用于隧道鉆掘機的切削頭工具的制作方法
【專利摘要】用于隧道鉆掘機(TBM)(50)的切割工具(52)包括工具體(150)和多個切削元件鑲塊(155)。工具體(150)具有多個牙槽腔(157)。工具體坯(240)可被熱處理以增加工具體坯(240)的硬度。牙槽腔(157)可在工具體坯(240)被熱處理后加工在工具體坯(240)中。切削元件鑲塊(155)安裝到工具體(150)。切削元件鑲塊(155)分別壓配合在牙槽腔(157)中。切割工具(52)能夠可樞轉地安裝到TBM(50)的切削頭(60)。
【專利說明】用于隧道鉆掘機的切削頭工具

【技術領域】
[0001]本發(fā)明整體涉及用于機器的切削頭工具，更具體地涉及用于隧道鉆掘機的切削頭工具，例如切割(ripper)工具。

【背景技術】
[0002]隧道鉆掘機(TBM)被設計用于不同的地質條件。典型地，TBM裝配有多個切削頭工具，例如像用于較軟巖石條件的切割工具。切割工具經受磨粒磨損以及沖擊加載。切割工具被認為是磨損部件，其可在給定隧道的挖掘過程中反復更換。更換這些切割工具昂貴且耗時。因此，具有出眾磨損壽命的切割工具在工業(yè)上具有高度價值。
[0003]傳統(tǒng)的切割工具通過將硬質合金鑲塊經釬焊附接到鋼柄上來制造。已經觀察到釬焊過程使柄材料軟化，使其更容易受到磨料磨損和其他失效。操作中，這種軟化的鋼傾向于在切削操作過程中通過磨料作用變得“被洗掉”，使得硬質合金鑲塊的柄露出。材料的損失使得鑲塊在鑲塊本身完全磨損之前斷裂，由此使得本來仍具有剩余切削壽命的切割工具必須過早更換。
[0004]美國專利N0.6339868題為“Cutting Tool and Shrink Fitting Method for theSame”?！?868專利涉及包括工具保持部分和工具的切削工具。工具被構造成插入工具保持部分的孔中。工具包括工具主體、引導部分和肩部部分。工具主體具有大于工具保持部分不被加熱時孔的內徑的外徑。引導部分同軸連接到工具主體并被構造成相對于工具保持部分基本同軸地定位工具。引導部分具有小于孔的內徑的引導外徑，使得引導部分能夠插入孔。肩部部分形成在工具主體和引導部分之間以就坐在孔周圍的表面上，從而在引導部分插入孔中時支承工具。
[0005]’868專利還涉及切削工具冷縮配合方法，其包括將同軸連接到工具的工具主體的引導部分插入形成在工具保持部分中的孔中，以基本上相對于工具保持部分同軸地支承和定位工具，使得連接工具主體和引導部分的肩部部分就坐在工具保持部分的孔周圍的表面上。加熱工具保持部分，使得工具的工具主體能夠插入孔。冷卻工具保持部分。
[0006]應該認識到，發(fā)明人進行這種背景描述來幫助讀者，不應將其當作表明任何所指出的問題本身在本領域中有所認識。雖然描述的原理能夠在一些方面和實施方式中消除其他系統(tǒng)中固有的問題，應當認識到，受保護的創(chuàng)新的范圍通過權利要求書限定，而不是通過任何公開的特征解決這里表述的任何具體問題的能力限定。


【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明涉及提供用于機器的切削頭工具，例如用于隧道鉆掘機的切割工具。在一種實施方式中，用于隧道鉆掘機的切割工具包括工具體和多個切削元件鑲塊。工具體具有多個牙槽腔。切削元件鑲塊安裝到工具體。切削元件鑲塊分別壓配合在牙槽腔中。
[0008]在其他實施方式中，一種機器包括筒形外殼和可轉動地安裝在筒形外殼的遠端的切削頭。切削頭包括安裝到它的切割工具。切割工具具有工具體和多個切削元件鑲塊。工具體具有多個牙槽腔。切削元件鑲塊安裝到工具體。切削元件鑲塊分別壓配合在牙槽腔中。
[0009]在其他實施方式中，描述用于制造用于隧道鉆掘機的切削頭工具的方法。對工具體坯進行熱處理以增加工具體坯的硬度。在工具體坯中以預定孔圖案加工多個牙槽腔以形成工具體。將對應數量的切削元件鑲塊壓配合到工具體中的牙槽腔中。
[0010]本發(fā)明的其他和替代方面和特征將從下面的詳細說明和附圖中認識。如將認識的，這里公開的切割工具、機器和用于制造切削頭工具的方法能夠在其他和不同的實施方式中執(zhí)行，并且能夠在多個方面修改。因此，應當理解，前面的總體描述和下面的詳細描述都僅是示例性和解釋性的，并不限制權利要求的范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是具有根據本發(fā)明的原理構造的一種實施方式的切割工具的機器的一種實施方式的透視圖；
