专利名称：切削尖头及工具的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种机械挖掘方法及装置，更具体而言，涉及在此类挖掘方法
中使用的切削工具(通常被称为切削镐)。本发明被特别开发用于在采矿工业中使用的机 械挖掘机，且本发明就此在本文中进行描述。尽管如此，可以理解的是，本发明具有更广的 应用而不限于这种使用。
背景技术：
包含切削镐的机械挖掘机在采矿工业中被广泛用于移除岩石和煤块。此种机械包 括巷道掘进机、连续采煤机和长壁开采刨煤机。最广泛使用的切削镐之一为"点侵式(point attack)"镐(还通称为圆锥形镐)。这些镐的在切削中实际作业的尖头，具有圆锥形几何 形状且由诸如碳化钨等硬的材料制成。这些镐因其具有较长的使用寿命而特别普及。
虽然点侵式镐很普及，但众所周知由于圆锥形尖头的成穴作用在冲击点处粉碎相 当大量的煤块/岩石，因此这些镐产生大量灰尘。过多的灰尘尤其在地下煤矿开采中已经 成为一个重要的问题，这是因为其对健康有不利影响，例如已经成为地下工作者的最大杀 手的黑肺病(肺尘症)。减少过量灰尘的常用办法，例如以高速吹入大量的空气、喷雾和安 装涤尘器等，都很昂贵且仅仅局部有效。除了灰尘以外，点侵式镐被已知消耗过多的能量并 产生过多的噪音(其可导致在矿中作业的人员的听力严重受损)和过多的煤颗粒，这些煤 颗粒较难处理，并因此使煤预备工厂中的处理花费较多费用。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种用于机械挖掘机的切削尖头，包括尖头主体， 该尖头主体具有大致尖形的远端、与所述远端分隔开的近端和从所述远端朝向所述近端向 外扩张的壁，所述壁的轮廓被设计为在受所述切削尖头冲击的材料上引起非均匀的应力分 布以在该材料中促进径向破裂。 相应地，一种改进的切削尖头被公开，其可应用于点侵式镐(具有尖形的远端)。 本发明的切削尖头的轮廓特别被设计为引起非均匀的应力分布，以在受冲击材料中促进径 向破裂。采用这种方法，该切削尖头与在受冲击材料上引起均匀应力分布的传统圆锥形尖 头不同。 传统的圆锥形尖头倾向于通过镐的成穴作用在受冲击材料的接触点处挤压受冲 击材料，从而引起大量圆形破裂，且该破裂行为接着在诸如煤块和岩石等易碎材料中产生 大量的小颗粒。相反，根据本发明上述方面的切削尖头被布置为引起不同的破裂行为，其中 更可能引起径向破裂。这接着促进材料的较大碎片的移除，并且由于圆形破裂的减少也使 灰尘减少。由于这种方法压碎较少的材料，因而其进一步导致较低的能量消耗、较少的噪音 和较少的镐/尖头磨损。 在一种形式中，切削尖头具有尖头轴线，且远端和近端沿该轴线分隔。进一步，尖 头主体的壁的轮廓被设计为包括多个轴向延伸脊和位于这些脊之间的中间区域。所述脊
4被布置为比所述中间区域在受冲击材料上引起更高的应力集中，由此提供非均匀的应力分 布。 包括脊的尖头主体的壁的轮廓可以采用各种形式。特别地，所述脊可以延伸至尖 头主体的远端，或者可以在远端之前终止。而且，在一种优选的形式中，所述脊延伸至远端， 但是，在另一种形式中，所述脊的至少一部分可在远端之前终止。各个脊可以是连续的，或 者可选地，一些脊或者全部脊可以由共同形成轴向延伸脊的多个对齐的较短长度形成。进 一步，各个脊可仅沿尖头轴线方向延伸，或者可选地，可沿轴向和径向两个方向延伸至该轴 线，使得这些脊在尖头主体的壁上形成部分螺旋。 