JPH0712568B2 - 超音波加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、原子炉燃料ペレットや放射性材料の穴開けあ
るいは切削加工等を、セル内で遠隔操作により乾式状態
で効率よく実施できる超音波加工装置に関するものであ
る。

本発明は例えば、 原子炉燃料ペレットの中空加工、 被覆管に内蔵される原子炉燃料ペレットに熱電対、Si
C温度モニタ、中性子照射量測定用ワイヤ・モニタ等の
各種センサを装着するためのペレット深穴加工、 使用済原子炉燃料のうち特に高燃焼度のため被覆管内
面で焼き付き高硬度状態にある燃料の長尺被覆管からの
採取、完全除去、及び回収のための切削加工、 原子炉内で使用した高放射性で且つ高硬度の制御棒用
吸収材料B₄C等のセラミックスの切削加工、 等を実施でき、原子炉燃料製造施設や燃料及び材料の照
射後試験施設、照射試験体の再組立施設等で利用できる
装置である。

［従来の技術］ 使用前あるいは使用済の固体状原子炉燃料の穴開け、切
削、除去等には、単なる湿式の施盤ドリル加工装置、ま
たは湿式で且つ研磨材を使用する超音波振動ドリル加工
装置が使用されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかし従来の湿式の加工装置では、加工燃料から冷却用
オイルや研磨材としての砥粉を分離するための処理が必
要なこと、核分裂生成物と冷却材水分との反応生成物に
より被覆管の腐食が生じること、加工燃料粉を含む放射
性廃棄物量が増加すること、燃料回収率が低いこと等の
問題があった。

このような問題は湿式加工法に起因するため、従来の装
置をそのまま乾式加工に用いることが考えられるが、以
下のような問題が生じ実用化に至っていない。

従来の装置では、工具先端での燃料加工部で発生する
熱量が制御されないため、加工部が高温になり易く、ド
リル刃先の軟化変形と切先不能が生じる。

従来の超音波振動ドリル加工装置の場合には、上記の
問題に加えて、研磨材を使用しないとドリル刃先の摩耗
減損がより著しくなる問題もある。

これらの加工装置ではドリル刃先が摩耗あるいは変形
すると、加工部での刃先の片当たりによりドリル欠損が
生じ易い。

このように従来装置をそのまま乾式加工に用いたので
は、何れにしてもドリル刃先の交換頻度が高くなるため
実用的なものにはならない。

また従来の湿式及び乾式装置ともマニピュレータによる
遠隔操作は考慮されていないため、セル（高放射性物質
を取り扱うために試験機器本体を収容する遮蔽壁で囲ま
れた区画）内に設置することができない。

使用済原子炉燃料において、被覆管から固体燃料を除去
する目的に対しては、燃料のみに一方向の押出力を加え
て燃料を除去する技術がある。低燃焼度燃料の場合はこ
のような単純な押出式燃料除去装置によって燃料の除去
が可能であるが、高燃焼度燃料の場合には燃料と被覆管
が固着してしまい、その固着力が強いため単純な常温で
の押出式加工では被覆管を損傷させることなく燃料を取
り出すことは困難である。

本発明の目的は、上記のような技術的課題を解決するこ
とにある。即ち、ビッカース硬さで800以上の高硬度状
態を含む原子炉燃料の任意径と長さのペレットの深穴加
工、燃焼付き被覆管からの燃料の採取、除去、及び回収
のための切削加工等を、被加工材の健全性を維持しなが
ら乾式で且つ研磨材を使用することなく99％以上の燃料
回収率で行うことを可能とする遠隔操作型の超音波加工
装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 上記のような技術的課題を解決できる本発明は、 （ａ）超音波縦振動ホーンツールの先端に遠隔操作用マ
ニピュレータで着脱自在の超硬チップ付きドリルを装着
し、該ドリルに超音波振動のみが加わる固定式の超音波
振動子加工部、同様に遠隔操作可能なコレットチャック
式試料保持部、該試料に回転を付与すると共に前記ドリ
ル方向に送る試料駆動部、加工試料受槽を有する乾式の
超音波振動ドリル加工装置本体と、 （ｂ）冷却材を循環して前記超音波振動加工部を冷却す
る振動子冷却装置と、 （ｃ）プレフィルタと高性能エアフィルタを備えた加工
試料集塵装置と、 をセル内に設置すると共に、 （ｄ）切削速度を計測してドリルの摩耗状態を監視する
ドリルの摩耗状態の監視機構、 （ｅ）超音波出力の異常低下を監視して、異常低下時に
加工動作を停止するスイッチを備えたドリルの欠損検出
機構、 （ｆ）試料駆動部側に組み込んだ加工時のドリル刃先の
最適押し当て荷重の保持・調整と過負荷を防止する機構 を設けた超音波加工装置である。

