EP0363734A2 - Bohrwerkzeug mit Förderwendel - Google Patents

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EP0363734A2
EP0363734A2 EP89117878A EP89117878A EP0363734A2 EP 0363734 A2 EP0363734 A2 EP 0363734A2 EP 89117878 A EP89117878 A EP 89117878A EP 89117878 A EP89117878 A EP 89117878A EP 0363734 A2 EP0363734 A2 EP 0363734A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drilling
pitch
angle
drilling tool
helix
Prior art date
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EP89117878A
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English (en)
French (fr)
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EP0363734A3 (de
EP0363734B1 (de
Inventor
Bernhard Moser
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Hawera Probst Hartmetall Werk Zeugfabrik Ravensburgh KG
Robert Bosch Power Tools GmbH
Original Assignee
Hawera Probst Hartmetall Werk Zeugfabrik Ravensburgh KG
Hawera Probst GmbH
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Publication date
Application filed by Hawera Probst Hartmetall Werk Zeugfabrik Ravensburgh KG, Hawera Probst GmbH filed Critical Hawera Probst Hartmetall Werk Zeugfabrik Ravensburgh KG
Publication of EP0363734A2 publication Critical patent/EP0363734A2/de
Publication of EP0363734A3 publication Critical patent/EP0363734A3/de
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/22—Rods or pipes with helical structure
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/44—Bits with helical conveying portion, e.g. screw type bits; Augers with leading portion or with detachable parts
    • E21B10/445—Bits with helical conveying portion, e.g. screw type bits; Augers with leading portion or with detachable parts percussion type, e.g. for masonry
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/46—Drill bits characterised by wear resisting parts, e.g. diamond inserts
    • E21B10/58—Chisel-type inserts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T408/00—Cutting by use of rotating axially moving tool
    • Y10T408/89—Tool or Tool with support
    • Y10T408/909—Having peripherally spaced cutting edges
    • Y10T408/9095—Having peripherally spaced cutting edges with axially extending relief channel
    • Y10T408/9097—Spiral channel

Definitions

  • the invention relates to a drilling tool according to the preamble of claim 1.
  • a drilling tool of the generic type has become known from EP-B1 0 126 409.
  • the drilling dust groove does not run with a constant slope over its entire length. Rather, it has its smallest slope in the area of the drill head, while it preferably has a continuously increasing slope in the remaining area. This avoids the constant spacing of the cross-sectional jumps that are present in drilling tools with a constant pitch, which result when the drilling dust groove transitions to the helix bars.
  • cross-sectional jumps that are constant in their spacing cause disadvantages with regard to vibration superposition, resonance phenomena and sound emission.
  • the known device proposes therefore a constantly changing slope of the conveyor helix.
  • partial areas with constant incline are also provided, which, however, extend over a different number of pitch heights.
  • the core of the known device is to obtain a conveyor helix with a small pitch and thus a large lateral support surface as the drill guide surface in the area of the drill head.
  • this slope should increase continuously or continuously in the direction of the drill chuck.
  • columns 5 to 7 also describe that the drilling dust grooves in the range of small pitch angles, i.e. H. in particular in the drill head area, have an almost rectangular cross section, the respective back surface or outer lateral surface of the grooved web forming almost a right-angled flank angle to the drilling dust support surface.
  • the drilling dust grooves in the range of small pitch angles i.e. H. in particular in the drill head area
  • have an almost rectangular cross section the respective back surface or outer lateral surface of the grooved web forming almost a right-angled flank angle to the drilling dust support surface.
  • the helical area with a small slope relatively wide drilling dust support surfaces for the resulting drilling dust and thus reliable removal grooves for the drilling dust are formed.
  • the known publication also states that the rectangular cross-sectional shape of the drilling dust grooves is not required in the region of a large groove pitch. With increasing helix in the direction of the drill clamping end, the drilling dust bearing surface adjoining the lateral back surface of the groove webs becomes ever narrower, the initially rectangular flank angle increasing more and more, and finally forms only a curved connection to the respective back surface. Due to the increasing cross-section of the grooving groove, a sufficient feed and transport of drilling dust is guaranteed.
  • This known publication therefore shows drilling dust grooves with a changing gradient, the bearing surface of the drilling dust groove being formed in areas with a low gradient as a wide bearing surface which is almost perpendicular to the lateral back surface of the groove webs, while this with increasing gradient as a narrowing bearing surface with a gradually curved transition to the lateral one Back surface of the grooved runs.
  • the surface normal, i.e. H. the vertical force vector on this drilling dust bearing surface therefore changes its direction as the incline changes.
  • drilling dust grooves are shown in DE-PS 1 291 707, 19 27 754.
