JPS6236816B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は繊維強化プラスチツクス（略称
FRP）から成る円筒の表面機械加工に於て、円
筒の肉厚ムラを出来るだけ少く、均一に加工する
ための機械加工法に関するものである。

繊維強化プラスチツクス製円筒は、例えば連続
繊維（ロービング或はストランド）に熱硬化性樹
脂を連続含浸しながら型に巻付け、必要強度に応
じその巻付け層数を決め、硬化することによる
か、或はあらかじめ熱硬化樹脂を含浸させ半硬化
状態で保持させたいわゆるプリプレグを巻付け、
硬化するか、或はクロス状に構成した繊維に樹脂
を含浸して巻付け硬化する等の方法により得られ
るが、このように巻付け積層した成形品の表面は
樹脂分が多くなり、かつ硬化時の状況により表面
に凹凸ができる場合が多く、寸法精度が要求され
る用途に適用する場合には、表面を旋盤、或は研
削盤等の設備を使用して機械加工を施すのが一般
的である。

本発明はこのようなFRP製円筒の表面機械加
工に対し、精度よく特に肉厚精度の向上を目的と
する方法を提供しようとするものである。一般
に、繊維に熱硬化性樹脂を含浸し、金型等に巻付
けた後加熱硬化を行なうと金型の熱膨張により、
硬化完了後常温に戻すと型の外径と、FRP円筒
との間にギヤツプが生じ、FRP円筒の真円度は
型の真円度に比し悪化する。

従つて、この巻付け硬化FRP製円筒の外周に
機械加工を施す場合には、本巻付け型を直接使用
したのでは特に肉厚のうすい円筒の場合には型の
径に円筒の内径が一致しないため、機械加工後に
肉厚のムラを生じ易い。本発明の方法は、この機
械加工を行なうに際し、適用する加工用治具に工
夫を施したものであり、即ちFRP円筒の内面に
挿入する加工用治具に電熱線或は誘導加熱方式等
の如く治具を加熱しうる装置を設け、機械加工時
に治具の外径とFRP製円筒の内径側が完全に隙
間がないようにし、治具の真円度にそうてFRP
外径を加工するものであり、このような方法によ
りFRP円筒の肉厚の偏よりを非常に小さくして
加工することが可能になる。

FRP製円筒は前述の如く、繊維に樹脂を含浸
して連続に巻付け、硬化することにより構成され
ている場合が多いので、使用している強化用繊維
の強度を充分に生かすためには、外周の機械加工
に際し、繊維の切断を可及的に少なくする必要が
ある。前述の如く、FRP円筒の内面にしつかり
と固定されない治具即ち治具とFRP円筒との間
に隙間がある状態で機械加工を行なうと円筒の真
円度の影響等により強化用繊維の切断も多くなり
得られるFRP円筒の強度は低くなる恐れがあ
る。

本発明の方法に於て、機械加工用治具として出
来るだけ円筒内面との隙間を少なくした治具を挿
入することも考えうるが、治具の円筒内面への挿
入の困難さ、又、挿入、加工後の治具の脱出に際
し、FRP円筒の内面をきずつける恐れが多く製
品価値を落す恐れがあり、自ずと円筒内面に挿入
する治具の外径には限度がある。本方法では加工
前の治具の挿入時にはFRP円筒内径に対し余裕
をもつた外径の治具として挿入脱出を容易にし、
加工時にFRP円筒内面にフイツトするため内面
に傷をつける等の問題も生じない。

FRP円筒の機械加工に際する治具と円筒との
間隙をなくし、治具の真円度にそつた肉厚の偏よ
りを少なくして削る方法としては、常温時に於て
治具をFRP円筒の内径よりも少し大きい目に作
成しておき、治具挿入時に冷やすことにより、円
筒に挿入し、加工する、いわゆる冷しバメ方式に
よる加工法もあるが、このような冷しバメ方式で
は治具挿入時及び脱型時に治具を低温にする必要
があり、この低温状態の治具をFRP円筒に挿入
するため円筒も低温雰囲気に急激にさらされるた
め、いわゆるヒートシヨツクがFRP円筒にかか
り、円筒のFRP層間にクラツクが発生したりす
る恐れがある。

