专利名称：旋转冲击式麻花钻头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种按专利权利要求1定义属类的前序部分所述之旋转冲击式麻花钻头。
旋转冲击式麻花钻头是钻孔工具，它与支持轴向窜动的旋转式钻机结合使用。在这种情况下通常它主要涉及钻石机或墙钻，它们可用于在混凝土或砌体中旋转冲击地制造孔或洞。由例如EP-A-0322565已知一种此类旋转冲击式麻花钻头。它有一根至少在其圆周表面有一个排屑槽的钻杆，排屑槽从杆端起螺旋形地沿此工具的送入方向延伸。在杆端处，在钻杆端面中设有一个槽，它沿钻杆的直径延伸并贯通地延伸。一个至少带有一个硬质合金钻刃的小刀片，通过它的底部装入槽中并在那里固定住。此小刀片例如焊接在杆端中。
小刀片制成屋顶状斜面，它有一个中心尖端和朝周缘方向沿轴向回移的区域，以及带有硬质合金钻刃，用以在工作时切割材料。在这种情况下材料的切割是通过两种机理进行的。一方面旋转冲击式麻花钻头抬高了的钻尖，象一个凿子那样通过轴向冲击打入下部岩层。工具的旋转运动则使材料崩落和剪断。钻屑通过钻杆中的至少一个主输送槽送出。由于钻刃的这种几何形状，使得工作中小刀片的中心钻尖有极高的应力。尤其在钻孔时，当小刀片的周缘区尚未与下部岩层啮合时，轴向冲击的全部能量必须由中心钻尖来承受。
因此，对于这种已知的旋转冲击式麻花钻头，钻尖经常提前用坏。此钻孔工具被磨秃，其结果是表现出不利的钻孔和定心的性能；此外，钻孔效率经过短时间便已经大大下降。在最不利的情况下，尤其在钻孔时，由于小刀片钻尖过高的应力，导致杆端内的小刀片的夹持部分损坏，或导致最好由硬质合金制的小刀片本身损坏。已知的旋转冲击式麻花钻头另一个缺点在于，运行成本必须比较高，以便小刀片在杆端中的贯通槽内准确定位。小刀片务必准确定心，它在圆周表面两侧的超出量必须精确相等，以保证一种均匀的圆周旋转运动，并避免钻孔工具在钻孔中咬死。
因此本发明的目的是提供一种旋转冲击式麻花钻头，这种钻头尤其即使在钻孔时，对由于轴向冲击造成的严重应力，基本上不受影响。从而可以避免小刀片损坏。在这种情况下，小刀片在钻杆端面的连续槽内的置入和定心变得更加容易。此置入的小刀片在钻杆圆周表面中的槽的开口两端应有相同的超出量，因而保证旋转冲击式麻花钻头在工作中有均匀的旋转运动。在钻头的设计方案中，钻机应作这样的准备，即例如为了改善旋转冲击式麻花钻头的回采特性和延长其使用寿命，钻刃几何形状的改型可易于实施。
此目的通过一种旋转冲击式麻花钻头来实现，这种钻头具有专利权利要求1特征部分中列举的特征。因此小刀片的底部最好在它长度的中心区沿它的直长范围加固，使它的横截面至少有一个基本上局部圆形的鼓突。在杆端中的连续槽有一个相应的为增强小刀片底部所设计的凹槽。以此方式，此小刀片底部通过形状相配的连接在杆端定心。通过小刀片底部最好在中心区沿圆周范围的加厚，恰好增强了钻孔工具中由于轴向冲击使负荷特别大的中心区。甚至在碰到钢筋的情况下，由于增强了中心区，小刀片夹持区中钻孔工具损坏或小刀片本身损坏的危险显著降低。这种加固的小刀片尤其在下部岩层钻孔的过程中，可以更好地承受轴向冲击的能量。这种钻孔工具不会提前磨秃，并有一种有利的使用寿命。通过在小刀片底部中心区中横截面基本上半圆形地增厚，以及通过沿钻杆的一个直径延伸的连续贯通槽的中心区设置相应的凹槽，使小刀片通过形状相配的连接来定心。