JP4057297B2

JP4057297B2 - ベローズ及びその製造方法

Info

Publication number: JP4057297B2
Application number: JP2002001743A
Authority: JP
Inventors: 秀樹岡田
Original assignee: NHK Spring Co Ltd
Current assignee: NHK Spring Co Ltd
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2022-01-08
Also published as: EP1325784B2; DE60300026T2; US6820317B2; DE60300026T3; JP2003202077A; US20030126732A1; EP1325784A1; EP1325784B1; DE60300026D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ベローズ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属ベローズの中の１つである成形ベローズ（以下ベローズと記す）は、液圧バルジ成形法で成形するのが一般的であり、その製造方法について図５〜図７を参照して以下に示す。
【０００３】
ベローズの成形に用いられる材料は図５に示されるような円筒状の金属パイプからなる素管Ｍであり、使用する金型は、図５に示されるように、素管Ｍの軸線方向両端の開口を液密に塞ぐための上金型１１及び下金型１２と、その中間部にて軸線方向に等間隔に配置され、素管Ｍを外囲する環状をなす複数の中間金型１３ａ〜１３ｅとから構成されている。そして、素管Ｍを図の矢印Ｂに示されるように下金型１２に対してセットすると共に、素管Ｍの上端部に上金型１１を図の矢印Ｃに示されるようにセットする。なお、中間金型１３ａ〜１３ｅは、それぞれ対をなす二つ割り形状をなし、素管Ｍの外周面に対して図５の矢印Ｄに示されるように対同士を互いに合わせて環状をなすようにセットする。
【０００４】
図６は成形中の状態を示すものであり、初期状態で、上金型１１及び下金型１２により密封された素管Ｍ内には内圧供給用の液体が充填され、成形中には下金型１２に設けられている加圧通路１２ａを介して素管Ｍ内に高圧の液体が送り込まれるようになっている。
【０００５】
上記したように素管Ｍ内に所定圧の液体を供給し、素管Ｍの各金型間に露出している部分を半径方向外方へ膨出させる。このとき環状金型１３ａ〜１３ｅに押さえられている部分は膨出しない。次に、図６の矢印Ｅに示されるように上金型１１、及び各中間金型１３ａ〜１３ｅを下型部１２に向けて徐々に下降させる。このとき、各中間金型１３ａ〜１３ｅ間のピッチが等しく狭まるように、各金型１１・１３ａ〜１３ｅが図示されない型支持機構により駆動されるようになっている。そして、適正な圧力を保持しながら、膨出部分の破裂及び座屈の発生を抑制しつつ各中間金型１３ａ〜１３ｅのピッチを狭めていき、図７に示されるように各金型同士をそれぞれ互いに当接させる。その成形完了状態で圧力を０にして各金型を外して、図８に示されるように製品としてのベローズ２１が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の液圧バルジ成形法によるベローズにあっては、材料にＳＵＳ３０４を用いた場合には、材料の伸びの制約から、内外径比（外径／内径）Ｄ１／Ｄ２の限度としては１．５程度になる。したがって、ベローズとして、限られたスペース内での大きな伸縮ストロークを要求される分野での使用にあっては、より一層のコンパクト化及び大ストローク化に対応させるべく、内外径比Ｄ１／Ｄ２を大きくしたい場合には、伸びの良い（高い）材料を用いて成形するか、そのような制約条件が無く設計自由度が高い溶接ベローズを適用していた。
【０００７】
