KR20190131008A

KR20190131008A - 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조 및 연결 부분의 가공 방법

Info

Publication number: KR20190131008A
Application number: KR1020197008886A
Authority: KR
Inventors: 고이치 도미타; 다이치 야마구치
Original assignee: 후쿠이 켄
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-11-25
Also published as: EP3498927A1; WO2018180478A1; JP6531920B2; US20190242115A1; JP2018168540A; EP3498927A4; CN109790708A

Abstract

섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 단부에 연결 부재를 접합하여 구조 부재로서 사용하기 위한 연결 구조와 가공 방법을 제공한다. 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 단부를 협착되게 한 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재(1)와, 당해 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 협착부 외주에 밀착되어 직경 확대를 억제하는 보강 부재(4)와, 축 방향으로 관통 구멍(2a)이 마련되고 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재(1)의 협착부(1a)에 내부 끼움되는 걸림 부재(2)와, 측부에 회전 방지부가 설치된 연결 고정 부재(3)와, 당해 연결 고정 부재(3)의 회전만을 구속하고 축 방향으로는 미끄럼 이동 가능한 상태에서 연결 고정 부재(3)를 관통시켜 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재(1)의 단부와 상기 피연결 부재(7) 사이에 설치되는 스페이서(5)를 구비하고, 당해 스페이서(5)의 회전에 의해 연결 고정 부재(3)를 피연결 부재(7)의 나사 구멍(7a)에 나사 결합시켜 연결한다.

Description

섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조 및 연결 부분의 가공 방법

본 발명은, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 부분에 연결 부재를 접합한 연결 구조 및 연결 부분의 가공 방법에 관한 것이다.

섬유 강화 플라스틱제 구조 부재는 비강도와 비강성 등이 우수하지만, 단체로 구조 부재로서 사용되는 일은 적고, 연결 부분에 금속제의 연결 부재를 접합하여 일체화시킨 상태로 사용되고 있다.

예를 들어 건축 구조물에서는, 체육 시설 등의 큰 스팬의 경량 지붕이나 전파 망원경, 우주 스테이션 등의 입체 트러스용 부재로서, 파이프 형상의 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 양단의 연결 부분에 연결 부재를 접합하여 사용되고 있다.

또한, 부품의 정렬이나 조립을 행하는 픽킹용 패럴렐 링크 로봇의 로봇 암으로서, 파이프 형상의 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 양단의 연결 부분에 연결 부재를 접합하여 사용되고 있다.

일반적으로, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재에 연결 부재를 접합하는 경우, 연결 부분이 되는 개구부에 연결 부재를 끼워 맞추어 접착제로 고착하는 방법이 채용되어 있다.

큰 하중을 전달하는 트러스 부재 등에서는, 비특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 부분이 되는 개구부에 연결 부재를 끼워 맞추고, 양자의 겹침 부분에 걸림 핀을 관통시켜 접합하는 방법이 채용되어 있다.

또한, 특허문헌 1에서는, 저비용화와 경량화를 달성할 수 있는 구조 부재로서, 단부를 향해 수렴되는 섬유 강화 플라스틱 중공 구조체의 단부 개구에, 로드 엔드가 나사 장착되는 나사 결합부가 설치되어 있는 구조 부재가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 2에서는, 내열 사이클성이 우수한 섬유 강화 플라스틱제 트러스 부재로서, 섬유 강화 플라스틱제의 통체의 내주면에, 단부를 향해 구멍 직경이 작아지는 테이퍼 형상의 걸림부를 마련하고, 플랜지부와 플랜지부의 축 방향 일측면에 돌출 성형된 끼워 맞춤부 스페이서가 되는 단부 금속 부재의 끼워 맞춤부 외주면에, 상기 통체의 걸림부와 밀접하는 테이퍼 형상 걸림부를 마련한 섬유 강화 플라스틱제 트러스 부재가 개시되어 있다.

일본 특허 공개 제2003-328498호 공보 일본 실용신안 출원 공개 평7-4998호 공보

요네마루 게이스케 외 3명, CFRP제 트러스의 개발(그것의 3), 스미즈 건설 연구 보고 제76호, 2002년 10월, 23페이지-24페이지

섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 부분에 연결 부재를 끼워 맞추어 접착제로 고착하는 방법은 간편하지만, 접착제의 전단 강도는 구조 부재의 축 방향의 강도의 수십분의 1 이하이므로, 구조 부재에 걸맞는 내하중을 얻으려면, 끼워 맞춤부를 길게 하여 접합 면적을 확보해야 한다. 그러나 끼워 맞춤부를 길게 하면 연결 부재의 중량이 증가한다는 결점이 있다.

