JP2013198948A - 内周面研削方法および内周面研削治具 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で分解・組立が簡易な構造をもつ研削装置を用いて、現地での最終組立調整などの現場においても、工作物の内周面を精度に良く、研削できるようにする。
【解決手段】実施形態による内周面研削治具は、ワーク１００の内周面１０２を研削する研削工具３６を先端部に保持し、旋回軸回りに手動で旋回可能な旋回アーム１４と、この旋回アーム１４の旋回平面内の直交する２方向に変位可能なように旋回軸を支持し、旋回軸がワーク１００の内周面１０２の曲率中心に位置するように調整を行う旋回軸位置調整機構１３と、ワーク１００に着脱可能に固定され、旋回軸位置調整機構１３を支持する枠形の本体フレーム１０と、とから構成される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、工作物の内周面を研削することのできる内周面研削方法および内周面研削治具に関する。

例えば、原子力発電プラント、火力発電プラントで用いられる発電機タービンのノズルダイヤフラムなどの円筒形状や半円筒形状の大型工作物は、ターニングセンタなどの工作機械による旋削や研削が工場で行われ、現地プラントにて組み立てた後、最終的な組立調整が行われる。

現地プラントでのタービンの最終組立調整では、動翼の先端部とノズルダイヤフラム外輪の内周面との間の隙間量が測定され、規定の範囲に収まるように隙間を調整している。動翼の先端部とノズルダイヤフラム外輪の内周面の間の隙間が大きいと、この隙間から漏洩する蒸気量が増えてタービン効率が低下する。これとは逆に、隙間が足りないと、回転する動翼の先端部が損傷したり、ノズルダイヤフラム外輪の内周面が削られてしまう虞がある。

現地での隙間調整が首尾良くいかない場合、従来は、タービンを分解しノズルダイヤフラムを加工工場に運び、加工精度の高いターニングセンタなどの工作機械でノズルダイヤフラム外輪の内周面を再度研削し直して修正を行っていた。

なお、タービンのノズルダイヤフラムのような大型工作物の内周面の研削加工に関する従来技術としては、例えば、特許文献１に開示されている研削装置がある。

特開２００４−４２２３５号

ところが、近年、原子力発電プラントや火力発電プラントでは、発電機タービンの組立工期や定期点検期間の短縮が進められている。このような趨勢の下、ノズルダイヤフラム外輪の内周面を現地で研削して内周面を修正することが行われることがある。この場合には、作業員がグラインダなどの研削工具を使って手作業で研削を行っている。

最近のタービンは性能の向上が著しく、それに伴って、動翼の先端部とノズルダイヤフラム外輪との間の隙間を極限まで小さくするようになってきており、そのような厳しい隙間管理が要求される場合、作業員の手作業による研削では精度にも限界があり、対応することが困難であった。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する課題に鑑みなされたものであって、工作物の内周面を精度に良く、研削できるようにする内周面研削方法および内周面研削治具を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、研削工具を円弧軌道上に誘導しながら、ワークの内周面を前記研削工具で研削する内周面研削治具であって、前記ワークの内周面を研削する研削工具を先端部に保持し、旋回軸回りに手動で旋回可能な旋回アームと、前記旋回アームの旋回平面内の直交する２方向に変位可能なように前記旋回軸を支持し、前記旋回軸が前記ワークの内周面の曲率中心に位置するように調整を行う旋回軸位置調整機構と、前記ワークに着脱可能に固定され、前記旋回軸位置調整機構を支持する枠形の本体フレームと、を具備したことを特徴とするものである。

また、本発明は、研削工具を円弧軌道上に誘導しながら、ワークの内周面を前記研削工具で研削する内周面研削方法であって、ワークの内周面を研削する研削工具を先端部に保持し、旋回軸回りに旋回可能で前記内周面の曲率半径に相当する長さを有する旋回アームと、前記旋回アームを旋回自在に支持するフレームを準備し、前記旋回アームの旋回平面内の直交する２方向に旋回軸が変位可能なように前記旋回軸を前記フレームによって支持し、前記ワークの基準面の曲率半径を複数の測定点で測定し、その測定結果に基づいて前記旋回軸を前記ワークの内周面の曲率中心位置に位置決めし、前記旋回アームを手動で旋回させて前記研削工具を円弧軌道上に誘導しながら、前記研削工具でワークの内周面を研削することを特徴とするものである。

本発明の一実施形態による内周面研削方法を実施する内周面研削治具を示す平面図である。 図１におけるII-II矢視断面図である。 同内周面研削治具を示す正面図である。 同内周面研削治具をワークに固定するクランプ機構を示す側面図である。 同内周面研削治具の旋回軸の位置調整を行うＸ−Ｙステージを構成するステージユニットを示す平面図である。