  • the drilling dust bearing surfaces are shown as undercut, bulbous or pocket-shaped curves, the radially outer transition surface of which to the lateral surface of the drill or back surface includes an acute flank angle, which is also approximately 90 °, preferably 75 ° to 80 ° (see PS 19 27 754, column 4, Line 37 ff.). If this specified flank angle ß ⁇ 90 °, the undercut drilling groove is designated with a "positive" flank angle. If the transition from the wing to the side forms an angle ⁇ > 90 °, this is referred to as a "negative" flank angle.
  • the invention is based on the object of developing a drilling tool of the type described at the outset, the advantages of the subject matter of EP 0 126 409 being retained, but the drilling dust extraction and thus the drilling performance being to be further improved.
  • flank angle of the drilling dust support surface changes with the subject matter of EP 0 126 409 with the changing pitch of the conveying helix, the wide drilling dust supporting surface adjoining the axially parallel back surface of the grooved web gradually increasing with increasing helix of the conveying helix gradually becoming an arc curved narrow wing for the drilling dust.
  • the initially rectangular flank angle to the back surface parallel to the axis becomes an obtuse angle> 90 °. This angle corresponds to the angle ß in PS 19 27 754.
  • flank angle ⁇ is also larger, so that the surface normal or the vertical force vector on the drilling dust support surface is directed ever more obliquely outwards and an outwardly directed, increasing radial force component is established.
  • drilling dust extraction with an outward radial force component behaves differently than that with a radially inward force component (positive flank angle), especially with regard to increased wall friction between drilling dust and drill hole and the associated supporting effect between the drill hole and the drilling tool.
  • the present invention provides, in particular, that a change between a positive and negative flank angle ⁇ and thus a reversal of the direction of the radial force component initially directed inwards and then directed outwards occurs per pitch height "h" of the conveying helix pitch.
  • the drilling dust in the drilling dust groove ie on the drilling dust support surface
  • a changing radial, tangential and axial force action ie the radial, tangential and axial force vectors on the Drill dust particles change their size and the radial force vector also changes its direction within a pitch.
  • the changing flank angle ⁇ is achieved particularly expediently and simply by changing the groove pitch within a pitch "h". Compared to EP 0 126 409, however, it is not a steadily increasing incline that is chosen, but rather an incline that changes within a pitch or pitch "h", with a small pitch initially changing into a larger pitch and this in turn becoming a small pitch Slope runs out. This changes the initially positive flank angle (ß ⁇ 90 °) to a negative flank angle (ß> 90 °) in order to then become positive again.
  • the change of the flank angle can, however, in principle also be produced with a constant slope, namely through a special tool configuration.
  • the drilling dust support surface according to the invention e.g. B. over 90 or 180 ° angular rotation in the flank angle or in the slope have constant or constantly changing wing sections, which, however, always begin at the drill head with a positive flank angle (ß ⁇ 90 °), which changes into a negative flank angle (ß> 90 °) and finally leads to a positive flank angle within a slope.
  • the gradient ratio between the large gradient height for a negative flank angle (ß> 90 °) and the low gradient height for a positive flank angle (ß ⁇ 90 °) is advantageously h2: h1 ⁇ 1.2 to 2.5 and is in particular at a value of h2: h1 ⁇ 1.6 ( ⁇ 2: ⁇ 1 ⁇ 1.2 - 2.5, especially ⁇ 1.6).
  • the drilling tool 1 shown in FIG. 1 consists of a drilling head 2 with hard metal cutting elements 3 and a drilling dust conveying helix 4 adjoining the drilling head and an adjoining drill shaft 5.
  • the conveying helix is designed as a two-start conveying helix, i. H.
  • the conveyor spiral 4 is formed by two conveyor grooves 6, 7 arranged offset by 180 °.
  • the conveying grooves 6, 7 are delimited by the conveying spiral webs 8 with their outer, axially parallel back surfaces 9. A widening of the cross-section of the drilling tool accordingly occurs in this area.
  • a groove area with a low or low pitch angle is designated with ⁇ 1 and a groove area with a large pitch angle with ⁇ 2 in FIG.
  • ⁇ 1 a groove area with a low or low pitch angle
  • ⁇ 2 a groove area with a large pitch angle with ⁇ 2 in FIG.
  • the drilling dust carrying surfaces 10 of the drilling dust grooves 6, 7 are in their Shown in more detail.
  • the conveyor helix 4 has the small pitch angle ⁇ 1
  • the associated flank angle ß1 between the axially parallel back surface 9 of the conveyor helix webs 8 is less than 90 ° (ß1 ⁇ 90 °), so that one speaks of a positive flank angle.
  • the drilling dust support surface 10 ' is formed with an undercut, as is also shown in DE-PS 19 27 754. According to the sectional view II, this state is shown in radial section in FIG. 3.
  • the surface normal 11, i. H. the force vector 11 standing vertically on the drilling dust supporting surface 10 is inclined inward in the direction of the drill axis 15, which leads to a radially inward force component or force vector 12 and a tangential force vector 13 as a resultant of the force vector 11.
  • the area tangent to the drilling dust support surface is designated by reference numeral 14.
