CN105980632A - 冲击结构、包括冲击结构的挖掘工具及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于挖掘工具的冲击结构的制作方法、用于挖掘工具的冲击结构以及挖掘工具。冲击结构包括冲击尖端(2)和支撑主体(20)，其中冲击尖端和支撑主体中的每一个的各自附接端(10、22)被连接至彼此，冲击尖端的附接端与包含在冲击尖端中的硬质合金材料相连，并且支撑主体的附接端与包含在支撑主体的端部中的硬质合金材料相连，端部被配置为使得支撑主体的侧面从其附接端分散地下垂。方法包括提供冲击尖端(2)和用于支撑主体的前驱体(28)，其中前驱体的近端(25)与包含在前驱体的端部中的硬质合金材料相连，前驱体的端部被配置为使得前驱体的侧面从其近端分散地下垂，近端的面积小于支撑主体(20)的附接端的面积。方法进一步包括加工前驱体的端部以将近端的面积增大至支撑主体的附接端的面积；并且连接冲击尖端和支撑主体的各自附接端以提供冲击结构。

Description

冲击结构、包括冲击结构的挖掘工具及其制作方法
技术领域
本公开总体涉及用于挖掘工具的冲击结构，具体地但不唯一地涉及包括超硬材料的冲击结构；涉及包括冲击结构的挖掘工具，具体地但不唯一地涉及用于路面铣削、土壤稳定、采矿以及钻入诸如在石油和天然气勘探的岩层；以及涉及用于制作冲击结构的方法。
背景技术
公开号为7,950,746的美国专利申请公开一种用于分解材料的攻击工具，其包括基底段、结合至基底段的第一耐磨段、以及在与基底段相对的铜焊接合部处结合至第一耐磨段的第二耐磨段。超硬材料被结合至第二段的一端，并且两个段包括诸如硬质合金材料的硬金属材料。靠近接合部的两个耐磨段的外表面的至少一部分包括精磨削表面。公开的攻击工具的制造方法包括将第一段和第二段铜焊连接并且磨削靠近铜焊接合部的因铜焊引起的影响区。过量的铜焊材料可挤出至铜焊接合部的外部并且铜焊可能导致“影响区”，其可被裂缝、凹陷、擦伤或其它不规则或缺陷被削弱。影响区通过磨削成加工表面被去除。
存在对具有足够高的工作寿命的超硬挖掘工具和有效制作挖掘工具的方法的需求。
发明内容
从第一方面看，提供了一种用于挖掘工具的冲击结构的制作方法，冲击结构包括：
冲击尖端，以及
支撑主体，其中
冲击尖端和支撑主体中的每一个的各自附接端连接至彼此，
冲击尖端的附接端与包含在冲击尖端中的硬质合金材料相连，以及
支撑主体的附接端与包含在支撑主体的端部中的硬质合金材料相连，端部被配置为使得支撑主体的侧面从其附接端分散地下垂；
方法包括：
提供冲击尖端和用于支撑主体的前驱体，其中前驱体的近端与包含在前驱体的端部中的硬质合金材料相连，前驱体的端部被配置为使得前驱体的侧面从其近端分散地下垂，近端的面积小于支撑主体的附接端的面积；
加工前驱体的端部以将近端的面积增大至支撑主体的附接端的面积；并且
连接冲击尖端和支撑主体的各自附接端以提供冲击结构。
本公开设想了用于制作冲击结构的多种不同版本的方法和步骤的组合，下面描述本公开的非限制性和非穷举性示例。
支撑主体和前驱体的附接端和近端分别由各自端部限定，端部的外侧表面将大体上从各自端部分散。前驱体的端部可比支撑主体的端部至少稍微长，因此近端的面积将小于支撑主体的面积，因为前驱体和支撑主体两者的端部将分别朝近端和附接端聚集(如本文所使用的，前驱体的长度是沿着中央纵轴近端和远端的各自中心之间的距离；并且同样地，支撑主体的长度是位于纵轴上其附接端和相对端的各自中心之间的距离)。
在一些示例性设置中，支撑主体和前驱体中的至少一个可包括分别与附接端或近端相连的截头圆锥形端部。在一些示例中，前驱体的截头圆锥形端部的长度可大于支撑主体的截头圆锥形端部的长度。支撑主体可通过从前驱体的近端附近磨削或切除材料来提供，从而缩短截头圆锥形端部并且将近端的面积增大至支撑主体的附接端的面积。
在一些示例中，方法可包括加工与附接端中的至少一个相邻的冲击结构的区域以改良区域的至少一部分的物理特性。可改良的物理特性的示例可包括边缘的表面粗糙度、尺寸大小和或锐利度或圆度(例如，由密切圆的半径来表征)。
在一些示例中，冲击结构可包括由附接端和与附接端相邻的一侧地区的相交限定的暴露边缘，并且方法可包括加工暴露边缘以形成弧形边缘地区。弧形边缘地区将形成从附接端延伸至相邻的侧地区的连续弯曲表面。弧形边缘地区可限定具有至少0.01毫米(mm)、至少约0.1mm或至少约0.3mm的半径的密切圆(仅是描述弧形边缘的数学方式的密切圆将位于纵向平面上)。
