CN111448398B - 具有由碳纤维强化复合材料构成的螺纹牙的螺纹筒的制造方法 - Google Patents

具有由碳纤维强化复合材料构成的螺纹牙的螺纹筒的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有由强度优异的碳纤维强化复合材料构成的螺纹牙的构件。该构件形成为如下结构：在纵截面处，在至少两个螺纹牙的范围内沿轴向延伸的碳纤维以沿着至少两个螺纹牙的纵截面处的表面形状的方式呈锯齿状埋入至少两个螺纹牙内。优选地，构件是螺母，通过将上述结构埋入螺母的内螺纹的螺纹牙内，能够提供轻量并且强度优异的螺母。

Description

具有由碳纤维强化复合材料构成的螺纹牙的螺纹筒的制造 方法
技术领域
本发明涉及具有由碳纤维强化塑料、碳纤维强化碳复合材料等碳纤维强化复合材料构成的螺纹牙的构件，例如涉及碳纤维强化塑料制螺母。
背景技术
在外周面形成有螺纹牙的螺栓以及在内周面形成有螺纹牙的螺母在多种多样的结构物中被用于紧固连结用途。在要求强度以及耐久性的用途下，使用不锈钢等金属制的螺栓、螺母。
金属制的螺栓、螺母由于重量比较大，因此在要求轻量化的用途并且对强度以及耐久性要求水平低的用途下，使用塑料制的螺栓、螺母。
近年来，碳纤维强化复合材料作为轻量并且还具有与金属同等的强度的原料而受到关注，也进行了对具有螺纹牙的螺栓、螺母等构件的应用研究，并在下述的专利文献1～4中公开。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平9-254266号公报
专利文献2：日本特开2001-289226号公报
专利文献3：日本特开2016-88073号公报
专利文献4：日本特开2017-67129号公报
发明内容
发明所要解决的课题
上述专利文献1的图1所例示的螺栓像该文献的第0025～0027段所记载的那样，对将多根长碳纤维以沿轴向并齐的状态埋入基质(matrix)内而成的轴部原料进行加热固化，然后使用车床等对轴部外周车削加工出螺纹牙而成。因此，在轴向上相邻的螺纹牙内的碳纤维由于车削而断开，导致在向螺纹牙作用轴向应力时，螺纹牙容易受到破坏。
另外，在专利文献1的第0028段中还公开了如下方法：准备预先使基质浸渍到与螺栓轴部相同长度的强化纤维而成的材料，将它们捆扎成圆棒状，并于在内表面形成有外螺纹的砂箱之中进行加热压缩，从而形成螺栓轴部。然而，如果由该制造方法形成螺栓轴部，则如图11所示，在利用砂箱向径向内侧压缩时，只有基质向外周侧渗出，因此在螺纹牙内不存在强化纤维，螺纹牙不会被加强。因此，在向螺纹牙作用轴向应力时，螺纹牙依然容易受到破坏。
专利文献2公开了如下方法：层叠多张向碳纤维的平纹织物涂覆酚醛树脂而成的预浸料件(Prepreg)，并经由加热压缩工序以及烧成工序而成形出2D的C/C件，并对该C/C件施以螺纹加工，从而制造出全螺纹螺栓。在该制造方法中，也通过对C/C件的外周面进行机械加工而成形出螺纹牙，因此，由于通过机械加工而被切除，从而在轴向上相邻的螺纹牙内部的碳纤维断开。
专利文献3公开了如下方法：使用含有短碳纤维或者长碳纤维的颗粒作为原材料而注射成形出圆棒，并在该圆棒的外周面或者内周面车削加工出螺纹牙，从而制造出螺栓或者螺母。在该制造方法中，也可以认为在轴向上相邻的螺纹牙内部的碳纤维由于车削而断开。
