JP5675482B2 - 複合材部品の締結方法 - Google Patents

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Description

本発明はボルトやリベットのような締結部品（ファスナー）を用いて複合材部品を締結する締結方法に関する。
特許文献１は、被接合物を接合する打鋲装置を開示している。打鋲装置は、被接合物の板厚に基づいて、リベットを被接合物に没入する押込み量を調節する。これによって、リベットの表面と被接合物の表面とを面一にする。
図１は、締結部品４２０及びナット４４０により締結された被締結物３００を示す。締結部品４２０は、皿ボルトを含む。被締結物３００は、重ねられた部品３５１及び３５２を含む。被締結物３００には、被締結物３００の一方側の表面３００ｂから他方側の表面３００ｃへ貫通する皿穴付き孔３００ａが形成されている。皿穴付き孔３００ａの皿穴部分は表面３００ｂ側に配置される。被締結物３００を締結する方法は、皿穴付き孔３００ａに締結部品４２０を配置するステップと、締結部品４２０にナット４４０を装着するステップとを含む。ここで、表面３００ｂから締結部品４２０の頭部上面４２１ａまでの皿穴付き孔３００ａの軸方向の距離としての平滑度Ｂ３００は、所定の範囲に管理される。平滑度Ｂ３００は、頭部上面４２１ａの表面３００ｂからの沈み込み又は突き出しを表す。
近年、金属部品にかわって繊維強化プラスチックのような複合材の部品が用いられるケースが増加している。例えば、航空機には多くの複合材部品が用いられるようになってきた。航空機の製造においては、空気抵抗の低減のため、平滑度の管理が特に重要である。
特開２００７−２０３３０７号公報
本発明者は、以下のように認識している。複合材は、圧縮力を受けたときの潰れが金属に比べて大きい。したがって、部品３５１及び３５２が複合材部品である場合、ナット４４０締め付け前の被締結物３００の厚さを測定したとしても、その厚さのみに基づいて平滑度Ｂ３００を管理することは難しい。リベットを用いて複合材の被締結物を締結する場合も、同様の理由から、締結前の被締結物の厚さのみに基づいてリベットの平滑度を管理することが難しい。
したがって、本発明の目的は、複合材部品を締結するための締結部品の平滑度の管理が容易な締結方法を提供することである。
以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
本発明による複合材部品の締結方法は、重ねられた複数の複合材部品（５１、５２）としての第１被締結物（１１０）に形成された第１皿穴付き孔（１００ａ）に配置された第１締結部品（２５）の第１平滑度（Ａ１０）を測定するステップと、前記第１平滑度に基づいて第２皿穴深さ（ｄ１１）を決定するステップと、重ねられた複数の複合材部品（５１、５２）としての第２被締結物（１１１）に前記第２皿穴深さの第２皿穴付き孔（１００ａ）を形成するステップと、前記第２皿穴付き孔に配置される第２締結部品（２５）を用いて前記第２被締結物を締結するステップとを具備する。
上記締結方法は、前記第１平滑度を測定する前記ステップの後に、前記第１締結部品を用いて前記第１被締結物を締結するステップと、前記第１被締結物を締結する前記ステップの後に、前記第１締結部品の第２平滑度（Ｂ１０）を測定するステップとを更に具備する。前記第２皿穴深さを決定する前記ステップにおいて、前記第１平滑度及び前記第２平滑度に基づいて前記第２皿孔深さを決定する。
上記締結方法は、前記第２皿穴付き孔が形成されるべき部位における前記第２被締結物の厚さ（ｔ１１）を測定するステップと、前記第２皿穴深さ及び前記厚さに基づいて前記第２締結部品を選択するステップとを更に具備する。
