JP2022143816A - 中空部材の加工方法および中空部材 - Google Patents

Abstract

【課題】円筒状のもの以外の中空部材を製造することができる技術を提供すること。【解決手段】芯材２０が挿入された中空部材１０の一端を第１挟持装置３１に挟持し、他端を第２挟持装置３２に挟持する。加熱装置３８により、熱可塑性エポキシ樹脂が塑性変形可能になるまで中空部材１０の加工対象部分を加熱し、移動装置３７を駆動して第１挟持装置３１を矢印Ｆ１にて示す方向に移動させ、加工対象部分に応力を付与し、加工対象部分を塑性変形させ、芯材２０の形状に対応した形状に加工する。【選択図】図６

Description

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂により形成された中空部材を加工する技術に関する。

従来、繊維強化樹脂をマンドレルに巻き付けてＦＲＰ筒体を製造する方法が知られている（特許文献１）。この方法では、強化繊維のパイプの軸方向両端部における巻角度Ａを±８０～９０°、中央部における巻角度Ｂを±５～２０°にそれぞれ設定し、両端部と中央部との間における巻角度を巻角度Ａから巻角度Ｂに徐々に変化する巻角度Ｃに設定している。

特開平８－９９３７３号公報

しかし、前述した従来の方法は、円筒状のマンドレルに強化繊維を巻くため、円筒状のものしか製造することができないという問題がある。

そこで、本発明は、上記の問題を解決するために創出されたものであって、円筒状のもの以外の中空部材を製造することができる技術を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る中空部材の加工方法は、繊維強化熱可塑性樹脂により形成された中空部材の加工方法であって、中空部材の加工対象部分の内部に所定形状の芯材を挿入し、加工対象部分の熱可塑性樹脂が塑性変形可能になるまで加工対象部分を加熱し、加工対象部分に応力を付与することにより、加工対象部分を所定形状に対応した形状に加工することを第１の特徴とする。

熱可塑性樹脂が塑性変形可能になった加工対象部分に応力を付与すると、加工対象部分は、応力が発生した方向に塑性変形し、その内部に挿入された芯材の外周面に密着し、所定形状に変形する。つまり、加工対象部分は、その内部に挿入された芯材の所定形状に対応した形状に加工される。

また、本発明に係る中空部材の加工方法は、前述の第１の特徴において、中空部材は、管状であり、加工対象部分の熱可塑性樹脂が塑性変形可能になるまで加工対象部分を加熱した中空部材をその軸線方向に引っ張ることにより、加工対象部分を所定形状に対応した形状に加工することを第２の特徴とする。

中空部材をその軸線方向に引っ張ると、加工対象部分の熱可塑性樹脂には、引っ張り応力が作用するとともに、ポアソン効果による圧縮力が作用し、引っ張り方向および軸線と交差する方向に塑性変形して伸び、かつ、外径が小さくなり、その内部に挿入された芯材の外周面に密着し、所定形状に変形する。つまり、加工対象部分は、その内部に挿入された芯材の所定形状に対応した形状に加工される。

また、本発明に係る中空部材の加工方法は、前述の第２の特徴において、芯材は、加工対象部分に挿入する部分の軸線と直交する断面形状が多角形であり、加工対象部分の軸線と直交する断面形状が多角形になるように加工することを第３の特徴とする。

加工対象部分の軸線と直交する断面形状が多角形の中空部材を製造することができる。

また、本発明に係る中空部材の加工方法は、前述の第１ないし第３のいずれか１つの特徴において、芯材は、加工対象部分に挿入する部分の最大径が非加工対象部分に挿入する部分の最大径よりも小さく、加工対象部分の最大径が非加工対象部分の最大径よりも小さくなるように加工することを第４の特徴とする。

加工対象部分の最大径が非加工対象部分の最大径よりも小さい中空部材を製造することができる。

また、本発明に係る中空部材の加工方法は、前述の第１ないし第４のいずれか１つの特徴において、芯材は、加工対象部分に挿入され、所定形状の少なくとも一部の形状に形成された第１芯材と、少なくとも一部が非加工対象部分に挿入される第２芯材と、を備えていることを第５の特徴とする。

芯材が、加工対象部分に挿入され、所定形状の少なくとも一部の形状に形成された第１芯材と、少なくとも一部が非加工対象部分に挿入される第２芯材とに分かれているため、各芯材を個別に製造することができる。
「所定形状の少なくとも一部の形状に形成された第１芯材」とは、第１芯材が芯材の所定形状の少なくとも一部を構成する形状に形成されていても良いし、所定形状の総てを構成する形状に形成されていても良いことを意味する。

また、本発明に係る中空部材の加工方法は、前述の第５の特徴において、第１芯材および第２芯材は、相互に着脱可能に接続されることを第６の特徴とする。

第１芯材および第２芯材は、相互に着脱可能に接続されるため、第１芯材および第２芯材を相互に接続された状態で中空部材に挿入することができる。また、中空部材に挿入された第１芯材および第２芯材の相対的な位置関係がずれ難い。さらに、中空部材を加工した後で、第１芯材および第２芯材の相互に接続された状態を解除してから、中空部材から第１芯材および第２芯材を個別に取り出すことができる。

また、本発明に係る中空部材は、前述の第１ないし第６のいずれか１つの特徴を有する中空部材の加工方法によって加工された中空部材であって、中空部材の軸線に対する繊維の配向角度が、非加工対象部分よりも加工対象部分の方が小さいことを特徴とする。

中空部材は、中空部材の軸線に対する繊維の配向角度が、非加工対象部分よりも加工対象部分の方が小さいため、軸線と交差する方向に対する加工対象部分の曲げ弾性率を非加工対象部分よりも高くすることができる。

