JP2017114016A - 締結具締結方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた接合強度を有し、ＣＦＲＰ部材の劣化や変形の発生をさらに抑制して、短時間で量産性が可能なＣＦＲＰ締結方法を提供することを目的とする。
【解決手段】締結孔を有した被締結部材の締結孔に締結具を用いて締結する方法であって、被締結部材間に接着剤を介した状態で、把持する工程（ａ）と、締結具が、頭部と胴部からなり、少なくとも胴部が複数の連続繊維を含有する熱可塑性ＣＦＲＰ部材であり、頭部を掴持治具で掴持する工程（ｂ）と、締結具を回転させる工程（ｃ）と、成形治具を押し当てる工程（ｄ）と、締結具の他端を成形治具に押し込む工程（ｅ）と、工程（ｅ）の監視工程（ｆ）と、この監視結果により回転停止する工程（ｇ）と、締結具を被締結部材に押し込む工程（ｈ）と、を有し、摩擦熱によって、締結具を塑性流動させ、締結具の他端側に脚部を成形し、さらに接着剤の硬化速度を促進させることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、繊維強化複合材からなる締結具を用いて、少なくとも１つがＣＦＲＰ部材である被締結部材を締結する締結構造および締結方法に関する。

繊維強化複合材は、比強度、比弾性率が大きいことから、近年、航空機や車両の軽量化のために構造体等として使用されている。従来から繊維強化複合材同士と、繊維強化複合材と一方が金属または非金属部材とを接合する方法として、接着剤を使って接合する方法や、被締結部材に穿孔した後、金属製のボルトやリベット等に代表される締結具を穴に貫通させて機械的に締結する方法が知られている。
しかしながら、接着剤は固着力が弱く、機械的締結方法と比較して強度面で劣っている。
一方、金属製の締結具を用いると、金属製であるが故に、締結具の重量増により、構造体等に繊維強化複合材を用いて航空機や車両を軽量化するという目的に完全にはそぐわない。また、金属製の締結具は電位差による腐食が生じやすく、最悪の場合、締結具の破断に至る懸念もある。
現在までに、上記の課題を解消する技術が種々提案されており、従来技術として知られている。
例えば、特許文献１では、熱可塑性樹脂を連続繊維で強化することで作製した締結具を被締結部材の締結用穴に挿入後、加熱した頭部形成用の凹部を有する成形治具を締結具の両端から押し当てることで頭部を形成し、軽量で耐腐食性に優れた締結具を成形する方法が知られている。

特開平４−２４４６０９号公報

しかしながら、上記特許文献１では、樹脂が塑性流動する温度まで成形用治具を加熱する時間が必要である。また、樹脂が硬化するまで成形用治具を冷却する時間も必要である。
そのため、成形時間が長く、量産性が低い等の問題がある。また、樹脂が塑性流動する温度まで加熱された成形用治具と被締結部材とが当接する必要があるため、広い範囲で成形用治具から被締結部材へと熱が伝達し、被締結部材が熱によって劣化、もしくは変形を起こす問題がある。
尚、本出願人は、特願２０１４−１７２２８０号により、摩擦熱によって締結する締結具を提案した。これに開示された締結具は、摩擦熱により締結具を塑性流動させて脚部を成形することで、短い成形時間で量産性の向上を可能とし、且つ、被締結部材の劣化や変形の発生を抑制することができる。

本発明は、優れた接合強度を有し、ＣＦＲＰ部材の劣化や変形の発生をさらに抑制して、短い成形時間で量産性を向上させることが可能なＣＦＲＰ締結方法を提供することを主な目的とする。

