CN104204357A - 挖掘工具及使用挖掘工具的方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于路面裂解或采矿的挖掘工具，其包括嵌入件和固定器，所述嵌入件包括连接至插入轴近端的超硬冲击尖端。插入轴通过设在固定器中的孔内的过盈配合被固定，插入轴具有纵向轴，并且插入轴的远端在孔内以嵌入深度放置。在固定器的外表面上设置有磨损限制标记并被设置为对应于沿着插入轴离开远端的轴向距离，所述距离为嵌入深度的至少20％和至多35％。

Description

挖掘工具及使用挖掘工具的方法
技术领域
本公开一般涉及一种用于路面裂解或采矿的挖掘工具，所述挖掘工具含有超硬冲击尖端。
背景技术
国际专利申请公开号为WO/2011/089117的申请公开了一种挖掘工具，其含有安装在钢制固定器中的嵌入件，所述嵌入件含有在插入轴的端部连接至硬质合金插入轴的超硬尖端。所述插入轴含有插入轴，并且所述钢制固定器具有孔，所述插入轴可被冷缩配合至该孔中。硬质合金材料倾向于比钢更耐磨(但是昂贵得多)，并且钢制固定器有可能被磨损，从而在使用中暴露部分插入轴。存在这样的风险，即钢制固定器被磨损到硬质合金插入轴变得在使用时从孔中移位的程度，破坏其它挖掘工具并且丢失。
需要提供用于路面裂解或采矿的挖掘工具，其中挖掘工具的部分在使用时分离的风险被降低。
发明内容
从第一方面来看，提供了一种用于路面裂解或采矿的挖掘工具，包括嵌入件和固定器，所述嵌入件包括接入插入轴近端的超硬冲击尖端。所述插入轴通过固定器中提供的孔内的过盈配合而被固定，插入轴具有纵向轴，并且插入轴的远端在孔内以嵌入深度放置；在固定器的外表面上设置有磨损限制标记并放置为对应于沿着插入轴离开远端的轴向距离，所述距离为嵌入深度的至少20％和至多35％。
限制标记可被置于固定器上，使得当使用中固定器被磨损至限制标记也至少被部分磨损的程度时，镐应该被整修。
本公开设想了挖掘工具的各种组合和配置，其中以下为非限制性和非穷举的示例。
过盈配合可以是冷缩配合或按压配合。固定器可包括在孔的远端处的底座，插入轴的远端可以紧靠其邻接。
插入轴可包括基本上比固定器所包含的材料更耐磨的材料。
挖掘工具可以用于裂解包括沥青、石头或混凝土的路面，和或用于如在采矿中解离岩石结构，岩石结构例如包括煤或碳酸钾。挖掘工具可被配置为附属于比如辊筒的工具载体，并可包括可协同地配置为与连接至工具载体的固定装置联接的柄部。工具载体可容纳多于一个挖掘工具。
插入轴可包括或由基本上比固定器包含或组成的材料更加耐磨的材料构成。固定器可包括或由钢构成，和或插入轴可包括或由硬质合金材料构成。冲击尖端可包括多晶金刚石(PCD)材料、碳化硅结合金刚石(SCD)材料或多晶立方氮化硼(PCBN)材料。冲击尖端可包括连接至硬质合金基底的超硬材料。
插入轴可包括烧结碳化钨、陶瓷材料、碳化硅烧结金刚石材料或超硬材料，并且基底可包括钢。插入轴材料可具有至少约90HRa的洛氏硬度和至少约2,500MPa的横向断裂强度。例如，插入轴可包括或由烧结碳化钨材料构成，其具有至少约7G.cm3/g和至多约11G.cm3/g的磁饱和和至少约9kA/m和至多约14kA/m的矫顽力。所述插入轴可包括或由硬质合金材料构成，其可包括碳化钨颗粒和至少约5％重量和至多约10％重量或至多约8％重量的粘合剂材料，该粘合剂材料可包括钴。碳化钨颗粒可具有至少约1微米或至少约2微米，和或至多约6微米，至多约5微米或至多约3微米的平均尺寸。
