НАКОНЕЧНИК ИЗ СПЕЧЕННОГО КАРБИДА Российский патент 1995 года по МПК E21C35/18 E02F9/28 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к конструкции износостойкого наконечника для крепления к рабочей головке породоразрушающего инструмента, и может быть использовано в строительстве при выемке грунта.

Цель изобретения - повышение эксплуатационной надежности работы наконечника из спеченного карбида.

На фиг.1 изображен породоразрушающий инструмент с наконечником из спеченного карбида; на фиг.2 - приспособление для взаимодействия наконечника с передним концом рабочей головки и фиксации расстояния между наконечником и рабочей головкой при формировании паяного соединения; на фиг.3 - торцевой конец наконечника из спеченного карбида, вид в плане; на фиг.4, 5 - варианты конструктивного выполнения наконечника из спеченного карбида; на фиг.6 - вариант конструктивного выполнения приспособления для взаимодействия наконечника с передним концом рабочей головки и фиксации расстояния между наконечником и рабочей головкой при формировании паяного соединения; на фиг.7 - торцевой конец наконечника из спеченного карбида, вид в плане; на фиг.8, 9 - варианты конструктивного выполнения наконечника из спеченного карбида; на фиг.10 - вариант конструктивного выполнения переднего конца рабочей головки породоразрушающего инструмента.

На фиг.1 проиллюстрирован один вариант вращающегося породоразрушающего инструмента 1, имеющего наконечник 3 из спеченного карбида кобальта, соединенный с рабочей головкой 5 из черного металла, в данном случае из стали, посредством пайки твердым припоем. Рабочая головка 5 проходит вдоль и поворотно симметрично вокруг продольной оси Х-Х, которая пролегает между передним концом 9 и задним концом 11 рабочей головки 5. Задний конец 11 рабочей головки 5 может иметь свободно pасполагаемый на нем упругий стопорный элемент 13 для удерживания с возможностью освобождения породоразрушающего инструмента 1, вращающегося в отверстии резцедержателя на обычной строительной или землеройной машине - экскаваторе (не показаны). Упругие стопорные элементы 13 этого и других типов описаны в патентах США N 3519309 и N 4201421.

Передний конец 9 рабочей головки 5 имеет первую кольцевую обращенную вперед поверхность 15, которая лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси. Обращенная вперед поверхность 15 имеет выступ 17, направленный вперед. На переднем конце выступа 17 имеется вторая обращенная вперед поверхность 19, которая лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси. Первая и вторая обращенные вперед поверхности соединяются обращенной наружу поверхностью 21, котоpая сводится на конус внутрь по мере ее простирания вперед, то есть имеет усеченно-коническую форму и является поворотно симметричной вокруг продольной оси Х-Х. Все острые внутренние и наружные углы удаляются и округляются или делаются в виде фасок.

Высота Н второй поверхности 19 над первой поверхностью 15 составляет 4,5 - 4,9 мм (0,176 - 0,188 дюйма). Высота Н больше глубины D соответствующего профилированного гнезда 23 в наконечнике 3 из спеченного карбида вольфрама-кобальта, поэтому когда выступ 17 соединяется с гнездом 23 твердым припоем, толщина результирующего паяного соединения будет меньше вблизи второй обращенной вперед поверхности 19, чем толщина вблизи кольцевой обращенной вперед поверхности 15 (фиг.2).

Карбидный наконечник 3 имеет кольцевую поверхность 25, обращенную к переднему концу 9 рабочей головки 5 и к кольцевой обращенной вперед поверхности 15 на рабочей головке 5. Расположенная радиально внутри и впереди по отношению к кольцевой поверхности 25 находится поверхность 27 дна гнезда 23. Поверхности 25 и 27 являются плоскими и лежат в плоскости, перпендикулярной продольной оси Х-Х. Между поверхностями 25 и 27 простирается поверхность 29 стенок гнезда 23, которая сводится на конус внутрь от кольцевой поверхности 25 или имеет усеченно-коническую форму. Глубина D гнезда 23, определяемая поверхностями 27 и 29, составляет от≈4,32 до≈4,47 мм (0,170 до ≈0,176 дюйма), но более важно, чтобы глубина D углубления была меньше высоты Н. Гнездо 23 и выступ 17 имеют такие размеры, что в отсутствие твердого припоя наконечник может быть посажен на поверхность 19 рабочей головки 5, не касаясь поверхности 15 рабочей головки 5.

