CN101509353B - 活塞式多层扩孔钻头 - Google Patents

Abstract

活塞式多层扩孔钻头，属于切削加工工具，它由活塞杆(3)、外管(2)和扇形刀片(4)组成，所述外管(2)的长度方向上设置有一排以上的直槽孔(10)，直槽孔(10)内装有扇形刀片(4)，扇形刀片(4)的圆心角一端铰接在销轴(5)上，销轴(5)固定在直槽孔(10)的孔壁上，扇形刀片(4)的弦长大于外管(2)的壁厚，所述的活塞杆(3)与外管(2)的管孔滑动配合，活塞杆(3)上对应扇形刀片(4)设置有斜面滑槽，活塞杆(3)经连接器(6)与外管(2)滑动连接。一次完成多层扩孔，能满足多层自锁锚杆或锚头对扩孔位置精准的要求，扩孔工效高，自锁性好，锚固强度和可靠性高，结构新颖，使用简便，制造成本低。

Description

活塞式多层扩孔钻头 

技术领域

本发明涉及一种扩孔钻头，具体来说涉及一种在孔道内壁切削出多层锥形楔槽的扩孔钻头，特别是在岩石和混凝土锚孔中制作楔形自锁槽的活塞式多层扩孔钻头。 

背景技术

中国专利公告号：2404619Y，公告日：2000年11月8日，实用新型名称：《一种混凝土自锁插杆及配套的扩孔钻头》，提出了由钻杆、凿头和底座组成的扩孔钻头，钻杆是一长形钢筋，凿头为两花瓣凿头，其上端与钻杆为铰接，底座是一上端为锥状短形钢筋，与钻杆用滑杆连接。将该钻头及底座放入孔的底部，当钻杆转动并向下运动时，两花瓣凿头沿底座上的斜面伸向孔壁，在孔壁上切出一个锥形楔面，以便于安装自锁锚杆。因其结构简单，自锁性好，锚固力较大，在岩石或混凝土锚固工程中获得了大量的应用，并被列入《混凝土结构加固设计规范》GB50367-2006。但由于该钻头及锚杆主要的锚固力由单层锚头处的岩石或混凝土承载体提供，当承载体如岩石或混凝土强度低时，该部位的应力集中难以使锚杆充分发挥效能。为了降低单层锚头处承载体的应力，避免承载体先于锚杆和锚头破坏，申请人在中国专利公告号：200968002，公告日：2007年10月31日，实用新型名称：《多层倒锥式楔锁锚杆》中，提出了采用直孔钻头和前述的扩孔钻头交替钻直孔、扩孔来生成多层扩孔，然后装入锚杆，在锚杆上先旋合安装底部的倒锥螺母，套上楔管，插入加压套筒，加压力使楔管变形而嵌入锚孔中的扩孔部位，抽出加压套筒，再旋合安装第二个倒锥螺母，多层楔管分步安装并通过多层楔管均摊锚固力，来改善锚头处承载体的受力状态。但要达到均摊锚固力的目的，在锚头分步安装时要求各锚头之间的间距与各扩孔层的间距相匹配。由于扩孔钻头只能一层一层地在孔壁上加工出锥形楔面，且各层间的尺寸精度无法精确保证，使锚杆安装前各扩孔层间距的测量精度要求很高。当锚孔较浅时，较容易保证测量的精度，当锚孔深达几十米时要保证各扩孔层间距测量的精准则很难达到，若安装误差过大，则会造成锚杆上的楔管无法卡入锚孔上的锥形楔面即扩孔部位，导致楔管锚固力的降低。特别是上述的扩孔钻头只能加 工倒锥形楔面，相对于正锥形楔面锁固方式而言，其锚杆的抗拉拔力，使用可靠性和耐久性均较差。另外采用前述的扩孔钻头结构单一，由于只能一层一层地在孔壁上加工出锥形楔面，在深孔处生成多层扩孔时，需多次更换直孔钻头和扩孔钻头，不仅钻、扩孔精度难以保证，而且操作复杂，劳动强度大，施工效率极低。 

