CN103619516A - 麻花钻钻尖、用于制造它的前体构造以及用于制造和使用它的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于麻花钻的钻尖，包括在毗连基体端部的交界边界处连接于基体的超硬结构，该超硬结构包括具有超硬颗粒的烧结多晶材料，超硬结构限定了与交界边界相对的超硬端表面和构造成用于在使用时钻进物体的多个切削刃；超硬端表面包括一中心尖端或凿尖，并包括多个表面区域，所述表面区域构造成使得与每个表面区域相切的相应平面与钻尖在使用中的旋转轴线成明显不同的角度。还披露了用于制造钻尖的前体构造以及用于制造前体构造和钻尖的方法。

Description

麻花钻钻尖、用于制造它的前体构造以及用于制造和使用它的方法

概括来说，本发明涉及包含烧结多晶超硬材料的麻花钻钻尖、用于在制造该麻花钻钻尖中使用的前体构造、用于制造该前体构造和麻花钻钻尖的方法以及使用该钻尖的方法。

回转式机械工具（诸如包括超硬钻尖的麻花钻）可用来机加工硬质金属和合金，以制造用于航空航天及其他工业的部件。烧结多晶超硬材料的例子包括多晶金刚石（PCD）材料和多晶立方氮化硼（PCBN）材料。麻花钻钻头包括位于圆柱形轴的尖端处的切削尖端（或仅是“尖端”），所述圆柱形轴设有出屑槽，所述出屑槽有助于将材料碎屑从正在钻的孔中移除。

美国专利号5,256,206公开了一种涂覆麻花钻，，该麻花钻包括覆盖钻的头部和出屑槽的均匀金刚石覆层。一种用于制造涂覆麻花钻的方法，该方法包括借助于化学汽相淀积沉积金刚石覆层。

美国专利号5,580,196公开了一种制造麻花钻钻头的方法，其包括下列步骤：提供具有锥形钻尖的钻前体构造；通过将PCD层或PCBN层结合到锥形钻尖的基本上整个表面上来制造钻坯件，所述层具有大体上均匀的轴向厚度；和机加工钻坯件以形成麻花钻钻头。又，钻前体构造可以包括钢或碳化钨或碳化钽或类似材料。公开的PCD层或PCBN层的厚度优选为0.5到1.5mm。

所需机加工或研磨的超硬材料更多使得制造超硬钻尖的成本可能明显增加。钻头可以时常修整，以便延长其使用寿命。这可以通过研磨钻尖实现，研磨钻尖需要从钻尖移除一些超硬材料。市场上可行的PCD钻尖钻头可能需要重新研磨两到四次，每次从表面移除约0.2-0.5mm。在PCD结构具有连接到硬质合金基体的层的总体结构时，可能因而需要为至少约2.5mm或至少约3mm厚。

需要超硬麻花钻，其被构造成用于高效且有效地钻入包括硬质材料或研磨材料的物体，所述物体尤其是但不限于包括钛（Ti）和/或碳纤维增强聚合物（CFRP）的物体。还需要用于制造超硬钻尖的性价比高的方法。

从第一个方面看，提供了一种麻花钻的钻尖，包括在与基体端部毗连的交界边界处连接于基体的超硬结构，该超硬结构包括具有超硬颗粒的烧结多晶材料，超硬结构限定了与交界边界相对的超硬端表面和被构造成用于在使用时钻进物体的多个切削刃；超硬端表面包括中心尖端或凿尖，并且包括多个表面区域，所述表面区域被构造成使得与各个表面区域相切的相应平面与钻尖在使用中的旋转轴线成基本上不同的角度。超硬端表面可以被称为钻尖的切削尖端。

基体端部基本上没有区域暴露出来，基体的基本上整个端部都连接于超硬结构。

本发明对于前体构造设想了不同的组合和布置，其非限制性并且非穷举的例子描述如下。

超硬结构可以限定形成在超硬结构上的两个、三个或更多个切削刃。钻尖可以包括两个或更多个出屑槽。

基体可以包括硬质合金材料或者主要由硬质合金材料构成，所述硬质合金材料例如是钴钨硬质合金材料。

超硬端表面可以具有外周，所述外周限定了至少大约3毫米且至多大约20毫米的直径。该外周的至少一部分可以为弓形。基体的直径（不包括可能存在的任何出屑槽）可以至少大约3毫米且至多大约20毫米。

超硬结构可以包括多晶金刚石（PCD）材料或多晶立方氮化硼（PCBN）材料。

超硬结构可以具有基本上均匀的厚度。超硬结构的平均厚度可以至少为大约0.5毫米且至多为大约3毫米。

对于超硬端表面及其表面区域，设想了各种各样的布置，非限制性的例子如下。除可在超硬端表面上形成的任何余隙面之外，超硬端表面可以与交界边界基本上一致。超硬端表面可以包括至少两个局部锥形表面区域。超硬端表面可以包括至少一个表面区域，所述表面区域在平行于钻尖在使用时的旋转轴线的纵向平面中为弓形。表面区域中的至少两个在其间限定一偏转。表面区域的切面可以设置成相对于彼此成至少5度或至少约10度。在每个表面区域内在直径上相对的区域的切面之间测量，每个表面区域可限定至少为45度或至少为大约60度、且至多为大约180度或至多为大约140度的相应夹角。超硬端表面可以包括从顶点悬垂的第一表面区域和从第一表面区域悬垂的第二表面区域，第一表面区域和第二表面区域之间限定一偏转角。

