JP6896116B2 - 岩石のチゼル加工用のドリル - Google Patents

Description

本発明は、岩石のチゼル加工用ドリルビットに関する。特に、本発明は、中空シャンクを介してドリル切削片を運び出すことのできるドリルビットに関する。ドリルビットは、螺旋状のシャンクを有しておらず又は螺旋状のシャンクを必要としない。

岩石をチゼル加工するためのドリルビットは、挿入端部における衝撃面と、内部に搬送通路が設けられている中空シャンクと、ドリルヘッドとを有している。ドリルヘッドは、前端部に、３つ以上の刃先と１つ以上の吸入開口とを有している。ドリルヘッド内に配置された吸入通路は、吸入開口を搬送通路に接続している。吸入通路の横断面は、吸入開口から搬送通路に向かって増大している。拡大する吸入通路は、一定の横断面又は一様に減少する横断面を有する吸入通路よりも詰まる傾向が低い。

ある構成では、吸入通路の横断面は、刃先の高さに配置される刃先の一部分の範囲内で、搬送通路の方向において増大している。横断面の変化は、前端部に可能な限り近くで生じる。

ある構成では、吸入開口は、吸入通路の横断面より小さな横断面積を有している。

ある構成では、吸入通路は、ドリルヘッドの側面から離間して配置されている。

ある構成では、側面に近接する側の吸入通路の内面は、側面から離れた側の吸入通路の内面よりも、ドリルビット軸線に対する傾斜が小さい。

ある構成では、吸入開口に隣接する吸入通路の第１部分は、ドリルビット軸線に対する第１傾斜を有しており、中空シャンクに隣接する吸入開口の第２部分は、ドリルビット軸線に対する第２傾斜を有している。第２傾斜は、第１傾斜よりも大きい。

ある構成では、吸入開口は三角形である。

ドリルヘッドの刃先は、好ましくは焼結された炭化タングステンから製造されている。硬質材料は、特に岩石をチゼル加工するために好適である。刃先は、すくい面及び逃げ面を有しており、すくい面及び逃げ面は、衝撃面の一部を形成し、チゼル端に沿って互いに接触している。この幾何学的形状は、岩石をチゼル加工するのに特に適している。

以下、典型的な実施形態および図面に基づいて本発明を説明する。

ドリルビットを示す。 ドリルビットのドリルヘッドの側面図を示す。 ドリルヘッドの断面を示す。 ドリルヘッドの前端部の平面図を示す。 ドリルビットのドリルヘッドの側面図を示す。 ドリルヘッドの断面を示す。 ドリルヘッドの前端部の平面図を示す。 ドリルヘッドの断面を示す。 中空シャンクの断面を示す。 中空シャンクの断面を示す。

同一または機能的に同一の要素は、特に明記しない限り、図面において同一の参照符号によって示される。

図１は、典型的なドリルビット１を示す。ドリルビット１は、吸入開口３を有するドリルヘッド２と、抽出ポート５を有する中空シャンク４と、衝撃面７を有する挿入端部６とを有している。スリーブ８は、抽出ポート５を取り囲むことができる。

ドリルビット１は、例えばコンクリート、れんが等の鉱物構造材料を破壊するように設計されている。挿入端部６は、例えばドリル機械またはハンマードリル等のポータブル電動工具に挿入することができる。ポータブル電動工具の衝撃機構は、挿入端部６における衝撃面７に周期的に衝突する。衝撃の衝撃波は、衝撃方向９にドリルヘッド２まで中空シャンク４を通過する。ドリルヘッド２は、鉱物材料を粉砕する。ドリルビット１は、好ましくは、衝突と衝突の間そのドリルビット軸線１１の周りを回転方向１０に回転される。その結果、ドリルビット１は、異なる向きで材料に衝突する。得られたドリル切削片は、ドリルビット１の前端部１２から直接、ドリル穴を通って除去することができる。真空クリーナーがスリーブ８に取り付けられている。空気流が、ドリルビット１の前端部１２に直接設けられた吸入開口３においてドリル切削片を吸い込む。ドリル切削片は、中空シャンク４内に運び出される。

典型的なドリルヘッド２は、基部１３と、基部１３に埋め込まれた複数の刃先１４とを有する。刃先１４はドリルヘッド２の先端１５を形成する。刃先１４は、基部１３に対して衝撃方向９に突出している。ドリルヘッド２の前端部１２は、衝撃方向９に面する刃先１４の前面１６と、基部１３の前面１７とから構成されている。基部１３は、円筒形の側面１８を有する。好ましくは、刃先１４は、側面１８に対して半径方向に突出する。側面１８は、刃先１４の下で円周方向に閉じることができる。基部１３の下面１９は、中空シャンク４上に配置されている。下面１９は、シャンク４に溶接又ははんだ付けされ得るか、又は類似の材料接続手段でシャンク４に結合され得る。他の実施形態では、ドリルヘッド２は、ねじ接続、バヨネット結合、又は好ましくは円錐締まり嵌め（図６）によってシャンク４に接続され得る。

