JP3667763B2 - 衝撃式ドリルビット、植刃、使用方法並びにドリルビット直径の維持方法 - Google Patents

Description

技術的背景
本発明はロック（岩石）に穴を穿削するための衝撃（パーカッション）式ドリルビットに関する。代表的な衝撃式ドリルビットは、鋼材のドリル本体と、当該本体の１端においてビットを穴降下式(down-the-hole hammer)ハンマー等の衝撃装置やジャックハンマー用ドリルストリングに連結するための手段と、当該本体の他端に埋め込まれた複数の植刃（インサート）とを備える。
少なくとも周辺配置植刃或いはゲージ列(gauge row)植刃は、ドリル本体に埋没した後側取付部分とドリル本体から突出した収斂前端部とを有する超硬合金体を含んで成る。多結晶ダイヤモンド層が該超硬合金体の収斂前端部に設けられている。
本発明は、更に、ゲージ植刃と、ダイヤモンド被覆植刃のドリルビットにおけるゲージ植刃としての使用法と、岩材に穴を衝撃式穿削する際にドリルビットの直径を維持する方法とに関する。
公知の衝撃式ドリルビット、例えば出願人のUS-A-5,335,738におけるダイヤモンド被覆ゲージ植刃を具備したものは、しばしばダイヤモンド被覆物の破損の所為で早期破壊が起きるという不利益を有している。この破壊理由は穴壁とゲージ植刃との間の接点がダイヤモンド被覆物の後端縁面域の近くか、当該面域にあることにある。被覆物はこの面域では非常に薄く、従って比較的弱い摩耗抵抗を有している。公知のドリルビットは多かれ少なかれ、ゲージ植刃がドリルビットの中心軸線に対して約３５°だけ傾いていることから、ゲージ植刃の最薄部分で以って穴径を穿削する。
発明の目的
本発明の目的は、ドリルビット寿命が延命される衝撃式穿孔用ドリルビットを提供することにある。
本発明の別の目的は、ゲージ植刃が穿削の最中にダイヤモンド被覆物の端縁を穴壁から離間した状態に維持するように、ビットの回転軸線に対して角度付けられるようにした構成の衝撃式穿孔用ドリルビットを提供することにある。
本発明の更に別の目的は、各ゲージゲージ植刃がダイヤモンド被覆物を有し、その肉厚が変動し、且つ端縁より厚い被覆物部分が穴の直径を決めるようになっている衝撃式穿孔用ドリルビットを提供することにある。
本発明の更に別の目的は、衝撃式穿孔用ドリルビットのための有効なゲージ植刃を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、衝撃式穿孔用ドリルビットのためのゲージ植刃の有効な使用法を見出すことにある。
本発明の更に別の目的は、衝撃式穿孔用ドリルビットの直径を維持する有効な方法を見出すことにある。
これらの目的並びに本発明の他の目的は、添付の請求項に規定された衝撃式ドリルビット、植刃、使用方法並びにドリルビットの直径を維持する方法によって達成された。
図面の説明
本発明の目的と利益は以下の好適例の添付図面に関連した詳細な説明から明らかになる。当該図面において、
図１は本発明に係るドリルビットの半分を縦断面において示し、
図２は穴壁との関係で本発明に係るゲージ植刃の断面を示し、
図３は本発明に係るゲージ植刃を縦断面において示している。
発明の詳細な説明
図１には、ビット回転軸線１１に関して概して対称的である本発明に係るドリルビット１０の縦半分が示されている。このビットは鋼材のドリル本体１２を含み、このドリル本体１２は、そのシャンク１４に外側スプライン１３を有する。当該スプラインは図示していない穴降下式ハンマーのドライバ・サブ(drive sub)にある対応したスプラインと、普通の態様で回転運動を伝達するように連結される。あるいはまた、スプラインはねじ等のビットを図示省略のドリルストリングに連結する他の手段によって置換することが出来る。
ドリルビット１０は、更に、角度付き流体路４０に連結された空気等の加圧媒体のための中央通路３０を含んで成り、角度付けられた流体路は更に切り粉道あるいは帰還溝５０に連結される。中央通路３０には従来式プラスチック弁６０が配設される。
ドリル本体の前面１５には図示していない多数のボタン植刃が配設される。当該ボタン植刃は超硬合金で作られ、好ましくはカシメによって夫々の穴に固定確保される。
ビット１０の周囲には数多くのゲージ列植刃１６が配置され、その半径方向外側部分はビットの直径、従って穿削される穴の直径を規定する。
