(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
ドリル先端部において外周部から中心部へ向けて延びるように形成された3本の溝と、当該3本の溝の縁にそれぞれ形成された3本の切刃とを備える3枚刃ドリルであって、
前記ドリル先端部の回転中心が先端側に突出しており、
前記3枚の切刃のうちの1枚の切刃における中心部側の端部は、前記回転中心に位置し、かつ、刃先がすべりにくくなるように先端側に突出しており、
他の2枚の切刃の中心部側の端部は、前記溝によって前記回転中心から離間している、
ことを特徴とする3枚刃ドリル。
【背景技術】
【0002】
従来の3枚刃ドリルの例を
図1(a)、(b)、(c)に示す。
図1(a)は、刃先先端部の正面図であり、
図1(b)は
図1(a)におけるA方向から見た側面図であり、
図1(c)は
図1(a)におけるB方向から見た側面図である。
従来の3枚刃ドリルでは、ドリルの中心に向けて3か所均等に
溝101a、101b、101cを施してドリルの中心部近くから外周に向け
切刃111a、111b、111cを形成し、ドリルの求心性と、切削力を確保している。この形状は、中心部が点であることから中心部が滑り難いという利点がある(例えば特許文献1及び2参照)。
【0003】
しかしながら、この形態では、
溝加工時に残った稜線105a、105b、105cの部分が三角錐の形状のままで残り、先端中心部が三角錐の頂点になるので中心部に明確な切刃が存在しない(
図1(a)の破線で囲んだ箇所)。
切刃となる
溝の縁までの中心部からの距離が長く、切刃として働く箇所までの間は切刃ではなく三角錐が回転する。このために中心部に大きな切削抵抗が生まれ、穿孔中の発熱などの不具合が生じる。また、切刃が存在しないことによって切削力が欠如するので、必要以上の力で穿孔せざるを得ない。
また、
溝を深くすると先端部の強度が小さくなり、折損の原因となる。
【0004】
なお、この3枚刃ドリルの形態の特徴は次のようになっている。
1.中心部の三角錐部分を除き、
切刃にはすくい角が存在する。
2.切刃は
溝によるすくい角が存在する。
3.切刃はドリル中心から3方向・一直線で放射状に外周まで伸びている。
4.切刃のすくい角は任意に設定できる。
5.中心部には切刃がなく、三角錐の稜線が接触しながら回転しているため、切削抵抗が大きく切削に大きな力が必要で、且つ発熱が大きい。
6.中心部の切削抵抗が減少すれば切削に要する力も激減する。
【0005】
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図1】従来の3枚刃ドリルの刃先先端部の外観であり、(a)は刃先先端部の正面図であり、(b)は
図1(a)におけるAから見た側面図であり、(c)は
図1(a)におけるBから見た側面図である。
【
図2】従来の3枚刃ドリルの刃先先端部の正面図である。
【
図3】(a)は本発明の実施形態に係る3枚刃ドリルの刃先先端部の正面図であり、(b)は本発明の実施形態に係る3枚刃ドリルの刃先先端部の正面図である。
【
図4】本発明の実施形態に係る3枚刃ドリルの側面図であり、(a)、(b)、(c)、(d)は、
図3のC、D、E、F方向からみた側面図であり、(e)は
図3(a)のG方向から見た側面図である。
【
図5】本発明の実施形態に係る3枚刃ドリルの刃先先端部の正面図である。
【
図6】本発明の実施形態に係る3枚刃ドリルの側面の図面代用写真とその図面代用写真における正面図であり、(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)は
