DE3521159A1 - Drehbohrer - Google Patents

Description

-5-Drehbohrer

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehbohrer mit einem Bohrmeißel bzw. Schneidwerkzeug, das mehrere Reihen von Schneidelementen aufweist. Diese Reihen erstrecken sich entlang des Umfanges des Schneidwerkzeuges und sind wechselseitig im allgemeinen in axialer Richtung des Schneidwerkzeuges versetzt. Das Schneidwerkzeug ist über ein Lagersystem drehbar auf einem Werkzeugkörper gelagert und ist im allgemeinen konisch mit einem eingeschlossenen Konuswinkel, der größer als 90° ist. Weiterhin betrifft die Erfindung die Anwendung eines solchen Schneidwerkzeuges als zentraler Teil in einer größeren Einheit oder als unabhängig arbeitende Einheit.

Schneidwerkzeuge nach diesem Stand der Technik zeigen z.B. die US-Patentschriften mit den Nr. 12 38 757, 23 36 335, 25 98 518 und 41 54 312. Jedoch haben diese bekannten Bohrmeißel nur begrenzt eine kommerzielle Verwendung gefunden, da sie eine vergleichsweise geringe Bohrleistung haben. Eine Aufgabe der Erfindung liegt deshalb darin, einen Drehbohrer dieses Typs zu schaffen, der eine höhere Bohrleistung hat als die bisher bekannten Bohrer.

Bohrköpfe, die mehrere Rollenschneidwerkzeuge haben, wobei . der zentrale Teil ein einseitig gelagertes konisches Rollenschneidwerkzeug ist, werden z.B. durch die US-PS 33 85 385 und durch die DE-A-31 31 201 beschrieben. Wegen der hohen axialen Vorschubkräfte, die während des Bohrens auf derartige Bohrköpfe ausgeübt werden, hat man festgestellt, daß diese zentralen Rollenschneidwerkzeuge eine unbefriedigende Standzeit haben.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, einen Drehbohrer des in Rede stehenden Typs zu schaffen, der hohe Vortriebskräfte zuläßt und dabei eine zufriedenstellende Standzeit behält.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Drehbohrer zu schaffen, dessen Schneidwerkzeug leicht von seiner Halterung demontiert werden kann.

Diese und die anderen Aufgaben der Erfindung werden dadurch gelöst, daß die Erfindung die kennzeichnenden Merkmale aufweist, die in den' zugehörigen Ansprüchen formuliert sind.

Die Erfindung wird unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen, in denen beispielhaft verschiedene Ausführungsformen dargestellt sind, in der folgenden Beschreibung im Detail beschrieben.

Es zeigen:

Figur 1 eine teilweise im Schnitt gesehene Seitenansicht eines Drehbohrers gemäß der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 und 3 den eingeschlossenen Konuswinkel des Schneid-Werkzeuges,

Figur 4 die Erfindung in der Anwendung als im Zentrum befindlichen Teil in einer größeren Einheit und
Figur 5 die Erfindung in der Anwendung als unabhängig arbeitende Einheit.

In den Zeichnungen ist das Schneidwerkzeug oder das Rollenschneidwerkzeug, das im allgemeinen mit 10 bezeichnet wird, mit Schneidelementen 11 versehen, die in Reihen 12 bis 17 angeordnet sind, die wechselseitig im allgemeinen in der axialen Richtung 18 des Schneidwerkzeuges 10 versetzt sind. Die Schneidelemente 11, die in den dargestellten Ausführungsformen zylindrische Hartmetalleinsätze sind, die auf an sich bekannte Weise durch Preßpassung in dem Schneidwerkzeug 10 befestigt sind, sind in jeder Reihe entlang des Kreisumfanges des Schneidwerkzeuges 10 in im wesentlichen gleichen Abständen angebracht. Das schneidwerkzeug 10 wird über einem Lagersystem drehbar vom Meißelkörper 19 getragen. Das Lagersystem enthält zwei Gleitla-

lager 20, 21. Das Gleitlager 20 ist konisch und in der dargestellten Ausführungsform ist die konische Fläche des Lagers 20 parallel zu der konischen Fläche 22 des Schneidwerkzeuges 10. Das Gleitlager 21 ist im wesentlichen zylindrisch und in der dargestellten Ausführungsform parallel zur Rotationsachse 18 des Schneidwerkzeuges 10. Die Gleitlager 20, 21 sind hülsenförmig und entweder an dem Schneidwerkzeug 10 oder an dem Werkzeug- bzw. Meißelkörper 19 befestigt.

