I. 穴あけ
複合材料への穴あけは、航空機の金属構造への穴あけとは大きく異なります。精密な穴を実現するには、特殊なドリル、高速、低送り速度が不可欠です。カーボンファイバーとエポキシで構成される構造は非常に剛性が高く、摩耗性が高いため、特殊な平-溝または同様の 4 溝溝付きドリルを使用する必要があります。-アラミド繊維 (Kevlar®) とエポキシ複合材料は、カーボン繊維ほど硬くはありませんが、繊維はエポキシに埋め込まれているため、きれいに切断しないと摩耗したり裂けたりしやすいため、特別な工具を使用しない限り穴あけは困難です。繊維がドリル穴から引き抜かれる前に繊維を切断するために、洗濯ばさみの先端とフィッシュテールの先端を備えた特別なドリルが開発されました。ただし、Kevlar® とエポキシのセクションが 2 つの金属セクションの間に挟まれている場合は、標準のツイスト ドリルを使用できます。
II.装置
空気圧ツールは複合材料の穴あけに使用されます。ドリルモーターの自由速度は、毎分最大 20,000 回転に達します。複合材の穴あけの一般的なルールは、高速かつ低い送り速度 (圧力) を使用することです。動力付き送り制御を備えた穴あけ装置は、それを備えていないドリルモーターと比較して、優れた穴品質を実現します。特に厚いラミネートの場合は、ドリル ガイドの使用をお勧めします。
複合構造の穴あけには標準のツイスト ドリル ビットを使用しないでください。標準的な高速度鋼は、すぐに鈍くなり、過剰な熱を発生し、層間剥離、繊維の断裂、および許容できない穴の品質を引き起こすため、許容できません。
カーボンファイバーとグラスファイバー用のドリルビットは、ダイヤモンドでコーティングされた材料または超硬ソリッドで作られています。これは、繊維が非常に硬く、標準的な高速度鋼 (HSS) ドリルビットでは寿命が短いためです。-
ツイストドリルが一般的に使用されますが、ブラッドポイントドリルも利用できます。ケブラー繊維はカーボン繊維ほど硬くなく、標準的な HSS ドリルに対応できます。ただし、穴の品質が損なわれる可能性があります。推奨されるドリル タイプは鎌-の形をした Klenk ドリルです。これは最初に繊維にかみ合ってから繊維を剪断するため、穴の品質が向上します。より大きな穴は、ダイヤモンド-コーティングされたホールソーまたはフライカッターを使用して切断できますが、フライカッターはボール盤でのみ使用し、ドリルモーターでは使用しないでください。 (図 85、86、および 87 に示すように)
(図 85) Kevlar® 穴あけ用 Klenk ドリル
(図 86) 複合材料用の穴あけ工具と切削工具
(図 87) 自動穴あけと切断
Ⅲ．操作手順と注意事項
複合ドリリングモーターは、2000 ～ 20,000 rpm の範囲内で低送り速度で動作します。複合材料からのドリルビットの飛び出しを制限し、バースト損傷や層間剥離を軽減するため、油圧送りチャンバーまたは他のタイプの送り制御を備えたドリルモーターが推奨されます。テープ製品で作られた部品は特に破裂損傷を受けやすいですが、布素材で作られた部品は破裂損傷が起こりにくいです。複合構造では、破裂を避けるために裏打ちとして金属シートまたはプレートが必要です。複合構造の穴は通常、小さなパイロット穴で事前に開けられ、次にダイヤモンド コーティングまたは超硬ドリルビットで拡大され、最後に超硬リーマーで最終的な穴サイズにリーミングされます。-
バックドリルは、炭素繊維-エポキシ部品が金属基礎構造部品と結合するときに発生する可能性のある問題です。{0}カーボンファイバー-エポキシ部分の穴の後端は、複合材から引き出された金属片によって浸食されたり、擦り切れたりする可能性があります。これは、部品間に隙間がある場合、または金属チップが断片化しているのではなく直線状である場合に発生しやすくなります。バックドリル-は、送り速度と速度、工具形状、部品のクランプ、最終リーマの追加、ペッキングドリルの使用、またはこれらの方法の組み合わせを調整することで軽減できます。
