EP0669448A1 - Hartmetallplatte und damit bestückter Gesteinsbohrer - Google Patents

Hartmetallplatte und damit bestückter Gesteinsbohrer Download PDF

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EP0669448A1
EP0669448A1 EP95100972A EP95100972A EP0669448A1 EP 0669448 A1 EP0669448 A1 EP 0669448A1 EP 95100972 A EP95100972 A EP 95100972A EP 95100972 A EP95100972 A EP 95100972A EP 0669448 A1 EP0669448 A1 EP 0669448A1
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EP
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hard metal
section
cross
head
foot part
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EP95100972A
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Inventor
Rudolf Jenny
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Plica Werkzeugfabrik AG
Original Assignee
Plica Werkzeugfabrik AG
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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
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/36—Percussion drill bits
    • E21B10/40—Percussion drill bits with leading portion
    • 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

Definitions

  • the invention relates to hard metal plates and rock drills equipped with them.
  • rock drills as are known, for example, from DE-OS 34 26 977 or DE-OS 30 25 890, hard metal plates with a head part carrying at least one cutting edge and with a foot part adapted to the geometry of a receiving groove in the drilling tool are in one or several cut or milled grooves of a drill head or a drill bit are inserted and fastened therein by soldering.
  • the grooves have generally been designed as ordinary rectangular grooves of constant cross-section.
  • DE-OS 34 26 977 proposes to make the recess groove deeper than the axial soldering depth of the hard metal plate. In this way, the foot of the hard metal plate does not sit on the groove base; rather, a cavity remains between the underside of the foot part of the hard metal plate and the groove base after the hard metal plate is soldered, into which excess solder can flow if necessary.
  • the invention has for its object to provide a hard metal plate and a rock drill equipped with it, which are designed so that there is a much more stable and durable connection between the hard metal plate and the receiving groove in the drilling tool, which can be easily soldered and even with crack formation within the Solder layer reliably prevents the hard metal plate from falling out of the receiving groove.
  • the rock drill according to the invention with a shank, a drill head and at least one hard metal cutting plate, which is inserted into at least one receiving groove of the drilling head and fastened therein, preferably by soldering, is characterized in that the receiving groove is undercut and that the drilling head with at least one hard metal cutting plate according to the invention is equipped, the part inserted into the receiving groove has a cross section which is adapted to the geometry of the undercut receiving groove, preferably as precisely as possible.
  • undercut of the receiving groove and the cross-section of the hard metal plate used which is adapted to the geometry of the undercut and which, depending on the selected type of undercut, is either continuous, e.g. can be conical, expanded or discontinuous, e.g. Step-like or sawtooth-like, form-fitting connections are created that can withstand far greater mechanical forces undamaged and last much longer than was the case with conventionally designed carbide inserts and rock drills.
  • the thickness of the solder layer can be reduced to an ideal minimum, which counteracts crack formation during soldering and cooling due to the different coefficients of thermal expansion.
  • the cross section of the base part of the cutting inserts can be widened in whole or in part conically, in the shape of a dovetail or in part of a circle, and all conceivable combinations of these geometries are also possible.
  • the cross-section of the foot part seen from the head part in the direction of the foot part, can initially be flared and then run out in a part-circle or, after the flared part, run out at an acute angle, an obtuse angle or at right angles.
  • a section of constant cross section can be present between the head part and the foot part of the hard metal plate.
  • the rock drill equipped with the hard metal plates according to the invention can be an ordinary drill head with only one cutting plate or but have a drill bit with two, three or more carbide cutting plates, which are either arranged in a star shape or intersecting.
  • the drill can have a hard metal cutting plate designed as a centering tip, which is also fastened in an undercut receiving groove, preferably by soldering.
  • the hard metal inserts can be additionally secured by caulking.
  • the head part 3 of the hard metal plate 1 has a cutting edge 2.
  • the head part viewed in the direction of the foot part 4, is followed by a section 8 of constant cross section.
  • the foot part 4 is partially flared and then runs out at an acute angle.
  • the foot part 4 adjoins the head part 3 of the hard metal plate 1 without a section of constant cross section being inserted between these two parts.
  • the cross section of the foot part 4 is continuously tapered from top to bottom.
  • a section 8 of constant cross section is followed by a dovetail-shaped foot part 4.
  • the section 8 of constant cross-section is followed by a foot part 4 with an arrow-shaped cross-section, which ends at an acute angle after a discontinuous expansion.
