CN111098413A - 一种金刚石薄壁钻刀头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金刚石薄壁钻刀头，属于钻具的技术领域。本发明的金刚石薄壁钻刀头，由包括金刚石的硬质颗粒和金属结合剂通过冷压、烧结形成；刀头在长度方向呈圆弧形，并且刀头的底面为平面；刀头包括中间齿段和位于中间齿段两侧的边齿段，边齿段和中间齿段之间设置有连接段；中间齿段和边齿段的唇面由至少两个连续的半圆齿构成，而连接段的上部设置有U形槽，刀头在沿着长度方向的边齿段、连接段和中间齿段的内外两侧面上间隔地设置有多个浅凹槽。应用本发明的金刚石薄壁钻在钻孔过程中无需加水冷却，散热排屑性能好，而且锋利度高，打孔钻的冲击阻力更低，不易掉齿，操作安全性好，极大的提高了工作效率。

Description

一种金刚石薄壁钻刀头
技术领域
本发明涉及钻具的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种金刚石薄壁钻刀头。
背景技术
金刚石薄壁钻作为一种主要的钻切工具，有着广泛的应用领域。金刚石薄壁钻主要用于建筑工程施工、结构改造等，还可用于石材等加工。在钻进钢筋混土等方面具有物美价廉、快捷干净的特点，例如可以用于在建筑的墙面或地板上钻孔以安装水暖、通风以及电缆等设施，还可用于建筑改造、开凿各种切口，还可广泛用于路面的钻孔施工等道路施工领域。
金刚石薄壁钻主要包括接头、管体和金刚石刀头三个部分。为了提高加工效率和使用寿命，在使用时一般加冷却介质进行冷却，冷却介质通常为水。工作时，冷却水由钻机接头流入管体内部，然后沿着管壁与钻芯之间的间隙流经金刚石刀头的工作面，然后再沿着管壁外部间隙排出，冷却水在起到冷却的同时，水流的作用可以将切屑顺着水流排出。在金刚石薄壁钻中金刚石刀头为核心部分。在现有技术中，金刚石薄壁钻大多采用普通设计的分齿或者具有尖顶(脊形)的刀头，为了改进切削和排屑性能，现有技术中还开发了波纹型刀头，开设有V形或U形槽的刀头，开设有弧形凸齿的刀头。然而钻孔时采用冷却水，不仅操作步骤复杂，而且会给施工人员带来一定的安全风险，因此需要提供一种无须连接水冷设施且能够保持钻进速度快、散热排屑性能好的金刚石刀头。
发明内容
为了解决现有技术中的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种金刚石薄壁钻刀头。
本发明的金刚石薄壁钻刀头，所述刀头由包括金刚石的硬质颗粒和金属结合剂通过冷压、烧结形成；其特征在于：所述刀头在长度方向呈圆弧形，并且刀头的底面为平面；所述刀头包括中间齿段和位于中间齿段两侧的边齿段，所述边齿段和中间齿段之间设置有连接段；所述中间齿段和边齿段的唇面由至少两个连续的半圆齿构成，而且所述连接段的上部设置有分别连接至边齿段和中间齿段的U形槽，所述刀头在沿着长度方向的边齿段、连接段和中间齿段的内外两侧面上间隔地设置有多个浅凹槽。
其中，所述浅凹槽自所述刀头的顶面延伸至所述刀头的底面，并且所述浅凹槽沿着高度方向垂直设置。
其中，所述中间齿段的下部形成有内部凹槽，所述内部凹槽为倒U形槽。
其中，所述刀头的长度为17～35mm，刀头高度为7～15mm，厚度为2～6mm。
其中，所述U形槽的深度为刀头高度的1/4～2/5，所述倒U形槽的高度为刀头高度的1/4～2/5，所述浅凹槽的深度为刀头宽度的1/10～1/5。
其中，所述硬质颗粒还包括氮化硼、碳化硼、碳化钨或碳化硅中的至少一种。
其中，所述金属结合剂包括：15～35wt％的电解铜粉、3～5wt％的雾化锡粉、3～12wt％的羰基镍粉、1～5wt％的钴，和30～60wt％的电解铁粉组成。
其中，所述金属结合剂还包括5～30wt％的FeCoCu超细合金粉和3～15wt％的高铬铸铁粉。
其中，所述FeCoCu超细合金粉中Co的含量为25wt％，其中所述高铬铸铁粉中Cr的含量为28～32wt％。