在一种形式中，至少一些相邻的中间区域相互倾斜。在这种布置中，设置在那些相 互倾斜的中间区域的各个中间区域之间的所述脊形成所述尖头主体的边缘。在另一种形式 中，相邻的中间区域可对齐，使得脊有效地形成那些对齐的相邻中间区域的平面中的中断 部。 在一种形式中，中间区域可用作尖头的切削表面。在该布置中，中间区域的至少一 个可在该区域的至少一部分上为基本平的。但是，中间区域可以不是平的，且可至少在其长 度的一部分上具有弓形轮廓。在该布置中，各个脊具有的曲率半径基本小于所述弓形中间 区域的相应的曲率半径。包括弓形部分的中间区域可以凸起、凹入，或者可以是包括平坦、 凸起或凹入部分的任意组合的更为复杂的形状。
在一种形式中，尖头主体包括至少三个脊。 在一种特别形式中，切削尖头主体具有多边形的近端。进一步，在一种特别形式 中，脊从远端的拐角延伸，从而脊的数量与多边形的边数相同。 切削尖头的尺寸可根据工具使用的尖头而变化。在一种形式中，所述脊典型地具 有在O. lmm至20mm的范围内的曲率半径。进一步，尖头主体的壁或所述脊以30度到170 度的螺旋角朝向近端向外扩张。在一种形式中，这种角度使得在使用时切削尖头在冲击时 形成负的前角。会导致负前角的尖头主体的螺旋角是切削工具接触材料表面所在处的攻角 的函数。但是，典型地在IOO度到140度之间的螺旋角可足以产生负的前角。负的前角的 优点在于它能够增加施加到材料的挤压应力，由此促进破裂。
在一种形式中，远端具有O. 2mm至5mm之间的尖头半径。 典型地，切削尖头被布置成安装在切削工具钻头上。在一种形式中，联接部被设置 在尖头主体的近端以允许这种安装。在一种形式中，联接部为凸出部的形式，该凸出部被布 置为被承接在工具钻头中的对应的凹进部中。在一种可替换布置中，联接部为凹进部的形 式，工具钻头包括对应的凸出部。典型地，切削尖头通过焊接等任意合适的方法或通过机械 固定装置被牢固地安装到工具钻头。 尖头由硬的材料制成，例如烧结碳化钨。但是其他硬的材料，例如金刚石、多晶金 刚石(PCD)、立方体天然氮化物(CBN)和多晶立方体天然氮化物(PCBN)也可以用作尖头材 料，且能够为本领域技术人员所理解。 按照另一方面，本发明致力于一种切削工具，其包括尖头主体和设置在该尖头主 体的引导端处的根据上述任意形式的切削尖头。在一种特别形式中，采用允许切削工具绕 延伸通过切削尖头的切削轴线旋转的方式，切削工具被布置为安装到工具夹持设备中。
根据上述形式的切削尖头的优点在于，它可被安装在先前被设计为使用具有圆锥形尖头的点侵式镐的传统的挖掘机上。
在下文中参照附图方便地描述本发明的各实施例。可以理解的是，附图和相关描
述的特殊性不应被理解为代替本发明先前广泛描述的通用性。
在附图中 图1是根据本发明的实施例的切削工具的示意图；
图2是图1的工具的切削尖头的侧视图；
图3是图2的尖头的俯视平面图；
图4是图2的尖头的仰视平面图； 图5是根据本发明的切削工具的第二实施例的示意图； 图6是图1的切削工具在冲击材料表面时的位置的示意图；以及 图7是受图2的切削尖头冲击的易碎材料的破裂行为的示意表示图。
具体实施例方式
