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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
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von Schneidkränzen mit Hartmetallschneide zum Abspanen von geologischen
Formationen, insbesondere für das Bohren mit Meißelrollen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Das Abspanen geologischer Formationen dient der Hereingewinnung von
Gesteinen und Mineralien im Berg- und Tunnelbau, sowie beim Bohren des GebirgskOrpers.
Im einzelnen kann es sich darum handeln, das Abheben und Zerbrechen des Spans durch
Fräsen, Schrämen oder mit Picken vorzunehmen, welche annähernd punktförmige oder
liniendörmige Belastungen hervorrufen. Demzufolge gehören zu den Werkzeugen, welche
mit Schneidkränzen gemäß der Erfindung bestückt werden, außer Rollenbohrwerkzeugen
auch Schrämwalzen, Schneidköpfe von Teilschnittmaschinen, Bohrschnecken, Kernbohreimer
o.dgl.. Die Erfindung wird im folgenden anhand ihres hauptsächlichen Anwendungsgebietes,
nämlich den Meißelrollen für zerspanendes Bohren geologischer Formationen näher
erläutert.
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Diese Meißelrollen tragen auf der Außenseite eines meistens glockenförmigen
Losrollenkörpers eine oder mehrere Schneidkränze, die jeweils in einer radialen
Ebene zur Rollenachse angeordnet sind. Ein abgedrehter Stahlring bildet den Tragkörper
des Schneidkranzes und ist meistens auf den Rollenkörper aufgeschrumpft.
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Mit solchen Grundkörpern werden ausschließlich Hartmetallwerkzeuge
verwendet. Im allgemeinen hat ein solches Werkzeug einen Schneidkeil oder eine Schneidspitze,
welche eine Baueinheit mit einem Schaft bildet, wobei diese Werkzeuge in ihrer Form
eindeutig geometrisch
durch ihre Formung aus gepreßtem Sintermetall,
insbesondere Wolframkarbiden und Bindemitteln bestimmt sind. Zur Einbettung der
Werkzeuge, z.B. des Schaftes einer Schneidspitze werden mit Untermaß gebohrte Aussparungen
im Tragkörper hergestellt. Die rohen Werkzeuge werden dann beschliffen und schließlich
in die Aussparungen eingepreßt.
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Dieses Herstellungsverfahren ist wegen seiner Präzisionsarbeiten außerordentlich
aufwendig. Gleichwohl wird der geforderte Formschluß nicht zwangsläufig erreicht,
sondern hängt von der Sorgfalt der Bearbeitung ab. Infolge der Bearbeitung des Tragkörpers
hat dieser im allgemeinen eine wesentlich geringere Festigkeit als die Hartmetallwerkzeuge.
Beim Abtragen des Hartmetalls führt das zu einem schnell einsetzenden Kaliberverschleiß,
der nicht rückgängig gemacht werden kann und zur Verschrottung führt. Im allgemeinen
sind solche Meißelrollen auch nicht für mittelharte und harte Formationen geeignet,
weil dann das Material des Tragkörpers zwischen den Hartmetallwerkzeugen erodiert
wird, was zum alsbaldigen Verlust der Werkzeuge führt.
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Es ist u.a. an Schrämmaschinen bekannt, die Schrämwerkzeuge auf aufwendigere
Weise zu befestigen. Solche Befestigungen werden auch an Schneidköpfen von Teilschnittmaschinen,
Bohrschnecken, Kernbohreimern und ähnlichen Maschinen benutzt, mit denen mittelharte
bis harte Formationen abgespant werden müssen. Eine solche Befestigung besteht im
Prinzip aus Haltern, welche auf den Tragkörper, beispielsweise den Schneidkranz
einer Schrämwalze aufgeschweißt werden. In den Tragkörper sind Hülsen eingesetzt,
welche den Verschleiß von den
Haltern abhalten sollen und im übrigen
formschlüssig den Schaft des Hartmetallwerkzeuges aufnehmen, welches meistens seinerseits
nur eine .Hartmetallspitze oder schneide auf einem aus anderem Werkstoff bestehenden
Schaft aufweist. Diese Ausbildung von Schneidkränzen bzw. die zu ihrer Herstellung
führenden Verfahren sind wegen der Vielzahl der notwendigen Einzelteile ebenfalls
mit einem hohen Aufwand verbunden, obwohl man den Hartmetallverbrauch gegenüber
dem eingangs beschriebenen Herstellungsverfahren für Schneidrollen vergleichsweise
geringer gestalten kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs als bekannt
vorausgesetzte Herstellungsverfahren so zu führen, daß auf einfache Weise die Befestigung
der Hartmetallkörper derart verbessert wird, daß sich längere Standzeiten ergeben.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruches
l. Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß der Erfindung lassen sich für den Tragkörper Werkstoffe verwenden,
welche bei mittelharten und harten geologischen Formationen einen hohen Verschleißwiderstand
entwickeln und daher das Abtragen des Grundkörpers hinauszögern. Das ruht im wesentlichen
auf der beim Verbundguß gebildeten Gußhaut des Tragkörpers, welche bis zu ihrer
Abtragung den Kaliberschutz bildet. Bei diesem Verbundguß verarbeitet man die Hartmetallkörper
im Rohzustand, d.h. unbeschliffen, so daß Präzisionsarbeiten nicht mehr durchgeführt
zu werden brauchen.
