CN116652190A - 一种金刚石钻头新型模具及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金刚石钻头新型模具及制造方法，属于地质勘探用钻进技术领域。技术方案是：凸台（23）和样模本体（24）与变径槽（13）下部槽壁之间的空间为覆膜砂预留空间（3），在覆膜砂预留空间（3）内放置覆膜砂（4）；石墨墨芯（6）由相连接的上体（61）和下体（62）组成，上体（61）和下体（62）分别设置在变径槽（13）和中心孔（12）内，上体（61）外包裹石墨纸（5），包覆在上体（61）下端的石墨纸（5）与覆膜砂（4）相接触。本发明采用覆膜砂和钢外模组装使用，代替传统的石墨模具，大幅度降低制造成本并且可以降低加工石墨产品对大气的粉尘污染；同时将石墨墨芯外表面粘接石墨纸，可达到石墨墨芯重复利用。

Description

一种金刚石钻头新型模具及制造方法

技术领域

本发明涉及一种金刚石钻头新型模具及制造方法，属于地质勘探用钻进技术领域。

背景技术

常规的金刚石钻头制造方法有热压烧结法和无压浸渍法，都需要进行1000度左右的高温，将胎体熔融和钢体粘接。目前所有的制造方法都采用高纯石墨作为模具烧结，高纯石墨导热性能好并且在高温条件下形变量几乎为零。但是随着社会的快速发展，对于环境保护的要求越来越高，导致生产高纯石墨的产品不断减少，高纯石墨的价钱也水涨船高，对于加工石墨的产品环保设备要求也越来越严，所以需要采用新的模具来减少或者代替高纯石墨在金刚石钻头烧结中的使用量。

发明内容

本发明目的是提供一种金刚石钻头新型模具及制造方法，在金刚石钻头无压浸渍烧结法中，采用覆膜砂和钢外模组装使用，代替传统的石墨模具，既可以保护环境，减少石墨粉尘对环境造成的影响，又可以降低制造成本，解决了背景技术中存在的问题。

本发明的技术方案是：

一种金刚石钻头新型模具，包含钢外模，钢外模内部设有变径槽和中心孔，变径槽和中心孔相连通，变径槽和中心孔的中心线在同一直线上；变径槽下部槽壁沿圆周方向设有外模沟槽；变径槽和中心孔内设置样模或模芯，样模由依次连接的定位块、凸台和样模本体组成，凸台和样模本体设置在变径槽内，定位块设置在中心孔内；在位于凸台外侧的样模本体端面上沿圆周方向设置锯齿形沟槽；所述凸台和样模本体与变径槽下部槽壁之间的空间为覆膜砂预留空间，在覆膜砂预留空间内放置覆膜砂；所述模芯包含石墨墨芯和石墨纸，石墨墨芯由相连接的上体和下体组成，上体和下体分别设置在变径槽和中心孔内，上体外包裹石墨纸，包覆在上体下端的石墨纸与覆膜砂相接触。

进一步地，所述变径槽由相连通的槽一、槽二和槽三组成，槽二设置在槽一和槽三之间，槽一和槽三的截面为矩形，槽二的截面为等腰梯形，槽一的内径大于槽三的内径，槽三与中心孔相连，槽三的内径大于中心孔的孔径，槽三的槽壁上沿圆周方向设有外模沟槽，凸台和样模本体与槽三之间的空间为覆膜砂预留空间。

进一步地，所述样模本体的外径大于凸台的外径，凸台的外径大于中心孔的孔径，定位块的外径小于中心孔的孔径。

进一步地，所述上体的外径大于下体的外径，下体的外径小于中心孔的内径。

一种金刚石钻头新型模具的制造方法，包含如下步骤：

①用数控车床加工钢外模，钢外模内部的变径槽和中心孔相连通，变径槽和中心孔的中心线在同一直线上，在变径槽下部槽壁上沿圆周方向加工外模沟槽；

②采用数控车床加工样模，在样模本体的端面加工锯齿形沟槽，锯齿形沟槽围绕设置在凸台外侧，将样模的定位块插入中心孔内，定位块与中心孔紧密配合；

③筛选覆膜砂，烧结前需要对覆膜砂进行筛选，采用70目的筛子进行过滤，将大于70目的覆膜砂收集进行灌料烧结；

④将过滤出来的大于70目的覆膜砂通过震动填充方式装入覆膜砂预留空间内，保证覆膜砂填装充实；采用中频加热方式，将填充好覆膜砂的钢外模进行加热，使用20秒的时间将钢外模加热到200度出炉，待自然冷却后，覆膜砂中自带的融化结合剂就会固化，将覆膜砂牢牢粘接为一体并成型附着在钢外模内部，形成砂模；

