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Vollbohrmeißel zum Bohren mit hohen Drehzahlen Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf einen Bohrmeißel, der mit hohen Drehzahlen betrieben werden kann
und gleichzeitig eine befriedigende Beseitigung des Bohrkleins gewährleistet.
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Bisher konnten schleifend arbeitende Drehbohrmeißel nicht bei einer
Geschwindigkeit von 600 Umdrehungen pro Minute oder einer noch höheren Geschwindigkeit
betrieben werden, da bei solchen Geschwindigkeiten die Beseitigung des Bohrkleins
unzulänglich ist. Durch eine solche »Verstopfung« wird der Meißel dann praktisch
bei so hohen, Geschwindigkeiten unwirksam.
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Es ist daher die Aufgabe dieser Erfindung, einen bei hohen Drehzahlen
bis zu 1500 Umdrehungen pro Minute zu betreibenden Bohrmeißel zu schaffen, dessen
Schneidstücke sich gleichmäßig abnutzen, so daß er eine längere Lebensdauer hat
und es nicht erforderlich ist, einige besonders schnell abgenutzte Schneidstücke
zu ersetzen.
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Weitere Aufgaben dieser Erfindung bestehen in der Schaffung eines
Bohrmeißels, durch welchen das Bohrklein, auch wenn er mit hoher Geschwindigkeit
betrieben wird, schnell entfernt wird und dessen Schneidstücke auswechselbar sind,
ohne daß die Auswechslung anderer Teile des Meißels erforderlich ist.
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Diese Aufgaben werden durch den erfindungsgemäßen -Bohrmeißel gelöst,
der aus einem Meißelkörper in Form eines Rotationsparaboloids besteht, der innen
mit einer Mittelöffnung versehen ist und eventuell mit in der Spitze auslaufenden
benachbarten Öffnungen für den Durchlauf der Bohrspülung, und dessen äußere Oberfläche
mit Schneidstücken versehen ist, die so auf der Wand des Gerätes befestigt sind,
daß alle um die gleiche Höhe aus derselben herausragen. Der erfindungsgemäße Bohrer
wird im nachfolgenden an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.
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F i g. 1 stellt die Seitenansicht einer vereinfachten Form des erfindungsgemäßen
Bohrmeißels dar; F i g. 2 ist eine Ansicht des in F i g. 1 dargestellten Meißels,
von unten in einer im Verhältnis zu seiner Achse leicht geneigten Richtung gesehen,
der außerdem eine Mittelschneide und Nebenöffnungen für den Durchfluß der Bohrspülung
enthält; F i g. 3 ist eine schematische Darstellung der Schneidstücke -des Bohrmeißels
(schraffiert gezeichnet) während des Bohrens; F i g. 4 ist ein Querschnitt durch
den Meißel entlang einer durch seine senkrechte Achse gehenden Ebene; F i g. 5 zeigt
den Weg der Bohrspülung, wenn der Meißel sich nicht dreht; F i g. 6 zeigt die Veränderung
des Querschnitts des Durchgangs für die Bohrspülung zwischen den Schneidstücken,
die in der gleichen senkrechten Ebene zur Achse des Meißels liegen, in Abhängigkeit
von der Höhe dieser Ebene; F i g. 7 stellt die Durchgangsöffnungen zwischen der
Bohrlochsohle und dem Meißel dar; F i g. 8 zeigt die Umfangsgeschwindigkeitskomponente
der Schneidstücke des Meißels in verschiedenen Höhen desselben im Verhältnis zu
dem Gestein oder, was auf das gleiche hinauskommt, der Bohrabfälle im Verhältnis
zu dem Meißel; F i g. 9 zeigt die Resultante der Geschwindigkeitskomponenten, die
auf das Bohrklein wirken, in verschiedenen Höhen des Meißels; F i g. 10 zeigt die
Bahn eines Abfallstückes auf dem Meißel, wenn dasselbe auf kein Hindernis stößt;
F i g. 11 zeigt einen Querschnitt durch einen Meißel wie in F i g. 1 dargestellt,
in dessen Mittelöffnung eine erfindungsgemäße Schneide angebracht ist, durch welche
der Bohrkern zerteilt wird; F i g. 12 und 12A stellen eine erfindungsgemäße Schneide
dar, die aus zwei im Abstand voneinander angeordneten und in ein Metallstück, z.
