JP4381219B2 - 自動機用刃体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば種々の材質の固形被処理物を細かく破砕する各種破砕機、同様の固形被処理物を粉砕する剪断式粉砕機、製本紙工業用の各種断裁機、木材チップや製紙原料チップの製造に用いるチッパーマシン及びフレーカーマシン、合板工業におけるロータリーレースマシンやスライサーマシン及び定寸切断機、丸鋸盤等のように、刃体の自動動作で対象物を破砕、切断、切削する種々の自動機用刃体の製造方法に関する。

プラスチック、木片、紙、金属等の廃材処理において、該廃材を細かく破砕するのにツイン・スリット型破砕機が汎用されている。このツイン・スリット型破砕機は、例えば図１及び図２に示すように、上部に投入口８１ａ、下部に放出口８１ｂを有する金属製ケーシング８１内に、各々複数枚の環状破砕刃８２…を環状スペーサ８３を介して一定間隔置きに嵌装固定した駆動軸８４と従動軸８５とが、両軸８４，８５の一方側の各環状破砕刃８２を他方の環状スペーサ８３の位置に嵌合するように並設されると共に、両軸８４，８５に固着したギヤ８６，８７の噛合により、駆動軸８４の内向き回転に伴って従動軸８５も内向きに従動回転し、投入口８１ａから投入された被処理物Ｗを両軸８４，８５の環状破砕刃８２…同士の噛み合い部分に引き込んでスリットカッター方式で破砕するようになっている。なお、８８はケーシング８１の両側壁内面側に櫛歯状に固着した落下防止板であり、両軸８４，８５の各環状スペーサ８３とケーシング８１の内面との間の間隙に配置して未破砕物の落下を防止する。

このような破砕機の環状破砕刃８２…は、一般的に合金工具鋼、ダイス鋼、高速工具鋼等の高級鋼にて製作され、且つ剪断に関与する刃先部が特に摩耗し易いために熱処理等で硬度を高めているが、高級鋼の使用によって材料費及び加工費が高く付く上、熱処理によって全体の靱性が低下することから、使用中の破砕に伴う衝撃によって割れや欠損を生じ易く、これら割れや欠損で早期交換を余儀なくされて保全コストが更に増大すると共に、往々にして事故に繋がることがあった。

また、上述のようなツイン・スリット型破砕機に限らず、刃体の自動動作で対象物を破砕、切断、切削する他の種々の自動機に用いる刃体においても、高級鋼製で刃先部の硬度を高めるために熱処理等を施すものでは、やはり材料費及び加工費が高く付くと共に、同様に靱性低下による割れや欠損を生じ易くなるという難点は共通している。

しかして、ツイン・スリット型破砕機にあっては、環状破砕刃を中心側の円板状の取付け台部分とこれを取囲む刃先側部分とに分割し、更に刃先側部分を周方向複数個の部品に分割構成し、刃先部品のみに高級鋼を使用することにより、全体としての材料費及び加工費を低減すると共に、摩耗の進行で寿命に至った際、ならびに割れや欠損を生じた際に、刃先部品のみを交換可能として保全費を少なくし得るようにしたものが提案されている（特許文献１，２）。
実用新案公告昭５７−３１９５３号公報 特許第２８１３５７２号公報

しかしながら、前記提案のツイン・スリット型破砕機のように環状破砕刃を取付け台部分と複数個の刃先部品とに分割構成したものにおいても、刃体の全体寸法に対して刃先側部分の占める割合が大きいことから、刃先部品のみに高級鋼を使用しても相当な材料費がかかると共に、刃先部品は相互嵌合や取付け台部分への取付けのために形状的に複雑になるから、これを高級鋼製にした場合、その加工費は却って高く付く上、刃先部品自体の熱処理による靱性低下に起因した割れや欠損の問題は解決されない。また、他の種々の自動機に用いる刃体においても、取付け台部分と刃先側部分とに分割構成し、その刃先側部分のみに高級鋼を使用する構成とした場合、やはり加工費の増大を招くと共に、同様に刃先側部分の割れや欠損という問題が残ることになる。

