JP6474885B2 - 積層造形されるロータリー切削ユニット用アンビル - Google Patents

Description

［０００１］本発明は、外表面の少なくとも一部が耐摩耗材料で覆われているロータリー切削ユニットのアンビルと、その作製方法に関する。

［０００２］ロータリーカッターのアンビルは、例えばむくバイト若しくは高速度鋼（ＨＳＳ）、低若しくは中炭素鋼から作製されたシャフト上に装着されたＨＳＳ若しくは工具鋼のリング、溶接若しくは他の固定法（ねじ、焼き嵌め、接着剤など）により中空シャフトに装着されたＨＳＳ若しくは工具鋼のリング、溶接、ろう付け、焼き嵌め、ねじ及び／又は接着剤により取り付けられた二つの別個のシャフト端部に装着されたＨＳＳのリング、ボール若しくはローラーベアリング上に直接装着されたＨＳＳ若しくは工具鋼のリング、又はローラーによりロータリーカッターに押し付けられるＨＳＳ若しくは工具鋼のリングから作製することができる。

［０００３］上記アンビルの一つの問題は、必要となる貴金属及び／又は高額材料の量である。アンビルの作業領域において必要な例えば鋼の層は一つのみであるが、例えば、固体アンビルの重量は２０から１５０ｋｇとなり、材料費の大部分を占める場合がある。

［０００４］このような状況は、リングを形成するために、ボアを中心に有する固体の丸棒を開始材料とすることが必要な製造に関して、工具鋼又はＨＳＳリングの場合さらに悪化する。高速度鋼の場合、丸い材料の入手可能性に関する問題も存在し、例えば２５０ｍｍを上回る大きな直径のものはあまり提供されない。

［０００５］管の場合、特定の生産のための調達時間が極めて長く（６から８ヶ月）、市場が要求する高い反応性と適合しない。

［０００６］さらに、連続して使用した後にはアンビルを再研削する必要がある。しかしながら、特定回数の研削後に、アンビルは使用不能となりうる。したがって、アンビルの作業領域を再表面加工することにより、使用済みアンビルをリサイクルする必要がある。

［０００７］一実施態様では、本発明による方法は、外表面を有するシャフトを提供する工程、耐摩耗粉末材料を外表面の少なくとも一部に適用する工程、及び耐摩耗粉末材料を加熱して外表面の少なくとも一部の上の少なくとも一つの層に融合させる工程を含む。

［０００８］本発明の実施態様によれば、シャフトは、低炭素鋼、中炭素鋼及び工具鋼からなる群より選択される材料から作製することができる。

［０００９］本発明の実施態様によれば、方法は、シャフトに複数のアパーチャを機械加工してその重量を低減する工程をさらに含むことができる。

［０００１０］本発明の実施態様によれば、耐摩耗粉末材料は、工具鋼粉末、高速工具粉末及び超硬合金粉末からなる群より選択することができる。

［０００１１］本発明の実施態様によれば、耐摩耗粉末材料を加熱する工程は、レーザービームを適用して耐摩耗粉末材料を溶解させ、シャフトの外表面の少なくとも一部に融合させることを含むことができる。

［０００１２］本発明の実施態様によれば、耐摩耗粉末材料は、粉末の混合物とすることができる。

［０００１３］本発明の実施態様によれば、耐摩耗材料は、予合金化された粉末材料のワイヤとすることができ、加熱する工程は、アークを供給して予合金化粉末材料を溶解させ、少なくとも一つの層に融合させることを含むことができる。

［０００１４］本発明の実施態様によれば、少なくとも一つの層は０．５から１５ｍｍの厚みを有することができる。

［０００１５］本発明の実施態様によれば、少なくとも二つの層を互いに連続して重ね合わせることができる。

［０００１６］本発明の実施態様によれば、少なくとも一つの層は、その中に機械加工された少なくとも一つの溝を含むことができる。

［０００１７］本発明の実施態様によれば、少なくとも一つの層は、シャフトの外表面全体に配置することができる。

［０００１８］本発明の実施態様によれば、少なくとも一つの層は、シャフトの複数の作業部分の上に配置することができる。

［０００１９］本発明の実施態様によれば、方法は、シャフトの少なくとも一部の上に少なくとも一つの層を形成した後でシャフトを加熱する工程をさらに含むことができる。

［０００２０］本発明の実施態様によれば、方法は、シャフトの外表面上に融合させる少なくとも一つの層を機械加工する工程をさらに含むことができる。

［０００２１］本発明の実施態様によれば、耐摩耗材料は５５から７０ＨＲＣの硬度を有することができる。

［０００２２］別の実施態様では、ロータリー切削ユニットのアンビルは、外表面を有するシャフト、及びシャフトの外表面の少なくとも一部に適用された少なくとも一つの被覆層を含む。

