特許 6837797 プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置とこの裁断装置に使用される打ち抜き刃物及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6837797

(24)【登録日】2021年2月15日

(45)【発行日】2021年3月3日

(54)【発明の名称】プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置とこの裁断装置に使用される打ち抜き刃物及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   B26F 1/44 20060101AFI20210222BHJP

   B26F 1/00 20060101ALI20210222BHJP

   F16H 55/06 20060101ALI20210222BHJP

   B23H 7/02 20060101ALI20210222BHJP

【ＦＩ】

   B26F1/44 B

   B26F1/00 B

   B26F1/44 J

   F16H55/06

   B23H7/02 Z

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2016-196056(P2016-196056)

(22)【出願日】2016年10月3日

(65)【公開番号】特開2018-58136(P2018-58136A)

(43)【公開日】2018年4月12日

【審査請求日】2019年9月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】300082863

【氏名又は名称】喜岡 達

(74)【代理人】

【識別番号】100074354

【弁理士】

【氏名又は名称】豊栖 康弘

(74)【代理人】

【識別番号】100104949

【弁理士】

【氏名又は名称】豊栖 康司

(72)【発明者】

【氏名】喜岡 達

【審査官】 藤田 和英

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０９１１２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２３５６００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５２−１４４４９２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭５１−１３１７８７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭５０−１２１８８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４７５４６７７（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２６Ｆ １／４４

Ｂ２６Ｆ １／００

Ｆ１６Ｈ ５５／０６

Ｂ２３Ｈ ７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

繊維マットを載せて裁断する裁断面を上面に有する受け台と、この受け台の裁断面に向かって移動して、裁断面の繊維マットを、歯車形状に裁断する刃先を先端縁に設けてなる打ち抜き刃物と、この打ち抜き刃物を往復運動させる刃物駆動機構とを備え、
前記打ち抜き刃物は、繊維マットを歯車形状に裁断する刃先を先端に設けてなる鋼材からなる筒状の歯形刃物を備え、
前記歯形刃物の刃先は、歯車の歯先を切断する歯先刃と、歯車の歯底を切断する歯底刃と、前記歯先刃と前記歯底刃とに連結されて歯車の歯面を切断する歯面刃とを有し、
前記歯形刃物は、前記刃先から後端に向かって次第に厚く成形されて、前記刃先に前記歯先刃を設けてなり、
外面には、前記歯底刃と前記歯面刃とを先端縁とし、刃先から後端に向かって延びる複数のＶ溝を設けており、
前記Ｖ溝は、刃先から前記歯形刃物の後端に向かって次第に浅く、
前記歯形刃物は、内面に、往復運動方向に伸びる縦溝と凸条とを交互に設けており、
前記縦溝の先端縁に前記歯先刃が設けられ、
前記縦溝の先端縁と前記凸条の先端縁との間に前記歯面刃が設けられ、
前記凸条の先端縁に前記歯底刃を設けてなることを特徴とする繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置。

【請求項2】

請求項１に記載される繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置であって、
前記歯底刃から前記歯形刃物後端までの歯底ラインの刃物角（α１）が、前記歯先刃から歯形刃物後端までの外側ラインの刃物角（α２）よりも大きいことを特徴とする繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載される繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置であって、
前記歯形刃物は、前記歯底刃を設けてなる領域における後端部の厚さ（Ｗ１）が、前記歯先刃を設けてなる領域における後端部の厚さ（Ｗ２）よりも厚くしてなることを特徴とする繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれかに記載される繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置であって、
前記歯形刃物の内側形状が、先端から後端に向かって一部又は全体を次第に大きくしてなることを特徴とする繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれかに記載される繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置であって、
前記歯形刃物が、前記凸条の高さを、先端から後端に向かって次第に低くしてなることを特徴とする繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置。

【請求項6】

請求項１ないし５のいずれかに記載される繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置であって、
前記打ち抜き刃物が、前記歯形刃物の内側に、歯車状シートに貫通穴を裁断する円筒刃物を有し、
前記円筒刃物が先端縁にサブ刃先を有し、前記サブ刃先が前記歯形刃物の先端に設けてなる刃先と同一平面に配置されてなることを特徴とする繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置。

【請求項7】

繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットを歯車形状に裁断する打ち抜き刃物であって、
繊維マットを歯車形状に裁断する刃先を先端に設けてなる鋼材からなる筒状の歯形刃物を備え、
前記歯形刃物の刃先は、歯車の歯先を切断する歯先刃と、歯車の歯底を切断する歯底刃と、前記歯先刃と前記歯底刃とに連結されて歯車の歯面を切断する歯面刃とを有し、
前記歯形刃物は、前記刃先から後端に向かって次第に厚く成形されて、前記刃先に前記歯先刃を設けてなり、
外面には、前記歯底刃と前記歯面刃とを先端縁とし、刃先から後端に向かって延びる複数のＶ溝を設けており、
前記Ｖ溝は、刃先から前記歯形刃物の後端に向かって次第に浅く、
前記歯形刃物は、内面に、往復運動方向に伸びる縦溝と凸条とを交互に設けており、
前記縦溝の先端縁に前記歯先刃が設けられ、
前記縦溝の先端縁と前記凸条の先端縁との間に前記歯面刃が設けられ、
前記凸条の先端縁に前記歯底刃を設けてなることを特徴とする繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットを歯車形状に裁断する打ち抜き刃物。

