CN1070986C - 自转动和自刃磨的截齿和切削方法 - Google Patents

Abstract

一种自转动及自刃磨的截齿及切削方法，具有一般为圆形的可转动切削元件(2)，它这样来安装及移动使得切削元件(2)的切削角在90°至120°之间和倾斜角在5°至40°之间。切削元件(2)具有凸形的前面及沿着刀刃周边变化的后角和前角。

Description

自转动和自刃磨的截齿和切削方法

本发明一般地涉及自转动和自刃磨的截齿和切削方法，设计它可用来挖掘、刨、钻石块、土和其它非金属脆性材料，用来对结构材料进行破碎、制造及处理，并且它可安装在相应的设备上，用来对上述提到的材料切削及破碎。

一般地，切削过程的机理如图1所示。石块之类的材料的切削是由于设备的传动装置产生的切入力T及切削力的法向分量C_n进行的。在这些力的作用下，刀具同时沿水平及垂直方向移动，产生可克服石块的阻力的复杂应力。

在分配到截齿前面的力C_n的作用下，在石块中形成的压应力并不大到足以破坏石块，但是使石块受到预负载以抵抗进一步的应变。

在切入力T的作用下，由截齿刀刃产生的高的负载集中，在石块中产生了剪切应力。此剪切应力使脆性材料中产生并扩展破坏性的裂纹。

同时，力C_n及T在靠近截齿的刀刃处产生超增压的石块的狭窄区域。即所谓的“核心”，它是能量积蓄区，当积蓄的能量超出石块的极限的阻力时，该能量可以爆炸的方式释放。

由于上述破坏性裂纹从刀刃处沿最低阻力的方向扩展，它们开始倾向朝着石块开放的表面。但是，这些裂纹不能越过由力C_n压缩的石块的体积的增加的阻力。因此，破坏的裂纹绕过压缩的石块并达到距截齿前面距离L处的开放表面，隔离石块的受应力体积并把碎屑与整个石块分开。

在连续的压缩及剪切应力复合的作用下，主要由于长的、活动中的破坏裂纹及在积累足够的能量之后可克服裂纹不足的核心爆炸，使连续的石块屑以无损的或近于无损的状态从大石块上分离下来。

因此，在有效的石块切削过程中，必需在截齿刀刃处保持大的负载集中。这由截齿的正的后角δ提供，使得法向力T仅作用在石块和截齿刀刃接触的细线上。该线接触是临界的，因为随着在该区域比较小的磨损，切削能力迅速降低。该接触区域的相当大的宽度使石块中应力集中降低并大大地阻止产生长裂纹。

有效的截齿必须具有高切削能力、切削元件的高耐用性、可靠的对过载的保护、截齿正后角的保持以及在截齿整个寿命期间其它原始参数的保持的最佳组合。

为达到上述质量要求中某一些的目的，已开发了多种刀具。

第一类碎石刀具包括具有不可转动的切削元件的截齿。US1174433公开了具有凸形前面的非转动的截齿。但是它有正的前角，在其纵向轴线和截齿后面的切削(处理)表面之间的夹角(定义为切削角)小于90°。它具有短的刀刃，正的前角和小的楔角。与本发明相比，该截齿的耐用性及耐磨性差，其只能用于破坏软的及不耐磨的石块。

US4538691和US4678237公开了不转动的截齿，它们具有平的前面和基本上负的前角的破坏石块的元件，由于升力的工作提供截齿对过载的保护。但是，所述的截齿具有低的切削能力，并要求大的推力以切入石块。其切削角不超过90°。

US4538690,US4558753和US4593777公开了非转动的截齿，它们具有带凹形前面的破坏石块的元件，该前面处在一个负的前角的方向上，用来增加截齿的耐用性(包括对过载的保护)。但是，该截齿也有低的切削及切入能力。截齿处在切削角小于90°的方向。

第二类授与专利的破碎石块的刀具包括具有对称切削元件的圆形截齿，它可以绕其纵轴线转动。

在这些转动刀具中的第一亚类中，截齿的破碎石块的元件具有圆锥形(正锥形)，由它们的圆锥形后面破坏石块，如US3650656,US3807804及US4804231中所公开的。俄罗斯专利1671850-A1公开了同样的所谓圆截齿型式，具有取决于可从0°至90°变化的切削角的有限的接触面积。所述的截齿是破碎型的，是在不产生长的破坯裂纹的情况下工作。截齿处在切削角不超过90°的方向。它们有凸形的前面及后面；零或负的后角及正的前角。它们的自我旋转是不可靠的，因此它们不能自刃磨。与本发明相比，这些截齿对石块的破坏具有明显更高的比能量要求。

