专利名称：钻岩机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的钻岩机。
常规的钻岩机包括一钻柄和一钻头，一硬质合金部件插入该钻头内(参见EP 0452255B1的
图1所示)，该硬质合金部件的侧视图呈现屋顶形。上述切削部件具有切削刃或前倾面，它们在屋顶形的前端的任一侧，以楔形为基础，并且在每一种情形下均具有一顶部切削刃。此时切削刃的位置在横向上偏离纵向中心对称平面，以便产生一所谓的凿尖(参见EP0452255B1的图2所示)。
通常在转动方向上位于端部切削刃后面的侧面(flank)具有一侧倾角，与一常规的60°的切削刃角或前倾角相对照，大约为20°-30°，该角度是相对于钻岩机的纵轴的一垂直平面测得的。
在DE 8104116U1的图2至4和DE2912394A1的图1中均示出了这样的切削刀片的设计。这些钻孔工具中的一些具有辅助切削刀片或相应的销轴，用于钻头的送进。
由硬质合金制成的屋顶形切削刀片可在其整个直径上完全贯穿钻头，形成一横向的投影长度，该投影长度形成其标称直径。如果没有辅助切削刀片或相应的销轴，从钻孔螺旋状体至钻头的过渡区域被设计成一切削刀片的支撑区域。在此情形下，为防止其移动，硬质合金切削头由一适当的大容积的支撑体横向支撑在钻头内，阻滞表面用于在前端形成的钻屑的清除。
本发明的目的是改进如权利要求1的前序部分中所述的钻孔工具，以提高其在混凝土中的钻孔能力。同时，降低硬质合金切削头的负载。
在如权利要求1的前序部分所述的钻孔工具的基础上，本发明目的由权利要求1的限定部分的特征来实现。
从属权利要求中表述了根据主权利要求的设计的有利改进及适当改进。
与已知的钻孔工具相比，本发明的钻孔工具的优点是，由于切削刃不是那么钝，因而钻孔工具可以更深入地进入到混凝土内。这直接导致更快的钻进。作用在钻孔工具上的冲击能量没有被传递给一普通的钝的硬质合金切削头；相反冲击能量被一细长的钻头整体地更有效地转换成钻孔能力。因此，在较大的冲击式钻机中可以使用较小的工具尺寸，而这些较小尺寸的工具不会被损坏。由于根据本发明的硬质合金刀片前端的设计，硬质合金切削头自身的负载被降低了。
本发明的一个主要的基本思路是改变硬质合金切削头的侧面，将侧面布置在各前倾面的后面上，排除切削刃断裂的危险。本发明是这样实现的，每一侧面被分成至少两个侧面部分，这些侧面部分例如可以具有相同的宽度，此时指向硬质合金切削头的侧壁的侧面部分例如可具有一侧倾角，该侧倾角近似为指向切削刃的第一侧面部分的两倍。以此方式，侧面被制成锥形的，以便硬质合金切削头指向其狭窄端的侧视图中呈现锥形。因此，在一钻孔工具中，硬质合金切削头的形状更尖锐，它能够以较低的阻力钻入被钻孔的材料内，以便冲击能量能够产生更快的钻进。
在本发明的一种特定形式中，在一普通的硬质合金切削部件的各侧面上具有一第二侧面部分，在其指向上的投影长度中，侧面部分大体被平分。但侧面部分也可以被设计成其投影长度和侧倾角是不同的。
本发明的针对前倾面的改进使其与普通的实施例相对比，具有一增加了的大于60°的前倾面角，最好是大约70°。此时，根据钻孔工具的最优化要求，可以将前倾面设计成平坦的或凹形的或凸形的。这里硬质合金切削头以成切线或成直线的方式过渡到支撑表面是很重要的。如果以前认定前倾面角的进一步增加和硬质合金切削头的更尖锐的设计会增加硬质合金切削头出现断裂的危险性，而大范围的试验已经显示出改进钻进过程中的排屑增加了负载能力。