[0012]圖2是圖1的機器的切削頭端正視圖；
[0013]圖3是沿著圖1的機器的圖2的線3-3截取的縱向截面圖；
[0014]圖4是適合用于圖1的機器的根據本發(fā)明的原理構造的切割工具組件的一種實施方式的透視圖；
[0015]圖5是圖4的切割工具組件的沖刷面正視圖；
[0016]圖6是沿著圖5中的線6-6截取的圖4的切割工具組件的橫截面視圖；
[0017]圖7是如圖5的圖4的切割工具組件的視圖，但殼體的板被去除以示出從如圖5的中間位置轉動到接合位置的切割工具；
[0018]圖8是適合用于根據本發(fā)明的原理構造的切割工具的工具體坯的一種實施方式的透視圖；
[0019]圖9是圖8的工具體坯的切割側正視圖；
[0020]圖10是沿著圖9中的線10-10截取的圖8的工具體坯的橫截面視圖；
[0021]圖11是適合用于根據本發(fā)明的原理構造的切割工具的工具體的一種實施方式的沖刷面正視圖，該工具體由圖8的工具體坯制成；
[0022]圖12是圖11的工具體的切割側正視圖；
[0023]圖13是圖11的工具體的俯視平面圖；
[0024]圖14是沿著圖12中的線14-14截取的圖11的工具體的橫截面詳細視圖；
[0025]圖15是適合用于根據本發(fā)明的原理構造的切割工具的硬質合金切削元件鑲塊的第一實施方式的正視圖；
[0026]圖16是圖15的硬質合金切削元件鑲塊的俯視圖；
[0027]圖17是適合用于根據本發(fā)明的原理構造的切割工具的硬質合金切削元件鑲塊的第二實施方式的正視圖；
[0028]圖18是圖17的硬質合金切削元件鑲塊的俯視平面圖；
[0029]圖19是根據本發(fā)明的原理構造的切割工具的一種實施方式的透視圖；
[0030]圖20是圖19的切割工具的部分剖切的沖刷面正視圖；
[0031]圖21是圖19的切割工具的切割側正視圖；
[0032]圖22是示出用于制造根據本發(fā)明的原理的切割工具的方法的一種實施方式的過程的流程圖。

【具體實施方式】
[0033]這里描述切割工具、機器和用于制造用于隧道鉆掘機的切削頭工具的方法的實施方式。在實施方式中，用于隧道鉆掘機的切割工具包括工具體和安裝到工具體的多個切削元件鑲塊。工具體具有多個牙槽腔。每個切削元件鑲塊被壓配合在相應的牙槽腔中。
[0034]工具體材料可以是合適的硬且抗斷裂鋼，例如授予McVicker等人的題為“Hardness, Strength, and Fracture Toughness Steel” 的美國專利 N0.5900077 中描述的鋼。工具體可經受熱處理操作，使得工具體的硬度為至少約45HRC，在一些實施方式中在大約50HRC和大約60HRC之間?？梢栽诠ぞ唧w中加工出埋頭孔以限定牙槽腔。用于切削元件鑲塊的埋頭孔可被鉆和鉸成精確尺寸，使得每個埋頭孔的內部尺寸處于嚴密公差內。在實施方式中，牙槽腔可在工具體坯被熱處理后加工。
[0035]切削元件鑲塊可以通過略微干涉配合被壓配合到這些鉆出的孔中。每個切削元件鑲塊可根據緊密公差被磨削，使得其外側尺寸被構造成確保與其要壓入的牙槽強具有一致的壓配合。為了增加切割工具的磨損壽命，切割工具的組裝可不使用釬焊操作來完成，由此避免會由釬焊造成的有害影響，例如軟化工具體。
[0036]現(xiàn)在參考附圖，圖1-3示出了隧道鉆掘機(TBM) 50形式的機器的一種示例性實施方式。TBM 50包括根據本發(fā)明的原理構造的切割工具52形式的切削頭工具的一種實施方式。應當理解，在其他實施方式中，許多其他類型的機器可包括根據本發(fā)明的原理構造的切削頭工具。在又一些其他實施方式中，TBM 50可具有不同構造并可包括其他和不同的部件。
[0037]TBM 50可用于建造隧道54(圖3)，例如經過多種巖層。TBM50及其操作人員可同時執(zhí)行若干工作，以建造隧道54，包括鉆土以形成隧道54、去除在鉆孔操作中挖掘的尾料、用混凝土隧道襯砌管片56襯砌隧道54(圖3)以及在隧道54中安裝例如新鮮空氣導管、電力和水供應裝置等的公共設備。