交界边界可以具有大体上截头锥形、拱形、锥形、多锥形、凹形或凸形的形状。

超硬结构可以经由至少一个中间层连接于基体，所述中间层包括分散在粘结剂材料中的多个超硬颗粒和碳化物颗粒，所述粘结剂材料可以包括钴。中间层中的超硬颗粒的含量可随着与超硬结构的距离的变化而变化。例如，中间层中超硬颗粒的含量随着与超硬结构的距离的增加而减少（因此随着与基体端部的距离的增加而增大）。碳化物颗粒的含量可随着中间层中超硬颗粒的含量相反地变化。超硬颗粒和/或碳化物颗粒的含量的变化可基本上是连续或离散的，并且步进式的。一个或多个中间层可具有减少超硬结构和/或基体的内应力的作用。

从第二个方面看，提供一种用于在制造依照本发明的第一个方面的钻尖中使用的前体构造，所述前体构造包括在基体端部的交界边界处连接于基体的超硬结构，该超硬结构限定了与交界边界相对的超硬端表面，并且该超硬结构没有切削刃；该超硬结构包括具有超硬颗粒的烧结多晶材料；超硬端表面包括中心钝顶点和多个用于钻尖的表面区域。

至少超硬端表面的表面区域被构造成对应于待由前体构造制造的设想钻尖的表面区域。前体构造的表面区域与钻尖的表面区域大体相同。该方面可以提高制造工艺的效率并降低成本，这是由于预计超硬材料较难机加工且耗时。

本发明对于前体构造设想了不同的组合和布置，非限制性且非穷举的例子描述如下。

在某些例子中，前体构造的表面区域可与钻尖的邻接钻尖切削刃的表面区域相对应。在某些例子中，前体构造的表面区域被构造成使得其轮廓（尤其是在纵向截面中观察）可以在钻尖的相应表面区域的相应轮廓以内约0.5毫米或以内约0.3毫米。除了可能需要形成余隙面或进行较少的加工之外，由于前体构造的表面区域将被构造成大体上与钻尖的表面区域基本上相匹配，该方面可以大大减少在由前体构造制造钻尖时需要从超硬结构上移除的超硬材料的量。

顶点可以为球状钝头并具有一半径。顶点可以为圆状隆起部，圆状隆起部具有在垂直于隆起部的平面中的半径。顶点的半径可至少为大约0.5毫米并且至多为大约3毫米、至多为大约2毫米、或者至多大约为1.5毫米。

在某些例子中，交界边界可与基体的端部基本上毗连，基体的基本上整个端部可连接于超硬结构，或者基体端部的区域可以暴露出来。

超硬端表面可以具有外周，所述外周限定了至少为大约3毫米且至多为大约20毫米的直径。该外周可以大体上为圆形，或者该外周的至少一部分可以为弓形。

超硬结构可以包括多晶金刚石（PCD）材料或多晶立方氮化硼（PCBN）材料。

超硬结构可具有基本上均匀的厚度，该厚度至少为大约0.5毫米且至多为大约3毫米。

对于超硬端表面及其表面区域，设想了各种各样的布置，非限制性的例子如下。超硬端表面可以与交界边界大体上一致。超硬端表面可以包括至少两个锥形表面，锥形表面彼此同心并与顶点同心，且以明显不同的相应锥角布置。超硬端表面可以包括外锥形表面和内锥形表面，外锥形表面比内锥形表面更远离顶点，外锥形表面的锥角明显大于内锥形表面的锥角。超硬端表面可以包括外锥形表面和内锥形表面，外锥形表面比内锥形表面更远离顶点，外锥形表面的锥角明显小于内锥形表面的锥角。超硬端表面可以包括至少一个表面区域，所述表面区域在纵向平面中呈弓形。表面区域中的至少两个在其间限定一偏转。表面区域中的至少两个可交汇于在它们之间限定的圆角处，该圆角的半径至少为大约0.5毫米且至多为大约3毫米。表面区域的切面可以设置成相对于彼此成至少5度或至少约10度。在各表面区域内在直径上相对的区域的切面之间测量，每个表面区域可以限定至少为45度或至少为大约60度、且至多为大约180度或至多为大约140度的相应夹角。超硬端表面可以包括从顶点悬垂的第一表面区域和从第一表面区域悬垂的第二表面区域，第一表面区域和第二表面区域之间限定一偏转角。

交界边界可以具有大体上截头锥形、拱形、锥形、多锥形、凹形或凸形的形状。

超硬结构可以经由至少一个中间层连接于基体，所述中间层包括分散在粘结剂材料中的多个超硬颗粒和碳化物颗粒，所述粘结剂材料可以包括钴。中间层中的超硬颗粒的含量可随着与超硬结构的距离的变化而变化。例如，中间层中超硬颗粒的含量可随着与超硬结构的距离的增加而减少（因此随着与基体端部的距离的增加而增大）。碳化物颗粒的含量随中间层中超硬颗粒的含量相反地变化。超硬颗粒和/或碳化物颗粒的含量的变化基本上是连续或离散的，并且是步进式的。一个或多个中间层可具有减少超硬结构和/或基体的内应力的作用。

从第三个方面看，提供了一种用于制造依照本发明的前体构造的方法，该方法包括：提供一模具，所述模具包括构造成用于形成前体构造的超硬端表面的内表面区域；形成靠着内表面区域并包括多个超硬颗粒的聚集体，提供包含硬质合金材料的基体，所述基体具有被构造成作为用于所述前体构造的交界边界的端表面，将基体的端表面靠着聚集体放置，以提供预烧结组件；将预烧结组件组装到容器中以便进行超高压压制，使预烧结组件经受足以烧结聚集体的压力和温度，以形成结合到基体上的超硬构造。

