CN110799298A - 用于以凿钻方式加工岩石的钻头 - Google Patents

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Abstract

一种用于以凿钻方式加工岩石的钻头(1)，具有在插入端部(6)上的冲击面(7)、在其内设有输送通道(35)的空心杆(4)和钻头头部(2)。钻头头部(2)在端侧(12)上具有三个或更多个刀具(14)和一个或多个吸入口(3)。在钻头头部(2)内布置有将吸入口(3)与输送通道(35)连接的吸入通道(30)。吸入通道(30)的横截面从吸入口(3)朝着输送通道(35)增大。与具有恒定的或者甚至减小的横截面的吸入通道(30)相比，扩展的吸入通道(30)显示出较小的堵塞趋势。

Description

用于以凿钻方式加工岩石的钻头
技术领域
本发明涉及一种用于以凿钻方式加工岩石的钻头。特别地，本发明涉及一种钻头，在该钻头中产生的钻屑可以通过空心杆运走。钻头没有且不需要螺旋状的杆。
发明内容
用于以凿钻方式加工岩石的钻头具有在插入端部上的冲击面、在其内设有输送通道的空心杆和钻头头部。钻头头部在端侧上具有三个或更多个刀具和一个或多个吸入口。在钻头头部内布置有将吸入口与输送通道连接的吸入通道。吸入通道的横截面从吸入口朝着输送通道增大。与横截面恒定甚至减少的吸入通道相比，该扩大的吸入通道显示出更低的堵塞趋势。
一个实施方式规定，在布置于刀具高度上的刀具区段内，吸入通道的横截面在朝向输送通道的方向上增大。该横截面尽可能在该端侧附近变化。
一个实施方式规定，与穿过吸入通道的横截面相比，该吸入口具有更小的横截面。
一个实施方式规定，这些吸入通道与钻头的侧面间隔开。
一个实施方式规定，与吸入通道的更远离侧面的内表面相比，吸入通道的更靠近侧面的内表面相对于钻头轴线具有更小的倾斜度。
在一个实施方式中，吸入通道的与吸入口相邻接的第一区段具有相对于钻头轴线的第一倾斜度，且吸入通道的与空心杆相邻接的第二区段具有相对于钻头轴线的第二倾斜度。第二倾斜度大于第一倾斜度。
在一个实施方式中，吸入口是三角形的。
钻头的刀具优选地由烧结的碳化钨制成。硬质材料特别适合于以凿钻方式加工岩石。刀具可以具有前刀面和后刀面，该前刀面和后刀面两者都形成冲击面的一部分并且沿着凿棱彼此接触。该几何形状特别适合于以凿钻方式加工岩石。
附图说明
以下的描述借助于示例性的实施方式和附图解释本发明。在图中：
图1示出了钻头，
图2以侧视图示出了钻头的钻头头部，
图3示出了通过钻头头部的剖视图，
图4示出了钻头头部的端侧的俯视图，
图5以侧视图示出了钻头的钻头头部，
图6示出了通过钻头头部的剖视图，
图7示出了钻头头部的端侧的俯视图，
图8示出了通过钻头头部的剖视图，
图9示出了通过空心杆的剖视图，
图10示出了通过空心杆的剖视图。
除非另有说明，否则相同的或功能相同的元件在图中用相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1示出了示例性的钻头1。钻头1具有带吸入口3的钻头头部2、带吸出接头5的空心杆4和带冲击面7的插入端部6。套环8可以包围吸出接头5。
钻头1被设计用于去除矿物建筑材料，例如混凝土、砖。插入端部6可以插入手持式工具机，例如钻机、钻锤中。手持式工具机的冲击机构周期性地冲击在插入端部6上的冲击面7。该冲击的冲击波穿过空心杆4沿冲击方向9一直达到钻头头部2。钻头头部2使矿物材料破碎。钻头1优选地在各冲击之间沿旋转方向10围绕其钻头轴线11旋转。钻头1在不同的取向上连续地冲击材料。产生的钻屑可以直接从钻头1的端侧12上从钻孔中去除。真空吸尘器被连接到套环8。气流直接在钻头1的端侧12上抽吸吸入口3处的钻屑。碎屑被在空心杆4内运走。
示例性的钻头头部2具有基座13和嵌入在基座13中的多个刀具14。刀具14形成钻头头部2的尖端15。刀具14相对于基座13沿冲击方向9突出。钻头头部2的端侧12由刀具14的指向冲击方向9的端面16和基座13的端面17组成。基座13具有圆柱形侧面18。优选地，刀具14相对于侧面18在径向方向上突出。侧面18可以在刀具14下方是周向闭合的。基座13的底侧19被布置在空心杆4上。底侧19可以以焊接、钎焊方式或以类似方式与杆4以材料配合连接的方式连接。在其他实施方案中，钻头头部2可以借助于螺纹连接、卡口式连接或优选地锥压连接(Kegelpressverbindung)(图6)与杆4相连接。
刀具14优选地由烧结的含碳化钨的材料制成。在一个实施方式中，基座13的周向围绕刀具14的区段可以由含烧结的碳化钨的材料制造，而形成底面的区段21可以由烧结的铁基材料制造(图3)。
刀具14围绕钻头轴线11呈星形地布置。刀具14整体地连续地，特别是没有通过焊接、钎焊、夹紧等形成的接合区彼此相连接。刀具14优选由含碳化钨的材料烧结而成。刀具14优选地围绕钻头轴线11规则地或成对规则地布置。例如，四个相同的刀具14在旋转方向10上以90度的间隔布置。在其他实施方式中，刀具可以不同地设计。例如，钻头头部具有主刀具和副刀具。该示例性的实施方式示出了四个刀具14；在其他实施方式中，钻头头部2可具有三个、五个或六个刀具14。
