OSG复合材料加工解决方案

最近，在航空航天领域，轻量化是衡量其性能的不可缺少的条件。轻量化的主要目的是为了考虑经济性和环保方面的因素，要提高耗油量的控制力度。为了达到这个目的，将很多CFRP(碳素纤维强化复合材料)用在结构部分，但是CFRP的机械加工并不容易。要加工大型的机体，加大产量的话，CFRP的机械加工量也会大幅度的增加。现在需要能以较低的成本和更高的效率进行的加工。

1.加工CFRP时发生的不良现象(图1)

图1.　加工CFRP时常见的不良现象的例子

首先必须介绍一下CFRP加工的难度有多高。对CFRP的切削加工有独特的难度。加工机体零部件时的主要加工法有修型加工、大径孔的挖洞加工、打一个贯通的可以结合不同零部件的紧固件的孔(孔加工)等，进行这种加工的时候容易发生的质量上的不良现象是以毛刺为代表的有关纤维的问题占了绝大部分。所谓毛刺指的是积层的纤维在孔的入口或进行修型加工时的端面出现的分层现象，有表层分层、层间分层、fiber breakout以及凸起等各种现象。还有起毛、残留未切完的纤维等各种表示不良现象的名称。工具和切削数据不适当的话，这种现象马上会发生，由于工具磨损，随着边缘的退化发生的可能性也有。另外，很多零部件很薄并很难夹持，加工时有振动的话，也容易导致不良现象的发生。正因为如此，加工CFRP的切削工具需要拥有切削阻力低、便于切断纤维的锋利性、抗磨损性高、并考虑到切削阻力分散的形状。以下介绍OSG一直研究的修型用工具和钻头，如果可以帮助于各位今后的工作的话，我们觉得非常荣幸。

2.修型用纹铣刀

2-1.人字形铣刀

对CFRP的修型用纹铣刀如图2所示，需要独特的设计。如果使用金属加工时很普遍使用的同样的右刃右螺旋槽铣刀的话，切削阻力的反力会剥下CFRP的上面表层，发生毛刺或起毛。与此相反，使用左刃左螺旋槽的铣刀的话会压到CFRP的下面的表层并剥下它，同样发生不良现象。如图2①所示的就是具有这两者的特点的工具。即只使用一支铣刀，利用左螺旋将上面的表层压在母材的刃和利用右螺旋将下面部分拉上来的刃，使这两个刃起到作用抑制毛刺的发生。(图3)。如图4所示的是其加工，能看出明显的效果来。

上述①就是人字形铣刀，加工时要将螺旋方向转变的部分放在加工件中间的位置。因此，会受到加工件厚度或曲面部位的约束，但是阻力很低，能得到良好的加工面。

2-2.交叉形刃铣刀及其他

②所示的是精加工用多刃交叉形刃铣刀，③所示的是粗加工用交叉形刃铣刀，两者的刃形结构都是像很小的人字形刃集合似的。能对应从薄板到厚板，可以进行高效率加工。如图5所示的是使用②的精加工用多刃交叉形刃铣刀进行钣桁修边加工的实例。如图6所示的是我司使用交叉形刃铣刀做试验的结果。切削速度固定为300m/min，每转进给从0.2mm/rev开始慢慢提高到0.5mm/rev，对其加工面做检验。其结果，能满足客户要求质量的速度为0.2mm/rev。

下面介绍一下人字形铣刀和精加工用多刃交叉形刃铣刀的分别使用方法。使用人字形铣刀时要将螺旋方向转变的部分放在加工件中间的位置，因此不太适合对薄板以及修边面弯曲的加工件进行的加工。另一方，要使用交叉形刃铣刀的话，最好在夹持环境良好的情况下使用。从加工面的质量来说，人字形刃铣刀得胜。

再介绍类似实例，如图7③所示的是使用中粗加工用交叉形刃铣刀对I型钢进行的修边加工。

④是精加工用多刃切削工具，对精加工面有特别要求或加工件夹持刚性很高的时候使用这工具进行倒角等加工。任何铣刀都根据使用的机床、加工件的夹持刚性、切入量以及余量的不同，使用方法也有区别。

3.钻头

要孔加工的话，我想推荐如图8所示那样将2种钻头分开使用。

3-1.双角钻头

在孔的入口处要进行锥形倒角加工时，往往不需要太担心毛刺的发生。如想要抑制贯通侧的毛刺时，使用如图8左边图所示的大螺旋角双角钻头(PAT.P)的话很有效果。使用很标准的钻头时，阻力会压住钻头快贯通出去时的CFRP最表层的残余量，阻力的力量超过残余量的时候，残余量无法承受，因此CFRP会发生分层。于是，为了抑制毛刺的发生对工具形状的设计需要下功夫，将残余量的断面三角形的轴平行的边变长(如图9所示)，这就是双角钻头。由于采取这种形状，钻头切削刃对纤维的轴进行剪断，因此将钻头快贯通时给残余量加重的切削阻力的反力可以分散到半径方向。其结果，能加工成如图10所示的很良好的孔。

3-2.三角钻头

如想要抑制孔出入口两侧的毛刺时，使用如图8右图所示的直槽、并先端有3个角的三角钻头(PAT.P)的话很有效果。在孔的出入口，钻头的切削刃对纤维层差不多90度的角度进行剪断，因此能抑制在入口处的凸起以及出口处的毛刺的发生。再加上，在先端有三个角度，还可以抑制拔出时的毛刺的发生。

螺旋槽的钻头对出口处的加工发挥很好的效果，但是在入口处起到把纤维凸起的作用，所以需要有效的分开使用。

4.金刚石涂层和PCD

CFRP的加工过程中，硬质合金工具的磨损也非常快。按被削性指数的话，可以说铝合金的1/1000以下。因此，工具的材料一定需要采用PCD、金刚石涂层、电镀金刚石等的金刚石类工具。

OSG也提供PCD工具或电镀金刚石工具。PCD工具能加工成很锋利的切削刃，工具直径的精度也非常好，能得到良好的被削面。PCD还可以再修磨后继续使用。但是，实际上在生产机体的加工现场，容易崩刃的PCD的使用也不是很方便，只限于在自动机床上的使用。

电镀工具使用于对面粗糙度的要求很高的装配面以及负荷很轻的倒角，还有非常薄的材料等的加工。

上述我已介绍过在CFRP的加工中，为了分散切削阻力，工具的切削刃形状很重要。金刚石涂层在螺旋角以及螺旋的方向、前刀角、刃数、Air Hole等工具形状方面的自由度很高，较容易做到最佳化，因此很优于工具费对工具寿命(性价比)。

如以上所述，CFRP加工的时候最好使用专用工具。工具选型不适合的话，会发生一开始就不能满足质量这样的事态，而且这种事态不能以切削条件来弥补。再则，被削性很差，导致工具成本也很庞大，对工具的选型一定要给予最大的注意。如果这篇文章能提供给广大客户工具选型时的参考，我们感到非常荣幸。