JP2018094688A - 管内面切削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼管等の内面を切削するための管内面切削装置として、より小型な装置で小径管を高速度で管内面を切削することができるとともに、管内面の形状・寸法に安定的に倣い、加工精度に優れる管内面切削装置を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る管内面切削装置１０は、軸方向ピストン２５と楔２６を採用して、作動油チャンバ２３からの油圧作動力を作用させる個所を軸方向にずらし、カートリッジ１３近傍の切削ヘッド１２中心部のスペースを確保することで、切削ヘッド１２の径方向寸法の小型化（小径管における必要ストローク量の確保）を達成できるようにしている。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼管等の内面を切削するための管内面切削装置に関するものである。

通常、鋼管等の内面を手入れする（例えば、内面疵を除去する）際には、管の内面を切削する管内面切削装置が用いられる。

そのような管内面切削装置として、例えば、特許文献１には、管の内面に切削刃（バイト）を倣わせながら均一の切削代で切削する装置が開示されている。

しかしながら、前記特許文献１に記載の装置は、重量物である管を回転させながら、その管の内面を非回転の切削刃で切削するようになっているため、管の回転数を上げるのが難しく、切削速度に限度があって切削能力が低いとともに、管を回転させるための機構が大掛かりになり、装置が大型になるという問題があった。

これに対して、特許文献２には、切削刃が管内面で回転することで、小型で高速な切削を可能にした管内面切削装置が開示されている。

図７は、上記の特許文献２に開示されている管内面切削装置１０Ｘを示す模式図である。図７に示すように、この管内面切削装置１０Ｘは、管１を固定する固定装置（図示せず）と、管１の軸線方向に進退可能なボーリングバー１１と、ボーリングバー１１の先端に取り付けられて管１の中に挿入可能な切削ヘッド１２と、ボーリングバー１１を管１の軸線方向に進退させることによって切削ヘッド１２を管１の軸線方向に進退させる送り装置（図示せず）と、ボーリングバー１１を管１の軸線回りに回転させることによって切削ヘッド１２を管１の軸線回りに回転させる回転装置（図示せず）を備えている。

そして、切削ヘッド１２には、管１の内面へ向けて移動可能な複数のカートリッジ１３が配置されており、それぞれのカートリッジ１３の周面には、管１の内面を切削する切削刃１４と、その切削刃１４による切削面よりも径方向の中心側（管１の軸心側）に周面が位置して管１の内面を倣いながら周方向に転動する複数のガイドローラ（第１ガイドローラ）１５が設置されている。

また、切削ヘッド１２には、管１の周方向に転動可能な複数のガイドローラ（第２ガイドローラ）１６が管１の内面側に突き出し可能に取り付けられている。

さらに、切削ヘッド１２の内部には、カートリッジ１３に外側（管１の内面側）へ向かう油圧を負荷する作動油チャンバ２３が設けられており、その作動油チャンバ２３に作動油を供給するための第１油圧配管２１および第２油圧配管２２と、第１油圧配管２１および第２油圧配管２２を経由して作動油チャンバ２３に作動油を供給する油圧ユニット（図示せず）と、第１油圧配管２１（油圧ユニット側の油圧配管）と第２油圧配管２２（作動油チャンバ２３側の油圧配管）の間を回転自在に接続するロータリジョイント２７と、作動油チャンバ２３の中に管軸線方向の端面が臨むピストン２５と、ピストン２５を作動油チャンバ２３側に向けて付勢するバネ２６が設置されている。

特開平５−３３７７０７号公報 特開２０１４−１８４４９７号公報

通常、鋼管等の寸法には許容誤差が設けられており、鋼管の内径については、公称内径に対して±３％の許容誤差が設けられている。そのため、例えば、公称内径１００ｍｍの鋼管の場合、実際の内径が９７ｍｍの鋼管から実際の内径が１０３ｍｍの鋼管までが存在することになる。

したがって、公称内径Ａｍｍの鋼管に対応した管内面切削装置を設計・製造する場合には、実際の内径がＡ×０．９７ｍｍ〜Ａ×１．０３ｍｍの範囲の鋼管の内面を切削できるようにする必要があり、そのためには、切削刃（カートリッジ）の径方向の可動範囲（可能ストローク量）が所定のストローク量（必要ストローク量）以上であることが求められる。公称内径に対して±３％の許容誤差があることを考えれば、必要ストローク量は公称内径の１／１５（≒０．０６６）程度となる。

