твердосплавная вставка для породоразрушающего инструмента

Формула изобретения

1. Твердосплавная вставка для породоразрушающего инструмента, включающая переднюю торцевую поверхность плоской кольцевой формы, наружную боковую поверхность, которая образована боковой поверхностью цилиндра вращения, режущую кромку кольцевой формы, опорную поверхность для взаимодействия с упорной поверхностью головки инструмента и расположенную на переднем торце вставки выемку, которая имеет форму тела вращения и продольная ось которой расположена на продольной оси симметрии вставки, отличающаяся тем, что выемка выполнена в виде глухого гнезда для выхода продуктов разрушения, а режущая кромка образована пересечением наружной боковой поверхности с передней торцевой поверхностью, при этом передняя торцевая поверхность расположена перпендикулярно продольной оси симметрии вставки.

2. Вставка по п. 1, отличающаяся тем, что гнездо выполнено с плоским дном, которое расположено перпендикулярно продольной оси симметрии вставки.

3. Вставка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что диаметр стенок гнезда увеличивается в направлении к передней торцевой поверхности вставки.

4. Вставка по одному из пп. 1 3, отличающаяся тем, что поверхность стенок гнезда образована боковой поверхностью усеченного конуса вращения.

5. Вставка по п. 1, отличающаяся тем, что поверхность стенок гнезда образована боковой поверхностью конуса вращения.

6. Вставка по одному из пп. 1 5, отличающаяся тем, что она выполнена с расположенной на ее опорной поверхности по меньшей мере одной дополнительной выемкой для размещения центрирующего выступа на головке инструмента.

7. Вставка по п. 6, отличающаяся тем, что дополнительная выемка выполнена в виде сквозного осевого канала цилиндрической формы.

8. Вставка по одному из пп. 1 5, отличающаяся тем, что она выполнена с расположенным на ее опорной поверхности по меньшей мере одним центрирующим выступом для размещения его в выемке на головке инструмента.

9. Вставка по п. 8, отличающаяся тем, что центрирующий выступ имеет форму цилиндра вращения, продольная ось симметрии которого расположена на продольной оси симметрии вставки.

10. Вставка по п. 8, отличающаяся тем, что центрирующий выступ имеет форму усеченного конуса вращения, ось которого расположена на продольной оси симметрии вставки.

11. Вставка по п. 10, отличающаяся тем, что угол наклона образующей усеченного конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа, к продольной оси симметрии вставки не менее угла наклона образующей усеченного конуса вращения, который определяет форму поверхности стенок гнезда, к той же оси.

12. Вставка по п. 10, отличающаяся тем, что угол наклона образующей усеченного конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа, к продольной оси симметрии вставки не менеее угла наклона образующей конуса вращения, который определяет форму поверхности стенок гнезда, к той же оси.

13. Вставка по одному из пп. 10 12, отличающаяся тем, что диаметр большего основания усеченного конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа, равен диаметру цилиндра вращения, который определяет форму наружной боковой поверхности вставки.

14. Вставка по п. 8, отличающаяся тем, что центрирующий выступ имеет форму конуса вращения, ось которого расположена на продольной оси симметрии вставки.

15. Вставка по п. 14, отличающаяся тем, что диаметр основания конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа, равен диаметру цилиндра вращения, который определяет форму наружной боковой поверхности вставки.

16. Вставка по одному из пп. 14 и 15, отличающаяся тем, что угол наклона образующей конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа, к продольной оси симметрии вставки равен углу наклона образующей усеченного конуса врашения, который определяет форму поверхности стенок гнезда, к той же оси.

17. Вставка по одному из пп. 14 и 15, отличающаяся тем, что угол наклона образующей конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа, к продольной оси симметрии вставки равен углу наклона образующей конуса вращения, который определяет форму поверхности стенок гнезда, к той же оси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности, в частности, к твердосплавным вставкам преимущественно для поворотного инструмента, предназначенного для разрушения минеральных и искусственных материалов, и может быть использовано при образовании выработок в породе или при добыче полезных ископаемых с помощью горных машин, а также при выполнении строительных работ, например, для ремонта дорожного или подобного покрытия при удалении последнего.

