-
Verbindung mit Schrumpf- oder Preßsitz Die Erfindung bezieht sich
auf eine Verbindung mit Schrumpf-oder Preßsitz zwischen einem Grundkörper aus Metall,
namentlich Stahl, und einem oder mehreren, jeweils von Löchern des Qrundkörpers
aurgenommenen Einsätzen, namentlich aus Hartmetall oder einem anderen verschleißfesten
Material, insbesondere bei Werkzeugen und Geräten der Gesteins- oder Tietbohrtechnik.
-
Es sind Drehbohrmeißel zur Herstellung von Bohrungen bekannt, die
als Schneid- oder Arbeitselemente Hartmetallstifte aufweisen, welche so in Aufnahmebohrungen
eines z.B. aus Kohlenstoffstahl bestehenden Grundkörpers eingesetzt sind, daß sie
mit ihren meist abgerundeten Enden um einen gewissen Betrag über die Oberfläche
des Grundkörpers vorstehen (DT-PS 93 523).
-
Derartige Rollenbohrer werden auch als Warzenmeißel bezeichnet.
-
Die bei solchen Werkzeugen die Arbeitselemente bildenden Einsätze
sollen einerseits so verschleißfest wie möglich sein.
-
Andererseits kann wegen der Bruchgefahr auf eine gewisse Zähigkeit
dieser Einsätze nicht verzichtet werden. Da bei Hartmetall
als dem
allgemein für die Einsätze gewähUen Material die 2ähigkeit mit erhöhter Verschleißfestigkeit
abnimmt, war es bisher nicht möglich, Hartmetallsorten mit einer an sich erv(Lnschten
besonders hohen Verschleißfestigkeit tUr Werkzeuge der genannten Art einsusetzen,
weil hierbei die Zähigkeit nicht mehr auareichte, um bei den auftretenden Beanspruchungen
eine sotortige Zerstörung der Hartmetalleinsätze dadurch Bruch zu vermeiden.
-
Aber auch bei der Wahl näherer Hartmetallsorten und damit notwendigerweise
bei Inkaufnahme einer geringeren Verschleißfestigkeit ist die Bruchgefahr nicht
beseitigt. Wie die Praxis zeigt, tritt selbst unter normalen Arbeitsbedingungen
bei Warzenmeißeln der genannten Art oft sehr schnell eine Zerßtörnung der Einsätze
durch Abbrechen ein. Meist ist es dabei so, daß der Aber die Oberfläche des Qrundkörpers
vorstehende Teil des Einsatzes vollständig abbricht. Dies führt dazu, daß zunächst
einmal der durch den Wegfall mehrerer Warzen nicht mehr einsatzfähige Rollenmeissel
auagetausch werden muß, was eine Unterbrechung der Bohrarbeit, Zeit- und Materialaufwand
bedeutet. Da ea weiterhin ausserordentlich schwierig und oft sogar unmöglich ist,
die Reste der abgebrochenen Hartmetallstifte aus den Aufnahmebohrungen zu entfernen,
ist in vielen Fällen ein solches beschädigtes Werkzeug Uberhaupt nicht mehr verwendbar.
-
Über die geschilderten Fälle hinaus können sich ähnliche Probleme
auch bei Verbindungen ergeben, bei denen die Einsätze nicht aus Hartmetall, sondern
aus einem anderen Werkstoff bestehen.
-
Ziel der Erfindung ist es, eine Schrumpf- oder Preßsitz-Verbindung
zwischen einem Grundkörper und einem oder mehreren darin
gehaltenen
Einsätzen gegenber bekannten Ausf(1hrungen zu verbessern und gdnstiger zu gestalten
namentlich auch im Hinblick auf das Verhalten unter harten und ungUnstigen Beanspruchungen
oder Belastungen in Betrieb. Dabei strebt die Erfindung weiterhin eine solche Ausbildung
der Verbindung an, daß besonders auch bei aus Hartmetall und anderen verschleißfesten
oder verhältnismäßig spröden Werkstoffen bestehende Einsätze die Bruchgefahr vermieden
oder zumindest herabgesetzt wird bzw. daß bei gleicher oder größerer Bruchsicherheit
als bisher die Verwendung von Einsätzen mit höherer Verschleißfestigkeit ermöglicht
wird.