Это обеспечивает соединение 7 твердым припоем, которое имеет среднюю толщину Т₁ между кольцевой поверхностью 25 наконечника 3 и кольцевой обращенной вперед поверхностью 15 рабочей головки 5 больше средней толщины Т₂ между поверхностью 27 дна гнезда 23 и обращенной вперед поверхностью 19 рабочей головки 5. Толщина Т₁ составляет ≈ 0,2 - 0,6 мм (0,008 - 0,016 дюйма) и ≈ 0,25 - 0,41 мм (0,010 - 0,016 дюйма). Толщина Т₂ ≈ 0,51 - 0,102 мм ( 0,002 - 0,004 дюйма). Средняя толщина Т₃ соединения твердым припоем между сводящимися внутрь на конус поверхностями 29 и 21 на гнезде 23 наконечника и выступе 17 рабочей головки 5 составляет ≈ 0,2 - 0,61 мм (0,008 - 0,24 дюйма) и ≈ 0,254 - 0,41 мм (0,010 - 0,016 дюйма). Каждая из толщин Т₁ и Т₃ должна быть в два раза больше Т₂ и по меньшей мере, в три раза больше Т₂.

Для обеспечения достаточной равномерности толщины Т₃ соединения, паянного твердым припоем, по периферии выступы 17 целесообразно располагать между наконечником 3 и передним концом 9 рабочей головки 5 приспособления в виде группы основных выступов 31. Предпочтительно разместить эти основные выступы 31 на заднем конце наконечника 3, причем формировать их на сходящей на конус внутрь поверхности 29 стенок гнезда 23 с целью сцепления их со сходящей на конус поверхностью 21 на выступе 17 рабочей головки 5. Благодаря этому основные выступы 31 располагают наконечник 3 на некотором расстоянии по центру относительно выступа 17 рабочей головки 5 для облегчения формирования паяного соединения 7 между ними, имеющего вышеупомянутый профиль толщин поперечного сечения. Таким образом основные выступы 31 являются частью наконечника 3, выходят радиально внутрь от внутрь сходящейся на конус поверхности 29 стенок гнезда 23 наконечника 3 и рассредоточенные по периферии этой поверхности. Предпочтительно иметь три основных выступа 31, расположенные на 120^о друг от друга (фиг.3).

Целесообразно предусмотреть группы дополнительных выступов 32 на самой задней поверхности наконечника (фиг.6 - 8). Основные выступы 31 будут образовывать зазор между наконечником 3 и рабочей головкой 5, который обеспечивает заданный пpофиль толщины вдоль паяного соединения 7. Основные выступы 31 могут приводить к смещению вследствие неточного расположения наконечника 3 на рабочей головке 5 или существования запредельных условий частей любых из обращенных друг к другу поверхностей наконечников или корпуса. Дополнительные выступы 32 предусматриваются для компенсирования таких случайностей, формируются на кольцевой поверхности 25 и выступают от нее для размещения наконечника 3 на конце 9 рабочей головки 5 в совмещенном в линию и рассредоточенном положении по отношению к нему таким образом, что их соответствующие оси совпадают. Предпочтительно иметь четыре дополнительных выступа 32, которые должны быть рассредоточены по окружности на расстоянии друг от друга ≈ 90^о (фиг.7).

Размер основных 31 и дополнительных 32 выступов должен быть таким, чтобы они, способствуя обеспечению равномерной толщины Т₃ паяного соединения, не были настолько большими, что могли бы мешать требуемому взаимоотношению между толщинами Т₁, Т и Т₃ соединения. Предпочтительными являются выступы сферической формы. Выступы 31 должны иметь высоту ≈0,127 - 0,2 мм (0,005 - 0,008 дюйма) над поверхностью 29 стенок гнезда 23, удовлетворяющую требованию Т₂ < Т₃. Благодаря обеспечению вышеупомянутого отношения между Т₂ и Т₃ выход из строя наконечника будет сводиться до минимума и одновременно обеспечиваться прочное и долговечное соединение между наконечником и рабочей головкой 5 инструмента 1, тем самым сводиться до минимума расход наконечников в процессе эксплуатации.

В другом варианте (не показан) кольцевые поверхности 25 и 15 на наконечнике 3 и рабочей головке 5, соответственно, могут быть наклонены назад, когда они проходят радиально наружу от продольной оси Х-Х, образуя усеченно-конические поверхности. В этом случае угол наклона меньше такового поверхностей 21 и 29 и составляет не более 30^о к плоскости, перпендикулярной продольной оси Х-Х. В этом варианте глубина D может отсчитываться от плоскости, ограниченной самым дальним краем кольцевой поверхности 25, который находится в том месте, где он встречается с цилиндрической поверхностью 65 (см.фиг.4). Для обеспечения соответствия высоту Н выступа 17 в этом случае следует отсчитывать от плоскости, ограниченной тем местом, где поверхность 15 пересекает диаметр D_R3, то есть наружный диаметр поверхности 65 наконечника (фиг.4).

