DE602004009937T2

DE602004009937T2 - Erdbohrungs-drehbohrmeissel mit schraubenförmigen öffnungen

Info

Publication number: DE602004009937T2
Application number: DE602004009937T
Authority: DE
Inventors: Douglas E. Chilhowie BISE
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2024-06-10
Also published as: WO2005005769A1; ATE377693T1; PL1649135T3; ZA200600040B; US6915867B2; DE602004009937D1; CA2530872A1; US20040262045A1; AU2004256427B2; PL378714A1; EP1649135A1; EP1649135B1; AU2004256427A1; CN100412310C; CN1829850A; CA2530872C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Drehbohrer zum Eindringen in die Erde, der an seinem axialen vorderen Ende ein hartes Element aufweist, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 angegeben, und sie betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Drehbohrers. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Drehbohrer zum Eindringen in die Erde, der an einem seiner Enden ein hartes Element aufweist, wobei der Drehbohrer Trümmeröffnungen (oder Stauböffnungen) zum Abführen von Staub und Trümmern aus der Umgebung, in welcher der Bohrvorgang stattfindet, umfasst.
Die Erweiterung einer unterirdischen Kohlengrube erfordert das Graben eines Stollens, der anfänglich eine ungestützte Decke hat. Um eine Stütze für die Decke zu schaffen, wird ein Drehbohrer zum Eindringen in die Erde (z. B. ein Deckenbohrer) verwendet, um Bohrlöcher zu bohren, die sich etwa zwei bis etwa zwanzig Fuß (oder sogar noch tiefer) in die Erdschichten erstrecken können. Dazu ist der Bohrer zum Eindringen in die Erde mit einem Bohrstahl verbunden. Der Bohrstahl ist mit einem Drehantrieb verbunden. Der Drehantrieb treibt den Bohrer zum Eindringen in die Erde so an, dass die Erdschichten gebohrt werden. In den Bohrlöchern werden Deckenbolzen befestigt, und dann wird eine Deckenstütze (zum Beispiel eine Deckenbeplankung) an den Deckenbolzen angebracht. Beispiele für einen herkömmlichen Deckenbohrer mit einem axialen vorderen Schlitz, der ein schneidenartiges, hartes Einsatzstück trägt, sind die KCV4-1RR und KCV4-1 1/32RR Roof Rocket^TM Bohrer, hergestellt von Kennametal Inc. aus Latrobe, Pennsylvania, USA und offenbart im US-Patent Nr. 5,172,775 von Sheirer et al.
Die US 3,163,246 an Vagins et al., die als nächsten Stand der Technik betrachtet wird, offenbart einen Gesteinsbohrer zum Bohren von Erdschichten, durch den während des Bohrvorgangs Trümmer erzeugt werden. Der Bohrer weist einen Bohrerkörper mit einer Seitenwand und entgegengesetzten Enden auf. Eines der distalen Enden weist einen Schneideinsatz auf. Der Bohrerkörper weist eine Spülöffnung in seiner Seitenwand und eine spiralförmige Aussparung auf. Die spiralförmige Aussparung schließt sich an den Schneideinsatz an, so dass Trümmer von dem Bohrvorgang auf die spiralförmige Aussparung auftreffen, wodurch die spiralförmige Aussparung die Trümmer in die Spülöffnung leitet. Die spiralförmige Aussparung umschließt jedoch nicht die Spülöffnung, und die Spülöffnung ist nicht spiralförmig.
Während des Bohrvorgangs werden durch den Drehbohrer Trümmer erzeugt. Diese Trümmer können die Form von staubähnlichen feinen Partikel haben. Die Trümmer können auch als größere Partikel vorliegen. Beim Bohrvorgang werden unter der Einwirkung eines Vakuums die Trümmer aus der Umgebung, in welcher der Bohrvorgang stattfindet, durch Trümmeröffnungen (oder Stauböffnungen), die im Körper des Drehbohrers ausgebildet sind, abgeführt. Gelegentlich kann ein Drehbohrer während des Bohrvorgangs eine Menge an Trümmern erzeugen, die ausreichend groß ist, dass der Drehbohrer die Trümmer nicht schnell genug aus der Umgebung, in welcher der Bohrvorgang stattfindet, abführen kann, um den effizienten Betrieb des Drehbohrers aufrecht zu erhalten. Wenn die Trümmer nicht ausreichend aus der Umgebung, in welcher der Bohrvorgang stattfindet, abgeführt werden können, kann dies verschiedene Folgen haben.
Eine solche Folge ist, dass die Geschwindigkeit, mit welcher der Drehbohrer arbeitet, und somit die Bohrgeschwindigkeit verringert werden müssen, um die Trümmer aufzunehmen. Durch die Verringerung der Geschwindigkeit des Drehbohrers, weil der Drehbohrer die Trümmer nicht abführen kann, ist der Benutzer hinsichtlich der Möglichkeit, den Drehbohrer bei seiner optimalen Leistungsfähigkeit zu betreiben, eingeschränkt. Es wäre wünschenswert, einen verbesserten Drehbohrer zu schaffen, der die Bohrtrümmer besser abführt, damit der Drehbohrer besser mit einer höheren Geschwindigkeit arbeiten kann.
