JP5748052B2 - 長尺ノズル内面加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、中心軸が鉛直に保持された長尺ノズルの内面加工部を加工する長尺ノズル内面加工装置に関する。

例えばジェットエンジンのタービンとファン又はコンプレッサを連結するロングシャフトは、軸方向に貫通穴を有し、全長が貫通穴の内径の１０〜２０倍に達する。以下このような部材を「長尺シャフト」又は「長尺ノズル」と呼ぶ。

長尺シャフトの内面を加工又は検査する装置として、例えば特許文献１〜３が既に提案されている。

特開２００９−２４１２４９号、「長尺シャフト内面加工装置とその方法」 特開２０１０−１８８４８４号、「内面加工装置」 特開２０１０−２１７１４４号、「内面検査装置とこれを備える内面加工検査装置」

図１は、本発明が対象とする長尺ノズルの模式図である。この長尺ノズル１は、容器２の上面に設けられ、中心軸３に対し線対称の内面４を有し、中心軸３が鉛直に保持されている。
容器２は、例えば化学プラント用の反応容器、原子炉の圧力容器や反応炉である。

長尺ノズル１の内径ｄは、例えば１００〜１２０ｍｍ、長さＬは、例えば１２００〜２０００ｍｍであり、長さＬは内径ｄの１０〜２０倍に達する。なお外径Ｄは、例えば１４０〜１６０ｍｍである。

このような長尺ノズル１は、容器２の上面に予め溶接等で固定された下端ノズル５の上端に溶接により連結される。
この溶接時において、信頼性の高い溶接を行うために、溶接部の内側に裏当て金６が用いられる。裏当て金６は、長尺ノズル１の内面を下端ノズル５の内面と同芯に位置決めする芯出し機能も有する。

裏当て金６は、溶接後に切削除去する必要がある。しかし、容器２は大型であり、長尺ノズル１の中心軸３が鉛直に保持されているため、以下の問題点があった。

従来の中ぐり盤の場合、加工ヘッドが大きく穴内部に挿入できない。また、ボーリングバーは、長尺ノズルの小径の穴を通して外側で支持されるため、加工反力を受けてたわみやすい。
そのため、従来の中ぐり盤では長尺かつ小径の穴加工は不可能であった。

また、特許文献１〜３の専用の内面加工装置の場合、加工ヘッドに設けられたチャックは独立して動けない。そのため、長尺ノズル１の下端部内面が下端ノズル５に対して偏芯している場合、下端ノズル５の内面に合わせて長尺ノズル１の下端部を精度良く加工することができない。
また、裏当て金６の切削除去の際に発生する切り屑が下方に落ちるため、容器２の内側に装置を設けることができない。

本発明は、かかる問題点を解決するために創案したものである。すなわち、本発明の目的は、中心軸が鉛直に保持された長尺ノズルの内面加工部を、加工反力によるたわみが小さく、かつ切り屑の影響を受けることなく、精度良く加工することができる長尺ノズル内面加工装置を提供することにある。

本発明によれば、中心軸に対し線対称の内面を有し、中心軸が鉛直に保持された長尺ノズルの内面加工部を切削加工する長尺ノズル内面加工装置であって、
長尺ノズルの上端に固定された駆動部と、
駆動部から前記内面内に吊下げられ、内面加工部より上方に位置決め可能であり、かつ中心軸に対し線対称の第１中空貫通穴を有する支持ヘッドと、
駆動部から第１中空貫通穴を通して下方に延び、支持ヘッドにより回転可能に支持され、駆動部により中心軸に沿って上下動可能であり、かつ中心軸を中心に上端部が回転駆動される中空円筒形の主軸と、
支持ヘッドより下方の主軸下端部に設けられた加工工具を駆動部により半径方向に移動可能な切込調整機構とを備え、
支持ヘッドは、中心軸の軸方向に間隔を隔てた１対の芯だし装置を備え、
各芯だし装置は、周方向に互いに１８０度ずれた３組のチャック装置を有し、
各チャック装置は、支持ヘッドのヘッド本体内に半径方向に移動可能に案内され、半径方向内端に中心軸に対し一定の勾配を有する第１テーパ面を有するチャックと、
第１テーパ面と摺動する第２テーパ面を有し、ヘッド本体を通して駆動部まで延びるチャック駆動ロッドとを有し、
駆動部は、各チャック駆動ロッドを中心軸の軸方向に独立に駆動するチャック駆動装置を有する、ことを特徴とする長尺ノズル内面加工装置が提供される。

