(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外板に沿って補強材が一体に設けられたインテグラルスキンパネルの製造方法において、
前記外板の素材に対して前記補強材の素材を重ね合わせ、これら外板の素材と補強材の素材とを重ね合わせた界面の間を、前記補強材の配置箇所で摩擦攪拌接合する接合工程と、
前記補強材を削り出す切削工程とを有することを特徴とするインテグラルスキンパネルの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法において、
前記外板の素材と前記補強材の素材として、互いに異なるアルミ合金を用いることを特徴とするインテグラルスキンパネルの製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法において、
前記外板の素材と前記補強材の素材として、同一のアルミ合金を用い、
前記接合工程で、前記外板の素材と前記補強材の素材とを、互いの結晶方向が異なるように接合することを特徴とするインテグラルスキンパネルの製造方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法において、
前記補強材が複数設けられるとともに、前記接合工程で、前記補強材の素材として、前記各補強材に予め分離された素材を用いることを特徴とするインテグラルスキンパネルの製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法において、
前記補強材の長手方向に垂直な断面で見て、前記接合工程後における前記外板及び前記補強材間の接合幅寸法をＡとし、前記切削工程前における前記外板及び前記補強材間の接触幅寸法をＢとし、前記切削工程後における前記補強材の幅寸法をＣとしたときに、Ｂ≧Ａ＞Ｃとすることを特徴とするインテグラルスキンパネルの製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか１項に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法において、
前記切削工程後のインテグラルスキンパネルを熱処理する熱処理工程をさらに有することを特徴とするインテグラルスキンパネルの製造方法。
【請求項７】
請求項１から請求項６何れか１項に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法において、
前記接合工程と前記切削工程を、同一の機械加工定盤上で行うことを特徴とするインテグラルスキンパネルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機、車両、船舶等の輸送機器や建築物等の構造物に使用する外板を補強材で補強したインテグラルスキンパネルの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７（ａ），（ｂ）に示すように、現在の航空機の主翼は、外板１と翼長方向に長く伸びた複数本の縦通材２（以下、ストリンガー２と称する）をリベット３で結合するビルドアップスキンパネルと、厚板からストリンガー２及び外板１を一体で削り出すインテグラルスキンパネルとに大別される。
【０００３】
ビルドアップスキンパネルの場合、リベット結合作業及び、液密性を確保するためのシール作業（航空機の主翼は燃料タンクに使用される場合が多いため）が製造コストの上昇を招いている。
一方、インテグラルスキンパネルは、ビルドアップスキンパネルとは異なり、リベット結合作業や燃料タンクとしての液密性を確保する為のシール作業が不要となる。さらには、リベット孔による強度低下が無く、各ストリンガー２と一体化しているために圧縮荷重による座屈を生じ難いことから、大幅な軽量化が可能である。
【０００４】
このインテグラルスキンパネルの従来の製造方法としては、例えば下記特許文献１に、予めストリンガーが形成された各押し出し型材間を、互いの側縁同士を突き合わせて摩擦攪拌接合で接合する製造方法が開示されている（以下、第１従来例と称する。）。
また、下記引用文献２には、外板とストリンガーとをそれぞれ単独に製造し、その後、これらを摩擦攪拌接合で接合する製造方法が開示されている（以下、第２従来例と称する。）。
【０００５】
【特許文献１】
特願平１１−２２３７８３号公報
【特許文献２】
特願平９−２０６２０２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記第１従来例では、押し出し型材を用いるため、材料費（単価）がプレート材を用いる場合に比較して高いという問題を有している。また、接合部分では、他の箇所と比較して板厚が異なってしまうため、機械加工により接合面の表面仕上げをしなければならないという問題も有している。また、外板とストリンガーが一体物である関係上、これらの材質を同一にせざるを得ないという制約を有することも問題となっている。すなわち、外板においては、疲労強度や亀裂伸展抑制に優れた特性を持たせる必要があり、また、ストリンガーにおいては、圧縮強度に優れた特性を持たせる必要がある。しかしながら、外板とストリンガーの材質が同一であるため、それぞれに要求される強度特性に最適な材質や結晶方向を選定する自由度をもつことができない。
【０００７】