Der Bohrmeißel 10 ist im allgemeinen konisch und der Konuswinkel o( , der durch die konische Oberfläche 22 gebildet wird, übersteigt 90°, In Figur 2 ist die Position des Schneidwerkzeuges 10 in seinem Arbeitszylinder 23, d.h. dem gedachten Zylinder, der durch das Schneidwerkzeug während seiner Rotation und axialen Verschiebung erzeugt wird, dargestellt. In Figur 3 ist die Ausdehnung des Konus 10 bzw. der Konusoberfläche des Schneidwerkzeuges 10 dargestellt, d.h. der Kreissektor mit dem Winkel ß, auf dem der Konus während einer Umdrehung um die Achse 18 abrollt.

Dieser Sektor könnte auch definiert werden als der Sektor, der von der einhüllenden Oberfläche des Schneidwerkzeuges 10 bedeckt wird, wenn sie auf der Arbeitsfläche 24 ausgerollt wird. Der Sektor, der auf diese Weise (bei einer Umdrehung) nicht von dem Konus 10 in der Arbeitsfläche 24 erfaßt wird, ist mit dem Winkel jT bezeichnet. Entsprechend der Tatsache, daß die Schneidelemente 11 in Reihen 12 bis 17 in im wesentlichen konstanten Abständen zur Rotationsachse 18 über deren ganze Länge angeordnet sind, wobei die erwähnten Schneidelemente in der bevorzugten Ausführungsform zylindrische Hartmetalleinsätze sind, die mit Preßpassung in Bohrungen des Schneidwerkzeuges 10 eingesetzt sind, sind die Schneidelemente so angepaßt, daß sie in regelmäßige Vertiefungen in der Arbeitsfläche eingebracht werden, so daß sie kreisförmige Rillen mit dazwischenliegenden Stegen erzeugen. Während des kontinuierlichen Bohrens werden diese Stege unter der Kraft von zusammengehörigen oder getrennten Reihen von Einsätzen gebrochen, während gleichzeitig neue Stege erzeugt werden.

— β-Ι Es hat sich als wichtig herausgestellt, die Anordnung der Einsätze so zu gestalten, daß die Einsätze 11 in ein und derselben Reihe während der Rotation des Schneidwerkzeuges 10 neue Vertiefungen formen, d.h. es muß vermieden werden, daß die Einsätze in Vertiefungen eingreifen, die schon erzeugt wurden. In dem zuletzt erwähnten Fall würden die Einsätze 11 immer tiefere Vertiefungen formen, bis die Teile des Schneidwerkzeuges 10, die zwischen den Einsätzen liegen, mit dem Gestein in Berührung kämen, wodurch die Bohrleistung drastisch reduziert würde.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist sichergestellt, daß die Einsätze 11 nicht in Vertiefungen eingreifen, die bereits gebildet worden sind, d.h. es ist sichergestellt, daß durch die Einsätze in ein und derselben Reihe kontinuierliche Rillen erzeugt werden. Dies wird dadurch erreicht, daß der Konuswinkel «. so gewählt wird, daß die durch den Winkel f gekennzeichnete Kreisstrecke bzw. Umfangsausdehnung einer Reihe von Einsätzen 11, eine Länge von nicht weniger als vier und nicht mehr als zwölf Schneidelementabständen A bzw. Teilungen zwischen den Einsätzen in. der erwähnten Reihe hat. In der dargestellten Ausführungsform ist die erwähnte Reihe die in radialer Richtung am weitesten außen liegende Reihe 17. Dabei ist mit dem Schneidelementabstand A der Abstand zwischen den Zentren zweier benachbarter Einsätze gemeint. In der dargestelltön Ausführungsform ist der Konuswinkel χ so gewählt, daß die erwähnte Kreisstrecke, die die Peripherie des Kreissektors, der mit dem Winkel y bezeichnet ist, darstellt, eine Länge von etwas weniger als elf Schneidelementabständen hat; die Peripherie des dargestellten Sektors entspricht also der in radialer Richtung am weitesten außen liegenden Reihe 17 von Schneidelementen. Man kann davon ausgehen, daß die dargestellte Ausführungsform eine äußere Gestalt aufweist, die unter Berücksichtigung des Gewichtes an der oberen Grenze dessen liegt, was sich in der Praxis als angemessen erweist. In kleineren Ausführungsformen liegt also die Peripherie, d.h. der Kreisbogen ψ , der in radialer Richtung

am weitesten außen liegenden Reihe von Schneidelementen dichter an der unteren Grenze von vier Schneidelementabständen.

