具有可控硬度保持器的切割工具的制作方法

1.本发明涉及可旋转切割工具，并且更具体地，涉及用于可旋转切割工具的具有可控硬度的保持器。


背景技术：

2.可旋转切割工具用于各种应用中，并且通常用于路面铣刨操作中。可旋转切割工具通常包含钻头、垫圈和保持器。钻头通常包含柄。保持器围绕钻头的柄放置以便在操作期间将工具保持在支架中，并且保护支架免于因切割工具的旋转而磨损。许多技术发展已增加了可旋转切割工具钻头的寿命。随着可旋转切割工具钻头寿命增加，由于在钻头操作期间柄所经历的磨损，钻头的柄会成为钻头寿命的限制因素。已作出若干尝试来增加柄的寿命，包含柄的主体涂层和柄的等离子转移弧(pta)硬表面堆焊。然而，主体涂层持续时间不够长，并且pta硬表面堆焊由于磨损而减少保持器的寿命且减少柄疲劳寿命。需要增加柄的寿命，同时也不减少保持器的寿命。


技术实现要素：

3.本发明提供具有钻头和保持器的可旋转切割工具。保持器包围钻头的柄的至少一部分。保持器的硬度被控制为比钻头的柄的硬度小的选定水平。本发明的切割工具通过提供带有与切割工具钻头的柄相比具有较小可控硬度的保持器的切割工具来解决上述问题。
4.本发明的一个方面是提供一种切割工具，其包括：柄，其包括柄外表面；以及保持器，其包括至少部分地包围柄外表面的保持器内表面。保持器具有比柄的硬度小的可控硬度，所述可控硬度选择为减少柄外表面与保持器内表面之间的磨损。
5.本发明的另一方面是提供一种组装切割工具的方法，其包括围绕切割工具钻头柄安装低硬度保持器，其中所述低硬度保持器包括至少部分地包围钻头柄的外表面的内表面，并且所述内表面具有比钻头柄的硬度小的可控硬度，所述可控硬度选择为减少钻头柄外表面与低硬度保持器内表面之间的磨损。
6.根据以下描述，本发明的这些和其它方面将更加明显。
附图说明
7.图1是根据本发明的实施例的具有保持器和垫圈的可旋转切割工具的等距视图。
8.图2是图1的可旋转切割工具的侧视图。
9.图3是穿过图2的截面3-3截取的横截面侧视图。
10.图4是根据本发明的实施例的保持器的等距视图。
11.图5是图4的保持器的端视图。
12.图6是用于标准保持器和具有较低硬度的本发明保持器的可旋转切割工具柄材料损失的图式，其展示与本发明的低硬度保持器一起使用的可旋转切割工具柄的磨损率显著降低。
13.图7是用于标准保持器和具有较低硬度的本发明保持器的可旋转切割工具保持器材料损失的图式，其展示本发明的低硬度保持器的大致类似磨损率。
具体实施方式
14.图1至3示出根据本发明的实施例的具有保持器200和垫圈300的可旋转切割工具100。可旋转切割工具100包含布置在可旋转切割工具100的第一端处的切割尖端120。切割尖端120可由标准材料制成，例如碳化钨、多晶金刚石或被构造并布置成用于切割例如沥青等硬质材料的其它材料。切割尖端120可未经涂布或经涂布。切割尖端120固定到承梁130。承梁130可围绕沿着切割工具100的长度居中延伸的纵向轴线500居中。承梁130固定到由钻头轴环140包围的钻头主体150。钻头柄160在向后方向上从钻头主体150延伸。保持器200可布置在钻头柄160的外部上。
15.垫圈300的两个不同定向在图1至3中示出。垫圈300的初始位置是在将切割工具100安装到支架(未展示)中之前垫圈300所在的位置。在初始位置中，垫圈300围绕保持器200的外部布置，以使得保持器200与垫圈300接触。垫圈300'的最终位置是在将切割工具100安装到支架中之后垫圈300'所在的位置。在最终位置中，垫圈300'与可旋转切割工具100的钻头主体150接触。
