JP5113878B2 - 拡管工具 - Google Patents

Description

本発明は、被拡管部材を内部から拡径するための拡管工具に関する。

一般に、ボイラ、コンデンサ、ラジエータ等の熱交換器の製造工程において、チューブ（被拡管部材）を管板に接合するための拡管工具としては、管板の孔部内でチューブを内部から拡径することで、チューブを管板に圧接するものがある（例えば、特許文献１参照）。

このような拡管工具では、複数のローラが同心円上に回転自在に保持されており、マンドレルを前進させることで、各ローラが外側に押し出される。そして、各ローラがチューブの内周面を押圧しながら転動することでチューブが拡径される。

特開２００７−２２９７６６号公報

前記した従来の拡管工具では、各ローラがチューブの内周面を転動したときに、各ローラに追従して、チューブが共回りする可能性がある。したがって、拡管工具を操作する作業者と、チューブが回転しないように保持する作業者とが共同して作業を行う必要があり、拡管作業が煩雑になるという問題がある。

本発明は、前記した問題を解決し、一台で被拡管部材の回り止めと拡径を行うことができる拡管工具を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、複数のローラを同心円上に回転自在に保持し、被拡管部材内に回転自在に内挿される筒状のエキスパンダフレームと、前記エキスパンダフレーム内にスライド自在かつ回転自在に内挿され、前側が小径となるテーパ部が外周面に形成されたマンドレルと、前記被拡管部材の回り止め機構と、を備えている拡管工具であって、前記回り止め機構は、前記被拡管部材が内挿される筒状のカラー部材と、前記カラー部材の内周面と前記被拡管部材の外周面との間に配置されるジョーと、前記ジョーの後端面に当接するクランプフレームと、前記マンドレルの後部を回転自在に保持する筒状のストッパと、を備え、前記マンドレルおよび前記ストッパを前進させたときに、前記ストッパが前記クランプフレームを押し出すことで、前記ジョーが前記マンドレルに連動して前進するように構成され、前記カラー部材の内周面には、前側が小径となるテーパ部が形成されており、前記マンドレルおよび前記ストッパを前記カラー部材および前記エキスパンダフレームに対して前進させることで、前記カラー部材のテーパ部によって、前記ジョーが前記カラー部材の径方向内側に押し出され、前記ジョーが前記被拡管部材の外周面に接触するとともに、前記マンドレルのテーパ部によって、前記各ローラが前記エキスパンダフレームの径方向外側に押し出されることを特徴としている。

この構成では、マンドレルを前進させることで、ジョーが被拡管部材の外周面に接触して、被拡管部材が固定系のカラー部材に固定されるとともに、各ローラが被拡管部材の内周面に押圧される。したがって、一台の工具で被拡管部材の回り止めと拡径を行うことができ、被拡管部材が回転しないように保持する作業員を配置する必要がないため、作業性を向上させることができる。

前記した拡管工具において、前記回り止め機構が、前記カラー部材と前記クランプフレームの間に介設された第一弾性部材と、前記クランプフレームと前記ストッパとの間に介設された第二弾性部材と、を有している場合には、前記第一弾性部材の弾性力を、前記第二弾性部材の弾性力よりも小さくすることが好ましい。

この構成では、マンドレルおよびストッパを前進させると、最初に第一弾性部材が収縮して、クランプフレームと共にジョーが前進し、ジョーによって被拡管部材が固定される。その後、第二弾性部材が収縮して、マンドレルが更に前進することで、各ローラを被拡管部材の内周面に押圧させることができる。このように、被拡管部材の回り止めが先行して行われるため、被拡管部材の回転を確実に防ぐことができる。

前記した拡管工具において、前記第一弾性部材を、前記カラー部材と前記クランプフレームの後部との間に介設し、前記第一弾性部材が前記エキスパンダフレームの前部の外周を囲むように配置した場合には、工具内のスペースを有効に利用することができ、工具全体をコンパクトに形成することができる。

本発明の拡管工具では、マンドレルを前進させることで、被拡管部材が固定系のカラー部材に固定されるとともに、各ローラが被拡管部材の内周面に押圧されるため、一台の工具で被拡管部材の回り止めと拡径を行うことができ、作業性を向上させることができる。

