JP5935657B2

JP5935657B2 - 穴あけ加工装置および穴あけ加工方法

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Publication number: JP5935657B2
Application number: JP2012236281A
Authority: JP
Inventors: 山下　浩二; 浩二山下; 承一郎廣池; 誠二尾▲崎▼; 公人白▲崎▼
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2032-10-26
Also published as: JP2014083662A

Description

本発明は、ガイドブッシュを適用して被加工物に深穴をあける穴あけ加工装置および穴あけ加工方法に関する。

素材ビレットを穿孔圧延して継目無鋼管を製造する際に、圧延後の鋼管の偏肉を防止したり、プラグの摩耗を低減させたり、穿孔圧延初期の噛み込みトラブルを防止させたりする観点から、素材ビレット端部にポンチ加工を行う技術（例えば特許文献１）が知られている。

このような穴加工を行う場合、穴あけ加工装置に長尺ドリルを用いると、加工開始時にドリルが大きく振れることがあり、このような振れを防止するためにガイドブッシュが用いられる（例えば特許文献２）。

ところで、上記素材ビレットへの深穴の形成と、素材ビレットの先端部へのポンチ加工や穴加工は、従来、別個の工具を用いて別個の工程で行わなければならず、生産能率を考慮すると工具を交換している時間をとることが難しい。また、これらの加工を行うためには加工装置の台数が多くなり、設置スペースとコストが増大してしまう。したがって、これらの工程を一つの加工装置により一工程で行いたいという要望がある。

このように２種類の穴加工を一度に行う技術としては、例えばドリル工具の根本の加工径を太くして、２段階の穴を形成する技術が提案されている（例えば特許文献３）。また、ドリル軸に面取り工具を外付けし、ドリルにより穴を形成した後、面取りする技術も提案されている（例えば特許文献４）。さらに、ドリル軸に面取刃を内蔵させ、ドリルにより穴を形成した後、面取り刃を突出させて面取り加工を行う技術も提案されている（例えば特許文献５）。

特開２００２−００１４０３号公報特開２００５−１２５４５０号公報特開平０８−１６８９１２号公報特開平１１−２５４２１８号公報特開２００１−３２２０１９号公報

しかしながら、上記特許文献３や４に示すような、ドリル工具の根本を太くしたり、面取り刃を外付けしたりする技術を、上記深穴を形成する穴あけ加工装置に適用しようとすると、ガイドブッシュが妨げとなって根本の太い部分やドリル軸に外付けされた面取り刃がビレット端面に届かない。したがって、ガイドブッシュを取り外す機構が必要となり、設備が複雑となるとともに工程が煩雑となってしまう。

一方、特許文献５に示すような、ドリル軸に面取り刃を内蔵させる技術では、ドリル軸の強度が低下し、深穴に適用することは困難である。また、ビレット端面に隣接してガイドブッシュが存在しているため、ビレット端面では面取刃を突出させることができない。このため、ガイドブッシュを外すか、根本側へ移動する機構が必要となり、設備が複雑となるとともに工程が煩雑となってしまう。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、被加工材に深穴を形成し、かつその端部の周囲に面取加工する操作を、装置の複雑化や工程の煩雑性を招くことなく、一回の工程で行うことができる穴あけ加工装置および穴あけ加工方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、主軸を有するとともに前記主軸に沿って装着される深穴を形成するためのドリルを有し、前記ドリルを回転・送り可能な加工装置本体と、被加工材を支持する被加工材支持部と、前記被加工材支持部に支持された被加工材の先端部に設けられ、前記ドリルの先端をガイドするガイドブッシュとを具備し、前記ドリルは、長尺状をなすドリル本体と、前記ドリル本体の後端側に形成された係合部とを有し、前記ガイドブッシュは、前記ドリルをガイドするガイド穴を有するガイドブッシュ本体と、前記ガイドブッシュ本体の被加工材側の端部に取り付けられた面取刃と、前記係合部が係合して前記ドリルとの結合を成立させる結合部とを有するともに、回転可能かつ前記主軸に沿って移動可能に設けられ、前記ドリルにより被加工材に所定長さの深穴が形成されるとともに、前記ドリルの係合部が前記ガイドブッシュの結合部に係合されて前記ガイドブッシュと前記ドリルとが結合した時点で、前記ガイドブッシュが前記ドリルとともに回転し、それにともなって回転する前記面取刃により被加工材の端部における前記深穴の入口周囲を面取加工することを特徴とする穴あけ加工装置を提供する。

