WO2016098619A1

WO2016098619A1 - 耐圧機器

Info

Publication number: WO2016098619A1
Application number: PCT/JP2015/084184
Authority: WO
Inventors: 小林　俊雄
Original assignee: Ｋｙｂ株式会社
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2016-06-23

Abstract

　シリンダ（１００）は、軸方向の一端面（１０Ａ）に向かうにつれて内径が次第に減少する絞り部（１１）として一端部が形成される中空の本体部（１０）と、絞り部（１１）の一端面（１０Ａ）と溶接される端面（２０Ａ）を有し、本体部（１０）の開口部を閉塞する蓋部（２０）と、を備える。

Description

耐圧機器

　本発明は、耐圧機器に関する。

　ＪＰ２００２－２５７２３８Ａには、シリンダチューブとシリンダチューブに嵌合差し込みされたヘッドカバーとが溶接により接合され一体化された耐圧機器としてのシリンダが開示されている。

　ＪＰ２００２－２５７２３８Ａに開示のシリンダでは、給排される作動油の圧力が内圧としてシリンダに作用し、シリンダは内圧によって径方向及び軸方向に膨出するような力を受ける。溶接によって一体化された耐圧機器は、内圧を受けて膨出すると溶接部分に応力が集中するおそれがあるため、耐久性の向上が求められている。

　本発明は、耐圧機器の耐久性を向上させること目的とする。

　本発明のある態様によれば、耐圧機器であって、軸方向の一端面に向かうにつれて内径が次第に減少する絞り部として一端部が形成される中空の本体部と、絞り部の一端面と溶接される端面を有し、本体部の開口部を閉塞する蓋部と、を備える。

図１は、本発明の実施形態に係るシリンダを備えた流体圧シリンダの断面図である。図２は、図１におけるＡ部の拡大図である。図３は、本発明の実施形態に係るシリンダの製造方法を説明する断面図であり、絞り部を形成する前後の状態を示す。図４は、本発明の実施形態に係るシリンダの製造方法を説明する断面図であり、本体部と蓋部とを溶接する前の状態を示す。図５は、本発明の比較例に係るシリンダを示す拡大断面図であり、本体部が絞り部を有していない比較例を示す図である。図６は、本発明の比較例に係るシリンダを示す拡大断面図であり、蓋部が嵌合部を有する比較例を示す図である。図７は、本発明の比較例に係るシリンダを示す拡大断面図であり、蓋部に円弧面を有する凹部が形成される比較例を示す図である。

　以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態に係る耐圧機器について説明する。

　耐圧機器は、内部の流体から内圧として圧力が作用する機器である。以下では、耐圧機器が、二つのシリンダ室４，５内の作動流体の流体圧により伸縮作動する流体圧シリンダ１に用いられるシリンダ１００である場合について説明する。

　図１に示すように、流体圧シリンダ１は、円筒状のシリンダ１００と、シリンダ１００内に挿入されるピストンロッド２と、ピストンロッド２の端部に設けられシリンダ１００の内周面に沿って摺動するピストン３と、を備える。

　シリンダ１００の内部は、ピストン３によって、第１シリンダ室４及び第２シリンダ室５に仕切られる。第１シリンダ室４及び第２シリンダ室５には、作動流体としての作動油が充填される。

　流体圧シリンダ１は、シリンダ１００に設けられるポート（図示省略）を通じて作動油が第１シリンダ室４に供給されるとともに第２シリンダ室５から排出されることで伸長作動する。また、流体圧シリンダ１は、作動油が第２シリンダ室５に供給されるとともに第１シリンダ室４から排出されることで収縮作動する。伸縮作動時にシリンダ１００内部のシリンダ室４，５に作動油が給排されることにより、シリンダ１００には作動油の油圧が内圧として作用する。