本実施形態の拡管工具を示した側断面図である。 本実施形態の拡管工具を示した図で、（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図、（ｂ）はローラのフィードアングルを説明した図である。 本実施形態の回り止め機構において、ジョーがチューブに接触していない状態を示した図で、（ａ）は側断面図、（ｂ）は軸断面図である。 本実施形態の回り止め機構において、ジョーがチューブに接触した状態を示した図で、（ａ）は側断面図、（ｂ）は軸断面図である。

本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態の拡管工具１は、複数のローラ２０を回転自在に保持しているエキスパンダフレーム３０と、エキスパンダフレーム３０内にスライド自在かつ回転自在に内挿されたマンドレル４０と、チューブＴＵの回り止め機構５０と、を備えている。
拡管工具１は、チューブＴＵ（特許請求の範囲における「被拡管部材」）の内周面ＴＵ１に、各ローラ２０を押圧させながら転動させることで、チューブＴＵを内部から拡径させるものである。
なお、本実施形態では、エキスパンダフレーム３０の先端側（図１の左側）を前側とし、基端側（図１の右側）を後側として説明する。

エキスパンダフレーム３０は、チューブＴＵに内挿される円筒状の部材である。エキスパンダフレーム３０の前部には、図２（ａ）に示すように、外周面から内周面に貫通した三つの溝部３１が形成されている。各溝部３１は、エキスパンダフレーム３０の円周方向に等角度ピッチ（１２０度ピッチ）で配置されている。各溝部３１には、後記するローラ２０が収容されている。
また、エキスパンダフレーム３０の前端部には、チューブＴＵの開口部に挿入し易いように、先細りのガイド面が形成されている。

ローラ２０は、図１に示すように、チューブＴＵを内部から転圧塑性変形させるための円柱状の部品である。ローラ２０の外周面には、前側が大径で後側が小径となるように、テーパ部２１が形成されている。
ローラ２０は、図２（ａ）に示すように、エキスパンダフレーム３０の溝部３１に収容されている。したがって、本実施形態では、エキスパンダフレーム３０の円周上で同心円上に等角度ピッチ（１２０度ピッチ）で三つのローラ２０が配置されている。溝部３１に保持されたローラ２０は、エキスパンダフレーム３０の外周面から出没自在かつ回転自在となっている。
なお、ローラ２０の個数や配列は、前記実施形態に限定されるものではなく、チューブＴＵの内径や強度等の条件に応じて適宜に設定される。

ローラ２０は、図２（ｂ）に示すように、回転軸が後記するマンドレル４０の回転軸に対して直交する方向（径方向）に傾斜するように、所定のフィードアングルを持たせて、エキスパンダフレーム３０（図１参照）に保持されている。

マンドレル４０は、図１に示すように、エキスパンダフレーム３０に内挿される円柱状の部材であり、エキスパンダフレーム３０に対して軸方向（前後方向）にスライド自在かつ回転自在に内挿されている。
マンドレル４０の前部には、前側が小径で後側が大径となるようにテーパ部４１が形成されている。このテーパ部４１は、ローラ２０のテーパ部２１に合致する形状となっており、ローラ２０のテーパ部２１とマンドレル４０のテーパ部４１とが接触するように構成されている。
また、マンドレル４０の前端部には、エキスパンダフレーム３０に対して後方への抜け止めの役割りを果たすキャップナット４２が形成されている。

マンドレル４０のキャップナット４２がエキスパンダフレーム３０の前端部に当接している状態（マンドレル４０に前方への推進力が付与されていない状態）では、ローラ２０はエキスパンダフレーム３０内に収容されている。
そして、図２（ａ）に示すように、マンドレル４０を正回転（図２（ａ）の右回り）させると、マンドレル４０の回転が各ローラ２０に伝達され、各ローラ２０は自転しながら公転する。このとき、各ローラ２０はマンドレル４０の回転軸に対してフィードアングルが設定されているため、回転している各ローラ２０によってマンドレル４０は前方に送り込まれる。
マンドレル４０がエキスパンダフレーム３０に対して前進すると、マンドレル４０のテーパ部４１によって、ローラ２０がエキスパンダフレーム３０の径方向外側に押し出され、ローラ２０がチューブＴＵの内周面ＴＵ１に押圧される。
なお、マンドレル４０を逆回転（図２（ａ）の左回り）させると、各ローラ２０によってマンドレル４０は後方に送り込まれる。

