DE4339245A1 - Spiralbohrer - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Gesteinsbohrer mit einem insgesamt aus Hartmetall beste
henden Bohrkopf, der mit einem Spannuten aufweisenden Bohrerschaft verbunden ist.
Es ist bekannt, daß sich Gesteinsbohrer im Bereich der Bohrerspitze beim Bohren in
hartem Gestein und bei hohen Drehgeschwindigkeiten außerordentlich schnell
abnutzen. Deshalb sind Gesteinsbohrer mit Hartmetall bestückt, wobei unter Hartmetall
im vorliegenden Falle gesinterte oder geschmolzene Karbide, Silicide, Boride oder deren
Legierungen verstanden werden.
Ein derartiger Gesteinsbohrer ist aus der DE-AS 20 08 825 bekannt. Dieser
Gesteinsbohrer besitzt einen insgesamt aus Hartmetall bestehenden, mit dem
Bohrerschaft verlöteten, elliptischen Bohrkopf, der zusätzlich mit einer Verzapfung mit
dem Bohrschaft zusammenwirkt. Die Verzapfung wird gebildet von einem
zapfenförmigen Ansatz des Bohrkopfes, der in einer in Durchmesser und Tiefe
entsprechend dimensionierten Bohrung im Bohrerschaft eingelötet ist.
Dieser bekannte Gesteinsbohrer weist die Eigenschaft auf, daß die stetige Abfuhr des
Bohrgutes über den sich zwischen dem kleinsten Durchmesser des elliptischen
Bohrkopfes und der Innenwandung des Bohrloches bildenden Zwischenraum erfolgt.
Jeder dieser beiden Zwischenräume wird kleiner, je mehr er sich dem größten
Durchmesser des Bohrkopfes nähert. Bohrgut, welches während des
Bearbeitungsvorganges durch diese Zwischenräume abtransportiert wird, kann sich
dabei in jeweils zwei sich diagonal gegenüberliegenden, verengenden Zwischenräumen
verklemmen, so daß eine vorzeitige Abnützung oder Beschädigung des Bohrkopfes im
Umfangsbereich des größten Durchmessers entsteht. Neben der vorzeitigen
mechanischen Abnutzung des Bohrkopfes bewirkt zwischen dem Umfangsbereich des
Bohrkopfes und der Bohrlochwandung eingeklemmtes Bohrgut eine Vergrößerung der
herzustellenden Bohrung und eine rauhe Bohrlochwandung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gesteinsbohrer mit Hartmetallbohrkopf
zu schaffen, der sich durch hohe Bohrleistung, hohe Standzeiten und eine gute Bohr
gutabfuhr auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der zwischen der mit dem
Bohrerschaft verbundenen Stirnseite und der freien Stirnseite liegende Querschnitt des
Bohrkopfes vom Restquerschnitt zwischen zwei im wesentlichen kreisabschnittartigen,
einander diametral gegenüberliegenden und entlang der Bohrerachse in Längsrichtung
des Bohrkopfes verlaufenden, den Durchtritt des Bohrgutes dienenden Ausnehmungen
gebildet wird, wobei sich die in axialer Richtung betrachteten Projektionen der
Ausnehmungen mit jenem Bereich der Spannuten decken, die an die mit dem
Bohrerschaft verbundenen Stirnseite angrenzen und wobei eine Hauptschneide im
wesentlichen dachförmig und entlang einer der Diagonalen des Querschnittes verläuft.
