NO309954B1 - Skjærinnsats av hardmetall og fjell-borkrone for slagboring - Google Patents

Description

BAKGRUNN

Foreliggende oppfinnelse angår innsatser av hardmetallegemer og fjell-borkroner fortrinnsvis for slag-fjellboring.

I US-A-4 598 779 er det vist en fjell-borkrone som er utstyrt med et antall meiselformete skjærinnsatser. Hver innsats oppviser en styreflate som er forholdsvis skarpt forbundet med skjæreegger. En forholdsvis skarp forbindelse er ufordelaktig ved anvendelse av hardmetall (engelsk: cemented carbide). Det vil si at avflaking kan skje under hard fjellboring på grunn av spenning i forbindelsene, slik at det på lang sikt ikke kan oppnås rette hull. Heller ikke er formen til den kjente innsats optimalisert for maksimalt slitevolum. US-A-4 607 712 viser en fjell-borkrone med et antall skjærinnsatser. Arbeidsdelen av hver innsats har en halvsfærisk grunnform, til hvilken det er tilføyd ekstra volum av hardmetall. Den kjente innsats har imidlertid ikke tilstrekkelig støtte mot borehullveggen, slik at rette hull ikke kan oppnås. Dessuten er forbindelsene mellom arbeidsdelens bestanddeler forholdsvis skarpe, slik at de forårsaker de ovennevnte, for hardmetall skadelige spenninger. Dessuten inneholder den sfæriske grunnform et forholdsvis lite volum av hardmetall.

FORMAL MED OG SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å unngå eller minske proble-mene ved teknikkens stilling. Et formål med oppfinnelsen er å øke slitasjebestandigheten til hardmetallegemer fortrinnsvis for bruk i verktøy for fjellboring og mineralboring. Slitasjebestandigheten til hardmetallegemet kan økes ved å øke legeme-volumet i det område som utsettes for slitasje. For å oppnå en tydelig øking av slitasjebestandigheten, må volumet av det areal som utsettes for slitasje økes vesentlig. En tydelig øking av slitasjebestandigheten kan oppnås ved å øke volumet til yttersonen som utsettes for slitasje når verktøyet er i drift med minst 50 %, sannsynligvis 100 % eller mer. Innsatser i slag-borkroner slites mest i det område som kommer i kontakt med en hullvegg og i innsatsens topparti hvor bergarten må brytes. For å øke slitasjebestandigheten til en innsats, må yttersonens volum økes i området som kommer i kontakt med veggen og i toppartiet. Kjente verktøy har normalt innsatser med en aksial-symmetrisk topp-utforming (venstre del av fig. 12). En øking av yttersonen som utsettes for slitasje fører ofte til et ikke-aksialsymmetrisk topparti. På grunn av slitasjens beskaffenhet, som avhen-ger av bergartens egenskaper og boreforholdene, blir det en utpreget slitasje i området som kommer i kontakt med veggen eller i topp-området hvor bergarten brytes. Det er viktig å ta hensyn til dette faktum og øke yttersonens volum mest der innsatsene slites mest.

Både lengre levetid og høyere borsynk kan oppnås, ettersom den optimale geometriske struktur ikke vil bli ødelagt så fort. En vesentlig fordel med oppfinnelsen er høyere presisjon ved bruk av materialet i borkronene. Det større volum av slitefast materiale og således yttersonens høye slitasjebestandighet i området som utsettes for slitasje, sørger for rettere hull og meget bedre diametertoleranser hos det borete hull. Dessuten kan omslipings-intervallene forlenges, hvilket fører til mindre anstrengelser og farer for boreren.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen ifølge et uselvstendig krav hvor et polykrystallinsk diamantbelegg er anordnet på i det minste innsatsens arbeidsparti, er å øke innsatsens levetid selv om PCD-belegget kan ha sprukket eller flaket av.

Formålene med foreliggende oppfinnelse oppnås ved en innsats og en fjell-borkrone med de karakteristiske trekk som er angitt i de etterfølgende krav.

