JP5529898B2 - 中空棒材の捻り加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空棒材を捻って長手方向に所望の螺旋状とする捻り加工方法に関する。この中空棒材は、捻れ螺旋形状を装飾または鑑賞目的に用いるグリル、レール、金属工作物、およびこれに類する建築要素の一部または全体を構成するものである。本発明はまた、中空棒材の捻り加工に関連する種々の部材や部品に関する。

グリル、グレーチング、間仕切り、手摺りを構成する整列した棒材、その他の金属工作物、扉や窓用の開口覆いまたは防護柵、ルーバー、格子状構造物等の建築要素または建具類には、防護目的に加え、ともすれば重くなりがちなバリケード風の外観を和らげる加工が施される場合がある。特に、棒材の１本１本にその長手方向に沿って或る種の捻れパターンを与え、装飾・鑑賞目的の捻れまたは螺旋形状を与えることを、意図的な変形により実現したり、あるいは最初からその様に形成したりする場合がある。

棒材または帯材に装置を用いて施される上述の様な捻り加工の一例が、米国特許第５，１０７，６９４号（発明者：Ｋｅｍｐ、特許文献１）に開示されている。上記の材料片や細い棒材は堅牢なので、この先行技術にかかる装置は圧延により棒材に螺旋状の捻れを形成していると考えられる。この棒材については、Ｉ形鋼（あるいはＨ形鋼）が示す様な必要な引張強度を与えるための堅牢さが要求されない場合も多い。また、Ｉ形鋼のフランジ部（水平部）はウェブ（垂直部）面内での曲げ強度および剪断強度に対しては非常に有効であるが、中空断面構造が有利な捻り強度に関しては不十分となる。

中空のチューブ状要素を捻る従来法として、中空の二重壁チューブ（即ち、円形断面の棒材）を捻る方法が米国特許第５，４１０，８０８号（発明者：Ｇｅｐｐｅｌｔら、特許文献２）に記載されている。また、矩形断面形状を有する中空棒材を捻る従来法として、米国特許第５，７７１，７２６号（発明者：Ｂｉｂｂｙら、特許文献３）には、カーテンレール用の矩形断面のオープンシーム管を捻る、中空棒材の捻り加工方法および装置が開示されている。入れ子構造のおかげでカーテン・ロッド伸張時にも両端で同じ捻り装飾形状が得られるという特徴の他、特許文献３では、オープンシーム棒材はシーム管あるいはシームレス管に比べて、捻り装置から脱着された時、または力のモーメントから開放された時に、棒材が部分的または全体的に元の捻りの無い形状に戻ってしまう傾向が強く、捻り加工に対する反発力が大きいという問題に言及している。

中空棒材の場合、捻り変形は非可逆的であることが多く、一旦捻られた材料はその降伏点を超えると永久変形を起こす。この棒材をこれ以上変形させても、材料疲労または材料破壊につながるだけである。したがって、捻り棒材の製作においては、捻り変形に対する或る程度の反発力を維持しておくことが望ましく、そのためには、捻りを或る程度戻してから再び捻ることにより、引張強度や構造強度を損なうことなく長さや美的外観を調整すればよい。この様にすれば、加工中の棒材を些細な技能上のミスや僅かな仕様変更が必要になった等の理由で廃棄せずに済む。もちろん、材料の反発力や変形状態からの復元力が用いる材料に依存することは周知であり、例えば中空棒材が金属、合金、ポリマー（プラスチックを含む）のいずれで出来ているか、またその材料特性である弾性率、捻り強度、剪断強度、引張強度等に依存する。

米国特許第５，１０７，６９４号（発明者：Ｋｅｍｐ） 米国特許第５，４１０，８０８号（発明者：Ｇｅｐｐｅｌｔら） 米国特許第５，７７１，７２６号（発明者：Ｂｉｂｂｙら）

本発明者らは、捻り応力に対する反発力を高めた中空棒材の作製方法を提供すべく、鋭意検討を行った。この反発力に関し、本発明者らはまた、中空棒材またはその部品や部材の製作に用いる材料の性質に応じて、該棒材を捻ったり、その捻り形状を補強したりする様々な手段および方法、例えば、その金属形状を押出成形で得るか、あるいは中空棒材の部分を金属板材もしくは帯材の打抜き・プレス・曲げ加工または圧延成形で得るか、または樹脂の押出成形で得るか、などについて鋭意検討を行った。

