(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（補整後）回転式切削要素と、この切削要素の保持手段であって、切削要素の長手方向軸を、切削面に対して90゜を超える迎え角に配向させ、同軸を切削方向に対して少なくとも５゜のスキュー角に配向させる保持手段とを備えた切削用自己回転および自己研磨工具。
【請求項２】
前記切削要素が凸形の前面を備える請求の範囲第１項に記載の切削用自己回転および自己研磨工具。
【請求項３】
前記凸形の前面が、円筒形、上向き円錐形および逆円錐形からなる群から選択される形状を有する請求の範囲第２項に記載の切削用自己回転および自己研磨工具。
【請求項４】
前記切削要素が、凸形、凹形、平らな形および前記形の組み合わせからなる形から選択される形の背面を有する請求の範囲第１項に記載の切削用自己回転および自己研磨工具。
【請求項５】
前記切削要素が、外形が直線形および階段形からなる群から選択される長手方向の部分を有する請求の範囲第１項に記載の切削用自己回転および自己研磨工具。
【請求項６】
前記切削要素が、外形が丸形、多角形およびデージー形からなる群から選択される形状の断面を有する請求の範囲第１項に記載の切削用自己回転および自己研磨工具。
【請求項７】
前記切削要素の迎え角が90゜〜120゜の間である請求の範囲第１項に記載の切削用自己回転および自己研磨工具。
【請求項８】
前記切削要素のスキュー角が５゜〜40゜の間である請求の範囲第１項に記載の切削用自己回転および自己研磨工具。
【請求項９】
前記切削要素の逃げ角が−15゜〜15゜の間である請求の範囲第１項に記載の切削用自己回転および自己研磨工具。
【請求項１０】
前記切削要素の逃げ角が０〜20゜の間である請求の範囲第１項に記載の切削用自己回転および自己研磨工具。
【請求項１１】
前記切削要素の刃先角が50゜〜100゜の間である請求の範囲第１項に記載の切削用自己回転および自己研磨工具。
【請求項１２】
前記逃げ角が正方向に角度補正され、式Δδ≦arc  sin（sinα  cosβ）（ここで、αはスキュー角、βは迎え角である）から求められる切削要素の自己研磨が達成される請求の範囲第11項に記載の切削用自己回転および自己研磨工具。
【請求項１３】
（補正後）切削面に回転式切削要素を用意するステップと、前記切削要素を装着手段に装着するステップと、前記切削要素の長手方向軸を切削面に対して90゜を超える迎え角で配向させ、切削方向に対して少なくとも５゜のスキュー角に配向させて前記装着手段を変位させるステップとを含む切削方法。
【請求項１４】
前記装着には、前記切削要素の迎え角が90゜〜120゜の間になるよう前記切削要素を装着することが含まれる請求の範囲第13項に記載の方法。
【請求項１５】
前記装着には、前記切削要素のスキューが両方の傾斜面について10゜〜40゜の間になるよう前記切削要素を装着することが含まれる請求の範囲第13項に記載の方法。
【請求項１６】
前記装着には、前記切削要素のすくい角が−15゜〜15゜の間になるよう前記切削要素を装着することが含まれる請求の範囲第13項に記載の方法。
【請求項１７】
前記切削要素の逃げ角が０〜20゜の間になるよう前記切削要素を装着することが含まれる請求の範囲第１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、広義には岩石および地盤、その他の非金属性脆性材料の掘削や平削り、穿孔、建設材料の破砕、生産および処理に使用できるとともに、上述した材料の切削および粉砕を目的とする装置に装備できる切削用回転ビットの構造およびその切削方法に関する。
背景技術
一般に、切削工程のメカニズムは第１図に示されるようになっている。岩石のような材料は、装置を駆動すると生じる背分力Ｔおよび切削力の法線成分Cnによって切り取られる。これらの力の作用下で工具は水平方向および垂直方向に同時に移動し、岩石の抵抗力よりも大きい複雑な応力が発生する。
ビットの前面に分散されて力Cnが作用すると岩石内部に圧縮応力が生じる。この圧縮応力は岩石を破砕するには不十分であるが、予荷重が掛かるため岩石はそれ以上歪まなくなる。
力Ｔが作用すると、ビットの切刃によって生成される荷重密度のレベルが高いため、岩石内部に剪断応力が発生する。このような剪断応力によって、脆性材料に破砕クラックが生じて広がってゆく。
同時に、過圧された岩石のビット切刃と隣接した位置に、力CnおよびＴによって被圧領域が生じる。これはいわゆる中核と呼ばれる畜圧であり、この蓄圧は岩石の最大抵抗力を超えると爆発のような形で放出される。
