旋转切削钻头.pdf

本发明涉及旋转切削钻头。本发明提供了切削截齿和使用切削截齿的方法，切削截齿包括细长杆(10)和切削尖端(11)，切削尖端(11)固定到所述杆(10)的一端以从该端伸出，并且其材料比所述杆的材料硬。环形套筒(31)附接在所述杆(10)周围且邻近切削尖端(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过程中引起着火的火花产生的倾向比所述杆(10)的材料低。

1.  一种切削截齿，包括：
细长杆；
切削尖端，所述切削尖端固定到所述杆的一端以从该端伸出，并且所述切削尖端的材料比所述杆的材料硬；且
所述细长杆包括柱状部分，所述柱状部分的第一端邻近所述切削尖端，而第二端轴向离开所述切削尖端地与之间隔开并在一肩部终止；
环形套筒，所述环形套筒附接在所述杆的所述柱状部分周围，所述环形套筒在一个轴向端被支撑在所述肩部上，而另一个轴向端朝所述柱状部分的所述第一端延伸但是在所述柱状部分的所述第一端之前终止，使得所述柱状部分的一柱状部保持暴露，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过程中引起着火的火花产生的倾向比所述杆的材料低。

2.  如权利要求1所述的切削截齿，其中所述套筒由与所述切削尖端相同的材料形成。

3.  如权利要求1或2所述的切削截齿，其中所述套筒由碳化钨形成。

4.  如权利要求1-3的任一项所述的切削截齿，其中所述肩部在一大致锥形部分和所述柱状部分之间延伸，所述锥形部分朝所述柱状部分会聚，且所述柱状部分限定出用于接收所述切削尖端的基部部分的凹槽。

5.  如权利要求1-4的任一项所述的切削截齿，其中所述杆限定出在离开所述切削尖端的方向上与第一肩部轴向间隔开且基本垂直于所述杆的纵向轴线延伸的第二肩部，并且第二套筒附接在所述杆周围并在所述第一肩部和所述第二肩部之间延伸。

6.  如权利要求5所述的切削截齿，其中所述杆在所述第一肩部和所述第二肩部之间为柱状，并且所述杆的直径比从所述第一肩部离开所述第二肩部延伸的所述柱状部分的直径大。

7.  一种使用用于开采的切削截齿的方法，所述切削截齿包括：
细长杆；
切削尖端，所述切削尖端固定到所述杆的一端以从该端伸出，并且所述切削尖端的材料比所述杆的材料硬；且
所述细长杆包括柱状部分，所述柱状部分的第一端邻近所述切削尖端，而第二端轴向离开所述切削尖端地与之间隔开并在一肩部终止；
环形套筒，所述环形套筒附接在所述杆的所述柱状部分周围，所述环形套筒在一个轴向端被支撑在所述肩部上，而另一个轴向端朝所述柱状部分的所述第一端延伸但是在所述柱状部分的所述第一端之前终止，使得所述柱状部分的一柱状部保持暴露，且所述套筒的材料比所述杆的材料硬，并且所述套筒的材料在切削操作过程中引起着火的火花产生的倾向比所述杆的材料低，所述方法包括在包含气体和/或矿尘的环境中开采的步骤。

