(57)【要約】【課題】炭素繊維を含む素材を、機械加工によって精度よく、加工面精度も良好に加工でき、かつ、工具寿命も向上させることができる炭素繊維素材の加工方法を提供する。【解決手段】炭素繊維を含む素材のワークＷを加工する炭素繊維素材の加工方法。ワークＷを載置するテーブル１２と回転可能な主軸１９とが少なくとも１軸方向へ相対移動可能に構成された工作機械を用意し、この工作機械の主軸１９に、円柱状の工具本体、この工具本体の外周に形成された切り刃部、および、この切り刃部の表面に砥粒が電着固着された砥粒層を有する電着工具３０を取り付け、主軸を回転させるとともに、主軸とテーブルとを相対移動させながら、電着工具によってワークを加工する。【選択図】図１
2010036254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維を含む素材のワークを加工する炭素繊維素材の加工方法において、
前記ワークを載置するテーブルと回転可能な主軸とが少なくとも１軸方向へ相対移動可能に構成された工作機械を用意し、
円柱状の工具本体、この工具本体の外周に形成された切り刃部、および、この切り刃部の表面に砥粒が固着された砥粒層を有する電着工具を、前記工作機械の主軸に取り付け、
前記炭素繊維素材を加工するために予め定めれた加工条件で加工を実行する加工プログラムを有する制御装置からの指令に基づき、前記主軸を回転させるとともに、前記テーブルと前記主軸とを相対移動させながら、前記電着工具によって前記ワークを加工する、ことを特徴とする炭素繊維素材の加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載の炭素繊維素材の加工方法において、
前記電着工具の砥粒層は、前記切り刃部の表面にダイヤモンド砥粒またはＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）砥粒が固着されて形成されている、ことを特徴とする炭素繊維素材の加工方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の炭素繊維素材の加工方法において、
前記電着工具の径が４〜１０ｍｍ、前記電着工具の回転数が粗加工から仕上加工の範囲で１５０００〜３００００回転／分、前記電着工具の前記ワークに対する切り込み量が１〜１５ｍｍ、前記電着工具と前記ワークとの相対送り速度が１００〜４０００ｍｍ／分の加工条件下で、前記ワークを加工する、ことを特徴とする炭素繊維素材の加工方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の炭素繊維素材の加工方法において、
前記電着工具は、前記主軸に工具ホルダを介して取り付けられ、
前記工具ホルダは、ホルダ本体と、このホルダ本体に回転可能に設けられ前記主軸に装着される装着部と、前記ホルダ本体に設けられ前記装着部を介して前記主軸の回転が伝達され電力を発生する発電機と、前記ホルダ本体に設けられ前記発電機からの電力が供給されて前記電着工具を回転させる電動機とを備える、ことを特徴とする炭素繊維素材の加工方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の炭素繊維素材の加工方法において、
前記ワークが、炭素繊維を補強材とした炭素繊維強化樹脂複合材によって形成されている、ことを特徴とする炭素繊維素材の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維素材の加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維は、耐摩耗性、耐熱性、熱伸縮性、耐酸性、電気伝導性、耐引張力に優れ、また、アルミニウムなどの軽い金属に比べてもさらに軽量であることから、ロケットや航空機などの大型輸送機器からテニスラケットや釣り竿など身近な道具にまで利用されている。
しかし、上述した長所をもつ反面、短所として加工し難さ、つまり、難加工性が挙げられる。
【０００３】
そのため、炭素繊維を用いた製品としては、炭素繊維の表面に熱可塑性樹脂を溶融、被覆したストランドを所定長さに切断して得たペレット、あるいは、炭素繊維を切断したチョップド糸に熱可塑性樹脂を溶融、混練し、所定長さに切断して得たペレットを射出成形して所定形状の成形品を得る方法が採られていることが多い（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２３９８０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した炭素繊維を有する素材についても、機械加工によって切削や研磨ができる加工方法が要望されている。
しかし、現状では、上述した短所をもつため、マシニングセンタやターニングセンタなどの一般的な工作機械による加工では、炭素繊維が削り残されてしまうため、ほとんど行われていない。また、工具寿命の点からも実施が困難であった。