本発明は、別体の長尺部品を組み立てて中空長尺部材を構成し、各部品をその材料の疲労限界を超えない範囲で捻ることが可能な方法を提供することを目的とする。捻り応力を開放するか、または力のモーメントを解除すれば、その部品は材料自身の弾性力によってほぼ元の形状を回復する。したがって、各中空棒材の捻り回数を増やすことができる他、一旦捻った棒材を開放して再利用または捻り直すことにより、調整や再設置に供することができる。

かかる目的を達成するための本発明は、中空長尺部材を長手方向に捻って所望の螺旋形状とする方法であって、一体形成された連結手段を互いに相補的に緊結することで前記中空長尺部材が構成される複数の長尺部品を製作する工程を含む。前記連結手段を用いて前記複数の長尺部品を緊結することにより前記中空長尺部材を組み立てた後、組み立てられた前記中空長尺部材を捻ることにより前記所望の螺旋形状とする。

本発明の特徴の一つは、前記中空長尺部材の捻りに起因する力のモーメントにより制限範囲内で回動可能と成された前記連結手段の存在にある。この連結手段は、前記長尺部品の各々の連結端部に沿って設けられて連続的な長手方向継手を構成する。この連結手段は、蝶番を含む実矧ぎ継手、玉継手、旋回継手および単軸継手のいずれか、またはこれらの組合せから選択することができる。

本発明の別の特徴は、前記長尺部品が押出し加工、圧延、打抜き加工、プレス加工または曲げ加工のいずれか、またはこれらの組合せで製作される点にある。好ましくは、前記中空長尺部材は、該中空長尺部材を相補的に構成する同一形状の一対の長尺部品を含む。さらに好ましくは、前記中空長尺部材は、三角形と、長方形・正方形・菱形・平行四辺形を含む四角形と、を包含する多角形、長円形、または楕円形等から選択される断面形状を有する。

本発明の一側面によれば、前記中空長尺部材の所望の捻れ状態の前記螺旋形状を維持する補強工程が提供される。一実施態様において、前記補強工程において、組み立て時に前記中空長尺部材の内部に内部補強構造を構成することを特徴とする前記長尺部品同士を一体に組み立てる。好ましくは、前記内部補強構造は、前記長尺部品の各々と一体化された相補的な半円筒体から成るスリーブを含み、該半円筒体はスリーブ継手で互いに連結可能である。より好ましくは、前記スリーブに棒材を挿入し、前記中空長尺部材の両端部でそれぞれ前記スリーブと前記棒材とを保持ピンで突き通すことにより、前記所望の螺旋形状を解きほぐすことなく維持する。

別の実施態様において、前記補強工程は、軸方向に沿って複数の補強板を適切な間隔と方向にて取り付けた棒材を設けることにより、前記中空長尺部材の所望の捻れ螺旋形状を内部で支える様にする。好ましくは、前記補強板には圧延された前記長尺部品のエッジ同士の閉じ目を挿入する切込みが設けられている。

さらに別の実施態様において、補強の内容は、前記中空長尺部材の両端にそれぞれ端部補強手段を設けることにより前記所望の捻れ螺旋形状を解きほぐすことなく維持するものである。好ましくは、前記端部補強手段は中空長尺部材の列に沿ってひと続きに設けられている。

上述の方法を用いて製造される製品または部品には、前述の長尺部品、中空長尺部材、および前述の方法によって捻り加工された複数の中空長尺部材が含まれ、これらはグリル、グレーチング、間仕切り、手摺り、金属工作物の装飾用（decorative）または化粧用（ornamental）の部品、扉や窓用の開口覆いまたは防護柵、ルーバー、格子状構造物等の建築要素または建具類の一部または全体を構成する。