以下、本発明による内周面研削方法および内周面研削治具の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態による内周面研削方法の実施に使用する内周面研削治具を示す平面図で、図２は、図１におけるII-II矢視断面図、図３は正面図である。図１乃至図３において、参照番号１０は、内周面研削治具の本体フレームを示す。この内周面研削治具は、本体フレーム１０と、この本体フレーム１０に支持されている旋回軸１２と、この旋回軸１２の位置を調整する位置調整機構であるＸ−Ｙステージ１３と、旋回軸１２を中心にして旋回する旋回アーム１４と、この旋回アーム１４の先端部に取り付けられている研削工具１６と、を主要な要素として構成されている。参照番号１００はワークを示し、１０２は研削の対象である内周面である。

この内周面研削治具では、旋回軸１２をワーク１００の内周面１０２の曲率中心Ｏに位置決めした後、旋回軸１２を手動で回しながら、内周面１０２を研削することができるようになっている。

まず、本体フレーム１０は、治具の本体を構成するフレームであり、２本の縦フレーム１７と、２本の横フレーム１８とが四方組みされた枠体である。下側の横フレーム１７の両端部には、それぞれ図４に示すようなクランプ機構２０が取り付けられており、このクランプ機構２０を使って本体フレーム１０をワーク１００に固定することができる。

クランプ機構２０は、対をなしているクランプ駒２１ａ、２１ｂでワーク１００を挟み、ハンドル２２を回して、クランプロッド２３で一方のクランプ駒２１ａを押圧することで、本体フレーム１０を固定することができるように構成されている。

次に、旋回アーム１４について説明すると、図１、図２に示されるように、旋回アーム１４は、アーム本体３０と、アーム先端部３２とから構成されている。アーム本体３０とアーム先端部３２は、互い嵌り合うパイプ状のアームである。アーム本体３０の先端には所定のピッチで複数の穴３１が形成されている。アーム先端部３２にも穴３３が形成されており、アーム本体３０の穴３２にアーム先端部３２の穴３３の位置を合わせるようにして連結ピンを差し込むことで、アーム先端部３２をアーム本体３０に連結することができる。そして、連結ピンを入れる穴の位置を変えることにより、旋回アーム１４の全長を調整することができるようになっている。

アーム先端部３２には、工具ホルダ３４が固定されており、この工具ホルダ３４を介して研削工具１６としてのエアグラインダ３６が取り付けられている。エアグラインダ３６は、エアチューブ３７から供給される圧縮空気によって駆動される空圧モータにより円盤状の砥石３８を回転させる研削工具である。エアグラインダ３６は旋回アーム１４の旋回平面と平行な平面上を砥石３８が回転するように支持されている。

工具ホルダ３４は、アーム先端部３２において、マイクロメータ３９の送りねじによって軸方向に微動可能に取り付けられている。このマイクロメータ３９のつまみを回すことで１０μｍ単位で工具ホルダ３４を微動させることができる。

他方、アーム本体３０の基端部は継手４０を介して旋回軸１２と着脱可能に連結されている。旋回軸１２は、ねじが形成されているねじ軸であり、継手４０は旋回軸１２のねじに螺合するナット部材４１を備えている。

この旋回軸１２は、旋回アーム１４の旋回中心を位置を調整するためのＸ−Ｙステージ１３によって、Ｘ軸方向の位置およびＹ軸方向の位置を調整可能に支持されている。この実施形態の場合、本体フレーム１０の長手方向をＸ軸方向、水平面上でＸ軸と直交する方向をＹ軸方向とする。旋回アーム１４は、Ｘ−Ｙ平面に平行な平面上を旋回する。

Ｘ−Ｙステージ１３は、図５（ａ）に示すＸ軸ステージユニット４４と、図５（ｂ）に示すＹ軸ステージユニット４６を二段重ねにして構成した位置決め装置である。Ｘ軸ステージユニット４４、Ｙ軸ステージユニット４６は、それぞれ固定台の上に転がり案内を介して可動台４８を載置したステージユニットである。Ｘ軸ステージユニット４４では、Ｘ軸マイクロメータ４９のつまみを回すと、送りねじが伸縮して可動台４８が１０μ単位でＸ軸方向に微動させることができるようになっている。同様にＹ軸ステージユニット４６にも可動台４８をＹ軸方向に微動させるＹ軸マイクロメータ５０が設けられている。なお、参照番号５１は可動台４８を固定するクランプねじを示している。

