JP5908085B2 - スピン形成方法 - Google Patents

Description

（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６１／５３０，７７１号（２０１１年９月２日出願）に基づき、該出願を基礎とする優先権の利益を主張する。該出願は、その全体が参照により本明細書に引用される。

（発明の分野）
本発明は、パイプ要素をスピン形成し、その端部に近接して、肩部、溝、およびビードを作成する方法に関する。

機械的パイプ連結器によって接合されるパイプ要素を設計する場合、種々の課題に遭遇する。そのような連結器は、ネジ山付き締結具によって端端関係に接合される２つ以上の連結器区画を備え、その実施例は、特許文献１に開示され、参照することによって本明細書に組み込まれる。区画は、パイプ要素を受け取る中心空間を取り囲む。各区画は、パイプ要素の外面を係合する、「キー」として知られる一対の弓状表面を有し、キーは、多くの場合、パイプ要素の円周方向溝に受け取られ、接合に加えられる曲げおよび軸方向負荷に対して、有益な機械係合を提供する。各区画はまた、リング形状ガスケットを受け取る、その対の弓状表面間のチャネルを画定する。ガスケットは、典型的には、区画とパイプ要素との間に圧縮され、液密接合をもたらす。

円周方向溝は、有利には、パイプ要素の側壁を冷間加工することによって、形成される。なぜなら、切断溝と異なり、材料がパイプ側壁から除去されないので、したがって、より薄壁のパイプ要素に、冷間加工プロセスによって溝が付けられ得るからである。高圧力および／または高負荷用途では、重量およびコスト節約のために、より薄壁のパイプ要素を使用することが有利である。しかしながら、先行技術の冷間加工方法およびパイプ設計は、より厚い壁のパイプ要素に対して使用される同等の切断溝システムによって、耐え得る高負荷および圧力に適正な連結器およびパイプ要素係合特徴をもたらさない。薄壁溝付きパイプ要素が、機械的連結器によって接合され、高圧力／高負荷用途において使用されることを可能にする、冷間加工による薄壁溝付きパイプ要素の設計および製造に対する改良を通してもたらされる、明確な利点が存在する。

米国特許第７，７１２，７９６号明細書

本発明は、パイプ要素の外面に溝を形成する方法に関する。一例示的実施形態では、本方法は、
互に離間関係で配列されている第１および第２の円周方向凹部を有するダイ内に、パイプ要素の端部を捕捉することと、
パイプ要素内に心棒を挿入することであって、心棒は、第１の円周方向凹部と整列される第１の円周方向リブおよび第２の円周方向凹部と整列される第２の円周方向リブを有する、ことと、
ダイの長手方向軸を中心とする軌道で心棒を回転させることと、
心棒をパイプ要素の内面に対して押すように、心棒を回転させながら、軌道の直径を増加させることと、
増加する直径の軌道で心棒を回転させながら、パイプ要素を第１の円周方向リブと第１の円周方向凹部との間で締め付け、それによって、第１および第２の円周方向凹部間のパイプ要素の一部に、半径方向内向きにダイから離れるように移動させ、それによって、溝を形成することと
を含み、溝は、パイプ要素の残部の外径より小さい外径を有する。

本例示的実施形態では、第１の円周方向凹部は、第２の円周方向凹部に近接して位置付けられている第１の側面と、第２の円周方向凹部の遠位に位置付けられている第２の側面とを備える。床面が、第１および第２の側面間に延在する。例示的方法はさらに、パイプ要素を第１の円周方向リブと第１の側面との間で締め付けることを含み得る。

第１の側面は、第１の配向角度に配向され得、第２の側面は、第２の配向角度に配向され得る。第１の配向角度は、ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して測定された場合、第２の配向角度未満であり得る。

特定の例示的実施形態では、第１の円周方向リブは、その両側に位置付けられている第１および第２の逃げ面を備える。第１の逃げ面は、第１の側面に向かって面し、第２の逃げ面は、第２の側面に向かって面する。本例示的実施形態では、パイプ要素は、第１の逃げ面と第１の側面との間で締め付けられる。少なくとも第１の逃げ面は、ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して角度配向され得る。

例示的実施形態では、第２の円周方向凹部は、第１の円周方向凹部に近接して位置付けられている側面と、第２の円周方向凹部の側面と連続する床面とを備え得る。例示的方法はさらに、パイプ要素を第２の円周方向リブと第２の円周方向凹部の側面との間で締め付けることを含み得る。第２の円周方向凹部の側面は、実質的に、ダイの長手方向軸に垂直に配向され得る。

別の例示的実施形態では、第２の円周方向リブは、第２の円周方向凹部の側面に向かって面する逃げ面を備え得る。本例示的実施形態では、本方法はさらに、パイプ要素を第２の円周方向リブの逃げ面と第２の円周方向凹部の側面との間で締め付けることを含む。第２の円周方向リブの逃げ面は、ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して角度配向され得る。

