CN103658769A

CN103658769A - 聚晶金刚石钻头及其制造方法

Info

Publication number: CN103658769A
Application number: CN201210362520.8A
Authority: CN
Inventors: 刘敏
Original assignee: SHENZHEN JUNTEC PRECISION TOOLS CO Ltd
Current assignee: JUNTEC ULTRA-HARD TOOLS CO., LTD.
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: CN103658769B

Abstract

本发明提供一种构造成绕回转轴线转动的钻头，包括：刚性刀体；和刀片。在所述刀片的末端具有在垂直于所述回转轴线的所述平面看倾斜于刀片的第一和第二侧面且经过所述回转轴线的横刃。所述刀片包括由一层聚晶金刚石层和一层硬质合金层层合而成的第一聚晶金刚石刀片部和第二聚晶金刚石刀片部，所述第一和第二聚晶金刚石刀片部共同限定出一拼接界面（9），所述拼接界面（9）布置成不与所述横刃相交。在所述第一和第二侧面中分别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。本发明还提供一种制造该钻头的方法。

Description

聚晶金刚石钻头及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种聚晶金刚石（PCD）钻头。此外，本发明还涉及制造该聚晶金刚石钻头的方法。

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，通常希望钻头能较长时间稳定地保证孔的一定尺寸精度和表面粗糙度。常用的钻头材料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，希望提供更高强度的钻头，例如聚晶金刚石（PCD）材料的钻头。

但是，现有的聚晶金刚石钻头通常是提供用于钻井等领域，这种钻头直径较大，并且一种通常的制造方式是直接在硬质合金刀体上镶嵌上和成型有聚晶金刚石部分。例如中国实用新型专利ZL 201020061311.6中公开了一种金刚石钻头，包括工作层和分布在工作层中的PCD烧结体,所述的PCD烧结体为柱状体或长方体形或圆柱形，分布排列在钻头的工作层胎体中，该钻头可广泛应用于地质勘探、石油钻井和工程勘察以及地质灾害的治理中。这种钻头例如不适用于需要精确的加工尺寸的上述硬非金属材料或有色金属的加工（如钻孔）中，并且其也不适用于加工或钻探较小直径的孔。

为此，希望提供一种钻头，其可适用于精确加工场合，而且也能够造得直径较小以便加工较小的孔。并且，最好该钻头具有良好的力学性能，并且对硬材料的加工不会明显降低其力学性能或切削性能。

发明内容

对此，本发明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沿所述刀体的径向延伸的刀片，所述刀片限定出彼此平行且相反的第一侧面和第二侧面，在所述刀片的末端具有在垂直于所述回转轴线的所述平面的投影倾斜于所述第一和第二侧面且经过所述回转轴线的横刃。所述刀片包括由一层聚晶金刚石（PCD）层和一层硬质合金层层合而成的第一PCD刀片部和第二PCD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与所述横刃相交。在所述第一侧面中限定出将第一PCD刀片部的硬质合金层与所述刚性刀体焊接的第一固定部分，在所述第二侧面中限定出将第二PCD刀片部的硬质合金层与所述刚性刀体焊接的第二固定部分，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。

相比于现有技术的采用PCD钻头，本发明的钻头提供一种紧凑的结构，而且通过这样的由两个双层PCD复合片（由PCD层和硬质合金层构成）构成的刀片能够充分例如PCD复合片中PCD层的切削性能，并且还可借助于硬质合金层牢固地焊接紧固到刀体上。由于使用了这种拼接的两个双层PCD复合片，该PCD钻头还可具有相对较薄的厚度，并进而实现较小尺寸的钻头。而且通过使得拼接界面在刀片延伸方向上与横刃偏置，即拼接界面避开横刃，可以不明显影响切削性能。

根据进一步优选的实施例，所述第一和第二PCD刀片部的PCD层具有相同的厚度，且硬质合金层也具有相同的厚度，其中所述第一PCD刀片部的硬质合金层外表面与第二PCD刀片部的PCD层的外表面平齐并限定出所述第一侧面，所述第二PCD刀片部的硬质合金层外表面与第一PCD刀片部的PCD层的外表面平齐并限定出所述第二侧面。通过这样设置，两片PCD刀片部的PCD层的厚度关于旋转轴线将是旋转对称的，其中该厚度是沿横向于刀片的延伸方向测得。这样非常地有利于横刃乃至整个刀片的受力对称以及刀具寿命。

进一步优选地，所述刚性刀体具有用于容纳所述刀片的一凹槽，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。

根据一个特别优选的实施例，所述刚性刀体包括硬质合金刀体。

优选地，所述焊接是真空对称焊接。

根据进一步优选的实施例，所述刀片包括加工时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层中分别限定出的前刀面，其中第一后角部具有在10°-15°范围内的第一后角和小于等于0.05mm的后角宽度，且第二后角部具有在18°-25°范围内的第二后角。在钻头的横刃中还限定出了钻头的最末端，即钻尖。

