ISSN0913-0020

The Japan Research and Development Center for Metals

財団法人

金属系材料研究開発センター

2011.6No.296

TODAY

東日本 大 震 災 で 考 え た こ としかしながら、それは完璧な縦割り行政を反映しており、例えば、大気中放射性物質のモニタリングは文部科学省であり、水道水は厚生労働省、農作物は農林水産省といった具合である。また、いずれも、放射性物質の測定結果を単に公表して、それを基準値又は暫定基準と比較しているだけである。行政の立場からするとそれで良いことになるかもしれないが、それらの放射性物質のモニタリングデータを取りまとめて総合的に環境影響を評価する視点がないことは残念である。米国では、エネルギー庁がモニタリングデータを一括管理し、測定結果の一次データを加工して、環境影響を評価するシステムがある。福島第 1 原子力発電所の水素爆発による放射性物質の大気への放出後、周辺地域の大気中放射性物質濃度の減衰を最初に図に示し公表したのは、米国エネルギー庁の HP であり、単に、測定結果の一次データを時系列に並べることすらしないのは大いに疑問を感じた次第である。
また、福島第 1 原子力発電所周辺の放射性物質汚染の影響を政府が同心円状に示したのは、科学的には誤りであり、当然のことながら風の流れ等の気象条件と地形とを考慮して影響を示す必要がある。この点も放射性物質の輸送拡散のモデルシュミレーション結果が欧米で先に公表され、日本のマスコミから批判を受けた。更に、気象庁も同様なモデルシュミレーションを行いながら、精度が低いことを理由に公表しなかったことも疑問が残る。
要するに個々の省庁では対応していたかもしれないが、全体として一元化して対応するシステムが構築されていなかったことが問題であり、今後の検討課題と言える。そうしたことも想定外と言うかもしれないが、起きた不具合を真剣に検討し対応することが、同じ誤りを繰り返さない最良な手段である。
最後に、米国の知人への回答に、“ 福島第 1 原
子力発電所周辺の放射性物質のモニタリングについては、日本より米軍に問合せた方が良いのでは ”といったジョークを記した。そのジョークが真実でないことを期待して。

慶應義塾大学 理工学部教授

田中 茂

本年 3 月 11 日に東日本大震災が発生し、東北地方は未曾有の災害被害を受け、日本全国民が大きく心を痛める事態となった。被災された方のご苦労を考えれば、取るに足らないことではあるが、私の所属する大学においても 3 月の卒業式が中止となり、4 月 1 日の入学式は延期され、5 月 1 日に行われた。
新学期の授業開始は 4 月下旬以降となり、夏の電力危機に対応すべく 7 月中に授業を終了する為に 5月連休中は授業を行う対応が取られた。この様に、例年と全く異なる状況になると、忙しさの中で漫然と時間を過ごし今まで疑問に思わなかったことを多くの方が、それぞれ、考える機会を得たのではないだろうか？
私の専門分野は環境化学であり、主として、大気中微量成分を計測することを行ってきた。東日
本大震災後、福島第 1 原子力発電所の被災の結果、放射性物質の放出と周辺地域への環境汚染が問題となった。早速、米国の研究仲間の知人から連絡があり、福島第 1 原子力発電所周辺地域でモニタリングされている放射性物質濃度のデータを知りたく協力してもらえないかと言った要望があった。
私自身、放射性物質の計測は行ったことはなく、放射性物質のモニタリングは門外漢である。しかしながら、Web 検索を行い、日本国内の放射性物質のモニタリングについて調査を行ってみた。文部科学省、経済産業省 ( 原子力安全保安院 )、厚生労働省、農林水産省、環境省と言った国レベルの他、東京都と言った自治体レベルでも放射性物質のモニタリングが行われ、一応、測定データが各 HP で公表されていることが判った。
その一方で、Web 検索を通じて、大きな疑問を感じたのも事実であった。様々な省で環境中放射性物質のモニタリングを行っているのは事実である。
1

