CN102632652B - 齿形金刚石复合片 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种齿形金刚石复合片，包括一个圆片状的复合片本体，该复合片本体由聚晶金刚石层和硬质合金基体复合而成。所述复合片本体呈圆柱齿轮形，即复合片本体的侧表面具有多个呈辐射状排列，并沿复合片本体径向外凸的轮齿。本发明通过自身简单的结构改进能让该金刚石复合片更为可靠地固定在钻齿的安装孔内。

Description

齿形金刚石复合片

技术领域

本发明涉及超硬材料领域，具体涉及一种齿形金刚石复合片。

背景技术

金刚石复合片是一种由聚晶金刚石层和硬质合金基体在高温高压条件下复合而成的复合材料。由于金刚石复合片兼具有聚晶金刚石层硬度高、耐磨性好，以及硬质合金基体的金属性能，因而被广泛应用于石油钻井、地质勘探、煤田钻采钻头上和机械加工工具等行业。安装时，首先将金刚石复合片嵌入钻齿表面的安装孔内；然后通过加热钎焊或冷压等方式将金刚石复合片固定于钻具表面的安装孔内形成钻具工件。虽然加热焊固定方式具有较高的固定可靠性，金刚石复合片在长时间使用后依旧能够稳定地固定在钻齿安装孔内而不会脱出；但是由于加热焊需要将钻具工件放入其加热焊接设备的内部才能够进行加热焊接，因此只适合于半裸露、开孔不深或体积较小的钻具。而对于体积较大的钻具而言，则不能使用加热钎焊的固定方式，而只能将让金刚石的外侧面轮廓形状与钻齿的安装孔过盈配合，并借助外力即冷压固定方式将金刚石复合片和压入钻齿安装孔内。

由于传统的金刚石复合片呈圆柱形状，且金刚石复合片的外侧面轮廓形状为规则的圆形、金刚石复合片的侧表面为一个光滑的弧形面。因此传统结构的金刚石复合片在采用冷压固定方式时，会存在以下不足：1、由于安装孔与金刚石复合片之间为过盈配合，因此在压入过程中，安装孔底部会留有空气而形成空气垫，钻具工件长时间使用后，由于温度升高，金刚石复合片容易被空气垫顶出；此时，若金刚石复合片为径向安装在柱形钻齿的侧表面时(如复振器的钻齿)，会导致钻具工件的直径变大，从而使钻具工件的扭矩加大、阻力加大、耗能增多，最终使得钻具工件无法工作；2、由于金刚石复合片的侧表面与钻齿安装孔的内侧表面，即两者的相接面均为光滑的表面，因此钻具工件在长时间转动和振动过程中，2个光滑的弧形相接面之间极易产生松动，进而使得钻具工件的工作效率降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种齿形金刚石复合片，其通过自身简单的结构改进能让该金刚石复合片更为可靠地固定在钻齿的安装孔内。

为解决上述问题，本发明所设计的一种齿形金刚石复合片，包括一个圆片状的复合片本体，该复合片本体由聚晶金刚石层和硬质合金基体复合而成。所述复合片本体呈圆柱齿轮形，即复合片本体的侧表面具有多个呈辐射状排列，并沿复合片本体径向外凸的轮齿。

上述方案中，轮齿最好呈等间距分布。

上述方案中，2个轮齿之间的距离最好等于轮齿厚度的2倍。

上述方案中，轮齿的齿顶处最好倒角。

上述方案中，轮齿的高度最好介于1mm～3mm之间。

上述方案中，复合片本体的齿顶圆半径最好大于钻齿安装孔的半径，且复合片本体的齿根圆半径最好小于钻齿安装孔的半径。

作为上述方案的改进，复合片本体的分度圆半径最好等于钻齿安装孔的半径。

上述方案中，轮齿的硬度最好高于钻齿安装孔的硬度。

与现有技术相比，本发明将金刚石复合片的外轮廓形状由传统的正圆形变为了带齿的圆形，通过这一简单的结构变化使得金刚石复合片具有如下的特点：

1、金刚石复合片压入钻齿安装孔的过程中，安装孔底部的空气可以从齿槽处排出，这避免了钻齿安装孔与复合片底部之间空气垫的形成，保证钻具工件在长时间使用后，金刚石复合片依旧能够稳定地嵌在安装孔内而不会被空气垫顶出；

2、金刚石复合片的侧表面上的轮齿与钻齿安装孔的内侧光滑表面相接，能够有效增大两相接面之间的摩擦，保证钻具工件在长时间转动和振动过程中，金刚石复合片依旧能够稳定地固定在安装孔内而不易产生窜动；

3、轮齿的硬度高于钻齿安装孔的硬度，使得金刚石复合片在冷压的过程中能够嵌入钻齿安装孔的内表面，从而能够进一步防止金刚石复合片在钻齿安装孔内的窜动；

4、由于圆柱齿轮形的金刚石复合片能够更为稳定地固定在钻齿安装孔内，因此既可避免钻具工件的形状与尺寸的改变所导致的钻具工件扭矩加大、耗能增多等问题，也可避免钻具工件窜动所导致的钻具工件效率降低等问题；

5、工艺简单、易于实现。

附图说明

图1为一种齿形金刚石复合片的立体结构示意图；

图2为一种齿形金刚石复合片的剖视图。

图中标号：1、聚晶金刚石层；2、硬质合金基体；3、轮齿；3-1、齿顶；3-2、齿槽；4、安装孔。

具体实施方式

参见图1和图2，一种齿形金刚石复合片，包括一个圆片状的复合片本体。该复合片本体由聚晶金刚石层1和硬质合金基体2复合而成。复合片本体的上、下表面形状与现有技术相同。为了让金刚石复合片能够更稳定的嵌入钻齿的安装孔4内，所述复合片本体呈圆柱齿轮形，即复合片本体的侧表面具有多个呈辐射状排列、并沿复合片本体径向外凸的轮齿3。复合片本体的横向剖面呈齿轮状。

