JP2016061123A - ローラカッター及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超硬チップの脱落を防止すると共に、割れ等の発生を効果的に抑制乃至は阻止することが出来るように改良された構造を有する、耐久性に優れたローラカッターを提供すること、また、そのようなローラカッターを有利に製造する方法を提供すること。【解決手段】ローラカッター１０の外周部に配設されるカッターコーン１８を、周方向の複数箇所で分割されてなる形態を呈する複数のコーン分割体４４ａ〜４４ｆによって、全体として環状をなすように構成すると共に、コーン分割体４４ａ〜４４ｆのそれぞれを、超硬チップ３２を緩衝筒体４８（５２）内に収容してなる形態において鋳包んでなる金属鋳物にて構成し、且つ緩衝筒体４８を、コーン分割体４４ａ〜４４ｆを構成する鋳物金属４６よりも硬度が低い金属材質として、それら鋳物金属４６と超硬チップ３２と緩衝筒体４８とを一体化して構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、ローラカッター及びその製造方法に係り、特に、耐久性に優れたローラカッターとその製造方法に関するものである。

従来から、鉄道や道路等のためのトンネルを掘削する機械として、シールドマシン等の各種のトンネル掘削機が用いられてきている。そして、そのようなトンネル堀削機の一つとして、前端部において、カッターヘッドの回転駆動に伴なって回転すると共に、その外周部に設けられた切刃部により岩盤等を切るように圧砕するローラカッターを備えたものが、知られている。

また、そのようなローラカッターとしては、特開平１１−２００７５４号公報（特許文献１）には、チップ側面部に保護部材を密着させて固定してなる穿削用刃（ビット）が、明らかにされている。そこでは、円筒状のビットの外周面に、超硬合金からなる多数のチップが、その一部をビットの本体に入り込ませた状態で一体的に取り付けられてなる構成が、採用されているのである。また、かかる特許文献１においては、チップの側面部に保護部材を被せた後に、鋳型内に溶湯を鋳込んで、ビット本体を成形することにより、チップの表面が、脆くなったり、変質してしまうようなことが起こらず、それどころか、ビット本体が冷却されて収縮することにより、強固にチップを保持することが出来ることが、記載されている。

ところで、このような構造を有するビット（ローラカッター）にあっては、トンネルの掘削を行なう際に、チップを含むビット本体の全体が、岩盤等に切り込ませられることとなる。そのため、ビット本体が、岩盤との接触により削り取られて磨耗してしまい、ビット本体に埋め込まれたチップが脱落して、掘削効率が低下すると共に、ビットの耐久性が低くなって、その寿命が短くなってしまうという問題を内在している。

そこで、そのような問題の解消を図るべく、従来から、ビット本体の表面部位に対して、硬度の高い材質からなる硬化肉盛りを施すことが行なわれている。しかしながら、このような硬化肉盛りを設けただけでは、ビットの耐久性を充分に向上させることは困難であり、更に硬化肉盛りを形成するために、工数が掛かり、ビットの製造コストが上昇してしまうという問題がある。

また、ビット本体の全体を耐磨耗性の高い材質にて構成することも、考えられる。ところが、一般に、そのように耐磨耗性の高い材料は脆性も高いものであるため、熱膨張率の違いによって、チップとの境界部分を起点として割れ（クラック）等が発生したり、チップとの接合強度が確保出来ないといった問題を生じる恐れがある。更に、ビット本体が比較的大きく肉厚な部材であるところから、冷却時の収縮により内部に応力が集中して、割れ等が発生し易くなり、結果として、ビットの耐久性が低下してしまう等といった、新たな問題を生じるようになる。

特開平１１−２００７５４号公報

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、超硬チップの脱落を防止すると共に、割れ等の発生を効果的に抑制乃至は阻止することが出来るように改良された構造を有する、耐久性に優れたローラカッターを提供することにあり、また、そのようなローラカッターを有利に製造する方法を提供することにある。

そして、本発明にあっては、上述せるようなローラカッターに係る課題を解決するために、超硬合金からなる超硬チップが先端部を外周面に露呈するようにして周方向に所定の間隔を隔てて埋設された環状のカッターコーンが外周部に回転可能に配設されて、トンネル掘削機の前端部に取り付けられるローラカッターであって、該カッターコーンが、周方向の複数箇所で分割されてなる形態を呈するコーン分割体の複数によって、全体として環状をなすように構成されていると共に、該コーン分割体のそれぞれが、前記超硬チップを緩衝筒体内に収容してなる形態において鋳包んでなる金属鋳物にて構成され、且つ該緩衝筒体が、前記コーン分割体を構成する鋳物金属よりも硬度が低い金属材質とされて、それら鋳物金属と超硬チップと緩衝筒体とが一体化されていることを特徴とするローラカッターを、その要旨とするものである。

