JP2005087992A - 切りくず破砕機 - Google Patents

Abstract

【課題】切りくずの減容にあたり、カッターを使わずに、より少ない破断エネルギーで、安価でかつ大量に処理できる破砕機の開発。
【解決手段】引っ掛け爪に切りくずをからめ、糸巻き状になった切りくずを、ホッパーの内壁に叩きつけ、切りくずの剪断面または弱小部分から切りくずが分断することにより、従来のカッターによる切断に比べて分断エネルギーが著しく減少できる。また一度分断した切りくずが再度糸巻きに巻き込まれないよう、破断された切りくずの逃げ道を敷設してある。さらに、切りくずの糸巻き状態をほぐすため、シーケンサーによって回転方向を一定時間後逆転させるようにしてある。またより良い条件を見出すために、回転体を多軸にし、回転方向や回転時間の組み合わせが自由に選べるようにしてある。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、機械加工工場や廃棄物処理場などで、発生する切りくずを破砕する装置で、工作機械周辺技術、環境保全技術に属する内容で、切りくず圧縮機の前処理機としても活用できる。

破砕機は、固定刃と回転刃とで構成される１軸破砕機と２つの回転刃による２軸方式が一般的である。写真１は典型的な2軸の破砕機のカッター部分である。
写真１
この種の破砕機では、材料を刃の間に挟み込み、剪断で材料を破砕する。切りくずの場合でも破断し易い場所や破断しやすい方向などに関係なく、とにかく刃に挟まった切りくずを強引に剪断しようとする。このため硬い材料にあわせ機械も大きな物になりがちである。強力な剪断力を求めると、運動量を大きくするため、刃及び保持体の質量を大きくしてしまう。しかし、刃物の剪断力には限界がある。剪断できない場合や異物が混入した場合、過負荷となり機械が停止してしまう。破砕機に異常検知装置が付いていても、この運動量のため十分機能しないばかりか刃物が損傷してしまう。一度破損したカッターの交換には多大な費用と時間がかかるのが常であり大きな問題点である。

特許公開２００３−１２６７１８では破砕ロータの破砕刃と固定破砕板の孔との間で処理物を破砕し、当該孔から破砕された処理物を排出することを特徴としている。従来の破砕機のように切りくずを剪断していない。しかし破砕刃と孔で切りくずを破砕するため、それぞれの材質、形状に工夫がいる。そのためにそれぞれ多岐にわたる種類を提案している。この孔は必須であるが、クリアランスが処理能力、切りくずつまりのカギを握る。その結果信頼性のない低能力の機械となり、しかもこの部分の部品代は低減されない。また大量の切りくずが来た場合処理能力にも限界がある。

（株）エイシンの平成１5年5月のカタログで、引き裂きクラッシャーを述べている。これも従来の破砕機の剪断に対して折る、引き裂くを提案している。ここでは刃の隙間を広く取り、この両端を作用点とし、その間を他の破砕刃が材料を比較的低速ではさみながら折ったり、引き裂いたりする。たしかに従来のはさみで切るのとは大いに異なる。ここでも従来の狭いクリアランスンの剪断刃に疑問を投じ、その対応策である。然し木材の破断には向いているが、切りくずなどには絡みやすく、処理能力も低い。

また新井によれば、突起とへこみによる切りくずの折断の提案もある。しかしこれも切りくずの性質を利用したものではない。

ここで切りくずそのものの生成を熟知しておく必要があるが、MC．SHAWの解説には下記のものがある。
一般的に、切りくず厚さｔcは切り込みｔより大きい。したがって加工される時材料の変形に伴う剪断が生じる。事実切りくずの断面を腐食させ写真を撮ると上記のように明確な剪断面が生じている。このことは切りくずをマクロで見れば、加工硬化し、バリもあり扱いにくいものと考えられるが、ミクロに見れば分断するには容易な剪断面があるこことが分かる。従来この切りくずの原点を見ないで、前述のような真の目的とは離れて破砕機なり高価な破砕刃が開発されてきた。

