CN103567504B - 金刚石钻头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种构造成绕回转轴线转动的钻头，其包括沿所述回转轴线延伸的刚性刀体和焊接在所述刚性刀体末端上的一片金刚石刀片，所述金刚石刀片限定出彼此平行且相反的第一侧面和第二侧面，在所述第一和第二侧面中分别限定出将所述金刚石刀片与所述刚性刀体焊固的第一固定部分和第二固定部分，其中所述第一固定部分与所述第二固定部分在垂直于于所述回转轴线的平面上看彼此关于所述回转轴线基本旋转对称。本发明还提供一种制造该钻头的方法。

Description

金刚石钻头及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种金刚石钻头，尤其涉及一种具有小直径的金刚石钻头。此外，本发明还涉及制造该金刚石钻头的方法。

背景技术

如本领域内所已知的，钻头是用于形成孔或进行孔表面加工的刀具。因此，通常希望钻头能保证孔的一定尺寸精度和表面粗糙度。常用的加工硬质材料的钻头包括整体硬质合金钻头和高速钢钻头。在一些高要求的孔加工过程中，现在大量使用整体硬质合金钻头。但对于某些高硬度、难加工的非金属材料（如碳纤维）和有色金属加工中，末端设有聚晶金刚石（PCD）材料的钻头已在推广使用。

当前的聚晶金刚石（PCD）钻头通常是在现有的整体硬质合金钻头或者刀体前部焊接PCD复合片。所用的PCD复合片有通常有二种形式：一种为双层复合片，一面是不可焊接的聚晶金刚石层，另一面是可以焊接的硬质合金基体层；另一种为三层“三明治”复合片，两侧为硬质合金基体层，中间为聚晶金刚石层。

对于安装有双层PCD复合片的钻头，由于聚晶金刚石的不可焊接性，为了形成钻头的切削刃，需要使用两个双层PCD复合片拼接并一起焊接到硬质合金刀体上。对于安装有第二种三明治PCD复合片，虽然其两侧为硬质合金从而可以焊接到硬质合金刀体上，但为了形成钻头的切削刃，需要在两侧相应的位置去除硬质合金，而去除硬质合金后的部位处的聚晶金刚石（前刀面）很难磨出镜面效果，影响刀具的加工使用性能。

更为关键的是，由于当前的PCD钻头均是采用PCD复合片固定到硬质合金刀体的构造，而这种PCD复合片如上所述由二层或三层材料构成，则钻头的直径不能太小。因为，在钻头的直径固定的情况下，将PCD复合片焊接到硬质合金刀体时，如果将复合片减得太薄，则影响钻头的力学性能；而如果选用较厚的复合片，则需要相应减小用于固定刀片的刀体部分（基体）的尺寸，这样导致复合片的基体固定强度减弱。例如，目前经后期加工减薄后的复合片最薄为0.6mm，且其力学性能已大打折扣。因此，当前很难实现小直径（微型）的聚晶金刚石钻头，例如直径在4mm以下的金刚石钻头很难用PCD焊接片的方法制作。

为此，希望提供一种能具有小直径（微型）的钻头，尤其是具有小于等于4mm的金刚石钻头，而同时该钻头不会降低或明显降低力学性能和切削性能，适用于例如硬质材料的加工。

发明内容

本发明的任务是提供一种能够至少部分地解决上述问题的钻头。

对此，提供一种构造成绕回转轴线转动的钻头，包括沿所述回转轴线延伸的刚性刀体和焊接在所述刚性刀体末端上的一片金刚石刀片，所述金刚石刀片限定出彼此大体平行且相反的第一侧面和第二侧面，在所述第一和第二侧面中分别限定出将所述金刚石刀片与所述刚性刀体焊固的第一固定部分和第二固定部分。所述第一固定部分与所述第二固定部分在垂直于所述回转轴线的平面上看彼此关于所述回转轴线基本旋转对称。

