JP6068161B2 - カッタビットおよびカッタビットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、地山の切削を行うカッタビットおよびカッタビットの製造方法に関する。

シールド工法、推進工法、ＴＢＭ等によるトンネル工事、現場打ち杭の施工、地中連続壁の施工等に伴う掘削孔や掘削溝等の施工は、カッタビットが設置された掘削機により行う。

カッタビットは、地山の切削に伴い磨耗する。磨耗したカッタビットは、掘削作業を中断して交換する必要があるが、掘削作業を中断すると、工期短縮化の妨げになるとともに、工事費の低減化の妨げになる。

カッタビット全体を強度の高い材料により構成すれば、カッタビットの交換頻度を低減させることが可能であるものの、コストが高くなるとともに、掘削機への取り付け方法も制限されてしまう。
そのため、長距離掘削に耐え得る機能を有しており、交換作業を省略あるいは交換作業の回数を低減させることを可能としたカッタビットが開発されている。

例えば、特許文献１には、複数のチップが積層された刃先部を備えたカッタビットが開示されている。このカッタビットによれば、表面側のチップが磨耗して剥がれ落ちると、新たなチップが露出するため、長期間にわたって切削能力が維持される。

また、特許文献１では、施工範囲の土質に適合した材質を備えたチップを、施工時の土質の変化に対応して積層することにより、カッタビットの長寿命化を図ることも開示されている。

特開平９−７８９８６号公報

施工領域に礫層等が含まれている場合、礫やその他の硬質の物質（例えば鉄塊）との接触の衝撃によって、チップの強度に関わらず、チップに亀裂や欠けが生じてしまう。亀裂や欠けが生じたチップは、礫と繰り返し接触する衝撃により亀裂等が増長し、チップ自体の脱落の原因となる。

従来のチップは、磨耗計算により材質および形状が決定されており、衝撃に対する係数や補正値は存在していない。
掘削路線の全線に対する磨耗量の計算は可能であるものの、礫等との接触による衝撃に対するチップの亀裂や欠けは予測することができない。

そのため、特許文献１のカッタビットのように、礫層等に適合した材質のチップを備えている場合であっても、礫との接触により剥がれ落ちてしまうおそれがある。

本発明は、前記の問題点を解決するものであり、礫層等を切削しても切削能力が低下することのないカッタビットおよびこのカッタビットの製造方法を提案することを課題とする。

このような課題を解決するために、本発明のカッタビットは、刃先部と、前記刃先部が固定された母材とを備えるカッタビットであって、前記刃先部には連続して積層された複数の耐衝撃用チップが含まれており、前記耐衝撃用チップの積層数は礫層の掘削距離に基づいて設定されていて、前記複数の耐衝撃用チップ同士は、後面側の耐衝撃用チップの先端が前面側に隣接する他の耐衝撃用チップの先端よりも低くなるように、段差を有して積層されており、前記耐衝撃用チップ同士の段差部分には、間詰材が配設されていることを特徴としている。

かかるカッタビットによれば、礫と接触したときの衝撃により耐衝撃用チップに破損が生じた場合であっても、破損の範囲は当該耐衝撃用チップのみに限定される。そのため、破損した耐衝撃用チップが剥落すれば、新たな耐衝撃用チップが露出するため、礫層等を切削する場合であっても、カッタビットの切削能力が低下することがない。
なお、本明細書における「礫層」には、砂礫層等の礫混じりの層が含まれるものとする。また、「礫層」には、鉄塊等の埋設物等が埋設されている場合もある。

また、前記刃先部に、礫層以外の地層に対する磨耗係数に基づいて厚さが設定された耐磨耗用チップが含まれていれば、土質条件に応じて効率的に切削することが可能となる。

また、前記複数の耐衝撃用チップ同士が、後面側の耐衝撃用チップの先端が前面側に隣接する他の耐衝撃用チップの先端よりも低くなるように段差を有して積層されており、前記耐衝撃用チップ同士の段差部分に間詰材が配設されているため、前面側のチップによる切削時に後面側のチップが間詰材により保護されるため、カッタビットの長寿命化を図ることができる。

