JP5773880B2 - 薄肉ジョイント部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、２本のパイプを一対のジョイント部材の間に保持し、ジョイント部材どうしをそれぞれの連結孔を利用してボルトナット締結することで前記２本のパイプを連結するパイプ連結用メタルジョイントに関するものである。

従来のメタルジョイントは、特許文献１に示すように、一対のジョイント部材の間に２本のパイプを係合保持し、ボルトを一対のジョイント部材の連結孔に挿通し、ナットに螺合させて締付けることで連結していた。

特開２０００−２８３１２３号公報

而して、従来の場合には、一対のジョイント部材をほぼ同じ構造にできる利点はあるが、連結作業時にナットを落とす等の問題があり、最近強く要求されている組立て工数の低減には対応できていない。
一方、ナットを一方のジョイント部材に溶接したりカシメ取付けしたりして一体化することも提案されたが、一体化するのにかなりの手間が掛かるため、コスト高を招く等の問題がある。
また、最近ではジョイントについても、材料コストや輸送コストを軽減するために、薄肉軽量化を図ることが要求されており、強度が９８０MPa程度のハイテン材を素材として活用して肉厚を従来の２.６mmからより薄肉化しようと試みられたが、肉厚は精々２mm程度までしか薄肉化できず、またジョイント部材は折り曲げ加工時に大きな曲率で曲げられるため、ハイテン材の場合には、割が発生して、しかも生産設備の一つである金型の消耗も激しく持ちが悪くなるため、量産化に至らなかった。
それ故、本発明は、上記課題を解決するために、製品強度を落としたりコスト高を招いたりすることなく、薄肉でしかもナット側についてはナット機能を十分に担えるジョイント部材の製造方法を提供することを目的とする。

一方のジョイント部材に直接ナットとしての機能を担わせてナットレス化を図ろうとしても、ジョイント部材が薄肉軽量化されている場合には、肉厚の薄い連通孔にシボリをつけてタップを切ることになるが、薄肉のため強度がどうしても低くなり、ネジが破損してしまう。そのため、ジョイント部材の薄肉軽量化を優先すれば、結果的にナット状のものを溶接やカシメにより取り付けることになって、コスト面の問題を解決できない。
本発明者は、思考錯誤の結果、素材として特定のものを用い、バーリング加工を施して十分なネジ形成面を確保した上でそこに転造タップ加工により十分な肉厚を確保しながら複数のネジ山を形成し、その後に焼入れ処理を施してネジ山の強度を高めることにより、上記課題を同時に解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

請求の範囲第１項の発明は、２本のパイプを保持するパイプの曲面に沿って円弧状に湾曲したジョイント部材どうしの間に保持し、前記ジョイント部材どうしにボルトを通してボルトナット締結することで前記２本のパイプを連結するパイプ連結用メタルジョイントのナット側薄肉ジョイント部材の製造方法において、素材として炭素量が０.２０〜０.２５mass％、ボロン量が０．００１〜０．００５mass％のボロン鋼製の肉厚が１．０〜１．３ｍｍの薄肉の金属板を用い、折り曲げ加工を施して全体を立体成形した後に、バーリング加工を施して肉厚が０．８ｍｍ以上の筒状体に成形し、その筒状体に転造タップ加工を施してネジ山を３〜３．５山としたネジ部を形成した後に、無酸化炉内で加熱温度８７０〜９００℃、保持時間３０分の条件で加熱した後、油に投入して焼入れ処理することで、１６００ＭＰａの強度と５００Ｈｖの硬度を確保しつつ、ナット機能を担わせたことを特徴とする製造方法である。

本発明の製造方法によれば、ジョイント部材について、製品強度を落としたりコスト高を招いたりすることなく、薄肉軽量化を達成できる。ナット側薄肉ジョイント部材についてはナットレス化が図れる。
また、ボルト側薄肉ジョイント部材、即ちナットの付いていない側の薄肉ジョイント部材に貫通穴や溝を付けることで、ボルト側薄肉ジョイント部材とナット側薄肉ジョイント部材の仕分けが容易になる。

本発明の第１の実施の形態に係る一対の薄肉ジョイント部材の斜視図である。 図１のナット側薄肉ジョイント部材の破断図である。 図２のナット側薄肉ジョイント部材の拡大破断図である。

本発明の実施の形態に係るメタルジョイント部材について、図面に従って説明する。
ナット側薄肉ジョイント部材が、相方のボルト側薄肉ジョイント部材と一対となって所謂メタルジョイントを構成している。図１はナット側薄肉ジョイント部材１とその相方のボルト側薄肉ジョイント部材３を示す。

