(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空部材が互いに接合され内部に流体を流通させるための中空製品であって、
一方の中空部材に、他方の中空部材と接合される接合部がスピニング加工により成形されるとともに、接合部の内側にいずれかの中空部材が配置されるように延びており、
スピニング加工により成形された一方の中空部材の接合部を他方の中空部材と摩擦圧接により接合してなることを特徴とする中空製品。
【請求項２】
接合部が一方の中空部材の中間部に外側に向かって突出するように形成され、他方の中空部材が一方の中空部材に外挿されて一方の中空部材の接合部と摩擦圧接により接合されてなるものであることを特徴とする請求項１に記載の中空製品。
【請求項３】
少なくとも一方が、内部に流通される流体に物理的作用および／または化学的作用を流体に及ぼす処理を行う処理機能部を有する、中空部材を互いに接合してなる流体処理システムであって、
一方の中空部材に他方の中空部材と接合される接合部をスピニング加工により成形するとともに、接合部の内側にいずれかの中空部材が配置されるように延びており、スピニング加工により成形した一方の中空部材の接合部を他方の中空部材と摩擦圧接により接合してなることを特徴とする流体処理システム。
【請求項４】
接合部が一方の中空部材の中間部に外側に向かって突出するように形成され、他方の中空部材が一方の中空部材に外挿されて一方の中空部材の接合部と摩擦圧接により接合されてなるものであることを特徴とする請求項３に記載の流体処理システム。
【請求項５】
内部に流体を流通させるための中空部材を互いに接合する方法であって、
一方の中空部材に接合部をスピニング加工により成形する工程と、
該一方の中空部材の接合部と他方の中空部材とを摩擦圧接により接合する工程と、
を含み、
摩擦圧接により接合する工程で接合部の内側にいずれかの中空部材が配置されるように、スピニング加工工程において接合部を一方の中空部材に成形することを特徴とする中空部材の接合方法。
【請求項６】
接合部が一方の中空部材の中間部に外側に向かって突出するように形成され、他方の中空部材が一方の中空部材に外挿されて一方の中空部材の接合部と摩擦圧接により接合されてなるものであることを特徴とする請求項５に記載の中空部材の接合方法。
【請求項７】
中空部材の少なくとも一方が、内部に流通される流体に物理的作用および／または化学的作用を流体に及ぼす処理を行う処理機能部を有するものであることを特徴とする請求項５または６に記載の中空部材の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空製品、流体処理システム、および中空部材の接合方法に関し、特に、中空部材の接合部が互いに接合され内部に流体を流通させるための中空製品、少なくとも一方が、内部に流通される流体に浄化処理や消音処理などの物理的作用および／または化学的作用を流体に及ぼす処理を行う処理機能部を有する、中空部材を互いに接合してなる流体処理システム、および、内部に流体を流通させるための中空部材の接合部を互いに接合する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内部に流体を流通させるための中空製品として、例えば車両の内燃機関などの燃焼機関においては、流体であるその排気ガスを流通・排出するための排気系システムが接続されている。排気系システムは、図１９に示すように、エキゾーストマニホールド１、触媒コンバータ２、パイプ３、プレマフラ４、メーンマフラ５などの中空部材により構成されている。触媒コンバータ２は、燃焼機関から排出されエキゾーストマニホールドから流通される排気ガスを酸化・還元などの化学反応を作用させて浄化処理を行うものである。また、プレマフラ４やメーンマフラ５は、触媒コンバータ２およびパイプ３から流通された高圧の排気ガスを大気圧に近づけるように消音処理を行うものである。
【０００３】
さらに、これらエキゾーストマニホールド１、触媒コンバータ２、パイプ３、プレマフラ４、メーンマフラ５などの中空部材は、それぞれ破損したときに容易に交換するなどの目的から、隣接する中空部材と互いに着脱可能に接続するために、ボルトにより互いに締結することができるフランジ部材を容器や接続パイプの端部にそれぞれ接合して、一構成単位を形成している。
【０００４】
接続パイプなどの一方の中空部材１０’に他方の中空部材としてフランジ部材１１’を接合する場合の従来の技術としては、図２０に示すように、板材に穴を穿設して中空状のフランジ部材１１’を成形し、このフランジ部材１１’の穴に接続パイプなどの中空部材１０’を挿通して、肉盛り溶接などにより接合することが行われている。
【０００５】
また、パイプ状の中空部材の端部を互いに長手方向に接合するための技術としては、例えば特開平９-２３４３７７号公報や特開平１０-２９０７７号公報、特開平９-２４２５４０号公報、あるいは特開昭６３-１３２７９０号公報などに開示されているように、摩擦圧接により行うことが知られている。
【０００６】
この特開昭６３-１３２７９０号公報には、管状の回転軸構成部材の端面を他の管状の回転軸構成部材の端面に摩擦圧接させて回転軸本体を形成する回転軸の製造方法において、回転軸構成部材の管内にバリ発生防止用の芯材を挿入した状態で回転軸構成部材の摩擦圧接作業を行うことが開示されている。このものにおける芯材は、その外径寸法が回転軸構成部材の内径寸法と略同径に形成されていること、また、摩擦圧接作業の前に固定状態で保持される回転軸構成部材の管内に挿入されることなどが記載されている。
【０００７】