　図２は、図１におけるＡ部の拡大図である。図２における破線は、溶接前における本体部１０の一端面１０Ａ及び蓋部２０の端面２０Ａを示す。

　図２に示すように、シリンダ１００は、一端部に絞り部１１が形成される中空の本体部１０と、本体部１０における絞り部１１の開口部を閉塞する蓋部２０と、を有する。シリンダ１００の他端部における開口部は、ピストンロッド２を摺動自在に支持する支持部６によって閉塞される。支持部６は、本体部１０に着脱可能に設けられる。

　本体部１０は、後述する筒状部材４０（図３参照）の一端部を口絞り加工することより、筒状の筒部１５と、外径及び内径が次第に減少する絞り部１１と、に形成される。

　絞り部１１は、軸方向の一端面１０Ａに向かうにつれて外径及び内径が次第に減少するように形成される縮径部である。具体的には、図２に示すように、絞り部１１は、軸方向に沿った断面が円弧状に湾曲して形成されて外径及び内径が次第に減少する湾曲部１２と、湾曲部１２から一端面１０Ａに向かってテーパ状に形成されて外径及び内径が次第に減少するテーパ部１３と、を有する。テーパ部１３は、本体部１０の中心軸に対して傾斜して形成され、一端面１０Ａに向かうにつれて外径及び内径が次第に減少する。

　湾曲部１２の曲率半径、テーパ部１３の角度及び長さなどの絞り部１１の形状は、シリンダ１００の全長や径などの仕様に応じて任意に形成される。絞り部１１は、後述するように一端面１０Ａに向かうにつれて少なくとも内径が次第に減少するように形成されるものであれば任意の形状に形成することができる。絞り部１１が湾曲部１２及びテーパ部１３の両方を有する場合には、どちらか一方のみを有する場合と比較して、湾曲部１２の曲率半径、テーパ部１３の角度及び長さといった絞り部１１の形状を決定する因子が多くなる。よって、絞り部１１の設計上の自由度が高くなり、シリンダ１００の仕様に応じた形状に形成し易くなる。

　図１に示すように、蓋部２０は、本体部１０における一端部の開口部を閉塞する円板状部材である。蓋部２０は、絞り部１１の一端面１０Ａと溶接される端面２０Ａを有する。図２に示すように、蓋部２０の一方の端面２０Ａが本体部１０における絞り部１１の一端面１０Ａに溶接されることにより、溶接部３０が形成される。本体部１０における絞り部１１の一端面１０Ａと蓋部２０の端面２０Ａとが互いに端面同士で溶接されることにより、本体部１０と蓋部２０とが溶接部３０を介して一体化してシリンダ１００を構成する。蓋部２０の他方の端面には、流体圧シリンダ１を取り付けるための取付部２１（図１参照）が設けられる。

　次に、図３及び図４を参照して、シリンダ１００の製造方法について具体的に説明する。図３では、本体部１０の素材となる筒状部材４０を破線で示し、筒状部材４０を加工して形成される本体部１０を実線で示す。

　まず、本体部１０に絞り部１１を形成する絞り工程が行われる。絞り部１１は、筒状部材４０（図３中破線）における一端部の外径を減少させる口絞り加工により形成される。これにより、図３に示すように、筒状部材４０が、筒部１５と、外径及び内径が一端に向かうにつれて次第に減少する絞り部１１と、を有する本体部１０として形成される。

　次に、本体部１０と蓋部２０とを溶接する溶接工程が行われる。図４に示すように、溶接工程では、まず、本体部１０及び蓋部２０の外形をそれぞれチャック装置（図示省略）によって把持し、互いの端面１０Ａ，２０Ａが対向するように同軸的に配置する。これにより、後述する本体部１０と蓋部２０との溶接時における同軸度が確保される。また、同軸度を確保するために、本体部１０と蓋部２０との溶接部３０の内側に、裏板を設ける必要がないため、部品点数が削減でき、コストを低減することができる。