本発明によれば、円筒状のもの以外の中空部材を製造することができる技術を提供することができる。

第１実施形態に係る中空部材の説明図であり、（Ａ）は加工前の中空部材の平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ－Ａ矢視断面図、（Ｃ）は加工後の中空部材の平面図、（Ｄ）は（Ｃ）のＢ－Ｂ矢視断面図。 中空部材の加工対象部分を形成している連続炭素繊維の配向角度の説明図であり、（Ａ）は加工前の連続炭素繊維の説明図、（Ｂ），（Ｃ）は加工前の連続炭素繊維の配向角度の説明図、（Ｄ）は加工後の連続炭素繊維の説明図、（Ｅ），（Ｆ）は加工後の連続炭素繊維の配向角度の説明図。 芯材の説明図であり、（Ａ）は芯材の平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＣ－Ｃ矢視断面図。 芯材の説明図であり、（Ａ）は第１芯材の斜視図、（Ｂ）は第２芯材の斜視図、（Ｃ）は（Ｂ）のＤ－Ｄ矢視断面図、（Ｄ）は第２芯材の左側面図、（Ｅ）は右側面図。 芯材が中空部材に挿入された状態を示す説明図であり、（Ａ）は加工前の説明図、（Ｂ）は加工後の説明図。 第１実施形態に係る加工装置の平面説明図であり、（Ａ）は中空部材を加工する前の説明図、（Ｂ）は中空部材を加工した後の説明図。 第２実施形態の説明図であり、（Ａ）は第１芯材および第２芯材の斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＥ－Ｅ矢視断面図、（Ｃ）は加工された中空部材を軸線と直交する方向に切断して示す斜視図、（Ｄ）は（Ｃ）に示す中空部材の平面図、（Ｅ）は（Ｄ）に示す中空部材の右側面図。 第３実施形態の説明図であり、（Ａ）は第１芯材および第２芯材の斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＥ－Ｅ矢視断面図、（Ｃ）は加工された中空部材を軸線と直交する方向に切断して示す斜視図、（Ｄ）は（Ｃ）に示す中空部材の平面図、（Ｅ）は（Ｄ）に示す中空部材の右側面図。 実験結果を示す説明図であり、（Ａ）は四角柱のマンドレルを用いて製造した中空部材の断面図、（Ｂ）は第２実施形態の製造方法により製造した中空部材の断面図、（Ｃ）は六角柱のマンドレルを用いて製造した中空部材の断面図、（Ｄ）は第３実施形態の製造方法により製造した中空部材の断面図である。 実験結果を示す表である。

〈第１実施形態〉
本発明の第１実施形態に係る中空部材の加工方法および中空部材について図を参照しつつ説明する。
[中空部材]
最初に、本実施形態の中空部材について説明する。本実施形態の中空部材は、ＣＦＲＴＰ(Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics：炭素繊維強化熱可塑性樹脂)により形成されている。
図１（Ａ）に示すように、本実施形態の中空部材１０は、縦断面形状が円形の円筒形状（中空パイプ状）に形成されている。中空部材１０の長手方向の中央には、加工対象部分Ｐが設定されており、その加工対象部分Ｐを挟んで長手方向の両端には、非加工対象部分ＵＰがそれぞれ設定されている。中空部材１０の全長はＬ、外径はφ１である。本実施形態では、図１（Ｃ），（Ｄ）に示すように、中空部材１０の加工対象部分Ｐを、小径部１１と、この小径部１１の両端にそれぞれ形成されたテーパ部１２とを有する形状に加工する。つまり、絞り加工する。小径部１１は、加工前の加工対象部分Ｐの外径φ１よりも小さい外径φ２を有する円筒状に形成されている。また、各テーパ部１２は、それぞれ円錐台状に形成されている。

中空部材１０は、フィラメントワインディング法（ＦＷ法）により製造した。この製造では、連続ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維が熱可塑性エポキシ樹脂繊維と混繊されたテープ状のフィラメントを使用した。連続強化繊維および熱可塑性エポキシ樹脂の体積含有率は、それぞれ５０％である。フィラメントの幅は、８～１０ｍｍであり、厚さは０．２ｍｍである。また、旭化成エンジニアリング株式会社製のフィラメントワインディング装置を使用した。フィラメントワインディングでは、加熱により、フィラメントに含まれる熱可塑性エポキシ樹脂を溶融させながら、ヘリカル巻きによりマンドレルに３層巻回し、自然冷却により熱可塑性エポキシ樹脂を固化させ、中空部材１０を製造した。

[芯材]
次に、中空部材１０の加工に使用する芯材について図を参照しつつ説明する。
図５（Ｂ）に示すように、芯材２０は、中空部材１０の加工対象部分Ｐを、前述した小径部１１および各テーパ部１２を有する形状に加工するための形状に形成されている。本実施形態では、芯材２０は、炭素鋼などの金属により形成されている。小径部１１および両端の各テーパ部１２が呈する形状は、本発明の「所定形状」の一例である。
図３に示すように、芯材２０は、加工対象部分Ｐ（図１）に挿入する第１芯材２１と、非加工対象部分ＵＰに挿入する１対の第２芯材２２とを備えている。図４（Ａ）に示すように、第１芯材２１は、円柱状に形成された本体部２１ａと、この本体部２１ａの長手方向の一端から本体部２１ａの軸線方向に突出した第１突出部２１ｂと、本体部２１ａの長手方向の他端から本体部２１ａの軸線方向に突出した第２突出部２１ｃとを備えている。本体部２１ａの形状は、中空部材１０の加工対象部分Ｐの小径部１１を形成するための部分であり、本発明の「所定形状の少なくとも一部の形状」の一例である。第１突出部２１ｂおよび第２突出部２１ｃは、それぞれ断面円形の棒状に形成されており、外周面には、それぞれ雄ネジが形成されている。

