DE60116619T2

DE60116619T2 - Zerspanendes werkzeug und verfahren zu dessen verwendung

Info

Publication number: DE60116619T2
Application number: DE60116619T
Authority: DE
Inventors: Norman James Forest Lake BOLAND; Kit Birkdale BUNKER; Edwin Paul Elanora WILLIS
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2021-05-19
Also published as: US6868848B2; JP2003533618A; EP1283936A1; EP1283936B1; JP5042428B2; WO2001088322A1; US20030150442A1; EP1283936A4; CA2408970C; DE60116619D1; CA2408970A1; ATE315714T1; CN100402795C; CN1443267A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft verbesserte zerspanende Werkzeuge zum Schneiden, Bohren und Sägen harter Werkstoffe, wie z.B. Fels, Stein, Beton und dergleichen. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Meißel, eine Säge und einen Bohrer, wobei jedes dieser Werkzeuge eine Spitze aus Diamant-Verbundwerkstoff aufweist, sowie Verfahren zur Verwendung derselben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Maschinen, die bei der Abtragung, beim Bergbau, beim Einschnitt, bei der Bearbeitung oder beim Bohren von Fels, Stein, Beton und ähnlichen harten Werkstoffen eingesetzt werden, verwenden eine Vielzahl von Werkzeugen, welche nachfolgend kollektiv als "zerspanende Werkzeuge" bezeichnet werden. Drei Arten von Werkzeugen, die für gewöhnlich verwendet werden, sind Meißel, Sägen und Bohrer.
Meißel
Meißel werden als zerspanende Werkzeuge bei Maschinen eingesetzt, die in Anwendungsbereichen wie z.B. beim Abbau von Kohle oder dem Tunnelbau durch Gestein eingesetzt werden. Der Begriff "Meißel" (auch als "Schleppwerkzeug" oder Bohrkopf bezeichnet) bedeutet für gewöhnlich ein spitzzulaufendes oder meißelförmiges Werzeug für das Abtragen von Fels, wobei Fels durch Eingreifen und Kratzen entlang der Oberrfläche des Felsgesteins abgetragen. Meißel bestehen für gewöhnlich aus einem Stahlschaft mit einem Wolframkarbid-Kobalt-Werkstoff, welcher die Schneidspitze bildet. Dieser Vorgang erzeugt relativ große Gesteinsbrocken oder -bruchstücke (oder "Abschnitte") im Vergleich zu feineren Abschnitten, die durch Verwendung von Werkzeugen mit einer Spitze aus Diamant oder polykristallinem Diamant-Verbundwerkstoff (PDC) gebildet werden.
Im Augenblick ist der Schneid- oder Schrämmkopf einer Maschine aus einem Maschinenpark für den Abbau oder Tunnelbau mit einer Reihe von Werkzeughaltern ausgestattet, um die zerspanenden Werkzeuge in einem gewünschten Winkel für den Eingriff in den Fels (den "Eingriffswinkel") auszurichten. Die zerspanenden Werkzeuge sind "aufgefädelt", d.h. in einem Muster angeordnet, das so ausgelegt ist, dass es eine entlastete zerspanende Bearbeitung bewirkt, wobei die Arbeit jedes zerspanenden Werkzeugs durch die Funktion oder die Tätigkeit des Werkzeugs, dem es nachfolgt, erleichtert wird, wenn sich der Zerspankopf dreht, und auf ähnliche Weise die Arbeit eines jeden nachfolgenden Werkzeugs vereinfacht. Dieser Vorgang ermöglicht, dass Felsbruchstücke mit einem geringeren Energieaufwand losgebrochen werden, als erforderlich wäre, wenn jedes Werkzeug unbeschädigten Fels durch nicht entlastete Abtragung abtragen müsste.
Herkömmliche Meißel wie zuvor erwähnt, weisen für gewöhnlich eine Zerspanspitze auf, die aus einem Wolframkarbid-Kobalt- Verbundwerkstoff gebildet ist. Diese Meißel haben eine Reihe von Nachteilen.
Prinzipiell verschleißt Wolframkarbid schnell, wenn es zur Abtragung von Schleifgestein verwendet wird. Spitzzulaufende Wolframkarbidspitzen sind so ausgelegt, dass sie sich in ihren Haltern während des Einsatzes drehen, so dass Verschleißerscheinungen gleichmäßig verteilt werden. In der Praxis drehen sich die meisten Spitzen jedoch nicht, was die Bildung einer Verschleiß-Unschärfe zur Folge hat. Auch Spitzen, die sich als beabsichtigter Verschleiß an einem Konus drehen, berühren die Felsoberfläche eher entlang einer Linie als an einer Spitze, wodurch wesentlich größere Kräfte für das Brechen von Gestein im Vergleich zu dem Fall erforderlich sind, dass die Spitze neu ist. Aufgrund dieses Verschleisses können Wolframkarbidspitzen effektiv nur für die zerspanende Bearbeitung von Kohle oder weichem Gestein eingesetzt werden. Dementsprechend ist die durchschnittliche Lebensdauer einer Spitze aus Wolframkarbid kurz und sie muss häufig ausgetauscht werden.
Es besteht offensichtlich ein Bedarf an einem Meissel, der eine höhere Lebensdauer aufweist, während seiner Verwendung eine spitzzulaufende Form beibehält und der ausreichend stark und verschleißfest ist, um hartes Gestein, wie z.B. Granit, zerspanend zu bearbeiten.
Sägen
Bestehende Einrichtungen für die zerspanende Bearbeitung durch Sägen von Fels, Gestein oder Beton umfassen hauptsächlich imprägnierte Diamant-Trennscheiben und Gestein-Trennscheiben.
Gesteinsscheiben sind große Scheiben, welche spitz zulaufende Zerspanelemente aus Wolframkarbid, sogenannte "Schleppwerkzeuge" aufweisen, die Fels in einer Meißelbewegung entfernen.
Aufgrung der Verschleißeigenschaften von Spitzen aus Wolframkarbid, sind Fels-Trennscheiben auf die Verwendung bei Gesteinen beschränkt, die eine Festigkeitsgrenze von ungefähr 100 bis 120 MPa, wie z.B. Sandstein, aufweisen. Dementsprechend können Fels-Trennscheiben, obwohl sie bei weichem Gestein ziemlich erfolgreich eingesetzt werden können, bei härterem Gestein, wie z.B. Granit, nicht verwendet werden.
Säge-Trennscheiben aus imprägniertem Diamant weisen als Zerspanelemente Umfangsabschnitte aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff auf, welcher grobkörnigen Diamant aufweist. Die Sägebewegung wird durch Kratzen der winzigen vorstehenden Diamantpartikel am Gestein erreicht, wodurch eine Mikrozerklüftung von Schichten verursacht wird. Mit jedem Durchlauf der Säge wird nur eine sehr geringe Menge an Gestein, z.B. wenige Mikrometer, in Form von sehr kleinen Fragmenten entfernt. Obwohl derartige Sägen für die zerspanende Bearbeitung von hartem Gestein verwendet werden können, ist der Sägevorgang sehr energieintensiv und sehr langsam.
Es ist offensichtlich, dass ein Bedarf an einer Säge besteht, die für die zerspanende Bearbeitung von hartem Gestein eingesetzt werden kann, welche aber mit langsamerer Geschwindigkeit als Fels-Trennscheiben aus Wolframkarbid des Standes der Technik verschleißt, jedoch schneller und energieeffizienter als Säge-Trennscheiben aus imprägniertem Diamant des Standes der Technik sägt.