特開２００３−１２６７１８ （株）エイシン カタログ「引き裂きクラッシャー」2003.5 新井実著「切りくず処理ノート 下」桜企画出版 2003年 MC．SHAW著「Metal Cutting Principles」Clarendon Press Oxford 1984年

切りくずの破砕にあたって、最小限のエネルギーで切りくずなどを破断する。装置としては安価で、安全で、保守しやすい装置でなくてはならない。すなわち切りくずをカッターなどで強引に破断するのでなく、切りくずが生成した時の切りくず面や硬度のばらつき、形状のばらつきなどの切りくず特性を利用し、瞬時でなく、許容できる時間内でいかに破砕させるかを考える。また異物が混入したときも機械の損傷を最小限にとどめ継続的に運転できるものでなくてはならない。もちろん各種の切りくずの形状、材質の切りくずに、また大量の切りくずに対応できることが望ましいし、装置として故障が無く自動連続運転などが可能であることが必要である。

切りくずをホッパーに入れ、ホッパー内に設置した回転体外周部の切りくず引っ掛け爪に切りくずをからませ、糸巻き状になった切りくずを、ホッパー内壁に叩きつけ、切りくずの剪断面または弱小部分から切りくずを分断する。また一度分断した切りくずが再度糸巻き状切りくずに巻き込まれないようスリットを設け、分断された切りくずの逃げ道を大きくとる。さらに、切りくずの糸巻き状態をほぐすため、回転体の回転方向、回転時間を自在に制御し、切りくずを破砕し易い条件を幅広く選定する。結果として大量の処理が可能となる。

本発明は、カッターで切りくずを破断しないので、破砕に必要な動力は格段に少なくて済む。装置も単純な構造で十分であり設備費も極めて安価に済む。高価なカッターは不要で、切りくずを引っ掛ける爪を設ける。この引っ掛ける機能が損なわなければいつまでも使える。通常のカッターでは刃先または刃の稜線が後退すると使い物にならないのに比べると寿命が根本的に違う。また衝突壁にしてもこの部分だけの補修ですみ、メーカなど専門家を呼ばなくても、現場で交換補修作業が容易にできる。カッターを使わないのでその部分の費用だけでなく、メンテナンス費用が極めて安価となる。また万が一、異物が混入した場合でも従来の刃のような破損が生じにくく、大きな力が瞬間的にかかっても、材料の逃げ場があるのでまず破損にはつながらない。特に難物と言われる高硬度材料の切りくず破砕には効果的である。さらにカール状の多量の切りくず処理もこなすことが出来る。本発明の方式では、安価で手近な板金技術で容易に製作が可能である。たとえば従来の破砕機で高価な研磨部品であるカッターも本装置では引っ掛け爪でよいので板金をレーザー加工すれば容易に製作できる。軽量であり維持費も格段に低下する。また切りくずなどを衝突壁全面で受けるので処理が効率的である。切りくず圧縮機の前処理装置などとして効果を出すことも出来る。

切りくずの破砕にあたり、材料の特性を生かした破砕方法により、少ないエネルギーで大量のかつ多種の切りくずを破砕するもので、切りくずなどが発生する生産工場などで用いられる。以下実施例では、切りくず処理を中心に説明する。

図１は本発明に係わる破砕機の１実施例で、主要構成は大別するとホッパー１、切りくず引っ掛け回転体２、スリット３から構成されている。そのほか、回転体の動きや他の装置との信号のやり取りをする制御装置（図示せず）がある。図１では回転体は２軸あり、詳細は図５に示すように、左回転体２１と右回転体２２となっている。

図２はホッパーの構造を示している。ホッパー１の底部には破断した切りくずが出てくる出口１２がある。１３は衝突壁であり、回転体でまわされた切りくずがこの壁にたたきつけられる。

この衝突壁１３はホッパー１の一部であるが、図３に示すような別部品の各種衝突板１５を設けてもよい。ここでは超硬などを溶射したプレート（a）や使い古しの超硬チップを取り付けた板（ｂ）や破砕効率を良くするため回転体の切りくず引っ掛け爪２１５，２２５の軌跡に沿うような曲面を持ったもの（ｃ）を示している。いずれも取替えが容易なように、スライド式にしておくと摩耗したときも交換に手間がかからない。また分割式にしておくと重量的に取替えが容易となる。バネなどを内蔵させ衝撃力を吸収するようにしたものも有効である。この衝突板は通常の安価なSPC材でも十分である。単なる衝突板であるので、ｍｍオーダーでの磨耗は機能的には全く問題ない。万一交換するにしても、板だけの交換ですむので、安価である。