Целесообразно использовать для пайки соединения наконечника 3 с рабочей головкой 5 высокотемпературный материал с тем, чтобы прочность паяного соединения можно было сохранять в широком диапазоне температур. Предпочтительными материалами для пайки являются "Хэнди высокотемпературный 548", "Тримет 549, 080 и 655". Сплав "Хэнди высокотемпературный -548" состоит, мас. % Cu 55 ± 1,0; Ni 6 ±0,5; Mn 4 ± 0,5; Si 0,15 ± 0,05; цинк остальное и 0,50 мас.% общего максимального количества примесей. "Хэнди высокотемпературный 548", "Тримет 549" представляют собой плакированную ленту "Тримет" в соотношении 1-2-1 сплава "Хэнди высокотемпературной 548" по обе стороны меди. Дополнительную информацию по "Хэнди высокотемпературному 548" и "Тримету 549" можно найти в листке технических данных фирм "Хэнди энд Харман" N D-74.

Приемлемые паяные соединения достигаются с применением дисков "Хэнди высокотемпературный 549", которым придается форма колпачков и которые размещаются между гнездом 23 наконечника 3 и выступом 17 рабочей головки 5 и затем подвергаются пайке известным способом индукционной пайки, которая в дополнение к пайке наконечника 3 к рабочей головке 5 также закаляет сталь, которой может быть любая из сталей, применяемых для рабочих головок 5 породоразрушающих инструментов 1. После этапа пайки и закаливания стали отпускают до твердости по Роквеллу С 40-45. Наконечник из спеченного карбида может иметь любой из стандартных составов карбид вольфрама - кобальт, используемых при строительстве и выемке грунта. Удовлетворительные результаты при восстановлении асфальтовых покрытий достигаются при применении стандартной марки спеченного карбида, содержащего 5,7 мас.% кобальта и имеющего твердость по Роквеллу ≈ 88,2.

Взаимодействующие с грунтом поверхности наконечника 3 могут иметь любую из известных форм, ранее применявшихся в технике. Однако предпочтительная конструкция проиллюстрирована на фиг.1-5, 6 - 8. В представленной конструкции передний конец взаимодействующих с грунтом поверхностей имеет сферическую носовую часть 45 радиусом R_т, присоединенную к усеченно-конической поверхности 50, сходящей на конус от продольной оси симметрии Х-Х, когда она проходит назад под углом 90-А_Т, образуя максимальный диаметр D_F на расстоянии L₂ от переднего конца носовой части 45. К усеченно-конической поверхности 50 присоединяется колоколообразная секция 55, имеющая взаимодействующую с грунтом вогнутую поверхность 60, к нижнему концу которой присоединяется защитная поверхность 65 равномерного диаметра. Вогнутая поверхность образуется рядом вогнутых поверхностей 60А, 60В и 60С, каждая из которых имеет разный диаметр прогиба, и радиусы увеличиваются по мере продвижения назад вдоль длины наконечника (то есть, 60А > 60В > 60С). Может быть применено любое число радиусов R_N или дуг A_N, целесообразно иметь по меньшей мере три радиуса (или дуги) для образования гладкой непрерывной поверхности 60, в примере обозначены как R₁, R₂ и R₃ и A₁, A₂ и А₃. Задний конец вогнутой поверхности 60 примыкает к цилиндрической поверхности 65, которая имеет диаметр D_R3, который не только больше D_F, но достаточного размера для полного или по меньшей мере значительного перекрытия всей передней поверхности рабочей головки 5, к которому припаивается наконечник (то есть более 98% диаметра передней поверхности). Таким образом обеспечивается максимальная защита от износа переднего конца рабочей головки 5 посредством наконечника 3 из спеченного карбида, благодаря чему снижается степень износа переднего конца 9 рабочей головки 5.

Применение вогнутой поверхности 60 с переменным радиусом кривизны позволяет изготавливать наконечник с увеличенной длиной L₁ при одновременном обеспечении максимальной прочности и по существу равномерным распределением напряжений во время эксплуатации и сведении до минимума поломки наконечника при применении.