  • flank angle ß2 between drilling dust support surface 10 and the lateral, axial back surface 9 is greater than 90 ° (ß2> 90 °) (support surface 10 ⁇ ) (support surface 10 ⁇ )
  • This state is defined as a negative flank angle.
  • it is Surface normal 11 ', ie the force vector 11' perpendicular to the drilling dust bearing surface 10 'or surface tangent 14' is directed outwards, ie away from the drill symmetry plane 16, which leads to a radially outward force vector 12 'and a tangential force vector 13'.
  • the radially outward force vector 12 ' causes the drilling dust particles to be accelerated outwards.
  • the friction between the borehole and the drilling tool increases.
  • the surface tangent of the drilling dust support surface 10, 10 ', 10 ⁇ is denoted by reference numerals 14 and 14'. This surface tilts back and forth like a rocker, as shown in FIG. 2.
  • the force vectors 11, 12, 13 and 11 ', 12', 13 'entered in Fig. 3 and 4 occur analogously by the axial impact stress of the tool in Fig. 2 as axially, tangentially and radially acting force vectors.
  • these force vectors, each associated with the different drilling dust grooves 10 ', 10 ⁇ , are also designated in FIG. 2 with the reference numerals according to FIGS. 3 and 4, although the magnitude of these force vectors differs from FIGS. 3 and 4.
  • Fig. 5 the change within a pitch "h” is shown schematically in its development.
  • the first Bohrmehlnut 6 this begins at the drill head 2 with the flat pitch angle ⁇ 1 (Bohrmehlnut 6 ') and goes after a rotation angle of the drilling tool of ⁇ 1 ⁇ 90 ° into the steeper pitch angle ⁇ 2.
  • This area is identified in FIG. 1 by reference number 6.
  • This area is marked in Fig. 1 with 6 ⁇ . Accordingly, the pitch angle changes from ⁇ 1 to ⁇ 2 within a pitch, with a total change in pitch heights after each angular rotation of 180 °.
  • the support areas 6 ', 6, 6 ⁇ , d. H. the angular ranges ⁇ 1, ⁇ 2 formed as slope sections with a constant slope.
  • the gradient course can also be gradual, i.e. H. with a continuously changing slope.
  • Reference number 18 shows a conventional gradient with a constant gradient over a pitch.
  • the drill head 2 has a V-shaped or triangular cross-section, as is shown schematically in FIGS. 6 and 7.
  • the two side flanks 19, 20 of the drill head 2 are flat or concave in order to form the transition to the drill dust grooves 6, 7.
  • the one-piece main cutting plate 21 forms the bisector to the two side flanks 19, 20, wherein an additional secondary cutting plate 22 can preferably be arranged at an acute angle ⁇ to the main cutting plate 21.
  • the secondary cutting plate 22 can also be roof-shaped like the main cutting plate 21.
  • the angle ⁇ is approximately 40 to 70 °.
  • the invention is not restricted to the exemplary embodiment shown and described. Rather, it also encompasses all professional training courses without their own inventive content.

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Abstract

Es wird ein Bohrwerkzeug, insbesondere zum Einsatz in axial schlagenden Antriebsmaschinen zum Bohren in Gestein, Beton o. dgl., vorgeschlagen, welches sowohl schwingungstechnisch durch Variation der Querschnittssprünge als auch bohrtechnisch durch Optimierung des Bohrmehltransports ausgelegt ist. Um schwingungstechnisch die durch die Nutenstege (8) hervorgerufenen Querschnittssprünge in asymmetrisch angeordnete axiale Lagen anzuordnen, wechselt die Fördernutensteigung (d1, d2) ständig ihre Größe innerhalb einer Ganghöhe (h). Weiterhin wechselt der radiale, tangentiale und axiale Kraftvektor, der auf das Bohrmehl einwirkt, ständig seine Größe, wobei der radiale Kraftvektor auch seine Richtung ändert. Hierdurch ist das Bohrmehl einer ständigen wechselnden Beschleunigung unterworfen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bohrwerkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein Bohrwerkzeug der gattungsgemäßen Art ist aus der EP-B1 0 126 409 bekannt geworden. Bei diesem bekannten Bohrwerkzeug verläuft die Bohrmehlnut nicht mit konstanter Steigung über ihre ganze Länge. Sie hat vielmehr im Bereich des Bohrkopfes ihre geringste Steigung, während sie im übrigen Bereich vorzugsweise eine stetig ansteigende Steigung aufweist. Hierdurch werden die bei Bohrwerkzeugen mit gleichbleibender Steigung vorhandenen gleichbleibende Abstände der Querschnittssprünge vermieden, die sich beim Übergang der Bohrmehlnut zu den Wendelstegen ergeben. In ihrem Abstand gleichbleibende Querschnittssprünge bewirken nach Erkenntnis dieser Vorveröffentlichung Nachteile hinsichtlich der Schwingungsüberlagerung, Resonanzerscheinungen und Schallemission. Um die Schlagenergie des Schlagimpulses und damit eine höhere Zerspanenergie optimal umzusetzen, sowie um eine Abnahme der Schallemission zu erhalten, schlägt die bekannte Einrichtung deshalb eine sich stetig verändernde Steigung der Förderwendel vor. In besonderen Ausführungsbeispielen sind auch Teilbereiche mit gleichbleibender Steigung vorgesehen, die sich jedoch über eine unterschiedliche Anzahl von Ganghöhen erstrecken. Kern der bekannten Einrichtung ist es jedoch, im Bereich des Bohrkopfes eine Förderwendel mit kleiner Steigung und damit eine große seitliche Abstützfläche als Bohrerführungsfläche zu erhalten. Diese Steigung soll jedoch in Richtung Bohrereinspannschaft sich stetig oder kontinuierlich vergrößern.