[0038]參考圖1，TBM 50包括筒形外殼58和可轉動地安裝在筒形外殼58的遠端62處的切削頭60。TBM 50的鉆孔功能通過設置在TBM 50的外殼58的向前遠端62處的轉動切削頭60執(zhí)行。切削頭60能夠圍繞大體與隧道54的幾何形狀同軸的縱向軸線“LA”相對于外殼58轉動。
[0039]筒形外殼58可包括大金屬筒形式的一個或多個盾構管片63、64、65。筒形外殼58可用作在TBM 50內的隧道襯砌管片56尚未就位的區(qū)域內支承隧道54的盾構。
[0040]參考圖2，TBM 50的所示切削頭60包括從切削頭60的面68的中心67徑向延伸并圍繞面68的周邊70延伸的多個刀具66。切削頭60的所示刀具66包括多個根據本發(fā)明的原理構造的切割工具52，其可樞轉地安裝到切削頭60的面68。切削頭60還包括與進氣口 78相鄰設置的多個刮具76和中心定位的魚板刀具80。進氣口 78被構造成提供合適的開口，使得切削頭60從前進的隧道面82(圖3)切下的沙、礫石、巖石碎片等可被吸收并堆積在切削頭60的面68后面的混合室85 (圖)中。
[0041]在實施方式中，切削頭60可以是混合面切削頭，其包括不同類型的刀具66，包括例如可轉動地安裝到面68的切割工具、刮具、鍬、魚板刀具和雙盤刀具等。在又一些實施方式中，切削頭60可具有適合其預期目的的其他構造。
[0042]參考圖3，切削頭60可轉動地設置在筒形外殼58的向前遠端62處。切削頭60通過設置在筒形外殼58中的驅動系統(tǒng)95轉動。切削頭60圍繞縱向軸線“LA”轉動以將隧道面82處的土質材料切穿和變松，并將釋放的材料移動到混合室85。
[0043]轉動的切削頭60逐漸將隧道面82處的位于TBM 50的路徑中的材料去除。隨著隧道面82被挖掘和碎片被去除，隧道54的長度增加。TBM 50適于使切削頭60前進以保持切削頭60與隧道面82接合。
[0044]混合室85形成在切削頭60的面68和與筒形外殼58的遠端62相鄰設置的堵塞物97之間。由切削頭60的刀具66挖掘的尾料通過進氣口 78被引入混合室85中。尾料可在混合室85中用制定成形成漿(有時稱為“泥”)的調節(jié)劑(例如泡沫)處理?；旌鲜?5可允許用泥填充以維持切削頭60的面68處的壓力并允許泥用作支承介質。
[0045]設置運土螺旋輸送機100以將混合室85中的泥輸送到TBM 50的后部部分102。螺旋輸送機100可被構造成將泥堆積在帶式輸送機104上，帶式輸送機將泥輸送到泥/供應軌道系統(tǒng)106的軌道車，使得軌道車能夠加載泥并被送出隧道54以處理泥。泥/供應軌道系統(tǒng)106也可用來在隧道建造期間將隧道襯砌管片56和其他供應到隧道54中。
[0046]可設置可動的管片安裝機110以將隧道襯砌管片56選擇性地組裝就位以襯砌隧道54。管片安裝機110能夠沿著TBM 50的縱向軸線“LA”往復運動，以允許管片安裝機110的安裝機臂112從管片車114抓起一個隧道襯砌管片56并將其放置在隧道襯砌118的遠端116處。
[0047]安裝機臂112能夠圍繞平行于縱向軸線“LA”的軸線轉動以允許安裝機臂112將隧道襯砌管片56放置在選擇的徑向位置，使得隧道襯砌管片56能夠圍繞隧道54周向放置在襯砌環(huán)管片120中，以完全襯砌隧道54。一旦最前面的襯砌環(huán)管片120完成，TBM 50可沿著縱向軸線“LA”前進以允許切削頭60繼續(xù)挖掘以推進隧道54的長度，并且允許管片安裝機110組裝另一襯砌環(huán)管片120。
[0048]切削頭60前進，刀具66通常在來自液壓缸系統(tǒng)125的動力下被推抵隧道面82。液壓缸系統(tǒng)125可與支撐構件一起部署，支撐構件被徑向向外推抵隧道54的側面以向著隧道面82引導刀具66的力。液壓缸系統(tǒng)125可包括設置成不斷使切削頭60相對于TBM 50的筒形外殼58前進的推進缸127，筒形外殼58可通過徑向接合隧道54的支撐構件相對于隧道54保持就位。液壓缸系統(tǒng)125可包括關節(jié)缸129，其被設置成使切削頭60相對于TBM50的縱向軸線“LA”選擇性關節(jié)運動，以允許TBM 50在隧道中鉆出曲線。
[0049]參考圖4-7，顯示了根據本發(fā)明的原理構造的切割工具組件135的一種實施方式。切割工具組件135可包括可樞轉地安裝到切割殼體140的切割工具52。在其他實施方式中，切割工具組件135可包括可樞轉地安裝到適配器箱的切割工具52。切割工具組件135可安裝到切削頭60的面68，使得切割工具52定位成接合轉動的切削頭60前面的隧道面82。