図2のスリット３は、破砕する切りくずの大きさや、単位時間当たりの通過量を制御する。図４はスリットプレート３１，３２を図示している。この２枚の板間隔の調整は、ボルトと長穴の組み合わせで行い、排出される切りくずの大きさや処理能力を容易に連続的に制御することができる。

図５は、回転体２の詳細を示しているが、回転駆動モータ２１１、２２１に締結された主軸２１２、２２２にカラー２１３、２２３、切りくず引っ掛け爪２１５、２２５の取り付け部材２１４、２２４が固着されている。回転体２はギアドモーター２１１、２２１で駆動されるが、その動きは制御装置の指令により回転時間、方向を制御することができる。これは回転が一方向だけだと糸巻き状態で定常化してしまい、ブリッジ現象が発生する恐れがあるからである。

引っ掛け爪２１５，２２５の取り付け部材２１４、２２４は回転方向に相互に位相が変化できるよう、２つのキー溝が互いに９０度の位置に設けてある。また表裏を逆にすることによって、回転軸に直角面で対称な位置関係に部材を取り付けることもできる。部材間の間隔の調整はカラー２１３，２２３の長さだけでなく、ねじ止めにすれば多数のねじ孔を用意し、そのなかから自由に選択することによっても可能である

次に切りくずの破砕の様子を説明する。図６は図5の右側面図である。まず切りくずはホッパ−１に投入され、右回転体２２の引っ掛け爪２２５で引っ掛けられる。回転が進むにつれて、糸巻き状が発達し、切りくずはホッパーの衝突板１５に当たる。この衝撃から切りくずは剪断面などの弱い部分から引きちぎられ、分断される。切りくずはホッパー下部の空間１１に入る。ここでは単純な形状の衝突板１５で破砕するので、必ずしも通常の破砕機に使われるグリッドを必要としない。
突起物１６は切りくず破断を促進するもので部材間に位置している。引っ掛け爪２１５、２２５のサイドに鋭利な切り刃を持たせ、切りくずの分断が促進されるようにしてもよい。

図７は回転体を板金で製作した場合の例である。図7（１）のように引っ掛け爪６２１を周辺に、中心部に角穴６２３をもった薄板材６２が2枚と厚板６３が１枚とシャフトの一部に切り欠き６１１を持った角シャフト６１およびと止めボルトナット６４から構成される。
3枚の板材は厚板６３を中心に組み合わせる。厚板材６３をシャフト切り欠き６１１の位置で図7（３）のようにひと穴分回転させる。この状態では角穴６３３とシャフト６１との位相関係から、板材６３はシャフト軸方向の移動が拘束される。この状態で両側から板材６２をよせ、ボルト６４でこの3枚を締め上げると、部材だけでなくシャフト６１とも一体の状態となる。組みあげた状態を図7（４）に示す。

事例の場合回転軸は2軸で構成され、駆動モータは独立して回転するようになっている。
すなわち、左右の軸でその回転方向も違わせることも出来るので下表のような組み合わせが可能である。
組み合わせは4通りあり、それぞれの運転時間を時間帯としてT0からT3とした。この値は、シーケンサーを使う場合ラダ−図をパソコンで編集すれば、瞬時のうちに変更が可能であり、切りくずの処理状況によって、最適の条件を容易に見出すことが容易に出来る。

また図８は、今回用いた回転体駆動モータの出力トルクの周波数特性である。４５ＨＺから６０Ｈｚでトルク最大とし、１２０Ｈｚでは最大値のおよそ半分となる。このことは必要なトルクが低くてもよい場合、１２０Ｈｚでモータを高速回転するほうが賢明な使い方となる。