【請求項8】

受け台の裁断面に載せてなる繊維マットを歯車形状に打ち抜きする繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの打ち抜き刃物の製造方法であって、
鋼材からなる金属ブロックを放電加工して所定の厚さの筒体に加工する切断工程と、
前記切断工程で得られる前記筒体を研削して歯形刃物の先端縁に歯車形状の刃先を設けて歯形刃物とする研削工程と、
前記研削工程で得られた前記歯形刃物を焼き入れする焼き入れ工程と、
焼き入れされた前記歯形刃物を仕上げ研磨する研磨工程とからなり、
前記切断工程において、金属ブロックを放電加工して、内面に、往復運動方向に伸びる縦溝と凸条とを交互に設けてなる歯車形状とする筒体に加工し、
前記研削工程において、前記筒体の先端部の外面を研削して刃先に歯先刃を設けると共に、前記筒体の外面を研削して、一定の間隔で、筒体の先端から後端に向かって次第に浅くなるＶ溝を設け、前記Ｖ溝の先端縁に歯底刃と歯面刃とからなる刃先を設けて、前記歯形刃物の先端縁に、歯先刃と歯面刃と歯底刃とからなる刃先を設け、
前記焼き入れ工程において前記刃先を焼き入れ硬化し、前記研磨工程で前記刃先を仕上げ研磨することを特徴とする繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの打ち抜き刃物の製造方法。

【請求項9】

請求項８に記載される繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの打ち抜き刃物の製造方法であって、
前記打ち抜き刃物に、前記研磨工程後に前記歯形刃物の内側に、先端にサブ刃先を設けてなる円筒刃物を、サブ刃先を前記歯形刃物の刃先と同一平面に配置して連結することを特徴とする繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの打ち抜き刃物の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アラミド繊維（芳香族ポリアミド繊維）、ポリイミド繊維、ＰＢＯ繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、ポリアリリート繊維、炭素繊維、フッ素繊維、ＰＰＳ繊維等の有機繊維や、カーボン繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維、金属繊維等の無機繊維を所定の厚さに集合してなる繊維マットを歯車の外形に裁断する裁断装置と、この裁断装置に使用する打ち抜き刃物とその製造方法に関する。
本明細書において「繊維マット」は、繊維を方向性なく所定の厚さの集合した不織布に特定するものでなく、複数枚の不織布を積層したもの、さらに繊維を種々の織り方で編組してなる複数の繊維クロスを積層したもの、さらに積層した繊維層を厚さ方向に貫通する厚さ方向糸のある三次元繊維などの立体繊維組織として所定の厚さとしてなるものを含む意味に使用する。
さらに、「繊維マット」は繊維組織のみからなるものには特定せず、繊維間に熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を添加してなるプリプレグを含む意味に使用する。

【背景技術】

【0002】

繊維シートで補強された繊維強化プラスチック歯車は開発されている。このプラスチック歯車の製造方法として、繊維強化プラスチックを円筒形に成形した後、外周を切削して歯形とする方法（特許文献１参考）と、強化用長繊維と熱可塑性樹脂プリプレグの積層体を歯車の形状に打ち抜きして歯車とする方法（特許文献２）とが開発されている。

【0003】

円筒状に加工して外周を歯形に切削する方法は、切削工程における切削量が多く、製造コストが高くなる欠点がある。プリプレグを歯形に打ち抜きして歯車を製造する方法は、切削加工を簡単にして能率よく多量生産できる特徴がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００９−９７７００号公報

【特許文献2】特開平６−１１４８６３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献２に記載される製造方法は、ポンチを使用して、繊維強化プラスチック歯車に使用される強化用長繊維と熱可塑性樹脂プリプレグの有角度積層板を歯形に打ち抜きする。ポンチは、雌型に設けた貫通穴に挿入されて有角度積層板を打ち抜きする。ポンチによる裁断は、厚い有角度積層板を正確な外形の歯形に裁断することが難しく、とくにカーボン繊維などの強靭な強化用長繊維からなる有角度積層板を能率よく裁断できない欠点がある。とくに、小さい歯車の外形を正確な歯型に裁断できない欠点がある。また、裁断時におけるポンチ外周縁の損傷が甚だしく、充分な耐久性を実現できないことから、ランニングコストが相当に高くなる欠点もある。

【0006】

本発明者はポンチの欠点を解消するために、先端縁に刃先を設けた金属板を歯型に折曲加工してトムソン刃を製作した。トムソン刃を使用して、平面状の受け台に繊維シートを載せ、繊維シートに刃先を押し付けて裁断すると、切断しやすい繊維を集合している薄い繊維シートを歯型に裁断できるが、カーボン繊維やケブラー繊維などの強靭な繊維シートを繰り返し裁断できない。とくに、トムソン刃は、強靭な繊維を厚く積層している繊維マットを切断できない。刃先が強靭な繊維を切断できず、また、切断時に金属板が変形して歯形が崩れるからである。

