CN1333112A - 带有配设的冲击式工具的刀具 - Google Patents

Abstract

用来通过带有一浮动活塞(5)或锤头(6)的配设的冲击式工具加工岩石(8)的刀具(2)具有一声学长度的刀柄(3)和一不可旋转地连接而可作有限轴向运动的刀头(4),刀头在其阻抗方面与冲击式工具(1)的浮动活塞(5)和/或锤头(6)声学匹配,其中各相互撞击的端面(10)至少局部相互平面接触。

Description

带有配设的冲击式工具的刀具

本发明涉及一种配设于至少部分冲击式的冲击式工具如冲击钻或凿岩机的刀具，如凿岩钻头或凿子，尤其是用来加工岩石如水泥和砖墙的刀具。

用作刀具的凿岩钻头由一至少部分冲击式的冲击钻，例如以电动气动冲击钻的锤头和/或浮动活塞沿刀具轴线在插入端的端面上施加机械撞击，其中撞击能基本上通过纵向脉冲以冲击脉冲的形式一直扩展到相对的端面上，并可以以传入待加工材料的能量进行加工。这个相对的端面通常做成镶硬质合金的刀头。

由脉冲传递原理知道，在两个相互碰撞的物体接触时脉冲对于它们是如何分配的，也就是说如何传递或反射的。通过刀具输入待加工材料内的那一部分能量按照描述杆状固体脉冲特性的杆件理论取决于处于脉冲传递链中的物体的声学性能。因此在刀具内输入的能量一方面造成重心的平移运动，另一方面造成绕重心的振动，其中基本上只有重心的平移运动可以用于加工。

按US4165790刀具细分成多个不可旋转而可在轴向作有限运动的部分，例如分成一短的刀头，一长得多的刀杆以及一插入端，其中以横向销钉固定的六边形连接部分别构成形状锁合的不可相对旋转的和轴向可作有限运动的连接。按US4605079这种非常短的刀头具有一用于形状锁合的不可相对旋转而可作有限的轴向运动的连接的内六角。这种类型的刀头对于脉冲传递不是最佳的。

按WO97/08421在一钻管或钻杆的末端有一刀头，其中形状锁合的不可相对旋转而可作有限的轴向运动的刀头本身相对于设置在其轴向长度内的端面做成一头部和一柄部。不可相对旋转的固定通过做成多边形的横截面或嵌入缺口内的凸起进行。通过一轻的金属销或环刀头相对于钻头或钻杆可作有限轴向运动地固定。冲击脉冲通过垂直于刀具轴线的、基本上做成扁平的脉冲传递面从钻管或钻杆传递到刀头上，此脉冲传递面既可以设置在钻管和刀头的设置在径向外侧以及轴向内部的端面区之间，也可以设置在钻杆和套筒状刀头的径向内侧以及轴向之内的区域之间。

按照上述资料的原理柄部相对于头部的长度比应尽可能大，特别是大于5，从而可以使最大的冲击能传递到刀头中，以进行材料加工。一般应该注意柄部相对于头部的一定的阻抗比，其中允许绝对值的由结构决定的、很小的轴向变化。由钻管或钻杆传递到柄部与头部交接处头部一侧端面上的具有相对于刀头长度两倍长度的撞击脉冲一部分通过短的刀头直接传入待加工材料，另一部分作为牵引脉冲(Zugimpuls)传入轴向运动的柄部，柄部储存这些脉冲能量。因此在这种方案中拉力冲击(Zugstoss)传到刀头上。在反射到背对头部的自由端以后它转换成撞击脉冲通过头部传入待加工材料。这种原理的结果是在具有相对于刀头两倍脉冲长度的撞击脉冲的脉冲能量传入刀头时在钻管或钻杆内基本上不激起回程脉冲，因此脉冲能量几乎完全传入刀头，从而传入待加工材料。在这种方案中拉力冲击到必需配备柄部的刀头的脉冲传递得到优化，刀头作为具有固定连接的柄部和头部的独立的刀具本身而进行加工材料。

本发明的目的是优化由冲击式工具发出的脉冲能量到在结构方面可方便地制造的刀具的刀头内的传递。另一个目的是这种刀具的刀头的合适的固定。

这个目的主要通过独立权利要求的特征来实现。优良的改进结构由从属权利要求得到。

在配设于冲击式工具的刀具中一与声学方面长的刀柄不可相对相连的和可作有限的轴向运动的刀头在其阻抗方面基本上与冲击式工具的浮动活塞和/或锤头声学匹配，其中各相互撞击的端面各自至少部分地相互平面接触。