插入轴一般可为柱状或圆柱状，并且近端一般可为截锥形。
嵌入深度可至少约30mm，至少约40mm或至少约50mm，并且嵌入深度可至多约70mm或至多约60mm。离插入轴的远端的纵向距离可至少约6mm，至少约8mm或至少约10mm，并且纵向距离可至多约24或至多约21mm。在一个示例配置中，嵌入深度至少约50mm并至多约60mm，而纵向距离至少约10mm并至多约14mm。
磨损限制标记可以置于固定器的一侧上。磨损限制标记可以放置在固定器向后的正面，向前的正面为朝向使用中待裂解主体推进的面(固定器没有介于向前的正面和主体之间的部分)。磨损限制标记可以至少部分地围绕固定器从向后的正面向着或至向前的正面延伸。磨损限制标记可周向地延伸围绕插入轴的基本上所有路径或围绕插入轴的部分路径。可以具有多于一个的磨损限制标记。在一个配置中，可以具有两个磨损限制标记，一个用于表示磨损的下部限度，而另一个用于表示磨损的上部限度。
磨损限制标记对肉眼是可见的。磨损限制标记可包括凸棱、凸条、凹陷、凹槽、凸台或在固定器的外表面上其它可见的特征。限制标记可与固定器整体形成，比如通过锻造或者其可以与固定器连接。磨损限制标记可以对肉眼是可见的和或其可以被配置为通过为该目的而设置的检测装置而检测。检测装置可包括光学和或电子检测装置。
磨损限制标记应被配置和放置在固定器上，以便当固定器已经在使用时磨损至挖掘工具应从其被附着的载体设备中移除和更换的程度时向操作者指示。由于挖掘工具将需要被更换时，在正面向前的固定器的大部分体积将通过摩擦移除，从固定器的摩擦磨损中产生的磨痕将会足够大从而被肉眼看见。当磨痕从固定器的近端延伸至固定器上由磨损限制标记表示的位置时，挖掘工具应被更换。如果磨损限制标记离插入轴的远端太远被放置，操作者可能将挖掘工具从载体设备中过早地移除，并且挖掘工具可能没有被最大程度地使用。如果磨损限制标记离插入轴的远端太近被放置，操作者可能不能及时将挖掘工具移除，并可能具有插入轴会变成与固定器分离并脱落的风险，潜在地对载体设备和或安装在载体设备上的其它挖掘工具造成很大破坏。这可能发生，因为插入轴实质上没有与固定器连接，只是通过过盈配合而与其固定，使得当固定器的足够体积已被磨损时，其再也不能提供足够的支撑，以便在使用中保持插入轴。固定器过度磨损的风险可能特别大，因为冲击尖端包括超硬材料，其具有极高的耐磨性，而因此可能比固定器或者甚至比插入轴保持基本上更长的工作状态。
从第二个方面来看，提供了根据本公开的挖掘工具的使用方法，所述方法包括将挖掘工具附着至用于裂解结构或主体的载体设备，使用挖掘工具裂解结构或主体，检查挖掘工具以确定固定器是否已经磨损至使用中的固定器上产生的磨痕从孔的近端(即插入轴从中伸出的端部)延伸至固定器上由磨损限制标记表示的位置的程度。
所述方法可包括从(第一)固定器中移除插入轴和将插入轴冷缩配合到新(第二)的固定器中，以再次使用，和或所述方法可包括从插入轴中移除冲击尖端并将冲击尖端附着至新的插入轴，以再次使用。
插入轴在使用中可能经受磨损，特别是在向前的正面上。所述方法可包括在使用后测量插入轴的形状和尺寸，以便量化任何这种磨损的程度和由此导致的插入轴的形状。在一些示例中，在靠近冲击尖端的向前正面上的至少一部分插入轴可能由于摩擦而掉落且掉落部分的厚度可以至少约0.1mm。插入轴的对称性由于使用中的摩擦而将可能被降低，因为有可能发生不均匀的摩擦。所述方法可包括加工被移除的插入轴，以便对其修整以再次使用，例如通过比如使用无心研磨机进行研磨。这将具有与摩擦之前的初始直径比较减小插入轴直径的作用。例如，修整的插入轴的直径可以比在使用和随之发生的摩擦之前的插入轴的直径小至少0.1mm、0.2mm或0.4mm。所述方法可包括提供具有孔的第二固定器，所述孔被配置为容纳修整的插入轴(例如，第二固定器的孔可具有比相应第一固定器的孔更小直径)。