在一些示例中，冲击尖端可包括与其附接端相对的冲击端相连的超硬材料。示例性冲击尖端可包括多晶金刚石(PCD)材料、多晶立方氮化硼(PCBN)材料、碳化硅粘结金刚石(SCD)材料或包含硬质合金材料的复合材料，其中金刚石晶粒是分散的。冲击尖端可包括连接至硬质合金基体的超硬材料，其中基体的基底限定冲击尖端的附接端。
在一些示例性设置中，冲击端可包括顶尖(apex)。例如，冲击端的至少一部分的形状可以是球形钝锥。顶尖可在纵向平面中限定至少2.0毫米(mm)或至少3mm的曲率半径；和或曲率半径可以是至多6mm或至多4mm。
在一些示例性设置中，包含在冲击尖端中的、诸如连接至超硬材料的基体中的硬质合金材料以及包含在支撑主体中的硬质合金材料可具有诸如不同的硬度、韧性、耐磨性、金属碳化物晶粒的尺寸分布和或诸如钴的粘合剂材料的含量的特定不同的物理特性。在一些示例中，支撑主体可包括硬质合金材料，其比包括在连接至超硬材料的基体中的硬质合金材料基本上硬得多。
在一些示例中，冲击尖端的附接端可是基本上圆形。在一些示例性设置中，支撑主体的附接端的形状可是基本上圆形、椭圆形、抛物线形或多边形或者可以具有这些组合中任何形状的局部特性的形状。附接端可均包括平面地区；附接端之一或两者的整个端部可是基本上平面。
在一些示例中，支撑主体的附接端可以具有比冲击尖端的对映点之间的最大线性尺寸大达约5毫米(mm)的对映点之间的最大线性尺寸。例如，支撑主体和冲击尖端的附接端均可是基本上圆形，前者的直径比后者的直径大达约5mm；和或前者的直径比后者的直径大至少0.5mm。在其它示例性设置中，支撑主体的附接端可是基本上椭圆形并且具有比冲击尖端的附接端的直径大达5mm的横向直径；和或比冲击尖端的附接端的直径大至少0.5mm的横向直径。椭圆的横向轴和共轭轴也可分别被称为长轴和短轴(椭圆是闭合的圆锥截面)。
在一些示例中，前驱体的近端可是基本上圆形，其具有比冲击尖端的附接端的直径小至少0.5mm的直径。在加工之后，获得的支撑主体的附接端可是基本上椭圆形，其具有大于或等于冲击尖端的附接端的直径的共轭直径。
在一些示例性设置中，支撑主体可包括圆柱形轴和截头圆锥形端部。
在一些示例中，冲击尖端和支撑主体的各自附接端可不同心连接。附接端中的每一个的各自中心可相对于彼此横向移位0.5至约5毫米(mm)的位移距离，横向平面基本上平行于冲击尖端的附接端。在一些示例中，附接端中的至少一个可延伸超过另一附接端的边缘，从而使前者的边缘暴露。边缘可通过前者附接端和与其相邻的侧表面的相交形成，并且暴露的边缘例如在横向平面上可以是线性或弧形的。
在一些示例中，方法可包括使用具有至少2200努普硬度的磨料晶粒通过磨料喷射加工(AJM)来加工冲击结构。例如，磨料晶粒可包括碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)、立方氮化硼(cBN)和或天然或合成金刚石材料或由碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)、立方氮化硼(cBN)和或天然或合成金刚石材料构成。磨料晶粒可由单晶或多晶材料构成。在各种示例中，磨料晶粒的平均尺寸可以是至少约50微米；和或至多约500微米(晶粒尺寸以如由激光衍射装置测量的等效圆直径ECD的形式来表示)。
磨料喷射加工的各个方面可以单独地包括以下方面中的一个或多个或者包括其与一个或多个其它方面的组合：磨料晶粒可以每分钟至少约50克(g/min)的速率撞击冲击结构；AJM设备的喷嘴之间的距离可以是约5至约100mm，其中磨料晶粒从喷嘴发出；和或可在至少约1分钟、和或至多约20分钟的处理时间段使用AJM。在一些示例中，冲击结构的区域可以每分钟0.5至20转(rpm)的速率绕冲击结构的纵轴旋转通过(在AJM过程中使用的)一通量的磨料晶粒，区域在每一次回转中通过磨料晶粒的通量；区域可包括与附接端中的一个或两个相邻的地区。AJM加工可导致至少0.1克和或至多约5克的硬质合金材料从冲击结构被去除。AJM加工可在与一个或两个附接端相邻的地区中产生冲击结构的粗糙的硬质合金侧表面，表面粗糙度具有至少1.00微米或至少1.50微米的算术平均值(Ra)；和或至多约3.00微米或至多2.00微米的算术平均值。在一些示例中，响应于接收关于冲击结构的诸如其定向和位置的状态的(诸如光学信息的)信息，可由自动控制机构控制与冲击结构的定向相关的磨料喷射(换言之，磨料晶粒的通量)的方向。在一些示例中，磨料喷射中所包含的磨料晶粒的通量和能量可以在喷嘴与前驱结构之间足以产生可见的火花。
