ刃の広い領域で分担可能であるので切れ刃の各部の摩耗状況も安定し、切れ刃の局部損傷の問題も起こりにくい。特に、外周コーナ刃部の曲率半径が大きい場合、或いは外周コーナ刃部の工具半径に占める領域が大きい場合にはこれらの効果が顕著である。
【００２０】
また、穴出口部においては被削材が下に支えがなくて撓みやすいため、繊維に対して切れ刃の向きを垂直にして繊維を切断しやすくすることが高品位の穴あけにつながる。その一方で、穴入口部では加工対象の複合材（板材）の剛性を利用し、工具で繊維を押えつけながら繊維に対して角度の小さい（平行に近い）切れ刃で繊維を切るのではなく削った方が、切削抵抗の抑制、切屑詰まりによる加工品位低下の抑制が図れて有利となる。これに加え、板材を複数枚重ねて加工するときには、切削抵抗の変動幅や板材の浮き上がりを抑制する作用が得られ、加工品位の向上、穴精度の向上につながる。
【００２１】
この発明の穴あけ工具で、切れ刃の少なくとも回転中心近傍部を凸曲線で形成したものは、加工開始時には繊維に対して平行に近い状態の切れ刃で繊維を削ることができるので上記の効果を期待できる。ただし、この構成は、十分な剛性を有するマシニングセンタなどの加工機を用いて穴あけを行うときには適用できるが、剛性の確保が難しいハンドドリルなどを使用するときには穴位置精度の低下が懸念されるので推奨できない。
【００２２】
剛性の確保が難しいときには、穴あけ工具の中心部に先端角（その角度は大きい方がよく、１５０°以上、１７０°以下が適当）のついた直線形状の切れ刃を設けることで穴位置精度の向上と穴入口部での削りによる加工を両立させることが可能である。
【００２３】
切れ刃の回転中心近傍部を凸曲線で形成するものも、回転中心対称位置の２つの切れ刃を工具の回転中心部において角度をもって連ならせることで穴位置精度の向上を図ることができる。
【００２４】
このほか、先端の切れ刃が鋭利であると繊維の切断が良好になされて高い加工品位が得られる。従って、工具材料は刃立ち性の良い超硬合金が適している。刃先強化用のホーニング処理を施すと刃先の鋭利さが損なわれるので、ホーニング処理は無い方がよい。本体部も含めて基部を超硬合金で形成すると耐摩耗性やコスト面でもバランスの取れた工具を実現できる。基部の超硬合金を硬質炭素膜で覆った被覆工具となすことで耐摩耗性をさらに高めることができ、これは耐摩耗性が重視されるときに有効である。
【００２５】
また、本体部の外周にマージン部を形成すると、穴の直進性改善や加工中の振動抑制に加え、工具の摩耗による外径減少が抑制されて加工の安定性の長期維持が可能となる。ところが、ＣＦＲＰ材の加工では粉状の切屑が生成されるため、連続したマージン部が外周にあるとそのマージン部と加工した穴の穴壁面との間に切屑が詰まりやすくなって穴壁面のむしれなどにつながる。発明者等が走査型顕微鏡を用いて観察した結果では、切屑は直径１００μｍ前後、長さは数１００μｍ程度の繊維束が分断したものや、直径数μｍ〜１０μｍ程度の単繊維が細かく分断したものがあった。このように、長さがｍｍ単位となる一般の金属に比べると各段に細かな切屑が形成されるため、ＣＦＲＰ材の加工では工具と穴内壁面の間で切屑詰まりが発生しやすい。マージン部を設けてそのマージン部に当該マージン部を長手方向に分断する溝やマージン幅を長手方向の各部において変動させる溝を設けたものは、溝の働きによって切屑の排出性が高まり、そのために、切屑詰まりとそれに起因した穴壁面のむしれなどが減少して穴壁面の品位向上につながる。
【００２６】
一方、穴径寸法自体がそれほど重要でない場合には、むしろマージン部を形成しないことが穴壁面のむしれ抑制の観点で好適である。また、穴径減少に対しても、例えば、ダイヤモンドコーティングを施すことで高い耐摩耗性を付与すれば、その穴径減少とそれによる悪影響をある程度抑制することが可能である。
【００２７】
さらに、本体部に、シャンク側に向って外径が減少するバックテーパを設けることで、深穴加工で生じやすい本体部外周による穴壁面の加工を抑制し、穴入口径の拡大や加工中の振動を回避することが可能である。