しかしながら、伸びの良い材料を使用する場合には材料費が高騰し、製品コストが高騰化する虞がある。また、溶接ベローズの場合には、複数の環状薄板を一枚一枚円周溶接することによって製造することから、その製造過程が煩雑化して製造コストが高く、また溶接強度のばらつきに基因して繰り返し負荷に対する耐久上の信頼性に欠けるといった問題がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決して、コンパクト化及び大ストローク化を促進し得る成形ベローズを実現するために、本発明に於いては、金属パイプの軸線方向に複数の金型を配置し、前記金属パイプ内を加圧し、かつ前記各金型の間隔を狭めることによりベローズの山を成形して形成されるベローズであって、前記ベローズの伸縮運動に対する寿命を延ばすべく、前記金属パイプがＳＵＳからなり、１回の前記成形を、前記ベローズの山における外径（Ｄ１）と内径（Ｄ２）との内外径比（Ｄ１／Ｄ２）が１．３〜１．５で行い、前記ベローズの山を１回目の成形により形成してから焼鈍し、前記焼鈍後に前記１回目の成形により形成された山の高さをさらに高くする２回目の成形を行って、前記内外径比が約１．４を越えた値で前記ベローズの山が形成されているものとした。
【０００９】
これによれば、ベローズの成形途中に焼鈍工程を入れることによって材料の伸びを回復することができるため、１回目の成形により形成された山に対して新たに同様の成形を行うことができ、結果的にベローズの加工性を高めることができる。
【００１０】
特に、前記ベローズの内外径比が、その材料の１回の成形による許容値を超えた値に設定されていることにより、従来の１回の成形で可能な内外径比以上の大きな内外径比をもったベローズが成形されることになり、同じ発生応力に対する１山当たりのたわみが増大するため、ベローズとして同じたわみ代を確保すれば良い場合には山数を減らすことができ、ベローズの最大長を短くし得る。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に添付の図面に示された具体例に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明に基づくベローズを用いたアキュムレータを示す要部破断側面図である。図のアキュムレータにあっては、密閉構造のケース１内に蛇腹状のベローズ２が収容されている。そのケース１内の底面に突設されたボス状体１ａにベローズ２の図における下端部が固着され、ケース１内に液密性を保持しつつ図の上下方向に変位自在に設けられたピストン板３にベローズ２の図における上端部が結合されている。それらボス状体１ａとピストン板３とによりベローズ２の軸線方向両開口端が閉塞されており、ベローズ２内の気密性が保持されている。
【００１３】
また、ケース１の天板部には外部と連通する連通路１ｂが設けられており、その連通路１ｂを介して例えば液体がケース１内に出入りする。ベローズ２内には所定圧の気体が密封されており、その圧力に抗してケース１内へ液体が流入するとピストン板３が押し下げられ、液圧の低下に応じてピストン板３が上昇する。このようにして、ベローズ２が伸縮する。
【００１４】
次に、ベローズ２の成形要領について以下に示す。材料となる金属パイプとしての素管Ｍ及び金型１１・１２・１３ａ〜１３ｅには従来例で示したものと同様のものを用いることができる。
【００１５】
まず、従来例で示した図５と同様に素管Ｍに対して各金型１１・１２・１３ａ〜１３ｅを配置してセットし、従来例で示した図６と同様に素管Ｍ内を加圧しつつ各金型１１・１３ａ〜１３ｅ間の間隔を同量ずつ狭めることによる１回目の成形を行う。このとき、金型１３ａが金型１３ｂに対して図２の矢印Ａに示されるように近づくことから、素管Ｍの一部が図２の想像線に示されるように半径方向外方に膨出し、ベローズの山となる部分が形成される。
【００１６】
１回の成形では、材料の伸びの制約及び量産性を考慮すると、ベローズの内外径比（成形前の径を内径とし、成形により半径方向外方に膨出した部分を外径とする）の設計上の限界となる許容値は約１．４までである。本発明は、ベローズの成形途中に焼鈍工程を入れることによって材料の伸びを回復して、加工性を高めるものである。例えば、１回目に通常通りの内外径比を１．４とする加工を行い、その後焼鈍することにより、さらに内外径比（１回目の成形による山の部分を内径とみなす）を１．４とする加工が可能になる。これにより、１．４×１．４＝１．９６の内外径比（Ｄ１／Ｄ２）となるベローズを成形することができる。
【００１７】
