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Gesteinsschlagbohrer mit radialen und exzentrisch gerichteten Hartmetallschneiden
Die Erfindung betrifft Schlagbohrer für Gestein oder andere .Bohrobjekte, z. B.
Beton, mit Schneiden aus Hartmetall oder entsprechend verschleißfestem Stoff. Unter
Hartmetall werden dabei z. B. die Wolfram- oder Titankarbide verstanden. Es ist
am üblichsten, für jede Schneide eines Schlagbohrers einen besonderen Hartmetallkörper
zu erzeugen, der in den Bohrkopf in geeigneter Weise eingesetzt wird. Es steht dem
aber nichts im Wege, die gesamte Schneidegruppe eines Schlagbohrers in Gestalt eines
gemeinsamen Formkörpers zu bilden, der mit dem Bohrkopf in geeigneter Weise verbunden
wird. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Willigkeit der Gesteine unter
dem Schlag einer Bohrerschneide bis zu einem gewissenAbstand von einer bereits geschlagenen
Kerbe in groben Stücken abzuspalten, zugunsten größerer Bohrleistung und geringerer
Zertrümmerungsarbeit, und dadurch auch Verringerung des gesundheitsschädlichen Feinstaubes
besser auszunutzen.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei sonst richtig gewähltem
Versetzwinkel, d. h. dem Winkel, um den der Bohrkopf zwischen den einzelnen Schlägen
verdreht wird, der Anteil der Zertrümmerungswirkung an
der gesamten
Schneidenarbeit davon abhängt, wie oft die Schneiden beim Schlag früher geschlagene
Kerben im Gestein kreuzen, in wie spitzem Winkel dies geschieht und wie nahe sie
ihnen dabei stellenweise in paralleler oder nahezu paralleler Lage kommen. Dabei
ist die weitere Erkenntnis wesentlich, daß die Zertrümmerung dann am stärksten und
damit die Spaltleistung am niedrigsten ausfällt, wenn eine Schneide genau in eine
schon vorher geschlagene Kerbe trifft. In allen den genannten Fällen fehlt es für
das Abspalten möglichst grober Splitter und die Entstehung möglichst wenig feinen
Staubes an der Grundbedingung, daß die schlagende Schneide in solcher Entfernung
von einem schon geschlagenen Kerbenrand angreifen soll, daß das betreffende Gestein
nach diesem Kerbenrand hin willig in nicht zu kleinen Stücken abspaltet. Die richtige
Entfernung ist hierbei von dem Widerstand des Gesteins gegen die Abspaltung abhängig
und kann dementsprechend verschieden gewählt werden.
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Die Erfindung besteht in Berücksichtigung dieser Erkenntnis zunächst
darin, daß nur eine radial stehende Schneide verwendet wird, die mindestens bis
zum Mittelpunkt der Bohrkrone oder darüber hinaus reicht. Radiale Schneiden haben
an sich stets den Nachteil, daß sie in vorher geschlagene radiale Kerben genau passend
zu stehen kommen können uns dann die ungünstigste Zertrümmerung verursachen. Es
ist aber ohne eine solche radiale Schneide deswegen nicht auszukommen, weil nur
Schneiden, welche durch den Mittelpunkt gehen, die gesamte Mitte des Bohrloches
bearbeiten. Jede nicht bis zur Mitte gehende Schneide würde eine bestimmte Kreisfläche
I ganz unbearbeitet lassen. Auf dieser Kreisfläche würde der Bohrkopf stumpf und
infolgedessen nur zertrümmernd unter Erzeugung auschließlich feinsten Staubes arbeiten.
i Auch wenn man diese Kreisfläche als Mündung eines Spülkanals im Bohrkopf ausbildet,
entstehen Nachteile, die die Erfindung vermeiden will. Auf der Bohrsohle wird gegenüber
dieser Mündung allmählich ein Zapfen emporwachsen, an dem die Mündung bei jedem
Schlag an irgendeiner Seite teils Zertrümmerungsarbeit, teils Reibungsarbeit leistet,
weil der Bohrkopf sich nicht so genau zentrisch führen läßt, daß dieser Zapfen bei
jedem Schlag reibungsfrei in die- Mündung tauchen , könnte. Bis der Zapfen abbricht,
wird also der Schlag des Hammers dadurch gebremst. Die Spülung wird durch ihn auch
noch eine gewisse Zeit nach dem Abbrechen wie schon vorher verstopft. An dem Zapfen
ist dann noch nach dem Abbrechen weitere unniitze Zertrümmerungsarbeit zu leisten.
