JP4954542B2 - 掘削ロッド、掘削ビット及び掘削工具 - Google Patents

Description

本発明は、トンネル等の土木工事や、アンカー、基礎杭等の各種工事、あるいは砕石作業等において、地盤や土砂を掘削する際に用いられる掘削ロッド、掘削ビット及び掘削工具に関するものである。

地盤や土砂等の被掘削物を掘削する掘削工具として、超硬合金等の硬質材料からなるボタンチップを複数備えた掘削ビットと、この掘削ビットを支持する掘削ロッドとによって構成された掘削工具が使用されている。掘削ビットの後端側に、内周面に雌ネジを有する取付孔が穿設されるとともに、掘削ロッドの先端側に、外周面に雄ネジを有する取付部が設けられており、これら掘削ロッドの取付部の雄ネジと掘削ビットの取付孔の雌ネジとが螺合することにより、掘削ロッドと掘削ビットとが一体化して掘削工具が形成されるものである。

ところで、近年、高速施工の要求から、掘削機械の性能向上によって、掘削速度の上昇による掘削作業の効率化が求められている。しかし、従来の掘削工具においては、掘削ビットの肉厚を確保するために掘削ロッドの取付部の径が小さく、このような掘削工具を掘削機械に装着し岩盤等を掘削する際に、掘削速度を上昇させた場合には掘削工具にかかる負荷が増大し、この負荷によって掘削ロッドが破損してしまうおそれがあった。一方、掘削ロッドの径を大きくした場合には、掘削ビットの肉厚が薄くなり、掘削ビットが破損してしまうといった問題があった。特に、掘削ロッドが折損した場合には、掘削した穴底に掘削ビット等が残存してしまい、トラブルの復旧に多くの時間と労力を要し、もとより不経済であるため、掘削ロッドの剛性向上が強く求められていた。

そこで、特許文献１においては、掘削ロッドの取付部をテーパー状に形成してテーパー状のネジによって螺合することにより、掘削工具先端側における掘削ビットの肉厚を確保するとともに、掘削ロッドに加わる曲げ応力が大きくなる掘削工具後端側で掘削ロッドの径を大きくして、掘削ロッド及び掘削ビットの剛性を向上させることにより、前記負荷による掘削工具の破損防止を図ったものが提案されている。
国際公開第００／１９０５６号パンフレット

ところが、特許文献１に開示された掘削工具においては、取付部がテーパー状に形成されてテーパー状のネジで螺合されているため、掘削時の衝撃によって掘削ビットが掘削ロッドから簡単に外れてしまうおそれがあった。また、テーパー状のネジの加工は困難であり、これら掘削ロッド及び掘削ビットの製作コストが上昇してしまうといった問題があった。
さらに、掘削ビットの先端側、つまり、取付孔の孔底部分において雌ネジを切り上げるためにヌスミ部が形成されているため、せっかく、テーパー状のネジを形成したにも拘らず、掘削ビット先端側に肉薄部分が形成されてしまい、掘削工具にかかる負荷によって掘削ビットが破損するおそれがあった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、掘削ロッド及び掘削ビットの剛性を確保することにより、掘削速度を上昇させて掘削作業を効率的に行なうことができるとともに、掘削時の衝撃によって掘削ビットと掘削ロッドとが簡単に外れることがない掘削ロッド、掘削ビット及び掘削工具を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために、本発明に係る掘削ロッドは、先端に向けて突出して軸線に沿って延びる取付部を有し、該取付部は、前記軸線に垂直な断面における前記軸線からの最小距離が一定とされた平行雄ネジ部と、該平行雄ネジ部の後端側に連なり前記最小距離が拡大する雄ネジ切り上げ部とを備え、先端側から後端側に向けて前記最小距離が小さくなることがないように形成され、前記雄ネジ切り上げ部の後端が、前記軸線からの距離が前記平行雄ネジ部から後端側に向けて漸次拡大するように形成され、前記雄ネジ切り上げ部におけるネジ谷部分の曲率半径が、前記平行雄ネジ部に形成された雄ネジのネジ谷部分の曲率半径よりも大きくされていることを特徴とする。
ここで、雄ネジ切り上げ部におけるネジ谷部分の曲率半径とは、当該掘削ロッドの軸線を含む平面で切断した際の断面におけるネジ谷部分の曲率半径をいう。

