JP6560275B2 - 熱可塑性複合材管の誘導加熱及び曲げ加工の装置並びにその使用法 - Google Patents

Description

本発明は熱可塑性チューブの曲げ加工に関し、より詳細には、熱可塑性複合材管の誘導加熱及び曲げ加工の装置、並びに方法に関する。

航空機部品及び航空機エンジンは、効率的であるために軽量の部品を必要とする。従来、燃料流及びガス流の管類は、金属材料で形成される。金属材料で形成された管類を、より軽量の熱可塑性材料に代替することで、より軽量でより効率的なエンジン及び航空機部品をもたらすことができる。しかしながら、従来の熱可塑性材料は、そのような用途に適した強度特性を有していない。繊維強化複合材管は、標準的な熱可塑性樹脂で得られる強度よりもより高い強度を必要とするいくつかの特定の用途に用いることができる。しかしながら、航空機部品及び航空機エンジンに好適な湾曲部及び回転部を備えた繊維強化チューブを製造する従来の方法は、複雑で費用が掛かる。

米国特許第８７９６６００号明細書

この必要性は、ファイバーで強化された熱可塑性複合材管を１つ以上の湾曲部を有する形状に形成するための装置及び方法によって、対処される。この方法は、管を曲げるのに先立って、誘導加熱を利用して制御された方法で所定の長さの管を軟化させる。

誘導コイルを含む、複合材管の曲げ加工装置を提供する。誘導コイルは複数の巻線を含んでおり、巻線間の間隔は、誘導コイルの長さに沿って少なくとも１回変わる。誘導コイルの近傍には、加熱素子が配置され、誘導コイルは、加熱素子の温度を上昇させるように構成される。

誘導コイル及び加熱素子を用いて曲げ加工のために複合材管を加熱する、複合材管の曲げ加工方法を提供する。この方法は、複合材管の少なくとも一部が加熱素子の近傍に配置されるように、複合材管を配置する工程と、誘導コイルに電流を流す工程と、加熱素子を加熱する工程と、複合材管の作業領域Ｗを加熱する工程と、作業領域Ｗがダイとクランプとの間にあるように配置する工程と、作業領域Ｗがダイとクランプとの間に挟まり、複合材管がダイの周囲で曲げられて湾曲部を形成するように、曲げ加工機を閉じる工程とを含む。

本発明は、添付の図面と併せて以下の説明を参照することにより、もっともよく理解することができる。
熱可塑性チューブの誘導加熱及び曲げ加工の装置の一部破断側面図である。 １つの湾曲部を有する複合材管を示す、熱可塑性チューブの誘導加熱及び曲げ加工の装置の一部破断側面図である。 １つの湾曲部を有し、第２の湾曲部を形成できるように配置された複合材管を示す、熱可塑性チューブの誘導加熱及び曲げ加工の装置の一部破断側面図である。 ２つの湾曲部が形成された複合材管を示す、熱可塑性チューブの誘導加熱及び曲げ加工の装置の一部破断側面図である。 本発明による誘導コイルを従来の誘導コイルと比較する、４つの異なる誘導コイルの仮想の温度分布を示す図である。

同一の参照符号が様々な図を通して同じ要素を表わしている図面を参照すると、図１は、複合材管１２が誘導加熱により加熱されて湾曲部８０が複合材管１２において作成されるのに先立って、曲げ加工装置１０内に配置された複合材管１２を示している。本明細書中で使用される、用語「誘導加熱（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ）」とは、渦電流によって材料内に発生した熱を介して、電磁誘導により導電性材料を加熱するプロセスをいう。