专利文献4公开了沿着螺纹槽将碳纤维卷绕成螺旋状的碳纤维强化塑料制的螺栓以及螺母。在该螺栓以及螺母中，作用于螺纹牙的、较大的轴向应力的方向与碳纤维的纤维方向大致正交，因此无法通过碳纤维来加强螺纹牙。
本发明的目的在于，提出一种能够通过碳纤维来加强螺纹牙的新型碳纤维的埋入结构，由此飞跃性改善至少螺纹牙由碳纤维强化复合材料构成的螺母以及螺栓的强度。
用于解决课题的方案
本发明为了达成上述目的而采取了以下的技术手段。
即，本发明是具有由碳纤维强化复合材料构成的螺纹牙的构件，其特征在于，在纵截面处，在至少两个螺纹牙的范围内沿着轴向延伸的碳纤维以沿着所述至少两个螺纹牙的纵截面中的表面形状的方式呈锯齿状埋入所述至少两个螺纹牙内。
在本发明中，在碳纤维强化复合材料中包括碳纤维强化塑料以及碳纤维强化碳复合材料(以下叫做“C/C复合材料”。)。作为强化纤维的碳纤维优选为遍及构件的形成有螺纹牙的范围内的全长的连续碳纤维，但也可以是在形成有螺纹牙的局部范围内沿轴向延伸的长碳纤维。作为碳纤维强化复合材料的基质的塑料优选为热固性塑料，但也可以是热塑性塑料。由C/C复合材料构成的螺纹牙可以通过如下方法制造：在成形出碳纤维强化塑料制的螺纹牙后，在非活性气氛中对其进行热处理，由此使基质的塑料炭化；该螺纹牙也可以通过其他适当的制造方法来制造。本发明的特征是针对螺纹牙的碳纤维的埋入结构，而对于基质，可以通过现在公知的以及将来要开发出的制造方法成形。
另外，本发明只要至少螺纹牙具备上述特征即可，构件的主体的材质、结构可以适当选择。例如，构件的主体也可以是由短碳纤维强化过的碳纤维强化塑料的注射成形品，还可以利用不含有强化纤维的通常的塑料、金属成形出构件主体。
另外，“以沿着所述至少两个螺纹牙的纵截面处的表面形状的方式呈锯齿状埋入所述至少两个螺纹牙内”是指碳纤维本身也以形成至少两个牙的方式弯曲成锯齿状，通过该结构，于纵截面处在轴向上相邻的螺纹牙间通过上述碳纤维加强，从而能够大大改善螺纹牙的强度。需要说明的是，本发明的螺纹牙既可以是一条螺纹，也可以是两条螺纹，还可以是三条以上的多条螺纹。
上述构件典型地为螺母。本发明的螺母具有螺纹孔，该螺纹孔在内周面具有由所述螺纹牙形成的内螺纹，所述碳纤维优选为在所述内螺纹的大致轴向全长的范围内连续的连续纤维。该具有由碳纤维强化复合材料构成的螺纹牙的螺母实现了轻量化并且强度也优异，从而能够适当地用于谋求轻量化并且还需要强度的各种领域，例如，航空器、宇宙开发领域；机动车、摩托车、铁路；以及各种固定结构物。
优选地，上述螺母具备：螺母主体，其具有安装孔；以及螺纹筒，其一体地嵌合于该螺母主体的所述安装孔，所述内螺纹设置于所述螺纹筒。根据该结构，螺母主体能够以比较低的价格成形，能够减少作为螺母整体的成本并且改善螺纹牙的强度。
上述构件也可以是螺栓。优选地，本发明的螺栓具有螺纹轴，所述螺纹轴在外周面具有由所述螺纹牙形成的外螺纹，所述碳纤维是在所述外螺纹的大致轴向全长的范围内连续的连续纤维。
也可以是，上述螺栓的螺纹轴具备：轴主体；以及螺纹筒，所述螺纹筒一体地外嵌于该轴主体的外周面，所述外螺纹设置于所述螺纹筒。
需要说明的是，上述碳纤维可以是具有为了呈锯齿状埋入所述至少两个螺纹牙内所需要的纤维长度的长碳纤维。
另外，优选地，多根所述碳纤维在所述螺纹牙的整周的范围内分散配置。
作为本发明的构件，可以典型地例示螺母以及螺栓，但也可以是任何具有螺纹孔或者螺纹轴的构件，还可以是建筑物和其他固定结构物的结构件或者构成机动车、飞机的主体、框架的部件。
