纤维增强树脂制螺栓制造方法和纤维增强树脂制螺栓
阅读说明：本技术 纤维增强树脂制螺栓制造方法和纤维增强树脂制螺栓 (Method for manufacturing fiber-reinforced resin bolt and fiber-reinforced resin bolt ) 是由 土田健司 古田泰浩 于 2019-01-11 设计创作，主要内容包括：提供与现有的纤维增强树脂制螺栓相比强度高的纤维增强树脂制螺栓。采用下述工序形成的纤维增强树脂制螺栓(1)：卷绕工序,其中,通过将以CFRP(12)的方向成为纵向方向的方式与热固化性树脂一体化而形成为带状的CFRP树脂带(14)卷绕以使CFRP(12)围绕卷绕轴成为同心状,从而形成CFRP树脂带层(10)；固化工序,其中,通过将采用卷绕工序形成的CFRP树脂带层(10)放入对内径壁面施以螺纹形状的模具(40),将放入了CFRP树脂带层(10)的模具(40)从卷绕轴的方向的一方向另一方加压,用加热器82加热,从而使包含CFRP树脂带层(10)的树脂固化。(Provided is a fiber-reinforced resin bolt having higher strength than conventional fiber-reinforced resin bolts. A fiber-reinforced resin bolt (1) formed by the following steps: a winding step in which a CFRP resin tape layer (10) is formed by winding a CFRP resin tape (14) formed into a tape shape by integrating a thermosetting resin with the CFRP (12) so that the direction of the CFRP (12) is the longitudinal direction, so that the CFRP (12) is concentric around a winding shaft; and a curing step in which the CFRP resin tape layer (10) formed in the winding step is placed in a die (40) having a thread shape on the inner diameter wall surface, the die (40) having the CFRP resin tape layer (10) placed therein is pressed from one side to the other side in the direction of the winding axis, and the resin including the CFRP resin tape layer (10) is cured by heating with a heater (82).)
技术领域
本发明涉及由增强纤维和树脂材料制成的高强度的螺栓。
背景技术
目前为止，作为纤维增强树脂制的螺栓，有下述构成的螺栓，其为对在合成树脂中含有碳纤维等的长纤维以致在纵向方向上配置而成的棒状的原料压制成型而成的纤维增强树脂制螺栓，至少直线部的长纤维在纤维增强树脂性螺栓的外周部被配置为沿着轴向的直线状，在轴心部被配置为弯曲状(例如专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平06－185514号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，上述现有的纤维增强树脂制螺栓为直线部的长纤维在外周部沿着轴向被配置成直线状、在轴心部被配置为弯曲状的构造，因此存在着作为螺栓的强度不充分的问题。