发明内容

本发明的目的是克服前述扩孔钻头结构单一，只能加工单层锥形楔面，加工精度较低，效率低的缺陷和不足，提供一种可一次性加工多层锥形楔面的活塞式多层扩孔钻头。它操作简便，加工精度和效率高，自锁式锚杆或锚头的对应安装也极为简单。 

本发明的技术解决方案是：活塞式多层扩孔钻头，它由活塞杆、外管和扇形刀片组成，所述外管的长度方向上设置有一排以上的直槽孔，直槽孔内装有扇形刀片，扇形刀片的圆心角一端铰接在销轴上，销轴固定在直槽孔的孔壁上，扇形刀片的弦长大于外管的壁厚，所述的活塞杆与外管的管孔滑动配合，活塞杆上对应扇形刀片设置有斜面滑槽，活塞杆经连接器与外管滑动连接。 

所述外管的长度方向上设置有2-8排直槽孔，各排上的直槽孔沿外管的径向中心轴对称分布，各直槽孔内均装有扇形刀片，所述活塞杆上对应各排扇形刀片均设置有斜面滑槽。 

所述的外管包括连接器管体、两个以上的直槽管体、外连管和底座，外管一端为连接器管体，另一端为底座，连接器管体、直槽管体、外连管和底座分别经螺纹或插销轴向连接，各直槽管体的长度方向上设置有1-3排直槽孔，各直槽孔内均装有扇形刀片，两个以上的直槽管体经外连管轴向连接，所述的活塞杆包括连接器杆体、滑槽杆体和内连管，滑槽杆体上对应扇形刀片设置有斜面滑槽，连接器杆体、滑槽杆体和内连管分别经螺纹或插销轴向连接，两个以上滑槽杆体间的轴向间距与各直槽管体间的轴向间距相对应。 

所述扇形刀片的圆心角靠近外管上的底座一端，所述斜面滑槽中的上斜面与活塞杆轴线的夹角小于或等于45度，且在外管或销轴上对应扇形刀片设置有刀片回位装置。 

所述扇形刀片上靠近斜面滑槽一侧的扇顶转角处设置有扇角圆弧或倒角，扇形刀片上靠近斜面滑槽的侧边设置有扇边槽。 

所述的刀片回位装置为设置在销轴上的扭簧，扭簧的一端固定在在外管上，扭簧的另一端固定在扇形刀片上。 

所述的刀片回位装置为拉簧，拉簧的一端固定在扇形刀片上，拉簧的另一端固定在外管的内壁上。 

所述的连接器由设置在外管上的滑槽和设置在活塞杆上的横轴构成，横轴插入滑槽中并与滑槽滑动配合。 

所述的连接器由内螺盖和螺管组成，所述的内螺盖与外管开口端上的螺纹旋合，内螺盖上设置有多边形孔，在活塞杆上对应外管的尾端设置有外螺纹，所述螺管的内螺纹与活塞杆上的外螺纹相旋合，螺管的外表面上制有多边柱体，所述的多边柱体与内螺盖上的多边形孔滑动配合。 