Aufgrund der kreisabschnittartigen Ausnehmungen wird eine Verkeilung bzw. eine Ver
klemmung des Bohrgutes zwischen dem Umfangsbereich des Bohrkopfes und der
Bohrlochwandung verhindert. Der rechtwinklig zur Bohrerachse verlaufende Querschnitt
des Bohrkopfes ist im wesentlichen rechteckig ausgebildet. Entlang einer Diagonalen
des rechteckigen Querschnittes erstreckt sich die Hauptschneide. Diese Hauptschneide
verläuft an der Stirnseite des Bohrkopfes derart, daß in Umfangsrichtung des
Bohrkopfes betrachtet, die Schneidkante der Hauptschneide einer der Ausnehmungen
näher liegt, als die entsprechende Freifläche der Hauptschneide einer weiteren Ausneh
mung. Jener Bereich des Bohrkopfes, welcher der Schneidkante abgewandt und der
Freifläche zugewandt ist, dient der Abstützung der Hauptschneide während eines
Bearbeitungsvorganges.
Die Bohrguterzeugung bzw. -zerkleinerung kann zusätzlich dadurch verbessert werden,
indem durch die Hauptschneide abgetragenes Bohrgut mit Hilfe weiterer
Zusatzschneiden zerkleinert wird. Zu diesem Zweck weist der Bohrkopf vorzugsweise
wenigstens zwei Zusatzschneiden auf, die im wesentlichen parallel zu der weiteren Dia
gonalen verlaufend angeordnet sind.
Während des Bohrvorganges wird das von der Hauptschneide abgetragene Bohrgut in
den Umfangsbereich des Bohrkopfes geschleudert. Um eine gute Zerkleinerung des
Bohrgutes mit Hilfe der Zusatzschneiden erreichen zu können, sind die Zusatzschneiden
vorteilhafterweise rotationssymmetrisch im äußeren, stirnseitigen Bereich des
Bohrkopfes angeordnet. Durch die rotationssymmetrische Anordnung der
Zusatzschneiden wird außerdem die entsprechende, notwendige Laufruhe des
Gesteinsbohrers erreicht.
Da die zusätzliche Zerkleinerung des Bohrgutes relativ rasch nach dem Abtragen durch
die Hauptschneiden erfolgen muß, ist es zweckmäßig, daß in Drehrichtung des Bohr
kopfes die Hauptschneiden vor den Zusatzschneiden in Eingriff mit einem zu bearbei
tenden Gestein gelangen.
Neben der Hauptabtragung des Bohrgutes dient die Hauptschneide außerdem der
Zentrierung des Gesteinsbohrers während des Bearbeitungsvorganges. Die Haupt
schneide ist dachförmig ausgebildet, wobei der Scheitelpunkt jenen Bereich des Bohr
kopfes bildet, der in Längsrichtung des Gesteinsbohrers betrachtet, den größten Ab
stand zum Bohrerschaft aufweist. Die Zusatzschneiden können neben dem Zerkleinern
des von der Hauptschneide abgetragenen Bohrgutes ebenfalls dem Abtragen von
Bohrgut dienen. Es ist daher zweckmäßig, wenn die Hauptschneide und die
Zusatzschneiden im wesentlichen auf der gleichen Hüllkurve liegen. Wird von den
Zusatzschneiden nur das Zerkleinern des Bohrgutes verlangt, so können die
Zusatzschneiden gegenüber der von der Hauptschneide gebildeten Hüllkurve
zurückversetzt sein.
Die gute Bohrgutabfuhr ist im wesentlichen abhängig vom Durchmesser des Bohrkopfes,
d. h. je größer der Durchmesser des Bohrkopfes ist, umso kleiner können die Ausneh
mungen ausgebildet sein. Um eine ausreichende Abfuhr des Bohrgutes erreichen zu
können, beträgt die Querschnittsfläche der Ausnehmungen vorzugsweise das 0,6- bis
0,9-fache des Querschnitts des Bohrkopfes.
Die Verbindung des Bohrkopfes an den Bohrerschaft erfolgt durch Verschweißen oder
Verlöten unter Zwischenlage eines Lotes. Die der Hauptschneide gegenüberliegende
Stirnseite des Bohrkopfes ist zweckmäßigerweise plan ausgebildet. Dadurch wird
insbesondere der Lötvorgang erleichtert, da sich das flüssige Lot auf der waagrecht
ausgerichteten planen Stirnseite gleichmäßig verteilen kann.