複合材管複合材管１２は、ほぼ円筒形であり、ポリマーマトリクス内に配置されたファイバーを含む。図示された実施形態によれば、ファイバーは、炭素繊維であり、ポリマーマトリクスを強化するように構成される。例示であって限定するものではないが、ファイバーの材料は、炭素、ガラス、ポリマー、玄武岩、石英、金属、及びこれらの組合せのうちの１つから選択することができる。ファイバーは、複合材管１２の周囲で、円周方向に配向される。例示であって限定するものではないが、ファイバーは、組物状、織物状、テープ状、５４度で配置、及びこれらの組合せのうちの１つの形状に配向することができる。ポリマーマトリクスは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）であることが好ましい。例示であって限定するものではないが、マトリクスとして使用する他の好適な熱可塑性物質には、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレン、及びこれらの組合せが挙げられる。複合材管１２の寸法は、好ましくは、最大直径が約１．５インチ、より好ましくは、約４分の３インチ、さらに好ましくは２分の１インチ、さらにより好ましくは４分の１インチにすることができる。最大直径は１．５インチよりも大きくできることが理解されるべきである。

装置１０は、複合材管１２の加熱中に複合材管１２を支持するように構成される剛性マンドレル２２を備える。図１に示すように、複合材管１２の少なくとも一部は、剛性マンドレル２２の周囲に配置される。剛性マンドレル２２は、複合材管１２を支持するように構成される。図示された実施形態では、剛性マンドレル２２は、金属材料で形成される。剛性マンドレル２２を誘導加熱によって加熱できるように、剛性マンドレル２２は導電性材料で形成でき、或いは導電性材料を含むことができる。他の実施形態では、さらに後述するように、剛性マンドレル２２は、セラミック等の非導電性材料で形成できる。

剛性マンドレル２２の少なくとも一部と、剛性マンドレル２２を囲む複合材管１２の少なくとも一部とは、誘導コイル４０内に配置される。誘導コイル４０内に配置される複合材管１２の一部は、以下にさらに説明するように、曲げ加工の開始時に作業領域Ｗを画成する。すなわち、作業領域Ｗは、誘導コイル４０により加熱され、続いて曲げられる複合材管１２の領域である。

図１に示すように、複合材管１２の作業領域Ｗの周囲にスリーブ２６が配置される。スリーブ２６は、複合材管１２の外から支持を提供するために動作可能であり、それにより複合材管１２が誘導コイル４０内に配置されている間、複合材管１２の形状及び構成が概して維持される。図示された実施形態によれば、スリーブ２６は非導電性であるため、誘導コイル４０の動作中に熱を出すようには構成されていない。例示であって限定するものではないが、スリーブ２６は、セラミック、アルミナ、シリカ、アルミニウムシリケート、窒化物、炭化物、磁器、耐熱ガラス、ホウケイ酸塩、及びこれらの組合せのうちの１つから形成される。

剛性マンドレル２２及びスリーブ２６は、複合材管１２が確実に中心に置かれるようにそれぞれ構成される。本明細書中で使用される、用語「中心に置かれる（ｃｅｎｔｅｒｅｄ）」とは、複合材管１２が、誘導コイル４０内で、及び、誘導コイル４０によって発生された電磁界内にある位置を意味する。

上述のように、剛性マンドレル２２は金属で形成されることが好ましく、スリーブ２６はセラミックで形成されることが好ましい。しかしながら、例示であって限定するものではないが、代替の実施形態では、剛性マンドレル２２及びスリーブ２６のうちの１つ又は両方は、金属、金属材料、導電性材料、誘導加熱中に熱を与えるように動作可能な程度に十分に導電性材料を含む非導電性材料、及びこれらの組合せのうちの１つで形成できる。剛性マンドレル２２及びスリーブ２６の両方が、その形状を、管１２を支持するのに十分な程度に加熱工程全体にわたり維持することが可能な材料で形成されることが理解されるべきである。

スリーブ２６、剛性マンドレル２２、及び管１２のうちの少なくとも１つは、誘導加熱時に誘導コイル４０によって加熱されるよう、動作可能なように構成されなければならない。これに関して、これらの構造の少なくとも１つは、加熱素子として動作可能であり、誘導コイル４０の有効領域内に配置される。いくつかの実施形態では、剛性マンドレル２２のみが用いられて、複合材管１２を支持し、複合材管１２の作業領域Ｗに熱を与える。他の実施形態では、スリーブ２６のみが用いられて、複合材管１２を支持し、複合材管１２の作業領域Ｗに熱を与える。