ここで例えば加工時のドリル刃先の最適押し当て荷重の
保持・調整と過負荷を防止する機構は、超音波振動子加
工部のベッド部上に設けた上下のスライド盤と、両スラ
イド盤間に設けた過負荷防止スプリングと、該過負荷防
止スプリングのスパン調整ネジと、過負荷防止スプリン
グに規定以上の加工部反力がかかった時に作動し加工動
作を停止させるリミットスイッチとから構成する。

［作用］ 本発明では超音波振動ドリル加工装置本体や振動子冷却
装置、加工試料集塵装置はセル内に設置され、マニピュ
レータによる遠隔操作が可能になっているため、高放射
性高硬度物質でも安全に加工できる。本発明は乾式加工
装置であるから、不純物の混入がなく、湿式法に伴う種
々の問題を全て解決できる。

ドリルの摩耗状態の監視は切削速度計によって検出す
る。ドリル先端が大きく摩耗し試料が異常な発熱状態に
近くなると切削速度が極端に低下するため、切削速度を
監視することによって異常発熱の開始を予知しドリル交
換時期を検知する。またドリル欠損が発生すると超音波
出力が急激に低下するため、超音波出力表示計に出力異
常低下検出スイッチを取り付けることによって欠損発生
時に加工動作を停止させる。

更にドリル刃先に過大な負荷が発生すると刃先の損傷や
摩耗の進み、試料の異常発熱、試料損傷等が発生する。
本発明ではドリル刃先の最適押し当て荷重の保持・調整
と、過負荷を防止する機構は、それらの問題を解決し効
率よい切削加工を可能にする。

［実施例］ 第１図は本発明に係る超音波加工装置の一実施例を示す
概略構成図である。同図に示すように本発明は、超音波
振動ドリル加工装置本体11と、振動子冷却装置12と、加
工試料集塵装置13とを具備し、それらを遮蔽壁14と遮蔽
窓15で囲まれたセル16内に設置した構成である。超音波
振動ドリル加工装置本体11と振動子冷却装置12及び加工
試料集塵装置13とはそれぞれ冷却パイプ17及び集塵パイ
プ18で機械的に結合されている。また各装置は何れもセ
ル外から電力が供給されて動作する。更に図示するを省
略するが、それらの各装置の動作を制御し計測を行う制
御装置がセルの外部に設置される。

超音波振動ドリル加工装置本体11の詳細を第２図A,Bに
示す。この超音波振動ドリル加工装置本体11は、基盤を
なすベッド部20の一方の側に設けた超音波振動子加工部
21と、それと反対側に設けた試料保持部及び試料駆動部
を備えており、遠隔装置が可能な乾式加工装置である。

超音波振動子加工部21は縦振動ホーンツール24、該ホー
ンツールの先端に遠隔操作用マニピュレータで着脱自在
の超硬チップ付きドリル25、前記振動子冷却装置との間
で冷却材パイプを接続するための接続部26を備えてい
る。試料保持部は、加工用の試料28を固定するコレット
チャック29、コレットチャック締付けレバー30、コレッ
トチャック取替え用ハンドル31等からなり、また試料駆
動部は試料回転用モータ33、加工試料を送るステップモ
ータ34、各種リミットスイッチ及びストライカー35等を
備えている。