金属部品と組み合わせて複合部品に穴あけ加工を行う場合、金属部品が穴あけ速度を決定する可能性があります。たとえば、チタンは腐食の観点からは炭素繊維エポキシ材料と互換性がありますが、チタンへの冶金的損傷を防ぐためには、穴あけ速度を下げる必要があります。チタン合金は低速、高送りで穴あけ加工されます。チタンに適したドリルは、カーボンファイバーやグラスファイバーには適さない場合があります。チタン用のドリルは通常コバルト-バナジウムで作られていますが、カーボンファイバー用のドリルはドリルビットの寿命を延ばし、正確な穴を作るために超硬またはダイヤモンド-でコーティングされています。 #40 ドリルなどの小径の HSS ドリルは、比較的低コストであり、限られた寿命を補ってくれるため、手動でパイロット穴をあけるのによく使用されます。ハイスドリルは単一の穴にのみ適しています。
手動穴あけ作業で超硬工具を使用する場合の最も一般的な問題は、工具の損傷 (特にエッジの欠け) です。特にドリル ガイドを使用する場合、低速かつ一定の送りで鋭利なドリル ビットを使用すると、炭素繊維-やエポキシや薄いアルミニウムに公差 0.1 mm (0.004 インチ) の穴を開けることができます。ハードツールはより厳しい公差を維持できます。カーボンファイバー-エポキシの下の構造がチタンの場合、ドリルビットがカーボンファイバー-エポキシを通してチタンのチップを引き込み、穴を拡大する可能性があります。このような場合、穴径の公差を維持するために最終的なリーマ加工が必要になる場合があります。カーボンファイバー-エポキシ複合構造の穴には超硬リーマーが必要です。さらに、リーマーが直径 0.13 mm (0.005 インチ) を超える部分を除去する場合、亀裂や層間剥離を防ぐために穴の出口端に適切なサポートが必要です。支持体は、基礎構造物または背面に固定されたプレートによって提供され得る。一般的なリーミング速度は、穴あけ速度の約半分です。
切削液は通常、薄い（厚さ 6.3 mm または 0.25 インチ未満）カーボンファイバー-エポキシ構造の穴あけには使用されず、推奨されません。複合材料に穴を開ける際は、作業領域に炭素粉塵が自由に浮遊するのを避けるために、掃除機を使用することをお勧めします。
IV.掘削
面一ファスナーをアセンブリに取り付ける場合は、複合構造にザグリ加工が必要です。金属構造の場合、100 度せん断または引張ヘッド ファスナーが一般的な方法です。複合構造では、100 度張力ヘッド ファスナーまたは 130 度張力ヘッド ファスナーの 2 つのタイプのファスナーが一般的に使用されます。 130 度ヘッドの利点は、ファスナ ヘッドの直径を 100 度引張ヘッド ファスナと同じにすることができ、ヘッドの深さは 100 度シャー ヘッド ファスナと同じであることです。複合部品の面一ファスナーの場合は、ファスナーのヘッド-からシャンクまでのフィレット半径に対応できるように、穴とザグリ穴の間の半径が制御されたザグリ ツールを設計することをお勧めします。-さらに、突き出たヘッドファスナーに適切なクリアランスを提供するために、面取り操作やワッシャーが必要になる場合があります。使用するヘッドのタイプに関係なく、複合構造内に適合する皿穴または面取りを準備する必要があります。
超硬工具は、炭素繊維-エポキシ構造の皿穴を製造するために使用されます。これらの皿穴カッターは通常、金属に使用されるものと同様の真っ直ぐな溝を備えています。ケブラー繊維-エポキシ複合材料の場合、S- 形状のポジすくい切削フルートが使用されます。ストレートフルートカッターまたは皿穴カッターを使用する場合、切断されたケブラー繊維をきれいにするために特殊な厚い粘着テープを表面に貼り付けることができますが、これは S- 形状のフルートカッターほど効果的ではありません。パイロット皿穴ツールを使用することをお勧めします。これにより、穴と皿穴の間の同心性が向上し、部品の非対称性や層間剥離によるファスナーの下の隙間の可能性が低減されます。