本发明可以构想该方法的变形，非限制性且非穷举的例子描述如下。

模具的内表面区域可以构造成使得其形状轮廓（尤其是在纵向截面中观察时）在前体构造的超硬端表面的相应形状轮廓以内约0.5毫米或以内约0.3毫米。除可能在烧结步骤期间出现的不可避免的扭曲之外，模具的内表面区域的形状可以与前体构造的超硬端表面的形状大体相同。

聚集体可以包括多个金刚石颗粒或多个CBN颗粒。

聚集体可以布置成用于生成具有基本上均匀厚度的超硬结构，该厚度至少为大约0.5毫米且至多为大约3毫米。

模具可以构造成用于形成具有端表面的超硬结构，所述端表面包括顶点、从该顶点悬垂的第一表面区域、以及从所述第一表面区域悬垂的第二表面区域；第一表面区域和第二表面区域在其间限定一偏转角。

该方法可包括：在超硬颗粒的聚集体与基体之间设置至少一个中间层，该中间层包括超硬材料颗粒和金属碳化物材料颗粒，以提供经由中间层连接于基体的超硬结构。

该方法可包括：在超硬颗粒的聚集体与基体之间设置至少一个中间层，所述中间层包括分散在粘结剂材料中的多个超硬颗粒和碳化物颗粒，所述粘结剂材料可以包括钴。中间层中超硬颗粒的含量可随着与聚集体的距离的变化而变化。例如，中间层中超硬颗粒的含量可随着与聚集体的距离的增加而减少（因此随着与基体端部的距离的增加而增大）。碳化物颗粒的含量可随着中间层中超硬颗粒的含量相反地变化。超硬颗粒和/或碳化物颗粒的含量的变化可基本上是连续或离散的，并且步进式的。

在某些例子中，该方法可包括：提供包括超硬颗粒的多个片材，将片材抵靠模具的内表面堆叠以形成聚集体。在某些例子中，该方法可包括：制备包括超硬颗粒的浆体或糊状体，并借助于铸造、挤压或模制使浆体或糊状体成型以提供聚集体。

从第四个方面看，提供了一种用于制造依照本发明的钻尖的方法，该方法包括：提供依照本发明的前体构造，从超硬结构中移除材料以形成多个切削刃。该切削刃将被构造成用于在使用中驱动钻尖绕旋转轴线旋转并且驱动钻尖沿着旋转轴线进入物体时钻进该物体。

在某些例子中，该方法可包括：移除基体的一部分，使得基体端部基本上没有区域暴露出来，并且基本上整个端部都连接于超硬结构。

该方法可包括：从前体构造移除材料以提供出屑槽结构。

该方法可包括：从超硬结构的包括顶点的区域移除材料，以形成中心尖端或凿尖。

该方法可包括：从超硬结构移除材料，以减少或基本上移除两个表面区域之间的圆角的半径。

该方法可包括：从超硬结构移除材料以在超硬端表面上形成至少一个余隙面。通过形成余隙面的步骤，前体结构的表面区域的形状轮廓（尤其是在沿纵向截面观察时）可以基本上保持，例如保留在以内大约0.5毫米或0.3毫米。

从第五个方面看，提供一种钻进物体的方法，所述物体包括钛（Ti）、碳纤维增强聚合物（CFRP）材料或包括Ti和CFRP这两种材料，该方法包括使用包括依照本发明的钻尖的钻。

所公开的示例性方法可具有性价比较高且减少了加工量的特点，尤其是减少了在烧结超硬结构之后抛光钻尖所需的超硬材料的加工量。所公开的方法可具有允许在较高性能的钻尖上提供较薄和/或较复杂的超硬结构的特点，所述钻尖包括具有多个角点的钻尖。所公开的钻尖中的某些钻尖具有在单次使用之后可丢弃的特点，对它们使用一次而不是使之重新锐化以用于再次使用是经济的。

参考附图，将进一步描述示例性配置，其中∶

图1显示了用于麻花钻的示例性钻尖的示意性透视图；

图2显示了示例性麻花钻的示意性透视图；

图3A和图3B分别显示了示例性麻花钻的端部分的示意性侧视图和示意性平面图；

图4显示了用于麻花钻钻尖的示例性前体构造的示意性侧视图；

图5显示了用于麻花钻钻尖的示例性前体构造的示意性侧视图；

图6显示了用于麻花钻钻尖的示例性前体构造的示意性侧视图；和

图7显示了用于麻花钻钻尖的示例性前体构造的示意性侧视图。

参见图1，显示了用于麻花钻（未显示）的示例性钻尖10，该钻尖包括在毗连基体13端部的交界边界14处连接于基体13的超硬结构12。在该例子中，基体13主要由碳化钨硬质合金材料构成，超硬结构12主要由PCD材料构成。超硬结构12限定了与交界边界14相对的超硬端表面15。超硬端表面15包括中心尖端16。超硬结构12限定了一对切削刃17（在图1的侧视图中只能看见一个），一对出屑槽（在图1的侧视图中只能看见一个）形成在钻尖10中。超硬端表面15还包括设置成与钻尖在使用时的纵向旋转轴线L成不同的角度的两个大体上锥形的同心表面区域15A和15B，邻近中心尖端16的内表面区域15A的锥角比外表面区域15B的锥角小。在该特定例子中，超硬端表面15为凹形的，弯曲的表面区域连接表面区域15A和15B。与PCD结构12连接的基体13基本上没有端部暴露出来（即，基体13的基本上整个端部都连接于PCD结构12）。

