JP6190727B2 - 形材 - Google Patents

Description

本発明は、ねじり加工を施した形材に関する。

建材等に用いられるアルミ形材は、そのほとんどが真直な状態で用いられており、ねじり加工を行ったものは実用化されていない。図１５（ａ）に示すような長方形断面のアルミ形材９０にねじり加工を行うと、図１５（ｂ）に示すように、ねじり部との境界部分において断面形状が平行四辺形状に変形する問題がある。また、長方形断面のアルミ形材９０にねじり加工を行うと、図１６に示すように、潰れ変形が生ずる問題もある。

本発明は以上に述べた実情に鑑み、ねじり加工をしたときに断面形状が平行四辺形状に変形したり潰れ変形が生じたりするのを低減できる形材の提供を目的とする。

上記の課題を達成するために請求項１記載の発明による形材は、長方形断面の中空の形材であって、長方形の長辺側の壁の肉厚が中央部よりコーナー部に向けて徐々に厚くなっており、長方形の短辺側の壁の肉厚は一定であり、長手方向の一部が断面の中心を軸としてねじってあることを特徴とする。

請求項１記載の発明による形材は、長方形の長辺側の壁の肉厚が中央部よりコーナー部に向けて徐々に厚くなっていることで、ねじり部との境界部分において断面形状が平行四辺形状に変形するのを低減できると共に、潰れ変形を低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る形材の断面図である。 本発明の形材の他の実施形態（第２〜４実施形態）を示す断面図である。 本発明の形材の他の実施形態（第５〜７実施形態）を示す断面図である。 本発明のねじり加工を施した形材の使用状態の例であって、機能ポールに用いた場合を示す図である。 形材をねじり加工するときの様子を示す図であって、（ａ）はねじる前の状態、（ｂ）はねじった後の状態を示す。 （ａ）はねじり加工試験の概要を示す平面図、（ｂ）は第１実施形態の形材と比較例１の形材のねじった後の断面の写真である。 第１実施形態と比較例１の平行四辺形状に変形した変形量をグラフ化したものである。 第１実施形態と比較例１の外観の写真である。 形材の断面形状の説明図である。 真直度及び断面形状の変形量の測定箇所を示す説明図である。 断面形状の変形量の測定方法を示す説明図である。 真直度の測定方法を示す説明図である。 中央部肉厚ｔとテーパ角θに応じて真直度がどのように変化するかを示すグラフである。 中央部肉厚ｔとテーパ角θに応じて断面形状の変形量がどのように変化するか示すグラフである。 真直度と断面形状の変形量が所定の基準値を満たすための中央部肉厚ｔとテーパ角θの範囲を示すグラフである。 （ａ）は参考として単なる長方形断面の形材の断面図、（ｂ）はねじり加工により同形材の断面が平行四辺形状に変形した状態を示す。 単なる長方形断面の形材をねじり加工し、潰れ変形した様子を示す写真である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る形材８の断面形状を示している。本形材８はアルミニウム合金の押出形材であって、長方形断面の中空状になっており、長方形の長辺側の壁１，１の肉厚ｔが中央部２よりコーナー部３に向けて徐々に厚くなっており、中空部４の形状が略六角形となっている。長方形の短辺側の壁５，５の肉厚は一定である。長辺側の壁１，１の中央部２の肉厚は短辺側の壁５，５の肉厚とほぼ同じになっており、長辺側の壁１，１のコーナー部３側の肉厚はその約２倍になっている。長辺側の壁１，１と短辺側の壁５，５との内周側コーナー部６は、Ｒ状に形成されている。長辺側の壁１，１と短辺側の壁５，５との外周側コーナー部には、長辺側の壁１，１を側方に延出する形で突部７が形成されている。長方形の長辺側と短辺側の長さの比は、およそ２．５〜３：１となっている。本形材８は、断面の中心Ｃを軸としてねじり加工を行って製品にする。

