JP2012096328A - 加工条件設定システム、加工条件設定方法およびこれらを用いて加工された加工物 - Google Patents

Abstract

【課題】目標硬度に応じた切削加工の加工条件を選定し、切削加工のみで所定の硬度を得ることが可能な加工条件設定システムおよび加工条件設定方法を提供する。
【解決手段】切削加工される加工対象物の切削加工における加工条件毎に、加工条件と加工条件で加工される加工対象物の硬度との関係を予め求め、加工対象物の材質および加工される硬度範囲に対応する加工条件を保存する加工条件データベース５と、加工対象物の材質および目標硬度を入力し、加工条件データベース５を参照して目標硬度での加工を行える加工条件を出力する加工条件選定手段７と、が備えられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工条件設定システム、加工条件設定方法およびこれらを用いて加工された加工物に関するものである。

原子力プラントにおける機器および配管などの素材として主としてオーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。このオーステナイト系ステンレス鋼は、通常の切削、研削等の冷間機械加工を行うと、表面に硬化層が形成されることが知られている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。
たとえば、沸騰水型原子力プラントの再循環系配管等では、一般にこの硬化層の硬さがビッカース硬さで３００ＨＶ以上となると、応力腐食割れ（ＳＣＣ：Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｃｒａｃｋｉｎｇ）が発生する可能性があると言われており、加圧水型原子力プラントの水が循環する機器および配管においても同様と考えられている。

従来、これらの配管では、ＳＣＣの発生を抑制するために、切削加工した後、加工表面に対してバフ研磨等を行い切削加工によって発生した表面の硬化層を除去する、あるいは、加工表層に圧縮応力を付与しＳＣＣの発生を抑制する等の対策が採られている。
すなわち、従来の切削加工方法では、切削加工に伴い上述の硬さを超える硬化層が形成されるのが業界における常識となっている。

特開２００５−２５７５８９号公報 特開２００８−９６１７４号公報

しかしながら、上述した従来のものは、いずれにしても切削加工後に硬化層の除去および／または圧縮応力の付与等の後処理が必要であるので、作業時間がかかり、コストも増加する。
また、圧縮応力を付与してＳＣＣの発生を抑制するものでは、後工程で、たとえば、溶接等の引張応力が発生する加工を行う場合、付与した圧縮応力が低減あるいは除去されるので、ＳＣＣ発生の抑制効果が低減あるいは失われる。

本発明は、このような事情に鑑み、目標硬度に応じた切削加工の加工条件を選定し、切削加工のみで所定の硬度を得ることが可能な加工条件設定システム、加工条件設定方法およびこれらを用いて加工された加工物を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、後処理を行わなくとも応力腐食割れの発生を抑制できように切削加工を行え、加工対象物の加工にかかる作業時間の短縮およびコストの低減をはかり得る加工条件設定システム、加工条件設定方法およびこれらを用いて加工された加工物を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の第１態様は、切削加工される加工対象物の加工条件毎に、該加工条件と該加工条件で加工される該加工対象物の硬度との関係を予め求め、該加工対象物の材質および加工される硬度範囲に対応する該加工条件を保存する加工条件データベースと、前記加工対象物の材質および目標硬度を入力し、前記加工条件データベースを参照して前記目標硬度での加工を行える前記加工条件を出力する加工条件選定手段と、が備えられている加工条件設定システムである。

本態様にかかる加工条件設定システムでは、加工条件データベースに、切削加工される加工対象物の加工条件毎に、加工条件と該加工条件で加工される加工対象物の硬度との関係を予め求め、加工対象物の材質および加工される硬度範囲に対応する加工条件が保存されているので、加工条件選定手段に、加工対象物の材質および目標硬度を入力し、加工条件データベースを参照して目標硬度での加工を行える加工条件を出力することができる。
このようにして得られた加工条件によって加工対象物を切削加工すると、目標硬度を有する加工物を加工することができる。したがって、選定された加工条件で切削加工を行うだけで、所定の硬度を有する加工物を得ることができる。

上記態様では、前記硬度範囲として応力腐食割れの発生を抑制できる硬度が含まれていることが好ましい。

このようにすると、応力腐食割れの発生を抑制できる硬度を入力することによって、加工条件選定手段は、それを可能とする加工条件を選定することができる。これにより、この選定された加工条件によって加工対象物を切削加工すると、加工対象物は応力腐食割れの発生を抑制できる硬度にできるので、切削加工後の加工対象物の表面にバフ研磨等を行う、あるいは、加工表層に圧縮応力を付与する等の後処理を行わなくともＳＣＣの発生を抑制できように切削加工を行うことができる。これにより加工対象物の加工にかかる作業時間の短縮およびコストの低減をはかることができる。

