A F R P の切 削 加 工性 に及 ぼ す マ ト リ ク ス 材の 影響 に関する研 究
指 導 教 員 牧 清二郎 教授
平成19 年 度
三重 大 学 大 学 院工学研究 科 博士前期課程 機 械工学 専攻
前田 拓洋
三 重 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科
第 1 章 緒 言 … … ‥ ‥ . ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ … ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥1
第 2 章 二 次 元 切 削 加 工 実 験 に よ る 加 工 性 評 価 … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥3
2 .1 ア ラ ミ ド 繊 維 強 化 プ ラ ス チ ッ ク ( A F R P) … … ‥ … ‥ ‥ … … … ‥ ‥ ‥
… 3
2 .1 .1 繊 維 強 化 プ ラ ス チ ッ ク … ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ … ‥ ‥ ‥ … … … ‥ … ‥ … ‥ ‖ ‥ … . 3 2 .1 .2 ア ラ ミ ド 繊 維 … ‥ ‥ … ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … … … ‥ … … ‥ … 4
2 .1 .3 不 飽 和 ポ リ エ ス テ ル 樹 脂 ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … … ‥ ‥ ‥ ‥ … ∴‥ … … ‥ … … … … 4
2 .1 .4 エ ポ キ シ 樹 脂 ‥ ‥ ‥ … … ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ … ‥ … ‥ ‥ ‥ … 4
2 .1 .5 ビ ニ ル エ ス テ ル 樹 脂 … ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … 5
2 .1 .6 試 験 片 及 び 繊 維 配 向角 ♂ … . … ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ … ‥ ‥ … ‥ … ‥ ‥ ‥ … 5
2 .2 実 験 方 法 … ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … … ‥ … ‥ ‥ … ‥ … … … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ 8
2 .2 .1 実 験 装 置 及 び 実 験 条 件 … ‥ ‥ … ‥ ‥ … … ‥ ‥ ‥ … ‥ . … … … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … 8
2 .2 .2 切 削 力 の 測 定 及 び 定 義 … ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ … … 1 1
2 .2 .3 被 削 面 粗 さ の 測 定 ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … . … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥1 1
2 .3 実 験結 果 及 び 考 察 ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … . … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … 1 4
2 .3 .1 切 削 力 ‥ ‥ ‥ … … … ‥ … ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … . 1 4
2 .3 .2 被 削 面 粗 さ … ‥ ‥ … … … ‥ ‥ ‥ … ‥ … ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ 1 9
2 .3 .3 被 削 面 観 察 ‥ ‥ … … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ … ‥ ‥ … ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ … . 2 1
2 .3 .4 合 力 の 方 向 ￠ … … … . ‥ ‥ ‥ … … ‥ … … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ … ‥ ‥ … ‥ ‥ 2 5
第 3 章 そ の 場 観 察 に よ る 切 削 時 の 繊維 挙 動 解 明 ‥ ‥ ‥ … … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ 2 7
3 .1 実 験 方 法 ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ … … ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … … ‥ ‥ … . 2 7
3 .2 実 験 結 果 及 び 考 察 ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ … ‥ ‥ 2 9
3 .2 .1 不 飽 和 ポ リ エ ス テ ル ( ♂ ‑ 4 5o ) … ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ … ‥ ‥ 3 0
3 .2 .2 不 飽 和 ポ リ エ ス テ ル ( ♂ ‑g oo , 1 3 5o ) ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ 3 2