所述活塞杆的端面上设置有纵向贯通杆体的注水孔，所述外管上靠近底座的一端设置有出水孔。 

与现有技术相比较本发明具有如下有益效果：1.在外管上安装多层扇形刀片，通过活塞杆的上下滑动来控制扇形刀片的张开角，达到同步扩孔或异步扩孔的目的，一次完成多层扩孔，提高了扩孔工效。2.扇形刀片纵向安装位置根据设计定做或组装，各层锥孔的间距不用在孔内量测，可根据设计要求由扩孔钻头直接确定，使锚杆或锚头锚固段的定位极为简便，避免出现锚固段无法卡入锥形锚孔上现象，故所扩孔间距能很好地满足多层自锁锚杆或锚头对扩孔位置精准的要求，使锚杆或锚头的锚固力分布均匀。3.该扩孔钻头可根据需要灵活地做扩成正锥面孔或倒锥面孔，特别是可扩成自锁性好，受力状态合理的自锁式正锥面锚孔，锚孔的锚固强度和可靠性高。适于重大工程中的预应力锚固作业。4.当以螺纹钢做锚杆时，用该钻头在直孔内壁扩多层锥孔，然后灌注高强度灌浆料，使各交接面均相互咬合，可提高锚杆锚固的可靠性。5.扩孔钻头采用管材制作，也可是分段装配的形式，结构新颖，制作简单，使用灵活，制造成本低，其钻头结构可适于在机械加工中制作锥形扩孔，还特别适于在岩石和混凝土锚孔中制作便于自锁的锥形扩孔。 

附图说明

图1是本发明钻头倒锥扩孔前的结构示意图； 

图2是本发明钻头倒锥扩孔后的结构示意图； 

图3是图1、图5中的A-A剖视图； 

图4是图1、图5中的B-B剖视图； 

图5是本发明钻头正锥扩孔前的结构示意图； 

图6是本发明钻头正锥扩孔后的结构示意图； 

图7是图2、图6中的C-C剖视图； 

图8是图6中活塞杆3和扇形刀片4的局部放大示意图； 

图9是本发明另一种结构钻头倒锥扩孔后的结构示意图； 

图10是本发明另一种结构钻头正锥扩孔前的结构示意图。 

图中：孔壁1，外管2，活塞杆3，扇形刀片4，销轴5，连接器6，出水孔7，底座8，刀片回位装置9，直槽孔10，注水孔11，上斜面12，扇角圆弧或倒角13，扇边槽14，孔底15，滑槽16，横轴17，连接器管体21，直槽管体22，外连管23，连接器杆体31、滑槽杆体32，内连管33。 

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述： 

结合图1至图10，本发明的活塞式多层扩孔钻头，它由活塞杆3、外管2和扇形刀片4组成，所述外管2的长度方向上设置有一排以上的直槽孔10，直槽孔10内装有扇形刀片4，扇形刀片4的圆心角一端铰接在销轴5上，销轴5固定在直槽孔10的孔壁上，扇形刀片4的弦长大于外管2的壁厚，所述的活塞杆3与外管2的管孔滑动配合，活塞杆3上对应扇形刀片4设置有斜面滑槽，活塞杆3经连接器6与外管2滑动连接。 

取一圆管作为外管2，圆管直径略小于所钻直孔的孔径，厚度为外管2半径的一半左右。在外管2上可纵向分段开直槽孔10，直槽孔10的间距和数量根据需要而定，每个直槽孔10内用一销轴5安装一扩孔用的扇形刀片4，扇形刀片4可在直槽孔10中内外摆动。外管2内套一活塞杆3，活塞杆3对应外管2上的直槽孔10的外壁上分别切割有斜面滑槽或在外壁安装带有斜面滑槽的连接件，斜面滑槽的槽底与扇形刀片4的内侧接触。当活塞杆3相对外管2向下滑动时，活塞杆3上的斜面滑槽将扇形刀片4向外推出，达到控制扇形刀片4张开的目的。 

参见图1，图2，图3，图4，直槽孔10可沿外管2的纵向分布成多排，其直槽孔10的排数根据需要确定，一般情况下，所述外管2的长度方向上设置有2-8排直槽孔10，图中为3排直槽孔10，各排上的直槽孔10沿外管2的径向中心轴对称分布，每排直槽孔10沿外管2的圆周方向均匀分布，孔数至少2个，太多影响外管2的强度，一般每排取2至4个直槽孔10。各直槽孔10内均装有扇形刀片4，所述活塞杆3上对应各排扇形刀片4均设置有斜面滑槽。 