第２芯材２２は、円筒状に形成された本体部２２ａと、この本体部２２ａの一端に形成されたテーパ部２２ｂと、本体部２２ａの他端から、本体部２２ａの軸線方向に突出した装着部２２ｃとを備えている。テーパ部２２ｂは、円錐台状に形成されており、本体部２２ａの軸線に直交する断面形状が円形である。テーパ部２２ｂの外径は、本体部２２ａの一端から、本体部２２ａの軸線方向に沿って離れるにつれて小さくなっており、テーパ部２２ｂの外周面はテーパ面を形成している。テーパ部２２ｂは、中空部材１０の加工対象部分Ｐのテーパ部１２を形成するための部分である。
図４（Ｃ）に示すように、テーパ部２２ｂの一端には、第１芯材２１の第１突出部２１ｂまたは第２突出部２１ｃを挿入するための挿入口２２ｄが開口形成されている。本体部２２ａの他端および装着部２２ｃの内部には、挿入口２２ｄから挿入された第１突出部２１ｂまたは第２突出部２１ｃの雄ネジと噛み合う雌ネジ２２ｅが形成されている。装着部２２ｃは、中空部材１０の非加工対象部分ＵＰに挿入された第２芯材２２を取り出すための工具を装着する部分である。本実施形態では、装着部２２ｃは六角ナット状に形成されている。

図３に示すように、第１芯材２１の最大径は、第２芯材２２の最大径よりも小さい。図５（Ａ）に示すように、第１芯材２１の両端に第２芯材２２がそれぞれ着脱可能に接続された芯材２０は、中空部材１０を加工する前に、中空部材１０の内部に挿入される。このとき、第１芯材２１は加工対象部分Ｐに配置され、各第２芯材２２はそれぞれ非加工対象部分ＵＰに配置される。また、各第２芯材２２の各テーパ部２２ｂは、加工対象部分Ｐの範囲にそれぞれ入っている。換言すると、各第２芯材２２の各テーパ部２２ｂは、加工対象部分Ｐの範囲にそれぞれ挿入されており、テーパ部２２ｂを除く本体部２２ａは非加工対象部分ＵＰに挿入されている。第２芯材２２のうち、テーパ部２２ｂを除く本体部２２ａは、本発明の「少なくとも一部が非加工対象部分に挿入される第２芯材」における「少なくとも一部」の一例である。
そして、中空部材１０の加工対象部分Ｐは、後述する加工方法により、図５（Ｂ）に示すように、芯材２０の外形に対応した形状に加工される。

[加工装置]
次に、中空部材１０の加工に使用する加工装置について図を参照しつつ説明する。
中空部材１０は、図６に示す加工装置３０を使用して加工する。加工装置３０は、中空部材１０の長手方向の一端を挟持する第１挟持装置３１と、第１挟持装置３１が回転可能に取付けられた第１取付部３３と、第１挟持装置３１を回転させる第１モータ３５と、中空部材１０の長手方向の他端を挟持する第２挟持装置３２と、第２挟持装置３２が回転可能に取付けられた第２取付部３４と、第２挟持装置３２を回転させる第２モータ３６と、第１取付部３３を中空部材１０の軸線方向に移動させる移動装置３７と、中空部材１０の加工対象部分Ｐを加熱する加熱装置３８と、加工対象部分Ｐの温度を測定する温度測定装置３９と、制御装置４０とを備えている。

第１挟持装置３１および第２挟持装置３２としては、管状部材をクランプする公知のクランプ装置やチャック装置を用いることができる。第１挟持装置３１は、第１取付部３３に設けられた第１モータ３５の駆動により、中空部材１０の軸線を回転中心にして回転する。また、第２挟持装置３２は、第２取付部３４に設けられた第２モータ３６の駆動により、中空部材１０の軸線を回転中心にして回転する。第１挟持装置３１および第２挟持装置３２は、中空部材１０を一定の方向に回転させる。加熱装置３８によって加工対象部分Ｐを加熱するときに、中空部材１０を回転させることにより、加工対象部分Ｐの外周面を均一に加熱することができ、加工対象部分Ｐを形成している熱可塑性エポキシ樹脂を均一に塑性変形可能な状態にすることができる。

移動装置３７は、第１取付部３３を図６（Ａ）において矢印Ｆ１にて示す方向、つまり、中空部材１０の軸線方向に沿った方向へ移動（変位）させる。移動装置３７には、公知のボールネジ機構などの移動機構を用いることができる。移動装置３７の移動速度および移動量は、中空部材１０の加工対象部分Ｐの形状、加工対象部分Ｐの長手方向の長さ、加工対象部分Ｐを形成している連続炭素繊維および熱可塑性エポキシ樹脂の体積含有率、フィラメントの幅、フィラメントの巻回数などの各種のパラメータによって変更することができる。加熱装置３８は、ハロゲンヒータやカーボンヒータなど、目標温度までの到達時間が相対的に短いヒータである。温度測定装置３９は、赤外線サーモグラフィカメラなど、応答性が相対的に高い非接触式の温度測定装置である。

制御装置４０は、第１モータ３５、第２モータ３６、移動装置３７および加熱装置３８などを制御する。制御装置４０は、制御プログラムが記憶された記憶部（図示省略）と、この記憶部に記憶された制御プログラムに従って上記の各モータおよび装置を制御するＣＰＵ（図示省略）とを備えている。上記制御プログラムには、第１モータ３５および第２モータ３６の回転速度、移動装置３７の移動速度および移動量などが書き換え可能にプログラムされている。

