WO2019093274A1

WO2019093274A1 - 耐圧機器、流体圧シリンダ、及び耐圧機器の製造方法

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Publication number: WO2019093274A1
Application number: PCT/JP2018/041015
Authority: WO
Inventors: 泰志船戸
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Filing date: 2018-11-05
Publication date: 2019-05-16
Anticipated expiration: 2020-05-10
Also published as: JP2019090433A; JP6924122B2

Abstract

シリンダチューブ（１００）は、端面に開口する貫通孔（１１）を有する本体部（１０）と、本体部（１０）の貫通孔（１１）の開口を閉塞する蓋部（２０）と、を備え、蓋部（２０）は、本体部（１０）の端面に溶接される接合面（２１Ａ）を有する基部（２１）と、接合面（２１Ａ）から突出して形成され貫通孔（１１）に挿入される挿入部（２２）と、挿入部（２２）に設けられ全周にわたって貫通孔（１１）の内周面に密着する突出部（２３）と、を有する。

Description

耐圧機器、流体圧シリンダ、及び耐圧機器の製造方法

　本発明は、耐圧機器、流体圧シリンダ、及び耐圧機器の製造方法に関する。

　ＪＰ２００２－２５７２３８Ａには、シリンダチューブ部材とシリンダチューブ部材に嵌合差し込みされたヘッド部材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チューブが開示されている。

　ＪＰ２００２－２５７２３８Ａに開示されるようなシリンダチューブでは、シリンダチューブ部材の内周面とシリンダチューブ部材に嵌合するヘッド部材の外周面との間には、わずかなクリアランスが残存してしまう。このような耐圧機器では、このクリアランスを通じて内圧が導かれることで、溶接部分に応力集中が生じるおそれがある。

　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、端面に開口する中空部を有する本体部と、本体部の中空部の開口を閉塞する蓋部と、を備え、蓋部は、本体部の端面に溶接される接合面を有する基部と、接合面から突出して形成され中空部に挿入される挿入部と、挿入部に設けられ全周にわたって中空部の内周面に密着する突出部と、を有する。

　本発明のある態様によれば、端面に開口する中空部を有する本体部と、本体部の中空部の開口を閉塞する蓋部と、を備える耐圧機器を製造する製造方法であって、蓋部における基部の接合面を本体部の端面に接触させると共に、接合面から突出する挿入部を本体部の中空部に挿入する配置工程と、基部の接合面と本体部の端面とを溶接する溶接工程と、挿入部に設けられる突出部を塑性変形させ、全周にわたって中空部の内周面に密着させる成形工程と、を備える。

図１は、本発明の第１実施形態に係るシリンダチューブ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、本発明の第１実施形態に係るシリンダチューブの製造方法を説明する断面図であり、接合前の本体部及び蓋部を示す図である。図４は、本発明の第１実施形態に係るシリンダチューブの製造方法を説明する断面図であり、本体部に蓋部の挿入部を挿入した状態を示す図である。図５は、本発明の第１実施形態に係るシリンダチューブの製造方法を説明する断面図であり、本体部と蓋部を溶接した状態を示す図である。図６は、本発明の第１実施形態に係るシリンダチューブの製造方法を説明する断面図であり、成形工程前の状態を示す図である。図７は、本発明の第１実施形態に係るシリンダチューブの製造方法を説明する断面図であり、成形工程の過程を示す図である。図８は、本発明の第２実施形態に係るシリンダチューブの製造方法を説明する断面図であり、成形工程を示す図である。図９は、本発明の第２実施形態に係るシリンダチューブを備えた流体圧シリンダの断面図である。

　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。

　（第１実施形態）
　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、二つの圧力室（第１流体圧室４、第２流体圧室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チューブ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、円筒状のシリンダチューブ１００と、シリンダチューブ１００の内周面に沿って摺動するピストン２と、シリンダチューブ１００内に挿入されピストン２に連結されるピストンロッド３と、を備える。