在这方面也可以看到钻岩机的中心轴方向上的前倾面的加宽，由于凿尖的宽度由此被降低了。
在本发明的一种改进形式中，本发明的具有一第二侧倾角的硬质合金切削头与一钻头成一体，该钻头的硬质合金切削头的横向支撑体被设计成非常细长的并且同样是锥形的。与具有体积庞大的端部支撑表面的普通的钻孔工具相比，横向支撑表面被设计成尽可能为锥形的横向表面，例如其外部轮廓是凹形的或拱形的或甚至是光滑的平面，这种设计使带有硬质合金切削头的钻头具有尖锐的锥形的、箭头形的侧视图。此时，如果其外部轮廓被设计成平面或凸形或凹形的是特别合适的，硬质合金切削头的支撑表面及钻头的外部轮廓成切线地或完全成切线地或渐近线地汇入前倾面内和硬质合金切削部件的各个侧面。从硬质合金切削部件的狭窄端上看，这得到了一平坦的或向内拱形的表面，并且该表面在其上部区域内至少部分地以渐尖的方式汇入前倾面或硬质合金切削部件的各侧壁或各侧面。进而避免了端部阻滞表面。这种钻头的尺寸对常规设计的切削刀片也可以达到所需的效果。
下面将参照在附图中示出的实施例，更详细地描述本发明及其优点，附图包括图1是本发明的第一实施例的钻孔工具的钻头的一透视图，图2是从图1中的A方向所看到的本发明工具的一侧视图，其中仅可看到图1中的具有屋顶形的切削刀片的右半边，图3a示出了一个常规的钻孔工具，与图1和图3b所示的工具相对照，以显示现有技术，图3b示出了一个常规的钻孔工具，与图2所示的工具相对照，图4示出了本发明的钻孔工具的另一实施例，其钻头的几何形状改变了，图4a是图4按5∶1的比例放大后的视图，图5是图4所示的实施例的一侧视图，图5a是图5所示实施例的一平面视图，图6a-c示出了图5a所示的实施例的其它的实施方式，和图7是图4和5所示工具的一透视图。
在本发明的第一实施例中，钻岩机1具有一钻柄2(仅近似地表示出)和一钻头3，在指向进给方向16的钻头3的前端4上有一切削刀片5，从屋顶形设计的钻头的宽度上看，切削刀片5在其直径D1上延伸。该切削刀片5在其屋顶形设计的两侧具有切削刃或前倾面6、6’，它们基本上是楔形的，在转动方向8上形成角度γ，并具有一负的前倾角α和形成在前端上的切削刃7、7’。
图1所示的钻孔工具按箭头8所示的方向绕工具的纵向对称轴线9逆时针转动。
在图3a和3b所示的常规的钻孔工具中，所谓的钻头侧面10、10’位于各前倾面6、6’的后面上，具有正常值大约为20°至30°的侧倾角β。在此情形下，较小的数值适用于具有较小的标称直径(例如≤12mm)的钻孔工具，而较大的数值适用于具有较大的标称直径的钻孔工具。常规工具的前倾角α≌60°。
根据本发明，已知的钻头侧面10、10’被分成两个侧面部分11和12。此时，第一侧面部分11的第一侧倾角β1为β1≌20°～40°，特别是β1＝20°～30°。这里，较小的数值仍是适用于≤12mm的标称直径，而较大的数值适用于大于此值的标称直径。第二侧面部分12的第二侧倾角β2为β2≌40°～70°，特别是β2＝60°。在此情形下，侧倾角β1、β2是相对于一垂直于钻头轴线9的平面13测得的。
对照图1和图3a及图2和图3b可看出，通过将已知的侧面10分成两个侧面部分11和12使切削刀片5更尖锐，即现有技术中具有β≌30°的侧倾角的相对平坦的侧面10、10’由在β2处的第二侧面部分12的增加的倾斜使其被设计成更尖锐侧倾角。因此，硬质合金的切削刀片5的前端变得更细长。