本発明の第２態様は、切削加工される加工対象物の加工条件毎に、該加工条件と該加工条件で加工される該加工対象物の硬度との関係を予め求め、該加工対象物の材質および加工される硬度範囲に対応する該加工条件を加工条件データベース保存する保存ステップと、前記加工対象物の材質および目標硬度を入力する入力ステップと、前記加工条件データベースを参照して前記目標硬度での加工を行える前記加工条件を出力する加工条件選定ステップと、が備えられている加工条件設定方法である。

本態様にかかる加工条件設定方法では、保存ステップで、加工条件データベースに、切削加工される加工対象物の加工条件毎に、加工条件と該加工条件で加工される加工対象物の硬度との関係を予め求め、加工対象物の材質および加工される硬度範囲に対応する加工条件が保存されているので、入力ステップで加工対象物の材質および目標硬度を入力し、加工条件選定ステップで入力された加工対象物の材質および目標硬度に基づいて加工条件データベースを参照して目標硬度での加工を行える加工条件を出力することができる。
このようにして得られた加工条件によって加工対象物を切削加工すると、目標硬度を有する加工物を加工することができる。したがって、選定された加工条件で切削加工を行うだけで、所定の硬度を有する加工物を得ることができる。

上記態様では、前記保存ステップでは、前記硬度範囲として応力腐食割れの発生を抑制できる硬度が含まれていることが好ましい。

このようにすると、応力腐食割れの発生を抑制できる硬度を入力することによって、加工条件選定ステップで、それを可能とする加工条件を選定することができる。これにより、この選定された加工条件によって加工対象物を切削加工すると、加工対象物は応力腐食割れの発生を抑制できる硬度にできるので、切削加工後の加工対象物の表面にバフ研磨等を行う、あるいは、加工表層に圧縮応力を付与する等の後処理を行わなくともＳＣＣの発生を抑制できように切削加工を行うことができる。これにより加工対象物の加工にかかる作業時間の短縮およびコストの低減をはかることができる。

本発明の第３態様は、第１態様にかかる加工条件設定システムを用いて出力された加工条件、あるいは、第２態様にかかる加工条件設定方法によって出力された加工条件によって切削加工されている加工物である。

このように、第１態様にかかる加工条件設定システムあるいは第２態様にかかる加工条件設定方法によって選定された加工条件で切削加工が行われるので、表面層が所定の硬度を有する加工物を得ることができる。

本発明によれば、加工条件データベースに、切削加工される加工対象物の加工条件毎に、加工条件と該加工条件で加工される加工対象物の硬度との関係を予め求め、加工対象物の材質および加工される硬度範囲に対応する加工条件が保存されているので、加工条件選定手段に、加工対象物の材質および目標硬度を入力し、加工条件データベースを参照して目標硬度での加工を行える加工条件を出力することができる。この加工条件によって加工対象物を切削加工するだけで目標硬度を有する加工物を製造することができる。

本発明の一実施形態にかかる加工条件設定システムを示すブロック図である。 加工条件データベースに保存される加工条件の一例を示す図表である。 加工条件データベースに保存される加工条件における一部のデータであって、切削試験によって得られた切削工具のすくい角と表層の硬さとの関係を示すグラフである。 加工条件データベースに保存される加工条件の内容の一例を示す図表である。 加工条件データベースに保存される加工条件の内容の別の一例を示す図表である。 図１に示される加工条件設定システムにより加工条件を選定するフローを示すフロー図である。

以下に、本発明の一実施形態にかかる加工条件設定システムについて、図１〜図６を参照して説明する。
図１は、発明の一実施形態にかかる加工条件設定システムを示すブロック図である。

加工条件設定システム１には、加工対象物の材質および目標硬度を入力する入力手段３と、加工対象物の材質および加工される硬度範囲に対応する加工条件を保存する加工条件データベース５と、入力手段３によって入力された加工対象物の材質および目標硬度によって、加工条件データベース５を参照して目標硬度での加工を行える加工条件を選定し、出力する加工条件選定手段７と、が備えられている。

図２は、加工条件データベース５に保存される加工条件の一例を示す図表である。加工条件として、切削作業の状態を示す切削条件、切削に用いる切削工具の状態を示す工具条件およびその他の条件が用いられている。
切削条件としては、工具の１回あたりの切込み量、１周あたりの送り量および切削速度が用いられている。
工具条件としては、工具材質、工具すくい角、先端の曲率を示す工具先端Ｒ、工具逃げ角およびコーティングの有無が用いられている。
その他の条件としては、加工するときの切削回数、加工対象物に事前に下地処理を行うか否か、切削加工時に切削油を用いるか否か、が用いられている。