【0007】

プラスチック歯車は金属歯車に代わって使用されることから、金属に匹敵する強度が要求される。とくに、歯車は、噛み合わせ状態で歯を局部的に接触させてトルクを伝達する繊維強化プラスチック歯車には、強靭な繊維を相当に厚く集合している繊維マットが使用される。このことから、繊維強化プラスチック歯車用の繊維マットを裁断する打ち抜き刃物には、強靭な繊維を厚く集合している繊維マットを、繰り返し正確な歯型に裁断できるという極めて難しい特性が要求される。

【0008】

本発明は、以上の難しい課題を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、低コストに製作できる打ち抜き刃物を使用しながら、強靭な補強繊維を厚く集合している繊維マットをも能率よく正確な歯形に裁断でき、さらに多数の繊維マットを繰り返し裁断しながら、正確な歯形に打ち抜きして、プラスチック歯車を安価に多量生産できるプラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置とこの裁断装置に使用する打ち抜き刃物とその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段及び発明の効果】

【0009】

本発明の繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置は、繊維マット１０を載せて裁断する裁断面２を上面に有する受け台１と、この受け台１の裁断面２に向かって移動して、裁断面２の繊維マット１０を、歯車形状に裁断する刃先４を先端縁に設けてなる打ち抜き刃物３と、この打ち抜き刃物３を往復運動させる刃物駆動機構５とを備える。

【0010】

打ち抜き刃物３は、繊維マット１０を歯車形状に裁断する刃先４を先端に設けてなる、焼き入れして硬化する炭素鋼やハイスなどの鋼材からなる筒状の歯形刃物３Ａを備える。歯形刃物３Ａの刃先４は、歯車の歯先を切断する歯先刃４Ａと、歯車の歯底を切断する歯底刃４Ｂと、歯先刃４Ａと歯底刃４Ｂとに連結されて歯車の歯面を切断する歯面刃４Ｃとからなる。さらに、歯形刃物３Ａは、外面を往復運動方向に傾斜する傾斜面として、刃先４から後端に向かって次第に厚く成形して刃先４に歯先刃４Ａを設けており、その外面には、歯底刃４Ｂと歯面刃４Ｃとを先端縁として、刃先４から後端に向かって伸びる複数のＶ溝１６を設けている。Ｖ溝１６は、刃先４から歯形刃物３Ａの後端に向かって次第に浅くしており、さらに歯形刃物３Ａは、内面に、往復運動方向に伸びる縦溝２１と凸条２２とを交互に設けており、縦溝２１の先端縁に歯先刃４Ａを設けて、縦溝２１の先端縁と凸条２２の先端縁との間に歯面刃４Ｃを設けて、凸条２２の先端縁に歯底刃４Ｂを設けている。

【0011】

以上の繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置は、低コストに製作できる打ち抜き刃物を使用して、強靭な補強繊維を厚く集合している繊維マットをも能率よく正確な歯形に裁断でき、さらに多数の繊維マットを繰り返し裁断しながら、正確な歯形の歯車状シートに打ち抜きでき、裁断された歯車状シートでもって繊維強化プラスチック歯車を安価に多量生産できる特徴を実現する。

【0012】

それは、以上の裁断装置の打ち抜き刃物が、繊維マット１０を歯車形状に裁断する刃先４を先端に設けている鋼材の歯形刃物３Ａを備え、歯形刃物３Ａは、刃先４に、歯車の頂上部を切断する歯先刃４Ａと、歯車の歯底を切断する歯底刃４Ｂとを設けて、歯先刃４Ａ及び歯底刃４Ｂから後端までの断面形状の外側ライン１８を、刃先４から後端に向かって外側に突出する方向に傾斜して、刃先４から後端に向かって次第に厚く形成しており、さらに、歯形刃物３Ａは、歯底刃４Ｂと歯面刃４Ｃとを先端縁として、刃先４から後端に向かって伸びる複数のＶ溝１６を設けて、このＶ溝１６を、刃先４から歯形刃物３Ａの後端に向かって次第に浅くしているからである。

