CN1159847A - 凿岩钻头和切削镶刀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于凿岩钻头的切削镶刀，凿岩钻头包含具有前端面(13)和多个切削镶刀(14)的钻头(10)，每个镶刀具有大致为圆柱形的杆部。切削镶刀(14)被设置成在其承受最大磨损的部分处具有增大的体积。本发明还涉及凿岩钻头。

Description

凿岩钻头与切削镶刀

发明背景

本发明涉及硬质合金镶刀及凿岩钻头，尤指冲击式凿岩而言。

在US-A-4,598,779号专利中所示凿岩钻头装有一批凿形切削镶刀。每一镶刀露出一较陡的与切削刃相接的导向面。当采用硬质合金的情况下，相对来说较陡的连接方式是不利的。也即，当凿岩条件严峻时，由于连接处产生张应力，有可能发生脆崩，从而长久运行时无法获得笔直的钻孔。同时，已有的那种镶刀形状，对于最大耐磨体积并非最优。US-A-4,607,712号专利揭示出一种具有一批切削镶刀的凿钻头。每个镶刀的工作部分具有半球状的基形，其中已增添了额外体积的硬质合金。然而，此原有技术的镶刀不足以支撑孔壁以致无法形成笔直的钻孔。此外，工作部分的各段间的连接相对来说还比较陡，因此而产生的上述张应力对烧结的硬质合金来说是很不利的。不仅如此，球状的基形所能持有的硬质合金体积相对来说仍嫌小。

发明目的与综述

本发明的一个目的是避免或减轻原有技术中的问题。本发明的一个目的是首先在凿岩钻及凿矿钻所用之工具上增加硬质合金本体的耐磨能力。硬质合金本体的耐磨能力可以通过增加暴露于磨擦区的体积来提高。为了达到显著增加耐磨能力，暴露于磨损区的体积必须予以大大增加。要是把刀具在运行时暴露于磨损作用下的外部区域的体积予以增加，可使耐磨能力显著增长至少长达50％，或许为100％或更多。在冲击凿岩钻头中的镶刀与孔壁相接触区域内及岩石被击碎处的镶刀顶部磨损最甚。为了增加镶刀的耐磨性，在与孔壁相接触的区域内以及在顶部，镶刀的外部区域的体积必须予以增加，在已有技术中镶刀通常具有轴对称的顶部设计(图12的左方)。暴露于磨损下的外部区域之增加往往导致非轴对称的顶部。磨损决定于岩石性质和钻掘条件，由于此特性，在与孔壁接触区域或岩石被击碎的顶部区磨损就要严重。顾及此种情况并尽量增加镶刀磨损最甚处的外部区域的体积实为重要之至。

由于最佳几何结构不被迅速破坏，就使寿命延长及高速钻透率二者得兼。在钻头上应用这种材料时本发明的重要优点为精度更高。抗磨材料体积之增加，从而在暴露于磨损范围内的外部区域所达到的高耐磨性保证了孔更直以及所钻孔的径向公差更佳。重磨的周期能延长；这将使钻掘者耗力及危险减少。

根据所附权利要求所述至少在镶刀的工作部分镀有一层多晶体金刚石，本发明还有一个目的就是：即使多晶体金刚石镀层可能裂开或脆崩也能增进镶刀的寿命。

本发明之目的藉助于所附权利要求的特征所赋予的一个镶刀及一个凿岩钻头而得以实现。

附图简述

图1-5表示宜于在镶刀之磨损集中发生在紧邻孔壁区域的条件下施钻的一种镶刀。图1表示根据本发明的一种镶刀的侧视图。图2表示该镶刀的另一侧视图。图3表示该镶刀的顶视图。图4表示镶刀在图2中沿箭头B所得之视图。图5表示在C线所见镶刀的放大截面图。

图6-10表示宜于在镶刀之磨损分布于紧邻孔壁区域及在顶部区域内的条件下施钻的一种镶刀。图6表示根据本发明的一种镶刀的侧视图。图7表示该镶刀的另一侧视图。图8表示该镶刀的顶视图。图9是镶刀在图7中沿箭头B所得之视图。图10表示沿C线所见镶刀的放大截面图。