在一些示例中，可在具有至多约80千帕的压力的大气中对冲击结构进行AJM。在一些示例性设置中，可通过能够排出输送包括多个磨料颗粒的通量的气体流或液体流的设备产生磨料喷射，其中设备的腔室中的流体的压力可比大气的压力高至少30千帕(kPa)或至少约35Ka，其中磨料颗粒被喷射入大气中。
在一些示例中，在冲击尖端已经连接至支撑主体之后，可对冲击结构应用磨料喷射加工，并在其它示例中，将支撑主体连接至冲击尖端之前，可至少对支撑主体的端部应用AJM。
在一些示例中，可通过AJM加工来去除可能附接到冲击尖端的剩余材料。剩余材料可包括元素、合金或化合物形式的钼、锆、钽、铌或钛和或氧化物或碳化物陶瓷材料。剩余材料可包括金属和或陶瓷材料。剩余材料可在通过烧结已经生产冲击尖端的过程期间已经被附接至冲击尖端。例如，冲击尖端可包括在前体材料经受超高压力、高温烧结工艺的过程中连接至硬质合金基体的多晶超硬材料，其中前体材料可已被封装在例如包括氧化钼、氧化钽、氧化铌或氧化镁的护套内。
在一些示例中，冲击尖端可通过诸如铜焊合金等连接材料(joinermaterial)被连接至支撑主体，在一些示例中，可通过AJM加工来去除可附接至冲击结构的一侧的大部分或基本上所有的连接材料。
在一些示例中，连接物材料可包括铜焊合金材料并且以连接层的形式存在于冲击尖端和支撑主体的附接端的之间，平均厚度是10至100微米。
从第二方面看，提供了一种冲击结构，其包括
冲击尖端，以及
支撑主体，其中
冲击尖端和支撑主体中的每一个的各自附接端连接至彼此，
冲击尖端的附接端与包含在冲击尖端中的硬质合金材料相连，并且
支撑主体的附接端与包含在支撑主体的端部中的硬质合金材料相连，端部被配置为使得支撑主体的侧面从其附接端分散地下垂；并且其中
冲击尖端和支撑主体基本上非同心，冲击结构基本上没有与附接端相邻的非弧形暴露边缘(换言之，冲击尖端和支撑主体的中央纵轴分别彼此横向偏离，并且与附接端相邻的任何或所有暴露边缘地区在纵向平面中是弧形的)。
针对冲击结构，本公开设想各种设置和特征组合，本公开的非限制性和非穷举性示例将从结合第一方面上述的示例性方法产生。
如本文中所使用的，弧形边缘能够参照通过弧形边缘上的点的(数学概念的)密切圆来表征。这种边缘将是连接主体的相邻非平行平面地区的平滑、连续弯曲的过渡区域。当在穿过两个表面地区的截面中观察主体时，曲率将是明显的。弧形边缘地区将连接主体的相邻非平行地区，并且遵循从这些地区中的一个到另一个的弯曲路径。同样如本文中所使用的，弧形凹面是主体的表面的光滑凹部并且能够参照密切圆来表征。非弧形边缘包括主体的相邻非平行表面地区之间的过渡区域，该区域沿从这些表面地区中的一个延伸到另一个的路径不连续弯曲，或者其中过渡部是相对较急剧的或陡峭的，使得不能够参照具有例如大于0.01mm的半径的密切圆来描述非弧形边缘。非弧形边缘的示例包括由两个相邻且基本上非平行的表面地区(其中这些地区或这些地区的切线以相对彼此成小于约170度的夹角布置)相交限定的线边缘或者由三个表面相交限定的点边缘。
在一些示例性设置中，冲击结构可包括在支撑主体和冲击尖端的连结处附近的、或包括接合部的弧形凹面(诸如焊缝)。可使用密切圆的数学概念来描述弯曲凹面，密切圆的半径可以是至少0.1毫米(mm)或至少0.3mm；和或半径可最高达约10mm、5mm或1mm。
在一些示例性设置中，可以关于各自的密切圆描述可与连接的附接端相邻存在的所有边缘，每一个密切圆的各自半径是至少0.1毫米(mm)或至少0.3毫米。在一些示例性设置中，冲击结构可基本上没有任一附接端的暴露的非弧形边缘。
在一些示例性设置中，冲击结构可基本上没有不能够通过半径是至少0.01毫米(mm)的密切圆来表征的暴露边缘。
在一些示例性设置中，冲击尖端可包括与和其附接端相对的冲击端相连的超硬材料。
在一些示例性设置中，冲击尖端的附接端可是基本上圆形的。在一些示例性设置中，支撑端的附接端可是基本上椭圆形或是基本上圆形。
在一些示例性设置中，冲击尖端和支撑主体的中央纵轴可相对彼此横向移位0.5至5毫米(mm)的位移距离。在一些示例性设置中，可暴露附接端中的至少一个的地区。
在一些示例性设置中，冲击结构的与附接端相邻的硬质合金侧地区可以具有1.00至3.00微米的算术平均表面粗糙度。
在一些示例性设置中，冲击尖端和支撑主体可通过平均厚度是10至100微米的连接材料层来连接。
在一些示例性设置中，冲击尖端可包括与冲击端相连的多晶金刚石(PCD)材料，冲击端包括与冲击尖端的附接端相对的顶尖。
从第三方面看，提供了一种挖掘工具，其包括根据本公开的冲击结构和钢保持部，钢保持部包括用于附接至驱动机构的柄部(shank)，其中冲击结构被联接至保持部。
