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Die
Erfindung betrifft einen rotierbaren Bohrmeißel für Erdbohrungen gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 und 2.
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Die
Erweiterung einer unterirdischen Kohlengrube erfordert das Graben
eines Stollens, der anfänglich
eine nicht abgestützte
Decke aufweist. Um eine Abstützung
für die
Decke zu schaffen, wird ein rotierbarer Bohrmeißel (zum Beispiel ein Deckenbohrmeißel) zum
Bohren von Bohrlöchern
verwendet, die sich ungefähr
2 bis ungefähr
20 Fuß (oder
sogar noch tiefer) in die Erdschichten erstrecken können. In
den Bohrlöchern
werden Deckenbolzen befestigt, und dann wird ein Ausbauriegel (zum
Beispiel eine Deckenbeplankung) an den Deckenbolzen angebracht.
Beispiele für
einen konventionellen Deckenbohrmeißel mit einem axial vorderen
Schlitz, der ein schneidenartiges, hartes Einsatzstück trägt, sind die
KCV4-1RR und KCV4-1 1/32RR Roof RocketTM Bohrmeißel, hergestellt
von Kennametal Inc. aus Latrobe, Pennsylvania, USA und offenbart
im US-Patent Nr. 5,172,775 von Sheirer et al.
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Obwohl
die Kennametal Roof Rocket Deckenbohrmeißel eine angemessene Leistung
einschließlich
einer zufriedenstellenden Eindringgeschwindigkeit zeigen, wäre es wünschenswert,
einen Deckenbohrmeißel
zu schaffen, der eine Beendigung des Bohrvorgangs so früh wie möglich erlaubt.
Ein Deckenbohrmeißel,
der wenigstens drei vordere Schneidkanten aufweist, erhöht die Eindringgeschwindigkeit
aufgrund einer Vergrößerung der
Anzahl der vorderen Schneidkanten. Drei vordere Schneidkanten, insbesondere
mit radialer Orientierung, ermöglichen
dem Deckenbohrmeißel
ein Vordringen mit sehr geringem Flattern (d.h. radialer Bewegung),
so daß ein
ausbalanciertes Bohren erreicht wird. Die vorderen Schneidkanten,
die kurz vor dem Mittelpunkt des harten Einsatzstücks (d.h.
an einem Punkt radial außerhalb)
enden, definieren einen zentralen offenen Raum, um den Anteil des
Niedergeschwindigkeitsschneidens, d.h. den Schneideingriff, der
in der Nähe
des Mittelpunkts auftritt, zu reduzieren. Eine Erhöhung der
Anzahl der vorderen Schneidkanten, die ausbalancierte Bohrung und
das reduzierte Niedergeschwindigkeitsbohren tragen jeweils zu einer
Erhöhung
der Eindringgeschwindigkeit des Deckenbohrmeißels bei, was einen effizienten Ablauf
des Bohrvorgangs ermöglicht.
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Beim
Bohren mit einer höheren
Eindringgeschwindigkeit können
Zusetzen und Überlastung
auftreten. Es wäre
von Vorteil, das Bohrklein entsprechend so zu handhaben und zu räumen, daß die Möglichkeit
des Zusetzens reduziert ist. Es wäre ein Vorteil, einen Deckenbohrmeißel zu schaffen,
mit einem Bohrmeißelkörper, der
den inneren Spannungen während
einer Überlast
standhält.
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Das
Bohrklein, welches auf den Bohrmeißel auftritt, verschleißt den Stahlkörper derart,
daß sich die
Möglichkeit
erhöht,
daß das
harte Einsatzstück vom
Körper
losgerissen wird. Es wäre
von Vorteil, diesen Verschleiß zu
reduzieren, um die Hartlötverbindung
zwischen dem harten Einsatzstück
und dem Meißelkörper vor
einer Beschädigung
zu bewahren.
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Bei
der Herstellung des Deckenbohrmeißels wäre es wünschenswert, daß die Formgebung
des harten Einsatzstücks
und des Meißelkörpers die
richtige Positionierung des harten Einsatzstücks auf dem Meißelkörper erleichtert.
Darüber
hinaus wäre
es für eine
solche Herstellung ebenfalls wünschenswert, wenn
sich der Bohrmeißelkörper dafür eignen
würde, im
wesentlichen durch ein Verfahren oder eine Kombination von Verfahren
wie zum Beispiel Kaltformung oder Gießen gebildet zu werden.
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Die
FR-A-2 779 366 zeigt einen Bohrmeißel mit einem harten Einsatzstück. Das
harte Einsatzstück
umfaß drei
Arme, die mit gleichem Abstand zueinander angeordnet sind. Der Bohrmeißel hat
einen Körper,
an dessen vorderem Ende drei Schlitze vorgesehen sind, die einander
zentral schneiden. Diese Schlitze sind an das harte Einsatzstück angepaßt.
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Die
Erfindung schafft einen rotierbaren Bohrmeißel zum Eindringen in Erdschichten
gemäß der Ansprüche 1 und
2.
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Es
folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen, die einen Teil dieser
Patentanmeldung bilden.
