旋轉切削鑽頭的製作方法

2023-09-11 05:43:45

專利名稱：旋轉切削鑽頭的製作方法
技術領域：
本申請是澳大利亞專利申請2004201284的分案申請，其全部公開 內容在此通過引用併入。
本發明涉及用於開採和鑽鑿目的的切削刀具。本發明主要開發用 於開採煤炭並且通常用於地下煤炭開釆。因此，很方便描述關於該用 途的本發明，但是容易理解，本發明可用於其功能所適合的任何開採 或鑽鑿操作。
背景技術：
在此對作為現有技術給出的專利文件或其它內容的參考不應被認 為承認在任何權利要求的優先權日，該文件或內容在澳大利亞是已知 的或者其包含的信息是公共常識的一部分。
各種不同形式的裝備和機械可用於開釆和鑽鑿操作，且通常正進 行的開採或鑽鑿類型以及正開採或鑽鑿的地表類型要求合適類型的裝 備和機器。本發明主要涉及地下煤炭開採，且該類型的開釆中的主要 安全困難之一涉及礦井內的火災或爆炸。這些可能由於在開採期間甲 垸氣體和煤塵(通常稱為礦塵)的產生而發生，其可被限制在礦井內
並且易於起火。不利地是，在煤炭開採中使用的裝備可產生引起著火 的火花，並且因此引起火災或爆炸。因而，重要的是，應採取所有適 當的步驟來最小化或消除火花的產生。用於在堅硬的地表中開採或鑽鑿的裝備可包括旋轉刀具，其中攜 帶多個伸出的切削鑽頭或截齒的旋轉滾筒與地表面接合。當截齒與滾 筒一起旋轉時，截齒咬入地表面，以衝擊地表面並從表面去除或者使 地表打碎。截齒和地表面之間的這種高度侵進接合可導致它們之間產 生火花。
用於上述目的的截齒通常具有一般通過焊接而固定到鋼杆的堅硬 的燒結碳化鎢尖端。這種類型的截齒被公開在各種現有技術中，例如
US 6,113,195、 EP0274645和DE 4226976。截齒的尖端可以是插入型或 帽型的。
插入型顯示在DE4226976中，其中尖端的軸向長度的較大部分被 錨固在杆的孔內，而不是延伸到孔外。帽型顯示在EP0274645中，其中 尖端比插入型的尖端具有更寬的基部，且基部定位在杆的前端的相對 淺的凹槽內並焊接在該凹槽內。本發明可適用於這些形式的截齒中的 任一種。
在上述類型的截齒中，可能會在碳化鎢尖端和地表面之間產生火 花，並且也可能在鋼杆和地表面之間產生火花，但是一般更可能在杆 和地表面之間產生火花。

發明內容
本發明的目的是提供在特定的地下煤礦開採的開採或鑽鑿操作過 程中減少火花產生的可能性的切削截齒。
根據本發明，提供了一種切削截齒，其包括 細長杆；
切削尖端，其固定到杆的一端以從該端伸出並且其材料比杆的材 料硬；且
該細長杆包括柱狀部分，柱狀部分的第一端鄰近切削尖端，而第二端軸向離開切削尖端地與之間隔開並在肩部終止；
環形套筒，其附接在杆的柱狀部分周圍，環形套筒在一個軸向端 被支撐在肩部上，而另一個軸向端朝柱狀部分的第一端延伸但在柱狀 部分的第一端之前終止，使得柱狀部分的一柱狀部保持暴露，套筒的 材料比杆的材料硬，且套筒的材料在切削操作過程中引起著火的火花 產生的傾向比杆的材料低。
本發明還提供一種使用上述切削截齒的方法，並且包括在包含氣 體和/或礦塵的環境中開採的步驟。
細長杆可由鋼形成，而切削尖端可固定到杆的柱狀端部分，以相 對於杆的縱向軸線從該端軸向伸出。
通過將套筒附接在杆周圍，杆的緊鄰切削尖端的部分(其通常最 可能接觸正被切削的地表面或者正從表面去除的地表碎塊並因此產生 引起著火的火花)由抗火花材料保護而不受該接觸的影響。火花產生 的傾向因此被減小。
在根據本發明的切削截齒中，細長杆可採取任何合適的形式，例 如已知的形式，以固定到旋轉切削滾筒。該杆通常可釋放地固定到滾 筒，使得可根據需要更換磨損的切削截齒，且在某些機器中，杆可旋 轉地安裝使得當切削截齒接合地表面時，切削截齒可圍繞其縱向軸線 自由旋轉。杆通常由鋼製成。
在根據本發明的切削截齒中，杆可構造成接納插入型切削尖端或 帽型切削尖端。
在根據本發明的切削截齒中，切削尖端可由比杆材料硬的任何合 適的材料製成，且優選的切削尖端材料為燒結碳化鎢。尖端還可為被 浸漬以增加硬度的金剛石，或者尖端可包括用於相同目的的立方氮化硼。該切削尖端可具有任何合適的形狀，這一般取決於尖端是插入型 還是帽型的。切削尖端通常被焊接到杆，但可使用用於固定尖端的其 它方法，例如通過化學粘合劑。
附接在杆周圍且鄰近切削尖端的套筒優選地由與切削尖端相同的 材料形成，並且優選地該材料為燒結碳化鎢。可選地，該材料可以是
包括SiC、 A1203、 TiN、 SiC-D (碳化矽金剛石複合材料)、立方氮化 硼、工具鋼、或其它類似材料。這些材料可與其它合適的材料一起形 成為複合材料，或者它們可設置為在合適基部上的外層或多個外層。
在切削截齒的一般尺寸中，套筒的軸向高度可在約10mm-15mm 範圍內，且套筒在內徑和外徑之間的徑向厚度約3 mm-5 mm。如果這 些尺寸的碳化鎢套筒的製造存在困難的話，那麼套筒可製造為具有減 小高度的、例如軸向高度約4 mm的以若干套筒部分或環為形式的複合 套筒。這些部分之後可附接到杆，以形成需要高度的複合套筒。儘管 可根據需要使用兩個套筒部分或四個或者更多個，但是可使用三個套 筒部分。每個套筒部分可具有相同的內徑和外徑，儘管內表面和外表 面可以平行，但是外表面可包括斜切邊緣以減小尖銳邊緣破壞的可能 性。
設想到的由單件形成的套筒的困難主要涉及當套筒附接到杆時套 筒和杆之間的膨脹係數的差異。如果杆材料為鋼而套筒為碳化鎢，那 麼當鋼被加熱時杆將膨脹，且此後當鋼以套筒的約兩倍快的速度冷卻 時，杆將收縮。收縮速率的差異可在套筒內引入應力，其通常將比杆 更易碎，且如果應力足夠大時，套筒可能開裂。如果使用了呈環形式 的多個杆部分，那麼杆和複合套筒之間的接觸面積可通過環之間的斷 裂而減小。這是因為用於將環固定到杆的介質在環和杆之間以及在環 自身之間延伸。將在後面描述的、優選為銅焊的介質可吸收某些引起 的應力並因此降低套筒失效的可能性。在根據本發明的切削截齒的優選形式中，杆限定出在大致錐形部分和上述柱狀部分之間的肩部。錐形部分朝柱狀部分會聚，而柱狀部分限定出用於接納切削尖端的基部部分的凹槽。該接納可構成插入型或帽型切削截齒。在此布置中，套筒圍繞柱狀部分附接到杆且被支撐在肩部上。有利地是，該布置提供套筒在杆上的準確定位並提供套筒在切削操作過程中可反作用於衝擊負荷的表面。
上述類型的杆可限定出第二肩部，第二肩部在離開切削尖端的方向上與第一肩部軸向間隔開，且在此布置中，第二套筒可連接在杆周圍以在第一肩部和第二肩部之間延伸。在此方式中，杆的又一部分可被保護以免與地表面接觸，並因此進一步減小引起著火的火花產生的風險。
其中設置有第二肩部的上述類型的布置可根據需要重複以產生第三肩部以及根據需要的進一步的肩部。因此，通過此布置，可保護杆的不斷增加的軸向長度。
在上述的布置中，當設置有多於一個肩部時，優選相應的肩部之間的杆部分為柱狀的，且每個部分的直徑在離開切削尖端的方向上增加。
為了降低環形套筒在切削操作過程中斷裂的可能性，套筒的鄰近切削尖端的基部的部分可定位成使得柱狀部分的一柱狀部保持暴露。
優選地，根據軸向測量，暴露的程度在lmm-5mm左右，最優選為約3 mm。因而，此暴露部分相對較小，並且優選地其直徑也不大於切削尖端在切削尖端基部區域的最外的直徑。因為只有柱狀部分的小部分被暴露，所以該柱狀部分在切削操作過程中接合切削表面的可能性非常小。最好是，暴露的部分可能在切削尖端的"磨損陰影(wear shadow)"
內，其為切削截齒的由於其非常靠近切削尖端而受到最小或可忽略的磨損的一部分。截齒的磨損更可能在更遠離切削尖端的位置發生。截齒的更可能磨損的部分為那些與切削表面大量接觸的部分，且其為當接觸發生時更可能產生火花的那些部分。
通過更遠離切削尖端定位環形套筒，套筒在切削操作過程中被定位在相對於可能引起套筒破壞的衝擊負荷而言破壞性較小的環境中。另一方面，通過將套筒定位成在切削操作過程中覆蓋截齒的大量切削表面接觸的區域，可降低火花產生的發生率，同時柱狀部分也可被保護以免磨損。
在優選的布置中，其中杆由鋼形成而套筒由碳化鎢形成，套筒到杆的附接的優選形式是通過焊接。焊接可在切削操作過程中提供一定程度的減震。
儘管碳化鉤為用於套筒的優選材料，但是其它材料，例如上述的那些可能是同樣合適的。同樣，該材料可包括提高抵抗引起著火的火花產生或者增加套筒抵抗磨損的能力的添加劑。在此抵抗磨損的方面，例如，可通過添加金剛石顆粒來增強套筒。上述類型的其它添加劑可能是同樣合適的。可選地，該材料可以是基部的複合材料，其具有施加於其的合適的外層或多個外層，並且對於此，氮化鈦是最優選的。
應理解，上述內容主要涉及在切削截齒與地表面接合的過程中減小或消除引起著火的火花的產生。儘管此結果是本發明的主要目的，但是本發明的次要方面是提供具有耐磨性的杆。由鋼形成的杆隨著時間的過去易於磨損，且通常情況是，鋼杆比更硬的切削尖端磨損更快，使得切削截齒必須比期望的更早地更換，即在切削截齒充分磨損之前更換。換句話說，杆的磨損可減小切削截齒的有效壽命。截齒的磨損常常主要發生在杆的緊鄰切削尖端的附近。因此，通過適當地選擇套筒材料，在其附近的鋼杆可被保護以免與將另外引起其磨損的地表面
或碎塊接合，並且因此可提高切削截齒的壽命。套筒材料的與切削尖端的材料相同或有效等同的選擇可提供用於此目的的有用的耐磨性。


為了更好地理解本發明以及為了顯示本發明可如何實現，現將僅通過非限制性實施例、參考附圖描述本發明的優選實施方式。圖l是旋轉切削截齒的杆的側視圖。
圖2是用於連接到圖1的杆的碳化鎢尖端的側視圖。圖3是切削截齒的又一側視圖。
具體實施例方式
圖1和圖2分別示出了切削截齒的杆10以及成形為連接到杆10的碳化鎢尖端ll。杆10包括主體部分12,該主體部分12包括在一端的凸緣13和遠離凸緣13的凹槽14，並且其中凸緣13和凹槽14與旋轉切削滾筒一起相配合以用於將切削截齒固定到該滾筒。杆io固定到滾筒的方式對本領域技術人員來說是已知的，因此在此不再進一步描述或展示。
杆10進一步限定有大致錐形部分15、柱狀部分16和肩部17。應理解，肩部17通過錐形部分15的緊靠柱狀部分16的直徑的減小而限定出。
柱狀部分16包括用於接納例如圖2所示類型的切削尖端的基部部分的凹槽18。參考該圖2，應理解，切削尖端ll沒有按比例顯示成連接到杆IO，而是代替地顯示的更大以清楚顯示相關細節。切削尖端ll包括延伸到最大直徑環20的基部部分19，並且基部部分19接納在杆10的凹槽18內。當切削尖端11固定到柱狀部分16時，環20擱靠在柱狀部分16的上邊緣21上。通常通過將切削尖端11焊接到凹槽18內來實現該固定。圖1以虛線輪廓顯示了固定到柱狀部分16的切削尖端11。
從圖1應理解，當切削尖端11固定到杆10時，外柱狀表面22、肩部17和錐形部分15的外表面中的每一個保持暴露。因此，這些表面可變得與正被切削的地表面接觸，或者與已經從地表面去除的碎塊接觸。該接觸可導致產生引起著火的火花，且明顯可能引起災難性結果。產生火花的可能性在杆10的鄰近切削尖端11的部分最大，而該可能性朝杆10的相對端減小。
圖3顯示了減小火花產生的可能性的切削截齒。圖3的切削截齒30利用了圖1和圖2的杆10和切削尖端11，並且因此用在這些圖中的相同附圖標記也在圖3中使用。
在圖3中，由三個相等的套筒部分或環32形成的複合套筒31圍繞柱狀部分16的外柱狀表面22 (圖1)設置。儘管套筒31示出為複合套筒，但是本發明涉及單個套筒的使用。因此，儘管圖3的論述涉及三個套筒部分32，但是應理解，本發明涉及具有與複合套筒31大致相同尺寸但由整體套筒而不是由所展示的三個分離的套筒部分形成的單個套筒。
每一個環32彼此分離地形成，且以滑動配合或輕微摩擦配合方式裝配在柱狀部分16周圍，並且被焊接到外表面22，且離切削尖端11最遠的環32也被焊接到肩部17。如所示，環32為柱狀部分16的外表面22提供基本上完全的保護，其中僅柱狀部分16的在最緊鄰切削尖端11的環32以上的一個稍微柱狀部軸向可見。該柱狀部通過附圖標記33表示且為切削尖端11的凸緣20所固定到的柱狀部分16的部分。柱狀部33為環32尤其是最上面的環32提供某些保護，以抵抗在切削操作的過程中所去除的地表碎塊的衝擊，使得環32尤其是最上面的環斷裂的可能性明顯減小。暴露的柱狀部的軸向高度可以在lmm至5mm左右，而最優選地，其為約3mm。
套筒31可以按分離的環的形式製成，或者是製成為如上面討論的單個整體套筒。儘管圖3所示尺寸的環32預期比軸向尺寸等於三個軸向相鄰的環的單個整體套筒更容易由碳化鎢製成，然而整體套筒的製造是可能的。從圖3可見，每個環32具有在切削尖端11的方向上應用到其軸向前緣的斜切面。
應進一步理解，套筒31的軸向長度在朝凸緣13的方向上延伸，並且對於此，杆10的錐形部分15可成梯狀以提供又一系列肩部，或者又一套筒可簡單地附接到錐形部分15的外表面。朝凸緣13連續保護套筒的必要性取決於在肩部17後面進一步引起著火的火花產生的可能性。本發明觀點表明引起著火的火花產生的可能性的顯著減小通過相對於切削截齒30的其餘部件使套筒31具有圖3顯示的合適尺寸來實現。
應理解，通過適當選擇套筒31的材料，套筒31還為杆10的柱狀部分16提供耐磨保護。儘管磨損保護不是其主要作用，但是有利地是，該次要作用可顯著提高切削截齒的壽命。此外，本發明減小火花產生的可能性的效果可僅在套筒保持完好無損時出現。即，如果套筒磨損，本發明將失去益處。因此，優選地，套筒能抵抗用於切削截齒的預期壽命的磨損。
此處描述的本發明易於進行除了具體描述的那些以外的變化、修改和/或添加，並且應理解，本發明包括落入以下權利要求範圍內的所有這些變化、修改和/或添加。