前記第２皿穴深さを決定する前記ステップにおいて、皿穴深さ演算式（１３）を用いて前記第２皿穴深さを決定する。上記締結方法は、前記第２被締結物を締結する前記ステップの前に、前記第２皿穴付き孔に配置された前記第２締結部品の第２締結部品第１平滑度（Ａ１１）を測定するステップと、前記第２被締結物を締結する前記ステップの後に、前記第２皿穴付き孔に配置された前記第２締結部品の第２締結部品第２平滑度（Ｂ１１）を測定するステップと、前記第２締結部品第１平滑度、前記第２締結部品第２平滑度、及び前記第２皿穴深さに基づいて前記皿穴深さ演算式を更新するステップと、更新された前記皿穴深さ演算式に基づいて第３皿穴深さ（ｄ２１）を決定するステップと、重ねられた複数の複合材部品（５１、５２）としての第３被締結物（１２１）に前記第３皿穴深さの第３皿穴付き孔（１００ａ）を形成するステップと、前記第３皿穴付き孔に配置される第３締結部品（２５）を用いて前記第３被締結物を締結するステップとを更に具備する。
前記第１締結部品は第１皿ボルト（２０）を備える。前記第２締結部品は第２皿ボルト（２０）を備える。前記第２被締結物を締結する前記ステップは、前記第２皿ボルトにナット（３０）を装着するステップを含む。
本発明によれば、複合材部品を締結するための締結部品の平滑度の管理が容易な締結方法が提供される。
図１は、締結部品で締結された部品の断面図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係る締結方法におけるデータベース構築を説明するための概念図である。 図３は、第１実施形態に係る締結方法における被締結物の厚さを測定する工程を説明するための被締結物の断面図である。 図４は、第１実施形態に係る締結方法における皿穴を形成する工程を説明するための被締結物の断面図である。 図５は、第１実施形態に係る締結方法において被締結物を締結するための締結部品を示す。 図６は、第１実施形態に係る締結方法において締結部品が配置された被締結物の断面図である。 図７は、第１実施形態に係る締結方法における結果物としての結合体を示す。 図８は、第１実施形態に係る締結方法における皿穴深さ演算式を求める工程を説明するための概念図である。 図９は、第１実施形態に係る締結方法において皿穴深さ演算式を利用して被締結物を締結する方法を説明するための概念図である。 図１０は、本発明の第２の実施形態に係る締結方法においてグリップ長さ決定テーブルを利用して被締結物を締結する方法を説明するための概念図である。
添付図面を参照して、本発明による締結方法を実施するための形態を以下に説明する。
（第１の実施形態）
図２を参照して、本発明の第１の実施形態に係る締結方法を説明する。本実施形態に係る締結方法において、被締結物としてのワーク１００から、穴あけ工程、締結部品配置工程、及び締結工程を経て、結合体２００が製造される。穴あけ工程において、ワーク１００に複数の皿穴付き孔が形成される。締結部品配置工程において、複数の皿穴付き孔にそれぞれ複数の締結部品が配置される。締結工程において、複数の締結部品にそれぞれ複数のナットが装着されてワーク１００が締結される。以下、複数の皿穴付き孔の一つとしての第Ｎ孔について説明するが、他の孔についても同様である。
穴あけ工程において、厚さｔ及び皿穴深さｄを測定する。締結部品配置工程において、平滑度Ａを測定する。締結工程において、平滑度Ｂを測定する。
図３を参照して、穴あけ工程における厚さｔの測定を説明する。厚さｔは、後述する皿穴付き孔１００ａを形成すべき部位におけるワーク１００の厚さである。ワーク１００は、重ねられた複数の複合材部品５１及び５２を含む。例えば、ワーク１００の一方側の表面１００ｂ及び他方側の表面１００ｃに厚さ測定器１５を接触させて厚さｔを測定する。厚さｔは、ワーク１００に皿穴付き孔１００ａを形成する前に測定される。
図４を参照して、穴あけ工程において、ワーク１００を表面１００ｂから表面１００ｃへ貫通する皿穴付き孔１００ａを形成する。皿穴付き孔１００ａは、ワーク１００に形成される複数の皿穴付き孔のうちの第Ｎ孔である。皿穴付き孔１００ａの皿穴部分は表面１００ｂ側に配置される。皿穴付き孔１００ａの皿穴深さｄを検出する。例えば、皿穴形成工具１６の実際の送り量に基づいて皿穴深さｄを検出してもよく、皿穴形成工具１６の送り量の指令値に基づいて皿穴深さｄを形成してもよく、皿穴付き孔１００ａを形成した後で皿穴深さｄを他の手段で検出してもよい。