本発明は、例示的かつ非限定的な添付図面と下記の説明とにより理解される。
図１は本発明の中空棒材の第１の実施態様を示す断面図である。

図２は補強された中空棒材を捻った場合の各段階の外観として第２の実施態様を示す斜視図である。

図３は保持手段を備えた第２の実施態様を例示する断面図である。

図４は本発明の中空棒材の組立品における連結手段の一例を示す部分断面図である。 図５は本発明の中空棒材の組立品における連結手段の別の一例を示す部分断面図である。

図６は本発明の中空棒材の第３の実施態様を示す断面図である。

図７は外部補強手段が中空棒材の捻れ形状の維持に用いられている第４の実施態様を示す分解斜視図である。

図８は内部補強手段が同様の目的で用いられている第５の実施態様を例示する斜視図である。

図９は図８に示した実施態様における係合部の詳細を示す断面図である。

図１０は本発明の中空棒材の第６の実施態様を示す断面図である。

図１１は補強された中空棒材を捻った場合の各段階の外観として第６の実施態様を示す斜視図である。

図１２は内部補強手段が中空棒材の捻れ形状の維持に用いられている第６の実施態様を例示する断面図である。

図１３は内部補強手段が捻れ形状の維持ではなく断面プロファイルの維持に用いられている第７の実施態様を示す断面図である。

図１４は外部補強手段によって維持されている第７の実施態様を示す分解斜視図である。

図１５は内部補強手段が中空棒材の捻れ形状の維持に用いられている第８の実施態様を示す斜視図である。

図１６は内部補強手段を備えた第８の実施態様を示す断面図である。

説明の便宜上、また説明の反復を避ける上で、本明細書中で用いる用語の幾つかを下記の意味で用いるものとする。
「中空棒材」には、中空長尺部材、チューブ状部材、および手摺り・グリル・グレーチングおよび中空の棒材要素として用いられる類似の金属工作物が含まれる。
「捻り加工」には、中空棒材にその長軸に沿って及ぼされ、該棒材に捻れまたは螺旋状の変形を与える作用または力が含まれる。
「モーメント」または「力のモーメント」とは、棒材に及ぼされ、捻れまたは螺旋状の変形をもたらすものである。

中空棒材が所望の螺旋形状に捻られる際の該中空棒材の捻り応力に対する反発力を増すために、本発明者らは図１の断面図に例示する中空棒材の製作を提案する。ここで、複数の長尺部品（１００，１０２）は互いに相補的に緊結可能であり、完全な中空棒材または長尺部材（１０）を形成する。該部品（１００，１０２）の各々には、他方の部品の連結手段と相補的に緊結可能に作製された連結手段（１０６，１０８）が一体形成されており、これにより長尺部品（１００，１０２）を接合して完全な中空棒材（１０）を形成する。

上記長尺部品（１００，１０２）の各々は大量生産（例えば、圧延または押出し）により製作することができるので、かかる大量生産部品を手動操作可能な機械または自動化された機械を用いて適当な場所で組み立て、スロットイン式またはスナップジョイント式に双方を接合して中空棒材とすることができるが、この組立ては手作業で行ってもよい。完成した中空棒材は手作業か、オペレータ制御あるいは自動化による機械作業により捻ることができる。手作業による組立ておよび捻りを行う際、上記長尺部品（１００，１０２）は既製品がスペア部品として金物屋で市販されている場合があるので、たとえばそれらを日曜大工店（ＤＩＹショップ）で少量購入して所望の長さに切断し、スロットイン式またはスナップオン式に継手に接合して棒材を完成させ、後述の付属品と共に手作業で所望の螺旋形状に捻ってもよい。

長尺部品（１００，１０２）を組み立て、連結して中空棒材（１０）を形成した後、この完成した中空棒材（１０）を捻るか、またはこれに捻り応力を加えて所望の螺旋形状を得る。これら複数の長尺部品（１００，１０２）の間には複数の連結手段（１０６，１０８）があるため、継手部分、閉じ目部に沿った部分、または隣接する長尺部品同士を接合したエッジでは、回動動作が限られた範囲内で許容され、捻りに起因する力のモーメントによる応力が幾らか緩和される。したがって、かかる構成によれば、上記中空棒材は全体として、材料疲労限界または永久変形に達しない範囲でより大きな捻り応力に耐えることができる。

