CN103930640A - 钻岩工具和用于钻岩工具的钻头 - Google Patents

钻岩工具和用于钻岩工具的钻头 Download PDF

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CN103930640A CN201280055184.0A CN201280055184A CN103930640A CN 103930640 A CN103930640 A CN 103930640A CN 201280055184 A CN201280055184 A CN 201280055184A CN 103930640 A CN103930640 A CN 103930640A
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Abstract

一种用于钻岩工具的钻头(21、121)，包括钻头头部(23、123)，该钻头头部(23、123)具有前表面(27、127)，该前表面(27、127)包括端面表面(29、129)，该端面表面(29、129)限定钻头头部(23、123)的最前端。所述端面表面(29、129)具有外边缘(31、131)、围绕所述端面表面(29、129)的块规部(35、135)，该块规部(35、135)具有内边缘(37、137)，和过渡区域(38、138)，该过渡区域(38、138)在钻头(21、121)的纵向轴线(L)的方向上在所述端面表面(29、129)的外边缘(31、131)和所述块规部(35、135)的内边缘(37、137)之间延伸。使切削表面适合从其延伸的所述端面表面(29、129)的整体是非平坦的，以便所述端面表面(29、129)的中心(33、133)处在所述端面表面(29、129)的外边缘(31、131)的轴向前方。所述块规部(135)能够包括：第一块规部表面(135’)，该第一块规部表面(135’)在所述块规部(35、135)的周围的第一部分上，限定相对于所述纵向轴线(L)的第一角度；和第二块规部表面(135”)，该第二块规部表面(135”)在所述块规部(35、135)的周围的第二部分上，限定相对于所述纵向轴线(L)的第二角度。

Description

钻岩工具和用于钻岩工具的钻头
技术领域
本发明涉及用于钻岩工具的钻头，并且更具体地，涉及使用硬球齿的这种钻头。
背景技术
在图5A(图示了能够从瑞典桑德维肯市的Sandvik Mining andConstruction Tools AB公司获得的零件编号7738-5348-S48的已知钻岩钻头上的磨损图案)中所示的通用型钻岩钻头1中，如图示的磨损部分3所示，通常为硬质合金球齿的球齿2相对孔壁的滑动摩擦在球齿上产生直径磨损。通常地，期望延长这样的钻头1上的球齿2的寿命。
发明人提出，增加将突出而接触孔壁的球齿2的面积量，会预期降低球齿上的径向接触压力。然而，发明人担心，力在所有球齿上的分布不均匀，并且诸如图5A中所示，在给定时间下，钻头1可能仅有两个球齿接触孔壁。图4A的图表尝试图示，随着钻头1从具有新球齿的50mm的直径被磨损到48mm直径，磨损面积量增加，即球齿2上的磨损部分3的尺寸增加。认为下列方程近似为钻头1的硬质合金球齿2上的径向压力：
1) p r ( r ) = F r A ( r )
其中：
pr＝碳化物上的径向压力(N/mm2)
Fr＝碳化物上的径向力(N)
A(r)＝碳化物的径向突出面积(/mm2)
球齿的磨损体积是钻头直径的函数，即：
2)Vc＝f(r)
其中：
Vc＝碳化物的磨损体积(mm3)
r＝钻头的半径。
当钻头从一个直径被磨损到另一直径时，将被磨损掉的总材料(例如，碳化物)量，即碳化物磨损体积，大大地影响钻头寿命。体积真正为取决于图4B的图表中所示的钻头设计的几何函数，该图4B图示了随着钻头1从具有新球齿的50mm的直径被磨损到48mm直径，球齿2的体积被磨损掉。随着钻头的直径变得更小，必定被磨损掉的材料量极大增大。
