TWI468611B - 具有肩部、溝槽及加強環之管件、及其製造方法及裝置 - Google Patents

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Description

具有肩部、溝槽及加強環之管件、及其製造方法及裝置
本發明係關於藉由機械耦接器接合在一起之管件及用於製造此等管件之方法及裝置。
本申請案係基於以下各申請案且主張以下各申請案之優先權：2011年12月2日申請之美國臨時申請案第61/418,967號，及2011年9月2日申請之美國臨時申請案第61/530,771號，此等兩個臨時申請案藉此以全文引用的方式併入本文中。
當設計待藉由機械管耦接器接合在一起之管件時，遇到各種挑戰。此等耦接器包含藉由螺紋扣件以端對端關係接合之兩個或兩個以上耦接區段。該等區段環繞收納管件之中心空間。每一區段具有被稱為「鍵」之一對弧形突出物，該等弧形突出物嚙合管件之外表面。該等鍵常常收納於管件中之圓周溝槽中，該等圓周溝槽提供與施加至接合點之彎曲及軸向負載相抵的正機械嚙合。每一區段亦在其弧形突出物對之間界定一通道，該通道收納環形密封墊。密封墊通常壓縮於該等區段與管件之間以實現不透水接合。
有利地，藉由冷加工管件之側壁形成圓周溝槽，此係因為與切割溝槽不同，並未將材料自管側壁移除且因此可藉由冷加工製程對有較薄壁的管件開溝槽。有利地，在高壓及/或高負載應用中，使用有較薄壁的管件來達成重量及 成本節省。然而，先前技術冷加工方法及管設計並不產生足夠用於高負載及壓力的耦接器與管件嚙合特徵，該等高負載及壓力可藉由在有較厚壁的管件上使用之相當的切割溝槽系統來維持。存在經由對藉由冷加工進行的有薄壁的有溝槽管件之設計及製造之改良而具有的清晰優勢，該等改良將允許藉由機械耦接器來接合有薄壁的有溝槽管件且將有薄壁的有溝槽管件用於高壓/高負載應用中。
本發明係關於一種具有一外徑及至少一末端之管件。在一實例中，該管件包含一定位於該末端處之肩部。該肩部圍繞該管件沿圓周延伸，且具有一面向外的表面。該面向外的表面具有一外徑，該外徑大於不包括該肩部的該管件之該外徑。一溝槽鄰近於該肩部而定位。該溝槽圍繞該管件沿圓周延伸。該溝槽係藉由以下各者來界定：與該肩部鄰接而定位之一第一側表面、與該第一側表面以隔開關係而定位之一第二側表面，及在該第一側表面與該第二側表面之間延伸之一底表面。該底表面具有一外徑，該外徑小於不包括該溝槽的該管件之該外徑。
在另一實施例中，該管件進一步包含與該溝槽鄰接而定位之一加強環。該加強環圍繞該管件沿圓周延伸且自該管件徑向向外突出。該加強環具有一頂點，該頂點具有一外徑，該外徑大於不包括該加強環的該管件之該外徑。
本發明亦包括一種具有一外徑及第一末端及第二末端之管件。在此實例實施例中，該管件包含分別定位於該第一 末端及該第二末端處之第一肩部及第二肩部。該第一肩部及該第二肩部中之每一者圍繞該管件沿圓周延伸，且具有一面向外的表面。該等面向外的表面中之每一者具有一外徑，該外徑大於不包括該第一肩部及該第二肩部的該管件之該外徑。在此實施例中，第一溝槽及第二溝槽分別鄰近於該第一肩部及該第二肩部而定位。該第一溝槽及該第二溝槽中之每一者圍繞該管件沿圓周延伸。該第一溝槽及該第二溝槽中之每一者分別係藉由以下各者來界定：與該第一肩部及該第二肩部中之一者鄰接而定位之一第一側表面、與該第一側表面以隔開關係而定位之一第二側表面，及在該第一側表面與該第二側表面之間延伸之一底表面。該第一溝槽及該第二溝槽中之每一者之該底表面具有一各別外徑，該各別外徑小於不包括該等溝槽的該管件之該外徑。
此實施例可進一步包含分別與該第一溝槽及該第二溝槽鄰接而定位之第一加強環及第二加強環。該第一加強環及該第二加強環中之每一者圍繞該管件沿圓周延伸且自該管件徑向向外突出。該第一加強環及該第二加強環中之每一者具有一各別頂點，該各別頂點具有一外徑，該外徑大於不包括該第一加強環及該第二加強的該管件之該外徑。
本發明進一步涵蓋一耦接器與至少一管件之組合。該管件具有一外徑及至少一末端。該耦接器包含端對端地附接至彼此之複數個區段，該複數個區段環繞一用於收納該管件之該末端的中心空間。該等區段中之每一者具有一弧形 表面，該弧形表面用於嚙合收納於該中心空間內之該管件。在此實例實施例中，該管件包含一定位於該末端處之肩部。該肩部圍繞該管件沿圓周延伸，且具有一面向外的表面。該面向外的表面具有一外徑，該外徑大於不包括該肩部的該管件之該外徑。一溝槽鄰近於該肩部而定位。該溝槽圍繞該管件沿圓周延伸。該溝槽係藉由以下各者來界定：與該肩部鄰接而定位之一第一側表面、與該第一側表面以隔開關係而定位之一第二側表面，及在該第一側表面與該第二側表面之間延伸之一底表面，該底表面具有一外徑，該外徑小於不包括該溝槽的該管件之該外徑。該等區段之該等弧形表面收納於該溝槽內。
在此實施例中，該管件可進一步包含與該溝槽鄰接而定位之一加強環。該加強環圍繞該管件沿圓周延伸且自該管件徑向向外突出。該加強環具有一頂點，該頂點具有一外徑，該外徑大於不包括該加強環的該管件之該外徑。
在另一態樣中，本發明包括用於對一管件之一側壁賦予一形狀的第一輥及第二輥。在此態樣中，該第一輥之一實例包含具有一第一外徑之一第一區段及與該第一區段鄰接而定位之一第二區段。該第二區段具有一小於該第一外徑之第二外徑。一第三區段與該第二區段鄰接而定位且具有一大於該第二外徑之第三外徑。一第八區段與該第三區段鄰接而定位且具有一小於該第二外徑之第八外徑。一第九區段與該第八區段鄰接而定位且具有一大約等於該第二外徑之第九外徑。