根据另一优选实施例，所述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方向的顶角，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。

根据再一优选实施例，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。

根据一个特别优选的实施例，所述横刃相对于所述侧面倾斜了70°±10°的角度。在本发明中，该横刃的倾斜角度是特别优选的，这综合考虑了横刃切削能力与拼接界面设置位置。发明人发现，如此横刃倾斜角度比较小的横刃角的切削能力并不会很明显地下降，但使得钻头的强度会得到有效提高，而且还可使得拼接界面可以更接近刀片的中心设置，进一步提高了钻头的强度。

本发明的另一优选方案，还提供了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；将第一和第二聚晶金刚石刀片部放置到该凹槽中，并拼接形成刀片；通过真空对称焊接将所述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刀片到刚性刀体上。本发明所公开的制造方法比较简单和方便。

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PCD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；

图4示出了本发明的PCD钻头的钻尖处的放大视图。

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示出了聚晶金刚石（PCD）钻头的一个实施例的正视图，该钻头包括硬质合金刀体1和固定到刀体的末端的刀片2，该刀片2在该实施例中由两片PCD复合片拼接而成，如下文详述。该钻头限定出一工作回转轴线O-O′，刀体1沿工作回转轴线O-O′延伸且钻头在工作时绕该工作回转轴线O-O′转动，且同时朝图1所示左方向做轴向进给，从而以刀片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，钻头还限定有一钻头工作直径D，其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（具体而言该圆柱刃带宽度由两片PCD复合片的PCD层的外周厚度所限定），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。

如图1和图3所示，刀片2具有基本与旋转轴线O-O’垂直的底部，并限定出朝刀体1的末端渐缩的第一渐缩部分7和位于该底部和该第一渐缩部分7之间的第二渐缩部分8。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，即钻尖。该刀片2的第二渐缩部分8在图1所呈现的图示中是朝刀体的末端方向渐缩的倒锥DZ，并且该第二减缩部分8的减缩程度很微小，例如该倒锥DZ的正切大体可为(0.1-0.15)/100，这样的减缩程度在图1和3中并不能清楚看出，但可由图1的三角形示意性表示。这样的倒锥对于提供加工稳定度是有利的，如果无倒锥或倒锥过小，钻孔时会产生振动，在孔壁产生振纹。

如图1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一定的螺旋角β，其主要是用于排屑。这样的螺旋角可以选得比较小，例如大于0至10°，优选接近于0。

继续参考图2，其为图1中的K向局部放大视图。刀片2大致沿刀体的径向布置，即大致沿一个径向延伸中心线10延伸，并且关于该中心线10对称。该刀片具有彼此平行的第一侧面和第二侧面（且与该中心线10平行），在所述第一和第二侧面中分别限定出将所述刀片2与所述刀体1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。

继续参考图2，刀片具有钻头的切削刃，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。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。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）。进一步地，刀体的螺旋槽的旋向由切削刃的取向确定。图2所示的实施例中，钻头工作方向为逆时针，但相反的切削刃及相关部分的配置并进而相反的旋向也是可行的并落入本发明范围中。

结合图1，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。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，PCD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，从而前刀面的中心偏量为b/2。

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，不构成限制地，这例如是两个切削刃之后的后角部之间的分界线。作为优选的实施例，所述横刃6相对于所述侧面倾斜了70°±10°的横刃角度Ψ，其优点结合下文说明。

接下来参考图4，其是本发明的钻头末端的放大视图，具体地示出了根据本发明的两片PCD复合片。如图所示，刀片2包括一个较大的第一聚晶金刚石刀片部11和一个较小的第二聚晶金刚石刀片部12，它们都基本上沿刀体的径向即刀片的延伸方向延伸，各自由一层PCD层13、14和一层硬质合金层15、16层合而成。如图进一步示出，并结合之前附图，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层的外表面中限定出的。此外，在第一和第二PCD刀片部中，具体而言是在它们的硬质合金层15、16的外表面中分别限定出上述第一和第二固定部分3、4。换句话说，即第一和第二PCD刀片部11、12中的PCD层13、14和硬质合金层15、16在横向于刀片2延伸方向上是彼此相反地放置。

另外，在较大的第一PCD刀片部中限定出上述的横刃6，而在较小的第二PCD刀片部中则没有。进一步地，第一和第二PCD刀片部11、12在基本平状的拼接界面9处彼此拼接，而在拼接界面9在横向于刀片的延伸方向上偏置于回转轴线O-O’，并可以与所述横刃6间隔开一距离，以免影响横刃的切削能力。换句话说，该拼接界面与该横刃不相交地布置。但是该间隔的距离最好尽可能地小，例如为0.5mm-4mm，0.8mm-3mm、1mm-2mm或这些范围端点值的组合，以获得更好的受力对称性。因此，优选选用如上所述的横刃倾斜角度70°±10°。

