JP4020643B2

JP4020643B2 - 自転車フレーム用部材の製造方法および自転車

Info

Publication number: JP4020643B2
Application number: JP2002000209A
Authority: JP
Inventors: 充生硯; 清竹原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-01-07
Filing date: 2002-01-07
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2022-01-07
Also published as: JP2003200874A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自転車フレーム用部材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
軽量化および高剛性が要求される自転車フレーム用の部材として、比較的大きな応力が作用するパイプの継手部分である両端部（または一端部）の肉厚を厚くし、中間部の肉厚を薄くすることで、パイプの軽量化を図りながら、剛性の低下を最小限に抑えて、十分な剛性を確保させるバテッド加工方法は既に知られている。
【０００３】
従来のバテッド加工方法としては、大きく分けて、冷間加工によるものと、酸洗いなどのケミカルミーリング（化学切削）によってパイプの内周を加工するものとの２種類のものがある。
【０００４】
冷間加工による手法としては、図１０（ａ）に示すように、均一な肉厚の素材管５０内に円柱形状の心金５１を挿入し、これらを軸心を中心に回転させた状態で、素材管５０の中間部となる箇所をロール５２により外周部分を側方から押圧して薄肉状に形成し、この後、図１０（ｂ）に示すように、心金５１を抜いた状態で、その孔部５３ａの直径Ｄ１が素材管５０の直径Ｄ２よりも小さい（ロール５２で強制的に変形させた素材管５０の細径部分の直径Ｄ３とほぼ等しい）ダイズ５３から素材管５０を引き抜くことで、図１０（ｂ）において２点鎖線で示すように、端部が厚肉のパイプ５５を得る、いわゆるロール法による加工手法と、図１１に示すように、肉厚がほぼ一定な素材管６０に、端部が細径となった心金６１を挿入し、この状態で、素材管６０を、その孔部６２ａの直径Ｄ４が素材管６０の直径Ｄ５よりも小さいダイズ６２から引き抜くことで、端部が厚肉のパイプ６５を得る、いわゆる引抜法による加工手法とがある。このような冷間加工によるバテッド加工方法を用いると、加工後におけるパイプ５５、６５の形状が、肉厚が徐々に変化するように形成されるので応力集中が生じ難いという利点や、冷間加工工程において加工硬化による強度が向上するという利点がある。
【０００５】
また、従来のケミカルミーリングによる加工方法としては、図１２（ａ）に示すように、均一な肉厚の素材管７０の両端部内側に、中央部にケミカルミーリング用の処理液（腐食液）７２を流入させるための流路７１ａを形成したマスキング用のゴム栓７１をそれぞれ挿入し、この後、前記流路７１ａから処理液７２を素材管７０の内部に導入することで、処理液７２により素材管７０の内周面を溶かして（エッチングして）、図１２（ｂ）に示すように、中間部が薄肉形状になったパイプ７５を形成するケミカルミーリングによる手法がある。このようなケミカルミーリングによりパイプの内周を加工する方法は、化学的にパイプの内周を溶かすため、機械的加工が難しい材料でも加工することが可能となる利点や、ダイズなどの金型が一般にいらないので、多品種少量生産に向いているなどの利点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ロール法や引抜法などの冷間加工方法では、素材管５０、６０の素材として延性が大きな材料を用いた場合には、比較的小さな力で変形できるので、比較的容易にバテッド加工することができるが、延性が小さくて引張強度が高いチタンなどの材料では極めて大きな力で加工しなければならず、加工が困難であるという課題がある。また、ダイズ５３、６２などの大掛かりな金型が必要であるため、多品種少量生産を行うと製品１つ当たりの製造コストが多大となる課題もある。また、大きな力により変形させながら加工するので、パイプとして比較的長いものが必要である自転車フレーム用部材としては、加工時に、形状の誤差を生じ易くなり、精度よく生産することが困難である。さらに、加工途中での肉厚の測定などを行うことができないので、肉厚の管理が難しい欠点もある。
【０００７】