またベッド部20のほぼ中央には加工中に落下する試料粉
や破片等を回収するための加工試料受槽36と加工試料飛
散防止用のアクリル樹脂製の集塵ボックス37が設けら
れ、該集塵ボックス37の上部には前記加工試料集塵装置
との間に接続される集塵パイプ18が取り付けられる。

上記の超音波振動ドリル加工装置本体11では、長尺試料
の加工を容易にするため、80〜100mm及ぶ燃料試料に対
しては片側からの加工が試料中央部付近まで到達したな
らば、一旦、加工を自動停止させ、コレットチャック部
での試料の反転を行い再加工可能な構造になっている。

振動子冷却装置12は第３図に示すように、冷却油を貯蔵
する冷却油槽41、油面計42、冷却油を循環する冷却用ポ
ンプ43、冷却油温度を測定する温度計44等からなり、第
１図に示すように冷却材パイプ17によって超音波振動ド
リル加工装置本体11の超音波振動子加工部21と結合す
る。

加工試料集塵装置13は、第４図に示すように、やや大き
めの（粒径0.3μｍ程度かそれ以上の）微粒子をトラッ
プするプレフィルタ51と、それ以下の微粒子を収集する
高性能エアフィルタ52とを２段直列に組み合わせて配置
し、その他ブロア53及びフィルタの集塵状態を監視し目
詰まりに対するフィルタ交換時期を指示する差圧計54を
備えている。プレフィルタ51としては例えば0.3μｍメ
ッシュ程度のペーパーフィルタを用いる。

上記のような各装置をセルの外部から計測・制御する制
御装置は、振動子冷却装置駆動系、試料回転送り制御
系、及び超音波発振制御系等から構成される。

本発明に係る装置では、高放射線量率下で使用するた
め、超音波振動ドリル加工装置本体11、振動子冷却装置
12、加工試料集塵装置13のうち使用頻度や交換頻度が高
いコレットチャック操作部、ホーンツール部分等につい
ては、何れも単純なレバー式やトルクレンチを用いた回
転式とし、また集塵用フィルタ類についてもマニピュレ
ータによる分解・交換が可能な分割組立て方式が採用さ
れている。

次に超音波振動部の一例を第５図Ａ〜Ｃに示す。この超
音波振動部は、縦振動ホーンツール24の先端にドリル25
を装着した構造であり、先端のドリル25を用途に応じて
取り替えることによって任意径、任意の硬さの試料の加
工を行なえるようになっている。このような工具によっ
て硬度H_V＝1000程度の原子炉燃料までの加工が可能であ
る。しかし超硬度になるほどドリル先端の摩耗速度は大
きくなり加工に時間を要する。精密加工が要求されるよ
うな場合には粗加工と仕上げ加工の２段階に分け、また
試料のサンプリングを行うような場合には中空円形のド
リルを使用する。ドリルとホーンツールとを分割構造に
すると低コスト化を図ることができるが、遠隔操作性を
より向上するためにはドリルとホーンツールとを一体化
してもよい。

さて本発明では乾式加工を行うために更に以下に述べる
ような機構が付設されている。それらはドリルの摩耗状
態の監視機構、ドリルの欠損検出機構、加工時のドリル
刃先の最適押し当て荷重の保持・調整と過負荷を防止す
る機構である。

高硬度の原子炉燃料を乾式で切削加工すると加工中に発
熱量が増大することがあり、昇温によるドリル刃の軟化
によって切削不能の状態になる。また昇温に伴い試料に
悪影響を及ぼす。これらを防止するため種々の検討を試
みた結果、ドリル先端での発熱量の増大とドリル摩耗が
密接に関係していることが明らかとなり、それを利用し
てドリルの状態を適切に把握することで乾式加工が可能
となることが判明した。

