(57)【要約】【課題】耐磨耗性および耐久性が高く、長距離掘削が可能な掘削ビットを提供する。【解決手段】先端面に多結晶ダイヤモンド層１７が形成されたタングステンカーバイト超硬合金製の複数の円柱状の基材１６を、シャンク本体４の主すくい面８に形成された基材装着孔１５に嵌合し接合した。【選択図】　　　　図３
2004100176.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端面に多結晶ダイヤモンド層が設けられたタングステンカーバイト超硬合金製の複数の基材を、シャンク本体の掘削部に接合した
ことを特徴とするトンネル掘削機用掘削ビット。
【請求項２】
地山掘削面に対する多結晶ダイヤモンド層のすくい角が、０°未満で−４５°以上とした
ことを特徴とする請求項１記載のトンネル掘削機用掘削ビット。
【請求項３】
シャンク本体の掘削部に、基材が埋め込んで接合される基材装着凹部を形成した
ことを特徴とする請求項１または２記載のトンネル掘削機用掘削ビット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル掘削機のカッタに装着される掘削ビットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル掘削機用掘削ビットの耐磨耗性と超寿命化を実現するものとして、たとえばａ．カッタビットの先端部に超砥粒層を固着した特許文献１や、ｂ．超硬合金製の複数の棒状チップを埋め込んだ特許文献２、またｃ．掘削途中の支障物を切削するものとしてカッタヘッドに出退自在に設けたコアカッターの前端部にダイヤモンドチップを設けた特許文献３がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２６６７５６号公報
【０００４】
【特許文献２】
特開平１０−３３１５８８号公報
【０００５】
【特許文献３】
特開平１０−３７６６８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年の掘削距離の長距離化に伴い、さらに耐磨耗性が高く、耐久性が高い掘削ビットが要求されている。従来の特許文献１，２では、掘削途中に、Ｈ型鋼や鋼管、鋼矢板、ＲＣなどの杭や矢板など硬質の支障物が出現した場合、カッタビットの磨耗が激しいという問題がある。また特許文献３では、円筒状のカッタの先端部に、ダイヤモンドチップを取り付けたもので、硬質の支障物には対処できるものの、地山を長距離にわたって掘削するものではないが、これを使用して長距離掘削するには、耐久性が不足するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解決して、耐磨耗性および耐久性が高く、長距離掘削が可能なトンネル掘削機用掘削ビットを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、先端面に多結晶ダイヤモンド層が設けられたタングステンカーバイト超硬合金製の複数の基材を、シャンク本体の掘削部に接合したものである。
【０００９】
上記構成によれば、先端面に多結晶ダイヤモンド層を有する基材をシャンク本体の掘削部に設けたので、耐久性と耐磨耗性を大幅に向上させることができ、長距離の掘削が可能となる。
【００１０】
請求項２記載の発明は、地山掘削面に対する多結晶ダイヤモンド層のすくい角が、０°未満で−４５°以上としたものである。
上記構成によれば、すくい角を０°未満で−４５°以上とすることで、切り込み掘削能力を低下させることなく、掘削時に掘削地盤から掘削ビットに反掘進方向に加わる加圧反力が、多結晶ダイヤモンド層を基材に押付ける方向に働き、剥がす方向に働かないので、多結晶ダイヤモンド層の欠けや剥離などを防止できて耐久性を大幅に向上させることができる。
【００１１】
請求項３記載の発明は、シャンク本体の掘削部に、基材が埋め込んで接合される基材装着凹部を形成したものである。
上記構成によれば、基材を基材装着凹部に嵌合して埋め込んだ状態で接合し、多結晶ダイヤモンド層を露出させることで、シャンク本体の掘削部に容易かつ強固に取り付けることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
非常に硬くて耐磨耗性が高く掘削に適した材料としては、ダイヤモンドが挙げられる。しかし、大型のダイヤモンドを製造することは技術的にも困難で、できたとしても製造コストが非常に高いものとなる。またダイヤモンドを強固かつ高耐久性で掘削ビットに固着する適当な方法もない。
【００１３】
そこで本発明者等は、比較的薄いタングステンカーバイト超硬合金製の基材の先端部に、多結晶ダイヤモンドの焼結体を形成するか、あるいは別途成形した多結晶ダイヤモンドとタングステンカーバイト超硬合金製の基材とを、融点の低いボンド材を介在させて加熱ロウ付けすることにより一体化し、これらタングステンカーバイト超硬合金製の基材をシャンク本体に強固に取り付けることで、トンネル掘削機用掘削ビットとして耐久性および耐磨耗性を大幅に向上させることができることを見出した。
