JP6487277B2 - 先行カッタービット - Google Patents

Description

本発明は、シールド掘進機で掘削を開始する発進立坑や掘削を終了する到達立坑の側壁の高強度のＮＯＭＳＴ壁と地山の切削、掘削に供する先行カッタービットに関する。

発進立坑や到達立坑の側壁に採用されるＮＯＭＳＴ壁は、ＣＦＲＰ等の強化繊維で補強した高強度のコンクリート壁であり、従来のＮＯＭＳＴ壁切削用の先行カッタービットには、ＮＯＭＳＴ壁を切削するため鋭利な切削刃と逃げ角とすくい角とを有する超硬チップが採用されている。例えば、図６に示す先行カッタービット１００は、従来の一般的なＮＯＭＳＴ壁切削用のカッタービットであり、カッターフレームに固定される工具鋼製の本体部材１０１と、この本体部材１０１に固定された超硬チップ１０２，１０３と、本体部材１０１の基部の中段部の外表面に形成した肉盛り層１０４等を有するものである。

特許文献１の図１に記載の切削ビット（カッタービット）は、ほぼ台形状の母材の頂部に櫛の歯状の１０枚の保持壁を間隔を空けて形成し、これら各対の保持壁の間に小型の三角形板状の超硬チップを計１１枚装着して母材にロウ付けにて固定している。

１１枚の超硬チップのうち中央側の７枚の超硬チップの切込み側先端は同一面に位置し、それらの両隣りの２枚の超硬チップの切込み側先端は一段後退した位置に設定され、両端の２枚の超硬チップの切込み側先端は二段後退した位置に設定されている。

発進立坑のＮＯＭＳＴ壁や地山の他に、到達立坑のＮＯＭＳＴ壁も掘削可能にするため、切込み方向に段差を付けて複数の超硬チップを配置して、段数効果による超硬チップの延命化を図る技術も公知である。尚、以下の説明において「掘削」は「切削」と「掘削」の両方を含む意味で用いる。

特開２０１３−２１３３６５号公報

図６に示す従来の先行カッタービットは、回転軌跡の周方向のビット幅が小さく、超硬チップの数も少ないため、発進立坑のＮＯＭＳＴ壁を掘削する際に大部分が摩耗してしまうため、地山掘削時にも殆ど機能せず、到達立坑のＮＯＭＳＴ壁の掘削時には全く機能しない場合が多い。カッタービットに形成された逃げ角は、掘削物をカッターフレーム側へ逃がすように形成されていて、掘削物をカッターヘッドの径方向へ逃がす機能がないため、カッタービットで掘削した掘削溝と掘削溝の間の未掘削部に径方向圧壊力を作用させる機能に乏しく、掘削性能を高めることが難しい。

特許文献１のカッタービットでは、比較的多くの超硬チップが装備されるけれども、個々の超硬チップが小型で周方向の厚さも小さいものであるため、発進立坑のＮＯＭＳＴ壁の掘削と地山の掘削とで大部分の超硬チップが摩耗してしまい、到達立坑のＮＯＭＳＴ壁の掘削が困難になるものと推定される。

複数の超硬チップを切込み方向に段差を付けて配置して、段数効果による超硬チップの延命化を図る場合、地山に硬質の礫等を含むような場合には、発進立坑のＮＯＭＳＴ壁と地山の掘削時に全ての超硬チップが摩耗してしまい、到達立坑のＮＯＭＳＴ壁の掘削が困難になるため、耐摩耗性と信頼性に欠けるという問題がある。

