炭素繊維複合材料の加工原理と方法をこの記事で理解する

炭素繊維やその複合材料は、材料の軽量化や高性能化の追求により、さまざまな産業で応用が広がっていますが、現時点で大規模な応用が進んでいないのは、主にコストと生産効率の問題によるものです。 。 コストは主に材料費と一括成形加工費であり、高品質・低コストの炭素繊維複合材料をいかに高速かつ効率的に大量生産し、材料の無駄を削減するかが業界のコンセンサスとなっています。 今日は炭素繊維複合材料の加工方法についてお話します。

1なぜ処理が難しいのですか?

炭素繊維強化複合材料 (CFRP) の加工中に、マトリックスと繊維の間に比較的複雑な内部相互作用が存在し、その物理的特性が金属の物理的特性とは大きく異なります。CFRP の密度は金属の密度よりもはるかに小さいです。 、しかしその強度はほとんどの金属よりも優れています。 CFRPは不均質であるため、加工中に繊維抜けや母材繊維の剥離が多く発生しますが、CFRPは耐熱性や耐摩耗性が高く、製造工程で多量の切削熱が発生するため、加工時に高度な設備が必要となります。機器に深刻な磨耗を引き起こします。

一方で、適用分野の拡大に伴い、材料の適用性が求められるなど要求はより繊細になり、CFRPに対する品質要求もますます厳しくなり、加工コストも上昇しています。

2原理紹介

繊維配向

繊維配向は CFRP ワークピースと工具界面の間の相互作用に大きな影響を及ぼし、切りくず形成と繊維配向は密接に関係しています。 CFRPワークとツールの界面での破壊は、ツール先端による圧力によって発生します。 さまざまな繊維配向に関して、3 つの切断メカニズムがあります。

(1) 繊維とマトリックスとの接触面の方向、つまり繊維配向が 0°の方向に繊維が破断します。

(2) 工具でせん断するときの方向は繊維軸に対して垂直であり、繊維配向は 75°です。

(3) 繊維配向が 90° または負の角度である場合、繊維配向角度 30°、60°、および 90° が最も重要な方向であり、大きな切削抵抗、集中摩耗、およびワークの損傷を引き起こします。工具逃げ角、送り推力を効果的に低減します。

CFRP の切削プロセスは、炭素繊維の破断とマトリックス材料の除去という複雑なプロセスであり、ワークピースと切削工具の間の摩擦により加熱され、高温で工具が軟化または分解することもあります。 CFRPは熱伝導率が低いため、切削加工時にクーラントの使用が禁止されており、発生した切削熱を素早く放熱することができず、熱が切削工具に伝わり、切削装置の摩耗が悪化して切削コストが大幅に低下します。ワークの表面熱が増大し、複合材料の表面成形に影響を及ぼし、使用中に複合材料の性能が低下します。

複合材料の切断熱に関する研究は主に切断温度の測定方法に焦点を当てており、国内外の多くの学者は赤外線温度計、熱画像カメラ、または埋め込み熱電対を使用して炭素繊維複合材料の切断温度を測定および研究しています。

工具摩耗機構

CFRP は、主に工具の摩耗が非常に早いため、機械加工が難しい材料です。 機械加工工程における工具の摩耗メカニズムは、工具上でワークを加工する際、両者の接触面が大きくなり、加工工程中の長期にわたる摩耗や振動により、工具上の硬い粒子が時々発生します。剥離し、いわゆる工具摩耗が形成されます。

摩耗の種類は工具損傷と摩耗に大別され、摩耗は摩耗箇所により工具先端摩耗、工具側面摩耗、工具刃先損傷、刃先摩耗に分けられます。

工具の摩耗に影響を与える要因には、加工プロセスのパラメータ、工具の形状や材質など、数多くの要因があります。 CFRP の切断プロセスでは、プロセス パラメータ (切断速度、送り速度、繊維配向など) が工具の摩耗に大きな影響を与える可能性があります。 一般に、切削速度を上げると側面摩耗が増加します。 工具の形状と材質は、加工面、切りくず形成、切削抵抗、工具の摩耗に大きな影響を与えます。

4つの加工方法

旋回

旋削加工は、CFRP 加工において最も一般的に使用される方法であり、最も基本的な方法であり、通常、円筒面で所定の公差を実現するのに適しています。 旋削加工に適した主な工具材料は、超硬またはセラミックスおよび多結晶ダイヤモンドです。 機械加工においては、送り速度、切り込み深さ、切削速度がワークの仕上がり面品位や支柱の損傷度合いに影響を与えますが、これも技術最適化の目標方向です。

旋回

フライス加工

ミーリング加工は、完成したワークを再加工する加工方法であり、高い加工精度が要求され、複雑なワークの荒加工後の補修が可能なミーリング加工です。 機械加工プロセス中には、エンドミルと CFRP の間に複雑な相互作用が発生し、その結果、繊維糸が切断されず、CFRP ワークピースに層間剥離が発生します。 同様の不良を低減・回避するには、加工初期段階で切削抵抗や軸剥離・繊維糸バリの発生を科学的に予測し、加工パラメータの設定を管理すれば、バリやバリの発生を抑制できます。バリを効果的に低減します。

