JP2014196616A - 掘削ビット - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤモンド層によって摩耗による寿命の延長を図るとともに、掘削チップによる破砕性を確保しつつ、特に母材が露出する掘削チップ後端部の折損を防ぐ。【解決手段】ビット本体１の先端部外周に外周側に向かうに従い後端側に向けて傾斜するゲージ面２が形成されるとともに、このゲージ面２よりも内周側のビット本体１先端面には先端側を向くフェイス面３が形成され、フェイス面３に植設される掘削チップ８のフェイス面３から突出する先端部には、先端側に向けて延びるチップ中心線Ｃに沿った断面において先端側に向かうに従い曲率半径が段階的に小さくなる凸曲線状をなす少なくとも２段の凸曲面部９Ａ、９Ｂが形成され、少なくとも最先端の段の凸曲面部９Ａの表面には、掘削チップ８の母材１１よりも硬質なダイヤモンド層１０が形成される。【選択図】図３

Description

本発明は、ビット本体の先端部外周にゲージ面が形成されるとともに、このゲージ面よりも内周側のビット本体先端面にはフェイス面が形成されて、これらゲージ面とフェイス面とに掘削チップが植設された掘削ビットに係わり、特に上記掘削チップの表面に硬質なダイヤモンド層が形成された掘削ビットに関するものである。

このように、ビット本体のゲージ面とフェイス面とに掘削チップが植設された掘削ビットとしては、例えば本発明の発明者等による特許文献１に記載された掘削ビットを初めとして枚挙に暇がない。さらに、このような掘削ビットのうち、特許文献２、３には、ゲージ面に植設される超硬合金を母材とした掘削チップの先端部の表面に硬質のダイヤモンド層を形成したものが提案されている。

特開２０１２−０５７３１０号公報 米国特許第６２２０３７６号明細書 国際公開第２０１１／０２５５１０号

ところが、このようにゲージ面に植設される掘削チップの先端部表面に硬質のダイヤモンド層を形成した掘削ビットにおいては、従来の掘削ビットにおいて一般的であった掘削チップの摩耗による掘削ビットの寿命は延長することが可能となるものの、先端部が硬質となったために、ビット本体に植設される掘削チップ後端部の母材が表面に露出した円柱状部分に掘削時の疲労が蓄積されてしまい、突発的な衝撃荷重が作用したときに、この疲労が蓄積された部分から掘削チップが折損して掘削ビットの寿命が費えることが多くなっている。そして、このような欠損は、掘削孔の形成に主として関与する、フェイス面に植設された掘削チップにおいて顕著となる。

ここで、このような疲労の蓄積による掘削チップの折損を防ぐには、母材が露出する掘削チップ後端部の円柱状部分の外径を大きくしてチップ強度を向上させるとともに蓄積される疲労を分散することが考えられる。しかしながら、一般的なボタンチップと称される半球状の先端部を有する掘削チップでは、後端部の外径を大きくすると先端部の半球の半径も大きくなってしまうため、掘削チップによる破砕性が損なわれてしまうとともに、フェイス面からの掘削チップの先端部の突端までの突き出し量が大きくなり、掘削ビットを回転させたときに掘削チップの先端部に作用する曲げモーメントも大きくなって、さらに折損が生じ易くなるおそれもある。

本発明は、このような背景の下になされたもので、掘削チップの先端部表面にダイヤモンド層を形成することによって摩耗による寿命の延長を図ることができるのは勿論、掘削チップによる破砕性を確保しつつ、特に母材が露出する掘削チップ後端部の折損を防ぐことが可能な掘削ビット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、ビット本体の先端部外周に外周側に向かうに従い後端側に向けて傾斜するゲージ面が形成されるとともに、このゲージ面よりも内周側の上記ビット本体先端面には先端側を向くフェイス面が形成され、これらゲージ面とフェイス面とに掘削チップが植設された掘削ビットであって、上記フェイス面に植設される掘削チップの該フェイス面から突出する先端部には、先端側に向けて延びるチップ中心線に沿った断面において先端側に向かうに従い曲率半径が段階的に小さくなる凸曲線状をなす少なくとも２段の凸曲面部が形成されており、このうち少なくとも最先端の段の凸曲面部の表面には、上記掘削チップの母材よりも硬質なダイヤモンド層が形成されていることを特徴とする。