附图说明
图1是本发明的一实施方式的螺母的局部剖视立体图。
图2是该螺母的中间制造物的局部剖视立体图。
图3是该螺母的中间制造物的局部剖视立体图。
图4是制造一实施例的螺纹筒的冲压加工装置的简要剖视图。
图5是由该冲压加工装置进行的冲压工序的简要剖视图。
图6是由该冲压加工装置加工而得到的波形板件的立体图。
图7通过使波形板件弯曲而得到的螺纹筒的立体图。
图8是示出将另一实施例的螺纹筒压入螺母主体内的工序的立体图。
图9是示出该螺纹筒的制造工序的剖视图。
图10是示出将本发明应用于防松特殊双螺母的例子的剖视图。
图11是用于说明由以往的制造方法得到的螺栓轴部的结构的剖视图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的优选实施方式进行说明。
图1示出了本发明的一实施方式的碳纤维强化塑料制螺母1，该螺母1具有螺纹孔1a，该螺纹孔1a具有由螺旋状的螺纹牙Th构成的内螺纹。更详细而言，螺母1具备构成螺母的外周部的螺母主体10与构成螺母的内周部的螺纹筒11，螺母主体10一体地形成在螺纹筒11的外周侧，上述内螺纹设置于螺纹筒11。螺母主体10的外周面形成为六棱柱状。
优选地，螺母主体10以及螺纹筒11中的任一个均为碳纤维强化塑料制。成为基质的塑料从耐热性的观点出发则优选为热固性塑料，但在不要求耐热性的用途的情况下，也可以利用热塑性塑料。作为热固性塑料，可以利用环氧树脂、酚醛树脂以及不饱和聚酯树脂等。作为热塑性塑料，可以利用聚酰胺、聚丙烯以及聚碳酸酯等。对于作为强化材料的碳纤维，也可以采用PAN系碳纤维以及沥青系碳纤维中的任一种。
螺母主体10例如可以通过注射成形而一体地成形在螺纹筒11的外周侧，另外可以通过如下方法等适当的制造方法制造：通过使预浸料带卷绕于螺纹筒11的外周并加热固化而成形出如图2所示那样的中间制造物，然后通过切削等成形其外周面。另外，螺母主体10的强化纤维既可以是短碳纤维，也可以是长碳纤维，另外还可以是如图3所示那样使纤维方向沿周向并齐的连续碳纤维。螺母主体10的优选碳纤维含有率为20～30重量％或者20～30体积％。
在本实施方式的螺母1中，在螺纹筒11内埋入了在螺纹孔1a的轴向全长的范围内连续的多根连续碳纤维。多根连续碳纤维在周向上均匀地分散配置，并且在螺纹筒11的厚度方向上也均匀地分散配置，优选地，螺纹筒3的碳纤维含有率为50～90重量％或者50～90体积％。
各连续碳纤维于纵截面处在沿轴向排列的全部螺纹牙Th的范围内沿轴向延伸，并且以沿着全部螺纹牙Th的纵截面处的表面形状(在本实施方式中为内表面形状)的方式呈锯齿状埋入全部螺纹牙Th内。需要说明的是，连续碳纤维无需以与螺纹牙Th的表面形状完全一致的方式弯曲，只要以实质上存在于各螺纹牙Th内部的方式弯曲即可。需要说明的是，短碳纤维或者长碳纤维也可以与连续碳纤维一起被埋入，另外，一部分连续碳纤维也可以沿着周向或者螺纹牙Th的螺旋并齐。
以下，参照图4～图7说明螺纹筒3的制造方法的一例。
首先，使用图4以及图5所示的冲压机，成形出如图6所示那样的碳纤维强化塑料制的波形板构件6。冲压机具备上模2以及下模3，在上述上下模2、3的对置面形成有截面为波形状的型面。如图4所示，将上下模2、3开模，并在上下模2、3之间，沿上下方向交替配设片状的多个单向碳纤维件4与成为基质的多个热塑性塑料制片5，然后如图5所示那样合模并进行加热以及加压，由此成形出图6所示的波形板构件6。
