專利名稱：帶有配設的沖擊式工具的刀具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種配設于至少部分沖擊式的沖擊式工具如沖擊鉆或鑿巖機的刀具，如鑿巖鉆頭或鑿子，尤其是用來加工巖石如水泥和磚墻的刀具。
用作刀具的鑿巖鉆頭由一至少部分沖擊式的沖擊鉆，例如以電動氣動沖擊鉆的錘頭和/或浮動活塞沿刀具軸線在插入端的端面上施加機械撞擊，其中撞擊能基本上通過縱向脈沖以沖擊脈沖的形式一直擴展到相對的端面上，并可以以傳入待加工材料的能量進行加工。這個相對的端面通常做成鑲硬質合金的刀頭。
由脈沖傳遞原理知道，在兩個相互碰撞的物體接觸時脈沖對于它們是如何分配的，也就是說如何傳遞或反射的。通過刀具輸入待加工材料內的那一部分能量按照描述桿狀固體脈沖特性的桿件理論取決于處于脈沖傳遞鏈中的物體的聲學性能。因此在刀具內輸入的能量一方面造成重心的平移運動，另一方面造成繞重心的振動，其中基本上只有重心的平移運動可以用于加工。
按US4165790刀具細分成多個不可旋轉而可在軸向作有限運動的部分，例如分成一短的刀頭，一長得多的刀桿以及一插入端，其中以橫向銷釘固定的六邊形連接部分別構成形狀鎖合的不可相對旋轉的和軸向可作有限運動的連接。按US4605079這種非常短的刀頭具有一用于形狀鎖合的不可相對旋轉而可作有限的軸向運動的連接的內六角。這種類型的刀頭對于脈沖傳遞不是最佳的。
按WO97/08421在一鉆管或鉆桿的末端有一刀頭，其中形狀鎖合的不可相對旋轉而可作有限的軸向運動的刀頭本身相對于設置在其軸向長度內的端面做成一頭部和一柄部。不可相對旋轉的固定通過做成多邊形的橫截面或嵌入缺口內的凸起進行。通過一輕的金屬銷或環(huán)刀頭相對于鉆頭或鉆桿可作有限軸向運動地固定。沖擊脈沖通過垂直于刀具軸線的、基本上做成扁平的脈沖傳遞面從鉆管或鉆桿傳遞到刀頭上，此脈沖傳遞面既可以設置在鉆管和刀頭的設置在徑向外側以及軸向內部的端面區(qū)之間，也可以設置在鉆桿和套筒狀刀頭的徑向內側以及軸向之內的區(qū)域之間。
按照上述資料的原理柄部相對于頭部的長度比應盡可能大，特別是大于5，從而可以使最大的沖擊能傳遞到刀頭中，以進行材料加工。一般應該注意柄部相對于頭部的一定的阻抗比，其中允許絕對值的由結構決定的、很小的軸向變化。由鉆管或鉆桿傳遞到柄部與頭部交接處頭部一側端面上的具有相對于刀頭長度兩倍長度的撞擊脈沖一部分通過短的刀頭直接傳入待加工材料，另一部分作為牽引脈沖(Zugimpuls)傳入軸向運動的柄部，柄部儲存這些脈沖能量。因此在這種方案中拉力沖擊(Zugstoss)傳到刀頭上。在反射到背對頭部的自由端以后它轉換成撞擊脈沖通過頭部傳入待加工材料。這種原理的結果是在具有相對于刀頭兩倍脈沖長度的撞擊脈沖的脈沖能量傳入刀頭時在鉆管或鉆桿內基本上不激起回程脈沖，因此脈沖能量幾乎完全傳入刀頭，從而傳入待加工材料。在這種方案中拉力沖擊到必需配備柄部的刀頭的脈沖傳遞得到優(yōu)化，刀頭作為具有固定連接的柄部和頭部的獨立的刀具本身而進行加工材料。
本發(fā)明的目的是優(yōu)化由沖擊式工具發(fā)出的脈沖能量到在結構方面可方便地制造的刀具的刀頭內的傳遞。另一個目的是這種刀具的刀頭的合適的固定。
這個目的主要通過獨立權利要求的特征來實現。優(yōu)良的改進結構由從屬權利要求得到。
在配設于沖擊式工具的刀具中一與聲學方面長的刀柄不可相對相連的和可作有限的軸向運動的刀頭在其阻抗方面基本上與沖擊式工具的浮動活塞和/或錘頭聲學匹配，其中各相互撞擊的端面各自至少部分地相互平面接觸。
在對于由浮動活塞和/或錘頭激勵的沖擊脈沖聲學匹配的刀頭中通過這種聲學匹配這種沖擊脈沖幾乎完全從浮動活塞和/或錘頭傳到刀頭上，而不造成明顯的反射，從而沒有脈沖能量損失，在這種刀頭中脈沖長度等于刀頭聲學長度的兩倍。
