JPH0148091B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半径方向に膨張した部分を管に局部的
に成形する膨張部分成形方法及び装置に係り、更
に詳しくは、数メートルの長さを有する金属管の
一端から正確な距離だけ離れた領域の壁部を局部
的に成形する方法及び装置に係る。より特定的に
は、本発明は原子炉の制御棒又は停止棒の誘導に
用いられるような壁部の薄い金属管の局部的膨張
成形に係る。

前述の如き金属管は用途によつては他より大き
い直径を有する区間を１つ又は複数有していなけ
ればならないことが、これらの区間は長さが比較
的短かく、いずれか一方の端から比較的遠い位置
にあり、この一端からの距離が極めて正確でなく
てはならない。

金属管に膨張部分を成形する方法は既に幾つか
知られている。例えば米国特許第3625040号には
成形すべき管の両端を閉塞した後で型内部に配置
し、次いで管内に液圧流体を導入してこの流体に
圧力を加え管の壁部を型の壁面に押し付けるとい
う膨張成形法が記載されている。しかし乍らこの
ようなデバイスは数メートルの長さを有する管の
局部成形には使用し得ず、使用するとしても極め
て大きな型が必要となる。このような型は製造費
が高く操作も非常に難しい。

フランス特許第1312726号には金属ベローズの
製法が記載されている。これは筒状の薄いメタル
スリーブを水圧式膨張成形することによつてベロ
ーズを形成しようというものであり、そのために
このスリーブの一端と係合する収納部即ち凹部を
備えた型を使用する。スリーブ先端はこの収納部
の端部を構成する固定壁部に当接するように挿入
される。このスリーブは筒状壁部に対する摩擦に
よつて、或いはスリーブ先端縁部を折曲げこれら
の縁部を収納部端部にネジで固定されたリングに
より締付けることによつて該収納部端部に当接さ
せておく。型の環状壁面には膨張によつてスリー
ブに与えるべき波形が形成されている。前記収納
部端部に固定されており、且つ、シールリングを
供えたマンドレルによつて流体を導入すると、流
体圧力が型に挿入されているスリーブ内壁部分の
みに作用し、その結果このスリーブが膨張により
変型して形の波形と同じ波形を有することにな
る。このような装置は金属管を管の先端近傍の領
域について変形させる場合には適しているが、変
形させるべき領域が管先端から遠い地点にある場
合は使用し難い。

本発明の目的は、薄い壁を有する金属管の限定
された領域を管の一端からの距離に拘らず膨張変
形させることができ、しかも管の所定端に対する
膨張領域の位置決めを極めて高い再現精度で、即
ち管の所定端とこの一端に最も近い膨張領域端と
の間の距離を平均±0.2％未満の対公称寸法誤差
で各管毎に再現できる膨張部分成形方法及び装置
を提供することにある。

上述の目的は本発明によれば、管の一端から所
定距離離れた点に維持されるべき位置から軸方向
に伸長し半径方向に膨張した部分を当該管に局部
的に成形する装置であつて、当該管の前記一端の
側と他端の側とにそれぞれ配置されかつ該管の外
周面に接触し得る第一及び第二の側部内周面によ
つて円筒状空間を規定すると共に両周縁が前記第
一及び第二の側部内周面の中側の周縁に連設され
た中央内周面によつて中間の空間を規定する分解
可能な管状の型と、当該型の前記中間の空間及び
円筒状空間に挿入されるべき管内に挿入可能に形
成されたマンドレルと、該マンドレルの外面と該
管の内面との間の環状空間に圧力流体を供給すべ
く該マンドレルに設けられた通路と、前記環状空
間に圧力流体を導入した際に前記マンドレルの前
記第一及び第二の側部内周面にそれぞれ対応する
位置で該環状空間を密封する第一及び第二の密封
手段とを備えており、前記型の前記中間の空間は
前記円筒状空間より大きな直径を有しており、前
記管が前記第二の側部内周面上で摺動するのを許
容しつつ該管の前記第一の側部内周面に対する摺
動運動を阻止するように、該第一及び第二の側部
内周面は前記管の外面に対してより高い摩擦係数
及びより低い摩擦係数をそれぞれ有している膨張
部分成形装置により達成される。