図５を参照して、ワーク１００の締結に用いられる締結部品（ファスナー）２５は、皿ボルト２０と、スリーブ４０とを備える。皿ボルト２０は、頭部２１と、円筒部２２と、ねじ部２３とを備える。頭部２１は頭部上面２１ａを有する。円筒部２２は、頭部２１とねじ部２３の間に配置される。円筒部２２にはねじが形成されていない。スリーブ４０は、円筒部２２に被せられている。スリーブ４０の頭部２１に近い側の端部４０ａと円筒部２２のねじ部２３に近い側の端部２２ａとの間の締結部品２５の軸方向の距離は、締結部品２５のグリップ長さＬと称される。
図６を参照して、締結部品配置工程において、締結部品２５を皿穴付き孔１００ａに挿入し、更にエアハンマー等を用いて締結部品２５を打ち込んで締結部品２５を皿穴付き孔１００ａに配置する。締結部品２５を皿穴付き孔１００ａに配置した状態において、頭部２１が皿穴付き孔１００ａの皿穴部分に配置され、ねじ部２３が表面１００ｃから突き出す。締結部品２５を皿穴付き孔１００ａに配置した後、平滑度Ａ及び突き出し量Ｐを測定する。平滑度Ａは、表面１００ｂから頭部上面２１ａまでの皿穴付き孔１００ａの軸方向の距離である。平滑度Ａは、頭部上面２１ａの表面１００ｂからの沈み込み又は突き出しを表す。突き出し量Ｐは、表面１００ｃから円筒部２２の端部２２ａまでの貫通孔１００ａの軸方向の距離である。後述するようにナット３０をねじ部２３に装着して複合材部品５１及び５２を締結するためには、突き出し量Ｐが所定の範囲内であることが必要である。尚、突き出し量Ｐが所定の範囲内にない場合、締結部品２５を取り外し、取り外した締結部品２５とはグリップ長さＬの異なる別の締結部品２５を皿穴付き孔１００ａに配置する。
図７を参照して、締結工程において、ナット３０をねじ部２３に装着して複合材部品５１及び５２を締結して結合体２００を製造する。締結の後、平滑度Ｂを測定する。平滑度Ｂは、表面１００ｂから頭部上面２１ａまでの皿穴付き孔１００ａの軸方向の距離である。平滑度Ｂは、頭部上面２１ａの表面１００ｂからの沈み込み又は突き出しを表す。平滑度Ｂを所定の範囲に管理する必要がある。ここで、ナット３０の締結部品２５への装着により複合材部品５１及び５２が締め付けられて潰れる。その結果、頭部上面２１ａが皿穴付き孔１００ａの奥の方に引き込まれる。平滑度Ｂと平滑度Ａの差（Ｂ−Ａ）を締結部品２５の引き込み量Δｔとして定義する。
図２を参照して、ワーク１０１〜１１０の各々はワーク１００である。結合体２０１〜２１０の各々は結合体２００である。ワーク１０１〜１１０から、穴あけ工程、締結部品配置工程、及び締結工程を経て、結合体２０１〜２１０を製造する。このとき、コンピュータ１０に格納されるデータベース１１が構築される。ワーク１０１の第Ｎ孔についての厚さｔ、皿穴深さｄ、平滑度Ａ、及び平滑度Ｂとしての厚さｔ１、皿穴深さｄ１、平滑度Ａ１、及び平滑度Ｂ１をそれぞれ測定する。ワーク１０２〜１１０についても同様に、厚さｔ２〜ｔ１０、皿穴深さｄ２〜ｄ１０、平滑度Ａ２〜Ａ１０、及び平滑度Ｂ２〜Ｂ１０を測定する。データベース１１は、第Ｎ孔について、厚さｔ１〜ｔ１０、皿穴深さｄ１〜ｄ１０、平滑度Ａ１〜Ａ１０、及び平滑度Ｂ１〜Ｂ１０を含むように構築される。このように、データベース１１においては、データが孔ごとに管理される。
図８を参照して、本実施形態に係る締結方法において、データベース１１と結合体２００の図面データ１２とに基づいて、第Ｎ孔についての皿穴深さ演算式１３を決定する。ここで、図面データ１２は、結合体２００の寸法等を指定するデータである。例えば、皿穴深さｄ１〜ｄ１０、平滑度Ａ１〜Ａ１０、及び平滑度Ｂ１〜Ｂ１０に基づいて皿穴深さ演算式１３を決定する。皿穴深さ演算式１３は、前のワーク１００（先に締結されるワーク）についての平滑度Ａ及びＢから、後のワーク１００（後に締結されるワーク）の皿穴深さｄを後のワーク１００の平滑度Ｂが所定の範囲内になるように決定するための式である。皿穴深さ演算式１３を用いることで、引き込み量Δｔを予め考慮して皿穴深さｄを決定することが可能である。
