JP2010051974A - パイプと被接合部材との接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パイプと被接合部材との接合強度を向上させうるパイプと被接合部材との接合方法を提供する。
【解決手段】接合方法は、被接合部材15の挿通孔16内にパイプ11を挿通し、その後、パイプ11の中空部13内に配置されたダイ21の各ダイセグメント21aでパイプ11の挿通孔16内への挿通部分12aをパイプの半径外方向に押圧することにより、パイプ11の挿通部分12aをエキスパンド加工し、これによりパイプ11に被接合部材15を接合する方法である。被接合部材11の挿通孔16の内周面17に係合溝部18が設けられている。エキスパンド加工の途中において、被接合部材15の係合溝部18の両側部分19,19をパイプ11を介してダイセグメント21aでパイプ11の半径外方向に押圧することにより弾性的に拡開された係合溝部18に、パイプ11の係合溝部対応部分14を押し込む。
【選択図】図３Ｂ

Description

本発明は、パイプと被接合部材（例：ブラケットやフランジ）との接合方法及び接合装置に関する。

被接合部材に設けられた挿通孔内にパイプを挿通し、その後、パイプの挿通孔内への挿通部分をエキスパンド加工（拡管加工）することにより、パイプに被接合部材を接合する方法は、従来より知られている。この接合方法よってパイプに被接合部材が接合された接合構造体が製作される。

この接合方法において、接合構造体のスリップトルクを向上させる方法として次の方法が知られている。すなわち、被接合部材の挿通孔の内周面に、軸方向に延びた係合溝部を予め設けておき、この係合溝部にパイプの係合溝部対応部分を押し込むようにパイプの挿通部分をエキスパンド加工する。これによりスリップトルクが向上する。

エキスパンド加工方法としては、電磁成形による拡管方法や、あるいは圧力媒体（液体、気体、ゴム等）による拡管方法が知られており（例えば特許文献１参照）、さらに、エキスパンド加工用ダイを用いた拡管方法も知られている（例えば特許文献２〜４参照）。ダイとしては、周方向に複数個のダイセグメントに分割されたものが用いられている。
特開平７−１１６７５１号公報 特開平１−１２５５０６号公報 特開平２０００−３２６０２８号公報 特開平７−２２６０３０号公報

而して、電磁成形による拡管方法あるいは圧力媒体による拡管方法には幾つかの欠点があった。この欠点について図１４Ａ〜１４Ｃを参照して説明すると次のとおりである。

これらの図において、１１５は被接合部材であり、１１１は断面円形状のパイプである。図１４Ｂ及び１４Ｃに示すように、被接合部材１１５は挿通孔１１６を有するとともに、挿通孔１１６の内周面１１７には軸方向に延びた複数個の係合溝部１１８が形成されている。また図１４Ａに示すように、被接合部材１１５の挿通孔１１６の周縁部には、挿通孔１１６を包囲する態様にして短円筒状の座部１１５ａが一体形成されている。そして、図１４Ａ及び１４Ｂに示すように、パイプ１１１が被接合部材１１５の挿通孔１１６内に挿通されており、更にこの状態で、パイプ１１１の挿通孔１１６内への挿通部分１１２ａが、パイプ１１１の中空部１１３内に充填された圧力媒体１３０によってパイプ１１１の半径外方向に加圧されることで、パイプ１１１の挿通部分１１２ａがエキスパンド加工され、これによりパイプ１１１に被接合部材１１５が接合され、もって接合構造体Ｓ２が製作される。この接合方法では、図１４Ｃに示すように、パイプ１１１が被接合部材１１５の係合溝部１１８の両エッジ部１１８ｄ、１１８ｄで剪断変形してその肉厚が局部的に薄くなるため、パイプ１１１に対する被接合部材１１５のねじり強度（スリップトルク）が低下するという欠点があった。さらに、この接合方法では、図１４Ａに示すように、パイプ１１１におけるエキスパンド加工をしない部分を、エキスパンド加工されないように拘束治具１２０で拘束する必要があり、そのため、拘束治具１２０などについてコストが高くつくという欠点があった。

また一般に、パイプと被接合部材との接合強度について高い強度が必要とされる。しかしながら、従来の接合方法では、パイプと被接合部材との接合強度が不足する場合があった。

本発明は、上述した技術背景に鑑みてなされたもので、その目的は、パイプと被接合部材との接合強度を向上させることができるパイプと被接合部材との接合方法及び接合装置を提供することにある。

本発明は以下の手段を提供する。

［１］ 周方向に複数個のダイセグメントに分割されたエキスパンド加工用ダイを用い、
被接合部材に設けられた挿通孔内にパイプが挿通された状態で、前記パイプの中空部内に配置された前記ダイの各ダイセグメントで前記パイプの挿通孔内への挿通部分を前記パイプの半径外方向に押圧することにより、前記パイプの前記挿通部分をエキスパンド加工し、これにより前記パイプに前記被接合部材を接合する、パイプと被接合部材との接合方法であって、
被接合部材の挿通孔の内周面には、係合溝部が設けられており、
パイプの挿通部分をエキスパンド加工する途中において、被接合部材の係合溝部の両側部分をパイプを介してダイセグメントでパイプの半径外方向に押圧することにより弾性的に拡開された係合溝部に、パイプの係合溝部対応部分を押し込むことを特徴とするパイプと被接合部材との接合方法。

［２］ パイプの係合溝部対応部分をダイセグメントに設けられた押込み凸部でパイプの半径外方向に押圧して係合溝部に押し込む前項１記載のパイプと被接合部材との接合方法。

［３］ パイプの係合溝部対応部分が係合溝部の底面に当接する前に、被接合部材の係合溝部の両側部分をそれぞれパイプを介してダイセグメントに設けられた押圧凸部でパイプの半径外方向に押圧することにより係合溝部を拡開させる前項１又は２記載のパイプと被接合部材との接合方法。