このように、マンドレル４０の前部は、各ローラ２０を介してエキスパンダフレーム３０に回転自在に支持されている。一方、マンドレル４０の後部は、図１に示すように、後記するストッパ５４に内挿され、回転自在に保持されている。さらに、マンドレル４０の後端部４３は、ストッパ５４から後方に突出しており、駆動装置（図示せず）の出力部が連結される部位である。

回り止め機構５０は、図１に示すように、チューブＴＵが内挿されるカラー部材５１と、カラー部材５１内に配置されたジョー５２と、ジョー５２を保持するクランプフレーム５３と、マンドレル４０の後部を回転自在に保持するストッパ５４と、を備えている。
この回り止め機構５０は、ジョー５２をチューブＴＵの外周面ＴＵ２に接触させて噛み合わせることで、チューブＴＵが軸回りに回転しないように固定するものである。

カラー部材５１は、円筒状の部材であり、エキスパンダフレーム３０の軸方向の略中間部の外周を囲んでおり、前部５１ｄの外径よりも後部５１ｅの外径が大きく形成されている。カラー部材５１の内周面５１ａの後部には、前側が小径で後側が大径となるテーパ部５１ｂが形成されている。
また、カラー部材５１の内周面５１ａと、カラー部材５１に内挿されたチューブＴＵの外周面ＴＵ２との間に隙間が形成されるように、カラー部材５１の内径が設定されている。
また、カラー部材５１の前部５１ｄの前端面５１ｆは、管板Ｐ（図３参照）の外面に当接する部位である。なお、前端面５１ｆの面積や前部５１ｄの軸方向（前後方向）の長さは、管板Ｐの孔部Ｐ１の配列ピッチや、管板ＰからのチューブＴＵの突出量によって設定される。

カラー部材５１の後部の内周面５１ａと、チューブＴＵの外周面ＴＵ２との間には、複数のジョー５２が配置されている。
本実施形態では、図３（ａ）に示すように、カラー部材５１の内周面上で同心円上に等角度ピッチ（１２０度ピッチ）で三つのジョー５２が配置されている。各ジョー５２の間には、隣り合うジョー５２，５２の間隔を保つためのスペーサ５２ｃが介設されている。
なお、本実施形態では、三つのジョー５２を配置しているが、ジョー５２の個数や配列は、前記実施形態に限定されるものではなく、チューブＴＵの外径や強度等の条件に応じて適宜に設定される。

ジョー５２の内面には、チューブＴＵの外周面ＴＵ２に噛み合わされる歯部５２ａが形成されている。また、ジョー５２の外面には前側の厚みが小さく後側の厚みが大きくなるテーパ部５２ｂが形成されている。このテーパ部５２ｂは、図３（ａ）に示すように、カラー部材５１のテーパ部５１ｂに合致する形状となっており、ジョー５２のテーパ部５２ｂとカラー部材５１のテーパ部５１ｂとが接触するように構成されている。

図３（ａ）に示すように、ジョー５２がカラー部材５１の後端部に位置しているときには、ジョー５２の歯部５２ａとチューブＴＵの外周面ＴＵ２との間に隙間が形成されている（図３（ｂ）参照）。そして、図４（ａ）に示すように、ジョー５２をカラー部材５１内で前進させると、カラー部材５１のテーパ部５１ｂによって、ジョー５２がカラー部材５１の径方向内側に押し出され、ジョー５２の歯部５２ａがチューブＴＵの外周面ＴＵ２に接触して噛み合わされる（図４（ｂ）参照）。
なお、ジョー５２がチューブＴＵの外周面ＴＵ２に接触する面積、すなわち、ジョー５２の内面の面積（幅および軸方向の長さ）は、各ジョー５２がチューブＴＵを保持したときに、チューブＴＵに過大な負荷が作用しないように、チューブＴＵの長さや厚みなどに応じて変更される。