ねじり加工の手順について説明すると、図４（ａ）に示すように、形材８のねじれを付与する部分の両側を二分割された木型９ａ，９ｂで挟み込むようにして保持し、両側の木型９ａ，９ｂをねじり加工機の把持部（図示省略）に把持する。次に、図４（ｂ）に示すように、一方の木型９ａ，９ｂを固定し、他方の木型９ａ，９ｂを形材８の断面の中心Ｃを軸として回転させる。その後、把持部の把持を解除し、木型９ａ，９ｂを取外せば、中間部が所定の角度ねじれた形材８が得られる。形材８のねじり加工は、専用のねじり加工機を用いて行ってもよいが、アルミ押出形材の製造工場の既存の設備であるねじれ矯正機を用いて行うこともできる。

第１実施形態の形材８と、長辺側の壁１，１の肉厚ｔを一定にした比較例１の形材について、図５に示すようにねじり加工試験を行い、両形材の断面の平行四辺形状に変形する変形量を測定した。図６は、測定した変形量をグラフ化したものである。
図６に示すように、比較例１ではねじり部（掴み間隔）から１００ｍｍの位置で回転側で約４ｍｍ、固定側で約２ｍｍの変形が生じ、そこから先の木型内部でも全体的に変形が生じているのに対し、第１実施形態のものはねじり部から１００ｍｍの位置での変形量が回転側で約１．５ｍｍ、固定側で約１．４ｍｍと大幅に小さくなり、２００ｍｍ以上離れたところでは変形量がほとんど０に近くなっており、平行四辺形状の変形が大幅に低減していることが分かる。
また、図７は第１実施形態と比較例１の形材の外観を示しており、比較例１はねじり部との境界部分において潰れ変形１６が生じているが、第１実施形態のものは潰れ変形が低減することが確認された。
なお、形材８の中空部４内に砂や樹脂の粒などの充填物を詰めてねじり加工を行えば、潰れ変形をより一層低減できる。

以上に述べたように第１実施形態の形材８は、長方形の長辺側の壁１，１の肉厚ｔが中央部２よりコーナー部３に向けて徐々に厚くなっていることで、コーナー部の変形が抑えられるため、ねじり部との境界部分において断面形状が平行四辺形状に変形するのを低減できると共に、潰れ変形を低減することができる。また、肉厚を全体的に厚くするよりも材料費を抑えられ、ねじり加工性も良好である。

さらに、図８，９に示すように、断面の外形が同じで、長辺側の壁１の中央部の肉厚（中央部肉厚）ｔと、長辺側の壁１の外周側面と内周側面との成す角（テーパ角）θとを異ならせた形材８についてねじり加工試験を行い、中央部肉厚ｔとテーパ角θが断面形状の変形量と潰れ変形に及ぼす影響について調べた。形材８は、中央部肉厚ｔが３ｍｍでテーパ角θが３°のもの、中央部肉厚ｔが３ｍｍでテーパ角θが５°のもの、中央部肉厚ｔが５ｍｍでテーパ角θが３．５°のものの３種類を用意し、図９に示すように、それぞれの形材８を中間部の２５０ｍｍの間で断面の中心Ｃを軸に３５°ねじり、ねじり部から２５０ｍｍの位置での断面形状の変形量と、ねじり部との境界部における長辺側の壁１の面の真直度を測定した。断面形状の変形量は、図１０に示すように形材８に角度定規１６を当て、その角度が９０°からどれだけ変形したかで求めた。真直度は、図１１に示すように、長辺側の壁１の最も膨らんだ点と最も凹んだ点との差から求めた。測定結果を以下の表１に示す。

図１２は、上記の試験結果を元に作成したもので、中央部肉厚ｔとテーパ角θに応じて真直度がどのように変化するかを示すグラフである。真直度は、１．５ｍｍ以下だとＯＫ、１．５ｍｍより大きいとＮＧとした。このグラフより、中央部肉厚ｔ及びテーパ角θが大きくなるにつれて真直度は小さく（良く）なることが分かる。

図１３は、上記の試験結果を元に作成したもので、中央部肉厚ｔとテーパ角θに応じて断面形状の変形量がどのように変化するか示すグラフである。断面形状の変形量が１°以下だとＯＫ、１°より大きいとＮＧとした。このグラフより、中央部肉厚ｔ及びテーパ角θが大きくなるにつれて断面形状の変形量が大きくなることが分かる。

