CN104066920A - 钻头 - Google Patents

Abstract

一种钻头，其特征在于，包括头部和附接到钻凿装置的连接部。所述头部包括至少两个刀片槽，其包含刀片，所述刀片具有切削刀刃，该切削刀刃从与所述钻头的旋转轴线径向偏移的内侧位置延伸至线性的外侧切削刀刃。所述切削刀刃由刀片槽或刀片的顶表面和磨损表面的相交部形成。所述顶表面是线性的，但是可以是平面或非平面的。

Description

钻头

技术领域

本公开涉及一种钻头和一种包括该钻头的钻凿装置。该钻头包括具有切削刀刃的至少两个刀片槽，切削刀刃从与钻头的旋转轴线径向偏移的内侧位置延伸至线性的外侧切削刀刃。更特别地，本公开涉及用于采掘和建造中的钻孔和钻凿的钻头。

背景技术

在如下所述的背景技术的讨论中，参考特定结构和/或方法。但是，下列参考不应该被解释为认可这些结构和/或方法构成现有技术。申请人明确地保留权利以证明这些结构和/或方法不是现有技术。

在过去，采掘和建造中使用的钻头以烧结碳化物刀片来构造，以延长刀具的使用寿命。特别在采掘操作中，矿井的巷道顶必须被支撑。这传统上通过将支撑板闩接到巷道顶来实现，其中锚杆安装到矿井巷道顶中的预先钻凿出来的孔中。常规地，通过使用上面安装有切削刀片的钻头来钻凿接收锚杆的孔。

在这些现有技术刀具中遇到的主要的问题是，刀具被迅速磨损和机器停机时更换的高成本。通常认为，刀具磨损和断裂中的主要的且固有的影响因素已经是这些钻头的常规设计，包括刀片的几何形状和所使用的成分。为改善刀具的磨损和刀具的断裂特性，已经使用用于钻头刀片的更坚硬的成分，如超硬材料。

现有的钻头包括非取芯(non-coring)的大致连续弯曲的切削刀刃，该切削刀刃从其高入口点开始延伸超出外侧的保径切削(gauge-cutting)边界，或包括取芯式(coring-type)旋转钻头，该钻头具有非线性式工作表面。

图9示出非取芯钻头，具有连续的平面的切削刀刃，该切削刀刃从其高入口点沿着两个方向延伸到外侧边界。切削刀片可设置在朝钻头的相对侧开放的刀片槽中。

钻头的示例在美国专利No.US5,383,526、US5,535,839和US5,375,672中示出。这些参考文献均未包含能够导致提高的耐磨损性和更长的刀具寿命的改进的刀片几何形状和使用超硬材料。

发明内容

为提高用于采掘和建造的钻头的耐磨性和刀具寿命，设计一种新的钻头，该钻头具有新的刀片几何形状。该新的刀片几何形状使钻头的形成能够具有超硬材料的优点，且所具有的几何形状延长钻头刀片和钻头的寿命。

示例性钻头包括头部和附接到钻凿装置的连接部。头部包括至少两个刀片槽，每个刀片槽均包括具有切削刀刃的刀片，切削刀刃从与钻头的旋转轴线径向偏移的内侧位置延伸至线性的外侧切削刀刃。

另一个示例性钻头包括头部和附接到钻凿装置的连接部。头部包括至少两个刀片槽，每个刀片槽均包括具有切削刀刃的刀片，切削刀刃从与钻头的旋转轴线径向偏移的内侧位置延伸至线性的外侧切削刀刃。刀片具有沿着线性路径延伸的非平面的顶表面。

又一个示例性钻头的包括头部和附接到钻凿装置的连接部。头部包括至少两个刀片槽，每个刀片槽均包括具有切削刀刃的刀片，该切削刀刃从与钻头的旋转轴线径向偏移的内侧位置延伸至线性的外侧切削刀刃。刀片以约10°到约30°的前角向后倾斜(raked back)，以约1°到约20°的歪斜角度歪斜且以约10°到约30°的倾斜角度倾斜。

