JPH05504311A

JPH05504311A - 複合ファスナをアップセットするための装置および方法

Info

Publication number: JPH05504311A
Application number: JP3507116A
Authority: JP
Inventors: シモンズ，クライド・ディー
Original assignee: テキストロン・インコーポレイテッド
Priority date: 1990-02-05
Filing date: 1991-02-05
Publication date: 1993-07-08
Also published as: EP0514497B1; DE69115259T2; EP0514497A1; WO1991011309A2; DE69115259D1; WO1991011309A3

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】複合ファスナをアップセットするための装置および方法発明の背景軍事用および商業用航空機の建造における複合材料の使用は広く行きわたりかつ増加している。使用される最も一般的な複合物は炭素、ガラスおよびケブラーのような材料の繊維で強化された高分子マトリックスからなる。

多くの場合において、相対的に薄い複合パネルか使用される。現在、　、０８８ないし　、１８９インチの厚みのパネルか最も一般的であるように思われるか、より厚いかつより薄い部品もまた使用される。

そのようなパネルを共に締め付けるために、可能な限りにおいて、接着剤結合か使用される。接着剤結合のみては不十分であると判断されるときには、接着剤に加えてかまたはその代わりにファスナか使用される。

従来のアルミニウム航空機の製造において、説明されたシートの厚みを締め付けるために固体アルミニウムリベットか非常に多くの量において成功裏に使用され、それはほぼ１９３５年から始まり現在にまで続いている。アルミニウムリベットは、しかしながら幾つかの理由のために複合シート材料においての使用には適当ではない。幾つかの複合材料はアルミニウムリベットの腐蝕の促進を引き起こす。

アルミニウムおよび複合材料の膨張係数は非常に大きく異なり得る。アルミニウムまたは他の金属リベットか複合材料において使用されるとき落雷の問題か引き起こる。これらの理由のために、それ自身か複合材料から作られたリベットの必要性か生じる。

複合材料から作られたリベットか先行技術の接着剤結合でまたはそれなして複合シートを締め付けるために使用され得るためにかなりの作業か今なされている。

現在に至るまて、これらの複合固体リベットは射出成形方法を使用して製作され、通常の円部シャンク部分の一方端で必要とされる製造された頭部の形状を有するリベットを形成する。

シャンク部分は締め付けられるべき加工部材を通過し、それからほぼ２つ分のシャンクの直径分を越えて突出するために十分に長く作られる。その後、この２つの直径分の突出した長さが「ショップ（ｓｈｏｐ）形成された」頭部分を形成するようにアップセットされ、それは製造された頭部と共に加工部材を共に保持するのに役立つ。

射出成形による複合固体リベットを作るための適当な材料の例は短ガラス繊維で強化されたＰＥＩ（ポリエーテルイミド）および短炎素繊維で強化されたＰＥＥＫ　（ポリエーテルエーテルケトン）である。これらの材料の双方は「熱可塑性」として一般的に知られる複合材料の範嗜に属する。そのような材料は６００ないし７００°の温度で軟化しかつ形成可能になるか、室温に冷却されると、有用な構造強度を示す。

これらの短繊維強化熱可塑性材料から作られたリベットはＭＩＬ−３ＴＤ−１３１２試験２０の方法を使用して測定されるとき、約１６ＫＳＩの典型的な平均せん断強度を有し、かつ１４ないし１６ＫｓＩの範囲内の典型的な平均引張り強度を有する。これらのリベットは突出する２つの直径分の長さのリベットテールへの熱供給を与えることか可能であるいずれかの単純ツーリングでアップセットされ得、その後、圧力によってこのテールをそれか軟化しかつ形成可能になるときアップセットする。

このリベット締めの方法は複合材料を締め付けるための好都合を得るように思われ、なぜならリベットそれら自身か、容易に利用可能であり高い生産性の射出成形機械において容易に作られ得、かつそれらかチタンねし切りシャーピンおよびカラーのような複合物に対する他の適当なファスナと比較して安価であるからである。また、複合航空機の分野での専門家は加工部材における孔あけおよびこれらのリベットの挿入およびアップセットが容易に自動化され得るということを信じている。この方法で、安価でかつ信頼性のある据え付は方法を使用して単純で安価なファスナで締め付けか達成され得る。

幾つかの厚いまたは高い支持強度の薄い加工部材において、一般的な短繊維強化熱可塑性材料の１６ＫｓＩのせん断強度および１２ないし１４ＫｓＩの引張り強度は適切ではない。こうして、複合材料から作られかつより高いせん断および引張り強度を有するリベットの必要性か生じる。

４０ないし６０ＫＳＩの平均最終せん断強度を有する長繊維強化ねじ切りシャービン型ファスナは米国特許出願連続番号第３９７．６５９号に開示されてきた。

高いせん断強度のリベットもまたその出願において説明されるように積み上げられたパネルからまたは引抜成形されたロッドから作られ得る。しかしなから、加工部材においてこのような方法で作られたリベットをアップセットすることは困難である。したがって、長繊維強化材料から作られたリベットをアップセットする単純でかつ実際的な方法の必要性か存在する。ラップジヨイントせん断強度を最適化するために強度において十分に強いショップアップセットプロファイルを提供する必要性もまた生じる。

発明の概要この発明の方法は形づくられたアップセットアンビルを伴い、それはその軸の周りで高速で回転され、それからリベットテールの端部と接触することを強いられ、その端部は好ましくは加工部材を越えてほぼ３つ分のシャンクの直径にわたって延在する。形づくられたアンビルを前方へと促す圧力が所望の形および直径を有するショップ形成された頭部が加工部材に対して形成されるまでリベットテールを漸次に熱しかつアップセットすることを許容されるときに摩擦はリベットテールがそれか形成可能になるまで熱くなることを引き起こす。