また、本発明のカッタビットの製造方法は、複数のチップをろう付けにより積層して刃先部を形成する刃先部形成工程と、前記刃先部形成工程よりも低いろう付け温度で前記刃先部を母材にろう付けする刃先部固定工程とを備えており、前記刃先部形成工程では、前記複数のチップ同士の先端をずらした状態で段差を有して積層するとともに、前記チップ同士の段差部分に間詰材を配置することを特徴としている。

一度のろう付けで複数のチップおよび母材を一体化すると、部品間のろう付けが不十分になるおそれがあるが、刃先部を形成した後に、刃先部を母材にろう付けすれば、ろう付け不良が起こり難くなる。

なお、刃先部形成工程で得られる刃先部の幅寸法を、母材の幅寸法よりも大きくすると、刃先部のろう付け時に要求される精度が緩和されるので、刃先部を製作しやすくなる。この場合には、前記刃先部固定工程の前に前記刃先部の側端面を研磨する刃先部研磨工程を行うとよい。

本発明のカッタビットによれば、礫層等を切削する場合であっても、切削能力が低下することのなく施工を行うことが可能となる。また、本発明のカッタビットの製造方法によれば、カッタビットを高品質に製造することができる。

本発明の実施形態に係るカッタビットを示す斜視図である。 （ａ）は図１のカッタビットの側面図、（ｂ）は同カッタビットの正面図である。 （ａ）および（ｂ）は他の形態のカッタビットを示す側面図である。 （ａ）および（ｂ）はカッタビットの製造方法の各工程を示す側面図である。 （ａ）は研磨前の刃先部を示す正面図、（ｂ）は研磨後の刃先部を示す正面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本実施形態のカッタビットの使用時の各段階を示す側面図である。 従来のカッタビットの破損状況を示す側面図である。

本実施形態では、カッタビット１（図１参照）が取り付けられた掘削機を利用して礫層と粘土層との互層からなる地山を掘削する場合について説明する。なお、本実施形態における礫層とは、砂礫層等の礫混じりの地層も含むものとする。

本実施形態のカッタビット１は、図１に示すように、刃先部２と、刃先部２が固定された母材３とを備えている。刃先部２は、複数のチップ２０が積層されることにより構成されていて、母材３の先端に形成された欠損部３５にろう付けされている。

カッタビット１の幅が広くなると（例えば５０ｍｍ以上）、超硬鋼材（チップ２０）と鋼材（母材３等）との熱膨張係数の差に起因してろう付け時の温度による残留応力の差が大きくなるため、本実施形態の刃先部２は、図２の（ｂ）に示すように、カッタビット１の幅方向に対して２分割している。

本実施形態では、図２の（ａ）に示すように、刃先部２を構成するチップ２０として耐衝撃用チップ２１と耐磨耗用チップ２２を使用する。

耐衝撃用チップ２１は、礫層を掘削する際に地山の切削を行うチップ２０であって、超硬チップにより構成されている。本実施形態では、図２の（ａ）に示すように、板状に形成された複数の耐衝撃用チップ２１が、カッタビット１の前後方向に対して連続して積層されている。耐衝撃用チップ２１の先端（図２の（ａ）において右上側の端部）は鋭角となっている。

各耐衝撃用チップ２１は、礫層に対する磨耗係数に基づいて算出されるチップ２０の厚さよりも小さい厚さを有している。
本実施形態では、耐衝撃用チップ２１の積層数×耐衝撃用チップ２１の厚さが礫層に対する磨耗係数に基づいて算出されるチップ２０の厚さよりも大きくなるように、耐衝撃用チップ２１の厚さおよび積層数が設定されている。

