DE19944406C2

DE19944406C2 - Gesteinsbohrer

Info

Publication number: DE19944406C2
Application number: DE1999144406
Authority: DE
Inventors: Heinrich Kersten; Hartmut Precht
Original assignee: Heller Dinklage Geb GmbH; Gebrueder Heller Dinklage GmbH
Current assignee: Heller Tools GmbH
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: DE19944406A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gesteinsbohrer mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Ausgangspunkt für die Lehre der Erfindung ist ein Gesteinsbohrer, wie er aus der EP 0 452 255 A2 bekannt ist. Bei diesem Gesteinsbohrer sind die Freiflächen auf beiden Seiten der dachförmigen Ausbildung der Schneidplatte eben und geneigt zur Mittelachse des Bohrers und drehsymmetrisch bezüglich der Mittelachse des Bohrers ausgebildet bzw. angeordnet. Durch die am Dachfirst von beiden Seiten aufeinandertreffenden Freiflächen wird die Querschneide gebildet, die demzufolge gerade und exakt quer zur Mittelache verläuft.

Verbesserungsbemühungen hinsichtlich des Bohrfortschrittes sind darauf gerich tet, die an der Stirnseite der Schneidplatte realisierte Querschneide besonders kurz werden zu lassen, um eine möglichst gute Zentrierwirkung mit einem guten Bohr fortschritt zu verbinden (siehe die nicht vorveröffentlichte DE 100 38 039 A1)

Der Lehre liegt das Problem zugrunde, den bekannten Gesteinsbohrer so auszuge stalten und weiterzubilden, daß ein höherer Bohrfortschritt erzielt wird.

Die zuvor aufgezeigte Problemstellung ist bei dem Bohrer gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß der Bohrfortschritt bei den aus dem Stand der Technik bekannten Bohrern darunter leidet, daß im Zentrum der Dreh bewegung des Bohrers die Querschneide logischerweise stillsteht, also keine Schneidbewegung ausführt. Dort verschleißt der Gesteinsbohrer sehr schnell. Er findungsgemäß ist das Zentrum der Querschneide gegenüber der axial vordersten Linie der Schneidplatte des Bohrers zurückgesetzt, da die radial äußeren Enden der Querschneide axial vorspringen. Dies wird durch die konkave Kontur der an grenzenden, die Querschneide ausbildenden Freiflächen erreicht. Die axial ge richtete Belastung wird also hier, an den äußeren Enden der Querschneide, aufge nommen. Die äußeren Enden der Querschneide jedoch befinden sich radial beanstandet zur Mittelachse und führen daher bei der Drehbewegung des Bohrers ins gesamt eine rotierende Schneidbewegung aus.

Die Aussage, daß die Freifläche im entsprechenden Teilbereich konkav ist, bein haltet, daß die Freifläche in diesem Teilbereich bezogen auf die ebene Oberfläche der Schneidplatte an dieser Stelle nach innen gewölbt ist. Diese Wölbung muß nicht stetig sein, sie kann auch aus geraden Abschnitten zusammengesetzt sein im Sinne eines Polygonzugs, im Extremfall eines Polygonzugs, der aus zwei Geraden besteht. Wichtig ist die Wölbung der die Querschneide zwischen sich ausbilden den Bereiche nach innen, die im Ergebnis die in axialer Richtung vorspringenden radial äußeren Enden der Querschneide erbringt.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Boh rers sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zumindest hinsichtlich der Parameter Nenndurchmesser, Antriebsstärke und zu bohrendes Material ist darauf hinzuweisen, daß der Radius R_i nicht unabhängig voneinander von den einzelnen Parameter abhängt. Soll z. B. ein Bohrer mit einem kleinen Nenndurchmesser in einem leistungsstarken Bohrantriebsgerät in weichem Material eingesetzt werden, so ist zur Sicherstellung eines optimalen Bohrfort schrittes ein relativ großer Radius R_i notwendig. Wenn andererseits ein Bohrer mit einem großen Nenndurchmesser in einem leistungsschwachen Bohrantriebsgerät in hartem Material eingesetzt wird, dann ist ein kleiner Radius R_i von Vorteil.

Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung kann vorgese hen sein, daß der Radius R_i des Kreisbogens derart gewählt ist, daß die Tangente zu dem Kreisbogen am Ort der Schneidkante unter einem Winkel α' zu einer zur Vorschubrichtung senkrechten Ebene verläuft, der dem Spanwinkel γ entspricht. Die Tangente und die Spanfläche würden eine symmetrische Meißelform bilden. Der kreisbogenförmige statt ebene Verlauf der Freifläche trägt besonders zur Er höhung der Stabilität der Schneidkante bei.

Nach bevorzugter Lehre schließt sich auf der zur Schneidkante gelegenen Seite des Teilbereichs bzw. eines Unterteilbereichs eine ebene Fläche an. Das kann auch auf der radial äußeren Seite des Teilbereiches bzw. des Unterteilbereiches bzw. zwischen mehreren Unterteilbereichen der Fall sein. Dies stellt eine höhere Stabilität der Schneidkante in dem Bereich sicher, in dem abgewickelt der längste Weg zurückgelegt wird.

Verjüngt sich der Teilbereich radial nach außen, so dient dies der Erhöhung der Lebensdauer der Schneidplatte insbesondere im radial äußeren Bereich, sowie der Schneidenschärfe.

Die Aufteilung des Teilbereiches in mehrere Unterteilbereiche liefert Stege zur Unterstützung der Stabilität der Schneidkante und führt zu einer Reduzierung der Bruchgefahr.

Besonders bevorzugt ist der Teilbereich auf der einen Seite der dachförmigen Ausbildung an anderen/anderer Stellen unterteilt als auf dei anderen Seite der dachförmigen Ausbildung. Unter anderer Stelle ist ein radialer Versatz zu verste hen. Der absichtlich erzeugte Versatz verhindert ein "Aufsetzen" der ebenen Flä che, die als Freiflächenverstärkung dient, vor Stirn und ein Verringern des Bohr fortschritts.

Auch kann ein Übergangsbereich auf der radial äußeren Seite des bzw. jedes Teil bereiches vorgesehen sein, der in eine ebene Fläche übergeht.

Schließlich kann vorgesehen sein, daß die bzw. jede Spanfläche über zumindest einen Teilbereich eben oder konkav oder konvex ist.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß durch die spezi elle Gestaltung der Freifläche eine bessere Meißelwirkung erzielt wird, was einen höheren Bohrfortschritt liefert, da bei Gesteinsbohrern, insbesondere Hammerboh rern, keine konstante Abhängigkeit zwischen dem Bohrfortschritt in Millimeter pro Umdrehung und den Drehzahlen aufgrund der pneumatischen Schlagwerks charakteristik besteht. Die bessere Meißelwirkung liefert eine höhere Abtragsrate und somit eine höhere Bohrgeschwindigkeit in mm/min.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele zeigenden Darstellung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Schneidplatte eines Bohrers gemäß ei ner ersten Ausführungsform,

Fig. 2 Details zur Wahl des in Fig. 1 gezeigten Radius R_i,

Fig. 3a bis 3d jeweils eine Seitenansicht, eine Draufsicht, eine Rückansicht und eine perspektivische Ansicht schräg von oben einer zweiten Aus führungsform,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Schneidplatte eines Bohrers der in den Fig. 3a bis 3d gezeigten Ausführungsform,

Fig. 5a bis 5d jeweils eine Seitenansicht, eine Draufsicht, eine Rückansicht und eine perspektivische Ansicht schräg von oben einer dritten Aus führungsform,

Fig. 6a bis 6d jeweils eine Seitenansicht, eine Draufsicht, eine Rückansicht und eine perspektivische Ansicht schräg von oben einer vierten Aus führungsform,

Fig. 7a bis 7e jeweils eine Seitenansicht, eine Draufsicht, eine Rückansicht, eine Vorderansicht und eine perspektivische Ansicht schräg von oben einer fünften Ausführungsform und