在压力作用下接触的滑动表面产生磨损，并且钻头磨损取决于能够被磨损掉的体积和将被施加至磨损区域的压力。发明人已经认识到，在特定直径下，增加接触面积和将被磨损的体积，大大地影响钻头的使用寿命。因此，发明人主张，为了延长钻头寿命，期望的是，与正在被钻的孔表面接触的钻头面积应随着直径减小而剧烈增加，并且应提供更多体积的将被磨损的材料。
发明内容
根据本发明的方面，一种用于钻岩工具的钻头，包括钻头头部，该钻头头部具有前表面，该前表面包括端面表面，多个切削表面适合从该端面表面延伸，端面表面限定钻头头部的最前端，端面表面具有外边缘；和围绕端面表面的块规部，块规部具有内边缘。过渡区域在钻头的纵向轴线的方向上在端面表面的外边缘和块规部的内边缘之间延伸，并且使切削表面适合从其延伸的端面表面的整体是非平坦的，以便端面表面的中心在端面表面外边缘的轴向前方。
根据本发明的另一方面，块规部包括：第一块规部表面，第一块规部表面在块规部的周围的第一部分上，限定相对于纵向轴线的第一角度；和第二块规部表面，第二块规部表面在块规部的周围的第二部分上，限定相对于纵向轴线的第二角度。
附图说明
通过结合附图阅读下文详细的描述，将很好地理解本发明的特征和优点，在附图中，相似的附图标记指示类似的元件，并且其中：
图1A是根据本发明方面的钻头的透视图；
图1B是图1A的钻头的顶视图；
图1C是在图1B的截面1C-1C处截取的图1A的钻头的侧横截面图；
图1D在沿图1B的截面1D-1D处截取的图1A的钻头的侧横截面图；
图1E是具有根据本发明方面所示的球齿的图1A的钻头的透视图；
图1F是图1E的钻头的顶视图；
图1G是在图1F的截面1G-1G处截取的图1E的钻头的侧横截面图；
图1H是在图1F的截面1H-1H处截取的图1E的钻头的侧横截面图；
图2A是根据本发明方面的双规钻头的透视图；
图2B是图2A的双规钻头的顶视图；
图2C是在图2B的截面2C-2C处截取的图2A的双规钻头的侧横截面图；
图2D是在图2B的截面2D-2D处截取的图2A的双规钻头的侧横截面图；
图2E是具有根据本发明方面所示的球齿的图2A的双规钻头的透视图；
图2F是图2E的双规钻头的顶视图；
图2G是在图2F的截面2G-2G处截取的图2E的双规钻头的侧横截面图；
图2H是在图2F的截面2H-2H处截取的图2E的双规钻头的侧横截面图；
图2I是在图2F的截面2I-2I处截取的图2E的双规钻头的侧横截面图；
图3A是根据本发明方面的潜孔锤式钻机的一部分的示意横截面图；
图3B是根据本发明方面的顶锤式钻岩机的一部分的示意横截面图；
图4A是碳化物磨损的投影面积与直径的关系图；
图4B是碳化物磨损的体积与直径的关系图；和
图5A是根据现有技术的磨损的钻头的透视图，并且图5B是根据本发明方面的磨损的双规钻头的透视图。
具体实施方式
图1A-1H和2A-2I示出用于根据本发明的方面的钻岩工具的钻头21和121。根据本发明的方面，图示的钻头21或121能够在各种钻孔工具诸如潜孔锤100(图3A中示意性示出)中使用，，其中壳102中的活塞101意在击打钻头21的砧。能够对钻头121使用相同布置(未示出)。钻头21’所具有的特征与钻头21的特征类似，但是与顶锤式钻岩机200(图3B中示意性示出)一起使用，其中通过也能够根据本发明另一方面提供的管或杆202，将压缩脉冲传递给钻头21’。能够对钻头121使用相同布置(未示出)。下文的描述描述了意在和潜孔锤一起使用的钻头21和121，然而，应明白，除非另外指出，本描述同样适用于诸如在钻岩机应用中使用的钻头。