上記本発明の構成によれば、駆動部が長尺ノズルの上端に固定され、この駆動部により主軸と切込調整機構が駆動されるので、支持ヘッドを長尺ノズルの内面に挿入可能な大きさにできる。
また、支持ヘッドが内面加工部より上方に位置決めされ、主軸が支持ヘッドにより回転可能に支持され、加工工具が支持ヘッドより下方の主軸下端部に設けられるので、加工反力を支持ヘッドで支持して主軸のたわみを抑えることができる。

また、内面加工部より下方に構成部材がないので、切り屑の影響を受けるおそれがない。

従って、本発明により、中心軸が鉛直に保持された長尺ノズルの内面加工部を、加工反力によるたわみが小さく、かつ切り屑の影響を受けることなく、精度良く加工することができる。

本発明が対象とする長尺ノズルの模式図である。 本発明による長尺ノズル内面加工装置の全体構成図である。 図２の要部断面図である。 図２の駆動部の拡大図である。 図２の支持ヘッド周辺の拡大図である。 図５の断面図であり、（Ａ）はＡ−Ａ断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図２は、本発明による長尺ノズル内面加工装置の全体構成図であり、図３は、図２の要部断面図である。

図１、図２において、長尺ノズル１の中心軸３が鉛直に保持されている。また長尺ノズル１は、中心軸３に対し線対称の内面４を有する。従って内面４の内側は中空貫通穴である。
なお、この例では中空貫通穴の直径は、上端から下端まで一定であるが、本発明はこれに限定されず、部分的にテーパ面があってもよい。

本発明の長尺ノズル内面加工装置１００は、長尺ノズル１の内面加工部７を加工する装置であり、駆動部１０、支持ヘッド２０、主軸３０及び切込調整機構４０を備える。加工は後述する例では切削加工であるが、その他の加工（例えば研削や研磨）であってもよい。

駆動部１０は、長尺ノズル１の上端に固定される。長尺ノズル１の上端は水平面であるのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、傾斜や段差があってもよい。

支持ヘッド２０は、駆動部１０から連結部材５０により長尺ノズル１の内面４内に吊下げられ、内面加工部７より上方に位置決め可能に構成されている。
連結部材５０はこの例では支持ヘッド２０と駆動部１０を連結するパイプである。しかし、連結部材５０は中実の円筒部材であってもよい。
連結部材５０の長さは、主軸下端部３２（図３参照）に設けられた加工工具４１が、内面加工部７をカバーする範囲で上下動できるように設定される。
内面加工部７は、裏当て金６とその近傍の長尺ノズル１の内面下端部であり、内面の上下方向１２０〜１５０ｍｍの範囲である。

支持ヘッド２０はこの例では円筒形であり、中心軸３に対し線対称の第１中空貫通穴２１（図３参照）を有する。なお、円筒形以外の多角柱であってもよい。

主軸３０は、駆動部１０から支持ヘッド２０の第１中空貫通穴２１を通して下方に延び、支持ヘッド２０により回転可能に支持されている。また、主軸３０は中空円筒形であり、駆動部１０により中心軸３に沿って上下動可能であり、かつ中心軸３を中心に上端部（主軸上端部３３：図３参照）が回転駆動される。

切込調整機構４０は、支持ヘッド２０より下方の主軸下端部３２に設けられた加工工具４１を、駆動部１０により半径方向に移動可能に構成されている。加工工具４１は、この例では切削工具（バイト）であるが、本発明はこれに限定されず、その他の加工工具（例えば砥石）であってもよい。

図４は、図２の駆動部１０の拡大図であり、図５は、図２の支持ヘッド周辺の拡大図である。

図５において、支持ヘッド２０は、第１中空貫通穴２１の内面にすべり軸受２１ａを有し、主軸３０を回転可能に支持する。また、主軸３０は、中心軸３に対し線対称の第２中空貫通穴３１を有する。

図５において、切込調整機構４０は、ツール台４２とツール駆動ロッド４４とを有する。

ツール台４２は、加工工具４１を半径方向外端部（図で右端）に有する。また、ツール台４２は、主軸下端部３２内に半径方向に移動可能に案内され、中心軸３に対し傾斜した従動傾斜歯４３を有する。