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Außer dieser radialen Hauptschneide sieht I die Erfindung nur noch
exzentrisch gerichtete Hilfsschneiden vor, die in ihrer Länge vom äußeren Endpunkt
nach einwärts gemessen dahin beschränkt sind, daß die von ihnen geschlagenen Kerben,
z. B. i ä Umsetzungen auf eine volle Umdrehung des Bohrgestänges, diejenigen von
der radialen Schneide geschlagenen höchstens dreimal kreuzen und damit auch die
von ihnen selbst geschlagenen Kerben einander an ihren inneren Enden nicht zu nahe
kommen oder sich dort gar in sehr spitzem Winkel kreuzen. Auf diese Weise wird eine
zweite Hauptquelle nutzloser Zertrümmerungsarbeit des Gesteins vermieden.
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Zwei weitere Erfordernisse der Erfindung sind eine derart symmetrische
Verteilung aller Schneiden auf die Bohrkronenfläche, daß die resultierende Schlagwucht
aller Schneiden kein Verlaufen des Bohrers verursacht, sowie die Vermeidung von
Winkelschneiden, welche noch schädlicher als Kerbkreuzungen wären.
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Gesteinsschlagbohrer, welche den vorgenannten Regeln entsprechen,
weisen eine größere Bohrleistung bei geringerer Erzeugung von Feinstaub auf.
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Die Erzielung grobkörnigen Bohrkleins kann erfindungsgemäß weiter
dadurch gefördert werden, daß die Hilfsschneiden zu einer ihnen auf noch abspaltbare
Entfernung nahe kommenden radialen Kerbe parallel oder annähernd parallel angeordnet
«-erden. Hierdurch wird erreicht, daß in dem von den exzentrischen Schneiden bearbeiteten
Außenkranz der Bohrsohle die Abspaltung von sektorförmigen Flächen zugunsten der
von gleichmäßiger Breite verringert wird, die die Schlagwucht stets am günstigsten
ausnutzen.
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Um den verschiedenen Widerstand, den die verschiedenen Gesteinsarten
der Spaltarbeit der Bohrkrone entgegensetzen, zu berücksichtigen, gibt die Erfindung
die weitere Regel, daß der zwischen den Hilfsschneiden und dem durch ihren äußeren
Endpunkt gezogenen Radius gebildete Winkel mit zunehmendem Widerstand abnehmen soll.
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Die günstigste Ausführungsform besteht schließlich erfindungsgemäß
darin, daß das der radialen Schneide allein zugewiesene @E-irkungsfeld bis oder
annähernd bis zur noch abspaltbaren Sektorbreite des Gesteins am Umfang dieses Wirkungsfeldes
ausgedehnt und der anschließende Außenkranz durch die Kerben der Hilfsschneiden
in Streifen etwa derselben Breite aufgeteilt wird.
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Gesteinsschlagbohrer mit radialen mid exzentrisch gerichteten Hartmetallschneide»
sind an sich bekannt; entweder reicht aber bei ihnen die radiale Schneide nicht
bis zur Mitte, wodurch die bereits oben geschilderte unnütze Zertrümmerungsarbeit
geleistet 1>z«-. die Schlagwucht der Schneiden gebremst
wird, oder
die exzentrischen Schneiden besitzen eine größere Länge, mit der Folge vermehrter
Kreuzungen mit den radialen Kerben, insbesondere solchen unter sehr spitzem Winkel
auch der eigenen Kerben untereinander, wie sie dann namentlich in der Nähe der Achse
entstehen und dort in ihrer Gesamtheit meist in einem vollen Ring dicht beieinanderliegen.
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Bekannt sind ferner Gesteinsschlagbohrer, die zwar eine einzige radiale,
bis zur Mitte reichende Schneide und dazu mehrere exzentrisch gerichtete besitzen,
die sich innerhalb der oben gegebenen Längsbegrenzungen halten; ihnen gesellt sich
aber eine exzentrisch verlaufende bogenförmige Schneide zu, welche über das Doppelte
der Länge der exzentrischen Schneiden besitzt. Diese erzeugt infolgedessen namentlich
mit ihrem der Achse nahe liegenden Bereiche eine große Anzahl von Kerbkreuzungen
der spitzesten Form, sowohl untereinander wie mit den Kerben der exzentrischen Schneiden.