Bohrer
Das Bohren von weichen Gesteinen (z.B. Kohle, Sandstein) wird für gewöhnlich unter Verwendung von Bohrköpfen durchgeführt, in welche weitgehend spitz- oder meißelförmig ausgebildete Zerspanelemente aus Wolframkarbid eingebaut sind. Zerspanelemente derartiger Form werden in der Technik als "Schleppwerk zeug oder Bohrkopf" bezeichnet. Diese Schleppewerkzeuge oder Bohrköpfe arbeiten unter Einsatz einer "Meißel"-Bewegung, wobei sie relativ große Felsmengen als Bruchstücke bei jedem Durchlauf entfernen, und auf diese Weise schnell bohren. Aufgrund des schnellen Verschleißes von Wolframkarbid sind diese Bohrköpfe jedoch nicht für das Bohren von hartem Gestein, wie z.B. Granit, geeignet.
Es wurden Versuche unternommen, Werkzeugspitzen aus Wolramkarbid herzustellen, bei denen das Wolframkarbid mit einer sehr dünnen Schicht aus Diamant überzogen wird. Allerdings blieben solche Versuche aufgrund von Verzerrung des Wolframkarbids oder einer Zersetzung von Diamant bei hohen Temperaturen erfolglos.
Ein Großteil von Bohrungen, die bei festem (hartem) Gestein durchgeführt werden, erfolgt gegenwärtig unter Verwendung von rotierenden Bohrköpfen, welche die jeweils härteren Werkstoffe, Diamant oder einen polykristallinen Diamant-Verbundwerkstoff (PDC) aufweisen.
Mit Diamant imprägnierte Bohrköpfe umfassen Diamantfragmente, die in einen Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC) eingebettet sind. Diamant-Bohrköpfe umfassen relativ größere natürliche Diamante, die in dem MMC befestigt sind.
Alternativ erfolgt manche Bohrvorgänge von hartem Gestein unter Verwendung von Bohrköpfen, welche einen polykristallinen Diamant-Verbundwerkstoff (PDC) oder einen wärmestabilen PDC aufweisen. Diese Bohrköpfe umfassen Scheiben aus PDC, die auf einem Wolframkarbid-Kobalt-Verbundwerkstoff derart befestigt sind, dass die Kanten der Scheiben gegen den Fels kratzen. US-A-5,119,714 offenbart einen Bohrkopf, der PDC aufweist. EP 0311422 offenbart einen wärmestabilen PDC, wobei Siliziumkarbid dem polykristallinen Diamantgefüge zugesetzt wird.
In allen Bohrköpfen des Standes der Technik, welche Zerspanelemente aus Diamant oder PDC aufweisen, erfolgt die zerspanende Bearbeitung des Gesteins durch Kratzen des Zerspanelements an der Oberfläche des Gesteins. Jeder Durchlauf verursacht eine Mikrozerklüftung von Schichten und entfernt eine sehr kleine Menge an Gestein, für gewöhnlich weniger als 1/10 mm pro Durchlauf. Das Gestein wird in winzigen Fragmenten entfernt, ein Vorgang, der sehr energieintensiv ist. Der Bohrvorgang ist dementsprechend langsam, wenn man von der geringen Menge an Gestein ausgeht, die bei jedem Durchlauf entfernt wird, und führt zu einer Bohrgeschwindigkeit von nur ungefähr einem Meter pro Stunde.
Es ist klar ersichtlich, dass ein Bedarf an einem Bohrer oder einer Bohrkrone für das Bohren von hartem Gestein besteht, der/die eine hohe Festigkeit aufweist und langsamer als Wolframkarbid-Bohrer des Standes der Technik verschleißt, jedoch schneller und effizienter als Bohrer des Standes der Technik, welche Diamant oder PDC enthalten, arbeitet.
Es wurden zahlreiche Versuche unternommen, um zerspanende Werkzeuge herzustellen, die Spitzen aus Diamant oder polykristallinem Diamant-Verbundwerkstoff (PDC) aufweisen, jedoch mit wenig Erfolg.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass die Ineffizienz von zerspanenden Werkzeugen des Standes der Technik, welche Diamant oder PDC enthalten, zumindest teilweise in dem Versagen begründet ist, derartige Werkstoffe in Form von spitzzulaufenden oder meißelförmigen Zerspankörpern herzustellen, die in der Technik "als Schleppwerkzeuge" bezeichnet werden. Spitzzulaufende Körper sind in der Lage, in die Felsoberfläche zu drücken und Fels als relativ große Bruchstücke zu entfernen, was weniger spezifische Energie bei jedem Durchlauf erfordert, als dies bei Bohrköpfen des Standes der Technik der Fall ist, die gegen die Felsoberfläche schaben oder kratzen, wodurch wesentlich kleinere Fragmente erzeugt werden. Des Weiteren entfernen spitzzulaufende Körper mehr Gestein mit jedem Durchlauf, was einen schnelleren Zerspanvorgang zur Folge hat.
Werkstoffe, welche Diamant enthalten, standen für gewöhnlich nur in einer sehr begrenzten Bandbreite von Formen zur Verfügung, da die verwendeten Formgebungs- und Bearbeitungsprozesse beschränkt waren. Diese Formen umfassen Dreiecke, Vierecke, Rechtecke und Halbzylinder, wie sie von Scheiben und Zylindern entweder durch Laserschneiden oder elektro-erosive Bearbeitung (EDM) abgeschnitten wurden. Es war nicht möglich, spitzzulaufende Körper, wie z.B. Kegel, direkt herzustellen.
Es wurde eine neue Generation von Diamant-Verbundwerkstoffen mit Eigenschaften entwickelt, die Verbundwerkstoffen des Standes der Technik überlegen sind. Solche Werkstoffe werden als "verbesserte Diamant-Verbundwerkstoffe" ("ADC") bezeichnet und sind beispielsweise in der WO88/07409 und der WO90/01986 beschrieben.
Verbessere Diamant-Verbundwerkstoffe (ADC) werden für gewöhnlich durch Gemische aus Diamantkristallen und Silizium hergestellt, die hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt werden, um ein Schmelzen des Siliziums zu bewirken, das dann zwischen Diamantpartikel einsickert und mit dem Kohlenstoff der Diamante zur Bildung von Siliziumkarbid reagiert. Das Siliziumkarbid bildet eine starke Bindung zwischen den Diamantkristallen.
Das Gemisch aus Diamant und Silizium kann während der Reaktion benachbart zu Körpern aus Silizium angeordnet werden, um das Einsickern von Silizium in das Gemisch zu verbessern. Diese Modifikation, welche Gegenstand der WO88/07409 ist, minimiert die schädliche Porösität und Mikrorißbildung und erhöht die Dichte, und verbessert dadurch die mechanischen Eigenschaften des verbesserten Diamant-Verbundwerkstoffs (ADC).
In einer anderen Modifikation, welche in der WO90/01986 beschrieben ist, wird ein stickstoff- und/oder phosphorhaltiger Werkstoff in das Diamant-Siliziumgemisch eingebracht und/oder die Siliziumkörper (falls verwendet) vor der Reaktion eingebracht, so dass die resultierende Siliziumkarbidbindung im ADC eine größere Menge als eine Schwellenmenge an Stickstoff und/oder Phosphor enthält. Diese Schwellenmenge beträgt für gewöhnlich 500 Teilchen pro Million (ppm). Das ADC-Produkt weist eine niedrige elektrische Widerstandsfähigkeit auf – für gewöhnlich weniger als 0,2 Ohm cm. Eine niedrige elektrische Widerstandsfähigkeit ist insofern vorteilhaft, da sie die Formgebung, Behandlung und Bearbeitung der ADC-Körper durch elekto-erosive Bearbeitung ("EDM"), auch als "Drahtschneiden" oder "Funkenerosion" bezeichnet, ermöglicht. EDM ist vielseitiger als herkömmliche Formgebungsverfahren, wie z.B. Laserschneiden, sowohl im Hinblick auf die Größe der bearbeiteten Körper als auch die Bandbreite der Formen, die hergestellt werden können.