さらに上述の目的を本発明によれば、管の一端
から所定距離離れて維持されるべき第一の位置か
ら軸方向に伸長し半径方向に膨張した部分を当該
管に局部的に成形する方法であつて、成形される
べき管を準備する段階と、前記第一の位置から前
記軸方向に所定距離離れた前記管の第二の位置と
前記第一の位置との間に、前記管の外周面及び内
周面と協働して該管の外周側及び内周側に環状空
間をそれぞれ形成する段階と、該環状空間の両端
外側に外周面に接触し得る第一及び第二の側部内
周面を設ける段階と、該管の内周側の前記環状空
間を密封しつつ当該環状空間内に圧力流体を供給
する段階とを備えており、当該管の前記第一の位
置の側と第二の位置の側とにそれぞれ位置する前
記第一及び第二の側部内周面に該管の外面に対し
てより高い摩擦係数及びより低い摩擦係数をそれ
ぞれ与え、該管が前記第二の側部内周面上で摺動
するのを許容しつつ該管の前記第一の側部内周面
に対する摺動運動を阻止するようにした膨張部分
成形方法により達成される。

本発明の装置は、中間の空間としての膨張チヤ
ンバを規定する中央内周面と該中央内周面の両側
の２つの側部内周面としての円筒状支持面とを有
する分解可能な管状の型を備えることが好まし
い。これら支持面は管を型内に導入する際に必要
な間〓を考慮に入れて膨張させるべき管の外径に
ほぼ等しい内径を有しており、膨張させるべき管
の外面に対する内周面の摩擦係数が互いに異なつ
ている。

膨張成形すべき管の内部には該管の直径よりや
や小さい直径を有するマンドレルが挿入され、型
に包囲された管部分まで導入される。好ましく
は、該マンドレルは外部圧力流体源に接続し得る
軸とほぼ平行の内部通路を有しており、この通路
が径方向穿孔部を介してマンドレルと管との間の
環状空間に連通する。この空間は膨張チヤンバの
両側の円筒状支持面において管−マンドレル間を
密封する２つの領域により規定されている。この
領域の密封機能は多くの場合金属製又はエラスト
マ製パツキンの如き密封手段によつて得られる。

これら密封領域はいずれもマンドレル周囲に形
成された溝でエラストマ製などの環状パツキンを
少なくとも１つ収納する環状溝を備えているのが
好ましい。この溝は深さより幅の方が大きく、前
述の環状空間側に最深部があり休止時にはこの最
深部内に少くとも１つの環状パツキンが配置され
る。この溝の深さは該最深部から対向縁にかけて
漸減している。

また、型の２つの円筒状支持面は互いに異なる
材料で構成するのが好ましく、一方の材料は管の
外面に対してより高い摩擦係数を有し、他方は管
の外面に対してより低い摩擦係数を有していると
よい。必要であれば表面処理又は潤滑化により後
者の摩擦係数を更に低くしてもよい。

本発明は長さの長い管の直線部分に少くとも１
つの膨張領域を管の一端から正確な距離Ｌをおい
て局部的に成形するための方法であつて、その好
ましい実施例によれば膨張成形方法は以下の段階
に備えている。

(1) 成形すべき管の金属に対し夫々異なる摩擦係
数を有する２つの円筒状支持面間に膨張チヤン
バを備えている型を該管の成形すべき区間の周
囲に配置する段階。この場合型は管の膨張区間
を正確に位置決めするための基準となる一端側
に摩擦係数のより大きい支持面が位置するよう
に取付けられる。

(2) 型の円筒状支持面レベルで膨張チヤンバの両
側に配置された２つの密閉領域により規定され
ている管−マンドレル間の環状空間と外部圧力
流体源とを連通させる内部通路を備えたマンド
レルを型によつて囲繞された管部分まで導入す
る段階。

(3) マンドレルの前記内部通路を介して外部流体
源から前記環状空間に流体を導入し、管が変形
して型の膨張チヤンバの壁面に押付けられるま
でこの流体の圧力を高める段階。

