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Die Erfindung betrifft eine Bohrkrone
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu dessen
Herstellung nach dem Oberbegriff von Anspruch 7.
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Beim Trockenbohren von harten Gesteinen, beispielsweise
Beton, werden üblicherweise
Bohrkronen mit diamant besetzten Schneidelementen eingesetzt. Bei
diesen Bohrkronen tritt das Problem auf dass die Gesteinsmehle die
Diamanten zuschmieren, weshalb nach längerer Bohrzeit kein Bohrvortrieb
mehr erfolgt, sondern nur noch ein Polieren des Bohrlochgrunds.
Zur Vermeidung dieses Problems könnten
Diamantkronen mit größerer Körnung verwendet
werden. Dies verteuert jedoch die Bohrkronen. Außerdem können die größeren Diamantkörner leichter
herausbrechen.
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Aus der
JP 2002036124 A ist eine
gattungsgemäße Bohrkrone
bekannt, welche Schneidelemente auf weist, in deren bohrrichtungsseitiger
Fläche
Nuten und an diese angrenzende Schneidkanten vorgesehen sind. Die
Nuten verlaufen hierbei in Umfangsrichtung auf einem zur Bohrhülse konzentrischen
Kreisradius.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Bohrkrone bereitzustellen, die behinderungsfreien Vortrieb gewährleistet
und auf diese Weise die Bohrzeiten verkürzt.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einer
Bohrkrone mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Anspruch 6 zeigt ein
Verfahren zur Herstellung einer derartigen Bohrkrone auf. Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Bohrkrone bzw. des Verfahrens zu deren Herstellung sind den
Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße Bohrkrone weist eine hohlzylindrische
Bohrhülse
auf, welche an ihrer bohrrichtungsseitigen Stirnfläche mit
Schneidelementen besetzt ist. Die bohrrichtungsseitigen Flächen der Schneidelemente
sind gemäß der Erfindung
mit Nuten und an diese angrenzende Schneidkanten versehen. Die Schneidkanten
ermöglichen
eine deutlich größere Schneidtiefe
als bei den bekannten Bohrkronen und die Nuten gewährleisten
einen stetigen Abtransport des Bohrmehls, indem das Bohrmehl sich
in den Nuten sammelt und bei rotierenden Bohrhülse in den Hohlraum der hohlzylindrischen
Bohrhülse
geschoben wird, von wo das Bohrmehl abgesaugt werden kann. Bevorzugt
weist jedes Schneidelement eine Mehrzahl von etwa parallel zueinander
verlaufende Nuten und Schneidkanten auf und die Schneidelemente
sind so ausgerichtet, dass die Schneidkanten der einzelnen Schneidelemente
alle etwa in gleicher Richtung verlaufen.
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Die Schneidkanten verlaufen hierbei
schräg zu
den die Wandung der Bohrhülse
einschließenden Radien
und sind in vorteilhafter Weise so ausgerichtet, dass sie in Drehrichtung
der Bohrhülse
schräg
radial nach außen
verlaufen. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Anordnung erwiesen,
bei der die Schneidkanten mit den Radien der Bohrhülse einen Winkel
zwischen 1° und
10° einschließen. In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Schneidkanten und die Nuten leicht gekrümmt, mit einem Krümmungsradius,
der in etwa dem Zylinderradius der Bohrhülse entspricht.
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Die Schneidelemente werden bevorzugt
aus Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumborid oder Aluminiumoxid
hergestellt, wobei die Herstellung von Schneidelement-Rohlingen
in einem Sinterverfahren erfolgt. Nach der Herstellung der Schneidelement-Rohlinge
werden die Schneidflächen
dieser Rohlinge durch Einschneiden von Nuten bearbeitet, wobei bevorzugt
mehrere nebeneinander liegende Nuten so in die Schneidfläche eingeschnitten
. werden, dass sie bezüglich
der Seitenkante der Schneidelemente schräg verlaufen, beispielsweise
unter einem Winkel zwischen 1° und
10°. Die
so bearbeiteten Schneidelemente werden anschließend an der bohrrichtungsseitigen
Stirnfläche
der Bohrhülse
befestigt, wobei die Schneidelemente so ausgerichtet werden, dass
deren Nuten und die zwischen zwei Nuten verlaufende Schneidkanten
in einer stirnseitigen Ebene der Bohrhülse jeweils schräg zur Wandung
der Bohrhülse
verlaufen.
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Das Einschneiden der Nuten in die
Schneidfläche
der Schneidelmente-Rohlinge erfolgt bevorzugt in einem automatisierten
Verfahrensschritt, wobei mehrere Rohlinge aneinander anliegend nebeneinander
aufgereiht werden, so dass deren Schneidflächen in einer Ebene liegen.