また、ケミカルミーリングによってパイプの内周を加工する従来の方法では、エッチング途中での肉厚変化を外側から認識することができないため、肉厚の管理が困難である。ゆえに、ケミカルミーリングにより素材管７０におけるマスキング部分とマスキングしていない部分とに大きな段差を生じた場合が生じ、パイプ７５内周の段差部７５ａに応力集中を生じやすくなる欠点がある。
【０００８】
本発明は上記課題や欠点を解決するもので、金型を必要とせずに多品種少量生産に適しておりながら、製造工程において形状の誤差や肉厚の誤差を生じ難くて、精度よく自転車フレーム用部材を生産することができる自転車フレーム用部材の製造方法および自転車を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の自転車フレーム用部材の製造方法は、中空の部材の外周の一部をマスキングし、このマスキングした中空の部材の外周における前記マスキングした部分を除く箇所の少なくとも一部をケミカルミーリングする工程を含み、中空の部材の外周の一部だけでなく、内周の一部もマスキングし、マスキングした中空の部材の外周および内周をケミカルミーリングすることを特徴とする。
【００１０】
この方法により、中空の部材の外周の一部をケミカルミーリングにより薄肉状とすることができるため、金型を必要とせず、多品種少量生産に適している。また、中空の部材の外周の一部をケミカルミーリングするので、中空の部材の外周の厚みの変化を容易に確認することができ、さらに、機械加工を行わないため、自転車フレーム用部材が長尺寸法であっても良好な形状に形成でき、精度よく自転車フレーム用部材を製造できる。
【００１５】
また、この方法によれば、中空の部材を外周からだけでなく内周からも同時にケミカルミーリングして処理できるため、外周だけをケミカルミーリングした場合と比べて、処理時間を短縮することができ、製造処理を能率よく行うことができる。
【００１８】
本発明の自転車は、請求項１に記載の自転車フレーム用部材の製造方法により製造した自転車フレーム用部材を備えたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。ここで、図１（ａ）は本発明の実施の形態にかかる自転車フレーム用パイプの製造方法で用いる素材管の一部切欠正面図、（ｂ）は同自転車フレーム用パイプの製造方法で製造したパイプの正面図、（ｃ）は同パイプの正面断面図であり、図２は、同自転車のフレームを示す右側面図、図３は同自転車フレーム用パイプの製造方法で製造したパイプの他の例を示す正面図、図４（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ同製造方法の各工程を示す断面図、図５は同製造方法でのマスキング部の塗布部分を展開して示す図、図６は本発明の他の実施の形態にかかる自転車フレーム用パイプの製造方法で製造したパイプの正面図、図７（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ同製造方法の各工程を示す断面図、図８は本発明のその他の実施の形態にかかる自転車フレーム用パイプの製造方法で製造したパイプの断面図、図９（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ同製造方法の各工程を示す断面図である。
【００２０】
図１（ａ）における１０は、本発明の実施の形態にかかる製造方法で用いる中空な棒状の部材としての、自転車フレーム用パイプの素材管である。素材管１０は、肉厚が一定の円筒形状とされている。また、その素材材料は、例えば、チタン合金（または純粋なチタン）とされている。なお、素材管１０は、円筒形状に限らず、四角柱、三角柱、三角錐、円錐、四角錐等でもよく、曲がっているものでもよい。また、チタン合金としては、Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−１５Ｍｏ−５Ｚｒ−３Ａｌ、Ｔｉ−６Ａｌ−２Ｓｎ−４Ｚｒ−２Ｍｏ、Ｔｉ−８Ａｌ−１Ｍｏ−１Ｖ等が挙げられる。
【００２１】
また、図１（ｂ），（ｃ）における２０は、以下に述べる製造方法により製造される自転車フレーム用部材としての自転車フレーム用パイプであり、両端部が厚肉のラグ形状に形成され、両端部間の中間部２３が両端部より薄肉状となるように形成されている。この自転車フレーム用パイプ２０は、内周側には段差がなく、外周側だけに段差（段付部２０ａ）が形成されている。また、この図１に示す自転車フレーム用パイプ２０は、図２に示す自転車のフレーム１における下バイプ２として用いられる場合を１例として示している。
【００２２】
