Резец для разрушения минеральных и искусственных материалов

 

Сущность изобретения: резец для разрушения минеральных и искусственных материалов содержит рабочую головку в виде тела вращения, режущую часть из твердосплавного материала и державку. На переднем торце рабочей головки расположен осевой выступ, который образует упорную поверхность. На заднем торце режущей части расположена опорная поверхность кольцевой формы. Режущая часть закреплена на рабочей головке и выполнена в виде кольцевого элемента. Кольцевой элемент установлен коаксиально на осевом выступе. На переднем торце кольцевого элемента расположены расточка и кольцевая режущая кромка. Торцевая поверхность осевого выступа на рабочей головке образует с поверхностью расточки выемку в виде тела вращения. Длина осевого выступа по продольной оси рабочей головки не превышает разности между длиной кольцевого элемента и длиной расточки на кольцевом элементе по той же оси. 17 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к режущему инструменту для разрушения минеральных и искусственных материалов, и может быть использовано при образовании выработок в породе или при добыче полезных ископаемых с помощью горных комбайнов, а также при ремонте дорожного или подобного покрытия для удаления последнего.

Известен резец для разрушения минеральных и искусственных материалов, который содержит рабочую головку, закрепленную на рабочей головке режущую часть из твердосплавного материала и державку (см. например, заявку Франции N 2616174, кл. E 21 C 35/18, опубл. 1988).

Известный резец относится к типу радиальных неповоротных резцов. Экспериментально установлено, что радиальные неповоротные резцы разрушают породу с усилиями, в 1,3 1,5 раза меньшими, чем поворотные (при прочих равных условиях). Однако по мере износа усилия резания и подачи возрастают и по достижении определенной длины пути резания вначале сравниваются, а затем превышают усилия на поворотных резцах. Таким образом, при достаточно высокой эффективности разрушения горных пород технически острые неповоротные резцы обладают низкой износостойкостью.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является резец для разрушения минеральных и искусственных материалов, который содержит рабочую головку в виде тела вращения с расположенным на ее переднем торце осевым выступом, который образует упорную поверхность кольцевой формы, закрепленную на рабочей головке режущую часть из твердосплавного материала с расположенной на ее заднем торце опорной поверхностью кольцевой формы для взаимодействия с упорной поверхностью рабочей головки и державку (см. например, международную заявку РСТ 90/01106, кл. E 21 C 35/18, опубл. 1990).

Известный резец относится к типу поворотных резцов, у которых износостойкость существенно выше, чем у неповоротных резцов. Указанное обстоятельство вызвано тем фактом, что резец указанного типа в процессе работы вращается и его износ происходит менее интенсивно и более равномерно. Наиболее часть встречаются два вида износа поворотных резцов: один, при котором осуществляется интенсивное изнашивание рабочей головки и практически незначительный износ режущей части из твердосплавного материала, и второй, при котором происходит одновременное изнашивание твердосплавной режущей части и рабочей головки. Причем интенсивность изнашивания режущей части может приближаться к интенсивности изнашивания рабочей головки. Следует отметить, что разные виды износа проявляются не только в изменении формы режущей части и рабочей головки, но и оказывает неодинаковое влияние на формирование усилий, действующих на резец. Так, при первом виде износа усилия остаются либо практически неизменными, либо постепенно уменьшаются и, достигнув определенной величины, стабилизируются. При втором виде износа усилия, действующие на резец, непрерывно возрастают. При достаточно высокой износостойкости поворотных резцов к их недостаткам можно отнести сравнительно низкую эффективность разрушения минеральных и искусственных материалов.

Изобретение направлено на решение задачи по созданию такого режущего инструмента, который при достаточно высокой его износостойкости обеспечивал бы высокую эффективность разрушения минеральных и искусственных материалов, то есть обладал бы достоинствами как поворотных, так и неповоротных резцов. Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в снижении усилий, действующих на резец, и в повышении срока службы резца.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что в резце для разрушения минеральных и искусственных материалов, содержащем рабочую головку в виде тела вращения с расположенным на ее переднем торце осевым выступом, который образует упорную поверхность кольцевой формы, закрепленную на рабочей головке режущую часть из твердосплавного материала с расположенной на ее заднем торце опорной поверхностью кольцевой формы для взаимодействия с упорной поверхностью рабочей головки и державку, режущая часть выполнена в виде коаксиально установленного на осевом выступе рабочей головки кольцевого элемента с расположенными на его переднем торце расточкой и кольцевой режущей кромкой, а осевой выступ на рабочей головке имеет торцевую поверхность, которая образует с поверхностью расточки на кольцевом элементе выемку в виде тела вращения, при этом длина осевого выступа по продольной оси рабочей головки не превышает разности между длиной кольцевого элемента и длиной расточки на кольцевом элементе по той же оси.