なお、このような本発明に従うローラカッターの望ましい態様の一つによれば、前記コーン分割体を構成する鋳物金属が、質量基準で、Ｃ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．０６〜１．５％、Ｖ：６．０〜１６．０％、Ｍｇ：０．０１〜０．１％、及びＮｉ：１．０％以下を含み、残部がＦｅと不可避的不純物である合金組成からなると共に、Ｍｇの溶湯添加処理によって、球状化されたＶ炭化物がパーライト母相中に晶出せしめられてなる合金白鋳鉄にて構成されている。

さらに、本発明にあっては、前記緩衝筒体が、鋼材質にて構成されていることが、望ましい。

そして、本発明にあっては、前記したローラカッターの製造方法に係る課題を解決するために、超硬合金からなる超硬チップが先端部を外周面に露呈するようにして周方向に所定の間隔を隔てて埋設された環状のカッターコーンが外周部に回転可能に配設されて、トンネル掘削機の前端部に取り付けられるローラカッターの製造方法であって、（ａ）前記カッターコーンが、周方向の複数箇所で分割されてなる形態を呈するコーン分割体の複数によって、全体として環状をなすように構成されるようにして、それぞれのコーン分割体を与える鋳造キャビティを有する鋳型を準備する工程と、（ｂ）該コーン分割体を鋳造するための金属溶湯と、前記超硬合金からなる超硬チップと、該超硬チップの外周面形状と同等乃至はそれより大きな内周面形状を有する筒状形状を呈し、且つ該コーン分割体を与える材質よりも硬度が低い金属材質からなる緩衝筒体とを、それぞれ準備する工程と、（ｃ）かかる準備された超硬チップ及び緩衝筒体を、該超硬チップが該緩衝筒体内に収容されてなる形態において、前記鋳型の鋳造キャビティ内の所定位置に配置する工程と、（ｄ）該鋳造キャビティ内に、前記金属溶湯を注湯することにより、前記超硬チップを前記緩衝筒体内に収容してなる形態において鋳包んでなる鋳物を鋳造して、それら超硬チップと緩衝筒体とが鋳物金属と一体化されてなる前記コーン分割体の複数をそれぞれ形成する工程と、（ｅ）かくして得られたコーン分割体の複数を環状に組み合わせて、前記カッターコーンを構成する工程と、を含むことを特徴とするローラカッターの製造方法をも、また、その要旨とするものである。

このように、本発明に従うローラカッターにあっては、ローラカッターの外周部に配設されるカッターコーンが、周方向の複数箇所で分割されてなる形態を呈するコーン分割体の複数によって、全体として環状をなすように構成されているところから、かかるコーン分割体のそれぞれが、超硬チップを鋳包んでなる金属鋳物にて構成されているにも関わらず、鋳造時に生じる内部応力の周方向への伝播が有利に抑制されて、コーン分割体を構成する鋳物金属内部における応力集中が緩和されることとなる。これにより、コーン分割体に割れ等が生じることが有利に阻止されると共に、コーン分割体の内部に残留する応力が緩和されることによって、コーン分割体が破損し難くなり、以てカッターコーン、ひいてはローラカッターの耐久性を有利に向上せしめることが可能となるのである。

また、そのようなコーン分割体のそれぞれが、超硬チップを緩衝筒体内に収容してなる形態において鋳包んでなる金属鋳物にて構成され、且つかかる緩衝筒体が、コーン分割体を構成する鋳物金属よりも硬度が低い金属材質とされて、それら鋳物金属と超硬チップと緩衝筒体とが一体化されているところから、超硬チップとコーン分割体を構成する鋳物金属との熱膨張率の違いにより発生する応力が、緩衝筒体によって緩衝されることとなる。これにより、コーン分割体において、超硬チップとコーン分割体を構成する鋳物金属との境界部分を起点として割れ等が生じることが有利に阻止されると共に、かかる境界部分に残留する応力が緩和されることによって超硬チップの脱落が生じ難くなり、以て、掘削効率の低下が有利に抑制乃至は阻止されると共に、カッターコーン、ひいてはローラカッターの耐久性を有利に向上せしめることが可能となるのである。

さらに、本発明に従うローラカッターにおいては、上述のようにして、超硬チップの脱落を防止すると共に、割れ等の発生を抑制乃至は阻止することが出来るようになっているところから、コーン分割体を構成する鋳物金属として、脆性が比較的高いが、耐磨耗性の良好な材料を用いることが可能となるのであり、これによって、ローラカッターの耐久性をより有利に向上せしめることが可能になるという利点もある。

そして、本発明に従うローラカッターの製造方法によれば、それぞれのコーン分割体を与える鋳造キャビティを有する鋳型が準備されるところから、それらコーン分割体を鋳造する鋳型の大きさが、比較的小さいもので済むこととなる。そのため、鋳型に係るコストを低減することが出来、以て、ローラカッターの製造コストを有利に低減することが可能となる。

