DE112020000126T5

DE112020000126T5 - HDD Bohrlochräumer mit entfernbaren Schneidzähnen

Info

Publication number: DE112020000126T5
Application number: DE112020000126.1T
Authority: DE
Inventors: Jacob Richard Smith
Original assignee: Vermeer Manufacturing Co
Current assignee: Vermeer Manufacturing Co
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2021-08-12
Also published as: US11578537B2; US20210310312A1; US20230243217A1; AU2024278327A1; AU2020300532B2; WO2021003242A1; US11180960B2; US20240175325A1; US20220220808A1; US11891859B2; CN113302375A; AU2020300532A1

Abstract

Ein Bohrlochräumer für das Bohrstrangrückziehen eines Horizontalrichtbohrers umfasst einen Schaftabschnitt, der eine Mittelachse und ein erstes Ende definiert, das für das Befestigen an einem Bohrstrang des Horizontalrichtbohrers eingerichtet ist. Eine Vielzahl Schaufeln erstrecken sich radial von einem Außenumfang des Schafts, wobei jede der Vielzahl Schaufeln eine äußere Umfangszahngrundfläche definiert. An jeder der Vielzahl Schaufeln sind mehrere Schneidzähne einzeln und entfernbar entlang der äußeren Umfangszahngrundfläche befestigt, wobei jeder der Vielzahl Schneidzähne einen Körper und einen PKD-Einsatz aufweist, der getrennt zum Körper hergestellt und mit diesem verbunden ist. Jeder Schneidzahn der Vielzahl ist mit der jeweiligen Schaufel der Vielzahl Schaufeln durch ein lösbares Befestigungselement verbunden, das sich zumindest teilweise durch den Schneidzahn und zumindest teilweise durch die eine Schaufel der Vielzahl Schaufeln erstreckt.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft Horizontalrichtbohrer (HDD), die unterirdische Durchgänge (z.B. für die Installation von Versorgungseinrichtungen) bilden, und Bohrlochräumer, die an HDDs zum Räumen von gebohrten Durchgängen während des Rückziehvorgangs des HDDs angebracht sind.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem Aspekt stellt die Erfindung einen Bohrlochräumer zum Räumen eines unterirdischen Durchgangs während eines Bohrstrangrückziehvorgangs eines Horizontalrichtbohrers bereit. Ein Schaftabschnitt definiert eine Mittelachse und weist ein erstes Ende auf, das zum Befestigen an einem Bohrstrang des Horizontalrichtbohrers eingerichtet ist. Eine Vielzahl Schaufeln erstrecken sich radial von einem Außenumfang des Schaftabschnitts, wobei jede der Vielzahl Schaufeln eine äußere Umfangszahngrundfläche definiert. Auf jeder der Vielzahl Schaufeln sind mehrere Schneidzähne einzeln und entfernbar entlang der äußeren Umfangszahngrundfläche von diesen befestigt, und jeder der Vielzahl Schneidzähne umfasst einen Körper und einen Einsatz aus polykristallinem Diamant (PKD), der getrennt zum Körper hergestellt und mit diesem verbunden ist. Jeder Schneidzahn der Vielzahl Schneidzähne ist mit der jeweiligen einen der Vielzahl Schaufeln durch ein entfernbares Befestigungselement gekoppelt, das sich zumindest teilweise durch den Schneidzahn und zumindest teilweise durch die eine der Vielzahl Schaufeln erstreckt.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung einen Bohrlochräumer zum Räumen eines unterirdischen Durchgangs während eines Bohrstrangrückziehvorgangs eines Horizontalrichtbohrers bereit. Ein Schaftabschnitt definiert eine Mittelachse und weist ein erstes Ende auf, das zum Befestigen an einem Bohrstrang des Horizontalrichtbohrers eingerichtet ist. Eine Vielzahl Schaufeln erstrecken sich von einem Außenumfang des Schaftabschnitts radial nach außen, wobei jede der Vielzahl Schaufeln eine äußere Umfangszahngrundfläche definiert. An jeder der Vielzahl Schaufeln sind mehrere Schneidzähne einzeln und entfernbar entlang der äußeren Umfangszahngrundfläche von dieser befestigt. Jeder Schneidzahn der Vielzahl Schneidzähne weist eine erste Befestigungsfläche auf, die eingerichtet ist, an der äußeren Umfangszahngrundfläche anzugreifen, und eine zweite Befestigungsfläche, die eingerichtet ist, an einer zusätzlichen Zahnstützfläche anzugreifen, die an die äußere Umfangszahngrundfläche angrenzt. Jeder Schneidzahn der Vielzahl Schneidzähne ist mit der jeweiligen der Vielzahl Schaufeln durch ein entfernbares Befestigungselement gekoppelt, das sich zumindest teilweise durch den Schneidzahn und zumindest teilweise durch die Schaufel erstreckt.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Schneidwerkzeug für einen Richtungsbohrlochräumer bereit, wobei das Schneidwerkzeug eine Befestigungsschnittstelle zum Anbringen an einer von einer Vielzahl Stützschaufeln des Bohrlochräumers definiert. Ein Körper ist aus einem ersten Material ausgebildet und weist eine vordere, hintere, obere, untere, linke und rechte Seite auf. Ein oder mehrere Schneideinsätze umfassen ein Schneidmaterial, das von dem ersten Material des Körpers verschieden ist, und die an der vorderen Seite des Körpers befestigt sind, wobei der eine oder die mehreren Schneideinsätze einen nach vorne weisenden Normalflächenvektor definieren. Eine erste Befestigungsfläche erstreckt sich entlang einer Unterseite des Körpers und ist eingerichtet, mit einer im Allgemeinen umlaufenden Stützfläche an einer der Vielzahl Stützschaufeln zusammenzupassen. Eine zweite Befestigungsfläche des Körpers ist an einem vorderen Ende der ersten Befestigungsfläche vorgesehen und erstreckt sich von der ersten Befestigungsfläche weg in eine Richtung weg von der oberen Seite des Körpers, senkrecht zur ersten Befestigungsfläche. Eine Befestigungsöffnung erstreckt sich durch eine der ersten und zweiten Befestigungsflächen. Der Normalflächenvektor des einen oder der mehreren Schneideinsätze ist von einer Referenzlinie senkrecht zur zweiten Befestigungsfläche, von der Unterseite aus gesehen, versetzt, um einen seitlichen Spanwinkel ungleich Null zu definieren. Der Normalflächenvektor des einen oder der mehreren Schneideinsätze ist von der ersten Befestigungsfläche, von der Seite aus gesehen, versetzt, um einen hinteren Spanwinkel ungleich Null zu definieren.
Weitere Aspekte der Erfindung werden unter Berücksichtigung der detaillierten Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen deutlich.
Figurenliste

1 ist eine schematische Seitenansicht eines Richtbohrsystems umfassend eine Bohrmaschine, einen Bohrstrang und einen Bohrlochräumer gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Bohrsystems in 1.
Die 3A bis 3H zeigen den Bohrlochräumer der 1 und 2.
Die 4A bis 4G zeigen einen ersten Typ eines entfernbaren Schneidzahns des Bohrlochräumers der 3A bis 3H.
Die 5A bis 5G zeigen einen zweiten Typ eines entfernbaren Schneidzahns des Bohrlochräumers der 3A bis 3H.
Die 6A bis 6G zeigen einen ersten Typ eines entfernbaren Schneidzahns der zweiten und dritten Bohrlochräumer, die in den 7A bis7 H und den 8A bis 8H gezeigt sind.
Die 7A bis 7H zeigen einen Bohrlochräumer einer zweiten Ausführungsform, der dem Bohrlochräumer der 3A bis 3H ähnlich ist, aber eine reduzierte Größe und Anzahl von Schneidzähnen aufweist.
Die 8A bis 8H zeigen einen dritten Bohrlochräumer, der dem Bohrlochräumer der 3 und 7 ähnlich ist, aber eine weiter reduzierte Größe und Anzahl von Schneidzähnen aufweist.
9 zeigt eine Endansicht des Bohrlochräumers der 3A bis 3H neben zwei ähnlichen, aber unterschiedlich großen Bohrlochräumern der 7 und 8.
Die 10A bis 10G zeigen einen ersten Typ eines entfernbaren Schneidzahns eines in den 11A bis 11H dargestellten vierten Bohrlochräumers.
Die 11A bis 11H zeigen den vierten Bohrlochräumer mit einer Vielzahl entfernbaren Schneidzähnen zum Schneiden in Rückziehrichtung und einer Vielzahl festen Schneidzähnen zum Schneiden in Vorschubrichtung.
Die 12A bis 12H zeigen einen fünften Bohrlochräumer der vorliegenden Offenbarung.
Die 13A bis 13G zeigen einen zweiten Typ eines entfernbaren Schneidzahns des Bohrlochräumers der 12A bis 12H.
Die 14A bis 14H zeigen einen sechsten Bohrlochräumer der vorliegenden Offenbarung.
Die 15A bis 15F zeigen einen ersten Typ eines entfernbaren Schneidzahns des Bohrlochräumers der 14A bis 14H.
Die 16A und 16B zeigen einen alternativen entfernbaren Schneidzahn, der dem der 15A bis 15F ähnlich ist, aber eine vergrößerte radiale Höhe aufweist, was zu einem vergrößerten Räumdurchmesser des Bohrlochräumers der 14A bis 14H führt.
Die 17A bis 17G zeigen einen zweiten Typ eines entfernbaren Schneidzahns des Bohrlochräumers der 14A bis 14H.
Die 18A bis 18I zeigen einen siebten Bohrlochräumer der vorliegenden Offenbarung.
Die 19A bis 19G zeigen einen ersten Typ eines entfernbaren Schneidzahns des Bohrlochräumers der 18A bis 18I.
Die 20A bis 20J zeigen einen achten Bohrlochräumer der vorliegenden Offenbarung.
Die 21A bis 21G zeigen einen entfernbaren Schneidzahn, der bei dem Bohrlochräumer der 20A bis 20J verwendet wird.
Die 22A bis 22J zeigen einen neunten Bohrlochräumer der vorliegenden Offenbarung.
23 zeigt nebeneinander Endansichten der ersten bis neunten Bohrlochräumer der vorliegenden Offenbarung.
Die 24A bis 24D zeigen einen zehnten Bohrlochräumer der vorliegenden Offenbarung.
Die 25A bis 25D zeigen einen elften Bohrlochräumer der vorliegenden Offenbarung.
Die 26A bis 26D zeigen einen zwölften Bohrlochräumer der vorliegenden Offenbarung.
Die 27A bis 27D zeigen einen dreizehnten Bohrlochräumer der vorliegenden Offenbarung.
Die 28A bis 28C zeigen einen vierzehnten Bohrlochräumer der vorliegenden Offenbarung.
29A ist eine perspektivische Ansicht eines fünfzehnten Bohrlochräumers der vorliegenden Offenbarung.
29B ist eine Seitenansicht des Bohrlochräumers der 29A.
Die 30A bis 30G zeigen einen anderen Typ eines entfernbaren Schneidzahns, der bei den Bohrlochräumern der 24 bis 29 verwendet wird.
Die 31A bis 31F zeigen einen weiteren Typ eines entfernbaren Schneidzahns, der bei den Bohrlochräumern der 29A und 29B verwendet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bevor irgendwelche Ausführungsformen der Erfindung im Detail erläutert werden, ist zu beachten, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Details der Konstruktion und die Anordnung der Komponenten wie in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt oder in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt begrenzt ist. Die Erfindung ist für andere Ausführungsformen geeignet und kann auf verschiedene Weise ausgenutzt oder ausgeführt werden.
