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Bohrmeißel Die Erfindung betrifft einen Bohrmeißel mit an der Bohrfläche
in Axialrichtung gestaffelt angeordneten Schneidelementen.
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Bei Bohrmeißeln bilden die Schneidelemente im allgemeinen Angriffsflächen,
die auf zur Werkzeugachse konzentrischen Flächen liegen und jeweils aus einer dünnen
Schicht eines entsprechend harten und widerstandsfähigen Materials bestehen. Im
Falle der Verwendung von Hartmetallen, z. B. Wolfram oder Borkarbid, bilden die
Schneidelemente jeweils glatt zusammenhängende Schneidflächen, während sie im Falle
einer Verwendung von Diamant z. B. aus Diamantkonkretionen bestehen können.
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Die Rentabilität der Bohrmeißel wird vor allem durch zwei Faktoren
bestimmt, und zwar einerseits durch die Vorschubgeschwindigkeit des Meißels und
anderseits durch die Gesamtstrecke, die ohne ein Heraufholen des Meißels in einem
Arbeitsgang gebohrt werden kann. Diese beiden Forderungen widersprechen sich bei
den heute üblichen Bohrmeißeln. Eine hohe Vorschubgeschwindigkeit des Meißels erfordert
eine möglichst kleine Berührungsfläche zwischen dem Werkzeug und dem Gestein, damit
ein entsprechend hoher spezifischer Druck entsteht, der das schnelle Vortreiben
des Loches ermöglicht. Nachteilig ist dabei jedoch, daß die Angriffsflächen eines
solchen Bohrmeißels entsprechend schnell abgenutzt werden und das Werkzeug also
schon nach einer verhältnismäßig kurzen Bohrstrecke wieder heraufgeholt werden muß.
Erhöht man jedoch die Menge des am Gestein angreifenden Schneidmaterials, so ergibt
sich daraus zwangläufig eine entsprechende Vergrößerung der Arbeitsfläche und somit
auch eine Verkleinerung der Vorschubgeschwindigkeit des Bohrmeißels. Bisher konnte
man sich nur dadurch helfen, daß man die Schicht der Schneidelemente in axialer
Richtung des Bohrmeißels entsprechend dick ausführte, was jedoch zu einem sehr teuren
Bohrmeißel führt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Bohrmeißel
so zu vervollkommnen, daß der Bohrmeißel trotz einer nur kleinen Angriffsfläche
und einer entsprechend großen Vorschubgeschwindigkeit auch ohne besonders dicke
Schneidelemente länger als bisher benutzt werden kann, bevor seine Schneidflächen
ganz abgenutzt sind und der Meißel wieder heraufgeholt werden muß.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist von einem eingangs genannten
Meißel ausgegangen, für den in einem gegenüber der Erfindung nicht vorbekannten
Vorschlag bereits vorgeschlagen wurde, in Schneidrichtung unmittelbar hinter einem
Hartmetall eine Diamantkonkretion anzuordnen, deren Diamantkörner in Vorschubrichtung
des Bohrmeißels über die Stirnfläche des benachbarten Hartmetalls noch etwas vorstehen.
Wenn es auch bei sehr hartem Gestein denkbar ist, daß bei einem solchen Bohrmeißel
nur die Angriffsfläche der Diamantkonkretion wirksam wird, so muß in der Regel doch
damit gerechnet werden, daß bei dem üblichen Bohrdruck auch die Stirnflächen des
Hartmetalls zum Tragen kommen und die Angriffsfläche des Meißels entprechend vergrößern.
Ein solcher Vorschlag ist deshalb zur Lösung der hier gestellten Aufgabe nicht geeignet.
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Die gestellte Aufgabe ist demgegenüber erfindungsgemäß durch an einem
eingangs genannten Bohrmeißel derart treppenförmig angebrachte plättchenförmige
Schneidelemente gelöst, daß nach Abnutzung des zunächst zur Bohrlochsohle am weitesten
vorstehenden Schneidelementes das in der treppenförmigen Anordnung nächste Element
die Aufgabe des ersteren übernimmt.
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Dank einer solchen axialen Abstufung und der jeweils nur verhältnismäßig
kleinen Angriffsflächen des Bohrmeißels kann mit einem hohen spezifischen Druck
und einer entsprechend hohen Vorschubgeschwindigkeit des Bohrmeißels gearbeitet
werden. Die aufeinanderfolgende Wirksamkeit der Schneidelemente ermöglicht dabei
eine beträchtliche Bohrlänge, bevor die Schneidelemente vollständig abgenutzt sind
und der Meißel heraufgeholt werden muß.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung können die Arbeitsflächen der Schneidelemente die Form von Sektoren
aufweisen, und der Bohrmeißel kann auch in einzelne Arbeitsflächen unterteilte Angriffsflächen
aufweisen, wobei die vordere Angriffsseite einer Fläche sich in einer Ebene befindet,
die mit der hinteren Seite der in der axialen Staffelung unmittelbar vorangehenden
Fläche etwa zusammenfällt.