  • In der bekannten Druckschrift ist in Spalte 5 bis 7 weiterhin beschrieben, daß die Bohrmehlnuten im Bereich kleiner Steigungswinkel, d. h. insbesondere im Bohrer-­Kopfbereich, einen nahezu rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei die jeweilige Rückenfläche bzw. äußere Mantelfläche des Nutenstegs nahezu einen rechtwinkligen Flankenwinkel zur Bohrmehltragfläche bildet. Im Förderwendelbereich mit kleiner Steigung werden demnach verhältnismäßig breite Bohrmehltragflächen für das anfallende Bohrmehl und damit zuverlässige Abfuhrnuten für das Bohrmehl gebildet.
  • Die bekannte Druckschrift führt weiterhin aus, daß im Bereich großer Nutensteigung die rechteckige Querschnittsform der Bohrmehlnuten nicht erforderlich sei. Mit zunehmender Förderwendelsteigung in Richtung Bohrereinspannende wird die an die seitliche Rückenfläche der Nutenstege sich anschließende Bohrmehltragfläche immer schmäler, wobei sich der zunächst rechtwinklige Flankenwinkel immer mehr vergrößert, und bildet zum Schluß lediglich einen gekrümmten Anschluß an die jeweilige Rückenfläche. Durch den mit zunehmender Steigung großen Nutenquerschnitt der Bohrmehlnut sei ein ausreichender Bohrmehlvorschub und -transport gewährleistet.
  • In der bekannten Druckschrift ist hierzu weiterhin ausgeführt, daß selbstverständlich auch bei Förderwendelbereiche mit großer Steigung die annähernd rechteckige Querschnittsform der Abfuhrnuten beibehalten werden könnte, d. h. ein rechteckiger Querschnitt über die ganze Länge der Bohrmehlnut.
  • Diese bekannte Druckschrift zeigt deshalb Bohrmehlnuten mit sich verändernder Steigung, wobei die Tragfläche der Bohrmehlnut in Bereichen niedriger Steigung als breite, zur seitlichen Rückenfläche der Nutenstege nahezu rechtwinklige Tragfläche ausgebildet ist, während diese mit größer werdender Steigung als schmäler werdende Tragfläche mit allmählich bogenförmigem Übergang zur seitlichen Rückenfläche der Nutenstege verläuft. Die Flächennormale, d. h. der senkrechte Kraftvektor auf diese Bohrmehltragfläche ändert demnach bei sich ändernder Steigung auch in seiner Richtung.
  • Eine Darstellung derartiger Bohrmehlnuten ist in den DE-PS'en 1 291 707, 19 27 754 dargestellt. Hier sind die Bohrmehltragflächen als hinterschnittene, bauchförmige oder taschenförmige Rundungen dargestellt, deren radial äußere Übergangsfläche zur seitlichen Bohrermantelfläche oder Rückenfläche einen spitzen Flankenwinkel einschließt, der ebenfalls annähernd 90°, vorzugsweise 75° bis 80° beträgt (siehe PS 19 27 754, Spalte 4, Zeile 37 ff.). Ist dieser angegebene Flankenwinkel ß < 90°, so bezeichnet man die hinterschnittene Bohrmehlnut mit einem "positiven" Flankenwinkel. Bildet der Übergang der Tragfläche zur Seitenfläche einen Winkel ß > 90°, so wird dies mit einem "negativen" Flankenwinkel bezeichnet.
  • Die sich in der eingangs genannten EP 0 126 409 infolge der Steigungsänderungen ergebende Bohrmehltragflächenänderung entspricht demnach einem allmählichen Übergang des neutralen Flankenwinkels (ß ∼ 90°) zu einem negativen Flankenwinkel (ß > 90°).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrwerkzeug der eingangs bezeichnenden Art weiterzubilden, wobei die Vorteile des Gegenstandes der EP 0 126 409 beibehalten, jedoch die Bohrmehlförderung und damit die Bohrleistung weiter verbessert werden soll.
  • Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Bohrwerkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes angegeben.
  • Wie zuvor angegeben, ändert sich beim Gegenstand der EP 0 126 409 der Flankenwinkel der Bohrmehltragfläche mit der sich ändernden Steigung der Förderwendel, wobei die bei geringer Förderwendelsteigung sich rechtwinklig an die achsparallele Rückenfläche des Nutenstegs anschließende breite Bohrmehltragfläche mit größer werdender Förderwendelsteigung allmählich übergeht in eine bogenförmig gekrümmte schmälere Tragfläche für das Bohrmehl. Dabei wird der zunächst rechtwinklige Flankenwinkel zur achsparallelen Rückenfläche zu einem stumpfen Winkel > 90°. Dieser Winkel entspricht dem Winkel ß in der Druckschrift PS 19 27 754.
  • Bei einem positiven Flankenwinkel (ß < 90°) ist die Flächennormale bzw. der Kraftvektor auf die Bohrmehltragfläche nach innen, d. h. zur Bohrerachse hin gerichtet, wodurch sich auf das Bohrmehl eine resultierende radiale Kraftkomponente einstellt, die zur Bohrerachse hin gerichtet ist; umgekehrt ist bei einem negativen Flankenwinkel diese radiale Kraftkomponente nach außen gerichtet. Im Falle der Druckschrift EP 0 126 409 wirkt demnach bei einer zunächst rechtwinklig angeordneten Bohrmehltragfläche (ß = 90°) keine radiale Kraftkomponente, sondern lediglich der als Flächennormale ausgerichtete Kraftvektor auf die Bohrmehlteilchen. Durch die größer werdende Nutensteigung wird der Flankenwinkel ß ebenfalls größer, so daß die Flächennormale bzw. der senkrechte Kraftvektor auf die Bohrmehltragfläche immer schräger nach außen gerichtet ist und sich eine nach außen gerichtete, größer werdende radiale Kraftkomponente einstellt. Die Bohrmehlförderung mit nach außen gerichteter radialer Kraftkomponente (negativer Flankenwinkel) verhält sich jedoch anders wie diejenige mit radial nach innen gerichteter Kraftkomponente (positiver Flankenwinkel), insbesondere im Hinblick auf eine verstärkte Wandreibung zwischen Bohrmehl und Bohrloch und der damit verbundenen Abstützwirkung zwischen Bohrloch und Bohrwerkzeug.
  • Gegenüber der EP 0 126 409 sieht die vorliegende Erfindung insbesondere vor, daß pro Steigungshöhe "h" der Förderwendelsteigung ein Wechsel zwischen einem positiven und negativen Flankenwinkel ß und damit eine Richtungsumkehr der zunächst nach innen gerichteten und dann nach außen gerichteten radialen Kraftkomponente eintritt. Durch diese Maßnahme wird das Bohrmehl in der Bohrmehlnut, d. h. auf der Bohrmehltragfläche ständig einer sich ändernden radialen, tangentialen und axialen Krafteinwirkung unterzogen, d. h. die radialen, tangentialen und axialen Kraftvektoren auf die Bohrmehlteilchen ändern ihre Größe und der radiale Kraftvektor auch seine Richtung innerhalb einer Steigungshöhe. Erfindungsgemäß ist demnach vorgesehen, daß sich innerhalb einer Ganghöhe ein Förderwendelbereich mit positivem Flankenwinkel (ß < 90°) befindet, der über eine rechtwinklige Anordnung (ß = 90°) der Bohrmehltragfläche übergeht in einen negativen Flankenwinkel (ß > 90°), um danach wieder zum Ausgangspunkt (ß < 90°) zurückzukehren. Hierdurch wechselt insbesondere die zunächst radial nach innen gerichtete Kraftkomponente zu einer radial nach außen gerichteten Kraftkomponente und kehrt in die Ausgangslage zurück. Gleichzeitig ändert sich auch die axiale und tangentiale Kraftkomponente auf die Bohrmehlteilchen, so daß eine sich ständig ändernde Beschleunigung auf die Bohrmehlteilchen innerhalb einer Ganghöhe einwirkt, was insgesamt zu einem positiven Bohrmehltransport und zu einer erheblichen Leistungssteigerung führt.
  • Besonders zweckmäßig und einfach wird der sich ändernde Flankenwinkel ß durch Veränderung der Nutensteigung innerhalb einer Ganghöhe "h" erzielt. Gegenüber der EP 0 126 409 wird jedoch nicht eine sich stetig vergrößernde Steigung, sondern eine, innerhalb einer Ganghöhe oder Steigungshöhe "h" sich ändernde Steigung gewählt, wobei innerhalb einer Ganghöhe zunächst eine kleine Steigung in eine größere Steigung übergeht und diese wiederum zu einer kleinen Steigung ausläuft. Hierdurch wechselt der zunächst positive Flankenwinkel (ß < 90°) in einen negativen Flankenwinkel (ß > 90°), um danach wieder positiv zu werden. Die Änderung des Flankenwinkels ist jedoch grundsätzlich auch bei einer gleichbleibenden Steigung herstellbar und zwar durch besondere Werkzeugkonfiguration.
