JPH06114863A - 繊維強化樹脂製歯車の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 生産性、作業性に優れた高物性且つ寸法精度
の良好な長繊維強化熱可塑性樹脂製の歯車の製造方法を
提供すること。 【構成】 強化用長繊維と熱可塑性樹脂プリプレグの有
角度積層板を歯車の形状に打ち抜くか、又は打抜いた積
層板を金型に装填して加熱圧縮成形する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般産業機械、電子・
電機機器、自動車機器、スポーツレジャー機器分野など
に広く使用される長繊維強化熱可塑性樹脂製の歯車の製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】軽量化、耐腐食性、騒音防止性、振動防
止性、自己潤滑性などの点で金属製の歯車の欠点をカバ
ーすることができる熱可塑性樹脂歯車の製作がなされて
きた。しかしながら、熱可塑性樹脂製の歯車は、射出成
形で効率的に安価に製造できる特徴を持っている反面、
強度などの機械的性質が劣っているために高負荷がかか
る部分の歯車としての使用には難点があった。

【０００３】その欠点を補うために、強化用繊維を短繊
維の形態で熱可塑性樹脂に練り込み、射出成形、押し出
し成形などの方法で成形することが行われているが、未
だ強度は不十分で且つ成形品中の強化用短繊維の配向や
それに伴う樹脂の収縮の異方性を制御することが難しい
ことから、得られる歯車の寸法精度が劣り、精密歯車と
しての使用には制限があった。

【０００４】そこで、強化用繊維を長繊維の形態で使用
することが提案されている。例えば特開昭５４−３６４
３号公報には炭素繊維強化熱硬化性樹脂から製造された
歯車が提示されている。この歯車は、高い強度を有する
ことから、高負荷がかかる部分の歯車として使用が可能
になったが、熱硬化性樹脂は、靭性が劣るために使用中
に歯車の歯が欠けやすい欠点があった。

【０００５】強度及び寸法精度に優れた繊維強化樹脂製
の歯車の製造方法としては、例えば特開昭６１−１８１
６３４号公報では、強化用長繊維に予め熱硬化性樹脂を
含浸させたプリプレグを歯車の形状に打ち抜いて金型に
装填して加熱圧縮成形する方法が開示されているが、こ
の方法は一枚一枚のプリプレグを打抜いて金型に積層す
るために手間がかかり、また樹脂の反応に長時間必要な
ため生産効率に劣る欠点があった。またその他の歯車の
製造方法としては、一旦強化用繊維間に樹脂が含浸した
必要な厚みの積層板を成形しておいてから積層板を歯車
の形状にプレスで打ち抜き加工する方法があるが、熱硬
化性樹脂の場合は、靭性が劣るために打ち抜き時の衝撃
力で積層板にクラックが入ったり、欠けたりする欠点が
あった。また別の製造方法として、積層板を機械加工に
よって歯車の形状に切削する方法もあるが、この方法は
加工に時間がかかるとともに寸法精度を確保しにくい欠
点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、こうした実
情の下に生産性、作業性に優れた、高物性で且つ寸法精
度の良好な長繊維強化熱可塑性樹脂製歯車の製造方法を
提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、複雑な形
状を成形加工するのに極めて効率的な打抜き加工方法に
注目して研究を重ねた結果、次のような歯車の製造方法
を見出した。

【０００８】即ち本発明は、長繊維強化熱可塑性樹脂よ
りなる歯車の製造法において、強化用長繊維と熱可塑性
樹脂からなる有角度積層板を歯車の形状に打ち抜くか、
又は、打ち抜いた有角度積層板を金型に装填して加熱圧
縮成形することを特徴とする繊維強化樹脂製歯車の製造
方法である。

【０００９】本発明でいう強化用長繊維と熱可塑性樹脂
からなる有角度積層板とは、強化用長繊維と熱可塑性樹
脂が一体化した板状の成形体であって、該強化用長繊維
の配列方向を各層間で角度を有するように偏位させ、積
層板の物性が疑似等方性となるように形成したものを言
い、このような有角度積層板の成形体は例えば、強化用
長繊維をその配列方向を一方向に引き揃えたり、または
織物や編物に編織したものに熱可塑性樹脂を含ませたプ
リプレグを積層したのち、プリプレグを加熱して熱可塑
性樹脂を溶融して強化用長繊維の繊維間に樹脂を加圧、
真空などの手段により含浸させた後樹脂を冷却・固化さ
せて得ることができる。あるいは熱可塑性樹脂繊維の抄
造シートと配向又は編織した強化用長繊維との複合シー
トを形成し、これを積層・成形して得ることができる。