更に、芯金に対し円筒の熱膨脹係数が大きい場
合、脱型時において芯金を冷却すると芯金が円筒
によつて一層締め付けられることにより、脱型が
困難となる。従つて、冷しバメ方式では適用でき
る円筒の材料が制限されることになる。

本発明のFRP円筒に治具を挿入した後、除々
に加熱することにより円筒と治具を隙間なくフイ
ツトさせる方法では、FRP円筒の成形時の加熱
硬化時と同じように成形品中の残留応力を緩和す
る方向に働き、円筒のFRP層間等にクラツクが
入る等の問題は生じなく、すぐれた方法である。

一般に円筒を含めFRP成形品では加熱硬化時
の樹脂の収縮及び硬化時の温度から常温に戻すこ
とによる繊維と樹脂の熱膨張差により残留応力が
働いている場合が多いため、表面の機械加工によ
りFRP円筒表面の構成FRP層の一部を除去する
と残留応力が不均一に緩和されて、FRP円筒の
内径が変化することが多い。又、機械加工時の温
度が常温であるため、治具の外径がその温度で決
められてしまうので、上記の様に加工時に構成
FRP層が一部除去されることによる残留応力の
緩和によつて、FRP円筒の内径が大きくなる。
そのために治具とFRP円筒との密度が悪くなつ
て、治具とFRP円筒との間に隙間が生じ、その
間でいわゆる芯ずれ（治具と円筒とが同軸上に位
置しなくなる）が発生して加工後に円筒の肉厚に
偏りを生ずる恐れがある。本発明の方法では治具
の温度をコントロールすることにより、このよう
な問題も解決しうる。

本発明の方法をFRP製円筒の外周表面の機械
加工に適用するに際し、治具の加熱により円筒内
径と治具をフイツトさせるため、治具の熱が
FRP円筒に伝わり、FRP円筒自体も温度があが
り、内径が大きくなりその熱膨張により治具と
FRP円筒がフイツトしなくなる恐れがあると考
えられていた。しかしながら、本発明において
は、円筒内部の治具の方から温度が上昇するた
め、治具の熱膨脹により円筒内面に治具が密着
し、更に密着後も円筒表面から放熱されるので、
治具の温度は円筒の温度よりも高い状態で維持さ
れることになる。従つて、本発明は、円筒の熱膨
脹係数が治具より大きくても、その円筒の表面加
工ができる。すなわち、本発明においては、適用
される円筒が、その材料の熱膨脹係数によつて制
限されない。このような機械加工に用いる治具の
材質としては、一般に金属が適用されるが、例え
ばアルミ等の熱膨張係数の比較的大きい材質から
なる治具を適用すれば、例えばガラス繊維を強化
材として適用したFRP円筒の加工も可能にな
る。従つて、加工用治具の材質として可及的に熱
膨脹係数の大きいものを適用することにより、
FRP円筒の外周加工に際し、本発明の方法を適
用することができ、有用な方法となる。

本発明の方法が特に有用となるのは、加工用治
具の材質として鉄等の比較的熱膨張係数の小さい
ものを使用しても、FRP円筒の強化材として例
えばカーボン繊維、或は芳香族ポリアミド繊維
（商品名ケブラー）等のごとく熱膨張係数が負の
値を示す繊維を適用して作成した円筒の加工法と
してである。即ち、このような負の熱膨張係数を
有する繊維を使用して作成したFRP円筒は一般
的に円周方向に強度を高めるため円筒軸に対し、
60〜90゜の巻角を有する繊維構成分が多くなり、
FRP円筒自体の円周方向の熱膨張係数も負とな
り、従つて治具の加熱により治具は膨張して外径
が増大し、FRP円筒は負の膨張係数のため内径
が小さくなり、完全に治具と円筒がフイツトし、
肉厚に対し偏りの少ない精度の良い、かつ繊維の
不均一切断による強度低下の少ない、強度面です
ぐれたFRP円筒の製作が可能である。