这些可转动刀具的第二亚类包括用它们的前面破坏石块的截齿，例如如US5078219公开的。该截齿具有凸形的后面，正的后角及接近零的切削角。当其刀刃是锐利的时候，该截齿也是一截齿。但是，截齿的设计并不保护它免受快速的变钝。因为没有截齿磨损区域的修正，所以不可能进行截齿的自刃磨。如前所述，对法向力T，该接触区域较大的宽度大大地减小了切削能力。

可转动刀具的第三亚类由冲击式钻头来代表，例如在德国专利3336154-A1和3234521-A1中公开的。这些钻头具有一个带锐利前端的管形凿子形的可替换切削套筒。截齿具有比较小的楔角，较大的正的前角及小的后角。因此，这些截齿具有低的耐用性和抗磨性，它们只能用来破坏软的不耐磨的石块。与本发明相比，截齿具有比90°小得多的切削角，凹形的前面，凸形的后面，而且截齿不能自刃磨。

因此，本发明的目的是提供一种能避免现有技术缺点的自转动和自刃磨的截齿和切削方法。

更详细地，本发明的目的是提供一种自转动和自刃磨的截齿和切削方法，它能保证高的耐用性以及在全部寿命期限内保持高的原始的切削能力，这些和沿啮合表面的正常的磨损无关。

为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种自转动和自刃磨的截齿，它包括一可转动的切削元件；及夹持所述的切削元件的装置，其特征在于所述的切削元件具有超过90°的切削角及一个至少为5°的倾斜角。

本发明还提供了一种切削方法，包括下列步骤：提供可转动的截齿；用安装装置安装所述的切削元件；及移动所述的安装装置使得所述的切削元件有超过90°的切削角，及一个至少为5°的倾斜角。

当实行此方法，同时刀具按照本发明设计时，所提供下面的优点：

-刀具的显著的切削能力，它提供了对石块和其它类似材料高效的破坏。

-截齿绕其轴线连接的有力的自转动，它使截齿刀刃长度增加及沿其后面均匀的磨损；

-截齿连续的有力的自刃磨，通过磨去沿其后面的多余的切削元件的材料保持了截齿初始的沿其整个刀刃的正的后角；

-提高了截齿的耐用性，导致截齿高的可靠性及寿命，和增加了可加工材料的范围，这一点可能因为通过截齿的切削元件传递高的转动力而造成。

在脆性切削元件中的应力几乎完全是压缩的。

-在大部分切削元件被正常的磨损消耗前，截齿能有效的工作，这就提供截齿有长的寿命。

作为本发明特征来考虑的新特点将在所附的权利要求书中详述。通过下面结合附图对专门实施例的说明可明白本发明的结构及其操作方法，以及本发明其它的目的及优点，附图中：

图1是示意地表示出石块破坏的机理；

图2表示依据本发明提供转动截齿的切削装置的视图；

图3a表示出本发明的转动截齿的视图，该截齿具有切削元件，它有圆柱形的前面和平的后面；

图3b是表示本发明带有切削元件的旋转截齿的视图，该切削元件具有倒锥形的前面和平的后面；

图3c是表示本发明带有切削元件的旋转截齿的视图，该切削元件具有正锥形的前面和平的后面；

图3d是表示本发明带有切削元件的转动截齿的视图，该切削元件具有圆柱形的前面和凹形的后面；

图3e是表示本发明具有切削元件的转动截齿的视图，该切削元件，具有圆柱形的前面和凸形的后面；

图4a是表示本发明的具有一个简单的切削元件的转动截齿的视图，该切削元件处在一个圆柱形刀体上；

图4b是表示本发明具有多切削元件的转动截齿的视图，该多个切削元件处在阶梯圆柱体上；

图4c是表示本发明具有圆形横截面切削元件的转动截齿的视图；

图4d是表示本发明具有多角形横截面的切削元件的转动截齿的视图；

图4e是表示本发明具有雏菊形横截面的切削元件的转动截齿的视图；

图5a是本发明转动截齿的轮廓图，表示出了斜交角；

图5b是表示本发明的转动截齿的主纵向截面和所有的垂直平面角的视图；

图5c是表示本发明转动截齿的横截面的视图，和

图6是本发明转动截齿切削时的轴测视图。

按照本发明的截齿(图2,3,4)具有一刀体，其标号为1，及一切削元件或镶块，其标号为2，刀体还设有一尾部3，它用来使截齿绕其纵轴线转动并用来夹住截齿。

从图2可见，截齿的尾部安置在刀夹4中，并被护圈5挡住。该刀夹或多个刀夹相互对齐，并连接到刀具支座6上。提供各转动截齿的空间方向的主角，由刀夹安装到刀具支座上来确定，这在下面讨论。截齿的尾部3，因而夹在刀夹内的转动截齿可绕其纵轴线转动并沿轴向固定。