図１（ｂ），（ｃ）、図２に示すように、この自転車フレーム用パイプ２０の一端部には自転車のヘッドパイプ３につながれる第１ラグ部２１が形成され、他端部には自転車のハンガラグ４につながれる第２ラグ部２２が形成され、これらのラグ部２１、２２間の中間部２３が薄肉形状に形成されている。このように、中間部２３を薄肉状に形成して軽量化を図りながら、ラグ部２１、２２は厚肉状に形成することにより、この自転車フレーム用パイプ２０を自転車用フレームとして組付けた状態に製造して自転車を使用する際に、大きな応力が作用しやすい箇所を補強し、かつ、応力が作用した際でも応力を分散させて、応力集中を防止するように図られている。なお、図３に示すように、必要に応じて、中間部２３に、水筒支持用の突起２４や変速レバー取付用突部２５などが形成される場合もある。
【００２３】
この自転車フレーム用パイプ２０の製造方法について以下に述べる。なお、図４においては、素材管１０などの厚みの変化がわかりやすいように誇張して図示している。
【００２４】
まず、図４（ａ）に示すように、肉厚が一定の円筒形状とされている素材管１０の、最終的に第１ラグ部２１および第２ラグ部２２となる外周部両端部に、それぞれマスキング材（耐薬品性保護皮膜）としてのマスキング塗料（例えば、耐酸性の樹脂やゴム等）を塗布してマスキングし、マスキング部１１を形成する。マスキングは、ここでは、ハケ塗り、スプレー塗り、流し塗り、静電塗装により塗料を塗布することにより行うが、シルクスクリーン、フォトレジスト等で行ってもよい。ここで、図５はマスキング部１１の塗布部分を展開して示している。また、素材管１０の内周両端部に、次のエッチング工程で使用する腐食（酸洗いまたはアルカリ液処理）用の処理液１２が素材管１０の内部に浸入しないように、中実のマスキング用ゴム栓１３を挿入する。
【００２５】
次に、図４（ｂ）に示すように、所定の容器（図示せず）に満たした処理液１２中に、マスキング済みの素材管１０を浸漬する。この場合に、処理液１２としては、チタン合金の場合には、例えば、硝酸（ＨＮＯ₃）とフッ酸（ＨＦ）との混合液（硝フッ酸）を用いる。また、素材材料がアルミニウムの場合には、例えば水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液や塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）溶液を用い、素材材料が炭素鋼の場合には例えば硝酸（ＨＮＯ₃）溶液を用い、素材材料がステンレス鋼の場合には、例えば硝酸（ＨＮＯ₃）と塩酸（ＨＣｌ）との混合液を用い、素材材料がベリリウムの場合には、例えば、二フッ化窒素アンモニウム（ＮＨ₄ＮＦ₂）溶液や硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）溶液を用いる。この浸漬時間は、処理液１２による加工速度（例えば、チタン合金（Ｔｉ−３Ａｌ−２．５Ｖ）に対する硝フッ酸の場合には、０．０１８〜０．０３８ｍｍ／ｍｉｎである）に応じたものとする。
【００２６】
この後、上記浸漬時間が経過して、図４（ｃ）に示すように、中間部２３が外周側よりケミカルミーリングされて薄肉形状に形成された時点で、素材管１０を処理液１２から引上げて、必要に応じて光沢浸漬などの後処理を行った後、マスキング部１１をシンナーなどにより取り除くとともにマスキング用ゴム栓１３を外す。これにより、図４（ｄ）および図１（ｃ）に示すように、両端のラグ部２１、２２が厚肉状となり、中間部２３が両端のラグ部２１、２２より薄肉状となるようにバテッド加工された自転車フレーム用パイプ２０を得ることができる。なお、素材管１０を薄肉形状に形成する方法は、ケミカルミーリングではなく、エッチングによってもよい。
【００２７】
また、図６に示すように、厚肉部であるラグ部（第３の部分）２１、２２と薄肉部である中間部（第１の部分）２３との境界部分（第２の部分）２６、２７の厚みが、多段階で徐々に変化するようなパイプ２８を製造する場合には、図７（ａ）に示すように、まず、所定の容器に満たした処理液１２の中に、マスキング済みの素材管１０を浸漬して、素材管１０の中間部２３の外周をケミカルミーリングして、外周寄りの段付部２８ａまで薄肉状に形成した後に、一旦、処理液１２から引き上げて、マスキングした部分であるマスキング部１１における段付部２８ａ近傍箇所を除去することにより、マスキング部１１の一部のみを残した状態で、この後、図７（ｂ）に示すように、再度ケミカルミーリングする。これにより、第２の部分が第１の部分より厚くなり、パイプ２８の厚肉部であるラグ部２１、２２と薄肉部である中間部２３との境界部分２６、２７の厚みが多段（図６に示す場合には２段）の段付部２８ａとなるようにバテッド加工された自転車フレーム用パイプ２８を得ることができる。なお、マスキング部１１としてシール状のものを代わりに用いてもよく、この場合には、このマスキング部１１を除去するかわりに、両端側へずらせてもよい。