先に述べた破砕クラックは、切刃から抵抗力の最も小さい部分へと進行するため、最初は岩石の開放面へと向かうことが多い。しかしながら、これらのクラックは、岩石のCnによって圧縮されて抵抗力が大きくなった部分を迂回することはできない。したがって、破砕クラックは岩石の圧縮された部分の周囲を通ってビットの前面からＬだけ離れた位置で開放面に達し、岩石の応力が加わった部分を分離させてこの破片を岩石塊全体から落とす。
圧縮応力および剪断応力が同時に連続作用する中で、クラック不足をカバーするのに十分なエネルギが蓄積されると、主に進行性の長い破砕クラックと中核爆発とによって岩石全体あるいはほぼ全体の破片が次々と岩盤から取れていく。
したがって、効率的な岩石切削工程では、ビットの切刃部分に大きな荷重が集中した状態を維持する必要がある。法線力Ｔは岩石とビットの切刃との間の狭い接触線にしか作用しないため、大きな荷重が集中した状態はビットの正の逃げ角δによって得られる。線接触した領域では比較的わずかな摩耗が生じただけでも切削能力は急激に落ちるため、線接触は非常に重要なものである。この接触領域の幅がかなり広いと、岩石内部での応力の集中度が大きく落ちるとともに、長いクラックの発生も大幅に制限される。
効率的な切刃では、切削要素の高い切削能と高い耐久性、過剰な荷重に対する高信頼度の保護性、ビットの正の逃げ角を保持すること、その他の初期パラメータを維持することが、切刃の耐用期間全体にわたって最適な状態で組み合わされていなければならない。
上述した品質のうちいくつかを達成することを目的として複数の工具が開発されている。
第１の岩石破砕工具グループは、非回転式切削要素を有する切削用ビットからなる。米国特許第1,174,433には、前面が凸形の非回転式カッターが開示されている。しかしながら、このカッターのすくい角は正である。すなわち長手方向の軸とビットの後ろの切削（被処理）面との間の角度（迎え角と定義）が90゜未満である。この工具の切刃は短く、すくい角は正で刃先角が小さい。本発明と比較すると、このビットの耐久性および耐摩耗性は低く、軟質で研磨性のない岩石の破砕にしか使うことができない。
米国特許第4,538,691号および第4,678,237号には、前面が平らですくい角は実質的に負であり、揚力の作用による過剰な荷重からビットが保護される岩石破砕要素を有する非回転式切削工具が開示されている。しかしながら、ここに記載のビットは切削能が低く、岩石を貫入するには大きなスラスト力を必要とする。このビットの迎え角は90゜以下である。
米国特許第4,538,690号、同第4,558,753号および同第4,593,777号には、前面が凹形で、ビットの耐久性を高める（過剰な荷重から保護することを含む）ために負のすくい角を大きくして配置されている岩石破砕要素を有する非回転式切削ビットが開示されている。しかしながら、このビットも切削能および貫入能が低い。このビットは、迎え角90゜未満で配置されている。
特許となっている岩破砕工具の第２のグループは、左右対称な切削要素を有し、自己の長手方向の軸を中心として回転可能な丸いビットからなる。
この回転式工具の第１のサブグループにおいて、ビットの岩石破砕要素は、例えば米国特許第3,650,656号、同第3,807,804号および同第4,804,231号に記載されているように円錐形（上向き円錐）であり、凸形の背面で岩石を破砕する。ロシア特許第1,671,850−A1には、これと同じいわゆる円錐ビット型のものが開示されている。その接触面積は迎え角に応じて制限され、０〜90゜の間で変えることができるものである。説明されているビットは長い破砕クラックを発生させずに動作するクラッシュタイプのものである。これらのビットは、迎え角90゜未満で配置されており、前面および背面は凸形で、逃げ角はゼロ度または負、すくい角は正である。これらのビットの自己回転は信頼できるものではない。したがって、自己研磨されることもない。これらのビットは、岩石破砕のための比エネルギ要件が本発明よりも極めて大きい。
回転式工具の第２のサブグループには、例えば米国特許第5,078,219号に開示されているような、前面で岩石を破砕するビットが含まれる。このビットの背面は凸形であり、逃げ角は正で迎え角はゼロに近い。ビットの切刃が鋭利なものである場合には、このビットは切削工具になる。しかしながら、ビットが短期間のうちに鈍化してしまうのが設計面で防止されてはいない。ビットの摩耗した領域は補正されないため、ビットの自己研磨は不可能である。上述したように、背分力Ｔに対する接触領域の幅がかなり広いと切削能は大幅に落ちる。