先ずドリル先端が40〜50％以上摩耗すると急激に切削速
度が低下し、60％以上では試料及びドリル先端での発熱
が著しく増大することが判った。この関係を第６図に示
す。同図ではH_V＝830のアルミナ焼結体を試料としてド
リル先端摩耗度（％）に対する切削速度（mm/分）の関
係を示している。ドリル先端摩耗度が60％を超えた領域
が試料発熱域となる。そこで本発明では問題解決のため
にドリルの摩耗程度を切削速度計及び切削速度記録計で
検出し、ドリル先端が大きく摩耗して試料が発熱状態に
近くなると切削速度が極端に低下することを利用して、
異常発熱の開始を予知してドリル交換時期を検知する機
構を採用している。

次に第７図に示すように、乾式加工時にドリル欠損が発
生すると超音波出力が約1/2に減少することが判った。
そこでこのことを利用して超音波出力表示計に出力異常
低下検出スイッチを取り付け、ドリル欠損発生時に加工
動作を停止する機構を設けることによって試料の燃料被
覆管や燃料の損傷を防止している。

超音波振動が伝達されるドリル刃先に過大な荷重が加わ
ると、刃先損傷や摩耗の進行、試料の異常発熱、試料損
傷等が生じる。これらを防止するためには試料加工時の
ドリル刃先の押し当て荷重を常時最適値に保つ必要があ
る。第８図は模擬燃料としてH_V＝800のアルミナ焼結体
を使用して求めたドリル刃先押し当て荷重（kg）と切削
速度との関係を示している。同図から明らかなように、
ドリル刃先押し当て荷重が0.8〜1.2kgの範囲において最
も良好な切削効率を示し、0.7kg以下では切削速度が低
く、逆に1.4kg以上ではドリルの摩耗速度が増加し切削
速度も急速に低下する。本発明ではこのような関係をふ
まえ、ドリル刃先の加工試料への押し当て荷重が最適と
なるような機構を組み込んでいる。その例を第９図に示
す。

この機構は、試料保持装置61を搭載する上部スライド盤
63と、これらを搭載し定速駆動する下部スライド盤62と
の間に設けられるものである。即ち両スライド盤62,63
の間に過負荷防止スプリング64と、そのスパン調整ネジ
65と、過負荷防止スプリング64に規定以上の加工部反力
がかかった時に作動して加工動作を停止させるリミット
スイッチ66を設けたものである。過負荷防止スプリング
64については第２図Ｂにも図示してある。

切削加工時にはステップモータ34（第２図Ａ参照）によ
り下部スライド盤62を白抜き矢印ａ方向に定速駆動す
る。上部スライド盤63には過負荷防止スプリング64を介
して駆動力が加わり、それと反対方向（白抜き矢印ｂ）
に加工部反力が加わる。過負荷防止スプリング64のスパ
ンを調節ネジ65により最適切削押し当て荷重に設定し切
削加工を行わせる。このように過負荷防止スプリング64
はドリル先端への最適押し当て荷重素子としての役割を
も果たす。ドリル刃先の押し当て荷重が規定以上になっ
た場合は、過負荷防止スプリング64が反力に応じて収縮
し、リミットスイッチ66が作動する。これによって加工
試料の送り用ステップモータ34及び試料回転用モータ33
が停止し、加工動作が停止するように動作する。

さて一般に超音波による加工速度を増大させるためには
先端加工工具の超音波振動の振幅を大きくすればよく、
このためには振動子への電気入力を大きくするか振動子
の共振周波数をできる限り低くするのがよい。しかし振
動子周波数が低くなると可聴音となる虞れがあるため、
実用的には16〜30kHzの範囲の周波数が選ばれている。
本装置は気密型セル内に設置されることを考慮し、共振
周波数として16kHz近傍を選定し、この条件で電気入力
を最大にする超音波振動制御系を採用している。実際に
は制御装置に超音波振動調整切り換えスイッチを設け、
それによって最大出力を調整・保持できるようになって
いる。