以此方式还使小刀片在连续槽中的置入大为简化。通过小刀片的中心区形状相配地固定，还保证小刀片从钻杆圆周表面中槽的开口两端有相同的超出量。由此可以简单的方法加工出具有极佳的圆周旋转运动特性的钻孔工具。其形状与加固装置相对应的凹槽，可在一个简单的加工步骤中例如紧接着制成连续的槽后制造。所置入的小刀片形状相配的定心，还使后续的通过焊接加以固定以及紧接着的时效硬化更加容易进行。
若小刀片底部中心区有两个对称设置的基本上局部圆形的增厚区是有优点的，它们可通过形状相配固定在连续槽纵向两侧具有相应设计的对称设置的凹槽中。凹槽的对称结构使凹槽的制造更加容易。由于小刀片底部的对称结构，所以小刀片也可以以旋转180°的位置装入凹槽中，从而从总体上更进一步简化此旋转冲击式麻花钻头的制造。
在本发明的方案中，增强部分沿钻杆轴向基本上设计为圆柱形。在这种情况下，中央凹槽可方便地通过圆柱形孔制成，这圆柱形孔事先、同时或紧接在铣槽后制在钻杆端部的端面中。
此增厚部分沿钻杆轴向也可以设计成基本上锥形的，此时，锥顶处于与硬质合金钻刃相对的位置并埋入钻杆中。杆端中的锥形孔可例如进行类似于锪孔，但它们也可以通过变形过程例如在冲压过程中制成。
在本发明的一种有利的实施方案中，增厚部分最大横截面为最好用硬质合金制的小刀片厚度的约1.2倍至约2倍，最好约1.5倍。以此方式保证，小刀片即使在横截面的圆形的增厚区，各方面均由钻杆的足够厚的材料层围绕，所以在夹持区可以实现钻杆材料不受破坏。
在本发明的一种方案中小刀片设计为分段式的，并包括一个中央钻刃和两个周缘段，它们通过薄的连接隔片互相连接在一起。连接隔片的厚度小于中央钻刃或分段的厚度。中央钻刃抬得高出小刀片底部的增厚部分，并伸出周缘段之上。在这种情况下，周缘段设在离中央钻刃有一个距离处，这一距离大于连接隔片的长度，最好大于小刀片的厚度，以及小于中央钻刃包络圆直径之半。按本发明旋转冲击式麻花钻头的实施方案，尤其对于大直径的钻孔工具有特殊的优点。通过小刀片的分段，将硬质合金钻刃分为带增厚部分的中央钻刃以及周缘段。周缘段可以履行切割功能。在这种情况下的结果证实，不需要切割地加工装料孔的整个直径。在按照透孔钻的型式加工和破碎地下岩层时在同心的区域内进行便足够了。其余的区域由于材料的脆性而只有很小的稳定性，并在轴向冲击的震动下破碎。通过在同心延伸的区域内加工地下岩层，还降低了制造大直径装料孔时产生的反作用力。因此按本发明设计的尤其具有大直径的旋转冲击式麻花钻头，与只有中等或小功率钻机一起工作时，也能有令人满意的回采效率，因为所需要的回采能量降低了。在给定了可供使用的回采能量时，按本发明的旋转冲击式麻花钻头的设计，与传统的按先有技术设计的工具相比，提高了回采速度。
将最好由硬质合金制的小刀片分成由薄的隔片连接的段有这样的优点，即，在制造此旋转冲击式麻花钻头时，可以节省昂贵的和比较重的用来加工刀片的硬质合金。在这种情况下，用于装配的总是一个已组合好的小刀片，它是单件式的并可通过形状配合置入钻杆端部的端面中连续的槽内。连接中央钻刃与周缘段的薄隔片的另一个优点在于，在尤其是周缘段的剪应力过高时起额定断裂位置的作用。因此小刀片不会无控制地在带钻刃的分段区域内断裂，而是有目的地只在分段的连接隔片处断裂，这些隔片在小刀片固定在杆端的槽中后不再履行支承或固定的作用。甚至带着断裂的隔片，按本发明设计的旋转冲击式麻花钻头仍保持完全的工作能力。