参见图1，图2，图5，图6，图7，所述的活塞杆3可以是一直径略小于外管2内孔直径的圆棒。圆棒外壁上对应各排扇形刀片4的位置加工出斜面滑槽，无论是扩正锥面孔还是倒锥面孔，斜面滑槽的上斜面12均向外管2的底座8一端倾斜。在外管2的内孔中，活塞杆3的下移可控制各层扇形刀片4同步径向外张，但这样会使钻头的切削力矩陡然提高。最好是使各排斜面滑槽中的上斜面12与扇形刀片4的接触间隙依次递增或递减，通过调整各排斜面滑槽中上斜面12与扇形刀片4接触的间隙，使各排直槽孔10中上斜面12与扇形刀片4依次接触，分步外张，以减小钻头切削时的旋转扭矩。 

所述的扇形刀片4为一片材，形状根据需要也可以设计成三角形，厚度略小于外管2上直槽孔10的槽宽，长度根据需要确定，扇形刀片4的圆心角一端钻孔，用销轴5安装在直槽孔10的孔壁上，当扇形刀片4的一侧边落在活塞杆3上的斜面滑槽中时，扇形刀片4的另一侧应与外管2的外壁平齐。 

在直槽孔10中，可以根据扩孔的要求选择扇形刀片4的安装方式。扇形刀片4的安装方式有两种，一种是如图1，图2中所示，销轴5靠近钻头尾部，即靠近钻机一端，扇形刀片4的弧线朝下，扩出的是倒锥面孔；另一种是如图5，图6中所示，销轴5靠近钻头前部，即靠近底座8一端，扇形刀片4的弧线朝上，扩出的是正锥面孔。即当要扩出的正锥面孔时，所述扇形刀片4的圆心角靠近外管2上的底座8一端，销轴5安装在扇形刀片4的圆心角部位，所述斜面滑槽中的上斜面12与活塞杆3轴线的夹角小于或等于45度，这样可以提高上斜面12在下行时的横向推力，便于推动扇形刀片4向外张开。最好是在所述扇形刀片4上靠近斜面滑槽一侧的扇顶转角处设置有扇角圆弧或倒角13，以方便扇形刀片4在上斜面12上滑动，扇形刀片4上靠近斜面滑槽的侧边设置有扇边槽14，也就是将扇形刀片4上靠近斜面滑槽的侧边制成内凹的槽形，以减少扇形刀片4与斜面滑槽的接触。同时，为方便扩孔后从孔壁1内取出钻头，在外管2或销轴5上对应扇形刀片4设置有刀片回位装置9。当活塞杆3的上斜面12不向外顶扇形刀片4时，扇形刀片4能自动缩回外管2内部。 

参见图5，图6，图8，所述的刀片回位装置9为设置在销轴5上的扭簧，扭簧的一端固定在在外管2上，扭簧的另一端固定在扇形刀片4上。平时，在扭簧的作用下扇形刀片4靠向外管2的中轴线一侧，当活塞杆3下行时，斜面滑槽中的上斜面12克服扭簧的扭力将扇形刀片4向外管2的外部顶起。 

所述的刀片回位装置9还可以为拉簧，拉簧的一端固定在扇形刀片4上，拉簧的另一端固定在外管2的内壁上。平时，在拉簧的作用下扇形刀片4靠向外管2的中轴线一侧，当活塞杆3下行时，斜面滑槽中的上斜面12克服拉簧的拉力将扇形刀片4向外管2的外部顶起。

参见图1，图2，图3，图5，图6，外管2与活塞杆3之间由连接器6相连接，连接器6的作用是要求保证活塞杆3与外管2同步转动，同时允许活塞杆3在外管2内孔中的一定范围内上、下相对滑动。所述的连接器6由设置在外管2上的滑槽16和设置在活塞杆3上的横轴17构成，横轴17插入滑槽16中并与滑槽16滑动配合。只允许两者之间上下滑动，但不能相对转动。可将活塞杆3尾部加工成钻杆连接用的接头，与常规钻杆或加长后直接与钻机相连。即活塞杆3的上端伸出外管2的内孔外并与钻机相连接。当钻机转动时，活塞杆3经连接器6带动外管2一同旋转，同时活塞杆3向下运动，使扇形刀片4外张，对孔壁1进行扩孔。 

