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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-02-09
(54)【発明の名称】ディスクカッタ
(51)【国際特許分類】
E21C 25/18 20060101AFI20230202BHJP
【ＦＩ】
E21C25/18
【審査請求】有
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2022533483
(86)(22)【出願日】2020-11-25
(85)【翻訳文提出日】2022-06-03
(86)【国際出願番号】 EP2020083296
(87)【国際公開番号】W WO2021110500
(87)【国際公開日】2021-06-10
(31)【優先権主張番号】1917708.8
(32)【優先日】2019-12-04
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(31)【優先権主張番号】2005020.9
(32)【優先日】2020-04-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】517056608
【氏名又は名称】エレメント、シックス、（ユーケー）、リミテッド
【氏名又は名称原語表記】ＥＬＥＭＥＮＴ ＳＩＸ （ＵＫ） ＬＩＭＩＴＥＤ
(74)【代理人】
【識別番号】100120031
【弁理士】
【氏名又は名称】宮嶋 学
(74)【代理人】
【識別番号】100152423
【弁理士】
【氏名又は名称】小島 一真
(74)【代理人】
【識別番号】100150717
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 和也
(72)【発明者】
【氏名】シュオ、ルー
【テーマコード（参考）】
2D065
【Ｆターム（参考）】
2D065DA01
2D065DA05
(57)【要約】
本開示は、カッタ胴体と、複数の工具ホルダと、工具ホルダに取り付けられた複数の切削要素と、を備えたディスクカッタに関する。工具ホルダおよび切削要素は、カッタ胴体について少なくとも１つのセットで設けられ、各セットは、予め定められた構成の順序で配置された２つ以上の工具ホルダおよび２つ以上の切削要素を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
カッタ胴体と、複数の工具ホルダと、前記工具ホルダに取り付けられた複数の切削要素と、を備え、前記工具ホルダおよび前記切削要素は、前記カッタ胴体について少なくとも１つのセットで設けられ、各セットは、予め定められた構成の順序で配置された２つ以上の工具ホルダおよび２つ以上の切削要素で構成される、ディスクカッタ。
【請求項2】
前記カッタ胴体の円周面の周囲に複数のセットを含む、請求項１に記載のディスクカッタ。
【請求項3】
前記複数のセットは同一である、請求項２に記載のディスクカッタ。
【請求項4】
前記複数のセットは非同一である、請求項２に記載のディスクカッタ。
【請求項5】
１つのセットに３つ以上の前記工具ホルダで構成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のディスクカッタ。
【請求項6】
１つのセットに４つの前記工具ホルダで構成されている、請求項１～５のいずれか一項に記載のディスクカッタ。
【請求項7】
１つ以上の工具ホルダに単一の切削要素で構成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載のディスクカッタ。
【請求項8】
前記単一の切削要素は、前記工具ホルダの中央に取り付けられている、請求項７に記載のディスクカッタ。
【請求項9】
１つ以上の前記工具ホルダに２つの切削要素で構成されている、請求項１～８のいずれか一項に記載のディスクカッタ。
【請求項10】
前記２つの切削要素は、前記工具ホルダに互いに隣接して並べて配置されている、請求項９に記載のディスクカッタ。
【請求項11】
前記２つの切削要素は、前記工具ホルダに互いに間隔をあけて配置されている、請求項９に記載のディスクカッタ。
【請求項12】
前記２つの切削要素は、その間の凹状チャネルで間隔をあけて配置されている、請求項１１に記載のディスクカッタ。
【請求項13】
前記切削要素が多結晶ダイヤモンドコンパクト（ＰＤＣ）である、請求項１～１２のいずれか一項に記載のディスクカッタ。
【請求項14】
前記ＰＤＣが三面取りを有する、請求項１３に記載のディスクカッタ。