KORT BESKRIVELSE AV FIGURENE

Fig. 1 - 5 viser en innsats som er egnet for boring under forhold der slita-sjen på innsatsen er konsentrert i området nær veggen. Fig. 1 viser en innsats ifølge foreliggende oppfinnelse i et sideriss. Fig. 2 viser innsatsen i et annet sideriss. Fig. 3 viser innsatsen i et grunnriss. Fig. 4 viser innsatsen i et riss ifølge pilen B i fig. 2. Fig. 5 viser et tverrsnitt av innsatsen i større målestokk, som sett ved linjen C. Fig. 6-10 viser en innsats som er egnet for boring under forhold hvor slita-sjen av innsatsen er fordelt i området nær veggen og i toppområdet. Fig. 6 viser en innsats ifølge foreliggende oppfinnelse i et sideriss. Fig. 7 viser innsatsen i et annet sideriss. Fig. 8 viser innsatsen i et grunnriss. Fig. 9 viser innsatsen i et riss ifølge pilen B i fig. 7. Fig. 10 viser et tverrsnitt i større målestokk av innsatsen, som sett ved linje C. Fig. 11 viser et borehode ifølge foreliggende oppfinnelse, i et perspektivriss. Fig. 12 viser et sideriss, delvis i snitt, av et skjematisk vist borehode med en ballistisk innsats og en innsats ifølge foreliggende oppfinnelse, i et borehull. Fig. 13-18 viser tverrsnitt gjennom senteraksene til to skjærinnsatser.

NÆRMERE BESKRIVELSE AV DE FORETRUKNE UTFØRINGSFORMER AV OPPFINNELSEN

Fig. 1 viser et sideriss i større målestokk av en foretrukket utføringsform av en innsats i henhold til foreliggende oppfinnelse. Innsatsen har et generelt sylindrisk skaftparti 20 med en diameter D innenfor intervallet 4 til 20 mm, fortrinnsvis 7 til 18 mm. Innsatsens 14 monteringsende 21 har fortrinnsvis en rettavkortet konisk form som er innrettet for innføring i et hull i borehodets frontflate, se fig. 11. Hullet munner fortrinnsvis ut både i frontflaten og mantelflaten. I figurene er innsatsens senter-lengdeakse A og to rettvinklete normaler N1 og N2 vist. En linje Y er definert som arbeidsdelens 22 basis. Linjen kan være distinkt eller jevn.

Innsatsens 14 arbeidsdel 22 er delt i syv jevnt forbundne, hovedsakelig omkretsmessig og aksielt konvekse partier. Med uttrykket «jevn» eller «jevnt» menes i det følgende at to tangenter, vinkelrett på senteraksen A i sideriss, hver anordnet på adskilte sider i umiddelbar nærhet av forbindelsen, danner en vinkel t som er i området 135° til 180°, fortrinnsvis 160° til 175° (fig. 5). Et første parti 23 beskriver en generelt ballistisk form og strekker seg generelt symmetrisk på begge sider av normalen N1. Det første parti ender omkretsmessig ved symmetrisk anordnete radius-sonelinjer henholdsvis 24 og 25. Radien til det første parti i et visst aksial-tverrsnitt C er betegnet med R1. Den matematiske konstruksjon av den ballistiske form er som følger: Det første partiets 23 referanseplan X ligger under basislinjen Y i fig. 2. Det første partiets 23 konvekse krumning strekker seg fra radiene R med et sentrum Z i nærheten av skaftpartiets 20 omhyllingsflate. Sentrum Z er fortrinnsvis plassert utenfor omhyllingsflaten i en avstand I og under det aksielt fremstliggende punkt med en avstand h. Avstanden h er 4 til 8 ganger avstanden I, men mindre enn radien R. Referanseplanet X og radiene R danner en vinkel e mellom 10° og 75°.