Кроме того, за счет того, что задний угол резца составляет не менее 0,5^o и не более 45^o.

Кроме того, за счет того, что диаметр режущей кромки составляет не более 5,0 и не менее 0,2 от длины рабочей головки по ее продольной оси.

Кроме того, за счет того, что осевой выступ на рабочей головке имеет форму цилиндра вращения, а торцевая поверхность осевого выступа на рабочей головке имеет плоскую форму и расположена перпендикулярно к продольной оси рабочей головки.

Кроме того, за счет того, что наружная боковая поверхность кольцевого элемента образована боковой поверхностью цилиндра вращения.

Кроме того, за счет того, что режущая кромка кольцевого элемента образована пересечением наружной боковой поверхности кольцевого элемента и поверхностью расточки на кольцевом элементе.

Кроме того, за счет того, что режущая кромка кольцевого элемента образована пересечением наружной боковой поверхности кольцевого элемента и передней торцевой поверхностью кольцевого элемента.

Кроме того, за счет того, что передняя торцевая поверхность кольцевого элемента расположена перпендикулярно к продольной оси кольцевого элемента.

Кроме того, за счет того, что передняя торцевая поверхность кольцевого элемента имеет выпуклую форму.

Кроме того, за счет того, что ширина передней торцевой поверхности кольцевого элемента составляет не менее 0,15 и не более 0,54 от диаметра режущей кромки кольцевого элемента при разрушении слабых пород и искусственных материалов.

Кроме того, за счет того, что при разрушении пород с пределом прочности при одноосном сжатии до 80 МПа ширина передней торцевой поверхности кольцевого элемента составляет не менее 0,09 и не более 0,15 от диаметра режущей кромки кольцевого элемента.

Кроме того, за счет того, что диаметр выемки увеличивается в направлении к режущей кромке кольцевого элемента.

Кроме того, за счет того, что диаметр выемки уменьшается в направлении к режущей кромке кольцевого элемента.

Кроме того, за счет того, что расточка на переднем торце кольцевого элемента имеет коническую форму.

Кроме того, за счет того, что угол наклона образующей расточки к продольной оси кольцевого элемента составляет не более 45^o.

Кроме того, за счет того, что поверхность расточки на переднем торце кольцевого элемента образована вращением кривой вокруг продольной оси симметрии кольцевого элемента.

На фиг.1 изображен резец для разрушения минеральных и искусственных материалов при установке его на исполнительном органе горной машины; на фиг.2 один из вариантов конструктивного выполнения элементов резца при его сборке; на фиг. 3 разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 -один из вариантов конструктивного выполнения режущей части резца; на фиг. 5 один из вариантов конструктивного выполнения режущей части резца; на фиг.6 один из вариантов конструктивного выполнения элементов резца.