【0013】

以上の打ち抜き刃物は、鋼材からなる歯形刃物３Ａの先端に、歯車の歯底を裁断する歯底刃４Ｂと、歯車の頂上部を裁断する歯先刃４Ａからなる刃先４を設け、この歯形刃物３Ａの厚さを、先端の刃先４から後端に向かって次第に厚くし、さらに、歯形刃物３Ａの外面には、先端を歯底刃４Ｂと歯面刃４Ｃとに配置しているＶ溝１６を設けて、Ｖ溝１６を先端の刃先４から歯形刃物３Ａの後端に向かって次第に浅くして、刃先４の変形を防止して繊維マット１０を裁断する。とくに、以上の歯形刃物３Ａは、局部的に内側に突出する形状から変形しやすい歯底刃４Ｂを強靭な構造として、打ち抜き時の衝撃で歯底刃４Ｂが変形するのを確実に防止する。歯底刃４Ｂは、歯車の歯底部を切断するために、局部的に内側に突出する形状で、打ち抜き時の瞬間的な応力で変形しやすい。さらに、歯底刃４Ｂは、打ち抜きされた繊維マット１０を内側に案内するために片刃形状とされることから、図６の断面図に示すように、刃先両面の中心線（Ａ）が歯形刃物３Ａの刃先４が往復運動する方向に対して内側に傾斜し、打ち抜き時に矢印Ｂで示す応力を受ける。この応力は、繊維マット１０を裁断する毎に繰り返し歯底刃４Ｂに作用して変形させる原因となる。歯底刃４Ｂが刃先４に作用する応力で次第に変形すると、打ち抜き刃物は多数の繊維マット１０を正確な歯車形状に裁断できない。

【0014】

さらに、以上の打ち抜き刃物は、歯形刃物を前述の独得の形状として、打ち抜き時に瞬間的に作用する応力による刃先４の変形を防止するので、裁断するのが極めて難しい強靭な繊維を厚く集合してなる繊維マットをも、正確な歯車形状に裁断でき、しかも繰り返し厚い繊維マットを裁断しながら正確な歯車形状に裁断できる特徴を実現する。

【0015】

本発明の裁断装置は、歯底刃４Ｂから歯形刃物３Ａ後端までの歯底ライン１７の刃物角（α１）を、歯先刃４Ａから歯形刃物３Ａ後端までの外側ライン１８の刃物角（α２）よりも大きくすることができ、さらに、歯形刃物３Ａは、歯底刃４Ｂを設けている領域における後端部の厚さ（Ｗ１）を、歯先刃４Ａを設けている領域における後端部の厚さ（Ｗ２）よりも厚くすることができる。
本発明の繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置は、歯形刃物３Ａの内側形状を、先端から後端に向かって、一部又は全体を次第に大きくすることができる。この裁断装置は、繊維マットを裁断して得られる歯車状シートをスムーズに歯形刃物の内部に案内でき、また内側に案内された歯車状シートをスムーズに歯形刃物から取り出しできる特徴がある。

【0016】

【0017】

本発明の繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置は、歯形刃物３Ａの内面に設けている凸条２２の高さを、先端から後端に向かって次第に低くすることができる。

【0018】

また、本発明の繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置は、歯形刃物３Ａの内側に、歯車状シートに貫通穴を裁断する円筒刃物３Ｂを配置し、この円筒刃物３Ｂの先端縁にはサブ刃先４Ｄを設けて、サブ刃先４Ｄを歯形刃物３Ａの刃先４と同一平面に配置することができる。この裁断装置は、中心に貫通穴のある歯車状シートを裁断できる。

【0019】

本発明の繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マット１０の打ち抜き刃物の製造方法は、鋼材からなる金属ブロックを放電加工して所定の厚さの筒体に加工する切断工程と、切断工程で得られる筒体を研削して歯形刃物３Ａの先端縁に歯車形状の刃先４を設けて歯形刃物３Ａとする研削工程と、研削工程で得られた歯形刃物３Ａを焼き入れする焼き入れ工程と、焼き入れされた歯形刃物３Ａを仕上げ研磨する研磨工程とで打ち抜き刃物を製造する。
切断工程においては、金属ブロック１９を放電加工して、内面に、往復運動方向に伸びる縦溝２１と凸条２２とを交互に設けている歯車形状とする筒体２０に加工し、研削工程においては、筒体２０の先端部の外面を研削して刃先に歯先刃４Ａを設けると共に、筒体２０の外面を研削して、一定の間隔で、筒体２０の先端から後端に向かって次第に浅くなるＶ溝１６を設け、Ｖ溝１６の先端縁に歯底刃４Ｂと歯面刃４Ｃとからなる刃先４を設けて、歯形刃物３Ａの先端縁に、歯先刃４Ａと歯面刃４Ｃと歯底刃４Ｂとからなる刃先４を設けて、焼き入れ工程においては、刃先４を焼き入れ硬化し、研磨工程で刃先４を仕上げ研磨する。

【0020】

本発明の繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マット１０の打ち抜き刃物の製造方法は、打ち抜き刃物３に、研磨工程後に歯形刃物３Ａの内側に、先端にサブ刃先４Ｄを設けてなる円筒刃物３Ｂを、サブ刃先４Ｄを歯形刃物３Ａの刃先４と同一平面に配置して連結することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の一実施例にかかる裁断装置に使用する打ち抜き刃物の斜視図である。

