DE1059378B - Drehbohrschneide mit Hartmetalleinsaetzen in den Schneidenfluegeln - Google Patents

Description

DEUTSCHES

INTERNAT. KL. E 21 C

PATENTAMT

S 51021 VI/5b

ANMELDETAG: 26. OKTOBER 1956

BEKANNTMACHUNG
DERANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 18.JUNI1959

Die Erfindung betrifft eine Drehbohrschneide mit Hartmetalleinsätzen an den Schneidenflügeln. Derartige Drehbohrschneiden werden seit langem zum Einbringen von Sprenglochbohrungen verwendet. Bei solchen Bohrungen sind die Vorschubkräfte durch die maximal möglichen Abmessungen für das Bohrwerkzeug gegeben. Bei der Auslegung der Bohrmaschine ist es üblich, die an einer scharfen Drehbohrschneide auftretenden Zerspanungswerte der Bemessung zugrunde zu legen.

Da sich aber beim Bohrvorgang die Hartmetallschneiden durch den ständigen Druck gegen die Bohrlochsohle allmählich abreiben und ständig verbreitern, ändert sich fortlaufend die für den Zerspanungsvorgang als günstig.erkannte Schneidenform. Schließlich wird der Verschleiß an der Schneide so stark, daß der Bohrvorgang in Gesteinen mit hohen Festigkeits- und Abriebswerten sehr bald zum Erliegen kommt. Er kann erst nach Auswechseln oder Nachschleifen der Drehbohrschneide fortgesetzt werden.

Bei den bekannten Drehbohrschneiden ist dies in harten Gesteinen relativ häufig der Fall, so daß bei den üblichen Schneidenformen die Wirtschaftlichkeit des Bohrbetriebes von vornherein schlecht ist. Das kommt in der kleinen Gesamtstanddauer der Schneiden zum Ausdruck. Unter der Gesamtstanddauer versteht man diejenige Bohrlochlänge, die sich bis zur völligen Unbrauchbarkeit der Drehbohrschneide abbohren läßt. Sie setzt sich zusammen aus der Einzelstanddauer (Standdauer bis zum Nachschliff) und der Anzahl der möglichen Nachschliffe. Da erfahrungsgemäß die größten Hartmetallverluste beim Nachschleifen auftreten, wird die Gesamtstanddauer um so kleiner sein, je weniger Hartmetall beim Nacharbeiten der Schneide fortgeschliffen werden muß.

Man hat versucht, den Verschleiß durch Änderung des Vorschubes, der Drehzahl und der Schneidenform herabzusetzen, jedoch ohne besonderen Erfolg. Bei allen diesen Maßnahmen zur Steigerung der Gesamtstanddauer ging man von der allgemein verbreiteten Annahme aus, daß die Bohrschneiden schon zu Anfang auf ihrer ganzen Länge scharf sein müssen und vor allem auch ständig nachgeschärft werden müssen. Demgegenüber liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß bei genügend hohen Vorschubkräften auch ein Bohren mit praktisch »stumpfer« Schneide möglich ist, wenn man dafür sorgt, die beim Bohren auftretenden Kräfte an der Bohrschneide in bestimmter Weise auf die an sich bekannten inneren und äußeren Schneidkanten der Schneidenflügel zu verteilen. Bringt man zudem die Schneide in eine bestimmte Form, so läßt sich der Hartmetallverlust beim Nachschleifen zugunsten der Gesamtstanddauer ganz wesentlich herabsetzen.

Drehbohrschneide mit Hartmetalleinsätzen in den Schneidenflügeln

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft, ίο Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Ing. Karl Rosenwald, Erlangen, ist als Erfinder genannt worden

Hierzu ist die neue Drehbohrschneide erfindungsgemäß gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Die Dicke der Hartmetalleinsätze (I, II) beträgt 40 bis 60%) derjenigen einer vergleichbaren Drehbohrschneide mit senkrecht in die Schneidenflügel eingelassenen Einsätzen gleichen Materials, mit negativem Spanwinkel und bei gleicher maximaler Vorschubkraft;

b) die Schneidkanten der Hartmetalleinsätze sind zur Drehbohrschneidenachse hin V-förmig geneigt;

c) die Spanflächen der Hartmetalleinsätze liegen in der durch den äußeren Schenkel des negativen Spanwinkels gelegten Schaftmaterialebene, und d) die Schneidkanten sind an ihrem äußeren Ende unter Bildung von Gleitflächen angeschliffen.

