聚晶金剛石鉆頭及其制造方法
【專利摘要】本發明提供一種構造成繞回轉軸線轉動的鉆頭，包括：剛性刀體；和刀片。在所述刀片的末端具有在垂直于所述回轉軸線的所述平面看傾斜于刀片的第一和第二側面且經過所述回轉軸線的橫刃。所述刀片包括由一層聚晶金剛石層和一層硬質合金層層合而成的第一聚晶金剛石刀片部和第二聚晶金剛石刀片部，所述第一和第二聚晶金剛石刀片部共同限定出一拼接界面（9），所述拼接界面（9）布置成不與所述橫刃相交。在所述第一和第二側面中分別限定出第一固定部分和第二固定部分，其中所述第一固定部分與所述第二固定部分在垂直于所述回轉軸線的平面上看彼此關于所述回轉軸線基本旋轉對稱。本發明還提供一種制造該鉆頭的方法。
【專利說明】聚晶金剛石鉆頭及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種聚晶金剛石(P⑶)鉆頭。此外，本發明還涉及制造該聚晶金剛石鉆頭的方法。
【背景技術】
[0002]如本領域內所已知的，鉆頭是用于形成孔或進行孔表面加工的刀具。因此，通常希望鉆頭能較長時間穩定地保證孔的一定尺寸精度和表面粗糙度。常用的鉆頭材料包括整體硬質合金鉆頭和高速鋼鉆頭。在一些高要求的孔加工過程中，現在大量使用整體硬質合金鉆頭。但對于某些高硬度、難加工的非金屬材料(如碳纖維)和有色金屬加工中，希望提供更高強度的鉆頭，例如聚晶金剛石(PCD )材料的鉆頭。
[0003]但是，現有的聚晶金剛石鉆頭通常是提供用于鉆井等領域，這種鉆頭直徑較大，并且一種通常的制造方式是直接在硬質合金刀體上鑲嵌上和成型有聚晶金剛石部分。例如中國實用新型專利ZL 201020061311.6中公開了一種金剛石鉆頭，包括工作層和分布在工作層中的PCD燒結體，所述的PCD燒結體為柱狀體或長方體形或圓柱形，分布排列在鉆頭的工作層胎體中，該鉆頭可廣泛應用于地質勘探、石油鉆井和工程勘察以及地質災害的治理中。這種鉆頭例如不適用于需要精確的加工尺寸的上述硬非金屬材料或有色金屬的加工(如鉆孔)中，并且其也不適用于加工或鉆探較小直徑的孔。
[0004]為此，希望提供一種鉆頭，其可適用于精確加工場合，而且也能夠造得直徑較小以便加工較小的孔。并且，最好該鉆頭具有良好的力學性能，并且對硬材料的加工不會明顯降低其力學性能或切削性能。

【發明內容】

[0005]對此，本發明提供一種構造成繞回轉軸線轉動的鉆頭，包括:沿所述回轉軸線延伸的剛性刀體；和焊接在所述剛性刀體末端上的沿所述刀體的徑向延伸的刀片，所述刀片限定出彼此平行且相反的第一側面和第二側面，在所述刀片的末端具有在垂直于所述回轉軸線的所述平面的投影傾斜于所述第一和第二側面且經過所述回轉軸線的橫刃。所述刀片包括由一層聚晶金剛石(P⑶)層和一層硬質合金層層合而成的第一 P⑶刀片部和第二 P⑶刀片部，所述第一和第二 PCD刀片部共同限定出一拼接界面，所述拼接界面布置成不與所述橫刃相交。在所述第一側面中限定出將第一 PCD刀片部的硬質合金層與所述剛性刀體焊接的第一固定部分，在所述第二側面中限定出將第二 PCD刀片部的硬質合金層與所述剛性刀體焊接的第二固定部分，其中所述第一固定部分與所述第二固定部分在垂直于所述回轉軸線的平面上看彼此關于所述回轉軸線基本旋轉對稱。