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

　シリンダチューブ１００の端部とピストンロッド３の先端部とには、流体圧シリンダ１を他の機器に取り付けるための取付部２０Ａ，３Ａがそれぞれ設けられる。

　流体圧シリンダ１は、シリンダチューブ１００に設けられるポート（図示省略）を通じて作動油が第１流体圧室４に供給されるとともに第２流体圧室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流体圧室５に供給されるとともに第１流体圧室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チューブ１００の内部の第１，第２流体圧室４，５に作動油が給排されることにより、シリンダチューブ１００には作動油の油圧が内圧として作用する。

　シリンダチューブ１００は、両端面に開口する中空部としての貫通孔１１を有する筒状の本体部１０と、本体部１０の一端部に取り付けられ貫通孔１１の一方の開口を閉塞する蓋部２０と、を備える。

　本体部１０の他端部には、ピストンロッド３を摺動自在に支持するシリンダヘッド６が取り付けられる。シリンダヘッド６は、周方向に並ぶ複数の締結ボルト（図示省略）によって本体部１０に着脱可能に設けられる。貫通孔１１の他方の開口は、シリンダヘッド６により閉塞される。

　図２に示すように、本体部１０における貫通孔１１の一端部の内周面には、断面円弧状の環状溝１１Ａが全周にわたって形成される。

　蓋部２０は、本体部１０の一方の端面１０Ａに当接し本体部１０に溶接される接合面２１Ａを有する基部２１と、基部２１の接合面２１Ａから突出して形成され貫通孔１１に挿入される挿入部２２と、挿入部２２の先端部に設けられ全周にわたって貫通孔１１の内周面に密着する突出部２３と、を有する。

　基部２１の外径は、本体部１０の外径と同一となるように形成される。基部２１において、挿入部２２とは反対側に取付部２０Ａが設けられる（図１参照）。

　挿入部２２は、その基端部（図１中右側端部）が基部２１に接続され、本体部１０の軸方向に延びて基部２１の接合面２１Ａから突出する円柱状に形成される。挿入部２２は、外径が貫通孔１１の内径とほぼ同一に形成され、貫通孔１１に嵌合する。これにより、本体部１０と蓋部２０とを溶接するための芯出し（調心）が行われる。

　突出部２３は、挿入部２２の先端部（図１中左側端部）に設けられ、ピストン２に形成されるテーパ部２Ａによって径方向外側に拡径されて形成されるかしめ部である。突出部２３は、全周にわたって径方向外側にかしめられ、その一部が貫通孔１１の環状溝１１Ａに充填される。このようにして、突出部２３は、全周にわたって貫通孔１１における環状溝１１Ａの内周面に密着する。なお、貫通孔１１の内周面とは、環状溝１１Ａの内周面を含むものである。

　本体部１０の端面１０Ａと蓋部２０における基部２１の接合面２１Ａ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によって一体化してシリンダチューブ１００を構成する。

　ここで、本体部と蓋部とを精度良く溶接するには、両者の芯ずれを抑制する必要がある。このため、本体部の貫通孔に蓋部の挿入部を嵌合させ、両者の芯出しが行われる。しかしながら、一般には、貫通孔の内周面と挿入部の外周面との間には、わずかな隙間（以下、「クリアランス２５」と称する。）が残存してしまう（図２参照）。

　このため、流体圧シリンダの伸縮作動時には、このクリアランス２５に作動油圧が浸入し、内圧が作用する。このような内圧によれば、本体部には、外側へ向けて膨らむような力が作用する。このような力により、本体部と蓋部との接合部分である溶接部には、応力集中が生じる。

