JP2008183626A - 超音波振動切削方法及びそれにより得られる繊維強化樹脂 - Google Patents

Abstract

【課題】カーボンを強化繊維として内在した樹脂から成る繊維強化樹脂を孔明けする際、当該強化繊維の内在により生じる過度な摩擦による切削抵抗を回避して発熱を抑制することにより、加工面の平滑性を向上させることができるとともに、ドリルの寿命を向上させることができる超音波切削方法及びそれにより得られる繊維強化樹脂を提供する。
【解決手段】回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるツイストドリル２で被切削物Ｗを孔明け加工する超音波切削方法において、被切削物Ｗは、カーボンを強化繊維として内在した樹脂層を複数積層して成る繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）である。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるドリルで被切削物を孔明け加工する超音波振動切削方法及びそれにより得られる繊維強化樹脂に関するものである。

近時において、航空機等における機体の軽量化を図るべく、機体自体又はその構成要素を繊維強化樹脂にて形成することが実現されるに至っている。かかる繊維強化樹脂は、カーボン繊維を強化繊維として内在したもの（ＣＦＲＰ）、或いはガラス繊維を強化繊維として内在したもの（ＧＦＲＰ）など種々形態のものが提供されており、通常、強化繊維が交互に直交又は斜交させた複数の樹脂層を積層させて構成されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−１２６５５７号公報

しかしながら、繊維強化樹脂を航空機等の機体又はその構成要素に使用する場合、構成要素同士の連結部等においてボルト等を挿通させるための孔明け加工が必要となるのであるが、汎用のドリルで繊維強化樹脂（特にカーボンを強化繊維としたもの）を孔明け加工した場合、切削抵抗による発熱が著しく生じ、加工面における平滑性が著しく悪化したものとなってしまうとともに、ドリルの寿命が著しく短くなってしまうという問題があった。

これは、繊維強化樹脂を汎用のドリルで孔明け加工する際、内在する強化繊維（カーボン繊維）が切削方向に対して平行延びている箇所においては、ドリル切刃と強化繊維との摩擦に起因する切削抵抗が過大となって過度に発熱し、その熱が繊維強化樹脂の基材である樹脂（例えばエポキシ樹脂等）に影響を与えて加工面に凹凸形状が生じてしまうと考えられる。また、過度の発熱がドリルの切刃に悪影響を与えるので、ドリルの寿命が短くなってしまう。

そこで、本出願人は、回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるドリルが、加工効率の観点からは劣るものの、孔明け加工過程における摩擦に起因する切削抵抗を低減できることに着目し、カーボンを強化繊維として内在して成る繊維強化樹脂の孔明け加工におおける上記不具合を回避することを検討するに至った。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、カーボンを強化繊維として内在して成る繊維強化樹脂を孔明けする際、当該強化繊維の内在により生じる過度な摩擦に起因する切削抵抗を回避して発熱を抑制することにより、加工面の平滑性を向上させることができるとともに、ドリルの寿命を向上させることができる超音波振動切削方法及びそれにより得られる繊維強化樹脂を提供することにある。

請求項１記載の発明は、回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるドリルで被切削物を孔明け加工する超音波振動切削方法において、前記被切削物は、カーボンを強化繊維として内在した樹脂から成る繊維強化樹脂であることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の超音波振動切削方法において、前記強化繊維は、編み込み状態、織り込み状態又は不織布状態で樹脂内に内在されることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の超音波振動切削方法において、前記繊維強化樹脂は、樹脂層を複数積層して成るとともに、内在する強化繊維が各層毎に交互に直交又は斜交するように配置したものであることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の超音波振動切削方法において、前記ドリルは、孔明け加工の過程で加工面に摺接するマージン部を有しないローソク型切刃であることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるドリルで孔明け加工して得られるとともに、カーボンを強化繊維として内在した樹脂から成る繊維強化樹脂であって、孔明け加工による加工面が実質的に平滑面となっていることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の超音波振動切削方法により得られる繊維強化樹脂において、前記強化繊維は、編み込み状態、織り込み状態又は不織布状態で樹脂内に内在されることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項５記載の超音波振動切削方法により得られる繊維強化樹脂において、強化樹脂を内在する樹脂層を複数積層して成るとともに、当該内在する強化繊維が各層毎に交互に直交又は斜交するように配置したものであることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項５〜請求項７の何れか１つに記載の超音波振動切削方法により得られる繊維強化樹脂において、前記ドリルは、孔明け加工の過程で加工面に摺接するマージン部を有しないローソク型切刃であることを特徴とする。