[0006]相比于現有技術的采用P⑶鉆頭，本發明的鉆頭提供一種緊湊的結構，而且通過這樣的由兩個雙層PCD復合片(由PCD層和硬質合金層構成)構成的刀片能夠充分例如PCD復合片中PCD層的切削性能，并且還可借助于硬質合金層牢固地焊接緊固到刀體上。由于使用了這種拼接的兩個雙層PCD復合片，該PCD鉆頭還可具有相對較薄的厚度，并進而實現較小尺寸的鉆頭。而且通過使得拼接界面在刀片延伸方向上與橫刃偏置，即拼接界面避開橫刃，可以不明顯影響切削性能。
[0007]根據進一步優選的實施例，所述第一和第二 P⑶刀片部的P⑶層具有相同的厚度，且硬質合金層也具有相同的厚度，其中所述第一 PCD刀片部的硬質合金層外表面與第二PCD刀片部的PCD層的外表面平齊并限定出所述第一側面，所述第二 PCD刀片部的硬質合金層外表面與第一 PCD刀片部的PCD層的外表面平齊并限定出所述第二側面。通過這樣設置，兩片PCD刀片部的PCD層的厚度關于旋轉軸線將是旋轉對稱的，其中該厚度是沿橫向于刀片的延伸方向測得。這樣非常地有利于橫刃乃至整個刀片的受力對稱以及刀具壽命。
[0008]進一步優選地，所述剛性刀體具有用于容納所述刀片的一凹槽，其中所述第一和第二固定部分分別位于所述凹槽的相對的側壁中。
[0009]根據一個特別優選的實施例，所述剛性刀體包括硬質合金刀體。
[0010]優選地，所述焊接是真空對稱焊接。
[0011]根據進一步優選的實施例，所述刀片包括加工時首先切削工件的切削刃、位于所述切削刃之后的第一后角部和第二后角部以及位于切削刃之前的在所述第一和第二 PCD刀片部的PCD層中分別限定出的前刀面，其中第一后角部具有在10° -15°范圍內的第一后角和小于等于0.05mm的后角寬度，且第二后角部具有在18° -25°范圍內的第二后角。在鉆頭的橫刃中還限定出了鉆頭的最末端，即鉆尖。
[0012]根據另一優選實施例，所述刀片具有朝末端方向漸縮的第一漸縮部分和與該第一漸縮部分相連的朝刀柄方向漸縮的第二微漸縮部分，所述第一漸縮部分在平行于所述側面的平面內限定出朝鉆尖方向的頂角，所述第二微漸縮部分具有在0.1/100至0.15/100范圍內的倒錐。
[0013]根據再一優選實施例，所述鉆頭具有繞所述回轉軸線盤旋的螺旋狀凸起或由相鄰的螺旋狀凸起限定出的螺旋槽。
[0014]根據一個特別優選的實施例，所述橫刃相對于所述側面傾斜了 70° ±10°的角度。在本發明中，該橫刃的傾斜角度是特別優選的，這綜合考慮了橫刃切削能力與拼接界面設置位置。發明人發現，如此橫刃傾斜角度比較小的橫刃角的切削能力并不會很明顯地下降，但使得鉆頭的強度會得到有效提高，而且還可使得拼接界面可以更接近刀片的中心設置，進一步提聞了鉆頭的強度。
[0015]本發明的另一優選方案，還提供了一種制造根據本發明的鉆頭的方法，包括:提供剛性刀體；在剛性刀體中形成容納刀片的凹槽；將第一和第二聚晶金剛石刀片部放置到該凹槽中，并拼接形成刀片；通過真空對稱焊接將所述刀片固定到所述凹槽；其中所述真空對稱焊接步驟包括在所述凹槽中施加真空焊劑以將所述刀片在所述第一和第二固定部分初步粘附到所述剛性刀體和將所述鉆頭放入真空焊爐中加熱以最終固定刀片到剛性刀體上。本發明所公開的制造方法比較簡單和方便。
[0016]本發明的其他特征和優點中一部分將在下文結合附圖予以體現，其它部分將會由本領域技術人員根據所公開的內容而得之。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]以下，結合附圖來詳細說明本發明的實施例，其中:[0018]圖1顯示了根據本發明的PCD鉆頭，其中還示意性地示出了后角部的部分剖視圖；