또한, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 부분에 연결 부재를 끼워 맞추고, 양자의 겹침 부분에 걸림 핀을 관통시켜 연결하는 방법은, 접착제만으로 고착시키는 것보다 짧은 끼워 맞춤부에서 높은 접합 강도가 얻어지지만, 걸림 핀을 통과시키기 위한 천공에 의해 상기 파이프의 내하중이 저하된다는 결점이 있다. 또한, 구조 부재와 상기 연결 부재의 열팽창이 걸림 핀을 통해 서로 구속되기 때문에, 온도 변화가 큰 환경에서는 열응력에 의해 걸림 핀이나 그 주변이 손상될 우려가 있다. 또한, 상기 파이프가 탄소 섬유 강화 플라스틱제인 경우, 천공 측면의 탄소 섬유에 걸림 핀이 직접 접촉함으로써 갈바니 부식이나 수소 취화를 발생하여 손상될 우려가 있다.

또한, 특허문헌 1에 기재되어 있는 구조 부재에서는, 양단에서 좁아진 형상의 섬유 강화 플라스틱제 중공 구조체를 일체적으로 성형하기 때문에, 성형에 사용한 라이너(형재)를 간단하게 취출할 수 없고, 게다가 수지 함침 공정에서 금형이 필요해지는 등, 제조 공정이 복잡하고 가공 비용이 높아진다는 문제가 있다. 또한, 섬유 조직을 성형한 후에 수지를 함침시키는 방법이 사용되고 있지만, 이 방법으로는 수지의 함침 불량을 발생하기 쉽다고 하는 결점이 있다. 또한, 섬유 조직의 성형에 사용되는 블레이딩이나 필라멘트 와인딩 등의 방법은 축 방향으로 배향하는 강화 섬유의 비율을 높이는 것이 어려워, 시트 와인딩이나 드로잉 성형법으로 제조되는 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재보다 축 방향의 내하중이 떨어진다고 하는 결점이 있다.

또한, 특허문헌 2에 기재되어 있는 섬유 강화 플라스틱제 트러스 부재는, 단부 금속 부재의 플랜지부와 걸림부가 일체이기 때문에, 상기 통체의 걸림부와의 접촉면에 예비 하중을 가할 수 없다. 그 때문에, 교번 하중이 작용하는 경우에는 걸림부의 접촉면이 상대적으로 미끄러지기 쉽고, 마모를 발생하여 축 방향의 빠짐으로 이어질 우려가 있다.

그래서 본 발명의 목적은, 연결 부분에 연결 부재를 확실하게 거는 동시에 고강도이며 내구성이 우수한 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조 및 연결 부분의 가공 방법 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 테이퍼 형상으로 형성된 연결 부분의 외주면에 밀착되어 설치된 보강 부재와, 상기 연결 부분의 내주면에 밀착됨과 함께 상기 보강 부재에 대향 배치되어 설치된 걸림 부재와, 걸림 부재를 관통하여 피연결 부재에 연결 고정됨과 함께 상기 연결 부분을 상기 보강 부재 및 상기 걸림 부재에 의해 클램핑 상태로 설정하는 연결 고정 부재를 구비하고 있는 것을 요지로 한다.

또한, 제2 과제 해결 수단은, 측부에 회전 방지부가 설치된 상기 연결 고정 부재와, 당해 연결 고정 부재의 회전만을 구속하고 축 방향으로는 미끄럼 이동 가능한 상태로 상기 연결 고정 부재를 관통시켜 상기 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 단부와 상기 피연결 부재 사이에 설치되는 스페이서를 구비하고, 상기 스페이서의 회전에 의해 상기 연결 고정 부재를 상기 피연결 부재의 나사 구멍에 나사 결합시켜 연결하는 것을 요지로 한다.

또한, 제3 과제 해결 수단은, 측부에 키 홈이 마련된 상기 연결 고정 부재와, 측부에 나사 구멍이 마련되고 상기 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 단부와 상기 피연결 부재 사이에 상기 연결 고정 부재를 관통시켜 설치되는 스페이서와, 선단을 상기 연결 고정 부재의 키 홈에 끼움 삽입시켜 상기 스페이서의 나사 구멍에 나사 결합하는 고정 나사를 구비하고, 상기 고정 나사는 상기 스페이서에 대한 상기 연결 고정 부재의 회전만을 구속하고 축 방향으로는 미끄럼 이동 가능한 상태에서 상기 연결 고정 부재의 키 홈에 끼움 삽입되어 있고, 상기 스페이서의 회전에 의해 상기 연결 고정 부재를 상기 피연결 부재의 나사 구멍에 나사 결합시켜 연결하는 것을 요지로 한다.