[加工方法]
次に、中空部材１０の加工方法について図を参照しつつ説明する。
先ず、ＣＦＲＴＰにより形成された中空部材１０と、第１芯材２１の両端に第２芯材２２がそれぞれ着脱可能に接続された芯材２０とを用意する。続いて、図５（Ａ）に示すように、芯材２０を中空部材１０に挿入する。このとき、第１芯材２１は加工対象部分Ｐに配置され、各第２芯材２２は加工対象部分Ｐの両端の非加工対象部分ＵＰにそれぞれ配置される。このとき、各第２芯材２２の各テーパ部２２ｂは、加工対象部分Ｐにそれぞれ配置される。続いて、図６（Ａ）に示すように、芯材２０が挿入された中空部材１０の一端を第１挟持装置３１に挟持し、他端を第２挟持装置３２に挟持する。続いて、制御装置４０に設けられたモータ回転スイッチ（図示省略）をオンし、第１モータ３５および第２モータ３６を駆動し、第１挟持装置３１および第２挟持装置３２を回転させる。つまり、中空部材１０をその軸線を回転中心にして回転させる。

続いて、制御装置４０に設けられた加熱開始スイッチ（図示省略）をオンし、加熱装置３８を駆動する。つまり、回転している中空部材１０の加工対象部分Ｐの外周面を均一に加熱する。そして、加工対象部分Ｐの温度が目標温度に達し、加工対象部分Ｐを形成している熱可塑性エポキシ樹脂が塑性変形可能な状態になるまで溶融したときに、制御装置４０に設けられた移動開始スイッチ（図示省略）をオンし、移動装置３７を駆動（変位）し、移動装置３７を矢印Ｆ１（図６（Ａ））にて示す方向、つまり、中空部材１０をその軸線方向に引っ張る。換言すると、中空部材１０の加工対象部分Ｐに応力を付与する。これにより、加工対象部分Ｐを形成している熱可塑性エポキシ樹脂の流動性が大きくなり、加工対象部分Ｐには、引っ張り応力が作用するとともに、ポアソン効果による圧縮力が作用し、引っ張り方向および軸線Ｇと交差する方向に塑性変形して伸び、かつ、外径が小さくなり、その内部に挿入された芯材２０の外周面に密着し、芯材２０の外形に対応した形状に変形する。つまり、加工対象部分Ｐは、その内部に挿入された芯材２０の外形に対応した形状に加工される。換言すると、加工対象部分Ｐは、芯材２０の外形に対応した形状に絞り加工される。

移動装置３７は、予め設定された移動量に達したときに自動的に停止する。また、中空部材１０の加工対象部分Ｐが変形する様子を目視し、加工対象部分Ｐが所望の形状に変形したときに手動で停止させることもできる。また、加熱装置３８は、移動装置３７が停止したときに駆動停止する。加工された中空部材１０は、所定時間、自然冷却した後に、第１挟持装置３１および第２挟持装置から取り外す。そして、第２芯材２２の装着部２２ｃに装着する工具（図示省略）を中空部材１０の一端から挿入し、一方の第２芯材２２を回転させ、第２芯材２２を第１芯材２１から取り外し、中空部材１０の一端から取り出す。他方の第２芯材２２は、第１芯材２１に締結された状態で中空部材１０の他端から取り出す。なお、芯材２０が第１芯材２１および第２芯材２２を一体化したものである場合は、第２芯材２２の外径が小径部１１の外径よりも大きいため、中空部材１０から取り出すことができない。

図５（Ｂ）に示すように、加工された中空部材１０の加工対象部分Ｐは、芯材２０の外形に対応した形状に加工され、加工対象部分Ｐの外径が加工前よりも小さくなる。また、図２（Ｂ），（Ｃ）に示すように、加工前は、加工対象部分Ｐを形成している連続炭素繊維Ｓの中空部材１０の軸線Ｇに対する配向角度がθ１および（－θ１）であったが、加工後は、図２（Ｅ），（Ｆ）に示すように、θ１よりも小さいθ２および（－θ２）に変化している。このように、加工対象部分Ｐを形成している連続炭素繊維Ｓの中空部材１０の軸線Ｇに対する配向角度が小さくなった分、軸線Ｇと交差する方向に対する加工対象部分Ｐの曲げ弾性率が、加工前よりも高くなっている。また、連続炭素繊維Ｓの中空部材１０の軸線Ｇに対する配向角度は、加工対象部分Ｐの方が非加工対象部分ＵＰよりも小さいため、加工対象部分Ｐの上記曲げ弾性率を非加工対象部分ＵＰよりも高くすることができる。
また、加工対象部分Ｐを形成している連続炭素繊維Ｓの軸線に対する配向角度が小さくなった分、中空部材１０が軸線Ｇの方向に伸び、全長Ｌが２ΔＬ（＝ΔＬ×２）分長くなる。

［第１実施形態の効果］
（１）上述した第１実施形態によれば、加工対象部分Ｐを形成している熱可塑性エポキシ樹脂が塑性変形可能になるまで加熱された中空部材１０をその軸線方向に引っ張ることにより、加工対象部分Ｐには、引っ張り応力が作用するとともに、ポアソン効果による圧縮力が作用し、引っ張り方向および軸線Ｇと交差する方向に塑性変形して伸び、かつ、外径が小さくなり、その内部に挿入された芯材２０の外周面に密着し、芯材２０の外形に対応した形状に変形する。つまり、加工対象部分Ｐを、その内部に挿入された芯材２０の外形に対応した形状に加工することができる。

（２）また、前述した第１実施形態によれば、加工対象部分Ｐの軸線Ｇと直交する断面形状が多角形の中空部材１０を製造することができる。
（３）さらに、前述した第１実施形態によれば、加工対象部分Ｐの最大径が非加工対象部分ＵＰの最大径よりも小さい中空部材１０を製造することができる。