16.钻头柄160的形状可为圆柱形。钻头柄160可具有沿着纵向轴线500测量的至少1.00英寸，例如至少1.20英寸或至少1.40英寸的柄长度ls。柄长度ls可为至多2.50英寸，例如至多1.70英寸或至多1.50英寸。柄长度ls可在1.00英寸至2.50英寸的范围内，例如1.40英寸至1.50英寸。钻头柄160可具有至少0.40英寸，例如至少0.60英寸或至少0.65英寸的外径ds。钻头柄160可具有至多1.20英寸，例如至多0.80英寸或至多0.67英寸的外径ds。钻头柄160外径ds可在0.4英寸至1.20英寸的范围内，例如0.6英寸至0.8英寸或0.65英寸至0.67英寸。
17.如图1至5中所展示，保持器200可被构造并布置成包围具有外径ds的钻头柄160的外表面162的至少一部分。保持器200具有大体上圆柱形外表面210。保持器200具有带有内径dr的内表面220，所述内径可大于或等于钻头柄160的外径ds。当切割工具100和保持器200安装在标准支架(未展示)中时，保持器200径向向外延伸，以使得其外表面210接触支架的中心孔并保持在所述中心孔中，从而减少或消除保持器200与支架之间的相对旋转。当垫圈300'在可旋转切割工具100安装到支架中之后处于最终位置时，内径dr与保持器200的内径dr相关。
18.当安装在支架中时，保持器内径dr可为至少0.40英寸，例如至少0.60英寸或至少0.67英寸。保持器200可具有至多1.40英寸，例如至多0.90英寸或至多0.69英寸的内径dr。保持器内径dr可在0.40英寸至1.40英寸的范围内，例如0.60英寸至0.90英寸或0.67英寸至0.69英寸。
19.当可旋转切割工具100安装在支架中并且垫圈300'处于最终位置时，在保持器内表面220与柄外表面162之间可能存在平均安装间隙。在安装后安装间隙可能变化，因为柄可在操作期间移位，以使得柄外表面162的一些部分比柄外表面162的其它部分更接近保持器内表面220。当可旋转切割工具100处于安装位置时，安装间隙可等于保持器内径dr与柄外径ds之间的差的一半。安装间隙可为至少0.001英寸，例如至少0.003英寸或至少0.005英
寸。安装间隙可为至多0.100英寸，例如至多0.050英寸或至多0.020英寸。安装间隙可在0.001英寸至0.100英寸的范围内，例如0.003英寸至0.050英寸或0.005英寸至0.020英寸。
20.当包围钻头柄160的外径ds的至少一部分时，保持器200可沿着柄长度ls的至少一部分延伸。保持器的长度lr可小于、等于或大于柄长度ls。保持器200可具有至少1.0英寸，例如至少1.4英寸或至少1.45英寸的保持器长度lr。保持器长度lr可为至多2.0英寸，例如至多1.6英寸或至多1.55英寸。保持器长度lr可在1.0英寸至2.0英寸的范围内，例如1.45英寸至1.55英寸。
21.保持器200包含保持器间隙230，所述保持器间隙沿着保持器的长度在与纵向轴线500平行的方向上从保持器外表面210轴向地延伸到保持器内表面220。保持器间隙230可由间隙角ag限定。
22.保持器200可包含至少一个保持器凹口240，例如两个、三个或四个保持器凹口240，所述保持器凹口被构造并布置在保持器内表面220上。保持器凹口240可从保持器内表面220径向向内延伸。保持器凹口240可包含弯曲的凹口内表面242、平坦的凹口后表面244和成角度的或圆形的凹口前表面246。
23.钻头柄160可包含远离钻头柄底表面170的柄长度ls的一部分的径向向内延伸的柄凹槽164。柄凹槽164可具有比柄直径ds小的凹槽外径dg。柄凹槽164可被构造并布置成接收至少一个保持器凹口240。平坦的凹口后表面244可被构造并布置成接合柄凹槽164。当安装在钻头柄160周围时，平坦的凹口后表面244可与柄凹槽下边缘168接合，以使得其防止保持器200在安装之后在柄凹槽164后方移动。