Известна твердосплавная вставка для породоразрушающего инструмента, которая содержит головку с главной режущей кромкой и хвостовик с боковыми режущими кромками, разделяющими его на переднюю и заднюю части, при этом задняя часть хвостовика образована цилиндрической поверхностью и касательными к ней плоскостями, которые проходят через боковые режущие кромки. Передняя часть вставки образована цилиндрической поверхностью, радиус которой больше радиуса цилиндрической поверхности задней части вставки [1]

Такая твердосплавная вставка может быть использована преимущественно в конструкции радиальных неповоротных резцов или буровых коронок. Экспериментально установлено, что радиальные неповоротные резцы разрушают породу с усилиями в 1,3-1,5 раза меньшими, чем поворотные резцы (при прочих равных условиях). Однако, по мере износа усилия резания и подачи возрастают и, по достижении определенной длины пути резания, вначале сравниваются, а затем и превышают усилия на поворотных резцах. Таким образом при достаточно высокой эффективности разрушения горных пород твердосплавные вставки описанного типа для технически острых неповоротных резцов обладают низкой износостойкостью.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому техническому результату является твердосплавная вставка для породоразрушающего инструмента, которая содержит переднюю торцевую поверхность плоской кольцевой формы, наружную боковую поверхность, которая образована боковой поверхностью цилиндра вращения, режущую кромку кольцевой формы, опорную поверхность для взаимодействия с упорной поверхностью головки инструмента и расположенную на переднем торце вставки выемку, которая имеет форму тела вращения и продольная ось которой расположена на продольной оси симметрии вставки [2]

Описанная выше твердосплавной вставки используется преимущественно в конструкции поворотных резцов, у которых износостойкость существенно выше, чем у неповоротных резцов. Указанное обстоятельство вызвано тем фактом, в процессе разрушения материала осуществляется поворот резца и, следовательно, закрепленной на нем твердосплавной вставки, что приводит к менее интенсивному и более равномерному износу твердосплавной вставки. Наиболее часто встречаются два вида износа поворотных резцов: один при котором осуществляется интенсивное изнашивание головки инструмента и практически незначительный износ твердосплавной вставки, и второй при котором происходит одновременное изнашивание твердосплавной вставки и головки инструмента. Причем интенсивность изнашивания твердосплавной вставки может приближаться к интенсивности изнашивания головки инструмента. Следует отметить, что разные виды износа проявляются не только в изменении геометрической формы вставки из твердосплавного материала и головки породоразрушающего инструмента, 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 вставок описанной конструкции к их недостаткам можно отнести сравнительно низкую эффективность разрушения минеральных и искусственных материалов.

Изобретение направлено на решение задачи по созданию такой твердосплавной вставки для породоразрушающего инструмента, которая при достаточно высокой ее износостойкости обеспечивала бы высокую эффективность разрушения минерального или искусственного материала, то есть обладала бы достоинствами твердосплавных вставок, используемых как в поворотных, так и неповоротных резцах. Одновременно при создании изобретения решается задача расширения арсенала технических средств, предназначенных для разрушения минеральных и искусственных материалов. Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения, заключается в повышении стойкости и прочности вставки из твердосплавного материала при одновременном сохранении энергоемкости процесса разрушения на достаточно низком уровне.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что в твердосплавной вставке для породоразрушающего инструмента, которая содержит переднюю торцевую поверхность плоской кольцевой формы, наружную боковую поверхность, которая образована боковой поверхностью цилиндра вращения, режущую кромку кольцевой формы, опорную поверхность для взаимодействия с упорной поверхностью головки инструмента и расположенную на переднем торце вставки выемку, которая имеет форму тела вращения и продольная ось которой расположена на продольной оси симметрии вставки, выемка выполнена в виде глухого гнезда для выхода продуктов разрушения, а режущая кромка образована пересечением наружной боковой поверхности с передней торцевой поверхностью, при этом передняя торцевая поверхность расположена перпендикулярно продольной оси симметрии вставки.