[0019]圖2示出了鉆頭的末端放大視圖；
[0020]圖3示出了在圖1的視圖中的根據本發明的刀片，其中具體示出第一和第二漸縮部分；
[0021]圖4示出了本發明的P⑶鉆頭的鉆尖處的放大視圖。
[0022]在附圖和說明書中，相同或相似的附圖標記表示相同或相似的特征。
【具體實施方式】
[0023]圖1示出了聚晶金剛石(P⑶)鉆頭的一個實施例的正視圖，該鉆頭包括硬質合金刀體I和固定到刀體的末端的刀片2，該刀片2在該實施例中由兩片PCD復合片拼接而成，如下文詳述。該鉆頭限定出一工作回轉軸線0-0'，刀體I沿工作回轉軸線0-0'延伸且鉆頭在工作時繞該工作回轉軸線0-0'轉動，且同時朝圖1所示左方向做軸向進給，從而以刀片2 (具體而言是刀片的切削刃)為切削結構在被加工工件中鉆出孔或者形成所需的孔表面。如圖所示，鉆頭還限定有一鉆頭工作直徑D，其對應于被加工工件中所形成的相應孔的直徑。具體而言，該鉆頭工作直徑D是由刀片的外徑所限定的，即刀片2具有周向的相對兩段圓柱刃帶(具體而言該圓柱刃帶寬度由兩片PCD復合片的PCD層的外周厚度所限定)，而該段圓柱刃帶在工作中旋轉時即限定出用于控制孔壁粗糙度的工作直徑D。刀體I的直徑稍小于刀片2外徑。該鉆頭工作直徑可以根據需要選擇合適的值。
[0024]如圖1和圖3所示，刀片2具有基本與旋轉軸線0-0’垂直的底部，并限定出朝刀體I的末端漸縮的第一漸縮部分7和位于該底部和該第一漸縮部分7之間的第二漸縮部分8。從圖中可以明白，該第一漸縮部分構成了該鉆頭的末端并且限定出鉆頭的頂角2Φ，即鉆尖。該刀片2的第二漸縮部分8在圖1所呈現的圖示中是朝刀體的末端方向漸縮的倒錐DZ，并且該第二減縮部分8的減縮程度很微小，例如該倒錐DZ的正切大體可為(0.1-0.15)/100，這樣的減縮程度在圖1和3中并不能清楚看出，但可由圖1的三角形示意性表示。這樣的倒錐對于提供加工穩定度是有利的，如果無倒錐或倒錐過小，鉆孔時會產生振動，在孔壁產生振紋。
[0025]如圖1所示，鉆頭(刀體I)具有繞所述回轉軸線0-0'盤旋的螺旋狀凸起(在附圖中為4個)或由相鄰的螺旋狀凸起限定出的螺旋槽，所述螺旋狀凸起限定出一定的螺旋角β，其主要是用于排屑。這樣的螺旋角可以選得比較小，例如大于O至10°，優選接近于O。
[0026]繼續參考圖2，其為圖1中的K向局部放大視圖。刀片2大致沿刀體的徑向布置，即大致沿一個徑向延伸中心線10延伸，并且關于該中心線10對稱。該刀片具有彼此平行的第一側面和第二側面(且與該中心線10平行)，在所述第一和第二側面中分別限定出將所述刀片2與所述刀體I焊固的第一固定部分3和第二固定部分4，其中所述第一固定部分與所述第二固定部分在垂直于所述回轉軸線的平面上看彼此關于所述回轉軸線0-0,基本旋轉對稱。結合圖1可以明白，刀體I中形成有用于容納刀片2的凹槽，該凹槽在鉆頭軸線方向的對稱中心線與回轉軸線0-0重合。故而，該第一固定部分和第二固定部分也相應地位于刀體I的凹槽的相對側面中彼此關于回轉軸線旋轉對稱的部位。在圖2所顯示的附圖中，第一固定部分和第二固定部分在其縱長尺寸上大體上等于刀體的半徑，即其內側端點處于側面中最接近回轉軸線的位置。但將可以明白，這取決于所截取的垂直于回轉軸線0-0'的具體平面。例如在沿刀片的根部處截取的垂直截平面處，第一和第二固定部分的縱長尺寸大于刀體的半徑。但是，本發明總體要求是，在垂直于回轉軸線0-0'的至少一部分平面(最好在刀片軸向尺寸上的全部垂直截平面)中，刀片的第一和第二固定部分平行或大體平行，從而保證金剛石鉆頭在制作時或工作時的應力平衡。