Die an sich brauchbare Anordnung der letzteren kann nun gar nicht ihre Leistungsfähigkeit
entfalten, weil die Bogenschneide mit Zertrümmerungsarbeit belastet ist und sogar
noch die exzentrischen Schneiden mit solcher belastet und so das Feld für gute Spaltarbeit
sehr beschränkt.
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Man könnte an sich die Erfindung auch mit schwach gekrümmten - Schneiden
ausführen, wenn man die schwierigere Herstellung und das ebenso schwierigere Nachschleifen
solcher Schneidenformen in Kauf nehmen will.
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Es gibt schließlich noch Gesteinsschlagbohrer, bei denen eine große
Anzahl sehr kurzer exzentrisch gerichteter Schneiden in einem Ring oder zwei konzentrischen
Ringen um die Achse angeordnet sind. Dort bleibt bei einem Ring die Mitte unbearbeitet,
bei zwei Ringen überlappen die einwärtigen Enden der äußeren Schneiden die auswärtigen
Enden der inneren Schneiden und erzeugen zu der an sich schon viel zu großen Zahl
von geschlagenen Kerben und Kreuzungen solcher noch ein besonders dichtes Gewirr
von solchen, die in einer Ringzone dicht beieinanderliegen.
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Der Erfindungsgedanke hat, weil er jeder Schneide einen günstigeren
Wirkungsgrad sichert, auch eine Verkürzung der Gesamtlänge aller Schneiden zur Folge
und damit eine Vermehrung der Schlagwucht auf die Längeneinheit der Schneiden oder
die Möglichkeit der Verwendung leichterer Hämmer. Es wird dadurch an Hartmetall
gespart und an Betriebsstoff und Anschaffungskosten der Hämmer. Die Herabsetzung
der Zertrümmerung gibt den Bohrköpfen eine längere Betriebsdauer, was wiederum eine
Ersparnis an diesem Mangelmetall mit sich bringt.
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Die Längsgrenze von drei Kreuzungen zwischen einer exzentrischen Kerbe
mit radialen Kerben bei i8 Schlägen auf eine Umdrehung ist so zu verstehen, daß
z. B. bei 2q. Umdrehungen vier, bei 30 Umdrehungen fünf und bei 36 Umdrehungen
sechs solcher Kreuzungen noch zulässig sind, was natürlich entsprechend widerstandsstarkes
Gestein zur Voraus- setzunghat. Man kann aber statt dessen oder gleichzeitig auch
die Anzahl der exzentrischen Schneiden vermehren.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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In den Abb. i bis 3 ist ein Ausführungsbeispiel in zwei rechtwinklig
zueinander liegenden Seitenansichten und einer Ansicht auf den Bohrkopf gezeigt;
die Abb. q. bis 5 geben weitere Ausführungsbeispiele nur in Ansicht gegen den Bohrkopf
gemäß Abb. 3 des ersten Ausführungsbeispiels; die Abb. 6 bis 8 geben die Schlagbilder
zu den Schlagbohrern gemäß Abb. 3 bis 5 ; die Abb.9 bis io geben charakteristische
Schlagbilder von Bohrköpfen vorbekannter Ausführung.
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Unter Schlagbild ist dabei eine Aufzeichnung der sämtlichen Schneidenstellungen
während einer vollen Umdrehung des Bohrers und bei der Wahl eines bestimmten Versetzwinkels
zu verstehen.
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In den Abb. i bis 3 ist i der Kopf, in dem die Hartmetailkörper 2
eingesetzt sind, welche die Arbeitsschneiden 3 tragen. Diese Schneiden sind die
höchsten Erhebungen des Kopfes und liegen in einer gemeinsamen Kugelkalotte, die
durch die gestrichelten Kreise q. in Abb. i und a angedeutet ist. 5 sind Spüllöcher,
die von einer zentralen Bohrung 6 her im Mittelfeld der Stirnfläche des Kopfes münden.
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Gemäß der Erfindung und wie Abb. 3 zeigt, verläuft die eine der drei
Schneiden radial vom Umfang einwärts bis wenig über den Mittelpunkt des Kopfes.