有利的是，所述金刚石刀片可以是天然金刚石刀片或人工合成单晶金刚石刀片。且优选，所述刚性刀体可包括硬质合金刀体。

根据一个特别具体的实施例，所述刚性刀体具有用于容纳所述金刚石刀片的一凹槽，其中所述第一和第二固定部分分别位于所述凹槽的相对的侧壁中。

根据一个尤为优选的实施例，所述焊接是真空对称焊接。

相比于现有技术的采用双层或三层PCD复合片的钻头，本发明的金刚石钻头提供一种明显区别的构造理念。例如，本发明提供一种金刚石刀片，其双侧均未贴附有硬质合金或其他贴附材料，这样的金刚石刀片在固定到刀体之前可进行方便的刃磨，而且可以选用较薄的刀片而不会显著降低刀片的力学性能，从而用于固定的刀体部分（基体）的强度可以相应地得到保障。而且，由于该金刚石刀片的对称固定方式，该钻头提供了进一步的强度。此外，由于该金刚石刀片在未固定之前完全没有覆盖有其他材料如硬质合金，前刀面的表面质量可以在前期加工到很高的质量。因此其相比于PCD复合刀片例如“三明治”复合刀片具有更好的切削性能。上述的这些优点是背景技术中所提到的PCD复合片钻头均不能提供的。另外，很重要的一点在于，由于本发明特殊的刀片及固定构造，在实践中可以很容易地较小尺寸的本发明的钻头直径，例如小于等于大约4mm，这是现有技术的PCD复合片钻头很难或不可能实现的。

根据本发明的一个优选实施例，所述金刚石刀片具有由所述第一和第二侧面之间的距离限定的且在大约0.2mm-大约0.4mm范围内的刀片厚度b。优选地，所述钻头绕具有限定出小于等于大约4mm的钻头工作直径D。

根据一个优选实施例，所述金刚石刀片包括加工时首先切削工件的切削刃和位于所述切削刃之后的第一后角部和第二后角部。第一后角部具有在大约10°-大约15°范围内的第一后角α1和小于等于大约0.05mm的后角宽度，且第二后角部具有在大约18°-大约25°范围内的第二后角α2。其中，在切削刃之前，在所述第一和第二侧面上还分别限定出前刀面。

根据本发明的另一优选实施例，所述金刚石刀片具有朝末端方向渐缩的第一渐缩部分和与该第一渐缩部分相连的朝刀柄方向渐缩的第二微渐缩部分。所述第一渐缩部分在平行于所述侧面的平面内限定出朝钻尖（即钻头的最末端）方向的顶角2Φ。所述第二微渐缩部分限定出朝刀柄方向具有在大约0.1/100至大约0.15/100范围内的倒锥。

根据本发明的又一优选实施例，所述钻头具有绕所述回转轴线盘旋的螺旋状凸起或由相邻的螺旋状凸起限定出的螺旋槽，所述螺旋状凸起限定出在0°左右的螺旋角β。

根据本发明再一优选实施例，所述钻头末端限定有在垂直于所述回转轴线的所述平面看倾斜于所述侧面的横刃，所述横刃相对于所述侧面倾斜了大约70°±10°的角度。

根据本发明的另一方面，提供一种制造根据本发明的钻头的方法，包括：提供刚性刀体；在刚性刀体中形成容纳刀片的凹槽；以及通过真空对称焊接将所述刀片固定到所述凹槽。所述真空对称焊接步骤包括在所述凹槽中施加真空焊剂以将所述金刚石刀片在所述第一和第二固定部分初步粘附到所述刚性刀体、烘干定位和将所述钻头放入真空焊炉中加热以最终焊接固定刀片到刚性刀体上。

本发明所公开的制造方法相比于现有技术来说，更为简单和方便，例如免去了双层复合片的拼接以及免去了三层复合片前刀面的刃磨。

本发明的其他特征和优点中一部分将在下文结合附图予以体现，其它部分将会由本领域技术人员根据所公开的内容而得之。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1显示了根据本发明的金刚石钻头，其中还示意性地示出了后角部的部分剖视图；