在一种分段式小刀片中增厚区的尺寸设计，业已证明最好这样进行，即，中央钻刃的纵向长度至少等于最好大于增厚区的最大横截面直径。
在本发明的一种最佳实施方案中，钻杆的装有硬质合金钻刃的端部配备有导向件，它们固定在钻杆端面中或圆周表面中，并从钻杆圆周表面伸出。在这种情况下，导向件的超出量等于或最好小于小刀片的超出量。由于其较小的超出量，所以导向件实际上对于破碎地下岩层几乎没有贡献，以及在轴向冲击下也实际上没有负荷。因此它们可以作为导向件最佳地全面完成其任务。为了改善按本发明钻孔工具的导向和圆周旋转运动特性，导向件的外轮廓基本上与钻杆圆周表面的轮廓相配。例如，导向件的轴向边界面是一个圆柱面，它的曲率半径与钻杆圆周表面的曲率半径相应。
在按本发明制备的旋转冲击式麻花钻头一种有趣的方案中，与中央钻刃通过连接隔片连接在一起的周缘段，相对于埋入钻杆端面中并伸出钻杆圆柱表面的副钻刃沿轴向和径向回移。以此方式使它们起导向件的作用，而周边区至钻孔孔壁的切削任务则由副钻刃来承担。在这种情况下，至少为其中一个副钻刃配设一个主排屑槽。本发明这种实施方案的优点在于，小刀片的主要负荷荷基本上更多的只是由于传递轴向冲击，并可有目的地在此负荷方面进行优化，不必考虑小刀片的周缘区。因此整体式的小刀片可以设计得非常结实耐用，而副钻刃可与此无关地针对它们的切削任务，按已知的方法在它们的厚度、刀刃和刀刃角方面加以优化。考虑到用于钻屑的排屑槽的所需空间，在这种情况下最好使除小刀片之外附加地设在杆端的导向件或副钻刃，总是相对于用于小刀片的连续槽成锐角地设置。此时，副钻刃可位于一个直径上，但它们也可以完全非对称地安排。因此在一个导向件或一个副钻刃与小刀片沿周向走在前面的周缘段之间的自由空间被加大，并可利用来用于尺寸较大的主排屑槽。留下的在一个导向件或一个副钻刃与沿周向走在后面的那个小刀片周缘段之间的较窄的区域内，可以附加地设置一个用于钻屑的副排屑槽。
在所描述的本发明实施例的一种特别有利的实施方案中，小刀片用具有冲击韧性的材料制造，而副钻刃则用一种比小刀片更硬的材料制造。以此方式，增厚的中央钻刃和副钻刃可以准确地根据它们的负荷和任务来选择，并可用硬质合金材料构成，这些硬质合金材料特别适合于达到有关的使用目的。在本发明的这种实施方案中仍保持着小刀片和副钻刃的简单的可装配性。钻杆只须制有一个连续的槽，此槽在中心区至少有一个局部圆形的凹槽。用于副钻刃的凹口可例如在同一个加工过程中制成。
本发明的其它优点在下面结合附图中示意表示的实施例的说明中给出。附图用不同的比例表示，其中
图1按本发明旋转冲击式麻花钻头第一种实施例的侧视图；图2按图1的旋转冲击式麻花钻头端面视图；图3分段式结构的小刀片侧视图；图4按图3的小刀片从其窄侧看的视图；以及图5按本发明旋转冲击式麻花钻头另一种实施例的端面视图。
