JPH01259932A

JPH01259932A - 繊維強化複合材からなるネジ状成形体およびその製造方法

Info

Publication number: JPH01259932A
Application number: JP63089698A
Authority: JP
Inventors: Mikio Hayashi; 林　実喜夫; Shunei Sekido; 俊英関戸; Masashi Ogasawara; 小笠原　正史
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1988-04-12
Filing date: 1988-04-12
Publication date: 1989-10-17
Anticipated expiration: 2010-01-25
Also published as: JPH074874B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、合成樹脂、溶融金属、炭素などのマトリクス
にネジ山形状が賦型されたボルト、ナツト、スプライン
軸などの繊維強化複合材からなるネジ状成形体およびそ
の製造方法に関し、詳しくは締付時のネジ山剪断強度が
高いネジ状成形体およびその製造方法に関する。

［従来の技術］繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと称する。

）製のネジ状成形体は、耐蝕性、電気絶縁性などが良好
であり、また装置が軽量化し得ることがら多用され、今
日では各方面で実用化されつつあることは周知のとおり
でおる。また、繊維強化金属（以下、ＦＲＭと称する。

）、炭素繊維強化炭素（以下、Ｃ／Ｃコンポジットと称
する。、）についても同様でおる。

従来、このような繊維強化複合材からなるネジ状成形体
およびその製造方法の一つとして、例えば引き揃えたロ
ービング、あるいは引き揃えたロービングの周囲に組紐
を重ね合せ、これらにマトリクス樹脂を含浸させ、次い
で円筒状の加熱金型の中を引き後くことによりロッドを
製作し、その後にネジ切りを行うボルトおよびその製造
方法が知られている（例えば、特開昭５９−１５８２２
３号公報、特開昭６１−３５２３４号公報、特開昭６２
−３７１３１号公報など）。

しかしながら、この方法で得られたボルトのネジ山部の
断面を見ると、第１２図のようにネジ山１内の強化繊維
２がネジ山で切断されており、軸部３とネジ山１の両者
間に強化繊維２のつながりがないためネジ山の剪断強度
が極端に低く、また％ｊ　）Ｅ４コス１〜も機械加工に
よるネジ切りのため生産性が低く高価なものであった。

次に、前述のロッドを成形する際に、第１１図に示す内
部にネジ山形状を備えたネジ状成形型４で熱プレス成形
することでネジ山の強化繊維２を切断させない方法も知
られてはいるが、第１３図に示すように強化繊維２′は
、前記従来例と同様に軸部３とネジ山１部間のつながり
がないので、居間剥離が生じ理論強度とはほど遠いもの
でしかなかった（例えば、特開昭５６−８２２１９号公
報、特開昭５９−１４７１１１号公報、特開昭５９−１
４８６３５号公報、特開昭５９−１６７２２７号公報な
ど）。

更に、別方法として、第１４図に示すようにチョツプド
ストランドと合成樹脂とを混ぜ合せ、これをネジ状の形
状をした金型に射出成形したものや、予め円柱状素材を
作り、これに転造加工を施したものなどもあるが、強化
繊維５は１＃以下の短繊維であるため、ネジ山強度はこ
れまた低いものでめった（例えば、特開昭５９−１８５
６２５号公報、特開昭５９−１９４８１０号公報、特開
昭６０−７９９３４号公報、特開昭６０−７９９３５号
公報、特開昭６０−２６４２３７号公報など）。

［発明が解決しようとする問題点］本発明の目的は、上記従来の問題点を解消せんとするも
のであり、ネジ山部の剪断強度が十分にあると共に、ボ
ルト自体の引張、曲げ、ねじりなどの強度も十分にある
ネジ状成形体を提供し、更に、このようなネジ成形体が
効果的に、かつ安価に製造できるネジ成形体の製造方法
を提供するにある。

［問題点を解決するための手段および作用］上記目的に
沿う本発明の繊維強化複合材からなるネジ状成形体の栴
成は、マトリクスと強化繊維束とを備えた繊維強化複合
材からなる成形体に、押型によりネジ溝が形成された繊
維強化複合材からなるネジ状成形体において、前記強化
繊維束が三次元編組に編成された三次元繊維溝造体であ
ることを特徴とする繊維強化複合材からなるネジ状成形
体である。

ここで、本発明に使用される強化繊維としては、ガラス
繊維、カーボン繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維、ア
ルミナ繊維、ステンレス繊維、ピアノ線等の無機繊維や
、アラミド繊維等の有機繊維が上げられる。具体的な繊
維材料の種類は、製造しようとするネジ成形体の用途、
要求性能、経済性等に応じて適宜選択され得る。