本実施形態では、同形状に形成された複数の耐衝撃用チップ２１を利用するが、耐衝撃用チップ２１の形状は必ずしも同形状である必要はない。例えば、母材３の前面３２側に向うにしたがって耐衝撃用チップ２１の高さを大きくすることで、耐衝撃用チップ２１同士を積層した際に、前面側に段差が形成されないようにしてもよい（図３の（ａ）参照）。

耐衝撃用チップ２１の積層数（枚数）は、礫層の掘削距離に基づいて設定されている。つまり、刃先部２は、同じ材質の耐衝撃用チップ２１が礫層の掘削距離に応じた枚数だけ重ね合わされている。
耐衝撃用チップ２１同士は互いにろう付けされている。

耐磨耗用チップ２２は、礫層以外の地層を掘削する際に地山の切削を行うチップ２０であって、超硬チップにより構成されている。耐磨耗用チップ２２は、板状に形成されており、地層に対する磨耗係数に基づいて厚さが設定されている。

本実施形態の耐磨耗用チップ２２は、図２の（ａ）に示すように、耐衝撃用チップ２１と同等の高さを有しているとともに、耐衝撃用チップ２１よりも大きな厚さを有している。また、耐磨耗用チップ２２の先端（図２の（ａ）において右上側の端部）は鋭角となっている。なお、耐磨耗用チップ２２の形状はこれに限定されない。

耐磨耗用チップ２２は、連続して積層された耐衝撃用チップ２１群の後面側にろう付けされている。なお、耐磨耗用チップ２２の配置は地山状況に応じて適宜設定すればよく、例えば、耐衝撃用チップ２１群の前面側にろう付けされていてもよいし、耐衝撃用チップ２１群の前面側と後面側との両方にろう付けされていてもよい。

複数のチップ２０（耐衝撃用チップ２１および耐磨耗用チップ２２）同士は、母材３側のチップ２０の先端が前面側に隣接する他のチップ２０の先端よりも低くなるように、段差を有して積層されている。そのため、刃先部２の上面および前面には段差が形成されている。

なお、本実施形態ではチップ２０がカッタビットの前後方向に対して連続して積層されているが、チップ２０は、図３の（ｂ）に示すように、カッタビットの上下方向に対して連続して積層されていてもよい。

刃先部２の段差部分には、間詰材２３がろう付けされている。本実施形態では、カッタビット１の前面側の段差部分および背面側の段差部分のそれぞれに間詰材２３が配設されている。

間詰材２３は、構造部材として十分な剛性、強度を有する鋼材により構成されている。なお、間詰材２３を構成する材料は限定されない。

母材３は、いわゆるシャンク材である。
本実施形態の母材３は、チップ２０よりも膨張係数が大きく、かつ、構造部材として十分な剛性、強度を有する材料により構成されている。本実施形態では、母材３を構成する材料として、ＳＳ材やＳ４５Ｃ材等を使用するが、母材３を構成する材料は限定されるものではない。

母材３の背面３１は、地山Ｇ（切削面）に対向する面であり、先端部（刃先部２）側に向うに従って底面３３から離れるように傾斜している。母材３の前面３２は、カッタビット１の進行方向前側の面であり、先端部（刃先部２）側に向うに従って後面３４から離れるように傾斜している。背面３１の延長面と前面３２の延長面とが交わる角部が鋭角となる。母材３の底面３３は、図示せぬカッタヘッドに当接する面であり、後面３４は、カッタビット１の進行方向後側の面である、母材３の底面３３と後面３４は、直角に交わっている。なお、母材３の形状は限定されない。

母材３の先端部の角部分（背面３１と前面３２とが交わる角部分）には、刃先部２を収容する欠損部３５が形成されている。

欠損部３５は、第一平面３５ａと第二平面３５ｂとにより断面視Ｌ字状に形成されている。欠損部３５の背面３１と交差する第一平面３５ａは前面３２と平行であり、前面３２と交差する第二平面３５ｂは第一平面３５ａと直角に交差している。なお、欠損部３５の断面形状は限定されない。