【００１０】板状の有角度積層板の具体的な製造方法と
しては、強化用長繊維に溶融した熱可塑性樹脂を含浸
し、冷却・固化したシート状のソリッドプリプレグや強
化用長繊維に熱可塑性樹脂の繊維や粉末を種々の方法で
混合した柔軟性のあるシート状のフレキシブルプリプレ
グなどを強化用長繊維の配列方向を、積層板の力学的物
性が疑似等方性になり、且つ積層板にソリが発生しない
ようにシンメトリックに積層してからプレス成形法やス
タンピング成形法、オートクレーブ成形法、真空バッグ
成形法などの成形法で製造する方法などがあるが特に限
定されるものではない。

【００１１】本発明の歯車の製造方法は、マトリクス樹
脂として靭性の低い熱硬化性樹脂の代りに靭性の高い熱
可塑性樹脂を用いて、上記の如く予め強化用長繊維と熱
可塑性樹脂からなる板状の有角度積層板を成形しておい
てからそれをプレスなどの方法で歯車の形状に打ち抜き
加工する方法のため、打抜き加工に際して積層板に加わ
る剪断衝撃力により打ち抜き部分が欠けたり、積層プラ
イ間に剥離やクラックが発生したりすることなく、極め
て効率的に歯車を製造することができる方法である。

【００１２】また本発明の方法によって得られる歯車
は、強化用長繊維が配列した有角度積層板を打ち抜き加
工して得られているため、歯車の歯先まで強化用長繊維
が行き渡って充填されているため機械的強度（特に歯
先、歯元強度）と歯車の径方向の熱及び吸湿の寸法安定
性に優れたものである。

【００１３】積層板の厚みは、必要とする歯車の厚みに
よって、また、積層板の種類（強化用長繊維／熱可塑性
樹脂の組み合わせの種類や強化用繊維の含有率など）な
どに影響される打ち抜き加工性などによって変わるが、
厚みがあまり厚くなると打ち抜きが困難になるため一般
的には、０．５〜５ｍｍの厚みの積層板が用いられる。

【００１４】それ故、歯車の厚みが、積層板を打ち抜け
る範囲の厚みである場合は、それと同じ厚みの積層板を
歯車の形状に打ち抜くことによって直接歯車を得ること
ができるが、他の方法として歯車の所定の厚みより薄い
積層板を打ち抜いてその複数数枚を歯車の所定の厚みに
なるように金型に積層してこれを加熱圧縮成形して積層
板を一体化することにより任意の厚みの歯車を製造する
ことができる。

【００１５】歯車形状に打ち抜いた有角度積層板を金型
に積層して成形一体化する方法としては、有角度積層板
を目的とする歯車の外寸法より若干小さめの外周サイズ
の歯車形状に打ち抜いて、それらを目的とする歯車の外
寸法と同じ寸法を有する金型キャビティに必要枚数積層
して加熱加圧することにより有角度積層板を構成する熱
可塑性樹脂を強化用繊維と共に溶融流動させて積層体と
金型の間に生じた空間を充填するとともに積層した有角
度積層板同志を一体化させ、その後、金型を冷却して樹
脂を冷却・固化する成形方法、又は上記の歯車形状に打
ち抜いた多方向積層板を必要枚数積層して、それを熱風
加熱装置や遠赤外線加熱装置などで熱可塑性樹脂の溶融
温度以上の温度に予熱してから、熱可塑性樹脂の溶融温
度以下の温度に保持した上記の寸法を有する金型に素早
く移して加圧することにより樹脂と強化繊維を流動さ
せ、積層体と金型の間の空間を充填するとともに有角度
積層板同志を一体化させる謂ゆるスタンピング成形法な
どが用いられる。

【００１６】本発明の積層板を構成する強化用長繊維と
しては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、炭化ケ
イソ繊維、アルミナ繊維などの高強度、高弾性率繊維が
単独又は組み合わせて用いられるが、この中で得られる
ギアの強度の強化効率及び寸法安定性、耐蝕性、摺動
性、帯電防止性、軽量化などの機能を付与する面からは
炭素繊維が最も好ましい。

【００１７】マトリクスである熱可塑性樹脂の種類は要
求される歯車の機能から選定されるが、一般的にはナイ
ロン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネー
ト、ＡＢＳ、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレ
ンサルファイドやそれらのポリマーアロイが、特に強
度、耐熱性が要求される場合は、ポリエーテルケトン、
ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポ
リエーテルサルフォンなどが用いられる。

