KR100197185B1 - 냉간 압조된 중심 진공 드릴 비트 - Google Patents

냉간 압조된 중심 진공 드릴 비트 Download PDF

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KR100197185B1
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주니어 로버트 에이치 몽고메리
다니엘 씨. 쉬러
제임스 이. 에람
폴 이. 어윙
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디. 티. 코퍼
케나메탈 아이엔씨.
폴 이. 어윙
엔에스에스 인더스트리즈
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Abstract

본 발명은 작업 표면에 구멍을 뚫기위한 트릴 비트(10)에 관한 것으로서, 그 드릴 비트(10)는 경질의 내마모성 인서트(12) 및 상기 경질의 내마모성 인서트를 보지하기 위한 슬롯(36)을 지니는 불규칙한 표면 구성의 선단 작업 표면(16)을 포함하는 드릴 비트 본체(14)를 포함한다. 상기 본체(14)는, 그 본체의 외형에 실제로 평행한 금속 입자 구조를 지닌다. 바람직한 실시예에 있어서, 본체(14)는 냉간 압조(cold-heading)에 의해 형성된다.

Description

[발명의 명칭]
냉간 압조된 중심 진공 드릴 비트
[발명의 상세한 설명]
[발명의 분야]
본 발명은 드릴 비트에 관한 것이다. 더 구체적으로는 본 발명은 냉간 압조된 중심 진공 드릴 비트에 관한 것이다.
[관련기술의 설명]
드릴 비트는, 전형적으로 회전력 공급원에 연결되기에 적합한 길다란 중공 드릴 로드의 작업단부상에 장착된다. 그후, 드릴 비트 및 드릴 로드는, 루프(roof)볼트를 설치하거나 폭약 장전물을 수용하기 위한 광산입구(mine entry)의 루프내의 바위층과 같은 피삭면(work surface)에 구멍을 뚫는데 사용될 수 있다.
드릴 로드의 작업단부에 체결되는 드릴 비트는, 초경합금 또는 그 등가물과같은 경질의 내마모성 재료로 만들어진 인서트가 설치되는 선단 작업 표면을 지니는 원통형 본체를 포함한다. 한쌍의 먼지 수집 개구부가, 드릴 비트의 기단부를 통해 연장하는 축방향 보어와 연통하여 인서트 하부에 배치된다.
바위에 구멍을 뚫을 때는 대량의 드릴 절삭물 및 먼지가 발생하므로, 이들 절삭된 재료를 드릴 비트 본체내의 먼지 수집 개구부를 통하고, 중공형 드릴 로드를 통하여 제거하는 것이 실제로 행해져 왔다. 절삭된 재료는 드릴 비트 본체내로 흡입되어 적절한 진공 펌프를 사용하는 중공형 드릴 로드를 통해 흡입되거나, 또는 선택적으로 냉각액을 드릴 로드를 통해 밀어올려, 개구부를 통해 밖으로 밀어냄으로써 절삭된 재료 및 먼지를 닦아낸다.
제한된 크기의 원통형 강철 블랭크에 일련의 복잡한 기계가공을 실행함으로써, 광산 통로의 루프(roof)에 구멍을 뚫기 위한 드릴 비트 본체를 제작하는 것이 공지되어 있다. 더 상세하게 말하면, 처음에 원통형 강철 블랭크를 제공한 후 블랭크의 중심에 축방향으로 구멍을 뚫고, 그 구멍을 접시형 구멍으로 함으로써, 드릴 비트 본체를 제작하는 것이 행해져 왔다. 하나 또는 2개의 브로우치 릴리프링(broach relief ring)이, 내경 보어의 육각형 브로우치(hex broach)가 후속되는 내측 축방향 보어로부터 깍아내어지며, 그후에 블랭크의 2개의 측면은 2개의 평탄한 측표면을 형성하도록 연마된다. 그후, 블랭크의 선단 작업 표면은, 드릴 비트가 바위층으로 침입할 때 먼지 등이 드릴 비트 본체의 주위로 유동할 수 있도록 경사진 힐(heel) 형상 표면과 압축 표면을 교대로 갖는 원추형으로 기계가공된다. 그후, 전술된 바와같은 먼지를 수집하는 개구부가 측표면을 통해 뚫려진다. 그후, 구멍이 개구부의 하부에 뚫려, 비트를 드릴 강철상에 보지하기 위하여 케나메탈 아이엔씨로부터 입수가능한 5522척(chuck) 및 9240 클립(clip) 과 같은 고정 수단을 제공한다. 최종적으로, 횡방향의 슬롯(slot)이 경사진 힐형상 표면과 압축표면 사이의 선단 작업 표면내에 대각선으로 가공되어, 초경합금 인서트를 드릴 비트 본체에 보지하는 수단을 제공한다.
드릴 비트 본체를 제작하는데 필요한 기계가공의 작업은 복잡하며, 제작되는 드릴 비트의 크기, 형식 및 성능 특성을 제한하는 것이 발견되었다. 예컨대, 드릴 본체의 평탄한 측면의 가공중에 형성되는 말단은 일반적으로 날카롭게 되어 공기의 유동과 드릴 먼지의 제거를 방해한다. 더욱이, 기계가공에 의한 드릴 비트 본체의 형성은, 부분적으로 냉간 압조에 의해 형성된 드릴 비트 본체보다도 더 많은 입자 구조를 제거한다. 기계가공에 의해 드릴 비트 본체로부터 금속 입자 구조의 제거가 증가하면, 드릴 비트의 구조적 일체성을 약하게 함으로써, 드릴 비트의 성능에 악영향을 미친다. 드릴 비트 본체의 제작에 필요한 다양한 기계가공 공정이, 완성된 제품의 전체 비용의 대부분을 차지한다. 따라서, 종래기술의 문제점을 극복하는 드릴 비트 본체의 신규한 제작방법이 발견된다면, 유리할 것이다.