請求項１乃至請求項３の発明によれば、カーボンを強化繊維として内在した樹脂から成る繊維強化樹脂を孔明けする際、回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるドリルを用いているので、当該強化繊維の内在により生じる過度な摩擦に起因する切削抵抗を回避して発熱を抑制することにより、加工面の平滑性を向上させることができるとともに、ドリルの寿命を向上させることができる。

請求項４の発明によれば、ドリルは、孔明け加工の過程で加工面に摺接するマージン部を有しないローソク型切刃であるので、孔明け加工時の摩擦に起因する切削抵抗を更に抑制することができ、より平滑な加工面を得ることができるとともに、ドリルの寿命をより向上させることができる。

請求項５乃至請求項７の発明によれば、回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるドリルで孔明け加工して得られたカーボンを強化繊維として内在した繊維強化樹脂において、その孔明け加工による加工面が実質的に平滑面となっているので、例えば航空機等の機体又はその構成要素の結合部への適用を可能とすることができる。

請求項８の発明によれば、ドリルは、孔明け加工の過程で加工面に摺接するマージン部を有しないローソク型切刃であるので、孔明け加工時の摩擦に起因する切削抵抗を更に抑制することができ、より平滑な加工面を得ることができるとともに、例えば航空機等の機体又はその構成要素の結合部への適用を更に良好に行わせることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら具体的に説明する。
本実施形態に係る超音波振動切削方法で使用される切削装置は、図１及び図２に示すように、回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるツイストドリル２にて被切削物Ｗを孔明け加工する超音波ねじり振動切削装置１から成り、固定側基体５内で回転し得る回転側基体３と、回転部材４と、超音波ねじり振動の発生源である圧電素子６と、コーン７と、ホーン８とから主に構成されている。

被切削物Ｗは、カーボンを強化繊維として内在した樹脂層を複数積層して成る繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）である。かかる繊維強化樹脂は、図５に示すように、その断面が複数層の樹脂層から成り、各樹脂層に内在する強化繊維が交互に０°と９０°とで直交（又は斜交であってもよい）するように配置されている。尚、各樹脂層に強化繊維を編み込み状態（繊維同士を編み込んだもの）、織り込み状態（繊維同士を織り込んだもの）又は不織布状態（不織布の如く繊維を形成したもの）で内在させたものであってもよい。

この繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）は、例えばエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂にカーボンから成る強化繊維を内在させたシート状のプリプレグを得るとともに、互いの強化繊維の延設方向を異ならせつつ該プリプレグを複数枚積層させた後、加熱および加圧して硬化することにより得られる。尚、本発明においては、例えば複数層でなく単層（強化繊維を内在する樹脂層が１つのもの）にも適用できる。但し、単層のものの場合、強化繊維を編み込み状態又は織り込み状態としたものが好ましい。

上記の如き繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）の所定部位に孔明け加工するための加工装置が、本実施形態に係る超音波ねじり振動切削装置１である。当該装置における回転側基体３は、図示しない回転駆動源に接続されて所定方向に回転するものであり、その下部に回転部材４が接続されている。かかる回転部材４内には、超音波ねじり振動を発生させる圧電素子６及びそのねじり振動が増幅されつつ伝達するコーン７が配設されている。コーン７に伝達されたねじり振動は、その下部に接続されたホーン８に増幅されつつ伝達するよう構成されている。ホーン８の下端には、コレットチャック９が形成されており、該コレットチャック９にツイストドリル２のシャンク部２ｂ（図３参照）が固定されるようになっている。

一方、回転側基体３の外側に配設された固定側基体５からは、下方にアーム１０が延設され、その先端に固定部材１１が配設されている。かかる固定部材１１には、回転部材４の下部における外周面を覆いつつ回転部材４を回転自在に支持した支持部１４が配設されている。即ち、支持部１４には上下一対のベアリングＢが配設されており、それぞれのベアリングＢのアウタレース側を当該支持部１４に固定させつつインナレース側を回転部材４に固定させることにより、回転部材４を回転自在に支持しているのである。

また、支持部１４内部には、内側に向かって延びるブラシ１２が形成されており、該ブラシ１２を介して電力供給部１５から圧電素子６に電力が供給され得るよう構成されている。これにより、回転する圧電素子６に対して確実に電力供給を行わせることができる。尚、図２中符号１３は、エアを支持部１４内部に吐出させ得るエア吐出手段を示しており、かかるエアにて内部が冷却されるようになっている。

ツイストドリル２は、図３及び図４に示すように、ボディ部２ａとシャンク部２ｂとから構成され、超硬合金を材質とする超硬ファイバードリルから成るものである。このツイストドリル２におけるボディ部２ａ先端の刃先２ａａは、所謂ローソク型切刃とされ、周縁から一対突出したカッティングエッジ２ａｂと、その中央から突出しつつカッティングエッジ２ａｂより突出したチゼルエッジ２ａｃとを有している。