支撑主体和保持部可被合作地配置使得支撑主体可与保持部不可移动地联接。支撑主体可被配置成用于插入至钢保持部中设置的孔中。例如，支撑主体可被预紧装配或压力配合至钢保持部中设置的孔中。
在一些示例中，挖掘工具可以用于路面铣削、土壤稳定、挖沟、采矿或钻入地面。例如，挖掘工具可用于铣削沥青或混凝土路面，或者用于开采煤或钾盐，或用于钻孔进入地面，如可以针对石油或天然气的勘探和生产来进行。
附图说明
下文将参照附图描述说明本公开的非限制性示例性设置，其中：
图1示出示例性挖掘工具的示意性透视图；
图2示出用于道路铣削的示例性滚筒的示意性透视图，其中多个示例性挖掘工具被附接至滚筒；
图3示出示例性冲击结构的端部的示意性侧视图；
图4示出在被连接在一起之前与示例性支撑主体间隔开的示例性冲击尖端的示意性侧视图；
图5和图6示出与用于支撑工具的各个示例性前驱体间隔开的示例性冲击尖端的示意性侧视图；
图7示出示例性冲击结构经受磨料喷射加工的一部分；以及
图8和图9示意性地说明在各自冲击尖端和支撑主体的连接的附接端附近通过示例性冲击结构的纵向截面的各个放大视图。
具体实施方式
参照图1，用于路面铣削滚筒(未示出)的示例性挖掘工具50包括被固定至示例性钢保持部52的冲击结构(其部件4、6和20在附图中可见)，钢保持部52包括用于联接至被附接到滚筒的基底(未示出)的柄部54。在示出的特定示例中，保持部设有将连接保持部的基底与内部体积的通孔56。示例性冲击结构包括冲击尖端，其具有与连接至硬质合金基体6的超硬材料4相连的冲击端。与冲击端相对的基体的一端提供连接至硬质合金支撑主体20的附接端。在该示例中，支撑主体20包括截头圆锥形端部和预紧装配至在保持部52中设置的孔中的基本上圆柱形体积(在图1中不可见)。在图1中示出的示例中，可看到支撑主体20的截头圆锥形端部从孔的口部伸出。
参照图2，用于路面铣削的示例性滚筒包括多个示例性挖掘工具50，每一个挖掘工具被联接至焊接在滚筒主体60上的相应基底主体。在使用中，滚筒主体60将被驱动以在方向F上转动使得挖掘工具50的冲击尖端可反复冲击至诸如沥青或混凝土的待铣削的路面(未示出)。当挖掘工具50用足够的力冲击路面时，路面将被压碎或破裂，并且路面的碎片将被去除。
参照图3，示例性冲击结构(在该附图中仅说明其端部)可包括连接至支撑主体20的冲击尖端2，其中冲击尖端2和支撑主体20中的每一个的各自附接端可通过设置在它们之间的铜焊合金材料16被连接至彼此。冲击尖端2可包括连接至硬质合金基体6的超硬结构4，硬质合金基体可提供连接至支撑主体20的相应附接端的冲击尖端2的附接端。在该示例中，超硬结构可由PCD材料构成，其与和附接端相对的冲击端相连，冲击端的形状是球形钝锥状，中央纵轴L1在冲击端和其相对的附接端的中央处穿过圆锥形状的的中央顶尖。支撑主体20的形状可包括圆柱形部和与其附接端相连的截头圆锥形端部。在说明的特定示例中，支撑主体20的截头圆锥形部的侧表面限定60度的锥角。中央纵(圆柱)轴L2穿过支撑主体20的附接端的中心。在该示例中，纵轴L1、L2以及各自的附接端的中心不同心；附接端相对于彼此横向移位位移距离ΔL。支撑主体20的附接端的面积大于冲击尖端2的面积，因此支撑主体20的附接端的边缘23暴露在与附接端相邻的区域30中。暴露边缘在纵向平面中是弧形并且限定约0.01mm的密切圆的半径。冲击结构基本上没有与附接端相邻的非弧形暴露边缘和铜焊材料层16。
参照图4，制作示例性冲击结构(类似于图3中示意地示出的冲击结构)的示例性方法可包括通过设置在附接端10、22之间的铜焊合金材料(未示出)将冲击尖端2的附接端10连接至支撑主体20的相应附接端22。冲击尖端2可由在接合边界5处连接至硬质合金基体6的PCD结构4构成，硬质合金基体提供冲击尖端2的附接端10。PCD结构4可与和附接端10相对的冲击端8相连，冲击端8的形状是球形钝锥，中心纵轴L穿过圆锥形形状的顶尖和冲击尖端2的相对附接端10的中央。已经通过加工前驱体提供支撑主体20以提供由支撑主体20的截头圆锥形端部24限定的附接地区22，其中支撑主体20的附接端22的面积可基本上等于冲击尖端2的面积。在该示例中，支撑主体20还包括与截头圆锥形端部24相邻的圆柱形杆状部26。
