(57)【要約】【課題】任意の外径に変更できるマンドレルを提供することを目的とする。【解決手段】フィラメントワインディング法、テープワインディング法又はシートワインディング法に使用される円筒状のマンドレルであって、該マンドレルは、ワインディング装置に固定する基礎マンドレルと、前記基礎マンドレルに着脱可能な円筒部材と、前記基礎マンドレルの表面と前記円筒部材との間に狭持させる緩衝材とを有し、前記基礎マンドレルの線膨張係数が前記円筒部材の線膨張係数より高いことを特徴とするマンドレル。【選択図】図１
2014111366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラメントワインディング法、テープワインディング法又はシートワインディング法に使用される円筒状のマンドレルであって、該マンドレルは、ワインディング装置に固定する基礎マンドレルと、前記基礎マンドレルに着脱可能な円筒部材と、前記基礎マンドレルの表面と前記円筒部材との間に狭持させる緩衝材とを有し、前記基礎マンドレルの線膨張係数が前記円筒部材の線膨張係数より高いことを特徴とするマンドレル。
【請求項２】
緩衝材の厚みが、５０μｍ〜３００μｍである請求項１記載のマンドレル。
【請求項３】
基礎マンドレルの材質は、ＳＵＳ３００台のオーステナイト系ステンレス鋼、又はＡ１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００及び７０００台系アルミ合金からなる群より選択されるアルミ合金であり、円筒部材の材質は、Ｓ１０〜５０番台又はＳＫ材からなる構造用炭素鋼管の一般鋼材である請求項１または２に記載のマンドレル。
【請求項４】
基礎マンドレルの長手方向を略鉛直方向に向け、緩衝材を円筒部材の内壁に固定した状態で該円筒部材の長手方向を略鉛直方向に向け、前記基礎マンドレルを該円筒部材に対して略鉛直下向きに移動させることにより、該円筒部材の内側に前記基礎マンドレルを挿入することを特徴とするマンドレルの製造方法。
【請求項５】
前記円筒部材の内側に前記基礎マンドレルを挿入する前に、あらかじめ前記基礎マンドレルを冷却し、前記円筒部材の内側に前記基礎マンドレルを挿入した後に室温に戻すことを特徴とする請求項４に記載のマンドレルの製造方法。
【請求項６】
前記緩衝材の厚みが、５０μｍ〜３００μｍである請求項４または５に記載のマンドレルの製造方法。
【請求項７】
前記緩衝材は、該緩衝材自身の有する復元力を利用して前記円筒部材の内壁に固定することを特徴とする、請求項４〜６のいずれかに記載のマンドレルの製造方法。
【請求項８】
複数に分割された前記緩衝材は、前記円筒部材の内壁面に固定することを特徴とする、請求項４〜６のいずれかに記載のマンドレルの製造方法。
【請求項９】
請求項１〜３のいずれかに記載のマンドレル、または請求項４〜８のいずれかに記載の方法で製造されたマンドレルで、樹脂を含浸した強化繊維を巻き取った後に、前記樹脂を硬化する工程を含む、繊維強化プラスチック製パイプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等に用いられるプロペラシャフトを成形するためのマンドレルに関し、特に任意の外径に変更できるマンドレルおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化プラスチック製の容器やパイプを成形する方法として、フィラメントワインディング法やシートワインディング法がある。例えば、フィラメントワインディング法は、マンドレルを回転させながらそのマンドレルの周りに樹脂を含浸した補強繊維を任意の角度巻きをして樹脂含浸補強繊維層を形成し、マンドレルを引き抜いた後、製品を得る方法である。フィラメントワインディング法に使用されるマンドレルは、フィラメントワインディング装置と接続する軸部と繊維を巻き付けるための胴部から構成されているが、補強繊維を巻き付ける際にマンドレルの回転方向に張力がかかるため、両者が相対回転しないように一般的には軸部と胴部は溶接で一体化されている。そのため、品種が増えると、製品の内径ごとに対応した外径のマンドレルを用意する必要があり、交換の手間が増え、ひいては製品のコストアップにつながるおそれがある。
【０００３】