本発明の目的は、耐摩耗性と掘削性能と信頼性に優れる強化型の先行カッタービットを提供することである。

請求項１の先行カッタービットは、シールド掘進機の回転式カッターヘッドのカッターフレームの幅方向中央部に装備されてＮＯＭＳＴ壁と地山の掘削に供される先行カッタービットにおいて、回転軌跡の周方向に細長く且つ正面視にて等脚台形的形状をなす本体部材と、この本体部材に固定された板片状の複数の超硬チップとを備え、前記本体部材は、カッターフレームに固定される本体基部と、この本体基部から切込み方向へ所定長さ延びる複数の保持壁であって、隣接する保持壁間に周方向と交差する方向へ直線的に延びる所定隙間を形成する複数の保持壁とを備え、前記複数の超硬チップは、複数の前記所定隙間に夫々装着されて両隣りの保持壁と本体基部に固定された複数の第１超硬チップと、本体基部の前記周方向の一端部と他端部において片側の保持壁と本体基部に固定された１対の第２超硬チップとを含み、前記第２超硬チップは第１超硬チップの厚さの２倍程度の厚さを有し、前記１対の第２超硬チップの周方向先端の切削刃面は切込み方向と平行に形成されると共に、前記切削刃面には周方向と直交する面に対して周方向に傾斜した第１逃げ角が夫々設定されたことを特徴としている。

請求項２の先行カッタービットは、請求項１の発明において、前記本体部材の周方向中心よりも周方向一端側の複数の保持壁と複数の第１超硬チップは、周方向一端部の第２超硬チップと平行に形成され、前記本体部材の周方向中心よりも周方向他端側の複数の保持壁と複数の第１超硬チップは、周方向他端部の第２超硬チップと平行に形成されたことを特徴としている。

請求項３の先行カッタービットは、請求項２の発明において、前記先行カッタービットの前記等脚台形的形状の底辺に対応する面のうち前記周方向中心よりも周方向一端側の面と他端側の面には周方向に対して傾斜した第２逃げ角が夫々設定されたことを特徴としている。

請求項４の先行カッタービットは、請求項１〜３の何れか１項の発明において、前記先行カッタービットの切込み方向前端の刃先面には、前記等脚台形的形状の頂辺側ほど前記先行カッタービットの切込み方向前後幅が短くなるように傾斜したすくい角が設定されたことを特徴としている。

請求項５の先行カッタービットは、請求項１〜３の何れか１項の発明において、前記本体基部の外表面の少なくとも一部と複数の保持壁の外表面に超硬材料で肉盛りした肉盛り層が形成されたことを特徴としている。

本願の発明は、「課題解決手段」の欄に記載の構成を有するため次の効果を奏する。
請求項１の発明によれば、本体部材が本体基部と複数の保持壁を備え、保持壁が切り込み方向へ所定長さ延びるように形成されて隣接する保持壁間に周方向と交差する方向へ直線的に延びる所定隙間を形成し、複数の第１超硬チップの各々は、保持壁と保持壁の間の所定隙間に装着されて両隣りの保持壁と本体基部に固定され、本体基部の周方向の一端部と他端部に装着された１対の第２超硬チップは、片側の保持壁と本体基部に夫々固定され、第２超硬チップは第１超硬チップの厚さの２倍程度の厚さを有する。

それ故、周方向の一端部と他端部の最も摩耗し易い第２超硬チップの耐摩耗性が格段に増強され、カッタービットの寿命（耐久性）が延び、信頼性が向上する。しかも、１対の第２超硬チップと複数の第１超硬チップは切込み方向に所定の長さを有する板片状に形成されているため、また、第１，第２超硬チップの数も多いため、これらの耐摩耗性が格段に増強され、カッタービットの寿命も延び、信頼性が向上する。

１対の第２超硬チップの周方向先端の切削刃面が切込み方向と平行に形成されると共に、これら切削刃面には周方向と直交する面に対して周方向に傾斜した第１逃げ角が設定されたため、カッタービットで掘削された掘削物は、第１逃げ角で案内されてカッターヘッドの径方向へ流動し、掘削性能も向上する。

