JP2008174968A

JP2008174968A - 掘削工具

Info

Publication number: JP2008174968A
Application number: JP2007009353A
Authority: JP
Inventors: Yoneo Hiwasa; 米雄日和佐; Ryoichi Tsuru; 良一鶴
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2027-01-18
Also published as: JP4706639B2

Abstract

【課題】特に硬岩層の掘削を行う場合に、掘削速度の低下を極力抑制して、安定した長い工具寿命を確保する。
【解決手段】工具本体１の軸線Ｏ方向先端側から見てその先端面上において軸線Ｏを中心としてゲージチップ３Ａに外接する円と内接する円との間の部分の面積をゲージチップ３Ａの数で除した数値Ａ１と、ゲージチップ３Ａに内接する円とインナーチップ３Ｂのうち最外周に位置するものに内接する内接円Ｂとの間の部分の面積を最外周に位置するインナーチップ３Ｂの数と内接円Ｂ上に位置するインナーチップ３Ｂの植設面積に対する内接円Ｂ外に位置する部分の面積の割合との和で除した数値Ａ２との比Ａ１／Ａ２を０．７〜０．９の範囲内とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、トンネル掘削や鉱山掘削、採石等において衝撃式掘削工具として用いられるいわゆるボタンビットと称される掘削工具に関するものである。

一般に、硬岩体の掘削に用いられる上記ボタンビットのような掘削工具は、概略円柱状をなす鋼製のシャンク（工具本体）の先端部にボタンタイプ等の略円柱状のチップを複数植設してなり、削岩機等から付与された回転力、打撃力、および推力をこのチップの先端から岩盤に伝達して岩盤を破砕しながら穿孔する工具である。上記シャンクの先端部は、その外周側のゲージ部とこれよりも内周側のインナー部とから構成されていて、それぞれに削孔の外周部近傍の岩盤を破砕するゲージチップとこれよりも中心部の岩盤を破砕するインナーチップが植設されており、このうちゲージチップは、その先端がインナーチップの先端よりも僅かに軸線方向後方に位置させられるとともに、その中心線がシャンクの中心軸線に対して一定の角度で先端側に向かうに従い外周側に向かうように傾斜させられる一方、インナーチップはその中心線が軸線に略平行に植設されている。

ここで、この種のボタンビットとしては、例えば特許文献１にビット本体（工具本体）の先端面の内側と外側とに、円柱状をなす複数の内側チップと外側チップとを同心状に植設してなり、外側チップをビット本体の後端側から先端側に向かうにしたがってビット本体の軸線から離間するように傾斜させて配置したボタンビットにおいて、外側チップと内側チップとのビット本体軸線方向の位置と径方向の距離とを所定の範囲に設定したものが提案されている。
特開昭６１−２２５４８８号公報

ところで、上記ボタンビットのような掘削工具では、ゲージチップは傾斜して植設されているため、穿孔時の反力を工具本体の軸線方向だけでなくその植設角度に応じた分力として径方向外周側からも受けることになり、さらに工具本体の回転角速度は一定でもゲージ部の回転速度はインナー部の回転速度より速くなるので、穿孔時にはインナーチップに比べてゲージチップにより大きな負荷がかかることになる。ここで、このような負荷によるゲージチップの摩耗や損傷は、穿孔径の減径のみならず掘削速度等の工具性能や掘削不可能となるまでの削孔距離すなわち工具寿命に大きく影響を及ぼしてこれらを左右する要因となるため、従来のボタンビットにおいては、ゲージ部における掘削面積をゲージチップの数で除したゲージチップ１つ当たりの掘削面積を、インナー部における掘削面積をインナーチップの数で除したインナーチップ１つ当たりの掘削面積よりも大幅に小さく設定して、個々のゲージチップへの負荷を軽減するようにしていた。

しかしながら、掘削する岩盤の圧縮強度が特に１５０ＭＰａ程度あるいはそれ以上の硬質な岩層を掘削する場合には、こうしてゲージチップ１つ当たりの掘削面積をインナーチップ１つ当たりの掘削面積より大幅に小さく設定すると、却って掘削速度が大きく低下して、同時に工具寿命の短縮を招く場合があることが分かった。なお、このように掘削速度の低下とともに工具寿命が短縮してしまうのは、ボタンビット等の上記衝撃式掘削工具の寿命はチップおよび工具本体の耐用限度で決まり、これらチップおよび工具本体の耐用限度は理論的には掘削を通して作用した打撃数と回転数の累計によって定まるので、例えば削岩機から掘削工具に付与される打撃力や回転力、推力等と単位時間当たりの打撃数および回転数が一定の場合は、掘削速度が遅いと所定の距離を掘削するのに長時間を要して、それだけ打撃数と回転数の累計も増大するためである。