Es ist bekannt, daß eine Lotnaht, die rechtwinklig zur Lotnahtrichtung auf Zug und
Druck belastet wird, spröde versagt. Im Gegensatz dazu führt eine Beanspruchung durch
Schub zu einem elastischen und plastischen Verhalten der Lotnaht. Um
unvorhergesehene Frühausfälle, die während des praktischen Einsatzes durch hohe
Spannungsspitzen entstehen, vermeiden zu können und damit die Dauerfestigkeit zu
erhöhen, wird ein elastisches und plastisches Verhalten der Lotnaht angestrebt.
Die während des praktischen Einsatzes auftretenden Stoßwellen verlaufen in
Längsrichtung des Gesteinsbohrers. Damit die zu einem Versagen der Lotnaht
führenden Zug-Druckbeanspruchungen abgebaut werden, verläuft die Lotnahtebene
deshalb im wesentlichen schräg zur Längsachse des Gesteinsbohrers. Damit im
wesentlichen schräg zur Längsachse des Gesteinsbohrers verlaufende Lotnahtebenen
erzeugt werden können, weist die mit dem Bohrerschaft verbundene Stirnseite des
Bohrkopfes eine mit einer entsprechend ausgebildeten Stirnseite des Bohrerschaftes
zusammenwirkende Vertiefung auf, die wenigstens zwei Mantellinien aufweist. Die
Mantellinien gehen aus vom Mündungsbereich der Vertiefung und verjüngen sich zu
einem gemeinsamen, auf der Längsachse des Bohrkopfes liegenden Zentrum.
Um möglichst große Fügeflächen zwischen dem Bohrerschaft und dem Bohrkopf
erzielen zu können, ist die Vertiefung des Bohrkopfes vorzugsweise kegelförmig,
dachförmig oder kalottenartig ausgebildet.
Eine dachförmig ausgebildete Vertiefung weist zwei Mantellinien auf, die sich ausgehend
vom Mündungsbereich zu einem gemeinsamen, auf der Längsachse des Bohrkopfes
liegenden Zentrum verjüngen.
Kegelförmig oder kalottenartig ausgebildete Vertiefungen weisen eine Vielzahl von
Mantellinien an ihrem Umfang auf, die sich ausgehend vom Mündungsbereich zu einem
gemeinsamen, auf der Längsachse des Bohrkopfes liegenden Zentrum verjüngen.
Bei dem Übertragung sehr hoher Drehmomente vom Bohrerschaft auf den Bohrkopf
kann vorteilhafterweise die der Verbindung mit dem Bohrerschaft dienende Stirnseite
des Bohrkopfes Drehmitnahmeflächen aufweisen. Derartige Drehmitnahmeflächen
können beispielsweise gebildet sein von sich wenigstens teilweise über den
Durchmesser des Bohrkopfes erstreckende Nuten oder zentral angeordnete, in
Längsrichtung verlaufende Vertiefungen mit einem polygonartigen Querschnitt.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen, die mehrere Ausführungsbeispiele wie
dergeben, näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Gesteinsbohrer;
Fig. 2 die Draufsicht auf den Gesteinsbohrer gemäß Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt durch den Bohrkopf entlang der Linie III-III, in vergrö
ßerter Darstellung;
Fig. 4 eine Ansicht des Bohrkopfes gemäß Ansicht A der Fig. 2, in vergrö
ßerter Darstellung;
Fig. 5, 6, 7 Ansichten weiterer erfindungsgemäßer Bohrköpfe, in vergrößerter
Darstellung.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Gesteinsbohrer dargestellt, der im wesentlichen aus einem
Bohrerschaft 1 und einem Bohrkopf 2 besteht. Der Bohrerschaft 1 setzt sich zusammen
aus einem Einsteckende 9a und einer Förderwendel 9b. Der Querschnitt des Bohrkopfes
2 ist im wesentlichen rechteckig ausgebildet, wobei auf einer Diagonalen D1 eine Haupt
schneide 4 angeordnet ist. Der größte Außendurchmesser des Bohrkopfes 2 ist
größer ausgebildet, als der Außendurchmesser des Bohrerschaftes 1.