图1和2表示的按本发明旋转冲击式麻花钻头的实施例包括一根钻杆1，它配备有两个用于钻屑的主排屑槽4、5，排屑槽4、5螺旋形地沿钻杆1的圆周表面2延伸。在钻杆1的端面3设有一块小刀片6，它配备有硬质合金钻刃7。小刀片6固定在槽9中，槽9沿钻杆1的直径延伸。小刀片6例如通过钎焊固定在槽9中。按照本发明，小刀片6底部10的中央区设有加厚部分，它在横截面中具有一个基本上局部圆形的从小刀片6侧面纵向轮廓突出的鼓突12的形状。在图中表示的实施例中，小刀片6在其纵向长度的两侧各有一个这样的鼓突12，它们彼此对称地处于相对位置。在钻杆1端面3中连续贯通的槽9，具有作相应设计的凹槽13，它们设在钻杆1横截面中心区内槽9纵向长度的两侧。装入槽9内的小刀片6通过在其底部10的中心区11内它的鼓突12的相配形状，固持在连续槽9的凹槽13中防止径向移动。小刀片6的轴向固定通过已知的方式，例如通过焊接在槽9内实现。在增厚区内底部10的最大横截面，等于小刀片6厚度的约1.2倍至约2倍，最好约为其1.5倍。
在所表示的实施例中，底部10中心区11的增厚包括两个对称设置的鼓突12，在这种情况下应当理解，在小刀片6纵向长度两侧的这两个鼓突，也可以是沿轴向彼此错开地安排的。也还可以在小刀片6纵向的一侧只设有唯一的一个基本上为局部圆形的鼓突12。设在钻杆1端面3内并沿钻杆1的直径延伸的连续槽9，总是相应于鼓突12的结构，设有一个或多个凹槽13。
图3和4表示一种小刀片16的方案，它带有按本发明设计的在其底部10中心区11的增厚部分。在将小刀片16置入钻杆1中时埋入钻杆1中的底部10的增厚部分可有各种不同方式的设计。如图4所示，此增厚区沿轴向可设计为圆柱形的。按另一种可供选择的结构形式在图4中用虚线表示的是，增厚部分沿轴向也可以设计为基本上为锥形。在这种情况下，此增厚部分从一个处于硬质合金钻刃尖端20相对位置的锥尖开始，但它们也可以具有一个截锥体的形状。
在图1和2表示的旋转冲击式麻花钻头的第一种实施例中，小刀片6设计成连续的，并带有两个连续地从钻刃尖端8沿轴向回退的屋脊状倾斜的硬质合金钻刃7，而在图3和4中表示的小刀片16则为分段式设计。此小刀片16主要包括一个中央钻刃17和两个周缘段18，它们通过薄的连接隔片19互相连接在一起。连接隔片19的厚度小于中央钻刃17或周缘段18的厚度。
中央钻刃17设计为类似于按图1和2在连续式小刀片6上的硬质合金钻刃7。尤其是中央钻刃17的尖端20抬高为恰好超过在小刀片16纵向长度两侧具有鼓突12的增厚区。从尖端20起延伸着两个屋脊状设计的硬质合金占刃21，它们朝连接隔片19的方向沿轴向回移地延伸。中央钻刃17的尖端20沿轴向伸出两端朝钻杆1圆周表面2的方向的、连接着的周缘段18。周缘段18离中央钻刃17设置的距离a，大于连接隔片19的长度b。在这种情况下已证明合乎目的的做法是，距离a大于除增厚部分之外的小刀片16区域内的小刀片16厚度，以及小于中央钻刃17包络圆直径之半。中央钻刃17的纵向长度至少等于最好大于在增厚区内底部10的最大横截面直径。
在借助于图1和2表示的带有连续式小刀片6的本发明实施例中，以及在按图5具有分段式小刀片16的实施例中，都在钻杆1的端面3处，除了硬质合金钻刃7或21之外，还设有导向件。按图1和2的实施例，导向件设计为销钉22，它们固定在钻杆1的圆周表面2内，并伸出此圆周表面2。如图所示，导向销22从钻杆圆周表面2的超出量，小于小刀片6的超出量。在图2中刀片6的包络圆用点划线h表示。导向销22的导向面23轮廓形状与钻杆1圆周表面2的轮廓相应。在所表示的此实施例中，导向销22从钻杆1的圆周表面2伸出，但它们也可以埋入钻杆的端面3中并例如通过销钉22适当地倾斜沿径向以及沿轴向伸出钻杆。还可以规定，导向销22埋入钻杆1的圆周区中，使导向销22外轮廓的一部分伸出圆周表面。也可以替代具有圆形横截面的导向销22，采用具有多边形横截面的导向销。导向件也可以是小板状结构并有副钻刃的形式。