参见图2，示例性麻花钻20可以包括具有出屑槽24的钻轴22和连接于钻轴22的端部26的示例性钻尖10。钻轴22限定了一纵向旋转轴线L。钻尖包括在交界边界14处连接于基体13的PCD结构12。

参照图3A和图3B，示例性麻花钻（只显示了一部分）包括具有至少两个出屑槽24（在图3A中只能看见一个）的钻轴22和在钻轴22的端表面26连接于钻轴22的示例性钻尖10。钻尖10包括被构造成在端部26与轴22的出屑槽24匹配的两个出屑槽18，并限定了两个切削刃17，每个切削刃17均与相应的出屑槽18相联。钻尖10包括经由中间层19连接于硬质合金基体13的PCD结构12，所述中间层包括金刚石颗粒和碳化物颗粒，PCD结构12限定了包括凿尖16的切削尖端。PCD结构12限定了一超硬端表面15，超硬端表面包括同心的、大体上锥形的表面区域15A和15B，所述表面区域设置成与纵向旋转轴线L成不同的角度。在该特定例子中，超硬端表面15为凹形的。

参照图4和图5，用于制造麻花钻钻尖（未显示）的示例性前体构造30均包括在相应的交界边界处连接于硬质合金基体33的PCD结构32，每个PCD结构与相应的超硬端表面35基本上一致（conformal）。PCD结构32被构造成具有球状圆顶点36，所述顶点具有在纵向平面（平行于纵向轴线L）内的约为1毫米的半径。PCD结构32限定了一超硬端表面15，超硬端表面包括第一锥形端表面区域和第二锥形端表面区域35A、35B，两者交汇在圆角半径为约0.5毫米的圆角处。表面区域15A和15B具有明显不同的锥角。在图4所示的例子中，表面区域15A、15B被布置成形成大体上凹入的端表面15，在图5所示的例子中，表面区域15A、15B被布置形成大体上凸出的端表面15。

参照图6和图7，用于制造麻花钻钻尖（未显示）的示例性前体构造30均包括在相应的交界边界处连接于硬质合金基体33的PCD结构32，每个PCD结构与相应的超硬端表面35大体上一致。PCD结构32被构造成具有球状圆顶点36，所述顶点具有在纵向平面（平行于纵向轴线L）内的约为1毫米的半径。PCD结构32限定一连续弯曲的超硬端表面35，该超硬端表面在纵向平面内为弓形，并包括表面区域35A、35B，该表面区域35A和35B的切面设置成与纵向轴线L成不同的角度。在图6所示的例子中，超硬端表面35为凹形的，其中，邻近顶点36的表面区域15A从顶点36向下倾斜得比邻近超硬端表面的外周的表面区域15B更陡。在图7所示的例子中，超硬端表面35为凸形的，其中，邻近顶点36的表面区域15A从顶点36向下倾斜得比邻近超硬端表面的外周的表面区域15B更缓。

下面将描述用于制造示例性前体构造的示例性方法。该方法包括：制备用于制造PCD构造的预烧结组件，并使预烧结组件经受至少约为5.5GPa的超高压和至少约为1250摄氏度的高温，在这样的超高压和高温下，金刚石颗粒能够内生长而形成PCD结构。预烧结组件经受超高压，该超高压可能导致预烧结组件发生一些扭曲。预烧结组件包括多个金刚石颗粒，所述金刚石颗粒被形成为设置在硬质合金基体与模具之间的聚集体。模具可以包括例如盐或陶瓷材料或适用于PCD烧结条件的耐火金属的材料。模具的内部根据前体构造的尖端所希望的形状进行构造，并考虑到在形成PCD结构的烧结工序期间预烧结组件的预期扭曲。基体可类似地构造成体现该所希望的形状，因此，除预期扭曲外，聚集体被限制为体现前体构造的所希望的形状。在该例子中，聚集体具有基本上均匀的厚度。用于金刚石的催化剂材料（例如钴）可以在施加超高压之前被引入聚集体中，和/或其可以在硬质合金基体中的钴材料在高温下熔化并渗透到聚集体中时被引入。当预烧结组件经受超高压和高温至少几分钟的时间时，金刚石颗粒在存在催化剂材料的情况下共同生长以形成PCD结构，PCD结构被形成为连接于基体（即，PCD结构在其变成烧结结构的同一步骤中变成连接于基体），提供PCD构造，其中PCD结构具有限定了麻花钻的中心尖端的顶点，该顶点居中地位于穿过PCD结构的中心纵向轴线上。

基体可以设置有一端部，该端部具有与钻尖的尖端大体上相同或类似的形状。在某些配置中，基体的超硬端表面和/或超硬构造可以包括大体上为截头锥形、拱形、锥形、多锥形、凹形或凸形的部分。

模具应该被构造成考虑到由预烧结组件经受超高压和高温引起的扭曲以及由于超硬颗粒烧结引起的预烧结组件的收缩。在一个配置中，可以沿着穿过模具、多个超硬颗粒和基体的纵向轴线单轴向地压实预烧结组件，模具可趋向于变平。因此，模具可能需要设置呈一角度的顶点，该角度比所希望的尖端角小大约3-5度。