請求項２の発明によれば、本体部材の中心よりも周方向一端側の複数の保持壁と複数の第１超硬チップは、周方向一端部の第２超硬チップと平行に形成され、周方向他端側の複数の保持壁と複数の第１超硬チップは、周方向他端部の第２超硬チップと平行に形成されている。
それ故、カッターヘッドが第１方向へ回転する際には、周方向一端側の第１，第２超硬チップで掘削される掘削物は、当該第２超硬チップの第１逃げ角で案内される方向と同方向へ流動し、カッターヘッドが第２方向へ回転する際には、周方向他端側の第１，第２超硬チップで掘削される掘削物は、当該第２超硬チップの第１逃げ角で案内される方向と同方向へ流動するため、掘削性能が向上する。

請求項３の発明によれば、先行カッタービットの等脚台形的形状の底辺に対応する面のうち本体部材の中心よりも周方向一端側の面と他端側の面には、周方向に対して傾斜した第２逃げ角が夫々設定されたため、第２超硬チップの周方向先端の切削刃の鋭角度合いが増し、掘削性能が向上する。

請求項４の発明によれば、先行カッタービットの切込み方向前端の刃先面には、先行カッタービットの等脚台形的形状の頂辺側ほど先行カッタービットの切込み方向前後幅が短くなるように傾斜したすくい角が設定されたため、掘削物が第１逃げ角で案内される方向と同方向へ案内されて流動するため、掘削性能が向上する。

請求項５の発明によれば、本体部材の本体基部の外表面の少なくとも一部と複数の保持壁の外表面に超硬材料で肉盛りした肉盛り層が形成されたため、これらの耐摩耗性が格段に向上する。

本発明の実施例に係るシールド掘進機のカッターヘッドの要部正面図である。 先行カッタービットの斜視図である。 先行カッタービットの正面図である。 カッターフレームの断面図を含む先行カッタービットとサイドカッタービットの内周側側面図である。 先行カッタービットの周方向から視た側面図である。 従来の先行カッタービットの図４相当図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

最初に、本実施例に係るシールド掘進機の回転型カッターヘッド１について説明する。 図１に示すように、カッターヘッド１は、センターカッター２と、このセンターカッター２から放射状に外径側へ延びる複数のカッターフレーム３と、隣合うカッターフレーム３の径方向途中部同士を連結する複数の連結部材４と、複数のカッターフレーム３の外径側端部を連結する外周フレーム５とを有する。トンネル掘削の際、カッターヘッド１を一方向にのみ回転させると掘削機本体も徐々に回転してしまうため、トンネル掘削の際はカッターヘッド１の回転方向を適宜切り替えながら掘削する。

図１、図４に示すように、カッターフレーム３の周方向の両側の側縁部には複数のサイドカッタービット６が径方向に適当間隔おきに付設され、カッターフレーム３の幅方向中央部には、先行カッタービット１０が径方向に適当間隔おきに付設されている。

ここで、図３、図４において、矢印Ａ，Ｂの方向が先行カッタービット１０の回転軌跡における周方向であり、矢印Ｆの方向が切込み方向である。矢印Ｎの側が内径側であり、矢印Ｇの側が外径側である。中心線Ｃは先行カッタービット１０及び本体部材１１の周方向の中心を示す。

図４に示すように、先行カッタービット１０の切込み方向前端は、サイドカッタービット６の切込み方向前端よりも切込み方向前進側に位置している。先行カッタービット１０は、発進立坑のＮＯＭＳＴ壁や地山や到達立坑のＮＯＭＳＴ壁を切削、掘削する機能を有し、サイドカッタービット６は、地山を主として掘削する機能を有するものである。但し、以下「切削」と「掘削」を区別せずに、広く「掘削」という用語で説明する。

次に、先行カッタービット１０について図２〜図５に基づいて説明する。
先行カッタービット１０は、回転軌跡の周方向に細長く且つ切込み方向の前方から視る正面視にて等脚台形的形状をなす本体部材１１と、この本体部材１１に固定された板片状の複数（例えば７つ）の超硬チップ２０，２１，２１ｃとを備えている。本体部材１１は例えば工具鋼で構成され、超硬チップ２０，２１，２１ｃはタングステン・カーバイト鋼で構成されている。