8.  如权利要求7所述的方法，其中所述环境包括甲烷气体。

旋转切削钻头
本申请是申请号为200580007138.3、申请日为2005年3月23日、发明名称为“旋转截齿”的国际申请的分案申请。
技术领域
本申请是澳大利亚专利申请2004201284的分案申请，其全部公开内容在此通过引用并入。
本发明涉及用于开采和钻凿目的的切削刀具。本发明主要开发用于开采煤炭并且通常用于地下煤炭开采。因此，很方便描述关于该用途的本发明，但是容易理解，本发明可用于其功能所适合的任何开采或钻凿操作。
背景技术
在此对作为现有技术给出的专利文件或其它内容的参考不应被认为承认在任何权利要求的优先权日，该文件或内容在澳大利亚是已知的或者其包含的信息是公共常识的一部分。
各种不同形式的装备和机械可用于开采和钻凿操作，且通常正进行的开采或钻凿类型以及正开采或钻凿的地表类型要求合适类型的装备和机器。本发明主要涉及地下煤炭开采，且该类型的开采中的主要安全困难之一涉及矿井内的火灾或爆炸。这些可能由于在开采期间甲烷气体和煤尘(通常称为矿尘)的产生而发生，其可被限制在矿井内并且易于起火。不利地是，在煤炭开采中使用的装备可产生引起着火的火花，并且因此引起火灾或爆炸。因而，重要的是，应采取所有适当的步骤来最小化或消除火花的产生。
用于在坚硬的地表中开采或钻凿的装备可包括旋转刀具，其中携带多个伸出的切削钻头或截齿的旋转滚筒与地表面接合。当截齿与滚筒一起旋转时，截齿咬入地表面，以冲击地表面并从表面去除或者使地表打碎。截齿和地表面之间的这种高度侵进接合可导致它们之间产生火花。
用于上述目的的截齿通常具有一般通过焊接而固定到钢杆的坚硬的烧结碳化钨尖端。这种类型的截齿被公开在各种现有技术中，例如US 6,113,195、EP0274645和DE 4226976。截齿的尖端可以是插入型或帽型的。
插入型显示在DE4226976中，其中尖端的轴向长度的较大部分被锚固在杆的孔内，而不是延伸到孔外。帽型显示在EP0274645中，其中尖端比插入型的尖端具有更宽的基部，且基部定位在杆的前端的相对浅的凹槽内并焊接在该凹槽内。本发明可适用于这些形式的截齿中的任一种。
在上述类型的截齿中，可能会在碳化钨尖端和地表面之间产生火花，并且也可能在钢杆和地表面之间产生火花，但是一般更可能在杆和地表面之间产生火花。
发明内容
本发明的目的是提供在特定的地下煤矿开采的开采或钻凿操作过程中减少火花产生的可能性的切削截齿。
根据本发明，提供了一种切削截齿，其包括：
细长杆；
切削尖端，其固定到杆的一端以从该端伸出并且其材料比杆的材料硬；且
该细长杆包括柱状部分，柱状部分的第一端邻近切削尖端，而第二端轴向离开切削尖端地与之间隔开并在肩部终止；
环形套筒，其附接在杆的柱状部分周围，环形套筒在一个轴向端被支撑在肩部上，而另一个轴向端朝柱状部分的第一端延伸但在柱状部分的第一端之前终止，使得柱状部分的一柱状部保持暴露，套筒的材料比杆的材料硬，且套筒的材料在切削操作过程中引起着火的火花产生的倾向比杆的材料低。
本发明还提供一种使用上述切削截齿的方法，并且包括在包含气体和/或矿尘的环境中开采的步骤。
细长杆可由钢形成，而切削尖端可固定到杆的柱状端部分，以相对于杆的纵向轴线从该端轴向伸出。
通过将套筒附接在杆周围，杆的紧邻切削尖端的部分(其通常最可能接触正被切削的地表面或者正从表面去除的地表碎块并因此产生引起着火的火花)由抗火花材料保护而不受该接触的影响。火花产生的倾向因此被减小。
在根据本发明的切削截齿中，细长杆可采取任何合适的形式，例如已知的形式，以固定到旋转切削滚筒。该杆通常可释放地固定到滚筒，使得可根据需要更换磨损的切削截齿，且在某些机器中，杆可旋转地安装使得当切削截齿接合地表面时，切削截齿可围绕其纵向轴线自由旋转。杆通常由钢制成。
在根据本发明的切削截齿中，杆可构造成接纳插入型切削尖端或帽型切削尖端。
在根据本发明的切削截齿中，切削尖端可由比杆材料硬的任何合适的材料制成，且优选的切削尖端材料为烧结碳化钨。尖端还可为被浸渍以增加硬度的金刚石，或者尖端可包括用于相同目的的立方氮化硼。该切削尖端可具有任何合适的形状，这一般取决于尖端是插入型还是帽型的。切削尖端通常被焊接到杆，但可使用用于固定尖端的其它方法，例如通过化学粘合剂。
附接在杆周围且邻近切削尖端的套筒优选地由与切削尖端相同的材料形成，并且优选地该材料为烧结碳化钨。可选地，该材料可以是包括SiC、Al₂O₃、TiN、SiC-D(碳化硅金刚石复合材料)、立方氮化硼、工具钢、或其它类似材料。这些材料可与其它合适的材料一起形成为复合材料，或者它们可设置为在合适基部上的外层或多个外层。