刃先１４は、焼結された炭化タングステン含有材料から製造されることが好ましい。ある構成では、刃先１４を取り囲む基部１３の部分２０は、焼結された炭化タングステン含有材料から製造することができ、下面を形成する部分２１は、焼結された鉄系材料から製造することができる（図３）。

刃先１４はドリルビット軸線１１の周りに星形に配置されている。刃先１４は、一体となってまとまっており、特に、溶接、はんだ付け、クランプ等によって共に生成される接合領域を有さない。刃先１４は、炭化タングステン含有材料から焼結されることが好ましい。刃先１４は、ドリルビット軸線１１の周りに規則的に配置されるか、又は対をなして規則的に配置されることが好ましい。例えば、４つの同一の刃先１４が、回転方向１０に９０度の間隔で配置されている。他の実施形態では、刃先は、異なるように形成することができる。例えば、ドリルヘッドは、主刃先及び副刃先を有している。典型的な実施形態は、４つの刃先１４を示しており、他の実施形態では、ドリルヘッド２は、３つ、５つ、又は６つの刃先１４を有することができる。

刃先１４はそれぞれチゼル端２２を有し、各チゼル端２２は、衝撃方向９に突出し、ドリルヘッド２の先端１５に向かって半径方向に狭まっている。チゼル端２２は、真っ直ぐであってもよいし湾曲していてもよい。チゼル端２２は、好ましくは、同一に形成されるか、又は対で同一に形成される。図示の構成では、全てのチゼル端２２は先端１５まで延びており、他の構成では、主刃先のチゼル端のみが先端１５まで達している。ドリルヘッド２の単一の先端１５は、ドリルビット軸線１１上に配置されることが好ましい。

各刃先１４の衝撃方向９に面する前面１６は、すくい面２３と逃げ面２４とによって形成されている。すくい面２３と逃げ面２４は両方とも衝撃方向９に面しており、チゼル端２２に沿って互いに接触している。すくい面２３および逃げ面２４は、半径方向に延長されている。すくい面２３および逃げ面２４は、外周面２５に隣接する位置からドリルビット軸線１１まで又はドリルビット軸線１１の近傍まで延びている。すくい面２３は、ドリルヘッド２の正常な回転方向１０において逃げ面２４を先行する。ドリルヘッド２を見ると、通常の回転方向１０は反時計回りである。すくい面２３及び逃げ面２４はドリルビット軸線１１に対して傾斜している。すくい面２３は、衝撃方向９において回転方向１０と反対に上昇し、これに対して、逃げ面２４は、衝撃方向９において回転方向１０と反対に下降する。従って、すくい面２３および逃げ面２４は、互いに対して傾斜している。すくい面２３と逃げ面２４との間の屋根角度２６は、４５度より大きく、例えば６０度より大きく１２０度未満である。屋根角度２６は、半径方向において一定であってもよいし、半径方向に変化していてもよい。

ドリルビット軸線１１と反対を向く刃先１４の周面２５は、好ましくはドリルビット軸線１１に平行に配向されている。周面２５は、ドリルビット軸線１１から半径方向に間隔をおいて、ドリルヘッド２の直径２７を形成している。周面２５は、ドリル加工中、ドリル加工された壁を支える破断縁部２８を形成する。破断縁部２８は、ドリル加工された孔内において半径方向に突出する岩石を破断することによって、ドリル加工された孔の円柱形の構造を支持する。周面２５は、好ましくは、円筒形の基部１３の側面１８に対して半径方向に突出している。刃先１４は、側面１８の上側部分を複数の円筒状区分に細分する。当該上側部分に接続された側面１８の下側部分は、好ましくは円周方向に閉じている、すなわち完全に円筒形であることが好ましい。

ドリルヘッド２の前端部１２には、複数の吸入開口３が設けられている。吸入開口３は、隣接するチゼル端２２の間の中央に配置することができる。吸入開口３は、好ましくは、基部１３の前面１７に配置されている。吸入開口３は円周方向に閉じられており、このため、吸入開口３は側面１８から離間して配置されている。吸入開口３の間の半径方向の間隔は、例えばドリルヘッド２の直径の５％〜２０％である。吸入開口３は、ドリルビット軸線１１に沿って、チゼル端２２からオフセットして配置されている。吸入開口３は、チゼル端２２よりも下方に配置されており、したがって、ドリルヘッド２のチゼル機能に影響を及ぼさず、または、わずかな程度しか影響を及ぼさない。先端１５に対する吸入開口３の軸線方向オフセット２９は、ドリルビット１の直径２７の１５％よりも大きいことが好ましい。