ゲージ列植刃１６は、各植刃１６の縦中心線（中心軸線）１７がドリルビットの前方向に進むにつれビットの縦中心軸線１１から傾斜角度αで発散するようになっている。ゲージ列植刃の傾きは、植刃１６の縦中心線１７が収斂端１８と交差する点が縦中心線１７が植刃の後端１９と交差する点よりもドリルビットの縦中心軸線１１から遠くなる個所に配位しているとも表現することが出来る。
幾つかのゲージ列植刃１６はドリル本体１２の前端に埋め込むことが出来る。各植刃１６は、ドリル本体に埋め込まれた把持部分或いは装着部分２０を有する超硬合金体と、ドリル本体から突出した収斂前端部とを含んで成る。多結晶ダイヤモンド層２１は、該超硬合金体の収斂前端部上に設けられ、植刃の切削端部１８を規定する。この層２１は、好ましくは中心軸線１１に対して前記角度αに等しい鋭角をなす平面Ｐ（図２、３参照）上に実質的に位置する後端縁２２を有している。後端縁２２は、植刃の円筒ジャケット面２５上において、植刃の最大径の個所に、或いはその近傍に、好ましくは超硬合金体の湾曲前面と円筒ジャケット面２５との接合点に配設されている。ドリルビットの縦中心軸線１１と植刃の縦中心軸線１７は両者間で角度αをなす。当該角度αは、穿削の最中に後端縁２２を穴２４の壁から距離Ｌ１だけ離間させるために、約４１°〜５５°の範囲にある。更に好ましくは、角度αは約４４°〜５１°であり、最も好ましくは約４５°である。約４１°〜５５°の傾斜によって、軸線１１に対する後端縁２２の半径方向最外位部分は穿削の最中に不稼働（或いは不作用）状態（passive）になる、即ち壁から離間している。距離Ｌ１は少なくとも1.5mmである。例えば、距離Ｌ１は、植刃直径Ｄが18mmの場合には、好ましくは約1.7mmである。
収斂前端部１８の超硬合金部分は半球状に湾曲し、中心軸線１７上に位置する半径Ｒによって規定され、半径Ｒの原点Ｃは平面Ｐから軸方向後方に配置されている。平面Ｐは植刃の中心軸線１７と点Ａにおいて交差する。点Ａと半径原点Ｃとの間の距離Ｌ３は、半径Ｒの５〜３０％、好ましくは約２０％である。半径Ｒは、装着後部２０の直径Ｄの約５０％〜５２％、好ましくは５０％〜５１％である。
穴２４の壁と植刃１６の接点Ｂ（図２参照）は穿孔の最中には後端縁２２から距離Ｌ２だけ軸方向へ変位している。距離Ｌ２は、植刃の半径Ｒの５０％〜７０％、好ましくは約18mmの植刃直径Ｄの約６０％である。
ダイヤモンド層２１は超硬合金の収斂前端部１８の半径Ｒと同じ大きさの半径Ｒ’によって規定された外側表面を有する。半径Ｒ’の原点は、中心軸線１７上に位置し、半径Ｒの原点Ｃを基準にして距離Ｌ４だけ軸方向前方へ変位している。距離Ｌ４のサイズは1mmより小さいが、0.1mmより大きく、好ましくは約0.6mmである。従って、層の厚さは端縁における0.1mmから中心線１７との交差点における1mmにまで変動する(最も好ましくは、端縁における0.2mmから中心線との交差点における0.8mm)。ダイヤモンド層２１は、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、好ましくは１％から１５％の間の含有量のバインダを有するものである。
新規な発明品のドリルビットはこれまでに知られているドリルビットより長期に穿削するので、ドリル本体が少なくともゲージ列植刃の近傍で且つその周囲において硬質金属コーティング等の摩耗抵抗性被覆物を具備していることが好ましい。この種の被覆物の層厚は好ましくは約0.1mmである。これは鋼材の洗い出しを回避し、それによってゲージ列植刃が鋼材支持を失ってドリル本体から脱落することになる事態を阻止する。
ゲージ植刃がドリルビット軸線に対して４５°傾斜している本発明に係るドリルビットは、ビット寿命が、同様に３５°傾斜したゲージ植刃を具えた先行ドリルビットと比較して５０〜７０％も延命することになった。
本発明は、更に、岩材に穴を衝撃式穿削する最中にドリルビット直径を維持する方法に関する。当該方法は、
上述の外径（ジオメトリ）を有するドリルビットを準備する工程と、
衝撃装置（ユニット）にビットを連結する工程と、
ビット寿命期間を最大にするように当該穴の壁からゲージ列植刃のダイヤモンド層の後端縁を離間させながら、穴の穿削を実行する工程とを含んで成る。
本発明は、更に、衝撃式穿削用ドリルビットのゲージ列植刃として、ダイヤモンド被覆超硬合金植刃を使用する方法に関する。
本発明は添付の請求の範囲内で自在に変更することが出来る。例えば、植刃の切削端部の形状は半球形、或いは弾丸形にすることが出来る。
本発明はその好適例に関連させて記述されたが、当業者によって追加、削除、変更、及び置換が添付の請求項に規定された発明の精神と範囲から逸脱することなく為し得ることは理解されるべきである。