  • Alternativ kann die Bohrmehltragfläche gemäß der Erfindung z. B. über 90 oder 180° Winkeldrehung im Flankenwinkel bzw. in der Steigung gleichbleibende oder sich stetig ändernde Tragflächenabschnitte aufweisen, die jedoch grundsätzlich am Bohrkopf mit einem positiven Flankenwinkel (ß < 90°) beginnen, der übergeht in einen negativen Flankenwinkel (ß > 90°) und schließlich wieder zu einem positiven Flankenwinkel führt und zwar innerhalb einer Steigungshöhe.
  • Das Steigungsverhältnis zwischen großer Steigungshöhe für einen negativen Flankenwinkel (ß > 90°) und geringer Steigungshöhe für einen positiven Flankenwinkel (ß < 90°) beträgt vorteilhafterweise h₂ : h₁ ∼ 1,2 bis 2,5 und liegt insbesondere bei einem Wert von h₂ : h₁ ∼ 1,6 (α₂ : α₁ ∼ 1,2 - 2,5, insbesondere∼1,6).
  • Besonders vorteilhaft ist auch die Ausbildung des Bohrkopfes mit einem dreieckförmigen Querschnitt zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit.
  • Weitere Einzelheiten und nähere Erläuterungen ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Es zeigen
    • Fig. 1 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Bohrwerkzeugs,
    • Fig. 2 einen Axialschnitt durch die Förderwendel,
    • Fig. 3 einen Radialschnitt entlang der Schnittlinie I-I in Fig. 1 und 2,
    • Fig. 4 einen Radialschnitt entlang der Schnittlinie II-­II in Fig. 1 und 2,
    • Fig. 5 eine Darstellung des Nutensteigungsverlaufes innerhalb einer Ganghöhe,
    • Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel für den Bohrkopf und
    • Fig. 7 eine Stirnansicht von Fig. 6.
  • Das in Fig. 1 dargestellte Bohrwerkzeug 1 besteht aus einem Bohrkopf 2 mit Hartmetall-Schneidelementen 3 und einer sich am Bohrkopf anschließenden Bohrmehl-Förderwendel 4 und sich daran anschließendem Bohrerschaft 5. Beim Ausführungsbeispiel ist die Förderwendel als zweigängige Förderwendel ausgebildet, d. h. die Förderwendel 4 wird durch zwei, um 180° versetzt angeordnete Fördernuten 6, 7 gebildet. Die Fördernuten 6, 7 werden durch die Förderwendelstege 8 mit ihren äußeren, achsparallelen Rückenflächen 9 begrenzt. In diesem Bereich tritt demnach eine Querschnittsverbreiterung des Bohrwerkzeugs ein.
  • Zur Erzeugung von Bohrmehltragflächen mit unterschiedlichem Flankenwinkel, ist in Fig. 1 ein Nutenbereich mit niedrigem oder geringem Steigungswinkel mit α₁ und ein Nutenbereich mit großem Steigungswinkel mit α₂ bezeichnet. Schon aus Fig. 1 ist klar ersichtlich, daß - vom Bohrkopf 2 beginnend - die zunächst kleine Nutensteigung α₁ allmählich ansteigt bis zum Maximalwert α₂ und dann wieder zurückgeht auf die Nutensteigung α₁. Dies geschieht innerhalb einer Ganghöhe "h" (360° Drehung), d. h. die am Bohrkopf 2 schmale Fördernut 6′ benötigt eine Ganghöhe "h", um wieder zu dem schmalen Fördernutenbereich 6˝ zu gelangen.
  • In der Schnittdarstellung der Wendel nach Fig. 2 sind die Bohrmehltragflächen 10 der Bohrmehlnuten 6, 7 in ihrer Formgebung näher dargestellt. Weist die Förderwendel 4 den kleinen Steigungswinkel α₁ auf, so ist der zugehörige Flankenwinkel ß₁ zwischen achsparalleler Rückenfläche 9 der Förderwendelstege 8 kleiner als 90° (ß₁ < 90°), so daß man von einem positiven Flankenwinkel spricht. Hierdurch ist die Bohrmehltragfläche 10′ mit einer Hinterschneidung ausgebildet, wie dies auch in der DE-PS 19 27 754 dargestellt ist. Entsprechend der Schnittdarstellung I-I ist dieser Zustand im Radialschnitt in Fig. 3 dargestellt.