在本發明之此態樣中，一實例第二輥包含：具有一第四外徑之一第四區段，及一第五區段，該第五區段與該第四區段鄰接而定位且具有一大於該第四外徑之第五外徑。一第六區段與該第五區段鄰接而定位且具有一小於該第五外徑之第六外徑。一第七區段與該第六區段鄰接而定位且具有一大約等於該第五外徑之第七外徑。
在一特定實施例中，該第五區段包含：一第一環形表面，其鄰近於該第四區段而定位且實質上垂直於第二軸線而定向；及一第二環形表面，其鄰近於該第六區段而定位且關於該第二軸線成角度地定向。
本發明亦包括一種器件，該器件使用該第一輥及該第二輥用於冷加工一管件之一末端以便對該管件之該側壁賦予一形狀。該器件包含一支撐框架。該第一輥安裝於該支撐框架上且可圍繞一第一軸線旋轉。該第一輥經調適以嚙合該管件之一內表面。亦提供用於使該第一輥圍繞該第一軸線旋轉之構件。該第二輥安裝於該支撐框架上且可圍繞一第二軸線旋轉，該第二軸線實質上平行於該第一軸線而定向。該第二輥可朝向該第一輥及遠離該第一輥移動，且經調適以嚙合該管件之一外表面。亦提供用於在該等輥旋轉的同時相對於該第一輥移動該第二輥以用於壓縮該側壁之構件。該等輥相對於彼此而配置於該支撐框架上，以使得：該第四區段與該第一區段對準；該第五區段與該第二區段對準； 該第六區段與該第三區段對準。
該等旋轉構件可包含一電動馬達或藉由一泵操作之一液壓馬達，且該等移動構件可包含一液壓致動器或一螺旋千斤頂(以實例說明)。
本發明進一步涵蓋一種藉由使用第一輥與第二輥之組合對一管件之側壁賦予一形狀的方法，該管件具有一內表面及一外表面。在一實例中，該方法包含：在該第一輥之第一區段上之一第一點處接觸該管件之該內表面；在該第二輥之第五區段上之一第三點處接觸該管件之該外表面；使該第一輥及該第二輥中之一者旋轉，藉此使得該第一輥及該第二輥中之另一者及該管件旋轉，該第一輥沿圓周橫越該管件之該內表面，且該第二輥沿圓周橫越該管件之該外表面；使該第一輥及該第二輥中之一者朝向該第一輥及該第二輥中之另一者移動，且經由該管件之該內表面與該第一輥之該第一區段及第三區段之間的接觸及該管件之該外表面與該第二輥之該第五區段及第七區段之間的接觸，使該管件之該側壁變形；繼續使該第一輥及該第二輥中之一者朝向該第一輥及該第二輥中之另一者移動，且在該第一輥之該第一區段與該第二輥之第四區段之間壓縮該管件之該側壁；繼續使該第一輥及該第二輥中之一者朝向該第一輥及 該第二輥中之另一者移動，且在該第一輥之第二區段與該第二輥之該第五區段之間壓縮該管件之該側壁；及繼續使該第一輥及該第二輥中之一者朝向該第一輥及該第二輥中之另一者移動，且在該第一輥之該第三區段與該第二輥之該第五區段及該第七區段之間壓縮該管件之該側壁。
本發明進一步涵蓋一種用於在一管件中形成一圓周肩部、溝槽及加強環之旋壓成形方法。一實例旋壓成形方法包含：將該管件之一末端捕獲於一模具中；將一工具插入於該管件內；使該工具在一軌道中圍繞該管件之一縱向軸線繞轉；在使該工具繞轉的同時，增加該軌道之直徑，以便迫使該工具與該管件之一內表面相抵；使該管件符合該模具以便在該管件中形成一圓周肩部，該肩部具有比該管件之剩餘部分之外徑大的一外徑；使該管件符合該模具以便在該管件中形成一圓周加強環，該加強環具有一頂點，該頂點具有比該管件之剩餘部分之外徑大的一外徑；在使該工具在增加之直徑之該軌道中繞轉的同時，迫使該工具與該管件之該內表面相抵，從而使得該肩部與該加強環之間的該管之一部分遠離該模具徑向向內移動，藉此形成該溝槽，該溝槽具有比該管件之剩餘部分 之外徑小的一外徑。
本發明係關於管件、管件與耦接器之組合，及用於冷加工管件以收納耦接器且形成一不透水接合之方法及器件。貫穿此文件，術語「管件」意謂任何管狀結構，包括(例如)如圖1中所展示之管坯10，以及流體處置或控制組件(諸如，圖2中所展示之閥14)之管狀部分12。亦包括其他組件(諸如，泵及過濾器)以及配件(諸如，T形管、彎管、彎頭及漸縮管)，作為具有或包含如本文中所界定之「管件」。
如圖1中所展示，管件10具有一外徑16，外徑16穿過在管件之曲率中心處的縱向軸線18上之點。管件10之至少一末端20經組態以收納機械耦接器(未圖示)之鍵，該組態包含定位於末端20處之肩部22、鄰近於肩部22而定位之溝槽24及與溝槽24鄰接而定位之加強環26。
如圖1中詳細說明，肩部22圍繞管件沿圓周延伸，且具有一面向外的表面28。表面28具有一外徑30，外徑30大於不包括肩部的管件10之外徑16。肩部22亦具有一面向外的彎曲表面32。彎曲表面32亦圍繞管件沿圓周延伸，且在垂直於管件10之縱向軸線18而定向之軸線34上具有曲率中心。在圖1中，將軸線34展示為垂直於檢視平面，且因此看起來端頭對準。
溝槽24係藉由與肩部22之彎曲表面32鄰接而定位的第一側表面36來界定。側表面36可成角度地定向。定向角41之範圍可為關於縱向軸線18的約80°至約85°。在另一實施例 中，側表面36可實質上垂直於縱向軸線18而定向。如本文中所使用之「實質上垂直」指代可能並非確切地垂直、但鑒於製造實踐及公差而儘可能可行地確定之角定向。第一側表面36之垂直定向使管件徑向地硬化，且幫助管件維持其圓度。