  • the continuously conically widened cross section is followed by an area in the foot part 4 that tapers out in the form of a circle.
  • the continuously expanded foot part 4 ends with a parabolic curve.
  • a section 8 of constant cross-section is followed by a base part 4 with a part-circular (three-quarter circle) cross-section.
  • the end faces of this hard metal plate are preferably chamfered in the area of the head and foot parts 3, 4 (FIG. 1 h).
  • the rock drill according to the invention (FIGS. 2, 3) carries on its shaft 10 a drill bit 11 with three hard metal cutting plates 1 arranged in a star shape, each with a cutting edge 2 and with a hard metal cutting plate 5 in the form of a centering tip, which likewise has three cutting edges 5 '.
  • three receiving grooves 6 are milled in the cross-section, which are partially circular in cross section, each of which extends up to the lateral surface of the core bit 11.
  • three carbide inserts of the embodiment shown in FIG. 1g and a centering tip 5 corresponding cross-section are inserted and fixed by caulking 7 to facilitate assembly or soldering in the area of the opening of the groove 6 to the lateral surface of the drill bit 11.
  • the caulking 7 also serves to additionally secure the hard metal plates 1 against radial falling out in the event that the soldered connection should be defective, tear or break.
  • the procedure is such that the undercut grooves 6 are first milled out, then the carbide cutting plates corresponding to the geometry of the undercut are selected and laterally, with the lateral surface pushed into the grooves, slightly caulked to the lateral surface and finally be soldered.
  • each cutting insert Due to the special geometries of the hard metal plate and the receiving groove, the solder connection to the centering tip can be improved in particular, and the centering tip can be fastened more precisely and with greater mechanical strength than previously in the drill head, which improves the overall centering during drilling. Due to the thin solder joint between cutting insert and receiving groove, which is uniformly formed on all sides, each cutting insert is arranged in a quasi "floating" manner, which has a favorable effect on uniform force distribution during drilling. As a result of their positive connection to the drill head, the cutting plates cannot be torn out or thrown out during drilling even if the solder connection should break. The resulting longer service life of the rock drill according to the invention is of very considerable economic importance.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hartmetallplatte für Bohrwerkzeuge, insbesondere für Gesteinsbohrer, mit einem mindestens eine Schneidkante tragenden Kopfteil und einem der Geometrie einer Aufnahmenut im Bohrwerkzeug angepaßten Fußteil, wobei das Fußteil einen Querschnitt aufweist, der gegenüber dem Maximalquerschnitt des Kopfteils mindestens teilweise erweitert ist. Der erfindungsgemäße Gesteinsbohrer besitzt in seinem Bohrkopf mindestens eine hinterschnittene Aufnahmenut, die mit den vorgenannten Hartmetallschneidplatten bestückt ist, welche vorzugsweise durch Verlöten in der Aufnahmenut befestigt sind und deren in die Aufnahmenut eingesetzter Teil einen der Geometrie der hinterschnittenen Nut angepaßten Querschnitt aufweist. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft Hartmetallplatten und damit bestückte Gesteinsbohrer.
  • Bei den bisher bekannten Gesteinsbohrern, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 34 26 977 oder der DE-OS 30 25 890 bekannt sind, sind Hartmetallplatten mit einem mindestens eine Schneidkante tragenden Kopfteil und mit einem der Geometrie einer Aufnahmenut im Bohrwerkzeug angepaßten Fußteil in eine oder mehrere ausgeschnittene bzw. ausgefräste Nuten eines Bohrerkopfs oder einer Bohrkrone eingesetzt und darin durch Verlöten befestigt. Die Aufnahmenuten wurden generell als gewöhnliche Rechtecknuten konstanten Querschnitts ausgeführt.
  • Seit je her war es jedoch schwierig, eine spannungsfreie, feste, den mechanischen Beanspruchungen einer Gesteinsbohrerspitze möglichst lange standhaltende Lötverbindung zwischen Hartmetallplatte und Aufnahmenut im Bohrwerkzeug zu erhalten. Wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Hartmetall und Stahl lassen sich beim Löten Spannungen, insbesondere im unteren Bereich der Einstichnut, nicht vermeiden, Spannungen, die bei mechanischer Beanspruchung des Gesteinsbohrers im normalen Bohrbetrieb leicht zur Bildung von Rissen und schließlich zum Ausbrechen der Hartmetallplatte führen können.
  • Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, schlägt die DE-OS 34 26 977 vor, die Einstichnut tiefer auszuführen, als der axialen Einlöttiefe der Hartmetallplatte entspricht. Auf diese Weise sitzt der Fuß der Hartmetallplatte nicht auf dem Nutgrund auf; vielmehr bleibt zwischen der Unterseite des Fußteils der Hartmetallplatte und dem Nutgrund nach dem Einlöten der Hartmetallplatte ein Hohlraum frei, in den allenfalls überschüssiges Lot fließen kann.
  • Es hat sich jedoch gezeigt, daß der so geschaffene Hohlraum zu einer mechanischen Schwächung des Bohrerkopfes bzw. einer Bohrkrone führt und daß ein ungewolltes Lösen bzw. Abfallen der Hartmetallplatte nicht sicher genug vermieden werden können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hartmetallplatte und einen damit bestückten Gesteinsbohrer zu schaffen, die so beschaffen sind, daß sich zwischen Hartmetallplatte und Aufnahmenut im Bohrwerkzeug eine wesentlich stabilere und dauerhaftere Verbindung ergibt, die leicht verlötet werden kann und die selbst bei Rißbildung innerhalb der Lotschicht ein unbeabsichtigtes Herausfallen der Hartmetallplatte aus der Aufnahmenut sicher verhindert.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hartmetallplatte der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß das Fußteil einen Querschnitt aufweist, der gegenüber dem Maximalquerschnitt des Kopfteils mindestens teilweise erweitert ist, und zwar entweder stetig oder unstetig erweitert ist.
  • Der erfindungsgemäße Gesteinsbohrer mit einem Schaft, einem Bohrkopf und mindestens einer Hartmetallschneidplatte, die in mindestens eine Aufnahmenut des Bohrkopfs eingesetzt und darin, vorzugsweise durch Verlöten, befestigt ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmenut hinterschnitten ist und daß der Bohrkopf mit mindestens einer erfindungsgemäßen Hartmetallschneidplatte bestückt ist, deren in die Aufnahmenut eingesetzter Teil einen der Geometrie der hinterschnittenen Aufnahmenut angepaßten, vorzugsweise möglichst exakt angepaßten, Querschnitt aufweist.
  • Durch die Hinterschneidung der Aufnahmenut und den an die Geometrie der Hinterschneidung angepaßten Querschnitt der eingesetzten Hartmetallplatte, der, je nach der gewählten Art der Hinterschneidung, entweder stetig, z.B. konisch, erweitert sein kann oder aber unstetig, z.B. stufenförmig oder sägezahnartig, werden formschlüssige Verbindungen geschaffen, die weit größeren mechanischen Kräften unbeschadet und wesentlich länger andauernd widerstehen können, als dies bei den herkömmlich gestalteten Hartmetallschneidplatten und Gesteinsbohrern der Fall war.
  • Bei optimaler, exakter Anpassung des Querschnitts des in die Aufnahmenut einzusetzenden Teils der Schneidplatte an die Geometrie der Hinterschneidung der Aufnahmenut läßt sich die Dicke der Lotschicht auf ein ideales Mindestmaß reduzieren, was der Rißbildung beim Löten und Abkühlen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten entgegenwirkt. Vor allem aber wird erreicht, daß die Frage der Rißbildung innerhalb der Lotschicht ihre bisherige dramatische Bedeutung verloren hat, weil ein unbeabsichtigtes Lösen oder Herausfallen der Schneidplatten aufgrund des Formschlusses zwischen Aufnahmenut und Fußteil der Platten selbst dann nicht mehr möglich ist, wenn die Lötverbindung reißen sollte.
  • Der Querschnitt des Fußteils der Schneidplatten kann erfindungsgemäß ganz oder teilweise konisch, schwalbenschwanzförmig oder teilkreisförmig erweitert sein, wobei auch alle denkbaren Kombinationen dieser Geometrien möglich sind. So kann beispielsweise der Querschnitt des Fußteils, vom Kopfteil in Richtung des Fußteils gesehen, zunächst konisch erweitert sein und dann teilkreisförmig auslaufen oder nach der konischen Erweiterung spitzwinklig, stumpfwinklig oder rechtwinklig auslaufen. Ferner kann zwischen dem Kopfteil und dem Fußteil der Hartmetallplatte ein Abschnitt konstanten Querschnitts vorhanden sein.
