WO2013133187A2

WO2013133187A2 - 繊維強化複合材の穴あけ方法及び装置

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Publication number: WO2013133187A2
Application number: PCT/JP2013/055774
Authority: WO
Inventors: 康治岡城; 敬入江; 哲也小笠原; 淳司三島
Original assignee: 株式会社北川鉄工所
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2013-09-12
Also published as: JPWO2013133187A1; WO2013133187A3; JP5926367B2

Abstract

　繊維で強化された繊維強化樹脂シート（１４～１７）を積層した繊維強化複合材（１）に貫通穴（８）を形成する穴あけに関し、穴あけ用工具（７）を当てる面とは反対側の穴あけ部周辺に層間剥離や繊維方向割れ等の欠陥の発生を抑制すること。繊維強化複合材（１）の穴あけ用工具（７）を当てる面とは反対側の面に前記繊維強化複合材（１）との接触面にシール手段（２０）と開口部（１９）を備えているカップ（１２）を押し当てることで前記カップ（１２）内を密閉空間にし、前記カップ（１２）内に加圧エアーを取り込むことで前記カップ（１２）内を高圧空間にし、前記カップ（１２）内を高圧空間にした状態で前記穴あけ用工具（７）を前記繊維強化複合材（１）に当てて貫通穴（８）を形成すること。

Description

繊維強化複合材の穴あけ方法及び装置

　本発明は、繊維で強化された繊維強化樹脂シートを積層して形成した繊維強化複合材に貫通穴をあける穴あけ方法および装置に関する。

　繊維強化複合材は、比強度、比弾性率が大きいことから、近年、航空機や車両の構造体等として使用することが増えてきている。繊維強化複合材を用いて構造体を構成する場合、複合材に穴をあけ、ボルトやリベット等の締結要素を用いて締結固定する方法が通常採られる。このため、締結要素を通すための穴を繊維強化複合材に多数あけることが必要になる。
　その繊維強化複合材に対して貫通穴を形成する場合、一般に、ドリル等の穴あけ用工具を使って穴あけが行われているが、穴あけ用工具が複合材を貫通する際に、穴あけ用工具の押し付け力により、最下面の繊維強化樹脂シートが穴あけ用工具の進行方向に引っ張られて、穴あけ用工具を当てる面とは反対側の面の穴周囲に、層間剥離や繊維方向割れ等の欠陥が生じる場合がある。現在までに、これらの欠陥を防止する技術が種々提案されており、従来技術として知られている。

　例えば、特許文献１に示すものでは、穴あけ前に、前記穴あけ用工具を当てる面とは反対側の面の穴あけ部周辺の表層部を除去しておくことや、穴あけ部周辺に固着剤を塗布しておく事で、層間剥離や繊維方向割れ等の欠陥の発生を防ぐといった穴あけ方法が提案されている。
　また、特許文献２に示すものでは、穴あけ前に、穴あけ工具を当てる面とは反対側の穴あけ部周辺にレーザーを照射し、穴あけ部周辺の繊維を切断しておく事で、層間剥離や繊維方向割れ等の欠陥の発生を防ぐといった穴あけ方法が提案されている。
　さらに、０．５ＭＰa以下の大気圧に近い低い圧力の空気を利用して切り屑を吹き流す例として、特許文献３に示される技術が提案されている。

特開２００８－１１９７６２号公報特開２００８－２５４１０５号公報特開昭６２－１６６９１４号公報

　しかしながら、上記の従来技術による穴あけ方法では、穴あけ用工具を当てる面と反対側の穴あけ部周辺の表層部を除去するための工具や固着剤といった資材が必要となる。そのため、工具が磨耗したり、固着剤が消耗する度に、定期的に交換、又は補充をする必要があり、加工コストが増大するという問題がある。また、レーザー照射装置が必要になるという点も、設備コストの増大に繋がるという問題がある。
　さらに、穴あけ用工具を当てる面と反対側の穴あけ部周辺に、繊維の切断部や面取り部ができてしまうため、純粋な円形状の穴が形成できないという問題がある。
　本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、加工コストや設備コストを抑えつつ、穴あけ用工具を当てる面とは反対側の穴あけ部周辺に層間剥離や繊維方向割れ等の欠陥の発生を抑制し得る繊維強化複合材への穴あけ方法及び装置を提供することを目的とする。