さらにまた、特許第２９５７１６３号公報には、両端部がテーパ状に縮径する内管と、両端部がテーパ状に縮径する外管とを、これらの間に空隙を持って配した断熱二重構造の排気系部品とその製造方法が開示されている。このものにおいては、「外管における両テーパ状の縮径部の先端をスピニングローラにより延出して内管における連結部の外周面に押圧して塑性変形させ、この延出した連結部と内管の連結部とで連結して内外管を一体構造とする。」あるいは「内管と外管の連結部にそれぞれ絞りにより形成された段差に緩衝部材を介在させることにより振動で内管と外管が接触することを防止し、更に内管と外管が軸方向に相対的に摺動できるように形成することにより、内管と外管の温度差による熱膨張率の差による応力の緩和が図られ、耐久性を向上させることができる。」などと記載されている（段落番号００２４、００２９、００３０）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術のうち、図２０に示したように、フランジ部材を構成する板材とその穴に挿通されたパイプなどとを肉盛り溶接するものにあっては、肉盛りのために中空製品の重量が増大するという問題があった。この問題は、特に、自動車のような内燃機関を有する移動体の排気系システムの場合、重大となる。また、このものにおいては、肉盛り溶接する際に発生するスパッタから中空部材や溶接装置を隔離するためのカバーなどの保護対策を講じる必要があり、設備コストがかかるという問題があった。さらに、このものにあっては、中空製品をその内部に流体を流通させるために使用する場合に、内部に流通する流体に対する気密性を確実なものとするためには、肉盛り溶接を全周にわたって確実に連続して施す必要があり、高度の溶接による接合品質が求められるという問題があった。さらには、溶接による熱影響により、接合される中空部材の品質が変化するという問題もあった。
【０００９】
また、上記従来の技術のうち、摩擦圧接により接合する従来の技術にあっては、比較的薄肉の中空部材の端面を接合する場合に、その接合品質が安定しないという問題があった。そして、特開平９-２３４３７７号公報や特開平１０-２９０７７号公報、特開平９-２４２５４０号公報などに開示されたものにあっては、図２１にも示すように、摩擦圧接により中空部材３０'、３１'の外側のみならず内側にもバリが発生することとなる。この内側の突出するように発生したバリは、中空製品をその内部に流体を流通させて所定の処理を行うなどのために使用する場合に、流体の流動抵抗となって流通効率を悪化させることから除去する必要があるが、特開昭６３-１３２７９０号公報にも記載されているように、内側に発生したバリを除去するのは困難である。したがって、摩擦圧接により接合する従来の技術にあっては、中空部材の内部に流通される流体の流通効率を向上させることは望むことができなかった。なお、特開昭６３-１３２７９０号公報における芯材は、単に回転軸構成部材の管内に挿入されており、また、回転軸構成部材の摩擦圧接作業後に回転軸構成部材から抜き出されるかあるいは残留されるかについての記載はされていない。
【００１０】
さらに、従来の技術のうち、特許第２９５７１６３号公報に開示されたものにあっては、外管の連結部をスピニングローラによって単に絞り成形することにより内管の連結部に直接または緩衝部材を介して連結させるものであるため、内管と外管の連結が弱いという問題があった。
【００１１】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、内側にバリを発生させることなく容易に且つ確実に中空部材が互いに接合された、内部に流体を効率よく流通させることができ、しかも軽量化を図ることができる中空製品、内部に流通される流体に所定の処理を行う流体処理システム、および中空部材の接合方法を提供することを目的とする。
【００１２】
請求項１の中空製品に係る発明は、上記目的を達成するため、中空部材が互いに接合され内部に流体を流通させるための中空製品であって、一方の中空部材に、他方の中空部材と接合される接合部がスピニング加工により成形されるとともに、接合部の内側にいずれかの中空部材が配置されるように延びており、スピニング加工により成形された一方の中空部材の接合部を他方の中空部材と摩擦圧接により接合してなることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項２の中空製品に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明において、接合部が一方の中空部材の中間部に外側に向かって突出するように形成され、他方の中空部材が一方の中空部材に外挿されて一方の中空部材の接合部と摩擦圧接により接合されてなるものであることを特徴とするものである。
【００１４】
また、請求項３の流体処理システムに係る発明は、上記目的を達成するため、少なくとも一方が、内部に流通される流体に物理的作用および／または化学的作用を流体に及ぼす処理を行う処理機能部を有する、中空部材を互いに接合してなる流体処理システムであって、一方の中空部材に他方の中空部材と接合される接合部をスピニング加工により成形するとともに、接合部の内側にいずれかの中空部材が配置されるように延びており、スピニング加工により成形した一方の中空部材の接合部を他方の中空部材と摩擦圧接により接合してなることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項４の流体処理システムに係る発明は、上記目的を達成するため、請求項３に記載の発明において、接合部が一方の中空部材の中間部に外側に向かって突出するように形成され、他方の中空部材が一方の中空部材に外挿されて一方の中空部材の接合部と摩擦圧接により接合されてなるものであることを特徴とするものである。
【００１６】
一方、請求項５の中空部材の接合方法に係る発明は、上記目的を達成するため、内部に流体を流通させるための中空部材を互いに接合する方法であって、一方の中空部材に接合部をスピニング加工により成形する工程と、該一方の中空部材の接合部と他方の中空部材とを摩擦圧接により接合する工程と、を含み、摩擦圧接により接合する工程で接合部の内側にいずれかの中空部材が配置されるように、スピニング加工工程において接合部を一方の中空部材に成形することを特徴とするものである。
【００１７】
請求項６の中空部材の接合方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項５に記載の発明において、接合部が一方の中空部材の中間部に外側に向かって突出するように形成され、他方の中空部材が一方の中空部材に外挿されて一方の中空部材の接合部と摩擦圧接により接合されてなるものであることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項７の中空部材の接合方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項５または６に記載の発明において、中空部材の少なくとも一方が、内部に流通される流体に物理的作用および／または化学的作用を流体に及ぼす処理を行う処理機能部を有するものであることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項１の発明では、一方の中空部材にスピニング加工により接合部が成形されることにより、一方の中空部材の全周にわたって接合部が安定して確実に成形され、また、接合部の内側にいずれかの中空部材が配置されるように延びていることにより、中空製品の内側に摩擦圧接によるバリが発生することが阻止されて、内側が連続するように成形され、一方の中空部材に成形された接合部と他方の中空部材とが摩擦圧接により接合されてなることにより、中空部材がその板厚に影響されることなく互いに全周にわたって容易に且つ確実に接合されて、流通効率が良好で軽量化が図られた、内部に流体を流通させるための中空製品が提供される。
