ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ РАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к горному делу и строительству, в частности, к режущим инструментам для машин, используемых для разрушения горных пород и искусственных покрытий.
Известен инструмент для разрушения твердых материалов, содержащий закрепленную в гнезде рабочей головки твердосплавную вставку. Вставка включает головку с заострением к вершине и корпус цилиндрической формы. Образующая боковой поверхности головки твердосплавной вставки имеет форму дуги окружности, центр которой расположен на пересечении нормали к касательной к дуге окружности в вершине угла заострения головки вставки и основания корпуса вставки. Начало дуги окружности, образующей боковую поверхность головки вставки, расположено в вершине угла заострения головки твердосплавной вставки (см. п. РФ №2018659 по кл. Е21С 25/38, Е21С 35/18 заявл. 11.09.91, опубл. 30.08.94 «Резец горной машины для разрушения преимущественно крепких пород»).
Недостатком данного инструмента является низкая эффективность его работы, обусловленная тем, что разрушение материала осуществляется только заостренной головкой вставки, которая подвержена быстрому износу и затуплению.
Известен также инструмент для разрушения твердых материалов, содержащий корпус и твердосплавную вставку, которая закреплена на корпусе и содержит головную и промежуточные части, основание и хвостовик для размещения в гнезде корпуса. Основание вставки имеет форму цилиндра, продольная ось которого расположена на продольной оси вставки. Головная часть вставки образована телом вращения с наружной боковой поверхностью выпуклой формы. Промежуточная часть вставки образована телом вращения с наружной боковой поверхностью вогнутой формы. Боковая поверхность головной части вставки плавно сопряжена с боковой поверхностью промежуточной части вставки. Длина промежуточной части вставки по ее продольной оси не превышает длины головной части вставки по той же оси (см. п. РФ №2052099 по кл. Е21С 35/18, E02F 9/28 заявл. 28.01.93, опубл. 10.01.96 «Инструмент для разрушения твердого материала»).
Выполнение промежуточной части твердосплавной вставки в виде тела вращения с вогнутой наружной боковой поверхностью является более оптимальным по расходу твердосплавного материала по сравнению с указанным выше инструментом, у которого наружная боковая поверхность твердосплавной вставки выпуклая. Однако в данном инструменте разрушение материала также осуществляется центрально расположенной головной частью вставки. Она имеет минимальный радиус кривизны поверхности и, следовательно, создает максимальные нагрузки в материале, приводящие к его разрушению. Промежуточная часть вставки и ее основание выполнены с гладкой наружная поверхностью и поэтому практически не участвуют в разрушении материала. Это снижает эффективность процесса разрушения материала и приводит к интенсивному изнашиванию инструмента в целом.
Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности разрушения материала при одновременном обеспечении высокой износостойкости инструмента.
Техническим результатом, получаемым при реализации полезной модели, является оптимизация геометрических параметров твердосплавной вставки.
Указанная задача решается за счет того, что в известном инструменте для разрушения твердых материалов, включающем корпус и твердосплавную вставку, которая закреплена на корпусе и содержит головную часть, промежуточную часть, основание и хвостовик для размещения в гнезде корпуса, согласно полезной модели, промежуточная часть вставки и/или ее основание выполнены с режущими выступами на наружной поверхности.
Промежуточная часть вставки и/или ее основание могут представлять собой ступенчатое пирамидальное тело, ступени которого выполнены призматическими и/или цилиндрическими.
Призматические ступени пирамидального тела могут быть расположены относительно друг друга с поворотом вокруг продольной оси вставки.
Угол поворота граней смежных призматических ступеней пирамидального тела относительно друг друга может составлять не менее 5°.
Каждая из призматических ступеней пирамидального тела может быть выполнена в виде правильного прямого многогранника, причем острые кромки ребер многогранника притуплены.
Наружная поверхность цилиндрических ступеней пирамидального тела может быть рассечена расположенными вдоль и/или под углом к продольной оси вставки выемками в виде прямолинейных или криволинейных желобов.
Боковые стенки выемок могут быть сопряжены с наружной поверхностью промежуточной части вставки с образованием клинового профиля.
Внутренняя поверхность выемок может быть плавно сопряжена с головной частью вставки и ее основанием, и/или выполнена со ступенчатым понижением от головной части вставки к ее основанию, и/или ступенчатым понижением от наружной поверхности промежуточной части вставки ко дну выемки.