本発明の別の態様として、膨張前に、型の摩擦
係数の大きい支持面側にある先端とこれに対応す
る管先端との間の距離L₁を、型の該先端と膨張
領域の起点との間の距離をL₂とした場合に Ｌ＝L₁＋L₂ の関係が成立するよう調整する。ただし、Ｌは管
の前記先端と膨張領域の起点との間の膨張後の距
離である。

本発明の装置の特徴とこの装置を使用する膨張
成形方法とがより良く理解されるよう以下添付図
面に基づき非限定的実施例を挙げて詳細な説明を
行う。

第１図は壁部が薄く長さの長い金属管の直線部
分に他より大きい直径を有する半径方向に膨張し
た部分としての区間を膨張により局部的に成形す
るための装置を示している。この場合管の一端と
これに最も近い前記区間の起点との間の距離は所
定距離としての所定の長さＬに対して±0.2％の
誤差しか許されない。

第１図に示されている管１は規格ASTMB353
−71に適合したジルカロイ２タイプのジルコニウ
ムをベースとする合金で形成されており、内径が
10mm、厚みが0.5mm、長さが約４ｍである。今こ
の管の内径を50mmの区間に亘つて12mmまで増大さ
せたいとする。そしてこの膨張を管の非変形部分
の長さ「Ｌ」、即ち管先端２と半径方向に膨張し
た部分としての膨張領域の起点３（第３図参照）
との間の距離が±１mmの正確度をもつて500mmに
等しくなするよう実施したいとする。そのために
は先ず膨張すべき管部分４（第１図）を分解可能
な管状の型５内に導入する。この型は軸に対して
対称形であり、２つの部分６及び７に分解し得
る。これら両部分は２つの環状接合リング８及び
９によつて所定位置に保持されている。該リング
はいずれも円筒状収納部即ち凹部１０，１１を供
えており、この中に型５の一端が脱着に必要な最
低限の間〓をもつて嵌入される。

型５は各端側に側部内周面としての円筒状支持
面１２，１３を有していると共に中間の空間とし
ての膨張チヤンバを備えている。この膨張チヤン
バは中央内周面としての壁面１４によつて規定さ
れている。また支持面１２，１３はそれぞれ円筒
状空間を規定している。該支持面の直径は管１の
外径、即ち11mmにこの管の挿入に必要な最低限の
間〓を加算した値に等しく、該チヤンバは本実施
例の場合円筒状であつて内径及び長さが夫々13mm
及び50mmである。異なる直径を有する膨張領域の
壁面１４と支持面１２，１３とは面取り部１５及
び１６により互いに接続（連設）されている。型
５内に管１が挿入された場合には、型５の前記中
間の空間を規定する型５の壁面１４は管１の外面
と協働して環状空間を形成する。

次にこの管１内に外径9.8mmの壁部の薄い鋼鉄
製円柱状のマンドレル１７を導入する。該マンド
レルは内部通路１８を有しており、径方向穿孔部
１９を介してこの通路と管の内面とマンドレルの
外面との間の環状空間２０とが連通し合う。内部
通路１８と径方向穿孔部１９とは圧力流体を供給
するための通路を形成する。

該環状空間２０の両側にはマンドレル周縁部に
形成された２つの環状溝２１及び２２が配置され
ている。第１図から明らかなように、これらの溝
は深さが変化していて幅としての長さが最深部の
値を十分に上回り、各溝毎に少くとも１つの環状
パツキン２３又は２４が配置されている。環状溝
２１及び２２と環状パツキン２３又は２４とは密
封手段を構成している。各溝の最深部２５，２６
は前記環状空間２０側にあり、圧力が作用しない
時にはこれら最深部に前記環状パツキンが位置す
る。この部分の深さは該パツキンの直径よりやや
小さい値を有するよう決定されている。本実施例
では、例えば円環面直径２mmのパツキンを使用し
溝の最深部の値を1.8mmにしている。これらの溝
の底面はいずれも第２の領域２７，２８を有して
おり、これら領域はほぼ円錐形であつて深さが環
状空間２０から遠ざかるにつれ徐々に減少してい
る。