［０００２３］また別の実施態様では、ロータリー切削ユニットは、フレーム上に回転可能に配置されたロータリーカッター、及びフレーム上に装着されたアンビルを含む。アンビルは、外表面を有するシャフト、及びシャフトの外表面の少なくとも一部に適用された少なくとも一つの被覆層を含む。

［０００２４］前述の要約と以下の実施態様の詳細な説明とは、添付図面と関連付けて読むことによってより良く理解されるであろう。説明される実施態様は、示されるとおりの正確な配置や道具に限定されるものではないことを理解されたい。

［０００２５］ロータリー切削ユニットの斜視図である。 ［０００２６］本発明によるアンビルの斜視図である。 ［０００２７］アンビルの別の実施態様の断面図である。 ［０００２８］アンビルのまた別の実施態様の斜視図である。 ［０００２９］アンビルのまた別の実施態様の斜視図である。 ［０００３０］本発明によるアンビルの別の実施態様の断面図である。 ［０００３１］本発明の方法のフロー図である。

［０００３２］典型的に、ロータリー切削装置はロータリーカッターとアンビルを含む。図１に示すように、切削ユニット１０は、フレーム１６に回転可能に配置されたロータリーカッター１４の切削ゾーンと協働するアンビル１２を有する。アンビル１２が回転式でも固定式でもよいことを理解されたい。さらに、アンビル１２はフレーム内においてロータリーカッター１４の上方に配置されてもよい。

［０００３３］図２は、本発明によるアンビル１２の第１の実施態様を示す。アンビル１２は、表面を硬化させたか、浸炭させたか、又はカルボニトロ化された鋼、例えば低炭素鋼（典型的には１５ＣｒＭｏ５又は２０ＭｎＣｒ５）、焼き入れ及び焼き戻しされた中炭素鋼（例として３０ＣｒＮｉＭｏ８又は４５ＮｉＣｒＭｏｌ６）、場合によっては熱処理されたステンレス鋼（例として１７−４ＰＨ）から作製されたシャフト２０を含む。別の構成では、シャフト２０は、４０ＣｒＭｎＭｏ８、５５ＮｉＣｒＭｏＶ７、９０ＭｎＣｒＶ８、１００Ｃｒ６又は場合によってはＤ２鋼といった工具鋼から作製することができる。これら鋼のいくつかは、必要に応じて、予め硬化されたものであっても、又は焼き入れ及び焼き戻しされたものであってもよい。

［０００３４］シャフト２０は、切削ユニット内にシャフトを回転可能に支持するためのローラーベアリング又はボールベアリング（図示しない）を支持するために十分に硬い二つの端部２２を有する。低炭素鋼又は中炭素鋼から作製されたシリンダー２４をシャフト２０に焼き嵌めすることができる。

［０００３５］図３に示すように、別の構成では、シャフトは、ねじ、焼き嵌め、圧入、溶接、ろう付け又は方法の組み合わせといった固定方式を介して取り付けられたシャフト端２８を有する中空シャフト２６とすることができる。シャフト端２８は、焼き入れされた鋼又は切削ユニットにアンビルを装着するためにローラーベアリング若しくはボールベアリング（図示しない）を支持するのに十分に硬い他のいずれかの材料から作製することができる。

［０００３６］図２及び３に示すように、シリンダー２４又はシャフト２６は、５５〜７０ＨＲＣの硬度を有する耐摩耗材料から作製された少なくとも一つの被覆層 ３０の基部となることができる。本明細書にさらに詳細に記載するように、耐摩耗粉末材料の層又は予合金化材料のワイヤが、シリンダー２４又はシャフト２６の外表面１８を被覆する。本明細書において使用する場合、予合金化材料は、粉末状材料として噴霧される前、又はワイヤ形状に押出成形されるか若しくは引き出される前に、調製及び合金化された材料である。したがって、材料の段階の大部分がアンビル上に被覆される前に存在するが、いくつかの拡散現象及び冶金学的変態は方法の間に発生し続けると思われる。