本発明による方法はさらに、一例として、第２の円周方向リブを第２の円周方向凹部に向かって押すことによって、パイプ要素の端部部分に肩部を形成することを含み得る。加えて、本方法はさらに、第１の円周方向リブを第１の円周方向凹部に向かって押すことによって、溝に隣接するパイプ要素内にビードを形成することを含み得る。

別の例示的実施形態では、本方法は、パイプ要素の外面にビード、溝、および肩部を形成することを含む。一例示的実施形態では、本方法は、
互に離間関係で配列されている第１および第２の円周方向凹部を有するダイ内に、パイプ要素の端部を捕捉することと、
パイプ要素内に心棒を挿入することであって、心棒は、第１の円周方向凹部と整列される第１の円周方向リブおよび第２の円周方向凹部と整列される第２の円周方向リブを有する、ことと、
ダイの長手方向軸を中心とする軌道で心棒を回転させることと、
心棒をパイプ要素の内面に対して押すように、心棒を回転させながら、軌道の直径を増加させることと、
第１の円周方向リブを第１の円周方向凹部に向かって押すことによって、ビードを形成することと、
第２の円周方向リブを第２の円周方向凹部に向かって押すことによって、肩部を形成することと、
増加する直径の軌道で心棒を回転させながら、パイプ要素を第１の円周方向リブと第１の円周方向凹部との間で締め付け、それによって、第１および第２の円周方向凹部間のパイプ要素の一部に、半径方向内向きにダイから離れるように移動させ、それによって、溝を形成することによって、溝がビードと肩部との間に形成されることと
を含み、溝は、パイプ要素の残部の外径より小さい外径を有する。

図１は、本発明によるスピン形成プロセスによって形成される、例示的パイプ要素の縦断面図である。 図２は、本発明によるスピン形成プロセスによって形成される、例示的パイプ要素を含む、弁の等角図である。 図３は、パイプ要素およびパイプ連結器の組み合わせの分解等角図である。 図３Ａおよび３Ｂは、パイプ連結器実施形態の立面図である。 図３Ａおよび３Ｂは、パイプ連結器実施形態の立面図である。 図４−６は、パイプ要素およびパイプ連結器の組み合わせの縦断面図である。 図４−６は、パイプ要素およびパイプ連結器の組み合わせの縦断面図である。 図４−６は、パイプ要素およびパイプ連結器の組み合わせの縦断面図である。 図７は、スピン形成方法を使用して、パイプ要素を製造するための例示的スピン形成機械の概略図である。 図８は、図７に示されるスピン形成機械の概略端面図である。 図９−１１は、パイプ要素をスピン形成する例示的方法を図示する、縦断面図である。 図９−１１は、パイプ要素をスピン形成する例示的方法を図示する、縦断面図である。 図９−１１は、パイプ要素をスピン形成する例示的方法を図示する、縦断面図である。 図１２−１５は、スピン形成の例示的方法を詳細に図示する、縦断面図である。 図１２−１５は、スピン形成の例示的方法を詳細に図示する、縦断面図である。 図１２−１５は、スピン形成の例示的方法を詳細に図示する、縦断面図である。 図１２−１５は、スピン形成の例示的方法を詳細に図示する、縦断面図である。

本発明は、パイプ要素、パイプ要素および連結器の組み合わせ、ならびに、連結器を受け取り液密接合を形成するためのパイプ要素を冷間加工するための方法およびデバイスに関する。本書全体を通して、用語「パイプ要素」は、例えば、図１に示されるようなパイプ金属材料（ｐｉｐｅ ｓｔｏｃｋ）１０、ならびに図２に示される弁１４等の流体取扱または制御構成要素の管状部分１２を含む任意の管状構造を意味する。ポンプおよび濾過器等の他の構成要素、ならびにＴ字管、Ｌ字継手、曲管、および径違い継手等の継手もまた、本明細書に定義されるような「パイプ要素」を有するか、または備えるものとして含まれる。

図１に示されるように、パイプ要素１０は、パイプ要素の曲率の中心における長手方向軸１８上のある点を通過する外径１６を有する。パイプ要素１０の少なくとも一方の端部２０は、機械的連結器のキー（図示せず）を受け取るように構成され、この構成は、端部２０に位置付けられる肩部２２と、肩部２２に隣接して位置付けられる溝２４と、溝２４と連続して位置付けられるビード２６とを備える。

図１に詳細に図示されるように、肩部２２は、パイプ要素の周囲に円周方向に延在し、外向きに面する表面２８を有する。表面２８は、肩部を除く、パイプ要素１０の外径１６より大きい外径３０を有する。肩部３０はまた、外向きに面する湾曲表面３２を有する。湾曲表面３２も、パイプ要素の周囲に円周方向に延在し、パイプ要素１０の長手方向軸１８に垂直に配向される軸３４上に曲率の中心を有する。図１では、軸３４は、視認面に垂直に示され、したがって、端部が前に見える。

