專利名稱：切削尖頭及工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及一種機械挖掘方法及裝置，更具體而言，涉及在此類挖掘方法
中使用的切削工具(通常被稱為切削鎬)。本發(fā)明被特別開發(fā)用于在采礦工業(yè)中使用的機 械挖掘機，且本發(fā)明就此在本文中進行描述。盡管如此，可以理解的是，本發(fā)明具有更廣的 應(yīng)用而不限于這種使用。
背景技術(shù)：
包含切削鎬的機械挖掘機在采礦工業(yè)中被廣泛用于移除巖石和煤塊。此種機械包 括巷道掘進機、連續(xù)采煤機和長壁開采刨煤機。最廣泛使用的切削鎬之一為"點侵式(point attack)"鎬(還通稱為圓錐形鎬)。這些鎬的在切削中實際作業(yè)的尖頭，具有圓錐形幾何 形狀且由諸如碳化鎢等硬的材料制成。這些鎬因其具有較長的使用壽命而特別普及。
雖然點侵式鎬很普及，但眾所周知由于圓錐形尖頭的成穴作用在沖擊點處粉碎相 當大量的煤塊/巖石，因此這些鎬產(chǎn)生大量灰塵。過多的灰塵尤其在地下煤礦開采中已經(jīng) 成為一個重要的問題，這是因為其對健康有不利影響，例如已經(jīng)成為地下工作者的最大殺 手的黑肺病(肺塵癥)。減少過量灰塵的常用辦法，例如以高速吹入大量的空氣、噴霧和安 裝滌塵器等，都很昂貴且僅僅局部有效。除了灰塵以外，點侵式鎬被已知消耗過多的能量并 產(chǎn)生過多的噪音(其可導(dǎo)致在礦中作業(yè)的人員的聽力嚴重受損)和過多的煤顆粒，這些煤 顆粒較難處理，并因此使煤預(yù)備工廠中的處理花費較多費用。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于機械挖掘機的切削尖頭，包括尖頭主體， 該尖頭主體具有大致尖形的遠端、與所述遠端分隔開的近端和從所述遠端朝向所述近端向 外擴張的壁，所述壁的輪廓被設(shè)計為在受所述切削尖頭沖擊的材料上引起非均勻的應(yīng)力分 布以在該材料中促進徑向破裂。 相應(yīng)地，一種改進的切削尖頭被公開，其可應(yīng)用于點侵式鎬(具有尖形的遠端)。 本發(fā)明的切削尖頭的輪廓特別被設(shè)計為引起非均勻的應(yīng)力分布，以在受沖擊材料中促進徑 向破裂。采用這種方法，該切削尖頭與在受沖擊材料上引起均勻應(yīng)力分布的傳統(tǒng)圓錐形尖 頭不同。 傳統(tǒng)的圓錐形尖頭傾向于通過鎬的成穴作用在受沖擊材料的接觸點處擠壓受沖 擊材料，從而引起大量圓形破裂，且該破裂行為接著在諸如煤塊和巖石等易碎材料中產(chǎn)生 大量的小顆粒。相反，根據(jù)本發(fā)明上述方面的切削尖頭被布置為引起不同的破裂行為，其中 更可能引起徑向破裂。這接著促進材料的較大碎片的移除，并且由于圓形破裂的減少也使 灰塵減少。由于這種方法壓碎較少的材料，因而其進一步導(dǎo)致較低的能量消耗、較少的噪音 和較少的鎬/尖頭磨損。 在一種形式中，切削尖頭具有尖頭軸線，且遠端和近端沿該軸線分隔。進一步，尖 頭主體的壁的輪廓被設(shè)計為包括多個軸向延伸脊和位于這些脊之間的中間區(qū)域。所述脊
4被布置為比所述中間區(qū)域在受沖擊材料上引起更高的應(yīng)力集中，由此提供非均勻的應(yīng)力分 布。 包括脊的尖頭主體的壁的輪廓可以采用各種形式。特別地，所述脊可以延伸至尖 頭主體的遠端，或者可以在遠端之前終止。而且，在一種優(yōu)選的形式中，所述脊延伸至遠端， 但是，在另一種形式中，所述脊的至少一部分可在遠端之前終止。各個脊可以是連續(xù)的，或 者可選地，一些脊或者全部脊可以由共同形成軸向延伸脊的多個對齊的較短長度形成。進 一步，各個脊可僅沿尖頭軸線方向延伸，或者可選地，可沿軸向和徑向兩個方向延伸至該軸 線，使得這些脊在尖頭主體的壁上形成部分螺旋。 在一種形式中，至少一些相鄰的中間區(qū)域相互傾斜。在這種布置中，設(shè)置在那些相 互傾斜的中間區(qū)域的各個中間區(qū)域之間的所述脊形成所述尖頭主體的邊緣。