Die beiden anderen Schneiden, die im folgenden Hilfsschneiden genannt seien, sind
exzentrisch gerichtet und kürzer. In Abb. 6 ist das Schlagbild dazu gezeichnet,
welches alle geschlagenen Kerben zeigt, die bei einem Versetzwinkel von 1/1s des
Vollkreises bei 18 aufeinanderfolgenden Schlägen entstehen. Es geht daraus hervor,
daß außer den radialen Kerben durch die Hilfsschneiden ein äußerer Kranz von Kerben
entsteht, die sich je mit den radialen nur einmal kreuzen, untereinander nur zweimal.
Für Gesteinsarten, die weniger zu Staubentwicklung neigen, könnte man die Hilfsschneiden
nach der Mitte hin auch länger machen, so daß die geschlagenen Kerben sich z. B.
gegenseitig noch ein drittes Mal kreuzen, wie das in Abb. 6 und 7 angedeutet ist.
In
Abb. q. ist eine ähnliche Schneidenstellung gezeigt wie in Abb. 3. Die Hilfsschneiden
haben aber eine geringere Exzentrizität. Das dazugehörige Schlagbild zeigt Abb.
7 ebenfalls unter der Annahme von 18 Schlägen auf eine volle Umdrehung.
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Abb. 5 mit dem dazugehörigen Schlagbild. Abb. 8 weist eine Durchmesserschneide
mit parallelen Hilfsschneiden auf, die kürzer als eine Radiuslänge sind. Für das
Schlagbild sind 24. Schläge auf eine volle Umdrehung gerechnet.
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Bei jeder der Ausführungsformen Abb.3 bis 5 reicht die radiale Schneide
bis zur Mitte. Die exzentrischen Hilfsschneiden liegen, wie die Schlagbilder zeigen,
je parallel zu einer ihnen auf abspaltbare Entfernung nahe kommenden radialen Kerbe.
Der Winkel, den eine Hilfsschneide mit dem durch ihren äußeren Endpunkt gezogenen
Radius einschließt, ist um so kleiner; je größer der Widerstand des Gesteins gegen
Abspaltung ist. Er ist bei dem Schlagbild der Abb. 7 kleiner als bei Abb. 6 und
8, weil die Ausführungsform nach Abb. 4. für widerstandskräftigeres Gestein gedacht
ist als bei den Ausführungsformen der Abb. 6 und B. Die Schneiden sind symmetrisch
über die Bohrkopffläche verteilt.
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Alle Schlagbilder zeigen eine recht gleichmäßige Verteilung der Kreuzungspunkte,
so daß der Gesamtanblick gewissermaßen einen gleichmäßigen Helligkeitsgrad besitzt.
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Die Schlagbilder vorbekannter Schneidenanordnungen an Schlagbohrern
dagegen unterscheiden sich in charakteristischer Weise dadurch, daß in ihnen ausgesprochen
helle Bereiche auffallend dunkleren gegenüberstehen, in welch letzteren sich die
Kreuzungspunkte derart häufen, daß erstens eine gesundheitsschädliche Feinststaubentwicklung
die Folge ist und zweitens der Bohrfortschritt gehemmt wird.
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Abb. 9 z. B. zeigt in der Mitte einen von Kerben völlig freien Kreis,
auf dem das Mittelfeld des Kopfes stumpf arbeiten und deshalb dort lauter Feinststaub
erzeugen muß. Der freie Kreis wird umgrenzt von einem so dichten Kranz von Kerbkreuzungen,
daß auch dort ein Übermaß an Feinststaub entstehen muß. Nur der äußere Kranz weist
eine befriedigende Verteilung der Kreuzungen auf.
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Abb. io gibt ein anderes Beispiel, bei dein nur der Mittenbereich
befriedigt, der gesamte Außenkranz dagegen höchst ungünstige Verhältnisse zeigt.
Hier ist es die bogenförmige Schneide, welche besonders spitzwinklige Kreuzungen
untereinander und außerdem auch mit den anderen Hilfsschneiden erzeugt, im übrigen
sehr nahe tangentiale Berührungen benachbarter Kerben ermöglicht. Auch hier fällt
eine besondere Anhäufung von Kreuzungen unmittelbar an der Begrenzung der hellen
Mitte auf.
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Diese beiden Schlagbohrer müssen gesundheitsschädliche Staubmengen
erzeugen und geringere Bohrleistung aufweisen.