DE4430784C1 - Bohrkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bohrkopf entspre­ chend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bohrköpfe, die zur Verschraubung mit Bohrstangen, Injek­ tionsbohrankern oder dergleichen bestimmt sind, sind in vielfältiger Form bekannt. Sie sind mit wenigstens einer Spülöffnung ausgerüstet, die in der Bohrphase der Füh­ rung eines Spülmediums dient und die bei Injektionsbohr­ ankern auch der Führung eines aushärtbaren Mediums, z. B. einer Mörtelsuspension dienen kann. Die Bohrkrone über­ ragt in radialer Richtung den übrigen Teil des Bohrkop­ fes, in der Regel einen Rohransatz, so daß zwischen den Innenwandungen eines erstellten Bohrlochs und den Außen­ wandungen der Bohrstange ein Ringraum zur Verfügung steht, innerhalb welchem z. B. ein Spülmedium strömen kann.

Wesensmerkmal dieser bekannten Bohrköpfe ist eine durch besondere Schneidkörper gekennzeichnete Bohrkrone, wobei die Schneidkörper häufig aus einem Hartmetall bestehen und in besonderen Ausnehmungen der Bohrkrone eingelötet sind. Die Bohrkrone als solche wird häufig durch ein radial aufgeweitetes Teil des genannten Rohransatzes gebildet, wobei die Schneidkörper aus diesem Teil radial und/oder axial herausragen.

Die Standzeit derartiger Bohrköpfe wird unter anderem durch die Kühlwirkung eines Spülmediums beeinflußt, wobei der Verschleiß an den Stellen verstärkt einsetzt, die im Betrieb einer erhöhten Temperatur unterliegen.

Ein möglichst ungestörter, die Schneidkörper gleichmäßig erfassender Fluß des Spülmediums ist somit wesentlich nicht nur für eine rasche Abschwemmung von gelösten Gebirgspartikeln sondern auch für die Kühlung der hoch­ beanspruchten Teile der Bohrkrone. Auch die Schneid­ kantengeometrie muß mit Hinblick auf diesen Spülvorgang hin ausgelegt sein. Denn eine unzureichende Abschwemmung würde die Bohrleistung fühlbar vermindern.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Bohrkopf der eingangs bezeichneten Art bei einfacher Herstellbarkeit mit Hinblick auf die verfügbare Bohrleistung zu verbes­ sern. Gelöst ist diese Aufgabe bei einem solchen Bohr­ kopf alternativ durch die Merkmale der Kennzeichnungs­ teile der Ansprüche 1 bis 3.