Die Größe der wirksamen Gleitfläche ist, abhängig von der Festigkeit des Hartmetalls, so bemessen, daß die durch natürlichen Abrieb in dieser Zone maximal erreichbare Verschleißfläche so lange ein spanabhebendes Bohren gestattet, bis die an den inneren Schneidkanten sich ausbildenden Verschleißflächen einen bestimmten Wert überschreiten. Unter der wirksamen Gleitfläche ist nur die vom Hartmetall eingenommene Fläche verstanden, da sich das weichere Schaftmaterial beim Bohren vorzeitig fortschleift.

In der einschlägigen Literatur sind bisher nur Bohrschneiden beschrieben worden, die jeweils das eine oder andere Merkmal der D rehbohr schneide gemäß der Erfindung aufweisen. So sind Hartmetallschneiden bekannt, bei denen die Schneidenflügel stark V-förmig ausgebildet sind, oder Drehschlagbohrer, die einen negativen Spanwinkel aufweisen (vgl. unter anderem die schweizerische Patentschrift 313 133 und die belgische Patentschrift 519905). Die Hartmetallschneiden sind aber wegen ihrer stark ausgeprägten V-Form und

des sich dadurch beim Bohren ausbildenden großen Steinkegels vornehmlich nur' für weiches Gestein, etwa Salze, geeignet, während bei den besagten Drehschlagbohrern die Hartmetalleinsätze nahezu doppelt so dick wie beim Gegenstand der Erfindung ausgebildet-sind und überdies senkrecht in den Schneidenflügeln, gefaßt sind.

• Es ist ^: ferner auch die Verwendung von Gleitflächen bekannt, und zwar bei Bohrkronen (vgl. die Schneidkanten 1. Hinzu kommt, daß in diesem Bereich auch die Verschleißwege am größten sind und daher ein besonders starker Hartmetallabrieb eintreten wird..

Die durch die Schneidenform hervorgerufene bewußte Verlagerung der größten Andruckkräfte in die äußere Schneidenzone könnte zunächst, vom Verschleiß her gesehen, als Nachteil betrachtet werden. Jedoch wird auf diese Weise die Gesamtstanddauer

USA.-Patentschrift 1094 063). Sie haben aber dort io der Drehbohrschneide wesentlich vergrößert, indem

die einzige Aufgabe, die vorzeitige Abnutzung der Schneidkanten in der äußeren Zone, der Zone größten Verschleißes, zu verhindern! Zudem liegen sie in der Ebene der Schneiden, d. h. senkrecht zur Bohrkronenachse.

Erst im Zusammenwirken aller Merkmale gemäß der Erfindung wird es. möglich, mit praktisch stumpfer Schneide zu bohren und dabei die Hartmetallverluste durch Nachschliff klein zu"' halten. Überdies haben aber Versuche mit Drehbohrschneiden, die nach den Erkenntnissen der Erfindung ausgebildet worden sind, gezeigt, daß man fet· einem einzigen Bohrvorgang Bohrtiefen eraelt^die ein Mehrfaches der nämlich die auftretenden Kräfte auf eine solche Stelle konzentriert sind, an der keine wesentliche Vergrößerung der Gleitfläche durch Verschleiß eintreten kann. Das Anwachsen der Vorschubkraft hängt nur vom Anwachsen der Verschleißfase der schwächer belasteten inneren Schneidkanten ab. In der Zone größten Verschleißes weisen aber die Hartmetalleinsätze, wie Fig. 2 besonders deutlich zeigt, die erwähnten, gegen die Schnittrichtung gesehen hinter den Schneidkanten 2 liegenden Gleitflächen 5 auf, die mit ihrer unteren Seite 6 bereits die volle Hartmetallbreite einnehmen. Eine Vergrößerung der Gleitflächen 5 über das vorgegebene Maß hinaus kann beim Bohren daher praktisch nicht mehr eintreten. Man »steuert« ge-

bisher erreichbaren BohrlocTitiefen betragen.

Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungs- 25 wissermaßen auf diese Weise die Verschleißflächenbeispiel; es zeigt . e-, , größe, und zwar gerade an der Stelle, an der der Ver-

Fig. 1 die Schneidenflügelflächen der Drehbohrschneide in Vorderansicht, ^Λ ·'

Fig. 2 die Schneidenflügel im Profil, "Fig. 3 die Draufsicht aufdie Drehbohrschneide,

Fig. 4 eine abgenutzte Drehbohrschneide in schaubildlicher Ansicht und

Fig. 5 die Andruckkraft .in Abhängigkeit von der Bohrlochtiefe in einer Kurvendarstellung.

Bei der Drehbohrschneide gemäß Fig. 1 bis 3 be- 35 daß die höchsten Flächenbelastungen immer im Bereich trägt die Dicke der Hartmetalleinsätze I, II nur 40 der äußeren Schneidenflügelzone auftreten und daß bis 60% derjenigen einer vergleichbaren Drehbohr- die Gleitflächengröße praktisch unverändert ist. Sieht

man in bezug auf das Losbrechen der Gesteinspartikeln von den schwachbelasteten inneren Schneidkanten 1 ab, so hat man eine praktisch »stumpfe«

schleiß am wirksamsten ist.

Damit ein spanabhebendes Bohren möglich ist, macht das Vorhandensein der Gleitflächen 5 an den Hartmetalleinsätzen das Aufbringen höherer Vorschubkräfte auf die Drehbohrschneide notwendig, als es normalerweise üblich ist. Dem wird aber durch die weiter unten noch näher beschriebene Gestaltung der Drehbohrschneide begegnet. Hier ist zunächst wichtig,

schneide mit senkrecht in die Schneidenflügel eingelassenen Einsätzen gleichen Materials, mit negativem Spanwinkel und bei gleicher maximaler Vor-Schubkraft. Die inneren Schneidkanten 1 der Hartmetalleinsätze I, II sind gegen die Drehbohrschneidenachse hin V-förmig geneigt und erstrecken sich bis in die äußere Schneidenflügelzone. Hier gehen sie, unter Bildung der Gleitflächen 5, in die äußeren Schneidkanten 2 über, die hinterschliffen sind. Die Kanten 1, 2 stoßen an der Übergangsstelle unter einem stumpfen Winkel aneinander. Die Übergangsstellen sind also als Schneidenspitzen 3 ausgebildet, die beim Boh-Schneide vor sich. Dennoch sind die erreichbaren Bohrtiefen und die Gesamtstanddauer der neuen Drehbohrschneide erheblich größer als bei den bekannten Schneidenformen.

Der Bohrvorgang kommt erst dann zum Erliegen, wenn die geringer belasteten inneren Schneidkanten 1 stumpf geworden sind. Die in Fig. 3 besonders gut erkennbaren scharfen inneren Schneidkanten 1 sind beim Zustand gemäß Fig. 4 bereits stark in die äuße-

ren sehr dicht an der Bohrlochwand entlanggeführt 50 r.en Gleitflächen 5 hineingewachsen.

werden. Die Spanflächen 7 der Hartmetalleinsätze liegen in der durch den äußeren Schenkel des negativen Spanwinkels β gelegten Schaftmaterialebene. Der Drehbohrschneidenkörper ist zylindrisch und weist die planparallelen Flächen 4 zum Abfließen des Bohrkleins auf.