また、ネジ状成形体における繊維体積占有率Ｖｆは、強
化繊維とマトリクスとの組合せにもよるが、−膜内には
３０〜８０％が好ましく、より好ましくは４０〜６０％
、である。特にネジ山部における繊維体積占有率Ｖｆは
、４０〜８０％が好ましい。

次に、本発明に使用されるマトリクスとしては、例えば
、合成樹脂、金属、炭素などが好ましいが、またセラミ
ックス、セメント、ガラスなども適用可能である。

合成樹脂のうち熱可塑性合成樹脂として、例えばポリア
ミド、ポリエチレンテレフタレート、ボリブチレンテレ
フタレート、ポリアセタールなど各合成樹脂が好ましく
用いられ、また、熱硬化性合成樹脂として、例えばエポ
キシ、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、ポリウレ
タンなどの各合成樹脂が好ましく用いられる。これらの
マトリクス樹脂も前述の強化繊維と同様に、用途に応じ
て適宜選択され得る。

上記合成樹脂の他、金属としては、例えばアルミニュー
ム、マグネシューム、チタニューム、ステンレス鋼、銅
などが挙げられる。

また、上述した繊維強化複合材からなるネジ状成形体の
製造方法の構成は、マトリクスと強化繊維束とを、加圧
し、加熱することにより中間素材を成形した後、該中間
素材にネジ溝の形成された押型でネジ山を形成し、しか
る後に硬化せしめる繊維強化複合材からなるネジ状成形
体の製造方法において、前記繊維束として繊維束が三次
元編組に編成された三次元構造体を用いることを特徴と
する繊維強化複合材からなるネジ状成形体の＠ｉ造方法
である。

ここで、三次元編組に編成した素材とは、第５図に示す
ように該三次元編組７を構成する殆んどの強化繊維束６
が斜向方向に配向され、かつ強化繊維束同志が絡合しな
がら立体形状に編成された繊維構造体（以下、三次元編
組構造体と称する）をいう。

この三次元編組構造体を成形する編成方法は、例えば米
国特許用４．３１２，２６１号明細書に開示されている
製造方法を用いることができる。

具体的に説明すると、非円形状の三次元編組構造体を編
組する場合には、第８図に示すように一定の平面内に、
繊維６の貫通孔８′が設けられたボビン８を搭載した多
数のボビンキャリア９を予め定められた位置に配置し、
このボビンキャリア９を前記平面の外周部１０に設けら
れた電磁ソレノイド１１．１２の駆動力によって縦ある
いは横に一列に配置されているボビンキャリア９を一群
として縦方向や横方向へ交互に移動させることにより得
られる。また、円形状の三次元編組構造体を成形する場
合には、第９図に示すように円周状に多層に配置されて
いるボビンキャリア９を、円周方向や半径方向へ交互に
一群して移動させながらボビンキャリア９の相互の位置
を変えることにより、強化繊維束同志の絡み合いによっ
て編成されるものである。

また、この三次元編成方法の利点を活かし、比較的小型
の装置で大型の三次元編組が編成可能な方法として、本
出願人になる特願昭６２−２３０６３５号に開示されて
いる製造方法を利用してもよい。この製造方法は、前記
の方法のように編成される糸束が巻かれたボビン自体を
移動させて糸束同志を絡ませることによって編組構造体
を編成する方法ではなく、第７図のように二点間に伸長
され、張り渡された一定長の複数本の糸束１３を三次元
交織部１４において、各々の糸束を二輪方向に移動させ
ることによって互いに絡み合わせ、三次元編組構造体を
２本同時に編成する方法である。

更に、三次元編組構造体が構成される糸束の配向方向が
総て斜向方向をなす糸束ばかりでなく、第６図に示すよ
うに、例えば特開昭６２−２５０２５８号明細書に開示
されているような斜向成分の糸束１５と、編組軸方向へ
配向された糸束１６を混在させたような三次元編組構造
体の製造方法も適用できる。

上述した種々の三次元編組構造体によって補強された本
発明の繊維強化複合材からなるネジ状成形体は、例えば
ネジ状成形体が第１図に示すボルトであればその断面は
、第２図に示すように連続した強化繊維束１７の殆んど
が三次元方向に斜向されている。