  • Der mit den erfindungsgemäßen Hartmetallplatten bestückte Gesteinsbohrer kann einen gewöhnlichen Bohrerkopf mit nur einer Schneidplatte oder aber eine Bohrkrone mit zwei, drei oder mehr Hartmetallschneidplatten besitzen, die entweder sternförmig oder sich kreuzend angeordnet sind. Außerdem kann der Bohrer eine als Zentrierspitze ausgebildete Hartmetallschneidplatte aufweisen, die ebenfalls in einer hinterschnittenen Aufnahmenut vorzugsweise durch Verlöten befestigt ist. Die Hartmetallschneidplatten können durch eine Verstemmung zusätzlich gesichert sein.
  • Die Erfindung wird anhand der Zeichnung weiter erläutert:
    • Fig. 1 bis Fig. 1 g zeigt in Stirnansicht verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hartmetallplatte;
    • Fig. 1 h ist eine Seitenansicht der Hartmetallplatte gemäß Fig. 1 g;
    • Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Oberteils einer Bohrkrone einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gesteinsbohrers, der mit drei Hartmetallschneidplatten gemäß den Fig. 1 g, 1 und mit einer Zentrierspitze bestückt ist;
    • Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den Gesteinsbohrer gemäß Fig. 2.
  • Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hartmetallplatte gemäß Fig. 1 trägt das Kopfteil 3 der Hartmetallplatte 1 eine Schneidkante 2. An das Kopfteil schließt sich, in Richtung des Fußteils 4 gesehen, ein Abschnitt 8 konstanten Querschnitts an. Das Fußteil 4 ist teilweise konisch erweitert und läuft dann spitzwinklig aus.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 b schließt sich das Fußteil 4 unmittelbar an das Kopfteil 3 der Hartmetallplatte 1 an, ohne daß ein Abschnitt konstanten Querschnitts zwischen diese beiden Teile eingeschoben wäre. Der Querschnitt des Fußteils 4 ist von oben bis unten stetig konisch erweitert.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1c folgt nach einem Abschnitt 8 konstanten Querschnitts ein schwalbenschwanzförmig erweitertes Fußteil 4.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1d folgt dem Abschnitt 8 konstanten Querschnitts ein Fußteil 4 mit pfeilförmigem Querschnitt, der nach einer unstetigen Erweiterung spitzwinklig ausläuft.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1e folgt dem stetig konisch erweiterten Querschnitt ein teilkreisförmig auslaufender Bereich im Fußteil 4.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1f läuft das unstetig erweiterte Fußteil 4 parabolisch gekrümmt aus.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1g folgt einem Abschnitt 8 konstanten Querschnitts ein Fußteil 4 mit teilkreisförmigem (Dreiviertelkreis) Querschnitt. Die Stirnflächen dieser Hartmetallplatte sind im Bereich des Kopf- und Fußteils 3, 4 vorzugsweise abgefast (Fig. 1 h).
  • Der erfindungsgemäße Gesteinsbohrer (Fig. 2, 3) trägt auf seinem Schaft 10 eine Bohrkrone 11 mit drei sternförmig angeordneten Hartmetallschneidplatten 1 mit je einer Schneidkante 2 sowie mit einer Hartmetallschneidplatte 5 in Form einer Zentrierspitze, die ebenfalls drei Schneidkanten 5' besitzt.
  • In die Bohrkrone 11 sind drei im Querschnitt teilkreisförmig hinterschnittene Aufnahmenuten 6 eingefräst, welche jeweils bis zur Mantelfläche der Bohrkrone 11 verlaufen. In die hinterschnittenen Aufnahmenuten 6 sind drei Hartmetallschneidplatten der Ausführungsform gemäß Fig. 1g sowie eine Zentrierspitze 5 entsprechenden Querschnitts eingesetzt und zur Erleichterung bei der Montage bzw. beim Verlöten im Bereich der Öffnung der Aufnahmenut 6 zur Mantelfläche der Bohrkrone 11 durch eine Verstemmung 7 fixiert. Die Verstemmung 7 dient auch der zusätzlichen Sicherung der Hartmetallplatten 1 gegen radiales Herausfallen für den Fall, daß die Lötverbindung defekt sein sollte, reißen oder brechen sollte.
