今回からドリル(ツイストドリル)についての書き込みをしたいと思います。
下図参照してください。
ド リルってプレート等に最初に穴を明ける工具(刃物)ですよね｡なんか普段普通に使っている私達ですがドリルさんに無理をお願いしているとはおもいません か｡ドリルの中心部(ウエブ部)は他の刃物と違って切削とは言えないような極端なマイナスのすくい角で押し潰し(塑性変形)ているんですよね｡
そ して一般的に押し込み推力の低減の為シンニングという加工をしているかとシンニングの主たる目的はすくい角をプラス側に近づけるようにする為だと思いま すし、あまり取り過ぎると押し潰す加工がメインの加工現場だけに刃先?に加わる負担に耐えられない程貧弱になった心厚(ウエブ)先端部が破損する場合もあ りますので適度のシンニングが望まれます｡
上記ではマイナスのすくい角での押し潰しと表現しましたが以外に他の切削工具と比べると特異な切削機構があります｡それは 1 回転当たりの送り量(Z方向)が同じでも外周部と中心及び近辺では切削螺旋角度(勝手に作った表現です)に違いがあるという事です｡
例えば まる30のドリルの場合で１回転０．４送ると仮定して切削ポイントの螺旋切削
角度と切削長は（注, 計算値です）
となり、中心部に近い程角度が大きい（押している状態）事が分かると思います。
※ 中心部に近づく程 逃げ面の逃げ角を大きくする必要性が判るかと思いますが大きくし過ぎますと破損等の副作用が出ます｡ですから一般的に中心部での加工機構は切削ではなく無 理やり押しつぶしながら外側に追いやる加工をしているとしその方が総合的にプラスと判断しているかと思います｡
注１ 直径0(ドリル中心)と表現しましたがこれはあくまで机上の数字であり周速ゼロというのも『現実的には有り得ない』と思います｡ 何故ならﾄﾞﾘﾙまたは被削材に回転を与えている機械の主軸自身の回転による振動また刃先先端に発生する振動(ﾋﾞﾋﾞﾘとか)が常に起きているはずと考 える私なのです｡今回はドリルその２としまして自分なりの刃先の求心性と穴精度を取り上げたいと
思います。
１、求心性
これは工具に多少の振れがあっても先端部が切削開始すればジゼルポイントまた先端切れ刃角度のバランスと切削条件(送り等)等々の条件により切削抵抗をメインとして動的回転バランスが取れ心が求まるという事だと考えます｡
※ 主軸の保持が不安定な電気ドリルでも期待する穴明けが可能となるのもこの求性があるためだと思います｡
例として下図のような先端形状（オーバーに描いています）でも其なりに動的回転中心が安定します。
ドリル外径中心＝動的回転中心とはなり難いので加工結果としての穴径は基本的に大きくなりますので要注意です。
※ 殆どエッジ部また近辺が回転中心になるにはなりますが｡
ドリル研削盤で研いだドリルは動的バランスが最良と思われますので期待寸法に近い穴に加工されますが、手研の場合には先端角度等が非対称になりやすいので穴径のチェックが必要となります｡
２、穴精度
1､基本的にドリルで加工する穴は
a､ 大径の下穴
b､ ボルトが通る穴
c､ ネジのした穴
d､ 密閉部の通路穴(気体･液体等が通る穴)
e､ 他
等になるかと思います｡
一般的に下記アニメの左のように、主軸－ドリル－切削開始ポイント－ドリル－出口(または一番底)が一直線になるように期待します が、殆どは右アニメの様になるかと思います。
※実際は 上アニメ右のように接触部で先端にズレが生じ、その影響が抜け際に行くにつれ拡大され、結果として穴位置誤差が大きくなります｡
例えば(まる20位のきり加工手順)
a､センタ穴明け
b､ドリル加工
ここでセンタ穴の中心とドリルの先端の回転中心がほんの僅か(百分台)ずれます｡
これは求心という長所がドリル先端入り口 部でずれる事により動的軸心に狂いを生じさせ、刃先の進行方向に傾きが発生する為だと考えられます｡
一般的に上記のような加工手順で製品を満足させる事が出来ると思いますがリーマの下穴とかでは極力曲がりは控えるようにした方がよいかと思います｡
※曲がりがあると高精度のリーマ穴（下穴に倣います）の位置度･真直度･円筒度等を満足させるのが難しくなります。
参考迄に下アニメで曲がりの少ない加工手順例を示します｡
※必要最短(長さ)のドリルを使用すればなお宜しいです。
このようにドリルの案内を上記アニメの様に 軸心上に設ければ曲がりを最小にする事が可能となりますが、刃物が1本増えたり加工時間が延びます。 ですので総合的に考え、ドリル穴は曲がるものとし高 精度のドリル加工を望まないとする場合が多々あるのも事実ですし私も必要以外上記のような案内を設ける事はしていません｡ すくい角と切削抵抗という事で書き込みをします。
ドリルのすくい角は溝のネジレで決まると一 般的に言われます が、それでは面白くないんでドリルのすくい角は溝のネジレで決まる訳ではないですよ～ーということでお話を進めて行きます､また進入角(リード角)度変化による副作用の書き込みをします。
１、すくい角度の基準は何処なの?