Die Einsätze 11 sind im allgemeinen meißeiförmig, wobei die Meißelkante in Umfangsrichtung des Schneidwerkzeuges 10 ausgerichtet ist. Die obere Grenze des Konuswinkels a , d.h. ein Winkel y , der vier Schneidelementabständen A entspricht, liefert im allgemeinen eine untere Grenze für die Neigung der Achse des Schneidwerkzeuges bezogen auf den Grenzwert für die Wiederholung des Einsatzmusters, wobei die Neigung der Winkel <f zwischen der Roationsachse 18 des Schneidwerkzeuges 10 und der Rotationsachse 25 des Meißelkörpers 19 ist. Die untere Grenze für den Konuswinkel öl , d.h. ein Winkel y , der zwölf Schneidelementabständen A entspricht, liefert im allgemeinen eine obere Grenze für den Winkel { bezogen auf die Grenze für eine genügende Menge Hartmetall und genügend Raum für die Bemessung des Lagersystems 20, 21.

Die vorliegende Erfindung liefert also die oberen und unteren Grenzwerte für den Konuswinkel Λ unter Berücksichtigung des Abstandes A zwischen den Schneidelementen 11, die so zusammengestellt sein müssen, daß sowohl eine Wiederholung des Einsatzmusters vermieden wird als auch die Verwendung eines genügend großen Lagersystems erlaubt ist. Wenn sichergestellt ist, daß der Konuswinkel (X zwischen diesen Grenzwerten liegt, muß der Abstand für jede der Reihen 12 bis 17 von Schneidelementen geeignet gewählt werden. Eine zweite Forderung, die erfüllt sein muß, ist selbstverständlich die, daß die Länge des Kreisbogens, die die dem Winkel f entspricht, kein ganzzahliges Vielfaches des Schneidelementabstandes sein darf.

So, wie es. oben beschrieben ist, ist das Einsatzmuster für, in radialer Richtung nach innen gesehen, so viele Reihen von Schneidelementen wie möglich bestimmt. Es ist offensichtlich, daß die radial innerste Reihe oder Reihen von

-ΙΟΙ Schneidelementen kein sich nicht wiederholendes Einsatzmuster erhalten können. Dies ist jedoch von geringerer Bedeutung, da die in radialer Richtung äußersten Reihen einzig und allein ausschlaggebend sind für die Effizienz des Bohrers im Hinblick auf die Bohrleistung bzw. Bohrgeschwindigkeit .

Alternativ dazu kann der Schneidelementabstand unter Bezug auf die Ausdehnung der Schneidelemente 11 in Richtung des Umfanges des Schneidwerkzeuges 10 definiert werden. Da die Schneidelemente in der dargestellten Ausführungsform zylindrische Einsätze 11 sind, liegt der Abstand vorzugsweise zwischen D und zwei D, wobei D der Durchmesser der Einsätze 11 ist.

In der dargestellten Ausführungsform weist der Meißelkörper 19 ein Teil 26 auf, welches das Schneidwerkzeug 10, und ein Teil 27 trägt, welches an einer Halterung angebracht ist. Das Schneidwerkzeug 10, das Lagersystem 20, 21 und das Teil 26 bilden dabei eine Einheit, die abnehmbar mit dem Teil 27 über eine Keilsperrvorrichtung 28 verbunden ist. Die Keilsperrvorrichtung 28 weist zwei Keile 29, 30 auf, die mit Hilfe einer in dem Keil 30 hineingedrehten Schraube 31 relativ zueinander verschoben werden können. Das Schneidwerkzeug 10 und das Teil 26 bilden also eine Einheit, die schnell vom Teil 27 gelöst werden kann. Das Schneidwerkzeug 10 ist mit dem Teil 26 durch Kugeln 32 gesichert verbunden. Der Raum für die Lager zwischen dem Schneidwerkzeug 10 und dem Teil 26 ist durch eine Dichtung 33 abgedichtet.

Die dargestellte Keilsperrvorrichtung 28 kann durch andere Klemm- oder Haltevorrichtungen ersetzt werden, z.B. eine Schraubverbindung. Auch die beiden Gleitlager 20, 21 können ersetzt werden durch z.B. ein - vorzugsweise konisches - Rollenlager.