JRCM REPORT“ 航空機用等の炭素繊維強化プラスチック（CFRP）の加工技術の開発に関するフィージビリティスタディ ” 成果報告
非鉄材料研究部 部長
箕浦 忠行
１．はじめに
近年、航空機用はじめ自動車などの輸送機器用の材料として炭素繊維強化プラスチック（以下「CFRP」と呼ぶ。）が注目されている。CFRPは、他の主要な構造材料と比較して、比重が小さく、比強度、比弾性率が高く、最も軽くて、高剛性、高強度な材料という特長を持っている。
地球温暖化対策として、航空機や自動車業界において、軽量化による燃費の向上が進められているが、特に CFRP の採用の検討が増えており、すでに多くの採用例が出ている。しかしながら CFRP を航空機の構造材として使用する場合、剛性以外に厳しい基準の精度、面粗度が要求されるため、当然機械加工が必要となる。現在回転工具を用いた機械加工が主流であるが、加工の送り速度を上げると加工面粗度が大きくなり、層間剥離のようなダメージを与える可能性があることや工具のコストが高いといった課題があり、CFRP 使用拡大のネックとなっている。
そこで、本研究開発では、CFRPの高品質な加工を目的とし、摩耗の少ない新考案工具とそれを最大限に生かす加工機械の確立を目指した。
２．研究開発の背景と実施体制
CFRP の加工に一般に用いられている回転工具加工の例として、この CFRP に対してダイヤモンド工具（図１、２）を用いてフライス切削実験を行った結果を示す（図３）。
むしろ、層間へのダメージなどの面性状も向上していることから、
CFRP の切削原理は、ネガティブの刃先を持つダイヤモンドで、マトリックス部を引っ掻きながら削り、その中に潜む炭素繊維を削るのではなく、刃先で「折る」、「破断」する切削であるということが分かっている。このように、CFRP を回転工具で機械加工した場合、刃先で折JRCM NEWS No.296［切削条件］
・工具径：50×35ｍｍ
・N=5,000 min-1（V=785m/min）

図１ ダイヤモンド工具

図２

ダイヤモンド工具での切削実験⴫㕙☻䈘 Ra 㱘m䋨᷹ቯ䋳࿁䈱䊋䊤䉿䉨䋩ㅍ䉍ㅦᐲ
䋨mm/min䋩䋵䋰䋰߻ߒࠇ䋲䋮䋸䋸䌾䋴䋮䋲䋱䋱䋬䋰䋰䋰䋲䋮䋲䋶䌾䋶䋮䋱䋲䋴䋬䋰䋰䋰䋲䋮䋷䋵䌾䋱䋰䋮䋳䋶㧲㧩㧠㧜㧜㧜㨀㧩㧜㧚㧞ߩಾ೥㧲㧩㧠㧘㧜㧜㧜OOOKPߢߩಾ೥㕙図３

SL ダイヤモンド工具（粒度 0.75mm）での切削実験結果

るという加工は、衝撃による破壊となってしまい、CFRP へのダメージが、そのまま層間剥離の原因となる。また、工具摩耗も激しく、工具寿命が短いという問題もあり、ケバ立ち、層間剥離のない、もっと効率的な加工方法が求められている。
前 述 の 課 題 を 解 決 す る た め、
「CFRP の加工技術開発委員会」を組織した。同委員会の元、新日本工機（株）との協力および（独）産業技術総合研究所にはテスト結果の分析や評価を再委託し、本研究開発を推進した。
３．切削試験装置の開発
CFRP 加工用の回転を用いない切削性に優れた新工具の開発と、その能力を生かす高剛性の工作機械の組合せによる CFRP に優しい加工方法を確立するための切削試験装置を開発した（図４）。

2

図４切削試験装置CFRP の最適な加工条件を追及するために、新工具による６軸制御までが可能でありかつ従来の回転型工具による加工も可能である。計測も動力、振動特性測定、表面観察のための顕微鏡システムなど必要なものを揃えている。