　次に、本体部１０と蓋部２０とを溶接して一体化させる。本体部１０と蓋部２０との接合は、プラズマ溶接やＴＩＧ溶接を含むアーク溶接、ガス溶接、レーザー溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接、摩擦圧接、及び拡散接合など任意の方法により行うことができる。これにより、本体部１０における絞り部１１の一端面１０Ａと蓋部２０の端面２０Ａとを接合する溶接部３０（図１及び図２参照）が形成される。

　このように、予め口絞り加工によって絞り部１１が形成された本体部１０と蓋部２０とを溶接することにより、本体部１０と蓋部２０とを一体化する。続いて、本体部１０の他端部の開口部に支持部６を取り付けることにより、図１に示すようなシリンダ１００が形成される。

　ここで、シリンダ１００の理解を容易にするために、図５から図７を参照して、比較例としてのシリンダ２００，３００，４００について説明する。

　シリンダ２００は、図５に示すように、筒状の本体部１１０と、本体部１１０の開口部を閉塞する蓋部１２０と、を備え、本体部１１０には絞り部１１が形成されない。シリンダ２００では、本体部１１０の一端面１１０Ａと蓋部１２０の端面１２０Ａとを突き合わせて端面１１０Ａ，１２０Ａ同士を溶接することにより、一体化される。

　このようなシリンダ２００では、溶接部１３０の内側にほぼ直角の角部１４０が形成される。このような直角の角部１４０には、内圧による応力が集中しやすいため、シリンダ２００の耐久性を向上させることは困難である。

　また、シリンダ３００は、図６に示すように、筒状の本体部２１０と、本体部２１０の開口部を閉塞する蓋部２２０と、を備える。蓋部２２０は、本体部２１０の内周面に嵌合する嵌合部２２１と、本体部２１０の一端面２１０Ａに溶接される溶接面２２２Ａが形成されるフランジ部２２２と、を有する。シリンダ３００では、蓋部２２０の嵌合部２２１が本体部２１０に嵌合し、フランジ部２２２の溶接面２２２Ａと本体部２１０の一端面２１０Ａとが溶接されて一体化される。

　このようなシリンダ３００では、本体部２１０の内周面と蓋部２２０の嵌合部２２１との間の嵌合隙間２４０にも作動油が進入して、内圧が作用する。嵌合隙間２４０から作用する内圧により、本体部２１０には径方向外側へ向かって膨らむような力が作用する。このような力は、本体部２１０と蓋部２２０との接合部分である溶接部２３０に曲げ力として集中して作用するおそれがある。

　また、シリンダ４００は、図７に示すように、筒状の本体部３１０と、本体部３１０の中空部に連通する凹部３２１を有して本体部３１０の開口部を閉塞する蓋部３２０と、を有する。蓋部３２０の凹部３２１は、蓋部３２０の端面３２０Ａに接続する円弧面３２１Ａを有する。蓋部３２０の端面３２０Ａは、本体部３１０の端面３１０Ａとほぼ同じ大きさに形成される。シリンダ４００の本体部３１０と蓋部３２０とは、互いに端面３１０Ａ，３２０Ａ同士で溶接される。

　このようなシリンダ４００では、溶接部３３０の内側に直角の角部１４０が形成されることはないため、溶接部３３０の応力集中は低減される。しかしながら、シリンダ４００では、蓋部３２０の凹部３２１を切削などによって形成する必要があり、材料歩留まりの低下によりコストが増加するおそれがある。