［４］ パイプの係合溝部対応部分が係合溝部の底面に当接する前に、被接合部材の係合溝部の両側部分をそれぞれパイプを介してダイセグメントに設けられた押圧凸部でパイプの半径外方向に押圧することにより係合溝部を弾性的に拡開させるとともに、
パイプの係合溝部対応部分をダイセグメントに設けられた押込み凸部でパイプの半径外方向に押圧して係合溝部に押し込み、
パイプの肉厚をｔ、
係合溝部の幅をｂ１、
押込み凸部の幅をｂ２とするとき、
ｂ１とｂ２が次式（１）を満足している前項１記載のパイプと被接合部材との接合方法。
０．８ｂ１−２ｔ≦ｂ２≦１．５ｂ１−２ｔ …（１）

［５］ 係合溝部の深さをｈ１、
押込み凸部の突出高さをｈ２、
押圧凸部の突出高さをｈ３とするとき、
ｈ１とｈ２とｈ３が次式（２）及び（３）を満足している前項４記載のパイプと被接合部材との接合方法。
ｈ１≦ｈ２＋ｔ …（２）
ｈ３≦ｈ２ …（３）

［６］ 係合溝部は、軸方向に延びたものである前項１〜５のいずれかに記載のパイプと被接合部材との接合方法。

［７］ 周方向に複数個のダイセグメントに分割されたエキスパンド加工用ダイを備え、
被接合部材に設けられた挿通孔内にパイプが挿通された状態で、前記パイプの中空部内に配置された前記ダイの各ダイセグメントで前記パイプの挿通孔内への挿通部分を前記パイプの半径外方向に押圧することにより、前記パイプの前記挿通部分をエキスパンド加工し、これにより前記パイプに前記被接合部材を接合する、パイプと被接合部材との接合装置であって、
被接合部材の挿通孔の内周面には、係合溝部が設けられており、
被接合部材の係合溝部の両側部分をパイプを介してダイセグメントでパイプの半径外方向に押圧することにより弾性的に拡開された係合溝部に、パイプの係合溝部対応部分を押し込むように、パイプの挿通部分をエキスパンド加工するものとなされていることを特徴とするパイプと被接合部材との接合装置。

［８］ ダイセグメントは、パイプの係合溝部対応部分を押圧して係合溝部に押し込む押込み凸部を有している前項７記載のパイプと被接合部材との接合装置。

［９］ ダイセグメントは、パイプの係合溝部対応部分が係合溝部の底面に当接する前に、被接合部材の係合溝部の両側部分をそれぞれパイプを介してパイプの半径外方向に押圧することにより係合溝部を弾性的に拡開させる押圧凸部を有している前項７又は８記載のパイプと被接合部材との接合装置。

［１０］ ダイセグメントは、パイプの係合溝部対応部分を押圧して係合溝部に押し込む押込み凸部と、パイプの係合溝部対応部分が係合溝部の底面に当接する前に、被接合部材の係合溝部の両側部分をパイプを介してパイプの半径外方向に押圧することにより係合溝部を弾性的に拡開させる押圧凸部と、を有しており、
パイプの肉厚をｔ、
係合溝部の幅をｂ１、
押込み凸部の幅をｂ２とするとき、
ｂ１とｂ２が次式（１）を満足している前項７記載のパイプと被接合部材との接合装置。
０．８ｂ１−２ｔ≦ｂ２≦１．５ｂ１−２ｔ …（１）

［１１］ 係合溝部の深さをｈ１、
押込み凸部の突出高さをｈ２、
押圧凸部の突出高さをｈ３とするとき、
ｈ１とｈ２とｈ３が次式（２）及び（３）を満足している前項１０記載のパイプと被接合部材との接合装置。
ｈ１≦ｈ２＋ｔ …（２）
ｈ３≦ｈ２ …（３）

［１２］ 係合溝部は、軸方向に延びたものである前項７〜１１のいずれかに記載のパイプと被接合部材との接合装置。

本発明は以下の効果を奏する。

なお本明細書では、パイプに被接合部材が接合された状態において、パイプの周方向の荷重に対するパイプと被接合部材との接合強度を「ねじり強度」といい、パイプの軸方向の荷重に対するパイプと被接合部材との接合強度を「抜け強度」という。

［１］の発明では、パイプの挿通部分をエキスパンド加工する途中において、弾性的に拡開された係合溝部にパイプの係合溝部対応部分を押し込むことにより、係合溝部にパイプの係合溝部対応部分が係合される。これにより、パイプと被接合部材との接合強度が向上する。そして、エキスパンド加工を終了するためにパイプの挿通部分を各ダイセグメントで押圧するのをやめると、係合溝部がその弾性復元力によって元の形状に戻り、これに伴い、係合溝部に押し込まれたパイプの係合溝部対応部分が係合溝部の両内側面の間で挟着保持される。これにより、パイプと被接合部材との接合強度を更に向上させることができる。

［２］の発明では、パイプの係合溝部対応部分を係合溝部に確実に押し込むことができる。

［３］の発明では、係合溝部を確実に拡開させることができる。

［４］の発明では、上記［２］及び［３］の発明の効果を奏するし、さらに、係合溝部に押し込まれたパイプの係合溝部対応部分が係合溝部の両内側面の間で確実に挟着保持される。これにより、パイプと被接合部材との接合強度を確実に向上させることができる。

［５］の発明では、パイプの係合溝部対応部分を係合溝部に更に確実に押し込むことができるし、係合溝部を更に確実に拡開させることができる。

［６］の発明では、係合溝部が軸方向に延びたものであることから、この係合溝部にパイプの係合溝部対応部分を押し込むことにより、この係合溝部にパイプの係合溝部対応部位が周方向に係合される。これにより、パイプと被接合部材との接合強度として特にねじり強度（スリップトルク）を向上させることができる。