また、鋳造キャビティ内に、コーン分割体を鋳造するための金属溶湯を注湯することにより、超硬チップを緩衝筒体内に収容してなる形態において鋳包んで、それら超硬チップと緩衝筒体とが鋳物金属と一体化されてなるコーン分割体の複数をそれぞれ形成するようになっているところから、超硬チップを埋設するための工程が不要となり、ローラカッターの製造コストを有利に低減することが出来る利点がある。更に、超硬チップがより強固に保持されることとなるところから、超硬チップの脱落を抑制乃至は阻止して、ローラカッターの耐久性を有利に向上させることが出来ることとなる。

本発明に従うローラカッターの一例を示す側面説明図である。 図１におけるＡ−Ａ断面説明図である。 図２におけるＢ部拡大説明図である。 図１に示されるローラカッターを構成するコーン分割体を製造する際に採用される工程の一例を示す説明図であって、緩衝筒体及び超硬チップを下型に配置した状態を、上型を省略して示す平面説明図である。 図４のＣ−Ｃ断面における端面説明図である。 図５に示される工程に引き続いて実施される工程の一例を示す、図５に対応する端面説明図であって、鋳型が型締めされた状態を示している。 図６に示される工程に引き続いて実施される工程の一例を示す、図５に対応する端面説明図であって、金属溶湯がキャビティ内に注湯された状態を示している。 超硬チップの保持構造（緩衝筒体部の形成態様）について模式的に示す、図７におけるＤ部拡大断面説明図であって、（ａ）は、金属溶湯の冷却前の状態を示し、（ｂ）は、金属溶湯の冷却後の状態を示している。 図７に示される工程に引き続いて実施される工程の一例を示す説明図であって、金属鋳物を鋳型から取り出した直後の状態を示す平面説明図である。 図９に示される工程に引き続いて実施される工程の一例を示す説明図であって、緩衝筒体の一部を除去して、コーン分割体を得た状態を示す平面説明図である。 図１０に示されるコーン分割体の複数を用いて、環状のカッターコーンを構成した形態を模式的に示す側面説明図である。 コーン分割体を製造する際に用いることが出来る、複数の緩衝筒体が連結されてなるホルダの一例を示す平面説明図である。 図１２に示されるホルダを用いた場合の、図４に対応する平面説明図である。 本発明に従うローラカッターの他の一例を、図３に対応する断面形態において示す断面説明図である。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

先ず、図１及び図２には、本発明に従う構造を有するローラカッターの一例が、それぞれ、側面図及び部分断面図の形態において示されている。そこにおいて、ローラカッター１０は、トンネル掘削機の前端部に対して固定的に取り付けられる支持軸部材１２と、かかる支持軸部材１２に対して、図示しないベアリング等を介して、図１に細線矢印で示されるように、中心軸：Ｐ回りに回転自在に外嵌装着されている回転部１４とを、備えている。なお、回転部１４は、全体として略円筒形状を呈し、その中心軸：Ｐは、支持軸部材１２の中心軸に対して同軸とされている（以下、本実施形態においては、この中心軸：Ｐに平行な方向を軸方向と言い、中心軸：Ｐに直角な方向を径方向と言う）。

より詳細には、回転部１４は、図２に示されるように、略円筒形状の回転部本体１６とと共に、環状のカッターコーン１８、リングスペーサ２０、及び固定リング２２を備える構成とされ、それらが一体的に結合せしめられており、全体として、その周方向に直角な断面が、中央部が径方向外方に向かって突出するような山形形状とされている。

ここで、回転部本体１６の外周面２４上において、軸方向中央部に配設されている環状のカッターコーン１８は、外周面を形成する傾斜上面２６、２６と、傾斜側面２８、２８及び内周面３０を有し、その周方向に直角な断面が、内周面３０側（径方向内方）に向かって拡がると共に、外周面側中央部が径方向外方に突出する、略左右対称五角形形状となるように構成されている。そして、カッターコーン１８には、超硬合金からなる公知の超硬チップ３２の複数が、先端部をカッターコーン１８の外周面に露呈するようにして、周方向に所定の間隔を隔てて埋設されている。

また、回転部本体１６の軸方向一方側（図２における右側）には、径方向外方に突出するようにして、係合凸部３４が設けられており、かかる係合凸部３４のカッターコーン１８と対向する側面が、傾斜側面２８に対応する係合傾斜面３６とされている。そして、回転部本体１６の軸方向他方側の端部においては、その外周面形状が外周面２４に対して若干小径とされた雄ネジ部３８が形成されている。

さらに、回転部本体１６の外周面２４上に、軸方向他方側（図２における左側）から嵌め込まれているリングスペーサ２０にあっては、カッターコーン１８と対向する側面が、傾斜側面２８に対応する傾斜面４０とされている。更にまた、固定リング２２は、その内周面に形成された雌ネジ部４２により、回転部本体１６の雄ネジ部３８に螺合せしめられている。

