三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012) 工作機械特集

技 術 論 文4

炭素繊維複合材（CFRP）の高能率加工技術
High Performance Cutting and Grinding Technologyfor CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)

有 澤 秀 彰 *1

赤 間 知 *1

Hideaki Arisawa

Satoru Akama

二井谷

春 彦 *2Haruhiko Niitani

炭素繊維複合材（CFRP）は高い強度と軽さを併せ持つ材料のため，近年航空機や医療機器など一部の特殊分野で使用されており，今後自動車産業など中量産製品においても使用量が増えてくると予想されており注目を集めている．しかし当材料は繊維層が剥離しやすい，工具寿命が短いといった難削材であり，各メーカや研究機関等で工具や加工技術の研究が進められている．当社では加工能率及び寿命において，従来の加工を上回る機械加工技術を実現させることができたので報告する．

|1. はじめに
炭素繊維複合材である CFRP（carbon fiber reinforced plastics）は炭素繊維に樹脂を含浸させた後，硬化させて成形した複合材料である．CFRP は高い強度と軽さをあわせ持つ材料であるため，ゴルフクラブのシャフトや釣りざおなどのスポーツ用品から実用化が始まり，近年航空機材料や医療機器等の産業用にも用途が拡大している．
近年当社製品の一つである航空機部品でも CFRP が広範囲に使用され始めている．かつては尾翼や床構造材等，構造体の一部にしか使用されていなかったが，材料改善などにより信頼性が向上したことで，最新機種である B787 では構造体全体に使用されるようになってきた．
CFRP の製造方法は種々あり，航空機部材においては高強度で安定した性能が得られるオートクレーブ成形方法が多く用いられる．特徴として主翼パネルや胴体バレル等，大物複雑形状の一体成型部品を製造することができ，軽量化，部品点数削減に貢献している．一方で成形後の端面部に素材の余剰部分ができるため，これを除去する必要がある．また，部品同士の組付けにファスナーを使用しており，その組付け用の穴を成形時にあけることは困難であるため，後工程にトリミング加工や穴明け加工が必要となる（図１）．

|2. トリミング加工の高能率化
2.1 現状の課題
CFRP のトリミング加工には AWJ（アブレイシブウォータージェット）やエンドミルを使用するのが一般的であるが，前者は加工可能な形状に制約がある，初期投資や維持費が高い，という問題があり，後者は CFRP 繊維の層間剥離が発生し易く加工能率をあげられない，工具寿命が短い，という問題がある（表１，図２）．

*1 工作機械事業本部加工技術センター*2 工作機械事業本部加工技術センター長

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図１ CFRP の製造方法（オートクレーブ成形）
オートクレーブ成形は炉の中で加圧しながら樹脂を硬化させて成形する．
成形後余剰部分が周囲に残るのでトリミング等の仕上げ加工が必要となる．

表１ CFRP の加工方法の比較
メリット
AWJ

・加工面品質が良い

デメリット
・加工可能な形状に制約がある
・高コスト（初期投資，維持費）

エンドミル

・汎用機械加工設備で加工可能ダイヤモンド・汎用機械加工設備で加工可能

電着工具

・工具寿命が長い

・層間剥離が発生しやすい・工具寿命が短い
・チップポケットが狭く，高送りができない

図２ AWJ，エンドミル加工の問題点(a) AWJ は貫通した加工しかできない上に，ジェット終端にキャッチャーを配置する必要があり，加工可能な形状に制約がある．
(b) エンドミルによるトリミング加工では繊維層を引き剥がす方向に切削力が働き剥離が発生しやすい．

2.2 解決方法
これらの問題を解決する手段として，当社ではエンドミルと同じ機械加工である電着工具に着目した．電着工具とは金属台金の表面に微細なダイヤモンド砥粒を Ni めっきで固定した工具である．
エンドミルで問題となっている繊維層の剥離を抑制するには，切込量を小さくすることが重要となる．電着工具は多数のダイヤモンド砥粒が切れ刃となるため，エンドミルに比べて１刃当たりの切込量を小さくすることができる．よって，送り速度を上げて高能率加工を行っても剥離の発生は抑制できる．