［７］〜［１２］の発明では、それぞれ上記［１］〜［６］の発明に好適に用いられるパイプと被接合部材との接合装置を提供することができる。

次に、本発明の一実施形態について図面を参照して以下に説明する。

図１Ａ〜５は、本発明の実施形態を説明する図である。図１Ａにおいて、２０は本実施形態に係るパイプと被接合部材との接合装置である。

図１Ａ〜１Ｃに示すように、パイプ１１は真直な丸パイプであり、したがってパイプ１１の断面形状は円形状である。パイプ１１は弾性変形及び塑性変形可能な材料からなり、例えば金属からなり、詳述すると例えばアルミニウム（その合金を含む。以下同じ）やマグネシウム合金からなる。さらに、パイプ１１は押出材からなり、例えば金属押出材からなり、詳述すると例えばアルミニウム押出材やマグネシウム合金押出材からなる。Ｚはパイプ１１の中心軸である。

パイプ１１の長さは例えば５０〜２０００ｍｍの範囲内に設定されており、その外径は例えば２０〜１００ｍｍの範囲内に設定されており、その肉厚ｔは例えば０．５〜５ｍｍの範囲内に設定されている。ただし本発明では、パイプ１１の各寸法は上記の範囲内であることに限定されるものではない。

被接合部材１５は、例えば、他の部材に取り付けられるフランジやブラケットとして用いられるか、あるいはカムローブとして用いられるものである。ただし本発明では、被接合部材１５は、フランジ、ブラケット又はカムローブであることに限定されるものではなく、その他の部材であっても良い。

被接合部材１５は、弾性変形可能な材料からなり、例えば金属からなり、詳述するとアルミニウムやマグネシウム合金からなる。被接合部材１５は板状であり、詳述すると円環板状である。被接合部材１５の中央部には、パイプ１１が挿通される挿通孔１６が設けられている。この挿通孔１６の断面形状は、パイプ１１の断面形状に対応した形状であり、即ち円形状である。

さらに、被接合部材１５の挿通孔１６の周縁部には、挿通孔１６を包囲する態様にして短円筒状の座部１５ａがパイプ１１の軸方向の片側に突出して一体形成されている。この座部１５ａは、被接合部材１５の挿通孔１６の周縁部をその全周に亘って短円筒状にプレス曲げ加工することにより、形成されたものである。

被接合部材１５の挿通孔１６の直径は、パイプ１１の外径よりも例えば０．１〜１ｍｍ程度大きく設定されている。したがって、図１Ｃに示すように、被接合部材１５の挿通孔１６内にパイプ１１が挿通された状態では、被接合部材１５の挿通孔１６の内周面１７とパイプ１１の外周面１１ａとの間に、挿通孔１６の直径とパイプ１１の外径との寸法差に対応した小さな隙間が形成される。被接合部材１５の肉厚は例えば１〜２０ｍｍの範囲内に設定されている。ただし本発明では、被接合部材１５の各寸法は上記の範囲内であることに限定されるものではない。

さらに、被接合部材１５の挿通孔１６の内周面１７には、挿通孔１６の軸方向に延びた複数個の係合溝部１８がその周方向に等間隔に形成されている。係合溝部１８の個数は例えば８個である。図１Ｃに示すように、係合溝部１８の断面形状は方形状であり、更に、係合溝部１８の底面１８ａは挿通孔１６の半径方向に対して垂直な平坦面に形成されている。

図４Ａ〜４Ｃに示すように、本実施形態の接合構造体Ｓ１は、被接合部材１５の挿通孔１６内にパイプ１１が挿通された状態で、パイプ１１の挿通孔１６内への挿通部分１２ａとその軸方向両側近傍部分１２ｂ、１２ｂとからなるエキスパンド加工対象部１２がエキスパンド加工（拡管加工）されることにより、パイプ１１に被接合部材１５が固定状態に接合されてなるものである。

さらに、図４Ａに示すように、このエキスパンド加工によって、パイプ１１の両近傍部分１２ｂ、１２ｂには、それぞれ外側に局部的に膨出した断面円弧状の抜止め用膨出部Ｂ１が形成されている。各膨出部Ｂ１はパイプ１１の周方向の全周に亘って形成されている。被接合部材１５は、両膨出部Ｂ１、Ｂ１間でパイプ１１の軸方向に挟まれた状態にパイプ１１に接合されており、これによりパイプ１１に対する被接合部材１５の抜け強度が向上されている。すなわち、この膨出部Ｂ１は、パイプ１１に対する被接合部材１５の抜止めを図るためのものである。さらに、パイプ１１の挿通部分１２ａにも外側に少し膨出した膨出部Ｂ２がパイプ１１の周方向の全周に亘って形成されており、この膨出部Ｂ２の外周面に被接合部材１５の挿通孔１６の内周面１７が圧接している（図４参照）。

さらに、図４Ｂ及び４Ｃに示すように、このエキスパンド加工によって、被接合部材１５の各係合溝部１８にパイプ１１の係合溝部対応部分１４が押し込まれて周方向に係合されており、これにより、パイプ１１に対する被接合部材１５のねじり強度（スリップトルク）が向上されている。さらに、係合溝部１８に押し込まれたパイプ１１の係合溝部対応部分１４は、係合溝部１８の両内側面１８ｂ、１８ｂの間で挟着保持されており、これにより、パイプ１１に対する被接合部材１５のねじり強度が更に向上されている。

なお、全ての膨出部Ｂ１、Ｂ１、Ｂ２は、エキスパンド加工によってパイプ１１のエキスパンド加工対象部１２が外側に膨出状に塑性変形されて形成されたものである。さらに、被接合部材１５は、自己の弾性復元力（スプリングバック力）によってパイプ１１の外周面１１ａに圧接固定されている。

次に、本実施形態に係る接合装置２０の構成について以下に説明する。

接合装置２０は、図１Ａ及び１Ｂに示すように、エキスパンド加工用ダイ２１、棒状のマンドレル２８などを備えている。

マンドレル２８は、工具鋼や超硬合金製の楔部２８ａを有している。この楔部２８ａはマンドレル２８の先端部に先細り状に形成されている。楔部２８ａは、円錐状又は多角錐状であり、詳述すると正八角錐状である。したがって、楔部２８ａの断面形状は八角形状である（図１Ｂ参照）。