一般的な言い方としましては下図 1 の Ｅ-Ｆ のドリル軸心を基準として溝のネジレ角度＝Ｈ－Ｇ をすくい角と表現しますが実質的には下図 の刃物移動方向(切削方向 Ａ-Ｂ)に対しての 垂線Ｃ-Ｄ が基準になるかと思います｡
※基本的にすくい角を示す基準軸はＡ－Ｂに垂直線Ｃ-Ｄ となる。
注個人的な考えですがこれは全ての除去加工に当てはめる事も出来ると思います。
２､ ドリルの切削抵抗
一般的に切削抵抗は下記のように 3 方向で表現します｡
1） 主分力と送り分力
２） 背分力
ということでドリル加工において切削抵抗として考えなくていけないのは主分力と送り分力という事になるかと思います｡
３）以外の抵抗
上記１）２）で切削抵抗の説明をしましたが実際のドリルの中心部は切削と言えない金属の破壊を行っています。
ドリルの場合、この中心部の押しつぶすという機構がスラスト抵抗（送り分力を増大させる大きな要因となっていますがドリル先端のビビリ等不安定要因から守ってくれているお手伝いをしている所でもあります。
※一般的に嫌われていますけどね。
３､ 主たる切削抵抗の方向変化
３．１ 上記１と２を整理すると
1）上記 １､ では 刃先の切削リード角(切削方向)はすくい角度の動的基準となるベースになり、すくい角度の基準はその垂線になる｡
２）同 ２､では切削抵抗のメインは主分力(切削方向)である。
３）同じく ３、では主分力ｊは中心に行くに従って送り分力に近づき中心部の除去機構のメインは押しつぶしだけである。
これを纏めると
３．２ スラスト荷重の実体例
とうように中心部の切削抵抗がひときわ大きくなりますので一般的に中心部の抵抗低減の為に下図のようなシンニングを設けます。
３．３ スラスト荷重の低減方法例
※ 実際仕事をする時はこんな事迄考えなくてもいいと思いますし私もそうしています。剛性の小さい被削材（アルミ鋳物等）に1発で穴を明けると不具合(素材と ドリルの相互関係に誤差を生じる場合とか)が生じる場合は心厚分位の下穴を明けたてから目的とする大きなドリルを通したほうがベターかと思います｡ 今回はビビリ現象という事で書き込みをしたいと思います。
バランスカットのドリルでもビビルのですか?て聞こえそうですが、条件によってはビビリが生じます。
ツイスト(ねじれ)ドリルは基本的に『弱剛性のバランスカット式穴明け工具』で下穴の無い状態で安定した穴明けが出来るように製作されていると思います(メーカーさんに聞いた訳ではありませんが?･･･)｡
１、除去加工時に発生するビビリって何でしょう?