本发明鉴于这样的问题而完成，目的在于提供与现有的纤维增强树脂制螺栓相比强度高的纤维增强树脂制螺栓的制造方法和纤维增强树脂制螺栓。
用于解决课题的手段
[应用例1]
本发明涉及的纤维增强树脂制螺栓制造方法，其要点在于，采用下述工序形成纤维增强树脂制螺栓(1)：
卷绕工序，其中，将以增强纤维(12)的方向成为纵向方向的方式与树脂一体化而形成为带状的增强纤维树脂带(14)卷绕以使所述增强纤维(12)围绕卷绕轴成为同心状，从而形成增强纤维树脂带层(10)；
固化工序，其中，将采用所述卷绕工序形成的所述增强纤维树脂带层(10)放入对内径壁面施以螺纹形状的模具(40)，将放入该模具(40)中的所述增强纤维树脂带层(10)从所述卷绕轴的方向的一方向另一方加压，使所述增强纤维树脂带层(10)的树脂固化。
在这样的纤维增强树脂制螺栓制造方法中，将增强纤维树脂带(14)围绕卷绕轴卷绕为同心圆状，形成增强纤维树脂带层(10)。
而且，在将形成了的增强纤维树脂带层(10)放入了模具(40)的状态下，从卷绕轴的一方向另一方加压，增强纤维树脂带层(10)的树脂固化(固化工序)。
其中，通过对增强纤维树脂带层(10)加压，从而增强纤维的层在卷绕轴方向上延伸为螺旋状，形成增强纤维层(70)。
另外，对模具(40)的内壁面施以螺纹形状，将增强纤维树脂带层(10)放入模具(40)内以使其卷绕轴与施以了螺纹形状的内壁面平行。因此，树脂固化时，在外壁面形成螺纹。
采用这样的制造方法制造了的纤维增强树脂制螺栓(1)成为在固化了的树脂的内部具有围绕卷绕轴卷绕成螺旋状的形状的增强纤维层(70)的螺栓(1)。
在使用了这样的纤维增强树脂制螺栓(1)的情况下，对于纤维增强树脂制螺栓(1)施加轴向的拉伸力和周向上的弯曲力。用增强纤维(12)承受该拉伸力和弯曲力，由于增强纤维层(70)成为了螺旋状，因此用增强纤维(12)承受拉伸力和弯曲力这两者的力。
因此，能够制成与现有的只在轴向配置了增强纤维的螺栓相比强度高的纤维增强树脂制螺栓(1)。
[应用例2]
根据应用例1所述的纤维增强树脂制螺栓制造方法，其要点在于，在所述卷绕工序之后，具有将采用所述卷绕工序形成的增强纤维树脂带层(10)相对于与所述卷绕轴平行的轴折曲的折曲工序。
根据这样的、纤维增强树脂制螺栓制造方法，通过卷绕工序形成了的增强纤维树脂带层(10)通过折曲工序被进一步相对于与卷绕轴平行的轴折曲。因此，由于形成更多层的增强纤维树脂带层(10)，因此能够制造强度更高的纤维增强树脂制螺栓(1)。
进而，在卷绕工序时，即使增大卷绕所形成的增强纤维树脂带层(10)的直径，通过其后的折曲工序也能够形成适度的直径的增强纤维树脂带层(10)，因此能够使卷绕工序变得容易。
[应用例3]
本发明涉及的纤维增强树脂制螺栓制造方法，其要点在于，采用下述工序形成纤维增强树脂制螺栓(1)：
卷绕工序，其中，将以增强纤维(12)的方向成为纵向方向的方式形成为带状的增强纤维带(62)卷绕以使所述增强纤维(12)围绕卷绕轴成为同心状，从而形成增强纤维带层(60)；
树脂注入工序，其中，将采用所述卷绕工序形成的所述增强纤维带层(60)放入对内径壁面施以螺纹形状的模具(40)，在放入了所述增强纤维带层(60)的所述模具(40)中注入树脂；
固化工序，其中，将采用所述树脂注入工序注入了树脂的所述模具(40)从所述卷绕轴的方向的一方向另一方加压，使包含所述增强纤维带层(60)的树脂固化。
在这样的纤维增强树脂制螺栓制造方法中，将增强纤维带(62)围绕卷绕轴卷绕成同心圆状，形成增强纤维带层(60)。
然后，将形成了的增强纤维带层(60)放入模具(40)中，注入树脂(树脂注入工序)，对注入了树脂的模具(40)从卷绕轴的一方向另一方加压，包含增强纤维带层(60)的树脂固化(固化工序)。