上記課題に対して、マンドレルの胴部に種々の工夫をし、任意の外径を有するマンドレルを得る方法が提案されている。例えば、特許文献１には、表面が多角形形状の軸芯部に、この軸芯部と同じ多角形形状の内面を有する円筒部をかぶせることにより、円筒部の外径を変更するだけで、任意の外径のマンドレルを得る方法が開示されている。この方法を使えば、軸芯部と円筒部の多角形形状の嵌め合いにより両者の相対回転を防止することができるが、軸芯部の外側と円筒部の内側を多角形形状に加工する必要があり、加工精度が悪いと軸芯部にうまく円筒部が挿入できない、軸芯部と円筒部のガタによりマンドレルの進直度や振れ精度が低下する、使用するにしたがって嵌め合い部分の擦れ等によって寸法調整を徹底する必要がある等といった維持管理が煩雑となるおそれがある。また、軸芯部自身は製品の成形に使用することができない。
【０００４】
また、マンドレル表面に任意の肉厚の肉取り板を設置して必要な外径のマンドレルとした後、繊維強化プラスチックパイプを成形し、成形後のパイプから肉取り板を除去する技術が特許文献２に開示されている。しかしながら、特許文献１と同様に肉取り板を製品ごとに用意する必要があり、肉取り板の設置、除去には手間と時間を要する。また、複数の肉取り板を組み合わせると、肉取り板同士の連結部ではバリが形成されるおそれがあり、パイプ成形後にバリをとる作業が別途必要になる。さらに、肉取り板の連結部に隙間等が生じると、補強繊維を巻き付ける際の張力によって補強繊維自身が隙間に落ち込み、パイプ表面にヒケが生じる等の寸法精度が低下する、肉取り板の連結部の隙間に樹脂が侵入し肉取り板がパイプ内に取り込まれ、肉取り板の撤去が困難になる等の懸念も生じる等といった課題を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３５２３４９号公報
【特許文献２】特開２０１２−１１１１３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、交換が容易であり、取付後は補強繊維の張力によっても相対回転することなく、繰り返し使用しても寸法精度が維持可能な、任意の外径に変更できるマンドレルおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のマンドレルは、前記した課題を解決するため、次の構成を有する。すなわち、フィラメントワインディング法、テープワインディング法又はシートワインディング法に使用される円筒状のマンドレルであって、該マンドレルは、ワインディング装置に固定する基礎マンドレルと、前記基礎マンドレルに着脱可能な円筒部材と、前記基礎マンドレルの表面と前記円筒部材との間に狭持させる緩衝材とを有し、前記基礎マンドレルの線膨張係数が前記円筒部材の線膨張係数より高いことを特徴とするマンドレルである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係るマンドレルは、ワインディング装置との固定を目的とした基礎マンドレルと任意の外径になるように前記マンドレルの表面にかぶせられた円筒部材とを線膨張係数の差を利用して嵌合するため、特別な形状加工を必要とせず、精度よく任意の外径のマンドレルに変更することができる。また、基礎マンドレルと円筒部材の間に緩衝層を設けているので、基礎マンドレルが傷つくことがなく円筒部材を撤去した後、マンドレルとして使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係るマンドレルの（ａ）部分斜視図、および（ｂ）横断面図である。
【図２】本発明に係るマンドレルの組み立て方法を示す正面図である。
【図３】本発明に係るマンドレルの別の組み立て方法を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施する望ましい形態を、図を参照しながら説明する。なお、本発明はこれらの図によって限定されるものではない。
【００１１】
図１は、本発明に係わるマンドレルの状態を示す（ａ）部分斜視図、および（ｂ）横断図面である。マンドレル１は、ワインディング装置との固定を目的とした基礎マンドレル２、任意の外径になるように基礎マンドレル２の表面にかぶせられた円筒部材３、基礎マンドレル２と円筒部材３との間に狭持する緩衝材４とから構成されている。
【００１２】