第二側表面38進一步界定溝槽24。第二側表面38與第一側表面36以隔開關係而定位，且關於縱向軸線18成角度地定向。側表面38可具有自約40°至約70°或約45°至約65°之定向角40。在圖1中所展示之特定實施例中，定向角40為約55°，當溝槽收納如圖3至圖6中所展示的機械耦接器之鍵時，該定向角被視為有利的。
底表面42在溝槽24之第一側表面36與第二側表面38之間延伸。在所展示之實例實施例中，底表面42實質上平行於縱向軸線18，且具有一外徑44，外徑44小於不包括溝槽的管件之外徑16。溝槽24亦具有一內徑17，在圖1中所展示之實施例中，內徑17大約等於管件10之內徑19。
加強環26與溝槽24之第二側表面38鄰接而定位，且亦圍繞管件沿圓周延伸。加強環26遠離軸線18向外突出，且具有一頂點46，頂點46具有一外徑48，外徑48大於不包括加強環的管件之外徑16。在圖1中所展示之實例實施例中，頂點46之直徑48小於肩部22之外徑30。加強環26增加了管件之徑向硬度，且藉此幫助維持管件之圓度。
如圖1A中所展示，無加強環的管件實施例10a亦係切實可行的。類似於圖1中所展示之實施例10，對於圖1A中之 實施例10a，底表面42實質上平行於縱向軸線18，且具有一外徑44，外徑44小於不包括溝槽的管件之外徑16。溝槽24亦具有一內徑17，內徑17大約等於管件10a之內徑19。
對於管坯，管件10之末端之組態(肩部22、溝槽24及加強環26)在兩末端處相同(為了清晰起見，未圖示)，但該等末端可能不類似之其他組態亦係切實可行的。此外，在閥14之相反末端處的管件50亦具有上文所描述之末端組態，該等末端組態允許使用機械耦接器(其實例展示於圖3、圖3A及圖3B中)將閥或任何其他流體控制組件或配件接合至其他管件。或者，閥及其他流體控制組件及配件亦可具有不類似的末端組態。
在圖3中所說明之一實施例中，機械耦接器52包含以端對端關係附接至彼此(在此實例中，藉由螺紋扣件56)之兩個或兩個以上區段54。區段54環繞中心空間58，中心空間58收納管件10以在不透水接合點中接合管件10。彈性體密封墊60捕獲於區段54之間，且具有面向內的密封表面62，面向內的密封表面62嚙合肩部22之面向外的表面28以確保不透水性。每一區段具有一對弧形表面或鍵64，該等弧形表面或鍵64向內朝向中心空間突出且收納於管件10之溝槽24內。
在圖3A中所展示之另一實施例中，耦接器53包含一單一區段，該單一區段由具有呈隔開面對關係之末端57及59的整體55形成。螺釘墊61自末端57及59延伸，且扣件63在螺釘墊之間延伸以用於在扣件收緊後便將螺釘墊拖動到一 起。該整體環繞一中心空間65，中心空間65收納管件以形成接合點。在耦接器53之任一側上呈隔開關係之鍵67沿著整體55沿圓周延伸，且徑向向內突出。類似於如上文所描述之密封墊的密封墊60定位於該等鍵之間。扣件63之收緊拖動鍵67使鍵67與管件中之溝槽嚙合，且將密封墊60壓縮於整體55與管件之間。
圖3B展示另一耦接器實施例69，耦接器實施例69係由在一末端處藉由鉸鏈75接合之兩個區段71及73形成。該等區段之相反末端77及79呈隔開面對關係且藉由扣件81而連接。區段71及73亦具有呈隔開關係之圓周鍵83，且一密封墊60定位於圓周鍵83之間。該等區段環繞一中心空間65，中心空間65收納管件以形成接合點。扣件81之收緊拖動鍵83使鍵83與管件中之溝槽嚙合，且將密封墊60壓縮於區段與管件之間。
可藉由首先拆卸耦接器52(參見圖3)且在管件中之一者之一末端上滑動密封墊60而在兩個管件10之間形成接合點。接著使另一管件之末端接近第一管件之末端對準，且定位密封墊以便橋接該兩個管件末端之間的小間隙，其中密封墊之密封表面62嚙合每一管件之肩部22之各別外表面28。接下來，定位耦接區段54，從而環繞密封墊60，且具有鍵64的管件之末端與每一管件中之各別溝槽24對準。接著應用扣件56且收緊扣件56，以便將該等區段朝向彼此拖動，在各別溝槽24內嚙合鍵64，且壓縮密封墊60使密封墊60與管件相抵以便形成不透水接合點。
在一替代實施例中，圖4至圖6詳細展示管件10與裝設就緒型耦接器52之嚙合，其中區段54經預組裝且藉由扣件56而保持呈彼此隔開關係，該等區段支撐於密封墊60上。該等區段隔開足夠遠，以使得可在不拆卸耦接器之情況下將管件10插入至中心空間58中(如圖4及圖5中所展示)。應注意，肩部22之面向外的表面28嚙合密封墊60之密封表面62，且鍵64與管件中之每一者中的溝槽24對準。如圖6中所展示，收緊將區段54接合至彼此之扣件56(亦參見圖1)，從而將區段朝向彼此拖動。此操作壓縮密封墊60使密封墊60與管件相抵以實現密封，且迫使鍵64進入溝槽24中以實現耦接器與管件10之間的正機械連接以實現接合。在圖6中詳細展示之一實施例中，鍵64具有與溝槽相容之橫截面形狀，且該等鍵經設定尺寸，以使得第一側向鍵表面66嚙合溝槽第一側表面36，且第二側向鍵表面68嚙合溝槽的成角度定向之第二側表面38。有利地，表面68與38具有互補定向角以使表面至表面接觸最大化。預期關於管件縱向軸線18(亦參見圖1)量測的自約40°至約70°或自約45°至約65°或約55°的側向鍵表面68之定向角。亦有利地，表面66與36具有互補定向角。預期關於管件縱向軸線18(亦參見圖1)量測的自約80°至約85°的側向鍵表面66之定向角。