手掴み工具を使用して複合リベットをアップセットするこの発明の方法を使用することか可能であり得るが、アンビルの回転の速度、アンビルを加工部材へと促すように与えられる圧力およびこの前進の速度か制御可能であるような機械か使用されることが好ましいと考えられる。このような能力かアルミニウムリベットおよび他の型の航空機ファスナを自動的に据え付けるように現在広く使用されるような機械内へと最も容易に構築され得ることか期待される。

この発明の方法は他の方法によっては満足にアップセットすることか困難である熱可塑性材料から作られた長繊維強化リベットをアップセットするように主として発達された。しかしながら、その方法はまた短繊維射出成形熱可塑性リベットをアップセットするために使用され得る。

アップセット頭部を形成する際に、工具におけるアンビルは突出するリベットシャンクから溶融された材料の超過か溶融されたフラッシュの形状で外側に放射状に広がるような形に作られ得る。このフラッシュは、かなりの厚みのワッシャーへと形成されるとき、アンビルの前進を制限しかつ加工部材の表面への損傷を避けるための有用な設備として役に立ち得る。このワッシャーはまた負荷の下で薄いシートラップせん断ジヨイントにおいて起こるリベット軸の傾斜を遅らせる手段として有用である。

図面の簡単な説明図１はともに締め付けられる加工部材を介して延在しかつ後側シートを越えて突出するファスナの断面立面図であり、かつさらには据え付は工具の断面立面図である。

図２は、部分的に断面にされた据え付は工具かその動作位置にある、この発明の方法を使用してリベットテールがアップセットされている間の図１の構成要素の断面図である。

図３は図２の据え付けられたリベットの断面立面図である。

図４ないし図１０はすへてか軸に対して平行である同じ方向に走る長い連続的な強化繊維を有する適当な単方向の強化固体リベットの製造における段階を示す。

図１１および図１２は長い、連続的な単方向の強化繊維を含むテープから作られたリベットおよび複合パネルを示すが、幾つかのテープブライはそれらの繊維がリベット軸に平行である以外の方向に走る。

好ましい実施例の詳細な説明図１は繊維で強化された高分子マトリックスの複合物から作られた固体リベット１０を示す。図４ないし図１Ｏはそのようなリベットを作る１つの方法を示す。

複合材料は最初にブライと呼ばれる薄いシート状のテープに形成され、それはブライの強度を増す繊維を含む。適当なテープは約、　ｏｏｓ　”の厚みを有するが、他の厚みもまた利用され得る。

各々のテープは複数個の個々の炭素または他の強化繊維を含み、それらは捩じられるか、他の態様でトウと呼ばれる束において共に保持される。一般的に使用される繊維は直径約７ミクロンである。一般的に使用されるトウは１２、０００の個々の繊維を含む。トウはお互いに平行に配置されかつ高分子樹脂の結合剤を使用して共に結合される。炭素繊維およびトウを共に結合するための一般的な結合剤は上で参照されるＰＥＥＫである。図６から理解されるであろうように、概略的に示されたトウ１６はその各々か個々のフィラメントから構成され、お互いに一般的には平行でありかつ繊維に垂直な方向においてテープのせん断強度を著しく増加させる。これらのトウはまた繊維フロー軸の方向において引張り強度を非常に大きく増加させる。トウかしばしば繊維と呼ばれ、かつ理論的には複合材料か束またはトウと言うよりはむしろ個々の繊維を存し得たので、エレメント１６は便宜上繊維と呼ばれ、それは最も一般的な言葉である。

テープは図４に示されるパネル１２に作られ得る。パネルを作るために、テープの多数のブライ１４か一方が他方の上になるように積み重ねられ、それは図５および図９においてさらに明らかに示される。その積み重ねはそれから加熱され、一方で圧縮負荷を与える。この方法は結合剤およびテープの隣接するブライＩ４かブライを共に結合することを引き起こす。パネル１２か形成された後、それは冷却される。このことは上て説明された所望の特性を有する剛性の複合パネルを作り出す。

ファスナを作るための材料を使用するために、セクションまたはバー１８が図４に示されるようにパネルの端縁から切断される。バー１８はそれから旋盤上で回転させることによってかまたはセンターの間でそれを研削することによってかつそれをより短い破片へと切断することのいずれかによって機械加工され図６に示されるように円筒ロッド２０を作り出す。

図７ａないし図７０は個々のリベットの製造を段階的に示す。方形断面のバーストツク２２は旋盤または地面上で回転され図７ｂに示されるように円筒形のブランクを発生する。ブランク２３はそれから加熱されかつ圧縮され図７０および図８に示される頭部２４を形成する。

同じ方向におけるテープの層またはブライのすべてにおける繊維１６で、レイアップ（ｌａｙｕｐ）は図８および図１０に示されるように単方向の強化長繊維リベットと呼ばれるものを発生する。他の配向も有用であり得、たとえば＋４５／ −４５１０のレイアップか使用され得る。レイアップ角度はゼロ線に関連する各々の単一テープ層において繊維１６の方向を示す。このゼロ線は後にリベットの長い軸となるものと一致する。図１１を参照すると、頂部層６５は＋４５の角度を表わす。第２の層６６は−４５の角度を示し、それは層３０に関して９０°であり、かつより低い層６６は０°または角度なしを示す。図１２はこれらの繊維の角度がいかにゼロ線６８にかつ製造されたファスナに関連するかということを示す。

レイアップおよび切断方法が図８のリベットを形成するだめのブランクを発生するために示されるが、適当なブランクはまた引抜成形方法によって多くの熱可塑性材料および連続する繊維から作られ得、それはプラスチック産業において周知の方法である。