　これに対し、図２に示すように、シリンダ１００では、作動油の油圧が内圧としてシリンダ１００に作用することにより、本体部１０には径方向外側に膨らむような力Ｆ１（図２中破線矢印）及び軸方向に伸びるような力Ｆ２（図２中実線矢印）が作用する。内圧により本体部１０の筒部１５に軸方向に伸びるような力Ｆ２が作用すると、絞り部１１は次第に外径及び内径が減少するように形成されているため、絞り部１１には、壁面に沿った分力Ｆ２１と、絞り部１１の壁面に垂直な分力Ｆ２２と、が作用する。絞り部１１の壁面に垂直な分力Ｆ２２は、径方向内側に収縮するように絞り部１１に作用する。このため、内圧により径方向外側へ膨らむように絞り部１１に作用する力Ｆ１は、筒部１５に作用する軸方向への力Ｆ２の分力Ｆ２２によって打ち消される。したがって、絞り部１１の一端面１０Ａと蓋部２０の端面２０Ａとが溶接された溶接部３０に作用する応力が低減される。

　また、シリンダ１００は、本体部１０における絞り部１１の一端面１０Ａと蓋部２０の端面２０Ａとが、端面同士で溶接される。シリンダ１００は、シリンダ３００のような嵌合部２２１を有していないため、嵌合隙間２４０から内圧が作用して溶接部３０に応力が集中することがない。したがって、シリンダ１００の耐久性をさらに向上させることができる。

　また、シリンダ１００の本体部１０における絞り部１１は、塑性加工である口絞り加工によって形成されるため、材料歩留まりがよく、コストを低減することができる。

　また、シリンダ１００には、ピストンロッド２に外力が作用することにより、シリンダ室４，５の内圧以外の圧力が作用することがある。このような場合であっても、直角の角部や嵌合部を有していないため、高い耐久性を発揮することができる。

　内圧と打ち消し合う分力Ｆ２２を効果的に発生させるためには、絞り部１１は、外径及び内径が一端面１０Ａに向かうにつれ次第に減少する形状に形成されることが望ましい。しかしながら、分力Ｆ２２を発生させ、直角の角部への応力集中を防止するためには、絞り部１１は、少なくとも内径が一端面１０Ａに向かうにつれ次第に減少するように形成されればよい。つまり、絞り部１１は、少なくとも内径が一端面１０Ａに向かうにつれ次第に減少する形状であれば、任意の形状とすることができる。

　以上の実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

　シリンダ１００では、内圧により本体部１０の筒部１５に軸方向へ伸びるような力Ｆ２が加わると、絞り部１１には径方向内側に収縮するような分力Ｆ２２が作用する。このため、内圧により絞り部１１に径方向外側へ膨らむように作用する力Ｆ１は、筒部１５に作用する軸方向への力Ｆ２の分力Ｆ２２によって打ち消される。よって、溶接部３０に作用する応力が低減される。したがって、シリンダ１００の耐久性を向上させることができる。

　また、シリンダ１００は、本体部１０における絞り部１１の一端面１０Ａと蓋部２０の端面２０Ａとが、端面同士で溶接される。よって、嵌合部２２１を有していないため、嵌合隙間２４０から内圧が作用して溶接部３０に応力が集中することはない。したがって、シリンダ１００の耐久性をさらに向上させることができる。

　また、シリンダ１００は、塑性加工によって筒状部材４０を口絞り加工することにより絞り部１１を有する本体部１０が形成されるため、材料歩留まりがよく低コストで形成することができる。

　また、絞り部１１が湾曲部１２及びテーパ部１３の両方を有しているため、設計上の自由度が高く、シリンダ１００の仕様に応じた形状に形成し易くなる。したがって、応力の集中を防止するために、絞り部１１をシリンダ１００の仕様に応じた適切な形状に形成することができるため、シリンダ１００の耐久性をさらに向上させることができる。

　また、シリンダ１００は、本体部１０における絞り部１１の一端面１０Ａと蓋部２０の端面２０Ａとが、端面同士で溶接される。よって、直角の角部１４０や嵌合部２２１を有していないため、ピストンロッド２からの外力によりシリンダ１００に作用する圧力に対しても、高い耐久性を発揮することができる。