前記ガイドブッシュを回転可能にかつ主軸方向に移動可能にガイドするガイド部材をさらに有することが好ましい。前記ガイドブッシュが、前記ガイド部材の内側に摺動可能に嵌め込まれた構成とすることができる。

また、前記係合部は、前記ドリル本体の周面から突出するような段付き部として設けられており、前記結合部は、前記ガイドブッシュの後端部に突出部として設けられている構成とすることができる。

本発明はまた、主軸を有するとともに前記主軸に沿って装着される深穴を形成するためのドリルを有し、前記ドリルを回転・送り可能な加工装置本体と、被加工材を支持する被加工材支持部と、前記被加工材支持部に支持された被加工材の先端部に設けられ、前記ドリルの先端をガイドするガイドブッシュとを具備し、前記ドリルは、長尺状をなすドリル本体と、前記ドリル本体の後端側に形成された係合部とを有し、前記ガイドブッシュは、前記ドリルをガイドするガイド穴を有するガイドブッシュ本体と、前記ガイドブッシュ本体の被加工材側の端部に取り付けられた面取刃と、前記係合部が係合して前記ドリルとの結合を成立させる結合部とを有するともに、回転可能かつ前記主軸に沿って移動可能に設けられた穴あけ加工装置により穴あけ加工を行う穴あけ加工方法であって、前記ドリルにより被加工材に深穴を形成し、前記ドリルが所定の位置まで深穴を形成した時点で、前記係合部が前記ガイドブッシュの結合部に係合されて前記ガイドブッシュと前記ドリルとが結合し、それにより前記ガイドブッシュが前記ドリルとともに回転し、それにともなって回転する前記面取刃により被加工材の端部における前記深穴の入口周囲を面取加工することを特徴とする穴あけ加工方法を提供する。

本発明によれば、ドリルはドリル本体の後端側に形成された係合部を有し、ガイドブッシュは、ドリルをガイドするガイド穴を有するガイドブッシュ本体と、ガイドブッシュ本体の被加工材側の端部に取り付けられた面取刃と、係合部が係合してドリルとの結合を成立させる結合部とを有し、かつガイドブッシュは、回転可能かつ主軸に沿って移動可能に設けられ、ドリルによって被加工材に所定長さの深穴が形成されるとともに、ドリルの係合部がガイドブッシュの結合部に係合されてガイドブッシュとドリルとが結合した時点で、ガイドブッシュがドリルとともに回転し、それにともなって回転する面取刃により被加工材の端部における深穴の周囲を面取加工する。したがって、被加工材に深穴を形成し、かつその端部に周囲を面取加工する操作を、装置の複雑化や工程の煩雑性を招くことなく、一回の工程で行うことができる。このため、工具交換を行って深穴加工と面取加工を行う場合と比較して処理時間を短縮することができる。

本発明の一実施形態に係る穴あけ加工装置を示す側面図である。本発明の一実施形態に係る穴あけ加工装置に用いるクランプ装置を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る穴あけ加工装置に用いるガイドブッシュおよびガイドブロックを示す正面図である。本発明の他の実施形態に係る穴あけ加工装置を示す側面図である。本発明の一実施形態に係る穴あけ加工装置により穴あけ加工をする際の工程を説明するための図である。本発明の一実施形態に係る穴あけ加工装置により深穴と面取加工部が形成された被加工材を示す図である。被加工材として用いた継目無鋼管用の素材ビレットの面取加工部に穿孔プラグを当てた状態を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の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穴あけ加工装置を示す側面図、図２はそのクランプ装置を示す模式図、図３はそのガイドブッシュおよびガイドブロックを示す正面図である。