再び図１を参照すると、リベットＩＯは加工部材１５内に挿入して示され、かつそのテール１１か加工部材シャンク１３のほぼ３つの直径分、ファスナの面１７を越えて突出するような長さを有する。リベットにおいて所望のアップセットを発生するための適当な工具３８かまた図１および図２において示される。

工具３８は長手のスピンドル４２の下方端部内に設けられたアンビル４０を含む。スピンドルの上方端部はかなりの速度でスピンドルを回転させるために適当な機構５３（概略的に示される）と係合する。スピンドルの下方端部を取り囲むのはスリーブ４６であり、それはねし山または他の適当な手段によっておおい（ｓｈｒｏｕｄ）４８に接続され、それはスリーブの下方端部およびその中にアンビルを存するスピンドルを取り囲み、かつ１つの位置においてアンビルの下方端部を越えて延在し、それは図１に示されるとおりである。スペーサ４９はおおいの上方端部とスリーブの肩部との間に延在する。コイルバネ５０はスピンドルの部分を取り囲みかつスリーブと、スピンドルが設けられるスラストベアリング５２の下方部分との間に延在する。こうして、バネはおおいかアンビルを越えて延在するように促す方向においてスリーブおよびおおいを下方へと絶え間なく促す。

スリーブおよびおおいの下方への移動かアンビルのフレアーにされた下方端部の上方表面を係合するスリーブの下方端部によって制限されるということを図１から注目されたい。回転のために設けられているスピンドルに加えて、全体の工具か適当な手段５１　（概略的に示される）により軸方向の運動のために設けられ、かつおおいおよびスピンドルはお互いに軸方向にかつ回転して運動し得る。

アンビルの下方端部は内部空洞または窪み５４を有し、それはリベット上に形成されるへき所望のアップセット頭部の形における回転の所望の内部表面を有する。空洞はその下方のより大きな直径端部か上方のより小さい直径端部へと続く開口である截頭の円錐形を存する。

アップセットを発生するために、工具のアンビルの軸５６が最初にアップセットされるべきリベットの軸と整列される。スピンドルはそれからかなりのスピード、たとえば、３０００ｒｐｍで回転され、かつ工具の全体はリベットおよび加工部材に対しての運動のプリセット速度で運動される。

図２を参照すると、おおい４８の下方端部は加工部材１５の上方表面１７に接触しかつ回転をとめ、一方でアンビル４０およびスピンドル４２は回転し続けかつリベットテール１１に接近する。バネ５０はおおい４８を加工部材１５と接触した状態に維持する。スラストベアリング５２はおおい４８か静止したままでいる間にスピンドル４２か回転することを許容する。

回転アンビル４０かりベットテール１１の端部と接触するとき、シャンク１３の冷たい部分を早まって変形させることなしにアンビルとリベットとの間の摩擦が熱を発生するような適当な圧力を使用して、それか接触状態に保持される。リベットの溶融温度か到達されるとき（ＰＥＥＫの場合において約６２５°Ｆ）、リベット端部の溶融された部分か流動し始める。圧力および摩擦の絶え間ない影響の下で、リベットアップセットか形成し続ける。溶融されたＰＥＥＫマトリックス材料および強化繊維は下方へかつ外側へと強制され、それは材料のさらなる下方および外側への移動かおおい内で利用可能なスペースによって制限されるまでそうである。上で注目されたように、テール端部の体積は溶融された材料か放射状に外側に広かり溶融されたフラッシュを形成するように空洞の体積よりも大きい。このフラッシュはアンビルの前進を制限するワッシャーになる。ワッシャーはまた加工部材との最後のジヨイントを強める。

摩擦加熱、溶融および流動は利用可能なリベットテールの体積かアンビルプロファイル、おおいの内部壁および加工部材１５の頂部表面１７によって規定された等しい体積のスペースへと変形されるまで続く。

この時点て、工具スピンドル４２の回転か停止されるが、アップセット頭部Ｉ９における変形された材料の温度かＰＥＥＫ材料の融点よりもかなり下（たとえば４００’Ｆまたはそれ以下）に下かるまて圧力かアンビル４ｏ上て維持され、その時点て工具は取り除かれかつ第２のリベットアップセットか開始され得る。

セットファスナおよび完成されたジヨイントが図３に示される。示され得るように、テールアップセット頭部１９は截頭の円錐形を有し、頭部のより小さな直径の上方端部か外側へと延在するフランジまたはワッシャー２１内へとフレアになる前に大きな直径へとテーパ状（ｔａｐｅｒ）になる。図２および図３におけるファスナノヤンク１３は図８に相当する概略的に示された繊維線で示され、そこではそれはテールアップセットの開本質的に変えられないままである。しかしながら、繊維かプロトタイプの拡大断面において歪められかつ不明瞭で現われるため、アップセット頭部１９は従来の断面ハツチングにおいて示される。

示される工具は実験のプロトタイプである。それかさらに発達されるであろうということか期待される。たとえば、動作の開始時て工具か温められることか所望であり、それによってリベットへの熱伝達か高速化される。こうして、摩擦以外の工具を予め温めるための手段か与えられ得る。

また、アップセット頭部の形成か完了しかつ回転か停止されたすぐ後にアップセット頭部および工具の冷却かできるたけ迅速に行なわれることが所望である。したがって、冷却フィンかおおい４８に付加され得、かつスピンドル４２およびアンヒル４０に冷却が与えられ得る。

ＦＩＧ、　７ａ　ＦＩＧ、　７５ＦＩＧ、　７ｃ：　ｎｃ、ｕ要約所望のアップセット頭部（１９）の形（こおける空洞（５４）を存する回転アンビル（４０）か加工部材（１５）を介して突出する複合ファスナ（１０）のテール（１１）　＋二対して促されかつテール（１１）か加熱され力λつ摩擦（こよってファスナシャンク（１３）よりも著しく大きし）ア・ツブセット頭部（１９）へと変形され、ファスナ（１０）力Ａ加工部材（１５）から引き出されることを防ぐ。