模具可以构造成用于形成具有包括顶点的端表面的超硬结构，端表面包括一表面偏转。表面可以包括两个或更多个由偏转区域分开的区域。在有些配置中，该偏转可以是逐渐的或者是突变的，其特征可在于偏转两侧上的区域之间的偏转角。该偏转可以提供大体上凹形或凸形的尖端形状。

该方法可包括：在存在催化剂材料或者存在用于将超硬颗粒结合在一起的粘结剂材料的情况下，使聚集体经受超高压和超高温，在该超高压和超高温下，超硬材料能够被烧结。

在存在诸如钴的用于金刚石的催化剂材料的情况下，可以通过在一压力和一温度下将多个聚集金刚石颗粒烧结到一起来制造PCD结构，在该压力和温度下，金刚石在热力学上比石墨更稳定。压力可以至少为约5GPa，温度可以至少为约1250摄氏度。在某些变型中，压力可以大于6.0Gpa、大于7.0Gpa、或者甚至至少约为8GPa。金刚石颗粒可以在硬质合金基体上烧结，由此形成包括结合到基体上的PCD结构的复合压块。基体可以包含诸如钴的催化剂材料，并可以提供催化剂材料源，该催化剂材料在处于用于烧结PCD材料的压力和温度下的熔融状态时可以渗透到金刚石颗粒之间。在制造钻尖的一个方法中，可以构造预复合组件，所述预复合组件包括用于介于多个聚集金刚石颗粒与硬质合金基体之间的一个或多个中间层的一个或多个前体片材。前体组件然后可经受至少约为5.5GPa的压力和至少约为1250摄氏度的温度，以烧结金刚石颗粒并形成包括经由至少一个中间层连接于基体的PCD材料的单一本体。接着通过例如研磨而加工该单一本体，从而制成适合于进一步加工以制造回转式机械工具的钻尖的前体构造。可以通过包括放电加工（EDM）和研磨的方法来加工PCD前体构造，以形成钻尖的出屑槽和切削面。

在如上所述的示例性方法中，用于中间层的前体片材可以包括借助于粘结剂材料保持在一起的金刚石颗粒、碳化物颗粒和金属粉末。用于制造层状PCD元件的示例性方法包括：提供流延成型片材，每个片材包括通过粘结剂（例如水基有机粘结剂）结合在一起的多个金刚石颗粒，及在一支撑体顶部上一个在另一个之上地堆叠片材。可以选择性地堆叠包括具有不同尺寸分布、不同金刚石含量和不同添加剂的金刚石颗粒的不同片材，以实现所希望的结构。可以通过本领域已知的方法制造片材，例如通过挤压成型方法或流延成型方法，其中包括金刚石颗粒和粘结剂材料的浆体被铺设在一表面上，并使之干燥。也可以使用用于制造承载金刚石的片材的其他方法，例如可以使用美国专利号5,766,394和6,446,740中所描述的方法。用于沉积承载金刚石的层的替代方法包括喷涂法，例如热喷涂。

当将金刚石颗粒的聚集团块烧结在一起以形成PCD材料时，溶剂/催化剂材料可以以各种方式被引入到聚集团块中。其中一个方式包括：在多个金刚石颗粒的固结物成型为成聚集团块之前，借助来自水溶液的沉淀将金属氧化物沉积在多个金刚石颗粒的表面上。在PCT公开号WO2006/032984以及WO2007/110770中披露了这种方法。另一个方式包括：制备或提供包含催化剂材料的金属合金，所述催化剂材料用于粉末形式的金刚石，在多个金刚石颗粒固结成聚集团块之前，将该粉末与多个金刚石颗粒混合。该混合可借助于球磨机进行。其他添加剂可以混合到聚集团块中。金刚石颗粒聚集团块包括任何可能已经被引入的溶剂/催化剂材料颗粒或添加剂材料颗粒，并且所述金刚石颗粒聚集团块可以被成型为为未结合或松散结合的结构，可将该结构放置在硬质合金基体上。该硬质合金基体可以包含用于金刚石的催化剂材料源，例如钴。包括颗粒的聚集团块和基体的组件可被封装到适合于超高压熔炉设备的容器中，并使容器经受大于6GPa的压力。可以使用各种已知的超高压设备，包括带式、环式(torroidal)、立方和正方多砧系统。容器的温度应当足够高以使催化剂材料熔化，并且应当足够低，以免金刚石明显转化为石墨。时间应当足够长以足以使烧结完成，并且应当尽可能地短，以使生产率最大化并降低成本。

示例性钻尖端构造可以为大体上凹入的弓形或大体上凸出的弓形，或者可以包括一个或多个大体上呈锥形的部分，所述部分可以布置成凹入或凸出。示例性钻尖可以包括双角度切削尖端，所述双角度切削尖端特征可在于外角和内角。

在一示例性配置中，坯件或钻尖可以包括通过中间层连接于硬质合金基体的超硬结构，所述中间层设置在超硬结构和硬质合金基体之间，中间层包括诸如合成或天然金刚石或者立方氮化硼（cBN）的超硬材料颗粒和分散在金属粘结剂材料中的金属碳化物材料颗粒。

非限制性的示例性配置更详细地描述如下。

给出了用于制造麻花钻的钻尖的PCD构造的示例，所述PCD构造包括经由三个中间层结合于硬质合金基体的PCD帽。PCD帽具有基本上均匀的厚度，并限定了切削尖端，所述切削尖端具有尖头拱形的总体形状，其中凸弓形表面形成了顶点。