图11表示根据本发明钻的头部的透视图。

图12为一侧视图，简化表示在井孔中带有一弹道形镶刀及一根据本发明的镶刀的钻的头部。

图13至18表示通过两切削镶刀的中心轴线所作之截面图。

本发明最佳实施例的详细说明

图1表示根据本发明一个镶刀的最佳实施例的放大侧视图。镶刀具有一大致圆柱形的刀身部20，其直径D在4至20mm范围内，最佳为7至18mm。镶刀14的安装端21最好具有截锥状的外形以适应进入钻的头部前端面上之孔，见图11。较理想的是，此孔既在前端面上、又在筒形侧面上冒出。在图中表示出镶刀的纵向中心轴线A及二互成直角法线N1及N2。线Y被定义为工作部分22的基线。此线可能由特殊或平滑线组成。

镶刀14的工作部分22分为七个平滑相接主要位于外表面上并轴向外凸的区段。由此以后，所谓“平滑”或“平滑地”的含意为：在侧视图上与中心轴线A相垂直的两条各自位于连接处相紧邻之分立二侧的切线形成一个范围自135°至180°的夹角τ，最好是自160°于175°(图5)。第一区段23描划出大致的弹道形并沿法线N1的两侧一般对称地延伸而成。第一区段在圆周上对称地终止于线24和25处。第一区段在某轴向截面C上的半径标为R1。弹道形的数学结构如下：

第一区段23的参考平面X位于图2中基线Y的下方。第一区段23的外凸的曲率是用半径R以刀身部20的包络面附近的乙点为中心而作成。中心Z最好设置于距包络面外侧距离1、并在轴最前端点下方距离h处。距离h为距离1的4至8倍，不过小于半径R。参考平面X与半径R间包容之夹角ε在10°于75°之间。

半径区的每条边线24及25在顶视图上分别与法线N1包容一个在45°至85°范围内的夹角α。不妨这样理解，弹道形外凸曲面在半径方面上最外端处是与刀身部分20的包络面相连接的。

半径区的边线24及25代表第一区段23和第二区段26或27的平滑过渡。第二区段26或27，除去与第一区段紧相连接处外，一般地位于弹道基形(图1，2及4中虚线所划)之外。在截面上第二区段的半径R2比第一区段的半径R1为大。第二区段沿中心轴A方向往前显著地呈斜梢状。第二区段26、27朝第一区段23方向也呈斜梢状并形成锐角β。

第二区段26或27往下与第三区段28或29相连接。第三区段在镶刀的前部径向离轴线A向外超出。第三区段以其盔顶状的强刃主要地在周向切削岩石。在截面C上与第三区段相交处的切线相对于刀身部分的包络面所形成之内角Φ1较第一和第二区段的相应切线所成之内角为大。内角Φ1增大使抗磨材料与全部为弹道外形者相较增加从而增强了镶刀的耐磨性。在截面C中(见图5)第三区段由半径R3所确定，它比第一区段的半径R1及第二区段的半径R2均小。第三区段的宽度大体上为常数。

第三区段与第四区段30平滑相接，该第四区段做成与钻孔壁大部重合或大部齐平。第四区段界定出一导向面用以沿孔壁滑动，它在截面C上的半径为R4，远比上面提及的半径R1及R3中每一个为大。在C-C截面上区段30的中央切线相对于刀身20的包络面构成的角Φ。此Φ比每一个其它区段23-27的相应角来得小些。

基线Y的第一部分与第一区段23相接，大体上垂直于中心轴线A而延伸。基线Y的第二部分与第二区段24或25相接，至少有一部分相对于第一部分以锐角δ向前向上斜伸。基线Y的第三部分与第三区段28或29相接，展示了全部基线上的沿轴向最前方点并一般由半径R6所确定。第三部分是凸形的。基线Y的第四部分与第四区段30相接，通常由大于半径R6的半径R5所界定。第四部分是内凹的，且其最后面的点位于第一部分的轴向前方。

第五区段31是23、24、25、26及27区段汇聚处的一圆顶。第四区段30止于在轴向上圆顶31之后方。第三区段28或29在轴向上最前方部分虽然与圆顶相接主要地已不属圆顶的一部分。

必须指出，在基线Y处，上面提及的半径R1、R2、R3及R4在顶视图上看来均相等，也即等于D/2。

在某些矿山条件下，钻的镶刀可能在一侧比另一侧磨损更甚，故而研制出用于此种条件下的一种镶刀，也即，把大块材料相对于法线N1成不对称布置的一种镶刀。这就是说，把大块材料布置在迎风面上而在法线N的背风侧增加表面的间隙。图6为根据本发明一种镶刀的最佳实施例的放大侧视图。镶刀一般地有一直径D在4至20mm范围内最佳为7至18mm的圆柱形刀身部20’。镶刀14’的安装端21’最好具有截锥状外形以适应进入钻的头部前端面上之孔(未显示)。最理想的是，此孔既在前端面上、又在筒形侧面上冒出。在图中表示出镶刀的纵向中心轴线A及二互成直角的法线N1及N2。线Y’被定义为工作部分22’的基线。