-
Die Erfindung sieht vor, der Verbindung im Bereich des äußeren Endes
des den Einsatz aurnehmenden loches eine im Vergleich zu einem tiefer gelegenen
Bereich des Aufnabmeloches geringere Vor spannung des Einsatzes durch den umgebenden
Grundkörper zu geben.
-
Hierdurch werden an und in der Umgebung derjenigen Stelle, an der
der Einsatz aus dem Aufnahmeloch des Grundkörpers austritt, besonders günstige Verhältnisse
im Hinblick auf die im Betrieb auf die Einsätze und ihre Verbindung mit dem Grundkörper
wirkenden Kräfte ersielt. Ungünstige Spannungsspitzen, die Ursache von BrEchen sein
können, werden vermieden oder auf ein unschädliches Maß herabgemindert. Dies gilt
nicht
allein für Werkstoffe wie Hartmetall od.dgl., sondern die
Erfindung kann u.a. beispielsweise auch für Einsätze aus Stahl von großem Vorteil
sein.
-
Die verringerte Vorspannung der Verbindung an der Austrittsstelle
der Einsätze aus dem Grundkörper kann auf verschiedene Weise erreicht werden. So
sieht die Erfindung einmal vor, daß die zur Erzielung des Schrumpf- oder Preßsitzes
dienende Maßdifferenz zwischen Aufnahmeloch und Einsatz im Bereich des äußeren Endes
des Aufnahmeloches geringer als in einem tiefer gelegenen Bereich des Aufnahmeloches
ist. Bei Verwendung eines Einsatzes mit auf seiner Aufnahmelänge im wesentlichen
konstantem Querschnitt kann beispielsweise das AuSnahmeloch eine sich vom Bereich
des äußeren Endes zur Lochtiefe verengende Gestalt haben.
-
Es ergibt sich durch solche Maßnahmen eine gewisse Verlagerung der
durch den Schrumpf- oder Preßsitz bewirkten Einspannkräfte für den Einsatz nach
unten, d.h. zum inneren Ende des Einsatzes hin, während in der Umgebung der Austrittsstelle
des Einsatzes aus dem Grundkörper die auf den Einsatz wirkende Kraft geringer ist.
Dadurch erhält die Verbindung in diesem Bereich eine erhöhte Elastizität, welche
das Aurtreten hoher, zum Bruch fUhrender Spannungsspitzen bei einer Belastung im
Betrieb ausschließt.
-
Die Verengung des Aufnahmeloches nach unten hin kann kontinuierlich
oder auch absatzweise erfolgen. Im ersteren Pall kann die Querschnittskontur geradlinig
sein oder aber auch nach einer Kurve verlaufen. Die Erfindung sieht insbesondere
vor, daß das Aufnahmeloch für einen Einsatz mit auf seiner Aufnahme länge im wesentlichen
konstantem Querschnitt wenigstens zwei Bereiche mit unterschiedlichen Innenmaßen
aufweist, von denen dasjenige im Bereich des äußeren Endes des Aufnahmeloches das
größere ist. Eine sehr günstige Ausführungsform besteht darin, daß das Aufnahmeloch
für einen Einsatz einen sich im Bereich seines äußeren Endes erstreckenden Teil
mit parallel zur Lochachse verlaufenden Begrenzgngsflächen und einen anschließenden,
sich verengenden Teil aufweist.
-
Die Ausführung läßt sich gemäß der Erfindung ferner so tretfen, daß
das Aufnahmeloch einen sich nach außen hin erweiternden Randbereich aufweist. Diese
Ausführung kann nicht nur mit einem oder mehreren der vorstehend genannten Merkmale
kombiniert sein, sondern auch für sich allein in vielen Fällen schon ausreichen,
um ein Brechen des Einsatzes zu verhindern.