其中，烧结在惰性气氛或还原气氛下进行，并且烧结过程分两段进行，并且在700～720℃保温10～30min，在810～850℃保温15～60min。
与现有技术相比，应用本发明的金刚石薄壁钻具有以下有益效果：
1、在钻孔过程中无需加水冷却，散热排屑性能好，而且锋利度高，因而打孔钻的冲击阻力更低，不易掉齿。
2、刀头无需开刃处理，节省了大量的人力，电费，节省了砂轮消耗，大批量生产过程中更加高效，低碳和环保。
3、持续钻孔时无需加水，无需连接水路冷却，施工安全性更高，极大的提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明的金刚石薄壁钻刀头结构示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明的金刚石薄壁钻刀头做进一步的阐述，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
如图1所示，本发明的金刚石薄壁钻刀头，在长度方向呈圆弧形，并且刀头的底面为平面，并且刀头的底面在组装时用于与管体进行激光焊接或高频感应钎焊。每一个刀头20均包括中间齿段22和位于中间齿段22两侧的边齿段21，中间齿段22和边齿段21的上部均形成有至少两个连续的半圆齿27。边齿段21和中间齿段22之间设置有连接段23；而连接段23的上部设置有两侧分别连接至边齿段21和中间齿段22的U形槽24。刀头在沿着长度方向的边齿段21、连接段23和中间齿段22的内外两侧面上间隔地设置有多个浅凹槽26，浅凹槽26自所述刀头的顶面延伸至刀头的底面，并且浅凹槽26沿着高度方向垂直设置。中间齿段21的下部形成有内部凹槽25。本发明通过设置连续的半圆齿的中间齿段和边齿段，并且配合设置上述间隔设置的浅凹槽使得边齿段可以首先起到切削作用，具有接触面积小、单位载荷大的特点，而随后中间齿段起到二次破碎作用，可以使得钻进操作时混凝土的破碎裂纹等显著增多，降低了加工对象对刀头的研磨，而且通过设置连接段以及相应的U形槽，降低了加工对象对刀头整体的作用，减少了磨损，同时也形成了冷却通道，并提高了排屑能力，进而可以实现干式作用，并且在无需加水等冷却介质的工况条件下，可以保持散热好、排屑性能出众，锋利度不衰减的特点。图1中示出了刀头的宽度W，和高度H，具体来说，根据不同规格的金刚石薄壁钻的需要，刀头的长度范围设计为17～35mm，刀头的高度设计范围为7～15mm，厚度的设计范围为2～6mm。
在本发明中，内部凹槽25为倒U形槽，并且倒U形槽的高度为刀头高度H的1/4～2/5，优选为刀头高度的1/4～1/3。U形槽24的深度为刀头高度H的1/4～2/5，优选为刀头高度的1/4～1/3。浅凹槽26的深度为刀头宽度W的1/10～1/5。
在本发明中，刀头由包括金刚石的硬质颗粒和金属结合剂通过冷压、烧结形成。硬质颗粒除了金刚石以外，还可以含有氮化硼、碳化硼、碳化钨或碳化硅等具有切削作用的硬质颗粒。采用的金属结合剂包括：15～35wt％的电解铜粉、3～5wt％的雾化锡粉、3～12wt％的羰基镍粉、1～5wt％的钴，和30～60wt％的电解铁粉组成，烧结温度为820～940℃，保温时间为10～90min。为了提高刀头的红硬性和烧结性能，进一步提高锋利程度，优选还包括5～30wt％的FeCoCu超细合金粉和3～15wt％的高铬铸铁粉，其中FeCoCu超细合金粉中Co的含量为25wt％(作为示例性地，在以下实例中采用的FeCoCu超细合金粉的组成为Fe15Co25Cu60)，高铬铸铁粉中Cr的含量为28～32wt％(作为示例性地，在以下实例中采用的高铬铸铁粉FZFCr30-50H)。烧结例如可以在电阻加热炉中进行，烧结时采用保护气氛，例如通过通入H2或H2+N2的还原气氛，或者通入N2的惰性气氛。为了发挥超细合金粉和高铬铸铁粉的作用，烧结过程分两段进行，即分别在700～720℃保温10～30min，在810～850℃保温15～60min。烧结后的冷却速度一般不宜过快，一般控制在100～300℃/h的速度即可。
