CN1294044A

CN1294044A - 高速打孔装置

Info

Publication number: CN1294044A
Application number: CN00131473A
Authority: CN
Inventors: 真崎繁; 今冈稔男; 佐藤九州男
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp; Nippon Diamond Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp; Nippon Diamond Co Ltd
Priority date: 1999-10-22
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2001-05-09
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: KR20010051107A; EP1093897A3; EP1093897A2; TW434363B; US6394717B1; EP1093897B1; CN1250376C; SG87177A1; DE60028495D1; ATE328715T1; DE60028495T2; HK1035512A1

Abstract

公开的是一高速打孔装置(1),包括一体地插入有一圆筒形旋转轴(11)的一转子(17),绕转子(17)的外周设置一定子(18)以及直接连接到旋转轴头端部分上的一取心钻具(13)。具有大至40mm外径和小于2mm切削刀刃厚度的一钻头(15)用于取心钻具(13)。通过以4000rpm或更高的一高速旋转的取心钻具(13)来进行打孔,取心钻具由一直接式电机(2)驱动,该电机(2)包括转子(17)与定子(18)。通过高速旋转取心钻具可以显著地缩短打孔时间。

Description

高速打孔装置

本发明涉及一高速打孔装置，例如当要为混凝土结构的柱形构造设置锚钉等时，其在包括混凝土结构的要打孔的材料内高速地钻出环形孔。

本说明书基于日本专利申请(平11-301753、平2000-049943、平2000-176035)，并且这些申请的内容在此被引为参考。

为了增强由混凝土制造的已有墙壁，可知下列方法：首先，在墙壁内制造一大尺寸的孔，以提供一开口；接着，将用铁制造的一撑杆(对角撑杆)设置到这样形成的开口内；并且然后用混凝土固结设置在开口的内周面内的撑杆与锚钉，从而增强整个墙壁。在此情况中，每一锚钉被容纳在一孔内并且置于其内，其中所述的孔被配置在内周面内。

用于设置一锚钉的孔是通过使用一装置来形成的，该装置包括一具有一环形钻头80a的取心钻具80，该环形钻头由金刚刀片、粘结的碳化物刀片等组成，其位于一圆筒件的端部；所述装置还包括一马达81，用于绕其轴线转动取心钻具80，如图9所示。

即，在钻头80a被压靠到要打孔的一混凝土82上的同时，通过旋转设置在取心钻具80端部的钻头80a，形成一具有一柱形形状的芯部83，随后从混凝土82内侧拉出取心钻具80。

接着，在芯部83的根部断裂后，拉出保留在混凝土82内侧的芯部83，从而形成一孔，例如其具有直径为20～35mm和深度为200mm程度的尺寸，用于设置一锚钉。

在上述装置中，作为发动机油压马达，马达81沉重并且不易操作，因为马达81包括齿轮装置，取心钻具80经该齿轮装置被驱动旋转。另外，该装置具有产生很大噪声(大于90dB)的问题。此外该装置具有即使在高速下的转速也低至大约1500rpm(转／分钟)的问题，即使是专门的电机，其转速也只能达3000～3900rpm的程度，从而要用很长的时间来打孔。

使用超声波来打孔的打孔装置可以用一相对低的噪声来打孔，但另一方面其打孔速度也低，从而要用很长的时间来打孔，正如上述具有马达装置的情况那样。

虽然可通过减薄取心钻具80之钻头80a的切削刀刃厚度来缩短打孔时间，但具有这样的一问题，即施加于钻头80a上的一工具负荷增大了并且指向打孔方向的一力(法向力)增大了，这两者都是由于减薄切削刀刃厚度造成的，从而造成取心钻具80的屈服变形。