또한, 제4 과제 해결 수단은, 상기 걸림 부재와 상기 연결 고정 부재가 일체를 이루고 있는 것을 요지로 한다.

또한, 제5 과제 해결 수단은, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 테이퍼 형상으로 형성된 연결 부분의 외주면에 밀착되어 설치된 보강 부재와, 상기 연결 부분의 내주면에 밀착됨과 함께 상기 보강 부재에 대향 배치되어 설치된 걸림 부재와, 걸림 부재와 나사 결합되어 피연결 부재에 연결 고정되는 연결 금속 부재와, 당해 연결 금속 부재에 나사 결합됨과 함께 상기 연결 부분을 상기 보강 부재 및 상기 걸림 부재에 의해 클램핑 상태로 설정하는 암나사 부재를 구비하고 있는 것을 요지로 한다.

또한, 제6 과제 해결 수단은, 상기 연결 부분이 적어도 1개소의 단부의 절입부를 수반하여 성형되어 있는 것을 요지로 한다.

또한, 제7 과제 해결 수단은, 상기 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재가, 장섬유이며 강화된 플라스틱 재료로 이루어지는 것을 요지로 한다.

또한, 제8 과제 해결 수단은, 상기 보강 부재가, 상기 연결 부분의 외주면에 수지를 함침시킨 섬유 다발을 권취함으로써 성형되어 있는 것을 요지로 한다.

또한, 제9 과제 해결 수단은, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 부분의 내주면에 걸림 부재를 밀착하여 설치한 연결 구조의 연결 부분의 가공 방법이며, 상기 연결 부분을 가열하여 연화시키는 가열 공정과, 가열 공정에 의해 연화된 상태의 상기 연결 부분의 외주면에 성형 형을 맞닿게 하여 변형시키는 변형 공정과, 변형 공정에 의해 변형된 상기 연결 부분의 내주면에 걸림 부재를 압착시켜 상기 성형 형과의 사이에 상기 연결 부분을 끼움 지지함으로써 연결 부분을 테이퍼 형상으로 성형하는 성형 공정을 구비하는 것을 요지로 한다.

또한, 제10 과제 해결 수단은, 상기 변형 공정에 있어서, 상기 가열 공정에 의해 연화된 상태의 상기 연결 부분의 외주면에 상기 보강 부재의 내주면을 맞닿게 하여 변형시키는 것을 요지로 한다.

또한, 제11 과제 해결 수단은, 상기 파이프의 단부면에 적어도 1개소의 절입부를 마련하는 절입 공정을 구비하는 것을 요지로 한다.

또한, 제12 과제 해결 수단은, 상기 가열 공정에 있어서의 가열 수단이 유도 가열인 것을 요지로 한다.

또한, 제13 과제 해결 수단은, 상기 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 매트릭스 수지가 열경화성 플라스틱이며, 또한 상기 변형 공정 전에 있어서 상기 매트릭스 수지가 완전하게는 열경화되어 있지 않은 것을 요지로 한다.

또한, 제14 과제 해결 수단은, 상기 가열 공정에 있어서의 가열 온도가 상기 매트릭스 수지의 유리 전이 온도 이상인 것을 요지로 한다.

이상과 같이 본 발명의 연결 구조에 따르면, 이미 제작된 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재를 임의의 길이로 연결할 수 있고, 또한 연결 고정 부재에 작용하는 축 방향의 인장 하중을 보강 부재의 강도로 지지함으로써, 걸림 핀을 사용하는 일 없이 접착제의 전단 강도에 의존하지 않는 고강도의 연결이 가능해진다. 또한, 연결 부분을 보강 부재와 걸림 부재에 의해 클램핑한 상태로 설정하고 있으므로, 연결 고정 부재의 축 방향으로 교번 하중이 작용하는 경우라도, 연결 구조에 느슨해짐이나 마모가 발생하기 어려워, 신뢰성이 높은 연결 가공이 된다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조의 개략 구성을 일부 단면으로 도시한 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 보강 부재의 설치 방법을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 보강 부재의 다른 설치 방법을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 스페이서를 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 다른 스페이서를 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태 2에 관한 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조의 개략 구성을 일부 단면으로 도시한 측면도이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 단부를 협착되게 하는 개략 공정을 도시한 공정도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 단부를 협착되게 하는 것과 동시에 보강 부재를 설치하는 개략 공정을 도시한 공정도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 관한 인장 시험편의 개요를 일부 단면으로 도시한 측면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예의 비교에 사용한 인장 시험편의 개요를 일부 단면으로 도시한 측면도이다.

