JP5570718B2 - 機械加工部分を有する複合カップリング - Google Patents

Description

本発明は、ファイバ構造物によって補強されたポリマーマトリックスを備える複合材料から構成されるカップリングに関する。

機械的構造物において、部品は、カップリングの助けによって互いに接続されることが多い。一般に、カップリングは、２つの他の部品を互いに結合するように、あるいは部品を補強するように機能する機械的部品であるものとして定義される。例えば、ターボ機械において重量の節約が追求される構造物において、カップリングは、カーボンファイバ、グラスファイバまたはケブラー（Ｒ）ファイバなどのファイバによって補強されるポリマーマトリックスを有する複合材料から構成されることが多い。そのような複合材料は、一般に使用される軽量合金の材料より相当小さい密度を呈し、（剛性および耐破裂性に関して）よりよい機械的性能を呈する。

一例として、カップリングは、形状において環状であってもよい。そのような環状カップリングは、空気入口スリーブまたは中間ケーシングシュラウドと保持ケーシングを結合するために用いられるタイプであってもよい。その軸端部の１つ（すなわち、その対称軸に沿って１つの端部）に、カップリングの端部でカップリングの管状中心部分を結合する角度を成した領域または「フランジ」を有してもよく、フランジは、実質的に半径方向に延在する。この端部は、上記端部が接触する構造を用いて管状カップリングを固着することを可能にするボルトを収容するための孔を含む。

さらに最近の複合材料は、３次元ファイバプリフォームを調製することによって、すなわち、３次元においてファイバを織ったり、または編んだりすることによって作製される。そのようなプリフォームは、最終的な複合部品を作製するために、ポリマーによって実質的に高密度化され、プリフォームの経糸が、中実ポリマーマトリックスの中に埋め込まれる。

一例として、そのような高密度化を達成するための１つの知られている技術は、液体含浸であり、インフュージョンとインジェクションとの間には区別がある。インフュージョン技術を用いて、プリフォームが、成形半型（ｍｏｌｄ ｈａｌｆ）とカバーとの間に配置され、ポリマーの化学前駆物質が次に、浸透され、プリフォームの一端を介した液体形態において、真空が、成形半型とカバーとの間に確立される。真空の作用下で、前駆物質が、プリフォーム全体を通じて拡散し、その後、熱処理によって重合され、凝固されるようになっている。インジェクション技術において、プリフォームが、成形型に配置され、続いて、全体的な成形型が充填され（樹脂トランスファ成形（ＲＴＭ）法）、次に熱処理によって重合されるまで、液体前駆物質が複数の点を介して成形型に注入される。

プリフォームを高密度化するために、別の知られている技術は、化学蒸気浸透法（ＣＶＩ）である。プリフォームは次に、エンクロージャに配置され、ポリマーの前駆物質を含む気相が、エンクロージャに入れられる。エンクロージャ内に確立される温度状態および圧縮状態の下で、ガスはプリフォームの中に拡散し、プリフォームのファイバとの接触時にガスがポリマーに変わる。

カップリングが、適切な機械的挙動を有することを保証するために、その外面に関して、カップリングが接触し、組み立てられる部品の表面に正確に適合することが必要である。

残念なことに、カップリングアセンブリ（またはカップリング補強材）に関する幾何的仕様は、きわめて多様である。各アセンブリ構成に関して異なる成形型を構成することにある技術は、経済的に実行可能ではない。さらに、フランジを有するカップリング、特にフランジが周縁にある環状カップリングの場合には、フランジのコーナーにおける曲率半径が小さすぎるため、プリフォームが、これらのフランジのコーナーにおける成形型の輪郭に正確に適合するほど十分に変形されることができない。結果として、緻密化後、カップリングのコーナーは、ポリマーが豊富である領域であり、したがって、機械的に弱い。

したがって、カップリングに関する既存の機械的仕様に適合するために、隣接する部品の表面と接触するそのようなカップリングの領域を機械加工することが必要である。

残念なことに、カップリングを機械加工することは許容可能ではない。なぜなら任意のそのような機械加工は、プリフォームのファイバを切断し、それにより、カップリングの機械的一体性を弱める。カップリングに機械的強度を提供するのはファイバであるためである。