Резец для разрушения минеральных и искусственных материалов содержит рабочую головку 1 в виде тела вращения и соединенную с рабочей головкой 1 державку 2. На переднем торце рабочей головки 1 расположен осевой выступ 3, который образует на ее переднем торце упорную поверхность 4 кольцевой формы. На рабочей головке 1 закреплена режущая часть из твердосплавного материала, которая выполнена в виде кольцевого элемента 5. На заднем торце кольцевого элемента 5 расположена опорная поверхность 6 кольцевой формы, которая установлена с возможностью взаимодействия с упорной поверхностью4 на рабочей головке 1 при сборке резца. Кольцевой элемент 5 установлен коаксиально на осевом выступе 3 рабочей головки 1. На переднем торце кольцевого элемента 5 расположена расточка 7 и кольцевая режущая кромка 8. Осевой выступ 3 на рабочей головке 1 имеет торцевую поверхность 9, которая совместно с поверхностью расточки 7 на кольцевом элементе 5 образует выемку 10 в виде тела вращения. Длина осевого выступа 3 по продольной оси рабочей головки 1 не превышает разности между длиной (А) кольцевого элемента 5 и длиной (Б) расточки 7 на кольцевом элементе 5 по той же оси, то есть выполняется условие, при котором соблюдается обязательное соотношение 1 <А Б. Державка 2 имеет преимущественно цилиндрическую форму и установлена в канале резцедержателя 11 с возможностью вращения вокруг своей продольной оси. На державке 2 может быть выполнена проточка 12 для размещения стопорного элемента 13, который обеспечивает крепление резца в канале резцедержателя 11 при перемещении исполнительного органа (не изображен) горной машины. Соединение кольцевого элемента 5 и рабочей головки 1 может быть осуществлено, например, посредством разъемного соединения в виде штифта, шпильки или резьбового соединения (не изображено) или наиболее предпочтительно посредством неразъемного соединения в виде пайки (не показано).

На основании проведенных исследований эмпирически установлено, что наиболее целесообразным с точки зрения повышения эффективности работы резца является поддержание угла (γ) между касательной к задней поверхности резца в рассматриваемой точке режущей кромки 8 и плоскостью резания, то есть заднего угла (γ) резца, в диапазоне не менее 0,5^o и не более 45^o (фиг.1).

Эмпирически установлено, что диаметр (Д) режущий кромки 8 на кольцевом элементе 5 должен составлять не более 5,0 и не менее 0,2 от длины (С) рабочей головки 1 по ее продольной оси.

Осевой выступ 3 на рабочей головке 1 может иметь любую форму, обеспечивающую геометрическое замыкание наружной поверхности осевого выступа 3 и внутренней поверхности кольцевого элемента 5, например, в виде призмы (фиг. 3). При этом отверстие в кольцевом элементе 5 целесообразно выполнить такой формы, которая соответствовала бы форме осевого выступа 3. Наиболее целесообразно осевой выступ 3 на рабочей головке 1 выполнить в виде цилиндра вращения. В этом случае кольцевой элемент 5 наиболее целесообразно выполнить с отверстием цилиндрической формы (фиг.2). Осевой выступ 3 на рабочей головке 1 может иметь форму усеченного конуса вращения. При такой форме осевого выступа 3 кольцевой элемент 5 наиболее целесообразно выполнить с отверстием конической формы (фиг.6).

Торцевая поверхность 9 осевого выступа 3 на рабочей головке 1 может иметь любую форму (фиг.2). В результате проведенных исследований установлено, что наиболее предпочтительно конструктивное выполнение резца, при котором торцевая поверхность 9 осевого выступа 3 на рабочей головке 1 имеет плоскую форму и расположена перпендикулярно к продольной оси рабочей головки 1 (фиг. 1). При таком конструктивном выполнении элементов резца улучшается процесс удаления разрушенного материала из полости выемки 10.

Наружная боковая поверхность 14 кольцевого элемента 5 может быть образована вращением прямой или кривой линии вокруг продольной оси кольцевого элемента 5. Так, на фиг.2 изображен вариант конструктивного выполнения элементов резца, при котором наружная боковая поверхность 14 кольцевого элемента 5 образована боковой поверхностью прямого конуса. Предпочтительно выполнение кольцевого элемента 5, при котором его наружная боковая поверхность 14 образована боковой поверхностью цилиндра вращения (фиг.1,4 и 5).

Режущая кромка 8 кольцевого элемента 5 может быть образована пересечением наружной боковой поверхности 14 кольцевого элемента 5 и поверхностью расточки 7 на кольцевом элемента 5 (фиг.1).

Режущая кромка 8 кольцевого элемента 5 может быть образована пересечением наружной боковой поверхности 14 кольцевого элемента 5 и передней торцевой поверхностью 15 кольцевого элемента 5 (фиг.2, 4 и 5).

Целесообразно, чтобы передняя торцевая поверхность 15 кольцевого элемента 5 имела кольцевую форму.