另一种替换形式是一类似的具有多于两个侧面部分(多线(polyline))或作为一凸形表面的几何设计方案，它代表了多线(polyline)的极限情形。
从图1和2中还可看出，与端部切削刃7相连的第一侧面部分11具有一位于平面13内的投影长度S1，相连的第二侧面部分12具有一投影长度S2，其总和限定了一长度b。S1∶S2的比率可以根据实际应用来改变，并其选择也要与前倾面6的投影长度S3相协调。比如，S1可以是S1≌( 0.4～0.7)×b。
切削刀片5的总宽度由B来表示，B＝S1+S2+S3。
如图2所示，位于硬质合金切削头5的侧面11和前倾面6之间的端部切削刃7的位置与切削刀片5的纵向中心平面14离开一距离。此时，前倾面6的投影长度S3大约为切削刀片5的总宽度B的1/3～1/6，特别是1/5。
从图3a和3b的现有技术的视图中可以看出，在切削刀片5的侧面提供了较大体积的支撑体15和15’以避免切削刀片5在加载过程中移位。该支撑体15和15’最好是由在钻头3上的一铣或钻、磨削操作来得到，此时，在硬质合金的切削刀片的任一侧上在钻孔方向16上得到宽表面部分17、18，在现有技术中，这些表面部分17、18构成了被钻材料的阻塞表面或阻滞表面。
在本发明的改进形式中，由磨削加工使这些支撑体15和15’具有尖锥形，以便在钻头内得到侧壁部分19、19”即图1和2中的外部轮廓线，侧壁部分19、19’的设计要使其在很大的范围内是二维的，特别是可以圆柱形的，或凹形的，甚至是平的，因此不再形成端部阻滞表面。从图2中可以清楚地看出这种布置，此时最好选择钻头内支撑体的外部轮廓线19、19’的凹形设计，并且指向前端的区域成切线地或渐近线地导入硬质合金切削头5的侧壁20。这导致了图2所示的钻头和切削件的尖锐的锥形布置，这样的布置方式更有利于钻头和切削件进入混凝土内，因为图3中的指向前端的阻滞表面基本上被减小了或完全被取消了。最好针对第二侧面的附加表面部分12进行相同的改造，使横向支撑体相对于硬质合金的切削刀片具有一箭头状的锥形结构。支撑体15和切削刀片5之间的顶部过渡区域21近似地成切线地延伸。
因而，钻头的支撑侧壁19、19’形成一侧面，该侧面的形状为曲线形或拱形或圆柱弓形，即凹形的外部轮廓。
在图1和2所示的实施例中，前倾面角α(也称作前倾角)的大小可以为α≌60°，这符合前倾角的常规的数值范围。
在图4和5所示的另一实施例中，所选择的前倾面6的负的前倾角α在60°和80°之间，特别是α≌70°。如果事先已经发现一个大于60°的前倾角会导致磨损的增加，特别是还增加了硬质合金切削头断裂的危险，则在本发明中使用这样一前倾角之前最好要经过仔细考虑。
通常，在硬质合金制造中加工锐角是有很多困难的。一方面，坯料不适当的收缩是导致加工过早失败的原因。另一方面，在加工锐角的情形下，挤压和烧结模具的加载力也很高，使得在制造过程中出现断裂的可能性很高。
新等级的硬质合金更硬，因而耐磨性提高了，但是其韧性与先前的等级相近，这自然会导致其耐磨性能的降低，但至今估计仍具有很高的断裂危险。
然而令人惊奇的是，试验结果表明，即使采用先前等级的硬质合金，如果以最佳的方式转化岩石内的冲击能量并降低钻头的动力损失，尽管前倾角增加，磨损和因此而断裂的危险也不增加。因为如果没有阻塞岩屑的输送的阻滞表面妨碍清除岩屑，岩屑可以最佳地从钻孔点移走，这样一结构则更具有优越性。因此，如果将硬质合金刀头以一定方式埋入在钻头内，进而得到一具有尖锐的锥形的钻孔工具，这有助于岩屑从硬质合金刀头输送入出屑槽内，因而在钻头区域内或在硬质合金切削头区域内不出现额外的摩擦。一第二或较大间隙角的形成对此也有积极的影响。