また、本発明に係る掘削ビットは、後端に向けて開口して中心軸に沿って延びる取付孔を有し、該取付孔は、前記中心軸に垂直な断面における前記中心軸からの最大距離が一定とされた平行雌ネジ部と、該平行雌ネジ部の先端側に連なり前記最大距離が縮小する雌ネジ切り上げ部とを備え、先端側から後端側に向けて前記最大距離が小さくなることがないように形成され、前記雌ネジ切り上げ部の先端が、前記中心軸からの距離が前記平行雌ネジ部よりも縮小するように形成され、前記雌ネジ切り上げ部におけるネジ谷部分の曲率半径が、前記平行雌ネジ部に形成された雌ネジのネジ谷部分の曲率半径よりも大きくされていることを特徴とする。
ここで、雌ネジ切り上げ部におけるネジ谷部分の曲率半径とは、当該掘削ビットの中心軸を含む平面で切断した際の断面におけるネジ谷部分の曲率半径をいう。

また、本発明に係る掘削工具は、前述の掘削ロッドの平行雄ネジ部と、前述の記掘削ビットの平行雌ネジ部とが螺合することにより構成されたことを特徴とする。

本発明に係る掘削ロッドによれば、前記軸線に垂直な断面における前記軸線からの最小距離が先端側に比べて後端側が小さくなることがないように形成された取付部を有しているので、掘削ロッドに加わる曲げ応力が大きくなる後端側部分での剛性を確保することができるとともに、取付部の途中に径が小さくなるヌスミ部がないために掘削ロッドが折損することを抑制できる。

また、雌ネジと螺合されない雄ネジ切り上げ部が前記軸線からの距離が前記平行雄ネジ部から後端側に向けて漸次拡大するように形成されているので、この雄ネジ切り上げ部における剛性を確保できる。
また、平行雄ネジ部が形成されているので、掘削時の衝撃によって掘削ビットと掘削ロッドとを離間するような力が作用した場合でも、この掘削ロッドから掘削ビットが外れてしまうことを防止できる。また、雄ネジの加工が容易であり、この掘削ロッドを低コストで製作することができる。

ここで、前記雄ネジ切り上げ部におけるネジ谷部分の曲率半径を、前記平行雄ネジ部に形成された雄ネジのネジ谷部分の曲率半径よりも大きくなるように形成することにより、この雄ネジ切り上げ部における切欠部分を小さくすることができ、掘削ロッドの剛性を確実に向上させることができる。

また、前記雄ネジ切り上げ部の前記軸線方向長さを、前記平行雄ネジ部のネジピッチＰ以下とすることにより、ネジの螺合に寄与しない雄ネジ切り上げ部が不必要に長くなることがなく、掘削ロッドの剛性をさらに向上させることができる。

また、前記取付部の先端面から前記平行雄ネジ部後端までの前記軸線方向長さを、前記平行雄ネジ部のネジ谷径Ｄに対して２．５×Ｄ以下とすることにより、平行雄ネジ部後端のネジ谷部分に負荷される曲げ応力の大きさを抑えて、平行雄ネジ部での折損を防止することができる。
さらに、前記平行雄ネジ部の前記軸線方向長さを、前記平行雄ネジ部のネジピッチＰに対して３．８×Ｐ以上とすることにより、平行雄ネジ部におけるネジ山の数を確保することができる。よって、ひとつのネジ山に作用する荷重を抑えることができ、平行雄ネジ部におけるネジの早期磨耗や締め付けトルクによる応力集中を分散して、この掘削ロッドの寿命延長を図ることができる。

前述した本発明に係る掘削ビットによれば、前記中心軸に垂直な断面における前記中心軸からの最大距離が先端側に比べて後端側が小さくなることがないように形成された取付孔を有しているので、掘削ビットに衝撃が加わる先端側部分での肉厚を確保して掘削ビットの剛性の向上を図ることができるとともに、取付孔の途中に肉厚が小さくなるヌスミ部がないので、掘削ビットが破損することを抑制できる。

また、雄ネジと螺合されない雌ネジ切り上げ部を前記中心軸からの距離が前記平行雌ネジ部よりも縮小するように形成しているので、この雌ネジ切り上げ部における肉厚を確保して剛性の向上を図ることができる。
また、平行雌ネジ部が形成されているので、掘削時の衝撃によって掘削ビットと掘削ロッドとを離間するような力が作用した場合でも、この掘削ビットが掘削ロッドから外れてしまうことを防止できるとともに、雌ネジの加工が容易であり、この掘削ビットを低コストで製作することができる。

ここで、前記雌ネジ切り上げ部におけるネジ谷部分の曲率半径を、前記平行雌ネジ部に形成された雌ネジのネジ谷部分の曲率半径よりも大きくなるように形成することにより、この雌ネジ切り上げ部における肉厚を厚くすることができ、掘削ビットの剛性を確実に向上させることができる。

また、前記雌ネジ切り上げ部の前記中心軸方向長さを、前記平行雌ネジ部のネジピッチＰ以下とすることにより、ネジの螺合に寄与しない雌ネジ切り上げ部が不必要に長くなることがなく、掘削ビットの剛性をさらに向上させることができる。