【００２０】
請求項２の発明では、請求項１に記載の発明において、接合部が一方の中空部材の中間部に外側に向かって突出するように形成され、他方の中空部材が一方の中空部材に外挿されて一方の中空部材の接合部と摩擦圧接により接合されてなるものであることにより、摩擦圧接個所の内側に一方の中空部材の接合部から先端が位置するため、中空製品の内側に摩擦圧接によるバリが発生することが阻止されて、内部の流体の流通効率が良好な中空製品が提供される。
また、接合部が一方の中空部材の中間部に先端に向かって縮径するように段状に形成され、他方の中空部材が一方の中空部材に外挿され、一方の中空部材の段状に形成された接合部と他方の中空部材の先端とを摩擦圧接により接合されてなるものとすることができる。摩擦圧接個所の内側に一方の中空部材が位置するため、中空製品の内側に摩擦圧接によるバリが発生することが阻止される。
さらに、接合部が一方の中空部材の中間部よりも先端を拡径するように形成され、他方の中空部材が一方の中空部材に内挿されて、一方の中空部材の拡径するように形成された先端とこの先端に対応する他方の中空部材の部分とが摩擦圧接により接合されてなるものとすることができる。摩擦圧接個所の内側に他方の中空部材の接合部よりも先端が位置するため、中空製品の内側に摩擦圧接によるバリが発生することが阻止される。
【００２１】
また、請求項３の発明では、一方の中空部材に他方の中空部材と接合される接合部をスピニング加工により成形することにより一方の中空部材の全周にわたって接合部が安定して確実に成形された軽量で内部に流通され、また、接合部の内側にいずれかの中空部材が延びて配置されるように成形することにより、中空部材の内側に摩擦圧接によるバリが発生することが阻止されるとともに、内側が連続するように成形されるため、流体の流通効率がさらに向上し、さらに、スピニング加工により成形した一方の中空部材の接合部を他方の中空部材と摩擦圧接により接合してなることにより、一方の中空部材の全周にわたって接合部が安定して確実に成形された軽量で内部に流通され物理的作用および／または化学的作用を流体に及ぼす処理が行われる流体の流通効率が良好な流体処理システムが提供される。
【００２２】
請求項４の発明では、請求項３に記載の発明において、接合部が一方の中空部材の中間部に外側に向かって突出するように形成され、他方の中空部材が一方の中空部材に外挿されて一方の中空部材の接合部と摩擦圧接により接合されてなるものであることにより、摩擦圧接個所の内側に一方の中空部材の接合部から先端が位置するため、中空製品の内側に摩擦圧接によるバリが発生することが阻止され、処理機能部により物理的作用および／または化学的作用を流体に及ぼす処理を行うべく内部に流通される流体の流通効率が良好な流体処理システムが提供される。
【００２３】
一方、請求項５に記載の発明では、摩擦圧接により接合する工程で接合部の内側にいずれかの中空部材が配置されるように、スピニング加工工程で接合部を一方の中空部材に成形することにより、中空部材の内側に摩擦圧接によるバリが発生することが阻止され、また、内側が連続するように成形されるため、流体の流通効率がさらに向上された中空部材の接合方法が提供される。
【００２４】
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の発明において、接合部が一方の中空部材の中間部に外側に向かって突出するように形成され、他方の中空部材が一方の中空部材に外挿されて一方の中空部材の接合部と摩擦圧接により接合されてなるものであることにより、摩擦圧接個所の内側に一方の中空部材の接合部から先端が位置するため、中空製品の内側に摩擦圧接によるバリが発生することが阻止された中空部材の接合方法が提供される。
【００２５】
請求項７の発明では、請求項５または６に記載の発明において、中空部材の少なくとも一方が、内部に流通される流体に物理的作用および／または化学的作用を流体に及ぼす処理を行う処理機能部を有するものであることにより、接合された中空部材を内部に流通される流体に物理的作用および／または化学的作用を流体に及ぼす処理を行うための中空部材の接合方法が提供される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態を、中空部材が互いに接合され内部に流体を流通させるための中空製品として、図１９に示したように車両のエンジンの排気系システムにおいて、エンジンから排出されエキゾーストマニホールドから流通される排気ガスを酸化・還元などの化学反応を作用させて浄化処理を行うための一構成単位となる触媒コンバータ２（一方の中空部材）の、処理機能部としての触媒担体１２（図１０を参照）が収容される容器１０の収容部１０aから暫時縮径するように成形されたコーン部１０bを介して設けられた小径の接続部１０cと、他の構成単位１、３などのフランジ２１と締結するためのフランジ部材１１（他方の中空部材）とを接合する場合により、図１〜図１１に基づいて以下に詳細に説明する。
【００２７】
本発明の中空製品としての排気系システムの一構成単位である触媒コンバータ２は、概略、一方の中空部材（触媒担体１２が収容される触媒コンバータの容器１０の接続部１０c）に、他方の中空部材（フランジ部材１１）の接合部１６と接合される接合部１５がスピニング加工により成形されるとともに、一方の中空部材（触媒コンバータの容器の接続部１０c）、または、他方の中空部材（フランジ部材１１）のいずれか一方が、両接合部１５、１６の内側に配置されるように延ばされ成形されており、スピニング加工により成形された接合部１５を他方の中空部材（フランジ部材１１）の接合部１６と摩擦圧接により接合してなるものである。
【００２８】
また、本発明の中空部材１０、１１の接合方法は、概略、一方の中空部材（触媒担体１２が収容される触媒コンバータの容器の接続部１０c）に接合部１５をスピニング加工により成形する工程と、この接合部１５と他方の中空部材（フランジ部材１１）の接合部１６を摩擦圧接により接合する工程と、を含むものである。そして、スピニング加工工程においては、後の摩擦圧接により接合する工程で一方の中空部材（触媒コンバータの容器の接続部１０c）、または、他方の中空部材（フランジ部材１１）のいずれか一方が両接合部１５、１６の内側に配置されるように延ばして成形するものである。