提供一模具，该模具一端的内部形状被构造成与PCD钻尖前体构造的工作表面的预定形状具有相同的总体形状。为了考虑烧结步骤期间的预期扭曲，模具内部限定的尖头拱形比PCD帽所希望的陡约3-5度（即，更细长）。模具包括由支撑在包括盐的容器内的耐火金属形成的杯状物。PCD前体片材包括平均尺寸至少为约1微米、至多为约10微米且借助于有机粘结剂结合在一起的金刚石颗粒，这些PCD前体片材被组装到模具中，多个片材抵靠着模具的成形端堆叠。包括金刚石颗粒和碳化钨颗粒的中间片材抵靠着PCD前体片材堆叠，成形硬质合金基体抵靠着中间片材放置。基体具有超硬端表面和远端，超硬端和远端由基本上圆柱形的侧表面连接，超硬端表面的形状与模具的内部形状一致。基体包括大约10重量百分比的钴和WC颗粒，钴和WC颗粒的平均尺寸范围从约4微米到约6微米。

中间片材S1、S2和S3的组分提供在下表中（不包括粘结剂材料）。每个中间片材包括不同组分的金刚石和碳化钨颗粒，S1还包括粉末形式的混合钴。通过流延成型包括金刚石和/或碳化钨颗粒和有机粘结剂的浆体并使流延成型的浆体干燥，来形成中间片材和PCD前体片材。

	金刚石	WC	Co
				S1	69-75wt.%	23-25wt.%	0-8wt.%
S2	46-50wt.%	46-50wt.%	0-8wt.%
				S3	18-20wt.%	54-61wt.%	19-28wt.%

预烧结组件在真空中经受热处理，以烧掉基本上全部的有机粘结剂，然后组装到用于超高压炉的容器中。其然后经受至少约为5.5GPa的压力和至少约为1350摄氏度的温度，以烧结PCD前体结构，从而形成PCD端帽，所述PCD端帽经由三个中间层连接于基体本体。在烧结步骤之后，PCD构造从封装结构回收。其包括PCD帽，所述PCD帽被形成为经由三个中间层连接于基体，PCD帽的形状为具有带尖顶点的拱形。

PCD构造借助于放电加工（EDM）和研磨进行加工，以在PCD帽的端部上提供一对相对的切削刃（是钻尖的切削尖端）并且在所述构造的周侧上提供一对螺旋出屑槽，以形成麻花钻的钻尖。

下面简要解释在此使用的某些术语和概念。

在此所使用的“超硬”或极硬材料的维氏硬度至少为25GPa。合成金刚石和天然金刚石、多晶金刚石（PCD）、立方氮化硼（cBN）和多晶cBN（PCBN）材料都是超硬材料的例子。合成金刚石，也被称为人造金刚石，是已经被制造出来的金刚石材料。

多晶金刚石（PCD）材料包括金刚石颗粒的团块（多个金刚石颗粒的聚集体），大部分金刚石颗粒直接相互内结合，其中金刚石含量至少为材料的约80体积百分比。金刚石颗粒之间的空隙可以至少部分地填充有粘结剂或包括用于合成金刚石的催化剂材料的填充剂材料，或者这些空隙也可以基本上是空的。用于合成金刚石的催化剂材料能够在合成或天然金刚石热力学稳定的温度和压力下促进合成金刚石颗粒的生长和/或促进合成或天然金刚石颗粒的直接内生长。用于金刚石的催化剂材料的例子是Fe、Ni、Co和Mn以及包括这些的一些合金。包括PCD材料的超硬结构可以包括至少一个区域，从该区域，催化剂材料已经被从空隙中移除，剩下金刚石颗粒之间的隙间空穴。在至少一个重要区域中，用于金刚石的催化剂材料已经从中耗尽或者催化剂材料处于比催化剂活性相对更低的形式，具有这样的至少一个重要区域的PCD结构可以被描述为热稳定PCD。

PCBN材料包括分散在包括金属和/或陶瓷材料的母体内的立方氮化硼（cBN）颗粒。例如，PCBN材料可以包括分散在粘结剂母体材料中的至少约30体积百分比的cBN颗粒，粘结剂母体材料包括诸如碳氮化钛的含Ti复合物和/或诸如氮化铝的含铝复合物和/或含有诸如Co和/或W的金属的复合物。某些形式（或“等级”）的PCBN材料可以包括至少约80体积百分比、甚至至少约85体积百分比的cBN颗粒。

镶刃刀具是这样一种刀具，在该刀具中，切削刃由切削尖形成，所述切削钻尖包含与刀具的其余部分或插入件不同的材料，钻尖典型地被硬钎焊或夹紧到刀具本体上。可以通过加工前体构造以使之形成用于钻尖的构造，来制造用于机械工具的钻尖。麻花钻是一种用于通过旋转剪切切削作用而在诸如包括金属、木材、复合材料和塑料的本体的工件本体中钻孔的带有出屑槽的钻头，其可以包括一钻尖。

麻花钻通常可以描述成具有一个或多个切削面或切削唇并且还具有用于从正在被钻的孔中输送碎屑的一个或多个螺旋出屑槽或直出屑槽的旋转端切削工具。碎屑是由所使用的机械工具从工件的工作表面上移除的工件材料的碎片。钻尖的切削刃是前刀面的边缘，用来执行物体的切削。机械工具的前刀面是这样的表面，当工具用来从物体移除材料时，所述碎屑流过该表面，前刀面引导新形成碎屑的流动。虽然一些钻具有平行于工具轴线延伸的直出屑槽，但是，大多数麻花钻包括根据设计要素构造的螺旋出屑槽，所述设计要素例如是切削刃的理想前刀面角，碎屑排空的容易度以及钻的硬度。

