JP2017072160A - 接合体、流体圧シリンダ、及び接合体の製造方法 - Google Patents

接合体、流体圧シリンダ、及び接合体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】接合時における第1部材と第2部材とのずれを防止する。
【解決手段】摩擦圧接によって形成される接合体1は、端面11に開口する中空部13を有する第1部材10と、本体部52から突出し中空部13に収容された突部53を有する第2部材50と、を備える。中空部13の内周面は、中空部13の開口の径方向に対して傾斜した傾斜部18を有し、突部53の外周面が傾斜部18に接している。又は、突部53の外周面は、中空部13の開口の径方向に対して傾斜した面取り部54を有し、中空部13の内周面が面取り部54に接している。
【選択図】図2

Description

本発明は、接合体、この接合体を備える流体圧シリンダ、及びこの接合体の製造方法に関する。
特許文献1には、管体の端部に蓋体を摩擦圧接により接合して管体の端部を封口する方法が開示されている。この方法で用いられる蓋体には、管体の端面に突合わせられる環状突起と、環状突起の内側に形成されるボス部と、ボス部の先端に形成されるフランジ部と、が設けられる。
特許文献1に開示される方法では、まず、フランジ部及びボス部が管体に挿入され、環状突起が管体の端面に突き合わされる。この状態で管体と蓋体とを相対回転させることにより、両者の突き合わせ面に摩擦熱が発生し、管体の端部と蓋体の環状突起とが加熱される。その後、蓋体と管体に軸方向の押圧力が加えられ、蓋体が管体に接合される。
特開2007−229719号公報
しかしながら、特許文献1に開示される蓋体では、ボス部及びフランジ部の外径は管体の内径と比較して小さく、ボス部及びフランジ部の外周面と管体の内周面との間に隙間が形成される。そのため、蓋体と管体とに軸方向の押圧力を加える際に、蓋体が管体に対して径方向にずれやすい。
本発明は、接合時における第1部材と第2部材とのずれを防止することを目的とする。
第1の発明は、摩擦圧接によって形成される接合体に係り、端面に開口する中空部を有する第1部材と、本体部から突出し中空部に収容された突部を有する第2部材と、を備え、中空部の内周面及び突部の外周面の少なくとも一方が中空部の開口の径方向に対して傾斜した傾斜部を有し、他方が傾斜部に接していることを特徴とする。
第1の発明では、中空部の内周面及び突部の外周面の少なくとも一方が傾斜部を有し他方が傾斜部に接している。そのため、突部を中空部に挿入して第1部材と第2部材とを接合する際に、中空部の内周面と突部の外周面との接触により、第2部材が第1部材に対して径方向における所望の位置に案内される。
第2の発明は、第2部材が突部の外周面に窪みを更に有し、窪みは、中空部の内周面と突部の外周面の接触部と、本体部と、の間に位置していることを特徴とする。
第2の発明では、突部の外周面の窪み55が本体部と接触部との間に位置しているので、摩擦圧接時に塑性流動によって生じる内ばりは窪みに導かれる。したがって、接合時に内ばりが中空部の内周面と突部の外周面との間に挟まれるのを防ぐことができ、第1部材と第2部材とのずれをより確実に防止することができる。
第3の発明は、傾斜部が環状に形成されており、傾斜部の全周において中空部の内周面と突部の外周面とが接していることを特徴とする。
第3の発明では、環状に形成された傾斜部の全周において中空部の内周面と突部の外周面とが接しているので、本体部と接触部との間の隙間は密閉空間として形成される。したがって、この隙間内の異物が、傾斜部に対して第2部材とは反対側の空間に流出するのを防ぐことができる。
第4の発明は、前述の接合体を備える流体圧シリンダに係り、第1部材がシリンダチューブであり、第2部材が中空部の開口を閉塞するシリンダボトムであることを特徴とする。
第4の発明では、第1部材がシリンダチューブであり第2部材がシリンダボトムであるので、シリンダチューブとシリンダボトムとを接合する際に、シリンダボトムがシリンダチューブに対して径方向における所望の位置に案内される。したがって、接合時におけるシリンダチューブとシリンダボトムとのずれを防止することができる。