새로운 형태의 드릴 비트 본체를 제작하는 한가지 시도는 주조(casting)에 의한 것이다. 드릴 비트 본체의 주조는, 드릴 비트의 제작에 필요한 약간의 기계가공 공정을 줄이는 것으로 발견되었다. 그러나, 이러한 주조된 중심 진공 비트는, 주물의 일체성과 강도가 부족하여, 드릴 비트의 조기 파손을 초래한다. 더욱이, 이같이 주조된 중심 진공 비트는 주조 공정의 투자에 따라 비용이 고가로되는 단점이 있다.
그 결과, 어떠한 소기의 기계적 특성을 희생시키지 않고, 드릴 비트 본체의 생산에 있어서 가능한한 많은 기계가공의 공정을 배제하도록 개선된 공정과 설계에 대한 필요성이 존재한다.
전술된 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명자들은 드릴 비트 본체를 제작하기 위한 신규한 드릴 비트 본체의 설계와 신규한 공정을 발견했다. 본 발명에 따르면, 평탄한 측면을 형성하기 위한 드릴 비트 본체의 측면의 기계가공, 선단 작업 표면의 기계가공 및 드릴 비트 본체의 중심보어의 내측 육각형의 브로우칭(broaching)에 대한 필요성을 없앤다. 본 발명은 또한 내측 축방향 보어를 뚫어 접시형구멍으로 하는 공정과, 1개 또는 2개의 브로우치 릴리프 링을 가공하는 공정을 생략시킬 수 있다. 브로우치 릴리프 링을 생략하는 것은 드릴 비트 본체의 강도를 증가시키는 잇점이 있다. 본 발명의 또 다른 장점은 드릴 비트 본체가 보다 신속하고 보다 경제적으로 마무리되어, 드릴 비트 본체의 외형에 따른 단조의 유동 라인(입자 구조) 때문에 강철의 드릴 비트 본체가 보다 강하게 되는 결과를 가져온다는 것이다. 본 발명에 따른 드릴 비트 본체는 기계가공된 비트 본체에 비하여 우수한 인성(toughness)을 나타내며, 육각의 내용물을 브로우칭하는 때에 기계가공된 예리한 코너를 배제함으로써, 드릴 비트 본체에 부가된 강도를 제공하는 일정한 드릴 비트 본체 두께를 제공한다. 드릴 비트 본체는 실질적으로 균일한 직경으로 될 수 있으며, 또는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 드릴 비트 본체의 외측표면은, 선단의 작업 표면으로부터 드릴 비트 본체의 반대측 단부를 향해 경사질 수 있다. 경사의 각도는 원하는대로 변할 수 있다.
본원에 사용된 용어 경사(taper)는 드릴 비트 본체의 길이를 따라 직선적 또는 곡선적인 폭방향의 치수의 감소를 의미한다.
본 발명으로 인하여, 비트 본체에 가해진 증가된 강도 때문에 저합금의 강철(lower alloyed steel)이 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 저합금 금속을 사용하므로써 비트 본체의 기계가공이 보다 용이해진다. 예컨대, 다양한 크기, 위치 및 수의 복잡하고 간단한 인서트 슬롯의 설계가, 드릴 비트 본체의 선단에 용이하게 형성된다.
본 발명의 또 다른 장점은, 개선된 배출을 초래하는 결과로 되는 비트 본체의 선단 작업 표면 주위의 공기의 유동을 개선하는 복잡한 외측 본체의 구성이 가능하며, 드릴 비트 본체를 드릴 로드에 고정하기 위한 다양한 소켓의 구성이 용이하고 또한 경제적으로 제작될 수 있다는 것이다. 예컨대, 본 발명의 한가지 실시예에 따라, 경사진 드릴 비트 본체는 선단 작업 표면에 부가의 강도를 제공하며 또한 드릴링중 개선된 공기와 재료의 유동을 제공한다.
[발명의 개요]
간단히 말하면, 본 발명에 따라, 선단 작업 표면을 포함하는 본체를 지니는 중심 진공 드릴 비트와 드릴 비트를 제작하는 방법이 제공된다.
본 발명에 따라 생산된 드릴 비트는, 불규칙한 표면 구성의 선단 작업 표면과 경질 내마모성 인서트를 보지하기 위한 슬롯을 지니는 금속 본체와 경질의 내마모성 인서트를 포함한다. 드릴 비트의 본체는 바람직하게는 냉간 압조에 의해 형성되어, 실질적으로 본체의 윤곽과 평행한 금속 입자 구조를 제공한다. 드릴 비트 본체는 실제로 균일한 직경을 지니든지 또는 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 드릴 비트 본체는 선단 작업 표면으로부터 드릴 비트 본체의 반대측 단부를 향해 경사질 수 있다. 경사의 정도는 원하는대로 변화될수 있다.
드릴 비트 본체는, 본체의 단부를 통해 상방으로 연장하는 내부의 축방향 보어, 상기 본체의 중심축에 평행하게 연장하거나 또는 드릴 비트 본체의 선단 작업 표면으로부터 드릴 비트 본체의 반대측 단부를 향해 경사지는 본체의 외측의 적어도 2개의 대향하는 오목부를 지닌 역 c자형의 평탄한 측면 및 적어도 2개의 대향하는 먼지 수집 개구부를 포함한다. 각각의 개구부는 대응하는 평탄한 측면을 통해 연장하여, 축방향 보어와 연통한다. 드릴 비트 개구부는 일반적으로 타원형이며, 중심축에 대해 약 45。의 각도로 배치되어 있거나 또는 드릴 비트 개구부는 원형으로 되어도 무방하다. 한쌍의 대향으로 위치한 아치형 단면의 직립 부재가 상기 개구부 사이에 연장한다.
이러한 개구부는 한쌍의 대향 배치된 횡방향으로 굽은 쇼율더(shoulder)부분을 하부의 그 말단에 형성한다.
드릴 비트 본체의 선단 작업 표면은 대향 배치된 경사진 힐형상 표면의 제1의 쌍과 대향 배치된 경사진 압축표면의 제2의 쌍을 교대로 포함한다. 인서트를 수용하도록 교대로 경사진 힐형상 표면과 압축 표면의 쌍의 사이를 횡방향으로 슬롯이 연장한다.