Es stellte sich heraus, dass es möglich ist, diese ADC-Werkstoffe in eine Vielzahl von Formen, einschließlich spitzzulaufende Körper, wie z.B. kegelförmige, kugelförmige oder spitzbogenförmige Körper zu formen und/oder zu bearbeiten.
Obwohl es nun möglich ist, eine wirksame Form unter Verwendung von ADC-Werkstoffen herzustellen, stoß man auf ein weiteres Problem, nämlich einer Vorrichtung zur effektiven Befestigung der ADC-Körper an Werkzeugkörpern. Werkzeugkörper sind für gewöhnlich aus Stahl hergestellt, obwohl sie Komponenten aus Wolframkarbid aufweisen können. Die Erfinder fanden heraus, dass herkömmliche Verfahren zur Befestigung der Zerspanspitzen am Werkzeugkörper, wie z.B. mit Hilfe von Vakuum-Löten, nicht immer eine ausreichend starke Bindung liefern und die Spitzen dementsprechend während der Verwendung abbrechen können. Überraschenderweise fanden die Erfiner heraus, dass die Verwendung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs zur Bindung der Zerspan spitze an den Werkzeugkörper eine sehr starke und effektive Bindung erzeugt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINGUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein zerspanendes Werkzeug zur zerspanenden Bearbeitung von hartem Gestein bereitgestellt, wobei das zerspanende Werkzeug einen Werkzeugkörper und ein oder mehrere Zerspanelemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Zerspanelement einen spitzzulaufenden Körper aufweist, der aus einem verbesserten Diamant-Verbundwerkstoff gebildet ist, welcher Diamantkristalle aufweist, die mit Hilfe einer Siliziumkarbidmatrix miteinander verbunden sind, und dass das oder jedes Zerspanelement in oder auf dem Werkzeugkörper befestigt ist, indem ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff als Bindemittel zum Binden an sowohl das Zerspanelement als auch an den Werkzeugkörper verwendet wird, so dass die Spitze des oder jeden Elements über den Werkzeugkörper hinausragt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verwendung eines zerspanenden Werkzeugs gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zum Abtragen von hartem Gestein bereitgestellt, wobei das zerspanende Werkzeug ein oder mehrere Zerspanelemente mit jeweils einem spitzzulaufenden Körper aus einem verbesserten Diamant-Verbundwerkstoff aufweist, welcher Diamantkristalle aufweist, die mit Hilfe einer Siliziumkarbidmatrix miteinander verbunden sind, wobei das Verfahren den Schritt der Ausrichtung des zerspanenden Werkzeugs derart aufweist, dass ein Eingriffswinkel größer als 60° vorliegt.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine maschinelle Einrichtung für den Einsatz bei der Abtragung von hartem Gestein vorgesehen, welche ein zerspanendes Werkzeug gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt aufweist, wobei das zerspanende Werzeug bei Gebrauch derart ausgerichtet ist, dass der Eingriffswinkel zwischen der Achse des Zerspanelements und der Oberfläche des abzutragenden Gesteins größer als 60° ist.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Dementsprechend haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung ein zerspanendes Werkzeug entwickelt, welches ein Zerspanelement mit einem geeignet geformten Körper aus einem ADC-Werkstoff aufweist. Das Zerspanelement weist einen Befestigungsabschnitt zur Befestigung auf oder in dem Meißelkörper sowie einen Zerspanabschnitt auf, der über den Meißelkörper hinausragt und die Zerspanfläche stützt. Ds Zerspanabschnitt kann die Form eines Kegels, eines Kegelstumpfes, eines Keils, eines Meißels, einer Kugel, einer gerundeten Spitze, einer abgeflachten Spitze, einer Pyramide, eines Dreiecks, eine Ecke eines Würfels, eines Tetraeder, eines Schnabels eines Papageis oder eines Schneepflugs aufweisen.
Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, fanden die Erfinder heraus, obwohl die Zerspanspitzen von Werkzeugen des Standes der Technik für gewöhnlich am Werkzeugkörper mit Hilfe eines Lötvorgangs befestigt wurden, dass das Löten einer ADC-Spitze an entweder einer Wolframkarbid(WC)- oder einer Stahlplatte keine ausreichend starke Bindung liefert. Anstelle dessen fanden die Erfinder überraschenderweise heraus, dass die Verbindung der ADC-Spitze mit einem WC- oder Stahlsubstrat unter Verwendung eines Metallmatrix-Verbundwerkstoffs eine sehr starke und dauerhafte Verbindung liefert. Weiter stellt ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff eine in höchstem Maße geeignete Matrix für das Einbetten von ADC-Elementen darin bereit.
Die Zusammensetzung des Metallmatrix-Verbundwerkstoffs kann variieren, weist jedoch für gewöhnlich als Hauptbestandteil Kupfer, Zink, Siber und Zinn auf. Der Verbundwerkstoff kann auch Wolframkarbidkörner aufweisen. Ein solcher Metallmatrix-Verbundwerkstoff kann auf geeignete Weise unter Verwendung von Metallstaub, wie z.B. den als "Matrix Powders" von der Firma Kennametal verkauften Metallstaub, gebildet werden. Ein solcher geeigneter Staub ist Matrix Powder Typ P-75S. Metallstaub wird durch Sintern unter Druck in einen festen Metall-Verbundwerkstoff umgewandelt. In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Verbundwerkstoff durch einen Schmelzvorgang gebildet, in welchem der Metallstaub teilweise schmilzt sowie zusammengedrückt und verdichtet wird. Alternativ kann der Verbundwerkstoff mit Hilfe eines Infiltrationsvorgangs gebildet werden, bei dem ein geschmolzenes Metall dem Staub unter Druck zugesetzt wird und das geschmolzene Metall die kleinen Zwischenräume zwischen den Staubpartikeln füllt.
Vorzugsweise ist zumindest der Zerspanabschnitt des Zerspanelements konisch, kugelförmig oder spitzbogenförmig ausgebildet, wobei der Scheitel die Zerspanspitze bildet. Vorzugsweise umfasst das Zerspanelement einen sich verjüngenden, länglichen Körper und einen spitzfogenförmigen Kopf. Die Gesamtform des Zerspanelements ähnelt einem 22 Kalibergewehr-Geschoß oder -projektil. Eine kugelförmig ausgebildete Zerspanspitze wird einer kegelförmigen Spitze vorgezogen, da dies inhärent mher Festigkeit aufweist und weniger bruchanfällig ist.
Der Befestigungsabschnitt des Zerspanelements ist vorzugsweise nicht geradseitig, sondern anstelle dessen in Richtung der Zerspanspitze konisch zulaufend. Dies bedeutet, dass bevorzugt wird, dass der Befestigungsabschnitt kegelstumpfförmig anstelle von zylindrisch ausgebildet ist, da eine kegelstumpfförmige Form inhärent eine größere Festigkeit als eine zylindrische Form besitzt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsfrom des Zerspanelements ist ein "Doppelkegel", der auf der Form zweier Kegel basiert, die an ihren Basen verbunden sind. Einer der Kegel bildet einen Befestigungsabschnitt und wird in einer in dem Werkzeugkörper und/oder dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff bereitgestellten Aussparung aufgenommen, während der andere Kegel den Zerspanabschnitt bildet und über den Werkzeugkörper für einen Kontakt mit dem abzutragenden Gestein hinausragt. Die Kegel können unterschiedliche Höhe aufweisen, wobei der länglichere Kegel in der Aussparung und/oder dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff MMC aufgenommen wird und der gedrungenere Kegel die Zerspanspitze bildet. Die Form eines Doppelkegels ist insofern erwünscht, dass sie nur eine minimale Menge an Diamant-Verbundwerkstoff erfordert und somit relativ kostengünstig in der Herstellung it. Der Kegel, welcher den Zerspanabschnitt bildet, kann vorteilhafterweise ein kugelförmiges oder spitzbogenförmiges Profil aufweisen, welches, wie bereits erwähnt worden ist, eine Zerspanspitze mit höherer Festigkeit als ein konisches Profil bereitstellt.
