技術資料＞非磁性ドリルカラーの内径段付き加工技術の開発

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技術資料
Technical Data

非磁性ドリルカラーの内径段付き加工技術の開発
光齋悠矢＊

Development of Bottle Boring Cutting Technology for a Non-MagneticDrill Collar
Yuya KOSAI
Synopsis
In recent years, in oil drilling technology, electronic devices are required to measure location information and undergroundinformation (produced fluid, gas, rock quality, etc.) in real time when drilling while exploring. For the product shapes of thedrill collar that encases these devices , after drilling in the center of the work material in order to install a sensor, multiple innerdiameter grooves are machined with a special cutting tool. It is known that this machining method has a relatively small innerdiameter in relation to the prepared hole. However, there are few studies on bottle boring cutting technology that is long andmore than twice the inner diameter.
So, in this study, we conducted a preliminary verification by a trial test with a smaller scale in the bottle boring cutting of a
non-magnetic drill collar, which is a long hollow bar with a length of less than 10 m. As a result, reproducibility was confirmed
by verification with an actual machine.

1．緒

言割を果たすドリルカラーには非磁性であることが求められる．加えて，地下数千メートルで使用するため，地圧近年，石油・天然ガス掘削技術において，高温高圧深に耐えうる強度や，硫化水素などに対する耐食性も要求井戸の開発や高腐食環境井戸の開発などにより，掘削部される．また，新たな油田やガス田の開発のため，従来

1）品の性能要求はより厳しくなっている ．掘削方法も従よりも過酷な環境下で掘削が行われることが多くなって

来の垂直掘りだけでなく，陸上から沖合油田への掘削やいる 2），3）．

海上基地からの多数掘りのような傾斜掘りが増加していドリルカラーの製品では，内部にセンサを設置するたる．この傾斜掘りには，掘削するドリルビットの位置め，被削材の中心に穴明け加工を実施した後に，特殊な情報を把握するための地磁気測定器が必要であり，探査切削工具で複数の内径溝を加工する（以下，本加工方法しながら掘削する場合では，位置情報に加えて地下情報を内径段付き加工という）．本加工方法はドリルカラー（産出流体，ガス，岩質など）を得るために，電磁抵抗だけでなく，航空機のランディングギアやエンジンシャやガンマ線スペクトル，岩層密度などをリアルタイムにフトの内径プロファイル加工でも用いられており，これ測定できる電子機器が必要となる．それぞれがドリルカらを対象とした場合，下穴に対して内径寸法が比較的浅ラーに埋め込まれるため，計測精度を向上させるためにい加工事例はよく確認されている．しかしながら，長尺は地磁気の影響を排除する必要があり，ケーシングの役で内径寸法の 2 倍以上の内径溝を有する内径段付き加工

2021年 9月 29日 受付＊ 大同特殊鋼㈱技術開発研究所（Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）

電気製鋼 第 92 巻第 2 号 2021 年

108の事例はほとんどない．また，これらの部品に採用され90 °回転させた後，工具の長手方向が加工機の Z 軸と水る素材は伸びが大きいため切屑分断性が悪く，切屑処理平になるようにした．加工機の下刃物台にはクーラントに関する種々の問題が発生しやすい．内径段付き加工供給装置を取り付け，ワークの工具主軸側から Z 軸のにおいて被削材内部で発生した切屑を適切に処理できなマイナス方向にクーラントが流れるようにした．

かった場合は，穴内で切屑が堆積するために加工継続が困難になる．さらに，工具に切屑が巻き付くことで加工面の粗度の悪化を招き，長い切屑は作業者の安全性を低4）下させる原因となる ．
そこで本研究では，長さ 10 m 弱の長尺中空材である非磁性ドリルカラーの内径段付き加工において，スケー切屑形状の確認に使用した Cutting tool A の工具形状と切削条件を Table 2 に，Cutting tool B の工具形状と切削条件を Table 3 にそれぞれ示す．また，Cutting tool A とCutting tool B におけるツールパス模式図を Fig. 3，Fig. 4 にそ れ ぞ れ 示 す．Cutting tool A は X 軸 方 向 に 切 込 量1.0 mm のプロファイル加工で Z 方向に加工し，Cuttingルを小さくした模擬評価試験による事前検証を実施しtool B は Z 軸方向に切込量 4 mm の突切り加工で X 軸た．その後，実機による検証で再現性を確認した．

方向に加工するツールパスでそれぞれ固定した．切削工具は Cutting tool A が幅 6 mm，ノーズ R 3.0 mm の工具を用い，Cutting tool B は幅 5 mm，ノーズ R 0.8 mm

2．実験方法2.