【００１８】下記の式で表わされる積層板中で強化用繊
維が占める体積含有率（以下Ｖｆと略す）は、 Ｖ_f（％）＝｛（強化用繊維体積）／（熱可塑性樹脂の
体積＋強化用繊維の体積）｝×１００ 必要とされる歯車の機械的特性などによって決定される
が、一般的には、３０〜７０％の範囲が好ましく、さら
に好ましくは４０〜６０％の範囲である。

【００１９】有角度積層板の打ち抜き加工は、有角度積
層板を所定の歯車形状をした打ち抜きポンチとダイスの
間に配置固定して、プレスなどによってポンチ又はダイ
スを上昇又は下降させてそのクリアランス部分で有角度
積層板に剪断力を加える方法によって行われるが、この
時ポンチとダイスの打ち抜きクリアランスが適切である
ことが必要である。これは大きなクリアランスで打ち抜
いた場合切り口面が平滑面になり難いためである。適切
な打ち抜きクリアランスは、積層板の厚み及び種類（強
化用長繊維／熱可塑性樹脂の組み合わせの種類や強化用
繊維のＶ_fなど）などにより変わるが一般的には、０．
５ｍｍ以下である。

【００２０】本発明の製造方法により製造する歯車は、
例えば平歯車、円筒歯車などが代表的な物であり、これ
らの歯車は、一般産業機械分野、電子・電機機器分野、
自動車機器分野、スポーツレジャー分野、その他の雑貨
などの各分野の部品として広く利用ができる。

【００２１】

【実施例】以下実施例によって本発明を説明する。

【００２２】参考例 ナイロン−６重合体を溶融紡糸して長繊維束を得た。こ
の長繊維束を多数本集めて、ギロチン式カッターで５ｍ
ｍの長さに切断してナイロン短繊維を得た。次いで、こ
の短繊維を水中に投入して水スラリー液として金網上で
抄造して目付け４８ｇ／ｍ²の抄造シートを得た。

【００２３】次に、ポリアクリロニトリル系炭素繊維
（新旭化成カーボンファイバー（株）社製、ハイカーボ
ロン１２Ｋｆ）９６本をクリルから連続的に引きだし、
炭素繊維が一方向に引き揃った幅５０ｃｍで目付け１５
０ｇ／ｍ²の集合体とし、その上面と下面に上記の目付
けが４８ｇ／ｍ²の抄造シートを配置して、炭素繊維集
合体をサンドウィッチ状にはさんだ。このサンドウィッ
チ状シートを４ｍ／分の速度で移動する金網ネット上に
のせてシートの表と裏側から１５０ｃｐｍで揺動する直
径が０．２ｍｍφの２５０個のノズルを通して高圧水流
をシートに垂直に当てナイロン−６短繊維が炭素繊維間
に入り込んで交絡一体化した総目付けが２４６ｇ／ｍ²
で炭素繊維のＶｆが５０％の複合シートを得た。この様
にしてえられた複合シートを１１０℃の熱風乾燥機で２
時間乾燥させた。

【００２４】実施例１ 参考例の複合シートを炭素繊維の配列角度が０°，３０
°，３０°，及び９０°になるように裁断して下記の積
層構成及びプレス成形条件で板厚２ｍｍの有角度積層板
を成形した。この積層板の断面を倍率２００倍の光学顕
微鏡で観察したところ炭素繊維は均一に分散しており且
つ樹脂の未含浸部分や空洞は全く観察されなかった。

【００２５】積層構成；（０／９０／３０／−６０／６
０／−３０）ｓ…計１２層 成形条件；５０ｃｍ各の平板成形用金型（マッチドダ
イ）のキャビティに、上記の１２枚の複合シートをセッ
トして、ホットプレスの熱板の間にはさみ、複合シート
の単位面積当たり１０ｋｇ／ｃｍ²の圧力を加えて２５
０℃迄昇温した後、２５０℃で１０分保持した。その
後、圧力を加えたままで５０℃まで冷却して、金型から
成形された板を取り出した。

【００２６】ついで、この有角度積層板を図１の形状の
歯数１８、歯先円直径３０ｍｍ、モジュール１．５ｍｍ
で中心に軸受け用の穴を有する歯車の形状にプレスで打
ち抜いた。この時、打ち抜きポンチとダイスのクリアラ
ンスは、０．１ｍｍであった。この様にして得られた平
歯車の打ち抜き面は平滑で欠けや層間クラックは認めら
れなかった。