Meißel
Der Meißel schließt vorzugsweise einen Stahlschaft an einem seiner Enden zur Befestigung an einem Werkzeughalter ein, wobei das Zerspanelement am anderen Ende bereitgestellt wird.
Der Befestigungsabschnitt des Zerspanelements wird vorzugsweise zumindest teilweise in einer Aussparung aufgenommen, die in dem Meißelkörper vorgesehen ist, und muss daher länglich genug sein, um sicherzustellen, dass eine ausreichende Länge des Zerspanabschnitts vorsteht, um die Ausführung einer zerspanenden Bearbeitung zu ermöglichen. Vorzugsweise existiert ein Zwischenraum zwischen dem Befestigungsabschnitt und der Innenfläche der Aussparung, um ausreichend Metallmatrix-Verbundwerkstoff zur Bindung des Zerspanelements in Position aufzunehmen. Durch die Befestigung des Zerspanelements in einer Aussparung wird die anschließende Bindnung erheblich ver stärkt.
Die Aussparung, in welcher der Befestigungsabschnitt des Zerspanelements aufgenommen wird, ist derart geformt, dass sie die Form des Befestigungsabschnitts komplementiert. Dementsprechend ist dann, wenn der Befestigungsabschnitt kegelstumpfförmig ausgebildet ist, die Aussparung vorzugsweise ebenfalls kegelstumpfförmig ausgebildet, und wenn der Befestigungsabschnitt konisch ist, ist die Aussparung ebenfalls vorzugsweise konisch ausgebildet.
Der Zwischenraum zwischen dem Befestigungsabschnitt und der Wand der Aussparung ist mit einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff gefüllt, der das Zerspanelement an den Meißelkörper bindet.
Der Meißelkörper kann zusätzlich zu dem Stahlbauteil weiter ein Bauteil aus Wolframkarbid einschließen. In einer derartigen Ausführungsform bildet das Stahlbauteil vorzugsweise zumindest einen Teil des Schafts aus dem Bauteil aus Wolframkarbid, das an diesen gelötet wird und die Aussparung zur Aufnahme des Zerspanelements aufweist. Wieder wird Metallmatrix-Verbundwerkstoff MMC zur Bindung der Zerspanspitze an den Meißelkörper verwendet.
Die Hinzunahme von Wolframkarbid, welches eine dazwischenliegende Flexibilität zwischen dem Stahl und Bauteilen aus verbesserten Diamant-Verbundwerkstoffen (ADC) aufweist, verbessert die Gesamtfestigkeit des Meißels. Darüber hinaus besitzt MMC auch einen Elastizitätsmodul, welcher zwischen denen von Stahl und verbessertem Diamant-Verbundwerkstoff (ADC) liegt, und welcher auf ähnliche Weise die Gesamtfestigkeit verbessert, auch dann, wenn kein Wolframkarbid vorhanden ist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fanden auch heraus, dass bessere Zerspanergebnisse durch Verwendung des erfin dungsgemäßen Meißels erzielt werden, wobei ein Eingriffswinkel eingesetzt wird, der sich von dem bei Meißeln des Standes der Technik für gewöhnlich verwendeten Eingriffswinkeln unterscheidet.
Für gewöhnlich sind Meißel in ihren Werkzeughaltern derart ausgerichtet, dass im Einsatz ihr "Eingriffswinkel", d.h. der Winkel zwischen der zu zerspanenden Felsoberfläche und der Achse des Meißels, in etwa 40° bis 60° beträgt. Ein solcher Winkel war aufgrund der besonderen Verschleißeigenschaften der voherrschend aus Wolframkarbid-Kobald (WC-Co) bestehenden Zerspanspitzen früher erforderlich.
Jedoch fanden die Erfinder der vorliegenden Erfindung heraus, dass bei Verwendung des erfindungsgemäßen Meißels weitaus bessere Ergebnisse bei einem größeren Eingriffswinkel, der über 60° beträgt, erzielt werden. Vorzugsweise liegt der Eingriffswinkel im Bereich von 60° bis 80°, bevorzugt sogar bei 65° bis 75° und am geeignetesten vorzugsweise bei 70°. Dieser steilere Eingriffswinkel ist daher möglich, da das Zerspanelement wesentlich härter als die Zerspanelemente des Standes der Technik sind, was ein anderes Verschleißmuster zur Folge hat. Zudem fand man heraus, dass die Verwendung einiger Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Meißels bei den für gewöhnlich kleineren Eingriffswinkeln unter manchen Umständen dazu führen kann, dass sich das Zerspanelement vom Meißelkörper löst. Durch Erhöhung des Eingriffswinkels auf ungefähr 60° verläuft die an der Zerspanspitze aufgebrachte Kraft jedoch so nahe wie möglich an der Drehachse des Meißels, so dass eine minimale Biegebewegung an die Zerspanspitze angelegt wird, welche ein Lösen des Zerspanelements verursachen könnte.
Säge
Wie vorstehend bereits erwähnt worden ist, fanden die Erfinder überraschenderweise heraus, dass Metallmatrix-Verbundwerkstoffe eine in höchstem Maße geeignete Matrix zur Einbettung oder Befestigung der Zerspanelemente aus verbessertem Diamant-Verbundwerkstoff (ACD) darin bereitstellen. Die erfindungsgemäße Säge weist vorzugsweise einen im Wesentlichen kreisförmigen Sägekörper auf, bei welchem die Zerspanelemente um seinen Umfang befestigt sind, um somit eine Zerspanfläche zu bilden.
In einer Ausführungsform weist der Sägekörper eine Vielzahl von bogenförmigen Zerspanabschnitten auf, welche auf dem Umfang des Sägekörpers aufgenommen werden können und in gewissem Abstand angeordnet sind. Jedes Zerspanelement weist für gewöhnlich eine Vielzahl von Zerspanelementen auf, die in einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff MMC derart befestigt sind, dass die Zerspanabschnitte gemeinsam die Zerspanfläche bilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wurde die Säge hergestellt, indem die Zerspanelemente direkt in Löchern oder Öffnungen befestigt wurden, welche am Umfang des Sägekörpers bereitgestellt sind. Die Zerspanelemente wurden in Position gesetzt, indem Metallmatrix-Verbundwerkstoff MMC in jedem Loch bereitgestellt wurde.
Vorzugsweise sind die auf der Säge angeordneten Zerspanelemente aufgefädel oder festgeschnürt. Dies bedeutet, dass die Zerspanelemente in einem Muster angeordnet sind, das zur Erleichterung der zerspanenden Bearbeitung ausgelegt ist: wenn sich die Säge dreht, wird die Arbeit eines jeden Zerspanelements durch die Tätigkeit oder Funktion der Zerspanelemente, denen es folgt, erleichtert, und ähnlich erleichtert jedes Zerspanelement die Arbeit des ihm nachfolgenden Zerspanelements. Dieser Vorgang ermöglicht, dass Gesteinsstücke oder -fragmente mit weniger Energieaufwand gelöst werden können, als erforderlich wäre, wenn jedes Werkzeug unbeschädigtes Gestein durch nicht vereinfachte zerspanende Bearbeitung abtragen müsste. Es versteht sich, dass es bislang nicht möglich war, Zerspanelemente aus Wolframkarbid des Standes der Technik "aufzufädeln oder festzuschnüren", da diese vergleichsweise größer sein müssen und nacheinander in dieselbe Nut folgen müssen. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Säge war es möglich, Fels mit einer erstaunlichen Rate von 1 mm pro Durchlauf abzutragen.
