JP2020041272A

JP2020041272A - 掘削ビット

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Publication number: JP2020041272A
Application number: JP2018167285A
Authority: JP
Inventors: エコワルドヨアフマディ; Eko Wardoyo Ahmadi; 博士太田; Hiroshi Ota; 悠一郎竹内; Yuichiro Takeuchi
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2018-09-06
Filing date: 2018-09-06
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2038-09-06
Also published as: JP7026597B2

Abstract

【課題】超硬岩を掘削する場合でもゲージチップの剪断を防止する。【解決手段】ビット本体１の先端部外周にゲージチップ２が配設される円錐台面状のゲージ面４が形成され、ゲージ面４の内周にはフェイスチップ３が配設される先端側を向く円形のフェイス面５が形成され、ゲージチップ２は、円柱状の後端部と先端側に向かうに従い漸次縮径してゲージ面４から突出する先端部とを有するゲージチップ母材２Ａを備えるとともに、ゲージチップ母材２Ａの先端部表面にはゲージチップ母材２Ａよりも高硬度のゲージチップ硬質層２Ｂを備え、ゲージチップ中心線Ｃ２が先端側に向かうに従い外周側に向かうように配設され、ゲージチップ２の後端部の半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ２（ｍｍ２）と、ビット本体１のゲージ面４の直径Ｄ（ｉｎｃｈ）との比Ｒ２／Ｄ（ｍｍ２／ｉｎｃｈ）が１８〜２５の範囲内である。【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、このゲージ面の内周にはフェイス面が形成され、これらゲージ面およびフェイス面に、母材の先端面に母材よりも高硬度の硬質層が設けられたゲージチップおよびフェイスチップがそれぞれ配設されて、鉱山用掘削や建設用掘削、地熱掘削、Ｏ＆Ｇ掘削等に用いられる掘削ビットに関するものである。

このような掘削ビットとしては、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、このゲージ面の内周にはビット本体の先端側を向くフェイス面が形成され、これらゲージ面およびフェイス面に、超硬合金よりなるゲージチップおよびフェイスチップが、それぞれ先端部を突出させて後端部がビット本体に埋め込まれることにより配設され、ビット本体をその軸線回りに回転させつつ軸線方向先端側に打撃力を与えて掘削を行うものが知られている。

例えば、特許文献１には、ゲージ面の直径が１６５ｍｍのビット本体に直径１４ｍｍのボタンチップを配設することが記載されている。また、特許文献２には、直径４８ｍｍの掘削孔を形成するビット本体に直径１０ｍｍのゲージチップを配設することが記載されている。さらに、特許文献３には、ゲージ面の直径が４５ｍｍのビット本体に直径１０ｍｍのゲージチップを配設することが記載されている。

ところが、このような超硬合金よりなるゲージチップやフェイスチップを有する掘削ビットにより、１５０ＭＰａ以上のＵＣＳ（一軸圧縮強度）を有する超硬岩を掘削しようとすると、超硬合金の硬度はＨｖ１４００〜Ｈｖ１５００程度であるので、早期にゲージチップやフェイスチップが摩耗してしまって掘削が不可能となる。

そこで、例えば特許文献４、５には、このような超硬合金よりなる母材を備えたゲージチップやフェイスチップのゲージ面やフェイス面から突出する先端部の表面に、この超硬合金よりなる母材よりも高硬度の多結晶ダイヤモンド焼結体よりなる硬質層を備えたものが記載されている。

米国特許第４７４３５１５号明細書米国特許出願公開第２０１３／０１８０７８５号明細書米国特許出願公開第２０１２／０３２５５５８号明細書米国特許出願公開第２００１／００４７８９０号明細書米国特許出願公開第２０１０／００２５１１４号明細書

ところで、特許文献１〜３に記載されたような超硬合金よりなるゲージチップやフェイスチップが配設された掘削ビットでは、これらゲージチップやフェイスチップ自体が徐々に摩耗することにより、掘削の際に岩盤から掘削ビットが受ける反射応力が消費されるため、ビット本体が受ける反射応力は低く、ゲージチップやフェイスチップに摩耗以外の損傷が生じることは少ない。

しかしながら、特許文献４、５に記載されたような超硬合金よりなる母材の先端部の表面に、超硬合金よりも高硬度の硬質層が設けられたゲージチップやフェイスチップが配設された掘削ビットでは、この硬質層によってゲージチップやフェイスチップがほとんど摩耗しないので、超硬岩を掘削する際には打撃力の反力としてゲージチップやフェイスチップが受ける反射応力が硬質層を通して大きく母材に伝播して集中してしまう。

このため、ゲージチップやフェイスチップの母材の疲労が大きくなって、ビット本体に埋め込まれた母材の後端部が剪断されてしまい、硬質層が設けられた先端部が脱落して掘削が不可能となるおそれがある。そして、特にこのような反射応力の集中による母材の後端部の剪断は、円柱状の母材の後端部の中心線であるゲージチップ中心線が、ビット本体の先端側に向かうに従い外周側に向かうように配設されたゲージチップにおいて、掘削ビットが岩盤を打撃する際の反力がゲージチップ中心線に対して斜めに作用するため、発生し易い。

