削り出し真円エルボの寸法精度

シモダ技報

No.5（2011.9）

シモダ技報 No.5------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------削り出し真円エルボの寸法精度†
木原雅充*
1.

緒言

2.2

特長

このプロセスを適用することによって，下記の従来のエルボの製造は，パイプの曲げ加工や鉄ような従来プロセスでは製造できない製品を実現

板を曲げて溶接するなどの方法が一般的であるが，することができる．

断面の真円度，肉厚の均一性などの寸法精度が十分でないだけでなく，溶接や塑性加工による部分(1)

断面の外径，内径が真円で，肉厚が全周で的な硬化に起因する強度の不均一の問題が指摘さ均一であり，同時に，曲げ形状が完全な円弧に沿れている．

うエルボ．
（真円エルボ）

これらの問題の抜本的解決策として，全面機械加工によってエルボの製造が可能になれば，寸法(2)断面の外径，内径が真円であるが，外内径精度の飛躍的向上が図れるだけでなく，塑性加工を偏心させて，円周上の肉厚が一定でないエルボ．

変形能の低い特殊な材料に関しても，高精度で無これによって，スラッジなどによって摩耗し易い欠陥のエルボの製造が可能となる．これら高級材

曲げの外側の肉厚を，内側より厚くすることがで料のエルボは，高温・高圧・高粘度流体を取り扱きる．（肉厚強化型エルボ）

うプラントや，高い信頼性を要求される航空機エンジンの配管用などへの適用が期待できる．
そこで，全面機械加工による一体エルボの製造プロセスの確立を目指して，専用工具・専用治具，および，3 次元加工プログラムの開発に取り組んだ．その結果，真円度がノミナル直径寸法の 1/200以内という極めて高精度のエルボの製造プロセスを確立することができた．この全面機械加工エルボを通称削り出しエルボと呼んでいる．
本稿では，削り出しエルボの寸法精度を詳細に調査した結果を報告する．
2.

製造プロセスの概要と特長

2.1

基本プロセス

削り出しエルボは，鍛造ブロック素材から削り出しで製造する．本稿では加工方法の詳細の説明は割愛するが，第 1 図に示すように，サイドカッターを用いて楕円状に切削する方法がこの機械加工方法のコンセプトである 1)．この機械加工プロ
セスでは，工具やプログラムの開発は無論のこと，加工中のワークを固定するための治具の開発も重要な要素であった．
--------------------------------------------------------------------†原稿受付 2011 年 9 月
*
常務取締役

第1図

1

加工方法のコンセプト

削り出し真円エルボの寸法精度

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No.5（2011.9）-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------a) 真円薄肉エルボ（Al A5083)(9%Cr 鋼）第2図(3)c) 分岐エルボb) 大型厚肉エルボ（Ti-6Al-4V)

各種の削り出しエルボ

従来の曲げ加工や溶接組立では製造でき

なお，削り出しエルボの優位性を，従来品と比ない，極めて薄肉のエルボ．
（真円薄肉エルボ：第較して把握するため，比較用に，従来製法の 902 図 a)）度エルボを製作した．材質には，普通鋼（SF340A）を用いて，パイプを冷間で曲げる「直管曲げ製法」(4)

同じく，従来プロセスでは実現できない，で製作した．ただし，サイズは，削り出し製法の極めて厚肉のエルボ．
（大型厚肉エルボ：同図 b)）

ものよりも小径であり，外径 84mm，内径 76mm，肉厚 4mm である．

(5)

材料の変形能が低い場合や，溶接性が悪い

第 4 図は，従来製法の曲げ加工エルボの外観でために従来プロセスでは製造できないステンレスある．

鋼やハイアロイなど特殊な材質のエルボ．
(６)曲線部と直線部を一体化したエルボ，エルボ本体とフランジを一体化したもの，二股に分岐したエルボなど，従来プロセスでは複数の部材の組み合わせが必要な形状を一体化したもの（分岐エルボ：同図 c)）．
3.

特殊材質エルボによる加工精度検証結果

3.1

試加工対象材質

前節で述べたように，このプロセスを用いれば，第3図

削り出し 90 度真円エルボ

従来プロセスでは製造が困難な特殊材質の製品を製造することができる．ただし，特殊材質には難削材が多いため，下記の材質を選択して試加工を行い，切削の難易度と製品精度を調査した．
(1)

SUS316L

(2)

純チタン

(3)

インコネル 718

製品サイズは，いずれも，外径 128.7mm，厚さ 0.8mm の同心断面で，曲げ角度 90 度の真円エルボとした．第 3 図に，SUS316L 材削り出し

第4図

真円エルボ完成品の外観を示す．

2

従来曲げ加工による普通鋼エルボ

削り出し真円エルボの寸法精度

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第 1 表 真円度の測定結果

3.2

切削の難易度3.4

肉厚ばらつきの調査結果

SUS316L 材と純チタン材は，切削において，特従来製法エルボでは，端部の肉厚は円周不均一に問題は生じなかった．インコネル 718 材についで外側が中心側より薄くなっており，更に，曲げては，切削熱の発生が比較的大きかったため，切の中央部では，更に大きな差を生じている．全デ削水量を増やして工具冷却を強化するなどの対策

ータでのばらつきはノミナル 4mm に対して約を講じることによって，加工を完了することがで2.5mm に及んでいる．第 5 図は，従来製法エルきた．

ボの長手方向の切断写真であるが，外側と中心側の板厚の相違を目視でも明瞭に認識できる．

3.3

真円度調査結果

これに対し，削り出しエルボの第 6 図 a)，b)

1 面側（片側の端部），および，2 面側（反対側に示す位置で，各部の肉厚を測定した結果を，ノの端部）の外内径を，それぞれ直角 2 方向測定し，ミナル寸法に対する誤差として第 7 図と第 2 表に

全 4 データのばらつきを調査した結果を第 1 表に示しており，直角断面の円周分布においても，ま示す．

た，長手方向分布においても，なんら有意差はな

ばらつき量のノミナル寸法に対する比率で比較

く，均一な肉厚が得られている．ばらつきは，わすると，従来製法では，2～3％（すなわちノミナ

ずかに 0.2mm 未満である．

ルに対して 1/30 程度）であるのに対し，SUS316L

また，削り出しエルボの肉厚ばらつきを，材質材では，約 0.2％（同 1/500），チタン，インコネ間で比較しても，3 者に有意差は認められず，いル 718 の場合でも，約 0.5％（同 1/200）であり，ずれも優れた精度が得られている．

飛躍的に真円度が向上している．

第 5 図 従来製法エルボの断面

3削り出し真円エルボの寸法精度

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No.5（2011.9）------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------第2表

第6図

肉厚測定位置第7図
4.

肉厚分布の要約

肉厚の誤差分布結言(2)

開発したプロセスで，SUS316L 材，純チタン材，インコネル 718 材を試加工した結果，いブロック素材からの削り出しエルボの製造方法ずれも，問題なく加工することができた．

を開発し，3 材質の試作品を製作して製品精度を検証した．

(3)

3 材質の完成品の寸法精度を，直管曲げによって製作した従来品と比較した結果，直径のば(1)サイドカッターを用いた楕円切削プログ

らつきは，ノミナル直径に対し，従来品の約 3％ラムにより，削り出し真円エルボの機械加工方法に対し，開発品は 0.5％以下であり，また，肉厚を確立した．のばらつきは，従来品の約 2.5mm に対し，開発品は，いずれも 0.2mm 未満であった．

参(1)

考

文

削り出しエルボの製造方法，特許番号 4491538，登録日：2010.4.16

4献