在对于由浮动活塞和/或锤头激励的冲击脉冲声学匹配的刀头中通过这种声学匹配这种冲击脉冲几乎完全从浮动活塞和/或锤头传到刀头上，而不造成明显的反射，从而没有脉冲能量损失，在这种刀头中脉冲长度等于刀头声学长度的两倍。

通过各撞击物之间至少局部的、基本上平面形的接触由浮动活塞发出的、基本上成矩形的撞击脉冲在传送到刀头时没有明显的扩展，由此这个撞击脉冲在完全保持其形状的情况下穿过刀柄，并通过声学匹配几乎完全传入刀头。

在与浮动活塞相比刀具比较大和重时浮动活塞和/或锤头的脉冲能量几乎完全传到将脉冲能量至少部分地用于材料加工的刀头上，与刚性的系统相比加工效率提高25到80％。

必须强调，可作有限轴向运动的，本身具有声学匹配的几何形状的刀头对于本发明的原理的了解和实现是不够的，因为这个原理只有通过附加的，只是在充分的平面接触时才有可能的、基本上不变形地传递的一定长度的矩形冲击脉冲才能达到完全的脉冲传递的明显效果。由于这个原理刀头以可传递的最大能量打入待加工材料。

浮动活塞和/或锤头、刀柄和刀头的各垂直于冲击轴线的相互撞击的端面优良地配备这样大的有效接触半径的有效的中凸形，使得在撞击时不存在相当于中心加压的点接触而主要是面接触，以保证在撞击物有允许的微小角度偏转时产生几乎是一种中心撞击，其中有效接触半径r_eff由撞击端面的带正负号的曲率半径r₁，r₂按下式确定： $\frac{1}{r_{\mathrm{eff}}}=|\frac{1}{r_1}+\frac{1}{r_2}|$

其次撞击端面的带正负号的曲率半径r₁，r₂有利地朝相同的方向，由此即使在撞击物具有微小的角度错位时仍存在带有面接触的几乎是中心的撞击。为此一个端面做成中凹球形，而相配的端面有利地做成中凸的球形。

对于本发明的原理理想的是无限大的有效接触半径，其中在实际上可实现的有效接触半径大于1米时与理想的平面接触相比加工效率的提高约丧失25％。

刀头对于浮动活塞和/或锤头在阻抗方面的声学区配有利地按下式进行： $\frac{A_2}{A_1}=\sqrt{\frac{E_1}{E_2}*\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}}$ 其中 $\frac{L_2}{L_1}\≥\sqrt{\frac{E_2}{E_1}*\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}}$

其中(L₁，L₂)是长度比，(A₁，A₂)是横截面积比，E是各自的弹性模量，ρ表示各自的密度，其中下标2表示被撞物。

因此在采用同样的材料时浮动活塞和/或锤头，刀柄和刀头必须保持基本上相同的横截面。如果由于结构方面的原因不得不要用不同的尺寸，那么除了几何形状外例如浮动活塞的材料可以有利地从常用钢换成例如轻的陶瓷材料或碳素纤维复合材料。

刀头、浮动活塞和/或锤头必要的结构造型至少必须基本上建立在这种几何形状的基础上，而不必费劲地做成棱形。实际偏差每差约10％加工效率的提高便丧失约25％。

刀具本身由一刀柄和一不可相对旋转而可作有限轴向运动的带有硬质材料组成的刀刃的刀头组成，其中刀柄声学长度和刀头声学方面与浮动活塞和/或锤头相匹配。在所述情况下相同材料的锤头、刀柄和刀头其横截面相同。

刀柄与刀头相邻的连接区有利地做成棱形，其中横截面有利地具有规则多角形形状，例如六角形。棱角优良地通过倒角倒钝。做成与它相配的棱形对应体的刀头通过由此形成的连接旋转形状锁合地固定。一垂直于刀具轴线的、既穿过刀头也穿过刀柄的销钉作为固定装置与一轴向腰形孔一起确保至少在部分长度上轻松的、有限的轴向运动。