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1 ist
eine isometrische Ansicht einer speziellen Ausführungsform eines Deckenbohrmeißels, wobei
das harte Einsatzstück
entfernt vom Bohrmeißelkörper dargestellt
ist;
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2 ist
eine Draufsicht auf das harte Einsatzstück aus 1;
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3 ist
eine Seitenansicht des harten Einsatzstücks aus 1;
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4 ist
eine Untersicht des harten Einsatzstücks aus 1;
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5 ist
eine isometrische Ansicht einer weiteren speziellen Ausführungsform
eines Deckenbohrmeißels,
wobei das harte Einsatzstück
entfernt vom Bohrmeißelkörper dargestellt
ist;
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6 ist
eine Draufsicht auf das harte Einsatzstück aus 5;
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7 ist
eine Untersicht des harten Einsatzstücks aus 5;
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8 ist
ein Querschnitt des harten Einsatzstücks aus 5 entlang
der Schnittlinie 8-8 der 7;
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9 ist
eine isometrische Ansicht des axial vorderen Abschnitts einer weiteren
speziellen Ausführungsform
eines rotierbaren Bohrmeißels
mit einem Schneideinsatz, der entfernt vom harten Bauteil dargestellt
ist;
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10 ist
eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Bohrmeißelkörpers;
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11 ist
ein Querschnitt der Ausführungsform
aus 10 entlang der Schnittlinie 11-11;
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12 ist
eine Draufsicht auf die Ausführungsform
aus 10;
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13 ist
ein Querschnitt der Ausführungsform
aus 12 entlang der Schnittlinie 13-13 der 12;
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14 ist
ein Querschnitt der Ausführungsform
aus 12 entlang der Schnittlinie 14-14 der 12;
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15 ist
ein Querschnitt der Ausführungsform
aus 12 entlang der Schnittlinie 15-15 der 12;
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16 ist
eine Draufsicht auf eine weitere spezielle Ausführungsform eines Bohrmeißelkörpers;
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17 ist
ein Querschnitt der Ausführungsform
aus 16 entlang der Schnittlinie 17-17;
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18 ist
ein Querschnitt der Ausführungsform
aus 16 entlang der Schnittlinie 18-18;
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19 ist
ein Querschnitt der Ausführungsform
aus 16 entlang der Schnittlinie 19-19;
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20 ist
eine Seitenansicht einer weiteren speziellen Ausführungsform
eines Deckenbohrmeißelkörpers, der
Fluidöffnungen
enthält,
wobei ein Abschnitt des Körpers
geschnitten ist, um die zentrale Bohrung darzustellen; und
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21 ist
eine Draufsicht auf den Deckenbohrmeißelkörper aus 20.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bezugnehmend
auf die Zeichnungen ist ein Deckenbohrmeißel mit einer zentralen Längsachse A-A
zu sehen, der im allgemeinen mit 20 bezeichnet ist. Der
Deckenbohrmeißel 20 umfaßt einen
im allgemeinen zylindrischen, langgestreckten Bohrmeißelkörper 22 aus
Stahl mit einer axialen Länge „B" von 1,968 Inches
(5,0 Zentimeter [cm]) und einem Durchmesser „C" von 1 Inch (2,54 cm). Der Meißelkörper 22 umfaßt ferner
ein axiales vorderes Ende 24, ein axiales hinteres Ende 26,
eine zentrale Längsbohrung 28 und
eine im allgemeinen zylindrische Umfangsfläche 30.
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Nahe
des axial vorderen Endes 24 befindet sich ein Fußabschnitt
(geschweifte Klammer 32). Der Fußabschnitt 32 weist
drei bogenförmig-konkav
ausgenommene, gekrümmte
Flächen 36 auf,
die in Richtung zum axial hinteren Ende sowohl schmäler als auch
flacher werden. Jede gekrümmte
Fläche 36 weist
eine im allgemeinen kreisrunde Bohrkleinöffnung 38 mit einem
Durchmesser „D" von 0,375 Inches
(0,95 cm) in der Nähe
ihrer axial hinteren Kante auf. Jede Stauböffnung 38 ist von
der Mittellinie F-F der gekrümmten
Fläche 36 leicht
versetzt, um einen Abstand „E" von 0,082 Inches
(2,08 Millimeter [mm]). Der Mittelpunkt der Bohrkleinöffnung 38 ist
mit einem Abstand „X" von 0,939 Inches
(2,38 cm) zum axial hinteren Ende 26 des Meißelkörpers 22 angeordnet. Die
Bohrkleinöffnungen 38 ermöglichen
eine Beseitigung des Bohrkleins, einschließlich größerer Stücke von Bohrklein, unter dem
Einfluß eines
Vakuums beim Trockenbohren. Der Deckenbohrmeißel ist ebenfalls gut für Naßbohrungen
verwendbar.
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Der
Fußabschnitt 32 umfaßt drei
Fußlappen 40,
wobei jeder Lappen 40 zwischen jedem Paar der gekrümmten Flächen 36 definiert
ist. Jeder Fußlappen 40 hat
angrenzend an eine distale Umfangsfläche 44 eine distale
Umfangskante 42 und eine vordere Kante 46 nahe
einer vorderen Umfangsfläche 48. Die
distale Umfangsfläche 44 des
Fußabschnitts 32 weitet
sich in axialer Richtung nach hinten auf, so daß sich im wesentlichen der
Fußabschnitt
des Bohrmeißelkörpers axial
nach hinten aufweitet. Die Aufweitung des Fußabschnittkörpers sorgt für vorzügliche Festigkeit
und hilft dem Bohrmeißelkörper, während einer Überlast
des Deckenbohrmeißels
keinen Schaden zu nehmen.
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Der
Deckenbohrmeißelkörper 22 weist
ferner in seinem axial vorderen Ende 24 einen lappenförmigen Sockel 50 auf.
Der lappenförmige
Sockel 50 zeigt drei im allgemeinen radial ausgerichtete
Sockellappen, die mit einem gleichen Winkelabstand von 120° angeordnet
sind. Die Bodenfläche
des lappenförmigen
Sockels 50 ist, wie in den Figuren klar gezeigt, im allgemeinen
parallel zur Umfangsfläche des
axial vorderen Endes 24 des Bohrmeißelkörpers 22. Wie nachfolgend
beschrieben, paßt
die Form des lappenförmigen
Sockels 50 zur Form eines lappenförmigen Vorsprungs, der sich
aus der Bodenfläche eines
harten Einsatzstücks
erstreckt.
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Der
Deckenbohrmeißel 20 umfaßt ferner
ein hartes Einsatzstück 56,
welches drei getrennte vordere Schneidkanten zeigt. Je nach Anwendung
können
jedoch auch mehr als drei getrennte vordere Schneidkanten vorhanden
sein.
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Das
harte Einsatzstück 56 ist
vorzugsweise (aber nicht notwendigerweise) ein einzelnes, monolithisches
Bauteil, welches durch pulvermetallurgische Verfahren aus einem
harten Material, wie einer gesinterten (z.B. Kobalt-) Wolframkarbidlegierung
gebildet ist, wobei ein Mischpulver zu einem Grünling verpreßt und dann
unter Bildung eines im wesentlichen vollkommen dichten Teils gesintert
wird. Die Anmelder gehen davon aus, daß das harte Einsatzstück auch
durch Spritzgußverfahren
hergestellt werden kann. Die bevorzugte Güteklasse des gesinterten Wolframkarbids
für das
harte Einsatzstück
(d.h., Grade 1) enthält
6,0 Gew.-% Kobalt (der Rest ist im wesentlichen Wolframkarbid) und
hat eine Wolframkarbidkörnung
von 1 bis 8 Mikrometern und eine Rockwell A Härte von ungefähr 89,9.
