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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Erdbohrmeißel, und insbesondere auf Düsen, die in Erdbohrmeißeln verwendet werden.
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HINTERGRUNDINFORMATION
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Erdbohrmeißel, wie Rollenmeißel und feststehende Schneidmeißel, sind oft mit Gewindedüsen ausgestattet, die eine Flüssigkeit zum Ausspülen von Schutt aus einem Bohrloch und zum Spülen des Meißels liefern, und die auch als Quelle für einen hydraulischen Bohrvorgang dienen können. Diese Gewindedüsen bestehen oft aus einem gehärteten Werkstoff wie Sinterkarbid, d. h. Wolframkarbid-Kobalt.
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Das Standardverfahren zur Herstellung von Gewindedüsen zur Verwendung bei Erdbohrmeißeln war, zuerst eine Düse zu pressen und zu sintern, die die allgemeine Form einer Düse hat. Die unfertige Düse wird dann maschinell bearbeitet, um ihre endgültige Oberflächenbeschaffenheit und Abmessungen zu erhalten. Diese maschinelle Bearbeitung enthält das Versehen der Düse mit einem Gewinde. Die maschinelle Bearbeitung des gesinterten Wolframkarbids ist aufgrund der Härte des Werkstoffs äußerst schwierig und erfordert oft die Verwendung teurer Diamantschneideprodukte.
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Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Feststellungen entwickelt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung liefert eine Gewindedüse zur Verwendung in einem Schneidmeißel. Gewindegänge werden in eine aus Pulver bestehende Düse entweder maschinell eingearbeitet oder gepresst, dann wird die Düse gesintert. Die Gewindegänge der Düsen der vorliegenden Erfindung haben eine rauere Oberflächengüte, und es wird angenommen, dass sie härter sind als Gewindegänge, die nach dem Sintern maschinell eingearbeitet werden. Das Formen der Gewindegänge in der Düse vor dem Sintern ist auch wirtschaftlicher und wirksamer als das maschinelle Einarbeiten nach dem Sintern.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert eine ungesinterte Düse aus gepresstem Pulver zur Verwendung in einem Schneidmeißel, die einen Körper mit einer Außenseite, einem Einlassende und einem Auslassende, eine sich durch den Körper vom Einlassende zum Auslassende erstreckende Bohrung und Außengewindegänge enthält, die sich zumindest zum Teil entlang der Außenseite des Körpers der ungesinterten Düse erstrecken.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert eine Gewindedüse zur Verwendung in einem Schneidmeißel, die einen Körper mit einer Außenseite, einem Einlassende und einem Auslassende, einer sich durch den Körper vom Einlassende zum Auslassende erstreckenden Bohrung und Außengewindegänge enthält, die sich zumindest zum Teil entlang der Außenseite des Körpers der Gewindedüse erstrecken, wobei die Außengewindegänge eine Oberflächenrauigkeit von mindestens 40 Mikrozoll haben.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert ein Verfahren zur Herstellung einer Gewindedüse zur Verwendung in einem Schneidmeißel, das die Schritte erstens des Bereitstellens eines Düsenrohlings aus gepresstem Pulver, zweitens des maschinellen Einarbeitens von Gewindegängen in den Düsenrohling aus gepresstem Pulver und drittens des Sinterns des Düsenrohlings aus gepresstem. Pulver aufweist.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liefert ein Verfahren zur Herstellung einer Gewindedüse zur Verwendung in einem Schneidmeißel, das die Schritte des Bereitstellens einer Pressform mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende, einer Hülse und einem in die Hülse eingesetzten geteilten Einsatz mit einem Gewinde formenden Abschnitt, des Einsetzens eines ersten Stempels in ein erstes Ende der Pressform, des Füllens der Pressform mit einem Metallpulver oder keramischen Pulver, des Einsetzens eines zweiten Stempels in das zweite Ende der Pressform, des Anwendens von Druck auf das Pulver innerhalb der Pressform, um einen Rohling aus gepresstem Pulver zu erzeugen, des Entfernens des Rohlings aus gepresstem Pulver aus der Pressform und des Sinterns des Rohlings aus gepresstem Pulver aufweist.
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Dieser und andere Aspekte gehen klarer aus der folgenden Beschreibung hervor.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Schrägansicht einer Gewindedüse, die in einem feststehenden Schneidmeißel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung installiert ist.
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2 ist eine Seitenansicht einer Gewindedüse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 ist eine Frontansicht der in 2 gezeigten Gewindedüse.