Кроме того, предпочтительно такое конструктивное выполнение элементов резца, при котором передняя торцевая поверхность 15 кольцевого элемента 5 была бы расположена перпендикулярно к продольной оси кольцевого элемента 5 (фиг.2 и 5), что позволит продлить срок службы резца.

Передняя торцевая поверхность 15 кольцевого элемента 5 может иметь выпуклую форму (фиг.6), что позволит снизить энергоемкость процесса разрушения искусственных материалов.

На основании проведенных исследований эмпирически установлено, что ширина (S) передней торцевой поверхности 15 кольцевого элемента 5 должна составлять не менее 0,15 и не более 0,54 от диаметра (Д) режущей кромки 8 при разрушении слабых пород и искусственных материалов, а при разрушении пород с пределом прочности при одноосном сжатии до 80 МПа ширина (S) передней торцевой поверхности 15 кольцевого элемента 5 должна составлять не менее 0,09 и не более 0,15 от диаметра (Д) режущей кромки 8 кольцевого элемента 5.

В зависимости от свойств разрушаемого материала диаметр выемки 10 может увеличиваться в направлении к режущей кромке 8 кольцевого элемента 5 или уменьшаться в том же направлении.

Для улучшения процесса удаления разрушенного материала из полости выемки 10 и упрощения технологии изготовления элементов резца целесообразно расточку 7 на переднем торце кольцевого элемента 5 выполнить конической формы. При этом предпочтительно, чтобы угол (α) наклона образующей расточки 7 конической формы к продольной оси кольцевого элемента 5 составлял не более 45^o.

Расточка 7 на переднем торце кольцевого элемента 5 может иметь поверхность, которая образована вращением кривой вокруг продольной оси симметрии кольцевого элемента 5 (фиг.6). Указанная кривая может иметь форму отрезка параболы, гиперболы или окружности.

Резец для разрушения минеральных и искусственных материалов работает следующим образом.

В канале разцедержателя 11, который закреплен на корпусе исполнительного органа, например, горной машины размещают державку 2 резца и закрепляют резец в резцедержателе 11 с помощью стопорного элемента 13, который размещают в проточке 12 державки 2. При этом следует отметить, что стопорный элемент 13 не препятствует вращению державки 2, а следовательно, и всего резца вокруг его продольной оси в канале резцедержателя 11.

При перемещении исполнительного органа резец режущей частью вступает во взаимодействие с разрушаемым материалом и осуществляет разрушение последнего. При этом разрушенный материал поступает по поверхности расточки 7 на переднем торце кольцевого элемента 5 в выемку 10 и удаляется из нее.

Следует также отметить, что при оптимальном соотношении диаметра режущей кромки 8 на кольцевом элементе 5 и длины рабочей головки 1 выемка 10 не забивается спрессованными продуктами разрушения и не происходит образования большого уплотненного ядра из материала, через который резец воздействует на разрушаемый материал. При оптимальных соотношениях указанных геометрических параметров резца сложностей с удалением разрушенного материала не возникает, что повышает эффективность работы резца, поскольку вся разрушенная масса материала выталкивается из выемки 10 вверх и вбок вдоль передней поверхности резца.

При конструктивном выполнении элементов резца с режущей кромкой 8 на кольцевом элементе 5, которая образована пересечением наружной боковой поверхности 14 кольцевого элемента 5 и передней торцевой поверхностью 15 кольцевого элемента 5, сначала усилия резания возрастают примерно на 20% при увеличении ширины (S) передней торцевой поверхности 15 кольцевого элемента 5. При дальнейшем увеличении ширины (S) передней торцевой поверхности 15 кольцевого элемента 5 происходит менее значительный рост усилия резания - всего на 4% Из этого следует, что лишь начальная стадия увеличения размера передней торцевой поверхности 15 кольцевого элемента 5 оказывает существенное влияние на рост усилий резания. При этом наличие передней торцевой поверхности 15 на кольцевом элементе 5 изменяет геометрию режущей части, а именно угол заострения резца увеличивается до 90^o, а передний угол резца увеличивается до 20^o. Однако такое незначительное увеличение усилий резания позволяет существенно повысить прочность режущей кромки 8.