（４）さらに、前述した第１実施形態によれば、芯材２０が、加工対象部分Ｐに挿入され、所定形状の少なくとも一部の形状に形成された第１芯材２１と、少なくとも一部が非加工対象部分ＵＰに挿入される第２芯材２２とに分かれているため、各芯材を個別に製造することができる。

（５）さらに、前述した第１実施形態によれば、第１芯材２１および第２芯材２２は、相互に着脱可能に接続されるため、第１芯材２１および第２芯材２２を相互に接続された状態で中空部材１０に挿入することができる。また、中空部材１０に挿入された第１芯材２１および第２芯材２２の相対的な位置関係がずれ難い。さらに、中空部材１０を加工した後で、第１芯材２１および第２芯材２２の相互に接続された状態を解除してから、中空部材１０から第１芯材２１および第２芯材２２を個別に取り出すことができる。

（６）さらに、前述した第１実施形態によれば、加工対象部分Ｐを形成している連続炭素繊維Ｓの中空部材１０の軸線Ｇに対する配向角度が小さくなるため、軸線Ｇと交差する方向に対する加工対象部分Ｐの曲げ弾性率を加工前よりも高くすることができる。また、加工対象部分Ｐが加工された中空部材１０は、中空部材１０の軸線Ｇに対する連続炭素繊維Ｓの配向角度が、非加工対象部分ＵＰよりも加工対象部分Ｐの方が小さいため、加工対象部分Ｐの上記曲げ弾性率を非加工対象部分ＵＰよりも高くすることができる。

（７）前述した第１実施形態によれば、中空部材１０を、加工前の中空部材１０よりも小径に形成された小径部１１と、この小径部１１の両端にそれぞれ形成されたテーパ部１２とを有する形状に加工することができる。つまり、前述した第１実施形態によれば、円筒状のもの以外の中空部材１０を製造することができる技術を提供することができる。
さらに、前述した第１実施形態によれば、円筒状の中空部材１０を円筒状以外の形状に加工することができるため、中空部材１０の意匠性を高めることもできる。
（８）連続ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維に混繊する材料として熱可塑性エポキシ樹脂繊維を使用するため、中空部材を加熱したときに中空部材の表面に焼けが発生し難いので、美的外観に優れた中空部材を製造することができる。

〈第２実施形態〉
次に、本発明の第２実施形態について図を参照しつつ説明する。
図７に示すように、本実施形態において使用する芯材５０は、加工対象部分Ｐ（図１）に挿入する第１芯材５１と、少なくとも一部を非加工対象部分ＵＰに挿入する１対の第２芯材５２とを備えている。図では、一方の第２芯材５２のみを示している。第１芯材５１は、四角柱状に形成された本体部５１ａと、この本体部５１ａの長手方向の一端から、本体部５１ａの軸線方向に突出した第１突出部５１ｂと、本体部５１ａの長手方向の他端から、本体部５１ａの軸線方向に突出した第２突出部５１ｃとを備えている。本体部５１ａの形状は、中空部材６０の加工対象部分Ｐを小径部６１（図７（Ｃ））に加工するための部分であり、本発明の「所定形状の少なくとも一部の形状」の一例である。第１突出部５１ｂおよび第２突出部５１ｃは、それぞれ断面円形の棒状に形成されており、外周面には、それぞれ雄ネジが形成されている。

第２芯材５２は、円筒状に形成された本体部５２ａと、この本体部５２ａの一端に形成されたテーパ部５２ｂと、本体部５２ａの他端から、本体部５２ａの軸線方向に突出した装着部５２ｃとを備えている。テーパ部５２ｂは、四角錐台状に形成されており、本体部５２ａの軸線に直交する断面形状が四角形である。テーパ部５２ｂの外径は、本体部５２ａの一端から、本体部５２ａの軸線方向に沿って離れるにつれて小さくなっており、テーパ部５２ｂの外周面は４つのテーパ面から構成されている。テーパ部５２ｂは、中空部材６０の加工対象部分Ｐをテーパ部６２（図７（Ｃ））に加工するための部分である。
テーパ部５２ｂの一端には、第１芯材５１の第１突出部５１ｂまたは第２突出部５１ｃを挿入するための挿入口（図示省略）が開口形成されている。本体部５２ａの他端および装着部５２ｃの内部には、上記挿入口から挿入された第１突出部５１ｂまたは第２突出部５１ｃの雄ネジと噛み合う雌ネジ（図示省略）が形成されている。装着部５２ｃは、中空部材６０の非加工対象部分ＵＰに挿入された第２芯材５２を取り出すための工具を装着する部分である。本実施形態では、装着部５２ｃは六角ナット状に形成されている。

第１芯材５１の最大径は、第２芯材５２の最大径よりも小さい。中空部材６０を加工する前に、第１芯材５１の両端に第２芯材５２をそれぞれ接続して構成した芯材５０を中空部材６０に挿入する。そして、第１実施形態において説明した加工装置３０（図６）に中空部材６０をセットし、第１実施形態において説明した加工方法により、中空部材６０の加工対象部分Ｐを加工する。
これにより、図７（Ｃ）～（Ｅ）に示すように、中空部材６０の加工対象部分Ｐが芯材５０の外形に対応した形状に加工される。図６（Ｃ）は加工された中空部材６０をその軸線と直交する方向に切断して示す斜視図である。

加工された中空部材６０の加工対象部分Ｐは、芯材５０の外形に対応した形状に加工され、加工対象部分Ｐの外径が加工前よりも小さくなる。また、加工対象部分Ｐを形成している連続炭素繊維の中空部材６０の軸線Ｇに対する配向角度が小さくなった分、軸線Ｇと交差する方向に対する加工対象部分Ｐの曲げ弾性率が、加工前よりも高くなっている。また、連続炭素繊維の中空部材６０の軸線Ｇに対する配向角度は、加工対象部分Ｐの方が非加工対象部分ＵＰよりも小さいため、加工対象部分Ｐの上記曲げ弾性率を非加工対象部分ＵＰよりも高くすることができる。