参考图1A-1H中所示的钻头21，该钻头包括钻头头部23，钻头头部23具有裙部25和前表面27。前表面27包括端面表面(face surface)29，多个切削表面适合从该端面表面延伸。端面表面29限定钻头头部23的最前端。端面表面29具有外边缘31。使切削表面适合从其延伸的端面表面29的整体是不平坦的，并且端面表面的中心33在沿钻头21的纵向轴线L的端面表面的外边缘31的轴向前方。如图1C-1D和1G-1H中所示，端面表面29通常为圆锥形或截顶圆锥形(由图1B和1D中的点划线示出)，然而，端面表面可以具有其它形式，诸如为多个同心的截顶锥，或球形或截顶球形形状的形式。图1A-1H中所示的端面表面29相对于纵向轴线L的垂线形成角度θ(图1D)。
前表面27还包括围绕端面表面29的块规部(gauge)35。块规部35具有内边缘37。过渡区域38在钻头21的纵向轴线L的方向上在端面表面29的外边缘31和块规部35的内边缘37之间延伸。在钻头上过渡区域38通常是大体圆形和柱形的。块规部35通常限定相对于钻头的纵向轴线的垂线的角度Ω(图1D)，该角度Ω与端面表面29相对于钻头的纵向轴线L垂线形成的角度θ不同。钻头21的当前优选设计包括与纵向轴线L的垂线形成约13°的角度θ的端面表面29。钻头21的当前优选设计包括相对于纵向轴线L的垂线形成约30°的角度Ω的块规部35。
在端面表面29中设置至少一个且通常是多个端面孔39，并且在块规部35中设置至少一个通常是多个块规部孔41，以分别接纳端面球齿43和块规部球齿45(在图1E-1H中可见端面和块规部球齿，并且在图1A-1D中未示出)。球齿43和45通常由极硬的材料诸如硬质合金制成，并且通常比形成钻头头部23的材料硬。所述至少一个端面孔39的纵向轴线LF相对于钻头21的纵向轴线L形成非零角度α(图1D)。通常地，所述至少一个端面孔39的纵向轴线LF垂直于端面表面29，所以α等于θ。类似地，块规部孔41的纵向轴线LG相对于钻头21的纵向轴线L形成非零角度β(图1D)，并且通常，块规部孔41的纵向轴线LG垂直于块规部35，所以β等于Ω。
通过提供端面表面29，端面表面29不平坦，并且端面表面29具有在端面表面的外边缘31的轴向前方的中心33，从而相对于被设置在平坦表面上的球齿，端面球齿43的磨损体积能够增加。
钻头21包括至少一个通常是多个流动通道47，流动通道47穿过钻头延伸，并且在端面表面29中的相应的流动开口49处终止。例如，如图1D中所示，流动通道47能够相对于钻头21的纵向轴线L形成角度钻头21还包括至少一个并且通常是多个在钻头的外表面53中的轴向延伸的凹槽51。例如，如图1C中所示，至少一个流动通道55穿过钻头21延伸，并且在凹槽51中的相应的流动开口57处终止。流动通道55能够相对于钻头21的纵向轴线L形成角度ω。流动通道47和/或45通常促进将冲洗/冷却流体引入到由钻头21形成的孔。
在许多方面，图2A-2I中所示的钻头121与图1A-1H中所示的钻头21类似。钻头121包括钻头头部123，钻头头部123具有裙部125和前表面127。前表面127包括端面表面129，多个切削表面适合从该端面表面延伸。端面表面129限定钻头头部123的最前端。端面表面129具有外边缘131。使切削表面适合从其延伸的端面表面129的整体都能够是不平坦的，以便端面表面的中心133在沿钻头121的纵向轴线L的端面表面的外边缘131的轴向前方。如图2C-2D和2G-2H中所示，端面表面129通常为圆锥形或截顶圆锥形(例如，参见图2B和2D中的点划线)，然而，端面表面可以具有其它形式，诸如为多个的同心截顶锥，或球形或截顶球形形状的形式。图2A-2H中所示的端面表面129相对于纵向轴线L的垂线形成角度θ(类似于图1D中所示的端面表面29的角度θ)。
前表面127还包括围绕端面表面129的块规部135。块规部135具有内边缘137。过渡区域138在钻头121的纵向轴线L的方向上在端面表面129的外边缘131和块规部135的内边缘137之间延伸。
