技術資料

山口県産業技術センター

研究報告No.30 p8-13 (2018)

熱可塑性炭素繊維強化プラスチックにおける機械加工に関する研究
近藤拓郎 * ・椙本英嗣 *Study on Machining of Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics
Takuro Kondo and Eiji Sugimoto
本研究は熱可塑性炭素繊維強化プラスチック(以下，CFRTP)の機械加工(研削穴開け加工，切削穴開け加工)において，加工点近傍の被削材温度を高速度赤外線サーモグラフィにより測定し，加工時の温度上昇に作用する要因について検討した．
その結果，研削穴開け加工では加工熱を冷却することが難しく適切に加工することが困難であること，切削穴開け加工では送り速度を上げ工具先端角度を鈍角にすることで被削材温度上昇を抑制し加工品位を改善出来る可能性があることを確認した．
１．緒言

工は砥石工具とドリルで実施した．冷風による冷却方法は，

CFRTP は炭素繊維複合材料の一つで，軽量・高強度・高-10℃の冷風を冷風器によって発生させてセンタースルー剛性といった優れた特徴を有し金属に代わる機械材料としホルダーに供給し，工具先端からの吹き付け加工とした．て注目されている．航空機やスポーツ用途等に多く採用さ液体窒素による冷却方法は，加工点が液体窒素中になるよ

れている熱硬化性炭素繊維強化プラスチック(以下，CFRP)

うにバットを液体窒素で満たし，液中加工とした．表 2 にが高温で硬化する熱硬化性樹脂をマトリクス材料として用冷却下での穴開け加工の加工条件を示す．

いているのに対し，CFRTP は低温で硬化し高温で軟化する
熱可塑性樹脂をマトリクス材料として用いている 1) ．熱可砥石工具

冷風器

塑性樹脂を用いることで CFRTP は CFRP に対し量産性やリサイクル性に優れ，特に自動車産業での用途拡大が期待されている 2) ．しかしながら CFRTP の機械加工は，CFRP の機固定冶具

械加工と同様に層間剥離(以下，デラミネーション)や工具摩耗の激しさといった問題に加え，加工熱による影響で品位が悪化するという熱可塑性樹脂の性質上の問題がある 3) ．
このような加工熱の影響も含め，CFRTP の機械加工につい
図1ては未だ十分な検討がなされていないのが現状である．そ冷却加工実験装置

こで本研究では，CFRTP において研削穴開け加工と切削穴
表1開け加工の可能性と加工条件と加工熱との関係について検討した．

加工機

２．冷却下での穴開け加工
CFRP は，研削穴開け加工で高品位に加工出来るとされて被削材

いる 4，5) ．一方で CFRTP はマトリクス樹脂の性質上，加工品に対して加工熱による悪影響が懸念される．そこで本実験では，冷風または液体窒素による冷却下で研削工具とドリルを用いて加工実験を行い，研削加工と切削加工の可能砥石工具性を検討した．
２・１

実験装置及び実験方法

図 1 に冷却加工実験装置を示す．表 1 に実験に使用した各機器の仕様を示す．冷却加工実験装置は立形マシニング

ドリルセンタ上に設置した．被削材は，断熱処理したバットをステージ上に固定し，バットの中にスペーサーで底上げした状態で固定した．冷却方法は，冷風と液体窒素の 2 種類の冷風器

方法で，加工方法は当て板無しの穴開け加工を行った．冷風による加工は砥石工具で実施し，液体窒素による液中加*

企業支援部加工技術グループ

ホルダー

冷却加工実験装置の仕様
立形マシニングセンタ㈱牧野フライス製作所
FNC74-20A
CFRTP
樹脂：PA6炭素繊維：3K 平織
板厚：4mm
中空軸付き砥石(内製品)
外径：10mm
内径： 5mm
砥粒：炭化ケイ素
ボンド：ビトリファイド
切り屑排出用スリット有NACHi ストレートシャンクドリル㈱不二越
直径：10mm
材質：HSS
被膜：四酸化被膜
工具先端角度：118°
TOHIN エアークーラー
東浜工業㈱
AC-60
ハイジェットホルダー
大昭和精機㈱
BBT40-ONBS13N-165

熱可塑性炭素繊維強化プラスチックにおける機械加工に関する研究
表2

冷却下での穴開け加工の加工条件
研削加工
切削加工
砥石工具
ドリル
6,400
640
100110
方式：吹き付け温度：-10℃方式：液中
温度：-196℃

工具
主軸回転数[rpm]
送り速度[mm/min]
クーラント(冷風)
クーラント(液体窒素)

9験では，工具の摩耗状態や送り速度，工具先端角度等の条件を変更することで加工時に発生する加工熱やスラスト力を変化させ，加工条件による影響を確認し加工条件と加工熱との関係について検討した．
３・１