参照图5，可通过提供形状和尺寸与支撑主体基本上相同的前驱体28来提供支撑主体(该图中未示出)，不同的是截头圆锥形体积24更长。因此，前驱体28的近端25的面积比支撑主体的面积更小，并且与圆柱形部26进一步间隔开。在该特定示例性方法中，冲击尖端2和前驱体28(和随后的支撑主体)两者的附接端的中心在被连接时将同心，两者都位于纵轴L上。在近端25处的前驱体28可被磨掉距离ΔH以将近端25的面积增大至支撑主体的附接端22期望的面积，在该特定示例中其面积基本上等于冲击尖端2的附接端10的面积，从而提供支撑主体。在该示例中，冲击尖端2和支撑主体的附接端10、22都基本上是圆形并且都具有半径R。将是支撑主体20的附接端22的边缘23可相对尖锐，边缘由附接端22和截头圆锥形体积24的相邻侧表面之间的交叉限定。如果边缘太尖锐，则不可能以密切圆的半径表征边缘23。
在涉及将铜焊合金材料放置在相对的附接端10、22之间使得铜焊合金材料接触相对附接端10、22中的每一个并且将铜焊合金材料加热以使其熔化并且润湿两个附接端10、22的过程中，冲击尖端2可通过铜焊合金材料被连接至产生的支撑主体的附接端22。可能有必要将铜焊合金(以及因此基体6和与各自附接端10、22相邻的支撑主体的容积)加热至几百摄氏度的温度。一旦冷却至环境温度，铜焊合金材料将固化并且将附接端10、22结合在一起。
参照图6，前驱体28的形状在提供时可以略微失真。例如，前驱体28可包括细长部26，其可略微弯曲使得近端25基本上不垂直于由细长部26的侧面和或端部24的侧面限定的圆柱轴。待去除的、与近端25相邻以提供支撑主体的附接端22的硬质合金材料的容积可不具有均匀厚度，支撑主体的附接端22的面积足够大以容纳冲击尖端2的附接端10。待去除的端部24的体积的厚度在近端25的一侧可以是ΔH1并且在对映侧可以是ΔH2。这将产生椭圆形附接地区22，其横向直径会比冲击尖端2的附接端10的半径大余度ΔR。当冲击尖端2和支撑主体的附接端10、22被连接时，将暴露支撑主体的边缘23(以及支撑主体的附接端22的地区)。边缘23将可能是在支撑主体的附接端22与邻近附接端22的支撑主体的侧地区之间的相对陡峭的过渡部。如本文中使用的，边缘23可被描绘成非弧形。
在冲击尖端附近的冲击结构上存在的相对陡峭的非弧形边缘可导致冲击尖端和或支撑主体中的内部应力升高，这可能在使用中增加压碎和破裂的风险。在冲击尖端通过铜焊合金材料被连接至支撑主体的示例中，加热并且随后冷却冲击尖端和支撑主体的端部的过程可能导致在边缘或在冲击结构的表面上潜在存在的其它相对尖锐的、陡峭的或不连续的特征附近的应力增加。因为使用冲击结构将可能涉及冲击尖端对硬体或地层(formation)的反复冲击，所以如果内部拉伸应力较高，则在冲击尖端和或支撑主体中形成裂纹的风险将可能较高。因此，通常可期望可存在的边缘是弧形(如本文所使用的)并且能够由密切圆的至少0.01mm的半径来表征。对冲击结构加工以避免或减少非弧形边缘或其它尖锐的或陡峭的表面特征的发生将可能具有降低在附接端的附近中拉伸内部应力的存在和或量级的方面，因而降低在使用中或在随后的制造步骤期间压碎或破裂的风险。
冲击尖端和或支撑主体内应力升高的其它潜在来源可包括已经结合至冲击尖端和或支撑主体的侧表面地区的外来材料。例如，诸如铜焊合金的连接材料或来自冲击尖端烧结的剩余材料可能已附接至侧表面。剩余材料可包括元素形式诸如钼、钽或铌和或诸如氧化物和或碳化物形式的化合物形式的难熔金属或诸如氧化镁的陶瓷材料。这可能在诸如PCD或PCBN材料的多晶超硬材料在包含难熔金属材料或陶瓷材料的胶囊内烧结时发生。虽然在冲击尖端和支撑主体连接之前，将可能已经去除大部分的剩余材料，但是一些可能仍然保持附接至冲击尖端的侧面，并且可希望将其以及可能附接的任何铜焊材料去除。
在一些示例中，可通过磨料喷射加工(AJM)来加工冲击结构，可使用磨料喷射加工来对非弧形边缘磨圆并且将它们转变成弧形边缘。还可以使用磨料喷射加工来去除附接至冲击尖端和或支撑主体的侧面的一些或基本上全部剩余或连接材料。因此，使用如所公开的AJM加工冲击结构可具有减小内部应力并且可能延长冲击结构的工作寿命的方面。
参照图7，加工冲击结构的示例性方法可包括通过在流体射流42中传输并且由流体射流42给力磨料晶粒的通量使其在连接附近的连接区域转动。磨料射流42和冲击结构的相对定向可以为使得磨料晶粒被定向在冲击结构的包括冲击尖端和支撑主体20的附接端的区域，冲击结构自始至终围绕纵轴L1完整旋转。具体地讲，磨料射流42经受AJM的区域可包括支撑主体20或冲击尖端的暴露边缘23。磨料晶粒可由SiC构成，可选择AJM过程的参数使得粘结的材料可从支撑主体的边缘23和或冲击尖端的基体6去除。