いくつかの実施形態では、誘導コイル４０は、剛性マンドレル２２内に画成された凹部又は空洞内に配置される。いくつかの実施形態では、複合材管１２の外側に位置するスリーブ２６が誘導コイル４０によって加熱されて、したがって複合材管１２を加熱するよう構成されるように、誘導コイル４０を複合材管１２内に配置することができる。

別の実施形態では、複合材管１２は、加熱素子として動作するように構成される。このような実施形態では、複合材料中のファイバーは、カーボンや金属等の電導性であるように構成される。したがって、剛性マンドレル２２又はスリーブ２６を加熱素子として利用することなく、複合材管１２を加熱素子として直接加熱することができる。そのような実施形態では、剛性マンドレル２２及びスリーブ２６の両方は、セラミック又は他の非導電性材料であってもよい。

誘導コイル４０は、電源Ｓ及び電気接地Ｇに電気的に接続されるよう構成される。装置１０の動作に関して以下でさらに説明するように、誘導コイル４０は、電源Ｓから接地Ｇに向かってコイルに電流が流れると、剛性マンドレル２２内で熱が発生するように構成される。

図１を続けて参照すると、誘導コイル４０は、第１のゾーン４２、第２のゾーン４４及び第３のゾーン４６にグループ化された、複数のコイル又は巻線４１を含む。図示された実施形態によれば、各ゾーンは、同じ数の巻線４１を含む。結果として、誘導コイル４０内の巻線４１の合計数は、各ゾーン内の巻線４１の数の３倍である。図１に示すように、巻線間の間隔は各ゾーン内で一定である。本明細書中で使用される、用語「巻線間の間隔（ｔｕｒｎ−ｔｏ−ｔｕｒｎ ｓｐａｃｉｎｇ）」は、誘導コイル４０内の隣接する任意の２つの巻線４１の間の距離をいう。図１に示すように、第１のゾーン４２の巻線間の間隔は、隣接する第２のゾーン４４の巻線間の間隔とは異なる。第１のゾーン４２内のコイル４０の巻線間の間隔と、第３のゾーン４６内のコイル４０の巻線間の間隔とは同じである。

１つのゾーン内に１つの巻線のみにすることが可能であり、ゾーンの数を任意にすることができることが理解されるべきである。このようにして、ゾーンの数、ゾーン内の巻線間の間隔、及びゾーン間の間隔を選択することにより、誘導コイルが所定の温度分布を生成するように形成できる。

ゾーン間の間隔、及びゾーン内のコイル４１の間隔を選択することで、誘導電力密度を調整し、それにより誘導コイル４０によって複合材管１２に付与される温度分布を調整することができる。図５に示すように、誘導コイル４０の構成は、温度分布に影響を与え得る。温度分布が平坦なほど、複合材管１２の曲げに対する応力がより一定になると考えられる。したがって、より平坦な温度分布が望ましい。また、温度分布がより平坦になりより長い場合は、複合材管１２の作業領域Ｗを許容可能な温度範囲に維持することが容易になる。

熱が作業領域Ｗから両軸線方向に自由に伝導して逃げる場合に、複合材管１２の一区分にわたって図５の曲線Ａに示すような比較的平坦な温度分布を提供するためには、巻線間の間隔は、対称で、かつ中間のゾーン（複数可）において最大でなければならない。図５の曲線Ｂ及び曲線Ｃに示すように、第１のゾーン４２、第２のゾーン４４、及び第３のゾーン４６内のコイル４１の巻線間の間隔の調整により、異なる温度分布を示す。図５の曲線Ｄは、誘導コイルの全長にわたって巻線間の間隔が均一である誘導コイルにより与えられる温度分布を示す。ほぼ平坦な温度分布の長さは、曲げられる管１２の直径の少なくとも２倍であることが好ましい。