上記連結手段（１０６，１０８）は、蝶番（ヒンジ）を含む実矧ぎ継手（タング・イン・グルーブ型継手）、玉継手（ボール・ソケット継手）、旋回継手（ピボット継手）および単軸継手のいずれか、またはこれらの組合せから選択される。蝶番係合（ヒンジ継手）については図１（１０６，１０８）、図３（１０６，１０８）、図４（１０６，１０８）、図５、（２０４、２０６）、図６（２０４、２０６）、図９に示す例より明らかであり、またこの蝶番係合の変形例としては、縁を折り返した継ぎ目形状とし、あるいはこれを縁スロット（３０８）に挿入したものが図１０および図１２に示す例、および図１３、図１５および図１６に示す縁スロット（４１０）より明らかである。

以上の説明および図面から明らかなように、上記長尺部品は従来の押出し、打抜き、プレス加工、曲げ加工または圧延のいずれか、あるいは組合せにより製作される。例えば、図１０に示すように、上記中空棒材は予め圧延により製作されている２本の長尺部品（３０１、３０２）、および押出し成形により製作され、上記棒材の中空部分に配設される補強手段により構成される。図１に示す例では、上記補強手段は押出し成型により長尺部品と一体形成されている。

製作および組立てを容易化するために、上記長尺部品を同一形状とし、その複数の長尺部品を相補的に組み立てて中空棒材を形成する設計とすることができる。例えば、図１に示す中空棒材の波形の四辺形断面は、２本の同一形状の長尺部品（１００，１０２）で形成することができ、完成した棒材の中空部分には相補的に一体化された張出し部が設けられ、内部補強手段を設けるように構成されている。上記中空棒材の断面形状は美的観点にもとづき適当な多角形から選択することができる。

多角形の断面形状の他の例には、三角形、長方形・正方形・菱形・平行四辺形等の四角形が含まれ、また円形の例には長円形・楕円等が含まれる。長尺部品の数を増やせば中空棒材の可撓性や捻りに対する反発力を高めることができるが、製作と組立ての容易さの観点からは部品数を２とすることが最も望ましい。

上述したように、中空棒材の矩形形状および捻れ形状を維持するための何らかの形状の補強材を設けることは、捻り形状または螺旋形状の破壊や解きほぐれを防ぐ上で好ましい。これらの補強材、即ち、内部補強材および外部補強材の両者を以下、図面を参照しながら説明する。

上述したように、図１に示す略四辺形の断面形状を有する中空棒材（１０）は、ヒンジ連結手段（１０６，１０８）により互いに接合可能な同一形状の２本の長尺部品（１００，１０２）から成る。本実施形態において、内部補強手段は半円筒体または半円筒状の壁部の形で設けられ、締結ウィングを介して長尺部品の内壁面と一体的に連結される。上記半円筒状の壁面の両端の各々には、相補的に接合してスリーブまたは円筒形チューブ（１１６）を形成する実矧ぎ継手（１１０，１１２）が形成されていてもよい。

図２は、中空棒材が所望の螺旋形状に捻られる前に、丸棒（１１８）がどの様に円筒形チューブ（１１６）に挿入されるかを系列的に示す。螺旋形状を維持し、あるいは捻れ形状が巻き戻ることを防ぐために、スリーブ（１１６）と丸棒（１１８）とを中空棒材（１０）の両端部にて図３に示す様な保持ピン（１２０）を突き通してもよい。

蝶番係合には様々な変形例があってよく、図４と図５に示す例は基本的に実矧ぎ型の変形例である。図５に示す継手タイプを長尺部品（２００、２０２）に適用した例を図６に示す。この中空棒材は、内部補強手段を持たないが、代わりにエンドフレーム（２１０、２１２）型の外部補強手段を用いて中空棒材（２０８）の両端部を保持し、その螺旋形状の解きほぐれを防ぐ。上記エンドフレームは上側エンドフレーム（２１０）として図示するホール・スロット板（２１４）、および下側エンドフレーム（２１２）として図示する切欠きまたは切込み（２１３）の一方または両者の組合せとすることができる。ここで、上記エンドフレームの切込みまたは切欠きは、そこに挿入される上記中空棒材の断面の幅と等しくすることができる。さらに図７に示す様に、かかる穴またはスロット（２１４）および／または切込み（２１３）をエンドフレームの形状にしたがって一列に配し、捻られた一連の中空棒材（２０８）の捻れ形状を維持させてもよい。

