牙轮钻具或牙轮钻头

摘要

本发明涉及一种用于按照背面截割原理来剥除材料，如特别是岩石、矿物或类似物的牙轮钻具，该牙轮钻具具有所述牙轮钻具具有一同心地绕一中轴线(M)构成的、锥形地朝所述牙轮钻具(10)的端侧(11)扩展的切割面(12)和一支承体(15)，所述支承体设置在所述切割面(12)的内侧上并且一直延伸至所述钻具的所述端侧(11)。为了提供一种耐用度或者说使用寿命相对于现有技术得到改进的牙轮钻具或牙轮钻头，根据本发明，所述切割面(12)由比所述支承体(15)硬的材料构成，并且所述支承体形成一至少在外周壁(20)上为锥形的环形板条(22)，所述环形板条以其内周壁(23)在所述钻具的所述端侧(11)上限定一自由空间(21)。通过该自由空间和不同的材料副，钻具可以自动地再磨锐。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于按照背面截割原理来剥除材料，如特别是岩石、矿物或类似物的牙轮钻具或牙轮钻头，它具有：同心地围绕中轴线构成的、锥形地朝牙轮钻具的端侧扩展的切割面，以及支承体，该支承体布置在切割面的内侧上并且一直延伸至该钻具的端侧。

背景技术

在现有技术中已知了不同种类的切割系统，利用这些切割系统，可以在矿业和道路建设的领域中借助于牙轮钻具或牙轮钻头按照背面截割原理进行工作。按照背面截割原理工作的牙轮钻具或牙轮钻头的特征在于，单侧的、锥形的钻具体或盘，所述钻具体这样装配在例如巷道掘进机的钻头或钻具臂上，即，使牙轮钻具可以绕其中轴线自由旋转。对材料，特别是岩石、硬岩石或矿物岩石的剥除按背面截割原理以薄层的形式进行。利用锥形地从钻头出发扩展的并将岩石以薄层形式背面截割地切下的切割面来将材料破碎成多数为手掌大小的块。为了实现高的剥除效率，多数情况下在可旋转的和/或利用冲击叠加(Schlagüberlagerung)而快速转动地驱动的钻头上支承多个牙轮钻头或牙轮钻具(参见例如DE198 38 195E1或WO 92/10647)。

由于按照背面截割原理工作的牙轮钻具或牙轮钻头以仅构成为单侧的、锥形扩展的切割面倾斜地作用在要采掘的岩石面上，因此牙轮钻头的切割面以及特别是在切割面到端侧的过渡部上的切割刃由于系统的原因受到高的轴向力。这种轴向力又特别是在切割面的自由边缘上的切割刃上导致单个牙轮钻头的由于系统原因造成的高速磨损。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种牙轮钻具或牙轮钻头，其耐用度或者说使用寿命相对于现有技术得到改进。

该目的根据本发明这样来实现，即切割面由比支承体硬的材料制成并且支承体形成环形板条，环形板条至少在其外周壁上锥形地延伸并以其内周壁在钻具的端侧上限定一自由空间。通过硬化或较硬的切割面和较软的支承体的不同的材料副(配对)以及在支承体的支承区域中的自由空间(也就是说沿径向观察分别在切割面后面的自由空间)的相互作用实现了，在较长的时间段上，可以对在切割面到端侧的过渡部上的切割刃自动地进行再磨锐。这种自动再磨锐效应特别是这样来实现，即当硬化的切割面磨损时，在其后面的支承体的较软的材料也由待剥除的岩石磨掉，由此基本上永久性仅是硬化的切割面与待剥除的材料接触接合。

为了实现钻具的根据本发明的自动/自发再磨锐的效果，不是一定要求将所述自由空间构成为空腔或类似结构；在径向方向上在支承体之后的所述自由空间也可以用比支承体材料更软的材料填充。然而在特别优选的设计方案中，自由空间在支承体的背面设计成空心的凹部。特别有利的是，自由空间从钻具的端侧出发至少部分地在钻具的切割面的轴向伸展长度上延伸。自由空间在轴向方向上越深地构成，则切割面的有效的轴向长度就越大，在这种切割面中可以实现对牙轮钻头的切割刃的自动再磨锐。此外，在位于支承体之后的空腔中可以暂时地汇集被磨掉的支承体材料。