Erfindungswesentlich ist hiernach, daß die am Bohrvor­ gang aktiv mitwirkenden Teile der Bohrkrone durch eine pfeilförmige Anordnung gebildet werden, die jeweils aus drei, im Regelfall linienhaften Komponenten gebildet wird. Die Komponenten können beispielsweise unmittelbar durch Schneidkörper, jedoch auch durch Warzen oder sonstige, üblicherweise aus Hartmetall bestehende Schneidelemente gebildet werden, die mit einem Träger­ bauteil verlötet sind. Die mit den genannten Warzen bestückten Trägerbauteile und die genannten Schneidkör­ per sind grundsätzlich austauschbar, so daß auch Misch­ systeme vorstellbar sind, bei denen teilweise mit Warzen bestückte Trägerbauteile und teilweise Schneidkörper vorgesehen sind, soweit die eingangs genannte, aus drei Komponenten bestehende Pfeilstruktur gewahrt bleibt. Der Rohransatz ist beispielsweise ein Teil einer Muffenkupp­ lung, einer Rohrkupplung oder dergleichen, nämlich eines Bauteils, welches zumindest mit einem Innengewinde versehen ist, welches zur Verschraubung mit zugekehrten Bohrstangenenden zwecks Verlängerung einer Bohrstange bestimmt ist. Der Rohransatz bedarf im einfachsten Fall grundsätzlich keiner weiteren Vorbereitung, um in diesem Sinne im Rahmen eines Bohrkopfes benutzt zu werden. Dies bringt eine wesentliche Vereinfachung der Herstellung mit sich, nämlich insoweit, als für die Herstellung des Bohrkopfes von Bauteilen Gebrauch gemacht wird, die ohnehin zur Herstellung einer verlängerbaren Bohrstange erforderlich sind. Die Teilanordnung der Schneidkörper bzw. der sonstigen Schneidelemente bringt eine gleichmä­ ßige Erfassung des gesamten Bohrquerschnitts mit sich, wobei jedoch eine einfache Geometrie und damit unbehin­ derte Abströmverhältnisse und damit eine gute Kühlwir­ kung sichergestellt sind. Letztere erfaßt gleichmäßig sämtliche hochbeanspruchten Teile der Bohrkrone, so daß diese eine gegenüber herkömmlichen Bohrkronen erhöhte Bohrleistung und damit Kostensenkungen mit sich bringt. Im einfachsten Fall eines solchen Bohrkopfes können drei Schneidkörper unmittelbar mit der Stirnseite des Rohran­ satzes verschweißt werden, und zwar mit Hinblick auf die Erstellung der genannten Pfeilstruktur.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 ist wenigstens ein Schneidkörper oder eine Teilanordnung der genannten Warzen unter einem Winkel zu der, die Stirnseite des Rohransatzes enthaltenden Ebene angeordnet. Diese Anord­ nung ist derart ausgebildet, daß die Spitze des genann­ ten Schneidkörpers oder die radial innerste Warze der genannten Teilanordnung im Bereich der Achse des Rohran­ satzes angeordnet ist, und zwar derart, daß diese Spitze - in Bohrrichtung gesehen - vorsteht. Die übrigen Schneidkörper und Teilanordnungen hingegen erstrecken sich parallel zu der genannten Ebene.

Im einfachsten Fall sind gemäß den Merkmalen des An­ spruchs 5 die Schneidkörper werkstoffgleich mit dem Rohransatz ausgebildet und bestehen aus Stahl, wobei lediglich der Bereich der Bohrkrone, nämlich die Schneidkörper, einem üblichen Härtungsprozeß unterzogen werden. Eine solche Ausbildung eines Bohrkopfes ist beispielsweise bei Injektionsbohrankern, somit als Einweg-Bohrkopf verwendbar.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 bestehen die Schneidkörper hingegen aus einem Hartmetall und es kann diese Ausfüh­ rungsform auch als Mehrweg-Bohrkopf bei allgemeinen Bohrstangen Verwendung finden.

Die am Ende des Rohransatzes gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 angebrachten Ausnehmungen können in ein­ fachster Weise hergestellt werden und dienen lediglich als Montagehilfe für die Anbringung der Schneidkörper.

Die Merkmale des Anspruchs 8 sind auf eine besonders einfache Ausgestaltung der Bohrkrone gerichtet. Diese besteht hiernach aus stabförmigen Schneidkörpern, die im Querschnitt eine quadratische oder dreieckförmige Ge­ stalt aufweisen, wobei eine Kante der Querschnittsge­ stalt zumindest eines Teiles der Schneidkörper in Bohr­ richtung orientiert ist.

Die wenigstens eine Spülöffnung ist gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 in einem, der Achse des Rohransatzes zumindest benachbarten Bereich angeordnet. Wie oben bereits ausgeführt, befindet sich im Bereich dieser Achse gleichermaßen auch eine Spitze eines Schneid­ körpers bzw. die radial innerste Warze oder ein sonst­ iges Schneidelement. Dies bedeutet, daß die Schneidwerk­ zeuge im jeden Fall auch im mittleren Bereich des Bohr­ lochquerschnitts wirksam sind, so daß der Bildung von Verstopfungen im Bereich der Spülöffnung wirksam begeg­ net wird und gleichzeitig eine effektive Kühlwirkung sichergestellt ist.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungen schematisch dargestellte Ausfüh­ rungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bohr­ kopfes in teilweiser Schnittdarstellung;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Bohrkopfes gemäß Pfeil II der Fig. 1;

Fig. 3 eine Stirnansicht des Bohrkopfes gemäß Pfeil III der Fig. 1.