Кроме того, решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что гнездо для выхода продуктов разрушения выполнено с плоским дном, которое расположено перпендикулярно продольной оси симметрии вставки, что предотвращает скапливание продуктов разрушения в гнезде вставки. При таком варианте конструктивного выполнения вставки значительно упрощается конструкция пресс-формы для изготовления вставки, что приводит к снижению стоимости последней. При этом улучшаются прочностные характеристики вставки, что позволяет продлить срок эксплуатации инструмента, оснащенного такой вставкой.

Кроме того, решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что диаметр стенок гнезда для выхода продуктов разрушения увеличивается в направлении к передней торцевой поверхности вставки. При этом наиболее оптимальным является такое выполнение вставки, при котором поверхность стенок гнезда для выхода продуктов разрушения образована боковой поверхностью усеченного конуса вращения или боковой поверхностью конуса вращения. Использование такой геометрической формы гнезда для выхода продуктов разрушения в конструкции вставки позволяет осуществить более плавный отвод разрушенного материала из зоны разрушения, что дополнительно снижает энергоемкость процесса разрушения. При этом упрощается технология изготовления вставки и, следовательно, ее стоимость.

Кроме того, решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что твердосплавная вставка выполнена с расположенной на ее опорной поверхности по меньшей мере одной дополнительной выемкой для размещения центрирующего выступа на головке инструмента, что облегчает процесс сборки породоразрушающего инструмента за счет обеспечения надежного и простого центрирования вставки на головке инструмента при формировании паянного соединения между ними.

Кроме того, решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что дополнительная выемка для размещения центрирующего выступа на головке инструмента выполнена в виде сквозного осевого канала цилиндрической формы. При таком варианте конструктивного выполнения дополнительной выемки одновременно с указанными выше преимуществами снижается расход твердосплавного материала, что позволяет значительно снизить стоимость продукции.

Кроме того, решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что твердосплавная вставка выполнена с расположенным на ее опорной поверхности по меньшей мере одним центрирующим выступом для размещения его в выемке на головке инструмента, что повышает прочность паяного соединения вставки инструмента за счет увеличения площади взаимодействующих поверхностей указанных деталей инструмента.

Кроме того, решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что центрирующий выступ на вставке имеет форму цилиндра вращения, продольная ось симметрии которого расположена на продольной оси симметрии вставки или фирму усеченного конуса вращения, ось которого расположена на продольной оси симметрии вставки. Такие формы выполнения центрирующего выступа позволяют снизить стоимость вставки за счет упрощения технологии изготовления соответствующей пресс-формы.

Кроме того, решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что угол наклона образующей усеченного конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа, к продольной оси симметрии вставки не менее угла наклона образующей усеченного конуса вращения или образующей конуса вращения, которые определяют форму поверхности стенок гнезда для выхода продуктов разрушения, к той же оси. При таких геометрических характеристиках указанных элементов вставки обеспечивается повышение прочностных характеристик вставки при одновременном сохранении оптимального расхода твердосплавного материала, используемого при изготовлении вставки.

Кроме того, решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что диаметр большего основания усеченного конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа, равен диаметру цилиндра вращения, который определяет форму наружной боковой поверхности вставки. При таком варианте конструктивного выполнения элементов вставки несколько увеличивается расход твердосплавного материала, идущего на ее изготовление, но при этом значительно улучшаются прочностные характеристики вставки, что является определяющим фактором при разрушении материалов с твердыми включениями.

Кроме того, решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что центрирующий выступ имеет форму конуса вращения, ось которого расположена на продольной оси симметрии вставки, что позволяет улучшить центрирование вставки относительно головки инструмента при формировании паяного соединения между ними.