1の市販の突切り工具をそれぞれ使用した．切削条件は切削速度を 30 ～ 50 m/min 範囲で変化させ，送り速度供試材

本実験に用いた被削材 DNM®110 の化学組成を Table 1に示す．DNM®110 は窒素の固溶強化および加工硬化を利用した高窒素オーステナイト系ステンレス鋼である．
窒素添加による固溶強化と適正な温度での温間加工による加工硬化を複合的に利用することで 756 MPa 以上のは 0.1 ～ 0.2 mm/rev の範囲で変化させた．

Ribbon chips
Tangled chips

0.2 % 耐力を確保している 5）．本実験で使用した素材は，

Corkscrew chips得た．その後，旋削加工にて直径 175 mm × 209 mm とHelical chips

工したものを切削試験片とした．

Long tubularchips

固溶化熱処理後，温間鍛造を実施し，硬さ HBW=302 をした後に，穴明け加工にて直径 83.3 mm の貫通穴を加Table 1. Chemical composition (mass%).
Material

DNM®110

2.

2

Mn

15.0

Ni

3.0Cr

18.0

Mo

1.0Fe

Bal.

試験方法

2. 2. 1 実態模擬試験による切屑評価

Spiral chips
Long commachips
Short commachips
Fig. 1 Example of chip shapes in general cutting.

内径段付き加工の高能率，高品質を両立させるには，Work piece

切屑処理問題の対策が必須であると予想される．一般的

Machine tool spindle

な切削において切屑形状は Fig. 1 のように分類され 6），その中でも切屑排出性が良好な切屑形状は「Long commachips」または「Short comma chips」である 7）とされていX

る．最適な切屑形状を検討するため，内径段付き加工の模擬評価装置を作製した．Fig. 2 に切削条件の評価に使用した治具の模式図を示す．加工機は DMG 森精機㈱製の複合加工機 NT4200 DCG を使用した．工具主軸に取り外し可能な L 字の内径段付き用工具を取り付け，B 軸をCoolant supply system
Front view

Side viewFig. 2. Test equipment.

YZ

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Table 2. Cutting tool A and cutting conditions.
Type of tool

Cutting tool A

Work piece③②①

Round tool

Material

Cemented carbide

Cutting width

6.0 mmCoating

PVD TiAlN

Corner radius

Cutting conditions

X-axis depth of cut

Cutting tool

2.8 mm

Cutting edge

Feed rate

X7°

Depth of cut maximum

Cutting velocity

Cutting direction

3.0 mmClearance angle

22.

0.1, 0.15, 0.2 mm/rev
1.0 mmY2.

2

切屑強制破砕試験方法

本実験で使用した被削材 DNM®110 は，切屑処理に大WET

きく影響する材料特性である引張強さが 986 MPa，伸びが 36 % と非常に大きい 5），8） ため，2.

Table 3. Cutting tool B and cutting conditions.
Cutting tool BZFig. 4. Machining pass of cutting tool B.

30, 40, 50 m/min

Coolant109

2.

1 項で検討した切削条件やツールパスの変更だけでは切屑処理の問

Grooving tool

題が解決できない可能性がある．そこで，加工能率は低PVD TiAlN

アカットの模式図を Fig. 5 に示す．エアカットとは，被Corner radius

0.8 mmことができる加工方法である．Cutting tool B はツールパ

Depth of cut maximum

3.0 mmることから，Cutting tool A のプロファイル加工にのみエType of tool
Material

Cemented carbide

下するが，加工途中にエアカットの追加を検討した．エCutting width

5 mm

削材と工具を強制的に切り離すことで切屑を分断させる

7°

スが突切り加工であり，自動的にエアカットが追加されCoating

Clearance angle
Cutting edge

Cutting conditions

アカットを適用した．その切削条件を Table 4 に示す．
切削速度は 30 m/min，送り速度は 0.2 mm/rev，切込30, 40, 50 m/min

Feed rate

0.1, 0.15, 0.2 mm/rev

Coolant

WET

Z-axis depth of cut

量 1.0 mm で固定し，プロファイル加工とした．エア
カットの方向は X 軸方向と Z 軸方向，エアカット量は4.0 mm

Work piece③②①

1.0，3.0 mm で変化させた．

Cutting direction

Cut distances [mm]Cutting velocity

2X

Cutting toolZFig. 3. Machining pass of cutting tool A.

Cutting feed
Air cutYTime [sec]Fig.5. Schematic diagram of air cut.

電気製鋼 第 92 巻第 2 号 2021 年

110Table 4. Cutting tool A and cutting conditions adding aircut.