仮想の例によれば、誘導コイル４０を以下のように構成できる。ゾーンの数は３であり、各ゾーンの巻線数は５である。第１のゾーンにおける巻線間の間隔は、０．０５インチである。第２のゾーンにおける巻線間の間隔は、０．１０インチである。第３のゾーンにおける巻線間の間隔は、０．０５インチである。この例によれば、第１のゾーンは、巻線が５つで長さ０．２５”（全長の２５％）であり、第２のゾーンは、巻線が５つで長さ０．５”（全長の５０％）であり、最後のゾーンは、巻線が５つで長さ０．２５”（全長の２５％）である。このような構成にすると、曲線Ａで示すような比較的平坦な温度分布を示す。

別の仮想の例では、コイル設計は、巻線間の間隔がゾーン間にわたって非対称となるように構成することができる。熱伝導性が、作業領域Ｗから熱が軸方向の一方向にのみ伝導されて逃げるよう概して制限される場合には、このような構成は有用であり得る。その結果、コイル設計は、それぞれ巻線を５つ有するゾーンを３つ含むことができる。巻線間の間隔は、第１のゾーンにおいては０．０４インチ、第２のゾーンにおいては０．０６インチ、第３のゾーンにおいては０．１インチにすることができる。この例示の実施形態では、コイルは全長が１”、ゾーンが３つ、巻線が１５個となり、最初の５つの巻線が全長の最初の２０％を占め、次の５つの巻線が全長の次の３０％を占め、最後の５つの巻線がコイルの最後の５０％を占める。ゾーンの数、ゾーン内の巻線数、巻線間の間隔、及びゾーン間の間隔を変化させることにより、特別な誘導加熱コイルが設計され得ることが理解されるべきである。このようにして、熱的境界条件により、誘導コイル４０を用いて所定の温度分布を達成することができる。

再び図１を参照すると、誘導コイル４０の近傍に曲げ加工機６０が配置される。曲げ加工機６０は、ダイ６２及びクランプ６４を含む。クランプ６４は、油圧シャフト６８によって油圧シリンダ６６に接続される。油圧シリンダ６６及び油圧シャフト６８は、協働して係合するように構成され、それにより油圧シリンダ６６及び油圧シャフト６８は油圧動力源により動作でき、それにより油圧シャフト６８が油圧シリンダ６６から延伸し、油圧シリンダ６６内に後退することができる。このようにして、クランプ６４とダイ６２とを相対的に移動させることができる。

曲げ加工機６０は、加熱されるように構成されることに留意されたい。曲げ加工機６０は、複合材管１２の作業領域Ｗが誘導コイル４０を抜け出た直後の、作業領域Ｗの温度近くまで概して加熱される。複合材管１２の冷却速度及び物理的特性が所望に応じて制御されるように、加工機６０の温度を選択することができることが理解されるべきである。曲げ加工機６０はまた、制御された方法で冷却することができるように構成される。このようにして、複合材管１２の湾曲部８０を曲げ加工温度から徐々に冷却できる。

可撓性マンドレル２４は、剛性マンドレル２２の端部から曲げ加工機６０へ延在する。その金属は、湾曲部８０の形成時に複合材管１２を支持するのに十分な可撓性を有するように構成される。より具体的には、可撓性マンドレル２４は、湾曲部８０の形成中に、作業領域Ｗおいて複合材管１２を支持するように構成される。可撓性マンドレル２４は、可撓性で熱を伝導するように構成される。図示された実施形態では、可撓性マンドレル２４は、金属で形成される。例示であって限定するものではないが、可撓性マンドレル２４は、金属、黄銅、鋼、銅、チタン、アルミニウム、セラミック、銅、及びＡｍｐｃｏ等のアルミニウム合金、及びこれらの組合せのうちの１つで形成できる。

剛性マンドレル２２及び可撓性マンドレル２４は、複合材料１４の作業領域Ｗが加熱された後に、複合材管１２が、剛性マンドレル２２及び可撓性マンドレル２４に沿って移動できるように構成される。複合材管１２は、部分的に剛性マンドレル２２上にあり、かつ部分的に可撓性マンドレル２４上にあるように、移動させることができる。或いは、複合材管１２は、剛性マンドレル２２上にはないが、少なくとも部分的に可撓性マンドレル２４に支持されるように、移動させることができる。