また、上記第２従来例では、外板とストリンガーとが分離しているため、これらの材質をその特性に応じて互いに異なるものにできるが、断面がＬ字形状の不安定なストリンガーを外板に対して安定に固定するために、複雑な治具を要することになる。このような複雑な治具を、多数本あるストリンガーと同数用意することは、治具の製造コストがかかるという問題と、治具及びストリンガーを精度良く外板に取り付ける手間がかかるという別の問題を招来することになる。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、外板及び補強材のそれぞれが要する強度特性に対応することができ、なおかつ、外板に対する補強材位置の正確な調整などの手間を不要とすることができる、インテグラルスキンパネルの製造方法の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法は、外板に沿って補強材が一体に設けられたインテグラルスキンパネルの製造方法において、前記外板の素材に対して前記補強材の素材を重ね合わせ、これら外板の素材と補強材の素材とを重ね合わせた界面の間を、前記補強材の配置箇所で摩擦攪拌接合する接合工程と、前記補強材を削り出す切削工程とを有することを特徴とする。
上記請求項１に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法によれば、補強材の加工は、その素材接合後に行うので、外板の素材に対して補強材の素材を重ね合わせる際の相対位置調整に、高い精度を要求されずに済む。
また、外板の素材と補強材の素材として、設計要求に応じた最適なものを選定することができる。また、これらの素材として同一素材を採用した場合でも、これらの結晶方向を互いに異なるものにすることもできる。
【００１０】
請求項２に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法は、請求項１に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法において、前記外板の素材と前記補強材の素材として、互いに異なるアルミ合金を用いることを特徴とする。
上記請求項２に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法によれば、外板の素材と補強材の素材として、設計要求に応じた最適なものを選定することができる。
【００１１】
請求項３に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法は、請求項１に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法において、前記外板の素材と前記補強材の素材として、同一のアルミ合金を用い、前記接合工程で、前記外板の素材と前記補強材の素材とを、互いの結晶方向が異なるように接合することを特徴とする。上記請求項３に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法によれば、外板と、補強材では、作用する荷重方向が異なるので、これらに作用する荷重を支持するのに最適な方向にそれぞれの結晶方向（圧延直交方向）を調整して接合することができる。
【００１２】
請求項４に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法は、請求項１から請求項３の何れか１項に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法において、前記補強材が複数設けられるとともに、前記接合工程で、前記補強材の素材として、前記各補強材に予め分離された素材を用いることを特徴とする。
上記請求項４に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法によれば、補強材の素材を一体ものとする場合に比較して、補強材の素材のうち、各補強材間部分を無駄にせずに済む。
【００１３】
請求項５に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法は、請求項４に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法において、前記補強材の長手方向に垂直な断面で見て、前記接合工程後における前記外板及び前記補強材間の接合幅寸法をＡとし、前記切削工程前における前記外板及び前記補強材間の接触幅寸法をＢとし、前記切削工程後における前記補強材の幅寸法をＣとしたときに、Ｂ≧Ａ＞Ｃとすることを特徴とする。
上記請求項５に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法によれば、加工後の補強材の肉厚寸法よりも肉厚状態にある素材段階で外板を支持するものであるため、外板に対する補強材の固定を確実なものとすることができる。
【００１４】
請求項６に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法は、請求項１から請求項５の何れか１項に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法において、前記切削工程後のインテグラルスキンパネルを熱処理する熱処理工程をさらに有することを特徴とする。
上記請求項６に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法によれば、インテグラルスキンパネルの耐食性を向上させることができる。
【００１５】
