成果報告書詳細
管理番号20160000000726
タイトル平成27年度成果報告書 次世代構造部材創製・加工技術開発 研究開発項目(3)航空機用難削材高速切削加工技術開発
公開日2016/10/28
報告書年度2012 - 2015
委託先名国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P15006
部署名材料・ナノテクノロジー部
和文要約件名:平成27年度「次世代構造部材創製・加工技術開発」研究開発項目3「航空機用難削材高速切削加工技術開発」

本プロジェクトでは、航空機の軽量化のための最も主要な構成材料である炭素繊維複合材、複合材との接合部等に用いられ使用量が急激に増加しているチタン合金、将来、着実に適用部位が増え、使用量が増大すると予想される軽量なアルミリチウム合金等の航空機材料を高速加工するための技術開発を行った。また、曲線的な部材においてチタン合金の切りくず除去量を減らすための高効率な革新的成形加工技術、高価な大型加工機を柔軟性の高い切削ロボットシステムに置き換えようとする世界的な動向に対応したロボット切削システムの開発も実施した。設定した具体的な研究課題は、1.チタン合金の切削加工技術開発、2.先進アルミ合金の切削加工技術開発、3.炭素繊維複合材の切削加工技術開発、4.チタン合金の熱間ストレッチ成形技術開発、ならびに、5.切削ロボットシステムによる柔軟性の高い切削加工技術開発である。これらの技術開発において、高速加工に関する切削理論、大学で開発された切削シミュレーションや数値解析技術等を応用し、また、航空機メーカ4社を含む企業との協力体制のもと、世界をリードする加工技術の構築を目指した。チタン合金の切削加工技術開発では、ミスマッチの無いチタン合金の高速高品位切削加工技術を実現することにより、切削加工後の手間のかかる手仕上げ工程を大幅に削減し、プロジェクト開始時に比べ、加工時間を40%以上短縮した。また、OOWによる潤滑/冷却法を採用し、環境負荷の低減を図った。先進アルミ合金の切削加工技術開発では、アルミニウム合金より切削熱による変形が生じやすいアルミリチウム合金を対象として、切削過程の有限要素解析により残留応力の発生メカニズムを解明し、変形を30%以上軽減する切削条件の設定法を検討した。また、航空機の主要な素材として大量に使用されているアルミニウム合金においても、チタン合金と同様に、ミスマッチの無い高速高品位加工技術を確立し、プロジェクト開始時に比べ、加工時間を30%以上短縮した。炭素繊維複合材の切削加工技術開発では、ドリルによる最適な穿孔過程を実現するため、有限要素法によるメゾスケール解析とエネルギー法によるマクロ解析を行った。メゾスケール解析では、剥離やバリなどの損傷発生過程を予測し、マクロ解析では、切削力、切削温度(工具温度)、工具摩耗、切りくず流出方向など、最適化に必要な切削状態を定量的に予測する技術を開発した。また、炭素繊維複合材とチタン合金の重積材の穿孔にもマクロ解析を適用した。大口径孔の重積材の穿孔では、ドリル加工とエンドミルによるオービタル加工の両者のマクロ解析から、それぞれのプロセスの特徴を明確にするための予測技術を開発した。チタン合金の熱間ストレッチ成形技術開発では、引張と曲げの異なる変形を組み合わせた高速熱間成形加工技術を実現するため、スモール試験片、ミーディアム試験片での実験を実施し、大きな実用部材に適用する目途を得た。切削ロボットシステムによる柔軟性の高い切削加工技術開発では、センサ付のエンドミル加工用ヘッドを有する切削ロボットを開発し、ロボットの繰り返し精度以上の加工精度を実現した。
英文要約Title: High Speed Machining Technology Development of Difficult-to-Machine Materials for Aircraft (FY2015) Final Report

In this project, high speed machining of carbon matrix composites (CFRP), titanium alloy, aluminum-lithium alloy, etc. used for aircrafts has been developed: CFRP is the most important structural material for weight reduction, titanium alloy is increasingly used for a CFRP aircraft, and aluminum-lithium alloy is a light-weight and high-rigidity aluminum alloy which will be increasingly applied to the aircrafts near future. High efficiency forming technology of titanium alloy for a curved element to be machined was also developed to reduce the amount of chips to be removed and machining time. In addition, robotic machining systems were exploited for building flexible machining systems without using large machine tools. For the above purposes, researches have been conducted for the five following themes: (1) machining technology development of titanium alloy, (2) machining technology development of advanced aluminum alloy, (3) machining technology development of carbon matrix composites, (4) development of hot stretch forming technology of titanium alloy and (5) development of robotic machining technology for flexible systems. For these technology developments, the theory of machining, machining simulation and other numerical methods were applied to establish the innovative machining technologies. In the first theme, machining technology development of titanium alloy, high speed and high quality machining technology has been developed to eliminate the mismatches on the machine surfaces, resulting in great reduction in hand finishing process and time: more than 40% reduction in total machining time from the beginning of the project. In the machining technology development of advanced aluminum alloy, finite element analysis of machining of aluminum-lithium alloy was developed to investigate the mechanism of the generation of residual stresses during machining. As a result, distortion of the machined plate was reduced by more than 30%. High speed and high quality machining technology was also applied to aluminum alloy to reduce total machining time by more than 30%. In the machining technology development of carbon matrix composites, meso-scale analysis was conducted using finite element method to predict the delamination, cracks and other damages. Energy method for macro-scale analysis was also performed to predict cutting forces, cutting temperature, tool wear and chip flow direction, which are necessary to optimize the drilling process. In the development of hot stretch forming technology of titanium alloy, high speed hot forming was conducted under the combined stresses of tension and bending. We obtained experimental data using small and medium size specimens, which can be applied to large-scale test elements. In the development of robotic machining technology for flexible systems, a machining robot with a displacement sensor at the spindle head was used to obtain machining accuracy much better than the positioning accuracy of the robot.
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