本発明に用いられる基礎マンドレル２と円筒部材３の素材は、特に限定されず、アルミ合金、一般鋼材、ステンレス、プラスチック、繊維強化プラスチックなど、両者の線膨張係数の関係が、基礎マンドレル２＞円筒部材３となるものであれば特に限定されるものではないが、入手の容易さ、加工がしやすく良好な寸法精度であること、経済性を考えると、基礎マンドレル２の材質は、ＳＵＳ３００台のオーステナイト系ステンレス鋼、又はＡ１０００、２０００、３０００、４０００、５０００、６０００及び７０００台系アルミ合金からなる群より選択されるアルミ合金であることが好ましく、円筒部材３の材質は、Ｓ１０〜５０番台又はＳＫ材からなる構造用炭素鋼管の一般鋼材であることが好ましい。より好ましくは、基礎マンドレルは、ＳＵＳ３０５のオーステナイト系ステンレス鋼、又はＡｌ２０１７のアルミ合金、円筒部材３は、Ｓ４５Ｃの一般鋼材が、強度が高く作業時に傷つきにくいため取り扱い性が良く、好適に用いられる。なお、線膨張係数の測定方法は、ＪＩＳ  Ｚ２２８５：２００３に従うことができる。
【００１３】
本発明において、円筒部材３は、製品の種類や仕様に応じて形状が決められるものである。製品の種類等が増加すると、その種類等に応じてマンドレル１を準備する必要があるものの、マンドレル１の製造や管理が複雑になり、製品コストにも跳ね返る等、効率的ではない。そこで、本発明では、基礎マンドレル２を共用部品として使用し、製品の種類等に応じた円筒部材３のみを交換可能にすることで、迅速な種類変更にも対応可能となる。
【００１４】
ここで、本発明においては、基礎マンドレル２と円筒部材３の線膨張係数に着目し、両者の線膨張係数の関係が、基礎マンドレル２＞円筒部材３、となることが重要である。後述するように、マンドレル1の製造において、基礎マンドレル２をあらかじめ冷却し、円筒部材３内部に挿入後、常温に戻すことで、基礎マンドレル２と円筒部材３とを一体化させる。この際、基礎マンドレル２の熱膨張係数を円筒部材３より大きくしておくと、冷却した際に外径が小さくなり、緩衝材４を狭持させた円筒部材３内に、緩衝材４にしわ等を発生させることなく挿入可能となる。常温に戻した際にも、短時間で基礎マンドレル２は膨張し、緩衝材４を押圧して円筒部材３と密着一体化が可能になる。円筒部材３の熱膨張係数は小さく抑えられているため、基礎マンドレル２の膨張に対しても容易に密着することができるとともに、円筒部材３自身の形状変化も抑えられるため、最終的な繊維強化プラスチック製パイプ等を製造する際の寸法精度がばらつくおそれも少なくなる。
【００１５】
緩衝材４の形状については、シート、テープなどが好適に用いられる。シートの場合、円筒部材３の形状に追従できれば良く、ボール紙や熱可塑性樹脂シートなどが好適である。熱可塑性樹脂シートとする場合、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアラミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、酢酸セルロース樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂など熱可塑性樹脂が好適に用いられ、入手しやすさ、耐熱性等を考慮するとポリエチレンテレフタレート樹脂が特に好ましい。
【００１６】
テープの場合は、前記シートをテープ状にしたものや、入手のし易さからシムテープなどが好ましく、特にシムテープは厚み公差が±１０％以内と厚みばらつきが少ないので、基礎マンドレル２と円筒部材３との寸法設計が容易になるほか、緩衝材４によるマンドレルのひずみが抑えられる等の利点があり好適である。本発明において、緩衝材４の厚みは５０μｍ〜３００μｍ、好ましくは５０μｍ〜２５０μｍ、より好ましくは５０μｍ〜２００μｍである。緩衝材４の厚みが５０μｍより小さいとマンドレル挿入時、分離時に破れやすくなる、しわが発生し易くなるなどの問題があり、３００μｍより大きくなると剛性が高くなるため曲げにくくなるため基礎マンドレル２の形に追従させるのが困難になる、もしくは曲げたときに折り目が発生し基礎マンドレル２の挿入時の障害となる。
【００１７】
基礎マンドレル２と円筒部材３の一体化方法は、基礎マンドレル２への傷つき防止を考慮すると、長手方向を略鉛直方向に向けた基礎マンドレルを、同方向に向けた円筒部材に向けて移動させることにより一体化させるのが望ましい。
【００１８】
その際、基礎マンドレル２と円筒部材３の接触による傷つき防止を目的とする緩衝材４は、作業性を考慮すると、緩衝材４自身の復元力を利用して円筒部材３の内壁にあらかじめ沿わせておくことが好ましい。
【００１９】