本発明は、このような背景の下になされたもので、特に上述のような硬岩層の掘削を行う場合に、掘削速度の低下を極力抑制して、安定した長い工具寿命を確保することが可能な掘削工具を提供することを目的としている。

上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明は、概略円柱状をなす工具本体の先端面の内外周に複数のチップが植設され、このうち上記先端面の外周側に植設される上記チップは、その中心線が先端側に向かうに従い上記工具本体の軸線に対して外周側に向かうように傾斜したゲージチップとされるとともに、上記先端面の内周側に植設される上記チップは、その中心線が上記軸線と略平行とされて先端が上記ゲージチップよりも該軸線方向先端側に突出したインナーチップとされており、上記軸線方向先端側から見て、上記先端面上において上記軸線を中心として上記ゲージチップに外接する円と内接する円との間の部分の面積をこのゲージチップの数で除した数値Ａ１と、上記ゲージチップに内接する円と上記インナーチップのうち最外周に位置するものに内接する内接円との間の部分の面積をこの最外周に位置するインナーチップの数と上記内接円上に位置するインナーチップの植設面積に対する上記内接円外に位置する部分の面積の割合との和で除した数値Ａ２との比Ａ１／Ａ２が０．７〜０．９の範囲内とされていることを特徴とするものである。

このように、軸線方向先端視においてゲージチップに外接する円と内接する円との間の部分の面積（軸線に垂直な平面への投影面積）をこのゲージチップの数で除した数値Ａ１、すなわちゲージチップ１つ当たりの掘削面積を、上記ゲージチップに内接する円と、上記インナーチップのうち特に最外周に位置するものに内接する内接円との間の部分の面積（やはり、軸線に垂直な平面への投影面積）を、この最外周のインナーチップの数と上記内接円上に位置するインナーチップの植設面積に対する上記内接円外に位置する部分の面積の割合との和で除した数値Ａ２、すなわちインナー部の最外周におけるインナーチップ１つ当たりの掘削面積に対して、上記比Ａ１／Ａ２が０．７〜０．９の範囲内とすることにより、本発明の掘削工具によれば、上記ゲージ部に植設されるゲージチップとインナー部のうちケージ部側の最外周に植設されるインナーチップとでバランスをとりながら掘削を行うことができ、特に圧縮強度が１５０ＭＰａ以上の硬岩層を掘削する場合でも掘削速度の低下を抑えることができる。

すなわち、このような硬岩層の掘削においては、かかる硬岩層が硬質である一方で脆いことに伴い、先行するインナーチップによって破砕されて脆くなった削孔の外周側部分を、後続するゲージチップによって破砕して削孔するような掘削形態となる。従って、従来のように単にゲージチップ１つ当たりの掘削面積をインナーチップ１つ当たりの掘削面積より大幅に小さく設定しただけでは、先行するインナーチップによる硬岩層の脆弱化が不十分となって、その分ゲージチップに大きな負荷を強いることになっていたものを、本発明では上述のように上記比Ａ１／Ａ２を０．７〜０．９の範囲として、工具本体先端面の内周側のインナー部のうち、この削孔の外周側部分における硬岩層の脆弱化を促す最外周のインナーチップの数を、チップ１つ当たりの掘削面積でゲージチップとバランスをとりつつ確保することにより、この最外周のインナーチップによって確実に脆弱化された硬岩層をゲージチップによって効率的に破砕して掘削速度の低下を抑え、これに伴い工具寿命の延長を図ることができるのである。

ここで、上記比Ａ１／Ａ２が０．９より大きく、すなわちインナー部最外周のインナーチップ１つ当たりの掘削面積に対してゲージチップ１つ当たりの掘削面積が略同等に近いか、それ以上であると、インナーチップによる破砕で十分に脆弱化されなかった多くの掘削面積をゲージチップで掘削することになって、ゲージチップの摩耗や損傷が著しくなり、掘削速度の低下とともに工具寿命が短縮されることになる。一方、逆に上記比Ａ１／Ａ２が０．７より小さく、すなわちインナー部最外周のインナーチップ１つ当たりの掘削面積よりもゲージチップ１つ当たりの掘削面積が小さくなりすぎると、最外周のインナーチップへの負荷が大きくなり、これらのチップがゲージチップよりも早く磨耗して、やはり掘削速度の低下を招くと同時に工具寿命も短くなってしまう。