Die 1 und 2 zeigen ein Horizontalrichtbohrsystem (HDD) 10 umfassend eine Bohrmaschine 24, die so betrieben werden kann, dass diese einen sequentiell gebildeten Bohrstrang (aus einer Reihe verbindbarer Bohrstangen) in den Untergrund einbringt. Das Bohrsystem 10 umfasst einen Bohrstrang 22, der durch die Bohrmaschine 24 in den Untergrund 21 geführt wird. Ein exemplarischer Bohrstrang 22 ist in 1 dargestellt. Die Bohrmaschine 24 umfasst eine Antriebsmaschine 42 (z.B. einen Dieselmotor), ein Getriebe 44, einen Träger 46 und einen Ausbrechmechanismus 48 (z.B. ein Schraubstocksystem). Optional kann die Bohrmaschine 24 einen Bohrgestängeaufbewahrungskasten 50, einen Bedienerstand 52 und einen Satz Ketten oder Räder 54 umfassen. Der Bohrstrang 22 besteht aus einzelnen Sektionen von Bohrstangenanordnungen 26, die an einem oberen Ende 28 mit der Bohrmaschine 24 und an einem unteren Ende 32 mit einem Bohrkopf (nicht dargestellt) verbunden sind. Jede Bohrstangenanordnung 26 umfasst ein untertägiges und ein obertägiges Ende. Die Bohrstangenanordnungen 26 werden Ende an Ende aneinandergereiht, um den Bohrstrang 22 zu bilden, der sich bei einigen Bohranwendungen über beträchtliche Entfernungen erstrecken kann.
Bei einem Zweistangenbohrsystem umfasst jede Bohrstangenanordnung 26 eine äußere rohrförmige Bohrstange 34 mit Außengewinde an einem Ende und Innengewinde an dem gegenüberliegenden Ende. Jede Bohrstangenanordnung 26 umfasst zudem eine kleinere, innere Bohrstange 36. Die innere Bohrstange 36 passt in die rohrförmige äußere Bohrstange 34. Alternativ zu einem Zweistangenbohrsystem kann das Gestein mit Einstangenmaschinen unter Verwendung von Drucklufthämmern, Spülungsmotoren oder sogar Weichgesteinbohrern gebohrt und geräumt werden. Die innere Bohrstange 36 jeder Bohrstangenanordnung ist mit den benachbarten inneren Bohrstangen durch eine innere Stangenkupplung 38 verbunden. In einigen Beispielen ist jede innere Stangenkupplung 38 an jeder inneren Bohrstange 36 am oberen Ende jeder Bohrstangenanordnung 26 befestigt. Bei Innengestängen mit Gewinde ist eine Kupplung nicht erforderlich.
Während eines Bohrvorgangs entnimmt die Bohrmaschine 24 die Bohrstangenanordnungen 26 einzeln aus dem Bohrgestängeaufbewahrungskasten 50 und bewegt jede Bohrstangenanordnung 26 auf den Träger 46. Sobald diese auf den Träger 46 positioniert ist, greifen sowohl der Ausbrechmechanismus 48 als auch das Getriebe 44 in die Bohrstangenanordnung 26 ein und koppeln die Bohrstangenanordnung mit einer unmittelbar vorhergehenden Bohrstangenanordnung 26. Nach der Kopplung ist das Getriebe 44 eingerichtet, sich in Längsrichtung auf dem Träger 46 in Richtung des Ausbrechmechanismus 48 zu bewegen, während dieses gleichzeitig eine oder beide der äußeren und inneren Bohrstangen 34, 36 der Bohrstangenanordnung 26 dreht. Wenn das Getriebe 44 den Ausbrechmechanismus 48 am Ende des Trägers 46 erreicht, wird das Getriebe 44 von der Bohrstangenanordnung 26 und damit vom Bohrstrang 22 abgekoppelt und zieht sich den Träger 46 hinauf, so dass eine weitere Bohrstangenanordnung 26 zum Bohrstrang 22 hinzugefügt werden kann. Dieser Vorgang wird wiederholt bis der Bohrvorgang abgeschlossen ist, und dann während eines Rückziehvorgangs umgekehrt, bei dem die Bohrmaschine 24 die Bohrstangenanordnungen 26 aus dem Boden 21 entfernt (d.h. in Richtung P). Nach Beendigung der Vorbohrung kann am Bohrstrang 22 eine Bohrlochräumvorrichtung oder ein Bohrlochräumer 100 angebracht werden, so dass der unterirdische Bohrdurchgang während des Rückziehens durch den Bohrlochräumer 100 geräumt wird. Mit anderen Worten, das vordere Ende des Bohrlochräumers 100 ist der Bohrmaschine 24 zugewandt, wenn dieser für den Einsatz mit dem Bohrgestänge 22 verbunden ist. Dies ist die normale Richtung für das Räumen, obwohl in der folgenden Beschreibung auch auf einen oder mehrere Bohrlochräumer eingegangen wird, die für das Schubräumen (von der Bohrmaschine weg, entgegen der Rückziehrichtung P) eingerichtet sind. Der Begriff „Bohrlochöffner“ wird auch im Bereich des horizontalen Richtbohrens verwendet und bezieht sich ebenfalls auf einen Bohrlochräumer, wie dieser hierin verwendet wird. Ein Bohrlochöffner oder „Gesteinsbohrlochräumer“ wird manchmal verwendet, um einen Bohrlochräumer zu bezeichnen, der eingerichtet ist, einen Boden zu durchschneiden, der zumindest teilweise aus Gestein besteht, während andere Bohrlochräumer besser für weichere Böden geeignet sein können. Aspekte der vorliegenden Offenbarung können auf viele, wenn nicht alle aktuellen Arten von HDD Bohrlochräumern sowie auf solche, die noch nicht entwickelt wurden, angewendet werden.
Die 3A bis 3H zeigen den Bohrlochräumer 100 besser. Der Bohrlochräumer 100 ist eine Baugruppe, die einen Schaft oder einen Schaftabschnitt 104, der eine zentrale Drehachse A definiert (die mit der Mittelachse des Bohrgestänges 22 ausgerichtet werden soll), eine Vielzahl Schaufeln 108, die radial von einer Außenfläche des Schaftabschnitts 104 abstehen, und eine Vielzahl entfernbarer und austauschbarer Schneidzähne 112, 114, die auf der Vielzahl Schaufeln 108 angebracht sind, umfasst. In einigen Konstruktionen sind die Schaufeln 108 monolithisch mit dem Schaftabschnitt 104 ausgebildet (z.B. aus einem einzigen Block aus Stahl oder einem anderen Metall ausgearbeitet). Bei anderen Konstruktionen sind die Schaufeln 108 separat zum Schaftabschnitt 104 ausgebildet und dauerhaft daran befestigt, z.B. durch Schweißen. In jedem Fall bilden der Schaftabschnitt 104 und die Schaufeln 108 eine Bohrlochräumerbasis oder einen Körper zur Aufnahme der verschiedenen Schneidzähne 112, 114. Jeder Schneidzahn 112, 114 ist über ein oder mehrere Befestigungselemente 116 lösbar mit der jeweiligen Schaufel 108 gekoppelt, um Schneidspitzen oder -elemente 118 (z.B. Einsätze aus polykristallinem Diamant (PKD)) zum Räumen eines unterirdischen Bohrlochs (d.h. eine vorgebohrte Vorbohrung) bei der Drehung des Bohrstrangs 22 mit dem Bohrlochräumer 100 während des Rückziehens des Bohrstrangs 22 in Richtung P zur Bohrmaschine 24 auszurichten. Die PKD-Einsätze können separat zu einem Schneidzahnkörperabschnitt 113, 115 der jeweiligen Schneidzähne 112, 114 hergestellt und mit diesen verbunden sein, beispielsweise durch Kleben (z.B. Löten) und/oder Verpressen. Der Körperabschnitt 113, 115 kann eine Ausnehmung umfassen, die einen Teil der Schneidelemente 118 aufnimmt. Die Vorderseiten und Vorderkanten der Schneidelemente 118 liegen frei oder ragen von dem Körperabschnitt 113, 115 hervor. Die Vorderfläche jedes Schneidelements 118 definiert einen Normalflächenvektor N, der weiter unten näher erläutert wird. Wie dargestellt, trägt jede Schaufel 108 sieben erste Schneidzähne 112 und einen zweiten oder Übergangsschneidzahn 114. Alle Schneidzähne 112, 114 umfassen PKD-Schneidelemente 118, die weiter unten im Detail beschrieben werden. Das/die Befestigungselement(e) 116 für jeden Schneidzahn 112, 114 kann/können ein Gewindebolzen sein. Das/die Befestigungselement(e) 116 für jeden Schneidzahn 112, 114 kann/können sich mit einer radial nach innen gerichteten Komponente durch eine Durchgangsbohrung im Schneidzahnkörper in Richtung der Achse A und in die Schaufel 108 erstrecken. Wie bei dem Bohrlochräumer 100 gezeigt und auf die anderen hierin offenbarten Bohrlochräumer anwendbar, gibt es fünf gleichmäßig beabstandete Schaufeln 108 um den Umfang des Schaftabschnitts 104, und jede Schaufel 108 hat eine Reihe von mehreren (z.B. axial ausgerichteten) Schneidzähnen 112, 114, die darauf angebracht sind - obwohl der Bohrlochräumer modifiziert werden kann, um eine andere Anzahl und/oder Anordnung von Schaufeln 108 und entsprechende Schneidzähne 112, 114 aufzuweisen. Da die Schneidzähne 112, 114 einzeln montiert und unabhängig voneinander austauschbar sind, muss bei Beschädigung oder Verschleiß bestimmter Schneidelemente 118 nicht gleich eine ganze Schaufel 108 oder gar der gesamte Bohrlochräumer 100 ausgetauscht werden. Stattdessen können nur die Schneidzähne 112, 114, die Verschleiß oder Schäden aufweisen, ausgetauscht werden, und dies kann schnell und einfach vor Ort erfolgen, was zu geringen Kosten und minimalen Ausfallzeiten führt.
Jede Schaufel 108 hat eine erste abgewinkelte Fläche 122, die in einem Winkel α (z.B. weniger als 90 Grad und in einigen Ausführungsformen einen von Null verschiedenen Winkel von 75 Grad oder weniger) zu der Achse A ausgerichtet ist und eine erste Zahngrundfläche definiert. Die erste Zahngrundfläche 122 nimmt im Radius von einem ersten Ende 104A des Schaftabschnitts weg und in Richtung eines zweiten Endes 104B des Schaftabschnitts 104 hin zu. An der ersten Zahngrundfläche 122 sind eine Vielzahl erste Schneidzähne 112 angebracht. Jede Schaufel 108 hat ferner eine zweite Fläche oder Plateaufläche, die sich von einem radial äußeren Ende der ersten Zahngrundfläche 122 erstreckt, um eine zweite Zahngrundfläche 124 zu definieren. Die zweite Zahngrundfläche 124 kann parallel zur Achse A verlaufen oder zumindest einen geringeren Winkel in Bezug auf die Achse A aufweisen als der Winkel α der ersten Zahngrundfläche 122. Ein einzelner zweiter Schneidzahn 114 an jeder Schaufel 108 ist ein Übergangsschneidzahn, der sich auf der zweiten Zahngrundfläche 124 befindet und sich auch auf den äußersten Abschnitt der ersten Zahngrundfläche 122 erstreckt. Eine weitere abgewinkelte Fläche 126 erstreckt sich von der zweiten Zahngrundfläche 124 zur Außenfläche des Schaftabschnitts 104. In einigen Ausführungsformen bildet die Fläche 126 einen steileren Winkel (z.B. über 45 Grad) als der Winkel α der ersten Zahngrundfläche 122.