これに対して、本発明者らが調査したところ、前記特許文献２に記載の管内面切削装置１０Ｘの場合、カートリッジ１３への油圧作動力を作用させる部分がカートリッジ１３近傍の切削ヘッド１２中心部に配置されている構造のため、公称内径が１３０ｍｍ以上の鋼管までしか必要ストローク量を確保できず、公称内径が１３０ｍｍ未満の鋼管に対応できる小型の管内面切削装置を設計・製造することが難しいことが分かった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、鋼管等の内面を切削するための管内面切削装置として、より小型な装置で小径管を高速度で管内面を切削することができるとともに、管内面の形状・寸法に安定的に倣い、加工精度に優れる管内面切削装置を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を行った結果、前記特許文献２に記載の管内面切削装置１０Ｘは、図７に示すように、作動油チャンバ２３を装置中心に備え、作動油圧力をカートリッジ１３に径方向への力として作用させているため大きなスペースを必要としていることに気が付いた。そして、その問題を解決するために、カートリッジ１３を管１内面に押し付けるための作動油圧力を、まず軸方向に作用させたのち、径方向に変更する構造を着想した。

本発明は、その着想を実現するために、以下の特徴を有している。

［１］管を固定する固定装置と、前記管の軸線方向に進退可能なボーリングバーと、該ボーリングバーの先端に取り付けられて前記管の中に挿入可能な切削ヘッドと、前記ボーリングバーを介して前記切削ヘッドを前記管の軸線回りに回転させる回転装置と、前記切削ヘッドに配置されて前記管の内面へ向けて移動可能なカートリッジと、前記カートリッジの周面に設置されて前記管の内面を切削する切削刃と、前記カートリッジの周面に設置されて前記切削刃による切削面よりも径方向の中心側に周面が位置し前記管の内面を周方向に転動するガイドローラと、前記切削ヘッドの内部に設置されて前記カートリッジに外側へ向かう作動力を負荷するための作動油チャンバと、該作動油チャンバに作動油を供給する作動油流路と、前記切削ヘッドが前記管の軸線回りに回転可能となるように前記作動油流路を形成するためのロータリジョイントと、前記作動油チャンバから油圧を負荷されるピストンと、該ピストンの先端に設置された油圧作動力方向変更部材とを備え、前記作動油チャンバから前記ピストンへ軸方向に負荷される油圧作動力を前記油圧作動力方向変更部材により径方向へ変換して前記カートリッジに伝達することで、前記カートリッジを径方向に動作せることを特徴とする管内面切削装置。

［２］前記油圧作動力方向変更部材は楔であることを特徴とする前記［１］に記載の管内面切削装置。

［３］前記切削ヘッドに、前記管の内面を管の軸線方向に転動するサポートローラを備えていることを特徴とする前記［１］または［２］に記載の管内面切削装置。

本発明における管内面切削装置は、より小型な装置で小径管を高速度で管内面を切削することができるとともに、管内面の形状・寸法に安定的に倣い、優れた加工精度で切削することができる。

本発明の一実施形態を示す模式図である。 本発明の一実施形態における他の例を示す模式図である。 図１、２におけるＡ−Ａ矢視詳細図である。 偏平した管の内面切削状態（倣い切削）を示す図である。 偏平した管の内面切削状態（真円切削）を示す図である。 本発明による切削可能となった管内径範囲を示す図である 従来技術（特許文献２）を示す模式図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態における管内面切削装置１０を示す模式図である。そして、図３は、図１におけるＡ−Ａ矢視詳細図である。

図１、図３に示すように、本発明の一実施形態における管内面切削装置１０は、管１を固定する固定装置（図示せず）と、管１の軸線方向（以下、単に「軸線方向」ともいう）に進退可能なボーリングバー１１と、ボーリングバー１１の先端に取り付けられて管１の中に挿入可能な切削ヘッド１２と、ボーリングバー１１を管１の軸線方向に進退させることによって切削ヘッド１２を管１の軸線方向に進退させる送り装置（図示せず）と、ボーリングバー１１を管１の軸線回りに回転させることによって切削ヘッド１２を管１の軸線回りに回転させる回転装置（図示せず）を備えている。