このように構成された掘削ビットでは、特に主として掘削孔の形成に関与するフェイス面に植設された掘削チップにおいて、その先端部に、チップ中心線に沿った断面において先端側に向かうに従い曲率半径が段階的に小さくなる凸曲線状をなす少なくとも２段の凸曲面部が形成されており、このうち曲率半径が最も小さくなる少なくとも最先端の段の凸曲面部の表面にダイヤモンド層が形成されているため、このダイヤモンド層が形成された少なくとも最先端の段の凸曲面部では破砕性と耐摩耗性を確保しつつ、後段側の凸曲面部では上記曲率半径を大きくすることができる。

従って、後端側の段の凸曲面部やこれに連続する掘削チップの後端部では、母材が露出していても掘削時の疲労を分散させて折損の発生を防止することができる。また、上述のように破砕性を確保しつつも、後端側の段の凸曲面部の上記断面がなす曲率半径の大きな凸曲線をチップ中心線に対して半球よりも小さな中心角をなすように偏平して形成することにより、ビット本体のフェイス面から最先端の段の凸曲面部の突端までの突き出し量を小さく抑えることができるので、この突き出し量が大きくなるのに伴って曲げモーメントも大きくなることによる折損の発生も防止することが可能となる。

より具体的には、フェイス面に植設される掘削チップの最先端の段の凸曲面部が上記チップ中心線に沿った断面においてなす凸曲線の曲率半径は、該掘削チップの最後端の段の凸曲面部の上記チップ中心線に対する外径Ｄに対して０．４×Ｄ以下とされるのが望ましい。この最先端の段の凸曲面部の上記断面における曲率半径が上記外径Ｄに対して０．４×Ｄを上回るほど大きいと、地盤との接触面積が大きくなって十分な破砕性を確保することができなくなるおそれがある。

また、上記フェイス面に植設される上記掘削チップの上記最先端の段の凸曲面部の突端までの上記フェイス面からの上記チップ中心線方向の突き出し量は、該掘削チップの最後端の段の凸曲面部の上記チップ中心線に対する外径Ｄに対して０．５×Ｄ未満とされるのが望ましい。最先端の段の凸曲面部の突端までの突き出し量、すなわちこのフェイス面に植設された掘削チップの突き出し量が０．５×Ｄ以上であると、曲げモーメントによる折損を確実に防止することができなくなるおそれがある。

なお、上記ゲージ面に植設される掘削チップは、その先端部が単一の半径の半球状をなすボタンチップであるのが望ましい。ゲージ面に植設される掘削チップは、フェイス面に植設された掘削チップによって形成された掘削孔を所定の内径に拡げるものであり、フェイス面に植設されるチップのように複数段の凸曲面部が形成されたチップよりも単一半径の半球状のボタンチップの方がビット本体外周側に突き出すチップ体積を大きくすることができて、掘削孔を拡げるのに有利である。

以上説明したように、本発明によれば、複数段の凸曲面部を有して最先端の段の表面にダイヤモンド層が形成されたフェイス面の掘削チップにおいて、この最先端の段の凸曲面部により破砕性や耐摩耗性を確保しつつ、後段側の凸曲面部は偏平するように形成することによってフェイス面からの掘削チップの突き出し量を抑えることができ、疲労の蓄積や曲げモーメントの増大による折損を防止することが可能となる。

本発明の一実施形態を示す側面図である。 図１に示す実施形態の正面図である。 図２に示す実施形態においてビット本体１の軸線Ｏと掘削チップ７、８のチップ中心線Ｃとを含む拡大断面図である。

図１ないし図３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、ビット本体１は、鋼材等の金属材料により形成されて軸線Ｏを中心とした概略有底の円筒状をなしており、後端部（図１において左側部分）の内周に形成された図示されない雌ネジ部に掘削ロッド先端の雄ネジ部が螺合されて、この掘削ロッドを介して削岩機から伝播される軸線Ｏ方向先端側（図１において右側）への推力および打撃力と軸線Ｏ回りの回転力とにより地盤を掘削してゆく。

ビット本体１の先端部は後端部よりも一段大径とされており、この先端部の外周には、外周側に向かうに従い後端側に向けて傾斜する軸線Ｏを中心とした円錐台面状のゲージ面２が形成されている。また、このゲージ面２よりも内周側のビット本体１の先端面には、軸線Ｏを中心とした円形をなして軸線Ｏに垂直に先端側を向くフェイス面３が形成されている。

なお、こうして一段大径とされたビット本体１の先端部外周には、幅広で溝深さの深い大繰り粉溝４と、この大繰り粉溝４よりも幅狭で溝深さの浅い小繰り粉溝５とが、周方向に交互かつ等間隔に同数（本実施形態では４つ）ずつ形成されてゲージ面２に開口している。さらに、ビット本体１の後端部内周の底面からは、本実施形態では２つのブロー孔６が先端側に延びていて、フェイス面３において径方向に互いに反対側に位置する一対の小繰り粉溝５の間に軸線Ｏから等間隔をあけて開口している。