Die PKD Schneidelemente 118 der ersten und zweiten Schneidzähne 112, 114 haben eine im Allgemeinen zylindrische Form oder „Wafer“, zumindest an den freiliegenden oder äußeren Teilen von diesen. Obwohl dies aufgrund von Herstellungsverfahren typisch für PKD Schneidelemente ist, können auch andere PKD Schneidelemente verwendet werden, die nur teilweise zylindrisch (z.B. halbzylindrische Abschnitte) oder nicht zylindrisch sind. Das PKD Material ist ein Verbundwerkstoff aus synthetischem Diamantkorn, das mit Wolframkarbid und metallischem Binder zu einem Diamanttisch geformt (d.h. gesintert) ist. Der Diamanttisch ist eine dünne Schicht, welche die Vorderseite des Schneidwerkzeugs 118 bildet, welche die zu räumende Formation berührt. Der Diamanttisch ist auf einem Substrat des Schneidelements 118 abgestützt. Das Substrat kann aus Wolframkarbid mit metallischem Binder bestehen. Die Stirnflächen (z.B. ebene, kreisförmige Flächen) der PKD Schneidelemente 118 sind im Allgemeinen auf eine tangentiale Schneidrichtung T ausgerichtet. Allerdings ist jedes der Schneidelemente 118 so vorgesehen, dass der Normalflächenvektor N abgewinkelt oder schräg ist, so dass dieser nicht direkt mit der tangentialen Schneidrichtung T ausgerichtet ist. Der Normalflächenvektor N hat einen (von Null verschiedenen) seitlichen Spanwinkel θ (3A), der eingerichtet ist, Material in eine Richtung relativ zur Längsachse des Bohrlochräumers 100 zu bewegen, und einen hinteren Spanwinkel ϕ (3C), der eingerichtet ist, Material in radialer Richtung zu bewegen. Diese Spanwinkel werden weiter unten mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben. Der seitliche Spanwinkel θ kann 0 Grad bis 30 Grad betragen, insbesondere 10 Grad bis 20 Grad, z.B. 15 Grad. Der hintere Spanwinkel ϕ kann 0 Grad bis 30 Grad betragen, insbesondere 10 Grad bis 30 Grad, z.B. 15 Grad. Größere seitliche und hintere Spanwinkel θ, ϕ erhöhen die Standzeit des Schneidwerkzeugs, führen aber zu einem weniger aggressiven (langsameren) Schnitt. Insbesondere ermöglicht ein größerer hinterer Spanwinkel ϕ ein verzeihlicheres Abscheren des Gesteins mit einer geringeren Chance, das Schneidelement 118 abzusplittern oder zu beschädigen, und ein größerer seitlicher Spanwinkel θ kommt der Vorwärtsbewegung des Bohrlochräumers entgegen, ohne die Rückseiten zu verschleißen. Kleinere seitliche und hintere Spanwinkel θ, ϕ stehen in einem umgekehrten Verhältnis. Da die Schneidzähne 112, 114 einzeln austauschbar sind, können einige oder alle Schneidzähne am Bohrlochräumerkörper gegen ähnliche Schneidzähne ausgetauscht werden, die einen anderen seitlichen und/oder hinteren Spanwinkel aufweisen (z.B. einfach durch zerstörungsfreies Entfernen und Ersetzen des/der Befestigungselements/e 116). Auf diese Weise kann eine Bohrlochräumerbaugruppe entweder an einem Vorbereitungsort der Ausrüstung oder sogar direkt an der Bohrstelle modifiziert werden, um Spanwinkel für bestimmte Arten von Bodenbedingungen zu haben. Obwohl nicht dargestellt, können die Schaufeln 108 relativ zur tangentialen Drehrichtung T abgewinkelt und/oder geneigt sein, und die Schaufeln 108 können gerade oder gekrümmt sein. Obwohl die Schneidzähne 112, 114 immer noch von Null verschiedene seitliche und/oder hintere Spanwinkel aufweisen können, können diese bei Vorhandensein von abgewinkelten und/oder geneigten Schaufeln 108 angepasst oder verringert werden. Da der Bohrlochräumer 100 in einer Vorbohrung arbeitet, erstrecken sich dessen Schneidelemente 118 nicht wie bei einem Bohrer bis zur Mittelachse, sondern sind radial nach außen beabstandet.
Wie in den Explosionsmontageansichten der 3F bis 3H gezeigt, ist eine vordere, radial äußere Kante jeder Schaufel 108 mit einer sich axial erstreckenden Nut oder Ausnehmung versehen, die eine zusätzliche Schneidzahnstützfläche 128 bildet. Die Fläche 128 ist der tangentialen Richtung T zugewandt und stützt die Rückflächen 132 der sich radial nach innen erstreckenden Flansche oder Füße 134 der jeweiligen ersten Schneidzähne 112, die in den 4A bis 4G besser dargestellt sind. In ähnlicher Weise umfassen die zweiten Schneidzähne 114 (5A bis 5G) ebenfalls sich radial nach innen erstreckende Flansche oder Füße 144, die entsprechende Rückflächen 142 aufweisen, die an den Stützflächen 128 der jeweiligen Schaufeln 108 anliegen. In den Fällen beider Schneidzähne 112, 114 sind die Rückflächen 132, 142 senkrecht zu den jeweiligen Bodenflächen 136, 138 ausgerichtet, die mit den radial äußeren Zahngrundflächen 122, 124 zusammenpassen. Obwohl die Rückflächen 132, 142 und die Bodenflächen 136, 138 jeweils flach sind, hat der zweite oder Übergangsschneidzahn 114 außerdem eine zusätzliche oder sekundäre Bodenfläche 139, die in Bezug auf die Bodenfläche 138 abgewinkelt ist, um dem Winkel zwischen der ersten Zahngrundfläche 122 und der zweiten Zahngrundfläche 124 zu entsprechen, und die zusätzliche Bodenfläche 139 (z.B. ohne jegliche Befestigungsöffnung) ist eingerichtet, an dem äußersten Abschnitt der ersten Zahngrundfläche 122 anzugreifen. Der Flansch oder Fuß 134, 144 bildet jeweils einen Vorsprung, der aus einer durch die Bodenfläche(n) 136, 138, 139 definierten Ebene(n) herausragt.
Zurück zu den Spanwinkeln der Schneidelemente 118, der seitliche Spanwinkel θ kann als der Winkel definiert sein, der zwischen dem Normalflächenvektor N und einer Referenzlinie senkrecht zur Rückfläche 132 in der Ansicht von unten in 4F gebildet wird, wobei die Betrachtungsebene entlang der vorderen Schneidfläche der Schneidelemente 118 liegt. Die Referenzlinie kann hier eine Ebene darstellen, die senkrecht zur Rück- und Bodenfläche 132, 136 verläuft. Als solche enthält die Ebene die tangentiale Schnittrichtung T. Die gleichen Beziehungen können für den seitlichen Spanwinkel θ der Schneide 114 in 5 gelten, wobei der Richtungsbezug von der Rückfläche 142 aus genommen wird. Der hintere Spanwinkel ϕ ist der Winkel, der zwischen dem Normalflächenvektor N und einer Referenzlinie senkrecht zur Rückfläche 132 in der Seitenansicht gebildet wird (siehe 4D, wobei zu beachten ist, dass die Ansicht so angeordnet ist, dass der Normalflächenvektor N eine Komponente in die Seite hinein hat). Die Referenzlinie kann hier eine Ebene (4B) darstellen, die senkrecht zur Rückfläche 132 und parallel zur Bodenfläche 136 verläuft. Als solche enthält die Ebene die tangentiale Schnittrichtung T. Die gleichen Beziehungen können für den seitlichen Spanwinkel θ des Schneidwerkzeugs 114 in 5 gelten, wobei in diesem Fall der Richtungsbezug von der/den Fläche(n) 138, 142 genommen wird. Obwohl der Normalflächenvektor N für nur ein Schneidelement 118 dargestellt ist, ist zu verstehen, dass die beiden Schneidelemente 118 parallele Normalflächenvektoren N haben, und dies kann auch dann der Fall sein, wenn mehrere Schneidelemente 118 in einem einzigen Schneidzahn 112 vorgesehen sind. Im Fall eines Schneidzahns wie dem Schneidzahn 114 in 5 können alle Schneidelemente 118 innerhalb jedes definierten Segments oder Körperabschnitts parallele Normalflächenvektoren definieren, wobei die Schneidelemente 118 der separaten Körperabschnitte die jeweiligen seitlichen und hinteren Spanwinkel aufweisen, die in Bezug auf die Rückfläche 142 und die separaten Bodenflächen 138, 139 definiert sind.
Versenkte Öffnungen 140, 150 in den jeweiligen Schneidzähnen 112, 114 nehmen die Köpfe der jeweiligen Befestigungselemente 116 auf, welche die Schneidzähne 112, 114 mit den Schaufeln 108 verbinden. Im Fall des ersten Schneidzahns 112 gibt es eine einzelne versenkte Öffnung 140, die sich durch die Bodenfläche 136 erstreckt. Jede Öffnung 140 fluchtet mit einer entsprechenden Gewindeöffnung 141 (z.B. einem Sackloch) in der ersten Zahngrundfläche 122. Im Fall des zweiten Schneidzahns 114 gibt es eine Vielzahl versenkter Öffnungen 150 (z.B. zwei), die sich durch die Bodenfläche 138 erstrecken. Die Öffnungen 150 fluchten mit entsprechenden Gewindeöffnungen 151 (z.B. Sacklöchern) in der zweiten Zahngrundfläche 124. Obwohl in der dargestellten Konstruktion nicht gezeigt, kann der Bohrlochräumer 100 Öffnungen/Düsen innerhalb der Bohrlochräumerbasis (Schaftabschnitt 104 und/oder Schaufeln 108) zum Ablassen von Bohrflüssigkeit aufweisen, um das Schneiden und Entfernen von Bohrklein zu erleichtern. Ein minimaler Schneiddurchmesser D2 (3E) ist durch den innersten umschriebenen Kreis des Schneidelements 118 definiert, das dem Schaftabschnitt 104 am ersten der ersten Schneidzähne 112 an jeder der Schaufeln 108 in der Rückziehrichtung P am nahsten ist. Wie dargestellt, ist der minimale Schneiddurchmesser D2 etwas größer als der Außendurchmesser D1 des Schaftabschnitts 104. Es ist jedoch möglich, die Schneidzähne so zu positionieren, dass die Schneidelemente an den Außendurchmesser D1 des Schaftabschnitts 104 angrenzen oder sogar in dem Schaftabschnitt 104 versenkt sind (z.B. durch Einfräsen einer Nut in den Schaftabschnitt 104). Ein maximaler Schneiddurchmesser D3 (3E) wird durch den äußersten umschriebenen Kreis des Schneidelements 118, das am weitesten vom Schaftabschnitt 104 entfernt ist, auf dem zweiten Schneidzahn 112 auf jeder der Schaufeln 108 definiert. Der maximale Schneiddurchmesser D3 ist größer als der Außendurchmesser D1 des Schaftabschnitts 104 (z.B. D3 = m*D1, wobei m ein Faktor 2 oder größer und kleiner als 5 ist). Der Faktor m ist zwischen 3,5 und 4,0, wie dargestellt.
