JP4543372B2

JP4543372B2 - 鋼管のねじ切削方法

Info

Publication number: JP4543372B2
Application number: JP2004136819A
Authority: JP
Inventors: 和宏石井
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2024-04-30
Also published as: JP2005313306A

Description

本発明は、鋼管の管端部等にチェザーを用いてねじ切削する方法に関し、特に、チェザーの刃部の寿命を向上させることが可能なねじ切削方法に関する。

従来より、例えば油井管用の鋼管等を効率良くねじ切削する方法として、ねじ山形状の複数の刃部が直線状に配列されたチェザーを用いて、当該チェザーの刃部の配列方向を鋼管の軸方向に平行に位置決めした後、鋼管を回転させながら軸方向に送ることにより各刃部で順次鋼管を切削する方法が知られている。より具体的に説明すれば、前記チェザーを用いてねじ切削する際には、切削負荷を抑制し刃部の欠損等を回避するべく、１回（１パス）当たりの切り込み量（切削前の鋼管の外面と、切削中の刃部の刃先との距離）を規制すると共に、刃部と被切削鋼管との位置関係を調整して、鋼管の同じ部位の切り込みを数パスに亘って繰り返すことにより、最終的なねじ形状を形成するようにしている。

ところで、近年では、油井開発が厳しい条件下でも行われるために、油井管用の材料として耐食性に優れた高Ｃｒ含有鋼等の難切削材料の需要が高くなっており、これに伴い、チェザーの刃部の欠損等による寿命の低下、ひいてはねじ切削を施した鋼管の生産性の低下が問題となっている。

そこで、チェザーの寿命向上を図るべく、チェザーの材質や形状を特化した種々の提案がなされている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４及び特許文献５参照）。

しかしながら、斯かる特許文献１〜５に記載された従来技術は、寿命向上を目的としたチェザーの材質や形状を提案するに留まるものであり、当該チェザーを用いてねじ切削するに際し、各種被切削鋼管の材質等に応じて１パス当たりの切削面積等を如何に設定するべきかというような実操業で有用な具体的切削方法を何ら教示するものではない。

また、種々の被切削鋼管の内、最も切削することが困難な高Ｃｒ含有鋼等の被切削鋼管にも適合するように材質や形状を特化したチェザーは一般的に高価となるため、当該チェザーを一律に用いて比較的切削が容易な炭素鋼等を含む全ての被切削鋼管をねじ切削したのでは、コストの高騰を招いてしまうという問題がある。
特開昭６０−１７２４０３号公報特開昭６０−１９７３１７号公報特開平５−２７７８０９号公報特開平１１−２０７５２４号公報特開平１１−３２０２５５号公報

本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、刃部の寿命を向上させるために、従来技術で提案されているような特殊なチェザーを敢えて用いる必要が無いと共に、実操業で有用な指針を与える鋼管のねじ切削方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するべく、本発明の発明者らは既存のチェザーを用いた各種切削条件について鋭意検討した結果、チェザーの刃部の寿命を向上させるには、チェザーを構成する刃部の平均切削面積と、仕上げ切削用刃部の高さと、仕上げ切削用刃部の幅と、切削速度と、被切削鋼管のＣｒ含有量との間に一定の関係が成り立つ必要があることを見出した。

より詳細に説明すれば、まず、仕上げ切削用刃部の幅が狭ければ（或いは、仕上げ切削用刃部の高さが高ければ）、切削によって生じた切粉の内、当該刃部に当接して切削方向に引き摺られる切粉の厚みが厚くなる結果、切削抵抗が上昇する傾向になるため、刃部の寿命を向上させるには、仕上げ切削用刃部の幅が狭ければ（或いは、仕上げ切削用刃部の高さが高ければ）、これに応じて刃部の平均切削面積を小さく設定する必要があると考えた。次に、切削速度を速くすれば、切削によって生じる発熱量が多くなる結果、鋼管材料と刃部との熱溶着が生じ易くなるため、刃部の寿命を向上させるには、切削速度を速くするのであれば、これに応じて刃部の平均切削面積を小さく設定する必要があると考えた。さらに、被切削鋼管のＣｒ含有量が多くなると、加工硬化が大きくなったり熱伝導率が低下する結果、切削抵抗が上昇したり熱溶着が生じ易くなるため、刃部の寿命を向上させるには、Ｃｒ含有量の多い被切削鋼管を切削する際に、刃部の平均切削面積を小さく設定する必要があると考えた。

