JP2008168351A - パイプ曲げ装置用マンドレル - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、パイプ曲げ装置用マンドレルに関する。
【解決手段】本発明は、平均半径Ｒｍと長手方向の軸線とは、パイプの長手方向の軸線を通過し、曲げ加工されるパイプの対称面に対して垂直な中心平面内に位置し、曲げ加工されるパイプは、パイプの長手方向の軸線に対して横断方向の距離である内側寸法Ｄｉを有するマンドレルにおいて、高剛性部材は、半径Ｒｃｉの周縁部の区間によって形成された少なくとも１つの凹状の中間部を備え、回転中心に対して近位の側面と、半径Ｒｃｅの周縁部の区間によって形成された少なくとも２つの分割された端部を備える回転中心に対して遠位の側面とを有し、ｔが加工されるパイプ及び形成された曲線の形状特性の精度に応じて変化する項である場合に、Ｒｃｉ＝Ｒｍ−（Ｄｉ／２）＋ｔ，及びＲｃｅ＝Ｒｍ＋（Ｄｉ／２）−ｔが成り立つことを特徴とする、高剛性部材を備えたパイプ曲げ装置用マンドレルである。
【選択図】図１

Description

本発明は、パイプ曲げ装置用マンドレルに関する。

マンドレルは、曲げ作業時にパイプの破損や捩れを防止するために、パイプ内部で利用される装置である。

例えば、特許文献１は、ロッドの一端部で支持されている心金（core bar）が、本体及び２つの高剛性部材を備えており、２つの高剛性部材は、本体に連続的に連接し、且つ、曲げられるパイプの対応する部分と共に傾けられるように構成されているパイプを押し込んで曲げ加工を実施するための押込み曲げ装置（punching and bending apparatus）を開示している。

このような高剛性部材は、特許文献１の矩形状のパイプのために構成されており、プリズム状の形状とされ、自身の端部で面取され、マンドレルがパイプに対して滑動可能とされるようにパイプ内部の断面積よりも僅かに小さい横断方向の断面積を有している。曲げ加工の際に、高剛性な連接部材は直線状の側面を有し、且つパイプが任意の理想的な曲げ半径Ｒｍに従って曲げられるので、パイプの内壁、すなわち曲げ中心に対して近位の壁及び遠位の壁の両方が、高剛性な連接部材と直線状に接触している。曲げ半径Ｒｍは、パイプを曲げるための曲げ型の中心と曲げ型の外縁部との間、すなわち曲げ型の中心と曲げられるパイプの中心との間の距離である。

しかしながら、同一のマンドレルによって処理可能な曲げ半径の範囲を大きくすることによって、例えばネガティブセットオフ（negative set-off）、歪み、及び平坦部を形成することによって生じる欠陥が生じる。言い換えれば、パイプの断面は、曲げ加工前に一定であっても、曲げ加工後には一定を維持され得ない。

特許文献２は、２つの側端部の間で回動される傾斜部材をマンドレル保持用ロッドに対向する前端部に有しているパイプ曲げ用マンドレルを開示している。遠位側では、すなわち曲げ型の回転中心から遠い側では、側端部は、パイプが曲げ加工の終了時に前記遠い側に重さなる（get on）表面のように構成されている。

上述の特許文献では、傾斜部材は、パイプが曲げられる前にはパイプに対して平行な略直線状の遠位側面を有している。この遠位側面は、２点でパイプに対して当接するために前方及び後方の両方において回転される。傾斜部材の近位側面は、パイプが曲げ加工の終了時に該近位側面を呈するような表面とされる。このようにして、曲げられるパイプは、曲げ加工全体を通じて適切に指示されない。さらに、マンドレルは、互いに移動可能な部品から成るので、経年によって脆弱化し摩耗する。さらに、特許文献２におけるマンドレルは１つの作用点を有するにすぎず、操作者は、好ましくは傾斜部材が作業時に曲げ型と共平面状とされるように注意しなければならない。
米国特許第５，９０９，９０８号明細書 特開平第２００５−２０５４８２号公報