Die 6A bis 6G zeigen einen alternativen ersten Schneidzahn 212, der in den meisten Aspekten dem ersten Schneidzahn 112 ähnlich ist. Der Schneidzahn 212 kann beispielsweise einen Stahlkörper 213 und mehrere (z.B. zwei) nach vorne gerichtete Schneidelemente 218 (z.B. PKD-Einsätze) umfassen. Der Schneidzahn 212 kann ferner einen sich radial nach innen erstreckenden Flansch oder Fuß 234 zusammen mit einer Bodenfläche 236 und einer versenkten Öffnung 240, die sich durch den Schneidwerkzeugkörper und die Bodenfläche 236 erstreckt, um ein Befestigungselement 216 aufzunehmen, umfassen. Der Schneidzahn 212 der 6A bis 6G umfasst jedoch benachbarte Befestigungsflächen 232, 236, die in Kombination mit einer komplementären Schaufelnut (siehe z.B. Schaufel 208, 308 der 7A bis 7H und 8A bis 8E) eine Halbschwalbenschwanzschnittstelle oder -Verbindung bilden. Die Rückfläche 232 des sich radial nach innen erstreckenden Flansches oder Fußes 234 bildet mit der Bodenfläche 236 einen Winkel β, der kleiner als 90 Grad ist. In der dargestellten Konstruktion sind beide Flächen 232, 236 ebene Flächen.
Bei dem Bohrlochräumer 200 der 7A bis 7H sind vier der ersten Schneidzähne 212 an jeder Schaufel 208 vorgesehen. Die Schaufeln 208 sind daher kleiner (z.B. sowohl in der Länge entlang der Achse A als auch im Radius zur Achse A) als die Schaufeln 108 des Bohrlochräumers 100 mit den sieben ersten Schneidzähnen 112 pro Schaufel. Jede Schaufel 208 des Bohrlochräumers 200 umfasst auch einen zweiten oder Übergangsschneidzahn 214 an jeder Schaufel 208. Obwohl nicht separat in einem eigenen Figurensatz dargestellt, kann der zweite Schneidzahn 214 mit dem zweiten Schneidzahn 214 identisch sein, mit der Ausnahme, dass dieser einen spitzen Winkel β aufweist, der von den Boden- und Rückflächen gebildet ist, um eine Halbschwalbenschwanzverbindung mit der Nut oder Ausnehmung herzustellen, welche die zusätzliche Schneidzahnstützfläche 228 bereitstellt. Im Gegensatz zur zusätzlichen Schneidzahnstützfläche 128, die in die tangentiale Richtung T weist, weist die zusätzliche Schneidzahnstützfläche 228 „nach unten“ oder radial nach innen in Bezug auf die tangentiale Richtung T. Aufgrund der geringeren Größe der Schaufeln 208 definiert der Bohrlochräumer einen maximalen Schneiddurchmesser D3, der wesentlich kleiner ist als der maximale Schneiddurchmesser des Bohrlochräumers 100 (siehe 7E und 9). Mit Ausnahme der oben genannten Merkmale sind der erste und der zweite Bohrlochräumer 100, 200 ansonsten ähnlich, und es ist zu beachten, dass andere oben beschriebene Merkmale des Bohrlochräumers 100 auch auf den zweiten Bohrlochräumer 200 angewendet werden können (wo anwendbar, werden Bezugsziffern konsistent beibehalten, obwohl diese von dem Bohrlochräumer 100 zu dem Bohrlochräumer 200 erhöht werden). Es wird auch darauf hingewiesen, dass die halbschwalbenschwanzförmige Schneidwerkzeug-Schaufel-Schnittstelle des Bohrlochräumers 200 bei dem ersten Bohrlochräumer 100 verwendet werden kann, und dass die quadratische Schneidwerkzeug-Schaufel-Schnittstelle des Bohrlochräumers 200 bei dem zweiten Bohrlochräumer 200 in alternativen Ausführungsformen verwendet werden kann. Im Allgemeinen können Merkmale unter allen offenbarten Ausführungsformen ausgetauscht oder auf andere Weise in anderen Kombinationen als den explizit offenbarten zusammengesetzt werden.
Der Bohrlochräumer 300 der 8A bis 8E ist ein Beispiel für einen weiteren Bohrlochräumer, der in den meisten Punkten dem ersten und zweiten Bohrlochräumer 100, 200 ähnlich ist, jedoch eine andere Konfiguration von Schneidzähnen und einen anderen maximalen Schneiddurchmesser D3 aufweist. Auch hier werden, wo zutreffend, die Bezugsziffern in Übereinstimmung mit denen in der Beschreibung des ersten Bohrlochräumers 100 beibehalten und auf 300 erhöht, und Merkmale, die nicht wiederholt werden, sind so zu verstehen, dass diese der obigen Beschreibung entsprechen. Im Vergleich zu den Schaufeln 208 des zweiten Bohrlochräumers 200 sind die Schaufeln 308 des dritten Bohrlochräumers 300 nochmals verkleinert, und es ist wiederum eine reduzierte Anzahl von ersten Schneidzähnen 212 vorgesehen (z.B. zwei). Da die Schaufeln 208, 308 jedoch identische Nuten aufweisen, sind die Schneidzähne 212, 214 die gleichen wie bei dem zweiten Bohrlochräumer 200, und die Schneidzähne 212, 214 können sogar zwischen zwei verschiedenen Bohrlochräumerbasen ausgetauscht werden. Die Endansichten des ersten, zweiten und dritten Bohrlochräumers 100, 200, 300 sind in 9 nebeneinander dargestellt, um einen Größenvergleich zwischen diesen zu ermöglichen. Der Außendurchmesser D1 der Schaftabschnitte 104, 204, 304 kann bei allen drei Bohrlochräumern 100, 200, 300 gleich sein. Die minimalen Schneiddurchmesser D2 können unter den drei Bohrlochräumern 100, 200, 300 gleich oder unterschiedlich sein. Es können jedoch zahlreiche alternative Konstruktionen unter Verwendung derselben Grundkonfiguration erreicht werden, die unter den drei offenbarten Bohrlochräumern 100, 200, 300 angegeben sind.
Ein erster Schneidzahn 412 einer weiteren Konstruktion ist in den 10A bis 10G gezeigt, und ein vierter Bohrlochräumer 400, der diese Schneidzähne 412 verwendet, ist in den 11A bis 11H dargestellt. Auch hier werden, wo zutreffend, die Bezugsziffern in Übereinstimmung mit denen in der Beschreibung des ersten Bohrlochräumers 100 beibehalten und auf 400 erhöht, und Merkmale, die nicht wiederholt werden, sind so zu verstehen, dass diese der obigen Beschreibung entsprechen. Obwohl die ersten Schneidzähne 412 des vierten Bohrlochräumers 400 eine deutlich andere Schnittstelle mit den Schaufeln 408 der Bohrlochräumerbasis definieren, was weiter unten näher beschrieben wird, kann der zweite oder Übergangsschneidzahn 114 identisch mit dem des ersten Bohrlochräumers 100 sein oder als eine modifizierte Form 114' (11A bis 11E) bereitgestellt sein, die aus dem Schneidzahn 114 gefertigt ist. Im Gegensatz zu den Bohrlochräumern der vorangegangenen Beschreibung umfasst der vierte Bohrlochräumer 400 zusätzliche Schneidzähne 456 auf einer (schrägen) Fläche der Schaufeln 408, die der Vorwärtsrichtung F zugewandt und der Rückziehrichtung P entgegengesetzt ist, um ein bidirektionales Räumen oder „Abstreifen“ zu ermöglichen. Die Schneidzähne 456 können an die Schaufeln 408 geschweißt sein. Wie in dem modifizierten zweiten oder Übergangsschneidzahn 114' gezeigt, kann ein ähnlicher Schneidzahn 456 auf eine nach vorne weisende Fläche des Schneidzahns 114' geschweißt oder einstückig mit diesem geformt sein, so dass der Schneidzahn 114' selbst ein bidirektionaler Räumzahn ist. Die 11F bis 11H zeigen den zweiten Schneidzahn 114 ohne den zusätzlichen vorderen Schneidzahn 456.
Die Schneidwerkzeug-Schaufel- Schnittstelle für die ersten Schneidzähne 412 ist wie gezeigt modifiziert, und die Schaufelnut, die jede zusätzliche Schneidzahnstützfläche 428 bereitstellt, ist mit Höckern oder Nasen 460 entlang der axialen Richtung geformt, anstatt gerade oder unveränderlich entlang der Länge zu sein. Somit ist die Unterseite jedes ersten Schneidzahns 412 mit komplementären Gegenflächen geformt, um an den jeweiligen Nasen 460 anzugreifen. Der Eingriff und die Schnittstelle können gleich oder ähnlich der Mikrofräse sein, die in der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/790,530 , eingereicht am 10. Januar 2019, von der eine Kopie beigefügt ist, offenbart ist, und/oder ähnlich dem Schneidwerkzeugradsystem, das in PCT/ US2019/017029 , eingereicht am 7. Februar 2019, von dem eine Kopie beigefügt ist, offenbart ist. Beispielsweise besteht die Rückfläche 432 aus einer Vielzahl Reaktionsflächenabschnitte 432a-e, die eine Aussparung definieren. In einigen Konstruktionen können die Schneidzähne zwischen verschiedenen Arten von Maschinen (z.B. Mikrofräse und Richtbohrmaschine) austauschbar sein. Der dargestellte Schneidzahn 412 ähnelt dem Mikrofräserschneidzahn mit dem Zusatz der seitlichen und hinteren Spanwinkel θ, ϕ, da ein Abschnitt des Zahnfußes senkrecht zur Drehrichtung sein muss, um auf die sich axial erstreckende Schaufel zu passen. Außerdem hat der dargestellte Schneidzahn 412 abgewinkelte Übergangsflächen, die auf Vorsprüngen ausgebildet sind, die miteinander verbunden sind, anstatt separat.
Der fünfte Bohrlochräumer 500 ist in den 12A bis 12H dargestellt, und ein modifizierter zweiter oder Übergangsschneidzahn 514 ist in den 13A bis 13G dargestellt. Auch hier werden, wo zutreffend, die Bezugsziffern in Übereinstimmung mit denjenigen beibehalten, die in der Beschreibung des ersten Bohrlochräumers 100 festgelegt wurden, und auf 500 erhöht, und Merkmale, die nicht wiederholt werden, sind so zu verstehen, dass diese der obigen Beschreibung entsprechen. Obwohl die Schaufeln 508 quadratische Nuten aufweisen, welche die zusätzlichen Schneidzahnstützflächen 528 definieren, kann die Halbschwalbenschwanzform durch alternative Konstruktionen ersetzt werden. Der fünfte Bohrlochräumer 500 weist die gleichen ersten Schneidzähne 112 wie der erste Bohrlochräumer 100 auf, aber verkürzte zweite Schneidzähne 514. Wie dargestellt, umfasst jeder zweite Schneidzahn 514 weniger Schneidelemente 518 (z.B. drei). Außerdem umfasst jeder zweite Schneidzahn 514 eine einzelne versenkte Öffnung 550 zur Befestigung an der Schaufel 508 mit einem einzelnen Befestigungselement 516.