Fig. 8a bis 8d jeweils eine Seitenansicht, eine Draufsicht, eine Rückansicht und eine perspektivische Ansicht schräg von oben einer sechsten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Schneidplatte 10 eines Bohrers gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Schneidplatte 10 ist in einem Bohrerkopf (nicht ge zeigt) eines Bohrers (nicht gezeigt) mit einem Einsteckende auf der in Vorschub richtung weisenden Stirnseite des Bohrers angebracht und weist eine an deren Stirnseite angeordnete Schneidkante B und eine in Drehrichtung des Bohrers vor der Schneidkante B angeordnete ebene Spanfläche 12 sowie eine in Drehrichtung des Bohrers hinter der Schneidkante B angeordnete Freifläche 14 auf. Anders als bei einem herkömmlichen Bohrer, bei dem die Freifläche 14 - wie es durch die gestrichelte Linie AB dargestellt ist - eben ist und somit die ebenfalls eingezeich neten Freiwinkel α, Keilwinkel β und Spanwinkel γ ergeben würde, weist die Freifläche 14 in Schnittansicht die Gestalt eines Kreisbogens mit dem Radius R_i auf.

Die Schneidplatte 10 weist eine Dicke S auf. Der Radius R_i ist so gewählt, daß die maximale Abweichung 16 (auch als Ab bezeichnet) von der gestrichelt gezeich neten, ebenen Freifläche als Funktion der Dicke S, z. B. Abweichung Ab = Z × S, ein Optimum darstellt, so daß ein höhere Bohrgeschwindigkeit in Millimeter pro Minute (Vorschub) erreicht wird. Bei einem Nenndurchmesser D des erfindungs gemäßen Bohrers von 8 mm und einer Dicke S der Schneidplatte von 2 mm hat sich eine Abweichung von Ab von 0,14 mm als optimal erwiesen. Dies entspricht einem z-Wert von 0,07. Der Faktor z sollte im Bereich von 0,04 bis 0,12 liegen. Zwischen der Abweichung und dem Radius R_i besteht der Zusammenhang

R_i = Ab/W

mit w im Bereich von 0,02 bis 0,06 und vorzugsweise 0,034 bis 0,046.

Fig. 2 zeigt Details zur Wahl des Radius R_i. Der gemäß der obigen Ausführungen gewählte Radius R_i des Kreisbogens der im Schnitt dargestellten Freifläche 14 ist dennoch derart gewählt, daß die Tangente zu dem Kreisbogen am Ort der Schneidkante B unter einem Winkel α' zu einer zur Vorschubrichtung (in der Figur senkrecht nach oben) senkrechten Ebene verläuft, der dem Spanwinkel γ der Span fläche 12 entspricht. Dies bedeutet nichts anderes, als daß der eingezeichnete Winkel Y_BA dem eingezeichneten Winkel Y_BC entspricht. Durch eine derartige Auswahl des Radius R_i wird die Stabilität der Schneidkante B besonders erhöht. Bei einer Stärke S von 2 mm und einem Spanwinkel γ von 65° beträgt der Radius R_i 3,5 mm.

Fig. 3a bis 3d zeigen jeweils eine Seitenansicht, eine Draufsicht, eine Rückansicht und eine perspektivische Ansicht schräg von einer zweiten Ausführungsform. Die Schneidplatte 10 ist dachförmig ausgebildet und weist auf beiden Seiten ihrer dachförmigen Ausbildung eine Spanfläche 12 und eine Freifläche 14 auf. Anders als bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform ist die (jeweilige) Freifläche 14 nicht über den gesamten Bereich, sondern nur über einen Teilbereich 18 konkav, da noch ein ebene Fläche 20 vorhanden ist. Dadurch daß die Freiflächen 14 im Bereich der Querschneide 26 konkav sind, entsteht eine Querschneide 26, deren beiden äußeren Punkte höher in Bohrrichtung vorstehen als das Zentrum. Dadurch wird die Reibung im Zentrum der Hauptschneidplatte gegenüber her kömmlichen Ausführungen vermindert.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Schneidplatte 10 eines Bohrers (nicht ge zeigt) gemäß der in den Fig. 3a bis 3d gezeigten Ausführungsform. Dieser Teilbe reich 18 umfaßt nicht die Schneidkante B. Auf der zur Schneidkante B gelegenen Seite des Teilbereiches 18 schließt sich eine ebene Fläche 20 an. Die ebene Fläche 20 verläuft unter einem Winkel α₁ zu einer zur Vorschubrichtung senkrechten Ebene unter einem Winkel von 22,5°. Bei einer Dicke S der Schneidplatte 10 von 2 mm beträgt die Projektionslänge 22 in Bohrvorschubrichtung 0,25 mm, der Ra dius R_i 3,5 mm und der Keilwinkel γ 65°