そして、切削ヘッド１２には、管１の内面へ向けて移動可能な複数（１個でもよい）のカートリッジ１３が配置されており、それぞれのカートリッジ１３の周面には、管１の内面を切削する切削刃１４と、その切削刃１４による切削面よりも径方向の中心側（管１の軸心側）に周面が位置して管１の内面を倣いながら周方向に転動する複数のガイドローラ（第１ガイドローラ）１５が設置されている。

また、切削ヘッド１２には、管１の周方向に転動可能な複数のガイドローラ（第２ガイドローラ）１６が管１の内面側に突き出し可能に取り付けられている。

さらに、切削ヘッド１２の内部には、カートリッジ１３に外側（管１の内面側）へ向かう作動力を負荷するための作動油チャンバ２３がそれぞれカートリッジごとに設けられており、その作動油チャンバ２３に作動油を供給するための第１油圧配管２１およびカートリッジの数だけ分岐する第２油圧配管２２と、第１油圧配管２１および第２油圧配管２２を経由して作動油チャンバ２３に作動油を供給する油圧ユニット（図示せず）と、第１油圧配管２１（油圧ユニット側の油圧配管）と第２油圧配管２２（作動油チャンバ２３側の油圧配管）の間を回転自在に接続するロータリジョイント２７と、作動油チャンバ２３の中に管の軸線方向の端面が臨むピストン２５と、ピストン２５の先端に付随して軸方向に作用する作動油圧力４１を径方向へ変換する油圧作動力方向変更部材（ここでは、楔２６）と、カートリッジ１３を切削ヘッド１２中心に引っ張る付随力４２のはたらくバネ３０が設置されている。これによって、カートリッジ１３が管１の内面側に進退できるようになっている。

このようにして、この実施形態においては、図１に示すように、ピストン２５を介して伝えられる軸方向の作動油圧力４１を楔２６によりカートリッジ１３が径方向外側に動作するための作動力としている。また、バネ３０によりカートリッジ１３には常に径方向の管１中心に向かう力が作用しており、常に楔２６の摺動面とカートリッジ１２の摺動面が一定の力で触れており、管１内面形状の変化があった場合も高速度の応答でカートリッジ１２を移動させることが可能となる。その際に、楔２６の楔角度はピストン摺動方向（すなわち軸方向）に対し４５°±５°となるように設定することが、カートリッジ１３の径方向の行き戻り動作を滑らかに行う上で好適である。このときのバネ３０による中心に向かう力４２は油圧作動力４１の１／５〜１／２程度の範囲となるようバネ寸法・バネ定数を設定することが上述の高速度の応答を得る上で好適である。

このように、この実施形態においては、軸方向ピストン２５と楔２６を採用して、作動油チャンバ２３からの油圧作動力を作用させる個所を軸方向にずらし、カートリッジ１３近傍の切削ヘッド１２中心部のスペースを確保することで、切削ヘッド１２の径方向寸法の小型化（小径管における必要ストローク量の確保）を達成できるようにしている。

なお、ここでは、ボーリングバー１１の内部に配した第１油圧配管２１と第２油圧配管２２で形成された作動油流路を介して作動油を作動油チャンバ２３に供給し、その第１油圧配管２１と第２油圧配管２２の間にロータリジョイント２７を配置しているがそのような２重管構造に替えて、図２に示すように、直接ロータリジョイント２７を介して作動油を作動油チャンバ２３に供給するようにしてもよい。すなわち、ボーリングバー１１を回転部１１ａと非回転部１１ｂに分離してロータリジョイント２７を構成し、ボーリングバー１１の非回転部１１ｂに作動油供給口２８と作動油供給路２９を設け、その作動油供給路２９を介して作動油を作動油チャンバ２３に供給するようにしてもよい。