また、緩衝材４を円筒部材３の内壁に沿わせるに際し、単独のシート等でもよく、または複数の緩衝材４を組み合わせることも好ましい。複数用いる場合、緩衝材の厚み差による組み立て後のマンドレルの真直度悪化を回避するために緩衝材４は間隔をあけて均等に円筒部材３の内壁面に固定配置することが好ましい。
【００２０】
次に、本発明の一実施形態を、図面を用いて具体的に説明する。
【００２１】
図２は、本発明に係わるワインディング法に使用される円筒状のマンドレルの組み立て方法である。十分に冷却した基礎マンドレル２を継ぎ手に空けておいた穴を使用してクレーンで吊り上げた後、緩衝材４を設置した円筒部材３を長手方向が鉛直方向になるように円筒部材固定装置５に固定し、基礎マンドレル２を鉛直方向に移動させて円筒部材３に挿入する。その後、基礎マンドレル２を室温に戻し、円筒部材３からはみ出した余剰の緩衝材４を除去することで、所望のマンドレル１が得られる。使用後、マンドレル１から基礎マンドレル２と円筒部材３とに分離するには、マンドレル１全体を十分冷却した後、円筒部材３の表面を把持しながら、基礎マンドレル２を鉛直方向に引き上げれば良い。
【００２２】
図３は、本発明に係わるマンドレルの別の組み立て方法である。十分に冷却した基礎マンドレル２を、継ぎ手に空けておいた穴を使用してクレーンで吊り上げた後、複数に分割した緩衝材４を設置した円筒部材３を長手方向が鉛直方向になるように円筒部材固定装置５に固定し、基礎マンドレル２を鉛直方向に移動させて円筒部材３に挿入する。その後は、上述の図２の説明と同じ工程を経て、マンドレル１が得られる。
【００２３】
また、上述の工程により得られたマンドレルを用いて、樹脂を含浸した強化繊維を巻き取った後、樹脂を硬化させて、繊維強化プラスチック製パイプを製造することができる。
【００２４】
本発明において、強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、セラミック繊維等が使用され、この中でも強度等の機械的特性を考慮すると炭素繊維の使用が好ましい。
【００２５】
また、繊維強化プラスチック製パイプとするために強化繊維に含浸させる樹脂、いわゆるマトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアラミド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、酢酸セルロース樹脂などの熱可塑性樹脂が好適に用いられるが、これらの中でも、良好な作業性と成形後の優れた機械特性という点を考慮すると熱硬化性樹脂が好ましく、中でも、エポキシ樹脂が特に好ましく用いられる。
【実施例】
【００２６】
次に、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例や比較例によって何ら制限されるものではない。
【００２７】
（実施例１）
全長４００ｍｍ、継ぎ手部１００ｍｍ、外径１９９．９［ｎ６］（［ｎ６］は嵌め合いの公差記号）ｍｍ、内径１９７ｍｍ、継ぎ手部１００ｍｍ、ＳＵＳ３０５製（熱膨張係数：１７．３×１０−６／℃）基礎マンドレルを液体窒素中に入れて、２時間冷却した。全長２００ｍｍ、内径２００［Ｈ６］（［Ｈ６］は嵌め合いの公差記号）ｍｍ、外径２０３ｍｍ、Ｓ４５Ｃ製（熱膨張係数：１１．２×１０−６／℃）の円筒部材の内側に、幅１９０ｍｍ、長さ３００ｍｍの東レ（株）製“ルミラー（登録商標）”Ｓ１０＃５０（５０μｍ）を沿わせた後、長手方向が鉛直方向に向くように固定した。続いて、基礎マンドレルの軸部をクレーンにセットし、基礎マンドレルを鉛直方向に持ち上げた後、円筒部材に挿入した。その後、マンドレルを常温に戻し、円筒部材からはみでた緩衝材を切り取った当該マンドレルに、強化繊維として用いられる東レ（株）製炭素繊維“トレカ（登録商標）”Ｔ７００ＳＣ−２４Ｋの糸束１本を引き揃え、それにビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、酸無水物および硬化促進剤を混合した溶液を含浸させた状態でマンドレルに巻き取るため１５Ｎの張力をかけながら給糸した。
【００２８】
強化繊維をマンドレルの軸方向に対して＋８３度の巻き角度でマンドレルの全長にわたり、厚さ０．２ｍｍで１層積層したが基礎マンドレルと円筒部材の間ですべることはなかった。その後、１３０度まで昇温して強化繊維に含浸した樹脂を硬化させ、外径２０５ｍｍ、内径２００ｍｍ、全長２００ｍｍの繊維強化プラスチック製パイプを得た。
【００２９】
