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2. ジャイロ式穴あけ加工

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Academic year: 2021

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(1)

CFRP の新規穴あけ加工技術

―傾斜機能砥石を用いたジャイロ式穴あけ加工―

1. はじめに

 2011 年 11 月 1 日にボーイング 787 型機が,羽田・広島間および羽田・岡 山間で世界初就航した.機体構造の 50%において,炭素繊維複合材(CFRP)

が使用されるといった,画期的な次世 代航空機である.また,主翼や接合部 などの重要部品を含む機体構造の 35%

が日本で製造されたことでも話題と なっている(1)

 ところで,CFRP を用いて構造体を 製造する場合,CFRP に穴をあけ,ボ ルトやリベットなどの締結要素を用い て締結する方法が採られている.この ため,航空機体などに CFRP を使用 するときには,締結要素を通すための 穴を多数あけることが必要になる.現 在は,ドリルによって穴あけ加工が行 われているが,炭素繊維が非常に硬い のでドリル摩耗が激しく,仮に摩耗し た状態でドリルを使用すると,ケバや 剥離が発生してしまう.安定した穴あ け品質を確保するためには,頻繁に工 具の交換が必要であり(2),これにより,

加工コストを押し上げていた.

2. ジャイロ式穴あけ加工

 この欠点を解決する新しい穴あけ加 工法として,ジャイロ式砥石穴あけ加 工法が提案されている(3).ジャイロ式 砥石穴あけ加工では,図 1に示すよ うに,砥石を縦と横に同時に回転させ,

球軌道を描きながら CFRP を削って 穴をあける.細かな削り粉を飛ばしな がら加工し,ケバや剥離を発生させる ことなく穴あけが可能となる.

 図 2に開発したジャイロ式砥石穴 あけ加工機の写真を示す.左側が電源 部,右側が加工機本体である.この加 工機の主な性能は,自動送り速度範囲 が 5mm/min~50mm/min,可動範囲 が 40mm,耐付加荷重が 15kg,砥石 回転速度範囲が3 000rpm~10 000rpm,

ジャイロ回転数は砥石回転数により一 意的に決まり,砥石回転数の約 3 分の 1 である.現在,この加工機で加工穴 径φ 10mm,加工穴深さ 10mm の加 工が可能となっている.

 しかし,この加工機にも問題点はあ る.通常の砥石加工では,砥石自身に モーメントを受けるような使われ方は しない.これに対し,ジャイロ式砥石 穴あけ加工の場合,工具自体も回転さ せるので,必然的にモーメントを受け るようになる.したがって,通常のセ ラミックス製の砥石(ビトリファイド 砥石)では強度が持たなくなるため,

メタルボンド砥石の開発が必要とな る.ここで,硬い炭素繊維を有する CFRP 加工のためには,ダイアモンド を砥粒とする必要があり,それをリン グ形状の材料の外周部のみに分散させ る製造プロセスの開発が不可欠であっ た.

3. 遠心力混合粉末法により製造 した傾斜機能砥石による加工

 この製造プロセスとして,遠心力混 合粉末法が採用されている.ダイアモ ンドとメタル粉末からなる混合粉末に 遠心力を印加し,さらに溶融メタルを 注入することにより,リング形状の外 周部のみにダイアモンドが分散した材 料を製造できる(4).この製造法では,

砥粒の分散を制御できるため,傾斜機 能砥石の製造が可能となる.製造した 傾斜機能砥石の写真を図 3に示す.

 図 4は,遠心力混合粉末法により 製造した傾斜機能砥石を用いて,ジャ イロ式加工機によって穴あけを施した CFRP である.図のように,ケバや剥 離が発生していない.このように,新 規技術により,安価に高品質な穴あけ 加工が提供できるようになった.現在,

加工速度の向上を目指し,研究開発が 進められている.

4. おわりに

 東海地域では,「世界有数のものづ くり拠点としての持続的発展」を戦略 として,自動車・工作機械や航空機産 業の裾野を支えている中堅・中小企業 における部材・加工技術を,先進ナノ テクノロジーの活用により底上げし,

地域経済の活性化を促す「東海広域ナ ノテクものづくりクラスター」の形成 をめざしている.本研究もその一環と して行われた.ここに謝意を表する.

(原稿受付 2011 年 11 月 22 日)

〔渡辺義見,佐藤 尚 名古屋工業大 学,柘植英明 岐阜県機械材料研究所〕

●文 献

( 1 )花田佳彦,B787 開発における日本企業の 貢献,日本機械学会誌,114-1116(2011),

16-18.

( 2 )斎藤 学,CFRP 用長寿命ドリルの開発―

セルフ(オート)リグラインドダイアコー ト R ドリル―,日本機械学会誌,114-1111

(2011),28-29.

( 3 )竹腰久仁雄,遠心鋳造砥石を用いた CFRP のジャイロ式穴開け加工技術,日本機械学 会誌,114-1111(2011),30-31.

( 4 )渡辺義見・三浦永理・佐藤 尚・竹腰久仁雄・

横山久範,遠心力混合粉末法を用いた傾斜 機能砥石の製造と CFRP 穴あけ加工への応 用, 材 料 の 科 学 と 工 学,47-4(2010),

157-162.

2mm

図 3 遠心力混合粉末法により製造し た傾斜機能砥石

2mm

図 4 傾斜機能砥石を用いてジャイロ 式穴あけ加工を行った CFRP

20 15 10 5 0

−5

−10

−15

−20

−20

0 10 20

−15−10−5 5 15

−10−5 05 1015

−15

工具回転

砥石回転

砥粒の軌跡 砥石

(mm)

工具送り

CFRP

加工穴

図 1 ジャイロ式砥石穴あけ加工技術の模式図

図 2 開発したジャイロ式砥石穴あけ加工機

日本機械学会誌 2012.1 Vol.115No.1118 61

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