本発明は、このような背景の下になされたもので、上述のようにゲージチップの母材の先端部の表面に、このゲージチップの母材よりも高硬度のゲージチップ硬質層が備えられた掘削ビットにおいて、超硬岩を掘削する場合でも、特にこのゲージチップへの反射応力の集中による母材の剪断を防止する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、軸線回りに回転されるとともに上記軸線方向先端側に打撃力を受けるビット本体の先端部外周に、上記ビット本体の外周側に向かうに従い後端側に向けて傾斜する円錐台面状のゲージ面が形成されるとともに、このゲージ面の内周には上記軸線方向先端側を向く円形のフェイス面が形成され、これらゲージ面とフェイス面には、それぞれゲージチップとフェイスチップが配設されており、上記ゲージチップは、上記ビット本体に埋め込まれる円柱状の後端部と、この後端部から先端側に向かうに従い漸次縮径して上記ゲージ面から突出する先端部とを有するゲージチップ母材を備えるとともに、このゲージチップ母材の上記先端部の表面には該ゲージチップ母材よりも高硬度のゲージチップ硬質層を備え、上記円柱状の後端部の中心線であるゲージチップ中心線が上記ビット本体の先端側に向かうに従い外周側に向かうように配設されていて、上記ゲージチップの後端部の半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２（ｍｍ^２）と、上記ビット本体の上記ゲージ面の直径Ｄ（ｉｎｃｈ）との比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）が１８〜２５の範囲内であることを特徴とする。

このように構成された掘削ビットにおいて、上記比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）の分子であるゲージチップの後端部の半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２（ｍｍ^２）は、ゲージチップの後端部のゲージチップ中心線に垂直な断面積の大きさの指標となり、分母であるビット本体のゲージ面の直径（外径）Ｄ（ｉｎｃｈ）はビット本体の先端面の大きさの指標となる。すなわち、比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は、ビット本体の先端面において１つのゲージチップの後端部の面積がどのくらいの割合を占めているかの指標となる。

ここで、特許文献１〜３に記載された掘削ビットにおける比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は１４以下である。これに対して、本発明の掘削ビットでは、比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）が１８〜２５の範囲内であって大きく、従って個々のゲージチップの後端部は、より大きな断面積でビット本体に埋め込まれて配設される。

このため、このゲージチップが、ゲージ面から突出するゲージチップ母材の先端部の表面に、このゲージチップ母材よりも高硬度のゲージチップ硬質層を備えたものであり、しかもゲージチップ中心線がビット本体の先端側に向かうに従い外周側に向かうように配設されたものであっても、掘削の際に作用する反射応力を分散させることが可能となって、ゲージチップ母材の後端部の剪断を防止することができる。

ここで、上記比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）が１８を下回るほど小さいと、このように反射応力を分散させてゲージチップ母材の後端部の剪断を防止することができなくなるおそれがある。一方、この比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）が２５を上回るほど大きいと、ゲージチップ母材の後端部の断面積が大きくなりすぎてビット本体のゲージ面に配設可能なゲージチップの数が少なくなり、必要な掘削効率を確保することができなくなるおそれがある。

また、上記ゲージチップ硬質層の硬度は、上記ゲージチップ母材の硬度の２倍以上であることが望ましく、さらにＨｖ２８００以上であることが望ましい。ゲージチップ硬質層の硬度がゲージチップ母材の硬度の２倍よりも低かったり、Ｈｖ２８００未満であったりすると、超硬岩を掘削する際にゲージチップ硬質層がゲージチップ母材とともに徐々に摩耗することになり、反射応力の集中による剪断は生じることがなくなるが、摩耗によってゲージチップの寿命が早期に潰えてしまうおそれがある。

さらに、上記ゲージチップ母材の硬度はＨｖ１４００〜Ｈｖ１５００の範囲内であることが望ましい。このゲージチップ母材の硬度がＨｖ１４００を下回るほど低いと、ゲージチップの先端部の表面にゲージチップ硬質層を設けても、このゲージチップ硬質層を確実に支持することができずに、超硬岩の掘削の際にゲージチップ硬質層ごとゲージチップの先端部が潰れてしまうおそれがある。一方、ゲージチップ母材の硬度がＨｖ１５００を上回るほど高いと、超硬岩の掘削の際に反射応力を十分に分散させることができなくなるおそれがある。

なお、このようなゲージチップ母材の硬度、および上述したようなゲージチップ硬質層の硬度と、ゲージチップ母材とゲージチップ硬質層との関係を満たす材質としては、ゲージチップ母材は超硬合金であることが望ましく、またゲージチップ硬質層は多結晶ダイヤモンド焼結体（ＰＤＣ）または多結晶ｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）焼結体（ＰｃＢＮ）であるのが望ましい。

さらにまた、上記ゲージチップ母材の後端部の半径Ｒ（ｍｍ）は、６〜１０（ｍｍ）の範囲内であることが望ましい。このゲージチップ母材の後端部の半径Ｒ（ｍｍ）が６（ｍｍ）を下回ると、超硬岩等の岩盤を打撃する先端部の大きさも小さくなり、掘削効率が損なわれるおそれがある。一方、ゲージチップ母材の後端部の半径Ｒ（ｍｍ）が１０（ｍｍ）を上回ると、ゲージ面の直径Ｄ（ｉｎｃｈ）が大きなビット本体にしかゲージチップを配設することができなり、一定の大きさのビット本体では配設可能なゲージチップの数が制限されて、やはり掘削効率が損なわれるおそれがある。

以上説明したように、本発明によれば、超硬岩を掘削する場合にゲージチップに作用する反射応力を分散させることができ、反射応力の集中による母材の剪断を防いで、長期に亙って安定した掘削を行うことが可能となる。

本発明の第１の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におけるＺＯＺ断面図である。本発明の第２の実施形態を示す側面図である。図４に示す実施形態の正面図である。図４に示す実施形態の背面図である。図５におけるＹＯＹ断面図である。図５におけるＺＯＺ断面図である。本発明の第３の実施形態を示す側面図である。図９に示す実施形態の正面図である。図９に示す実施形態の背面図である。図１０におけるＺＯＺ断面図である。