補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成　４年　８月　４８ＰＣＴ／ＵＳ９１１００７６５２、発明の名称複合ファスナをアップセットするための装置および方法３、特許出願人住　所　アメリカ合衆国、０２９０３　ロード・アイランド州、プロピデンス、ウエストミンスター・ストリート、４０名称　テキストロン・インコーポレイテッド代表者　不詳国　籍　アメリカ合衆国４、代理人住　所　大阪市北区南森町２丁目１番２９号　住友銀行南森町ビル明細書複合ファスナをアップセットするための装置および方法発明の背景軍事用および商業用航空機の建造における複合材料の使用は広く行きわたりかつ増加している。使用される最も一般的な複合物は炭素、ガラスおよびケブラーのような材料の繊維で強化された高分子マトリックスからなる。

多くの場合において、相対的に薄い複合パネルか使用される。現在、　、２ないし　、５ｃｍ（，０８８ないし　、１８９インチ）の厚みのパネルが最も一般的であるように思われるか、より厚いかつより薄い部品もまた使用される。

アルミニウムおよび複合材料の膨張係数は非常に大きく異なり得る。アルミニウムまたは他の金属リベ、ットか複合材料において使用されるとき落雷の問題か引き起こる。これらの理由のために、それ自身が複合材料から作られたリベットの必要性か生しる。

複合材料から作られたリベットか先行技術の接着剤結合でまたはそれなして複合シートを締め付けるために使用され得るためにかなりの作業が今なされている。

現在に至るまで、これらの複合固体リベットは射出成形方法を使用して製作され、通常の円筒シャンク部分の一方端で必要とされる製造された頭部の形状を有するリベットを形成する。

シャンク部分は締め付けられるべき加工部材を通過し、それからほぼ２つ分のシャンクの直径分を越えて突出するために十分に長く作られる。その後、この２つの直径分の突出した長さか［ショップ（ｓｈｏｐ）形成された」頭部分を形成するようにアップセットされ、それは製造された頭部と共に加工部材を共に保持するのに役立つ。

射出成形による複合固体リベットを作るための適当な材料の例は短ガラス繊維て強化されたＰＥＴ（ポリエーテルイミド）および短炎素繊維で強化されたＰＥＥＫ　（ポリエーテルエーテルケトン）である。これらの材料の双方は「熱可塑性」として一般的に知られる複合材料の範噴に属する。そのような材料は３１５ないし３７０°Ｃ（６００ないし７００°）の温度で軟化しかつ形成可能になるか、室温に冷却されると、有用な構造強度を示す。

これらの短繊維強化熱可塑性材料から作られたリベットはＭＩＬ−３ＴＤ−１３１２試験２０の方法を使用して測定されるとき、約１１０．０００ｋＰａ　（１６ＫＳＩ）の典型的な平均せん断強度を有し、かつ９６．５００ないし１１０．０ＯＯｋＰａ　（１４ないし１６ＫＳ　Ｉ）の範囲内の典型的な平均引張り強度を有する。これらのりヘットは突出する２つの直径分の長さのリベットテールへの熱供給を与えることか可能であるいずれかの単純ツーリングでアップセットされ得、その後、圧力によってこのテールをそれか軟化しかつ形成可能になるときアップセットする。

このリベット締めの方法は複合材料を締め付けるための好都合を得るように思われ、なぜならリベットそれら自身か、容易に利用可能であり高い生産性の射出成形機械において容易に作られ得、かつそれらかチタンねじ切りシャービンおよびカラーのような複合物に対する他の適当なファスナと比較して安価であるからである。また、複合航空機の分野での専門家は加工部材における孔あけおよびこれらのリベットの挿入およびアップセットか容易に自動化され得るということを信している。この方法で、安価でかつ信頼性のある据え付は方法を使用して単純で安価なファスナで締め付けか達成され得る。

幾つかの厚いまたは高い支持強度の薄い加工部材において、一般的な短繊維強化熱可塑性材料の１１０．０００ｋＰａ　（１６ＫＳ　Ｉ）のせん断強度および８３．０００ないし、９６．５００ｋＰａ　（］　２ないし１４ＫｓＩ）の引張り強度は適切ではない。こうして、複合材料から作られかつより高いせん断および引張り強度を有するリベットの必要性か生じる。

２７６．０００ないし４１４．０００ｋＰａ　（４０ないし６０ＫＳ　Ｉ）の平均最終せん断強度を存する長繊維強化ねじ切りシャーピン型ファスナは既知である。高いせん断強度のリベットもまたその出願において説明されるように積み上げられたパネルからまたは引抜成形されたロフトから作られ得る。しかしなから、加工部材においてこのような方法で作られたリベットをアップセットすることは困難である。

複合材料をファスナへと変形させる一つの方法はＧＢ−Ａ−２２０５３７４に開示される。ＣＢ−Ａ−２２０５７４は熱を付加した状態で、加工部材を介して延在する複合材料のロッドに対しての工具を開示する。工具は複合マトリックス内の繊維を外側に曲げ、フレアにされた頭部を形成する。

しかしながら、長繊維強化材料から作られたリベットをアップセットする単純でかつ実際的な方法の必要性がさらに存在する。ラップジヨイントせん断強度を最適化するために強度において十分に強いショップアップセットプロファイルを提供する必要性もまた生じる。