よって、三次元方向のどの方向に対しても補強効果を発
揮することは勿論のこととして、繊維層間の剥離強度、
即ち剪断剥離強度、特にネジ山剪断強度に優れた効果を
発揮する。更に、ネジ状成形体の断面が例えば、六角形
状の三次元編組構造体とするには、第１０図のように一
群のキャリア９の外周を六角形状に配列し、各々の列を
一群として縦方向と横方向へ交互に移動させることによ
り編成することができる。本図では、キャリア３０を矢
印のような経路に沿って移動させることにより、他のキ
ャリアの糸束と互いに三次元的に絡み合うことができる
。本図では、オネジ用の六角形状断面の中間素材を製造
することができるが、第３図に示すように中子１９を中
間素材の中にセットして編成することにより、メネジ用
の中間素材２０’（＞容易に製造できる。この場合、メ
ネジを成形（賦形）するオネジ状金型は、マトリクスと
強化繊維束とを加圧し、加熱して中間素材を製作する際
に、予め中間素材内部に挿入しておいてもよいし、また
筒状の中間素材を制作後に中間素材内部、または外部か
ら押圧して賦形してもよい。

この発明でいう金型とは、このような製造方法に。

よる金型をも含むものでおる。

また、マトリクスが上述した金属の場合は、まず、強化
繊維束を三次元編組構造体にし、この構造体をネジ状金
型に供給し、次いで溶融金属を高圧鋳造することによっ
て繊維強化金属、いわゆるＦＲＭ製の繊維強化複合材か
らなるネジ状成形体が得られる。

更に、炭素繊維強化合成樹脂製ネジ状成形体を真空炉で
焼成し、再度この合成樹脂、例えばフェノール樹脂を高
圧含浸後、再焼成する工程を繰り返すことにより、炭素
繊維強化炭素、すなわち、所謂Ｃ／Ｃコンポジット製の
炭素繊維強化合成樹脂製ネジ状成形体も製造することが
できる。

次に、本発明の製造方法の特徴である中間素材を製造す
るに際し、例えば強化繊維束にマトリクスを被覆または
含浸させた後、三次元編組に編成した素材をネジ状成形
金型に供給する方法について説明する。

このような方法としては、強化繊維束をクロスへラドダ
イに通し、押出機により溶融された熱可塑性合成樹脂を
被覆させる方法、すなわち、いわゆるワイヤーコーティ
ング法によって得られた図１４のような強化繊維束１７
の外周に熱可塑性樹脂２１が被覆された糸の製造方法、
あるいは特開昭６０−３６１５６号公報、６１−１４６
５１９号公報等に開示された、強化繊維束を熱可塑性合
成樹脂粉末の流動床に通した後、ワイヤーコーチインク
法によって合成樹脂が被覆された糸を得る製造方法、更
には強化繊維束を熱硬化性樹脂浴の中に浸漬させる、い
わゆる浸漬法によって合成樹脂が含浸された糸を得る製
造方法などがある。

このような製造方法とすると、成形時にマトリクスを金
型外部から圧入含浸させる必要がない。

よって、第１１図のような金型４による単純な熱プレス
程度で効率的、かつ安価な三次元編組構造のネジ状成形
体を得ることができる。

更に、予め、繊維束にマトリクスが被覆または含浸され
ているので、三次元編組編成時の強化繊維束同士の擦過
による繊維の毛羽立ち、切断等の発生が極めて少くなり
、効率よく三次元編組の中間素材ができるばかりか成形
も極めて容易となる。

そして、賦型時に金型のネジ部が三次元編組構造体の内
部にまで食い込むので、軸部の三次元編組に編成された
強化繊維束がネジ山部に連続的につながり、上述したネ
ジ山剪断強度の非常に高い繊維強化複合材からなるネジ
状成形体が得られる。

［実施例および比較例］実施例１単糸６，０００本のカーボン繊維束（東し株式会社製“
トレカ”Ｔａ２Ｏ−６Ｋ＞の外周にナイロン６（東し株
式会社製、品番ＣＭ１０１６Ｋ＞を繊維体積占有率６０
％でワイヤーコーティング法により被覆した。

そして、このナイロン６が被覆された糸４４０本を、第
１０図に示した装置で六角形断面の三次元編組に編成し
、第３図に示すプリフ４−ム（中間素材）を作った。

次いでこの中間素材を、六角形断面の金型に供給し、金
型温度２６０℃、圧力３５０ＫＦＩ／ｃｒｉｔ、Ｇ、保
圧時間１０分でプレス成形した。この成形体を、ネジ山
サイズがＭ１６の割り金型に供給し、金型温度２６０℃
、圧力１５０Ｋｇ／　ｃｔｒｔ、Ｇでプレスし、Ｍ１６
のネジ山を賦型した。

実施例２、比較例１そして、上記熱プレスに替え、機械切削法によってネジ
山を形成した本発明の製造方法によるＭ１６ボルト（実
施例２）と、強化繊維を三次元編組によらず、単に軸方
向引き揃え後、熱プレスした本発明の製造方法によらな
いＭ１６ボルト（比較例１）とを製作した。