また、マンドレル２８の基端部には、該マンドレル２８をその軸方向に押圧移動又は牽引移動させるマンドレル駆動手段（図示せず）が接続されている。本実施形態では、マンドレル駆動手段は、マンドレル２８をその軸方向に押圧移動させるものである。この駆動手段として、例えば、油圧シリンダ等の流体圧シリンダが用いられている。

ダイ２１は、パイプ１１よりも高い強度を有しており、例えば工具鋼や超硬合金製である。

ダイ２１の断面形状は、図１Ｂに示すように、パイプ１１の中空部１３の断面形状に対応した形状であり、即ち円形状である。詳述すると、ダイ２１は略円柱状に形成されている。

ダイ２１の中心部には、マンドレル２８の楔部２８ａに対応する楔孔部２４がダイ２１の中心軸Ｑと同軸に且つダイ２１の軸方向に貫通して設けられている。この楔孔部２４の形状は、マンドレル２８の楔部２８ａに対応する形状であり、即ち八角錐状であり、詳述すると正八角錐状である。また、楔孔部２４の断面形状は、マンドレル２８の楔部２８ａの断面形状に対応した形状であり、即ち八角形状であり、詳述すると正八角形状である。

さらに、図１Ｂに示すように、このダイ２１は、その中心軸Ｑを中心に周方向に複数個のダイセグメント２１ａに均等に分割されており、すなわち楔孔部２８ａを中心に周方向に複数個のダイセグメント２１ａに均等に分割されている。本実施形態では、ダイ２１の分割数は８個である。したがって、このダイ２１は、互いに同形同寸の８個のダイセグメント２１ａが互いに組み合わされて構成されたものである。

ダイセグメント２１ａは、パイプ１１の中空部１３内に配置された状態でパイプ１１のエキスパンド加工対象部１２をパイプ１１の半径外方向に押圧して局部的に膨出させるものである。

各ダイセグメント２１ａは、図１Ｃに示すように、ダイ２１の軸方向に延びた１個の押込み凸部２５と、押込み凸部２５の両側に配置されるとともに軸方向に延びた２個の押圧凸部２６、２６とを有している。

押込み凸部２５は、パイプ１１の係合溝部対応部分１４を押圧して係合溝部１８に押し込むためのものである。この押込み凸部２５の断面形状は、係合溝部１８の断面形状に対応した形状であり、即ち方形状である。そして、この押込み凸部２５は、ダイセグメント２１ａの外面２３における周方向中間部に、ダイ２１の軸方向に延びるとともにパイプ１１の半径外方向（即ちダイ２１の半径外方向）に局部的に突出して一体形成されている。なお本明細書では、ダイセグメント２１ａの外面２３とは、ダイセグメント２１ａのパイプ１１側に向いた面を意味する。

２個の押圧凸部２６、２６は互いに同形同寸である。両押圧凸部２６、２６は、パイプ１１の係合溝部対応部分１４が係合溝部１８の底面１８ａに当接する前に、被接合部材１５の係合溝部１８の両側部分１９、１９をパイプ１１を介してパイプ１１の半径外方向に押圧することにより係合溝部１８を弾性的に拡開させるためのものである（図３Ｂ参照）。押圧凸部２６の断面形状は方形状である。そして、押圧凸部２６は、ダイセグメント２１ａの外面２３における周方向両端部にそれぞれダイ２１の軸方向に延びて一体形成されている。

さらに、ダイセグメント２１ａは、図１Ａに示すように、パイプ１１の前記両近傍部分１２ｂ、１２ｂをパイプ１１の半径外方向に局部的に押圧する２個の第２押圧凸部２２、２２を有している。この第２押圧凸部２２は、パイプ１１の前記近傍部分１２ｂに抜止め用膨出部Ｂ１を形成するためのものである。この第２押圧凸部２２の断面形状は円弧状である。そして、この第２押圧凸部２２は、ダイセグメント２１ａの外面２３における軸方向両端部に、それぞれ、周方向に延びるとともにパイプ１１の半径外方向（即ちダイ２１の半径外方向）に局部的に突出して一体形成されている。

そして、この接合装置２０は、被接合部材１５の係合溝部１８の両側部分１９、１９をパイプ１１を介してダイセグメント２１ａの両押圧凸部２６、２６でパイプ１１の半径外方向に押圧することにより弾性的に拡開された係合溝部１８に、ダイセグメント２１ａの押込み凸部２５でパイプ１１の係合溝部対応部分１４を押し込むように、パイプ１１の挿通部分１２ａをエキスパンド加工するものとなされている。

次に、この接合装置２０を用いたパイプ１１と被接合部材１５との接合方法について、以下に説明する。

まず、図１Ａ〜１Ｃに示すように、パイプ１１を被接合部材１５の挿通孔１６内に遊挿状態に挿通する。この工程を「パイプ挿通工程」という。この工程により、被接合部材１５の座部１５ａがパイプ１１の外周面１１ａに少し隙間を空けて重合される。

さらに、パイプ１１の中空部１３内における被接合部材１５に対応する位置に、ダイ２１を配置する。

その後、マンドレル２８の楔部２８ａをダイ２１の楔孔部２４内に差し込むことにより、ダイ２１の各ダイセグメント２１ａをパイプ１１の半径外方向に同時に移動させる。これにより、図３Ａ及び３Ｂに示すように、各ダイセグメント２１ａでパイプ１１の挿通部分１２ａと両近傍部分１２ｂ、１２ｂとからなるエキスパンド加工対象部１２をパイプ１１の半径外方向に押圧し、パイプ１１のエキスパンド加工対象部１２（即ち挿通部分１２ａと両近傍部分１２ｂ、１２ｂ）をエキスパンド加工する。この工程を「エキスパンド加工工程」という。この工程により、図４Ａ及び４Ｂに示すように、パイプ１１に被接合部材１５が固定状態に接合される。

このエキスパンド加工の途中では、図２Ａ及び２Ｂに示すように、まず、ダイ２１のダイセグメント２１ａが半径外方向に移動することにより、パイプ１１の係合溝部対応部分１４がダイセグメント２１ａの押込み凸部２５でパイプ１１の半径外方向に押圧されて係合溝部１８に少し押し込まれる。