基本的には振動と考え その振幅また周期等の度合いにより切削面また刃物そして機械･作業者への悪影響有りと判断するものをビビリと表現させて頂きます｡
※故意に振動を利用する場合は除きます｡
２､ ドリルのビビリ現象及びその推測原因
加工条件
･ 直立ボール盤使用
･ 被削材高剛性
･ 特記以外標準ツイストドリル(長さ含む)使用
･ シンニング有り
･ 自動送りでの加工
･ 切削液使用
とします｡
１） 切削開始時のビビリ現象 （対策案へ戻る）
原因＝ 通常ならチゼル部でスラスト方向に圧縮を受けているのですが左図の通りｾﾝﾀｰ穴がある為求心作用がおこし難く不安定となり微細な振動をラジアル またスラスト方向に発生させているのが原因だと思います｡
２）皿ビス等のザグリ加工時のビビリによる切削面の粗さ不良 （対策案へ戻る）
原因＝ 前記 ２、の 1) に同じ。
３） 極端なロングドリル使用(例えばD/L=30以上?)使用時のビビリ
（対策案へ戻る）
原因＝ 加工時のスラスト力に負けてド リルが弓状に反って先端部にかかる負荷が一定以上上がらない｡
※ドリル先端の伸び縮みが激しい
４） 加工結果＝おむすび(三角穴) （対策案へ戻る）
※刃先だけ表現しました。
原因＝ 一定のビビリを動力源とした回転中心部の三角移動が原因の筈です､ドリル1回転毎に中心部が一つ の三角形をつくりその 繰り返しが通称言われるおむすび（三角穴）になるかと思います｡
３角穴は左アニメの赤○が期待する穴とすると３カ所は大きく３カ所が小さくなりそれなりに真円度及び穴寸法精度が低下します。
※数学者に言わせますと4角穴も出来るそうです｡
３､ 対策案
1) 上記２、1)への対策例
原因が正しいとするならスラスト方向の負荷を増やし安定させ切れ刃部の跳ねるのを抑えればよいですね｡
a､ 1回転当たりの送り量を増やす｡
ビビリが増幅するようならすぐ止めて下さい､刃先の破損する確率が高くなります｡
b､ 逃げ角の2番角を小さくし接触長さ（面積）を大きくしする｡
（対策案の４）のaへ戻る）つまりリード角(切れ刃の切削方向)に近づけるという事です｡
上図アニメのように切れ刃が鋭利ですとスラスト方向に負荷が余りかからない状態になります。この状態では刃先と被削材と負荷のバランスが不安定になりやすく、刃先が食い込んだりあるいは一定以上の負荷になると刃先が跳ね上がるという現象がおきます。
その連続が通称言われるビビリとなるかとおもいます。
対策としては
上図のように刃先の逃げ（２番ともいいます）面が被削材にある程度接触するようにした状態で適度にスラスト方向に負荷をかけ、刃先が食い込んだり跳ねたりしないようにします。
上記のような対策すればビビリは激減し、ドリルが穴明けの貫通時に引っ張られる事が無くなります。
c､ 回転数が調整出来るようでしたら下記のように刃物回転数を小刻みに減増させる｡
ｲ 切削開始後振幅が増加した または増えると予測出来たら
ﾛ 回転数を瞬時に変化(下げ)させ 1度ﾋﾞﾋﾞﾘを抑えるようにし
ﾊ 収まりそうになったら再度通常の回転にするようにします。
後は上記 ｲ からのﾊの繰り返しをしながら
センタ穴が無くなるまで加工し、ビビリが収まったら本来の回転数で穴明けします。
※つまりビビリが発生するには何だかの原因があり徐々にまた瞬時に振幅が増加すると考えれば、その元の条件を狂わせる一つ方法としてとして回転数を変化させるという訳です。
d､ 中心部に負荷が掛からない主原因はｾﾝﾀ穴ですからｾﾝﾀ穴を浅くします。
※これが1番簡単な対策かと考えますし､わたしこの手を使います。
２） 上記２、２）への対策例
a､ 前記２、1)への対策案 b を遂行して下さい｡
b､ 急ぐ場合は 前記２、1)への対策案 c でもよいでしょう｡但し 仕上がり面にビビリ痕が残らない所で切り上げるようにして下さいね｡
３） 上記２、３）への対策例
a､ 穴が深い場合ドリルの長さを短いﾄﾞﾘﾙから順番に加工する様にして下さい｡
下アニメ参照
長さを変える事によりロングドリルの反りを前加工の穴が抑えてくれますので安定した押し込み力を保つ事が出来ます｡
※使用する刃物数が増えますが穴精度も上がります｡
４） 上記２、４）への対策例
a､ 基本的には先端部がビビっている場合に発生しますので上記対策案 ３､ １） b を行ってみて下さい｡