Die Nuten werden dann bevorzugt mittels einer in einer Pendelbewegung
geführten
Schleifscheibe eingeschnitten. Auf diese Weise können die Schneidelemente kostengünstig in
einem automatisierten Verfahren hergestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Bohrkrone und das Verfahren
zu deren Herstellung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Die
Zeichnungen zeigen:
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1:
Perspektivische Darstellung einer Bohrkrone;
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2:
Draufsicht auf das bohrrichtungsseitige Ende der Bohrkrone von 1;
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3:
Vorder- bzw. Seitenansicht der Bohrkrone von 1;
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4:
Detailansicht der Bohrkrone von 2 in
einer Draufsicht auf das bohrrichtungsseitige Ende der Bohrkrone;
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5:
Querschnitt durch die Teilansicht der Bohrkrone von 4 entlang der Linie I-I;
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6:
Darstellung eines Verfahrensschritts bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Bohrkrone.
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Die in der 1 dargestellte Bohrkrone besteht aus einer
Bohrhülse 1,
welche als Hohlzylinder mit einer Wandung 7 ausgebildet
ist und an ihrer bohrrichtungsseitigen Stirnfläche 2 mit einer Mehrzahl
von Schneidelementen 3 besetzt ist. An der gegenüberliegenden
Stirnfläche 10 ist
ein Flansch 11 vorgesehen, zur drehfesten Befestigung der
Bohrkrone an einer Rotationswelle einer Antriebsmaschine. Durch
Drehung der Rotationswelle der Antriebsmaschnine kann die Bohrkrone
um die Bohrhülsenachse
(Drehachse 16, Figur 2) in Rotation versetzt werden.
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Wie aus der Darstellung von 2 ersichtlich, sind die Schneidelemente 3 gleichmäßig zueinander
beabstandet über
den Umfang der bohrrichtungsseitigen Stirnfläche 2 der Bohrhülse 1 verteilt angeordnet.
Die Wandung 7 der Bohrhülse 1 wird durch
die in 2 gezeigten Radien
R; (Innenradius) und Ra (Außenradius)
begrenzt. Die gewöhnliche Drehrichtung
der Bohrkrone beim Bohren ist in 2 mit
dem Pfeil D gekennzeichnet.
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Zur Befestigung der Schneidelemente
3 sind am bohrrichtungsseitigen Ende der Wandung 7 Ausnehmungen 12 eingebracht,
wie aus 3 entnehmbar.
Die Schneidelemente 3 weisen an ihren Seitenflächen Längsnuten 13 auf,
welche zur Fixierung der Schneidelemente 3 in den Ausnehmungen 12 dienen.
In 3 ist eines der Schneidelemente 3 aus der
ihr zugeordneten Ausnehmung 12 zur besseren Darstellung
herausgenommen. Bei der Bestückung der
Bohrhülse 1 mit
den Schneidelementen 3 wird zunächst das Schneidelement 3 mittels
der Längsnuten 13 in
der Ausnehmung 12 in Pfeilrichtung eingeführt und
dort mechanisch vorfixiert und anschließend eingelötet oder eingeklebt.
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Die Schneidelemente 3 weisen
bohrrichtungsseitig Schneidflächen 4 auf.
Wie insbesondere aus der Darstellung der 5 ersichtlich, ist diese Schneidfläche 4 jedes
Schneidelements 3 mit einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter
Nuten 5 versehen. Zwischen den Nuten 5 ragen scharfe Schneidkanten 6 hervor.
Die Nuten 5 und die Schneidkanten 6 verlaufen
in etwa parallel zueinander und sind bezüglich der Radien Ri und
Ra der Bohrhülsenwandung 7 schräg gestellt,
wie aus der Detailansicht der 4 ersichtlich.
Die Nuten 5 und die Schneidkanten 6 schließen demgemäß mit der
in der Schneidflächenebene
liegenden Längsachse 9 bzw.
den Längskanten 15 der
Schneidelemente 3 einen spitzen Winkel von bevorzugt zwischen
1 ° und 10° ein. Die
Nuten 5 und die Schneidkanten 6 sind, wie in der 4 gezeigt, leicht gekrümmt, wobei
der Krümmungsradius
in etwa dem Innenradius R; bzw. dem Außenradius Ra der Bohrhülsenwandung 7 entspricht.
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In Drehrichtung D gesehen verlaufen
die Schneidkanten 6 bzw. die Nuten 5 radial schräg von innen
nach außen.
Diese Anordnung der Schneidkanten 6 und der Nuten 5 bewirkt
beim Bohren aufgrund der Drehbewegung der Bohrkrone einerseits eine
kontinuierliche Schneidarbeit aufgrund eines Schabens der Schneidkanten 6 in
das zu bohrende Material und andererseits einen seitlichen Druck
auf das Bohrmehl. Durch den seitlichen Druck auf das Bohrmehl wird
gleichzeitig mit dem Schneiden des Gesteins das Bohrmehl zur Drehachse 16 (2) hin bewegt. Bevorzugt
ist die Antriebsmaschine mit einer Absauganlage ausgestattet, welche
das in den Innenraum der hohlzylindrischen Bohrhülse 1 gelangende Bohrmehl
absaugt.