本発明は、任意のアセンブリまたは補強材構成に適合することができ、それ自体の機械的一体性を保持するカップリングを提供することを追求する。

この目的は、カップリングが主要ファイバ構造物によって補強される構造部分を備え、第１の機械加工部分が、主要ファイバ構造物とは異なる第１のファイバ構造物によって補強され、上記構造部分のマトリックスおよび上記第１の機械加工部分のマトリックスが同一であり、上記第１の機械加工部分が、上記構造部分の主要面の少なくとも一部に位置しており、第１の機械加工表面で機械加工され、上記第１の機械加工表面と上記主要ファイバ構造物のファイバとの間には、交差がない、ということから達成される。

これらの配置によって、その外側表面が、カップリングが接触することになる部品の表面に接近して適合するように、カップリング、すなわち、その機械加工部分を機械加工することを可能にし、カップリングの構造部分がない状態でそれを行い、（特に上記構造部分を補強するファイバ構造物）が、機械加工によって切断される。したがって、カップリングは、その機械的性能およびカップリングが固定される構造物に対するその位置決めを保持する。

有利には、カップリングはさらに、上記主要ファイバ構造物とは異なり、第２の機械加工表面において機械加工される第２のファイバ構造物によって補強される第２の機械加工部分を備え、上記第２の機械加工表面と上記主要ファイバ構造物のファイバとの間には交差がなく、上記構造部分のマトリックスおよび上記第２の機械加工部分のマトリックスが、同一であり、上記第２の機械加工部分が、上記主要面と反対側の面の少なくとも一部に位置している。

したがって、カップリングは、機械加工部分によって切断される構造部分がなく、両面で機械加工されることができる。カップリングが、２つの部品の間の締め付け用であるとき、それらの２つの部品のうちの一方と接触することになっているカップリングの面のそれぞれにおける機械加工プリフォームの存在は、それらの２つの部品が接触する、それらの２つの部品の部分に正確に適合する形状をカップリングの外側表面に与えることを可能にする。したがって、カップリングは、堅く締め付けられ、それらの２つの部品間の所定の場所に正確に保持されることができる。

本発明はまた、カップリングを作製する方法を提供する。

本発明によれば、方法は、マンドレルで第１のプリフォームを整形することと、上記第１のプリフォーム上に第２のプリフォームを整形し、上記２つのプリフォームの一方が構造的であることと、共通のポリマーマトリックスを用いて上記第１のプリフォームおよび第２のプリフォームを高密度化して、上記カップリングの第１の部分および第２の部分をそれぞれ形成することと、構造的でないプリフォームを有する部分を機械加工することとを含む。

有利には、方法は、上記第１のプリフォームおよび第２のプリフォームを高密度化する前に、上記第２のプリフォーム上に第３のプリフォームを整形することと、共通のポリマーマトリックスを用いて上記第１のプリフォームおよび第２のプリフォームを高密度化することと同時に、上記第３のプリフォームを高密度化して、第３の部分を形成することと、上記第１の部分および上記第３の部分を機械加工することとを含む。

非限定的な実施例によって与えられる実施形態の以下の詳細な説明を読めば、本発明は、十分に理解され、その利点が、よりよく明白となる。説明は、添付図面について言及する。

本発明の環状カップリングの断面における斜視図である。 ケーシングに組み立てられる本発明の環状カップリングの断面における斜視図である。 本発明の環状カップリングを形成するために、角度を成した環状成形型上に位置決めされたときの機械加工プリフォームの断面における斜視図である。 本発明の環状カップリングを形成するために、バッキング形態と共に、角度を成した環状成形型上に位置決めされたときの機械加工プリフォームの一部の斜視図である。