そして、回転部本体１６の外周面２４上に、カッターコーン１８が配設されると共に、軸方向の他方側から嵌め込まれたリングスペーサ２０を介して、固定リング２２が締め付けられることにより、それら回転部本体１６とカッターコーン１８とリングスペーサ２０と固定リング２２とが一体的に結合されて、回転部１４が構成されているのである。なお、カッターコーン１８の傾斜上面２６、２６は、それぞれ、途中に屈曲部が形成されて、傾斜側面２８側部位の軸方向に対する傾斜が若干緩やかになるようにされていると共に、回転部本体１６に形成された係合凸部３４の外周面及びリングスペーサ２０の外周面と滑らかに連続するようにされている。

すなわち、回転部１４においては、カッターコーン１８の軸方向の両側に形成された傾斜側面２８、２８が、回転部本体１６に設けられた係合凸部３４の係合傾斜面３６と、リングスペーサ２０の傾斜面４０とに、それぞれ、面接触せしめられた状態で、固定リング２２と回転部本体１６との間に設けられたネジ機構による押圧力が作用せしめられることにより、カッターコーン１８が、両側から強力に挟持されると共に、回転部本体１６の外周面２４に押し付けられるようになっている。これにより、カッターコーン１８が、回転部本体１６の外周面２４上において、軸方向へ移動しないように位置規制されると共に、周方向へ摺動移動することも阻止されて、回転部本体１６の外周面２４上に強固に外嵌固定された状態が維持され、かかるカッターコーン１８が、回転部本体１６と一体的に回転するように構成されている。かくして、環状のカッターコーン１８が、ローラカッター１０の外周部において、回転可能に配設されることとなるのである。

ところで、本実施形態におけるカッターコーン１８は、図１から明らかなように、一つのカッターコーンが周方向の複数箇所で分割されてなる形態を呈する複数（ここでは６個）のコーン分割体４４ａ〜４４ｆが組み合わされて、全体として環状をなすように構成されているのである。そして、ここでは、それらコーン分割体４４ａ〜４４ｆは、全て同様の構成とされている。このため、以下においては、図２に断面形態が示されているコーン分割体４４ａについて説明し、他のコーン分割体４４ｂ〜４４ｆに係る詳細な説明は省略することとする。また、コーン分割体４４ａ〜４４ｆにおいて、先述したカッターコーン１８の構造と対応する部分には、同一の符号を付すと共に、末尾にａ〜ｆの文字を付すことにより、各コーン分割体４４ａ〜４４ｆの対応する部分を指すものとして、詳細な説明を省略する。

図１及び図２にも示されているように、コーン分割体４４ａは、鋳物金属部分である本体部４６と、この本体部４６に埋設されている複数（ここでは４個）の超硬チップ３２、３２、３２、３２と、それら本体部４６と各超硬チップ３２との境界部分にそれぞれ配設されている緩衝筒体部４８、４８、４８、４８とを有し、そしてそれら本体部４６と超硬チップ３２、３２、３２、３２と緩衝筒体部４８、４８、４８、４８とが鋳造により一体化されてなる金属鋳物にて、構成されている。

ここで、コーン分割体４４ａの本体部４６は、一般に、高い耐磨耗性を備える鋳鉄にて構成されている。特に、そのような鋳鉄としては、質量基準で、Ｃ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．０６〜１．５％、Ｖ：６．０〜１６．０％、Ｍｇ：０．０１〜０．１％、及びＮｉ：１．０％以下を含み、残部がＦｅと不可避的不純物である合金組成からなると共に、Ｍｇの溶湯添加処理によって、球状化されたＶ炭化物がパーライト母相中に晶出せしめられてなる合金白鋳鉄が、有利に用いられることとなる。この鋳鉄は、上記の如く合金組成の範囲が規定されていることにより、カッターコーンに有効な耐磨耗性を備えると共に、Ｖ（バナジウム）とＣ（炭素）との化合物であるＶ炭化物が球状の形態で晶出せしめられていることにより、耐衝撃性（靭性）が有利に向上せしめられている特徴を有している。なお、このような材質は、特開２００２−２７５５７３号公報に詳細に示されており、また株式会社岡本から、ＳＴＡＲＫ（スターク）（商品名）として、市販もされている。本実施形態においては、このＳＴＡＲＫ材質にて、本体部４６が構成されている。

また、超硬チップ３２は、超硬合金からなる公知のものであって、図３に示されるように、その山形形状を呈する先端部が、本体部４６の二つの傾斜上面２６ａ、２６ａにて形成される外周面に露呈されるようにして、本体部４６に埋設されている。そして、ここでは、かかる超硬チップ３２の側面部５０の周囲（本体部４６との境界部分）に、緩衝筒体部４８が配設されており、超硬チップ３２が、緩衝筒体部４８を介して本体部４６により締め付けられるようにして、保持（把持）されている。

