小径・深穴開け加工技術

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小径深穴加工の課題

【執筆】 三菱マテリアル 加工事業カンパニー 開発本部 ドリル・超高圧工具開発部 ドリル開発課 課長補佐　佐藤 晃

　小径深穴加工において、医療部品、金型の冷却穴の需要がある中で、近年さまざまなものがインターネットに接続され情報をやりとりする仕組みが発達しているとともに、ＡＩ（人工知能）が身近な存在になった。こうした背景から、高精密通信部品に関連する微細穴加工についても要望が増加している。

　これら小径深穴の主流な加工方法はソリッドガンドリルや細穴放電加工があり時間を要する。このため、最近では高能率加工が求められ、クーラント穴付きツイストドリルによるノンステップ加工のアプリケーションに置き換わる傾向にある。その中で穴径１ミリメートル以上、加工深さＬと穴径Ｄの比率（Ｌ／Ｄ）が３０以下となる領域においては、主流な加工方法からの一部置き換えに成功している。

　一方、Ｌ／Ｄが３０を超える高アスペクト比の小径深穴はドリル設計製作の難易度が高く、冒頭述べたソリッドガンドリルなどの加工が主流であり、高アスペクト比な小径深穴であるほど多くの加工時間を要する。

　そこで当社は穴径が直径１ミリメートルから２・９ミリメートル、Ｌ／Ｄが最大５０までの「高能率加工」、「突発折損を抑制し、安定生産・安定操業」、さらに「穴曲がりを抑制し、位置精度に優れた穴加工」を実現する製品を開発した。

　本稿では当社が得意とする油穴付きソリッドドリルの新製品であるＴＲＩＳＴＡＲドリルシリーズ「ＤＶＡＳ（以下、ＤＶＡＳ）」について紹介しながら加工改善事例と今後の展望を紹介する。

ＤＶＡＳの特徴と加工事例

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　小径深穴を短時間かつ精度よく加工をするために開発した形状および材料技術を紹介する（図１）。

　ドリルでは穴開けの過程で生じた切りくずをらせん状の溝から排出する。そのため溝内に切りくずを滞留させることなく排出しなければ、高能率かつ安定した加工は実現できない。特に小径深穴加工では、切りくずつまりによる工具折損がトラブルとなることが多い。粘性の高い不水溶性切削油剤が使われるケースも多く、また、小型旋盤や自動盤では切りくず排出が困難なワーク回転による加工も少なくない。

　このような背景から、小径ドリルでは切りくずつまりを抑制するアプローチが必須となる。そこで大流量のクーラントで切りくずを押し流す独自のクーラント穴「ＴＲＩ—Ｃｏｏｌｉｎｇテクノロジー」、優れた切りくず分断性を実現する「新ＸＲシンニング」、そして高い耐摩耗性により長期にわたって高い切りくず分断性を実現する新材種「ＤＰ１１２０」を開発した。

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　ＤＶＡＳは大流量なクーラント吐出を独自の略三角穴ＴＲＩ—Ｃｏｏｌｉｎｇテクノロジーによって可能にし、深穴であってもスムーズな切りくず排出を実現する。特に粘性の高い油性クーラント環境やクーラント圧力が低い場合においては、切りくず排出や切れ刃の冷却潤滑に必要な流量が確保できないケースがある。ＴＲＩ—Ｃｏｏｌｉｎｇテクノロジーは従来品よりも大きな断面積を確保することで、小さな圧力であったとしても十分にクーラント量を確保できる仕様。実際にチタン合金を加工した際の事例を図２に記載する。穴径１・４ミリメートル、深さ４０ミリメートルの加工をガンドリルで行うと１穴当たりの加工時間は３分３５秒だが、ＤＶＡＳでは４４秒と能率５倍に加工時間を短縮できた。

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　別の事例として、図３で穴径２ミリメートル、深さ１３０ミリメートルの加工（Ｌ／Ｄ＝６５）を紹介する。深さ１４ミリメートルの下穴を加工したのち、ＤＶＡＳ特殊品のドリルを使って超深穴を加工する。ノンステップ加工も可能であるが、突発折損のリスクを下げるため、深さ１００ミリメートルまではノンステップ加工をし、深さ１００ミリ—１３０ミリメートル間は１０ミリメートル×３回ステップをして加工を施す。ステップ回数が少ないこともあり、１分とかからず短時間で完了する。

　小径ドリルでは、工具損傷や溶着による切れ刃形状の変化が小さい場合でも切削性能に大きく影響することがある。また、発生する切りくずや切りくず排出溝も小さくなるため、コーティングで生じるミクロな起伏面も無視できず、特に平滑であることが重要だ。

　新材種ＤＰ１１２０は独自の成膜技術による優れた平滑性を有し、切りくずをスムーズに排出することで切りくずつまりによる折損を防止する。加えて、長期にわたり刃先の切れ味を維持する優れた耐摩耗性を併せ持つことで長寿命を実現する。

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　図４に、小径ＤＶＡＳと従来品を用いて合金鋼ＳＣＭ４４０を５００穴加工した際の切りくず形状写真を示す。小径ＤＶＡＳは従来品と比べて切削初期でも切りくずを小さく分断できており、５００穴加工した状態でもすくい面損傷が従来品に比べて小さく、切削初期と遜色のない切りくず分断性を維持できている。

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　小径深穴加工はドリルのＬ／Ｄが大きく、加工中のささいな外乱により加工した穴が曲がることがある。そのため特に穴奥側で要望通りの位置精度を確保できないトラブルが起きることがある。このトラブル要因の一つに下穴精度の良しあしが関係する。そこでＤＶＡＳは下穴の位置精度を極限まで高めるために、従来のドリルよりも首下長を短くすることで工具剛性を保ち、併せて切りくず排出をスムーズにするためテーパー部に排出溝を有するユニークなフォルムを取り入れた。刃型においては新ＸＲシンニングを採用し、従来刃型に対して切削時に受けるスラスト力を２０％低減することでドリルのたわみを抑える。さらに４点で保持するダブルマージンを有することで案内性に優れるため、深穴であっても優れた真直性を発揮する。図５は、穴入り口と出口の座標変位量を従来品と比較したものであるが、小径ＤＶＡＳは変位量を３分の１に減少させる結果が得られた。

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　本稿ではＴＲＩＳＴＡＲドリルシリーズのＤＶＡＳを例にとり、小径深穴加工を「能率よく、安定的に、そして高精度」に行うための技術を紹介した。当社はこれからも、さらに高度なソリューションを開発し、市場へ供給することで、顧客の生産性向上に貢献していく。