引き続きダイセグメント２１ａを移動させることにより、パイプ１１の係合溝部対応部分１４が係合溝部１８の底面１８ａに当接する前に、被接合部材１５の係合溝部１８の両側部分１９、１９がパイプ１１を介してダイセグメント２１ａの両押圧凸部２６、２６で半径外方向に同時に押圧される。更に引き続きダイセグメント２１ａを移動させることにより、図３Ａ及び３Ｂに示すように、被接合部材１５の係合溝部１８が弾性的に拡開される。このように係合溝部１８が拡開されながら、当該係合溝部１８にパイプ１１の係合溝部対応部分１４が押込み凸部２５によって深く押し込まれて係合溝部１８の底面１８ａに密着する。

パイプ１１の挿通部分１２ａと両近傍部分１２ｂ、１２ｂとにそれぞれ所定の膨出量の膨出部Ｂ２、Ｂ１、Ｂ１が形成されたとき、エキスパンド加工を終了するためにマンドレル２８の楔部２８ａをダイ２１の楔孔部２４から抜出し、パイプ１１のエキスパンド加工対象部１２（即ち挿通部分１２ａと両近傍部分１２ｂ、１２ｂ）を各ダイセグメント２１ａで押圧するのをやめる。すると、図４Ａ〜４Ｃに示すように、係合溝部１８が被接合部材１５（座部１５ａ）の弾性復元力によって元の形状に戻り、これに伴い、係合溝部１８に押し込まれたパイプ１１の係合溝部対応部分１４が係合溝部１８の両内側面１８ｂ、１８ｂの間で強く挟着保持される。この状態では、パイプ１１の係合溝部対応部分１４は係合溝部１８の底面１８ａと両内側面１８ｂ、１８ｂとに強く密着しており、非常に大きな摩擦力がパイプ１１の係合溝部対応部分１４に作用している。

以上の工程を経て、本実施形態の接合構造体Ｓ１が得られる。

なお参考までに、本実施形態において被接合部材１５の係合溝部１８を弾性的に拡開する途中の状態におけるＦＥＭ解析図を図５に示す。

而して、本実施形態の接合方法には次の利点がある。

エキスパンド加工の途中で、弾性的に拡開された係合溝部１８にパイプ１１の係合溝部対応部分１４を押し込むことにより、係合溝部１８にパイプ１１の係合溝部対応部分１４が係合される。これにより、パイプ１１と被接合部材１５との接合強度が向上する。そして、エキスパンド加工を終了するためにパイプ１１のエキスパンド加工対象部１２（即ち挿通部分１２ａと両近傍部分１２ｂ、１２ｂ）を各ダイセグメント２１ａで押圧するのをやめると、係合溝部１８がその弾性復元力によって元の形状に戻り、これに伴い、係合溝部１８に押し込まれたパイプ１１の係合溝部対応部分１４が係合溝部１８の両内側面１８ｂ、１８ｂの間で挟着保持される。これにより、パイプ１１と被接合部材１５との接合強度を更に向上させることができる。

しかも、係合溝部１８は、軸方向に延びたものであるから、この係合溝部１８にパイプ１１の係合溝部対応部分１４を押し込むことにより、この係合溝部１８にパイプ１１の係合溝部対応部分１４が周方向に係合される。これにより、パイプ１１と被接合部材１５との接合強度として特にねじり強度（スリップトルク）を向上させることができる。

さらに、エキスパンド加工の途中では、パイプ１１の係合溝部対応部分１４をダイセグメント２１ａの押込み凸部２５でパイプ１１の半径外方向に押圧して係合溝部１８に押し込むので、パイプ１１の係合溝部対応部分１４を係合溝部１８に確実に押し込むことができる。

さらに、エキスパンド加工の途中では、パイプ１１の係合溝部対応部分１４が係合溝部１８の底面１８ａに当接する前に、被接合部材１５の係合溝部１８の両側部分１９、１９をパイプ１１を介してダイセグメント２１ａの両押圧凸部２６、２６でパイプ１１の半径外方向に押圧することにより係合溝部１８を弾性的に拡開させるので、係合溝部１８を確実に拡開させることができる。

また、図１４Ａ〜１４Ｃに示したように圧力媒体による拡管方法によりパイプ１１１に被接合部材１１５を接合した場合には、上述したようにパイプ１１１の肉厚が局部的に薄くなるため、パイプ１１１に対する被接合部材１１５のねじり強度が低下するという欠点があるが、一方、本実施形態の接合方法ではそのような現象は殆ど生じないので、ねじり強度をより一層向上させることができる。

而して、本実施形態の接合装置２０において、図１Ｃに示すように、パイプ１１の肉厚をｔ、係合溝部１８の幅をｂ１、押込み凸部２５の幅をｂ２、係合溝部１８の深さをｈ１、押込み凸部２５の突出高さをｈ２、押圧凸部２６の突出高さをｈ３とするとき、各寸法の一般的な範囲は以下のとおりである。ただし本発明では、各寸法は以下の範囲内であることに限定されるものではなく、パイプ１１や被接合部材１５の使用目的や用途に応じて様々に設定されうるものである。

ｔ：０．５〜５ｍｍ
ｂ１：２〜２０ｍｍ
ｂ２：１〜１９ｍｍ
ｈ１：１〜５ｍｍ
ｈ２：０．５〜４．５ｍｍ
ｈ３：０．１〜４ｍｍ

特にｂ１とｂ２は次式（１）を満足していることが望ましい。

０．８ｂ１−２ｔ≦ｂ２≦１．５ｂ１−２ｔ …（１）

上記式（１）を満足することにより、係合溝部１８に押し込まれたパイプ１１の係合溝部対応部分１４が係合溝部１８の両内側面１８ｂ、１８ｂの間で確実に挟着保持される。これにより、パイプ１１と被接合部材１５との接合強度を確実に向上させることができる。

