[0001] 本披露内容涉及一种用于采掘机或开沟机的盘形刀具。特别地，本发明涉及一种具有切割元件的盘形刀具，切割元件包括比如多晶金刚石等超硬材料。

[0002] 世界各地有许多类型的岩层作为大型矿床，通常称为板块。在地上采石场中配置多种不同类型的开采设备，以便从地面采提板块。板块是使用专业设备获取的，通常是由功率非常大的大型车辆从其所在之处拖走。岩板可能重达40吨(40,000kg)。比如抛光等加工可以在现场进行，或者可替代地，可以将板块输送到场外以切割成大小合适的片以供家庭和工业使用。

[0003] 提供紧凑且通用的切割组件以便于采掘特定岩层的几何形状的或非几何形状的块是具有挑战性的。

[0004] 申请人的共同未决申请WO 2019/180164 A1、WO 2019/180169 A1、WO2019/180170A1披露了一种切割组件，其包括可在水平切割取向与竖直切割取向之间移动的圆形的盘形刀具。圆柱形切割元件和相应数量的刀架围绕盘形刀具的圆周表面布置和就位。各刀架可以至少部分地相对于圆形本体横向偏离。

[0005] 本发明的目的是提供一种特别适用于机器人应用的超紧凑切割组件。

[0043] 首先参考图1至图2，用于在地下分层切入天然地层2的已知切割组件总体上表示为10。

[0044] 切割组件形成地下矿山中常见的长壁开采系统1的一部分。切割组件是已知采煤机技术的替代物，其在矿山底板4上、在一系列可调顶板支护6当中作业。随着采煤机沿开采方向前进，顶板支护6被定位成支撑采煤机正后方的矿山顶板8。在顶板支护6后面，矿山顶板6以相对受控的方式坍塌。通常，收集臂在切割面收集开采的岩石并将其传送到输送系统上，以便随后从矿山中取走。

[0045] 如图1和图2所示，切割组件10包括基座单元12、从基座单元12延伸的一对间隔开的支撑臂14、在这对可移动的支撑臂14之间延伸并可旋转地安装到其上的驱动主轴16、以及围绕驱动主轴16固定的多个盘形刀具18。

[0046] 在图3和图4所示的已知的第二切割组件中，单个支撑臂14从基座单元12延伸。驱动主轴16由单个支撑臂14居中地支撑，并且多个盘形刀具18安装在驱动主轴16上，分布在单个支撑臂14的两侧。

[0047] 所述盘形刀具18或各盘形刀具18通常以驱动主轴16为中心(即居中地)安装。

[0048] 基座单元12用作盘形刀具18的输送系统。基座单元12是可移动的，以使盘形刀具18贴近要切割的岩层2进入和退出作业位置。基座单元12移动接近岩层2的速度是决定切割组件10进入岩层2的进给速度(feed rate)的几个变量之一。基座单元12(与顶板支护6一致)也可沿着要开采的岩层2的长壁从左到右侧向移动，反之亦然。

[0049] 各支撑臂14被配置成可移动到第一切割取向和第二切割取向。在第一切割取向，如图1和图2最佳所见，驱动主轴16是水平的。因此，由盘形刀具18在岩层2中形成的切口相应地是竖直的。在第二切割取向，如图3和图4最佳所见，驱动主轴16是竖直的。因此，由盘形刀具18在岩层2中形成的切口相应地是水平的。对于上述第一实施例或第二实施例，第一切割取向和第二切割取向都是可以的。

[0050] 一个或多个支撑臂14也可以是可移动的，使得驱动主轴16可在前述竖直取向与水平取向之间的任何切割取向上作业，但这不是必须的。一个或多个支撑臂14可以替代性地被配置成使得它们可在第一切割取向与第二切割取向之间移动，但是仅可在第一切割取向和第二切割取向上完全作业(即，一个或多个盘形刀具旋转以便于切割或粉碎岩石)。

[0051] 根据所需的切割深度，各支撑臂14可在第一作业位置与第二作业位置之间移动，可选地沿第一切割取向和第二切割取向中的每一者移动。这由图2中的双向箭头A表示。例如，在第一作业位置，驱动主轴16降低以贴近矿山底板4，而在第二作业位置，驱动主轴16升高以贴近矿山顶板8。

[0052] 各支撑臂14可以具有第一臂部分，第一臂部分通过枢轴接头(或者替代性地，万向接头)连接到第二臂部分，各第一臂部分和第二臂部分可相对于彼此独立运动。这种布置增加了切割组件10可以作业的自由度，并且有利地提高了其机动性。

[0053] 驱动主轴16由马达驱动以特定速度旋转。每个盘形刀具18的马达功率通常在20kW至50kW之间，取决于所选择的盘形刀具18的类型和所需的切割力。

[0054] 已经设计出一种特别适合用于机器人刀具组件的盘形刀具。

[0055] 现在转到图5和图6，在本发明的实施例中，盘形刀具100包括圆形的刀具本体102和围绕刀具本体102布置在外周的多个刀架104。在各刀架104中安装有单个切割元件106。驱动主轴16的旋转引起盘形刀具100的相应旋转。