24.当垫圈300'抵靠钻头主体150处于最终位置并且保持器200展开而与支架的孔接触时，防止保持器200与钻头柄160之间的相对轴向移动，同时仍允许钻头柄160与保持器200之间的旋转移动。当钻头柄160尝试在向前轴向方向上移动时，由与柄凹槽下边缘168接触的平坦的凹口后表面244防止轴向移动。在保持器200中的钻头柄160的旋转移动期间，柄凹槽164可围绕保持器凹口240自由地移动，从而允许钻头柄160在保持器200内旋转。因此，在可旋转切割工具100的操作期间，柄160可在保持器200内旋转，同时保持器200防止钻头柄160在轴向方向上(例如，相对于保持器200向前)移动。
25.在可旋转切割工具100的操作期间，保持器内表面220可与钻头柄160的外表面162接合，从而产生磨损。保持器200通常可由硬度在47至50洛氏硬度c级(hrc)范围内的弹簧钢制成，而钻头柄160通常由硬度在45至50 hrc范围内的钢制成。可使用astm标准e0018-20中描述的标准方法测量hrc值。
26.根据本发明，已发现带有具有大体上小于钻头柄160的硬度的可控硬度的保持器200会使钻头柄160的磨损减少，以及使较软保持器的磨损最小化。在保持器和钻头柄的常规配对中，柄和保持器的硬度大约相同，例如，保持器的硬度在47至50 hrc的范围内，并且钻头柄的硬度在45至50 hrc的范围内。然而，当钻头柄160的硬度保持在45至50 hrc的范围内，例如47至50 hrc，并且保持器200的硬度降低到38至44 hrc的范围，例如39至43 hrc或40至42 hrc时，则钻头柄160的磨损最小化，同时还使保持器200的磨损最小。当钻头柄160具有45至50 hrc范围内的硬度时，具有38至44 hrc、39至43 hrc或40至42 hrc范围内的硬度的保持器200的磨损可与具有47至50 hrc范围内的硬度的保持器200所经历的磨损类似。通常，预计保持器200的硬度减小将使得保持器200的磨损增加。然而，在保持器200和钻头
柄160的这些硬度值的情况下，已看到，保持器200的较低硬度仍可使钻头柄160的磨损显著减小而不会牺牲对保持器200的显著额外磨损。
27.如本文中所使用，当提及保持器200时，术语“低硬度”和“较低硬度”意指保持器200具有比保持器200所安装在的钻头柄160的硬度小的可控硬度。在一些非限制性实施例或方面中，钻头柄160可比保持器200硬至少1 hrc，例如，比保持器200硬至少2 hrc、至少3 hrc、至少4 hrc、至少5 hrc、至少8 hrc或至少11 hrc。钻头柄160可比保持器200硬2至11 hrc的范围，例如比保持器200硬4至9 hrc或硬6至7 hrc。
28.可通过在高温和选定时间对保持器200进行回火和/或热处理来降低保持器200的硬度，这可由所属领域的技术人员在没有不当实验的情况下确定。保持器200的回火可在保持器200的初始硬化之后发生。保持器200可回火一次、两次或更多次，以便获得所要硬度。
29.在一些非限制性实施例或方面中，保持器200可包含钢，例如弹簧钢。举例来说，保持器200可包含1070级弹簧钢，或其它弹簧钢，例如1050、1060、65mn等等。1070级弹簧钢可包含在0.65重量％至0.75重量％范围内的碳和在0.60重量％至0.90重量％范围内的锰。1070级弹簧钢还可包含在0重量％至0.050重量％范围内的硫和/或在0重量％至0.040重量％范围内的磷。按重量计，组合物的大部分余量可包含铁。钻头柄160可包含已知钢，例如4140等等。
30.在一些非限制性实施例或方面中，保持器200可包含65mn钢。65mn钢可包含在0.62重量％至0.70重量％范围内的碳、在0.17重量％至0.37重量％范围内的硅、在0.90重量％至1.20重量％范围内的锰、在0重量％至0.035重量％范围内的磷以及约在0重量％至0.035重量％范围内的硫。65mn钢还可包含在0重量％至0.25重量％范围内的铬、在0重量％至0.25重量％范围内的镍和/或在0重量％至0.25重量％范围内的铜。按重量计，组合物的大部分余量可包含铁。