さらに、特にｈ１とｈ２とｈ３は次式（２）及び（３）を満足していることが望ましい。

ｈ１≦ｈ２＋ｔ …（２）
ｈ３≦ｈ２ …（３）

上記式（２）及び（３）を満足することにより、パイプ１１の係合溝部対応部分１４を係合溝部１８に更に確実に押し込むことができるし、係合溝部１８を更に確実に拡開させることができる。

なお本実施形態では、押込み凸部２５の突出高さｈ２と押圧凸部２６の突出高さｈ３は、ともにダイセグメント２１ａの外面２３からの高さである。ダイセグメント２１ａの外面２３は、ダイ２１の中心軸Ｑを中心とした円周面からなる。したがって、外面２３の曲率中心軸及び曲率半径は、それぞれダイ２１の中心軸Ｑ及び半径に相当している。

而して、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々に変更可能である。その幾つかの変形例について上記実施形態と異なる点を中心に以下に説明する。

図６Ａ〜６Ｃは、上記実施形態の第１変形例を示している。この変形例では、図６Ｃに示すように、被接合部材１５の係合溝部１８の底面１８ａは、平坦面ではなく円弧面に形成されており、詳述すると挿通孔１６の中心軸を中心に円弧状に湾曲している。さらに、この係合溝部１８の底面１８ａと各内側面１８ｂ、１８ｂとの間の角部１８ｃ、１８ｃはそれぞれ丸く形成されており、こうすることにより、係合溝部１８の拡開時に当該角部１８ｃに応力が集中するのを防止することができる。

図７Ａ〜７Ｃは、上記実施形態の第２変形例を示している。この変形例では、図７Ｃに示すように、被接合部材１５の係合溝部１８の底面１８ａ及び両内側面１８ｂ、１８ｂは、互いに一つに合体した円弧面に形成されている。さらに、挿通孔１６の内周面１７と係合溝部１８の各内側面１８ｂ、１８ｂとの間の角部１８ｄ、１８ｄはそれぞれ丸く形成されている。

図８は、上記実施形態の第３変形例を示している。この変形例では、ダイ２１の分割数は４個である。ダイ２１の各ダイセグメント２１ａは、２個の押込み凸部２５、２５と３個の押圧凸部２６、２６、２６とを有している。ダイ２１の楔孔部２４の断面形状は円形状である。また、被接合部材１５の係合溝部１８の底面は、図６Ａ〜６Ｃに示した第１変形例と同様に円弧面に形成されている。

図９は、上記実施形態の第４変形例を示している。この変形例では、被接合部材１５の係合溝部１８の個数は４個である。ダイ２１の分割数、即ちそのダイセグメント２１ａの個数は８個である。８個のダイセグメント２１ａのうち、各係合溝部１８に対応して配置された４個のダイセグメント２１ａは、それぞれ１個の押込み凸部２５を有している。その他の４個のダイセグメント２１ａは、それぞれパイプ１１の半径外方向（即ちダイ２１の半径外方向）にｈ３だけ突出するように長く形成されており、したがって当該ダイセグメント２１ａの外面全体に押圧凸部２６が形成されている。この変形例では、係合溝部１８は、押込み凸部２５を有するダイセグメント２１ａの両側に配置された２個のダイセグメント２１ａ、２１ａの押圧凸部２６、２６によって係合溝部１８の両側部分が押圧されることにより、拡開される。また、係合溝部１８の底面は、図６Ａ〜６Ｃに示した第１変形例と同様に円弧面に形成されている。

図１０は、上記実施形態の第５変形例を示している。この変形例では、パイプ１１は断面四角形状の角パイプである。被接合部材１５の挿通孔１６の断面形状は、パイプ１１の断面形状に対応した形状であり、すなわち四角形状である。係合溝部１８の個数は８個である。すなわち、係合溝部１８は、被接合部材１５の挿通孔１６の内周面における４つの角部と４つの平坦部の幅方向中間部とに１個ずつ形成されている。

図１１は、上記実施形態の第６変形例を示している。この変形例では、パイプ１１は断面四角形状の角パイプである。被接合部材１５の挿通孔１６の断面形状は、パイプ１１の断面形状に対応した形状であり、すなわち四角形状である。係合溝部１８の個数は４個である。すなわち、係合溝部１８は、被接合部材１５の挿通孔１６の内周面における４つの平坦部の幅方向中間部に１個ずつ形成されている。また、８個のダイセグメント２１ａのうち、各係合溝部１８に対応して配置された４個のダイセグメント２１ａは、それぞれ、１個の押込み凸部２５と２個の押圧凸部２６、２６とを有している。一方、その他の４個のダイセグメント２１ａはいずれも押込み凸部及び押圧凸部を有していない。

図１２は、上記実施形態の第７変形例を示している。この変形例では、パイプ１１は断面四角形状の角パイプである。被接合部材１５の挿通孔１６の断面形状は、パイプ１１の断面形状に対応した形状であり、すなわち四角形状である。係合溝部１８の個数は４個である。すなわち、係合溝部１８は、被接合部材１５の挿通孔１６の内周面における４つの角部に１個ずつ形成されている。また、８個のダイセグメント２１ａのうち、各係合溝部１８に対応して配置された４個のダイセグメント２１ａは、それぞれ、１個の押込み凸部２５と２個の押圧凸部２６、２６とを有している。一方、その他の４個のダイセグメント２１ａはいずれも押込み凸部及び押圧凸部を有していない。

以上で本発明の実施形態と幾つかの変形例とを示したが、本発明はこれらに限定されるものでない。

また本発明では、係合溝部１８の個数は８個であることに限定されるものではなく、１個以上であれば良いが、係合溝部１８の個数が多ければ多いほどパイプ１１に対する被接合部材１５のねじり強度（スリップトルク）は向上するため、なるべく多い方が望ましい。一方、ダイ２１の分割数が多くなるとダイセグメント２１ａの強度・耐久性が低下するので、ダイ２１の分割数は４、６、８、１０、１２程度が妥当である。