第5の発明は、第1部材と第2部材とを摩擦圧接によって接合して形成される接合体を製造する方法に係る。接合体の製造方法は、中空部に突部を挿入して第2部材の本体部を第1部材の端面に突き当てる工程と、第1部材と第2部材とを相対回転させて端面と本体部とに熱を生じさせる工程と、中空部の内周面及び突部の外周面の少なくとも一方に形成され中空部の開口の径方向に対して傾斜した傾斜部が他方に接するまで第1部材と第2部材とを互いに押し付ける工程と、を備えることを特徴とする。
第5の発明では、第1部材と第2部材とを摩擦圧接により接合する際に、中空部の内周面及び突部の外周面の他方が傾斜部に接するまで第1部材と第2部材とが互いに押し付けられる。そのため、第1部材と第2部材とを接合する際に、第2部材が第1部材に対して径方向における所望の位置に案内される。したがって、接合時における第1部材と第2部材とのずれを防止することができる。
本発明によれば、接合時における第1部材と第2部材とのずれを防止することができる。
本発明の実施形態に係る油圧シリンダの一部断面図である。 シリンダボトムの周辺の一部断面図である。 接合前のシリンダチューブ及びシリンダボトムの一部断面図である。 接合前のシリンダチューブ及びシリンダボトムの一部断面図であり、シリンダチューブの一方の端面の周辺を拡大して示す。 接合体の製造方法を説明するための一部断面図であり、シリンダボトムをシリンダチューブに突き当てた状態を示す。 接合体の製造方法を説明するための一部断面図であり、シリンダボトムとシリンダチューブとを互いに押し付けた状態を示す。 本発明の他の実施形態に係る油圧シリンダの一部断面図であり、中空部の内周面にのみ傾斜部が形成された形態を示す。 本発明の他の実施形態に係る油圧シリンダの一部断面図であり、突部の外周面にのみ傾斜部が形成された形態を示す。 本発明の他の実施形態に係る油圧シリンダの一部断面図であり、突部の外周面に窪みが形成されていない形態を示す。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。ここでは、作動流体として作動油が用いられる油圧シリンダ100について述べるが、作動水等の他の流体が作動流体として用いられてもよい。
油圧シリンダ100は、建設機械及び産業機械といった機械に搭載されるアクチュエータとして用いられる。例えば、油圧シリンダ100は、油圧ショベルに搭載されるアームシリンダとして用いられる。
まず、油圧シリンダ100の構造について、図1及び図2を参照して説明する。
図1に示すように、油圧シリンダ100は、シリンダチューブ(第1部材)10とシリンダボトム(第2部材)50とを摩擦圧接によって接合することにより形成される接合体1を備える。シリンダチューブ10は両端面11,12に開口する中空部13を有し、一方の端面11は、シリンダボトム50により閉塞されている。
また、油圧シリンダ100は、シリンダチューブ10の中空部13に摺動自在に収容されるピストン20と、シリンダチューブ10に進退自在に挿入されるピストンロッド30と、を備える。ピストンロッド30の一端はピストン20に連結され、ピストンロッド30の他端はシリンダチューブ10の他方の端面12の開口を通じてシリンダチューブ10から延出する。
シリンダチューブ10の他方の端面12の開口は、シリンダヘッド40によって閉塞される。シリンダヘッド40は環状に形成されており、ピストンロッド30を摺動自在に支持する。
油圧シリンダ100は、ピストンロッド30の他端に設けられる連結部31と、シリンダボトム50に設けられる連結部51と、を用いて建設機械及び産業機械といった機械に搭載される。
ピストン20は、シリンダチューブ10の内部をロッド側室14と反ロッド側室15とに区画する。具体的には、ロッド側室14は、シリンダチューブ10、ピストン20及びシリンダヘッド40により画定され、反ロッド側室15は、シリンダチューブ10、ピストン20及びシリンダボトム50により画定される。
シリンダチューブ10には、ロッド側室14に連通するヘッド側ポート16と、反ロッド側室15に連通するボトム側ポート17と、が設けられる。