图1显示用于机械挖掘机的切削工具50 (还通称为切削镐)。该切削工具50包括 两个主要部件，即切削钻头51和硬的插入物，该硬的插入物还通称为切削尖头10且被设置 在切削钻头51的前端52。该切削尖头50被紧固地安装到切削钻头51的前端52，以使该切 削尖头能够承受在使用时冲击在切削镐上的强烈的力。切削尖头可以被铜焊到切削钻头， 且还可以包括凸出部或凹进部，该凸出部或凹进部被承接在切削钻头中的互补形状的凹进 部或凸出部中。也可以使用其他固定或安装装置，包括可松脱的机械固定装置，这些装置都 在本公开的范围内。 切削镐50包括中心轴线CL，且关于该轴线大致对称。在使用时，切削镐50被安装 到镐夹持设备，以能够是绕轴线CL可旋转的，这实现切削尖头10的较均匀磨损。
切削钻头51包括扩大头部和圆柱形柄54，其中切削尖头被安装在扩大头部上，圆 柱形柄从钻头头部53的近端55向后延伸。采用防止镐50轴向移动但允许其围绕镐轴线 CL旋转的方式，该传统形式的柄54被安装到挖掘机的镐夹持设备上。 在使用时，多个镐50典型地被安装在相应的镐夹持设备中，该镐夹持设备被安装 在挖掘机的可旋转鼓轮上。镐50从鼓轮向外延伸，且当鼓轮旋转时该镐沿切削方向在岩石 表面上移动。采用这种方法，所述镐以一定角度(普遍称为攻角(attack angle))冲击岩 石表面，且切削镐在冲击岩石材料时的典型方位示意性地示于图6中。参照图6，攻角a小 于90度，且典型地为55度左右，前角(rake angle) P是螺旋角(pitch angle) o和攻角 a的函数。在所示形式中，当切削尖头的螺旋角o很大时，前角|3为负(也就是说，前角 延伸超过岩石表面的法线)。尽管负的前角对于本发明不是必要的，但当考虑改进镐的切削 作用的有效性时负的前角是有利的。 图2至图4更详细地显示切削尖头10的几何形状。大体上，切削尖头10包括尖 头主体ll，尖头主体11具有尖形的远端12和较宽的近端13。尖形的远端12位于切削尖 头的中心轴线CL上，该切削尖头的中心轴线CL在使用时与如图1所示的尖头切削镐的中 心线CL重合。在一种形式中，远端12为大致半球状，且具有0. 2mm到5mm左右的尖头半径
切削尖头10进一步包括壁14，该壁从远端12至近端13向外扩张。与在受切削尖 头冲击的材料中引起均匀应力分布的现有点侵式镐不同，该壁的轮廓特别地被设计为产生 非均匀的应力分布，该非均匀的应力分布在受冲击的材料中促使径向破裂。如图2所示的 示例形式，切削尖头的壁14的轮廓被设计为包括从近端向远端延伸的多个轴向延伸脊15 和位于这些脊之间的多个中间区域16。最佳如图3和图4所示，切削尖头10的近端13为 近似正方形(具有或者不具有倒圆拐角)，且脊15从正方形端部的拐角向尖形的远端12延 伸。这样，该切削尖头包括四个脊15和四个中间区域16，并具有稍微类似于正方形金字塔 的尖头几何形状。脊的轮廓可以根据其被限定的尖锐程度而变化，但是典型地具有O. lmm 至20mm的范围内的曲率半径r2。采用这种设置，中间区域16形成尖头主体14的离散表面。 这些表面相互倾斜，并且脊15形成相邻表面之间的拐角。而且，尽管这些中间区域为大致 平的，但这些中间区域也可以不是平坦的而是弓形的，且从近端13向远端尖头弯曲，如图2 的轮廓中的最佳示例。 中间区域16的弯曲量影响如图6所示的切削镐的合成的前角。在图示形式中，中 间区域被弯曲为在远端提供120度到140度左右的螺旋角o 。这为尖头几何形状提供坚固 的顶点。但是，切削尖头的几何形状可以使得螺旋角o比这个范围宽地变化，且典型的可 在30度到170度之间变化。同样地，切削尖头的螺旋角可以沿中间区域朝向近端变化。在 图示形式中，中间区域在接近尖头主体的近端具有第二螺旋角，该第二螺旋角比远端处的 螺旋角小，以为切削尖头提供缓冲并由此使得切削期间的磨损最小化。
