(57)【要約】【課題】  在来型工具装置で使用可能であり，鉱物性基盤を加工するための超音波工具装置への適用に際しても有利な特性を有すると共に，経済的に製造可能な工具を提案する。【解決手段】  本発明による工具は，クラウンドリル（１１）として形成する場合，支持体として炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼からなる中空円筒形状のクラウン素子（１２）を具える。クラウン素子（１２）は，クラウンドリル（１１）をドリル装置に連結するための装着端（１５）を設けた後端部（１３）と，加工素子としてカッター素子（１６）を設けた前端部（１４）とを具える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉱物性基盤を加工するための超音波工具装置に使用する工具であって，少なくとも１個の加工素子が設けられた支持体を具え，該支持体が炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼よりなることを特徴とする工具。
【請求項２】
請求項１記載の工具において，前記支持体が炭素含有量０．６％（±０．１％）の非合金熱処理鋼からなることを特徴とする工具。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の工具において，該工具が，前記支持体として中空円筒形状のクラウン素子（１２；２２）を有するコアドリル（１１，２１）であることを特徴とする工具。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の工具において，該工具が，前記支持体としてシャフト（３７）を有するドリル（３６）であることを特徴とする工具。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の工具において，該工具が，ディスク形状の支持体（４７）を有するカッターディスク（４６）であることを特徴とする工具。
【請求項６】
請求項１又は２に記載の工具において，該工具が，ディスク形状の支持体（５７）を有するグラインダディスク（５６）であることを特徴とする工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉱物性基盤を加工するための超音波工具装置に使用する工具に関し，特に，少なくとも１個の加工素子を設けた支持体を具える工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉱物性基盤は，ドリル装置，カッター装置，グラインダ装置等の適切な工具装置を使用するドリル作業，切断作業又はグラインダ作業等により加工される。その際，手持ち式システムや，スタンド式システムが使用される。
【０００３】
手持ち式システムの場合，加工プロセスで使われる押圧力は使用者により制限されるため，２００Ｎを超えることは稀である。手持ち式システムにおける加工効率を高めるため，工具の回転運動に付加的運動を重畳することが既知である。例えば，本出願人のドイツ特許出願公開第４４４４８５３号公報（特許文献１）は，コアドリルを行うためのクラウンドリルの回転運動に対して，ドリル中心軸線方向の超音波振動を重畳することを提案している。この装置は一般的には良好な成果を達成するが，付加的運動なしのシステムとの対比において，クラウンドリルの耐用性，材料除去効率及び経済性をなお向上する余地がある。
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第４４４４８５３号公報
【０００４】
ドイツ特許出願公開第４４２６２３８号公報（特許文献２）に記載されているように，工具用の支持体，例えばクラウンドリルにおけるクラウン素子は，炭素含有量０．２％未満の非合金熱処理鋼（例：“Ｓ２３５ＪＲ”，材料番号１．００３７；旧称：“Ｓｔ３７‐２”）で製造されている。この素材はクラウンドリルを経済的に製造可能とし，しかも良好な溶接性を発現する。しかし，このような素材で製造されたクラウンドリルは，超音波ドリル用として不適当である。すなわち，励起された超音波振動が非合金鋼材により減衰され，材料除去効率が低下し，クラウンドリルが過熱するために耐久性も低下するからである。
【特許文献２】ドイツ特許出願公開第４４２６２３８号公報
【０００５】
超音波の適用における上述した問題点を解消するため，ドイツ特許出願公開第４２０７０３１号公報（特許文献３）に記載されているように，ニッケル・クロム鋼を使用することも既知である。この材料は，超音波の応用について極めて優れた特性を有するが，一般的な非合金鋼材と対比してて３〜５倍も高価である。超音波の適用で良好な特性を発揮する別の材料として，チタン鋼を挙げることができる。しかしながら，このチタン鋼も非合金鋼材と対比して数倍も高価である。したがって，経済的理由から，これらの材料を使い捨て工具の素材とすることは現実的ではない。
【特許文献３】ドイツ特許出願公開第４２０７０３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は，在来型工具装置で使用可能であり，鉱物性基盤を加工するための超音波工具装置への適用に際しても有利な特性を有すると共に，経済的に製造可能な工具を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題を解決するため，本発明は独立請求項に記載した工具を要旨とするものである。また，本発明の好適な実施形態は，従属請求項に記載したとおりである。
【０００８】