[0050]參考圖4，用于TBM 50的切割工具52包括工具體150和多個切削元件鑲塊155。工具體150具有多個牙槽腔157。切削元件鑲塊155安裝到工具體150。切削元件鑲塊155分別壓配合在工具體150的牙槽腔157中。
[0051]參考圖4和圖5，工具體150包括穿透端表面160、一對切割側表面162、163、一對斜表面165、166和一對沖刷面表面168、169。穿透端表面160設置在工具體150的遠端172處。切割側表面162、163彼此呈間隔關系并設置在工具體150的相應側面174、175。斜表面165、166分別設置在穿透端表面160和切割側表面162、163之間。工具體150的側面174、175各自包括肩部177、178。沖刷面表面168、169彼此呈間隔關閉并分別設置在工具體的前面180和后面181處。沖刷面表面168、169在切割側表面162、163之間延伸。
[0052]在所示的工具體150中，后面181基本與前面180相同。工具體150的側面174、175也基本相同。在其他實施方式中，側面174、175可彼此不同。在其他實施方式中，前面180和后面181可彼此不同。
[0053]至少一個切削元件鑲塊155可包括設置在牙槽腔157的第一種牙槽186中的第一種刀具185。至少一個切削元件鑲塊155可包括設置在牙槽腔157的第二種牙槽189中的第二種刀具188。第一種牙槽186的至少一個牙槽腔157可限定在至少一個切割側表面162、163中并具有壓配合在其中的第一種刀具185。第一種牙槽186的至少一個牙槽腔157可限定在至少一個沖刷面表面168、169中并具有壓配合在其中的第一種刀具185。第二種牙槽189的至少一個牙槽腔157可限定在穿透端表面160中并具有壓配合在其中的切削元件鑲塊155的第二種刀具188 (也見圖6)。第二種牙槽189的至少一個牙槽腔157可限定在至少一個斜表面165、166中并具有壓配合在其中的第二種刀具188。
[0054]在所示實施方式中，第一種牙槽186的牙槽腔157設置在兩個切割側表面162、163和兩個沖刷面表面168、169中并被構造成接收切削元件鑲塊155的第一種刀具185。第二種牙槽189的牙槽腔157設置在兩個斜表面165、166中并被構造成接收切削元件鑲塊155的第二種刀具188。第二種牙槽189的牙槽腔157設置在穿透端表面160上并被構造成接收切削元件鑲塊155的第二種刀具188。
[0055]切割殼體140包括基板192、一對側板194和195、前板197和后板198，它們在其中限定接收切割工具52的腔199。切割殼體140可適于固定到切削頭60的面68，使得切割工具52從面68突出并能夠相對其樞轉。工具體150的肩部177、178適于分別接合側板194,195,以限制工具體150轉動的行程范圍。
[0056]參考圖5，切割工具52被顯示處于相對于切割殼體140的中間位置。在該中間位置，工具體150的肩部177、178分別與切割殼體140的側板194、195脫離接合。
[0057]參考圖6，傳感器裝置205可設置在工具體150中的通孔207內。傳感器裝置205可適于向控制器提供電信號并在傳感器裝置205基于例如其操作壽命和/或磨損檢測到切割工具52應當更換時給操作者信號，控制器具有適于向TBM 50的操作者指示特定切割工具52的預期剩余壽命的量的視覺顯示裝置。基板192可包括經過其的開口 210以便于傳感器裝置205到控制模塊的可操作連接。
[0058]參考圖6和圖7，工具體150包括一體的樞轉凸臺215。樞轉凸臺215與工具體150的近端217相鄰設置，近端217與遠端172是相對關系。樞轉凸臺215被構造成使得其通過切割工具52的切削元件鑲塊155從切割殼體140突出而由切割殼體140可樞轉地保持。
[0059]參考圖6，切割殼體140的前板197包括樞轉軸承220，其適于支承工具體150的樞轉凸臺215，使得工具體150能夠圍繞由樞轉凸臺215限定的樞轉軸線“PA”在預定行程范圍上轉動。樞轉軸承220的形狀基本符合樞轉凸臺215的形狀，同時允許樞轉凸臺215相對于樞轉軸承220轉動。切割殼體140還可包括在工具體150和后板198之間設置在腔199內的推靠板224。推靠板224可設置成幫助保持樞轉凸臺215與樞轉軸承220呈接合關系，使得切割工具可轉動地聯(lián)接到切割殼體140。