另一问题是现代钻孔机或冲击式钻机的结构型式和设计，这些钻孔工具的冲击动力都大大地增加了。老的结构型式的冲击式钻机当钻击岩石时，仅具有分裂作用，而新的结构型式的冲击式钻机能够多少穿入岩石内。如果要保持冲击表面尽可能地小，钻点尽可能地细，则这一点是特别有利的。
这些发现导致了本发明的一种形式的钻孔工具的产生，特别是图4至7所示的一种钻孔工具的改进。
如图4及放大的图4a所示，前倾角α被制成α＞60°，特别是α≌70°。同时，支撑硬质合金切削头的侧壁25、25’渐近线地或成切线地合并入前倾面6内，以便得到一细长的、没有妨碍清除岩屑的阻滞表面的钻头。
在切削刃7的后面再次提供两个侧面部分11、12，具有一侧面角或间隙角β1≌20°～40°，特别是β1≌20°，并具有一侧面角或间隙角β2≌40°～60°，特别是β2≌60°。此时，第二侧面部分12渐近线地或成切线地合并入另一侧壁26、26’内，以便在该侧也形成一相当细长的、没有妨碍清除岩屑的阻滞表面的钻头。侧壁25、26和25’、26’分别被中断线27分离(如图5和7所示)。
可以在按5∶1的比例放大图4的图4a中看出，侧面部分11、12和前倾面6投影到水平面13内，形成了长度S1至S3。侧面部分11、12和前倾面6的实际长度分别由投影长度S1至S3除以各角β1、β2和α的余弦而得到。
另外，图4至图5中的与图1至图2中的部分相同的部分均用与其相同的数字标号来表示。
图5和7中示出了切削刀片5的宽的侧面的一侧视图。在图的右边部分可以看到侧面部分11、12，在图的左边部分可以看到前倾面6，与各侧壁部分25’、26’一起，成切线地朝向这些表面部分延伸。由前倾面6’切下的岩屑从位于前倾面6’前端的侧壁部分25’排入下面的出屑槽22(参见图7中的透视图)。
由于屋顶形设计的切削刀片5和前倾面6及侧面部分11、12分别相对于中心平面14偏心布置，因而在钻头中心点23的区域内得到一所谓的凿尖24，如图5a的平面视图中所示。由于其在钻点23的区域内的中心布置，该凿尖24实际上不具有圆周速度，因此其功能如同一单点钻孔工具。所以，本发明的一个特别优越的改进在于保持凿尖24的长度1尽可能地小，以便该凿尖24的作用尽量集中在一点。
为了改进这一点，图6a和6b中所示的各前倾面6、6’的设计要使得其宽度(如平面图中所示)朝向钻点23(图中阴影面积F)增加。这导致了凿尖24的尺寸的降低，即长度1被缩短了。如果在两个前倾面6、6’均采取朝向钻点23的宽度的增加，图5a所示的平面视图中的凿尖的长度就可以大幅度地降低，以便在钻孔操作中在钻点23的区域内可以得到实际的点接触。在理想的情形下1≈0。
在图6a中，所示的切削刀片5具有一第一侧面部分11和一第二侧面部分12，如相对于图1、2及图4和5所描述的。在图6b中，仅象征性地示出一侧面10，但是同样由于上述事实，具有一缩短了的凿尖24。
由于上述的事实，第二侧面部分12的宽度朝向中心也同样被增大(如平面视图中所示)，以便使凿尖24的长度1进一步降低(如图中阴影面积F)。在图6c中，以位于第一和第二侧面部分11、12之间的边缘28、28’象征性地示出了这一点。在理想状态下，这可以再次在钻点23的区域内导致实际的点接触。在图6c中，前倾面6，如平面视图中示出的其宽度，被设计成与外表面相平行。