ツール駆動ロッド４４は、第２中空貫通穴３１を通して駆動部１０まで延びる。また、ツール駆動ロッド４４はその下端部に従動傾斜歯４３と噛合する駆動傾斜歯４５を有する。
さらに、この例において、ツール駆動ロッド４４は駆動傾斜歯４５の上部に拡径部４６を有する。拡径部４６は、第２中空貫通穴３１の内面で案内され駆動傾斜歯４５を上下に円滑に案内するようになっている。

上述した切込調整機構４０の構成により、駆動部１０によりツール駆動ロッド４４を上下動することにより、駆動傾斜歯４５と従動傾斜歯４３との噛み合いにより、加工工具４１を半径方向に移動することができる。

図４において、駆動部１０は、駆動部本体１２、移動部本体１４、及び送り駆動装置１６を備える。

駆動部本体１２は、長尺ノズル１の上端に固定されている。この固定手段は、主軸３０の軸心が長尺ノズル１の中心軸３と一致するように、嵌め合い等で位置決めし、長尺ノズル１の上端にボルト等で固定するのがよい。
駆動部本体１２は、この例では上面が開口し、底板１２ａと側板１２ｂを有する中空円筒部材である。
なお、長尺ノズル１の上端に傾斜や段差がある場合には、主軸３０の軸心が長尺ノズル１の中心軸３と一致するように、底板１２ａの形状を設定する。

移動部本体１４は、駆動部本体１２に案内され中心軸３に沿って上下動可能に構成されている。
移動部本体１４は、この例では上面が開口し、底板１４ａと側板１４ｂを有する中空円筒部材であり、側板１４ｂの外周面が、駆動部本体１２の内面に設けられたすべり軸受１３により上下動可能に案内されている。

送り駆動装置１６は、移動部本体１４を駆動部本体１２に対し上下動する。
送り駆動装置１６は、この例では、駆動部本体１２の外面に固定された送り用モータ１６ａと、送り用モータ１６ａで回転駆動され上方に鉛直に延びる送りネジ１６ｂと、送りネジ１６ｂと噛み合い移動部本体１４の上部に固定されたナット部材１６ｃとを有する。
送りネジ１６ｂは例えばボールネジであり、ナット部材１６ｃは例えばボールナットである。
送り駆動装置１６のストロークは、主軸下端部３２（図３参照）に設けられた加工工具４１（図３参照）が、内面加工部７をカバーする範囲で上下動できるように設定される。

上述した駆動部１０の構成により、送り用モータ１６ａで送りネジ１６ｂを回転駆動することにより、ナット部材１６ｃを上下動させて、移動部本体１４を駆動部本体１２に対し上下動することができる。

図４において、移動部本体１４は、主軸駆動装置３４とツール駆動装置４８とを有する。

主軸駆動装置３４は、中心軸３を中心に主軸上端部３３を回転駆動する。
主軸駆動装置３４は、この例では、移動部本体１４の内部に固定された回転駆動用モータ３４ａと、回転駆動用モータ３４ａで回転駆動され鉛直軸を中心に回転する駆動歯車３４ｂと、駆動歯車３４ｂと噛み合い主軸上端部３３に固定された従動歯車３４ｃとを有する。
また、主軸上端部３３は、移動部本体１４に設けられた軸受３５により、主軸３０の軸心を中心に回転可能に支持されている。

上述した主軸駆動装置３４の構成により、回転駆動用モータ３４ａで駆動歯車３４ｂを回転駆動することにより、従動歯車３４ｃを回転駆動して、中心軸３を中心に主軸上端部３３を回転駆動することができる。

ツール駆動装置４８は、ツール駆動ロッド４４を中心軸３の軸方向に駆動する。
ツール駆動装置４８は、この例では、移動部本体１４の内部に固定されたツール駆動用モータ４８ａと、ツール駆動用モータ４８ａで回転駆動され上方に鉛直に延びる送りネジ４８ｂと、送りネジ４８ｂとツール駆動ロッド４４の上部に固定されたナット部材４８ｃとを有する。
送りネジ４８ｂは例えばボールネジであり、ナット部材４８ｃは例えばボールナットである。

