JP2009248139A - 金属円筒の拡管装置及び拡管方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属円筒を拡管して円錐形状とするための金属円筒の拡管について、金属円筒の円周方向各部で均一な伸びを得ることによって拡管限界を広げ、拡管後の金属円筒の断面形状を目標とする円形に成形し、金属円筒の内面に擦り傷が発生することのない、金属円筒の拡管装置及び拡管方法を提供する。
【解決手段】 金属円筒１０を拡管する拡管治具１は、センターコーン２とその外周に配置された遊星ロール群５とを有し、センターコーン２は外径が軸方向に変化する円錐状であり、遊星ロール４の外周がセンターコーン２の外周と接触するように配置され、金属円筒１０の内周を遊星ロール４の外周に接触させ、金属円筒１０とセンターコーン２との間に回転速度の差を設けつつ金属円筒１０に対してセンターコーン２を軸方向に移動させる金属円筒の拡管装置及び拡管方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、金属円筒を拡管して円錐形状にするための、金属円筒の拡管装置及び拡管方法に関するものである。

金属製の缶、例えばペール缶については、金属板を円筒状に巻いて継目部を溶接することによって側面部を形成し、さらに側面部と底部を接合することによって缶を形成する。金属製の缶には、側面部が軸方向において底部に向かうほど先細りになるテーパータイプと、側面部が円筒形のままのストレートタイプとがある。

テーパータイプについては、まず金属板を円筒状にまき継目部を溶接して金属円筒を形成した上で、この金属円筒を拡管することにより、形状をテーパー形状とする。

金属円筒を拡管する方法として、エキスパンド方式あるいはパスカル方式が用いられている。

パスカル方式は、金属円筒の内部にゴム体などの弾性体で形成された拡管部材を挿入し、弾性体の内部に充填した気体又は液体によって加圧することにより、拡管部材を膨らませて金属円筒の拡管を行う。この場合、拡管後の形状を定めるためには金属円筒の外側に型を配置することが必須であり、かつ、金属円筒の軸方向端部の一方が拡径するような拡管パターンにおいては採用が困難である。従って、テーパータイプのペール缶に用いるような拡管について、パスカル方式を採用することはできない。

エキスパンド方式については、拡管前の金属円筒の内側にエキスパンド型を配置して、エキスパンド型にて金属円筒を内側から外側に向けて押圧することにより、金属円筒が拡管され、最終形状に成形される。テーパータイプについて、エキスパンド方式で拡管成形することができる。

テーパータイプに用いるエキスパンド型は、全体形状が円錐台状であり、周方向に沿って分割された円弧面を有する複数のセグメントを有する。各セグメントをエキスパンド型の半径方向に移動して円弧面を外方に広げることが可能であり、この移動によってエキスパンド型の径が大きくなり、金属円筒を内側から押し広げて拡管することができる。

通常、エキスパンド型の各セグメントの円弧面の曲率半径は、拡管後の円筒の曲率半径に等しく成形されている。そのため拡管前においては、図１０（ａ）に示すように、セグメント４０の円弧面４１はセグメントコーナーにおいて金属円筒と接触している。これに対し特許文献１においては、各セグメントの円弧面の曲率半径を、拡管前の円筒の曲率半径に等しく成形したものが記載されている。特許文献１に記載のものはこれにより、各セグメントの円弧面の両縁部と金属円筒の内面との摩擦により金属円筒の内面に擦り傷が生じるという現象が低減するとしている。

特開２００７−２０３３５７号公報

エキスパンド方式において、セグメント４０の円弧面４１における曲率半径が拡管後の円筒の曲率半径に等しい従来のエキスパンド型を用いる場合、図１０（ａ）に示すように、拡管中において金属円筒１０とセグメント４０とが強く接している部分は、セグメント円弧面の両縁部付近のセグメントコーナー接触部４２である。そして、各セグメントが放射状に広がるように移動して拡管を行うに際し、ひとつのセグメントの両縁部の間隔は一定に保持され、隣り合うセグメントの縁部同士の間隔は広がる。このため、金属円筒が拡管されるに際し、金属円筒のうち、ひとつのセグメントの両縁部の間の部分４４は周方向に広げる方向での拘束を受けず、一方隣り合うセグメントの縁部の間の部分４５は周方向に広げる方向の拘束を受ける。その結果、拡管後の金属円筒において、金属円筒１０のうち、ひとつのセグメントの両縁部の間の部分４４は周方向の伸びが少なく、逆に隣り合うセグメントの縁部の間の部分４５は周方向の伸びが多い。

以上のような拡管の結果として、隣り合うセグメントの縁部の間の部分４５の伸びは、拡管による金属円筒の周方向平均伸びよりも大きな値となる。拡管の限界は、拡管時の最大伸びの限界によって決まるので、金属円筒の周方向平均伸びが限界伸びに到達する前に、隣り合うセグメントの縁部の間の部分４５の伸びが限界伸びに到達し、それ以上の拡管は困難となっていた。