また、バックテーパの開始位置をシャンク側にずらすことで、本体部外周の径変化の無い部分の刃によるさらえ効果が生じ、穴壁面の軸方向面粗さを改善することができる。ＣＦＲＰ材で繊維の配向方向が異なる層を積層した材料は、加工領域を細分してみた場合、層毎に弾性回復量に違いが生じ、これが原因で加工後の面粗さが悪化するケースも考えられる。そのようなケースでは、外周の刃によるさらえ効果は有効である。そのさらえ効果
は、本体部の外径一定部の長さ範囲が０．０３Ｄ以下であると十分に発揮されず、また、その長さ範囲が０．５Ｄを越えると穴入口径の拡大や加工中の工具振動の発生など、バックテーパがないことによる悪影響が出やすくなるため、本体部の外径を一定とする部分の長さ範囲は０．０３Ｄ以上、０．５Ｄ以下が望ましい。
【００２８】
切屑の排出性は、発生した切屑を、切屑吸引手段を用いて強制的に吸引除去するとより良くなり、穴壁面の品位低下の原因になる工具外周と穴壁面との間への粉状の切屑の詰まりがより確実に防止されて切屑詰まりに起因した加工品位の低下がなくなる。
【００２９】
この発明の穴あけ方法では、外周コーナ刃部が凸曲線で形成された切れ刃を有する工具を使用するので、その凸曲線の外周コーナ切れ刃による上述の作用・効果が得られるのに加え、加工時の送り量を一定範囲内に制限する。具体的には、穴あけ時の工具の１刃当たりの送り量ｆを、０．０３ｍｍ以下、できれば、１刃当たりの送り量ｆを０．０３ｍｍ以下にするのに加えてさらに、前記外周コーナ刃部の曲率半径をＲとして、そのＲと前記工具の１刃当たりの送り量ｆの比ｆ／Ｒを０．０３以下にすることで、加工品位向上の効果を高めることができる。
【００３０】
切れ刃の外周コーナ刃部をＲ形状にした工具を用いると、一般的な金属材料の加工ではむしろバリの増大を招き、望ましいものではなかった。また、鋳鉄の加工では効果があるとの提案もなされていたが、実際には工具送りを大きくすることができない、工具摩耗が激しいなどの問題があった。ＣＦＲＰ等の繊維強化複合材の穴あけではもともと工具送り量が小さく、加えて加工のメカニズムが繊維の切断と言う金属加工とは異なったものであるため、外周コーナ刃部を凸曲線にしても切れ刃の摩耗は促進されにくく、特に硬質炭素膜を設けた場合にはさらに優れた工具寿命を得ることができることを見出して本発明をなすに至った。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
−実施形態１−
以下、この発明の実施の形態について説明する。図１にこの発明の第１形態の穴あけ工具を示す。この穴あけ工具１は、２枚刃のツイストドリルを基本形とするものであって、本体部２と工作機械のホルダに把持されるシャンク３とからなり、本体部２の先端に回転中心対称形状の切れ刃４を有し、また、本体部２の外周に２条のねじれ溝５を有する。ねじれ溝５，５間にはランド部６があり、そのランド部６のねじれ溝５に沿った工具回転方向前方の縁に一定幅のマージン部７が形成されている。本体部２は、既に述べた理由からバックテーパを有していることが望ましい。
【００３２】
また、この第１形態の穴あけ工具１は、切れ刃４の軌跡を表す図（図１で代用。図１の工具の輪郭形状が切れ刃４の軌跡）において、切れ刃４の外周コーナ刃部４ｃを半径Ｒの円弧曲線で形成し、その外周コーナ刃部４ｃの外端をマージン部７のリーディングエッジに滑らかに接続している。また、この凸曲線で形成された外周コーナ刃部４ｃを、図１に示すように、その設置領域が工具半径においてＡの径方向範囲を占め、軸方向においてはＢの範囲を占めるものにしている。さらに、外周コーナ刃部４ｃよりも回転中心側に位置する切れ刃の回転中心刃部４ａと中間刃部４ｂは、図１の側面視で先端角θを有する切れ刃にし、外周コーナ刃部４ｃの内端を中間刃部４ｂの外端に接続している。なお、回転中心刃部４ａから中間刃部４ｂまでは、図１の側面視ではおおむね直線になっているが、ドリルの端面視では曲線をなす刃にしてもよい。
【００３３】