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4 ist ein Querschnitt der Gewindedüse aus 3 gemäß der Querschnittslinie 4-4.
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4A ist eine erweiterte Ansicht des Details 4A in 4.
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5 ist eine Draufsicht auf ein Gewindeschneidwerkzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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6 ist eine erweiterte Ansicht des Schneidendes des Gewindeschneidwerkzeugs aus 5.
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7 ist eine Frontansicht des Gewindeschneidwerkzeugs aus 5.
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8 ist eine Seitenansicht des Gewindeschneidwerkzeugs aus 5.
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9 ist eine Frontansicht einer Pressform zum Pressen von Gewindegängen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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10 ist ein Querschnitt der Pressform aus 9 entlang der Querschnittslinie 10-10.
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11 ist eine erweiterte Ansicht des Details B aus 10.
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12 ist eine Frontansicht eines oberen Stempels zur Verwendung zusammen mit der Pressform aus 9 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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13 ist eine Seitenansicht des oberen Stempels aus 12.
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14 ist eine erweiterte Ansicht des Details C aus 12.
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15 ist eine Seitenansicht eines unteren Stempels zur Verwendung zusammen mit der Pressform aus 9 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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16 ist ein Querschnitt des unteren Stempels aus 15 entlang der Querschnittslinie 302.
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17 ist eine Seitenansicht eines Kernstabs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Im Rahmen der folgenden ausführlichen Beschreibung versteht es sich, dass die Erfindung verschiedene alternative Varianten und Schrittfolgen haben kann, außer wenn ausdrücklich das Gegenteil gesagt wird. Außerdem, mit Ausnahme von Betriebsbeispielen, oder wo anders angegeben, versteht es sich, dass alle Zahlen, die zum Beispiel Mengen von Bestandteilen ausdrücken, die in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, in allen Fällen durch den Begriff ”etwa” verändert sind. Dementsprechend, wenn nicht anders gesagt, sind die numerischen Parameter, die in der folgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen dargelegt werden, Näherungswerte, die abhängig von den gewünschten Eigenschaften, die durch die vorliegende Erfindung erhalten werden sollen, variieren können. Zumindest, und nicht als Versuch, die Anwendung der Äquivalenzlehre auf den Geltungsbereich der Ansprüche zu begrenzen, sollte jeder numerische Parameter zumindest angesichts der Zahl von angegebenen geltenden Ziffern und durch die Anwendung normaler Abrundungstechniken interpretiert werden.
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Es versteht sich auch, dass jeder hier erwähnte numerische Bereich alle darin enthaltenen Unterbereiche umfasst. Zum Beispiel soll ein Bereich von ”1 bis 10” alle Unterbereiche zwischen dem (und einschließlich des) angegebenen Mindestwert von 1 und dem angegebenen Höchstwert von 10 umfassen, d. h., die einen Mindestwert gleich oder größer als 1 und einen Höchstwert gleich oder weniger als 10 haben.
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In dieser Anmeldung umfasst die Verwendung des Singulars den Plural, und der Plural umfasst den Singular, wenn nicht spezifisch anders angegeben. Zusätzlich bedeutet in dieser Anmeldung die Verwendung von ”oder” ”und/oder”, wenn nicht spezifisch anders angegeben, auch wenn ”und/oder” in bestimmten Fällen explizit verwendet werden kann.
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Nun unter Bezug auf 1, ist ein Beispiel eines feststehenden Schneidmeißels 10 gezeigt, der bei einer Erdbohrungsanwendung verwendet werden kann. In diesem Beispiel hat der feststehende Schneidmeißel 10 ein Spannfutter 12 mit einem mit Gewinde versehenen Ende 14. Das mit Gewinde versehene Ende 14 entspricht einem drehenden hohlen Gestängerohr (nicht gezeigt), das mit einer anderen drehenden Ausrüstung einer Erdbohrmaschine verbunden ist. Das untere Ende des feststehenden Schneidmeißels kann eine oder mehrere Schneidkanten 16 haben, die oft mit Schneideinsätzen 18 ausgestattet sind. Die Schneideinsätze 18 können auf die Schneidkante gelötet oder durch geeignete, dem Fachmann bekannte Einrichtungen befestigt sein. Abfallschlitze 20, die es Spänen und Flüssigkeit ermöglichen, am drehenden Schneidmeißel 10 vorbei nach oben zu fließen, können die Schneidkanten 16 trennen. Eine oder mehrere Leitungen 22 treten über die Außenseite eines unteren Abschnitts des feststehenden Schneidmeißels 10 aus. Die Leitungen 22' stehen in Flüssigkeitsverbindung mit dem drehenden hohlen Gestängerohr (nicht gezeigt), das mit einem Gewindeabschnitt 14 des Spannfutters 12 verbunden ist. Gewindedüsen 30 können in ein äußeres Ende 24 der Leitung 22 eingefügt werden. Das äußere Ende 24 der Leitung 22 kann auch einen versenkten Abschnitt 26 haben, so dass die Gewindedüse 30 in die Leitung 22 zurückgesetzt ist.