また拡管に際し、ひとつのセグメントの両縁部の間の部分４４については、平均伸びよりは少ないものの金属円筒１０が伸びる。金属円筒が伸びる際にセグメントコーナー接触部４２が金属円筒の内面をこするので、金属円筒１０の内面に擦り傷が発生する。

一方、特許文献１に記載のものは、各セグメントの円弧面の曲率半径を、拡管前の円筒の曲率半径に等しく成形されている。図１０（ｂ）に示すように、円弧面４１の曲率半径が拡管後の金属円筒の目標曲率半径よりも小さいので、拡管後において、金属円筒の断面形状は円形とならず、金属円筒のセグメント中央接触部４３を頂点としてセグメントの数に等しい多角形形状となってしまう。

本発明は、金属円筒を拡管して円錐形状にするための、金属円筒の拡管について、金属円筒の円周方向各部で均一な伸びを得ることによって拡管限界を広げ、拡管後の金属円筒の断面形状を目標とする円形に成形し、金属円筒の内面に擦り傷が発生することのない、金属円筒の拡管装置及び拡管方法を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。
（１）金属円筒１０を拡管する拡管装置は拡管治具１を有し、拡管治具１は、センターコーン２とその外周に配置された遊星ロール群５とを有し、センターコーン２は、外径がセンターコーンの軸方向に変化する円錐状であり、センターコーン２は軸方向に一体又は複数に分割され、センターコーン２の外径が小さい側の端部を先端２０と称し、遊星ロール群５は、センターコーン８の外周を取り巻くように複数配置された遊星ロール４を有し、各遊星ロール４がセンターコーン２周りに回転するに際しては連動して回転し、各遊星ロール４の外周が金属円筒１０の内周及びセンターコーン２の外周と接触するように配置され、遊星ロール群５が金属円筒１０と接する面は、その外径が軸方向に変化する円錐状であり、金属円筒１０とセンターコーン２との間に、センターコーン中心軸まわりの回転速度の差を設けつつ金属円筒１０に対してセンターコーン２を軸方向に移動させ、移動方向はセンターコーンの先端２０を先頭として前進させる方向であることを特徴とする、拡管装置。
（２）金属円筒１０に対してセンターコーン２を軸方向に移動させるに際し、センターコーン２と遊星ロール群５が軸方向に相互に位置変化しないことを特徴とする上記（１）に記載の拡管装置。
（３）金属円筒１０に対してセンターコーン２を軸方向に移動させるに際し、センターコーン２と遊星ロール群５が軸方向に相互に位置変化し、各遊星ロール４はセンターコーン中心軸から半径方向に移動可能であることを特徴とする上記（１）に記載の拡管装置。
（４）さらに金属円筒を保持する保持具７を有することを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の拡管装置。
（５）金属円筒１０が遊星ロール４に接した後は、保持具７による金属円筒１０の保持を解除できることを特徴とする上記（４）に記載の拡管装置。
（６）拡管治具１を用い、金属円筒１０を拡管する拡管方法であって、拡管治具１は、センターコーン２とその外周に配置された遊星ロール群５とを有し、センターコーン２は、外径が軸方向に変化する円錐状であり、センターコーン２は軸方向に一体又は複数に分割され、センターコーン２の外径が小さい側の端部を先端１０と称し、遊星ロール群５は、センターコーン２の外周を取り巻くように複数配置された遊星ロール４を有し、各遊星ロール４がセンターコーン２と同芯に回転するに際しては連動して回転し、各遊星ロール４の外周がセンターコーン２の外周と接触するように配置され、遊星ロール群５が金属円筒１０と接する面は、その外径が軸方向に変化する円錐状であり、金属円筒１０の内周を遊星ロール４の外周に接触させ、金属円筒１０とセンターコーン２との間に回転速度の差を設けつつ金属円筒１０に対してセンターコーン２を軸方向に移動させ、移動方向はセンターコーン２の先端１０を先頭として前進させる方向であることを特徴とする、拡管方法。
（７）金属円筒１０に対してセンターコーン２を軸方向に移動させるに際し、センターコーン２と遊星ロール群５が軸方向に相互に位置変化しないことを特徴とする上記（６）に記載の拡管方法。
（８）金属円筒１０に対してセンターコーン２を軸方向に移動させるに際し、センターコーン２と遊星ロール群５が軸方向に相互に位置変化し、各遊星ロール４はセンターコーン中心軸から半径方向に移動可能であることを特徴とする上記（６）に記載の拡管方法。

本発明は、金属円筒を拡管して円錐形状にするに際し、遊星ロール群が金属円筒の内周に接して相対回転しつつ拡管を行うので、金属円筒の円周方向各部で均一な伸びを得ることによって拡管限界が広がり、拡管後の金属円筒の断面形状を目標とする円形に成形することができ、金属円筒の内面に擦り傷が発生することのない拡管を行うことができる。