本発明のＣＦＲＰ締結方法は、少なくともいずれか一方の部材がＣＦＲＰ部材である二枚の被締結部材を相互に重ね合わせて接合するにあたり、夫々の部材は１個又は２個以上の締結孔を有しており、この締結孔に締結具を用いて二枚の被締結部材を締結する締結具締結方法であって、二枚の被締結部材間に未硬化の接着剤を介した状態で、被締結部材を把持する工程（ａ）と、締結具が、頭部と胴部からなる略断面Ｔ字のボルト形状であり、少なくとも胴部が複数の連続繊維を含有する熱可塑性ＣＦＲＰ部材であり、一方の被締結部材上方で、頭部である一端を掴持治具で掴持する工程（ｂ）と、この工程（ｂ）後、掴持治具で掴持された締結具を回転させる工程（ｃ）と、締結孔より大径の凹部を有した成形治具を他方の被締結部材に押し当てる工程（ｄ）と、工程（ｃ）と（ｄ）を成している状態で、締結具の胴部である他端を成形治具の凹部に一定荷重で押し込む工程（ｅ）と、工程（ｅ）の押込み量又は押込み時間を監視する工程（ｆ）と、工程（ｆ）の監視結果により締結具の回転を停止する工程（ｇ）と、工程（ｇ）後、締結具の頭部を一方の被締結部材に当接するまで押し込む工程（ｈ）と、を有し、締結具を回転させながら、成形治具に押し込むことで発生する摩擦熱によって、締結具を塑性流動させ、締結具の他端側に凸部形状の脚部を成形して締結し、さらに接着剤の硬化速度を促進させることを特徴とする。

本発明によれば、優れた接合強度を有し、ＣＦＲＰ部材の劣化や変形の発生をさらに抑制して、短い成形時間で量産性を向上させることが可能なＣＦＲＰ接合構造を提供することができる。

締結手順を説明する模式図で、図１（ａ）が締結具を回転させている状態、図１（ｂ）が成形治具に締結具を回転させながら押し込んでいる状態、図１（ｃ）が締結具の脚部を形成している状態の模式図である。 補強用の繊維材を含有している締結具を示す図で、図２（ａ）は繊維材が放射状の平面図、図２（ｂ）は繊維材がＬ字形状の正面断面図、図２（ｃ）は底面図である。

本発明を説明する前に、本発明を想到するに至った経緯を説明する。
従来のＣＦＲＰ部材と異種材、またはＣＦＲＰ部材同士といった被締結部材の締結方法は、少なくともいずれか一方の部材の接合面に接着剤を塗布することで締結を行ったり、ＣＦＲＰ部材に貫通孔を設け、金属製のピンまたはボルト等で機械的に締結を行ったりしていた。

ＣＦＲＰ部材を締結する際の接着剤は、一般的に、耐熱性に優れる熱硬化型接着剤が使用されている。
しかしながら、熱硬化型接着剤は、接着剤を硬化させるために、一般的に８０〜１５０℃の温度環境の中で５〜６０分以上の硬化条件が必要となる。その為、温度管理や時間管理といった後工程が必要となり、生産設備の新設や生産時間の増加が問題となる。

また、母材であるＣＦＲＰ部材は、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とに分類されるが、上述したように、熱硬化型接着剤を使用する場合、加熱が必要となるため、熱に強い（耐熱性に優れる）、熱硬化性樹脂のＣＦＲＰ部材を選定せざるを得ない。
また、接着剤は、一般的に、せん断荷重には強いが、引張荷重には弱いとされている。

一方、金属製のピンまたはボルト等（締結具）で機械的に締結する方法は、締結具が金属製のため、重量減に寄与するには限界がある。また、金属製の締結具とＣＦＲＰ部材は、接触部において電位差による腐食が発生するという問題もある。
また、上述の機械的に締結する方法は、引張荷重に優れているとされている。

そこで、本願発明者は、後工程のいらない常温型接着剤に着目し、本出願人の提案した特願２０１４−１７２２８０号に使用することで、さらに接合強度を高める（引張荷重とせん断荷重の両方向からの荷重にも耐えうる強い締結力）ことが可能となり、また、硬化させるための後工程も必要なくなると考えた。

さらに、常温型接着剤であるが故に、被締結部材は、熱硬化性樹脂のＣＦＲＰ部材だけに限らず、熱可塑性樹脂のＣＦＲＰ部材も使用可能となり、また、加熱に左右されない様々な被締結部材（例えば、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン等の耐熱性が６０〜１００℃と比較的低い樹脂材料の部材）の選定にも貢献できると考え、本発明を想到するに至った。

実際、試験として、下記表１で示すように、引張せん断試験（上段）と十字引張試験（下段）との２つを行った。前者は、接着剤のみの場合、せん断荷重６，１１６（Ｎ）、接着剤＋締結具の場合、８，６８１（Ｎ）、そして、締結具のみの場合、２，６９１（Ｎ）という結果となった。
一方、後者は、接着剤のみの場合、引張荷重１，６１６（Ｎ）、接着剤＋締結具の場合、２，６０３（Ｎ）、そして、締結具のみの場合、１，２４４（Ｎ）という結果となった。
両試験とも接着剤＋締結具の方が、高い接合強度が得られることが分かった。
尚、この試験は、常温型接着剤を使用し、接着剤を塗布後６時間後に行ったものである。