実験装置及び実験方法

図 3 に温度・スラスト力測定実験装置の構成を，表 3 に実験に使用した各機器の仕様を示す．切削動力計を立形マシニングセンタのステージ上に固定し，その上に被削材固２・２

実験結果定冶具を取り付けて被削材を固定した．被削材最高温度は，

図 2 に各冷却条件における加工穴の状態を示す．研削穴

高速度赤外線サーモグラフィを用いて測定した．また，ド開け加工では，冷風の吹き付けと液体窒素中のどちらの冷リルが貫通した際の被削材出口側の温度を測定出来るよう却方法でも樹脂の軟化を抑制することが出来ず，良好に加に，被削材下部に鏡面処理を施した金属板を設置した．

工することは出来なかった．特に入口側に再硬化した付着加工方法は，ドリルによる当て板無しの穴開け加工とし物が多く確認された．また砥石工具については，軟化した

た．ドリルは，工具研磨機で工具先端角度の調整・研磨を樹脂により目詰まりを起こし 1 穴の加工で使用不能となっした研磨ドリルと，事前に 25 穴の CFRTP 穴開け加工を行た．一方，液体窒素中での切削穴開け加工では，研削穴開い摩耗させた摩耗ドリルの 2 種類を使用した．図 4 に研磨け加工で見られた軟化の形跡は見られなかったが，入口側ドリルの外観を示す．また，図 5 に研磨ドリルと摩耗ドリにデラミネーションが確認された．

ルの切れ刃の状態を示す．表 4 に切削加工条件を示す．切削加工条件は，16 種類の条件で実施し，切削加工中の温度入口側とスラスト力を測定した．加工温度は，ドリル出口の被削出口側材の最高温度を高速度赤外線サーモグラフィで測定し，その温度で評価することとした．図 6 に加工温度の測定箇所を示す．測定箇所は，高速度赤外線サーモグラフィで撮影した熱画像において被削材の穴の縁から約 0.5mm の位置とした．
a)冷風の吹き付けによる研削穴開け加工
A/D 変換器＆増幅器

ドリル
CFRTP

出口側

入口側

PC

CFRTP
固定治具

b)液体窒素中での研削穴開け加工

鏡面処理を施した金属板
切削動力計(センサー)
高速度赤外線サーモグラフィ

図3

温度・スラスト力測定実験装置の構成

表3

温度・スラスト力測定実験装置の仕様

デラミネーション

入口側

加工機

被削材c)液体窒素中での切削穴開け加工
図2

各冷却条件における穴の状態
ドリル

３．切削穴開け加工での加工条件と加工熱
CFRTP の穴開け加工は，超硬合金工具またはダイヤモンド工具を用いることが推奨されており

6)，CFRTP 専用の工切削動力計
高速度赤外線サーモグラフィ具も市販されている．高品位な穴開け加工には，工具の形状や耐摩耗性が重要であるが，熱による影響を低減することで更に加工品位を改善出来る可能性がある．そこで本実

ドリル研磨機立形マシニングセンタ㈱牧野フライス製作所
FNC74-20A
CFRTP
樹脂：PA6炭素繊維：3K 平織
板厚：4mmNACHi ストレートシャンクドリル㈱不二越
直径：10mm
材質：HSS
被膜：四酸化被膜
KISTLER
9257A
Telops
FAST-IR 2K
VERTEX
VDG-13A

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研究報告No.30 (2018)

３・２90°

100°

130°

118°

140°

実験結果

図 7 に工具先端角度 118°における各送り速度の被削材最高温度を示す．送り速度を速くすることで被削材最高温度が低減される傾向が確認された．最も温度の低い送り速度 330mm/min の最高温度は 61.3℃で，送り速度 110mm/minの最高温度と比較して 37.7℃低い結果であった．
図 8 に送り速度 330mm/min における各工具先端角度の被削材最高温度を示す．工具先端角度を鈍角にすることで被図4

工具先端角度を調整したドリルの外観

削材最高温度が低減される傾向が確認された．最も温度の低い工具先端角度 140°の最高温度は 40.2℃で，工具先端角度 90°の最高温度と比較し 28.8℃低い結果であった．
図 9 に各工具先端角度及び各送り速度における被削材最高温度を示す．図 9 からも被削材最高温度は送り速度が速く工具先端角度が鈍角である方が低くなる傾向にあること

図5が分かる．

切れ刃部

研磨ドリル

摩耗ドリル

図 10 に各工具先端角度及び各送り速度における加工品

研磨ドリルと摩耗ドリルの切れ刃の状態

位を示す．加工した穴の周囲に発生したバリや切り残しは，送り速度が遅く工具先端角度が鋭角な条件に多く発生する

12345678910111213141516

クーラント

当て板

回転速度[rpm]