本発明は、その動作の説明を介して理解されることができる。複合材管１２に曲げ部８０を提供する工程は、Ａ）剛性マンドレル２２を複合材管１２内に配置する工程、Ｂ）複合材管１２を囲むようにスリーブ２６を配置する工程、Ｃ）剛性マンドレル２２を有する複合材管１２の少なくとも一部が、誘導コイル４０内に配置されるように、複合材管１２を配置する工程、Ｄ）誘導コイル４０に電流を流す工程、Ｅ）剛性マンドレル２２を加熱する工程、Ｆ）複合材管１２の作業領域Ｗを所定の温度範囲まで加熱する工程であって、所定の温度範囲内の温度は、好ましくは目標温度±２０°Ｆ、より好ましくは目標温度±１０°Ｆであり、目標温度はガラス転移温度よりも高い、工程、Ｇ）誘導コイル４０から作業領域Ｗ取り出す工程、Ｈ）作業領域Ｗの少なくとも一部が、可撓性マンドレル２４上にあるように、複合材管１２を配置する工程、Ｉ）曲げ加工機６０を加熱する工程、Ｊ）作業領域Ｗがダイス６２とクランプ６４との間にあるように、作業領域を配置する工程、Ｋ）作業領域Ｗがダイ６２とクランプ６４との間に挟まり、複合材管１２がダイ６２の周囲で曲げられて湾曲部８０を形成するように、曲げ加工機６０を閉じる工程、Ｌ）複合材管１２の作業領域Ｗから可撓性マンドレル２４を取り出す工程、Ｍ）曲げ加工機６０を開く工程、及びＮ）そこから複合材管１２を取り出す工程、である。

上記のようにして、複合材管１２の作業領域Ｗを、誘導コイル４０により加熱し、その後、曲げ加工機６０が複合材管１２を曲げるように作用できる位置に移動できる。図２に示すように、湾曲部８０が複合材管１２に形成されている。複合材管１２を曲げるために曲げ加工機６０を閉じる工程は、段階的に行うことができる。段階的な曲げ加工では、複合材管１２を数度に曲げた後に、ダイ６２を停止できる。さらなる段階的な曲げ加工が開始される前に、複合材管１２の材料が緩和する時間が与えられる。このようにして、複合材管１２の曲げ加工に伴うひずみ速度は、許容可能なレベルに維持される。追加の湾曲部を形成したい場合には、新たな湾曲部８０が形成される領域となる新たな作業領域Ｗを画成する必要があれば、複合材管１２が再配置される。上述のプロセスが繰り返され、新たな作業領域Ｗが加熱される。図３は、他の湾曲部８０の形成に先立って、新たな作業領域Ｗが曲げ加工機６０内に配置されるように、再配置された複合材管１２を示している。図４は、複合材管１２内に形成された新たな湾曲部８０を示している。角度・は、湾曲部間で異なっていてもよいことに留意されたい。

複合材管１２に第２の湾曲部８０を形成するために、第１の湾曲部８０が形成され、移動されて、複合材管１２の新たな領域が誘導コイル４０内に配置され、新しい作業領域Ｗを画成することが理解されるべきである。その後、前記プロセスが繰り返され、複数の湾曲部のためには複数回繰り返してもよい。第２の湾曲部８０と第１の湾曲部８０とが異なる平面上に延在するように、複合材管１２を回転することができることが理解されるべきである。単一の複合材管１２内で、各湾曲部８０の角度は、他の湾曲部８０の角度とは異なっていてもよい。

作業領域Ｗを加熱する工程Ｆにおいて、加熱速度は、剛性マンドレル２２から複合材管１２を取り出せるように、適宜制御すべきである。すなわち、熱に曝されると、金属のマンドレルは複合材管よりも速く膨張し、誘導コイル４０による加熱の速度は、誘導コイル４０から作業領域Ｗを取り出す工程Ｇにおいて、金属のマンドレルが必要に応じて複合材管１２から取り出し可能であるように制限されるべきである。