Der sechste Bohrlochräumer 600 ist in den 14A bis 14H dargestellt. Ein erster Schneidzahn 612 des Bohrlochräumers 600 ist in den 15A bis 15F dargestellt, und ein zweiter oder Übergangsschneidzahn 614 ist in den 17A bis 17G dargestellt. Auch hier werden, wo zutreffend, die Bezugsziffern in Übereinstimmung mit denjenigen beibehalten, die in der Beschreibung des ersten Bohrlochräumers 100 festgelegt wurden, und auf 600 erhöht, und Merkmale, die nicht wiederholt werden, sind so zu verstehen, dass diese der obigen Beschreibung entsprechen. Die Schaufeln 608 des Bohrlochräumers 600 sind jeweils mit einem Schlitz oder einer Nut 664 versehen, die sich entlang der radialen Außenkante von diesen erstrecken. Die Nut 664 befindet sich im Abstand zwischen Vorder- und Hinterkante der Schaufel 608 (z.B. mittig) und nicht an deren Vorderkante. Die Nut 664 wirkt mit den Schneidzähnen 612, 614 zusammen, um eine Nut-Feder-Schnittstelle zu bilden, wobei jeder Zahn 612, 614 eine „Zunge“ aufweist, die durch einen entsprechenden, sich radial nach innen erstreckenden Flansch oder Fuß 634, 644 gebildet ist. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Schneidzähnen befindet sich der Flansch oder Fuß 634, 644 in jedem Zahn 612, 614 nicht an einem vorderen Ende des Schneidkörpers, sondern ist mittig angeordnet. Auch gibt es keine Öffnung durch die obere (radial äußere) Fläche der Schneidzähne 612, 614. Stattdessen ist eine Öffnung 640, 650 durch den Fuß 634, 644 vorgesehen (z.B. in tangentialer Richtung T). Jede Öffnung 640, 650 fluchtet mit einer oder mehreren Öffnungen 668 in der entsprechenden Schaufel 608, um gemeinsam einen Stift (z.B. einen einzelnen Spannstift) aufzunehmen, um das Schneidwerkzeug 612, 614 an der Schaufel 608 zu befestigen. Aufgrund der Konfiguration zum Zusammenwirken mit den Nuten 664 umfasst jeder Schneidzahnfuß 634, 644 sowohl vordere 632A, 642A als auch hintere 632B, 642B Stützflächen. Der gleiche Typ des ersten Schneidzahns 612 wird bei jeder Schaufel 608 (auf beiden Zahngrundflächen 622, 624) verwendet, mit Ausnahme der in Rückziehrichtung P vordersten Stelle, wo ein zweiter oder Übergangsschneidzahn 614 vorgesehen ist. Der zweite Schneidzahn 614 weist Schneidelemente 618 auf, die abgewinkelt sind, um in den Schaftabschnitt 604 überzugehen (obwohl die Grundfläche 638 flach ist), und kann an dem Schaftabschnitt 604 anliegen. Unabhängig davon, ob diese anliegen oder nicht, ermöglicht diese Anordnung, die Schneidabschnitte 618 näher an die Achse A zu bewegen, wodurch der minimale Schneiddurchmesser D2 näher an den Außendurchmesser D1 des Schaftabschnitts 604 gebracht wird.
Die 16A und 16B zeigen einen modifizierten ersten Schneidzahn 612' mit einer vergrößerten radialen Höhe H, um die Schneidelemente 618 weiter von der Achse A weg zu setzen und den maximalen Schneiddurchmesser D3 zu vergrößern. Solche Schneidzähne 612' können an einigen oder allen Stellen entlang der Schaufeln 608 verwendet werden. Obwohl nicht dargestellt, können einige oder alle der Übergangsschneidzähne 614 in ähnlicher Weise für zusätzliche Höhe modifiziert werden.
Der siebte Bohrlochräumer 700 ist in den 18A bis 18I dargestellt. Ein erster Schneidzahn 712 des Bohrlochräumers 700 ist in den 19A bis 19G dargestellt. Auch hier werden, wo zutreffend, die Bezugsziffern in Übereinstimmung mit denen in der Beschreibung des ersten Bohrlochräumers 100 beibehalten und auf 700 erhöht, und Merkmale, die nicht wiederholt werden, sind so zu verstehen, dass diese mit der obigen Beschreibung übereinstimmen. Der Bohrlochräumer 700 ist eine bidirektionaler Bohrlochräumer, der eine Vielzahl der ersten Schneidzähne 712 entlang der ersten Zahngrundfläche 722 und einem Abschnitt der zweiten Zahngrundfläche 724 und eine Vielzahl zweite Schneidzähne 712' entlang eines anderen Abschnitts der zweiten Zahngrundfläche 724 und entlang einer dritten Zahngrundfläche 722' aufweist. Die zweiten Schneidzähne 712' können einen seitlichen Spanwinkel aufweisen, der in der Richtung umgekehrt zum seitlichen Spanwinkel θ der ersten Schneidzähne 712 ist. Die Schneidzähne 712, 712' können spiegelbildlich zueinander sein. Jeder Schneidzahn 712 hat einen sich radial nach innen erstreckenden Flansch oder Fuß 734 (z.B. an einem vorderen Ende des Schneidekörpers), der eine tangentiale Öffnung 740 durch diesen hindurch aufweist. Der Fuß 734 ist in tangentialer Richtung T dicker als die anderen hierin offenbarten Schneidzahnfüße (z.B. über 25 Prozent oder über 33 Prozent der gesamten tangentialen Länge des Schneidkörpers, ohne die Schneidelemente 718). Eine Rückfläche 732 des Fußes 734 stößt an eine tangential weisende zusätzliche Schneidzahnstützfläche 728, die durch die Nut oder Ausnehmung entlang der vorderen Seite jeder Schaufel 708 gebildet ist. Wie dargestellt, kann die Rückfläche 732 einen spitzen Winkel β mit einer Bodenfläche 736 bilden, wodurch die oben beschriebene Halbschwalbenschwanzverbindung vorgesehen ist. In anderen Konstruktionen sind die Flächen 732, 736 rechtwinklig zueinander ausgerichtet. Zur Befestigung jedes Zahns 712 an der Schaufel 708 dient ein Befestigungselement 716 (z.B. ein Bolzen), das sich tangential durch den Fuß 734 und durch einen einzelnen Flansch der Schaufel 708 erstreckt. Eine Zahnöffnung 740 oder eine Schaufelöffnung 768 kann mit einem Gewinde versehen sein. Alternativ kann eine Mutter vorgesehen sein, die in das Befestigungselement 716 eingreift. Eine oder beide der Öffnungen 740, 768 können versenkt sein. An der oberen Fläche jedes Zahns 712 können verschleißmindernde Elemente oder „Knöpfe“ 770 vorgesehen sein. Die Knöpfe 770 können aus einem härteren und/oder verschleißfesteren Material bestehen als der Körper des Schneidzahns 712, und in einigen Fällen können die Knöpfe 770 aus Hartmetall sein. Die Knöpfe 770 haben ein abgerundetes Profil. Die Knöpfe 770 können die Standzeit der Zähne 712 verlängern. Die Zähne 712', die der Vorwärtsrichtung F zugewandt sind, können die gleichen Merkmale wie die Zähne 712 aufweisen.
Der achte Bohrlochräumer 800 ist in den 20A bis 20J dargestellt. Ein Schneidzahn 812 des Bohrlochräumers 800 ist in den 21A bis 21G dargestellt. Auch hier werden, wo zutreffend, die Bezugsziffern in Übereinstimmung mit denen in der Beschreibung des ersten Bohrlochräumers 100 beibehalten und auf 800 erhöht, und Merkmale, die nicht wiederholt werden, sind so zu verstehen, dass diese der obigen Beschreibung entsprechen. Die Schnittstelle, die zwischen den Schneidzähnen 812 und der Bohrlochräumerbasis definiert ist, ähnelt derjenigen des siebten Bohrlochräumers 700. Tatsächlich können die Schneidzähne 812 den Schneidzähnen 712 ähnlich sein, mit der Ausnahme, dass die Schneidzähne 812 der 21A bis 21G verlängert sind, um drei Schneidelemente 818 anstelle der zwei Schneidelemente 718 der Zähne 712 aufzunehmen. Außerdem sind die Schneidzähne 812 ohne die verschleißmindernden Knöpfe 770 dargestellt, obwohl ähnliche Knöpfe vorgesehen sein können. Der Bohrlochräumer 800 ist auch ein Beispiel dafür, dass der gesamte Bohrlochräumer mit einem und nur einem Typ von Schneidzähnen 812 zusammengebaut ist. Somit ist bei dem gesamten Bohrlochräumer 800 genau ein Typ von Schneidzähnen vorgesehen, was die Lagerhaltung weiter vereinfacht und die Effizienz der Konstruktion maximiert.
Der neunte Bohrlochräumer 900 ist in den 22A bis 22J dargestellt. Auch hier werden, wo zutreffend, die Bezugsziffern in Übereinstimmung mit denen beibehalten, die in der Beschreibung des ersten Bohrlochräumers 100 festgelegt wurden und auf 900 erhöht, und Merkmale, die nicht wiederholt werden, sind so zu verstehen, dass diese der obigen Beschreibung entsprechen. Anstatt monolithisch mit dem Schaftabschnitt 904 oder anderweitig integral oder permanent zu sein, sind die Schaufeln 908 bei dem Bohrlochräumer 900 trennbar (z.B. anschraubbare Elemente) vom Schaftabschnitt 904. Ein radial innerer Abschnitt jeder anschraubbaren Schaufel 908 ist zwischen zwei Befestigungsflansche 978 aufgenommen. Die Befestigungsflansche 978 sind in sich radial erstreckenden Paaren vorgesehen, um dazwischen entsprechende Kanäle 980 zur Aufnahme der Schaufeln zu definieren. Sobald die Schaufel 908 im Kanal 980 zwischen den Befestigungsflanschen 978 positioniert ist, wird diese durch eine Vielzahl Befestigungselemente 982 (z.B. Schrauben- und Mutterpaare) an der Bohrlochräumerbasis befestigt. Jede Schaufel 908 kann außerdem mit einem hakenförmigen Ende 984 versehen sein, das in eine entsprechende Kante der Bohrlochräumerbasis auf oder neben dem Schaftabschnitt 904 eingreift. In der dargestellten Konstruktion sind die Schaufeln 908 an deren radial äußeren Enden wie die Schaufeln 608 des Bohrlochräumers 600 strukturiert (z.B. mit einem Schlitz oder einer Nut 964 und tangentialen Öffnungen 968, die sich durch diese hindurch erstrecken). Die Schaufeln 908 können eingerichtet sein, die gleichen Schneidzähne 612 wie der Bohrlochräumer 600 aufzunehmen. Das Konzept der entfernbaren Schaufeln unter Verwendung der Befestigungsflansche 978 oder einer ähnlichen Struktur kann jedoch auch auf andere Schaufelkonstruktionen angewandt werden und kann unter anderem bei jedem der hierin offenbarten Schneidzähne verwendet werden. Die anschraubbaren Schaufeln 908 können den Austausch von Schaufeln unterschiedlicher Höhe an der Bohrlochräumerbasis ermöglichen, um den maximalen Schneiddurchmesser zu ändern, mit oder ohne Änderung des Typs der Schneidzähne. Die Beschädigung einer bestimmten Schaufel 908 erfordert auch nicht die Verschrottung oder Reparatur der gesamten Bohrlochräumerbasis.
