ドリルとはどのような工具？

ドリルとは、先端に切れ刃を持ち、また、切りくずを排出するための溝をもつ、主として金属の穴開けようとして用いる工具です。ドリルはJIS（日本工業規格）に準拠した分類方法で①刃部材料及び表面処理、②構造、③シャンクの形態、④機能又は用途の計4種類に分類されております。

ドリルに要求される特性とそれに伴い使用される材質とは？

まず一般的に工具は、使用状況や環境によって求められる特性が異なります。上記でご紹介したドリルの分類方法に合わせて、最適な材料の選定が重要となります。切削工具の場合には、耐摩耗性が重要となります。加えて切削加工の際には刃先の先端が高温状態となり、工具寿命の短命化や熱膨張による精度の低下が挙げられます。したがって、高温状態でも硬さが低下しないかつ構成刃先を生じにくいことが要求されます。
これらの特性を満たすために、工具材料として最も汎用的に選ばれているのはハイスと超硬合金の2種類です。ハイスと超硬合金では靭性と硬度による比較がされており、ハイスは硬度で劣りますが、靭性があるために刃が欠けにくいという面がございます。一方で、超硬合金は靭性で劣りますが、硬度に優れるために工具の歪みやしなりがでにくく、高精度で美しい仕上げ面で加工が可能です。

ドリルを製作する上で注意するポイントとは？

ドリルを製作する上で注意すべきことは、①切れ味と②切屑の排出③求心性の3点を重視した設計が必要となります。

切れ味

切れ味の良いドリルを設計するためには、被削材に応じた先端角、逃げ角、シンニング、ねじれ角・外周・溝の深さを設定することが重要です。
①ねじれ角はねじれ角が大きいほど、切れ刃が鋭利になり切れ味が良くなるため切削抵抗が小さくなります。ただし、切れ刃の強度は低くなるため、チッピングや欠けが生じやすくなります。 標準的なドリルのねじれ角は20°～30°であるために、切れ味を良くする際にはねじれ角を大きく設定します。
②ドリルのねじれ角は、ドリルの外周とリードで決定されます。ねじれ溝がぐるっと一周して同じ線上に表れる長さをリードと言います。そのねじれている角度がねじれ角となります。計算式で表すとtanθ（θはねじれ角度）=(ドリル直径D×π)/リード⇒θ=tan⁻¹(Dπ/リード)となります。

切屑の排出

切屑の排出は、ねじれ角・すくい角・面粗度・溝幅比、ウェブ厚の5つの条件で変化するので、装着する工作機械とその加工方法に合わせた設計が重要です。切屑排出性を高めるためには、下記の各種項目を大小させることが重要ですが、全て設計上での他の要素との兼ね合いが前提となります。
①ねじれ角はその名の通り、刃のねじれの角度を指します。ねじれ角が大きい場合には切削時の切削抵抗が少ないために切屑自体が薄くなります。切屑が薄い場合には切屑の排出性が高まります。しかし、排出するための距離が長くなるデメリットがあります。
②すくい角は切れ刃と被削材の基準面に対するすくい面の傾きを表します。すくい角はねじれ角と相対的な関係性を持っています。したがって切屑の排出性を高める場合には、すくい角を強くすると低い切削抵抗で切屑の排出性を高めます。
③面粗度を向上させる、特に溝部の面粗度を向上させる事で、滑り性がよくなり、切屑がスムーズに排出されます。
④溝幅比とはドリルの先端におけるランドの角（θ1）に対する溝の角（θ2）の比のことです。溝幅比＝θ2/θ1の式で表されますので、溝幅比が小さいと剛性は高いが切屑の排出が悪くなり、溝幅比が大きいと剛性は下がりますが、切屑の排出は良くなります。一般的に、靭性が低い超硬は溝幅比を小さめに、靭性が高いハイスは溝幅比を大きめに設定されています。
⑤ウェブ厚は別名芯厚と呼ばれており、刃具の中心から外周溝の底までの太さを指します。このウェブ厚が太い場合、工具断面積が広くなるために剛性が高まりますが、一方でチップポケットは狭くなるために切屑の排出性が悪くなります。そのためにウェブ厚を小さく設計することが重要となります。

求心性

求心性とは、ドリルが加工している際に、あけたい穴の中心を求めていく性能のことを言います。ドリルが剛体であるとドリルの先端中心とシャンク端面が同じ軌跡を描きます。つまり、主軸の回転中心から見た切れ刃の向きは常に一定です。しかし、ドリルが軟体で変形を伴う場合にはドリルの先端とシャンクの端面は同じ軌道を描くことがなく、穴が曲がるなどの現象が発生します。これらの要因を解消する求心性を上げるために、剛性を上げた設計をすると共に被削材の材質によるが左右の刃のばらつきを抑えた設計であるリップハイトが重要です。またチゼルエッジを小さくするためにシンニング加工を施すことも効果的です。ドリルのすくい角は中心部に近づくにつれて小さく、負のすくい角となり、切削抵抗力を強めて切れ味が非常に悪くなります。シンニング加工することで、すくい角に切れ刃ができて、切削抵抗を抑え、安定的な切り屑の排出を実現することが可能となります。

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今回はドリル刃を精密加工する際のポイントについてご紹介をさせていただきました。ドリルはワークに穴をあける工具であるために、刃先の先端にかかる圧力や熱が残留するために工具の短命化や構成刃先を引き起こします。そのためにも①切れ味と②切粉の排出③求心性の3点を重視した設計が必要となります。

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