従来工具のテスト加工時は、立主軸を装着し、主軸に工具をセットし加工を実施した（図５）。

図５

従来工具による加工例

図６rOO

非回転型新工具によるテスト加工時は、立主軸にダミープレートを装着し、アダプタをボルトにて取り付け、新工具をセットし、テスト加工を実施した（図６）。

工具材質についても、加工条件・寿命・価格を勘案して最適な条件を探る。基本的には高靱性材料・単結晶素材の工具を検討する。サファイア、CBN、ダイヤモンドなどが候補である。 高剛性６軸加工機と
図８ 新工具例組み合わせて使用することにより、加工面顕微鏡データ及び表面粗さ複雑形状に対する最適すくい角制データを図 10、図 11 に示す。
御加工を可能にする。
表面粗さ計で測定したデータを被加工物である CFRP は、図９に見ると、すくい角が小さい方が面粗示すようにテストパネル（UD 繊維度が良い。
方向 45°の場合）を短冊形に切断し、すくい角が 45°の切粉は図 12 に従来工具と非回転型新工具で加工示すように連続して繋がった切粉を行った。になるが、すくい角が 30°の場合は切削加工試験は、１）すくい角切粉がせん断され細かい切粉になと切削動力の関連調査、２）工具、る。非回転型の新工具ではすくい装置、ワークの剛性調査（ビビリ）、角を小さくする方が切削力も小さ
３）すくい角と切削性、面粗度の関くなり、加工面も綺麗に仕上がり、連調査、４）送り速度と面粗度の関刃先もチッピング頻度が低くなり、連調査、５）切削長と工具摩耗の調切粉もせん断され切粉回収処理が査、６）繊維方向と面粗度及び切削容易になる。
力の調査を行ったが、ここでは、３）の一例を紹介する。
すくい角の異な㧝㧞㧜㧜r㧡 㨙㨙る２種類の非回転ಾ಴ߒ型新工具にて CFRPの切削を同切削条❫⛽ᣇะ件 に て 行 い、 加 工
面の顕微鏡写真の᧼ෘOO
撮影と表面粗さ計による表面粗さを測 定 し た。 す く い㨁㧰❫⛽ᣇะ㧠㧡q㧢㨙㨙ࡇ࠶࠴ ߢಾ಴ߒ角 30 °と 45 °の ２
図９ CFRP テストパネル
種類の工具につい て、 送 り 速 度
2,500mm/min で試験 を 行 っ た。 立 体的なイメージを見る た め、 顕 微 鏡 写
真は加工スタート
地 点 方 向 よ り、 加工 面 の 上 方 30 °斜め上から撮影した。
図 11 60°超硬工具
図 10 ４５°超硬工具
各試験条件での( 倍率 25 倍 )( 倍率２５倍 )新工具による加工例

４．非回転型新工具の設計と効果
難加工 CFRP に適合するように、竹・木材などの繊維質材料にダメージ与えることなく加工するための木工工具及び彫刻刀の加工形態を参考にし、工具寿命などを勘案して工具材料および工具形状に改良を加えた（図７、８）。
評 価 項 目 と し て は、 加 工 精 度、面粗度などもあるが、基本的にはCFRP 素材への加工によるダメージを低減させることを目標とする。例
えば加工前後の曲げ強度の低下がないことなどが目標となる。

粗さ計データ３箇所平均 ：Ra1.38 μｍ

粗さ計データ３箇所平均：
Ra0.79 μｍ

す く い 角 45 °の 切 粉

すくい角 30°の切粉ᢿ㕙䊶ᒻ⁁ 䋺䈜䈒䈇ⷺᐲ䈱᳿ቯ䊶಺వ᧚⾰䋺䉰䊐䉜䉟䉝䇮䉻䉟䊟䊝䊮䊄䇮䌃䌂䌎
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図７䈜䈒䈇ⷺ