【００２９】
図１に示すように、フランジ部材１１は、所定の形状に成形された板材に穴２０を穿設し、この穴２０の周縁にバーリング加工を施すことによって、その内部（この実施の形態の場合）に触媒コンバータの容器の接続部１０cを挿通することができる中空状に、且つ、フランジ部材１１の一方の面から突出するように形成されている。このフランジ部材１１の一方の面から突出するように形成された部分は、この実施の形態においては、後述するように成形された触媒コンバータの接合部と接合される接合部１６を構成する。なお、フランジ部材１１は、図１０に参照されるように、他の構成単位のフランジ部材５１と互いに衝合されボルト５２により締結された際に、気密性を保持するためのシール部材５３を収容する環状溝１１aが形成されている。そして、両フランジ部材１１、５１は、図１０に参照されるように、触媒コンバータ２側の一方１１にボルト５２を挿通する穴１１bが形成され、他方５１にボルト５２を螺合するための雌ねじ穴５１aが形成されている。
【００３０】
ここで、バーリング加工を施すための装置の一例としては、図２および図３に示すように、フランジ部材１１となる板材を把持しその穴２０を中心として回転させるスピンドル６０と、このスピンドル６０の回転軸方向および径方向に移動するバーリング工具６１とにより構成されてなる。スピンドル６０は、モータ６２に接続されたプーリ６３との間にベルト６４が巻き掛けられるプーリ６５と、フランジ部材１１となる板材を把持するチャック６６とを備えている。また、バーリング装置は、サーボモータ６７により駆動される送りねじ機構６８によって移動される軸方向移動テーブル６９と、この軸方向移動テーブル６９上に設けられサーボモータ７０により駆動される送りねじ機構７１によって移動される径方向移動テーブル７２とを備えており、バーリング工具６１は径方向移動テーブル７２に支持されている。モータ６２を駆動してベルト６４を介してスピンドル６０を回転させると、チャック６６に把持されたフランジ部材１１となる板材は、予め穿設された穴２０を中心として回転される。この状態で、サーボモータ６７を駆動して軸方向移動テーブル６９を前進（図２および図３における左方に移動）させて、図１のＡに示すように、フランジ部材１１となる板材の穴２０にバーリング工具６１を接触させないように挿入する。そして、サーボモータ７０を駆動して径方向移動テーブル７２を径方向外側に移動させて、フランジ部材１１となる板材の穴２０の内周縁にバーリング工具６１を接触させ、この状態から、サーボモータ６７を駆動して軸方向移動テーブル６９を後退（図２および図３における右方に移動）させて、図１のＢに示すように、穴２０の内周縁の肉を一方の側に突出させるように成形する。これらの工程を繰り返すことにより、穴２０が触媒コンバータの接続部１０cに外挿することができる大きさに成形されると共に、接合部１６がフランジ部材１１の一方の面から突出するように形成される。なお、バーリング装置は、図２および図３に示した実施の形態に限定されることなく、フランジ部材１１となる板材に穿設された穴２０に対してバーリング工具を相対的に公転させることができるような構成であればよい。
【００３１】
図４に参照されるように、触媒コンバータの容器１０は、触媒担体１２を収容し得る大きさのパイプ状素材に対して相対的に成形ローラ８１を公転させて繰り返しスピニング加工することにより、触媒担体１２の収容部１０aから両端部に向かって暫時縮径するテーパ状のコーン部１０bと、両端部に配置される小径の接続部１０cとが一体に成形されるものである。そして、本発明では、図４のＡに示すように、パイプ状素材に対してスピニング加工を行うことにより、少なくとも一方のコーン部１０bおよび接続部１０cを略最終的な形状・大きさにまで成形し、図４のＢに示すように、接続部１０cのコーン部１０b側から軸方向中間位置までを最終的に所望される外径にさらに絞り成形させてから成形ローラ８１を径方向外側に一端退避させ、図４のＣに示すように、成形ローラ８１を接続部１０cの先端側から軸方向中間位置まで移動させて最終的に所望される外径に絞り成形する。コーン部１０b側および先端側が縮径されると共に、その縮径の際に素材の肉が接続部１０cの軸方向中間位置に寄せられるため、接続部１０cの軸方向中間位置には、環状の接合部１５が全周にわたって径方向外側に突出するように確実に成形されることとなる。なお、接合部１５の径方向外側への突出量は、接続部１０cのコーン部１０b側および先端側から軸方向中間位置に向かって縮径させる量、およびその肉を寄せる量によって調整することができる。
【００３２】
続いて、図４のＤに示すように、上述したように一方のコーン部１０bおよび接合部１５を有する接続部１０cが成形された触媒コンバータの容器１０となるパイプ状素材と、上述したようにバーニング加工によって接合部１６が成形されたフランジ部材１１とは、図８および図９に示すように、その中心軸線が同軸延長線上に一致するように、支持装置８２によって配置支持される。支持装置８２は、軸周りに回転駆動されるスピンドル（図示は省略する）に取付けられたフランジ部材１１を保持するためのチャック９０と、チャック９０の中心に設けられベアリング９１によって軸支されたシャフト９２と、を備えてなるもので、チャック９０に保持されたフランジ部材１１とシャフト９２とは相対的に回転することができるように構成されている。シャフト９２は、触媒コンバータの容器１０の端部の接続部１０c内に内嵌挿入されてこれを支持し得る大きさに形成されてなるもので、その先端（図８および図９の左方端）は、触媒コンバータの容器１０の端部の接続部１０c内に確実に内嵌挿入することができるように、接続部１０cの内周面に対して５〜１５度程度の角度を有するテーパ状に形成されている。また、触媒コンバータの容器１０の端部に形成された接続部１０cは、この実施の形態の場合、図４のＤおよびＥに示すように、クランパ９３によって回転不能にクランプし固定されている。そして、チャック９０およびシャフト９２が設けられた図示しないスピンドルと、触媒コンバータの容器１０をクランプするクランパ９３とは、軸方向に相対的に移動することが可能となっている。
【００３３】