発明の概要この発明の方法は形づくられたアップセットアンビルを伴い、それはその軸の周りで高速で回転され、それからりヘットテールの端部と接触することを強いられ、その端部は好ましくは加工部材を越えてほぼ３つ分のシャンクの直径にわたって延在する。形づくられたアンビルを前方へと促す圧力か所望の形および直径を存するショップ形成された頭か加工部材に対して形成されるまでリベットテールを漸次に熱しかつアップセットすることを許容されるときに摩擦はリベットテールかそれか形成可能になるまで熱くなることを引き起こす。

手掴み工具を使用して複合リベットをアップセットするこの発明の方法を使用することか可能であり得るか、アンビルの回転の速度、アンビルを加工部材へと促すように与えられる圧力およびこの前進の速度が制御可能であるような機械か使用されることか好ましいと考えられる。このような能力かアルミニウムリベットおよび他の梨の航空機ファスナを自動的に据え付けるように現在広く使用されるような機械内へと最も容易に構築され得ることか期待される。

この発明の方法は他の方法によっては満足にアップセットすることか困難である熱可塑性材料から作られた長繊維強化リベットをアップセットするように主として発達された。しかしなから、その方法はまた短繊維射出成形熱可塑性リベットをアップセットするために使用され得る。

アップセント頭部を形成する際に、工具におけるアンビルは突出するすへソトンヤンクから溶融された材料の超過か溶融されたフラッシュの形状で外側に放射状に広かるような形に作られ得る。このフラッシュは、かなりの厚みのワッシャーへと形成されるとき、アンビルの前進を制限しかつ加工部材の表面への損傷を避けるための有用な設備として役に立ち得る。このワッシャーはまた負荷の下で薄いシートラップせん断ジヨイントにおいて起こるリベット軸回１はともに締め付けられる加工部材を介して延在しかつ後側シートを越えて突出するファスナの断面立面図であり、かつさらには据え付は工具の断面立面図である。

図２は、部分的に断面にされた据え付は工具かその動作位置にある、この発明の方法を使用してリベットテールかアップセットされている間の図１の構成要素の断面図である。

図４ないし図１０はすべてが軸に対して平行である同じ方向に走る長い連続的な強化繊維を有する適当な単方向の強化固体リベットの製造における段階を示す。

図１１および図１２は長い、連続的な単方向の強化繊維を含むテープから作られたリベットおよび複合パネルを示すか、幾つかのテープブライはそれらの繊維かりベット軸に平行である以外の方向に走る。

図１は繊維で強化された高分子マトリックスの複合物から作られた固体リベットＩＯを示す。図４ないし図１Ｏはそのようなリベットを作る１つの方法を示す。

複合材料は最初にブライと呼ばれる薄いシート状のテープに形成され、それはブライの強度を増す繊維を含む。適当なテープは約、０１ｃｍ　（−００５Ｎ）の厚みを有するが、他の厚みもまた利用され得る。各々のテープは複数個の個々の炭素または他の強化繊維を含み、それらは捩じられるか、他の態様でトウと呼ばれる束において共に保持される。一般的に使用される繊維は直径約７ミクロンである。一般的に使用されるトウは１２．０００の個々の繊維を含む。トウはお互いに平行に配置されかつ高分子樹脂の結合剤を使用して共に結合される。炭素繊維およびトウを共に結合するための一般的な結合剤は上で参照されるＰＥＥＫである。図６から理解されるであろうように、概略的に示されたトウ１６はその各々か個々のフィラメントから構成され、お互いに一般的には平行でありかつ繊維に垂直な方向においてテープのせん断強度を著しく増加させる。これらのトウはまた繊維フロー軸の方向において引張り強度を非常に大きく増加させる。トウがしばしば繊維と呼ばれ、かつ理論的には複合材料か束またはトウと言うよりはむしろ個々の繊維を有し得たので、エレメント１６は便宜上繊維と呼ばれ、それは最も一般的な言葉である。

テープは図４に示されるパネル１２に作られ得る。パネルを作るために、テープの多数のブライ１４か一方か他方の上になるように積み重ねられ、それは図５および図９においてさらに明らかに示される。その積み重ねはそれから加熱され、一方て圧縮負荷を与える。この方法は結合剤およびテープの隣接するブライ１４かブライを共に結合することを引き起こす。パネル１２か形成された後、それは冷却される。このことは上で説明された所望の特性を有する剛性の複合パネルを作り出す。

ファスナを作るための材料を使用するために、セクションまたはバー１８か図４に示されるようにパネルの端縁から切断される。バー１８はそれから旋盤上で回転させることによってかまたはセンターの間でそれを研削することによってかつそれをより短い破片へと切断することのいずれかによって機械加工され図６に示されるように円筒ロッド２０を作り出す。

同じ方向におけるテープの層またはブライのすべてにおける繊維１６で、レイアップ（１，１ｙｕｐ）は図８および図１Ｏに示されるように単方向の強化長繊維リベットと呼ばれるものを発生する。他の配向も存用てあり得、たとえば＋４５／−４５１０のレイアップか使用され得る。レイアップ角度はゼロ線に関連する各々の単一テープ層において繊維１６の方向を示す。このゼロ線は後にリベットの長い軸となるものと一致する。図１１を参照すると、頂部層６５は＋４５の角度を表わす。第２の層６６は−４５の角度を示し、それは層３０に関して９０° であり、かつより低い層６６はθ°または角度なしを示す。図１２はこれらの繊維の角度かいかにゼロ線６８にかつ製造されたファスナに関連するかということを示す。

レイアップおよび切断方法が図８のリベットを形成するためのブランクを発生するために示されるか、適当なブランクはまた引抜成形方法によって多くの熱可塑性材料および連続する繊維から作られ得、それはプラスチック産業において周知の方法である。