Длина корпуса инструмента, считая от основания вставки до кулака рабочего органа породоразрушающей машины, может составлять не менее 0,1 от суммарной длины головной части, промежуточной части и основания вставки.
Габариты сечения основания вставки могут превышать габариты сечения хвостовика корпуса.
Вставка может иметь гнездо для размещения выступа корпуса, а дно гнезда может быть выполнено с выступом внутрь гнезда, предназначенным для размещения в соответствующей ему углубленной части корпуса, причем высота выступа внутрь гнезда составляет не менее 0,5 мм.
Хвостовик вставки может быть выполнен в виде имеющего радиальные пазы и/или каналы кольцеобразного элемента, продольная ось которого расположена на продольной оси вставки,
На опорной поверхности основания вставки, предназначенной для взаимодействия с поверхностью корпуса, на опорной поверхности хвостовика, предназначенной для взаимодействия с дном гнезда корпуса, на дне гнезда вставки, на выступе, выполненном на дне гнезда вставки, могут иметься вспомогательные выступы высотой 0,03-0,5 мм.
Исследования, проведенные по источникам патентной и научно-технической информации, показали, что заявляемый инструмент неизвестен, т.е. соответствует критерию новизна.
Инструмент может быть изготовлен на любом предприятии, специализирующемся в данной отрасли, т.к. для этого требуются известные материалы и стандартное оборудование, и широко использован для разрушения твердых пород, т.е. является промышленно применимым.
Выполненный в заявляемом виде инструмент воздействует на массив разрушаемого материала одновременно как центрально расположенной головной частью вставки, так и острыми режущими выступами, равномерно расположенными по всей наружной поверхности промежуточной части вставки и ее основания. Очевидно, что внедрение в разрушаемый материал инструмента с многочисленными острыми режущими кромками требует меньших затрат мощности, чем внедрение инструмента (по прототипу), имеющего только головную часть заостренной формы. Это позволяет увеличить скорость резанья и, следовательно, производительность работы инструмента. Увеличивает производительность и больший, по сравнению с прототипом, размер зоны разрушения, возникающей от воздействия инструмента. Кроме того, такое одновременное воздействие многочисленных режущих выступов создает в цельном массиве разрушаемого материала напряжения, приводящие к образованию микротрещин, что облегчает внедрение инструмента в материал и снижает его износ. Конкретные геометрические параметры твердосплавной вставки подбираются в зависимости от свойств разрушаемого материала. Так для разрушения твердых пород может быть использована твердосплавная вставка, промежуточная часть и основание которой выполнены в виде ступенчатого пирамидального тела сложной формы. Геометрические параметры этой вставки таковы, что на ее боковой поверхности имеется множество режущих кромок, служащих для подрезания разрушаемого твердого материала. Пересечение многочисленных плоскостей и изогнутых поверхностей вставки образует прочные, в частности, прямоугольные и/или тупоугольные клинья, равномерно распределенные по наружной поверхности вставки. Длина головной части вставки, промежуточной части вставки, и основания подбираются эмпирически в зависимости от свойств разрушаемого материала. При небольшом расходе твердосплавного материала такая форма вставки обеспечивает высокую износостойкость за счет минимизации вероятности выкрашивания и сколов твердого сплава, а также за счет равномерности изнашивания всей наружной поверхности вставки, как ее головной части, так и ее промежуточной части и основания. Указанное ограничение для угла поворота граней смежных призматических ступеней пирамидального тела относительно друг друга, которое должно составлять не менее 5°, вызвано следующим. При угле менее 5° режущие кромки на поверхности твердосплавной вставки имеют настолько небольшие размеры, что мало влияют на эффективность разрушения подрезаемого материала. Кроме того, выполнение вставки с углом менее 5° снижает технологичность ее изготовления.
При использовании заявляемого инструмента для разрушения менее твердого материала может быть использована твердосплавная вставка, наружная боковая поверхность промежуточной части и основания которой снабжена режущими выступами в виде конусов и/или пирамид со скругленными вершинами, полуэллипсоидов и т.п. Такие выступы могут быть распределены так, что располагаются на поверхности вдоль заданных кривых и/или ломанных линий, например, вдоль спиральной линии.
