NO303142B1 - Borkrone med koniske rullemeisler - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår et boreverktøy i form av en borkrone og utrustet med rullemeisler som er anordnet bikonisk, trikonisk eller annerledes og danner koniske skjæreelementer med forbedrede skjæreegenskaper i forhold til kjente borkroner.

I det følgende skal bare trikoniske borkroner omtales, dvs. borkroner med tre koniske skjæreelementer. Dette anses hen-siktsmessig for beskrivelsen, men oppfinnelsen vil likevel også dekke boreverktøy med et annet antall koniske skjæreelementer i form av rullemeisler.

For å bedre forstå de forbedringer som oppfinnelsen fører til når det gjelder borkroner med rullemeisler skal først beskrives en kjent trikonuskrone, og denne er illustrert på fig. 1 og 2, idet fig. 1 viser borkronen i perspektiv, mens fig. 2 viser borkronen fra undersiden, uten inntegnede skjæretenner for å gjøre tegningen enklere.

I det følgende vil borkronen med de tre koniske rullemeisler kalles trikonus, og på fig. 1 har den fått henvisningstallet 10. Trikonusen omfatter en hul hoveddel 12 av stål og festet til enden av en rørstreng som imidlertid ikke er vist. Rørstrengen dreies om sin sentrale lengdeakse som sammenfaller med den tilsvarende lengdeakse x-x for trikonusen 10. På undersiden er trikonusen utvidet, slik at det er plass til tre fritt roterbare koniske rullemeisler 14, 16, 18 av stål og hvis rotasjonsakser står på skrå i forhold til lengdeaksen x-x. Rullemeislene har omløpende, ringformede arbeidsflater 20 med rekker av skjæretenner 22 som enten kan være maskinert inn i godset i rullemeislene og deretter dekket av et lag av wolframkarbid, eller de kan være i form av utstikkende tenner av wolf ramkarbid, innsatt i mask-inerte hull i arbeidsflatene.

Fig. 2 viser særlig hvordan rotasjonsaksene ikke møtes i noe punkt på lengdeaksen x-x, men ligger forskjøvet i en avstand d som kan kalles eksenteravstanden. Akseforskyvningen kan også karakteriseres ved den viste vinkel a mellom en rullemeisels rotasjonsakse og det radialplan som går gjennom lengdeaksen x-x og midtpunktet i rullemeislenes bunnflate. Denne vinkel kalles derfor rullemeislenes awiksvinkel. Det er kjent at rullemeislene takket være awiksvinkelen utøver en effektiv utskraping og skjæring av grunnfjellet under trikonusens arbeide, og skjærevirkningen er større jo større vinkelen a er valgt.

Når rullemeislene 14, 16 og 18 befinner seg i kontakt med grunnfjellet vil de dreies i f.eks. den retning som er angitt med sirkelpilene på fig. 2 når trikonusen drives rundt i pilens f retning.

Man kjenner to typer borkrone med rullemeisler:

1°) borkroner hvor konusene eller rullemeislene har en stor awiksvinkel. Slike borkroner er effektive for utgraving av mindre hardt grunnfjell, men mindre effektive når det gjelder å grave seg inn i og bore ut hardt fjell. Grunnen er at skjæretennene eller "piggene" på konusene da vil slites for raskt. Borkroner av denne første type graver ut masse fra grunnfjellet som følge av tre forskjellige virkninger:

- ved støt, hver gang en ny skjæretann 22 slår inn i fjellet,

- ved innpressing under virkningen av den aksialkraft Fv (fig. 1) som presser borkronen nedover eller innover mot fjellet, og - ved skjære/skrapevirkning mellom skjæretennene og grunnfjellet når rullemeislene dreies, og

2°) borkroner hvor rullemeislene har en awiksvinkel som ligger mellom null og en relativt liten verdi. Slike borkroner arbeider hovedsakelig etter de to første virkemåter ifølge det som er nevnt ovenfor, til gjengjeld kan skjæretennene fortrinnsvis være av diamant. Likevel vil skjære- og utgravningsvirkningen være relativt beskjeden på grunn av fraværet av skrape/skjærevirkning.