このような形態となすことで、繊維強化複合材の穴あけ加工において加工品位を向上させることが可能になる。図１では切れ刃の外周コーナ刃部４ｃを円弧の曲線で形成したが、この外周コーナ刃部４ｃを曲率が徐々に変化する楕円などの曲線で形成しても円弧の曲線で形成したものと大差の無い効果を得ることが可能である。
【００３４】
−実施形態２−
図２に、この発明の第２形態の穴あけ工具を示す。この穴あけ工具１は、切れ刃４の軌跡を表す図（図２で代用）において、回転中心刃部４ａを半径ｒの円弧曲線で形成し、その回転中心刃部４ａの外端を前記中間刃部４ｂの内端にほぼ滑らかに接続している。その他の構成は、図１の第１形態と同一であるので説明を省く。
【００３５】
この図２の形態となすことで、穴入口部における切削抵抗を低減し、また、切屑詰まりを抑制して加工品位を向上させることが可能になる。加えて板材を複数枚重ねて加工するときには上側の板材の浮き上がりを抑制することができる。この図２の工具は、切れ刃４の回転中心刃部４ａを円弧の曲線で形成したが、この部分を楕円などの曲線で形成しても円弧の曲線で形成したものと大差の無い効果を得ることが可能である。
【００３６】
−実施形態３−
図３に第３形態の穴あけ工具を示す。この穴あけ工具１は、切れ刃４の軌跡を表す図（図３で代用）において、回転中心刃部４ａを直線形状にし、その回転中心刃部４ａに、中間刃部４ｂの先端角θよりも角度の大きい先端角θ１を付与している。その他の構成は、図１の第１形態と同一である。
【００３７】
この図３の形態の効果は図２の第２形態の効果とおおむね同じであるが、回転中心刃部４ａを直線にして先端角θ１を付与したことで、被削材への食い付き性が第２形態よりも良くなる。また、回転中心刃部４ａの先端角が大きいため、その部分が被削材中の繊維に対して平行に近いものになり、穴入口部における切削抵抗の低減、板材を複数枚重ねて加工するときの上側板材の浮き上がり抑制の効果を期待できる。その効果は第２形態の工具ほどではないが、剛性が十分でない状態での穴あけには第２形態よりも適している。なお、先端角θ１は、被削材への食い付き性の確保と回転中心刃部の向きを繊維との角度差縮小をバランスさせる上で、１５０°以上、１７０°以下程度が適当である。
−実施形態４−
図４に第４形態の穴あけ工具を示す。この穴あけ工具１は、切れ刃４の全体を工具径よりも曲率半径の大きな円弧曲線で形成している。そして、回転中心対称位置の２つの切れ刃を回転中心において角度をもって交差させている。その他の構成は、図１の第１形態と同一である。
【００３８】
この図４の形態の工具も先端中心に角ができるので、図３の第３形態と同様に被削材に対する食い付き性に優れる。また、凸曲線で形成された回転中心部近傍の切れ刃の繊維とのなす角が小さいため、穴入口部における切削抵抗の低減、板材を複数枚重ねて加工するときの上側板材の浮き上がり抑制の効果を期待できる。なお、本形態での切れ刃４の外周コーナ刃部とその他の部分は曲率が異なっていてもよい。また、切れ刃各部の曲率が段階的変化しているもの、徐々に変化しているもの、外周コーナ刃部と回転中心刃部が曲線をなし、中間刃部は直線をなすものなどでも同様の効果が得られる。
【００３９】
−実施形態５−
図５に第５形態の穴あけ工具を示す。この穴あけ工具１は、本体部２の外周に形成されるマージン部７に、そのマージン部７を長手方向に分断する溝（ニック）８を適当な間隔をあけて設けている。溝８は、マージン部７の幅を長手方向の各部で変化させてマージン部の面積を減少させるものであればよく、マージン部７を長手方向に分断することは必須ではない。その他の構成は、図１の第１形態と同一である。
【００４０】
この図５の穴あけ工具１は、マージン部７に対する溝８の設置によってマージン部７と穴壁面との間に切屑が詰まり難くなり、繊維強化複合材、特にＣＦＲＰの穴あけ加工において、マージン部での切屑の噛み込み、詰まりに起因した穴壁面の性状悪化を抑制する効果が得られる。
【００４１】
−実施形態６−