B. Stahl, eingesetzten Schneidstücken besteht.
Der Meißel gemäß
der vorliegenden Erfindung ist hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidstücke
im Verhältnis zum Meißelkörper weit genug hervorragen, damit sich Aussparungen zwischen
ihnen ergeben; die im allgemeinen für die Abführung des Bohrkleins genügen, und
daß diese Zwischenräume eine Ausrichtung haben, die vorzugsweise genau der normalen
Bahn des Bohrkleins bei einer der Meißeldrehzahl entsprechenden Durchschnittsgeschwindigkeit
entspricht.
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F i g. 3 stellt die zwischen dem unteren Teil des Meißels und der
Bohrlochsohle, in die die Schneidstücke eindringen, gebildeten Zwischenräume dar.
Durch die Wahl der Anzahl der Schneidstücke soll ein Kompromiß hergestellt werden
zwischen der Abtragbarkeit des zu bohrenden Gesteins, die in direkter Abhängigkeit
davon steht, und der Abführbarkeit des Bohrkleins, die in umgekehrtem Verhältnis
zu der Anzahl der Schneidstücke variiert. Bei der Wahl der Anzahl der Schneidstücke
müssen ebenfalls die Betriebsbedingungen und insbesondere der auf den Meißel wirkende
Bohrdruck berücksichtigt werden.
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F i g. 4 stellt einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Meißel
entlang einer Ebene dar, die durch seine Achse führt. Auf diesem Querschnitt entspricht
das äußere Profil AB dem Teil einer Parabel und das innere Profil AC dem
anderen Teil der Parabel, die mit der entsprechenden Linie CD
der zylinderförmigen
inneren Zuführungsleitung für die Bohrspülung verbunden ist.
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Infolge des gewählten inneren Profils bildet sich ein kurzer Bohrkern,
der durch die ebenfalls auf der inneren Oberfläche der Verlängerung der Zuführungsleitung
für die Bohrspülung vorgesehenen Schneidstücke zerkleinert wird.
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Die Bohrspülung wird durch die in F i g. 5 mit Pfeilen bezeichnete
Bahn geleitet.
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Unter der Wirkung des Druckes steigt sie in dem Zwischenraum zwischen
dem Gebirge und dem Meißel hoch und folgt der Richtung der Linien AB,
wenn
sich der Bohrer nicht dreht.
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Die Durchgangs- oder Zwischenräume d, die sich zwischen den Schneidstücken
a befinden, vergrößern sich in dem Maße, wie sich der Radius rx des Kreises, der
einem Teil des Paraboloids der Linie AB entlang einer im Verhältnis zu seiner
Achse senkrechten Ebene entspricht, vergrößert (F i g. 6).
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In F i g. 7 sind die Zwischenräume d dargestellt, die zwischen den
Schneidstücken auf der gleichen Höhe des Meißels vorgesehen sind, d. h. auf einer
gleichen, im Verhältnis zu der Achse desselben senkrechten Ebene.
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Natürlich kann der hervorstehende Teil e der Schneidstücke (F i g.
3 und 7) entsprechend der Größe des Meißels, der Art des zu bohrenden Gebirges,
der Härte und Zerbrechlichkeit der Schneidstücke, der Ergebnisse, die erzielt werden
sollen usw., variieren.
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Daher kann eine Höhe e, die für die Arbeit an einem harten Gebirge
genügt, bei der nur eine verhältnismäßig geringe Menge Bohrklein pro Zeiteinheit
anfällt, sich als ungenügend für die Bohrung in einem verhältnismäßig weichen Gebirge
erweisen, bei der eine größere Menge Bohrklein pro Zeiteinheit zu beseitigen ist.