上述したように、第２実施形態によれば、中空部材６０を、加工前の中空部材６０よりも小径に形成されており、かつ、軸線Ｇと直交する断面形状が四角形に形成された小径部６１と、この小径部６１の両端にそれぞれ形成されたテーパ部６２とを有する形状に加工することができる。つまり、前述した第２実施形態によれば、円筒状のもの以外の中空部材６０を製造することができる技術を提供することができる。さらに、前述した第２実施形態によれば、円筒状の中空部材６０を円筒状以外の形状に加工することができるため、中空部材６０の意匠性を高めることもできる。

〈第３実施形態〉
次に、本発明の第３実施形態について図を参照しつつ説明する。
図８に示すように、本実施形態において使用する芯材７０は、加工対象部分Ｐ（図１）に挿入する第１芯材７１と、少なくとも一部を非加工対象部分ＵＰに挿入する１対の第２芯材７２とを備えている。図では、一方の第２芯材７２のみを示している。第１芯材７１は、六角柱状に形成された本体部７１ａと、この本体部７１ａの長手方向の一端から、本体部７１ａの軸線方向に突出した第１突出部７１ｂと、本体部７１ａの長手方向の他端から、本体部７１ａの軸線方向に突出した第２突出部７１ｃとを備えている。本体部７１ａの形状は、中空部材８０の加工対象部分Ｐを小径部８１（図８（Ｃ））に加工するための部分であり、本発明の「所定形状の少なくとも一部の形状」の一例である。第１突出部７１ｂおよび第２突出部７１ｃは、それぞれ断面円形の棒状に形成されており、外周面には、それぞれ雄ネジが形成されている。

第２芯材７２は、円筒状に形成された本体部７２ａと、この本体部７２ａの一端に形成されたテーパ部７２ｂと、本体部７２ａの他端から、本体部７２ａの軸線方向に突出した装着部７２ｃとを備えている。テーパ部７２ｂは、六角錐台状に形成されており、本体部７２ａの軸線に直交する断面形状が六角形である。テーパ部７２ｂの外径は、本体部７２ａの一端から、本体部７２ａの軸線方向に沿って離れるにつれて小さくなっており、テーパ部７２ｂの外周面は６つのテーパ面から構成されている。テーパ部７２ｂは、中空部材８０の加工対象部分Ｐをテーパ部８２（図８（Ｃ））に加工するための部分である。
テーパ部７２ｂの一端には、第１芯材７１の第１突出部７１ｂまたは第２突出部７１ｃを挿入するための挿入口（図示省略）が開口形成されている。本体部７２ａの他端および装着部７２ｃの内部には、上記挿入口から挿入された第１突出部７１ｂまたは第２突出部７１ｃの雄ネジと噛み合う雌ネジ（図示省略）が形成されている。装着部７２ｃは、中空部材８０の非加工対象部分ＵＰに挿入された第２芯材７２を取り出すための工具を装着する部分である。本実施形態では、装着部７２ｃは六角ナット状に形成されている。

第１芯材７１の最大径は、第２芯材７２の最大径よりも小さい。中空部材８０を加工する前に、第１芯材７１の両端に第２芯材７２をそれぞれ接続して構成した芯材７０を中空部材８０に挿入する。そして、第１実施形態において説明した加工装置３０（図６）に中空部材８０をセットし、第１実施形態において説明した加工方法により、中空部材８０の加工対象部分Ｐを加工する。
これにより、図８（Ｃ）～（Ｅ）に示すように、中空部材８０の加工対象部分Ｐが芯材７０の外形に対応した形状に加工される。図８（Ｃ）は加工された中空部材８０をその軸線と直交する方向に切断して示す斜視図である。

加工された中空部材８０の加工対象部分Ｐは、芯材７０の外形に対応した形状に加工され、加工対象部分Ｐの外径が加工前よりも小さくなる。また、加工対象部分Ｐを形成している連続炭素繊維の中空部材８０の軸線Ｇに対する配向角度が小さくなった分、軸線Ｇと交差する方向に対する加工対象部分Ｐの曲げ弾性率が、加工前よりも高くなっている。また、連続炭素繊維の中空部材８０の軸線Ｇに対する配向角度は、加工対象部分Ｐの方が非加工対象部分ＵＰよりも小さいため、加工対象部分Ｐの上記曲げ弾性率を非加工対象部分ＵＰよりも高くすることができる。

上述したように、第３実施形態によれば、中空部材８０を、加工前の中空部材８０よりも小径に形成されており、かつ、軸線Ｇと直交する断面形状が六角形に形成された小径部８１と、この小径部８１の両端にそれぞれ形成されたテーパ部８２とを有する形状に加工することができる。つまり、前述した第３実施形態によれば、円筒状のもの以外の中空部材１０を製造することができる技術を提供することができる。さらに、前述した第３実施形態によれば、円筒状の中空部材８０を円筒状以外の形状に加工することができるため、中空部材８０の意匠性を高めることもできる。