本体部材１１は、カッターフレーム３に固定される本体基部１２と、この本体基部１２から切り込み方向と平行方向へ所定長さ延びる複数（例えば５つ）の保持壁１３，１３ｃであって隣接する保持壁１３，１３ｃ間に周方向と交差する方向へ直線的に延びる所定隙間１４を形成する複数の保持壁１３，１３ｃとを備えている。

本体部材１１の本体基部１２のカッターフレーム３側の基端面は管部材からなるカッターフレーム３の前面に当接する湾曲面に形成され、この本体基部１２の基端部の全周をカッターフレーム３に溶接することで、先行カッタービット１０がカッターフレーム３に固定されている。

先行カッタービット１０の周方向の一端面１０ａと他端面１０ｂは、切込み方向と平行に形成されると共に、周方向と直交する面に対して第１逃げ角αだけ周方向に傾斜した面に形成されている。中心線Ｃよりも一端側の複数（例えば２つ）の保持壁１３は、一端面１０ａと平行に板状に形成され、中心線Ｃよりも他端側の複数（例えば２つ）の保持壁１３は、他端面１０ｂと平行に板状に形成されている。先行カッタービット１０の周方向中心部には、三角形状の中央保持壁１３ｃが形成され、中央保持壁１３ｃの周方向一端側の面は一端面１０ａと平行に形成され、中央保持壁１３ｃの周方向他端側の面は他端面１０ｂと平行に形成され、この中央保持壁１３ｃの内径側部位には径方向向きの短い所定隙間１４ｃが形成されている。

複数の超硬チップ２０，２１，２１ｃは、複数の所定隙間１４に夫々装着されて両隣りの保持壁１３と本体基部１２にロウ付けにて固定された複数（例えば、４つ）の第１超硬チップ２１と、中央保持壁１３ｃの所定隙間１４ｃに装着されてロウ付けで固定された第１超硬チップ２１ｃと、本体基部１２の周方向の一端部と他端部において片側の保持壁１３と本体基部１２にロウ付けで固定された１対の第２超硬チップ２０（２０ａ，２０ｂ）とを含んでいる。第１，第２超硬チップ２１，２０の切込み方向前後幅は、径方向幅よりも大きく設定されている。これは第１，第２超硬チップ２１，２０の寿命を延ばすためである。

中心線Ｃよりも周方向一端側の所定隙間１４は一端面１０ａと平行に直線的に延びるように形成され、中心線Ｃよりも周方向一端側の第２超硬チップ２０ａの周方向両端面は前記一端面１０ａと平行に形成されている。中心線Ｃよりも周方向他端側の所定隙間１４は他端面１０ｂと平行に直線的に延びるように形成され、中心線Ｃよりも周方向他端側の第２超硬チップ２０ｂの周方向両端面は前記他端面１０ｂと平行に形成されている。

第２超硬チップ２０ａ，２０ｂは、矢印Ａ，Ｂで示す掘削方向先端にあって第１超硬チップ２１よりも摩耗しやすいため、第２超硬チップ２０ａ，２０ｂの板厚は、第１超硬チップ２１，２１ｃの板厚の２倍程度に設定されている。
１対の第２超硬チップ２０ａ，２０ｂの周方向先端の切削刃面２０ｃ，２０ｄ（前記一端面１０ａ及び他端面１０ｂと同一面にある）は矢印Ｆで示す切込み方向と平行に形成される共に、切削刃面２０ｃ，２０ｄには周方向と直交する面に対して周方向に傾斜した第１逃げ角α（例えば約２０〜２５°）が夫々設定されている。

以上のように、中心線Ｃよりも周方向一端側の複数の保持壁１３と複数の第１超硬チップ２１は、周方向一端部の第２超硬チップ２０ａと平行に形成され、中心線Ｃよりも周方向他端側の複数の保持壁１３と複数の第１超硬チップ２１は、周方向他端部の第２超硬チップ２０ｂと平行に形成されている。先行カッタービット１０の前記等脚台形的形状の底辺に対応する面のうち中心線Ｃよりも周方向一端側の面２２ａと他端側の面２２ｂには、周方向に対して傾斜した第２逃げ角β（例えば約１０°）が夫々設定されている。