本発明の金属円筒の拡管装置及び拡管方法は、拡管後の金属形状が円錐状であるテーパータイプの拡管を行うことが可能である。

まず、図１〜３に示す実施の形態に基づいて本発明の説明を行う。以下に記載する本発明の一般的な要件については、図１〜３に示す形態のみならず、図１〜図７のいずれの形態についても成立する。

本発明の拡管装置は、拡管治具１と必要に応じて金属円筒を保持する保持具７とを有し、拡管治具１は、センターコーン２とその外周に配置された遊星ロール群５とを有する。金属円筒１０はセンターコーン中心軸周りに回転しあるいは回転しないように配置される。センターコーン２は、外径がセンターコーン軸方向に変化する円錐状である。センターコーン２はその中心軸周りに回転しあるいは回転しないように配置される。実施の形態によっては保持具７を要しない。

遊星ロール群５は、センターコーン２の外周を取り巻くように複数配置された遊星ロール４を有する。各遊星ロール４の外周は、金属円筒１０の内周及びセンターコーン２の外周と接触するように配置される。遊星ロール群５は、センターコーン周りに回転（公転）するように配置しあるいは回転しないように配置する。遊星ロール群５をセンターコーン周りに回転するように配置する場合には、各遊星ロール４がセンターコーン中心軸周りに回転するに際しては遊星ロール相互に連動して回転するように配置する。各遊星ロール４は、遊星ロール４自身の中心軸の周りに自由回転（自転）するように配置される。遊星ロール群５の遊星ロール軸方向の一方の端又は両端に遊星ロール支持板６を設け、２つの遊星ロール支持板６によって各遊星ロール４が支持される。２つの遊星ロール支持板６は相互に連結することができる。２つの遊星ロール支持板６を相互に連結するために、遊星ロール相互の間に支持柱８を配設することができる。

遊星ロール４の数は、８〜１５とすると好ましい。遊星ロール４の数が多いほど、拡管時の金属円筒１０の変形が均一化するが、遊星ロール４の数が多くなるほど遊星ロール４の直径を小さくすることが必要となる。また、遊星ロール４の数が多くかつ細くなるほど、遊星ロール支持板６の支持柱８として細いものを多数配設することが必要となる。遊星ロール４の数が上記好適な範囲であれば、これらの問題が発生することがない。遊星ロール４の数は、１２〜１５とするとさらに好ましい。

金属円筒１０、センターコーン２、遊星ロール群５の３者うち、ひとつはセンターコーン中心軸周りに自由に回転し得るように設けられる。残りふたつについては、拡管に際し、一方を回転駆動で他方を非回転（固定）、あるいは両方を回転駆動する。残りふたつの両方を回転駆動する場合、両者の回転速度を異ならせる。

例えば、金属円筒１０を非回転、センターコーン２を回転駆動、遊星ロール群５を自由回転とすることができる（図２（ｂ））。あるいは、金属円筒１０を非回転、センターコーン２を自由回転、遊星ロール群５を回転駆動とすることができる。また、金属円筒１０を回転駆動、センターコーン２を非回転、遊星ロール群５を自由回転とすることができる（図２（ｃ））。また、金属円筒１０を自由回転、センターコーン２を回転駆動、遊星ロール群５を非回転とすることができる。また、金属円筒１０を自由回転、センターコーン２を非回転、遊星ロール群５を回転駆動とすることができる。また、金属円筒１０を自由回転、センターコーン２と遊星ロール群５の両方を回転駆動とし、両者の回転速度を異ならせることができる。その他、あらゆる組み合わせが可能である。

拡管の途中において、センターコーン中心軸の軸方向一定の位置において、センターコーン２の半径をＲｃ、金属円筒１０内面の半径をＲｍであるとする。各遊星ロール４の外周が金属円筒１０の内周及びセンターコーン２の外周と接触するように配置されており、遊星ロール４と金属円筒１０、遊星ロール４とセンターコーン２の間はスリップせずに接触しているので、金属円筒１０の回転速度をＶｍ、センターコーン２の回転速度をＶｃ、遊星ロール群５の回転（公転）速度をＶｐとしたとき、以下の関係が成り立つ。
Ｒｍ×Ｖｍ＋Ｒｃ×Ｖｃ＝（Ｒｍ＋Ｒｃ）×Ｖｐ （１）
例えば図１の例では、金属円筒１０を非回転とし、遊星ロール群５を自由回転とし、センターコーン２を回転速度Ｖｃで回転するように回転駆動している。