이하, 본 발명을 도면에 도시한 실시 형태에 기초하여 상세하게 설명한다. 단, 이 실시 형태에 기재되는 구성 요소나 형상, 상대적인 배치 등은, 특별히 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그것에만 한정하는 취지는 아니며, 단순한 설명예에 불과하다.

실시 형태 1

도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조의 개략 구성을 일부 단면으로 도시한 것이다. 연결 구조는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재(1)의 테이퍼 형상으로 형성된 연결 부분인 단부 개구부의 외주면에 밀착되어 설치된 보강 부재(4)와, 연결 부분의 내주면에 밀착됨과 함께 보강 부재(4)에 대향 배치되어 설치된 걸림 부재(2)와, 보강 부재(4) 및 걸림 부재(2)를 관통하여 피연결 부재(8)에 연결 고정됨과 함께 구조 부재(1)의 연결 부분을 보강 부재(4) 및 걸림 부재(2)에 의해 클램핑 상태로 설정하는 연결 고정 부재(3)를 구비하고 있다.

구조 부재(1)는, 섬유 강화 플라스틱 재료로 이루어지는 파이프 형상의 성형체로 이루어지고, 연결 부분이 되는 단부 개구부가 테이퍼 형상으로 협착되게 한 협착부(1a)에 형성되어 있다. 섬유 강화 플라스틱 재료로서는, 예를 들어 탄소 섬유 강화 플라스틱 재료나 유리 섬유 강화 플라스틱 등을 들 수 있다. 구조 부재(1)에 형성되는 연결 부분은, 단부 개구부 이외에 설치해도 되고, 구조 부재를 사용하는 구조 설계에 따라서 설치하면 되며 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 구조 부재(1)의 중간 부분에 연결 부분을 형성할 수도 있다.

또한, 구조 부재(1)의 연결 부분은, 테이퍼 형상으로 형성함으로써, 후술하는 바와 같이, 연결 고정 부재(3)에 의해 보강 부재(4) 및 걸림 부재(2)를 클램핑되게 하여 확실하게 설치할 수 있다. 이 경우, 클램핑이라 함은, 보강 부재(4) 및 걸림 부재(2)가 연결 부분에 압착되어 끼움 지지되어 있는 상태를 의미하고 있고, 걸림 부재(2)는 연결 부분으로 어긋나지 않도록 압착되어 있으면, 연결 부분에 접착되어 있든 접착되어 있지 않든 상관없다.

연결 부분이 되는 통 형상의 협착부(1a)를 테이퍼 형상으로 형성하는 경우, 연결 부분을 축 방향을 따라 부분적으로 잘라내고 남은 직사각 형상 부분을 내측으로 좁아지도록 경사시켜 테이퍼 형상으로 형성할 수 있다. 이러한 방식 이외에도, 연결 부분의 일부를 내측으로 만곡시킴으로써 선단 부분을 내측으로 좁혀, 테이퍼 형상으로 형성하는 것과 같은 방법을 생각할 수 있다.

걸림 부재(2)는, 협착부(1a)의 내주면에 밀착되도록 원뿔대 형상의 통체로 형성되어 있고, 중심부에는 연결 고정 부재(3)의 축부(3b)를 관통시키는 개구가 형성되어 있다. 그리고 걸림 부재(2)는, 보강 부재(4)와 대향하는 위치에 배치되어 있다. 걸림 부재(2)는, 예를 들어 금속 재료, 플라스틱 재료 또는 세라믹 재료와 같은 재료를 사용하여 성형할 수 있다.

보강 부재(4)는, 협착부(1a)의 외주면에 밀착되도록 원뿔대 형상의 통체로 형성되어 있고, 협착부(1a)의 외주면에 밀착되어 연결 부분을 보강한다. 보강 부재(4)는, 예를 들어 금속 재료, 섬유 강화 플라스틱 재료와 같은 재료를 사용하여 성형할 수 있고, 도 2에 도시한 바와 같이 미리 소정의 형상으로 가공된 부재를 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재(1)의 협착부(1a)에 외부 끼움시켜 접착하는 방법이나, 혹은 도 3에 도시한 바와 같이 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재(1)의 협착부(1a)의 외주에 수지를 함침시킨 섬유를 권취하는 방법으로 설치된다.