【図2】図１に示す打ち抜き刃物の平面図である。

【図3】図１に示す打ち抜き刃物の底面図である。

【図4】図１に示す打ち抜き刃物の正面図である。

【図5】図１に示す打ち抜き刃物の歯底刃と歯先刃部分の垂直断面図である。

【図6】打ち抜き刃物の歯底刃が繊維マットを裁断する状態を示す断面図である。

【図7】金属ブロックを放電加工して筒体とし筒体を研削して歯形刃物とする状態を示す斜視図である。

【図8】繊維マットを打ち抜きする裁断装置の概略斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置と打ち抜き刃物の製造方法を例示するものであって、本発明は裁断装置と打ち抜き刃物の製造方法を以下に特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

【0023】

本発明の裁断装置は、繊維マットを歯車形状の歯車状シートに裁断し、歯車状シートを繊維強化プラスチック歯車の補強繊維に使用する。プリプレグの繊維マットを裁断して得られる歯車状シートは、加圧状態でプラスチックを硬化させて繊維強化プラスチック歯車とし、プラスチックを含まない歯車状シートは、プラスチックを含浸し、あるいはプラスチックに埋設し、プラスチックを成形して繊維強化プラスチック歯車に加工する。歯車状シートを埋設している繊維強化プラスチック歯車は、プラスチックを硬化させた状態で外周面を切削し、あるいは研磨してより高精度な外形の繊維強化プラスチック歯車となる。本発明は、繊維強化プラスチック歯車に使用する繊維マットを裁断するための装置と打ち抜き刃物にかかるものであって、繊維強化プラスチック歯車の製造装置や製造方法にかかるものでない。したがって、繊維マットを歯車形状に裁断して得られる歯車状シートを使用して繊維強化プラスチック歯車とする方法や装置は、現在使用され、あるいはこれから開発される方法と装置が使用できる。

【0024】

繊維強化プラスチック歯車の補強用に使用される繊維マットは、アラミド繊維（芳香族ポリアミド繊維）、ポリアミド繊維等の有機繊維や、カーボン繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維、金属繊維等の無機繊維をからなり、これ等の繊維を集合して所定の厚さとしたもの、さらに繊維間に熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を添加してなるプリプレグである。繊維マットは、繊維を三次元に集合したもので、とくに厚さ方向に延びる繊維によって層間剥離が防止される。したがって、繊維マットを補強繊維として埋設している繊維強化プラスチック歯車は金属歯車に匹敵する強度を実現する。

【0025】

繊維マットを歯車形状に裁断した歯車状シートは、積層して、あるいは積層することなくプラスチックに埋設されて繊維強化プラスチック歯車に加工される。刃幅の広い、言い換えると厚い繊維強化プラスチック歯車は、歯車状シートを積層する枚数で刃幅を調整できる。また、薄い歯車状シートは積層して刃幅の広い繊維強化プラスチック歯車に加工できる。したがって、歯車状シートの積層して得られる繊維強化プラスチック歯車は、歯車状シートの厚さと、繊維強化プラスチック歯車の刃幅で積層枚数を調整する。

【0026】

図８の繊維強化プラスチック歯車に使用される繊維マットの裁断装置は、繊維マット１０を載せて打ち抜き刃物３で裁断する裁断面２を上面に有する受け台１と、この受け台１の裁断面２に向かって移動して、裁断面２に配置している繊維マット１０を、歯車形状に裁断する打ち抜き刃物３と、この打ち抜き刃物３を往復運動させる刃物駆動機構５とを備える。

【0027】

受け台１は金属プレートで、裁断面２を平面状としている。受け台は、全体又は表面をプラスチックやゴム製とすることもできる。金属プレートの受け台は、図６に示すように、表面に弾性シート１Ａを積層している。弾性シート１Ａは厚さを１ｍｍ〜１０ｍｍとするゴム状弾性体をシート状である。上面に弾性シート１Ａを積層している受け台１は、打ち抜き刃物３で繊維マット１０を打ち抜き加工する状態で、打ち抜き刃物３の刃先４を弾性シート１Ａに密着させ、あるいは打ち抜き刃物３の刃先４を弾性シート１Ａに挿入させて、繊維マット１０から打ち抜き加工される歯車状シート１１の裁断縁１１Ａを確実に綺麗に裁断できる。ただし、受け台は、必ずしも上面に弾性シートを配置する必要はなく、受け台の裁断面に打ち抜き刃物を接近ないし接触させて、繊維マットを打ち抜き加工して裁断することもできる。

【0028】

刃物駆動機構５は、打ち抜き刃物３を上下に往復運動させて、受け台１の裁断面２に載せている繊維マット１０を打ち抜き刃物３で打ち抜きして裁断する。刃物駆動機構５は、打ち抜き刃物３を固定する上下台６と、この上下台６を上下に往復運動させるシリンダ７とを備えている。打ち抜き刃物３は上下台６の下面に固定され、上下台６をシリンダ７で上下に往復運動されて、受け台１に載せている繊維マット１０を打ち抜きして歯車形状に裁断する。すなわち、打ち抜き刃物３を刃物駆動機構５で往復運動させて、受け台１の裁断面２に配置している繊維マット１０を受け台１と打ち抜き刃物３で挟んで、歯車形状に裁断する。