在切削截齿的一般尺寸中，套筒的轴向高度可在约10mm-15mm范围内，且套筒在内径和外径之间的径向厚度约3mm-5mm。如果这些尺寸的碳化钨套筒的制造存在困难的话，那么套筒可制造为具有减小高度的、例如轴向高度约4mm的以若干套筒部分或环为形式的复合套筒。这些部分之后可附接到杆，以形成需要高度的复合套筒。尽管可根据需要使用两个套筒部分或四个或者更多个，但是可使用三个套筒部分。每个套筒部分可具有相同的内径和外径，尽管内表面和外表面可以平行，但是外表面可包括斜切边缘以减小尖锐边缘破坏的可能性。
设想到的由单件形成的套筒的困难主要涉及当套筒附接到杆时套筒和杆之间的膨胀系数的差异。如果杆材料为钢而套筒为碳化钨，那么当钢被加热时杆将膨胀，且此后当钢以套筒的约两倍快的速度冷却时，杆将收缩。收缩速率的差异可在套筒内引入应力，其通常将比杆更易碎，且如果应力足够大时，套筒可能开裂。如果使用了呈环形式的多个杆部分，那么杆和复合套筒之间的接触面积可通过环之间的断裂而减小。这是因为用于将环固定到杆的介质在环和杆之间以及在环自身之间延伸。将在后面描述的、优选为铜焊的介质可吸收某些引起的应力并因此降低套筒失效的可能性。
在根据本发明的切削截齿的优选形式中，杆限定出在大致锥形部分和上述柱状部分之间的肩部。锥形部分朝柱状部分会聚，而柱状部分限定出用于接纳切削尖端的基部部分的凹槽。该接纳可构成插入型或帽型切削截齿。在此布置中，套筒围绕柱状部分附接到杆且被支撑在肩部上。有利地是，该布置提供套筒在杆上的准确定位并提供套筒在切削操作过程中可反作用于冲击负荷的表面。
上述类型的杆可限定出第二肩部，第二肩部在离开切削尖端的方向上与第一肩部轴向间隔开，且在此布置中，第二套筒可连接在杆周围以在第一肩部和第二肩部之间延伸。在此方式中，杆的又一部分可被保护以免与地表面接触，并因此进一步减小引起着火的火花产生的风险。
其中设置有第二肩部的上述类型的布置可根据需要重复以产生第三肩部以及根据需要的进一步的肩部。因此，通过此布置，可保护杆的不断增加的轴向长度。
在上述的布置中，当设置有多于一个肩部时，优选相应的肩部之间的杆部分为柱状的，且每个部分的直径在离开切削尖端的方向上增加。
为了降低环形套筒在切削操作过程中断裂的可能性，套筒的邻近切削尖端的基部的部分可定位成使得柱状部分的一柱状部保持暴露。优选地，根据轴向测量，暴露的程度在1mm-5mm左右，最优选为约3mm。因而，此暴露部分相对较小，并且优选地其直径也不大于切削尖端在切削尖端基部区域的最外的直径。因为只有柱状部分的小部分被暴露，所以该柱状部分在切削操作过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“磨损阴影(wear shadow)”内，其为切削截齿的由于其非常靠近切削尖端而受到最小或可忽略的磨损的一部分。截齿的磨损更可能在更远离切削尖端的位置发生。截齿的更可能磨损的部分为那些与切削表面大量接触的部分，且其为当接触发生时更可能产生火花的那些部分。
通过更远离切削尖端定位环形套筒，套筒在切削操作过程中被定位在相对于可能引起套筒破坏的冲击负荷而言破坏性较小的环境中。另一方面，通过将套筒定位成在切削操作过程中覆盖截齿的大量切削表面接触的区域，可降低火花产生的发生率，同时柱状部分也可被保护以免磨损。
在优选的布置中，其中杆由钢形成而套筒由碳化钨形成，套筒到杆的附接的优选形式是通过焊接。焊接可在切削操作过程中提供一定程度的减震。
尽管碳化钨为用于套筒的优选材料，但是其它材料，例如上述的那些可能是同样合适的。同样，该材料可包括提高抵抗引起着火的火花产生或者增加套筒抵抗磨损的能力的添加剂。在此抵抗磨损的方面，例如，可通过添加金刚石颗粒来增强套筒。上述类型的其它添加剂可能是同样合适的。可选地，该材料可以是基部的复合材料，其具有施加于其的合适的外层或多个外层，并且对于此，氮化钛是最优选的。
应理解，上述内容主要涉及在切削截齿与地表面接合的过程中减小或消除引起着火的火花的产生。尽管此结果是本发明的主要目的，但是本发明的次要方面是提供具有耐磨性的杆。由钢形成的杆随着时间的过去易于磨损，且通常情况是，钢杆比更硬的切削尖端磨损更快，使得切削截齿必须比期望的更早地更换，即在切削截齿充分磨损之前更换。换句话说，杆的磨损可减小切削截齿的有效寿命。截齿的磨损常常主要发生在杆的紧邻切削尖端的附近。因此，通过适当地选择套筒材料，在其附近的钢杆可被保护以免与将另外引起其磨损的地表面或碎块接合，并且因此可提高切削截齿的寿命。套筒材料的与切削尖端的材料相同或有效等同的选择可提供用于此目的的有用的耐磨性。