この円錐形部分の母線の勾配はマンドレルの軸
に対して例えば30°程度である。該溝の幅全長は
環状パツキンの直径の約３倍に等しい。該マンド
レル１７の先にはやはり円柱状で該マンドレルの
直径より小さい直径をもつ鋼鉄製連結管２９が続
いている。この管の先端３０は流体導入手段（図
示せず）に接続し得る。また、該連結管の先端に
はリング３１がネジ止めされている。図から明ら
かなようにマンドレルの種々の寸法は、該マンド
レルを膨張させるべき管１内に導入しこのマンド
レル−管アセンブリを型５内に配置した時に、環
状パツキン２３及び２４とこれらパツキンを収納
する溝２１及び２２とが型５の膨張領域の壁面１
４の両側の円筒状支持面１２及び１３と対向する
ように決定されている。

前記リング３１は管２９上での位置調整が容易
であり、このリングが存在しているために管１の
先端３３をこのリングの表面３２に衝止させて該
先端３３と型５の先端面３４との間の距離L₁を
調整することができる。型５の先端面３４と接続
ゾーン１５の起点３５との間の距離をL₂とすれ
ばL₁は関係式 Ｌ＝L₁＋L₂ が成立するよう調整される。本実施例の場合、Ｌ
は500mmである。

そして最後に圧力流体導入手段に接続された管
２９の先端３０から好ましくは水又は油などの如
き流体を導入して膨張処理を行なう。導入された
流体は通路１８内を流れ半径方向穿孔部１９を介
して該通路より流出し、環状空間２０における管
１の内壁に圧力を加える。

この流体の圧力を漸増していくと、先ず環状パ
ツキン２３及び２４が溝２１及び２２の外縁方向
へ少しずつ押し動かされていくのがわかる。この
ようにパツキンが深さの漸減している領域の方向
へ移動するとこれらパツキンを締付ける力が増大
し、流体の圧力が約1000バールに達した場合にも
秀れた密封特性が維持される。流体の圧力は、管
の内壁に作用する該流体の力がこの管の弾性限度
を越えその結果管の壁部が型の壁面１４に押付け
られるようになるまで増大せしめられる。本実施
例の場合、使用圧力は約800バールである。

この膨張現象は膨張領域近傍にある管の円筒状
部分の摺動を伴うため、膨張後管１の先端３３は
最早リング３１の面３２に当接せず数ミリメート
ル後退した状態になる。実験を繰返し行なつた結
果この摺動の程度は毎回異なることが判明した。

従つて、原子炉関係の用途で特に必要とされる
ようにＬの値をより正確に決定したい場合は、本
発明の膨張装置を更に改良しなければならない。
そのため型とマンドレルとに対して軸方向に発生
する管の摺動を型の一方の支持面では阻止し、逆
に他方の支持面では促進させることを考えた。

第１図の場合、管１の摺動を支持面１２で阻止
する一方支持面１３で一層促進することができる
とすれば、前述の方法でL₁の値を調整した後で、
型の先端面３４とリング３１の支持面３２との間
の管部分が膨張過程中に短縮することはない。膨
張処理終了後も管１の先端３３はリングの支持面
３２と接触したままであり長さＬ＝500mmは変化
しないのである。逆に、マンドレルのもう一方の
側では勿論管の大幅な短縮が観察される。但しこ
の短縮は寸法上の特徴と機械的特性とを各管毎に
再現せしめる程度の再現性をもつて発生する。従
つて管の摺動を型の支持面の一方の部分で抑止す
れば、その支持面側にある管の先端との間の距離
を実質的に変化させることなく半径方向に膨張し
た部分としての管の膨張領域を形成することがで
きる。管の摺動を阻止する作用によつて、物理的
特徴及び寸法が極めて類似している複数の管を膨
張処理する場合には、管のもう一方の先端と型と
の間の距離が極めて大きな再現性をもつて膨張過
程の間に短縮されることを見出すことも可能であ
り、従つてこの距離を予め計算することができ
る。

実際には、管１の摺動を一方の支持面で阻止し
且つ他方の支持面で許容するのに使用し得る手段
はかなり多い。特に、型の一方の支持面でこの摺
動を阻止するためには、対応する環状パツキンの
締付けを強化する。即ち当該パツキンの直径を増
大させるか又は溝の深さを減少させればよい。ま
た、より一般的な方法として、２つの支持面に
夫々異なる摩擦係数をあたえることもできる。そ
のためにはこれら支持面１２，１３の各々に適切
な表面処理を施せばよい。