在特别优选的实施形式中，环形板条在其内周壁和其外周壁之间具有基本上恒定的厚度或精确恒定的厚度。该实施形式的优点是，牙轮钻具在其整个使用寿命期间在再磨锐时将相同的复位力引入使用牙轮钻具的机器中，这是因为与磨损程度无关，同时与切割面的轴向缩短也无关，总是一定从较软的支承体材料中磨掉相同的横截面，以便实现，只是由较硬材料制成的切割刃与待剥除的岩石作用接合。

为此内周壁适宜地锥形延伸，由此自由空间或凹部同样也朝向自由空间的底部锥形地逐渐变细。根据一个有利的实施形式，内周壁和切割面的锥角恰好相等。这根据所应用的材料副的不同，环形板条的板条厚度仅为近似恒定就足够了。在此，内周壁的锥角和切割面的锥角可以有利地彼此相差小于8°、特别是小于5°，优选小于2°。根据所应用的材料副的不同，板条厚度也可以是变化的，其中通常板条厚度多数设计成是切割面的径向厚度的二至十倍。总体上板条厚度应该设计得尽可能薄，以便能够同时快速地磨去较软的材料。

根据本发明的、具有硬化的、径向上通过环形的支承体来支承的切割面的牙轮钻头或牙轮钻具可以构造得不同。根据一个有利的设计方案，支承体具有圆柱形的颈部段和锥形的、形成环形板条的凸缘段。在一个实施方式中，切割面可以由施加在环形板条的锥形延伸的内周壁上的表面硬化层或硬涂层构成。可选地，切割面可以由固定在环形板条的锥形延伸的外周壁上的切割区段或硬质合金区段构成。所述切割区段或硬质合金区段可以固定、特别是焊装或补焊在支承体的环形板条的外周壁上。采用所述切割区段的优点是，可以较为简单地制造同心环形的切割面。为了即使是在最高的轴向负荷的情况下也能对相应的切割区段或硬质合金区段进行保护，防止由于冲击负荷造成的损坏或断裂，切割区段或硬质合金区段可以通过至少一个环形件或覆盖层来覆盖，该覆盖层由比切割面软的材料制成。相应的环形件或相应的覆盖层还确保用于对切割区段以及因此也对支承体上的切割面进行附加的固定。环形件或覆盖层的材料适宜地也比环形板条的材料软，从而不会对根据本发明的钻具的再磨锐效应造成负面的影响。

根据一个可选的实施形式，切割面可以是一切割环的组成部分，该切割环具有圆柱形的颈部段和锥形的凸缘段，支承体贴靠在该切割环的内侧上或在该切割环的内侧上形成。这样，整个切割环可以由硬质合金或其它耐磨的材料制成。为了能够简单地将相应的牙轮钻具固定在用于材料剥除的加工机的机器头部的钻具轴上，在一个实施形式中，所述切割环或支承体在颈部段的内表面上具有倾斜部以用于与其共同作用并且可以与钻具轴可拆卸地连接的夹紧盘。在此，所述颈部段可以同时设有轴头部容纳部以用于优选抗旋转地容纳钻具轴的轴端。所述夹紧盘也可以一具有带有倾斜部的夹紧凸缘并且可以通过螺栓与钻具轴的轴端相连接。此外可选地，支承体可以以其环形板条可拆卸地贴靠在切割环的内侧上并具有整体地与环形板条连接的底部，所述底部可以通过可旋入到钻具轴的轴端中的螺纹元件夹沿轴向地夹紧在切割环的颈部段上。

根据本发明的牙轮钻具或牙轮钻头可以特别有利地与钻具轴的所述一个轴端连接，该钻具轴通过两个布置在钻具轴的轴体的周边上的轴承以及一个轴向地支承另一个自由的轴端的推力轴承/端轴承支承在机器头部的轴容纳部中。用于牙轮钻具的钻具轴的在机器头部上的相应的支承结构具有独立的创造性意义并且也可以在这样牙轮钻具中使用，其具有一体的、由唯一的材料或具有统一的硬度的材料构成的切割面。