大體而言，對於此實施例，在溝槽底表面42與鍵64之面向徑向的表面72之間將存在間隙70。此係歸因於管件與耦接器兩者之公差變化。在表面42與72之間的某一間隙係有利的，以確保該等鍵藉由楔入動作而嚙合溝槽，該楔入動 作對接合點提供剛性且在軸向壓縮及拉力負載下維持管件彼此之間呈隔開關係。使用圖3A及圖3B中所展示之耦接器實施例53及69形成接合點以與上文針對裝設就緒實施例所描述之方式類似之方式繼續進行。其他實施例亦係切實可行的，例如，其中僅垂直鍵表面66與溝槽第一側表面36接觸，或僅成角度定向之鍵表面68與溝槽24之第二側表面38接觸。耦接區段浮動於密封墊60上亦係可能的，其中至少最初鍵表面中無一者與溝槽表面接觸，直至接合點經受負載為止。
輥壓成形
圖7展示器件74，器件74用於輥壓成形管件之末端且對管件之側壁賦予形狀。器件74包含一支撐框架76，支撐框架76上安裝有第一輥或內輥78及第二輥或外輥80。內輥78經安裝以用於圍繞軸線82旋轉，且經調適以在本文中所揭示之冷加工製程期間嚙合並支撐管件之內表面。用於使內輥旋轉之構件84具備器件74。此等構件可包括(例如)電動馬達或藉由泵操作之液壓馬達。外輥80安裝於軛86上，且圍繞軸線88自由地旋轉，軸線88實質上平行於內輥78之旋轉軸線82。軛86允許外輥80朝向內輥78及遠離內輥78移動，以使得外輥80可在輥壓成形期間嚙合管件之外表面。構件90經提供以使外輥80在軛86上移動，且此等構件可包含(例如)液壓致動器或螺旋千斤頂。
根據本發明的內輥78與外輥80之一實例輥組合92詳細展示於圖8中。內輥78由具有不同外徑之複數個區段形成， 該複數個區段可與包含外輥80之各種區段(該等區段亦可藉由其各別外徑而區別彼此)合作，以對如本文中所描述之管件側壁賦予所要的形狀。內輥78由以下各者構成：第一區段94，其具有外徑94a；第二區段96，其與第一區段鄰接而定位且具有小於外徑94a之外徑96a；第三區段98，其與第二區段鄰接而定位且具有大於外徑96a之外徑98a；第四區段100，其與第三區段鄰接而定位且具有小於外徑96a之外徑100a；及第五區段102，其與第四區段鄰接而定位且具有大約等於外徑96a之外徑102a。類似地，外輥80由以下各者構成：第一區段104，其具有外徑104a；第二區段106，其與第一區段104鄰接而定位且具有大於外徑104a之外徑106a；第三區段108，其與第二區段106鄰接而定位且具有小於外徑106a之外徑108a；及第四區段110，其與第三區段108鄰接而定位且具有大約等於外徑106a之外徑110a。
當將圖8中所展示之輥組合安裝於器件74上以用於冷加工管件之側壁時，該等輥經對準以便彼此合作且賦予所要的側壁形狀。在圖8至圖11中所展示之實例中，內輥78上之區段94與外輥80上之區段104對準；內輥上之區段96與外輥上之區段106對準；內輥上之區段98與外輥上之區段108對準，且內輥上之區段100及102與外輥上之區段110對準。
該等輥中之每一者上的環形表面(在於相同輥上存在具有不同外徑之鄰接區段時形成的)亦成對地彼此合作以對 管件側壁賦予所要的形狀。如圖8中進一步展示，定位於內輥78上在區段94與96之間的環形表面112與定位於外輥80上在區段104與106之間的環形表面114合作，以形成溝槽24之第一側表面36。可將環形表面114視為區段106之部分且，在此實例中，環形表面114實質上垂直於外輥80之旋轉軸線88而定向。另外，定位於外輥80上在區段106與108之間的環形表面116與定位於內輥78上在區段96與98之間的環形表面118合作，以形成溝槽24之第二側表面38。亦可將環形表面116視為區段106之部分，且環形表面116關於軸線88成角度地定向。定向角120之範圍可為自約40°至約70°，或自約45°至約65°，或可為約55°。在所展示之實例中，內輥78上之環形表面將具有實質上相同於其與之合作的外輥80上之環形表面的定向，然而，其他組態當然係切實可行的。輥78與80及其各別區段及環形表面之間的適當對準藉由凸緣122來確定及維持，在此實例中，凸緣122自內輥78徑向向外延伸，且在使外輥80朝向內輥78移動時，嚙合外輥80中之溝槽124以在冷加工期間將管件壓縮於內輥78與外輥80之間。
圖9至圖11說明輥壓成形管件10以賦予如圖1中所展示之側壁形狀之一實例方法。如圖9中所展示，將管件10支撐於內輥78上，其中管件10之內表面126在各別接觸點128、129及130處接觸區段94、98及102中之至少兩者。對於相對較短的管件，接觸可在128、129及130處或在該三者中之任兩者處。對於較長管件，接觸將在128處，且可在129 及130處。使外輥80朝向內輥78移動，且使管件10之外表面132與區段106接觸。內輥78上之凸緣122充當一擋止件，以將管件適當地軸向定位於該等輥上。一旦內輥78與外輥80兩者接觸管件10，便藉由旋轉構件84使內輥圍繞軸線82旋轉。此情形使得管件10在與內輥78相同的方向上旋轉，且外輥80在相反方向上圍繞其軸線88旋轉。雖然使內輥旋轉及使外輥朝向內輥移動係有利的，但應理解，使該等輥旋轉及移動之其他組合亦係切實可行的。以下情形為進一步可行的：在將管件側壁壓縮於兩個輥之間的同時，保持管件固定及靜止且使機器圍繞管件之縱向軸線移動。在此狀況下，該兩個輥可為空轉輥(亦即，在旋轉中未供電)，但由於該等輥與管件之間的摩擦而旋轉。