　以下、本発明の実施形態の構成、作用、及び効果をまとめて説明する。

　耐圧機器（シリンダ１００）は、軸方向の一端面１０Ａに向かうにつれて外径及び内径が次第に減少する絞り部１１として一端部が形成される中空の本体部１０と、絞り部１１の一端面１０Ａと溶接される端面２０Ａを有し、本体部１０の開口部を閉塞する蓋部２０と、を備える。

　この構成では、内圧により本体部１０に軸方向へ伸びるような力Ｆ２が加わると、絞り部１１には径方向内側に収縮するような分力Ｆ２２が作用する。このため、内圧により径方向外側へ膨らむように絞り部１１に作用する力Ｆ１は、本体部１０に作用する軸方向への力Ｆ２の分力Ｆ２２によって打ち消される。よって、溶接部３０に作用する応力が低減される。

　この構成によれば、耐圧機器（シリンダ１００）の耐久性を向上させることができる。

　また、耐圧機器（シリンダ１００）は、絞り部１１が、湾曲して形成される湾曲部１２と、湾曲部１２から一端面１０Ａに向かってテーパ状に形成されるテーパ部１３と、を有する。

　この構成では、設計上の自由度が高くなるため、絞り部１１を耐圧機器（シリンダ１００）の仕様に応じた形状に形成し易くなる。したがって、絞り部１１をシリンダ１００の仕様に応じて応力の集中を防止する適切な形状に形成することができる。

　この構成によれば、耐圧機器（シリンダ１００）の耐久性をさらに向上させることができる。

　また、耐圧機器は、流体圧によって伸縮作動する流体圧シリンダ１に用いられるシリンダ１００である。

　この構成によれば、ピストンロッド２からの外力によりシリンダ１００に作用する圧力に対しても、高い耐久性を発揮することができる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記各実施形態は本発明の適用例の一つを示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　上記実施形態では、耐圧機器として、流体圧シリンダ１に用いられるシリンダ１００について説明した。耐圧機器は、これに限らず、液体や気体を保管するためのボンベなどの圧力容器でもよい。

　また、上記実施形態では、絞り部１１は、筒状部材４０を塑性加工することによって形成される。絞り部１１は、例えば、プレス絞り加工のような筒状部材４０が回転しない絞り加工によって形成してもよいし、回転塑性加工によって形成してもよい。また、絞り部１１は、塑性加工に限らず、中実部材を切削して形成してもよいし、鋳造品を切削して形成してもよい。例えば、外径が軸方向の沿って一定であり、内径が一端面１０Ａに向かうにつれ次第に減少する形状を絞り部１１が有する場合には、切削によって絞り部１１を形成すればよい。

　また、上記実施形態では、シリンダ１００は、筒状部材４０を加工して絞り部１１を有する本体部１０を形成した後に、本体部１０と蓋部２０とを溶接して形成される。これに代えて、筒状部材４０と蓋部２０とを溶接した後に、筒状部材４０を加工して絞り部１１を有する本体部１０を形成して、シリンダ１００を形成してもよい。

　本願は２０１４年１２月１８日に日本国特許庁に出願された特願２０１４－２５６０２６に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

　耐圧機器であって、
　軸方向の一端面に向かうにつれて内径が次第に減少する絞り部として一端部が形成される中空の本体部と、
　前記絞り部の前記一端面と溶接される端面を有し、前記本体部の開口部を閉塞する蓋部と、を備える耐圧機器。
　請求項１に記載の耐圧機器であって、
　前記絞り部は、前記一端面に向かうにつれて外径が次第に減少する耐圧機器。
　請求項１に記載の耐圧機器であって、
　前記絞り部は、
　湾曲して形成される湾曲部と、
　前記湾曲部から前記一端面に向かってテーパ状に形成されるテーパ部と、を有する耐圧機器。
　請求項１に記載の耐圧機器であって、
　前記耐圧機器は、流体圧によって伸縮作動する流体圧シリンダに用いられるシリンダである耐圧機器。