このようなＸ軸ステージユニット４４とＹ軸ステージユニット４６とを２段重ねにしたＸ−Ｙステージ１３は、図２に示されるように、２つ一組で旋回軸１２の上下端部と連結され、旋回軸１２は、軸受５２、５３を介して回転自在に支持されている。旋回軸１２の先端部には、旋回軸１２を回すハンドル５４が取り付けられている。このハンドル５４で旋回軸１２を回すと、旋回軸１２に螺合しているナット部材４１が上下に動き、旋回アーム１４の上下方向の位置を調整することができるようになっている。

旋回アーム１４のアーム本体３０には、ブラケット５５を介してダイヤルゲージ５６が取り付けられている。このダイヤルゲージ５６は、旋回軸１２を位置決めするときに、ワークの曲率半径を測定するのに使用される。

なお、アーム本体３０には、アームの撓みを防止するための転がりサポート５８が取り付けられている。この転がりサポート５８は、ワーク１００の表面を転動するボールがベアリングで支持された構造をもつ支えである。

本実施形態による内周面研削治具は、以上のように構成されるものであり、次に、研削方法との関連において、内周面研削治具の作用並びに効果について説明する。

この実施形態の場合、図１において、ワーク１００は、蒸気タービン用のノズルダイヤフラムとして利用される半円環状の工作物である。ワーク１００の外周部はノズル外輪１０１に相当する部分であり、その内周面１０２を研削する。ワーク１００の中央部は、ノズル内輪１０４に相当する部分である。本実施形態は、発電プラントの現地で蒸気タービンを組み立て、ノズル外輪１０１の内周面１０２と動翼の先端との間の隙間を測定した結果、隙間の足りない部分が見つかったため、ノズルダイヤフラムをワーク１００として、現地で内周面１０２を再研削して修正する場合を想定した実施形態である。

まず、図４に示すように、内周面研削治具の本体フレーム１０をワーク１００に固定する。対をなしているクランプ駒２１ａ、２１ｂでワーク１００を挟み、ハンドル２２を回しながら、クランプ軸２３で一方のクランプ駒２１ａをワーク１００に押し付けていくことで、本体フレーム１０を固定することができる。このとき、旋回軸１２の位置は、内周面１０２の曲率中心付近におおよそあればよい。

次に、図１において、ノズル内輪１０４の内周面を基準面として、旋回アーム１４を旋回させながらダイヤルゲージ５６を使って、旋回軸１２の中心からノズル内輪１０４の内周面までの距離を複数箇所で測定する。例えば、旋回アーム１４の旋回角度０°の位置Ａ、旋回角度９０°の位置Ｂ、旋回角度１８０°の位置Ｃの３箇所で測定する。この場合、ノズル内輪１０４の内周面の半径Ｒ1は既知であり、旋回軸１２がノズル内輪１０４の曲率中心Ｏに位置していれば、測定値は既知の半径Ｒ1と一致する。測定値に誤差があれば、旋回軸１２が曲率中心から偏位していることになる。測定値に誤差があれば、その誤差の大きさ、方向に応じてＸ−Ｙステージ１３のＸ軸マイクロメータ４９、Ｙ軸マイクロメータ５０のつまみを回して、旋回軸１２をＸ軸方向、Ｙ軸方向に微動させて位置を調整する。調整後、同様にして、旋回軸１２の中心からノズル内輪１０４の内周面までの距離を複数箇所で測定し、既知の半径Ｒ1の値と一致しているか確認する。誤差があれば、誤差がなくなるまで、測定と位置調整を繰り返す。こうして、旋回軸１２をノズル内輪１０４の内周面の曲率中心に位置決めすることができる。ノズル内輪１０４とノズル外輪１０１は同心なので、旋回軸１２の旋回中心はノズル外輪１０１の内周面１０２の曲率中心Ｏに位置していることになる。

次に、研削を開始する前に、研削工具１６の研削突出し量を調整する。研削突出し量とは、エアグラインダ３６の砥石３８による切り込み量のことである。ノズル外輪１０１の内周面１０２の曲率半径Ｒも既知であるので、旋回軸１２の旋回中心から砥石１８の外周までの長さを、曲率半径Ｒに対応させて切り込み量を見込んで調整する。この研削突出し量の調整は、アーム先端部３２に設けてあるマイクロメータ３９のつまみを回して１０μｍ単位で微調整することができる。

また、図２において、エアグライダ３６の砥石３８の上下（Ｚ軸方向）の位置の調整も行う。この調整は、旋回軸１２のハンドル５４を回すと、旋回軸１２かねじ軸になっていることから、ナット部材４１とともに旋回アーム１２全体を上下に微動させて調整することができる。

