DE10006936A1 - Bohrwerkzeug für Gestein - Google Patents

Abstract

Ein Bohrwerkzeug (1) mit Schneiden (3) aus Hartmetall eines einzelnen Vollhartmetallkopfs (4), welcher an der Stirnfläche (5) des restlichen Bohrwerkzeugs (1) befestigt ist, befestigt den Vollhartmetallkopf (4) zusätzlich über eine Verzapfung (7) mit den Seitenflächen (6c; 6d), wobei diese zusätzliche Befestigung nur an einem Teil dieser Seitenflächen (6) erfolgt, welche zumindest bezüglich einiger Schneiden (3; 9) in Drehrichtung auf Druck beansprucht sind.

Description

Die Erfindung bezeichnet ein Bohrwerkzeug, welches in ein antreibendes Handwerkzeug eingespannt durch drehende und schlagend schwingende Bewegungen einen abrasiven Materialabtrag erzeugt, für Gestein, vorzugsweise Beton.

Derartige Bohrwerkzeuge weisen aufgrund der zum abrasiven Materialabtrag von Gestein bei geringem Verschleiss benötigten hohen Härte im Werkzeugkopf eingesetzte Teile aus Hartmetall auf, welche mit dem restlichen Bohrwerkzeug fest verbunden sind. Üblicherweise werden Hartmetallplatten in achsparallele nutartige Verzapfungen im Werkzeugkopf einge­ lötet, bspw. nach der DE 20 08 825, wobei sich die radialen Enden der Schneiden in diesen zugeordneten Wendelgängen des Wendels zum Abtransport des Materials fortsetzen. Zur Verbesserung der Haftung weisen nach der Druckschrift EP 0947662 A1 die Hartmetallplatten zusätzliche prismatische Fortsätze auf, welche die in entsprechende Ausnehmung in dem restlichen Bohrwerkzeug eingreifen.

Nachteilig bei derartigen Befestigungen in achsparalleler nutartiger Verzapfung ist das leichte Ausbrechen der Hartmetallplatten bei möglichen radialen Verhakungen der Hartme­ tallplatte, insbesondere beim Auftreffen des Bohrwerkzeugs auf Armierungseisen, welche vermittelt über die durch eine geringe Plattendicke begrenzte Biegesteifigkeit der Hartmetall­ platte zu einer lokalen Zugbeanspruchung bezüglich der diese befestigenden axial verlau­ fenden Grenzflächen der Verzapfungen führt und somit einen Bruch begünstigt. Zudem wer­ den derartige axial verlaufende Grenzflächen durch die axialen Schläge auf das Bohrwerk­ zeug über Scherbeanspruchung ermüdet. Des weiteren nachteilig ist der durch die seitlich an den Hartmetallplatten anliegenden stützenden Verzapfungen bedingte geometrisch eingeengte Freiraum zur Ausräumung des abgetragenen Materials.

Aus der Druckschrift DE 43 39 245 ist die Ausführung des gesamten Werkzeugkopfes aus Hartmetall und deren fester Verbindung mit dem restlichen Bohrwerkzeug ausschliesslich über die senkrecht zur Drehachse liegende Stirnfläche bekannt. Vollhartmetallköpfe in kom­ pakter, d. h. im wesentlichen in konvexer vieleckiger Form mit ähnlichen Seitenlängen, besit­ zen eine hohe innere Steifigkeit und benötigen zur Befestigung keine axial verlaufenden Grenzflächen, die bei möglichen Verhakungen einen Bruch begünstigen. Vielmehr unterliegt die ausschliesslich in radialer Richtung verlaufende Grenzfläche im wesentlichen einer Druckschwellbeanspruchung. Die verbleibende überlagerte Torsionsbeanspruchung kann jedoch zu einer Torsionsermüdung am radialen Rand der Grenzschicht führen. Zur Verhinde­ rung einer, zu derartiger hoher Torsionsbeanspruchung führenden, Verhakung im Armie­ rungseisen sind des weiteren zusätzlich zwischen den Hauptschneiden ausschliesslich am radialen Rand angeordnete axial zurückversetzte Nebenschneiden vorhanden, welche durch ihren Eindringwiderstand und der Massenträgheit einem zu tiefen Eindringen der Haupt­ schneiden in das Armierungseisen entgegenwirken. Bei grösseren Durchmessern des Bohr­ werkzeuges ist bei einer derartigen Ausführung das benötigte Volumen des Vollhartme­ tallkopfes in kompakter Form bezüglich fertigungstechnischer und kostenseitiger Aspekte nachteilig.