図１〜図３は本発明の第１の実施形態を示すものであり、図４〜図８は本発明の第２の実施形態を示すものであり、図９〜図１２は本発明の第３の実施形態を示すものであり、互いに共通する部分には同一の符号を配してある。これら第１〜第３の実施形態におけるビット本体１は、鋼材等の金属材料によって軸線Ｏを中心とする有底円筒状に形成されている。

ここで、これら第１〜第３の実施形態では、ビット本体１の有底部側が先端側（図１、図３、図４、図７、図８、図９、図１２において右側）とされるとともに、円筒部側が後端側（図１、図３、図４、図７、図８、図９、図１２において左側）とされ、有底部が先端部とされるとともに円筒部は後端部とされる。また、軸線Ｏに対する径方向において軸線Ｏから離れる方向を外周側とし、軸線Ｏに近づく方向を内周側とする。

これら第１〜第３の実施形態におけるビット本体１の後端部の内周部には、軸線Ｏ回り捩れる雌ネジ部１Ａが形成されている。このような掘削ビットは、この雌ネジ部１Ａに図示されない掘削ロッドの先端部の雄ネジ部がねじ込まれることにより、この掘削ロッドを介して軸線Ｏ回りに一定の方向に回転されつつ軸線Ｏ方向先端側に打撃力を受け、ビット本体１の先端部に配設されるゲージチップ２とフェイスチップ３によって、例えば１５０ＭＰａ以上のＵＣＳを有する超硬岩等の岩盤を破砕して掘削を行う。

また、第１〜第３の実施形態において、ビット本体１の先端部の外径は後端部の外径より大きくされている。この先端部の外周面は、軸線Ｏに沿った断面において後端部から先端側に向かうに従い、凹曲線を描きつつ外周側に延びた後、この凹曲線に鈍角に交差する直線を描いて外周側に延びている。

さらに、ビット本体１の先端面には、外周部に外周側に向かうに従い後端側に向けて傾斜する円錐台面状のゲージ面４が形成されるとともに、このゲージ面４の内周には軸線Ｏ方向先端側を向く円形のフェイス面５が形成されている。フェイス面５は、軸線Ｏに垂直な平面状に形成されている。また、軸線Ｏに沿った断面においてゲージ面４がフェイス面５に対してなす傾斜角であるゲージ角θ（°）は、本実施形態では２５（°）とされている。そして、ゲージチップ２はゲージ面４に埋め込まれて配設されるとともに、フェイスチップ３はフェイス面５に埋め込まれて配設される。

これら第１〜第３の実施形態のうち、第１の実施形態では、ゲージ面４の直径（外径）Ｄが１．７５（ｉｎｃｈ）、すなわち約４５（ｍｍ）とされている。また、この第１の実施形態では、ビット本体１の後端部の外周面は、先端部から後端側に向かうに従い、一定の外径で延びた後に僅かに縮径するテーパ状に形成され、さらに再び一定の外径で延びてビット本体１の後端面に達している。

さらに、この第１の実施形態では、ビット本体１の先端部外周に、周方向の幅が広い２つの第１の繰り粉溝６Ａが軸線Ｏを間にして周方向に互いに反対側に、軸線Ｏ方向に延びるように形成されている。また、これら２つの第１の繰り粉溝６Ａの間には、第１の繰り粉溝６Ａよりも周方向の幅と溝深さが小さな２つの第２の繰り粉溝６Ｂが、軸線Ｏ方向に延びるように形成されている。

これら２つずつの第１、第２の繰り粉溝６Ａ、６Ｂは、本実施形態では軸線Ｏ方向先端側から見て図２に示すように、第１、第２の繰り粉溝６Ａ、６Ｂそれぞれの幅方向の中心を結ぶ直線同士が軸線Ｏにおいて直交するように配置されている。また、第１、第２の繰り粉溝６Ａ、６Ｂは、先端側ではビット本体１の先端部の上記ゲージ面４に開口するとともに、後端側では先端部の後端側の軸線Ｏに沿った断面が凹曲線を描く部分に開口する貫通溝とされている。

このうち、第１の繰り粉溝６Ａは、軸線Ｏ方向先端側からみて図２に示すように、周方向の両端部から中央部に向かうに従いビット本体１の内周側に凹曲面状に僅かに凹んだ後に、凸曲面状をなして外周側に膨らむように形成され、ただし周方向の中央部の最も膨らんだ部分でもゲージ面４の直径よりは内周側に位置するように形成されている。また、この第１の繰り粉溝６Ａは、軸線Ｏに沿った断面においては図３に示すように、ビット本体１の後端側に向かうに従い外周側に向かうように傾斜している。

一方、第２の繰り粉溝６Ｂは、軸線Ｏ方向先端側からみて図２に示すように、凹円弧等の凹曲線状の底面を有し、ゲージ面４における開口部の軸線Ｏからの距離は、第１の繰り粉溝６Ａのゲージ面４における開口部の軸線Ｏからの距離よりも大きい。また、この第２の繰り粉溝６Ｂの溝底は、図３に示すように軸線Ｏに沿った断面において、軸線Ｏに略平行に延びるように形成され、ビット本体１の先端部の外周面からの溝深さは、後端側に向かうに従い小さくなる。