Der erfindungsgemäße Bohrkopf besteht im wesentlichen aus einem der Ankupplung an eine Bohr- oder Ankerstange dienenden Rohransatz 1 und einer, die eigentliche Bohr­ krone 2 bildenden Anordnung von Schneidkörpern 3.

Der Rohransatz 1 wird durch ein vergleichsweise stark­ wandiges, innen- und außenseitig eine gewindeartige Verformung tragendes Rohrelement gebildet. Dieses Rohr­ element wird vorzugsweise in einem Kaltumformprozeß hergestellt, wobei durch Einwalzen eines gewindeartigen Profils auf der Außenseite sich als Folge einer freien innenseitigen Verformung auf der Innenseite ein dement­ sprechendes Profil ausbildet, welches in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einem Rundgewinde ähnlich ist. Dieses Rund- bzw. Innengewinde 4 dient der Verschraubung mit dem Außengewinde des zugekehrten Endes einer Bohr- oder Ankerstange, so daß der erfindungsgemäße Bohrkopf lösbar angeordnet ist.

Die radial äußersten Kanten der die Bohrkrone 2 bilden­ den Schneidkörper 3 befinden sich auf einem, zur Achse 5 des Rohransatzes 1 konzentrischen Kreis mit dem Durch­ messer 6, der größer bemessen ist als derjenige des Rohransatzes 1 sowie der mit diesem verschraubbaren Bohr- oder Ankerstangenabschnitte.

Das Ausführungsbeispiel zeigt drei unterscheidbare einzelne Schneidkörper 3, 3′, 3′′ die - wie Fig. 3 zeigt - gemäß einer Pfeilstruktur angeordnet sind. Die Schneid­ körper bestehen global aus prismatischen Stäben, wobei die, die Pfeilspitze bildenden Stäbe 3, 3′ an ihren zugekehrten Enden aneinander angepaßte Schrägflächen aufweisen, die in einer gemeinsamen Ebene 7 liegen. Die im Querschnitt quadratischen Schneidkörper 3, 3′, 3′′ sind im übrigen derart gegenüber der Stirnseite des Rohransatzes 1 orientiert, daß eine ihrer Kanten dieser Stirnseite zugekehrt ist, so daß sich eine Diagonallinie des Schneidkörperquerschnitts senkrecht zu einer, die Stirnseite des Rohransatzes 1 enthaltenden Querschnitts­ ebene erstreckt. Der dritte Schneidkörper 3′′ erstreckt sich im Gegensatz zu den beiden erstgenannten Schneid­ körpern 3′, 3′′ nicht parallel zur Ebene der Stirnseite des Rohransatzes 1, sondern ist gegenüber dieser unter einem geringfügigen Winkel angestellt, und zwar derart, daß die radial innere Spitze 8 gegenüber der radial äußeren Spitze 8′ um ein Maß 9 vorsteht. Die genannte Spitze 8 kann sich auf der Achse 5 befinden, so daß die Kante 8′′ während des Bohrbetriebs die Mantelfläche eines Kreiskegels beschreibt.

Aus Gründen der vereinfachten Montage der Schneidkörper 3 können in der Stirnseite des Rohransatzes 1 Kerben oder Ausnehmungen vorgesehen sein, in welche die Schneidkörper eingesetzt sind, die im übrigen mit dem Rohransatz 1 verschweißt sind. Wesentlich ist, daß die Verschweißung derart erfolgt, daß sich insgesamt - durch die Struktur der Schneidkörperanordnung bedingt - drei Spülöffnungen 10 ergeben, die mit dem Hohlraum des Rohransatzes 1 in durchgängiger, d. h. einen Mediendurch­ tritt ermöglichender Verbindung stehen.