因此，本发明的一目的是提供一种高速打孔装置，其能以高速在一短的时间内打孔，而不会使连接于其上的一取心钻具屈服变形，另外伴随着一低的噪声。

本发明的高速打孔装置包括：一圆筒形取心钻具，其具有一在要打孔的材料内钻制一环形孔的钻头；一电机，其具有绕一圆筒形转子的外周设置的一圆筒形定子，其中在转子内插入一旋转轴，并且该旋转轴固定到转子上；其中，取心钻具直接连接到电机的旋转轴上，没有诸如齿轮、皮带等的传动装置，并且通过电机以高速直接地旋转。

因此，在本发明的高速打孔装置中，与以低速打孔的传统的装置相比，能极大地增大打孔速度。

从而，可以快速地完成打孔工作，以缩短具有打孔工作的各种建筑作业的期限。

此外，在本发明的高速打孔装置中，可以大大地减小噪声(大约70dB)，并且由于零件数小，因此与发动机、油压马达和具有齿轮装置的电机相比，可以大大减小维护工作所需的劳动。

如上所述，通过在高速下旋转一取心钻具，可以减小作用在一钻头上的工具负荷，从而即使当钻头的切削刀刃的厚度薄时，指向打孔方向的一法向力也可较小，因此可以顺利地进行打孔而没有诸如屈服变形的问题，同时总是保持良好的切割效率，并且可以减少打孔时间。

本发明的一高速打孔的方法包括下面的步骤：提供一电机，其具有一圆筒形转子，其中一旋转轴插入该转子内，并且该旋转轴固定到转子上，还具有一绕该圆筒形转子的外周设置的一圆筒形定子；将一圆筒形取心钻具直接连接到电机的旋转轴上，该取心钻具具有一钻头，以在要打孔的材料内钻制一环形孔，而没有诸如齿轮、皮带等的传动装置；和通过转动旋转轴以高速直接地转动该取心钻具，从而在要打孔的材料内用钻头钻制一孔。

因此，与以低速打孔的传统的方法相比，能极大地增大打孔速度。

此外，在本发明的高速打孔方法中，可以大大地减小噪声(大约70dB)，并且由于零件数小，因此与发动机、油压马达和具有齿轮装置的电机相比，可以大大减小维护工作所需的劳动。

如上所述，通过在高速下旋转一取心钻具，可以减小作用在一钻头上的工具负荷，从而即使当使用一具有薄的切削刀刃厚度的钻头时，指向打孔方向的一法向力也可较小，因此可以顺利地进行打孔而没有诸如屈服变形的问题，同时总是保持良好的切割效率，并且可以减小打孔时间。

图1是一高速打孔装置的一侧视图，表示本发明的高速打孔装置的一例子。

图2是表示用于本发明之高速打孔装置的直接式电机(directmotor)结构的一剖视图。

图3是表示用于本发明的高速打孔装置的直接式电机结构的一直接式电机的横剖视图。

图4是表示当在混凝土内钻制一孔时打孔时间与噪声的一表格。

图5是表示用于本发明之高速打孔方法中的一直接式电机的性能曲线图。

图6是表示用于本发明之高速打孔方法中的一直接式电机的性能曲线图。

图7是表示当在混凝土内钻制一孔时打孔时间、噪声与切割效率的一表格。

图8是表示当使用具有不同切削刀刃厚度的钻头来进行打孔时的测试结果曲线图。

图9是表示传统的打孔装置之结构的一剖视图。

下面参照附图详细描述本发明的高速打孔装置。

在图1和2中，符号1表示一高速打孔装置，而符号2则表示构成高速打孔装置1的一直接式电机。高速打孔装置1具有下列结构：直接式电机2经一上下移动装置5通过一柱杆4支承，其中柱杆4被连接到一基座3上，从而柱杆直立在该基座上；并且直接式电机2可沿柱杆4通过移动该上下移动装置5来移动。

直接式电机2包括一旋转轴11，其中心为圆柱形。一取心钻具13借助于一适配器12被连接到旋转轴11的头端部分上，从而取心钻具可被连接到旋转轴上和从旋转轴上取下。取心钻具13包括一钻头15，其由金刚刀片组成，并为整体地及沿其圆周方向设置在一圆管件14的头端部分上，所述圆管14具有一空心形状。