Кроме того, решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что диаметр основания конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа, равен диаметру цилиндра вращения, который определяют форму наружной боковой поверхности вставки. При таком варианте конструктивного выполнения элементов вставки несколько увеличивается расход твердосплавного материала, идущего на ее изготовление, но при этом значительно улучшаются прочностные характеристики вставки, что является определяющим фактором при разрушении материалов с твердыми включениями.

Кроме того, решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что угол наклона образующей конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа, к продольной оси симметрии вставки равен углу наклона образующей усеченного конуса вращения или образующей конуса вращения, которые определяют форму поверхности стенок гнезда для выхода продуктов разрушения, к той же оси. При таких геометрических характеристиках указанных элементов вставки обеспечивается повышение прочности характеристик вставки при одновременном сохранении оптимального расхода твердосплавного материала, идущего на изготовление вставки.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен породоразрушающий инструмент с твердосплавной вставкой; на фиг. 2 - твердосплавная вставка с центрирующим выступом; на фиг.3 твердосплавная встака с дополнительной выемкой; на фиг. 4 узел соединения твердосплавной вставки с головкой инструмента; на фиг. 5 один из вариантов конструктивного выполнения узла соединения твердой вставки с головкой инструмента; на фиг. 6 - твердосплавная вставка с центрирующими выступами и с дополнительными выемками.

Твердосплавная вставка для породоразрушающего инструмента содержит переднюю торцевую поверхность 1 плоской кольцевой формы. Наружная боковая поверхность 2 образована боковой поверхностью цилиндра вращения. Пересечение наружной боковой поверхности 2 с передней торцевой поверхностью 1 образует режущую кромку 3 кольцевой формы. На заднем торце твердосплавной вставки расположена опорная поверхность 4, которая предназначена для взаимодействия с упорной поверхностью 5 головки 6 инструмента. На переднем торце вставки расположена выемка, которая имеет форму тела вращения и выполнена в виде глухого гнезда 7 для выхода продуктов разрушения. Продольная ось выемки 7 расположена на продольной оси 8 симметрии вставки. Передняя торцевая поверхность 1 расположена перпендикулярно продольной оси 8 симметрии вставки. Твердосплавная вставка с помощью паянного соединения 9 (Фиг. 1, 4 и 5) закреплена на головке 6 породоразрушающего инструмента. Породоразрушающий инструмент имеет державку 10, которая установлена с возможностью вращения вокруг своей оси в канале резцедержателя (на чертежах не изображен). Державка 10 может быть выполнена с кольцевой проточкой 11 для размещения в ней стопорного элемента (на чертежах не изображен). Стопорный элемент предназначен для предотвращения выпадения державки 10 из канала резцедержателя.

Поверхность стенок 12 гнезда 7 для выхода продуктов разрушения может иметь любую форму, например, образована частью сферической поверхности или частью поверхности параболоида вращения или частью поверхности или частью поверхности параболоида вращения или частью поверхности эллипсоида вращения (на чертежах не изображены). Наиболее предпочтительным является вариант конструктивного выполнения вставки, при котором гнездо 7 для выхода продуктов разрушения выполнено с плоским дном 13 (Фиг.1, 2 и 5), которое расположено перпендикулярно продольной оси 8 симметрии вставки.

Целесообразна такая форма выполнения гнезда 7 для выхода продуктов разрушения, при которой диаметр его стенок 12 увеличивается в направлении к передней торцевой поверхности 1 вставки, то есть площадь поперечного сечения гнезда 7 для выхода продуктов разрушения увеличивается от его дна 13 к передней торцевой поверхности 1. При этом изменение площади поперечного сечения по продольной оси 8 симметрии вставки гнезда 7 для выхода продуктов разрушения может быть плавным или ступенчатым.

Как показали проведенные исследования наиболее предпочтительными являются такие варианты конструктивного выполнения вставки, при которых поверхность стенок 12 гнезда 7 для выхода продуктов разрушения образована боковой поверхностью усеченного конуса (Фиг. 1, 2 и 5) или боковой поверхностью конуса вращения (Фиг. 3, 4 и 6). При последнем варианте в гнезде 7 для выхода продуктов разрушения отсутствует плоское дно 13.