Die Hauptschneide 4 ist dachförmig ausgebildet und der Scheitelpunkt S1 der
Hauptschneide 4 ist jener Bereich, der axial am weitesten vom Bohrerschaft 1 entfernt
ist.
Die Fig. 2 zeigt die bevorzugte Anordnung der Hauptschneide 4 bezüglich des
Querschnittes des Bohrkopfes 2. Die Hauptschneide 4 besitzt eine Schneidkante 4a und
eine Freifläche 4b, wobei im Umfangsbereich des Bohrkopfes 2 betrachtet die
Schneidkante 4a der Hauptschneide 4 näher bei einer der Ausnehmungen 3a
angeordnet ist, als die entsprechende Freifläche 4b der Hauptschneide 4 einer weiteren
Ausnehmung 3b.
Der rechteckige Querschnitt des Bohrkopfes 2 weist eine weitere Diagonale D2 auf,
entlang der wenigstens teilweise Zusatzschneiden 5, 6 angeordnet sind, die ebenfalls
dachförmig ausgebildet sind und sich vom äußeren Umfang des Bohrkopfes 2 her in
Richtung Zentrum des Bohrkopfes 2 erstrecken.
Die Fig. 3 zeigt den Abstand A zwischen der Hauptschneide 4 und den Zusatzschneiden
5, 6, die gegenüber der von der Hauptschneide 4 gebildeten Hüllkurve zurückversetzt
angeordnet sind. Der Außendurchmesser der Hauptschneide 4 ist größer als der
Außendurchmesser der Zusatzschneiden 5, 6.
Die Fig. 4 zeigt den Bohrkopf 2, der eine Hauptschneide 4 und zwei Zusatzschneiden 5
besitzt, wobei eine Zusatzschneide nicht sichtbar ist. Die Hauptschneide 4 ist dachförmig
ausgestaltet und weist einen Scheitelpunkt S1 auf. Die Stirnseite 10 des Bohrkopfes 2 ist
mit einer Vertiefung 8 versehen, die rechtwinklig zur Längsachse des Bohrkopfes 2
verläuft. Die Vertiefung 8 hat eine rechteckige Querschnittsfläche und
Drehmitnahmeflächen 7.
Der in Fig. 5 dargestellte Bohrkopf 12 besitzt eine Hauptschneide 14 und zwei
Zusatzschneiden 15, wobei eine Zusatzschneide nicht sichtbar ist. Die Hauptschneide 14
ist von dachförmiger Gestalt und weist einen Scheitelpunkt S2 auf. Die mit einem nicht
dargestellten Bohrerschaft in Verbindung bringbare Stirnseite 16 des Bohrkopfes 12
weist eine dachförmige Vertiefung 17 auf.
Aus der Fig. 6 ist ein Bohrkopf 22 ersichtlich, der eine Hauptschneide 24 und zwei
Zusatzschneiden 25 aufweist, wobei eine Zusatzschneide nicht sichtbar ist. Die
Hauptschneide 24 verläuft dachförmig und hat einen Scheitelpunkt S3. Die Stirnseite 28
des dargestellten Bohrkopfes 22 besitzt eine Vertiefung 27, die kalottenartig ausgebildet
ist.
Der in Fig. 7 dargestellte Bohrkopf 32 hat eine Hauptschneide 34 und zwei
Zusatzschneiden 35, wobei eine Zusatzschneide nicht sichtbar ist. Die Hauptschneide 34
verläuft dachförmig und weist einen Scheitelpunkt S4 auf.