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工具寿命に関しても電着工具は切れ刃そのものがダイヤモンドの結晶であるため，コーティング等の薄膜に比べて安定して摩耗し，耐久性がある（図３）．また，CFRP の加工は金属加工に比べて負荷が低く，砥粒の脱落が起こり難いので，電着工具は CFRP 加工に適した工具であると考える．

図３ CFRP 加工後切れ刃（砥粒）の摩耗写真
CFRP をトリミング加工した場合，エンドミルではコーティング剥離に起因するエッジ部のチッピングが発生するのに対し，電着工具では砥粒エッジが安定して摩耗する．

2.3 電着工具の課題
当社で試作した電着工具で加工試験を行った結果，エンドミル加工を上回る送り速度でも層間剥離を発生させることなく加工できた．しかし，ある一定以上まで送り速度を上げると火花が発生し，それ以上加工能率を上げることができなかった．火花の原因は電着工具の目詰まりに起因するものであると考えた．

2.3.1 目詰まりのメカニズム
目詰まり対策を講じる前に，目詰まりの発生メカニズムについて考察してみる．
工具には加工途中の切りくず排出量に対して十分に広いチップポケットが必要であるが，通常電着工具のチップポケットは砥粒の突き出し量分の領域しかない（図４（a)）．また，電着工具で加工した CFRP の切りくずは粉末状であり，切りくずの体積は加工前の体積の数倍に膨れ上がる．そのためチップポケットが許容できる切りくず排出量も少なく，高能率加工を行おうとするとすぐに目詰まりが発生してしまうと考えた．

2.3.2 目詰まり対策
当社では目標の能率で加工できるだけのチップポケットを電着工具で確保するため，砥石表面にディンプル形状を持たせた工具を開発した（図４(b)参照）．最適なディンプル形状（容積）には上記で述べた切りくず排出量と密接な関係があり，ある一定以上の容積を確保しないと目詰まりが発生してしまう．ただし，ディンプル開口部の面積を広くし過ぎると作用砥粒数が減少してしまい，加工精度や寿命に悪影響を与えるので注意が必要である．

図４ 電着工具のチップポケット(a) 通常電着工具では砥粒の突出し量分しかチップポケットがなく，目詰まりが発生しやすい．
(b) 開発工具では工具表面にディンプル形状を付けることで十分なチップポケットを確保し，目詰まりを抑制する．

そこで，開発工具では容積比（作用部チップポケット容積／工具一回転当たりの切りくず排出量）というパラメータを設定し，目詰まりとの関係を加工試験により求めた．容積

三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012)7比が大きい方が目詰まりを抑制できるが，ディンプル配置によりチップポケットを確保する場合，同じ容積比であってもディンプルの間隔が広すぎると，ディンプルから離れた領域で目詰まりが発生してしまいディンプルの効果が発揮できない．ディンプルは作用する
砥石表面全体に均一に配置されている必要があり，開発工具ではディンプル間隔も考慮した上で形状と配置を決定した（図５）．

図５ チップポケットと目詰まりの関係
切りくず排出量に対してチップポケット容量が十分に広いばかりではなく，ディンプルの間隔が狭くなければ目詰まりが発生する．

2.4 開発工具での加工結果
2.4.1 高速加工試験
加工試験は，CFRP の板材（航空機部材：板厚 10mm 前後）に対する溝入れ加工，すなわち工具径 100％の切込量（10mm 前後）でトリミング加工を行い，加工面の面粗度を評価した．
エンドミルで加工した場合，通常の送り速度 200mm/min 前後から送り速度を上げていくと徐々に面粗度が悪化し，1 000mm/min では Ra３μm を越えるまで悪化した．一方開発工具では 2000mm/min で加工しても Ra1.5μm で加工できており，エンドミルの５倍以上の能率で加工できることが確認できた（図６）．
［参考］AWJ 加工面は層間剥離もなく品質は良いが，面粗度は Ra４μm 程度であった．