其中，将增强纤维带层(60)加热、加压时以螺旋状在卷绕轴方向上延伸。另外，对模具(40)的内壁面施以螺纹形状，将增强纤维带层(60)放入模具(40)内，以使其卷绕轴与施以螺纹形状的内壁面平行。因此，树脂固化时，在外壁面形成螺纹。
采用这样的制造方法制造的纤维增强树脂制螺栓(1)与应用例1中的纤维增强树脂制螺栓(1)同样地，能够制成与现有的只在轴向配置了增强纤维的螺栓相比强度高的纤维增强树脂制螺栓(1)。
[应用例4]
根据应用例3所述的纤维增强树脂制螺栓制造方法，其要点在于，在所述卷绕工序之后，具有将采用所述卷绕工序形成的增强纤维带层(60)相对于与所述卷绕轴平行的轴折曲的折曲工序，所述树脂注入工序是将采用所述折曲工序形成的所述增强纤维带层(60)放入对内径壁面施以螺纹形状的模具(40)，在放入了所述增强纤维带层(60)的所述模具(40)中注入树脂。
根据这样的、纤维增强树脂制螺栓制造方法，能够获得与应用例3同样的效果。
[应用例5]
本发明涉及的纤维增强树脂制螺栓(1)，其要点在于，包括：将以纤维的方向成为纵向方向的方式形成为带状的增强纤维(12)形成为所述增强纤维(12)围绕中心轴卷绕成螺旋状的状态的增强纤维层(70)；包含所述增强纤维层(70)的树脂层(20)；和通过在用所述树脂层(20)包含所述增强纤维层(70)的状态下加热和加压从而在外周面形成的螺纹部(30)。
这样的纤维增强树脂制螺栓(1)与采用应用例1的纤维增强树脂制螺栓制造方法制造的纤维增强树脂制螺栓(1)同样地，能够制成与现有的只在轴向配置了增强纤维的螺栓相比强度高的纤维增强树脂制螺栓(1)。
[应用例6]
根据应用例3所述的纤维增强树脂制螺栓(1)，其要点在于，上述增强纤维(12)为碳纤维增强塑料。
在这样的纤维增强树脂制螺栓(1)中，由于使用碳纤维增强塑料作为增强纤维(12)，因此能够制成轻质、强度高的纤维增强树脂制螺栓(1)。
附图说明
图1为表示CFRP树脂带、CFRP带、CFRP树脂带层和CFRP带层的构成的概略图。
图2为将形成为环状的CFRP树脂带层或CFRP带层放入模具时的图。
图3为表示模具的构成的概略图。
图4为表示将插通器具50插入模具并对模具内的树脂加压的样子的概略图。
图5为纤维增强树脂制螺栓的截面照片。
图6为表示采用纤维增强树脂制螺栓的拉伸断裂试验结果的图。
图7为表示碳纤维含有率和树脂含有率不同的情形的纤维增强树脂制螺栓的拉伸断裂试验结果的图。
图8为用于说明第三实施方式和第五实施方式中的CFRP树脂带和CFRP带的卷绕方法与CFRP树脂带层和CFRP带层的折曲方法的概念图。
具体实施方式
以下对于应用了本发明的实施方式，使用附图进行说明。再有，本发明的实施方式决不限定于下述的实施方式，只要属于本发明的技术范围，可采用各种的方式。
[第一实施方式]
(纤维增强树脂制螺栓的制造)
基于图1～图4，对纤维增强树脂制螺栓1(以下也简称为“螺栓1”)的制造方法进行说明。应予说明，在本实施方式中，作为增强纤维12，使用碳纤维增强塑料(以下也称为“CFRP12”)。
首先，如图1(a)中所示那样，将CFRP12以其纤维的方向成为纵向方向的方式与规定的量的树脂一体化而形成为带状的CFRP树脂带14，如图1(b)(平面图)和图1(c)(侧面图)中所示那样，围绕卷绕轴卷绕成同心圆状，形成环状的CFRP树脂带层10(卷绕工序)。此时，尽可能没有间隙地将CFRP树脂带14围绕卷绕轴卷绕。
其中，所谓“将CFRP与规定的量的树脂一体化”，意指将CFRP的长纤维配置为带状，将其浸渍于树脂中凝固而形成为带状。此时的CFRP与树脂的量是为了使螺栓1成为规定的强度所必需的CFRP的量，并且作为螺栓1为了形成螺纹部30所必需的树脂的量(卷绕后的树脂的量)，或者根据热固化性树脂的种类确定。
另外，在本实施方式中，作为树脂，使用了乙烯基酯等热固化性树脂。进而，CFRP12与热固化性树脂的比率为CFRP12：50～60重量％、热固化性树脂：50～40重量％，特别是在本实施方式中，设为CFRP12：57％、热固化性树脂：43％。