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Die Festlegung der Hartmetallkörper erfolgt durch den
Form-
bzw. Kraftschluß mit den Hartmetallkörpern. Die Kräfte, welche die Hartmetallkörper
im Tragkörper festlegen, ergeben sich einerseits aus dem gegenüber Hartmetall stärkern
Schrumpfen des Stahlgusses. Außerdem entstehen auf den Grenzflächen unterschiedlicher
stofflicher Zusammensetzung hohe Haftkräfte, welche ihrerseits dem Verlust von Hartmetallkörpern
entgegenwirken.
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Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Keile für die Bearbeitung der
Tragkörper und Hartmetallkörper als Vorbereitung für deren Einbettung und Festlegung
dienende Bearbeitungsvorgänge benötigt, die deswegen auch nicht die Festigkeit des
Tragkörpers einschränken.
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Die Festigkeit des Tragkörpers wird erfindungsgemäß wesentlich durch
die Gußhaut auf dessen Oberfläche gesteigert, welche insbesondere den Kaliberverschleiß
hinausschiebt. Dennoch können die erfindungsgemäß hergestellten Schneidringe wie
bisher geformt und mit den abspanenden Werkzeugen verbunden werden.
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Mit den Merkmalen des Anspruches 2 lassen sich Hartmetallkörper nach
der vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung befestigen, wobei die Hartmetallkörper
als Werkzeuge mit einem Schneidkoil bzw. einer Schneidspitze ausgebildet sind. Dagegen
ermöglicht das Verfahren nach Anspruch 3 die Verwendung von geometrisch unbestimmten
Hartmetallkörpern, deren Wirkung darin besteht, daß unter den Abspankräften das
Hartmetall splittert oder Hartmetallkörper aus ihrer Verbindung mit dem Tragkörper
herausgerissen werden. Dadurch entstehen neuen Schneidkanten, ohne daß der von der
Gußhaut gebildete Kaliberschutz frühzeitig verlorengeht.
Ein Abrichten
der Schneidringe kann daher in der Regel zur Wiederherstellung der Ursprungsform
vermieden werden.
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Die Merkmale des Anspruches 4 ermöglichen einen zusätzlichen Formschluß
der Werkzeuge mit dem Rollenkörper.
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Bei rotationssymmetrischen Hartmetallwerkzeugen geschieht das zweckmäßig
mit den Merkmalen des Anspruches 8.
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Die in diesen Ausführungsformen vorgesehenen Hartmetallwerkzeuge bzw.
-stifte haben einen hohlen Querschnitt.
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Sie zeichnen sich im besonderen dadurch aus, daß sich ihre durch die
Aussparungen bzw. den hohlen Querschnitt verdichtete Oberfläche wesentlich vergrößert.
Da die Materialverdichtung immer von der Oberfläche her erfolgt, werden die mechanischen
Eigenschaften der Werkzeuge, insbesondere aber der Hohlformstifte wesentlich verbessert.
Hierbei entsteht als weiterer Vorteil gegenüber dem Vollquerschnitt ein Werkzeug
bzw. ein Hohlstift, der wesentlich elastischer und damit bruchunempfindlicher ist
als Werkzeuge mit einem Vollquerschnitt. Ferner wirkt sich vorteilhaft der durch
Materialeinsparung bedingte geringere Aufwand aus.