前述した本発明に係る掘削工具によれば、前述したように剛性を確保した掘削ロッド及び掘削ビットとが螺合されているので、掘削工具にかかる負荷によって掘削ビットが破損することを防止できるとともに、曲げ応力によって掘削ロッドが折損してしまうことを防止できる。したがって、掘削速度を上昇させて効率良く掘削作業を行うことができる掘削工具を提供することができる。

ここで、前記掘削ロッドと前記掘削ビットとを螺合させた状態において、前記平行雄ネジ部の先端と前記雌ネジ切り上げ部の後端との軸線方向距離を、前記雄ネジ切り上げ部の先端と前記平行雌ネジ部の後端との軸線方向距離よりも大きくすることにより、掘削ロッドの平行雄ネジ部先端部分と雌ネジ切り上げ部との噛み込みよりも掘削ビットの平行雌ネジ部後端部分と雄ネジ切り上げ部との噛み込みが優先的に発生することになる。したがって、取付孔の開口部近傍で噛み込みが発生することになり、掘削ビットと掘削ロッドの取り外しなどの処置が比較的容易となる。
また、掘削ビットは岩盤等の被掘削物に直接接触するものであり、その寿命は掘削ロッドに比べて短いものである。したがって、ネジの噛み込みを掘削ビットの平行雌ネジ部で優先的に発生させることで、掘削ロッドの平行雄ネジ部での噛み込みを防止でき、掘削ロッドの寿命延長を図ることができる。また、以上の効果をさらに確実に奏効せしめるためには、掘削ロッドを掘削ビットよりも高硬度に設定することが好ましく、より具体的には、掘削ビットと掘削ロッドとの硬度差をＨＲＣ（ロックウェル硬さＣスケール）６ポイント以上とすることが好ましい。

さらに、前記掘削ロッドの前記取付部の後端側に、前記軸線に垂直な断面における前記軸線からの距離が、後端側に向かうにしたがい漸次大きくなる傾斜面を形成するとともに、前記掘削ビットの前記取付孔の後端側部分に、前記中心軸に垂直な断面における前記中心軸からの距離が、後端側に向かうにしたがい漸次大きくなる斜面を形成し、前記取付部の前記軸線と前記取付孔の前記中心軸とが一致している場合には、前記傾斜面と前記斜面とが離間し、前記軸線と前記中心軸とが交差するように変位した場合には、前記傾斜面と前記斜面とが互いに接触する構成とすることにより、掘削ロッドに曲げ応力が加わって掘削ロッドの軸線と掘削ビットの中心軸とが交差するように変位した際に、傾斜面と斜面とが接触して、掘削ロッドの後端側の外径が大きく剛性が高い部分でこの曲げ応力を受けることができ、曲げ応力による掘削ロッドの折損やネジの破損を確実に防止できる。

したがって、本発明によれば、掘削ロッド及び掘削ビットの剛性を確保することにより、掘削速度を上昇させて掘削作業を効率的に行なうことができるとともに、掘削時の衝撃によって掘削ビットと掘削ロッドとが簡単に外れることがない掘削ロッド、掘削ビット及び掘削工具を提供することができる。

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１に本発明の第１の実施形態である掘削工具を示す。また、図２及び図３に本実施形態である掘削工具に使用される掘削ロッドを示す。さらに、図４及び図５に本実施形態である掘削工具に使用される掘削ビットを示す。
この掘削工具１０は、掘削機械に装着されて岩盤等の被掘削物を掘削するものであり、図１に示すように、被掘削物に直接衝突する掘削ビット３０と、この掘削ビット３０を支持する掘削ロッド２０とで構成されている。

掘削ロッド２０は、図２に示すように、軸線Ｎに沿って延びる六角柱状をなすロッド本体２１と、このロッド本体２１の先端側（図２において右側）に向けて軸線Ｎに沿って延びる取付部２２とで構成されている。
取付部２２は、その先端部分に最も小径とされた小径部２３が形成され、第１拡径部２４を介して平行雄ネジ部２５へと連設され、平行雄ネジ部２５の後端側から第２拡径部２６を介して前記ロッド本体２１へと連なるようにそれぞれ配置されている。

平行雄ネジ部２５の外周面には、ネジピッチＰ１の雄ネジが形成されている。この平行雄ネジ部２５においては、ネジ山の高さ及びネジ谷の深さは一定とされている。なお、平行雄ネジ部２５の軸線Ｎ方向長さＬ１は、ネジピッチＰ１に対してＬ１≧３．８×Ｐ１となるように設定されている。さらに、この取付部２２の先端面から平行雄ネジ部２５の後端までの軸線Ｎ方向長さＬは、平行雄ネジ部２５のネジ谷部分の径Ｄに対して、Ｌ≦２．５×Ｄとなるように設定されている。