23 zeigt zum Vergleich nebeneinander liegende Endansichten aller neun Bohrlochräumer 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 der dargestellten Ausführungsformen.
Die 24A bis 29B zeigen eine Reihe von zusätzlichen HDD Bohrlochräumern, die entfernbare Schneidzähne verwenden, und viele der Aspekte dieser Bohrlochräumer, der Schneidzähne und der Befestigungsschnittstellen dazwischen sind ähnlich oder gleich wie die, die bereits in Bezug auf die ersten neun Ausführungsformen beschrieben wurden. Daher werden bestimmte Details im Folgenden weggelassen, mit dem Verständnis, dass diese Aspekte mit der vorangegangenen Beschreibung übereinstimmen können. Obwohl die ersten neun Ausführungsformen der Bohrlochräumer ein breites Spektrum an Konfigurationen und Größen abdecken, weisen die Bohrlochräumerkörper viele Ähnlichkeiten auf, und der Schwerpunkt der zusätzlichen sechs Ausführungsformen der 24A bis 29B liegt auf der Veranschaulichung einer beispielhaften Gruppe von Bohrlochräumern mit weiter abweichenden Bohrlochräumergrundkonstruktionen, von denen einige ganz ohne Schaufeln auskommen können. Trotz des drastisch unterschiedlichen Bohrlochräumergrundkörpers nutzen diese zusätzlichen Bohrlochräumer 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500 jeweils den Vorteil von einzeln befestigten, entfernbaren und austauschbaren Schneidzähnen, wobei jeder Schneidzahn einen Schneideinsatz (z.B. polykristalline Diamantschneideinsätze) aufweist, der getrennt zu einem Schneidzahnkörperabschnitt hergestellt und mit diesem verbunden ist, z.B. durch Kleben und/oder Pressen.
Bei der Konstruktion der 24A bis 24D hat der Bohrlochräumer 1000 eine Bohrlochräumerbasis, die eine konische Außenfläche aufweist, an der eine Vielzahl schraubenförmige Schnittstellen für eine Reihe von Schneidzähnen 1012 vorgesehen sind. Diese Art von Bohrlochräumer ist in der Branche als ein „gerilltes“ Schneidwerkzeug bekannt, zumindest in Bezug auf Produkte, die von Vermeer Manufacturing Co. angeboten werden. Der Bohrlochräumer 1000 weist z.B. drei Rillen auf, kann aber in anderen Konstruktionen auch mehr oder weniger aufweisen. Die Schnittstellen der Schneidzähne können in der Bohrlochräumerbasis eingearbeitet sein. Die Schnittstellen ermöglichen es den Schneidzähnen 1012, entlang der einzelnen Rillen zu passen. Jeder Schneidzahn 1012 ist einzeln mit der Bohrlochräumerbasis verschraubt. Die gerillte Bohrlochräumerbasis ist in manchen Konstruktionen ein monolithisches Teil (z.B. ein einheitlicher Guss mit bearbeiteten Elementen). Die radial äußeren ersten Zahngrundflächen 1022 der Schnittstelle an der Bohrlochräumerbasis, welche die Zähne 1012 tragen (d.h. deren Bodenfläche 1036, 30), sind jeweils durch einen durchgehenden konischen Flächenabschnitt (der einer schraubenförmigen Bahn folgt) gebildet und nicht durch mehrere flache, gerade Flächen wie in den vorherigen Ausführungsformen der Offenbarung, die gerade, radial vorstehende Schaufeln aufweisen. Des Weiteren können die zweiten oder nach vorne weisenden Zahnbasisstützflächen 1028 an der Bohrlochräumerbasis, welche die Zahnrückflächen 1032 (30) stützen (die ebenfalls dem schraubenförmigen Pfad folgen), nur eine Komponente aufweisen, die in die tangentiale Schnittrichtung T weist, im Gegensatz dazu, dass diese so angeordnet sind, dass diese direkt in die tangentiale Schnittrichtung T weisen. Da diese Schneidzahnstützflächen 1022, 1028 ihre Ausrichtung (sowohl radial als auch in Umfangsrichtung von Zahn zu Zahn entlang der Reihe) entlang der spiralförmigen Helixkurve, welche die Rille definiert, ändern, ist die tangentiale Schnittrichtung T für jeden Schneidzahn 1012 nicht in einer geraden Reihe angeordnet, sondern radial und in Umfangsrichtung versetzt. Die Schneidzähne 1012 sind in den 30A bis 30G detaillierter dargestellt.
Die Schneidzähne 1012 weisen Schneidabschnitte 1018 auf, die als separate Einsätze an einem Schneidzahnkörper 1013 ausgebildet sind. Die Schneidabschnitte 1018 können aus einem härteren Material als ein Material des Schneidzahnkörpers 1013 hergestellt sein. Die Einsätze, welche die Schneidabschnitte 1018 bilden, können spitze Hartmetalleinsätze (z.B. Hartmetall-„Picks“) sein, obwohl die gerillte Bohrlochräumerbasis abwechselnd eine oder mehrere andere Arten von Schneidzähnen tragen kann. An dem Zahnkörper 1013 definiert jedes Schneidelement 1018 einen Normalflächenvektor N an der Spitze, so dass der Vektor N effektiv die Mittelachse des konisch geformten Schneidabschnitts ist. Der Normalflächenvektor N ist mit einem seitlichen Spanwinkel θ (30A) und einem hinteren Spanwinkel ϕ (30C) angeordnet. Ohne ins Detail zu gehen und Abschnitte der vorhergehenden Offenbarung zu wiederholen, sind die Spanwinkel ähnlich definiert wie in 4. Es ist jedoch zu beachten, dass die Schneideinsätze 1018 mit einem seitlichen Spanwinkel von Null dargestellt sind. Die Seitenansicht der 30D ist eine echte Seitenansicht sowohl des Körpers 1013 als auch des Schneideinsatzes, so dass der Normalflächenvektor N und die Bezugsebene genau dargestellt sind.
Wie aus den 24A bis 24D ersichtlich ist, sind die Schneidzähne 1012 entlang der Rillen der Bohrlochräumerbasis so angebracht, dass einige oder alle einen spezifischen effektiven seitlichen Spanwinkel aufweisen, obwohl die Schneidzähne 1012 selbst eine identische Konstruktion aufweisen. Aufgrund der sich ständig ändernden Kurve der Rille in axialer Richtung hat jeder Schneidzahn 1012 entlang einer bestimmten Rille einen anderen Spanwinkel als der oder die benachbarten Schneidzähne 1012. Wie in 24D am besten erkennbar ist, resultieren daraus Spanwinkel, die sowohl positiv als auch negativ sind oder sowohl vorwärts als auch rückwärts in Bezug auf die tangentiale Schnittrichtung T, die an jeder beliebigen Position entlang der Rille senkrecht zur zentralen Drehachse A ist. Je nach Beschaffenheit der Fläche 1028 können die effektiven hinteren Spanwinkel auch unter den Schneidzähnen 1012 in einer gemeinsamen Rille variieren.
Bei der Konstruktion der 25A bis 25D weist der Bohrlochräumer 1100 stirnseitig montierte Schneidzähne 1012 anstelle von tangential oder am Umfang montierte Schneidzähne auf. Diese Art von Bohrlochräumer ist in der Branche als ein „fliegendes“ Schneidwerkzeug bekannt, zumindest in Bezug auf die Produkte, die von Vermeer Manufacturing Co. angeboten werden. Der Bohrlochräumer 1100 stellt ein weiteres Beispiel für ein austauschbares Schneidsystem, bei dem die Schneidzähne 1012 am Bohrlochräumerkörper befestigt sind, bereit. Die Halterungen 1160 können an den Körper des Bohrlochräumers 1100 angeschweißt sein. Die Gegenschnittstelle für den Schneidzahn 1012 ist in die Halterung 1160 eingearbeitet. Jeder Schneidzahn 1012 ist unabhängig mit einer Bohrlochräumerkörperhalterung 1160 verschraubt. Das fliegende Schneidwerkzeug hat im Allgemeinen einen zylindrischen Außenabschnitt 1103, der über mehrere Platten 1105 an einem zentralen Schaft 1104 befestigt ist (z.B. sind alle diese Teile miteinander verschweißt). Die Halterungen 1160 können an einem oder beiden der zylindrischen Außenabschnitte 1103 und den Platten 1105 (deren in Rückziehrichtung P vorderen Flächen) vorgesehen sein. Wie dargestellt, ist die radiale Außenfläche des zylindrischen Außenabschnitts 1103 glatt und frei von Schneidzähnen. Wie in 25C am besten dargestellt, kann der zylindrische Außenabschnitt 1103 aus zwei oder mehr halbzylindrischen Abschnitten hergestellt sein. Wie in 25C gezeigt, können die Schneidzähne 1012 in einer Vielzahl Ausrichtungen und über verschiedene radiale Positionen verteilt befestigt sein. Die Schneidzähne 1012 können in jeder gewünschten Ausrichtung befestigt sein, einschließlich einiger, bei denen die Schneidabschnitte 1018 tangential (mit oder ohne Rückwärtsneigung) ausgerichtet sind, und anderer mit einem positiven oder negativen seitlichen Spanwinkel zur tangentialen Schneidrichtung T. Einige oder alle Schneidzähne 1012 können auch mit einem seitlichen Rollwinkel um die tangentiale Schneidrichtung T befestigt sein (siehe z.B. jeden dritten Schneidzahn 1012, der entlang des äußeren Abschnitts 1103 befestigt ist). Der Schneidzahn 1012 kann derselbe sein, wie der oben in Bezug auf die 24 und 30 beschriebene.
Bei der Konstruktion der 26A bis 26D ist der Bohrlochräumer 1200 ein weiteres Beispiel für ein austauschbares Schneidwerkzeug, das an einem Bohrlochräumerkörper befestigt ist. Diese Art von Bohrlochräumer ist in der Branche als ein „schraubenförmiges“ Schneidwerkzeug bekannt, zumindest in Bezug auf Produkte, die von Vermeer Manufacturing Co. angeboten werden. Der Bohrlochräumer 1200 kann eine Schneidzahnanordnung ähnlich des gerillten Bohrlochräumers in 24 aufweisen, kann aber Halterungen 1260 aufwiesen, die im Allgemeinen den Halterungen 1160 des fliegenden Schneidwerkzeugs 1100 in 25 ähneln. Der Bohrlochräumerkörper des schraubenförmigen Schneidwerkzeugs 1200 unterscheidet sich von den beiden Bohrlochräumern 1000, 1100. Die Halterungen 1260 können an den Körper des Bohrlochräumers 1200 angeschweißt sein. Die Gegenschnittstelle für den Schneidzahn 1012 ist in die Halterung 1260 eingearbeitet, und der Schneidzahn 1012 ist mit der Halterung 1260 verschraubt. Der schraubenförmige Bohrlochräumerkörper besteht im Allgemeinen aus Stäben 1208, die zumindest teilweise schraubenförmig (z.B. spiralförmig oder schraubenförmig konisch) geformt und mit einem zentralen Schaft 1204 verschweißt sind, wobei die Schneidzähne 1012 über die Halterungen 1260 an den Stäben 1208 befestigt sind. Der Schneidzahn 1012 kann derselbe sein, der zuvor in Bezug auf die 24 und 30 beschrieben wurde.