　上記の課題を解決するために、本発明は、繊維で強化された繊維強化樹脂シートを積層した繊維強化複合材に貫通穴を形成する穴あけ方法であって、前記繊維強化複合材の穴あけ用工具を当てる面とは反対側の面に前記繊維強化複合材との接触面にくぼみ部を有する溝と前記溝部に挿入されるシール材からなるシール手段と開口部を備えているカップを押し当てることで前記カップ内を密閉空間にする第１工程と、前記カップ内に加圧エアーを取り込むことで前記カップ内を高圧空間にする第２工程と、前記カップ内を高圧空間にした状態で前記穴あけ用工具を前記繊維強化複合材に当てて貫通穴を形成する第３工程からなることを特徴とする。

　また、繊維で強化された繊維強化樹脂シートを積層した繊維強化複合材に穴あけ用工具を用いて貫通穴を形成する工作機械に備えられる穴あけ補助装置であって、流体回路と、該流体回路から送られた流体によって押し引きが可能な押し当て装置と、該押し当て装置の端部へカップが連結されており、該カップが前記押し当て装置の動作によって前記繊維強化複合材の穴あけ用工具を当てる面とは反対側の面に押し当てられるように備えられ、前記カップが繊維強化複合材へ押し当てられる開口部を有し、該開口部が繊維強化複合材との接触面へくぼみ部を有する溝と前記溝部に挿入されるシール材からなるシール手段を備えており、前記カップ内へ加圧エアーを送る加圧エアー供給手段を設けることを特徴とする。

　また、繊維で強化された繊維強化樹脂シートを積層した繊維強化複合材に穴あけ用工具を用いて貫通穴を形成する工作機械であって、前記穴あけ用工具を装着できる主軸と、繊維強化複合材を設置可能なワーク保持部と、流体回路を備え、前記ワーク保持部を挟んで前記主軸と反対側に、前記流体回路から送られた流体によって押し引きが可能な押し当て装置と、該押し当て装置の端部へカップが連結されており、該カップが前記押し当て装置の動作によって前記繊維強化複合材の穴あけ用工具を当てる面とは反対側の面に押し当てられるように備えられ、前記カップが繊維強化複合材へ押し当てられる開口部を有し、該開口部が繊維強化複合材との接触面へくぼみ部を有する溝と前記溝部に挿入されるシール材からなるシール手段を備えており、前記カップ内へ加圧エアーを送る加圧エアー供給手段を設けることを特徴とする。

　本発明の、請求項１から６に記載の繊維強化複合材への穴あけ方法、及び穴あけ補助装置、及び穴あけ装置によると、繊維強化複合材の穴あけ用工具の挿入側と反対側の穴周囲に層間剥離や繊維方向割れ等の欠陥の発生を抑制することができる。
　工場等では比較的使用しやすい媒体であるエアーを使用することで、設備コストを抑えることができる。
　前記従来技術の穴あけ方法に用いられる穴あけ部周辺の表層部を除去するための余分な消耗資材が必要ないため、加工コストを抑えることができる。
また、予め穴あけ前に穴あけ用工具に処置を施す等の工程の必要がないため、短時間で穴あけ加工を行うことができる。
　穴あけ用工具を当てる面と反対側の穴あけ部周辺に、繊維の切断部や面取り部が無い純粋な円形状の穴を形成する事ができる。そのため、ボルト等で締結固定する際に締結力が低下するという心配が無い。
　穴あけ用工具が複合材を貫通した際に発生するエアー等の流体の流れによって、穴あけ工具を冷却することができるため、加工熱による工具表面の変質や劣化を防ぎ、穴あけ用工具の寿命を延長できる。