Den foreliggende oppfinnelse har som mål å forbedre virk-ningsgraden av borkroner med rullemeisler, så som bikonuser, tri-konuser etc., også slike hvor rullemeislene har en awiksvinkel a som ligger mellom null og en liten verdi, såvel som slike som har en stor awiksvinkel og som derfor arbeider med et betydelig bidrag av skrape/skjærevirkning, idet de siste også vil være anvendbare i hardt grunnfjell, uten at utillatelig slitasje av skjæretennene finner sted.

Ifølge oppfinnelsen omfatter hver skjæretann et bakre område innrettet for å kunne tåle støt, idet det er i dette område skjæretannen vil komme i berøring med grunnfjellet, et midt- eller glideområde og et fremre skjæreområde for i siste instans å komme i kontakt med grunnfjellet, før rullemeiselens dreining over til den neste skjæretann, minst ett diamant element anordnet i det fremre skjæreområde og eventuelt på midt- eller glideområdet, men ikke på det bakre område innrettet for støtanslag.

Det er kjent at man ved å anvende diamantinnsatser for-lenger levetiden av skjæretennene ganske vesentlig på grunn av diamantmaterialets hardhet, dette gjelder imidlertid bare dersom støtene er begrenset.

Hvert skjær eller diamantelement kan bestå av en del av naturlig eller syntetisk diamant eller av en sintret diamantmasse, f.eks. i form av en krystallinsk polydiamantplate (PDC).

Med andre ord går oppfinnelsens ide ut på å anordne diamentelementer bare på de områder av skjæretennene hvor det forventes utført riping, skyvning, glidning, innpressing eller utskjæring. Det bakre område hvor hver skjæretann støter inn i grunnfjellet har derved intet diamantelement, siden dette i så fall vil kunne skades ved støtet mellom grunnfjellet og skjæretannen.

Man har ikke funnet noe dokument som viser at det er kjent teknikk å utruste en trikonus eller en annen type rullemeiselbor-krone med skjæretenner eller pigger i slik utførelse.

Derimot angis i patentskriftet US-A-4 148 368 at man skal benytte diamanter for å redusere slitasjen av allerede eksisterende boreverktøy. Diamantene blir anordnet langs omkretsen og har som eneste funksjon å unngå at boreverktøyets diameter avtar som følge av slitasje. Diamantene har altså ikke funksjonen å destruere grunnfjellet og vil bare være i kontakt med borehull veggen. Slik anordnet vil imidlertid diamantene få en kombinert funksjon, nemlig både støt og skjæring, og man vil tro at diamantkransen som patentskriftet foreslår lett vil kunne ødelegges, siden diamantene er følsomme overfor støt.

Fra FR-A-2 029 550 kjennes også et boreverktøy med koniske skjæreelementer. Innsats av ultraharde elementer så som av diamant vil kunne gi årsak til ødeleggelse som følge av støt, dersom for hardt grunnfjell skal gjennombores.

FR-A-2 268 940 angir skjæreverktøy i monoblokkutførelse. Slikt verktøy er ganske forskjelllig fra trikonusverktøy ved at de siste er rotasjonsverktøy og har en rekke meiselelementer som både støter mot, presses inn i og skraper og skjærer grunnfjell-overflaten. Bruken av mindre plater så som beskrevet i patentskriftet, på et trikonusverktøy ville uunngåelig ha ført til en

alt for rask nedbrytning av skjæreelementene.

US-A-4 940 099 anfører bruk av antisliteelementer som er bestemt til å redusere slitasjen og særlig diameteren av boreverktøy som allerede finnes på markedet. Elementene er imidlertid ikke aktive, siden de skal anordnes på beskyttelsen. De har fått denne plass for å hindre friksjon mot borehullveggen og har permanent kontakt med denne.

Endelig beskriver GB-A-1 014 433 hvordan man kan lage et "forhåndshull" for å kunne bryte ned fjellet ved vertikal skjæring i trinn i et konisk parti. I dette arbeider boreeller destruksjonsverktøyet også trinnvis og ved støt mot fjellet. Det er konsentriske krefter som i dette tilfelle utfører destrueringen av fjellet, og patentskriftet anses ikke å ha særlig relevans i forhold til oppfinnelsens borkrone og rullemeisler.