Твердосплавная вставка может быть выполнена с расположенной на ее опорной поверхности 4 по меньшей мере одной дополнительной выемкой 14. Дополнительная выемка 14 может быть выполнена в виде одного глухого гнезда (Фиг. 3), которое расположено симметрично относительно продольной оси 8 симметрии вставки или в виде нескольких глухих гнезд (Фиг.6), которые равномерно расположены по окружности, центр которой лежит на продольной оси 8 симметрии вставки. Каждая дополнительная выемка 14 предназначена для размещения в ней соответствующего центрирующего выступа (на чертежах не изображена), выполненного на упорной поверхности 5 головки 6 породообразующего инструмента. Дополнительная выемка 14 может быть выполнена в виде сквозного осевого канала 15 (Фиг. 5) цилиндрической формы, который предназначен для размещения центрирующего выступа 16, расположенного на упорной поверхности 5 головки 6 породообразующего инструмента. При этом целесообразно чтобы центрирующий выступ 16 имел форму цилиндра вращения.

Твердосплавная вставка может быть выполнена с расположенным на ее опорной поверхности 4 по меньшей мере одним центрирующим выступом 17 для размещения его в соответствующей выемке (на чертежах не изображена) на головке 6 инструмента. В случае выполнения на твердосплавной вставке нескольких центрирующих выступов 17 (Фиг.6), то целесообразно расположить их равномерно по окружности, центр которой лежит на продольной оси 8 симметрии вставки. При этом форма центрирующих выступов 17 может быть разнообразной, например, центрирующие выступы 17 могут иметь форму конуса вращения, цилиндра вращения или шарового пояса. Форма выемки на голове 6 инструмента должна соответствовать форме центрирующего выступа 17, в которой он размещается. Предпочтительно твердосплавную вставку выполнить с центрирующим выступом 17 (Фиг. 2), который имеет форму цилиндра вращения. Продольная ось симметрии цилиндра вращения, который определяет форму центрирующего выступа 17, должна быть расположена на продольной оси 8 симметрии вставки.

Твердосплавная вставка может быть выполнена с центрирующим выступом 17, который имеет форму усеченного конуса вращения (Фиг. 3 и 6), ось вращения которого расположена на продольной оси 8 симметрии вставки. При таком варианте конструктивного выполнения центрирующего выступа 17 предпочтительно, чтобы угол наклона образующей усеченного конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа 17, к продольной оси 8 симметрии вставки был равен или больше угла b наклона образующей усеченного конуса вращения, который определяет форму поверхности стенок 12 гнезда 7, к той же оси 8. При другом варианте конструктивного выполнения гнезда 7 целесообразно выполнение условия, при котором угол a наклона образующей усеченного конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа 17, к продольной оси 8 симметрии вставки был равен или превышал угол d наклона образующей конуса вращения который определяет форму поверхности стенок 12 гнезда 7, к той же оси 8.

Диаметр большего основания усеченного конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа 17, может быть равен диаметру цилиндра вращения, который определяет форму наружной боковой поверхности 2 вставки (Фиг. 3 и 6), то есть при таком варианте конструктивного выполнения вставки опорная поверхность 4 вставки образована поверхностью центрирующего выступа 17 и имеет форму усеченного конуса вращения.

Возможен такой вариант конструктивного выполнения твердосплавной вставки, при котором центрирующий выступ 17 имеет форму конуса вращения, ось которого расположена на продольной оси 8 симметрии вставки (Фиг. 4). В этом случае диаметр основания конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа 17 равен диаметру цилиндра вращения, который определяет форму наружной боковой поверхности 2 вставки, то есть при таком варианте опорная поверхность 4 вставки имеет форму боковой поверхности конуса вращения.

