焦点となる航空宇宙：CFRP複合材料の穴あけとフライス盤

航空宇宙では、軽量の複合材料を使用するのが一般的です。最近、Sandvik Coromantと話をして、炭素繊維複合材料の一般的な金属加工の問題とそれらを克服する方法について話し合いました。

炭素繊維強化ポリマーなどの複合材料は非常に研磨性が高く、層や引っ張られた繊維の層間剥離を避けるために、フライス盤と穴あけにさまざまなアプローチが必要です。金属を加工するために設計された標準的なツールと方法は、これらの材料で作られた航空宇宙部品の製造に関しては、それをカットしません。

「カーボンファイバーは、はるかに軽量で優れた強度を提供するため、商用航空宇宙では、いくつかの非常に前向きなことが可能になります」と、SandvikCoromantの航空宇宙産業スペシャリスト兼エンジニアであるDavidDenBoerは述べています。 「飛行機が軽くなるにつれて、エンジンはより効率的になります。」

たとえば、ボーイング787は約50パーセントのCFRPでできており、同等のアルミニウム飛行機よりも20〜25パーセント少ないジェット燃料を使用します。複合胴体は、セグメントやピースではなく、完全な丸いバレルセクションで製造されています。ただし、このような平面を構築すると、機械加工の開発プロセスに課題が生じます。

「通常、エンジンパーツで作業している場合は、切削工具とコンポーネント自体のプロセスを実験しますが、3,000万ドルの胴体の側面に穴を開ける練習はできません」と製品のジェフリーウォッシュバーンは言います。 SandvikCoromantのマネージャー。 「したがって、すべてのプロセスのテストと開発は、最終的なコンポーネントを厳密に表す「クーポン」で別々に行われます。」

もっと深く行きたいですか？航空宇宙で使用されている軽量でありながら強力な素材の詳細をご覧ください。読む：「切断の課題：混合マトリックス複合材料と繊維強化複合材料」

複合材料のフライス盤と穴あけ用のツール

「炭素繊維材料は非常に研磨性があります」とDenBoer氏は言います。 「したがって、アルミニウムなどの金属に数百の穴が続く可能性のある一般的な超硬切削工具では、CFRPに20の穴しか得られない可能性があります。」

長持ちさせるには、CFRPの工作機械は、縞模様の多結晶ダイヤモンド（PCD）であるか、サブミクロンのダイヤモンド粒子の層でコーティングされている必要があります。これにより、各工具は従来の工具よりも高価になります。しかし、ウォッシュバーンによれば、部品の製造コストを測定する正しい方法は、工具あたりのコストではなく、ドリルで開けた穴あたりのコストに帰着します。

もう1つの考慮事項は、ツールの変更のコストです。

「大きなガントリーCNCマシンで胴体の上部をフライス盤で下ろし、新しいツールに交換して上部に戻るのに10〜15分かかるとします」とDenBoer氏は言います。 「787セクション全体で1つのダイヤモンドコーティングされた工具に必要な機械時間を80または90の超硬工具に変更することと比較すると、経済性を正当化できます。」

CFRP加工の違いは工具材料だけではありません。ウォッシュバーンによれば、金属とは異なり、CFRPのフライス盤と穴あけで最も難しい2つの問題は、穴の繊維と層間剥離です。

「彼らが穴の品質を分析するとき、それは完全にサイズに合っているかもしれませんが、ツールの切断動作が穴自体に未切断の繊維を残す場合、それは良い切断とは見なされません」とウォッシュバーンは言います。 「そして、表面の端に沿ってフライス盤を使用する場合は、繊維を表面から引き抜いたり、層間剥離したりせずに、繊維をきれいに切断し続けるのに十分な鋭さを維持する必要があります。」

ウォッシュバーンによると、CFRP用に設計されたツールは、プロセスとアプリケーションに応じて、非常に異なる形状のセットを持っています。

「らせんを備えた一般的なエンドミルは、常に材料をカットから持ち上げたいので、炭素繊維に金属切削形状を適用しようとすると、らせん角度が引き上げられるため、材料が剥離する傾向があります。表面」と彼は言います。 「答えは、下から引き上げると同時に上から押し下げるツールを設計することです。つまり、材料が剥離しないように、材料を一緒に絞ります。」

金属とCFRPの積み重ね

ただし、これらの特別なツールは通常、金属アプリケーションでは機能しないため、別の問題が発生します。

「複合材料は他の材料と積み重ねられることが多いため、たとえばCFRPをドリルで貫通してから、チタンまたはアルミニウムの層にぶつかる場合があります。ツールは、両方を加工して1つの穴を作成できる必要があります」とWashburn氏は言います。 / P>

スタック内の材料間の靭性と摩耗の違いは、創造的な解決策を必要とします。

「金属シートを積み重ねたCFRPを機械加工する際の課題のひとつは、これらの飛行機のコンポーネントの多くが、チップを冷却して運び去るために切削液にさらされないことです」とウォッシュバーンは言います。 「これは、たとえば、クーラントなしでチタンを加工しようとするときに問題を引き起こします。」

「人々は、アルミニウムシートにチップブレーカーを追加して、長いチップストリングが繊維を引き裂き、穴を大きくしすぎるのを防ぐなど、さまざまな層に対応するためにさまざまなことを試みます」とDenBoer氏は言います。

「自動ドリルユニットで穴を開ける場合、新しいもののいくつかはプログラム可能なRPMと送り速度を備えているので、CFRPをスタックに一度の速度で穴あけして送り、チタンに当たるとすぐに変更できます。切削データを作成し、レイヤーごとに最適化します」とDenBoer氏は言います。

CFRPコンポジットの切断で問題が発生したことはありますか？何が起こったのか、どのように解決したのかを教えてください。