图2示出了钻头的末端放大视图；

图3示出了在图1的视图中的根据本发明的刀片，其中具体示出第一和第二渐缩部分。

1-硬质合金刀体；2-金刚石刀片；3-第一固定部分；4-第二固定部分；5-圆柱刃带；6-横刃；7-第一渐缩部分；8-第二微渐缩部分。

在附图和说明书中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

具体实施方式

图1示出了金刚石钻头的一个实施例的正视图，该钻头包括硬质合金刀体1和金刚石刀片2，其中如下文所述，该金刚石刀片固定到刀体的末端。优选地，该刀片是天然金刚石刀片或人工合成单晶金刚石刀片，从而其能够与刚性刀体如硬质合金刀体焊接。

该钻头限定出一工作回转轴线O-O′。刀具在工作时绕该工作回转轴线O-O′转动，且同时朝图示左方向做轴向进给，从而以金刚石刀片2（具体而言是刀片的切削刃）为切削结构在被加工工件中钻出孔或者形成所需的孔表面。如图所示，所述刀体1沿工作回转轴线O-O′延伸。

如图所示，钻头还限定有一钻头工作直径D，该工作直径对应于被加工工件中所形成的相应孔的直径。具体而言该钻头工作直径D是由刀片的外径所限定的，即刀片2具有周向的相对两段圆柱刃带，而该段圆柱刃带在工作中旋转时即限定出用于控制孔壁粗糙度的工作直径D。刀体1的直径稍小于刀片2外径。该钻头工作直径可以根据需要选择合适的值。但是，根据本发明的钻头工作直径D可以小于等于4mm。

如图1和图3所示，刀片2具有朝刀体1的末端方向渐缩的第一渐缩部分和与该第一渐缩部分相连的第二微渐缩部分。从图中可以明白，该第一渐缩部分构成了该钻头的末端并且限定出钻头的顶角2Φ。另外，尽管从图1中不能明显看出，但该该刀片的第二微渐缩部分在图1所呈现的表面中具有朝刀体的末端方向渐缩的倒锥DZ，该倒锥DZ大体为(0.1-0.15)/100。提供这样的倒锥对于提供加工稳定度是有利的，如果没有倒锥或倒锥过小，钻孔时会产生振动，在孔壁产生振纹。

如图所示，钻头（刀体1）具有绕所述回转轴线O-O′盘旋的螺旋状凸起（在附图中为4个）或由相邻的螺旋状凸起限定出的螺旋槽，所述螺旋状凸起限定出在0°左右的螺旋角β。β为螺旋角，螺旋槽主要是用于排屑。

继续参考图2，其为图1中的K向局部放大视图。显示了金刚石刀片2具有彼此平行的第一侧面和第二侧面（在图2中显示为直线），在所述第一和第二侧面中分别限定出将所述金刚石刀片与所述刚性刀体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与所述第二固定部分在垂直于所述回转轴线的平面上看彼此关于所述回转轴线O-O′基本旋转对称。结合图1可以明白，刀体1中形成有用于容纳刀片2的凹槽，该凹槽在钻头轴线方向的对称中心线与回转轴线O-O重合。故而，该第一固定部分和第二固定部分也相应地位于刀体1的凹槽的相对侧面中彼此关于回转轴线旋转对称的部位。在图2所显示的附图中，第一固定部分和第二固定部分在其纵长尺寸上大体上等于刀体的半径，即其内侧端点处于侧面中最接近回转轴线的位置。但将可以明白，这取决于所截取的垂直于回转轴线O-O′的具体平面。例如在沿刀片的根部处截取的垂直截平面处，第一和第二固定部分的纵长尺寸大于刀体的半径。但是，本发明总体要求是，在垂直于回转轴线O-O′的至少一部分平面（最好在刀片轴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关于回转轴线O-O′平行或大体平行，从而保证金刚石钻头在制作时或工作时的应力平衡。