穴あけ加工装置１は、主軸（加工軸）Ｏを有するとともにドリルを主軸に沿って装着する装着部となるクイル１１と、クイル１１に装着されたドリル１２と、装着されたドリル１２を回転・送り可能な加工装置本体１０を有している。装置本体１０は、クイル１１を回転させる回転駆動部を有する主軸ヘッド１３と、主軸ヘッド１３を主軸Ｏに沿って移動させ、ドリル１２を送る送り機構１４とを有している。

また、穴あけ加工装置１は、丸棒状のワーク（被加工材）２０をクランプするクランプ装置１５と、ワーク２０の加工端側（先端部）の中心部に設けられたガイドブッシュ１６と、ガイドブッシュ１６の外周に設けられガイドブッシュ１６をガイドする固定ガイドブロック１７とを有している。

ワーク２０としては継目無鋼管の素材ビレットを用いることができる。この場合には、圧延後の鋼管の偏肉を防止する目的で素材ビレットの軸芯部の穴あけ加工を行う。ただし、ワーク２０はこのような素材ビレットに限るものではなく、また、丸棒状のものに限るものでもない。

ドリル１２は、ワーク２０に深穴を形成するためのものであり、長尺状のドリル本体２１と、ドリル本体２１の後端側にドリル本体２１の周面から突出した段付き部として設けられた複数の係合部２２とを有している。また、ドリル本体２１には、その長手方向に沿って切屑排出溝２１ａが形成されている。

クランプ装置１５は、図２に示すように、上側の昇降Ｖブロック１５ａと、下側の固定Ｖブロック１５ｂとを有し、昇降Ｖブロック１５ａを下降させることによりワーク２０をクランプし、ワーク２０の長手方向が主軸Ｏに一致するようにワーク２０を固定する。なお、左右からＶブロックで挟むものであってもよい。

ガイドブッシュ１６は、固定ガイドブロック１７の内側に摺動可能に嵌め込まれ、固定ガイドブロック１７にガイドされて回転可能および主軸Ｏに沿って移動可能となっており、ドリル１２の加工径に嵌め合う内径を有するガイド穴１９を有するガイドブッシュ本体３１と、ガイドブッシュ本体３１のワーク側の面に設けられた面取刃３２と、ガイドブッシュ本体３１の後端部に設けられ、係合部２２が係合してドリル１２との結合を成立させる複数の結合部３３とを有する。面取刃３２は、例えば図３に示すようにガイドブッシュ本体３１の端面に２箇所設けられる。面取刃の数は特に限定されないが、２箇所以上が好ましい。

なお、固定ガイドブロック１７としては、ガイドブッシュ１６を摺動可能にガイドするものに限らず、ボールスプライン等、他のガイド機構を有するものであってもよい。

ドリル１２の係合部２２は、深穴の穴深さ寸法が一定の場合は、係合部はドリル本体２１に固定的に設ければよいが、穴深さが複数設定される場合には、例えばドリル本体２１に複数のボルト穴を設け、穴深さに対応して係合部２２の位置を調整可能とすることが好ましい。

結合部３３に係合部２２が係合することにより、ガイドブッシュ１６とドリル１２とが結合され、ドリル１２の回転動力がガイドブッシュ１６に伝達してガイドブッシュ１６を回転させ、面取刃３２による面取操作が可能となる。結合部３３を突起部で構成して、係合部２２が引っかかることでガイドブッシュ１６とドリル１２とが結合されるようにすることができる。結合部３３に係合部２２が接触するときに、接触部の損耗を避けるために、ドリル１２の回転を低速にするか停止されることが好ましい。また、結合部３３に係合部２２は、周方向にずらしてから接触させることが好ましい。
この場合、ガイドブッシュ１６の突起部（結合部３３）と、ドリル１２の段付部（係合部２２）の位置関係は、ドリル１２の切屑排出溝１２ａの位置に面取刃３２を合わせるような位置関係がよい。