通過各撞擊物之間至少局部的、基本上平面形的接觸由浮動活塞發(fā)出的、基本上成矩形的撞擊脈沖在傳送到刀頭時沒有明顯的擴展，由此這個撞擊脈沖在完全保持其形狀的情況下穿過刀柄，并通過聲學匹配幾乎完全傳入刀頭。
在與浮動活塞相比刀具比較大和重時浮動活塞和/或錘頭的脈沖能量幾乎完全傳到將脈沖能量至少部分地用于材料加工的刀頭上，與剛性的系統(tǒng)相比加工效率提高25到80％。
必須強調，可作有限軸向運動的，本身具有聲學匹配的幾何形狀的刀頭對于本發(fā)明的原理的了解和實現是不夠的，因為這個原理只有通過附加的，只是在充分的平面接觸時才有可能的、基本上不變形地傳遞的一定長度的矩形沖擊脈沖才能達到完全的脈沖傳遞的明顯效果。由于這個原理刀頭以可傳遞的最大能量打入待加工材料。
浮動活塞和/或錘頭、刀柄和刀頭的各垂直于沖擊軸線的相互撞擊的端面優(yōu)良地配備這樣大的有效接觸半徑的有效的中凸形，使得在撞擊時不存在相當于中心加壓的點接觸而主要是面接觸，以保證在撞擊物有允許的微小角度偏轉時產生幾乎是一種中心撞擊，其中有效接觸半徑reff由撞擊端面的帶正負號的曲率半徑r1，r2按下式確定1reff=|1r1+1r2|]]>其次撞擊端面的帶正負號的曲率半徑r1，r2有利地朝相同的方向，由此即使在撞擊物具有微小的角度錯位時仍存在帶有面接觸的幾乎是中心的撞擊。為此一個端面做成中凹球形，而相配的端面有利地做成中凸的球形。
對于本發(fā)明的原理理想的是無限大的有效接觸半徑，其中在實際上可實現的有效接觸半徑大于1米時與理想的平面接觸相比加工效率的提高約喪失25％。
刀頭對于浮動活塞和/或錘頭在阻抗方面的聲學區(qū)配有利地按下式進行A2A1=E1E2*ρ1ρ2]]>其中L2L1≥E2E1*ρ1ρ2]]>其中(L1，L2)是長度比，(A1，A2)是橫截面積比，E是各自的彈性模量，ρ表示各自的密度，其中下標2表示被撞物。
因此在采用同樣的材料時浮動活塞和/或錘頭，刀柄和刀頭必須保持基本上相同的橫截面。如果由于結構方面的原因不得不要用不同的尺寸，那么除了幾何形狀外例如浮動活塞的材料可以有利地從常用鋼換成例如輕的陶瓷材料或碳素纖維復合材料。
刀頭、浮動活塞和/或錘頭必要的結構造型至少必須基本上建立在這種幾何形狀的基礎上，而不必費勁地做成棱形。實際偏差每差約10％加工效率的提高便喪失約25％。
刀具本身由一刀柄和一不可相對旋轉而可作有限軸向運動的帶有硬質材料組成的刀刃的刀頭組成，其中刀柄聲學長度和刀頭聲學方面與浮動活塞和/或錘頭相匹配。在所述情況下相同材料的錘頭、刀柄和刀頭其橫截面相同。
刀柄與刀頭相鄰的連接區(qū)有利地做成棱形，其中橫截面有利地具有規(guī)則多角形形狀，例如六角形。棱角優(yōu)良地通過倒角倒鈍。做成與它相配的棱形對應體的刀頭通過由此形成的連接旋轉形狀鎖合地固定。一垂直于刀具軸線的、既穿過刀頭也穿過刀柄的銷釘作為固定裝置與一軸向腰形孔一起確保至少在部分長度上輕松的、有限的軸向運動。
刀柄有利地做成空心的，其中通過形成的通道可以流通液體介質如切削液。通道在插入端和刀頭處有一入口和出口，其中在刀柄和可作有限軸向運動的刀頭之間有利地設有一可作有限軸向運動的、最好是環(huán)形的密封元件。
在第一種優(yōu)良的實施方案中關于其長度和其橫截面聲學匹配的刀頭設有一與刀柄相配的套筒形區(qū)域內，刀柄不可相對旋轉而可作有限軸向運動地嵌入此區(qū)域內。刀柄和刀頭之間的端面必要的至少部分基本上平面形的結構通過一具有很大有效曲率半徑的內圓環(huán)區(qū)實現。一可選用密封元件優(yōu)良地做成刀柄的半徑較小的、向中心收縮的部分，它終止于刀頭的配置刀刃的區(qū)域內的一中央孔內，從那里至少一個開口通向刀頭端面，此開口有利地相對于刀具軸線偏離一定距離設置在排屑槽之外鄰近刀刃處。一橫向穿過刀頭的套筒形區(qū)域的軸向腰形孔以及刀柄上的孔的銷釘用作固定裝置。