Nach der Druckschrift EP 884448 ist ein ausschliesslich auf der Stirnfläche befestigter Voll­ hartmetallkopf mit "X-förmiger Anordnung der vier Schneiden vorbekannt, wobei sich die Haupt- und die als Zusatzschneiden ausgeführten Nebenschneiden jeweils diametral zur Drehachse erstrecken und nicht rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Der Vollhartme­ tallkopf besitzt eine zweizählig rotationssymmetrische, im wesentlichen kreuzweise axial spiegelsymmetrische, prismatische Form. Die Grundfläche ist mit jeweils einer tiefen, sich in das innere radiale Drittel erstreckenden, konkaven, stumpfwinkeligen Einkerbung parallel zu den Schneiden über die längere Seite der Grundfläche versehen. Diese grosse Ausnehmung dient ausschliesslich als Freiraum für die Ausräumung des abrasiv abgetragenen Materials. In Drehrichtung läuft die Zusatzschneide der Hauptschneide nach, d. h. bildet mit dieser einen spitzen Winkel aus. Somit ist die grosse Ausnehmung vor der Hauptschneide angeordnet. Eine kleine ebenfalls konkave Ausnehmung der jeweils kürzeren Seite der Grundfläche beschränkt sich auf den radialen Randbereich und dient der geringeren Ausräumung des abrasiv abgetragenen Materials vor der Nebenschneide. Nachteilig dieses ausschliesslich auf der Stirnfläche befestigten Vollhartmetallkopfes ist die bei grösseren Durchmessern des Bohrwerkzeuges auftretende, bei Verhakungen nicht mehr vernachlässigbare, Torsionsbeanspruchung der zur Befestigung dienenden Stirnfläche. Zudem wird durch den in Drehrichtung stumpfen Winkel zwischen der Nebenschneide und der Hauptschneide ein relativ weiter, von der Massenträgheit zu überbrückender, Drehwinkel zur durch die Nebenschneide bewirkten Verminderung einer Verhakung benötigt, welcher gerade mit bei geringerer Drehzahl betriebenen Bohrwerkzeugen mit grösseren Durchmessern kaum realisierbar ist.

Aus der Druckschrift DE 197 07 115 ist ein Bohrwerkzeug mit mehr als zwei, jeweils ganzzäh­ lig rotationssymmetrisch angeordneten, radialen Schneiden und einem nicht aus einzelnen Hartmetallplatten bestehenden, sondern einstückig ausgeführten, prismatischen Vollhartme­ tallkopf vorbekannt, welcher in entsprechende Nuten mit jeweils axial verlaufenden Flächen im restlichen Bohrwerkzeug eingesetzt mit diesen und der Stirnfläche fest verbunden ist. Durch die Kombination der Befestigung eines biegesteifen Vollhartmetallkopfes auf der Stirnfläche einerseits sowie dessen zusätzlicher Befestigung in jeweils achsparalleler nutarti­ ger Verzapfung im radial äusseren Bereich andererseits ist auch bei Bohrwerkzeugen mit grösseren Durchmessern eine bruchsichere Befestigung der Schneiden auch gegenüber Armierungstreffern gewährleistet. Nachteilig bei einer derartigen Lösung ist die für die zu­ sätzliche achsparallele nutartige Verzapfung beidseitig je Schneide benötigte Querschnitts­ fläche, welche einer Ausnehmung nicht mehr zur Verfügung steht. Bei hoher Bohrleistung ergeben sich dadurch Probleme bei der Ausräumung des abrasiv abgetragenen Materials.