このように、本発明の掘削工具によれば、特に圧縮強度が１５０ＭＰａ以上の硬岩層を掘削する際に、掘削速度の低下を抑制して安定した長い工具寿命を確保することが可能となる。

図１ないし図４は、本発明の一実施形態を示すものである。本実施形態において、工具本体１は鋼材等により形成されて軸線Ｏを中心とした概略円柱状をなし、その後端部（図１および図３において左側部分）には、当該工具本体１を削岩機から延びるロッドの先端に取り付けるための取付ネジ孔２が形成されるとともに、先端部には工具本体１よりも硬質な超硬合金等の材料によって形成されたチップ３が植設されていて、上記削岩機から付与された回転力、打撃力、および推力をこのチップ３から岩盤に伝達して岩盤を破砕しながら穿孔してゆく。

上記工具本体１の先端面は、その外周側の軸線Ｏを中心とした環状をなすゲージ部４とこれよりも内周側の円状をなすインナー部５とから構成されており、これらゲージ部４およびインナー部５に上記チップ３が植設されていて、それぞれゲージチップ３Ａおよびインナーチップ３Ｂとされている。ここで、上記ゲージ部４は、内周側から外周側に向かうに従い軸線Ｏ方向後端側に向かうように傾斜した円錐面状とされる一方、インナー部５は軸線Ｏに垂直な平面によって構成されている。

また、上記取付ネジ孔２の孔底からは軸線Ｏに沿って先端側に凹む凹部２Ａが形成されるとともに、この凹部２Ａの先端からは、一対のブロー孔６が先端側に向かうに従い互いに反対向きに外周側に向かって傾斜するように形成されていて、これらのブロー孔６はそれぞれ上記先端面のインナー部５に開口させられている。

一方、工具本体１の外周面は、その外形が後端から先端側に向けて、一定外径で延びた後に軸線Ｏ方向略中央部から凹曲面部を介して一段縮径した一定外径で延び、さらにその先端側で再び凹曲面部を介して拡径して、先端部では先端側に向かうに従い漸次拡径する円錐面状とされて上記ゲージ部４の外周縁に交差するように形成されている。さらに、この外周面には、工具本体１の後端から先端の上記ゲージ部４外周縁との交差稜線部にかけて延びる外周凹溝７が複数条（本実施形態では８条）、周方向に間隔をあけて形成されている。

また、これらの外周凹溝７は、先端側のゲージ部４外周縁との交差稜線部から上述のように外周面が一段縮径した部分の先端側の凹曲面部にかけては、図２に示すように軸線Ｏ方向先端側から見て上記一対のブロー孔６の開口部を結ぶ直線Ｌに該軸線Ｏにおいて直交する直線Ｍ上に位置するものが、溝底が凹円弧等の凹曲面状とされた溝幅の狭い断面略Ｖ字状とされ、この溝底が先端側に向かうに従い図３上側に示すように内周側に向かうように傾斜して、先端面においてインナー部５の外周縁より僅かに内周側に切れ込むように形成されるとともに、残りの外周凹溝７はこれよりも溝幅が広く、内周側に向けて半径が小さくなる複数段の凹円弧等により構成された断面形状とされて軸線Ｏに平行に延び、先端面においてもゲージ部４だけに開口するように形成されている。一方、この先端側の凹曲面部よりも後端側では、外周凹溝７は、図４に示すように上記削岩機から付与される回転力の回転方向Ｔ側からこの回転方向Ｔの後方側に向けて内周側に一定の勾配で傾斜するように凹んだ後、凹曲面状の溝底部を介して上記勾配より急勾配で外周側に切れ上がるように形成されており、かつ複数の外周凹溝７同士で互いに等しい断面形状とされている。

さらに、工具本体１の後端面においては、上記取付ネジ孔２の開口部周縁から軸線Ｏに対する半径方向に放射状に延びるように複数条（本実施形態では外周凹溝７の半数の４条）の突条部８が周方向に等間隔に形成されている。これらの突条部８は、その軸線Ｏ方向後方側への突端面となる後端面８Ａが、上記半径方向に亙って周方向の幅が一定とされた軸線Ｏに垂直な平坦面とされて、この後端面８Ａの上記回転方向Ｔ側の辺稜部は軸線Ｏに直交する方向に延びており、この辺稜部の外周端は、工具本体１の外周面と上記残りの外周凹溝７との回転方向Ｔ後方側の稜線部の後端と一致させられている。