烧结成型的刀头生成的氧化皮，可以防止刀头在仓储、运输过程中的进一步氧化，因此先不必进行打磨处理。待与管体组装时再进行打磨处理即可。组装时烧结好的刀头用L型砂轮对刀头焊接面进行打磨处理，去除表面氧化层，使刀头焊接面与打孔钻基体达到最大接触面，提高焊接强度。焊接时，将所需规格的不锈钢管体固定在焊接机的夹具上，将焊片和焊剂放在金刚石刀头打磨的焊接面上，然后将管体与刀头固定在一起，启动高钎焊设备进行焊接，并按标准对刀头做安全抗弯强度检测，焊接完成。将焊接后的金刚石薄壁钻刀头先进行喷砂处理，然后进行表面喷漆，需要提醒的是本发明的刀头无需做开刃处理，检验时以600N/mm2强度标准对每个金刚石刀头进行抗弯检测。
实例1
本实例提供一种具有如图1所示结构的金刚石薄壁钻刀头，刀头高度为9mm，长度为21mm，刀头厚度为2.5mm。U形槽的深度为刀头高度H的1/3，倒U形槽的高度为刀头高度H的1/3，浅凹槽的深度为刀头宽度W的1/5。刀头中金属结合剂的成份为：电解铜粉35wt％，钴5wt％，雾化锡粉5wt％，羰基镍粉3wt％，电解铁粉52wt％。采用金刚石作为硬质颗粒，并且金刚石颗粒的强度为30公斤，粒度30/40，浓度25％。烧结在N2保护气氛下进行，温度为870℃，保温60min。
实例2
本实例提供一种具有如图1所示结构的金刚石薄壁钻刀头，刀头高度为9mm，长度为21mm，刀头厚度为2.5mm。U形槽的深度为刀头高度H的1/3，倒U形槽的高度为刀头高度H的1/3，浅凹槽的深度为刀头宽度W的1/5。刀头中金属结合剂的成份为：电解铜粉20wt％，钴3wt％，雾化锡粉5wt％，羰基镍粉5wt％，FeCoCu超细合金粉10wt％，高铬铸铁粉5wt％，电解铁粉52wt％。采用金刚石作为硬质颗粒，并且金刚石颗粒的强度为30公斤，粒度30/40，浓度25％。烧结在N2保护气氛下进行，在720℃保温20min，在820℃保温40min。
实例3
本实例提供一种具有如图1所示结构的金刚石薄壁钻刀头，刀头高度为9mm，长度为21mm，刀头厚度为2.5mm。U形槽的深度为刀头高度H的1/3，倒U形槽的高度为刀头高度H的1/3，浅凹槽的深度为刀头宽度W的1/5。刀头中金属结合剂的成份为：电解铜粉30wt％，钴3wt％，雾化锡粉5wt％，羰基镍粉5wt％，FeCoCu超细合金粉10wt％，高铬铸铁粉10wt％，电解铁粉37wt％。采用金刚石作为硬质颗粒，并且金刚石颗粒的强度为30公斤，粒度30/40，浓度25％。烧结在N2保护气氛下进行，在720℃保温20min，在820℃保温40min。
实例4
本实例提供一种波纹形刀头，刀头高度为9mm，长度为21mm，厚度为2.5mm。刀头中金属结合剂的成份为：电解铜粉35wt％，钴5wt％，雾化锡粉5wt％，羰基镍粉3wt％，电解铁粉52wt％。采用金刚石作为硬质颗粒，并且金刚石颗粒的强度为30公斤，粒度30/40，浓度25％。烧结在N2保护气氛下进行，温度为870℃，保温60min。
实例5
本实例提供一种弧形凸齿刀头，刀头高度为9mm，长度为21mm，厚度为2.5mm。刀头中金属结合剂的成份为：电解铜粉35wt％，钴5wt％，雾化锡粉5wt％，羰基镍粉3wt％，电解铁粉52wt％。采用金刚石作为硬质颗粒，并且金刚石颗粒的强度为30公斤，粒度30/40，浓度25％。烧结在N2保护气氛下进行，温度为870℃，保温60min。
实例6
本实例提供一种具有如图1所示结构的金刚石薄壁钻刀头，刀头高度为9mm，长度为21mm，刀头厚度为2.5mm。U形槽的深度为刀头高度H的1/3，倒U形槽的高度为刀头高度H的1/3，浅凹槽的深度为刀头宽度W的1/5。刀头中金属结合剂的成份为：电解铜粉20wt％，钴3wt％，雾化锡粉5wt％，羰基镍粉5wt％，FeCoCu超细合金粉10wt％，高铬铸铁粉5wt％，电解铁粉52wt％。采用金刚石作为硬质颗粒，并且金刚石颗粒的强度为30公斤，粒度30/40，浓度25％。烧结在N2保护气氛下进行，在870℃保温60min。