各吸入通路３０は、前端部１２における吸入開口３をドリルヘッド２の下面１９に接続する。規定された流れ方向３１は、吸入開口３から下面１９へ、すなわち衝撃方向９と反対の方向である。吸入通路３０は、その全長に沿って流れ方向に対して横方向に閉鎖されている。このため、吸入通路３０は、基部１３内に完全に延びている。

吸入通路３０は、流れ方向３１においてドリルビット軸線１１に接近する。この接近は直線的ではなく、むしろ吸入通路３０は少なくとも部分的に湾曲している。吸入開口３に隣接する吸入通路３０の上側部分３２は、刃先１４、すなわちドリルビット軸線１１に実質的に平行である。吸入通路３０は、刃先１４に接近しないか、または流れ方向３１においてわずかに刃先１４に接近するだけである。上側部分３２におけるドリルビット軸線１１への吸入通路３０の接近は、ドリルビット１の直径２７の５％未満であることが好ましい。半径方向間隔を決定するための手段として、ドリルビット軸線１１に垂直な横断面における重心を使用することができる。上側部分３２は、刃先１４の高さの少なくとも５０％例えば７５％、好ましくは刃先１４の少なくとも全高にわたって延びている。上側部分３２は、直線状又は湾曲状に形成することができる。中空シャンク４に隣接する吸入通路３０の下側部分３３は、刃先１４に対して傾斜している。下側部分３３は、シャンク４の方向においてドリルビット軸線１１に次第に接近する。吸入通路３０の下側部分３３は、１０度〜３０度の傾斜で中空シャンク４内に延びることができる。吸入通路３０は、ドリルビット１の直径２７の５％〜３０％の間でドリルビット軸線１１に接近することが好ましい。典型的な下側部分３３は、連続的に湾曲している。下側部分は、直線状に構成することもできる。上側部分を下側部分に接続する部分は、適切に湾曲している。吸入通路３０の全ての湾曲部分は、ドリルビット１の直径２７の８０％より大きい曲率半径を有することが好ましい。吸入通路３０は、その全長に沿って滑らかな内壁を有している。大きな曲率半径を有する穏やかな湾曲は、吸入通路３０内でのドリル切削片の摩擦のない搬送に有利である。特に、より大きなドリル切削片の付着または詰まりが回避される。

吸入開口３は、前端部１２において１０％〜２５％の領域を占める。高い割合は、ドリル切削片が確実に運び出されるようにする点で有利である。吸入通路３０は、流れ方向３１に拡大する横断面を有することができる。吸入通路３０は、吸入開口３において又はその近傍において最小の横断面を有する。横断面の変化は、吸入通路３０が詰まる傾向を減少させる。横断面積は、少なくとも３０％、好ましくは６０％を超えて変化する。横断面積は、ドリルビット軸線１１に垂直な平面内で決定される。この変化は、好ましくは、全体的に又は主として上側部分３２の範囲内で、即ち刃先１４の高さで生じる。吸入通路３０における半径方向外側の壁は、ドリルビット軸線１１に平行であることが好ましく、一方、吸入通路３０における半径方向内側の壁は、横断面の広がりを得るためにドリルビット軸線１１に接近する。

典型的な吸入開口３は、非円形である。吸入開口３は、三角形状を有している。吸入開口３の角は尖っていても丸みを帯びていてもよい。複数の角を接続する側面は、真っ直ぐであっても湾曲していてもよい。三角形に典型的な方法では、吸入開口３に円を内接させることができ、当該円は、３つの側面の各々に正確に１つの点で接触する。さらに、三角形に典型的な方法では、内接円の中心と側面との間の距離は、角から円が接触する点に向けて減少する。吸入開口３の角はドリルヘッド２の先端１５に向いている。角における内角３４は、好ましくは、多かれ少なかれ、隣接する刃先１４間の角度距離、例えば９０度に対応する。これに関連して、多かれ少なかれ、２０％未満の偏差を記述する。吸入開口３の表面積は、内接円の表面積よりもはるかに大きい。吸入開口３の表面積は、少なくとも３０％大きく、例えば少なくとも１００％大きい。