31.保持器200可由与钻头柄160相同或不同的材料制成。钻头柄160可由与钻头主体150相同或不同的材料制成。保持器200可完全或主要由弹簧钢构成，例如1070级弹簧钢或65mn钢。保持器200可具有硬度相同的大部分组合物。保持器200的至少85％可具有在39至43hrc范围内的硬度，例如，保持器的至少90％或至少95％可具有在39至43 hrc范围内的硬度。保持器200可能够在不使用保持器内表面220的任何包覆、涂布和/或硬表面堆焊的情况下实现39至43 hrc的硬度。在一些非限制性实施例或方面中，保持器200的整个横截面区域可为恒定硬度，例如相同硬度。钻头柄160的整个横截面区域可为恒定硬度，例如相同硬度。
32.可在保持器外表面210与保持器内表面220之间限定保持器200的径向厚度。保持器200的硬度在径向方向上在整个保持器200的径向厚度上可为大体上恒定。钻头柄160的径向厚度可由柄外表面162限定。柄162的硬度在整个钻头柄160的径向厚度上可为大体上恒定。
33.以下实例将说明本发明，这些实例不应被理解为将本发明局限于其细节。
34.实例
35.与标准钻头柄和本发明的较低硬度保持器相比，在包含标准钻头柄和标准保持器的组合件上测量了钻头柄和保持器硬度以及磨损特性。另外，在包含标准保持器和具有pta硬表面堆焊的钻头柄的组合件上测量了保持器磨损特性。
36.硬度测试
37.在所有保持器组中，标准保持器组的钻头柄由4140型钢制成。在pta硬表面堆焊钻头柄的情况下，4140型钢涂布有标准的pta硬表面堆焊材料。通过astm标准e0018-20进行测量，测量到标准钻头柄(无pta硬表面堆焊)的硬度值在45与50 hrc之间。
38.在所有保持器组中，保持器由1070弹簧钢制成。通过astm标准e0018-20进行测量，测量到标准保持器的硬度值在47与50 hrc之间。通过在高温下将标准硬化保持器回火足够的时间来将硬度降低到39与43 hrc之间的所要水平而产生较低硬度保持器。
39.磨损测试
40.对具有标准柄和标准保持器的组合件、具有标准柄和较低硬度保持器的组合件以及具有pta硬表面堆焊柄和标准保持器的组合件进行磨损测试。大致60个可旋转切割工具用于每一不同类型的组合件，总共180个可旋转切割工具安装到支架中，所述支架附接到安装在标准路面铣刨机中的旋转切割滚筒上的块。如道路建设行业中常用的，所述块布置为15毫米间隔图案。接着运行机器4天，从路面铣刨大致2英寸的沥青，所述机器配备有可旋转切割工具，包含标准保持器的工具、具有较低硬度保持器的工具以及具有标准保持器的在柄上进行硬表面堆焊的工具。每天运行机器大致9小时。在操作期间，切割滚筒以大致110 rpm旋转，并且在滚筒旋转时在工具上持续喷射冷水。机器的切割速度是大致115英尺/分钟。在四天结束时，从支架去除所有工具，并且测量工具的一部分上的柄和保持器的磨损。总沥青切割量是43,579 yd2。
41.测量标准和较低硬度保持器组以确定组件的磨损量。磨损量的测量是通过使用例如数显卡尺和千分尺等标准测量装备测量铣刨之前和之后的钻头柄的直径以及通过测量铣刨之前和之后的标准保持器和较低硬度保持器的径向厚度来进行的。对于钻头柄，磨损测试在钻头柄的上部部分和下部部分处进行。以从钻头柄的外径和保持器的内径去除的材料的英寸数来测量磨损量。
42.磨损测试的结果在图6和7中展示。如图6中可见，具有硬度小于钻头柄的保持器使得钻头柄的磨损减少。当保持器的硬度在47至50hrc之间并且钻头柄的硬度在45至50 hrc之间时，在4天的测试之后，钻头柄的上部部分的平均磨损是0.021英寸的材料损失。在4天的测试之后，钻头柄的下部部分的平均磨损是约0.0134英寸的材料损失。
43.当柄的平均硬度在45至50 hrc之间并且保持器的平均硬度降低到39至43 hrc之间时，在4天的测试之后，钻头柄的上部部分的平均磨损是0.0154英寸的材料损失。在4天的测试之后，钻头柄的下部部分的平均磨损是约0.0084英寸的材料损失。