即，直接式电机2是这种类型的一电机，其中取心钻具13被直接地旋转，该取心钻具13是一直接连接到旋转轴11上的工具。

取心钻具13包括一设置在圆管件14端部上并且包括一金刚石刀具的钻头15，所述金刚石刀具是通过强化(固化)用诸如金属粘结剂、树脂粘结剂等粘合剂而粘接的碳化物或超级研磨剂(金刚石研磨剂颗粒、CBN研磨剂颗粒)来制造的。一混凝土C可以被打孔并且可通过旋转取心钻具来形成一柱形芯部。

可以使用外径达40mm的一取心钻具13，并且最好是外径为15～30mm。对于钻头15的切削刀刃厚度，可以采用小于2．0mm并且最好是1．8mm的一厚度。

直接式电机2包括：一转子17，一旋转轴11插入该转子内，两者成一体地固定；和一定子18，该定子具有绕转子17的外周设置的一圆筒形状，其中转子与定子两者都设置在电机的壳体16内。

旋转轴11被插入形成在转子17之中央的一插孔17a内，并且通过挤压插置到插孔17a内呈一体地固定到转子上。

如图3所示，定子18包括设置在圆周方向的某些空间内的磁铁M和由钢材制造的磁轭Y，其中磁轭Y设置在磁铁M之间并且将磁铁M支承在规定的位置。

轴承19a和19b被设置在壳体16的上壁部分16a和下壁部分16b的内侧，以这样地支承转子17，使得转子17能自由地转动。即，轴承19a和19b被设置成具有这样的一结构，以至于这些轴承能支承插入转子17中央的旋转轴11的上部和下部之每个邻近部位，并且可以承受作用于旋转轴11与被插入了旋转轴11的转子17上的推力与径向力。

一旋转接头21设置在直接式电机2的后端部分内。旋转接头21被连接到壳体16的上壁部分16a上并且以这样的方式连接到旋转轴11的后端部分上，以至于能旋转并且被液封。

在旋转接头21内，形成有一流动管道22，其被连接到旋转轴11中央的通孔11a上并且向旋转接头21的侧面开口。一管子24被连接到一开口23上，该开口在上述侧面中开口并且从管子24供给一冷却水。

从管子24供给旋转接头21的流动管道22的冷却水通过旋转接头21的流动管道22，然后被引入旋转轴11的通孔11a内，并且此后被引入取心钻具13的圆管14内，所述钻具13通过适配器12被连接到旋转轴11的头端部分上，从而冷却由钻头15打孔的部分。

在旋转接头21中，在其后端部分形成一调节螺纹31，并且一螺帽32被螺纹夹紧到该调节螺纹31上。一插孔孔34形成在螺帽32的中央。此外，在旋转接头21内，形成一连接孔35，其连接螺帽32的插入孔34与旋转轴11的通孔11a。并且一挤压杆36被插入到插入孔34、连接孔35与通孔11a内，这些孔彼此相连。一O形密封圈37设置在挤压杆36与螺帽32之间，以形成一密封。

此外，在直接式电机2中，在旋转轴11的头端部分内设置一冷却风扇26，空气从形成在壳体16的头端侧的一入口27通过旋转轴11的旋转而被引入壳体16内，并且喷散到直接式电机2的内侧。然后，空气被引入定子18与转子17之间的一间隙以及定子18的磁铁M和磁轭Y与壳体16之间的空间内，接着从形成在壳体16的上壁部分16a内的一出口28排出到外侧。