このようにして得られた３種類のＭ１６ボルトの引張強
度を示したのが表１である。

なお、引張試験機は、（株）島津製作所製“オートグラ
フ、ＤＣ３１０Ｔ”を使用し、条件は１ｓ／ｍｉｎの引
張速度で高さ２０ｍのナツトをＭ１６ボルトのネジ部両
端にセットして行った。

上記表の結果から、本発明になる１６ボルトは、三次元
編組にされた中間素材を用いない従来のボルトに比べ、
１．５倍も高い引張強度が得られることが判る。

実施例３単糸６，０００本のカーボン繊維束（東し株式会社製゛
トレカ”Ｔａ２Ｏ−６Ｋ＞にエポキシ樹脂（東し株式会
社製、品番＃Ｍ２５００＞を、繊維体積率Ｖｆ６０％で
浸漬法により含浸した後、ステアリン酸亜鉛粉末を体積
率２％で融着させて糸束を製作した。上記粉末を用いる
ことにより、三次元構造体編成時の擦過抵抗を減少させ
ることができた。この糸束４４０本を用いて、第７図の
装置で六角形断面の三次元編組に編成し、プリフォーム
を作った。

次いで、この中間素材を六角断面の金型に供給し、金型
温度６０℃、圧力２０ＯＮぴ／ｃｒ／ｌ、Ｇ、保圧時間
５分でプレスした。この成形体を、ネジ山サイズがＭ１
６の割り金型に供給し、金型温度７０℃、圧力１１００
Ｎ／ｃＩｉ、Ｇ、保圧時間３分でプレスし、ネジ山を賦
型した。その後、金型温度を１３０℃に昇温し、２時間
保持してＭ１６のボルトを製作した。

実施例４更に、中間素材を、六角形断面に成形し、金型温度１３
０℃、圧力１００Ｋｇ／Ｃｌ１ｔ、Ｇで２時間保持して
三次元成形体を作り、この成形体を機械加工によりネジ
切りしてＭ１６のボルトを製作した。

比較例２上記比較例３の糸束を軸方向に引揃え、六角断面の金型
に供給し、金型温度６０℃、圧力２００ＫＦＩ／ｃｒｉ
、Ｇ、保圧時間５分でプレスして中間素材を成形した後
、ネジ山サイズがＭ１６の割り金型に供給し、金型温度
７０℃、圧力１００ＮｔＪ／７．Ｇ。

保圧時間３分でプレスし、ネジ山を賦型した。その１麦
、金型温度を１３０℃に昇温し、２時間保持してＭ１６
のボルトを製作した。

このようにして得られた実施例３．４、比較例２におけ
るＭ１６ボルトの物性を示したのが表２である。そして
、これら実施例３．４、比較例２においても前記実施例
１と同じ測定機器で引張強度を測定した。

表２上記表の結果から、本発明になる１６ボルトは、三次元
編組にされた中間素材を用いない比較例２の従来ボルト
に比べ、１．５倍程度の高い引張強度のホルトが得られ
ることが判る。

実施例５単糸６，０００本からなる高弾性タイプのカーボン繊維
束（東し株式会社製、“トレカ゛′、Ｍ２Ｏ−６Ｋ）に
フェノール樹脂を、繊維体積率Ｖｆ６０％になるよう浸
漬法により含浸した。

この糸束４４０本を用い、六角断面に第１０図の装置で
三次元編組に編成し、プリフォームを作った。そして、
このプリフォームを、六角形断面の金型に供給し、金型
温度６０℃、圧力”１００に９／ｃｔｉ、Ｇ、保圧時間
５分でプレスした。この成形体をネジ山サイズＭ１６の
割り金型に供給し、金型温度７０℃、圧力１００ＫＨ／
ｃｉ、Ｇ、保圧時間３分でプレスし、Ｍ１６のネジ山を
賦型した。

その俊、金型温度を１８０℃に昇温し、５０分間保持し
てＭ１６のボルトを製作した。このボルトをさらに２８
０℃で１４時間保持した後、真空炉内で１２００℃で焼
成してフェノール樹脂を炭化させた。次いで、再度ネジ
金型に戻し、フェノール樹脂を含浸させ、硬化復炭化さ
せた。このような含浸、焼成、炭化までの各工程を合計
４回繰り返すことによって、三次元構造体よって補強さ
れた高密度のＣ／Ｃコンポジット製ボルトを製作した。