【００２７】又、これとは別に、上記の有角度積層板を
上記の歯車の歯先円直径より内のりが１ｍｍ小さくなる
（直径２８ｍｍ）ような歯車形状に打ち抜いた。この歯
車形状に打ち抜いた積層板を３層重ねてずれないように
注意して赤外線加熱炉で２５０℃の温度になるように予
熱した。次いでこの予熱した積層板を加熱炉より取りだ
して、温度を１８０℃に保持した歯数１８、歯先円直径
３０ｍｍの歯車の外寸法と同じ内寸法（外径３０ｍｍ）
を有する金型のキャビティに素早く移して積層板の単位
面積当たり１５０ｋｇ／ｃｍ²の圧力でプレスして１分
加圧して賦形及び冷却を行ったのち金型より取り出し
た。この成形された歯車の厚みは５．９ｍｍで積層した
３層の有角度積層板は完全に一体化して、且つ加圧前に
積層体と金型の間に生じていた空間も完全に充填されて
おり歯車の外径は金型の内径と殆ど一致していた。又歯
車の歯先の断面を観察したところ空洞は全く観察されず
繊維が均一に充填されたものであった。

【００２８】比較例１ 炭素繊維を一方向に引き揃えた目付け１５０ｇ／ｍ²の
シートにエポキシ樹脂を含浸させた、炭素繊維のＶｆが
５０％のプリプレグ（新旭化成カーボンファイバー
（株）社製、ハイカーボロンプリプレグ）を、実施例１
と同じ積層構成で積層し、オートクレープにて１３０℃
で２時間硬化させて、厚み２ｍｍの有角度積層板を成形
した。この板を、実施例１と同じ打抜き条件で歯車の形
状に打抜いたところ打ち抜き面のエッジ部分が欠けて且
つプリプレグの積層面に層間剥離が観察され、ギアとし
ての使用は困難と判った。

【００２９】実施例２および比較例２ 炭素繊維の代りに、ガラス繊維を用いて参考例と同様に
してガラス繊維の目付が２１５ｇ／ｍ²（総目付け３１
１ｇ／ｍ²）の複合シートを得た。次いで、この複合シ
ートを実施例１と同じ積層構成とプレス成形条件で板厚
２ｍｍの有角積層板を成形した。この積層板を実施例１
と同様に直径が２８ｍｍで中心に軸受け用の直径５ｍｍ
の穴を有する歯車形状に打ち抜いた。この歯車形状の打
ち抜き面は滑らかで欠けやクラックは認められなかっ
た。この打ち抜いた積層板を３枚重ねてずれないように
注意して赤外線加熱炉で２５０℃に予熱した。次に予熱
した積層板を図１の形状の歯先円直径ａ，軸受け穴直径
ｂを有する歯車を成形する金型に移して表１の条件でプ
レスにて圧縮して歯車を成形した。

【００３０】このようにして得られた歯車を観察したと
ころ、積層した３層の有角度積層板は一体化しており且
つ歯車の歯先までガラス繊維が均一に充填されていた。

【００３１】比較のためにＳＭＣ材料を歯車形状に打ち
抜いて金型に装填しようとしたが粘着してうまく打ち抜
けないため、ナイフで実施例２と同じ歯車形状に切り出
して金型に装填し表１の条件にて圧縮成形して歯車を得
た。また、もう一つの比較のためのＢＭＣ材料について
は実施例２の歯車と同じ重量になるように材料を計量し
て同じ金型に装填して表１の条件にて圧縮成形して歯車
を得た。

【００３２】

【表１】

【００３３】ＳＭＣ材料；ガラス繊維、不飽和ポリエス
テル混合シート材料 （日本触媒製；エポラックマット３１００ＣＧ） ＢＭＣ材料；ガラス繊維、不飽和ポリエステル混合体 （日本触媒製；エポラック プレミックス ＰＴ２７２
２） このようにして得た３種類の歯車について刃先円直径、
軸受け用穴の直径の寸法及びこの円の同心度を（株）ミ
ツトヨ製の３次元測定器を使用して測定した。測定は歯
車の中心を通って対向する２つの歯先の距離を刃先円直
径ａとして測定点数９点を、また歯先を結ぶ直線が軸受
け穴を横切る２点間の距離を軸受け穴直径ｂとして刃先
円直径ａに対応して同じく測定点数９点を測定した。

【００３４】その結果を表２に示した。

【００３５】

【表２】

【００３６】金型の詳細寸法；ａ＝３０．００３mmφ
ａ，ｂの同心度＊＝０．００１mm ｂ＝７．００５mmφ ＊同心度とはａ，ｂ各中心間のずれを言う 本発明の方法によって得られた歯車の成形収縮率は小さ
く寸法の精度が良好なことが分かる。