Hver radius-sonelinje henholdsvis 24 og 25, samt normalen N1, sett i grunnriss, danner en vinkel a innenfor intervallet 45° til 85°. Det skal forstås at den ballistiske konvekse krumning radielt ytterst er forbundet med skaftpartiets 20 omhyllingsflate.

Radius-sonelinjen 24 eller 25 representerer en jevn overgang mellom det første parti 23 og et andre parti 26 eller 27. Det andre parti 26 eller 27 er bortsett fra den umiddelbare tilknytning til det første parti, anordnet generelt utenfor den ballistiske grunnform (vist med brutte linjer i fig. 1, 2 og 4). Radien R2 til det andre parti i tverrsnittet C er større enn radien R1 til det første parti. Det andre parti avsmalner hovedsakelig i senteraksens A fremad retn ing. De andre partier 26, 27 avsmalner mot det første parti 23 og danner en spiss vinkel p.

Det andre parti 26 eller 27 er videre forbundet med et tredje parti 28 eller 29. De tredje partier går over i hverandre radielt ut fra aksen A ved innsatsens frontparti. De tredje partier er kamaktige sterke kanter eller egger som maskinerer bergarten hovedsakelig i omkretsretningen. En tangent til det tredje parti ved skjæringspunktet med tverrsnittet C danner en større innvendig vinkel <(>1 i forhold til skaftpartiets omhyllingsflate enn de første og andre partiers tilsvarende tangenter. Størrelsen av vinkelen <j>1 bevirker en øking av slitasjemateriale, sammenliknet med en fullstendig ballistisk utforming og øker derved innsatsens slitasjemotstand. Det tredje parti er definert ved en radius R3 som er mindre enn både radien R1 til det første parti og radien R2 til det andre parti i tverrsnittet C (se fig. 5). Bredden av det tredje parti er hovedsakelig konstant.

Det tredje parti går jevnt over i et fjerde parti 30 som er innrettet til hovedsakelig å falle sammen med og ligge hovedsakelig i flukt med veggen til det borete hull. Det fjerde parti danner en styreflate som er innrettet til å gli på borehull-veggen. Det fjerde parti har en radius R4 i tverrsnittet C, som er meget større enn hver av de ovennevnte radier R1 og R3. En sentral tangent til partiet 30 i tverrsnittet C-C, danner en innvendig vinkel <|> i forhold til skaftets 20 omhyllingsflate. Vinkelen <{> er mindre enn tilsvarende vinkler for hvert av de andre partier 23 - 27.

En første del av basislinjen Y som er forbundet med det første parti 23, strekker seg hovedsakelig vinkelrett på senteraksen A. En andre del av basislinjen Y som er forbundet med det andre parti 24 eller 25, stiger i det minste delvis, fremover med en spiss vinkel 8 i forhold til den første del. En tredje del av basislinjen Y som er forbundet med det tredje parti 28 eller 29, oppviser det aksielt fremste punkt på hele basislinjen og er generelt definert ved en radius R6. Den tredje del er konveks. En fjerde del av basislinjen Y som er forbundet med det fjerde parti 30, er generelt definert ved en radius R5 som er større enn radien R6. Den fjerde del er konkav og dens bakerste punkt ligger aksielt foran den første

del.

Det femte parti 31 er et avrundet toppunkt hvor partiene 23, 24, 25, 26 og

27 møtes. Det fjerde parti 30 ender aksielt bak toppunktet 31. Den aksielt fremste del av det tredje parti 28 eller 29 er hovedsakelig ikke en del av toppunktet,

selv om det er forbundet med dette.

Det skal bemerkes at ved basislinjen Y, er de ovennevnte radi R1, R2, R3 og R4 i en grunnriss-projeksjon, like, dvs lik D/2.