尽管中间区域在图示实施例中被示出为随其朝向远端弯曲而大致凸起，但在可替 换实施例中，这些区域可以向内弯曲以在该方位凹入。进一步，这些凹入区域可延伸遍及各 个区域的宽度或可仅应用到该区域的一部分(典型地为中间部分)。 而且，所述脊可被布置为遵循中间区域的轮廓，且在图示实施例中，脊15随其朝 向远端12弯曲而遵循中间区域16凸起的方位。但是，通过沿脊的长度改变脊的高度，所述 脊可相对于中间区域具有不同的方位，且相应地可以直线延伸，可以凸起或凹入，而与中间 区域的构造(即，这些区域是否平坦、凸起或凹入)无关。采用这种方法，提供了更多机会 来优化切削尖头的几何形状，该几何形状与增强其破裂能力、具有有效的切削表面和良好 的磨损性能有关。 在图示形式中，切削尖头10进一步包括联接部17，该联接部从尖头主体11的近端 13向外延伸(图2)。在图示形式中，联接部为短粗柄的形式，其为圆柱形且被布置为位于 工具钻头主体51的引导端52中的对应的凹进部内。可以理解的是，联接部的构造可以采 用如本领域技术人员所理解的其他形式。 在使用包含脊15的尖头几何形状时，受冲击的材料上的应力分布是非均匀的，更 具体而言，所述脊被布置为比中间区域在受冲击材料中引起更高的应力集中。该更高的应 力集中接着在该材料中促进径向破裂，而不是促进随传统圆锥形尖头发生的占主导的圆形 破裂。增强的径向破裂的示例示于图7中，其中具有图2的尖头几何形状的尖头冲击到脆 性材料100上，从而引起限定的径向裂缝101。引起不同破裂行为的优点促进了材料的较大 碎片的移除，并且还由于减少了圆形破裂而使灰尘减少。进一步，如图2所示的尖头几何形 状比传统的圆锥形尖头压碎较少的材料，且进一步导致能量消耗减少、噪音减少以及镐尖
7头磨损减少。 尽管图1至图4中所示的尖头几何形状具有大致正方形基部，但也可以提供具有 如上所述的有利破裂行为的其他尖头几何形状。例如，图5图示一种变形，其中切削镐60 包括切削尖头IO，该切削尖头具有包括五角形基部的尖头几何形状，由此形成五个脊，而不 是先前实施例中的四个脊。 在所附权利要求和本发明之前的描述中，除了上下文中由于明确的语言或必要的 暗示而另外要求以外，词语"包括(comprise)"或其变化形式，例如"包括(comprises)"或 "包括(comprising)"，被以开放式包括的含义使用，也就是说，用于明确说明存在所述特 征，但不排除在本发明的各实施例中存在或增加进一步的特征。 在不背离本发明的精神或范围的情况下，可以对前述部件作出各种变化和/或修 改。
权利要求
一种用于机械挖掘机的切削尖头，包括尖头主体，该尖头主体具有大致尖形的远端、与所述远端分隔开的近端和从所述远端朝向所述近端向外扩张的壁，所述壁的轮廓被设计为在受所述切削尖头冲击的材料上引起非均匀的应力分布以在该材料中促进径向破裂。
2. 如权利要求1所述的切削尖头，其中所述切削尖头具有尖头轴线，并且所述远端和所述近端沿该轴线分隔，并且，其中所述壁的轮廓被设计为包括多个轴向延伸脊和位于所述脊之间的中间区域，其中所述脊被布置为比所述中间区域在所述受冲击材料上引起更高的应力集中。
3. 如权利要求2所述的切削尖头，其中所述脊延伸至所述尖头主体的所述远端。
