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CN1098401C - 用于钻岩石的转动钻头和牙轮切刀 - Google Patents

用于钻岩石的转动钻头和牙轮切刀 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钻岩石的转动钻头和滚子式切刀。转动钻头(10)包括钻头体(11)和三个滚子式切刀(12，13，14)。每一滚子式切刀可转动地安装在从钻头体突出的轴颈(15)上。每一滚子式切刀形状为圆锥形，其底部(16)面向钻头的周边部分，而顶部(17)则面向该钻头的中心。在沿圆周方向几排的每一滚子式切刀上装有许多烧结硬质合金块(18-20)。每一烧结硬质合金块的工作端在滚子式切刀转动过程中与岩石接合，并形成与岩石接触的切削面。靠近底部的第一排(I)包括多个烧结硬质合金块(18)，其在滚子式切刀的转动方向(R)上对岩石的切削长度比与转动方向(R)垂直的方向上的切削长度大。沿离开底部(16)方向设置在第一排(I)之外的第二排(II)包括多个烧结硬质合金块(19)，其在滚子式切刀的转动方向(R)上的切削长度比与转动方向(R)垂直的方向上的切削长度大。沿离开底部(16)的方向设置在第二排(II)之外的第三排(III)包括多个烧结硬质合金块(20)，其在滚子式切刀转动方向(R)上的切削长度比第一和第二排(I，II)中的烧结硬质合金块(18、19)在滚子式切刀转动方向(R)上的切削长度小。

Description

用于钻岩石的转动钻头和牙轮切刀
技术领域
本发明涉及根据后面的独立权利要求的前序部分的一种用于钻岩石的转动钻头和牙轮切刀。
背景技术
在以上标题所述形式的现有岩石钻头中，在每一个牙轮切刀上都排列着几排烧结硬质合金块。每一个烧结硬质合金块都有一个半球形的工作端。当圆形工作端表面与要钻的孔中的岩石接合时，通过破碎烧结硬质合金块周围的岩石，就可形成一个凹坑。但是，在该切刀接着转动过程中，烧结硬质合金块趋于定位在凹坑中，使得后面的烧结硬质合金块嵌入岩石中时，只能破碎相对少的岩石，从而出现所谓“追迹”现象，使孔的底部非常不平整。为了解决这个问题，美国专利5,323,865号提出了一种包括三个可转动牙轮的岩石钻头，每一个牙轮又包括多排粉碎岩石用的烧结硬质合金块。每一个烧结硬质合金块的工作端都具有一个凿刀形状。在牙轮切刀径向最外排的凿刀的方向与该牙轮切刀的转动轴线平行；同时在其余各排的凿刀方向与所述的转动轴线平行。这种解决方案不具有令人满意的工作寿命。第一排凿刀烧结硬质合金块受到钻出的孔壁和孔底的较大力的作用，因此，该烧结硬质合金块很快就损坏。另外，这种已知的钻头需要高的进给力。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种用于转动粉碎钻削的钻岩石钻头，该钻头具有与已知钻头相同的优点。
本发明的另一个目的是要提供一种用于转动粉碎钻削的钻岩石钻头，该钻头在钻孔中具有较好的岩石粉碎方式。
本发明还有一个目的是要提供一种用于转动粉碎钻削的钻岩石钻头，该钻头具有长的工作寿命。
本发明再有一个目的是要提供一种用于需要较小进给力的转动粉碎钻削的钻岩石钻头和牙轮切刀。