각각의 경사진 힐형상 표면은 중심축으로부터 이격되는 방향으로 하방으로 향하여 외측으로 연장하는 약간 볼록한 원추형으로 된다. 각각의 경사진 압축표면은, 평탄한 측면에 인접하며, 중심축에 대해 20。이상의 경사각으로 경사진 관련된 개구부를 향해 하방으로 향하여 외측으로 연장하는 오목한 요부 파이(pie)형으로 된다.
본 발명의 한가지 실시예에 있어서, 경사진 압축 표면은, 축방향의 보어를 통하여 먼지와 파편을 배출하고 제거하기 위한 공기의 유동을 개선하는 것을 촉진하기 위해 개구부로 종결되는 굽은 말단으로 향하여 하향 외측으로 연장한다.
전방 단부와 후방 단부를 갖는 블랭크로부터 선단 작업 표면을 포함하는 본체를 지니는 드릴 비트를 제작하는 방법은, 크게, 블랭크를 냉간 압조하여 드릴 비트 본체를 형성하는 단계, 그후 선단 작업 표면에 슬롯을 형성하여 본체내에 먼지 수집 개구부를 형성하는 단계를 포함한다.
보다 상세히 말하면, 냉간 압조 공정은, 블랭크를 균일한 원통형 크기로 형상화시키는 단계, 블랭크의 전방 단부를 절두 원추형으로 성형하는 단계, 블랭크의 후방 단부와 전방 단부에 센터링(centering)수단을 천공하는 단계, 블랭크의 측면내에 경사진 꽃잎형(scallop)의 응력을 해제하는 표면을 지니는 적어도 2개의 대향 측면을 형성하는 단계, 경사진 원추형 힐형상 표면과 경사진 원추형 압축 표면을 교대로 형성하도록 선단 작업 표면을 형성하는 단계 및 센터링 수단과 동심의 축방향 보어를 형성하는 단계를 포함한다.
천공 단계는, 블랭크의 후방 단부에 제1의 환형흠을 천공하는 단계, 상기 블랭크의 상기 후방 단부에 상기 제1의 환형흠보다 큰 직경의 제2의 환형흠을 천공하는 단계 및 상기 절두 원추형의 전방 단부에 흠을 형성하는 단계를 포함한다.
그후, 한쌍의 교대로되는 경사진 원추형 힐형상 표면과 경사진진 원추형 압축표면 사이의 중심축에 대해 횡방향으로 슬롯이 형성되어 인서트를 수용하며, 먼지 수집 개구부들이 본체의 축방향 보어와 연통하여 형성된다.
[도면의 간단한 설명]
본 발명의 또 다른 특징, 다른 목적 및 장점들이 도면을 참조로하여 작성된 후술되는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
제1도는 본 발명에 따라 제작된 드릴 비트의 사시도.
제2도는 본 발명에 따라 제작된 드릴 비트의 정면도.
제3도는 제2도의 선 3-3을 따라 취한 드릴 비트의 단면도.
제4도는 본 발명에 따른 드릴 비트 본체가 제작되는 블랭크의 측면도.
제5도는 제6도의 블랭크를 형성하는데 사용된 펀치와 압조용 다이의 부분 단면도.
제6,8 및 13도는 본 발명에 따른 드릴 비트 본체가 제작되는 연속하는 중간 블랭크의 측면도.
제7도는 제8도의 블랭크를 형성하는데 사용되는 펀치와 압조용 다이의 부분 단면도.
제9도는 90。회전된 제8도의 블랭크의 측면도.
제10도는 제8도의 블랭크의 평면도.
제11도는 제13도의 블랭크를 형성하는데 사용된 압조용 펀치와 다이의 부분 단면도.
제12도는 90。회전된 제11도의 압조용 펀치와 다이의 부분 단면도.
제14도는 제13도의 선 14-14을 따라 취한 드릴 비트 본체의 단면도.
제15도는 제17도의 블랭크를 형성하는데 사용된 압조용 펀치와 다이의 부분 단면도.
제16도는 90。회전된 제15도의 압조용 펀치와 다이의 부분 단면도.
제17도는 인서트 보지 슬롯 형성전의 냉간 압조된 드릴 비트 본체의 측면도.
제18도는 제17도의 선 18-18을 따라 취한 드릴 비트 본체의 단면도.
제19도는 제17도의 드릴 비트 본체의 평면도.
제20도는 본 발명에 따라 제작된 드릴 비트의 변형 실시예의 사시도.
제21도는 제 20도의 드릴 비트의 정면도.
제22및 24도는 본 발명에 따른 드릴 비트 본체가 제작되는 경사진 측면을 지니는 연속하는 중간 블랭크의 측면도.
제23 및 25도는 각각 제22 및 24도의 선 23-23 및 선 25-25를 따라 취한 드릴 비트 본체의 단면도.
제26도는 본 발명에 따라 제작된 드릴 비트의 변형 실시예의 사시도.
제27도는 제26도의 드릴 비트의 정면도.
제28도는 본 발명에 따라 제작된 드릴 비트의 또 다른 실시예의 사시도.
제29도는 제28도의 드릴 비트의 정면도.
제30도는 제25도의 드릴 비트 본체의 단면의 일부의 연마된 부분의 평행한 금속 입자 구조를 제시하는 현미경사진(6.3배 확대).
[바람직한 실시예의 설명]
이하의 설명에 있어서, 동일 참조번호는 동일 요소를 나타낸다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 전방(forward), 후방(rearward), 상방(upward), 하방(downward), 내측(inward), 외측(outward)등은 편의상의 언어이며, 제한하는 용어로서 해석되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
제1,2, 20, 21 및 26 내지 29도에는, 불규칙하고, 단단하고, 연하고 또한 중간정도의 암석의 조성을 포함하는 다양한 형태의 암석에서 드릴링 작업을 수행하기 위해 드릴 로드(도시되지 않았음)와 함께 사용하기에 적합한 인서트(12)가 고정된 선단 작업 표면(16)을 지니는 본체(14)를 포함하는 드릴 비트(10)가 도시되어 있다. 드릴 비트(10)는 스냅 연결 단부(도시되지 않았음)와 같은 부착 수단 또는 본 기술분야의 당업자에 공지된 다른 적합한 부착 수단에 의해 드릴 로드에 설치될 수 있다.