Внутренние диаметры гнезда 23 D_R1 и D_R2 и его форма могут выбираться таким образом, чтобы обеспечивать равномерную поверхность стенки, особенно в зоне вогнутой части 60. Плоская круглая поверхность 27 дна гнезда 23 обеспечивает большую площадь для пайки к передней концевой поверхности выступа 17 на рабочей головке 5. Эта конструкция в сочетании с небольшой толщиной паяного соединения создает уверенность в том, что в процессе эксплуатации наиболее значительные нагрузки, прилагаемые к наконечнику, будут приводить наконечник скорее к сжатию, чем к растяжению. Размеры наконечника представлены в таблице. Эти размеры должны использоваться в сочетании с вышеприведенными размерами гнезда 23 наконечника 3, выступа 17 на рабочей головке 5 и толщин паяного соединения.

Для облегчения производства и/или обеспечения дополнительной прочности конструкции на стыках различных поверхностей карбидного наконечника могут предусматриваться фаски, округления и т.п.

На фиг.9 и 10 иллюстрируются соответствующие модифицированные варианты наконечника 3А и рабочей головки 5А инструмента 1. Эти варианты наконечника 3А и рабочей головки 5А незначительно модифицированы по сравнению с вариантами наконечника 3 и рабочей головки 5 (фиг.5 и 6), так что ниже будут рассмотрены только различия между ними. Обращенная наружу поверхность 21 на выступе 17 рабочей головки 5 и обращенная внутрь поверхность 29 стенок гнезда 23 наконечника 3 (фиг.2 и 6) являются усеченно-коническими по форме; а соответствующие поверхности 21А и 29А на соответствующих поверхностях 17А и гнезда 23А рабочей головки 5А и наконечника 3А являются вогнутой и выпуклой по форме. Вогнутая поверхность 29А на углубление 29А наконечника имеет радиус R₄, равный ≈ 12,370 мм (0,487 дюйма), и концентрична с радиусом R₃ на наружной поверхности 65А наконечника 3А. Радиус R₃ такой же, что и выше. Радиус R₅ на переходе 67 между вогнутой поверхностью 29А и поверхностью 27 равен ≈ 3,05 мм ( ≈ 0,12 дюйма). Вогнутая поверхность 21А на выступе 17А рабочей головки 5 и переход 69 между вогнутой поверхностью 21А и поверхностью 19 дополняют поверхности стенок гнезда 23А наконечника. Модификация конфигурации гнезда 23 наконечника 3 (фиг.2 и 6), имеющего усеченно-коническую поверхность 29, до конфигурации гнезда 23А наконечника 3А (фиг. 9), имеющего вогнутую поверхность 29А, обеспечивает более равномерную толщину кольцевой поверхности наконечника, окружающей углубление, благодаря чему усиливается материал наконечника в этой секции. Основные выступы 31 предусмотрены на внутрь обращенной вогнутой поверхности 29А гнезда 23А наконечника и отходят от нее для вхождения в контакт с наружу обращенной вогнутой поверхностью 21А на выступе 17А рабочей головки 5.

Сущность изобретения: наконечник из спеченного карбида содержит передний конец для взаимодействия с грунтом и основание для присоединения к рабочей головке из черного металла. Наконечник имеет форму тела вращения. На основании наконечника расположены кольцевая поверхность и гнездо, форма которого соответствует форме выступа на переднем конце рабочей головки. Наконечник имеет приспособление для взаимодействия с передним концом рабочей головки и фиксации расстояния между наконечником и рабочей головкой при формировании паяного соединения между ними с заданной толщиной слоя припоя в поперечном сечении. Приспособление выполнено в виде расположенных на поверхности гнезда на расстоянии друг от друга группы основных выступов и расположенных на кольцевой поверхности на рассоянии друг от друга группы дополнительных выступов. 14 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

