【徹底解説】ドリルとは？ドリルの構造と種類、切削条件を紹介

　 　 　

製造工程では、ワークに穴をあけて組み立て部品を穴に通す、あけた穴にタップでネジを製作するなどの穴あけ工程が求められることは頻繁にあります。その際に使用される穴あけ工具がドリルです。
どのような穴あけ加工であっても、図面通りに正確に、素早く加工することが求められますが、ドリルを使う条件を正しく設定しなければ摩耗や折損などが簡単に起り、場合によっては加工精度不良となることもあります。そのため、さまざまな条件に合わせてドリルの形状や材質を正しく選ばなければなりません。

このコラムでは、ドリルの基本的な種類や構造、加工の注意点などをご紹介します。

ドリルの種類

ここでは、ドリルの基本やドリルの種類について紹介します。

ドリルとは

ドリルは、「金属の穴あけ用として、先端に切れ刃をもち、またボディに切りくずを排出するための溝をもち一般に用いる工具」と定義されています。（JIS B 0171）
ドリルはワークに穴を開けるための工具で、ボール盤に設置して使用しますが、他の工作機械や手動ドリルでも使用されます。
本稿では、ボール盤に設置して穴を開けることを前提として、解説します。

図1に、ドリルの概略について紹介します。

ドリルは先端の刃部（刃先）で金属などを切削して穴を開けていきますが、側面に刃は無く、切削には関与しません。
刃先で切削した際に発生する切りくずは、らせん状の溝部を通って排出されます。
シャンク部はボール盤にしっかりと固定される部分で、目的によってさまざまな種類があります

ドリルの種類

ドリルは、材質、構造、シャンク形態、機能と用途などの分類ごとに多くの種類があります。
以下では、いくつかの分類ごとに、ドリルの種類を紹介します。
（※各表はJIS B 0171を参照しています。）

材質による分類

ドリルの材質は以下のように5種類に分類されます。一般には、ハイスドリルか超硬ドリルが多く使用されます。

構造による分類

ドリルの構造は以下のように8種類に分類されます。

機能と用途による分類

ドリルの構造は以下のように8種類に分類されます。

ドリルの構造

ここではドリルの構造について、ドリルの形状のイメージ図とドリルを構成する要素等について説明します。

ドリルの形状と主な要素

図2にドリルの形状のイメージ図を示しています。

図の主要な要素は以下の通りです。

①直径

刃部先端外径の寸法です。
一般的には、ドリルにバックテーパーがついていて、先端部よりシャンク部に近い方の径が、小さいです。

②溝

隣り合った切れ刃とヒール間の切りくずを排出する部分です。ドリルのらせん溝で、切れ刃のすくい面側を構成します。
ねじれを大きくするとすくい角が小さくなり、切りくずの排出が悪くなります。
ねじれを小さくすると、逆に切りくずを排出しやすくなります。

③先端角

ドリルの軸の平行面に、切れ刃を平行にしたときの投影角です。
先端角によって切削抵抗と切込み量が変わります。またワークの材質・ドリル材質などで最適角度は異なります。

図3では、ドリルの先端角を示しています。

先端角は通常は118°ですが、穴をあける目的に合わせて角度を変えます。
図3では、先端角が小と大のときの様子を紹介しています。両者を比較して特徴をまとめると、次のようになります。

④チゼルエッジ

2つの逃げ面の交線で、その長さは、チゼルエッジコーナ（切れ刃とチゼルエッジの交点）間の距離です。
チゼルエッジは切れ刃ではなく、先端にあるため、ワークの未切削部分に最初に食い込みむため、スラスト抵抗が大きく、ワークに変形が生じることがあります。

⑤ねじれ角

リーディングエッジとそれの1点を通るドリルの軸とのなす角で、溝のらせん状のねじれを表します。ねじれ角はすくい角と同じになります。一般的なねじれ角は30°前後です。すくい角が小さいものを弱ねじれ角、大きいものを強ねじれ角といいます。
弱ねじれは、剛性が重視され、硬い材料に適用されます。
一方、強ねじれは、切れ味が重視され、軟らかい材料に適用されます。

⑥逃げ面と逃げ角

切り込み時に、工作面に不必要な摩耗が出ることを避けるための面が逃げ面です。この面とすくい面との交線が、加工時の切れ刃の角度です。
逃げ面の形状は、平面と円錐面があります。