在另一種形式 中，相鄰的中間區(qū)域可對齊，使得脊有效地形成那些對齊的相鄰中間區(qū)域的平面中的中斷 部。 在一種形式中，中間區(qū)域可用作尖頭的切削表面。在該布置中，中間區(qū)域的至少一 個可在該區(qū)域的至少一部分上為基本平的。但是，中間區(qū)域可以不是平的，且可至少在其長 度的一部分上具有弓形輪廓。在該布置中，各個脊具有的曲率半徑基本小于所述弓形中間 區(qū)域的相應(yīng)的曲率半徑。包括弓形部分的中間區(qū)域可以凸起、凹入，或者可以是包括平坦、 凸起或凹入部分的任意組合的更為復(fù)雜的形狀。
在一種形式中，尖頭主體包括至少三個脊。 在一種特別形式中，切削尖頭主體具有多邊形的近端。進一步，在一種特別形式 中，脊從遠端的拐角延伸，從而脊的數(shù)量與多邊形的邊數(shù)相同。 切削尖頭的尺寸可根據(jù)工具使用的尖頭而變化。在一種形式中，所述脊典型地具 有在O. lmm至20mm的范圍內(nèi)的曲率半徑。進一步，尖頭主體的壁或所述脊以30度到170 度的螺旋角朝向近端向外擴張。在一種形式中，這種角度使得在使用時切削尖頭在沖擊時 形成負的前角。會導(dǎo)致負前角的尖頭主體的螺旋角是切削工具接觸材料表面所在處的攻角 的函數(shù)。但是，典型地在IOO度到140度之間的螺旋角可足以產(chǎn)生負的前角。負的前角的 優(yōu)點在于它能夠增加施加到材料的擠壓應(yīng)力，由此促進破裂。
在一種形式中，遠端具有O. 2mm至5mm之間的尖頭半徑。 典型地，切削尖頭被布置成安裝在切削工具鉆頭上。在一種形式中，聯(lián)接部被設(shè)置 在尖頭主體的近端以允許這種安裝。在一種形式中，聯(lián)接部為凸出部的形式，該凸出部被布 置為被承接在工具鉆頭中的對應(yīng)的凹進部中。在一種可替換布置中，聯(lián)接部為凹進部的形 式，工具鉆頭包括對應(yīng)的凸出部。典型地，切削尖頭通過焊接等任意合適的方法或通過機械 固定裝置被牢固地安裝到工具鉆頭。 尖頭由硬的材料制成，例如燒結(jié)碳化鎢。但是其他硬的材料，例如金剛石、多晶金 剛石(PCD)、立方體天然氮化物(CBN)和多晶立方體天然氮化物(PCBN)也可以用作尖頭材 料，且能夠為本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解。 按照另一方面，本發(fā)明致力于一種切削工具，其包括尖頭主體和設(shè)置在該尖頭主 體的引導(dǎo)端處的根據(jù)上述任意形式的切削尖頭。在一種特別形式中，采用允許切削工具繞 延伸通過切削尖頭的切削軸線旋轉(zhuǎn)的方式，切削工具被布置為安裝到工具夾持設(shè)備中。
根據(jù)上述形式的切削尖頭的優(yōu)點在于，它可被安裝在先前被設(shè)計為使用具有圓錐形尖頭的點侵式鎬的傳統(tǒng)的挖掘機上。


在下文中參照附圖方便地描述本發(fā)明的各實施例。可以理解的是，附圖和相關(guān)描
述的特殊性不應(yīng)被理解為代替本發(fā)明先前廣泛描述的通用性。
在附圖中 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的切削工具的示意圖；
圖2是圖1的工具的切削尖頭的側(cè)視圖；
圖3是圖2的尖頭的俯視平面圖；
圖4是圖2的尖頭的仰視平面圖； 圖5是根據(jù)本發(fā)明的切削工具的第二實施例的示意圖； 圖6是圖1的切削工具在沖擊材料表面時的位置的示意圖；以及 圖7是受圖2的切削尖頭沖擊的易碎材料的破裂行為的示意表示圖。
具體實施例方式