In dem letzteren Falle hat der Meißel die Neigung zu verschmieren (Verstopfungserscheinung),
sich zu erhitzen und abzunutzen und ist schließlich nicht mehr betriebsfähig. Erfahrungsgemäß
ist eine herausragende Höhe der Schneidstücke von mindestens 2 mm erforderlich,
um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erzielen. Die Größe des Bohrkleins, die von
dem Bohrfortschritt pro Umdrehung des Meißels abhängt, muß durchschnittlich gering
genug im Verhältnis zu den durch die Schneidstücke gebildeten Zwischenräumen bleiben,
damit das Bohrklein leicht durch den Kreislauf der Bohrspülung abgeführt werden
kann.
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Ferner wird die Beseitigung des Bohrkleins erfindungsgemäß erleichtert
durch die besondere Anordnung der Schneidstücke in ihrem Verhältnis zueinander.
Eines der wesentlichen Merkmale der Erfindung besteht darin, daß die Schneidstücke
im wesentlichen entlang einer schraubenförmigen Spirale mit veränderlicher Steigung
auf der Oberfläche des Meißelkörpers, der die Form eines Rotationsparaboloids hat,
angeordnet sind.
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Die Form der zu verwendenden schraubenförmigen Spirale hängt von dem
Bohrfortschritt des Meißels ab. Sie wird im allgemeinen in Abhängigkeit von einem
Mittelwert bestimmt sowie einer Bohrspülungsmenge, die entsprechend einem durchschnittlichen
Bohrfortschritt des Meißels in der Erdschicht gewählt wird. Bei sonst gleichbleibenden
Bedingungen kann sie natürlich auch bei geringerem Bohrfortschritt Verwendung finden,
da die Menge des zu beseitigenden Bohrkleins geringer ist, und das um so mehr, als
die Menge der Bohrspülung nötigenfalls entsprechend angepaßt werden kann, damit
die Richtung der Geschwindigkeitsresultante (Geschwindigkeit der Bohrspülung und
in Abhängigkeit von der Drehung des Bohrers stehende Umfangsgeschwindigkeit) sich
nur unwesentlich verändert. Man kann zur Erleichterung der Beseitigung des Bohrkleins
die Bohrspülungsmenge auch solchen Umdrehungsgeschwindigkeiten des Meißels anpassen,
die höher sind als diejenigen, für die er vorgesehen wurde.
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In den F i g. 6 bis 8 sind die Geschwindigkeitskomponenten dargestellt,
auf denen die Bestimmung der Krümmung der erfindungsgemäßen schraubenförmigen Spirale
basiert.
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Diese Krümmung muß der normalen Bahn des Bohrkleins als gleichzeitiges
Ergebnis der Umlaufgeschwindigkeit der Bohrspülung und der Umdrehungsgeschwindigkeit
des Meißels entsprechen.
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F i g. 8 zeigt in verschiedenen Höhen des Meißels entlang des gleichen
Meridians die Umfangsgeschwindigkeitskomponente Ui bis U5 des Bohrkleins im Verhältnis
zu dem Meißel.
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In F i g. 9 ist, ebenfalls entlang eines gleichen Meridians auf verschiedenen
Höhen des Meißels, die kombinierte Wirkung einer konstanten Umlaufgeschwindigkeit
V der Bohrspülung, die von unten nach oben entlang dem Meridian gerichtet ist, und
der Umfangsgeschwindigkeiten U1 bis U5, die in jeder Höhe in verschiedenen Richtungen
der Resultanten W1 bis W5 erfolgt, dargestellt.
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F i g. 10 zeigt die Form der Hüllenkurve der verschiedenen Vektoren
W. Sie besteht aus einer schraubenförmigen Spirale mit veränderlicher Steigung,
welche die Linien des Stromes der Spülflüssigkeit bestimmt, d. h. der kürzesten
Bahn für die Beseitigung des Bohrkleins.