Die Stirnseite des in Fig. 7 dargestellten Bohrkopfes 32 ist in Form einer planen Fläche
37 ausgebildet. Die Verbindung des Bohrkopfes 32 mit dem Bohrerschaft kann durch
Schweißen oder Löten erfolgen. Zu diesem Zweck kann der beispielsweise
hauptsächlich aus Kobaltpulver und Wolframkarbid bestehende Bohrkopf 32 im Bereich
der Stirnseite 37 mit einer lediglich Kobaltpulver aufweisenden Schicht 38 versehen sein,
was zu einer Verbesserung der Schweiß- bzw. Lötverbindung führt.
Claims (10)
1. Gesteinsbohrer mit einem insgesamt aus Hartmetall bestehenden Bohrkopf (2, 12,
22, 32) der mit einem Spannuten (11) aufweisenden Bohrerschaft (1) verbunden
ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der mit dem Bohrerschaft (1)
verbundenen Stirnseite (10, 16, 28, 37) und der freien Stirnseite liegende
Querschnitt des Bohrkopfes (2,12, 22, 32) vom Restquerschnitt zwischen zwei im
wesentlichen kreisabschnittartigen, einander diametral gegenüberliegenden und
entlang der Bohrerachse in Längsrichtung des Bohrkopfes (2, 12, 22, 32)
verlaufenden, den Durchtritt des Bohrgutes dienenden Ausnehmungen (3a, 3b)
gebildet wird, wobei sich die in axialer Richtung betrachteten Projektionen der
Ausnehmungen (3a, 3b) mit jenem Bereich der Spannuten (11) decken, die an die
mit dem Bohrerschaft (1) verbundenen Stirnseite (10,16, 28, 37) angrenzen und
wobei eine Hauptschneide (4, 14, 24, 34) im wesentlichen dachförmig und entlang
einer der Diagonalen (D1) des Querschnittes verläuft.
2. Gesteinsbohrer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der weiteren
Diagonalen (D2) wenigstens zwei im wesentlichen parallel dazu verlaufende
Zusatzschneiden (5, 6, 15, 25, 35) vorgesehen sind.
3. Gesteinsbohrer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatz
schneiden (5, 6, 15, 25, 35) rotationssymmetrisch im äußeren, stirnseitigen
Bereich des Bohrkopfes (2, 12, 22, 32) angeordnet sind.
4. Gesteinsbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
in Drehrichtung des Bohrkopfes (2, 12, 22, 32) die Hauptschneide (4, 14, 24, 34)
vor den Zusatzschneiden (5, 6, 15, 25, 35) in Eingriff mit einem zu bearbeitenden
Gestein gelangen.
5. Gesteinsbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Hauptschneide (4, 14, 24, 34) und die Zusatzschneiden (5, 6, 15, 25, 35) im
wesentlichen auf der gleichen Hüllkurve liegen.
6. Gesteinsbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die Querschnittsfläche der Ausnehmungen (3a, 3b) das 0,6- bis 0,9-fache des
Querschnitts des Bohrkopfes (2, 12, 22, 32) beträgt.
7. Gesteinsbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die mit dem Bohrerschaft verbundene Stirnseite (37) des Bohrkopfes (32) plan
ausgebildet ist.
8. Gesteinsbohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die mit dem Bohrerschaft (1) verbundene Stirnseite (10, 16, 28) des Bohrkopfes (2,
12, 22) eine mit einer entsprechend ausgebildeten Stirnseite des Bohrerschaftes
(1) zusammenwirkende Vertiefung (8, 17, 27) aufweist, die wenigstens zwei
Mantellinien aufweisen, die sich ausgehend vom Mündungsbereich zu einem
gemeinsamen, auf der Längsachse des Bohrkopfes (2, 12, 22) liegenden Zentrum
verjüngen.
9. Gesteinsbohrer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung
(17, 27) kegelförmig, dachförmig oder kalottenartig ausgebildet ist.
10. Gesteinsbohrer nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit
dem Bohrkopf (1) verbundenen Stirnseite (10) des Bohrkopfes (2)
Drehmitnahmeflächen (7) aufweist.
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