  • Durch die Hinterschneidung mit sogenanntem positiven Flankenwinkel ist die Flächennormale 11, d. h. der auf der Bohrmehltragfläche 10 senkrecht stehende Kraftvektor 11 nach innen in Richtung Bohrerachse 15 geneigt, was zu einer radial nach innen gerichteten Kraftkomponente bzw. Kraftvektor 12 und einem tangentialen Kraftvektor 13 als Resultierende des Kraftvektors 11 führt. Die Flächentangente an die Bohrmehltragfläche ist mit Bezugszeichen 14 bezeichnet. Bei dieser Anordnung werden die Bohrmehlteilchen in die Bohrmehlnut hinein und nicht radial nach außen gedrückt.
  • Ist die Bohrmehltragfläche 10 rechtwinklig (neutraler Flankenwinkel) zur seitlichen Rückenfläche 9 angeordnet, d. h. ß = 90°, so steht die Flächennormale bzw. der Kraftvektor 11 parallel zur Bohrersymmetrieebene 16, d. h. es sind keine nach innen oder außen gerichteten radialen Kräfte vorhanden.
  • Wird der Flankenwinkel ß₂ zwischen Bohrmehltragfläche 10 und seitlicher, axialer Rückenfläche 9 größer als 90° (ß₂ > 90°) (Tragfläche 10˝), so entspricht dies der Schnittdarstellung in Fig. 4. Dieser Zustand wird als negativer Flankenwinkel definiert. In diesem Fall ist die Flächennormale 11′, d. h. der auf die Bohrmehltragfläche 10˝ bzw. Flächentangente 14′ senkrecht stehende Kraftvektor 11′ nach außen, d. h. weg von der Bohrersymmetrieebene 16 gerichtet, was zu einem radial nach außen gerichteten Kraftvektor 12′ und einem tangentialen Kraftvektor 13′ führt. Der radial nach außen gerichtete Kraftvektor 12′ bewirkt, daß die Bohrmehlteilchen nach außen beschleunigt werden. Außerdem erhöht sich die Reibung zwischen Bohrloch und Bohrwerkzeug.
  • Durch den ständigen Wechsel des radial nach innen gerichteten Kraftvektors 12 zu einem radial nach außen gerichteten Kraftvektor 12′ ist eine sich ständig ändernde radiale Krafteinwirkung auf die Bohrmehlteilchen gegeben, was zu einer starken Auflockerung führt. Mit der Änderung der radialen Kraftvektoren 12, 12′ ändert sich auch der tangentiale Kraftvektor 13, 13′ in seiner Größe, so daß es auch hier zu einer wechselnden tangentialen Beschleunigung der Bohrmehlteilchen kommt.
  • In Fig. 3 und 4 ist die Flächentangente der Bohrmehltragfläche 10, 10′, 10˝ mit Bezugszeichen 14 bzw. 14′ bezeichnet. Diese Fläche kippt entsprechend der Darstellung in Fig. 2 ständig wippenartig hin und her.
  • Die in Fig. 3 und 4 eingetragenen Kraftvektoren 11, 12, 13 bzw. 11′, 12′, 13′ treten sinngemäß durch die axiale Schlagbeanspruchung des Werkzeugs in Fig. 2 als axial, tangential und radial wirkende Kraftvektoren auf. Der Einfachheit halber sind diese, jeweils zu den unterschiedlichen Bohrmehlnuten 10′, 10˝ zugehörigen Kraftvektoren ebenfalls in Fig. 2 mit den Bezugszeichen nach Fig. 3 und 4 bezeichnet, obwohl diese Kraftvektoren in ihrem Betrag unterschiedlich zu Fig. 3 und 4 sind.
  • In Fig. 5 ist die innerhalb einer Ganghöhe "h" wechselnde Steigung in ihrer Abwicklung schematisch dargestellt. Betrachtet man z. B. die erste Bohrmehlnut 6, so beginnt diese am Bohrerkopf 2 mit dem flachen Steigungswinkel α₁ (Bohrmehlnut 6′) und geht nach einem Drehwinkel des Bohrwerkzeugs von γ ₁∼90° in den steileren Steigungswinkel α₂ über. Dieser Bereich ist in Fig. 1 mit Bezugszeichen 6 gekennzeichnet. Der steilere Steigungswinkel α₂ geht nach einem Drehwinkel von γ ₂∼180° wieder in den flacheren Steigungswinkel α₁ über, wobei dieser in der Darstellung nach Fig. 5 einen Drehwinkel von γ₁ = 90° umfaßt. Dieser Bereich ist in Fig. 1 mit 6˝ gekennzeichnet. Innerhalb einer Ganghöhe wechselt demnach der Steigungswinkel von α₁ nach α₂, wobei insgesamt ein Wechsel der Steigungshöhen nach jeweils einer Winkeldrehung von 180° erfolgt.