ヘッド側ポート16及びボトム側ポート17は、切換弁(不図示)を通じて油圧ポンプ(不図示)又はタンク(不図示)に選択的に接続される。切換弁によりヘッド側ポート16及びボトム側ポート17の一方が油圧ポンプに連通した場合には、他方がタンクに連通する。
油圧ポンプからの作動油がヘッド側ポート16を通じてロッド側室14に供給されると、ピストン20及びピストンロッド30が反ロッド側室15を縮小する方向に移動し、油圧シリンダ100が収縮する。このとき、反ロッド側室15内の作動油は、ボトム側ポート17を通じて排出される。
油圧ポンプからの作動油がボトム側ポート17を通じて反ロッド側室15に供給されると、ピストン20及びピストンロッド30がロッド側室14を縮小する方向に移動し、油圧シリンダ100が伸長する。このとき、ロッド側室14内の作動油は、ヘッド側ポート16を通じて排出される。
図2は、シリンダボトム50の周辺の一部断面図である。図2に示すように、中空部13の内周面には、環状の傾斜部18が形成される。傾斜部18は、傾斜部18の径方向外側の縁18aが径方向内側の縁18bよりも端面11側に位置するように、中空部13の開口の径方向(シリンダチューブ10の径方向)に対して傾斜している。傾斜部18は、テーパ状(平面状)に形成されていてもよいし、曲面状に形成されていてもよい。
また、シリンダチューブ10には、端面11の開口縁から径方向内側に突出する内ばり19aが形成されている。内ばり19aは、シリンダチューブ10とシリンダボトム50とを摩擦圧接により接合する際に、シリンダチューブ10の母材の流動により形成される。
シリンダボトム50は、シリンダチューブ10の端面11に接合された本体部52と、本体部52から突出する突部53と、を有する。突部53は、シリンダチューブ10の中空部13に収容されている。
突部53の外周面の先端には、傾斜部としての環状の面取り部54が形成される。面取り部54は、面取り部54の径方向外側の縁54aが径方向内側の縁54bよりも本体部52の側に位置するように、中空部13の開口の径方向(シリンダチューブ10の径方向)に対して傾斜している。面取り部54は、テーパ状(平面状)に形成されていてもよいし、曲面状に形成されていてもよい。
シリンダチューブ10の傾斜部18とシリンダボトム50の面取り部54とは、全周に渡って互いに接している。つまり、傾斜部18と面取り部54とが互いに接して形成される接触部により、反ロッド側室15の境界が画定されている。
傾斜部18及び面取り部54が傾斜しているので、シリンダチューブ10とシリンダボトム50とが接合される際に、傾斜部18と面取り部54との接触によりシリンダボトム50がシリンダチューブ10に対して径方向における所望の位置に案内される。したがって、接合時におけるシリンダチューブ10とシリンダボトム50とのずれを防止することができる。
突部53の外周面には、窪み55が形成されている。窪み55は、本体部52と面取り部54との間に位置している。より具体的には、窪み55は、その側面が本体部52の端面から段差なく連続するように形成されている。そのため、摩擦圧接時に本体部52の端面に押圧されて塑性流動するシリンダチューブ10の端部は、内ばり19aとして窪み55内に導かれる。したがって、接合時に内ばり19aが傾斜部18と面取り部54との間に挟まれるのを防ぐことができ、シリンダチューブ10とシリンダボトム50とのずれをより確実に防止することができる。
中空部13の内周面と突部53の外周面との間には、環状の隙間56が形成される。傾斜部18と面取り部54とが全周に渡って接しているので、隙間56は密閉空間として形成される。したがって、隙間56内の異物(例えば、摩擦圧接時に内ばり19aの表面に生じる酸化スケール)が反ロッド側室15に流出するのを防ぐことができる。
次に、油圧シリンダ100の製造方法について、図3から図6を参照して説明する。ここでは、シリンダチューブ10とシリンダボトム50とを接合して形成される接合体1の製造方法を主に説明する。
図3は、接合前のシリンダチューブ10及びシリンダボトム50の一部断面図であり、図4は、図3に示されるシリンダチューブの一方の端面の周辺を拡大して示す。