再有，在图1(a)和图1(c)中，为了表示CFRP12的纤维，采用概念化的图，在图1(b)中，为了使得容易获知卷绕了的CFRP树脂带14的层叠状态，将间隙描绘得比实际大。
接下来，对金属模具40的加热器82供给电力，以成为比热固化性树脂的固化温度低的温度的方式，将模具40预热(乙烯基酯的情形下为90℃左右)。
接下来，如图2中所示那样，将形成为环状的CFRP树脂带层10放入模具40的与螺纹部46的圆筒部44接近的部分，以使卷绕轴与模具40的螺纹部46的轴向大体一致。
模具40如图3(a)和图3(b)中所示那样，使SUS材料等金属的块体成为了半分形状(使一者成为模具40a，使另一者成为模具40b)而成，以致能够用螺栓41和螺母42一体化。另外，半分形状的各个模具40a和模具40b的内面的形状成为了螺栓1的外径形状。
再有，在图3中，图3(a)和图3(b)成为了相对于二点划线A－A’线对称的关系。
即，如图3(a)中所示那样，成为了用于形成螺栓1的头部43a、圆筒部44a、不完全螺纹部45a、螺纹部46a的模具形状。另外，在模具40的一端部设置了插入孔47a，其为将用于压缩树脂的插通器具50的插入部51插入的孔。
在模具40b中，在模具40b的线对称的位置形成了与模具40a相同形状的头部43b、圆筒部44b、不完全螺纹部45b、螺纹部46b和插入孔47b。应予说明，将以下用插入孔47a和插入孔47b所形成的孔称为插入孔47。
另外，在模具40a中设置了用于用螺栓41和螺母42与模具40b一体化的4个贯通孔49a和一体化时用于定位的2个销钉48a。
在模具40b中，在模具40a的线对称的位置设置了4个贯通孔49b和分别嵌合于2个销钉48a的2个孔48b。
进而，在模具40a和40b中埋入各自2个(以模具40计，合计4个)加热器82，通过从外部将电源供给至加热器82，从而能够将模具40加热。
在该模具40中放入CFRP树脂带层10后，用螺栓41和螺母42将半分形状的模具40一体化后，如图4(a)中所示那样，将插通器具50插入插入孔47。该插通器具50为SUS材料等金属制，包括相对于插入孔47的直径具有稍小的外径的插入部51和设置于插入部51的一端的圆柱状的头部52。
而且，如图4(b)中所示那样，在将插通器具50的插入部51插入了插入孔47的状态下，对于模具40，使头部52在上，在压机的支承板80上载置，通过用压机的滑块81将头部52下压，从而对模具40内的树脂加压后，进行向加热器82的电源供给，使模具40的温度(即，树脂的温度。乙烯基酯的情形下为150℃左右)上升到树脂的固化温度，使其固化(固化工序)。
固化工序结束后，停止向加热器82的电源供给，松开模具40的螺母42，将模具40分开，将螺栓1从模具40中取出。
(螺栓1的特征)
采用这样的制造方法制造的纤维增强树脂制螺栓1如图5(a)中所示那样，包括树脂层20、螺纹部30、头部31、圆筒部32、不完全螺纹部33。另外，纤维增强树脂制螺栓1的通过卷绕工序形成为环状的CFRP树脂带层10通过固化工序中的加压，在模具40的内部在卷绕轴方向上被挤压而成为螺旋状。
因此，纤维增强树脂制螺栓1成为在固化了的树脂层20的内部具有围绕卷绕轴卷绕成螺旋状的形状的CFRP层70的螺栓。将实际的纤维增强树脂制螺栓1的整体的截面照片示于图5(a)中，将纤维增强树脂制螺栓1的螺纹部30的放大截面照片示于图5(b)中。
如图5(a)和图5(b)中所示那样，可知CFRP层70在纤维增强树脂制螺栓1的树脂层20的整个内部形成。
用CFRP12承受对这样的纤维增强树脂制螺栓1施加的轴向的拉伸力和周向上的弯曲力，由于CFRP层70成为了螺旋状，因此用CFRP12承受拉伸力和弯曲力这两者的力。
因此，能够制成与现有的只在轴向上配置有增强纤维的螺栓相比强度高的纤维增强树脂制螺栓1。