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Gemäß weiteren Ansgestältüngen der Erfindung können sich die einzelnen
"Flächen in der axialen Staffelung etwas überlappen; und die in der axialen Staffelung
aufeinanderfolgenden.Arbeitsflächen können gleich oder alter verschieden große,
z. B. größer werdende Oberflächen besitzen. Schließlich können die in der axialen
Staffelung aufeinanderfolgenden Flächen zweckmäßig aus dem gleichen Material bestehen.
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Mit den letztgenannten Ausgestaltungen der Erfindung kann z. B. auf
eine mit der Bohrlochtiefe unterschiedliche Härte des Gesteins Rücksicht genommen
werden, so daß sich jeweils ein dem Widerstand des Bodens entsprechender spezifischer
Arbeitsdruck ergibt. Die einzelnen Arbeitsflächen brauchen lediglich so bemessen
und angeordnet zu sein, daß die neue, einer anderen Bodenhärte zugeordnete Arbeitsfläche
nach dem Abnutzen der vorher verwendeten Arbeitsfläche gerade dann zur Wirkung kommt,
wenn die Bodenhärte der neuen Arbeitsfläche entspricht.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht;
es zeigt Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bohrmeißels
in einer perspektivisch gehaltenen Seitenansicht, Fig. 2 den Bohrmeißel gemäß Fig.
1 in einem schematisch gehaltenen _ Teilausschnitt nach der Linie II-II der Fig.
1 (in einer entsprechenden Abwicklung), Fig. 3 und 4 der Fig. 2 entsprechende Schnitte
zweier gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel unterschiedlich abgewandelter Bohrmeißel,
Fig. 5 eine der Fig. 1 ähnliche perspektivisch gehaltene Ausschnittdarstellung eines
dem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechenden Bohrmeißels, Fig. 6 eine Ausschnittdarstellung
der Fig. 5, aus der ein Spülkanal des Bohrmeißels hervorgeht, Fig.7 den in Fig.6
dargestellten Bohrmeißelteil in einem axial zum Bohrer geführten Schnitt nach der
Linie VII-VII der Fig. 6, Fig. 8 einen dem dritten Ausführungsbeispiel entsprechenden
Bohrmeißel in einem schematisch gehaltenen, ein Schneidelement in verschiedenen
Abnutzungsstadien zeigenden Radialschnitt.
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Der in Fig. 1 dargestellte Bohrmeißel besteht aus einem im wesentlichen
hohlzylindrischen Körper 1,
der einerseits ein konisches Anschlußgewinde
2 aufweist, während im anderseits offenen Hohlraum 3 z. B. eine den Gegenstand
eines besonderen Schutzrechtes bildende Zerstückelungsvorrichtung vorgesehen sein
kann, um den beim Bohren entstandenen Bohrkern zu zerstückeln. Der Bohrkern kann
sich dadurch bilden, daß zwei die nachstehend noch näher beschriebenen Schneidelemente
tragende, in der Seitenwandung des Körpers 1 diametral gegenüberliegend gehaltene,
achsparallel verlaufende Stegteile 5 zwischen sich einen axialen Schacht
4 frei lassen, aus dem der zerstückelte Bohrkern zugleich beiderseits ausgeworfen
werden kann. An ihren in üblicher Weise über -die Mantelfläche des Körpers
1 noch etwas nach außen vorstehenden Seitenflächen sind die Stegteile 5 noch
mit Außenbohrflächen 6 versehen.
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Die zum Angreifen am Bohrstoß dienenden Stirnseiten der Stegteile
5 sind in einzelne, in Umfangsrichtung des Bohrmeißels axial voneinander abgestufte
sektorförmige Teile aufgeteilt, wobei sich an jedem Stegteil 5 gemäß dem Ausführungsbeispiel
eine gleichmäßige Staffelung ergibt. Auf jedem Sektorteil ist ein Schneidelement
7 bzw. 8 bzw. 9 aufgebracht, und die Höhe der gegenseitigen Abstufungen der
einzelnen Sektorteile entspricht gerade etwa der Stärke der einzelnen Schneidelemente
7, 8, 9. So befindet sich z. B., wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, die Außenfläche
des Schneidelementes 8 etwa in der Ebene der Rückseite des Schneidelementes
7, das auf den dortigen Sektorteil des Stegteiles 5 in üblicher Weise
fest aufgebracht ist, während die Außenfläche des Schneidelementes 9 innerhalb der
Verbindungsebene zwischen dem Schneidelement 8 und. dem zugehörigen Sektorteil
des Stegteiles 5 verläuft. Zwischen den einzelnen Sektorteilen jedes Stegteiles
5 sind noch radiale Spülkanäle 10 angeordnet, die in das Material der Stegteile
5 als Rinnen eingebracht sind und damit sowohl die benachbarten Sektorflächen als
auch die benachbarten Schneidelemente 7, 8 und 9 voneinander trennen.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schneidelemente 7, 8, 9 sind aus gleichem
Material, z. B. aus Diamant, hergestellt und weisen gleiche Oberflächenformen auf.