〈実験〉
次に、本願発明者らが行った実験について説明する。
本願発明者らは、多角形の中空部材を製造した場合の中空部材の肉厚を調べる実験を行った。この実験では、多角形のマンドレルに前述したフィラメントを巻回して製造した中空部材と、本発明の実施形態に係る加工方法により加工した中空部材とを比較した。また、中空部材をＸ線ＣＴ装置によって撮影し、中空部材の高精度のＸ線断面画像を取得した。図９に示す各図は、取得したＸ線断面画像に基づいて描いたものである。
この実験の結果を図１０に示す。図１０において、試料名「四角マンドレル」は、四角柱のマンドレルに前述したフィラメントを巻回して製造した中空部材を示し、試料名「六角マンドレル」は、六角柱のマンドレルに前述したフィラメントを巻回して製造した中空部位を示す。試料名「ＦＷ法パイプ絞り（四角）」は、本発明の実施形態に係る加工方法であってＦＷ法（フィラメントワインディング法）により製造した断面四角形の中空部材を示し、試料名「ＦＷ法パイプ絞り（六角）」は、本発明の実施形態に係る加工方法であってＦＷ法（フィラメントワインディング法）により製造した断面六角形の中空部材を示す。試料名「ＳＷ法パイプ絞り（四角）」は、本発明の実施形態に係る加工方法であってＳＷ法（シートワインディング法）により製造した断面四角形の中空部材を示す。
また、各中空部材の直線部Ｄ１（図９）における肉厚の最大値を各直線部Ｄ１ごとに測定し、その平均値を直線部最大肉厚Ｔｍａｘとした。また、各中空部材の角部Ｄ２（図９）における肉厚を各角部Ｄ２ごとに測定し、その平均値を角部肉厚Ｔｃとした。
また、肉厚の均一性を比較するため、角部肉厚Ｔｃの直線部最大肉厚Ｔｍａｘに対する比をＴｕ（＝Ｔｃ／Ｔｍａｘ）として算出した。Ｔｕが１に近いほど、角部肉厚Ｔｃと直線部最大肉厚Ｔｍａｘとの差が小さく、中空部材の全周に亘って肉厚の均一性が高いことを表している。なお、ＳＷ法（シートワインディング法）とは、炭素繊維に樹脂が含侵されたプリプレグと呼ばれるシート状の材料をマンドレルに巻回して中空部材を製造する方法のことである。

図９（Ａ）は、四角柱のマンドレルに前述したフィラメントを巻回して製造した中空部材９０の断面を示す。図示のように、中空部材９０の角部Ｄ２の肉厚が、４辺を形成する直線部Ｄ１の肉厚よりも薄くなっている。この要因としては、フィラメントをマンドレルに巻回するときに、マンドレルに掛かるフィラメントのテンションが、直線部よりも角部の方が大きくなり、角部に巻回されるフィラメントがマンドレルの軸線方向に圧縮されるため、角部の肉厚が薄くなることが考えられる。図１０に示すように、中空部材９０である「四角マンドレル」のＴｕは０．５１であり、角部肉厚Ｔｃが直線部最大肉厚Ｔｍａｘの約１／２になっており、肉厚の均一性に劣ることが分かった。
図９（Ｂ）は、前述した第２実施形態の加工方法により製造した中空部材の小径部６１の断面を示す。図示のように、小径部６１の角部Ｄ２の肉厚は、４辺を形成する直線部Ｄ１の肉厚と略等しくなっている。図１０に示すように、小径部６１である「ＦＷ法パイプ絞り（四角）」のＴｕは０．７４であり、「四角マンドレル」よりも、肉厚の均一性が格段と向上していることが分かった。 つまり、本発明の第２実施形態のように、四角柱状に形成された本体部５１ａを有する芯材５０（図７（Ａ））を使用し、中空部材を塑性変形可能な状態で軸線方向に引っ張ることにより、加工対象部分Ｐの断面形状が四角形で肉厚が均一な中空部材を製造することができる。
また、図１０に示すように、「ＳＷ法パイプ絞り（四角）」のＴｕは０．７４であり、「四角マンドレル」よりも、肉厚の均一性が格段と向上していることが分かった。
つまり、本発明の中空部材の加工方法によれば、ＦＷ法（フィラメントワインディング法）およびＳＷ法（シートワインディング法）のいずれを用いた場合であっても、加工対象部分Ｐの断面形状が四角形で肉厚が均一な中空部材を製造することができることが分かった。

図９（Ｃ）は、六角柱のマンドレルに前述したフィラメントを巻回して製造した中空部材９１の断面を示す。図示のように、中空部材９１の角部Ｄ２の肉厚が、６辺を形成する直線部Ｄ１の肉厚よりも薄くなっている。また、直線部Ｄ１の肉厚が円弧状に形成されており、角部が形成されず、全体が円形になっている。この要因としては、フィラメントをマンドレルに巻回するときに、マンドレルに掛かるフィラメントのテンションが、直線部よりも角部の方が大きくなり、角部に巻回されるフィラメントがマンドレルの軸線方向に圧縮されるため、角部の肉厚が薄くなることが考えられる。図１０に示すように、中空部材９１である「六角マンドレル」のＴｕは０．５２であり、角部肉厚Ｔｃが直線部最大肉厚Ｔｍａｘの約１／２になっており、肉厚の均一性に劣ることが分かった。
図９（Ｄ）は、前述した第３実施形態の加工方法により製造した中空部材の小径部８１の断面を示す。図示のように、小径部８１の角部Ｄ２の肉厚は、６辺を形成する直線部Ｄ１の肉厚と略等しくなっている。図１０に示すように、小径部８１である「ＦＷ法パイプ絞り（六角）」のＴｕは０．９０であり、「六角マンドレル」よりも、肉厚の均一性が格段と向上していることが分かった。
つまり、本発明の第３実施形態のように、六角柱状に形成された本体部７１ａを有する芯材７０（図８（Ａ））を使用し、中空部材を塑性変形可能な状態で軸線方向に引っ張ることにより、加工対象部分Ｐの断面形状が六角形で肉厚の均一性の高い中空部材を製造することができる。
上述したように、本発明の実施形態に係る中空部材の加工方法によれば、肉厚の均一性の高い中空部材を製造することができる。

〈他の実施形態〉
（１）第２取付部３４を中空部材の軸線方向に移動させる移動装置を加工装置３０（図６）に備え、中空部材の両端を軸線方向に引っ張ることにより、加工対象部分Ｐを芯材の外形に対応した形状に加工することもできる。