钻的切削尖端（或仅仅是尖端）是钻的工作端，提供了切削刃。尖端可以包括凿尖，所述凿尖对称地位于切削刃之间，并与钻的旋转轴线同心。在最简单的钻中，凿尖的几何结构由钻心厚度决定，钻心厚度是使出屑槽分开的材料部分。由于钻的钻心部分不切削加工材料，而是从中心线朝着切削刃向外挤压该加工材料，所以，其长度通常可通过在出屑槽与钻尖端表面之间的相交部形成凹口而最小化。钻尖端（钻心和凹口几何结构）的设计部分地影响其旋转精度--即钻绕引导机构旋转轴线同心旋转的程度。本领域中使用的大多数钻都包含两个切削刃，因为这是最经济的设计。但是，已知的是，包括三个切削刃因而包括三个出屑槽的钻更硬，在切削期间经受更小的偏移，因此能够形成更高质量且更高精度的孔。此外，附加的切削刃容许钻进（平移）速度比两出屑槽钻高出多达50%。虽然制造成本更高，但更高的性能可以抵消高的初始成本。

回转式机械工具，例如具有PCD钻尖的钻头，可以用来机加工包括Ti或CFRP或Ti和CFRP的组合的物体。在使用时，回转式机械工具可能经受作用在切削结构上的更高的剪切应力。在被钻的物体包括很高强度材料（例如Ti或CFRP或这两者）时，该剪切应力可能更严重。

锥角是在直径上通过锥体在锥体表面上的点之间测量的夹角，锥形顶点是最高点。

圆角是使部分设计的内部拐角更容易的凹部。

Claims (48)

1.一种用于麻花钻的钻尖，包括在毗连基体端部的交界边界处连接于基体的超硬结构，该超硬结构包括具有超硬颗粒的烧结多晶材料，所述超硬结构限定了与交界边界相对的超硬端表面和被构造成用于在使用时钻进物体的多个切削刃；超硬端表面包括中心尖端或凿尖，并包括多个表面区域，所述表面区域构造成使得与每个表面区域相切的相应的平面被布置成与钻尖在使用中的旋转轴线成明显不同的角度。

2.如权利要求1所述的钻尖，其中，超硬结构包括多晶金刚石（PCD）材料或多晶立方氮化硼（PCBN）材料。

3.如权利要求1或权利要求2所述的钻尖，其中，超硬端表面与交界边界大体上一致。

4.如前述任一权利要求所述的钻尖，其中，超硬结构的平均厚度至少为大约0.3毫米并且至多为大约3毫米。

5.如前述任一权利要求所述的钻尖，其中，超硬端表面具有外周，所述外周限定了至少为大约3毫米且至多为大约20毫米的直径。

6.如前述任一权利要求所述的钻尖，其中，超硬端表面包括至少两个局部锥形表面区域。

7.如前述任一权利要求所述的钻尖，其中，超硬端表面包括至少一个表面区域，所述表面区域在平行于钻尖在使用时的旋转轴线的纵向平面中为弓形。

8.如前述任一权利要求所述的钻尖，其中，表面区域中的至少两个在其间限定了一偏转。

9.如前述任一权利要求所述的钻尖，其中，表面区域的切面设置成相对于彼此成至少5度的角度。

10.如前述任一权利要求所述的钻尖，其中，在每个表面区域在直径上相对的区域的切面之间测量，每个表面区域限定了至少为45度且至多为大约180度的相应的夹角。

11.如前述任一权利要求所述的钻尖，其中，超硬端表面包括从顶点悬垂的第一表面区域和从所述第一表面区域悬垂的第二表面区域，第一表面区域和第二表面区域限定了一偏转角。

12.如前述任一权利要求所述的钻尖，其中，交界边界具有大体上拱形、多锥形、凹形或凸形的形状。

13.一种用于在制造前述任一权利要求所述的钻尖中使用的前体构造，所述前体构造包括在基体端部的交界边界处连接于基体的超硬结构，该超硬结构限定了与交界边界相对的超硬端表面，并且该超硬结构没有切削刃；该超硬结构包括具有超硬颗粒的烧结多晶材料；超硬端表面包括中心钝顶点和用于钻尖的多个表面区域。

14.如权利要求13所述的前体构造，其中，前体构造的表面区域与钻尖的邻接钻尖切削刃的表面区域相对应。

15.如权利要求13或14所述的前体构造，其中，前体构造的表面区域被构造成使得其轮廓在钻尖的相应表面区域的相应轮廓以内约0.5毫米。

16.如权利要求13-15中任一项所述的前体构造，其中，顶点为球状钝头，并具有一半径。

17.如权利要求13-15中任一项所述的前体构造，其中，顶点包括圆状隆起部，圆状隆起部具有在垂直于隆起部的纵向平面中的半径。

18.如权利要求13-17中任一项所述的前体构造，其中，顶点的半径至少为大约0.5毫米且至多为大约3毫米。

19.如权利要求13-18中任一项所述的前体构造，其中，超硬端表面具有外周，所述外周限定了至少为大约3毫米且至多为大约20毫米的直径。

20.如权利要求13-19中任一项所述的前体构造，其中，超硬端表面具有大体上圆形的外周。

21.如权利要求13-20中任一项所述的前体构造，其中，超硬结构包括多晶金刚石（PCD）材料或多晶立方氮化硼（PCBN）材料。

22.如权利要求13-21中任一项所述的前体构造，其中，超硬端表面与交界边界大体上一致。

23.如权利要求13-22中任一项所述的前体构造，其中，超硬结构具有基本上均匀的厚度，该厚度至少为大约0.5毫米且至多为大约3毫米。

24.如权利要求13-23中任一项所述的前体构造，其中，超硬端表面包括至少两个锥形表面，锥形表面彼此同心且与顶点同心，并且具有明显不同的相应锥角。

25.如权利要求13-24中任一项所述的前体构造，其中，超硬端表面包括外锥形表面和内锥形表面，外锥形表面比内锥形表面更远离顶点，外锥形表面的锥角明显大于内锥形表面的锥角。