Eine weitere solche Folge, die sich daraus ergibt, dass die Trümmer nicht in geeigneter Weise aus der Umgebung, in welcher der Bohrvorgang stattfindet, abgeführt werden können, besteht darin, dass der Drehbohrer dazu neigt, im Bohrloch stecken zu bleiben. Dies führt dazu, dass der Bohrvorgang weniger gleichmäßig und uneben wird. Es wäre somit vorteilhaft, einen verbesserten Drehbohrer zu schaffen, der die Bohrtrümmer aus der Umgebung, in welcher der Bohrvorgang stattfindet, besser abführt, um einen ruhigeren Betrieb des Drehbohrers zu ermöglichen.
Eine weitere solche Folge, die sich daraus ergibt, dass die Trümmer nicht in geeigneter Weise aus der Umgebung, in welcher der Bohrvorgang stattfindet, abgeführt werden können, besteht noch darin, dass der Drehbohrer dazu neigt, heißzulaufen. Dies entsteht aufgrund des Vorhandenseins von Bohrtrümmern, die die Reibung zwischen dem Drehbohrer und den Erdschichten (einschließlich der Trümmer) erhöhen. Es wäre somit vorteilhaft, einen verbesserten Drehbohrer zu schaffen, der die Bohrtrümmer aus der Umgebung, in welcher der Bohrvorgang stattfindet, besser abführt, damit der Drehbohrer kälter, d. h. mit einer niedrigen Temperatur arbeitet.
Insgesamt ist festzustellen, dass es zahlreiche Vorteile gäbe, die damit zusammenhängen, einen verbesserten Drehbohrer zum Eindringen in die Erde schaffen zu können, der die Trümmer aus der Umgebung, in welcher der Bohrvorgang stattfindet, besser abführen kann. Zu den Vorteilen gehört, dass der Drehbohrer bei höheren Bohrgeschwindigkeiten ruhig laufen kann und trotzdem noch eine niedrigere Betriebstemperatur hat.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Vorteile werden durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 13 erzielt.
Bei einer ihrer Ausführungsformen handelt es sich bei der Erfindung um einen Bohrer zum Bohren von Erdschichten, durch den während des Bohrvorgangs Trümmer erzeugt werden. Der Bohrer weist einen Bohrerkörper mit einer Seitenwand und entgegengesetzten Enden auf, wobei ein distales der entgegengesetzten Enden des Bohrkörpers einen Schneideinsatz aufnimmt. Der Bohrkörper enthält in seiner Seitenwand eine spiralförmige Trümmeröffnung, und eine spiralförmige Ausbogung umgibt die Trümmeröffnung. Die spiralförmige Ausbogung schließt sich an den Schneideinsatz an, so dass Trümmer von dem Bohrvorgang auf die spiralförmige Ausbogung auftreffen, wodurch die spiralförmige Ausbogung die Trümmer in die spiralförmige Trümmeröffnung leitet.
In einer noch weiteren ihrer Ausführungsformen handelt es sich bei der Erfindung um einen Bohrer zum Bohren von Erdschichten, so dass Trümmer erzeugt werden. Der Bohrer weist einen Bohrerkörper mit einer Seitenwand und entgegengesetzten Enden auf, wobei ein distales der entgegengesetzten Enden des Bohrerkörpers einen Schneideinsatz aufnimmt. Der Bohrerkörper enthält in seiner Seitenwand eine spiralförmige Trümmeröffnung, und eine spiralförmige Ausbogung umgibt die Trümmeröffnung. Das distale Ende des Bohrerkörpers weist eine Zuführfläche auf, wobei die Zuführfläche an den Schneideinsatz angrenzt. Die Trümmer von dem Bohrvorgang treffen auf die Zuführfläche auf, so dass die Zuführfläche die Trümmer der spiralförmigen Ausbogung zuführt, wodurch die spiralförmige Ausbogung die Trümmer in die spiralförmige Trümmeröffnung leitet.
In einer noch weiteren ihrer Ausführungsformen handelt es sich bei der Erfindung um einen Bohrer, der einen Bohrerkörper mit einer Seitenwand und entgegengesetzten Enden aufweist, wobei ein distales der entgegengesetzten Enden des Bohrerkörpers einen Schneideinsatz aufnimmt. Der Bohrerkörper enthält mindestens zwei spiralförmige Trümmeröffnungen in seiner Seitenwand und eine spiralförmige Ausbogung, die jeder der spiralförmigen Trümmeröffnungen entspricht. Jede der spiralförmigen Ausbogungen umgibt ihre entsprechende Trümmeröffnung, so dass sie deren Umfang definiert.
In einer noch anderen ihrer Ausführungsformen handelt es sich bei der Erfindung um einen Bohrer, der einen Bohrerkörper mit einer Seitenwand und entgegengesetzten Enden aufweist, wobei ein distales der entgegengesetzten Enden des Bohrerkörpers einen Schneideinsatz aufnimmt. Der Bohrerkörper enthält eine spiralförmige Trümmeröffnung in seiner Seitenwand. Der Bohrerkörper enthält eine spiralförmige Ausbogung, die jede der spiralförmigen Trümmeröffnungen umgibt, wobei die Ausbogung einen Umfang der Trümmeröffnung definiert. Die spiralförmige Ausbogung hat eine Steigung im Bereich zwischen etwa 3 Zoll (etwa 7,62 Zentimeter) und etwa 15 Zoll (38,1 Zentimeter).