回転式工具の第３のサブグループは、例えばドイツ特許公開第3,336,154号および第3,234,521号に開示されているようなチゼルビットに代表されるものである。これらのビットには、前面が鋭利で交換可能な管状チゼル形切削スリーブが設けられている。このビットの刃先角はどちらかというと小さく、すくい角は正方向に大きく、逃げ角は小さい。したがって、これらのビットは耐久性および耐摩耗性が低く、軟質で研磨性のない岩石の破砕時にのみ適用可能である。本発明と比較すると、これらのビットの迎え角は90゜よりもかなり小さく、前面は凹形で背面が凸形で、ビットが自己研磨されることはない。
発明の開示
したがって、本発明の目的は、従来技術の欠点のない切削方法および切削用回転ビットを提供することにある。
具体的には、本発明の目的は、係合面に沿ってビットに普通に生じる摩耗とは無関係に、耐用期間全体にわたって高い耐久性を保証するとともにビットの高い初期切削能を維持することのできる切削方法および切削用回転ビットを提供することにある。
これらの目的および後述の説明から明らかになる他の目的を維持するにあたり、本発明の一つの特徴は、簡単に言えば、本体と、本体に接続された略円形の切削要素または複数の要素とを備える切削用回転ビットを用いる際に従う切削方法であって、切削要素が凸形の前面を有する方法にある。本発明による方法では、切削用回転ビットはビットの切削要素の迎え角が90゜を超えるように配置されいてる。（迎え角とは、ビットの長手方向の軸とビット背後の切削面との間の角度である。）
本発明に基づいて上記の方法を実施し、工具を設計すると、以下のような利点が得られる。
−  岩石やその他の同様の材料を極めて効率のよく破砕できる、ビットの有意な切削能
−  ビットの切刃長を長くするとともに、その背面に沿った摩耗を均一にする自己の長手方向の軸を中心としてなされる、ビットの連続的かつ強制的な自己回転
−  邪魔になる切削要素材料をその背面に沿って研磨することによって、ビットの切刃全体に沿って初期状態の正の逃げ角を維持する、ビットの連続的かつ強制的な自己研磨
−  ビットの耐久性が向上し、結果としてビットの信頼性および寿命が高まるとともに、ビットの切削要素を介して極めて合理的な力が伝達されるために係合できる加工材料の範囲が増える。脆い切削要素における応力は、ほぼ完全に圧縮力のあるものである。
−  切削要素の大部分が通常の摩耗によって失われるまでビットが効果的に動作し、ビットの耐用寿命が長くなる。
本発明の特徴であるとみなすことのできる新規な特徴は、特に添付の請求の範囲に示されている。しかしながら、本発明自体については、構成および動作方法の両方に関して、他の目的および利点とともに添付の図面を参照して以下の具体的な実施例の説明を読むことでもっともよく理解できよう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、岩石破砕のメカニズムを概略的に示す図である。
第２図は、本発明による切削用回転ビットが設けられた切削装置を示す図である。
第３図ａは、切削要素が設けられ、円柱形の前面と平らな背面とを有する本発明の切削用回転ビットを示す図である。
第３図ｂは、切削要素が設けられ、逆円錐形の前面と平らな背面とを有する本発明の切削用回転ビットを示す図である。
第３図ｃは、切削要素が設けられ、円錐形の前面と平らな背面とを有する本発明の切削用回転ビットを示す図である。
第３図ｄは、切削要素が設けられ、円柱形の前面と凹形の背面とを有する本発明の切削用回転ビットを示す図である。
第３図ｅは、切削要素が設けられ、円柱形の前面と凸形の背面とを有する本発明の切削用回転ビットを示す図である。
第４図ａは、円筒形ビット本体に単純な切削要素が設けられた本発明の切削用回転ビットを示す図である。
第４図ｂは、段付き円筒形本体に複数の切削要素が設けられた本発明の切削用回転ビットを示す図である。
第４図ｃは、断面が丸く平滑な形の切削要素を有する本発明の切削用回転ビットを示す図である。
第４図ｄは、断面が多角形の切削要素を有する本発明の切削用回転ビットを示す図である。
第４図ｅは、断面がデージー形の切削要素を有する本発明の切削用回転ビットを示す図である。
第５図ａは、スキュー角を示す、本発明の切削用回転ビットの平面図である。
第５図ｂは、本発明による切削用回転ビットの主要な長手方向の部分と、全ての垂直平面角とを示す図である。