Herkömmliche Bohrköpfe aus Wolframkarbid-Kobalt (WC-Co) sind bei Verwendung derart ausgerichet, dass der "Eingriffswinkel", d.h. der Winkel zwischen der Oberfläche des zerspanend zu bearbeitenden Gesteins und der Achse des Bohrkopfes bei ungefähr 40° bis 60° liegt. Ein derartiger Winkel war früher aufgrund der besonderen Verschleißeigenschaften der Zerspanspitzen aus Wolframkarbid-Kobalt (WC-Co) erforderlich.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fanden jedoch heraus, dass durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Säge weitaus bessere Ergebnisse erzielt werden, wenn die Zerspanelemente in dem Sägekörper und/oder einer Stützmatrix derart befestigt werden, dass der Eingriffswinkel eines jeden Zerspanelements im Bereich von 60° bis 80° liegt. Bevorzugter noch liegt der Eingriffswinkel im Bereich von 65° bis 75°, am meisten bevorzugt bei 75°. Dieser steilere Winkel wird dadurch ermöglicht, dass die Zerspanelemente beträchtlich härter sind als die des Standes der Technik, was zu unterschiedlichen Verschleißeigenschaften führt.
Eine Säge, welche die in einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff gelagerten Zerspanelemente aus verbessertem Diamant-Verbundwerkstoff (ADC) einbaut, liefert eine weitaus bessere Zerspanleistung im Vergleich zu den Sägen des Standes der Technik. Die erfindungsgemäße Säge kann hartes Gestein mit hoher Geschwindigkeit abtragen, und dringt mit jedem Durchlauf einen Millimeter vor, was bei einer Geschwindigkeit von 1000 Umdrehungen pro Minute einem Meter pro Minute entspricht. Diese Zerspangeschwindigkeit ist ein Vielfaches schneller als bei einer imprägnierten Diamantsäge, und ist größtenteils dem Vorgang des Einschnitts mit Hilfe der spitzzulaufenden Zerspanelemente und der Erzeugung einer Rißausbreitung zuzuschreiben. Ein derartiger Vorgang unterscheidet sich erheblich von der Zerspantätigkeit jeder existierenden Säge. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Säge in der Lage, einen Schlitz in Gestein mit einer Breite zu sägen, die erheblich kleiner als die Schlitzbreite ist, die von Gesteins-Schleifscheiben des Standes der Technik erzeugt werden, was bedeutet, dass weniger Gesteinsabfall anfällt.
Nachfolgend werden die Vorteile der erfindungsgemäßen Säge zusammengefasst:

(i) Die Sägen sind in der Lage, Gestein mit hoher Festigkeit, wie z.B. Granit, zu schneiden, was bislang mit Sägeköpfen des Standes der Technik nicht möglich war.
(ii) Die zerspanende Bearbeitung erfolgt aufgrund eines Vorgangs von Rißausbreitung und Spanbildung schneller, wodurch makroskopische Fragmente erzeugt werden, im Gegensatz zu dem langsameren Mikrofraktur-Prozess bei der zerspanenden Bearbeitung von Gestein, der bei herkömmlichen, imprägnierten Diamant-Sägescheiben verwendet wurde.
(iii) Es ist möglich, die Vorteile der Festschnürung oder Auffädelung der Sägeköpfe auszunutzen, was bei herkömmlichen Werkzeugen, die Sägeköpfe aus Wolframkarbid aufweisen, aufgrund deren größerer Abmessung und deren Notwendigkeit, einander in derselben Nut während der zerspanenden Bearbeitung zu folgen, nicht möglich war.
(iv) Im Vergleich zu Sägen des Standes der Technik mit Sägeköpfen aus Wolframkarbid sind kleinere Kräfte für eine vorgegebene Abtragungsrate erforderlich.
(v) Ähnlich sind Abtragungsraten bei einer vorgegebenen ausgeübten Kraft höher als bei Sägen des Standes der Technik mit Sägeköpfen aus Wolframkarbid.
(vi) Die erfindungsgemäßen Sägen können im Vergleich zu herkömmlichen Diamantsägen aufgrund der Erzeugung von makroskopischen Spänen mit einer höheren spezifischen Abtragungsenergie abtragen.

Bohrkrone
Eine erfindungsgemäße Bohrkrone weist eine Vielzahl an Zerspanelementen auf, wobei jedes davon einen "Bohrkopf", d.h. einen spitzzulaufenden Körper aufweist, der aus einem ADC Werkstoff hergestellt ist. Jedes Zerspanelement schließt einen Befestigungsabschnitt zur Befestigung in dem Metallmatrix-Verbundwerkstoff ein, und einen Zerspanabschnitt, der über die Stützmatrix hinausragt und darauf die Schneidfläche trägt.
Die Bohrkrone der vorliegenden Erfindung kann eine einfache Bohrkrone für das Bohren von Löchern oder eine Kernbohrkrone aufweisen. Eine Kernbohrkrone weist eine ringförmige Form auf und bohrt ein ringförmiges Loch, wobei der dabei erzeugte Kern entnommen werden kann und zum Erhalt von Informationen über die Geologie des Gesteins, durch das das Loch hindurchgeht, untersucht werden kann.
Es gibt unterschiedliche zur Verfügung stehende Verfahren, um den Gesteinskern oder die Abschnitte aus dem Loch an die Oberfläche zu befördern. Ein Luft enthaltender Strom von Bohrfluid, Wasser oder Schlamm wird für gewöhnlich während des Bohrens zur Kühlung der Bohrkrone zirkuliert, und kann zudem dazu verwendet werden, Gesteinsabschnitte an die Oberfläche zu befördern. Bei der herkömmlichen Zirkulation fließt das Bohrfluid zum Boden des Loches im Inneren des an die Bohrkrone be festigten Rohrstrangs hinab. Bei der umgekehrten Zirkulation fließt das Bohrfluid an der Außenseite des Rohrstrangs hinab und an der Innenseite des Rohrstrangs hinauf, wo der Rohrstrang ein Rohr mit zwei Wänden ist, d.h. wo der Rohrstrang ein Rohr innerhalb eines weiteren Rohrs aufweist, wobei das Bohrfluid den ringförmigen Zwischenraum zwischen den Rohren hinabfließt und dann das Zentralrohr wieder hinauf.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Bohrkrone der Erfindung bei der Kernbohrung mit einer Zweiwandrohr-Umkehrzirkulation eingesetzt. Die Bohrkrone weist einen Kernbrecher zum Brechen des Kerns in kurze Längen auf, während die Kernbohrung fortgesetzt wird. Die Längen des Kerns werden dann mit Hilfe des Bohrfluids das Zentralrohr hinauf zur Oberfläche befördert.
Die Bohrkrone weist vorzugsweise einen ringförmigen oder zylindrischen Bohrkronenkörper mit einer Vielzahl an Zerspanelementen auf, die zur Bildung einer Zerspanfläche an einem Ende des Körpers in einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff MMC befestigt sind. Der ringförmige oder zylindrische Bohrkronenkörper weist eine Innenwand und eine Außenwand auf, welche vorzugsweise darin ausgebildete Kanäle für das Bohrfluid aufweisen, durch welche Bohrfluid während des Einsatzes fließen kann.