繊維配向、軸方向および接線方向の送り速度、切削速度などの主要なプロセスパラメータは、ワークピースの表面粗さに大きな影響を与えます。 フライス加工の技術要件: 繊維配向、軸方向および接線方向の送り速度に関する実験を繰り返し、フライス加工に最適なパラメータを形成します。

CFRP加工用フライス

掘削

ボルトまたはリベットでの組み立て時にワークピースに穴あけ作業が必要ですが、CFRP 穴あけプロセスでは、材料の層間剥離、重大な工具の損失、穴の内壁の品質問題など、依然として特定の問題が発生します。 実験的な分析の結果、設定された切削パラメータ、ドリルビットの形状、および切削の品質がすべて、提起された問題に大きな影響を与えることが判明しました。 損傷部分の最大径と開口率は通常、剥離の程度を示す損傷係数と呼ばれ、剥離係数が大きいほど剥離問題が深刻であることを示します。

実験により、切削加工時の推力と剥離との間には関係があることが推測でき、切削抵抗の大きさによって剥離の程度を示すこともできます。 他の加工方法とは異なり、同じ穴あけ材質をベースにしているため、穴あけ時の切削速度が切削抵抗に大きな影響を与えません。

同じ切断パラメータの下では、ツイスト ドリル ビットと比較して、複合特殊ドリル ビットの層間剥離に対するパラメータの影響は小さくなります。 特殊な幾何学的特徴を持つドリルビットの場合、送り速度とドリル直径が大きいほど層間剥離を減らすことができ、異なる直径比での穴あけ切削抵抗は、直径比が減少するにつれて増加し、送り速度が増加するにつれて増加します。

CFRP加工用ドリルビット

通常、造船や航空宇宙産業の分野では、CFRP ワークピースの品質要件がより厳しくなります。 ワークの精度や品質にはより高度な加工方法が求められ、その製造要求を的確に満たすのが研削加工の構築技術です。 ワークの研削精度の要求は非常に厳しく、荒加工されたワークを細かく研削する必要があります。 CFRPの研削は金属よりもはるかに困難で複雑です.国内外の学者も関連する研究を実施し、CFRPを研削するために内部にクーラントを提供するカップ状の砥石を設計しました.乾式研削と比較して、外部クーラント研削の3つの加工方法がありますその結果、内部クーラント研削法では、砥石に付着するマトリックス樹脂が大幅に減少し、砥石内の砥粒による繊維の研削効果が高まり、剥離やバリが発生しないことがわかりました。素材の表面。 砥石内部にクーラントを設ける方式で、冷却効果が強く、研削温度を大幅に下げることができ、切りくず排出も良好です。

超音波振動加工技術

超音波振動加工機構は、従来の加工における工具とワークの相対運動に基づいており、両方に一定量の超音波振動を加えることで、優れた性能の複合材料を生成します。 この技術は従来の技術を最適化・補助したもので、従来の加工方法に比べて技術が進歩し、完成品の表面品質がより繊細になり、クラックの発生が減少し、加工コストが削減されます。 CFRP強化複合材料の加工難易度を効果的に軽減し、超音波の適用により材料除去機構が完全に改善され、工具とワーク間の相互摩擦が減少し、工具加工時間の短縮、工具力の強化、加工効率の向上が実現します。工具の摩耗を軽減し、ワーク加工の精度と品質をより高度なものにします。 主に超音波振動ドリリング、超音波振動研削、超音波振動ミリング、超音波振動切断が含まれます。

(1)超音波振動穴あけ加工

超音波振動ドリリングは、複合材料の効率的な穴あけと加工において大きな発展の可能性を秘めた非伝統的な加工方法であり、その主な利点としては、切削抵抗とトルクの低減、加工面品質の向上とバリの低減、破損の回避などが挙げられます。などが発生します。

一部の学者は、ダイヤモンド砥粒の回転超音波振動ドリルを使用して CFRP を加工することを研究しています。回転超音波ドリルのプロセスを図 3 に示します。 CFRPの機構解析により、CFRPの材料除去機構は塑性変形よりも脆性破壊に適していることが判明し、切削力に関わる加工パラメータと加工環境の関係、および機械的加工の妥当性を予測するための切削力モデルを構築した。モデルは実験を通じて検証され、精度が向上します。

(2) 超音波振動研削

超音波振動研削は、ダイヤモンド研削の材料除去メカニズムと超音波加工特性を備えたハイブリッド研削技術を組み合わせたものです。 その主な利点は、切削抵抗の低減と切りくずの薄化効果が得られること、ワークピースの表面精度と形状精度の向上、材料除去率の向上と工具寿命の延長、次の点です。脆性領域と延性領域を組み合わせて脆性を達成する 材料の延性領域処理。