［発明の効果］本発明の繊維強化複合材からなるネジ状成形体は、特に
ネジ山部が三次元編組に編成された強化繊維が配設され
た状態で成形されているため、非常に高いネジ山剪断強
度を有する。

また、マトリクスに耐食性、絶縁性および軽問性のある
ものを用いた場合には、これらの利点を備えた繊維強化
複合材からなるネジ状成形体が得られるので、その利用
範囲は非常に広いものである。

更に、本発明の製造方法によれば、予め強化繊維束を形
態保持性の良い三次元編組を用いて簡易的に中間素材を
成型した復、この中間素材をネジ状成形金型に供給して
加圧、加熱するため、繊維強化複合材からなるネジ状成
形体が容易に、かつ安価に製造することができるという
優れた効果を奏する。４、図面の簡単な説明第１図は、本発明に係る繊維強化複合材からなるネジ状
成形体の一実施例を示す外観図、第２図は、第１図の部
分断面図である。

第３図ないし第６図は、本発明に係る繊維強化複合材か
らなるネジ状成形体の中間素材の一実施例を示す斜視図
である。

第７図は、本発明に係る繊維強化複合材からなるネジ状
成形体の製造装置の一実施例を示す正面図、第２図は、
第１図の部分断面図である。

第８図ないし第１０図は、本発明に係る繊維強化複合材
からなるネジ状成形体の製造に用いられる三次元製織装
置の交織部の概略平面図でおり、それぞれ矩形用、中空
用、六角形用のものである。

第１１図は、ネジ山賦型用割り金型の部分斜視図である
。

第１２図ないし第１４図は、従来の繊維強化複合材から
なるネジ状成形体の一実施例を示す部分断面図である。

【図面の簡単な説明】

１・・・ネジ山　　　　１１，１２・・・電磁ソレノイ
ド２・・・強化繊維　　　　　１３・・・糸束３・・・
軸部　　　　　　　１４・・・三次元交織部４・・・ネ
ジ状成形型　１５・・・別の三次元編組構造体５・・・
短繊維　　　　　　１６・・・軸方向配置糸束６・・・
繊維　　　　　　　１７・・・強化繊維束７・・・三次
元編組構造体　１８・・・ＦＲＰボルト８・・・ボビン
　　　　　　１９・・・中子９・・・ボビンキャリア　
　２０・・・メネジ用中間素材１０・・・外周部　　　
　　２１・・・熱可塑性合成樹脂第１０図第３図第４図第５図第８図第９図第１２図第１４Ｉ２１第１１図１、事件の表示昭和６３年特許願第８９６９８号２、発明の名称繊維強化複合材からなるネジ状成形体およびその製造方
法３、補正をする者事件との関係　特許出願人住所　東京都中央区日本橋室町２丁目２番１号４、補正
命令の日付昭和６３年６月２８日（発進口）５、補正により増加する発明の数　　０６、補正の対象明細書の「図面の簡単な説明」の欄７、補正の内容　　　　　　　　−！。ｌ６３７・（１）明細書第２０頁第１１行「４、図面の簡単な説明」を削除する。（２）　　同第２０頁第１１行と第１２行との間に「４
、図面の簡単な説明」を挿入する。（上記の補正は、「４、図面の簡単な説明」の項目の記
載が不備であったので、この項目の記載を正確にする補
正を行ったものです。なお、内容に変更はありません。）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）マトリクスと強化繊維束とを備えた繊維強化複合
材からなる成形体に、押型によりネジ溝が形成された繊
維強化複合材からなるネジ状成形体において、前記強化
繊維束が三次元編組に編成された三次元繊維構造体であ
ることを特徴とする繊維強化複合材からなるネジ状成形
体。
（２）マトリクスは、炭素であり、強化繊維束は、炭素
繊維であることを特徴とする請求項１の繊維強化複合材
からなるネジ状成形体。
（３）マトリクスと強化繊維束とを、加圧し、加熱する
ことにより中間素材を成形した後、該中間素材にネジ溝
の形成された押型でネジ山を形成し、しかる後に硬化せ
しめる繊維強化複合材からなるネジ状成形体の製造方法
において、前記繊維束として繊維束が三次元編組に編成
された三次元構造体を用いることを特徴とする繊維強化
複合材からなるネジ状成形体の製造方法。
（４）請求項３の三次元編組は、編成される前に熱可塑
性合成樹脂で被覆することを特徴とする繊維強化複合材
からなるネジ状成形体の製造方法。
（５）請求項３の三次元編組は、編成される前に熱硬化
性合成樹脂を含浸することを特徴とする繊維強化複合材
からなるネジ状成形体の製造方法。