연결 고정 부재는, 걸림 부재(2)의 관통 구멍(2a)보다 직경이 큰 헤드부(3a)를 갖고, 축부(3b)에는 키 홈(3c)이 마련되어 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 스페이서(5)에는, 연결 고정 부재(3)를 관통시키기 위한 관통 구멍(5a)과, 측부에 렌치를 걸기 위한 한 쌍 이상의 평행한 면(5b)과, 고정 나사(7)를 설치하기 위한 나사 구멍(5c)과, 보강 부재(4)에 맞닿게 하기 위한 플랜지(5d)가 설치되어 있고, 플랜지(5c)측의 관통 구멍(5a)에는 걸림 부재(2)와의 맞닿음을 피하기 위한 릴리프 구멍(5e)이 형성되어 있다. 또한, 렌치를 걸기 위한 형상은 한 쌍 이상의 평행한 평면에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 도 5에 도시한 바와 같이 측부에 1개 이상의 파임부(6b)를 형성한 것이나, 도면은 생략하지만 1개 이상의 돌기를 형성한 것이어도 된다. 또한, 반드시 스페이서(5)에 플랜지(5d)가 일체 형성되어 있을 필요는 없고, 플랜지(5d)의 부분이 와셔로서 분리되어 있어도 된다.

고정 나사(7)는, 스페이서(5)에 대한 연결 고정 부재(3)의 회전만을 구속하고, 축 방향으로는 미끄럼 이동 가능한 상태로 연결 고정 부재(3)의 키 홈(3c)에 끼움 삽입되어 있어, 스페이서(5)를 회전시킴으로써 연결 고정 부재(3)를 피연결 부재(8)의 나사 구멍(8a)에 나사 결합시켜 연결할 수 있다.

피연결 부재(8)와의 연결에 수반하여, 연결 고정 부재(3)를 거는 걸림 부재(2)에는 축 방향으로 뽑아내는 힘이 작용하고, 그 반작용으로 보강 부재(4)의 단부가 스페이서(5)에 의해 압박된다. 그 결과, 걸림 부재(2)와 협착부(1a)의 접촉면에는 압축 하중이 가해지게 되어, 교번 하중이 작용하는 경우라도 걸림부의 상대적인 미끄럼이 억제되어, 마모에 기인하는 뽑혀 빠짐을 방지할 수 있다.

실시 형태2

도 6은, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조의 개략 구성을 일부 단면으로 도시한 측면도이다. 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재(1) 및 보강 부재(4)에 대해서는 실시 형태 1과 동일하고, 걸림 부재(9)도 실시 형태 1의 걸림 부재(2)와 대략 마찬가지이지만, 걸림 부재(9)에서는 관통 구멍 대신에 연결 금속 부재(10)의 나사부에 나사 결합되는 나사 구멍(9a)이 형성되어 있다.

연결 금속 부재(10)는, 볼트(12)에 의해 피연결 부재(13)에 설치되는 걸림부(10a)와 수나사부(10b)를 갖고, 암나사 부재(11)를 나사 결합시킨 상태로 걸림 부재(9)의 나사 구멍(9a)에 나사 결합되어 있다. 암나사 부재(11)를 체결함으로써 걸림 부재(9)와 협착부(1a)의 접촉면에 압축 하중을 가할 수 있는 구조이지만, 암나사 부재(11)는 피연결 부재(13)와의 연결에 직접 관여하고 있지 않기 때문에, 연결 금속 부재(10)에 작용하는 축 방향의 힘에 관계없이 임의로 걸림 부재(9)와 협착부(1a)의 접촉면에 압축 하중을 부여할 수 있다. 또한, 도 6에 있어서 연결 금속 부재(10)는, 볼 조인트의 형상으로 묘화되어 있지만, 걸림 부재(9)의 나사 구멍에 나사 결합되는 수나사를 갖는 것이면 걸림부의 형상을 한정하는 것은 아니다.

본 실시 형태에서는, 피연결 부재(13)와의 연결에 직접 관계되지 않는 암나사 부재(11)의 체결에 의해 걸림 부재(9)와 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재(1)의 걸림부의 접촉면에 임의의 압축 하중을 가할 수 있어, 교번 하중이 작용하는 용도에서도 걸림부의 상대적인 미끄럼을 억제하여 마모에 기인하는 뽑혀 빠짐을 방지할 수 있다.