図６ CFRP の高速トリミング加工試験開発工具ではエンドミルの５倍以上の送り速度でも，同等の面粗度で加工ができた．

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82.4.2 寿命試験
寿命試験では，前述の CFRP 板材端面部を工具径 50％の切り込みで，アップカットとダウンカットを繰り返す往復運動によるトリミング加工を 2000mm/min の送り速度で行い，前項同様加工面の面粗度を評価した．
加工開始後面粗度は徐々に悪化したものの，40ｍ（加工距離は１往復分の距離でカウント）加工後の面粗度は Ra2.4μm となり，ほとんど悪化することなく加工できた（図７）．

図７ CFRP 加工の寿命試験開発工具では加工距離を延ばしてもほとんど面粗度が悪化することはなく，40ｍ加工後もRa2.4μm で加工できた．

|3. ドリル加工の高能率化
3.1 現状の課題
ＣＦＲＰの穴明け加工には一般的にドリルを用いる．しかし，ドリル加工では材料加工面に対して垂直な方向に切削力がかかるため，材料表面，特にドリル抜け側で繊維層の剥離やアンカット（未切断の繊維）が発生し，品質上の大きな問題となり加工能率向上の阻害要因となっている（図８）．

図８ CFRP 穴あけ加工時の剥離，アンカット穴あけ加工の場合，ドリルの抜け側に剥離等の問題が生じやすい．

3.2 解決方法
ドリル抜け側での剥離やアンカットは，ドリル加工の終盤抜け際で材料が薄くなった時に最表層の繊維がドリル径よりも広い領域で外側に剥離し，ドリルが抜けきって加工してもこの剥離が残ることが原因と考える（図９(a)）．また，最終的に穴の内面を仕上げるドリル外周部の切れ刃の先端角度が大きい場合も，切削力が繊維層を剥離させる方向に大きく作用して，剥離しやすい状況を作るものと考える（図９(b)）．
以上の理由から，加工能率を向上させるために次の２点の対策を講じた．
① ドリル抜け際の送り速度を極力抑えて加工負荷を下げる（図 10(a)）．
② ドリル外周側の先端角を小さくし，２段形状とする（図 10(b)）．

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また，工具寿命においても前述の剥離やアンカットの発生が基準となる．ドリルが寿命にいたるまでには，［ドリルコーナー部に加工負荷が集中］⇒［ドリルコーナー部のコーティングが剥離］⇒［それを起点に母材摩耗又はチッピングが発生］⇒［切れ味が低下］⇒［穴抜け側に剥離が発生］という過程を踏むと考える．
よって，寿命向上対策としては，③切れ味向上，切削抵抗低減を狙った切れ刃形状としコーナー部への負荷集中を抑制する．
ことで対応した．

図９ CFRP 穴あけ加工時の剥離，アンカットのメカニズム(a) 抜け際付近でのドリルの送り速度が速いと，繊維がドリル径よりも広い領域で剥離を起こし，ドリルが抜けきった後でも剥離や切り残しができる．
(b) ドリル先端は剛性が必要であるため先端角は大きい方がよいが，先端角が大きいと抜け際の繊維層を剥離させる方向に大きな力が作用する．

図 10 穴あけ工具，加工能率対策(a) 抜け側の加工条件を低く抑えることで剥離を抑える．
(b) ドリル外周側の先端角を小さくし，２段形状とする．

3.3 加工試験結果
穴明け加工においてもトリミング加工同様，前述の CFRP 板材に対して加工試験を行った．数社の工具メーカ製ダイヤモンドコーテッド超硬ドリルを使用し，材料抜け側の剥離やアンカットの有無で品質及び寿命判定を行った．
その結果，形状を最適化したドリルにおいて，最高で従来の 22 倍の加工能率まで品質を維持できた．また，従来の４倍以上の穴数まで寿命を延ばせることが確認できた（図 11）．

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図 11 CFRP 穴あけ加工における改善効果
工具と加工方法の改善により，(a)加工能率は最大 22 倍に(b)工具寿命は最大４倍にまで引き上げることができた．

|4. まとめ
CFRP のトリミング加工や穴明け加工を高能率に行うために，工具及び加工技術の両面から開発してきた．今回は航空機材料において，能率面では従来の数倍から数十倍に，工具寿命面においても従来を超える結果が得られた．今後はこの技術を航空機以外の産業分野でも有効活用できるよう更に加工技術開発を進め，お客様に最適な加工アプリケーションを提案していきたい．