【請求項15】
前記カッタ胴体が一連のスロットを含む、請求項１～１４のいずれか一項に記載のディスクカッタ。
【請求項16】
前記工具ホルダは、胴体部と、間隔をあけて配置された一対の脚部と、を含む、請求項１～１５のいずれか一項に記載のディスクカッタ。
【請求項17】
前記工具ホルダは、前記切削要素または各切削要素に近接する第１の端部から第２の端部に向かって内側にテーパになっている、請求項１６に記載のディスクカッタ。
【請求項18】
前記請求項１～１７のいずれか一項に記載のディスクカッタを備えた、溝切りカッタ。
【請求項19】
カッタ胴体は９００～１２００ｍｍの範囲の直径を有する、請求項１８に記載の溝切りカッタ。
【請求項20】
前記カッタ胴体は２０～３０ｍｍの範囲の厚さを有する、請求項１８または１９に記載の溝切りカッタ。
【請求項21】
ディスクカッタは約６０ｍｍの有効切削幅を有する、請求項１８、１９または２０に記載の溝切りカッタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、採掘機および掘削機、あるいは溝堀機（trenching machine）で使用されるディスクカッタに関する。特に、多結晶ダイヤモンドなどの超硬質材料で構成される切削要素を有するディスクカッタに関する。
【背景技術】
【0002】
世界中には、一般的にスラブと呼ばれる、多くの種類の岩石層が、大きな堆積物として存在している。地上の採石場では、地上からスラブを抽出するために様々なタイプの採掘装置が配備されている。スラブは専用の装置を使用して回収され、通常は大型で非常に強力な車両で載置場から取り出される。岩石スラブの重量は４０トン（４０、０００キロ）になる場合もある。研磨等の加工は現場で行われる場合があり、あるいは、家庭用や工業用に適切な大きさに切削するために現場から搬出される場合もある。
【0003】
地上で使用されている同じ装置が、地下鉱山の限られたスペースでそのまま使用できるとは限らない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の目的は、特定の岩石層の幾何学的または非幾何学的形状のブロックの採掘および抽出を容易にするためのコンパクトで汎用性の高い切削アセンブリを提供することであり、地上または地下で使用することができる切削アセンブリを提供することである。
【0005】
本出願人の共同出願であるＷＯ ２０１９／１８０１６４ Ａ１、ＷＯ ２０１９／１８０１６９ Ａ１、ＷＯ ２０１９／１８０１７０ Ａ１は、水平と垂直の切削方向との間で移動可能な円形ディスクカッタを含む切削アセンブリを開示している。円筒形の切削要素および対応する数の工具ホルダが、ディスクカッタの円周面の周囲に配置され、着座している。各工具ホルダは、円形胴体に対して少なくとも部分的に横方向にオフセットされている。このような配置の欠点は、岩石層を切削するために、依然としてかなりの切削力が要求されることである。
【0006】
本発明の目的は、切削力が低減された切削アセンブリを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の第１の態様によれば、カッタ胴体と、複数の工具ホルダと、工具ホルダに取り付けられた複数の切削要素と、を備えたディスクカッタであって、工具ホルダおよび切削要素は、カッタ胴体について少なくとも１つのセットで設けられ、各セットは、２つ以上の工具ホルダおよび２つ以上の切削要素を含み、２つ以上の切削要素は工具ホルダに予め定められた順序で配置され、工具ホルダの全てが同じ方向を向いている、ディスクカッタが提供される。
【0008】
ディスクカッタは、カッタ胴体の円周面の周囲に複数のセットを含んでいてもよい。
【0009】
複数のセットは、同一であってもよい。あるいは、複数のセットは、非同一であってもよい。
【0010】
ディスクカッタは、１つのセットに３つ以上の工具ホルダで構成されていてもよい。
【0011】
ディスクカッタは、１つのセットに４つの工具ホルダで構成されていてもよい。
【0012】
ディスクカッタは、１つ以上の工具ホルダに単一の切削要素で構成されてもよい。この実施の形態では、単一の切削要素は、任意に、工具ホルダの中央に取り付けられる。
【0013】
ディスクカッタは、１つ以上の工具ホルダに２つの切削要素で構成されてもよい。このような実施の形態では、２つの切削要素は、工具ホルダに、互いに隣接して並べて配置されていてもよい。あるいは、２つの切削要素は、工具ホルダに、互いに間隔をあけて配置されていてもよい。任意に、２つの切削要素は、その間の凹状チャネルで間隔をあけて配置されている。