平行雄ネジ部２５に形成された雄ネジの後端は、前記第２拡径部２６にかけて形成された雄ネジ切り上げ部２７へと連設されている。
この雄ネジ切り上げ部２７は、図３に示すように、ネジ山部分における軸線Ｎからの距離が後端側に向かうにしたがい漸次拡大するように形成されており、雄ネジ切り上げ部２７におけるネジ谷部分の曲率半径Ｒ２が、前記平行雄ネジ部２５に形成された雄ネジのネジ谷部分の曲率半径Ｒ１よりも大きくなるように設定されている。この雄ネジ切り上げ部２７の軸線Ｎ方向長さはネジピッチＰ１以下とされている。

本実施形態においては、雄ネジの加工を次のようにして行った。切削バイトを固定した状態で、取付部２２を１回転する間に１ピッチ分軸線Ｎ方向に移動させることにより、ネジピッチＰ１の雄ネジを取付部の外周面に形成した。ここで、第２拡径部２６に雄ネジ切り上げ部２７を形成する際には、切削バイトを漸次後退させることで雄ネジの切り上げを行った。
このように雄ネジ切り上げ部２７を形成することにより、第２拡径部２６に形成されるネジ谷の曲率半径Ｒ２は、平行雄ネジ部２５に形成されるネジ谷の曲率半径Ｒ１よりも大きくなるのである。すなわち、第２拡径部２６と平行雄ネジ部２５とがなす角度αとした場合には、平行雄ネジ部２５のピッチＰ１に対して、第２拡径部２６でのピッチＰ２がＰ１／ｃｏｓαと大きくなるため、ネジ谷の曲率半径Ｒ２も大きくなるのである。

そして、この掘削ロッド２０は、その取付部２２が、前述した平行雄ネジ部２５や雄ネジ切り上げ部２７に形成された雄ネジのネジ谷部分を含めて、軸線Ｎに垂直な断面における軸線Ｎからの最小距離が、先端側に比べて後端側が小さくなることがないように形成されている。
また、掘削ロッド２０には、その先端面に開口して軸線Ｌに沿って延びる流体供給孔２８が設けられている。

掘削ビット３０は、図４及び図５に示すように、外形が概略円柱状に形成されており、先端側（図４において右側）部分が、岩盤等の被掘削物に直接衝突して被掘削物を破壊する刃先部３１とされている。この刃先部３１は先端側に向かうにしたがい外径が漸次拡大するように形成されており、その先端面部分には、掘削ビット３０の中心軸Ｃと垂直に交差する中央円形面３２とこの中央円形面３２の外周側に連設されて径方向外側に僅かに傾いたリング状面３３とが配置されている。

中央円形面３２には、超硬合金等の硬質材料からなり先端が半球面状に突出した円柱状のボタンチップ３４が複数埋設されている。さらに、この中央円形面３２には、後述する取付孔４０と連通された流体排出孔３５の開口部３５Ａが複数形成されている。本実施形態では、図５に示すように、３つのボタンチップ３４が周方向に等間隔（１２０°間隔）に配置されるとともに、３つの開口部３５Ａが周方向に等間隔（１２０°間隔）に配置され、ボタンチップ３４と開口部３５Ａとが周方向で交互に配置されている。

リング状面３３には、中央円形面３２に埋設されたボタンチップ３４よりも外径が一段大きな大径ボタンチップ３６が複数埋設されており、この大径ボタンチップ３６がなす円柱の軸線が前記リング状面３３と直交するように配置されている。すなわち、この大径ボタンチップ３６はその半球面を掘削ビット３０先端側かつ径方向外側に向けて配置されているのである。
なお、本実施形態では、図５に示すように、２つの大径ボタンチップ３６を１組とした大径ボタンチップ対３７が周方向に３つ等間隔に配置されている。

これら大径ボタンチップ対３７の間には、径方向内側に凹んで後端側に向けて延びる第１掘削屑排出溝３８が形成されており、大径ボタンチップ対３７をなす２つの大径ボタンチップ３６の間には、前記第１掘削屑排出溝３８よりも深さの浅い第２掘削屑排出溝３９が形成されている。本実施形態では、３つの第１掘削屑排出溝３８が周方向に等間隔（１２０°間隔）に配置されるとともに、３つの第２掘削屑排出溝３９が周方向に等間隔（１２０°間隔）に配置され、第１掘削屑排出溝３８と第２掘削屑排出溝３９とが周方向に交互に配置されている。

この掘削ビット３０には、後端側（図４において左側）に向けて開口して中心軸Ｃに沿って延びる取付孔４０が形成されている。
取付孔４０は、その先端に小径孔４１が形成され、第１拡径孔４２を介して平行雌ネジ部４３へと連設されて第２拡径孔４４を介して、掘削ビット３０の後端面に開口するように構成されている。
平行雌ネジ部４３の内周面には、ネジピッチＰ１の雌ネジが形成されている。この平行雌ネジ部４３においては、ネジ山の高さ及びネジ谷の深さは一定とされている。