所述的连接器6还可以由内螺盖和螺管组成，所述的内螺盖与外管2开口端上的螺纹旋合，内螺盖上设置有多边形孔，在活塞杆3上对应外管2的尾端设置有外螺纹，所述螺管的内螺纹与活塞杆3上的外螺纹相旋合，螺管的外表面上制有多边柱体，所述的多边柱体与内螺盖上的多边形孔滑动配合。如一个六方柱形的活塞杆3插入一个带六方形孔的连接器6中，连接器6上的内螺纹与外管2上端的外螺纹旋合，即可使活塞杆3可以在连接器6上下滑动，但不能相对转动，只能通过连接器6带动外管2一起转动。 

所述活塞杆3的端面上设置有纵向贯通杆体的注水孔11，所述外管2上靠近底座8的一端设置有出水孔7。活塞杆3内设的注水孔11可将水引至外管2的底座8位置，并通过底座8部位的出水孔7将水引至孔底15。通过灌注冲洗水，可冲洗带走切削物并冷却扇形刀片4。 

参见图9，图10，当锚孔深度较大如达到几十米，本发明钻头上各排直槽孔10及扇形刀片4的轴向间距较大，如可达3-5米时，为方便钻头的批量加工和运输，可以将本发明钻头制成多段标准件，再装配组合的结构，即外管2和活塞杆3的另一种结构形式为：所述的外管2包括连接器管体21、两个以上的直槽管体22、外连管23和底座8，外管2一端为连接器管体21，另一端为底座8，连接器管体21、直槽管体22、外连管23和底座8分别经螺纹或插销轴向连接，各直槽管体22的长度方向上设置有1-3排直槽孔10，各直槽孔10内均装有扇形刀片4，两个以上的直槽管体22经外连管23轴向连接，所述的活塞杆3包括连接器杆体31、滑槽杆体32和内连管33，滑槽杆体32上对应扇形 刀片4设置有斜面滑槽，连接器杆体31、滑槽杆体32和内连管33分别经螺纹或插销轴向连接，两个以上滑槽杆体32间的轴向间距与各直槽管体22间的轴向间距相对应。最好是使各排斜面滑槽中的上斜面12与扇形刀片4的接触间隙依次递增或递减，使各排直槽孔10中上斜面12与扇形刀片4依次接触，分步外张，以减小钻头切削时的旋转扭矩。如图9，图10中，连接器管体21的一端制有外螺纹，直槽管体22的两端制有内螺纹，外连管23的两端制有外螺纹，底座8的上端制有外螺纹，依次将连接器管体21、直槽管体22、外连管23、直槽管体22和底座8轴向旋合成一体，即装配成外管2。同样依次将连接器杆体31、滑槽杆体32和内连管33轴向旋合成一体，即装配成活塞杆3。所述的装配式外管2和活塞杆3中各零件的连接也可以是相互套接再钻销孔，穿插销的连接结构，也就是将所述内、外螺纹的连接部位改为管式套接再穿插销连接。 

通过将外管2和活塞杆3分成多段，并进行轴向组装连接，大大降低了钻头的长度尺寸，有利于钻头的标准化和批量生产，钻头零件可在小型加工设备上进行加工，简化了钻头加工的设备要求，有利于保证本发明钻头零件的加工质量，方便了钻头的运输和组装，也使得本发明钻头的长度和各排扇形刀片4的间距能根据孔深及内锚段分布要求随意调整，以适应不同孔深和内锚段布置的锚孔结构，提高了钻头对锚孔加工的适应性和利用率。 

Claims (9)