なお、そのような緩衝筒体部４８は、コーン分割体４４ａの本体部４６を構成する鋳物金属よりも硬度が低い金属材質にて構成されており、本実施形態では、主として、鋼材質の一つであるクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）にて構成されている。ここで、「主として」の用語は、緩衝筒体部４８にあっては、緩衝筒体部４８の本体部４６との境界部分の一部乃至は緩衝筒体部４８の全部が、本体部４６を構成する鋳物金属との合金となっているからであり、図２及び図３中に二点鎖線で示されるように、本体部４６と緩衝筒体部４８との境界は曖昧なものとなっている。なお、このような構成は、後に例示するように、コーン分割体４４ａが超硬チップ３２を所定の緩衝筒体（５２）内に収容してなる形態において鋳包んで形成されることにより、発現されることとなる。

ここで、かかる緩衝筒体部４８にあっては、その内周面側において、超硬チップ３２が把持せしめられる一方、本体部４６を構成する鋳物金属よりも硬度の低い金属材質にて構成されていることにより、その外周面側において、本体部４６が超硬チップ３２を締め付けるように把持することによって生じる、本体部４６に作用せしめられる反力（応力）が緩和せしめられている。

また、かくの如き構造を有するローラカッター１０は、有利には、以下の如き方法に従って製造されることとなる。

ここでは、先ず、目的とするローラカッター１０の構成部材であるコーン分割体４４ａが形成される。そのために、コーン分割体４４ａの本体部４６を鋳造するためのＳＴＡＲＫ材質の金属溶湯（５４）と、超硬合金からなる４つの超硬チップ３２、３２、３２、３２と、超硬チップ３２の外周面形状と略同等の内周面形状を有し、且つ超硬チップ３２より充分に大きな長さを有する、円筒形状のクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）からなる４つの緩衝筒体５２、５２、５２、５２とが、それぞれ準備される。更に、別途、コーン分割体４４ａを与える鋳造キャビティ（５６）を備える、鋳型５８が準備される。かかる鋳型５８は、下型６０と、かかる下型６０に対して重ね合わされるように、その上方に対向配置される上型６２とを含んで、砂型にて構成されている。

かかる準備された超硬チップ３２、３２、３２、３２及び緩衝筒体５２、５２、５２、５２は、それぞれ、超硬チップ３２が緩衝筒体５２内に収容されてなる形態において、図４及び図５に示されるように、下型６０の所定位置に形成された４つの下側保持凹所６４、６４、６４、６４内に配置される。更に、下型６０には、下側保持凹所６４、６４、６４、６４と連通するようにして、本体部４６の外形形状の一部（ここでは、本体部４６を軸方向中央にて半分に分割した形態）に対応する内面形状を有する下側キャビティ形成凹所６６が形成されており、各超硬チップ３２は、緩衝筒体５２内に収容された状態で、下側キャビティ形成凹所６６内の所定位置、即ち、形成される本体部４６に対して埋設せしめられるべき位置にて、保持されている。なお、図中、６８は、鋳造操作中の、緩衝筒体５２内における超硬チップ３２の変位を阻止するために、緩衝筒体５２内の空洞部分に充填された砂である。

また、このとき、上型６２は、図５に示されるように、下型６０に対して、その上方に所定距離を隔てて対向配置されている。かかる上型６２は、クレーン等の公知の移動装置により、上下方向に所定距離だけ移動可能とされていると共に、下型６０の下側保持凹所６４、６４、６４、６４及び下側キャビティ形成凹所６６に対応する内形形状を有する、上側保持凹所７０、７０、７０、７０及び上側キャビティ形成凹所７２が、その下面において開口するように、形成されている。

次いで、所定の移動装置により、上型６２が下型６０に接近移動せしめられ、図６に示されるように、上型６２と下型６０とが所定の圧力で型閉じされる。これにより、上型６２の上側キャビティ形成凹所７２と、下型６０の下側キャビティ形成凹所６６とに囲まれた部分にて、目的とするコーン分割体４４ａの本体部４６を形成するための鋳造キャビティ５６が形成される。このとき、超硬チップ３２が収容された緩衝筒体５２は、上型６２の上側保持凹所７０と下型６０の下側保持凹所６４との間で挟まれて、保持されることとなる。

そして、図７に示されるように、鋳造キャビティ５６内に所定の金属溶湯５４が注湯されることにより、超硬チップ３２が緩衝筒体５２内に収容されてなる形態において鋳包まれてなる鋳物が、鋳造されることとなるのである。即ち、超硬チップ３２及び緩衝筒体５２と一体化されるようにして、本体部４６が、所定の形状をもって形成されると共に、緩衝筒体５２の鋳造キャビティ５６内部分において、緩衝筒体部４８が形成されて、超硬チップ３２が、本体部４６の所定位置に埋設された状態で保持されることとなる。

このような超硬チップ３２の保持構造（緩衝筒体部４８の形成態様）について、より詳細には、図８の（ａ）に示されるように、鋳造キャビティ５６内に注湯された金属溶湯５４が緩衝筒体５２の鋳造キャビティ５６内部分に接すると、その熱により、少なくとも超硬チップ３２の側面部５０に被せられた緩衝筒体５２の一部乃至は全部が、溶融して金属溶湯５４と一体（溶接状態）とされるか、又は、溶融はしないが、金属溶湯５４との間で拡散合金化が生じて一体化（接合）されることとなる。なお、図８（ａ）において模式的に示されるように、緩衝筒体５２の鋳造キャビティ５６内部分は、金属溶湯５４の熱により、膨張せしめられる。