图5表示了按本发明旋转冲击式麻花钻头的一种方案，其中，一个分段式的在其底部10有增厚部分的小刀片16，置入一个具有对称设置的凹槽12的槽9中。小刀片16例如涉及图3和4中所表示的那一种形式。除了分段式小刀片16之钙，在钻杆1的端面3中例如还埋入了小板状副钻刃26。副钻刃26沿轴向以及径向伸出周缘段18，并决定了包络圆h。因此，周缘段18实际上只承担导向功能，而切割功能转移在副钻刃26上。因为真正的材料切割任务实际上由副钻刃26承担，所以主排屑槽4、5设在沿旋转方向R位于副钻刃26的前面。
为了使用于输出钻屑的主排屑槽4、5能设计得尽可能大，业已证实有利的做法是，副钻刃26朝周缘段18的方向移位。以此方式，使副钻刃26与小刀片16构成一个锐角。如图5所示，副钻刃26可以在一个直径上互相对置，但它们也可以偏离直径设置。取代这种副钻刃26的一对，也可以只设一个单个的副钻刃，为此副钻刃配设一个主排屑槽。在图示的实施例中，周缘段18仅履行导向功能。为了使产生的钻屑能更好地排出，如图所示，可以在副钻刃26与周缘段18之间的区域内各设一个副排屑槽24、25，它们沿着钻杆1的轴向长度通入主排屑槽4、5中。在副钻刃26承担真正的材料切割功能的实施方案中，有利的做法是，小刀片6或16用具有冲击韧性的材料制造。副钻刃26则用一种比小刀片6或16更硬和耐磨损的材料制造。
通过按本发明在小刀片底部中央区内的增厚部分，正好加强了由于轴向冲击在钻孔工具上负荷极高的中心区。甚至在碰到钢筋的情况下，由于中心区的增强也显著降低了小刀片夹持区的钻孔工具或小刀片本身破坏的危险。增强的小刀片尤其在地下岩层钻孔过程中可以更好地承受轴向冲击能量。这种钻孔工具不会提前磨秃，并有长的使用寿命。通过在小刀片底部中心区中横截面基本上半圆形地增厚，以及通过沿钻杆的一个直径延伸的连续槽的中心区设置相应的凹槽，使小刀片通过形状相配的连接来定心。以此方式还使小刀片在连续槽中的置入大为简化。通过小刀片的中心区形状相配地固定，还保证小刀片从钻杆圆周表面中槽的开口两端有相同的超出量。由此可以简单的方法加工出具有极佳的圆周旋转运动特性的钻孔工具。其形状与增厚部分相对应的凹槽，可在一个简单的加工步骤中例如紧接着制成连续的槽后制造。所置入的小刀片形状相配的定心，还使后续的通过焊接加以固定以及紧接着的时效硬化更加容易进行。这些借助于实施例说明的修改，表示了按本发明旋转冲击式钻孔工具有利的改进。
权利要求
1.旋转冲击式麻花钻头有一根钻杆(1)，它至少有一个沿其圆周表面(2)螺旋形延伸的用于钻屑的主排屑槽(4、5)，以及至少有一个硬质合金钻刃(7；21)，钻刃(7；21)设在一个整体式的小刀片(6；16)上，小刀片(6；16)的底部(10)基本上固定在钻杆(1)端面(3)中的一个沿钻杆(1)直径延伸的连续槽(9)内，其特征为小刀片(6)的底部(10)在它的直径区内，最好在它的纵向长度的中心区(11)内这样增强，即，它的横截面至少有一个基本上局部圆形的鼓突(12)，以及，在钻杆(1)端面(3)中的连续槽(9)有一个与小刀片(6；16)的增强部分有相应设计的凹槽(13)，所以小刀片(6；16)的底部(10)通过形状相配定心。