AJM设备可基本上独立并且可完成压缩流体的过程，从而允许加压的流体穿过聚集-分散式喷嘴进入混合室，其中在允许混合物通过聚集喷嘴逸出混合室之前磨料晶粒将与流体结合。喷嘴将可能包括通过磨料晶粒的相对耐磨的诸如碳化钨或合成蓝宝石的材料。在使用中，喷嘴与工件之间的距离可能会影响加工地区的量级和材料去除速率。
在一个特定示例中，磨料射流42可被设置在相对于冲击尖端基体6的侧面(在纵向平面中)成约85度的入射角W处，磨料晶粒的通量通过喷嘴44校准，喷嘴44包括直径为约10毫米(mm)并且由已被加压至约600千帕(kPa)的空气射流给力的出口。在一个特定示例中，可在约3分钟的时间段内应用包含平均尺寸约50微米至约500微米的碳化硅晶粒的射流。可以每分钟约80克(g/min)的速率施加入射晶粒，在AJM过程中冲击结构可绕纵轴L1以每分钟约3.5转(r.p.m.)的速率旋转。
在图8和图9中部分说明的示例性冲击结构中，冲击尖端的各自硬质合金基体6被连接至支撑主体20的各自附接端。在一些示例中，冲击尖端可包括在接合边界5处连接至基体6的PCD材料4。支撑主体20的暴露的弧形边缘23是明显的，每一个弧形边缘提供支撑主体20的一侧地区与附接端之间的弧形连接。在说明的两个示例中，可针对凸的弧形边缘23中的每一个以及针对基体6和支撑主体20的侧面之间的凹的圆角状过渡部绘制出密切圆。在图8中示出的示例中，凸的弧形边缘23和凹的过渡部地区的密切圆的半径r分别是约0.75mm和约0.21mm。在图9中示出的示例中，凸的弧形边缘23和凹的过渡部地区的密切圆的半径r分别是约0.42mm和约0.13mm。
在一些示例中，磨料喷射加工可具有增加硬质合金基体和或支撑主体的表面粗糙度的效果。在三个示例中，支撑主体的算术平均表面粗糙度(Ra)分别增大至1.78微米、1.81微米和1.12微米。
在一些示例中，支撑主体可包括硬质合金碳化钨(WC)材料或由硬质合金碳化钨(WC)材料构成，其中WC的晶粒的平均尺寸可以是约1.5微米至2.5微米，并且钴基粘合剂材料的含量可以是约6wt％，硬质合金材料具有每开尔文(/K)约5.1-5.4×10-6(5.1至5.4乘以十的负六次方)的热膨胀系数(CTE)。支撑主体可包括圆柱形轴，圆柱形轴通过以下过程被预紧装配在钢保持部主体的孔中，过程包括将保持部围绕孔的部分加热至约350摄氏度的温度以使孔膨胀、将支撑主体的轴插入到加热的孔中，然后允许孔冷却并且收缩抵靠轴，从而保持孔处于压缩。支撑主体的轴和孔之间的过盈量可以是约0.02mm至0.03mm。可通过再加热孔并且去除轴来释放支撑主体以便重复使用。
在一些示例中，冲击尖端将包括冲击结构，冲击结构由在非平面的接合边界处连接至包括钴钨硬质合金的基体的多晶金刚石(PCD)材料构成。与PCD材料相连的冲击尖端的冲击端可以是凸的、并且包括中央顶尖，中央顶尖具有锥角范围在86度至92度内的球形钝锥的总体形状。在使用中，冲击端将可能被驱动以冲击待破碎的主体或地层。基体的在冲击尖端的一侧处从附接端到具有PCD材料的接合边界(在侧面处)的厚度可以是约3.5mm。从顶尖到相对接合边界的PCD材料的厚度可以是约4mm，从与顶尖相对的接合边界到其附接端的基体的厚度可以是约5mm。顶尖的形状可以是半径约为2mm至约6mm的球面的一部分。
基体可包括包含平均尺寸为约3至4微米的碳化钨(WC)晶粒的硬质合金材料或由包含平均尺寸为约3至4微米的的碳化钨(WC)晶粒的硬质合金材料构成。在将PCD材料烧结到基体上的步骤之前，硬质合金可包括约8wt％的钴粘结剂，在烧结过程期间一些钴粘结剂可能通过熔渗损失到PCD材料。因此，冲击尖端的基体中的钴的含量将可能低于8wt％，可能约6.5wt％。在一些示例中，基体的热膨胀系数(CTE)可以是每开尔文(/K)约5.3×10-6(5.3乘以十的负六次方)。基体的直径可以是约12mm。
当使用方法的示例时，可能不必要提供前驱体或支撑主体使得近端或附接端的边缘或多个边缘分别是弧形(圆形)。因为附接端将通过从与近端相邻的前驱体的端部去除材料来提供，边缘的情况将相对不太重要，因为它可在制造过程中更后的阶段改良。在一些示例性方法，可通过磨削或切削留下具有较尖锐的、陡峭的边缘(换言之，如本文所使用的非弧形边缘)的附接端来去除端部的材料。这种边缘可通过对它们应用磨料射流来足够地磨圆并且制成弧形。
示例性方法可具有用其它方法减少拒绝稍微弯曲或畸形的前驱体的需要的方面，因为必要时附接端可通过从端部去除材料来改良。虽然附接端的形状在一些示例中可能是椭圆形而不是圆形的、或者在其它的示例中比所希望的更偏椭圆形，但是这将允许附接端制成足够平坦和正确地定向。因此，支撑主体的附接端的边缘可能会被暴露(如将是附接端的一个地区)并且可被磨圆以提供弧形边缘。
