(57)【特許請求の範囲】
【請求項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油圧を負荷する作動油チャンバと、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を備え、軸線方向において、前記切削刃の軸線方向先端位置が前記ガイドローラの軸線方向先端位置と軸線方向後端位置との間にあるとともに、周方向において、前記ガイドローラが前記切削刃に接触しない位置に配置され、前記ガイドローラと前記管の接触位置と前記切削刃の切削位置との周方向距離が前記ガイドローラの半径の１．０〜１．２倍であることを特徴とする管内面切削装置。
【請求項２】
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に記載の管内面切削装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
図８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８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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平５−３３７７０７号公報
【特許文献２】特開２０１４−１８４４９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、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では、管１の終端部における形状追従が不安定となるという問題や、場合によって、一定の切削代が確保できず、切削ビビリなどの加工不良を引き起こすという問題があることが分かった。
【００１２】
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、小型な装置でかつ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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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８に示すように、ガイドローラ１５と切削刃１４の間で管１の軸線方向に一定の距離Ｓがあるため、図９に示すように、ガイドローラ１５が管１の終端部から抜けた後の形状追従が不安定となり、過切削部４１が発生したり、図１０に示すように、ガイドローラ１５により管１の内面形状に倣っている個所の寸法・形状と切削刃１４による切削個所の寸法・形状とに差があった場合に、一定の切削代が確保できず、切削ビビリや未切削部４２などの加工不良を引き起こすことに気が付いた。そして、その問題を解決するために、ガイドローラ１５と切削刃１４の軸線方向の距離Ｓを無くすことを着想した。
【００１４】
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。
【００１５】
［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油圧を負荷する作動油チャンバと、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を備え、軸線方向において、前記切削刃の軸線方向先端位置が前記ガイドローラの軸線方向先端位置と軸線方向後端位置との間にあるとともに、周方向において、前記ガイドローラが前記切削刃に接触しない位置に配置されていることを特徴とする管内面切削装置。
【００１６】
［２］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］に記載の管内面切削装置。
【発明の効果】
【００１７】
本発明における管内面切削装置は、小型な装置でかつ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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態を示す模式図である。
【図２】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３】図１、２におけるＡ−Ａ矢視詳細図である。
【図４】図１、２におけるＢ−Ｂ矢視詳細図である。
【図５】偏平した管の内面切削状態（倣い切削）を示す図である。
【図６】偏平した管の内面切削状態（真円切削）を示す図である。
【図７】本発明の実施例における切削精度を比較した図である。
【図８】従来技術（特許文献２）を示す模式図である。
【図９】従来技術（特許文献２）の問題点を示す模式図である。
【図１０】従来技術（特許文献２）の問題点を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
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矢視詳細図であり、図４は、図１におけるＢ−Ｂ矢視詳細図である。
【００２１】
図１、図３、図４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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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の中に管の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。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。
【００２５】
その上で、この実施形態においては、図１、図３、図４に示すように、ガイドローラ１５と切削刃１４の位置関係は、軸線方向において、切削刃１４の軸線方向先端位置がガイドローラ１５の軸線方向後端位置（切削方向後端位置）に一致するようになっているとともに、周方向において、ガイドローラ１５が切削刃１４と接触しない位置に配置されている。
【００２６】
なお、ここでは、軸線方向において、切削刃１４の軸線方向先端位置がガイドローラ１５の軸線方向後端位置に一致するようになっているが、さらに近接させて、軸線方向において、切削刃１４の軸線方向先端位置がガイドローラ１５の軸線方向後端位置より前方に位置するようにしてもよい。
【００２７】
すなわち、この実施形態では、軸線方向において、切削刃１４の軸線方向先端位置がガイドローラ１５の軸線方向先端位置（切削方向先端位置）と軸線方向後端位置（切削方向後端位置）との間にあるようにしている。