図９は最適化を考慮した制御内容を示す。運転初期はトルク最大の６０Ｈｚで稼動させる。電流値を監視し、タイマーでの時間内でも閾値を超えることがないと、周波数を２０Ｈｚ上げる。途中で閾値を超えることがあれば、６０Ｈｚに戻す。超えなければ１２０Ｈｚまで順次周波数を上げていく。全く何もなければ１２０Ｈｚで常時運転することとなる。これらのロジックによって、モータの持っている特性を生かしながら能力を最大限出せるような仕組みとした。

下記の写真はこれらの発明を用いて実際に切りくずを破砕したものである。ここではSS材をプレーナーで加工したとき発生した切りくずを破砕した。約４００リットルのカール状の切りくずを約１／４に減容している。従来のハンマー式の破砕機に比べて動力は約１／２であった。

図１０はスリット３の上に設置する格子８を示している。具体的にはスリットプレート３１，３２に乗るようにしてある。スリットプレート間を覆うような形で格子片A８１、格子片B８２がある。これは単にスリットプレートだけで、切りくずを細かくしようと、プレート間の距離を狭めると排出量が極端に減少してしまう。そのためプレート間は広く取り、この格子で、取り付け間隔を小さくし、排出能力の減少を食い止めようとするものである。もちろん必要な格子片Ｂ８２の数、場所は選べる。これらのスリット３１，３２への取り付けは調整穴８３を使いプレート３１，３２の間隔に対応した位置で取り付ける。格子片同士は、取り付けねじ８４で締結される。実例ではこの格子はインコネルなどの難削材の切りくず処理に極めて有効であった。ホッパー内で切りくずが繰りかえしたたかれることによって、高硬度材の減容が促進されるからである。

図１１は図５のカラー２２３の変形例であり、分割式としカラーＡ７１，カラーＢ７２から構成されている。このように分割式にしておくとシャフトの他端までカラーを移動させずにカラー７の分解、組立ができる。もちろんカラーの長さによって部材間隔は自由に選べる。さらにこの事例の場合、部材６２とカラーの穴７１１，７１２，７２１、７２２と止めボルトナット６４を使い回転体と一体化することもできる。

図１２は回転部材およびカラーのシャフト軸に対して長さを変えたもので、外側から引っ掛け部材群（大）２１４１、２２４１（中）２１４２、２２４２（小）２１４３，２２４３ およびカラーもカラー（大）２１３１、２２３１（中）２１３２、２２３２（小）２１３３，２２３３と中心にむかって小径のものを配列してある。こうすると切りくずに流れが生じ、この場合絶えず両側から中心に向かって切りくずが流れる。これは径が小さい部分は衝突板１５との隙間が大きくなりこの空間に切りくずが押し出されるからである。

図１３はこの中心部にツノ状突起４を設けたものでこれにより、中心に寄った切りくずをさらに効果的に破砕することができる。これらは、切りくずの材質が変わり、切りくず回収の際、分別する要望がある場合など、速やかにホッパー１から切りくずを出させることができる。

図１４は回転体を板金材料で構成した別の例を示す。回転シャフトは図７の例と同じで、角シャフト６１であり、固定用の板材６３も中心が角孔で、シャフト溝を使い、固定ボルトとともに回転体を一体化している。図１５は大径の回転体の板金展開図であり、このような板材をレーザで加工することで容易に材料を得ることができる。これをベンダーにかけ回転体を作る。この場合の引っ掛け爪５１１は同様にレーザ加工で機能にあった形状にすることができる。

図１６は回転体への取り付け状態を示す。一連の引っ掛け爪５１１は方向を整え溶接などで爪取り付けプレート５２に固着されている。これらはボルト５４、ナット５５を使い爪群５３に締結され、回転体を形成している。このように板金加工の特性をフルに活用すると、安価でかつ合理的な回転体を製作することができる。

図１７は一軸で構成され一方の壁に切りくずを押し付ける状態の破砕機を示す。壁の部分には固定壁があり、切りくずの流れを受け止めなおかつ破断する構造になっている。引っ掛け爪は先端に行くにしたがって小さくなっていて図１２と同様に切りくずの流れが発生する。先端部では回転体と一体のツノ状突起４がある。一方ホッパー１には1軸用衝突壁１４がある。ここには固定棒１４２があり、前述のツノ状突起４とで寄せられた切りくずをさらに破砕する。最終的にはスリットを通じ破砕された切りくずはホッパー外に出る。