Угол g наклона образующей конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа 17, к продольной оси 8 симметрии вставки предпочтительно равен углу b наклона образующей усеченного конуса вращения, который определяет форму поверхности стенок 12 гнезда 7, к той же оси 8. При другом варианте конструктивного выполнения твердосплавной вставки целесообразно, чтобы угол g наклона образующей конуса вращения, который определяет форму центрирующего выступа 17, к продольной оси 8 симметрии вставки был равен углу наклона d образующей конуса вращения, который определяет форму поверхности стенок 12 гнезда 7, к той же оси 8.

Следует отметить, что центрирующие выступы 17 могут быть расположены на опорной поверхности 4 вставки, которая в свою очередь образована наружной поверхностью центрирующего выступа 17, (Фиг.6) и в этом случае высота расположенных на опорной поверхности 4 вставки центрирующих выступов 17 определяет толщину паяного соединения 9, обеспечивающего соединение вставки с головкой 6 инструмента.

Твердосплавная вставка для породообразующего инструмента работает следующим образом.

В канале резцедержателя, который закреплен на корпусе исполнительного органа, например, горной машины (на чертежах не изображена) размещают державку 10 резца и закрепляют резец в резцедержателе с помощью стопорного элемента, который устанавливают в кольцевой проточке 11 на державке 10. При этом следует отметить, что стопорный элемент, например разное упругое кольцо, не препятствует вращению державки 10 в канале резцедержателя и, следовательно, повороту всего резца вокруг его продольной оси симметрии относительно резцедержателя. На основании проведенных исследований установлено, что наиболее целесообразным для повышения эффективности разрушения материала является установка резца в резцедержателе таким образом, чтобы задний угол резца находился в диапазоне между 0,5^o и 45^o, то есть в процессе работы поддерживался в указанных пределах угол между касательной к задней поверхности резца (которую образует наружная боковая поверхность 2 вставки) в рассматриваемой точке режущей кромки 3 и плоскостью резания. Указанный угол задается либо ориентацией канала в резцедержателе либо ориентацией самого резцедержателя относительно корпуса исполнительного органа горной машины. При перемещении исполнительного органа горной машины сначала во взаимодействие с разрушаемым материалом вступает твердосплавная вставка, а затем и головка 6 резца, и осуществляют его разрушение. Разрушенный материал поступает по стенкам 12 гнезда 7 в полость последнего и удаляется из него. При этом следует отметить, что полость гнезда 7 не забивается спрессованными продуктами разрушения и не происходит образования большого уплотненного ядра из материала, через который резец воздействует на разрушаемый материал. Указанный эффект обеспечивается за счет выбора оптимального соотношения диаметра режущей кромки 3 вставки и длины головки 6. При оптимальных соотношениях указанных геометрических параметров сложностей с удалением разрушенного материала не возникает и вся разрушенная масса материала выталкивается из полости гнезда 7 вверх и вбок вдоль передней торцевой поверхности 1 вставки.

Поскольку режущая кромка 3 образована пересечением наружной боковой поверхности 2 и передней торцевой поверхностью 1, которая имеет плоскую кольцевую форму и расположена перпендикулярно продольной оси 8 симметрии вставки, то изменяется геометрия режущей части вставки, то есть угол заострения вставки увеличивается до 90^o, а передний угол вставки увеличивается до 20^o, что позволяет существенно повысить прочность режущей кромки 3 и, следовательно долговечность и стойкость твердосплавной вставки в целом. При этом при увеличении ширины передней торцевой поверхности 1 сначала усилия резания возрастают примерно на 20% а затем при дальнейшем увеличении ширины передней торцевой поверхности происходит менее значительный рост усилия резания всего на 4% Таким образом твердосплавная вставка позволяет при незначительном изменении энергоемкости процесса разрушения материала существенно повысить ее стойкость и прочностные характеристики.

Следует отметить, что интенсивность и устойчивость вращения резца, оснащено твердосплавной вставкой описанной конструкции, будет выше за счет того, что при несколько меньших усилиях на резце вращающее усилие на нем имеет значительно большее плечо, что обеспечивает получение большого вращающего момента и следовательно, более равномерный износ как твердосплавной вставки, так и головки резца.