(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化複合材料からなり、繊維体を連続的に有する多数の薄層から形成される積層体（１）に孔を設ける方法であって、
放射方向及び軸方向の機械加工面（４ａ，４ｂ）と、形成される孔の直径よりも実質的に小さい直径とを有する切削工具（３）を該切削工具の長手方向の中心軸（５）の回りに回転させるステップと、
前記切削工具（３）の前記中心軸（５）を、形成される孔の中心軸に対して偏心させて、前記積層体（１）の繊維体の長手方向と本質的に直角に、配置するステップと、
前記切削工具（３）の前記機械加工面（４ｂ）を、前記積層体内に軸方向に進行させて、前記切削工具をその中心軸（５）だけでなく、形成される孔の中心軸の回りに偏心させて回転させることによって、前記積層体（１）を軸方向及び放射方向に同時に機械加工するステップと、
を備える繊維強化複合品に孔を設ける方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、繊維強化複合材料からなる被加工物に孔を設ける方法に関するものであって、孔の中心軸は被加工物表面の所定の箇所を通過しており、しかも、前記箇所のごく近傍における繊維体の長手方向に対して、所定の方向に向けられている。さらに、本発明は前記方法を達成するための工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子複合材料は、一般に１９５０年代から知られているものである。これらの材料は、通常マトリックスのように称される熱可塑性あるいは熱硬化性プラスチックに、繊維体（例えば、ガラス，炭素あるいはアミド繊維）を混入した保護性および結合性を有する重合体から構成される。繊維体は連続して特定の方向に向けられることもあれば、比較的短くマトリックス内にランダムに配置されることもある。連続的で特定の方向に向いた繊維体を有する複合材料は、特に重量に対する強度および剛性に関する限り、一般の重合体や金属材料からなる複合材料よりも優れた機械的特性の製品を生み出す。短い繊維体を有する複合材料は、むしろ要求の少ない特性が求められる用途に用いられる。複合材料のより広範囲な利用を妨げる一つの要因として、切削機械加工における有効な方法がないことが挙げられる。複合材料の物理的および化学的特性では、一般に公知の機械加工の各方法を通常の好ましい結果で利用することができない。
【０００３】
複合材料からなる製品は、時として様々な目的の孔を備えている。このような孔は、例えば供給ラインの敷設や、組立あるいは検査ができるように、要求されることがある。ボルト孔は、特に孔の重要な範疇である。実際に用いる構造物は、しばしば互いに結合される構成部品から最終製品を得るのに組立てられる。結合の目的は、一方の構造体から他方に荷重を移すことにある。結合の一般的形態の一つとしてボルト締め結合があるが、これは、剪断荷重および引張荷重によって、荷重がボルトに移される。ボルト締め結合の強度は、その孔の品質と精度によって無視できない程度の影響を及ぼす。参考として、高分子複合材料に孔を設ける場合の３つの特徴的な問題点を以下に示す。
【０００４】
積層内強度の弱さ。積層された複合材料を機械加工する際、積層内強度の弱さにより各層が分離（剥離）する危険性がある。広範囲にわたる剥離ダメージが、積層強度を危うくすることがある。
【０００５】
ある熱可塑性プラスチックの加熱および冷却に対する抵抗の低さ。機械加工時に発生する熱により、マトリックスが軟化して工具の進行を妨げることがあり、機械加工をさらに行なうことができなくなる。孔の品質を良好にするためには、工具および孔の端部に効果的な冷却を行なうとともに、切削により除去した材料（破片，裂片および研削くず）が、孔から連続的に取去られるようにすることが適宜必要である。
【０００６】
繊維体の摩擦抵抗の高さ。繊維材料の摩擦特性が良好なため、繊維体を切削機械加工すると、工具の磨耗が著しくなる。特に、高い精度を要求する孔を設ける場合、磨耗コストが高くなる。
【０００７】
複合積層体に孔を設けるのに用いられる方法は、孔開け、フライス削り、鋸引きおよび研削が慣例的にある。現在用いられているこれらの孔形成方法に関わる問題として、技術的および経済的な観点から、これらの方法が様々な理由によりさほど十分な効果を得ていないことがある。
【０００８】
磨耗コストの高さは、高精度が求められる切削機械加工に関わる全体的な問題である。入口側および出口側の双方で剥離ダメージを確実に避けるために、孔開け時に多くの注意を払わなければならない。規定された孔の品質を達成するために特殊なカッターが用いられ、しかも、特殊な手続を定式化しなければならない。積層体の出口側における広範囲な剥離ダメージを避けるのに、孔の端部周辺に局所的な側圧を付与しなければならない。この出口側をダメージから保護する他の従来から開示された方法として、積層体に追加の保護層を設けるものがある。
【０００９】