換言すれば、刃部の寿命を向上させることのできる（所定の寿命を維持できる）刃部の平均切削面積の上限値を決定する上で、仕上げ切削用刃部の高さ、仕上げ切削用刃部の幅、切削速度及び被切削鋼管のＣｒ含有量が大きな影響を及ぼすであろうという着想に基づき、これら各パラメータと刃部の寿命を向上させることのできる刃部の平均切削面積との関係を定量的に検討した結果、一定の関係が成り立てば刃部の寿命を向上させることが可能であることを見出した。本発明は、斯かる本発明の発明者らが見出した知見に基づき完成されたものである。

すなわち、本発明は、ねじを切削するための複数の刃部が設けられたチェザーを用いて鋼管をねじ切削する方法であって、刃部の平均切削面積をＳ（ｍｍ^２）、仕上げ切削用刃部の幅をＢ（ｍｍ）、仕上げ切削用刃部の高さをＨ（ｍｍ）、切削速度をＶ（ｍ／ｍｉｎ）、被切削鋼管のＣｒ含有量をＣ（％）とした場合、以下の式（１）を満足する条件で切削することを特徴とする鋼管のねじ切削方法を提供するものである。
Ｓ≦５．６８×１０^−１×Ｂ−６．７６×１０^−２×Ｈ−１．１２×１０^−５×Ｖ^２−１．６８×１０^−２×Ｃ−５．８２×１０^−１・・・（１）

ここで、式（１）における刃部の平均切削面積Ｓとは、切削方向（被切削鋼管の軸方向に直交する方向に相当）から見た刃部の全切削面積をパス数と刃部の個数との積で除算した値を意味し、刃部の切り込み量（切削前における鋼管の外面と、切削中の刃部の刃先との距離）を適宜設定することにより制御することが可能である。また、仕上げ切削用刃部とは、チェザーを構成する複数の刃部の内、最後の切削に供する刃部（鋼管の送り方向の最も下流側に位置する刃部）であり、式（１）における仕上げ切削用刃部の高さＨとは、切削方向から見た仕上げ切削用刃部の切り込み方向（切削方向と垂直な方向）の長さを意味し、仕上げ切削用刃部の幅Ｂとは、切削方向から見た仕上げ切削用刃部の高さ方向中央部での幅（被切削鋼管の軸方向に沿った長さ）を意味する。さらに、切削速度Ｖは、被切削鋼管の周速度に相当する。

本発明によれば、生産効率等を踏まえて切削速度Ｖを設定し、当該設定した切削速度Ｖを、切削に用いる既存のチェザーにおける仕上げ切削用刃部の高さＨ、仕上げ切削用刃部の幅Ｂ及び被切削鋼管のＣｒ含有量Ｃと共に式（１）に代入することにより、チェザーの刃部の寿命を向上させ得る（所定の寿命を維持できる）刃部の平均切削面積Ｓの上限値が決定されることになる。鋼管をねじ切削する際には、平均切削面積Ｓが前記決定された上限値を超えないように刃部の切り込み量を設定すれば良く、実操業で極めて有用な指針を得ることができる。

なお、チェザーを構成する刃部の内、特に最初の切削用刃部で切削する際には、被切削鋼管表面に生じている黒皮（スケール）を切削することになるため切削抵抗が大きく、刃先コーナー部に欠けが生じて、寿命が低下する場合がある。

本発明の発明者らは、上記問題を解決するべく鋭意検討した結果、最初の切削用刃部の刃先コーナー部の欠けを抑制するには、当該刃先コーナー部を適切な曲率半径（コーナー部の応力集中を緩和すると共に、切削機能を低下させない曲率半径）となるように面取りするのが有効であることを見出した。