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Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere Vorteile des erfindungsgemäßen
Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Schneidringe
und einer Vorrichtung zur Herstellung dieser Erfindungsgegenstände nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren anhand der Figuren in der Zeichnung; es zeigen
Figur 1
in drei übereinander angeordneten, isometrisch sowie teilweise im Schnitt wiedergegebenen
Darstellungen Ausführungsformen erfindungsgemäßer Schneidringe, Figur 2 eine weitere
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schneidringes in der Figur 1 entsprechender
Darstellung, Figur 3 oben in Ansicht und unten in Draufsicht sowie teilweise im
Schnitt einen Formkasten zur Herstellung eines Schneidringes gemäß der mittleren
Darstellung der Figur 1 und Figur 4 in der Figur 3 entsprechender Darstellung eine
abgeänderte Ausführungsform zur Herstellung eines Schneidringes gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Figur 2.
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Die in den Figuren dargestellten Schneidringe weisen einheitlich einen
Tragkörper 1 auf, welcher einen unteren, im
Querschnitt rechteckigen
Abschnitt 2 besitzt, dessen Grundfläche 3 zur Befestigung des Schneidringes auf
den Körper einer Losrolle dient. Mit dem unteren Körper 2 bildet ein prismatischer
Körper 4 eine Baueinheit, dessen Querschnitt annähernd trapezförmig ist.
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Die kürzere Trapez seite 5 bildet eine ringförmige Fläche, aus der
Hartmetallkörper nach außen vorstehen.
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An der vorstehend beschriebenen Grundform des Tragkörpers 1 weicht
das Ausführungsbeispiel ab, welches die oberste Darstellung der Fig. 1 bildet. In
diesem Fall ist der Querschnitt des Abschnittes 4 dreieckförmig. In die Spitze 8
des dreieckförmigen Körpers 4 sind Hartmetallschneidkörner in Verbundguß eingebracht.
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Jedes Schneidkorn 6 bildet hierbei eine Einzelschneide, soweit das
betreffende Schneidkorn aus den Begrenzungsflächen des Körpers 8 nach außen vorsteht.
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Hiervon unterscheiden sich die übrigen Ausführungsbeispiele durch
Hartmetallkörper, welche als Werkzeuge ausgebildet sind.
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In der mittleren Darstellung der Fig. 1 besteht dieses Werkzeug 9
aus einem Ring, welcher in einer Baueinheit eine dachförmige Schneide 10 und einen
prismatischen Grundkörper 11 vereinigt. Dieser Grundkörper ist gemäß der Ausführungsform
rechteckig und so angeordnet, daß seine längeren Rechteckseiten in die Begrenzungsflächen
der Schneide 10 übergehen. Auf den längeren Rechteckseiten befindet sich je eine
umlaufende Nut 13, 14, welche einen zusätzlichen Formschluß mit dem Material des
Tragkörpers 1 herbeiführt. Im allgemeinen ist der Ring 9 unterteilt; er kann jedoch
auch in einem Stück
vorliegen.
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In der unteren Darstellung der Fig. 1 sind dagegen die Werkzeuge aus
Hartmetall mit einer kegelförmigen Spitze 15 und einem zylindrischen Schaft 16 in
einem Rotationskörper vereinigt. Der Schaft 16 weist eine zylindrische Aussparung
17 auf, welche einen domartigen Abschluß 18 unter der Schneidspitze besitzt.
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In die Aussparung 17 ist ein Stift 20 eingebracht, welcher bei der
Verbindung des Schneidringes 1 mit dem Rollenkörper einen zusätzlichen Formschluß
herbeiführt. Im übrigen ist der Schneidring 1 mit einer Mehrzahl von Werkzeugen
19 besetzt, die unter sich gleich ausgebildet sind.
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Von dem Ausführungsbeispiel gemäß der unteren Darstellung der Fig.
1 unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 nur darin, daß hierbei
die Werkzeuge 19 ohne die Stifte 20 ausgebildet sind, so daß die zylindrische Aussparung
17 des Schaftes 16 bis zum Dom 18 mit dem Werkstoff des Tragkörpers 1 ausgefüllt
ist.