考虑到金刚石复合片主要是硬质合金基体2部分嵌入钻齿的安装孔4内，因此本发明可以仅是复合片本体的硬质合金基体2部分为圆柱齿轮状，而聚晶金刚石层1部分为传统的圆形。但为了能够简化生成工艺，同时也为了让复合片本体的2部分结合更为紧密，在本发明优选实施例中，金刚石复合片整体即聚晶金刚石层1和硬质合金基体2均为圆柱齿轮状，此时聚晶金刚石层1部分的轮齿3采用聚晶金刚石制成，硬质合金基体2部分的轮齿3采用硬质合金制成。为了能够让金刚石复合片在冷压过程中能够顺利地嵌入钻齿安装孔4内，所述轮齿3的硬度包括聚晶金刚石层1部分的轮齿3和硬质合金基体2部分的轮齿3均高于钻齿安装孔4的硬度。

开设在复合片本体侧表面上的轮齿3可以根据其在安装孔4内所受应力进行布设，如轮齿3设置在复合片本体侧表面承受应力较大处。但为了能够让复合片整体分散受力、以防止复合片的崩裂，同时也为了简化工艺，所述轮齿3呈等间距分布在复合片本体侧表面上。即每2轮齿3之间的距离P均相等。设置在复合片本体侧表面上的轮齿3可呈固定间距进行分布，该固定间距可以大于或等于2倍的轮齿3厚度S。当每2个轮齿3之间的距离P大于2倍的轮齿3厚度S时，轮齿3的分布较稀疏，此时轮齿3的厚度大于齿槽3-2的厚度。当每2个轮齿3之间的距离P等于2倍的轮齿3厚度S时，轮齿3的分布最为密集，此时轮齿3的厚度等于齿槽3-2的厚度。

在本发明中，每个轮齿3的齿顶3-1连线所形成的轮齿3纵向延伸线可根据需要进行选择。如为了能够最大限度的防止窜动，每个轮齿3纵向延伸线可以为一条螺旋线、此时轮齿3均为螺旋轮齿3。但为了加工方便，同时也为了能够让金刚石复合片更容易压入钻齿安装孔4内，在本发明优选实施例中，每个齿轮的纵向延伸线应为直线，且该直线与复合片本体的轴线平行，此时轮齿3为直轮齿3。轮齿3的齿顶3-1处可以是尖角或小平面，但无论是何种形状的齿顶3-1，其齿顶3-1处均采用倒角方式来实现平滑过渡。此外，轮齿3的高度h因具有一个恰当的范围。若轮齿3的高度h过高，则金刚石复合片与钻齿安装孔4的结合力会变小，使得轮齿3易于窜动；若轮齿3的高度h过小，则达不到本发明所需的目的。因此在本发明优选实施例中，所述轮齿3的高度h应介于1mm～3mm之间。

为了实现金刚石复合片与钻齿安装孔4的过盈配合，所述钻齿安装孔4的半径应小于复合片本体的齿顶3-1圆半径d1。但若钻齿安装孔4的半径过小，即小于复合片本体的齿根圆半径d2则无法实现本发明的目的。因此本发明所设计的金刚石复合片所适用的钻齿安装孔4的半径应介于复合片本体的齿根圆半径d2和齿顶3-1圆半径d1之间；也就是说复合片本体的齿顶3-1圆半径d1大于钻齿安装孔4的半径，且复合片本体的齿根圆半径d2小于钻齿安装孔4的半径。在本发明优选实施例中，所述复合片本体的分度圆d半径等于钻齿安装孔4的半径。

Claims (7)

1.齿形金刚石复合片，包括一个圆片状的复合片本体，该复合片本体由聚晶金刚石层(1)和硬质合金基体(2)复合而成，其特征在于：所述复合片本体呈圆柱齿轮形，即复合片本体的侧表面具有多个呈辐射状排列、并沿复合片本体径向外凸的轮齿(3)，每个轮齿(3)的齿顶(3-1)连线所形成的轮齿纵向延伸线为一条螺旋线或一条与复合片本体的轴线平行的直线；复合片本体的齿顶(3-1)圆半径(d1)大于钻齿安装孔(4)的半径，且复合片本体的齿根圆半径(d2)小于钻齿安装孔(4)的半径；当复合片本体压入钻齿安装孔(4)的过程中，钻齿安装孔(4)底部的空气从齿槽(3-2)处排出。

2.根据权利要求1所述的齿形金刚石复合片，其特征在于：轮齿(3)呈等间距分布。

3.根据权利要求2述的齿形金刚石复合片，其特征在于：2个轮齿(3)之间的距离(P)等于轮齿(3)厚度(S)的2倍。

4.根据权利要求1所述的齿形金刚石复合片，其特征在于：轮齿(3)的齿顶(3-1)处倒角。

5.根据权利要求1所述的齿形金刚石复合片，其特征在于：轮齿(3)的高度(h)介于1mm～3mm之间。

6.根据权利要求1所述的齿形金刚石复合片，其特征在于：复合片本体的分度圆(d)半径等于钻齿安装孔(4)的半径。

7.根据权利要求1所述的齿形金刚石复合片，其特征在于：轮齿(3)的硬度高于钻齿安装孔(4)的硬度。