按常规，圆柱形或锥形主体由具有很大弹性及强度的合金钢制成。

镶块2(图3)是环形的，可制成一整体环或用几个分段构成的组合环。环的内口可以是圆柱形或圆锥形的，而其与刀体接触的表面可以是平的或弧形的。在本发明的其它实施例中，整个截齿可无例外地由一种材料制成。

镶块的上表面可以是平的，如图3a,3b,3c所示。它也可以是凹形的，如图3d所示，或者是凸形的，如图3e所示。是截齿前面的环的外表面总是具有由圆柱体的母线形成的凸形如图3a,3d和3e所示，或者是正锥形，如图3c所示，或者是倒锥形，如图3b所示。

切削元件的外轮廓可以是直线的，如图4a所示，或者是阶梯形的，如图4b所示。

切削元件的横截面形状可以是圆的，如图4c所示，或多边形的，如图4d所示，或雏菊形的，如图4e所示。

按常规，镶块由硬质的耐磨材料制成，优选地由碳化钨类的烧结硬质合金制成。镶块前面的凸形是优选的，因为切削力直接指向环的中心，并且分解成主要为安全的压缩应力，而不是拉伸应力，后者对构成镶块的硬质合金的脆性材料是很危险的。

由于把切屑分散到截齿的两侧，截齿的前面的凸形也有助于从切削区更有效地除去已破坏的石块。

镶块与刀体的连接可通过用高温钎焊填料进行的钎焊，特别对于组合环，或用压配合进行。环形镶块对铜焊材料提供了半封闭的容器，以确保刀体和镶块的耐久的和可靠的连接，这在动力载荷的条件下是特别重要的。另一方面压配合消除了残余热应力，它是高温钎焊由于连接元件的不同的膨胀系数造成的特点。

对于切削非磨损材料，推荐用不再分成刀体及镶块的整体截齿。但必须经过专门的热处理，例如等温淬火，以对截齿的主体部分和切削元件部分提供不同的硬度。

本发明的主要的新特点是本发明的方法使得转动截齿以超过90°的切削角β朝向要切削的石块的表面，如图2,5d所示。

在图5a及5c中所示的倾斜角α是在被切削的石块表面的平面中测量，并且是刀头纵轴线的投影与刀头运动的方向之间的夹角。

倾斜角确定了提供石块切削的切削力C(Q=cosα)，和促进截齿绕自身纵轴线转动的转动(压碎)力Q_rot(Q_rot=Q_sinα)。

刀具的切削角β，加上刀具的倾斜角α提供了使刀具的主要参数最佳化的有利条件(包括截齿刀刃的前角Ψ和后角δ)。

由切削角β及倾斜角α确定的刀具的空间方向赋予下列性能：

截齿的前面是镶块的凸表面，而截齿的后面是镶块的末端面；

刀具绕其纵轴线的转动(图5b,5c)是由于在刀具的力矩M_rot的作用下截齿刀刃沿着石块相应的表面的滚动而产生的。M_rot是由力Q_rot(和切入力)和切向力Q产生的摩擦力副。

刀具的直线运动的方向与石块的切削(破裂)方向不重合，后者对于刀具切削刃的各点是不同的，如图5c所示。

前角Ψ_i和后角δ_i的瞬时值沿着截齿的切削刃(图5c中AE弧)逐点连续变化。

在点B(图5c)，后角δ_b有最大的正值。在点B的左右两边，此角度减小(sinδ_i=sinδ_b cosε_i)，在点D为零，而在点E为负值。通过引入正角Δδ(图5b；Δδ=cosβsinα)对刀具后角的几何修正，提供了沿着截齿的整个切削刃(图5c中AE弧)的正的后角。因此，保持了对切削刃处石块高的应力集中所必需的这一条件。

在|Δδ|=|δ_e|这一条件下，点E处刀具的后角为零。由于连续地除去对保持沿着整个切削刃的正后角有干扰的后面材料，在径向线的E处，发生了自刃磨。随着沿切削刃的其余部分发生磨损的同时，在点E的周围发生了自刃磨。