また、ツイストドリル２には、汎用のツイストドリルの多くが有するものであって孔明け加工の過程で加工面に摺接するマージン部なる部位が形成されていない。更に、ツイストドリル２の表面に耐摩耗性のコーティングを施すのが好ましく、これによりドリルの寿命を更に向上させることができる。尚、チゼルエッジ２ａｃにはシンニングが施されており、孔明け加工におけるスラスト荷重が低減されている。

上記超音波ねじり振動切削装置１によれば、ツイストドリル２は、回転側基体３による回転に加えて圧電素子６による超音波ねじり振動（より厳密には、コーン７及びホーン８によって増幅された超音波ねじり振動）が付与されることとなる。具体的には、図７に示すように、回転速度（Ｖａ）で回転するツイストドリル２に対して所定振動数ｆの超音波ねじり振動が付与されており、その結果、Ｖａ＋２πｆａ・ｃｏｓ２πｆ・ｔなる切削速度（Ｖ）で切削がなされることとなる。

すなわち、ツイストドリル２による実際の切削は、同図（ａ）中斜線を施した時間ｔｓのみ行われているのであり、微視的に見た場合、当該時間ｔｓの断続的な切削が行われているのである。然るに、実際の切削時間ｔｓにおける切削速度Ｖは、回転速度（Ｖａ）よりも著しく大きくなっており、瞬間的により大きな切削量を得られることが分かる。一方、上記の如き切削においては、同図（ｂ）に示すように、実際の切削時間ｔｓにおいてはその切削抵抗が大きくなっているものの、孔明け加工全般に亘って平均化される切削抵抗はＲａとなり、比較的小さい切削抵抗による孔明け加工が可能であることが分かる。

従って、本実施形態の如く回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるツイストドリル２にて既述の繊維強化樹脂を孔明け加工すれば、その強化繊維（カーボン繊維）の内在により生じる過度な切削抵抗を回避して発熱を抑制することができるのである。また、本ツイストドリル２によれば、瞬間的に大きな切削量を得るので、繊維強化樹脂が内在する強化繊維の方向と切削方向とが略平行な部位においても、切刃が強化繊維を摺接する時間が短くなることから、摩擦抵抗を抑制しつつ当該強化繊維を良好に切断せしめることができる。

例えば、図６に示すように、繊維の延設方向に対して切削方向が略平行な部位（同図（ａ）における符号Ｃ、Ｇ及び同図（ｂ）における符号ｃ、ｇの箇所）において、従来の汎用ドリルでは、摩擦に起因する切削抵抗が過大となって過度な発熱を生じ、繊維の延設方向に対して切削方向が略４５°を成す部位（同図（ａ）における符号Ｄ、Ｈ及び同図（ｂ）における符号ｄ、ｈの箇所）で基材の樹脂にクレータの如き凹形状を生じさせてしまうのに対し、本実施形態においては、それが回避されるのである。

従って、本実施形態によれば、従来困難であった繊維強化樹脂の孔明け加工を精度よく、且つ、加工面の実質的な平滑性を向上させることができるとともに、過大な摩擦に起因する切削抵抗に基づく過度な発熱によるドリルの寿命低下を抑制することができる。また、適用される超音波ねじり振動切削装置１のツイストドリル２には、既述のように、孔明け加工の過程で加工面に摺接するマージン部が形成されていないので、摩擦に起因する切削抵抗を更に低減して加工時の発熱をより抑制することができる。

その結果、回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるツイストドリル２で孔明け加工して得られるとともに、カーボンを強化繊維として内在した樹脂層を複数積層して成る繊維強化樹脂であって、孔明け加工による加工面が実質的に平滑面となっている繊維強化樹脂を得ることができる。このように得られた繊維強化樹脂によれば、例えば航空機等の機体又はその構成要素の締結用孔明け加工への適用を可能とすることができる。

次に、本実施形態に係る超音波ねじり振動切削装置を用いて孔明け加工した場合（実施例）と、超音波ねじり振動を付与しないドリルにて孔明け加工した場合（比較例）との比較実験について説明する。尚、何れのものも、ドリルの形状及び材質などを同等なもの（径が３mmの超硬ファイバードリル）を用いている。

実施例及び比較例のものを使用して、カーボン繊維を内在した繊維強化樹脂の板材（板厚４．３mm）に対して１００個の孔を形成した後、ドリルにおける切刃の摩耗量（mm）を測定した結果を図８に示す。同図にて明らかなように、実施例のものは比較例に比べ、切刃の摩耗量が低減されている。