クランプフレーム５３は、図１に示すように、カラー部材５１の後方に配置された筒状の部材であり、エキスパンダフレーム３０が回転自在に内挿されている。クランプフレーム５３の前部には小径部５３ａが形成され、後部には大径部５３ｂが形成されている。
また、クランプフレーム５３（小径部５３ａ）の前端面の中央部には、ジョー５２の後端面に当接し、カラー部材５１内に挿入可能な突起部５３ｅが形成されている。
このように、クランプフレーム５３の前端部にジョー５２が接することで、クランプフレーム５３の前方への移動に連動して、ジョー５２が前方に移動するように構成されている。

カラー部材５１の後端面５１ｃ（図３（ａ）参照）と、クランプフレーム５３の大径部５３ｂとの間には、第一弾性部材５６が介設されている。
第一弾性部材５６は、クランプフレーム５３の小径部５３ａ（前部）の外周を囲んでいるコイルスプリングである。この第一弾性部材５６は、カラー部材５１をクランプフレーム５３に対して前方に付勢している。

クランプフレーム５３の外周には、筒状のカバー６０が設けられている。カバー６０の前部は、カラー部材５１の後部５１ｅに外嵌され、カラー部材５１の外周面に固着されている。
カバー６０の後部は、クランプフレーム５３の大径部５３ｂに外嵌されている。クランプフレーム５３は、カバー６０に対して前後方向にスライド自在となっている。
カバー６０は、カラー部材５１とクランプフレーム５３との間に介設された第一弾性部材５６が外部に露出するのを防ぐための部材である。

カバー６０の後端開口部には、径方向内側に突出した環状の突出部６１が形成されている。また、クランプフレーム５３の大径部５３ｂの外周面にはフランジ５３ｃが突設されている。そして、突出部６１の前面にフランジ５３ｃが当接することで、クランプフレーム５３の後方への移動が規制されている。
なお、クランプフレーム５３が最も後方に位置しているときには、クランプフレーム５３に取り付けられたジョー５２は、カラー部材５１の後端部に配置されている。

カバー６０の後部には、円筒状のスプリングカバー７０の前部が外嵌されている。スプリングカバー７０は、エキスパンダフレーム３０よりも後方に延出されており、後記する第二弾性部材５７の軸方向の略中間部に後端開口部が位置している。

前記したカラー部材５１、カバー６０、クランプフレーム５３およびスプリングカバー７０は、マンドレル４０が回転に伴って回転しない固定系の部材である。

クランプフレーム５３の後端面の中心部には、凹部５３ｄが形成されている。この凹部５３ｄには、カラー後輪５５の前部５５ａが回転自在に内挿されている。
カラー後輪５５は、ボールリテーナ５５ｃを介して、凹部５３ｄ内に回転自在に取り付けられた筒状の部材であり、エキスパンダフレーム３０の後部が内挿されている。
カラー後輪５５の後部５５ｂは、エキスパンダフレーム３０の後部の外周面に形成されたねじ溝に螺合されており、エキスパンダフレーム３０の回転に連動して回転する。

また、カラー後輪５５の後方において、エキスパンダフレーム３０の後部のねじ溝には、ロックナット５５ｄが螺合されている。
そして、カラー後輪５５を回転させることによって、カラー後輪５５をエキスパンダフレーム３０に対して、前方または後方に送り出すことができる。
このようにして、カラー後輪５５をエキスパンダフレーム３０に対して移動させ、カラー部材５１を前方または後方に送り出すことで、カラー部材５１からのローラ２０の突出量（ローラ有効長）を調整することができる。

ストッパ５４は、マンドレル４０の後部が内挿された円筒状の部材であり、後部に拡径されたフランジ５４ａが形成されている。このストッパ５４は、内部に設けられたベアリングを介して、マンドレル４０の後部を回転自在に保持しており、マンドレル４０の前後方向への移動に連動して前後方向に移動する。

