JP3806407B2 - 刈払い機用回転刃の製造方法及び刈払い機用回転刃 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、草木の刈払い等に用いられる刈払い機用回転刃（以下、単に回転刃という）の製造方法と、該製造方法で製造された回転刃に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン又はモータからの回転を回転刃に伝え、作業者が操作杆を左右に振り動かすことにより、前記回転刃が雑草、下草、潅木等を刈取る刈払い機が知られ、該刈払い機の使用する回転刃として、円盤状に形成された回転刃本体の周端部に複数の切断刃が形成され、各切断刃間の谷部に円弧状の刃部を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一般に、刈払い機用の回転刃は、その駆動源であるエンジンの回転数を５０００〜１００００ｒｐｍで回転させて使用している。このため、作業中に回転刃が小石等に当ると大きな衝撃力を受け、切断刃の先端が破損することがある。このような損傷を防止するため、回転刃は高価な炭素工具鋼もしくは合金工具鋼で形成されているのにもかかわらず、焼入れ、焼戻しにより切断刃に靭性を与えるように硬度をＨＲＣ５０（５１３ＨＶに相当）以下にして使用している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０９−００００３５号公報（第３頁 図４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記熱処理をした回転刃は、高価な炭素工具鋼等の材料を必要とし、回転刃のコストアップの原因となっている。また、切断刃の硬度を低くしているため、切断刃の磨耗が大きくなり耐久性が低いものになっていた。また、切断刃に超硬合金で形成されたチップ刃を配置することも行われているが、チップ刃の加工や回転刃本体への取付け等、より多くの工程が必要となり、生産性が低下するだけでなく、回転刃がより高価なものとなる。
【０００６】
また、回転刃を高速で回転させて使用しなければならず、作業者にかかる振動や騒音が大きくなる。
【０００７】
前記の事情に鑑み、本発明は、耐磨耗性、靭性を備え、生産が容易で安価、かつ低速回転で使用できる回転刃の製造方法と回転刃及び該回転刃を用いる刈払い機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】
前記の目的を達成するため、本発明は、所定厚さの調質されていない生の状態の炭素量が０．３５〜０．５１％の機械構造用炭素鋼からなる鋼鈑から、回転方向を向く複数の刃形部を有する所定の形状の回転刃本体を形成する形状成形工程と、
前記刃形部の刃先側から２〜２０ｍｍの範囲に、０．３〜２秒で１０００℃を越える昇温速度で７００〜１０００℃に高周波で急速加熱した後、１〜５秒で常温に急冷する焼入れと、１７０〜４５０度に加熱する焼戻しを行い、５２０〜８４０ＨＶ０．２の硬度を有する焼戻しマルテンサイトと前記急速加熱時に未変態の状態で残ったフェライトとを有する靭質組織にする熱処理工程と、
前記刃形部を研磨して切断刃を形成する研磨工程と、
を備えることを特徴とする刈払い機用回転刃の製造方法にある。
【００１０】
また、本発明は、回転方向を向く複数の切断刃を形成した刈払い機用回転刃において、
炭素量が０．３５〜０．５１％で厚さ１．２〜２ｍｍの機械構造用炭素鋼の鋼鈑からなり、
前記切断刃の刃先側から２〜２０ｍｍの範囲に、０．３〜２秒で１０００℃を越える昇温速度で７００〜１０００℃に高周波で急速加熱した後、１〜５秒で常温に急冷する焼入れと、１７０〜４５０度に加熱する焼戻しを行うことにより形成された、５２０〜８４０ＨＶ０．２の硬度を有する焼戻しマルテンサイトと前記急速加熱時に未変態の状態で残ったフェライトとを有する金属組織を備えてなる、
ことを特徴とする刈払い機用回転刃にある。
【００１３】
