Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Trennen harter und spröder Werkstoffe wie
Stein, Beton oder Asphalt, mit einem Schneidsegmentträger aus Stahl, der eine
Aufnahme zur drehfesten Befestigung an einer Antriebswelle aufweist, und an dem
Schneidsegmente befestigt sind, welche aus einem Sinterwerkstoff bestehen, in den
Diamanten eingebettet sind und deren Stirnflächen die Schnittflächen bilden, wobei die
Schneidsegmente vorzugsweise jeweils mit ihrer Grundfläche an einer hierzu parallelen
Haltefläche des Schneidsegmentträgers angelötet sind.
Derartige Werkzeuge werden als Diamant-Bohrkrone zum Bohren im felsigen Untergrund
eingesetzt. In diesem Fall ist der Schneidsegmentträger ein Stahlrohr, häufig
auch Kernrohr genannt, an dessen einer Stirnseite in regelmäßigen Winkelabständen
die Schneidsegmente angeordnet sind und an dessen anderer Stirnseite die Aufnahme
zur Verbindung mit der Antriebswelle angeordnet ist. Eine derartige Diamant-Bohrkrone
ist beispielsweise bekannt aus der DE 36 00 189 C2. Hierbei weisen die
Schneidsegmente eine rhomboedrische Form auf, deren Rückseite mit einem dreieckigen
Prisma aus diamantfreiem Material hinterfüttert ist. Die Vorderfläche des rhomboedrischen
Segments ist zur Längsrichtung des Kernrohrs leicht geneigt. Die Schnittfläche
ist gegenüber massiven, rechteckigen Schneidsegmenten verkürzt. Durch die
verkürzten Wärmetransportwege reduziert sich die thermische Belastung der in aller
Regel wassergekühlten Diamant-Bohrkrone. Außerdem ist durch den trapezförmigen
Spülkanal die Zufuhr der Spülflüssigkeit verbessert.
Das Werkzeug kann ebenfalls als Diamantsägeblatt ausgebildet werden. In diesem Fall
sind die Schneidsegmente in regelmäßigen Abständen an der äußeren Umfangsfläche
einer Stahlscheibe, die den Schneidsegmentträger bildet, angeordnet. Ein derartiges
Werkzeug ist beispielsweise in der EP 0 590 408 A1 offenbart.
Der Sinterwerkstoff (auch Bindung genannt) ist in der Regel ein Sintermetall, beispielsweise
eine Kobalt-, Kupfer-, oder Wolframlegierung. Es können sowohl synthetische
als auch natürliche Diamanten verwendet werden. Die Korngrößen der Diamanten
liegen üblicherweise zwischen 30/40 mesh und 50/60 mesh.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Diamantwerkzeug zu schaffen, bei dem die thermische
Belastung der Schneidsegmente auf ein Mindestmaß reduziert ist, welches einfach
und kostengünstig herstellbar ist und die Erzielung hoher Schnittleistungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schnittflächen jedes
Schneidsegments zur Richtung der Schnittbewegung um einen Winkel von mehr als 15°
und weniger als 40° derart geneigt sind, daß die Schnittflächen auf das zu schneidende
Material auflaufen.
Mit anderen Worten sind alle Schnittflächen der Schneidsegmente um einen Kleinen
Winkel zur Schnittrichtung, d.h. zur Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstoffes
geneigt, so daß zwischen der in Schnittrichtung vorderen Kante des Schneidsegmentes
und der Oberfläche des zu bearbeitenden Materials ein Spalt besteht und das Schneidsegment
lediglich im Bereich seiner hinteren Kante in Kontakt mit der genannten
Oberfläche steht. Dieses Auflaufen der Schnittflächen ist für den Trennvorgang mittels
diamanthaltiger Schneidsegmente besonders vorteilhaft. Obwohl die erfindungsgemäßen
Werkzeuge in ihrer äußeren Form einem Säge- oder Fräswerkzeug mit diskreten
Säge- oder Fräszähnen gleichen, ist der Trennvorgang eher mit einem Schleifverfahren,
d.h. mit einem Spanvorgang mit unbestimmter Schneide zu vergleichen. Der spröde
Werkstoff wird lediglich von den aus der Oberfläche der Schneidsegmente herausragenden
Kanten der Diamanten zerspant. Nach einer gewissen Zeit brechen die
Diamanten aus dem Sinterwerkstoff heraus und setzen neue Diamanten zur Durchführung
der Zerspanung frei.