また、ゲージ面２とフェイス面３には、それぞれ掘削チップ７、８が植設されている。このうちゲージ面２に植設される掘削チップ（ゲージチップ）７は、本実施形態ではチップ中心線Ｃを中心とした円柱状の後端部と、この後端部の半径と等しい半径でチップ中心線Ｃ上に中心を有する凸半球状をなす先端部とが一体に形成された、いわゆるボタンチップとされており、同径同大のこのような掘削チップ８がゲージ面２に形成された円形孔に上記後端部が焼き嵌めや圧入、ロウ付けされることにより、チップ中心線Ｃがゲージ面２に垂直となるようにして先端部をゲージ面２から突出させ、ゲージ面２において周方向に隣接する大繰り粉溝４と小繰り粉溝５との間に１つずつ植設されている。

一方、フェイス面３に植設される掘削チップ（フェイスチップ）８は、同じくチップ中心線Ｃを中心とした円柱状の後端部と、このチップ中心線Ｃに沿った断面において先端側に向かうに従い曲率半径が段階的に小さくなる凸曲線状をなす少なくとも２段の凸曲面部９を備えた先端部とが一体に形成された形状とされている。本実施形態では、この掘削チップ８の先端部は、先端側から第１、第２の２段の凸曲面部９Ａ、９Ｂにより形成されており、これらの凸曲面部９Ａ、９Ｂの上記断面がなす凸曲線はチップ中心線Ｃ上に中心を有する略円弧状とされ、ただし後端側の第２の凸曲面部９Ｂの中心は、円柱状の後端部の先端よりも僅かに後端側に位置するようにされている。

このような掘削チップ８は、やはり同径同大の複数（本実施形態では５つ）の掘削チップ８が、図２に示すように上記ブロー孔６を避けるとともに、互いの軸線Ｏ回りの回転軌跡が該軸線Ｏから僅かに外周側に離れた位置からフェイス面３の外周縁まで連続するようにして、やはりフェイス面３に形成された円形孔に後端部が焼き嵌めや圧入、ロウ付けされることにより、チップ中心線Ｃをフェイス面３に垂直とし、先端部と後端部の先端側部分とをフェイス面３から突出させて植設されている。なお、フェイス面３の外周縁側に植設される掘削チップ８は大繰り粉溝４の内周側に位置してゲージ面２に植設される掘削チップ７と干渉しないようにされている。

さらに、これらの掘削チップ７、８には、その先端部の表面に、ダイヤモンド焼結体よりなるダイヤモンド層１０が形成されている。ここで、ゲージ面２に植設される掘削チップ７においては、その凸半球状をなす先端部の表面全体に概ね一定の層厚でダイヤモンド層１０が形成されており、このダイヤモンド層１０も含めて掘削チップ７の先端部は、後端部の半径と等しい半径の凸半球状とされている。また、本実施形態では、フェイス面３に植設される掘削チップ８にも、第１、第２の凸曲面部９Ａ、９Ｂにより形成された先端部の表面全体に概ね一定の層厚でダイヤモンド層１０が形成されている。

ここで、このダイヤモンド層１０以外の部分の掘削チップ７、８の母材１１は、本実施形態ではダイヤモンド焼結体よりは低硬度であるものの硬質な超硬合金等の焼結合金とされている。このような掘削チップ７、８を製造するには、掘削チップ７、８に焼結させられる圧粉体を成形するプレス成形金型において、ダイヤモンド層１０が形成される部分にダイヤモンド焼結体の原料粉末を充填するとともに、残りの部分には上記焼結合金の原料粉末を充填して圧粉体をプレス成形したり、またはダイヤモンド焼結体の原料粉末と焼結後の超硬合金を充填して圧粉体をプレス成形したりして、この圧粉体を加熱してダイヤモンド層１０と母材１１とを一体に焼結すればよい。

さらにまた、図３に示すようにフェイス面３に植設される掘削チップ８の最先端の段である第１の凸曲面部９Ａが上記チップ中心線Ｃに沿った断面においてなす凸曲線の曲率半径（第１の凸曲面部９Ａの断面がなす円弧の半径）Ｒは、このフェイス面３に植設される掘削チップ８の最後端の段である第２の凸曲面部９Ｂの上記チップ中心線Ｃに対する外径Ｄ、すなわち本実施形態では該掘削チップ８の後端部の外径Ｄに対して０．４×Ｄ以下とされている。

