JP2005230888A

JP2005230888A - 掘削工具の製造方法

Info

Publication number: JP2005230888A
Application number: JP2004045740A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Honda; 武士本田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】超硬合金製の掘削ビット部を有する掘削工具を効率的に製造できる掘削工具の製造方法を提供する。
【解決手段】超硬合金製の掘削ビット用部材と鋼製のシャンク用部材とを接合するための棒状の中間材用部材と、鋼製のシャンク用部材とを、一方を回転させ他方を固定して、同軸的に圧接させることによって発生する摩擦熱を利用して接合した後、これによって得られた複合部材と超硬合金製の掘削ビット用部材とを同様に摩擦接合して掘削工具用素材を作成し、これを表面処理して掘削工具を製造する。
前記中間材としては、鉄−ニッケル−コバルト系合金が望ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、超硬合金製の掘削ビットを有する、トンネルの掘削に適した工具の製造方法に関する。

従来トンネル掘削などに用いる掘削機の刃先であるラウンドビットには、超硬合金製の先端部分を有するコニカルビットが用いられている。
このコニカルビットは、鋼材シャンク部に掘削する先端に超硬ビットをシャンク孔に圧入またはロウ付けにより接合され、製造されている。この場合、超硬ビットが衝撃のために脱落したり、シャンクの磨耗が早い。この要因として超硬ビットと鋼材シャンクとの密着性が悪く、ロー付けのためにシャンクの硬度に制限があり、耐摩耗性に欠ける。またロー付けのための超硬部の長さ・洗浄・穴あけ加工・熱源等、コスト高になる。

掘削ビットが超硬合金製であり、シャンク部が鋼材製の一体的な掘削工具を構成するには、超硬合金製の掘削ビット部材と、鋼材製のシャンク用部材とを準備し、この掘削ビット部材とシャンク用部材とをロウ付けまたは圧入により接合し、その後、掘削用工具が形成され、熱処理・研削加工を施すといった方法が広く用いられている。

より詳細に従来の掘削ビットの製造方法を説明する。従来の超硬合金のロウ付け作業は次のように行っていた。
先ずビットの刃先となる超硬合金と支持体となる鋼材シャンクを接合するためにロウ付け作業は、ストレート又はテーパ孔加工を行う。次にロウ付けする超硬合金と鋼材シャンクを、溶剤を使って十分洗浄してロウ材と専用のフラックスを塗布する。その後に銅ロウ又は銀ロウを挟んで固定して、加熱炉（電気炉・コークス炉・ガスバーナー・高周波等）で加熱する。ロウが溶けて一面に拡散したら、加熱を止めて細い棒で超硬合金を動かすか、又は軽く叩きその後で正常な位置に固定加圧しロウの固まるのを待つ。ロウの厚さはなるべく薄く、各部均一にロウが廻るようにした後、石灰木灰などを使用して徐冷する。また接合を完全にするために銅ロウと銀ロウを二重にロウ付けすることもある。
しかしながら、従来のロウ付け作業においては、このように時間と手間をかけても、超硬合金と鋼材シャンクのロウ付けの際発生する残留応力のために超硬合金にしばしばクラックが起き易いので、加工費以外の重大な難点がある。さらにこの方法では鋼材の硬度を上げられず、磨耗しやすく、衝撃に弱いため脱落することもある。

従来のロウ付け又は圧入によるビットの製造方法においては、ビット用部材とシャンク用部材との間にロウ材を配置し、有害の溶剤洗浄や加熱装置、またビットは外径の２〜３倍の長さが必要である。特に従来品は磨耗が早く、しばしば溶接による肉盛りをしながら使用している状況である。その加工コスト、材料費、耐磨耗性等、すべてに問題であった。

そこで本発明は超硬合金製のビット部を有する掘削ビットを効率的に、且つ信頼性の高い掘削ビットの製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、超硬ビット部を1/3程度の長さの傘状にして、シャンク部の孔加工を無くし、固相拡散接合によりコスト削減し、なおかつこの接合技術により、外周は硬化し内部は軟化して、耐衝撃性に富む理想的なラウンドビットが製造できることに着目し、また鋼材シャンクの表面硬度は焼き入れ限界まで可能で、耐摩耗性にも格段に優れるという知見を得て完成したものである。