【0029】

図１ないし図５に示す打ち抜き刃物３は、繊維マット１０を歯車形状の歯車状シート１１に裁断する歯形刃物３Ａと、この歯形刃物３Ａの内側に固定されて、歯車形状に裁断される歯車状シート１１の中心に貫通穴を設ける円筒刃物３Ｂとからなる。

【0030】

打ち抜き刃物３は、歯形刃物３Ａで繊維マット１０を歯車形状の歯車状シート１１に裁断し、円筒刃物３Ｂで歯車形状に裁断される歯車状シート１１の中心に貫通穴を裁断する。歯形刃物３Ａと円筒刃物３Ｂは、各々の先端縁に、同一平面に刃先４を配置して、繊維マット１０の外形と貫通穴とを同時に打ち抜きして裁断する。この打ち抜き刃物３で裁断される歯車状シート１１は、中心に貫通穴のある繊維強化プラスチック歯車に使用される。図１の打ち抜き刃物３は、歯形刃物３Ａと円筒刃物３Ｂとを設けて、中心に貫通穴のある歯車状シート１１を裁断するが、打ち抜き刃物３は必ずしも円筒刃物３Ｂを設けることなく、歯形刃物３Ａのみの構造とすることもできる。円筒刃物３Ｂのない打ち抜き刃物３は、中心に貫通穴のない歯車形状に歯車状シート１１を裁断する。中心に貫通穴のない歯車状シートは、中心に貫通穴のない繊維強化プラスチック歯車に使用され、あるいは、最後の工程で中心貫通穴を設けて、貫通穴のある繊維強化プラスチック歯車に加工される。

【0031】

歯形刃物３Ａは、従来の打ち抜き刃物３のように、金属板を歯車形状に折曲加工して製作しない。歯形刃物３Ａは、金属ブロック１９を切削加工して製作される。金属ブロック１９は、円柱状又は厚い板状で、放電加工で筒状に加工した後、切削加工して製作される。金属ブロック１９の厚さは、歯形刃物３Ａの長さ（正確には往復運動方向の長さ）とする。歯形刃物３Ａの長さ、すなわち金属ブロック１９の厚さは、裁断される歯車の外径で調整する。金属ブロック１９の厚さ、すなわち歯形刃物３Ａの長さは、例えば繊維強化プラスチック歯車の外径の２０％以上であって２００％以下、好ましくは３０％以上であって１５０％以下、さらに好ましくは３５％以上であって１００％以下とする。例えば、外径を１００ｍｍとする繊維強化プラスチック歯車に使用する繊維マット１０の歯形刃物３Ａは、厚さを４５ｍｍとする金属ブロック１９を加工して製作される。

【0032】

炭素鋼の金属ブロックは、歯形刃物に要求される硬さと脆さとを考慮して炭素の含有量を用途に最適な値に調整する。歯形刃物は、炭素の含有量を多くして硬くできる。ただ、炭素の含有量が多くなると脆くなるので、金属ブロック１９の炭素の含有量は、例えば１．４％以下、好ましくは０．７％以下、最適には０．４％以上とする。ただし、本明細書において炭素の含有量は質量パーセント濃度とする。金属ブロック１９は、放電加工で筒状に加工された後、砥石やヤスリで切削して先端に歯車形状の刃先４を設け、その後焼き入れして、さらに研削して歯形刃物３Ａに加工される。歯形刃物３Ａの内側に固定される円筒刃物３Ｂは、炭素の含有量を金属ブロック１９と同等とする炭素鋼板で製作される。歯形刃物は、炭素鋼に代わってハイスなどの鋼材で製作することもできる。

【0033】

以下の製造工程で加工される歯形刃物の形状を図７に示す。
［切断工程］
この工程は、図７に示すように、金属ブロック１９を放電加工でもって所定の厚さの筒体２０に加工する。放電加工は、金属ブロック１９にワイヤ（図示せず）を貫通し、ワイヤと金属ブロック１９との間で放電させて、金属ブロック１９を切断する。放電加工は、ワイヤと金属ブロック１９とを相対的に移動させて、金属ブロック１９から筒体２０を切り離す。放電加工で金属ブロック１９から切り離された筒体２０は、内面に、刃物の往復運動方向に延びる縦溝２１と凸条２２とを交互に設けて歯車形状としている。筒体２０は、その後の研削工程において、筒体２０の内面に設けられる縦溝２１の先端縁を歯先刃４Ａに、縦溝２１の間に設けられる凸条２２の両側面の先端縁を歯面刃４Ｃに、溝底の先端縁を歯底刃４Ｂに加工する。

【0034】

筒体２０の内面の歯車形状は、先端から後端まで同じ形状に加工される。この筒体２０は、縦溝２１と凸条２２が、歯形刃物３Ａの往復運動方向、言い換えると歯形刃物３Ａの中心軸方向に平行となる。ただ、筒体２０は、縦溝２１と凸条２２とを交互に設けている内面を、先端から後端に向かって次第に大きくなるテーパー状とすることもできる。