また本発明では、係合溝部１８は、本実施形態のように被接合部材１５の挿通孔１６の内周面１７に軸方向に延びて形成されていても良いし、あるいは周方向に延びて形成されていても良い。係合溝部１８が周方向に延びたものである場合には、パイプ１１の係合溝部対応部分１４が係合溝部に軸方向に係合し、これによりパイプ１１と被接合部材１５との接合強度として特にパイプ１１に対する被接合部材１５の抜け強度が向上する。ただしこの場合、係合溝部を拡開するのに大きな押圧力が必要とされる。

また本発明では、パイプ１１は断面円形状の丸パイプであっても良いし、断面四角形、五角形、六角形などの多角形パイプであっても良いし、異形パイプであっても良い。

また本発明では、パイプ１１の材質と被接合部材１５の材質は、互いに同じであっても良いし、異なっていても良い。

また本発明では、パイプ１１のエキスパンド加工対象部１２は、少なくともパイプ１１の挿通部分１２ａを含んでいれば良く、したがってパイプ１１の挿通部分１２ａだけでも良い。

次に、本発明の具体的な実施例及び比較例を以下に示す。

＜実施例＞
図１Ａ〜５に示した上記実施形態の接合方法に従ってパイプ１１に被接合部材１５を接合して接合構造体Ｓ１を製造した。この場合の接合条件を以下に示す。この接合条件では、ｂ１とｂ２は上記式（１）を満足しており、且つ、ｈ１とｈ２とｈ３は上記式（２）及び（３）を満足している。

パイプ１１の材質：アルミニウム合金（合金番号：６Ｎ０１）
パイプ１１の外径：６４ｍｍ
パイプ１１の肉厚ｔ：２ｍｍ
被接合部材１５の材質：アルミニウム合金（合金番号：６Ｎ０１）
被接合部材１５の座部１５ａの肉厚：２０ｍｍ
被接合部材１５の挿通孔１６の直径：６５ｍｍ
係合溝部１８の幅ｂ１：１０ｍｍ
係合溝部１８の深さｈ１：３．５ｍｍ
押込み凸部２５の幅ｂ２：６ｍｍ
押込み凸部２５の突出高さｈ２：３ｍｍ
押圧凸部２６の突出高さｈ３：０．５ｍｍ

＜比較例＞
図１４Ａ〜１４Ｃに示した圧力媒体による拡管方法によりパイプ１１１に被接合部材１１５を接合して接合構造体Ｓ２を製造した。この場合に用いたパイプ１１１及び被接合部材１１５は実施例と同じである。圧力媒体としては水圧を用いた。

＜スリップトルクの評価＞
実施例の接合構造体Ｓ１と比較例の接合構造体Ｓ２とについて、それぞれスリップトルクの評価試験を行った。その試験結果を図１３に示す。同図に示すように、実施例の接合構造体Ｓ１は、比較例の接合構造体Ｓ２よりもトルクの立ち上がりが急であり、且つ、最大トルクが大きい。したがって、実施例の接合構造体Ｓ１は、比較例の接合構造体Ｓ２よりもねじり強度が高いことを確認し得た。

本発明は、例えば、自動車のバンパーステイ、ステアリングサポートビーム、ステアリングコラムホルダ、マフラ、フレーム、プロペラシャフト、サスペンションアーム、カムシャフト、その他の自動車の部品を製作する際に用いられ、あるいは、自動車以外の製品として、例えば配管材を製作する際に用いられる、パイプと被接合部材との接合方法、及び前記接合方法に用いられる接合装置に利用可能である。

図１Ａは、本発明の一実施形態に係るパイプと被接合部材との接合装置を用いてパイプの所定部位をエキスパンド加工する前の状態を示す縦断面図である。 図１Ｂは、図１Ａ中のＸ−Ｘ線横断面図である。 図１Ｃは、図１Ｂの要部拡大図である。 図２Ａは、同接合装置を用いてパイプの所定部位をエキスパンド加工する途中の状態を示す、図１Ｂに対応する横断面図である。 図２Ｂは、図２Ａの要部拡大図である。 図３Ａは、同接合装置を用いてパイプの所定部位を更にエキスパンド加工する途中の状態を示す、図１Ｂに対応する横断面図である。 図３Ｂは、図３Ａの要部拡大図である。 図４Ａは、同接合装置を用いてパイプの所定部位をエキスパンド加工した後の状態を示す縦断面図である。 図４Ｂは、図４Ａ中のＸ−Ｘ線横断面図である。 図４Ｃは、図４Ｂの要部拡大図である。 図５は、本実施形態において被接合部材の係合溝部を弾性的に拡開する途中の状態におけるＦＥＭ解析図である。 図６Ａは、上記実施形態の第１変形例に係る被接合部材の正面図である。 図６Ｂは、図６Ａ中のＸ−Ｘ線断面図である。 図６Ｃは、図６Ａ中のＹ部分の拡大図である。 図７Ａは、上記実施形態の第２変形例に係る被接合部材の正面図である。 図７Ｂは、図７Ａ中のＸ−Ｘ線断面図である。 図７Ｃは、図７Ａ中のＹ部分の拡大図である。 図８は、上記実施形態の第３変形例を説明する図であって、パイプの所定部位をエキスパンド加工した後の状態を示す、図１Ｂに対応する横断面図である。 図９は、上記実施形態の第４変形例を説明する図であって、パイプの所定部位をエキスパンド加工した後の状態を示す、図１Ｂに対応する横断面図である。 図１０は、上記実施形態の第５変形例を説明する図であって、パイプの所定部位をエキスパンド加工した後の状態を示す、図１Ｂに対応する横断面図である。 図１１は、上記実施形態の第６変形例を説明する図であって、パイプの所定部位をエキスパンド加工した後の状態を示す、図１Ｂに対応する横断面図である。 図１２は、上記実施形態の第７変形例を説明する図であって、パイプの所定部位をエキスパンド加工した後の状態を示す、図１Ｂに対応する横断面図である。 図１３は、実施例と比較例についてのスリップトルク試験結果を示すグラフである。 図１４Ａは、圧力媒体による拡管方法によりパイプに被接合部材を接合する途中の状態を示す縦断面図である。 図１４Ｂは、図１４Ａ中のＸ−Ｘ線横断面図である。 図１４Ｃは、図１４Ｂ中のＹ部分の拡大図である。