如圖10中所展示，使外輥80朝向內輥78移動以在使該等輥旋轉的同時將管件壓縮於該等輥之間。藉此經由管件內表面126與內輥78之區段94及98及外輥80之區段106及110之間的接觸而使管件側壁134變形。此動作開始在側壁134中形成肩部22、溝槽24及加強環26。輥及管件繼續旋轉，且，如圖11中所展示，使外輥80進一步朝向內輥78移動以進一步壓縮側壁134。將側壁134壓縮於區段94與104之間以形成肩部22，該等區段之間的壓縮力使在肩部22之區域之上的側壁薄化，且將側壁之直徑擴大至所要的最終外徑30(如圖1中所展示)。亦將側壁134壓縮於區段96與106之間以確定溝槽底部42之最終尺寸(包括圖1中所展示之其外徑44)。在某些實施例中，亦將側壁134壓縮於區段96與106 之間以確定包含溝槽24的管件10之部分之內徑17，該內徑17大約等於管內徑19(管內徑19未壓縮於輥之間)(如圖1中所展示)。如關於圖11進一步展示，將側壁134壓縮於環形表面116與環形表面118之間以形成溝槽24之第二側表面38(第一側表面已藉由環形表面112與114之間的合作而形成)。區段110亦接觸管件10之外表面132以輔助形成加強環26。
旋壓成形
有利地，使用旋壓成形技術形成圓周肩部、溝槽及加強環。旋壓成形使用固定外模具及在模具內在一軌道中繞轉之輥工具。將管件固持於模具內在模具與工具之間，且工具圍繞管之縱向軸線作軌道運動。增加工具之軌道的直徑，且迫使工具與管件之內表面相抵。當工具繞轉時，其迫使管件之末端在形狀上符合工具及模具之形狀。
旋壓成形係有利的，此係因為旋壓成形消除了製程對管件外徑公差變化之敏感性。雖然可使用諸如輥壓成形之技術來冷加工管件且產生所要的肩部-加強環-溝槽形狀，但歸因於管件外徑之變化，故難以在可接受之程度的可重複性內確定肩部及溝槽外徑。然而，藉由使用旋壓成形(藉由其固定外模具)，管件外徑之尺寸變化並不相關，此係由於外模具可靠地確定管件之外表面尺寸，而與管件之初始直徑無關。
圖12及圖13示意性描繪一實例旋壓成形機器136。如圖13中所展示，機器136包括形成於四個區140、142、144及 146中之模具138。該等模具區安裝於軸承(未圖示)中，且可使用各別致動器148、150、152及154而朝向彼此及遠離彼此滑動地移動。在此實例中，存在以偏移對(140與142、144與146)組態之四個模具區，但僅具有兩個區之模具亦係切實可行的。如圖12中所展示，旋壓成形工具156安裝於外殼158中。外殼158具有固定旋轉軸線160且安裝於托架162上，托架162沿著導桿164朝向模具138及遠離模具138移動。致動器166實現托架162朝向模具及遠離模具之運動及因此的旋壓成形工具156之運動。藉由亦安裝於托架上之電動馬達170相對於軸承168上之托架162圍繞軸線160旋轉驅動外殼158。外殼158之旋轉軸線160實質上平行於在將模具區140、142、144及146聚集在一起時界定的開口之縱向軸線161。然而，可使旋壓成形工具156在一方向上相對於外殼158移動，以便使旋壓成形工具之縱向軸線172偏離外殼旋轉軸線160。旋壓成形工具156之偏移運動係經由安裝於外殼158上之致動器174進行。彈簧176提供回復力，當減輕致動器174之力時，該回復力使旋壓成形工具之縱向軸線172移動回至與外殼旋轉軸線160同軸對準。
如圖14中所展示，模具區(展示為140)具有一內表面178，內表面178經成形以在旋壓成形期間產生管件134之外表面134a之所要的最終形狀。此外，旋壓成形工具156具有一外表面180，外表面180經成形以與模具區之內表面178合作且允許管件134之材料變形及流動，以使得當在旋 壓成形製程期間，迫使旋壓成形工具156之外表面180與管件134之內表面134b相抵時，管件134之外表面134a呈藉由模具138之內表面178界定之所要的形狀。
在操作中，如圖13至圖16中所說明，致動器148及150使各別模具區140與142移動遠離彼此。類似地，致動器152及154使各別模具區144與146移動遠離彼此，藉此打開模具138。接著可將管件134插入至模具中。如圖14中所展示，接著藉由使用各別模具區之各別致動器將各別模具區140與142、144與146聚集在一起而關閉模具138，以捕獲管件134之末端。接下來，如圖12及圖14中所展示，致動器166使托架162朝向模具138移動。使旋壓成形工具156朝向模具138移動，其中旋壓成形工具156之縱向軸線172此時定位成與外殼158之旋轉軸線160同軸對準，且因此亦與藉由模具138界定之縱向軸線161與管件134之縱向軸線182兩者同軸對準。將旋壓成形工具156插入於藉由模具捕獲之管件134內。接著藉由馬達170使外殼158圍繞其旋轉軸線160旋轉，且致動器174使旋壓成形工具156之縱向軸線172移動從而不與外殼之縱向軸線160同軸對準。此組態展示於圖15中，在圖15中，旋壓成形工具156之軸線172亦偏離管件134之縱向軸線182。此偏心組態使得在外殼158旋轉後，旋壓成形工具156便在一圓形軌道中圍繞管件134之縱向軸線182繞轉。隨著致動器174繼續使旋壓成形工具156進一步移動遠離外殼158之旋轉軸線160，軌道之直徑增加。在外殼旋轉的同時進行的旋壓成形工具156相對於 外殼158之繼續運動迫使工具與管件134之內表面134b相抵。如圖16中所展示，旋壓成形工具156在其軌道中圍繞管件內表面行進且對材料冷加工，從而迫使管件134之外表面134a實質上符合模具138之內表面178的形狀。在此實例中，形成肩部22、溝槽24及加強環26。然而，取決於模具之形狀及旋壓成形工具，亦有可能僅形成肩部及溝槽或僅形成加強環及溝槽。應注意，為了減低旋壓成形工具156與管件134之內表面134b之間的摩擦，旋壓成形工具圍繞其縱向軸線172自由地旋轉。一旦在旋壓成形製程完成後便達成所要的肩部-加強環-溝槽形狀，便使外殼158之旋轉暫停，使旋壓成形工具156之縱向軸線172移動回至與外殼縱向軸線160對準，且使托架162移動遠離模具138，藉此將旋壓成形工具156自管件134內移除。接著藉由使模具區140、142、144及146移動分開而打開模具138，藉此允許將形成之管件自模具中移除。