根据本发明，提供一种用于转动粉碎钻削岩石的转动钻头，所述钻头包括一个钻头体和三个牙轮切刀，每一所述牙轮切刀都可转动地安装在从钻头体突出出来的一个轴颈上，每个所述牙轮切刀具有一个圆锥形的形状，其底部面向该钻头的圆周边部分，而其顶部面向该钻头的转动中心；其中，在每一个牙轮切刀沿圆周分布的几排上设置有许多烧结硬质合金块，每个所述烧结硬质合金块具有一个工作端，该工作端相对于钻头体的周围材料突出出来并在牙轮切刀转动过程中与岩石接合，从而设置成形成切削岩石的切削面；并且，与牙轮切刀底部靠近的第一排包括有多个烧结硬质合金块，该烧结硬质合金块在该牙轮切刀转动方向上对岩石的切削长度比与该转动方向垂直方向上对岩石的切削长度大，其中，一个沿着离开该底部的方向设置在第一排之外的第二排包括有多个烧结硬质合金块，该烧结硬质合金块在该牙轮切刀的转动方向上的切削长度比与该转动方向垂直的方向上的切削长度大；并且，一个沿着离开该底部的方向设置在第二排之外的第三排包括有多个烧结硬质合金块，该烧结硬质合金块在该牙轮切刀的转动方向上的切削长度比上述第一和第二排中的烧结硬质合金块在该转动方向上的切削长度小。
根据本发明的另一方面，提供一种转动钻头用的牙轮切刀，该牙轮切刀用于可转动地安装在一个从牙轮切刀钻头体突出出来的一个轴颈上，所述牙轮切刀具有一个圆锥形的形状，其底部面向该钻头的圆周边部分，而其顶部面向该钻头的转动中心；其中，在牙轮切刀沿圆周分布的几排上设置有许多烧结硬质合金块，每个所述烧结硬质合金块具有一个工作端，该工作端相对于钻头体的周围材料突出出来并在牙轮切刀转动过程中与岩石接合，从而设置成形成切削岩石的切削面；并且，与牙轮切刀底部靠近的第一排包括有多个烧结硬质合金块，该烧结硬质合金块在该牙轮切刀转动方向上对岩石的切削长度比与该转动方向垂直方向上对岩石的切削长度大；其中，一个沿着离开该底部的方向设置在第一排之外的第二排包括有多个烧结硬质合金块，该烧结硬质合金块在该牙轮切刀的转动方向上的切削长度比与该转动方向垂直的方向上的切削长度大；并且，一个沿着离开该底部的方向设置在第二排之外的第三排包括有多个烧结硬质合金块，该烧结硬质合金块在该牙轮切刀的转动方向上的切削长度比上述第一和第二排中的烧结硬质合金块在该转动方向上的切削长度小。
本发明的这些和其他一些目的可通过下面的权利要求书结合附图所限定的钻岩石用的转动钻头和牙轮切刀来实现。
附图说明
图1A为根据本发明的转动钻头的透视图；
图1B表示图1A所示的一个牙轮切刀在一个平面上的放大的展开图；
图1C和1D表示烧结硬质合金块的二个侧视图；
图2为该转动钻头的俯视图；
图3表示根据本发明的转动钻头的一部分，更具体地说，表示牙轮切刀上的烧结硬质合金块嵌入一个孔中的情况；
图4示意地表示在用根据本发明的转动钻头钻孔后，所钻出孔的底部俯视图。
具体实施方式
图1A～图2表示根据本发明的钻岩石用的转动钻头10及其上的烧结硬质合金块。该转动钻头10包括一个钻头体11和三个牙轮切刀12、13、14。每一个牙轮切刀均可转动地安装在从该钻头体11突出出来的一个轴颈15上。每一个牙轮切刀的形状都基本上为圆锥形，其底部16基本上向着该钻头的圆周方向，而其顶部17基本上面向该钻头的中心。每一个牙轮切刀在沿其圆周方向的三排I～III或更多排上装有许多烧结硬质合金块18、19、20。由于除了第一排的所有各排的位置可沿着牙轮切刀的轴向方向从一个牙轮切刀向另一个牙轮切刀偏移，所有各排烧结硬质合金块导致形成如图4中的多个圆形图案1～7。每一个烧结硬质合金块的工作端都相对钢质钻头体的周围材料突出出来，并且在牙轮切刀转动时嵌入岩石中，从而形成一个切削岩石的切削面。该切削面沿牙轮切刀的转动方向R在岩石上形成一段切削长度，并在与牙轮切刀的回转方向R垂直的方向上也形成一段切削长度。