図3及び図4に示されるように、シリンダチューブ10の母材は、端面11を有する筒状の大径部10aと、大径部10aの内径と比較して小さい内径を有する筒状の小径部10bと、を有する。小径部10bは大径部10aに連続して設けられ、大径部10aと小径部10bとの間に傾斜部18が形成されている。
シリンダボトム50の突部53の外周面には面取り部54及び窪み55が予め形成されている。突部53の外径R1は、大径部10aの内径R2よりも小さく、小径部10bの内径よりも大きい。また、突部53における本体部52から面取り部54までの寸法L1は、大径部10aにおける端面11から傾斜部18の寸法L2よりも小さい。
接合体1の製造方法では、まず、図5に示すように、シリンダチューブ10の中空部13にシリンダボトム50の突部53を挿入し、シリンダボトム50の本体部52をシリンダチューブ10の端面11に突き当てる。このとき、本体部52と大径部10aとの間の接触部に発生する熱により、本体部52と大径部10aにばりが発生する。
寸法L1が寸法L2よりも小さいので、本体部52が端面11に突き当てられた状態では、面取り部54と傾斜部18との間には隙間が形成される。また、外径R1が内径R2よりも小さいので、突部53の外周面と大径部10aの内周面との間には隙間が形成される。
次に、シリンダチューブ10とシリンダボトム50とを相対回転させる。その結果、シリンダチューブ10の端面11とシリンダボトム50の本体部52との互いの当接面に摩擦熱が生じ、本体部52と大径部10aとが加熱される。このとき、本体部52と大径部10aとに発生したばりが成長する。
突部53の外周面と大径部10aの内周面との間には隙間が形成されているので、シリンダチューブ10とシリンダボトム50とを相対回転させても、突部53の外周面と大径部10aの内周面とには摩擦熱が生じない。
次に、シリンダチューブ10とシリンダボトム50との相対回転を停止し、シリンダチューブ10の傾斜部18と面取り部54とが接するまでシリンダチューブ10とシリンダボトム50とを互いに押し付ける(図6参照)。このとき、シリンダチューブ10の大径部10aの一部がシリンダチューブ10の内側と外側とに押し出されるため、大径部10aに既に形成されているばりがに更に成長する(内ばり19a及び外ばり19bを参照)。また、シリンダボトム50の本体部52の一部が外側に押し出されるため、本体部52に既に形成されているばりが更に成長する(外ばり52aを参照)。
内ばり19aは、突部53の窪み55に導かれる。したがって、シリンダチューブ10とシリンダボトム50とを互いに押し付ける際に内ばり19aが傾斜部18と面取り部54との間に挟まれるのを防ぐことができる。
傾斜部18及び面取り部54は、中空部13の開口の径方向(シリンダチューブ10の径方向)に対して傾斜して形成されている。そのため、傾斜部18と面取り部54との接触により、シリンダボトム50がシリンダチューブ10に対して径方向における所望の位置に案内される。したがって、シリンダチューブ10とシリンダボトム50とのずれを防止することができる。
大径部10aと本体部52とを冷却することにより、シリンダチューブ10とシリンダボトム50とが接合される。その後、外ばり19b,52aを切削等により除去することによって、接合体1が完成する。
以上の説明では、中空部13の内周面及び突部53の外周面が、それぞれ、径方向に対して傾斜する傾斜部18及び面取り部54を有するが、本実施形態はこれに限られない。
図7は、別の実施形態に係る接合体1の一部断面図である。図7に示す形態では、シリンダチューブ10の内周面に傾斜部18が形成されているが、突部53の外周面には、図2に示すような面取り部(傾斜部)54が形成されていない。この形態であっても、接合時に、傾斜部18と突部53の外周面との接触により、シリンダボトム50がシリンダチューブ10に対して径方向における所望の位置に案内される。したがって、シリンダチューブ10とシリンダボトム50とのずれを防止することができる。
図8は、さらに別の実施形態に係る接合体1の一部断面図である。図8に示す形態では、突部53の外周面に面取り部(傾斜部)54が形成されているが、シリンダチューブ10の内周面には、図2に示すような傾斜部18に代えて、段部18’が形成されている。この形態であっても、接合時に、段部18’と面取り部54との接触により、シリンダボトム50がシリンダチューブ10に対して径方向における所望の位置に案内される。したがって、シリンダチューブ10とシリンダボトム50とのずれを防止することができる。