드릴 비트 본체 (14) 는 냉간 압조에 의해 형성된 단일의 일체의 부재를 포함한다. 드릴 비트 본체(14)가 냉간 압조에 의해 형성되므로, 드릴 비트가 드릴 비트 본체의 윤곽과 실질적으로 평행한 금속 입자 구조를 지니는 것이 이해될 것이다. 평행한 금속 입자 구조를 지니는 드릴 비트 본체(14)는, 기계가공에 의해 제작된 종래의 드릴 비트보다도 개선된 강도와 낮은 비용의 드릴 비트를 제공한다.
제1, 2, 20, 21 및 26-29도에 도시된 바와같이, 드릴 비트(10)는 선단 작업 표면(16)을 지니는 길다란 원통형 본체(14)를 포함한다. 드릴 비트 본체(14)의 반대측 단부(15)를 통해 상방으로, 6각형 단면의 내측 축방향 보어(18)가 연장한다. 내측의 축방향 보어(18)는, 회전하는 드릴 로드의 숫 단부(male end)를 상호쇄정하는 관계로 수용하는 암소켓(female socket)을 규정하며, 회전하는 힘을 구동 수단(도시되지 않았음)으로부터 드릴 비트(10)까지 이동시키기 위한 가장 적합한 단면형상과 길이를 지니는 것이 이해될 것이다.
제1, 2, 20 및 21도와 같이, 드릴 비트 본체(14)는 실질적으로 균일한 직경으로 되거나, 또는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 제 26 내지 29도에 도시된 바와같이, 드릴 비트 본체는 선단 작업 표면(16)으로부터 드릴 비트 본체의 반대측 단부(15)를 향해 경사질 수 있다. 본원에 사용된 용어 경사(taper)는 드릴 비트 본체의 길이를 따라 직선적 또는 비직선적 폭방향 치수의 감소를 의미한다.
드릴 비트 본체(14)의 경사의 정도는 변화될 수 있다. 예컨대, 길이가 약 2인치인 드릴 비트 본체(14)의 경사는, 선단 작업 표면(16)으로부터 반대측 단부(15)까지 직경이 약 0.004인치 변화될 수 있다. 그러나, 선단 작업 표면에 강도를 부가하고 드릴링중의 공기와 재료의 유동을 개선하기 위하여는, 드릴 비트 본체(14)의 외측 표면의 경사는 드릴 비트 본체의 선단 작업 표면(16)으로부터 반대측 단부(15)를 향해 적어도 0.020인치로 되어야 한다.
본체(14)는, 드릴 비트 본체내의 중심축(22)에 대해 약 45。의 각도로 배치된 한쌍의 대향 먼지 수집 개구부(20)를 포함한다. 따라서, 개구부(20)는 중심축(22)에 대해 경사지게 배치되며, 일반적으로 그 축에 관하여 정반대로 중심을 두고 있다. 개구부는 타원형으로 되는 것이 바람직하다. 그러나, 개구부(20)는 원형 또는 그와 유사한 가장 적절한 형상으로 될 수 있다.
먼지 수집 개구부(20)는 홈으로된 일반적으로 역 c자형의 평탄한 측면(24)을 통해 연장한다. 홈으로된 평탄한 측면(24)은, 제1, 2, 20 및 21 도에서와 같이 상호 평행하게 또한 드릴 비트 본체(14)의 수직한 중심축(22)에 평행하게 연장되거나, 또는 또 다른 실시예에 있어서는 제 26-29도에서와 같이 측면(24)이 드릴 비트 본체의 선단 작업 표면(16)으로부터 반대측 단부(15)를 향해 경사질 수 있다. 제1, 2, 20, 21 및 26-29도에 도시된 바와 같이, 개구부(20)는 그 하부의 말단에 한쌍의 대향 배치된, 일반적으로 횡방향으로 굽은 쇼울더부분(26)을 제공한다. 굽은 쇼울더 부분(26)은 중심축(22)의 선단부분에 대하여 약 45。의 각도로 배치된 개구부(20)의 하부의 말단으로부터 형성되어 있으므로, 굽은 쇼울더 부분은 보어(18)를 향해 하방과 내측으로 경사지는 후방 표면(21)을 지니는 에지를 제공함으로써, 먼지등을 보어로 용이하게 제거시키는 것이 이해될 것이다. 쇼울더 부분(26)은 일반적으로 본체(14)의 축방향 길이의 중앙점에 배치되는 것이 바람직하다. 이같은 배치에 의해, 개구부(20)는 최대의 단면적을 지니며, 실질적으로 본체(14)의 상부 절반부에 배치된다.
본체(14)는 또한, 선단 작업 표면(16)과 일체로 제작되어 그것을 지지하는 대향 배치된 한쌍의 직립 부재(28)를 포함한다. 부재(28)는 일반적으로 아치형 단면을 지니며, 또한 관련된 개구부(20)를 포함하는 평면에 대해 횡방향으로 연장하는 수직한 평면에 배치되어 있다. 부재(28)는 제1, 2, 20 및 21 동에 도시된 바와 같이 평행하게 되거나 또는 또 다른 실시예에 있어서는 제 26-29도에서와 같이 부재(28)는 드릴 비트 본체(14)의 선단 작업 표면(16)으로부터 반대측 단부(15)를 향해 경사질 수 있다.
드릴 비트 본체(14)의 선단 작업 표면(16)은, 대향으로 배치된 경사진 힐 형상 표면(30)의 교대로 되는 제1의 쌍과, 대향 배치된 경사진 압축 표면(32)의 제2의 쌍에 의해 규정되는 불규칙한 표면의 구성을 지닌다. 드릴 비트 본체(14)의 선단 작업 표면(16)의 경사진 힐형상 표면(30)과 압축 표면(32)은 협력하여 드릴 먼지등을 먼지 수집 개구부(20)내로 유동시키며 또한 축방향 보어(18)를 통하여 유동시키는 것을 가능하게 한다. 본원에 사용되는 불규칙한 표면(irregular surface)이라는 것은, 중심축(22)에 수직한 평면과 드릴 비트 본체의 중심의 수직한 축(22)과의 교차에 의해 형성된 점으로부터 불규칙 표면의 윤곽과 평면과의 교차에 의해 형성되는 어떠한 지점까지 반경방향으로 측정된때의 길이가 변화하는 표면을 의미한다.