In einer ihrer Ausführungsformen handelt es sich bei der Erfindung um einen kaltgeformten Drehbohrerkörper, der eine Seitenwand aufweist, wobei die Seitenwand eine spiralförmige Ausbogung aufweist und die spiralförmige Ausbogung eine Steigung im Bereich zwischen etwa 3 Zoll (etwa 7,62 Zentimeter) und etwa 15 Zoll (38,1 Zentimeter) aufweist. Die Seitenwand enthält eine spiralförmige Trümmeröffnung, wobei die spiralförmige Ausbogung die spiralförmige Trümmeröffnung umgibt. Der Bohrerkörper weist ferner entgegengesetzte Enden auf, wobei ein distales der entgegengesetzten Enden einen Schlitz zur Aufnahme eines Schneideinsatzes aufweist.
In einer noch weiteren ihrer Ausführungsformen handelt es sich bei der Erfindung um einen gegossenen Drehbohrerkörper, der eine Seitenwand aufweist, wobei die Seitenwand eine spiralförmige Ausbogung enthält und die spiralförmige Ausbogung eine Steigung im Bereich zwischen etwa 3 Zoll (etwa 7,62 Zentimeter) und etwa 15 Zoll (38,1 Zentimeter) aufweist. Die Seitenwand enthält eine spiralförmige Trümmeröffnung, wobei die spiralförmige Ausbogung die spiralförmige Trümmeröffnung umgibt. Der Bohrerkörper weist ferner entgegengesetzte Enden auf, wobei ein distales der entgegengesetzten Enden einen Schlitz zur Aufnahme eines Schneideinsatzes aufweist.
In einer weiteren ihrer Ausführungsformen handelt es sich bei der Erfindung um ein Verfahren zur Herstellung eines Drehbohrerkörpers mit den folgenden Schritten: ein Drehbohrerkörper-Rohling wird bereitgestellt, wobei der Drehbohrerkörper-Rohling entweder gegossen oder kaltgeformt ist und wobei der Drehbohrerkörper-Rohling eine spiralförmige Ausbogung hat und der Drehbohrerkörper-Rohling ferner ein distales Ende hat, das einen Stopfen und einen geformten Vorsprung innerhalb der spiralförmigen Ausbogung enthält; der Stopfen wird unter Bildung eines Schlitzes zur Aufnahme eines Schneideinsatzes entfernt; und der geformte Vorsprung wird unter Bildung einer spiralförmigen Trümmeröffnung entfernt.
In einer noch anderen ihrer Ausführungsformen handelt es sich bei der Erfindung um ein Verfahren zur Herstellung eines Drehbohrers mit den folgenden Schritten: ein Drehbohrerkörper mit einer Seitenwand und entgegengesetzten Enden wird bereitgestellt, wobei der Bohrerkörper eine spiralförmige Trümmeröffnung in seiner Seitenwand enthält und der Bohrerkörper eine spiralförmige Ausbogung enthält, die die Trümmeröffnung umgibt; ein Schneideinsatz wird bereitgestellt; und der Schneideinsatz wird am Bohrerkörper an einem distalen seiner entgegengesetzten Enden befestigt, so dass die spiralförmige Ausbogung sich an den Schneideinsatz anschließt und die Trümmer von dem Bohrvorgang auf die spiralförmige Ausbogung auftreffen, wodurch die spiralförmige Ausbogung die Trümmer in die spiralförmige Trümmeröffnung leitet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Das Folgende ist eine kurze Beschreibung der Zeichnungen, die einen Teil der vorliegenden Patentanmeldung bilden:
1 ist eine isometrische Ansicht einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehbohrers zum Eindringen in die Erde;
2 ist eine isometrische Ansicht der besonderen Ausführungsform des Drehbohrers zum Eindringen in die Erde aus 1, wobei der Bohrer, wie in den Zeichnungen gezeigt ist, gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird;
3 ist eine isometrische Ansicht eines kaltgeformten, langgestreckten Bohrerkörpers, der zur Herstellung eines Drehbohrers zum Eindringen in die Erde wie des Drehbohrers zum Eindringen in die Erde aus 1 verwendet wird, wobei der Bohrer vor der spanenden Bearbeitung des Schlitzes, der den Schneideinsatz aufnimmt, und vor der Beendigung des Bohrens der spiralförmigen Trümmeröffnungen veranschaulicht ist;
4 ist eine isometrische Ansicht des kaltgeformten, langgestreckten Bohrerkörpers aus 3 nach der spanenden Bearbeitung des Schlitzes, der den Schneideinsatz aufnimmt, und nach der Beendigung des Bohrens der spiralförmigen Trümmeröffnung;
5 ist eine Draufsicht des Drehbohrers zum Eindringen in die Erde aus 1;
6 ist eine isometrische Ansicht einer weiteren besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehbohrers zum Eindringen in die Erde, wobei diese Ausführungsform einen gelappten Schneideinsatz aufweist;
7 ist eine isometrische Ansicht des Drehbohrers zum Eindringen in die Erde aus 6, wobei der gelappte Schneideinsatz und der langgestreckte Drehbohrerkörper auseinander gezogen gezeigt sind, so dass die untere Fläche des Schneideinsatzes sichtbar ist;
8 ist eine isometrische Ansicht einer noch weiteren besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drehbohrers zum Eindringen in die Erde, wobei diese Ausführungsform einen Schneideinsatz mit zwei Lappen aufweist;
9 ist eine isometrische Ansicht des Drehbohrers zum Eindringen in die Erde aus 8, wobei der Schneideinsatz und der langgestreckte Drehbohrerkörper auseinander gezogen gezeigt sind, so dass die untere Fläche des Schneideinsatzes sichtbar ist; und
10 ist eine Querschnittansicht der Verbindungsstelle zwischen dem Schneideinsatz und dem langgestreckten Drehbohrerkörper der Ausführungsform aus 8.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bezug nehmend auf die Zeichnungen ist in den 1, 2 und 5 eine erste besondere Ausführungsform des Drehbohrers zum Eindringen in die Erde gezeigt, der insgesamt mit 20 bezeichnet ist. Der Drehbohrer 20 hat eine mittlere Längsachse A-A, wie in 1 gezeigt. Der Drehbohrer 20 ist ein Deckenbohrer und funktioniert als Bohrer zum Bohren von Erdschichten, durch den während des Bohrvorgangs Trümmer erzeugt werden. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, werden die Trümmer unter der Einwirkung eines Vakuums durch Trümmeröffnungen (oder Stauböffnungen) aus der Umgebung, in welcher der Bohrvorgang stattfindet (d. h. aus der Umgebung des Bohrers), abgeführt. Der Drehbohrer 20 weist einen Schneideinsatz 22 aus Hartkarbid (beispielsweise aus kobaltgesintertem Wolframkarbid) mit entgegengesetzten Flächen auf, welche eine vordere Fläche 24 und eine hintere Fläche 25 umfassen. Der Schneideinsatz 22 weist auch eine Schneidkante 26 auf.