なお、括弧内の符号等は、図面において対応する要素を示す便宜的なものであり、これにより請求項の構成に何等影響を及ぼすものではない。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によると、回転刃の切断刃に焼戻しマルテンサイトに基づく耐磨耗性（硬度）と、急速加熱時に未変態の状態で残ったフェライトを有する靭質組織に基づく耐衝撃性（靭性）を付与することができる。また、炭素量が０．３５〜０．５１％の安価な調質されていない機械構造用炭素鋼鈑に高周波により焼入れ及び焼戻しを行うことにより、回転刃の生産性を向上させ、かつ安価に製造することができる。
【００１５】
また、炭素量が０．３５〜０．５１％の安価な調質されていない鋼鈑で形成された回転刃本体の切断刃に、適正な温度と時間で焼入れを行うことにより、硬度と靭性との調和を図って、回転刃の耐磨耗性と耐衝撃性を保って、回転刃の耐久性を向上させることができる。
【００１６】
また、本発明によると、安価な調質されていない機械構造用炭素鋼からなる鋼鈑を用いて回転刃を形成することにより、安価に製造することができるものでありながら、焼戻しマルテンサイトの硬度とフェライトの靭性を兼ね備え、耐磨耗性と耐衝撃性を有する回転刃を得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明による実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態を示し、図１（ａ）に示すように、回転刃１は、例えば、Ｓ３８Ｃ〜Ｓ４８Ｃ等、炭素量が０．３５〜０．５１％の調質されていない生の状態の機械構造用炭素鋼からなり、円盤状の回転刃本体２の外周面に、巴状、即ち略半径方向に伸びる立ち上り部２ａと、該立ち上り部２ａから隣接する立ち上り部２ａの内径側部に向けて半径が漸減する円弧面２ｂと、前記立ち上り部２ａの中央部から前記立ち上り部２ａの内径側と円弧面２ｂの交点にかけて前記回転刃１の回転方向Ｆの後方を向く切欠き部２ｃを有し、前記立ち上り部２ａと切欠き部２ｃに刃形部３が形成される。なお、前記回転刃本体２の中心部には、回転刃１を刈払い機に取付けるための穴２ｅが形成されている。
【００２１】
また、前記回転刃１の素材となる鋼鈑は、焼割れし難い炭素量が０．３５〜０．５１％の調質されていない生材、前記機械構造用炭素鋼（Ｓ３８Ｃ〜Ｓ４８Ｃ材）が好ましく、比較的安価な材料であって、浸炭等の表面処理を施すことなく焼入れ等の熱処理が可能な材料であれば良く、その厚さが１．２〜２．０ｍｍの薄板が用いられる。また、前記鋼鈑は、冷間圧延されたものに限らず、熱間圧延された黒板を用いることもできる。
【００２２】
前記刃形部３には、立ち上り部２ａに、第１の切断刃３ｄが形成され、切欠き部２ｃに、前記第１の切断刃３ｄに連続した第２の切断刃３ｅが形成される。そして、前記第１の切断刃３ｄは、その外周側端部（交点Ｅ）と回転刃１の軸心を結ぶ放射線Ａ−Ａに対し内径側が回転方向Ｆの後方に位置するように所定の角度θ３傾斜している。この角度θ３は、例えば、０〜１５度の範囲とすることができるが、０〜７度が好ましい。
【００２３】
また、前記第２の切断刃３ｅの刃先の前記第１の切断刃３ｄとの連続部は、前記放射線Ａ−Ａに対して、回転方向Ｆの後方に向けて所定の角度θ２傾斜している。この角度θ２は、例えば、３０〜８０度の範囲とすることができるが、６０〜７５度が好ましい。
【００２４】
また、第２の切断刃３ｅの刃先の形成範囲は、少なくとも切欠き部２ｃの回転方向Ｆの最後方位置Ｂまでとするが、前記円弧面２ｂと放射線Ａ−Ａの交点Ｃまで形成しても良い。
【００２５】
また、前記立ち上り部２ａの外周側端面２ｄは、立ち上り部２ａの外周端の接線Ｄ−Ｄに対し所定の角度θ４傾斜し、交点Ｅで第１の切断刃３ｄの刃先の外周端と交わる長さＬ１（例えば、１０〜２０ｍｍ）の直線状に形成されている。前記角度θ４は、例えば、３〜１５度の範囲とすることができるが、５〜１０度が好ましい。
【００２６】
前記第１の切断刃３ｄと第２の切断刃３ｅは、図１（ｃ）に示すように、回転刃本体２の裏面３ｂ側に、回転方向Ｆの後方に向けて所定の角度θ１傾斜するように形成された傾斜面３ｃの先端が刃先となっている。この角度θ１は、例えば、１４〜２６度の範囲とすることができるが、切れ味、耐久性の面からは１６〜２３度が好ましい。