本発明の掘削ビットの他の製造方法は、軸方向とほぼ直交するように広がる先端面をもつ鋼材製の棒状シャンク用部材と、軸方向とほぼ直交するように広がる後端面をもつ接合用の棒状中間材用部材をそれぞれ準備し、前記シャンク用部材及び前記中間材部材の一方を回転させ、他方を固定すると共に、前記シャンク用部材の先端面と前記中間材部材の後端面とを押し付けることによって、前記シャンク用部材と前記中間材部材との間に、前記シャンク用部材の先端部及び前記中間材部材の後端部を軟化させるのに十分な摩擦熱を発生させ、前記摩擦熱によって前記シャンク用部材または中間材用部材の回転を停止し、圧力をかけて前記シャンク用部材の先端面と前記中間材用部材の後端面とを圧接させて前期シャンク用部材と前記中間材部材とを接合する工程と、
得られた複合部材と、超硬合金製の傘状のビットとを準備し、前記部材及び前記ビット用部材の一方を回転させ、他方を固定するとともに、前記複合部材の中間材側を円錐状に加工した先端面と前記ビット用部材の後端面を軟化させるのに十分な摩擦熱を発生させ、前記摩擦熱によって前記複合部材の中間材先端部及び前記ビット用部材の後端部が十分に軟化したときに、前記複合部材または前記ビット用部材の回転を停止し、圧力をかけ前記複合部材の中間材先端面と前記ビット部材の後端面とを圧接させて前記複合部材と前記ビット用部材とを接合し、得られた掘削ビット部材を低温徐冷却して、前記掘削用ビットとこれに接合した鋼材シャンク材からなる掘削用工具を製造するものである。
また、その後、必要な表面塗装や表面研磨などの処理を施すこともできる。

また、上記本発明において、前記シャンク用複合部材とビットとを摩擦圧接した後、十分に低温徐冷却することが重要である。

この方法によれば、熱膨張率差の大きな超硬合金製傘状ビット用部材と鋼材製棒状シャンク部材を用いた場合においても、クラックなどによる破損のない耐圧、耐磨耗に優れた掘削用ラウンドビットを製造することができる。

以上説明したように、本発明によれば、先端側に超硬合金製のビット部を有する掘削用工具を工程中においてクラック等による破損もなく、効率的に製造することができしかも、超硬合金製の掘削ビット用部材と鋼材製のシャンク用部材との接合強度を、ロウ付けによる接合の場合と比較してかなり大きくすることができる。

［掘削工具］
まず、本発明のコニカルビットは、その正面図である図１に見られるように、鋼材などで形成される把持部５３を有するシャンク材５２と、その先端部に結合されたビット本体である超硬合金製のような刃先部５１とからなっている。そして、このシャンク材と、刃先部とは、極薄い中間材５４で接合されている。この中間材の詳細については、後述する。

［掘削工具の製造方法］
以下、上記掘削工具を製造する方法について説明する。

(中間材を使用した接合）
この実施の形態は、超硬合金製ビット用部材と鋼材シャンク用部材とを中間材を用いて接合する例を示すものである。以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図２〜６が、本発明に関わる掘削工具の製造方法のプロセスを概念的に説明する図である。

掘削ビットの製造方法を実施するために、ここでは、回転軸１の先端に取り付けられた回転挟み装置（チャック）３と、この回転挟み装置３と離接する方向にクランプ台５に回転挟み装置３と同軸的に取り付けられた非回転挟み装置（バイス）７とを備えた摩擦圧接機構９を用いている。

まず、適当な径と長さを有する棒状の中間材部材２５と、この中間材用部材２５とほぼ同径で、適当な長さと形状の鋼材製シャンク部材１３とを準備し、中間材用部材２５を回転挟み装置３で挟んで回転軸１側に固定し、シャンク用部材１３を非回転挟み装置７で挟んでクランプ台５側に固定する（図２）。

この状態で、回転軸１を回転させて中間材部材２５を回転させると共に、中間材用部材２５をクランプ台５側にスライド移動させ、中間材部材２５の後端面２７にシャンク用部材１３の先端面１７を同心的に押し付けて、中間材部材１３との間に摩擦熱を発生させる。（図３）中間材用部材２５の後端面２７及びシャンク用部材１３の先端面１７はともに、軸方向とほぼ直交して広がるように形成されているので、中間材用部材２５の後端面２７とシャンク用部材１３に先端面１７とは全面的に接触した状態で回転することになる。

摩擦熱を発生させる過程で、回転軸１の回転数は一定に維持されるが、クランプ台５の押圧による中間材用部材の後端面２７とシャンク用部材１３の先端面１７との押し付け力は漸次大きくなるように構成されている。回転軸１の一定に維持される回転数は、毎分１０００回転乃至１００００回転の範囲内で選択される。