工具状態

傾向が確認された. 摩耗ドリルによる加工品位は，全 16 条
送り速度[mm/min]

110無し

無し

640

研磨

220330

摩耗

110

工具先端角度[°]
90100118
1301409010011813014090100118130140118

件の中で最も粗悪であった．
図 11 に工具先端角度 118°送り速度 100mm/min における研磨ドリルと摩耗ドリルの被削材最高温度を示す．被削材
最高温度は，研磨ドリルで 99.0℃，摩耗ドリルで 97.4℃であった．両結果の最高温度に差がみられなかった要因は，100℃付近でマトリクス樹脂の軟化に伴う熱の吸収があるためと推測される．
100118°90807060504030110

測定箇所

図7220
送り速度[mm/min]

工具先端角度118°における100330mm/min

90

図6330

各送り速度の被削材最高温度0.5mm

加工温度の測定箇所

80
温度[℃]

条件
No

加工条件

温度[℃]

表4706050403090

図8100118130
工具先端角度[°]140

送り速度330mm/min における各工具先端角度の被削材最高温度

熱可塑性炭素繊維強化プラスチックにおける機械加工に関する研究

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図 12 に工具先端角度 118°における各送り速度のスラスト力の時間経過を示す．スラスト力は，送り速度を速くすることで最大値が上昇する傾向があることが確認された．
最大スラスト力の最も低い送り速度は 110mm/min の 109Nで，送り速度 300mm/min と比較し 115N 低い結果であった．

加工品位(良)図 13 に送り速度 110mm/min における工具先端角度のスラスト力の時間経過を示す．工具先端角度の違いは，送り速度の違いと比較しスラスト力の大きな差異は確認されなかった．
図 14 に各工具先端角度及び各送り速度における最大スラスト力を示す．スラスト力は工具先端角度が鋭角で，送加工品位(悪)り速度が遅いほど低いことが分かる．しかし，最大スラスト力の結果を図 10 で示した穴品位の結果と比較するとスラスト力の低さと穴品位は関係性が低いことが分かる．以

図9

各工具先端角度及び各送り速度における上より，送り速度はスラスト力に影響するが，スラスト力被削材最高温度は穴品位にはあまり影響せず，送り速度を早く，工具先端角度を鈍角にするほど穴品位が向上することが分かった．
図 15 に工具先端角度 118°送り速度 100mm/min における研磨ドリルと摩耗ドリルのスラスト力の時間経過を示す．
スラスト力は，工具の摩耗状態で約 2 倍の差異があることが分かる．前述でスラスト力は穴品位にあまり影響しない全周バリとしたが，スラスト力が著しく異なる場合は品位に影響を及ぼすことが確認された．

全周バリ

250

切り残し切り残し150
加工品位(悪)加工品位(良)a)研磨ドリル

スラスト力 [N]全周バリ100500-50

図12

工具先端角度及び送り速度における加工品位

4.56.5

工具先端角度118°における
各送り速度がスラスト力に与える影響

250

100118°9070605040150100500-5030研磨ドリル

摩耗ドリル
ドリル状態

工具先端角度118°送り速度100mm/min における研磨ドリルと摩耗ドリルの被削材最高温度

90°
100°
118°
130°
140°

200
スラスト力[N]80
温度[℃]2.5時間[s]b)摩耗ドリル

図110.5-100

全周バリ

図10110mm/min
220mm/min
330mm/min

200

切り残し

0.5

2.5

4.5

6.5-100時間[s]図13送り速度110mm/min における
工具先端角度がスラスト力に与える影響

12山口県産業技術センター

研究報告No.30 (2018)

め，被削材の温度上昇が抑えられるものと推測される．
工具先端角度の鈍角化による被削材の温度上昇抑制効果
は，工具の外周部切れ刃形状にあると推測する．図 16 に工具先端角度の違いによる切れ刃の形状の変化を示す．通常のねじれ刃の切れ刃の形状は，工具先端角度を鋭角から鈍角に変えることにより，凸の弓なり形状から凹の弓なり形

加工品位(良)状に変化する 7) ．図 17 にドリル外周部における刃の進入角度を示す．工具先端角度が鋭角の場合，切れ刃の外周側は被削材に対し負の進入角度で接触するのに対し，工具先端角度が鈍角の場合は正の進入角度で接触することが分かる．
今回の実験では，工具先端角度は鈍角の方が良い結果が得られた．これは，工具先端角度を鈍角化することで正の進加工品位(悪)入角度で被削材に切れ刃が進入し，切れ味の良い良好な品位の加工が出来たものと推測される．
スラスト力については，従来 CFRP において工具先端角