在钻头121中，块规部135包括至少两个块规部表面，并且因而出于本公开的目的，钻头121被命名为“双规”钻头。通常地，块规部135包括：至少一个并且通常是多个第一块规部表面135’；和至少一个并且通常是多个第二块规部表面135”，通常地，两个块规部表面分别相对于双规钻头121的纵向轴线L的垂线限定角度Ω’和Ω”，角度Ω’和Ω”与端面表面129相对于双规钻头的纵向轴线L的垂线形成的角度θ不同，并且通常地，角度Ω’和Ω”彼此不同。第一块规部表面135’在块规部135的周围的第一部分上延伸，并且第二块规部表面135”在块规部的周围的第二部分上延伸。应明白，也能够提供下列多规钻头，所述多规钻头仍带有另外的块规部表面，该块规部表面具有与第一块规部表面135’和第二块规部表面和135”不同的特征。钻头121的当前优选设计包括端面表面129，端面表面129相对于纵向轴线L的垂线形成约13°的角度θ。钻头121的当前优选设计包括：第一块规部表面135’，其相对于纵向轴线L的垂线形成约35°的角度Ω’；和第二块规部表面135”，其相对于纵向轴线L的垂线形成约30°的角度Ω”。
在端面表面129中设置至少一个通常是多个端面孔139，以接纳端面球齿143，并且在第一块规部表面135’和第二块规部表面135”中设置多个块规部孔141’和141”，以分别接纳块规部球齿145’和145”(在图2E-2I中可见端面和块规部球齿，并且在图2A-2D中未示出)。由于相对于纵向轴线L的垂线形成更大的角度，所以第一块规部表面135’将通常比第二块规部表面135”宽，并且因而促进形成块规部孔141’，块规部孔141’直径大于被设置在较窄的第二块规部表面中的孔141”。在其它钻头设计中，端面孔139能够被定位于更靠近较窄的第二块规部表面135”，而不干扰它们相对于钻头设计21中的端面孔位置的定位，诸如在图1A-1H中。与需要较小球齿的传统设计中将存在的情况相比，第一块规部表面135’的更大孔139’能够接纳更大的球齿141’，球齿141’能够提供更大的总球齿体积，并且随着它们被磨损，能够提供增加的磨损表面积，并且需要移除更大球齿体积。
所述至少一个端面孔139的纵向轴线LF相对于双规钻头121的纵向轴线L形成非零角度α。通常地，所述至少一个端面孔139的纵向轴线LF垂直于端面表面129。类似地，块规部孔141’和141”的纵向轴线LG’和LG”中的一个或通常两个纵向轴线都相对于双规钻头121的纵向轴线L形成非零角度β’和β”，并且通常地，所述一个或两者纵向轴线在设置它们的点处，垂直于块规部135。通常地，角度β’和β”不同。通过提供端面表面129，端面表面129不平坦并且具有在端面表面的外边缘131的轴向前方的中心133，从而相对于被设置在平坦表面上的球齿，端面球齿143的磨损体积能够增加。此外，通过提供双规布置，仍能够实现块规部球齿磨损体积的进一步增加。
双规钻头121包括至少一个并且通常是多个流动通道147，流动通道147穿过钻头延伸，并且在相应的流动开口149处终止，流动开口149可以位于过渡区域138处，但是流动开口149也可以或替代性地位于块规部135的端面表面129中。流动通道147能够相对于双规钻头121的纵向轴线L形成角度双规钻头121还包括至少一个通常是多个在双规钻头的外表面153中的轴向延伸的凹槽。虽然所有的凹槽151能够为图2A中所示的相同形状，但是如图2E中所示，一些凹槽151’也能够为更大或稍微更小的凹槽151”，从而更好地促进容纳不同尺寸的块规部表面135’和135”。至少一个流动通道155’穿过钻头121延伸，并且在凹槽151’中的相应的流动开口157’处终止，并且至少一个流动通道155”穿过钻头121延伸，并且在凹槽151”中的相应的流动开口157”处终止。流动通道155能够相对于钻头121的纵向轴线形成角度ω。流动通道147和/或155通常促进将冲洗/冷却流体引入到由钻头121形成的孔。