図5のH−1方向〜H−6方向からみた側面の図面代用写真とその図面代用写真における正面図である。
【
図7】(a)は本発明の実施形態に係る3枚刃ドリルの刃先先端部の正面図であり、(b)は同刃先先端部の斜視図である。
【
図8】本発明の実施形態に係る3枚刃ドリルの刃先先端部の斜視図である。
【
図9】本発明の実施形態に係る3枚刃ドリルの刃先先端部の斜視図である。
【
図10】本発明の実施形態に係る3枚刃ドリルの刃先先端部の正面図である。
【
図11】(a)は本発明の実施形態に係る3枚刃ドリルの刃先先端部の斜視図であり、(b)は(a)の一部分を抽出した部分抽出図である。
【
図12】本発明の実施形態に係る3枚刃ドリルの
切刃の3枚刃間の分配角度を不等分とした刃先先端部の正面図である。
【
図13】本発明の実施形態に係る3枚刃ドリルの不等分割における正面図とその側面図であり、13(b)は13(a)のA方向からみた側面図である。
【
図14】本発明の実施形態に係る3枚刃ドリルの等分割における正面図とその側面図であり、14(b)は14(a)のA方向からみた側面図である。
【
図15】本発明の実施形態に係る3枚刃ドリルの
切刃の3枚刃間の分配角度を不等分とした刃先先端部の正面図である。
【
図16】(a)は本発明の実施例の3枚刃ドリルの刃先先端部の正面図であり、(b)は比較例の3枚刃ドリルの刃先先端部の正面図である。
【
図17】実施例と比較例の3枚刃ドリルによる切削時の切削抵抗の推移図である。
【
図18】(a)は実施例の3枚刃ドリルによる切削時のサーモグラフィーの図面代用写真であり、(b)は比較例の3枚刃ドリルによる切削時のサーモグラフィーの図面代用写真である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明に係る3枚刃ドリルの好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態の3枚刃ドリルは、3枚の
切刃を備える3枚刃ドリルであって、1枚
の切刃が3枚刃ドリルの刃先の先端の回転中心を通り、他の2枚
の切刃は前記回転中心を覆わない。
【0014】
本実施形態に係る3枚刃ドリルの刃先先端部を正面から見た図を
図3(a)、(b)に示し、
図3(a)のC、D、E、F、G方向からみた側面図を
図4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)に示す。
図3(a)および
図3(b)は、1枚の切刃が回転中心を通るドリルである。
以下、
図3(a)および
図3(b)のように1枚の切刃が回転中心を通る場合を例として説明する。
刃先先端部の正面図を
図5に示し、
図5のH−1方向〜H−6方向からみた側面の図面代用写真とその図面代用写真における正面図を
図6(a)〜(f)に示す。
回転中心Cから外周まで周方向に均等な角度で3方向に溝1a、1b、1cが設けられている(
図3(a)参照)。すなわち、溝1a、1b、1cは、
図3および
図8〜11に示されるように、ドリル先端部において外周部から中心部へ向けて延びるように形成されている。これらの溝1a、1b、1cの縁には、それぞれ切刃11a、11b、11cが形成されている。
図8〜9に示されるように、ドリル先端部の回転中心が先端側に突出している。
これらの切刃11a、11b、11cの内の切刃11aは回転中心Cを通っている。この切刃11aは、回転中心Cにおいて先端側に尖った山型になっている(
図4(a)参照)。すなわち、
図3(b)および図8〜9に示されるように、切刃11aにおける中心部側の端部は、回転中心Cに位置し
、かつ、刃先がすべりにくくなるように先端側に突出している。