　これに対し、本実施形態では、突出部２３が本体部１０における貫通孔１１の内周面、より具体的には、貫通孔１１の内周面に形成された環状溝１１Ａの内周面に密着する。これにより、クリアランス２５が塞がれて、クリアランス２５と第１流体圧室４との連通が遮断される。このため、流体圧シリンダ１の伸縮作動中においても、クリアランス２５への作動油圧の侵入が防止される。したがって、内圧が溶接部３０に作用することによる応力集中が緩和され、シリンダチューブ１００の耐久性が向上する。

　次に、図３及び図４を参照して、シリンダチューブ１００の製造方法について具体的に説明する。

　図３に示すように、本体部１０と蓋部２０の結合前では、蓋部２０の突出部２３は、外周面が挿入部２２の外周面と一様な円筒面状に形成され、挿入部２２と略同一外径を有する。

　シリンダチューブ１００の製造では、まず、図４に示すように、本体部１０の端面１０Ａと基部２１の接合面２１Ａを対向させて接触させ、本体部１０の貫通孔１１に蓋部２０の挿入部２２を挿入して嵌合させる（配置工程）。これにより、本体部１０と蓋部２０とが同軸的に配置される。

　次に、蓋部２０の挿入部２２を本体部１０の貫通孔１１に嵌合させた状態で、本体部１０と蓋部２０の基部２１とを溶接して一体化させる（溶接工程）。これにより、図５に示すように、本体部１０の端面１０Ａと蓋部２０の基部２１の接合面２１Ａとを接合する溶接部３０が形成される。本体部１０と蓋部２０との溶接は、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。

　次に、図６に示すように、本体部１０における貫通孔１１の他方の開口から、ピストン２及びピストンロッド３を本体部１０内に挿入すると共に、貫通孔１１の他方の開口にシリンダヘッド６を取り付ける（組み立て工程）。

　次に、突出部２３を貫通孔１１の内周面に密着させる成形工程が行われる。具体的には、まず、シリンダチューブ１００内の第１流体圧室４及び第２流体圧室５に作動油を充填する。そして、第２流体圧室５に油圧を供給し、流体圧シリンダ１が収縮作動する方向へ、ピストン２及びピストンロッド３を移動させる。

　ここで、ピストン２は、図６等に示すように、突出部２３に向かうにつれ外径が減少するように中心軸に対して傾斜するテーパ部２Ａを有する。テーパ部２Ａは、ピストン２及びピストンロッド３が収縮方向（図６中右方向）のストローク端付近にまで移動すると、突出部２３に当接するように設けられる。

　ピストン２が挿入部２２の端面に当接する収縮方向のストローク端付近までピストン２が移動すると、ピストン２のテーパ部２Ａと突出部２３とが接触する（図７参照）。この状態から、収縮方向のストローク端となるまでピストン２をさらに移動させると、突出部２３は、テーパ部２Ａによって案内されて、全周にわたり径方向外側へ塑性変形して拡径される。これにより、図２に示すように、貫通孔１１の環状溝１１Ａには、突出部２３が充填される。このようにして、油圧により移動するピストン２によって突出部２３を押圧することで、突出部２３を貫通孔１１における環状溝１１Ａの内周面に密着させる。

　流体圧シリンダ１では、組み立て後の検査として、油圧によって伸縮作動させる動作確認の工程がある。突出部２３を貫通孔１１の内周面に密着させる成形工程は、組み立て後の動作確認の工程を利用して行われる。具体的には、所定の圧力で流体圧シリンダ１を収縮作動させて、ピストン２と挿入部２２の端面とが当接する収縮方向のストローク端となるまでピストン２を移動させる。これにより、流体圧シリンダ１における収縮作動の動作確認と、突出部２３を貫通孔１１の内周面に密着させる工程（成形工程）と、が同時に行われる。このように、流体圧シリンダ１の動作確認と貫通孔１１の内周面へ突出部２３を密着させる工程とを同時に行うことで、製造サイクルを短縮することができる。

　また、流体圧シリンダ１の構成部品であるピストン２を用いて突出部２３を貫通孔１１の内周面に密着させるため、突出部２３を拡径するための治具などが不要となる。よって、コスト増加を防止することもできる。