然后，如果需要，将波形板构件加热至规定温度并进行弯曲，由此得到图7所示的螺纹筒11。
需要说明的是，在使用热固性树脂作为基质的情况下，可以通过RTF法(树脂传递模塑)成形。即，可以仅层叠多个未浸渍树脂的单向碳纤维件，并通过上下模2、3将其冲压成形而成形为波形板状，之后，通过向模具内注入树脂而使树脂浸渍到碳纤维，并进行加热固化。在图4以及图5所示的例子中，作为用于成形出平板状的波形板构件的模具而例示，但也可以设为成形出图7所示那样的圆筒状构件的模具结构。
使螺母主体10在该螺纹筒11的外周侧成形的方法可以是任意的。另外，如图8所示，还可以预先在螺母主体10设置安装孔10a，并将图2或者图3所示的中间制造物7压入该安装孔10a内，并在接触面处使之牢固地粘接。在该情况下，为了提升接触面彼此间的粘接力，如图8所示，还可以对安装孔10a的内周面以及中间制造物7的外周面施以滚花加工。
另外，图8所示的中间制造物7也可以通过使利用图9所示的两阶段冲压工序成形的、一侧表面是平面且另一侧表面是波形板状的板材弯曲为筒状而成形。图9的(b)的一次冲压工序主要是用于将连续碳纤维呈锯齿状埋入的工序。通过经由该工序，能够可靠地使连续碳纤维弯曲成锯齿状。图9的(c)、(d)的二次冲压工序主要是用于使一个侧面成为平面的工序，将波形板构件6移动至其他上下模20、30，进而在其上方层叠碳纤维片4和树脂片5并进行冲压。
如图10所示，本发明也可以应用于本申请申请人所制造销售的防松特殊双螺母，即HARDLOCK螺母(国际商标注册第1224310号)。另外，不仅可以应用于螺母，还可以应用于螺栓。进而，可以将本发明应用于具有螺纹孔、螺纹轴的各种构件。
另外，在上述制造方法中，也可以代替碳纤维片，而使用预先使树脂渗透到连续碳纤维而得到的预浸料件。另外，也可以不层叠树脂片，而使用将树脂粉末附着于碳纤维而得到的粉末浸渍纱线、将树脂纤维混纺于碳纤维束而得到的混纺纱线(commedled yam)进行成形，由此改善树脂对碳纤维的浸渍性。

Claims (3)

1.一种螺纹筒的制造方法，所述螺纹筒具有由碳纤维强化复合材料构成的螺纹牙，其中，该螺纹筒的制造方法包括：
使用冲压机成形出碳纤维强化塑料制的波形板构件，所述冲压机具备上模以及下模，在所述上模与所述下模的对置面形成有截面为波形状的型面；以及
通过使所述波形板构件弯曲而得到所述螺纹筒，对所述螺纹筒而言，在纵截面处，在至少两个螺纹牙的范围内沿轴向延伸的碳纤维以沿着所述至少两个螺纹牙的纵截面处的表面形状的方式呈锯齿状埋入所述至少两个螺纹牙内。
2.根据权利要求1所述的螺纹筒的制造方法，其中，
所述波形板构件的成形包括：将所述上模与所述下模开模，并在所述上模与所述下模之间沿上下方向交替配设片状的多个单向碳纤维件与成为基质的多个热塑性塑料制片，然后合模并进行加热以及加压。
3.根据权利要求1所述的螺纹筒的制造方法，其中，
所述波形板构件的成形包括：仅层叠多个未浸渍树脂的单向碳纤维件，并通过所述上模与所述下模将其冲压成形而成形为波形板状，之后，通过向模具内注入热固性树脂而使热固性树脂浸渍到碳纤维，并进行加热固化。
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