JP2005104287A

JP2005104287A - 自転車フレーム用パイプおよびその加工方法

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Publication number: JP2005104287A
Application number: JP2003339962A
Authority: JP
Inventors: Kazumitsu Futami; 和光二見; Tsutomu Sekimoto; 力関本; Makoto Takagaki; 誠高垣
Original assignee: Miyata Industry Co Ltd
Current assignee: Morita Miyata Corp
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2005-04-21

Abstract

【課題】安価かつ軽量で自転車用フレームとして求められる引張り強度、ヤング率等、十分な機械的特性を保持させる
【解決手段】アルミ材を主材としたパイプの外周面にチタン材パイプによるチタン層を積層被覆してなる。これによりアルミ材パイプの外周面をチタン層で覆うことにより、化学的侵食や疵に弱いアルミ材の欠点を補い、しかも自転車用フレーム材として要求される引張り強度など十分な機械的特性を有し、高いヤング率を維持するとともに、良好な振動吸収性を有し、また全体として軽量化をはかることができ、軽量化と強度維持のバランスを兼ね備えることが可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、自転車フレームを構成するために使用する好適なパイプおよびその加工方法に関し、自転車用フレームとして求められる引張り強度、ヤング率等、十分な機械的特性
を保持させることを目的とする。

自転車用のフレームは、主に所定の径と強度を有する鉄製金属パイプを、例えば上パイプ、下パイプ、あるいはメーンパイプ、立パイプ、ハンドルバー、シートステー等のほか、ハンドルポスト、シートポスト、チェーンステー、前ホーク用などとしてそれぞれ一定の長さに切断し、これらの端部を溶接により接合して構成される。

しかし、最近では軽量化や耐食性の要請から鉄製金属パイプに代えてアルミやステンレス、あるいはカーボンロッド等が用いられるようになった。また靭性や耐衝撃特性を向上させる目的で繊維強化プリプレグを用いることも提案されている（特開平５−２５５５２３・特開平５−６９８７４）。

しかしながら、アルミ材は化学的侵食に弱く、また疵もうけやすいのみならず、ヤング率が低く振動吸収性に劣り、また強度的に十分ではないために自転車用フレームとして用いる場合には厚めの肉厚のものを用いる必要があり、その結果あまり大きな軽量化をはかることはできない。

またステンレスやセラミック入りアルミの使用は接合のための十分な溶接強度が得がたく、しかもコスト高となるために一般的ではない。さらに近時、軽量化、良好な撓み特性、振れ精度に優れるチタン材の使用も試みられているが、チタン材は高温で酸化および窒化しやすく溶接合金、熱影響部ともに硬化して脆くなる特性を有するところから溶接が困難で、十分な接合強度を得るのが難しく実用性に乏しい。
特開平５−２５５５２３特開平５−６９８７４

本発明は、上記した従来技術に鑑みてなされたものであり、自転車用フレームとして求められる引張り強度など十分な機械的特性を有し、高いヤング率を維持するとともに、良好な振動吸収性を有し、全体として軽量化をはかることができる高品質の自転車フレーム用パイプを提供することを目的とする。

すなわち本発明は、請求項１の発明は、アルミ材を主材としたパイプの外周面にチタン層を積層被覆してなることを特徴とする自転車フレーム用パイプに関する。また請求項２の発明は、アルミ材がＪＩＳ：１０００系〜７０００系であり、しかも伸び率が１０〜２５％の範囲内にある純アルミ、あるいはその合金であるところの請求項１に記載の自転車フレーム用パイプに関する。

さらに請求項３の発明は、アルミ材パイプの外周面には不導態化処理が施されているところの請求項１に記載の自転車フレーム用パイプに関する。さらに請求項４の発明は、アルミ材パイプの外周面に施された不導態化処理が、アルマイト処理であるところの請求項３に記載の自転車フレーム用パイプに関する。

さらに請求項５の発明は、アルミ材パイプの外周面に積層被覆されるチタン材がＪＩＳ：１〜３種、あるいはアメリカ規格のＧｒ４もしくはそれらの合金であって、しかも伸び率が５〜１０％の範囲内にあるものであるところの請求項１〜４のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプに関する。

さらに請求項６の発明は、アルミ材パイプの層厚が、少なくとも１．０ｍｍ以上であって、しかもその外周面に積層被覆されるチタン材の層厚が、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内であるところの請求項１〜５のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプに関する。