また、周方向に隣接する突条部８間に形成されることになる凹所８Ｂは、回転方向Ｔ側の突条部８の上記後端面８Ａから回転方向Ｔ後方側に向けて、一定の角度で傾斜するように先端側に凹んだ後、凹曲面状の底部を介して上記角度より急勾配、特に本実施形態では軸線Ｏに平行に延びるように後端側に切れ上がって、回転方向Ｔ後方側の突条部８の後端面８Ａにおける上記回転方向Ｔ側の辺稜部に交差するように形成されるとともに、この凹所８Ｂの軸線Ｏ方向後端側を向く底面は、特に上記底部において外周側に向かうに従い軸線Ｏ方向先端側に向かうように傾斜させられている。

このような工具本体１の上記先端面に植設される上記チップ３は、ゲージチップ３Ａおよびインナーチップ３Ｂとも同一の形状のものであって、本実施形態では先端部が略半球状等の凸曲面とされたボタンタイプとされるとともに基端部は円柱状とされており、この基端部が工具本体１に形成された孔部に埋設されて先端部のみが工具本体１先端面に突出するように、圧入あるいは焼き嵌め等により固定されている。なお、このチップ３は、その先端部が円錐の突端を球面状としたスパイクタイプのものや、砲弾形状のものとされていてもよい。

このうちインナーチップ３Ｂは、本実施形態では工具本体１先端面の上記インナー部５において、軸線Ｏ方向先端側から見てこのインナー部５がなす円に内接するように最外周に位置する４つのインナーチップ３Ｂと、これらのインナーチップ３Ｂよりも内周側に植設された３つのインナーチップ３Ｂとの、合計７つのインナーチップ３Ｂが、それぞれその中心線Ｃを軸線Ｏに平行にして植設されている。ここで、最外周に位置する４つのインナーチップ３Ｂは、それぞれ図２に示すように周方向において上記直線Ｌ，Ｍ間の略中央に植設されて、上記中心線Ｃが軸線Ｏを中心とした１つの円周上に等間隔に位置するように配設されている。

一方、内周側の３つのインナーチップ３Ｂは、いずれもその中心線Ｃが上記直線Ｍ上に位置して上記軸線Ｏからの距離が順次大きくなるように配置されていて、内周側から順に、上記軸線Ｏ上から僅かに外れた位置に植設された最内周のインナーチップ３Ｂと、このインナーチップ３Ｂとは軸線Ｏを挟んで反対側に植設されたインナーチップ３Ｂと、このインナーチップ３Ｂとはさらに軸線Ｏを挟んで反対側、すなわち上記最内周のインナーチップ３Ｂと同じ側に植設された外周側のインナーチップ３Ｂとから構成され、互いの軸線Ｏ回りの回転軌跡が部分的に重なり合うようにされるとともに、上記外周側のインナーチップ３Ｂは最外周に位置する４つのインナーチップ３Ｂとも回転軌跡が部分的に重なり合うように植設されている。なお、これら合計７つのインナーチップ３Ｂは、互いに同寸法とされていて、そのインナー部５からの突出高さも等しくされている。

これに対して、ゲージチップ３Ａは、ゲージ部４における上記外周凹溝７の開口部の間にそれぞれ１つずつの合計８つが、周方向に等間隔に、かつ周方向に隣接するもの同士で間に位置する外周凹溝７の溝幅中心に対して対称に位置するように植設されている。また、これらのゲージチップ３Ａは、その中心線Ｃが工具本体１の軸線Ｏに対して互いに等しい角度で先端側に向かうに従い外周側に向かうように傾斜させられていて、本実施形態では図３に示すように工具本体１先端面の円錐面状に形成されたゲージ部４に垂直となるように植設されており、その先端は上記外周側部分のインナーチップ３Ｂの先端よりも僅かに軸線Ｏ方向後端側に位置させられ、かつ８つのゲージチップ３Ａ同士では軸線Ｏ方向に互いに等しい位置とされている。なお、これら８つのゲージチップ３Ａ同士も互いに同形同大とされている。