도 7은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 단부를 협착되게 하여 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재(1)로 하는 개략 공정을 도시한 공정도이다. 도 7의 (a)는 부재 삽입 공정이며, 단부에 절입부(14a)를 형성한 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재(14)에 연결 고정 부재(3)를 관통시킨 걸림 부재(2)를 삽입한 후, 도 7의 (b)의 가열 공정에 있어서 상기 파이프(14)의 단부를 고주파 가열 코일(15) 내에 배치하여 연화 온도까지 가열한다. 도 7의 (c)는 변형 공정이며, 상기 파이프(14)의 단부가 소정의 온도가 된 후, 테이퍼 형상의 성형 형(16)에 상기 파이프(14)의 단부를 압입하여 협착하도록 변형시키고, 도 7의 (d)에 도시한 성형 공정에 있어서, 연결 고정 부재(3)를 인출하여 걸림 부재(2)를 연결 부분이 되는 단부 개구부의 내주면에 압착시킴으로써 성형 형(16)과의 사이에 상기 파이프(14)의 연결 부분을 끼움 지지하여 가압 성형한다. 이와 같이, 변형 공정 직후의 연화 상태에서 가압함으로써, 상기 파이프(14)의 연결 부분을 걸림 부재(2)와 보강 부재(4)가 밀착되는 형상으로 성형함과 함께 성형 형(16)과 걸림 부재(2)로의 열전도를 촉진하여 냉각 시간을 단축할 수 있다.

도 8은, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재(14)의 단부를 협착되게 하는 것과 동시에 보강 부재(4)를 설치하는 개략 공정을 도시한 공정도이다. 홀더(17)에는, 보강 부재(4)가 착탈 가능하게 내부 끼움되는 파임부(17a)가 형성되어 있고, 개구측에는 상기 파이프(14)의 단부를 보강 부재(4)의 내측으로 유도하기 위한 가이드(18)가 설치되어 있다. 당해 가이드(18)는, 상기 파이프(14)의 스트레이트 부분에 의한 직경 확대에도 견디는 탄성을 갖는다. 가공 방법은, 미리 내면에 접착제를 도포한 보강 부재(4)를 홀더(17)에 세트해 두는 것을 제외하고 도 3에 도시한 공정과 대략 동일하지만, 이 방법에 의하면 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재(14)의 단부를 협착되게 하여 걸림 부재(2)가 밀착되는 형상으로 성형하는 것과 동시에 보강 부재(4)를 설치할 수 있다.

실시예

상술한 방법으로, 실제로 섬유 강화 플라스틱제 파이프에 연결 부분을 설치하여, 인장 시험을 행하였다.

본 실시예에서는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재로서 외경 50㎜×내경 46㎜×길이 300㎜의 CFRP 파이프(가부시키가이샤 호페크 제조)를 사용하였다. 상기 CFRP 파이프는, 두께 0.1㎜의 일방향 프리프레그(도레이 가부시키가이샤 제조 3252S-10)를 최외층으로부터 0도 6층, 90도 13층, 0도 1층의 순으로 시트 와인딩법으로 적층한 후, 열경화로에 있어서 약 130℃에서 가열 경화시킨 것이다.

걸림 부재에는 초초두랄루민을 사용하고, 직경 50㎜의 환봉으로부터 저면 직경 46㎜, 높이 25㎜, 구배각 25도의 원뿔대의 외형으로, 중심축을 따라 직경 16㎜의 관통 구멍을 갖는 통체로 깎아 냈다.

또한, 연결 고정 부재에는 길이 100㎜의 M16 육각 구멍붙이 볼트(강도 구분 10.9)를 그대로 사용하였다.

보강 부재는 연결 부분의 외주면에 수지를 함침시킨 섬유 다발을 권취하는 것으로 하고, 섬유 다발과 함침용 수지에는, 각각 PAN계 탄소 섬유인 레귤러 토우 TC-33(FORMOSA PLASTICS 제조)과, 저점토 에폭시 수지 GM6800(블레니 기껜 제조)을 사용하였다.

연결 부분의 가공 시에, CFRP 파이프의 연결 부분을 테이퍼 형상으로 성형하기 위한 구배각 25도로 직경 축소하는 선형 테이퍼 형상의 성형 형을 준비하였다.

연결 부분의 가공은, 먼저 CFRP 파이프 내주면의 이형재를 ＃180의 샌드 페이퍼로 제거한 후, CFRP 파이프의 단부를 원주를 따라 등간격으로 12개소, 단부로부터 30㎜까지 삼각 형상으로 잘라내고, 남은 직사각형 부분을 내측으로 좁아지도록 경사지게 함으로써, 구배각 25도의 선형 테이퍼를 형성할 수 있도록 하였다.

