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Aerospace assembly bench with a clamped titanium and aluminium sheet stack, a stub-length precision drill and a tray of close-tolerance fasteners
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炭素繊維、チタン、および積層材を貫通しても穴径を維持する航空機用工具アクセサリーです。

積層順序および穴の公差クラスに応じて指定されるドリル、バリ取り工具および関連アクセサリー。

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航空宇宙分野における穴加工は、二つの観点から評価されます。一つは最終的な穴径、もう一つは材料に与える損傷です。アルミニウムでは穴径を維持できるドリルでも、炭素繊維複合材の最下層でデラミネーションを引き起こす可能性があります。また、アルミニウムでは低温で加工できる形状のドリルでも、積層材のチタン面では焼けを生じるおそれがあります。本ページでは、各積層順序に対して指定される基材、コーティング、先端形状を明記し、それぞれの選定根拠と検証方法を示しています。

業界の現状

結果を左右する4つの要因

航空機の組立作業では、穴そのものではなく、穴を通る材料の積層構成によって作業が定義されます。たとえば、1つの締結位置では、カーボンファイバー強化プラスチック(CFRP)積層板、接着剤、チタン、アルミニウムを順に貫通して穴が形成されることがあります。そのため、工具はこの全積層構成を考慮して選定され、単一の材料向けに記述された仕様書は、他の材料を含む積層構成では適用できない場合があります。

典型的な設備
自動ドリル装置および軌道式ドリルヘッド、パネルの端面加工用ガントリールーター、マイクロストップ・カウンターシンクケージ付き空気圧式ハンドドリル、リベット打設機、トルク制御型ナットランナー、ロボットによる翼パネル組立セル。
加工材質
CFRP積層板、CFRP/チタン積層材、CFRP/アルミニウム積層材、Ti-6Al-4V、7075-T6および2024-T3アルミニウム合金、15-5PHステンレス鋼、A286、インコネル718、アルミニウムハニカムコア、ガラス繊維複合材。
適用規格
品質管理システムに適用されるAS9100、ドリル先端形状に適用されるANSI B94.11M、図面で指定された場合のNAS 907およびISO 5855-1、公差適合に適用されるISO 286-1、幾何公差に適用されるISO 1101、表面粗さに適用されるISO 4287、引張試験に適用されるISO 6892-1、微小圧痕硬度試験に適用されるASTM E384、軸方向疲労試験に適用されるASTM E466、塩水噴霧試験に適用されるASTM B117、非破壊検査作業者資格に適用されるISO 9712、浸透探傷および磁粉探傷に適用されるASTM E1417およびASTM E1444。
観測された破損モード
CFRPにおける脱層および押し出しバリ、ドリルのブレによる穴径過大、Ti-6Al-4Vにおけるα層の形成、高切削温度によるフランク摩耗、アルミニウムにおけるガリング、積層材からチタンへ先端が移行する際のエッジ欠け、図面で定められた上限を超えるバリ高さ、ロングリーチ加工による振れによる穴位置誤差。
運用上の課題

現場のコストを増加させる3つの故障

各課題では、まず何が起こるかを述べ、その後、その問題を解決するための形状的・材料的な対応策を示します。

課題1

ドリルがまだ切削中であるにもかかわらず、CFRPの出口側でデラミネーション(層間剥離)が発生する。

先端が最終層を貫通した際、軸方向の押し出し力が未切断の積層板を工具から押し離し、せん断ではなく層間が剥離する。直径内に収まっていてもデラミネーションが発生した穴は検査に不合格となる。これは、損傷の評価が寸法適合性とは別に行われるためであり、その結果として再ドリルではなく修復作業が求められる。この不具合は、作業者がドリル中に目視できない出口側から始まる。
アムスオ社の対応

CFRPにおける出口側デラミネーション → 超硬合金製ドリル(ダイヤモンドコーティング付き)

ダイヤモンド被覆は、カーボンファイバーによる摩耗に対して、無被覆刃よりもはるかに優れた硬度を維持するため、加工中の刃先形状がバッチ全体を通して研削時の状態のまま保たれ、摩耗によって形状が変化することはありません。先端形状は、刃先が穴出口側の積層材に到達する瞬間に軸方向の押し出し力を低減するよう設計されています。また、外側の角部は、最後のファイバーレイヤーが支持面に対してせん断されるように配置されており、押し出されるのを防いでいます。同一の刃先形状は、内蔵冷却機能付きおよびマイクロストップシャンク仕様でもご提供可能です。そのため、手動でのドリル加工においても、公称直径が同一の同一刃先形状をご使用いただけます。
課題2