高精度を要求する孔を設けるのに、鋸引きは明らかに不適当な方法である。研削によって孔を設ける場合、円筒状の管状本体が用いられ、その機械加工端部は耐磨耗性を有する表面層で覆われる。孔は、研削本体を回転させながら材料表面を横方向に研削することで設けられる。この方法は時間が掛かり、精度が低い。
【００１０】
さらに、特許文献１には、研削本体の回転軸が、孔の端部で繊維体の長手方向に対し垂直に向くようにしながら、予め形成された孔を拡げて、繊維強化材料にダメージのない孔を形成する方法が開示されている。提案した方法は、切削により取去られた材料の容積が相当多くなるような、以前に開示された表面を修正する機械加工方法とも異なる。材料を放射状に取去って形成した孔の場合、切削により取去られた材料の容積は、機械加工の前後における移動範囲の変化に比例する。従前の表面を修正する機械加工方法の場合、孔の端部の側面深さは、この移動範囲の変化における特有の量となる。提案した方法により機械加工を行なう場合、いかなるダメージであっても、その放射状の範囲は、機械加工の前後における移動範囲の違いに対する下限に限定される。この下限は、一般に孔の端部からの側面深さよりも相当大きい。予め形成された孔の寸法が、予め形成された孔と比較して実際に異なることは、以前から評価されている。予め形成された孔の存在を必要とする現実が、この方法に関する製品の経済的欠点となっている。
【００１１】
機械加工で孔を設ける各方法は、回転軸の回りを回動可能に動く本体を、さらに周回運動させるようにしているが（例えば、孔の端部に対しディスクが移動できるように、回転軸が移動する。）、これは一般にはありふれたものであることを指摘すべきである。特許文献２は、主軸の回りを偏心して回動する工具キャリアを有する工作機械を開示しており、工具キャリアと主軸間の距離は調整可能になっている。この工具キャリアと主軸間の距離の調整は案内部品を利用するが、これは、工具キャリアとともに主軸を回動する。工具キャリアとともに回動する案内部品は、主軸に対して垂直に配置されるとともに、工具ホルダをカムの案内側面と直接係合させながら、工具ホルダに対し主軸の回りを回動できるカムとして達成される。この発明の利点は、他にもあるが、独立した動きがなく、しかも、案内部品のスペースを節約する手法にある。特許文献３は、固定した加工物に孔を設けるための、回動可能に駆動する複合切削工具が開示されており、孔は円錐状の開始面取り部を備えている。
【００１２】
他の先行技術の例として、特許文献４，特許文献５および特許文献６があり、これらは、複合材料に孔を設ける方法を記載している。また、特許文献７は、予め形成された孔を望ましい寸法と外形に機械加工する方法を開示している。
【００１３】
提案した発明の目的は、従来開示された各方法に関わる欠点や限界を排除し、合理的で費用対効果の大きい孔の製法をもたらし、強度を弱くするダメージから脱するだけでなく、さらに、繰り返し良好な孔品質を保証することにある。
【００１４】
【特許文献１】
スウェーデン国特許出願9201420−8号
【特許文献２】
スウェーデン国特許173899号
【特許文献３】
スウェーデン国特許382506号
【特許文献４】
米国特許4190386号
【特許文献５】
米国特許4338050号
【特許文献６】
米国特許4,757,645号
【特許文献７】
英国特許2048135号
【００１５】
繊維強化複合材料からなり、繊維体を連続的に有する多数の薄層から形成される積層体（１）に孔を設ける方法であって、
放射方向及び軸方向の機械加工面（４ａ，４ｂ）と、形成される孔の直径よりも実質的に小さい直径とを有する切削工具（３）を該切削工具の長手方向の中心軸（５）の回りに回転させるステップと、
前記切削工具（３）の前記中心軸（５）を、形成される孔の中心軸に対して偏心させて、前記積層体（１）の繊維体の長手方向と本質的に直角に、配置するステップと、
前記切削工具（３）の前記機械加工面（４ｂ）を、前記積層体内に軸方向に進行させて、前記切削工具をその中心軸（５）だけでなく、形成される孔の中心軸の回りに偏心させて回転させることによって、前記積層体（１）を軸方向及び放射方向に同時に機械加工するステップと、
を備える繊維強化複合品に孔を設ける方法である。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１記載の繊維強化複合品に孔を設ける方法において、前記偏心回転運動が、厳格な回転運動で、孔の中心軸と前記切削工具の回転軸（５）との間の放射方向の距離が、一定に保たれることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１記載の繊維強化複合品に孔を設ける方法において、前記偏心回転運動が、段階的なリニアな運動を有し、放射方向の距離の変更が前記孔の中心軸と前記切削工具の回転軸との間で起こることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１記載の繊維強化複合品に孔を設ける方法において、前記切削工具がフライス工具であることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１記載の繊維強化複合品に孔を設ける方法において、前記切削工具が前記孔開け工具であることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項１記載の繊維強化複合品に孔を設ける方法において、前記機械加工ステップと同時に、孔の端部に皿座ぐりを形成する更なるステップを含むことを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施形態】
