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炭素繊維複合材加工用 ダイヤモンドコーティング工具 への取り組み

2015年11月6日

オーエスジー株式会社 開発グループ Aerospaceチーム

辻村 桂司

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内容

1. 航空機材料の変化

2. CFRPの難削性

3. ダイヤモンドコーティングの最適化

4. 工具形状の最適化

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１．航空機材料の変化

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CFRP活用の象徴的出来事 B787

20%

50%

15%

10%

5%

Titanium

Aluminum

Composite & Fiberglass

Steel

Other

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機体材料の構成比推移

Boeing 777 FF 1994 Boeing 747

First flight 1969 50%

20%

15%

10% 5%

70% 11%

7% 11% 1%

Carbon Laminate Composite Aluminum Titanium Steel

Boeing 787 FF 2009

81%

4% 13%

1% 1%

52% 32%

9%

6% 1%

Airbus 350 FF 2013

35t x 10p=350t/m

60 t /p

35%

16% 35%

5%

11%

F35

4.6t x 20p=92t/m 10 t /p

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航空機材料の変化

• 燃費改善要求

• １次構造部材がアルミ→CFRPへ

• CFRPの使用量が急増！

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２．CFRPの難削性

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複合材とは？

2種以上の異なる材料を一体的に組み合わせて

その特性を強化した材料

繊維強化プラスチック→FRP（Fiber Reinforced Plastic）

– ファイバー（強化材） • 炭素繊維（CFRP）

• ガラス繊維（GFRP）

• アラミド繊維（AFRP）

– レジン（マトリクス） • 熱硬化性樹脂（Thermoset plastic）

• 熱可塑性樹脂（Thermo Plastic）

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CFRPの難削性①

• 炭素繊維は鉄の約10倍の高強度

• 激しい工具摩耗

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CFRP加工に求められる加工品位

• 表層・層間剥離 （De-ｌamination ）

• 盛上り （Rolling）

• むしれ （Fiber break out）

• バリ

• 毛羽立ち

• 穴拡大

• 熱損傷

• 焼け

これらが無いこと！

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目標とする穴

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不具合例①

0° -45° 45° 盛り上り

アンカットファイバー

むしれ

アンカットファイバー

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不具合例②

穴品位の良好な穴 CFRPの引きちぎりでえぐれが発生した穴

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UD材のレイアップ構造

繊維直角方向引張り応力 繊維直角方向圧縮応力

圧縮応力

引張り応力

UD-プリプレグ

擬似等方化積層

金属は全方位ほぼ同等の等方性を示す

軸直角曲げ応力

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非せん断繊維の発生位置

Unidirectional Fibers Woven Fibers

Typical area of uncut fibers

Typical area of uncut fibers

③ 90°

④ -45°

① 0°

② 45°

穴出口から見た場合

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CFRPの難削性②

• 炭素繊維が細くてしなやか

• レジンの繊維層間保持力が低い

• 剥離、むしれの発生

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CFRP加工用工具の必須条件

激しい工具摩耗 ↓

耐摩耗性の付加

剥離、むしれの発生 ↓

工具形状の最適化

この両方を満たすことが

CFRP加工用工具における

必須条件となる

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３．ダイヤモンドコーティングの 最適化

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ダイヤモンドコーティングの効果

グラファイト

アルミ合金

セラミックス成形体

超硬仮焼体

FRP等の強化型樹脂

非鉄金属材料

これらの被削材で、超硬ノンコート工具の

約10～50倍もの耐久が得られる

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例：MMC加工におけるダイヤモンドコーティングの効果

被削材： MMC（SiC20％含有 アルミ複合材料） 回転数：8,000min-1

工具：R5ボールエンドミル 送り速度：2,000mm/min

切削油：ドライ 切り込み：ap=1mm、Pf=0.5mm

0 50 100 150 200 250

ダイヤモンドコーティング

TiAlNコーティング

切削距離(m)

MMC切削性能比較

継続可能

TiAlNコーティング

ダイヤモンドコーティング

磨耗

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４．工具形状の最適化

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剥離、むしれを回避するためには

• シャープな切れ刃

• 低抵抗

• 抵抗分散形状

• 耐チッピング性

• 切り屑排出性

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ドリルの場合

A部

切れ刃の抜け際

切れ刃入口での

すくい剥がし

B部

C部

• A部（入り口） • 締結方法によっては、穴入口の品位も重要

• C部（抜け際） • 不具合（剥離等）多発箇所

• 貫通間際の切削抵抗を下げる

• 発生してしまう抵抗を壁側に分散させる

• 切り取り量を小さくする

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外周小先端角の抵抗分散効果

120°先端角 の標準ドリル 肩部に小さな先端角を持つ

ダブルアングル、トリプルアングルドリル

f f

T

T

Thrust Force

W W

Cutting Resistance

Cutting Resistance

Thrust Force

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外周小先端角の抵抗分散効果

Torque

Thrust

Torque

Thrust

Drill Size: .5730” Coolant: Water Soluble

Material: CFRP Thickness: 11mm

Cutting Speed: 125 m/min Cutting Feed: 0.10 mm/rev

120° 先端角の標準的ドリル 120° x 30° ダブルアングルドリル

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代表的な２種類のドリル

D-STAD 直溝トリプルアングルドリル

D-DAD 強ネジレダブルアングルドリル

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D-STADとPCDドリルの穿孔性能

入口

PCD

D-STAD

出口

PCD

D-STAD

1穴目 200穴目 400穴目 600穴目 800穴目

ドリル直径: 0.251” 切削油剤: 水溶性

被削材: UD-CFRP+入口Woven 厚さ: 19mm

切削速度 : 100 m/min 送り量 : 0.06 mm/rev

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D-DADの穿孔性能

0

100

200

300

400

D-DAD A社 PCD B社 PCD C社 ﾀﾞｲﾔｺｰﾄ

穴数

被削材： CFRP 厚み17.1mm 回転数：3,000 min-1 送り速度：228 mm/min

加工穴：φ6.375 貫通 切削速度：60 m/min 切削油：ドライ

D-DAD 平均303穴

A社 平均184穴

B社 140穴

C社 平均26穴

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CFRP加工用工具の必須条件

激しい工具摩耗 ↓

耐摩耗性の付加

剥離、むしれの発生 ↓

工具形状の最適化

この両方を満たすことが

CFRP加工用工具における

必須条件となる

解決！ 解決！

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ご清聴ありがとうございました