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Im Falle, daß der Meißel nicht gedreht wird (F i g. 5), steigt die
Bohrspülung seitlich mit einer Geschwindigkeit V entlang einer Linie, wie
z. B. AB
in den durch die Zwischenräume d (F i g. 6 und 7)
gebildeten
ringförmigen Raum. Der Wert von V ist insbesondere abhängig von dem Wert S des Durchgangs
der Bohrspülung zwischen dem Meißel und dem Gestein, d. h. von der Summe der Zwischenräume
d. Aus F i g. 7 ergibt sich z. B.
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S = 2 z rx - e(1-a).
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In dieser Gleichung stellt r" den Radius des entsprechenden Ringraumes
dar, e die Höhe der herausragenden Schneidstücke und a einen Koeffizienten, der
den durch die Schneidstücke besetzten Anteil des ringförmigen Raumes ausdrückt.
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Der Wert von V, der gleich DIS ist (wobei D die Menge
der zugeführten Spülflüssigkeit pro Zeiteinheit darstellt) kann auf den verschiedenen
Höhen des Meißels trotz der Veränderung von r, im wesentlichen dadurch konstant
gehalten werden, daß man entweder die Höhe e der hervorstehenden Schneidteile verändert
oder die Anzahl der Schneidteile (Koeffizient ,x).
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Wenn nun die Höhe und die Anzahl der Schneidteile konstant gehalten
werden, nimmt die Geschwindigkeit V ab, wenn der Radius r" zunimmt, und die Geschwindigkeitsresultante
weist eine geringere Neigung auf (einen kleineren Winkel y), wodurch sich die Bahn
für die Rückführung des Bohrkleins in den oberen Teil des Meißels verlängert.
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Die Richtung, in der die Schneidstücke anzuordnen sind, hängt nicht
allein von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Meißels und der Menge der Bohrspülung
ab, sondern auch von der Anordnungsdichte der Schneidstücke, die im allgemeinen
so gewählt wird, daß die zu leistende Arbeit so gleichmäßig wie möglich auf die
verschiedenen Schneidstücke verteilt ist.
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Aus der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist zu ersehen,
daß die Schneidstücke in Parallelen von gleichmäßigem Abstand voneinander angeordnet
sind und daß die Anzahl der auf jeder Parallele angeordneten Schneidstücke mit dem
Radius r" des entsprechenden Kreisumfangs dieser Parallele zunimmt. Tatsächlich
ist die von dem Meißel zu leistende Arbeit um so größer, je größer die von jedem
Schneidstück angegriffene Oberfläche während einer vollständigen Umdrehung des Meißels
ist. Daher muß diese Arbeit auf eine größere Anzahl von Schneidstücken so verteilt
werden, daß ihre Abnutzung, verglichen mit auf anderen Höhen des Meißels entsprechend
einem kleineren Radius r" angeordneten Schneidstücken, die gleiche bleibt.
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Natürlich besteht in der Praxis notwendigerweise eine gewisse Unstimmigkeit
in dem Verhältnis der Anzahl der auf einem Kreisumfang angeordneten Schneidstücke
zu dem Radius desselben, da sich die Anzahl der Schneidstücke nicht um weniger als
eine Einheit verändern läßt.