請求項７に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法は、請求項１から請求項６何れか１項に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法において、前記接合工程と前記切削工程を、同一の機械加工定盤上で行うことを特徴とする。
上記請求項７に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法によれば、インテグラルスキンパネルを製造するにあたり、製造において段取り替えが不要になり、製造効率が向上するだけでなく、接合位置を正確に把握できるため、機械加工時のずれを防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明のインテグラルスキンパネルの製造方法の各実施形態について、図面を参照しながら以下に説明を行うが、本発明がこれらのみに限定解釈されるものでないことは、勿論である。
まず、図１及び図２を参照しながら、本発明の第１実施形態を説明する。本実施形態の製造方法では、接合工程と、切削工程と、熱処理工程とを経てインテグラルスキンパネルを製造する。なお、本実施形態では、インテグラルスキンパネルを構成する外板及びストリンガーの素材（補強材の素材）に、互いに異なるアルミ合金を用いる場合を例として説明を行うものとする。
【００１７】
前記接合工程では、図１（ａ）に示すように、平板形状を有するストリンガーの素材（以下、ストリンガー素材１１）の表面に、同じく平板形状を有する外板の素材（以下、外板素材１２）の表面を隙間なく重ね合わせて固定する。
そして、外板素材１２側より、ストリンガーの配置箇所にマーキングを施した後、これらストリンガー素材１１及び外板素材１２の間を、各マーキング位置において摩擦攪拌接合する。同図に示す符号１３が、接合箇所を示している。
【００１８】
続く切削工程では、図１（ｂ）及び図２の破線に沿って各ストリンガー１４（補強材）を削り出す。この時、外板１５の内面の仕上げと、外板１５及び各ストリンガー１４間における各接合箇所１３の隅部仕上げを同時に行う。このようにして切削工程を経た後の状態が図１（ｃ）である。
なお、接合工程と切削工程は、同一の機械加工定盤上で行うことで寸法精度の確保が容易になり、段取り替えの手間を省くことが可能である。
続く熱処理工程では、この図１（ｃ）に示す状態で加熱処理を加えることにより、耐食性が向上し、インテグラルスキンパネル１０が完成する。
【００１９】
以上説明のインテグラルスキンパネルの製造方法によれば、各ストリンガー１４の切削加工は、そのストリンガー素材１１の接合後に行うので、予め各ストリンガーを加工してから接合固定する従来方法に比較して、外板１５に対する各ストリンガー１４位置の正確な調整などの手間を省くことが可能となる。
なおかつ、外板素材１２とストリンガー素材１１が分離した状態から製造するため、外板１５に要求される強度要求と、各ストリンガー１４に要求される強度要求との双方に対応することも可能となる。すなわち、外板素材１２としては、疲労強度や亀裂伸展抑制に優れた特性を有するものとして、例えば２０２４番もしくは６０１３番のアルミニウム合金を採用し、また、ストリンガーにおいては、圧縮強度に優れた特性を有するものとして、例えば７０００番台系のアルミニウム合金を採用することができる。
【００２０】
続いて、図３及び図４を参照しながら、本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態の製造方法においても、上記第１実施形態と同様に、接合工程と、切削工程と、熱処理工程とを経てインテグラルスキンパネルを製造するものであり、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明を行うものとする。その他については、上記第１実施形態と同一符号を用いて説明を省略する。
【００２１】
本実施形態の製造方法では、前記接合工程で、１枚ものの前記ストリンガー素材１１に代わりに、形成する各ストリンガー１４毎に予め分離された角材形状のストリンガー素材１６を用いる点が、特徴のひとつとなっている。この製造方法によれば、上記第１実施形態に比較して、ストリンガー素材を節約することができるので、インテグラルスキンパネル１０の製造コストを下げることが可能となる。
【００２２】
さらに、本実施形態の製造方法は、図３（ａ）に示すように、外板素材１２と各ストリンガー素材１６とを、互いのＳＴ方向（Short Transverse方向、圧延直交方向、または結晶方向。）が異なるように接合している点も、他の特徴となっている。この製造方法によれば、外板１５と各ストリンガー１４とでは、作用する荷重方向が異なるので、これらに作用する荷重を支持するのに最適な方向にそれぞれの結晶方向（圧延直交方向）を調整して接合することができる。したがって、外板１５及び各ストリンガー１４が、それぞれに作用する荷重を確実かつ効果的に支えることが可能となる。
【００２３】
なお、この第２実施形態においては、各ストリンガー素材１６が互いに分離したものとなっているが、例えば図５に示すような寸法を採用することで、従来のような複雑なサポート治具の使用を不要としている。
すなわち、同図に示すように、ストリンガー１４の長手方向に垂直な断面で見て、前記接合工程後における外板１５及び各ストリンガー１４間の接合幅寸法をＡとし、前記切削工程前における前記外板及び前記ストリンガー間の接触幅寸法をＢとし、前記切削工程後における前記ストリンガーの幅寸法をＣとしたときに、Ｂ≧Ａ＞Ｃとする。この製造方法によれば、加工後の各ストリンガー１４の肉厚寸法Ｃよりも肉厚状態にある肉厚寸法Ｂの素材段階で外板素材１２を支持するものであるため、外板素材１２に対する各ストリンガー素材１６の固定を確実なものとすることができる。したがって、各ストリンガー素材１６を支えるための複雑な治具が不要となり、さらなる製造コストの低減を図ることが可能となる。