図１８はプラスチックの切りくずで棒状のものに有効な、仕切り板１７を持った破砕機を示す。比較的軽量な切りくずは浮いてしまい、なかなか回転体に入りにくい場合がある。ここでは板金部材を多く重ね、厚い部材群としてある。

図１９は上記の破砕機を周辺の機器と組み合わせた例を示している。本発明の切りくず処理ではカール状の多量な切りくずに対して非常に有効であるが、ホッパー能力以上に切りくずを取り込みすぎる場合も考えられる。回転体駆動モータの電流値がある一定値以上になったら、切りくず搬入コンベアー９１を止め、同時に切粉押さえ９３が働き切りくず９２を押さえ込む。この状態で破砕機は運転を続ける。もちろん値が規定値以下になれば押さえ９３を開放しコンベアー９１が動き出す。監視方法はホッパーのフルワークセンサーを使ってもよい。

上記の説明は剪断面を持つ切りくずの破砕を中心に述べたが、廃棄物といわれるものも切りくずの剪断面に相当する機械的強度が弱い点を持っているものもある。従来の破砕機ではこれらを無視して強引に破砕している。その結果、強力な動力源により、また高額なカッターにより破砕しようとして大きなムダが生じている。破砕物は所詮破砕物であり、高度な加工精度を必要とない。時間をかけてゆっくり破砕してもよいものもある。したがっていわゆる廃棄物のなかには上記請求項１から請求項１５を使用する方法により極めて有益な情況を得ることができる。

材料的に弱点のある廃棄物または材料を破砕する際、従来の破砕機に比べて効率的に、しかも安価に処理出来る。

本発明に係わる破砕機の１実施例で、主要構成を示す。 回転体を取り除いたホッパーを中心とした図である。 取り付け衝突板の例 スリットの形状を示す。 ２軸回転体の主要構成図 図５を右側面からみた透視図 板材と角シャフトで構成される回転体組立解説図 駆動モータ出力トルク特性図 最適運転のロジック図 格子片を組み合わせたスリット 分割カラー 径の違う引っ掛け部材およびカラーを配列した2軸破砕機 先端にツノ状の突起を設け切りくずの合流点で切りくず同士がぶつかり合う構造とした回転体先端 回転体を板金で構成した別の例 図１４の回転体大の展開図 図１４での引っ掛け爪の固着方 切りくずの流れを正面の壁にあて、最終破碎する一軸の破砕機 仕切り板を設けたホッパー 切りくず搬入量を制御するシステム説明図

符号の説明

１ ホッパー
１１ 空間
１２ 切りくず出口
１３ 衝突壁
１４ 1軸用衝突壁
１４１ 受け面
１４２ 固定棒
１５ 衝突板
１６ 突起物
１７ 仕切り板
２ 切りくず引っ掛け回転体
２１ 左回転体
２１１ モータ
２１２ 主軸
２１３ カラー
２１３１ カラー（大）
２１３２ カラー（中）
２１３３ カラー（小）
２１４ 引っ掛け爪取り付け部材
２１４１ 引っ掛け部材群（大）
２１４２ 引っ掛け部材群（中）
２１４３ 引っ掛け部材群（小）
２１５ 引っ掛け爪
２２ 右回転体
２２１ モータ
２２２ 主軸
２２３ カラー
２２３１ カラー（大）
２２３２ カラー（中）
２２３３ カラー（小）
２２４ 引っ掛け爪取り付け部材
２２４１ 引っ掛け部材群（大）
２２４２ 引っ掛け部材群（中）
２２４３ 引っ掛け部材群（小）
２２５ 切りくず引っ掛け爪
３ スリット
３１ 左スリットプレート
３２ 右スリットプレート
４ ツノ状突起
５ 板金材を用いた回転体
５１ 引っ掛け爪群
５１１ 引っ掛け爪
５２ 爪取り付けプレート
５３ 爪群取り付けプレート
５４ 取り付けボルト
５５ 取り付けナット
６ 角穴つき板材と角シャフトから構成される回転体
６１ 角シャフト
６１１ 溝
６２ 角穴つき板材（薄い）
６２１ 切りくず引っ掛け爪
６２２ 穴
６２３ 角穴
６３ 角穴つき板材（溝厚さ相当）
６３１ 切りくず引っ掛け爪
６３２ 穴
６３３ 角穴
６３４ 穴
６４ 止めボルトナット
７ 分割型カラー
７１ カラーA
７１１ 穴
７１２ 穴
７２ カラーB
７２１ 穴
７２２ 穴
８ 格子
８１ 格子片A
８２ 格子片B
８３ 調節穴
８４ 取り付けねじ
９ 回収システム
９１ 切りくず搬入コンベアー
９２ 切りくず
９３ 切り粉押さえ
９４ 切りくず回収コンベアー
９４１ スクレーパー