先行カッタービット１０の切込み方向前端の刃先面１０ｆには、前記等脚台形的形状の頂辺側ほど先行カッタービット１０の切込み方向前後幅が短くなるように傾斜したすくい角γ（例えば約２０°）が設定されている（図５参照）。
本体基部１２の外表面の少なくとも一部（保持壁１３側の約半分）と複数の保持壁１３，１３ｃの外表面に超硬材料（例えば、クロム・モリブデン鋼）で肉盛りした肉盛り層１５（灰色で図示）が形成されている。

次に、以上説明した先行カッタービット１０の作用、効果について説明する。
トンネルを掘削する場合、例えば、シールド掘進機を発進立坑に投入し、カッターヘッド１を回転させながら、発進立坑の側壁のＮＯＭＳＴ壁を切削・掘削し、それに続く地山にトンネルを掘削し、到達立坑の側壁のＮＯＭＳＴ壁を切削・掘削することで一連のトンネル掘削が行なわれる。

図３に示すように、カッターヘッド１及びカッターフレーム３が回転するとき、先行カッタービット１０は矢印Ａ又はＢの方向へ移動し、先行カッタービット１０で掘削した部分に掘削溝７ａが形成され、掘削溝７ａと掘削溝７ａの間が未掘削部７ｂとなる。
そのため、矢印Ａ方向へ移動する際には第２超硬チップ２０ａの掘削負荷がその他の超硬チップ２１，２０ｂの掘削負荷よりも大きくなり、最も摩耗しやすい。矢印Ｂ方向へ移動する際には第２超硬チップ２０ｂの掘削負荷がその他の超硬チップ２１，２０ａの掘削負荷よりも大きくなり、最も摩耗しやすい。

第２超硬チップ２０ａ，２０ｂの板厚を第１超硬チップ２１，２１ｃの板厚の２倍以上に設定するため、周方向の一端部と他端部の最も摩耗し易い第２超硬チップ２０ａ，２０ｂの耐摩耗性・耐久性が格段に増強され、先行カッタービット１０の寿命が延びる。
しかも、１対の第２超硬チップ２０ａ，２０ｂと複数の第１超硬チップ２１，２１ｃは切込み方向に所定の長さを有する板片状に形成されているため、また、第１，第２超硬チップ２１，２０の数も多いため、これらの耐摩耗性、耐久性が格段に増強され、先行カッタービット１０の寿命も延び、信頼性が向上する。

第２超硬チップ２０ａ，２０ｂの周方向先端側（掘削進行側）の切削刃面２０ｃ，２０ｄが切込み方向Ｆと平行に形成される共に、これら切削刃面２０ｃ，２０ｄには、周方向と直交する面に対して周方向に傾斜した第１逃げ角αが設定されたため、先行カッタービット１０で掘削された掘削物は、第１逃げ角αで案内されて外径方向Ｇへ流動し、掘削性能も向上するうえ、カッターヘッド１の掘削抵抗も軽減される。

周方向一端側の複数の保持壁１３と複数の第１超硬チップ２１は、周方向一端部の第２超硬チップ２０ａと平行に形成され、周方向他端側の複数の保持壁１３と複数の第１超硬チップ２１は、周方向他端部の第２超硬チップ２０ｂと平行に形成されている。
それ故、カッターヘッド１が第１方向へ回転する際には、周方向一端側の第１，第２超硬チップ２１，２０ａで掘削される掘削物は、当該第２超硬チップ２０ａの第１逃げ角αで案内される方向と同方向へ流動し、また、カッターヘッド１が第２方向へ回転する際には、周方向他端側の第１，第２超硬チップ２１，２０ｂで掘削される掘削物は、当該第２超硬チップ２０ｂの第１逃げ角αで案内される方向と同方向へ流動するため、掘削性能が向上する。