圖1顯示用于機械挖掘機的切削工具50 (還通稱為切削鎬)。該切削工具50包括 兩個主要部件，即切削鉆頭51和硬的插入物，該硬的插入物還通稱為切削尖頭10且被設(shè)置 在切削鉆頭51的前端52。該切削尖頭50被緊固地安裝到切削鉆頭51的前端52，以使該切 削尖頭能夠承受在使用時沖擊在切削鎬上的強烈的力。切削尖頭可以被銅焊到切削鉆頭， 且還可以包括凸出部或凹進部，該凸出部或凹進部被承接在切削鉆頭中的互補形狀的凹進 部或凸出部中。也可以使用其他固定或安裝裝置，包括可松脫的機械固定裝置，這些裝置都 在本公開的范圍內(nèi)。 切削鎬50包括中心軸線CL，且關(guān)于該軸線大致對稱。在使用時，切削鎬50被安裝 到鎬夾持設(shè)備，以能夠是繞軸線CL可旋轉(zhuǎn)的，這實現(xiàn)切削尖頭10的較均勻磨損。
切削鉆頭51包括擴大頭部和圓柱形柄54，其中切削尖頭被安裝在擴大頭部上，圓 柱形柄從鉆頭頭部53的近端55向后延伸。采用防止鎬50軸向移動但允許其圍繞鎬軸線 CL旋轉(zhuǎn)的方式，該傳統(tǒng)形式的柄54被安裝到挖掘機的鎬夾持設(shè)備上。 在使用時，多個鎬50典型地被安裝在相應(yīng)的鎬夾持設(shè)備中，該鎬夾持設(shè)備被安裝 在挖掘機的可旋轉(zhuǎn)鼓輪上。鎬50從鼓輪向外延伸，且當鼓輪旋轉(zhuǎn)時該鎬沿切削方向在巖石 表面上移動。采用這種方法，所述鎬以一定角度(普遍稱為攻角(attack angle))沖擊巖 石表面，且切削鎬在沖擊巖石材料時的典型方位示意性地示于圖6中。參照圖6，攻角a小 于90度，且典型地為55度左右，前角(rake angle) P是螺旋角(pitch angle) o和攻角 a的函數(shù)。在所示形式中，當切削尖頭的螺旋角o很大時，前角|3為負(也就是說，前角 延伸超過巖石表面的法線)。盡管負的前角對于本發(fā)明不是必要的，但當考慮改進鎬的切削 作用的有效性時負的前角是有利的。 圖2至圖4更詳細地顯示切削尖頭10的幾何形狀。大體上，切削尖頭10包括尖 頭主體ll，尖頭主體11具有尖形的遠端12和較寬的近端13。尖形的遠端12位于切削尖 頭的中心軸線CL上，該切削尖頭的中心軸線CL在使用時與如圖1所示的尖頭切削鎬的中 心線CL重合。在一種形式中，遠端12為大致半球狀，且具有0. 2mm到5mm左右的尖頭半徑
切削尖頭10進一步包括壁14，該壁從遠端12至近端13向外擴張。與在受切削尖 頭沖擊的材料中引起均勻應(yīng)力分布的現(xiàn)有點侵式鎬不同，該壁的輪廓特別地被設(shè)計為產(chǎn)生 非均勻的應(yīng)力分布，該非均勻的應(yīng)力分布在受沖擊的材料中促使徑向破裂。如圖2所示的 示例形式，切削尖頭的壁14的輪廓被設(shè)計為包括從近端向遠端延伸的多個軸向延伸脊15 和位于這些脊之間的多個中間區(qū)域16。最佳如圖3和圖4所示，切削尖頭10的近端13為 近似正方形(具有或者不具有倒圓拐角)，且脊15從正方形端部的拐角向尖形的遠端12延 伸。這樣，該切削尖頭包括四個脊15和四個中間區(qū)域16，并具有稍微類似于正方形金字塔 的尖頭幾何形狀。脊的輪廓可以根據(jù)其被限定的尖銳程度而變化，但是典型地具有O. lmm 至20mm的范圍內(nèi)的曲率半徑r2。采用這種設(shè)置，中間區(qū)域16形成尖頭主體14的離散表面。 這些表面相互傾斜，并且脊15形成相鄰表面之間的拐角。而且，盡管這些中間區(qū)域為大致 平的，但這些中間區(qū)域也可以不是平坦的而是弓形的，且從近端13向遠端尖頭彎曲，如圖2 的輪廓中的最佳示例。 中間區(qū)域16的彎曲量影響如圖6所示的切削鎬的合成的前角。在圖示形式中，中 間區(qū)域被彎曲為在遠端提供120度到140度左右的螺旋角o 。這為尖頭幾何形狀提供堅固 的頂點。但是，切削尖頭的幾何形狀可以使得螺旋角o比這個范圍寬地變化，且典型的可 在30度到170度之間變化。同樣地，切削尖頭的螺旋角可以沿中間區(qū)域朝向近端變化。在 圖示形式中，中間區(qū)域在接近尖頭主體的近端具有第二螺旋角，該第二螺旋角比遠端處的 螺旋角小，以為切削尖頭提供緩沖并由此使得切削期間的磨損最小化。