다음으로, 걸림 부재에 육각 구멍붙이 볼트를 관통시켜 연결 부분에 삽입한 후, 연결 부분을 히트건으로 150℃로 가열하여 성형 형에 압입하고, 직사각 형상 부분을 내측으로 좁아지도록 변형시켰다. 이 직후에 성형 형의 관통 구멍에 육각 구멍붙이 볼트의 선단을 통과시켜 인장하고, 성형 형과 걸림 부재로 직사각형 부분을 끼워 걸림 부재의 외주면에 밀착되는 테이퍼 형상으로 성형하였다.

보강 부재의 설치는 수지를 함침시킨 섬유 다발을 손으로 권취하는 방법으로 행하고, 0.5㎜ 정도의 두께로 권취하여 함침 수지를 24시간 경화시키는 공정을 8회 반복하여, 두께가 4㎜가 될 때까지 권취하였다.

연결 부분으로의 걸림 부재의 접합에는 아크릴 접착제 Y-610(세메다인 가부시키가이샤)을 사용하였다. 연결 부분과 걸림 부재의 간극으로부터 접착제를 도포한 후, 육각 구멍붙이 볼트에 너트를 설치하여 조임으로써 연결 부분에 걸림 부재를 밀착시키고, 실온에서 24시간 방치하여 고착시켰다. 이상의 방법으로, CFRP 파이프의 양단에 연결 구조를 설치하여 도 9에 도시한 형상의 인장 시험편으로 하였다.

또한, 비교를 위해 CFRP 파이프의 개구부에 원통 형상의 걸림 부재를 끼워 맞추어 접착제로 고착하는 방법으로, 도 10에 도시한 형상의 인장 시험편을 제작하였다. CFRP 파이프와 접착제 및 육각 구멍붙이 볼트는 상술한 본 실시예와 동일한 것을 사용하고, 원통 형상의 걸림 부재도 상기 걸림 부재와 동일한 초초두랄루민 A7075로부터 깎아 냈다. 원통 형상의 걸림 부재의 치수는, 외경 46㎜×내경 16㎜×길이 25㎜로, CFRP 파이프의 내경에 대해 약간 억지 끼워맞춤이 되도록 하였다.

원통 형상의 걸림 부재의 설치 방법은, CFRP 파이프의 내주면의 이형재를 샌드 페이퍼로 제거한 후, 접착제를 얇게 도포하여 파이프 개구부에 육각 구멍붙이 볼트를 관통시킨 원통 형상의 걸림 부재를 압입하고, 실온에서 24시간 방치하여 고착시켰다.

인장 시험에는 만능 재료 시험기 UH-F1000kNI(시마즈 세이사꾸쇼)를 사용하였다. 시험 시의 하중 레인지는 200kN이며, 1㎜/분의 속도로 인장 시험을 행하였다. 그 결과, 비교재의 최대 하중이 88kN인 것에 비해, 본 실시예의 최대 하중은 130kN으로, 비교재의 약 1.5배의 내하중을 나타냈다.

1 : 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재
1a : 협착부
2 : 걸림 부재
2a : 관통 구멍
3 : 연결 고정 부재
3a : 헤드부
3b : 축부
4 : 보강 부재
5 : 스페이서
5a : 관통 구멍
5b : 평행한 면
5c : 나사 구멍
5d : 플랜지
5e : 릴리프 구멍
6 : 스페이서
6a : 관통 구멍
6b : 파임부
6c : 나사 구멍
6d : 플랜지
7 : 고정 나사
8 : 피연결 부재
8a : 나사 구멍
9 : 걸림 부재
9a : 나사 구멍
10 : 연결 금속 부재
10a : 걸림부
10b : 수나사부
11 : 암나사 부재
12 : 볼트
13 : 피연결 부재
14 : 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재
14a : 절입부
15 : 고주파 가열 코일
16 : 성형 형
17 : 홀더
17a : 파임부
18 : 가이드
19 : 섬유 다발
20 : 중계 롤러
21 : 중계 롤러
22 : 중계 롤러
23 : 섬유 공급 가이드
24 : 레진 버스
25 : 연결 부분을 테이퍼 형상으로 가공한 CFRP 파이프
26 : 실시예에 있어서의 걸림 부재
27 : M16 육각 구멍붙이 볼트
28 : 실시예에 있어서의 보강 부재
29 : M16 너트
30 : 와셔
31 : CFRP 파이프
32 : 원통 형상의 걸림 부재