さらにまた、ビット本体１には、後端部の内周部の後端側を向く底面から軸線Ｏに沿って先端側に向けてブロー孔７が形成されている。このブロー孔７は、図３に示すようにビット本体１の先端部で小径の２つの第１の分岐孔７Ａに分岐して先端側に向かうに従い外周側に延び、図２に示すように軸線Ｏ方向先端側から見て、フェイス面５の外周側で第２の繰り粉溝６Ｂそれぞれの幅方向の中心を結ぶ直線上に周方向に等間隔に開口している。さらに、ブロー孔７は、この第１の分岐孔７Ａとビット本体１の内周部の上記底面との間でも図３に示すように小径の２つの第２の分岐孔７Ｂに分岐して先端側に向かうに従い外周側に延び、第２の繰り粉溝６Ｂの溝底に開口している。

本実施形態では、上記ゲージチップ２およびフェイスチップ３はボタンチップとされている。すなわち、これらのゲージチップ２およびフェイスチップ３は、その後端部が、それぞれゲージチップ中心線Ｃ２およびフェイスチップ中心線Ｃ３を中心とした円柱状に形成されるとともに、先端部は、後端部がなす円柱の半径と等しい半径を有して後端部から先端側に向かうに従い漸次縮径する凸半球状に形成されている。

ゲージチップ２は、ゲージ面４において周方向に隣接する第１、第２の繰り粉溝６Ａ、６Ｂの間に形成された断面円形の孔部に後端部が圧入、焼き嵌め、冷やし嵌め等によって上述のようにビット本体１に埋め込まれ、先端部をゲージ面４から突出させている。従って、本実施形態では４つのゲージチップ２が配設され、これらのゲージチップ２同士は互いに同形同大である。

また、これらのゲージチップ２のゲージチップ中心線Ｃ２は、ビット本体１の先端側に向かうに従い外周側に向かうように配設されており、本実施形態では、軸線Ｏに沿った断面において図３に示すようにゲージ面４に垂直とされている。これら４つのゲージチップ２がビット本体１の軸線Ｏ回りになす回転軌跡は一致している。

さらに、本実施形態では、フェイスチップ３は、図２に示すように軸線Ｏ方向先端側から見て、フェイス面５において２つの第２の繰り粉溝６Ｂの幅方向の中心を結ぶ直線上に形成された断面円形の孔部に後端部が圧入、焼き嵌め、冷やし嵌め等によってビット本体１に埋め込まれて固定され、先端部をフェイス面５から突出させている。従って、本実施形態では２つのフェイスチップ３が周方向に等間隔に配設され、これらのフェイスチップ３同士は互いに同形同大である。

また、これらのフェイスチップ３のフェイスチップ中心線Ｃ３は、ビット本体１の軸線Ｏ方向に延びるように配設されており、本実施形態では軸線Ｏに平行とされて、フェイス面５には垂直とされている。２つのフェイスチップ３同士がビット本体１の軸線Ｏ回りになす回転軌跡も一致している。なお、ゲージチップ２は、図２に示すように軸線Ｏ方向先端側から見て、ビット本体１の外周側の縁部がゲージ面４の外周縁から僅かにはみ出るように配設されている。

さらに、これらゲージチップ２およびフェイスチップ３は、上記先端部と後端部とが一体に形成されたゲージチップ母材２Ａおよびフェイスチップ母材３Ａと、このゲージチップ母材２Ａおよびフェイスチップ母材３Ａの先端部の表面に設けられたゲージチップ母材２Ａおよびフェイスチップ母材３Ａよりも高硬度のゲージチップ硬質層２Ｂおよびフェイスチップ硬質層３Ｂとを備えている。ゲージチップ２およびフェイスチップ３の先端部がなす凸半球の半径は、このゲージチップ硬質層２Ｂおよびフェイスチップ硬質層３Ｂの表面の半径である。

ここで、ゲージチップ母材２Ａおよびフェイスチップ母材３Ａは、硬度がＨｖ１４００〜Ｈｖ１５００の範囲内の金属材料であり、本実施形態ではＷＣ基の超硬合金である。これに対して、ゲージチップ硬質層２Ｂおよびフェイスチップ硬質層３Ｂは、ゲージチップ母材２Ａおよびフェイスチップ母材３Ａの２倍以上の硬度であって、Ｈｖ２８００以上であり、本実施形態では多結晶ダイヤモンド焼結体（ＰＤＣ）または多結晶ｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）焼結体（ＰｃＢＮ）である。

そして、これらゲージチップ２およびフェイスチップ３のうち、ゲージチップ２は、その後端部の半径（ゲージチップ母材２Ａの後端部の半径）Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２（ｍｍ^２）と、ビット本体１のゲージ面４の直径Ｄ（ｉｎｃｈ）との比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）が１８〜２５の範囲内となるように設定されている。具体的に、本実施形態では上述のようにゲージ面４の直径Ｄが１．７５（ｉｎｃｈ）とされているのに対し、ゲージチップ２の後端部の直径は１３（ｍｍ）とされ、従って半径Ｒ（ｍｍ）は６．５（ｍｍ）とされて半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２は４２．２５（ｍｍ^２）とされ、この半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２（ｍｍ^２）とゲージ面４の直径Ｄ（ｉｎｃｈ）との比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は２４．１（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）とされている。

なお、この第１の実施形態では、フェイスチップ３の後端部の半径および先端部がなす凸半球の半径は、ゲージチップ２の後端部の半径Ｒ（ｍｍ）および先端部がなす凸半球がなす半径Ｒ（ｍｍ）よりも小さい。

次に、図４〜図８に示す第２の実施形態では、ゲージ面４の直径Ｄは３．５（ｉｎｃｈ）で約８９（ｍｍ）とされているのに対し、ゲージチップ２の後端部の直径は１６（ｍｍ）とされて半径Ｒ（ｍｍ）は８（ｍｍ）とされ、従って半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２は６４．０（ｍｍ^２）とされて、この半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２（ｍｍ^２）とゲージ面４の直径Ｄ（ｉｎｃｈ）との比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は１８．２９（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）とされている。また、軸線Ｏに沿った断面においてゲージ面４がフェイス面５に対してなす傾斜角であるゲージ角θ（°）は、本実施形態では３０（°）とされている。