こうして研削の準備が整ったら、エアグラインダ３６にエアを供給し砥石３８を回転させながら、旋回アーム１２を作業員が手でもって旋回させ、ノズル外輪１０１の内周面１０２を研削する。このとき、加工精度に誤差があって研削による修正が必要な部分には砥石３８が当たって火花が出るので、研削による修正が必要な箇所はすぐ分かる。火花が出なくなって修正が終わったと判断することができたら、エアグラインダ３６を停止する。

そして、エアグラインダ３６の砥石３８の当たる位置を次の位置に変えるために、旋回軸１２のハンドル５４を回して、旋回アーム１４全体を砥石一つ分の幅に相当する距離だけ上に移動させる。その後、同様にしてエアグラインダ３６の砥石３８を回転させながら、旋回アーム１４を旋回させてノズル外輪１０１の内周面１０２を研削する。以後、同様に、エアグラインダ３６の砥石の当たる位置を変えながら、ノズル外輪１０１の内周面全体を研削する。

本実施形態による内周面研削治具を利用した内面研削では、エアグラインダ３６を誘導する旋回アーム１４の旋回軸１２が、ワーク１００の中心、すなわちノズル外輪１０１の内周面１０２の曲率中心Ｏに正確に位置決めされているので、旋回アーム１４を旋回させる過程では、砥石３８は内周面１０２の曲率中心Ｏを基点とする円弧軌道上を正確に移動することが保証される。また、旋回アーム１４が旋回する間、この旋回アーム１４は転がりサポート５８によって支持されているので、旋回アーム１４の撓みは防止される。しかも、砥石３８の研削突出し量を１０μｍ単位での調整が可能であるので、手作業による研削作業でありながら、内周面１０２の高精度な研削調整を実現することができる。

本実施形態のように、ワーク１００がノズルダイヤフラムであり、特に、内周面１０２にはアブレダブルなコーティング層が形成されている場合、動翼先端との間の隙間は極限まで小さくなるように設定されることがある。このような厳格な隙間管理に対しても、内周面研削治具を利用することで、現場での対応が可能である。

以上は、旋回アーム１４の旋回軸１２を内周面１０２の曲率中心Ｏに正確に位置決めして研削する場合であるが、あえて曲率中心Ｏに対して所定のオフセットを設定するようにしてもよい。このようなオフセットを設定することで、ワーク１００がノズルダイヤフラムである場合、タービンを組み立てた後の変形を考慮にいれた研削調整を実現することができる。

また、本実施形態による内周面研削治具は、例えば、旋回アーム１４が、４〜５ｋｇ程度、本体フレーム１０は、例えば、アルミ形材から構成され、全体でも２０ｋｇ程度と軽量であり、可搬性および操作性に優れ、現場での組立、分解が容易な構成なっている。

したがって、この内周面研削治具をタービンの組立最終調整の現場に持ち込みその場での組み立てが容易であり、ノズルダイヤフラムのような大型のワーク１００を研削加工対象として、ノズル外輪１０１の内周面１０２の研削調整を精度良く、しかも能率的に行うことができる。

とりわけ、ノズルダイヤフラムの隙間の計測後、その場で直ちに研削調整が行えるようになるので、従来のように高精度の研削を現場で行えないために、ターニングセンタなどの工作機械のある工場にノズルタイヤフラムを送って研削調整を行っていたのに較べると、タービン組立や定期検査の工期を格段に短縮することが可能になる。

さらに、旋回アーム１４は旋回軸１２に着脱可能に構成されているので、本体フレーム１０から旋回アーム１４を分離できるように構成されている。そして、旋回アーム１４は、アーム本体３０と、エアグラインダ３６を保持するアーム先端部３２と、からなり、アーム本体３０は長さの異なる複数種類が用意されるので、ワーク１００の大きさや、研削する内周面の曲率半径に応じたアーム本体３０に交換することにより、様々な大きさをもつワーク１００の内周面研削に汎用的に対応することができる。ワーク１００が大型になると、研削に用いる旋回アーム１４は長くなり撓みやすくなるが、本実施形態のように、転がりサポート５８で旋回アーム１４を支持することで撓みを防止し、砥石３８の正確な円弧軌道を確保することができる。