このように、本実施形態では、中空部13の内周面及び突部53の外周面の少なくとも一方が、中空部13の開口の径方向に対して傾斜した傾斜部18,54を有し、中空部13の内周面及び突部53の外周面の他方が傾斜部18,54に接していればよい。
中空部13の内周面と突部53の外周面の両方が傾斜部を有する場合には、面と面とが接触する。そのため、一方のみが傾斜部を有する場合と比較して、芯出しの精度が高まり、シリンダチューブ10とシリンダボトム50とのずれを一層防止できる。
中空部13の内周面と突部53の外周面の一方のみが傾斜部を有する場合には、他方に傾斜部を形成する必要がない。そのため、両方が傾斜部を有する場合と比較して、シリンダチューブ10又はシリンダボトム50を容易に形成することができる。
以下、本発明の実施形態の構成、作用、及び効果をまとめて説明する。
本実施形態では、摩擦圧接によって形成される接合体1は、端面11と端面11に開口する中空部13とを有する第1部材10と、端面11に接合された本体部52と本体部52から突出し中空部13に収容された突部53とを有する第2部材50と、を備える。接合体1は、中空部13の内周面が中空部13の開口の径方向に対して傾斜した傾斜部18を有し、突部53の外周面が傾斜部18に接していることを特徴とする。又は、接合体1は、突部53の外周面が中空部13の開口の径方向に対して傾斜した面取り部54を有し、中空部13の内周面が面取り部54に接していることを特徴とする。
この構成では、中空部13の内周面が傾斜部18を有し、突部53の外周面が傾斜部18に接している。又は、突部53の外周面が面取り部54を有し、中空部13の内周面が面取り部54に接している。そのため、突部53を中空部13に挿入して第1部材10と第2部材50とを接合する際に、中空部13の内周面と突部53の外周面との接触により、第2部材50が第1部材10に対して径方向における所望の位置に案内される。したがって、接合時における第1部材10と第2部材50とのずれを防止することができる。
また、本実施形態では、接合体1は、第2部材50が、突部53の外周面に窪み55を更に有し、窪み55が、中空部13の内周面と突部53の外周面の接触部と、本体部52と、の間に位置していることを特徴とする。
この構成では、突部53の外周面の窪み55が本体部52と接触部との間に位置しているので、摩擦圧接時に塑性流動によって生じる内ばり19aは窪み55に導かれる。したがって、接合時に内ばり19aが傾斜部18と面取り部54との間に挟まれるのを防ぐことができ、第1部材10と第2部材50とのずれをより確実に防止することができる。
また、本実施形態では、接合体1は、傾斜部18が環状に形成されており、突部53の外周面が全周に渡って傾斜部18と接していることを特徴とする。又は、接合体1は、面取り部54が環状に形成されており、中空部13の内周面が全周に渡って面取り部54と接していることを特徴とする。
この構成では、突部53の外周面が全周に渡って傾斜部18と接している。又は、中空部13の内周面が全周に渡って面取り部54と接している。そのため、本体部52と接触部との間の隙間56は密閉空間として形成される。したがって、隙間56内の異物が反ロッド側室15に流出するのを防ぐことができる。
また、本実施形態では、油圧シリンダ100は、前述の接合体1を備え、第1部材10がシリンダチューブ10であり、第2部材50が中空部13の開口を閉塞するシリンダボトム50であることを特徴とする。
この構成では、第1部材10がシリンダチューブ10であり第2部材50がシリンダボトム50であるので、シリンダチューブ10とシリンダボトム50とを接合する際に、シリンダボトム50がシリンダチューブ10に対して径方向における所望の位置に案内される。したがって、接合時におけるシリンダチューブ10とシリンダボトム50とのずれを防止することができる。