En ut f ør el ses form av oppfinnelsen skal nå gjennomgås med støtte i de resterende illustrasjoner, hvor fig. 3 viser et oppriss som delvis også viser et snitt av en skjæretann med et diamantelement både på sitt fremre område og i midtområdet, fig. 4-7 viser frontriss av forskjellige utførelsesformer av slike skjæretenner, idet de ses fra den side som vender mot venstre på fig. 3, fig. 8-11 viser fire påfølgende faser av hvordan skjæretannen vist på fig. 3 arbeider mot et grunnfjell, idet fremdriften indikeres mot venstre fra fig. 8 og til fig. 11, fig. 12 og 13 viser fra siden og i perspektiv en skjæretann hvis skjæreflate er skråstilt i forhold til rullemeiselen, fig. 14 viser en skjæretann hvis skjæreflate er skråstilt motsatt vei i forhold til det som fremgår av fig. 12 og 13, og fig. 15 viser en skjæretann maskinert ut i meiselgodset og med et innsatt et diamantelement.

Den skjæretann 22 som er vist på fig. 3 er hovedsakelig sirkulært sylindrisk, og dens ene ende er festet i en borkrones rullemeisel 14, ikke vist på figuren. Rullemeiselen forutsettes rotert om en akse som på figuren er vist vertikal, slik det indikeres med sirkelpilen f. Rullemeiselen selv roterer i et annet plan, slik det indikeres med den buede pil f (tilsvarende pilen f på fig. 2).

I forhold til rullemeiselens dreining i pilens f' retning kan man definere tre adskilte områder på hver skjæretanns 22 frie ende, nemlig et bakre område 24 som kan kalles støtområde og som skjæretannen støter mot grunnfjellet 26 med i den første kontakt- fase, et midtområde 28 som også kan kalles glideområde og har avrundet eller plan profil i et snitt i bevegelsesretningen, og et fremre område 30 som kan kalles skjæretannens skjæreområde. Dette område er det siste som kommer i berøring med grunnfjellet, før kontakten overføres til den neste skjæretann på rullemeiselen.

I det fremre område 30 er innpresset eller loddet fast et element eller en innsats 32 av diamant, f.eks. en naturlig diamant, en syntetisk eller en sintret masse av smådiamanter, gjerne en plate av krystallinsk polydiamant (PDC). Hensikten er å gjøre skjæretannen bedre egnet til å skjære i hardt materiale, både ved skrapevirkning og ved innpressing. Fig. 4-7 viser eksempler på innsatte diamantelementer.

En angrepsvinkel y fastlegger hvordan skjæreflaten på diamantinnsatsen 32 ligger i forhold til det plan som står normalt på grunnfjellets 26 hovedplan og samtidig går gjennom kontaktpunktet mellom innsatsen (polydiamantplaten) og grunnfjellet, nemlig normalplanet 40 indikert på fig. 3.

I den utførelsesform som er vist på denne figur kan man si at diamantelementet eller -innsatsen 32 er "aggressivt" plassert, siden angrepsvinkelen y er positiv og ganske stor (mellom 10° og 40°). I et slikt tilfelle er skjæretannen egnet til å grave seg dypt inn i grunnfjellet for hver bevegelsessyklus. Virkemåten tilsvarer den man kjenner fra et skjæreverktøy av typen skrapekrone ("drag bit/lame bit" ), eneste forskjell er at angrepsvinkelen vil endre seg under dreiningen av konusen, slik det fremgår av fig. 8 - 11.

Dreievinkelen y kan også være negativ, og i et slikt tilfelle vil den øvre kant ligge på motsatt side av normalplanet 40, i forhold til den utførelsesform som er vist på fig. 3.

Med rullemeisler hvis skjæretenner har en skjæreinnsats med stor angrepsvinkel vil bearbeidingen av grunnfjell følge de fire faser som er illustrert på fig. 8-11: 1. Når skjæretannen 22 først støter mot grunnfjellet 26 (fig. 8) vil støtdestruksjon finne sted samtidig som skjæretannen presses inn i fjellet noe. Denne første kontakt skjer mellom det bakre område 24 og grunnfjellet, og dette område må derfor være motstandsdyktig overfor støt og har stor hardhet. Wolframkarbid er et materiale som er svært egnet for dette område. 2. Etter støtet vil skjæretannen 22 gli bakover over grunnfjellet, og kreftene fordeles over hele midtområdet 28 (fig. 9). Dette område må derfor både være hardt og motstandsdyktig overfor glideslitasje. Under denne fase skjer destrueringen av grunnfjellet ved riping/skraping og samtidig ved innpressing. 3. Det fremre område 30 av skjæretannen starter nå sin destruering av grunnfjellet ved skjærevirkning (fig. 10 ). Angrepsvinkelen er først negativ, men passerer null og øker positivt, men i den viste arbeidsgang er vinkelen ganske liten. 4. Ved den videre dreining av skjæretannen 22 vil det være den nedre kant av innsatsen som skjærer i grunnfjellet (fig. 11), idet denne kant tilsvarer den nedre, bakre kant av skjæretannen .