また、同じく図３に示すように最先端の段である第１の凸曲面部９Ａの突端のフェイス面３からの軸線Ｏ方向の突き出し量Ｐは、上記外径Ｄに対して０．５×Ｄ未満とされ、ただしゲージ面２に植設された掘削チップ７のフェイス面３からの軸線Ｏ方向の突き出し量よりは大きくされている。なお、本実施形態では、ゲージ面２に植設される掘削チップ７の先端部がなす凸半球の直径（後端部の外径）は、フェイス面３に植設される掘削チップ８の上記外径Ｄと等しくされている。

このように構成された掘削ビットでは、ビット本体１の先端部中央のフェイス面３に植設された掘削チップ８によって主として地盤に掘削孔が形成され、こうして形成された掘削孔の内周部を、ビット本体１の先端部外周のゲージ面２に植設された掘削チップ７によって所定の内径に掘削してゆく。なお、掘削の際に地盤が破砕されて生じた繰り粉は、フェイス面３に開口したブロー孔６から噴出させられる圧縮空気により、大小繰り粉溝４、５を通して後端側に排出させられる。

そして、上記構成の掘削ビットでは、こうして主として地盤の掘削を行うフェイス面３に植設された掘削チップ８の先端部に少なくとも２段の凸曲面部９Ａ、９Ｂが形成されていて、これらの凸曲面部９Ａ、９Ｂのチップ中心線Ｃに沿った断面がなす凸曲線の曲率半径は、先端側の第１の凸曲面部９Ａが後端側の第２の凸曲面部９Ｂよりも小さくされているとともに、このうちさらに少なくとも最先端となる第１の凸曲面部９Ａの表面にはダイヤモンド層１０が形成されている。

従って、このように断面がなす凸曲線の曲率半径が最も小さくなる第１の凸曲面部９Ａが、フェイス面３に植設された掘削チップ８の最先端すなわちビット本体１の最先端に位置することにより、掘削チップ８が地盤を破砕する際の接触面積が小さくなるのに伴い打撃力や推力を集中させて破砕性を確保することができるとともに、この第１の凸曲面部９Ａの表面に形成された硬質のダイヤモンド層１０によって掘削チップ８の耐摩耗性を著しく向上させることができるので、上記構成の掘削ビットによれば、その寿命を延長しつつも効率的な掘削を行うことが可能となる。

その一方で、掘削チップ８の先端部の後端側では、この後端側の段の第２の凸曲面部９Ｂがチップ中心線Ｃに沿った断面においてなす凸曲線の曲率半径が先端側の第１の凸曲面部９Ａよりも大きくされる。従って、これにより、上述した第１の凸曲面部９Ａによる破砕性を損なうことなく、第２の凸曲面部９Ｂに連なる掘削チップ８の後端部の外径を大きくして、この後端部や第２の凸曲面部９Ｂにおいて掘削時の疲労を分散させ、掘削時に突発的な衝撃荷重が作用しても、疲労が蓄積された部分から掘削チップ８が折損するような事態を防止することができる。

さらに、例えば本実施形態のようにこの凸曲線（凸円弧）の中心を円柱状の掘削チップ８後端部の先端よりも後端側に位置させて該凸曲線の両端と中心とを結ぶ直線がなす中心角を小さくすることにより、この第２の凸曲面部９Ｂをチップ中心線Ｃ方向に偏平させ、掘削チップ８のフェイス面３からの突き出し量Ｐを小さく抑えることが可能となる。従って、このようなフェイス面３に植設された掘削チップ８の突き出し量Ｐが大きくなるのに伴い、ビット本体１に与えられた回転力によって掘削チップ８の先端部作用する曲げモーメントも大きくなることによって折損が生じるのも防ぐことができるので、上記構成の掘削ビットによれば、一層の寿命の延長を促すことができる。

また、本実施形態では、フェイス面３に植設される掘削チップ８の最先端の段となる第１の凸曲面部９Ａがチップ中心線Ｃに沿った断面においてなす凸曲線（凸円弧）の曲率半径（半径Ｒ）が、該掘削チップ８の最後端の段となる第２の凸曲面部９Ｂの外径Ｄに対して０．４×Ｄ以下とされるとともに、最先端の第１の凸曲面部９Ａの突端までのフェイス面３からの突き出し量Ｐは０．５×Ｄ未満とされており、これによっても確実に破砕性の向上を図るとともに長寿命の掘削ビットを提供することが可能となる。