Claims

섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 테이퍼 형상으로 형성된 연결 부분의 외주면에 밀착되어 설치된 보강 부재와, 상기 연결 부분의 내주면에 밀착됨과 함께 상기 보강 부재에 대향 배치되어 설치된 걸림 부재와, 상기 보강 부재 및 상기 걸림 부재를 관통하여 피연결 부재에 연결 고정됨과 함께 상기 연결 부분을 상기 보강 부재 및 상기 걸림 부재에 의해 클램핑 상태로 설정하는 연결 고정 부재를 구비하고 있는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조.
제1항에 있어서,
측부에 회전 방지부가 설치된 상기 연결 고정 부재와, 당해 연결 고정 부재의 회전만을 구속하고 축 방향으로는 미끄럼 이동 가능한 상태로 상기 연결 고정 부재를 관통시켜 상기 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 단부와 상기 피연결 부재 사이에 설치되는 스페이서를 구비하고, 상기 스페이서의 회전에 의해 상기 연결 고정 부재를 상기 피연결 부재의 나사 구멍에 나사 결합시켜 연결하는 것을 특징으로 하는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조.
제1항에 있어서,
측부에 키 홈이 마련된 상기 연결 고정 부재와, 측부에 나사 구멍이 마련되고 상기 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 단부와 상기 피연결 부재 사이에 상기 연결 고정 부재를 관통시켜 설치되는 스페이서와, 선단을 상기 연결 고정 부재의 키 홈에 끼움 삽입시켜 상기 스페이서의 나사 구멍에 나사 결합하는 고정 나사를 구비하고, 상기 고정 나사는 상기 스페이서에 대한 상기 연결 고정 부재의 회전만을 구속하고 축 방향으로는 미끄럼 이동 가능한 상태로 상기 연결 고정 부재의 키 홈에 끼움 삽입되어 있고, 상기 스페이서의 회전에 의해 상기 연결 고정 부재를 상기 피연결 부재의 나사 구멍에 나사 결합시켜 연결하는 것을 특징으로 하는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 걸림 부재와 상기 연결 고정 부재가 일체를 이루고 있는 것을 특징으로 하는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조.
섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 테이퍼 형상으로 형성된 연결 부분의 외주면에 밀착되어 설치된 보강 부재와, 상기 연결 부분의 내주면에 밀착됨과 함께 상기 보강 부재에 대향 배치되어 설치된 걸림 부재와, 걸림 부재와 나사 결합되어 피연결 부재에 연결 고정되는 연결 금속 부재와, 당해 연결 금속 부재에 나사 결합됨과 함께 상기 연결 부분을 상기 보강 부재 및 상기 걸림 부재에 의해 클램핑 상태로 설정하는 암나사 부재를 구비하고 있는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연결 부분이 적어도 1개소의 단부의 절입부를 수반하여 성형되어 있는 것을 특징으로 하는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재가, 장섬유이며 강화된 플라스틱 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보강 부재가, 상기 연결 부분의 외주면에 수지를 함침시킨 섬유 다발을 권취함으로써 성형되어 있는 것을 특징으로 하는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 구조.
섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 부분의 내주면에 걸림 부재를 밀착하여 설치한 연결 구조의 연결 부분의 가공 방법이며, 상기 연결 부분을 가열하여 연화시키는 가열 공정과, 가열 공정에 의해 연화된 상태의 상기 연결 부분의 외주면에 성형 형을 맞닿게 하여 변형시키는 변형 공정과, 변형 공정에 의해 변형된 상기 연결 부분의 내주면에 걸림 부재를 압착시켜 상기 성형 형과의 사이에 상기 연결 부분을 끼움 지지함으로써 연결 부분을 테이퍼 형상으로 성형하는 성형 공정을 구비하는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 부분의 가공 방법.
제9항에 있어서,
상기 변형 공정에 있어서, 상기 가열 공정에 의해 연화된 상태의 상기 연결 부분의 외주면에 상기 보강 부재의 내주면을 맞닿게 하여 변형시키는 것을 특징으로 하는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 부분의 가공 방법.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 파이프의 단부면에 적어도 1개소의 절입부를 마련하는 절입 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 부분의 가공 방법.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 공정에 있어서의 가열 수단이 유도 가열인 것을 특징으로 하는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 부분의 가공 방법.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 매트릭스 수지가 열경화성 플라스틱이며, 또한 상기 변형 공정 전에 있어서 상기 매트릭스 수지가 완전하게는 열경화되어 있지 않은 것을 특징으로 하는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 부분의 가공 방법.
제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열 공정에 있어서의 가열 온도가 상기 매트릭스 수지의 유리 전이 온도 이상인 것을 특징으로 하는, 섬유 강화 플라스틱제 구조 부재의 연결 부분의 가공 방법.