本発明は、上述の情況に鑑み、自動機用刃体として、剪断に関与する刃先部が高硬度であって、且つ刃先部以外を耐衝撃値が高く使用中に割れや欠損を生じにくくすることを可能にし、しかも全体としての材料費及び加工費を安くできるものを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る自動機用刃体の製造方法は、所要の刃体形状に加工したＣｒ含有量３重量％以下の低合金鋼からなる刃本体の刃先部に、Ｃ：０．０５〜０．１重量％、Ｓｉ：０．３〜１．０重量％、Ｍｎ：０．５〜１．０重量％、Ｃｒ：１．０〜３．０重量％、Ｖ：０．２〜１．０重量％、Ｍｏ：１．０〜１．５重量％、Ｗ：３．０〜５．０重量％、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ及びＢの４元素が合量で０〜１．０重量％、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有する溶接材料を肉盛溶接したのち、浸炭焼入れ処理、サブゼロ処理、焼き戻し処理を順次施し、更に表面を研磨加工することにより、刃先部に前記肉盛溶接による硬質金属層を備える刃体を仕上げることを特徴としている。

更に請求項２の発明は、上記請求項１の自動機用刃体の製造方法において、刃本体の母材をガス切断によって所要の刃体形状に加工する構成としている。

請求項１の発明によれば、所要の刃体形状に加工した特定の低合金鋼からなる刃本体の刃先部に、特定組成の低炭素溶接材料を肉盛溶接後、特定の加工を施すことから、上記自動機用刃体として、刃先部が高硬度で剪断性に優れると共に、使用中の衝撃による割れや欠損を生じにくく、耐久性に優れたものを安価に製造できる。

請求項２の発明によれば、上記の自動機用刃体の製造方法において、刃本体の母材をガス切断によって所要の刃体形状に加工することから、その加工を容易に且つ安価に行える。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して具体的に説明する。図３は本発明をツイン・スリット型破砕機の環状破砕刃に適用した第一実施形態、図４は同環状破砕刃に適用した第二実施形態、図５及び図６は本発明を一軸型破砕機の回転刃及び固定刃に適用した第三実施形態、図７は本発明を木材チップや製紙原料チップの製造に用いるチッパーマシンのチッバーナイフに適用した第四実施形態、図８は本発明を製本用断裁機の断裁包丁に適用した第五実施形態、、図９は本発明を丸鋸盤の鋸刃に適用した第六実施形態、をそれぞれ示す。

図３（イ）（ロ）で示す第一実施形態の環状破砕刃１と図４（イ）〜（ハ）で示す第二実施形態の環状破砕刃２は、いずれも図１及び図２で示す既述のツイン・スリット型破砕機における環状破砕刃８２に代えて用いるものである。しかして、破砕機自体の構造については、既述と同様であるために説明を省略する。

第一実施形態の環状破砕刃１では、刃本体１ａが外周部に複数（図では６つ）の刃部１１…を有して中央部に略正方形の軸挿嵌穴１２を備える厚肉環形をなし、この刃本体１ａの刃先側周辺部の両側面に開先加工として形成された各環状凹段部１３に、肉盛溶接による硬質金属層１０が設けてある。

また、第二実施形態の環状破砕刃２では、刃本体２ａが、外周円形で中央に略正方形の軸挿嵌穴２１ａを備える厚肉環形の取付台部材２１と、この取付台部材２１の全周を取囲むように配置した複数個（図では６個）の刃先部材２２…とに分割構成されており、これら刃先部材２２…の両側面に肉盛溶接による硬質金属層１０が設けてある。そして、各刃先部材２２は、上面側に刃部２２ａが突設されると共に、凹円弧状をなす底面側に、長手方向全長にわたる係合溝２２ｂと、長手方向中間に位置して厚み方向に沿うキー溝２２ｃとが形成されており、係合溝２２ｂを取付台部材２１の外周面に設けた環状凸部（図示省略）に嵌合して、且つキー溝２２ｃと該取付台部材２１側に設けたキー溝２１ｂとの間に挿嵌した係合キー２３にて位置決めした状態で、前後二箇所のボルト挿通孔２２ｄに挿入した取付けボルト（図示省略）を取付台部材２１側のねじ孔（図示省略）に螺挿することにより、隣接する刃先部材２２…同士で前後端面を密接した状態で取付台部材２１に固着されるようになっている。