-
Eine weitere Ausführung der Verbindung kennzeichnet sich gemäß der
Erfindung durch eine oder mehrere, das Aufnahmeloch für einen Einsatz umgebende
Vertiefungen in der Oberseite des Grundkörpers. Besonders vorteilhaft wird als Vertiefung
eine in sich
geschlossen. Rille od.dgl. vorgesehen. Zweckmäßig ist
die Vertiefung bzw. sind die Vertiefungen so angeordnet, daß sie der Randkontur
des Aufnahme loches folgen.
-
Durch das Vorhandensein einer oder mehrerer solcher Vertiefungen wird
ebenfalls die Elastizität der Verbindung im Bereich des äußeren Endes des Aufnahmeloches
gegenüber dem tiefer gelegenen Bereich erhöht, so daß schädliche Spannungen, die
zu einem Abbrechen des Einsatzes bei Arbeiten führen können, sicher vermieden werden.
-
Obgleich die Verbindung nach der Erfindung mit besonderem Vorteil
bei Rollenieißeln und anderen Werkzeugen und Geräten der Gesteins- und Tiefbohrtechnik
anwendbar ist, kann sie auch auf anderen Gebieten in allen Fällen von Nutzen sein,
wo ähnliche Verhältnisse vorliegen.
-
Die Erfindung umfaßt in jedem Fallo auch Umkehrungen oder Vertauschungen
in den Gestaltungsmerkmalen der miteinander zusammenwirkenden Teile. Es ist also
z.B. auch eine Ausführung eingeschlossen, bei der nicht der Einsatz auf seiner AutnKhmelänge
einen konstanten Querschnitt aufweist, während das Autnahmeloch einen oberen Teil
mit gleichbleibendem Querschnitt und einen unteren Teil mit sich verengendem Querschnitt
hat, sondern umgekehrt das Aufnahmeloch auf seiner Länge mit konstantem Querschnitt
ausgeführt ist und der Einsatz einen unteren Teil mit sich zum Ende hin erweiternden
Querschnitt besitzt.
-
Dies gilt analog für alle anderen in Frage kommenden Ausführungen.
-
Weiterhin fallen unter die Erfindung nicht allein rotationssymmetrische
Querschnittsformen von Aufnahmelöchern und Einsätzen, sondern auch eckige oder ovale
Querschnittsformen.
-
Nachstehend werden anhand der Zeichnung verschiedene AusfQhrungsbeispiele
von Verbindungen mit den erfindungsgemäßen Merkmalen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen als Warzenmeißel ausgebildeten Rollenbohrer mit erfindungsgemäßer Verbindung
zwischen dem Grundkörper und den Einsätzen, Fig. 2 einen weiteren Anwendungsfall
der Erfindung, Fig. 3 einen einzelnen Einsatz in vergrößertem Maßstab in Ansicht,
Fig. 4 bis 7 verschiedene Ausführungen von Aufna-löchern jeweils im senkrechten
Querschnitt, Fig. 8 und 9 eine andere Ausführung eines Aufnabmeloohes im Schnitt
und in Draufsicht und Fig. 13 und il eine weitere Ausführung eines Aufnahmeloches
im Schnitt und in Draufsicht.
-
Der in Fig. 1 dargestellte Rollenbohrer 1 weist einen drehbar auf
einer Achse gelagerten, aus Stahl bestehenden Grundkörper 2 auf. Dieser Grundkdrper
ist auf seiner Mantelfläche mit Aufnahmebohrungen für verschleißfeste Einsätze 3
versehen, die darin durch Schrumpf- oder Preßsitz gehalten werden, derart, daß sie
mit einem Teil ihrer Länge über die Oberfläche
des Grundkörpers
2 nach außen vorstehen. Zur Erzielung des erforderlichen festen Sitzes haben die
Einsätze 3 gegenüber den Aufnahmebohrungen ein bestimmtes Übermaß. Die Herstellung
der Schrumpf- oder Preßsitzverbindung kann in an sich bekannter Weise e wo z.B.
beim Einschrumpfen dadurch, daß der Grundkörper gleichmäßig erwärmt wird und dann
die Einsätze in die Bohrungen eingeführt werden.