44.如图7中可见，与标准保持器相比，具有较低硬度的保持器会引起类似的保持器磨损量。当标准保持器的硬度在47至50 hrc之间并且钻头柄的硬度在45至50 hrc之间时，在4天的测试之后，保持器的平均磨损是每保持器0.0116英寸的材料损失。当柄的平均硬度在45至50 hrc之间并且保持器的平均硬度降低到39至43 hrc之间时，在4天的测试之后，较低硬度保持器的平均磨损是每保持器0.0118英寸的材料损失。
45.图7中还展示当与防磨损柄(即，pta硬表面堆焊柄)一起使用时标准保持器的平均磨损。在4天的测试之后，标准保持器的平均磨损是每保持器0.0280英寸的材料损失。
46.此实例中的数据证实，当保持器的硬度从47至50 hrc降低到39至43 hrc时，在钻头柄的上部部分和下部部分中的平均柄磨损均减小。然而，尽管保持器硬度减小，但保持器的平均磨损保持大约相同。所述数据还证实，标准保持器与防磨损柄一起使用会使保持器
的材料损失显著增加，因此使保持器的寿命显著减少。
47.如本文中所使用，“包含(including/containing)”等术语在本技术的上下文中应理解为与“包括”同义，且因此是开放式的，并且不排除存在额外未描述或未列举的元素、材料、阶段或方法步骤。如本文中所使用，“由
……
组成”在本技术的上下文中应理解为排除任何未指定的元素、材料、阶段或方法步骤的存在。如本文中所使用，“基本上由
……
组成”在本技术的上下文中应理解为包含指定的元素、材料、阶段或方法步骤(如果适用)，且还包含不会实质性地影响本发明的基本或新颖特性的任何未指定的元素、材料、阶段或方法步骤。
48.出于上述描述的目的，应理解，除明确指定相反的情况外，本发明可采用各种替代性变化和步骤序列。此外，表达例如说明书和权利要求书中所用的成分的数量的所有数字应理解为在所有情况下均由术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则所阐述的数值参数为近似值，其可取决于本发明寻求获得的所要性质而变化。最低限度地，且不试图限制等效物原则的应用，应至少鉴于所报告的有效数字的数目且通过应用一般四舍五入技术来解释每个数值参数。
49.应理解，本文中陈述的任何数值范围既定包含其中所含的所有子范围。例如，“1至10”的范围既定包含所陈述最小值1和所陈述最大值10之间(且包含所陈述最小值1和所陈述最大值10)的所有子范围，即具有等于或大于1的最小值和等于或小于10的最大值。
50.在本技术中，除非另外具体陈述，否则单数的使用包含复数且复数涵盖单数。另外，在本技术中，除非另外明确陈述，否则“或”的使用表示“和/或”，即使在某些情况下可明确地使用“和/或”。在本技术中，除非明确且明显地限于一个指代物，否则冠词“一个”、“一种”和“所述”包含复数指代物。
51.在本技术中，使用“水平”、“竖直”、“正”和“负”作为相对术语，且应理解，在使用期间，可旋转切割工具可具有不同定向。
52.虽然上文已出于说明目的描述了本发明的特定实施例，但对于所属领域的技术人员来说显而易见的是，可在不脱离如所附权利要求书中定义的本发明的情况下进行本发明的细节的许多变化。
53.元件列表
54.100-可旋转切割工具
55.120-切割尖端
56.130-承梁
57.140-钻头轴环
58.150-钻头主体
59.160-钻头柄
60.162-柄外表面
61.164-柄凹槽
62.168-柄凹槽下边缘
63.170-钻头柄底表面
64.180-柄上部部分
65.190-柄下部部分
66.200-保持器
67.210-保持器外表面
68.220-保持器内表面
69.230-保持器间隙
70.240-保持器凹口
71.242-弯曲的凹口内表面
72.244-平坦的凹口后表面
73.246-圆形的凹口前表面
74.300-初始位置中的垫圈
75.300'-最终位置中的垫圈