示例性钻凿设备包括根据上述实施例中的任一个的钻头。

可理解为，前述的一般描述和接下来的详细描述均是示例性和说明性的，并旨在提供本发明的所要求保护的进一步解释。

附图说明

下述的详细描述可与附图一起来理解，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：

图1是钻头的包括从钻头的旋转轴线径向偏移的两个刀片的示例性实施例的示意图。

图2是图1所示的钻头的前视图。

图3是图1所示的钻头的侧视图。

图4是图1所示的钻头上侧的俯视图。

图5是钻头包括从钻头的旋转轴线径向偏移的两个刀片的另一示例性实施例的示意图。

图6是图5所示的钻头的前视图。

图7是图5所示的钻头的侧视图。

图8是图5所示的钻头上侧的俯视图。

图9示出一种现有技术的钻头，包括从前切削刀刃沿两个方向延伸到钻头的外边界的连续的切削刀刃。

具体实施方式

图1-4示出了钻头的示例性实施例，包括从钻头的旋转轴线径向偏移的两个刀片槽。该钻头设计为围绕钻头的旋转轴线旋转。钻头20包括头部26和附接到钻凿装置(未示出)的连接部22。连接部22可包括螺栓孔24或其它用于附接的连接结构。

头部26包括至少两个刀片槽28，其包含刀片30。在进一步的实施例中，头部26可包含三个、四个或更多个刀片槽和各自的刀片。刀片均匀分布在开放的芯部的周围。比如，如果头部包含两个刀片，则该刀片分开近似180°。相似地，如果头部包括三个刀片，那么它们之间分开近似120°，和如果头部包括四个刀片，那么它们每个分开近似90°。

每个刀片30均包括至少一个切削刀刃32、外侧切削刀刃34、顶表面36、磨损表面38、内表面40和外表面42。特别参照图4，每个刀片30的内表面40面对位于钻头20的旋转轴线处的开放芯部44。磨损表面38和顶表面36交叉，以形成切削刀刃32，且磨损表面38和外表面42交叉，以形成外侧切削刀刃34。该磨损表面38用作切削刀刃32的切屑面，这是因为其面对钻头的旋转方向。

图1-4中，刀片30设置在刀片槽28中，以形成磨损表面。刀片30的外形是多边形，具有线性的平面的切削刀刃32、34和成角度边角部。刀片可通过例如化学或机械附接方式而设置在刀片槽中，包括，例如，钎焊、使用固定螺钉或夹具，或通过使用结构粘合剂的粘结。

刀片可由超硬材料形成，或由硬质合金基底与熔融到基底的超硬材料以作为工作磨损表面来形成。硬质合金优选为碳化钨。超硬材料可以是金刚石、立方氮化硼或任何其它具有相似硬度特性的材料。适合的超硬材料的示例性硬度特性具有超过2000HK的努氏硬度值。具体地，超硬材料可以是多晶金刚石。

在某些实施例中，超硬材料覆盖顶表面36、磨损表面38、外表面42和/或内表面40。在钻凿过程中，刀片30的顶表面36将是与岩石或其它待钻凿的材料接触的前导进入表面。相似地，外表面42通过作为与钻凿出的孔的径向范围接触的最外侧表面而与岩石或其它待钻凿的材料接触。内表面40将接触和帮助破碎岩石或待钻凿的其它材料的芯部，所述芯部由从旋转轴线偏移的刀片形成的每一个刀片的顶表面36的旋转扫过的范围中的间隙形成。此外，磨损表面38作为切屑面。因此，上述四个表面的任一个表面可包含超硬材料以延长刀具的寿命。此外，在其它实施例中，刀片的所有表面都可以覆盖有超硬材料，这样对于简化制造步骤有利。

在其它实施例中，头部26的其它部分也可由覆盖有超硬材料的类似基体形成。在一些实施例中，出于与在刀片的对应表面上的使用超硬材料类似的原因，刀片槽，特别是刀片槽的顶表面和/或外表面可被超硬材料覆盖，以增加磨损表面的强度和耐磨性。此外，在其它实施例中，整个头部可覆盖有超硬材料。

图5-8示出与图1-4所示的钻头相似的钻头120的另一个实施例。钻头120包括头部126和附接到钻凿装置(未示出)的连接部122。连接部122可包括螺栓孔124或其它附接的连接结构。