Der leicht V-förmige Verlauf der langen inneren Schneidkanten 1 und das Vorhandensein der Schneidenspitzen 3 wirken sich beim Bohren als eine Art Zweipunktabstützung aus. Das im Bereich der inneren Schneidkanten befindliche Gestein bildet beim Bohren einen Gesteinskegel — ähnlich wie beim Kernbohrverfahren — aus, dessen Gesteinspartikeln relativ leicht von den inneren Schneidkanten herausgebrochen werden. Die äußeren Schneidkanten dagegen müssen das Gestein aus dem Vollen brechen, so daß die Schneidenspitzen und die sie unmittelbar umgebenden Teile der Schneiden 1 und 2 beim Bohren erheblich stärker beansprucht sind als die weiter zur Drehbohr-Um aber auch auf diesen Vorgang, d. h. auf die Vergrößerung der Verschleißfase an den Schneiden 1 einen »steuernden« Einfluß ausüben zu können und um die vorgenannten erhöhten Vorschubkräfte ohne Schaden für die Hartmetalleinsätze an den inneren Schneidkanten 1 aufzunehmen, ist ein stark negativer Spanwinkel β für die Schneidkanten 1 gewählt und eine entsprechend stark geneigte Einbettung der Hartmetalleinsätze gewählt. Sie bietet einen guten Schutz gegen Hartmetallausbrüche und gestattet darüber hinaus die Verwendung der geringen Hartmetallplattenstärke. Ein Abschleifen der Spanflächen 7 beim Nachschärfen der inneren Schneidkanten 1 entfällt bei dieser Anordnung der Hartmetalle völlig, so daß die Anzahl der Nachschliffe und damit die Gesamtstanddauer der Schneide erheblich heraufgesetzt wird.

Der »steuernde« Einfluß, den der stark negative Spanwinkel β und die entsprechende Einbettung auf den Verschleißvorgang an den inneren Schneidkanten

Schneidenachse hin gelegenen Teile der inneren 70 ausübt, liegt darin, daß der Keilwinkel γ der Schneiden-

ι uoyD ι ö

flügel durch ein von der Bohrlochsohle auf die inneren Schneidkanten gefälltes Lot praktisch hälftig geteilt wird. Somit liegen links und rechts von der durch die inneren Schneidkanten gelegten Lotebene etwa gleiche Hartmetallanteile. Daher können sich die an den inneren Schneidkanten ausbildenden Gleitverschleißfasen beim Bohrvorgang nur in kleinstmöglichem Maß vergrößern. Der dem starken negativen Spanwinkel zugeordnete Freiwinkel α an der inneren Schneidkante beträgt etwa 30 bis 40°. Er ist nachzuschleifen, doch sind die abzuschleifenden Hartmetallmengen äußerst gering.

Sollte es die Wirtschaftlichkeit zulassen, so können auch die äußeren Schneidkanten 2 hinterschliffen sein. Dadurch erhöht sich die Einzelstanddauer, weil sich die vorgenannte Gleitfläche erst im Verlauf des Bohrvorganges ausbildet, allerdindgs auf Kosten der Anzahl der möglichen Nachschliffe.

Die mit der neuen Drehbohrschneide erzielten Ergebnisse gehen aus dem Schaubild gemäß Fig. 5 hervor. In ihm ist die Vorschubkraft des Bohrgerätes in Abhängigkeit von der Bohrlochtiefe aufgetragen. Die Kurve α zeigt die Verhältnisse für eine Drehbohrschneide ohne Hartmetalleinsätze, die Kurve b für eine Drehbohrschneide mit Hartmetalleinsätzen, die Kurve c die Verhältnsise für die neue Drehbohrschneide ohne hinterschliffene äußere Schneidkante und die Kurve d für die neue Drehbohrschneide mit hinterschliffener äußerer Schneidkante. Gestrichelt eingezeichnet ist die vorgegebene maximale Größe der Vorschubkraft P_max.

Gemäß Kurve c lassen sich mit der neuen Bohrschneide wesentlich größere Bohrlochtiefen erzielen, als dies mit den bekannten Schneiden möglich ist. Die Vorschubkraft liegt schon zu Anfang des Bohrens infolge der vorhandenen Gleitfläche sehr nahe am Maximum und weicht auch während des Bohrvorganges nur sehr langsam davon ab, wie der degressive Verlauf der Kurve c zeigt. Das bedeutet, daß der Antrieb des Bohrgerätes während des gesamten Bohrvorganges ständig voll ausgelastet ist.