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Ein so ausgestaltetes Werkzeug greift bei seiner ersten Verwendung,
bei der es in Richtung des Pfeiles der Fig. 2 bewegt wird, am Gebirge mit seinen
axial am weitesten vorstehenden Schneidelementen 7 an, und diese Schneidflächen
7 arbeiten so lange allein, bis sie ganz abgenutzt sind. Erst daraufhin
beginnen die Schneidelemente 8 ihre Arbeit, wobei das gegenüber den Schneidelementen
weichere Material der unter den Schneidelementen 7 anschließenden Sektorteile der
Stegteile 5 ohne eine nennenswerte Bohrarbeit schnell abgenutzt wird. Sind die Schneidelemente
8 abgearbeitet, so beginnen schließlich die Schneidelemente 9 ihre Arbeit,
und der beschriebene Bohrmeißel braucht erst dann ausgewechselt zu werden, wenn
auch die Schneidelemente 9 vollständig abgenutzt sind.
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Die Arbeitsflächen der einzelnen Schneidelemente 7,
8
und 9 können bei dem beschriebenen Bohrmeißel kleiner gehalten werden, so
daß beim Bohren ein verhältnismäßig hoher spezifischer Druck und damit auch eine
entsprechend große Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden kann. Trotzdem erlaubt
die axiale Abstufung mehrerer aufeinanderfolgend zur Wirkung kommender Schneidelemente
eine gegenüber den bisher verwendeten Bohrmeißeln mit kleinen Arbeitsflächen wesentlich
erhöhte Arbeitsdauer, so daß mit dem beschriebenen Bohrmeißel eine verhältnismäßig
lange Bohrstrecke bzw. Bohrtiefe mit hoher Bohrgeschwindigkeit gebohrt werden kann.
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In Fig. 3 ist eine Abwandlung des in den Fig. 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiels veranschaulicht, bei der auf jedem Stegteil drei Schneidelemente
11, 12 und 13 angeordnet sind, aus denen Diamantkörner nach außen
hervorstehen. Hierbei ist die axiale Versetzung der Schneidelemente 11, 12
und 13 so gewählt, daß die Außenspitzen der Diamantkörner des in axialer
Richtung mittleren Schneidelementes 12 zu wirken beginnen, wenn die Diamantkörner
des
zuerst wirksamen Schneidelementes 11
etwa um 50% abgenutzt sind. Die Bewegungsrichtung
des mit den Schneidelementen 11, 12 und 13 versehenen Stegteiles des Bohrmeißels
ist in Fig.3 durch einen Pfeil gekennzeichnet. Im übrigen sind hier die zuerst mit
dem Bohrstoß in Berührung kommenden Schneidelemente 11 in Umfangsrichtung des Bohrmeißels
schmaler als die übrigen Schneidelemente 12 und 13, während die hier nur gestrichelt
angedeuteten Spülkanäle entfallen.
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Der in Fig.4 dargestellte, gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel
weiterhin abgewandelte Stegteil eines Bohrmeißels weist eine äußere Stirnfläche
auf, die in einer einzigen Querebene zur Meißelachse verläuft. Dagegen sind auf
dieser, ebenfalls sektorförmigen Stirnfläche drei sektorförmige Schneidelemente
14, 15, 16 aufgebracht, die eine unterschiedliche und in der dargestellten Weise
etwa gleichmäßig abgestufte Stärke aufweisen. Auch die Bewegungsrichtung dieser
Schneidelemente ist in Fig. 4 durch einen Pfeil gekennzeichnet. Ist bei einem so
ausgebildeten Bohrmeißel das axial am weitesten vorstehende Schneidelement 14 so
weit abgenutzt, daß seine Stirnfläche in einer Ebene mit der noch unabgenutzten
Stirnfläche des nächsten Schneidelementes 15 verläuft, dann kommen anschließend
beide Schneidelemente 14 und 15 gemeinsam zur Wirkung, und nach einer gemeinsamen
weiteren Abnutzung der Schneidelemente 14 und 15 bis zu einem Stadium, bei welchem
deren Stirnflächen in einer Ebene mit der noch unabgenutzten Stirnfläche des Schneidelementes
16 liegen, kommen nunmehr alle Schneidelemente 14, 15, 16 gemeinsam zur Wirkung.