すなわち、チェザーに設けられた複数の刃部の内、切削方向から見た最初の切削用刃部の刃先コーナー部の曲率半径をｒ（ｍｍ）とした場合、以下の式（２）を満足するチェザーで切削するのが好ましい。
０．２×B≦ｒ≦０．５×B ・・・（２）

ここで、最初の切削用刃部とは、チェザーを構成する複数の刃部の内、最初の切削に供する刃部（鋼管の送り方向の最も上流側に位置する刃部）を意味する。

斯かる構成によれば、ｒ≦０．５×Bとすることにより最初の切削用刃部での切削機能を低下させることなく、０．２×B≦ｒとすることによりコーナー部の応力集中を緩和することができ、刃先コーナー部の欠けを抑制して、より一層寿命を向上させることが可能である。

本発明に係る鋼管のねじ切削方法によれば、生産効率等を踏まえて切削速度Ｖを設定し、当該設定した切削速度Ｖを、切削に用いる既存のチェザーにおける仕上げ切削用刃部の高さＨ、仕上げ切削用刃部の幅Ｂ及び被切削鋼管のＣｒ含有量と共に式（１）に代入することにより、チェザーの刃部の寿命を向上させ得る（所定の寿命を維持できる）刃部の平均切削面積Ｓの上限値が決定されることになる。鋼管をねじ切削する際には、平均切削面積Ｓが前記決定された上限値を超えないように刃部の切り込み量を設定すれば良く、実操業で極めて有用な指針を得ることができる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るねじ切削方法を適用している状態を示す模式断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る方法は、複数（本実施形態では２つ）の刃部C１、Ｃ２が設けられたチェザーＣＨを用いて鋼管Ｐをねじ切削する方法である。切削に際しては、まずチェザーCＨの刃部Ｃ１、Ｃ２の配列方向を鋼管Ｐの軸方向（図１の紙面の左右方向）に平行に位置決めする。そして、鋼管Ｐを回転させながら軸方向（図１に示す矢符の方向）に送ることにより、各刃部Ｃ１、Ｃ２で順次鋼管Ｐの外表面を切削する。

より具体的に説明すれば、チェザーＣＨを用いてねじ切削する際には、切削負荷を抑制し刃部Ｃ１、Ｃ２の欠損等を回避するべく、１回（１パス）当たりの切り込み量（切削前の鋼管Ｐの外面と、切削中の刃部の刃先との距離ｄ）を規制すると共に、刃部Ｃ１、Ｃ２と鋼管Ｐとの位置関係（図１の紙面の上下方向の位置関係）を調整して（刃部Ｃ１、Ｃ２の位置を前パスよりも図１の紙面の上方向に移動させて）、鋼管Ｐの同じ部位の切り込みを数パスに亘って繰り返すことにより、最終的なねじ形状を形成するようにしている。

ここで、本実施形態に係る切削方法は、刃部Ｃ１、Ｃ２の平均切削面積をＳ（ｍｍ^２）、仕上げ切削用刃部の幅をＢ（ｍｍ）、仕上げ切削用刃部の高さをＨ（ｍｍ）、切削速度をＶ（ｍ／ｍｉｎ）、被切削鋼管のＣｒ含有量をＣ（％）とした場合、以下の式（１）を満足する条件で切削することを特徴としている。
換言すれば、式（１）の右辺で計算される値を上限とした平均切削面積Ｓで切削することを特徴としている。
Ｓ≦５．６８×１０^−１×Ｂ−６．７６×１０^−２×Ｈ−１．１２×１０^−５×Ｖ^２−１．６８×１０^−２×Ｃ−５．８２×１０^−１・・・（１）