最も効果的な方法は第４図に示されている如く
少くとも一方の支持面内に適切な材料で形成した
挿入物を配置する方法である。第４図には２つの
部分３７及び３８から成り、第１図及び第２図の
型５と類似の構造をもつ型３６が示されている。
この型は２つの環状の挿入物３９及び４０を備え
ているがこれら挿入物もまた２つの部分に分れて
おり型の入口区域に配置されている。

挿入物３９は管に対して高い摩擦係数をもつ材
料で形成されている。このような材料としては特
に処理した鋼を使用し得るが、管との接触面４１
は滑らかにしないでおく。場合によつては型を構
成している鋼を支持面として使用し挿入物を省略
してもよい。

挿入物４０にはタングステン炭化物の如き炭化
物かブロンズか又は他の摩擦係数の低い材料を使
用し得る。また、有用であれば挿入物４０の表面
を軽く潤滑化するか又は適切な表面処理にかける
こともできる。

これらの挿入物を配置し、型の金属に固定し
て、所望の正確度で挿入物の加工を行うのに、当
業者に良く知られている任意の適切な方法を用い
ることができる。

本実施例の場合、挿入物３９は鋼で、挿入物４
０はタングステン炭化物で形成した。

このように形成され、上述の如く組立てられた
第１図の如き型を使用した結果、膨張の間、管１
は内部圧力によつて挿入物３９の円筒状面４１上
に押し付けられ摺動を全く生じないことが確認さ
れた。逆に、挿入物４０の円筒状面４２では管が
膨張時に軸に沿つて型の内部方向へ数ミリメート
ルスライドしたことが知見された。膨張前に500
mmに調節しておいた管の長さＬは膨張後も変化し
なかつた。前述の如く場合によつては、挿入物を
使用せずに型の入口区域に夫々異なる表面処理を
施すだけでもよい。即ち両支持面の摩擦係数が互
いに著しく異なるようにするだけでよい。

本発明の装置は前述の実施例以外にも種々の変
形が可能であり、これらの変形も本発明の範囲内
に含まれる。

特に、軸方向の接続面をもたず、膨張後に管を
取り出し得るように２つの入口区域のうち少なく
とも一方を分解できるような型を造ることは可能
である。

また、場合によつては、各溝２１，２２毎に環
状パツキンを２つずつ並置してもよい。この場合
には、各溝の最深部領域２５をより広くする必要
がある。

以上説明してきた膨張成形の装置と方法とは、
あらゆる種類の金属管の成形に使用し得る。

特に、原子炉で使用されるジルコニウム合金製
の管、例えばジルカロイ２又は４の管の成形に使
用すると極めて有利である。また、合金化された
チタンもしくは非合金チタン、特殊鋼、ステンレ
ススチール、耐熱鋼又はその他全ての金属或いは
合金からなる管の成形にも適用できる。

本発明の方法及び装置は、一般的には、比較的
長い管の一端から正確な距離をおいた位置に他よ
り大きい直径をもつ領域を１つ又は複数局部的に
形成しなければならない時に使用すると有利であ
る。