-
Fig. 2 veranschaulicht einen anderen Anwendungsfall der Erfindung
bei der Bewehrung eines Elemts 4 mit verschleißfesten Einsätzen 3. Hierbei kann
es sich z.B. um den Führungsteil eines Bohrgestänges, um eine Schwerstange od.dgl.
handeln.
-
In Fig. 3 ist eine zweckmäßige Ausführung eines Einsatzes 3 wiedergegeben.
Dieser hat die Form eines Stiftes mit abgerundeter Kopfpartie. Als Beispiel ist
mit dem Maß ttat' die Aufnahmelänge bezeichnet, d.h. diejenige Länge, mit welcher
der Einsatz im Aufnahmeloch des Grundkörpers zu sitzen kommt. Diese Länge kann sich
nach den jeweiligen Erfordernissen richten.
-
Die Figuren 4 bis 7 zeigen verschiedene Möglichkeiten der Ausbildung
von Aufnahme löchern zur Erzielung einer erhöhten Elastizität bzw. einer Zone verminderter
Spannungen im Bereich des äußeren Endes des Aufnahmeloches. Die Aufnahmelöcher sind
hier als Sackbohrungen dargestellt, wie es bei vielen Anwendungsfällen der Normalfall
ist. Der jeweilige Einsatz stützt sich dann mit seinem Ende auf dem Grund der Bohrung
ab.
-
Es ist aber nicht grundsätzlich ausgeschlossen, Bohrungen vorzusehen,
die sich nach unten hin fortsetzen, beispielsweise
mit geringerem
Durchmesser, wenn dies für den betreffenden Einsatzfall zweckmäßig ist.
-
Bei der Ausführung nach Fig. 4 weist die in einem Grundkörper 6 vorgesehene
Aufnahmebohrung 5 nahe ihrem äußeren Ende einen Berich 5a mit parallel zur Bohrungsachse
verlaufender Wandung auf, dem nach unten hin ein sich verengender Bereich 5b folgt.
Für die Aufnahme eines Einsatzes mit zylindrischem Schaft hat bei einer solchen
Ausführung der obere Bereich zylindrische und der untere Bereich konische Gestalt.
-
Der obere Bereich 5a weist gegenüber dem z.B. aus Hartmetall bestehenden
Einsatz, etwa einem Einsatz gemäß Fig. 3, nur ein verhältnismäßig geringes Untermaß
auf, das insbesondere also kleiner ist als bei einer herkömmlichen Schrumpf- oder
Preßpassung. Die eigentliche Befestigung des Einsatzes wird dagegen in den tieferen,
sich verengenden Bereich 5b der Bohrung verlegt. Beide Bereiche 5a und 5b sind so
aufeinander abgestimmt, daß der Einsatz insgesamt den erforderlichen Festsitz hat.
In dem Bereich 5a steht der Einsatz nur unter geringen Schrumpf- oder Preßspannungen.
Durch äußere Belastungen im Betrieb hervorgerufene Beanspruchungen bauen sich im
Bereich 5a weitgehend ab, ohne zu einem Bruch des Einsatzes zu führen und können
sich auch in dem anschließenden engeren Bereich 5b nur noch weniger stark auswirken.
-
Bei den Ausführungen nach den Fig. 5, 6 und 7 sind die Verhältnisse
entsprechend. Die Bohrung 7 nach Fig. 5 weist zwei
zylindrische
Bereiche 7a und 7b auf, wobei wiederum der untere Bereich der engere ist und in
erster Linie die Einspannung des Einsatzes übernimmt. Bei der Ausführung nach Fig.