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Im übrigen ist es nicht erforderlich, dieses Verhältnis wesentlich
konstant zu halten. Man wird vorzugsweise den auf verschiedenen Höhen des Meißels
festgestellten Abnutzungsgrad berücksichtigen, um gegebenenfalls zusätzliche Schneidelemente
auf den Höhen anzubringen, wo die Abnutzung besonders in Erscheinung tritt. So kann
man z. B. in den in F i g.1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen an der Spitze
des Meißels, die im Verlaufe der Bohrung einen größeren Teil des Bohrandruckes zu
tragen hat, eine größere Anzahl von Schneidwerkzeugen vorsehen. In den F i g. 1
und 2 sind ebenfalls Abführungskanäle für das Bohrklein dargestellt, die entsprechend
der gleichen schraubenförmigen Spirale wie die Schneidstücke angeordnet sind. Diese
Kanäle K1, K2 und K, sind zur Erleichterung der Abführung des Bohrkleins für den
Fall vorgesehen, in dem -sich infolge der Abnutzung der Schneidstücke der ringförmige
Raum zwischen der Hülle ihrer Spitzen und dem Körper des Meißels verengt. Die Schneidstücke
werden vorzugsweise im Vergleich zu der Umdrehungsrichtung des Meißels ganz nahe
vor einem Kanal angeordnet. Durch eine solche Anordnung kann ein großer Teil des
Bohrkleins, das sich durch die genannten Schneidstücke bildet, auf dem kürzesten
Weg durch den Kanal abgeführt werden.
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Die Beseitigung des übrigen Bohrkleins und insbesondere desjenigen,
das sich durch die Schneidstücke ergibt, die nicht vor einem Kanal angeordnet sind,
wird durch eine geeignete Verteilung der vorgesehenen Schneidstücke derart erleichtert,
daß auf jeder Parallele des Meißels, auf der die Schneidstücke angeordnet sind,
der Raum zwischen diesen Schneidstücken und des vor ihnen liegenden Abführungskanals
frei bleibt.
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Einen solchen horizontalen Zwischenraum kann man leicht durch eine
zueinander versetzte Anordnung der Schneidstückgruppen erhalten, wie in F i g. 1
dargestellt. Auf diese Weise wird die Beseitigung des Bohrkleins besonders dann
erleichtert, wenn der ringförmige Raum durch die Abnutzung der Schneidstücke verengt
wurde.
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Der erfindungsgemäße Meißel ist vorzugsweise mit einer Schneide versehen,
die in der Mittelöffnung angeordnet ist und dazu dient, den Bohrkern zu zerkleinern.
Erfindungsgemäß ist diese Schneide so beschaffen, daß sie eine genügend rasche Zerkleinerung
des Bohrkerns gewährleistet und einen genügend großen Durchgang für die Bohrspülung
läßt, um die leichte Beseitigung der Bohrkernteile zu gestatten.
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Zu diesem Zweck muß die erfindungsgemäße Schneide genau definierte
Größen- und Formkennzeichen besitzen. Sie wird aus sehr hartem Material hergestellt,
wie z. B. aus Sinterkarbid und insbesondere aus Wolframkarbid oder Borkarbid. Wenn
sie auf den Meißel montiert ist, hat sie eine V-Form, deren beide Arme einen Winkel
zwischen 90 und 170° bilden, vorzugsweise zwischen 120 und 150°. Man kann auch zwei
oder mehrere Schneiden verwenden, die im Verhältnis zu der Achse des Meißels verschieden
angeordnet sein können.
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Gemäß F i g. 11 ist die Schneide T in der Mittelöffnung C des Meißels
F in Form eines ringförmigen Raumes so angeordnet, daß die Spitze P der durch die
beiden unteren Seiten gebildeten V-Form im wesentlichen in der Umdrehungsachse XY
des Meißels liegt. Eine solche Anordnung ist jedoch nicht obligatorisch, und man
kann genausogut von den durch die vorliegende Erfindung gebotenen Vorteilen profitieren,
wenn man die Schneide anders anordnet.
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Ungeachtet der Anordnung der Schneide wird sie vorzugsweise in die
innere Wand W des Meißels eingesetzt, indem sie von unten in eine zu diesem Zweck
vorgesehene Nut eingepaßt und befestigt wird, z. B. durch Löten. Jedoch kann man
genauso gut jede andere bekannte Befestigungsart verwenden.