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Das
harte Einsatzstück 56 hat
eine obere Fläche 58 mit
einem zentralen Bereich 60, der den Mittelpunkt „G" (siehe 2)
umgibt, und eine untere Fläche 62.
Das harte Einsatzstück 56 weist
drei Lappen 64 auf, wobei jeder Lappen 64 eine
im allgemeinen plane Vorderseite 66, eine Hinterseite 68 und eine
profilierte Ober- (oder Relief-) Seite 70 hat. Die Reliefseite 70 weist
einen vorderen, konvexen, oberen Abschnitt und eine hinteren, konkaven,
unteren Abschnitt auf, wobei zwischen dem oberen, vorderen Abschnitt
und dem hinteren, unteren Abschnitt ein glatter Übergang ist.
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Wenn
das harte Einsatzstück 56 am
Bohrmeißelkörper 22 angebracht
ist, ist die Vorderseite 66 jedes ersten Lappens 64 unter
einem Spanwinkel „H" (siehe 1)
von ungefähr
minus fünf
Grad angeordnet. Der Spanwinkel „H" kann sich zwischen ungefähr null
und ungefähr
minus fünfzehn
Grad betragen und liegt bevorzugt zwischen ungefähr minus fünf Grad und ungefähr minus
fünfzehn Grad.
Dadurch, daß der
Spanwinkel negativ ist, schaffen die Anmelder ein hartes Einsatzstück mit einer
starken vorderen Schneidkante. Der negative Spanwinkel sorgt auch
für eine
bessere Pulverströmung
während
des Herstellungsprozesses, so daß sich die Gesamtbeschaffenheit
(einschließlich
einer gleichmäßigen Dichte)
des harten Einsatzstücks
verbessert.
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Jeder
Lappen 64 weist ferner eine distale Umfangsfläche 74 auf.
Die Vorderseite 66 schneidet die Relieffläche 70 an
ihrem oberen Abschnitt, um an ihrer Kreuzungsstelle eine im allgemeinen
gerade, vordere Schneidkante 76 zu bilden. Die Vorderseite 66 schneidet
die distale Umfangsflache 74, um an ihrer Kreuzungsstelle
eine im allgemeinen gerade, seitliche Schneidkante 78 zu
bilden. Obwohl die vordere Schneidkante 76 eine im allgemeinen
gerade Geometrie zeigt, gehen die Anmelder davon aus, daß die vordere
Schneidkante auch eine andere Form, wie z.B. eine bogenförmige Form
in vertikaler oder horizontaler Richtung oder in beiden Richtungen
annehmen kann.
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Das
harte Einsatzstück 56 hat
einen lappenförmigen
Vorsprung 80, der drei Vorsprunglappen aufweist, die mit
einem Zwischenraum von ungefähr hundertzwanzig
Grad angeordnet sind, und der von der unteren Fläche 62 des harten
Einsatzstücks
ausgeht. Der lappenförmige
Vorsprung 80 hat eine Seitenfläche 84 und eine Bodenfläche 86.
Die untere Fläche 62 des
harten Einsatzstücks
hat einen Absatz 88, der den lappenförmigen Vorsprung 80 umgibt
und im allgemeinen parallel zur unteren Fläche 62 ist. Jeder
der Vorsprunglappen hat eine im allgemeinen radiale Orientierung,
so daß seine
zentrale Längsachse
durch die geometrische Mitte des harten Einsatzstücks (d.h.
den Punkt auf dem harten Einsatzstück, der auf der zentralen Längsachse
A-A des Deckenbohrmeißels 20 liegt,
wenn das harte Einsatzstück am
Meißelkörper angebracht
ist) verläuft.
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Es
wird noch einmal Bezug genommen auf die Geometrie der vorderen und
seitlichen Schneidkanten; während
diese Schneidkanten im allgemeinen gerade sind und in akzeptabler
Art und Weise funktionieren, sind auch andere Schneidkantengeometrien
im Einsatz akzeptabel. Beispielsweise offenbaren die folgenden Patentschriften
geeignete Schneidkantengeometrien: U.S. Patent Nr. 4,787,464 von
Ojanen, U.S. Patent Nr. 5,172,775 von Sheirer et al., U.S. Patent
Nr. 5,184,689 von Sheirer et al., U.S. Patent Nr. 5,429,199 von
Sheirer et al. und U.S. Patent Nr. 5,467,837 von Miller et al.
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Bezugnehmend
auf den zusammengebauten Deckenbohrmeißel 20 ist es charakteristisch,
daß das
harte Einsatzstück 56 mit
dem axial vorderen Ende 24 des Meißelkörpers 22 hartverlötet ist.
Im Detail erstreckt sich der lappenförmige Vorsprung 80 aus
der unteren Fläche 62 des
harten Einsatzstücks 56,
weist eine Geometrie auf, die der des lappenförmigen Sockels 50,
der im axial vorderen Ende 26 des Meißelkörpers 22 enthalten
ist, entspricht und folglich in diesem aufgenommen ist. Es ist eine
geometrische Übereinstimmung
zwischen der Form des lappenförmigen
Sockels 50 und der Form des lappenförmiges Vorsprungs 80 vorhanden,
wodurch der Vorsprung 80 im Sockel 50 aufgenommen
ist, so daß sichergestellt
ist, daß das
harte Einsatzstück
bezogen auf den Bohrmeißelkörper 22 korrekt
positioniert ist. Zwischen der Oberfläche des Bohrmeißelkörpers an dessen
axialem vorderen Ende und der Rückseite des
harten Einsatzstücks
ist eine Hartlötverbindung vorgesehen,
wobei die Hartlötverbindung
sowohl die Oberflächen
umfaßt,
welche den Vorsprung auf dem harten Einsatzstück und den Sockel im Bohrmeißelkörper definieren,
als auch den Absatz des harten Einsatzstücks und die Umfangsfläche des
Meißelkörpers, die
den Sockel umgibt, d.h. die axial am weitesten vorne liegende Oberfläche.