また、係合部２２と結合部３３とは、これらの接触部が、ラチェットのような歯車伝達機構等、適宜な動力伝達機構を構成していることが好ましい。ドリル１２を回転したままでも容易に両者が噛み合うように、動力伝達機構として回転しているギアを噛み合わせるいわゆるシンクロ機構や摩擦クラッチ機構等を用いることがより好ましい。
この場合、面取刃３２と切屑排出溝１２ａとの位置関係が不規則となるため、ワーク２０端面とガイドブッシュ１６端面に隙間を設けて、切屑が確実に排出されるようにしておくとよい。

面取刃３２としては、例えば加工穴入口の稜線に対して４５°の角度を持つものが一般的であるが、ワーク２０が継目無鋼管用の素材ビレットの場合、穿孔プラグ先端の曲線が穴入口に接する接線の角度や、穿孔プラグの先端形状に合わせた曲線であってもよい。

ガイドブッシュ１６は、固定ガイドブロック１７の内側で回転および主軸Ｏに沿って移動可能となっているが、図４に示すように、加工終了後にドリル１２を引き抜く際に固定ガイドブロック１７から抜けないように、ストッパ３５を設けることが好ましい。また、加工終了後にガイドブッシュ１６がワーク２０の端面から外れやすくするため、バネ等の弾性部材で引き戻すようにすることが好ましい。

次に、以上のような構成を有する穴あけ加工装置による穴あけ加工を行う方法について図５を参照しながら説明する。

まず、ワーク２０が搬送ローラー（図示せず）によりクランプ装置１５へ挿入され、固定ガイドブロック１７に当たり停止したのち、搬送ローラーが降下し、丸棒状のワーク２０はクランプ装置１５の固定Ｖブロック１５ｂに着座する。この状態で、クランプ装置１５の昇降Ｖブロック１５ａを下降させることにより、ワーク２０の固定と水平方向のセンタリングを行う。そして、図５（ａ）に示すように、ドリル１２をガイドブッシュ１６のガイド穴１９に挿入し、ワーク２０の加工端側（先端部）の中心部にドリル１２の先端を当てた状態とし、ドリル１２を回転させて穴あけを開始する。

図５（ｂ）に示すように、ドリル１２を回転させながら、ドリル１２を主軸Ｏに沿って送り、深穴を掘り進む。さらに堀り進んで、図５（ｃ）に示すように、ドリル１２の係合部２２がガイドブッシュ１６の結合部３３に係合すると、ガイドブッシュ１６とドリル１２とが結合され、ガイドブッシュ１６が固定ガイドブロック１７にガイドされた状態でドリル１２とともに回転し、かつ主軸Ｏに沿って移動し、面取刃３２によりワーク２０の端部において、深穴の周囲が面取りされる。そして、ドリル１２が深穴加工の終端に達すると同時に面取刃３２による面取加工も終了し、穴あけ加工が終了する。

これにより、図６に示すように、ワーク２０に深穴５１とその端部の面取り加工部５２が形成される。ワーク２０が継目無鋼管用の素材ビレットである場合には、図７に示すように、面取加工部５２に穿孔プラグ５５の先端が当たるようになる。

本実施形態によれば、ドリル１２はドリル本体２１の後端側に形成された係合部２２を有し、ガイドブッシュ１６は、ドリル１２をガイドするガイド穴１９を有するガイドブッシュ本体３１と、ガイドブッシュ本体３１のワーク２０側の端部取り付けられた面取刃３２と、係合部２２が係合してドリル１２との結合を成立させる結合部３３とを有し、かつガイドブッシュ１６は、固定ガイドブロック１７の内側で摺動可能であり、固定ガイドブロック１７にガイドされて、回転および主軸Ｏに沿った移動が可能であるため、ドリル１２によってワーク２０に所定長さの深穴が形成された後、ドリル１２の係合部２２がガイドブッシュ１６の結合部３３に係合され、ガイドブッシュ１６がドリル１２とともに回転して、深穴を終端まで加工すると同時に、面取刃３２によりワーク２０の端部における深穴の周囲を面取加工する。したがって、ワーク２０に深穴を形成し、かつその端部に周囲を面取加工する操作を、装置の複雑化や工程の煩雑性を招くことなく、一回の工程で行うことができる。このため、工具交換を行って深穴加工と面取加工を行う場合と比較して処理時間を短縮することができる。