1. НАКОНЕЧНИК ИЗ СПЕЧЕННОГО КАРБИДА, содержащий расположенные симметрично относительно продольной оси наконечника, имеющего форму тела вращения, передний конец для взаимодействия с грунтом и основание для присоединения к рабочей головке из черного металла, на котором расположены кольцевая поверхность и гнездо, форма которого соответствует форме выступа на переднем конце рабочей головки из черного металла, отличающийся тем, что он имеет приспособление для взаимодействия с передним концом рабочей головки из черного металла и фиксации расстояния между наконечником и рабочей головкой при формировании паяного соединения между ними с заданной толщиной слоя припоя в поперечном сечении, которое выполнено в виде расположенных на поверхности гнезда на расстоянии друг от друга группы основных выступов и расположенных на кольцевой поверхности на расстоянии друг от друга группы дополнительных выступов. 2. Наконечник по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр гнезда последовательно уменьшается от основания наконечника к поверхности дна гнезда, при этом основные выступы расположены на поверхности стенок гнезда. 3. Наконечник по п.2, отличающийся тем, что поверхность стенок гнезда имеет форму усеченного конуса. 4. Наконечник по п.2, отличающийся тем, что поверхность стенок гнезда имеет выпуклую форму. 5. Наконечник по п. 1, отличающийся тем, что группа основных выступов выполнена в виде трех выступов, которые равномерно расположены по окружности, центр которой лежит на продольной оси симметрии наконечника. 6. Наконечник по п.1, отличающийся тем, что группа дополнительных выступов выполнена в виде четырех выступов, которые равномерно расположены по окружности, центр которой лежит на продольной оси симметрии наконечника. 7. Наконечник из спеченного карбида, содержащий расположенные симметрично относительно продольной оси наконечника, имеющего форму тела вращения, передний конец для взаимодействия с грунтом и основание для присоединения к рабочей головке из черного металла, на котором расположены кольцевая поверхность и гнездо, внутренний диаметр которого последовательно уменьшается от основания наконечника к поверхности дна гнезда и поверхность стенок которого разделяет кольцевую поверхность основания наконечника и поверхность дна гнезда, отличающийся тем, что имеет приспособление для взаимодействия с передним концом рабочей головки из черного металла и фиксации расстояния между наконечником и рабочей головкой при формировании паяного соединения между ними с заданной толщиной слоя припоя в поперечном сечении, которое выполнено в виде расположенных на поверхности стенок гнезда на расстоянии друг от друга группы основных выступов для размещения наконечника на переднем конце рабочей головки по центру последней и на расстоянии от нее и расположенных на кольцевой поверхности основания наконечника и на расстоянии друг от друга группы дополнительных выступов для соосного размещения наконечника на переднем конце рабочей головки и на расстоянии от последней. 8. Наконечник по п.7, отличающийся тем, что поверхность стенок гнезда имеет форму усеченного конуса. 9. Наконечник по п.7, отличающийся тем, что поверхность стенок гнезда имеет выпуклую форму. 10. Наконечник по п.7, отличающийся тем, что группа основных выступов выполнена в виде трех выступов, которые равномерно расположены по окружности, центр которой лежит на продольной оси симметрии наконечника. 11. Наконечник по п. 7, отличающийся тем, что группа дополнительных выступов выполнена в виде четырех выступов, которые равномерно расположены по окружности, центр которой лежит на продольной оси симметрии наконечника. 12. Наконечник из спеченного карбида, содержащий расположенные симметрично относительно продольной оси наконечника, имеющего форму тела вращения, передний конец для взаимодействия с грунтом и основание для присоединения к рабочей головке из черного металла, на котором расположены кольцевая поверхность, часть которой лежит в плоскости, перпендикулярной к продольной оси симметрии наконечника, и гнездо, форма которого соответствует форме выступа на переднем конце рабочей головки из черного металла, отличающийся тем, что он имеет приспособление для взаимодействия с передним концом рабочей головки из черного металла и фиксации расстояния между наконечником и рабочей головкой при формировании паяного соединения между ними с заданной толщиной слоя припоя в поперечном сечении, которое выполнено в виде расположенных на лежащей в плоскости, перпендикулярной к продольной оси симметрии наконечника, части кольцевой поверхности на расстоянии одна от другой групп выступов. 13. Наконечник по п.12, отличающийся тем, что группа выступов выполнена в виде четырех выступов, которые равномерно расположены по окружности, центр которой лежит на продольной оси симметрии наконечника. 14. Наконечник из спеченного карбида, содержащий расположенные симметрично относительно продольной оси наконечника, имеющего форму тела вращения, передний конец для взаимодействия с грунтом и основание для присоединения к рабочей головке из черного металла, на котором расположены кольцевая поверхность и гнездо, внутренний диаметр которого последовательно уменьшается от основания наконечника к поверхности дна гнезда и поверхность стенок которого разделяет кольцевую поверхность основания наконечника и поверхность дна гнезда, отличающийся тем, что он имеет приспособление для взаимодействия с передним концом рабочей головки из черного металла и фиксации расстояния между наконечником и рабочей головкой при формировании паяного соединения между ними с заданной толщиной слоя припоя в поперечном сечении, которое выполнено в виде расположенных на кольцевой поверхности основания наконечника на расстоянии друг от друга группы выступов для соосного размещения наконечника на переднем конце рабочей головки и на расстоянии от последней. 15. Наконечник по п.14, отличающийся тем, группа выступов выполнена в виде четырех выступов, которые равномерно расположены по окружности, центр которой лежит на продольной оси симметрии наконечника.

Приоритет по пунктам:
20.07.88 по пп.1-14;
27.01.89 по п.15.