図１は、主軸Ａを有し、したがって、上記軸を中心に配置される環状の角度を成した領域１０５を有する環状カップリング１００を示す。角度を成した領域１０５は、カップリング１００の一端に近くに位置しており、カップリング１００を円筒領域１０２と、角度を成した領域１０５を半径方向の外側に対して延在する環状半径方向領域１０７とに部分分割する。半径方向領域１０７は、端表面１０８によって終端される。端表面１０８は円筒であり、円筒領域１０２の厚さｅに実質的に等しい距離に向かって軸方向（主軸Ａに沿って）延在する。この厚さｅは、この円筒領域１０２の半径方向の範囲であるものとして定義される。あるいは、この距離は、厚さｅ以外であってもよい。

示された実施例において、角度を成した領域１０５は、実質的に９０°の角度を形成し、半径方向領域１０７が、半径方向外向き方向において、円筒領域１０２に対して垂直に延在する。あるいは、半径方向領域１０７は、半径方向内向きに（すなわち、軸Ａに向かって）延在することが可能である。さらに一般的に、角度を成した領域は、４５°から１８０°の範囲にある角度、例えば、９０°から１８０°の範囲にある角度を形成してもよい。

カップリング１００は、構造部分１３０によって構成され、少なくとも１つの機械加工部分によって構成される。構造部分１３０は、カップリング１００が受ける応力に耐えるように設計される。図１において、機械加工部分は、構造部分１３０の主面１３１の一部に位置している第１の機械加工部分１２０と、主面１３１と反対側の面１３２の一部に位置している第２の機械加工部分１４０とを備える。主面１３１および反対側の面１３２はそれぞれ、構造部分１３０の半径方向外面および半径方向内面である。したがって、第１の機械加工部分１２０は、角度を成した領域１０５の凸面に位置している。第２の機械加工部分１４０は、角度を成した領域１０５の凹面に位置している。第１の機械加工部分１２０は、角度を成した領域１０５および半径方向領域１０７のほか、端表面１０８に沿って、角度を成した領域１０５に直接隣接する円筒領域１０２の部分領域１０４から延在する。

カップリング１００は、複合材料から構成され、すなわち、ファイバ構造物によって補強されるマトリックスを備える。したがって、構造部分１３０は、主要ファイバ構造物３０によって補強されるポリマーマトリックスを備える。同様に、第１の機械加工部分１２０は、第１のファイバ構造物２０によって補強されるポリマーマトリックスを備え、第２の機械加工部分１４０は、第２のファイバ構造物４０によって補強されるポリマーマトリックスを備える。これらのファイバ構造物は、互いに別個であり、すなわち、共通のファイバを有していない。第１の機械加工部分１２０および第２の機械加工部分１４０の構造部分１３０のポリマーマトリックスは、連続マトリックスを形成し、すなわち、互いに一体のピースを備える。この連続性は、以下に記載されるようなカップリング１００を作製する方法から生じ、構造部分のマトリックスおよび機械加工部分のマトリックスが、異なるポリマーから構成される場合よりよい機械的一体性をこのカップリング１００に与える。

例えば、第１のファイバ構造物２０、主要ファイバ構造物３０、第２のファイバ構造物４０のそれぞれは、織られたファイバまたは編まれたファイバのプリフォームによって構成され、したがって、プリフォームは、３次元（３Ｄ）プリフォームである。

機械加工部分１２０および１４０の役割は、本質的に幾何的である。これらの部分は、各カップリングが固定される隣接部品の形状に可能な限り近い形状をカップリング１００に与え、外側表面がそれらの隣接部品の形状に適合するように機械加工され得る。したがって、カップリング１００は、それに隣接する部品に対して正確に保持し、安定した態様でそれに固定されることができる。さらに、カップリング１００の機械的一体性、すなわち、使用中のその機械的性能が、保持される。機械加工部分は、第１のファイバ構造物２０および第２のファイバ構造物４０にのみにおけるファイバを切断するため（機械加工部分面、すなわち、機械加工部分ツールによって連結される表面と主要ファイバ構造物３０のファイバとの間に交差がない）、カップリング１００に機械的性能を与える主要ファイバ構造物３０は、カップリング１００を機械加工することによって損傷を受けない。