支承体例如可以由钢制成，而切割面可以由表面硬化层或由例如通过堆焊涂覆施加在支承体的外周上的硬涂层构成，或者在一开始就可以采用不同的材料、例如硬质合金用于切割面、切割环或切割区段，以及可以考虑使用钢或类似物用于支承体。

附图说明

本发明的其它优点和实施形式从下面对在附图中示意性示出的根据本发明的牙轮钻具或牙轮钻头的实施例的说明中得出。图中示出：

图1示意性非常简化地示出了按照背面截割原理工作的机器的机器头部的俯视图，该机器具有多个支承在机器头部上的根据本发明的牙轮钻头；

图2以侧视图示出了来自图1的机器头部，并且是部分剖开的；

图3以端侧的俯视图示出了根据本发明的牙轮钻具；

图4示出了图3的牙轮钻具的水平剖视图；

图5以切割面的俯视图示出根据第二实施例的牙轮钻具；

图6示出根据第三实施例的具有切割区段的牙轮钻具；

图7以剖视图示出根据第四实施例的牙轮钻具；

图8以剖视图示出根据第五实施例的牙轮钻具，以及；

图9示出根据第六实施例的牙轮钻具。

具体实施方式

图1和图2在其余部分没有详细示出的、用于在示意性示出的采掘面1上采掘如岩石等材料的机器中示出机器头部2，该机器头部通过驱动轴3围绕机器头部2的中轴线4旋转。机器头部2例如可以通过驱动轴3支承在隧道掘进机、巷道掘进机、部分断面掘进机或全断面掘进机、或者利用冲击叠加工作的机器上。在所示出的实施例中，机器头部2具有三个轴头容纳部5，在这些轴头容纳部中分别支承一个钻具轴6。在每个钻具轴6的自由的、在正面2′上从机器头部2中伸出的轴端7上抗旋转地固定一整体上以标号10表示并按背面截割原理工作的牙轮钻具。如在图2中就已经可以良好地看出的那样，牙轮钻具或牙轮钻头10是在一侧为锥形的切割盘，该切割盘在周边上具有锥形朝自由的端侧11扩展的切割面12。钻具轴6围绕钻具轴6的旋转轴线M可旋转地支承在容纳部5中，并且支承是通过两个贴靠在钻具轴6的轴体上的、通过一套管8彼此隔开的径向轴承30以及另外一个贴靠在后面的轴端7′上的推力轴承31来实现的，该推力轴承顶靠支承在盖板32上，该盖板通过多个螺栓33固定在机器头部2的背侧上并封闭轴容纳部5。在牙轮钻头10已拆下并且挡圈34已拆下时，可以在机器头部2的背侧将钻具轴6从轴容纳部5中取出。在图2中上方的径向轴承30形成一浮动轴承，而下方的径向轴承30形成一固定轴承。整个轴容纳部5通过轴密封件59保护，防止污染物侵入和湿气侵入。推力轴承31用于即使在轴向力很高时也非常有利地在后面的轴端7′上支承钻具轴6，这种高的轴向力在背面截割地破除材料块1′时-如图2中所示-可能在采掘面1上出现。

在日常使用中，机器头部2在工作方向A上通过摆臂或工作机器的运动而运动。同时，机器头部2围绕中轴线4在箭头方向R(图1)上旋转。由于钻具轴6自由转动地支承，因此牙轮钻头10也可以围绕中心轴线M转动运动，由此，在图2中在剖开示出的牙轮钻头10上用黑色条示出的切割面12在周边上可以均匀地磨损。通过机器头部2的旋转运动和在牙轮钻头10上锥形或楔形的切割面12，在箭头A的方向上层状地以背面截割方式剥除待剥除的材料。