一貫したザグリ穴を作成するには、マイクロストップ皿穴ゲージを使用します。-皿穴が深くなると材料の強度が低下する可能性があるため、表層の深さの 70% を超えて皿穴を深くしないでください。パイロット皿穴ツールを使用する場合は、パイロットの摩耗を定期的にチェックすることが不可欠です。摩耗によって穴と皿穴ツールの間の同心度が低下する可能性があるためです。これは、刃先が 1 つだけの皿穴工具に特に当てはまります。パイロット皿穴切削歯の場合は、穴への切削歯の送りを開始して皿穴切削の準備をする前に、パイロットを穴に配置し、切削歯を最大 RPM に調整します。ドリルモーターを作動させる前に切削歯が複合材料に接触すると、破片が発生する可能性があります。
V. 切断工程と注意点
金属用に設計された切削工具は、複合材料に使用すると寿命が短いか、切れ味が悪くなります。複合材料に使用されるツールは、切断される複合材料によって異なります。複合材料の切断の一般的なルールは、低速送りで高速です。
炭素繊維強化プラスチック (CFRP): 炭素繊維は非常に硬いため、高速度鋼工具はすぐに摩耗します。{0}ほとんどのトリミングや切断作業には、ダイヤモンド グリット ブレードが最適です。研削はアルミナまたは炭化ケイ素のサンドペーパーまたは研磨布で行うことができます。炭化ケイ素はアルミナよりも長寿命です。ルータービットは、超硬ソリッドまたはダイヤモンドでコーティングされたものにすることもできます。-
ガラス繊維強化プラスチック (GFRP): ガラス繊維は炭素繊維と同じくらい硬く、高速度鋼の工具は使用するとすぐに摩耗します。{0}ガラス繊維への穴あけは、炭素繊維に使用するものと同じ種類および材質のドリルビットを使用して行う必要があります。
アラミド (ケブラー®) 繊維強化プラスチック: アラミド繊維はカーボンやガラス繊維ほど硬くないため、高速度鋼製の工具を使用できます。-アラミド複合材料の端で繊維が緩むのを防ぐため、切断する前に部品をしっかりと保持してください。アラミド複合材料はプラスチックのバッキング プレートでサポートする必要があります。アラミドとバッキングプレートは同時に切断する必要があります。アラミド繊維の最適な切断方法は、最初に繊維に張力を加えてから剪断することです。繊維を掴んで切断できる特殊な形状のカッターがあります。ハサミを使用してケブラー生地またはプリプレグを切断する場合、片面には切断刃があり、もう一方の面には鋸歯状または溝のある表面が必要です。これらの鋸歯は材料の滑りを防ぎます。繊維の損傷を軽減するため、常に鋭利な刃を使用してください。未硬化樹脂による損傷を防ぐため、使用後はすぐにハサミのセレーションを清掃してください。
工具や機器を使用するときは、必ず安全メガネやその他の保護具を着用してください。
VI.切断装置
バンドソーは、メンテナンス ワークショップで複合材を切断するために最も一般的に使用される機器です。超硬-チップまたはダイヤモンド-でコーティングされた歯のないブレードを使用することをお勧めします。一般的な歯付きブレードは、カーボンファイバーやグラスファイバーの切断に使用すると長持ちしません。 [図 88] に示すように、複合部品のトリミングには、ルーター、ジャブソー、ダイ グラインダー、カッティング ホイールなどの空気圧ツールや手動ツールを使用できます。超硬-チップまたはダイヤモンド-コーティングされた工具は、より良い仕上げとより長い寿命を実現します。プロフェッショナル向けのオプションには、超音波、ウォータージェット、レーザー切断機などがあります。これらのタイプの装置は数値制御 (NC) されており、優れたエッジと穴の品質を実現します。ウォータージェット切断機は部品に水が入り込むため、ハニカム構造には使用できません。他の素材が複合材を汚染する可能性があるため、複合材用の装置では決して切断しないでください。
(図 88) バンドソー
プリプレグは、(CNC) ガーバー切断テーブルを使用して切断できます。この装置を使用すると、切断プロセスが加速され、材料の使用が最適化されます。設計ソフトウェアは、複雑な形状のレイヤーを切断する方法を計算できます。図 89 に示すように:
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(図 89) ガーバーカッティングテーブル
つづく
出典「複合フロンティア」公開ウェブサイト