溝２４は、肩部３０の湾曲表面３２と連続して位置付けられる、第１の側面３６によって画定される。側面３６は、この例示的実施形態では、実質的に、長手方向軸１８に垂直に配向されるが、また、他の実施形態では、角度配向され得る。「実質的に、垂直」は、本明細書で使用されるように、正確に垂直ではない場合があるが、製造実践および許容誤差の観点から、実践可能であるほど近似して確立される、角度配向を指す。第１の側面３６の垂直配向は、パイプ要素を半径方向にこわくし、その真円度を維持するのに役立つ。

第２の側面３８はさらに、溝２４を画定する。第２の側面３８は、第１の側面３６と離間関係に位置付けられ、長手方向軸１８に対して角度配向される。側面３８は、約４０°〜約７０°または約４５°〜約６５°の配向角度４０を有し得る。図１に示される特定の実施形態では、配向角度４０は、約５５°であり、溝が、図３−６に示されるように、機械的連結器のキーを受け取る場合、有利であると考えられる。

床面４２は、溝２４の第１の側面３６と第２の側面３８との間に延在する。示される例示的実施形態では、床面４２は、実質的に、長手方向軸１８に平行であり、溝を除くパイプ要素の外径１６より小さい外径４４を有する。溝２４はまた、図１に示される実施形態では、パイプ要素１０の内径１９とほぼ等しい内径１７を有する。

ビード２６は、溝２４の第２の側面３８と連続的に位置付けられ、また、パイプ要素の周囲に円周方向に延在する。ビード２６は、外向きに軸１８から離れるように突出し、ビードを除くパイプ要素の外径１６より大きい外径４８を伴う頂点４６を有する。図１に示される、例示的実施形態では、頂点４６の直径４８は、肩部２２の外径３０より小さい。ビード２６は、パイプ要素の半径方向剛性を増加させ、それによって、その真円度を維持するのに役立つ。

パイプストックについて、パイプ要素１０の端部（肩部２２、溝２４、およびビード２６）の構成は、両端（明確にするために図示せず）において同一であるが、端部が異なり得る他の構成もまた可能である。さらに、弁１４の反対端部におけるパイプ要素５０もまた、前述の端部構成を有し、弁あるいは任意の他の流体制御構成要素または継手が、機械的連結器を使用して、他のパイプ要素に接合されることを可能にし、その実施例は、図３、３Ａ、および３Ｂに示される。代替として、弁ならびに他の流体制御構成要素および継手はまた、異なる端部構成を有し得る。

図３に図示される一実施形態では、機械的連結器５２は、この実施例では、ネジ山付き締結具５６によって、端端関係で互に取り付けられた２つ以上の区画５４を備える。区画５４は、パイプ要素１０を受け取り、それらを液密接合で接合する中心空間５８を取り囲む。エラストマーガスケット６０が、区画５４間に捕捉され、肩部２４の外向きに面する表面２８を係合し、エラストマーガスケット６０は、液密性を保証する内向きに面する密閉表面６２を有する。各区画は、中心空間に向かって内向きに突出し、パイプ要素１０の溝２４内に受け取られる、一対の弓状表面またはキー６４を有する。

図３Ａに示される別の実施形態では、連結器５３は、離間した対向関係に端部５７および５９を有する一体型本体５５から形成される単一区画を備える。ボルトパッド６１が、端部５７および５９から延在し、締結具６３が、締結具の締め付けに応じて、それらを一緒に引き寄せるために、ボルトパッド間に延在する。一体型本体は、パイプ要素を受け取り、接合を形成する中心空間６５を取り囲む。連結器５３の両側に離間関係にあるキー６７は、一体型本体５５に沿って、円周方向に延在し、半径方向内向きに突出する。前述のものに類似するガスケット６０が、キー間に位置付けられる。締結具６３の締め付けは、キー６７をパイプ要素内の溝と係合状態に引き寄せ、一体型本体５５とパイプ要素との間のガスケット６０を圧縮する。

図３Ｂは、ヒンジ７５によって、一端で接合される２つの区画７１および７３から形成される、別の連結器実施形態６９を示す。区画の反対端部７７および７９は、離間した対向関係にあり、締結具８１によって接続される。区画７１および７３はまた、離間関係にある円周方向キー８３を有し、ガスケット６０が、その間に位置付けられる。区画は、パイプ要素を受け取り、接合を形成する中心空間６５を取り囲む。締結具８１の締め付けは、キー８３をパイプ要素内の溝との係合状態に引き寄せ、区画とパイプ要素との間のガスケット６０を圧縮する。

接合は、最初に、連結器５２（図３参照）を分解し、パイプ要素の一方の端部の上でガスケット６０を滑動させることによって、２つのパイプ要素１０間に形成され得る。他のパイプ要素の端部が、次いで、第１のパイプ要素の端部と近接して整列され、ガスケットが、２つのパイプ要素端部間の小間隙をふさぐように位置付けられ、ガスケットの密閉表面６２は、各パイプ要素の肩部２４のそれぞれの外面２８を係合する。次に、連結器区画５４が、ガスケット６０およびパイプ要素の端部を取り囲んで位置付けられ、キー６４が、各パイプ要素のそれぞれの溝２４と整列される。締結具５６が、次いで、互に向かって区画を引き寄せ、キー６４をそれぞれの溝２４内に係合させ、液密接合を形成するために、ガスケット６０をパイプ要素に対して圧縮するように適用され、締め付けられる。