そして、金属溶湯５４が鋳造キャビティ５６内で冷却されて、本体部４６の鋳造操作が完了されることとなるが、このとき、図８（ｂ）に示されるように、形成された緩衝筒体部４８及び本体部４６により、超硬チップ３２の側面部５０が締め付けられて、強固に保持されるようになるのである［図８（ｂ）における白抜き矢印参照］。このような保持力（締付け力）は、本体部４６及び緩衝筒体部４８と、超硬チップ３２との間に、熱膨張率の差があるところから、生じるものである。即ち、本体部４６を構成するＳＴＡＲＫ材質及び緩衝筒体部４８を構成するＳＣＭの熱膨張率が、およそ１０〜１３ｐｐｍ／Ｋ程度であるのに対して、超硬チップ３２を構成する超硬合金の熱膨張率が、およそ５ｐｐｍ／Ｋ程度であるところから、冷却に際して、緩衝筒体部４８及び本体部４６が、超硬チップ３２と比較して大きく収縮することにより、そのような締付け力が生じることとなるのである。更に、ここでは、緩衝筒体部４８が、比較的硬度の低い材質からなるため、図８の（ｂ）に模式的に示されるように、本体部４６が収縮することにより生じる締付け力によって、その外周面形状が小さくなるように変形し、以て、本体部４６に作用する応力（反力）が緩和されるようになっている。

その後、上型６２と下型６０とが型開きされて、図９に示されるような、鋳物（中間体７４）が取り出される。かかる中間体７４においては、本体部４６から突出するようにして、緩衝筒体５２の一部が残存している。そのような中間体７４に対して、緩衝筒体５２内に充填されている砂６８が除去されると共に、緩衝筒体５２の本体部４６からの突出部分がグラインダ等により除去されて、超硬チップ３２の先端部が本体部４６の外周面に露呈せしめられる。かくして、図１０に示されるような、超硬チップ３２と緩衝筒体５２が、鋳物金属からなる本体部４６と一体化されてなる構造を有する、目的とするコーン分割体４４ａが得られるのである。

さらに、引き続き、上記の工程が５回繰り返されて、５個のコーン分割体４４ｂ〜４４ｆが形成される。そして、このようにして得られた６個のコーン分割体４４ａ〜４４ｆを組み合わせることにより、図１１に示されるような環状のカッターコーン１８が、構成されるのである。次いで、それらコーン分割体４４ａ〜４４ｆからなるカッターコーン１８が、別途準備された、支持軸部材１２に対して回転自在に取り付けられている回転体本体１６に外嵌装着されると共に、リングスペーサ２０を介して、固定リング２２にて締め付けられることによって、固定せしめられることとなる。かくして、図１に示されるようなローラカッター１０が、得られるのである。

以上の説明から明らかなように、本実施形態では、カッターコーン１８が、一体の円環状鋳物にて構成されるものではなく、個々に鋳造された複数のコーン分割体４４ａ〜４４ｆによって、全体として環状をなすように構成されているところから、かかるコーン分割体４４ａ〜４４ｆのそれぞれが、超硬チップ３２を鋳包んでなる金属鋳物にて構成されているにも関わらず、鋳造時、特に冷却収縮時に生じる内部応力の周方向への伝播が、分割体としたことによって有利に抑制されて、それらコーン分割体４４ａ〜４４ｆを構成する鋳物金属からなる本体部４６の内部における応力集中が、効果的に緩和されることとなるのである。そして、これにより、コーン分割体４４ａ〜４４ｆにおいて割れ等が生じることが有利に阻止されると共に、コーン分割体４４ａ〜４４ｆの内部に残留する応力が緩和されることによって、コーン分割体４４ａ〜４４ｆが破損し難くなり、以て、カッターコーン１８、ひいてはローラカッター１０の耐久性を有利に向上せしめることが可能となったのである。

しかも、そのようなコーン分割体４４ａ〜４４ｆからなるカッターコーン１８にあっては、トンネルを掘削する際に、カッターコーン１８に作用する衝撃が、カッターコーン１８の分割箇所（互いに隣接するコーン分割体４４ａ〜４４ｆの境界部分）で有効に吸収されようになるのであり、また、それによって各コーン分割体４４ａ〜４４ｆが破損し難くなるところからも、カッターコーン１８（ローラカッター１０）の耐久性を有利に改善することが出来ることとなる。

また、それらコーン分割体４４ａ〜４４ｆが、その一部において、超硬チップ３２の脱落や本体部４６の破損等を生じた場合であっても、カッターコーン１８全体を交換する必要がない特徴がある。即ち、破損等が生じたコーン分割体４４のみを修理、交換することが出来るところから、ローラカッター１０の補修コストを有利に低減することが出来るという利点も有しているのである。