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Die
bevorzugte Hartlötlegierung
ist die HI-TEMP 548 Hartlötlegierung,
hergestellt und vertrieben durch Handy & Harmon Inc., 859 Third Avenue, New
York, New York 10022. Die HI-TEMP 548 Hartlötlegierung ist zusammengesetzt
aus 55+/–1,0 Gew.-%
Kupfer, 6+/–0,5
Gew.-% Nickel, 4 ± 0,5 Gew.-%
Mangan, 0,5 ± 0,05
Gew.-% Silikon und dem Restzink mit maximal 0,5 Gew.-% an Gesamtverunreinigungen.
Zusätzliche
Informationen über
die HI-TEMP 548 Hartlötlegierung
sind im Handy & Harmon
Technischen Datenblatt D-74 zu finden, erhältlich bei Handy & Harmon Inc.
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Im
zusammengebauten Zustand erstreckt sich der radial äußere Abschnitt
der vorderen Schneidkante 76 jedes Lappens 64 über die
vordere Umfangsfläche 48 ihres
entsprechenden Fußlappens 40.
Dieser Abstand verringert sich, je weiter man sich auf der vorderen
Schneidkante 76 radial nach innen bewegt. Außerdem erstreckt
sich bei jedem Lappen 64 die seitliche Schneidkante 78 in
radialer Richtung weiter nach außen, als die distale Umfangsfläche 44 ihres
entsprechenden Fußlappens 40.
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Bezugnehmend
auf 2 sind die vorderen Schneidkanten 76 des
harten Einsatzstücks 56 im
allgemeinen radial ausgerichtet. Falls der Spanwinkel null Grad
beträgt,
verläuft
eine Linie, wenn man sie an jede vordere Schneidkante anlegt und
radial nach innen verlängert,
durch den Mittelpunkt „G" des harten Einsatzstücks 56.
Der Mittelpunkt „G" liegt auf der zentralen
Längsachse
A-A des Deckenbohrmeißels 20.
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Jede
der vorderen Schneidkanten 76 beginnt an einem Punkt, der
um einen Abstand „K" (3) [entspricht
0,125 Inches (3,2 mm)] radial außerhalb des Mittelpunkts „G" des harten Einsatzstücks 56 liegt.
Jede Schneidkante 76 erstreckt sich dann in radialer Richtung
nach außen,
um an einem Punkt radial außerhalb
der Umfangsfläche
des Bohrmeißelkörpers 22 zu
enden. Es gibt einen offenen, zentralen Bereich 60 (siehe 2),
der den Mittelpunkt „G" des harten Einsatzstücks umgibt.
Der Abschnitt jeder vorderen Schneidkante, der näher am Mittelpunkt „G" liegt, legt eine
kürzere
Wegstrecke pro Umdrehung zurück,
als der distale Abschnitt jeder vorderen Schneidkante. Da sich keine
vordere Schneidkante 76 bis zum Mittelpunkt des harten
Einsatzstücks 56 erstreckt,
ist der Anteil eines Niedergeschwindigkeitsschneidens, d.h. eines
Schneidens, das am Mittelpunkt oder in der Nähe des Mittelpunkts des harten Einsatzstücks stattfindet,
reduziert. Allgemein gesprochen erhöht ein reduzierter Anteil des
Niedergeschwindigkeitsschneidens die Eindringgeschwindigkeit eines
Deckenbohrmeißels,
so daß (bei
sonst unveränderten
Bedingungen) eine Vergrößerung des Abstands „K" die Eindringgeschwindigkeit
erhöhen kann.
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In
Betrieb rotiert der Deckenbohrmeißel 20 und stößt auf die
Erdschichten, so daß die
vorderen Schneidkanten 76 die Erdschichten berühren, um
ein Bohrloch zu schneiden, und die Seitenfreischneidkanten 78 die
Seite des Bohrlochs schneiden. Der Kreisschnitt des harten Einsatzstücks mißt ungefähr 1,042
Inches (2,6 cm) im Durchmesser. Obwohl die optimalen Parameter von
den konkreten Umständen abhängen, liegt
die übliche
Rotationsgeschwindigkeit zwischen ungefähr 450 und ungefähr 650 Umdrehungen
pro Minute (rpm), und die übliche
Axialkraft liegt zwischen ungefähr
1000 und 3000 amerikanischen Pfund.
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Der
Bohrvorgang erzeugt Bohrklein und Staubpartikel. Bei manchen Anwendungen
erzeugen die höheren
Eindringgeschwindigkeiten in Verbindung mit dem Deckenbohrmeißel grobkörnigeres Bohrklein,
mit dem Potential, den Deckenbohrmeißel zu verstopfen. Das Bohrklein,
speziell das gröbere Bohrklein,
muß weitergeleitet
und aus dem Bohrloch entfernt werden, um den Bohrvorgang nicht zu
stören.
Im Deckenbohrmeißel 20 bewegt
sich das Bohrklein geschmeidig über
die Vorderseiten 66 jedes Lappens 64 direkt in
die entsprechende Bohrkleinöffnung 38.
Durch die Bereitstellung von drei Bohrkleinöffnungen schafft der Deckenbohrmeißel 20 einen Möglichkeit,
das Bohrklein schnell und effizient aus der Bohrumgebung zu entfernen.
Die Entfernung des Bohrkleins und speziell des gröberen Bohrkleins
wird durch die Struktur des gekrümmten
Abschnitts 36 und den Versatz sowie die axiale Lage der
Bohrkleinöffnungen
noch verbessert. Die Folge ist, daß durch das Bohren gebildetes
Bohrklein (und speziell gröberes
Bohrklein) die Effizienz des gesamten Bohrvorgangs nicht beeinträchtigt.
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Da
diese drei getrennten vorderen Schneidkanten 76 eine im
allgemeinen radiale Orientierung aufweisen, zeigt der Deckenbohrmeißel 20 eine
exzellente Balance, um fortwährend
mit geringem, möglichst
gar keinem, Flattern, d.h. radialer Bewegung, kontinuierlich vorzudringen.