【００３７】比較例３ 参考例において、炭素繊維の変わりにガラス繊維を用い
て、ガラス繊維を２０ｍｍの長さにギロチン式カッター
で切断した。このガラス繊維と、５ｍｍの長さのナイロ
ン−６短繊維とを水中投入して分散させて混合スラリー
液とし、金網上で抄造して短繊維状のガラス繊維を強化
用繊維とする総目付け量が３１１ｇ／ｍ²の抄造シート
を得た。ガラス繊維はこの抄造シート中で均一に分散し
ており且つ繊維はほぼランダム方向に配列していた。
尚、この場合抄造シート中のガラス繊維のＶｆを３０％
以上にすると、実施例２と同じ積層枚数と成形条件で積
層板を成形した場合積層板中に空洞が観察されたので、
ガラス繊維のＶｆを２５％とした抄造シートを作成して
それを積層して実施例２と同じ成形条件で成形して厚み
約２ｍｍの積層板を得た。

【００３８】このようにして得られた積層板を実施例２
と同様の方法で歯車に成形しその寸法精度を実施例２と
同様にして測定した。

【００３９】その結果を表３に示した。

【００４０】

【表３】

【００４１】比較例の方法によって得られた歯車は、実
施例２の歯車と比較して成形収縮率が大きく且つ寸法の
精度が悪いことが分かる。

【００４２】比較例４ 比較例３の強化繊維の種類を炭素繊維に変えた以外は同
様にして総目付けが２４６ｇ／ｍ²の短繊維状の炭素繊
維を強化繊維とする抄造シートを得た。

【００４３】炭素繊維はこの抄造シート中で均一に分散
しており且つ繊維はほぼランダム方向に配列していた。
尚、この場合比較例３と同様に抄造シート中の炭素繊維
のＶｆを３０％以上にすると、実施例１と同じ積層枚数
と成形条件で積層板を成形した場合積層板中に空洞が観
察されたので、炭素繊維のＶｆを２５％とした抄造シー
トを作成してそれを積層して実施例１と同じ成形条件で
成形して厚み約２ｍｍの積層板を得た。

【００４４】このようにして、得られた積層板を、１９
６φの円盤状に打ち抜いて、２層重ねて実施例１と同様
の条件で予熱して１８０℃に保持した２００φの金型に
装填して円盤状の厚み約４ｍｍで２００φの円盤状の積
層板を得た。この様にして得られた積層板の断面を観察
したところ、積層した２層の積層板は完全に一体化して
空洞は観察されなかった。得られた積層体を任意の方向
に長さ１３０ｍｍ、幅１３ｍｍの短冊状の板に切り出
し、Ｌ／ｄ＝３２でＡＳＴＥＭ−Ｄ７９０に準じて曲げ
強度を測定した。

【００４５】その結果を表４に示した。

【００４６】実施例３ 実施例１で得られた積層板を１９６φの円盤状に打ち抜
き、２層重ねて実施例１と同様の条件で予熱して１８０
℃に保持した２００φの金型に装填して円盤状の厚み約
４ｍｍで２００φの円盤状の積層板を得た。

【００４７】この様にして得られた積層板の断面を観察
したところ、積層した２層の積層板は完全に一体化して
空洞は観察されなかった。得られた積層板を積層板の表
層の炭素繊維の０°方向の配列方向と平行方向に比較例
３と同じ寸法の短冊状の板を切り出し、比較例３と同様
に曲げ強度を測定した。

【００４８】その結果を表４に示した。

【００４９】

【表４】

【００５０】

【発明の効果】本発明の繊維強化樹脂製歯車の製造方法
によれば、高物性で寸法精度の良好な歯車を効率的に生
産できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で製造した平歯車の概念図であ
る。

【符号の説明】

ア 強化用繊維の９０度方向の配向方向を表わす。 イ 強化用繊維の６０度方向の配向方向を表わす。 ウ 強化用繊維の３０度方向の配向方向を表わす。 エ 強化用繊維の０度方向の配向方向を表わす。 ａ 歯車の刃先円直径 ｂ 歯車の軸受け穴直径

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 長繊維強化熱可塑性樹脂よりなる歯車の
   製造法において、強化用長繊維と熱可塑性樹脂からなる
   有角度積層板を歯車の形状に打ち抜くか、または打ち抜
   いた有角度積層板を金型に装填して加熱圧縮成形するこ
   とを特徴とする繊維強化樹脂製歯車の製造方法。