中空シャンク４は、ドリルビット軸線１１に沿って延びる搬送通路３５を有している。搬送通路３５は、シャンク４の長さに沿って一定の横断面を有する。搬送通路３５の横断面積は、吸入通路３０の横断面積の総和に等しいことが好ましい。搬送通路３５は、例えば、シャンク４の横断面の１５％〜６５％の表面積を有する。搬送通路３５は、ドリルビット軸線１１の中央に配置することができる。搬送通路３５は、ドリルヘッド２の下、特に基部１３の下で終端している。搬送通路３５の端部は、球形キャップの形で丸みを帯びていることが好ましい。

ドリルヘッド２における吸入通路３０は、中空シャンク４の搬送通路３５に開口している。開口は、搬送通路３５の一端にあるか、またはその近傍にある。開口の面は丸みを帯びている。

ドリルヘッド２から離れた搬送通路３５の端部には、抽出ポート５が配置されている。抽出ポート５は、搬送通路３５への半径方向の切り口３６を含む。スリーブ８は、切り口３６の領域において、好ましくは気密に円筒形シャンクを取り囲んでいる。スリーブ８はシャンク４に対して回転可能である。

ドリルビット１の典型的な挿入端部６は、回転式チゼル加工用携帯型動力工具に使用するように設計されている。挿入端部６は、実質的に円筒形状を有している。挿入端部６は、２つの閉鎖スロット３７を有し、当該閉鎖スロット３７において、携帯型動力工具のロック要素が、半径方向に係合することができ且つドリルビット軸線１１に沿って摺動することができる。ドリルビット軸線１１に沿って配向された溝３８は、携帯型動力工具によってトルクが導入されることを可能にする。

ドリルビット１は、異なる材料から製造されることが好ましい。シャンク４及び挿入端部６は、好ましくは、強靭で延性のある鋼で製造される。ドリルヘッド２の刃先１４は、非常に硬く且つ耐摩耗性の焼結された炭化タングステンから製造されている。炭化タングステンは、少なくとも７０体積％の含有量で存在する。金属バインダーは、好ましくは、金属：コバルトおよびニッケルのうちの１つ以上を含有する。例えば、バインダーは、完全にコバルトから構成され得る。

ドリルヘッド２は、通常ではない方法で基本的な形態で製造することができ、その後、吸入通路３０を形成するために機械加工される。続いて、所望の吸入通路３０を形成することができる製造プロセスが提案される。記載された製造方法は、その原理から逸脱することなく、具体的詳細において修正することができる。

薄い粉末層は、炭化タングステンおよび金属バインダーを含有する懸濁液を噴霧することによって製造される。接着剤は、計画された方法で粉末層上にプレスされる。接着剤は、ドリルヘッド２を通る横断面を再現する。粉末層および接着剤の堆積は、ドリルヘッド２のブランクが複製されるのに必要な回数だけ繰り返される。特に吸入通路３０内の過剰な粉末は、水によって除去することができる。水は、接着剤によって接合されていない層の間に浸透し、それらを除去する。得られたブランクは、ドリルヘッド２の形状に対応する。未焼結体（green body）は焼結することができる。

ドリルヘッド２の製造における困難性は、ドリルヘッド２に課せられる高い機械的要求のためであり、この機械的要求では、非常に低いレベルの気孔率のみを許容する。ドリルヘッド２の必要な密度は、理論的に達成可能な値の９８％よりも大きくなければならない。この目的のために、未焼結体は、焼結前における理論密度の少なくとも５０％の密度を有さなければならない。焼結は典型的な収縮を伴い、これにより、当該値から始まって細孔を十分に閉じる。成形型内での未焼結体の圧縮を含む従来のプロセスは、これらの値を達成する。原則として重力のみによる層の緩い接合は、ここで新たな課題を課す。

有望なアプローチは、炭化タングステンと酸化コバルトとの粉末混合物に基づく。酸化コバルトは、未焼結体の形成後にコバルトに変換される。液体として、懸濁液は、水またはアルコール、好ましくはイソプロピルアルコールを含有する。粉末に対する液体の比は、１に対して３〜５の間の範囲である。懸濁液は、細いノズルを通して圧力下で均一に噴霧することができる。噴霧後、層を室温より少し高温で乾燥させる。層は、２０μｍ〜３０μｍの範囲の均一な厚さを有する。接着剤は、ポリエチレンイミンの水溶液をベースとする。ポリエチレンイミンは、炭化タングステンの粒子への結合に対して非常に高い親和性を有する。このようにして、良好な接着結合が達成される。溶液中のポリエチレンイミンの重量比は、１％〜５％の範囲であり得る。プレス後、接着剤を室温より少し高温で乾燥させる。最後の層が塗布された後、接着剤は、約１５０度の炉内で硬化される。その後、過剰の粉末を水で除去する。未焼結体中の酸化コバルトは、未焼結体を６００度〜７００度の水素含有雰囲気中に数時間保持することにより、コバルトに変換される。最後に、未焼結体を１２５０度〜１４００度の温度で焼結することができる。