第５図ｃは、本発明の切削用回転ビットの断面を示す図である。
第６図は、本発明による切削用回転ビットの切削動作時の状態を示す斜視図である。
発明を実施するための最良の形態
本発明による切削工具（第２図、第３図および第４図）は、参照符号１で示される本体と、参照符号２で示される切削要素すなわちインサートとを有する。本体はさらに、ビットがその長手方向の軸を中心として回転するのに寄与するとともに、切削工具を保持するのに使用することもできる尾部３を有する。
第２図から明らかなように、ビットの尾部は工具ホルダ４の内部に配置され、リテーナ５によって保持されている。１つの工具ホルダまたは複数の工具ホルダを互いに整列配置し、カッターサポート６に取り付ける。主要角は、切削用回転ビット同士を互いに間隔のあいた向きにするものであるが、後述するように工具ホルダをカッターサポートに装着することによって決められる。ビットの尾部３および切削用回転ビットは、その長手方向の軸を中心に回転できるような状態で工具ホルダ内に保持され、軸方向に固定されている。
円筒形または円錐形の本体は、通常、実質的な弾性および強度を有する合金鋼で作製される。
インサート２（第３図）はリング形であり、一部品のリングまたは個々のセグメントで構成される複合リングとして形成できる。リング中央の開口は円柱形または円錐形のものとすることができ、その表面は、本体と接触するものであるが、平らまたは曲線状であることができる。本発明の他の実施例では、ビット全体を一種類の材料のみで作製することもできる。
第３図ａ、第３図ｂ、第３図ｃにおいて示されるように、インサートの上面を平らにすることができる。あるいは、第３図ｄに示されるような凹形や、第３図ｅに示されるような形であってもよい。ビットの前面になるリングの外面は、常に第３図ａ、第３図ｄおよび第３図ｅにおいて示されるように円柱形の母線によって形成される凸形であるか、または第３図ｃにおいて示されるような上向き円錐、第３図ｂに示されるような逆円錐である。
切削要素の外側の輪郭は、第４図ａにおいて示されるような直線状か、あるいは第４図ｂにおいて示されるような階段状である。
切削要素の断面形状については、第４図ｃに示されるような丸形、または第４図ｄに示されるような多角形、または第４図ｅに示されるようなデージー形とすることができる。
インサートは一般に、好ましくはタングステンカーバイド族の焼結した堅い合金である耐摩耗性の堅い材料で作られている。切削力はリングの中央に加わり、インサートを構成する堅い合金のような脆性材料では極めて危険な引っ張り応力ではなく、主に安全な圧縮応力に変換されるため、インサートの前面は凸形であるのが好ましい。
また、ビットの前面が凸形であると切り屑がビットの両側に分散されるため、破砕後の岩石を切削領域からより一層効率よく除去することができる。
インサートと本体との接続については、特に複合リングの場合、高温ロウ材を用いたロウ付けによって達成するかまたは圧入用の締めしろを用いて達成することができる。リング形のインサートによってロウ材料が半密封状態で保持されるため、本体とインサートとの間に耐久性があり信頼度の高い接合状態を確実に得ることができる。これは、動荷重の状態のときに特に重要である。一方、高温ロウ付けでは接合される要素の膨張係数の差が原因となって残留熱応力が生じるが、圧入を利用すればこのような残留熱応力はなくなる。
非研磨性材料の切削には、本体とインサートとに分割することのできない一体のビットを用いることが推奨される。この場合は例えば恒温クエンチングなどの特別な熱処理を施して、ビットの本体部分と切削要素部分との硬度を変えなければならない。
本発明の主な新しい特徴は、第２図および第５図ｂにおいて示されるように、切削用回転ビットが切削対象となる岩石の表面に対して迎え角βで配置されるよう本発明による方法が実施されることにある。
第５図ａおよび第５図ｃに示されるスキュー角αは、切削された岩石表面において測定され、ビットの長手方向の軸の突出部とビットの運動方向との間の角度である。
スキュー角に応じて、岩石を切り取る切削力Ｃ（Ｃ＝Qcosα）と、自己の長手方向の軸を中心としたビットの回転（Qrot＝Qsinα）を促進する回転（クラッシュ）力Qrotとが決まる。
工具の迎え角βと工具のスキュー角αとの組み合わせが、工具の主なパラメータ（ビット切刃のすくい角ψおよび逃げ角δを含む）を最適化するのに好ましい条件になる。
迎え角βおよびスキュー角αによって決まる工具の空間配置によって、以下の特性が与えられる。