なお、ワーク２０が継目無鋼管用の素材ビレットである場合には、面取加工により、穿孔圧延初期の噛み込み不良トラブルを低減することができ、また、継目無鋼管の端部における偏肉を改善することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。
ここでは、継目無鋼管用の素材ビレットに深穴を形成し、面取加工を行った場合について説明する。

素材ビレットを加熱炉へ挿入する前に、穴あけ加工装置により、ビレット端面の中心部に穴径に対して８倍の深さでドリル加工を行った。

使用したドリルは、穴深さに対して１．１倍の有効加工深さがあり、切屑排出溝が設けられ、かつ先端部分にガイドパッドを備えた本体と、本体の根元側外周面に、切屑排出溝を避けて周方向に４箇所設けられた段付部（係合部）と有するものとした。

ガイドブッシュは、ドリル加工穴径に対し、内径（ガイド孔の径）が１．０１倍、外径が１．３倍、深さが２倍の円筒状の本体と、本体の一方の端面に装着された、ドリル加工穴径に対し０．３倍の有効面取り幅をもつ、一対（２枚）の面取刃と、本体の反対側（加工装置本体側）の端面に、周方向に沿って設けられた８箇所の突起部（結合部）とを有するものとした。固定ガイドブロックは、ガイドブッシュの外径に対し１．００１倍のガイドブッシュの取付穴を設けたものとし、その取付穴に、ガイドブッシュを装着した。

また、ドリルをビレットから引き抜くとき、ガイドブッシュを戻すバネを装着し、かつドリルをガイドブッシュから引き抜くときにガイドブッシュが加工機本体側に飛び出さないようにするために、固定ガイドブロックにガイドブッシュのストッパを設けた。

以上のような穴あけ加工装置により、最初に素材ビレットの深穴加工を行う端面を、固定ガイドブロックに当接させ、クランプ装置で素材ビレットを固定した。そして、ドリルを固定ガイドブロック内のガイドブッシュに挿入し、ドリルを回転させつつドリル先端が素材ビレットに当接する直前で待機させた。送り機構によりドリルをビレット側へ送り、ドリル先端のガイドパッドがガイドブッシュを支えにし、ガイドブッシュが固定ガイドブロックを支えにして、ドリル先端の振動を抑制しつつ、ドリル先端をビレットに食い付かせた。回転しているドリルをビレット内部へ送り込み、ドリル先端のガイドパッドをビレットの加工穴内壁を支えに加工送りを進ませていった。

ドリルの穴加工が所定の穴深さに到達する前で、かつ面取刃の加工を開始する直前にドリルの回転を停止させ、その状態でドリルの２箇所の段付部（係合部）が、ガイドブッシュの２箇所の突起部（結合部）の間に収まるように位置を合わせ、ガイドブッシュをドリルの根元側にスライドさせて、両者を噛み合わせた。具体的には、ドリルの段付部（係合部）と、ガイドブッシュの突起部（結合部）を、加工軸方向にそれぞれ対向するテーパー形状とし、双方がスライドされて接近する際のテーパー斜面に沿う力により、相対的にそれぞれが周方向へ修正旋回され、無理なく段付部と突起部を噛み合わせることができた。なお、これに近い原理のシンクロ機構を用いれば、ドリルを回転させたまま、段付部を突起部へ滑り込ませることも可能である。

ドリルの段付部とガイドブッシュの突起部を噛み合わせた時点でドリルの回転を再開し、ドリルの段付部をガイドブッシュの突起部に押し付けてドリルの推進力を面取刃に伝え、ドリルの穴加工を所定の穴深さまで到達させると同時に、面取加工も終了させた。