Obwohl die im allgemeinen radiale Orientierung der vorderen Schneidkanten
den oben beschriebenen Vorteil bereitzustellen scheint, gehen die
Anmelder davon aus, daß der
Deckenbohrmeißel
auch dann noch eine verbesserte Leistung zeigt, wenn das harte Einsatzstück vordere
Schneidkanten hätte,
welche nicht im allgemeinen radial orientiert wären.
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Das
harte Einsatzstück 56 deckt
das gesamte axiale vordere Ende 24 (einschließlich der
axial vordersten Oberfläche)
des Bohrmeißelkörpers 22 ab.
Durch die Abdeckung des axial vorderen Endes 24 des Bohrmeißelkörpers 22 schützt das
harte Einsatzstück 56 die
Hartlötverbindung
zwischen dem harten Einsatzstück
und dem Bohrmeißelkörper vor Verschleiß, so daß die Hartlötverbindung
vor einer Beschädigung
bewahrt bleibt. Dies trifft insbesondere auf den Abschnitt der Hartlötverbindung
zu, der durch die untere Fläche
und die Seitenfläche
des lappenförmigen
Sockels des Meißelkörpers und
der entsprechenden Oberfläche
des harten Einsatzstücks
festgelegt wird, da sich die Hartlötverbindung in einem Raumteil
des Meißelkörpers befindet,
der durch das harte Einsatzstück
geschützt
ist.
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Bezugnehmend
auf die 5 bis 8 ist eine
weitere Ausführungsform
eines Deckenbohrmeißels
gezeigt, der insgesamt mit 100 bezeichnet ist. Der Deckenbohrmeißel 100 hat
einen Bohrmeißelkörper 102 mit
einem axial vorderen und einem axial hinteren Ende 104 bzw. 106 und
eine zentrale Bohrung 107. Der Bohrmeißelkörper 102 hat eine axiale
Länge „L" und einen Durchmesser „M". Der Bohrmeißelkörper 102 weist
einen lappenförmigen Vorsprung 108 mit
drei Lappen auf, wobei jeder Lappen eine radiale Orientierung hat
und in axialer Richtung aus dem axial vorderen Ende 104 des
Bohrmeißelkörpers nach
vorne herausragt. Der Meißelkörper 102 enthält eine
zentrale Öffnung 109,
die durch das axial vordere Ende verläuft, um mit der zentralen Bohrung 107 in
Verbindung zu stehen.
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Der
Bohrmeißelkörper 102 enthält ferner
drei gekrümmte
Abschnitte 110, die in gleichem Abstand an der Umfangsfläche des
Bohrmeißelkörpers 102 vorgesehen
sind. Jeder gekrümmte
Abschnitt 110 beginnt am axial vorderen Ende 104 und
erstreckt sich über
eine bestimmte Distanz „N" in axialer Richtung
nach hinten, wo er endet. Die Tiefe und Breite jedes gekrümmten Abschnitts 110 bleibt über seine Länge im wesentlichen
konstant. Zwischen jedem Paar von gekrümmten Abschnitten 110 ist
ein Lappen 112 festgelegt. Diese Lappen 112 und
die gekrümmten
Abschnitte 110 weisen einen Fußabschnitt auf (wie durch die
Klammer 113 gezeigt).
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Jeder
gekrümmte
Abschnitt 110 enthält
eine Bohrkleinöffnung 114 nahe
seines axial hinteren Endes. Zwischen der Bohrkleinöffnung 114 und
dem axial vorderen Ende 104 des Meißelkörpers 102 befindet
sich ein Bohrkleinbrecher 116. Der Bohrkleinbrecher 116 weist
eine vordere Fläche 117 und
eine Seitenfläche 118 auf.
Der Bohrkleinbrecher 116 erstreckt sich über die
gesamte Breite des gekrümmten Abschnitts 110.
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Der
Deckenbohrmeißel 100 umfaßt ferner ein
hartes Einsatzstück 120,
welches drei Lappen 122 aufweist, die mit einem gleichen
Winkelabstand von 120° angeordnet
sind. Jeder Lappen 122 hat gewöhnlich eine Vorderseite 124,
eine vordere Schneidkante 126 und eine seitliche Schneidkante 128.
Das harte Einsatzstück 120 hat
eine untere Fläche 130,
die einen lappenförmigen
Sockel 132 mit drei radialen Lappen enthält. Durch
das harte Einsatzstück 120 verläuft eine
zentrale Öffnung 134.
Für dieses
harte Einsatzstück 120 ist
klar zu erkennen, daß die
radiale Ausrichtung der vorderen Schneidkanten 126 auch
durch eine vertikale Ebene definiert werden kann, welche durch die
vordere Schneidkante 126 verläuft, und die, bei einer Verlängerung
radial nach innen, durch den Mittelpunkt des harten Einsatzteils
und durch die zentrale Längsachse
des Deckenbohrmeißels
verläuft.
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In
Betrieb rotiert der Deckenbohrmeißel 100 und trifft
auf die Erdschichten, so daß die
vorderen Schneidkanten 126 in die Erdschichten eingreifen und
einschneiden, um ein Bohrloch zu bilden. Die Seitenfreischneidkante 128 schneidet
außerdem
die Seite des Bohrlochs. Beide Schneidvorgänge erzeugen Bohrklein, welches
an jedem Lappen 122 über die
Vorderseite 124 in seinen entsprechenden gekrümmten Abschnitt 110 strömt, wo das
Bohrklein auf die vordere Fläche 117 des
Bohrkleinbrechers 116 trifft. Als Resultat dieses Auftreffens
zerbricht das Bohrklein in kleinere Stücke und wird um die Seitenfläche 118 des
Bohrkleinbrechers 116 geleitet, so daß das Bohrklein einen bogenförmigen Weg
zur Bohrkleinöffnung 114 nimmt.
Insgesamt ist die Wirkung des Bohrkleinbrechers 116, das
Bohrklein in kleinere Stücke
zu brechen, bevor es in die Bohrkleinöffnung 114 eintritt.
Mit kleiner werdender Größe des Bohrkleins,
welches in die Bohrkleinöffnung 114 eintritt,
verringert sich die Möglichkeit,
daß der
Deckenbohrmeißel
verstopft. Der Deckenbohrmeißel 100 bietet
dieselben Leistungsvorteile, zum Beispiel eine höhere Eindringgeschwindigkeit,
wie der Deckenbohrmeißel 20.