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Nun, unter Bezug auf 2–4, ist eine Gewindedüse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Gewindedüse 30 enthält einen Körper 32, der um eine Längsachse 40 angeordnet ist. Die Gewindedüse hat ein Einlassende 34 und ein Auslassende 36. Äußere Gewindegänge 50 sind am Umfang über mindestens einen Abschnitt der Außenseite 38 des Körpers 32 der Gewindedüse 30 angeordnet. Ein Sechskantkopf 60 kann am Auslassende 36 der Gewindedüse 30 angeordnet sein. Obwohl ein Sechskantkopf 60 gezeigt ist, kann eine beliebige Konfiguration eines Schrauben- oder Bolzenkopfs verwendet werden, die eine Vertiefung im Auslassende 36 zur Aufnahme eines Antriebsbohrers aufweist. Wie man in 3 sehen kann, erstreckt sich eine Düsenbohrung 70 durch den Körper 32 der Gewindedüse 30. Die Düsenbohrung 70 kann um die Längsachse 40 zentriert sein, die sich axial durch die Gewindedüse 30 erstreckt. 4 zeigt einen Querschnitt der Düse aus 3 entlang der Querschnittslinie 4-4. Die Düsenbohrung 70 kann an einem Einlassende 34 der Gewindedüse 30 einen aufgeweiteten Abschnitt 72 haben. Eine Detailansicht des Ausschnitts A aus 4 ist in 4A gezeigt. Die äußeren Gewindegänge 50 haben eine Vorderseite 54 und eine Hinterseite 52. Ein flacher oder gebogener Übergang zwischen der Vorderseite 54 und der Hinterseite 52 befindet sich im radial äußersten Abschnitt der Gewindegänge 50. Zwischen jedem Gewindegang 50 befindet sich eine eingeschnittene Vertiefung 80.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Gewindedüse aus Wolframkarbid-Kobalt oder einem anderen Werkstoff sein, der gepresst und dann gesintert wird. Zum Beispiel Karbide, die Wolframkarbid, Titankarbid und Tantalkarbid enthalten, Aluminiumoxid, Titannitrid, kubisches Bornitrid, und alle Keramikwerkstoffe, und Legierungen und Cermets dieser Werkstoffe enthalten. Geeignete Bindemittel für diese Werkstoffe umfassen zum Beispiel Kobalt, Kupfer, Eisen und Nickel.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die äußeren Gewindegänge der Gewindedüse in dem ungesinterten Gewindedüsenrohling vor dem Sintern geformt. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff ”ungesintert” auf pulverförmigen Werkstoff, der gepresst, aber nicht gesintert wurde. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Gewindegänge maschinell in den Gewindedüsenrohling eingearbeitet, der bereits einem ersten Form- oder Pressprozess unterzogen wurde, um die allgemeine Form der Düse herzustellen.
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Das in den 5–8 gezeigte Gewindeschneidwerkzeug 100 kann in einem Drehvorgang verwendet werden, um äußere Gewindegänge maschinell in den Düsenrohling einzuarbeiten. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff ”Düsenrohling” auf eine durch einen Press- und Sinterprozess hergestellte Düse, die gepresst, aber nicht gesintert wurde und eine ungesinterte Düse enthält. Wie sehr klar in 5 zu sehen ist, hat das Gewindeschneidwerkzeug 100 einen Schaft 110 und ein Schneidende 120 zum Schneiden der äußeren Gewindegänge einer ungesinterten Gewindedüse. Das Schneidende 120 enthält eine Schneidspitze 130. Von der Schneidspitze 130 erstreckt sich ein Vorsprung 140, um eine eingeschnittene Vertiefung 80 geeigneter Größe zwischen jedem äußeren Gewindegang zu erzeugen. Die eingeschnittene Vertiefung 8d unterstützt den Sintervorgang in mindestens einer Beziehung durch das Reduzieren von Rissen im Endprodukt.