代替実施形態では、図４−６は、設置が容易なタイプの連結器５２を伴う、パイプ要素１０の係合を詳細に示し、区画５４は、事前に組み立てられ、締結具５６によって、互に離間関係に保持され、区画は、ガスケット６０上に支持される。区画は、パイプ要素１０が、図４および５に示されるように、連結器を分解せずに、中心空間５８内に挿入され得るように、十分に離間している。肩部２２の外向きに面する表面２８は、ガスケット６０の密閉表面６２を係合し、キー６４は、パイプ要素の各々の溝２４と整列することに留意されたい。図６に示されるように、区画５４を互に接合する締結具５６（図１参照）は、締め付けられ、互に向かって区画を引き寄せる。これは、ガスケット６０をパイプ要素に対して圧縮し、密閉をもたらし、キー６４を溝２４の中に押し、連結器とパイプ要素１０との間の有益な機械接続をもたらし、接合をもたらす。図６に詳細に示される一実施形態では、キー６４は、溝と適合性がある断面形状を有し、キーは、実質的に垂直なキー表面６６が、溝の第１の側面３６を係合し、角度配向されたキー表面６８が、溝の角度配向された第２の側面３８を係合するための寸法を有する。表面６８および３８は、相補的配向角度を有し、表面間接触を最大限にすることが有利である。一般に、この実施形態に対して、溝床面４２とキー６４の半径方向に面した表面７２との間に間隙７０が存在するであろう。これは、パイプ要素および連結器両方における許容誤差変動のためである。表面４２と７２との間のある程度の間隙は、キーが、楔作用によって溝を係合することを保証するために有利であり、楔作用は、剛性を接合に提供し、軸方向圧縮および張力負荷下、パイプ要素を互に離間関係に維持する。図３Ａおよび３Ｂに示される連結器実施形態５３および６９を使用した接合の形成は、設置が容易な実施形態に関する前述のものと同様に進められる。例えば、垂直キー表面６６のみ、溝の第１の側面３６に接触するか、または角度配向されるキー表面６８のみが、溝２４の第２の側面３８と接触する他の実施形態もまた可能である。また、連結器区画が、ガスケット６０上を遊動することも可能であり、キー表面のいずれも、接合が負荷を受けるまで、少なくとも最初は、溝表面と接触しない。

スピン形成技法を使用して、円周方向肩部、溝、およびビードを形成することが有利である。スピン形成は、固定された外側ダイおよびダイ内の軌道を回転するローラツールまたは「心棒」を使用する。パイプ要素は、ダイと心棒との間で、ダイ内に保持され、心棒は、ダイの長手方向軸を中心として軌道を周回する。心棒の軌道は、直径が増加され、心棒は、パイプ要素の内面に対して押される。心棒が、回転するにつれて、パイプ要素の端部を押し、形状を心棒およびダイの形状に一致させる。

スピン形成は、パイプ要素外径許容誤差変動に対するプロセスの敏感性を排除するので、有利である。ロール形成等の技法は、パイプ要素を冷間加工し、所望の肩部−ビード−溝形状を生成するために使用され得るが、パイプ要素外径の変動に起因して、容認可能な程度の再現性を伴って肩部および溝外径を確立することは、困難である。しかしながら、その固定された外側ダイを伴うスピン形成を使用することによって、パイプ要素の初期直径にかかわらず、外側ダイがパイプ要素の外面寸法を確実に確立するので、パイプ要素外径の寸法変動は関係ない。

図７および８は、例示的スピン形成機械１３６を図式的に描写する。図８に示されるように、機械１３６は、４つの区分１４０、１４２、１４４、および１４６に形成されたダイ１３８を含む。ダイ区分は、軸受（図示せず）内に搭載され、それぞれのアクチュエータ１４８、１５０、１５２、および１５４を使用して、互に向かい、および互いから離れるように摺動可能に移動可能である。この実施例では、オフセット対（１４０および１４２、１４４、および１４６）に構成される４つのダイ区分が存在するが、２つのみの区分を有するダイもまた可能である。図７に示されるように、スピン形成ツールである、心棒１５６は、筐体１５８内に搭載される。筐体１５８は、固定された回転軸１６０を有し、ガイドロッド１６４に沿って、ダイ１３８に向かって、およびダイ１３８から離れるように移動する搬台１６２上に搭載される。アクチュエータ１６６は、搬台１６２の運動、ひいては、ダイに向かって、およびダイから離れるように心棒１５６の運動をもたらす。筐体１５８は、同様に搬台上に搭載された電気モータ１７０によって、軸受１６８上で、搬台１６２に対して、軸１６０を中心とした回転において駆動される。ダイ区分１４０、１４２、１４４、および１４６が、一緒にされると最も良く分かるように、筐体１５８の回転軸１６０は、ダイの長手方向軸１６１に実質的に平行である。しかしながら、心棒１５６は、その長手方向軸１７２を筐体の回転軸１６０からオフセットさせるような方向に、筐体１５８に対して移動され得る。心棒１５６のオフセット運動は、筐体１５８上に搭載されたアクチュエータ１７４を介する。バネ１７６は、アクチュエータ１７４の力が緩和されると、心棒の長手方向軸１７２を筐体の回転軸１６０との同軸整列に戻る、復元力を提供する。