図 12 切粉形状

工具の刃先形状の例

3JRCM NEWS No.296

⎕ᢿᒝᐲ䋨MPa䋩⎕ᢿᒝᐲ䋨MPa䋩

維方向 45°）である。
右 図 は、 試 料 Ｃ（ 従来工具φ 10 超硬エンド ミ ル ０ °/90 °交 互積層）および試料Ｄ（新工具０°/90°交互）である。
図 14 試験片形状
UD45°の場合には、０ °/90 °積 層 の 場 合
送り速度が遅く従来工具の方が早と 比 較 し て、 そ の 強く削れるので、更なる生産性を上げ
図 13 試験片形状及び新旧の切削方法による度 は １ /100 以 下 とる必要がある。このためには加工面切削加工面なっている。UD45°での改善、工具チッピングの回避を考
５．加工後のワークのダメージ評価の新工具による加工試料は、従来工慮に入れながら送り速度を上げて開発した切削方法によって加工具による加工試料に比べて、27％加工できる方法を検討すべきであされた CFRP が、従来の切削方法に程度、有意に（ｐ <0.05）破断強度る。
よるものと比較して力学特性が向が上昇していることがわかる。
開発課題が解決されれば、CFRP上するかどうかを評価するために、の利用拡大を図ろうとしている航引張り強度特性の比較を行った。
６．今後の課題および展開空機産業などに対してこの成果に具体的な試験片に関しては、図平板での新提案工具の実用性は基づく CFRP の高精度、高能率な加13 に示す色付の部分を、新しい加認められた。従来工具に比べて、主工方法と機械を、供給することとす
工方法及び従来の加工方法で作製
軸の動力が要らないため機械自体る。これにより、高能率な加工方法
した２種類を準備し、その力学特性を安く作れるし、主軸を回転させるが、中小企業にも広く普及することの差異を調べた。
電力が不要となり省エネをアピーが期待でき、また、我が国工作機械開発した切削方法及び従来の切ルできる。加工後の粉塵も従来工具の技術の向上と、航空機運用面など削方法で、UD 繊維方向 45°、及びの場合、細かな粒子が飛び散り人体での炭酸ガス排出削減に寄与でき０°/90°交互積層の２種類、計４種に影響があるが、新工具で加工するることとなる。
類の試験片を作製し、その引張り強と切粉が飛び散らず下に落ちて切＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
度特性を比較した（各ｎ =5）。具体屑になるため環境にやさしい。
本研究開発は、財団法人 JKA か的な試料を次に示す。
今後の課題としては、１）チッら機械工業振興資金の交付を受け試料Ａ 従来工具 φ８ダイヤ コー
ピングのし難い切削性の良い工具
た機械システムに関する調査研究
トエンドミル UD 繊維方向 45°を追及していかなければならない。
等補助事業を財団法人機械システ
試料Ｂ 新工具 UD 繊維方向 45°
そのためには材質、形状について最ム振興協会から委託され研究開発
試料Ｃ 従来工具 φ 10 超硬適な条件を探していく必要がある。
事業として、平成 22 年度に実施しエンドミル ０°/90°交互積層
２）従来工具と生産性で比較するとたものである。
試料Ｄ 新工具 ０°/90°交互積層n.s.
120
䋪
1400
試料形状は JISK7083:1993 炭素1001200
繊維強化プラスチックの定荷重引張－引張疲れ試験方法の規格に準100080じ（幅は製作工程に合わせて変更）、
800
60
切削面積を十分に確保してその力600
学的な効果の検証に適切なものと40400した（図 14）。
20200
開発した切削方法と従来の切削00方法による試験片の破断強度特性
⹜ᢱA㧔ᓥ᧪Ꮏౕ䋩
⹜ᢱB㧔ᣂᎿౕ䋩⹜ᢱC㧔ᓥ᧪Ꮏౕ䋩 ⹜ᢱD㧔ᣂᎿౕ䋩
を図 15 に示す。
左図は、試料Ａ（従来工具φ８ダ䋪:p<0.05
イヤコートエンドミル UD 繊維方向
図 15 炭素繊維方向及び加工方法による破断強度比較（各 n=5）45°）および試料Ｂ（新工具 UD 繊

The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS ／第 296 号

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2011 年 6 月 1 日
小紫 正樹
財団法人 金属系材料研究開発センター〒 105-0003 東京都港区西新橋一丁目 5 番 11 号 第 11 東洋海事ビル 6 階

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