図3(a)、
図3(b)に示されるように、他の2枚の切刃11b、11cの中心部側の端部は、回転中心Cから離間している。
具体的には、
図3(a)、
図3(b)に示されるように、他の2枚の切刃11b、11cのうち回転中心Cまで延びる一枚の切刃11aよりもドリルの回転方向(すなわち、ドリルの回転時に切刃11a、11b、11cの刃先が切削対象に切り込む方向。具体的には、
図3(a)、(b)では反時計方向)における前方に位置する切刃11bは、溝1aによって回転中心Cから離されている。一方、他の2枚の切刃11b、11cのうちの回転中心Cまでの延びる一枚の切刃11
aよりも前記回転方向における後方に位置する切刃11cは、溝1b(
図3(b)参照)または稜線5c(
図3(a)参照)で回転中心から離されている
なお、溝1a、1b、1cを総称する場合には溝1と記す。また、切刃11a、11b、11cを総称する場合には切刃11と記す。
切刃11a、11b、11cからそれぞれのヒール側に向かって第1逃げ面2a、2b、2c及び第2逃げ面3a、3b、3cが形成されている。第1逃げ面2a、2b、2cを総称する場合には第1逃げ面2と記し、第2逃げ面3a、3b、3cを総称する場合には第2逃げ面3と記す。第1逃げ面2aと第1逃げ面2cの間には稜線5cが形成されている。
また外周側には3条の切屑排出溝4a、4b、4cが設けられている。切屑排出溝4a、4b、4cを総称する場合には切屑排出溝4と記す。
【0015】
当該3枚刃ドリルを製造する過程の状態であり、第1逃げ面2、及び第2逃げ面3を形成した後で、
溝1を形成する前の状態の刃先先端部を正面から見た図を
図7(a)に、斜視図を
図7(b)に示す。
回転中心Cから3方向に放射状に伸びた稜線5a、5b、5cを有している。この稜線5a、5b、5cを総称する場合には稜線5と記す。
図3(a)に示す
溝1aは、
図7(a)に示す稜線5aを覆い、
切刃11aが回転中心Cを通るように形成される。
溝1bは、稜線5bと
溝1aの一部とを覆い、回転中心を覆わないように形成される。
溝1cは、稜線5cの一部を覆い、回転中心を覆わないように形成される。
1枚の切刃11aが回転中心を通
る図3(b)に示す
溝1aは、
図7(a)に示す稜線5aを覆い、
切刃11aが回転中心Cを通るように形成される。
溝1bは、稜線5bを覆い、回転中心Cを通るように形成される。
溝1cは、稜線5cの一部を覆い、回転中心を覆わないように形成される。
【0016】
当該3枚刃ドリルの先端の斜視図を
図8、9に示し、正面図を
図10に示す。
図8は
溝1a側から見た斜視図であり、
図9は
溝1b側から見た斜視図である。3枚刃ドリルの
ドリル先端部における先端角θ
1は45°≦θ
1≦120°が好ましい。この先端角θ
1は、
切刃11a、11b、11cが回転することによって形成される円錐の角度であり、
図5において、矢印X方向から見たときの
切刃11aとドリルの軸方向(紙面に垂直な方向)とが成す角度の2倍になる。
切刃11の逃げ角θ
2は2°≦θ
2≦20°が好ましい。
切刃11のすくい角θ
3は0°≦θ
3≦20°が好ましく、1°≦θ
3≦15°が更に好ましい。
溝1の形状や寸法は特に限定されない。すくい角が形成でき、かつ先端中心部の三角錐稜線によって切削性が低下しなければよい。
第2逃げ面3の逃げ角は特に限定しないが、最低限第1逃げ面2の逃げ角(
切刃11の逃げ角)よりも大きいことが条件となり、現実には20〜40°程度が最適と思われる。
本案の構成上、逃げ面を第1逃げ面2と第2逃げ面3とによるレーキ形状(平面形状)としているが、逃げ角を所定値に設定した上で、