図９に示されるように、ダイ区分（１４０が示される）は、スピン形成中、パイプ要素１３４の外面１３４ａの所望の最終形状を生成するように成形されている内面１７８を有する。さらに、心棒１５６は、スピン形成プロセス中、心棒１５６の外面１８０が、パイプ要素１３４の内面１３４ｂに対して押されると、パイプ要素１３４の外面１３４ａが、ダイ１３８の内面１７８によって画定される所望の形状をとるように、ダイ区分の内面１７８と協働し、パイプ要素１３４の材料が、変形して流動することを可能にするよう成形された外面１８０を有する。

動作において、図７−１１に図示されるように、アクチュエータ１４８および１５０は、それぞれのダイ区分１４０および１４２を互から離れるように移動させる。同様に、アクチュエータ１５２および１５４は、それぞれのダイ区分１４４および１４６を互から離れるように移動させ、それによって、ダイ１３８を開放させる。次いで、パイプ要素１３４が、ダイ内に挿入され得る。図９に示されるように、次いで、ダイ１３８は、それらのそれぞれのアクチュエータを使用して、それぞれのダイ区分１４０および１４２、１４４、および１４６を一緒にし、パイプ要素１３４の端部を捕捉することによって閉鎖される。次に、図７および９に示されるように、アクチュエータ１６６は、搬台１６２をダイ１３８に向かって移動させる。心棒１５６は、その長手方向軸１７２が、この時点において、筐体１５８の回転軸１６０と同軸整列し、ひいては、また、ダイ１３８によって画定される長手方向軸１６１およびパイプ要素１３４の長手方向軸１８２の両方とも同軸整列して位置付けられ、ダイ１３８に向かって移動される。心棒１５６は、ダイによって捕捉されたパイプ要素１３４内に挿入される。次いで、筐体１５８が、モータ１７０によって、その回転軸１６０を中心として回転され、アクチュエータ１７４は、心棒１５６の長手方向軸１７２を筐体の長手方向軸１６０との同軸整列から外れるように移動させる。この構成は、図１０に示され、心棒１５６の軸１７２もまた、パイプ要素１３４の長手方向軸１８２ならびにダイ軸１６１からオフセットされる。この偏心構成は、筐体１５８の回転に応じて、円形軌道内で、心棒１５６をダイ１３８の長手方向軸１６１およびパイプ要素１３４の長手方向軸の周囲で回転させる。軌道の直径は、アクチュエータ１７４が、心棒１５６を筐体１５８の回転軸１６０からさらに外れるように継続して移動させるにつれて、増加する。筐体が回転している間の筐体１５８に対する心棒１５６の継続運動は、心棒をパイプ要素１３４の内面１３４ｂに対して押す。図１１に示されるように、心棒１５６は、その軌道内において、パイプ要素内面の周囲を進行し、材料を冷間加工し、パイプ要素１３４の外面１３４ａをダイ１３８の内面１７８の形状に実質的に一致させるように押す。この実施例では、肩部２２、溝２４、およびビード２６が、形成される。しかしながら、また、ダイおよび心棒の形状に応じて、肩部および溝のみ、またはビードおよび溝のみを形成することも可能である。心棒１５６とパイプ要素１３４の内面１３４ｂとの間の摩擦を緩和するために、心棒は、その長手方向軸１７２を中心として自由に回転することに留意されたい。所望の肩部−ビード−溝形状が、スピン形成プロセスの完了に応じて達成されると、筐体１５８の回転は、停止され、心棒１５６の長手方向軸１７２は、筐体長手方向軸１６０およびダイ軸１６１との整列に戻され、搬台１６２は、ダイ１３８から離れるように移動され、それによって、心棒１５６をパイプ要素１３４内から除去する。ダイ１３８は、次いで、ダイ区分１４０、１４２、１４４、および１４６を離すように移動させることによって開放され、それによって、形成されたパイプ要素のダイからの除去を可能にする。

図１２−１５は、パイプ要素１３４内に溝２４ならびに肩部２２およびビード２６をスピン形成するための例示的方法を詳細に図示する。図１２に示されるように、ダイ長手方向軸１６１を中心として、増加する直径のその離心軌道を移動する、心棒１５６が、パイプ要素１３４の内面１３４ｂにちょうど接触した状態で示される。この実施例では、ダイ１３８は、互に離間関係で配列されている、第１および第２の円周方向凹部１９２および１９４を有する。心棒１５６は、第１および第２の円周方向リブ１９６および１９８を有する。心棒１５６のパイプ要素１３４内への挿入に応じて、第１のリブ１９６は、第１の凹部１９２と整列され、第２のリブ１９８は、第２の凹部１９４と整列されることに留意されたい。