【0014】
切削要素は、多結晶ダイヤモンドコンパクト（ＰＤＣ）であってもよい。任意に、ＰＤＣは三面取り（triple chamfer）を有する。
【0015】
好ましくは、工具ホルダは、胴体部と、間隔をあけて配置された一対の脚部と、を含む。工具ホルダは、任意に、切削要素または各切削要素に近接する第１の端部から第２の端部に向かって内側にテーパになっている。
【0016】
カッタ胴体は、一連のスロットを含んでいてもよい。
【0017】
本発明の第２の態様によれば、第１の態様に係るディスクカッタを含む溝切りカッタ（trench cutter）が提供される。任意に、カッタ胴体は、９００～１２００ｍｍの範囲の直径を有する。好ましくは、カッタ胴体は、２０～３０ｍｍの範囲の厚さを有する。好ましくは、ディスクカッタは、約６０ｍｍの有効切削幅を有する。
【0018】
本発明の第３の態様によれば、カッタ胴体と、複数の工具ホルダと、複数の切削要素と、少なくとも１つの工具ホルダに取り付けられた少なくとも１つの切削要素と、を備え、複数の工具ホルダおよび複数の切削要素はカッタ胴体の外周面に沿って設けられ、工具ホルダおよび切削要素はカッタ胴体について少なくとも１つのセットで設けられ、各セットは予め定められた構成の順序で配置された２つ以上の工具ホルダおよび２つ以上の切削要素で構成され、カッタ胴体は少なくとも一つの軽量化開口部を含む、ディスクカッタが提供される。
【0019】
ディスクカッタは、カッタ胴体の外周面の周囲に複数のセットを含んでいる。
【0020】
複数のセットは、同一であってもよい。あるいは、複数のセットは、非同一であってもよい。
【0021】
ディスクカッタは、１つのセットに３つ以上の工具ホルダで構成されていてもよい。
【0022】
ディスクカッタは、１つのセットに４つの工具ホルダで構成されていてもよい。
【0023】
ディスクカッタは、１つ以上の工具ホルダに単一の切削要素で構成されていてもよい。この実施の形態では、単一の切削要素は、任意に、工具ホルダの中央に取り付けられている。
【0024】
ディスクカッタは、１つ以上の工具ホルダに設けられた２つの切削要素で構成されてもよい。このような実施の形態では、２つの切削要素は、工具ホルダに互いに隣接して並べて配置されていてもよい。あるいは、２つの切削要素は、工具ホルダに互いに間隔をあけて配置されていてもよい。任意に、２つの切削要素は、その間の凹状チャネルで間隔をあけて配置されている。
【0025】
切削要素は、多結晶ダイヤモンドコンパクト（ＰＤＣ）であってもよい。任意に、ＰＤＣは、三面取りを有する。
【0026】
好ましくは、工具ホルダは、胴体部と、間隔をあけて配置された一対の脚部と、を含む。工具ホルダは、任意に、切削要素または各切削要素に近接する第１の端部から第２の端部に向かって内側にテーパになっている。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【発明を実施するための形態】
【0028】
本発明は、添付した図面を参照して、例示のためだけに、より具体的に説明される。
【0029】
図面では、同様の部品には、同様の参照番号が割り当てられる。
【0030】
【0031】
切削アセンブリは、地下鉱山で一般的に見られる長壁式採掘システム（long wall mining system）１の一部を形成する。切削アセンブリは、一連の調節可能な屋根支持体６の中で、坑内床（mine floor）４上で動作する既知の剪断機（shearer）技術の代替品である。剪断機が採掘方向に進むと、屋根支持体６が、剪断機のすぐ後ろで坑内天盤（mine roof）８を支えるように位置付けられる。屋根支持体６の背後では、坑内天盤６は比較的制御された態様で崩壊する。典型的には、収集アームが、切削面で採掘された岩石を収集し、鉱山からの後続の除去のために搬送システム上に移送する。
【0032】
図１および図２に示されているように、切削アセンブリ１０は、ベースユニット１２と、ベースユニット１２から延びる一対の間隔をあけて配置された支持アーム１４と、一対の可動支持アーム１４の間に延び、かつ一対の可動支持アーム１４に回転可能に取り付けられた駆動スピンドル１６と、駆動スピンドル１６の周囲に固定された複数のディスクカッタ１８と、を含む。
【0033】
図３および図４に示される第２の実施の形態では、単一の支持アーム１４がベースユニット１２から延びている。駆動スピンドル１６は、単一の支持アーム１４によって中央で支持され、複数のディスクカッタ１８は、単一の支持アーム１４の両側に分散して駆動スピンドル１６に取り付けられている。
【0034】