4. 如权利要求2或3所述的切削尖头，其中至少一些相邻的中间区域相互倾斜，并且设置在那些相互倾斜的中间区域的各个中间区域之间的所述脊形成所述尖头主体的边缘。
5. 如权利要求2至4中任一项所述的切削尖头，其中所述中间区域的至少一个在该区域的至少一部分上为基本平的。
6. 如权利要求2至5中任一项所述的切削尖头，其中所述中间区域的至少一个为弓形，并且所述脊各自具有的曲率半径基本小于所述弓形中间区域或各个弓形中间区域的相应的曲率半径。
7. 如权利要求2至6中任一项所述的切削尖头，其中所述脊具有的曲率半径在0. lmm至20mm的范围内。
8. 如权利要求6或7中所述的切削尖头，其中所述中间区域的所述至少一个在该区域的至少一部分上是凸起的。
9. 如权利要求6至8中任一项所述的切削尖头，其中所述中间区域的至少一个在该区域的至少一部分上是凹入的。
10. 如权利要求2至9中任一项所述的切削尖头，其中所述尖头主体包括至少三个脊。
11. 如权利要求2至10中任一项所述的切削尖头，其中所述尖头主体的所述近端为多边形，并且所述脊从所述近端的拐角延伸。
12. 如前述任一项权利要求所述的切削尖头，其中所述尖头主体的所述壁朝向所述近端向外扩张，且在所述远端具有30度至170度之间的螺旋角。
13. 如前述任一项权利要求所述的切削尖头，其中所述远端具有O. 2mm至5mm之间的尖头半径。
14. 如前述任一项权利要求所述的切削尖头，进一步包括尖头轴线，所述切削尖头在使用时绕该尖头轴线旋转。
15. 如权利要求14所述的切削尖头，其中所述远端位于所述尖头轴线上。
16. 如前述任一项权利要求所述的切削尖头，进一步包括联接部，其被设置在所述尖头主体的所述近端处且被布置为将所述切削尖头安装到切削工具钻头中。
17. 如权利要求16所述的切削尖头，其中所述联接部为凸出部的形式，该凸出部被布置为被承接在所述工具钻头中的对应的凹进部中。
18. 如权利要求16所述的切削尖头，其中所述联接部为凹进部的形式，该凹进部被布置为被承接在所述工具钻头中的对应的凸出部中。
19. 一种切削工具，包括具有引导端的钻头主体，以及设置在所述引导端处的根据前述任一项权利要求所述的切削尖头。
20. 如权利要求18所述的切削工具，其中所述切削尖头被安装到所述钻头主体，并由比所述钻头主体硬的材料形成。
21. 如权利要求18或19所述的切削工具，其中所述切削工具能够绕工具轴线旋转。
22. 如权利要求20所述的切削工具，其中所述工具轴线延伸穿过所述切削尖头的所述远端。
23. —种基本上如在本文中参考附图所描述的切削尖头。
24. —种基本上如在本文中参考附图所描述的切削工具。
全文摘要
一种用于机械挖掘机的切削尖头(10)，包括尖头主体(11)，该尖头主体具有大致尖形的远端(12)、与所述远端分隔开的近端(13)和从所述远端朝向所述近端向外扩张的壁(14)。所述壁(14)的轮廓被设计为在受所述切削尖头冲击的材料上引起非均匀的应力分布以在该材料中促进径向破裂。在一种形式中，所述壁(14)的轮廓被设计为包括多个脊(15)和中间区域(16)，所述脊(15)被布置为比所述中间区域(16)在所述受冲击的材料上引起更高的应力集中。
文档编号E21C35/18GK101790621SQ200880104880
公开日2010年7月28日 申请日期2008年7月2日 优先权日2007年7月2日
发明者章亮炽, 约瑟夫·亚历山大·阿塞丘拉拉特纳 申请人:悉尼大学