図１３に示されるように、第１の凹部１９２は、第２の凹部１９４に近接して位置付けられている第１の側面２００と、第２の凹部１９４の遠位に位置付けられている第２の側面２０２と、第１および第２の側面２００および２０２間に延在する、床面２０４とによって画定される。この実施例では、第１および第２の側面は、ダイ軸１６１に垂直に延在するそれぞれの基準線２０６および２０８に対して、角度配向されることに留意されたい。いくつかの実施形態では、第１の側面の配向角度２１０は、第２の側面２０２の配向角度２１２より小さい（図示されるように）。第１の側面２００の配向角度２１０は、約２０°〜約５０°の範囲であり得、第２の側面２０２の配向角度２１２は、約２０°〜約７５°の範囲であり得る。

第１のリブ１９６は、リブの両側に位置付けられている、第１および第２の逃げ面２１４、２１６を備える。第１の逃げ面２１４は、第１の凹部１９２の第１の側面２００に向かって面し、第２の逃げ面２１６は、第２の側面２０２に向かって面する。第１および第２の逃げ面２１４および２１６は、ダイ軸１６１に垂直に延在するそれぞれの基準線２１８および２２０に対して、角度配向される。第１の逃げ面２１４の配向角度２２２は、約１０°〜約５５°の範囲であり得、第２の逃げ面２１６の配向角度２２４は、約１０°〜約７５°の範囲であり得る。

この例示的実施形態では、第２の凹部１９４は、第１の凹部１９２に近接して位置付けられている側面２２６と、側面２２６と連続する床面２２８とによって画定される。この実施例では、側面２２６は、実質的に、ダイ軸１６１に垂直に配向されるが、また、角度配向され得る。側面２２６および床面２２８は、肩部２２を画定するように協働する（図１３および１４参照）。

第２のリブ１９８は、第２の凹部１９４の側面２２６に向かって面するように位置付けられる、逃げ面２３０を備える。逃げ面２３０は、示されるように、ダイ軸１６１に垂直に延在する基準線２３２に対して、角度配向され得る。逃げ面２３０の配向角度２３４は、約１°〜約４５°の範囲であり得る。

図１４を参照すると、心棒１５６が、増加する直径のその軌道内を回転するにつれて、パイプ要素１３４は、第１の円周方向リブ１９６の第１の逃げ面２１４と、第１の凹部１９２の第１の側面２００との間で締め付けられる。この締め付けがもたらされると、溝２４が、パイプ要素１３４の外面１３４ａに形成されることが観察され、パイプ要素の部分１３４ｃは、図１５に示されるように、溝２４の床４２とダイ１３８との間の間隙１８４によって証明されるように、半径方向内向きにダイ１３８から離れるように移動する。また、図１４に示されるように、パイプ要素１３４のさらなる締め付けが、第２の円周方向リブ１９８の逃げ面２３０と、第２の凹部１９４の側面２２６との間に生じ、これは、ダイ１３８から離れるような半径方向内向きの部分１３４ｃの移動を促進することによって、溝２４の形成に寄与すると考えられる。図１１に示されるように、パイプ要素１３４内にそのように形成された溝２４は、パイプ要素の残部の外径１８８より小さい外径１８６を有する。この例示的方法では、肩部２２およびビード２６がさらに、それぞれ、図１５に示されるように、第２の円周方向リブ１９８を第２の円周方向凹部１９４に向かって、かつ第１の円周方向リブ１９６を第１の円周方向凹部１９２に向かって押すことによって形成される。

間隙１８４を形成するためのパイプ要素１３４の領域１３４ｃのダイ１３８から離れるような半径方向内向き運動は、心棒１５６の半径方向外向き運動と対照的であり、したがって、予想外である。本方法は、パイプ要素１３４が（図１１に示されるように）形成されることを可能にし、溝２４の外面１３４ａは、パイプ要素の残部の外面の直径１８８より小さい直径１８６を有する。すなわち、パイプ要素の外面１３４ａは、溝２４専用である。以前は、そのような構成は、２つの回転ローラ間のパイプ要素のローラ形成によってのみ、可能であると考えられていたが、本発明によるスピン形成は、パイプ要素を捕捉する固定されたダイの効果により、パイプ要素の精密かつ再現可能外側寸法を維持しながら、この構成が達成されることを可能にする。これは、スピン形成が、パイプ要素を拡張のみし得る（すなわち、スピン形成によって変形されるパイプ要素のいかなる部分も、元の寸法より大きい直径を有していなければならない）と考えられていたので、予想外である。したがって、従来の常識によると、スピン形成プロセスでは、第１の外径を有するパイプ要素から開始し、第１の外径より小さい第２の外径を有するパイプ要素の一部で終了することは可能ではないであろうが、出願人は、その発明による方法において、スピン形成を使用して、これを達成する。