［０００３７］被覆層の材料の組み合わせは、主にニッケルベースとすることができる。クロム、バナジウム及びチタンを０から２０重量％で加えることができる。例えば、重量％でＣｒ１５％、Ｆｅ４％、Ｓｉ４．２５％、Ｂ３％、Ｃｏ７％及び残りのＮｉからなる組成を有するＮｉベースの合金は６０ＨＲＣに達し、完全に緻密である。別の例として、Ｎｉ、Ｃｒ１７％、Ｓｉ４％、Ｆｅ４％、Ｂ３．５％及びＣ１％も可能である。上記はどちらも市販されている。

［０００３８］構成成分は、金属形態で存在しても、合金化されていてもいなくても、炭化物相で炭素と結合していてもよい。鉄、シリコン、ホウ素、マンガン、銅、アルミニウム、モリブデン、タングステン、タンタル及びニオブを０から８重量％の範囲で加えることができ、それらは金属形態で存在しても、合金化されていてもいなくても、炭化物相で炭素と結合していてもよい。炭素は、固溶体又は炭化物相で０．１から２％の範囲で存在する。

［０００３９］本明細書において使用される用語「被覆」又は「被覆加工」は、粉末又はワイヤの原材料を溶解させ、レーザー、アーク、プラズマアーク、誘導プラズマ、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）又は場合によっては単純に熱源としての火炎の使用により圧密化することにより表面を適用材でコーティングする、材料堆積法を指す。

［０００４０］任意選択的なフィーチャを、被覆層３０上に研削又は機械加工することができ、例えば、アンビルがロータリーカッターによって駆動されるときの後面の油汚染を防止するための溝３４を設けることができる。

［０００４１］図２及び３に示すように、被覆層３０を、シリンダー２４又はシャフト２８の外表面１８全体に適用することができる。別の構成では、図４に示すように、被覆層３０は、シャフト又はシリンダーの事前に選択された作業領域３２に適用することができる。このように、耐摩耗材料の使用は、被覆を有さない非切削領域を含むアンビルの特定領域に限定することができる。

［０００４２］図５の実施態様を参照すると、中央領域及び二つの側方領域３２は耐摩耗材料で被覆することができ、シリンダー２４の残りの部分は耐摩耗材料を含まない。さらに、図６に示すように、シャフト２８は、被覆に先立ち複数のアパーチャ３６をその中に設けるなどの機械加工作業により軽量化することができる。

［０００４３］上述のように、本発明の方法を使用して、必要な部分にのみ耐摩耗材料が使用され、かつ基部のシャフトが再利用可能な、ロータリー切削ユニット用のアンビルを製造することができる。図７に示すように、方法４０は、例えば、シリンダー２４を含むシャフト２０又は中空シャフト２６を提供するステップ４２を含む。シャフトは円筒形の外表面を有する。シャフトは、好ましくは、中炭素鋼又は低炭素鋼であるが、工具鋼が使用されてもよい。

［０００４４］ステップ４４では、耐摩耗粉末材料を、外表面の少なくとも一部に適用することができる。上述のように、耐摩耗材料は粉末又はワイヤとすることができる。これは耐摩耗性の強靭な材料、例えば上述のようなＮｉベースの合金又は予合金化材料から作製される。或いは、耐摩耗材料は、鋼の場合には予合金化ワイヤの形状で供給されてもよい。

［０００４５］耐摩耗材料は、例えば積層造形（ＡＬＭ）法を用いて、外表面の少なくとも一部の上の少なくとも一つの層に融合させるため、ステップ４６において、シャフトの外表面に噴霧すると同時に加熱する。

［０００４６］ＡＬＭは、金属材料を溶解させて基部構造に融合させるレーザービームを用いることによって材料を堆積させるために使用される。その後の層を互いに重ね合わせることにより、構造コンポーネントをつくることができる。レーザーのパルスにより、層の厚みと幅を制御することができる。

［０００４７］上述のように、耐摩耗材料と熱源、例えばレーザーを、アンビルのシャフト上において所望の位置に向けて方向付けることにより、耐摩耗材料をシャフトの外表面上の所定の位置に適用することができる。

［０００４８］表面硬化及びその他の技術を使用して層を形成することができることを理解されたい。レーザー、プラズマ、ＨＶＯＦ若しくはアーク、又は単純な火炎を熱源として使用することができる。

［０００４９］微細構造を改善するために、開始粉末及び被覆加工パラメーターを制御することができる。加熱力、材料の流速、表面までの距離、衝突速度及び堆積速度といったパラメーターが、品質（ひび割れ、孔、酸化物含有量）を管理するために重要である。保護ガスのような追加的フィーチャ、及びシャフトの予熱を用いて、層の品質を制御することができる。保護ガスは、気体の形態で直接供給することができるか、又は粉末又はコアとなるワイヤ中に存在する前駆体から得ることができる。他のフィーチャが使用可能であり、本発明はこれらに特に限定されることはないこと、そうではなく、当業者に既知のものを含むことを理解されたい。