在一些示例性方法中，可能不必要减小太大的冲击尖端的直径，因为可相应地制备支撑主体的附接端。在冲击尖端包括超硬材料的示例中，这将有可能显著增加制作冲击结构的效率(并且降低制作冲击结构的成本)，因为例如通过切削或磨削来从主体去除超硬材料是相对费时和昂贵的。
示例性方法可具有降低冲击结构精加工成本的方面，因为使用磨料喷射加工来对边缘磨圆可以比诸如磨削的一些其它方法更快和或成本更低。使用诸如SiC的硬质陶瓷晶粒的磨料喷射加工似乎能够在单一步骤中去除附接到冲击尖端的侧面的剩余材料并且对硬质合金部件的边缘磨圆。诸如玻璃(二氧化硅)或炉渣的其它潜在磨料晶粒材料似乎不能够尽可能有效地或完全实现这一点。通过SiC晶粒的磨料喷射加工还将有可能在基体和支撑主体连接的地方获得凹的圆角状磨圆部。
总之，公开的方法的示例可能增加效率并且降低可制成批造冲击尖端的成本。这可能部分是由于减少了对稍微畸形或过大的前驱体和或冲击尖端的拒绝。还可能部分是由于避免或减少加工超硬材料的需要，和或部分是由于磨料喷射加工的相对高的效率和适应性。已经理解的是，在商业规模和效率上可使用AJM来在最终边缘和表面公差范围内加工硬质合金结构。
以下简要解释如本文所使用的不同术语和概念。
如本文所使用的，密切圆是可以通过光滑弯曲表面上的给定点经过点和弯曲表面上的一对附加点来绘制的密切圆。主体的相邻表面地区之间的弧形边缘可参照经过表面上的多个点的密切圆的半径来表征，其中密切圆的弧最佳地匹配由从相邻地区中的一个延伸至另一地区的边缘限定的弧。如本文所使用的，一些边缘是非弧形的并且无法由具有至少0.01mm的半径的密切圆来表征。
一般而言，基于从垂直于由其限定的平均平面的表面的测量偏差导出的振幅参数，可使用各种参数来表征表面的粗糙度。特别地，本文中使用了算术平均粗糙度Ra。
合成和天然的金刚石、多晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(cBN)以及多晶cBN(PCBN)材料是超硬材料的示例。如本文所使用的，其也被称为人造金刚石的合成金刚石是已经制造的金刚石材料。如本文所使用的，多晶金刚石(PCD)材料包含多个金刚石晶粒的聚集体，金刚石晶粒的主要部分是彼此直接相互结合的，并且其中金刚石的含量是材料的至少约80vol％。金刚石晶粒之间的间隙可以至少部分地填充有填充材料，填充材料可包括用于合成金刚石的催化剂材料，或者它们可以是基本上空的。如本文所使用的，在合成或天然金刚石热力学稳定的温度和压力下，用于合成金刚石的催化剂材料(其也可以称作溶剂/催化剂材料)能够促进合成金刚石晶粒的生长和或合成或天然金刚石晶粒的直接相互生长。用于金刚石的催化剂材料的示例是铁、镍、钴和锰以及包括这些的一些合金。包括PCD材料的主体可至少包括一个区域，在区域中已经从间隙去除了催化剂材料，在这些金刚石晶粒之间留下晶格间隙。
如本文所使用的，PCBN材料包括分散在包括金属或陶瓷材料的基质中的立方氮化硼(cBN)的晶粒。
超硬材料的其它示例包括含有由含有陶瓷材料的基质保持在一起的金刚石或cBN晶粒的一些复合材料，诸如碳化硅(SiC)、或者诸如结合Co的WC材料的硬质合金材料。
如本文所使用的，预紧装配是组件之间、通过组件中的至少一个的相对尺寸变化实现的一种过盈配合(还可以稍微改变形状)。这通常通过在组装前加热或冷却一个组件并使组件在组装后返回到环境温度来实现。预紧装配被理解成与压力配合对比，在压力配合中组件被迫使进入另一组件中的孔或凹陷内，这可能涉及在组件之间产生大的摩擦应力。
如本文所使用的，磨料喷射加工(AJM)是磨料晶粒由足够高速度的流体推进以从工件侵蚀材料的过程。一般而言，平均直径为至少约25微米(例如通过动态光散射法来测定)的磨料晶粒可由流体射流以每秒高达约300米(m/s)的速度来载运。

Claims (23)

1.一种用于挖掘工具的冲击结构的制作方法，所述冲击结构包括：
冲击尖端，以及
支撑主体，其中
所述冲击尖端和支撑主体中的每个的各自附接端被连接至彼此，
所述冲击尖端的附接端与包含在所述冲击尖端中的硬质合金材料相连，并且
所述支撑主体的附接端与包含在所述支撑主体的端部中的硬质合金材料相连，所述端部被配置为使得所述支撑主体的侧面从其附接端分散地下垂；
所述方法包括：
提供所述冲击尖端和用于所述支撑主体的前驱体，其中所述前驱体的近端与包含在所述前驱体的端部中的硬质合金材料相连，所述前驱体的端部被配置使得该前驱体的侧面从其近端分散地下垂，所述近端的面积小于所述支撑主体的附接端的面积；