常温型接着剤は一般的に完全に硬化するまでは約２４時間を自然乾燥させる必要がある。しかしながら、時間の都合もあり、半完全硬化でも"接着剤のみ"と"締結具のみ"よりは若干高い接合強度が得られると推測し試験を行ったが、結果は推測値よりも遥かに大きな値となった。

このような強固な接合強度が得られた理由は、以下のように考えられる。図２に示すように、締結具は、熱可塑性樹脂内に複数の補強用の繊維材を含有しており、少なくとも締結具の胴部における繊維材は、締結具の中心軸に対して平行方向に連続的に配置されている。
すなわち、後述する摩擦熱による脚部形成時に、その摩擦熱が繊維材に熱伝導し、繊維材の繊維方向に導かれて接着剤まで到達し、繊維材近傍の接着剤の硬化速度を速めたものだと推測できる。

以上の鋭意検討から、常温型接着剤を介して締結具で締結すれば、従来より、高い接合強度が得られるだけでなく、摩擦熱によって硬化速度を速めることができるという相乗効果を有し、短時間でより強固な接合強度を得ることができることが分かった。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、適宜、図面を参照しながら説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（実施形態）
図１は、第１実施形態の締結動作を説明する模式図で、（ａ）が締結具を回転させている状態、（ｂ）が成形治具に締結具を回転させながら押し込んでいる状態、（ｃ）が締結具の脚部を形成している状態の模式図を夫々示している。
図２は、補強用の繊維材を含有している締結具を示す図で、（ａ）は繊維材が放射状の平面図、（ｂ）は繊維材がＬ字形状の正面断面図、（ｃ）は底面図を夫々示している。

まず、下準備として、１個又は２個以上の締結孔が設けられている二枚のＣＦＲＰ部材と、頭部１３ａと胴部１３ｂとこの胴部１３ｂの胴部端面１３ｃとで構成された略断面Ｔ字のボルト形状の締結具１３が用意されている。
図２で示すように、締結具１３は、炭素繊維２０と熱可塑性樹脂２１とを有しており、炭素繊維２０の配向は、図２（ａ）〜図２（ｃ）のように胴部１３ｂに於いて径の中心軸に対して平行方向に配置されており、頭部１３ａに於いて径の中心軸に対して外周に径方向と平行に放射状に広がって配置されている。また、胴部１３ｂと頭部１３ａに配置された炭素繊維２０の一部は、頭部１３ａの外周部近傍から胴部端面１３ｃまで一本のＬ字形状をした連続した炭素繊維２０となっている。

次に、実施形態の締結具締結装置による被締結部材１１、１２を締結具で締結する手順について、図１（ａ）〜（ｃ）を用いて、以下に説明する。
図１は、締結手順を説明する模式図で、図１（ａ）が締結具１３を回転させている状態、図１（ｂ）が成形治具１５に締結具１３を回転させながら押し込んでいる状態、図１（ｃ）が締結具の脚部を形成している状態の模式図を夫々示している。
締結具締結装置１０における被締結部材の締結方法は、例えば、図１（ａ）から図１（ｂ）、そして、図１（ｃ）へといった流れで行われる。
なお、下記第１〜３工程は図１（ａ）、第４〜６工程は図１（ｂ）、第７〜９工程は図１（ｃ）を夫々用いて説明する。

第１工程は、二枚のＣＦＲＰ部材１１、１２に設けられた夫々の締結孔１１ａ、１２ａを同芯にして重ね合わせ、その部材間に未硬化の常温型接着剤（以下、接着剤１９という）を塗布した状態で、図示しない把持治具で把持される（把持工程）。

第２工程は、ＣＦＲＰ部材１１の上方で且つ、胴部１３ｂが下向きになった状態で、締結具１３の頭部１３ａが、掴持治具１４に備えられている爪部１６によって掴持される（掴持工程）。この際、締結具１３の胴部１３ｂと、被締結部材１１、１２に備えられた締結孔１１ａ、１２ａは、同一軸線上に配置されている。