刀片还具有钻头的切削刃，其是加工时最先接触工件的部位。而在切削刃之前，在第一和第二侧面上分别限定出面对待加工工件部分的前刀面。如图2所示，尤其是在垂直于回转轴线O-O′的平面上看，该前刀面（以及切削刃）总体上处于与第一和第二固定部分3、4相对的部位，即图2中刀片2的第一和第二侧面中未被第一和第二固定部分占据的部分。即，总体而言，在切削刃之前的前刀面与相应的固定部分相对。例如第一侧面上的前刀面与第二侧面上的第二固定部分相对置，而第二侧面上的前刀面与第一侧面上的第一固定部分相对置。本领域技术人员将明白，根据本发明的刀片固定到刀体之后（限定切削刃取向），即限定了钻头的工作方向（旋向），更近一步地，当限定了刀体的螺旋槽的旋向时，即确定了切削刃的取向，反之亦反。例如图2所示的实施例中，钻头的工作方向为逆时针。但是，相反的固定构造和相反的旋向也是可行的并落入本发明范围中。

结合图1，本领域技术人员将明白，在切削刃之前设置有面对待加工表面的前刀面，而在切削刃之后还设置有第一后角部和第二后角部，第一后角部具有第一后角α1和后角宽度t，且第二后角部具有第二后角α2。其中，后角的设置是本领域技术人员所知悉的，且后角的限定可以由后角部分与顶角的相应边之间的夹角限定，如图1所示。而后角宽度t则是在垂直于第一和第二侧面的平面中测得的尺寸。第一后角α1和第一后角宽度t的设置主要是为了切削顺畅和加工底锥面的粗糙度，本发明优选为第一后角α1在10°-15°范围和后角宽度t小于等于0.05mm；而第二后角α2的设置主要是为了保证足够的容屑空间，本发明优选为在18°-25°范围内。

如图2所示，金刚石刀片2具有由第一和第二侧面之间的距离限定的刀片厚度b，其最好在0.2mm-0.4mm范围内的。而厚度b也是圆柱刃带的宽度，从而前刀面的中心偏量为b/2。在钻削时，主切削刃切除金属余量，圆柱刃带控制孔径尺寸和孔壁表面粗糙度。通过这样设置，所述钻头具有小于等于4mm的钻头工作直径D，该直径是在钻头工作（旋转）时由刀片的圆柱刃带所限定的。

如图所示，所述钻头末端限定有在垂直于所述回转轴线的所述平面看倾斜于所述侧面的横刃6（即两个切削刃之后的后角部之间的分界线），所述横刃6相对于所述侧面倾斜了70°±10°的横刃角度Ψ。

下面结合图2说明本发明的钻头的制作方法。首先，将金刚石切割为薄片，然后对其进行双面进行研磨，以达到不同的厚度、一定的表面粗糙度和薄片的两个侧面一定的平行度。直径越小的钻头，选择用厚度b越薄的金刚石片，这样才能最大限度地保证刀体（基体）部分的强度。例如金刚石片厚度b=0.2-0.4mm。接下来提供刚性刀体，且随后可以在刀体中形成例如切割凹槽。当然，提供带有凹槽的刀体也在本发明范围中。进一步地，通过双面真空对称焊接将所述刀片固定到所述凹槽，以保证刀的整体强度。对于刀体（基体）上的二个焊接面，要有足够的平行度，经保证金刚石焊接后的应力最小，以防金刚石片由于焊接应力而断裂。

真空对称焊接的具体步骤包括：在所述凹槽中施加真空焊剂以将所述金刚石刀片在所述第一和第二固定部分初步粘附到所述刚性刀体，中温固化焊料，将刀片定位在刚性刀体上；以及将所述钻头放入真空焊炉中加热以最终焊接固定刀片到刚性刀体上。