【0035】

筒体２０は、外面を円柱に沿う形状としている。外面を円柱状として、内面を先端から後端までを同じ形状の歯車形状とする筒体は、放電加工でもって金属ブロックから簡単に製作できる。放電加工のワイヤを、金属ブロックの両面に対して垂直方向に配置し、金属ブロックとワイヤとを、相対的に両面に平行な面でＸ軸方向とＹ軸方向に移動して、筒体の内面と外面の両方を切断できるからである。ただし、筒体は、内面を先端から後端まで同じ形状とし、外面を先端から後端に向かって大きくするテーパー状に加工し、また内面と外面の両方を後端に向かって大きな形状とすることもできる。円柱状の金属ブロックを筒体に加工する方法は、筒体の外径に等しい円柱状の金属ブロックを使用して、筒体の内形のみを放電加工で切断して筒体を製作できる。

【0036】

［研削工程］
外面を円柱状とする筒体２０は、この工程で外側面を研削して、先端から後端に向かって外径を大きくするテーパー状に研削する。研削工程で外面をテーパー状に加工している筒体は、外面を研削してテーパー状に加工する工程を省略できる。さらに筒体２０は、先端部の外側を研削して、先端に片刃の刃先４を設ける。

【0037】

繊維マット１０を裁断する刃先４は、歯先刃４Ａと歯面刃４Ｃと歯底刃４Ｂとが連結された歯車形状である。歯先刃４Ａは、歯車の歯先となる部分を切断し、歯面刃４Ｃは歯車の歯面となる部分を切断し、歯底刃４Ｂ歯車の歯底となる部分を切断する。歯先刃４Ａと歯面刃４Ｃと歯底刃４Ｂとからなる刃先４は、内面を歯車形状とする筒体２０の外側面を研削して設けられる。

【0038】

片刃の歯面刃４Ｃと歯底刃４Ｂは、筒体２０先端部の外面にＶ溝１６を研削して設けられる。Ｖ溝１６は、両面を歯面刃４Ｃに、溝底部を歯底刃４Ｂに配置する。Ｖ溝１６の溝底部が歯底刃４Ｂを設けるので、図に示すように、溝底部を所定の曲率半径で湾曲する形状とし、あるいは図示しないが所定の横幅とすることができる。Ｖ溝１６が、筒体２０の先端から後端に向かって次第に浅くなる形状によって、歯底刃４Ｂの刃物角を歯先刃４Ａの刃物角の大きくする。

【0039】

図５の断面図は、歯先刃４Ａと歯底刃４Ｂの断面形状を示す。この図において、実線は歯底刃４Ｂの断面形状を示し、鎖線は歯先刃４Ａの断面形状を示している。歯底刃４Ｂの刃物角は、Ｖ溝１６を先端から後端に向かって浅くすることで、歯先刃４Ａの刃物角よりも大きくなる。図１と図５の歯形刃物３Ａは、図４の正面図に示すように、Ｖ溝１６を筒体２０の後端（図において下端）まで延長せず、また歯底刃４Ｂを、筒体２０の内面に突出する部分に設けているので、歯底刃４Ｂを設けている歯形刃物３Ａの後端部の厚さ（Ｗ１）は、歯先刃４Ａを設けている歯形刃物３Ａの後端部の厚さ（Ｗ２）よりも厚い。耐久性に優れた歯形刃物３Ａの実現において、この独得の構造は極めて重要である。繊維マット１０の打ち抜き工程において、内側に突出する歯底刃４Ｂの変形歪みを防止して耐久性を向上させるからである。

【0040】

図１ないし図５に示す歯形刃物３Ａは、Ｖ溝１６を後端に向かって次第に浅くし、さらに、歯底刃４Ｂを設けた部分の後端部の厚さ（Ｗ１）を、歯先刃４Ａを設けた部分の後端部の厚さ（Ｗ２）より大きくすることで、歯底刃４Ｂから歯形刃物３Ａ後端までの歯底ライン１７の傾斜角、即ち歯底刃４Ｂの刃物角（α１）が、歯先刃４Ａから歯形刃物３Ａ後端までの傾斜角である歯先刃４Ａの刃物角（α２）よりも大きくしている。

【0041】

さらに、刃先４の先端部分を、先端縁から１ｍｍ〜５ｍｍ幅で外側面を研削して、刃物角を先端に向かって次第に大きくして、刃先先端の仕上げ角を１０度以上であって６０度以下、さらに好ましくは１５度以上であって４５度以下として耐久性を向上している。

【0042】

さらに図５に示す歯形刃物３Ａは、筒体２０の内側面の一部を研削して、先端から後端に向かって内側形状が次第に大きくしてなるテーパー状に加工している。図５の歯形刃物３Ａは、歯底刃４Ｂを設けるために、筒体２０の内側に突出している凸条２２を後端部で研削して、凸条２２を設けている部分を、後端に向かって次第に大きくなる形状としている。凸条２２は内側に突出するので簡単に切削できる。また、切断工程で得られる筒体２０は、後端を大きく開口しているので、この開口部からヤスリや砥石を筒体２０の内側に挿入して、凸条２２を簡単に研削できる。この歯形刃物３Ａは、凸条２２を後端部に向かって厚く研削することで、歯形刃物３Ａの後端に向かって凸条２２を次第に低くして、凸条２２部分の内側形状を後端に向かって次第に大きく加工できる。後端に向かって内側形状を大きくしてなる歯形刃物３Ａは、繊維マット１０の裁断された歯車状シート１１をスムーズに内側に案内でき、また内側に案内した歯車状シート１１を速やかに排出できる。