次に、カッタビット１の製造方法について説明する。
本実施形態のカッタビット１の製造方法は、準備工程と、刃先部形成工程と、刃先部研磨工程と、刃先部固定工程とを備えている。

準備工程は、掘削路線の地層図に基づき、刃先部２の構成を決定する工程である。
先ず、地層図に応じて礫層および粘土層の掘削距離を算出する。

次に、礫層の掘削距離に応じて耐衝撃用チップ２１の積層数を設定するとともに、粘土層との磨耗係数に応じて耐磨耗用チップ２２の形状を算出する。また、カッタビット１の形状に応じて、各チップ２０の幅も設定する（本実施形態では、カッタビット１の幅の１／２の幅とする）。

刃先部形成工程は、図４の（ａ）および（ｂ）に示すように、複数のチップ２０（耐衝撃用チップ２１および耐磨耗用チップ２２）同士をろう付けにより積層して刃先部２を形成する工程である。

チップ２０同士は、先端を上下にずらした状態で段差を有して積層する。また、チップ２０同士を積層することで形成された段差部分には間詰材２３を配置する。チップ２０同士および間詰材２３は、ろう付け温度が９００℃程度の真鍮ろう材を介して互いに固定する。
なお、刃先部２のろう材は限定されない。

各チップ２０は、正規寸法よりもやや大きめの幅を有している。したがって、刃先部形成工程で得られる刃先部２の幅寸法は、正規の幅寸法（母材３の幅寸法）よりも大きくなる。

刃先部研磨工程は、図５の（ａ）および（ｂ）に示すように、刃先部２の側端面を研磨する工程である。
本実施形態では、刃先部形成工程において正規寸法よりも大きめに形成された刃先部２の側端面を研磨することにより、正規寸法の刃先部２を形成する。
こうすることで、刃先部形成工程において、チップ２０同士にズレが生じていたとしても、これを無くすことができる。

刃先部固定工程は、刃先部２を母材３にろう付けする工程である。
刃先部２の母材３へのろう付けは、真鍮ろう材よりもろう付け温度が低い銀ろう材を用いて行う。なお、ろう材の種類は限定されない。

以上、本実施形態のカッタビット１によれば、地層に応じて、耐衝撃用チップ２１と耐磨耗用チップ２２とが積層されているため、互層を備えた地盤を効率的に掘削することができる。

また、薄刃の耐衝撃用チップ２１が複数枚積層されているため、礫との衝撃により耐衝撃用チップ２１に亀裂や欠けが生じた場合であっても、図６の（ａ）に示すように、破損の範囲は当該耐衝撃用チップ２１のみとなる。そのため、礫の衝撃によるカッタビット１のダメージを最小限に抑えることができ、カッタビットの耐衝撃力が向上するとともに、その後の切削に悪影響を及ぼすことがない。

図７に示すカッタビット１ａのように、耐衝撃用チップ２１ａを１枚だけ配置すると、衝撃により耐衝撃用チップ２１ａに亀裂や欠けが生じた場合に、亀裂や欠けに起因して耐衝撃用チップ２１ａが母材３から剥落してしまうおそれがある。耐衝撃用チップ２１ａが剥落（脱落）すると、切削性能が低下し、場合によっては、切削不能になるおそれがある。

一方、本実施形態のカッタビット１は、耐衝撃用チップ２１の破損後にカッタビット１による切削を引き続き実行すると、ダメージや磨耗が進行して当該耐衝撃用チップ２１が母材３から剥落し、図６の（ｂ）に示すように、新たな耐衝撃用チップ２１が露出する。そのため、カッタビット１の切削能力が低下することなく、礫層を引き続き切削することができる。このように、順次新たな耐衝撃用チップ２１が露出することにより礫層を掘削することができ、カッタビット１の延命化が可能である。