クランプフレーム５３の後端面と、ストッパ５４のフランジ５４ａとの間には、第二弾性部材５７が介設されている。第二弾性部材５７は、エキスパンダフレーム３０とストッパ５４との間に露出したマンドレル４０の外周を囲んでいるコイルスプリングである。
本実施形態では、第二弾性部材５７の弾性力（ばね定数）よりも、第一弾性部材５６の弾性力（ばね定数）が小さく設定されており、ストッパ５４に前方への推進力が付与されたときには、第二弾性部材５７よりも第一弾性部材５６の収縮量が大きくなっている。

次に、前記した拡管工具１を用いたチューブＴＵの拡径作業について説明する。
まず、図１に示す拡管工具１のロックナット５５ｄを回転させ、カラー後輪５５をエキスパンダフレーム３０に対して前方または後方に送り出すことで、拡径する部位の長さに合わせて、カラー部材５１からのローラ２０の突出量（ローラ有効長）を調整する。また、マンドレル４０の後端部４３は電動工具（図示せず）の出力軸に連結される。

図３（ａ）に示すように、管板Ｐの孔部Ｐ１に挿入されたチューブＴＵにエキスパンダフレーム３０の前部を挿入し、カラー部材５１の前端面５１ｆを管板Ｐの外面に当接させる。これにより、孔部Ｐ１内にローラ２０が配置される。

この状態で電動工具を駆動させ、図１に示すマンドレル４０を正回転させながら、電動工具を前方に移動させることで、マンドレル４０およびストッパ５４に前方への推進力を付与すると、第二弾性部材５７を介して、クランプフレーム５３に推進力が伝達される。
このとき、第二弾性部材５７の弾性力（ばね定数）よりも第一弾性部材５６の弾性力（ばね定数）が小さいため、第二弾性部材５７よりも第一弾性部材５６が大きく収縮し、クランプフレーム５３およびジョー５２が前進する。

図４（ａ）に示すように、ジョー５２がカラー部材５１内で前進すると、カラー部材５１のテーパ部５１ｂによって、ジョー５２がカラー部材５１の径方向内側に押し出され、ジョー５２の歯部５２ａがチューブＴＵの外周面ＴＵ２に接触して噛み合わされる（図４（ｂ）参照）。これにより、チューブＴＵは、ジョー５２を介して固定系（カラー部材５１）に固定され、チューブＴＵの回転が防止される。

クランプフレーム５３の小径部５３ａの前端面が、カラー部材５１の後端面に当接することで、クランプフレーム５３の前進が規制され、第一弾性部材５６の収縮が完了する。その後、図１に示す第二弾性部材５７が収縮することで、マンドレル４０およびストッパ５４は更に前進する。

そして、図２（ａ）に示すように、マンドレル４０のテーパ部４１によって、ローラ２０がエキスパンダフレーム３０の径方向外側に押し出され、各ローラ２０がチューブＴＵの内周面ＴＵ１に押圧される。このとき、各ローラ２０にはマンドレル４０の回転が伝達されるため、各ローラ２０は自転しながら公転する。これにより、エキスパンダフレーム３０が軸回りに回転する。
このようにして、各ローラ２０がチューブＴＵの内周面ＴＵ１を押圧しながら転動することで、チューブＴＵが内部から拡径され、チューブＴＵが管板Ｐ（図４（ａ）参照）の孔部Ｐ１に圧接される。

また、作業後にチューブＴＵからマンドレル４０を離脱させるときには、マンドレル４０を逆回転させながら、電動工具を後方に移動させると、第一弾性部材５６の弾性力によってクランプフレーム５３が後方に押し戻される。これにより、ジョー５２はカラー部材５１内で後進することができるようになり、図３（ａ）に示すように、ジョー５２がカラー部材５１の径方向外側に移動して、歯部５２ａがチューブＴＵの外周面から離間する。

以上のような拡管工具１では、図４（ａ）に示すように、マンドレル４０を前進させることで、ジョー５２がチューブＴＵの外周面ＴＵ２に接触して、チューブＴＵが固定系のカラー部材５１に固定されるとともに、各ローラ２０がチューブＴＵの内周面ＴＵ１に押圧される。したがって、一台の工具でチューブＴＵの回り止めと拡径を行うことができ、チューブＴＵが回転しないように保持する作業員を配置する必要がないため、作業性を向上させることができる。