【００１４】
本発明に係るトンネル掘削機用掘削ビットの実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。
まず第１の実施の形態は、この主掘削ビット１は、図５，図６に示すように、トンネル掘削機本体の前面に掘削機軸心周りに回転自在に配置されるカッタ面板２において、放射方向に形成された土砂取入口３に臨むカッタフレーム２ａに配置されるものである。
【００１５】
この主掘削ビット１は、図１〜図３に示すように、平面視が矩形状に形成されたシャンク本体４の基端側取付基部５に取付具（取付ボルトなど）が装着される４個のビット取付孔６が形成され、先端側上面には、先端側上位に傾斜する副すくい面７を介して、先端側下位にすくい角θで傾斜する主すくい面（掘削部）８が形成されている。また先端面に下位が基端側に所定の逃げ角αで傾斜する逃げ面９が形成されている。
【００１６】
前記副すくい面７には、副すくい面７に対して垂直に一定ピッチで形成された複数の植設孔１１に、それぞれ円柱状の第１の超硬チップ１２が嵌入されて接合され、シャンク本体４の磨耗が防止されている。また前記逃げ面９にも、逃げ面９に対して垂直に一定ピッチで形成された複数の植設孔１３に、それぞれ円柱状の第２の超硬チップ１４が嵌入されて接合され、シャンク本体４の磨耗が防止されている。
【００１７】
前記主すくい面８には、先端辺に沿って面取り部８ａが形成されるとともに、主すくい面８に対して垂直にたとえば４個の基材装着孔（基材装着凹部）１５が一定ピッチで形成されている。そして各基材装着孔１５には、タングステンカーバイト超硬合金製の円柱状の基材１６が嵌合されてロウ付けなどにより接合され、これら基材１６の軸心に垂直な先端面に、所定厚みの多結晶ダイヤモンド層１７がそれぞれ設けられている。
【００１８】
この多結晶ダイヤモンド層１７は、基材１６の先端面に多結晶ダイヤモンドを焼結させて一体形成するか、あるいは基材１６の先端面に、融点の低いボンド材を介在させて、別途成形した多結晶ダイヤモンド加熱しロウ付けすることにより一体化している。また多結晶ダイヤモンド層１７は、その厚みが概略１〜４ｍｍに形成され、その厚みが増すほどダイヤモンドの含有量を下げ、高度は低下するが靭性が向上するようにして、欠けが発生しにくくしている。
【００１９】
さらに多結晶ダイヤモンド層１７の先端面（掘削面）は、掘削地盤Ｇに対してすくい角θ（ここでは主すくい面８の傾斜角と同じ）が、通常の掘削刃のすくい角（＋２０゜）と反対の負のすくい角θ＝０＞θ＞−４５°（ここでは主すくい面８の傾斜角と同じ）の範囲に設定され、図ではθ＝−１０°に表示されている。これは、図４（ａ）に示すように、正のすくい角δである場合、矢印方向に旋回移動する主掘削ビット１には、掘削地盤Ｇを掘削する掘削反力Ｐと掘削地盤Ｇに押付けられる掘進反力Ｑが加わるが、このうち掘進反力Ｑはすくい面に沿う分力Ｑａとすくい面に垂直な分力Ｑｂの合成力と考えられることから、すくい面に垂直な分力Ｑｂが多結晶ダイヤモンド層１７を基材１６から剥離する方向に働き、この分力Ｑｂにより多結晶ダイヤモンド層１７に欠けや剥離が発生するおそれがある。これに対して、図４（ａ）に示すように、負のすくい角θである場合、掘進反力Ｑのすくい面に垂直な分力Ｑｂは、多結晶ダイヤモンド層１７を基材１６に押付ける方向に働く。このため、多結晶ダイヤモンド層１７の欠けや剥離などを防止して耐久性を大幅に向上させることができる。
【００２０】
上記主掘削ビット１の実施の形態によれば、主すくい面８に形成された基材装着孔１５に、先端面に所定厚みの多結晶ダイヤモンド層１７を一体形成したタングステンカーバイト超硬合金製の複数の基材１６を嵌合して取り付けたので、衝撃に強くかつ耐磨耗性に優れた主掘削ビット１を得ることができる。また地盤掘削面と多結晶ダイヤモンド層１７の掘削面とで形成されるすくい角θを０°未満で−４５°以上の範囲とすることで、掘削地盤への切り込み掘削能力を低下させることなく、掘削時の掘進反力Ｑｂが、多結晶ダイヤモンド層１７を基材１６に押し付ける方向に働かせて、多結晶ダイヤモンド層１７の欠けや剥離を防止して耐久性を大幅に向上させることができる。さらに、副すくい面７および逃げ面９にそれぞれ植設された複数の上面超硬チップ１２および先端面超硬チップ１４により、シャンク本体２２のの磨耗を効果的に低減することができる。
【００２１】
次に先行ビット２１の実施の形態を図７〜図１０（図５，６参照）に基づいて説明する。この先行ビット２１は、図５，図６に示すように、カッタ面板２で土砂取入口３の間の中間部に、主掘削ビット１より前方に突出して取り付けられ地盤掘削面を先行掘削するものである。
【００２２】