以上の結果より、中央部肉厚ｔ及びテーパ角θが大きくなるにつれて、真直度は良くなる一方、断面形状の変形量は大きくなるから、真直度と断面形状の変形量を両方とも基準値（真直度１．５ｍｍ以下、断面形状の変形量１°以下）を満たすためには、中央部肉厚ｔとテーパ角θに条件があると考えられる。そこで、表１の試験結果に基づいて、以下の手順により基準値を満たすための中央部肉厚ｔとテーパ角θの条件を導き出した。

ｘ：中央部肉厚、ｙ：テーパ角、ｚ：真直度Ｓ又は断面形状の変形量αとし、試験で得られた３点を通る平面の方程式を算出する。ｚ：真直度Ｓとしたときの平面の方程式は、下記の式（１）となり、ｚ：断面形状の変形量αとしたときの平面の方程式は、下記の式（２）となる。
−１．７ｘ−０．７２ｙ−４ｚ＋１２．３８＝０…（１）
０．９３ｘ＋０．３６ｙ−４ｚ−３．１９＝０…（２）
上記（１）の式に、ｘ＝ｔ、ｙ＝θ、ｚ＜Ｓを代入し、ｔについての式に変形すると、下記（３）となり、上記（２）の式に、ｘ＝ｔ、ｙ＝θ、ｚ＜αを代入し、ｔについての式に変形すると、下記（４）となる。
ｔ＞−０．４２θ−２．３５Ｓ＋７．２８…（３）
ｔ＜−０．３８θ＋４．３α＋３．４３…（４）
よって、ｚ＜真直度Ｓ、ｚ＜断面形状の変形量αを共に満たす範囲は、下記の式（５）となる。
−０．４２θ−２．３５Ｓ＋７．２８＜ｔ＜−０．３８θ＋４．３α＋３．４３…（５）
真直度Ｓの基準値として例えば１．５ｍｍ、断面形状の変形量αの基準値として例えば１°とすると、上記の（５）の式にＳ＝１．５、α＝１を代入することで、下記の式（６）が得られる。
−０．４２θ＋３．７５＜ｔ＜−０．３８θ＋７．７３…（６）
図１４は、上記の（６）の式をグラフ化したものであって、同図中の薄墨した範囲が（６）の条件を満たす範囲である。中央部肉厚ｔとテーパ角θをこの範囲内に設定することで、真直度Ｓと断面形状の変形量αを所定の基準値内に収めることができる。

以上に述べたように、中央部肉厚ｔとテーパ角θとが、上記（５）の式の関係を満たすようにすることで、ねじったときに真直度Ｓと断面形状の変形量αを所定の基準値内に収めることのできる形材８の断面形状の設計が容易に行える。基準値として、ねじり境界部での真直度Ｓが１．５ｍｍ以下、ねじり加工部より２５０ｍｍ位置での断面形状の変形量αが１°以下としたことで、性能及び外観上問題とならない。
なお、真直度Ｓと断面形状の変形量αの基準値は、適宜変更することができ、当該基準値を上記（５）の式に代入することで、その基準値に応じた中央部肉厚ｔとテーパ角θの範囲を求めることができる。