再び図１を参照すると、リベット１０は加工部材１５内に挿入して示され、かつそのテール１１か加工部材シャンク１３のほぼ３つの直径分、ファスナの面１７を越えて突出するような長さを有する。リベットにおいて所望のアップセントを発生するための適当な工具３８かまた図１および図２において示される。

工具３８は長手のスピンドル４２の下方端部内に設けられたアンビル４０を含む。スピンドルの上方端部はかなりの速度でスピンドルを回転させるために適当な機構５３（概略的に示される）と係合する。スピンドルの下方端部を取り囲むのはスリーブ４６であり、それはねじ山または他の適当な手段によっておおい（ｓｈｒｏｕｄ）４８に接続され、それはスリーブの下方端部およびその中にアンビルを有するスピンドルを取り囲み、かつ１つの位置においてアンビルの下方端部を越えて延在し、それは図１に示されるとおりである。スペーサ４９はおおいの上方端部とスリーブの肩部との間に延在する。コイルバネ５０はスピンドルの部分を取り囲みかつスリーブと、スピンドルか設けられるスラストベアリング５２の下方部分との間に延在する。こうして、バネはおおいがアンビルを越えて延在するように促す方向においてスリーブおよびおおいを下方へと絶え間なく促す。

スリーブおよびおおいの下方への移動がアンビルのフレアーにされた下方端部の上方表面を係合するスリーブの下方端部によって制限されるということを図１から注目されたい。回転のために設けられているスピンドルに加えて、全体の工具か適当な手段５１（概略的に示される）により軸方向の運動のために設けられ、かつおおいおよびスピンドルはお互いに軸方向にかつ回転して運動し得る。

アンビルの下方端部は内部空洞または窪み５４を存し、それはリベット上に形成されるべき所望のアップセット頭部の形における回転の所望の内部表面を有する。空洞はその下方のより大きな直径端部か上方のより小さい直径端部へと続く開口である截頭の円錐形を存する。

アップセットを発生するために、工具のアンビルの軸５６か最初にアップセットされるべきリベットの軸と整列される。スピンドルはそれからかなりのスピード、たとえば、３０００ｒｐｍで回転され、かつ工具の全体はリベットおよび加工部材に対しての運動のプリセット速度で運動される。

図２を参照すると、おおい４８の下方端部は加工部材１５の上方表面１７に接触しかつ回転をとめ、一方でアンビル４０およびスピンドル４２は回転し続けかつリベットテール１１に接近する。バネ５０はおおい４８を加工部材１５と接触した状態に維持する。スラストベアリング５２はおおい４８が静止したままでいる間にスピンドル４２が回転することを許容する。

回転アンビル４０がリベットテール１１の端部と接触するとき、シャンク１３の冷たい部分を早まって変形させることなしにアンビルとリベットとの間の摩擦が熱を発生するような適当な圧力を使用して、それが接触状態に保持される。リベットの溶融温度か到達されるとき（ＰＥＥＫの場合において約３３０’Ｃ（６２５°Ｆ）、リベット端部の溶融された部分か流動し始める。圧力および摩擦の絶え間ない影響の下で、リベットアップセットが形成し続ける。

溶融されたＰＥＥＫマトリックス材料および強化繊維は下方へかつ外側へと強制され、それは材料のさらなる下方および外側への移動がおおい内で利用可能なスペースによって制限されるまでそうである。上で注目されたように、テール端部の体積は溶融された材料か放射状に外側に広がり溶融されたフラッシュを形成するように空洞の体積よりも大きい。このフラッシュはアンビルの前進を制限するワッシャーになる。ワッシャーはまた加工部材との最後のジヨイントを強める。

摩擦加熱、溶融および流動は利用可能なリベットテールの体積がアンビルプロファイル、おおいの内部壁および加工部材１５の頂部表面１７によって規定された等しい体積のスペースへと変形されるまで続く。

この時点で、工具スピンドル４２の回転が停止されるか、アップセット頭部１９における変形された材料の温度かＰＥＥＫ材料の融点よりもかなり下（たとえば２０５°Ｃ（４００°Ｆ）またはそれ以下）に下がるまで圧力がアンビル４０上で維持され、その時点で工具は取り除かれかつ第２のリベットアップセットが開始され得る。

セットファスナおよび完成されたジヨイントが図３に示される。示され得るように、テールアップセット頭部１９は截頭の円錐形を有し、頭部のより小さな直径の上方端部か外側へと延在するフランジまたはワッシャー２１内へとフレアになる前に大きな直径へとテーパ状（ｔａｐｅｒ）になる。図２および図３におけるファスナシャンク１３は図８に相当する概略的に示された繊維線で示され、そこではそれはテールアップセットの開本質的に変えられないままである。しかしなから、繊維がプロトタイプの拡大断面において歪められかつ不明瞭で現われるため、アップセット頭部１９は従来の断面ハツチングにおいて示される。

示される工具は実験のプロトタイプである。それがさらに発達されるであろうということが期待される。たとえば、動作の開始時で工具か温められることか所望であり、それによってリベットへの熱伝達が高速化される。こうして、摩擦以外の工具を予め温めるための手段か与えられ得る。

また、アップセット頭部の形成が完了しかつ回転か停止されたすぐ後にアップセット頭部および工具の冷却かできるだけ迅速に行なわれることか所望である。したがって、冷却フィンがおおい４８に付加され得、かつスピンドル４２およびアンビル４０に冷却か与えられ得る。

