(57)【要約】【課題】ＣＦＲＰ板などの繊維強化プラスチック板を用いた低剛性複合材料の穴明け加工であっても、材料が穴明け加工時に変形することなく安定した自動穴明け加工を行うことができる低剛性複合材料の穴加工装置を提供する。【解決手段】切削抵抗値を測定して電気信号に変換して出力するロードセル３と、ロードセル３で測定された切削抵抗データと保存済の切削抵抗限界値を比較して被加工材がアルミニウム板８、チタン板９、強化プラスチック板１０の何れであるかを判別し、ドリル１の切削速度並びに送り速度を決定する制御装置６と、決定した切削速度並びに送り速度でドリル１を駆動するモーター２を備えてなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム板および／またはチタン板と、強化プラスチック板を積層してなる複合材料に穴明け加工を施す低剛性複合材料の穴加工装置であって、
穴加工時の切削抵抗値を測定して電気信号に変換して出力するロードセルと、
前記ロードセルにより測定された切削抵抗データと保存済の切削抵抗限界値を比較して被加工材がアルミニウム板、チタン板、強化プラスチック板の何れであるかを判別し、    夫々の材料に適したドリルの切削速度並びに送り速度を決定する制御装置と、
決定した切削速度並びに送り速度でドリルを駆動するモーターを備えてなることを特徴とする低剛性複合材料の穴加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム板やアルミニウム合金板、チタン板やチタン合金板などの金属材料と、ＣＦＲＰ板などの強化プラスチック板を積層してなる低剛性複合材料に、穴明け加工を施す低剛性複合材料の穴加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から航空機部品には、アルミニウム板やアルミニウム合金板、チタン板やチタン合金板などの金属板が用いられてきたが、近年は炭素繊維と樹脂で構成された繊維強化プラスチック板、特に炭素繊維強化プラスチック板（ＣＦＲＰ板）が、金属材料より耐久性に優れ、錆びることもなく、更には軽量であるという特長を有するため、ラダー（方向舵）をはじめ、エレベーター、スポイラー、アウトボードエルロン、翼胴フェアリング、前・主脚扉、主・尾翼トレイリングエッジパネル、垂直・水平安定板リブなどの航空機部品の材料として用いられており、航空機の軽量化に寄与してきた。
【０００３】
また、損傷許容性が重視される航空機部品の１次構造材である垂直・水平尾翼安定板及びフロアービーム、尾翼にもＣＦＲＰが採用されるようになっており、更には、ＣＦＲＰの複合材料の使用比率が５０％以上の航空機も開発され、現在就航している。
【０００４】
このような航空機部品における穴明け加工は、部品１個あたり約１２０００箇所が必要とされており、この穴明け加工には約４０００本のドリルが使用されている。このような穴明け加工は、従来からの金属製の航空機部品であれば機械によって自動加工することができていた。しかしながら、ＣＦＲＰなどの繊維強化プラスチック板を用いた航空機部品は剛性が低いため、機械で自動加工しようとすると材料がたわんで安定した加工ができず、穴明け加工の箇所が非常に多いにかかわらず、手作業での加工に頼らざるを得ないという問題があった。
【０００５】
例えば、穴明け加工時の穴明け不良を防止するための穴加工装置としては、特許文献１記載の深穴加工装置が提案されている。しかし、この穴加工装置は、深穴加工を施す際に発生する問題を解決することを課題として開発された穴加工装置である。すなわち、深穴加工に用いられる工具は長尺であるため、穴加工時に工具先端に径方向の揺れが発生してしまい、深穴内周面にツールマークと称されるらせん状の傷が発生することがあるという問題が発生することを解決するために開発された穴加工装置である。
【０００６】
よって、この深穴加工装置を用いて、アルミニウム板やアルミニウム合金板、チタン板やチタン合金板などの金属材料と、ＣＦＲＰ板などの強化プラスチック板を積層してなる低剛性複合材料に、穴明け加工を施したとしても、穴明け加工時の変形および穴明け不良の発生という問題が発生することなく、材料に穴明け加工を施すことは不可能である。
【０００７】
このように、異種材料を積層した低剛性複合材料の穴明け加工を施す穴加工装置は提案されておらず、ＣＦＲＰ板などの低剛性材料を含む低剛性複合材料であっても穴明け加工時にたわむことがなく安定した自動穴明け加工を行うことが可能な、低剛性複合材料の穴明け加工に適した穴加工装置の開発が待ち望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−６５３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記従来の問題を解決せんとしてなされたもので、ＣＦＲＰ板などの強化プラスチック板を用いた低剛性複合材料の穴明け加工であっても、材料が穴明け加工時に変形することなく、また、穴明け不良が発生することもなく、安定した自動穴明け加工を行うことができる低剛性複合材料の穴加工装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の発明は、アルミニウム板および／またはチタン板と、強化プラスチック板を積層してなる複合材料に穴明け加工を施す低剛性複合材料の穴加工装置であって、穴加工時の切削抵抗値を測定して電気信号に変換して出力するロードセルと、前記ロードセルにより測定された切削抵抗データと保存済の切削抵抗限界値を比較して被加工材がアルミニウム板、チタン板、強化プラスチック板の何れであるかを判別し、夫々の材料に適したドリルの切削速度並びに送り速度を決定する制御装置と、決定した切削速度並びに送り速度でドリルを駆動するモーターを備えてなることを特徴とする低剛性複合材料の穴加工装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の低剛性複合材料の穴加工装置によると、ＣＦＲＰ板などの繊維強化プラスチック板を用いた低剛性複合材料の穴明け加工であっても、材料が穴明け加工時に変形することなく、また、穴明け不良が発生することもなく、安定した自動穴明け加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態を示し、低剛性複合材料の穴加工装置の一部を断面とした側面図である。
【図２】同実施形態の穴加工装置を用いて低剛性複合材料に穴明け加工を施している状態を示す側面図である。
【図３】アルミニウム板のトルク、切削速度、送り速度の関係を示すグラフ図である。
【図４】チタン板のトルク、切削速度、送り速度の関係を示すグラフ図である。
【図５】ＣＦＲＰ板のトルク、切削速度、送り速度の関係を示すグラフ図である。
【図６】本発明の実施形態の穴加工装置を用いて低剛性複合材料に穴明け加工を施す際の動作順序を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の低剛性複合材料の穴加工装置Ａの一実施形態を、図２はその穴加工装置Ａを用いて、アルミニウムやアルミニウム合金で成るアルミニウム板８、チタン板やチタン合金で成るチタン板９などの金属材料と、ＣＦＲＰ板（炭素繊維強化プラスチック板）などの強化プラスチック板１０を積層してなる低剛性複合材料Ｂに穴明け加工を施している状態を夫々示す。
【００１５】
図１および図２において、１は低剛性複合材料Ｂに直接穴明け加工を施す回転自在なドリル、２はドリル１を回転駆動させるモーター、３は穴加工時の切削抵抗値を測定して電気信号に変換して出力するロードセル、４は周囲に螺条が形成された送り軸、５は円筒状で内面に螺条が形成された送り装置、７は穴加工時にトルク変化があった時にロードセル３により測定された切削抵抗データと保存済の切削抵抗限界値を比較して被加工材がアルミニウム板、チタン板、繊維強化プラスチック板の何れであるかを判別し、夫々の材料に適したドリル１の切削速度並びに送り速度を決定する制御装置、８は穴加工装置Ａを支持するフレームである。
【００１６】
次に、本発明の低剛性複合材料の穴加工装置Ａを用いて、アルミニウムやアルミニウム合金で成るアルミニウム板８、チタン板やチタン合金で成るチタン板９などの金属材料と、ＣＦＲＰ板などの強化プラスチック板１０を積層してなる低剛性複合材料Ｂに、ロードセル３を用いて各材料の切削抵抗データを測定しながら材料毎に適した切削速度並びに送り速度に切り替え、ドリル１を駆動して低剛性複合材料Ｂに穴明け加工を施す方法について説明する。
【００１７】
尚、ここで用いる低剛性複合材料Ｂは、ドリル１側から強化プラスチック板（ＣＦＲＰ板）１０、チタン板９、アルミニウム板８で成る三層の低剛性複合材料Ｂであるが、アルミニウム板８と強化プラスチック板１０で成る二層の低剛性複合材料Ｂ、チタン板９と強化プラスチック板１０で成る二層の低剛性複合材料Ｂであっても構わないし、また、ドリル１側が強化プラスチック板１０であっても良い。尚、本発明では、低剛性複合材料Ｂとは、ＣＦＲＰ板などの低剛性材料を含む複合材料のことを定義し、具体的には、剛性が１００ＧＰａ以下の穴明け加工時にドリル１の圧力でたわみやすい複合材料のことを示す。
【００１８】
アルミニウム板８（板厚：１ｍｍ）、チタン板９（板厚：１ｍｍ）、ＣＦＲＰ板１０（板厚：１ｍｍ）１０に、従来のマシニングセンターにより穴明け加工を施した。その際にロードセル３により測定されたトルク（Ｎｍ）、切削速度（ｍ／ｍｉｎ）、送り速度（ｍｍ／ｒｅｖ）の関係を、アルミニウム板８の場合は図３、チタン板９の場合は図４、ＣＦＲＰ板１０の場合は図５に夫々示す。夫々の材料のトルクのリミット、すなわち切削抵抗限界値は、アルミニウム板８で１８Ｎｍ、チタン板９で１５Ｎｍ、ＣＦＲＰ板１０で１０Ｎｍである。これが保存済の切削抵抗限界値である。
【００１９】
このような結果から、本発明においては、切削速度が２０ｍ／ｍｉｎ、送り速度が０．１ｍｍ／ｒｅｖの時のトルクが、１７Ｎｍ前後の時はアルミニウム板８、１５Ｎｍ前後の時はチタン板９、１０Ｎｍ前後の時はＣＦＲＰ板１０であると判別する。
【００２０】
本発明では、穴明け時にトルク変化があった際（穴明け作業開始時も同様）に、まず、ドリル１の切削速度を２０ｍ／ｍｉｎ、送り速度を０．１ｍｍ／ｒｅｖに変更する。図６に示すように、その際の切削抵抗値をロードセル３により測定し、１７Ｎｍ前後の時はアルミニウム板８、１５Ｎｍ前後の時はチタン板９、１０Ｎｍ前後の時は強化プラスチック板（ＣＦＲＰ板）１０であると判別する。そして瞬時に、材料ごとに適した切削速度並びに送り速度に切り替える。
【００２１】
材料がアルミニウム板８であると判別した場合は、切削速度が４０ｍ／ｍｉｎ、送り速度が０．１ｍｍ／ｒｅｖを上限とする設定に、チタン板９であると判別した場合は、切削速度が２０ｍ／ｒｅｖ、送り速度が０．０８ｍｍ／ｍｉｎを上限とする設定に、ＣＦＲＰ板１０であると判別した場合は、切削速度が３０ｍ／ｍｉｎ、送り速度が０．１ｍｍ／ｒｅｖを上限とする設定に夫々変更して、低剛性複合材料に穴明け加工を施す。
【実施例】
【００２２】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００２３】
本発明の穴加工装置と従来からのマシニングセンターを用いて、板材に穴明け加工を施した。マシニングセンターでは、アルミニウム板（板厚：１ｍｍ）、チタン板（板厚：１ｍｍ）、ＣＦＲＰ板（板厚：１ｍｍ）に、夫々穴径５ｍｍの穴明け加工を施し、また、本発明の穴加工装置とマシニングセンターを用いて、ＣＦＲＰ板、チタン板９を積層した二層の低剛性複合材料（各板厚：１ｍｍ）と、ＣＦＲＰ板、チタン板、アルミニウム板を積層した三層の低剛性複合材料（各板厚：１ｍｍ）にも、夫々穴径５ｍｍの穴明け加工を施した。尚、ドリルは、本発明の穴加工装置とマシニングセンター共に、径５ｍｍ、長さ１５０mmのハイス母材コーティングドリルを用いた。
【００２４】
ドリルが損耗して、穴明けが不能になるまでの穴明け回数を数えることで試験を実施した。尚、マシニングセンターを用いた穴明けでは、ドリルの回転数は２０００ｒｐｍ、切削速度は２０ｍ／ｍｉｎ、送り速度は０．１ｍｍ／ｒｅｖと固定した。試験結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
従来からのマシニングセンターでは、アルミニウム板、チタン板、ＣＦＲＰ板の場合、１２〜５００回の穴明け加工を施すことができたが、二層の低剛性複合材料では９回、三層の低剛性複合材料では３回の穴明けを施しただけでドリルが損耗してしまい穴明けが不能となった。
【００２７】
これに対し、本発明の穴加工装置を用いてトルク制御を行った場合、二層の低剛性複合材料で８９０回、三層の低剛性複合材料で５７０回もの穴明け加工を施すことができた。
【符号の説明】
【００２８】
１…ドリル
２…モーター
３…ロードセル
４…送り軸
５…送り装置
６…制御装置
７…フレーム
８…アルミニウム板
９…チタン板
１０…強化プラスチック板（ＣＦＲＰ板）
Ａ…穴加工装置
Ｂ…低剛性複合材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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