　以上の第１実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

　シリンダチューブ１００では、本体部１０の貫通孔１１の内周面と蓋部２０の挿入部２２の外周面との間のクリアランス２５は、挿入部２２に設けられる突出部２３によって、第１流体圧室４との連通が遮断される。よって、油圧がクリアランス２５に導かれることが防止され、溶接部３０における応力集中が緩和される。したがって、シリンダチューブ１００の耐久性を向上させることができる。

　また、シリンダチューブ１００では、貫通孔１１の環状溝１１Ａに突出部２３の一部が充填され、突出部２３は全周にわたって環状溝１１Ａの内周面に密着する。拡径された突出部２３が環状溝１１Ａに係止することで突出部２３のスプリングバックが防止されるため、クリアランス２５と第１流体圧室４との連通をより確実に遮断することができる。

　また、第１実施形態に係るシリンダチューブ１００の製造方法では、油圧によって移動するピストン２により突出部２３を拡径して環状溝１１Ａの内周面に密着させる。よって、流体圧シリンダ１の動作確認と同時に成形工程を行うことができ、製造サイクルを短縮することができる。また、突出部２３を拡径するための治具も不要となる。したがって、シリンダチューブ１００の製造コストを低減することができる。

　（第２実施形態）
　次に、図８及び図９を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。なお、以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、上記第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

　上記第１実施形態では、油圧によってピストン２を移動させ、ピストン２によって突出部２３を拡径して貫通孔１１の内周面に密着させる。

　これに対し、第２実施形態では、ピストン２を利用せず、治具１０２によって突出部２３を拡径して貫通孔１１の内周面に密着させる点で、上記第１実施形態とは相違する。

　第２実施形態に係る製造方法では、溶接工程までの工程は、上記第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

　第２実施形態に係る製造方法では、溶接工程の後に、成形工程が行われる。具体的には、図８に示すように、本体部１０における貫通孔１１の他方の開口から治具１０２を内部に挿入し、治具１０２によって突出部２３を押圧する。第１実施形態におけるピストン２と同様に、治具１０２の先端には、テーパ部１０２Ａが設けられる。治具１０２を突出部２３に向けて押圧することで、突出部２３は、テーパ部１０２Ａによって案内されて、全周にわたり径方向外側へ塑性変形して拡径される。これにより、貫通孔１１の環状溝１１Ａには突出部２３が充填され、突出部２３が貫通孔１１における環状溝１１Ａの内周面に密着する。このようにして、シリンダチューブ１００の製造が完了する。

　次に、本体部１０における貫通孔１１の他方の開口から、ピストン２及びピストンロッド３を本体部１０内に挿入すると共に、貫通孔１１の他方の開口にシリンダヘッド６を取り付ける。これにより、流体圧シリンダ１の組み立て（製造）が完了する。

　このように、第２実施形態では、溶接工程の後に、治具１０２を用いて成形工程が行われ、その後組み立て工程が行われる。

　なお、第２実施形態では、突出部２３の拡径にピストン２を利用しないため、図９に示すように、突出部２３と接触するテーパ部２Ａをピストン２に設けなくてよい。第２実施形態では、ピストン２には突出部２３との接触を避けるための逃げ部２Ｂが設けられる。これにより、ピストン２が収縮方向のストローク端まで移動した際、突出部２３はピストン２には接触せずに離間する。これによれば、収縮方向へのピストン２のストロークが突出部２３によって阻害されない。つまり、ピストン２と蓋部２０の挿入部２２との接触によって確実に収縮方向のストローク端を規定することができる。

　以上の第２実施形態によっても、上記第１実施形態と同様のシリンダチューブ１００を製造することができる。

　次に、上記各実施形態の変形例について説明する。以下のような変形例も本発明の範囲内であり、以下の変形例と上記実施形態の各構成とを組み合わせたり、上記の異なる実施形態で説明した構成同士を組み合わせたり、以下の変形例同士を組み合わせたりすることも可能である。