上述したツール駆動装置４８の構成により、ツール駆動用モータ４８ａで送りネジ４８ｂを回転駆動することにより、ナット部材４８ｃを上下動させて、ツール駆動ロッド４４を中心軸３の軸方向に駆動することができる。

図６は図５の断面図であり、（Ａ）はＡ−Ａ断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。
図５において、支持ヘッド２０は、中心軸３の軸方向に間隔を隔てた１対の芯だし装置２２を備える。図６において、各芯だし装置２２は、周方向に互いに１８０度ずれた３組のチャック装置２４からなる。

各チャック装置２４は、チャック２５とチャック駆動ロッド２６とを有する。
チャック２５は、支持ヘッド２０のヘッド本体２７内に半径方向に移動可能に案内され、半径方向内端に中心軸に対し一定の勾配を有する第１テーパ面２５ａを有する。
チャック駆動ロッド２６は、ヘッド本体２７を通して駆動部１０まで延びる。また、チャック駆動ロッド２６は、ロッド下端部２６ａに、第１テーパ面２５ａと摺動する第２テーパ面２６ｂを有する。

上述した１対の芯だし装置２２により、駆動部１０によりチャック駆動ロッド２６を上下動することにより、第１テーパ面２５ａと第２テーパ面２６ｂとの摺動により、チャック２５を半径方向に移動することができる。
また、１対の芯だし装置２２にそれぞれ対応するチャック駆動ロッド２６を独立に上下動することにより、長尺ノズル１の内面４がテーパ面であっても内面４に支持ヘッド２０を位置決めすることができる。

図４において、駆動部１０は、各チャック駆動ロッド２６を中心軸３の軸方向に独立に駆動するチャック駆動装置２８を有する。
チャック駆動装置２８は、この例では、駆動部本体１２の下部に設けられ中心軸３に直交する水平軸を中心に回転駆動されるチャック駆動軸２８ａと、チャック駆動軸２８ａの内方端とチャック駆動ロッド２６の上端部との間に設けられ、チャック駆動軸２８ａの回転をチャック駆動ロッド２６の上下動に変換するモーション変換器２９とを備える。
モーション変換器２９は、例えばチャック装置２４と同様のテーパ駆動装置、又は歯車、ネジ等で構成することができる。

この例において、各チャック駆動装置２８は、例えば手動でチャック駆動軸２８ａを回転させることにより、各チャック駆動ロッド２６を中心軸３の軸方向に独立に駆動することができる。
従って、上述したチャック駆動装置２８の構成により、各チャック駆動ロッド２６を独立に上下動させて、下端ノズル５の内面に合わせて支持ヘッド２０を同芯に位置決めできる。

この際、図５に示すように、主軸下端部３２の下端に内面計測センサ５２を取り付け、主軸３０を回転させながら下端ノズル５の内面までの半径方向距離を計測することにより、支持ヘッド２０を下端ノズル５の内面と同芯に位置決めすることができる。
内面計測センサ５２として、例えばレーザ距離計を用いることができる。この計測の際に、内面計測センサ５２と外部とのデータ通信は、容器２の内部からの有線接続又は無線で行うことができる。
なお、内面計測センサ５２はこの計測後に主軸下端部３２から取り外すのが好ましいが、取り付けたままであってもよい。

上述した本発明の構成によれば、駆動部１０が長尺ノズル１の上端に固定され、この駆動部１０により主軸３０と切込調整機構４０が駆動されるので、支持ヘッド２０を長尺ノズル１の内面に挿入可能な大きさ（例えば直径９０〜９５ｍｍ）にできる。
また、支持ヘッド２０が内面加工部７（図２参照）より上方に位置決めされ、主軸３０が支持ヘッド２０により回転可能に支持され、加工工具４１が支持ヘッド２０より下方の主軸下端部３２に設けられるので、加工時の加工反力を支持ヘッド２０で支持して主軸３０のたわみを抑えることができる。
また、内面加工部７より下方に構成部材がないので、切り屑の影響を受けるおそれがない。