　前記の気流によって繊維強化複合材と穴あけ用工具間の切屑排出が促進されるため、工具と切屑が擦れることによる工具磨耗が低減し、工具の寿命を延長できる。
　また、前記の気流によって、繊維強化複合材の穴の内面や、複合材の表面に付着した切屑を吹き飛ばすことができるため、穴あけ後に別途、エアーブローや布等で複合材の穴の内面や表面を清掃する必要が無い。
　前記エアーの気流によって、切屑が全て穴あけ用工具を当てる面側に排出されるため、切屑収集機能を備える際は、複合材の穴あけ用工具を当てる面側のみに備えれば良く、装置の省スペース化やローコスト化ができる。
　また、複合材にエアー密閉手段を当てた状態で穴あけ加工することによって、複合材を固定することになり、加工時の繊維強化複合材の共振や振動を抑えることができ、加工精度の高い穴を形成する事ができる。

本発明の穴あけ方法、及び、穴あけ装置を好適に適用可能な複合材を示した斜視図である。繊維強化複合材への従来の穴あけ方法を示す図である。本発明の実施例による穴あけ装置を示す図である。本発明の実施例による第１工程を示す図である。本発明の実施例による第２工程を示す図である。本発明の実施例による第３工程の穴あけ途中状態を示す図である。本発明の実施例による第３工程の穴あけ終了状態を示す図である。本発明の実施例１による穴あけを行った場合の貫通側の穴写真である。比較例１による穴あけを行った場合の貫通側の穴写真である。本発明の実施例２による穴あけを行った場合の貫通側の穴写真である。比較例２による穴あけを行った場合の貫通側の穴写真である。本発明の実施例３による穴あけ装置を示す図である。シール手段の別の実施例を示す図である。

　以下に本発明の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、本発明の穴あけ方法、及び、穴あけ装置を好適に適用可能な繊維強化複合材１を示した図である。図１に示すように、繊維強化複合材１は、繊維で強化した樹脂からなる繊維強化樹脂シート２を複数枚積層した積層体である。なお、積層体を構成する繊維強化樹脂シート２には、シートの一端からもう一端まで連続して繋がった繊維で強化された樹脂シートや、不連続な繊維で強化された樹脂シートがある。
　なお、前記繊維としては、任意の繊維を選択すればよく、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維、ピッチ系繊維、セルロース系繊維、レーヨン、及びその他のポリマー繊維等が挙げられる。また、繊維に含浸させる樹脂としては、任意の樹脂を選択すればよく、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、及びその他の熱硬化樹脂または熱可塑樹脂が挙げられる。この場合、物性改良のために複数の樹脂を混合して用いたものでもよい。
　なお、前記繊維強化複合材の代わりに、繊維強化複合材とアルミ、チタン、及びその他の金属を積層した積層体を用いても良い。
　なお、本実施例では連続して繋がったＰＡＮ繊維でエポキシ樹脂を強化したシートを積層して形成された板厚３．０ｍｍの板を使用した。

　図２は、繊維強化複合材への従来の穴あけ方法を示す図である。マシニングセンタや木工用加工機械等の工作機械３の一部を示し、この工作機械３のテーブル４上に、固定用ジグ５等で固定した、加工対象の繊維強化複合材１を設置している。
　工作機械３の主軸６の先端部に取り付けた穴あけ用工具７を回転させ、矢印Ａ方向へ繊維強化複合材１に押し当てて穴あけ用工具７を貫通させることで、貫通穴８を形成する。なお、本実施例では穴あけ用工具としてドリル７を用いているが、任意の工具を選択すればよく、ドリルの他には例えば、エンドミル、ホールソー、及びその他の穴あけ可能な工具が挙げられる。

　図３～７は本発明の実施例に係わる穴あけ方法により繊維強化複合材に穴あけ加工を行う穴あけ補助装置を示す図である。穴あけ補助装置９は、流体回路１０と、前記流体回路１０から送られた流体によって図中の上下方向へ押し引きが可能な押し当て装置１１と、前記押し当て装置１１の端部に連結されたカップ１２を備える。また、装置外部には、カップ１２へ加圧エアーを送るための加圧エアー供給手段であるコンプレッサー１３を備え、カップ１２内に加圧エアーを取り込むことができるように接続されている。
　なお、本実施例では、前記穴あけ補助装置９が縦型マシニングセンタと一体化された装置を想定しているが、他にも、一般的なマシニングセンタ等の工作機械３に後付けで搭載することが可能な穴あけ補助装置も考え得る。
　また、本実施例では工具径５．０ｍｍの超硬製ドリル、及び工具径４．８６４ｍｍのダイヤモンドドリルを使用したが、穴あけ用工具６としては、必要に応じて最適な形状、材質、工具径を選択すれば良い。