  • Bei der Herstellung des Gesteinsbohrers gemäß Fig. 2 und 3 wird so verfahren, daß zunächst die hinterschnittenen Nuten 6 ausgefräst werden, dann die der Geometrie der Hinterschneidung entsprechenden Hartmetallschneidplatten ausgewählt und seitlich, von der Mantelfläche her in die Nuten eingeschoben, mit der Mantelfläche leicht verstemmt und schließlich verlötet werden.
  • Aufgrund der besonderen Geometrien von Hartmetallplatte und Aufnahmenut läßt sich insbesondere auch die Lötverbindung zur Zentrierspitze verbessern, und die Zentrierspitze läßt sich präziser und mit größerer mechanischer Festigkeit als bisher im Bohrkopf befestigen, wodurch die Zentrierung beim Bohren insgesamt verbessert wird. Durch die allseitig gleichmäßig ausgebildete, dünne Lotfuge zwischen Schneidplatte und Aufnahmenut, ist jede Schneidplatte quasi "schwimmend" angeordnet, was sich auf eine gleichmäßige Kräfteverteilung beim Bohren günstig auswirkt. Infolge ihrer formschlüssigen Verbindung mit dem Bohrkopf können die Schneidplatten auch dann nicht beim Bohren herausgerissen oder herausgeschleudert werden, wenn die Lotverbindung reißen sollte. Die dadurch bedingte längere Lebensdauer der erfindungsgemäßen Gesteinsbohrer ist von ganz erheblicher volkswirtschaftlicher Bedeutung.

Claims (13)

1. Hartmetallplatte (1) für Bohrwerkzeuge, insbesondere Gesteinsbohrer, mit einem mindestens eine Schneidkante (2; 5') tragenden Kopfteil (3) und mit einem der Geometrie einer Aufnahmenut (6) im Bohrwerkzeug angepaßten Fußteil (4), dadurch gekennzeichnet, daß das Fußteil (4) einen Querschnitt aufweist, der gegenüber dem Maximalquerschnitt des Kopfteils (3) mindestens teilweise erweitert ist.
2. Hartmetallplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Fußteils (4) mindestens teilweise konisch erweitert ist.
3. Hartmetallplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Fußteils (4) schwalbenschwanzförmig erweitert ist.
4. Hartmetallplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Fußteils (4) teilkreisförmig erweitert ist.
5. Hartmetallplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Fußteils (4), vom Kopf- (3) in Richtung des Fußteils (4) gesehen, zunächst konisch erweitert ist und dann teilkreisförmig ausläuft.
6. Hartmetallplatte nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Fußteils (4), vom Kopf- (3) in Richtung des Fußteils (4) gesehen, zunächst konisch erweitert ist und dann spitz-, stumpf- oder rechtwinklig ausläuft.
7. Hartmetallplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwischen ihrem Kopfteil (3) und ihrem Fußteil (4) einen Abschnitt (8) konstanten Querschnitts aufweist.
8. Gesteinsbohrer mit einem Schaft (10), einem Bohrkopf (11) und mindestens einer Hartmetallschneidplatte (1; 5), die in mindestens eine Aufnahmenut (6) des Bohrkopfs (11) eingesetzt und darin, vorzugsweise durch Verlöten, befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmenut (6) hinterschnitten ist und daß der Bohrkopf (11) mit mindestens einer Hartmetallschneidplatte (1; 5) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 bestückt ist, deren in die Aufnahmenut (6) eingesetzter Teil einen der Geometrie der hinterschnittenen Aufnahmenut (6) angepaßten Querschnitt aufweist.
9. Gesteinsbohrer nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Bohrkrone (11) mit mindestens drei Hartmetallschneidplatten (1; 5).
10. Gesteinsbohrer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallschneidplatten (1; 5) sternförmig angeordnet sind.
11. Gesteinsbohrer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallschneidplatten (1; 5) sich kreuzend angeordnet sind.
12. Gesteinsbohrer nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Hartmetallschneidplatte (5) in Form einer Zentrierspitze aufweist.
13. Gesteinsbohrer nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallschneidplatten (1) im Bereich der Öffnungen der sie aufnehmenden Nuten (6) zur Mantelfläche des Bohrkopfs oder der Bohrkrone (11) durch eine Verstemmung (7) zusätzlich gesichert sind.
EP95100972A 1994-02-28 1995-01-25 Hartmetallplatte und damit bestückter Gesteinsbohrer Withdrawn EP0669448A1 (de)

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