Der Drehbohrer 20 weist ferner einen langgestreckten Stahlbohrerkörper auf, der insgesamt mit 30 bezeichnet ist. Der Bohrerkörper 30 hat ein distales Ende (oder oberes Ende) 32 und ein proximales Ende (unteres Ende) 34. Der Bohrerkörper 30 weist ferner eine insgesamt zylindrische Seitenwand 36 auf, die eine zylindrische Außenfläche 37 aufweist und eine darin ausgebildete Öffnung 40 enthält. Der Bohrerkörper 30 definiert ferner einen inneren Hohlraum 38. Wie im Stand der Technik wohl bekannt ist, passt eine Nase am Bohrstahl genau mit der Öffnung 40 zusammen, so dass der Bohrstahl mit dem Drehbohrer verbunden wird.
Der Bohrerkörper 30 enthält eine spiralförmige Trümmeröffnung 46, deren Form langgestreckt (oder spiralförmig) ist. Der Bohrerkörper 30 weist ferner eine spiralförmige Ausbogung 48 auf. Die spiralförmige Ausbogung 48 umgibt die spiralförmige Trümmeröffnung 46, so dass der Umfang der spiralförmigen Trümmeröffnung 46 definiert ist.
Die im Drehbohrer 20 gezeigte spiralförmige Ausbogung 48 ist so ausgerichtet, dass sie eine Steigung von etwa 7,3 Zoll (18,54 Zentimeter) aufweist. Die spiralförmige Ausbogung 48 kann eine Steigung im Bereich zwischen etwa 3 Zoll (7,62 Zentimeter) und etwa 15 Zoll (38,1 Zentimeter) haben. Als alternativen Bereich für die Steigung kann die spiralförmige Ausbogung 48 eine Steigung im Bereich zwischen etwa 5 Zoll (12,7 Zentimeter) und etwa 10 Zoll (25,4 Zentimeter) haben. Als weiteren alternativen Bereich für die Steigung kann die spiralförmige Ausbogung 48 noch einen Steigungsbereich zwischen etwa 6 Zoll (15,24 Zentimeter) und etwa 10 Zoll (25,4 Zentimeter) haben. Die spiralförmige Trümmeröffnung 46 ist derart ausgerichtet, dass sie die gleiche Steigung hat wie die spiralförmige Ausbogung 48.
Die spiralförmige Ausbogung 48 ist durch angrenzende Flächen definiert, die eine obere (oder axial vordere) Fläche 50, eine untere (oder axial hintere) Fläche 52 und gegenüberliegende Seitenflächen 54 und 56 umfassen. Die obere Fläche 50 verläuft insgesamt parallel zur Hauptachse der spiralförmigen Trümmeröffnung 46. Die eine Seitenfläche 54 grenzt an die obere Fläche 50 an, wobei sie jedoch bezüglich der oberen Fläche 50 gedreht ist. Die andere Seitenfläche 56 grenzt an die obere Fläche 50 an und ist so ausgerichtet, dass sie insgesamt parallel zur oberen Fläche 50 verläuft. Die untere Fläche 52 grenzt an die Seitenflächen 54, 56 an und ist so ausgerichtet, dass sie geringfügig nach innen zum Hohlraum 38 gerichtet ist.
Bezug nehmend auf 2 ist zu sehen, dass der Schneideinsatz 22 und die spiralförmige Trümmeröffnung 46 dadurch axial voneinander beabstandet sind, dass der Schneideinsatz 22 axial vor der spiralförmigen Trümmeröffnung 46 liegt. Der Schneideinsatz 22 und die spiralförmige Trümmeröffnung 46 sind jedoch vertikal so zueinander ausgerichtet, dass die spiralförmige Trümmeröffnung 46 auf jeder Seite (d. h. auf der vorderen Seite 24 und auf der hinteren Seite 25) des Schneideinsatzes 22 liegt. In dieser Hinsicht liegt die hintere Fläche 25 des Schneideinsatzes 22 in Drehrichtung vor (d. h., wie in 2 gezeigt, in einer Drehrichtung gegen den Uhrzeigersinn mit einem Versatz bezüglich) der hinteren Kante der spiralförmigen Trümmeröffnung 46, die von der einen Seitenfläche 54 der spiralförmigen Ausbogung 48 definiert ist. Die vordere Fläche 24 des Schneieinsatzes 22 liegt in Drehrichtung hinter (d. h., wie in 2 gezeigt, in einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn mit einem Versatz bezüglich) der vorderen Kante der spiralförmigen Trümmeröffnung 46. Dies zeigt, dass senkrecht nach unten verlaufende Verlängerungen der Ebenen, in denen die vordere Seitenfläche 24 und die hintere Seitenfläche 25 liegen, sich an der spiralförmigen Trümmeröffnung 46 schneiden. Man kann diese relative Stellung dadurch beschreiben, dass der Schneideinsatz bezüglich der spiralförmigen Trümmeröffnung vertikal so ausgerichtet ist, dass er in der senkrechten Verlängerung des Umfangs der spiralförmigen Trümmeröffnung liegt.