2.按照权利要求1所述之钻头，其特征为底部(10)中心区(11)的增厚对称于它的纵向长度设置，以及，在钻杆(1)端面(3)中的槽(9)两侧各设有一个基本上局部圆形的相应的凹槽(13)。
3.按照权利要求1或2所述之钻头，其特征为增厚部分沿钻杆(1)的轴向基本上设计为圆柱形。
4.按照权利要求1或2所述之钻头，其特征为增厚部分沿钻杆(1)的轴向基本上设计为锥形，在这种情况下，锥顶位于硬质合金钻刃(7；21)的对面并埋入钻杆(1)中。
5.按照前列诸权利要求之一所述之钻头，其特征为增厚部分的最大横截面等于小刀片(6；16)厚度的约1.2倍至约2倍，最好为约1.5倍。
6.按照前列诸权利要求之一所述之钻头，其特征为小刀片(16)设计为分段式的，并包括一个中央钻刃(17)和两个周缘段(18)，它们通过薄的连接隔片(19)互相连接起来，连接隔片(19)的厚度小于中央钻刃或周缘段的厚度；中央钻刃(17)抬高到超出增厚区和周缘段(18)；以及，周缘段(18)设在离中央钻刃(17)的一个距离(a)处，这一距离(a)大于连接隔片(19)的长度(b)，最好大于小刀片(16)的厚度，并小于中央钻刃(17)包络圆直径之半。
7.按照权利要求6所述之钻头，其特征为中央钻刃(17)的纵向长度至少等于最好大于增厚部分最大的横截面直径。
8.按照前列诸权利要求之一所述之钻头，其特征为装有硬质合金钻刃(7；21)的钻杆(1)端面(3)配备有导向件(22)，它们固定在钻杆(1)的端面(3)或圆周表面(2)内，并伸出钻杆(1)的圆周表面(2)，在这种情况下，导向件(22)的超出量等于或最好小于小刀片(6；16)的超出量，以及，导向件(22)导向面(23)的外围轮廓，基本上与钻杆圆周表面(2)的轮廓形状一致。
9.按照权利要求6-8之一所述之钻头，其特征为与中央钻刃(17)通过连接隔片(19)连接的周缘段(18)，相对于埋入钻杆(1)端面(3)内并伸出钻杆圆周表面(2)的副钻刃(26)，沿轴向和径向回移并起导向件的作用；以及，至少为其中一个副钻刃(26)配设有一个主排屑槽。
10.按照权利要求9所述之钻头，其特征为小刀片(6；16)用具有冲击韧性的材料制造；以及，副钻刃(26)用一种比小刀片(6；16)更硬的材料制造。
全文摘要
旋转冲击式麻花钻头有一根至少具有一个在其圆周表面(2)螺旋形延伸的主排屑槽(4、5)的钻杆(1)，和至少有一个硬质合金钻刃(7)，它设在一个整体式的小刀片(6)上，小刀片(6)的底部(10)基本上固定在钻杆(1)端面(3)中的一个沿钻杆(1)的直径延伸的连续槽(9)内。小刀片(6)的底部(10)在它的直径区内，最好在它的纵向长度的中心区(11)内这样增强，即，它的横截面至少有一个基本上局部圆形的鼓突(12)。连续槽(9)有一个与小刀片(6)的鼓突作相应的凹槽(13)。这样底部(10)通过形状相配在钻杆(1)的端面(3)中定心。
文档编号E21B10/36GK1159383SQ96121779
公开日1997年9月17日 申请日期1996年11月27日 优先权日1995年12月7日
发明者维尔纳·克莱内, 阿克塞尔·诺伊基兴, 维尔纳·邦格尔斯 申请人:希尔蒂股份公司