제1, 2, 20, 21 및 26-29도에 상세히 도시된 바와 같이, 경사진 힐형상표면(30)은, 드릴 비트 본체(14)의 수직한 중심축(22)을 통과하는 수직한 평면의 반대측에 배치된다. 경사진 힐형상 표면(30)은 약간 볼록한 원추형이며 드릴 비트 본체(14)의 수직한 중심축(22)으로부터 이격되는 방향으로 하방과 외측으로 연장하여, 인서트(12)에 대한 백업(BACKUP) 또는 지지부를 제공한다. 도시된 바와 같이, 드릴 비트 본체(14)의 직립 부재(28)에 관하여 경사진 힐형상 표면(30)의 각도는, 드릴 비트 본체의 선단 작업 표면(16)이 뚫려질 암석의 층과 마찰적으로 맞물리는 것을 차단하는 어떠한 적절한 각으로도 될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 경사진 힐형상 표면(30)은 수평면에 관하여 약 25。의 각도를 형성한다.
경사진 압축 표면(32)은 전술된 바와 같은 수직한 평면의 반대측에 배치되어 있으므로, 각각의 쌍중의 하나의 표면은 인서트(12)의 반대의 측면상의 실질적으로 동일한 평면에 있는 에지의 정점에 합류하도록, 평면의 동일 측에 배치되어 있다. 경사진 압축 표면(32)은 실질적으로 파이형 오목 요부로 되어, 드릴 비트 본체(14)의 작업 표면(16)의 선단으로부터 개구부(20)를 향해 하방과 외측으로 연장한다. 변형 실시예에 있어서, 경사진 압축 표면(32)은 개구부(20)로 종결되는 굽은 말단으로 하방과 외측으로 연장하여(제20, 21 및 28, 29도 참조), 축방향 보어(18)를 통하여 방출 및 제거를 위한 공기 및 먼지, 파편 등의 개선된 유동을 촉진한다.
경사진 압축 표면(32)은, 경사진 힐형상 표면(30)의 각도보다도 더 큰 경사각으로 배치되는 것이 바람직하다. 도시된 바와같이, 압축 표면(32)의 경사각은 20。 이상으로서, 수직면에 대해 60。로되는 것이 바람직하다. 압축 표면(32)의 각각의 하부 에지는 평탄한 수직 측면(24)과 접하며, 이것은 함께 협력하여 먼지등이 개구부(20)로 유동하기 위한 도관으로서 작용한다.
먼지 수집 개구부(20)는 경사진 압축 표면(32)의 하부에 배치되어 있으므로, 압축 표면과 슬롯(36)은 실질적으로 각각의 측면(24)의 대응하는 횡방향 크기와 동일한 폭방향 크기를 지닌다. 개구부(20)는 선단 작업 표면(16)으로부터 예정된 거리로 수직하게 이격되어 있으므로, 먼지등은 자동적으로 경사진 압축 표면(32)으로부터 계량되어 측면(24)을 지나 먼지 수집 개구부(20)내로 공급된다. 이러한 공정은 개구부(20)를 꽉꽉 채우지 않는 방식으로 이루어지므로, 드릴 로드를 통한 축방향 보어(18)와 개구부의 메워짐 또는 막힘을 방지한다.
제17 및 24도에 도시된 바와같이, 냉간 압조에 의해 형성된 드릴 비트(10)의 복수의 교대로 되는 힐형상 표면(30)과 압축 표면(32)은 협력하여 횡방향으로 연장하는 리지(34:RIDGE)를 규정하며, 이것은 계속하여 기계가공된 인서트(12)를 수용하는 홈 또는 슬롯(36)을 형성한다(제1, 20, 26 및 28도 참조). 복수의 교대로되는 힐형상 표면(30)과 압축 표면(32)은, 인서트가 암석을 절삭할 때 인서트(12)에 횡방향 및 축방향 지지를 제공하는 형상과 크기를 지니는 것이 이해될 것이다. 인서트(12)를 수용하기 위한 슬롯(36)의 측벽은 드릴 비트 본체의 수직 중심축(22)에 평행한 것이 바람직하다.
슬롯(36)내에 고정되는 인서트(12)는, 플레이트 모양의 구성을 지니는 형태로되며, 텅스텐 초경합금 또는 그와 유사한 재료로 형성된 고강도의 내마모성 재료로 제작될 수 있다. 인서트(12)는 슬롯(36)내에 영구적으로 또는 탈착가능하게 고정될 수 있다. 제1, 2, 20, 21 및 26-29도에 도시된 바와같이 A프레임의 하우스 스타일의 텅스텐 카바이드 인서트는 슬롯내에 경납땜(brazing)에 의해 고정된다. 미합중국 특허 제4,817,742호에 개시된 바와같은 경납심(brazeshim)이 인서트를 금속 본체에 경납땜하는데 사용될 수 있거나 또는 사용되지 않을 수도 있다.
인서트(12)는 횡방향 외측으로 향하여 연장하며 또한 슬롯(36)의 양단부를 예정된 길이를 지나 개구부(20)의 위로 연장하여, 드릴 비트(10)가 구멍을 뚫을 때 드릴 비트 본체(14)에 대하여 간극을 제공한다. 제1, 20 및 26과 28도에 도시된 바와같이, 인서트(12)의 노출된 측면(38)은 일반적으로 각각의 개구부(20)를 형성하는 각각의 측면(24)과 수직으로 정렬되어 있다. 이러한 구조에 의해, 먼지등은 최대로 방출되도록 압축 표면(32)를 지나 하향 외측으로 향한다. 또한, 이러한 구조에 의해, 일체의 부재(28)에 관하여 대칭으로 배치된 경사진 힐형상 표면(30)과 압축 표면(32)은 선단 작업 표면(16)의 강도 특성을 최대로 하도록 상당량의 고체재료를 제공한다.