図14

各工具先端角度及び各送り速度における度を鋭角化しスラスト力を低減することが加工品位向上に最大スラスト力有効である 8) とされていた．しかし本実験で被削材として用いた CFRTP においては，工具先端角度を鈍角にさせ，スラスト力が大きい状態で加工した方が良い結果が得られた．

450
400
350

研磨ドリル

これは熱可塑性樹脂の特性上デラミネーションが発生しに摩耗ドリル

くいという特徴と 9，10) ，温度上昇による樹脂の軟化に伴う炭素繊維の拘束力低下が CFRP よりも激しく生じることがスラスト力[N]300影響していると思われる．

250以上のことから，CFRTP の切削加工では，CFRP とは異な200りスラスト力の低減を重視する必要性はなく，熱可塑性樹150

脂の熱による軟化を防ぐことが重要であり，送り速度は速100

く，工具先端角度は鈍角にして加工することが CFRTP の切50削加工では良いと考えられる．

0-50

図150.5

2.5

4.5

6.5

時間[s]

先端角度 90°・・・

先端角度 140°

工具先端角度118°送り速度100mm/min における研磨ドリルと摩耗ドリルのスラスト力の時間経過
４．考察

CFRTP の研削穴開け加工において，液体窒素を用いて冷却しても，樹脂の軟化を防ぐことが出来なかった．これは加工点で発生した加工熱で液体窒素が気化し，加工点に直接液体窒素が届かなかった可能性が考えられ，CFRTP の研
削穴開け加工時の加工熱を冷却することの難しさを示すものであった．よって CFRTP を研削穴開け加工することは困難であると思われる．また，同様に液体窒素を用いて切削加工を行った場合，デラミネーションが発生した．このことから，切削加工においては過剰な冷却は弊害を生じる可能性があると言え，切削加工では加工に適した温度が存在すると思われる．
CFRTP の切削穴開け加工については，スラスト力の低減よりも，被削材の温度上昇を抑制することで品位が向上することが分かった．被削材の温度上昇抑制には，送り速度の高速化と工具先端角度の鈍角化が効果的である．送り速度の高速化は，工具と被削材が摩擦する時間を軽減するた

図16

工具先端角度の違いによる切れ刃の形状

熱可塑性炭素繊維強化プラスチックにおける機械加工に関する研究

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参考文献
1) 日本機械学会編，機械工学便覧デザイン編β2，材料学
負の進入角度・工業材料，p.213(2006)．
2) 影山裕史：自動車用 CFRP 技術の最新動向，まてりあ第53(12)，p.615(2014)．
3) 加賀忠士，安藤敏弘：熱可塑性 CFRP の切削加工に関すa)ドリル先端角度(鋭角)る研究，岐阜県工業技術研究報告 No.1(2013)．
4) 椙本英嗣：炭素繊維強化プラスチックにおける研削穴正の進入角度

あけの検討，61st FRP CON-EX2016 講演論文集，p.225227(2016)．
5) 柘植英明，小川大介，佐藤丈士：CFRP の機械加工技術に関する研究-ジャイロ式穴あけ法による穴あけ加工技術の開発-，岐阜県工業技術研究所報告 No.1(2013)．

b)ドリル先端角度(鈍角)
図17

ドリル外周部における刃先の進入角度
５．結言6) 鵜澤潔，ほか：CFRP の成型・加工・リサイクル技術最前線，株式会社エヌ・ティー・エス，p.63-68(2015)．
7) 日本機械学会編，機械工学便覧デザイン編β3，加工学・加工機器，p.137-139(2006)．

本研究では CFRTP に対し，冷却による研削穴開け加工及

8) 山田茂，高野登，深見修平，川崎洋，森田昇：CFRP 材

び切削穴開け加工の可能性と，切削穴開け加工における加料の高能率・高精度加工法に関する研究，第 15 回国際工条件と加工熱との関係について検討した．得られた知見

工作機械技術者会議論文集(ポスターセッション論文を以下に示す．

抜粋版)，一般社団法人日本工作機械工業会，

1) 冷却下であっても研削穴開け加工は困難である．
2) 冷却下の切削穴開け加工はデラミネーションの発生が懸念される．
3) 送り速度及び工具先端角度は被削材温度上昇低減に効果がある．
4) 送り速度は速く，工具先端角度は鈍角で加工することが望ましい．

p.42(2012)．
9) 田中秀岳：熱可塑性炭素繊維強化樹脂の穴あけ加工，
精 密 工 学 学 会 誌 81(6)， 公 益 社 団 法 人 精 密 工 学 会 ，
p.507(2015).
10) 升谷正宏：熱可塑性プラスチックスをマトリックスとする高性能複合材料について，日本複合材料学会誌
11(1)，p.7-15(1985)．