加工条件データベース５に保存されるデータは、上述の加工条件を種々変えた条件で切削加工（切削試験）を行い、その際の加工対象物の硬度を測定して取得する。
たとえば、図３は、切削試験によって得られた切削工具のすくい角と表層の硬さとの関係を示すグラフである。すなわち、図３は、オーステナイト系ステンレス鋼について工具のすくい角を変化させて切削加工を行い、そのときの切削加工面の表面部（深さ０．０１ｍｍ位置）の硬さを荷重１０ｇｆでのビッカース硬さで測定した結果を示している。
試験に用いた切削工具のすくい角は、１１°、１４°、１５°、２０°、２４°、２７°、３２°および３５°である。

すくい角が、１１°〜２７°のものは、切削速度が７〜８７ｍ／ｍｉｎ、切込み量が０．１〜１ｍｍ、送り量が０．０８〜０．２５ｍｍ／ｒｅｖの範囲で、種々切削条件を変えて切削している。
すくい角が、３２°および３５°のものは、切削速度が１８〜３５ｍ／ｍｉｎ、切込み量が０．１〜０．２ｍｍ、送り量が０．０８〜０．１３ｍｍ／ｒｅｖの範囲で、種々切削条件を変えて切削している。
なお、すくい角が、３２°および３５°のものの切削は、すくい角が、１１°〜２７°のものの切削が終了した後、切削工具をすくい角が３２°および３５°のものに取り替えて切削している。

図３からわかるように、すくい角が、１１°〜２７°の切削工具は、切削条件を変えてもビッカース硬さが３２０ＨＶよりも大きくなっている。
これに比べてすくい角が、３２°および３５°の切削工具は、切削条件を変えてもビッカース硬さが３００ＨＶを超えることはなく、すくい角が、１１°〜２７°の切削工具での切削加工に比べて表面の硬さが減少していることがわかる。

このような切削試験を加工対象物の材質および加工条件を変えて行いデータを収集する。この収集されたデータを材質毎に、硬度範囲とそれを可能とする加工条件とを整理してデータベースとする。図４および図５は、その一例を示している。
図４は、オーステナイト系ステンレス鋼について表層０．０１ｍｍ深さにおける硬度が３５０ＨＶ以上（硬度範囲）となる加工条件を示すデータベースである。図５は、オーステナイト系ステンレス鋼について表層０．０１ｍｍ深さにおける硬度が３００ＨＶ以下（硬度範囲）となる加工条件を示すデータベースである。
図５に示される硬度範囲は、オーステナイト系ステンレス鋼における応力腐食割れの発生を抑制できる硬度が含まれている。

なお、図４および図５はオーステナイト系ステンレス鋼製の加工対象物についてのデータベースであるが、他の材質、たとえば、インコネル等、加工対象となる材質については切削試験を行い、加工条件データベース５に保存される加工条件のデータを作成しておくことが必要である。
この場合、図５に示されるオーステナイト系ステンレス鋼の応力腐食割れの発生を抑制できる硬度が含まれている硬度範囲の具体的な値である３００ＨＶ以下については、インコネル等の材質によって異なることになる。

以上のように構成された加工条件設定システム１の動作について加圧水型原子力プラントの一般配管のシンニング加工（切削加工）を例に図６に基づいて説明する。シンニング加工される前の一般配管が本発明の加工対象物であり、シンニング加工された一般配管が本発明の加工物である。
加圧水型原子力プラントの１次系には、一次冷却材が循環する主冷却材管以外に、たとえば、一次冷却水喪失事故時および主蒸気管破断時に緊急炉心冷却および緊急ほう酸注入を行う配管系、一次冷却材が負荷の減少で収縮したとき、体積維持のために補給水を供給する配管系、炉を停止した後に、一次冷却材の熱を除去し、温度を下げさせるために冷却材喪失事故時に、燃料取替用水ポンプのほう酸水を炉心に注入する配管系等が備えられている。これらの配管系に用いられる配管は、主冷却材管に対比して一般配管と言われている。これら一般配管は、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼で形成されている。

図６は、加工条件設定システム１により加工条件を選定するフローを示すフロー図である。
加工条件データベース５には、保存ステップとして、上述のようにして、切削加工される加工対象物の切削加工における加工条件毎に、加工条件と加工条件で加工される加工対象物の硬度との関係を予め求め、加工対象物の材質および加工される硬度範囲に対応する加工条件が保存されている。

この状態で、加工条件の選定が開始される（ステップＳ１）。まず、入力手段３によって一般配管の材質はＳＵＳ３０４のオーステナイト系ステンレス鋼であることが入力される（ステップＳ２）。
次いで、入力手段３によって目標硬度として、たとえば、応力腐食割れ（ＳＣＣ）の発生を抑制できる硬度である３００ＨＶ以下が入力される（ステップＳ３）。
なお、ステップＳ２とステップＳ３とは、ともに入力ステップであり、順序が逆とされてもよい。