中間材部材２５とシャンク用部材１３との間に発生した摩擦熱により、シャンク用部材１３の先端部１７及び中間材部材２５の後端部が十分に軟化したときに、回転軸１の回転を急停止させ、クランプ台５による押圧力を高めるいわゆる二次加圧（アプセット加圧）を行い、シャンク用部材１３の先端面１７を中間材部材２５の後端面２７に強く圧接させる。これによって、中間材用部材２５の後端部２７及びシャンク用部材１３の先端部が十分塑性変形して接合することとなる（図３）。

この工程において、中間材部材２５の後端面２７とシャンク用部材１３の先端面１７とは全面的に接触した状態で回転しているので、中間材用部材２５の後端部とシャンク用部材１３の先端部は全面的に又は全体的に必要な温度まで短時間で加熱されて十分軟化し、したがって、中間材用部材２５とシャンク用部材１３との固相拡散接合によって強固なものとなる。二次加圧後、得られた中間材用部材２５とシャンク用部材１３とで形成された複合部材３１を炉内に収容し、低温徐冷却を行い、発生したバリを切削加工して、複合シャンク部材３１とする。また、この中間材用部材２５の厚さは０〜１．０mmとすることが望ましく、そのためには、この複合シャンク用部材３１を以下、超硬合金製ビット用部材と摩擦圧接する際、寄り代と微振動防止のための切削加工を行う。

次いで、こうして得られた中間材用部材２５とシャンク用部材１３とで形成された複合シャンク部材３１を、回転挟み付け装置（チャック）３で挟んで回転軸１側に固定し、一方、超硬合金製ビット用部材１１側端部が回転軸１側に近接するように非回転挟み付け装置７（コレットチャック）を挟んでクランプ台５側に固定する（図４）。

この状態で、回転軸１を回転させて複合シャンク部材３１を回転させると共に、超硬合金製ビット１１をクランプ台５をスライド移動させ、ビット１１の後端面１５に複合シャンク用部材３１の先端面２９を同心的に押し付けて、ビット用部材１１と複合シャンク部材３１との間に摩擦熱を発生させる(図５）。ビット用部材１１の後端面１５及び複合シャンク部材３１の先端面２９はともに、軸方向とほぼ直交して広がるように形成されているので、ビット用部材１１の後端面１５と複合シャンク部材３１の先端面２９とは全面的に接触した状態で回転することになる。

摩擦熱を発生させる過程で、回転軸１の回転数は一定に維持されるが、クランプ台５の押圧によるビット用部材１１の後端面１５と複合シャンク部材３１の先端面２９との押し付け力は漸次大きくなるように構成されている。回転軸１の一定に維持される回転数は、毎分１０００回転乃至１００００回転の範囲内で選択される。

ビット用部材１１と複合シャンク部材３１との間に発生した摩擦熱により、複合シャンク用部材３１の先端部及びビット用部材１１の後端部が十分に軟化したときに、回転軸１の回転を急停止させ、スライド部材５による押圧力を高めるいわゆる二次加圧（アプセット加圧）を行い、複合シャンク部材３１の先端面２９をビット用部材１１の後端面１５に強く圧接させる。これによって、ビット用部材１１の後端部及び複合シャンク部材３１の先端部が十分塑性変形して固相拡散接合することになる(図５）。

この工程において、ビット用部材１１の後端面１５と複合部材３１の先端面２９とは全面的に接触した状態で回転しているので、ビット用部材１１の後端部と複合部材３１の先端部は全面的に又は全体的に必要な温度まで短時間に加熱されて十分軟化し、したがってビット用部材１１と複合部材３１との接合は強固なものとなる。
二次加工後、軸方向の寸法決めをし、接合が完了した時点で、炉内で低温徐冷却を行い、発生したバリを切削加工して、掘削用ビットを製造する。

次に、ビット用部材１１及び複合部材３１の接合により構成された掘削ビット用部材１９を摩擦圧接機構９から取り外し、この掘削ビット用部材に１９に必要な表面処理を行い、掘削用ラウンドビット２３が製造される(図６）。

この実施形態で用いている中間材としては、鉄−ニッケル−コバルト系合金が適している。これらの構成元素の比率は、ニッケル２５〜４０重量％、コバルト１５〜３０重量％及び残部鉄からなるものであり、具体的には、コバールと呼ばれているニッケル２９重量％、コバルト１７重量％、及び主に残部鉄からなるものが好ましい。この合金には、不可避的に少量の炭素、珪素、マンガンなどが含まれていても差し支えない。

この中間材は、最終的に製造された掘削用ラウンドビットにおいて、０〜１mm程度の範囲で存在していることが好ましく、０．０５〜０．１０mmであることが望ましい。この中間材の長さが１mm以上になった場合、接合強度が弱くなることもある。ただし、接合しようとする超硬合金の成分とシャンク用鋼材の成分に応じた中間材の選択が最も重要である。