第３工程は、第２工程後、図示しない制御手段を駆動することで、締結具１３及びこれを掴持している掴持治具１４を、締結具１３の中心軸を回転中心として矢印Ａ方向へ回転させる（回転工程）。

第４工程は、図示しない押当手段を駆動することで、締結孔１１ａ、１２ａより大径の凹部を有した成形治具１５を矢視Ｂ方向へ移動させて、成形治具１５の上端面をＣＦＲＰ部材１２の下端面まで押し当てる（押当工程）。

第５工程は、第３工程と第４工程が実行されている状態で、図示しない押込手段を駆動することで、回転中の締結具１３及び掴持治具１４を矢視Ｃ方向へ移動させて、締結孔１１ａ、１２ａに締結具１３を挿入し、成形治具１５の凹部１７に胴部端面１３ｃを一定荷重で押し込む（押込工程１）。この工程を行うことで、回転中の締結具１３の胴部端面１３ｃと成形治具１５の凹部１７との間には摩擦熱が発生する。

第６工程は、図示しない監視手段によって、第５工程に於ける締結具１３又は掴持治具１４の押込み量又は押込み時間を監視する（監視工程）。尚、押込み量又は押込み時間は、締結具１３を構成する素材の種類や大きさ、強度、摩擦係数などによって適宜、任意の値に設定可能であり、好適には押込み量は１ｍｍ〜２０ｍｍ、押込み時間は１〜２０秒が好ましい。

第７工程は、第６工程で予め設定した押し込み量又は押し込み時間に達したことを確認した後、図示しない制御手段によって、回転中の締結具１３及び掴持治具１４の回転を停止する（停止工程）。

第８工程は、第７工程後、締結具１３の頭部１３ａの下端面が被締結部材１１の上端面に当接するまで押し込む（押込工程２）。
この際、第５工程で発生した摩擦熱によって、締結具１３を構成する熱可塑性樹脂は塑性流動を起こし、締結具１３の胴部端面１３ｃ近傍は成形治具１５の凹部１７の形状に沿って変形し、締結孔１２ａの周囲を覆うように凸部形状の脚部１８を形成することとなる。
また、締結具１３の胴部１３ｂと締結孔１１ａ、１２ａとの隙間にも流動性を持った樹脂が広がっていくため、締結具１３とＣＦＲＰ部材１１、１２との密着性がより高まるようになる。
また、発生した摩擦熱が胴部１３ｂの炭素繊維の配向に熱伝導され、さらに、ＣＦＲＰ部材１１、１２間の締結孔１１ａ、１２ａ近傍の接着剤１９まで熱伝導されることで接着剤１９の硬化速度が速まっていく。

第９工程は、塑性流動を起こしている熱可塑性樹脂を冷却固化する（冷却工程）。冷却固化する方法として、一定時間自然放熱しても良く、強制放熱しても良い。冷却時間は、好適には１〜２０秒が好ましいが、締結具１３を構成する素材の種類や大きさなどによって適宜、任意の値に設定すれば良い。

第１０工程は、掴持治具１４の爪部１６を動かすことによって掴持治具１４から締結具１３の頭部１３ａを解放し、掴持治具１４を上方へ移動させる。
次に、成形治具１５を下方に移動させることで、ＣＦＲＰ部材１２から離す。なお、掴持治具１４と成形治具１５を移動させる順序は、逆でも良いし、同時でも良い。この際、塑性流動を起こして成形治具１５の凹部１７内で形成された脚部１８は、十分に冷却固化しており、ＣＦＲＰ部材１２の締結穴１２ａ周囲の面に溶着した状態となっている。
これにより、締結具締結装置１０の締結方法によってＣＦＲＰ部材１１、１２を締結する手順が終了する。