镶刀14’的工作部分22’被分为数个平滑相接、主要外表面上并轴向外凸的区段。第一区段23’描划出大致的弹道形并在法线N1的二侧非对称地延伸而成。第一区段止于外周上非对称地布设的半径区相应的边线24’和25’。第一区段在某轴向截面C上的半径标为R’1。弹道形的数学结构已在前面讲述过。

半径区的边线24’及25’代表第一区段23’和第二区段26’或27’的平滑过渡。第二区段26’包括三个平滑相接的部分。第二区段26’的第一部分26’A及第二区段27’，除去与第一区段紧相连接处外，一般地位于弹道基形之外(图6、7及10中虚线所划)、而且一般地在C’截面上互相垂直。第一部分26’A及第二区段27’在C’截面上的半径比第一区段的半径R’1大并且与上述半径R2同等大小。第一部分26’A和第二区段27’在中心轴线A的轴向前进方向大体上呈斜梢形并在C截面上构成一通常为垂直的角β’。

第二区段26’的第二部分26’B位于弹道基形的径向外方。其半径R’2B在C’截面上比第一部分的半径R’1大，但比R2小。此第二部分大体上向中心轴线A的前方拔成梢状。

第二区段26’的第三部分26’C也位于镶刀法线N1的迎风侧W的弹道基形的径向外方。第三部分的半径R’2C在C’截面上比第一区段的半径R’1大，第三部分大体上向中心轴线A的前方拔成梢状。所谓迎风侧W是当切削岩石材料时镶料上磨损最甚的那部分。

第三部分26’C及第二区段27’往下与相应的第三区段28’及29’相接。第三区段在镶刀14’的前部径向离轴线A朝外探出。第三区段29’远大于区段28’至少2倍以上。第三区段28’在C’截面交点上的切线相对于刀身部分包络线所成之内角φ’1比第一区段23’和第三区段29’的相应切线所成之内角大得多。φ’1角之增加与完全弹道状外形下相比使可接受磨损的材料进一步增加从而增加了镶刀的耐磨能力。第三区段29’成形于法线N1的下风侧L，并由半径R’3所界定。半径R’3在C’截面上(见图10)比第一区段的半径R’1及第二区段的半径R’2均小。第三区段28’的宽度大体上为常值，而区段29’沿轴向朝前拔成可观的斜梢。此第三区段29’界定出一强力的盔顶状切削刃。

第三区段28’和29’与第四区段30’平滑相接，该第四区段做成与钻孔壁大部重合或大致齐平。第四区段界定出一导向面用以沿孔壁滑动。第四区段在C截面上的半径R’4比上面提及的半径R’1和R’3中每一个者大得多。在截面C’上，区段30’的中央切线相对于刀身20的包络面构成内角φ’。φ’角比其它区段23’-27’中每一个相应的内角为小。

基线Y’的第一部分与第一区段23’相接，大体上垂直于中心轴线A而延伸。基线Y’的第二部分与区段26’及27’相接，至少有一部分相对于第一部分以锐角δ’向前向上斜伸。基线Y’的第三部分与第三部分26’C及第三区段29’相接，展示了全部基线上沿轴向最前方的一个点。基线Y’第三部分之一，与第三区段29’相接的部分在侧视图上呈凸形，而另一第三部分，与第三部分26’C相接者在侧视图上主要为直线。基线Y’的第四部分与第四区段30’相接，一般地由半径R’5所界定(在侧视图上)，它与半径R’1几乎相同。第四部分是内凹的，而且其最后面的点位于第一部分的前方。

第五区段31’是23’26’A，26’B，26’C及27’区段汇聚处的一圆顶。第四区段30’止于在轴向上圆顶31’的后方。第三区段28’或29’在轴向上的最前方部分，虽然与圆顶相接，主要地不属圆顶之一部分。