（２）第１芯材の中空部材の軸線と直交する断面形状は、前述した円形、四角形、六角形の他、五角形、八角形などの多角形、あるいは、楕円形、扁平な楕円形でも良い。
（３）長手方向の両端にテーパ部がそれぞれ形成された第１芯材と、テーパ部が形成されていない第２芯材とを組み合わせた芯材を使用することもできる。

（４）アルミニウムやシリコンなどの耐熱性材料により形成されたバルーンを芯材に用いることもできる。このバルーンを使用する場合は、加工対象部分Ｐが塑性変形可能な状態になったときに、エアコンプレッサから、中空部材に挿入されたバルーンに圧縮空気を送出してバルーンを所定形状に膨らませる。そして、加工終了後にバルーンの空気を抜き、バルーンを中空部材から取り出す。この加工方法を用いる場合、加工前の加工対象部分Ｐの最大径よりも大きい最大径に膨らむバルーンを加工対象部分Ｐに挿入し、加工対象部分Ｐが塑性変形可能になったときにバルーンを膨らませ、加工対象部分Ｐを加工前の最大径よりも大きい最大径を有する形状に加工することもできる。
また、膨らんだときに外面に凹凸が形成されるバルーンを使用し、加工対象部分Ｐの外面に凹凸を形成することもできる。形成する凹凸は、何らかの部材を係止したり、何らかの部材を嵌合したりする機能を有するものでも良いし、模様を形成するものでも良い。模様を形成する凹凸を使用する場合は、中空部材の意匠性を高めることができる。このように、バルーンを使用すれば、加工後にバルーンの空気を抜くことにより、バルーンを中空部材から容易に取り出すことができる。

（５）押圧面に所定の模様が形成された押圧部材（例えば、金型）と、この押圧部材を進退させる進退装置とを加工装置３０に備え、塑性変形可能になった加工対象部分Ｐを上記の押圧部材によって押圧し、加工対象部分Ｐの外面に上記所定の模様を形成することもできる。また、上記の押圧部材を複数設け、加工対象部分Ｐの複数個所に同じ模様または異なる模様を形成することもできる。この場合、複数の押圧部材は、それぞれ加工対象部分Ｐの外周面と対向させて任意の位置に配置することができる。例えば、加工対象部分Ｐの外周面の形状に対応した凹状の押圧面を有する一対の押圧部材を相対向して設け、各押圧部材の各押圧面によって加工対象部分Ｐの外周面を挟持することにより、その外周面に模様を形成することもできる。
（６）連続ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維がポリアミド樹脂繊維と混繊されたフィラメントを使用することもできる。
（７）ＰＡＮ系炭素繊維に代えてピッチ系炭素繊維を用いることもできる。
（８）熱可塑性樹脂として、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリオキシメチレン、ＡＢＳ、ＰＥＳ、ＰＥＥＫ、ポリイミド、ＰＭＭＡなどを用いることもできる。
（９）炭素繊維に代えてガラス繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズオキサゾール）繊維、ポリアリレート繊維、アラミド繊維、ポリイミド繊維、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）繊維、フッ素繊維、鉱物繊維などを用いることもできる。
（１０）フィラメントワインディング法（ＦＷ法）に代えて、シートワインディング法またはブレーディング法により中空部材を製造することもできる。

１０，６０，８０ 中空部材
１１，６１，８１ 小径部
１２，６２，８２ テーパ部
２０，５０，７０ 芯材
２１，５１，７１ 第１芯材
２２，５２，７２ 第２芯材
３０ 加工装置
３７ 移動装置
３８ 加熱装置
Ｇ 軸線
Ｐ 加工対象部分
ＵＰ 非加工対象部分
Ｓ 連続炭素繊維
θ１，θ２ 配向角度

Claims (7)

1. 繊維強化熱可塑性樹脂により形成された中空部材の加工方法であって、
   前記中空部材の加工対象部分の内部に所定形状の芯材を挿入し、
   前記加工対象部分の熱可塑性樹脂が塑性変形可能になるまで前記加工対象部分を加熱し、
   前記加工対象部分に応力を付与することにより、前記加工対象部分を前記所定形状に対応した形状に加工することを特徴とする中空部材の加工方法。
2. 前記中空部材は、管状であり、
   前記加工対象部分の熱可塑性樹脂が塑性変形可能になるまで前記加工対象部分を加熱した前記中空部材をその軸線方向に引っ張ることにより、前記加工対象部分を前記所定形状に対応した形状に加工することを特徴とする請求項１に記載の中空部材の加工方法。
3. 前記芯材は、
   前記加工対象部分に挿入する部分の前記軸線と直交する断面形状が多角形であり、
   前記加工対象部分の前記軸線と直交する断面形状が多角形になるように加工することを特徴とする請求項２に記載の中空部材の加工方法。
4. 前記芯材は、
   前記加工対象部分に挿入する部分の最大径が非加工対象部分に挿入する部分の最大径よりも小さく、
   前記加工対象部分の最大径が非加工対象部分の最大径よりも小さくなるように加工することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の中空部材の加工方法。
5. 前記芯材は、
   前記加工対象部分に挿入され、前記所定形状の少なくとも一部の形状に形成された第１芯材と、
   少なくとも一部が非加工対象部分に挿入される第２芯材と、を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の中空部材の加工方法。
6. 前記第１芯材および第２芯材は、相互に着脱可能に接続されることを特徴とする請求項５に記載の中空部材の加工方法。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の中空部材の加工方法によって加工された中空部材であって、
   前記中空部材の軸線に対する繊維の配向角度が、非加工対象部分よりも前記加工対象部分の方が小さいことを特徴とする中空部材。
   

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