具体的には、焼鈍を１回だけ行う場合には、予め１．９６の内外径比（Ｄ１／Ｄ２）になるように、金型の凹部（ベローズ２の山２ａを形成する部分）の半径方向長さを従来例のように焼鈍を行わない場合の２倍にした金型１３ａ〜１３ｅを用いる。そして、１回目の成形（押し込み成形）では、内外径比が１．４になるまで山２ａを膨出させるように、ベローズ２内の加圧と各金型のピッチを狭める（図２のＰ１からＰ２にする）加工を行う。それによる山２ａの形状は図２の想像線に示されるようになる。
【００１８】
次に、各金型１１・１２・１３ａ〜１３ｅから成形途中のベローズ２を外して、そのベローズ２に対して焼鈍を行う。その後、各金型１１・１２・１３ａ〜１３ｅを上記１回目の成形終了状態に再度セットし直し、２回目の成形（押し込み成形）を行う。今度は各金型１１・１２・１３ａ〜１３ｅを互いに当接するまで、金型１１・１３ａ〜１３ｅを、相対的ピッチを保ちつつ下金型１２に向けて押し込む。これにより内外径比（Ｄ１／Ｄ２）が１．９６のベローズが成形される（図３）。
【００１９】
なお、２回目の成形時の金型は、上記例では１回目の成形時の金型と同じものとしたが、異なる金型を用いても良い。上記例のように最終的な内外径比（Ｄ１／Ｄ２）が１．９６のベローズを成形する場合に、例えば、１回目の成形時には内外径比を１．４とするのに適する金型を用い、２回目の成形時には最終的な内外径比が１．９６とするのに適するものを用いる。また、上記例では各金型同士が当接するまで押し込んだが、各金型を近接させるだけにしても良い。
【００２０】
このように、成形ベローズの加工において押し込み成形による山の成形途中に焼鈍工程を入れることにより、素管Ｍの材質などにより１回の押し込み成形における内外径比の許容値に制約があっても、最終的な内外径比を大きくしたベローズの製造が可能になる。また、伸びが少ない材料として、例えばＳＵＳ６３１を使用しても良い。この場合には、１回の押し込み成形により可能な内外径比の許容値が１．３程度と小さいため、上記例と同じく内外径比が１．９６となるベローズを製造するためには、３回の押し込み成形と、その途中に入れる２回の焼鈍とを行う。このようにして、成形加工と焼鈍とを繰り返すことにより、実質的に内外径比に制約のないベローズを成形することができる。
【００２１】
一般にべローズは、真空機器やアキュムレータとして使用され、そのようなべローズの動作にあっては軸線方向に伸縮運動するため、ベローズ内の流体に対する金属シールとしての耐久性を要求される。また、ベローズの発生応力としては、一般に「ＪＩＳＢ８２４３圧力容器の構造」に記載されている次式が良く知られている。
【００２２】
σ_ｘ＝１．５×ｔ×Δ_ｘ×Ｅ／｛（ρ／２）^０．５×ｈ^１．５×２ｎ｝…（１）
ここで、σ_ｘは伸縮による発生応力（ＭＰａ）、ｔは板厚（ｍｍ）、Δ_ｘは軸方向変位量（ｍｍ）、Ｅは縦弾性係数（１７９ＧＰａ）、ｎは有効山数、ρはピッチ（ｍｍ）、ｈは山高さ（ｍｍ）である。
【００２３】
上記式から分かるように、ベローズの発生応力を下げるためには、山高さを大きくすることが最も効果的である。山高さは、（外径−内径）／２で表される。したがって、内外径比を大きくすることにより、山高さが大きくなり、ベローズの発生応力を下げることができる。なお、製品仕様として許容応力を同一にして良ければ、山数が減ることになり、それによりベローズの軸線（長手）方向の長さを短くすることができる。そのため、コンパクトな製品設計が可能になり、狭い所へのアキュムレータなどの設置が可能になり、アキュムレータなどを用いる装置の設計自由度が増す。
【００２４】
次に、従来例で示した１回の押し込み成形のみで製造するベローズの内外径比を１．４２としたもの（以下、従来品と記す）と、焼鈍を行って内外径比を１．７６にするように試作したベローズ（以下、本発明品と記す）との比較を行う。材料にはＳＵＳ３０４を使用し、各ベローズの板厚を０．１３ｍｍとし、内径を同じ１８ｍｍとした。したがって、製品としてのベローズの外径は、従来品では２５．６ｍｍであり、本発明品では３１．６ｍｍである。また、ベローズの伸縮におけるたわみを６ｍｍと設定し、寿命が１０^７回の伸縮運動を許容するものとした。
【００２５】
そして、成形時の加圧を９．５ＭＰａとし、本発明品における押し込み成形の１回目と２回目との間に行う焼鈍を無酸化炉で９８０℃×４分とした。この条件における本発明品の成形において、１回目の成形では、図２のピッチＰ１を１５ｍｍとし、ピッチＰ２が８．２ｍｍとなるようにした。また、２回目の成形では、若干復元するため、ピッチ８．９ｍｍから各金型が当接するまで押し込み成形を行った。