鉄含有の基部１３の下側部分２１は、同様に、三次元成形によって製造することができる。例えば、未焼結体をプレスし、続いて焼結することも同様に可能である。さらに、鋼体の製造のために、レーザー肉盛溶接、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）または選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）のようなプロセスも可能である。

ドリルヘッド３９の他の実施形態は、図５、図６及び図７に示されている。刃先１４は、図２の実施形態のように十字形に形成されている。刃先１４は、好ましくは、炭化タングステンから焼結されている。前の実施形態と同様に、基部４０は上側部分４１と下側部分４２とを有する。前の実施形態との相違点は、基部４０が１つの材料から形成されていることである。この場合、上側部分４１も鉄含有材料から形成される。上側部分４１は、刃先１４が挿入された十字形スロットを有する。ドリルヘッド２の前端部１２は、硬い刃先１４と比較的軟らかい基部４０の前面４３とから構成されている。刃先１４は、基部４０にはんだ付けまたは溶接されている。

吸入通路３０は、基部１３の上側部分４１に閉じた状態で延びている。吸入通路３０は、ドリルヘッド２の周囲及び刃先１４の両方から離間して配置されている。通路の経過およびそのさらなる特性は、先の実施形態に対応することができる。

別の実施形態が図８に示されている。ドリルヘッド４４は、同様に、基部４０と４つの刃先１４とを有している。基部４０および刃先１４は、先の実施形態の１つと同様に形成することができる。吸入開口３は基部４０に配置され、吸入通路３０は、前述の実施形態と同様に基部４０内に延びている。中空シャンク４５は、搬送通路４６とコア４７とを有する。コア４７は、ドリルビット軸線１１上に位置する棒状の中実構造である。衝撃面７への衝撃は、コア４７を介して刃先１４に伝達される。搬送通路４６は、例えば、コア４７を環状に取り囲むことができる（図９）。吸入通路３０は、搬送通路４６に開口している。コア４７は、支柱４８（図１０）を介してシャンク４の外側シェルに支持され得る。支柱４８は、搬送通路４６を複数の通路に細分することができ、例えば、各吸入通路３０に搬送通路３５，４８を割り当てることができる。

Claims (7)

1. 挿入端部（６）における衝撃面（７）と、
   内部に搬送通路（３５）が設けられている中空シャンク（４）と、
   前端部（１２）に３つ以上の刃先（１４）及び１つ以上の吸入開口（３）を有し、該吸入開口（３）を前記搬送通路（３５）に接続する吸入通路（３０）を内部に有するドリルヘッド（２）と、
   を備える岩石のチゼル加工用のドリルビット（１）において、
   前記吸入通路（３０）の横断面が、前記吸入開口（３）から前記搬送通路（３５）に向かって増大しており、
   前記吸入通路（３０）は、前記吸入開口（３）に隣接して設けられ、直線状に形成された上側部分（３２）と、前記中空シャンク（４）に隣接して設けられ、湾曲して形成された下側部分（３３）と、前記上側部分（３２）及び前記下側部分（３３）を接続する、湾曲して形成された接続部分と、を含んでいることを特徴とするドリルビット（１）。
2. 前記吸入通路（３０）の横断面は、前記刃先（１４）の高さに配置された前記刃先（１４）の一部分（３２）の範囲内で、前記搬送通路（３５）の方向（３１）において増大している、請求項１記載のドリルビット（１）。
3. 前記吸入開口（３）は、前記吸入通路（３０）の横断面より小さな横断面積を有している、請求項１又は２記載のドリルビット（１）。
4. 前記吸入通路（３０）は、前記ドリルヘッド（２）の側面（１８）から離間して配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のドリルビット（１）。
5. 前記側面（１８）に近接する側の前記吸入通路（３０）の内面は、前記側面（１８）から離れた側の前記吸入通路（３０）の内面よりも、前記ドリルビット軸線（１１）に対する傾斜が小さい、請求項４記載のドリルビット（１）。
6. 前記刃先（１４）は、すくい面（２３）及び逃げ面（２４）を有しており、
   前記すくい面（２３）及び前記逃げ面（２４）は両方とも衝撃方向（９）に面しており、チゼル端（２２）に沿って互いに接触している、請求項１から５までのいずれか１項記載のドリルビット（１）。
7. 前記刃先（１４）は、焼結された炭化タングステンから製造されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のドリルビット（１）。

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