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Die Dicke e der Schneide muß -derart gewählt sein, daß die Beanspruchung,
der sie unterworfen ist, mit
ihrer mechanischen Widerstandskraft
vereinbar ist. Durch die beiden diametral entgegengesetzten Befestigungen der Schneide
wird der mechanische Widerstand derselben beträchtlich erhöht. Außerdem wird durch
die V-Form ihres unteren Teiles die Zerkleinerung des Bohrkerns durch Zerbrechen
anstatt durch Abreibung begünstigt, wodurch die von der Schneide zu leistende Kraft
ebenfalls verringert wird. Daher ist es möglich, Schneiden mit verhältnismäßig geringer
Dicke zu verwenden. Es ist also zu empfehlen, die Verwendung zu dicker Schneiden
zu vermeiden, besonders, wenn die Mittelöffnung des Meißels, in der sich der Bohrkern
bildet, einen kleinen Querschnitt hat. Im allgemeinen soll bei einer Mittelöffnung
des Meißels von weniger als 4 cm Durchmesser die Dicke der Schneide nicht mehr als
20 bis 25% dieses Durchmessers betragen. So darf z. B. bei einer Mittelöffnung von
20 mm die Schneide nicht dicker als 4 bis 5 mm sein und sollte vorzugsweise 3 mm
betragen. Für die Bohrspülung muß ein genügend großer Durchgangsquerschnitt verbleiben,
so daß sie die zerkleinerten Stücke des Bohrkerns mit abführen kann.
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In den meisten Fällen genügt eine Dicke der angegebenen Größenordnung
bei weitem, auch für Bohrungen in hartem Gestein. In zahlreichen Fällen läßt sich
sogar das Gewicht des aktiven Teiles der Schneide (zum Beispiel aus Wolframkarbid
oder Borkarbid) verringern, wenn eine Schneide des in den F i g. 12 und 12 A dargestellten
Typs verwendet wird, die aus zwei oder mehreren Schneidstücken Et,
Et, die in eine z. B. metallische Masse M eingebettet sind, besteht,
wodurch die Schneide den Vorteil einer größeren Biegsamkeit, einer geringeren Zerbrechlichkeit
und niedrigerer Herstellungskosten erhält. Um die obengenannten Vorteile zu erzielen,
kann es ebenfalls von Vorteil sein, auch wenn man nur ein einziges Schneidstück
verwendet, dieses mit einer Hülle aus Material zu versehen, das gegen eine Biegung
beständig ist. Die Hülle kann entweder aus Stahl oder aus jedem anderen Metall oder
metallartigem Material, das gegen eine Biegung beständig ist, hergestellt werden.
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Gemäß der Erfindung ist es wichtig, daß der zwischen den beiden inneren
Seiten der Schneide gebildete Winkel nicht kleiner als 90° und nicht größer als
170° ist; denn im entgegengesetzten Falle würden daraus ungünstige Betriebsbedingungen
für die Schneide entstehen, die entweder zu ihrem Bruch oder zu ihrer vorzeitigen
Abnutzung führen können.
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Außerdem wurde die unerwartete Entdeckung gemacht, daß sich der Bohrfortschritt
des Meißels wesentlich erhöht, wenn dieser Winkel zwischen 120 und 150° beträgt.
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Natürlich kann matt die erfindungsgemäße Schneide und/oder ihre Hülle
auch aus anderen als den oben besonders erwähnten Materialien herstellen und die
Schneide durch andere Befestigungsmittel als den oben beschriebenen mit dem Meißel
verbinden, ohne den Rahmen der Erfindung zu sprengen, da die Schneide immer die
gleiche Funktion erfüllt.
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Schließlich kann der Kopf des erfindungsgemäßen Bohrers, wie in F
i g. 2 dargestellt, vorteilhafterweise mit zusätzlichen öffnungen versehen sein,
die für den Durchlauf der Bohrspülung bestimmt sind und eine schnellere Beseitigung
des Bohrkleins gestatten.