図示しない代替実施形態では、単一のディスクカッタ１８のみが使用される。
【0035】
好ましくは、ディスクカッタ１８または各ディスクカッタ１８は、駆動スピンドル１６についての中心に（すなわち中央に）取り付けられる。しかしながら、このことは本質的ではなく、ディスクカッタ１８または各ディスクカッタ１８は、代替的に、駆動スピンドル１６についてその中心からずれて取り付けられてもよい。任意に、２つの配置の組み合わせを代わりに使用してもよい。例えば、複数のディスクカッタ１８が直列に、すなわち駆動スピンドル１６に沿って互いに隣接して並列に使用される場合、交互に配置されたディスクカッタ１８は、駆動スピンドル１６について中央に取り付けられてもよい。残りのディスクカッタ１８の各中心は、ディスクカッタ１８が駆動スピンドル１６について取り付けられている位置から半径方向にずれていてもよい。他の組み合わせが想定される。
【0036】
ベースユニット１２は、ディスクカッタ１８の運搬システムとして機能する。ベースユニット１２は、ディスクカッタ１８を、切削される岩石層２に近接して、動作位置に前進させるとともに動作位置から後退させるために移動可能である。ベースユニット１２が岩石層２に接近する速度は、切削アセンブリ１０の岩石層２への送り速度を決定するいくつかの変数のうちの１つである。（屋根支持体６と協働する）ベースユニット１２はまた、採掘される岩石層２の長壁に沿って、左から右へ、またはその逆へ、横方向に移動可能である。
【0037】
各支持アーム１４は、第１の切削配向および第２の切削配向に移動可能に構成されている。図１および図２に最も良く示されているように、第１の切削配向では、駆動スピンドル１６は水平である。その結果、ディスクカッタ１８によってなされる岩石層２の切削は、それに対応して垂直である。図３および図４に最も良く示されているように、第２の切削配向では、駆動スピンドル１６は垂直である。その結果、ディスクカッタ１８によってなされる岩石層２の切削は、それに対応して水平である。第１の切削配向および第２の切削配向は、上述した第１の実施形態または第２の実施形態のいずれかで可能である。
【0038】
任意に、駆動スピンドル１６が前述の垂直と水平との間の任意の切削配向で操作可能であるように、支持アーム１４が移動可能であってもよいが、このことは本質的ではない。代替的に、支持アーム１４は、第１の切削配向および第２の切削配向の間で移動可能であるが、第１の切削配向および第２の切削配向では完全に動作可能（すなわち、岩石の切削または粉砕を容易にするために回転するディスクカッタ）であるように構成されてもよい。
【0039】
各支持アーム１４は、要求される切削の深さに応じて、第１の操作可能な位置と第２の操作可能な位置との間で、任意には第１の切削配向と第２の切削配向の各々で、移動可能である。これは、図２の両矢印Ａによって示されている。例えば、第１の操作位置では、駆動スピンドル１６は、坑内床４に近接するように下降し、第２の操作位置では、駆動スピンドル１６は、坑内天盤８に近接するように上昇する。
【0040】
任意に、各支持アーム１４は、ピボットジョイント（または代替的にユニバーサルジョイント）によって第２のアーム部分に接続された第１のアーム部分を有していてもよい。第１のアーム部分および第２のアーム部分の各々は、互いに独立して相対的に移動可能である。この配置は、切削アセンブリ１０が動作する自由度を増大させ、有利にはその操縦性を向上させる。
【0041】
駆動スピンドル１６は、特定の速度で回転するようにモータによって駆動される。モータの動力は、選択されたディスクカッタ１８のタイプと要求される切削力とに応じて、典型的には、ディスクカッタ１８あたり２０ｋＷから５０ｋＷの間である。
【0042】
図５に注目すると、本発明の一実施形態では、ディスクカッタ１８は、略円形胴体２０と、円形胴体２０の周囲に周方向に配置された複数の切削要素２２と、を含む。駆動スピンドル１６の回転は、ディスクカッタ１８の対応する回転を引き起こす。ディスクカッタ１８は、例えば、そのサイズに応じて、略円形である必要はなく、八角形の形状のカッタが略円形のディスクカッタに近似してもよい。したがって、ディスクカッタ１８は、六角形、八角形、十角形などであってもよく、実際には、円周方向に延びる任意の数の側面を有していてもよい。胴体２０についてのより詳細な情報は、以下で更に提供される。
【0043】
好ましい実施形態では、複数のディスクカッタ１８が駆動スピンドル１６上に配置されている。典型的には、６個以上のディスクカッタ１８が設けられてもよい。ディスクカッタ１８は、実施形態に応じて、間隔をあけて配置された一対の支持アーム１４の間で、または、支持アーム１４の両側で、好ましくは駆動スピンドル１６の長さに沿って規則的に間隔をあけて配置されている。