なお、この第２の実施形態では、ビット本体１の後端部の後端側部分の外径が、後端部の先端側部分よりも一段大きくされている。ただし、この後端部の後端側部分の外径は、先端部の外径であるゲージ面４の直径Ｄ（ｉｎｃｈ）よりは小さい。また、この後端部の後端側部分の外周には、ビット本体１の軸線Ｏ方向後端側から見て図６に示すように、凹円弧等の凹曲線の底面を有する第３の繰り粉溝６Ｃが複数（本実施形態では８つ）周方向に等間隔に形成されている。

一方、ビット本体１の先端部の外周には、周方向の幅が広い２つの第１の繰り粉溝６Ａが軸線Ｏを間にして周方向に互いに反対側に、軸線Ｏ方向に延びるように形成されているとともに、これら２つの第１の繰り粉溝６Ａの間には、第１の繰り粉溝６Ａよりも周方向の幅と溝深さが小さな３つずつの第２の繰り粉溝６Ｂが、第１の繰り粉溝６Ａと併せて周方向に等間隔に、軸線Ｏ方向に延びるように形成されている。合計８つのこれら第１、第２の繰り粉溝６Ａ、６Ｂの周方向の位置は、図４に示すように第３の繰り粉溝６Ｃの周方向の位置と一致させられている。

なお、この第２の実施形態における第２の繰り粉溝６Ｂは、軸線Ｏ方向先端側から見て図５に示すようにＶ字状であり、軸線Ｏに沿った断面においては図７に示すように、第１の繰り粉溝６Ａと同様にビット本体１の後端側に向かうに従い外周側に向かうように傾斜している。そして、ゲージチップ２は、ゲージ面４において、これら第１、第２の繰り粉溝６Ａ、６Ｂの間に周方向に等間隔に配設されており、従って本実施形態では合計８つのゲージチップ２が配設される。

また、ビット本体１の後端部の内周部の後端側を向く底面からは、図５および図８に示すように４つのブロー孔７がビット本体１の先端側に向かうに従い外周側に向かうように延びて、フェイス面５に周方向に等間隔に開口している。そして、これらのブロー孔７のフェイス面５における開口部の間にはフェイスチップ３がそれぞれ配設されており、従って本実施形態では４つのフェイスチップ３が周方向には等間隔に配設される。

これら４つのフェイスチップ３のうち、２つのフェイスチップ（図５において上下に配設されたフェイスチップ）３は、軸線Ｏ方向先端側から見て図５に示すように、２つの第１の繰り粉溝６Ａの内周側でフェイス面５の外周縁寄りに配設されている。また、残りの２つのフェイスチップ３のうち１つ（図５において左側に配設されたフェイスチップ３）は、２つの第１の繰り粉溝６Ａの間に形成される３つずつの２群の第２の繰り粉溝６Ｂのうち、一方の群の３つの第２の繰り粉溝６Ｂの周方向において中央の第２の繰り粉溝６Ｂの内周側で、上記２つのフェイスチップ３よりも内周側に配設されている。

さらに、残りの２つのフェイスチップ３のうち他の１つ（図５において右側に配設されたフェイスチップ３）は、他方の群の３つの第２の繰り粉溝６Ｂの周方向において中央の第２の繰り粉溝６Ｂの内周側で、上記残りの２つのフェイスチップ３のうち１つよりもさらに内周側に配設されていて、これら４つのフェイスチップ３の軸線Ｏ回りの回転軌跡が重なり合うようにされている。なお、この第２の実施形態と、次述する第３の実施形態では、フェイスチップ３はゲージチップ２と同形同大である。

さらにまた、図９〜図１２に示す第３の実施形態では、ゲージ面４の直径Ｄは４（ｉｎｃｈ）で約１０２（ｍｍ）とされているのに対し、ゲージチップ２の後端部の直径は１８（ｍｍ）とされて半径Ｒ（ｍｍ）は９（ｍｍ）とされ、従って半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２は８１（ｍｍ^２）とされて、この半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２（ｍｍ^２）とゲージ面４の直径Ｄ（ｉｎｃｈ）との比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は２０．２５（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）とされている。

なお、この第３の実施形態においても、第２の実施形態と同様にビット本体１の後端部の後端側部分の外径は、ゲージ面４の直径Ｄ（ｉｎｃｈ）よりは小さい範囲で、ビット本体１の後端部の先端側部分よりも一段大きくされ、その外周部には８つの第３の繰り粉溝６Ｃが周方向に等間隔に形成されている。また、軸線Ｏに沿った断面においてゲージ面４がフェイス面５に対してなす傾斜角であるゲージ角θ（°）は、本実施形態では３５（°）とされている。

一方、この第３の実施形態では、ビット本体１の先端部外周には、軸線Ｏ方向先端側から見て図１０に示すようにＶ字状をなす幅と溝深さが同じ４つの第２の繰り粉溝６Ｂが周方向に等間隔に形成されており、これらの第２の繰り粉溝６Ｂの周方向の位置は、周方向に１つおきの第３の繰り粉溝６Ｃの位置と一致させられている。そして、第３の実施形態においてゲージチップ２は、周方向に隣接する第２の繰り粉溝６Ｂ同士の間に２つずつ配設されている。