肩部、溝、およびビードを備えるパイプ要素構成、ならびに本明細書に図示および説明されるような構成を作成するための方法および装置は、薄壁のパイプ要素が、機械的連結器によって接合され、薄壁のパイプ要素および溝付きの機械的連結器に好適ではないと以前は考えられていた高圧力／高負荷用途において使用されることを可能にする。先行技術パイプ要素に優る種々の追加の利点もまた、実現される。例えば、溝床４２の外径１８６は、パイプ要素直径製造許容誤差の観点から、連結器とパイプ要素との間の適合性のための重要な寸法パラメータであることは公知である。本明細書に開示されるスピン形成方法は、最大および最小パイプ直径許容誤差の両方において、連結器と適合性がある溝が形成され得るように、このパラメータが制御されることを可能にする。さらに、拡大された肩部直径１９０（パイプ要素外径より大きい肩部２２の外向きに面した表面）と減少された溝床直径（パイプ要素外径より小さい溝床４２外径）との組み合わせは、より軽量の連結器が、性能に不利な条件を伴わずに、使用されることを可能にする。また、溝および肩部寸法が保持され得る、より厳密な許容誤差のため、連結器を設計することが容易である。実践的に、これは、より高い内部圧力に耐える、より軽量かつより強固な接合における、より低いコスト連結器につながる。ガスケット設計もまた、許容されるより厳密な許容誤差のため、簡略化され、それを通してガスケットが押出され、高圧力下、膨張し得る、連結器区画間に形成される、間隙のサイズの管理がより容易である。パイプ要素のより少ない薄化およびより少ない冷間加工が要求されるので、製造利点もまた、確保され、これは、より低い残留応力、より高い伸びの残率、およびより強固なパイプ要素を意味する。ビード２６の追加は、より堅くて曲がりにくい接合をもたらし、キーが、溝を充填し、有利に楔作用を採用することを可能にする。楔作用は、例えば、熱負荷または垂直パイプ積層のため、軸方向圧縮下でも、一定距離において、パイプ要素を連結器内に保持する。これは、パイプ要素が、存在する場合、ガスケット中心脚部を締め付けおよび損傷しないように防止する。拡大された肩部はまた、溝が、比較的に浅く、パイプ要素内により薄い内部外形を呈することを可能にする。各接合におけるより薄い外形溝は、パイプ要素を通って流動する流体中のより少ない損失水頭およびより少ない乱流を生じさせる。加えて、溝を肩部と同心に形成することによって、連結器とパイプ要素との間のより均一な係合が達成され、漏出の可能性をさらに低下させる。

Claims (26)