繊維強化プラスチック製パイプをマンドレルから撤去後、マンドレルを液体窒素の中に２時間放置して冷却した。続いて、マンドレルの円筒部材部分を把持しながらマンドレルを鉛直方向に向けて、クレーンで基礎マンドレルを引きあげることにより基礎マンドレルと円筒部材を分離した。その後、基礎マンドレルの表面を目視で確認したが、傷はついていなかった。
【００３０】
（実施例２）
全長４００ｍｍ、継ぎ手部１００ｍｍ、外径１９９．９［ｎ６］ｍｍ、内径１９７ｍｍ、継ぎ手部１００ｍｍ、ＳＵＳ３０５製基礎マンドレルを液体窒素中に入れて、２時間冷却した。全長２００ｍｍ、内径２００［Ｈ６］、外径２０３ｍｍ、Ｓ４５Ｃ製円筒部材の内側に長さ４００ｍｍに切断した（株）ミスミ製シムテープＦＧＳＭ０．０５を等間隔に１５本沿わせた後、長手方向が鉛直方向に向くように固定した。その後、基礎マンドレルの軸部をクレーンにセットし、鉛直方向に基礎マンドレルを円筒部材に挿入した。常温にマンドレルを戻した後、円筒部材からはみでた緩衝材を切り取った当該マンドレルに、実施例１の方法で繊維を巻きつけたが基礎マンドレルと円筒部材の間ですべることはなかった。
【００３１】
続いて実施例１と同じ方法で基礎マンドレルと円筒部材を分離した後、基礎マンドレルの表面を目視で確認したが、傷はついていなかった。
【００３２】
（実施例３）
全長４００ｍｍ、継ぎ手部１００ｍｍ、外径１９９．９［ｎ６］ｍｍ、内径１９７ｍｍ、継ぎ手部１００ｍｍ、Ａ２０１７製（熱膨張係数：２１．６×１０−６／℃）基礎マンドレルを液体窒素中に入れて、２時間冷却した。全長２００ｍｍ、内径２００［Ｈ６］、外径２０３ｍｍ、Ｓ４５Ｃ製円筒部材の内側に長さ４００ｍｍに切断した（株）ミスミ製シムテープＦＧＳＭ０．０５を等間隔に１５本沿わせた後、長手方向が鉛直方向に向くように固定した。その後、基礎マンドレルの軸部をクレーンにセットし、鉛直方向に基礎マンドレルを円筒部材に挿入した。常温にマンドレルを戻した後、円筒部材からはみでた緩衝材を切り取った当該マンドレルに、実施例１の方法で繊維を巻きつけたが基礎マンドレルと円筒部材の間ですべることはなかった。
【００３３】
続いて実施例１と同じ方法で基礎マンドレルと円筒部材を分離した後、基礎マンドレルの表面を目視で確認したが、傷はついていなかった。
【００３４】
（比較例１）
全長４００ｍｍ、継ぎ手部１００ｍｍ、外径１９９．９［ｎ６］ｍｍ、内径１９７ｍｍ、継ぎ手部１００ｍｍ、ＳＵＳ３０５製基礎マンドレルを液体窒素中に入れて、２時間冷却した。全長２００ｍｍ、内径２００［Ｈ６］、外径２０３ｍｍ、Ｓ４５Ｃ製円筒部材を長手方向が鉛直方向に向くように固定した。その後、実施例１と同じ方法で基礎マンドレルを円筒部材に挿入し、実施例１の方法で繊維を巻きつけたが基礎マンドレルと円筒部材の間ですべることはなかった。
【００３５】
続いて実施例１と同じ方法で基礎マンドレルと円筒部材を分離した後、基礎マンドレルの表面を目視で確認したところ、基礎マンドレルの表面に傷がついていた。
【００３６】
（比較例２）
全長４００ｍｍ、継ぎ手部１００ｍｍ、外径１９９．９［ｎ６］ｍｍ、内径１９７ｍｍ、継ぎ手部１００ｍｍ、Ｓ４５Ｃ製基礎マンドレルを液体窒素中に入れて、２時間冷却した。全長２００ｍｍ、内径２００［Ｈ６］、外径２０３ｍｍ、ＳＵＳ３０５製円筒部材の内側に長さ４００ｍｍに切断した（株）ミスミ製シムテープＦＧＳＭ０．０５を等間隔に１５本沿わせた後、長手方向が鉛直方向に向くように固定した。その後、実施例２の方法でマンドレルを組み立てた後、実施例２の方法で強化繊維を巻きつけた。その後、実施例２と同じ方法で基礎マンドレルと円筒部材を分離しようとしたところ、基礎マンドレルと円筒部材を分離することができなかった。
【００３７】
材質、形状に係わらず緩衝材を設置することで、基礎マンドレルと円筒部材の接触による傷発生を抑制することができることが確認できた（実施例１、２、比較例１）。
【００３８】
また、線膨張係数を基礎マンドレル＞円筒部材とすることにより、基礎マンドレルと円筒部材を分離することができた（実施例２、比較例２）。各実施例、比較例の仕様、結果を（表１）に整理した。
【００３９】
【表１】
2014111366.tif 000003
【符号の説明】
【００４０】
１  マンドレル
２  基礎マンドレル
３  円筒部材
４  緩衝材
５  円筒部材固定装置
【図１】
2014111366.tif 000004
【図２】
2014111366.tif 000005
【図３】
2014111366.tif 000006