[0060]參考圖7，切割工具52的工具體150和切割殼體140之間的可樞轉連接允許切割工具52以雙向方式來回搖擺。工具體150可圍繞樞轉凸臺215限定的樞轉軸線“PA”在樞轉角“ Θ ”限定的行程范圍上轉動。樞轉角“ Θ ”可在多個實施方式中改變以符合預期應用的切削要求。在所示實施方式中，樞轉角“ Θ ”為大約20度。
[0061]TBM 50挖掘過程涉及驅動切削頭60使得切割工具52利用在基本垂直于隧道面82的方向上的推力“T”接合隧道面82并平行于隧道面82施加轉動力“R”以剪切隧道面82，并且圍繞縱向軸線“LA”在分離切割工具與切削頭60的中心67的徑向距離限定的圓周上轉動切割。切削頭轉矩引起切割工具52的切削元件鑲塊155被拉動經過地面以挖掘材料。切割工具52可圍繞樞轉凸臺215限定的樞轉軸線“PA”在與切削頭60的轉動方向“R”相反的方向上樞轉，直到工具體150的肩部177接合切割殼體140的相鄰側板194。每個肩部177、178可被構造成接合切割殼體140的相應相鄰側板194、195的頂邊緣230以將工具體150置于與切割殼體140接合。切割工具52與隧道面82的接合可將切削元件鑲塊155加載于壓縮，這可幫助切削元件鑲塊155保持就坐在相應的牙槽腔157中。
[0062]參考圖8-10，顯示出適合用于根據本發(fā)明的原理構造的切割工具52的工具體坯240的一種實施方式。工具體坯240可由一件鍛件構造，使其包括一體的樞轉凸臺215。工具體坯240可由任何合適的材料制成，例如合適的鋼或其他金屬。在實施方式中，工具體坯240可由具有或者可被處理成具有至少約35HRC硬度的任何合適的材料制成。
[0063]在實施方式中，工具體坯240由如美國專利N0.5900077中描述的鋼制成，該專利整體通過引用結合在此。在實施方式中，工具體還240可由Caterpillar公司市售的如“韌性鋼”的材料構造。
[0064]在實施方式中，工具體坯240由鋼制成，使得工具體坯240具有重量百分比的以下成分，包括從0.20到0.45的碳、從0.4到1.5的鎂、從0.5到2.0的硅、從0.01到2.0的鉻、從0.15到1.2的鑰、從0.01到0.40的釩、從0.01到0.25的鈦、從0.005到0.05的鋁、從0.0001到0.010的硼、小于0.002的氧、從0.005到約0.017的氮，余量基本為鐵。在實施方式中，工具體坯240可以不含任何有害的氮化鋁，并在淬火和回火后具有完全馬氏體顯微結構和受控分布的間隔的微米級氮化鈦立方體和納米級背景碳氮沉淀物。在實施方式中，工具體坯240可在淬火和回火后具有至少45HRC的硬度和至少150MPa (136ksi)的平面應變斷裂韌性，該硬度在厚度不大于25.4mm(l英寸)的段的中間處測量。在實施方式中，工具體坯240可在淬火和回火后具有至少45HRC的硬度和至少150MPa(136ksi)的平面應變斷裂韌性，該硬度在厚度大于25.4mm(l英寸)的段的表面下方12.7mm(0.5英寸)處測量。
[0065]在實施方式中，工具體坯240可由具有高可硬化性、韌性和耐回火性但含有重量不多于2.0 %的鉻、優(yōu)選在0.01%和0.50%之間的鉻的材料制成。在實施方式中，工具體坯240可由不需要鎳存在以實現(xiàn)希望的可硬化性和韌性屬性的材料制成。在實施方式中，工具體坯240可由含有受控量的氧以獲得微米(μπι)級氮化鈦立方體的最佳間距以獲得高斷裂韌性和/或受控量的鈦和釩以提供小尺度(10-400納米大小)碳氮化物的小尺度分布以改善斷裂韌性的材料制成。
[0066]在實施方式中，工具體坯240可由基本不含鎳和銅的材料制成。但是，應當理解，在實施方式中，工具體坯240可含有少量的鎳和銅，這不是需要的，被認為是偶然的。特別是，在接受的商業(yè)實踐中，高達0.25%的鎳和高達0.35%的銅可作為殘余元素存在。
[0067]工具體坯240可經歷熱處理過程以進一步硬化工具體坯240。在實施方式中，工具體坯240被熱處理，使得工具體150的硬度至少約35HRC。在其他實施方式中，工具體坯240被熱處理，使得工具體150的硬度至少約45HRC。在另一些實施方式中，工具體坯240被熱處理，使得工具體150的硬度至少約50HRC。在又一些實施方式中，工具體坯240被熱處理，使得工具體150的硬度從大約45HRC到大約60HRC。切割工具52的部件的洛氏硬度可例如遵循ASTME18-11的程序測量。
[0068]參考圖11-14，顯示出根據本發(fā)明的原理構造的切割工具52的工具體150。在工具體坯240被熱處理增加其硬度后，可加工工具體坯240以在其中限定牙槽腔157。多個埋頭孔可被鉆和鉸成精確尺寸以限定牙槽腔157的第一種牙槽186和第二種牙槽189，其分別對應于切割工具52中使用的切削元件鑲塊155的第一種刀具185和第二種刀具188。牙槽腔157可以預定方式排列以使切削元件鑲塊155以希望的圖案分布在工具體150上。在實施方式中，相鄰牙槽腔157布置成使得它們設置在距彼此分離距離“D”處(見圖11)。在實施方式中，分離距離“D”可大約等于一個牙槽腔157的內徑的尺寸或更大。
[0069]牙槽腔157的第一種牙槽186可被加工成對應于切削元件鑲塊155的第一種刀具185的柄的形狀。牙槽腔157的第二種牙槽189可被加工成對應于切削元件鑲塊155的第二種刀具188的柄的形狀。每個牙槽腔157可具有略小于配合的切削元件鑲塊155的柄的外徑的內徑。
[0070]在實施方式中，工具體坯240可在穿透端表面160 (見圖8)的一對側邊緣245、246處被磨削以限定分別設置在穿透端表面160和切割側表面162、163之間的所述對的斜表面162U630在一些實施方式中，可以在工具體坯240中加工通孔270(見圖13和14)。通孔207可被構造成在其中接收適于檢測切割工具在使用中受到的磨損量的合適的傳感器裝置。
[0071]參考圖15和16，顯示了切削元件鑲塊155的第一種刀具185。切削元件鑲塊155的第一種刀具185包括筒形桶250形式的柄和設置在遠端254處的毗連的切削部分252。第一種刀具185的筒形桶250包括近端256,近端包括斜表面258以便于切削兀件鑲塊155的第一種刀具185插入第一種牙槽186的一個牙槽腔157中。筒形桶250的剩余部分基本是統(tǒng)一的。
[0072]切削部分252可根據切削元件鑲塊155的希望切削結構具有各種形狀的任何形狀。在所示實施方式中，第一種刀具185的切削部分152是平形狀的筒。在其他實施方式中，切削元件鑲塊155的切削部分252可具有不同形狀，例如錐形、截頭錐形、鑿子形、淚滴形或者彈道形。
[0073]參考圖17和18，顯示出切削元件鑲塊155的第二種刀具188。切削元件鑲塊155的第二種刀具188包括筒形桶270形式的柄和設置在遠端274處的毗連的遠側切削部分272。第二種刀具188的筒形桶270包括近端276，近端包括斜表面278以便于切削元件鑲塊155的第二種刀具188插入第二種牙槽189的一個牙槽腔157中。筒形桶270的剩余部分基本統(tǒng)一。
[0074]切削部分272可根據切削元件鑲塊155的希望切削結構具有各種形狀的任何形狀。在所示實施方式中，第二種刀具188的切削部分272是錐形。在其他實施方式中，切削元件鑲塊155的切削部分272可具有不同形狀，例如截頭錐形、平形、鑿子形、淚滴形或者彈道形。
[0075]切削元件鑲塊155的第一種刀具186和第二種刀具188可包括任何合適的材料，例如碳化鎢。在實施方式中，切削元件鑲塊155可由比工具體150的材料硬的適當硬的材料制成。在實施方式中，切削元件鑲塊155具有至少約60HRC的硬度。在實施方式中，切削元件鑲塊155的平均硬度比工具體150硬大約10HRC到大約25HRC。
[0076]參考圖19-21，顯示出切割工具52，其中切削元件鑲塊155通過壓配合安裝在工具體150的牙槽腔157中。
[0077]參考圖20，切削元件鑲塊155的第一種刀具185的筒形桶250可插入形成在工具體150內的第一種牙槽186的多個牙槽腔157的一個中。切削元件鑲塊155的第一種刀具185的筒形桶250和牙槽腔157的第一種牙槽186可被構造成基本符合彼此。第一種牙槽186具有略小于第一種刀具185的筒形桶250的外徑的直徑，以在兩者之間提供干涉配合。第一種刀具185的筒形桶250和第一種牙槽186的配合牙槽腔157被構造成使得在切削元件鑲塊155的第一種刀具185的筒形桶250插入在其中時，遠側切削部分252從第一種牙槽186的配合牙槽腔157突出。