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Die Herstellung der erfindungsgemäßen Bohrkrone
erfolgt in einem weitgehend automatisierten Verfahren, wobei zunächst Schneidelement-Rohlinge
aus Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumborid oder Aluminiumoxid
oder Mischungen hiervon in einem Sinterverfahren hergestellt werden.
In dem Sinterverfahren werden Schneidelement-Rohlinge in eine Form
gepresst, wobei die Nuten 5 bereits vorgeformt werden.
Anschließend
werden die Nuten 5 auf der Schneidfläche 4 der Schneidelement-Rohlinge nachbearbeitet,
indem die Schneidkanten 6 mittels eines Schleifwerkzeuges
geschärft
werden. Hierzu werden mehrere Schneidelement-Rohlinge aneinander
anliegend nebeneinander aufgereiht, wobei die zu bearbeitenden Schneidflächen 4 in
einer Ebene liegen.
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In 6 sind
mehrere nebeneinander in Reihe liegende Schneidelemente dargestellt.
In die oben liegende Schneidfläche 4 dieser
Rohlinge werden die Nuten 5 mittels einer rotierender Schleifscheibe 8 bearbeitet.
Hierzu wird die Schleifscheibe 8, bevorzugt eine Diamantschleifscheibe,
so angeordnet, dass ihre Rotationsachse 14 schräg zur Schneidfläche 4 der
Schneidelemente 3 steht (5).
Die rotierende Schleifscheibe 8 wird in einer Pendelbewegung über die
Schneidflächen 4 der
Schneidelemente 3 bewegt, so dass die Schleifscheibe 8 Nuten 5 in
die Oberfläche
der Schneidfläche 4 einschneidet
bzw. die Schneidkanten 6 schärft. In der 6 sind mit den Bezugsziffern 14 bzw. 14' die Drehachsen
der Schleifscheibe 8 in den zwei Extremalstellungen der Pendelbewegung
gekennzeichnet und die Schleifscheibe 8 ist in diesen beiden
Extremalstellungen (jeweils gestrichelt) und einer Zentralstellung
der Pendelbewegung (durchgezogene Linie) gezeigt. Die Tiefe der
eingeschnittenen Nuten 5 beträgt, gemessen von der angrenzenden
Schneidkante 6, zwischen 0,1 mm und 1 mm. Aufgrund der
Aneinanderreihung von mehreren Schneidelement-Rohlinge können durch
diesen Herstellungsschritt mehrere Rohlinge gleichzeitig bearbeitet
und mit Nuten 5 bzw. scharfen Schneidkanten 6 versehen
werden.
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Die fertig bearbeiteten Schneidelemente 3 werden
anschließend
an der bohrrichtungsseitigen Stirnfläche 2 der Bohrhülse 1 befestigt,
indem die Schneidelemente 3 in die dafür vorgesehenen Ausnehmungen 12 eingeführt und
anschließend
durch Hartlöten
angelötet
werden.
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Die erfindungsgemäße Bohrkrone zeichnet sich
insbesondere dadurch aus, dass beim Bohren hohe lokale Drücke auf
die zu bohrende Gesteinsoberfläche
erzeugt werden. Dies führt
lokal begrenzt zu hohen Temperaturen im Gestein, mit der Folge, dass
aufgrund einer Sprengwirkung das Gestein in diesen Zonen bricht.
Durch das Brechen des Gesteins ein schneller Bohrvortrieb erzeugt.
Die bevorzugt aus Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Siliziumborit oder
Aluminiumoxid hergestellten Schneidelemente 3 halten diesen
hohen Temperaturen aufgrund der hohen Schmelztemperaturen dieser
Materialien stand. Die genannten Materialien zur Herstellung der Schneidelemente
zeichnen sich ferner durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus, weshalb ein schneller Abtransport
der Bohrwärme
an die Bohrhülse
gewährleistet
ist. Zur Kühlung
der Bohrkrone ist bevorzugt eine Kühleinrichtung vorgesehen, welche
auch von der Absauganlage zum Absaugen des Bohremehls gebildet sein
kann, weil der zum Absaugen erzeugte Luftstrom auch eine Kühlung der
Bohrkrone bewirkt.
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Die erfindungsgemäße Bohrkrone kann zum Bohren
von hartem Gestein, wie beispielsweise Beton oder Stahlbeton, von
Metallen aber auch von weicheren Materialien wie Kunststoff oder
Holz eingesetzt werden. Aufgrund der scharfen, gleichförmig ausgerichteten
Schneidkanten 6 wird ein effektiver Materialabbau gewährleistet
und durch die das Bohrmehl abtransportierenden Nuten 5 wird
vermieden, dass die Schneidelemente 3 durch das pulverisiertes Bohrmehl
zuschmieren. Auf diese Weise wird ein stetiger und effektiver Bohrfortschritt
gewährleistet.
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