1つの刃先形状で、穴加工中にカーボンからチタンへと材料を跨いで加工する必要があります。

カーボンファイバーは研磨性が高く、切屑とともに熱をゆっくりと除去する一方、チタンは化学反応性が高く、刃先に熱を留めやすい。複合材積層板と金属の界面で、積層板に耐えうる形状の刃先が金属に達すると、逃げ面が急速に摩耗する。また、チタン加工に十分な強度を確保した刃先では、カーボン繊維のプリプレグ層をせん断するよりも、むしろ押し分ける傾向がある。さらに、工具を積層板内ですべて使い切ってから次の穴を加工すると、すでに寸法変化を起こした刃先で加工することになり、公差内だった穴が oversized(過大)になるため、再加工が必要となる。
アムスオ社の対応

積層材の同時穴あけ → 多層コーティングを施し、明確にエッジホンを設定したドリル刃

コーティングは、チタン加工時の切削熱を刃先から遠ざけるため、フランク摩耗が急激に進行する温度に母材がさらされるのを防ぎます。また、層構造は、硬い上層の直下に靭性の高い下層を配置することで、積層材と金属との界面における衝撃に耐えられるようになっています。エッジホーン半径は、2種類の材料間の移行部で微小な欠け(マイクロチッピング)が生じないよう最適な値に制御されています。さらに、内部冷却穴から切削点へ冷却液を直接供給することで、穴深さがドリル直径を超えた後のチタンの温度管理を実現しています。
課題3

チタンはある温度で燃え、アルミニウムは別の温度でガリングを起こします。

Ti-6Al-4Vでは、刃先温度が安全範囲を超えると、急激な flank wear(逃げ面摩耗)が生じ、穴壁に硬質化・酸素濃度上昇した層が形成されるため、ファスナーを装着する前にこの層を除去する必要がある。アルミニウムでは、同一の工具を同一送りで使用しても、切り込み面に材料が付着し、それが穴壁に転写されるため、表面が引き裂かれ、リーマ加工後の穴径が小さくなる。異なる2種類の材料、それぞれ異なるメカニズムでありながら、中間で工具交換することなく両方に対応できるドリルが必要となる。
アムスオ社の対応

アルミニウムにおけるガリングとチタンにおける穴壁損傷 → 材料に応じて選定されたバリ取りおよびエッジブレンド用ツール。

アルミニウムの場合、切削面は研磨して無コーティングのままとします。これは、軟らかく反応性の高い被削材に対してコーティングを施すと摩擦が増し、アルミニウムの溶接面となってしまうためです。チタンの場合、穴壁の保護には、コーティングに頼るだけでなく、エッジ温度を制御することが重要です。実際には、指定された切削速度帯域と、エッジが「こすり焼け」領域に入らないよう十分な送り量を設定することで対応します。バリ取りも、ドリル加工と同様の考え方で行います。なぜなら、不適切な形状でバリを除去すると、再検査が必要となる痕跡が残るからです。また、両シリーズとも、図面で指定された公差に基づき、シャンクをh6精度で研削加工しており、マイクロストップ・ケージや自動化ユニットへの装着時に、工具間で再現性のある嵌合が得られます。
Macro view of a countersunk hole through a clamped metal stack with a flush fastener head
製品シリーズ

この用途に対応する製品シリーズ

Drill Bits

ドリルビット

CFRP積層板および混合積層材のドリル加工

回答: 出口側のデラミネーションおよび穴径過大

規格: ANSI B94.11M

Jobber Length Drill Bits

ジョバー長ドリルビット

アルミニウムおよび鋼材の部品加工における標準長さ仕様の作業

回答: 出口側での工具のブレおよびバリ発生

規格: ANSI B94.11M

Multi-Stepped Drill Bits

多段階ドリルビット

ファスナーおよびシャンクのクリアランス確保のための段付き穴

回答: ステップ部の摩耗による穴形状の変化

Miniature Straight Shank Drill Bit

ミニチュアストレートシャンクドリルビット

パイロット穴および小径の精密作業

回答: 長尺アクセス時の破損

Burrs

バリ

ドリル加工後のバリ取りおよびエッジブレンド

回答: 図面で定められたバリ高さを超えるバリ

Screw Driver Bits

ドライバービット

組立時の締結部品の締め付け不良

回答: ドライバービット先端の丸み化およびズレ(カムアウト)