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Wie oben erwähnt, werden die Gewindegänge im Zustand vor dem Sintern maschinell in den Düsenrohling eingearbeitet. Dies kann unter Verwendung einer Ausrüstung wie einer CNC-Maschine oder manuellen Drehmaschine, CNC- oder Handfräse, Gewindebacken oder anderen Drehausrüstungen erfolgen. Der Düsenrohling kann von Spannfuttern, einem Vakuumgerät oder anderen Greifanordnung gehalten werden, um die maschinelle Bearbeitung zu ermöglichen. Das Gewindeschneidwerkzeug 100 kann ganz oder teilweise aus einem gehärteten Werkstoff wie einem Diamant (PCD), Bornitrid, Wolframkarbid oder Keramikmaterial hergestellt sein. Das Gewindeschneid-werkzeug 100 kann auch mit zum Beispiel Titannitrid beschichtet sein. Zusätzlich kann das Gewindeschneidwerkzeug 100 ein Werkzeug wie dasjenige sein, das in den 5–8 gezeigt ist, kann aber auch ein Schneidrädchen sein.
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Es sollte auch angemerkt werden, dass, während oben ein Gewindeformen beschrieben ist, auch andere für einen Pulvermetallurgieprozess geeignete Formen geformt werden können. Zum Beispiel können die Gewindedüsen 30 und Einsatz-Schneidmeißel auch einen Verriegelungsmechanismus wie zum Beispiel einen Stift aufnehmen. Die Gewindedüsen 30 können einen solchen Verriegelungsmechanismus aufnehmen, indem sie zum Beispiel eine Kerbe im Sechskantkopf 60 oder einen Schlitz haben, der axial durch die äußeren Gewindegänge 50 und den Rest einer Gewindedüse verläuft.
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In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Gewindegänge untere Verwendung einer Pressform in eine Düse gepresst. Zum Beispiel kann eine Pressform 150 wie die in 9–11 gezeigte verwendet werden, um Gewindegänge in einen Düsenrohling zu pressen. Die Pressform 150 kann einen geschlitzten Einsatz 160 haben, der zwei gegenüberliegende Segmente 162, 164 enthält. Wenn die gegenüberliegenden. Segmente 162, 164 an der Schnittlinie 166 aneinander gepresst werden, kann der geschlitzte Einsatz 160 eine allgemein zylindrische Form mit Ausnahme der ebenen Seiten 168, 170 auf jedem gegenüberliegenden Segment 162, 164 haben. Jedes gegenüberliegende Segment 162, 164 hat einen Gewinde formenden Abschnitt 172, 174 auf seiner jeweiligen Innenseite 176, 178. Wie man am besten in 10 sehen kann, wird der geschlitzte Einsatz 160 in die Hülse 190 eingesetzt. Die Hülse 190 hat eine Innenseite 192, die kongruent geformt ist, um der Außenfläche 180 des geschlitzten Einsatzes 160 zu entsprechen. Ebene Flächen 168, 170 liegen an der Innenseite 192 der Hülse 190 an, um eine Drehung des geschlitzten Einsatzes 160, zu verhindern. Wie man in 10 sehen kann, hat die Pressform 150 ein oberes Ende 152 und ein unteres Ende 154. Das obere Ende 152 hat eine obere Stempelöffnung 156. Das untere Ende 154 hat eine untere Stempelöffnung 158. Wenn er vollständig in die Hülse 190 eingesetzt ist, liegt der geschlitzte Einsatz 160 an einem Anschlag 194 am unteren Ende 154 an und ist am oberen Ende 152 bündig mit der Hülse 190.
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Wenn der geschlitzte Einsatz 150 in die Hülse 190 eingesetzt ist, kann der obere Stempel 200 in die obere Stempelöffnung 156 eingesetzt werden. Die Pressform 150 wird dann mit einer vorbestimmten Menge von pulverisiertem Metall oder Keramikmaterial gefüllt. Der untere Stempel 300, in 15–16 gezeigt, kann dann in die untere Stempelöffnung 158 eingesetzt werden. Ein Kernstab 400, von dem ein Beispiel in 17 gezeigt ist, erstreckt sich durch die Bohrung des unteren Stempels 300 und kontaktiert den oberen Stempel 200. Wenn der obere Stempel 200, der untere Stempel 300 und der Kernstab 400 eingebaut und die Pressform mit Pulver geladen ist, wird Druck ausgeübt und der Pressprozess beginnt.