また、この第３の実施形態では、ビット本体１の後端部の内周部の後端側を向く底面から３つのブロー孔７がビット本体１の先端側に向かうに従い外周側に向かうように延びてフェイス面５に開口している。これら３つのブロー孔７のうち２つのブロー孔（図１０において上下に開口するブロー孔）７は、ビット本体１の周方向において軸線Ｏを挟んで互いに反対側に位置する上記２つずつのゲージチップ２の間に開口するとともに、残りの１つのブロー孔（図１０において左側に開口するブロー孔）７は、ビット本体１の周方向において上記２つのブロー孔７の中央で、これら２つのブロー孔７よりも内周側に開口している。

さらに、この第３の実施形態においては、フェイス面５に５つのフェイスチップ３が配設されている。このうち、４つのフェイスチップ３は、軸線Ｏ方向先端側から見て図１０に示すように、ビット本体１の周方向において上記４つの第２の繰り粉溝６Ｂの内周側でフェイス面５の外周縁寄りに等間隔に配設されている。一方、残りの１つにフェイスチップ３は、フェイス面５において上記残りの１つのブロー孔７の開口部とは軸線Ｏを挟んで反対側で上記４つのフェイスチップ３よりも内周側に、これら４つのフェイスチップ３と軸線Ｏ回りの回転軌跡が重なり合うように配設されている。

このような第１〜第３の実施形態の掘削ビットは、上述のようにビット本体の後端部内周の雌ネジ部１Ａに掘削ロッドの雄ネジ部がねじ込まれ、この掘削ロッドを介して軸線Ｏ回りに回転されつつ軸線Ｏ方向先端側に打撃力が与えられて、ゲージチップ２とフェイスチップ３により超硬岩等の岩盤を破砕して掘削を行う。この掘削の際には、上記掘削ロッドを介してブロー孔７から圧縮空気等の流体が噴出され、掘削によって生成された繰り粉を繰り粉溝６Ａ〜６Ｃからビット本体１の後端側に排出する。

そして、上記構成の掘削ビットにおいては、ゲージチップ２の後端部の半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２（ｍｍ^２）と、ビット本体１のゲージ面４の直径Ｄ（ｉｎｃｈ）との比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）が１８〜２５の範囲内とされていて、特許文献１〜３に記載された従来の掘削ビットに対して大きく設定されている。この比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は、上述のようにビット本体１の先端面において１つのゲージチップ２の後端部の面積がどのくらいの割合を占めているかの指標となるものであり、上記構成の掘削ビットでは、個々のゲージチップ２の後端部が、より大きな断面積でビット本体１に埋め込まれて配設されていることになる。

従って、上記ゲージチップ２のビット本体１のゲージ面４から突出するゲージチップ母材２Ａの先端部の表面に、このゲージチップ母材２Ａよりも高硬度のゲージチップ硬質層２Ｂが備えられたものであっても、掘削の際の打撃力の反力としてゲージチップ２に作用する反射応力を、断面積の大きなゲージチップ母材２Ａの後端部で拡散させることができる。

このため、ゲージチップ中心線Ｃ２がビット本体の先端側に向かうに従い外周側に向かうように傾斜していて、このゲージチップ中心線Ｃ２に対して斜めに上記反力が作用するゲージチップ２であっても、反射応力の集中によってゲージチップ母材２Ａの後端部の剪断を防止することができ、掘削を行うゲージチップ２の先端部が脱落するのを防ぐことができる。

ここで、上記比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）が１８を下回るほど小さいと、上述のように反射応力を分散させることによってゲージチップ母材２Ａの後端部の剪断を確実に防止することができなくなるおそれがある。また、この比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）が２５を上回るほど大きいと、ゲージチップ母材２Ａの後端部の断面積が大きくなりすぎてしまい、この後端部を埋め込むことによってビット本体１のゲージ面４に配設されるゲージチップ２の数が少なくなって掘削速度が低下し、必要な掘削効率を確保することができなくなるおそれがある。

また、上記第１〜第３の実施形態では、ゲージチップ２の先端部表面のゲージチップ硬質層２Ｂが多結晶ダイヤモンド焼結体（ＰＤＣ）または多結晶ｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）焼結体（ＰｃＢＮ）であって、その硬度がＨｖ２８００以上とされ、超硬合金よりなるゲージチップ母材２Ａの硬度の２倍以上とされている。このため、１５０ＭＰａ以上のＵＣＳを有する超硬岩等の岩盤の掘削においても、ゲージチップ２の寿命を維持して長期に亙って安定した掘削を行うことが可能となる。

すなわち、このゲージチップ硬質層２Ｂの硬度がゲージチップ母材２Ａの硬度の２倍よりも低かったり、Ｈｖ２８００未満であったりすると、上述のような超硬岩を掘削する際にゲージチップ硬質層２Ｂがゲージチップ母材２Ａとともに徐々に摩耗することになり、反射応力の集中による剪断は生じることがなくなるが、摩耗によってゲージチップ２およびビット本体１が早期に寿命を迎えてしまうおそれがある。

さらに、上記第１〜第３の実施形態では、ゲージチップ２のゲージチップ母材２Ａの硬度がＨｖ１４００〜Ｈｖ１５００の範囲内とされており、これによって超硬岩の掘削の際に、確実に反射応力を分散させてゲージチップ２の後端部の剪断を防ぎつつ、ゲージチップ２の先端部が潰れてしまうような事態が生じるのを防ぐことができる。

すなわち、このゲージチップ母材２Ａの硬度がＨｖ１４００を下回るほど低いと、先端部の表面に高硬度のゲージチップ硬質層２Ｂを設けても、超硬岩の掘削の際にゲージチップ硬質層２Ｂを支持することができなくなってゲージチップ硬質層２Ｂごとゲージチップ２の先端部が潰れてしまうおそれがある。その一方で、ゲージチップ母材２Ａの硬度がＨｖ１５００を上回るほど高いと、反射応力を十分に分散させることができなくなるおそれがある。

さらにまた、上記第１〜第３の実施形態では、ゲージチップ２の後端部（ゲージチップ母材２Ａの後端部）の半径Ｒ（ｍｍ）が、６〜１０（ｍｍ）の範囲内でとされており、確実に掘削効率を維持することが可能となる。すなわち、このゲージチップ母材２Ａの後端部の半径Ｒ（ｍｍ）が６（ｍｍ）を下回ると、超硬岩等の岩盤を打撃するゲージチップ２の先端部の大きさも小さくなり、掘削効率が損なわれるおそれがある。

また、ゲージチップ母材２Ａの後端部の半径Ｒ（ｍｍ）が１０（ｍｍ）を上回ると、ゲージ面４の直径Ｄ（ｉｎｃｈ）が大きなビット本体１にしかゲージチップ２を配設することができなくなって、一定の大きさのビット本体１に配設可能なゲージチップ２の数が制限され、やはり掘削効率の低下を招くおそれがある。

なお、図示は略するが、ビット本体１のゲージ面４の直径Ｄが２．５（ｉｎｃｈ）で約６４（ｍｍ）とされている掘削ビットでは、ゲージチップ２の後端部の直径は１４（ｍｍ）とされて半径Ｒ（ｍｍ）は７（ｍｍ）とされ、従って半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２は４９（ｍｍ^２）とされて、この半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２（ｍｍ^２）とゲージ面４の直径Ｄ（ｉｎｃｈ）との比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は１９．６（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）とされていてもよい。

また、同じく図示は略するが、ビット本体１のゲージ面４の直径Ｄが３．０（ｉｎｃｈ）で約７６（ｍｍ）とされている掘削ビットでは、ゲージチップ２の後端部の直径は１６（ｍｍ）とされて半径Ｒ（ｍｍ）は８（ｍｍ）とされ、従って半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２は６４（ｍｍ^２）とされて、この半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２（ｍｍ^２）とゲージ面４の直径Ｄ（ｉｎｃｈ）との比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は２１．３（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）とされていてもよい。

また、上記第１〜第３の実施形態では、ゲージチップ２およびフェイスチップ３が、先端部が凸半球状に形成されたボタンチップとされているが、先端部が先端側に向かうに漸次従い縮径する砲弾形状に形成されたゲージチップやフェイスチップが配設された掘削ビットに本発明を適用することも可能である。同様に、先端部が先端側に向かうに従い漸次縮径する円錐状に形成され、ただしその突端は凸球面状に丸められたゲージチップやフェイスチップが配設された掘削ビットに本発明を適用することも可能である。

以下、本発明の実施例を挙げて、本発明の効果について説明する。本実施例では、上述した第１の実施形態に基づく多結晶ダイヤモンド焼結体（ＰＤＣ）よりなるゲージチップ硬質層２Ｂを備えた掘削ビットを製造し、この掘削ビットによって１８０ＭＰａ〜１９９ＭＰａのＵＣＳを有する銅鉱山の超硬岩の掘削を行って、掘削ビットが寿命に達するまでの掘削長を測定するとともに、寿命に達した原因を調べた。これを実施例１とする。従って、この実施例の掘削ビットの上記比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は２４．１（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）である。なお、掘削条件は、ビット本体１の回転数が２５０（ｒｐｍ）、打撃力は１８（ｋＷ）、打撃数は６８（Ｈｚ）であった。

また、この実施例１に対する比較例として、ゲージチップ全体が超硬合金によって形成されて後端部の直径が９（ｍｍ）であること以外は実施例１と同様の構成である掘削ビットと、超硬合金よりなるゲージチップ母材の先端部の表面に多結晶ダイヤモンド焼結体（ＰＤＣ）よりなるゲージチップ硬質層を備えて、ただしゲージチップ母材の後端部の直径は９（ｍｍ）である掘削ビットを製造し、実施例１と同様の掘削条件で掘削を行って、掘削ビットが寿命に達するまでの掘削長を測定するとともに、寿命に達した原因を調べた。これらを順に比較例１、２とする。従って、比較例１、２の掘削ビットの上記比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は１１．５（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）である。

その結果、比較例１の掘削長は１２（ｍ）であって、掘削ビットの寿命の原因はゲージチップの正常摩耗であった。また、比較例２の掘削長は３７（ｍ）であって、掘削ビットの寿命の原因はゲージチップ母材の後端部の剪断であった。これらに対して、実施例１の掘削長は１６０（ｍ）で、比較例１の十数倍、比較例２と比べても４倍以上長寿命であった。なお、実施例１の寿命の原因は、ゲージチップ２の正常摩耗と一部欠損であった。

次に、上述した第２の実施形態に基づく多結晶ダイヤモンド焼結体（ＰＤＣ）よりなるゲージチップ硬質層２Ｂを備えた掘削ビットを製造し、この掘削ビットによって１６２ＭＰａ〜２２２ＭＰａのＵＣＳを有する銀鉱山の超硬岩の掘削を行い、実施例１と同じく掘削ビットが寿命に達するまでの掘削長を測定するとともに、寿命に達した原因を調べた。これを実施例２とする。従って、この実施例２の掘削ビットの上記比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は１８．２９（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）である。なお、掘削条件は、ビット本体１の回転数が１４０（ｒｐｍ）、打撃力は２５（ｋＷ）、打撃数は５５（Ｈｚ）であった。