图3和4示出图1和2的牙轮钻头10的细部。图3示出在日常使用中面向于机器头部的下侧13，该下侧具有锥形朝向外周14扩展的切割面12。牙轮钻头10具有实心的、整体的支承体15，该支承体一体地设有用于钻具轴(7，图2)的自由端部的轴头部容纳部16以以及与中轴线M同心地设有固定螺栓(9，图2)的中心孔17，以便使支承体15抗旋转地与钻具轴的轴端连接。特别是可以由钢制成的支承体15具有一在周边上为圆柱形的颈部段18，该颈部段从牙轮钻头10的下侧13起延伸。颈部段18一体地过渡到锥形扩展的凸缘段19中。在支承体15的凸缘段19的锥形的外周壁20上形成切割面12，该切割面在此由表面硬化层或硬质合金涂覆层构成。根据本发明切割面12由优选地比支承体15的材料明显更耐磨和更硬的材料制成。构成切割面12的硬质合金覆盖层或表面硬化层均匀环绕地在凸缘段19的外周壁20上延伸。牙轮钻头10的、背向轴头部容纳部16的、相对于中轴线M以垂直角度分布的端侧11同时设有一中央的凹部21，该凹部这里在支承体15的轴向长度的大约三分之一上延伸。凹部21例如可以由在支承体15的端侧11上的车削部构成或者由用其他方式制成的凹口构成，该凹部形成一自由空间，该自由空间将由支承体15在端侧11上所提供的材料的横截面限制在一狭长的环形板条22上。该狭长的环形板条22在径向方向上、即垂直于牙轮钻头10的中心轴线M从凹部21的底部23一直到端侧11为止而具有不变的板条厚度。凹部21形成一自由空间并连同较硬的切割面12以及较软的、板条状的支承体15组成的不同的材料副一起促成了或者说有助于实现对牙轮钻头10的切割面12的自动的再磨锐。由于切割面12在背面截割地进行剥除时与待剥除的材料处于啮合状态，因此切割面12特别是在边缘刃14上缓慢地磨损。当然，一旦切割刃14磨损，则支承体的明显较软的材料也就在端面11上由待采掘的材料马上被磨去，因此，始终是锋利地成弯角的和硬化的切割刃14在切割面12到端侧11的过渡部上与待剥除的材料处于作用接合。这种自动的再磨锐效应直到在图4中所标明的磨损界线V为止都一直存在，该界线略微高于凹部21的底部23并且可以在被引入到机器头部中的复位力基本上不变的情况下每个牙轮钻头10都可以被磨损至该界线为止。为了在图3和4中所示的牙轮钻头10中有利于实现环形板条22的保持不变的径向壁厚，支承体15的设计为环形板条22的凸缘段19的内周壁24基本上以与切割面12以及外周壁20相同的锥角或倾斜角相对于中心轴线M延伸。所述锥角或倾斜角在所示出的实施例中为大约45°。

图5示出根据另一个实施例的牙轮钻头60。如在前面的实施例中一样，该牙轮钻头60具有一体的支承体65，该支承体具有锥形朝向外棱边64扩展的切割面62。在支承体65的下侧上在中央也在圆柱形的颈部段66中形成钻具轴的轴端的轴头部容纳部67。然而与前面实施例的不同之处在于，切割面62不由表面硬化层或涂覆层构成，而是该锥形扩展的切割面62通过多个，这里例如是十七个切割区段构成，这些切割区段焊接或以其它方式固定在支承体65的锥形的外周壁上。根据本发明每个切割区段90都具有明显比支承体65的材料高的硬度，并且支承体65沿径向在凸缘段(在该凸缘段的锥形扩展的外周壁上支承切割区段90)后面具有环形板条，该环形板条设有凹部作为自由空间，以便即使在由切割区段90构成的切割面62中也能实现自动的再磨锐效应。

在图6中示出牙轮钻头110的另一个实施例，该牙轮钻头具有实心的、一体的支承体115，该支承体一体地具有包括轴头部容纳部116的颈部段和连接在该颈部段上的并锥形扩展的凸缘段119，该凸缘段在中央设有凹部121，从而在切割面112的背面上仅形成一个带有恒定厚度的环形板条作为支承体115的起支承作用的部件。和图5中的实施例相同，切割面112不由环形的硬化层而是由单个的切割区段140构成，各切割区段焊接在环形板条122的锥形向外扩展的外周壁120上。与前面实施例的不同之处在于，环绕地用覆盖层145在切割面112的整个轴向长度上覆盖所有切割区段140。在所示的实施例中，覆盖层145接近从切割刃114在切割面112到端侧111的过渡部上一直延伸至颈部段118的圆柱形的外周。替代连续的覆盖层，也可以有一个或多个环形件环绕各单独的区段140，以便有助于其在凸缘段119的范围中在环形板条式的支承体上的锚固。覆盖层145或环形件的材料优选地不仅明显比切割区段140的材料软而且也支承体115的材料软或者至少近似地与该材料一样柔软。覆盖层145例如可以被补焊。