Долговечность инструмента в целом зависит также от прочности и износостойкости корпуса ниже основания твердосплавной вставки. Проведенные исследования показали, что длина корпуса инструмента должна быть по возможности минимальной. Эмпирически было установлено, что наиболее целесообразно для обеспечения необходимой прочности и износоустойчивости инструмента в целом, чтобы длина корпуса инструмента по его продольной оси, совпадающей с продольной осью твердосплавной вставки, составляла не менее 0,1 суммарной длины по продольной оси головной части, промежуточной части и основания вставки, т.е. длины вставки без хвостовика. Также эмпирически было установлено, что для исключения вероятности выпадения твердосплавной вставки из корпуса инструмента и выпадения корпуса из рабочего органа породоразрушающей машины габариты поперечного сечения основания вставки должны приближаться к габаритам головной части корпуса и превышать габариты поперечного сечения хвостовика корпуса. Например, при выполнении основания вставки и корпуса инструмента цилиндрическими, отношение диаметра основания вставки к диаметру хвостовика корпуса должно составлять не менее 1,05. Это обеспечивает необходимую прочность и износоустойчивость корпуса ниже основания твердосплавной вставки.
Использование в инструменте твердосплавной вставки с многочисленными режущими кромками вызывает в отдельных случаях необходимость и усиления средств удержания вставки в корпусе. Это может быть обеспечено за счет увеличения площади контакта вставки и корпуса. Вставка может быть выполнена с внутренним гнездом, а в случае необходимости, и с дополнительным выступом внутрь гнезда. Т.е. вставка может контактировать с корпусом не только посредством своего хвостовика, но и за счет внедрения выступа корпуса в гнездо вставки. Выполнение вставки с гнездом позволяет также достичь равномерности распределения нагрузки в объеме тела вставки и корпуса.
На прочность и износостойкость инструмента в целом важное влияние оказывает и качество закрепления твердосплавной вставки на корпусе. Для обеспечения равномерности паяного шва по всем поверхностям твердосплавной вставки, которые предназначены для взаимодействия с соответствующими им поверхностями корпуса, выполнены небольшие вспомогательные выступы. Эти выступы позволяют отвести через пазы и/или каналы в хвостовике твердосплавной вставки образующийся при проведении пайки газ. Это значительно снижает вероятность образования участков, где паяный шов не образовался или имеет дефекты.
Таким образом, заявляемый инструмент для разрушения твердых материалов за счет оптимизации геометрических параметров твердосплавной вставки повышает эффективность разрушения материала при одновременном обеспечении высокой износостойкости инструмента.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами:
Фиг.1 Общий вид твердосплавной вставки заявляемого инструмента с промежуточной частью вставки, выполненной в виде ступенчатого пирамидального тела, призматические ступени которого расположены относительно друг друга с поворотом вокруг продольной оси вставки.
Фиг.2 Вид сверху на твердосплавную вставку, показанную на фиг.1.
Фиг.3 Разрез по твердосплавной вставке показанной на фиг.1.
Фиг.4 Общий вид твердосплавной вставки заявляемого инструмента с промежуточной частью вставки, выполненной в виде ступенчатого пирамидального тела с цилиндрическими ступенями, наружная поверхность цилиндрических ступеней промежуточной части вставки рассечена расположенными вдоль продольной оси вставки выемками в виде желобов.
Фиг.5 Вид сверху на твердосплавную вставку, показанную на фиг.4.
Фиг.6 Разрез по твердосплавной вставке показанной на фиг.4 (показано плавное сопряжение внутренней поверхности выемки с головной частью вставки и ее основанием).
Фиг.7 Вид снизу на твердосплавную вставку, показанную на фиг.1 и фиг.4.
Фиг.8. Инструмент для разрушения твердых материалов, закрепленный в кулаке рабочего органа породоразрушающей машины.