カール半径を小さくするために，最適なチップブレーカの選定，すくい面の真実接触面積の減少や被削材・工具

Cutting conditions

Cutting velocity
Feed rate

X-axis depth of cut
Air cut direction anddistances
Coolant

間の摩擦係数の減少が有効であると考えられる．また，
30 m/min

切削速度を減少させることでチップブレーカに加わる力

1.0 mm
X-axis 1.0, 3.0 mm
Z-axis 1.0, 3.0 mm
WET

切削速度は低速に設定することも有効であると考えられが増加し，切屑厚みが厚くなることが知られており 10），0.2 mm/rev

る．
Cuttingtool A

切屑排出性評価試験結果

Fig. 6 に，Cutting tool A を使用し，プロファイル加工したときの切屑形状の変化結果を示す．送り速度が 0.1，0.15 mm/rev のとき，切込量や切削速度に関わらず，切屑形状は Fig. 1 に示す「Tangled chips」であり，切屑排出性が最も悪い切屑形状であることが確認できた．一方で，送り速度 0.2 mm/rev では「Long tubular chips」であることが確認でき，切屑排出性が良化した．これは送り150 mm

速度の増加により切屑厚みが増加し，切屑の剛性が向上

Fig. 6. Chip shapes for cutting tool A.

したため，一定のカールが形成されたと考えられる．
Fig. 7 に Cutting tool B を使用し，突切り加工したときの切屑形状の変化結果を示す．切屑形状は送り速度 0.1 mm/rev ～ 0.2 mm/rev の 範 囲 で は，「Long tubular0.2

300.154010.1

503.

Cutting velocity (m/min)

3．結果および考察

Feed rate (mm/rev)

Cuttingtool B

Feed rate (mm/rev)
0.1

0.15

0.2

る．これらの結論から Cutting tool A の切屑と比較すると切屑長さが大幅に短くなり，切屑排出性は良化したことから，加工方法は突切り加工にすることが切屑処理には有効であると考えられる．
ここまでの評価試験では，最も切屑排出性が良好とされている「Short comma chips」を得ることができなかっ3040であっても切屑が十分に厚くなるためであると考えられ

50

ル加工に比べて切込量が大きく，送り速度が小さい条件

Cutting velocity (m/min)chips」であることが確認できた．これは，プロファイた．さらなる改善のため，中山の切屑折断条件 9） を用150 mmいて考察する．切屑表面ひずみ ε は式（1）で表される．

Fig. 7. Chip shapes for cutting tool B.

（1）
ここで，t2 は切屑厚さ，R0 は切屑の最初の半径，RLは工具刃先から切屑が離脱するための半径である．

3.

2

切屑強制破砕試験結果

Cutting tool A を使用し，切削条件を X 軸方向の切込

この切屑表面ひずみが被削材の破断ひずみより大きく量 1 mm，送り速度 0.2 mm/rev で固定し，エアカットなった場合に切屑が破砕される．そのため，切屑厚みをの方向を変化させたときの切屑形状の変化を確認した．

厚くし，生成された切屑のカール径を小さくすることがZ 軸方向にエアカットを 1 mm，3 mm 追加したときの有効であることがわかる．よって，送り速度 0.2 mm/rev以上に設定し，さらに切屑厚さを厚くすること，切屑の切屑形状を Fig. 8，X 軸方向にエアカットを 1 mm と 3mm 追加したときの切屑形状を Fig. 9 にそれぞれ示す．

111

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Z 軸方向にエアカットを 1 mm 追加したときは短い切工で切削速度 30 m/min，送り速度 0.2 mm/rev とした．の送り方向のたわみ量が大きいため，エアカットされに，Cutting tool B の 切 屑 形 状 を Fig. 12 に そ れ ぞ れ 示

屑と長い切屑の 2 種類が確認された．これは，工具先端ている部分でも加工が継続されていたと考えられる．Z軸方向にエアカットを 3 mm 追加したときは長い切屑のみ排出が確認されたため，エアカット時には加工していないことがわかる．X 軸方向にエアカットを 1 mm と3 mm 追加したときは長い切屑のみ排出が確認されたた

実 機 検 証 で の Cutting tool A の 切 屑 形 状 を Fig. 11

す．Cutting tool A の送り速度 0.1 mm/rev では「Tangledchips」， 送 り 速 度 0.2 mm/rev で は「Long tubular chips」，

Cutting tool B では「Long tubular chips」であり，模擬試験と同様の切屑形状であったことから，模擬試験が，実機をよく再現することが確認できた．

め，エアカット時には加工していないことがわかる．
以上から，エアカットは X 軸方向であることが望まし

Guiding pads

Cutting tool

いが，エアカットを採用しない場合に比べ，加工能率の大+幅な低下を避けることができないため注意が必要となる．

150 mm

X-axis+-Slider travel

150 mm(a) Air cut 1 mm(b) Air cut 3 mm
Fig. 8. Chip shapes for air cut of Z-axis direction.