Ebenso wie im Falle der erfindungsgemäßen Säge ist es bevorzugt, dass die Zerspanelemente des Bohrers festgeschnürt oder aufgefädelt sind. Dies bedeutet, dass die Zerspanelemente in einem Muster angeordnet sind, das eine entlastete zerspanende Bearbeitung bewirken soll: wenn sich die Bohrkrone dreht, wird die Arbeit eines jeden Zerspanelements durch die Tätigkeit des Zerspanelements, dem es folgt, erleichtert, und auf ähnliche Weise erleichtert das Zerspanelement die Arbeit eines jeden ihm nachfolgenden Zerspanelements. Dieser Vorgang ermöglicht es, dass Gesteinsfragmente mit weniger Energie freigebrochen werden, als erforderlich wäre, wenn jedes Werkzeug unbeschä digtes Gestein durch nicht entlastete zerspanende Bearbeitung abtragen müsste. Es versteht sich, dass es nicht möglich war, Bohrkronen aus Wolframkarbid des Standes der Technik festzuschnüren, da sie vergleichsweise größer sein müssen und einander in derselben Nut folgen müssen.
Unter Verwendung der Bohrkrone der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Gestein mit einer erstaunlichen Geschwindigkeit von 1 mm pro Durchlauf zu entfernen.
Herkömmliche Bohrköpfe aus Wolframkarbid-Kobalt (WC-Co) sind bei Gebrauch so ausgerichtet, dass der "Eingriffswinkel", d.h. der Winkel zwischen der Oberfläche des zerspanend zu bearbeitenden Gesteins und der Achse des Bohrkopfes bei ungefähr 40° bis 60° liegt. Ein derartiger Winkel war früher aufgrund der besonderen Verschleißeigenschaften von Zerspanspitzen aus Wolframkarbid-Kobalt erforderlich.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fanden jedoch heraus, dass durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Bohrkrone weitaus bessere Ergebnisse erzielt werden, wenn die Zerspanelemente in der Stützmatrix derart befestigt werden, dass der Eingriffswinkel eines jeden Zerspanelements im Bereich von 60° bis 80° liegt. Bevorzugter noch liegt der Eingriffswinkel im Bereich von 65° bis 75°, am meisten bevorzugt bei 75°. Dieser steilere Winkel wird dadurch ermöglicht, dass die Zerspanelemente beträchtlich härter sind als die des Standes der Technik, was zu unterschiedlichen Verschleißeigenschaften führt.
Nachfolgend werden die Vorteile der erfindungsgemäßen Bohrkrone zusammengefasst:

(i) Die Bohrkronen sind in der Lage, festes Gestein, wie z.B. Granit, zerspanend zu bearbeiten, was bislang mit Bohrköpfen von Bohrkronen des Standes der Technik nicht möglich war.
(ii) Die zerspanende Bearbeitung erfolgt aufgrund eine Vorgangs von Rißausbreitung und Spanbildung schneller, wodurch makroskopische Fragmente erzeugt werden, im Gegensatz zu dem langsameren Mikrofraktur-Prozess bei der zerspanenden Bearbeitung von Gestein, der bei herkömmlichen Diamant- oder PDC-Bohrkronen verwendet wurde.
(iii) Es ist möglich, die Vorteile der Festschnürung der Bohrköpfe auszunutzen, was bei herkömmlichen Werkzeugen, die Bohrköpfe aus Wolframkarbid aufweisen, aufgrund deren größeren Abmessung und deren Notwendigkeit, einander in derselben Nut während der zerspanenden Bearbeitung zu folgen, nicht möglich war.
(iv) Im Vergleich zu Bohrkronen des Standes der Technik mit Bohrköpfen aus Wolframkarbid sind kleinere Kräfte für eine vorgegebene Abtragungsrate erforderlich.
(v) Ähnlich sind Abtragungsraten bei einer vorgegebenen ausgeübten Kraft höher als bei Bohrkronen des Standes der Technik mit Bohrköpfen aus Wolframkarbid.
(vi) Die erfindungsgemäßen Bohrköpfe können im Vergleich zu herkömmlichen Diamant- und PDC-Bohrkronen aufgrund der Erzeugung von makroskopischen Spänen mit einer höheren spezifischen Abtragungsenergie abtragen.

Zum leichteren Verständnis der Erfindung werden nun nicht einschränkende Ausführungsformen dieser mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Zerspanelements, das in den Zerspanwerkzeugen der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird;
2 eine schematische Querschnittsansicht eines Meißels gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
3 eine Perspektivansicht einer Säge gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
3a eine ausführliche Perspektivansicht eines Zerspanabschnitts der in 3 veranschaulichten Säge;
4 eine Perspektivansicht einer modifizierten Version der in 3 dargestellten Säge;
4a eine ausführliche Ansicht eines Wegschnitts des Umfangs der in 4 dargestellten Säge; und
5 eine Perspektivansicht einer Kernbohrkrone gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend erfolgt eine ausführliche Beschreibung der bevorzugen Ausführungsformen gemäß Darstellung in den anliegenden Zeichnungen, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf die gleichen Bauteile beziehen.
1 zeigt einen Querschnitt eines Zerspanelements 10, welches einen spitzzulaufenden Körper 12 aus verbessertem Diamant-Verbundwerkstoff ADC aufweist. Das Zerspanelement 10 weist eine Basis 13, einen länglichen Befestigungsabschnitt 16, der so ausgelegt ist, dass er in der Stützmatrix eines Werkzeugkörpers (nicht gezeigt) aufgenommen wird, sowie einen Zerspanabschnitt 18 auf, auf dem die Zerspanfläche oder die Zerspanspitze 20 bereitgestellt ist. Die Zerspanspitze 18 ist spitzbogenförmig oder kugelförmig, wohingegen sich die Seiten 24a, 24b des Befestigungsabschnitts 16 von der Basis 13 zum Zerspanabschnitt 18 hin nach innen verjüngen.
In 2 ist ein Meißel 110 dargestellt, welcher ein Zerspanelement 10 mit einem spitzzulaufenden Körper 12 aus ADC aufweist, das in einem Meißelkörper aus Stahl befestigt ist. Das Zerspanelement 12 weist die Merkmale gemäß Darstellung in 1 auf, auf deren Wiederholung hier verzichtet wird. Der längliche Befestigungsabschnitt 16 ist in einer Aussparung 17 in dem Meißelkörper 14 befestigt, und der Zerspanabschnitt 18 ragt über die Aussparung 17 hinaus und trägt die Zerspanfläche oder den Zerspanpunkt 20.
Das Zerspanelement 12 wird durch eine Schicht aus Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC) 22 an den Meißelkörper 14 gebunden.
Die Innenfläche 19 der Aussparung 17 ist derart geformt, dass sie die Form des Befestigungsabschnitts 16 komplementiert, wobei ein ausreichender Zwischenraum zwischen diesen vorgesehen ist, um den MMC aufzunehmen. Unter Berücksichtigung der großen Unterschiede bei den Elastizitätsmodulen von Stahl und ADC besteht vorzugsweise kein direkter Kontakt zwischen dem Zerspanelement 12 und dem Meißelkörper 14, sondern anstelle dessen eine vollständige Trennung der beiden durch die dazwischenliegende MMC-Schicht 22.
Der Meißelkörper 14 weist weiter einen Schaft 26 für die Befestigung an einem Werkzeughalter auf.
Mit Bezug auf 3 weist eine Säge 210 einen kreisförmigen Sägekörper 230 mit einer Vielzahl an Zerspanabschnitten 232 auf, welche in Abständen um seinen Umfang angeordnet sind und auf diese Weise eine Zerspanfläche 234 bilden. Der Sägekörper 230 weist eine zentrale Öffnung 236 zur Befestigung auf einer motorgetriebenen Spindel (nicht gezeigt) auf, um auf diese Weise eine Drehung um die Achse X-X zu bewirken.