Man erkennt aus obigen Ausführungen, daß der erfindungs­ gemäße Bohrkopf eine Bohrkrone aufweist, die in einem zentralen, ungefähr im Bereich der Achse 5 gelegenen Bereich eine geringfügig herausragende Spitze 8 auf­ weist, wobei im übrigen die radial äußersten Spitzen der Schneidkörper sämtlich auf einem gemeinsamen Kreis mit dem Außenradius 6 gelegen sind.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bohrkopfes kann im einfachsten Fall von einem Rohransatz 1 und entsprechend der Pfeilstruktur zugeschnittenen Schneidkörpern 3, 3′, 3′′ ausgegangen, wobei die Stirnseite des Rohransatzes 1 gegebenenfalls durch Kerben oder sonstige Einformungen vorbereitet ist, die in ihrer Anordnung an die Schneid­ körperanordnung angepaßt sind und Montagehilfen bilden. Anschließend werden die Schneidkörper mit der Stirnseite zwecks Bildung der Pfeilstruktur verschweißt. Der Rohr­ ansatz 1 und die Schneidkörper können grundsätzlich werkstoffgleich ausgebildet sein. In einem weiteren Schritt werden anschließend die Schneidkörper im ver­ schweißten Zustand einem Härtungsvorgang unterzogen, wobei eine Härte von etwa HRC 62 angestrebt wird.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Bohrkop­ fes besteht darin, daß der Rohransatz ein Teil einer üblicherweise bei Bohrstangen, Gebirgsankern, Injek­ tionsbohrankern oder dergleichen eingesetzten Gewinde­ muffe sein kann, so daß zur Herstellung des Bohrkopfes - sieht man von den Schneidkörpern ab - praktisch auf Bauelemente zurückgegriffen werden kann, die ohnehin für die Zusammensetzung eines Gebirgankers, Bohrankers oder dergleichen erforderlich sind. Es besteht somit keine Notwendigkeit, speziell angepaßte Bauteile für diesen Zweck bereitzuhalten. Ein auf diese Weise hergestellter Bohrkopf kann als Einweg-Bohrkopf beispielsweise bei Injektionsbohrankern Verwendung finden.

Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, als Schneidkörper unmittelbar Hartmetallschneidkörper zu benutzen, die in der gleichen Anordnung mit dem Rohran­ satz 1 verschweißt bzw. hart verlötet werden. Auf diese Weise lassen sich gleichermaßen auch Mehrweg-Bohrköpfe herstellen.

Die Herstellung des Bohrkopfes, soweit die Pfeilstruktur der Schneidkörperanordnung gewahrt bleibt, kann jedoch grundsätzlich erfolgen.

Aufgrund des mittigen Schneidkörpers 3′′ in Verbindung mit der achsnahen mittigen Spülöffnung 10 ist sicherge­ stellt, daß die Bohrwirkung des Schneidwerkzeugs den gesamten Bohrquerschnitt gleichmäßig erfaßt und insbe­ sondere auch im Bereich der mittigen Spülbohrung wirksam ist. Verstopfungen und hiermit eine zusammenhängende Verschlechterung der Kühlwirkung im mittleren Bereich werden auf diese Weise wirksam unterbunden.

Die einfache Geometrie der Pfeilstruktur bringt ungehin­ derte Abströmverhältnisse mit sich, so daß als Folge des Bohrvorgangs gelöste Gebirgspartikel schnellstmög­ lich abgeschwemmt werden.

Aufgrund günstiger Kühlverhältnisse, in Verbindung mit gleichermaßen günstigen Abschwemm- bzw. Spülverhältnis­ sen ergibt sich eine Erhöhung der Bohrleistung bzw. eine Verkürzung von Bohrzeiten.