例えば、図２に示されているように、図１のカップリング１００の第１の機械加工部分１２０が、機械加工され、隣接部品２００の表面２２２と接触することになっているこの第１の機械加工部分１２０の保持面１２２は、上記表面２２２に正確に適合するようになっている。例えば、この保持面１２２は、主軸Ａに対して実質的に垂直に延在する第１の機械加工部分１２０の面である。

図１のカップリング１００の第２の機械加工部分１４０は、バッキングプレート３００の凸表面３４２と接触することになっているこの第２の機械加工部分１４０の保持凹表面１４２が、この凸表面３４２に正確に適合するように機械加工される。

カップリング１００の両面におけるそれぞれの機械加工部分プリフォームの使用は、これらの面が正確に平行であることを保証することを可能にしている。

したがって、カップリング１００は、隣接部品２００とバッキング面３００との間で、近くかつ確実に保持される。一例として、このアセンブリは、カップリング１００を通過するボルトによって、ボルトのナットがバッキングプレートを（あるいは、第２の機械加工部分１４０上に配置されるワッシャを）保持する状態でナットを用いて互いに保持されることができる。ボルトが通過する孔を構成するために、カップリング上に行われる機械加工は、機械加工部分に施される機械加工と混同すべきではない。これらの孔の機械加工は、カップリングの外側表面を接触する部品の表面と適合するように機能していない。

隣接部品の形状に応じて、カップリング１００は、第１の機械加工部分１２０のみを有する必要があるか（第２の機械加工部分１４０を有していない）、または第２の機械加工部分１４０のみを有する必要がある（第１の機械加工部分１２０を有していない）。

カップリング１００の他方の軸端部（図示せず）はまた、機械加工されることになっている１つ以上の機械加工部分を含み、別の隣接部品の形状に適合してもよい。例えば、カップリング１００の他方の端部は、図２に示される軸端部の形状に類似であってもよく、すなわち、角度を成してもよい。

上述の説明は、カップリング１００が環状形状のカップリングである状況、例えば、機械加工部分が同様に角度を成すように、１つ以上の角度を成した領域を有するアセンブリカップリングに関する。あるいは、カップリングは、機械加工部分が実質的に平面であるような形状であってもよい。

そのようなカップリングは、任意のタイプのケーシングまたはシュラウドに接続を構成するために用いられることができる。例えば、ターボ機械は、そのようなカップリングを含んでもよい。

カップリングはまた、壁上に固定するために（例えば、ボルト締めによる）補強部品であってもよい。補強部品は、補強材、例えば、Ｔ字形補強材またはＬ字形補強材であってもよい。そのような補強材はまた、固定機器用のカップリングを形成してもよい。

カップリングを作製する方法は、図３および図４を参照して以下に記載される。図３は、主軸Ａを有する環状マンドレル１０を示す。このマンドレル１０は、マンドレル１０の半径方向部分１７から主軸Ａを中心に配置されるマンドレル１０の円筒部分１２を分離する角度を成した部分１５を有する。示された実施例において、マンドレル１０は、半径方向部分１７、角度を成した部分１５、角度を成した部分１５に隣接する管状部分１２の一部分（ｓｕｂｐｏｒｔｉｏｎ）１４を含む一次部分１０ａと、角度を成した部分１５から最も遠い管状部分１０の領域を含む二次部分１０ｂとに部分分割される。マンドレル上のこの部分分割は、カップリング１００の次の成形を容易にし、マンドレル１０は、成形型の壁の１つを構成する。

第１のプリフォーム２０は、半径方向部分１７、角度を成した部分１５および管状部分１２の一部分１４を覆うように、マンドレル１０の周囲に形成される。第２のプリフォーム３０が次に、第１のプリフォーム２０の周囲に形成される。第２のプリフォーム３０は、上記で説明したように、カップリングが受けることになっている応力（機械応力および熱応力の両方）の主要部品を支持するための構造的プリフォームである。図３に示されているように、第３のプリフォーム４０が次に、第２のプリフォーム３０の周囲に形成される。