切刃からヒール側に向かって、徐々に逃げ角が大きくなる曲面としてもよい。このような逃げ面は一般の汎用ドリルに多く用いられている。
【0017】
回転中心Cにおいては、点接触の状態から
切刃11aによる切削が開始され、中心がぶれない状態で明確なすくい角を持った
切刃11aによる切削後、
切刃11b及び
切刃11cが追従し、3枚刃の切削に移行される。
この間、
切刃11cの回転中心C側は
切刃11aの切削時には被切削物に接触しないので、
切刃11aの切削を阻害することはない(
図10で破線で囲んだ部分)
切刃11cを創生するために施す
溝1cに於いては、切刃として働き始める位置(切刃にすくい角が存在する位置)を
図10の破線部内に設定すれば良い。
【0018】
ドリルの外周は切屑排出溝4によって外周切刃(3刃共通)が創成されている(
図3、8、9等参照)。
溝1によって形成される
切刃11は、ドリル中心より外周に向かって放射状に伸びており、外周到達点と外周切刃の位置を一致させたシャープエッジが形成される(
図8、9の破線で囲んだ部分)。
ドリル外周部と
切刃11の外周到達点は文字通り点であり、外周切刃のすくい角は切屑排出溝の捩れによって創成されるすくい角であって捩れ角と一致し、
切刃11のすくい角と一致しない。
尚、外周切刃のすくい角を大きくして、切削力を大きくしたい場合に、外周切刃のすくい角>
切刃11のすくい角≧0°とし、
切刃11のすくい角は前述の0〜20°とする。
しかし、外周切刃のすくい角が大きいと穴あけする切削対象に割れや欠けが生じる可能性が大きくなるため、骨組織の損傷に繋がりかねない。
特に骨粗しょう症患者に対する懸念などから、
切刃11の外周到達点を外周切刃と一致させず、
切刃11のすくい角をそのまま外周切刃のすくい角にすることもできる。(
図11に示す。)
切刃11a、11b、11cのすくい角は切削のバランスを考慮して共通であることが望ましいが、切刃長さが3刃とも異なるため、各々異なる角度を設定してもよいし、
切刃11a≠
切刃11b=
切刃11cなど2刃が共通で1刃が異なる角度にしてもよい。
【0019】
3枚刃間の分配角度は、等分であっても不等分であってもよい。2枚の
切刃が回転中心を通る場合を例として
図12、
図13に示すが、分配角度を不等分とした場合、直線部が長い刃を長刃、直線部が短い刃を短刃1、2、とすると、長刃から短刃1及び2までの分割角を90°〜140°に設定できる。1枚の
切刃が回転中心を通る場合も同様である。
図14に2枚の
切刃が回転中心を通る等分割の場合、
図15に1枚の
切刃が回転中心を通る不等分割の場合を示す。
【0020】
当該3枚刃ドリルは、上述したような構成であることにより、次のような効果が得られる。
1.3か所の
溝の内の1か所の
溝1aが回転中心Cから第1逃げ面2bに至る箇所を削り取ること、又は3か所の
溝の内の2か所の
溝1a及び1bが回転中心Cからそれぞれ第1逃げ面2b及び2cに至る箇所を削り取ることで、従来の3枚刃ドリルの三角錐形状の弊害を解決することができる。
2.
切刃11aには回転中心Cから外周まで明確なすくい角が形成される。
3.回転中心Cには明確な中心点が形成されるので、回転時に中心部がずれるおそれがない。
4.回転中心Cの強度は
溝1cの形状を調整することで十分な強度を確保することができる。
5.
切刃11bには
切刃11aと同様、外周まで明確なすくい角が形成される。
6.
切刃11aの第1逃げ面2aと
切刃11cとの間に三角錐の稜線の一部が残るものの、従来の3枚刃ドリルの様にこの部分が被切削物に接触して、切削抵抗として作用することが皆無となり、切削抵抗が大幅に削減される。
7.