規格: DIN 3126-C 6.3/ISO 1173

Screw Extractors

スクリューエクストラクター

穴を損傷させずに損傷した締結部品を除去すること

回答: 抜き取り時の穴壁への損傷

規格および仕様

主張の裏にある数字

表には、パラメーター名、それを規定する規格、および工場の品質機能がその項目を検査する理由が記載されています。

仕様 基準標準 規格で定められているもの 購入者がこれを検査する理由
ドリル先端の形状 ANSI B94.11M ねじりドリルの先端角とスプリットポイント形状 先端形状が、軸方向力(スrust)、穴のブレ(ワンド)および出口側の穴の状態を決定します。
航空機用ドリルのサイズとシャンク形状 NAS 907 航空機用ドリルのサイズおよび寸法要件 図面でこの規格を参照している工具は、当該規格に基づいて製作する必要があります
MJねじの要求事項 ISO 5855-1 MJ(航空宇宙用メトリック)ねじの一般要件 航空宇宙用締結部品は、一般のメトリックねじではなく、MJねじ体系で規定されます
はめあいと許容差限界値 ISO 286-1 公差とはめあいのISO公差体系 H8穴の公差指定は、両当事者とも同一の表から読み取ります
幾何公差 ISO 1101 形状、向き、位置、振れの公差の表し方 穴の位置および同心度の指示は、同一の方法で測定可能でなければならない
表面質感 ISO 4287 表面粗さパラメータの定義および表し方 穴壁面の仕上げは、規定されたパラメータに基づいて評価される
マイクロインデンテーション硬度 ASTM E384 マイクロインデンテーション硬度試験方法 硬化層(アルファケース領域を含む)は、明示された方法により定量化される
軸方向疲労試験 ASTM E466 材料の力制御軸疲労試験 規定された試験方法に基づく小片疲労試験結果の比較
塩水噴霧試験 ASTM B117 塩水噴霧装置および試験手順 規定された暴露方法に基づく鋼製部品の比較
引張試験 ISO 6892-1 金属材料の引張試験方法 材料証明書の共通基準による読み取り
非破壊検査担当者 ISO 9712 NDT担当者の資格認定および証明 NDTの結果は、それを支える資格の質に等しい
浸透探傷および磁粉探傷 ASTM E1417/ASTM E1444 液体浸透検査および磁粉検査の方法 定められた方法により表面欠陥を検出する
品質管理体制 AS9100 航空宇宙分野のサプライチェーン向け品質マネジメントシステム要求事項 顧客による監査は、当社が受注した案件が適用する品質マネジメントシステムを対象として実施される
当社の検証方法

公表されている数値ではなく、検証手法を軸に組織化されています

航空宇宙分野では、検査方法そのものが仕様書の一部となるため、当社の検査項目は実施前に名称が明記されています。寸法および幾何学的測定は、図面およびそれに準拠する規格に基づいて行います。品質マネジメントシステムはAS9100に従い、刃先およびシャンクの要件についてはANSI B94.11Mおよび図面で指定がある場合にはNAS 907に従い、公差(フィット)についてはISO 286-1、幾何公差についてはISO 1101が適用されます。また、穴壁面粗さが規定されている場合は、ISO 4287に準拠して測定します。

硬化層または酸素濃度の高い層において冶金学的な問題が生じた場合、ASTM E384に準拠したマイクロインデンテーション法により評価されます。疲労および腐食試験結果は、プログラムで要求された場合に限り、それぞれASTM E466(軸方向疲労試験)およびASTM B117(塩水噴霧試験)に従って取得されます。表面欠陥の検査にはASTM E1417およびASTM E1444が適用され、検査担当者はISO 9712に基づき資格認定を受けています。また、材料の機械的特性はISO 6892-1に照らして評価されます。ロット追跡性により、納入された工具はその超硬合金または鋼材の製造ロットと結びつけられ、特別仕様品には初品検査記録が添付されます。供給された部品に対して該当しない検査(例:対象特徴を持たない工具に対する浸透探傷検査)については、実施しなかった作業を報告する代わりに、その検査が適用外である旨を明記します。標準的な記録を超える情報は、要請に応じて提供いたします。