Der Bohrerkörper 30 enthält an seinem oberen Ende 32 einen querverlaufenden Schlitz 60. Der querverlaufende Schlitz 60 nimmt den Schneideinsatz 22 auf. Der Schneideinsatz 22 kann durch Löten oder dergleichen im Schlitz 60 befestigt sein. Der Bohrerkörper 30 weist ferner eine Zuführfläche 62 und eine geneigte Fläche 64 auf. Die Zuführfläche 62 grenzt an die geneigte Fläche 64 an.
Im Betrieb wird der Drehbohrer 20 gegen die Erdschichten gedrückt und so angetrieben, dass er um seine mittlere Längsachse dreht. Der Schneideinsatz 22 ist in direktem Kontakt mit den Erdschichten, so dass er ein Bohrloch bohrt. Als Folge des Bohrens des Bohrlochs wird ein Menge von Trümmern in Form von feinen Partikeln (d. h. Staub) und größeren Partikeln erzeugt. Die Trümmer werden in der Nähe des Schneideinsatzes und im oberen Bereich des Drehbohrers erzeugt und liegen somit anfänglich an diesen Stellen.
An der spiralförmigen Trümmeröffnung 46 herrscht ein Vakuum. Unter der Einwirkung des Vakuums bewegen sich die Trümmer über die Zuführfläche 62 und entlang der spiralförmigen Ausbogung 48 in die entsprechende spiralförmige Trümmeröffnung 46. Die spiralförmige Ausrichtung der Trümmeröffnung 46 und die spiralförmige Ausbogung 48 erleichtern das effiziente und relativ schnelle Abführen der Trümmer aus der Umgebung des Drehbohrers 20. Das effiziente und relativ schnelle Abführen der Trümmer aus der Umgebung des Drehbohrers 20 schafft die Vorteile von höheren Bohrgeschwindigkeiten sowie eines ruhigeren Bohrvorgangs und eines kühleren Bohrvorgangs.
Bezug nehmend auf die 3 und 4 ist in 3 ein kaltgeformter Stahlbohrerkörper-Rohling 30A gezeigt, der zur Herstellung eines Drehbohrers wie des Drehbohrers 20 verwendet wird. Der kaltgeformte Bohrerkörper-Rohling 30A enthält einen Stopfen 44, der insgesamt die Form eines Schneideinsatzes hat. Der Bohrerkörper-Rohling 30A weist auch in seiner Seitenwand einen geformten Vorsprung 42 auf.
Wie in 4 gezeigt, wird zur Fertigstellung des Bohrerkörper-Rohlings 30A der Stopfen 44 maschinell entfernt (d. h. dass Material abgetragen wird), um einen Schlitz 60 zu bilden, und der Bohrerkörper-Rohling wird im Bereich des geformten Vorsprungs 42 weggebohrt (d. h. dass Material abgetragen wird), um die spiralförmige Trümmeröffnung 46 zu bilden.
Es ist somit zu sehen, dass der Bohrerkörper 30 nach den folgenden Schritten hergestellt wird. Es gibt zunächst den Schritt, bei dem ein kaltgeformter Bohrerkörper-Rohling bereitgestellt wird, der eine spiralförmige Ausbogung, einen Stopfen an der Stelle, an welcher der Schneideinsatz liegen wird, und einen geformten Vorsprung in der spiralförmigen Ausbogung und an der Stelle, an der eine spiralförmige Trümmeröffnung liegen wird, aufweist. Zweitens gibt es den Schritt, bei dem der Stopfen maschinell entfernt wird (d. h., dass Material abgetragen wird), um einen Schlitz zu bilden, der den Schneideinsatz aufnimmt. Drittens gibt es den Schritt, bei dem der Bohrerkörper an der Stelle des geformten Vorsprungs unter Bildung der spiralförmigen Trümmeröffnung weggebohrt wird (d. h. dass Material abgetragen wird).
Es sollte zu erkennen sein, dass obwohl der Bohrerkörper als kaltgeformt beschrieben ist, der Anmelder in Betracht zieht, dass der Bohrerkörper gegossen ist.