在本說明書的整個描述中，詞彙"包括(comprise)"以及該詞彙的變化形式，例如"包括(comprises)"和"包括(comprising)"並
不是要排除其它添加或部件或東西。
權利要求
1.一種切削截齒，包括細長杆；切削尖端，所述切削尖端固定到所述杆的一端以從該端伸出，並且所述切削尖端的材料比所述杆的材料硬；且所述細長杆包括柱狀部分，所述柱狀部分的第一端鄰近所述切削尖端，而第二端軸向離開所述切削尖端地與之間隔開並在一肩部終止；環形套筒，所述環形套筒附接在所述杆的所述柱狀部分周圍，所述環形套筒在一個軸向端被支撐在所述肩部上，而另一個軸向端朝所述柱狀部分的所述第一端延伸但是在所述柱狀部分的所述第一端之前終止，使得所述柱狀部分的一柱狀部保持暴露，且所述套筒的材料比所述杆的材料硬，而且所述套筒的材料在切削操作過程中引起著火的火花產生的傾向比所述杆的材料低。
2. 如權利要求l所述的切削截齒，其中所述套筒由與所述切削尖端相同的材料形成。
3. 如權利要求1或2所述的切削截齒，其中所述套筒由碳化鎢形成。
4. 如權利要求1-3的任一項所述的切削截齒，其中所述肩部在一 大致錐形部分和所述柱狀部分之間延伸，所述錐形部分朝所述柱狀部 分會聚，且所述柱狀部分限定出用於接收所述切削尖端的基部部分的 凹槽。
5. 如權利要求1-4的任一項所述的切削截齒，其中所述杆限定出 在離開所述切削尖端的方向上與第一肩部軸向間隔開且基本垂直於所 述杆的縱向軸線延伸的第二肩部，並且第二套筒附接在所述杆周圍並 在所述第一肩部和所述第二肩部之間延伸。
6. 如權利要求5所述的切削截齒，其中所述杆在所述第一肩部和 所述第二肩部之間為柱狀，並且所述杆的直徑比從所述第一肩部離開 所述第二肩部延伸的所述柱狀部分的直徑大。
7. —種使用用於開採的切削截齒的方法，所述切削截齒包括-細長杆；切削尖端，所述切削尖端固定到所述杆的一端以從該端伸出，並 且所述切削尖端的材料比所述杆的材料硬；且所述細長杆包括柱狀部分，所述柱狀部分的第一端鄰近所述切削 尖端，而第二端軸向離開所述切削尖端地與之間隔開並在一肩部終止；環形套筒，所述環形套筒附接在所述杆的所述柱狀部分周圍，所 述環形套筒在一個軸向端被支撐在所述肩部上，而另一個軸向端朝所 述柱狀部分的所述第一端延伸但是在所述柱狀部分的所述第一端之前 終止，使得所述柱狀部分的一柱狀部保持暴露，且所述套筒的材料比 所述杆的材料硬，並且所述套筒的材料在切削操作過程中引起著火的 火花產生的傾向比所述杆的材料低，所述方法包括在包含氣體和/或礦 塵的環境中開採的步驟。
8. 如權利要求7所述的方法，其中所述環境包括甲烷氣體。
全文摘要
本發明涉及旋轉切削鑽頭。本發明提供了切削截齒和使用切削截齒的方法，切削截齒包括細長杆(10)和切削尖端(11)，切削尖端(11)固定到所述杆(10)的一端以從該端伸出，並且其材料比所述杆的材料硬。環形套筒(31)附接在所述杆(10)周圍且鄰近切削尖端(11)，套筒的材料比所述杆(10)的材料硬，且套筒的材料在切削操作過程中引起著火的火花產生的傾向比所述杆(10)的材料低。
文檔編號E21F5/00GK101684730SQ20091020970
公開日2010年3月31日 申請日期2005年3月23日 優先權日2004年3月26日
發明者史蒂文·韋弗, 基思·斯利普 申請人:山特維克智慧財產權股份有限公司