附图说明
下面将参考所附附图对挖掘工具的非限定性示例的配置进行描述，其中，
图1A示出了一个示例挖掘工具的侧视图，图下部包括尺寸；
图1B示出了图1A中所示的示例挖掘工具的A-A横截面后视图；
图1C示出了处于磨损状态的图1A的示例挖掘工具的侧视图。
具体实施方式
参考图1A和图1B，用于路面碾磨或采矿的一个示例挖掘工具100包括嵌入件200和固定器300，嵌入件200包括超硬冲击尖端210，其连接至插入轴220的近端。固定器包括用于固定至辊筒(未示出)的柄部310。插入轴220包括冷缩配合到用于容纳插入轴220的设置在固定器300中的孔330内的部分230。插入轴220从孔330的近端320处的开口伸出并在远端与设置在孔330中的底座340邻接。固定器300基本上由钢构成，而插入轴220基本上由烧结碳化钨构成，其基本上比钢更加耐磨。固定器300的外表面设有磨损限制标记350，用于表示沿着插入轴220距离其远端的纵向距离D，其位于孔330中并与底座340邻接。在该示例中，磨损限制标记是设置在固定器300的外表面上的凸棱350，使得其能够被操作者检查。在该具体示例中，孔330的直径和插入轴220的直径都基本上为25mm，存在足够差别以便当将插入轴220冷缩配合到孔330中时提供过盈配合。钢制固定器300的围绕插入轴的部分230的最大厚度，从孔330的内表面到含有磨损表示凸棱350的外表面测量约为11.5mm。由磨损限制标记350表示的纵向距离D离插入轴220的远端约为12mm。插入轴220插入孔330中的部分230的长度约为55mm(并且从近端320至远端处的底座340的孔的深度因此也约为55mm)。
图2示意性图解了图1A和图1B中所示的已经在使用中磨损至钢制固定器300上形成的磨痕360恰好贯穿磨损表示凸棱350的点之后的示例镐(如这里所用，磨痕为使用中通过磨损暴露的工具的表面)。在该阶段，应将挖掘工具100从碾磨设备(未示出)中移除，从而降低嵌入件200与固定器300分离并损坏设备上其它工具和或丢失的风险。
为了减小应力，可能避免在接触点处的尖锐角度。例如，边缘和角可以是弧形或倒角，并且孔的边缘可以设有弧面或倒角，以便减小产生应力相关裂纹的风险。
可以通过冷缩配合将插入轴固定在孔内。如本文所用，冷缩配合是组件之间的过盈配合的一种，其通过在至少一个组件中的相对尺寸变化而实现(形状也可以有一些变化)。这通常是通过在安装前加热或冷却一个组件并容许其在安装后恢复至环境温度而实现。冷缩配合被理解为与按压配合相对，按压配合中组件被强制压入另一个组件内的孔或凹陷中，这可能包括在组件之间产生很大的摩擦应力。冷缩配合有可能导致邻近孔的固定器的区域(未示出)处于圆周拉伸应力的静态状态。在一些挖掘工具的示例中，邻近孔的固定器内的区域可以处于至少约300MPa或至少约350MPa的圆周(或环向)静态拉伸应力的状态，并且在一些挖掘工具中，圆周静态拉伸应力可以至多约450MPa或至多约500MPa。如本文所用，工具或元件的静态应力状态指的是在静止条件下的工具或元件的应力状态，比如当工具或元件没有被使用时可能存在。