【０００６】
本発明の目的は、これらの要望に応え、炭素繊維を含む素材を機械加工によって、精度よく、かつ、加工面精度も良好に加工でき、しかも、工具寿命も増大させることができる炭素繊維素材の加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の炭素繊維素材の加工方法は、炭素繊維を含む素材のワークを加工する炭素繊維素材の加工方法において、前記ワークを載置するテーブルと回転可能な主軸とが少なくとも１軸方向へ相対移動可能に構成された工作機械を用意し、円柱状の工具本体、この工具本体の外周に形成された切り刃部、および、この切り刃部の表面に砥粒が固着された砥粒層を有する電着工具を、前記工作機械の主軸に取り付け、前記炭素繊維素材を加工するために予め定めれた加工条件で加工を実行する加工プログラムを有する制御装置からの指令に基づき、前記主軸を回転させるとともに、前記テーブルと前記主軸とを相対移動させながら、前記電着工具によって前記ワークを加工する、ことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、ワークを載置するテーブルと回転可能な主軸とが少なくとも２軸方向へ相対移動可能に構成された工作機械を用意し、この工作機械の主軸に電着工具を取り付け、主軸を回転させた状態において、テーブルと主軸とを相対移動させながら、電着工具によってワークを加工するので、炭素繊維を含む素材のワークを機械加工によって切削または研削加工することができる。
しかも、電着工具は、円柱状の工具本体、この工具本体の外周に形成された切り刃部、および、この切り刃部の表面に砥粒が固着された砥粒層を有する構造であるから、炭素繊維素材を精度よく、かつ、加工面精度も良好に加工でき、しかも、工具寿命も増大させることができる。
【０００９】
本発明の炭素繊維素材の加工方法において、前記電着工具の砥粒層は、前記切り刃部の表面にダイヤモンド砥粒またはＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）砥粒が固着されて形成されている、ことが好ましい。
この構成によれば、切り刃部の表面にダイヤモンド砥粒またはＣＢＮ砥粒が固着された構造であるから、つまり、ダイヤモンド砥粒またはＣＢＮ砥粒は、硬度が高く、耐摩耗性に優れているから、切削や研削の加工効率および加工精度を向上させることができ、さらには、工具寿命の向上も期待できる。
【００１０】
本発明の炭素繊維素材の加工方法において、前記電着工具の径が４〜１０ｍｍ、前記電着工具の回転数が粗加工から仕上加工の範囲で１５０００〜３００００回転／分、前記電着工具の前記ワークに対する切り込み量が１〜１５ｍｍ、前記電着工具と前記ワークとの相対送り速度が１００〜４０００ｍｍ／分の加工条件下で、前記ワークを加工する、ことが好ましい。
ここで、加工条件に関しては、ワーク素材に応じて、上述した範囲内で適宜選択して加工を行うことが好ましい。このような加工条件の下で加工を行えば、加工面精度も良好に仕上げられるとともに、工具寿命のさらなる増大も期待できる。
【００１１】
本発明の炭素繊維素材の加工方法において、前記電着工具は、前記主軸に工具ホルダを介して取り付けられ、前記工具ホルダは、ホルダ本体と、このホルダ本体に回転可能に設けられ前記主軸に装着される装着部と、前記ホルダ本体に設けられ前記装着部を介して前記主軸の回転が伝達され電力を発生する発電機と、前記ホルダ本体に設けられ前記発電機からの電力が供給されて前記電着工具を回転させる電動機とを備える、ことが好ましい。
この構成によれば、電着工具の回転数を任意に設定できるとともに、主軸の回転数より高い回転数に設定できるから、主軸の回転数が低速な工作機械でも適用できる。
【００１２】
本発明の炭素繊維素材の加工方法において、前記ワークが、炭素繊維を補強材とした炭素繊維強化樹脂複合材によって形成されている、ことが好ましい。
この構成によれば、例えば、射出成形した炭素繊維強化樹脂複合材を、機械加工によって穴加工したり、所望の形状に形成することができるから、製品設計の自由度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
＜工作機械の説明＞
図１は、本発明の一実施形態に係る工作機械の概略構成を示す正面図である。
本実施形態の工作機械は、ワークＷを載置するテーブル１２と、このテーブル１２に対して略垂直にかつ回転可能に支持された主軸１９と、テーブル１２と主軸１９とを三次元方向へ相対移動させる相対移動機構１０と、主軸１９の先端に工具ホルダ２０を交換可能に装着させる工具交換機構４０と、これらの駆動を制御する制御装置５０とを備える。
【００１４】