每个刀具14分别具有在冲击方向9上突出的凿棱22，该凿棱沿径向方向朝钻头头部2的尖端15收尾。凿棱22可以是直线的或弯曲的。凿棱22优选是相同地或成对相同地设计的。在所示的实施方式中，所有凿棱22都延伸至尖端15；在其他实施方式中，仅主刀具的凿棱延伸至尖端15。钻头头部2的唯一的尖端15优选位于钻头轴线11上。
每个刀具14的在冲击方向9上指向的端面16由前刀面23和后刀面24形成。前刀面23和后刀面24两者均指向冲击方向9并且沿凿棱22彼此接触。前刀面23和后刀面24在径向方向上扩展。前刀面23和后刀面24从与外边缘面25邻近处一直延伸到钻头轴线11或延伸到钻头轴线11的附近。在钻头头部2的通常的旋转方向10上，前刀面23相对于后刀面24是处在前方的。从钻头头部2上来看，该通常的旋转方向10是逆时针的。前刀面23和后刀面24相对于钻头轴线11是倾斜的。前刀面23逆着旋转方向10沿冲击方向9上升；后刀面24逆着旋转方向10沿冲击方向9下降。因此，前刀面23和后刀面24是相对于彼此倾斜的。在前刀面23和后刀面24之间的顶角26大于45度，例如大于60度且小于120度。顶角26可以在径向方向上是恒定的或是变化的。
刀具14的背离钻头轴线11的边缘面25优选地与钻头轴线11平行地取向。边缘面25以其到钻头轴线11的径向距离限定钻头头部2的直径27。边缘面25形成破碎刃28，该破碎刃在钻孔期间贴靠在钻孔壁上。破碎刃28通过破碎径向突入钻孔中的岩石，从而支持圆柱形形状的钻孔的形成。边缘面25优选地在径向方向上相对于圆柱形基座13的侧面18突出。刀具14将侧面18的上部区段划分成多个圆柱形扇区。侧面18的与上部区段连接的下部区段优选地在周向上是闭合的，即，是完全圆柱形的。
在钻头头部2的端侧12上设有多个吸入口3。吸入口3可以布置在相邻的凿棱22之间的中心。吸入孔3优选位于基座13的端面17中。吸入孔3在圆周上是闭合的，为此，吸入孔3与侧面18间隔开地布置。吸入孔3的径向距离例如在钻头头部2的直径的5％与20％之间。吸入孔3沿钻头轴线11与凿棱22错开地布置。吸入孔3低于凿棱22，并且因此不会影响或在可忽略的程度上影响钻头头部2的凿钻功能。吸入口3与尖端15之间的轴向偏差29优选大于钻头1的直径27的15％。
吸入通道30分别将端侧12的吸入口3与钻头头部2的底侧19相连。预先给定的流动方向31是从吸入口3到底侧19，即逆着冲击方向9。吸入通道30横向于流动方向在整个长度上是闭合的。吸入通道30为此完全在基座13的内部延伸。
吸入通道30沿着流动方向31接近钻头轴线11。该接近不是直线地进行的，而是吸入通道30是至少分段地弯曲的。吸入通道30的与吸入口3相邻接的上部区段32基本上平行于刀具14，即，平行于钻头轴线11。吸入通道30在流动方向31上不接近或仅在小的程度上接近刀具14。在上部区段32中吸入通道30与钻头轴线11的接近度优选小于钻头1的直径27的5％。可以使用在垂直于钻头轴线11的横截面中的形心作为用于确定径向距离的量度。上部区段32在刀具14的高度的至少50％、例如75％上延伸，优选至少在刀具14的整个高度上延伸。上部区段32可以直线地或弯曲地设计。吸入通道30的与空心杆4相邻接的下部区段33相对于刀具14是倾斜的。下部区段33在朝向杆4的方向上逐渐接近钻头轴线11。吸入通道30的下部区段33可以以在10度和30度之间的倾斜度进入空心杆4中。吸入通道30优选地在钻头1的直径27的5％和30％之间接近钻头轴线11。示例性的下部区段33是连续弯曲的。下部区段也可以直线地构造。将上部区段与下部区段连接起来的区段相应地是弯曲的。吸入通道30的所有弯曲的区段优选地具有大于钻头1的直径27的80％的曲率半径。吸入通道30在其整个长度上具有光滑的内壁。具有大曲率半径的平缓的弯曲有助于在吸入通道30中平稳地输送钻屑。特别地，避免了夹住或卡住较大的钻屑。
吸入口3具有是端侧12的10％至25％的面积比例。高的比例是有利的，以确保运走钻屑。吸入通道30可以具有沿流动方向31扩大的横截面。吸入通道30在吸入口3处或靠近吸入口3处具有最小横截面。横截面的变化减小了堵塞吸入通道30的倾向。横截面的面积变化至少30％，优选变化大于60％。在垂直于钻头轴线11的平面中确定横截面的面积。该变化优选全部或主要在上部区段32内发生，即，在刀具14的高度上。吸入通道30的径向外壁优选地平行于钻头轴线11，而吸入通道30的径向内壁接近钻头轴线11，以获得横截面扩大。
示例性的吸入口3是非圆形的。吸入口3具有三角形的形状。吸入口3的角可以是尖的或倒圆的。连接这些角的边可以是直的或拱形的。三角形的特征是，可以将一个圆内切到吸入口3中，该圆在恰好一个点上接触三个边中的每个边。此外，三角形的特征是，在内切圆的中心与边之间的距离从角开始一直到被圆接触的点连续地减小。吸入口3的一个角指向钻头头部2的尖端15。在该角处的内角34优选地大约对应于在相邻的刀具14之间的角距，例如90度。在本文中“大约”描述了小于20％的偏差。吸入口3的面积明显大于内切圆的面积。吸入口3的面积至少大30％，例如至少大100％。