Bei dem erfindungsgemäßen Werkzeug besteht schon bei neuen Schneidsegmenten
allein an der in Schnittrichtung hinteren Kante der Schnittfläche Kontakt mit dem zu
bearbeitenden Werkstoff. Bei zunehmender Abnutzung der Schneidsegmente rundet die
Kante ab und bewegt sich auf dem Schneidsegment in Schnittrichtung etwas nach
vorne. Der durch Bearbeitung bereits abgenutzte hintere Bereich des Schneidsegmentes
ist in der Regel bauchig gewölbt, so daß weiterhin nur entlang einer diskreten Linie
Kontakt mit dem zu bearbeitenden Werkstoff besteht. Durch diesen im wesentlichen
linienförmigen Kontaktbereich, dessen Breite der Segmentbreite entspricht, ergeben
sich extrem kurze Wärmetransportwege für die Abfuhr der Schneidwärme, die bei der
Bearbeitung entsteht. Es hat sich bei Versuchen herausgestellt, daß die erfindungsgemäßen
Schneidsegmente im Vergleich zu Segmenten mit langen Kontaktbereichen
zum bearbeitenden Werkstoff eine erheblich längere Lebensdauer haben.
Die vorteilhafte Kühlung wird zusätzlich dadurch unterstützt, daß die auflaufende
Schnittfläche des Schneidsegments auf das im Schnittbereich vorhandene Wasser
aufläuft und dadurch das Wasser in den Kontaktbereich zwischen der Schnittfläche des
Schneidsegmentes und dem zu bearbeitenden Werkstoff hineindrückt. Auf diese Weise
wird sichergestellt, daß im direkten Zerspanbereich ausreichend Kühl- und Spülflüssigkeit
vorhanden ist, welche eine übermäßige Erhitzung der Schneidsegmente verhindert
und die Abfuhr des zerspanten Materials sicherstellt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform mit optimalen Standzeiten der Schneidsegmente
entspricht die Länge jedes Schneidsegments etwa dem 1,5- bis 2,5-fachen der
Höhe des Schneidsegments. Die Breite der Schneidsegmente entspricht etwa dem 0,1- bis
0,3-fachen Wert der Länge der Schneidsegmente. Die Länge der Schneidsegmente
liegt meist bei etwa 20 mm.
Um die Erfindung bei einer besonders einfachen Geometrie des Segmentträgers zu
realisieren, können die Grundflächen der Schneidsegmente und die Halteflächen des
Segmentträgers parallel zur Richtung der Schnittbewegung verlaufen. Im Falle der
Bohrkrone liegen dann die Halteflächen in einer radialen Ebene des Kernrohres. Im
Falle des Diamant-Sägeblatts entspricht der Verlauf der Halteflächen im wesentlichen
dem Verlauf der Umfangsfläche des scheibenförmigen Segmentträgers. Die Segmente
weisen in diesem Fall eine im Sinterverfahren einfach zu realisierende Keilform auf.
Alternativ ist es möglich, daß die Grundfläche der Schneidsegmente parallel zu deren
Schnittfläche verläuft. In diesem Fall müssen die parallel zu den Grundflächen
liegenden Halteflächen der Segmentträger geneigt verlaufen. Im Falle der Bohrkrone
müssen die Halteflächen sägezahnartig in die Stirnfläche des Kernrohres eingearbeitet
sein. Im Falle des Diamant-Sägeblatts sind die Halteflächen sägezahnartig in die äußere
Umfangsfläche des Segmentträgers eingearbeitet. Diese Ausführungsform hat den
Vorteil, daß die in Schnittrichtung wirkende Schnittkraft eine senkrecht zur Haltefläche
verlaufende Komponente aufweist, die sich als Druckkraft gegen die Haltefläche abstützt.