さらに請求項７の発明は、アルミ材パイプと、その外周面に積層被覆されるチタン材パイプ層との間にはエポキシ、ウレタン、アクリル等の構造用接着剤が介在されているところの請求項１〜６のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプに関する。さらに請求項８の発明は、アルミ材パイプ又はチタン材パイプの外周面の表面粗度を１．６Ｓ〜１００Ｓとしてなる請求項１〜７のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプに関する。

さらに請求項９の発明は、チタン材パイプ内に、該パイプの内径に対してこれと略等しいか、あるいは最大で０．３ｍｍ以内のクリアランス外径を有するアルミ材パイプを、チタン材パイプの端部開口から無理挿通させて同軸状に積層一体化させるようにした自転車フレーム用パイプの加工方法に関する。

さらに請求項１０の発明は、チタン材パイプ内にアルミ材パイプを、チタン材パイプの端部開口から挿通させて同軸状の重合パイプとした後、該重合パイプをその全長にわたり上記チタン材パイプの原外径より径小の円形ダイスに引き通して絞り成型することによりチタン材パイプをアルミ材パイプに圧着積層させるようにした自転車フレーム用パイプの加工方法に関する。

さらに請求項１１の発明は、チタン材パイプ内にアルミ材パイプを、チタン材パイプの端部開口から挿通させて同軸状の重合パイプとした後、上記アルミ材パイプ内に、その片側端部からアルミ材パイプの内径よりも径大の移動心金を無理挿入させるとともに、これをアルミ材パイプの他側端部に至るまで移動させることにより、アルミ材を内拡してチタンパイプ内に圧着積層させるようにしたことを特徴とする自転車フレーム用パイプの加工方法に関する。

さらに請求項１２の発明は、チタン材パイプ内にアルミ材パイプを、チタン材パイプの端部開口から挿通させて同軸状の重合パイプとした後、アルミ材パイプ内に、該アルミ材パイプの内径より小径の心金を装入するとともに、重合パイプをその全長にわたり、上記チタン材パイプの原外径より径小の円形ダイスに、上記心金とともに引き通してアルミ材パイプの内周面を心金に圧着させながら絞り成型することによりチタン材パイプとアルミ材パイプとを相互に圧着積層させるようにしたことを特徴とする自転車フレーム用パイプの加工方法に関する。

さらに請求項１３の発明は、チタン材パイプの端部から装入されるアルミ材パイプの外周面にはあらかじめアルマイト処理等の不導態化処理を施すようにした請求項９〜１２のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプの加工方法に関する。

さらに請求項１４の発明は、チタン材パイプ内周面又はアルミ材パイプ外周面の表面粗度を１．６Ｓ〜１００Ｓとした請求項９〜１２のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプの加工方法。

さらに請求項１５の発明は、チタン材パイプ内に同軸状に重合されて重合パイプとされるアルミ材パイプの、チタンパイプ内周面とのクリアランスが直径で０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内であるようにした請求項９〜１２のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプの加工方法に関する。

さらに請求項１６の発明は、ダイスに引き通して絞り成型する場合のチタン材パイプとアルミ材パイプとによる重合パイプのリダクション率が５〜３０％の範囲内であるようにした請求項９〜１２のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプの加工方法に関する。

さらに請求項１７の発明は、チタン材パイプとアルミ材パイプの重合面には、あらかじめエポキシ、ウレタン、アクリル等の構造用接着剤が塗布されているところの請求項９〜１２のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプの加工方法に関する。

さらに請求項１８の発明は、チタン材パイプとアルミ材パイプの重合面に、あらかじめマイクロカプセル型の接着剤が施され、円形ダイスによる絞り成型によってチタン材パイプがリダクションする際に上記マイクロカプセルを破壊して接着させるようにしたところの請求項１０又は１２に記載の自転車フレーム用パイプの加工方法に関する。

本発明の請求項１〜２および５〜６の発明によれば、アルミ材パイプの外周面をチタン層で覆うことにより、化学的侵食や疵に弱いアルミ材の欠点を補い、しかも自転車用フレーム材として要求される引張り強度など十分な機械的特性を有し、高いヤング率を維持するとともに、良好な振動吸収性を有し、また全体として軽量化をはかることができ、軽量化と強度維持のバランスを兼ね備えることが可能となる。

また請求項３〜４の発明によれば、アルミ材の外周面には不導態化処理が施されているために、外周面に積層されたチタン層との間に多少の隙間があってもアルミ材に含有されるマグネシウムや、あるいは湿度による電蝕発生などの悪影響をうけることがない。