なお、以上の実施形態は、ワーク１００を水平に設置した状態で内周面研削治具を取り付け、旋回アーム１４を水平面内で旋回させながら、内周面１０２を研削するようにした実施形態であるが、加工対象のワークによっては、旋回アーム１４が鉛直面内で旋回する姿勢でワークの内面を研削することも可能である。例えば、タービンの２分割したケーシングに収まっている下半分のノズルダイヤプラムを研削する場合、旋回アーム１４が垂直面内で旋回する姿勢で内周面研削治具を取り付ければ、ケーシングから下半分のノズルダイヤフラムを取り出すことなく、内周面を研削することができる。

以上、本発明に係る内周面研削方法および内周面研削治具について、タービンのノズルダイヤフラムをワークとする好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、円筒、半円筒状、扇形などさまざまな大型工作物の内面研削に適用が可能である。

１０…本体フレーム、１２…旋回軸 、１３…Ｘ−Ｙステージ、１４…旋回アーム、１６…研削工具、２０…クランプ機構、３０…アーム本体、３２…アーム先端部、３４…工具ホルダ、３６…エアグラインダ、３８…砥石、３９…マイクロメータ、４９…Ｘ軸マイクロメータ、５０…Ｙ軸マイクロメータ、５６…ダイヤルゲージ、５８…転がりサポート、１００…ワーク、１０１…ノズル外輪、１０２…内周面

Claims (9)

1. 研削工具を円弧軌道上に誘導しながら、ワークの内周面を前記研削工具で研削する内周面研削治具であって、
   前記ワークの内周面を研削する研削工具を先端部に保持し、旋回軸回りに手動で旋回可能な旋回アームと、
   前記旋回アームの旋回平面内の直交する２方向に変位可能なように前記旋回軸を支持し、前記旋回軸が前記ワークの内周面の曲率中心に位置するように調整を行う旋回軸位置調整機構と、
   前記ワークに着脱可能に固定され、前記旋回軸位置調整機構を支持する枠形の本体フレームと、
   を具備したことを特徴とする内周面研削治具。
2. 前記旋回軸位置調整機構は、前記本体フレームの長手方向と平行な第１の方向に変位可能な第１の可動台と、前記第１の方向と直交する第２の方向に変位可能な第２の可動台を重ねてなるＸ−Ｙステージからなり、前記第１の可動台、第２の可動台をそれぞれ微動させるダイヤルゲージを備えたことを特徴とする請求項１に記載の内周面研削治具。
3. 前記旋回アームの先端部には、研削工具の研削突出し量を微調整するマイクロメータが設けられたことを特徴とする請求項１に記載の内周面研削治具。
4. 前記旋回アームは、前記ワークの内周面の曲率半径を測定し、曲率中心と前記旋回軸との誤差を計測するためのマイクロメータを備えることを特徴とする請求項１に記載の内周面研削治具。
5. 前記旋回アームは、前記研削工具を保持するアーム先端部と、前記旋回軸に着脱可能に連結されるアーム本体と、からなり、前記アーム本体には長さの異なる複数本の交換用のアーム本体が用意されていることを特徴とする請求項１に記載の内周面研削治具。
6. 前記旋回アームには、旋回する過程で前記ワークの表面を転動するベアリングを有し当該旋回アームの撓みを防止する転がりサポートによって支持されるようにしたことを特徴とする請求項３乃至５のいずれかの項に記載の内周面研削治具。
7. 研削工具を円弧軌道上に誘導しながら、ワークの内周面を前記研削工具で研削する内周面研削方法であって、
   ワークの内周面を研削する研削工具を先端部に保持し、旋回軸回りに旋回可能で前記内周面の曲率半径に相当する長さを有する旋回アームと、前記旋回アームを旋回自在に支持するフレームを準備し、
   前記旋回アームの旋回平面内の直交する２方向に旋回軸が変位可能なように前記旋回軸を前記フレームによって支持し、
   前記ワークの基準面の曲率半径を複数の測定点で測定し、その測定結果に基づいて前記旋回軸を前記ワークの内周面の曲率中心位置に位置決めし、
   前記旋回アームを手動で旋回させて前記研削工具を円弧軌道上に誘導しながら、前記研削工具でワークの内周面を研削することを特徴とする内周面研削方法。
8. 前記旋回軸を前記曲率中心に位置決めする替わりに、前記曲率中心に対して所定のオフセットを設定して前記旋回軸を位置決めし、前記旋回アームを旋回させて前記研削工具でワークの内周面を研削することを特徴とする請求項７に記載の内周面研削方法。
9. 前記ワークは、タービンのケーシングに収容されるノズルダイヤフラムであり、研削の対象となる内周面は、動翼の先端との間に隙間を形成するノズル外輪の内周面であることを特徴とする請求項７または８に記載の内周面研削方法。

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