对所述前驱体的端部加工以将所述近端的面积增大至所述支撑主体的附接端的面积；并且
使所述冲击尖端和所述支撑主体的各自附接端连接以提供所述冲击结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其包括加工与所述附接端中的至少一个相邻的所述冲击结构的区域以改良所述区域的至少一部分的特性。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述冲击结构包括由附接端和与所述附接端相邻的侧地区的相交限定的暴露边缘，并且所述方法包括对所述暴露边缘加工以形成弧形边缘地区。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述弧形边缘地区限定半径为至少0.01毫米(mm)的密切圆。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述冲击尖端包括与其附接端相对、和冲击端相连的超硬材料。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述支撑主体的附接端是基本上椭圆的。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其包括通过使用具有至少2200努普硬度的磨料晶粒的磨料喷射加工来对所述冲击结构加工。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述磨料晶粒的平均尺寸是50至500微米。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中所述磨料晶粒以每分钟至少50克(g/min)的速率撞击所述冲击结构。
10.根据权利要求7-9中的任一项所述的方法，其中通过所述磨料喷射加工从所述冲击结构去除0.1至5克(g)的硬质合金材料。
11.根据权利要求7-10中的任一项所述的方法，其中在所述磨料喷射加工之后，与附接端中的至少一个相邻的硬质合金侧地区具有1.00至3.00微米的算术平均表面粗糙度(Ra)。
12.根据权利要求7-11中的任一项所述的方法，其中所述磨料晶粒包括碳化硅。
13.根据权利要求7-12中的任一项所述的方法，其中所述冲击尖端和所述支撑主体通过连接材料连接，并且所述磨料喷射加工从所述冲击结构的侧面去除连接材料。
14.根据权利要求7-13中的任一项所述的方法，其中响应于接收关于所述冲击结构的条件的光学信息，与所述冲击结构的定向相关的磨料喷射的方向由自动控制机构来控制。
15.一种用于挖掘工具的冲击结构，其包括：
冲击尖端，以及
支撑主体，其中
所述冲击尖端和所述支撑主体中的每个的各自附接端被联接至彼此，
所述冲击尖端的附接端与包含在所述冲击尖端中的硬质合金材料相连，并且
所述支撑主体的附接端与包含在所述支撑主体的端部中的硬质合金材料相连，所述端部被配置使得所述支撑主体的侧面从其附接端分散地下垂；并且其中
所述冲击尖端和支撑主体基本上不同心，所述冲击结构基本上没有与所述附接端相邻的非弧形暴露边缘。
16.根据权利要求15所述的冲击结构，其基本上没有不能由半径是至少0.01毫米(mm)的密切圆来表征的暴露边缘。
17.根据权利要求15和16所述的冲击结构，其中所述冲击尖端包括与其附接端相对、和冲击端相连的超硬材料。
18.根据权利要求15-17中的任一项所述的冲击结构，其中所述支撑端的附接端是基本上椭圆的。
19.根据权利要求15-18中的任一项所述的冲击结构，其中与附接端相邻的硬质合金侧地区具有1.00至3.00微米的算术平均表面粗糙度。
20.根据权利要求15-19中的任一项所述的冲击结构，其中所述附接端中的至少一个的地区是暴露的。
21.根据权利要求15-20中的任一项所述的冲击结构，其中所述冲击尖端包括与冲击端相连的多晶金刚石(PCD)材料，所述冲击端包括与所述冲击尖端的附接端相对的顶尖。
22.一种挖掘工具，其包括根据权利要求15-21中的任一项所述的冲击结构和包括用于附接至驱动机构的柄部的钢保持部，其中所述冲击结构被联接至所述保持部，并且其中所述支撑主体和所述保持部被合作地配置为使得所述支撑主体能够与所述保持部不可移动地联接。
23.根据权利要求15-22中的任一项所述的挖掘工具，其用于路面铣削、采矿或钻透岩层。
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