Es ist die Aufgabe der Erfindung unter Vermeidung obiger Nachteile ein Bohrwerkzeug für Gestein aufzuzeigen, welches auch bei grösseren Durchmessern eine gegenüber Armie­ rungstreffern bruchsichere Befestigung der Schneiden aus Hartmetall gewährleistet und zu­ dem eine ausreichend grosse Ausnehmung für die Ausräumung des abrasiv abgetragenen Materials bei hohen Bohrleistungen zur Verfügung stellt.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen aufgezeigten Merkmale im wesentlichen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Wesentlich für die Lösung ist die zur Befestigung des Vollhartmetallkopfes an der senkrecht zur Drehachse liegenden Stirnseite zusätzliche Befestigung an nur einem Teil der radial im äusseren Bereich längs der Drehachse liegenden, vorteilhaft achsparallelen, Seitenflächen der Schneiden des Vollhartmetallkopfes, wobei diese befestigten Seitenflächen zumindest bezüglich einiger Schneiden in Drehrichtung unterstützend wirken, d. h. auf Druck bean­ sprucht werden. Dadurch wird eine bruchsichere Befestigung des Vollhartmetallkopfes auch bei der höheren Torsionsbeanspruchung von Bohrwerkzeugen grösseren Durchmessers erzielt.

Vorteilhaft ist bezüglich des jeweils anderen Teils der Seitenflächen der Schneiden des Voll­ hartmetallkopfes ein nicht der Befestigung dienender freier Übergang zur Ausnehmung, wel­ che der Ausräumung des abrasiv abgetragenen Materials dient. Weiter vorteilhaft ist diese frei liegende Seitenfläche bezüglich der Schneide in Drehrichtung orientiert, wodurch diese Ausnehmung vor der Hauptschneide liegt. Damit wird eine direkte Ausräumung, d. h. ohne wesentliche Mitnahme des Materials in Drehrichtung, des an der Schneide abrasiv abgetra­ genen Materials erzielt.

Bei Bohrwerkzeugen mit einer geradzahligen Anzahl von Schneiden, welche vorzugsweise Haupt- und Nebenschneiden ausbilden, die ganzzählig rotationssymmetrisch angeordnet sind, erfolgt eine Unterstützung in Drehrichtung vorteilhaft bezüglich der Hauptschneide. De­ ren in Drehrichtung liegende Seitenfläche ist somit frei. Die der Hauptschneide zugeordnete, in Drehrichtung zuvor liegende, Ausnehmung wird vorteilhaft von einer entgegen orientierten, ebenfalls einen freier Übergang bildenden, Seitenfläche begrenzt und realisiert somit eine grösstmögliche Ausnehmung vor der Hauptschneide. Die benachbarte, durch die Befesti­ gung der beiden winkelig aneinanderstossenden achsparallelen Seitenflächen kleinere, Aus­ nehmung vor den Nebenschneiden ist für deren geringeren Materialabtrag hinreichend. So­ mit wird auch bei hoher Bohrleistung die Ausräumung des abrasiv abgetragenen Materials gewährleistet.

Bei Bohrwerkzeugen mit vier Schneiden, von denen vorzugsweise zweizählig rotationssym­ metrisch angeordnet je zwei Haupt- und Nebenschneiden ausgebildet sind, werden vorteil­ haft zwei diametral gegenüberliegende, jeweils von einer Haupt- und einer Nebenschneide ausgebildete, winkelig aneinandergrenzende achsparallele Seitenflächen zur Befestigung verwendet, wobei die restlichen, jeweils bezüglich der zugeordneten Schneide gegenüberlie­ genden, ebenfalls winkelig aneinandergrenzenden achsparallelen Seitenflächen frei liegen. Bei Vollhartmetallköpfen mit vier im wesentlichen radial verlaufenden Schneiden werden somit je zwei diametral gegenüberliegende Innenwinkelflächen zur Befestigung benutzt, die restlichen, ebenfalls diametral gegenüberliegenden Innenwinkelflächen liegen frei und bilden die grosse Ausnehmung zur Ausräumung des abrasiv abgetragenen Materials aus.