図９を参照して、皿穴深さ演算式１３を用いてワーク１１１〜１２１から結合体２１１〜２２１を製造する方法を説明する。ワーク１１１〜１２１の各々はワーク１００である。結合体２１１〜２２１の各々は結合体２００である。ワーク１１１〜１２１から、穴あけ工程、締結部品配置工程、及び締結工程を経て、結合体２１１〜２２１を製造する。皿穴深さ演算式１３を用いてワーク１１１〜１２１から結合体２１１〜２２１を製造する方法は、以下の説明を除いて、図２〜図７を参照して説明した上記方法と同様である。ワーク１１１の穴あけ工程で利用するため、コンピュータ１０は、皿穴深さ演算式１３を用いて平滑度Ａ１０及びＢ１０から皿穴深さｄ１１を決定し、皿穴深さｄ１１を出力する。ワーク１１１の穴あけ工程において、皿穴深さｄ１１の皿穴付き孔１００ａを形成する。ワーク１１１についての厚さｔ１１、皿穴深さｄ１１、平滑度Ａ１１、及び平滑度Ｂ１１を測定し、データベース１１に追加する。ワーク１１２〜２２１についてもワーク１１１の場合と同様に、皿穴深さ演算式１３を用いて一つ前のワークについての平滑度Ａ及びＢから皿穴深さｄ１２〜ｄ２１を決定し、皿穴深さｄ１２〜ｄ２１の皿穴付き孔１００ａを形成する。更に、ワーク１１２〜２２１についての厚さｔ１２〜ｔ２１、皿穴深さｄ１２〜ｄ２１、平滑度Ａ１２〜Ａ２１、及び平滑度Ｂ１２〜Ｂ２１を測定してデータベース１１に追加する。
本実施形態によれば、前のワーク１００についての平滑度Ａ及びＢに基づいて後のワーク１００の皿穴深さｄを決定しているため、後のワーク１００における平滑度Ｂを所定の範囲に管理することが容易である。
平滑度Ａ２０及び平滑度Ｂ２０からワーク１２１の皿穴深さｄ２１を決定するかわりに、平滑度Ａ１１〜Ａ２０の平均値及び平滑度Ｂ１１〜Ｂ２０の平均値からワーク１２１の皿穴深さｄ２１を決定してもよい。複数のワーク１００についてのデータを用いて後のワーク１００に形成すべき皿穴付き孔１００ａの皿穴深さｄを決定することで、異常な引き込み量Δｔを示すワーク１００がたった一つ存在したときに、そのワーク１００の平滑度Ａ及びＢが後のワーク１００についての皿穴深さｄの決定に大きく影響することが防止される。
尚、平滑度Ａと平滑度Ｂとの間に相関関係を見出すことができれば、平滑度Ａのみから皿穴深さｄを決定できるように皿穴深さ演算式１３を決定し、この皿穴深さ演算式１３を用いて前のワーク１００についての平滑度Ａから後のワーク１００についての皿穴深さｄを決定することが好ましい。このようにすることで、前のワーク１００についての締結工程が完了する前に後のワーク１００についての穴あけ工程を実行することができる。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る締結方法は、以下の説明を除いて第１の実施形態に係る締結方法と同じである。
図１０を参照して、グリップ長さ決定テーブル１４を用いてワーク１１１〜１２１から結合体２１１〜２２１を製造する方法を説明する。グリップ長さ決定テーブル１４は、ワーク１００についての厚さｔ及び皿穴深さｄから、そのワーク１００の締結に用いる締結部品２５のグリップ長さＬをそのワーク１００についての突き出し量Ｐが所定の範囲内になるように決定するためのテーブルである。ワーク１１１の締結部品配置工程で利用するために、コンピュータ１０は、グリップ長さ決定テーブル１４を用いて厚さｔ１１及び皿穴深さｄ１１からグリップ長さＬを決定する。ワーク１１１の締結部品配置工程において、決定されたグリップ長さＬを有する締結部品２５を選択し、選択した締結部品をワーク１１１の皿穴付き孔１００ａに配置する。ワーク１１２〜１２１についても、ワーク１１１の場合と同様に、ワーク１１２〜１２１の皿穴付き孔１００ａに配置すべき締結部品２５を選択する。
本実施形態によれば、突き出し量Ｐを確実に所定の範囲内とすることができる。したがって、皿穴付き孔１００ａに配置した締結部品２５を別の締結部品２５に交換する作業が不要になる。
尚、上記第１の実施形態及び第２の実施形態において、皿穴深さ演算式１３の決定後に得られたデータ（例えば、ワーク１１１〜１１５についての皿穴深さｄ１１〜ｄ１５、平滑度Ａ１１〜Ａ１５、及び平滑度Ｂ１１〜Ｂ１５）に基づいて皿穴深さ演算式１３を更新し、更新した皿穴深さ演算式１３を用いてワーク１２１の皿穴深さｄ２１を決定してもよい。このようにすることで、最新のデータを皿穴深さ演算式１３に反映させることができる。