【００２４】
また、加工後の各ストリンガー１４の肉厚寸法Ｃを接合幅Ａよりも小さくすることで、各ストリンガー１４及び外板１５間に形成される図６に示すスリット上の未接合部１７がストリンガ中に未接合部が残ることを防止し、疲労強度の改善を計っている。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法は、外板の素材に対して補強材の素材を重ね合わせて摩擦攪拌接合した後、補強材を削り出す方法を採用した。この方法によれば、補強材の素材を固定した後に補強材を固定するものであるので、予め補強材を加工してから接合固定する場合に比較して、外板に対する補強材位置の正確な調整などの手間を省くことが可能となる。
なおかつ、外板の素材と補強材の素材が分離した状態から製造するため、外板に要求される強度要求と、補強材に要求される強度要求との双方に対応することも可能となる。
【００２６】
また、請求項２に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法は、外板の素材と補強材の素材として、互いに異なるアルミ合金を用いる方法を採用した。この方法によれば、外板に要求される強度要求と、補強材に要求される強度要求との双方に確実に対応することが可能となる。
【００２７】
また、請求項３に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法は、外板と補強材の素材として同一のアルミ合金を用い、接合工程で、これらの結晶方向が互いに異なるように接合する方法を採用した。この方法によれば、外板及び補強材のそれぞれに作用する荷重を確実かつ効果的に支えることが可能となる。
【００２８】
また、請求項４に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法は、接合工程で、補強材の素材として各補強材毎に予め分離された素材を用いる方法を採用した。この方法によれば、補強材の素材を節約することができるので、インテグラルスキンパネルの製造コストを下げることが可能となる。
【００２９】
また、請求項５に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法は、接合工程後における外板及び補強材間の接合幅寸法をＡとし、切削工程前における外板及び補強材間の接触幅寸法をＢとし、切削工程後における補強材の幅寸法をＣとしたときに、Ｂ≧Ａ＞Ｃとする方法を採用した。この方法によれば、接合時における、外板に対する各補強材の素材固定を確実に行えるので、各補強材を支えるための複雑な治具が不要となり、さらなる製造コストの低減を図ることが可能となる。また、欠陥の発生を防止でき、接合部の品質の向上につながる。
【００３０】
また、請求項６に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法は、切削工程後のインテグラルスキンパネルを熱処理する方法を採用した。この方法によれば、インテグラルスキンパネルの耐食性を向上させることが可能となる。
【００３１】
請求項７に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法は、請求項１から請求項６の何れか１項に記載のインテグラルスキンパネルの製造方法において、接合工程と切削工程を同一の機械加工定盤で行うことにした。この方法によれば、インテグラルスキンパネルを製造するにあたり、製造において段取り替えが不要になり、製造効率が向上するだけでなく、接合位置を正確に把握できるため、機械加工時のずれを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のインテグラルスキンパネルの製造方法の第１実施形態を説明するための図であって、（ａ）は、外板素材に補強材素材を重ねて攪拌摩擦接合した状態を示し、（ｂ）及び（ｃ）は、接合後の切削加工を示している。
【図２】  同インテグラルスキンパネルの製造過程途中を示す図であって、図１（ｂ）のＡ部を示している。
【図３】  本発明のインテグラルスキンパネルの製造方法の第２実施形態を説明するための図であって、（ａ）は、外板素材にストリンガー素材を重ねて攪拌摩擦接合した状態を示し、（ｂ）及び（ｃ）は、接合後の切削加工を示している。
【図４】  同インテグラルスキンパネルの製造過程途中を示す図であって、図３（ｂ）のＢ部を示している。
【図５】  同インテグラルスキンパネルの製造過程途中を示す図であって、意外板素材とストリンガー素材との接合部分を示している。
【図６】  同インテグラルスキンパネルの接合ままの状態を示す図であって、外板とストリンガーとの接合部分を示している。
【図７】  一般的な主翼外板の構造を説明する図であって、（ａ）はビルドアップスキン、（ｂ）はインテグラルスキンを示している。
【符号の説明】
１０・・・インテグラルスキンパネル
１１，１６・・・ストリンガーの素材（補強材の素材）
１２・・・外板の素材
１４・・・ストリンガー（補強材）
１５・・・外板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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