本発明においては，工具の支持体を炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼で製造する。炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼に係る材料費は，従来の非合金鋼材に要する材料費よりも僅かに高いだけである。炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼から製造された工具は，材料に起因する超音波振動の減衰が少ないため、耐久性が向上する。更に，炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼は，所定の条件下で溶接可能であり，良好な切削性を有する。炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼で製造した支持体を具える工具は，在来型の工具装置のみならず，超音波工具装置でも使用することができる。
【０００９】
更に，驚くべきことに，これらの工具においては超音波振動の減衰が少なく，一般的な非合金鋼材製の工具に比べて耐久限度に優れるだけでなく，超音波振動の発生に必要とされる出力レベルが低い。加えて，炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼から製造した工具は，材料疲労による減損確率が低いため，同一の破損確率で最大でも８０％のひずみ振幅しか工具に作用しない。要約すれば，炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼を使用することにより，一定の超音波出力で工具を駆動する場合に，一般的な非合金鋼材よりも大きな超音波振動を実現することが可能である。炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼の耐久性が向上することにより，大きな超音波振幅でも材料に起因する減損確率は高まらない。
【００１０】
支持体は，炭素含有量０．５〜０．７％，最適には０．６％の非合金熱処理鋼で製造するのが好適である。適切な非合金熱処理鋼とは，例えば，炭素含有量０．５７〜０．６５％の“Ｃ６０Ｅ”（材料番号１．１２２１；旧称：“ＣＫ６０”）である。
【００１１】
本発明の一実施形態では，工具を，支持体として中空円筒形状のクラウン素子を有するコアドリル用のクラウンドリルとして構成する。このようなクラウンドリルは，特に鉄筋コンクリートに対する穿孔作業に使用される。中空円筒形状のクラウン素子は，クラウンドリルをドリル装置に装着するための装着端を後端部に具え，前端部には加工素子として，焼結ダイヤモンドセグメント又は硬質金属等からなるカッター素子か固定されている。材料除去プロセスは，ドリル装置を用いたクラウンドリルの回転により達成される。このようなクラウンドリルは使い捨ての消耗品であり，クラウンドリルとして新たに使用されるべきクラウン素子には所要に応じて新たなカッター素子を固定するものである。
【００１２】
中空円筒形状のクラウン素子全体の代わりに，もっぱら消耗部分のみを構成する交換モジュールを使用し，そのモジュールにカッター素子を設けることが可能である。この場合，交換モジュールも支持体として中空円筒形状のクラウン素子部分を具える。交換モジュールは，中空円筒形状のクラウン素子に対する結合面を後端部に具えると共に，前端部にカッター素子を固定するものである。超音波工具装置でクラウンドリルを駆動する場合でもクラウンドリルの有利な特性を確保するため，中空円筒形状のクラウン素子部分は炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼で製造する。
【００１３】
本発明の他の実施形態に係る工具は，支持体としてのシャフトを具えるドリルとして構成されている。このようなドリルは，ドリル孔を穿つのに使用され，シャフトの後端部にはドリルをドリル装置に装着するための装着端を設け，前端部には加工素子として少なくとも１個のカッター素子を具える。この少なくとも１個のカッター素子は，硬質金属プレート又は硬質金属製ドリルヘッド等として構成され，シャフトの前端部に固定される。シャフトの外周部に，ドリル屑を搬出するための少なくとも１本のスパイラル溝を設け，これによりドリル工程で生じるドリル屑又はドリル塵を穿孔作業中にドリル孔から排出可能とするのが好適である。本発明に係るドリルの他の実施形態において，シャフトには縦孔が設けられている。この縦孔を経て，ドリル工程に際して切削液を前記カッター素子に供給し，又はドリル工程で生じるドリル屑又はドリル塵をドリル孔から排出することが可能である。
【００１４】
本発明の他の実施形態に係る工具は，ディスク形状の支持体を具えるカッターディスクとして構成されている。このようなカッターディスクは，構造部材に対する切断作業又はスリット形成作業に使用されるものである。ディスク形状の支持体は，工具装置の駆動軸にカッターディスクを固定するための中心孔が設けられ，焼結ダイヤモンドセグメント又は硬質金属製のカッター素子を加工素子として外周部に有する。
【００１５】
本発明の他の実施形態に係る工具は，ディスク形状の支持体を具えるグラインダディスクとして構成されている。このようなグラインダディスクは，構造部材の平坦化加工に使用される。ディスク形状の支持体は，工具装置の駆動軸にグラインダディスクを固定するための中心孔が設けられ，ディスク形状支持体の下面に焼結ダイヤモンドセグメント等の研磨材を加工素子として具える。
【００１６】
以下，本発明を図示の好適な実施形態について更に具体的に説明する。
【００１７】
図１に示すクラウンドリル１１は，支持体として中空円筒形状のクラウン素子１２を具える。クラウン素子１２は，炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼，たとえばＣ６０Ｅ等から製造される。クラウンドリル１１は，ドリル装置（図示せず）に対してクラウンドリル１１を装着するための装着端１５を設けた後端部１３と，加工素子としてのカッター素子１６を設けた前端部１４とを具える。
【００１８】