[0056] 为了使盘形刀具100的重量最小化，已经从刀具本体102移除了面板以留下孔。这些孔延伸穿过刀具本体102的厚度。移除几个面板会在孔之间留下辐条。虽然可以使用任何形式的机械加工，但是通常这些面板是通过激光去除的。孔的图案保持了结构强度，同时减轻了整个盘的重量。可以通过不同的几何设计来实现不同应用的优化的强度重量比。

[0057] 在此实施例中，刀具本体102包括五个径向辐条108和五个轻量化孔110，一对相邻辐条108之间一个孔110。辐条108围绕中心轴孔112规则地间隔开。然而，辐条108偏离中心，并且刀具本体102围绕其旋转轴线(即轴孔112)不对称。辐条108的幅度从刀具本体102的中心朝向本体102的外周(或圆周)表面113基本上保持不变。各孔110是具有圆角的三角形的。三角形的孔110的两个表面114总体上径向延伸，并且第三表面116总体上周向延伸。

[0058] 刀具本体102的直径为约421mm且厚度为3mm。轴孔112的直径为10mm，并且其尺寸和形状被设置成接纳驱动主轴16。刀具本体102由铝合金7068制成并且重约1.47kg。如果刀具本体102由钢制成，则其可能重约2.58kg。

[0059] 在替代性实施例中，刀具本体的直径小于500mm。优选地，刀具本体的直径小于500mm。优选地，刀具本体的直径介于200mm至400mm之间。

[0060] 现在转到图7和图8，刀具本体102安装了二十四个刀架104。各刀架104包括本体部分118和一对从本体部分118延伸的间隔开的支腿120。本体部分118与这对支腿120的长度比例为大约1:1。本体部分118承载所述切割元件106。本体部分118是总体立方形的，但高度在中间位置从前向后开始向刀架104减小，使得刀架104的头部121向下倾斜。切割元件106以某一角度插入刀架104的前部，使得切割元件106向上指向。这对支腿中的各支腿120是板状的。这对支腿120由间隙122间隔开，这使得刀架104能够联接在刀具本体102的两侧。孔124(用于接纳螺栓)延伸穿过这对支腿120。

[0061] 刀具本体102包括多个狭槽126(沿刀具本体102的外周表面113周期性地定位)，如图11、图12和图13最佳所见。当刀架104安装到刀具本体102上时，支腿120通过刀具本体102的两侧且与刀具本体102相邻，并且各本体部分118至少部分地位于狭槽126内。各刀架104用螺母和螺栓(未示出)被固定至刀具本体102。替代性地，可以使用永久连接，比如铜焊或焊接。还可以混合使用铜焊、焊接和/或机械连接。替代性地，一个或多个刀架104可以例如通过锻造、粉末冶金等与刀具本体102一体形成。狭槽126在使用期间减少了螺栓上的剪切力。由于刀具本体102的外周表面113在相邻的狭槽126之间延伸，刀架104围绕刀具本体102规则地间隔开。

[0062] 各刀架104由钢制成，但可以替代性地包括硬度高于70HV(维氏硬度)的任何一种或多种金属或碳化物或陶瓷基材料。刀架104可以包括铝合金并且包括与刀具本体104相同的材料。刀架104可以包括碳化物，例如碳化钨。

[0063] 本实施例中的刀架的厚度为约8mm。

[0064] 各切割元件106包括硬度值为130HV及以上的硬质耐磨材料。切割元件106优选地包括选自由立方氮化硼、金刚石、类金刚石材料或其组合组成的组中的超硬材料，但是也可以是比如碳化钨等硬质材料。切割元件106可以包括接合有超硬材料的烧结碳化物基材。

[0065] 在图5至图10中，切割元件106是多晶金刚石复合片(PDC)，更常见于石油和天然气钻探领域。这种PDC经常是圆柱形的，并且通常包括接合到钢或碳化物基材上的金刚石层烧结体。PDC的直径在6mm至30mm之间、优选地在8mm至25mm之间。例如，PDC的直径可以为6mm、11mm、12mm、13mm、或16mm、或19mm。在图5至图8中，PDC的直径为6mm。在图9和图10所示的实施例中，PDC的直径为12mm。在盘形刀具100中可以采用直径组合。各PDC可以是被倒角的(chamfered)、双重倒角的或多重倒角的。各PDC可以包括抛光的刀具表面，或者至少部分地被抛光。

[0066] 对于直径为11mm的PDC而言，优选的刀具本体的直径为400mm且厚度为6mm。再次，刀具本体优选地包括铝合金7068。使用二十四个刀架来支撑二十四个PDC。各刀架的厚度为13mm。轴孔再次为10mm。盘形刀具的最终重量为约2.48Kg。如果刀具本体由钢制成，则整个组件的重量为约4.51Kg。

[0067] 可选地，(PDC型)切割元件的刀面角(rake angle)在15度至30度之间。可选地，刀面角约为20度。可选地，刀面角可以是正的或负的。图7示出了切割元件106如何从刀架102伸出。