加工対象物の材質および目標硬度が入力手段３に入力されると、加工条件選定手段７はそれらを受けて、推奨される加工条件を選定する（ステップＳ４）。
加工条件選定手段７は、加工条件データベース５に格納されたデータベース群のなかから入力された材質および目標硬度を含むデータベースを選択する。この場合、加工条件選定手段７は、図５に示されるデータベースを選択する。
加工条件選定手段７は、選択されたデータベースに基づいて推奨される加工条件を出力する（ステップＳ５：出力ステップ）。

なお、加工条件選定手段７は、入力された条件によって、たとえば、図４に示されるような各加工条件に多数の選択肢があるデータベースが選択された場合には、多数の選択肢の中で、最もよく用いられる、言い換えれば、一般的な条件を選択する。

このように、本実施形態にかかる加工条件設定システム１では、加工条件データベース５に、切削加工される加工対象物の切削加工における加工条件毎に、加工条件と加工条件で加工される加工対象物の硬度との関係を予め求め、加工対象物の材質および加工される硬度範囲に対応する加工条件が保存されているので、加工条件選定手段７に、加工対象物である一般配管の材質およびシンニング加工における目標硬度を入力し、加工条件データベース５を参照して目標硬度での加工を行える切削加工における加工条件を出力することができる。

このようにして得られた加工条件によって一般配管のシンニング加工を切削加工によって行うと、表層０．０１ｍｍ位置における硬度が３００ＨＶ以下、言い換えれば、ＳＣＣ感受性を有さない表面状態になるように加工することができる。したがって、加工条件選定手段７によって選定された加工条件で切削加工を行うだけで、所定の硬度を有する一般配管のシンニング部を得ることができる。

このように、一般配管のシンニング部は、切削加工によって表層０．０１ｍｍ位置における硬度が３００ＨＶ以下となるように加工することができるので、応力腐食割れの発生を抑制することができる。
これにより、従来行われていた、たとえば、バフ研磨、酸洗、電解研磨等による硬化層の除去および／またはピーニング、加熱処理（たとえば、レーザ等を用いた）等による圧縮応力の付与等の後処理を行わなくとも、切削加工のみでＳＣＣの発生を抑制できる。
このように切削加工のみで後処理を省略できるので、シンニング加工の作業時間を短縮し、そのコストを低減することができる。
また、表層の硬さが低いので、切削加工後に、引張応力が生じる、たとえば、溶接等の加工を行ったとしても、耐ＳＣＣ性を維持することができる。

なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形を行ってもよい。

たとえば、本実施形態では、加圧水型原子力プラントの一般配管のシンニング加工に適用しているが、シンニング加工に限定されるものではなく、一般配管やその他の加工にも適用できる。加圧水型原子力プラントの二次系等の配管、沸騰水型原子力プラントの再循環系配管あるいはその他の配管等の切削加工にも適用できる。さらに、化学プラントや火力プラント等の配管の切削加工に適用することができる。

また、配管の切削加工に限らず、板材、ブロック材等の各種オーステナイト系ステンレス鋼製機器および配管の切削加工に適用することができる。
また、オーステナイト系ステンレス鋼と同様な挙動を示す材料、たとえば、ニッケル基合金であるインコネル等の切削加工に用いることも可能である。

１ 加工条件設定システム
３ 入力手段
５ 加工条件データベース
７ 加工条件選定手段

Claims (5)

1. 切削加工される加工対象物の該切削加工における加工条件毎に、該加工条件と該加工条件で加工される該加工対象物の硬度との関係を予め求め、該加工対象物の材質および加工される硬度範囲に対応する該加工条件を保存する加工条件データベースと、
   前記加工対象物の材質および目標硬度を入力し、前記加工条件データベースを参照して前記目標硬度での加工を行える前記加工条件を出力する加工条件選定手段と、が備えられていることを特徴とする加工条件設定システム。
2. 前記硬度範囲として応力腐食割れの発生を抑制できる硬度が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の加工条件設定システム。
3. 切削加工される加工対象物の該切削加工における加工条件毎に、該加工条件と該加工条件で加工される該加工対象物の硬度との関係を予め求め、該加工対象物の材質および加工される硬度範囲に対応する該加工条件を加工条件データベースに保存する保存ステップと、
   前記加工対象物の材質および目標硬度を入力する入力ステップと、
   前記加工条件データベースを参照して前記目標硬度での加工を行える前記加工条件を出力する加工条件選定ステップと、が備えられていることを特徴とする加工条件設定方法。
4. 前記保存ステップでは、前記硬度範囲として応力腐食割れの発生を抑制できる硬度が含まれていることを特徴とする請求項３に記載の加工条件設定方法。
5. 請求項１または請求項２に示される加工条件設定システムを用いて出力された加工条件、あるいは、請求項３または請求項４に示される加工条件設定方法によって出力された加工条件によって切削加工されていることを特徴とする加工物。
   

Images