刀柄有利地做成空心的，其中通过形成的通道可以流通液体介质如切削液。通道在插入端和刀头处有一入口和出口，其中在刀柄和可作有限轴向运动的刀头之间有利地设有一可作有限轴向运动的、最好是环形的密封元件。

在第一种优良的实施方案中关于其长度和其横截面声学匹配的刀头设有一与刀柄相配的套筒形区域内，刀柄不可相对旋转而可作有限轴向运动地嵌入此区域内。刀柄和刀头之间的端面必要的至少部分基本上平面形的结构通过一具有很大有效曲率半径的内圆环区实现。一可选用密封元件优良地做成刀柄的半径较小的、向中心收缩的部分，它终止于刀头的配置刀刃的区域内的一中央孔内，从那里至少一个开口通向刀头端面，此开口有利地相对于刀具轴线偏离一定距离设置在排屑槽之外邻近刀刃处。一横向穿过刀头的套筒形区域的轴向腰形孔以及刀柄上的孔的销钉用作固定装置。

在第二种优良的实施方案中关于其长度和其横截面声学匹配的带有一与刀柄相配的半径较小，向中心收缩的区域的刀头设有一设置在径向外侧的带动凸起，它不可相对旋转而可作有限轴向运动地嵌入刀柄内。刀柄和刀头之间的必要的、至少部分基本上平面形的端面结构通过一具有很大的有效曲率半径的外圆环区实现。一任选的密封元件有利地设置在这个向中心收缩的区域内，该区域具有一中央孔，该孔终止于刀头的配置刀刃的区域内，从那里至少一个开口通向刀头的端面，此开口有利地偏离刀具轴线一定距离地设置在排屑槽之外邻近刀刃处。作为固定装置既可采用一横向穿过刀柄上一弦状分布的孔以及设在刀头带动凸起内的轴向腰形孔的销钉，也可采用在第三种优良的方案中的固定在刀柄一环形槽内的弹簧圈，它嵌入刀头带动凸起上设置在径向外侧的缺口内。

此外固定装置可以有利地模块式地更换刀头，由此可以以方便的方式方法替换磨损件以及装上从一批刀头中选出的最适合加工任务的刀头。

参照优良的实施例以下列附图对本发明作较详细的说明：

图1冲击脉冲优化的用于相配的冲击式工具的刀具的原理图

图2刀具的剖视图

图3刀具的第一种实施方案的拆散图

图4刀具的第二种实施方案的拆散图

图5刀具的第三种实施方案的拆散图。

按图1在一分别具有声学长度和宽度尺寸的图形中一仅仅示意表示的冲击式工具，配设于一刀具2，刀具具有一声学长度的刀柄3和一可作有限轴向运动的刀头4。刀头4关于其阻抗与冲击式工具1的一往复运动浮动活塞5和锤头6声学匹配刀头4关于其脉冲长度等于刀头4的双倍声学长度的冲击脉冲相匹配，由此使冲击脉冲7几乎完全从浮动活塞5通过锤头6和刀柄3传入刀头4，刀头在一稍后的时刻基本上以全部脉冲能量打入待加工岩石8，在这里不引起明显的反射9，从而在传入刀头4时不造成脉冲能量损失。在传递冲击脉冲7时各相互撞击的端面10各自相互平面形接触，由此冲击脉冲7基本上作为矩形脉冲传递。

按图2沿刀具轴线剖开的未完全画出的刀具2本身由一刀柄3和一不可旋转而可作有限轴向运动的带硬质材料刀刃11的刀头4组成，其中在所示情况下刀柄3和刀头4具有相同的材料，其横截面积也基本上相同。刀柄3与刀头4相邻的连接区12做成棱形。为此刀头4做成相配的棱形对应件。一垂直于刀具轴线既穿过刀头4又穿过刀柄3的销钉作为固定装置与作为在刀头4内的固定支承14的轴向腰形孔一起确保一个轻松的、有限轴向运动Δx。在传递冲击脉冲时至少部分处于平面接触的相互配对的端面10做得垂直于刀具轴线具有大于1米的有效曲率半径(无法画出)。刀柄做成空心的。一在内部形成的、终止于刀头4配置刀刃11的区域内的中央孔的通道15具有(部分未画出的)在插入端和刀头4上的入口和出口16，其中在刀柄3和可作有限轴向运动的刀头4之间的轴向密封区17内设有一可作有限轴向运动的环形密封元件18。