本発明をより詳細に説明する。先ず図１は、その強化繊維体の主たる各方向に印を付けた繊維強化複合材料のシート体を示している。図２は、図１におけるシート体の断面を示している。図３は、どのようにして図１におけるシート体に孔が設けられるのかを示すものであり、図４は図３の断面を示している。図５（ａ）および図５（ｂ）は、概略を説明する平面図であり、本発明の方法を達成するための工具の側部からと下部からとを各々示している。図５（ｃ）は、どのようにして図５（ａ）における工具が、円筒状の機械加工面と、この機械加工面と垂直に横設する平坦な機械加工面との間の移動範囲で形成されるのかを示す詳細図である。図６は、孔を設ける際に皿座ぐりを同時に形成することができる手段を備えた工具を示している。
【００２２】
板体１（積層体）は、繊維体を連続的に有する多数の薄層２（層）から形成されるが、この薄層は一方の層が多層の層の上部に積み重なっている。実例として、積層体の平面と平行な面に繊維体が向けられて横たわっている。繊維体の各方向（０゜，９０゜，＋４５゜および−４５゜）が、図１に図示されている。
【００２３】
径方向および軸方向の機械加工面４ａ，４ｂを備えた少なくとも一つの切削工具３を、仮想上の孔の中心軸に対し偏心して配置することで、孔が設けられる。これとともに、工具の回転軸５が繊維体本来の長手方向に対し直角となるように、積層体の方向が向けられる。工具を軸方向に動かすとともに、工具自体の軸の回りを回転するだけでなく、孔の中央軸の回りを偏心して工具を回転することによって、材料は軸方向および径方向の向きに機械加工される。
【００２４】
図５（ａ）および図５（ｂ）における工具は、本発明の方法により円筒状の孔を設けるのに直接意図されたものである。
【００２５】
図５（ｃ）に示すように、軸方向および径方向の各機械加工面間の変位部で、工具に移動範囲を持たせることによって、接触圧力が局部的に減少し、工具の運用寿命が延びる。
【００２６】
図６は、孔を設けると同時に孔に皿座ぐりを形成できる工具の一例を示している。この目的のために、工具は円錐形部10を備えており、選ばれた前面の傾斜角は、皿座ぐりの傾斜と関連を有している。
【００２７】
【発明の効果】
本方法における、一般的なありふれた技法と比較したいくつかの実質的な利点を提示する。
【００２８】
１．本方法は、強度を弱くするダメージのない状態で孔を設けることができる。
【００２９】
２．本方法は、最初に孔を前もって設けなくても、ダメージのない状態で孔を設けることができる。
【００３０】
３．本方法は、許容範囲の厳しい孔を設けることができる。孔の寸法精度は、実質的には中心軸に対する工具の位置決めの精度によって決められる。一方、個々の工具すべてが使用前に簡単に較正されることから、工具の外形に課せられる要求は、それ程際立って高いものではない。
【００３１】
４．本方法は、工具の進行を妨げる危険性が減少する。工具の直径が孔の直径よりも実質的に小さくなっているので、本発明では、例えば加圧空気などの簡素な手段により、切削により除去された材料を運び去ることができる。さらに本方法では、工具および孔の端部に効果的な冷却を行うことができる。
【００３２】
５．本方法は、例えばダイヤモンドコーティングのような耐磨耗性材料で工具を覆うことができるため、従来開示された各方法に比べて磨耗コストが実質的に減少する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  強化繊維体の主たる各方向に印を付けたシート体の平面図である。
【図２】  図１の断面図
【図３】  どのようにしてシート体に孔が設けられるのかを示す断面図
【図４】  図３の断面図である。
【図５】  図５（ａ）および図５（ｂ）は、概略を説明する平面図であり、本発明の方法を達成するための工具の側部からと下部からとを各々示し、図５（ｃ）は、どのようにして図５（ａ）における工具が、円筒状の機械加工面と、この機械加工面と垂直に横設する平坦な機械加工面との間の移動範囲で形成されるのかを示す詳細図を示している。
【図６】  孔を設けると同時に孔に皿座ぐりを形成できる工具の一例を示している。
【符号の説明】
１ 繊維強化複合材料
３ 切削工具
４ 耐磨耗性面
５ 回転軸（工具自体の軸）
【図１】
0003915914.tif 000002
【図２】
0003915914.tif 000003
【図３】
0003915914.tif 000004
【図４】
0003915914.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003915914.tif 000007