【0044】
ディスクカッタ１８の間隔は、要求される切削深さおよび切削される岩石層２の機械的特性、例えば最大抗張力（ＵＴＳ）に従って選択され、特定の切削エネルギを最適化し、要求される電力消費量を決定する。その目的は、切削された材料が自重で破断する条件を得ることである。例えば、キンバーライトの切削深さが０．４ｍの場合、隣接するディスクカッタ間の理想的な間隔は約０．３ｍである。しかしながら、これは、破断に必要な力に応じて増大したり減少したりすることができる。好ましくは、間隔はその場で調整可能であり、自動化されたプロセスであってもよいし、手動プロセスであってもよい。間隔は、遠隔で調整可能であってもよく、例えば、地上のオペレーションオフィスから調整可能であってもよい。くさび形の工具は、このような破断力を適用するために使用されてもよく、岩石の破断を補助する。
【0045】
ディスクカッタ１８は、好ましくは０．０１ｍと２ｍの間、より好ましくは０．０１ｍと０．５ｍの間で測定されるギャップによって間隔をあけて配置されている。
【0046】
ディスクカッタ１８の円形胴体２０は、典型的には鋼製であり、約１０００ｍｍの直径を有し、約１０～３０ｍｍの厚さ（軸方向に測定され、以下の説明では横方向の大きさともみなされる）を有する。現実的には、そのような直径は、最大４００ｍｍの切削深さを可能にする。円形胴体２０は、６０ｍｍから１００ｍｍの間のシャフト直径を有し、駆動スピンドル１６を受けるためのサイズおよび形状を有している。
【0047】
ディスクカッタ１８の直径（非円形ディスクカッタの場合は有効直径）および厚さは、切削アセンブリの意図された用途に従って適切に選択される。例えば、ケーブル敷設用途では、より小さい直径のディスクカッタ１８が要求されるであろう。ロボットアームのアングルグラインダでは、更に小さな直径が要求されるであろう。しかし、トンネル掘削用途では、かなり大きな直径のディスクカッタ１８が要求され、それに応じて適合されるであろう。
【0048】
本発明によれば、ディスクカッタ１８はまた、それぞれが少なくとも１つの切削要素２２を受け入れるための複数の工具ホルダ２４を含む。この実施の形態では、４つの工具ホルダ２４と７つの切削要素２２のセットの繰り返しが存在する。ＰＤＣ切削要素２２は、合計で４２個ある。各セットは、円形胴体２０について同一に繰り返される。各セットにおいて、以下に詳細に説明するように、工具ホルダ２４と切削要素２２の４つの異なる空間構成が存在する。ディスクカッタ１８の回転方向に１つずつ後ろに順番に配置すると、ディスクカッタ１８の要求される切削力が著しく低減される。
【0049】
各セットにおいて、工具ホルダは同じ前方方向を向き、回転方向を向いている。セット内の１つの工具ホルダから次の工具ホルダへと変化する切削要素の配置である。先行技術とは異なる有利な点は、予め定められた切削要素の配列である。
【0050】
円形胴体２０について配置された非同一のセットが用いられてもよい。
【0051】
すべてのセットが、切削要素を伴った工具ホルダを含む必要はない。切削要素が無い単なる「ブランク」でもよい。
【0052】
各工具ホルダ２４は、胴体部分２６と、胴体部分２６から延びる一対の間隔をあけた脚部２８と、を含む。胴体部分２６は、略立方体状である。胴体部分２６は、切削要素２２または各切削要素２２を支える。一対の脚部の各脚部２８は、板状である。脚部２８は、隙間３０によって間隔をあけており、これにより、円形胴体２０の両側で工具ホルダ２４を結合することができる。複数のスロット３２は、図６に示すように、略円形胴体２０の円周面３４に沿って周期的に配置されている。各スロット３２は、工具ホルダ２４が円形胴体２０に取り付けられると、隙間３０で占有される。スロット３２は、使用中にボルトにかかる剪断力を減少させる。隣り合うスロット３２の間に延びる円形胴体２０の円周面３４により、工具ホルダ２４は円形胴体２０の周囲で規則的に間隔をあけて配置される。この実施の形態では、２４個の工具ホルダ２４に対して２４個のスロットが設けられている。
【0053】
工具ホルダ２４は、切削要素２２または各切削要素２２に近接する第１の端部３６から、各脚部２８の自由端に近接する第２の端部３８に向かって内側にテーパになっている。
【0054】
工具ホルダ２４の第１の実施の形態が図７ａ）に示されており、このホルダは、単一の、（軸方向の）中央に取り付けられた、切削要素２２を着座させるように構成されている。
【0055】
工具ホルダの第２の実施の形態が図７ｂに示されており、この工具ホルダは、２つの隣接する切削要素２２を着座させるように構成されている。