また、本実施形態では、端面11に開口する中空部13を有する第1部材10と、本体部52から突出する突部53を有する第2部材50と、を摩擦圧接によって接合して形成される接合体1を製造する方法は、中空部13に突部53を挿入して第2部材50の本体部52を第1部材10の端面11に突き当てる工程と、第1部材10と第2部材50とを相対回転させて端面11と本体部52とに熱を生じさせる工程と、を含む。この製造方法は、中空部13の内周面に形成され中空部13の開口の径方向に対して傾斜した傾斜部18が突部53の外周面に接するまで第1部材10と第2部材50とを互いに押し付ける工程、又は、突部53の外周面に形成され中空部13の開口の径方向に対して傾斜した面取り部54が中空部13の内周面に接するまで第1部材10と第2部材50とを互いに押し付ける工程を更に備えることを特徴とする。
この構成では、第1部材10と第2部材50とを摩擦圧接により接合する際に、突部53の外周面が傾斜部18に接するまで、又は中空部13の内周面が面取り部54に接するまで、第1部材10と第2部材50とが互いに押し付けられる。そのため、第1部材10と第2部材50とを接合する際に、第2部材50が第1部材10に対して径方向における所望の位置に案内される。したがって、接合時における第1部材10と第2部材50とのずれを防止することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
例えば、突部53の外周部に窪み部55が設けられていなくてもよい。図9に示すように小径部10bの厚みを、シリンダボトム50の突部53と重なるように厚くすることによって、中空部13の内周面と突部53の外周面とを接触させてもよい。突部53に窪みを形成する必要がないので、シリンダボトム50の加工コストを低減することができる。
傾斜部18と面取り部54とは全周に渡って接触していなくてもよい。傾斜部18の一部と面取り部54の一部とが接触していてもよい。傾斜部18の一部と面取り部54の一部とが環状に形成されていなくてもよい。
1・・・接合体、10・・・シリンダチューブ(第1部材)、11・・・端面、13・・・中空部、18・・・傾斜部、50・・・シリンダボトム(第2部材)、52・・・本体部、53・・・突部、54・・・面取り部(傾斜部)、55・・・窪み、100・・・油圧シリンダ(流体圧シリンダ)

Claims (5)

  1. 端面と、前記端面に開口する中空部と、を有する第1部材と、
    前記端面に接合された本体部と、前記本体部から突出し前記中空部に収容された突部と、を有する第2部材と、を備え、
    前記中空部の内周面及び前記突部の外周面の少なくとも一方は、前記開口の径方向に対して傾斜した傾斜部を有し、他方が前記傾斜部に接していることを特徴とする、摩擦圧接によって形成される接合体。
  2. 前記第2部材は、前記突部の外周面に窪みを更に有し、前記窪みは、前記中空部の内周面と前記突部の外周面の接触部と、前記本体部と、の間に位置していることを特徴とする請求項1に記載の接合体。
  3. 前記傾斜部は環状に形成されており、前記傾斜部の全周において前記中空部の内周面と前記突部の外周面とが接していることを特徴とする請求項1又は2に記載の接合体。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載の接合体を備える流体圧シリンダであって、
    前記第1部材がシリンダチューブであり、前記第2部材が前記中空部の前記開口を閉塞するシリンダボトムであることを特徴とする流体圧シリンダ。
  5. 端面に開口する中空部を有する第1部材と、本体部から突出する突部を有する第2部材と、を摩擦圧接によって接合して形成される接合体を製造する方法であって、
    前記中空部に前記突部を挿入して前記第2部材の前記本体部を前記第1部材の前記端面に突き当てる工程と、
    前記第1部材と前記第2部材とを相対回転させて前記端面と前記本体部とに熱を生じさせる工程と、
    前記中空部の内周面及び前記突部の外周面の少なくとも一方に形成され前記開口の径方向に対して傾斜した傾斜部が他方に接するまで前記第1部材と前記第2部材とを互いに押し付ける工程と、を備えることを特徴とする接合体の製造方法。
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