以下、先ずナット側薄肉ジョイント部材１について説明する。
素材はＳ２０Ｃ（ＪＩＳ規格）相当の低炭素鋼にボロンが添加されたボロン鋼製の薄肉の金属板を用いる。このボロン鋼は、炭素量：０.２０〜０.２５mass％、ボロン量：０.００１〜０.００５mass％であり、焼入れ可能となっている。このボロン鋼は、焼入れ前はＨｖ：１３０程度で十分に軟らかく、焼入れすると、１６００MPa位の強度で５００Ｈｖ程度の硬度が確保される。
素材の金属板の肉厚は１.０〜１.３mmであり、この実施の形態では１.２mmになっている。従来の冷間圧延鋼板を素材として用いて製造したジョイント部材の肉厚は２.６mm程度であるから半減していることになる。

ナット側薄肉ジョイント部材１は、第１保持部５と、第２保持部７と、第１保持部５と第２保持部７とを連結する連結部９とでなる。第１保持部５と第２保持部７はそれぞれ同じ板面側で円弧状に湾曲して、保持するパイプの曲面に沿っている。第１保持部５の軸方向側端面には係合用に凹凸部１１が形成されている。
連結部９は第２保持部７に連続して円弧状に湾曲した湾曲面となっており、その端面が第１保持部５の外周面に連結している。連結部９には凹部１３が形成されており、この凹部１３は湾曲側とは反対方向に凹んでいる。凹部１３の縁１４は第２保持部７側では、略コの字状になっている。

図２、図３において符号１５は円形の低い筒状体を示し、この筒状体１５は凹部１３内に形成された孔の縁から凹部１３側に立ち上がっている。この筒状体１５の内面にはネジ部１７が形成されている。
筒状体１５の内周面の高さ寸法は、ナット側薄肉ジョイント部材１の肉厚より大きくなっており、その内周面には、この種のジョイント部材に使用するボルトに適応したネジ山が複数、好ましくは３〜３.５山形成できるようになっており、この実施の形態では３山の例が図示されている。
また、筒状体１５の最低肉厚（ｗ）は、好ましくは０.８mm以上であり、この実施の形態では、０.９mmになっている。

ナット側薄肉ジョイント部材１は、上記した金属板を素材として用い、これをプレスにより打抜き成形して、先ず展開状態でほぼ横Ｙ字状に形成し、次に折り曲げ加工して立体状に成形している。
ナット側薄肉ジョイント部材１については、凹部１３にバーリング加工により筒状体１５を形成しており、その内面には転造タップ加工によりネジ部１７が形成されている。
ネジ部１７の形成後、焼入れ処理を施して、表面硬度や強度を上げる。

本発明の製造方法では、素材に対して折り曲げ加工、バーリング加工、転造タップ加工と言った加工段階では十分な展伸性が要求され、最終製品の段階では一転して高い表面硬度と強度が要求されているが、上記したボロン鋼を用いるので上記の要求には十分に耐えられる。また、ネジ山も３〜３.５山と十分な数が確保され、且つ、転造タップ加工でネジ部１７を形成したため、筒状体１５の最低肉厚（ｗ）として０.８mm以上が確保されていることも相俟って、実用時のボルトの締付けトルク（１００ｋｇ・ｃｍ）にも破損せずに耐えられる。
因みに、炭素鋼は、炭素量：０.４０mass％以上（Ｓ４２Ｃ〜４５Ｃ）のものでないと焼入れできないが、Ｓ３５Ｃ位で既に焼入れ前の段階でＨｖ：１５０程度とかなり硬くなっており、上記した加工を施すと割れ易い。
このように、ナット側薄肉ジョイント部材１は、特定のボロン鋼を素材として用いることで初めて実用化できたものである。

ナット側薄肉ジョイント部材１は相方のボルト側薄肉ジョイント部材３と共に使用される。ボルト側薄肉ジョイント部材３は、ナット側薄肉ジョイント部材１と同様な形状をしているが、筒状体１５の代わりに、孔開けしただけの連通孔１９が形成されている点が異なる。ボルト側薄肉ジョイント部材３は、ナット側薄肉ジョイント部材１と同じ素材を用いて、同じように打抜き成形および折り曲げ加工した後、定法により孔開けをして製造することができる。したがって、共通する部位は同じ符号を付すことで説明を省略する。

２本のパイプを連結させる際には、ナット側薄肉ジョイント部材１の湾曲凹面とボルト側薄肉ジョイント部材３の湾曲凹面を対向させ、第１保持部５、５との間に一方のパイプを保持させ、第２保持部７、７との間に他方のパイプを保持させる。また、ナット側薄肉ジョイント部材１とボルト側薄肉ジョイント部材３を凹凸部１１で互いに係合させる。その上で、ボルトをボルト側薄肉ジョイント部材３の連通孔１９側から挿通させ、ナット側薄肉ジョイント部材１のネジ部１７に螺合させて締付ける。