以上のように、本発明の締結方法によると、締結具１３を回転させながら、成形治具１５に押し込むことで発生する摩擦熱によって、締結具１３を塑性流動させ、締結具１３の小径側に凸部形状の脚部１８を成形してＣＦＲＰ部材１１、１２を締結することができる。
また、締結具１３の胴部端面１３ｃと成形治具の凹部に発生する摩擦熱によって締結具１３の胴部端面１３ｃの熱可塑性樹脂を加熱するので、エネルギーの集中性が高く、締結具１３の加熱時間、及び冷却時間が短くなり、短い成形時間でより量産性を向上することができる。
また、締結具１３が回転する際に発生する遠心力によって、流動性を持った締結具１３の樹脂が成形治具内に広がるため、ＣＦＲＰ部材１１、１２と締結具１３との間に隙間等の欠陥が発生することを抑えることができる。
また、締結具１３が回転する際に発生する遠心力によって、締結具１３の胴部１３ｂと締結孔１１ａ、１２ａの間の隙間に流動性を持った樹脂が広がり、締結具１３とＣＦＲＰ部材１１、１２との密着性を高めることができる。
また、摩擦熱が接着剤１９まで熱伝導することで、接着剤１９の硬化時間を短縮することができる。
さらに、ＣＦＲＰ部材１１、１２がＣＦＲＰ部材同士であれば、締結具１３とＣＦＲＰ部材１１、１２を分別する必要が無いため、リサイクルする際のコストを抑えることができる。

（実施形態のその他の例）
第１工程におけるＣＦＲＰ部材は、ＣＦＲＰ部材同士に限らず、ＣＦＲＰ部材と異種材のように、少なくともいずれか一方の部材がＣＦＲＰ部材であれば良い。
第３工程における回転方向は、正逆問わず、逆方向でも構わない。また、締結具１３及びこれを掴持している掴持治具１４の回転数は締結具１３を構成する素材の種類や大きさ、強度、摩擦係数などによって適宜、任意の値に設定可能である。
第４工程は、第２工程又は第３工程よりも前工程で行っても構わないし、同時工程としても構わない。
第５工程における締結具１３の胴部端面１３ｃを成形治具１５の凹部１７に押し込む荷重は、締結具１３を構成する素材の種類や大きさ、強度、摩擦係数などによって適宜、任意の値に設定可能である。
第７工程における停止方法は、制御手段に限らず、ブレーキを使用することで強制的に回転停止を実行しても構わない。
締結具１３の炭素繊維２０は、頭部１３ａから胴部１３ｂに連なる一本のＬ字形状をした連続繊維でなくても良く、少なくとも胴部１３ｂ内のみ連続していれば良く、例えば頭部１３ａ内の炭素繊維は不連続繊維であっても構わない。

以上説明したように、本発明にかかる締結具締結方法は、例えば、航空機、車両等の軽量で高強度の部材と部材をより強固に締結する際に有用である。

１１、１２ ＣＦＲＰ部材
１１ａ、１２ａ 締結孔
１３ 締結具
１３ａ 頭部
１３ｂ 胴部
１４ 掴持治具
１５ 成形治具
１７ 凹部
１８ 脚部
１９ 接着剤

Claims (1)

1. 少なくともいずれか一方の部材がＣＦＲＰ部材である二枚の被締結部材を相互に重ね合わせて接合するにあたり、夫々の部材は１個又は２個以上の締結孔を有しており、該締結孔に締結具を用いて前記二枚の被締結部材を締結する締結具締結方法であって、
   前記二枚の被締結部材間に未硬化の接着剤を介した状態で、前記被締結部材を把持する工程（ａ）と、
   前記締結具が、頭部と胴部からなる略断面Ｔ字のボルト形状であり、少なくとも胴部が複数の連続繊維を含有する熱可塑性ＣＦＲＰ部材であり、一方の被締結部材上方で、頭部である一端を掴持治具で掴持する工程（ｂ）と、
   前記工程（ｂ）後、前記掴持治具で掴持された前記締結具を回転させる工程（ｃ）と、
   前記締結孔より大径の凹部を有した成形治具を他方の被締結部材に押し当てる工程（ｄ）と、
   前記工程（ｃ）と（ｄ）を成している状態で、前記締結具の胴部である他端を前記成形治具の凹部に一定荷重で押し込む工程（ｅ）と、
   前記工程（ｅ）の押込み量又は押込み時間を監視する工程（ｆ）と、
   前記工程（ｆ）の監視結果により前記締結具の回転を停止する工程（ｇ）と、
   前記工程（ｇ）後、前記締結具の頭部を一方の被締結部材に当接するまで押し込む工程（ｈ）と、
   を有し、
   前記締結具を回転させながら、前記成形治具に押し込むことで発生する摩擦熱によって、前記締結具を塑性流動させ、前記締結具の他端側に凸部形状の脚部を成形して締結し、さらに接着剤の硬化速度を促進させることを特徴とするＣＦＲＰ締結方法。

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