在第二種優(yōu)良的實施方案中關于其長度和其橫截面聲學匹配的帶有一與刀柄相配的半徑較小，向中心收縮的區(qū)域的刀頭設有一設置在徑向外側的帶動凸起，它不可相對旋轉而可作有限軸向運動地嵌入刀柄內。刀柄和刀頭之間的必要的、至少部分基本上平面形的端面結構通過一具有很大的有效曲率半徑的外圓環(huán)區(qū)實現。一任選的密封元件有利地設置在這個向中心收縮的區(qū)域內，該區(qū)域具有一中央孔，該孔終止于刀頭的配置刀刃的區(qū)域內，從那里至少一個開口通向刀頭的端面，此開口有利地偏離刀具軸線一定距離地設置在排屑槽之外鄰近刀刃處。作為固定裝置既可采用一橫向穿過刀柄上一弦狀分布的孔以及設在刀頭帶動凸起內的軸向腰形孔的銷釘，也可采用在第三種優(yōu)良的方案中的固定在刀柄一環(huán)形槽內的彈簧圈，它嵌入刀頭帶動凸起上設置在徑向外側的缺口內。
此外固定裝置可以有利地模塊式地更換刀頭，由此可以以方便的方式方法替換磨損件以及裝上從一批刀頭中選出的最適合加工任務的刀頭。
參照優(yōu)良的實施例以下列附圖對本發(fā)明作較詳細的說明


圖1沖擊脈沖優(yōu)化的用于相配的沖擊式工具的刀具的原理2刀具的剖視3刀具的第一種實施方案的拆散4刀具的第二種實施方案的拆散5刀具的第三種實施方案的拆散圖。
按圖1在一分別具有聲學長度和寬度尺寸的圖形中一僅僅示意表示的沖擊式工具，配設于一刀具2，刀具具有一聲學長度的刀柄3和一可作有限軸向運動的刀頭4。刀頭4關于其阻抗與沖擊式工具1的一往復運動浮動活塞5和錘頭6聲學匹配刀頭4關于其脈沖長度等于刀頭4的雙倍聲學長度的沖擊脈沖相匹配，由此使沖擊脈沖7幾乎完全從浮動活塞5通過錘頭6和刀柄3傳入刀頭4，刀頭在一稍后的時刻基本上以全部脈沖能量打入待加工巖石8，在這里不引起明顯的反射9，從而在傳入刀頭4時不造成脈沖能量損失。在傳遞沖擊脈沖7時各相互撞擊的端面10各自相互平面形接觸，由此沖擊脈沖7基本上作為矩形脈沖傳遞。
按圖2沿刀具軸線剖開的未完全畫出的刀具2本身由一刀柄3和一不可旋轉而可作有限軸向運動的帶硬質材料刀刃11的刀頭4組成，其中在所示情況下刀柄3和刀頭4具有相同的材料，其橫截面積也基本上相同。刀柄3與刀頭4相鄰的連接區(qū)12做成棱形。為此刀頭4做成相配的棱形對應件。一垂直于刀具軸線既穿過刀頭4又穿過刀柄3的銷釘作為固定裝置與作為在刀頭4內的固定支承14的軸向腰形孔一起確保一個輕松的、有限軸向運動Δx。在傳遞沖擊脈沖時至少部分處于平面接觸的相互配對的端面10做得垂直于刀具軸線具有大于1米的有效曲率半徑(無法畫出)。刀柄做成空心的。一在內部形成的、終止于刀頭4配置刀刃11的區(qū)域內的中央孔的通道15具有(部分未畫出的)在插入端和刀頭4上的入口和出口16，其中在刀柄3和可作有限軸向運動的刀頭4之間的軸向密封區(qū)17內設有一可作有限軸向運動的環(huán)形密封元件18。
按圖3關于其長度和其橫截面聲學匹配的刀頭4做成套筒形，其中刀柄3的六邊形棱形連接區(qū)12不可相對旋轉地而可作有限軸向運動地嵌入形成一相配對應體的刀頭4內。刀柄3和刀頭4之間至少部分基本上平面形的端面10的結構通過一具有很大有效曲率半徑的內圓環(huán)區(qū)實現。一環(huán)形密封元件18在圓周方向繞刀柄3的一半徑較小的，向中心收縮的密封區(qū)17設置，該密封區(qū)嵌入刀頭4的一中央孔內，從那里兩個出口孔16分別通向刀頭4的一個端面，這兩個出口孔與刀具中心偏離一定距離地設置在排屑槽19之外鄰近刀刃11處。作為固定裝置13采用一銷釘，它垂直于刀具軸線穿過套筒形刀頭4的連接區(qū)12的做成軸向腰形孔的固定支承14以及刀柄3上的一個孔。