觀測到，當如上文所描述使用旋壓成形同時在溝槽24之相反側上形成肩部22與加強環26兩者時，迫使管件材料流動至界定溝槽的管件之區中，以使得藉由在與旋壓成形工具156之軌道之增加直徑方向相反的方向上徑向向內朝向管件134之縱向軸線182移動的材料形成溝槽。形成溝槽24的管件之區域移動遠離模具內表面178，且間隙184形成於溝槽底部42與模具138之內表面178之間。在成形製程完成後，溝槽底部42在直徑上比模具138小。與旋壓成形工具156之徑向向外運動相反的管件材料之此運動係未預期到 的，且允許形成管件134，其中溝槽24之外表面134a具有一直徑186，直徑186小於管件的剩餘部分之外表面的直徑188；亦即，不包括溝槽24的管件之外表面134a。先前認為，此組態僅在於兩個旋轉輥之間輥壓成形管件之情況下才有可能，但根據本發明之旋壓成形允許達成此組態，同時維持管件之精確且可重複的外部尺寸(歸因於固定模具捕獲管件之效應)。此係未預期到的，此係因為認為旋壓成形僅可擴展管件；亦即，因旋壓成形而變形的管件之任何部分必須具有大於原始尺寸之直徑。因此，根據一般常識，在旋壓成形製程中，將不可能以具有第一外直徑之管件開始且以具有小於第一外徑之第二外徑的管件之一部分結束，但申請者已在根據其發明之方法中使用旋壓成形達成此目的。
包含肩部、溝槽及加強環之管件組態及用於建立如本文中所展示及描述之組態的方法及裝置允許：藉由機械耦接器接合有薄壁的管件，且將有薄壁的管件用於先前認為不適合於有薄壁的管件及有溝槽的機械耦接器之高壓/高負載應用中。亦實現優於先前技術管件之各種額外優勢。舉例而言，鑒於管件直徑製造公差，已知溝槽底部42之外徑186為用於耦接器與管件之間的相容性之重要尺寸參數。本文中所揭示之旋壓成形方法准許控制此參數，以使得可在最大與最小管直徑公差兩者下形成與耦接器相容之溝槽。此外，擴大之肩部直徑190(肩部22面向外的表面大於管件外徑)與減小之溝槽底部直徑(溝槽底部42外徑小於管 件外徑)之組合允許在無效能損失之情況下使用較輕型耦接器。歸因於可將溝槽及肩部尺寸保持至的較精密公差，故亦較容易設計耦接器。實務上，此情形轉換成較低重量下之較低成本耦接器，及承受較高內部壓力之較強的接合點。由於提供之較精密公差，故亦簡化了密封墊設計，且較容易管理形成於耦接區段之間的間隙之大小，可在高壓下經由該間隙擠出及吹出密封墊。製造優勢亦得到保證，此係因為存在管件之較少薄化及所需的較少冷加工，此情形意謂較低殘餘應力、較高剩餘伸長率及較強管件。加強環26之添加准許更硬質之接合點，且允許鍵填充溝槽且有利地使用楔入動作。楔入動作將管件固持於耦接器內在恆定距離處，甚至當處於軸向壓縮下時(例如，歸因於熱負載或垂直管堆疊)亦如此。此情形防止管件夾緊及損壞密封墊中心腿(若存在的話)。擴大之肩部亦准許溝槽相對較淺且呈現在管件內之較低內部構形。每一接合點處之較低構形溝槽造成在流經管件之流體中的較少水頭損耗及較少湍流。另外，藉由形成與肩部同心之溝槽，達成耦接器與管件之間的較均勻嚙合，從而進一步減少洩漏之可能性。
10‧‧‧管坯/管件
10a‧‧‧無加強環的管件實施例
12‧‧‧管狀部分
14‧‧‧閥
16‧‧‧管件之外徑
17‧‧‧溝槽之內徑
18‧‧‧縱向軸線
19‧‧‧管件之內徑
20‧‧‧末端
22‧‧‧肩部
24‧‧‧溝槽
26‧‧‧加強環
28‧‧‧面向外的表面
30‧‧‧面向外的表面之外徑
32‧‧‧面向外的彎曲表面
34‧‧‧軸線
36‧‧‧第一側表面
38‧‧‧第二側表面
40‧‧‧定向角
41‧‧‧定向角
42‧‧‧底表面/溝槽底部
44‧‧‧底表面之外徑
46‧‧‧頂點
48‧‧‧頂點之外徑
50‧‧‧管件
52‧‧‧機械耦接器
53‧‧‧耦接器
54‧‧‧區段
55‧‧‧整體
56‧‧‧螺紋扣件
57‧‧‧末端
58‧‧‧中心空間
59‧‧‧末端
60‧‧‧彈性體密封墊
61‧‧‧螺釘墊
62‧‧‧面向內的密封表面
63‧‧‧扣件
64‧‧‧弧形表面或鍵
65‧‧‧中心空間
66‧‧‧第一側向鍵表面
67‧‧‧鍵
68‧‧‧第二側向鍵表面
69‧‧‧耦接器實施例
70‧‧‧間隙
71‧‧‧區段
72‧‧‧鍵之面向徑向的表面
73‧‧‧區段
74‧‧‧器件
75‧‧‧鉸鏈
76‧‧‧支撐框架
77‧‧‧末端
78‧‧‧第一輥或內輥
79‧‧‧末端
80‧‧‧第二輥或外輥
81‧‧‧扣件
82‧‧‧軸線
83‧‧‧圓周鍵
84‧‧‧用於使內輥旋轉之構件
86‧‧‧軛
88‧‧‧軸線
90‧‧‧構件
92‧‧‧輥組合
97‧‧‧第一區段
94a‧‧‧第一區段之外徑
96‧‧‧第二區段
96a‧‧‧第二區段之外徑
98‧‧‧第三區段