本発明の装置とその使用法とは本発明の範囲内
で多様に変形することが可能である。

以上説明したように本発明の装置によれば、管
が第二の側部内周面上で摺動するのを許容しつつ
該管の第一の側部内周面に対する摺動運動を阻止
するように、該第一及び第二の側部内周面は前記
管の外面に対してより高い摩擦係数及びより低い
摩擦係数をそれぞれ有しているため、さらに本発
明の方法によれば、管の第一の位置の側と第二の
位置の側とにそれぞれ位置する第一及び第二の側
部内周面に該管の外面に対してより高い摩擦係数
及びより低い摩擦係数をそれぞれ与え、該管が前
記第二の側部内周面上で摺動するのを許容しつつ
該管の前記第一の側部内周面に対する摺動運動を
阻止するようにしているため、管の膨張部を成形
するに当つて、管の一端から所定距離離れた位置
に起点を有する半径方向に膨張した部分を管に形
成する場合に、その所定距離を非常に正確に形成
することができるという格別の効果が得られるの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例を示す長手方向
断面図、第２図は第１図のＡに沿つた断面図、第
３図は本発明の装置により膨張成形した長さの長
い管の部分断面図、第４図は本発明の型の特定例
を示す説明図である。 １……管、５，３６……型、７，８……接合リ
ング、１２，１３……支持面、１７……マンドレ
ル、２３，２４……環状パツキン、２９……連結
管、３１……リング、３９，４０……挿入物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 管の一端から所定距離離れた点に維持される
   べき位置から軸方向に伸長し半径方向に膨張した
   部分を当該管に局部的に成形する装置であつて、
   当該管の前記一端の側と他端の側とにそれぞれ配
   置されかつ該管の外周面に接触し得る第一及び第
   二の側部内周面によつて円筒状空間を規定すると
   共に両周縁が前記第一及び第二の側部内周面の中
   側の周縁に連設された中央内周面によつて中間の
   空間を規定する分解可能な管状の型と、当該型の
   前記中間の空間及び円筒状空間に挿入されるべき
   管内に挿入可能に形成されたマンドレルと、該マ
   ンドレルの外面と該管の内面との間の環状空間に
   圧力流体を供給すべく該マンドレルに設けられた
   通路と、前記環状空間に圧力流体を導入した際に
   前記マンドレルの前記第一及び第二の側部内周面
   にそれぞれ対応する位置で該環状空間を密封する
   第一及び第二の密封手段とを備えており、前記型
   の前記中間の空間は前記円筒状空間より大きな直
   径を有しており、前記管が前記第二の側部内周面
   上で摺動するのを許容しつつ該管の前記第一の側
   部内周面に対する摺動運動を阻止するように、該
   第一及び第二の側部内周面は前記管の外面に対し
   てより高い摩擦係数及びより低い摩擦係数をそれ
   ぞれ有していることを特徴とする膨張部分成形装
   置。 ２ 前記第一の密封手段は、前記マンドレルが前
   記管内に配置された際に前記第一の側部内周面に
   対面するように該マンドレルの外面に設けられた
   第一の環状溝と、該第一の環状溝に配置された第
   一の環状パツキンとを有しており、前記第二の密
   封手段は、該マンドレルが前記管内に配置された
   際に前記第二の側部内周面に対面するように該マ
   ンドレルの外面に設けられた第二の環状溝と、該
   第二の環状溝に配置された第二の環状パツキンと
   を有しており、前記第一及び第二の環状溝の一端
   は、前記中間の空間の側において最大の深さをそ
   れぞれ有し、該第一及び第二の環状溝は前記最大
   の深さよりも大きな幅をそれぞれ有しており、該
   第一及び第二の環状溝の深さは、これらの溝の前
   記一端からこれらの溝の他端に向つて徐々に減少
   している特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ３ 前記第一の側部内周面は、前記管の外面に対
   してより高い摩擦係数を有する材料で作られた挿
   入物によつて形成されており、前記第二の側部内
   周面は、前記管の外面に対してより低い摩擦係数
   を有する材料で作られた挿入物によつて形成され
   ている特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の
   装置。 ４ 管の一端から所定距離離れた点に維持される
   べき第一の位置から軸方向に伸長し半径方向に膨
   張した部分を当該管に局部的に成形する方法であ
   つて、成形されるべき管を準備する段階と、前記
   第一の位置から前記軸方向に所定距離離れた前記
   管の第二の位置と前記第一の位置との間に、前記
   管の外周面及び内周面と協働して該管の外周側及
   び内周側に環状空間をそれぞれ形成する段階と、
   該環状空間の両端外側に管の外周面に接触し得る
   第一及び第二の側部内周面を設ける段階と、該管
   の内周側の前記環状空間を密封しつつ当該環状空
   間内に圧力流体を供給する段階とを備えており、
   当該管の前記第一の位置の側と第二の位置の側と
   にそれぞれ位置する前記第一及び第二の側部内周
   面に該管の外面に対してより高い摩擦係数及びよ
   り低い摩擦係数をそれぞれ与え、該管が前記第二
   の側部内周面上で摺動するのを許容しつつ該管の
   前記第一の側部内周面に対する摺動運動を阻止す
   るようにしたことを特徴とする膨張部分成形方
   法。