金属円筒１０、センターコーン２、遊星ロール群５の３者の間に以上のような関係を持たせることにより、金属円筒１０とセンターコーン２との間に、センターコーン中心軸まわりの回転速度の差が生じることになる。なぜなら、３者のうち自由回転するものを除く一方を回転駆動で他方を非回転（固定）し、あるいは両方を回転駆動する場合には両者の回転速度を異ならせるからである。

センターコーン２は、軸方向に一体又は複数に分割されている。図１に示すようにセンターコーン２が軸方向に一体で形成されているとき、遊星ロール４とセンターコーン２とが接触しつつ回転がなされるに際し、軸方向いずれの場所でも遊星ロール４とセンターコーン２との間にスリップが存在しない方が好ましい。図２に示すように、軸方向にＡ、Ｂの２箇所を選定し、それぞれの箇所でのセンターコーン２の半径と遊星ロール４の半径をＲｃ_A、Ｒｃ_B、Ｒｐ_A、Ｒｐ_Bとしたとき、
Ｒｃ_A／Ｒｃ_B＝Ｒｐ_A／Ｒｐ_B （２）
となるようにセンターコーン２と遊星ロール４のテーパー形状を選択すれば、軸方向いずれの場所でも、センターコーン２と遊星ロール４とはスリップせずに接触して回転することができる。この場合、遊星ロール群５が金属円筒１０と接する面は円錐形状となり、その円錐形状の半径ＲｍはＡ、Ｂの各箇所において
Ｒｍ_A＝Ｒｃ_A＋２×Ｒｐ_A （３−Ａ）
Ｒｍ_B＝Ｒｃ_B＋２×Ｒｐ_B （３−Ｂ）
で表される。

ＡとＢの間の距離がＬであると、拡管後の金属円筒１０のテーパー角度θ、センターコーン２のテーパー角度ψc、遊星ロール４のテーパー角度ψｐは以下のようになる。
ｔａｎ（θ／２）＝（Ｒｍ_B−Ｒｍ_A）／Ｌ （４−１）
ｔａｎ（ψc／２）＝（Ｒｃ_B−Ｒｃ_A）／Ｌ （４−２）
ｔａｎ（ψｐ／２）＝（Ｒｐ_B−Ｒｐ_A）／Ｌ （４−３）

拡管に際し、金属円筒１０に対してセンターコーン２を軸方向に移動させる。図１、３に示す例では、センターコーン２と遊星ロール群５が軸方向に一体で動くように設けられ、金属円筒１０は、拡管に際して軸方向に固定するとともに軸周りにも回転しない。遊星ロール群５が自由回転状態であり、センターコーン２が回転駆動される。

拡管前に、図３（ａ）に示すように、センターコーン２と遊星ロール群５からなる拡管治具１は金属円筒１０の軸方向一方の端部側に位置し、センターコーン２をセンターコーン回転方向２１に回転しつつ、移動方向２２に移動を開始して金属円筒内に挿入する。これにより、金属円筒１０に対してセンターコーン２を軸方向に移動することとなる。移動方向はセンターコーンの先端２０を先頭として前進させる方向である。金属円筒１０は、拡管治具１が存在するのと反対側の軸方向端部で保持具７に保持されている。センターコーン２を回転駆動しつつ、拡管治具１を金属円筒内に挿入すると、外形が円錐形状となっている拡管治具１に金属円筒１０が押し広げられ、図３（ｂ）に示すように、順次拡管が進行する。このとき、金属円筒は図９（ｂ）のような形状に拡管されている。

図３（ｃ）に示すように、拡管治具１の軸方向の移動が完了すると、拡管治具１による金属円筒１０の拡管が完了し、拡管治具１のテーパー形状にそったテーパーを有する拡管後製品を得ることができる。このとき、金属円筒は図９（ｃ）のような形状に拡管されている。

拡管に際し、金属円筒１０とセンターコーン２との間に、センターコーン中心軸まわりの回転速度の差を設けている結果として、金属円筒１０と遊星ロール群５それぞれの回転速度にも差が生じる。従って、拡管に際し、金属円筒１０と各遊星ロール４が接している位置については、金属円筒１０の一定の箇所に固定されるのではなく、常に位置が変化することになる。そのため、金属円筒１０は、周方向に伸びの量が不均一になることがなく、周方向いずれの部位も同じように伸びていく。その結果、金属円筒１０の周方向平均伸びがその材料の伸び限界にいたるまで拡管を継続することができるので、従来のエキスパンド方式に比較し、拡管限界を拡大することが可能となる。