6 ist keine konkrete Aufteilung in zwei Bereiche vorhanden, sondern hier wird die
gewünschte Wirkung durch eine kontinuierliche Verengung der gesamten Aufnahmebohrung
9 erzielt. Die Querschnittskontur kann dabei auch gekrümmt verlaufen, wie dies in
Fig. 6 strichpunktiert angedeutet ist. In den Fig. 4 bis 6 ist mit der Ziffer 8
jeweils eine Fase am Außenrand der Aufnahmebohrung bezeichnet, welche das Einführen
des Einsatzes erleichtert.
-
Bei der Ausführung nach Fig. 7 wird die erhöhte Elastizität und die
Minderung der Spannungen zum äußeren Ende der Aufnahmebohrung 11 hin durch eine
Erweiterung lla des Randbereiches erzielt. Der tiefere Teil der Bohrung 11 kann
eine sich verengende Form haben oder aber auch zylindrisch ausgebildet sein, wie
in Fig. 7 strichpunktiert eingezeichnet ist.
-
Die Verengung bzw. Konizität des Bereiches 5b in Fig. 4 sowie die
Änderungen der Bohrungsform über der Bohrungslänge bei den anderen Ausführungen
sind der Deutlichkeit wegen in der Zeichnung übertrieben stark dargestellt. Der
Gesamtkegelwinkel (mit Bezug auf die Lochmitte) bei einer Ausführung mit ganz oder
teilweise konischem Aufnahmeloch, etwa bei der sehr günstigen Ausführung gemäß Fig.
4, liegt vorteilhaft unter 20 und ist insbesondere noch kleiner als 10. Das Verhältnis
der Länge des zylindrischen Teiles 5a zu der Länge des sich verengenden Teiles 5b
des Aufnahmeloches 5 bei einer Ausführung gemäß Fig. 4 kann z.B. 1 : 2 betragen
und liegt zweckmäßig im Bereich
zwischen 1 : 1 und 1 : 5. Bei Einsätzen
mit einem Durchmesser von etwa 14 bis 18 mm kann die gesamte Lochtiefe beispielsweise
10 bis 20 mm betragen. Bei einer Ausführung entsprechend Fig. 5 läßt sich die Differenz
zwischen den Durchmessern des Teiles 7a und des Teiles 7b des Aufnahmeloches 7 z.B.
in derselben Größenordnung wählen, wie sie sich aus den Durchmessern am Anfang und
am Ende eines konisch gestalteten Aufnahmeloches gemäß den vorstehend erläuterten
Ausführungen ergibt. Die angegebenen Werte beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungen
der Erfindung, sind jedoch nicht einschränkend zu verstehen.
-
Bei den Ausführungen nach den Fig. 8 bis 11 ist eine Elastizität im
Bereich des oberen Endes der betreffenden Aufnahmebohrung und eine Herabminderung
der Spannungen durch Vertiefungen erzielt, welche jeweils die Aufnahmebohrungen
umgeben.
-
Solche Vertiefungen können die Form einer Rille 10 (Fig. 8 und 9)
haben oder es kann eine Anzahl konzentrisch zur Aufnahmebohrung 13 angeordneter
Löcher 12 vorgesehen werden (Fig. 10 und 11). Die Rille 10 läßt sich abweichend
von der gezeigten Ausbildung auch mit einem trepezförmigen, runden bzw. halbkreisförmigen,
quadratischen oder rechteckigen Querschnitt ausführen. Auch ist es möglich, mehrere
Rillon in konzentrischer Anordnung vorzusehen.
-
Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten bzw. in der Zeichnung
dargestellten Merkmale sollen, sofern der bekannte Stand der Technik es zuläßt,
für sich allein oder auch in Kombinationen als unter die Erfindung fallend angesehen
werden.
-
Patentansprüche