Claims (10)

1. 衝撃装置に連結するための連結区分を後端部に有し且つドリルビット（１０）の回転軸線（１１）を規定するドリル本体と、該連結区分を基準にして剛性がある当該ドリル本体の前端部に埋め込まれた複数のゲージ列植刃（１６）とを備え、各ゲージ列植刃（１６）が前記ドリル本体に埋め込まれた後側装置部分（２０）と前記ドリル本体から突出した前端部（１８）とを有する超硬合金体を含んで成り、当該超硬合金体の前端部にはダイヤモンド層（２１）が設けられ、該ダイヤモンド層が前記植刃の最大断面（Ｄ）部分に隣接して設けられた後端縁（２２）を有する穴を穿削するための衝撃式ドリルビットであって、
   前記ゲージ列植刃（１６）は前記ドリルビット（１０）の回転軸線（１１）に対して鋭角度（α）の方向に向けられており、当該角度（α）は、穿削の際に前記穴（２４）の壁から前記ダイヤモンド層の前記後端縁（２２）を離間させるために、約４１°から５１°までの角度になっている穿削用衝撃式ドリルビット。
2. 前記超硬合金体の前記前端部（１８）が半径（Ｒ）で規定される湾曲を有しており、当該半径の原点（Ｃ）が前記ダイヤモンド層（２１）の前記後端縁（２２）を含有する平面（Ｐ）の軸方向後方に配置されている、請求項１に記載のドリルビット。
3. 前記後側装着部分（２０）の最大直径が１８ｍｍである場合に、前記前端部（１８）の前記半径が前記後側装着部分（２０）の直径（Ｄ）の５０％〜５２％である、請求項２に記載のドリルビット。
4. 前記半径が前記後側装着部分（２０）の直径（Ｄ）の５０％〜５１％である、請求項３に記載のドリルビット。
5. 前記ダイヤモンド層（２１）の前記後端縁（２２）が穿削の際に前記穴（２４）の壁から少なくとも１．５ｍｍの距離だけ離間されている、請求項３に記載のドリルビット。
6. 前記距離が約１．７ｍｍである、請求項５に記載のドリルビット。
7. 前記穴（２４）の壁と前記植刃（１６）との接点が前記ダイヤモンド層（２１）の前記後端縁（２２）から軸方向前方へ変位している、請求項１に記載のドリルビット。
8. 前記超硬合金体の前記前端部（１８）が半径（Ｒ）で規定される湾曲を有しており、前記植刃（１６）の最大直径（Ｄ）が約１８ｍｍである場合に、前記ダイヤモンド層（２１）の前記後端縁（２２）に対する前記接点の軸方向の変位は、前記半径（Ｒ）の約５０％〜７０％である、請求項７に記載のドリルビット。
9. 前記軸方向の変位は、前記半径（Ｒ）の６０％である、請求項８に記載のドリルビット。
10. Ａ）連結区分を有し且つ回転軸線を規定する衝撃ドリル本体（１２）と、該連結区分を基準として剛性がある前記ドリル本体（１２）の前端部に埋め込まれた複数のゲージ列植刃（１６）とを準備する工程を含み、
    各ゲージ列植刃（１６）が前記ドリル本体に埋め込まれた後側装着部分（２０）と前記ドリル本体から突出した前端部（１８）とを有する超硬合金体を含んで成り、当該超硬合金体の前端部にはダイヤモンド層（２１）が設けられ、該ダイヤモンド層が前記植刃の最大直径（Ｄ）部分に隣接して設けられた後端縁（２２）を有しており、
    Ｂ）前記ゲージ列植刃（１６）が穿削された穴の直径を規定するように前記回転軸線周りにドリル本体を回転させる工程と、
    Ｃ）前記回転軸線に対して約４１°から５１°までの鋭角に前記ゲージ列植刃（１６）を傾斜させることによって、穿削の際に前記穴（２４）の壁から前記ダイヤモンド層の前記後端縁を離間させる工程と、
    をさらに含むことを特徴とする岩材に穴を穿削する方法。

Images