[0078]切削元件鑲塊155的第二種刀具類型188的筒形桶270可插入形成在工具體150內的第二種牙槽189的多個牙槽腔157的一個中。牙槽腔157的第二種牙槽189被構造成基本符合其中接收的切削元件鑲塊155的第二種刀具188的筒形桶270的形狀。第一種牙槽189具有略小于第二種刀具188的筒形桶270的外徑的直徑，以在兩者之間提供干涉配合。第二種刀具188的筒形桶270和第一種牙槽189的配合牙槽腔157被構造成使得在切削元件鑲塊155的第二種刀具188的切削部分272在就坐在牙槽腔157的第二種牙槽189中時從其突出。
[0079]參考圖22，顯示根據本發(fā)明的原理的用于制造用于隧道鉆掘機的切削頭工具的方法300的一種實施方式的步驟。對工具體坯240進行熱處理以增加工具體坯240的硬度(步驟310)。在工具體坯240中以預定孔圖案加工出多個牙槽腔157以形成工具體150 (步驟320)。將對應數量的切削元件鑲塊155壓配合在工具體150中的牙槽腔157中(步驟330)。
[0080]工具體坯240可通過任何合適的技術制成，例如鍛造。工具體坯240可被制成為使得其包括從其延伸的一體的樞轉凸臺215。
[0081]熱處理步驟(步驟310)可包括本領域技術人員已知的技術。例如，工具體坯240可被加熱。在實施方式中，工具體坯240由鋼制成，并通過加熱到鋼的奧氏體化溫度以在截面上形成沒有有害脫碳、晶粒生長或者過度扭曲的均質溶液。被加熱的工具體坯可被淬火。在實施方式中，被加熱的工具體坯240在水中完全淬火以產生最大可能深度的硬度。淬火的工具體坯240可被回火。在實施方式中，工具體坯240通過重新加熱充分的時長以允許所有截面溫度相等來回火?；鼗鸬墓ぞ唧w坯240可以冷卻到環(huán)境溫度。
[0082]工具體坯240可被熱處理以增加其硬度，使得在一些實施方式中可省略“表面硬化”的使用(碳化鉻板焊接到沖刷面和/或切割側，例如)。工具體坯240可被熱處理，使得工具體坯240的硬度為至少約45HRC。在另一些實施方式中，工具體坯240可被熱處理，使得工具體坯240的硬度為至少約50HRC。在又一些實施方式中，工具體坯240可被熱處理，使得工具體坯240的硬度為從約45HRC到約60HRC。
[0083]在實施方式中，工具體坯240被熱處理使得工具體150的硬度在切削元件鑲塊的平均硬度的大約25HRC內。在其他實施方式中，工具體坯240被熱處理使得工具體150的硬度在切削元件鑲塊155的平均硬度的大約10HRC到約25HRC內。
[0084]在工具體坯240被熱處理以形成工具體150后，可加工牙槽腔157。在熱處理后加工工具體坯240可避免在熱處理之前加工牙槽腔157時會出現(xiàn)的扭曲和淬火裂紋問題。
[0085]切削元件鑲塊155可由任何合適的技術制成，例如燒結。每個切削元件鑲塊155可被磨削使得其外部尺寸在預定公差內，從而幫助確保與工具體150中的其配合牙槽腔157的一致壓配合。每個切削元件鑲塊155的外徑和對應牙槽腔157的內徑可被加工成使得配合部件間的壓配合充分將切削元件鑲塊155保持就位而不需要任何釬焊。
[0086]工業(yè)實用性
[0087]從前面的討論將容易地認識根據本發(fā)明的原理構造的切割工具52的實施方式的工業(yè)實用性。描述的原理能夠應用于用在多種實施方式的機器中的切割工具并在許多隧道鉆掘機和使用切割工具的其他機器中具有實用性，這些機器中，切割工具可用來在井、隧道或者其他地下結構的建造中破碎和去除巖石。
[0088]根據本發(fā)明的原理構造的切割工具52可使用壓配合將切削元件鑲塊155固定到工具體150，其本身足以保持切削元件鑲塊155就位而不需要任何釬焊。根據本發(fā)明構造的切割工具52能夠提供比使用釬焊技術來固定切削工具鑲塊構造的常規(guī)切割工具中使用的材料硬許多倍、因此更加耐磨損的工具體150。例如，在實施方式中，熱處理的工具體150的基本材料可以比釬焊的切割的基本材料強至少大約1500MPa。同樣，熱處理工具體150的基本材料可以比釬焊切割中的基本材料堅韌大約3倍。根據本發(fā)明的原理構造的切割工具52可包括具有一體的樞轉凸臺215以允許切割工具52樞轉地安裝到例如切割殼體140的工具體150。一體的樞轉凸臺215的使用可消除工具體坯240中的單獨加工操作以接收銷的需要和將銷焊接到工具體150的需要，這也會使工具體150的性能退化。