Bezug nehmend auf die 6 und 7 ist eine weitere Ausführungsform eines Drehbohrers gezeigt, der insgesamt mit 70 bezeichnet ist. Der Drehbohrer 70 weist einen Schneideinsatz 72 aus Hartkarbid (beispielsweise aus kobaltgesintertem Wolframkarbid) auf. Der Schneideinsatz 72 weist drei Lappen 74, 76, 78 auf, wobei jeder der Lappen 74, 76, 78 eine Schneidkante 73, 75 bzw. 77 an der oberen Fläche 80 des Schneideinsatzes 72 aufweist. Der Schneideinsatz 72 hat eine untere Fläche 82, wobei eine gelappte Nase 84 sich ausgehend von der unteren Fläche 82 erstreckt. Der Schneideinsatz 72 hat drei gebogene Seitenflächen 86. Der Schneideinsatz 72 hat eine Struktur entlang den Linien mindestens eines der Schneideinsätze, die in der anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 09/591,644 an Dunn et al., die am 9. Juni 2000 für DRILL BIT, HARD MEMBER AND BIT BODY (Bohrer, hartes Bauteil und Bohrerkörper) angemeldet wurde, offenbart und beschrieben sind, wobei diese Patentanmeldung durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
Der Drehbohrer 70 hat einen langgestreckten Bohrerkörper 90. Der Bohrerkörper 90 hat ein oberes Ende (oder distales Ende) 92 und ein unteres Ende (oder proximales Ende) 94, die entgegengesetzt sind. Der Bohrerkörper 90 hat eine Seitenwand 96, die eine insgesamt zylindrische Außenfläche 97 aufweist und eine Öffnung 98 enthält. Wie im Zusammenhang mit der Beschreibung der Verbindung zwischen dem Drehbohrer 20 und dem Bohrstahl erwähnt, passt eine Nase am Bohrstahl genau mit der Öffnung 98 zusammen, so dass der Drehbohrer 70 mit dem Bohrstahl verbunden wird. Der Bohrerkörper 90 definiert einen inneren Hohlraum 100. Der Bohrerkörper 90 enthält an seinem oberen Ende 92 eine gelappte Hülse 102.
Der Bohrerkörper 90 enthält eine spiralförmige Trümmeröffnung 108. Der Bohrerkörper 90 weist ferner einen spiralförmigen Ausbogungsabschnitt 110 auf, der sich ausgehend von dem oberen Ende 92 in eine axiale, nach hinten gerichtete Richtung entlang der Außenfläche 97 des Bohrerkörper 90 nach unten erstreckt. Die spiralförmige Trümmeröffnung 108 liegt nahe, jedoch axial vor dem Ende des spiralförmigen Ausbogungsabschnitts 110.
Die spiralförmige Ausbogung 110 ist so ausgerichtet, dass sie eine Steigung von etwa 3 Zoll (7,62 Zentimeter) hat. Die spiralförmige Ausbogung 110 kann eine Steigung im Bereich zwischen etwa 3 Zoll (7,62 Zentimeter) und etwa 15 Zoll (38,1 Zentimeter) aufweisen. Als alternativen Bereich für die Steigung kann die spiralförmige Ausbogung 110 eine Steigung im Bereich zwischen etwa 5 Zoll (12,7 Zentimeter) und etwa 10 Zoll (25,4 Zentimeter) haben. Als weiteren alternativen Bereich für die Steigung kann die spiralförmige Ausbogung 110 noch einen Steigungsbereich zwischen etwa 6 Zoll (15,24 Zentimeter) und etwa 10 Zoll (25,4 Zentimeter) haben. Die Ausrichtung der spiralförmigen Trümmeröffnung 108 ist derart, dass sie die gleiche Steigung hat wie die spiralförmige Ausbogung 110.
Im Betrieb wird der Drehbohrer 70 gegen die Erdschichten gedrückt und so angetrieben, dass er um seine mittlere Längsachse dreht. Der Schneideinsatz 72 ist in direktem Kontakt mit den Erdschichten, so dass er ein Bohrloch bohrt. Als Folge des Bohrens des Bohrlochs wird ein Menge von Trümmern in Form von feinen Partikeln (d. h. Staub) und größeren Partikeln erzeugt. Die Trümmer werden in der Nähe des Schneideinsatzes und im oberen Bereich des Drehbohrers erzeugt und liegen somit anfänglich an diesen Stellen.
An den spiralförmigen Trümmeröffnungen 108 herrscht ein Vakuum. Unter der Einwirkung des Vakuums bewegen sich die Trümmer über die Fläche des Ausbogungsabschnitts 110 in die entsprechende Trümmeröffnung 108. Die spiralförmige Ausrichtung der Trümmeröffnung 108 und die spiralförmige Ausbogung 110 erleichtern das effiziente und relativ schnelle Abführen der Trümmer aus der Umgebung des Drehbohrers 70. Das effiziente und relativ schnelle Abführen der Trümmer aus der Umgebung des Drehbohrers 70 schafft die Vorteile von höheren Bohrgeschwindigkeiten sowie eines ruhigeren Bohrvorgangs und eines kühleren Bohrvorgangs.
Bezug nehmend auf die 8 bis 10 ist eine weitere besondere Ausführungsform eines Drehbohrers gezeigt, der insgesamt mit 120 bezeichnet ist. Der Drehbohrer 120 weist einen Schneideinsatz 122 aus Hartkarbid (beispielsweise aus kobaltgesintertem Wolframkarbid) auf. Der Schneideinsatz 122 weist eine obere Fläche 124 mit Schneidkanten 126 auf. Der Schneideinsatz 122 hat auch eine untere Fläche 128 mit Positionierungsnasen 130 und Distanzerhebungen 132, die sich ausgehend von dieser erstrecken. Der Schneideinsatz 122 hat eine querverlaufende Fläche 134 und eine seitliche Umfangsfläche 136.