図６に、この発明の穴あけ方法の実施の形態を示す。例示の穴あけ方法は、発生する切屑を切屑吸引手段９で強制的に除去しながら加工を進めるものである。図６に示すように、マシニングセンタ１０の主軸１１に、通常実施されるのと同様に工具ホルダ１２を介して穴あけ工具１（第１形態の符号を代表して使用する）を装着し、その後、加工部を覆うカバー１４を取り付ける。カバー１４は、切屑吸引手段９の構成要素となるものである。切屑吸引手段９は、吸引装置１３とカバー１４とその両者間を接続するホース１５とからなる。カバー１４は、マシニングセンタ１０に取り付ける固定カバー１４ａの下部に軸方向相対スライドが可能な筒状の可動カバー１４ｂを有しており、その可動カバー１４ｂが工具に先行して被削材Ｗの上面に押し当てられ、この状態で主軸１１がさらに降下して穴あけ工具１による穴あけがなされる。従って、加工中は常時加工部がカバー１４に囲われ、発生した切屑が強制的に吸引除去されることになる。吸引装置の吸引力が十分であれば、カバーと被削材との間に隙間があっても十分な切屑の除去が可能であり、このことは実験で確認済みである。
【００４２】
以下に、より詳細な実施例を挙げる。
−実施例１−
先に説明した図１の第１形態の穴あけ工具を９種類準備した。また、比較のために、ツイストドリルも準備した。これらの工具の詳細を表１に示す。工具の材質は、ＪＩＳ  Ｚ２０種超硬合金であり、一部の工具には、物理蒸着法で合成した非晶質炭素（ＤＬＣ）被膜と気相合成法で合成したダイヤモンド被膜を表面に設けている。
比較例のツイストドリルは、直線の切れ刃を有する一般的な形状のドリルである。各工具の先端角は１４０°で統一し、また、切れ刃の稜線はホーニング処理をせずに鋭利な状態にした。各工具の直径はφ６ｍｍである。
【００４３】
加工対象とした材料（被削材）はＣＦＲＰの板材であり、その板材の面内方向に炭素繊維で補強したプリプレグを８層重ねて接合し、全体の厚みを２．７８ｍｍにしている。
このＣＦＲＰ材に、上記の各工具を用いて穴あけを行った。このときの加工条件は、切削速度８０ｍ／ｍｉｎ、１刃当たりの工具送り量ｆ＝０．０３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ、ドライ方式での貫通穴加工とした。
【００４４】
加工した穴の１穴目および１００穴目の穴出口におけるバリ（毛羽立ち）の最大長さ、工具最外周部の逃げ面の摩耗量を表１に併せて示す。
【００４５】
【表１】
2009039811.tif 000003
【００４６】
この表１のデータから、本発明の工具は比較例のドリルに対して、加工品位、耐摩耗性
のいずれにおいても勝っていることがわかる。また、外周コーナ刃部の曲率半径については、発明例１，２と３の比較から大であることが望ましく、特にＲが１．５以上で高品位が得られている。また、発明例４からＲ＜０．８では、優位性がやや低くなっていることがわかる。さらに、外周コーナ刃部が径方向に占める範囲については、外周コーナ刃部の曲率半径がＲ＝３ｍｍで共通している発明例１，６と７の比較から、Ａ／Ｄ＞０．０３が好適であることがわかる。なお、Ａ／Ｄの値の最大値は、０．５であり、そのときには切れ刃の全域が曲線で形成される。
【００４７】
外周コーナ刃部の軸方向設置領域寸法については、発明例３とその他の発明例との比較から、Ｂ／Ｄ＞０．１２が好適である。一方で、Ｂを大きくしすぎると、所望径の穴の加工に要する時間が長くなるので、Ｂ／Ｄの上限はせいぜい３程度に抑えることが望まれる。また、１刃当たりの工具送り量ｆと外周コーナ刃部の曲率半径Ｒとの比ｆ／Ｒで見ても、表１の結果からｆ／Ｒが小さい領域、特に０．０３以下の領域で有利なことがわかる。
【００４８】
また、工具材質に関しては、ＤＬＣ被膜やダイヤモンド被膜などの硬質被膜を施した工具で特に優れた摩耗抑制の効果が確認できる。その効果により、１００穴目の穴のバリ長さが短くなり、長い期間にわたって高加工品位を維持できることがわかる。
【００４９】
−実施例２−
次に、加工時の工具送り量の加工品位に及ぼす影響を確認する試験を行った。ここでは、実施例１における発明例１の穴あけ工具を使用し、１刃当たりの送り量を変化させて得られた穴の性状を比較した。加工の条件も含めて他の条件は実施例１と同じにした。試験結果を表２に示す。
【００５０】
【表２】
2009039811.tif 000004
【００５１】