原子炉燃料の切削加工においては、燃料以外の物質を混
入させることなく、且つ加工により生じた燃料破片、燃
料粉等の燃料物質を高回収率で回収することが強く要請
される。例えばウランとプルトニウムの混合酸化物燃料
の燃料除去加工においては、0.1gのオーダーの回収が望
まれている。また原子炉燃料加工中における燃料粉の飛
散による汚染の低レベル化、汚染除去時の放射性廃棄物
の低減化も重要な課題をなしている。本発明において
は、超音波振動ドリル加工装置本体の中央部に設けた加
工試料受槽内で試料を移動・加工し、加工中に落下する
燃料粉や破片を先ず回収し、また微粉化した燃料粉につ
いては第４図に示すような加工試料集塵装置によって回
収率を高めるようになっている。本体の集塵ボックス37
から吸引した空気中の燃料微粉はプレフィルタ51でトラ
ップされる。フレフィルタ51に捕獲された微粉末は集塵
装置からプレフィルタ51そのものを分解し取り出すこと
によって収集可能である。高性能エアフィルタ52ではプ
レフィルタ51を通過した燃料粉をトラップし、セル内で
の燃料微粉の飛散による汚染防止、ひいては汚染除去時
の放射性廃棄物の低減化を図っている。

次に本実施例に示す装置によって模擬燃料であるアルミ
ナ焼結ペレットを加工した場合の回収例を第１表に示
す。同表に示すように、回収率は非常に良好で、平均99
％以上の値になっている。

試験に使用した模擬燃料ペレットはステンレス鋼被覆管
に焼き嵌めた均質の超硬アルミナ焼結体であり、微細ク
ラックは全くない稠密のものである。ところが実際の加
工対象物の代表的なものは、被覆管に酸化物燃料ペレッ
トを収めたものであり、このような使用済原子炉燃料ペ
レットでは微細な空孔やクラックが多数発生している。
このため極めて破片化・細粉化し易く、緻密な充填状態
の模擬燃料ペレットの場合よりも容易に加工し得るもの
と判断できる。従って本発明の装置によってピッカース
硬さ800以上の超硬度の原子炉燃料の深穴加工や切削加
工を、乾式で研磨材を使用することなく、遠隔操作用マ
ニピュレータにより行うことができ、しかも燃料加工粉
を99.9％以上の高高率で回収することができる。

以上本発明の好ましい一実施例について詳述したが、本
発明はこのような構成のみに限定されるものではない。
上記の実施例では超音波振動ドリル加工装置本体を横置
型構造にしているが、超音波振動子加工部を垂直に設置
し、加工試料部を垂直に駆動させるような縦型構造にし
てもよい。また上記の実施例では試料保持部を駆動する
方式であるが、試料保持部を固定し超音波振動子加工部
を動かすような構造にしてもよい。

本発明に係る装置は次のような用途に利用できる。

使用済原子炉燃料付き被覆管から、被覆管が健全なま
まの状態で燃料のみを効率よく回収し、材料の照射特性
を調べるための被覆管試料を採取すること、 燃料温度測定のための熱電対埋込み用穴加工や中性子
照射量測定のためのワイヤ・モニタ埋込み用穴を設ける
ための原子炉燃料加工、中空燃料ペレット作成のための
穴加工、その他の目的のための燃料深穴加工に利用する
こと、 原子炉内で使用した高放射性の制御棒からB₄Cペレッ
ト片を採取すること、 等に使用できる。

［発明の効果］ 本発明では上記のように超音波振動ドリル加工装置本体
や振動子冷却装置、加工試料集塵装置をセル内に設置
し、それらを遠隔操作用マニピュレータにより操作可能
にすると共に、ドリルの各種状態の監視検出機構やドリ
ル刃先の最適押し当て荷重の保持・調整等ができる機構
を設けたから、ビッカース硬さ800以上の超硬度の原子
炉燃料の深穴加工や切削加工等を乾式で研磨材を使用す
ることなく実施でき、しかも放射性加工粉や燃料加工粉
を99％以上の高回収率で回収することが可能となった。