切刃11a及び
切刃11bの2枚の
切刃が回転中心Cを通過する場合、より明確に回転中心部を形成することができ、回転中心部が穿孔対象の表面をずれることなく確実に捉えることが出来、予定穿孔箇所に対する穿孔穴の位置ずれを防止することができる。
8.3枚の
切刃の分配角度を不等分割すれば、切削時に生ずるビビリ現象を抑制する効果が生まれ、穿孔対象が固い場合や組織が一定でない穿孔対象に対して、効果を発揮することができる。
9.3枚の
切刃の分配角度を不等分割にすれば、回転中心部付近の強度を高く持たせることができ、穿孔対象に応じて、硬い対象物まで広範囲に使用することできる。
【0021】
前述の様に、本実施形態の3枚刃ドリルは、従来の3枚刃ドリルの弱点であった先端中心部の切削能力を大幅に改善させることで、3枚刃の特長である切削時の安定性に優れた性能を兼ね備えた高性能のドリルとなる。
【0022】
先端角θ
1は、前述の範囲内で穿孔対象の材質によって変更すればよく、例えば金属など比較的硬い材料の場合は90°≦θ
1≦120°、樹脂や整形外科用ドリルなど医療用ドリルの場合は45°≦θ
1≦100°に設定するとよい。
材質は工業用途では、高速度鋼、超硬合金など硬度の高いものが好ましい。医療用の場合は、ステンレス、チタン合金など、医療用途に定められた材質が好ましい。
医療用では垂直に向かって穿孔するだけでなく、斜位、強斜位での切削が必要である。本実施形態のドリルの場合、先端中心部が最初の接触時に点接触するので、滑るおそれが少ない。また、同時に中心部にすくい角を持った切刃が存在して、接触と同時に穿孔が開始されるので、人骨に対し円滑に穿孔することができる。ドリルの先端角を穿孔時のドリルの傾斜角(ドリルの軸と被切削物表面とが成す角度)の2倍以下に設定することで斜位、強斜位での穿孔が可能となる。
【0023】
<実施例>
本発明の実施例と比較例との3枚刃ドリルを用いて、主たる使用目的である医療用ドリルとしての性能試験を行った。
(3枚刃ドリルのスペック)
実施例の3枚刃ドリルの刃先先端部の正面図を
図16(a)に、比較例の3枚刃ドリルの刃先先端部の正面図を
図16(b)に示す。比較例の3枚刃ドリルは、
図1に示した従来の3枚刃ドリルである。
実施例と比較例の両3枚刃ドリルは、下記のスペックを同一にした。
1.ドリル径:3.2mm
2.捩れ角:30°
3.第1逃げ面の逃げ角θ
2:8°
4.第2逃げ面の逃げ角:30°
5.すくい角θ
3:15°(外周からφ1.1mm迄の切刃部分で実長:1.05mm)
6.先端角θ
1:100°
7.全長:110mm
8.溝長:45mm
9.材質:SUS420J2(硬さ:HRC53)/3.2mmの焼入れ研磨棒材より加工
比較例の3枚刃ドリルの先端部分における切刃に関する寸法は下記のようになっている(
図16(b)参照)
1.すくい角15°以下の範囲(径):φ1.1mm
2.すくい角がなくなる範囲(径):φ0.5mm
3.三角錐の稜線が残る範囲(径):φ0.26mm
【0024】
(試験方法)
実施例と比較例の2種類のドリルを使って、牛の大腿骨に穴あけ切削を行い、切削時の抵抗と温度上昇を、切削抵抗計、サーモグラフィーを用いて測定した。
試験条件を下記に示す。
1.使用機器:大鳥機工製NCフライス盤
2.回転数:800RPM
3.送り速度:30mm/min.
4.切込深さ:骨表面から7mm
5.室温:19℃
6.骨表面温度:15.3℃
【0025】
(試験結果)
切削時の切削抵抗の推移を
図17に示す。
実施例の3枚刃ドリルでは、切削抵抗が2.5kg程度であったが、比較例では6.0kg以上になった。
また切削時のサーモグラフィーの図面代用写真を
図18に示す。
実施例の3枚刃ドリルでは、切削時の温度上昇が25.5℃で最高40.8℃であったが、比較例では温度上昇が59.1℃で最高74.4℃であった。また、切削時の目視観察では実施例の3枚刃ドリルでは発煙が確認出来なかったが、比較例では発煙が確認できた。
このように、本発明の3枚刃ドリルは、従来の3枚刃ドリルよりも格段に優れた結果を示した。