符号25是设置在旋转轴11的圆周方向的一电刷，其设置方式是电刷在直接式电机2的壳体16内的上侧接触旋转轴11，并且从电刷25供给一驱动电流。

作为定子18的磁铁M，使用诸如钕铁硼磁铁或钐钴磁铁的高密度稀土磁铁，其具有远高于传统使用的铁氧体磁铁或铝镍钴合金磁铁的一最大磁能输出。

对于包括一转子12和一定子13的一直接式电机，可以使用带有电刷和无刷电机中的任何一种电机。另外，在上面的例子中，磁铁M设置在定子18内，线圈设置转子17内。但是，线圈可设置在定子18内和磁铁可设置在转子17内，或者转子与定子两者都可以为线圈。

接着，下面介绍一种情况，其中使用具有上述结构的一高速打孔装置1在要打孔的一混凝土C内钻制一孔。

首先，调节设置在柱杆4上侧的直接式电机2，使之具有这样的一位置，即旋转轴11的轴线与在混凝土C内要打孔的一预定位置相一致，接着将基座3固定到混凝土C上。

在如上所述将高速打孔装置1设置到混凝土C上后，给电机2的转子17(或定子18)的线圈接通电源，以使转子17以大约4000rpm或更高的一高速旋转，同时经管子24从图中未示出的一输送冷却水的装置(一冷却水源)供给一冷却水。

在上述状态下，被连接到旋转轴11的头端部分上的取心钻具13的钻头15通过用移动装置5向下移动直接式电机2来被压靠到混凝土C的表面上。伴随着上述步骤，用高速旋转的钻头15在混凝土C内钻制一环形孔H。

在环形孔H被钻制到一预定的深度后，向上移动电机2以从孔H中取出钻头15，然后从孔的中央取出芯部，从而形成一锚钉孔。

在当通过向上移动直接式电机2从孔H中取出钻头15时芯部保留在取心钻具13内的场合，挤压杆36被挤压到头端部分，从而可容易地从取心钻具13的端侧排挤出保留在取心钻具13内的芯部。

根据具有上述结构的直接式电机2，通过转动旋转轴11来直接地转动被连接到旋转轴11上的取心钻具13，而无需借助于诸如齿轮、皮带等传动装置，结果可消除传动损失和缩小打孔装置，并且与带有齿轮装置的电机相比，可制造得轻量化，从而增大其操作方便性，并且旋转轴11的损坏可以最小。此外，可以将产生的噪声减少到一最小的程度。

即，当布置在取心钻具13的头端部分的钻头15被直接式电机2转动时，其旋转轴11给取心钻具13直接提供一旋转力，使得钻头以非常高的一速度(4000rpm或更高)旋转，从而能给钻头15提供一非常高的圆周速度。即，由于钻头15能如上所述以高速旋转，因此可减小钻头15上的工具负荷，从而可降低作用于打孔方向的一法向力，并且减小打孔时间，即使当钻头15的切削刀刃的厚度薄至小于2mm时。

此外，由于设置在转子17与定子18之任一上的磁铁是诸如钕铁硼磁铁或钐钴磁铁的高密度稀土磁铁，因此可以缩小转子17或定子18，从而能获得其进一步的小型化和轻量化。

装置的总体刚性可以极大地增大，因为旋转轴11是以成一体的方式压入形成在转子17的中央的插孔17a中的，以将旋转轴直接固定到转子上，从而通过高速旋转取心钻具13而能形成一孔，并且与传统的打孔方法相比，能大大地增大打孔速度，其中传统的打孔方法是采用传统的打孔装置低速地进行的。

因此，打孔工作可以快速地完成，从而缩短了具有打孔工作的各种建筑作业的期限。

此外，与使用发动机、油压马达和具有齿轮装置的电机的情况相比，可以大大减小噪声(约70dB)，并且由于零件的数量小，因此可大大减小零件维护所需的劳动。

再者，当在旋转轴11中央形成该通孔11a时，可以从旋转轴11的后端部分向钻头15供给一冷却水或冷却空气，以进行一极好的打孔工作，其中钻头15是取心钻具13的一切割刀刃。