3 .2 .3 エ ポ キ シ ( ♂ ‑ 4 5o ) ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ . 3 5
3 .2 .4 ビ ニ ル エ ス テ ル ( ♂ ‑ 4 5 o ) … ‥ … . … … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ 3 7
第 4 章 ア ラ ミ ド繊 維 ‑ マ ト リ ク ス 間 の 接 着 強 さ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ … … … 3 9
4 .1 引 抜 試 験 方 法 ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ … … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ 3 9
4 .1 .1 試 験 装 置 ‥ ‥ ‥ … . … ‥ … . … . … ‥ ‥ … … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ … … ‥ ‥ ‑ ‑ 3 9
4 .1 .2 試 験 片 … … ‥ ‥ ‥ … ‥ … … . … ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ … . … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … 3 9
4 .2 試 験 結 果 及 び 考 察 ‥ ‥ … … … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … 4 2
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5 .1 工 具 刃 先 近 傍 の 弾 性 計 算 モ デ ル ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ … … … ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ … 4 4
5 .2 弾 性 計 算 … ‥ ‥ ‥ ‥ . . ‥ … . ‥ ‥ … . … … … ‥ … … . ‥ … .. . … … ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ 4 6
5 .2 .1 弾 性 計 算 モ デ ル の 共 通 条 件 の 決 定 ‥ ‥ … ‥ … ‥ ‥ ‥ … ‥ … … … ‥ ‥ 4 6
5 .2 .2 各 領 域 に お け る 弾 性 計 算 ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ . … ‥ ‥ … 4 8
5 .3 弾 性 計 算 結 果 及 び 考 察 ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ ‥ ‥ … ‥ … ‥ ‥ ‥ … … ‥ … … ‥ ‥ … 5 3
第 6 章 結 言 ‥ … ‥ ‥
… ‥ ‥ ‥ …
‥ … ‥ ‥
… … ‥ ‥ ‥ ‥ … ‥ … … . ‥ ‥ ‥ … ‥ . ‥ ‥ ‥ ‥ 5 8
謝辞
参 考 文 献
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i:: 研 究 科
複合 材 料の 歴 史 は, 古 代 文 明に お い て 粘 土 レ ン ガ の 中 に藁を 入 れて 強 化 し て い た も
の に まで さか の ぼ る . 日本で も 土 壁 を 竹で 強 化 す る な ど 古 く か ら 身 近 な と こ ろ で 広 く 利 用 さ れ て きた . そ し て現在で は あ ら ゆ る分 野 に お い て複 合材 料 は欠か せ ない 存 在に なっ て お り, すで に 重 要 な 工業用 材 料と し て の確 固 た る 地位 を 固め て い る . さ らに 現 代の社会に お け る そ の 評 価 や 利 用 度は 一 層高ま り つ つ あ る注 目の 材 料で ある .
その 中で も, 半 世 紀 ほ ど 前 に誕 生 し材料 界 に革 命 を も た らし た プ ラ ス チ ッ ク 系複 合 材料は, 材 料の 高性 能 化, 高機 能 化､ 材 料の 有効 利 用 等, 時勢の ニ ー ズ に適 応 し, 多 種多様 な 分 野 で急 激 に利 用 の 幅 が 広が っ て い る. 特 に ｢ 鉄 よ り 強 く, ア ル ミ ニ ウム よ り 軽 い ｣ と い う キ ャ ッ チ フ レ ー ズ で 注 目 を 浴 び た 繊 維 強 化 プ ラ ス チ ッ ク(F ib e r
R einfo r c ed P la stic, 以 下 F R P)は , 比 弾 性 率 や比 強度が 大 き いと い うこ とに加 えて, 絶
縁性 や 耐 衝 撃 性 , 耐 蝕 性 な ど の面 に お い て も優れ た 性 質を 持 っ て お り, 航空機や 自 動 車, 船 舶とい っ た 大 型輸送 機 器か ら 電 子 機 器の プ リ ン ト 基板 の よ う な精密部品, 建築 用材, 宇 宙開 発 事 業に い た るまで 広 く 利 用 さ れ て い る . 中で もア ラ ミ ド繊維 強 化 プ ラ
ス チ ッ ク (A r a mid F ibe r Reinfbr c ed Pla stic, 以 下A F R P) A F R P は靭 性 が 非常に 高 く, ガ ラ ス 繊 維 強 化プ ラ ス チ ッ ク (G la s s F ibe r R einfわr c ed P la stic, 以 下G F R P) やカ ー ボン 繊維 強 化 プ ラ ス チ ッ ク (C a rbo n F ibe r R einfわr c ed P la stic
, 以 下C F R P) のよう な脆い破 壊 をせず 金 属に似た靭 性破壊 を 起こす 特徴があり, 強度や 剛 性の他に新た に耐破 壊靭 性 という 概 念が取り入 れ ら れつ つある航空機用 先端複 合材料とし ても 注 目 さ れている.