触媒コンバータの容器の接続部１０cをクランパ９３によって回転不能にクランプし、フランジ部材１１をチャック９０に保持した状態で、チャック９０が設けられた図示しないスピンドルを軸周りに回転駆動させてフランジ部材１１を回転させながら、触媒コンバータの容器１０とフランジ部材１２とを相対的に軸方向に近接移動させると、最初に、シャフト９２が触媒コンバータの容器の接続部１０cの端部から内嵌挿入されて、触媒コンバータの容器１０とフランジ部材１１とが芯合わせされる。そして、シャフト９２は、チャック９０に保持されたフランジ部材１１から独立して回転可能に軸支されているために、クランプされた触媒コンバータの容器１０に対して相対回転することがなく、したがって触媒コンバータの容器１０とシャフト９２との間に摩擦熱が発生することがないので、触媒コンバータの容器１０の肉厚tが薄い場合であっても、触媒コンバータの容器１０が摩擦熱などによって溶けて破損することを防止することができる。
【００３４】
さらに、触媒コンバータの容器１０とフランジ部材１１とを相対的に軸方向に近接移動させると、触媒コンバータの容器の接続部１０cに対してフランジ部材１１が外嵌挿入され、図４のＥおよび図５、あるいは図９に示すように、所定のアプセット圧力で所定の寄り代Ｙまで押し付け力を付与することにより、両接合部１５、１６の互いに接触した端面を軟化させて溶着させる摩擦圧接を行う。このとき、摩擦圧接を行うことによって、両接合部１５、１６にはバリが発生する。しかしながら、本発明では、触媒コンバータの容器の接続部１０cの軸方向中間位置に接合部１５が形成されているために、すなわち、フランジ部材１１を触媒コンバータの容器の接続部１０cに外嵌挿入して摩擦圧接を行う際にはこの接続部１０cにおける接合部１５と先端との間の部分１０dが中空状のフランジ部材１２の内側に位置するように延びているために、かかる部分１０dが両接合部１５、１６の内側に配置されることとなるので、バリは、両接合部１５、１６の径方向外側のみに発生し、触媒コンバータ２の内部に発生することがない。そして、両接合部１５、１６の径方向外側に発生したバリは、必要に応じて容易に取り除くことができる。摩擦圧接を行うことにより、触媒コンバータの容器１０とフランジ部材１１の接合部１５、１６は、全周にわたって気密に接合される。
【００３５】
ここで、図７に示すように、触媒コンバータの容器の接合部１０cの板厚tに対して摩擦圧接に必要な寄り代Ｙが１．５倍以上である場合には、接合部１０cのコーン部１０b側および先端側から軸方向中間位置に向かって縮径させる量、およびその肉を寄せる量だけでは、そのような寄り代Ｙに対応する軸方向の厚みを有する接合部１５を形成することが困難となる。そこで、かかる場合には、図６のＡに示すように、触媒コンバータの容器の接合部１０cの軸方向中間位置に径方向外側に突出する環状の突条１５’を図４および図５に示した接合部１５よりも突出量が大きくなるように形成し、次いで、図６のＢに示すように、成形ローラによって突条１５’を接合部の先端側に倒すようにスピニング加工を行う。これにより、図７のＡおよびＢに示すように、板厚tに対して１．５倍以上の摩擦圧接に必要な寄り代Ｙに充分対応することができる軸方向の厚みを有する接合部１５を形成することができる。
【００３６】
なお、本発明はこの実施の形態に限定されることなく、触媒コンバータ２の容器１０とフランジ部材１１の両接合部１５、１６を相対的に回転させるものであればよい。かかる摩擦圧接においては、触媒コンバータの容器の接続部１０cとフランジ部材１１との相対回転数及び押付速度を、両接合部１５、１６の当接面に塑性流動層が形成されるまで一定に保ち、その後前記相対回転数を所定の減速率で停止させ、該回転停止後に押付を停止することが望ましい。
【００３７】
そして、触媒コンバータ２の容器１０は、一方にコーン部１０bおよび接続部１０cがスピニング加工によって形成されると、他方側の端部から触媒担体１２が挿入され、この他方側の端部を同様にスピニング加工してコーン部１０bおよび接続部１０cを一体に形成する。そして、他方側の接続部１０cにも同様に接合部１５が形成され、この接合部１５を摩擦圧接によってフランジ部材１１の接合部１６と接合させる。なお、図４〜図７に示した実施の形態では触媒コンバータ２の容器１０においては、一方の接続部１５がフランジ部材１１からわずかに突出するように接合されている。そのため、この接続部１０cと接続される他の構成単位は、図１０に示すように、そのフランジ部材５１が他の構成単位のパイプなどの中空部材の接続部５０の先端からわずかに突出するように接合されている。したがって、フランジ部材１１、５１が互いに締結された際には、他の構成単位のフランジ部材５１内で、両接続部１０c、５０の端部が衝合される。
【００３８】
本発明は、上述した実施の形態のほか、図１１に示すように、触媒コンバータの容器の接続部１０cの軸線が触媒担体１２の収容部１０aの軸線に対して所定の角度で傾斜するように偏角した状態においても適用することができる。この場合においては、摩擦圧接時において、接続部１０cに対するフランジ部材１１の相対回転を停止させる位相を設定することにより、他の構成単位のフランジ５１の位相と一致させることができるように、偏角した触媒コンバータ２に対して設定された位相位置にフランジ部材１１を接合することができる。
【００３９】
次に、本発明の別の実施の形態を図１２に基づいて説明する。なお、この説明では、上述した実施の形態と異なる部分のみを説明することとし、同様または相当する部分については同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００４０】
この実施の形態においては、図１２のＡに示すように、パイプ状素材に対してスピニング加工を行うことにより、図１２のＢに示すように、少なくとも一方のコーン部１０bおよび接続部１０cを最終的な形状・大きさにまで成形し、図１２のＣに示すように、接続部１０cの軸方向中間位置から先端側の部分１０dをスピニング加工によってフランジ部材１１を外嵌挿入することができる径までさらに縮径させることにより、段状の接合部１５をその全周にわたって絞り成形する。段状に形成される接続部１０cの接合部１５の径方向の大きさ（接続部１０cに対する縮径量）は、フランジ部材１１を外嵌挿入することができ、且つ、フランジ部材１１の接合部１６となる一方の面の突出するように形成された部分の端面と摩擦圧接させることができるように設定される。続いて、図１２のＤに示すように、一方のコーン部１０bおよび接合部１５を有する接続部１０cが成形された触媒コンバータの容器１０となるパイプ状素材と、接合部１６が成形されたフランジ部材１１とを支持装置によって、その中心軸線が同軸延長線上に一致するように配置し、触媒コンバータの容器１０をクランパ９３によってクランプし固定した状態でフランジ部材１１を回転させながら軸方向に移動させて、触媒コンバータの容器の接続部１０cに対してフランジ部材１１を外嵌挿入し、図１２のＥに示すように、所定のアプセット圧力で所定の寄り代まで押し付け力を付与することにより、両接合部１５、１６の互いに接触した端面を軟化させて溶着させる摩擦圧接を行う。このとき、接続部１０cの縮径された部分１０dがフランジ部材１１側に延びて両接合部１５、１６の内側に位置しているために、上述した実施の形態と同様に、摩擦圧接を行う際に両接合部１５、１６の径方向外側のみにバリが発生し、触媒コンバータ２の内部にバリが発生することがない。