76.500-纵向轴线
77.l
r-保持器长度
78.l
s-柄长度
79.a
g-间隙角
80.d
s-柄外径
81.d
g-凹槽外径
82.d
r-保持器内径

技术特征：
1.一种切割工具(100)，其包括：钻头柄(160)，其包括钻头柄外表面(162)；以及保持器(200)，其包括至少部分地包围所述钻头柄外表面(162)的保持器内表面(220)，其中所述保持器(200)具有比所述钻头柄(160)的硬度小的可控硬度，所述可控硬度选择为减少所述钻头柄外表面(162)与所述保持器内表面(220)之间的磨损。2.根据权利要求1所述的切割工具(100)，其中所述钻头柄外表面(162)的所述硬度比所述保持器内表面(220)的所述硬度大至少2hrc。3.根据权利要求1所述的切割工具(100)，其中所述钻头柄外表面(162)的所述硬度比所述保持器内表面(220)的所述硬度大至少4hrc。4.根据权利要求1所述的切割工具(100)，其中所述钻头柄外表面(162)的所述硬度大于45hrc，并且所述保持器内表面(220)的所述硬度小于45hrc。5.根据权利要求1所述的切割工具(100)，其中所述保持器内表面(220)的所述硬度为至多43hrc。6.根据权利要求1所述的切割工具(100)，其中所述钻头柄(160)包括4140型钢。7.根据权利要求1所述的切割工具(100)，其中所述保持器(200)包括1070级弹簧钢或65mn钢。8.根据权利要求1所述的切割工具(100)，其中所述钻头柄外表面(162)不包含涂层或硬表面堆焊。9.根据权利要求1所述的切割工具(100)，其中所述保持器内表面(220)不包含涂层或硬表面堆焊。10.根据权利要求1所述的切割工具(100)，其中所述保持器(200)包括限定在所述保持器内表面(210)与保持器外表面(220)之间的保持器径向厚度，所述保持器径向厚度在径向方向上在整个所述保持器径向厚度上具有大体上恒定的保持器硬度。11.根据权利要求1所述的切割工具(100)，其中所述钻头柄(160)包括由钻头柄外径d
s
限定的径向厚度，所述钻头柄径向厚度在径向方向上在整个所述钻头柄径向厚度上具有大体上恒定的钻头柄硬度。12.一种组装切割工具(100)的方法，其包括围绕切割工具钻头柄(160)安装低硬度保持器(200)，其中所述低硬度保持器(200)包括至少部分地包围所述钻头柄(160)的外表面(162)的内表面(220)，并且所述内表面(220)具有比所述钻头柄(160)的硬度小的可控硬度，所述可控硬度选择为减少所述钻头柄外表面(162)与所述低硬度保持器内表面(220)之间的磨损。13.根据权利要求12所述的方法，其中所述保持器(200)包括弹簧钢。14.根据权利要求13所述的方法，其中所述弹簧钢包括1070、1050、1060或65mn级弹簧钢。15.根据权利要求12所述的方法，其中所述钻头柄外表面(162)的所述硬度比所述保持器内表面(220)的所述硬度大至少2hrc。16.根据权利要求12所述的方法，其中所述钻头柄外表面(162)的所述硬度比所述保持器内表面(220)的所述硬度大至少4hrc。17.根据权利要求12所述的方法，其中所述钻头柄外表面(162)的所述硬度为至少
45hrc。18.根据权利要求12所述的方法，其中所述保持器内表面(220)的所述硬度为至多43hrc。

技术总结
本发明提供一种具有钻头、垫圈(300)和保持器(200)的可旋转切割工具(100)。所述保持器(200)包围所述钻头(160)的柄的至少一部分。通过向保持器(200)提供比所述钻头(160)的所述柄的硬度小的可控硬度来减少所述柄(160)上的磨损，同时仍允许所述保持器(200)上的类似磨损。损。损。


技术研发人员：J
受保护的技术使用者：肯纳金属公司
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/9/25