F R P は 作 製時に 必 要 な 形 状に成 型 し そ の ま ま部品等と し て 用 い る こ と も多 いが, 場 合に よ っ て は十 分 な 寸 法 精 度や 表 面 品位, 複雑 な 形 状 を得 る ため 切 断 や 穴 あ け と い っ た 二 次 的 な 機 械 加 工 を必 要 と す る 事 が ある. し か し, F R P は極 端 に機械的 性質の 異 な る 2 つ 以 上 の異 種 材 料 か ら成 る た め , 機 械 加 工 時に は 金 属 な どの 一 般 的 な 構 造 材 料 と は異 なり, 異 方 性 や 不 均 一 性 , 激 しい 工 具 摩 耗 促 進 性 等 とい っ た 特徴的 な 切 削 現象が 起こ る . そ の 結果, 表 面粗さの 悪 化 や ク ラ ッ ク な どの 欠 陥の 発 生 と い っ た 問 題が 起 こ る た め, F R P は極 め て被削 性 の 悪い 材 料 の 一 つ で あり , 現在まで に 工具 摩 耗, 表 面 品 位に 関 す る研 究 が 数多く な され てきた . 例 え ば, Ⅹ.M . W a ng ら 1)は , C F R P を 対象に､ 切 削加 工時の繊 維の埋 め 込み 角 や 切り 込 み深 さに注目 し､ 被削 性に与 える影響につ いて検討 を 行った.
三 重 大学)( 芋 院 L 学 研 究 科
ま た G. V e n u G opala R a o ら 2)は , G F R P 及 び C F R P を 対象 に有限 要素法 を 用 い た 切 削 加
工時 に お ける切 削 抵 抗の 解析 を 行 っ た . し か し A F R P の 切 削 加 工性 に 対 する研 究は ほ と ん ど 行 わ れて い ない の が 現 状 で ある.
そ こ で本 研 究 で は , A F R P の 切 削 加 工 の 際に被削 性 に 大 き な 影 響 を 与 える と 考え ら れる繊 維 配 向 角と マ ト リ ク ス 材 に注 目 し, さ ら な る被削 面 性 状 の 改善を 目 的 と し て, そ れ ら の要素が 加 工性 に及 ぼ す 影響に つ い て検討 した.
ま ず第二章 で は旋 盤 を 用 いた 切 削 実 験 に よ り切 削 力 や 表 面粗 さの 測 定 し考察を 行 う. 次 に 第三 章で は 微 小 切 削装置 を 用 い た切 削 時 の そ の場観 察実 験 を 行 い, 第二 章で得ら れ た 結果の 原 因の 解明 を 試 み た. さ らに第四 章で は 第三 章で 観 察 さ れ た結果か ら 繊 維 とマ トリク ス の接 着強 さに 注 目 し, 引 き 抜 き 試 験 に よ り 接 着強 さ を 測 定 した. 第五 章
で は こ れま で に得 ら れ た結果か ら 切 削 加 工 時の 応 力 分 布 を 弾 性 計 算に よ っ て 求め, 各 要 素 が切 削 加 工 に 及 ぼ す 影 響に つ い て 考 察 した.