还有，取心钻具13可以容易地更换为一具有不同直径的取心钻具，其方式是借助于适配器12来连接和拆卸该取心钻具13来进行，从而能容易地进行诸如更换取心钻具13的维护工作，并且增大其工作效率。另外，该取心钻具13是可更换的，因此可以从具有各种切削刀刃厚度和各种形状的钻头15中选择任何适合的钻具。

下面描述一高速打孔方法的测试例子，其中使用上述直接式电机2。

测试例1：

当用一直接驱动电机2在低速和高速下通过旋转包括一金刚石刀具的一钻头15在一混凝土C内形成具有150mm的一深度和25mm的一直径的环形孔H时，测量打孔时间和噪声，其结果示于图4中。

如图4所示，可发现当在高转速下进行时，与低转速相比，打孔时间减小到大约一半的程度。至于噪声，不管是高速还是低速，发现其为70dB(分贝)的程度。

图5和6表示用于本测试例的一直接式电机2的性能。

图5表示当作用负荷时采用低转速情况的结果。图6表示当作用负荷时采用高转速情况的结果。

从图5可清楚地看出，在低转速(大约3000rpm)的情况下，转矩为大约1Nm的程度，而从图6可清楚地看出，在高转速(大约6000rpm)的情况下，转矩为大约0．7Nm的程度。

因此，可发现当以高转速形成孔H时，转矩小于低转速时的转矩。

测试例2：

使用传统的电机与直接式电机2，用包括一金刚石钻具的一钻头15来形成直径为25mm(钻头直径25mm)、深度为200mm的孔H。各转速如下：传统电机为950rpm；直接式电机为5980rpm。

结果表明对于传统电机的打孔时间为1分25秒，对于直接驱动电机为38秒。

从上侧施加的一压力(排除了静负荷)对于传统电机为300～400N，对于直接式电机2为50～150N。

测试例3：

使用传统的电机与直接式电机2，用具有一金刚石钻头15的一圆筒形取心钻具13来形成直径为20mm、深度为130mm的孔H。根据钻头15的不同的圆周速度来测量打孔时间与噪声，其结果示于图7中。

各转速如下：直接式电机为4600rpm；传统电机为1050rpm。

由图7可清楚地看出，发现当钻头15的转速高(250米／分或更高)时，与低转速相比，打孔时间大大地降低了并且切割效率大大地增大了。可发现在高速时的噪声比在低速时要低10dB。

测试例4：

用一湿式方法在包括混凝土的要打孔材料内形成直径为25mm(钻头直径25mm)、深度为200mm的孔H，打孔时的转速为6000rpm，采用两种钻头15，其切削刀刃的厚度分别为1．8mm和2．0mm，每一钻头使用多次，并且比较打孔的次数。

如图8所示，在钻头15具有1．8mm的切削刀刃厚度的情况下，以一增大的次数总是保持一良好的切割性能，而在钻头15具有2．0mm的切削刀刃厚度的情况下，从大约第15次开始切割性能急剧地恶化。

在测试后观察每一切刀刃，结果表明当钻头15具有1．8mm的切削刀刃厚度时不会呈现明显的磨损，而当钻头15具有2．0mm的一切削刀刃厚度时呈现磨损。

如上所述，发现当在高转速(4000rpm或更高)下进行打孔时，通过使用具有一薄的切削刀刃厚度的钻头15可以缩短打孔时间，并且钻头的磨损小且总是能保持一良好的切割性能。

这是因为由于一降低的负荷作用在钻头15上而使得切削刀刃具有一良好的自动磨刀的功能。

即，当以高转速进行打孔时，发现作用在钻头15上的一工具负荷可以降低，从而即使当使用具有一薄的切削刀刃厚度的钻头15时，也不会造成诸如屈服变形的任何问题，可以顺利地进行打孔同时总是保持一良好的切割性能，并且可以实现一更高速的打孔。