第一排I烧结硬质合金块靠近牙轮切刀的底部16设置，并包括多个烧结硬质合金块18(图1B)。在第一排上的每一个烧结硬质合金块18具有一个基本上为圆柱形的安装部分21和一个工作端22。工作端22包括一个从所述安装部分向着所述烧结硬质合金块的前端延伸的较平坦表面23。该工作端22具有一个凸出弯曲的基本形状，最好为一个弹道形基本形状，该工作端的一个较大部分向工作端径向外侧突出。每一块烧结硬质合金18都固定在牙轮切刀的一个孔中，使该烧结硬质合金块的径向端表面23基本上与该牙轮切刀钻头的外部包络表面重合。
根据通过该烧结硬质合金块的纵轴线所取的截面位置的不同，该工作端22顶部可具有不同的曲率半径。第一排I的烧结硬质合金块18的工作端沿牙轮切刀转动方向的曲率半径R1选择成比与牙轮切刀的转动方向R垂直的曲率半径R2大。上述较平坦表面23与至少一个凸出的切削刃24周向地连接，该切削刃设置成垂直于牙轮切刀的转动轴线25。该烧结硬质合金块18设置成可使上述钢质钻头体不会不必要的磨损，从而可在整个钻削作业过程中保持钻出的孔的直径基本上固定不变。
第二排II烧结硬质合金块靠近第一排I烧结硬质合金块设置，并包括多块烧结硬质合金19(图1B)。第二排II上的每块烧结硬质合金19具有一个基本上为圆柱形的安装部分26和一个工作端27。工作端27包括二个基本上为凹形的表面28、29，表面28、29与垂直于牙轮切刀转动轴线25设置的凿刀30连接。根据通过该烧结硬质合金块纵轴线的截面所取的位置不同，该工作端27顶部具有不同的曲率半径。结果，第二排II的烧结硬质合金块19的工作端在牙轮切刀转动方向上的曲率半径R3选择成比与牙轮切刀转动方向R垂直的曲率半径R4大。
第三排III烧结硬质合金块沿着向着顶部17的方向设置在上述第一和第二排烧结硬质合金块之外，并包括多块烧结硬质合金20(图1B)。第三排上的每一块烧结硬质合金20具有一个基本上为圆柱形的安装部分31和一个工作端32。该工作端32的形状基本上为圆锥形、半球形或弹道形，其中，不论在通过该烧结硬质合金块纵轴线的那一个截面上测量曲率半径，该烧结硬质合金块顶部的曲率半径R5和R6都是相同的。
当比较上述烧结硬质合金块18～20的不同的曲率半径时，可得出下列结果：R3＞R1＞R5和R2＞R4＞R6。
在所示的优选实施例中，转动钻头10包括三个带有至少三排烧结硬质合金块的牙轮切刀，其中一个牙轮切刀13还包括基本上加工该钻头的转动轴线CL周围的岩石的一个烧结硬质合金块。另外，如果使用较大的钻头，则还可以增加几排烧结硬质合金块，这增加的几排烧结硬质合金块最好与第三排III上的烧结硬质合金块相同。