1.活塞式多层扩孔钻头，其特征在于：它由活塞杆(3)、外管(2)和扇形刀片(4)组成，所述外管(2)的长度方向上设置有一排以上的直槽孔(10)，直槽孔(10)内装有扇形刀片(4)，扇形刀片(4)的圆心角一端铰接在销轴(5)上，销轴(5)固定在直槽孔(10)的孔壁上，扇形刀片(4)的弦长大于外管(2)的壁厚，所述的活塞杆(3)与外管(2)的管孔滑动配合，活塞杆(3)上对应扇形刀片(4)设置有斜面滑槽，活塞杆(3)经连接器(6)与外管(2)滑动连接，所述的外管(2)包括连接器管体(21)、两个以上的直槽管体(22)、外连管(23)和底座(8)，外管(2)一端为连接器管体(21)，另一端为底座(8)，连接器管体(21)、直槽管体(22)、外连管(23)和底座(8)分别经螺纹或插销轴向连接，各直槽管体(22)的长度方向上设置有1-3排直槽孔(10)，各直槽孔(10)内均装有扇形刀片(4)，两个以上的直槽管体(22)经外连管(23)轴向连接，所述的活塞杆(3)包括连接器杆体(31)、滑槽杆体(32)和内连管(33)，滑槽杆体(32)上对应扇形刀片(4)设置有斜面滑槽，连接器杆体(31)、滑槽杆体(32)和内连管(33)分别经螺纹或插销轴向连接，两个以上滑槽杆体(32)间的轴向间距与各直槽管体(22)间的轴向间距相对应。

2.根据权利要求1所述的活塞式多层扩孔钻头，其特征在于：所述外管(2)的长度方向上设置有2-8排直槽孔(10)，各排上的直槽孔(10)沿外管(2)的径向中心轴对称分布，各直槽孔(10)内均装有扇形刀片(4)，所述活塞杆(3)上对应各排扇形刀片(4)均设置有斜面滑槽。

3.根据权利要求1或2所述的活塞式多层扩孔钻头，其特征在于：所述扇形刀片(4)的圆心角靠近外管(2)上的底座(8)一端，所述斜面滑槽中的上斜面(12)与活塞杆(3)轴线的夹角小于或等于45度，且在外管(2)或销轴(5)上对应扇形刀片(4)设置有刀片回位装置(9)。

4.根据权利要求3所述的活塞式多层扩孔钻头，其特征在于：所述扇形刀片(4)上靠近斜面滑槽一侧的扇顶转角处设置有扇角圆弧或倒角(13)，扇形刀片(4)上靠近斜面滑槽的侧边设置有扇边槽(14)。

5.根据权利要求3所述的活塞式多层扩孔钻头，其特征在于：所述的刀片回位装置(9)为设置在销轴(5)上的扭簧，扭簧的一端固定在外管(2)上，扭簧的另一端固 定在扇形刀片(4)上。

6.根据权利要求3所述的活塞式多层扩孔钻头，其特征在于：所述的刀片回位装置(9)为拉簧，拉簧的一端固定在扇形刀片(4)上，拉簧的另一端固定在外管(2)的内壁上。

7.根据权利要求1所述的活塞式多层扩孔钻头，其特征在于：所述的连接器(6)由设置在外管(2)上的滑槽(16)和设置在活塞杆(3)上的横轴(17)构成，横轴(17)插入滑槽(16)中并与滑槽(16)滑动配合。

8.根据权利要求1所述的活塞式多层扩孔钻头，其特征在于：所述的连接器(6)由内螺盖和螺管组成，所述的内螺盖与外管(2)开口端上的螺纹旋合，内螺盖上设置有多边形孔，在活塞杆(3)上对应外管(2)的尾端设置有外螺纹，所述螺管的内螺纹与活塞杆(3)上的外螺纹相旋合，螺管的外表面上制有多边柱体，所述的多边柱体与内螺盖上的多边形孔滑动配合。

9.根据权利要求1或2所述的活塞式多层扩孔钻头，其特征在于：所述活塞杆(3)的端面上设置有纵向贯通杆体的注水孔(11)，所述外管(2)一端的底座(8)上设置有出水孔(7)。 

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