平行雌ネジ部４３に形成された雌ネジの先端は、前記第１拡径孔４２から小径孔４１にかけて形成された雌ネジ切り上げ部４５へと連設されている。
この雌ネジ切り上げ部４５は、ネジ谷部分における中心軸Ｃからの距離が先端側に向かうにしたがい漸次縮小するように形成されており、雌ネジ切り上げ部４５におけるネジ谷部分の曲率半径が、前記平行雌ネジ部４３に形成された雌ネジのネジ谷部分の曲率半径よりも大きくなるように設定されている。この雌ネジ切り上げ部４５の中心軸Ｃ方向長さはネジピッチＰ１以下とされている。

そして、この掘削ビット３０は、その取付孔４０が、前述した平行雌ネジ部４３や雌ネジ切り上げ部４５に形成された雌ネジのネジ谷部分を含めて、中心軸Ｃに垂直な断面における中心軸Ｃからの最大距離が、先端側に比べて後端側が小さくなることがないように形成されている。
また、小径孔４１の先端側には、中心軸Ｃに沿って延びて、前記流体排出孔３５に連通された連通孔４６が設けられている。

このような構成とされた掘削ロッド２０と掘削ビット３０とが螺合されることにより、本実施形態である掘削工具１０が構成される。
掘削ビット３０の取付孔４０に掘削ロッド２０の取付部２２が挿入され、平行雌ネジ部４３と平行雄ネジ部２５とを螺合することによって結合され、掘削ロッド２０の軸線Ｎと掘削ビット３０の中心軸Ｃとが一致するように配置される。ここで、掘削ロッド２０の小径部２３の先端面が、掘削ビット３０の小径孔４１の底面に当接され、流体供給孔２８と連通孔４６とが接続される。

この掘削工具１０では、掘削ロッド２０と掘削ビット３０とが螺合された状態において、図１に示すように、平行雄ネジ部２５の先端Ｍ１と雌ネジ切り上げ部４５の後端Ｆ１との軸線Ｎ（中心軸Ｃ）方向距離が、雄ネジ切り上げ部２７の先端Ｍ２と平行雌ネジ部４３の後端Ｆ２との軸線Ｎ（中心軸Ｃ）方向距離よりも大きくなるように設定されている。 なお、本実施形態では、掘削ロッド２０の硬度を掘削ビット３０の硬度よりも高く設定しており、その硬度差はＨＲＣ６ポイント以上とされている。

このように構成された掘削工具１０は、掘削ロッド２０の後端側が図示しない掘削機械に装着され、掘削機械に備えられた打撃装置によって駆動され、掘削ロッド２０が軸線Ｎ回り回転されつつ打撃力ならびに推力を与えられる。この回転、打撃力及び推力が掘削ロッド２０から掘削ビット３０へと伝達され、掘削ビット３０が中心軸Ｃ回りに回転しつつ岩盤等の被掘削物へと衝突する。こうして、掘削ビット３０の先端部分に埋設され、超硬合金等の硬質材料で構成されたボタンチップ３４及び大径ボタンチップ３６によって被掘削物を破壊して掘削するのである。

このとき、掘削機械から流体供給孔２８を通じて流体が供給され、この流体が連通孔４６を介して掘削ビット３０先端の流体排出孔３５から排出され、掘削屑を第１掘削屑排出溝３８及び第２掘削屑排出溝３９を通じて外部へと排出することになる。
このように掘削ビット３０に推力を与えながら、被掘削材へと繰り返し衝突させることにより、掘削ビット３０及び掘削ロッド２０には、衝突に対する反力が掘削工具に負荷される。

本実施形態である掘削工具１０によれば、掘削ロッド２０の取付部２２が、軸線Ｎに垂直な断面における軸線Ｎからの最小距離が、先端側に比べて後端側が小さくなることがないように形成されているので、掘削時に掘削ロッド２０に加わる曲げ応力が大きくなる掘削ロッド２０後端側部分での外径を確保できるとともに、剛性が不足するようなヌスミ部が形成されていないので、前記曲げ応力によって掘削ロッド２０が折損することを防止できる。

さらに、掘削ビット３０の取付孔４０が、中心軸Ｃに垂直な断面における中心軸Ｃからの最大距離が、先端側に比べて後端側が小さくなることがないように形成されているので、掘削時に掘削ビット３０に加わる負荷が最も大きい掘削ビット３０先端側部分において掘削ビット３０の肉厚を確保できるとともに、剛性が不足するようなヌスミ部が形成されていないので、前記負荷によって掘削ビット３０が破損することを防止できる。