さらに、コーン分割体４４ａ〜４４ｆにおいて、緩衝筒体５２が、コーン分割体４４ａ〜４４ｆを構成する鋳物金属よりも硬度が低い金属材質とされて、それら鋳物金属からなる本体部４６と超硬チップ３２と緩衝筒体５２とが一体化されているために、換言すれば、超硬チップ３２が、そのような緩衝筒体５２からなる緩衝筒体部４８を介して、本体部４６に埋設されているところから、超硬チップ３２と本体部４６との熱膨張率の違いにより発生する応力が、緩衝筒体部４８によって、効果的に緩和されることとなる。これにより、コーン分割体４４ａ〜４４ｆにおいて、超硬チップ３２と本体部４６との境界部分を起点として割れ等が生じることが有利に阻止されると共に、かかる境界部分に残留する応力が緩和されることによって、超硬チップ３２の脱落が生じ難くなり、以て掘削効率の低下が有利に抑制乃至は阻止されると共に、カッターコーン１８、ひいてはローラカッター１０の耐久性を有利に向上せしめることも可能となるのである。

そして、本実施形態のローラカッター１０においては、上述のような、カッターコーン１８の分割構造、及び緩衝筒体部４８の存在により、各コーン分割体４４ａ〜４４ｆを構成する本体部４６において、割れ等の発生が有利に抑制乃至は阻止されるようになっているところから、コーン分割体４４ａ〜４４ｆを構成する鋳物金属として、例示のＳＴＡＲＫ材質を始めとする、脆性が比較的高いが、耐磨耗性の良好な材料を用いることが可能となるのであり、これによって、ローラカッター１０の耐久性をより有利に向上せしめることが可能になるという利点がある。

なお、ここでは、緩衝筒体５２の材質や本体部４６を構成する鋳物金属の熱膨張率が、超硬合金からなる超硬チップ３２の熱膨張率よりも高いものとされているところから、冷却時の収縮によって、超硬チップ３２を締め付ける応力が生じ、超硬チップ３２がより強固に保持されることとなり、以て、超硬チップ３２の脱落がより有利に阻止されるようになっている。

また、このような本実施形態に従う手法によりローラカッター１０を製造すれば、それぞれのコーン分割体４４ａ〜４４ｆを与える鋳型として、鋳造キャビティ５６を有する鋳型５８が準備されるところから、そのような鋳型５８の大きさが、カッターコーン１８全体を一度に鋳造するための鋳型に比べて、比較的小さいもので済むこととなる。そのため、鋳型５８の製造に係るコストを低減することが出来、以て、ローラカッター１０の製造コストを有利に低減することが可能となるのである。

さらに、鋳造キャビティ５６内に、コーン分割体４４ａ〜４４ｆを鋳造するための金属溶湯５４を注湯することにより、超硬チップ３２を緩衝筒体５２内に収容してなる形態において鋳包んで、それら超硬チップ３２と緩衝筒体５２が鋳物金属からなる本体部４６と一体化されてなるコーン分割体４４ａ〜４４ｆを、それぞれ形成するようになっているところから、超硬チップ３２を本体部４６に埋設するための工程が不要となるのであり、以て、ローラカッター１０の製造コストを有利に低減することが出来る。加えて、超硬チップ３２が緩衝筒体５２（緩衝筒体部４８）及び本体部４６によって強固に保持されることとなるところから、超硬チップ３２の脱落を抑制乃至は阻止して、ローラカッター１０の耐久性を有利に向上させることが出来ることとなる。

以上、本発明の代表的な実施形態について詳述してきたが、それは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。

例えば、先の実施形態においては、緩衝筒体５２が、超硬チップ３２に対して充分に大きな長さを有するものとされているが、これは、緩衝筒体５２の先端部を下型６０の下側保持凹所６４内に収容して、緩衝筒体５２を鋳造キャビティ５６内の所定位置に保持するための構成であり、何等これに限定されるものではない。即ち、緩衝筒体５２は、少なくとも超硬チップ３２の側面部５０を覆う長さとされていればよいのである。更に、図１２に示されるように、超硬チップ３２の側面部５０のみを覆う長さを有する４つの緩衝筒体５２、５２、５２、５２を連結した形態を有する連結ホルダ７６を用いることも可能である。これにより、４つの緩衝筒体５２、５２、５２、５２を一度に下型６０の下側保持凹所６４、６４、６４、６４内に配置することが可能となる。なお、連結ホルダ７６から径方向内方に向かって延びる棒状の部材は、支持部材７８であり、図１３に示されるようにして、鋳造キャビティ５６内での連結ホルダ７６の姿勢を保持するために設けられているものである。

