WO2007061044A1

WO2007061044A1 - 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

Info

Publication number: WO2007061044A1
Application number: PCT/JP2006/323433
Authority: WO
Inventors: Hukuzo Yagishita
Original assignee: Hamamatsu Foundation For Science And Technology Promotion; Fuji Ultrasonic Engineering Co., Ltd.
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2007-05-31
Also published as: EP1958719A4; EP1958719A1; JP2008183626A; US20080292860A1

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。

Description

明細書

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

技術分野

[0001] 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榭脂に関するものである。

背景技術

[0002] 近時において、航空機等における機体の軽量ィ匕を図るベぐ機体自体又はその構成要素を繊維強化榭脂にて形成することが実現されるに至っている。かかる繊維強化榭脂は、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榭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)。

特許文献 1 :特開 2005— 126557号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] しかしながら、繊維強化榭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揷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榭脂（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ィ匕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つてしまうという問題があった。

[0004] これは、繊維強化榭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 (力一ボン繊維）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、その熱が繊維強化榭脂の基材である榭脂 (例えばエポキシ榭脂等）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つてしまう。

[0005] 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榭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。

[0006] 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榭脂を孔明けする際、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榭脂を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0007] 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榭脂から成る繊維強化榭脂であることを特徴とする。

[0008] 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榭脂内に内在されることを特徴とする。

[0009] 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、前記繊維強化榭脂は、榭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。

[0010] 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!/ヽローソク型切刃であることを特徴とする。

[0011] 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榭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。

[0012] 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榭脂において、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榭脂内に内在されることを特徴とする。

[0013] 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榭脂において、強化榭脂を内在する榭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。

[0014] 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榭脂において、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。発明の効果

[0015] 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榭脂から成る繊維強化榭脂を孔明けする際、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。

[0016] 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、より平滑なカ卩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。

[0017] 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カ卩ェ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榭脂において、その孔明けカ卩ェ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。

[0018] 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、より平滑なカ卩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。

発明を実施するための最良の形態

[0019] 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〖こ示すように、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。

[0020] 被切削物 Wは、カーボンを強化繊維として内在した榭脂層を複数積層して成る繊維強化榭脂 (CFRP)である。力かる繊維強化榭脂は、図 5に示すように、その断面が複数層の榭脂層から成り、各榭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、各榭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ちょい。

[0021] この繊維強化榭脂 (CFRP)は、例えばエポキシ榭脂などの熱硬化性榭脂にカーボンカも成る強化繊維を内在させたシート状のプリプレダを得るとともに、互いの強化繊維の延設方向を異ならせつつ該プリプレダを複数枚積層させた後、加熱および加圧して硬ィ匕すること〖こより得られる。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榭脂層が 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、。

[0022] 上記の如き繊維強化榭脂（CFRP)の所定部位に孔明け加工するための加工装置力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、図示しなヽ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。力かる回転部材 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、る。

[0023] 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。力かる固定部材 11には、回転部材 4の下部における外周面を覆ヽつつ回転部材 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のァ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。

[0024] また、支持部 14内部には、内側に向力つて延びるブラシ 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、力かるエアにて内部が冷却されるようになって!/、る。

[0025] 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と力も構成され、超硬合金を材質とする超硬ファイバードリル力も成るものである。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、その中央力も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、る。

[0026] 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カ卩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、ッィストドリル 2の表面に耐摩耗性のコ一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、孔明けカ卩ェにおけるスラスト荷重が低減されている。

[0027] 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 + 2 π fa - cos2 π f 'tなる切削速度 (V )で切削がなされることとなる。

[0028] 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つており、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つているものの、孔明け加工全般に亘つ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。

[0029] 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ッイストドリル 2にて既述の繊維強化榭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、繊維強化榭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。

[0030] 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)で基材の榭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。

[0031] 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ぐ且つ、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、孔明け力卩ェの過程でカ卩工面に摺接するマージン部が形成されて、なヽので、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。

[0032] 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榭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つている繊維強化榭脂を得ることができる。このように得られた繊維強化榭脂によれば、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。

[0033] 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!/、る。

[0034] 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。

[0035] 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力卩ェが可能である一方、比較例のものは実施例のものの約 1Z2〜1Z6の寿命となっている。力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。

[0036] 以上、本実施形態について説明した力本発明はこれに限定されず、例えばッイストドリル 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榭脂は、基材の榭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。産業上の利用可能性

[0037] 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榭脂から成る繊維強化榭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榭脂から成る繊維強化榭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榭脂であれば、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。

図面の簡単な説明

[0038] [図 1]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

[図 2]同超音波ねじり振動切削装置内部を示す断面模式図

[図 3]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

[図 4]同ツイストドリルの（a)正面図 (b)刃先近傍の拡大図

[図 5]本発明に適用される繊維強化榭脂 (CFRP)の断面模式図

[図 6]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

[図 7]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

[図 8]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

[図 9]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

[0039] 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 固定側基体圧電素子

コーン

ホーン

コレットチャック

アーム

固定部材

ブラシ

エア吐出手段

支持部

電力供給部

被切削物 (繊維強化榭脂)

Claims

請求の範囲

[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ぉ、て、

前記被切削物は、カーボンを強化繊維として内在した榭脂から成る繊維強化榭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榭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] 前記繊維強化榭脂は、榭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、孔明け力卩ェの過程でカ卩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榭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榭脂。

[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榭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] 強化榭脂を内在する榭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榭脂。

[8] 前記ドリルは、孔明け力卩ェの過程でカ卩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榭脂。