本発明の第三実施形態に適用する一軸型破砕機は、図５（イ）に示すように、ケーシング３１内に回転駆動する太軸状のローター３２が水平に配置し、このローター３２の周面に長手方向一定間隔置きに設けられた各Ｖ字状周溝３３の径方向に対向する二箇所にそれぞれ、直方体形状の刃取付用ブロック３４が稜部を該周溝３３に嵌合して溶接固着され、各刃取付用ブロック３４の前端面に正方形厚板状の回転側刃体３がねじ止めされると共に、該ローター３２に対向して厚肉鋸刃状の固定刃４がケーシング３１側に固定されている。そして、回転側刃体３…は、ローター３２の周面上においてローター長手方向中央に位置する刃体３Ａを基点として 順次ローター回転方向に位置ずれし、全体として二重のＶ字状に配列しており、該ローター３２の回転駆動により、上方から投入された被処理物（図示省略）を固定刃５側へ引き寄せつつ当該固定刃５に噛合して破砕するようになっている。

ここで、固定刃４は、図５（ロ）に示すように、刃本体４ａの両側面に、それぞれ肉盛溶接による硬質金属層１０が形成されたものとなっている。一方、回転側刃体３…としても、刃本体の刃先部となる前端周縁部に肉盛溶接による硬質金属層を設けたもの、例えば図６（イ）（ロ）で示す刃体３Ａのように刃本体３ａの前端周縁部から前端面全体にわたって硬質金属層１０を有するもの、図６（ハ）（ニ）で示す刃体３Ｂのように刃本体３ａの前端周縁部から周面全体にわたって硬質金属層１０を有するもの、図６（ホ）（ヘ）で示す刃体３Ｃのように刃本体３ａの前端周縁部と後端周縁部とに硬質金属層１０を有するもの等が使用される。なお、これら回転側刃体３Ａ〜３Ｃにおける硬質金属層１０の表面は、その形成領域の開先加工と後の仕上げ加工により、刃本体３ａの端面及び側面と面一にしてある。

図７（イ）（ロ）で示す第四実施形態のチッバーナイフ５は、厚肉帯板状の刃本体５ａの片側側縁部が全長にわたって片側テーパの刃先部５ｂをなし、該刃本体５ａの長手方向一定間隔置きに穿設された複数個（図では４個）の長孔５１…を介してチッパーマシンの刃駆動部（図示省略）にねじ止めするように構成されている。しかして、刃先部５ｂは、斜面側から背面側にわたる表面全体が刃本体６ａの開先加工部５２への肉盛溶接による硬質金属層１０となっている。

図８（イ）（ロ）で示す第五実施形態の断裁包丁６は、前記チッバーナイフ５と同様に、厚肉帯板状の刃本体６ａの片側側縁部が全長にわたって片側テーパの刃先部６ｂをなし、該刃本体６ａに長手方向一定間隔置きで且つ２列に穿設された多数個（図では１６個）の取付孔６１…を介して製本用断裁機の刃駆動部（図示省略）にねじ止めするように構成されており、刃先部６ｂの斜面側から背面側にわたる表面全体が刃本体６ａの開先加工部６２への肉盛溶接による硬質金属層１０となっている。

図９（イ）（ロ）で示す第六実施形態の丸鋸盤用鋸刃７は、円板状の刃本体７ａの周縁に設けた各刃先部７ｂの切込み側端面に開先加工の段部７１が形成され、該段部７１に肉盛溶接による硬質金属層１０が設けられている。なお、刃本体７ａの中心部には、駆動軸嵌合穴７２と、その周囲に等配した複数の固定ボルト挿通孔７３…とを備える。