本发明针对尤其是微型钻头提供了独特的设计思想。用金刚石刀片对称焊接的方法解决了制作直径小于4mm的微型金刚石钻头的难题，并进行了多个钻头参数的优化设计，增加了焊接强度和刀具强度，减小了切削力，使钻头增加了寿命。减少了不良品，提高了产品质量，大大降低了生产成本，并提高了生产效率。

尽管本发明公开了示例性实施例，且同时通过这些实施例描述了本发明的诸多细节，但申请人不打算将本发明的范围局限于或以任何形式限制到这些细节。在阅读本发明的公开内容之后，本发明其它的优点和改变对于本领域技术人员来说很容易明白。因此，可以在不脱离申请人所要求的本发明的思想和范围的情况下做出改变，例如实施例的特征可互换、结合、改变和增加。本发明范围不是参考上述说明进行确定，而应参照所附权利要求书及其所有等同范围确定。

Claims (10)

1.一种构造成绕回转轴线转动的钻头，其包括沿所述回转轴线延伸的刚性刀体和焊接在所述刚性刀体末端上的一片单片式金刚石刀片，所述金刚石刀片限定出彼此平行且相反的第一金刚石侧面和第二金刚石侧面，在所述第一和第二金刚石侧面中分别限定出将所述金刚石刀片直接焊固至所述刚性刀体的第一固定部分和第二固定部分，其中所述第一固定部分与所述第二固定部分在垂直于所述回转轴线的平面上看彼此关于所述回转轴线基本旋转对称，所述金刚石刀片是天然金刚石刀片或人工合成单晶金刚石刀片，在所述第一和第二金刚石侧面上还分别限定出加工时面对工件的前刀面。

2.根据权利要求1所述的钻头，其特征是，所述刚性刀体包括硬质合金刀体。

3.根据权利要求1所述的钻头，其特征是，所述刚性刀体具有用于容纳所述金刚石刀片的一凹槽，其中所述第一和第二固定部分分别位于所述凹槽的相对的侧壁中。

4.根据权利要求1所述的钻头，其特征是，所述焊接是真空对称焊接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的钻头，其特征是，所述金刚石刀片具有由所述第一和第二金刚石侧面之间的距离限定的且在0.2mm-0.4mm范围内的刀片厚度(b)和/或钻头具有小于等于4mm的钻头工作直径(D)。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的钻头，其特征是，所述金刚石刀片包括加工时首先切削工件的切削刃和位于所述切削刃之后的第一后角部和第二后角部，其中第一后角部具有在10°-15°范围内的第一后角(α1)和小于等于0.05mm的后角宽度(5)，且第二后角部具有在18°-25°范围内的第二后角(α2)，其中，所述前刀面位于在切削刃之前。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的钻头，其特征是，所述金刚石刀片具有朝末端方向渐缩的第一渐缩部分和与该第一渐缩部分相连的朝刀柄方向渐缩的第二微渐缩部分，所述第一渐缩部分在平行于所述第一和第二金刚石侧面的平面内限定出朝钻尖方向的顶角(2Φ)，所述第二微渐缩部分具有在0.1/100至0.15/100范围内的倒锥。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的钻头，其特征是，所述钻头具有绕所述回转轴线盘旋的螺旋状凸起或由相邻的螺旋状凸起限定出的螺旋槽。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的钻头，其特征是，所述钻头的钻尖限定有在垂直于所述回转轴线的所述平面看倾斜于所述第一和第二金刚石侧面的横刃，所述横刃相对于所述第一和第二金刚石侧面倾斜了70°±10°的角度。

10.一种制造根据权利要求1至9中任一项所述的钻头的方法，包括：

提供刚性刀体；

在刚性刀体中形成容纳金刚石刀片的凹槽；

通过真空对称焊接将所述金刚石刀片固定到所述凹槽；

其中所述真空对称焊接步骤包括在所述凹槽中施加真空焊剂以将所述金刚石刀片在所述第一和第二固定部分初步粘附到所述刚性刀体和将所述钻头放入真空焊炉中加热以最终固定金刚石刀片到刚性刀体上。