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Zur Herstellung der beschriebenen Schneidringe, welche wegen ihrer
ebenen Ausbildung eine vereinfachte Form eines Schneidkranzes darstellen, der seinerseits
im Raum gekrümmt, etwa nach Art einer Spirale verlaufen kann, dient gemäß Fig. 3
ein zweiteiliger Formkasten 22.
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Dieser weist dementsprechend einen Oberkasten 23 und einen Unterkasten
24 auf. Die Auflageplatte ist schematisch bei 25 angedeutet. In den Oberkasten wird
die obere Hälfte 26 und in den unteren Kasten die untere Hälfte 27 des Schneidringes
eingeformt. Ein hohler Formkern
28 dient zum Abformen der Abschluß
fläche 3 des Schneidringes. Das Schneidringwerkzeug 9, das in diesem Fall ringförmig
ist, wird mit den Schrägflächen 29, 30 seines Schneidkeiles im Formkasten festgelegt,
beispielsweise eingeklebt.
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Die Herstellung des Schneidringes erfolgt in Verbundguß. Dabei wird
als Werkstoff für den Tragkörper 1 Stahlguß verwendet. Der.das Werkzeug bildende
Hartmetallkörper befindet sich im Rohzustand, d.h. ist nach der Sinterung seines
Werkstoffes nicht bearbeitet, insbesondere nicht beschliffen. Die Eingüsse in den
Formkasten sind nicht dargestellt. Beim Eingießen des flüssigen Stahles wird der
prismatische Grundkörper 11 einschließlich seiner Nuten 13 und 14 umgossen und dadurch
bereits bei der Formgebung des Tragkörpers 1 in diesen eingebettet. Da nun das Hartmetall
des Werkzeuges 9 weniger stark schrumpft als der eingegossene Stahl beim Erhärten,
wird das Werkzeug auf den umgossenen Teil im Tragkörper festgelegt. Beim Erkalten
des Stahlgusses bildet sich eine Gußhaut, welche allgemein bei 31 dargestellt ist
und als Kaliberschutz dient.
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Diese Gußhaut macht eine zusätzliche Panzerung des Tragkörpers an
den Kaliberflächen überflüssig. Auch ist eine zusätzliche Wärmebehandlung nach dem
Erkalten des Stahlgusses nicht erforderlich. Im allgemeinen kann man davon ausgehen,
daß das für den Guß verwendete Material eine Gießtemperatur von ca. 1.3000 C aufweist.Es
hat sich ergeben, daß das übliche Hartmetall diese Gießtemperaturen ohne Qualitätsverlust
übersteht.
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Die Darstellung der Fig. 4 zeigt, wie sich der Verbundguß bei Schneidringen
gemäß der Ausführungsform durchführen
läßt, welche mit der unteren
Darstellung der Fig. 1 wiedergegeben ist. Hierbei verwendet man die Stifte 20 der
Werkzeuge 19 zur Verbindung mit einem ringförmigen Halter 32, welcher in den Sandkern
33 der Form eingearbeitet ist. Der Halter 32 weist für jeden Stift 20 eine radiale
Bohrung 34 auf, in der der Stift kraftschlüssig gehalten wird. Die Werkzeuge 19
werden mit der Mantelfläche ihrer Kegel 15 in den beiden Formkastenhälften 23, 24
abgesetzt, so daß sich eine hinreichend stabile Festlegung der Werkzeuge 19 für
den Verbundguß ergibt. Dieser Guß wird im allgemeinen drucklos nach dem Standguß-bzw.
Schwerkraftguß verfahren durchgeführt.
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Wenn man die Ausführungsform nach Fig. 2 verwirklicht, lassen sich
die kegelförmigen Spitzen 15, wie im Ausführungsbeispiel nach der mittleren Darstellung
der Fig. 1 anhand der Schneidenbegrenzungsflächen erläutert, einkleben. Die über
den Zylinder und den Dom 17, 18 reichende Innenaussparung wird dann vollständig
mit dem Gußmetall ausgefüllt, wodurch sich eine erheblich vergrößerte Grenzfläche
der Materialien unterschiedlicher stofflicher Zusammensetzung ergibt, was zu einem
entsprechend verbesserten Sitz der Werkzeuge 19 im Grundkörper 1 führt.
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