航空宇宙におけるCFRP複合材のドリリングとフライス加工の最適化

航空宇宙では、軽量複合材料での作業が標準です。サンドビック・コロマントに、カーボンファイバー複合材の一般的な金属加工問題と克服方法について話を聞きました。

炭素繊維強化ポリマー（CFRP）などの複合材料は非常に研磨性が高く、金属用に設計された標準工具と手法では、層間剥離と繊維引き抜きを避けるために、フライス加工とドリリングに異なるアプローチが必要です。

「カーボンファイバーは、はるかに軽量で優れた強度をもたらすため、商用航空宇宙では非常にポジティブなことが可能になります」と、サンドビック・コロマントの航空宇宙業界スペシャリスト兼エンジニア、David Den Boer氏。「飛行機が軽くなれば、エンジン効率が向上します。」

例えば、ボーイング787は約50%がCFRPでできており、同等のアルミニウム機より20〜25%ジェット燃料を節約します。複合材胴体は、セグメントやピースではなく、完全な円筒セクションで製造されます。しかし、このような飛行機の建設は、加工開発プロセスに課題をもたらします。

「通常エンジン部品なら、切削工具とプロセスをコンポーネント自体で試験しますが、3,000万ドルの胴体の側面に穴あけ練習はできません」と、サンドビック・コロマントのプロダクトマネージャー、Jeffrey Washburn氏。「だからすべてのプロセステストと開発は、最終コンポーネントを忠実に再現した『クーポン』で別途行われます。」

さらに深く知りたい方は：航空宇宙で使われる軽量かつ強靭な材料について学ぶ。「切削課題：混合マトリックス複合材と繊維強化複合材」をお読みください。

複合材フライス加工とドリリング用工具

「カーボンファイバー材料は非常に研磨性が高い」とDen Boer氏。「アルミニウムなどの金属で数百穴持つ典型的な超硬切削工具でも、CFRPではわずか20穴しか持たないかもしれません。」

長寿命化のため、CFRP用工作機械工具は、ベイン型多結晶ダイヤモンド（PCD）か、サブミクロンのダイヤモンド粒子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工具より高価になります。しかしWashburn氏によると、部品製造コストを測る正しい指標は工具単価ではなく、穴あけ単価です。

もう一つの考慮点は工具交換コストです。

「例えば、大型ガントリーCNC機械で胴体天井をフライス加工する際、新しい工具に交換して戻るのに10〜15分かかるとしましょう」とDen Boer氏。「ダイヤモンドコート工具1本で787セクション全体を加工できるのと、超硬工具を80〜90本交換するのとでは、機械時間を比較すれば経済性が証明できます。」

工具材料だけがCFRP加工の違いではありません。金属とは異なり、CFRPのフライス加工とドリリングで最も困難な2つの問題は、穴内の繊維残りと層間剥離だとWashburn氏は言います。

「穴の品質を分析すると、寸法は完璧でも、工具の切削作用が穴の中に未切削の繊維を残すなら、良い切削とは見なされません」とWashburn氏。「表面のエッジをフライス加工する際、繊維を表面から引き抜いたり層間剥離させたりせず、鋭く切り続けられるよう工具を維持したい。」

Washburn氏によると、CFRP用に設計された工具は、プロセスと用途に応じて、非常に異なるジオメトリセットを持っています。

「典型的なエンドミルのヘリックスは常に材料を切削点から持ち上げようとします。金属切削ジオメトリをカーボンファイバーに適用しようとすると、ヘリックス角が表面を引き上げるため、材料が層間剥離しやすくなります」と氏。「答えは、底から引き上げ、同時に上から押し下げる工具を設計すること。つまり材料を挟み込むようにして、剥離しないようにするのです。」

CFRPと金属の積層加工

しかし、これらの特殊工具は通常、金属用途では機能しません。これが別の複雑さを生みます。

「複合材は他の材料と積層されることが多いため、例えばCFRPをドリリングしてからチタンやアルミニウムの層に当たります。単一の穴を作るために、工具は両方を加工できなければなりません」とWashburn氏。

積層内の材料間の靭性と研磨性の違いが、創造的な解決策を要求します。

「CFRPと金属シートの積層加工の課題の一つは、多くの航空機部品が切削液による冷却とチップ排出にさらせないことです」とWashburn氏。「これは、クーラントなしでチタンを加工しようとする際に問題になります。」

「アルミニウムシート用にチップブレーカーを追加し、長いチップストリングが繊維を引き裂いて穴を大きくするのを防ぐなど、さまざまな工夫が試みられています」とDen Boer氏。

「自動穴あけユニットで穴あけする場合、新しいものにはプログラマブルな回転数と送りがあるため、CFRPをスタックで一つの速度と送りで加工し、チタンに達したら即座に切削条件を変更し、各層に最適化できます」とDen Boer氏。

CFRP複合材の切削で問題に遭遇したことはありますか？ 何が起き、どう解決したか教えてください。