さらに、これら８つのゲージチップ３Ａは、工具本体１先端面から突出した先端部における基端部側の該先端面との境界となるその周縁部が、図３に示されるようにその工具本体１外周側の縁部は工具本体１の外周面と交差するゲージ部４の外周縁に略内接するように、また工具本体１内周側の縁部は工具本体１の先端面においてインナー部５と交差するゲージ部４の内周縁に外接するように、すなわちインナー部５がなす上記円に外接するように、それぞれ植設されている。言い換えれば、このゲージチップ３Ａの基端部が埋設される工具本体１に形成された上記孔部の開口縁部が、工具本体１外周側ではゲージ部４の外周縁に略内接するように、また工具本体１内周側ではゲージ部４の内周縁に外接するように形成されており、本実施形態ではゲージチップ３Ａに外接する円と内接する円はそれぞれ上記ゲージ部４の外内周縁と略一致し、軸線Ｏ方向先端側から見たその間の部分の面積は、上記外周凹溝７や上記孔部の開口面積も含めたゲージ部４がなす上記円錐状面を軸線Ｏに垂直な平面に投影した面積となる。

一方、インナーチップ３Ｂは、上述のようにインナー部５の最外周に位置する同形同大の４つのインナーチップ３Ｂの中心線Ｃが軸線Ｏを中心とした１つの円周上に等間隔に位置するように配設されていることから、その先端部の基端側周縁部には、図２に示すように軸線Ｏを中心とした単一の内接円Ｂが内接することになるとともに、内周側の３つのインナーチップ３Ｂのうち、これら最外周に位置するインナーチップ３Ｂと回転軌跡が部分的に重なる上記外周側の１つのインナーチップ３Ｂはこの内接円Ｂ上に位置することになる。従って、この内周側のインナーチップ３Ｂのうち外周側のインナーチップ３Ｂは、その植設面積すなわち該インナーチップ３Ｂが植設される上記孔部の断面積のうち一部が上記内接円Ｂの外周側に位置することになり、またゲージチップ３Ａにはインナー部５がなす上記円が内接していることから、本実施形態ではこのインナー部５におけるその外周縁と上記円Ｂとの間の円環状部分の面積が、ゲージチップ３Ａに内接する円と上記最外周のインナーチップ３Ｂに内接する内接円Ｂとの間の部分の面積となる。

そして、工具本体１の先端面上において、軸線Ｏ方向先端側から見た上記ゲージチップ３Ａに外接する円と内接する円との間の部分の上記面積をゲージチップ３Ａの数で除した数値Ａ１と、ゲージチップ３Ａに内接する円と上記最外周のインナーチップ３Ｂに内接する内接円Ｂとの間の部分の面積をこの最外周に位置するインナーチップ３Ｂの数と上記内接円Ｂ上に位置するインナーチップ３Ｂの植設面積に対する上記内接円Ｂ外に位置する部分の面積の割合との和で除した数値Ａ２との比Ａ１／Ａ２は、０．７〜０．９の範囲内とされている。すなわち、本実施形態では、ゲージ部４がなす上記円錐状面の軸線Ｏに垂直な面への投影面積をゲージチップ３Ａの数８で除した数値Ａ１と、インナー部５がなす上記円と内接円Ｂとの間の円環状部分の面積を、最外周のインナーチップ３Ｂの数４と、内周側のインナーチップ３Ｂのうち外周側の１つのインナーチップ３Ｂの植設面積に対する上記内接円Ｂ外に位置する一部の面積の割合との和で除した数値Ａ２との比Ａ１／Ａ２が０．７〜０．９の範囲内とされている。

このように構成された掘削工具によれば、工具本体１先端面のゲージ部４において個々のゲージチップ３Ａが岩盤を掘削する掘削面積と、部分的に回転軌跡が重なるインナーチップ３Ｂも含めてインナー部５の最外周で個々のインナーチップ３Ｂが岩盤を掘削する掘削面積との割合が、ゲージチップ３Ａの掘削面積がインナーチップ３Ｂの掘削面積に対して０．７〜０．９の範囲内とされるので、ゲージチップ３Ａ１つ当たりの掘削面積に対して最外周のインナーチップ３Ｂ１つ当たりの掘削面積が大きくなりすぎることがなく、これらのチップ３によってバランスをとりながら掘削を行うことができる。このため、特に圧縮強度が１５０ＭＰａあるいはそれ以上の硬岩層を掘削する場合において、これらゲージチップ３Ａと最外周のインナーチップ３Ｂとのアンバランスによる掘削速度の低下を抑えることができる。