また、礫層以外の地層に対しては、地層に対する磨耗係数に基づいて厚さが設定された耐磨耗用チップ２２により切削を行うため、土質条件に応じた効率的な切削が可能である（図６の（ｃ）参照）。

切削中のチップ２０以外のチップ２０は、チップ２０同士の段差部分に配置された間詰材２３により保護されているため、前面側に隣接するチップ２０が母材３から剥落したときに初めて露出するように構成されている。そのため、カッタビット１の切削能力は長期間にわたって低下することがない。

また、刃先部２は、予めチップ２０同士をろう付けした状態で母材３にろう付けするため、作業が容易であるとともに、高品質なカッタビット１を製造することができる。
つまり、複数のチップ２０を一度に母材３にろう付けしようとすると、部品間のろう付けが不十分となる部分が発生するおそれや、ろう付け後の刃先部２の強度が不十分になるおそれがあるが、刃先部２を予め形成してから母材３にろう付けすれば、高品質に製造することが可能となる。

また、刃先部２の母材３へのろう付けを、チップ２０同士のろう付けよりも低いろう付け温度で実施することで、母材３へのろう付けの温度によりチップ２０同士が分離することがなく、作業性に優れている。

また、刃先部形成工程では、正規寸法よりも大きめなチップ２０により刃先部２を形成し、刃先部研磨工程で刃先部２の側端面の凹凸を研磨することで、正規寸法の刃先部２を製造しているため、高品質なカッタビット１を簡易に製造することができる。

以上、本発明に係る実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。

本発明のカッタビット１は、トンネル施工に使用するシールド機、推進機、ＴＢＭや、現場打ち杭の施工、地中連続壁の施工等に伴う掘削孔や掘削溝等の施工に使用する掘削機等、あらゆる種類の掘削機に適用することができる。
また、カッタビット１は、先行ビット、メインビット、双頭ビット等、あらゆる種類のカッタビットに適用することができる。

前記実施形態では、耐衝撃用チップと耐磨耗用チップとが組み合わされた刃先部を備えるカッタビットについて説明したが、刃先部は複数の耐衝撃用チップのみで構成されていてもよい（図３の（ａ）参照）。
また、刃先部には、異なる種類の耐磨耗用チップが複数含まれていてもよく、刃先部の構成は掘削路線の地層図に基づいて適宜設定すればよい。

１ カッタビット
２ 刃先部
２０ チップ
２１ 耐衝撃用チップ
２２ 耐磨耗用チップ
２３ 間詰材
３ 母材

Claims (4)

1. 刃先部と、前記刃先部が固定された母材とを備えるカッタビットであって、
   前記刃先部には、連続して積層された複数の耐衝撃用チップが含まれており、
   前記耐衝撃用チップの積層数は、礫層の掘削距離に基づいて設定されていて、
   前記複数の耐衝撃用チップ同士は、後面側の耐衝撃用チップの先端が前面側に隣接する他の耐衝撃用チップの先端よりも低くなるように、段差を有して積層されており、
   前記耐衝撃用チップ同士の段差部分には、間詰材が配設されていることを特徴とする、カッタビット。
2. 前記刃先部には、礫層以外の地層に対する磨耗係数に基づいて厚さが設定された耐磨耗用チップが含まれていることを特徴とする、請求項１に記載のカッタビット。
3. 複数のチップをろう付けにより積層して刃先部を形成する刃先部形成工程と、
   前記刃先部形成工程よりも低いろう付け温度で前記刃先部を母材にろう付けする刃先部固定工程と、を備えるカッタビットの製造方法であって、
   前記刃先部形成工程では、前記複数のチップ同士の先端をずらした状態で段差を有して積層するとともに、前記チップ同士の段差部分に間詰材を配置することを特徴とするカッタビットの製造方法。
4. 前記刃先部固定工程の前に前記刃先部の側端面を研磨する刃先部研磨工程をさらに備えることを特徴とする、請求項３に記載のカッタビットの製造方法。

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