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In 9 ist
eine weitere Ausführungsform
eines Deckenbohrmeißels 150 gezeigt,
der einen Bohrmeißelkörper 152 mit
einem axial vorderen Ende 154 und einem axial hinteren
Ende (nicht dargestellt) hat. Der Meißelkörper 152 hat auch
drei gekrümmte
Abschnitte 156 mit einer Bohrkleinöffnung 158 in jedem
gekrümmten
Abschnitt 156. Obwohl es nicht dargestellt ist, enthält das axial
vordere Ende des Bohrmeißelkörpers 152 einen
lappenförmigen Sockel,
der genauso eine Form hat, wie der lappenförmige Sockel 50 des
Deckenbohrmeißels 20.
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Der
Deckenbohrmeißel 150 umfaßt auch
ein hartes Bauteil 160, welches drei Lappen 162 aufweist,
die mit einem gleichen Winkelabstand von 120° angeordnet sind. Obwohl nicht
dargestellt, hat die untere Fläche
des harten Bauteils einen lappenförmigen Vorsprung, der aus dem
harten Bauteil herausragt. Der lappenförmige Vorsprung hat genauso eine
Form wie der lappenförmige
Vorsprung 80 des harten Einsatzstücks 56.
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Wenn
das harte Bauteil 160 am Meißelkörper 152 befestigt
wird (üblicherweise
durch Hartlöten),
weist der lappenförmige
Vorsprung des harten Bauteils eine entsprechende Geometrie auf und
ist folglich im lappenförmigen
Sockel des Bohrmeißelkörpers aufgenommen.
Die geometrische Übereinstimmung
zwischen dem lappenförmigen
Vorsprung des harten Bauteils und dem lappenförmigen Sockel im Meißelkörper stellt
die richtige Positionierung des harten Bauteils im Verhältnis zum
Meißelkörper sicher,
wenn der Vorsprung im Sockel aufgenommen wird. Zwischen der Oberfläche des
Bohrmeißelkörpers an
seinem axial vorderen Ende und der hinteren Fläche des harten Bauteils ist
eine Hartlötverbindung vorhanden,
wobei diese Verbindung sowohl die Oberflächen umfaßt, welche den lappenförmigen Vorsprung
und den lappenförmigen
Sockel definieren als auch den Absatz des harten Bauteils, der den Vorsprung
umgibt und die Oberfläche
des Meißelkörpers, welche
den lappenförmigen
Sockel umgibt.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann der Meißelkörper einen
lappenförmigen
Vorsprung, wie den lappenförmigen
Vorsprung 108 des Bohrmeißelkörpers 102, aufweisen,
und das harte Bauteil kann einen entsprechenden lappenförmigen Sockel, wie
den lappenförmigen
Sockel 132 des harten Einsatzteils 120, haben,
so daß beim
Zusammenbau der Vorsprung des Meißelkörpers im Sockel des harten Bauteils
aufgenommen ist. Entsprechend den obigen Ausführungen stellt die geometrische Übereinstimmung
zwischen dem lappenförmigen
Sockel im harten Bauteil und dem lappenförmigen Vorsprung des Meißelkörpers die
korrekte Positionierung des harten Bauteils auf dem Meißelkörper sicher.
Ebenso ist eine Hartlötverbindung
zwischen der hinteren Fläche (einschließlich des
lappenförmigen
Sockels) des harten Bauteils und der axial vorderen Fläche (einschließlich des
lappenförmigen
Vorsprungs) des Meißelkörpers vorhanden.
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Jeder
Lappen 162 enthält
eine Tasche 164, die eine hintere Fläche 166 und eine untere
Fläche 168 aufweist.
Jede Tasche 164 nimmt ein Schneidelement 172 auf.
Jedes Schneidelement 172 weist eine vordere Fläche 174,
eine obere Fläche 176,
eine Seitenfläche 178 und
eine untere Fläche 180 auf. Das
Schneidelement 172 hat eine vordere Schneidkante 184 an
der Schnittstelle der vorderen Fläche 174 und der oberen
Fläche 176.
Das Schneidelement 172 hat eine seitliche Schneidkante 186 an
der Schnittstelle der vorderen Fläche 174 und der Seitenfläche 178.
Um eine korrekte Positionierung des Schneidelements 172 in
der Tasche 164 bei der Befestigung an dieselbe (üblicherweise
durch Hartlöten) zu
erleichtern, entspricht die Geometrie der unteren Fläche 180 des
Schneidelements 172 der Geometrie der unteren Fläche 168 der
Tasche 164.
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Die
Härte des
Meißelkörpers ist üblicherweise
geringer als die Härte
des harten Bauteils; bei einigen Anwendungen kann es jedoch möglich (oder notwendig)
sein, daß die
Härte des
Meißelkörpers größer (oder
genauso groß)
wie die Härte
des harten Bauteils sein muß.
Die Härte
des Schneidelements ist üblicherweise
größer als
die Härte
des Meißelkörpers und
die Härte
des harten Bauteils; jedoch erwarten die Anmelder, daß das Schneidelement
und das harte Bauteil unter Umständen
die gleiche oder im wesentlichen die gleiche Härte aufweisen können. Beispielsweise
können
die Schneidelemente und das harte Einsatzstück jeweils aus der selben oder
unterschiedlichen Güteklassen
von gesintertem (Kobalt-)Wolframkarbid hergestellt sein.
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In
Betrieb berühren
die vorderen Schneidkanten die Erdschichten, um das Bohrloch zu
schneiden, und die Seitenfreischneidkanten schneiden die Seiten
für das
Bohrloch. Mit der Benutzung des Deckenbohrmeißels nutzen sich die Schneidelemente ab,
so daß es
notwendig wird, sie zu ersetzen. Dasselbe ist auch für das harte
Bauteil der Fall. Das Ersetzen kann durchgeführt werden, indem der abgenutzte
Schneideinsatz oder das harte Bauteil entfernt und entweder durch
ein neues oder ein aufgearbeitetes Ersatzteil ersetzt werden.
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Mit
Bezug auf die 10 bis 15 ist
eine weitere spezielle Ausführungsform
eines Bohrmeißelkörpers gezeigt,
der insgesamt mit 200 bezeichnet ist. Der Bohrmeißelkörper 200 weist
ein axial vorderes Ende 202 und ein axial hinteres Ende 204 auf. Der
Bohrmeißelkörper 200 enthält einen
lappenförmigen
Sockel 206 an seinem axial vorderen Ende 202.