先行カッタービット１０の等脚台形的形状の底辺に対応する面のうち本体部材１１の中心線Ｃよりも周方向一端側の面２２ａと他端側の面２２ｂには、周方向に対して傾斜した第２逃げ角βが夫々設定されたため、第２超硬チップ２０ａ，２０ｂの切削刃先端部２０ｅ，２０ｆの鋭角度合いが増し、切削・掘削性能が向上する。

先行カッタービット１０の切込み方向前端の刃先面１０ｆには、先行カッタービット１０の等脚台形的形状の頂辺側ほど先行カッタービット１０の切込み方向前後幅が短くなるように傾斜したすくい角γが設定されたため、掘削物が第１逃げ角αで案内される方向と同方向へ案内されて流動するため、掘削性能が向上する。

本体部材１１の本体基部１２の外表面の少なくとも一部と複数の保持壁１３の外表面に超硬材料で肉盛りした肉盛り層１５が形成されるため、これらの耐摩耗性が格段に向上する。

次に、前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
１）保持壁１３の数は５つに限定されるものではなく、より多くの保持壁１３を形成し、より多くの第１超硬チップ２１を装備してもよい。
２）その他、当業者ならば、本発明の趣旨を逸脱することなく、部分的な変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

１ カッターヘッド
３ カッターフレーム
１０ 先行カッタービット
１０ｆ 刃先面
１１ 本体部材
１２ 本体基部
１３，１３ｃ 保持壁
１４，１４ｃ 所定隙間
２０，２０ａ，２０ｂ 第２超硬チップ
２１，２１ｃ 第１超硬チップ
２０ｃ，２０ｄ 切削刃面
２２ａ 周方向一端側の面
２２ｂ 周方向他端側の面

Claims (5)

1. シールド掘進機の回転式カッターヘッドのカッターフレームの幅方向中央部に装備されてＮＯＭＳＴ壁と地山の掘削に供される先行カッタービットにおいて、
   回転軌跡の周方向に細長く且つ正面視にて等脚台形的形状をなす本体部材と、この本体部材に固定された板片状の複数の超硬チップとを備え、
   前記本体部材は、カッターフレームに固定される本体基部と、この本体基部から切込み方向へ所定長さ延びる複数の保持壁であって、隣接する保持壁間に周方向と交差する方向へ直線的に延びる所定隙間を形成する複数の保持壁とを備え、
   前記複数の超硬チップは、複数の前記所定隙間に夫々装着されて両隣りの保持壁と本体基部に固定された複数の第１超硬チップと、本体基部の前記周方向の一端部と他端部において片側の保持壁と本体基部に固定された１対の第２超硬チップとを含み、
   前記第２超硬チップは第１超硬チップの厚さの２倍以上の厚さを有し、
   前記１対の第２超硬チップの周方向先端の切削刃面は切込み方向と平行に形成されると共に、前記切削刃面には周方向と直交する面に対して周方向に傾斜した第１逃げ角が夫々設定されたことを特徴とする先行カッタービット。
2. 前記本体部材の周方向中心よりも周方向一端側の複数の保持壁と複数の第１超硬チップは、周方向一端部の第２超硬チップと平行に形成され、前記本体部材の周方向中心よりも周方向他端側の複数の保持壁と複数の第１超硬チップは、周方向他端部の第２超硬チップと平行に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の先行カッタービット。
3. 前記先行カッタービットの前記等脚台形的形状の底辺に対応する面のうち前記周方向中心よりも周方向一端側の面と他端側の面には、周方向に対して傾斜した第２逃げ角が夫々設定されたことを特徴とする請求項２に記載の先行カッタービット。
4. 前記先行カッタービットの切込み方向前端の刃先面には、前記等脚台形的形状の頂辺側ほど前記先行カッタービットの切込み方向前後幅が短くなるように傾斜したすくい角が設定されたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の先行カッタービット。
5. 前記本体基部の外表面の少なくとも一部と複数の保持壁の外表面に超硬材料で肉盛りした肉盛り層が形成されたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の先行カッタービット。