相対移動機構１０は、テーブル１２を前後方向（Ｘ方向）へ移動可能に支持したベース１１と、このベース１１に設けられテーブル１２をＸ方向へ移動させるＸ駆動機構１３と、ベース１１の両側にテーブル１２を跨いで設けられた門形フレーム１４と、この門形フレーム１４の水平ビーム１４Ａに左右方向（Ｙ方向）へ移動可能に設けられたサドル１５と、このサドル１５をＹ方向へ移動させるＹ駆動機構１６と、サドル１５に上下方向（Ｚ方向）へ移動可能に設けられ内部に主軸１９を有するラム１７と、このラム１７をＺ方向へ移動させるＺ駆動機構１８とから構成されている。
なお、これらのＸ駆動機構１３、Ｙ駆動機構１６およびＺ駆動機構１８については、リニアモータなどで構成することができるほか、送りねじ軸にスライダを螺合させた構成などを利用できる。
【００１５】
主軸１９の先端には、工具交換機構４０によって、指定の工具ホルダが着脱可能に装着される。つまり、制御装置５０からの指令に基づいて、サドル１５が図１中右端に移動された状態において、主軸１９と工具交換機構４０との間で工具交換動作が実行され、主軸１９の先端に指定の工具ホルダが装着されるようになっている。
例えば、炭素繊維を含む素材の加工では、先端に電着工具３０を装着した工具ホルダ２０が主軸１９に装着される。
【００１６】
＜工具ホルダの説明＞
図２は、工具ホルダ２０を示している。工具ホルダ２０は、ホルダ本体２１と、このホルダ本体２１にベアリング２２を介して回転可能に設けられ主軸１９の工具ホルダ嵌合穴１９Ａに装着される装着部としてのテーパシャンク部２３と、ホルダ本体２１に設けられテーパシャンク部２３を介して主軸１９の回転が伝達されて電力を発生する発電機２４と、ホルダ本体２１に設けられ発電機２４からの電力が供給されて回転される電動機２５と、この電動機２５の出力軸２５Ａに設けられ電着工具３０を保持する工具保持部２６とを備える。なお、図示していなが、ホルダ本体２１には、工具ホルダ２０が主軸１９に装着された状態において、ラム１７に形成された穴に係合する回り止めピンが設けられている。
【００１７】
いま、工具ホルダ２０が工作機械の主軸１９に装着された状態において、主軸１９を回転数Ｎ０で回転させると、工具ホルダ２０のテーパシャンク部２３が回転し、主軸１９の回転が発電機２４に伝達される。このとき、回り止めピンはラムなどの非回転部に形成された嵌合穴に挿入されているため、工具ホルダ２０のテーパシャンク部２３のみが回転される。これにより、発電機２４は発電する。
発電機２４に三相同期発電機を用いた場合には、三相交流を発電する。発電機２４の発生する三相交流の周波数ｆは、発電機２４の極数をＰ１とし、主軸１９の回転数をＮ０［ｒｐｍ］とすると、次式（１）によって表される。
ｆ＝Ｐ１×Ｎ０／１２０［Ｈｚ］……（１）
【００１８】
従って、主軸１９を回転数Ｎ０で回転させると、上記（１）式で表される周波数ｆの三相交流電力が電動機２５に供給される。ここで、電動機２５に三相誘導電動機を用いた場合、電動機２５の極数がＰ２であるすると、電動機２５は３相交流の１サイクルで２／Ｐ２回転するから、電動機２５の同期速度Ｎ１は、次式（２）で表される。
Ｎ１＝１２０×ｆ／Ｐ２［ｒｐｍ］……（２）
従って、主軸１９の回転数Ｎ０に対する電着工具３０の回転数Ｎ１は次式（３）で表される。
Ｎ１＝Ｎ０×Ｐ１／Ｐ２［ｒｐｍ］……（３）
【００１９】
上記（３）式から判るように、主軸１９の回転数Ｎ０は、上記（３）式で表される回転数Ｎ１に変速される。（３）式で示すように、発電機２４の極数Ｐ１と電動機２５の極数Ｐ２との比を適宜設定することにより、主軸１９の回転数Ｎ０に対する電着工具３０の回転数Ｎ１の変速比を任意に設定できることがわかる。
すなわち、主軸１９の回転数Ｎ０を増速したい場合には、極数比Ｐ１／Ｐ２を１より大きくし、減速したい場合には、極数比Ｐ１／Ｐ２を１より小さくなるように、発電機２４の極数Ｐ１と電動機２５の極数Ｐ２を予め選択すればよい。
【００２０】
＜電着工具の説明＞
図３は電着工具３０を示している。電着工具３０は、円柱状の工具本体３１と、この工具本体３１の長手方向所定長さ（約半分の長さ）に渡って形成された切り刃部３２と、この切り刃部３２の表面にダイヤモンド砥粒が固着処理された砥粒層３３とを備える。切り刃部３２は、工具本体３１の所定角度位置にＶ字溝条３４が工具本体３１の軸方向に沿って所定長さ形成され、このＶ字溝条３４の間に形成されている。  
ちなみに、電着工具３０を製造するには、例えば、工具本体３１に切り刃部３２を切削加工したのち、この切り刃部３２の表面に接着剤を塗布し、この接着剤の上にダイヤモンド砥粒を均一に仮接着し、ついで、これらのダイヤモンド砥粒をメッキにより固着することにより製造される。
【００２１】
＜加工方法の説明＞
炭素繊維を含む素材のワークＷ、例えば、炭素繊維を補強材とした炭素繊維強化樹脂複合材を加工するには、ワークＷをテーブル１２上に固定するとともに、工作機械の主軸１９に、電着工具３０を装着した工具ホルダ２０を取り付ける。
この状態において、炭素繊維素材を加工するために予め定めれた加工条件で加工を実行する加工プログラムを有する制御装置５０からの指令により、主軸１９を回転させるとともに、主軸１９をＹ方向およびＺ方向へ、また、テーブル１２をＸ方向へ選択的に移動させながら、電着工具３０によりワークＷに所望の加工を施す。