　上記各実施形態では、貫通孔１１の内周面に環状溝１１Ａが設けられる。これに対し、環状溝１１Ａは必ずしも設けなくてよい。この場合であっても、突出部２３が貫通孔１１の内周面に密着することで、クリアランス２５への油圧の侵入は防止される。

　また、上記各実施形態では、環状溝１１Ａには、突出部２３が充填される。つまり、突出部２３は、環状溝１１Ａの軸方向のほぼ全体に対して接触する。これに対し、突出部２３は、環状溝１１Ａにおける軸方向の一部にのみ接触するものでもよい。

　また、上記各実施形態では、ピストン２や治具１０２に突出部２３と接触するテーパ部２Ａ，１０２Ａが設けられる。これに対し、突出部２３を貫通孔１１の内周面に密着させることができる限り、ピストン２や治具１０２は任意の形状に形成することができる。例えば、ピストン２や治具１０２にテーパ部２Ａ，１０２Ａを設けず、突出部２３の内周面をテーパ状に形成してもよい。また、テーパ部２Ａ，１０２Ａに代えて、例えば、突出部２３に接触する曲面部をピストン２や治具１０２に形成してもよい。

　また、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チューブ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。流体圧によって移動するピストン２が内部に設けられない耐圧機器の場合には、上記第２実施形態に係る製造方法により耐圧機器を製造すればよい。

　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。

　シリンダチューブ１００は、端面１０Ａに開口する貫通孔１１を有する本体部１０と、本体部１０の貫通孔１１の開口を閉塞する蓋部２０と、を備え、蓋部２０は、本体部１０の端面１０Ａに溶接される接合面２１Ａを有する基部２１と、接合面２１Ａから突出して形成され貫通孔１１に挿入される挿入部２２と、挿入部２２に設けられ全周にわたって貫通孔１１の内周面に密着する突出部２３と、を有する。

　この構成では、突出部２３が全周にわたって貫通孔１１の内周面に密着するため、貫通孔１１の内周面と挿入部２２の外周面との間のクリアランス２５を通じて溶接部３０に内圧が作用することが防止される。したがって、シリンダチューブ１００の耐久性が向上する。

　また、シリンダチューブ１００では、貫通孔１１の内周面には、環状溝１１Ａが設けられ、突出部２３は、全周にわたって環状溝１１Ａの内周面に密着する。

　この構成では、突出部２３が環状溝１１Ａに係止されるため、両者の離間が防止され、貫通孔１１と挿入部２２との間のクリアランス２５をより確実に塞ぐことができる。

　また、シリンダチューブ１００では、突出部２３は、塑性変形によって貫通孔１１の内周面に押し付けられるかしめ部である。

　流体圧シリンダ１は、シリンダチューブ１００と、シリンダチューブ１００の内部を第１流体圧室４及び第２流体圧室５に仕切るピストン２と、を備え、ピストン２は、突出部２３に当接可能なテーパ部２Ａを有する。

　この構成では、流体圧シリンダ１の構成部品であるピストン２によって、突出部２３を貫通孔１１の内周面に押圧することができるため、治具等が不要となり、製造コストが低減される。

　端面１０Ａに開口する貫通孔１１を有する本体部１０と、本体部１０の貫通孔１１の開口を閉塞する蓋部２０と、を備えるシリンダチューブ１００の製造方法は、蓋部２０に設けられる基部２１の接合面２１Ａを本体部１０の端面１０Ａに接触させると共に、接合面２１Ａから突出する挿入部２２を本体部１０の貫通孔１１に挿入する配置工程と、基部２１の接合面２１Ａと本体部１０の端面１０Ａとを溶接する溶接工程と、挿入部２２に設けられる突出部２３を塑性変形させ、全周にわたって貫通孔１１の内周面に密着させる成形工程と、を備える。