ここで、式（１）における刃部Ｃ１、Ｃ２の平均切削面積Ｓとは、切削方向（鋼管Ｐの軸方向に直交する方向に相当し、図１の紙面に直交する方向）から見た刃部Ｃ１、Ｃ２の全切削面積をパス数と刃部の個数（本実施形態では２つ）との積で除算した値を意味する。より具体的には、各パス毎に、刃部Ｃ１で切削する領域Ｓ１（ハッチを施した領域）の面積と、刃部Ｃ２で切削する領域Ｓ２（領域Ｓ２は刃部Ｃ１で切削されずに刃部Ｃ２のみで切削される領域）の面積とを加算し、当該加算した面積の全パスでの総和（全切削面積）をパス数と刃部の個数との積で除算した値を意味する。また、仕上げ切削用刃部とは、チェザーＣＨを構成する複数の刃部Ｃ１、Ｃ２の内、最後の切削に供する刃部Ｃ２（鋼管Ｐの送り方向の最も下流側に位置する刃部）であり、式（１）における仕上げ切削用刃部Ｃ２の高さＨとは、切削方向から見た仕上げ切削用刃部Ｃ２の切り込み方向（切削方向と垂直な方向であり、図１の紙面の上下方向）の長さを意味し、仕上げ切削用刃部Ｃ２の幅Ｂとは、切削方向から見た仕上げ切削用刃部Ｃ２の高さ方向中央部での幅（鋼管Ｐの軸方向に沿った長さ）を意味する。さらに、切削速度Ｖは、鋼管Ｐの周速度に相当する。

なお、式（１）の右辺における各パラメータＢ、Ｈ、Ｖ^２、Ｃの係数は、材料が炭素鋼（Ｃｒ含有量０〜２％、Ｎｉ含有量０．５％以下）、１３Ｃｒ鋼（Ｃｒ含有量９〜１８％、Ｎｉ含有量０．５％以下）及び高合金鋼（ハイアロイ）（Ｃｒ含有量２０％以上）のそれぞれからなる各鋼管Ｐについて種々の条件で切削試験を行い、チェザーＣＨの刃部Ｃ１、Ｃ２の寿命が十分であった場合（許容できる寿命の下限値となった場合）におけるＳの実績値を、Ｂ、Ｈ、Ｖ^２及びＣをパラメータとする回帰式で近似（最小自乗法による近似）することにより算出した。図２は、Ｓの実績値を式（１）の右辺で計算される回帰式で近似した結果を示すグラフであり、横軸はＳの実績値を、縦軸は式（１）の右辺で計算される値をそれぞれ示す。図２に示すように、両者は非常に良好な相関関係を示しており、Ｓの上限値を決定するためのパラメータとして、Ｂ、Ｈ、Ｖ^２、Ｃを選択することが妥当であることを示す結果となっている。

本実施形態に係る切削方法によれば、生産効率等を踏まえて切削速度Ｖを設定し、当該設定した切削速度Ｖを、チェザーＣＨにおける仕上げ切削用刃部Ｃ２の高さＨ、仕上げ切削用刃部Ｃ２の幅Ｂ及び鋼管ＰのＣｒ含有量Ｃと共に式（１）に代入することにより、チェザーＣＨの刃部Ｃ１、Ｃ２の寿命を向上させ得る（所定の寿命を維持できる）刃部Ｃ１、Ｃ２の平均切削面積Ｓの上限値が決定されることになる。従って、鋼管Ｐをねじ切削する際には、平均切削面積Ｓが前記決定された上限値を超えないように刃部Ｃ１、Ｃ２の切り込み量ｄを設定すれば良い。

なお、本実施形態では、好ましい態様として、チェザーＣＨに設けられた複数の刃部Ｃ１、Ｃ２の内、切削方向から見た最初の切削用刃部Ｃ１の刃先コーナー部Ｃ１１、Ｃ１２の曲率半径をｒ（ｍｍ）とした場合、以下の式（２）を満足するように構成されている。
０．２×Ｂ≦ｒ≦０．５×Ｂ・・・（２）

ここで、最初の切削用刃部Ｃ１とは、チェザーＣＨを構成する複数の刃部Ｃ１、Ｃ２の内、最初の切削に供する刃部（鋼管Ｐの送り方向の最も上流側に位置する刃部）を意味する。