請求の範、囲 ■、加工部材（１５）を介して突出するリベットシャンク（１３）のテール（１１）を変形する方法であって、前記シャンク（１３）は熱可塑性結合剤によって共に保持された複数個の長繊維（１６）を含む複合材料から形成され、前記方法は、回転アンビル（４０）を前記テール（１１）の端部に対して押圧するステップを含み、それは結合剤が溶融しまたは軟化しかつ回転の軸（５６）のまわりで外側に広かる繊維（１６）の隣接する端部と共に、ファスナ（１０）か加工部材（１５）から引き出されることを妨げるためにシャンク（１３）の直径よりも十分に大きな直径のアップセット頭部（１９）へと変形することを引き起こすのに十分な摩擦によって前記結合剤を加熱し、さらに前記アンビル（４０）を前記アップセット頭部（１９）から引き出すステップを含む方法。

２、前記アンビル（４０）が前記テール（１１）を係合するその端部表面上で形成された空洞（５４）を育し、かつ前記変形ステップか変形されたテール材料が前記空洞（５４）を満たすまで続けられ、それによってアップセット頭部（１９）を前記空洞の形へと形成する、請求項１に記載の方法。

３、前記アンビル（４０）が前記窓＋１ｉｉ（５４）を取り囲む環状の端部表面を有し、かつ前記空洞（５４）が前記テ−ル（１１）の体積に関して寸法決めされ、それによって前記変形ステップの間、前記変形されたテール（１１）の部分（２１）か前記空洞（５４）から外側に広がりかつ平坦化されさらに前記加工部材（１５）の隣接する表面（１７）と前記環状表面との間に圧縮される、請求項２に記載の方法。

４、前記空洞（５４）か截頭の円錐形を存し、それは閉じられた端部およびより大きな開口端部を有し、それが前記テール（１１）上への導入および変形されたテール（１９）からの除去を特徴とする請求項２または３に記載の方法。

５、前記空洞（５４）の開口端部か前記シャンク（１３）の直径の約１．３倍の直径を有し、かつ前記空洞（５４）の閉じられた端部かシャンクの直径とほぼ等しい直径を育する、請求項４に記載の方法。

６、最初に前記加工部材（１５）を越えて突出する前記シャンク（１３）の部分（１１）の長さか前記シャンク（１３）の直径の約３倍である、先行の請求項のいずれかに記載の方法。

７、加工部材（１５）を越えて突出するアップセット頭部（１９）の高さかシャンク（１３）の直径の１．５倍よりも少し少ない、先行の請求項のいずれかに記載の方法。

８、アンビル（４０）か所望のアップセット頭部（１９）の形に構成された回転の内部表面を有するその端部面内に空ＩＴ４　（５４）を有し、かつ前記回転ステップか回転の前記表面の軸（５６）の周りで行なわれる、請求項１に記載の方法。

９、前記アップセット頭部が凝固するのに十分に冷却された後に前記引出しか起こる、先行の請求項のいずれかに記載の方法。

１０、前記アップセット頭部（１９）か凝固するのに十分に冷却されるまで前記押圧か維持される、請求項９に記載の方法。

１１、複合ファスナを使用するジヨイントを形成する方法てあって、複数個の加工部材メンバを与えるステップと、前記加工部材メンバの各々を介して孔を形成するステップと、加工部材ボアを形成するために前記孔を整列させるステップと、前記加工部材ボアを介して前記ファスナシャンク（１３）を挿入するステップと、製造された頭部（２４）を前記加工部材（１５）に対して前記ファスナ（１０）上に促すステップと、所望のファスナアップセット頭部（１９）の形に構成された回転の内部表面によって規定されたその端部表面上で空ｆｊｉ４（５４）を有するアンビル（４０）を与えるステップと、前記アンビル（４０）を回転の前記表面の軸（５６）の周りて回転させるステップと、さらに前記アンビル（４０）をファスナテール（１１）に対して押圧するステップとを含み、回転の前記表面の前記軸が前記ファスナテール（１１）の縦軸と整列され、前記ファスナテール（１１）をその材料が前記空洞を満たすまでアップセットし、それによって前記アップセット頭部（１９）を形成するステップと、アンビル（４０）を前記アップセット頭部（１９）に対して押圧しつづける間に、前記アンビル（４ｏ）の回転を止めるステップと、前記アップセット頭部（１９）が前記結合剤の溶融温度よりも下に冷却された後前記アンビル（４ｏ）を前記アップセット頭部（１９）から引き出すステップとをさらに含む方法。

１２、前記アップセット頭部（１９）か形成された後アンビル（４０）の回転か停止されるかアップセット頭部（１９）か凝固するまでアンビル（４０）がアップセット頭部（１９）に対して押圧されたままの状態にある、先行の請求項のいずれかに記載の方法。

１３、先行の請求項のいずれかの方法によって形成された製作物。

１４、加工部材（１５）および熱可塑性材料によって共に保持された長弧化繊維（１６）で形成されたファスナとを含むジヨイントであって、前記ファスナ（１０）は加工部材（１５）の表面（１７）を係合するショップ形成されたアップセット頭部（工９）を存し、前記アップセット頭部（１９）か、前記回転の間ファスナ（１０）の突出する端部（１１）に対して押圧されてきた回転アンビル（４０）を使用して摩擦熱および圧力によって変形された結果としてファスナ（１０）のシャンク（１３）と異なる物理的特性を有することを特徴とするジヨイント。

１５、前記アップセット頭部（１９）か截頭の円錐形および外側に延在するワッシャー型フランジ（２１）を育し、それは前記加工部材（１５）を係合しかっファスナシャンク（１３）および截頭の円錐部分と一体的に形成され、前記フランジ（２１）は前記頭部の形成の間外側へと広かった前記繊維の端部を含む、請求項１４に記載のジヨイント。

１６、前記アップセット頭部（１９）が、前記加工部材（１５）を係合しかっファスナシャンク（１３）およびアップセット頭部（１９）と一体的に形成された外側に延在するワッシャー梨フランジ（２１）を存し、前記フランジ（２１）か前記頭部（１９）の形成の間に外側へと広がる前記繊維の端部を含む、請求項１４に記載のジヨイント。