【００２８】
なお、マスキング部１１の近傍をさらにマスキングした状態で、ケミカルミーリングすることにより多段（３段以上）に形成してもよい。また、ここでは素材管１０の厚みを３段階で徐々に変化させているが、３段階に限らず、何段階であってもよい。
【００２９】
上記図４や図７に示す製造方法によれば、ケミカルミーリングにより中間部２３を薄肉状とするため、冷間加工の場合には必要であった金型が要らず、金型作製費用が不要となり、多品種少量生産を良好に行えながら、製造単価は比較的安価となる。したがって、多品種少量生産に適することとなる。また、複数の素材管１０を処理液１２に一度に浸漬させることによって、複数の自転車フレーム用パイプ２０、２８を一度に得ることができ、この場合には、作業能率が良好となる。また、素材管１０の外周をケミカルミーリングするので、試作段階などにおいても素材管１０の外周の変化を比較的容易に確認することができる。さらに、機械加工を行わないため、自転車フレーム用パイプ２０、２８が長尺寸法であっても良好な形状に形成でき、精度よく自転車フレーム用パイプ２０、２８を製造できる。
【００３０】
また、図６、図７に示すように、素材管１０の内周をケミカルミーリングすることでは不可能であったが、素材管１０における厚肉部と薄肉部との境界部を多段に薄肉形状に形成することで、境界部分２６、２７の段差を少なくすることが可能となる。これにより、パイプ２８の境界部分２６、２７に応力が集中することを回避できて、さらに良好な剛性を維持できる。
【００３１】
なお、中間部２３に水筒支持用などの突起２４や変速レバー取付用突部２５などを形成する場合（図３参照）には、これに対応する場所をマスキング材によりマスキングし、浸漬時にその突起部分や突部などがケミカルミーリングされることを防止して、突起２４や突部２５などを形成することができ、これらの部材を簡易に形成できる。
【００３２】
次に、本発明の他の実施の形態を図８を用いて説明する。図８は本発明の他の実施の形態にかかる自転車フレーム用パイプの製造方法で製造したパイプの断面図である。この自転車フレーム用パイプ３０は、外周側に段差（段付部３１）が形成されているだけでなく、内周側にも段差（段付部３２）が形成されて、厚肉部であるラグ部３１、３２と薄肉部である中間部３３とが設けられている。
【００３３】
この自転車フレーム用パイプ３０の製造方法について以下に述べる。
まず、図９（ａ）に示すように、肉厚が一定の円筒形状とされている素材管１０の、最終的に第１ラグ部３１および第２ラグ部３２となる外周部両端部に、それぞれマスキング材（耐薬品性保護皮膜）としてのマスキング塗料を塗布してマスキング部１１を形成する。また、素材管１０の内周両端部にもマスキング塗料を塗布してマスキング部１４を形成する。
【００３４】
次に、図９（ｂ）に示すように、所定の容器（図示せず）に満たした処理液１２中に、マスキング済みの素材管１０を浸漬する。この後、所定の浸漬時間が経過して、図９（ｃ）に示すように、中間部３３に対応する箇所が外周側および内周側よりエッチングされて薄肉形状に形成された時点で、素材管１０を処理液１２から引上げて、必要に応じて光沢浸漬などの後処理を行った後、マスキング部１１、１４をシンナーなどにより取り除く。これにより、両端のラグ部３１、３２が厚肉状となり、中間部３３が薄肉状となるようにバテッド加工された自転車フレーム用パイプ３０（図８参照）を得ることができる。
【００３５】
この製造方法によれば、素材管１０を外周からだけでなく内周からも同時にケミカルミーリングして処理できるため、外周だけをケミカルミーリングした場合と比べて、処理時間を短縮することができ、製造処理を能率よく行うことができる。特に、素材材料がチタンである場合には、外周のみから処理した場合と比べて、加工速度を約２．５〜３倍に増加させることができる。これは、チタンが比較的熱伝導性が悪い材料であるので、外周からだけケミカルミーリング処理した場合には、その金属面近傍の浴温度が緩い勾配でしか上昇しないが、内外周の両方から一度にケミカルミーリング処理すると、大量の反応熱が金属面近傍の浴温度を著しく高め、この結果、反応速度が増加して加工速度を大きく速めることができる。これにより、さらに、ケミカルミーリング工程での処理時間を短縮することができて、製造能率を高めることができる。
【００３６】