[0089]將會認識到，前面的描述提供本發(fā)明的系統(tǒng)和技術的例子。但是，可想到本發(fā)明的其他實施可在細節(jié)上不同于前面的例子。對本發(fā)明或其例子的所有參考意在指當時正在討論的特定例子，不意在更一般地暗示本發(fā)明的范圍的任何限制。關于特定特征的所有不利和區(qū)別語言意在表明對該特征缺乏偏好，但不將其完全排除在本發(fā)明的范圍外，除非另外具體指出。
[0090]這里對數值范圍的記載僅僅用作單獨提到落入該范圍的每個單獨數值的簡便方法，除非這里另外指出，每個單獨的數值如同單獨記載在這里那樣結合在說明書中。這里描述的所有方法可以任何合適的順序執(zhí)行，除非這里另外指出或者上下文明顯矛盾。
【權利要求】
1.一種用于隧道鉆掘機(50)的切割工具(52)，包括: 工具體(150)，其具有多個牙槽腔(157)； 多個切削元件鑲塊(155)，其安裝到所述工具體(150)，所述多個切削元件鑲塊(155)分別壓配合在所述多個牙槽腔(157)中。
2.根據權利要求1所述的切割工具(52)，其中，所述工具體(150)包括一體的樞轉凸臺(215)。
3.根據權利要求2所述的切割工具(52)，還包括: 殼體(140)，殼體(140)包括樞轉軸承(220)，樞轉軸承能夠支承工具體(150)的一體的樞轉凸臺(215)，使得工具體(150)能夠圍繞一體的樞轉凸臺(215)在行程范圍上轉動。
4.根據權利要求3所述的切割工具(52)，其中，殼體(140)包括一對側板(194，195)，工具體(150)包括設置在其相對側面(174，175)上的一對肩部(177，178)，工具體(150)的所述對肩部(177，178)的每一個能夠分別接合所述對側板(194，195)以限制工具體(150)能夠轉動的行程范圍。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的切割工具(52)，其中，工具體(150)包括設置在工具體(150)的遠端(172)處的穿透端表面(160)、彼此呈間隔關系并設置在工具體(150)的相應側面(174，175)處的一對切割側表面(162，163)以及彼此呈間隔關系并分別設置在工具體(150)的前面(180)和后面(181)處的一對沖刷面表面(168，169)，所述對沖刷面表面(168，169)在所述對切割側表面(162，163)之間延伸。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的切割工具(52)，其中，工具體(150)包括具有至少約45HRC的硬度的熱處理材料。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的切割工具(52)，其中，工具體(150)具有工具體硬度，所述多個切削元件鑲塊(155)均具有鑲塊硬度，使得所述多個切削元件鑲塊(155)的平均鑲塊硬度比工具體硬度大大約10HRC到大約25HRC。
8.—種機器(50),包括: 筒形外殼(58)； 切削頭(60)，其可轉動地安裝在筒形外殼(58)的遠端(62)，切削頭(60)包括安裝到它的根據權利要求1至7中任一項所述的切割工具(52)。
9.一種制造根據權利要求1至7中任一項所述的用于隧道鉆掘機(50)的切削頭工具(52)的方法，該方法包括: 對工具體坯(240)進行熱處理以增加工具體坯(240)的硬度； 在工具體坯(240)中以預定孔圖案加工多個牙槽腔(157)以形成工具體(150)； 將多個切削元件鑲塊(155)分別壓配合到工具體(150)中的多個牙槽腔(157)中。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，在對工具體坯(240)進行熱處理后加工所述多個牙槽腔(157)。
【文檔編號】E21B10/42GK104271884SQ201380024699
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年4月2日 優(yōu)先權日:2012年4月6日
【發(fā)明者】R·邁耶, G·托姆林斯, G·蒙吉羅, B·帕特爾 申請人:卡特彼勒公司