利用本发明的转动钻头，在所钻出孔中可获得一个较好的岩石粉碎方式，可以在相当大程度上避免“追迹”现象。这样，该钻头的进刀速度可以较大，这对钻削的经济性是很重要的。图4示意性表示利用根据本发明的转动钻头钻孔后的岩石粉碎方式。从图4中可以看出，在第一至第二排烧结硬质合金块加工之后的1～3种粉碎方式形成圆周方向的槽；而在第三排以上的烧结硬质合金块加工之后的第4或其它的粉碎方式形成一些凹坑。主要从图2中可以看出，每一个牙轮切刀有至少三排烧结硬质合金块。与牙轮切刀12和13上的第二排II烧结硬质合金块比较，牙轮切刀14上的第二排II烧结硬质合金块设置得更靠近钻头的转动轴线。因此，在孔底部加工出的槽数比每一个牙轮切刀上的烧结硬质合金块的排数要多。第三排III以上的烧结硬质合金块不设置成具有与牙轮切刀转动轴线垂直的更大曲率半径的的原因是，需要尽可能最大的钻孔速度。这意味着，具有与牙轮切刀的转动轴线垂直的更大曲率半径的烧结硬质合金块在钻孔过程中导致进给力增大，并从而导致能量消耗增加。已经证明：为了减少扭矩造成的损坏，将具有与牙轮切刀的转动轴线垂直的较大曲率半径的烧结硬质合金块设置在从该钻头周边部分到至少是直径D的一半处(见图4)，并将其余的具有更锋利的半球形或圆锥形工作端的烧结硬质合金块布置成更接近该钻头中心是有利的。
本发明的转动钻头10包括三种具有不同几何形状的烧结硬质合金块18～20，因此，可以以完全新的方式来控制该钻头在耐磨性、粉碎岩石方式和功率需要方面的性质。除了使用寿命很长以外，由于在牙轮切刀第一排I上的烧结硬质合金块的耐磨性，使该钻头径向耐磨性较好，因此，钻出的孔的偏差很小。试验表明，特别是在牙轮切刀的第一排I烧结硬质合金块中，参见图4的方式1，如果该烧结硬质合金块与在该牙轮切刀的转动方向上的凿刀一起工作，则岩石的破碎效率高、“追迹”现象减小、磨损较少并且烧结硬质合金块损坏较小。
本发明不仅仅局限于上述实施例。例如，根据牙轮切刀钻头尺寸的不同，烧结硬质合金块的排数可以改变。另外，在其他方面，本发明也可在所附权利要求书的范围内改变。

Claims (9)

1、一种用于转动粉碎钻削岩石的转动钻头，所述钻头(10)包括一个钻头体(11)和三个牙轮切刀(12、13、14)，每一所述牙轮切刀都可转动地安装在从钻头体突出出来的一个轴颈(15)上，每个所述牙轮切刀具有一个圆锥形的形状，其底部(16)面向该钻头的圆周边部分，而其顶部(17)面向该钻头的转动中心；其中，在每一个牙轮切刀沿圆周分布的几排上设置有许多烧结硬质合金块(18～20)，每个所述烧结硬质合金块具有一个工作端，该工作端相对于钻头体的周围材料突出出来并在牙轮切刀转动过程中与岩石接合，从而设置成形成切削岩石的切削面；并且，与牙轮切刀底部靠近的第一排(I)包括有多个烧结硬质合金块(18)，该烧结硬质合金块(18)在该牙轮切刀转动方向(R)上对岩石的切削长度比与该转动方向(R)垂直方向上对岩石的切削长度大；其特征在于，一个沿着离开该底部(16)的方向设置在第一排(I)之外的第二排(II)包括有多个烧结硬质合金块(19)，该烧结硬质合金块(19)在该牙轮切刀的转动方向(R)上的切削长度比与该转动方向(R)垂直的方向上的切削长度大；并且，一个沿着离开该底部(16)的方向设置在第二排(II)之外的第三排(III)包括有多个烧结硬质合金块(20)，该烧结硬质合金块(20)在该牙轮切刀的转动方向(R)上的切削长度比上述第一和第二排(I，II)中的烧结硬质合金块(18，19)在该转动方向(R)上的切削长度小。
2、如权利要求1所述的转动钻头，其特征在于，第一、第二和第三排(I，II，III)上的每一烧结硬质合金块(18～20)是通过沿该牙轮切刀转动方向(R)的曲率半径(R1，R3，R5)来限定的，其中，第一和第二排(I，II)中的每一烧结硬质合金块(18，19)的曲率半径(R1，R3)比第三排(III)上的每一烧结硬质合金块(20)的曲率半径(R5)大。