  • In Fig. 5 sind die Abstützbereiche 6′, 6, 6˝, d. h. die Winkelbereiche γ ₁, γ ₂ als Steigungsabschnitte mit jeweils gleichbleibender Steigung ausgebildet. Entsprechend der zusätzlich gestrichelt eingezeichneten Steigungslinie 17 kann der Steigungsverlauf jedoch auch allmählich, d. h. mit sich stetig ändernder Steigung erfolgen. Mit Bezugszeichen 18 ist ein herkömmlicher Steigungsverlauf mit gleichbleibender Steigung über eine Ganghöhe eingezeichnet.
  • Die Änderung des Flankenwinkels ß wird demnach zweckmäßigerweise über eine Änderung der Steigung α der Fördernuten 6, 7 bewirkt. Mit entsprechenden Werkzeugen kann jedoch auch eine derartige Änderung des Winkels ß und damit der gewünschten Kraftvektoren 11, 12, 13 auch bei gleichbleibender Nutensteigung erzielt werden.
  • Eine weitere Leistungssteigerung des Werkzeugs ist dadurch möglich, daß man die erfindungsgemäße Nutenausbildung mit einem speziellen Bohrerkopf, wie in Fig. 6 und 7 dargestellt, kombiniert. Hierfür ist der Bohrerkopf 2 im Querschnitt V-förmig oder dreieckförmig ausgebildet, wie dies in den Fig. 6 und 7 schematisch dargestellt ist. Die beiden Seitenflanken 19, 20 des Bohrerkopfes 2 sind eben oder konkav gewölbt ausgebildet, um den Übergang zu den Bohrmehlnuten 6, 7 zu bilden. Die einstückige Hauptschneidplatte 21 bildet die Winkelhalbierende zu den beiden Seitenflanken 19, 20, wobei vorzugsweise eine zusätzliche Nebenschneidplatte 22 im spitzen Winkel δ zur Hauptschneidplatte 21 angeordnet sein kann. Die Nebenschneidplatte 22 kann ebenfalls dachförmig wie die Hauptschneidplatte 21 ausgebildet sein. Der Winkel δ beträgt ungefähr 40 bis 70°.
  • Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfaßt auch vielmehr alle fachmännischen Weiterbildungen ohne eigenen erfinderischen Gehalt.

Claims (8)

1. Bohrwerkzeug zum Einsatz in axial schlagenden Antriebsmaschinen zum Bohren in Gestein, Beton o. dgl., mit einem Bohrkopf, einer sich hieran anschließenden ein- oder zweigängigen spiralförmigen Förderwendel und einem sich hieran anschließenden Einspannschaft, wobei die Bohrmehlnut der Förderwendel über ihre Länge unterschiedliche Steigungswinkel und/oder die Bohrmehltragfläche einen sich verändernden Flankenwinkel ß zur achsparallelen Rückenfläche der Nutenstege aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrmehltragfläche (10, 10′, 10˝) der Förderwendel (4, 6, 7) über eine Steigungshöhe "h" einen sich kontinuierlich oder intermittierend verändernden Flankenwinkel ß aufweist, wobei der Flankenwinkel von einem Wert ß < 90° zu einem Wert ß > 90° und danach zu dem Ausgangswert wechselt.
2. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Flankenwinkels ß durch eine Änderung der Förderwendelsteigung α eintritt, wobei ein positiver Flankenwinkel (ß₁ < 90°) einem kleinen Steigungswinkel α₁ und ein negativer Flankenwinkel (ß₂ > 90°) einer größeren Steigung α₂ der Förderwendel zugeordnet ist.
3. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderwendelsteigung α jeder Bohrmehlnut (6, 7) innerhalb einer Steigungshöhe "h" zwischen einem Minimalwert α₁ zu einem Maximalwert α₂ und danach wieder zu dem Minimalwert α₁ wechselt.
4. Bohrwerkzeug nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Steigungen α₂, α₁ das 1,2 bis 2,5fache, insbesondere das 1,6fache beträgt (α₂ = 1,2 - 2,5·α₁).
5. Bohrwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Steigungshöhe "h" sich der kleinere Steigungswinkel α₁ über einen Umfangswinkel von 2 x γ₁ ∼ 90°, und der dazwischen liegende größere Steigungswinkel α₂ über einen Umfangswinkel von γ₂ ∼ 180° erstreckt.
6. Bohrwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Umfangsabschnitte γ₁, γ₂ die Förderwendelsteigung α₁, α₂ konstant ist.
7. Bohrwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Umfangsabschnitte γ ₁, γ₂ die Förderwendelsteigung α₁, α₂ sich stetig ändert.
8. Bohrwerkzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrerkopf im Querschnitt V-förmig oder dreieckförmig ausgebildet ist, mit zwei ebenen oder konkav gewölbten Seitenflanken 19, 20 als Übergang zu den Bohrmehlnuten 6, 7, wobei die einstückige Hauptschneidplatte 21 die Winkelhalbierende zu den beiden Seitenflanken bildet und wobei vorzugsweise wenigstens eine zusätzliche Nebenschneidplatte 22 im spitzen Winkel zur Hauptschneidplatte 21 vorgesehen ist.
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