なお、上記説明では、シャンク用部材と中間材部材との接合を行った後、得られた複合部材と超硬合金製部材との接合を行った例を示したが、逆に超硬合金製部材と中間材部材との接合を行った後、シャンク用部材との接合を行っても差し支えない。

本発明の掘削工具の正面図である。本発明に関わる掘削工具の製造方法のプロセスを概念的に説明する図であり、中間材用部材及びシャンク用部材を摩擦圧接機構に取り付けた状態を示す図である。本発明に関わる掘削工具の製造方法のプロセスを概念的に説明する図であり、中間材用部材とシャンク用部材との間に摩擦熱を発生させ、中間材用部材の後端部とシャンク用部材の先端部とを接合させる工程を示す図である。本発明に関わる掘削工具の製造方法のプロセスを概念的に説明する図であり、中間材用部材とシャンク用部材からなる複合部材と超硬合金製部材を摩擦圧接機構に取り付けた状態を示す図である。本発明に関わる掘削工具の製造方法のプロセスを概念的に説明する図であり、中間材用部材とシャンク用部材からなる複合部材と超硬合金製部材との間に摩擦熱を発生させる工程を示す図である。本発明に関わる掘削工具の製造方法のプロセスを概念的に説明する図であり、中間用部材とシャンク用部材の先端部とが接合した複合部材と掘削用部材を接合させた状態を示す図である。

符号の説明

１回転軸
３回転挟み付け装置
５クランプ台
７非回転挟み付け装置
９摩擦圧接機構
１１掘削用部材
１３シャンク用部材
１５掘削用部材の後端面
１７シャンク用部材の先端面
１９掘削工具素材
２１掘削用ビット
２３掘削工具
２５中間材用部材
２７中間材用部材の後端面
２９複合部材の中間材側先端面
３１中間材用部材とシャンク用部材の複合部材
５１刃先部
５２シャンク用部材
５３把持部
５４中間材

Claims

先端側に掘削ビット部が形成されたビットの製造方法であって、軸方向とほぼ直交するように広がる先端面をもつ鋼材製の棒状シャンク用部材と、軸方向とほぼ直交するように広がる後端面をもつ接合中間材の棒状部材とをそれぞれ準備する工程と、
前記シャンク用部材及び前記中間材用棒状部材の一方を回転させ、他方を固定すると共に、前記シャンク用部材の前記先端面と前記中間材用部材の前記後端面とを押し付けることによって、前記シャンク用部材と前記中間材用部材との間に、前記シャンク用部材の先端部及び前記掘削用ビット部材の後端部を軟化させるのに十分な摩擦熱を発生させる工程と、
前記摩擦熱によって前記シャンク用部材の前記先端部及び前記中間材用部材の前記後端部が十分に軟化したときに、前記シャンク用部材の前記先端面と前記中間材用部材の前記後端面とを圧接させて前記シャンク用部材と前記中間材用部材とを接合して複合部材を形成する工程と、
前記工程によって得られた複合部材と、超硬合金製の円錐状ビットとを準備する工程と、
前記複合部材及び前記掘削用ビットの一方を回転させ、他方を固定すると共に、前記複合部材の中間材側先端面と前記掘削用ビットの後端面とを押し付けることによって、前記複合部材の中間材と前記掘削用ビットとの間に、前記複合部材の先端部及び前記掘削用ビットの後端部を軟化させるのに十分な摩擦熱を発生させる工程と、
前記摩擦熱によって前記複合部材の前記中間材先端部及び前記掘削用ビットの前記後端部が十分に軟化したときに、前記複合部材の前記中間材先端面と前記堀削用ビットの前記後端面とを圧接させて前記複合材と前記掘削用ビットとを接合して掘削用工具素材を形成する工程と、
前記掘削用工具素材を低温徐冷却する工程とを備えたことを特徴とする掘削工具の製造方法。
前記シャンク用部材と前記中間材用部材とを接合して形成した複合部材を、さらに低温徐冷却することを特徴とする請求項１記載の掘削工具の製造方法。
前記中間材が、鉄−ニッケル−コバルト合金であることを特徴とする請求項１記載の掘削工具の製造方法。
前記中間材である鉄−ニッケル−コバルト合金の組成が、ニッケル２９〜３４質量％、コバルト１７〜２２質量％、及び残部の鉄からなるものであることを特徴とする請求項３記載の掘削工具の製造方法。
前記中間材と前記シャンク部材と接合した後、中間材の軸方向長さを、０〜１ｍｍとなるように調整し、次いで前記中間材端部に超硬合金ビットを接合することを特徴とする請求項４記載の掘削工具の製造方法。