また、この実施例２に対する比較例として、ゲージチップ全体が超硬合金によって形成されて後端部の直径が１３（ｍｍ）であること以外は実施例２と同様の構成である掘削ビットと、超硬合金よりなるゲージチップ母材の先端部の表面に多結晶ダイヤモンド焼結体（ＰＤＣ）よりなるゲージチップ硬質層を備えて、ただしゲージチップ母材の後端部の直径は同じく１３（ｍｍ）である掘削ビットを製造し、実施例２と同様の掘削条件で掘削を行って、掘削ビットが寿命に達するまでの掘削長を測定するとともに、寿命に達した原因を調べた。これらを順に比較例３、４とする。従って、比較例３、４の掘削ビットの上記比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は１２．０９（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）である。

その結果、比較例３の掘削長は３２（ｍ）であって、掘削ビットの寿命の原因はゲージチップの正常摩耗であった。また、比較例４の掘削長は１７０（ｍ）であって、掘削ビットの寿命の原因はゲージチップ母材の後端部の剪断であった。これらに対して、実施例２の掘削ビットの掘削長は３００（ｍ）で、比較例３の十倍近く、比較例４と比べても２倍近く長寿命であった。なお、実施例２の寿命の原因は、ゲージチップ２の正常摩耗と一部欠損であった。

さらに、上述した第３の実施形態に基づく多結晶ダイヤモンド焼結体（ＰＤＣ）よりなるゲージチップ硬質層２Ｂを備えた掘削ビットを製造し、この掘削ビットによって１８５ＭＰａ〜１９０ＭＰａのＵＣＳを有する金鉱山の超硬岩の掘削を行って、実施例１、２と同じく掘削ビットが寿命に達するまでの掘削長を測定するとともに、寿命に達した原因を調べた。これを実施例３とする。従って、この実施例３の掘削ビットの上記比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は２０．２５（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）である。なお、掘削条件は、ビット本体１の回転数が９５（ｒｐｍ）、打撃力は４０（ｋＷ）、打撃数は６２（Ｈｚ）であった。

また、この実施例３に対する比較例として、ゲージチップ全体が超硬合金によって形成されて後端部の直径が１３（ｍｍ）であること以外は実施例３と同様の構成である掘削ビットと、超硬合金よりなるゲージチップ母材の先端部の表面に多結晶ダイヤモンド焼結体（ＰＤＣ）よりなるゲージチップ硬質層を備えて、ただしゲージチップ母材の後端部の直径は１６（ｍｍ）である掘削ビットを製造し、これらの掘削ビットによって実施例３と同じ掘削条件で掘削を行い、掘削ビットが寿命に達するまでの掘削長を測定するとともに、寿命に達した原因を調べた。これらを順に比較例５、６とする。従って、比較例５の掘削ビットの上記比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は１０．６（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）であり、比較例６の掘削ビットの上記比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）は１６（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）である。

その結果、比較例５の掘削長は２５（ｍ）であって、掘削ビットの寿命の原因はゲージチップの正常摩耗であった。また、比較例６の掘削長は６８（ｍ）であって、掘削ビットの寿命の原因はゲージチップ母材の後端部の剪断であった。これらに対して、実施例３の掘削ビットの掘削長は２４０（ｍ）で、比較例５の十倍近く、比較例６と比べても４倍近く長寿命であった。なお、実施例３の寿命の原因は、ゲージチップ２の正常摩耗と一部欠損であった。

１ビット本体
２ゲージチップ
２Ａゲージチップ母材
２Ｂゲージチップ硬質層
３フェイスチップ
３Ａフェイスチップ母材
３Ｂフェイスチップ硬質層
４ゲージ面
５フェイス面
６Ａ〜６Ｃ繰り粉溝
７ブロー孔
７Ａ、７Ｂ分岐孔
Ｃ２ゲージチップ中心線
Ｃ３フェイスチップ中心線
Ｒゲージチップ２の後端部の半径
Ｄゲージ面の直径
Ｏビット本体１の軸線
θ ゲージ角

Claims

軸線回りに回転されるとともに上記軸線方向先端側に打撃力を受けるビット本体の先端部外周に、上記ビット本体の外周側に向かうに従い後端側に向けて傾斜する円錐台面状のゲージ面が形成されるとともに、このゲージ面の内周には上記軸線方向先端側を向く円形のフェイス面が形成され、これらゲージ面とフェイス面には、それぞれゲージチップとフェイスチップが配設されており、
上記ゲージチップは、上記ビット本体に埋め込まれる円柱状の後端部と、この後端部から先端側に向かうに従い漸次縮径して上記ゲージ面から突出する先端部とを有するゲージチップ母材を備えるとともに、このゲージチップ母材の上記先端部の表面には該ゲージチップ母材よりも高硬度のゲージチップ硬質層を備え、上記円柱状の後端部の中心線であるゲージチップ中心線が上記ビット本体の先端側に向かうに従い外周側に向かうように配設されていて、
上記ゲージチップの後端部の半径Ｒ（ｍｍ）の２乗Ｒ^２（ｍｍ^２）と、上記ビット本体の上記ゲージ面の直径Ｄ（ｉｎｃｈ）との比Ｒ^２／Ｄ（ｍｍ^２／ｉｎｃｈ）が１８〜２５の範囲内であることを特徴とする掘削ビット。
上記ゲージチップ硬質層の硬度が上記ゲージチップ母材の硬度の２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の掘削ビット。
上記ゲージチップ硬質層の硬度がＨｖ２８００以上であ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。
上記ゲージチップ母材の硬度がＨｖ１４００〜Ｈｖ１５００の範囲内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。
上記ゲージチップ母材の後端部の半径Ｒ（ｍｍ）が、６〜１０（ｍｍ）の範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の掘削ビット。