按圖4關于其長度和其橫截面聲學匹配的帶有一與刀柄3相配的半徑較小，向中心收縮的連接區(qū)12的刀頭4設有一設置在徑向外側的帶動凸起20，它不相對旋轉而可作有限軸向運動地嵌入形成對應體的刀柄3內。刀柄3和刀頭4之間的端面10的至少部分基本上平面形的結構通過一具有很大有效曲率半徑的外圓環(huán)區(qū)實現。環(huán)形密封元件18設置在連接在連接區(qū)12上的向中心收縮的密封區(qū)17上，它具有一中央孔，該孔終止于刀頭4的配置刀刃11的孔內，從刀頭起兩個出口孔16各自通向刀頭4的一個端面，這兩個出口孔有利地與刀具軸線偏離一定距離地設置在排屑槽19之外鄰近刀刃11處。作為固定裝置13采用一銷釘，它垂直地穿過刀柄3上一弦狀分布的孔以及一設置在刀頭4的帶動凸起20內的作為固定支承14的軸向腰形孔。
按圖5采用一固定在刀柄3一環(huán)形槽21內的彈簧圈作為固定裝置13，它嵌入刀頭4帶動凸起20上設在徑向外側的作為固定支承14的缺口內。
權利要求
1.用來通過配設的具有一浮動活塞(5)和任選的一錘頭(6)的沖擊式工具(1)加工巖石、磚墻等等的刀具，具有一聲學長度的刀柄(3)和一與刀柄不可相對旋轉地連接并可作有限軸向運動的刀頭(4)，其特征為刀頭(4)在其阻抗方面與沖擊式工具(1)的浮動活塞(5)和/或錘頭(6)聲學匹配，并且各個相互撞擊的端面(10)至少局部相互平面接觸。
2.按權利要求1的刀具，其特征為刀頭(4)的聲學長度為由浮動活塞(5)和/或錘頭(6)激發(fā)的沖擊脈沖(7)的長度之半。
3.按權利要求1或2的刀具，其特征為刀頭(4)和刀柄(3)通過一做成棱形的旋轉形狀鎖合的連接區(qū)(12)相互不可相對旋轉地連接。
4.按權利要求3的刀具，其特征為在連接區(qū)(12)內設有一既穿過刀頭(4)又穿過刀柄(3)的垂直于刀具軸線延伸的在刀頭(4)和/或刀柄(3)的一軸向腰形固定支承(14)內的固定裝置(13)。
5.按權利要求4的刀具，其特征為固定裝置(13)做成銷釘或彈簧圈。
6.按上述權利要求之任一項的刀具，其特征為刀柄(3)做成空心的，并在插入端和刀頭(4)上有一入口和出口，在刀柄(3)和可作有限軸向運動的刀頭(4)之間設有一可作有限軸向運動的密封元件(18)。
7.用來對按上述權利要求之任一項的刀具至少部分沖擊式地加載的沖擊式工具，其特征為浮動活塞(5)由一種比鋼輕和/或剛性小一些的材料組成。
8.按上述權利要求之任一項的刀具和/或沖擊式工具，其特征為浮動活塞(5)和/或錘頭(6)和/或刀頭(4)關于聲學阻抗方面的聲學匹配分別通過主要長度和主要橫截面的合適的尺寸選擇進行。
9.按上述權利要求之任一項的刀具和/或沖擊式工具，其特征為各個至少局部相互撞擊的端面(10)的做得垂直于沖擊軸線，以及設有一具有至少1米有效接觸半徑的有效凸面。
10.按權利要求9的刀具和/或沖擊式工具，其特征為兩個相互配對的端面(10)中一個做成中凹球形，另一個做成中凸球形。
全文摘要
用來通過帶有一浮動活塞(5)或錘頭(6)的配設的沖擊式工具加工巖石(8)的刀具(2)具有一聲學長度的刀柄(3)和一不可旋轉地連接而可作有限軸向運動的刀頭(4),刀頭在其阻抗方面與沖擊式工具(1)的浮動活塞(5)和/或錘頭(6)聲學匹配,其中各相互撞擊的端面(10)至少局部相互平面接觸。
文檔編號B25D17/08GK1333112SQ0112237
公開日2002年1月30日 申請日期2001年7月11日 優(yōu)先權日2000年7月17日
發(fā)明者豪普特曼·尤多, 沙德·漢斯彼得, 里希特·馬丁, 波珀·弗朗茨, 芬弗·約瑟夫, 阿特曼·康拉德, 鮑爾·約瑟夫 申請人:希爾蒂股份公司