插入轴和固定器的孔之间的过盈量是它们之间尺寸的差别，其可以被表示为尺寸的百分比。例如，在插入轴(和孔)具有大致为圆形横截面的配置中，过盈量可以用直径的百分比表示为直径的不同。插入轴和孔之间的尺寸期望至少依赖于插入轴的直径来选择，并且可能至少约为插入轴直径的0.002％。在一个示例中，插入轴的直径约为2.5cm而插入轴和孔之间的过盈量约为插入轴直径的0.08％。插入轴和孔之间的过盈量可以至多约为插入轴直径的0.3％。如果过盈量太大，当钢制固定器被冷缩配合到插入轴上时，可能会超过固定器的钢制材料的弹性限度，导致孔附近的钢的一些塑性形变。如果过盈量不足够大，则冷缩配合可能不足以在使用时使嵌入件被固定器牢固地固定。
在使用时，驱动安装在挖掘工具上的冲击尖端，以冲击待分解的主体或结构。在道路碾磨或采矿中，可将多于一个镐安装在辊筒上。辊筒将与车辆联接并由车辆驱动，例如当辊筒转动时，引起辊筒转动并且镐反复地撞击沥青或岩石。镐一般会被配置为使得每个冲击尖端不直接用顶点的顶部冲击主体，但是略微倾斜以实现挖掘动作，在该动作中主体通过冲击尖端被局部裂解。冲击尖端对硬材料的反复撞击可能导致冲击尖端和或镐的其它部分的磨损和或断裂。
通过该公开设想了冲击尖端的各种示例配置，其中一些在下面进行描述。
在一些示例配置中，冲击结构可包括含有金刚石颗粒的PCD材料，所述金刚石颗粒具有至少约15微米的平均尺寸。用作PCD材料的原材料的金刚石颗粒的尺寸分布可以是多模式的，和或包含在PCD材料中的共生金刚石颗粒的尺寸分布可以是多模式的(后者的尺寸分布可以通过PCD材料抛光表面的图像分析进行测量)。
与冲击端的至少某冲击区域邻近的冲击结构的至少一部分区域可包括PCD材料，该PCD材料包括金刚石颗粒之间的间隙中的填充剂材料，填充剂材料的含量大于该区域中PCD材料的重量的5％。如本文所用，冲击区域为当使用挖掘工具冲击主体或结构时，可以撞击性地接触需要拆解的主体或构造的冲击端的区域。填充剂材料可包括用于金刚石的催化剂材料，比如钴、铁、镍和或锰，或包括其中任意一种或多种的合金或化合物。在一些配置中，冲击区域可包括基本上在整个冲击端之上延伸覆盖的顶端。在一些配置中，冲击结构可基本上由PCD材料构成，该PCD材料包含在金刚石颗粒之间的间隙中的填充剂材料，填充剂材料的含量在整个冲击结构中基本上是均匀的，或者填充剂材料的含量可以在从PCD材料的重量的至少5％至约20％的范围内变化。
至少部分的冲击端可以大致为圆锥形，并且在一些配置中冲击端可具有球形钝锥的大致形状，其中顶点在该大致形状中是圆锥尖端。至少部分冲击表面或与冲击表面相切的至少一部分可与冲击尖端外围侧相切的平面呈一角度倾斜，该角度为至少约35度或40度并且至多约55度或45度。在一个具体示例中，角度可以大体上为43度。
在各种示例配置中，界面边界可基本上是平面或非平面，并且可包括在基底主体中的凹陷和或从基底主体中的凸起。例如，界面边界可以大致为圆顶形，并由基底的凸面近端边界限定。基底的近端边界可具有至少约1mm，至少约2mm或至少约5mm和或至多约20mm的纵向平面内的曲率半径。在一些示例中，可能在与冲击结构的顶端相对的基底近端边界端中存在凹陷(凹面)。在示例配置中，在顶端和与顶端相对的界面边界之间的冲击结构的厚度可以至少约为2.5mm，和或至多约为10mm。顶端和与顶端相对的冲击尖端基底的远端之间的冲击尖端的高度可以至少约9mm。在一些示例配置中，基底的近端可具有至少部分被外部支架围绕的大致为圆顶形的中心区域，其中圆顶形区域可包括中心凹陷，或不必包括中心凹陷。