另外，在纤维增强树脂制螺栓1中，作为增强纤维12使用了CFRP(碳纤维增强塑料)，因此能够制成轻质、强度高的纤维增强树脂制螺栓1。
其中，在图6中示出采用按照JIS B 1051的试验方法、用M8尺寸的纤维增强树脂制螺栓1、RENY(注册商标)制螺栓(玻璃纤维50％增强聚酰胺MXD6制螺栓)、PEEK制螺栓(聚醚醚酮制螺栓)进行了拉伸断裂试验的结果。应予说明，如上所述，纤维增强树脂制螺栓1成为了CFRP12：57重量％、热固化性树脂43％。
如图6(a)和图6(b)中所示那样，在纤维增强树脂制螺栓1中，螺栓断裂的拉伸断裂载荷成为14346.3[N]，能够获得与现有的RENY制螺栓的拉伸断裂载荷的6023.5[N]相比约2.4倍、与PEEK制螺栓的拉伸断裂载荷的3158.6[N]相比约4.5倍的拉伸断裂强度。
[第二实施方式]
接下来，对使纤维增强树脂制螺栓1的碳纤维含有率和树脂含有率变化的第二实施方式进行说明。应予说明，第二实施方式中的纤维增强树脂制螺栓1的原料、制法与第一实施方式中的纤维增强制螺栓1的原料、制法相同，因此省略说明。
在图7中示出使碳纤维含有率和树脂含有率变化时的纤维增强树脂制螺栓1的拉伸断裂试验结果。拉伸断裂试验与图6中所示的情形同样地，采用按照JIS B 1051的试验方法进行。
作为试验体，使用M3尺寸的纤维增强树脂制螺栓1，如图7(a)中所示那样，用·试样No.1：碳纤维含有率43.8％、树脂含有率56.2％、·试样No.2：碳纤维含有率50.9％、树脂含有率49.1％、·试样No.3：碳纤维含有率56.4％、树脂含有率43.6％这3个试样进行了拉伸断裂试验。
如图7(a)和图7(b)中所示那样，纤维增强树脂制螺栓1的拉伸断裂强度在试样No.1中成为了拉伸断裂载荷：2030[N]，在试样No.2中成为了拉伸断裂载荷：2370[N]，在试样No.3中成为了拉伸断裂载荷：2042[N]。
而现有的M3的RENY制螺栓成为了762[N]的拉伸断裂载荷，可知纤维增强树脂制螺栓1与RENY制螺栓相比，成为了约2.7倍～3.1倍的拉伸断裂强度。
另外，现有的M3的PEEK制螺栓成为了430[N]的拉伸断裂载荷，可知纤维增强树脂制螺栓1与PEEK制螺栓相比，成为了约4.7倍～5.5倍的拉伸断裂强度。
由以上可知，在CFRP12与热固化性树脂的比率为CFRP12：40～60重量％、热固化性树脂：60～40重量％的含有比率下也获得充分的拉伸断裂强度。
[第三实施方式]
接下来，对在第一实施方式中的卷绕工序之后追加了折曲工序的第三实施方式进行说明。
(卷绕工序)
在第三实施方式中的卷绕工序中，与第一实施方式中的CFRP树脂带14的卷绕形状不同，将CFRP树脂带14围绕卷绕轴卷绕成同心圆状，以使直径成为数cm，形成环状的CFRP树脂带层10。
作为此时的卷绕方法，如图8(a)中所示那样卷绕于圆柱状、圆筒状的棒材90，或者如图8(b)中所示那样卷绕于平行地配置的2根棒状的棒材91a、91b。
(折曲工序)
在折曲工序中，如图8(c)中所示那样，将卷绕工序中形成了的环状的CFRP树脂带层10从横向压扁而成为带状，将一端部用2根细的金属棒92a，92b夹持，以金属棒92a的轴为中心，如图8(c)和图8(d)中用箭头所示那样卷成同心圆状。通过这样操作，从而能够形成层数更多的CFRP树脂带层10。
(固化工序)
第三实施方式中的固化工序与第一实施方式中的固化工序相同，因此省略说明。
采用以上这样的工序的制造方法制造的纤维增强树脂制螺栓1由于将CFRP层60进一步多层化，因此作为螺栓的强度(拉伸断裂载荷)提高。
进而，在卷绕工序时，即使增大卷绕所形成的CFRP树脂带层10的直径，也能够通过其后的折曲工序形成适度的直径的CFRP树脂带层10，因此能够使卷绕工序变得容易。
[第四实施方式]
接下来，对替代CFRP树脂带14而使用了CFRP带62的纤维增强树脂制螺栓1进行说明。