98a‧‧‧第三區段之外徑
100‧‧‧第四區段
100a‧‧‧第四區段之外徑
102‧‧‧第五區段
102a‧‧‧第五區段之外徑
104‧‧‧第一區段
104a‧‧‧第一區段之外徑
106‧‧‧第二區段
106a‧‧‧第二區段之外徑
108‧‧‧第三區段
108a‧‧‧第三區段之外徑
110‧‧‧第四區段
110a‧‧‧第四區段之外徑
112‧‧‧環形表面
114‧‧‧環形表面
116‧‧‧環形表面
118‧‧‧環形表面
120‧‧‧定向角
122‧‧‧凸緣
124‧‧‧溝槽
126‧‧‧管件內表面
128‧‧‧接觸點
129‧‧‧接觸點
130‧‧‧接觸點
132‧‧‧管件之外表面
134‧‧‧側壁
134a‧‧‧管件之外表面
134b‧‧‧管件之內表面
136‧‧‧旋壓成形機器
138‧‧‧模具
140‧‧‧區
142‧‧‧區
144‧‧‧區
146‧‧‧區
148‧‧‧致動器
150‧‧‧致動器
152‧‧‧致動器
154‧‧‧致動器
156‧‧‧旋壓成形工具
158‧‧‧外殼
160‧‧‧固定旋轉軸線
161‧‧‧縱向軸線
162‧‧‧托架
164‧‧‧導桿
166‧‧‧致動器
168‧‧‧軸承
170‧‧‧電動馬達
172‧‧‧縱向軸線
174‧‧‧致動器
176‧‧‧彈簧
178‧‧‧模具之內表面
180‧‧‧旋壓成形工具之外表面
182‧‧‧管件之縱向軸線
184‧‧‧間隙
186‧‧‧溝槽之外表面之直徑
188‧‧‧管件的剩餘部分之外表面之直徑
190‧‧‧擴大之肩部直徑
圖1及圖1A為實例管件之縱向剖視圖；圖2為包括一實例管件的閥之等角視圖；圖3為管件與管耦接器之組合的分解等角視圖；圖3A及圖3B為管耦接器實施例之正視圖；圖4至圖6為管件與管耦接器之組合的縱向剖視圖； 圖7為用於使用輥壓成形方法製造管件的一實例輥壓成形機器之等角視圖；圖8為用以輥壓成形管件的輥之一實例組合的等角視圖；圖9至圖11為說明輥壓成形管件之一實例方法之縱向剖視圖；圖12為用於使用旋壓成形方法製造管件的一實例旋壓成形機器之示意圖；圖13為圖12中展示的旋壓成形機器之示意性端視圖；及圖14至圖16為說明旋壓成形管件之一實例方法之縱向剖視圖。
10‧‧‧管坯/管件
16‧‧‧管件之外徑
17‧‧‧溝槽之內徑
18‧‧‧縱向軸線
19‧‧‧管件之內徑
20‧‧‧末端
22‧‧‧肩部
24‧‧‧溝槽
26‧‧‧加強環
28‧‧‧面向外的表面
30‧‧‧面向外的表面之外徑
32‧‧‧面向外的彎曲表面
34‧‧‧軸線
36‧‧‧第一側表面
38‧‧‧第二側表面
40‧‧‧定向角
41‧‧‧定向角
42‧‧‧底表面/溝槽底部
44‧‧‧底表面之外徑
46‧‧‧頂點
48‧‧‧頂點之外徑

Claims (36)

  1. 一種具有一外徑及至少一末端之管件，該管件包含：一定位於該末端處之肩部，該肩部圍繞該管件沿圓周延伸且具有一面向外的表面，該面向外的表面具有一外徑，該外徑大於不包括該肩部的該管件之該外徑；一鄰近於該肩部而定位之溝槽，該溝槽圍繞該管件沿圓周延伸，該溝槽係藉由以下各者來界定：與該肩部鄰接而定位之一第一側表面、與該第一側表面以隔開關係而定位之一第二側表面，及在該第一側表面與該第二側表面之間延伸的一底表面，該底表面具有一外徑，該外徑小於不包括該溝槽的該管件之該外徑，該第一側表面實質上垂直於該管件之一縱向軸線；及與該溝槽鄰接而定位之一加強環，該加強環圍繞該管件沿圓周延伸且自該管件徑向向外突出，且具有一頂點，該頂點具有一外徑，該外徑大於不包括該加強環的該管件之該外徑。
  2. 如請求項1之管件，其中該頂點之該外徑小於該肩部之該面向外的表面之該外徑。
  3. 如請求項1之管件，其中該第二側表面關於該管件之該縱向軸線成角度地定向。
  4. 如請求項3之管件，其中該第二側表面具有相對於該縱向軸線量測的自約40°至約70°之一定向角。
  5. 如請求項3之管件，其中該第二側表面具有相對於該縱向軸線量測的自約45°至約65°之一定向角。
  6. 如請求項3之管件，其中該第二側表面具有相對於該縱向軸線量測的約55°之一定向角。
  7. 如請求項1之管件，其中該肩部進一步包含與該第一側表面鄰接而定位之一面向外的彎曲表面，該面向外的彎曲表面圍繞該管件沿圓周延伸，且在垂直於該管件之一縱向軸線而定向的一軸線上具有一曲率中心。
  8. 如請求項1之管件，其中該管件具有一內徑，且該溝槽具有一大約等於該管件之該內徑的內徑。
  9. 一種具有一外徑及第一末端及第二末端之管件，該管件包含：分別定位於該第一末端及該第二末端處之第一肩部及第二肩部，該第一肩部及該第二肩部中之每一者圍繞該管件沿圓周延伸且具有一面向外的表面，該等面向外的表面中之每一者具有一外徑，該外徑大於不包括該第一肩部及該第二肩部的該管件之該外徑；分別鄰近於該第一肩部及該第二肩部而定位之第一溝槽及第二溝槽，該第一溝槽及該第二溝槽中之每一者圍繞該管件沿圓周延伸，該第一溝槽及該第二溝槽中之每一者分別係藉由以下各者來界定：與該第一肩部及該第二肩部中之一者鄰接而定位之一第一側表面、與該第一側表面以隔開關係而定位之一第二側表面，及在該第一側表面與該第二側表面之間延伸的一底表面，該第一溝槽及該第二溝槽中之每一者之該底表面具有一各別外徑，該各別外徑小於不包括該等溝槽的該管件之該外 徑，該第一及第二溝槽之各第一側表面實質上垂直於該管件之一縱向軸線；及分別與該第一溝槽及該第二溝槽鄰接而定位之第一加強環及第二加強環，該第一加強環及該第二加強環中之每一者圍繞該管件沿圓周延伸且自該管件徑向向外突出，該第一加強環及該第二加強環中之每一者具有一各別頂點，該各別頂點具有一外徑，該外徑大於不包括該第一加強環及該第二加強的該管件之該外徑。