以上、実施の形態を参照して本発明による締結方法を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、上記実施形態に様々な変更を行ったものも本発明に含まれる。例えば、本発明をリベットを用いた締結方法に適用してもよい。
１０…コンピュータ
１１…データベース
１２…図面データ
１３…皿穴深さ演算式
１４…グリップ長さ決定テーブル
１５…厚さ測定器
１６…皿穴形成工具
２５…締結部品
２０…皿ボルト
２１…頭部
２１ａ…頭部上面
２２…円筒部
２２ａ…端部
２３…ねじ部
３０…ナット
４０…スリーブ
４０ａ…端部
５１、５２…複合材部品
１００（１０１〜１２１）…ワーク
１００ａ…皿穴付き孔
１００ｂ、１００ｃ…表面
２００（２０１〜２２１）…結合体
３００…被締結物
３００ａ…皿穴付き孔
３００ｂ、３００ｃ…表面
３５１、３５２…部品
４２０…締結部品（皿ボルト）
４２１ａ…頭部上面
４４０…ナット
ｔ（ｔ１〜ｔ２１）…厚さ
ｄ（ｄ１〜ｄ２１）…皿穴深さ
Ａ（Ａ１〜Ａ２１）…平滑度
Ｂ（Ｂ１〜Ｂ２１）…平滑度
Ｐ…突き出し量
Ｌ…グリップ長さ
Ｂ３００…平滑度

Claims (5)

  1. 重ねられた複数の複合材部品としての第１被締結物に形成された第１皿穴付き孔に配置された第１締結部品の第１平滑度を測定するステップと、
    前記第１平滑度に基づいて第２皿穴深さを決定するステップと、
    重ねられた複数の複合材部品としての第２被締結物に前記第２皿穴深さの第２皿穴付き孔を形成するステップと、
    前記第２皿穴付き孔に配置される第２締結部品を用いて前記第２被締結物を締結するステップと
    を具備する
    複合材部品の締結方法。
  2. 請求項１に記載の複合材部品の締結方法であって、
    前記第１平滑度を測定する前記ステップの後に、前記第１締結部品を用いて前記第１被締結物を締結するステップと、
    前記第１被締結物を締結する前記ステップの後に、前記第１締結部品の第２平滑度を測定するステップと
    を更に具備し、
    前記第２皿穴深さを決定する前記ステップにおいて、前記第１平滑度及び前記第２平滑度に基づいて前記第２皿孔深さを決定する
    複合材部品の締結方法。
  3. 請求項１又は２に記載の複合材部品の締結方法であって、
    前記第２皿穴付き孔が形成されるべき部位における前記第２被締結物の厚さを測定するステップと、
    前記第２皿穴深さ及び前記厚さに基づいて前記第２締結部品を選択するステップと
    を更に具備する
    複合材部品の締結方法。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の複合材部品の締結方法であって、
    前記第２皿穴深さを決定する前記ステップにおいて、皿穴深さ演算式を用いて前記第２皿穴深さを決定し、
    前記第２被締結物を締結する前記ステップの前に、前記第２皿穴付き孔に配置された前記第２締結部品の第２締結部品第１平滑度を測定するステップと、
    前記第２被締結物を締結する前記ステップの後に、前記第２皿穴付き孔に配置された前記第２締結部品の第２締結部品第２平滑度を測定するステップと、
    前記第２締結部品第１平滑度、前記第２締結部品第２平滑度、及び前記第２皿穴深さに基づいて前記皿穴深さ演算式を更新するステップと、
    更新された前記皿穴深さ演算式に基づいて第３皿穴深さを決定するステップと、
    重ねられた複数の複合材部品としての第３被締結物に前記第３皿穴深さの第３皿穴付き孔を形成するステップと、
    前記第３皿穴付き孔に配置される第３締結部品を用いて前記第３被締結物を締結するステップと
    を更に具備する
    複合材部品の締結方法。
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の複合材部品の締結方法であって、
    前記第１締結部品は第１皿ボルトを備え、
    前記第２締結部品は第２皿ボルトを備え、
    前記第２被締結物を締結する前記ステップは、前記第２皿ボルトにナットを装着するステップを含む
    複合材部品の締結方法。
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