在图5c中点B处，前角Ψ_b具有其最大的负值。点B的左右两边该角度就增加，正如所假设的在点D处为零值及在点E处为正值。因此，当与图5c中刀具切削刃弧AE上的其它点相比时，在点E处，每单位长度的切入力为最大。因此，在点E处摩擦和磨损的强度最大，与后角的零值相结合，提供了接近机械工具刃磨的条件。由于引入修正ΔΨ的正角(图5)，自刃磨的效果进一步增加。

在切削刃中心部位最大的截齿的负前角，有助于对过载的自我保护。负的前角产生使刀具从石块上抬起的升力，这种过载通常由要破碎的石块的硬度增加引起的。

由于下面的因素，截齿绕其纵轴线的连续转动是可靠的。

-由于正的后角，沿着截齿的后面没有显著的对转动的阻力；和

-使用相当大的切削力C(与切入力比较)，切削力C由切削设备的驱动产生，形成显著的Q_rot。

截齿沿着后面磨损的性质及轴向，以及通过自刃磨，使沿着截齿的整个刀刃连续恢复到后角的原始值，提供了截齿在切削模式中有效的工作，直到磨损基本消耗了镶块。

按照本发明切削角可以在90°到120°的范围内。倾斜角可在5°-40°的范围内。前角可在+15°到-15°的范围内。后角可在0°-20°的范围内。楔角可在50°-100°的范围内。

虽然具体以一个切削方法及转动截齿来描述及说明了本发明，但是不应限于所示的细节，因为在不背离本发明精神实质的条件下，可作出各种改型及结构改变。

Claims (17)

1．一种自转动和自刃磨的截齿，它包括一可转动的切削元件；及夹持所述的切削元件的装置，其特征在于所述的切削元件具有超过90°的切削角及一个至少为5°的倾斜角。

2．按照权利要求1的自转动和自刃磨的截齿，其特征在于所述的切削元件具有凸形的前面。

3．按照权利要求2的自转动和自刃磨的截齿，其特征在于所述的凸形的前面，具有从包括圆柱形、正锥形及反锥形的一组中选出来的形状。

4．按照权利要求1的自转动和自刃磨的截齿，其特征在于所述的切削元件具有一后面，具有从包括凸形、凹形、平面形及由上述形状组合的一组中选出的形状。

5．按照权利要求1的自转动和自刃磨的截齿，其特征在于所述的切削元件具有一纵向截面，其外形可从包括直线形和台阶形的一组中选出。

6．按照权利要求1的自转动和自刃磨的截齿，其特征在于所述的切削元件具有横向截面其外形从包括圆形，多边形及雏菊形的一组中选出。

7．按照权利要求1的自转动和自刃磨的截齿，其特征在于所述的切削元件的切削角在90°至120°之间。

8．按照权利要求1的自转动和自刃磨的截齿，其特征在于所述的切削元件的倾斜角在5°至40°之间。

9．按照权利要求1的自转动和自刃磨的截齿，其特征在于所述的切削元件的后角在-15°至15°之间。

10．按照权利要求1的自转动和自刃磨的截齿，其特征在于所述的切削元件的后角在0°至20°之间。

11．按照权利要求1的自转动和自刃磨的截齿，其特征在于所述的切削元件的楔角在50°至100°之间。

12．按照权利要求11的自转动和自刃磨的截齿，其特征在于所述的后角具有一正的角度修正，以提供给切削元件自刃磨，并由公式Δδ≤arc sin(sinαcosβ)确定，式中α是倾斜角，β是切削角。

13．一种切削方法，包括下列步骤：提供可转动的切削元件；用安装装置安装所述的切削元件；及移动所述的安装装置使得所述的切削元件有超过90°的切削角，及一个至少为5°的倾斜角。

14．按照权利要求13的方法中，其特征在于所述的安装步骤包括安装所述的切削元件以便提供所述的切削元件的切削角在90°至120°之间。

15．按照权利要求13的方法中，其特征在于所述的安装步骤包括安装所述的切削元件以便提供所述的切削元件对倾斜的两边均为10°至40°之间的倾斜角。

16．按照权利要求13的方法中，其特征在于安装步骤包括安装所述的切削元件以便提供所述的切削元件的前角在-15°至15°之间。

17．按照权利要求13的方法中，其特征在于所述的安装步骤包括安装所述的切削元件以便提供所述的切削元件的后角在0°至20°之间。

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