【００４１】
次に、本発明のさらに別の実施の形態を図１３〜図１５に基づいて説明する。なお、この説明では、上述した実施の形態と異なる部分のみを説明することとし、同様または相当する部分については同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００４２】
この実施の形態においては、図１３のＡに示すように、パイプ状素材に対してスピニング加工を行うことにより、図１３のＢに示すように、少なくとも一方のコーン部１０bおよび接続部１０cを略最終的な形状・大きさにまで成形する。このときの段状に形成された接合部１５となる部分の径方向の大きさは、フランジ部材１１の一方の面の突出するように形成された部分を内嵌挿入することができるように設定される。次いで、図１３のＣに示すように、接続部１０cのコーン部１０b側から軸方向中間位置までを最終的に所望される外径にさらに絞り成形させてから成形ローラ８１を径方向外側に一端退避させる。触媒コンバータの容器の接続部１０cは、その軸方向中間位置から先端側の部分１０dが全周にわたって相対的に拡径するように形成される。この実施の形態の場合、触媒コンバータの容器１０の接合部１５は、相対的に拡径するように形成された接続部１０cの先端面および内周面により構成される。また、フランジ部材１１の接合部１６は、一方の面の突出するように形成された部分の周囲およびこの部分の外周面により構成される。さらに、接続部１０cのコーン部１０b側から軸方向中間位置までの内径とフランジ部材１１の内径とを略同じ大きさとなるように設定することが望ましい。また、触媒コンバータの容器の接続部１０cにフランジ部材１１の一方の面から突出した部分の先端が接触しないように設定される。
【００４３】
続いて、図１３のＤに示すように、一方のコーン部１０bおよび接合部１５を有する接続部１０cが成形された触媒コンバータの容器１０となるパイプ状素材と、接合部１６が成形されたフランジ部材１１を支持装置により支持し、その中心軸線が同軸延長線上に一致するように配置し、触媒コンバータの容器１０をクランパ９３によってクランプし固定した状態でフランジ部材１１を回転させながら軸方向に移動させて、触媒コンバータの容器の接続部１０cに対してフランジ部材１１を外嵌挿入し、図１３のＥに示すように、所定のアプセット圧力で所定の寄り代まで押し付け力を付与することにより、両接合部１５、１６の互いに接触した端面を軟化させて溶着させる摩擦圧接を行う。このとき、フランジ部材１１の一方の面に突出するように形成された部分が触媒コンバータの容器の接続部１０c側に延びて両接合部１５、１６の内側に位置しているために、上述した実施の形態と同様に、摩擦圧接を行う際に両接合部１５、１６の径方向外側のみにバリが発生し、触媒コンバータ２の内部にバリが発生することがない。接続部１０cのコーン部１０b側から軸方向中間位置までの内径とフランジ部材１１の内径とを略同じ大きさに形成した場合にあっては、排気システム内を流通する排気ガスなどの流体の流動抵抗少なくすることができる。
【００４４】
さらに、この実施の形態では、図１４および図１５に示すように、フランジ部材１１の一方の面に突出する部分の基端部外周に溝１１cを形成することが望ましい。この溝１１cを形成しておくことによって、両接合部１５、１６を摩擦圧接する際に、触媒コンバータの容器の接続部１０c側の材料が軟化してフランジ部材１１の溝１１c内に流動し溶着するため、触媒コンバータの容器の接続部１０cとフランジ部材１１との接合をより強固なものとすることができる。
【００４５】
次に、本発明のさらに別の実施の形態を、接合される両中空部材が排気システムなどに使用されるパイプ３０、３１である場合によって、図１６に基づいて説明する。なお、この説明では、上述した実施の形態と異なる部分のみを説明することとし、同様または相当する部分については同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００４６】
ここで、図１６のＡ、Ｂ、Ｄ、およびＥにおいての左方に示されたパイプを「一方のパイプ３０」と、右方に示されたパイプを「他方のパイプ３１」ということとする。図１６のＡに示すように、両パイプ３０、３１は、略同じ径のストレート管が使用される。
【００４７】
一方のパイプ３０には、図１６のＢに示すように、先端近傍の所定の位置から先端に向かって成形ローラ８１を相対的に公転させながら軸方向に所定長さだけ図１６の右方向に移動させて縮径させるようにスピニング加工を行い、次いで、図１６のＣに示すように、先端から成形ローラ８１を相対的に公転させながら軸方向に所定長さだけ図１６の左方向に移動させて縮径させるようにスピニング加工を行う。これにより、一方のパイプ３０の先端近傍には、その全周にわたって径方向外側に向かって突出する環状の接合部１５が形成される。図１６における接合部１５の左右方向の部分を縮径するときに、成形ローラ８１を接合部１５に向かうように軸方向に移動させることにより一方のパイプ３０の肉が寄せられるため、この接合部１５には他方のパイプ３１の接合部１６と摩擦圧接するに充分な軸方向および径方向の厚さを付与することができる。
【００４８】
他方のパイプ３１には、図１６のＢに示すように、先端近傍の所定の位置から先端に向かって成形ローラ８１を相対的に公転させながら軸方向に所定長さだけ図１６の左方向に移動させて縮径させるようにスピニング加工を行う。他方のパイプ３１の先端近傍は元の径が維持されており、その先端面により接合部１６が構成されている。
【００４９】