ボルト側薄肉ジョイント部材３側には、第１保持部５の中央付近に上下方向に延びる長穴（＝貫通穴）２３が形成されており、連結部９の両側縁側にそれぞれ上下方向に延びる長溝２４が形成されている。
ナット側薄肉ジョイント部材１とボルト側薄肉ジョイント部材３は同じような形状をしているが、上記した長穴２３と溝２４により容易に区別が付くようになっている。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の具体的構成が上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨から外れない範囲での設計変更があっても本発明に含まれる。
例えば、ジョイント部材は２本のパイプを交差方向に連結するものに限定されない。

素材としてボロン鋼（炭素量：０.２０〜０.２５mass％、ボロン量：０.００１〜０.００５mass％）製の金属板（肉厚：１.２mm）を用いて上記構成のナット側薄肉ジョイント部材１を製造した。ナット側薄肉ジョイント部材１の筒状体１５のネジ山は３山、最低肉厚（ｗ）は０.８mmとした。製造の際には、従来から慣用している生産設備を使用し、金型を薄肉に修正した。
それを、無酸化炉内で加熱温度８７０〜９００℃、保持時間３０分の条件で加熱した後、油に投入して焼入れ処理した。

その後、ナット側薄肉ジョイント部材１を試験したところ、焼入れ処理により、１６００MPa位の強度で５００Ｈｖ程度の硬度が確保された。
また、同じ素材から同じようにして製造したボルト側薄肉ジョイント部材３と一対になって２本のパイプを係合保持し、Ｍ６キャップスクリューボルトで締付けたところ、２００ｋｇ.ｃｍの締付トルクで破損しなかった。

資源高の時代、資源の少ない日本にとってジョイント部材の薄肉軽量化は省資源化にとって非常に大切であるが、それだけでなく、軽量化効果は製造時(フープ材、プレス、焼入れ、表面処理、仕上、商品配送)の各工程に波及して、輸送機材を軽量化でき、燃費の向上も図れる。
従来は主に冷間圧延鋼板（ＳＰＣＣ）を用いて一対のジョイント部材を製造し、ナットを併用してボルトナット締結をしていたが、その従来のジョイント部材に比べて、本発明の方法でボルト側を含めて一対のジョイント部材を薄肉軽量化したものに製造すれば、６０％と言う驚異的な軽量化が図れる。２００２年時の生産量である１６００トンは７６６トンになり、８３４トン軽くなるので、軽量化効果が如何に大きいかは明らかである。
さらに、本発明の方法では素材として特殊鋼を用い、焼入れ処理を追加して行うことになるが、素材は薄肉のもの、例えば、従来２.６mmの板厚であったものを１.３mm以下、即ち半分以下の板厚のものに代えることができるので、結果的には従来品と殆ど同じ価格で販売することができ、コスト面の問題は解消できる。

また、近年、環境問題でＣＯ_２削減が求められているが、２００２年時の販売数量を元にジョイント部材全ての薄肉軽量化が実施された場合には、表１に示すように年間
１，３２９トンものＣＯ_２削減効果が期待できる。

１‥‥ナット側薄肉ジョイント部材
３‥‥ボルト側薄肉ジョイント部材 ５‥‥第１保持部
７‥‥第２保持部 ９‥‥連結部 １１‥‥凹凸部
１３‥‥凹部 １４‥‥（凹部の）縁 １５‥‥筒状体
１７‥‥ネジ部 １９‥‥連通孔 ２３‥‥長穴 ２４‥‥溝

Claims (1)

1. ２本のパイプを保持するパイプの曲面に沿って円弧状に湾曲したジョイント部材どうしの間に保持し、前記ジョイント部材どうしにボルトを通してボルトナット締結することで前記２本のパイプを連結するパイプ連結用メタルジョイントのナット側薄肉ジョイント部材の製造方法において、
   素材として炭素量が０.２０〜０.２５mass％、ボロン量が０．００１〜０．００５mass％のボロン鋼製の肉厚が１．０〜１．３ｍｍの薄肉の金属板を用い、
   折り曲げ加工を施して全体を立体成形した後に、
   バーリング加工を施して肉厚が０．８ｍｍ以上の筒状体に成形し、
   その筒状体に転造タップ加工を施してネジ山を３〜３．５山としたネジ部を形成した後に、
   無酸化炉内で加熱温度８７０〜９００℃、保持時間３０分の条件で加熱した後、油に投入して焼入れ処理することで、
   １６００ＭＰａの強度と５００Ｈｖの硬度を確保しつつ、ナット機能を担わせたことを特徴とする製造方法。

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