Bemerkenswert ist noch, daß die Größe der Diamantkörner von der vorderen Seite des
Schneidelementes 14 nach den übrigen Schneidelementen 15 und 16 hin kleiner
wird, um auch hierdurch der Erhöhung der Härte und/oder der Schleifwirkung des Gebirges
Rechnung zu tragen.
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Bei dem in Fig.5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Bohrmeißels ist mit Z eine Angriffszone des Werkzeuges bezeichnet, die etwa mit
einem Stegteil5 des ersten Ausführungsbeispiels vergleichbar ist und in Richtung
des Pfeiles der Fig. 5 umläuft. Die Angriffszone Z weist in axialer Richtung zueinander
abgestufte Stirnflächen auf, an denen wiederum sektorförmige Schneidelemente 17,
18, 19 und 20 festgelegt sind. Diese Schneidelemente kommen beim Einsatz dieser
Bohrkrone in der Reihenfolge ihrer Abstufung zur Wirkung. Dabei sind die Schneidelemente
paarweise gruppiert, wobei jedes Paar vom benachbarten Paar durch einen Spülkanal
21 getrennt ist. Im übrigen stimmt die Wirkung dieses Werkzeuges mit der Wirkung
des dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Bohrmeißels überein.
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In den Fig. 6 und 7 ist die Angriffszone Z ausschnittsweise dargestellt,
wobei ersichtlich ist, daß zwischen zwei Schneidelementen 22 und 23 ein Spülkanal
24 verläuft. Die Umlaufrichtung dieser Angriffszone geht aus der Pfeilrichtung in
Fig. 7 hervor. Damit dem zulässigen Abnutzungsgrad der Schneidelemente und der zugeordneten
Stegteile der Bohrkrone Rechnung getragen wird, ist der Spülkanal 24 verhältnismäßig
tief gehalten. Es kann bei neuen Werkzeugen deshalb erwünscht sein, die Tiefe der
Spülkanäle durch Einlagen 25 zu beschränken, die zunächst durch eine Fassung 26
festgehalten werden. Kommen die Fassungen 26 jedoch nach einer entsprechenden Abnutzung
der Bohrkrone mit dem Gebirge in Berührung, so werden sie weggerissen und die Einlagen
25 zerstört und mit dem Bohrschlamm mitgerissen.
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Die Einlagen 25 können gewünschtenfalls auch so ausgebildet werden,
daß ihre mit dem Bohrschlamm mitgerissenen Bestandteile z. B. durch eine entsprechende
Färbung oder eine erzeugte Strahlung (radioaktive Detektion) festgestellt werden
können, wenn der Bohrschlamm über Tage gelangt. Auf diese Weise kann rechtzeitig
festgestellt werden, wenn ein bestimmter Verschleiß des Werkzeuges erreicht ist.
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In Fig. 8 ist in mehreren untereinander dargestellten radialen Schnitten
einer Angriffszone veranschaulicht, wie die Abnutzung im Laufe der Arbeit des Werkzeuges
voranschreitet. Es ist angenommen, daß die Angriffszone aus Schneidelementen gebildet
wird, die sowohl in Umfangs- als auch in Vorschubrichtung geneigt sind. Die oberste
Darstellung der Fig. 8 zeigt die Angriffszone bei noch nicht benutztem Bohrmeißel,
wobei die Dicke der Zone in Umfangsrichtung entgegen der durch einen Pfeil dargestellten
Bewegungsrichtung abnimmt.
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In allen vier Darstellungen ist 0-X die Angriffsfläche des Werkzeuges
und 0-O' die Stirnfläche der Angriffszone, während bei der obersten Darstellung
der Angriffswinkel der noch neuen Angriffszone ist. Die beim Bohren allmählich entstehende
Abnutzung der Angriffszone geht aus den drei unteren Darstellungen der Fig. 8 hervor.
Dabei ist ein homogener Boden und ein konstanter Vorschubdruck des Bohrmeißels angenommen.
Durch die Abnutzung wird der Winkel u, a' bzw. a", den die Stirnfläche der Angriffszone
gegenüber der dortigen Querebene zur Bohrrichtung bildet, mit zunehmender Abnutzung
kleiner, während der am Gebirge zur Wirkung kommende Flächenteil u, a' bzw. a" mit
zunehmender Abnutzung entsprechend größer wird. Dadurch paßt sich diese Angriffszone
den Bohrverhältnissen in einem härteren Gestein mit einer kleineren Vorschubgeschwindigkeit
selbsttätig an.