すなわち、かかる掘削工具によって上述のような硬岩層の掘削を行う場合には、ゲージチップ３Ａよりも先端が突出したインナー部５のインナーチップ３Ｂが先行することによって掘削される削孔の中心部が破砕されるとともに、硬質である一方で脆性傾向の高い硬岩層が破砕されることで中心部の周辺も脆くなり、こうして脆くなった中心部周辺の削孔外周側の硬岩層を後続するゲージチップ３Ａがさらに破砕して掘削することにより、所定の内径の削孔が形成される。

そして、上記構成の掘削工具では、このように削孔の外周側の硬岩層を脆弱化させるインナー部５のうちでも最外周のインナーチップ３Ｂの個々の掘削面積が、削孔外周側を破砕して掘削するゲージチップ３Ａの個々の掘削面積に対して１．１〜１．４倍程度までとなり、すなわちゲージチップ３Ａ１つ当たりの掘削面積に対する最外周のインナーチップ３Ｂ１つ当たりの掘削面積を十分に抑えることができるので、個々の最外周インナーチップ３Ｂにおいては掘削時の負荷を抑制して硬岩層を効率的に破砕するとともに確実にその脆弱化を促すことができ、これに伴いゲージチップ３Ａによって硬岩層も効率的に破砕することができて、硬岩層でも掘削速度の低下を抑えることが可能となるのである。

従って、上記構成の掘削工具によれば、こうして掘削速度の低下が抑えられることにより、所定の深さの削孔を形成する場合に掘削時間が増大するのも抑制することができ、例えば削岩機から掘削工具に付与される打撃力や回転力、推力等と単位時間当たりの打撃数および回転数が一定であれば、チップ３および工具本体１に作用する打撃数と回転数の累計が増大するのを防ぐことができるため、このようなチップ３や工具本体１への負荷が増大することによって摩耗や損傷が促進されるのも防ぐことができ、効率的な掘削を図りながらも工具寿命の延長を促して、上述のような硬岩層に対しても安定した掘削を行うことが可能となる。

ここで、上記比Ａ１／Ａ２が０．９より大きくなって、すなわちインナー部５の最外周のインナーチップ３Ｂ１つ当たりの掘削面積に対してゲージチップ３Ａ１つ当たりの掘削面積が均等に近くなったり、それ以上となると、このゲージチップ３Ａの摩耗や損傷が著しく促進されて、掘削速度が低下するとともに工具寿命も短縮されることになる。また、ゲージチップ３Ａの数を同じとして比Ａ１／Ａ２を大きくした場合には、相対的にインナー部５の最外周に位置するインナーチップ３Ｂの数が多くなるため、インナー部５の中央で発生した穿孔屑の排出が阻害されるとともに、工具本体１全体に植設されるチップ３の数が増加するため、１つ当たりのチップ３による破砕量は低下し、コストが上昇するのみで穿孔速度や寿命がコスト上昇に見合わない割高な掘削工具となってしまう。その一方で、上記比Ａ１／Ａ２が０．７より小さくなって、ゲージチップ３Ａ１つ当たりの掘削面積よりインナー部５の最外周のインナーチップ３Ｂ１つ当たりの掘削面積が大きくなり過ぎると、削孔の外周側の硬岩層の脆弱化が不充分となり、このインナー部５最外周のインナーチップ３Ｂの磨耗進行が早く進むため、やはり工具寿命が早期に費える結果となる。

なお、本実施形態では、ゲージチップ３Ａに外接する円がゲージ部４の外周縁と、ゲージチップ３Ａに内接する円がゲージ部４の内周縁すなわちインナー部５の外周縁と、それぞれ略一致させられているが、例えばゲージチップ３Ａがゲージ部４の内周縁と間隔をあけて外周側に植設させられている場合には、このゲージチップ３Ａに内接する円はゲージ部４の内周縁（インナー部５の外周縁）よりも外周側に位置することになり、上記数値Ａ１はこの外周側に位置した内接円と軸線Ｏ方向先端視においてゲージチップ３Ａに外接する円との間の面積に基づいて計算される。一方、インナーチップ３Ｂがインナー部５の外周縁との間に間隔をあけて内周側に植設されていても、上記数値Ａ２はゲージチップ３Ａの内接する円とインナーチップ３Ｂに内接する内接円Ｂとの間の部分の面積に基づいて計算される。