本発明の目的は、従来技術の欠点を克服するために、一体的な高剛性部材、又は複数の部品から成るが、確実に一体に接続された複数の部品から成る高剛性部材を有しているパイプ曲げ装置用マンドレルを製造することである。これら高剛性部材は、パイプの一部が曲げられる曲げ半径に依存する。

本発明の他の目的は、曲げられるパイプの内径又は横断方向の内側寸法に従って、パイプ曲げ装置用マンドレルの高剛性部材の構成及び大きさを決定することである。

従って、本発明は、高剛性部材を備えているパイプ曲げ装置用マンドレルであって、高剛性部材は、曲げ型の回転中心と曲げ加工されるパイプの長手方向の軸線との間の距離である所定の平均半径Ｒｍを有している曲線を形成するために、曲げ型を用いて実施される曲げ加工時に、曲げ加工されるパイプの内側に挿入され、且つパイプと共に傾斜可能とされており、平均半径Ｒｍと長手方向の軸線とは、パイプの長手方向の軸線を通過し、曲げ加工されるパイプの対称面に対して垂直な中心平面内に位置しており、曲げ加工されるパイプは、パイプの長手方向の軸線に対して横断方向の距離である内側寸法Ｄｉを有しているマンドレルにおいて、高剛性部材は、半径Ｒｃｉの周縁部の区間によって形成された少なくとも１つの凹状の中間部を備え、回転中心に対して近位の側面と、半径Ｒｃｅの周縁部の区間によって形成された少なくとも２つの分割された端部を備えている回転中心に対して遠位の側面とを有しており、ｔが加工されるパイプ及び形成された曲線の形状特性の精度に応じて変化する項である場合に、Ｒｃｉ＝Ｒｍ−（Ｄｉ／２）＋ｔ，及びＲｃｅ＝Ｒｍ＋（Ｄｉ／２）−ｔが成り立つことを特徴とするマンドレルを提供する。

さらに詳細には、項ｔは、高剛性部材及び曲げられるパイプが曲げ加工の前後の両方において移動可能に結合されているように、曲げられるパイプ及び高剛性部材の許容値と、高剛性部材の全長及び高剛性部材の単一部分の全長と、平均半径Ｒｍとを考慮して決定される。

簡便な構成とするために、高剛性部材は、曲げられるパイプの対称面に対して対称とされる両側面を有している。各側面は、２つの凸状の端部の間に凹状の中間部を備えている。中間部は、高剛性部材の２つの端部に対して相互に回転可能とされ、高剛性部材の両端部には面取部が形成されている。

丸い断面、例えば円状や楕円状の断面を有するパイプが曲げられる場合には、高剛性部材の中間部及び端部は、高剛性部材の長手方向の中心軸線を中心として周縁部の区間を回転させることによって形成される回転面とされる。曲げられるパイプが四角形状の断面、例えば方形状や矩形状の断面を有している場合には、高剛性部材の側面の中間部及び端部は、曲げられるパイプの対称面に対して平行な周縁部の区間をシフトさせることによって形成される円筒状の押出面とされる。第１の場合には、高剛性部材は、正弦状の側壁を有する小さな略樽状の形状を有している。第２の場合には、高剛性部材は、正弦状の側壁を有しているプリズム状の形状を有している。

高剛性部材は近位側面、すなわち曲げ型の中心に最も近傍に位置する側面を有している。近位側面は、曲げられるパイプの内部が適合可能な凹状の中間部を有している。同様に、高剛性部材の遠位側面は、曲げられるパイプの外部が略適合する凸状の端部を有している。

このようにして、高剛性部材は、曲げられるパイプの外弧部の曲率半径と略同一な曲率半径を有し、且つ曲げられるパイプの不慮の変形を防止可能な一組の分割された表面を有している一方で、曲げられるパイプの内弧部の曲線の曲率半径と略同一な曲率半径を有し、且つこのような変形を防止する唯一の表面を有している。

従って、高剛性部材は、曲げ加工の終了後であってもパイプの断面を一定に保持するゲージのように機能する。このような機能によって、高剛性部材同士の表面摩擦が低減される。結果として、材料に作用する負荷が小さくなり、強度が高くない材料を高剛性部材及びその接続部に利用可能となるので、この点において特に優位である。