空心杆4具有沿钻头轴线11延伸的输送通道35。输送通道35在杆4的长度上具有恒定的横截面。输送通道35的横截面的面积优选等于吸入通道30的横截面的总和。输送通道35具有例如是杆4的横截面的15％至65％的面积比例。输送通道35可以对中地布置在钻头轴线11上。输送通道35终止在钻头头部2的下方，特别是在基座13的下方。输送通道35的端部最好是球状地
Figure BDA0002336284410000051
倒圆的。
钻头头部2的吸入通道30通入空心杆4的输送通道35中。入口在输送通道35的一端处或附近。入口处的表面是倒圆的。
在输送通道35的背离钻头头部2的一端上布置有吸出接头5。吸出接头5在输送通道35中包含径向穿孔36。套环8优选气密地包围在穿孔36的区域中的圆柱形的杆。套环8可以相对于杆4旋转。
钻头1的示例性的插入端部6被设计成用于使用旋转凿钻式的手持式工具机。插入端部6具有基本上圆柱形的形状。插入端部6具有两个闭合的槽37，手持式工具机的闭锁元件可以沿径向啮合到该槽中并且沿着钻头轴线11滑动。沿着钻头轴线11取向的沟槽38允许导入手持式工具机的转矩。
钻头1优选地由不同的材料制成。杆4和插入端部6优选地由坚韧且可延展的钢制成。钻头头部2的刀具14由非常硬且耐磨的烧结碳化钨制成。碳化钨具有至少70体积％的体积比例。金属粘合剂优选包含一种或多种金属：钴和镍。例如粘合剂可以完全由钴构成。
钻头头部2不能以通常的方式在原型中制造，随后对该原型进行切削加工，以形成吸入通道30。下面提出一种制造方法，利用该制造方法可以形成期望的吸入通道30。在不偏离其原理的情况下，可以在细节上修改所描述的制造方法。
通过喷射具有碳化钨和金属粘合剂的悬浮液来制备薄的粉末层。粘合剂被结构化地印刷到粉末层上。粘合剂描绘出通过钻头头部2的横截面。粉末层和粘合剂的沉积被如此频繁地重复，直到复制出钻头头部2的毛坯。多余的粉末，特别是在吸入通道30中的多余的粉末，可以用水清除。水渗透到未通过粘合剂连接的层之间并使这些层破碎。形成的毛坯现在对应于钻头头部2的形状。可以烧结生坯。
在钻头头部2的制造中的问题基于对钻头头部2的高的机械要求，其仅允许非常低的孔隙率。钻头头部2的必要密度必须大于理论上可达到的值的98％。生坯为此在烧结前的密度必须至少是理论密度的50％。烧结伴随典型的收缩，该收缩自该值起将孔充分地封闭。借助于在模具中压实生坯的常规方法达到这些值。原则上仅通过重力产生的各层之间的松散的接合在这里给我们提出了新的挑战。
一种非常有前途的方法是基于由碳化钨和氧化钴组成的粉末混合物。在形成生坯之后，氧化钴被转化成钴。悬浮液含有作为液体的水或醇，优选异丙醇。液体与粉末的比例在3比1至5比1的范围内。悬浮液可以在压力下通过细喷嘴均匀地喷射。在喷射后，将层在略高于室温下干燥。所述层具有在20μm和30μm之间的范围内的均匀的厚度。粘合剂是以聚乙烯亚胺的水溶液为基础。聚乙烯亚胺对要粘合的碳化钨的晶粒显示出非常高的亲和力。由此实现良好的粘合。在溶液中的聚乙烯亚胺的重量百分率可以在1％和5％之间。在印刷之后，将粘合剂在略高于室温下干燥。在施加最后的层之后，将粘合剂在烘箱中在约150摄氏度(℃)下固化。随后，用水将多余的粉末除去。通过将生坯在含氢的气氛中在600℃至700℃下保持数个小时，在生坯中的氧化钴被转化为钴。最后，可以在1250℃和1400℃之间的温度下烧结生坯。
基座13的含铁的下部区段21也可以通过三维成型进行制造。例如，生坯也可以被打印并且接着进行烧结。此外，诸如激光沉积焊接、选择性激光熔化(SLM)或选择性激光烧结(SLS)之类的工艺也可以用于生产钢体。
钻头头部39的另一个实施方式在图5、图6和图7中示出。刀具14是十字形构造的，如在图2的实施方式中那样。刀具14优选地由碳化钨烧结而成。与在前述的实施方式中一样，基座40具有上部区段41和下部区段42。与前述的实施方式的不同在于，基座40由一种材料形成。在这种情况下，上部区段41也由含铁的材料形成。上部区段41具有十字形的槽，在该槽中插入刀具14。因此，钻头头部2的端侧12由硬的刀具14和相对较软的基座40的端面43组成。刀具14可以与基座40钎焊或焊接起来。
吸入通道30封闭地在基座13的上部区段41中延伸。吸入通道30不仅与钻头头部2的周面，而且与刀具14都间隔开。通道的走向和通道的其他的特性可以对应于前述的实施方式。
在图8中示出了另一个实施方式。钻头头部44也具有基座40和四个刀具14。基座40和刀具14可以像在前述的实施方式之一中那样成形。吸入口3被布置在基座40上，吸入通道30与前述的实施方式类似地在基座40中延伸。空心杆45具有输送通道46和芯47。芯47是杆状的实心结构，其位于钻头轴线11上。对冲击面7的冲击通过芯47传递到刀具14上。输送通道46可以例如以环形方式包围芯47(图9)。吸入通道30通向输送通道46中。芯47可以通过撑杆48支撑在杆4的外壳上(图10)。撑杆48可以将输送通道46分成多个通道，例如可以为每个吸入通道30分配一个输送通道35、48。