　この構成では、全周にわたって貫通孔１１の内周面に密着する突出部２３が形成されるため、貫通孔１１の内周面と挿入部２２の外周面との間のクリアランス２５を通じて溶接部３０に内圧が作用することが防止される。したがって、シリンダチューブ１００の耐久性が向上する。

　また、上記各実施形態に係るシリンダチューブ１００の製造方法では、貫通孔１１の内周面には、環状溝１１Ａが設けられ、成形工程では、全周にわたって環状溝１１Ａの内周面に密着する突出部２３を形成する。

　また、上記第２実施形態に係るシリンダチューブ１００の製造方法は、成形工程では、貫通孔１１に挿入される治具１０２によって突出部２３を押圧して貫通孔１１の内周面に密着させる。

　また、上記第１実施形態に係るシリンダチューブ１００の製造方法は、成形工程では、本体部１０内に挿入されるピストン２を油圧によって移動させて、ピストン２によって突出部２３を押圧して貫通孔１１の内周面に密着させる。

　この構成では、流体圧シリンダ１の動作確認と共に成形工程を行うことができるため、製造サイクルを低減することができる。

　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。

　本願は２０１７年１１月１０日に日本国特許庁に出願された特願２０１７－２１７５１５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、
　端面に開口する中空部を有する本体部と、
　前記本体部の前記中空部の開口を閉塞する蓋部と、を備え、
　前記蓋部は、
　前記本体部の前記端面に溶接される接合面を有する基部と、
　前記接合面から突出して形成され前記中空部に挿入される挿入部と、
　前記挿入部に設けられ全周にわたって前記中空部の内周面に密着する突出部と、を有する、
耐圧機器。
　請求項１に記載の耐圧機器であって、
　前記中空部の内周面には、環状溝が設けられ、
　前記突出部は、全周にわたって前記環状溝の内周面に密着する、
耐圧機器。
　請求項１に記載の耐圧機器であって、
　前記突出部は、塑性変形によって前記中空部の前記内周面に押し付けられるかしめ部である、
耐圧機器。
　流体圧シリンダであって、
　請求項１に記載の耐圧機器としてのシリンダチューブと、
　前記シリンダチューブの内部を第１流体圧室及び第２流体圧室に仕切るピストンと、を備え、
　前記ピストンは、前記突出部に当接可能なテーパ部を有する、
流体圧シリンダ。
　端面に開口する中空部を有する本体部と、前記本体部の前記中空部の開口を閉塞する蓋部と、を備える耐圧機器を製造する製造方法であって、
　前記蓋部における基部の接合面を前記本体部の前記端面に接触させると共に、前記接合面から突出する挿入部を前記本体部の前記中空部に挿入する配置工程と、
　前記基部の前記接合面と前記本体部の前記端面とを溶接する溶接工程と、
　前記挿入部に設けられる突出部を塑性変形させ、全周にわたって前記中空部の内周面に密着させる成形工程と、を備える、
耐圧機器の製造方法。
　請求項５に記載の耐圧機器の製造方法であって、
　前記中空部の内周面には、環状溝が設けられ、
　前記成形工程では、全周にわたって前記環状溝の内周面に前記突出部を密着させる、
耐圧機器の製造方法。
　請求項５に記載の耐圧機器の製造方法であって、
　前記成形工程では、前記中空部に挿入される治具によって前記突出部を押圧して前記中空部の前記内周面に密着させる、
耐圧機器の製造方法。
　請求項５に記載の耐圧機器の製造方法であって、
　前記耐圧機器は、流体圧シリンダに用いられるシリンダチューブであって、
　前記成形工程では、前記本体部内に挿入されるピストンを流体圧によって移動させて、前記ピストンによって前記突出部を押圧して前記中空部の内周面に密着させる、
耐圧機器の製造方法。