도시된 바와같이, 먼지 수집 개구부(20)와 측면(24)은, 드릴 비트(10)의 수직한 중심측(22)에 일반적으로 평행하게 배치된 평면에 위치한다. 따라서, 개구부(20)는 상호 정반대로 배치되어, 경사진 힐형상 표면(30)과 측면(24)에 의해 먼지 수집 통로를 규정하며, 드릴 비트 본체(14)의 종방향 중심축(22)의 반대의 측면상으로 상호 평행하게 연장하는 개구부내로 감소된 먼지를 순차적으로 제공한다.
본 발명에 따른 드릴 비트(10)의 드릴 비트 본체(14)의 개선된 성능이 제4-19 및 22-25도를 참조로 설명된 일련의 냉간 압조 공정에 의해 달성된다.
초기에, 일정 길이의 와이어가 바람직하게는 카바이드로 제작된 다이를 통하여 균일 직경으로 인발될 수 있다. 그후, 와이어는 절단 스테이션으로 공급되어, 재료의 정지부에 대하여 밀려져, 제 4도에 도시된 바와같은 적절한 길이의 블랭크(40)를 형성하도록 절단된다. 블랭크(40)는 본 기술분야의 당업자에게 공지된 통상의 기술을 사용하여 제작될 수 있으며, 또한 코일 또는 로드의 형태로 입수할 수 있는 USX사의 AISI 15B35, 4140, 8630 또는 8640 강철과 같은 보통의 적합한 금속으로 제작될 수 있다는 것이 이해된다.
본 발명에 따른 냉간 압조의 실시에 있어서, 블랭크의 직경은, 각각의 냉간 압조 다이의 직경보다 작은 크기로 되어, 냉간 압조 공정중 다이내로 금속의 유동을 허용한다. 또한, 블랭크(40)를 각각의 연속하는 작업후 1개의 냉간 압조 스테이션으로부터 다음의 냉간 압조 스테이션으로 이동시키는 것은 본 기술분야의 당업자에게 공지된 수단에 의해 실행될 수 있다는 것이 이해된다.
본 발명에 따른 드릴 비트 본체(14)는, 제4도에 도시된 바와같은 블랭크(40)를 제 5도에 도시된 바와같은 제1의 냉간 압조 스테이션으로 이동시킴으로써 제작된다. 냉간 압조 스테이션은 펀치(42)와 상보적인 다이(44)를 포함한다. 펀치(42)는 일반적으로 다이(44)내에 적합한 크기를 지니는 중실의 실린더이며, 그 전단에 다이의 직경보다 작은 직경의 원통형 참단 돌출부(54)를 포함한다. 다이(44)는 일반적으로 내측으로 향하는 오목형 요부(46)를 갖는 전방벽과 후방 개구부(48)를 지니는 중공형 실린더이다. 작동중, 제 5 도에 도시된 블랭크(40)는 펀치(42)에 의해 압력하에서 다이(44)의 공동내로 강제되어, 제 6도에 도시된 바와같은 균일 크기의 블랭크를 형성한다. 보다 상세히 말하면, 블랭크의 전방 단부는 절두체형 원추(56)형상으로 형성되며, 환형흠(58)으로 도시된 제 1센터링 수단은 여기서 더 상세히 기술되는 바와같이 블랭크의 센터링을 위하여 블랭크의 후방 단부에 천공되며, 블랭크의 원통형 크기는 균일하게 된다.
블랭크(40)는, 제6도에 도시된 바와같이 다이로부터 녹아웃 핀(knockoutpin : 41)에 의해 제거되어, 녹아웃 핀과 펀치(42)의 사이로부터, 제7도에 도시된 냉간 압조 스테이션의 제2의 녹아웃 핀과 펀치(60)로 이동된다.
제7도의 냉간 압조 스테이션은 펀치(40)와 상보적으로 단이 개방된 다이(62)를 포함한다. 펀치(60)의 전방 단부는, 환형의 홈(66)으로 도시된 제2 센터링 수단을 형성하도록 형상화된 첨단 돌출부(63)를 포함하며, 그 환형홈(66)은 블랭크(40)의 후방 단부로 연장한다. 다이(62)는 실질적으로 제5도의 다이(44)와 동일한 직경을 지니며, 다이(62)의 전방 측벽에 2개의 삼각형 돌출부(70)를 포함하며, 이 돌출부(70)는 제8, 9 및 10도에 도시된 블랭크의 전방 단부내에 교대로 경사진 힐형상 표면(30)과 압축 표면(32)를 형성한다.
제6도의 블랭크(40)는 제1환형홈(58)내에 배치되는 펀치(60)와 제2녹아웃 핀(61)의 사이에 고정된다. 펀치(60)와 제2녹아웃 핀(61)은 상호 협력하여 블랭크(40)를 다이(62)의 개방단의 중심으로 강제시킨다.
제7-10도에 도시된 바오같이, 경사진 탄두 또는 꽃잎형의 응력 해제 표면(64)을 블랭크(40)의 측면 (24)내에 지니는 적어도 2개의 대향의 홈으로된 측면(24)과, 선단 작업표면(16)의 교대로 경사진 힐형상 표면(30)과 압축 표면(32)의 형성은 블랭크의 전방 단부에서 개시되며, 제1환형홈(58)보다 큰 직경을 갖는 환형홈(66)으로 도시된 제 2센터링 수단은 블랭크의 후방 단부에 형성된다.
제4, 6, 8, 13, 17, 22 및 24도에 도시된 바와같이, 블랭크(40)를 형성하는 재료가 변위되면, 탄두 응력 해제 표면(64)의 경사는 블랭크의 전방 단부로부터 멀리 감소한다. 응력 해제 표면(64)이 재료의 유동을 용이하게 하여, 다이의 파열과 블랭크(40)내에서의 응력 균열을 방지한다. 그후, 제7도에 도시된 바와같이 위치 지정보스(72)를 갖는 녹아웃 핀(61)에 의해 다이(62)로부터 블랭크(40)는 배출된다. 위치 지정 보스(72)는 블랭크(40)의 선단 표면내에 요부(74)를 형성하여, 냉간 압조 다이내에 후속의 센터링 공정을 위한 연속적 녹아웃 핀의 위치 결정을 돕는다.