⑦ランド

リーディングエッジからヒールまでの、切れ刃に沿った堤状の面の部分で、加工面とドリルとの接触を避けるような逃げが形成されています。

⑧マージン

マージンはランド上の二番取りをしていない円筒面部分で、マージンによってドリルの直径が決まります。
穴の切削加工では刃先が穴を切削し、マージンが外周のガイドとして働きます。
マージン幅が大きくなるとワーク間との摩擦が大きくなり、切削抵抗が増えることになります。

ドリルの切削条件

ドリルの切削条件では、切削速度と送りを最適に設定する必要があります。

➀切削速度

ドリルでは、最外径の速度が基準となります。ドリル先端頂点の速度はゼロです。

②送り

ドリルの送りは1回転当たりの軸方向の移動量で表されます。
送りによって、寸法精度、直進度、切りくずの排出、生産量などが決められます。

③切削時のトラブル

切削時に起きたトラブルでは、個々の構造要素の正否の確認とともに、切削速度、回転数、送りなどの切削条件の見直しが必要です。

ドリルの安定した作動条件

ドリルを使うに当たって、ドリルの種類や構造からいろいろな制約や、加工条件など設定すべきことがあります。
またドリルを不具合から守って、正確な形状の穴加工とドリルの寿命を縮める要因を避ける必要もあります。
ここでは、ドリルでの穴の切削をスムーズに行うためのポイントをご紹介します。

シンニング

シンニングは、チゼルエッジを薄くするために削り落とし、ウェブの先端を特に薄くした部分です。シンニングにより切削抵抗を小さくすることができます。
図4はシンニングのイメージ図です。
シンニングの形状には、S形、N形、X形（クロス形）などがありますが、図4の右側図では、X型を例として紹介しています。

ドリル径と切削穴の深さの関係

ドリル加工で切削できる穴の深さは排出される切りくずを考慮する必要があり、加工物の穴の外側に径の1.5倍以上確保します。
ワーク外の溝部分を確保しないと、切りくずが詰まってしまい、ドリル折損を招いてしまいます。

図5は、切りくずを考慮した、穴の深さのイメージです。

ワークに穴あけできる深さは、ワーク外に1.5（～2.0）×Dの猶予を持たせる必要があるため、【L－1.5（～2.0）×D】となります。
※D：ドリルの径、L：ドリルの溝長

ステップ加工

ドリル加工の重要なポイントのひとつが、切りくずの排出方法です。
深穴加工では、切りくずが詰まりやすいためドリルの折損も起こりやすくなりますが、ステップ加工では切りくずに悩まされることなく穴加工ができます。

図6は、ステップ加工のイメージです。

ステップ加工は、加工途中で一旦停止してドリルを戻し、切削油を注入して中に残った切りくずを確実に排出し、再度ドリルを入れて加工することを繰り返します。
これにより切りくずに悩まされることなく穴加工ができますが、時間が掛かるというデメリットがあります。

センタリング

センタリングは、数か所に穴あけする場合や芯ずれしやすい箇所（斜面・球面・凸凹）での穴加工の位置精度を出したり、口元の面取りなどの目的で行います。
センタリングの方法は以下の通りです。

• 角度を変えないで、加工径を小さくする場合
  例：サイズ6mmで先端角140°のドリルで、角度90°でセンタリング径3mmに穴加工する
• 角度をドリルの先端角以上に広げる場合
  例：サイズ6mmで先端角140°のドリルで、角度160°でセンタリング径10mmを穴加工する

その他

• ①ドリルの長さと穴加工位置の精度の関係
• ②ドリル径と仕上げの穴のサイズと差がある場合の加工

ドリルによる穴あけ加工の不良と対策

ドリルは消耗品であるため、さまざまな不具合が発生します。不具合のまま加工すれば求められる仕様の穴の製作に影響を及ぼします。
ここではドリルの不具合の種類と、それらの原因・対策についてご紹介します。

不良の種類

ここでは不良の種類をドリルの損傷（表4）と加工精度不良（表5）に分けて解説します。

表4、表5ではドリルの損傷とドリル加工精度不良に分けて解説しましたが、それぞれの事象が単独で成り立つことはありません。
例えば、ドリル径のズレによって精度不良だけでなく、ドリルの破損や曲り、切りくずの蓄積、切削条件の不適格さなど、不具合の原因は多方面に渡ります。

ドリルの損傷原因と対策

 

不具合はいくつかの要因が重なって不具合が発生することがほとんどであるため、原因と対策は1：1対応でないことに注意が必要です。