このように掘削ロッド２０及び掘削ビット３０の剛性が確保されているので、この掘削工具１０による掘削速度を上昇させて負荷が大きくなっても、掘削ロッド２０及び掘削ビット３０の折損及び破損を防止でき、掘削作業を効率的に行うことができる。

また、掘削ロッド２０と掘削ビット３０とが、平行雄ネジ部２５及び平行雌ネジ部４３が螺合することで結合されているので、掘削時の衝撃によって掘削ビット３０と掘削ロッド２０とが離間するような力が作用した場合でも、この掘削ビット３０と掘削ロッド２０とが簡単に外れてしまうことを防止できる。また、雌ネジ及び雄ネジの加工が容易であるので、掘削ビット３０及び掘削ロッド２０を低コストで製作することができる。

また、前記掘削ロッド２０においては、雄ネジ切り上げ部２７が第２拡径部２６にかけて形成されているので、この雄ネジ切り上げ部２７部分の外径を確保することができ、掘削ロッド２０の剛性をさらに向上させることができる。
さらに、雄ネジ切り上げ部２７におけるネジ谷部分の曲率半径Ｒ２が、平行雄ネジ部２５に形成された雄ネジのネジ谷部分の曲率半径Ｒ１よりも大きくされているので、この雄ネジ切り上げ部２７における切欠部分を小さくすることができ、掘削ロッド２０の剛性を確実に向上させることができる。

また、雄ネジ切り上げ部２７の軸線Ｎ方向長さがネジピッチＰ１以下とされているので、ネジの螺合に寄与しない雄ネジ切り上げ部２７が必要以上に長くならず、掘削ロッド２０の剛性を一層向上させることができる。

また、平行雄ネジ部２５の軸線Ｎ方向長さＬ１がネジピッチＰに対して、Ｌ１≧３．８０×Ｐ１となるように設定されているので、平行雄ネジ部２５におけるネジ山の数を確保して、ひとつのネジ山に作用する荷重を抑えることができる。したがって、平行雄ネジ部２５におけるネジの早期磨耗や締め付けトルクによる応力集中を分散でき、この掘削ロッド２０の寿命延長を図ることができる。
さらに、取付部２０の先端面から平行雄ネジ部２５後端までの軸線Ｎ方向長さＬが、平行雄ネジ部２５のネジ谷径Ｄに対して、Ｌ≦２．５×Ｄに設定されているので、平行雄ネジ部２５後端のネジ谷部分に負荷される曲げ応力を抑えることができ、平行雄ネジ部２５における折損を防止することができる。

また、前記掘削ビット３０においては、雌ネジ切り上げ部４５が第１拡径孔４２から小径孔４１にかけて形成されているので、この雌ネジ切り上げ部４５部分の肉厚を確保することができ、掘削ビット３０の剛性をさらに向上させることができる。
さらに、雌ネジ切り上げ部４５におけるネジ谷部分の曲率半径が、平行雌ネジ部４３に形成された雌ネジのネジ谷部分の曲率半径よりも大きくされているので、この雌ネジ切り上げ部４５に形成される切欠部分を小さくして肉厚を厚くすることができ、掘削ビット３０の剛性を確実に向上させることができる。

また、雌ネジ切り上げ部４５の中心軸Ｃ方向長さがネジピッチＰ１以下とされているので、ネジの螺合に寄与しない雌ネジ切り上げ部４５が必要以上に長くならず、掘削ビット３０の剛性を一層向上させることができる。

また、前記掘削ロッド２０と前記掘削ビット３０とを螺合させた状態において、平行雄ネジ部２５の先端Ｍ１と雌ネジ切り上げ部４５の後端Ｆ１との軸線Ｎ（中心軸Ｃ）方向距離が、雄ネジ切り上げ部２７の先端Ｍ２と平行雌ネジ部４３の後端Ｆ２との軸線Ｎ（中心軸Ｃ）方向距離よりも大きくされているので、掘削ロッド２０の平行雄ネジ部２５先端部分と雌ネジ切り上げ部４５との噛み込みよりも掘削ビット３０の平行雌ネジ部４３後端部分と雄ネジ切り上げ部２７との噛み込みが優先的に発生することになる。
したがって、掘削ロッド２０の平行雄ネジ部２５の噛み込みを防止して、この掘削ロッド２０のさらなる寿命延長を図ることができる。また、ネジの噛み込みが取付孔４０の開口部近傍で発生するので、掘削ロッド２０と掘削ビット３０の取り外しなどの処置が比較的容易にできる。さらに、本実施形態では、掘削ロッド２０の硬度が掘削ビット３０の硬度よりもＨＲＣ６ポイント以上高くなるように設定されているので、平行雄ネジ部２５の噛み込みを確実に防止することができる。