Fig. 5a bis 5d zeigen jeweils eine Seitenansicht, eine Draufsicht, eine Rückansicht und eine perspektivische Ansicht schräg von oben einer dritten Ausführungsform. Die Schneidplatte 10 ist genau wie bei der zweiten Ausführungsform dachförmig ausgebildet und weist auf beiden Seiten ihrer dachförmigen Ausbildung eine Spanfläche 12 und eine Freifläche 14 auf. Die in den Fig. 5a bis 5d gezeigte Schneidplatte 10 unterscheidet sich von der in den Fig. 3a bis 3d gezeigten Schneidplatte 10 darin, daß die Freifläche 14 auf jeder Seite nur über einen Teil bereich 18 konkav ist und auf beiden Seiten der dachförmigen Ausbildung ein Übergangsbereich 24 zwischen der Querschneide 26 und dem jeweils benachbar ten Teilbereich 18 vorgesehen ist. Der Übergangsbereich 24 geht zur Querschnei de 26 hin in eine ebene Fläche 28 über. Die ebene Fläche 20 dient zur Erhöhung der Stabilität der Schneidkante B.

Die in den Fig. 6a bis 6d gezeigte Schneidplatte 10 unterscheidet sich von der in Fig. 5a bis 5d gezeigten Schneidplatte 10 darin, daß zusätzlich ein Übergangsbe reich 30 auf der radial äußeren Seite des Teilbereiches 18 vorgesehen ist, der in eine ebene Fläche 32 übergeht, die im vorliegenden Beispiel eine Verlängerung der ebenen Fläche 20 darstellt. Der Übersichtlichkeit halber sind im wesentlichen nur die Abweichungen gegenüber der in den Fig. 5a bis 5d gezeigten Ausfüh rungsform mit einem Bezugszeichen versehen. Die ebenen Flächen 32 dienen als Stege zur weiteren Unterstützung der Stabilität der Schneidkante B und weiteren Reduzierung der Bruchgefahr im Bereich der größten Umfangsgeschwindigkeit.

Die in den Fig. 7a bis 7e gezeigte Schneidplatte 10 unterscheidet sich von der in den Fig. 6a bis 6d gezeigten Schneidplatte 10 im wesentlichen dadurch, daß der Teilbereich 18 in Unterteilbereiche 18a, 18b, 18c bzw. 18a, 18b, unterteilt ist. Die Unterteilung erfolgt durch die ebene Fläche 20, die sich in der gezeigten Ausfüh rungform auch zwischen den Unterteilbereichen 18a, 18b, 18c bzw. 18a, 18b er streckt. Dies dient insbesondere bei Bohrern mit größeren Nenndurchmessern bzw. speziellen Schneidkantenbelastungen zur weiteren Unterstützung der Stabi lität der Schneidkante B und Reduzierung der Bruchgefahr. Die Teilbereiche 18 auf den beiden Seiten der dachförmigen Ausbildung der Schneidplatte 10 sind auf der anderen Seite nur in zwei Unterteilbereiche 18a, 18b unterteilt, damit sich die zwischen den Unterteilbereichen erstreckende ebene Fläche 20 an unterschiedli chen radialen Positionen befindet, um ein Aufsetzen der ebenen Fläche 20 vor Stirn zu verhindern und damit der Bohrfortschritt nicht gebremst wird. Der Über sichtlichkeit halber sind im wesentlichen nur diejenigen Komponenten mit Be zugszeichen versehen, die einen Unterschied gegenüber der in den Fig. 6a bis 6d gezeigten Schneidplatte darstellen.

Schließlich unterscheidet sich die in den Fig. 8a bis 8d dargestellte Schneidplatte 10 von der in den Fig. 6a bis 6d gezeigten Schneidplatte 10 darin, daß sich der Teilbereich 18 radial nach außen verjüngt und sich somit die ebene Fläche 20 ver stärkt. Damit wird erreicht, daß die Lebensdauer der Schneidkante B, die norma lerweise aufgrund der im radial äußeren Bereich höheren Geschwindigkeit und des zurückgelegten Weges geringer ist, und die Schneidenschärfe erhöht werden.