また、金属円筒１０と遊星ロール４とは周方向にスリップを生じないように接触しているので、金属円筒１０の内面に擦り傷が発生することはない。

さらに、遊星ロール４が金属円筒１０に接する位置については、周方向に常に変動しているので、金属円筒１０が多角形形状に変形されることがない。

ところで、センターコーン２の先端１０を先頭として前進させる方向への移動が完了し、拡管が完了した後、センターコーン２の位置を拡管完了時の位置のままで、回転駆動を停止すると、金属円筒１０を遊星ロール４が拡管する応力がかかったままで、金属円筒１０と遊星ロール４の相互間の周方向位置移動が停止することがある。この場合、停止中に金属円筒１０は遊星ロール４による張力で変形し、遊星ロール４の存在位置を頂点とする多角形形状に変形する可能性がある。そこで本発明においては、センターコーン２の先端１０を先頭として前進させる方向への移動が完了した後、センターコーン２を逆方向に移動させ、そこで回転駆動を停止すると好ましい。これにより、金属円筒１０と遊星ロール４間の張力が解除された後に回転が停止するので、金属円筒１０が多角形になることを防止することができる。

図３に示す例では、金属円筒１０に対してセンターコーン２を軸方向に移動させるに際し、金属円筒１０を軸方向に固定し、センターコーン２を軸方向に移動させた。これに対し、センターコーン２を軸方向に固定し、金属円筒１０を軸方向に移動させることとしてもよい。

図１、３に示す例では、金属円筒１０に対してセンターコーン２を軸方向に移動させるに際し、センターコーン２と遊星ロール群５が軸方向に相互に位置変化しない形態であった。そのため、拡管進行時に金属円筒１０に対してセンターコーン２が移動するのに伴い、遊星ロール４も金属円筒１０により深く挿入する方向で移動する。この移動の際、遊星ロール４は金属円筒１０に対し、遊星ロール４の進行方向に向く圧縮応力を付与することになる。この応力が強すぎると、拡管の途中で金属円筒１０が軸方向につぶれる座屈を生じることになる。本発明においては、金属円筒１０と遊星ロール４との間の相対回転速度が大きいほど、金属円筒１０にかかる軸方向の圧縮応力が小さくなり、座屈の発生を防止することができる。

ところで、金属円筒１０は金属板をまるめて継ぎ目部を溶接することによって製造される。そのため、金属円筒１０には、図９（ｄ）に示すように、円周方向に１箇所、軸方向に向かう溶接部１１を有している。通常、溶接にはマッシュルーム溶接が用いられ、溶接部１１の厚さが金属板母材部の厚さとできるかぎり異ならない厚さとなるように形成されるが、それでも溶接部１１の厚さは母材部の厚さよりも厚くなっている。そして、拡管中において金属円筒１０と遊星ロール４とが相対回転速度を持って運動するに際し、遊星ロール４が繰り返し溶接部１１を通過するので、遊星ロール通過回数が多すぎると、溶接部１１が疲労破壊して溶接部１１に亀裂が発生することになる。本発明においては、金属円筒１０と遊星ロール４との間の相対回転速度を過度に大きくしないことによって、溶接部１１の疲労破壊を防止することができる。金属円筒１０と遊星ロール４との間の相対回転速度が２５ｒｐｍ以下であれば、溶接部の疲労破壊を少なくして拡管を行うことができる。なお、金属円筒１０を固定し、センターコーン２を回転させた場合、金属円筒１０と遊星ロール４との間の相対回転速度が２５５ｐｍのとき、センターコーン２の回転速度は５０ｒｐｍとなる。金属円筒１０と遊星ロール４との間の好ましい相対回転速度は１０ｒｐｍ程度である。

本発明において、図４に示すように、遊星ロール群５に対してセンターコーン２が軸方向に移動する形態を採用することができる。遊星ロール群５に対してセンターコーン２を軸方向に移動させるので、遊星ロール群５とセンターコーン２の間は軸方向の位置変化が発生する。センターコーン２は外形が軸方向に変化する円錐状であり、各遊星ロール４の外周がセンターコーン２の外周と接触するように配置されているので、遊星ロール群５とセンターコーン２の間の軸方向位置変化に伴い、各遊星ロール４はセンターコーン中心軸から半径方向に移動可能であることが必要である。図４に示す例では、遊星ロール４はその両端に配置した遊星ロール支持板６の軸受９によって支持される。そして、遊星ロール４の軸受９は、遊星ロール支持板６に移動可能に支持されており、移動方向はセンターコーン中心軸から放射状の方向である。図４に示す例では、遊星ロールの両端に配置された２つの遊星ロール支持板は、相互に支持柱８によって結合されている。支持柱を設けず、先端側（図４の左側）の遊星ロール支持板９を遊星ロールの軸受９及びセンターコーン軸３によってのみ支持するタイプとしても良い。図４（ａ）はセンターコーン２が拡管開始前の位置に配置され、遊星ロール４は最も軸芯に近い位置に配置されている。図４（ｂ）はセンターコーン２が拡管終了時の位置に配置され、遊星ロール４は軸芯から最も遠い位置に配置されている。