제8도의 블랭크(40)는 그후 제11 및 12도에 도시된 바와같이 다음의 펀치(80) 및 다이(82) 공정으로 이동된다. 블랭크(40)는, 요부(74)내에 배치된 제3녹아웃 핀(81)과 제2환형홈(66)내에 배치된 펀치(80) 사이의 다이 (82) 내에 중심이 배치된다. 이러한 냉간 압조 스테이션에서, 블랭크(40)를 형성하는 재료는 다이 (82)내에서 배향으로 압출됨으로써, 마무리된 드릴 비트 (10)의 구성 부품들의 효과를 높인다. 다이(82)는 선행 다이(62)보다 큰 크기의 2개의 삼각형 돌출부(88) 및 블랭크(40)의 바로 대향하는 측면상에 평탄한 측면(24)을 형성하여 블랭크의 전방단부에 교대로 경사진 힐형상 표면(30)과 압축 표면(32)을 형성하는 돌출 부재(68)들을 포함한다. 펀치(80)는 도시된 바와같이 원추 절단형 전방단부(86)를 갖는 6각의 원통형 로드이다.
제 11도 및 12도의 펀치(80)와 다이(82)는, 블랭크(40)의 후방 단부에 형성된 제 2 환형홈(66)과 동심의 원추 절단형 전방 단부(86)를 지니는 내측의 6각의 원통형 축방향 보어 (18)를 형성한다. 제 2 환형홈(66)이 펀치 (80)를 블랭크(40)에 적용시키는 센터링 수단을 제공함으로써, 제13, 14, 22 및 23도에 도시된 바와같은 대칭 블랭크의 형성을 더 용이하게 하는 것이 이해될 것이다.
그후, 제13, 14, 22 및 23도의 블랭크(40)는 제15 및 16도에 도시된 후속 냉간 압조 스테이션으로 이동되는 바, 그 후속 스테이션에서 축방향 보어(18)는 소정의 깊이로 형성되며, 블랭크(40)의 선단 작업 표면(16) 또한 형성된다. 제15 및 16도에 도시된 바와같이, 다이(90)는 마무리된 드릴 비트(10)와 거의 같은 크기와 형상으로 되며 또한 다이(82)보다 크게된다. 펀치(92)는 구형 단부를 갖는 원통형 로드 형상으로 된다. 블랭크(40)는 요부(74)내에 배치된 제4녹아웃 핀(91)과 축방향 보어(18)내에 배치된 펀치(92)사이의 다이(90)내에 중심이 잡힌다. 펀치(92)와 녹아웃 핀(91)은 상호 협력하여 블랭크(40)를 다이 (90)내로 강제시킴으로써, 축방향 보어(18)와 블랭크의 응력해제 표면이 소기의 길이로 연장된다.
경사진 직립 부재(28)와 측면(24)을 지니는 블랭크(40)의 제작에 있어서, 다이(90)는 다이(82)보다 크게 된다. 축방향 보어(18)가 형성되면, 축방향 보어(18)의 전방 부분을 형성하는 재료만이 다이(90)와 일치함으로써, 반대측 단부(15)로부터 선단 작업 표면(16)를 향해 증가하는 경사를 지니는 블랭크(40)를 제공한다.
실질적으로 평행한 평탄한 측면(24)과 평행한 직립 부재(28)를 지니는 블랭크(40)의 제작에 있어서, 다이(90)는 또한 다이(82)보다 크게 된다. 그러나, 다이(82)가 더 큰 후방부를 포함함으로써, 배향 압출중 출구의 다이(82) 상의 블랭크(40)가 반대측 단부(15)로부터 선단 작업 표면(16)을 향해 감소하는 경사를 지닌다. 따라서, 블랭크(40)가 다이(90)를 빠져나갈 때, 축방향 보어(18)의 전방부를 형성하는 재료가 다이(90)와 일치함으로써, 실질적으로 평행한 평탄한 측면(24)과 평행한 직립 부재(28)를 지니는 블랭크(40)를 제공한다.
블랭크(40)가 다이(90)와 펀치(92) 형상으로 형성된 후, 블랭크(40)는 녹아웃 핀(91)에 의해 방출된다. 이러한 간단한 냉간 압조 공정으로부터 제17, 18, 24 및 25도에 도시된 드릴 비트 본체(14)가 형성된다.
제1 및 제 2 환형홈(58, 66), 요부(74) 및 축방향 보어(18)는 상호협력하여 블랭크의 연속적인 냉간 압조 스테이션의 펀치와 다이의 작동을 중심으로 집중시킴으로써 블랭크(40)를 연속하여 다이내에 센터링시키기 위한 수단을 제공하며, 이렇게 하여 드릴 비트 본체(14)가 그 중심축(22)의 주위에 균일한 비율을 지니며 힐형상 표면(3)과 압축 표면(32)이 각각의 냉간 압조 스테이션내에 정확한 형상으로 형성되도록 보장한다. 센터링 수단없이는, 불규칙한 선단 작업 표면을 지니는 드릴 비트 본체(14)의 연속적인 형성은 불가능하지는 않다고 하더라도 어려울 것이다.
제30도에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 드릴 비트 본체의 금속 입자 구조는 실질적으로 드릴 비트 본체의 윤곽 또는 외형과 평행하다. 이러한 평행한 금속 입자 구조의 결과로서, 개선된 인성을 지니는 보다 강한 비트 본체가 만들어질 수 있다. 또한, 원한다면, 이전에 가능했던 것 보다도 더 저합금의 강철이 사용될 수 있으므로, 기계가공이 더 용이하며, 냉간 압조전에 블랭크의 어닐링(annealing)이 필요없게 된다.
드릴 비트(10)의 먼지 수집 개구부(20)는 드릴링 등과 같은 적절한 기계가공 공정으로 형성될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 먼지 수집 개구부(20)는 일반적으로 타원형 개구부를 제공하기 위하여 중심축(22)에 관하여 45。의 각도로 드릴링된다. 개구부(20)는 탄두 또는 꽃잎형 응력 해제 표면(64)내에 뚫려, 본체(14)내에 형성된 축방향 보어(18)에 대한 입구를 제공하고 있으므로, 개구부는 축방향 보어(18)와 연통하여 먼지 등을 진공에 의해 수집할 수 있다. 보지 구멍(100) 또한 본체(14)내에 뚫려, 전술 및 공지된 바와같이 드릴 비트(10)를 드릴 로드상에 고정시킨다. 유사하게, 슬롯(36)이 선단 작업 표면(16)내에 기계가공되어, 텅스텐 초경합금과 같은 경질의 내마모성 재료로 제작된 인서트(12)를 수용할 수 있다.