あるいは、第２のプリフォーム３０は、その周囲に形成されるプリフォームを有する必要がない。

あるいは、第２のプリフォーム３０は、マンドレル１０上に直接形成されてもよい。

プリフォームは、種々の方法を用いて形成されてもよい。したがって、以下の方法の１つを用いて、すなわち、マンドレル１０の周囲に織られたファイバプリフォームまたは編まれたファイバプリフォームを巻きつけ、または主軸Ａに沿って織られたファイバまたは編まれたファイバのリング（ソックス）を係合することによって、またはマンドレル１０の周囲のフィラメント状のファイバを巻きつけることによって、またはポリマーを用いて予備含浸されたファイバからそれぞれ構成されるプライを堆積することによって、形成することが可能である。最後の２つの実施例において、プリフォームは、二次元（２Ｄ）プリフォームである。

プリフォーム間の界面における応力を最小限に抑えるために、第１のプリフォーム２０、第２のプリフォーム３０、第３のプリフォーム４０のそれぞれは好ましくは、同一タイプのファイバによって構成される。

一例として、これらのプリフォームは、カーボンファイバまたは、グラスファイバから構成されてもよい。

第１のプリフォーム２０、第２のプリフォーム３０および第３のプリフォーム４０は次に、共通のポリマーマトリックスに埋め込まれるように高密度化され、それにより、複合材料から構成されるカップリング１００を構成する。

種々の高密度化法が、用いられることができる。これらの方法は、従来技術で知られており、したがって、簡単にのみ記載される。

例えば、プリフォーム高密度化は、インフュージョン、すなわち、カップリング１００の周囲にカバー（図示せず）を配置することによって行われ、マンドレルに固定され、密封されたエンクロージャを構成するようにしてもよい。カップリングのマトリックスを形成することになっているポリマーが次に、エンクロージャに挿入され、真空が次に、エンクロージャ内に確立され、プリフォームのすべての十分な含浸を得るようになっている。その後で、ポリマーが、知られている方法で硬化される。

あるいは、プリフォームは、知られている樹脂トランスファ成形（ＲＴＭ）法を用いて、インジェクションによって高密度化される。

あるいは、プリフォームは、インフュージョンによって高密度化され、図４に示されているように、バッキングフォーム７０が、用いられる。このバッキングフォーム７０は、第３のプリフォーム４０を覆い、その結果、上記バッキングフォームとマンドレル１０との間の位置に、第１のプリフォーム２０、第２のプリフォーム３０および第３のプリフォームを保持し、マトリックスを構成するポリマーのインフュージョン中にプリフォームが移動しないようにする。したがって、図４に示されているように、角度を成した領域を有する環状プリフォームの場合には、バッキングフォーム７０は、第３のプリフォーム４０の面全体（または上記第２のプリフォーム３０と第１のプリフォーム２０との間の界面と実質的に反対側の第２のプリフォーム３０の面全体）を覆う環状の角度を成した表面７７を有する。

本発明の方法は、任意のプリフォーム高密度化技術を用いてもよく、上述の技術に限定されるわけではない。

１０ 環状マンドレル
１０ａ 一次部分
１０ｂ 二次部分
１２ 円筒部分
１４ 管状部分１２の一部分
１５ 角度を成した部分
１７ 半径方向部分
２０、３０、４０ プリフォーム
７０ バッキングフォーム
７７ 環状の角度を成した表面
１００ 環状カップリング
１０２ 円筒領域
１０４ 円筒領域１０２の部分領域
１０５ 環状の角度を成した領域
１０７ 環状半径方向領域
１０８ 端表面
１２０、１４０ 機械加工部分
１２２、１４２ 保持面
１３０ 構造部分
１３１、１３２ 構造部分の主面
２００ 隣接部品
２２２ 隣接部品の表面
３００ バッキングプレート
３４２ 凸表面
Ａ 主軸
ｅ 円筒領域１０２の厚さ

Claims (14)