按图3关于其长度和其横截面声学匹配的刀头4做成套筒形，其中刀柄3的六边形棱形连接区12不可相对旋转地而可作有限轴向运动地嵌入形成一相配对应体的刀头4内。刀柄3和刀头4之间至少部分基本上平面形的端面10的结构通过一具有很大有效曲率半径的内圆环区实现。一环形密封元件18在圆周方向绕刀柄3的一半径较小的，向中心收缩的密封区17设置，该密封区嵌入刀头4的一中央孔内，从那里两个出口孔16分别通向刀头4的一个端面，这两个出口孔与刀具中心偏离一定距离地设置在排屑槽19之外邻近刀刃11处。作为固定装置13采用一销钉，它垂直于刀具轴线穿过套筒形刀头4的连接区12的做成轴向腰形孔的固定支承14以及刀柄3上的一个孔。

按图4关于其长度和其横截面声学匹配的带有一与刀柄3相配的半径较小，向中心收缩的连接区12的刀头4设有一设置在径向外侧的带动凸起20，它不相对旋转而可作有限轴向运动地嵌入形成对应体的刀柄3内。刀柄3和刀头4之间的端面10的至少部分基本上平面形的结构通过一具有很大有效曲率半径的外圆环区实现。环形密封元件18设置在连接在连接区12上的向中心收缩的密封区17上，它具有一中央孔，该孔终止于刀头4的配置刀刃11的孔内，从刀头起两个出口孔16各自通向刀头4的一个端面，这两个出口孔有利地与刀具轴线偏离一定距离地设置在排屑槽19之外邻近刀刃11处。作为固定装置13采用一销钉，它垂直地穿过刀柄3上一弦状分布的孔以及一设置在刀头4的带动凸起20内的作为固定支承14的轴向腰形孔。

按图5采用一固定在刀柄3一环形槽21内的弹簧圈作为固定装置13，它嵌入刀头4带动凸起20上设在径向外侧的作为固定支承14的缺口内。

Claims (10)

1.用来通过配设的具有一浮动活塞(5)和任选的一锤头(6)的冲击式工具(1)加工岩石、砖墙等等的刀具，具有一声学长度的刀柄(3)和一与刀柄不可相对旋转地连接并可作有限轴向运动的刀头(4)，其特征为：刀头(4)在其阻抗方面与冲击式工具(1)的浮动活塞(5)和/或锤头(6)声学匹配，并且各个相互撞击的端面(10)至少局部相互平面接触。

2.按权利要求1的刀具，其特征为：刀头(4)的声学长度为由浮动活塞(5)和/或锤头(6)激发的冲击脉冲(7)的长度之半。

3.按权利要求1或2的刀具，其特征为：刀头(4)和刀柄(3)通过一做成棱形的旋转形状锁合的连接区(12)相互不可相对旋转地连接。

4.按权利要求3的刀具，其特征为：在连接区(12)内设有一既穿过刀头(4)又穿过刀柄(3)的垂直于刀具轴线延伸的在刀头(4)和/或刀柄(3)的一轴向腰形固定支承(14)内的固定装置(13)。

5.按权利要求4的刀具，其特征为：固定装置(13)做成销钉或弹簧圈。

6.按上述权利要求之任一项的刀具，其特征为：刀柄(3)做成空心的，并在插入端和刀头(4)上有一入口和出口，在刀柄(3)和可作有限轴向运动的刀头(4)之间设有一可作有限轴向运动的密封元件(18)。

7.用来对按上述权利要求之任一项的刀具至少部分冲击式地加载的冲击式工具，其特征为：浮动活塞(5)由一种比钢轻和/或刚性小一些的材料组成。

8.按上述权利要求之任一项的刀具和/或冲击式工具，其特征为：浮动活塞(5)和/或锤头(6)和/或刀头(4)关于声学阻抗方面的声学匹配分别通过主要长度和主要横截面的合适的尺寸选择进行。

9.按上述权利要求之任一项的刀具和/或冲击式工具，其特征为：各个至少局部相互撞击的端面(10)的做得垂直于冲击轴线，以及设有一具有至少1米有效接触半径的有效凸面。

10.按权利要求9的刀具和/或冲击式工具，其特征为：两个相互配对的端面(10)中一个做成中凹球形，另一个做成中凸球形。

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