In den Fällen a, b müssen zwar auch das Bohrgerät und die Schneide für die maximale Vorschubkraft ausgelegt werden, doch wird diese praktisch erst gegen Ende des Bohrvorganges als Grenzwert erreicht.

Der allmähliche Anstieg der Kurve c beruht auf der Entstehung und langsamen Zunahme der Gleitverschleißfläche an den inneren Schneidkanten bzw. durch das gleichzeitige Hineinwachsen in die sich nur unwesentlich vergrößernden Gleitflächen 5.

Man erreicht noch wesentlich größere Bohrlochtiefen, wenn die Drehbohrschneide gemäß der Erfindung an den äußeren Schneidkanten hinterschliffen ist (vgl. Kurve d). Solange der Hinterschliff noch nicht abgenutzt ist, verhält sich die Drehbohrschneide wie die bekannten Bohrschneiden gemäß den Kurven α und b. Sobald der Hinterschliff völlig verschwunden ist, tritt die Wirkung der Gleitfläche in Erscheinung (s. die Knickstelle der Kurve d).

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die zylinderförmige Ausbildung auch des Drehbohrschneidenschaftes das bei den bekannten konischen Drehbohrschneiden übliche ruckweise Umspringen der Bohrschneide um die Schneidenflügel verhindert. Neben einer Schonung der Schneide werden dadurch die Bohrlöcher kreisrund und weisen nicht mehr die bekannte Dreieckform auf.

Während bei den bekannten Schneidenformen der größte Hartmetallverlust durch das häufige Nachschleifen der sehr schnell und großflächig anwachsenden Verschleißflächen eintritt, wird er bei der Drehbohrschneide gemäß der Erfindung in erster Linie nur durch den natürlichen, geringen Hartmetallabrieb bestimmt.

Die Erfindung ist nicht auf zweischneidige Drehbohrschneiden beschränkt, sie kann auch auf mehrschneidige Bohrkronen angewandt werden.

Claims (4)

Patentansprüche: ■

1. Drehbohrschneide mit Hartmetalleinsätzen in den Schneidenflügeln, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Die Dicke der Hartmetalleinsätze (I, II) beträgt 40 bis 6O'°/o derjenigen einer vergleichbaren Drehbohrschneide mit senkrecht in die Schneidenflügel eingelassenen Einsätzen gleichen Materials, mit negativem Spanwinkel und bei gleicher maximaler Vorschubkraft;

b) die Schneidkanten (1) der Hartmetalleinsätze sind zur Drehbohrschheidenachse hin V-förmig geneigt;

c) die Spanflächen (7) der Hartmetalleinsätze liegen in der durch den äußeren Schenkel des negativen Spanwinkels (ß) gelegten Schaftmaterialebene, und

d) die Schneidkanten sind an ihrem äußeren Ende unter Bildung von Gleitflächen (5) angeschliffen.

2. Drehbohrschneide nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidkanten (2) der Gleitflächen (5) derart hinterschliffen sind, daß nur sie mit dem Gestein im Eingriff sind.

3. Drehbohrschneide nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keilwinkel (γ) praktisch symmetrisch zu dem von der Bohrlochsohle auf die nach innen geneigte Schneidkante (1) gefällten Lot liegt.

4. Drehbohrschneide nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehbohrschneidenkörper und -schaft Zylinderform aufweisen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Belgische Patentschrift Nr. 519 905;
schweizerische Patentschrift Nr. 313 133;
USA.-Patentschriften Nr. 1 094 063, 2 567 084;
Zeitschrift »Glückauf«, 1934, S. 824, Abb., 2. Reihe, mittlere Schneide V;

Zeitschrift »Bergbau«, 1953, S. 169;
Zeitschrift »Technische Mitteilungen«, Essen, Mai 1954, 47. Jahrgang, Heft 5, S. 229, r. Sp., Abs. 1 und Abb. r. o.

Zeitschrift »Engineering and Mining Journal«, August 1956, S. 77, Abb. r. u.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen