(57)【要約】【課題】ＣＦＲＰの加工形態が従来のドリルによる単純な穴あけだけではなく、エンドミルを用いた複雑な輪郭形状を有する抜き穴や多角形の穴などを加工できる切削加工方法を提供する。【解決手段】エンドミルを用いた繊維強化プラスチックの切削加工方法であって、前記エンドミルは、略円筒棒部材の長手方向軸線に沿って一端部から複数の螺旋状切削刃が前記略円筒棒部材の側面に形成され、さらに、前記螺旋状切削刃の螺旋方向とは異なる向きに設けられた第２の切削刃または／および切り込みが設けられていることを特徴とする、繊維強化プラスチックの切削加工方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンドミルを用いた繊維強化プラスチックの切削加工方法であって、前記エンドミルは、略円筒棒部材の長手方向軸線に沿って一端部から複数の螺旋状切削刃が前記略円筒棒部材の側面に形成され、さらに、前記螺旋状切削刃の螺旋方向とは異なる向きに設けられた第２の切削刃または／および切り込みが設けられていることを特徴とする、繊維強化プラスチックの切削加工方法。
【請求項２】
前記エンドミルは、略円筒棒部材の軸線方向に直角な断面上に現れる前記螺旋状切削刃の刃先のうち、隣接する前記刃先間の距離が０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の繊維強化プラスチックの切削加工方法。
【請求項３】
前記エンドミルの回転数が１００００〜３００００ｒｐｍの範囲で繊維強化プラスチックが切削加工されることを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化プラスチックの切削加工方法。
【請求項４】
繊維強化プラスチックの切削加工における前記エンドミルの送り速度が２００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲で加工されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの加工方法。
【請求項５】
前記繊維強化プラスチックを構成する強化繊維が、少なくとも炭素繊維を含んでなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの切削加工方法。
【請求項６】
前記繊維強化プラスチックを構成するマトリックス樹脂が、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの切削加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に炭素繊維を用いた繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の板材を切削加工するための、エンドミルを用いた加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＦＲＰは、その比強度、比剛性、耐疲労性、耐薬品性、および振動減衰性など様々な優れた特性を有しているため、日用品、スポーツ用途から自動車、航空宇宙産業用途まで幅広い分野にわたって利用されている。これらの多くは、製品の要求特性を満足するための最適な各種成形法により、所望の製品形状の型を用いて成形されたのち、必要な形状に加工されて、完成品となることがほとんどである。そのため、ＣＦＲＰを所望の形状とするための最適な成形法については研究開発が非常に盛んに行われている。
【０００３】
近年では、ＣＦＲＰの利用分野の広がりに伴い、各種加工技術の進歩や加工能率向上の必要性も高まっており、特にＣＦＲＰの単純な丸穴あけ加工に際して避けることのできない穿孔部端面のバリや繊維の毛羽立ちの発生を低減させるための、丸穴あけ用ドリルの開発事例も見られる（例えば、特許文献１参照）。これによれば、丸穴あけ用ドリル形状を独自に開発することで、ＣＦＲＰの丸穴あけ加工で避けられなかったバリや繊維の毛羽立ちの発生を抑えられたことが提案されている。また、上記丸穴あけ用ドリルと同様に、エンドミルを用いて丸穴あけ加工を行い、バリや繊維の毛羽立ち発生を抑えた事例も報告されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
しかしながら、エンドミルにおいても、丸穴あけ加工以外の切削加工方法を提案するまでには至らず、複雑な輪郭形状を有する抜き穴や多角形の穴などを切削加工する際に発生する問題を解決することは出来なかった。そのため、切削面の仕上げ作業に膨大な工数を要していた。
【特許文献１】特開平７−２４６１６号公報
【特許文献２】特開平２−１８０５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、かかる従来技術の現状に鑑み、ＣＦＲＰの加工形態がドリルによる単純な丸穴あけだけではなく、複雑な輪郭形状を有する抜き穴や多角形の穴などを加工できる切削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】
【０００６】
上記目的を達成するために本発明によれば次の手段を採用するものである。すなわち、
（１）エンドミルを用いた繊維強化プラスチックの切削加工方法であって、前記エンドミルは、略円筒棒部材の長手方向軸線に沿って一端部から複数の螺旋状切削刃が前記略円筒棒部材の側面に形成され、さらに、前記螺旋状切削刃の螺旋方向とは異なる向きに設けられた第２の切削刃または／および切り込みが設けられていることを特徴とする、繊維強化プラスチックの切削加工方法。
（２）前記エンドミルは、略円筒棒部材の軸線方向に直角な断面上に現れる前記螺旋状切削刃の刃先のうち、隣接する前記刃先間の距離が０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることを特徴とする、（１）に記載の繊維強化プラスチックの切削加工方法。
（３）前記エンドミルの回転数が１００００〜３００００ｒｐｍの範囲で繊維強化プラスチックが切削加工されることを特徴とする（１）または（２）に記載の繊維強化プラスチックの切削加工方法。
（４）繊維強化プラスチックの切削加工における前記エンドミルの送り速度が２００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲で加工されることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの加工方法。
（５）前記繊維強化プラスチックを構成する強化繊維が、少なくとも炭素繊維を含んでなることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの切削加工方法。
（６）前記繊維強化プラスチックを構成するマトリックス樹脂が、熱硬化性樹脂であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの切削加工方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明による繊維強化プラスチックの切削加工方法を用いれば、被削物の切削面にバリや繊維の毛羽立ちの発生を抑えた、複雑な輪郭形状を有する抜き穴や多角形の穴などを切削加工することが出来る。そのため、本発明を用いて繊維強化プラスチックを切削加工すると、切削面の仕上げ作業にかかる工数を軽減でき、結果としてタクトタイムの短縮に寄与することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の好ましい実施態様例について、図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１と図２は、本発明の一実施形態である（ａ）エンドミルの軸線方向に直角な断面形状と、（ｂ）エンドミルの側面図、をそれぞれ模式的に表した図であり、図３は、従来技術による代表的な（ａ）エンドミルの軸線方向に直角な断面形状と、（ｂ）エンドミルの側面図、をそれぞれ模式的に表した図である。
【００１０】
一般的にエンドミルは、切削加工に用いる工具であるフライスの一種である。ドリルに類似した外観を持つが、ドリルは先端に設けられた刃で軸線方向に推進して円形の穴を開ける用途であるのに対し、エンドミルは側面および先端に設けられた刃で切削し、軸線方向に直交する方向に穴を削り広げる用途に用いられる。前記エンドミルを用いた切削加工には、刃物径、被削材材質などにより適切な切削条件を選択する必要があるが、例えば刃物径φ３ｍｍ、被削材が炭素鋼Ｓ４５Ｃのとき、前記エンドミルの回転数は２０００〜４０００ｒｐｍ、加工時の送り速度は３００００〜４００００ｍｍ／ｍｉｎが好ましい条件とされている。また、前記エンドミルの切削刃の数は、２枚〜４枚が一般的に多く存在するが、５枚刃以上のものも存在する。
【００１１】
本発明の繊維強化プラスチックの切削加工に用いるエンドミルは、例えば図１（ａ）に示すように、８枚の切削刃が略円筒状部材の長手方向軸線に沿って右回りにねじれて形成され、側面の螺旋状切削刃１として構成される。さらに、螺旋状切削刃１に対して反対方向に螺旋状に進行する第２の切削刃３が設けられており、前記螺旋状切削刃１と交差し、相互の切削刃によって略平行四辺形を形成している。
【００１２】
このように、螺旋状切削刃１と第２の切削刃３とが交わって形成される形状が略平行四辺形であることが好ましい。工具に働く切削力の軸線方向への分力の向きが双方向となり、被削物に加わる軸線方向の分力が均一となるため、良好な切削面を得ることが可能となる。
【００１３】
また、図２（ａ）に示すように、螺旋状切削刃１に、エンドミルの軸線方向に直交するような切り込み４を設けることも好ましい。この場合であっても、前述したように、被削物に加わる軸線方向の分力が均一となるため、良好な切削面を得ることが可能となる。なお、切り込み４はエンドミルの軸線方向に直交することに限定されるものではなく、その向きや間隔は、被切削対象物に応じて適宜選択することができる。
【００１４】
これに対し、例えば図３（ａ）に示すような、螺旋状切削刃１が複数形成されただけの代表的なエンドミルでは、工具に働く切削力の軸線方向への分力が一方的となるため、被削物を一方向へ押しやる力が働きながら切削することになるので、良好な切削面を得ることが難しい。
【００１５】
また、図１（ｂ）や図２（ｂ）に示すように、軸線方向に直角な断面上に少なくとも２つ以上の切削刃を有し、隣接する前記切削刃の刃先２ａ、２ｂ間の刃先間距離２が１．５ｍｍ以下であることが必要である。隣接する前記切削刃の刃先２ａ、２ｂ間の刃先間距離２が１．５ｍｍよりも大きい場合、切削抵抗の変動が大きくなり、被削物の切削面に発生するバリや繊維の毛羽立ちを抑えることが極めて困難となる。また、切削時に発生する切粉の排出が困難となり被削面の性状が悪化する可能性があるため、隣接する前記切削刃の刃先２ａ、２ｂ間の刃先距離２は０．３ｍｍ以上であることが好ましい。より好ましくは、０．５ｍｍ以上１．３ｍｍ以下である。
【００１６】
前記エンドミルを用いて前記繊維強化プラスチックを切削加工するときの刃物の回転数は、１００００〜３００００ｒｐｍであることが好ましい。一般に、刃物径φ３ｍｍ、被削材が炭素鋼Ｓ４５Ｃのとき、前記エンドミルの回転数は２０００〜４０００ｒｐｍが好ましい条件とされている。この回転数をそのまま繊維強化プラスチックに適用すると、回転数が少ないため、繊維強化プラスチックを構成する樹脂が焼きついて炭化したり、強化繊維の端部が毛羽だったり、また繊維抜けが発生する等、表面処理に適さなかった。このため、回転数を５倍以上まで上げたところ、樹脂の焼きつきがなくなり、所望の寸法精度を発現することを見出した。回転数が１００００ｒｐｍを下回る場合、被削物に対する切削刃の切り込み力が小さくなり、バリや繊維の毛羽立ちを十分に断ち切ることができず、良好な切削面を得ることが困難となる。また、刃物の回転数が３００００ｒｐｍを上回る場合、刃物がぶれる可能性があり、切削面を良好な状態に仕上げるのが困難となる。
【００１７】
また、前記エンドミルを用いて前記繊維強化プラスチックを切削加工するときの刃物の送り速度は、２００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎであることが好ましい。一般に、刃物径φ３ｍｍ、被削材が炭素鋼Ｓ４５Ｃのとき、前記エンドミルの加工時の送り速度は３００００〜４００００ｍｍ／ｍｉｎが好ましい条件とされている。この送り速度をそのまま繊維強化プラスチックに適用すると、送り速度が大きいため、繊維強化プラスチックを構成する樹脂が焼きついて炭化したり、強化繊維の端部が毛羽立ったり、繊維抜けが発生したり、また刃物が切削抵抗に耐え切れず折損する等、表面処理はもとより切削加工に適していなかった。このため、送り速度を１／２０倍以下まで下げたところ、上述の事象が改善し、所望の寸法精度を発現することを見出した。送り速度が２００ｍｍ／ｍｉｎを下回る場合、被削物に対する送り速度が小さいため、切削するのに多大な時間を要し、タクトタイムの増加につながるため好ましくない。また、刃物の送り速度が２０００ｍｍ／ｍｉｎを上回る場合、前記エンドミルに対する切削抵抗が刃物の剛性を上回り、刃物が破損する恐れがあるので好ましくない。
【００１８】
前記エンドミルを構成する材質としては、超硬合金、ハイス鋼、炭素工具鋼、合金工具鋼、ダイス鋼などが挙げられるが、中でも耐摩耗性および靭性に富んだハイス鋼が好ましく、さらに耐磨耗性および靭性に優れた超硬合金がより好ましいが、本発明は特にこれに限定されるものではない。
【００１９】
前記繊維強化プラスチックを構成する強化繊維は、少なくとも炭素繊維を含んでなることが好ましいが、本発明は特にこれに限定されるものではない。
【００２０】
本発明による切削加工に供する前記繊維強化プラスチックにおける強化繊維全体の比率は、繊維強化プラスチック１００重量％中、１０〜９０重量％が好ましく、３０〜９０重量％がより好ましく、５０〜９０重量％の範囲がさらに好ましい。強化繊維の量が１０重量％未満であると強化繊維の剛性が充分生かされないため好ましくなく、９０重量％を超えると材料中にボイドなどの欠陥が発生しやすくなるため好ましくない。
【００２１】
また、前記繊維強化プラスチックを構成する強化繊維としては、炭素繊維のほかにも、ガラス繊維、有機高弾性率繊維（例えば、米国デュポン（株）社製のポリアラミド繊維“ケブラー”（登録商標））、アルミナ繊維、シリコンカーバイド繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維などの高強度、高弾性率繊維などが挙げられるが、高い剛性を持った繊維強化プラスチックとするため、少なくとも５０重量％以上が炭素繊維であることが好ましい。さらに、これらの繊維を単独あるいは２種類以上を組み合わせて用いることもでき、例えば目的に応じて、繊維強化プラスチックを構成する強化繊維としてガラス繊維と炭素繊維を組み合わせて使用することもできる。
【００２２】
また、前記繊維強化プラスチックを構成するマトリックス樹脂としては、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂などが挙げられるが、高い剛性と強度を実現するには熱硬化性樹脂がより好ましい。例えば、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、フェノール樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂などの硬化物を挙げることができるが、特に接着性や機械特性に優れるエポキシ樹脂の使用が好ましい。 本発明に用いるエポキシ樹脂としては、分子中にエポキシ基を有するものであれば特に限定されず、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、グリシジルエステル系樹脂、グリシジルアミン系エポキシ樹脂、複素環式エポキシ樹脂、ジアリールスルホン型エポキシ樹脂、ヒドロキノン型エポキシ樹脂及びそれらの変性物などが挙げられ、これらを単独または複数組み合わせて用いることができる。
【実施例】
【００２３】
本発明にかかる実施例と比較例について、比較試験を行ったので、以下にこの比較試験について説明する。
（１）繊維強化プラスチック
引張弾性率が２３０ＧＰａの連続炭素繊維（東レ（株）製“トレカ”（登録商標）Ｔ７００ＳＣ）を一方向（ＵＤ）にシート状に引き揃え、エポキシ樹脂を含浸した炭素繊維目付１５０ｇ／ｍ２、炭素繊維含有率６７重量％のＵＤプリプレグ（Ｐ３０５２Ｓ−１５）を使用した。前記プリプレグを、最下層の繊維方向を０°として、０／９０／０／９０／０°の５層に積層し、０．３ＭＰａの圧力を付与しながら１３５℃、２時間加熱成形した。製造した繊維強化プラスチックは、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ０．７ｍｍであった。
（２）エンドミル
実施例および比較例に用いたエンドミルは以下の通りである。
［エンドミルＡ］
軸線方向に直角な断面形状が、図１に模式的に表されるような、京セラ株式会社製、φ３、ＤＲ−３００。側面が略平行四辺形（ダイヤ目）の切削刃が多数設けられている。
［エンドミルＢ］
軸線方向に直角な断面形状が、図２に模式的に表されるような、三菱マテリアル株式会社製、φ５、ＭＲＤ０５００。側面が螺旋形状の切削刃となっており、切削刃に軸線と直交方向に多数の切れ込みが設けられている。
［エンドミルＣ］
軸線方向に直角な断面形状が、図３に模式的に表されるような、オーエスジー株式会社製、φ３、ＥＤＮ−３。側面が螺旋形状の切削刃となっている。
（３）評価方法
（１）で得られた繊維強化プラスチック板材をクランプで固定し、刃物回転数１２０００ｒｐｍ、加工時の送り速度１０００ｍｍ／ｍｉｎの加工条件で幅方向に切削切断した。５０ｍｍ長の切削面のバリの有無、毛羽立っている繊維の平均長と範囲、および繊維抜けしている範囲の面積を、マイクロスコープによる画像測定および処理により求め、評価項目とした。
【００２４】
各実施例および各比較例の評価試験結果をまとめて表１に示す。
【００２５】
実施例１では、バリの発生と繊維の毛羽立ちがともに無く、また繊維抜けも全く見られず、極めて良好な切削面であった。実施例２では、バリの発生が少々有るものの、繊維の毛羽立ちは比較例１に比して極めて少なく、また繊維抜けも全く見られず、良好な切削面であった。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
以上より、本発明にかかるエンドミルによる繊維強化プラスチックの切削加工方法により、バリや繊維の毛羽立ちを抑えた良好な切削面を得ることができ、仕上げ作業の負担を大幅に減少させることができるため、生産能力に大きく貢献することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態におけるエンドミルの側面を模式的に表した図であり、（ｂ）は本発明の一実施形態におけるエンドミルのＡ−Ａ断面拡大図である。
【図２】（ａ）は本発明の他の実施形態におけるエンドミルの側面を模式的に表した図であり、（ｂ）本発明の他の実施形態におけるエンドミルのＢ−Ｂ断面拡大図である。
【図３】（ａ）は比較例に用いたエンドミルの側面を模式的に表した図であり、（ｂ）比較例に用いたエンドミルのＣ−Ｃ断面拡大図である。
【符号の説明】
【００２９】
１：螺旋状切削刃
２：刃先間距離
２ａ：刃先
２ｂ：刃先
３：第２の切削刃
４： 切り込み
【図１】
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【図２】
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【図３】
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