【００２６】
両者の比較を表１に示す。
【００２７】
【表１】

表１に示されるように、両者の発生応力がほぼ同じになるようにした場合に、従来品の山数が２５山であるのに対して、本発明品の山数は９山となり、山数減少率が６４パーセントにもなった。これにより、実際の作動時の最大長が従来品では３４ｍｍであったものに対して、本発明品では１３．３ｍｍも短くすることができ、本発明品による作動時の最大長が２０．７ｍｍとなった。このように、ベローズのたわみ量及び発生応力を同じとする場合には、ベローズの製品長さ（最大長）を大幅に短くするこができる。
【００２８】
また、疲労試験を行った結果を図４に示す。上記式（１）から、山数とたわみは１：１の関係にあるため、図において縦軸を１山当たりのたわみ（ｍｍ／山）とし、横軸を作動（伸縮）回数とする。
【００２９】
計算によれば、山数の減少率から、本発明品は従来品に比べて１山当たりのたわみが２．７７倍大きくなることが予想される。それに対して、実験結果では、１００万回の作動における１山当たりのたわみが、従来品では約０．３ｍｍであったのに対して、本発明品では約１．２ｍｍとなり、約４倍にもなった。したがって、計算値以上の顕著な効果を奏することができた。
【００３０】
なお、上記図示例では２回の押し込み成形の間に１回の焼鈍を行う例を示したが、必要に応じてそれ以上の回数の焼鈍及び押し込み成形を繰り返す加工を行っても良い。これにより、種々の材料を用いて実質的に内外径比に制約のないベローズを製造することができる。
【００３１】
【発明の効果】
このように本発明によれば、ベローズの成形途中に焼鈍工程を入れることによって材料の伸びを回復することができるため、１回目の成形により形成された山に対して新たに同様の成形を行うことができ、結果的にベローズの加工性を高めることができる。そして、ベローズの内外径比を、その材料の１回の成形による許容値を超えた値に設定することにより、従来の１回の成形で可能な内外径比以上の大きな内外径比をもったベローズを成形することができる。これにより、同じ発生応力に対する１山当たりのたわみが増大するため、ベローズとして同じたわみ代を確保すれば良い場合には山数を減らすことができ、ベローズの最大長を短くし得る。したがって、ベローズのコンパクト化が可能であり、また、同じ最大長の場合にはたわみを大きく取ることができるため、ベローズの大ストローク化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づくベローズを用いたアキュムレータを示す要部破断側面図。
【図２】１回目の押し込み成形を行う要領を示す要部拡大説明図。
【図３】２回目の押し込み成形を行って形成されたベローズを示す要部拡大断面図。
【図４】伸縮回数に対する１山当たりのたわみを示す図。
【図５】液圧バルジ成形法の金型のセット要領を示す要部破断側面図。
【図６】液圧バルジ成形法による成形途中の状態を示す要部破断側面図。
【図７】液圧バルジ成形法による成形終了状態を示す要部破断側面図。
【図８】従来例のベローズを示す要部破断側面図。
【符号の説明】
２ベローズ
２ａ山
１１上金型
１２下金型
１３ａ〜１３ｅ中間金型
２１ベローズ

Claims

金属パイプの軸線方向に複数の金型を配置し、前記金属パイプ内を加圧し、かつ前記各金型の間隔を狭めることによりベローズの山を成形して形成されるベローズであって、
前記ベローズの伸縮運動に対する寿命を延ばすべく、
前記金属パイプがＳＵＳからなり、
１回の前記成形を、前記ベローズの山における外径（Ｄ１）と内径（Ｄ２）との内外径比（Ｄ１／Ｄ２）が１．３〜１．５で行い、
前記ベローズの山を１回目の成形により形成してから焼鈍し、前記焼鈍後に前記１回目の成形により形成された山の高さをさらに高くする２回目の成形を行って、前記内外径比が前記１回目の成形による内外径比を越えた値で前記ベローズの山が形成されていることを特徴とするベローズ。
前記各金型の前記山を形成する部分を前記２回目の成形により形成する前記山の高さに合わせ、同一の前記各金型を用いて前記１回目及び前記２回目の成形を行うことを特徴とする請求項１に記載のベローズの製造方法。