次に、実施例及び比較例のものをそれぞれ５本用意して、繊維強化樹脂から成る板材に対してドリルの寿命となるまで孔明け加工を繰り返し行った。その孔明け回数を図９に示す。同図にて明らかなように、実施例のものは何れも多くの孔明け加工が可能である一方、比較例のものは実施例のものの約１／２〜１／６の寿命となっている。かかる実験からも明らかなように、本発明によれば、孔明け加工によるドリルの切刃の摩耗量を低減させることができ、当該ドリルの寿命を向上させることができる。

以上、本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えばツイストドリル２に代えて他の形態のドリル（マージン部が形成されたものや切刃が所謂ローソク型でないもの等）を用いることができる。また、超音波ねじり振動切削装置は、回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるドリルを有するものであれば、他の形態の装置にも適用することができる。孔明け加工される繊維強化樹脂は、基材の樹脂及び内在する強化繊維の種類及び方向等につき他の形態のものであってもよい。

回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるドリルで、カーボンを強化繊維として内在した樹脂から成る繊維強化樹脂を孔明け加工する超音波振動切削方法、或いは回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるドリルで孔明け加工して得られるとともに、強化繊維を内在した樹脂から成る繊維強化樹脂であって孔明け加工による加工面が実質的に平滑面となっている繊維強化樹脂であれば、航空機の機体や構成要素とは異なるものに適用するものであってもよい。

本発明の実施形態に係る超音波ねじり振動切削装置を示す外観図 同超音波ねじり振動切削装置内部を示す断面模式図 同超音波ねじり振動切削装置におけるツイストドリルを示す側面図 同ツイストドリルの（ａ）正面図（ｂ）刃先近傍の拡大図 本発明に適用される繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）の断面模式図 本発明の実施形態に係る超音波ねじり振動切削装置によるツイストドリルの切削方向と強化繊維の延設方向との関係を説明するための図であって、（ａ）強化繊維が図中左右に延びるもの（ｂ）強化繊維が図中上下に延びるものを示す模式図 本発明の実施形態に係る超音波ねじり振動切削装置における（ａ）ツイストドリルの切削速度を示すための説明図、（ｂ）切削抵抗を示すための説明図 本発明の実施形態に係る実施例と比較例との切れ刃摩耗量を比較する実験結果を示すグラフ 本発明の実施形態に係る実施例と比較例との超硬ファイバードリルの寿命を比較する実験結果を示すグラフ

符号の説明

１ 超音波ねじり振動切削装置
２ ツイストドリル
３ 回転側基体
４ 回転部材
５ 固定側基体
６ 圧電素子
７ コーン
８ ホーン
９ コレットチャック
１０ アーム
１１ 固定部材
１２ ブラシ
１３ エア吐出手段
１４ 支持部
１５ 電力供給部
Ｗ 被切削物（繊維強化樹脂）

Claims (8)

1. 回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるドリルで被切削物を孔明け加工する超音波振動切削方法において、
   前記被切削物は、カーボンを強化繊維として内在した樹脂から成る繊維強化樹脂であることを特徴とする超音波振動切削方法。
2. 前記強化繊維は、編み込み状態、織り込み状態又は不織布状態で樹脂内に内在されることを特徴とする請求項１記載の超音波振動切削方法。
3. 前記繊維強化樹脂は、樹脂層を複数積層して成るとともに、内在する強化繊維が各層毎に交互に直交又は斜交するように配置したものであることを特徴とする請求項１記載の超音波振動切削方法。
4. 前記ドリルは、孔明け加工の過程で加工面に摺接するマージン部を有しないローソク型切刃であることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の超音波振動切削方法。
5. 回転方向に対して超音波ねじり振動が付与されるドリルで孔明け加工して得られるとともに、カーボンを強化繊維として内在した樹脂から成る繊維強化樹脂であって、
   孔明け加工による加工面が実質的に平滑面となっていることを特徴とする超音波振動切削方法により得られる繊維強化樹脂。
6. 前記強化繊維は、編み込み状態、織り込み状態又は不織布状態で樹脂内に内在されることを特徴とする請求項５記載の超音波振動切削方法により得られる繊維強化樹脂。
7. 強化樹脂を内在する樹脂層を複数積層して成るとともに、当該内在する強化繊維が各層毎に交互に直交又は斜交するように配置したものであることを特徴とする請求項５記載の超音波振動切削方法により得られる繊維強化樹脂。
8. 前記ドリルは、孔明け加工の過程で加工面に摺接するマージン部を有しないローソク型切刃であることを特徴とする請求項５〜請求項７の何れか１つに記載の超音波振動切削方法により得られる繊維強化樹脂。

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