上記及び他の目的、特徴、及び利点は、添付する好ましい実施例を表わす図面を参照することによって発明の詳細な説明から明らかになる。

図１は、パイプＴを角度９０°で曲げ加工した後における、パイプＴの内側に配置された本発明のパイプ曲げ装置用マンドレル１の断面を部分的に表わした断片的な平面図である。このような曲げ加工は、パイプ曲げ装置内（図示しない）に配置された曲げ型２（bending die）及び逆曲げ型（図示しない）によって実施される。パイプＴの断面は、例えば円状や楕円状に丸められているが、例えば方形状や矩形状であっても良い。

例えば、マンドレル１は、マンドレル保持用ロッド４によって支持されている非可撓性の本体３（部分的にのみ図示する）と、非可撓性の本体３の前端部３０に高剛性部材５とを備えている。他の高剛性部材は、図示される一の高剛性部材と同様に逐次的に接続されているが、発明の構成を明確にするために図示しない。高剛性部材５は、以下の詳述するように、ボールジョイントによって非可撓性の本体３に接続されている。しかしながら、このような接続は、例えばワイヤのような可撓性を有する部材を利用した方法や他の方法であっても実現可能とされる。

図２及び図３は、図１に表わすパイプＴの内側に配置された高剛性部材５の理論的な構成及び実際の構成の概略図である。Ｄｉは、曲げ加工されるパイプＴの内径又は横断方向の内側寸法である。ｓは、パイプの肉厚である。Ｄｅ＝Ｄｉ＋２ｓは、パイプＴの外径又は横断方向の外側寸法である。さらに、このパイプは、所定の平均半径Ｒｍの曲線に沿って曲げられている。本発明における高剛性部材５は、近位側面、すなわち凹状の中間部を備えた曲げ型の回転中心Ｏに近い側面を有している。凹状の中間部は、パイプＴを理想的な曲率半径に一致させるために半径Ｒｃｉの周縁部の区間５０によって形成されることは言うまでもない。但し、以下に説明するように、半径ＲｃｉはＲｃｉ＝Ｒｍ−（Ｄｉ／２）＋ｔによって定義され、ｔは様々な要素に依存する要素である。

さらに、本発明における高剛性部材５は、半径Ｒｃｅの周縁部の区間５１，５２によって形成される２つの凸状の端部を備え、回転中心に対して遠位の側面を有している。但し、半径ＲｃｅはＲｃｅ＝Ｒｍ＋（Ｄｉ／２）−ｔによって定義される。

この平均半径Ｒｍは、一般に曲げ型の半径、すなわち曲げ型２の回転中心Ｏ、及び曲げ加工されたパイプＴの長手方向の軸線ｌから計測される半径である。前記回転中心Ｏ及び長手方向の軸線ｌは、図３に表わすように、曲げ加工されたパイプＴの長手方向の軸線ｌを通過する垂直方向の対称面に対して垂直とされる中心平面α内に位置している。高剛性部材は、半径Ｒｍに対して垂直で中心平面α内に位置している長手方向の中心軸線ａを有している。

項ｔの値は、高剛性部材５及び曲げ加工されるパイプＴが曲げ加工前及び曲げ加工後の両方において移動可能に結合されるように、曲げ加工されるパイプ及び高剛性部材５の両方の許容値、特に高剛性部材５の全長及び該高剛性部材の単一部分の全長に依存する。項ｔの値が大きくなると、曲げ加工されるパイプＴと高剛性部材５の側面との隙間も大きくなるので、パイプＴの曲げ加工における精度が低下する。この加工精度を高めるためには、項ｔの値が可能な限り０（zero）に近いことが重要であることは言うまでもない。

図３は、周縁部の区間５０によって形成される中間部の表面と、周縁部の区間５１，５２によって形成される両端部の表面とが、曲げ加工時にパイプＴと相互作用する近位側面及び遠位側面のそれぞれの一部であることを表わす。一方で、遠位側面の中間部と近位側面の両端部とは、パイプの曲げ加工に悪影響を及ぼさないように構成されている。従って、周縁部の区間５３によって形成される中間部は周縁部の区間５０に対向し凹状とされ、周縁部の区間５４，５５によって形成される両端部は周縁部の区間５１，５２と対向し凸状とされることが適切である。