[0027]繼續參考圖2，刀片具有鉆頭的切削刃，其是加工時最先接觸工件的部位。而在切削刃之前，在第一和第二側面上分別限定出面對待加工工件部分的前刀面。如圖2所示，尤其是在垂直于回轉軸線0-0'的平面上看，該前刀面(以及切削刃)總體上處于與第一和第二固定部分3、4相對的部位。鉆削時，主切削刃切除金屬余量，圓柱刃帶控制孔徑尺寸和孔壁表面粗糙度。本領域技術人員將明白，根據本發明的刀片固定到刀體之后(限定切削刃取向)，即限定了鉆頭的工作方向(旋向)。進一步地，刀體的螺旋槽的旋向由切削刃的取向確定。圖2所示的實施例中，鉆頭工作方向為逆時針，但相反的切削刃及相關部分的配置并進而相反的旋向也是可行的并落入本發明范圍中。
[0028]結合圖1，在切削刃之前設置有面對待加工表面的前刀面，而在切削刃之后還設置有第一后角部和第二后角部，第一后角部具有第一后角α I和后角寬度t，且第二后角部具有第二后角α2。后角的限定可以由后角部分與頂角的相應邊之間的夾角限定，如圖1所示。而后角寬度t則是在垂直于第一和第二側面的平面中測得的尺寸。第一后角α?和第一后角寬度t的設置主要是為了切削順暢和加工底錐面的粗糙度，本發明優選為第一后角α?在10°-15°范圍和后角寬度t小于等于0.05mm;而第二后角α 2的設置主要是為了保證足夠的容屑空間，本發明優選為在18° -25。范圍內。
[0029]如圖2所示，P⑶刀片2具有由第一和第二側面之間的距離限定的刀片厚度b，從而前刀面的中心偏量為b/2。
[0030]如圖所示，所述鉆頭末端限定有在垂直于所述回轉軸線的所述平面看傾斜于所述側面的橫刃6，不構成限制地，這例如是兩個切削刃之后的后角部之間的分界線。作為優選的實施例，所述橫刃6相對于所述側面傾斜了 70° ±10°的橫刃角度Ψ，其優點結合下文說明。
[0031]接下來參考圖4，其是本發明的鉆頭末端的放大視圖，具體地示出了根據本發明的兩片P⑶復合片。如圖所示，刀片2包括一個較大的第一聚晶金剛石刀片部11和一個較小的第二聚晶金剛石刀片部12，它們都基本上沿刀體的徑向即刀片的延伸方向延伸，各自由一層P⑶層13、14和一層硬質合金層15、16層合而成。如圖進一步不出，并結合之前附圖，第一和第二 PCD刀片部均各自限定出前述的切削刃、前刀面和后角部，且所述前刀面是在PCD刀片部的PCD層的外表面中限定出的。此外，在第一和第二 PCD刀片部中，具體而言是在它們的硬質合金層15、16的外表面中分別限定出上述第一和第二固定部分3、4。換句話說，即第一和第二 P⑶刀片部11、12中的P⑶層13、14和硬質合金層15、16在橫向于刀片2延伸方向上是彼此相反地放置。
[0032]另外，在較大的第一 P⑶刀片部中限定出上述的橫刃6，而在較小的第二 P⑶刀片部中則沒有。進一步地，第一和第二 P⑶刀片部11、12在基本平狀的拼接界面9處彼此拼接，而在拼接界面9在橫向于刀片的延伸方向上偏置于回轉軸線0-0’，并可以與所述橫刃6間隔開一距離，以免影響橫刃的切削能力。換句話說，該拼接界面與該橫刃不相交地布置。但是該間隔的距離最好盡可能地小，例如為0.5mm-4mm,0.8mm-3mm>或這些范圍端點值的組合，以獲得更好的受力對稱性。因此，優選選用如上所述的橫刃傾斜角度70° ±10°。