b､ 上記 a､でも直らない場合はチゼル部(刃先先端部)の求心性がラジアル方向の変動に耐えられない程に弱いと考えらえますのでシンニング加工を止めて下さい｡
※この場合は穴精度を優先しｽﾗｽﾄ荷重が増えるの仕方ないとします。
以上簡単でしたが、ビビリの現象と考えられる原因そして対策を説明しましたが以外にも色々なビビリ現象が事があるかと思います｡
その場合は(ドリル以外の刃物 例えばバイトとか)いかに振動をさせないか、また振動(ビビリ)発生は仕方無いとし、いかに被害を少なくするかを前提に考えれば殆ど解決するかと思います｡ 今回は標準ドリル(ツイスト)損傷と色々なドリルについて書き込みさせてもらいます。
１、ドリルの損傷
金属を切削すれば其なりに刃物は損傷を受けます｡その損傷の代表と思われる要素の推測原因とその進行度合いを抑える対策案を示します｡
条件
･ 損傷ドリルは標準ドリル（溶解ハイス）とします。
･ 切削液は水溶性とし濃度(10％位?)は管理されているものとします。
・ 加工機械は立てＭＣ。
･ 被削材はＳ４５Ｃとします。
１） 外周コーナー(切刃と外周とのコーナー)の磨耗( @ 印部)
原因
a､ 主原因は切削速度が速い
対策
a､ 同等のドリルを使うなら切削速度を下げる｡
b､ 深穴加工では発熱した熱又は蓄熱した熱の排除をする｡例 ステップ加工または回数増加
c､ 軟化度合いの少ない粉末ハイス又はコーテングされたドリルに変える｡
２） 逆バックーパ
上図の様に通常のバックテーパはまる５以上を例にしますと１００ミリで０．０４～０．１ミリの逃げを取ってあるようです。つまり上図右でいいますと a は c より大 きく b はその直線の線上ですが、使い続けますとa が b よりも小さくなります。
原因
a､ 極端に切削速度が速い
ｂ、適正使用での寿命
c､ マージン部と被削材の仲介役である液膜不足が長期に続いた。
対策
a､ 原因が上記 a と思われるなら適度の速度(メーカーさん推奨速度)にしてみて下さい｡
b､ 原因が上記 b と判断出来る場合は消耗が少ない所から切断 してバックテーパーを復元させるか廃棄処分にした方がよいと思います｡
c､ 原因が上記 c かと思われる場合は切削液を変えてみて下さい。マージン部に液膜が確保されない状態では磨耗進度が早くなりますよ。
※油屋(ガソリンスタンド等)さんに相談した(切削液にも詳しい専門の方がその地域の本社等にいます)方がよいかも知れません｡
３） 切れ刃の逃げ面磨耗
俗に言われる逃げ面が磨耗し、切削面と平行になる＝逃げ角０となる｡
原因
a､ 主原因は切削(せん断)作業中の素材との擦りによるもで被削材と相性の関係もありますが表面から順序よく正常に磨耗する正常摩耗と考える事が出来ます。この正常消耗は刃先部の温度が高いと其なりに進行が早くなります｡
対策
a､ 前記 １､ 1) の対策 と同じ
※ ドリルばかりではなく、連続切削加工時の刃物に言えますが、せん断又擦る作用のある除去加工現場では、相当の圧力が掛かっている状態ですから、切削液による潤滑効果は余り期待出来ないと思います｡
従って連続加工時(切削圧力が持続する状態)に切削液に期待する効果は冷却がメインと考えた方がよいかと思います｡
○ドリルの研ぎ方はこちらを参考してください。
４） シャンク(柄)部の損傷 その 1 ストレートの場合
上図のようにドリルチャック爪に食い込みとか、過負荷による滑り傷 のような回りキズがある場合、刃先の振れ増加とかチャック部のスベリ易い原因にもなります。
※あまり傷等があるのは使用しない方がよいですね｡
原因
Ａ ドリルチャックにる締め過ぎまたは過負荷による食い込みの筈です。
Ｂ 過負荷時滑り又は締め付け力不足
対策
Ａ 加工条件を控えめにするかコレットチャック等でシャンク回りを確実に締めて下さい｡殆どこれで解決するかと思います｡
※超硬ドリルの場合はコレットチャックにした方がよいですね。
Ｂ タング(つまみ?舌とも言うようです)付のドリルを使用し摩擦だけではなく物理的に回転を阻止するか、Ａに同じく加工条件を下げた方がようでしょう｡
５） シャンク部の損傷 その 2 モールステーパ(MT)の場合
原因 その１ タング欠損の場合