CFRP树脂带14通过以CFRP的纤维的方向成为纵向方向的方式与规定的量的树脂一体化并形成为带状而成，而CFRP带62通过以CFRP的纤维的方向成为纵向方向的方式将CFRP的长纤维排列并集束、或用少量的树脂将纤维束形成为带状而成。
(卷绕工序)
第四实施方式中的卷绕工序除了代替使用CFRP树脂带14来形成CFRP树脂带层10而使用CFRP带62来形成CFRP带层60以外，与第一实施方式的卷绕工序相同，因此省略详细的说明。
(树脂注入工序)
在该模具40中放入了CFRP带层60后，用螺栓41和螺母42将半分形状的模具40一体化，从插入孔47将乙烯基酯等热固化性树脂注入模具40的内部。
(固化工序)
在将树脂注入模具40后，与第一实施方式同样地，将插通器具50插入插入孔47，在该状态下，通过用压机的滑块81将头部52下压，从而对模具40内的树脂加压，同时通过对加热器82供给电源，从而将模具40加热，使树脂固化。
固化工序结束后，将模具40的螺母42松开，将模具40分开，将螺栓1从模具40中取出。
采用这样的制造方法制造的纤维增强树脂制螺栓1成为具有与第一实施方式同样的构造和性能的纤维增强树脂制螺栓1(参照图5和图6)
[第五实施方式]
接来下，对第五实施方式进行说明。第五实施方式与第三实施方式(在第一实施方式中在卷绕工序之后追加折曲工序)同样地，为在第四实施方式中追加折曲工序的实施方式。这种情况下，除了代替第三实施方式中使用的CFRP树脂带14而使用了CFRP带62以外，成为与第三实施方式相同的内容的工序，因此省略详细的说明(参照图8)。
采用根据第五实施方式的制造方法制造的纤维增强树脂制螺栓1具有与采用根据第三实施方式的制造方法制造的纤维增强树脂制螺栓1同样的构造和性能。另外，与第三实施方式同样地能够使卷绕工序变得容易。
[其他实施方式]
(1)在上述实施方式中，作为增强纤维12使用了CFRP(碳纤维增强塑料)，但可替代CFRP而使用玻璃纤维增强塑料(GFRP)等无机纤维系的增强纤维、芳族聚酰胺纤维增强塑料(AFRP)等有机纤维系的增强纤维。
(2)在上述实施方式中，作为树脂使用了乙烯基酯等热固化性树脂，但也可使用PEEK(聚醚醚酮)、特氟隆(注册商标)等热塑性树脂。在这种情况下，在固化工序中，不必将模具40加热到热固化温度。
(3)在上述实施方式中，在形成CFRP树脂带层10和CFRP带层60的折曲工序中，将环状的CFRP树脂带层10和CFRP带层60从横向压扁而成为带状，以一端部成为中心轴的方式卷成同心圆状，但也可将与卷绕轴平行的轴作为折曲轴，将环状的CFRP树脂带层10和CFRP带层60折曲数次。换言之，可将CFRP树脂带层10和CFRP带层60在与CFRP12的纤维的方向成直角的方向上折曲数次。
(4)在上述实施方式中，作为螺栓1的外形形状的一例示出了模具40的内面形状，但并不限定于该形状，例如可以是没有圆筒部32的形状等其他形状。
(5)在上述实施方式中，为了将模具40加热，使用了加热器82，但也可采用能够将模具40加热到热固化性树脂的固化温度的方法，例如使经加热的液体在模具40内循环、或在模具40的周围缠绕了镍铬耐热合金线等其他的加热手段。
附图标记的说明
1…纤维增强树脂制螺栓(螺栓) 10…增强纤维树脂带层(CFRP树脂带层) 12…增强纤维(CFRP) 14…增强纤维树脂带(CFRP树脂带) 20…树脂层 30…螺纹部 31…头部32…圆筒部 33…不完全螺纹部 40，40a，40b…模具 41…螺栓 42…螺母 43，43a，43b…头部 44，44a，44b…圆筒部 45，45a、45b…不完全螺纹部 46，46a，46b…螺纹部 47…插入孔48a…销钉，48b…孔 49a，49b…贯通孔 50…插通器具 51…插入部 52…头部 60…增强纤维带层(CFRP带层) 62…增强纤维带(CFRP带) 70…增强纤维层(CFRP层) 80…支承板81…滑块 82…加热器 90，91a，91b…棒材 92a，92b…金属棒