Under visse gruvebrytingsforhold kan borinnsatser bli mer slitt på én side enn på den andre, og derfor ble det utviklet en innsats for bruk under slike forhold, dvs en innsats med et materialvolum anordnet asymmetrisk i forhold til normalen N1. Dvs volumet er anordnet på losiden og en øket klaringsflate på lesiden av normalen N1. Fig. 6 viser et forstørret sideriss av en foretrukket utføringsform av en innsats ifølge foreliggende oppfinnelse. Innsatsen har et generelt sylindrisk skaftparti 20' med en diameter D innenfor området 4 til 20 mm, fortrinnsvis 7 til 18 mm. Innsatsens 14' monteringsende 21' har fortrinnsvis en rettavkortet konisk form innrettet til å innføres i et hull (ikke vist) i borehode-frontflaten. Fortrinnsvis munner hullet ut i frontflaten såvel som mantelflaten. I figurene er innsatsens lengde-senterakse A og to rettvinklete normaler N1 og N2 vist. En linje Y' er definert som arbeidsdelens 22' base.

Innsatsens 14' arbeidsdel 22' er delt i et antall jevnt forbundne, hovedsakelig omkretsmessig og aksielt konvekse partier. Et første parti 23' beskriver en generelt ballistisk form og strekker seg asymmetrisk på begge sider av normalen N1. Det første parti ender omkretsmessig ved asymmetrisk anordnete radius-sonelinjer hhv 24' og 25'. Radien til det første parti i et visst aksial-tverrsnitt C er betegnet R1. Den ballistiske formens matematiske konstruksjon er omtalt oven-for.

Radius-sonelinjen 24' eller 25' representerer en jevn overgang mellom det første parti 23' og de andre partier 26' og 27'. Det andre parti 26' består av tre jevnt forbundne deler. En første del 26'A av det andre parti 26' og det andre parti 27' er bortsett fra den umiddelbare forbindelse med det første parti anordnet generelt utenfor den ballistiske basisform (angitt med brutte linjer i fig. 6, 7 og 10) og er generelt vinkelrett på hverandre i tverrsnittet C Radien til den første del 26'A og det andre parti 27' i snittet C er større enn radien R'1 til det første parti og er av samme størrelse som ovennevnte radius R2. Den første del 26'A og det andre parti 27' avsmalner hovedsakelig i senteraksens A aksiale fremadretning og danner en vinkel p', generelt vinkelrett på tverrsnittet C.

En andre del 26'B av det andre parti 26' er anordnet radielt utenfor den ballistiske basisform. Radien R'2B til den andre del i tverrsnittet C er større enn radien R'1 til det første parti, men mindre enn radien R2. Den andre del avsmalner hovedsakelig i senteraksens A fremadretning.

En tredje del 26'C av det andre parti 26' er også anordnet radielt utenfor den ballistiske basisform på losiden W til innsatsens normal N1. Radien R'2C til den tredje del i tverrsnittet C er større enn radien R'1 til det første parti. Den tredje del avsmalner hovedsakelig i senteraksens A fremadretning. Losiden W er den del av innsatsen som slites mest under maskinering av bergartmaterialet.

Den tredje del 26'C og den andre del 27' er videre forbundet med tredje

partier hhv 28' og 29'. De tredje partier går over i hverandre radielt ut fra aksen A ved innsatsens 14' frontparti. Det tredje parti 29' er meget større, minst to ganger større, enn partiet 28'. En tangent til det tredje parti 28' ved skjæringspunktet med tverrsnittet C danner en større innvendig vinkel <(>'1 med skaftpartiets omhyllingsflate enn tilsvarende tangenter til det første parti 23' og det tredje parti 29'. Vinkelen ()>'1 gir opphav til en ytterligere øking i slitasjemateriale sammenliknet med en fullstendig ballistisk utforming og øker således innsatsens slitasjemotstand. Det tredje parti 29' er utformet på normalens N1 leside L og definert ved en radius R'3 som er mindre enn både radien R'1 til det første parti og radien R'2 til det andre parti i tverrsnittet C (se fig. 10). Bredden av det tredje parti 28' er hovedsakelig konstant mens partiet 29' avsmalner betydelig aksielt fremover. Det tredje parti 29' danner en sterk kamaktig skjæreegg.