而且，第一和第二PCD刀片部11、12具有相同厚度b1（即圆柱刃带的宽度）的PCD层13、14，以及相同厚度的硬质合金层15、16，那么第一PCD刀片部11的硬质合金层15的外表面和第二PCD刀片部12的PCD层14的外表面共同限定出上述第一侧面，而第二PCD刀片部12的硬质合金层16的外表面和第一PCD刀片部11的PCD层13的外表面共同限定出上述第二侧面。由此，第一和第二PCD刀片部11、12的PCD层13、14关于回转轴线O-O’基本上是旋转对称的，即一PCD层13的圆柱刃带绕回转轴线O-O’转过180°后与另一PCD层14的圆柱刃带基本重合，从而这为本发明的钻头提供了更好的受力对称性和刀具寿命。

下面结合图2和4说明本发明的钻头的制作方法。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两片PCD刀片部11、12。直径越小的钻头，选择用厚度b越薄的刀片部，这样才能最大限度地保证刀体（基体）部分的强度。接下来提供刚性刀体，随后可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。将上述的PCD刀片部11、12以拼接的方式放置在该凹槽中。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，经保证刀片焊接后的应力最小，以防刀片由于焊接应力而断裂或者沿拼接界面错位或损坏。

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刀片的硬质合金层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，将刀片初步定位在刚性刀体上；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。

本发明提供了一种新颖的钻头，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

1.一种构造成绕回转轴线（O-O’）转动的钻头，包括：

沿所述回转轴线延伸的刚性刀体（1）；和

焊接在所述刚性刀体末端上的沿所述刀体的径向延伸的刀片（2），所述刀片（2）限定出彼此平行且相反的第一侧面和第二侧面，在所述刀片的末端具有经过所述回转轴线的横刃（6），所述横刃在垂直于所述回转轴线（O-O’）的所述平面的投影倾斜于所述第一和第二侧面，

其中，所述刀片包括由一层聚晶金刚石层（13、14）和一层硬质合金层（15、16）层合而成的第一聚晶金刚石刀片部（11）和第二聚晶金刚石刀片部（12），所述第一和第二聚晶金刚石刀片部（11、12）共同限定出一拼接界面（9），所述拼接界面（9）布置成不与所述横刃（6）相交，

在所述第一侧面中限定出将第一聚晶金刚石刀片部（11）的硬质合金层（15）与所述刚性刀体焊接的第一固定部分（3），在所述第二侧面中限定出将第二聚晶金刚石刀片部（12）的硬质合金层（16）与所述刚性刀体焊接的第二固定部分（4），其中所述第一固定部分（3）与所述第二固定部分（4）在垂直于所述回转轴线（O-O’）的平面上的投影彼此关于所述回转轴线（O-O’）基本旋转对称。

2.根据权利要求1所述的钻头，其特征是，所述第一和第二聚晶金刚石刀片部（11、12）的聚晶金刚石层（13、14）具有相同的厚度（b1），且硬质合金层（15、16）也具有相同的厚度，其中所述第一聚晶金刚石刀片部（11）的硬质合金层（15）外表面与第二聚晶金刚石刀片部（12）的聚晶金刚石层（14）的外表面平齐并限定出所述第一侧面，所述第二聚晶金刚石刀片部（12）的硬质合金层（16）外表面与第一聚晶金刚石刀片部（11）的聚晶金刚石层（13）的外表面平齐并限定出所述第二侧面。

3.根据权利要求1所述的钻头，其特征是，所述刚性刀体（1）具有用于容纳所述刀片（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，所述刚性刀体（1）包括硬质合金刀体。

5.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。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的钻头，其特征是，所述刀片包括加工时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刚石刀片部的聚晶金刚石层中分别限定出的前刀面，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）。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的钻头，其特征是，所述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方向的顶角（2Φ），所述第二渐缩部分具有在0.1/100至0.15/100范围内的倒锥（DZ）。

8.根据权利要求1至5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5中任一项所述的钻头，其特征是，所述横刃相对于所述侧面倾斜了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（1）；

在刚性刀体（1）中形成容纳刀片（2）的凹槽；

将第一和第二聚晶金刚石刀片部（11、12）放置到该凹槽中，并在拼接界面（9）处拼接形成刀片（2），所述刀片限定出穿过所述回转轴线的横刃，其中所述拼接界面（9）；

通过真空对称焊接将所述刀片（2）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刀片（2）在所述第一和第二固定部分（3、4）初步粘附到所述刚性刀体（1）和将所述钻头放入真空焊炉中加热以最终固定刀片（2）到刚性刀体（1）上。