基底可包括钨钴硬质合金。在一些示例中，超硬材料可以形成为与基底连接，这意味着超硬材料以大致相同的步骤生产(例如烧结)，其中超硬结构连接至基底。基底可包括烧结碳化钨材料，该材料包括占其重量为至少约5％和至多约10％或至多约8％的粘合剂材料，其可以包括钴(该含量是在使基底经受可以生产超硬结构的任何高压、高温条件之前所测量的；在经过这种处理后的实际粘合剂含量可能会更低一些)。硬质合金材料可具有至少约88HRa的洛氏硬度；至少约2,500MPa的横向断裂强度；和或至少约8G.cm3/g和至多约16G.cm3/g或至多约13G.cm3/g的磁饱和，以及至少约6kA/m和至多约14kA/m的矫顽力。具有相对较低的粘合剂含量的硬质合金可能在使用中为尖端提供改进的硬度和支撑，这样可有助于减小断裂的风险，并可能显示出良好的耐磨性。
在一些示例配置中，冲击结构可大体上包括单一等级的PCD或其可包括以各种方式配置的多于一个PCD等级，比如以层状或层压配置。冲击结构可包括多于一层配置，使得相邻的层包括不同的PCD等级，相邻的层通过金刚石颗粒的共生而直接互相粘合。
在一些示例配置中，基底可包括中间体积和远端体积，中间体积被设置在冲击结构和远端体积之间。中间体积可大于冲击结构的体积并包括平均杨氏模量至少为超硬材料的杨氏模量的60％的中间材料。
下面将简要解释本文所使用的特定术语和概念。
合成金刚石和天然金刚石、多晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(cBN)和多晶cBN(PcBN)材料是超硬材料的示例。如本文所使用的，合成金刚石(也被称作人造金刚石)是已经制造出的金刚石材料。如本文所使用的，多晶金刚石(PCD)材料包含多于一个金刚石颗粒的聚合体，其主要部分彼此间直接相互结合，并且其中金刚石的含量占材料体积的至少约80％。金刚石颗粒之间的间隙可以至少部分地用填充材料填充，该填充材料包含用于合成金刚石的催化剂材料，或者可以基本上是空的。如本文所使用的，用于合成金刚石的催化剂材料能够在合成或天然金刚石热力学稳定的压力和温度下促进合成金刚石颗粒的生长和或合成或天然金刚石颗粒的直接共生。用于金刚石的催化剂材料的示例是铁、镍、钴和锰，以及包括这些元素的某些合金。包含PCD材料的主体可以包含至少某区域，在该区域中催化剂材料已经从间隙中移除，留下金刚石颗粒之间的间隙空间。如本文所使用的，PCD等级是根据金刚石颗粒的体积容量和或尺寸、金刚石颗粒之间的间隙区域的体积容量和可能呈现在间隙区域中的材料的成分特征划分的多种PCD材料。不同的PCD等级可以具有不同的微观结构和不同的机械性能，诸如弹性(或杨氏)模量E、弹性模量、横向断裂强度(TRS)、韧性(诸如所谓的K1C韧性)、硬度、密度和热膨胀系数(CET)。不同的PCD等级在使用中也会有不同的表现。例如，不同PCD等级的耐磨率和抗裂强度可以不同。
如本文所使用的，PCBN材料包含分散在包含金属或陶瓷材料的基质中的立方氮化硼(cBN)颗粒。
超硬材料的其他示例包括某些复合材料，其包含通过包含陶瓷材料，诸如碳化硅(SiC)的基质保持在一起的金刚石或cBN颗粒、或硬质合金材料，诸如结合钴的WC材料(例如，如申请号为5453105或6919040的美国专利所描述的)。例如，某些结合SiC的金刚石材料可以包含占其体积至少大约30％的分散在SiC基质(可以包含少量的除了SiC形式之外的Si)中的金刚石颗粒。结合SiC的金刚石材料在美国专利申请号为7008672；6709747；6179886；6447852；和国际申请公开号为WO2009/013713的专利中描述。