3a zeigt einen Zerspanabschnitt 232 im Detail. Der Zerspanabschnitt 232 weist einen inneren Umfangskanal 233 auf, der auf der Umfangskante des Sägekörpers 230 aufgenommen wird. Der Zerspanabschnitt 232 weist eine Vielzahl an Schneidelementen 10 auf (wie es in 1 dargestellt ist), welche in einer Stützmatrix 238 gesetzt sind, um so die Zerspanfläche 234 bereitzustellen. Die Stützmatrix 238 setzt sich aus Metallmatrix-Verbundwerkstoff zusammen. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff wird durch Verwendung von Metallstaub, der unter dem Namen "Matrix Powders" von der Firma Kennametal verkauft wird, geeignet geformt. Ein derartiger geeigneter Metallstaub ist Matrix Powder Typ P-75S.
Die Zerspanelemente 10 sind "festgeschnürt", d.h. sie sind auf der Zerspanfläche 240 darart angeordnet, dass bei Drehung der Säge 210 jedes Zerspanelement 10 eine entlastete zerspanende Bearbeitung durch andere Zerspanelemente 10, denen es folgt, ausnutzt, und andererseits wiederum eine Möglichkeit für eine entlastete zerspanende Bearbeitung für jedes der nachfolgenden Zerspanelemente 10 bereitstellt. Darüber hinaus ist jedes Zerspanelement 10 im Einsatz derart ausgerichtet, dass der Winkel zwischen der Oberfläche des zerspanend zu bearbeitenden Gesteins und der Achse des Zerspanelements 18 im Bereich von 60° bis 80° liegt.
4 und 4a stellen eine Variation der Ausführungsform der Säge aus den 3 und 3a dar. Der Hauptunterschied zwischen den jeweiligen Sägeausführungsformen der 4 und 3 liegt darin, dass in 4 die Zerspanfläche 234' integral mit und kontinuierlich über den gesamten Umfang des Sägekörpers 230' angeordnet ist. Die Säge 210' aus 4 ist mit Hilfe von Bohrlöchern 231' direkt in dem Sägekörper 210' gebildet. 4a veranschaulicht eine Öffnung 231' in einer Teilansicht eines Wegschnitts des Sägekörpers 210'. Die Zerspanelemente 10 werden in den Öffnungen 231' plaziert und in der gewünschten Ausrichtung angeordnet, indem MMC zur Bindung der Zerspanelemente in Position verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf 5 weist eine Kernbohrkrone 310 einen ringförmigen Bohrkronenkörper 350 mit einer Innenwand 352 und einer Außenwand 354, sowie eine Vielzahl an Zerspanelementen, oder darin befestigten Bohrköpfen 10 auf. Die Zerspanelelemente 10 sind in 1 dargestellt. Der Bohrkronenkörper 350 weist eine Zerspanfläche 356 an ihrem vorderen Ende 358 sowie eine Vorrichtung zur Befestigung an einer Bohrerreihe (nicht gezeigt) am hinteren Ende 360 auf. Die Zerspanelemente 10 sind in einer an der Zerspanfläche 356 bereitgestellten Stützmatrix 361 befestigt. Die Matrix setzt sich aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff zusammen. Der Metallmatrix-Verbundwerkstoff wird unter Verwendung von Metallstaub, der unter dem Namen "Matrix Powders" von der Firma Kennametal verkauft wird, geeignet geformt. Ein derartiger geeigneter Metallstaub ist Matrix Powder Typ P-75S.
Der Bohrkronenkörper 350 weist zudem Kanäle 362 für Bohrfluid in der Innenwand 352 und der Außenwand 354 des Bohrkronenkörpers 350 für den Transport von Bohrfluid während des Betriebs auf.
Die Zerspanelemente 10 sind wieder "festgeschnürt", d.h. sie sind auf der Zerspanfläche 356 derart angeordnet, dass bei Drehung der Bohrkrone 310 jedes Zerspanelement 10 eine entlastete zerspanende Bearbeitung durch andere Zerspanelemente 10, denen es folgt, ausnutzt, und andererseits wiederum eine Möglichkeit für eine entlastete zerspanende Bearbeitung für jedes der nachfolgenden Zerspanelemente 10 bereitstellt. Es versteht sich, dass trotz der unterschiedlichen Ausrichtungen der Zerspanelemente 10, die Achse A, welche durch die Spitze eines jeden Zerspanelements 10 verläuft, einen Winkel von ungefähr 70° zur Drehachse X-X der Bohrkrone 310 aufweist.
Schließlich versteht es sich, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und/oder Hinzufügungen im Aufbau und der Anordnung von zuvor beschriebenen Bauteilen eingeführt werden können, ohne vom Schutzumfang oder der Aufgabe der Erfindung abzuweichen.

Claims

Zerspanendes Werkzeug (110, 210, 310) zum Abtragen von hartem Gestein oder Fels, wobei das zerspanende Werkzeug einen Werkzeugkörper (14, 230, 350) und ein oder mehrere Zerspanelemente (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Zerspanelement einen spitzzulaufenden Körper (12) aufweist, der aus einem verbesserten Diamant-Verbundwerkstoff gebildet ist, welcher Diamantkristalle aufweist, die mit Hilfe einer Siliziumkarbidmatrix miteinander verbunden sind, und dass das oder jedes Zerspanelement (10) in oder auf dem Werkzeugkörper (14, 230, 350) befestigt ist, indem ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff als Bindemittel zum Binden an sowohl das Zerspanelement als auch an den Werkzeugkörper verwendet wird, so dass die Spitze (20) des oder eines jeden Elements über den Werkzeugkörper (14, 230, 350) hinausragt.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zerspanende Werkzeug aus der Gruppe bestehend aus einem Meißel (110), einer Säge (210) und einem Bohrer (310) ausgewählt wird.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zerspanabschnitt (18) des oder jedes Zerspanelements (10) entweder konisch, kugelförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Zerspanelement (10) weiter einen sich verjüngenden länglichen Körper und einen den Zerspanabschnitt (18) bildenden Kopf aufweist, wobei der sich verjüngende längliche Körper einen Befestigungsabschnitt (16) für die Befestigung des Zerspanelements in oder auf dem Werkzeugkörper (14, 230, 350) aufweist.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der längliche Körper nach innen in Richtung zum Zerspanabschnitt (18) verjüngt und vorzugsweise kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der verjüngende längliche Körper nach innen in Richtung weg vom Zerspanabschnitt (18) verjüngt und vorzugsweise konisch ausgebildet ist.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff als Hauptbestandteile Kupfer, Zink, Silber und Zinn enthält, und der Metallmatrix-Verbundwerkstoff weiter Körner aus Wolframkarbid, die durch Verschmelzung gebildet sind, aufweist.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Zerspanelement (10) derart in der Stützmatrix befestigt ist, dass der Eingriffswinkel des Zerspanelements größer als 60° ist.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingriffswinkel im Bereich von 60° bis 80° liegt.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingriffswinkel im Bereich von 65° bis 75° liegt.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 1, welches einen Meißel (110) zum Abtragen von hartem Gestein aufweist, wobei der Werkzeugkörper ein Meißelkörper (14) ist, der einen Schaft (26) an einem seiner Enden zur Befestigung an einem Werkzeughalter aufweist, sowie das Zerspanelement (10) am anderen Ende des Meißelkörpers (14) vorgesehen ist, wobei das Zerspanelement (10) einen Befestigungsabschnitt (16) sowie einen Zerspanabschnitt (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsabschnitt des Zerspanelements (10) zumindest teilweise in einer in dem Meißelkörper (14) vorgesehenen Aussparung (17) aufgenommen wird und durch eine Schicht aus einem Metallmatrix-Vebundwerkstoff so in Position befestigt ist, dass der Zerspanabschnitt über die Vertiefung hinausragt.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerspanwerkzeug (10) einen sich verjüngenden länglichen Körper aufweist, der den Befestigungsabschnitt (16) bildet, welcher sich nach innen in Richtung eines kugel- oder spitzbogenförmig ausgebildeten Kopfes, welcher den Zerspanabschnitt (18) bildet, verjüngt, wobei der sich verjüngende längliche Körper vorzugsweise kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff als Hauptbestandteile Kupfer, Zink, Silber und Zinn enthält, wobei der Metallmatrix-Verbundwerkstoff vorzugsweise weiter Körner aus Wolframkarbid aufweist.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (17) so geformt ist, dass sie die Form des Befestigungsabschnitts komplementiert.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Meißelkörper (14) aus Stahl gebildet ist.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (26) zumindest teilweise aus Stahl gebildet ist und der Meißelkörper (14) weiter ein Bauteil aus Wolframkarbid aufweist, in welchem die Vertiefung untergebracht ist.