また、本実施形態では、工具本体１の後端面に複数の突条部８が形成されており、これらの突条部８の間に画成される凹所８Ｂは、掘削時の回転方向Ｔ後方側に向けて一定の角度で先端側に凹むように傾斜した後に、この角度よりも急勾配で後端側に切れ上がるように形成されて、回転方向Ｔ後方側の突条部８において突端面となる後端面８Ａにその回転方向Ｔ側の辺稜部で交差させられており、この辺稜部の周辺が回転方向Ｔに向けて先鋭化された切れ刃エッジ状を呈している。しかも、工具本体１の外周面に形成される上記外周凹溝７も、この凹所８Ｂに連通することになる後端側部分では、掘削時の回転方向Ｔ後方側に向けて一定の勾配で工具本体１の内周側に凹むように傾斜した後に、これよりも急勾配で外周側に切れ上がるように形成されているので、掘削終了後に形成された削孔から工具本体１を引き抜く場合でも、工具本体１を掘削時の回転方向Ｔと同方向に回転させながら後退させることにより、後端面８Ａの切れ刃エッジ状の上記辺稜部周辺によって硬岩層を切り崩し、かつその切屑を上記凹所８Ｂから外周凹溝７を介して円滑に排出しながら引き抜くことができ、上述のように圧縮強度が高い硬岩層においても確実に工具本体１を回収することが可能となる。

以下、本発明の実施例を挙げて、上述した本発明による効果を実証する。本実施例では、上述した実施形態に基づいて上記数値Ａ１、Ａ２の比Ａ１／Ａ２を次表１に示すように０．７６、０．８５とした２種の掘削工具を製造し、これらによって岩盤圧縮強度を変えた複数の地盤を掘削したときの掘削速度と、岩盤圧縮強度が１５０ＭＰａの硬岩層を掘削速度０．８ｍ／分で掘削したときのチップ３が磨耗して再研磨が必要となるまで穿孔長すなわちチップ３の磨耗寿命を測定した。この結果を、比Ａ１／Ａ２が０．７６のものを実施例１、比Ａ１／Ａ２が０．８５のものを実施例２として、掘削速度については図５に、工具寿命については図６にそれぞれ示す。なお、このときの掘削条件は、工具本体１の回転数が１８０ｒｐｍ、打撃数は２８００回／分、削岩機から付与される推力は８００００Ｎであった。また、これらの実施例１、２に対して上記比Ａ１／Ａ２を０．５９、０．６８、０．９３、１．０１としたものを比較例１〜４として表１に示すとともに、これら比較例１〜４により実施例１、２と同様の掘削を行った結果を図５、図６に合わせて示す。

ただし、これら実施例１、２および比較例１〜４の掘削工具において工具本体１およびチップ３の形状、寸法は互いに等しく、ゲージ径が公称８９ｍｍ、ゲージ部４外周縁の直径（工具本体１の先端面上において軸線Ｏを中心としてゲージチップ３Ａに外接する円の直径）は９１ｍｍ、工具本体１の先端面上において軸線Ｏを中心としてゲージチップ３Ａに内接する円の直径は６９．５ｍｍ、ゲージ部４の軸線Ｏに垂直な平面に対する傾斜角θ（図３参照）は３５°で、ゲージ部４の内外周縁間の部分の面積は２７０９ｍｍ^２、インナーチップ３Ｂのうちインナー部５の最外周に位置するものに内接する内接円Ｂの直径は４７．０ｍｍで、これら最外周のインナーチップ３Ｂに内外接する円の間の部分の面積は２００３ｍｍ^２であった。また、ゲージチップ３Ａは直径１２ｍｍ、全長１８ｍｍ、インナーチップ３Ｂは直径１１ｍｍ、全長１８ｍｍのいずれもボタンチップで、その先端の工具本体１先端面からの突出高さはゲージチップ３Ａが６．２ｍｍ、インナーチップ３Ｂは５．８ｍｍであった。

さらに、これら実施例１、２および比較例１〜４では、ゲージチップ３Ａの数は上記実施形態と同じく８つで、インナー部５の最外周に位置するインナーチップ３Ｂの数を変えることによって上記数値Ａ２を変化させ、これに伴い上記比Ａ１／Ａ２もそれぞれ上述の値となるように変化させるようにした。これらゲージチップ３Ａの数、およびゲージ部４における上記面積をこのゲージチップ３Ａの数で除した数値Ａ１と、インナー部５の最外周に位置するインナーチップ３Ｂの数、およびインナー部５における上記面積をインナーチップ３Ｂの数で除した数値Ａ２とを、表１に合わせて示す。なお、比較例１、実施例１、および比較例３においてインナー部５の最外周に位置するインナーチップ３Ｂの数が３．５、４．５、および５．５とされているのは、インナー部５の内周側に位置するインナーチップ３Ｂのうち外周側に位置するものが、その植設面積の半分を上記内接円Ｂの外側に位置させているためである。