次に、本発明の第２の実施形態である掘削工具１０について説明する。なお、第１の実施形態と共通する部分には同じ符号を付す。
この第２の実施形態である掘削工具１０では、掘削ロッド２０は第１の実施形態と同じものであり、掘削ビット３０のみが異なっている。図６に、第２の実施形態である掘削工具１０を示す。図７に、この掘削工具１０を構成する掘削ビット３０を示す。

この掘削ビット３０においては、取付孔４０の第２拡径孔４４のさらに後端側に内径が一定とされた定径孔４７が形成され、この定径孔４７の後端側に第３拡径孔４８が形成され、掘削ビット３０の後端面に開口されている。この第３拡径孔４８の内周面が後端側に向けて拡径する角度は、前記掘削ロッド２０の第２拡径部２６の外周面が後端側に向けて拡径する角度と同一とされている。

この掘削ビット３０が前記掘削ロッド２０と螺合されて、掘削工具１０が構成される。掘削ロッド２０の軸線Ｎと掘削ビット３０の中心軸Ｃとが一致している場合には、図７に示すように、掘削ビット３０の第３拡径孔４８の内周面と、掘削ロッド２０の第２拡径部２６の外周面とは離間するように配置される。

この構成の掘削工具１０においては、掘削工具１０にかかる負荷によって掘削ロッド２０に曲げ応力が加わり、掘削ロッド２０の軸線Ｎと掘削ビット３０の中心軸Ｃとが交差するように変位した際に、掘削ビット３０の第３拡径孔４８の内周面と掘削ロッド２０の第２拡径部２６の外周面とが接触して、掘削ロッド２０の後端側の外径が大きく剛性が高い部分でこの曲げ応力を受けることができる。したがって、曲げ応力による掘削ロッド２０の折損やネジの破損を確実に防止することができる。

以上、本発明の実施形態である掘削工具について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、取付部の形状については、本実施形態に限定されることはなく、軸線Ｎに垂直な断面における軸線Ｎからの最小距離が先端側に比べて後端側が小さくなることがないように形成されていればよい。
同様に、取付孔の形状についても、本実施形態に限定されることはなく、中心軸Ｃに垂直な断面における中心軸Ｃからの最大距離が、先端側に比べて後端側が小さくなることがないように形成されていればよい。

また、掘削ロッドのロッド本体を６角柱状のものとして説明したが、これに限定されることはなく、ロッド本体が円柱状のものであってもよい。
掘削ビットの先端面に配置されたボタンチップ及び大径ボタンチップのサイズ、個数、配置についても、本実施形態に限定されることはなく、掘削工具の外径や被掘削物等を考慮して、適宜設定することが好ましい。

また、本実施形態で説明した掘削ロッドに、他の掘削ビットを螺合して掘削工具を構成してもよい。この場合においても、掘削ロッドの剛性が確保されているので、掘削速度を上昇させて効率の良い掘削作業を行うことができるとともに、折損事故の発生を抑制できる。

以下に、本発明における平行雄ネジ部の長さＬ１について検討した結果を説明する。
掘削ロッドの剛性を考慮した場合、掘削ロッドの外周面を切り欠くことになる平行雄ネジ部の長さＬ１は短い方がよい。特に、掘削時に曲げ荷重が負荷される先端部分からの長さが長くその外径が小さな部分で応力は最も大きくなって折損することになるために、ネジ谷が形成される平行雄ネジ部の長さは短いほうがよい。
一方、回転力や推力によって負荷される軸線方向の荷重はネジ山部分に作用することになるが、ネジ山ひとつあたりに加わる荷重を考慮した場合、ネジ山の数が多い方が好ましく、平行雄ネジ部の長さＬ１が長い方がよいことになる。

そこで、平行雄ネジ部の長さとネジ山部分に加わる軸方向荷重及び掘削ロッドに加わる曲げ荷重によって生じる最大応力についてＦＥＭ解析を行った。
ＦＥＭ解析においては、平行雄ネジ部の長さＬ１は、汎用されている３４ｍｍと４９ｍｍとの２条件とした。また、ネジピッチＰ１は１２．７とした。このモデルに軸方向荷重ならびに曲げ荷重を負荷した際の最大応力をそれぞれ算出し、その結果を線形近似した。解析結果を図８に示す。

図８に示すように、軸方向荷重を負荷した場合には、平行雄ネジ長さＬ１が大きくなるにしたがい最大応力が急激に小さくなる。一方、曲げ荷重を負荷した場合には、平行雄ネジ長さＬ１が大きくなるにしたがい最大応力が緩やかに大きくなる。つまり、平行雄ネジ部の長さＬ１に対しては、曲げ荷重による応力よりも軸方向荷重による応力の方がより影響を受けることになる。
この解析結果から、曲げ荷重による応力と軸方向荷重による応力とを考慮すると、ネジピッチＰ１＝１２．７の場合には、平行雄ネジ長さＬ１が４８．２６（３．８×Ｐ１）以上となるように設定することが好ましいことが確認された。