Bei Bohrwerkzeugen mit Haupt- und Nebenschneiden ist bezüglich der Begrenzung der Tor­ sionsbeanspruchung bei einem Armierungstreffer die Ausbildung einer bezüglich der Haupt­ schneide vorlaufenden Nebenschneide vorteilhaft. Durch die Verringerung des durch die Massenträgheit zu überbrückenden Drehwinkels und damit der Eindringzeit bei gegebener Drehzahl wird das Eindringen der Hauptschneide in die Armierung und damit die Torsions­ beanspruchung der Schneiden des Vollhartmetallkopfes begrenzt. Die durch die vorlaufende Nebenschneide relative Verkleinerung der Ausnehmung vor der Hauptschneide wird durch deren relative Vergrösserung bei freiliegenden Seitenflächen kompensiert. Somit kann bei gleicher Ausräumung ein geringeres Eindringen der Hauptschneide bei Armierungstreffern erzielt werden.

Eine vorteilhafte lotrechte, nicht radiale, Anordnung der freien Seitenfläche der nachlaufen­ den Nebenschneide zu der sich radial erstreckenden Hauptschneide erhöht die innere Steifigkeit des Vollhartmetallkopfes und verbessert die Ausräumung durch geringere angren­ zende reibende Seitenflächen.

Vorteilhaft setzt sich die für den Vollhartmetallkopf und für die Verzapfung zur Befestigung der Seitenflächen benötigte Querschnittsfläche des Bohrkopfes im restlichen Bohrwerkzeug fort und geht bezüglich der radial äusseren Bereiche in zugeordnete Wendelgänge zum Ab­ transport des Materials über, wobei weiter vorteilhaft die Hauptschneiden in die Hauptwen­ delgänge zur Überleitung von Kräften sowie zum Abtransport des Materials übergehen und die Nebenschneiden in sich stetig radial verkürzende, nicht bis an die durch die Rotation der Hauptwendelgänge ausgebildete Hüllkurve heranreichende, Nebenwendelgänge zur Über­ leitung von Kräften übergehen, welche sich optional über den gesamten Wendel fortsetzen. Dadurch werden die im Bohrkopf separaten Ausnehmungen der Haupt- und Nebenschneide zur Ausräumung in einem gemeinsamen grossen Wendelgang mit geringen reibenden Flä­ chen zusammengeführt.

Die Erfindung wird nachfolgend in einer vorteilhaften Ausführungsform beschrieben. Dazu zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des vorderen Teils eines Bohrwerkzeuges für Gestein

Fig. 2 eine um 90° verdrehte Seitenansicht

Fig. 3 eine Vorderansicht

Fig. 4 den Schnitt IV-IV aus Fig. 2

Nach Fig. 1 bzw. Fig. 2 weist ein Bohrwerkzeug 1 für Gestein einen Bohrkopf 2 mit Schneiden 3 aus Hartmetall auf, welcher als einzelner Vollhartmetallkopf 4 ausgebildet, bezüglich seiner Stirnfläche 5 und einigen Seitenflächen 6 der Schneiden 3 längs der Drehachse A in Verzapfungen 7 des restlichen Bohrwerkzeugs 1 befestigt ist, bspw. durch Reibschweissen oder hartem Löten. An den Bohrkopf 2 schliesst sich ein wendelförmig um die Drehachse A verdrillter Wendel 8 an, wobei der Querschnitt des Bohrkopfes 2 im wesentlichen stetig in den Wendel 8 übergeht. Eine Hauptschneide 9 geht in einen Hauptwendelgang 10 und eine Nebenschneide 11 in einen Nebenwendelgang 12 stetig über, welcher radial nicht an eine Hüllkurve 13 der rotierenden Hauptwendelgänge 10 heranreicht.