【００２７】
なお、回転刃１に形成される切断刃の数は、２〜３６の間の任意の数に設定することができるが、本実施の形態においては、切断刃の数は６個である。
【００２８】
調質されていない生の状態の鋼鈑で形成されている前記回転刃本体２に、前記刃形部３を形成した後、図１（ｂ）に示すように、刃形部３の刃先側から二点差線で示す位置まで幅ｌの範囲で高周波焼入れと、高周波焼戻しを行い、硬化部５を形成する。
【００２９】
この高周波焼入れと高周波焼戻しを行う幅ｌは、例えば、刃形部３の刃先側から２〜２０ｍｍの範囲とすることができるが、高周波焼入れ時における刃形部３の変形を考慮した場合、２〜１０ｍｍの範囲が好ましく、更に好ましくは、２〜６ｍｍの範囲とすることができる。
【００３０】
前記高周波焼入れは、０．３〜２秒で１０００℃を越える昇温速度で、例えば、７００〜１０００℃（好ましくは、７５０〜９００℃）に、例えば、０．３〜２秒（好ましくは、１秒前後）で急速加熱した後、水で常温（例えば、２０℃）まで１〜５秒（好ましくは、１〜２秒前後）で冷却（急冷）する。また、前記高周波焼戻しは、１７０〜４５０℃（好ましくは、２００〜４００℃）で、例えば、５〜１秒加熱した後、水で常温まで冷却する。
【００３１】
前記ように調質されていない生の鋼鈑を急速加熱した場合には、フェライトがオーステナイトへの変態を完了する温度（ＡＣ３点、一般には８３０℃）が上昇（急速加熱した場合には、１０５０℃程度になる）し、オーステナイトに変態しきれないフェライトが残る。このように、フェライトが残っている状態では、鋼鈑中の炭素がフェライトから変態したオーステナイトに固溶されることになり、オーステナイト中の炭素濃度が上昇する。
【００３２】
そして、この状態で急冷することにより、オーステナイトはマルテンサイトに変態するが、オーステナイトに変態しきれなかったフェライトと、マルテンサイトに変態しきれなかったオーステナイト（残留オーステナイト）が組織内に残ることになる。このような組織では、同じ材料でフェライトからオーステナイトへの変態を完了させる焼入れ（所謂完全焼入れ）をした場合に比べ、より硬度の高いマルテンサイト（高硬度マルテンサイト）を得ることができる。
【００３３】
前記のような急速加熱、急冷による焼入れを行うことにより、即ち、金属の変態が完成しない状態で焼入れを行う所謂不完全焼入れを行うことにより、硬化部５は、５〜３０％のフェライト、残留オーステナイトと、残量が高硬度マルテンサイト等を含む靭質組織となり、硬度と靭性を兼ね備えた焼入れを行うことができる。
【００３４】
また、前記のように、１７０〜４５０度の焼戻しを行うことにより、焼入れで形成した硬度や靭質組織を損なうことなく焼入れによって生じた内部応力を除去し、組織を安定化することができる。そして、同じ材料でフェライトからオーステナイトへの変態を完了させて焼入れし、その後焼戻しを行ったものに比べより硬度の高い焼戻しマルテンサイト（高硬度焼戻しマルテンサイト）を得ることができる。
【００３５】
このような高周波焼入れ、高周波焼戻しを行うことにより、硬化部５、即ち、刃形部３に、硬度が５２０〜８４０ＨＶ０．２（ＨＲＣ５０．５〜６５．３に相当）の高硬度焼戻しマルテンサイト（好ましくは、６００〜７００ＨＶ０．２）を生成し、その組織は、５〜３０％のフェライト、残留オーステナイトと残量が高硬度焼戻しマルテンサイト等を含む靭質組織となり、所要の硬度と靭性を備える。
【００３６】
即ち、高硬度焼戻しマルテンサイトの硬さにより耐磨耗性と切れ味を備え、フェライト、残留オーステナイトにより靭性（耐衝撃性）を備えた靭質組織とすることができる。前記靭質組織は、フェライトが５〜３０％（好ましくは、１０〜２５％）、残量が高硬度焼戻しマルテンサイト等からなる組織、あるいは、フェライトが５〜３０％（好ましくは、１０〜２０％）、残留オーステナイトが５〜１０％（好ましくは、フェライトと残留オーステナイトの合計で、１０〜２５％）、残量が高硬度焼戻しマルテンサイト等からなる組織である。
【００３７】