上述の方法による複合材管の曲げ加工の利点の１つは、加熱することができ、それにより曲げることができる複合材管１２の長さが、従来の方法で加熱することができる長さよりも長いことである。上述の方法による誘導加熱の別の利点は、複合材管の温度を注意深く制御できることで、複合材管内のマトリクスに、高すぎる温度に加熱された際に起こり得るような劣化が生じないことである。上述の方法による誘導加熱のさらに別の利点は、管が、従来の方法に比べてより迅速に曲げ加工できることである。

以上に、複合材管の誘導加熱及び曲げ加工の装置並びに方法を説明した。本明細書（添付した特許請求の範囲、要約、及び図面のすべてを含む）で開示した特徴のすべて、及び／又は開示した任意の方法もしくはプロセスの工程のすべては、そのような特徴及び／又は工程の少なくともいくつかが相互に排他的である組合せを除いて、任意の組合せで組合せることができる。

本明細書（添付した特許請求の範囲、要約、及び図面のすべてを含む）に開示した各特徴は、特に明記しない限り、同一、等価、又は類似の目的を提供する代替的特徴に置き換えることができる。したがって、特に明記しない限り、開示した各特徴は、等価又は類似の特徴の包括的な一連の１例にすぎない。

本発明は、上述した実施形態の詳細に限定されるものではない。本発明は、本明細書（添付した新規性の可能性のある点、要約、及び図面を含む）に開示された特徴のうちの任意の新規なもの、又は任意の新規な組合せ、或いは開示した任意の方法もしくは処理の工程のうちの任意の新規なもの、又は任意の新規な組合せに拡大する。

Ｓ 電源
Ｇ 電気接地
１０ 複合材管の曲げ加工装置
１２ 複合材管
２２ 剛性マンドレル
２４ 可撓性マンドレル
２６ スリーブ
４０ 誘導コイル
４１ 複数のコイル
４２ 第１のゾーン
４４ 第２のゾーン
４６ 第３のゾーン
６０ 曲げ加工機
６２ アンビル
６４ ハンマ
６６ 油圧シリンダ
６８ 油圧シャフト

Claims (6)

1. 複合材管（１２）の曲げ加工装置（１０）であって、
   曲げ加工機（６０）と、
   複数の巻線（４１）を含む誘導コイル（４０）であって、巻線間の間隔が、誘導コイル（４０）の長さに沿って少なくとも１回変わるコイルと、
   誘導コイル（４０）の近傍に配置された加熱素子（２２，２６）と
   を備え、
   誘導コイル（４０）が、加熱素子（２２，２６）の温度を上昇させるように構成され、
   前記加熱素子は、前記複合材管（１２）の周囲に配置されて該複合材管（１２）を支持するスリーブ（２６）である、曲げ加工装置。
2. 加熱素子（２２，２６）が、少なくとも部分的に誘導コイル（４０）内に配置されている、請求項１に記載の曲げ加工装置（１０）。
3. 誘導コイル（４０）が、第１の巻線間の間隔で配置される複数の巻線（４１）を含む第１のゾーン（４２）と、第２の巻線間の間隔で配置される複数の巻線（４１）を含む第２のゾーン（４４）とを含んでおり、第１の巻線間の間隔が第２の巻線間の間隔とは異なる、請求項１又は２に記載の曲げ加工装置（１０）。
4. 誘導コイル（４０）が第３のゾーン（４６）を含んでいて、第３のゾーン（４６）は第３の巻線間の間隔で配置される複数の巻線（４１）を含んでおり、第３の巻線間の間隔が第２の巻線間の間隔とは異なる、請求項３に記載の曲げ加工装置（１０）。
5. 第１の巻線間の間隔が、第３の巻線間の間隔よりも小さい第２の巻線間の間隔よりも小さい、請求項４に記載の曲げ加工装置（１０）。
6. 前記加熱素子が、前記複合材管（１２）内に配置されて該複合材管（１２）を支持するマンドレル（２２）をさらに含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の曲げ加工装置。