なお、上記実施の形態においては、両端部を厚肉形状とし、これらの中間部を薄肉形状としたダブルバテッド加工のパイプ２０、２８、３０を製造する場合について述べたが、これに限るものではなく、片方の端部のみ厚肉形状とし、中間部および他の端部を薄肉形状としたシングルバテッド加工のパイプを製造する場合や、両端部をそれぞれ互いに異なる厚みの厚肉形状とし、これらの中間部を薄肉形状としたトリプルバテッド加工のパイプを製造する場合にも適用できる。また、上記実施の形態においては、その素材材料がチタンである場合を述べ、この場合は、特に、ケミカルミーリングにより良好に加工できる利点があるが、これに限るものではなく、素材材料がアルミニウム、炭素鋼、ステンレス鋼、ベリリウムや、その他のケミカルミーリング可能な材料にも適用できることはいうまでもない。また、本発明の自転車フレーム用部材の製造方法は、下パイプに限らず、自転車フレームの他の箇所のパイプ、例えば、上パイプ、立パイプ、チェーンステー、バックホーク、ホーク足、ホークステム等を製造する場合にも適用できることはもちろんである。
【００３７】
なお、パイプ形状は、円筒形状に限らず、三角柱形状、四角柱形状、円錐形状、三角錐形状、四角錐形状でもよい。また、パイプの形状は曲がっていてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、中空の部材の外周の一部をマスキングし、このマスキングした中空の部材の外における前記マスキングした部分を除く箇所の少なくとも一部をケミカルミーリングすることで、中空の部材の外周の一部を薄肉状とすることができて、自転車フレーム用パイプを比較的安価に多品種少量生産することができ、また、自転車フレーム用パイプが長尺寸法であっても良好な形状に形成でき、精度よく自転車フレーム用パイプを製造できる。
【００４０】
また、中空の部材の外周の一部だけでなく、中空の部材の内周の一部もマスキングし、マスキングした中空の部材の外周および内周をケミカルミーリングすることにより、中空の部材の内外周におけるマスキングしていない箇所を薄肉状となるように加工することができるだけでなく、処理時間を短縮することができ、製造処理を能率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態にかかる自転車フレーム用パイプの製造方法で用いる素材管の一部切欠正面図、（ｂ）は同自転車フレーム用パイプの製造方法で製造したパイプの正面図、（ｃ）は同パイプの正面断面図である。
【図２】同自転車のフレームを示す右側面図である。
【図３】同自転車フレーム用パイプの製造方法で製造したパイプの他の例を示す正面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ同製造方法の各工程を示す断面図である。
【図５】同製造方法でのマスキング部の塗布部分を展開して示す図である。
【図６】本発明の他の実施の形態にかかる自転車フレーム用パイプの製造方法で製造したパイプの正面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ同製造方法の各工程を示す断面図である。
【図８】本発明のその他の実施の形態にかかる自転車フレーム用パイプの製造方法で製造したパイプの断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ同製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）はそれぞれロール法の冷間加工による従来の自転車フレーム用パイプの製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１１】引抜法の冷間加工による従来の自転車フレーム用パイプの製造方法を示す断面図である。
【図１２】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ従来のケミカルミーリングによる自転車フレーム用パイプの製造方法の各工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１フレーム
１０素材管（中空の部材）
１１、１４マスキング部
１２処理液
１３マスキング用ゴム栓
２０、２８、３０パイプ（自転車フレーム用部材）
２１、２２、３１、３２ラグ部
２３、３３中間部
２８ａ段付部

Claims

中空の部材の外周の一部をマスキングし、このマスキングした中空の部材の外周における前記マスキングした部分を除く箇所の少なくとも一部をケミカルミーリングする工程を含み、中空の部材の外周の一部だけでなく、内周の一部もマスキングし、マスキングした中空の部材の外周および内周をケミカルミーリングすることを特徴とする自転車フレーム用部材の製造方法。
請求項１に記載の自転車フレーム用部材の製造方法により製造した自転車フレーム用部材を備えたことを特徴とする自転車。