[0033]而且，第一和第二 P⑶刀片部11、12具有相同厚度bl (即圓柱刃帶的寬度)的P⑶層13、14，以及相同厚度的硬質合金層15、16，那么第一 P⑶刀片部11的硬質合金層15的外表面和第二 P⑶刀片部12的P⑶層14的外表面共同限定出上述第一側面，而第二 P⑶刀片部12的硬質合金層16的外表面和第一 PCD刀片部11的PCD層13的外表面共同限定出上述第二側面。由此，第一和第二 P⑶刀片部11、12的P⑶層13、14關于回轉軸線0-0’基本上是旋轉對稱的，即一 P⑶層13的圓柱刃帶繞回轉軸線0-0’轉過180°后與另一 P⑶層14的圓柱刃帶基本重合，從而這為本發明的鉆頭提供了更好的受力對稱性和刀具壽命。
[0034]下面結合圖2和4說明本發明的鉆頭的制作方法。首先，提供具有相同的一定厚度、一定的表面粗糙度和一定的平行度的兩片PCD刀片部11、12。直徑越小的鉆頭，選擇用厚度b越薄的刀片部，這樣才能最大限度地保證刀體(基體)部分的強度。接下來提供剛性刀體，隨后可在刀體中形成例如切割凹槽。當然，提供帶有凹槽的刀體也在本發明范圍中。將上述的P⑶刀片部11、12以拼接的方式放置在該凹槽中。進一步地，通過雙面真空對稱焊接將所述刀片固定到所述凹槽，以保證刀的整體強度。對于刀體(基體)上的二個焊接面，要有足夠的平行度，經保證刀片焊接后的應力最小，以防刀片由于焊接應力而斷裂或者沿拼接界面錯位或損壞。
[0035]真空對稱焊接的具體步驟包括:在所述凹槽中施加真空焊劑以將所述刀片的硬質合金層在所述第一和第二固定部分初步粘附到所述剛性刀體，中溫固化焊料，將刀片初步定位在剛性刀體上；以及將所述鉆頭放入真空焊爐中加熱以最終焊接固定刀片到剛性刀體上。
[0036]本發明提供了一種新穎的鉆頭，并進行了多個鉆頭參數的優化設計，增加了焊接強度和刀具強度，減小了切削力，使鉆頭增加了壽命。減少了不良品，提高了產品質量，大大降低了生產成本,并提高了生產效率。
[0037]盡管本發明公開了示例性實施例，且同時通過這些實施例描述了本發明的諸多細節，但 申請人:不打算將本發明的范圍局限于或以任何形式限制到這些細節。在閱讀本發明的公開內容之后，本發明其它的優點和改變對于本領域技術人員來說很容易明白。因此，可以在不脫離 申請人:所要求的本發明的思想和范圍的情況下做出改變，例如實施例的特征可互換、結合、改變和增加。本發明范圍不是參考上述說明進行確定，而應參照所附權利要求書及其所有等同范圍確定。
【權利要求】
1.一種構造成繞回轉軸線(Ο-o’)轉動的鉆頭，包括: 沿所述回轉軸線延伸的剛性刀體(1);和 焊接在所述剛性刀體末端上的沿所述刀體的徑向延伸的刀片(2)，所述刀片(2)限定出彼此平行且相反的第一側面和第二側面，在所述刀片的末端具有經過所述回轉軸線的橫刃(6)，所述橫刃在垂直于所述回轉軸線(0-0’)的所述平面的投影傾斜于所述第一和第二側面， 其中，所述刀片包括由一層聚晶金剛石層(13、14)和一層硬質合金層(15、16)層合而成的第一聚晶金剛石刀片部(11)和第二聚晶金剛石刀片部(12)，所述第一和第二聚晶金剛石刀片部(11、12)共同限定出一拼接界面(9)，所述拼接界面(9)布置成不與所述橫刃(6)相交， 在所述第一側面中限定出將第一聚晶金剛石刀片部(11)的硬質合金層(15)與所述剛性刀體焊接的第一固定部分(3)，在所述第二側面中限定出將第二聚晶金剛石刀片部(12)的硬質合金層(16)與所述剛性刀體焊接的第二固定部分(4)，其中所述第一固定部分(3)與所述第二固定部分(4)在垂直于所述回轉軸線(0-0’)的平面上的投影彼此關于所述回轉軸線(0-0’ )基本旋轉對稱。