これら図５および図６の結果より、まず比Ａ１／Ａ２が０．７より小さい０．５９および０．６８であった比較例１、２では、岩盤が軟らかい場合は悪い結果ではなかったが、岩盤圧縮強度が１００ＭＰａを越えると、岩盤圧縮強度が高くなるほど穿孔速度が著しく遅くなる結果となり、またチップ３の磨耗寿命も他の比較例３、４や実施例１、２と比べて短い傾向となった。これは、これら比較例１、２ではインナーチップ３Ｂのうち外周側に位置するインナーチップ３Ｂの数が少なく、岩盤が硬くなると削孔の外周部付近の岩盤の脆化が不充分となり、かつ、この外周側に位置するインナーチップ３Ｂの磨耗進行が早く進むためである。

一方、比Ａ１／Ａ２が０．９よりも大きい０．９３および１．０１とされた比較例３、４では、硬岩層での穿孔速度の低下は少ないが、絶対的な穿孔速度自体が全体的に遅い結果となり、またチップ３の磨耗寿命も、比較例１、２よりは長寿命であるものの、十分に満足しうる結果は得られなかった。これは、インナー部５における最外周のインナーチップ３Ｂの数が多すぎて、工具本体１の先端面の中心付近で発生した穿孔屑の排出が阻害され、さらには工具本体１全体のチップ３の数が増加することによってチップ３の１つ当たりの破砕量が低下するため、個々のチップ３の磨耗寿命は延びても効率的な掘削は却って阻害されるためである。

これら比較例１〜４に対して、上記比Ａ１／Ａ２が０．７６および０．８５とされた本発明に係わる実施例１、２では、ゲージチップ３Ａとインナー部５最外周のインナーチップ３Ｂとによる上述の掘削作用がバランスしており、図５に示したように地盤の圧縮強度が低い段階から高い掘削速度を得ることができるとともに、岩盤圧縮強度が高くなっても穿孔速度の低下は比較例１、２と比べても小さく、総じて比較例１〜４よりも高い穿孔速度が得られていて、この傾向は岩盤圧縮強度が１５０ＭＰａを越えて２００ＭＰａの硬岩層に対しても大きく損なわれることはなかった。また、こうして高い穿孔速度を得ることができたのに伴い工具寿命も、図６に示したように比較例１、２は勿論、比較例３、４と比べてもより長寿命となっているのが分かる。

本発明の掘削工具の一実施形態を示す側面図である。図１に示す実施形態を軸線Ｏ方向先端側から見た正面図である。図１に示す実施形態の側断面図である。図１に示す実施形態を軸線Ｏ方向後端側から見た背面図である。本発明に係わる実施例１、２および比較例１〜４による掘削結果において、岩盤圧縮強度と穿孔速度との関係を示す図である。本発明に係わる実施例１、２および比較例１〜４による掘削結果において、工具寿命（岩盤圧縮強度１５０ＭＰａの時にチップ３が再研磨必要となるまでの穿孔長）を示す図である。

符号の説明

１工具本体
３チップ
３Ａゲージチップ
３Ｂインナーチップ
４ゲージ部
５インナー部
７外周凹溝
８突条部
Ｏ工具本体１の軸線
Ｃチップ３の中心線
Ｔ掘削時の工具本体１の回転方向

Claims

概略円柱状をなす工具本体の先端面の内外周に複数のチップが植設され、このうち上記先端面の外周側に植設される上記チップは、その中心線が先端側に向かうに従い上記工具本体の軸線に対して外周側に向かうように傾斜したゲージチップとされるとともに、上記先端面の内周側に植設される上記チップは、その中心線が上記軸線と略平行とされて先端が上記ゲージチップよりも該軸線方向先端側に突出したインナーチップとされており、上記軸線方向先端側から見て、上記先端面上において上記軸線を中心として上記ゲージチップに外接する円と内接する円との間の部分の面積をこのゲージチップの数で除した数値Ａ１と、上記ゲージチップに内接する円と上記インナーチップのうち最外周に位置するものに内接する内接円との間の部分の面積をこの最外周に位置するインナーチップの数と上記内接円上に位置するインナーチップの植設面積に対する上記内接円外に位置する部分の面積の割合との和で除した数値Ａ２との比Ａ１／Ａ２が０．７〜０．９の範囲内とされていることを特徴とする掘削工具。