:
. 蔓 大 学 人 学 院 卜l?I: 研 究 科
第 2 章 二 次元 切 削 加 工 実 験 に よ る加 工 性 評価
2 .1 ア ラ ミ ド繊維 強 化 プ ラス チ ッ ク (A F R P)
2 .1.1 繊 維 強 化 プ ラ ス チ ッ ク 3)
今回 試 験 片 に 使 用 す る A F R P は 複 合材 料 の 一 つ で ある . 複合 材 料 の定義は ｢ 2 種 類 以 上 の 化学的 に 異 質 を呈 する物質を 組み 合 わせ , そ れ が 成 形 中 も含め 材 料 を 隔 て る 明 瞭 な境界 面 を有する 材 料｣ で あり, 複数 の材 料 を組 み合 わ せ る こ とで 個々 の 素材 だ け で は 有 し得 な い性 質 を 得 る こ と を 目 的 と した 材 料の こ とで あ る .
複 合 材料に は様 々 な 種類が ある が, 主 な もの は母材 ( マ トリ ク ス) と 分 散材 の 組 み 合わ せ に よ っ て 表 す ことが で きる . マ ト リ ク ス の 種類 に よ っ て , 金 属 基複 合 材料, 高 分 子 基複合 材 料 , セ ラ ミ ッ ク 基複合 材 料, セメ ン ト 基 複 合材 料 な どに分 類 す る こ とが でき る. また 分 散 材 の 形 状 に よ っ て も, 繊維 強 化 複 合 材 料, 粒 子 強 化複 合材 料, 分 散 強 化複 合材 料 と い っ た よう に分 類 す る こ と が でき る . 母 材 と 分 散 材 の 組み 合わせ は 無 限で あ る が, 中で も 近 年 特 に注 目 さ れて い るも の に プ ラ ス チ ッ ク など の 高 分 子 系 素 材 と ガラ ス 繊 維 , カ ー ボ ン 繊 維, ア ラ ミ ド繊維 な どに 代 表 さ れ る 強 化繊維 と を 組み 合わ
せ た F R P が あ る .
F R P が 注 目 さ れ るき っ か け と な っ た 当初の 代表 的 強 化 繊 維 材 料 は ガ ラ ス 繊維で あり,
マ トリク ス は 不 飽 和 ポ リ エ ス テ ルで あっ た . ガ ラ ス とい う壊れ や す い物 の 代 名 詞で あ る材 料 と, 軽 い が 弱 い プ ラス チ ッ クと を 組 み 合 わせ る と 非 常に 強 固 に なるとい う 事 実 か ら, そ れは 材 料 研 究 者 や 構 造 設 計者の注 目 の 的 と な っ た. し か し, 残 念 な ことに ガ ラ ス 繊 維 は強度が 大 き い反 面, 剛 性が 低 い と い う 特徴が あ り, また熱 膨 張 率が 高 い た め 寸 法安定 性に お い て も 問 題 が あ っ た . そ こ で, 3 0 年 ほ ど 前 に 強度も 剛 性 も鋼 線並 み で, ア ル ミ ニ ウ ム よ り軽 い カ ー ボ ン繊 維 強 化複合 材 料 が 登 場 し た . さ らに マ トリク ス と な る プ ラ ス チ ッ ク に対 す る研 究 や 開 発 が 進 ん だ こと で F R P の 需 要は 大 き く 増加 し,
現 代 社 会 に お け る確 固 た る地 位 を築き上 げ る こ と と な る . 現在で は カ ー ボン繊 維, ア ラ ミ ド繊維 を 中心 に 各 種プ ラ ス チ ッ ク 材料と 組 み 合わ せ そ れ ぞ れ の 特 徴 を 生か し様々
な 用 途で利 用 さ れて い る . 次 項 か らは今回 対象と したア ラ ミ ド繊維 とそ の マ ト リ ク ス
材と し て主 に利 用 さ れ て い る不 飽 和 ポ リ エ ス テ ル 樹 脂, エ ポキ シ樹 脂, ビ ニ ル エ ス テ ル樹 脂 に つ い て 述 べ る .
:
. 素 人'I1L: 人J､芦 院 f二苧 研 究 科
