切削の課題：混合マトリックス複合材料と繊維強化複合材料

航空宇宙分野の混合マトリックスおよび繊維強化材料は初めてですか？複合材料の操作方法の入門書です。

航空宇宙を含む多くの業界がますます軽量化するコンポーネントを求め続けているため、ある日、CNCマシニングセンターの前に立って、「私がカットしているものは何ですか？」と疑問に思うかもしれません。工具はすぐに摩耗し、ほこりはいたるところに行き渡り、機械加工された表面は粗く、欠け、しばしばひびが入ります。

複合材料とは何ですか？

「複合材料は、本質的に2つ以上の異なる材料の組み合わせであり、最高の特性を組み合わせたり、構成材料のどちらも単独では達成できない新しい一連の特性を付与したりするために一緒に使用されます」と、レイナー・グロー博士は書いています。ブリストル大学の航空宇宙工学ブログの非線形構造の研究員。

まず、複合材料が使用されている理由を理解することをお勧めします。それは、複合材料が同時に軽量で強力だからです。理解できるほど単純に聞こえます。ただし、複合材を切断するときの悪魔は細部にあります。

「マトリックスは過度の熱による酸化と劣化の影響を受けやすく、炭素繊維は滑らかに剪断されるのではなく破壊されるため、うまく切断されません」と、炭素繊維強化ポリマーに関する記事でAmericanMachinistは述べています。 「複合材料の機械加工は、一連の脆い炭素繊維の破壊を引き起こし、機械加工によって発生する熱をほとんど運び去らないほこりのようなチップを生成します。」

繊維強化複合材料とマトリックス複合材料

フロアビーム、スタビライザーパネル、飛行制御面、ドア、バルクヘッド-これらは、今日の航空機に見られる多くの複合部品またはラミネート部品のほんの一部であり、そのほとんどは、多層複合金属複合サンドイッチまたはハニカム状の材料でできています。頑丈な外観とほぼ紙のような構造。

どのように構築されていても、航空宇宙でラミネートされているものは何でも、セラミック、金属、ケブラーなど、3つのクラスの繊維強化複合材料が存在します。同様に、フェノール、ポリエステル、エポキシの3つのマトリックス複合クラスがあります。これらの材料は機械加工がかなり難しい場合がありますが、基本的な知識があり、機器や工具に少し投資すれば、すべてが非常に管理しやすくなります。

CFRP（炭素繊維強化プラスチック）、金属マトリックス複合材料（MMC）、アラミド（ケブラー）、または他の数十の同様に科学的な響きの名前と呼ばれる複合材料を聞いたことがあるかもしれません。重要なのは、金属を扱うこととの違いを理解することです。

「金属構造から複合構造への移行は、航空機部品の設計方法に自然に変化をもたらしました」とGroh氏は述べています。 「複合材料の機械的特性が金属の機械的特性と異なるだけでなく、物理的および化学的特性の全範囲が異なることに留意する必要があります。」

複合材料の切断：ダスト、カーボンダスト、およびろ過システム

頭の周りを渦巻く厄介なほこりから始めましょう。ものを吸いたくない。一部のアプリケーションでは、切削液で機械を浸水させると、高価なCNC機械に損傷を与える可能性のある研磨泥が発生する可能性があります。一部の複合材料は、ことわざのスポンジのように水を吸収するため、適切な機器がない場合、クーラントを適用すると実際にワークピースが損傷する可能性があります。ただし、他の複合アプリケーションでは、クーラントは、ほこりを制御し、工具寿命を改善し、コンポーネントの仕上げを改善する非常に効果的な方法です。

注意すべきもう1つの問題：炭素繊維の粉塵は、特定の状況下で発火することが知られています。悲惨な警告はさておき、解決策は十分に単純です。複合材を日常的に切断するショップは、機械加工される材料の種類に適したろ過システムに投資する必要があります。かなり気密性のあるエンクロージャーも良い考えですが、ほこりを作業領域から引き上げるのに十分な真空がある限り、問題はありません。残ったほこりはShop-Vacで掃除できます（フィルターが良好な状態であることを確認してください）。複合ダストをフィルタリングするためのいくつかの重要なベストプラクティスは次のとおりです。

• グラファイト切断機に見られるような陽圧スピンドルの必要性については、機械販売店に確認してください
• 必要なろ過のサイズと種類については、材料サプライヤーに確認してください（さまざまなバリエーションがあります）
• また、部品の清浄度要件についてお客様に確認してください。航空機メーカーは通常、機械加工部品のほこりや異物（FOD）の存在に非常に注意を払っています。

複合材料を切断するためのツール：HSSを片付けます

切削工具に関しては、高速度鋼を忘れることができます。複合材料は一般に非常に研磨性が高く、HSSは頑丈ですが、サンドペーパーなどの切削材料を乱用することはできません。機械加工する部品が少ない場合は、超硬が機能しますが、非常に鋭いエッジが必要です（これは、すべてのCVDおよびほとんどのPVDコーティングに付属する微細なエッジの丸みのおかげで、コーティングがおそらく問題外であることを意味します）。

形状も重要です。金属切削エンドミルとドリルの比較的急なねじれ角は、ほとんどの複合材料を剥離する傾向があり、ガラス繊維に穴を開けたときに起こることと同様に、層を引き離して材料の完全性を損ないます（そうでない場合でも）肉眼で見ることができます）。最善の策は、木やプラスチックの機械加工用のルータービットのような中性または逆らせん切削工具、または複合加工用に特別に研磨されたカッターです。

したがって、ドリルビットの場合は、突破時の力を減らし、破片をなくすダブルアングルポイント（バットマンのように見え、ドリル先端の両側に先のとがった耳があります）を使用して、出口面での層間剥離を防ぎます。もう1つのオプションは、木工職人に馴染みのあるブラッドポイントドリルです。ニュートラルレーキエンドミルまたはルータービットを使用して、穴をサイズに補間することもできます。

複合材料の切断：ダイヤモンドは機械工の親友です

生産量が多い場合、またはエッジ品質が重要な場合（通常はそうです）、多結晶ダイヤモンドチップツールとダイヤモンドコーティングツールが最適です。ろう付けまたはインデックス可能な工具が最も広く利用可能であり、優れた仕事をしますが、ここでも、一部の切削工具メーカーは、CFRPおよびその他の複合材料用に特別に設計された製品を提供しています。最大のパフォーマンスが必要な場合は、これらの特定のタイプの切削工具を評価してください。

切削工具、送り、速度のどちらを使用する場合でも、未知の領域になります。最良の結果を得るには、工具サプライヤーと材料メーカーにアドバイスを求め、テストのために少し時間を取って、すべての作業を文書化します。

複合材料の操作と切断に関する追加のヒント

薄っぺらな複合部品をつかむのは難しい場合があるので、真空ワークホールディングまたは光活性化接着剤を見てください。熱が問題になる場合は、冷気銃を作業ゾーンに向けてみてください。

正しい方向に進むためのいくつかの追加の複合ポインタを次に示します。

• 目的の加工結果を得るには、特定の方法で方向付けする必要がある場合があるため、基礎となる複合粒子の方向と構造に注意してください。
• サンドイッチ材料は、カーバイドを優先してPCDの使用を無効にする場合があります
• 機体構造で人気のあるハニカム複合材も、別のプレイブックの対象になります。ここでは、クライムミリングが推奨されるアプローチです（複合材には当てはまらないことがよくあります）

ボーイスカウトのモットーに従い、準備することをお勧めします。複合加工があなたの道を進んでいます。

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