ａ ソケットとの密着が不完全の場合に過負荷が掛かりますとテーパー部が回転方向に滑り､回転止めの役割もするタングの角が相手ソケットと干渉し共に損傷します。
ｂ また過負荷等が原因で過度にソケットと密着させますと矢（ドリフトというんでしょうか？あのクサビ効果を利用してドリルを抜く道具の事ですけど)で抜く時に損傷させる場合もあります｡
対策 案１（原因その１の対策）
a､ 上記 a の場合は、ソケット内側のテーパ部とドリルテーパ部の傷(凸部)又汚れ等が無いように油砥石とかシンナーで綺麗にしてから（脱脂）挿入及び圧入して下さ い｡それと過負荷での回転阻止もテーパーで行うとする考えにした方がよいかと思います(タングは保険かな?)｡
※重切削する場合 はプル側から抜けないように引っ張るタイプのTOOLを使った方が宜しいかと思いますが(予想)うちの場合は普通に突っ込むだけですの で、テーパー部の連結に神経を使います｡一応綺麗にしてからはめるのですが、用心の為に樹脂ハンマ（又は銅ハンマ）等で叩くか、太いドリルの場合は木の角 材にドリル先端部を当て抜け難いようにしています。さらに加工後に工具破損検出機で確認しています｡
b､ 上記 b になりえると予想できるものは、ステップ加工等で加工中に切粉が穴に落ちその切粉を破断する場合、スラスト方向に負荷がかかった場合に起きる場合がありますので、充分な切粉の排除を考えた方がよいと思います｡
※ぶつけた時も抜け難いですね､そして抜けない場合はどちらかを削り去るしかないと思います｡
それとタング部が欠損したらソケットも含めて使用しない方がよいと思います｡
原因 その２ テーパ部打痕の場合
保管またメンテが不完全で、打痕等を付ける場合があります。例えは何本もそのまま横にして置いたりすると何かのはずみ(何だろ?)で打痕がついたりします。
対策２ （原因その２の対策）
加工終了後、刃先に溶着している切粉等を取り去り、必要なら再研磨してドリルスタンド等に整理し、ドリル同士が干渉しないように保存した方が良いでしょう｡
２､ 最後になりますが 以外の色々なドリルを紹介したいと思います｡
１） コアドリル
刃数が３枚以上あるドリルで、鋳抜き穴とかドリル穴をさらに大きくする工具ということです（直進性も２枚刃のツイストドリルより優れています）｡
２） ドリルリーマ
リーマの下穴とリーマ加工が一本の工具で出来るというものです｡
３） 段付ドリル
複数の穴を同時に加工出来るドリルです｡
４） シェルドリル
径が大きい場合に刃部だけを取り替えて使うドリルです｡
５） 油穴付きドリル
ドリル本体に液体が通れるように穴が明いているもので、最近では時間短縮の一つの手段として使われる様になっています､が其なりの設備が必要です。
※基本的に供給する液は刃先部で発生した熱が先端部に蓄熱される前(ここが重要)に奪い取り、切粉を外へ排出するのが役目(マージン部の潤滑もね)ですので、品質が良いのですが圧力の高い切削液の供給が望まれます｡
６） ガンドリル
深穴といえばこの名前が出るほど当たり前となっているドリルです｡
７） スーパードリル(聖○精機株式会社さんの商品名なのかな?)
大径(まる120とか)でも1発で加工出来るというすぐれものです。なんせ切刃先端には油穴そしてセンタドリルと取替え式切れ刃が付いていて、切粉がカンナ屑のように薄くカールしながら
排出しますので安定した加工ができます｡
※最近の高切削速度･高送りとは一寸路線が違うドリルですね｡ちなみに切削液の先端給油は潤滑が主たる目的だと思います｡
８） ドリルタップ
ドリルリーマと同じようなものでタップの下穴とねじ切りが一本の工具で加工出来るという刃物です。
９） センタードリル
センターもみに使用するドリルで色々な型式があります｡
１０） ニューポイントドリル(三○金属製)
アイデア商品で中心部先端(チゼルエッジ部)を空洞化し非切削部(殆ど押しつぶしていた所ですが)を設けスラスト力を低減させたものです｡
１１） スローアウエイドリル
使い捨てチップを使用するドリル｡
※求心性は無いと思った方が宜しいかと思います。
１２） パイロット付きスローアウエイドリル
上記 １１)に求心性を確保する為）にパイロットを設けたドリルです｡
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