このように成形された両パイプ３０、３１は、図１６のＤに示すように、その中心軸線が同軸延長線上に一致するように配置され、相対的に軸周りに回転しながら軸方向に近接されて、図１６のＥに示すように、一方のパイプ３０に他方のパイプ３１を外嵌挿入し、一方のパイプ３０に形成された接合部１５と他方のパイプ３１の接合部１６とを所定のアプセット圧力で所定の寄り代まで押し付け力を付与することにより、両接合部１５、１６の互いに接触した端面を軟化させて溶着させる摩擦圧接を行う。このとき、一方のパイプ３０の接合部１５から先端までの部分３０dが両接合部１５、１６の内側に位置するように延びていることにより、バリは、両接合部１５、１６の径方向外側のみに発生し、両パイプ３０、３１の内部に発生することがない。
【００５０】
次に、本発明のさらに別の実施の形態を、接合される両中空部材が排気システムの触媒コンバータ２などに使用されるような二重中空製品を構成する内パイプ４０および外パイプ４１である場合によって、図１７に基づいて説明する。なお、この説明では、上述した実施の形態と異なる部分のみを説明することとし、同様または相当する部分については同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００５１】
この実施の形態においては、図１７のＡに示すように、内パイプ４０は、触媒担体１２を収容し得る大きさのパイプ状素材に対して相対的に成形ローラ８１を公転させて繰り返しスピニング加工することにより、触媒担体１２の収容部４０aから両端部に向かって暫時縮径するテーパ状のコーン部４０bと、両端部に配置される小径の接続部４０cとが一体に成形されるものである。接続部４０cの端部は、径方向外側に拡径するように形成されており、接合部１５を構成している。このように成形された内パイプ４０の外側には、図１７のＢに示すように、外パイプ４１を構成する円筒状素材が内パイプ４０の触媒担体１２の収容部４０aから径方向に所定の間隔を有する状態で配置される。そして、図１７のＣに示すように、外パイプ４１に対して相対的に成形ローラ８１を公転させて繰り返しスピニング加工することにより、内パイプ４０の触媒担体１２の収容部４０a、テーパ状のコーン部４０b、および接続部４０cとそれぞれ径方向に所定の間隔を有するように縮径させる。このとき、外パイプ４１の端部は、内パイプ４０の接続部４０cに形成された端部の拡径された部分１５との境界と略一致しており、接合部１６を構成している。その後、図１７のＤに示すように、成形ローラ８１を公転させてスピニング加工することにより、内パイプの接続部４０cに形成された端部の拡径された部分を折り返すように成形して、外パイプ４１の端部を内パイプの接続部４０cと折り返し部分１５との間で気密性を維持することができるようにかしめ挟持させる。
【００５２】
このようにして外パイプ４１の端部１６が内パイプの接続部４０cと折り返し部分１５との間でかしめ挟持された状態で、さらに、内パイプ４０と外パイプ４１とを相対的に軸周りに回転させながら成形ローラ８１などによって押圧させることにより、両パイプ４０、４１の接合部１５、１６を摩擦圧接して接合することもできる。
【００５３】
次に、本発明のさらに別の実施の形態を、接合される両中空部材が排気システムなどに使用される二重ストレートパイプを構成する内パイプ４０’および外パイプ４１’である場合によって、図１８に基づいて説明する。なお、この説明では、上述した実施の形態と異なる部分のみを説明することとし、同様または相当する部分については同じ符号を付して、その説明を省略する。
【００５４】
この実施の形態においては、図１８のＡに示すように、内パイプ４０’は、パイプ状素材に対して相対的に成形ローラ８１を公転させながらその肉を軸方向中間位置に寄せるように軸方向に移動させることにより、軸方向中間位置に接合部１５を構成するための径方向外側に突出する環状の突条１５’が形成される。そして、図１８のＢに示すように、このように突条１５’が形成された内パイプ４０’に対して径方向に所定の間隔を有するように外パイプ４１’が外嵌され、図１８のＣに示すように、相対的に成形ローラ８１を公転させながら外パイプ４１’の端部を内パイプ４０’の突条１５’と接するように縮径させる。その後、相対的に成形ローラ８１を公転させながら内パイプ４０’に形成された突条１５’を倒すように成形することにより、外パイプ４１’の端部をこの突条１５'によって形成された接合部１５と内パイプ４０’の外周面との間でかしめ挟持させるように折り曲げさせることにより接合する。なお、この実施の形態においても、図１７に示した実施の形態と同様に、さらに、内パイプと外パイプとを相対的に軸周りに回転させながら成形ローラ８１などによって押圧させることにより、両パイプ４０’、４１’の接合部１５、１６を摩擦圧接して接合することができる。
【００５５】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されることなく、流体としての流通効率が要求されるシステムに適用することができる。すなわち、処理機能部として機能物質を有し、その機能物質に流体を接触さて物理的作用および／または化学的作用を流体に及ぼすことにより、流通される流体に所定の処理を行う流体処理システムに適している。その例としては、処理機能部として、排気流体に酸化・還元の化学反応を作用させる触媒の他、消音処理を行うマフラなどを有する排気系システムや、吸気流体に物理的分離を作用させるフィルタなどを有する吸気システム等が挙げられる。そして、本発明は、流通される流体に所定の処理を行う処理機能部を有するものであれば、車両エンジン以外の燃焼機関など、他の流体処理システムにも適用することができる。さらに、流体自体は気体に限定されるものではなく、液体や気体および／または液体と小固体を含む紛粒体の混合物等、流動性を有するものであれば、その物質状態に限定されるものではない。
【００５６】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、一方の中空部材に、他方の中空部材と接合される接合部がスピニング加工により成形されるとともに、接合部の内側にいずれかの中空部材が配置されるように延びており、スピニング加工により成形された一方の中空部材の接合部を他方の中空部材と摩擦圧接により接合してなることにより、一方の中空部材の全周にわたって接合部が安定して確実に成形され、また、中空製品の内側に摩擦圧接によるバリが発生することが阻止されて、内側が連続するように成形され、中空部材がその板厚に影響されることなく互いに全周にわたって容易に且つ確実に接合されて、流通効率が良好で軽量化が図られた、内部に流体を流通させるための中空製品を提供することができる。
【００５７】