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Gewinderohlinge, die durch die oben beschriebene ungesinterte maschinelle Bearbeitung oder ungesinterte Pressprozesse erzeugt werden, haben deutliche Vorteile gegenüber anderen Gewindedüsen. Insbesondere sind die Gewindedüsen der vorliegenden Erfindung weniger zeitaufwändig und weniger teuer in der Herstellung als andere Düsen, zum großen Teil aufgrund der Tatsache, dass die Endform der ungesinterten Gewindedüse näher an der endgültigen Form des Endprodukts ist. Es wird auch angenommen, dass die Gewindedüsen der vorliegenden Erfindung mehrere physikalische Verbesserungen im Vergleich mit anderen Gewindedüsen haben. Zum Beispiel wird angenommen, dass die Gewindedüsen der vorliegenden Erfindung eine höhere Kantenfestigkeit in den äußeren Gewindegängen als andere Gewindedüsen haben, aufgrund einer erhöhten Menge von Kobalt an der Oberfläche der Gewindedüse, da Kobalt während des Sintervorgangs an die Oberfläche wandert. Die Verwendung eines Nachsinterungs-Hartschleifprozesses entfernt die Außenfläche mit höherem Kobaltgehalt, was zu einem weniger festen Gewindegang führt. Eine maschinelle Bearbeitung vor dem Sintern beseitigt dieses Problem. Gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugte äußere Gewindegänge sind robuster als diejenigen, die durch einen Schleifprozess nach dem Sintern erzeugt werden.
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Die durch das maschinelle Bearbeiten oder die Pressprozesse vor dem Sintern gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugten äußeren Gewindegänge haben auch eine erhöhte Oberflächenrauigkeit (Ra), die die Reibung zwischen den entsprechenden Flächen der Düse und des Meißels verbessert. Wie hier verwendet, bezieht sich die Oberflächenrauigkeit auf das Maß feinerer Oberflächenunregelmäßigkeiten in einem Artikel. Wie hier verwendet, bezieht sich Ra auf das arithmetische Mittel der Oberflächenunregelmäßigkeiten, nämlich Oberflächenspitzen und -täler, ausgedrückt in Mikrozoll. Der Ra-Wert für die Gewindegänge der vorliegenden Erfindung beträgt zum Beispiel mindestens 40 Mikrozoll, ist zum Beispiel höher als 50 Mikrozoll, zum Beispiel etwa 55 Mikrozoll bis etwa 65 Mikrozoll. Die erhöhte Reibung verringert die Wahrscheinlichkeit, dass der Meißel sich während des Bohrens lockert. Die vorgesinterten Gewindegänge haben auch weniger Restspannung als ein hartgeschliffener Gewindegang, was die Düsen der vorliegenden Erfindung robuster, weniger rissanfällig und fehlertoleranter macht.
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Tests zwischen einem geschliffenen Standard-Gewindegang und dem geformten Gewindegang der vorliegenden Erfindung haben einen verbesserten Halt der Düse im Schneidmeißel gezeigt. Eine geformte Düse gemäß der vorliegenden Erfindung wurde mit einer Düse mit maschinell bearbeiteten Gewindegängen verglichen. Die geformte Düse hatte eine mittlere Oberflächenrauigkeit von 57 Mikrozoll. Die maschinell bearbeitete Düse hatte eine mittlere Oberflächenrauigkeit von 34 Mikrozoll. Jede Düse wurde Drehmoment-getestet, nachdem sie auf 80 psi angezogen wurde. Die geformte Düse erforderte einen Mittelwert von 72 psi zum Lösen, während die maschinell bearbeitete Düse sich bei 66 psi löste.
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Während besondere Ausführungsformen dieser Erfindung oben zum Zweck der Veranschaulichung beschrieben wurden, ist es dem Fachmann klar, dass eine Vielzahl von Veränderungen der Details der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können, ohne sich von der Erfindung zu entfernen, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird eine Gewindedüse zur Verwendung in einem Schneidmeißel offenbart. Gewindegänge werden in eine Düse aus gepresstem Pulver entweder maschinell eingearbeitet oder gepresst, dann wird die Düse gesintert. Die Gewindegänge der Düsen der vorliegenden Erfindung haben eine verbesserte Härte und eine rauere Oberflächengüte als nach dem Sintern maschinell bearbeitete Gewindegänge. Das Formen der Gewindegänge in der Düse vor dem Sintern ist auch wirtschaftlicher und wirksamer als eine maschinelle Einarbeitung nach dem Sintern.