表２からわかるように、工具送り量が増すにつれて加工品位は低下傾向を示す。従って、この発明の穴あけ工具を用いた繊維強化複合材の穴あけ方法としては、１刃当たりの工具送り量ｆを０．０３ｍｍ／ｔｏｏｔｈ以下にして加工を行うことが望まれる。
【００５２】
−実施例３−
ＣＦＲＰの板材を重ねた被削材に穴あけを行って切れ刃の先端中心部（回転中心刃部）の形状が加工に及ぼす影響を評価した。この試験は、先に説明した第２形態〜第４形態の穴あけ工具を使用した。工具の材質は、ＪＩＳ  Ｚ２０種超硬合金である。また、切れ刃の稜線はホーニング処理が施されておらず、鋭利な状態になっている。工具の外径はφ６ｍｍである。図２に示した第２形態の穴あけ工具については切れ刃の回転中心刃部曲率半径ｒを変化させて試験を行った。一方、図３の第３形態の穴あけ工具については、回転中
部の直径２ｍｍの範囲（回転中心基準での直径）で先端角θ１を１６０°にした。第２、第３形態の穴あけ工具の外周コーナ刃部の曲率半径Ｒは２ｍｍになっている。また、第４形態の穴あけ工具は、図４における半径Ｒ＝３．２ｍｍの円弧の曲線で切れ刃が構成されるものにした。この工具の回転中心部における先端角は、約１６１°となっている。比較例の工具は汎用のツイストドリルである。
【００５３】
被削材は実施例１，２で用いたものと同様のＣＦＲＰの板材である。この板材を５枚
接着せずに重ね合わせて加工テーブル上にクランプし、試料の工具で貫通穴の加工を行った。そして、加工中の切削抵抗（スラスト力)を測定し、工具外周部が加工に関与し始めてから工具先端が貫通し始めるまでの間のスラスト力の変動幅（その最大値）を調べた。また、加工中の様子をビデオカメラで撮影し、加工中に板材が浮き上がる現象の有無を検証した。加工条件は実施例１と同じである。その結果を表３に示す。
【００５４】
【表３】
2009039811.tif 000005
【００５５】
この試験結果から切れ刃の回転中心刃部の曲率半径が大きいほど切削抵抗の変動幅が小さく、板材の浮き上がり抑制されることがわかる。工具径Ｄとの比率で見ると、ｒ／Ｄが
０．２５（加工例７参照）未満では切削抵抗の変動や板材の浮き上がりが発生しやすいと言える。また、加工例８の結果から、切れ刃の回転中心刃部が、切れ刃の軌跡を表す図において直線をなしていても、同部の先端角を大きくすることで同様の効果が得られることがわかる。さらに、加工例９の結果から、回転中心において回転対称位置の切れ刃間に角ができても、回転中心近傍の切れ刃を凸曲線で形成することで同様の効果が得られることがわかる。
【００５６】
−実施例４−
次に、工具のマージン部が加工に及ぼす影響について検討した結果を記す。ここでは、穴あけに図５の第５形態の工具を用いた。工具の材質は、ＪＩＳ  Ｚ２０種超硬合金であり、切れ刃の稜線はホーニング処理のない鋭利な状態を維持している。工具の外径はφ６ｍｍである。また、本体部外周のマージン部は、幅（工具周方向の寸法）を０．４ｍｍにし、軸方向に１ｍおきに１ｍｍ幅（これは軸方向寸法）の溝を周期的に設けた。切れ刃の外周コーナ刃部の曲率半径Ｒは３ｍｍである。比較例には実施例１〜３と同じ構造のツイストドリルを用いた。そのツイストドリルのマージン幅は０．４ｍｍであり、マージン部を長手方向に分断する溝は存在しない。
【００５７】
被削材は実施例１〜３で用いたものと同じＣＦＲＰの板材であり、その他の条件は実施例１と同じにした。
この試験の結果、本発明の工具を使用した加工では、加工穴の穴壁面でのむしれは１ｍｍ以下の微細なものしか観察されなかった。これに対し、比較例のドリルによる加工では２〜３ｍｍ程度の長さの大きなむしれが発生した。この加工結果の相違は、マージン部の溝の有無により、マージン部と加工穴との間への切屑の噛み込みや詰まりの状況に差がでたためであると考えられる。
【００５８】
図６に示すように、切屑吸引手段９を用い、発生する切屑を吸引しながらの加工も行ったところ、加工穴の穴壁面のむしれは目視確認が困難なレベルにまで小さくなり、切屑の強制除去が加工品位をさらに向上させるのに有効であることも確認された。