本発明の第１の実施形態である掘削工具の側面断面図である。 図１に示す掘削工具を構成する掘削ロッドの側面図である。 図２に示す掘削ロッドの雄ネジ切り上げ部の説明図である。 図１に示す掘削工具を構成する掘削ビットの側面断面図である。 図４に示す掘削ビットの先端面図である。 本発明の第２の実施形態である掘削工具の側面断面図である。 図６に示す掘削工具を構成する掘削ビットの側面断面図である。 ＦＥＭ解析結果を示す図である。

符号の説明

１０ 掘削工具
２０ 掘削ロッド
２２ 取付部
２５ 平行雄ネジ部
２６ 第２拡径部
２７ 雄ネジ切り上げ部
３０ 掘削ビット
４０ 取付孔
４２ 第１拡径孔
４３ 平行雌ネジ部
４５ 雌ネジ切り上げ部

Claims (8)

1. 先端に向けて突出して軸線に沿って延びる取付部を有し、該取付部は、前記軸線に垂直な断面における前記軸線からの最小距離が一定とされた平行雄ネジ部と、該平行雄ネジ部の後端側に連なり前記最小距離が拡大する雄ネジ切り上げ部とを備え、先端側から後端側に向けて前記最小距離が小さくなることがないように形成され、
   前記雄ネジ切り上げ部の後端が、前記軸線からの距離が前記平行雄ネジ部から後端側に向けて漸次拡大するように形成され、
   前記雄ネジ切り上げ部におけるネジ谷部分の曲率半径が、前記平行雄ネジ部に形成された雄ネジのネジ谷部分の曲率半径よりも大きくされていることを特徴とする掘削ロッド。
2. 前記雄ネジ切り上げ部の前記軸線方向長さが、前記平行雄ネジ部のネジピッチＰ以下であることを特徴とする請求項１に記載の掘削ロッド。
3. 前記取付部の先端面から前記平行雄ネジ部後端までの前記軸線方向長さが、前記平行雄ネジ部のネジ谷径Ｄに対して２．５×Ｄ以下であるとともに、
   前記平行雄ネジ部の前記軸線方向長さが、前記平行雄ネジ部のネジピッチＰに対して３．８×Ｐ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の掘削ロッド。
4. 後端に向けて開口して中心軸に沿って延びる取付孔を有し、該取付孔は、前記中心軸に垂直な断面における前記中心軸からの最大距離が一定とされた平行雌ネジ部と、該平行雌ネジ部の先端側に連なり前記最大距離が縮小する雌ネジ切り上げ部とを備え、先端側から後端側に向けて前記最大距離が小さくなることがないように形成され、
   前記雌ネジ切り上げ部の先端が、前記中心軸からの距離が前記平行雌ネジ部よりも縮小するように形成され、
   前記雌ネジ切り上げ部におけるネジ谷部分の曲率半径が、前記平行雌ネジ部に形成された雌ネジのネジ谷部分の曲率半径よりも大きくされていることを特徴とする掘削ビット。
5. 前記雌ネジ切り上げ部の前記中心軸方向長さが、前記平行雌ネジ部のネジピッチＰ以下であることを特徴とする請求項４に記載の掘削ビット。
6. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の掘削ロッドの前記平行雄ネジ部と、請求項４または請求項５に記載の記掘削ビットの前記平行雌ネジ部とが螺合することにより構成されたことを特徴とする掘削工具。
7. 前記掘削ロッドと前記掘削ビットとを螺合させた状態において、
   前記平行雄ネジ部の先端と前記雌ネジ切り上げ部の後端との前記軸線方向距離が、前記雄ネジ切り上げ部の先端と前記平行雌ネジ部の後端との前記軸線方向距離よりも大きくされていることを特徴とする請求項６に記載の掘削工具。
8. 前記掘削ロッドの前記取付部の後端側部分には、前記軸線に垂直な断面における前記軸線からの距離が、後端側に向かうにしたがい漸次大きくなる傾斜面が形成され、
   前記掘削ビットの前記取付孔の後端側部分には、前記中心軸に垂直な断面における前記中心軸からの距離が、後端側に向かうにしたがい漸次大きくなる斜面が形成され、
   前記取付部の前記軸線と前記取付孔の前記中心軸とが一致している場合には、前記傾斜面と前記斜面とが離間し、前記軸線と前記中心軸とが交差するように変位した場合には、前記傾斜面と前記斜面とが互いに接触することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の掘削工具。

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