实例7
本实例提供一种具有如图1所示结构的金刚石薄壁钻刀头，刀头高度为9mm，长度为21mm，刀头厚度为2.5mm。U形槽的深度为刀头高度H的1/3，倒U形槽的高度为刀头高度H的1/3，浅凹槽的深度为刀头宽度W的1/5。刀头中金属结合剂的成份为：电解铜粉30wt％，钴3wt％，雾化锡粉5wt％，羰基镍粉5wt％，FeCoCu超细合金粉10wt％，高铬铸铁粉10wt％，电解铁粉37wt％。采用金刚石作为硬质颗粒，并且金刚石颗粒的强度为30公斤，粒度30/40，浓度25％。烧结在N2保护气氛下进行，在870℃保温60min。
将上述实例制备的刀头通过高频感应钎焊工艺焊接在带有螺纹接头且壁厚为0.5mm的20号钢管体上制备总长度(包括管体、刀头和螺纹接头的总长度)为180mm的金刚石薄壁钻，每个管体上焊接4个金刚石刀头。用于C50混凝土的钻进实验，并且采用功率为3.0kW、转速为1000r/min的钻机，钻进量为1000mm，不使用冷却介质，然后计算钻进速度和刀头磨损量。结果如表1所示。
表1
实例1 实例2 实例3 实例4 实例5 实例6 实例7
钻进速度(mm/min) 68 65 68 51 39 65 63
刀头磨损量(mm) 2.5 1.5 1.6 3.9 3.3 2.3 2.3
对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金刚石薄壁钻刀头，所述刀头由包括金刚石的硬质颗粒和金属结合剂通过冷压、烧结形成；其特征在于：所述刀头在长度方向呈圆弧形，并且刀头的底面为平面；所述刀头包括中间齿段和位于中间齿段两侧的边齿段，所述边齿段和中间齿段之间设置有连接段；所述中间齿段和边齿段的唇面由至少两个连续的半圆齿构成，而且所述连接段的上部设置有分别连接至边齿段和中间齿段的U形槽，所述刀头在沿着长度方向的边齿段、连接段和中间齿段的内外两侧面上间隔地设置有多个浅凹槽。
2.根据权利要求1所述的金刚石薄壁钻刀头，其特征在于：所述浅凹槽自所述刀头的顶面延伸至所述刀头的底面，并且所述浅凹槽沿着高度方向垂直设置。
3.根据权利要求1所述的金刚石薄壁钻刀头，其特征在于：所述中间齿段的下部形成有内部凹槽，所述内部凹槽为倒U形槽。
4.根据权利要求1所述的金刚石薄壁钻刀头，其特征在于：所述刀头的长度为17～35mm，刀头高度为7～15mm，厚度为2～6mm。
5.根据权利要求3所述的金刚石薄壁钻刀头，其特征在于：所述U形槽的深度为刀头高度的1/4～2/5，所述倒U形槽的高度为刀头高度的1/4～2/5，所述浅凹槽的深度为刀头宽度的1/10～1/5。
6.根据权利要求1所述的金刚石薄壁钻刀头，其特征在于：所述硬质颗粒还包括氮化硼、碳化硼、碳化钨或碳化硅中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的金刚石薄壁钻刀头，其特征在于：所述金属结合剂包括：15～35wt％的电解铜粉、3～5wt％的雾化锡粉、3～12wt％的羰基镍粉、1～5wt％的钴，和30～60wt％的电解铁粉组成。
8.根据权利要求7所述的金刚石薄壁钻刀头，其特征在于：所述金属结合剂还包括5～30wt％的FeCoCu超细合金粉和3～15wt％的高铬铸铁粉。
9.根据权利要求8所述的金刚石薄壁钻刀头，其特征在于：所述FeCoCu超细合金粉中Co的含量为25wt％，其中所述高铬铸铁粉中Cr的含量为28～32wt％。
10.根据权利要求8所述的金刚石薄壁钻刀头，其特征在于：烧结在惰性气氛或还原气氛下进行，并且烧结过程分两段进行，并且在700～720℃保温10～30min，在810～850℃保温15～60min。
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