内部補強材の別の実施態様を図８および図９に示す。ここでは、長尺部品と一体的に形成されたスリーブに棒材を挿通する代わりに、四角形の断面形状を持つチューブ（２１６）を用いる。また、一体的なスリーブの代わりに、複数の補強板（２１８）を用いる。各補強板（２１８）には、上記矩形チューブ（２１６）の断面に対応した開口を設け、その開口に該チューブを挿通可能とする。上記補強板（２１８）は、図８に示す様に、挿入地点における捻り中空棒材に合致する方向に向ける。図９に、上記補強板（２１８）の挿入状態の断面図と、継ぎ手（２０９）とその近傍の中空棒材の内側コーナー部に適合するように作製された補強板（２１８）の先端部分の詳細図を示す。このように、補強板（２１８）は棒材の中空断面に合致すると共に矩形チューブ（２１６）と対向し、棒材の捻れ形状を効果的に保持する。必要な捻りの度合と長尺部品の製作に用いられる材料の反発力にもよるが、矩形チューブ（２１６）の螺旋形状に沿って適切な向きに２枚以上の補強板（２１８）を用いることができる。

圧延された中空棒材（３００）の製作に用いられる長尺部品（３０１、３０２）は、打抜き、曲げ加工、プレス加工、圧延等の手段により製作することができるが、図１０に示すような長尺部品（３０１、３０２）のエッジ同士を係合させるための内部部品が必要である。必要な内部補強材にもよるが、内部部品（３０６）は長尺部品（３０１、３０２）と同じ材料で製作されても異なる材料で製作されてもよく、また押出しまたは成型により製作することができる。

内部部品（３０６）は縁スロット（３０８）とすることができ、これにより長尺部品（３０１、３０２）の両端部の縁が折り返されて閉じ目を形成する。最も基本的には、縁スロット（３０８）の２枚の材料片が長尺部品（３０１、３０２）同士を接合可能に設けられ、中空棒材を完成する構成とすることができる。図１３では、縁スロット（４１０）同士は幅方向リブ（４０４）を有する内部ウェブ材（４０８）により連結されており、また捻られた状態の中空棒材の厚さを維持する役割を果たす厚さ方向リブ（４０６）が十字状に連結される。

内部部品（３０６）の別の好ましい態様を図１０に示す。ここでは、内部補強手段が、図１に示した物と同様の締結ウィングにより長尺部品の内壁面と一体的に連結される半円筒体または半円筒状の壁部の形で設けられている。半円筒状の壁部の各端部には、実矧ぎ継手（３１２、３１４）等のスリーブ継手が設けられていてもよく、これらが相補的に係合することでスリーブまたは円筒チューブ（３１６）が形成される。

図１１は、圧延長尺部品（３０１、３０２）から形成される中空棒材（３０４）が所望の螺旋形状に捻られる前に、棒材（３１８）がどの様にして円筒チューブ（３１６）内に挿入されるかを系列的に示す図である。螺旋形状を維持するため、あるいは捻れが巻き戻ることを防止するために、図１２に示す様に、スリーブ（３１６）の両端部の各々において、該スリーブ（３１６）と棒材（３１８）とを保持ピン（３２０）で突き通して固定することができる。外部補強手段（４２０、４２２）もまた、図１４に示す中空棒材（４１８）の捻れ形状を維持する目的で、図７を参照しながら説明した例と同様に設けることができる。

図１５および図１６は、圧延された長尺部品で作製された中空棒材の別の実施態様を示す図であり、ここでは一対の長尺部品がそのエッジの閉じ目を内側に向けて互いに接合されている。内部補強材は矩形断面形状を有する棒材（４２６）として形成されており、該棒材を挿通可能な開口が設けられた複数の補強板（４２８）が配置されている。各補強板（４２８）の両端部には、中空棒材の縁の閉じ目を受ける切込み（４３０）が形成されている。