Nach Fig. 3 weist der Bohrkopf 2 den zusätzlich in der Verzapfung 7 befestigten Vollhartme­ tallkopf 4 auf, welcher vier zweizählig rotationssymmetrisch angeordnete Schneiden 3 und dazwischen angeordnete Ausnehmungen 14 zur Ausräumung des abrasiv abgetragenen Materials aufweist. Die Schneiden 3 sind umfänglich wechselnd als Hauptschneiden 9 und als Nebenschneiden 11 ausgebildet, wobei eine Seitenfläche 6a der Nebenschneide 11 in Drehrichtung liegend und eine Seitenfläche 6b der Hauptschneide 9 entgegen der Drehrich­ tung liegend benachbart angeordnet und winkelig aneinanderstossend an der innenwinkel­ förmigen Verzapfung 7 befestigt sind. Die diametral gegenüberliegende innenwinkelförmige Verzapfung 7 bildet jeweils eine kleine Ausnehmung 14a aus. Eine frei liegende Seitenfläche 6c der Hauptschneide 9 in Drehrichtung liegend und eine frei liegende Seitenfläche 6d der Nebenschneide 11 entgegen der Drehrichtung liegend bilden, jeweils benachbart angeordnet und winkelig aneinanderstossend, eine grosse Ausnehmung 14b aus. Die spitzwinkelig zugeordnete Nebenschneide 11 ist bezüglich der Hauptschneide 9 in Drehrichtung vorlaufend, wobei die freiliegende Seitenfläche 6d der Nebenschneide 11 lotrecht zur Hauptschneide 9 angeordnet ist.

Nach Fig. 4 weist der Querschnitt des Wendels 8 den Hauptwendelgang 10 und den Nebenwendelgang 12 auf, welcher radial nicht an die Hüllkurve 13 der rotierenden Hauptwendelgänge 10 heranreicht.

Claims (10)

1. Bohrwerkzeug (1) mit Schneiden (3) aus Hartmetall eines einzelnen Vollhartmetallkopfs (4), welcher an der Stirnfläche (5) des restlichen Bohrwerkzeugs (1) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Verzapfung (7) des restlichen Bohrwerkzeugs (1) eine zu­ sätzliche Befestigung an einer längs der Drehachse A radial im äusseren Bereich liegenden Seitenfläche (6) erfolgt und dass die zusätzliche Befestigung nur an einem Teil dieser Sei­ tenflächen (6) erfolgt, wobei diese zumindest bezüglich einiger Schneiden (3) in Drehrichtung auf Druck beansprucht sind.

2. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils andere Teil der Seitenflächen (6) einer Schneide (3) freiliegend ausgeführt ist.

3. Bohrwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die freiliegende Seiten­ fläche (6) zumindest bezüglich einiger Schneiden (3) in Drehrichtung orientiert ist.

4. Bohrwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bohrwerkzeugen (1) mit geradzahliger Anzahl von Schneiden (3), welche als Hauptschneide (9) und Nebenschneide (11) ausgebildet sind, eine Befestigung der beiden aneinanderstossenden Seitenflächen (6a; 6b) mit Druckbeanspruchung in Drehrichtung be­ züglich der Hauptschneide (9) ausgebildet ist.

5. Bohrwerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die der Hauptschneide (9) zugeordnete in Drehrichtung vorlaufende Ausnehmung (14b) durch zwei freiliegende, anei­ nanderstossende, Seitenflächen (6c; 6d) ausgebildet wird und die anderen zwei aneinan­ derstossenden Seitenflächen (6a; 6b) an der Verzapfung (7) befestigt sind.

6. Bohrwerkzeug nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, das bei Voll­ hartmetallköpfen (4) mit genau vier im wesentlichen radial verlaufenden Schneiden (3) je­ weils zwei diametral gegenüberliegende Innenwinkelflächen frei liegen bzw. an der Verzap­ fung (7) befestigt sind.

7. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bohrwerkzeugen (1) mit Hauptschneiden (9) und Nebenschneiden (11) in Drehrichtung die Nebenschneide (11) bezüglich der Hauptschneide (9) vorlaufend ist.

8. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Seitenfläche (6c) der nachlaufenden Nebenschneide (11) lotrecht zur Hauptschneide (9) angeordnet ist.

9. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittsfläche des Bohrkopfes (2) im restlichen Bohrwerkzeug (1) stetig fortsetzt und bezüglich der radial äusseren Bereiche in zugeordnete Wendelgänge (10; 12) übergeht.

10. Bohrwerkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptschneiden (9) in die Hauptwendelgänge (10) und die Nebenschneiden (11) in die Nebenwendelgänge (12) übergehen, welche sich vom Bohrkopf (2) ausgehend im Übergangsbereich zum restlichen Bohrwerkzeug (1) stetig radial verkürzen und nicht bis an die durch die Rotation der Hauptwendelgänge (10) ausgebildete Hüllkurve (13) heranreichen.