Bei der Konstruktion der 27A bis 27D ist der Bohrlochräumer 1300 ein weiteres Beispiel für ein austauschbares Schneidwerkzeug, das an einem Bohrlochräumerkörper befestigt ist. Diese Art von Bohrlochräumer ist in der Branche als ein „Mix Master“ Schneidwerkzeug bekannt, zumindest in Bezug auf Produkte, die von Vermeer Manufacturing Co. angeboten werden. Die Schneidzähne 1012 sind an Halterungen 1360 befestigt, die im Allgemeinen den Halterungen 1160 des fliegenden Schneidwerkzeugs 1100 in 25 ähneln, obwohl sich der Bohrlochräumerkörper und die Anordnung oder das Layout der Schneidzähne 1012 deutlich unterscheiden. Die Halterung 1360 kann an den Körper des Bohrlochräumers 1300 geschweißt sein. Die Gegenschnittstelle für den Schneidzahn 1012 ist in die Aufnahme 1360 eingearbeitet, und der Schneidzahn 1012 ist mit der Aufnahme 1360 verschraubt. Der Bohrlochräumerkörper besteht im Allgemeinen aus einer Reihe von Platten 1308, die schraubenförmig angeordnet sind (z.B. eine spiralförmige Helix) und mit einem zentralen Schaftabschnitt 1304 verschweißt sind. Die Schneidzähne 1012 sind am äußeren Abschnitt (z.B. am Umfangsrand) jeder der Platten 1308 angebracht. Die Platten 1308 sind entlang der axialen Richtung so verteilt, dass diese progressiv wirken, indem diese eine vergrößerte radiale Abmessung aufweisen (von rechts nach links in 27D), um die Vorbohrung während des Rückziehens zu öffnen. An jeder axialen Position können mehr als eine Platte 1308 vorhanden sein (z.B. ein Paar entgegengesetzt abgewinkelte, sich kreuzenden Platten). Der Schneidzahn 1012 kann derselbe sein, der zuvor in Bezug auf die 24 und 30 beschrieben wurde.
Bei der Konstruktion der 28A bis 28C ist der Bohrlochräumer 1400 ein weiteres Beispiel für ein austauschbares Schneidwerkzeug, das an einem Bohrlochräumerkörper befestigt ist. Diese Art von Bohrlochräumer ist in der Industrie als „T-Rex“ Schneidwerkzeug bekannt, zumindest in Bezug auf Produkte, die von Vermeer Manufacturing Co. angeboten werden. Die Anordnung der Schneidzähne ähnelt in einigen Aspekten denen der vorangegangenen Ausführungsformen, indem diese eine Reihe (z.B. drei) schraubenförmig angeordneter Schneidzähne 1012 definiert. Der Bohrlochräumerkörper besteht aus einer Reihe von axial gestapelten Platten 1408, die mit einem Mittelschaft 1404 verschweißt sind. Die Platten 1408 können miteinander verschweißt sein. Jede Platte 1408 hat einen oder mehrere erhabene Kronenabschnitte 1409 an einer oder mehreren vorbestimmten Umfangsstelle(n), wobei jeder erhabene Kronenabschnitt 1409 eine Schneidzahnhalterung 1460 umfasst, die den Halterungen 1160 des fliegenden Schneidwerkzeugs 1100 in 25 ähnlich ist. Obwohl die Platten 1408 eine gleichmäßige axiale Dicke ohne Schräglage oder Seitenneigung aufweisen, kann eine Seitenneigung durch die Ausrichtung der Halterung 1460 an einigen oder allen Platten 1408 eingeleitet werden. Der Schneidzahn 1012 kann derselbe sein, der zuvor in Bezug auf die 24 und 30 beschrieben wurde.
Bei der Konstruktion der 29A und 29B ist der Bohrlochräumer 1500 ein weiteres Beispiel für ein austauschbares Schneidwerkzeug, das an einem Bohrlochräumerkörper befestigt ist. Bei dem Bohrlochräumer 1500 sind gerade axiale Schaufeln 1508 vorgesehen (z.B. fünf), die in Umfangsrichtung um den Schaftabschnitt 1504 verteilt sind. Jede Schaufel 1508 steht radial vor, und die radiale Außenabmessung variiert entlang der axialen Richtung. So ist, ähnlich wie bei mehreren der vorhergehenden Ausführungsformen, die erste Zahngrundfläche 1522 entlang des radial äußeren Abschnitts jeder Schaufel 1508 in Abschnitte unterteilt, die vordere und hintere abgewinkelte Flächen und einen mittleren Abschnitt dazwischen (d.h. zwischen den vertikalen gestrichelten Referenzlinien in 29B) umfassen, der weniger abgewinkelt oder parallel zur Achse A ist. Wie am besten in 29B gezeigt, umfasst die Fläche 1522 auch Übergangsabschnitte an jedem axialen Ende des mittleren Abschnitts, der in Bezug auf die beiden axial benachbarten Flächen abgewinkelt ist. Diese Übergangsabschnitte können auch wenigstens einen Schneidzahn 1512, 1512' tragen. Entlang wenigstens eines axialen Abschnitts der ersten Zahngrundfläche 1522 (z.B. des äußersten Mittelteils) kann die Lageanordnung der Schneidzähne 1512 zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Schaufeln 1508 variieren, so dass, ohne auf zahlreiche Variationen von Schneidzähnen zurückgreifen zu müssen, die von einem Schneideinsatz 1518 überstrichene Bahn nicht exakt von einer anderen auf der in Drehrichtung folgenden Schaufel 1508 verfolgt wird. Als ein besonderes Beispiel, betrachtet man die drei sichtbaren Schaufeln 1508 in 29B, so ist die unterste Schaufel die führende Schaufel und hat nur einen Schneidzahn 1512 (mittig angeordnet) zwischen den beiden gestrichelten Referenzlinien. Die nächste Schaufel 1508 ist die mittlere Schaufel vertikal in der Ansicht und hat zwei der Schneidzähne 1512 zwischen den beiden gestrichelten Referenzlinien, wobei die beiden Schneidzähne 1512 axial durch eine Lücke voneinander getrennt sind. Schließlich umfasst die dritte Schaufel 1508 oben in 29B zwei der Schneidzähne 1512 zwischen den beiden gestrichelten Referenzlinien, wobei die Lücke im Vergleich zur vorhergehenden Schaufel 1508 verringert oder beseitigt ist.
Gemäß der vorhergehenden Offenbarung (z.B. Bohrlochräumer 100 der 3F bis 3H) ist eine vordere, radial äußere Kante jeder Schaufel 1508 mit einer sich axial erstreckenden Nut oder Ausnehmung versehen, die eine zusätzliche Schneidzahnstützfläche 1528 bereitstellt, die der tangentialen Richtung T zugewandt ist und die Rückflächen 1032, 1532 der Schneidzähne 1012, 1512, 1512' stützt. Entsprechend der Konfiguration der Befestigungsflächen der Schneidzähne kann die Stützfläche 1528 senkrecht zur radial äußeren Zahngrundfläche 1522 sein, obwohl auch schwalbenschwanzförmige Varianten in Betracht gezogen werden. An einem oder beiden axialen Enden der Schaufeln 1508 kann der Bohrlochräumer 1500 einen zusätzlichen Kragen 1533 umfassen, der eine Vielzahl zusätzliche Schneidelemente 1518 (z.B. Hartmetall, PKD oder eine Kombination) zum Schneiden und mit einem verbesserten Verschleiß/einer längeren Lebensdauer trägt. Die Kragen 1533 sind mit dem Schaftabschnitt 1504 und den Schaufeln 1508 verschweißt oder monolithisch geformt. Die Schaufeln 1508 selbst können an den Schaftabschnitt 1504 angeschweißt oder monolithisch mit diesem geformt sein. Obwohl nicht in allen Ausführungsformen erforderlich, trägt der Bohrlochräumer 1500 (z.B. jede Schaufel 1508 davon) wenigstens zwei verschiedene Arten von Schneidzähnen 1012, 1512, 1512'. Diese können sowohl Hartmetallmeißel 1012 wie in den vorangegangenen Ausführungsformen als auch wenigstens eine Art von PKD Schneidzähnen umfassen (z.B. zwei verschiedene Arten von PKD Schneidwerkzeugen 1512, 1512' in der dargestellten Konstruktion). Der erste Typ des PKD Schneidwerkzeugs 1512 wird entlang des stromabwärtigen Abschnitts jeder Schaufel 1508 in der Rückziehrichtung P verwendet. Der zweite Typ des PKD Schneidwerkzeugs 1512' wird zwischen dem ersten Typ 1512 und den Hartmetallmeißeln 1012 verwendet. Die verschiedenen PKD Schneidzähne 1512, 1512' können mit Ausnahme des Spanwinkels (z.B. entgegengesetzte seitliche Spanwinkel) einander ähnlich sein.
Wie in den 31A bis 31F gezeigt, hat der PKD Schneidzahn 1512 einen Körper 1513, der dem Körper 1013 des Schneidzahns 1012 in 30 sehr ähnlich ist, da dieser sich vom vorderen Ende im Wesentlichen gerade nach hinten erstreckt und nicht seitlich gebogen ist. Die Rückfläche 1532 und die Seitenfläche 1536 stehen senkrecht zueinander, können aber bei Bedarf anders ausgerichtet sein, um mit den Flächen 1522, 1528 übereinzustimmen. Der Normalflächenvektor N ist durch die flachen vorderen Flächen der PKD Schneideinsätze 1518 definiert. Wie bei den vorherigen PKD Ausführungsformen werden diese aufgrund des sehr hohen Materialaufwands separat zum Körper 1513 hergestellt und mit diesem verbunden. In einigen Ausführungsformen kann der Körper 1513 ein gemeinsames Gussteil sein, das als Universalkörper für die Konstruktion verschiedener PKD Schneidzähne 1512, 1512' mit unterschiedlicher Orientierung des Normalflächenvektors dient (z.B. die beiden dargestellten Varianten mit gegenläufigem seitlichen Spanwinkel).