例如，如图2A中所示，第一块规部表面135’比第二块规部表面135’’宽。例如，如图2B中所示，当沿纵向轴线L观察时，过渡区域138是非圆形的。在图2A-2I的实施例中，存在与三个第二块规部表面135’’交替的三个第一块规部表面135’，并且因此，过渡区域138的形状稍微为三角形。提供尺寸不同的第一块规部表面135’和第二块规部表面135”，促进了提供具有不同直径的第一块规部孔141’和第二块规部孔141”。第一块规部孔141’和/或第二块规部孔141”可以重叠到过渡区域138上。
与图5A中所示的类型的不包括双规或非平坦端面表面的但以其它类似方式构造的传统钻头1相比，双规钻头121能够提供磨损体积的极大增加。图5A示出可以从瑞典桑德维肯市的Sandvik Mining andConstruction Tools AB公司获得的零件编号7738-5348-S48的已知钻岩钻头的块规部球齿上的磨损图案，并且图5B示出根据本发明的方面的用于类似构造的双规钻头的块规部球齿上的磨损图案。图5A和5B的块规部球齿上的磨损图案的比较显示出，双规设计促进随着块规部球齿被磨损，形成更大磨损面积。例如，在图5B的图示设计中，能够在它们不干扰端面球齿的位置处，提供更大的块规部球齿，这与图5A的设计不同，其中绕恒定宽度的块规部提供相同尺寸的块规部球齿。通过提供更大的块规部球齿，能够增加可用于磨损的硬质合金的磨损面积和总体积。
图4A和4B的图表示出，随着传统钻头(带菱形的线)和双规钻头(带方形的线)从50mm直径磨损到48mm直径，双规钻头的磨损面积(图4A)和磨损体积(图4B)变得极大大于传统钻头。应理解，钻头寿命主要与磨损体积和磨损面积直接相关，所以这些图表证明，能够预期钻头诸如双规钻头具有极大增加的寿命。
在本申请中，术语诸如“包括”的使用是开放式的，并且意在具有与术语诸如“包含”相同的意义，并且不排除存在其它结构、材料或动作。类似地，虽然术语诸如“能够”或“可以”的使用意在为开放式的，并且反映结构、材料或动作不是必要的，但是不使用这些术语并不意图反映该结构、材料或动作是必要的。如果被认为是必要的结构、材料或动作，则它们会被明确说明。
虽然已经根据优选实施例图示和描述了本发明，但是应认识到，在不偏离权利要求书中阐述的本发明的情况下，可以在其中做出变型和变化。
本申请要求EP专利申请No.11188761.8的优先权，其全部公开内容在此通过引用而并入本文。

Claims (16)

1.一种用于钻岩工具的钻头(21、121)，包括钻头头部(23、123)，所述钻头头部(23、123)具有前表面(27、127)，所述前表面(27、127)包括端面表面(29、129)，多个切削表面适合从所述端面表面(29、129)延伸，所述端面表面(29、129)限定所述钻头头部(23、123)的最前端，且所述端面表面(29、129)具有外边缘(31、131)；围绕所述端面表面(29、129)的块规部(35、135)，所述块规部(35、135)具有内边缘(37、137)，其特征在于，过渡区域(38、138)在所述钻头(21、121)的纵向轴线(L)的方向上在所述端面表面(29、129)的所述外边缘(31、131)和所述块规部(35、135)的所述内边缘(37、137)之间延伸，并且使所述切削表面适合从其延伸的所述端面表面(29、129)的整体是非平坦的，以便所述端面表面(29、129)的中心(33、133)处在所述端面表面(29、129)的所述外边缘(31、131)的轴向前方。
2.根据权利要求1所述的钻头(121)，其特征在于，所述块规部(135)包括：第一块规部表面(135’)，所述第一块规部表面(135’)在所述块规部(35、135)的周围的第一部分上，限定相对于所述纵向轴线(L)的第一角度；和第二块规部表面(135”)，所述第二块规部表面(135”)在所述块规部(35、135)的周围的第二部分上，限定相对于所述纵向轴线(L)的第二角度。