Skjæretannens innsats så som i form av et diamantelement kan som tidligere nevnt ha en skjæreflate som i et horisontalplan danner en vinkel 0 på mellom 0 og 45° , med et normalplan gjennom rullemeiselens langsgående midtakse. På fig. 12 og 14 indikerer tallet 33 denne midtakse.

I den utførelsesform som er vist på fig. 14 kan man si at vinkelen |3 er negativ eller at skjæreflaten vender mot det ytre av rullemeiselen, mens vinkelen kan sies å være positiv eller skjæreflaten vender mot rullemeiselens indre i henhold til fig. 12 og 13.

Skjæretennene kan også i midtområdet 28 ha et diamantelement 34 eller flere rette rekker av slike elementer. Dette er indikert på fig. 3. Et diamantelement 34 i dette område kan strekke seg helt frem til det fremre støtområde 24. I stedet for skjæretenner kan konusene eller rullemeislene ha tenner som er maskinert som fremspring fra meiselens gods eller hovedmasse, slik det er indikert på fig. 15. Også i dette tilfelle kan diamantelementer eller -innsatser være festet til hver enkelt fremstikkende tann, også i det tilfelle hvor awiksvinkelen er null.

På den måte som det fremgår av beskrivelsen bidrar oppfinnelsen til å forbedre skjæretennenes slitasjemotstand, og en skjærebearbeiding av grunnfjellet kan opprettholdes med større intensitet og virkningsgrad. Dette kan skje med innsatser som har stor angrepsvinkel, uten at ødeleggelse av disse risikeres, samtidig med at man oppnår en mer effektiv skjæredestruksjon av grunnfjellet. Oppfinnelsen er like anvendelig for rullemeisler med stor og liten angrepsvinkel, også en angrepsvinkelen lik null, ved at man plasserer diamant innsåt ser bare i bestemte områder av skjæretennene, nemlig de områder som ikke utsettes for støt fra grunnfjellet eller er tiltenkt innpressing i dette.

Claims (5)

1. Borkrone (10) med roterbare koniske rullemeisler (14, 16, 18) så som i antallet to eller tre, av den type hvor hver rullemeisel har flere omkretsløpende rekker av skjæretenner (36) maskinert fra meislenes gods eller skjæretenner (22) i form av innsatser, f. eks. av materialet wolf ramkarbid, hvor hver skjæretann (22, 36) i sin frie ende og regnet i den retning som skjæretannen følger over det grunnfjell (26) som borkronen (10) borer ut, har et bakre område (24), et midtområde (28) med avrundet form i bevegelsesretningen eller med plan form, og et fremre område (30) som i siste instans kommer i berøring med grunnfjellet under skjæretannens bevegelse, før den neste skjæretann overtar kontakten med grunnfjellet, KARAKTERISERT VED at skjæretennene (22, 36) har et diamentelement (32, 34) på det fremre område (30) og eventuelt på midtområdet (28), men ikke på det bakre område (24).

2. Borkrone ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at diamant-elementene (32, 34) er av naturlig diamant, syntetisk diamant eller dannet ved sammenstilling av mindre diamantelementer, så som i en mindre plate av krystallinske polydiamanter og festet til skjæretannen .

3. Borkrone ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at midtområdet (28) har flere rette rekker av diamantelementer.

4. Borkrone ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at rullemeislene (14, 16, 18) rotasjonsakse danner en awiksvinkel (a) med et radialplan som går gjennom borkronens sentrale lengdeakse (x-x) og midtpunktet i rullemeiselens bunnflate.

5. Borkrone ifølge ett av kravene 1-3, KARAKTERISERT VED at rullemeislenes (14, 16, 18) awiksvinkel a er lik null.