このような本発明装置を活用することによって、原子炉
技術の中でもキーテクノロジーである原子炉燃料集合体
の長寿命化、信頼性の高い高性能原子炉燃料の開発等を
促進することができる。

更に極めて高回収率で燃料加工が可能であり、且つ乾式
のため不純物の混入が無い状態で原子炉燃料を回収でき
る結果、原子炉燃料の有効な再利用を図ることができ
る。また、作業環境における原子炉燃料粉の飛散による
放射能汚染を防止し、原子炉燃料物質を含む放射性廃棄
物量を低減化でき、照射後試験施設周辺の環境に放出さ
れる放射性物質を極く低レベルに維持すること等が可能
となる等、数々の優れた効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る超音波加工装置の一実施例を示す
概略構成図、第２図A,Bは超音波振動ドリル加工装置本
体の正面図と平面図、第３図は振動子冷却装置の正面
図、第４図は加工試料集塵装置の正面図、第５図A,B,C
はそれぞれ超音波振動子部の正面図とドリル刃先の拡大
図及びその側面図である。また第６図はドリル先端摩耗
度と切削速度との関係を示す説明図、第７図はドリル欠
損発生時における出力変化を示す説明図、第８図はドリ
ル刃先押し当て荷重に対する切削速度の関係を示す説明
図、第９図は加工時におけるドリル刃先の最適押し当て
荷重の保持・調整と過負荷を防止する機構を示す説明図
である。 11……超音波振動ドリル加工装置本体、12……振動子冷
却装置、13……加工試料集塵装置、16……セル、21……
超音波振動子加工部、24……ホーンツール、25……超硬
チップ付きドリル、28……試料、29……コレットチャッ
ク、51……プレフィルタ、52……高性能エアフィルタ、
62……下部スライド盤、63……上部スライド盤、64……
過負荷防止スプリング、65……スパン調整ネジ、66……
リミットスイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 義則 茨城県東茨城郡大洗町成田町4002番地 動 力炉・核燃料開発事業団 大洗工学センタ ー内 (72)発明者 曽我部 清 茨城県東茨城郡大洗町成田町4002番地 動 力炉・核燃料開発事業団 大洗工学センタ ー内 (56)参考文献 実開 昭59−120504（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−205748（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭41−3028（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）超音波縦振動ホーンツールの先端に
   遠隔操作用マニピュレータで着脱自在の超硬チップ付き
   ドリルを装着し、該ドリルに超音波振動のみが加わる固
   定式の超音波振動子加工部、同様に遠隔操作可能なコレ
   ットチャック式試料保持部、該試料に回転を付与すると
   共に前記ドリル方向に送る試料駆動部、加工試料受槽を
   有する乾式の超音波振動ドリル加工装置本体と、 （ｂ）冷却材を循環して前記超音波振動子加工部を冷却
   する振動子冷却装置と、 （ｃ）プレフィルタと高性能エアフィルタを備えた加工
   試料集塵装置と、 をセル内に設置すると共に、 （ｄ）切削速度を計測してドリルの摩耗状態を監視する
   ドリルの摩耗状態の監視機構、 （ｅ）超音波出力の異常低下を監視して、異常低下時に
   加工動作を停止するスイッチを備えたドリルの欠損検出
   機構、 （ｆ）試料駆動部側に組み込んだ加工時のドリル刃先の
   最適押し当て荷重の保持・調整と過負荷を防止する機構 を設けたことを特徴とする超音波加工装置。
2. 【請求項２】加工時のドリル刃先の最適押し当て荷重の
   保持・調整と過負荷を防止する機構は、超音波振動子加
   工部のベッド部上に設けた上下のスライド盤と、両スラ
   イド盤間に設けた過負荷防止スプリングと、該過負荷防
   止スプリングのスパン調整ネジと、過負荷防止スプリン
   グに規定以上の加工部反力がかかった時に作動し加工動
   作を停止させるリミットスイッチとからなる請求項１記
   載の超音波加工装置。