Claims (12)

1. Bohrkopf, bestehend aus einem zylindrischen, zur Verbindung mit einer Bohr- oder Ankerstange bestimm­ ten, einen Hohlraum umschließenden Rohransatz (1) und einer, an dessen einem stirnseitigen Ende angeschlos­ senen, den Rohransatz (1) radial überragenden Bohr­ krone (2),

• - wobei wenigstens eine Spülöffnung (10) vorgesehen ist, die mit dem Hohlraum in durchgängiger Verbin­ dung steht,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Bohrkrone (2) durch eine, an dem stirn­ seitigen Ende des Rohransatzes (1) angebrachte pfeilartige Anordnung von drei Schneidkörpern (3, 3′, 3′′) gebildet ist.

2. Bohrkopf, bestehend aus einem zylindrischen, zur Verbindung mit einer Bohr- oder Ankerstange bestimm­ ten, einen Hohlraum umschließenden Rohransatz (1) und einer, an dessen einem stirnseitigen Ende angeschlos­ senen, den Rohransatz (1) radial überragenden Bohr­ krone (2),

• - wobei wenigstens eine Spülöffnung (10) vorgesehen ist, die mit dem Hohlraum in durchgängiger Verbin­ dung steht,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Bohrkrone (2) durch eine, an dem stirnsei­ tigen Ende des Rohransatzes (1) angebrachte pfeil­ artige, aus drei Teilanordnungen bestehende Anord­ nung von Warzen oder vergleichbaren Schneidele­ menten gebildet ist.

3. Bohrkopf, bestehend aus einem zylindrischen, zur Verbindung mit einer Bohr- oder Ankerstange bestimm­ ten, einen Hohlraum umschließenden Rohransatz (1) und einer, an dessen einem stirnseitigen Ende angeschlos­ senen, den Rohransatz (1) radial überragenden Bohr­ krone (2),

• - wobei wenigstens eine Spülöffnung (10) vorgesehen ist, die mit dem Hohlraum in durchgängiger Verbin­ dung steht,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Bohrkrone (2) durch eine, an dem stirnsei­ tigen Ende des Rohransatzes (1) angebrachte pfeil­ artige Anordnung von drei Schneidkomponenten gebil­ det ist und
• - daß jede Schneidkomponente zum Teil als Schneid­ körper (3, 3′, 3′′) und zum Teil als Teilanordnung von Warzen oder vergleichbaren Schneidelementen ausgebildet ist.

4. Bohrkopf nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß wenigstens ein Schneidkörper (3′′) oder eine Teilanordnung der Warzen unter einem Winkel zu der, die Stirnseite des Rohransatzes (1) enthaltenden Ebene angeordnet ist,
• - daß die eine Spitze (8) des Schneidkörpers (3′′) oder die radial innerste Warze der Teilanordnung im Bereich der Achse (5) des Rohransatzes (1) angeord­ net ist und
• - daß sich die übrigen Schneidkörper (3, 3′) oder die übrigen Teilanordnungen parallel zu der genannten Ebene erstrecken.

3. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet,

• - daß die Schneidkörper (3, 3′, 3′′) und der Rohransatz (1) werkstoffgleich aus Stahl bestehen und
• - daß der Bereich der Bohrkrone (2) gehärtet ist.

3. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Schneidkörper (3, 3′, 3′′) aus einem Hartme­ tall bestehen.

7. Bohrkopf nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 oder 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das stirnseitige Ende des Rohransatzes (1) mit Ausnehmungen versehen ist, in welche die Schneid­ körper (3, 3′, 3′′) unlösbar eingesetzt sind.

8. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Bohrkrone (2) aus stabartigen Schneidkör­ pern (3, 3′, 3′′) besteht,
• - daß die Schneidkörper eine quadratische oder drei­ eckförmige Querschnittsgestalt aufweisen und
• - daß eine Kante der Querschnittsgestalt zumindest eines Teiles der Schneidkörper in Bohrrichtung orientiert ist.

9. Bohrkopf nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

• - daß sich die wenigstens eine Spülöffnung (10) in einem der Achse (5) des Rohransatzes (1) zumindest benachbarten Bereich befindet und
• - daß die Spülöffnung (10) im Umfangsbereich durch Schneidkörper und/oder die genannten Teilanordnun­ gen begrenzt ist.