附图说明
为了更好地理解本发明以及为了显示本发明可如何实现，现将仅通过非限制性实施例、参考附图描述本发明的优选实施方式。
图1是旋转切削截齿的杆的侧视图。
图2是用于连接到图1的杆的碳化钨尖端的侧视图。
图3是切削截齿的又一侧视图。
具体实施方式
图1和图2分别示出了切削截齿的杆10以及成形为连接到杆10的碳化钨尖端11。杆10包括主体部分12，该主体部分12包括在一端的凸缘13和远离凸缘13的凹槽14，并且其中凸缘13和凹槽14与旋转切削滚筒一起相配合以用于将切削截齿固定到该滚筒。杆10固定到滚筒的方式对本领域技术人员来说是已知的，因此在此不再进一步描述或展示。
杆10进一步限定有大致锥形部分15、柱状部分16和肩部17。应理解，肩部17通过锥形部分15的紧靠柱状部分16的直径的减小而限定出。
柱状部分16包括用于接纳例如图2所示类型的切削尖端的基部部分的凹槽18。参考该图2，应理解，切削尖端11没有按比例显示成连接到杆10，而是代替地显示的更大以清楚显示相关细节。切削尖端11包括延伸到最大直径环20的基部部分19，并且基部部分19接纳在杆10的凹槽18内。当切削尖端11固定到柱状部分16时，环20搁靠在柱状部分16的上边缘21上。通常通过将切削尖端11焊接到凹槽18内来实现该固定。图1以虚线轮廓显示了固定到柱状部分16的切削尖端11。
从图1应理解，当切削尖端11固定到杆10时，外柱状表面22、肩部17和锥形部分15的外表面中的每一个保持暴露。因此，这些表面可变得与正被切削的地表面接触，或者与已经从地表面去除的碎块接触。该接触可导致产生引起着火的火花，且明显可能引起灾难性结果。产生火花的可能性在杆10的邻近切削尖端11的部分最大，而该可能性朝杆10的相对端减小。
图3显示了减小火花产生的可能性的切削截齿。图3的切削截齿30利用了图1和图2的杆10和切削尖端11，并且因此用在这些图中的相同附图标记也在图3中使用。
在图3中，由三个相等的套筒部分或环32形成的复合套筒31围绕柱状部分16的外柱状表面22(图1)设置。尽管套筒31示出为复合套筒，但是本发明涉及单个套筒的使用。因此，尽管图3的论述涉及三个套筒部分32，但是应理解，本发明涉及具有与复合套筒31大致相同尺寸但由整体套筒而不是由所展示的三个分离的套筒部分形成的单个套筒。
每一个环32彼此分离地形成，且以滑动配合或轻微摩擦配合方式装配在柱状部分16周围，并且被焊接到外表面22，且离切削尖端11最远的环32也被焊接到肩部17。如所示，环32为柱状部分16的外表面22提供基本上完全的保护，其中仅柱状部分16的在最紧邻切削尖端11的环32以上的一个稍微柱状部轴向可见。该柱状部通过附图标记33表示且为切削尖端11的凸缘20所固定到的柱状部分16的部分。柱状部33为环32尤其是最上面的环32提供某些保护，以抵抗在切削操作的过程中所去除的地表碎块的冲击，使得环32尤其是最上面的环断裂的可能性明显减小。暴露的柱状部的轴向高度可以在1mm至5mm左右，而最优选地，其为约3mm。
套筒31可以按分离的环的形式制成，或者是制成为如上面讨论的单个整体套筒。尽管图3所示尺寸的环32预期比轴向尺寸等于三个轴向相邻的环的单个整体套筒更容易由碳化钨制成，然而整体套筒的制造是可能的。
从图3可见，每个环32具有在切削尖端11的方向上应用到其轴向前缘的斜切面。
应进一步理解，套筒31的轴向长度在朝凸缘13的方向上延伸，并且对于此，杆10的锥形部分15可成梯状以提供又一系列肩部，或者又一套筒可简单地附接到锥形部分15的外表面。朝凸缘13连续保护套筒的必要性取决于在肩部17后面进一步引起着火的火花产生的可能性。本发明观点表明引起着火的火花产生的可能性的显著减小通过相对于切削截齿30的其余部件使套筒31具有图3显示的合适尺寸来实现。
应理解，通过适当选择套筒31的材料，套筒31还为杆10的柱状部分16提供耐磨保护。尽管磨损保护不是其主要作用，但是有利地是，该次要作用可显著提高切削截齿的寿命。此外，本发明减小火花产生的可能性的效果可仅在套筒保持完好无损时出现。即，如果套筒磨损，本发明将失去益处。因此，优选地，套筒能抵抗用于切削截齿的预期寿命的磨损。
此处描述的本发明易于进行除了具体描述的那些以外的变化、修改和/或添加，并且应理解，本发明包括落入以下权利要求范围内的所有这些变化、修改和/或添加。
在本说明书的整个描述中，词汇“包括(comprise)”以及该词汇的变化形式，例如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”并不是要排除其它添加或部件或东西。