Der Drehbohrer 120 weist ferner einen langgestreckten Bohrerkörper 138 mit einem oberen Ende (distalem Ende) 140 und einem unteren Ende (proximalem Ende) 142. Am oberen Ende 140 des Bohrerkörpers 138 sind zwei Löcher 141. Der Bohrerkörper 138 weist ferner eine Seitenwand 144 mit einer Außenfläche 145 auf. Der Bohrerkörper 138 definiert einen inneren Hohlraum 146 und enthält eine Öffnung 148. Eine Nase an einem Bohrstahl passt genau mit der Öffnung 140 zusammen, so dass der Drehbohrer 120 mit dem Bohrstahl verbunden wird.
Der Bohrerkörper 138 enthält ferner eine spiralförmige Trümmeröffnung 154 und eine spiralförmige Ausbogung 156. Die spiralförmige Ausbogung 156 hat eine Ausrichtung, die eine Steigung im Bereich zwischen etwa 3 Zoll (7,62 Zentimeter) und etwa 15 Zoll (38,1 Zentimeter) haben kann. Als alternativen Bereich für die Steigung kann die spiralförmige Ausbogung 156 eine Steigung im Bereich zwischen etwa 5 Zoll (12,7 Zentimeter) und etwa 10 Zoll (25,4 Zentimeter) haben. Als weiteren alternativen Bereich für die Steigung kann die spiralförmige Ausbogung 156 noch einen Steigungsbereich zwischen etwa 6 Zoll (15,24 Zentimeter) und etwa 10 Zoll (25,4 Zentimeter) haben. Die Ausrichtung der spiralförmigen Trümmeröffnung 154 ist derart, dass sie die gleiche Steigung hat wie die spiralförmige Ausbogung 156.
Zwischen dem Schneideinsatz 122 und dem oberen Ende 140 des Bohrerkörpers 138 ist eine Lötstelle 160. Die Löcher 141 im oberen Ende 140 des Bohrerkörpers 138 nehmen die Positionierungsnasen 130 auf, um die Positionierung des Schneideinsatzes 122 bezüglich des Bohrerkörpers 138 zu unterstützen. Die Distanzerhöhungen 132 helfen, eine im voraus ausgewählte gleichmäßige Dicke der Lötstelle 160 zwischen dem Schneideinsatz 122 und dem oberen Ende 140 des Bohrerkörpers 138 beizubehalten.
Im Betrieb wird der Drehbohrer 120 gegen die Erdschichten gedrückt und so angetrieben, dass er um seine mittlere Längsachse dreht. Der Schneideinsatz 122 ist in direktem Kontakt mit den Erdschichten, so dass er ein Bohrloch bohrt. Als Folge des Bohrens des Bohrlochs wird ein Menge von Trümmern in Form von feinen Partikeln (d. h. Staub) und größeren Partikeln erzeugt. Die Trümmer werden in der Nähe des Schneideinsatzes und im oberen Bereich des Drehbohrers erzeugt und liegen somit anfänglich an diesen Stellen.
An den spiralförmigen Trümmeröffnungen 154 herrscht ein Vakuum. Unter der Einwirkung des Vakuums bewegen sich die Trümmer über die Ausbogungsflächen 156 in die entsprechende Trümmeröffnung 154. Die spiralförmige Ausrichtung der Trümmeröffnungen 154 und die spiralförmigen Ausbogungen 156 erleichtern das effiziente und relativ schnelle Abführen der Trümmer aus der Umgebung des Drehbohrers 120. Das effiziente und relativ schnelle Abführen der Trümmer aus der Umgebung des Drehbohrers 120 schafft die Vorteile von höheren Bohrgeschwindigkeiten sowie eines ruhigeren Bohrvorgangs und eines kühleren Bohrvorgangs.
Es ist somit zu erkennen, dass die hier offenbarten und beschriebenen Drehbohrer bestimmte Verbesserungen und Vorteile schaffen. Diese Bohrer sorgen während des Bohrvorgangs für das effiziente und verbesserte Abführen von Trümmern aus der Umgebung des Drehbohrers. Diese Drehbohrer, die für ein besseres Abführen der Trümmer sorgen, verbessern die Fähigkeit des Drehbohrers, mit einer höheren Geschwindigkeit zu arbeiten, und sorgen für einen ruhigeren und kühleren Betrieb.
Es ist zu erkennen, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Drehbohrerkörpers mit den folgenden Schritten umfasst: ein Drehbohrerkörper-Rohling wird bereitgestellt, wobei der Drehbohrerkörper-Rohling entweder gegossen oder kaltgeformt ist und wobei der Drehbohrerkörper-Rohling eine spiralförmige Ausbogung hat und der Drehbohrerkörper-Rohling ferner ein distales Ende hat, das einen Stopfen und einen geformten Vorsprung innerhalb der spiralförmigen Ausbogung enthält; der Stopfen wird unter Bildung eines Schlitzes zur Aufnahme eines Schneideinsatzes entfernt; und der geformte Vorsprung wird unter Bildung einer spiralförmigen Trümmeröffnung entfernt.
Es ist auch zu erkennen, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Drehbohrers bereitstellt. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte: ein Bohrerkörper mit einer Seitenwand und entgegengesetzten Enden wird bereitgestellt, wobei der Bohrerkörper eine spiralförmige Trümmeröffnung in seiner Seitenwand enthält und wobei der Bohrerkörper eine spiralförmige Ausbogung enthält, die die Trümmeröffnung umgibt; ein Schneideinsatz wird bereitgestellt; und der Schneideinsatz wird am Bohrerkörper an einem distalen seiner entgegengesetzten Enden befestigt, so dass sich die spiralförmige Ausbogung an den Schneideinsatz anschließt und Trümmer vom Bohrvorgang auf die spiralförmige Ausbogung auftreffen, wodurch die spiralförmige Ausbogung die Trümmer in die spiralförmige Trümmeröffnung leitet.