De tredje partier 28' og 29' er jevnt forbundet med et fjerde parti 30' som er innrettet til hovedsakelig å falle sammen med og ligge hovedsakelig i flukt med det borete hull. Det fjerde parti danner en styreflate som er anordnet til å gli på veggen. Det fjerde parti har en radius R'4 i tverrsnittet C, som er meget større enn hver av ovennevnte radi R'1 og R'3. En sentral tangent til partiet 30' danner en innvendig vinkel <j>' i forhold til skaftets 20 omhyllingsflate i tverrsnittet C. Vinkelen er mindre enn tilsvarende vinkler for hver av de andre partier 23' - 27'.

En første del av basislinjen Y' som er forbundet med det første parti 23', strekker seg hovedsakelig vinkelrett på senteraksen A. En andre del av basislinjen Y' som er forbundet med partiene 26'A og 27' stiger i det minste delvis fremover med en spiss vinkel 8' i forhold til den første del. Tredje deler av basislinjen Y' som er forbundet med det tredje parti 26'C og det tredje parti 29', oppviser det aksielt fremste punkt på hele basislinjen. En av disse tredje deler av basislinjen i forbindelse med det tredje parti 29' er konvekst i et sideriss, mens den andre tredje del som er forbundet med den tredje del 26'C er hovedsakelig rett. En fjerde del av basislinjen Y' som er forbundet med det fjerde parti 30', er generelt definert ved en radius R'5 (i sideriss) som er omtrent den samme som radien R'1. Den fjerde del er konkav og dens bakerste punkt ligger aksielt foran den første del.

Det femte parti 31' er et avrundet toppunkt hvor partiene 23', 26'A, 26'B, 26'C og 27' går over i hverandre. Det fjerde parti 30' ender aksielt bak toppunktet 31'. Den aksielt fremste del av det tredje parti 28 eller 29 er hovedsakelig ikke en del av toppunktet selv om den er forbundet med dette.

Det skal bemerkes at basislinjen Y' til ovennevnte radi R'1, R'2B, R'2C, R'3 og R'4 i en grunnriss-projeksjon, er like, dvs lik D/2.

I utføringformen vist i perspektivriss i fig. 11, er den forbedrete fjell-borkrone av slagtypen generelt betegnet med 10 og har et borehode 11, et skaft 12, en frontende innbefattende en frontflate 13 utstyrt med et antall faste hardmetallinn-satser 14 eller 14'. Fjell-borkronens 10 mantelflate 16 har en sylindrisk eller rettavkortet konisk form, som er definert i fig. 11 ved borehodet. Mantelflaten er definert ved den største diameter til borkronelegemets ståldel. Innsatsene 14,14' er innsatser i hull i borkronelegemet, slik at deres radielt ytterste flater 30, 30' hovedsakelig faller sammen med borkronens mantelflate. Det skal forstås at ordet «hovedsakelig», i denne forbindelse innbefatter en radial forskyvning på -2 til +2 mm i forhold til borkronens mantelflate 16, fortrinnsvis +0,2 til +0,5 mm. Innsatsene 14, 14' er slik anordnet at stållegemet ikke vil bli for sterkt slitt og borehul-lets 15 diameter forblir derfor hovedsakelig konstant under hele boreoperasjonen. Frontflaten 13 kan ha et antall av mer sentralt plasserte innsatser (ikke vist) av passende form, f.eks. halvsfærisk form, idet sistnevnte innsatser knuser bergart-materiale nærmere borkronens senterlinje CL. I fig. 12 er det vist en kjent løsning til venstre og en innsats ifølge foreliggende oppfinnelse til høyre, delvis i snitt. En innsats med en ballistisk arbeidsdel har et volum som er 50 % større enn en tilsvarende halvsfærisk arbeidsdel. Volumet til innsatsen 14 eller 14' er minst 50 % større enn den ballistiske form og har en levetid som kan sammenliknes med denne. I fig. 12 er en imaginær forlengelse av mantelflaten 16 tegnet med brutte linjer, for å vise forskjeller i volum hos de to innsatser.