  10. 如請求項9之管件，其中該第一加強環及該第二加強環之該等頂點中之每一者的該等外徑小於該第一肩部及該第二肩部之該等面向外的表面之該等外徑。
  11. 如請求項9之管件，其中該第一溝槽及該第二溝槽中之每一者的該第二側表面關於該管件之該縱向軸線成角度地定向。
  12. 如請求項11之管件，其中該第一溝槽及該第二溝槽中之每一者的該第二側表面以相對於該縱向軸線的自約40°至約70°之一角度定向。
  13. 如請求項11之管件，其中該第一溝槽及該第二溝槽中之每一者的該第二側表面以相對於該縱向軸線的自約45°至約65°之一角度定向。
  14. 如請求項11之管件，其中該第一溝槽及該第二溝槽中之每一者的該第二側表面以相對於該縱向軸線的約55°之一角度定向。
  15. 如請求項9之管件，其中該第一肩部及該第二肩部中之 每一者進一步包含一面向外的彎曲表面，該面向外的彎曲表面與該第一溝槽及該第二溝槽之該等第一側表面中之一各別者鄰接而定位，該等面向外的彎曲表面中之每一者圍繞該管件沿圓周延伸，且在垂直於該管件之一縱向軸線而定向的各別軸線上具有一曲率中心。
  16. 如請求項9之管件，其中該第一末端與該第二末端彼此相反地安置。
  17. 一種一耦接器與至少一管件之組合，該管件具有一外徑及至少一末端，其中：該耦接器包含：至少一區段，其環繞用於收納該管件之該末端的一中心空間，該至少一區段具有用於嚙合收納於該中心空間內之該管件的一弧形表面；且該管件包含：一定位於該末端處之肩部，該肩部圍繞該管件沿圓周延伸且具有一面向外的表面，該面向外的表面具有一外徑，該外徑大於不包括該肩部的該管件之該外徑；一鄰近於該肩部而定位之溝槽，該溝槽圍繞該管件沿圓周延伸，該溝槽係藉由以下各者來界定：與該肩部鄰接而定位之一第一側表面、與該第一側表面以隔開關係而定位之一第二側表面，及在該第一側表面與該第二側表面之間延伸的一底表面，該底表面具有一外徑，該外徑小於不包括該溝槽的該管件之該外徑，該等區段之該等弧形表面收納於該溝槽內；該第一側表面實質上垂 直於該管件之一縱向軸線；及該管件進一步包含與該溝槽鄰接而定位之一加強環，該加強環圍繞該管件沿圓周延伸且自該管件徑向向外突出，且具有一頂點，該頂點具有一外徑，該外徑大於不包括該加強環的該管件之該外徑。
  18. 如請求項17之組合，其中該頂點之該外徑小於該肩部之該面向外的表面之該外徑。
  19. 如請求項17之組合，其中該第二側表面關於該管件之該縱向軸線成角度地定向。
  20. 如請求項19之組合，其中該第二側表面以相對於該縱向軸線的自約40°至約70°之一角度定向。
  21. 如請求項19之組合，其中該第二側表面以相對於該縱向軸線的自約45°至約65°之一角度定向。
  22. 如請求項19之組合，其中該第二側表面以相對於該縱向軸線的約55°之一角度定向。
  23. 如請求項17之組合，其中該肩部進一步包含與該第一側表面鄰接而定位之一面向外的彎曲表面，該面向外的彎曲表面圍繞該管件沿圓周延伸，且在垂直於該管件之一縱向軸線而定向的一軸線上具有一曲率中心。
  24. 如請求項17之組合，其中該耦接器包含端對端地附接至彼此之複數個區段，該複數個區段環繞該中心空間，該等區段中之每一者的該等弧形表面中之每一者包含：一第一側向表面，其與該溝槽之該第一側表面成面對關係； 一第二側向表面，其與該溝槽之該第二側表面成面對關係；一徑向表面，其與該溝槽之該底表面成面對關係。
  25. 如請求項24之組合，其中該第一側向表面實質上垂直於該管件之一縱向軸線而定向。
  26. 如請求項24之組合，其中該第一側向表面相對於該管件之一縱向軸線成角度地定向。
  27. 如請求項26之組合，其中該第一側向表面具有相對於該縱向軸線量測的自約80°至約85°之一定向角。
  28. 如請求項24之組合，其中該第二側向表面關於該管件之該縱向軸線成角度地定向。
  29. 如請求項28之組合，其中該第二側向表面以一角度定向，該角度等於該第二側表面關於該管件之該縱向軸線而定向的一角度。
  30. 如請求項28之組合，其中該等弧形表面中之每一者的該第二側向表面以相對於該縱向軸線的自約40°至約70°之一角度定向。
  31. 如請求項28之組合，其中該等弧形表面中之每一者的該第二側向表面以相對於該縱向軸線的自約45°至約65°之一角度定向。
  32. 如請求項28之組合，其中該等弧形表面中之每一者的該第二側向表面以相對於該縱向軸線的約55°之一角度定向。
  33. 如請求項24之組合，其中該耦接器包含該等區段中之兩 者，該等區段係使用一鉸鏈而附接至彼此。
  34. 如請求項24之組合，其中該耦接器包含該等區段中之兩者，該等區段係使用定位於該等區段之相反末端處的扣件而端對端地附接至彼此。
  35. 如請求項24之組合，其中該第一側向表面與該溝槽之該第一側表面接觸。
  36. 如請求項35之組合，其中該第二側向表面與該溝槽之該第二側表面接觸。
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