본 발명에 따라, 복잡하고 단순한 인서트 루프(roof)의 설계와 같은 변화하는 인서트 형상이, 비트 본체에서 적절하게 형상화된 슬롯(36)을 기계가공하거나 성형함으로써 이용될 수 있다. 인서트(12)는 그후 슬롯(36)내로 납땜되어, 그 전체의 비트 본체와 인서트가 열처리될 수 있다.
냉간 압조 방법은 비트(10)의 상부 주위의 공기 유동을 개선하고, 이에따라 절삭된 구멍으로부터 먼지 등의 제거를 개선하기 위하여, 다양한 구조의 외측 본체(14)의 형성을 가능하게 한다. 개선된 공기 유동을 지니는 비트 본체(14)의 예가 제20 도 및 21도에 도시되어 있다. 제20도 및 21도에 미리 개시되고 도시된 바와같이, 경사진 압축 표면(32)은, 개구부(20)로 종결되는 굽은 말단으로 하방과 외측으로 향하여 연장하여, 공기와 먼지 파편 등을 축방향 보어(18)를 통하여 배출하고 제거하기 위한 유동의 개선을 촉진시킨다.
대표적인 작업에 있어서, 드릴 비트 (10)는 제1, 2, 20, 31 및 26-29도에 도시된 바와같이 드릴 로드에 체결되므로, 드릴 비트의 보어는 중공의 드릴 로드와 연통하고 있다. 드릴 로드는 그후 적절한 진공 펌프(도시되지 않았음)에 연결되어, 먼지등의 제거를 위해 보어(18)에 흡입 공기를 가한다. 보어(18)내의 흡입 공기는 먼지 수집 개구부(20)로 전달되어, 먼지를 압축 표면(32)을 가로질러 평탄한 측면(24)위를 지나 개구부(20)내로 흡출하는 작용을 한다. 먼지의 입자는, 드릴 비트(10)의 압축 표면을 가로질러 측면의 위를 이동한 때에, 드릴의 구멍을 포위하여 한정하는 층에 의해 가해지는 하향과 내측으로 향하는 압축력으로 인하여, 크기가 점진적으로 감소된다. 이러한 작용은 실질적으로 먼지를 드릴 비트(10)의 외표면에 대하여 압축하므로써, 감소된 재료가 개구부(20)내로 자유롭게 유동하여 보어(18)를 통해 방출된다.
본 발명의 실시예는 냉간 압조로 한정되지 않으며, 온간 압조 또는 열간 압조를 포함할 수 있음이 자명하다. 예컨대, 온간 압조 또는 열간 압조에 있어서는, 블랭크를 형성하는 재료가 예열될 수 있으므로, 압조 공정동안에 전술된 냉간 압조 공정에서보다 크게 감소된 압축 상태로 다이내에서의 재료의 유동이 이루어진다.
온간 압조 공정에 대한 전형적인 재료의 예열온도는 1225 내지 1275。F이며, 열간 압조 공정에 대한 예열 온도는 2200 내지 2350。F이다.
본원에 참조된 특허는 참고로서 본원에 포함된다.
본 발명의 전술된 바람직한 실시예는 첨부된 청구범위의 범위에 포함되는 것이 이해될 것이다.

Claims (3)

  1. (a) 블랭크(40)의 전방단부와 후방단부에 센터링 수단(58, 66, 74)을 천공하는 단계를 포함하여, 드릴 비트 본체(14)를 형성하도록 상기 블랭크(40)를 냉간 압조하는 단계: (b) 상기 드릴 비트 본체(14)의 중심축(22)에 횡방향으로, 인서트(12)를 수용하기 위한 슬롯(36)을 형성하는 단계 : 및 (c) 상기 드릴 비트 본체(14)에 대향으로 배치된 먼지 수집 개구부(20)를 형성하는 단계 : 를 포함하여 구성되는, 전방단부와 후방단부를 지니는 블랭크(40)로부터, 불규칙한 표면 구성의 선단 작업 표면(16)을 포함하는 드릴 비트 본체(14)를 지니는 드릴 비트를 제작하기 위한 방법.
  2. 경질의 내마모성 인서트(12) : 및 상기 경질의 내마모성 인서트(12)를 보지하기 위한 슬롯(36)을 지니는 불규칙한 표면 구성의 선단 작업 표면(16)을 포함하는 드릴 비트 본체(14) : 를 포함하며, 제1항에 따른 방법에 의해 제작되는, 피삭면에 구멍을 뚫기 위한 드릴 비트(10)에 있어서, 상기 드릴 비트 본체(14)는 상기 드릴 비트 본체(14)의 윤곽과 평행한 금속 입자 구조를 지니는 것을 특징으로 하는 드릴 비트(drill bit).
  3. 제2항에 있어서, 상기 드릴 비트 본체(14)는, (a) 상기 드릴 비트 본체(14)의 단부를 통하여 상방으로 연장하는 내측축방향 보어(18) ; (b) 상기 드릴 비트 본체(14)의 중심축(22)에 평행하게 연장하는 상기 드릴 비트 본체(14)의 외측의 2개 또는 그 이상의 대향 홈으로된 역 c자형 평탄한 측면(24) ; (c) 각각 대응하는 평탄한 측면(24)을 통하여 연장하며 상기 축방향 보어(18)와 연통하는, 2개 또는 그 이상의 대향하는 먼지 수집 개구부(20) ; (d) 상기 각각의 먼지 수집 개구부(20)의 하부 말단의 한쌍의 대향 배치된 횡방향으로 굽은 쇼울더 부분(26) ; 및 (e) 상기 먼지 수집 개구부(20)들 사이에서 연장하는 아치형 단면의 한쌍의 대향 배치된 직립 부재(28) ; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 드릴 비트.
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