Claims

1．一高速打孔装置，包括：

一圆筒形取心钻具，其具有一在要打孔的材料内钻制一环形孔的钻头；

一电机，其具有一绕一圆筒形转子之外周设置的圆筒形定子，其中在转子内插入一旋转轴，并且该旋转轴固定到转子上，

其中，取心钻具直接连接到电机的旋转轴上，而没有诸如齿轮、皮带等的传动装置，并且通过电机以高速直接地旋转。

2．如权利要求1所述的高速打孔装置，其特征是：所述取心钻具通过所述电机以4000rpm或更高的一高速旋转。

3．如权利要求1所述的高速打孔装置，其特征是：设置到所述取心钻具上的钻头具有大至40mm的一外径。

4．如权利要求1所述的高速打孔装置，其特征是：设置到所述取心钻具上的钻头具有小于2mm的一切削刀刃厚度。

5．如权利要求1所述的高速打孔装置，其特征是：在所述旋转轴上设置一适配器，用于直接地连接取心钻具。

6．如权利要求1所述的高速打孔装置，其特征是：所述旋转轴形成为一圆柱形状，并且一冷却液从旋转轴的后端部分被引入其头端部分，从而向取心钻具的钻头输送冷却液。

7．如权利要求1所述的高速打孔装置，其特征是：所述钻头包括用一粘合剂固化的超级研磨剂。

8．如权利要求1所述的高速打孔装置，其特征是：所述钻头包括用一粘合剂固化的粘结碳化物。

9．如权利要求1所述的高速打孔装置，其特征是：所述电机的所述定子设置一线圈，并且电机的所述转子包括从下列组中选择的高密度稀土磁铁，所述的组包括钕铁硼磁铁和钐钴磁铁。

10．如权利要求1所述的高速打孔装置，其特征是：所述电机的所述转子设置一线圈，并且电机的所述定子包括从下列组中选择的高密度稀土磁铁，所述的组包括钕铁硼磁铁和钐钴磁铁。

11．一种高速打孔的方法，包括下面的步骤：

提供一电机，其具有一圆筒形转子，其中一旋转轴插入转子内，并且该旋转轴固定到转子上，还具有一绕该圆筒形转子的外周设置的圆筒形定子；

将一圆筒形取心钻具直接连接到电机的旋转轴上，该取心钻具具有一钻头，以在要打孔的材料内钻制一环形孔，而没有诸如齿轮、皮带等的传动装置；和

通过转动旋转轴以高速直接地转动该取心钻具，从而在要打孔的材料内用钻头钻制一孔。

12．如权利要求11所述的高速打孔的方法，其特征是：在打孔过程中，所述旋转轴以4000rpm或更大的转速旋转，从而在要打孔的材料内用取心钻具钻制一孔。

13．如权利要求11所述的高速打孔的方法，其特征是：所述取心钻具使用一具有大至40mm外径的钻头。

14．如权利要求11所述的高速打孔的方法，其特征是：所述取心钻具使用一具有小于2mm的切削刀刃厚度的钻头。

15．如权利要求11所述的高速打孔的方法，其特征是：所述用于打孔的钻头圆周速度为250米／分钟或更大。

16．如权利要求11所述的高速打孔方法，其特征是：所述旋转轴形成为一圆柱形状，并且一冷却液在打孔过程中从旋转轴的后端部分被引入其头端部分，从而向取心钻具的钻头输送冷却液。

17．如权利要求11所述的高速打孔方法，其特征是：所述钻头包括用一粘合剂固化的超级研磨剂。

18．如权利要求11所述的高速打孔方法，其特征是：所述钻头包括用一粘合剂固化的粘结碳化物。

19．如权利要求11所述的高速打孔方法，其特征是：所述电机的所述定子设置一线圈，并且电机的所述转子包括从下列组中选择的高密度稀土磁铁，所述的组包括钕铁硼磁铁和钐钴磁铁。

20．如权利要求11所述的高速打孔方法，其特征是：所述电机的所述转子设置一线圈，并且电机的所述定子包括从下列组中选择的高密度稀土磁铁，所述的组包括钕铁硼磁铁和钐钴磁铁。