在图7中示出一牙轮钻头210，其中支承体215也具有颈部段218和锥形扩展的凸缘段219，该凸缘段由于端侧211中的凹部221而沿径向在切割面212后方向逐渐变细到一具有锥形延伸的外周壁220以及与外周壁平行延伸的内周壁224的环形板条222。切割面212由表面硬化层、补焊的耐磨层或由施加的切割区段构成，并且比环形板条222中的支承体的材料硬。支承体215在钻具轴206的轴端207上的抗旋转的固定这里通过单独的夹紧盘235实现，该夹紧盘可以通过固定螺栓209相对于轴端207旋紧。轴端207设计成多级台阶式的并且在中央具有盲孔227，而在外部具有台阶228。支承体215的设有圆柱形的中心孔225的颈部段218位于轴端207的外部的台阶228上。支承体215可以以其中心孔225套装到轴端207上的台阶228上。在中心孔225到凹部221的底部223的过渡部上形成斜的夹紧面226，夹紧环可以以其周边上的对应斜面236通过拧紧螺栓209而夹紧在该夹紧面上。这两个斜的夹紧面226，236的共同作用将支承环215夹紧在轴端207上，从而使其抗旋转地并同时可拆卸地固定在钻具轴206上。支承体215的材料明显比切割面212的材料软，从而在与凹部221的共同作用中在切割面212上建立再磨锐效应。

图8示出了根据本发明的牙轮钻头310的另一个实施例，该牙轮钻头可固定在钻具轴的多级台阶状的轴端307上。牙轮钻头310具有切割环346，其具有圆柱形的颈部段347和锥形向外板条状扩展的凸缘段348。凸缘段348以其外周面构成用于背面截割地剥除岩石的切割面312。整个切割环346由比支承体315耐磨的材料制成，该支承体在牙轮钻头310中同时地构成用于通过固定螺栓309将切割环346固定夹紧在轴端307上的夹紧件。为了实现再磨锐效应，同时地构成夹紧件的支承体315具有环形板条状向外扩展的凸缘段319，该凸缘段过渡到一底部段375中，该底部段在支承体315的内周壁324的内部限定一自由空间321。支承体315可以松动地贴靠在切割环346上或与其固定连接，但其中在安装状态中环形板条状的凸缘段319以其外周壁320贴靠或压靠在切割环346的外壳内表面348′上。切割环346在轴端307上的抗旋转的锚固通过在轴端307上的夹紧斜面326以及在切割环346的下侧到切割环346的中心孔325的过渡部上的夹紧斜面336的共同作用来实现。即使在该牙轮钻头310中，各自的切割刃也可以自动地再磨锐，这通过根据本发明设定的自由空间321与切割环346和支承体315的沿径向方向上在切割面312后面逐渐减缩的环形板条322的不同的材料的组合来实现。

图9示出牙轮钻头410的第六实施例，该牙轮钻头也可以通过固定螺栓409抗旋转地固定在台阶状的轴端407上。在这里也在由硬质合金或类似物制成的切割环446上形成切割面412，并且该切割面在切割环446上由锥形扩展的圆周面构成。切割环446在轴端407上的锁定通过夹紧盘435实现，该夹紧盘在圆周边缘上具有夹紧斜面436，该夹紧斜面压靠在切割环446上的另一个夹紧斜面426上。但在该牙轮钻头410中，支承体415仅由具有平行四边形的横截面和彼此平行的外周壁420以及内周壁423的环形体构成。支承环焊接或锚固在切割环446的板条状的凸缘段428的内周面428′上。支承环415设计得尽可能薄，以便实现，即一体地在切割环446上形成的切割面412设计得对于背面截割过程足够坚固。

在所有的实施例中，切割面的材料应该具有明显高于支承体的材料的强度或硬度。不同的硬度级可以根据应用目的的不同而改变。对于支承体采用钢以及对于切割面通过堆焊施加的硬质合金仅是示例性的，而不是将保护范围局限于上述情况。