斯かる構成により、最初の切削用刃部Ｃ１での切削機能を低下させることなく、コーナー部Ｃ１１、Ｃ１２の応力集中を緩和することができ、刃先コーナー部Ｃ１１、Ｃ１２の欠けを抑制して、より一層寿命を向上させることができる。

以下、実施例を示すことにより、本発明の特徴をより一層明らかにする。

表１に示すチェザー及び被切削鋼管の各条件でねじ切削を実施し、チェザーの寿命を評価した。なお、炭素鋼及び１３Ｃｒ鋼については、ねじ切削用チェザーとして、住友電気工業製Ｋ１５３Ｒ３（母材硬度Ｐ３０相当）を用い、最初の切削用刃部の刃先コーナー部を所定の曲率半径となるように面取りした。また、ハイアロイについては、ねじ切削用チェザーとして、東芝製Ｔ３１３Ｖ（母材硬度Ｐ３０相当）を用い、最初の切削用刃部の刃先コーナー部を所定の曲率半径となるように面取りした。

ここで、表１に示す評価結果は、被切削鋼管が炭素鋼からなる場合には、７０（±１０％）本の被切削鋼管を刃部の欠損等が生じることなく切削可能であったときを「○」とし、それより多くの本数を切削可能であったときを「◎」、それより少ない本数しか切削できなかったときを「×」とした。同様にして、被切削鋼管が１３Cｒ鋼からなる場合には、５０（±１０％）本の被切削鋼管を刃部の欠損等が生じることなく切削可能であったときを「○」とし、それより多くの本数を切削可能であったときを「◎」、それより少ない本数しか切削できなかったときを「×」とした。また、被切削鋼管がハイアロイからなる場合には、３０（±１０％）本の被切削鋼管を刃部の欠損等が生じることなく切削可能であったときを「○」とし、それより多くの本数を切削可能であったときを「◎」、それより少ない本数しか切削できなかったときを「×」とした。

表１に示すように、前述した式（１）を満足する条件（実施例１〜８）で切削した場合には、十分な寿命を得ることができた。特に、前述した式（２）をも満足する条件（実施例１〜６）で切削した場合には、式（１）は満足するが式（２）は満足しない条件（実施例７、８）で切削した場合よりも、より一層十分な寿命（切削可能本数）を得ることができた。これに対し、式（１）を満足しない条件（比較例１及び２）で切削した場合には、少ない切削本数で刃部の欠損等が生じた。

図１は、本発明の一実施形態に係るねじ切削方法を適用している状態を示す模式断面図である。図２は、チェザーを構成する各刃部の平均切削面積の実績値を、式（１）の右辺で計算される回帰式で近似した結果を示すグラフである。

符号の説明

ＣH・・・チェザー
Ｃ１、C２・・・刃部
Ｐ・・・鋼管

Claims

ねじを切削するための複数の刃部が設けられたチェザーを用いて鋼管をねじ切削する方法であって、
刃部の平均切削面積をＳ（ｍｍ^２）、仕上げ切削用刃部の幅をＢ（ｍｍ）、仕上げ切削用刃部の高さをＨ（ｍｍ）、切削速度をＶ（ｍ／ｍｉｎ）、被切削鋼管のＣｒ含有量をＣ（％）とした場合、以下の式（１）を満足する条件で切削することを特徴とする鋼管のねじ切削方法。
Ｓ≦５．６８×１０^−１×Ｂ−６．７６×１０^−２×Ｈ−１．１２×１０^−５×Ｖ^２−１．６８×１０^−２×Ｃ−５．８２×１０^−１・・・（１）
チェザーに設けられた複数の刃部の内、切削方向から見た最初の切削用刃部の刃先コーナー部の曲率半径をｒ（ｍｍ）とした場合、以下の式（２）を満足するチェザーで切削することを特徴とする請求項１に記載の鋼管のねじ切削方法。
０．２×B≦ｒ≦０．５×B ・・・（２）