符号の説明

Ｓ１：接合構造体
１１：パイプ
１２：エキスパンド加工対象部
１２ａ：挿通部分
１２ｂ：近傍部分
１４：係合溝部対応部分
１５：被接合部材
１６：挿通孔
１７：内周面
１８：係合溝部
１８ａ：底面
１８ｂ：内側面
１９、１９：両側部分
２０：接合装置
２１：ダイ
２１ａ：ダイセグメント
２５：押込み凸部
２６：押圧凸部
２８：マンドレル

Claims (12)

1. 周方向に複数個のダイセグメントに分割されたエキスパンド加工用ダイを用い、
   被接合部材に設けられた挿通孔内にパイプが挿通された状態で、前記パイプの中空部内に配置された前記ダイの各ダイセグメントで前記パイプの挿通孔内への挿通部分を前記パイプの半径外方向に押圧することにより、前記パイプの前記挿通部分をエキスパンド加工し、これにより前記パイプに前記被接合部材を接合する、パイプと被接合部材との接合方法であって、
   被接合部材の挿通孔の内周面には、係合溝部が設けられており、
   パイプの挿通部分をエキスパンド加工する途中において、被接合部材の係合溝部の両側部分をパイプを介してダイセグメントでパイプの半径外方向に押圧することにより弾性的に拡開された係合溝部に、パイプの係合溝部対応部分を押し込むことを特徴とするパイプと被接合部材との接合方法。
2. パイプの係合溝部対応部分をダイセグメントに設けられた押込み凸部でパイプの半径外方向に押圧して係合溝部に押し込む請求項１記載のパイプと被接合部材との接合方法。
3. パイプの係合溝部対応部分が係合溝部の底面に当接する前に、被接合部材の係合溝部の両側部分をそれぞれパイプを介してダイセグメントに設けられた押圧凸部でパイプの半径外方向に押圧することにより係合溝部を拡開させる請求項１又は２記載のパイプと被接合部材との接合方法。
4. パイプの係合溝部対応部分が係合溝部の底面に当接する前に、被接合部材の係合溝部の両側部分をそれぞれパイプを介してダイセグメントに設けられた押圧凸部でパイプの半径外方向に押圧することにより係合溝部を弾性的に拡開させるとともに、
   パイプの係合溝部対応部分をダイセグメントに設けられた押込み凸部でパイプの半径外方向に押圧して係合溝部に押し込み、
   パイプの肉厚をｔ、
   係合溝部の幅をｂ１、
   押込み凸部の幅をｂ２とするとき、
   ｂ１とｂ２が次式（１）を満足している請求項１記載のパイプと被接合部材との接合方法。
   ０．８ｂ１−２ｔ≦ｂ２≦１．５ｂ１−２ｔ …（１）
5. 係合溝部の深さをｈ１、
   押込み凸部の突出高さをｈ２、
   押圧凸部の突出高さをｈ３とするとき、
   ｈ１とｈ２とｈ３が次式（２）及び（３）を満足している請求項４記載のパイプと被接合部材との接合方法。
   ｈ１≦ｈ２＋ｔ …（２）
   ｈ３≦ｈ２ …（３）
6. 係合溝部は、軸方向に延びたものである請求項１〜５のいずれかに記載のパイプと被接合部材との接合方法。
7. 周方向に複数個のダイセグメントに分割されたエキスパンド加工用ダイを備え、
   被接合部材に設けられた挿通孔内にパイプが挿通された状態で、前記パイプの中空部内に配置された前記ダイの各ダイセグメントで前記パイプの挿通孔内への挿通部分を前記パイプの半径外方向に押圧することにより、前記パイプの前記挿通部分をエキスパンド加工し、これにより前記パイプに前記被接合部材を接合する、パイプと被接合部材との接合装置であって、
   被接合部材の挿通孔の内周面には、係合溝部が設けられており、
   被接合部材の係合溝部の両側部分をパイプを介してダイセグメントでパイプの半径外方向に押圧することにより弾性的に拡開された係合溝部に、パイプの係合溝部対応部分を押し込むように、パイプの挿通部分をエキスパンド加工するものとなされていることを特徴とするパイプと被接合部材との接合装置。
8. ダイセグメントは、パイプの係合溝部対応部分を押圧して係合溝部に押し込む押込み凸部を有している請求項７記載のパイプと被接合部材との接合装置。
9. ダイセグメントは、パイプの係合溝部対応部分が係合溝部の底面に当接する前に、被接合部材の係合溝部の両側部分をそれぞれパイプを介してパイプの半径外方向に押圧することにより係合溝部を弾性的に拡開させる押圧凸部を有している請求項７又は８記載のパイプと被接合部材との接合装置。
10. ダイセグメントは、パイプの係合溝部対応部分を押圧して係合溝部に押し込む押込み凸部と、パイプの係合溝部対応部分が係合溝部の底面に当接する前に、被接合部材の係合溝部の両側部分をパイプを介してパイプの半径外方向に押圧することにより係合溝部を弾性的に拡開させる押圧凸部と、を有しており、
    パイプの肉厚をｔ、
    係合溝部の幅をｂ１、
    押込み凸部の幅をｂ２とするとき、
    ｂ１とｂ２が次式（１）を満足している請求項７記載のパイプと被接合部材との接合装置。
    ０．８ｂ１−２ｔ≦ｂ２≦１．５ｂ１−２ｔ …（１）
11. 係合溝部の深さをｈ１、
    押込み凸部の突出高さをｈ２、
    押圧凸部の突出高さをｈ３とするとき、
    ｈ１とｈ２とｈ３が次式（２）及び（３）を満足している請求項１０記載のパイプと被接合部材との接合装置。
    ｈ１≦ｈ２＋ｔ …（２）
    ｈ３≦ｈ２ …（３）
12. 係合溝部は、軸方向に延びたものである請求項７〜１１のいずれかに記載のパイプと被接合部材との接合装置。