また、図５の第５形態の穴あけ工具と汎用のツイストドリルによる穴あけを、穴加工数が２００穴になるまで実施した結果、両工具とも２００穴目の加工穴径は５．９９ｍｍ程度で、初期からの工具摩耗による穴径の減少幅は０．０１ｍｍ程度に収まっていた。マージン部のない工具での同一条件での穴あけでは、工具外周の摩耗により穴径の減少幅がマージン部有りのものに比べて大きくなると思われ、マージン部は加工寸法の維持に関しては望ましいものと言える。逆に、穴径寸法がさほど重視されない場合は、マージン部の無い構造とすることで穴壁面の性状を一層向上させると言う選択も可能であり、状況に応じてその２形態を使い分けるとよい。
【００５９】
−実施例５−
本体部外周のバックテーパが仕上げ面粗さに及ぼす影響を評価した。本実施例で用いた穴あけ工具は、基本的には実施例１の発明例１と同様のものであるが、外周コーナ刃の外端から本体部外周のバックテーパ開始位置までの距離（本体部外周の一定径部の長さ）を変化させている。バックテーパの量は、長さ１００ｍｍ当たりに径が減少する割合を０．３ｍｍにした。
被削材は、厚み１４ｍｍのＣＦＲＰ材であり、加工条件は実施例１と同じである。表４に外周コーナ刃の外端からバックテーパ開始位置までの距離と、穴内壁面の軸方向面粗さを示す。穴内壁面の軸方向面粗さは、測定長４．０ｍｍ、カットオフ長０．８ｍｍとして、触針式粗さ測定機で測定した。
【００６０】
【表４】
2009039811.tif 000006
【００６１】
この表４からわかるように、バックテーパの開始位置を若干シャンク側にずらして本体部の外周に外径一定部を設けることで外径一定部の無い工具を用いる場合（加工例１２）に比べて穴内壁面の面粗さが改善される。ただし、外径一定部の長さＸと工具外径Ｄの比
Ｘ／Ｄが０．０３より小さい加工例１２は面粗さの改善効果が小さく、また、その比が０．５より大きい加工例１７は、穴内壁面の面粗さがかえって悪化している。従って、外周コーナ刃の外端からバックテーパ開始位置までの軸方向長さ範囲は０．０３Ｄ〜０．５Ｄ程度が好適と言える。
【００６２】
なお、この発明は、上記の実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】この発明の穴あけ工具の第１形態を示す側面図
【図２】この発明の穴あけ工具の第２形態を示す側面図
【図３】この発明の穴あけ工具の第３形態を示す側面図
【図４】この発明の穴あけ工具の第４形態を示す側面図
【図５】（ａ）この発明の穴あけ工具の第５形態を示す側面図、（ｂ）図５（ａ）の丸枠部の拡大図
【図６】切屑吸引手段を採用した穴あけ方法の概要説明図
【図７】ＦＲＰ材に加工された穴あけの出口部の繊維の毛羽立ちを示す図
【符号の説明】
【００６４】
１          穴あけ工具
２          本体部
３          シャンク
４          切れ刃
４ａ        回転中心刃部
４ｂ        中間刃部
４ｃ        外周コーナ刃部
５          ねじれ溝
６          ランド部
７          マージン部
８          溝
９          切屑吸引手段
１０        マシニングセンタ
１１        主軸
１２        工具ホルダ
１３        吸引装置
１４        カバー
１４ａ      固定カバー
１４ｂ      可動カバー
１５        ホース
ｒ          回転中心刃部の曲率半径
Ｒ          外周コーナ刃部の曲率半径
Ｗ          被削材
Ａ          外周コーナ刃部の径方向範囲
Ｂ          外周コーナ刃部の軸方向寸法
【図１】
2009039811.tif 000007
【図２】
2009039811.tif 000008
【図３】
2009039811.tif 000009
【図４】
2009039811.tif 000010
【図５】
2009039811.tif 000011
【図６】
2009039811.tif 000012
【図７】
2009039811.tif 000013