【0056】
工具ホルダ２４の第３の実施の形態が図７ｃ）に示されており、このホルダは、２つの間隔をあけて配置された切削要素２２を着座させるように構成される。
【0057】
工具ホルダ２４の第４の実施の形態が図７ｄ）に示されており、これは、２つの切削要素２２の間に中央凹状チャネル４０を有する２つの間隔をあけて配置された切削要素２２を着座させるように構成されている。細長いチャネル３６は、ディスクカッタ１８の意図された回転方向に延びている（図１０参照）。
【0058】
好ましくは、図８に示すように、工具ホルダは、ａ）、ｄ）、ｃ）、ｂ）の順序で配置される。しかしながら、４つの工具ホルダの構成がすべて使用されるのであれば、順序は問わない。例えば、以下の表１を参照されたい。
【表1】
【0059】
また、２つ、３つ、またはそれ以上の構成の工具ホルダおよび切削要素を含むセットを使用することも可能である。１つ以上の切削要素が特定の工具ホルダ２４で使用される場合、各切削要素２２のサイズと切削要素間の間隔は、それに応じて調整される必要がある。
【0060】
好ましくは、各工具ホルダ２４は、鋼から作られているが、代替的に、７０ＨＶ（ビッカース硬さ）を超える硬さを有する任意の金属系材料、炭化物系材料またはセラミック系材料を含んでいてもよい。各工具ホルダ２４は、（例えば、ろう付けまたは溶接を使用して）カッタ胴体２０に恒久的に接続されてもよく、または、図５～図１５に示す実施の形態のように、例えば、胴体２０の開口部４４および脚部２８の開口部４６内の２対のナットおよびボルト４２等のような保持機構を使用してカッタ胴体２０に着脱可能に取り付けられる。ろう付け、溶接、および／または機械的接続の組み合わせを使用することができる。あるいは、工具ホルダ２４は、例えば、鍛造、粉末冶金等によって、ディスクカッタ１８の胴体２０と一体的に形成されてもよい。
【0061】
一実施形態では、各切削要素２２は、工具ホルダ２４の１つによって堅くまたは固定的に支持されている。各工具ホルダ２４は、好ましくは、カッタ胴体２０の円周面の周囲に等しい角度で間隔をあけて配置されている。各切削要素２２は、ろう付けを用いて、工具ホルダ２４内または工具ホルダ２４上の所定の位置に固定されてもよい。あるいは、工具ホルダ２４または各工具ホルダ２４は、切削要素２２を回転可能に受容するように構成されてもよい。そのような実施形態では、切削要素２２または各切削要素２２および工具ホルダ２４は、切削要素２２または各切削要素２２が工具ホルダ２４内で自由に、例えばすきま嵌めで回転するように構成されていてもよく、または代替的に、切削要素２２が採掘／掘削されている岩石層と接触するときにのみ、例えば中間嵌めで工具ホルダ２４内で回転できるように構成されてもよい。
【0062】
切削要素２２の各々は、１３０ＨＶ以上の硬さを有する硬い耐摩耗性材料を含む。切削要素２２は、好ましくは、立方晶窒化ホウ素、ダイヤモンド、ダイヤモンドライク材料、またはそれらの組み合わせからなる群から選択される超硬質材料（superhard material）で構成されるが、代わりにタングステンカーバイドのような硬質材料であってもよい。切削要素２２は、超硬質材料が結合された超硬合金（cemented carbide）基板を含んでいてもよい。
【0063】
一実施の形態では、切削要素２２は、石油・ガス掘削の分野でより一般的に見られる多結晶ダイヤモンドコンパクト（ＰＤＣ）である。このようなＰＤＣは、しばしば円筒形であり、通常、鋼または炭化物基板に結合されたダイヤモンド層焼結体を含む。
【0064】
ＰＤＣは、６ｍｍから３０ｍｍの間の直径を有し、好ましくは８ｍｍから２５ｍｍの間の直径を有する。例えば、ＰＤＣは、６ｍｍ、１１ｍｍ、１２ｍｍ、１３ｍｍの直径を有していてもよく、１６ｍｍまたは１９ｍｍの直径を有していてもよい。ディスクカッタでは、直径の組み合わせが使用されてもよい。
【0065】
各ＰＤＣは、面取り、二面取り、多面取りのいずれでもよい。図１１には、切削要素２２の早期破損のリスクを低減するために三面取り（４７で示す）されたＰＤＣが描かれている。
【0066】
各ＰＤＣは、研磨されたカッタ表面を含んでいてもよく、少なくとも部分的に研磨されていてもよい。
【0067】
あるいは、従来のＰＤＣであるよりもむしろ、切削要素２２は、３次元形状のカッタであってもよい。切削要素２２のストライクチップは、円錐形、角錐形、弾道形、ノミ形、または半球形であってもよい。ストライクチップは、平坦な頂点を有する切頭形であってもよく、非切頭形であってもよい。ストライクチップは、軸対称であってもよいし、非対称であってもよい。切削要素２２の任意の形状は、本発明の任意の態様と組み合わせて使用することができる。そのような形状のカッタの例は、ＷＯ２０１４／０４９１６２およびＷＯ２０１３／０９２３４６に記載されている。