[0068] 在岩石开挖应用中，盘形刀具100与岩层2接触并且使驱动主轴16旋转，并且因此其一个或多个盘形刀具100旋转，导致岩层2的切层。切割组件10分层切入岩层2，例如，取决于所选择的切割元件22的尺寸，产生约16mm的整齐的正交切口。被切割的岩石在其自身重量或(例如使用楔形工具的)二次楔力的作用下破碎。

[0069] 图11至图13描绘了刀具本体102的一种替代形式，其可以与本文描述的特征结合使用。在图12和图13中，已从本体移除了四个面板以留下四个孔。相似地，在图5、图6、图11、图14和图15中，已移除了五个面板。虽然可以使用任何形式的机械加工，但是通常这些面板是通过激光去除的。孔的图案保持了结构强度，同时减轻了整个盘的重量。可以通过不同的几何设计来实现不同应用的优化的强度重量比。

[0070] 参考图11，刀具本体的第二实施例用200表示。本体包括五个径向辐条202和五个轻量化孔204，一对相邻辐条202之间一个孔204。辐条202规则地间隔开并且围绕接纳驱动主轴16的中心轴孔112对称。辐条202从刀具本体200的中心朝向本体200的外周表面113周向地向外渐缩。因此，各孔204的形状总体为梯形，具有一对弧形的内表面和外表面206以及一对与弧形表面206邻接的直表面208。弧形表面206周向延伸，而直表面208径向延伸。

[0071] 在图12中，刀具本体的第三实施例用300表示。本体包括四个径向辐条302和四个轻量化孔304，一对相邻辐条302之间一个孔304。辐条302围绕中心轴孔112规则地间隔开。然而，辐条302偏离中心，并且本体300围绕其旋转轴线(即轴孔112)不对称。辐条302的幅度从本体300的中心朝向本体300的外周表面113基本上保持不变。各孔304是四边形的，具有两个总体上径向延伸的邻接表面306和一对总体上周向延伸的相反的邻接表面308。

[0072] 参考图13，刀具本体的第四实施例用400表示。本体包括四个径向辐条402和四个轻量化孔404，一对相邻辐条402之间一个孔404。辐条402规则地间隔开并且围绕接纳驱动主轴16的中心轴孔112对称。辐条402从本体400的中心朝向本体400的外周表面113周向地向外渐缩。这样，各孔404的形状总体为梯形，具有一对弧形的内表面和外表面406以及一对与弧形表面406邻接的直表面408。弧形表面406周向延伸，而直表面408径向延伸。

[0073] 切割元件106可以是3‑D形状的刀具，而不是传统的PDC。切割元件106的冲击尖端可以是圆锥形、角锥形、弹道形、凿形或半球形。冲击尖端可以是平头截顶的，或者是非截顶的。冲击尖端可以是轴对称的或非对称的。结合本发明的任何方面，可以使用任何形状的切割元件106。可以在WO 2014/049162和WO 2013/092346中找到这种成形刀具的示例。

[0074] 在图14和图15中，示出了盘形刀具的第二实施例。盘形刀具1000包括总体上圆形的刀具本体102和围绕圆形的本体20布置在外周的多个刀架1002。刀具本体102与第一实施例的刀具本体相同，并且因此省略进一步的描述。

[0075] 单个切割元件1004联接至各刀架1002。切割元件1004包括3‑D形状的刀具，如图16和图17最佳所见。切割元件1004具有锥形的冲击尖端1006，其被截断、被接合至碳化物基材1008。冲击尖端1006包括超硬材料。切割元件1004的宽基部牢固地位于刀架1002的凹槽内，并且冲击尖端1006处的自由端沿盘形刀具1000的预期旋转方向指向，与刀具本体102的平面成直线，参见图18。基材1008几乎完全位于刀架1002内，使得冲击尖端1006从刀架1002突出，参见图17。以这种方式，冲击尖端1006有助于减小使用时刀架1002的‘本体洗刷’(即腐蚀)。

[0076] 在另一个实施例中(未示出)，在刀架1002上可以提供两个切割元件1004。这些切割元件1004是间隔开的。这两个冲击尖端1006仍沿盘形刀具1000的预期旋转方向指向，但它们的方向不与刀具本体1000的平面成直线。它们各自围绕刀具本体1000的平面对称地(在相反的方向上)指向外侧。

[0077] 盘形刀具1000的总质量小于5kg。

[0078] 虽然参考实施例具体示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。

[0079] 例如，刀具本体102、200、300、400的任何实施例可以与PDC切割元件106和/或与3‑D形状的刀具1004组合使用。

[0080] 例如，围绕刀具本体的平面对称地(在相反方向上)各自指向外侧的两个切割元件可以是PDC、而不是3‑D形状的切割元件1004。

[0081] 以下简要说明如本文所使用的某些标准术语和概念。

[0082] 如本文所使用的，多晶金刚石(PCD)材料包括多个金刚石晶粒，其中，大部分金刚石晶粒直接相互键合，并且其中，金刚石的含量至少为材料的约80％(按体积计)。金刚石晶粒之间的间隙可以基本上是空的，或者它们可以至少部分地填充有块状填充材料，或者它们可以基本上是空的。块状填充材料可以包括烧结促进材料。