盡管中間區(qū)域在圖示實施例中被示出為隨其朝向遠端彎曲而大致凸起，但在可替 換實施例中，這些區(qū)域可以向內(nèi)彎曲以在該方位凹入。進一步，這些凹入?yún)^(qū)域可延伸遍及各 個區(qū)域的寬度或可僅應(yīng)用到該區(qū)域的一部分(典型地為中間部分)。 而且，所述脊可被布置為遵循中間區(qū)域的輪廓，且在圖示實施例中，脊15隨其朝 向遠端12彎曲而遵循中間區(qū)域16凸起的方位。但是，通過沿脊的長度改變脊的高度，所述 脊可相對于中間區(qū)域具有不同的方位，且相應(yīng)地可以直線延伸，可以凸起或凹入，而與中間 區(qū)域的構(gòu)造(即，這些區(qū)域是否平坦、凸起或凹入)無關(guān)。采用這種方法，提供了更多機會 來優(yōu)化切削尖頭的幾何形狀，該幾何形狀與增強其破裂能力、具有有效的切削表面和良好 的磨損性能有關(guān)。 在圖示形式中，切削尖頭10進一步包括聯(lián)接部17，該聯(lián)接部從尖頭主體11的近端 13向外延伸(圖2)。在圖示形式中，聯(lián)接部為短粗柄的形式，其為圓柱形且被布置為位于 工具鉆頭主體51的引導(dǎo)端52中的對應(yīng)的凹進部內(nèi)。可以理解的是，聯(lián)接部的構(gòu)造可以采 用如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的其他形式。 在使用包含脊15的尖頭幾何形狀時，受沖擊的材料上的應(yīng)力分布是非均勻的，更 具體而言，所述脊被布置為比中間區(qū)域在受沖擊材料中引起更高的應(yīng)力集中。該更高的應(yīng) 力集中接著在該材料中促進徑向破裂，而不是促進隨傳統(tǒng)圓錐形尖頭發(fā)生的占主導(dǎo)的圓形 破裂。增強的徑向破裂的示例示于圖7中，其中具有圖2的尖頭幾何形狀的尖頭沖擊到脆 性材料100上，從而引起限定的徑向裂縫101。引起不同破裂行為的優(yōu)點促進了材料的較大 碎片的移除，并且還由于減少了圓形破裂而使灰塵減少。進一步，如圖2所示的尖頭幾何形 狀比傳統(tǒng)的圓錐形尖頭壓碎較少的材料，且進一步導(dǎo)致能量消耗減少、噪音減少以及鎬尖
7頭磨損減少。 盡管圖1至圖4中所示的尖頭幾何形狀具有大致正方形基部，但也可以提供具有 如上所述的有利破裂行為的其他尖頭幾何形狀。例如，圖5圖示一種變形，其中切削鎬60 包括切削尖頭IO，該切削尖頭具有包括五角形基部的尖頭幾何形狀，由此形成五個脊，而不 是先前實施例中的四個脊。 在所附權(quán)利要求和本發(fā)明之前的描述中，除了上下文中由于明確的語言或必要的 暗示而另外要求以外，詞語"包括(comprise)"或其變化形式，例如"包括(comprises)"或 "包括(comprising)"，被以開放式包括的含義使用，也就是說，用于明確說明存在所述特 征，但不排除在本發(fā)明的各實施例中存在或增加進一步的特征。 在不背離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可以對前述部件作出各種變化和/或修 改。
權(quán)利要求
一種用于機械挖掘機的切削尖頭，包括尖頭主體，該尖頭主體具有大致尖形的遠端、與所述遠端分隔開的近端和從所述遠端朝向所述近端向外擴張的壁，所述壁的輪廓被設(shè)計為在受所述切削尖頭沖擊的材料上引起非均勻的應(yīng)力分布以在該材料中促進徑向破裂。
2. 如權(quán)利要求1所述的切削尖頭，其中所述切削尖頭具有尖頭軸線，并且所述遠端和所述近端沿該軸線分隔，并且，其中所述壁的輪廓被設(shè)計為包括多個軸向延伸脊和位于所述脊之間的中間區(qū)域，其中所述脊被布置為比所述中間區(qū)域在所述受沖擊材料上引起更高的應(yīng)力集中。
3. 如權(quán)利要求2所述的切削尖頭，其中所述脊延伸至所述尖頭主體的所述遠端。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的切削尖頭，其中至少一些相鄰的中間區(qū)域相互傾斜，并且設(shè)置在那些相互傾斜的中間區(qū)域的各個中間區(qū)域之間的所述脊形成所述尖頭主體的邊緣。