また、緩衝筒体５２の内周面形状（内径）は、超硬チップ３２の外周面形状（外径）と略同等なものに限られず、それよりも大きな内周面形状とされていてもよい。即ち、超硬チップ３２の外周面（側面部５０）と緩衝筒体５２の内周面との間に、ある程度の隙間があってもよい。その場合、鋳造操作の実施に際して、注湯された金属溶湯５４が緩衝筒体５２と超硬チップ３２との間に入り込んで、図１４に示されるように、コーン分割体４４において、超硬チップ３２と緩衝筒体部４８との間に、薄い鋳物金属層８０が形成されることとなる。このような場合であっても、超硬チップ３２の溶融や、超硬チップ３２と金属溶湯５４との間での合金化は殆ど起こらず、超硬チップ３２の性能は確保される。また、そのような隙間に入り込んだ程度の鋳物金属層８０においては、割れ等を生じさせる程の応力は生じない。

さらに、緩衝筒体５２の材質としては、例示のクロムモリブデン鋼（ＳＣＭ）に何等限定されるものではなく、本体部４６を構成する鋳物金属よりも硬度の低い公知の各種の材質が、適宜に用いられ得る。そのような緩衝筒体５２を構成する材質として、好ましくは、炭素鋼（普通鋼）、合金鋼（特殊鋼）、ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、クロムモリブデン鋼、クロム鋼、マンガン鋼等の鋼材質を挙げることが出来る。

なお、ローラカッター１０においては、その全体的な強度や耐久性を向上させるために、隣接する部材同士、即ち、回転部本体１６とカッターコーン１８、カッターコーン１８とリングスペーサ２０、リングスペーサ２０と固定リング２２の境界部分等を溶接して、接合するようにしてもよい。

その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、そして、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。

１０ ローラカッター １２ 支持軸部材
１４ 回転部 １６ 回転部本体
１８ カッターコーン ２０ リングスペーサ
２２ 固定リング ３２ 超硬チップ
４４ａ〜４４ｆ コーン分割体 ４６ 本体部
４８ 緩衝筒体部 ５２ 緩衝筒体
５４ 金属溶湯 ５６ 鋳造キャビティ
５８ 鋳型

Claims (4)

1. 超硬合金からなる超硬チップが先端部を外周面に露呈するようにして周方向に所定の間隔を隔てて埋設された環状のカッターコーンが外周部に回転可能に配設されて、トンネル掘削機の前端部に取り付けられるローラカッターであって、
   該カッターコーンが、周方向の複数箇所で分割されてなる形態を呈するコーン分割体の複数によって、全体として環状をなすように構成されていると共に、
   該コーン分割体のそれぞれが、前記超硬チップを緩衝筒体内に収容してなる形態において鋳包んでなる金属鋳物にて構成され、且つ該緩衝筒体が、前記コーン分割体を構成する鋳物金属よりも硬度が低い金属材質とされて、それら鋳物金属と超硬チップと緩衝筒体とが一体化されていることを特徴とするローラカッター。
2. 前記コーン分割体を構成する鋳物金属が、質量基準で、Ｃ：２．０〜４．０％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．０６〜１．５％、Ｖ：６．０〜１６．０％、Ｍｇ：０．０１〜０．１％、及びＮｉ：１．０％以下を含み、残部がＦｅと不可避的不純物である合金組成からなると共に、Ｍｇの溶湯添加処理によって、球状化されたＶ炭化物がパーライト母相中に晶出せしめられてなる合金白鋳鉄にて構成されている請求項１に記載のローラカッター。
3. 前記緩衝筒体が、鋼材質にて構成されている請求項１又は請求項２に記載のローラカッター。
4. 超硬合金からなる超硬チップが先端部を外周面に露呈するようにして周方向に所定の間隔を隔てて埋設された環状のカッターコーンが外周部に回転可能に配設されて、トンネル掘削機の前端部に取り付けられるローラカッターの製造方法であって、
   前記カッターコーンが、周方向の複数箇所で分割されてなる形態を呈するコーン分割体の複数によって、全体として環状をなすように構成されるようにして、それぞれのコーン分割体を与える鋳造キャビティを有する鋳型を準備する工程と、
   該コーン分割体を鋳造するための金属溶湯と、前記超硬合金からなる超硬チップと、該超硬チップの外周面形状と同等乃至はそれより大きな内周面形状を有する筒状形状を呈し、且つ該コーン分割体を与える材質よりも硬度が低い金属材質からなる緩衝筒体とを、それぞれ準備する工程と、
   かかる準備された超硬チップ及び緩衝筒体を、該超硬チップが該緩衝筒体内に収容されてなる形態において、前記鋳型の鋳造キャビティ内の所定位置に配置する工程と、
   該鋳造キャビティ内に、前記金属溶湯を注湯することにより、前記超硬チップを前記緩衝筒体内に収容してなる形態において鋳包んでなる鋳物を鋳造して、それら超硬チップと緩衝筒体とが鋳物金属と一体化されてなる前記コーン分割体の複数をそれぞれ形成する工程と、
   かくして得られたコーン分割体の複数を環状に組み合わせて、前記カッターコーンを構成する工程と、
   を含むことを特徴とするローラカッターの製造方法。
   

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