【００２８】
そして、切削刃１４とガイドローラ１５との干渉を防止するために、周方向においては、切削ヘッド１２の回転方向に見て、ガイドローラ１５が切削刃１４に先行するとともに、ガイドローラ１５が切削刃１４に接触しない位置（異なる位置）に配置されている。
【００２９】
つまり、前述した特許文献２では、ガイドローラ１５と切削刃１４の周方向位置が同一であるため、ガイドローラ１５と切削刃１４の軸線方向位置を同一にすることは、ガイドローラ１５と切削刃１４が物理的に干渉するため不可能であったが、この実施形態では、ガイドローラ１５と切削刃１４との周方向位置が異なるように配置することで、ガイドローラ１５と切削刃１４が物理的に干渉するという問題点を解決している。
【００３０】
ただし、上記のように、ガイドローラ１５と切削刃１４が周方向に異なる位置に配置されている場合、図４に示すように、ガイドローラ１５が管１内面から受ける接触反力４３に基づくモーメント４５と、切削刃１４による切削反力４４に基づくモーメント４６との、二つの相反するモーメント４５、４６がカートリッジ１３に加わることになるが、これらのモーメント４５、４６によってカートリッジ１３が周方向に傾くことを防ぐことが大切である。これらのモーメント４５、４６を考慮せずに、周方向に異なる位置にガイドローラ１５と切削刃１４を配置した場合、カートリッジ１３が傾いて径方向に摺動せず、切削が不安定となり、ビビリや表面性状の悪化、削り残し等の問題が発生する可能性があるからである。
【００３１】
そこで、この実施形態では、上記のモーメント４５とモーメント４６とが釣り合うように、ガイドローラ１５と切削刃１５の周方向位置を設定することによって、ビビリや表面性状の悪化、削り残し等の問題が発生することを抑止するようにしている。
【００３２】
ちなみに、上記のモーメント４５、４６は、切削条件、具体的には回転周速、切削代、切削刃１４のすくい角等と、カートリッジ１３全体を径方向中心から外側へ押付ける油圧圧力等により求められる。
【００３３】
概略的には、ガイドローラ１５と管１の接触位置と切削刃１４の切削位置との周方向距離Ｌがガイドローラ１５の半径ｒの１．０〜１．２倍（１．０ｒ≦Ｌ≦１．２ｒ）、より好ましくは、１．１倍（Ｌ＝１．１ｒ）となる位置に配置すればよい。
【００３４】
ここで、上記のガイドローラ１５と管１の接触位置は、切削ヘッド１２の回転中心（Ｐ点）とガイドローラ１５の回転中心（Ｑ点）とを結ぶ線の延長線がガイドローラ１５の外表面と交わる位置（Ｒ点）である。また、上記の切削刃１４の切削位置は、前記Ｐ点を中心とし、前記Ｐ点から前記Ｒ点までの距離を半径とする円弧が切削刃１４の周方向先端刃面と交わる位置である。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
（Ｓ１）まず、管１を固定装置によって水平に固定・保持する。
【００３９】
（Ｓ２）次に、油圧ユニットを用いて、作動油チャンバ２３の作動油の圧力を下げて、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。なお、作動油チャンバ２３の作動油の圧力が下がったことによって、ピストン２５はバネ２６の付勢力によって作動油チャンバ２３側に移動する。
【００４０】
（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の作動油の圧力を上げて、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。なお、作動油チャンバ２３の作動油の圧力が上がったことによって、ピストン２５はバネ２６の付勢力に抗してバネ２６側に移動する。
【００４１】
（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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
（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。
【００４５】
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よって、小型な装置でかつ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。
【００４６】
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。
【００４７】
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５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。
【００４８】
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６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。
【実施例１】
【００４９】
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を用いて、管１の内面を切削するとともに、従来例として、特許文献２に記載の管内面切削装置１０Ｘを用いて、管１の内面を切削した、
その比較結果の一例を図７に示す。図７に示すように、従来例では、管終端部での切削量が過大でありバラツキも大きく、不安定な切削状態であったのに対して、本発明例では、管終端部での切削代は適正でありバラツキも小さく、安定した切削状態であった。
【００５０】
このようにして、本発明例では従来例に比べて、切削後の管端部の表面粗度が約３０％程度良好になった。また、切削加工時における特定のボーリングバー長さや回転数でのビビリ振動による、切削加工後の表面精度の悪化を防止することができた。さらに、管軸線方向の形状偏差や厚み偏差による切削代のバラツキが小さくなった。
【符号の説明】
【００５１】
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  バネ
２７  ロータリジョイント
２８  作動油供給口
２９  作動油供給路
４１  過切削部
４２  未切削部
４３  ガイドローラへの管内面接触反力
４４  切削反力
４５  ガイドローラへの管内面接触反力に基づくモーメント
４６  切削反力に基づくモーメント
【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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