3.根据权利要求2所述的钻头(121)，其特征在于，所述第一块规部表面(135’)比所述第二块规部表面(135”)宽。
4.根据权利要求2-3中的任一项所述的钻头(121)，其特征在于，存在多个第一块规部表面(135’)和多个第二块规部表面(135”)。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的钻头(21、121)，其特征在于，当沿所述纵向轴线(L)观察时，所述过渡区域(38、138)是非圆形的。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的钻头(21、121)，包括在所述端面表面(29、129)中的至少一个端面孔(39、139)和在所述块规部(35、135)中的至少一个块规部孔(41、141’、141”)，以用于分别接纳端面球齿(43、143’、143”)和块规部球齿(45、145’、145”)，其特征在于，所述至少一个端面孔(43、143’、143”)的纵向轴线(LF)相对于所述纵向轴线(L)形成非零角度。
7.根据权利要求6所述的钻头(21、121)，其特征在于，所述至少一个端面孔(43、143’、143”)的所述纵向轴线(LF)垂直于所述端面表面(29、129)。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的钻头(21、121)，其特征在于，所述端面表面(29、129)为圆锥形和截顶圆锥形中的至少一种。
9.根据权利要求2-8中的任一项所述的钻头(121)，其特征在于，在所述第一块规部表面(135’)中设置第一块规部孔(141’)，并且在所述第二块规部表面(135”)中设置第二块规部孔(141”)。
10.根据权利要求9所述的钻头(121)，其特征在于，所述第一块规部孔(141’)和所述第二块规部孔(141”)具有不同的直径。
11.根据权利要求9-10中的任一项所述的钻头(121)，其特征在于，所述第一块规部孔(141’)的纵向轴线(LG’)和所述第二块规部孔(141”)的纵向轴线(LG”)限定相对于所述钻头(121)的所述纵向轴线(L)的非零角度。
12.根据权利要求11所述的钻头(121)，其特征在于，所述第一块规部孔(141’)的所述纵向轴线(LG’)和所述第二块规部孔(141”)的所述纵向轴线(LG”)限定相对于所述钻头(121)的所述纵向轴线(L)的不同的非零角度。
13.根据权利要求11-12中的任一项所述的钻头(121)，其特征在于，所述第一块规部孔(141’)的所述纵向轴线(LG’)垂直于所述第一块规部表面(135’)。
14.根据权利要求1-13中的任一项所述的钻头(121)，其特征在于，所述钻头(121)包括至少一个流动通道(147)，所述至少一个流动通道(147)穿过所述钻头(121)延伸，并且在所述过渡区域(138)中和/或所述端面表面(129)中的相应的流动开口(149)处终止。
15.根据权利要求1-14中的任一项所述的钻头(21、121)，其特征在于，所述钻头(21、121)包括：在所述钻头(21、121)的外表面(53、153)中的至少一个轴向延伸的凹槽(51、151、151’、151”)；和至少一个流动通道(55、155’、155”)，所述流动通道(55、155’、155”)穿过所述钻头(21、121)延伸，并且在所述凹槽(51、151、151’、151”)中的相应的流动开口(57、157’、157”)处终止。
16.一种包括根据权利要求1-15中的任一项所述的钻头(21、121)的钻孔工具(100、200)。
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