　図３に示す繊維強化複合材１は、前記繊維強化樹脂シート２を４枚積層されて構成されている。すなわち、繊維強化複合材４は、第１の繊維強化樹脂シート１４、第２の繊維強化樹脂シート１５、第３の繊維強化樹脂シート１６、及び第４の繊維強化樹脂シート１７の順に積層して形成される。

　本発明の穴あけ方法によって繊維強化複合材１に貫通穴を形成する手順について、図３～図７を用いて、以下に説明する。
　まず、図３に示すように、繊維強化複合材１に貫通穴を成形する穴あけ位置１８を決定し、穴あけ位置１８の上側にドリル７を配置し、繊維強化複合材１の穴あけ位置１８の下側に、カップ１２を配置する。

　次に、第一工程として、図４に示すように、押し当て装置１１に流体回路１０から流体を送ることによって押し当て装置１１を矢印Ｂの方向に作動させ、カップ１２を繊維強化複合材１の下面に押し付ける。　なお、流体回路１０から送られる流体としては、エアー、油、及びその他の作動流体が挙げられ、押し当て装置１１の例としては、エアーシリンダー、油圧シリンダー、ジャッキ、及びその他の押し付け手段が挙げられる。なお、前記カップ１２の形状としては、円筒形状、半球形状、及び繊維強化複合材１との接触側にドリル７の径よりも大きい径の開口部１９を設け内部へ空間部を備えた各種形状が挙げられる。
　前記カップ１２の繊維強化複合材１との接触面には、開口部１９の周囲を取り囲むリング状のくぼみ部を有する溝２３と前記溝部に挿入されるシール材２４からなるシール手段２０を組み込んでおり、繊維強化複合材１に押し付けられた際に、前記カップ１２内の空間部が密閉空間を形成できるものとする。
本発明では、前記シール材２４が前記くぼみ部を有するリング状の溝２３に挿入されていることにより、カップ１２の接触面が繊維強化複合材１に押し付けられた際に、溝２３と繊維強化複合材１との間に挟まれた空間の中でシール材２４がより押し潰され、前記カップ１２内の空間部を閉塞する。前記カップ１２内を高圧エアーで満たした際に、高圧エアーにより前記シール材２４が前記溝の外側の壁面へ押し付けられて弾性変形することで接触する前記繊維強化複合材１側への接面圧力が増し、前記カップ１２内を高圧エアーが漏れることがない密閉空間にすることができる（自封作用）。
また、別の実施形態を挙げると、前記くぼみを有する溝は図１３に示すように、前記開口部１９とくぼみが一体化した溝２５を有する構造でも良い。
なお、前記シール材２４の例としては、前述の実施例ではＯリングを用いているが、これに限定する必要は無く、他にＸリング、及びその他の樹脂製シール材または金属性シール材等のリング状のシールが挙げられる。

　次に、第２工程として、図５に示すように、装置外部に設置したコンプレッサー１３からカップ１２へ加圧エアー２１を矢印Ｃの方向に送る。その際、カップ１２内は密閉空間であるため、高圧状態となり、繊維強化複合材１の下面は、矢印Ｄの方向にエアーによって押し付けられている。なお、コンプレッサー１３から送られるエアーは、大気圧以上に加圧されたエアーであり、好適には１．０ＭＰａ以上の圧力が良い。

　次に、第３工程として、図６に示すように、ドリル７を回転させながら、繊維強化複合材１の穴あけ位置１８に押し当てて、第１の繊維強化樹脂シート１４、第２の繊維強化樹脂シート１５、第３の繊維強化樹脂シート１６の順に穴を開ける。
　続いて、図７に示すように、第４の繊維強化樹脂シート１７に穴あけを開始する。すると、第４の繊維強化樹脂シート１７は穴あけ用工具７の押し付け力によってドリル７の進行方向（図中の下方）に引っ張られる。その際、シート状であるために、シート１７の穴形成部の周囲も、広範囲にわたって引っ張られることになる。
　本発明では、第４の繊維強化樹脂シート１７が引っ張られる力を、密閉空間であるカップ１２の中へ保たれている加圧エアー２１の圧力により保持することができる。また、カップ１２内を高圧密閉空間にすることで、シート１７の穴形成部の周囲も均等な力で保持することができるため、シート１７の穴形成部の周囲が広範囲にわたって引っ張られることを防ぐことができる。以上の作用により、第４の繊維強化樹脂シート１７の剥がれを受け止めて、第４の繊維強化樹脂シート１７の剥離や割れを防ぐことができる。