Как известно, интенсивность и устойчивость вращения резца оказывает существенное влияние на износостойкость поворотных резцов, поскольку только при условии устойчивого и интенсивного вращения поворотные резцы изнашиваются равномерно. Поскольку диаметр кольцевого элемента 5 резца примерно в три раза превышает диаметр твердосплавных вставок поворотных резцов известной конструкции (с центральным расположением режущей части), то при несколько меньших усилиях на резце согласно изобретению вращающее усилие на нем имеет втрое большее плечо, что обеспечивает больший вращающий момент и, следовательно, более устойчивое и интенсивное вращение резца.

Формула изобретения

1. Резец для разрушения минеральных и искусственных материалов, включающий рабочую головку в виде тела вращения с расположенным на ее переднем торце осевым выступом, который образует упорную поверхность кольцевой формы, закрепленную на рабочей головке режущую часть из твердосплавного материала с расположенной на ее заднем торце опорной поверхностью кольцевой формы для взаимодействия с упорной поверхностью на рабочей головке, и державку, отличающийся тем, что режущая часть выполнена в виде коаксиально установленного на осевом выступе рабочей головки кольцевого элемента с расположенными на его переднем торце расточкой и кольцевой режущей кромкой, а осевой выступ на рабочей головке имеет торцевую поверхность, которая образует с поверхностью расточки выемку в виде тела вращения, при этом длина осевого выступа по продольной оси рабочей головки не превышает разности длин кольцевого элемента и расточки на кольцевом элементе по той же оси.

2. Резец по п. 1, отличающийся тем, что его задний угол составляет не менее 0,5 45,0^o.

3. Резец по п.1 или 2, отличающийся тем, что диаметр режущей кромки кольцевого элемента составляет 0,2 5,0 длин рабочей головки по ее продольной оси.

4. Резец по одному из пп.1 3, отличающийся тем, что осевой выступ на рабочей головке имеет форму цилиндра вращения.

5. Резец по одному из пп.1 4, отличающийся тем, что торцевая поверхность осевого выступа на рабочей головке имеет плоскую форму и расположена перпендикулярно продольной оси рабочей головки.

6. Резец по одному из пп.1 5, отличающийся тем, что наружная боковая поверхность кольцевого элемента образована боковой поверхностью цилиндра вращения.

7. Резец по одному из пп.1 6, отличающийся тем, что режущая кромка кольцевого элемента образована пересечением наружной боковой поверхности кольцевого элемента и поверхностью расточки.

8. Резец по одному из пп.1 6, отличающийся тем, что режущая кромка кольцевого элемента образована пересечением его наружной боковой поверхности кольцевого элемента с его передней торцевой поверхностью.

9. Резец по п. 8, отличающийся тем, что передняя торцевая поверхность кольцевого элемента имеет кольцевую форму.

10. Резец по одному из пп.8 или 9, отличающийся тем, что передняя торцевая поверхность кольцевого элемента расположена перпендикулярно его продольной оси.

11. Резец по п.9, отличающийся тем, что передняя торцевая поверхность кольцевого элемента имеет выпуклую форму.

12. Резец по одному из пп.9 11, отличающийся тем, что ширина передней торцевой поверхности кольцевого элемента составляет не менее 0,15 0,54 диаметра его режущей кромки при разрушении слабых пород и искусственных материалов.

13. Резец по одному из пп.9 11, отличающийся тем, что при разрушении пород с пределом прочности при одноосном сжатии до 80 МПа ширина передней торцевой поверхности кольцевого элемента составляет 0,09 0,15 диаметра его режущей кромки, 14. Резец по одному из пп.1 13, отличающийся тем, что диаметр выемки увеличивается в направлении к режущей кромке кольцевого элемента.

15. Резец по одному из пп.1 13, отличающийся тем, что диаметр выемки уменьшается в направлении к режущей кромке кольцевого элемента.

16. Резец по одному из пп.1 15, отличающийся тем, что расточка на переднем торце кольцевого элемента имеет коническую форму.

17. Резец по п.16, отличающийся тем, что угол наклона образующий расточки к продольной оси кольцевого элемента составляет не более 45^o.

18. Резец по одному из пп.1 13, отличающийся тем, что поверхность расточки на переднем торце кольцевого элемента образована вращением кривой вокруг продольной оси симметрии кольцевого элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6