【0068】
任意に、（ＰＤＣタイプの）切削要素のすくい角（rake angle）は、１５度から３０度の間である。任意に、すくい角は約２０度である。任意に、すくい角は、正または負であってもよい。図１２には、切削要素２２が工具ホルダ２４からどのように突出するかが示されている。
【0069】
岩石掘削用途では、ディスクカッタ１８が岩石層２と接触し、駆動スピンドル１６、したがってそのディスクカッタ１８の回転が、岩石層２のスライスを引き起こす。切削アセンブリ１０は、岩石層２をスライスして、選択された切削要素２２のサイズに応じて、例えば、約１６ｍｍのきれいな直交カットを形成する。カットされた岩石は、自重で破断したり、または二次的なくさびの力で、例えばくさび形の工具を使用して破断したりする。各セットの切削要素２２は、図１３に示すように、岩石に、一般に４８で示される重なり合ったカットを生じさせる。これにより、切削スロットへの切削力が均等に分散される。
【0070】
主要な実施の形態におけるオーバーラップカットは６０ｍｍであり、これは各セット内の４つの工具ホルダと切削要素の組み合わせに基づいている。より大きなオーバーラップカットが要求される場合、工具ホルダと切削要素の組み合わせが、例えば、６、８、１０、１２等のより多い数で使用される。より小さなオーバーラップカットが要求される場合、工具ホルダと切削要素の組み合わせは、２つまたは３つ等のより少ない数で要求される。
【0071】
図１４および図１５を参照すると、溝掘り作業は、切削アセンブリの、特にディスクカッタ１８の、重要な潜在的用途である。典型的には、単一のディスクカッタ１８が駆動スピンドル１６の周りに取り付けられ、使用時には、矢印で示される方向に回転される。ディスクカッタ１８とスピンドルは、ハウジング５０内に取り付けられて、収容されている。ディスクカッタ１８が回転され、地面と接触させられると、ディスクカッタ１８は、それをスライスする。
【0072】
スケールが小さい変形例は、例えば、小径の光ファイバーケーブルの敷設のために、道路や舗装に微細な溝を掘るために使用することも可能である。この場合、切削アセンブリ１０は、岩石ではなく、アスファルトやコンクリートを切削する。このような実施の形態では、カッタ胴体２０の直径は３００ｍｍのオーダーであり、カッタ胴体の横方向の厚さは２０ｍｍまでであり、切削要素はそれに対応した大きさになる。その意図は、５０ｍｍから１００ｍｍ程度の切削深さを達成することである。
【0073】
いくつかの溝掘り作業では、カッタ胴体の直径は約１１００ｍｍ、（切削要素２２を含む）ディスクカッタの横方向の厚さは約６０ｍｍになる。
【0074】
上記では切削アセンブリのいくつかの用途が述べられたが、トンネル掘削は特に魅力的な用途である。一般的には、地下に新たなトンネルを形成するために、トンネルボーリングマシン（ＴＢＭ）が使用される。ＴＢＭは、公知の方法で円筒形のトンネルを形成する。トンネルの目的が車両または歩行者の交通のためであり、円形の横方向の断面のみが可能である場合には、トンネルの下部内に新しい水平床が含まなければならない。事実上、トンネルの直径が大きくなりすぎる。トンネル上部に実際に要求される使用可能な空間を形成するためには、余剰の岩石材料が抽出されなければならない。より大きなＴＢＭが、より小さなＴＢＭよりも多くの消耗品である切削チップを必要とするだけでなく、トンネル掘削作業にかなりの時間がかかるため、トンネル掘削コストが増加する。更に、新しい床の建設には追加の材料が要求される。本明細書に記載された切削アセンブリにより、より小さい横方向の断面でトンネルを形成することができ、それにより、上部トンネルの所望の形状を作成することができる。また、切削アセンブリは、より小さいＴＢＭに従ってトンネルの下半分を形成し、壁に垂直な床を作成し、より大きいＴＢＭを使用した場合よりも除去する材料を著しく少なくする。
【0075】
円形胴体２０は、駆動スピンドル１６を受け入れるための中心の（またはオフセットされた）シャフト開口部のみを有する中実ディスクであることがすでに示された。図１６から図１９には、本明細書に記載された特徴のうちの任意の組み合わせで使用され得る、円形胴体２０の代替形態が示されている。図１６および図１７では、４つの開口部を残すために４つのパネルが胴体から取り除かれ、同様に、図１８および図１９では、５つのパネルが取り除かれている。典型的には、これらのパネルはレーザーで除去されるが、どのような機械加工も用いることができる。開口部のパターンは、構造強度を維持しながら、ディスク全体の重量を減らすことができる。さまざまな用途に応じた重量に対する最適な強度比を、さまざまな幾何学的設計で実現することが可能である。