要約所望のアップセット頭部（１９）の形における空洞（５４）を存する回転アンビル（４０）か加工部材（１５）を介して突出する複合ファスナ（ｌＯ）のテール（１１）に対して促されかつテール（１１）か加熱されかつ摩擦によってファスナシャンク（１３）よりも著しく大きいアップセン１−如部（１９）へと変形され、ファスナ（１０）か加工部材（１５）から引き出されることを防ぐ。

国際調査報告国際調査報告ｕｓ　９１００７６５Ｓ＾　４５９３５

Claims

【特許請求の範囲】

１．加工部材１５を介して突出するリベットシャンク１３のテール１１を変形する方法であって、前記シャンク１３は熱可塑性結合剤によって共に保持された複数個の長繊維１６を含む複合材料から形成され、前記方法は、回転アンビル４０を前記テール１１の端部に対して押圧するステップを含み、それは結合剤が溶融しまたは軟化しかつ繊維１６の隣接する端部と共に、ファスナ１０が加工部材１５から引き出されることを妨げるためにシャンク１３の直径よりも十分に大きな直径のアップセット頭部１９へと変形することを引き起こすのに十分な摩擦によって前記結合剤を加熱し、さらに前記アンビル４０を前記アップセット頭部１９から引き出すステップを含む方法。
２．前記アンビル４０が前記テール１１を係合するその端部表面上で形成された空洞５４を有し、かつ前記変形ステップが変形されたテール材料が前記空洞５４を満たすまで続けられ、それによってアップセット頭部１９を前記空洞の形へと形成する、請求項１に記載の方法。
３．前記アンビル４０が前記空洞５４を取り囲む環状の端部表面を有し、かつ前記空洞５４が前記テール１１の体積に関して寸法決めされ、それによって前記変形ステップの間、前記変形されたテール１１の部分２１が前記空洞５４から外側に広がりかつ平坦化されさらに前記加工部材１５の隣接する表面１７と前記環状表面との間に圧縮される、請求項２に記載の方法。
４．前記空洞５４が截頭の円錐形を有し、それは閉じられた端部およびより大きな開口端部を有し、それが前記テール１１上への導入および変形されたテール１９からの除去を容易にする、請求項２または３に記載の方法。
５．前記空洞５４の開口端部が前記シャンク１３の直径の約１．３倍の直径を有し、かつ前記空洞５４の閉じられた端部がシャンクの直径とほぼ等しい直径を有する、請求項４に記載の方法。
６．最初に前記加工部材１５を越えて突出する前記シャンク１３の部分１１の長さが前記シャンク１３の直径の約３倍である、先行の請求項のいずれかに記載の方法。
７．加工部材１５を越えて突出するアップセット頭部１９の高さがシャンク１３の直径の１．５倍よりも少し少ない、先行の請求項のいずれかに記載の方法。
８．アンビル４０が所望のアップセット頭部１９の形に構成された回転の内部表面を有するその端部面内に空洞５４を有し、かつ前記回転ステップが回転の前記表面の軸５６の周りで行なわれる、請求項１に記載の方法。
９．前記アップセット頭部が凝固するのに十分に冷却された後に前記引出しが起こる、先行の請求項のいずれかに記載の方法。
１０．前記アップセット頭部１９が凝固するのに十分に冷却されるまで前記押圧が維持される、請求項９に記載の方法。
１１．複数個の加工部材メンバを与えるステップと、前記加工部材メンバの各々を介して孔を形成するステップと、加工部材ボアを形成するために前記孔を整列させるステップと、前記加工部材ボアを介して前記ファスナシャンク１３を挿入するステップと、製造された頭部２４を前記加工部材１５に対して前記ファスナ１０上に促すステップと、所望のファスナアップセット頭部１９の形に構成された回転の内部表面によって規定されたその端部表面上で空洞５４を有するアンビル４０を与えるステップと、前記アンビル４０を回転の前記表面の軸５６の周りで回転させるステップと、さらに前記アンビル４０をファスナテール１１に対して押圧するステップとを含み、回転の前記表面の前記軸が前記ファスナテール１１の縦軸と整列され、前記ファスナテール１１をその材料が前記空洞を満たすまでアップセットし、それによって前記アップセット頭部１９を形成するステップと、前記アップセット頭部１９が前記結合剤の溶融温度よりも下に冷却された後前記アンビル４０を前記アップセット頭部１９から引き出すステップとをさらに含む、請求項１の複合ファスナを使用するジョイントを形成する方法。
１２．前記アップセット頭部１９が形成された後アンビル４０の回転が停止されるがアップセット頭部１９が凝固するまでアンビル４０がアップセット頭部１９に対して押圧されたままの状態にある、先行の請求項のいずれかに記載の方法。
１３．先行の請求項のいずれかの方法によって形成された製作物。
１４．加工部材１５および熱可塑性材料によって共に保持された長強化繊維１６で形成されたファスナとを含むジョイントであって、前記ファスナ１０は加工部材１５の表面１７を係合するショップ形成されたアップセット頭部１９を有し、前記アップセット頭部１９は、前記回転の間ファスナ１０の突出する端部１１に対して押圧されてきた回転アンビル４０を使用して摩擦熱および圧力によって変形された結果としてファスナ１０のシャンク１３と異なる物理的特性を有するジョイント。
１５．前記アップセット頭部１９が截頭の円錐形および外側に延在するワッシャー型フランジ２１を有し、それは前記加工部材１５を係合しかつファスナシャンク１３および截頭の円錐部分と一体的に形成され、前記フランジ２１は前記頭部の形成の間外側へと広がった前記繊維の端部を含む、請求項１４に記載のジョイント。