Die Bohrlochräumer der vorliegenden Offenbarung haben mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen Bohrlochräumern. Zum Beispiel ist jeder Bohrlochräumer wiederaufbaubar, und der Austausch der Schneidwerkzeuge ist kostengünstiger als der Austausch des gesamten Bohrlochräumers. Der Bohrlochräumer ist auch reparabel - falls ein einzelnes Schneidwerkzeug beschädigt ist, kann dieses ausgetauscht werden. Die austauschbaren Komponenten der Bohrlochräumer sind kleiner als beim Stand der Technik, was die Kosten pro Reparaturkomponente reduziert. Die Schneidwerkzeuge können auch gemischt/miteinander vertauscht werden - verschiedene Schneidmuster können mit verschiedenen Arten (Schneidkanten/Flächen/Einsätzen) von Schneidwerkzeugen zusammengesetzt werden. Dies kann bei bestimmten Bodenverhältnissen von Vorteil sein. In ähnlicher Weise können auch die Schaufeln gewechselt werden. Der Bohrlochräumer ist modular aufgebaut (Schaufeln und Schneidwerkzeuge können gewechselt werden). Der Durchmesser des Bohrlochräumers kann durch Wechseln der Schneidwerkzeuge verändert werden - die Schneidwerkzeuge können unterschiedlich hoch sein, um mehrere Lochdurchmesser bei einer Bohrlochräumerbasis zu ermöglichen. In ähnlicher Weise können bei entfernbaren Schaufeln, Schaufeln unterschiedlicher Höhe ausgetauscht werden, um verschiedene Durchmesser zu erreichen. Unterschiedliche Schneidwerkzeuge können auch für unterschiedliche Situationen/Bedingungen verwendet werden. Zum Beispiel können die Spanwinkel unterschiedlich sein, der Schneideinsatz kann unterschiedlich sein (PKD Einsatz, Hartmetalleinsatz, Messer oder ein Zahn). Die Offenbarung kann auch ein System von Bohrlochräumern mit Gemeinsamkeiten der Schneidwerkzeuge bereitstellen - es könnte eine Reihe von Basen (für verschiedene Anwendungen und Lochdurchmesser) geben, welche die gleichen Schneidwerkzeuge verwenden. Dies kann aus der Perspektive eines Reparaturteils für den Kunden, den Händler und den Hersteller von Vorteil sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/790530 [0020]
US 2019/017029 [0020]

Claims

Bohrlochräumer zum Räumen eines unterirdischen Durchgangs während eines Bohrstrangrückziehvorgangs eines Horizontalrichtbohrers, wobei der Bohrlochräumer aufweist: einen Schaftabschnitt, der eine Mittelachse definiert und ein erstes Ende aufweist, das zum Befestigen an einem Bohrstrang des Horizontalrichtbohrers eingerichtet ist; eine Vielzahl Schaufeln, die sich radial von einem Außenumfang des Schaftabschnitts erstrecken, wobei jede der Vielzahl Schaufeln eine äußere Umfangszahngrundfläche definiert; und auf jeder der Vielzahl Schaufeln eine Vielzahl Schneidzähne, die einzeln und entfernbar entlang der äußeren Umfangszahngrundfläche von diesen befestigt sind, wobei jeder der Vielzahl Schneidzähne einen Körper und einen Einsatz aus polykristallinem Diamant (PKD) umfasst, der getrennt zum Körper hergestellt und mit diesem verbunden ist; wobei jeder Schneidzahn der Vielzahl Schneidzähne mit der jeweiligen einen der Vielzahl Schaufeln durch ein entfernbares Befestigungselement gekoppelt ist, das sich zumindest teilweise durch den Schneidzahn und zumindest teilweise durch die eine der Vielzahl Schaufeln erstreckt.
Bohrlochräumer nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl Schaufeln monolithische Erweiterungen des Schaftabschnitts sind.
Bohrlochräumer nach Anspruch 1, wobei jede der Vielzahl Schaufeln durch eine Vielzahl Befestigungselemente einzeln vom Schaftabschnitt entfernbar ist.
Bohrlochräumer nach Anspruch 1, wobei jeder der Vielzahl Schneidzähne eine Vielzahl separater PKD Einsätze umfasst.
Bohrlochräumer nach Anspruch 1, wobei jeder der Vielzahl Schneidzähne eine erste Befestigungsfläche umfasst, die eingerichtet ist, an der äußeren Umfangszahngrundfläche anzugreifen, und eine zweite Befestigungsfläche, die eingerichtet ist, an einer zusätzlichen Zahnstützfläche an einer der Vielzahl Schaufeln anzugreifen.
Bohrlochräumer nach Anspruch 5, wobei jeder Schneidzahn der Vielzahl Schneidzähne einen Fuß aufweist, der sich radial nach innen in Richtung der Mittelachse erstreckt, wenn dieser an der jeweiligen Schaufel der Vielzahl Schaufeln befestigt ist, wobei der Fuß die zweite Befestigungsfläche bereitstellt, die sich von der ersten Befestigungsfläche in einem Winkel von 90 Grad oder weniger erstreckt.
Bohrlochräumer nach Anspruch 6, wobei der Schneidzahnfuß eingerichtet ist, an einer Nut in einer der Vielzahl Schaufeln befestigt zu werden, wobei die Nut an einer Vorderkante der Schaufel durch die zusätzliche Zahnstützfläche gebildet ist.
Bohrlochräumer nach Anspruch 6, wobei der Schneidzahnfuß eingerichtet ist, an einer Nut in einer der Vielzahl Schaufeln befestigt zu werden, wobei die Nut zwischen den jeweiligen Vorder- und Hinterkanten der Schaufel ausgebildet ist.
Bohrlochräumer nach Anspruch 6, wobei der Fuß jedes Schneidzahns der Vielzahl Schneidzähne eine Öffnung umfasst, die eingerichtet ist, das entsprechende Befestigungselement aufzunehmen, das sich tangential durch den Schneidzahn und die Schaufel erstreckt.
Bohrlochräumer nach Anspruch 1, wobei sich die Befestigungselemente radial durch entsprechende Öffnungen in der Vielzahl Schneidzähne erstrecken, um die erste Befestigungsfläche von diesen zu durchdringen.
Bohrlochräumer-Bausatz, aufweisend: den Bohrlochräumer nach Anspruch 1; und eine zweite Vielzahl Schneidzähne zum Ersetzen der Vielzahl Schneidzähne und zum Umrüsten des Bohrlochräumers auf einen anderen Schneiddurchmesser.
Bohrlochräumer-Bausatz, aufweisend: den Bohrlochräumer nach Anspruch 1; und eine zweite Vielzahl Schneidzähne zum Ersetzen der Vielzahl Schneidzähne und zum Umrüsten des Bohrlochräumers auf eine andere Schneidkonfiguration, wobei sich die andere Schneidkonfiguration unterscheidet in einen oder mehreren von: Spanwinkel(n), Schneidspitzenmaterial und Schneideinsatzanordnung.
Bohrlochräumer zum Räumen eines unterirdischen Durchgangs während eines Bohrstrangrückziehvorgangs eines Horizontalrichtbohrers, wobei der Bohrlochräumer aufweist: einen Schaftabschnitt, der eine Mittelachse definiert und ein erstes Ende aufweist, das zum Befestigen an einem Bohrstrang des Horizontalrichtbohrers eingerichtet ist; eine Vielzahl Schaufeln, die sich radial von einem Außenumfang des Schaftabschnitts nach außen erstrecken, wobei jede der Vielzahl Schaufeln eine äußere Umfangszahngrundfläche definiert; und an jeder der Vielzahl Schaufeln eine Vielzahl Schneidzähne, die einzeln und entfernbar entlang der äußeren Umfangszahngrundfläche von diesen befestigt sind, wobei jeder Schneidzahn der Vielzahl Schneidzähne eine erste Befestigungsfläche aufweist, die eingerichtet ist, an der äußeren Umfangszahngrundfläche anzugreifen, und eine zweite Befestigungsfläche aufweist, die eingerichtet ist, an einer zusätzlichen Zahnstützfläche anzugreifen, die an die äußere Umfangszahngrundfläche angrenzt; und wobei jeder Schneidzahn der Vielzahl Schneidzähne mit der jeweiligen der Vielzahl Schaufeln durch ein entfernbares Befestigungselement gekoppelt ist, das sich zumindest teilweise durch den Schneidzahn und zumindest teilweise durch die Schaufel erstreckt.
Bohrlochräumer nach Anspruch 13, wobei jede der Vielzahl Schaufeln eine abgewinkelte Vorderfläche in einer Rückziehrichtung aufweist, wobei zumindest einige der Vielzahl Schneidzähne an der abgewinkelten Vorderfläche angeordnet sind.
Bohrlochräumer nach Anspruch 13, wobei die erste und zweite Befestigungsfläche in einem 90-Grad-Winkel zueinander angeordnet sind, und wobei die äußere Umfangszahngrundfläche und die zusätzliche Zahnstützfläche in einem 90-Grad-Winkel zueinander angeordnet sind.
Bohrlochräumer nach Anspruch 13, wobei die erste und zweite Befestigungsfläche in einem Winkel von weniger als 90 Grad zueinander angeordnet sind, und wobei die äußere Umfangszahngrundfläche und die zusätzliche Zahnstützfläche in einem Winkel von weniger als 90 Grad zueinander angeordnet sind, so dass die Vielzahl Schneidzähne eine Halbschwalbenschwanzverbindung mit der Vielzahl Schaufeln bilden.
Bohrlochräumer nach Anspruch 13, wobei die Vielzahl Schneidzähne zumindest zwei verschiedene Arten von Schneidzähnen umfassen, die sich unterscheiden in einem oder beiden von: Richtungsanordnung und Material eines Schneideinsatzes darin.
Bohrlochräumer nach Anspruch 13, wobei jeder Schneidzahn der Vielzahl Schneidzähne zwei bis sechs Einsätze aus polykristallinem Diamant (PKD) Material umfasst.
Schneidwerkzeug für einen Richtungsbohrlochräumer, wobei das Schneidwerkzeug eine Befestigungsschnittstelle zum Anbringen an einer von einer Vielzahl Stützschaufeln des Bohrlochräumers definiert, wobei das Schneidwerkzeug aufweist: einen Körper, der aus einem ersten Material ausgebildet ist und vordere, hintere, obere, untere, linke und rechte Seiten aufweist; einen oder mehrere Schneideinsätze umfassend ein Schneidmaterial, das von dem ersten Material des Körpers verschieden ist, und die an der vorderen Seite des Körpers befestigt sind, wobei der eine oder die mehreren Schneideinsätze einen nach vorne weisenden Normalflächenvektor definieren; eine erste Befestigungsfläche, die sich entlang einer Unterseite des Körpers erstreckt und eingerichtet ist, mit einer im Allgemeinen umlaufenden Stützfläche an einer der Vielzahl Stützschaufeln zusammenzupassen; eine zweite Befestigungsfläche des Körpers, die an einem vorderen Ende der ersten Befestigungsfläche vorgesehen ist und sich von der ersten Befestigungsfläche in eine Richtung weg von der oberen Seite des Körpers senkrecht zur ersten Befestigungsfläche erstreckt; und eine Befestigungsöffnung, die sich durch eine der ersten und zweiten Befestigungsflächen erstreckt; und wobei der Normalflächenvektor des einen oder der mehreren Schneideinsätze zu einer Referenzlinie senkrecht zur zweiten Befestigungsfläche, von der Unterseite aus gesehen, versetzt ist, um einen seitlichen Spanwinkel ungleich Null zu definieren, und wobei der Normalflächenvektor des einen oder der mehreren Schneideinsätze zu der ersten Befestigungsfläche, von der Seite aus gesehen, versetzt ist, um einen hinteren Spanwinkel ungleich Null zu definieren.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 19, wobei die Anzahl der Schneideinsätze zumindest zwei und nicht mehr als sechs ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 20, wobei alle Schneideinsätze des Schneidwerkzeugs Normalflächenvektoren definieren, die parallel sind.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 19, wobei der Körper eine versenkte Öffnung umfasst, die sich von der oberen Seite durch die erste Befestigungsfläche an der unteren Seite erstreckt.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 19, wobei das verschleißfeste Schneidmaterial ein polykristallines Diamantschneidmaterial ist.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 19, wobei der seitliche Spanwinkel nicht mehr als 30 Grad beträgt.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 19, wobei der seitliche Spanwinkel 10 Grad bis 20 Grad beträgt.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 19, wobei der hintere Spanwinkel nicht mehr als 30 Grad beträgt.
Schneidwerkzeug nach Anspruch 19, wobei der hintere Spanwinkel 10 Grad bis 20 Grad beträgt.