上述した第一及び第二実施形態の環状破砕刃１，２、第三実施形態における回転側刃体３及び固定刃４、第四実施形態のチッバーナイフ５、第五実施形態の断裁包丁６、第六実施形態の丸鋸盤用鋸刃７（以下、総称して自動機用刃体１〜７という）は、いずれも刃先部に肉盛溶接による硬質金属層１０を有するから、該刃先部が良好な剪断性を発揮し、破断、破砕、切断、断裁、切削等の各々の用途における優れた刃体能力が得られると共に、刃先部の摩耗を生じにくいものとなる。しかも、これら自動機用刃体１〜７にあっては、硬質金属層１０によって刃先部に必要な剪断性を確保できるから、刃本体１ａ〜７ａには低級鋼を使用でき、合金工具鋼や高速工具鋼等の高級鋼を用いる必要がないため、従来に比較して材料コストを大幅に低減できる。

刃本体１ａ〜７ａに用いる低級鋼としては、特に制約されないが、例えばクロモリ鋼（ＳＣＭ４４０）の如きＣｒ含有量３重量％以下の低合金鋼が好適である。すなわち、このような低合金鋼を用いた刃本体１ａ〜７ａは、浸炭焼入れ処理等の熱処理を経ても靱性を保持して耐衝撃値が高いことに加え、溶接性がよいために刃先部の硬質金属層１０と強固に一体化し、もって自動機用刃体１〜７の使用に伴う衝撃の反復によっても割れや欠損を生じにくく、高耐久性で長寿命となり、また母材から刃本体１ａ〜７ａの所要形状に加工する際にガス切断を利用でき、硬質金属層１０の肉盛溶接による形成と相まって自動機用刃体１〜７の製作を低コストで容易に行える。

硬質金属層１０としては、自動機用刃体１〜７の刃先部として必要な剪断性を発揮し得る硬度（剛性）を有すればよいが、鉄を主体として内部まで浸炭されていることが好ましく、浸炭による高硬度化で優れた剪断性が得られる。また、硬質金属層１０のロックウェル硬度Ｈｒｃを６０以上とすることにより、高硬度の刃先部によって優れた剪断性が得られる。しかして、このように浸炭された硬質金属層１０を形成するには、低炭素溶接材料を肉盛溶接した上で浸炭焼入れ処理し、更に後述する各種熱処理を施す。

硬質金属層１０の厚さは、自動機用刃体１〜７の種類、サイズ、被処理物の材質、設定する処理（加工）条件等によって最適値が異なるが、一般的には０．５〜７ｍｍの範囲がよく、薄過ぎては充分な耐久性が得られず、逆に厚過ぎては一回の肉盛溶接では形成が困難で層の質も低下する。

なお、本発明は、前記第一〜第６実施形態で例示した自動機用刃体１〜７に限らず、例えば合板工業におけるロータリーレースマシン用のロータリーナイフやプレッシャーバー、スライサーマシン用のスライサーナイフ、定寸切断機用のクリッパーナイフ、製本用三方断裁機に用いる三方断裁包丁等、刃体の形状や構造に関係なく、刃体の自動動作で対象物を破砕、切断、切削する他の種々の自動機用刃体の製造にも同様に適用可能である。

上述のような刃本体の刃先部に肉盛溶接による硬質金属層を備える自動機用刃体を製造方法するには、所要の刃体形状に加工した刃本体の刃先部に鉄を主体とする低炭素溶接材料を肉盛溶接したのち、浸炭焼入れ処理、サブゼロ処理、焼戻し処理を順次施し、更に表面を研磨加工することにより、刃先部に前記肉盛溶接による硬質金属層を備える刃体を仕上げる。

まず、刃本体を刃体形状に加工するには、母材としてクロモリ鋼（ＳＣＭ４４０）の如きＣｒ含有量３重量％以下の低合金鋼を用い、ガス切断によって粗加工し、必要に応じて刃先部の肉盛溶接による硬質金属層形成領域を開先加工し、この刃先部に低炭素溶接材料を好適には１層肉盛で厚さ０．５〜７ｍｍ程度に溶接したのち、この溶接面を研削して設計寸法に対して０．５ｍｍ程度の研磨加工代を残すように粗加工する。