実際の構成においては、図４及び図５に表わすように、高剛性部材５は、例えば丸いパイプを曲げるための回転体の対称な両側面、又は四角形状のパイプを曲げるための押出体の対称な両側面を有していることが望ましい。図４及び図５は、本発明における２つの好ましい実施例の斜視図（assonometric view）である。

特に、パイプの長手方向の軸線ｌを通過する対称面に関して対称とされ、且つ図面の中心平面αに対して垂直な両側面が選択された場合には、遠位側面の凹状の中間部は、近位側面の凹状の中間部の周縁部の区間５０の曲率半径と同一の曲率半径を有している周縁部の区間５３によって形成される。近位側面の凸状の両端部は、遠位側面の凸状の両端部の周縁部の区間５１，５２の曲率半径と同一の曲率半径を有している周縁部の区間５４，５５によって形成される。

図３に表わすように、構造的な観点から、近位側面の凹状の中間部の周縁部の区間５０，５３は、曲線５６，５７に従って各端部の周縁部の区間５４，５５及び周縁部の区間５１，５２に接続されていることが適切である。遠位側面及び近位側面のそれぞれの端部の周縁部の区間５１，５２及び周縁部の区間５４，５５は、曲線５８，５９に従って高剛性部材の両端部に向かって縮径し、一般に参照符号６０で示す面取部で終端している。

両側面が対称的に配置されている場合には、図４の斜視図に表わすように、高剛性部材５は、パイプを曲げるために略円筒状の本体（円筒体）５０１とされる。円筒体５０１は、正弦状の側面を有し、丸められた断面を有している。凹状の中間部５０２は、高剛性部材の長手方向の中心軸線ａを中心として回転する、半径がＲｃｉである周縁部の区間によって回転面として形成される。凸状の端部５０５，５０６は、長手方向の中心軸線ａを中心として回転する、半径がＲｃｅである周縁部の区間を分割する回転面によって形成される。凹状の中間部５０２は、参照符号５０３，５０４で示す曲線のそれぞれに従って、凸状の端部５０５，５０６に接続されている。凸状の端部５０５，５０６は、各面取部５０７，５０８が形成された高剛性部材の各端部で終端している。

高剛性部材５は、四角形状のパイプを曲げるために、丸いパイプを曲げる際に利用される高剛性部材５０１の回転面とは相違する円筒面状の側面を有している略直線状の柱体５１０とされる。このような表面は、図５の斜視図で表わすように、近位側面においては参照符号５４０，５００，５５０で示され、遠位側面においては参照符号５２０，５５０，５３０で示される。

図示の如く、凹状の中間部５００は、各曲線５６０，５７０によって近位側面の凸状の端面５４０，５５０によって縮径されている。前記曲線は、遠位側面には見られないが、参照符号５８０で示す面取部を有する高剛性部材５１０の端部で終端している。

近位部及び遠位部が側面として形成されている限り、高剛性部材の両側面が対称に配置されている場合に、このような側面が全く機能しないことが明らかな場合であっても、図４の実施例では、高剛性部材５０１が回転体であるので、その側面のすべてが同一であり、高剛性部材５１０の側面と遠位面とは同一であるので、高剛性部材５１０の側面及び遠位面は互いに置換可能であることは明白である。

図１は、本発明におけるマンドレルの実施例の詳細図である。非可撓性の本体３は、自身の後端でマンドレル保持用ロッド４（部分的にのみ図示する）に接続されている。該マンドレル保持用ロッドの機能は、既知であり、ここでは詳細に説明しない。

高剛性部材５は、非可撓性の本体３の前端部３０に連接している。上述のように、非可撓性の本体に対して高剛性部材５を傾けることができる任意の他の接続も利用可能とされることは言うまでもないが、高剛性部材５と非可撓性の本体３との連接的な接続について、以下に説明する。

非可撓性の本体３は、自身の前端部３０に、ボールジョイントの雌部を備えるように既知の方法で構成されたハウジング３１を有している。径方向の穴３２は、ダボ（図示しない）がねじ込まれるようにハウジング３１に形成されている。