図２は、厚さ１．６ｍｍの機械構造用炭素鋼（Ｓ４５ｃ）で形成された回転刃本体２の刃形部３を、高周波焼入れ条件、７５０℃、１．３秒で急速加熱し、水（シャワー）で常温まで急冷した後、高周波焼戻し条件、２２０℃、２秒で加熱し、水冷する熱処理による硬化部５の組織観察用のサンプルの外観を示す正面図である。また、図３は、図２の刃先側から０．４ｍｍ内側の組織を４００倍に拡大した顕微鏡写真、図４は、図２の刃先側から３ｍｍ内側の組織を４００倍に拡大した顕微鏡写真である。なお、図３及び図４において、白い部分がフェライト、灰色の部分がマルテンサイトである。
【００３８】
前記硬化部５は、刃先側から０．４ｍｍ内側は、約１５％のフェライト、残留オーステナイトと約８５％の焼戻しマルテンサイト等を含む靭質組織で構成され、前記焼戻しマルテンサイトの硬度は５２８ＨＶ０．２（ＨＲＣ５１に相当）であった。また、刃先側から３ｍｍ内側は、約１０％のフェライト、残留オーステナイトと約９０％の焼戻しマルテンサイト等を含む靭質組織で構成され、前記焼戻しマルテンサイトの硬度は５５３ＨＶ０．２（ＨＲＣ５２〜５３に相当）であった。
【００３９】
前記高周波焼入れ、高周波焼戻しが終了した回転刃本体２の表面３ａ側を、必要に応じてその外周端から焼入れ範囲を含む幅Ｌ２の範囲で平面研削することができる。このとき、研削代は、０．１〜０．４ｍｍ程度とする。例えば、素材となる機械構造用炭素鋼の板厚Ｈ１が１．６ｍｍの場合、平面研削による研削代を０．２ｍｍとすると刃形部３の根元部の板厚Ｈ２が１．４ｍｍとなり、刃形部３の剛性を確保することができる。
【００４０】
前記回転刃１の製造工程は、例えば、Ｓ４５Ｃ（機械構造用炭素鋼）の厚さ１．６ｍｍの冷間圧延鋼鈑（調質されていない生材）から、プレスによる抜き加工によって、立ち上り部２ａ及び切欠き部２ｃが形成された巴状の回転刃本体２を形成する。
【００４１】
所定の形状に形成された前記回転刃本体２の立ち上り部２ａ及び切欠き部２ｃの裏側３ｂを、傾斜面３ｃを形成するようにグラインダ等により研磨して、刃形部３を形成する。
【００４２】
前記回転刃本体２に形成された刃形部３の刃先側から所要の幅ｌ（２〜２０ｍｍ）を高周波により７００〜１０００℃に０．３〜２秒で急速加熱した後、水（シャワー）により常温（例えば、２０℃）に急冷して高周波焼入れを行う。この高周波焼入れによって、５〜３０％（好ましくは、１０〜２５％）のフェライト及び残留オーステナイトと、残量が５２０〜８４０ＨＶ０．２の硬度を有するマルテンサイト等を含む靭質組織からなる硬化部５を形成する。
【００４３】
前記高周波焼入れされた前記硬化部５を、高周波により、１７０〜４５０℃に５〜１秒で加熱した後、水冷により常温に冷却して高周波焼戻しを行う。この高周波焼戻しにより、前記高周波焼入れによって前記硬化部５に生じた内部応力を除去すると共に、硬度と組織を損なうことなく組織を安定化することができる。
【００４４】
前記高周波焼入れ、高周波焼戻しが行われた前記硬化部５に変形が発生し（例えば、反り、うねり等）、前記回転刃本体２に形成された複数の前記刃形部３の高さ（回転刃本体２の板厚方向の位置）にバラツキが生じた場合、前記回転刃本体２の表面３ａの外周側から幅Ｌ２の範囲（例えば、３０〜５０ｍｍ、少なくとも前記高周波焼入れ、高周波焼戻しを行った部分を含む幅）を平面研削機で研削し、高周波焼入れ高周波焼戻しによる板厚方向の変形を除去して前記回転刃本体２の表面３ａ側の前記刃形部３の高さを揃えることができる。このとき、研削代は、０．１〜０．４ｍｍとする。なお、前記平面研削工程は省略することもできる。
【００４５】
高周波焼戻し終了後、あるいは平面研削終了後、手作業でグラインダ等により前記回転刃本体２の裏面３ｂ側の傾斜面３ｃを研磨して刃付けを行い、切断刃３ｄ、３ｅを形成する。なお、切断は３ｄ、３ｅの刃先の角度θ１を２６度に近い大きさとするほど耐久性を向上させることができる。
【００４６】