さらに請求項７の発明によれば、アルミ材パイプと、その外周面に積層被覆されるチタン層との間にエポキシ、ウレタン、アクリル等の構造用接着剤が介在されているために、アルミ材パイプと、その外周面に積層されるチタン層との間の密着一体化がより強固となる。

さらに請求項８の発明によれば、チタン材パイプ内周面又はアルミ材パイプ外周面の表面粗度を１．６Ｓ〜１００Ｓとしたために外周面に積層されるチタンパイプとの接着性が良好となり、相互の軸方向位置ずれを確実に防ぐことができる。

さらに請求項９〜１６の発明によれば、化学的侵食や疵に弱いアルミ材の欠点を補い、しかも自転車用フレーム材として要求される引張り強度など十分な機械的特性を有し、高いヤング率を維持するとともに、良好な振動吸収性を有し、また全体として軽量化をはかることができ、軽量化と強度維持のバランスを兼ね備える理想的な自転車フレーム用パイプを得ることができる。

以下において本発明の具体的な内容を図１〜３の実施例をもとに説明すると、１はアルミ材を主材としたパイプ、２はアルミ材パイプ１の外周面にチタン層を積層被覆するためのチタン材パイプをあらわしている。アルミ材パイプ１の材質については、自転車のフレーム材として十分な強度を有すると共に軽量であり、しかもアクリルやウレタン、あるいはエポキシ等の接着剤による接着性が良好なものが選ばれる。このようなものとして、好ましくはＪＩＳ：１０００系〜７０００系であり、しかも伸び率が１０〜２５％の範囲内にある純アルミ、あるいはその合金が用いられる。

アルミ材パイプ１の厚みについては、外周面に被覆されるチタンパイプ２の層厚とも関係するが、高価なチタン材の使用量をできるだけ少なくし、しかも自転車フレーム材として必要且つ十分な強度を有する必要から、アルミ材パイプ１の層厚としては少なくとも１．０ｍｍ以上であることが必要である。

またこの場合において、外周面に積層被覆されるチタン材パイプ２によるチタン層との電蝕を避けるためには、好ましくはアルミ材パイプ１の外周面に不導態化処理を施すとよい。なおこの場合の不導態化処理の一例を挙げればアルマイト処理が挙げられる。

さらにアルミ材パイプ１の外周面にチタン層を積層被覆するためのチタン材パイプ２については、上記したアルミ材パイプ１のヤング率を増大させ、しかも撓みや振れ強度を十分に補強することができる材質のものがよく、好ましくはＪＩＳ：１〜３種、あるいはアメリカ規格のＧｒ４もしくはそれらの合金であって、しかも伸び率が５〜１０％の範囲内、さらに好ましくはリダクション率が５〜３０％の範囲内にあるものが用いられる。

さらにチタン層を形成するためのチタン材パイプ２の厚みについては、０．１ｍｍを下回るとアルミ材パイプ１の補強効果が弱く、またアルミ材パイプ１の補強には１．０ｍｍまでで十分であり、それ以上の厚みにしても却ってコスト高となるので０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内であるのが好ましい。

さらに、アルミ材パイプ１とチタン材パイプ２との、より強固な一体性を確保して十分な強度を得るためには、アルミ材パイプ１と、その外周面に積層被覆されるチタン層（チタン材パイプ）２との間にエポキシ、ウレタン、アクリル等の構造用接着剤を介在させるのが好ましい。また、さらに好ましくはチタン材パイプとアルミ材パイプによる重合パイプのリダクション率については５〜３０％の範囲内にあるものが用いられる。

さらにアルミ材パイプ１の外周面に積層被覆されるチタン材パイプ２によるチタン層との関係で、チタン層がアルミ材パイプ１の外周面に食いつきやすくし、アルミ材パイプ１に対してできるだけ一体化するようにアルミ材パイプ１の外周面には１．６Ｓ〜１００Ｓ程度の表面粗度を有する祖面に形成するのが好ましい。

つぎに上記した自転車フレーム用パイプの加工方法について説明する。なお加工に用いるアルミ材パイプ１およびチタンパイプ材２は、加工後一定の長さ毎に切断して使用することができるように、長尺のもの（例えば５ｍ程度）のものを用いる。具体的には図１にあらわしたように、アルミ材パイプ１の外径と等しいか、あるいはこれより僅かに径大の内径を有するチタンパイプ材２内に、その端部からアルミ材パイプ１を装入して同軸状に重合させる。