In Figur 4 ist eine bevorzugte Anwendung der Erfindung

dargestellt, wobei der Bohrer 10, 19 ein mittiges Teil in einer größeren Einheit, d.h. einem Bohrkopf 34 zum Schachtoder Tunnelbohren, bildet. Der Bohrkopf 34 weist mehrere Rollenschneidwerkzeuge 36, 37 auf, die in unterschiedlichen Abständen von der Rotationsachse 35 des Bohrkopfes positioniert sind. Die Rollenschneidwerkzeuge 36, 37 sind in Sätteln 39, 40, 41 drehbar gelagert. Ähnlich wie das Schneidwerkzeug 10 haben die Rollenschneidwerkzeuge 36, 37, 38 Reihen von meißeiförmigen Hartmetalleinsätzen, die sich um deren Umfang erstrecken und in axialer Richtung der Rollenschneidwerkzeuge wechselseitig bzw. gegeneinander versetzt sind. Es hat sich herausgestellt, daß der Bohrer 10 eine axiale Vortriebskraft auf den Bohrkopf 34 zuläßt, die ebenso groß ist wie die optimale Vortriebskraft der Rollenschneidwerkzeuge 36, 37, 38, d.h. das erfindungsgemäß ausgestaltete Schneidwerkzeug 10 hat im wesentlichen dieselbe Lebensdauer wie die Rollenschneidwerkzeuge 36, 37, 38.

in der Ausführungsform, die in Figur 4 dargestellt ist, erhält man ein gemeinsames Arbeitsprofil 42, während in der bevorzugten Ausführungsform zumindest das Arbeitsprofil, welches von dem Schneidwerkzeug 10 und dem Rollenschneidwerkzeug 36, welches in radialer Richtung außerhalb und am nächsten zu jenem liegt, erzeugt wird, rechtwinklig zur Rotationsachse 35 ist.

Um den dem Schneidwerkzeug 10 am nächsten liegenden Teil der Arbeitsvorderfläehe zu brechen, können entweder zwei Rollenschneidwerkzeuge von dem mit 36 bezeichneten allgemeinen Typ oder nur ein solches Rollenschneidwerkzeug 36 an der Oberseite des Schneidwerkzeuges 10 angebracht werden. Der Vorteil der zuerst erwähnten Ausführungsform, bei der die Rollenschneidwerkzeuge 36 vorzugsweise symmetrisch zum mittigen Schneidwerkzeug 10 angeordnet sind, liegt darin, daß es möglich ist, den Reihenabstand der Schneidwerkzeuge zu verändern, indem das mittige Schneidwerkzeug 10 und eines der Rollenbohrwerkzeuge 36 ersetzt werden.

Bei der Anwendung der Erfindung, die in Figur 5 dargestellt ist, ist das Schneidwerkzeug 10 eine unabhängige Arbeitseinheit. Der das Schneidwerkzeug 10 tragende Meißelkörper 19 ist so ausgebildet, daß er mit einem Bohrstrang 43 in an sich bekannter Weise verbunden werden kann. Führungsstangen 44 sind zumindest auf dem Teil des Meißelkörpers vorgesehen, der dem Schneidwerkzeug 10 diametral gegenüberliegt, um so einseitige Kräfte, die auf den Bohrer wirken und vom Schneidwerkzeug 10 erzeugt werden, aufzufangen. In zweckmäßiger Weise sind jedoch Führungsstangen 44 in Abständen um den gesamten Bohrkörper herum angeordnet.

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Claims (9)

Priorität; Schwedische Patentanmeldung Nr. 8403242-4 vom 18. Juni 1984 Patentansprüche

1. Drehbohrer mit einem im allgemeinen konischen Schneid-

15 werkzeug (10) mit einem Konuswinkel (Of ) von mehr als 90°, das mehrere Reihen (12-17) von Schneidelementen

(11) aufweist, wobei die Reihen (12-17) sich entlang des ümfanges des Schneidwerkzeuges (10) erstrecken und wechselseitig im allgemeinen in axialer Richtung (18)

20 des Schneidwerkzeuges (10) versetzt sind und wobei das Schneidwerkzeug (10) über ein Lagersystem (20, 21) drehbar auf einem Werkzeugkörper (19) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel ■(.£*) so aus-

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gebildet ist, daß, gemessen entlang des Kreises, der von einer Reihe (12-17) der Schneidelemente (11) beim Abrollen auf der Arbeitsfläche (24) erzeugt wird, die Strecke eines Kreisteiles (Winkel T)₁ der von der einhüllenden Oberfläche des Schneidwerkzeuges (10) nicht abgedeckt wird, eine Länge von nicht weniger als vier und nicht mehr als zwölf Schneidelementabständen (A) in der einen Reihe von Schneidelementen (11) hat, wobei der Schneidelementabstand (A) gegeben ist durch den Abstand der Zentren zweier benachbarter Schneidelemente (11).

2. Drehbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Reihe die äußerste Reihe (17) der Schneidelemente (11) ist.

3. Drehbohrer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidelemente Einsätze (11) sind, daß der Schneidelementabstand (A) zwischen der einfachen und der zweifachen Ausdehnung eines Einsatzes (11) in ümfangsrichtung des Schneidwerkzeuges (10) liegt und daß die Einsätze (11) vorzugsweise zylindrisch und aus Hartmetall sind und somit diese Ausdehnung der Durchmesser (D) der Einsätze (11) ist.

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4. Drehbohrer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen (12-17) der Einsätze (11) konzentrische Kreise bilden und daß die Einsätze (11) im allgemeinen meißeiförmig sind, wobei die Meißelkante in Richtung des Kreisumfanges des Schneidwerkzeuges (10) weist.

5. Drehbohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkörper (19) ein erstes Teil (26), welches das Schneidwerkzeug

(10) trägt, und ein zweites Teil (27), welches an Halterungselementen, wie einem Vollbohrkopf (34), angebracht ist, aufweist und daß das Schneidwerkzeug (10), das Lagersystem (20, 21) und das erste Teil (26) eine

Einheit bilden, die leicht demontierbar mit dem zweiten Teil (27) durch eine Keilsperrvorrichtung (28) verbunden ist.

6. Drehbohrer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagersystem zwei Gleitlager (20, 21) aufweist, deren eines (20) konisch ist, vorzugsweise im wesentlichen parallel zur konischen Oberfläche (22) des Schneidwerkzeuges (10), und deren anderes (21) zylindrisch ist, wobei die Zylinderachse im wesentlichen parallel zur Rotationsachse (18) des Schneidwerkzeuges (10) ist.

7. Bohrkopf mit Trägerelementen (39, 40, 41) für mehrere Rollenschneidwerkzeuge (36, 37, 38), die mehrere Reihen von Schneidelementen aufweisen, wobei die Reihen sich entlang des Umfanges des Rollenschneidwerkzeuges (36, 37, 38) erstrecken und wechselseitig in axialer Richtung des Rollenschneidwerkzeuges (36, 37, 38) versetzt sind und wobei ein erstes Rollenschneidwerkzeug (10) i; an einem ersten Trägerelement (27) so befestigt und der- λ art ausgestaltet ist, daß es einen ersten Bereich von ^Λ Gestein, der der Rotationsachse (35) des Bohrkopfes am nächsten liegt, bearbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rollenschneidwerkzeug (10) im allgemeinen konisch ist mit einem derart ausgebildeten Konuswinkel ( 0( ), daß der Rand eines Sektors (Winkel \f), der nicht von der einhüllenden Oberfläche des konischen Rollenschneidwerkzeuges (10) erfaßt wird, wenn diese auf der Arbeitsfläche (42) ausgerollt wird, eine Länge von nicht unter vier und nicht über zwölf Schneidelementabständen (A) in einer Reihe (12-17), vorzugsweise der in radialer Richtung äußersten Reihe (17) von Schneidelementen (11) hat.

8. Bohrkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daü das erste Rollenschneidwerkzeug (10) und wenigstens ein zweites Rollenschneidwerkzeug (36) ein zusammenhängendes Arbeitsprofil (42) haben, welches senkrecht zur Ro-

tationsachse (35) des Bohrkopfes (34) steht und daß das zweite Rollenschneidwerkzeug (36) einen zweiten Bereich des Gesteins·bearbeitet, der radial außerhalb des ersten Bereiches des Gesteins und am nächsten zu diesem (Bereich) liegt, der von dem ersten Rollenschneidwerkzeug (10) bearbeitet wird.

9. Drehbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkörper (19) ein einzelnes unabhängig arbeitendes Schneidwerkzeug (10) trägt und daß wenigstens eine Führungsstange (44) an dem Werkzeugkörper (19) vorgesehen ist, wobei die Führungsstange (44) dem Schneidwerkzeug gegenüberliegt und so ausgebildet ist, daß sie nicht ausbalancierte Kräfte, die auf den Bohrer wirken und durch das Schneidwerkzeug (10) verursacht sind, aufnimmt.