　この発明は、繊維の連続、不連続にかかわらず、繊維強化樹脂シート１７の剥がれや割れを受け止めることができるので、不連続な、すなわち切断された繊維で強化された樹脂を積層した積層体でも同様の効果を得ることができる。
なお、従来の加工方法では第３の繊維強化樹脂シート１６と第４の繊維強化樹脂シート１７との接着面が剥がされて、層間剥離や繊維方向割れ等の欠陥が発生していた。

　以下に、本発明を実施した場合の具体例を示し、説明する。
　（実施例１）として、ドリル径５．０ｍｍの超硬ドリルを使用した場合の結果を表１に示す。加工穴の中心から円周へ向かう向きに、加工穴の円周上からの層間剥離や繊維方向割れの最大距離を１穴ごとに３０穴目まで測定し、効果の具合を評価している。
　エアーの圧力を０．５ＭＰａずつ変更して、それぞれの平均欠陥距離と欠陥距離が５００μｍ以下である穴数の割合を算出した。表１において、エアー圧力１．０ＭＰａ以上の場合に、層間剥離や繊維方向割れの抑制に良好な結果が得られることが判った。特に、エアー圧力が２．０ＭＰａ以上では、平均欠陥距離、欠陥距離が５００μｍ以下の割合共に、顕著に良い効果が見られる。

　図８に、前記（実施例１）の内、穴あけ工具貫通側から２．０ＭＰａのエアーを押し付けた場合の、穴あけ開始から３０穴目における工具貫通側の穴写真を示す。
　（比較例１）として、図９に、前記（実施例１）と同種のドリルを使用して、本発明による対策を施していない従来通りの通常加工をした場合の、穴あけ開始から30穴目における工具貫通側の穴写真を示す。
　（比較例１）による図９の貫通穴周囲には、シートが大きく剥離した箇所が数箇所見られる。しかしながら、本発明の（実施例１）による図８の貫通穴周囲には、目立った剥離は見られない。以上のように、写真から判断しても、本発明によって層間剥離や繊維方向割れの抑制に良好な結果が得られることが判った。

　さらに、図１０に、（実施例２）として、ダイヤモンドドリルを使用して、穴あけ工具貫通側から２．０ＭＰａのエアーを押し付けた場合の穴あけ開始から３００穴目における工具貫通側の穴写真を示す。
　（比較例２）として、図１１に、前記（実施例２）と同種のドリルを使用して、対策を施していない従来通りの通常加工をした場合の、穴あけ開始から３００穴目における工具貫通側の穴写真を示す。
（比較例２）による図１１の貫通穴周囲には、繊維がバリ状に切れ残った箇所が見られるが、本発明の（実施例２）による図１０の貫通穴周囲には、繊維の切れ残りは見られない。超硬ドリルの結果と同様に、写真から判断しても、本発明によって欠陥の無い穴の形成に良好な結果が得られることが判った。

　また、本発明による、さらなる効果としては、穴貫通後に繊維強化複合材１のドリル７を当てる面へエアーが噴出する。この際に噴出されるエアーはカップ１２の密閉空間内で高圧状態に保たれた状態から、ドリル７を当てる面側に瞬間的に開放されるため、断熱膨張を起こして、より冷却されたエアーとなっている。前記エアーの噴出によりドリル７は冷却され、工具寿命を延ばすことができる。本実施例によれば、従来通りの通常加工時、穴あけ用工具の温度は９０℃程度まで上昇するが、本発明の穴あけ方法によると、穴あけ用工具の温度上昇を５０℃程度まで抑えることができる。