この場合におけるアルミ材パイプ１の外径とチタンパイプ材２の内径とのクリアランスについては、できるだけ小さいほうがよく、直径で１．０ｍｍ以下とするのがよい。しかし同径とするとチタンパイプ材２に対するアルミ材パイプ１の装入が著しく困難となるので直径で０．０５ｍｍ程度のクリアランスは必要である。従って０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内であるのが好ましい。

なおこの場合において、後記するように円形ダイスによる引き抜き加工を施す場合においては、アルミ材パイプ１の外径とチタン材パイプ２の内径とのクリアランスについては直径で１．５ｍｍ程度までなら許容される。

なおこの場合に必要に応じて、事前にアルミ材パイプ１の外周面にアルマイト処理などの不導態化処理を施しておく。さらに好ましくは、あらかじめチタン材パイプ２の内周面又はアルミ材パイプの外周面に１．６Ｓ〜１００Ｓ程度の表面粗度を有する祖面に形成しておく。またアルミ材パイプ１とチタンパイプ材２との重合一体化を強固にして自転車フレーム用パイプとしてのより十分な強度を確保するためには円形ダイスによる引き抜き加工を施すのがよい。

すなわち、チタン材パイプ２内にアルミ材パイプ１を、チタン材パイプ２の端部開口から挿通させて同軸状の重合パイプとした後、該重合パイプをその全長にわたり上記チタン材パイプ２の原外径より径小の円形ダイス（図示省略）に引き通して絞り成型することによりチタン材パイプ２をアルミ材パイプ１に圧着積層させることによって加工することができる。

またこのほかに、アルミ材パイプ１とチタン材パイプ２とを重合させた後、図２にあらわしたように、内側のアルミ材パイプ１内に、その片側端部からアルミ材パイプ１の内径よりも径大の断面円形の移動心金３を無理装入するとともに、これをアルミ材パイプ１の他側端部に至るまで移動させることにより、アルミ材パイプ１を拡開させてチタン材パイプ２の内周面に圧着積層させることができる。

なお、この場合におけるアルミ材パイプ１内での心金３の移動には、心金３の先頭部にワイヤーを取り付け、このワイヤーをアルミ材パイプ１内を通して反対側から動力により引っ張るか、あるいは心金３の後部からマンドレルバーで押圧しながら送り込む方法も考えられる。

また、より理想的には、チタン材パイプ２内にアルミ材パイプ１を、チタン材パイプ２の端部開口から挿通させて同軸状の重合パイプとした後、図４にあらわしたように、重合パイプ、すなわちアルミ材パイプ１内に、該アルミ材パイプ１の内径より小径の心金４か、あるいはマンドレルを装入するとともに、該重合パイプをその全長にわたり、上記チタン材パイプ２の原外径より径小の円形ダイス５に、上記心金４あるいはマンドレルとともに引き通して絞り成型することによりアルミ材パイプ１の内周面を心金４に圧着させながらチタン材パイプ２とアルミ材パイプ１とを相互により一層強固に圧着積層させて十分に強度を有する自転車フレーム用パイプを得ることができる。

さらに上記した各場合において、チタン材パイプ２とアルミ材パイプ１の重合面に、あらかじめエポキシ、ウレタン、アクリル等の構造用接着剤を塗布しておくと両パイプ１・２の重合後に相互に密着性が強固となり、強度的により一層優れた自転車フレーム用パイプを得ることができる。

またチタン材パイプ２とアルミ材パイプ１との重合面に、あらかじめマイクロカプセル型の接着剤（図示省略）を施しておき、円形ダイスによる絞り成型によってチタン材パイプ２がリダクションする際に、上記マイクロカプセルを破壊して接着させるようにすると加工性がより一層良好となる。

本発明の一実施例であるチタン材パイプ内にアルミ材パイプを挿入して積層体パイプとする過程をあらわした要部斜視図。本発明の別の実施例であるところの、積層パイプ内に心金を無理挿通させて内側のアルミ材パイプを拡開させて外側のチタン材パイプ内周面に圧着積層させる過程をあらわした要部斜視図。図２における心金挿通前のＸーＸ線部分の拡大断面図（Ａ）、および心金挿通後の拡大断面図（Ｂ）。本発明のさらに別の実施例である自転車フレーム用パイプの製造過程をあらわした要部断面図。