また、支持ヘッド２０はそれぞれ独立に作動可能な上下６組のチャック装置２４を有するので、下端ノズル５の内面に合わせて支持ヘッド２０を同芯に位置決めできる。

従って、本発明により、中心軸３が鉛直に保持された長尺ノズル１の内面加工部７を、切り屑の影響を受けることなく、下端ノズル５の内面に合わせて精度良く加工することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ 長尺ノズル、２ 容器、３ 中心軸、４ 内面、
５ 下端ノズル、６ 裏当て金、７ 内面加工部、
１０ 駆動部、１２ 駆動部本体、１２ａ 底板、１２ｂ 側板、
１３ すべり軸受、１４ 移動部本体、１４ａ 底板、１４ｂ 側板、
１６ 送り駆動装置、１６ａ 送り用モータ、
１６ｂ 送りネジ、１６ｃ ナット部材、
２０ 支持ヘッド、２１ 第１中空貫通穴、２１ａ すべり軸受、
２２ 芯だし装置、２４ チャック装置、
２５ チャック、２５ａ 第１テーパ面、
２６ チャック駆動ロッド、２６ａ ロッド下端部、
２６ｂ 第２テーパ面、２７ ヘッド本体、
２８ チャック駆動装置、２８ａ チャック駆動軸、
２９ モーション変換器、３０ 主軸、
３１ 第２中空貫通穴、３２ 主軸下端部、
３３ 主軸上端部、３４ 主軸駆動装置、
４０ 切込調整機構、４１ 加工工具、
４２ ツール台、４３ 従動傾斜歯、
４４ ツール駆動ロッド、４５ 駆動傾斜歯、
４６ 拡径部、４８ ツール駆動装置、
４８ａ ツール駆動用モータ、４８ｂ 送りネジ、
４８ｃ ナット部材、５０ 連結部材、５２ 内面計測センサ、
１００ 長尺ノズル内面加工装置

Claims (5)

1. 中心軸に対し線対称の内面を有し、中心軸が鉛直に保持された長尺ノズルの内面加工部を切削加工する長尺ノズル内面加工装置であって、
   長尺ノズルの上端に固定された駆動部と、
   駆動部から前記内面内に吊下げられ、内面加工部より上方に位置決め可能であり、かつ中心軸に対し線対称の第１中空貫通穴を有する支持ヘッドと、
   駆動部から第１中空貫通穴を通して下方に延び、支持ヘッドにより回転可能に支持され、駆動部により中心軸に沿って上下動可能であり、かつ中心軸を中心に上端部が回転駆動される中空円筒形の主軸と、
   支持ヘッドより下方の主軸下端部に設けられた加工工具を駆動部により半径方向に移動可能な切込調整機構とを備え、
   支持ヘッドは、中心軸の軸方向に間隔を隔てた１対の芯だし装置を備え、
   各芯だし装置は、周方向に互いに１８０度ずれた３組のチャック装置を有し、
   各チャック装置は、支持ヘッドのヘッド本体内に半径方向に移動可能に案内され、半径方向内端に中心軸に対し一定の勾配を有する第１テーパ面を有するチャックと、
   第１テーパ面と摺動する第２テーパ面を有し、ヘッド本体を通して駆動部まで延びるチャック駆動ロッドとを有し、
   駆動部は、各チャック駆動ロッドを中心軸の軸方向に独立に駆動するチャック駆動装置を有する、ことを特徴とする長尺ノズル内面加工装置。
2. 主軸は、中心軸に対し線対称の第２中空貫通穴を有しており、
   切込調整機構は、加工工具を半径方向外端部に有し、主軸下端部内に半径方向に移動可能に案内され、中心軸に対し傾斜した従動傾斜歯を有するツール台と、
   従動傾斜歯と噛合する駆動傾斜歯を有し、第２中空貫通穴を通して駆動部まで延びるツール駆動ロッドとを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の長尺ノズル内面加工装置。
3. 駆動部は、長尺ノズルの上端に固定された駆動部本体と、
   駆動部本体に案内され中心軸に沿って上下動可能な移動部本体と、
   移動部本体を駆動部本体に対し上下動する送り駆動装置とを備える、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の長尺ノズル内面加工装置。
4. 移動部本体は、
   主軸上端部を中心軸を中心に回転駆動する主軸駆動装置と、
   ツール駆動ロッドを中心軸の軸方向に駆動するツール駆動装置とを有する、ことを特徴とする請求項３に記載の長尺ノズル内面加工装置。
5. 支持ヘッドは、第１中空貫通穴の内面に、主軸を回転可能に支持するすべり軸受を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の長尺ノズル内面加工装置。