1. ファイバ構造物によって補強されるポリマーマトリックスを備える複合材料から構成されるカップリング（１００）であって、前記カップリングが、主要ファイバ構造物（３０）によって補強される構造部分（１３０）と、主要ファイバ構造物（３０）とは異なる第１のファイバ構造物（２０）によって補強される第１の機械加工部分（１２０）とを備え、前記構造部分（１３０）のマトリックスおよび前記第１の機械加工部分（１２０）のマトリックスが、同一であり、前記第１の機械加工部分（１２０）が、前記構造部分（１３０）の主面の少なくとも一部に位置し、第１の機械加工表面で機械加工され、前記第１の機械加工表面と前記主要ファイバ構造物（３０）のファイバとの間に交差がなく、前記第１の機械加工表面は、部品の表面に合致しおよびこの部品と機械的に締結されるようになっていることを特徴とする、カップリング（１００）。
2. 環状であることを特徴とする、請求項１に記載のカップリング（１００）。
3. 前記第１のファイバ構造物（２０）および前記主要ファイバ構造物（３０）のそれぞれが、織られたプリフォームおよび編まれたプリフォームによって構成される群より選択されるプリフォームによって構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のカップリング（１００）。
4. 前記主要ファイバ構造物（３０）とは異なる第２のファイバ構造物（４０）によって補強され、第２の機械加工表面に機械加工される第２の機械加工部分（１４０）をさらに備え、前記第２の機械加工表面と前記主要ファイバ構造物（３０）のファイバとの間では交差せず、前記構造部分（１３０）のマトリックスおよび前記第２の機械加工部分（１４０）のマトリックスが、同一であり、前記第２の機械加工部分（１４０）が、前記主面と反対側の面の少なくとも一部に位置していることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のカップリング（１００）。
5. 前記第１のファイバ構造物（２０）、前記第２のファイバ構造物（４０）および前記主要ファイバ構造物（３０）のそれぞれが、織られたプリフォームおよび編まれたプリフォームによって構成される群より選択されるプリフォームによって構成されることを特徴とする、請求項４に記載のカップリング（１００）。
6. 角度を成した領域（１０５）を含み、前記第１の機械加工部分（１２０）が、前記角度を成した領域（１０５）の凸面上に位置していることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のカップリング（１００）。
7. 前記角度を成した領域（１０５）が、範囲９０°から１８０°にある角度を形成することを特徴とする、請求項６に記載のカップリング（１００）。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のカップリング（１００）を含むターボ機械。
9. 方法が、マンドレルで第１のプリフォームを整形することと、前記第１のプリフォーム上に第２のプリフォームを整形し、前記２つのプリフォームの一方が構造的であることと、共通のポリマーマトリックスを用いて前記第１のプリフォームおよび第２のプリフォームを高密度化して、前記カップリングの第１の部分および第２の部分をそれぞれ形成することと、構造的でないプリフォームを有する部分を機械加工することとを含むことを特徴とする、カップリング（１００）を作製する方法。
10. 前記第１のプリフォームおよび前記第２のプリフォームが、織物および編物によって構成される群より選択される方法によって作製されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記第１のプリフォームおよび前記第２のプリフォーム（２０、３０）を高密度化する前に、前記第２のプリフォーム（３０）上に第３のプリフォーム（４０）を整形することと、共通のポリマーマトリックスを用いて前記第１のプリフォームおよび前記第２のプリフォーム（２０、３０）を高密度化することと同時に、前記第３のプリフォーム（４０）を高密度化して、第３の部分（１４０）を形成することと、前記第１の部分（１２０）および前記第３の部分（１４０）を機械加工することとを含むことを特徴とする、請求項９に記載の方法。
12. 前記第１のプリフォーム、前記第２のプリフォーム、前記第３のプリフォーム（２０、３０、４０）が、織物および編物によって構成される群より選択される方法によって作製されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記カップリング（１００）が、角度を成した領域（１０５）を含むことを特徴とする、請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記角度を成した領域（１０５）が、範囲９０°から１８０°にある角度を形成することを特徴とする、請求項１３に記載の方法。

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