头部126包括至少两个刀片槽128，其含有刀片130。头部126还可包括附加的刀片槽和刀片，与图1-4所示的头部26的方式相似。

每个刀片130均包括具有成角度边角部的四个线性刀刃，包括切削刀刃132、外侧切削刀刃134、顶表面136、磨损表面138、内表面140和外表面142。尽管顶表面136、磨损表面138、内表面140和外表面142均大致沿着线性路径延伸，但是至少顶表面136是线性，但是是非平面的。该非平面的表面可包括波纹状的、锯齿状的、有凹口的或阶梯状的表面。在图5-8所示的实施例中，顶表面136包括波纹状表面。在特别实施例中，顶表面包括偏移的波纹，其中一个刀片上的顶表面的波纹与另一刀片的顶表面的相位差是180°。相似设计可在头部中包括多于两个刀片槽时应用。例如，如果存在三个刀片槽，则每个刀片和刀片槽上的顶表面的波纹与其它两个刀片槽的相位差是120°。

在其它实施例中，刀片的其它表面可以是非平面的。例如，刀片的内表面可包括非平面表面，以在钻凿操作时帮助破碎所产生的芯部。相似地，刀片的外表面可包括非平面表面，以帮助去掉正在钻凿的孔。该顶表面、内表面和外表面可包括任何替代性的设计，包括波纹、锯齿、凹口或阶梯，其中每个刀片上的设计布置在相应的表面上，使得该设计在钻凿操作过程中的旋转时是一致的或偏移的。优选地，该设计是偏移的，以使切削力在刀片中的每一个上均匀地分布。

发现造成延长刀具寿命的另一个因素是上述至少两个刀片相对于整个钻头是如何设置的。刀片的设置可通过前角、歪斜角度和倾斜角度来确定。如图2-6中所示，分别地是，前角(α，α’)是刀片的顶表面的线性路径从相对于钻头的轴线方向垂直而向后倾斜的角度。在某些实施例中，前角是从大约10°到大约30°。在特定实施例中，前角是大约15°到大约25°。在更特定实施例中，前角是大约20°。

如图4-8所述，分别地是，歪斜角度(γ，γ’)是刀片的连接到刀片槽的背表面相对于钻头的半径歪斜的角度。例如，在具有两个刀片的实施例中，歪斜角度是两个刀片槽从相互平行歪斜的角度。在具有多于两个刀片槽的其它实施例中，歪斜角度将包括刀片槽相对于与绕钻头均匀间隔的半径平行歪斜的角度。例如，在具有三个刀片槽的实施例中，歪斜角度将包括每一个刀片槽相对于该刀片槽的互补半径歪斜的角度，其中每个互补半径是120°。该歪斜角度可以是正的或负的。正的歪斜是在与钻头的旋转方向相反的方向上。负的歪斜是处在钻头的旋转方向上。至少当歪斜角度具有小的绝对值时，正的歪斜使切削刀刃和磨损面较靠近钻头的旋转轴线，并且负的歪斜使切削刀刃和磨损面较远离钻头的旋转轴线。在特定实施例中，歪斜角度从大约-20°到大约+20°。在特定实施例中，歪斜角度是正的。在进一步特定实施例中，歪斜角度从大约+1°到大约+20°。在更进一步特定实施例中，该歪斜角度从大约+5°到大约+15°。在更进一步特定实施例中，该歪斜角度从大约+5°到大约+10°。

如图3和7所示，倾斜角度(β，β’)是磨损表面相对于与轴向方向平行向后倾斜的角度。在特定实施例中，倾斜角度从大约10°到大约30°。在特定实施例中，倾斜角度从大约15°到大约25°。在更进一步特定实施例中，倾斜角度从大约18°到大约22°。在更进一步特定实施例中，倾斜角度大约20°。

因为刀片槽偏移特定的前角、歪斜角度和倾斜角度，所以刀片定位为相互之间具有一个特定距离。邻近顶表面的刀片之间的这一距离可为钻头的总直径的大约25％到大约75％。在特定实施例中，该距离为大约25％到大约60％。在进一步特定实施例中，该距离为大约25％到大约40％。在更进一步特定实施例中，该距离为大约30％到大约35％。