根据本发明的方法，一最佳的钻头几何尺寸是在具有一最佳的钻进度和最佳的岩屑清除效果的情况下得到的。特别是，本发明方法的结果为一种细长的钻头，其前倾角α与常规的钻头相比被增加了，并提供了两个侧面部分。当然，代替两个侧面部分，如果需要，可采用多个侧面部分，它产生了一多线(polyline)类型。侧面10也可以采用一种中凸的拱形的外部轮廓，它代表一种“极限多线(polyline)”类型。具有一汇入钻头侧壁的光滑过渡的切削刀片的锥形结构是具有决定性的。一方面，由这样一细长的钻头可打开一尽可能宽的通道，所产生的岩屑不可能带来阻力。一细长的钻头还不会降低钻孔工具的寿命。采用本发明方法，对立面是很可能发生的。这主要由下面的事实来解释，即动力工具的巨大的冲击能量可以以更有效的方式传送入岩石内，其结果是工具得到了保护。试验表明，当切削边缘角和钻头工具面成切线地彼此汇合入另一方时，可得到一最佳的钻孔容量和工具使用寿命，一系数既可以适用于前倾角又适用于间隙角。
如果前倾面6被设计成略微呈凹形的，即变成圆形的，则还具有其它的优点。这特别适用于在加强板内需要切削容量增加的情况。径向的弯曲部分产生较粗糙的岩屑，也就是整体的切削工作量被降低了，这也延长了工具的使用寿命。
具有凸形的前倾面6的凸形切削刀片的优势在于凸形的切削刀片允许使用更细小的钻头。然而，这里还必须考虑整个工具的稳定性。虽然与上述的实施例相比较，钻孔容量可以被大大地增加了，但钻头断裂的危险性也增加了。但在特殊情况下，这样的实施例还是相当适用的，尤其是对于软或潮湿的岩石。但对于较硬的混凝土或较厚的稀土或平滑的加强板，一般不用凸形的切削刀片钻孔。
如果需要，本发明也可以设计成切削刀片5具有一单一侧面10，此时，该侧面10靠具有一间隙角，该角比通常的角更尖锐。这里间隙角最好在35°至50°之间，最好应该选择40°。
而且，本发明的一种改进形式是具有一个或多个切削刀片或一辅助切削刀片和多个辅助切削部件的钻头，主切削刀片和/或辅助切削部件具有上述的特征。因此，本发明还特别涉及这样的硬质合金切削部件的保护，不局限于钻头的某一几何形状。
本发明并不局限于所示出并描述的实施例。相反，它还包括在本发明的权利要求的范围内本领域的技术人员所能实现的所有的改进形式。特别是可以选择上述的技术特征的其它的组合方式。
1 钻岩机2 钻柄3 钻头4 前端5 切削刀片6 前倾面7 切削刃8 转动的箭头/方向9 纵向对称轴10 侧面11 侧面部分12 侧面部分13 平面14 中心平面15 支撑体
16 钻孔方向17 表面部分18 表面部分19 15的侧壁20 5的侧壁21 过渡区域22 出屑槽23 钻点24 凿尖25 侧壁26 侧壁27 25、26之间的边缘28 11、12之间的边缘α 前倾面角(前倾角)β 侧倾角(间隙角)
权利要求
1.一种钻岩机，具有一钻柄(2)和一钻头(3)，该钻头(3)在其前端上指向送进方向具有至少一个切削刀片(5)，该切削刀片(5)具有至少一个切削刃(7)，位于切削刀片(5)的前端上，和一具有相应的负前倾面角(α)的前倾面(6)，一位于端部切削刃(7)的后面并具有一相应的侧倾角(β)的侧面(10)，其特征在于该侧面(10)被分成至少两个侧面部分(11，12)或具有一凸出的拱形轮廓。