Claims (7)

1.一种用于以凿钻方式加工岩石的钻头(1)，具有：
在插入端部(6)上的冲击面(7)；
空心杆(4)，在该空心杆内设有输送通道(35)；
钻头头部(2)，该钻头头部在端侧(12)上具有三个或更多个刀具(14)和一个或多个吸入口(3)，并且在该钻头头部内布置有将所述吸入口(3)与所述输送通道(35)连接的吸入通道(30)，
其特征在于，所述吸入通道(30)的横截面从所述吸入口(3)朝着所述输送通道(35)增大。
2.根据权利要求1所述钻头(1)，其特征在于，在所述刀具(14)的布置于所述刀具(14)的高度上的区段(32)内，所述吸入通道(30)的横截面在朝向所述输送通道(35)的方向(31)上增大。
3.根据权利要求1或2所述的钻头(1)，其特征在于，与穿过所述吸入通道(30)的横截面相比，所述吸入口(3)具有更小的横截面。
4.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述吸入通道(30)与所述钻头头部(2)的侧面(18)间隔开。
5.根据权利要求4所述的钻头(1)，其特征在于，与所述吸入通道(30)的更远离所述侧面(18)的内表面相比，所述吸入通道(30)的更靠近所述侧面(18)的内表面相对于所述钻头轴线(11)具有更小的倾斜度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的钻头(1)，其特征在于，所述刀具(14)具有前刀面(23)和后刀面(24)，所述前刀面和后刀面两者形成所述冲击面(7)的一部分并且沿着凿棱(22)彼此接触。
7.根据前述权利要求中任一项所述的钻头，其特征在于，所述刀具(14)由烧结的碳化钨制成。
CN201880042755.4A 2017-06-27 2018-06-20 用于以凿钻方式加工岩石的钻头 Active CN110799298B (zh)

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