このように深穴加工と面取加工とを工具交換を行うことなく一工程で行うことにより、従来よりも時間を３２％短縮できることが確認された。

このように深穴加工および面取加工を行ったビレットを加熱炉に装入して加熱し、加熱されたビレットを抽出し、穿孔プラグによる圧延を経て継目無鋼管を製造したところ、継目無鋼管の端部における偏肉が１５％から５％に改善し、また、面取加工により、穿孔プラグの寿命が２倍になり、かつ穿孔圧延初期の噛み込み不良トラブルが半減した。

本発明は、継目無鋼管の素材ビレット端面に深穴加工および面取加工を行う場合に有効であるが、これに限らず、一般的にガイドブッシュが必要となる深穴加工に加えて、面取加工が必要となる場合の全般に有効である。

１穴あけ加工装置
１０加工装置本体
１１クイル（装着部）
１２ドリル
１３主軸ヘッド
１４送り機構
１５クランプ装置
１６ガイドブッシュ
１７固定ガイドブロック
１９ガイド穴
２０ワーク（被加工材）
２１ドリル本体
２２係合部
３１ガイドブッシュ本体
３２面取刃
３３結合部
３５ストッパ
５１深穴
５２面取加工部
５５穿孔プラグ

Claims

主軸を有するとともに前記主軸に沿って装着される深穴を形成するためのドリルを有し、前記ドリルを回転・送り可能な加工装置本体と、
被加工材を支持する被加工材支持部と、
前記被加工材支持部に支持された被加工材の先端部に設けられ、前記ドリルの先端をガイドするガイドブッシュと
を具備し、
前記ドリルは、長尺状をなすドリル本体と、前記ドリル本体の後端側に形成された係合部とを有し、
前記ガイドブッシュは、前記ドリルをガイドするガイド穴を有するガイドブッシュ本体と、前記ガイドブッシュ本体の被加工材側の端部に取り付けられた面取刃と、前記係合部が係合して前記ドリルとの結合を成立させる結合部とを有するともに、回転可能かつ前記主軸に沿って移動可能に設けられ、
前記ドリルにより被加工材に所定長さの深穴が形成されるとともに、前記ドリルの係合部が前記ガイドブッシュの結合部に係合されて前記ガイドブッシュと前記ドリルとが結合した時点で、前記ガイドブッシュが前記ドリルとともに回転し、それにともなって回転する前記面取刃により被加工材の端部における前記深穴の入口周囲を面取加工することを特徴とする穴あけ加工装置。
前記ガイドブッシュを回転可能にかつ主軸方向に移動可能にガイドするガイド部材をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の穴あけ加工装置。
前記ガイドブッシュは、前記ガイド部材の内側に摺動可能に嵌め込まれていることを特徴とする請求項２に記載の穴あけ加工装置。
前記係合部は、前記ドリル本体の周面から突出するような段付き部として設けられており、前記結合部は、前記ガイドブッシュの後端部に突出部として設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の穴あけ加工装置。
主軸を有するとともに前記主軸に沿って装着される深穴を形成するためのドリルを有し、前記ドリルを回転・送り可能な加工装置本体と、被加工材を支持する被加工材支持部と、前記被加工材支持部に支持された被加工材の先端部に設けられ、前記ドリルの先端をガイドするガイドブッシュとを具備し、前記ドリルは、長尺状をなすドリル本体と、前記ドリル本体の後端側に形成された係合部とを有し、前記ガイドブッシュは、前記ドリルをガイドするガイド穴を有するガイドブッシュ本体と、前記ガイドブッシュ本体の被加工材側の端部に取り付けられた面取刃と、前記係合部が係合して前記ドリルとの結合を成立させる結合部とを有するともに、回転可能かつ前記主軸に沿って移動可能に設けられた穴あけ加工装置により穴あけ加工を行う穴あけ加工方法であって、
前記ドリルにより被加工材に深穴を形成し、前記ドリルが所定の位置まで深穴を形成した時点で、前記係合部が前記ガイドブッシュの結合部に係合されて前記ガイドブッシュと前記ドリルとが結合し、それにより前記ガイドブッシュが前記ドリルとともに回転し、それにともなって回転する前記面取刃により被加工材の端部における前記深穴の入口周囲を面取加工することを特徴とする穴あけ加工方法。