【0076】
図１６を参照すると、カッタ胴体の第２の実施の形態が１００で示されている。胴体は、４つの放射状スポーク１０２と、４つの軽量化開口部１０４と、を含み、１つの開口部１０４は、隣接する一対のスポーク１０２の間にある。スポーク１０２は、駆動スピンドル１６を受け入れる中心シャフト開口部１０６の周りに規則的に間隔をあけて対称に配置されている。スポーク１０２は、胴体１００の中心から胴体１００の外周面３４に向かって円周方向に外側にテーパしている。その結果、各開口部１０４は、一対の円弧状内面および外面１０８と、円弧状面１０８に隣接する一対の直線状面１１０と、を有する略台形状である。円弧状面１０８は円周方向に延び、一方、直線状面１１０は半径方向に延びる。
【0077】
図１７において、カッタ胴体の第３の実施の形態が２００で示されている。胴体は、４つの放射状スポーク２０２と、４つの軽量化開口部２０４と、を含み、隣り合う一対のスポーク２０２の間に１つの開口部２０４がある。スポーク２０２は、中心シャフト開口部１０６の周りに規則的に間隔をあけて配置されている。しかしながら、スポーク２０２は中心でオフセットされており、胴体２００はその回転軸であるシャフト開口部１０６に対して非対称である。スポーク２０２の幅は、胴体１００の中心から胴体２００の外周面３４に向かって大きく変化していない。各開口部２０４は、略半径方向に延びる２つの隣接面２０８と、略円周方向に延びる対向する一対の隣接面２１０とを有する四角形である。
【0078】
図１８において、カッタ胴体の第３の実施の形態が３００で示されている。胴体は、５本の放射状スポーク３０２と、５つの軽量化開口部３０４と、を含み、隣り合う一対のスポーク３０２の間に１つの開口部３０４がある。スポーク３０２は、中心シャフト開口部１０６の周りに規則的に間隔をあけて配置されている。しかしながら、スポーク３０２は中心でオフセットされており、胴体３００は、その回転軸であるシャフト開口部１０６に対して非対称である。スポーク２０２の幅は、胴体１００の中心から胴体３００の外周面３４に向かって大きく変化していない変化していない。各開口部３０４は、角が丸くなった三角形である。２つの面３０８は略半径方向に延び、第３の面３１０は略円周方向に延びている。
【0079】
図１９を参照すると、カッタ胴体の第４の実施の形態が４００で示されている。胴体は、５つの放射状スポーク４０２と、５つの軽量化開口部４０４と、を含み、１つの開口部４０４は、隣り合う一対のスポーク４０２の間にある。スポーク４０２は、駆動スピンドル１６を受け入れる中心シャフト開口部１０６の周りに規則的に間隔をあけて対称に配置されている。スポーク４０２は、胴体４００の中心から胴体４００の外周面３４に向かって円周方向に外側にテーパしている。このように、各開口部４０４は、概台形状であり、一対の円弧状内外面４０８と、円弧状面４０８に隣接する一対の直線状面４１０と、を有する。円弧状面４０８は円周方向に延び、一方、直線状面４１０は半径方向に延びている。
【0080】
本発明は、特に実施形態を参照しながら示されて説明されたが、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細の様々な変更が行われ得ることは、当業者によって理解されるであろう。
【0081】
例えば、任意のカッタ胴体の変形を、本明細書に開示された特徴のいずれかと組み合わせて使用することができる。
【0082】
本明細書で使用される特定の標準用語および概念を以下に簡単に説明する。
【0083】
本明細書で使用されるように、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）材料は、複数のダイヤモンド粒を含み、そのかなりの数が互いに直接相互に結合しており、ダイヤモンドの含有量が材料の少なくとも約８０体積％である。ダイヤモンド粒の間の隙間は、実質的に空であってもよく、またはそれらは、バルク充填材で少なくとも部分的に充填されていてもよく、またはそれらは実質的に空であってもよい。バルク充填材は、焼結促進材を含んでいてもよい。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7a】
【図7b】
【図7c】
【図7d】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【国際調査報告】