3、如权利要求2所述的转动钻头，其特征在于，第一排(I)中的每一烧结硬质合金块(18)具有一个与牙轮切刀的转动方向(R)垂直的曲率半径(R2)，该曲率半径(R2)比第二排(II)中的每一烧结硬质合金块(19)在与牙轮切刀的转动方向(R)垂直的方向上的曲率半径(R4)大。
4、如上述任一权利要求所述的转动钻头，其特征在于，该转动钻头(10)包括三种几何形状不同的烧结硬质合金块(18～20)。
5、如权利要求1所述的转动钻头，其特征在于，第一排中的每一烧结硬质合金块(18)具有一个为圆柱形的安装部分(21)和一个工作端(22)，所述工作端(22)包括一个从所述安装部分(21)向着所述烧结硬质合金块的前端延伸的较平坦表面(23)，所述工作端(22)具有一个凸出弯曲的形状，该工作端的较大部分向其径向外侧突出；并且该烧结硬质合金块(18)固定在牙轮切刀的一个孔中，使得该钻头的径向最外端的烧结硬质合金块表面(23)与该钻头的外包络表面重合。
6、如权利要求5所述的转动钻头，其特征在于，该工作端(22)具有一个弹道形的形状，并且，较平坦的烧结硬质合金块表面(23)沿圆周方向连接到至少一个凸出的切削刃(24)上，该切削刃垂直于牙轮切刀的旋转轴线(25)设置。
7、如权利要求1所述的转动钻头，其特征在于，在第二排中的每一烧结硬质合金块(19)包括一个圆柱形的安装部分(26)和一个工作端(27)；所述工作端包括两个凹形的表面(28，29)，这两个表面与垂直于牙轮切刀的转动轴线(25)设置的一个凿刀(30)连接。
8、如权利要求1所述的转动钻头，其特征在于，在第三排中的每一烧结硬质合金块(20)包括一个圆柱形的安装部分(31)和一个工作端(32)，所述工作端(32)具有一个圆锥形或弹道形的形状。
9、一种转动钻头用的牙轮切刀，该牙轮切刀用于可转动地安装在一个从牙轮切刀钻头体突出出来的一个轴颈上，所述牙轮切刀(12～14)具有一个圆锥形的形状，其底部(16)面向该钻头的圆周边部分，而其顶部(17)面向该钻头的转动中心；其中，在牙轮切刀沿圆周分布的几排上设置有许多烧结硬质合金块(18～20)，每个所述烧结硬质合金块具有一个工作端，该工作端相对于钻头体的周围材料突出出来并在牙轮切刀转动过程中与岩石接合，从而设置成形成切削岩石的切削面；并且，与牙轮切刀底部(16)靠近的第一排(I)包括有多个烧结硬质合金块(18)，该烧结硬质合金块(18)在该牙轮切刀转动方向(R)上对岩石的切削长度比与该转动方向(R)垂直方向上对岩石的切削长度大；其特征在于，一个沿着离开该底部(16)的方向设置在第一排(I)之外的第二排(II)包括有多个烧结硬质合金块(19)，该烧结硬质合金块(19)在该牙轮切刀的转动方向(R)上的切削长度比与该转动方向(R)垂直的方向上的切削长度大；并且，一个沿着离开该底部(16)的方向设置在第二排(II)之外的第三排(III)包括有多个烧结硬质合金块(20)，该烧结硬质合金块(20)在该牙轮切刀的转动方向(R)上的切削长度比上述第一和第二排(I，II)中的烧结硬质合金块(18，19)在该转动方向(R)上的切削长度小。
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