FRP円筒を治具の加熱方式により、加工する
本方法に於て加熱する温度は円筒の構成材である
FRPの１部を占める熱硬化性樹脂の熱的特性に
より限界がある。あまり温度をあげると樹脂が軟
化し、FRP材がねばる形となり、機械加工は出
来なくなる。従つて本発明の方法の適用に際して
は円筒を構成するFRP材の樹脂の熱変形温度以
下の温度で行なうのが有効である。

本発明の方法の１例を図面を用いて説明する。
第１図は炭素繊維強化プラスチツクより構成され
る円筒であり、表面機械加工前の状態で、Ｄはそ
の内径であり、その断面は第１図ａに示すごとく
構成部材の繊維の入つている部分１は比較的均一
であるが、外表面部２は樹脂が多くなり、凹凸を
有する状態を示している。第２図は鉄材を使用し
た加工用治具の１例であり、内部に電熱ヒータ３
を備えており、加熱可能な状態を示す。ｄは常温
時の治具の外径を示しており、常温時に円筒に容
易に治具が挿入できるようＤ＞ｄなる状態で作成
されている。この場合、円筒の円周方向の熱膨張
係数をα治具の熱膨張係数をβとすると、治具の
加熱により円筒内径と治具の外径が間隙なくフイ
ツトするためには加熱温度△Ｔとの間にＤ（１＋
α・△Ｔ）ｄ（１＋β・△Ｔ）を満足するよう
に設計されている。１例として300mm内径を有す
る炭素繊維強化プラスチツクス製円筒に対し、鉄
材より成る治具を使用した場合にはα＝−１×
10^-6／℃、β＝10×10^-6／℃であり、温度差△Ｔ
＝100℃をとるとするとＤ＞ｄ≧299.7mmとなり、
円筒の内径に対し、約300μの余裕をもたせた治
具とすることができ、常温下においての治具の出
し入れが容易になる。

第３図は、常温下に於てFRP製円筒４に治具
５を挿入した状態を示しており、円筒と治具との
間に間隙がある。第４図は、機械加工用設備に治
具付円筒を設定し、加熱状態で円筒内面に治具が
間隙なく、フイツトしている状態を示しており、
この状態でトイシ６等により機械加工を行なう
と、治具の真円度に合わせた状態で円筒を削るこ
とができる。円筒の肉厚の均一性は治具の真円度
に左右されるが、治具は一般的に金属材で作成す
るため、真円度にすぐれるものが可能であり、従
つて円筒の肉厚の偏りは非常に少ない高精度に円
筒の加工が可能である。前述の例の円筒では従来
の治具を挿入しただけで加工する方法に比べ、偏
肉度は1/5〜1/10にへらすことができた。

本発明の方法は、特に薄肉の円筒の加工法とし
て有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、FRP製円筒の１例であり、第１図
ａはその断面を示しており、１は繊維の入つてい
る部分、２は外表面部である。 第２図は、加工用治具の１例であり、３はヒー
ターである。 第３図は常温下でFRP円筒に治具を挿入した
状態を示す１例であり、４がFRP円筒、５が治
具である。 第４図は、加工用設備に治具入りFRP円筒を
設定し、加熱により円筒と治具がフイツトした状
態を示しており、６は加工用工具である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 強化用繊維に熱硬化性樹脂を含浸し、巻付け
   積層、硬化した強化プラスチツク製円筒に加熱手
   段を設けた治具を挿入した後、該治具を加熱膨脹
   せしめて該治具の外面と前記円筒の内面を密着せ
   しめ、次いで、加熱状態で前記円筒の表面を機械
   加工し、然る後、前記治具及び円筒を常温まで冷
   却する加工法であつて、常温において前記治具の
   外径が前記円筒の内径よりも小さいことを特徴と
   する強化プラスチツク製円筒の表面機械加工法。