先行ビット２１は、縦長直方体状のシャンク本体２２の前後面の四隅コーナ部に、超硬合金製で角柱状のコーナチップ２３がそれぞれ埋め込まれて表面が露出されている。またシャンク本体２２の先端面で前後コーナの掘削部に、すくい角θと平行な平面状の基材取付面２４がそれぞれ形成され、これら基材取付面２４に、表面に所定厚みの多結晶ダイヤモンド層２５が形成されたタングステンカーバイト超硬合金製の板状の基材２６がろう付けなどにより一体に接合されている。この基材２６は、先端辺が円弧凸状に形成された略矩形状で、図８（ａ）（ｂ）に示すように、円形の基材素材２６′の表面に２〜４ｍｍ程度の多結晶ダイヤモンド層素材２５′を前述の方法で形成し、これを切断線ａ，ａ，ｂに沿って切断することで製造することができる。
【００２３】
この基材２６は、多結晶ダイヤモンド層２５のすくい角θが０＞θ＞−４５°の範囲に設定され、図では−３０°に表示されている。これにより、押圧反力により多結晶ダイヤモンド層２５が掛けたり剥離するのを効果的に防止している。
【００２４】
上記先行ビット２１によれば、主掘削ビット１と同様の作用効果を奏することができる。また、板状の基材２６は、図８に示す方法により、効率良く製造することができ、生産性がよい。
【００２５】
図１１および図１２は、先行ビットの他の実施の形態を示す。この先行ビット３１は、板状の基材２４に代えて円柱状の基材３５を設けたものである。
すなわち、この先行ビット３１は、シャンク本体３２の先端面で前後コーナの掘削部に、すくい角θと平行な基材取付面３３が形成され、これら基材取付面３３にそれぞれ一定ピッチで３個ずつ基材装着孔（基材装着凹部）３４が形成されている。そして基材装着孔３４に嵌合可能な円柱状の基材３５が基材装着孔３４を介して装着され、この植設状態でろう付けなどにより接合されている。これら基材３５の先端面には１〜４ｍｍの厚みの多結晶ダイヤモンド層３６がそれぞれ形成されている。もちろん、これらの基材３５の多結晶ダイヤモンド層３６のすくい角θ：０＞θ＞−４５°の範囲に設定されている。３７はシャンク本体３２のコーナ部に、超硬合金製で角柱状に埋め込まれ表面が露出されたコーナチップである。
【００２６】
上記構成によれば、先の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上に述べたごとく請求項１記載の発明によれば、先端面に多結晶ダイヤモンド層を有する基材をシャンク本体の掘削部に設けたので、耐久性と耐磨耗性を大幅に向上させることができ、長距離の掘削が可能となる。
【００２８】
請求項２記載の発明によれば、すくい角を０°未満で−４５°以上とすることで、切り込み掘削能力を低下させることなく、掘削時に掘削地盤から掘削ビットに反掘進方向に加わる加圧反力が、多結晶ダイヤモンド層を基材に押付ける方向に働き、剥がす方向に働かないので、多結晶ダイヤモンド層の欠けや剥離などを防止できて耐久性を大幅に向上させることができる。
【００２９】
請求項３記載の発明によれば、基材を基材装着凹部に嵌合して埋め込んだ状態で接合し、多結晶ダイヤモンド層を露出させることで、シャンク本体の掘削部に容易かつ強固に取り付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るトンネル掘削機用主掘削ビットの実施の形態を示す側面図である。
【図２】同主掘削ビットを示す平面図である。
【図３】同主掘削ビットを示す斜視図である。
【図４】（ａ）同負のすくい角を有する多結晶ダイヤモンド層に作用する力を説明する説明図、（ｂ）は正のすくい角を有する刃先に作用する力を説明する説明図である。
【図５】同主掘削ビットおよび先行ビットの取付位置を示すシールド掘進機のカッタ面板を示す正面図である。
【図６】図５に示すＩ−Ｉ拡大断面図である。
【図７】本発明に係るトンネル掘削機用先行ビットの実施の形態を示す斜視図である。
【図８】同先行ビットの基材の製作手順を示し、（ａ）多結晶ダイヤモンド層の形成状態を示す斜視図、（ｂ）は素材の切断線を示す正面図である。
【図９】同先行ビットの側面図である。
【図１０】同先行ビットの正面図である。
【図１１】同先行ビットの変形例を示す側面図である。
【図１２】同変形例の先行ビットを示す斜視図である。
【符号の説明】
Ｇ　　掘削地盤
θ　　すくい角
１　　主掘削ビット
４　　シャンク本体
５　　取付基部
６　　取付孔
７　　副すくい面
８　　主すくい面
９　　逃げ面
１２　　第１の超硬チップ
１４　　第２の超硬チップ
１５　　基材装着孔
１６　　基材
１７　　多結晶ダイヤモンド層
２１　　先行ビット
２２　　シャンク本体
２４　　基材取付部
２５　　多結晶ダイヤモンド層
２６　　基材
３１　　先行ビット
３２　　シャンク本体
３３　　掘削面
３４　　基材装着孔
３５　　基材
３６　　多結晶ダイヤモンド層
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2004100176.tif 000012
【図１１】
2004100176.tif 000013
【図１２】
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