また、マンドレル４０を前進させると、最初に第一弾性部材５６が収縮して、クランプフレーム５３が前進し、ジョー５２によってチューブＴＵが固定される。その後、図１に示す第二弾性部材５７が収縮して、マンドレル４０が更に前進することで、各ローラ２０をチューブＴＵの内周面ＴＵ１に押圧させることができる。このように、チューブＴＵの回り止めが先行して行われるため、チューブＴＵの回転を確実に防ぐことができる。

また、クランプフレーム５３の小径部５３ａ（前部）の外周を囲むように、第一弾性部材５６を配置することで、工具内のスペースを有効に利用し、工具全体をコンパクトに形成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更が可能である。
例えば、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、ジョー５２がチューブＴＵの外周面ＴＵ２に接触して噛み合うことで、チューブＴＵが固定されるように構成されているが、ジョー５２がチューブＴＵの外周面ＴＵ２に圧接されることで、チューブＴＵを固定してもよい。

また、第一弾性部材５６および第二弾性部材５７をコイルスプリングによって構成しているが、ゴム材など各種の弾性部材を用いることができる。

１ 拡管工具
２０ ローラ
２１ ローラのテーパ部
３０ エキスパンダフレーム
４０ マンドレル
４１ マンドレルのテーパ部
５０ 回り止め機構
５１ カラー部材
５１ａ カラー部材の内周面
５１ｂ カラー部材のテーパ部
５２ ジョー
５２ａ 歯部
５２ｂ ジョーのテーパ部
５３ クランプフレーム
５３ａ 小径部
５３ｂ 大径部
５３ｄ 凹部
５３ｅ 突起部
５４ ストッパ
５５ カラー後輪
５５ｄ ロックナット
５６ 第一弾性部材
５７ 第二弾性部材
６０ カバー
７０ スプリングカバー
Ｐ 管板
Ｐ１ 孔部
ＴＵ チューブ（被拡管部材）
ＴＵ１ チューブの内周面
ＴＵ２ チューブの外周面

Claims (3)

1. 複数のローラを同心円上に回転自在に保持し、被拡管部材内に回転自在に内挿される筒状のエキスパンダフレームと、
   前記エキスパンダフレーム内にスライド自在かつ回転自在に内挿され、前側が小径となるテーパ部が外周面に形成されたマンドレルと、
   前記被拡管部材の回り止め機構と、を備えている拡管工具であって、
   前記回り止め機構は、
   前記被拡管部材が内挿される筒状のカラー部材と、
   前記カラー部材の内周面と前記被拡管部材の外周面との間に配置されるジョーと、
   前記ジョーの後端面に当接するクランプフレームと、
   前記マンドレルの後部を回転自在に保持する筒状のストッパと、を備え、
   前記マンドレルおよび前記ストッパを前進させたときに、前記ストッパが前記クランプフレームを押し出すことで、前記ジョーが前記マンドレルに連動して前進するように構成され、
   前記カラー部材の内周面には、前側が小径となるテーパ部が形成されており、
   前記マンドレルおよび前記ストッパを前記カラー部材および前記エキスパンダフレームに対して前進させることで、
   前記カラー部材のテーパ部によって、前記ジョーが前記カラー部材の径方向内側に押し出され、前記ジョーが前記被拡管部材の外周面に接触するとともに、
   前記マンドレルのテーパ部によって、前記各ローラが前記エキスパンダフレームの径方向外側に押し出されることを特徴とする拡管工具。
2. 前記回り止め機構は、
   前記カラー部材と前記クランプフレームの間に介設された第一弾性部材と、
   前記クランプフレームと前記ストッパとの間に介設された第二弾性部材と、を有し、
   前記第一弾性部材の弾性力は、前記第二弾性部材の弾性力よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の拡管工具。
3. 前記第一弾性部材は、前記カラー部材と前記クランプフレームの後部との間に介設され、前記エキスパンダフレームの前部の外周を囲んでいることを特徴とする請求項２に記載の拡管工具。

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