本実施の形態における回転刃１は、上記のような構成からなるので、前記回転刃１を刈払い機に取付けて、前記回転刃１を矢印Ｆ方向に回転しつつ、作業者が前記刈払い機を左右に振り動かすことにより、立ち上り部２ａを雑草、下草、潅木に押付ける。そして、前記立ち上り部２ａが押付けられた潅木や雑草等は、前記立ち上り部２ａに形成された第１の切断刃３ｄにより切断される。また、前記第１の切断刃３ｄで切断されずに切欠き部２ｃに導かれた雑草や下草等は、第２の切断刃３ｅで撫で切る様にして切断される。
【００４７】
このとき、前記第１及び第２の切断刃３ｄ、３ｅの刃先の角度θ１が、従来の回転刃に比べ小さく形成されているので、切れ味が良く、刈払い作業を効率よく行うことができる。また、刈払い機において、シャフトから回転刃に動力を伝達するベベルギヤを、そのギヤ比が従来の０．８のものから０．５以下のものに付け替えて、回転刃１の回転数を駆動源の出力回転数の１／２以下（従来の１／２〜１／３、好ましくは、２０００〜３０００ｒｐｍ）にして作業することができ、刈払い作業の安全性を向上させることができる。
【００４８】
また、回転刃１の回転数を駆動源の出力回転数の１／２以下（好ましくは、２０００〜３０００ｒｐｍ）とすることにより、回転刃１の第１及び第２の切断刃３ｄ、３ｅが小石等に衝突した時の衝撃力を小さくすることができ、しかも、前記第１及び第２の切断刃３ｄ、３ｅには、高周波焼入れ、高周波焼戻しにより硬度だけでなく靭性が付与されているので、前記第１及び第２の切断刃３ｄ、３ｅの破損を少なくすることができる。
【００４９】
また、従来の板刃又は巴刃に比べて硬度が高いので、比較的硬い細木が混在していても、確実かつ効率よく切断することができ、しかも耐磨耗性が良く、長期間に亘りその切れ味を維持することができる。また、前記第２の切断刃３ｅは、前記回転刃本体２の放射線Ａ−Ａに対して回転方向後方に向けて傾斜しているので、鎌を回転させて雑草等を撫で切る様に切断することができる。従って、芝草のように柔軟な草類も効率よく刈取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回転刃の一例を示す図で、（ａ）は回転刃の正面図、（ｂ）は回転刃の一部を示す拡大図、（ｃ）は刃先部分を示す拡大図。
【図２】熱処理による硬化部の組織観察用のサンプルの外観を示す正面図。
【図３】図２の刃先側から０．４ｍｍ内側の組織を４００倍に拡大した顕微鏡写真。
【図４】図２の刃先側から３ｍｍ内側の組織を４００倍に拡大した顕微鏡写真。
【符号の説明】
１…刈払い機用回転刃（回転刃）
２…回転刃本体
２ａ…立ち上り部
２ｃ…切欠き部
３…刃形部
３ａ…表面
３ｄ…第１の切断刃
３ｅ…第２の切断刃
５…硬化部
Ａ−Ａ…放射線
θ１…角度
θ２…角度

Claims (2)

1. 所定厚さの調質されていない生の状態の炭素量が０．３５〜０．５１％の機械構造用炭素鋼からなる鋼鈑から、回転方向を向く複数の刃形部を有する所定の形状の回転刃本体を形成する形状成形工程と、
   前記刃形部の刃先側から２〜２０ｍｍの範囲に、０．３〜２秒で１０００℃を越える昇温速度で７００〜１０００℃に高周波で急速加熱した後、１〜５秒で常温に急冷する焼入れと、１７０〜４５０度に加熱する焼戻しを行い、５２０〜８４０ＨＶ０．２の硬度を有する焼戻しマルテンサイトと前記急速加熱時に未変態の状態で残ったフェライトとを有する靭質組織にする熱処理工程と、
   前記刃形部を研磨して切断刃を形成する研磨工程と、
   を備えることを特徴とする刈払い機用回転刃の製造方法。
2. 回転方向を向く複数の切断刃を形成した刈払い機用回転刃において、
   炭素量が０．３５〜０．５１％で厚さ１．２〜２ｍｍの機械構造用炭素鋼の鋼鈑からなり、
   前記切断刃の刃先側から２〜２０ｍｍの範囲に、０．３〜２秒で１０００℃を越える昇温速度で７００〜１０００℃に高周波で急速加熱した後、１〜５秒で常温に急冷する焼入れと、１７０〜４５０度に加熱する焼戻しを行うことにより形成された、５２０〜８４０ＨＶ０．２の硬度を有する焼戻しマルテンサイトと前記急速加熱時に未変態の状態で残ったフェライトとを有する金属組織を備えてなる、
   ことを特徴とする刈払い機用回転刃。

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