Die Schnittkraft an jedem Schneidsegment muß daher nicht ausschließlich von
der Verlötung aufgenommen werden, sondern stützt sich teilweise direkt gegen die
Haltefläche ab.
Bei der Diamant-Bohrkrone ist darauf zu achten, daß die Schneidsegmente entsprechend
der Krümmung des Kernrohrs gekrümmt sind.
Bei dem Diamant-Sägeblatt kann die Grundfläche der Schneidsegmente gemäß der
Krümmung der äußeren Umfangsfläche der Stahlscheibe gekrümmt sein. Alternativ
können ebene Abschnitte in die äußere Umfangsfläche der Stahlscheibe eingearbeitet
werden, auf welche gerade Grundflächen der Schneidsegmente aufgelötet werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der folgenden Zeichnungsbeschreibung. Die Zeichnungen zeigen in
- Fig. 1
- eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Diamant-Bohrkrone,
- Fig. 2
- die Unteransicht der Diamant-Bohrkrone aus Fig. 1,
- Fig. 3
- eine vergrößerte Darstellung der Draufsicht auf die Schnittfläche eines Schneidsegments
der Bohrkrone aus Fig. 1 und
- Fig. 4
- eine vergrößerte Seitenansicht des Schneidsegments aus Fig.3,
- Fig. 5 bis 8
- eine alternative Ausführungsform einer Diamant-Bohrkrone
in den Fig. 1 bis 4 entsprechenden Darstellungen,
- Fig. 9
- eine Seitenansicht einer erstene Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Diamant-Sägeblattes,
- Fig. 10
- eine geschnittene Darstellung des Sägeblattes aus Fig. 9,
- Fig. 11
- eine vergrößerte Ansicht des Schneidsegments des Sägeblattes aus Fig. 9,
- Fig. 12 bis 14
- eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemmäßen
Diamant-Sägeblattes in den Fig. 9 bis 11 entsprechenden Darstellungen.
Die in der Fig. 1 dargestellte Diamant-Bohrkrone umfaßt ein Kernrohr 1, an dessen
oberer Stirnfläche eine Aufnahme 2 zur Befestigung an einer Antriebswelle angeordnet
ist. An der unteren Stirnfläche sind zwölf Schneidsegmente 3 angeordnet. Die Schneidsegmente
3 haben in der Seitenansicht einen rechteckigen Grundriß und sind in
Draufsicht entsprechend der Krümmung des Kernrohrs 1 gekrümmt. Sie bestehen aus
einem Sintermetall, beispielsweise einer Kobaltlegierung, in dem Diamanten eingefaßt
sind. Die Korngrößen der Diamanten liegen üblicherweise zwischen 30/40 mesh und
50/60 mesh.
Die freie Schnittfläche 4 der Schneidsegmente 3 ist um einen Winkel α von etwa 20°
zur radialen Ebene des Kernrohrs 1, in der die Schnittrichtungen S der Schneidsegmente
liegt, geneigt. Die in Schnittrichtung S hintere Kante 5 der Schnittfläche 4 liegt
in axialer Richtung am weitesten vorne und bildet bei neuen Schneidsegmenten 3 die
Kontaktlinie mit den, zu bearbeitenden Werkstoff.
Die der Schnittfläche 4 gegenüberliegende Grundfläche 6 der Schneidsegmente 3 ist
jeweils auf eine der sägezahnartig in die vorderen Stirnfläche des Kernrohrs 1 eingearbeitete
Halteflächen 7 mit einem Hartlot 8, insbesondere Silberlot, aufgelötet. Auch die
in Schnittrichtung vordere Fläche 9 jedes Schneidsegments 3 ist an einer Stützfläche
des Kernrohrs 1 festgelötet. Alternativ sind andere Befestigungsverfahren möglich,
z.B. Läserschweißen, wobei der Werkstoff des Segmentträgers aufgeschmolzen wird
und die Verbindung gegenüber dem Löten erheblich höhere Kräfte aufnehmen kann.