また図４に示す構造の応用形として、図５に示すように、先端側の遊星ロール支持板を用いない形状とすることもできる。図５に示す例では、先端２０側において、遊星ロールの軸受９を束ねるように弾性リング１５を設けている。遊星ロール支持板６を有する側についても、遊星ロールの軸受９を束ねるように弾性リング１５を設けた。これにより、遊星ロール４はセンターコーン２に押し付けられるようにして位置を維持することができる。図５に示す構造の場合、支持柱８を必要としないので、支持柱を有する場合に比較して遊星ロールの数を増大させることが可能となる。

上記の装置及びこれを用いた方法においては、金属円筒１０に対してセンターコーン２を軸方向に移動させるに際し、金属円筒１０と遊星ロール群５が軸方向に相互に位置変化しない形態とすることができる。金属円筒１０、遊星ロール群５、センターコーン２の３者の軸方向の相対運動について、金属円筒１０と遊星ロール群５は相互に位置が変化せず、センターコーン２が、金属円筒１０と遊星ロール群５に対して軸方向に相対移動するのである。金属円筒１０と遊星ロール群５が相互に位置変化しないので、テーパー形状に拡管するに際し、金属円筒１０に軸方向の圧縮応力がかからず、従って圧縮応力に伴う座屈の発生を防止することができる。

拡管開始時において、図６（ａ）に示すように、金属円筒１０が遊星ロール群５の外側に配置され、センターコーン２はその大部分あるいは全部が金属円筒１０の一方の端部の外側に配置されている。遊星ロール４の外周がセンターコーン２の外周に接し、遊星ロール群５における遊星ロール４の半径方向配置位置は最も中心軸に近い位置となっている。拡管を開始すると、センターコーン２はセンターコーン回転方向２１に回転し、センターコーン２が徐々に金属円筒１０の内部に挿入するように移動方向２２に移動し、それに伴って遊星ロール４の半径方向配置位置は中心軸から半径方向に外方に広がっていく。金属円筒１０は、拡管開始時には一方の端部のみで遊星ロール４に接しており、拡管の進行に伴って遊星ロール４が外方に広がるに従い、拡管される。図６（ｂ）に示すように、センターコーン２が金属円筒１０の内部に最も深く挿入されたところで拡管が終了する。図６（ｂ）においては、拡管開始時のセンターコーン２ａと遊星ロール４ａを２点鎖線で示し、拡管終了時のセンターコーン２ｂと遊星ロール４ｂを実線で示している。

本実施の形態においても、センターコーン２の先端を先頭として前進させる方向への移動が完了した後、センターコーン２を逆方向に移動させ、そこで回転駆動を停止すると好ましい。これにより、金属円筒１０と遊星ロール４間の張力が解除された後に回転が停止するので、金属円筒１０が多角形になることを防止することができる。

前述の図３に示す実施の形態では、金属円筒１０と遊星ロール群５との間の相対的回転速度が遅すぎると、拡管中に金属円筒が座屈する恐れがあった。それに対し図６に示す実施の形態では、金属円筒１０と遊星ロール群５とは軸方向の相対速度を持たないので、拡管中に金属円筒１０が座屈する恐れがない。従って、図３に示す実施の形態と比較し、金属円筒１０と遊星ロール群５との間の相対的回転速度をより一層低減することができる。

図４〜６に示す例では、保持具７に保持された金属円筒１０が非回転（固定）、遊星ロール群５が自由回転、センターコーン２が回転駆動となっている。いずれを非回転、自由回転、回転駆動とするかについては、必要に応じて選択することができる。

図７に示す例では、金属円筒１０を自由回転、遊星ロール群５を非回転、センターコーン２を回転駆動としている。遊星ロール群５を固定しておく。センターコーン２をセンターコーン回転方向２１に回転させつつ移動方向２２に移動を開始すると、保持具７に保持された金属円筒１０が金属円筒回転方向２３に回転しつつ拡管される。金属円筒１０は自由回転なので、金属円筒１０を保持する保持具７はなくてもよい。

図１、４、５に示す例はいずれも、センターコーン２を一体型として形成していた。それに対し、図８に示すように、センターコーン２を軸方向に複数に分割して形成することもできる。この場合、複数に分割したセンターコーンをセンターコーン軸に取り付け、いずれか１個のセンターコーンのみをセンターコーン軸３に回転方向に拘束させて拘束センターコーン２ａと呼び、残りのセンターコーンについてはセンターコーン軸３に対して回転自由に配置して非拘束センターコーン２ｂとすると好ましい。例えば、金属円筒１０を非回転（固定）、遊星ロール群５を自由回転、センターコーン２を回転駆動としたとき、センターコーン軸３を回転駆動するとそれに伴って拘束センターコーン２ａのみが回転駆動される。遊星ロール５は拘束センターコーン２ａの回転に伴い、前記（１）式を満たすようにセンターコーン中心軸周りに回転する。このとき、拘束センターコーン２ａ以外の非拘束センターコーン２ｂはセンターコーン軸３に拘束されていないので、非拘束センターコーン２ｂの回転速度は拘束センターコーン２ａの回転速度と異なってもよい。その結果、前記（２）式を満たす必要がなくなるので、遊星ロール４の直径は、前記（３）式を満たす必要がなくなる。即ち、遊星ロール４の軸方向半径変化の形態については、自由に選択できることとなる。図８に示すように、遊星ロール４の半径を軸方向で変化させず、円筒形の遊星ロールとすることも可能となる。各センターコーンの金属円筒と接する面については、円錐形状としてもよいが、軸方向に湾曲した形状としてもよい。