肉盛溶接に用いる前記の低炭素溶接材料は、Ｃ：０．０５〜０．１重量％、Ｓｉ：０．３〜１．０重量％、Ｍｎ：０．５〜１．０重量％、Ｃｒ：１．０〜３．０重量％、Ｖ：０．２〜１．０重量％、Ｍｏ：１．０〜１．５重量％、Ｗ：３．０〜５．０重量％、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ及びＢの４元素が合量で０〜１．０重量％、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる組成を有するものである。

上記組成中、Ｃは、焼入れ性と硬さ及び強度の確保に寄与する成分であり、過少では最終的に得られる硬質金属層の硬度及び強度が不充分になり、過多では該硬質金属層の靱性低下が著しくなる。Ｓｉは、溶着のために必要な成分であることに加え、鋼の軟化抵抗を高めて強度を向上させる作用と、溶着金属の脱酸作用を示す。Ｍｎは、溶着のために必要な成分であり、強度を向上させると共に、焼入れ性と靱性を向上させる作用がある。Ｃｒは、鋼の焼入れ性を高めて硬度及び強度に寄与するが、過剰に添加しても効果が飽和すると共にコスト高を招く。Ｖは、鋼の焼入れ性を高めて硬度及び強度に寄与すると共に、炭化物として析出して結晶粒を細かくする作用がある。Ｍｏは、炭化物生成元素であり、鋼の焼入れ性の改善、焼戻しに対する抵抗性の付与、焼戻し脆化の防止等の作用がある。Ｗは、炭化物として析出し、鋼の耐摩耗性を向上させる役割がある。Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ及びＢは、炭化物生成元素として硬度及び強度に寄与するが、必須成分ではない。

肉盛溶接後の浸炭焼入れ処理は、例えばプラズマ浸炭法により、真空炉内の炭酸ガス雰囲気中等で肉盛溶接層への浸炭処理を行い、該肉盛溶接層の表層部、好ましくは表面から０．５〜３ｍｍの深さまでの範囲に微細な炭化物を析出分散させて硬化させ、次いで該真空炉内において１０００℃程度で焼入れ処理を行う。しかして、この浸炭焼入れ処理により、肉盛溶接層を最終的に得られる硬質金属層の表面から０．５〜３ｍｍまでの深さを浸炭部として、好適には既述のように浸炭部のＨｒｃが６０以上で、非浸炭部のＨｒｃが５０以下となるように設定する。なお、最適には浸炭部のごく表面のＨｒｃを６５以上とするのがよい。

この浸炭焼入れ処理後の刃体原材は、次のサブゼロ処理によって高温から液体窒素等で超低温まで冷却する処理を施し、更に２００℃前後で焼戻し処理を行い、最後に研磨加工によって所要の自動機用刃体に仕上げる。

図１０は本発明方法にて作製した刃体サンプルの正面図である。この刃体サンプルは、ＳＣＭ４４０からなる一辺約５０ｍｍの略正方形厚板状の刃本体Ａの一辺側を刃先部として開先加工し、この開先加工領域に前記組成の低炭素溶接材料を約５ｍｍ厚に肉盛溶接し、既述の浸炭焼入れ処理、サブゼロ処理、焼戻し処理を順次施して研磨仕上げしたものであり、図における上辺部分が該肉盛溶接による硬質金属層Ｂになっている。この刃体サンプルのミクロ組織を調べるために、腐食液で表面を侵食させ、図１０に示す刃先端部Ｐ１、肉盛層Ｂの中間部Ｐ２、肉盛層Ｂと母材Ａとの境界部Ｐ３、母材Ａ部Ｐ４の４ヵ所について顕微鏡写真を撮影した。これら断面ミクロ組織の顕微鏡写真（２００倍）を図１１に示す。

図１１の顕微鏡写真図Ｐ１，Ｐ２に示すように、肉盛溶接層の浸炭部は、マルテンサイト基地に超微細な炭化物が点在している。一方、母材内部は、顕微鏡写真図Ｐ４に示すように、フェライト、ベイナイト、マルテンサイトの混合組織になっている。また、境界部は、顕微鏡写真図Ｐ３に示すように、母材と肉盛溶接層との間に明確な界面がなく、母材組織から溶接層組織へと連続的に移行しており、良好な溶接状態であることが判る。