Die Anmelder beabsichtigen, daß der
Bohrmeißelkörper 200 in
Verbindung mit einer harten Komponente eingesetzt wird, die am Bohrmeißelkörper (beispielsweise
durch Hartlöten)
angebracht ist. Beispielsweise kann der lappenförmige Sockel 206 ein hartes
Einsatzstück
wie das harte Einsatzstück 56 nach 1 aufnehmen,
oder der lappenförmige
Sockel 206 kann ein hartes Bauteil 160, wie in 9 dargestellt,
aufnehmen.
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Der
Bohrmeißelkörper 200 enthält ferner
in seiner Außenfläche drei
gekrümmte
Ausschnitte 208, 210 und 212, die in
Umfangsrichtung gleichen Abstand zueinander haben. Obwohl die Zeichnungen drei
gekrümmte
Ausschnitte zeigen, beabsichtigen die Anmelder, daß die Erfindung
drei oder mehr, d.h. wenigstens drei gekrümmte Ausschnitte aufweist.
Jeder gekrümmte
Ausschnitt (208, 210, 212) hat einen axial
vorderen Rand, der sich zusammen mit einem Teil des axial vorderen
Endes 202 des Bohrmeißelkörpers 200 erstreckt.
Jeder gekrümmte
Ausschnitt (208, 210, 212) weist ferner
einen axial hinteren Rand 214, 216 und 218 auf.
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Der
Bohrmeißelkörper 200 enthält jeweils
einen Bohrklein-Ansaugschlitz (oder eine Bohrkleinöffnung) 222, 224, 226 in
jedem der gekrümmten
Ausschnitte 208, 210, 212. Jede der Bohrkleinöffnungen (222, 224, 226)
steht mit der zentralen Bohrung 228 im Bohrmeißelkörper 200 in
Verbindung. Obwohl jede Bohrkleinöffnung (222, 224, 226)
im allgemeinen einen kreisförmigen
Querschnitt und die selbe Größe aufweist,
gehen die Anmelder davon aus, daß die Bohrkleinöffnungen
im Querschnitt auch nicht kreisförmig
und unterschiedlich groß sein
können.
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Jede
der Bohrkleinöffnungen 222, 224, 226 befindet
sich in unterschiedlichem Abstand zum axial vorderen Ende 202 des
Bohrmeißelkörpers 200,
so daß sich
eine gestaffelte Ausrichtung ergibt. In dieser Hinsicht ist die
axial vordere Kante 230 der Bohrkleinöffnung 222 mit einem
Abstand „S" (siehe 15) vom
axial vorderen Ende 202 des Bohrmeißelkörpers 200 angeordnet,
so daß die
Bohrkleinöffnung 222 die axial
vorderste Bohrkleinöffnung
ist. Die axial vordere Kante 234 der Bohrkleinöffnung 226 ist
mit einem Abstand „U" (siehe 13)
vom axial vorderen Ende 202 angeordnet, so daß die Bohrkleinöffnung 226 die axial
hinterste Bohrkleinöffnung
ist. Die axial vordere Kante 232 der Bohrkleinöffnung 224 ist
mit einem Abstand „T" (siehe 14)
vom axial vorderen Ende 202 angeordnet, so daß die Bohrkleinöffnung 224 zwischen
den Bohrkleinöffnungen 222 und 226 liegt.
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In
einer besonderen Ausführungsform,
bei der die axiale Gesamtlänge
des Bohrmeißelkörpers die
Länge „V" und der Durchmesser
jeder Bohrkleinöffnung
0,060 Inches (1,52 mm) ist, beträgt
der Abstand „S" 0,125 Inches (3,55
mm), der Abstand „T" 0,219 Inches (5,56
mm), der Abstand „U" 0,313 Inches (7,95
mm), und die Länge „V" beträgt 2,158
Inches (5,48 cm).
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Ein
Teil des axialen hinteren Randes jedes gekrümmten Ausschnitts (208, 210, 212)
erstreckt sich zusammen mit der axial hinteren Kante seiner entsprechenden
Bohrkleinöffnung 222, 224, 226. Folglich
weist der axial hintere Rand jedes gekrümmten Ausschnitts einen unterschiedlichen
Abstand zum axial vorderen Ende 202 des Bohrmeißelkörpers 200 auf.
Darüber
hinaus sind alle Bohrkleinöffnungen gleich
groß,
so daß der
Mittelpunkt jeder Bohrkleinöffnung
einen unterschiedlichen Abstand zum axial vorderen Ende des Bohrmeißelkörpers 200 aufweist.
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In
Betrieb rotiert der Deckenbohrmeißel in die Richtung, die in 12 durch
den Pfeil „W" angezeigt wird.
Die gestaffelte Ausrichtung der drei Bohrkleinöffnungen (222, 224, 226)
erleichtert das Entfernen des Bohrkleins aus dem Bohrbereich. Weil
das Bohrklein, welches jede Bohrkleinöffnung durchströmt, an unterschiedlichen
Stellen und unterschiedlichen Positionen längs der Achse des Bohrmeißelkörpers in
die mittige Bohrung 228 eintritt, wirken in dieser Hinsicht
die Bohrkleinströme
nicht so aufeinander ein, daß sich
Turbulenzen oder ähnliches
bilden. Im Ergebnis bewegt sich das Bohrklein einfach in und durch
die Bohrkleinöffnungen
(222, 224, 226) und in sowie entlang
der zentralen Bohrung 228 unter dem Einfluß eines
Vakuums.
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Die 16 bis 19 stellen
eine weitere besondere Ausführungsform
eines Bohrmeißelkörpers dar,
der insgesamt mit 240 bezeichnet ist. Der Bohrmeißelkörper 240 weist
ein axial vorderes Ende 242 und axial hinteres Ende 244 auf.
Der Bohrmeißelkörper 240 enthält einen
lappenförmigen
Sockel 246, der genau wie der lappenförmige Sockel 206 des
oben beschriebenen Bohrmeißelkörpers 200 eine
harte Komponente aufnimmt.