Die für die Lehre wesentliche Gestaltung der Querschneide 26 mit axial vorsprin genden radial äußeren Enden kombiniert sich mit den aus anderen Ausführungs beispielen entnehmbaren Gestaltungsmöglichkeiten der Teilbereiche 18 und Un terteilbereiche.

Claims

1. Gesteinsbohrer mit einem Einsteckende und einem Bohrerkopf,
wobei der Bohrer auf seiner in Vorschubrichtung weisenden Stirnseite zumin dest eine Schneidplatte (10) aufweist,
wobei die Schneidplatte (10) dachförmig ausgebildet ist,
wobei die Schneidplatte (10) auf beiden Seite ihrer dachförmigen Ausbildung eine an ihrer Stirnseite vorgesehene Schneidkante (B) und eine in Drehrich tung des Bohrers vor der Schneidkante (B) angeordnete Spanfläche (12) sowie eine in Drehrichtung des Bohrers hinter der Schneidkante (B) angeordnete Freifläche (14) aufweist und
wobei an der Stirnseite der Schneidplatte (10) durch die am Dachfirst aufein andertreffenden Freifläche (14) eine Querschneide (26) gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß jede Freifläche (14) in einem benachbart zu der Querschneide (26) be findlichen Teilbereich (18) konkav ist, derart,
daß die radial äußeren Enden der Querschneide (26) an den Stirnseiten der Schneidplatte (10) gegenüber dem dazwischenliegendem Zentrum der Quer schneide (26) axial vorstehen.

2. Bohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbe reich (18) in Schnittansicht ein Ellipsenbogen ist.

3. Bohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (18) in Schnittansicht ein Kreisbogen mit einem Radius R_i ist.

4. Bohrer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius R_i des Kreisbogens eine Funktion der Dicke S der Schneidplatte (10) ist.

5. Bohrer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion lautet R_i = x.S, mit x im Bereich von 1,5 bis 2,0.

6. Bohrer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß x im Bereich von 1,7 bis 1,8 liegt.

7. Bohrer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius R_i des Kreisbogens eine Funktion des Nenndurchmessers D des Bohrers ist.

8. Bohrer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion lautet Ri = y.D, mit y im Bereich von 0,25 bis 0,60.

9. Bohrer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß y im Bereich von 0,37 bis 0,45 liegt.

10. Bohrer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius R, des Kreisbogens derart gewählt ist, daß die Tangente zu dem Kreisbogen am Ort der Schneidkante (B) unter einem Winkel α' zu einer zur Vorschubrichtung senkrechten Ebene verläuft, der dem Spanwinkel γ entspricht.

11. Bohrer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Teilbereich (18) nicht die Schneidkante (B) umfaßt.

12. Bohrer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der zur Schneidkante (B) gelegenen Seite des Teilbereiches (18) eine ebene Fläche (20) anschließt.

13. Bohrer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die ebene Fläche (20) auch auf der radial äußeren Seite des Teilbereiches (18) an schließt.

14. Bohrer nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Fläche (20) unter einem Winkel α₁ zu einer zur Vorschubrichtung senkrechten Ebene im Bereich von 10 bis 30 Grad verläuft.

15. Bohrer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α₁ 22,5 Grad beträgt.

16. Bohrer nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilbereich (18) sich radial nach außen verjüngt.

17. Bohrer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß der Teilbereich (18) in mindestens zwei Unterteilbereiche (18a, 18b) unterteilt ist, von denen nur einer die Querschneide (26) bildet.

18. Bohrer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich die ebene Fläche (20) auch zwischen den Unterteilbereichen (18a, 18b bzw. 18a, 18b, 18c) erstreckt.

19. Bohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß beide Freiflächen (14) gleich gestaltet sind.

20. Bohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Freiflächen (14) unterschiedlich gestaltet, insbesondere unterschiedlich unterteilt sind.

21. Bohrer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß ein Übergangsbereich (30) auf der radial äußeren Seite des bzw. jedes Teilbereiches (18) vorgesehen ist, der in eine ebene Fläche (32) übergeht.