以上の説明および図面は、中空棒材の構成、並びに該中空棒材の長さと外形に応じた内部補強手段および外部補強手段、中空棒材を形成する長尺部品の数、手摺り・グリル・グレーチング等を構成する中空棒材の列、に関して考え得る数多くの変形例から選択された実施態様を述べたに過ぎない。これらの実施可能な実施形態以外にも、上述した本発明の特徴の多くは、本発明の趣旨や動作原理を逸脱しない限りにおいて変更、置換および改良することができる。かかる変更もまた、本発明の文言および発明の範囲に包含されるものである。

Claims (13)

1. 中空長尺部材（１０）を長手方向に捻って所望の螺旋形状とする方法であって、
   （ａ）一体形成された連結手段（１０６，１０８）を互いに相補的に緊結することで前記中空長尺部材（１０）が構成される複数の長尺部品（１００，１０２）を製作する工程と、
   （ｂ）前記連結手段（１０６，１０８）を用いて前記複数の長尺部品（１００，１０２）を緊結することにより前記中空長尺部材（１０）を組み立てる工程と、
   （ｃ）組み立てられた前記中空長尺部材（１０）を捻ることにより前記所望の螺旋形状とする工程と、
   （ｄ）前記中空長尺部材（１０）を所望の捻れ状態の前記螺旋形状に維持する補強工程と、を含み、
   前記補強工程において、組み立て時に前記中空長尺部材の内部に内部補強構造を構成することを特徴とする前記長尺部品同士を一体に組み立てることを特徴とする方法。
2. 前記連結手段（１０６，１０８）は、前記捻りに起因する力のモーメントにより制限範囲内で回動可能と成された、請求項１に記載の方法。
3. 前記連結手段（１０６，１０８）は、前記長尺部品の各々の連結端部に沿って設けられて連続的な長手方向継手を構成している、請求項１に記載の方法。
4. 前記連結手段は、蝶番を含む実矧ぎ継手、玉継手、旋回継手および単軸継手のいずれか、またはこれらの組合せから選択される、請求項１に記載の方法。
5. 前記長尺部品は、押出し加工、圧延、打抜き加工、プレス加工または曲げ加工のいずれか、またはこれらの組合せで製作される、請求項１に記載の方法。
6. 前記中空長尺部材（１０）は、該中空長尺部材（１０）を相補的に構成する同一形状の一対の長尺部品（１００，１０２）を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記中空長尺部材（１０）は、三角形と、長方形・正方形・菱形・平行四辺形を含む四角形と、を包含する多角形、長円形、または楕円形から選択される断面形状を有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記内部補強構造は、前記長尺部品（１００，１０２）の各々と一体化された相補的な半円筒体（１０４，１０５）から成るスリーブ（１１６）を含み、該半円筒体（１０４，１０５）は実矧ぎ継手（１１０，１１２）で互いに連結可能である、請求項１に記載の方法。
9. 前記スリーブ（１１６）に棒材（１１８）を挿入し、前記中空長尺部材の両端部でそれぞれ前記スリーブと前記棒材とを保持ピン（１２０）で突き通すことにより、前記所望の螺旋形状を解きほぐすことなく維持する工程をさらに有する、請求項８に記載の方法。
10. 前記補強工程は、軸方向に沿って複数の補強板（４２８）を適切な間隔と方向にて取り付けた棒材（４２６）を設けることにより、前記中空長尺部材の所望の捻れ螺旋形状を内部で支える様にした、請求項１に記載の方法。
11. 前記補強板（４２８）には、圧延された前記長尺部品のエッジ同士の閉じ目を挿入する切込みが設けられている、請求項１０に記載の方法。
12. 前記補強工程は、前記中空長尺部材の両端にそれぞれ端部補強手段を設けることにより前記所望の捻れ螺旋形状を解きほぐすことなく維持する工程を含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記端部補強手段は、中空長尺部材の列に沿ってひと続きに設けられている、請求項１２に記載の方法。

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