Felles for de to ovennevnte skjærinnsatser er at i det minste ytterpartiet 22, 22' kan være forsynt med et polykrystallinsk diamantbelegg. Belegget er anordnet i det minste på innsatsens arbeidsparti for å øke innsatsens levetid selv om PCD-belegget kan ha blitt brutt eller flaket av.

Når bergarten som skal bores er ekstremt hard (f.eks. sprukket og lamellær magnetitt steinkvartsitt-bergart) vil det f.eks. være nødvendig å minske høyden mellom toppunktet og basislinjen Y, Y' for derved å øke arbeidsdelens 22, 22' gjennomsnittlige tykkelse og således øke slitasjemotstanden. Slik modifikasjon vil gi de ballistiske flater 23, 23' en generelt sfærisk form.

Claims (5)

1. Skjærinnsats av hardmetall fortrinnsvis for slagboring, med et generelt sylindrisk monteringsparti (20; 20') og et ytterparti (22; 22') anordnet ved en frontende (13) av en fjell-borkrone (10), hvilket ytterparti innbefatter en forholdsvis plan flate (30; 30') som strekker seg fra monteringspartiet i retning mot en fremre ende av innsatsen, hvilket monteringsparti har en senterakse (A), hvilket monteringsparti har en radius,karakterisert vedat ytterpartiet (22; 22') har en konvekst krummet grunnform, fortrinnsvis en ballistisk grunnform, som en hoveddel av ytterpartiet radielt rager utenfor, og ved at den forholdsvis plane flate er jevnt forbundet med andre komponenter (28, 29; 28', 29') av ytterpartiet, og at en radius (R4; R'4) hos den forholdsvis plane flate (30; 30') er større enn radien til monteringspartiet (20; 20'), og at den forholdsvis plane flate (30; 30') omkretsmessig er forbundet med minst én kamaktig skjæreegg (28, 29; 28').

2. Skjærinnsats ifølge krav 1,karakterisert vedat overgangen mellom monteringspartiet (20; 20') og ytterpartier (22; 22') danner en basislinje (Y; Y') som er konkav sett i et sideriss, ved den forholdsvis plane flate (30; 30'), for derved å danne et aksielt bakerste punkt og at det bakerste punkt er anordnet aksielt foran basislinjen ved den konvekst krumme grunnform men aksialt bak en aksialt fremste del av basislinjen.

3. Skjærinnsats ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat ytterpartiet (22; 22') er forsynt med et polykrystallinsk diamantbelegg.

4. Fjell-borkrone av slagtypen omfattende et skaft (12), et borehode (11) som er beliggende ved en fremre ende av skaftet og definerer en første lengdeakse (CL), hvilket borehode omfatter en generelt fremadvendt frontende innbefattende en frontflate (13), en mantelflate (16) som strekker seg generelt i lengderetningen og danner borehodets ytre omkrets, samt et antall hull som er utformet i front-enden og som hver har en generelt sylindrisk grunnform og opptar en hardmetall-skjærinnsats (22; 22'), som hver omfatter et generelt sylindrisk monteringsparti (20; 20') med en senterakse (A) og et ytterparti (22; 22') som strekker seg ut av hullet,karakterisert vedat ytterpartiet (14; 14') har en konvekst krummet grunnform, fortrinnsvis en ballistisk grunnform, som en hoveddel av ytterpartiet radielt rager utenfor, og ved at den forholdsvis plane flate er jevnt forbundet med andre komponenter (28, 29; 28', 29') av ytterpartiet, og at en radius (R4; R'4) hos den forholdsvis plane flate (30; 30') er større enn en radius av monteringspartiet (20; 20'), og at den forholdsvis plane flate (30; 30') omkretsmessig er forbundet med minst én kamaktig skjæreegg (28, 29; 28').

5. Fjell-borkrone ifølge krav 4,karakterisert vedat i det minste ytterpartiet (22; 22') er forsynt med et polykrystallinsk diamantbelegg.