26.如权利要求13-25中任一项所述的前体构造，其中，超硬端表面包括外锥形表面和内锥形表面，外锥形表面比内锥形表面更远离顶点，外锥形表面的锥角明显小于内锥形表面的锥角。

27.如权利要求13-26中任一项所述的前体构造，其中，超硬端表面包括至少一个表面区域，所述表面区域在纵向平面中为弓形。

28.如权利要求13-27中任一项所述的前体构造，其中，表面区域中的至少两个在其间限定一偏转。

29.如权利要求13-28中任一项所述的前体构造，其中，表面区域中的至少两个交汇于它们之间的圆角处，该圆角具有至少为大约0.5毫米且至多为大约3毫米的半径。

30.如权利要求13-29中任一项所述的前体构造，其中，表面区域的切面设置成相对于彼此成至少5度的角度。

31.如权利要求13-30中任一项所述的前体构造，其中，在每个表面区域在直径上相对的区域的切面之间测量，每个表面区域限定了至少为45度且至多为大约180度的相应的夹角。

32.如权利要求13-31中任一项所述的前体构造，其中，超硬端表面包括从所述顶点悬垂的第一表面区域和从所述第一表面区域悬垂的第二表面区域，第一表面区域和第二表面区域在所述第一表面区域和第二表面区域之间限定了一偏转角。

33.如权利要求13-32中任一项所述的前体构造，其中，交界边界具有大体上截头锥形、拱形、锥形、多锥形、凹形或凸形的形状。

34.如权利要求13-33中任一项所述的前体构造，其中，超硬结构经由至少一个中间层与基体相连。

35.一种用于制造如权利要求13-34中任一项所述的前体构造的方法，该方法包括：提供一模具，所述模具包括构造成用于形成前体构造的超硬端表面的内表面区域；形成包括多个超硬颗粒并抵靠着内表面区域的聚集体，提供包括硬质合金材料的基体，所述基体具有被构造成作为用于所述前体构造的交界边界的端表面，将基体的端表面抵靠所述聚集体放置，以提供预烧结组件；将预烧结组件组装到容器中以便进行超高压压制，并使预烧结组件经受足以烧结聚集体的压力和温度以形成结合到基体上的超硬构造。

36.如权利要求35所述的方法，其中，模具的内表面区域被构造成使得其形状轮廓在前体构造的超硬端表面的形状轮廓之内约0.5毫米。

37.如权利要求35或36所述的方法，其中，聚集体包括多个金刚石颗粒或多个CBN颗粒。

38.如权利要求35-37中任一项所述的方法，其中，聚集体布置成用于生成具有基本上均匀的厚度的超硬结构，该厚度至少为大约0.5毫米且至多为大约3毫米。

39.如权利要求35-38中任一项所述的方法，其中，模具构造成用于形成具有端表面的超硬结构，所述端表面包括顶点、从所述顶点悬垂的第一表面区域以及从所述第一表面区域悬垂的第二表面区域；第一表面区域和第二表面区域在其间限定了一偏转角。

40.如权利要求35-39中任一项所述的方法，包括：在超硬颗粒的聚集体与基体之间设置至少一个中间层，该中间层包括超硬材料颗粒和金属碳化物材料颗粒，以提供经由所述中间层连接于基体的超硬结构的构造。

41.如权利要求35-40中任一项所述的方法，包括：在超硬颗粒的聚集体与基体之间设置多个中间层，该中间层包括超硬材料颗粒和金属碳化物材料颗粒，以提供经由中间层连接于基体的超硬结构的构造，其中，超硬结构中的颗粒含量随着中间层与聚集体的距离的增加而减少。

42.如权利要求35-41中任一项所述的方法，包括：提供包括超硬颗粒的多个片材，将片材抵靠着模具的内表面堆叠以形成聚集体。

43.一种用于制造如权利要求1-12中任一项所述的钻尖的方法，包括：提供如权利要求13-34中任一项所述的前体构造，以及从超硬结构中移除材料以形成多个切削刃。

44.如权利要求43所述的方法，包括：从超硬结构的包括顶点的区域移除材料，以形成中心尖端或凿尖。

45.如权利要求43或44所述的方法，包括：从前体构造中移除材料以提供出屑槽结构。

46.如权利要求43-45中任一项所述的方法，包括：从超硬结构中移除材料以减少或基本上消除两个表面区域之间的圆角的半径。

47.如权利要求43-46中任一项所述的方法，包括：从超硬结构中移除材料以在超硬端表面上形成至少一个余隙面。

48.一种钻进物体的方法，所述物体包括钛（Ti）、碳纤维增强聚合物（CFRP）材料或者包括Ti和CFRP这两种材料，该方法包括使用包括如权利要求1-12中任一项所述的钻尖的钻。

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