要するに、ロータリジョイント２７を用いて、切削ヘッド１３が管１の軸線回りに回転可能となるように作動油の流路を形成すればよい。

そして、上記のように構成された管内面切削装置１０を用いて管１の内面を切削する際には、以下のような手順で行う。

（Ｓ１）まず、管１を固定装置によって水平に固定・保持する。

（Ｓ２）次に、油圧ユニットを用いて、作動油チャンバ２３の作動油の圧力４１を下げて、カートリッジに供えられたバネ３０の付随力４２より小さくすることで各カートリッジ１３を管１の軸心側に移動させ、各切削刃１４が管１の内面に接触しない状態にする。この際、第２ガイドローラ１６の突き出し量が最も大きくなる。

（Ｓ３）次に、送り装置によって、ボーリングバー１１の先端に取り付けられた切削ヘッド１２を管１の中に挿入する。その際、第２ガイドローラ１６が管１の周方向に転動して切削ヘッド１２を支持する。そして、切削ヘッド１２（切削刃１４）が管１の最先端まで挿入されたら、油圧ユニットを用いて、作動油チャンバ２３の作動油の圧力４１を上げて、バネ３０の付随力４２より大きくすることで各カートリッジ１３を管１の内面側に移動させ、各切削刃１４が管１の内面を切削できる状態にする。

（Ｓ４）次に、回転装置によって、ボーリングバー１１を介して切削ヘッド１２を管１の軸線回りに回転させることで、切削刃１４による管１内面の切削を開始する。ここで、第１油圧配管２１（油圧ユニット側の油圧配管）と第２油圧配管２２（作動油チャンバ２３側の油圧配管）の間がロータリジョイント２７によって回転自在に接続されているので、切削ヘッド１２を管１の軸線回りに支障なく回転させることができる。そして、回転装置によって、切削ヘッド１２を管１の軸線回りに回転させながら、送り装置によって、ボーリングバー１１を介して切削ヘッド１２を管１の軸線方向に後進させることで、切削刃１４による管１内面の切削を連続的に行う。

その際、各カートリッジ１３は作動油から同一の圧力を受けていることから、各第１ガイドローラ１５が同一の圧力で管１内面に押し付けられるとともに、各切削刃１４が同一の圧力で管１内面に食い込むようになる。これによって、管１内面が同一の切削代で切削される。

なお、各カートリッジ１３において、切削刃１４による切削面と第１ガイドローラ１５の周面との距離δが、切削刃１４による管１内面の切削代となる。

（Ｓ５）そして、切削ヘッド１２（切削刃１４）が管１の最後端まで到達したら、切削刃１４による管１内面の切削を終了する。

このようにして、この実施形態における管内面切削装置１０は、管１を固定して、切削刃１４を回転させるようにし、ガイドローラ１５と切削刃１４の軸線方向位置を合わせるように配置したことに加えて、軸方向ピストン２５と楔２６を採用することによって、より小型な装置で小径管の高速度で管内面を優れた加工精度で切削することができる。

さらに、切削ヘッド１２に、管１の内面を管軸方向に転動するサポートローラを配置するようにしてもよい。このサポートローラは、管１内面を切削していない状態で切削ヘッド１２を管１の軸線方向に移動させる際に使用することで、その移動を滑らかにすることができる。

なお、上述したように、この管内面切削装置１０を用いると、第１ガイドローラ１５が管１内面に倣いながら同一の切削代で切削することができるので、図４に示すように、管１の断面が偏平（楕円）の場合でも、同一の切削代になるような切削部形状２で切削することができる。

ただし、管１の断面が偏平（楕円）の場合に、必要であれば、各カートリッジ１３を固定ボルト（図示せず）等で切削ヘッド１２に固定して、第１ガイドローラ１５が管１内面に倣わないようにすれば、図５に示すように、管１の内面が真円になるような切削部形状２で切削することができる。

ちなみに、この実施形態では、油圧作動力方向変更部材として楔２６を用いているが、他の油圧作動力方向変更部材を用いてもよい。例えば、ラック・ピニオン構造（軸方向移動ラック、ピニオン、径方向移動ラック）とすることもできる。

本発明例として、図１に示した本発明の一実施形態における管内面切削装置１０の設計を行った。また、また、従来例として、特許文献２に記載の管内面切削装置１０Ｘの設計を行った。そして、本発明例および従来例のそれぞれについて、切削対象管の公称内径と可能ストローク量の関係を整理した。その結果を図６に示す。