Die hier spezifizierten Patente und anderen Dokumente werden hiermit durch Bezugnahme hier aufgenommen.

Claims

Bohrer zum Bohren von Erdschichten, durch den während des Bohrvorgangs Trümmer erzeugt werden, wobei der Bohrer (20; 70; 120) einen Bohrerkörper (30; 90; 138) mit einer Seitenwand (36; 96; 144) und entgegengesetzten Enden (32, 34; 92, 94; 140, 142) aufweist, wobei ein distales der entgegengesetzten Enden des Bohrerkörpers (30; 90; 138) einen Schneideinsatz (22; 72; 122) aufnimmt, wobei der Bohrerkörper (30; 90; 138) eine in der Seitenwand (36; 90; 138) des Bohrerkörpers (30; 90; 138) vorgesehene Trümmeröffnung (46; 108; 154) und eine sich an den Schneideinsatz (22; 72; 122) anschließende spiralförmige Ausbogung (48; 110; 156) umfasst, wobei Trümmer von dem Bohrvorgang auf die spiralförmige Ausbogung (48; 110; 156) auftreffen, wodurch die spiralförmige Ausbogung (48; 110; 156) die Trümmer in die Trümmeröffnung (46; 108; 154) leitet, dadurch gekennzeichnet, dass die Trümmeröffnung (46; 108; 154) spiralförmig ist und die spiralförmige Ausbogung (48; 110; 156) die Trümmeröffnung (46; 108; 154) umgibt.
Bohrer nach Anspruch 1, bei dem der Schneideinsatz (22) unmittelbar mit der spiralförmigen Ausbogung (48) in Verbindung steht.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bohrerkörper (30) eine Zuführfläche (62) hat und die Zuführfläche (62) die Trümmer der spiralförmigen Ausbogung (48) zuführt.
Bohrer nach Anspruch 3, bei dem die Zuführfläche (62) an den Schneideinsatz (22) angrenzt.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die spiralförmige Ausbogung (48; 110; 156) eine Steigung im Bereich zwischen etwa 7,6 Zentimeter und etwa 38,1 Zentimeter aufweist.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die spiralförmige Ausbogung (48; 110; 156) eine Steigung im Bereich zwischen etwa 12,7 Zentimeter und etwa 25,4 Zentimeter aufweist.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bohrerkörper (30; 90, 138) kaltgeformt ist.
Bohrer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Bohrerkörper (30; 90, 138) gegossen ist.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schneideinsatz (72) mehrere Lappen (74, 76, 78) aufweist, wobei jeder der Lappen (74, 76, 78) eine Schneidkante (73, 75, 77) definiert, und der Bohrerkörper (90) mehrere der spiralförmigen Trümmeröffnungen (108) enthält und jeder der Lappen (74, 76, 78) eine entsprechende spiralförmige Trümmeröffnung (108) hat.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schneideinsatz (72) bezüglich der spiralförmigen Trümmeröffnung (108) vertikal ausgerichtet ist, derart, dass er in der vertikalen Verlängerung eines Umfangs der spiralförmigen Trümmeröffnung (108) liegt.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das distale Ende des Bohrerkörpers (30) eine Zuführfläche (62) hat, wobei die Zuführfläche (62) an den Schneideinsatz (22) angrenzt und Trümmer von dem Bohrvorgang auf die Zuführfläche (62) auftreffen, so dass die Zuführfläche (62) die Trümmer in die spiralförmige Ausbogung (48) zuführt, wodurch die spiralförmige Ausbogung (48) die Trümmer in die spiralförmige Trümmeröffnung (46) leitet.
Bohrer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Bohrerkörper (30; 90; 138) in seiner Seitenwand (36; 96; 144) wenigstens zwei spiralförmige Trümmeröffnungen (46; 108; 154) enthält und der Bohrerkörper (30; 90; 138) eine spiralförmige Ausbogung (48; 110; 156) enthält, die jeder der spiralförmigen Trümmeröffnungen (46; 108; 154) entspricht, wobei jede der spiralförmigen Ausbogungen (48; 110; 156) so umlaufend ist, dass sie den Umfang der ihr entsprechenden der spiralförmigen Trümmeröffnungen (46; 108; 154) definiert.
Verfahren zur Herstellung eines Drehbohrerkörpers mit den folgenden Schritten: ein Drehbohrerkörper-Rohling (30A) wird bereitgestellt, wobei der Drehbohrerkörper-Rohling (30A) entweder gegossen oder kaltgeformt ist und wobei der Drehbohrerkörper-Rohling (30A) eine spiralförmige Ausbogung (48) hat und der Drehbohrerkörper-Rohling (30A) ferner ein distales Ende hat, das einen Stopfen (44) und einen geformten Vorsprung (42) innerhalb der spiralförmigen Ausbogung (48) enthält; der Stopfen (44) wird unter Bildung eines Schlitzes (60) zur Aufnahme eines Schneideinsatzes (22) entfernt; und der geformte Vorsprung (42) wird unter Bildung einer spiralförmigen Trümmeröffnung (48) entfernt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Stopfen (44) durch spanende Bearbeitung entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der geformte Vorsprung (42) durch Bohren entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem der Drehbohrerkörper-Rohling (30A) gegossen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem der Drehbohrerkörper-Rohling (30A) kaltgeformt ist.