【0043】

［焼き入れ工程］
研削工程で得られた炭素鋼の歯形刃物３Ａは、刃先４を硬くするために焼き入れされる。刃先４を設けた歯形刃物３Ａは、刃先４のＨＲＣ硬度を６２以上、好ましくは約６５とするように焼き入れする。刃先４の硬度は硬くして寿命を長くできるが、硬すぎると脆くなって打ち抜き加工時に損傷しやすくなる。したがって、歯形刃物３Ａは、刃先４のＨＲＣ硬度が６２よりも高く、好ましくは６４よりも高く、かつ７２よりも低く、好ましくは６６より低くなるように焼き入れする。焼き入れ後の刃先４の硬度は、炭素の含有量と焼き入れ温度でコントロールする。焼き入れの温度を高くして刃先４の硬度を高くでき、温度を低くして硬度を低くできる。たとえば、歯形刃物３Ａは、炭素の含有量を０．６％とする金属ブロック１９を使用し、焼き入れ温度を７８０℃〜９５０℃として、ＨＲＣ硬度を６２〜７２の範囲とする。刃先４の焼き入れ後のＨＲＣ硬度を６５とする歯形刃物３Ａは、炭素の含有量を０．６％、焼き入れ温度を８５０℃とする。

【0044】

［研磨工程］
焼き入れされた歯形刃物３Ａは、最後に仕上げ研磨して鋭利な刃先４とする。特に研磨工程は、刃先４の先端部分の外側面を研磨して、仕上げ角を最適値に調整する。

【0045】

歯形刃物３Ａは以上の工程で製作されるが、円筒刃物３Ｂは、細長い炭素鋼板を円柱に沿う形状に湾曲し、両端を溶接して筒状に加工すると共に、先端部分を研削して刃先４を設けた後、焼き入れし、焼き入れの後さらに仕上げ研磨して製作される。円筒刃物３Ｂは、２ｍｍ〜５ｍｍの鋼材板で製作される。この鋼材板は、焼き入れする前工程で湾曲して円筒状に加工して、先端縁に円形のサブ刃先４Ｄを設ける。円筒状の鋼材板は、先端部分の内側面を研削して円形のサブ刃先４Ｄを設ける。

【0046】

円筒刃物３Ｂは、サブ刃先４Ｄに向かって刃物角が次第に大きくなる形状として、打ち抜き時の衝撃でサブ刃先４Ｄが損傷するのを防止する。先端に向かって次第に刃物角を大きくする円筒刃物３Ｂは、先端の仕上げ角が、耐久性と裁断能力に影響を与える。したがって、円筒刃物３Ｂの仕上げ角は、好ましくは、１５度以上であって６０度以下、最適には約３０度とする。円筒刃物３Ｂは、刃先４のＨＲＣ硬度を歯形刃物３Ａと同等とするように焼き入れする。

【0047】

円筒刃物３Ｂは連結金具２３を介して歯形刃物３Ａに固定される。連結金具２３は、円筒刃物３Ｂ及び歯形刃物３Ａの後端に溶接して固定されて、円筒刃物３Ｂを歯形刃物３Ａの同心位置に配置し、かつ、円筒刃物３Ｂと歯形刃物３Ａの刃先４を同一平面に配置する。図４の打ち抜き刃物３は、円筒刃物３Ｂと歯形刃物３Ａとの間に４本の連結金具２３を放射状に固定している。図４の連結金具２３は、一端を円筒刃物３Ｂの外側に溶接して固定し、他端を歯形刃物３Ａに設けた嵌合凹部に入れて溶接して固定している。連結金具２３と円筒刃物３Ｂと歯形刃物３Ａは後端面を同一平面に配置している。この打ち抜き刃物３は、連結金具２３と円筒刃物３Ｂと歯形刃物３Ａとを同一平面に配置している後端面を刃物駆動機構で押圧して、繊維マット１０を裁断する。

【符号の説明】

【0048】

１…受け台 １Ａ…弾性シート
２…裁断面
３…打ち抜き刃物
３Ａ…歯形刃物
３Ｂ…円筒刃物
４…刃先
４Ａ…歯先刃
４Ｂ…歯底刃
４Ｃ…歯面刃
４Ｄ…サブ刃先
５…刃物駆動機構
６…上下台
７…シリンダ
１０…繊維マット
１１…歯車状シート
１１Ａ…裁断縁
１６…Ｖ溝
１７…歯底ライン
１８…外側ライン
１９…金属ブロック
２０…筒体
２１…縦溝
２２…凸条
２３…連結金具

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】