1. パイプ要素の外面に溝を形成する方法であって、前記方法は、
   互に離間関係で配列されている第１および第２の円周方向凹部を有するダイ内に前記パイプ要素の端部を捕捉することと、
   前記パイプ要素内に心棒を挿入することであって、前記心棒は、前記第１の円周方向凹部と整列される第１の円周方向リブおよび前記第２の円周方向凹部と整列される第２の円周方向リブを有する、ことと、
   前記ダイの長手方向軸を中心とする軌道で前記心棒を回転させることと、
   前記心棒を前記パイプ要素の内面に対して押すように、前記心棒を回転させながら、前記軌道の直径を増加させることと、
   増加する直径の軌道で前記心棒を回転させながら、前記パイプ要素を前記第１の円周方向リブと前記第１の円周方向凹部との間で締め付け、それによって、前記第１の円周方向凹部と前記第２の円周方向凹部との間の前記パイプ要素の一部に、半径方向内向きに前記ダイから離れるように移動させ、それによって、前記溝を形成することと
   を含み、
   前記溝は、前記パイプ要素の残部の外径より小さい外径を有する、方法。
2. 前記第１の円周方向凹部は、前記第２の円周方向凹部に近接して位置付けられている第１の側面と、前記第２の円周方向凹部の遠位に位置付けられている第２の側面と、前記第１および第２の側面間に延在する床面とを備え、前記方法は、前記パイプ要素を前記第１の円周方向リブと前記第１の側面との間で締め付けることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の側面は、第１の配向角度に配向され、前記第２の側面は、第２の配向角度に配向され、前記ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して測定された場合、前記第１の配向角度は、前記第２の配向角度より小さい、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の側面は、前記ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して測定された約２０°〜約５０°の配向角度に配向されている、請求項２に記載の方法。
5. 前記第２の側面は、前記ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して測定された約２０°〜約７５°の配向角度に配向されている、請求項２に記載の方法。
6. 前記第１の円周方向リブは、その両側に位置付けられている第１および第２の逃げ面を備え、前記第１の逃げ面は、前記第１の側面に向かって面し、前記第２の逃げ面は、前記第２の側面に向かって面し、前記パイプ要素は、前記第１の逃げ面と前記第１の側面との間で締め付けられる、請求項２に記載の方法。
7. 少なくとも前記第１の逃げ面は、前記ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して角度配向されている、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の逃げ面は、前記ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して測定された約１０°〜約５５°の配向角度に配向されている、請求項６に記載の方法。
9. 前記第２の逃げ面は、前記ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して測定された約１０°〜約７５°の配向角度に配向されている、請求項６に記載の方法。
10. 前記第２の円周方向凹部は、
    前記第１の円周方向凹部に近接して位置付けられている側面と、
    前記第２の円周方向凹部の側面と連続する床面と
    を備え、前記方法は、前記パイプ要素を前記第２の円周方向リブと前記第２の円周方向凹部の側面との間で締め付けることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記第２の円周方向凹部の側面は、前記ダイの長手方向軸に実質的に垂直に配向されている、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第２の円周方向リブは、前記第２の円周方向凹部の側面に向かって面する逃げ面を備え、前記方法は、前記パイプ要素を前記第２の円周方向リブの逃げ面と前記第２の円周方向凹部の側面との間で締め付けることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記第２の円周方向リブの逃げ面は、前記ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して角度配向されている、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第２の円周方向リブの逃げ面は、前記ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して測定された約１°〜約４５°の配向角度に配向されている、請求項１２に記載の方法。
15. 前記第２の円周方向リブを前記第２の円周方向凹部に向かって押すことによって、前記パイプ要素の端部部分に肩部を形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記第１の円周方向リブを前記第１の円周方向凹部に向かって押すことによって、前記溝に隣接して前記パイプにビードを形成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
17. パイプ要素の外面にビード、溝、および肩部を形成する方法であって、前記方法は、
    互に離間関係で配列されている第１および第２の円周方向凹部を有するダイ内に前記パイプ要素の端部を捕捉することと、
    前記パイプ要素内に心棒を挿入することであって、前記心棒は、前記第１の円周方向凹部と整列される第１の円周方向リブおよび前記第２の円周方向凹部と整列される第２の円周方向リブを有する、ことと、
    前記ダイの長手方向軸を中心とする軌道で前記心棒を回転させることと、
    前記心棒を前記パイプ要素の内面に対して押すように、前記心棒を回転させながら、前記軌道の直径を増加させることと、
    前記第１の円周方向リブを前記第１の円周方向凹部に向かって押すことによって、前記ビードが形成されることと、
    前記第２の円周方向リブを前記第２の円周方向凹部に向かって押すことによって、前記肩部が形成されることと、
    増加する直径の軌道で前記心棒を回転させながら、前記パイプ要素を前記第１の円周方向リブと前記第１の円周方向凹部との間で締め付け、それによって、前記第１の円周方向凹部と前記第２の円周方向凹部との間の前記パイプ要素の一部に、半径方向内向きに前記ダイから離れるように移動させ、それによって前記溝を形成することによって、前記溝が、前記ビードと前記肩部との間に形成されることと
    を含み、
    前記溝は、前記パイプ要素の残部の外径より小さい外径を有する、方法。
18. 前記第１の円周方向凹部は、前記第２の円周方向凹部に近接して位置付けられている第１の側面と、前記第２の円周方向凹部の遠位に位置付けられている第２の側面と、前記第１および第２の側面間に延在する床面とを備え、前記方法は、前記パイプ要素を前記第１の円周方向リブと前記第１の側面との間で締め付けることをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記第１の側面は、第１の配向角度に配向され、前記第２の側面は、第２の配向角度に配向され、前記第１の配向角度は、前記ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して測定された場合、前記第２の配向角度より小さい、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１の円周方向リブは、その両側に位置付けられている第１および第２の逃げ面を備え、前記第１の逃げ面は、前記第１の側面に向かって面し、前記第２の逃げ面は、前記第２の側面に向かって面し、前記パイプ要素は、前記第１の逃げ面と前記第１の側面との間で締め付けられる、請求項１７に記載の方法。
21. 少なくとも前記第１の逃げ面は、前記ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して角度配向されている、請求項２０に記載の方法。
22. 前記第２の円周方向凹部は、前記第１の円周方向凹部に近接して位置付けられている側面と、前記第２の円周方向凹部の側面と連続する床面とを備え、前記方法は、前記パイプ要素を前記第２の円周方向リブと前記第２の円周方向凹部の側面との間で締め付けることをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
23. 前記第２の円周方向凹部の側面は、前記ダイの長手方向軸に実質的に垂直に配向されている、請求項２２に記載の方法。
24. 前記第２の円周方向リブは、前記第２の円周方向凹部の側面に向かって面する逃げ面を備え、前記方法は、前記パイプ要素を前記第２の円周方向リブの逃げ面と前記第２の円周方向凹部の側面との間で締め付けることをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
25. 前記第２の円周方向リブの逃げ面は、前記ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して角度配向されている、請求項２４に記載の方法。
26. 前記第２の円周方向リブの逃げ面は、前記ダイの長手方向軸に垂直に延在する基準線に対して測定された約１°〜約４５°の配向角度に配向されている、請求項２４に記載の方法。

Images