請求項２の発明によれば、請求項１に記載の発明において、接合部が一方の中空部材の中間部に外側に向かって突出するように形成され、他方の中空部材が一方の中空部材に外挿されて一方の中空部材の接合部と摩擦圧接により接合されてなるものであることにより、摩擦圧接個所の内側に一方の中空部材の接合部から先端が位置するため、中空製品の内側に摩擦圧接によるバリが発生することが阻止された、内部に流体を流通させるための中空製品を提供することができる。
【００５８】
また、請求項３の発明によれば、一方の中空部材に他方の中空部材と接合される接合部をスピニング加工により成形するとともに、接合部の内側にいずれかの中空部材が配置されるように延びており、スピニング加工により成形した一方の中空部材の接合部を他方の中空部材と摩擦圧接により接合してなることにより、一方の中空部材の全周にわたって接合部が安定して確実に成形され、また、中空部材の内側に摩擦圧接によるバリが発生することが阻止されるとともに、内側が連続するように成形されるため、流体の流通効率がさらに向上し、さらに、一方の中空部材の全周にわたって接合部が安定して確実に成形された軽量で内部に流通され物理的作用および／または化学的作用を流体に及ぼす処理が行われる流体の流通効率が良好な流体処理システムを提供することができる。
【００５９】
請求項４の発明によれば、請求項３に記載の発明において、接合部が一方の中空部材の中間部に外側に向かって突出するように形成され、他方の中空部材が一方の中空部材に外挿されて一方の中空部材の接合部と摩擦圧接により接合されてなるものであることにより、摩擦圧接個所の内側に一方の中空部材の接合部から先端が位置するため、中空製品の内側に摩擦圧接によるバリが発生することが阻止され、処理機能部により物理的作用および／または化学的作用を流体に及ぼす処理を行うべく内部に流通される流体の流通効率が良好な流体処理システムを提供することができる。
【００６０】
一方、請求項５に記載の発明によれば、一方の中空部材に接合部をスピニング加工により成形する工程と、該一方の中空部材の接合部と他方の中空部材とを摩擦圧接により接合する工程と、を含み、摩擦圧接により接合する工程で接合部の内側にいずれかの中空部材が配置されるように、スピニング加工工程において接合部を一方の中空部材に成形することにより、中空部材の内側に摩擦圧接によるバリが発生することが阻止され、また、内側が連続するように成形されるため、流体の流通効率がさらに向上された中空部材の接合方法を提供することができる。
【００６１】
請求項６に記載の発明によれば、請求項５に記載の発明において、接合部が一方の中空部材の中間部に外側に向かって突出するように形成され、他方の中空部材が一方の中空部材に外挿されて一方の中空部材の接合部と摩擦圧接により接合されてなるものであることにより、摩擦圧接個所の内側に一方の中空部材の接合部から先端が位置するため、中空製品の内側に摩擦圧接によるバリが発生することが阻止された中空部材の接合方法を提供することができる。
【００６２】
請求項７の発明によれば、、請求項５または６に記載の発明において、中空部材の少なくとも一方が、内部に流通される流体に物理的作用および／または化学的作用を流体に及ぼす処理を行う処理機能部を有するものであることにより、接合された中空部材を内部に流通される流体に物理的作用および／または化学的作用を流体に及ぼす処理を行うための中空部材の接合方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明が適用される中空部材としてのフランジ部材にバーリング加工によって接合部を形成する状態を示す説明図である。
【図２】  バーリング加工装置の正面図である。
【図３】  図２の平面図である。
【図４】  本発明の第１の実施の形態の、各工程毎の中空部材の形状を順に示す説明図である。
【図５】  図４に示した摩擦圧接が行われる様子を拡大して示す説明図である。
【図６】  触媒コンバータの容器の接合部の板厚に対して摩擦圧接に必要な寄り代が１．５倍以上である場合を示した、本発明の第１の実施の形態の変形例の説明図である。
【図７】  図６に示した摩擦圧接が行われる様子を拡大して示す説明図である。
【図８】  一方の中空部材と他方の中空部材を、中心軸線が同軸延長線上に一致するように配置支持する支持装置を説明する断面図であり、両中空部材の接合部を摩擦圧接により接合する前の状態を示している。
【図９】  図８に示した状態から、両中空部材の接合部が摩擦圧接により接合された状態を示す説明図である。
【図１０】  フランジ部材が接合された触媒コンバータと他の構成単位のフランジとを結合させる状態を説明するための断面図である。
【図１１】  偏角するように成形された触媒コンバータの容器に対して所定の位相でフランジ部材を接合した状態を示す説明図である。
【図１２】  本発明の第２の実施の形態の、各工程毎の中空部材の形状を順に示す説明図である。
【図１３】  本発明の第３の実施の形態の、各工程毎の中空部材の形状を順に示す説明図である。
【図１４】  図１３に示した実施の形態の変形例の摩擦圧接を行う前の状態を拡大して示す断面図である。
【図１５】  図１３に示した状態から、両中空部材の接合部が摩擦圧接により接合された状態を示す説明図である。
【図１６】  本発明の第４の実施の形態の、各工程毎の各中空部材の形状を順に示す説明図である。
【図１７】  本発明の第５の実施の形態の、各工程毎の中空部材の形状を順に示す説明図である。
【図１８】  本発明の第６の実施の形態の、各工程毎の中空部材の形状を順に示す説明図である。
【図１９】  本発明が適用される車両の排気系システムを各構成単位毎に切り離して示した斜視図である。
【図２０】  フランジ部材を肉盛り肉盛り溶接によって接合していた従来の技術を説明するための断面図である。
【図２１】  従来の摩擦圧接によって中空部材を接合することにより、内部にもバリが発生した状態を説明するための断面図である。
【符合の説明】
１０    触媒コンバータの容器（一方の中空部材）
１１    フランジ部材（他方の中空部材）
１５    接合部
１６    接合部
３０    一方のパイプ（一方の中空部材）
３１    他方のパイプ（他方の中空部材）
４０    内側パイプ（一方の中空部材）
４１    外側パイプ（他方の中空部材）
４０’  内側パイプ（一方の中空部材）
４１’  外側パイプ（他方の中空部材）
８１    成形ローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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