Vorzugsweise beträgt die Länge jedes Schneidsegmentes etwa 20 mm, die Breite etwa
4 mm und die Höhe etwa 10 mm.
Die Fig. 5 bis 8 zeigen eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Diamant-Bohrkrone. Das Kernrohr 1' dieser Bohrkrone weist eine glatte, kreisringförmige
Stirnfläche auf, auf welche keilförmige Schneidsegmente 3' aufgelötet sind.
Die Schnittflächen 4' dieser Schneidsegmente 3' sind ebenfalls um einen Winkel α von
20° zur Schnittrichtung S in der radialen Ebene des Kernrohrs 1' geneigt. Vorteilhafterweise
entfällt bei dieser Ausführungsform die Bearbeitung der freien Stirnfläche des
Kernrohrs 1'. Als Nachteil ergibt sich, daß das Hartlot 8 die gesamten Schnittkräfte
aufnehmen muß, da entgegen der Schnittrichtung S keine Stützfläche vorhanden ist. In
der Regel ist das Hartlot 8 aber ausreichend fest zur Aufnahme dieser Kräfte. Die
Herstellung der keilförmigen Schneidsegmente 3' im Sinterverfahren hat den Vorteil,
daß gegenüber den Schneidsegmenten 3 mit rechteckigem Querschnitt sowohl Sintermaterial
als auch Diamanten eingespart werden können.
Die Fig. 9 bis 11 zeigen ein Diamant-Sägeblatt mit Schneidsegmenten 13 mit rechteckigem
Querschnitt. Die Schneidsegmente 13 sind an einer Stahlscheibe 11, die den
Schneidsegmentträger bildet, befestigt. In der Mitte der Stahlscheibe 11 ist die
Aufnahme 12 für eine Antriebswelle angeordnet. Wiederum ist die Schnittfläche 14 der
Schneidsegmente 13 um einen Winkel α von etwa 20° zur Richtung S der Schnittbewegung
geneigt, welche bei dem Diamant-Sägeblatt im Umfangsrichtung verläuft.
Zur Ausbildung der geraden Halteflächen 17 weist die Stahlscheibe 11 sägezahnartige
Aussparungen auf. An jeder geraden Haltefläche 17 ist eine Grundfläche 16 eines
Schneidsegments 13 festgelötet. Auch die Vorderflächen 19 der Schneidsegmente 13
sind an komplementären Flächen der Stahlscheibe 11 festgelötet.
Die Fig. 12 bis 14 zeigen eine alternative Ausführungsform des Diamant-Sägeblattes.
Hier ist die Grundfläche 16' der Schneidsegmente 13' entsprechend der Umfangsfläche
der Stahlscheibe 11, welche die Halteflächen 17' bildet, gekrümmt. Die Schneidsegmente
13' verlaufen, wie bei der Diamant-Bohrkrone aus den Fig. 6 bis 8, keilförmig.
Bezugszeichen
- 1, 1'
- Kernrohr
- 2
- Aufnahme
- 3, 3'
- Schneidsegment
- 4, 4'
- Schnittfläche
- 5, 5'
- hintere Kante der Schnittfläche
- 6, 6'
- Grundfläche des Schneidsegments
- 7, 7'
- Haltefläche des Kernrohrs
- 8
- Hartlot
- 9, 9'
- Vorderfläche
- 11, 11'
- Stahlscheibe
- 12
- Aufnahme
- 13, 13'
- Schneidsegment
- 14, 14'
- Schnittfläche
- 15, 15'
- hintere Kante der Schnittfläche
- 16, 16'
- Grundfläche des Schneidsegments
- 17, 17'
- Haltefläche der Stahlscheibe
- 19, 19'
- Vorderfläche
- S
- Schnittrichtung
- α
- Neigungswinkel