（実施例１）
拡管前の金属円筒１０の直径が８０ｍｍ、長さが８０ｍｍであり、この金属円筒１０を拡管してテーパー角度が１５．５°の円錐形状とするに際し、本発明を適用した。

拡管治具１として図１に示すものを用いた。遊星ロール４の数は１５、センターコーン２として一体のものを用い、センターコーン２のテーパー角度ψcが１２．３３°、遊星ロール４のテーパー角度が１．６°である。センターコーン２、遊星ロール４の長さは約７０ｍｍである。拡管に際しては保持具７で金属円筒１０を保持し、保持具７で保持した金属円筒１０が非回転、遊星ロール群５が自由回転、センターコーン２を回転駆動とした。センターコーン軸３が回転駆動装置３０に接続されている。遊星ロール群５の外周側外径（直径）は、図２に示すセンターコーン先端側の部位Ａで８０ｍｍ、部位Ａから７０ｍｍ離れた部位Ｂで９９．１ｍｍである。

金属円筒１０として、材質を表１に示すように５種類選択した。それぞれの材質で板厚を０．１８ｍｍから０．２７ｍｍまで１０種類準備した。これらの金属板を丸めて継目部をマッシュルーム溶接して溶接部１１とし、直径が８０ｍｍ、長さが８０ｍｍの金属円筒とした（図９（ｄ））。

拡管前の金属円筒１０を保持具７に保持し、図１に示す拡管治具１を用いて拡管を行った。センターコーン２の回転速度を２０ｒｐｍとし、保持具７を固定してセンターコーン２を送り速度４〜５ｍｍ／ｓｅｃで金属円筒内に挿入し、拡管を行った。金属円筒１０（非回転）に対する遊星ロール群５の相対回転速度は１０ｒｐｍとなる。拡管中、溶接部１１に亀裂が発生したらそこで拡管を終了した。拡管治具１を挿入した側の管端において、破断が発生するまでの金属円筒の直径拡大率を最大拡管率とし、％で表示した。材質別、板厚別の最大拡管率（％）を表２に示す。

次に、表１に示す材質のうちでＴ−２・１／２を用い、板厚を０．２ｍｍとし、センターコーン２の回転速度を２０〜４１７ｒｐｍの範囲で変化させ、保持具７を固定してセンターコーン２を送り速度１０〜１５ｍｍ／ｓｅｃで金属円筒内に挿入し、拡管を行った。これ以外の条件は上記表２の場合と同様である。結果を表３に示す。センターコーンの回転速度２０〜１０２ｒｐｍの範囲において、最大拡管率２０％以上の良好な拡管結果を得ることができた。

いずれの材質、板厚についても、金属円筒が座屈することはなかった。拡管後の品質は、断面形状が多角形ではなく真円であり、内面に擦り傷は発生していなかった。

図１０（ａ）に示す従来のエキスパンド方式を用いた場合、材質Ｔ−２・１／２について上記実施例と同様の加工を行おうとすると、板厚板厚０．２ｍｍ程度において最大拡管率はせいぜい７％程度である。それに対し、本発明の加工可能範囲が広がっていることが明らかである。

（実施例２）
実施例１と同様に金属円筒を拡管するに際し、拡管治具１として図５に示すものを用いた。遊星ロール４は数が１５であり、その長さが約１４０ｍｍと長い。拡管に際し、センターコーン２は軸方向に移動するが、遊星ロール群５は軸方向に移動しない。それ以外の諸元については、上記実施例１と同様である。

金属円筒１０として、材質が実施例１におけるＴ−２・１／２であり、板厚０．２ｍｍのものを用いた。センターコーン２の回転速度を１０ｒｐｍ、遊星ロール群５に対するセンターコーン２の送り速度を１００ｍｍ／秒として拡管を行った。その結果、最大拡管率は２３％であった。拡管後の品質は、断面形状が多角形ではなく真円であり、内面に擦り傷は発生していなかった。