なお、肉盛層の中間部Ｐ２と母材部Ｐ４の硬度を測定したところ、肉盛層の中間部Ｐ２（浸炭部）はＨｖ８９６，Ｈｒｃ６７と高硬度が得られているのに対し、母材部Ｐ４はＨｖ４９８，Ｈｒｃ４８と低い値であった。この硬度の測定結果からも、本発明に係る自動機用刃体は、刃先部の良好な剪断性と、刃本体側の高い耐衝撃値に基づく優れた耐久性とを併せ持つことが判る。

本発明に係る第一及び第二実施形態の環状破砕刃を適用するツイン・スリット型破砕機の構成例を示す横断面平面図である。 同破砕機の縦断正面図である。 本発明に係る第一実施形態の環状破砕刃を示し、（イ）は正面図、（ロ）は（イ）のローロ線の断面矢視図である。 本発明に係る第二実施形態の環状破砕刃を示し、（イ）は全体の正面図、（ロ）は刃先部材の正面図、（ハ）は（ロ）のハーハ線の断面矢視図である。 本発明に係る第三実施形態の回転側刃体及び固定刃を用いた一軸型破砕機を示し、（イ）は要部の平面図、（ロ）は（イ）のローロ線の断面矢視図である。 同破砕機の回転側刃体を示し、（イ）は一構成例の斜視図、（ロ）は（イ）のローロ線の断面矢視図、（ハ）は他の構成例の斜視図、（ニ）は（ハ）のニーニ線の断面矢視図、（ホ）は更に他の構成例の斜視図、（ヘ）は（ホ）のヘーヘ線の断面矢視図である。 本発明に係る第四実施形態のチッバーナイフを示し、（イ）は正面図、（ロ）は（イ）のローロ線の断面矢視図である。 本発明に係る第五実施形態の断裁包丁を示し、（イ）は正面図、（ロ）は（イ）のローロ線の断面矢視図である。 本発明に係る第六実施形態の丸鋸盤用鋸刃を示し、（イ）は正面図、（ロ）は刃先部の斜視図である。 本発明の製造方法による刃体サンプルを示す正面図である。 同刃体サンプルの断面ミクロ組織を示し、（Ｐ１）は図１０中のＰ１部、（Ｐ２）は図１０中のＰ２部、（Ｐ３）は図１０中のＰ３部、（Ｐ４）は図１０中のＰ４部、のそれぞれ顕微鏡写真図である。

符号の説明

１，２ 環状破砕刃（自動機用刃体）
１ａ〜７ａ 刃本体
３ 回転側刃体（自動機用刃体）
４ 固定刃（自動機用刃体）
５ チッバーナイフ（自動機用刃体）
６ 断裁包丁（自動機用刃体）
７ 丸鋸盤用鋸刃（自動機用刃体）
１０ 硬質金属層

Claims (2)

1. 所要の刃体形状に加工したＣｒ含有量３重量％以下の低合金鋼からなる刃本体の刃先部に、
   Ｃ ： ０．０５〜０．１重量％、
   Ｓｉ： ０．３〜１．０重量％、
   Ｍｎ： ０．５〜１．０重量％、
   Ｃｒ： １．０〜３．０重量％、
   Ｖ ： ０．２〜１．０重量％、
   Ｍｏ： １．０〜１．５重量％、
   Ｗ ： ３．０〜５．０重量％、
   Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ及びＢの４元素の合量 ： ０〜１．０重量％、
   Ｆｅ及び不可避不純物 ： 残部、
   からなる組成を有する溶接材料を肉盛溶接したのち、浸炭焼入れ処理、サブゼロ処理、焼戻し処理を順次施し、更に表面を研磨加工することにより、刃先部に前記肉盛溶接による硬質金属層を備える刃体を仕上げることを特徴とする自動機用刃体の製造方法。
2. 刃本体の母材をガス切断によって所要の刃体形状に加工する請求項１に記載の自動機用刃体の製造方法。

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