Claims (19)

1.一种用于路面裂解或采矿的挖掘工具，其包括嵌入件和固定器，所述嵌入件包括连接至插入轴近端的超硬冲击尖端，所述插入轴通过设在所述固定器中的孔内的过盈配合被固定，所述插入轴具有纵向轴，并且所述插入轴的远端在所述孔内以嵌入深度放置；在所述固定器的外表面上设置有磨损限制标记并放置为对应于沿着所述插入轴离开所述远端的轴向距离，所述距离为所述嵌入深度的至少20％和至多35％。
2.如权利要求1所述的挖掘工具，其中，所述插入轴在所述孔内为冷缩配合。
3.如权利要求1或2所述的挖掘工具，其中，所述冲击尖端包括连接至硬质合金基底的PCD材料。
4.如上述任一权利要求所述的挖掘工具，其中，所述嵌入深度至少为30mm并至多为70mm。
5.如上述任一权利要求所述的挖掘工具，其中，所述纵向距离至少为6mm并至多为21mm。
6.如上述任一权利要求所述的挖掘工具，其中，所述嵌入深度至少为50mm并至多为60mm并且所述纵向距离至少为10mm并至多为14mm。
7.如上述任一权利要求所述的挖掘工具，其中，所述磨损限制标记被放置在所述固定器的一侧上。
8.如上述任一权利要求所述的挖掘工具，其中，所述磨损限制标记周向地延伸围绕所述插入轴的至少部分路径。
9.如上述任一权利要求所述的挖掘工具，其中，具有多于一个的磨损限制标记，其被配置为表示至少上部和下部的磨损限度。
10.如上述任一权利要求所述的挖掘工具，其中，所述磨损限制标记对肉眼是可见的。
11.如上述任一权利要求所述的挖掘工具，其中，通过设置用于该目的的检测装置，所述磨损限制标记被配置和标定尺寸以用于检测。
12.如上述任一权利要求所述的挖掘工具，其中，所述磨损限制标记与所述固定器整体形成。
13.如上述任一权利要求所述的挖掘工具，其中，所述插入轴含有烧结碳化钨，其具有至少90HRa的洛氏硬度和至少约2,500MPa的横向断裂强度。
14.如上述任一权利要求所述的挖掘工具，其中，所述插入轴含有具有至少7G.cm3/g和至多11G.cm3/g的磁饱和和至少9kA/m和至多14kA/m的矫顽力的烧结碳化钨材料，所述硬质合金材料碳化钨颗粒和重量含量至少5％和至多10％的含钴粘合剂材料。
15.一种使用如上述任一权利要求所述的挖掘工具的方法，所述方法包括将所述挖掘工具连接至用于裂解结构或主体的载体设备，使用所述挖掘工具裂解所述结构或主体，检查所述挖掘工具，以确定所述固定器是否已经磨损至使用时所述固定器上产生的磨痕从所述孔的近端延伸至所述固定器上由所述磨损限制标记表示的位置的程度。
16.如权利要求15所述的方法，包括从所述固定器中移除所述插入轴和将所述插入轴冷缩配合到新的固定器中，以再次使用。
17.如权利要求16所述的方法，包括加工所述被移除的插入轴，用以提供修整的插入轴，提供具有被配置为容纳所述修整的插入轴的孔的新固定器，和将所述修整的插入轴冷缩配合到所述新固定器的孔中。
18.如权利要求15至17任一所述的方法，包括从所述插入轴中移除所述冲击尖端和将所述冲击尖端连接至新的插入轴，以再次使用。
19.一种基本上如这里参考所附附图中例示的任一实施例所述的用于路面裂解或采矿的挖掘工具。
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