5. 如權(quán)利要求2至4中任一項所述的切削尖頭，其中所述中間區(qū)域的至少一個在該區(qū)域的至少一部分上為基本平的。
6. 如權(quán)利要求2至5中任一項所述的切削尖頭，其中所述中間區(qū)域的至少一個為弓形，并且所述脊各自具有的曲率半徑基本小于所述弓形中間區(qū)域或各個弓形中間區(qū)域的相應(yīng)的曲率半徑。
7. 如權(quán)利要求2至6中任一項所述的切削尖頭，其中所述脊具有的曲率半徑在0. lmm至20mm的范圍內(nèi)。
8. 如權(quán)利要求6或7中所述的切削尖頭，其中所述中間區(qū)域的所述至少一個在該區(qū)域的至少一部分上是凸起的。
9. 如權(quán)利要求6至8中任一項所述的切削尖頭，其中所述中間區(qū)域的至少一個在該區(qū)域的至少一部分上是凹入的。
10. 如權(quán)利要求2至9中任一項所述的切削尖頭，其中所述尖頭主體包括至少三個脊。
11. 如權(quán)利要求2至10中任一項所述的切削尖頭，其中所述尖頭主體的所述近端為多邊形，并且所述脊從所述近端的拐角延伸。
12. 如前述任一項權(quán)利要求所述的切削尖頭，其中所述尖頭主體的所述壁朝向所述近端向外擴張，且在所述遠端具有30度至170度之間的螺旋角。
13. 如前述任一項權(quán)利要求所述的切削尖頭，其中所述遠端具有O. 2mm至5mm之間的尖頭半徑。
14. 如前述任一項權(quán)利要求所述的切削尖頭，進一步包括尖頭軸線，所述切削尖頭在使用時繞該尖頭軸線旋轉(zhuǎn)。
15. 如權(quán)利要求14所述的切削尖頭，其中所述遠端位于所述尖頭軸線上。
16. 如前述任一項權(quán)利要求所述的切削尖頭，進一步包括聯(lián)接部，其被設(shè)置在所述尖頭主體的所述近端處且被布置為將所述切削尖頭安裝到切削工具鉆頭中。
17. 如權(quán)利要求16所述的切削尖頭，其中所述聯(lián)接部為凸出部的形式，該凸出部被布置為被承接在所述工具鉆頭中的對應(yīng)的凹進部中。
18. 如權(quán)利要求16所述的切削尖頭，其中所述聯(lián)接部為凹進部的形式，該凹進部被布置為被承接在所述工具鉆頭中的對應(yīng)的凸出部中。
19. 一種切削工具，包括具有引導(dǎo)端的鉆頭主體，以及設(shè)置在所述引導(dǎo)端處的根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的切削尖頭。
20. 如權(quán)利要求18所述的切削工具，其中所述切削尖頭被安裝到所述鉆頭主體，并由比所述鉆頭主體硬的材料形成。
21. 如權(quán)利要求18或19所述的切削工具，其中所述切削工具能夠繞工具軸線旋轉(zhuǎn)。
22. 如權(quán)利要求20所述的切削工具，其中所述工具軸線延伸穿過所述切削尖頭的所述遠端。
23. —種基本上如在本文中參考附圖所描述的切削尖頭。
24. —種基本上如在本文中參考附圖所描述的切削工具。
全文摘要
一種用于機械挖掘機的切削尖頭(10)，包括尖頭主體(11)，該尖頭主體具有大致尖形的遠端(12)、與所述遠端分隔開的近端(13)和從所述遠端朝向所述近端向外擴張的壁(14)。所述壁(14)的輪廓被設(shè)計為在受所述切削尖頭沖擊的材料上引起非均勻的應(yīng)力分布以在該材料中促進徑向破裂。在一種形式中，所述壁(14)的輪廓被設(shè)計為包括多個脊(15)和中間區(qū)域(16)，所述脊(15)被布置為比所述中間區(qū)域(16)在所述受沖擊的材料上引起更高的應(yīng)力集中。
文檔編號E21C35/18GK101790621SQ200880104880
公開日2010年7月28日 申請日期2008年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月2日
發(fā)明者章亮熾, 約瑟夫·亞歷山大·阿塞丘拉拉特納 申請人:悉尼大學(xué)