刀片之间的距离常常可以当在钻头的头部的最靠近连接部的那一部分处测量时较短。刀片之间的在头部的最靠近连接部的那一部分处的距离可为大约2％到大约30％。在特定实施例中，该距离为大约5％到大约20％。在更进一步实施例中，该距离为大约10％到大约15％。在更进一步特定实施例中，该距离为大约5％到大约10％。

尽管描述了本发明的优选实施例，但是对本领域技术人员来说应该理解，在不脱离本发明在所附的权利要求书中所限定的精神和范围的情况下，可以进行未具体描述的添加、删除、修改和替代。

Claims (20)

1.一种钻头，包括头部和附接到钻凿装置的连接部，所述头部包括至少两个刀片槽，每个刀片槽均包括具有切削刀刃的刀片，所述切削刀刃从与所述钻头的旋转轴线径向偏移的内侧位置延伸至线性的外侧切削刀刃，其中，所述刀片相对于所述钻头的半径歪斜。

2.如权利要求1所述的钻头，其中，所述刀片以大约10°到大约30°的前角向后倾斜。

3.如权利要求1所述的钻头，其中，所述刀片以大约-20°到大约+20°的歪斜角度歪斜。

4.如权利要求3所述的钻头，其中，所述刀片以正的歪斜角度歪斜。

5.如权利要求1所述的钻头，其中，所述刀片以大约1°到大约20°的歪斜角度歪斜。

6.如权利要求1所述的钻头，其中，所述刀片倾斜大约10°到大约30°的倾斜角度倾斜。

7.如权利要求1所述的钻头，其中，所述刀片以大约10°到大约30°的倾斜角度倾斜且以大约1°到大约20°的歪斜角度歪斜。

8.如权利要求1所述的钻头，其中，所述刀片以大约1°到大约20°的歪斜角度歪斜且以大约10°到大约30°的前角向后倾斜。

9.如权利要求1所述的钻头，其中，所述刀片结构由基体形成，所述基体至少部分地被超硬材料覆盖。

10.如权利要求9所述的钻头，其中，所述基体由硬质合金形成。

11.如权利要求9所述的钻头，其中，所述超硬材料选自由金刚石和立方氮化硼组成的组。

12.如权利要求1所述的钻头，其中，所述刀片的顶表面具有非平面表面。

13.如权利要求12所述的钻头，其中，所述非平面表面包括沿着线性路径延伸的波纹状表面。

14.如权利要求13所述的钻头，其中，一个刀片的所述波纹状表面的波峰部与其它刀片的所述波纹状表面的波峰部径向偏移。

15.如权利要求13所述的钻头，其中，一个刀片的所述波纹状表面与另一刀片的相位差是180°。

16.一种钻头，包括头部和附接到钻凿装置的连接部，所述头部包括至少两个刀片槽，每一个刀片槽均包括具有切削刀刃的刀片，所述切削刀刃从与所述钻头的旋转轴线径向偏移的内侧位置延伸到线性的外侧切削刀刃，其中，所述刀片相对于所述钻头的半径弯曲，并且其中，所述刀片具有沿着线性路径延伸的、非平面的顶表面。

17.如权利要求16所述的钻头，其中，所述顶表面包括沿着线性路径延伸的波纹状表面。

18.如权利要求16所述的钻头，其中，所述刀片的所述顶表面上的波纹的波峰与所述钻头中的任一其它刀片的顶表面上的波纹径向偏移。

19.一种钻头，包括头部和附接到钻凿装置的连接部，所述头部包括至少两个刀片槽，每个刀片槽均包括具有切削刀刃的刀片，所述切削刀刃从与所述钻头的旋转轴线径向偏移的内侧位置延伸至线性的外侧切削刀刃，其中，所述刀片以大约10°到大约30°的前角向后倾斜，以大约1°到大约20°的歪斜角度歪斜，且以大约10°到大约30°的倾斜角度倾斜。

20.如权利要求19所述的钻头，其中，所述刀片的与所述钻头的旋转轴线径向偏移形成的切削刀刃之间的距离是所述钻头的总直径的大约25％到大约75％。