Verfahren zur Verwendung eines zerspanenden Werkzeugs nach einem der Ansprüche 11 bis 16, welches den Schritt der Ausrichtung des Meißels (110) derart aufweist, dass der Eingriffswinkel größer als 60° ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingriffswinkel zwischen 60° und 80° liegt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen 65° und 75° liegt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel in etwa 70° beträgt.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 1, welches eine Säge (210) zum Abtragen von hartem Gestein oder Fels aufweist, wobei die Säge eine Vielzahl von Zerspanelementen (10) aufweist, die in einer Stützmatrix (238) aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff gebildet sind, wobei das eine oder jedes Element (10) einen Befestigungsabschnitt (16) und einen Zerspanabschnitt (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Zerspanelement durch den Befestigungsabschnitt befestigt ist, indem es den Metallmatrix-Verbundwerkstoff als Bindemittel derart verwendet, dass der Zerspanabschnitt über die Stützmatrix hinausragt.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerspanelemente (10) derart ausgerichtet sind, dass bei Verwendung der Winkel zwischen der Achse eines jeden Zerspanelements und der abzutragenden Felsoberfläche größer als 60° ist.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen 60° und 80° liegt.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen 65° und 75°, vorzugsweise bei in etwa 70° liegt.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Zerspanelement weiter einen sich verjüngenden länglichen Körper und einen kugel- oder spitzbogenförmigen Kopf aufweist, der den Zerspanabschnitt (18) bildet, wobei der sich verjüngende längliche Körper den Befestigungsabschnitt (16) zur Befestigung des Zerspanelements in der Stützmatrix bildet.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass sich der längliche Körper nach innen in Richtung zum Zerspanabschnitt verjüngt.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der längliche Körper kegelstumpfförmig ist.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass sich der verjüngende längliche Körper nach innen in Richtung weg vom Zerspanabschnitt verjüngt.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 25 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass der sich verjüngende längliche Körper konisch ist.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff als Hauptbestandteile Kupfer, Zink, Silber und Zinn enthält, und dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff weiter Körner aus Wolframkarbid aufweist.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 30, welches weiter einen im Wesentlichen kreisförmigen Sägekörper (230) aufweist, um dessen Umfang die Zerspanelemente (10) befestigt sind, um auf diese Weise eine Spanfläche zu bilden.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerspanelemente (10) in Öffnungen (231) befestigt sind, die um den Umfang des Sägekörpers (210) bereitgestellt und in Position befestigt werden, indem sie einen Metallmatrix-Verbundwerkstoff verwenden.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerspanelemente festgeschnürt sind.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 1, welches weiter eine Bohrkrone (310) zum Abtragen von hartem Gestein aufweist, wobei die Bohrkrone eine Vielzahl von Zerspanelementen (10) aufweist, die in einer Stützmatrix aus einem Metallmatrix (361)-Verbundwerkstoff befestigt sind, wobei das oder jedes Zerspanelement einen Befestigungsabschnitt (16) und einen Zerspanabschnitt (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Zerspanelement mit Hilfe des Befestigungsabschnitts befestigt wird, indem der Metallmatrix-Verbundwerkstoff als Bindemittel derart verwendet wird, dass der Zerspanabschnitt (18) über die Stützmatrix (361) hinausragt.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerspanelemente derart angeordnet sind, dass bei Einsatz der Winkel zwischen der Achse des Zerspanelements und der Oberfäche des abzutragenden Gesteins größer als 60° ist.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen 60° und 80° liegt.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen 65° und 75°, vorzugsweise bei in etwa 70° liegt.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der Ansprüche 34 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Zerspanelement weiter einen sich verjüngenden länglichen Körper und einen den Zerspanabschnitt (18) bildenden Kopf aufweist, wobei der sich verjüngende längliche Körper einen Befestigungsabschnitt (16) für die Befestigung des Zerspanelements in der Stützmatrix (361) bildet.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass sich der längliche Körper nach innen in Richtung zum Zerspanabschnitt verjüngt.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 38 oder 39, dadurch gekennzeichnet, dass der längliche Körper kegelstumpfförmig ist.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass sich der verjüngende längliche Körper nach innen in Richtung weg vom Zerspanabschnitt verjüngt.
Zerspanendes Werkzeug nach Anspruch 38 oder 40, dadurch gekennzeichnet, dass der längliche Körper konisch ist.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der Ansprüche 34 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff als Hauptbestandteile Kupfer, Zink, Silber und Zinn enthält, und dass der Metallmatrix-Verbundwerkstoff weiter Körner aus Wolframkarbid aufweist.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der Ansprüche 34 bis 43, welches eine Kernbohrkrone aufweist.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der Ansprüche 34 bis 44, welches weiter einen ringförmigen Bohrkronenkörper (350) mit einer Vielzahl der Zerspanelemente (10) aufweist, die in der Stützmatrix (361) an einem ihrer Enden zur Bildung einer Spanfläche (356) befestigt sind.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der Ansprüche 34 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerspanelemente (10) festgeschnürt sind.
Zerspanendes Werkzeug nach einem der Ansprüche 45 und 46, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Bohrkronenkörper (350) eine Innenwand (352) und eine Außenwand (354) mit Spülschlammkanälen (362) darin für den Durchlauf von Spülschlamm während des Gebrauchs aufweist.
Verfahren zur Verwendung eines zerspanenden Werkzeugs (110, 210, 310) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Abtragen von hartem Gestein, wobei das zerspanende Werkzeug ein oder mehrere Zerspanelemente (10) mit jeweils einem spitzzulaufenden Körper (12) aus einem verbesserten Diamant-Verbundwerkstoff aufweist, welcher Diamantkristalle aufweist, die mit Hilfe einer Siliziumkarbidmatrix miteinander verbunden sind, wobei das Verfahren den Schritt der Ausrichtung des zerspanenden Werkzeugs (110, 210, 310) derart aufweist, dass ein Eingriffswinkel größer als 60° ist.
Verfahren nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Zerspanelement (10) einen sich verjüngenden länglichen Körper aufweist, der einen Befestigungsabschnitt (16) bildet, welcher sich nach innen in Richtung eines kugel- oder spitzbogenförmig ausgebildeten Kopfes, welcher einen Zerspanabschnitt (18) bildet, verjüngt.
Verfahren nach Anspruch 48 oder 49, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingriffswinkel zwischen 60° und 80°, vorzugsweise zwischen 65° und 75°, liegt.
Maschinelle Einrichtung für den Einsatz bei der Abtragung von hartem Gestein, welche ein zerspanendes Werkzeug (110, 210, 310) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das zerspanende Werkzeug (110, 210, 310) bei Gebrauch derart ausgerichtet ist, dass der Eingriffswinkel zwischen der Achse des Zerspanelements (10) und der Oberfläche des abzutragenden Gesteins größer als 60° ist.
Maschinelle Einrichtung nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen 60° und 80° liegt.
Maschinelle Einrichtung nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen 65° und 75° liegt.
Maschinelle Einrichtung nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel in etwa 70° beträgt.