Removed tool control rod
Fig. 10. Special L-shaped cutting tool.
Table 5. Cutting tool A and cutting conditions.
150 mm

150 mm(a) Air cut 1 mm(b) Air cut 3 mm
Fig. 9. Chip shapes for air cut of X-axis direction.

3.

3

実機による検証試験

模擬評価試験の結果を基に実機サイズでの検証を実施

Cutting conditions

Cutting velocity

30 m/minFeed rate

0.1, 0.2 mm/rev

Coolant

WET

X-axis depth of cut

1.0 mm

した．実機による検証には長さ 10 m 以上のワークを加工

Table 6. Cutting tool B and cutting conditions.

特殊 L 字工具の模式図を Fig. 10 に示す．工具と可動式

Cutting velocity

おり，インナーロッドを Z 軸方向に移動させることで工Z-axis depth of cut

可能な BTA 加工機を使用した．この加工機に取り付けたインナーロッドの間には互いにセレーションが刻まれて具先端を X 軸方向に移動させることができる．また，工Cutting conditions

30 m/minFeed rate

0.15 mm/rev

Coolant

WET

4.0 mm

具先端は模擬評価試験と同様の工具が取り付け可能である．被削材は DNM®110 を使用した．試験片は，旋削加工にて直径 175 mm ×長さ 9753 mm とした後に，BTA 加工にて直径 83.3 mm の貫通穴を加工したものとした．

模 擬 評 価 試 験 の 結 果 か ら 決 定 し た Cutting tool A とCutting tool B の切削条件を Table 5，Table 6 にそれぞれ示

す．Cutting tool A は X 軸方向の切込量 1.0 mm のプロファ

イル加工で切削速度 30 m/min，送り速度 0.1，0.2 mm/rev とし，Cutting tool B は Z 軸方向の切込量 4 mm の突切り加

50 mm

50 mm

(a) Feed rate = 0.1 mm/rev (b) Feed rate = 0.2 mm/rev
Fig. 11. Chip shapes for cutting tool A.

電気製鋼 第 92 巻第 2 号 2021 年

1123）プロファイル加工で内径段付き加工をする場合は，排出性の良い切屑形状にするために，送り速度は 0.2mm/rev以上に設定し，径方向にエアカットを 1 mm以上追加することが有効であることが確認された．

50 mm
Fig. 12. Chip shapes for cutting tool B.

3.

4（文最適加工方法の選定

適な切削条件を検討した．加工能率の比較を Fig. 13 に示す．プロファイル加工では X 軸方向の切込量 1.0 mm，切削速度 30 m/min，送り速度 0.2 mm/rev とし，エアカット時間は総加工時間の 0 %，10 % とした．突切り加工

では Z 軸方向の切込量 4.0 mm，切削速度 30 m/min，送り速度 0.15 mm/rev とし，エアカット時間を総加工時間の 20 % とした．プロファイル加工に比べ，突切り加工

では 2.7 倍の高能率で加工することができ，さらに，切屑排出性の高い切屑が排出されるため，突切り加工を採用することが内径段付き加工を高能率で加工するために

2）石川浩一，植田茂紀，清水哲也，栗原優介，関口秀
明：まてりあ，48（2009），2，85．

3）大同特殊鋼㈱：電気製鋼，83（2012），1，75．

4）窪田英毅，田部井英世，佐藤崇：精密工学会誌，60（1994），11，1611．
5）成田修二：まてりあ，55（2016），10，465．

6）Osamah Fadhil Abdulateef: Journal of MechanicalEngineering Research and Development，44（2021），

1，346．

7）日本機械学会 編：機械工学便覧，日本機械学会，
1991 ，B2-127．

8）山根八州男，関谷克彦：精密工学会誌，70（2004），

最適であると考えられる．

3，407．

161414.4

129）中山一雄：精密機械，38（1972），12，82．

10）中山一雄：日本機械学会論文集，27（ 1961），178，833．

10864

6.0

5.4

Cutting tool A

Cutting tool A+ Air cut 10 %20献）1）岩本理彦：石油技術協会誌，78（2013），5，376.

これまでの試験結果から，それぞれの工具に対して最Machining efficiency [cm3/min]※ DNMは大同特殊鋼㈱の登録商標です．

Cutting tool B+ Air cut 20 %Fig. 13. Machining efficiency for each processing
method.

4.

結言

非磁性ドリルカラーの内径段付き加工において，模擬評価試験を実施し，以下の結果を得た．
1）模擬評価試験により実機の切屑状態を再現することができた．
2）内径段付き加工では，切屑形状と加工能率から，突切り工具で切込量 4.0 mm，切削速度 30 m/min，送り速度 0.15 mm/rev以上が最も有効な切削方法であることが確認された．

光齋悠矢