Claims (16)

1. 回転方向、回転数、回転時間を制御されたモータによって駆動され、切りくずを絡める爪を外周部に設けた回転体と回転体に絡んだ切りくずがぶつかり、そこで切りくずを衝突で破砕する衝突壁を有した切りくずホッパーと破砕された切りくずを排出するスリットから構成される切りくず破砕機。
2. 回転体の回転軸を複数とし、それぞれが独立して駆動されることを特徴とする請求項１の切りくず破砕機。
3. 切りくずを絡める爪と爪保持部分が別部材で構成される組立式の回転体構造にした請求項１または請求項２の切りくず破砕機。
4. 板金加工で得られる板材を用い、板厚やその重ね合わせで爪の厚さをまたカラーで回転軸方向の爪間の間隔を規制する構造にした、もしくは板材で回転体を構成した請求項３の切りくず破砕機。
5. 取替え、組立を容易にした分割構造のカラーを有する請求項３の切りくず破砕機。
6. 角穴を有する板材と角シャフトから構成される回転体において、角シャフトに溝を設け、この溝に角穴を有した一枚の板材を落とし込み、シャフト軸と直角方向に回転することによって、この板材自体をシャフト軸方向に移動できなくし、この板にボルトなどで他の板材と締結し、板材とシャフトを一体化させた回転体を提供する構造にした請求項４の切りくず破砕機。
7. 複数の爪およびカラーを有する回転体において、それぞれ回転軸からの距離を異にし、それぞれその大きさの順に配列し、一方向に切りくずの流れを作ることを特色とした請求項１から請求項４までのいずれかの切りくず破砕機。
8. 複数の流れを向き合わせることにより、切りくず同士を衝突させることによって破砕効率を向上させる構造を持った請求項７の切りくず破砕機。
9. 流れを1方向とし、流れを平面または凹面に受け止める構造にした請求項７の切りくず破砕機。
10. 流れが合流する部分にツノ状の突起物を敷設した請求項８の切りくず破砕機。
11. 衝突壁がホッパー本体とは別の部材で構成され、本体とは着脱可能とし、用途に応じた材質、形状、機能を具備した請求項１から請求項１０までのいずれかの切りくず破砕機。
12. 長尺材が横倒しないようにホッパーに仕切り板を有する請求項１から請求項１０までのいずれかの切りくず破砕機。
13. 回転力を与えるモータ始動時、トルク最大の出力の回転を設定して、一定時間、過負荷にならなければ、順次回転数を上げて行き、途中過負荷が発生したら、初期のトルク最大値に設定し直す制御機能を有する請求項１から請求項１０までのいずれかの切りくず破砕機。
14. 調節用の穴を有した短冊状の格子片の組み合わせによって、グリッド間隔を容易に変えることが出来る構造にしたスリットを有する請求項１から請求項１０までのいずれかの切りくず破砕機。
15. 切りくずの取り込みにあたって、切りくずを押さえ込む装置を備え、切りくずの量と連動させ、過度の切りくずが入り込まないようにした構造をもった請求項１から請求項１０までのいずれかの切りくず破砕機。
16. 剪断面を持つ切りくずと同様に材料力学的弱点を持った廃棄物を請求項１から請求項１５までのいずれかの切りくず破砕機で処理する方法。