2.根據權利要求1所述的鉆頭，其特征是，所述第一和第二聚晶金剛石刀片部(11、12)的聚晶金剛石層(13、14)具有相同的厚度61)，且硬質合金層(15、16)也具有相同的厚度，其中所述第一聚晶金剛石刀片部(11)的硬質合金層(15)外表面與第二聚晶金剛石刀片部(12)的聚晶金剛石層(14)的外表面平齊并限定出所述第一側面，所述第二聚晶金剛石刀片部(12)的硬質合金層(16)外表面與第一聚晶金剛石刀片部(11)的聚晶金剛石層(13)的外表面平齊并限定出所述 第二側面。
3.根據權利要求1所述的鉆頭，其特征是，所述剛性刀體(1)具有用于容納所述刀片(2)的一凹槽，其中所述第一和第二固定部分(3、4)分別位于所述凹槽的相對的側壁中。
4.根據權利要求1所述的鉆頭，其特征是，所述剛性刀體(1)包括硬質合金刀體。
5.根據權利要求1所述的鉆頭，其特征是，所述焊接是真空對稱焊接。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的鉆頭，其特征是，所述刀片包括加工時首先切削工件的切削刃、位于所述切削刃之后的第一后角部和第二后角部以及位于切削刃之前的在所述第一和第二聚晶金剛石刀片部的聚晶金剛石層中分別限定出的前刀面，其中第一后角部具有在10° -15°范圍內的第一后角(α?)和小于等于0.05mm的后角寬度(5)，且第二后角部具有在18° -25°范圍內的第二后角(α 2)。
7.根據權利要求1至5中任一項所述的鉆頭，其特征是，所述刀片具有朝末端方向漸縮的第一漸縮部分和與該第一漸縮部分相連的朝刀柄方向漸縮的第二漸縮部分，所述第一漸縮部分在平行于所述側面的平面內限定出朝鉆尖方向的頂角(2Φ)，所述第二漸縮部分具有在0.1/100至0.15/100范圍內的倒錐(DZ)。
8.根據權利要求1至5中任一項所述的鉆頭，其特征是，所述鉆頭具有繞所述回轉軸線盤旋的螺旋狀凸起或由相鄰的螺旋狀凸起限定出的螺旋槽。
9.根據權利要求1至5中任一項所述的鉆頭，其特征是，所述橫刃相對于所述側面傾斜了 70° ±10°的角度。
10.一種制造根據權利要求1至9中任一項所述的鉆頭的方法，包括:提供剛性刀體(1); 在剛性刀體(1)中形成容納刀片(2)的凹槽； 將第一和第二聚晶金剛石刀片部(11、12)放置到該凹槽中，并在拼接界面(9)處拼接形成刀片(2)，所述刀片限定出穿過所述回轉軸線的橫刃，其中所述拼接界面(9)； 通過真空對稱焊接將所述刀片(2)固定到所述凹槽； 其中所述真空對稱焊接步驟包括在所述凹槽中施加真空焊劑以將所述刀片(2)在所述第一和第二固定部分(3、4)初步粘附到所述剛性刀體(1)和將所述鉆頭放入真空焊爐中加熱以最終固定刀片(2)到剛性刀體(1)上。
【文檔編號】B23B51/02GK103658769SQ201210362520
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2012年9月26日 優先權日:2012年9月26日
【發明者】劉敏 申請人:深圳市中天精密工具有限公司