図２に示す変形例に係るクラウンドリル２１の場合，支持体として中空円筒形状のクラウン素子部分２７を設けた交換モジュール３０が，中空円筒形状のクラウン素子２２の前端部２４に配置されている。クラウン素子部分２７は，炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼で製造されており，中空円筒形状のクラウン素子２２に対する結合面としての後端部２８と，加工素子としてカッター素子２６を設けた前端部２９とを具える。交換モジュール３０は，溶接継手３１等を介して中空円筒形状のクラウン素子２２に固定し，カッター素子２６が磨耗した時点で取り外し，新たなカッター素子２６を有する交換モジュール３０と交換するものである。
【００１９】
図３に示す実施形態に係る工具は，支持体としてシャフト３７を有するドリル３６である。支持体３７は，炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼，例えばＣ６０Ｅ等で製造されている。シャフト３７は，ドリル３６をドリル装置（図示せず）に装着するための装着端４０を後端部３８に有し，加工素子として超硬金属プレートで構成したカッター素子４１を前端部３９に有する。シャフト３７の外周部には，スパイラル溝４２が設けられている。
【００２０】
図４に示す実施形態に係る工具は，ディスク形状の支持体４７を有するカッターディスク４６である。支持体４７は，炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼で製造されている。支持体４７は，カッターディスク４６を工具装置（図示せず）の駆動軸に固定するための中心孔４８が設けられ，加工素子として複数のカッター素子４９が外周部に配置されている。
【００２１】
図５に示す実施形態に係る工具は，ディスク形状の支持体５７を有するグラインダディスク５６である。支持体５７は，炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼で製造される。支持体５７は，グラインダディスク５６を工具装置（図示せず）の駆動軸に配置するための通過開口５８が設けられ，複数の研磨素子５９が下面６０に配置されている。
【００２２】
炭素含有量０．２〜０．８％のＣ６０Ｅ等の非合金熱処理鋼鉄で製造された支持体を有する工具が，有利な特性及び超音波工具装置の使用における驚くべき特性を発現することは，発明者らが行った種々のテストにより確認されている。図６のグラフは，それぞれ２種類の振幅下での各種材料の温度変化を示している。各データ対のうち，左側のデータはひずみ（ε）を０．３*１０-3，振幅を１２μｍとした２分間の材料試料の負荷時における温度変化を示し，右側のデータはひずみを０．５*１０-3，振幅を２０μｍとした１分間の材料試料の負荷時における温度変化を示している。第１のデータ対は，基準材料としたチタン鋼（Ｔｉ６Ａ１４Ｖ）からなる試料についての測定結果を示している。この試料は，それぞれの超音波負荷の下で極めて僅かしか加熱されない。チタン鋼の僅かな加熱は，超音波の材料に起因する僅かな減衰に一致する。第２のデータ対は，比較のために，非合金鋼材（Ｓ２３５ＪＲ）からなる試料についての測定結果を示している。この鋼材は，工具の支持体を製造するのに一般的に使用されるものである。この試料は，それぞれの超音波負荷時に極めて高温に加熱される。非合金鋼材の極めて高い加熱特性は，材料に起因する超音波の大きな減衰に対応する。第３のデータ対は，非合金熱処理鋼（Ｃ６０Ｅ）で製造された試料についての測定結果を示している。この熱処理鋼は，本発明に係る工具の支持体を製造するのに使用されるものである。この試料の加熱状態は，それぞれの超音波負荷の下でチタン鋼（第１データ対）よりも僅かに高く，非合金鋼材（第２データ対）よりも遥かに低い。
【００２３】
上記の結果は更に別のテストによっても確認され，炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼、特にＣ６０Ｅからなる支持体を有する工具において，発生可能な超音波振幅に対して供給されるべきパワー効率が，非合金鋼材（Ｓ２３５ＪＲ）からなる支持体を有する工具に比べて著しく向上することが判明した。更に，炭素含有量０．２〜０．８％の非合金熱処理鋼，特にＣ６０Ｅからなる支持体を有する工具の場合，一般的な非合金鋼材と対比して，破損確率を一定とした条件下で，より高いひずみ振幅を実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係るクラウンドリルの側面図である。
【図２】図１に示すクラウンドリルの変形例を示す側面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係るドリルの側面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るカッターディスクの正面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係るグラインダディスクの正面図である。
【図６】異なる超音波振動の印加時における各種材料の減衰特性を示す棒グラフである。
【符号の説明】
【００２５】
１１，２１  クラウンドリル
１２，２２  クラウン素子
１３，２８，３８  後端部
１４，２４，２９，３９  前端部
１５，４０  装着端
１６，２６，４１，４９  カッター素子
２７  クラウン素子部分
３０  交換モジュール
３１  溶接継手
３６  ドリル
３７  シャフト
４２  スパイラル溝
４６  カッターディスク
４７，５７  支持体
４８，５８  通過開口
５６  グラインダディスク
５９  研磨材
６０  下面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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