−  ビットの前面はインサートの凸表面であり、一方工具の背面はインサートの端面である
−  回転モーメントMrotの作用下でビット切刃が岩石の対応する表面に沿ってローリングするため、工具は自己の長手方向の軸を中心として回転（第５図ｂおよび第５図ｃ）する。Mrotは、力Qrot（およびスラスト力）と接線力Ｑとによって発生する一組の摩擦力である。
−  工具の直線運動の方向は、第５図ｃに示されるように、工具の切刃の各点毎に異なる岩石の切削（破壊）方向とは一致しない。
−  すくい角ψｉおよび逃げ角δｉの瞬間値は、ビットの切刃に沿って点毎に連続的に変化する（第５図ｃの弧AE）。
逃げ角δｂは点Ｂ（第５図ｃ）において正の最大値となる。この角度は、点Ｂから左右に移動すると小さくなり（sinδｉ＝sinδbcosεｉ）、点Ｄにおいてゼロ、点Ｅにおいて負の値になると仮定される。正の角度Δδ（第５図b;Δδ＝cosβ sinα）によって工具の逃げ角を幾何学的に補正すると、ビットの切刃全体（第５図ｃの弧AE）に沿って逃げ角は正になる。したがって、この状態すなわち切刃部分において岩石の応力集中度を高めるのに必要な状態を維持する。
｜Δδ｜＝｜δ0|の条件で点Ｅにおける工具の逃げ角はゼロになる。したがって、切刃全体に沿って正の逃げ角を維持する上で妨げとなる背面の材料が連続的に除去されるため、Ｅにおける放射状の線上で自己研磨が起こる。自己研磨は、切刃の点Ｅの周囲以外の場所に沿って摩耗が起こるのと同時に、この点の周囲で進行する。
すくい角ψｂは第５図ｃの点Ｂにおいて負の最大値となる。点Ｄにおいて値がゼロになり、点Ｅにおいて値が正になると仮定できるよう、この角度は点Ｂから左右に移動すると大きくなる。したがって、単位長さあたりのスラスト力は、工具の切刃の第５図ｃの弧AE上にある残りの点と比べて、点Ｅにおいて最大になる。したがって、摩耗および摩擦の強度は点Ｅにおいて最大になり、逃げ角の値がゼロであることとあいまって、機械による工具研ぎに近い状態が得られる。第５図ｂ正の補正角Δψを導入することで、自己研磨の効果はさらに高くなる。
切刃の中央部分において最大となる工具の負のすくい角は、過剰な荷重に対する自己保護に寄与する。すくい角が負であると、工具を岩石から持ち上げる揚力が発生する。このような過剰な負荷は、通常は破砕対象となる岩石が堅くなると発生する。
以下の要因から、自己の長手方向の軸を中心にした工具の連続的な回転は信頼性の高いものとなる。
−  逃げ角が正であるため、工具の背面に沿った回転に対する実質的な抵抗がない
−  切削装置を駆動することで生じて大きなQrotを形成する、（スラスト力と比して）実質的な切削力Ｃを利用する。
工具の性質および摩耗が背面に沿って軸方向に起こることと、工具の切刃全体に沿って逃げ角が自己研磨によって連続的に初期値に戻ることとがあいまって、インサートが摩耗によって実質的にすり減ってしまうまで、切削モードにおいて工具が効率よく動作する。
本発明による迎え角は、90゜〜120゜の範囲内にできる。スキュー角は５゜〜40゜の範囲内にできる。すくい角はプラス15゜〜マイナス15゜の範囲内にできる。逃げ角は０〜20゜の範囲内にできる。刃先角は50゜〜100゜の範囲内にできる。
以上、本発明を切削方法および切削用回転ビットにおいて実施する場合について図面を参照して説明したが、本発明の趣旨を逸脱することなく様々な修正および製造上の変更を施すことができるため、ここに示した詳細なものに限定されることを意図したものではない。
【図１】
0003588362.tif 000002
【図２】
0003588362.tif 000003
【図３ａ】
0003588362.tif 000004
【図３ｂ】
0003588362.tif 000005
【図３ｃ】
0003588362.tif 000006
【図３ｄ】
0003588362.tif 000007
【図３ｅ】
0003588362.tif 000008
【図４ａ】
0003588362.tif 000009
【図４ｃ】
0003588362.tif 000010
【図４ｄ】
0003588362.tif 000011
【図４ｂ】
0003588362.tif 000012
【図５ｃ】
0003588362.tif 000013
【図４ｅ】
0003588362.tif 000014
【図６】
0003588362.tif 000015
【図５ａ】
0003588362.tif 000016
【図５ｂ】
0003588362.tif 000017