既知の方法では、第１の突起６の形態をしたボールジョイントの雄部は、四角形状の前面を有している球状部とされる。この四角形状面から、第１の突起６は球状部よりも小さな半径を有している円筒状の中央部を形成するように環状に作用している。さらに、第１の突起６には、図示しないが、大きなねじ穴が接続シャフト７のために設けられている。第１の突起６のこのような構成によって、第１の突起の半径は前記球状の凹所の半径よりも小さいので、第１の突起は球状の凹所内のハウジング３１に適切に挿入可能とされる。第１の突起６は、螺旋状のバネ８をハウジング３１の円筒状のバックチャンバーに取り付けた後に、球状の凹所に挿入される。第１の突起６は、球状の凹所に挿入された後に、接続シャフト７が第１の突起６にねじ込まれるように回転される。その後に、接続シャフト７は、径方向の穴３２にねじ込まれたダボによって第１の突起６の内側にロックされる。

第２の突起９は、例えばネジ式ダボによって接続シャフト７の他端に固定されている。高剛性部材５は、非可撓性の本体３の前端部３０に面している面１０を有している。２つの円筒状のキャビティ、すなわち大きな直径を有している外側キャビティ１１及び小さな直径を有している内側キャビティ１２は、高剛性部材５の面１０の中央に形成されている。外側キャビティ１１はネジ加工され、保持用ブッシュ１３は外側キャビティ１１にねじ込まれる。保持用ブッシュ１３においては、その前方が半球状に形成され、その後方にはハウジング３１の入口に対向している円錐台状の開口部１４が設けられている。

螺旋状のバネ１５は、高剛性部材５の内側キャビティ１２に格納され、第２の突起９が保持用ブッシュ１３に挿入された場合にボール１６によって第２の突起を付勢する。高剛性部材は、接続シャフト７が項のように配置された状態において、自身の端部でバネ力によって付勢され、非可撓性の本体３と直線状に配置される。

高剛性部材５は、一体的に、又は一体的構造となるように確実に接続された多くの部品によって製造可能とされる。

上述の説明は、非可撓性の本体と高剛性部材との接続を例示的に説明するにすぎず、本願発明の技術的範囲を制限する訳ではない。

９０°の角度で曲げ加工した後におけるパイプの内部に位置する、本発明におけるパイプ曲げ装置用マンドレルと、曲線を規定する曲げ型との部分的な断面を表わす平面図である。 図１に表わすパイプ曲げ装置のマンドレルのための高剛性部材の理論的な構成の概略図である。 パイプＴの内部に位置する、図１に表わす高剛性部材の実際の構成の概略図である。 丸い断面を有するパイプを曲げるための、本発明の第１の実施例における高剛性部材の斜視図である。 四角形状の断面を有するパイプを曲げるための、本発明の第２の実施例における高剛性部材の斜視図である。

符号の説明

１ マンドレル
２ 曲げ型
３ 非可撓性の本体
４ マンドレル保持用ロッド
５ 高剛性部材
６ 第１の突起
７ 接続シャフト
９ 第２の突起
１０ 面
１１ 外側キャビティ
１２ 内側キャビティ
１３ 保持用ブッシュ
１４ 開口部
１５ 螺旋状のバネ
１６ ボール
３０ 前端部
３１ ハウジング
３２ 穴
５０ 周縁部の区間
５１ 周縁部の区間
５２ 周縁部の区間
５３ 周縁部の区間
５４ 周縁部の区間
５５ 周縁部の区間
５６ 曲線
５７ 曲線
５８ 曲線
５９ 曲線
６０ 面取部
５００ 中間部
５０１ 円筒体
５０２ 中間部
５０３ 曲線
５０４ 曲線
５０５ 端部
５０６ 端部
５０７ 面取部
５０８ 面取部
５１０ 柱体
α 中心平面
ａ 長手方向の中心軸線
ｌ 長手方向の軸線
ｓ パイプの肉厚
Ｄｉ 曲げ加工されるパイプＴの内径又は横断方向の内側寸法
Ｏ 回転中心
Ｒｍ 平均半径
Ｔ パイプ