本発明の拡管治具の一例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ矢視断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ矢視断面図、（ｄ）はＤ−Ｄ矢視断面図である。 本発明の拡管治具の形状及び運動を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）（ｃ）は断面図ある。 本発明の拡管装置の一例を用いて拡管する状況を示す図であり、（ａ）は拡管開始時、（ｂ）は拡管途中、（ｃ）は拡管終了時を示す図である。 本発明の拡管治具の一例を示す図であり、（ａ）は拡管開始時、（ｂ）は拡管終了時を示す図である。 本発明の拡管治具の一例を示す図であり、（ａ）は拡管開始時、（ｂ）は拡管終了時を示す図である。 本発明の拡管装置の一例を用いて拡管する状況を示す図であり、（ａ）は拡管開始時、（ｂ）は拡管終了時を示す図である。 本発明の拡管装置の一例を用いて拡管する状況を示す図である。 本発明の拡管装置の一例を示す図である。 金属円筒の拡管状況のうち、（ａ）は拡管前、（ｂ）は拡管中、（ｃ）は拡管終了時を示す図であり、（ｄ）は金属円筒を示す図である。 従来のエキスパンド方式による拡管方法を示す部分図であり、（ａ）はセグメントの円弧面半径が拡管後の金属円筒半径に等しい場合、（ｂ）はセグメントの円弧面半径が拡管前の金属円筒半径に等しい場合である。

符号の説明

１ 拡管治具
２ センターコーン
３ センターコーン軸
４ 遊星ロール
５ 遊星ロール群
６ 遊星ロール支持板
７ 保持具
８ 支持柱
９ 軸受
１０ 金属円筒
１１ 溶接部
１５ 弾性リング
２０ 先端
２１ センターコーン回転方向
２２ 移動方向
２３ 金属円筒回転方向
３０ 回転駆動装置
４０ セグメント
４１ 円弧面
４２ セグメントコーナー接触部
４３ セグメント中央接触部
４４ ひとつのセグメントの両縁部の間の部分
４５ 隣り合うセグメントの縁部の間の部分

Claims (8)

1. 金属円筒を拡管する拡管装置は拡管治具を有し、
   拡管治具は、センターコーンとその外周に配置された遊星ロール群とを有し、
   センターコーンは、外径がセンターコーンの軸方向に変化する円錐状であり、センターコーンは軸方向に一体又は複数に分割され、センターコーンの外径が小さい側の端部を先端と称し、
   遊星ロール群は、センターコーンの外周を取り巻くように複数配置された遊星ロールを有し、各遊星ロールがセンターコーン周りに回転するに際しては連動して回転し、各遊星ロールの外周が金属円筒の内周及びセンターコーンの外周と接触するように配置され、遊星ロール群が金属円筒と接する面は、その外径が軸方向に変化する円錐状であり、
   金属円筒とセンターコーンとの間に、センターコーン中心軸まわりの回転速度の差を設けつつ金属円筒に対してセンターコーンを軸方向に移動させ、移動方向はセンターコーンの先端を先頭として前進させる方向であることを特徴とする、拡管装置。
2. 金属円筒に対してセンターコーンを軸方向に移動させるに際し、センターコーンと遊星ロール群が軸方向に相互に位置変化しないことを特徴とする請求項１に記載の拡管装置。
3. 金属円筒に対してセンターコーンを軸方向に移動させるに際し、センターコーンと遊星ロール群が軸方向に相互に位置変化し、各遊星ロールはセンターコーン中心軸から半径方向に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の拡管装置。
4. さらに金属円筒を保持する保持具を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の拡管装置。
5. 金属円筒が遊星ロールに接した後は、保持具による金属円筒の保持を解除できることを特徴とする請求項４に記載の拡管装置。
6. 拡管治具を用い、金属円筒を拡管する拡管方法であって、
   拡管治具は、センターコーンとその外周に配置された遊星ロール群とを有し、
   センターコーンは、外径が軸方向に変化する円錐状であり、センターコーンは軸方向に一体又は複数に分割され、センターコーンの外径が小さい側の端部を先端と称し、
   遊星ロール群は、センターコーンの外周を取り巻くように複数配置された遊星ロールを有し、各遊星ロールがセンターコーンと同芯に回転するに際しては連動して回転し、各遊星ロールの外周がセンターコーンの外周と接触するように配置され、遊星ロール群が金属円筒と接する面は、その外径が軸方向に変化する円錐状であり、
   金属円筒の内周を遊星ロールの外周に接触させ、金属円筒とセンターコーンとの間に回転速度の差を設けつつ金属円筒に対してセンターコーンを軸方向に移動させ、移動方向はセンターコーンの先端を先頭として前進させる方向であることを特徴とする、拡管方法。
7. 金属円筒に対してセンターコーンを軸方向に移動させるに際し、センターコーンと遊星ロール群が軸方向に相互に位置変化しないことを特徴とする請求項６に記載の拡管方法。
8. 金属円筒に対してセンターコーンを軸方向に移動させるに際し、センターコーンと遊星ロール群が軸方向に相互に位置変化し、各遊星ロールはセンターコーン中心軸から半径方向に移動可能であることを特徴とする請求項６に記載の拡管方法。

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