Инструмент для разрушения твердых материалов, согласно настоящему изобретению, содержит корпус 1 и твердосплавную вставку, которая закреплена на корпусе 1 и содержит головную часть 2, промежуточную часть 3, основание 4 и хвостовик 5 для размещения в гнезде корпуса 1. Промежуточная часть 3 вставки и/или ее основание 4 выполнены с режущими выступами на наружной поверхности. Промежуточная часть 3 вставки и/или ее основание 4 представляют собой ступенчатое пирамидальное тело, ступени 6 которого выполнены призматическими и/или цилиндрическими. Призматические ступени 6 могут представлять собой многогранники, например призмы в основании у которых лежат треугольник, или четырехугольник, или пятиугольник, или шестиугольник и т.д. Эти призмы могут быть правильными - с основаниями в виде правильных n-угольников, или неправильными - с основаниями в виде неправильных n-угольников. Призмы могут быть прямыми и непрямыми. В качестве ступени 6 может выступать и призматоид, т.е. многогранник у которого две грани (основания) лежат в параллельных плоскостях, а остальные являются трапециями или треугольниками, имеющими с основаниями общую сторону или вершину. Призматические ступени 6 пирамидального тела могут быть расположены относительно друг друга с поворотом вокруг продольной оси вставки. Ступени 6 промежуточной части вставки могут быть выполнены и цилиндрическими. В этом случае для увеличения количества режущих кромок на поверхности вставки и облегчения отвода разрушенного материала наружная поверхность цилиндрических ступеней 6 промежуточной части вставки выполняется с расположенными вдоль продольной оси вставки выемками 7 в виде желобов. Эти желоба могут быть либо прямолинейными и рассекать ступени вставки вертикально от головной части до основания, либо быть криволинейными, когда, начинаясь от головной части вставки, они спускаются к основанию вставки, например, по винтовой линии. Боковые стенки выемок 7 могут быть сопряжены с наружной поверхностью промежуточной части вставки с образованием клинового профиля 8. Внутренняя поверхность выемок 7 может быть плавно сопряжена с боковой поверхностью головной части 2 вставки и ее основанием 4 или выполнена со ступенчатым понижением от боковой поверхности головной части 2 вставки к ее основанию 4. Поперечное сечение выемки 7 также может быть выполнено либо с плавным понижением от наружной поверхности промежуточной части вставки ко дну выемки 7, либо - со ступенчатым понижением ко дну выемки 7. Конкретный выбор формы ступеней 6, образующих промежуточную часть 3 вставки зависит от условий применения инструмента для разрушения твердого материала. Острые кромки ребер ступеней 6, образующих промежуточную часть 3 вставки могут быть притуплены либо за счет выполнения фасок, либо за счет округления, например радиусом 0,5 мм.
1
2
2
1
Длина (на чертеже обозначена как L) корпуса 1 инструмента, считая от основания 4 вставки до кулака 9 рабочего органа породоразрушающей машины, составляет 0,1-0,9 суммарной длины (на чертеже обозначена как L) головной части 2, промежуточной части 3 и основания 4 вставки. Диаметр основания 4 вставки (на чертеже обозначен как D) превышает диаметр хвостовика 14 (на чертеже обозначен как D) корпуса 1.
Вставка может иметь гнездо 10 для размещения выступа 15 корпуса 1, а дно гнезда 10 может быть выполнено с выступом 11 внутрь гнезда 10, предназначенным для размещения в соответствующей ему углубленной части корпуса 1. Высота выступа 11 может составлять не менее 0,5 мм и выбирается в зависимости от существующей необходимости увеличения площади контакта твердосплавной вставки и корпуса 1.
Хвостовик 5 вставки может быть выполнен в виде имеющего радиальные пазы 12 и/или каналы кольцеобразного элемента, продольная ось которого расположена на продольной оси вставки. На опорной поверхности основания 4 вставки, предназначенной для взаимодействия с поверхностью корпуса 1; на опорной поверхности хвостовика 5, предназначенной для взаимодействия с дном гнезда корпуса 1; на дне гнезда 10 вставки, на выступе 11, выполненном на дне гнезда 10 вставки; имеются вспомогательные выступы 13 высотой 0,03-0,5 мм.
Инструмент для разрушения твердых материалов работает следующим образом. Твердосплавная вставка, закрепленная на корпусе 1 инструмента взаимодействует с разрушаемым материалом. При этом на поверхности разрушаемого материала образуется борозда (развал), а частицы разрушенного материала поступают в зазоры между режущими кромками пирамидального ступенчатого тела или в выемки на поверхности тела с цилиндрическими ступенями промежуточной части вставки и без забивания вставки спрессованными продуктами разрушения отводятся от нее. Оптимальные геометрические параметры вставки с множеством режущих кромок по всей поверхности промежуточной части вставки обеспечивают высокую эффективность при разрушении материала, а также позволяют вставке более продолжительное время сохранять высокие режущие свойства без сколов и дефектов твердого сплава. При этом оптимальное соотношение габаритов сечения корпуса инструмента и основания вставки, а также длины корпуса инструмента и длины вставки предохраняет корпус от преждевременного износа-истирания, а надежное закрепления вставки в корпусе предохраняет ее от выламывания из корпуса, а корпуса из рабочего органа породоразрушающей машины.
Таким образом, заявляемый инструмент для разрушения твердых материалов за счет оптимизации геометрических параметров твердосплавной вставки повышает эффективность разрушения материала при одновременном обеспечении высокой износостойкости инструмента.