必须指出，在基线Y’处，上面提及的半径R’1、R’2B、R’2C、R’3及R’4在顶视图上看来均相等，也即等于D/2。

在图11的透视图中所示的实施例中，冲击型凿岩钻的头一般标记为10并具有钻的头部11，轴12，包含着一个前端面13的前端部，该前端面13装有一组固定的合金镶刀14或14’。凿岩钻头10的套筒表面16具有圆柱或截锥形，受图11中钻的头部所界定。套筒表面是在钻头本体的钢质部分最大直径处予以界定的。镶刀14，14’被嵌入到钻头体的孔中以使它们最外端的表面30、30’大体上与钻头的套筒面相重合。本文中“大体上”一词含意为相对于钻头的套筒表面包括有自-2至+2mm的位移，最好是+0.2至+0.5mm。镶刀14、14’要如此布置：使钢质本体不致过度磨损，由此使钻孔径15在钻孔操作时大体上保持为常值。前端面13可以再有一批更近中心而设的适当形状的(例如半球面形的)镶刀，后一种镶刀在更靠近钻头中心线CL处凿岩。在图12中左边所示为原有技术下的一种方法，以及右边所示按照本发明的一种镶刀。镶刀具有弹道形工作部分时的体积比相应的球形工作部分的体量大50％。镶刀14或14’的体量至少又比弹道形的大50％并且具有与体量相当之寿命。在图12中套筒表面16的想象延伸线以虚线划出以便显示此二种镶刀在体积上的差别。

上述二种切削镶刀之共同点在于至少外伸段22，22’可以带上一多晶体金刚石镀层。尽管多晶体金刚石镀层可能会开裂或脆崩掉，至少在镶刀的工作部分复以镀层可以增强镶刀的寿命。

至此必须指出以上所描述的本发明并非仅限于最佳实施例，而是可以在所附权利要求范围内自由变换。例如，当所钻岩石极端坚硬时(例如裂化及分层的磁铁矿+石英岩)就有必要降低圆顶及基线Y，Y’间的高度藉此增加工作部分的平均厚度以便增进耐磨性。此种修正将使弹道形表面23，23’定为一般性的球形。

Claims (7)

1、一种装置在冲击钻头(10)的前端部(13)上的、具有一般性圆柱形安装段(20；20’)及外伸段(22；22’)用于冲击钻凿最理想的硬质合金做成的切削镶刀，上述外伸段包含一从上述安装段朝上述镶刀的前端伸展的一个相对来说较平坦的表面(30；30’)，而上述安装部具有一中心轴线(A)以及一半径(D/2)，其特征在于：外伸段(14；14’)具有一外凸曲面形的基形，最好是弹道状基形、沿此基形在径向再往外拱起一个外伸段的主要部分；相对平坦的表面与上述外伸段的其它组成部分(28、29；28’、29’)平滑相接。

2、根据权利要求1的一种切削镶刀，其特征在于外伸段(22；22’)具有弹道状基形，并且相对平坦的表面(30、30’)的半径(R4；R4’)比安装段(20；20’)的半径(D/2)大而且此相对平坦的表面(30；30’)至少与一个盔顶状切削刃(28，29；28’)在周界相接。

3、根据权利要求1或2的一种切削镶刀，其特征在于：安装段(20；20’)与外伸段(22；22’)的会合处构成在侧视图看来在相对平坦的表面(30；30’)处为内凹的基线(Y；Y’)，从而界定出轴向来说最后方的点，而该最后方的点仍位于外凸曲面基形处的基线在轴向上的前方，而又位于基线在轴向上最前方部分的后方。

4、根据权利要求1、2或3的一种切削镶刀，其特征在于至少外伸段(22；22’)上覆以多晶体金刚石镀层。

5、一种冲击型的凿岩钻头，它包含有轴身(12)，位于上述轴身的前端并界定出第一纵轴线(CL)的钻的头部(11)，此钻的头部又由一通常面向前方的前端部组成，此前端部又包含有一前端面(13)、通常纵向伸出并界定出上述钻的头部周界的套筒面(16)，以及在上述前端部中所形成的一组孔，其中每个孔通常具有圆柱状基形并与硬质合金切削镶刀(14；14’)相适配，每一镶刀由具有一中心轴线(A)的、通常成圆柱形的安装段(20；20’)及伸出于上述孔外的外伸段(22；22’)所组成，其特征在于：外伸段(14；14’)具有最好呈弹道状基形的外凸曲面做基形，沿此基形再径向地往外拱起一个外伸段的主要部分；其特征还在于相对平坦的表面与上述外伸段的其它组成部分(28，29；28’，29’)相接。

6、根据权利要求5的一种凿岩钻头，其特征在于外伸段(22；22’)具有弹道状基本外形，并且相对平坦的表面(30；30’)的半径(R4；R’4)比安装段(20；20’)的半径(D/2)大，同时此相对平坦的表面(30；30’)在周界上至少与一个盔顶状切削刃(28，29；28’)相接。

7、根据权利要求5或6的一种凿岩钻头，其特征在于至少外伸段(22；22’)上覆以多晶体金刚石镀层。

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