図６に示しように、従来例では、［発明が解決しようとする課題］の欄で述べた如く、可能ストローク量が必要ストローク量（公称内径の１／１５）を確保できるのは公称内径１３０ｍｍ以上の管の場合であり、公称内径１３０ｍｍ未満の管の場合には必要ストローク量を確保できなかった。

これに対して、同じく図６に示すように、本発明例では、公称内径８０ｍｍ以上の管の場合に、可能ストローク量が必要ストローク量（公称内径の１／１５）を確保することができた。これにより、切削対象とすることができる小径管の範囲を拡大することができた。

また、本発明例では、可能ストローク量が従来例に比べて約２０％増加しており、このことは、あるサイズの切削ヘッドひとつで多様な内径の管を切削することが可能となり、所持する切削ヘッドの数を減らすことで導入コストを低減できることを意味している。

１ 管
２ 切削部形状
１０ 管内面切削装置
１０Ｘ 管内面切削装置
１１ ボーリングバー
１２ 切削ヘッド
１３ カートリッジ
１４ 切削刃
１５ 第１ガイドローラ
１６ 第２ガイドローラ
２１ 第１油圧配管
２２ 第２油圧配管
２３ 作動油チャンバ
２５ ピストン
２６ 楔（油圧作動力方向変更部材）
２７ ロータリジョイント
２８ 作動油供給口
２９ 作動油供給路
３０ バネ
４１ 油圧作動力
４２ バネによる付随力

［１］管の軸線方向に進退可能なボーリングバーと、該ボーリングバーの先端に取り付けられて前記管の中に挿入可能な切削ヘッドと、該切削ヘッドに配置されて前記管の内面へ向けて移動可能なカートリッジと、該カートリッジの周面に設置されて前記管の内面を切削する切削刃と、前記カートリッジの周面に設置されて前記切削刃による切削面よりも径方向の中心側に周面が位置し前記管の内面を周方向に転動するガイドローラと、前記切削ヘッドの内部に設置されて前記カートリッジに外側へ向かう作動力を負荷するための作動油チャンバと、該作動油チャンバから油圧を負荷されるピストンと、該ピストンの先端に設置された油圧作動力方向変更部材とを備え、前記作動油チャンバから前記ピストンへ軸方向に負荷される油圧作動力を前記油圧作動力方向変更部材により径方向へ変換して前記カートリッジに伝達することで、前記カートリッジを径方向に動作させることを特徴とする管内面切削装置。

Claims (3)

1. 管を固定する固定装置と、前記管の軸線方向に進退可能なボーリングバーと、該ボーリングバーの先端に取り付けられて前記管の中に挿入可能な切削ヘッドと、前記ボーリングバーを介して前記切削ヘッドを前記管の軸線回りに回転させる回転装置と、前記切削ヘッドに配置されて前記管の内面へ向けて移動可能なカートリッジと、前記カートリッジの周面に設置されて前記管の内面を切削する切削刃と、前記カートリッジの周面に設置されて前記切削刃による切削面よりも径方向の中心側に周面が位置し前記管の内面を周方向に転動するガイドローラと、前記切削ヘッドの内部に設置されて前記カートリッジに外側へ向かう作動力を負荷するための作動油チャンバと、該作動油チャンバに作動油を供給する作動油流路と、前記切削ヘッドが前記管の軸線回りに回転可能となるように前記作動油流路を形成するためのロータリジョイントと、前記作動油チャンバから油圧を負荷されるピストンと、該ピストンの先端に設置された油圧作動力方向変更部材とを備え、前記作動油チャンバから前記ピストンへ軸方向に負荷される油圧作動力を前記油圧作動力方向変更部材により径方向へ変換して前記カートリッジに伝達することで、前記カートリッジを径方向に動作せることを特徴とする管内面切削装置。
2. 前記油圧作動力方向変更部材は楔であることを特徴とする請求項１に記載の管内面切削装置。
3. 前記切削ヘッドに、前記管の内面を管の軸線方向に転動するサポートローラを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の管内面切削装置。

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