【００２２】
＜変形例＞
本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態では、ワークＷとして、炭素繊維を補強材とした炭素繊維強化樹脂複合材を用いた例を説明したが、炭素繊維を含む素材であれば、これに限られない。
例えば、長短繊維化された炭素繊維とアルミニウムなどの金属との複合材でもよく、あるいは、ゴムや木粉などとの複合材でもよい。また、平坦状にシート化して積層したものであってもよい。
【００２３】
前記実施形態では、電着工具３０は、工具本体３１の所定角度位置にＶ字溝条３４が形成され、このＶ字溝条３４の間に切り刃部３２が形成された構造の電着工具３０、つまり、切り刃部３２が工具本体３１の軸方向に平行となった構造の電着工具３０を用いたが、これに限られない。
例えば、切り刃部３２が工具本体３１の外周面に螺旋状に形成された構造の電着工具３０であってもよい。
【００２４】
前記実施形態では、電着工具３０として、工具本体３１の切り刃部３２にダイヤモンド砥粒を固着した、ダイヤモンド電着工具を用いたが、これに限られない。
例えば、ダイヤモンド砥粒に代えてＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）を用い、このＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）を工具本体３１の切り刃部３２に固着した、ＣＢＮ電着工具であってもよい。ＣＢＮ電着工具でも、上述したダイヤモンド電着工具と同様な効果が期待できる。
【００２５】
前記実施形態では、主軸１９がＸ方向およびＹ方向へ移動可能に構成され、ワークＷを載置するテーブル１２がＸ方向へ移動可能に構成された工作装置を例に説明したが、これに限られない。
例えば、主軸１９がＸ，Ｙ，Ｚ方向へ移動可能に構成されたものでもよく、または、ワークＷが載置されるテーブル１２がＸ，Ｙ，Ｚ方向へ移動可能に構成されたものでもよい。また、移動軸については、主軸１９およびテーブル１２のいずれか一方が、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のうちの少なくとも１つの軸方向へ移動可能であればよい。
【００２６】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造などに適宜変更できる。
【実施例】
【００２７】
以下の実施例は、工作機械として東芝機械（株）製の加工機ＭＰＦ−２１１４ＤＳを、また、制御装置として東芝機械（株）製のＴＯＳＮＵＣ−８８８形を使用した実施例である。
【００２８】
＜第１実施例＞
第１実施例では、図４に示すように、ワークＷに溝条（幅８ｍｍの溝条）を切削加工した例である。加工条件は、次の通りである。
ワークの素材    ：炭素繊維プレート
電着工具の径    ：８ｍｍ
電着工具の回転数：２５０００ｒｐｍ
電着工具のワークに対する切り込み量：８ｍｍ（Ｚ方向切り込み量）
電着工具の送り速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ
加工後の加工面について見ると、補強材として用いられた素繊維が切断され、加工面精度が良好であった。
【００２９】
＜第２実施例＞
第２実施例では、図５に示すように、ワークＷの端面を研削加工した例である。加工条件は、次の通りである。
ワークの素材    ：炭素繊維プレート
電着工具の径    ：８ｍｍ
電着工具の回転数：３００００ｒｐｍ
電着工具のワークに対する切り込み量：０．０２ｍｍ（Ｙ方向切り込み量）
電着工具の送り速度：１０００ｍｍ／ｍｉｎ
加工後の加工面について見ると、補強材として用いられた炭素繊維が切断され、加工面精度が良好であった。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、炭素繊維を含む素材、例えば、炭素繊維強化樹脂複合材料などの加工に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る工作機械の概略構成を示す正面図。
【図２】上記工作機械に用いられる工具ホルダを示す断面図。
【図３】上記工作機械に用いられる電着工具を示す斜視図。
【図４】第１実施例の加工状態を示す斜視図。
【図５】第２実施例の加工状態を示す斜視図。
【符号の説明】
【００３２】
１０…相対移動機構、
１２…テーブル、
１９…主軸、
２０…工具ホルダ、
２１…ホルダ本体、
２３…テーパシャンク部（装着部）、
２４…発電機、
２５…電動機、
２６…工具保持部、
３０…電着工具、
３１…工具本体、
３２…切り刃部、
３３…砥粒層、
Ｗ…ワーク。
【図１】
2010036254.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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