符号の説明

１アルミ材パイプ
２チタン材パイプ
３心金
４心金
５ダイス

Claims

アルミ材を主材としたパイプの外周面にチタン層を積層被覆してなることを特徴とする自転車フレーム用パイプ。
アルミ材がＪＩＳ：１０００系〜７０００系であり、しかも伸び率が１０〜２５％の範囲内にある純アルミ、あるいはその合金であるところの請求項１に記載の自転車フレーム用パイプ。
アルミ材パイプの外周面には不導態化処理が施されているところの請求項１に記載の自転車フレーム用パイプ。
アルミ材パイプの外周面に施された不導態化処理が、アルマイト処理であるところの請求項３に記載の自転車フレーム用パイプ。
アルミ材パイプの外周面に積層被覆されるチタン材がＪＩＳ：１〜３種、あるいはアメリカ規格のＧｒ４もしくはそれらの合金であって、しかも伸び率が５〜１０％の範囲内にあるものであるところの請求項１〜４のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプ。
アルミ材パイプの層厚が、少なくとも１．０ｍｍ以上であって、しかもその外周面に積層被覆されるチタン材の層厚が、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内であるところの請求項１〜５のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプ。
アルミ材パイプと、その外周面に積層被覆されるチタン材パイプ層との間にはエポキシ、ウレタン、アクリル等の構造用接着剤が介在されているところの請求項１〜６のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプ。
チタン材パイプ内周面又はアルミ材パイプ外周面の表面粗度を１．６Ｓ〜１００Ｓとしてなる請求項１〜７のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプ。
チタン材パイプ内に、該パイプの内径に対してこれと略等しいか、あるいは最大で０．３ｍｍ以内のクリアランス外径を有するアルミ材パイプを、チタン材パイプの端部開口から無理挿通させて同軸状に積層一体化させるようにした自転車フレーム用パイプの加工方法。
チタン材パイプ内にアルミ材パイプを、チタン材パイプの端部開口から挿通させて同軸状の重合パイプとした後、該重合パイプをその全長にわたり上記チタン材パイプの原外径より径小の円形ダイスに引き通して絞り成型することによりチタン材パイプをアルミ材パイプに圧着積層させるようにした自転車フレーム用パイプの加工方法。
チタン材パイプ内にアルミ材パイプを、チタン材パイプの端部開口から挿通させて同軸状の重合パイプとした後、上記アルミ材パイプ内に、その片側端部からアルミ材パイプの内径よりも径大の移動心金を無理挿入させるとともに、これをアルミ材パイプの他側端部に至るまで移動させることにより、アルミ材を内拡してチタンパイプ内に圧着積層させるようにしたことを特徴とする自転車フレーム用パイプの加工方法。
チタン材パイプ内にアルミ材パイプを、チタン材パイプの端部開口から挿通させて同軸状の重合パイプとした後、アルミ材パイプ内に、該アルミ材パイプの内径より小径の心金を装入するとともに、重合パイプをその全長にわたり、上記チタン材パイプの原外径より径小の円形ダイスに、上記心金とともに引き通してアルミ材パイプの内周面を心金に圧着させながら絞り成型することによりチタン材パイプとアルミ材パイプとを相互に圧着積層させるようにしたことを特徴とする自転車フレーム用パイプの加工方法。
チタン材パイプの端部から装入されるアルミ材パイプの外周面にはあらかじめアルマイト処理等の不導態化処理を施すようにした請求項９〜１２のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプの加工方法。
チタン材パイプ内周面又はアルミ材パイプ外周面の表面粗度を１．６Ｓ〜１００Ｓとした請求項９〜１２のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプの加工方法。
チタン材パイプ内に同軸状に重合されて重合パイプとされるアルミ材パイプの、チタンパイプ内周面とのクリアランスが直径で０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内であるようにした請求項９〜１２のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプの加工方法。
ダイスに引き通して絞り成型する場合のチタン材パイプとアルミ材パイプとによる重合パイプのリダクション率が５〜３０％の範囲内であるようにした請求項９〜１２のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプの加工方法。
チタン材パイプとアルミ材パイプの重合面には、あらかじめエポキシ、ウレタン、アクリル等の構造用接着剤が塗布されているところの請求項９〜１２のいずれか１に記載の自転車フレーム用パイプの加工方法。
チタン材パイプとアルミ材パイプの重合面に、あらかじめマイクロカプセル型の接着剤が施され、円形ダイスによる絞り成型によってチタン材パイプがリダクションする際に上記マイクロカプセルを破壊して接着させるようにしたところの請求項１０又は１２に記載の自転車フレーム用パイプの加工方法。