図２−１，２−２は、本発明に係る形材８の他の実施形態を示している。
図２−１（ａ）は、本発明の形材８の第２実施形態を示している。第２実施形態の形材８は、長方形の長辺側の壁１，１の肉厚ｔが第１実施形態のものより全体的に厚くなっており、また長辺側の壁１，１の中央部２に肉厚ｔが一定の平行部１０を有し、平行部１０の両側からコーナー部３にかけて肉厚ｔが徐々に厚くなっており、中空部４の形状が八角形状となっている。長辺側の壁１，１と短辺側の壁５，５との内周側コーナー部６は、Ｒ状とせずに角が形成されている。
図２−１（ｂ）は、本発明の形材８の第３実施形態を示している。第３実施形態の形材８は、第２実施形態と同様に、長辺側の壁１，１の中央部３に肉厚ｔが一定の平行部１０を有し、平行部１０の両側からコーナー部３にかけて肉厚が徐々に厚くなっており、長辺側の壁１，１と短辺側の壁５，５との内周側コーナー部６は、Ｒ状に形成されている。
図２−１（ｃ）は、本発明の形材８の第４実施形態を示している。第４実施形態の形材８は、長辺側の壁１，１の中央部３に肉厚ｔが一定の平行部１０を有し、平行部１０の長さＬは第２，３実施形態よりも短くなっている。長辺側の壁１，１と短辺側の壁５，５との内周側コーナー部６は、Ｒ状に形成されている。
図２−２（ｄ）は、本発明の形材８の第５実施形態を示している。第５実施形態の形材８は、長辺側の壁１，１の内周側の面１１が円弧状に形成され、長辺側の壁１，１の肉厚ｔが中央部２からコーナー部３にかけて徐々に厚くなっている。長辺側の壁１，１と短辺側の壁５，５との内周側コーナー部６は、Ｒ状とせずに角が形成されている。
図２−２（ｅ）は、本発明の形材８の第６実施形態を示している。第６実施形態の形材８は、長辺側の壁１，１の中央部２に平行部１０を設けず、肉厚ｔを中央部２からコーナー部３にかけて徐々に厚くしてあり、中空部４が六角形状に形成されている。長辺側の壁１，１と短辺側の壁５，５との内周側コーナー部６は、Ｒ状とせずに角が形成されている。
図２−２（ｆ）は、本発明の形材８の第７実施形態を示している。第７実施形態の形材８は、第６実施形態と同様に、長辺側の壁１，１の中央部２に平行部１０を設けず、肉厚ｔを中央部２からコーナー部３にかけて徐々に厚くしてあり、長辺側の壁１，１と短辺側の壁５，５との内周側コーナー部６はＲ状に形成してあり、そのＲの大きさが第１，３，４実施形態よりも大きくしてある。
以上に示した第２〜７実施形態の形材８は、長方形の長辺側の壁１，１の肉厚ｔが中央部２よりコーナー部３に向けて徐々に厚くなっている点で共通しており、このように形成したことにより、第１実施形態と同様に、ねじり加工をしたときに断面形状が平行四辺形状に変形するのを低減できると共に、潰れ変形を低減することができる。

図３は、本発明の形材８の使用状態の一例であって、住宅の玄関前のアプローチ等に設置される機能ポール１２に適用したものである。本機能ポール１２は、中間部が約４５°ねじれており、ねじれた部分の下側に郵便受け１３を取付け、ねじれた部分の上側にインターホン１４と表札１５を取付けている。
このようにねじり加工を施した形材８を用いることで、意匠的に斬新な印象を与えることができ、インターホン１４と表札１５が取付く面の向きと郵便受け１３が取付く面の向きを違わせることで、使い勝手を向上できる場合がある。コーナー部に突部７が設けてあることで、ねじれが強調される。

本発明は以上に述べた実施形態に限定されない。形材８の断面形状は、長辺側の壁１，１が中央部２からコーナー部３にかけて肉厚ｔを徐々に厚く形成してあればよく、厚くする範囲の長さや厚くする程度、長方形の縦横の比等は、適宜変更することができる。ねじる角度は任意であり、９０°以上ねじったものでもよい。材質は、アルミに限らず、例えばマグネシウム合金等であってもよい。本発明の形材の用途は特に限定されるものではなく、様々な分野に用いることができる。

１ 長辺側の壁
２ 長辺側の壁の中央部
３ 長辺側の壁のコーナー部
８ 形材
Ｃ 断面の中心
ｔ 長辺側の壁の肉厚

Claims (1)

1. 長方形断面の中空の形材であって、長方形の長辺側の壁の肉厚が中央部よりコーナー部に向けて徐々に厚くなっており、長方形の短辺側の壁の肉厚は一定であり、長手方向の一部が断面の中心を軸としてねじってあることを特徴とする形材。