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Der
Bohrmeißelkörper 240 enthält in seiner Außenfläche drei
gekrümmte
Ausschnitte (248, 250, 252), die umfangsmäßig mit
gleichem Abstand angeordnet sind. Der Bohrmeißelkörper 240 enthält ferner jeweils
einen Bohrklein-Ansaugschlitz
(oder eine Bohrkleinöffnung)
(256, 258, 260) in jedem der gekrümmten Ausschnitte
(248, 250, 252). Jede der Bohrkleinöffnungen
steht mit einer Bohrung 262 im Bohrmeißelkörper 240 in Verbindung.
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Jede
der Bohrkleinöffnungen
ist in einem unterschiedlichem Abstand zum axial vorderen Ende 242 des
Bohrmeißelkörpers 240 angeordnet,
so daß sich
eine gestaffelte Ausrichtung ergibt. In dieser Hinsicht ist zwischen
der axial vorderen Kante der Bohrkleinöffnung 256 und dem
axial vorderen Ende 242 ein Abstand „Y", zwischen der axial vorderen Kante der
Bohrkleinöffnung 258 und
dem axial vorderen Ende 242 ein Abstand „Z" und zwischen der
axial vorderen Kante der Bohrkleinöffnung 260 und dem
axial vorderen Ende 242 eine Abstand „AA" vorhanden.
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In
der Ausrichtung, die in den 16 bis 19 gezeigt
ist, nimmt der Abstand zwischen der vorderen Kante jeder Bohrkleinöffnung und
dem axial vorderen Ende 242 des Bohrmeißelkörpers 240 in Richtung
der Rotation „BB" zu, bei einer Bewegung von
der Bohrkleinöffnung 260 über die
Bohrkleinöffnung 258 zur
Bohrkleinöffnung 256.
Dies steht im Gegensatz zur Ausrichtung der Bohrkleinöffnungen der
Ausführungsform
nach den 10 bis 15, in welchen
sich der Abstand zwischen der vorderen Kante jeder Bohrkleinöffnung und
dem axial vorderen Ende 202 des Bohrmeißelkörpers 200 in Richtung der
Rotation „W" verringert, bei
einer Bewegung von der Bohrkleinöffnung 226 über die
Bohrkleinöffnung 224 zur
Bohrkleinöffnung 222.
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In
Betrieb rotiert der Deckenbohrmeißel in die Richtung, welche
durch den Pfeil „BB" in 16 angezeigt
wird. Die gestaffelte Ausrichtung der drei Bohrkleinöffnungen
(256, 258, 260) erleichtert das Entfernen
des Bohrkleins aus dem Bohrbereich, indem dem Bohrklein, in derselben
Art und Weise wie beim Bohrmeißelkörper 200,
eine einfache Bewegung in und durch die Bohrkleinöffnungen
und in sowie entlang der mittigen Bohrung 262 unter dem
Einfluß eines
Vakuums ermöglicht
wird.
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Die 21 und 22 stellen eine weitere Ausführungsform
eines Deckelbohrmeißelkörpers dar, der
insgesamt mit 300 bezeichnet ist. Der Deckenbohrmeißelkörper 300 weist
ein axiales vorderes Ende 302, ein axiales hinteres Ende 304 und
eine im allgemeinen zylindrische Umfangsfläche 306 auf. Der Deckenbohrmeißelkörper 300 enthält drei
gekrümmte
Ausschnitte 308, die im allgemeinen bzgl. des Umfangs der
Umfangsfläche 306 den
gleichen Abstand zueinander haben. Jeder gekrümmte Ausschnitt 308 beginnt
angrenzend an das axial vordere Ende 302 und erstreckt
sich nach hinten, um an einer hinteren Kante 310 zu enden.
Der Deckenbohrmeißelkörper 300 enthält ferner
nahe der hinteren Kante 310 jedes gekrümmten Ausschnitts 308 eine
Freifläche 312.
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Der
Deckenbohrmeißelkörper 300 enthält in seinem
axial vorderen Ende 302 einen lappenförmigen Sockel 314.
Die Anmelder beabsichtigen, daß der
Deckenbohrmeißelkörper 300 zusammen
mit einer harten Komponente verwendet wird, die am Deckenbohrmeißelkörper 300 (zum
Beispiel durch Hartlöten)
angebracht wird. Der lappenförmige
Sockel 314 weist eine Geometrie wie der lappenförmige Sockel 206 auf,
so daß er
ein hartes Einsatzstück,
wie das harte Einsatzstück 56 aus 1,
oder ein hartes Bauteil, wie das harte Bauteil 160 aus 9,
aufnehmen kann.
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Die
Hartlötlegierung
kann in Form eines Hartlöt-Füllstücks vorliegen,
welches so geformt ist, daß es
während
des Herstellungsprozesses im lappenförmigen Sockel ruht. In dieser
Hinsicht erlaubt die Verwendung des Hartlöt-Füllstücks eine Vormontage der Komponenten
vor dem Beginn des Hartlötvorgangs.
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Der
Deckenbohrmeißelkörper 300 enthält ferner
in jedem gekrümmten
Ausschnitt 308 eine Fluidöffnung 320. Die Fluidöffnung 320 liegt
nahe des axial vorderen Endes 302 des Bohrmeißelkörpers 300.
Jede Fluidöffnung 320 steht
in Fluidverbindung mit einer zentralen Bohrung 322. Jede
Fluidöffnung 320 ist
so ausgerichtet, daß das
Fluid bei einem Austritt aus der Fluidöffnung in Richtung des axial
vorderen Endes 302 des Bohrmeißelkörpers 300 und der harten
Komponente strömt.
Ein typisches Fluid ist Wasser.
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In
einem Naßbohrvorgang
greift der Deckenbohrmeißelkörper 300,
an dem eine harte Komponente angebracht ist, in die Erdschichten
ein, um ein Bohrloch hineinzubohren. Unter Druck stehendes Wasser
fließt
in die zentrale Bohrung 322 und durch die Fluidöffnungen 320,
um dann weiter in Richtung des axial vorderen Endes 302 des
Körpers 300 und der
harten Komponente zu fließen.
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Im
Lichte der Beschreibung (einschließlich der Zeichnungen) oder
der Umsetzung der hier offenbarten Erfindung sind für den Fachmann
weitere Ausführungsformen
der Erfindung ersichtlich.