［０００５０］開始粉末に関し、粒度分布の制御を、堆積法に適合させることができる。ワイヤに関し、その直径は方法に適切なものである必要がある。さらに、マクロ孔又はミクロ孔などが研削により現れる場合、これは切削に影響すると考えられる。例えば、異なる種類の不織布を切断するために、いくつかの種類のアンビルが使用される。これらのうちのいくつかは、１０μの薄い繊維から作製され、孔の存在が、切断圧力が繊維にかかることを防止する。

［０００５１］被覆層の厚みは０．５から１５ｍｍまで変動しうる。最も厚い部分では通常、そのような厚みに到達するまで複数層の耐摩耗材料を被覆することが必要である。

［０００５２］被覆材によっては、冶金的品質及び寸法的安定性（例えば焼き戻し作業のため）を保証するために、相補的かつ適切な熱処理を有することも重要でありうる。

［０００５３］仕上げ作業、典型的には研削を、被覆層に対して実施し、その幾何学的寸法を完全にすることができる。上述のように、溝又は他のフィーチャをその上に形成することができる。

［０００５４］管を形成し、次いで管を焼き嵌め又は他の方法によりシャフト又はシリンダー上に装着するために、本発明の方法を層の被覆に使用できることを理解されたい。

［０００５５］上述のようにＡＬＭ法によりアンビルを形成することは、大きな利点を提供する。例えば、貴金属の耐摩耗材料が必要な部分にのみ使用され、基部シャフトを再利用することができる。即ち、アンビルが使用済みでそれ以上切削できないとき、シャフト／シリンダーを再研削して表面を再生し、さらに使用することが可能である。このように、貴金属の耐摩耗材料の層が完全に除去されるまで、アンビルを複数回にわたって再研削することができる。その後、シャフトを再被覆し、研削して、シャフトに新たな耐用年数を与えることが可能である。

［０００５６］本発明の実施態様について、特定の態様に関連して説明したが、他の多くの変形例及び修正例、並びに他の使用が当業者には明白であろう。したがって、好ましくは、本発明の実施態様は、本明細書の特定の開示内容によってではなく、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (17)

1. ロータリー切削ユニット用のアンビルの製造方法であって、
   外表面を有するシャフトを提供する工程、及び
   前記外表面の少なくとも一部に耐摩耗粉末材料を適用する工程、
   耐摩耗粉末材料を溶解させ、かつ圧密化して、前記外表面の少なくとも一部に適用される少なくとも一つの被覆層とする工程
   を含み、被覆層が、前記外表面の少なくとも一部上に融合する、方法。
2. シャフトが、低炭素鋼、中炭素鋼及び工具鋼からなる群より選択される材料から作製される、請求項１に記載の方法。
3. シャフトに複数のアパーチャを機械加工してその重量を低減する工程をさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 耐摩耗粉末材料が、工具鋼粉末、高速度鋼粉末及び超硬合金粉末の群より選択される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 耐摩耗粉末材料を溶解させ、かつ圧密化する工程が、レーザービームを適用して耐摩耗粉末材料を溶解させ、かつ圧密化することを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 耐摩耗粉末材料が粉末の混合物である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 耐摩耗粉末材料が、予合金化粉末材料のワイヤであり、溶解させ、かつ圧密化する工程が、アークを供給して予合金化粉末材料を溶解させ、予合金化粉末材料を圧密化して少なくとも一つの被覆層とすることを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
8. 少なくとも一つの被覆層が０．５から１５ｍｍの厚みを有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 少なくとも二つの被覆層を互いに連続して重ね合わせる、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 少なくとも一つの被覆層が、その中に機械加工された少なくとも一つの溝を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 少なくとも一つの被覆層を、シャフトの外表面全体の上に配置する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 少なくとも一つの被覆層を、シャフトの複数の作業部分の上に配置する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 少なくとも一つの被覆層を形成した後でシャフトを加熱する工程をさらに含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. シャフトの外表面上の少なくとも一つの被覆層を機械加工する工程をさらに含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 耐摩耗粉末材料が５５から７０ＨＲＣの硬度を有する、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 少なくとも一つの被覆層がシャフトの外表面と接触している、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法により作製されたアンビルを備えるロータリー切削ユニットの製造方法。

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