2.如权利要求1所述的钻岩机，其特征在于一第一侧面部分(11)具有一侧倾角β1为β1≈20°～40°，最好是β1≌20°～30°，一第二侧面部分(12)具有一侧倾角β2为β2≈40°～60°，最好是β2≌60°，前倾面角α和侧倾角β1、β2是相对于一垂直于钻轴(9)的平面(13)限定的。
3.如权利要求1或2所述的钻孔工具，其特征在于与端部切削刃或切削刃(7)相连的第一侧面部分(11)具有一位于平面(13)内的投影长度S1，相连的第二侧面部分(12)的具有一投影长度S2，其总和限定了一长度b，其中S1≌(0.4～0.7)×b。
4.如权利要求1至3中的一个所述的钻孔工具，其特征在于硬质合金切削头(5)的端部切削刃(7)偏离切削刀片(5)的中心平面(14)，前倾面(6)的投影长度S3大约为切削刀片(5)的总宽度B的1/3～1/6，最好是1/5。
5.如权利要求1至4中的一个所述的钻孔工具，其特征在于切削刀片(5)具有一在60°至80°之间的前倾面角α，最好是α≌70°。
6.如权利要求1至5中的一个所述的钻孔工具，其特征在于前倾面(6)被设计成平面的，凸形的或最好是凹形的。
7.如前述的任一项权利要求所述的钻孔工具，其特征在于切削刀片(5)具有一在60°至80°之间的前倾面角α，最好是α≌70°，和一具有一间隙角β≌35°至50°，最好是40°的单一侧面(10)，或多个侧面(11，12)。
8.如前述的任一项权利要求所述的钻孔工具，其特征在于切削刀片(5)的前倾面(6)和/或一第二或外部侧面部分(12)朝向钻点(23)其宽度增加(如钻孔工具的平面视图中所示)以便降低凿尖(24)的长度(1)(如钻孔工具的平面视图中所示)。
9.如权利要求1至8中的一个所述的钻孔工具，其特征在于切削刀片(5)以一定方式装入钻头(3)内，以便提供在切削刀片(5)的任一侧上的支撑体(15，15’)具有一外部轮廓(19，19’)，该外部轮廓(19，19’)汇入或导入或成切线地直接进入第二侧面部分(11)和/或前倾面(6)和/或切削刀片(5)的侧壁(20)。
10.如权利要求1至9中的一个所述的钻孔工具，其特征在于钻头(3)的支撑体(15，15’)提供在切削刀片(5)的任一侧上，具有一圆柱形的或凹入的拱形的或平的外部轮廓(19，19’)，它至少在很大的范围内是二维的，不再形成端部阻滞表面，并导入硬质合金切削头(5)的侧壁(20)(图1和2)。
11.如权利要求1至10中的一个所述的钻孔工具，其特征在于钻头(3)的支撑体(15，15’)的外部轮廓(19，19’)被设计成至少部分是凸形的。
12.如权利要求1至11中的一个所述的钻孔工具，其特征在于切削刀片(5)至少在钻头(3)的整个直径D1上延伸，并且从其宽的侧面看，被设计成具有一角γ130°的屋顶形状。
13.如权利要求1至12中的一个所述的钻孔工具，其特征在于钻头具有一个或多个切削刀片，最好是一个主切削刀片和多个辅助切削部件。
全文摘要
本发明公开了一种钻岩机,该钻岩机在其前面上有一V字形的切削刀片(5)。为了降低硬质合金切削头的负载或增加特别是混凝土中的钻孔性能,侧面(10)被分成侧面部分(11,12),以得到更细长的钻头。
文档编号E21B10/46GK1241237SQ97199627
公开日2000年1月12日 申请日期1997年11月11日 优先权日1996年11月11日
发明者奥古斯特·豪斯曼, 马塞厄斯·福斯, 博恩哈德·莫泽, 托马斯·瓦格埃斯 申请人:豪沃拉普鲁布斯特有限公司