Claims (9)

1. 高剛性部材（５）を備えているパイプ曲げ装置用マンドレルであって、前記高剛性部材は、曲げ型（２）の回転中心（Ｏ）と曲げ加工されるパイプ（Ｔ）の長手方向の軸線（ｌ）との間の距離である所定の平均半径Ｒｍを有している曲線を形成するために、前記曲げ型（２）を用いて実施される曲げ加工時に、曲げ加工される前記パイプ（Ｔ）の内側に挿入され、且つ前記パイプと共に傾斜可能とされており、前記平均半径Ｒｍと前記長手方向の軸線（ｌ）とは、前記パイプの前記長手方向の軸線（ｌ）を通過し、曲げ加工される前記パイプ（Ｔ）の対称面に対して垂直な中心平面（α）内に位置しており、曲げ加工される前記パイプ（Ｔ）は、前記パイプの前記長手方向の軸線に対して横断方向の距離である内側寸法Ｄｉを有している前記マンドレルにおいて、
   前記高剛性部材（５）は、半径Ｒｃｉの周縁部の区間（５０）によって形成された少なくとも１つの凹状の中間部を備え、前記回転中心（Ｏ）に対して近位の側面と、半径Ｒｃｅの周縁部の区間（５１，５２）によって形成された少なくとも２つの分割された端部を備えている前記回転中心に対して遠位の側面とを有しており、ｔが加工される前記パイプ及び形成された前記曲線の形状特性の精度に応じて変化する項である場合に、Ｒｃｉ＝Ｒｍ−（Ｄｉ／２）＋ｔ，及びＲｃｅ＝Ｒｍ＋（Ｄｉ／２）−ｔが成り立つことを特徴とするマンドレル。
2. 前記高剛性部材（５）は、前記パイプの前記対称面に対して前記近位の側面及び前記遠位の側面の両方を有しており、前記近位の側面及び前記遠位の側面のそれぞれは、半径Ｒｃｉの周縁部の区間（５０；５３）によって形成される凹状の中間部を、半径Ｒｃｅの周縁部の区間（５１，５２；５４，５５）によって形成される２つの凸状の端部の間に備えており、前記中間部は、前記高剛性部材の２つの前記端部に対して相互に回転可能とされ、前記高剛性部材の２つの前記端部には、面取部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマンドレル。
3. 曲げ加工される前記パイプ（Ｔ）は、丸い断面を有し、前記高剛性部材（５）の前記中間部及び２つの前記端部は、前記高剛性部材の長手方向の中心軸線（ａ）を中心として前記周縁部の区間（５０；５１，５２）によって形成される回転面の一部とされることを特徴とする請求項１又は２に記載のマンドレル。
4. 曲げ加工される前記パイプは、四角形状の断面を有し、前記高剛性部材の前記中間部及び２つの前記端部は、曲げ加工される前記パイプの前記対称面に対して平行にシフトする際に周縁部の区間（５０；５３；５１，５２：５４、５５）によって形成される押出面の一部とされることを特徴とする請求項１又は２に記載のマンドレル。
5. 前記高剛性部材（５）は、マンドレル保持用ロッド（４）に接続された非可撓性の本体（３）に対して連接されていることを特徴とする請求項１に記載のマンドレル。
6. 前記高剛性部材（５）及び前記非可撓性の本体（３）は、共同するボールジョイントを形成するために、前記非可撓性の本体（３）及び前記高剛性部材（５）の対向する部分（３０，１０）内に配置されたハウジング（３１，１４）のそれぞれに受容された球状の突起（６，９）で終端している接続シャフト（７）によって相互に接続されていることを特徴とする請求項５に記載のマンドレル。
7. 前記接続ロッド（７）の球状の前記突起（６，９）は前記ハウジング（３１，１４）のそれぞれの内部でバネによって付勢されていることを特徴とする請求項６に記載のマンドレル。
8. 前記高剛性部材（５）は一体形状で製造されていることを特徴とする請求項１に記載のマンドレル。
9. 前記高剛性部材（５）は、単一体を形成するために結合される複数の部品から製造されていることを特徴とする請求項１に記載のマンドレル。

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