すなわち、第１の凸曲面部９Ａの上記断面がなす凸曲線の曲率半径（半径Ｒ）が０．４×Ｄを上回るほど大きいと、地盤を破砕する際の掘削チップ８の接触面積が大きくなって打撃力や推力が分散し、破砕性を十分に高めることができなくなるおそれがある。また、上記突き出し量Ｐが０．５×Ｄ以上であると、折損を確実に防止することができなくなるおそれがあるが、本実施形態では凸曲線の曲率半径（凸円弧の半径Ｒ）が０．４×Ｄ以下とされ、また突き出し量Ｐも０．５×Ｄ未満とされているので、確実に破砕性の向上を図るとともに掘削ビット寿命の延長を図ることができる。

なお、本実施形態では、ゲージ面２に植設される掘削チップ７の先端部は、フェイス面３に植設される掘削チップ８の先端部のようにチップ中心線Ｃに沿った断面がなす凸曲線の曲率半径が先端側に向けて小さくなる少なくとも２段の第１、第２の凸曲面部９Ａ、９Ｂを備えておらず、単一の半径の凸半球状とされている。この点、掘削チップ７も掘削チップ８と同じであってもよいが、ゲージ面２に植設される掘削チップ７は、上述のようにフェイス面３に植設された掘削チップ８によって既に破砕されて形成された掘削孔を所定の内径となるように掘削するものであるため、曲率半径が先端側に向けて小さくなる複数段の凸曲面部９Ａ、９Ｂを先端部に有する掘削チップ８よりも、単一半径の凸半球状の先端部を有する掘削チップ７の方が、ビット本体１外周側に突き出すチップ体積を大きく確保することができて、チップの役割としては有利に働くことから、このような掘削チップ７が用いられることが望ましい。

また、本実施形態では、フェイス面３に植設される掘削チップ８において、その先端部の表面全体、すなわち最先端の段となる第１の凸曲面部９Ａから最後端の段となる第２の凸曲面部９Ｂにかけての表面全体にダイヤモンド層１０が形成されているが、破砕性が要求される反面、摩耗が進み易いのは特に最先端の段である第１の凸曲面部９Ａであるので、ダイヤモンド層１０は少なくともこの最先端の第１の凸曲面部９Ａの表面に形成されていればよい。

１ ビット本体
２ ゲージ面
３ フェイス面
７ ゲージ面２に植設される掘削チップ
８ フェイス面３に植設される掘削チップ
９Ａ 第１の凸曲面部（最先端の段の凸曲面部）
９Ｂ 第２の凸曲面部（最後端の段の凸曲面部）
１０ ダイヤモンド層
１１ 母材
Ｃ チップ中心線
Ｄ 第２の凸曲面部（最後端の段の凸曲面部）９Ｂのチップ中心線Ｃに対する外径
Ｒ フェイス面３に植設される掘削チップ８の第１の凸曲面部（最先端の段の凸曲面部）９Ａがチップ中心線Ｃに沿った断面においてなす凸曲線の曲率半径
Ｐ フェイス面３に植設される掘削チップ８の第１の凸曲面部（最先端の段の凸曲面部）９Ａの突端までのフェイス面３からのチップ中心線Ｃ方向の突き出し量
Ｏ ビット本体１の軸線

Claims (4)

1. ビット本体の先端部外周に外周側に向かうに従い後端側に向けて傾斜するゲージ面が形成されるとともに、このゲージ面よりも内周側の上記ビット本体先端面には先端側を向くフェイス面が形成され、これらゲージ面とフェイス面とに掘削チップが植設された掘削ビットであって、上記フェイス面に植設される掘削チップの該フェイス面から突出する先端部には、該掘削チップのチップ中心線に沿った断面において先端側に向かうに従い曲率半径が段階的に小さくなる凸曲線状をなす少なくとも２段の凸曲面部が形成されており、このうち少なくとも最先端の段の凸曲面部の表面には、上記掘削チップの母材よりも硬質なダイヤモンド層が形成されていることを特徴とする掘削ビット。
2. 上記フェイス面に植設される上記掘削チップの上記最先端の段の凸曲面部が上記チップ中心線に沿った断面においてなす凸曲線の曲率半径は、該掘削チップの最後端の段の凸曲面部の上記チップ中心線に対する外径Ｄに対して０．４×Ｄ以下とされていることを特徴とする請求項１に記載の掘削ビット。
3. 上記フェイス面に植設される上記掘削チップの上記最先端の段の凸曲面部の突端までの上記フェイス面からの上記チップ中心線方向の突き出し量が、該掘削チップの最後端の段の凸曲面部の上記チップ中心線に対する外径Ｄに対して０．５×Ｄ未満とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の掘削ビット。
4. 上記ゲージ面に植設される掘削チップは、その先端部が単一の半径の半球状をなすボタンチップであることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の掘削ビット。

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