カスタマイズと納期

3段階の連携レベル、1つの手順

航空宇宙向け注文も、同様の3段階のプロセスを経ます。

レベル1 — プライベートブランド
購入者のラベルが、当該スタックシーケンスについて既に認定済みの金型に適用される。形状は変更せず、認定記録もそのまま維持される。
レベル2 — パッケージおよび仕様
形状は変更しないが、パック数、金型識別番号、トレーサビリティ表示を購入者側のシステムに合わせて設定する。これにより、監査時に金型を特定のロットに正確に紐づけることが可能となる。
レベル3 — サンプルおよび図面に基づく
特別なポイント形状、段付き、パイロット径、またはシャンクの変更などは、購入者のサンプルまたは図面に基づいて研削加工されます。この際、製造設計性レビューおよび初品検査報告書が添付され、再発注に際して価格提示を行う前に確認が完了します。適用されるレベルがいずれであっても、作業手順の流れは同一です。スタック順序、各径寸法、および受入基準は文書化されて固定され、図面またはサンプルのレビューが実施されます。その後、研削・ホーニング・コーティングの工程順序が定められ、各工程で制御される特徴項目に対して個別に測定が可能となります。初品は図面および認証パッケージに基づき検査され、出荷されるロットにはトレーサビリティマーキングが施され、納入部品とそのロットを明確に紐付けます。レビューにより幾何形状が変更された場合には、改訂後の図面から手順が再開され、納期ではなくその時点で購入者へ通知されます。
バイヤーからの質問

調達チームが最初に確認すること

特定のスタック順序に対応する工具の価格設定方法は?

価格は、穴の構成(基材、コーティング、先端形状)が変化するため、指定された加工順序および公称直径ごとに工具単位で提示されます。炭素繊維強化プラスチック(CFRP)専用ドリルと、CFRP/チタン合金複合材専用ドリルは、同一品目として取り扱うことはできず、併記して価格提示すると両者の違いが不明瞭になります。加工順序、公称直径、および受入基準をお知らせください。その内容をもとに正式な見積書を発行いたします。

特殊形状工具の最小発注数量はいくらですか?

標準サイズは既存の製造工程に基づいて価格提示しますが、特殊な先端形状や初回研削が必要な段付き形状については、研削・仕上げ研磨・コーティングの各工程に専用のセットアップが必要となるため、別途価格提示いたします。見積段階で、当該特殊形状が既存形状とセットアップを共用可能か、あるいは独立したセットアップが必要かを明示いたします。

発注前に自社のクーポン試験でサンプルを評価することは可能ですか?

はい。サンプルは、スタック順序および書面による受入基準に従って供給されます。そのため、クーポン試験結果は、サプライヤーが作成した要約ではなく、お客様が設定された限界値と比較できます。クーポンの構成および合格基準をお知らせください。その内容に基づき、サンプルの見積もりを提示いたします。

量産ロットの納期はどのくらいですか?

標準径製品はサンプル承認後に発行され、特殊径製品は研削・ホーニング・コーティング工程が完了した後に発行されます。ただし、コーティング工程は独立した工程として扱われます。生産計画が組立工程の稼働率に依存する場合、注文時に確認すべき重要なポイントは、コーティング工程のスケジュールと初品検査の2点です。これらは両方ともクリティカルパス上に位置しています。

出荷に同封される書類は何ですか?

すべての出荷には、シャンクの適合性、直径、および先端形状が図面仕様に合致しているかを確認したロット検査記録に加え、使用された超硬合金または高速度鋼の材質証明書が同封されます。また、初品検査報告書、工具寿命記録、および剥離・バリ高さの測定結果は、ツールファミリーごとに保管しており、ご要望に応じて提供いたします。

ご仕様の決定はお済みですか?

積層順序と許容限界値をお知らせください。また、加工材の種類、直径、および図面に記載されたバリ高さまたは剥離の許容限界値も併せてお伝えください。そのうえで、当社が推奨する基材、コーティング、および先端形状をご案内いたします。なお、お客様が要求される限界値に対して当社の製品ラインアップが対応できない場合も、明確にお伝えいたします。

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