　また、上記の実施形態において、繊維強化複合材１の厚みが薄い場合、カップ１２の加圧エアー２１の圧力によって、繊維強化複合材１に変形を生じる事により、カップ１２内のエアーの密閉が不十分になる可能性がある。そのため、繊維強化複合材１の厚みが薄い場合の、望ましい（実施例３）を、図１２を用いて説明する。
　上記穴あけ補助装置９における穴あけ用工具７の周囲を囲うように、繊維強化複合材の変形押さえ手段２２を備えている。この変形押さえ手段２２は上記穴あけ補助装置９が、加工対象である繊維強化複合材１に接触することに合わせて繊維強化複合材１に接触し、矢印Ｅの方向へ押さえつける。これにより、カップ１２の加圧エアー２１の圧力による押し付け力を相殺することができ、繊維強化複合材１に変形やたわみが抑えられて、前記課題を克服することが可能である。なお、変形押さえ手段２２は穴あけ時の切屑を収集する収集装置を兼ねていても良い。

１　　繊維強化複合材
２、１４～１７　　繊維強化樹脂シート
３　　工作機械
４　　加工テーブル
５　　固定用ジグ
６　　主軸
７　　穴あけ用工具、ドリル
８　　貫通穴
９　　穴あけ補助装置
１０　流体回路
１１　押し当て装置
１２　カップ
１３　コンプレッサー
１８　穴あけ位置
１９　開口部
２０　シール手段
２１　加圧エアー
２２　変形押さえ手段
２３　溝
２４　シール材
２５　溝

Claims

繊維で強化された繊維強化樹脂シートを積層した繊維強化複合材に貫通穴を形成する穴あけ方法であって、前記繊維強化複合材の穴あけ用工具を当てる面とは反対側の面に前記繊維強化複合材との接触面にくぼみ部を有する溝と前記溝部に挿入されるシール材からなるシール手段と開口部を備えているカップを押し当てることで前記カップ内を密閉空間にする第１工程と、前記カップ内に加圧エアーを取り込むことで前記カップ内を高圧空間にする第２工程と、前記カップ内を高圧空間にした状態で前記穴あけ用工具を前記繊維強化複合材に当てて貫通穴を形成する第３工程からなることを特徴とする穴あけ方法。
請求項１に記載の穴あけ方法において、前記加圧エアーの圧力が1.0MPa以上であることを特徴とする穴あけ方法。
繊維で強化された繊維強化樹脂シートを積層した繊維強化複合材に穴あけ用工具を用いて貫通穴を形成する工作機械に備えられる穴あけ補助装置であって、
流体回路と、
該流体回路から送られた流体によって押し引きが可能な押し当て装置と、
該押し当て装置の端部へカップが連結されており、
該カップが前記押し当て装置の動作によって前記繊維強化複合材の穴あけ用工具を当てる面とは反対側の面に押し当てられるように備えられ、
前記カップが繊維強化複合材へ押し当てられる開口部を有し、
該開口部が繊維強化複合材との接触面へくぼみ部を有する溝と前記溝部に挿入されるシール材からなるシール手段を備えており、
前記カップ内へ加圧エアーを送る加圧エアー供給手段を設けることを特徴とする穴あけ補助装置。
前記加圧エアーの圧力が1.0MPa以上であることを特徴とする請求項３に記載の穴あけ補助装置。
繊維で強化された繊維強化樹脂シートを積層した繊維強化複合材に穴あけ用工具を用いて貫通穴を形成する工作機械であって、
前記穴あけ用工具を装着できる主軸と、繊維強化複合材を設置可能なワーク保持部と、流体回路を備え、
前記ワーク保持部を挟んで前記主軸と反対側に、
前記流体回路から送られた流体によって押し引きが可能な押し当て装置と、
該押し当て装置の端部へカップが連結されており、
該カップが前記押し当て装置の動作によって前記繊維強化複合材の穴あけ用工具を当てる面とは反対側の面に押し当てられるように備えられ、
前記カップが繊維強化複合材へ押し当てられる開口部を有し、
該開口部が繊維強化複合材との接触面へくぼみ部を有する溝と前記溝部に挿入されるシール材からなるシール手段を備えており、
前記カップ内へ加圧エアーを送る加圧エアー供給手段を設けることを特徴とする
工作機械。
前記加圧エアーの圧力が1.0MPa以上であることを特徴とする請求項５に記載の工作機械。