⑤在钢外模冷却到常温状态时，就可以进行退模，将样模推出钢外模，样模可以重复使用；

⑥将石墨纸进行裁剪，然后将裁剪后的石墨纸粘接在石墨墨芯的上体外表面，加工成模芯；

⑦将内部附着砂模的钢外模和模芯组装好，即整体金刚石钻头新型模具加工完成。

利用上述组装完成的模具进行金刚石钻头制造，在金刚石钻头烧结完冷却后通过外在压力将模芯顶出，顶出的模芯可以重复使用，达到石墨墨芯重复利用的目的。

本发明的有益效果是：采用覆膜砂和钢外模组装使用，代替传统的石墨模具，大幅度降低制造成本并且可以降低加工石墨产品对大气的粉尘污染；同时将石墨墨芯外表面粘接石墨纸，可达到石墨墨芯重复利用。

附图说明

图1为本发明实施例钢外模结构示意图；

图2为本发明实施例样模结构示意图；

图3为本发明实施例钢外模和样模组装后结构示意图；

图4为本发明实施例内部附着砂模的钢外模结构示意图；

图5为本发明实施例模芯结构示意图；

图6为本发明实施例最终成型的整体金刚石钻头新型模具结构示意图；

图中：钢外模1、外模沟槽11、中心孔12、变径槽13、槽一131、槽二132、槽三133、样模2、定位块21、锯齿形沟槽22、凸台23、样模本体24、覆膜砂预留空间3、覆膜砂4、石墨纸5、石墨墨芯6、上体61、下体62。

具体实施方式

以下结合附图，通过实施例对本发明做进一步的说明。

一种金刚石钻头新型模具，包含钢外模1，钢外模1内部设有变径槽13和中心孔12，变径槽13和中心孔12相连通，变径槽13和中心孔12的中心线在同一直线上；变径槽13下部槽壁沿圆周方向设有外模沟槽11；变径槽13和中心孔12内设置样模2或模芯，样模2由依次连接的定位块21、凸台23和样模本体24组成，凸台23和样模本体24设置在变径槽13内，定位块21设置在中心孔12内；在位于凸台23外侧的样模本体24端面上沿圆周方向设置锯齿形沟槽22；所述凸台23和样模本体24与变径槽13下部槽壁之间的空间为覆膜砂预留空间3，在覆膜砂预留空间3内放置覆膜砂4；所述模芯包含石墨墨芯6和石墨纸5，石墨墨芯6由相连接的上体61和下体62组成，上体61和下体62分别设置在变径槽13和中心孔12内，上体61外包裹石墨纸5，包覆在上体61下端的石墨纸5与覆膜砂4相接触。

所述覆膜砂4为本领域公知公用的材料，为砂粒表面在造型前即覆有一层固体树脂膜的型砂或芯砂。

参照附图3，所述变径槽13由相连通的槽一131、槽二132和槽三133组成，槽二132设置在槽一131和槽三133之间，槽一131和槽三133的截面为矩形，槽二132的截面为等腰梯形，槽一131的内径大于槽三133的内径，槽三133与中心孔12相连，槽三133的内径大于中心孔12的孔径，槽三133的槽壁上沿圆周方向设有外模沟槽11，凸台23和样模本体24与槽三133之间的空间为覆膜砂预留空间3。

参照附图2，所述样模本体24的外径大于凸台23的外径，凸台23的外径大于中心孔12的孔径，定位块21的外径略小于中心孔12的孔径。

参照附图5，所述上体61的外径大于下体62的外径，下体62的外径略小于中心孔12的内径。

一种金刚石钻头新型模具的制造方法，包含如下步骤：

①用数控车床加工钢外模1，钢外模1内部的变径槽13和中心孔12相连通，变径槽13和中心孔12的中心线在同一直线上，在变径槽13下部槽壁上沿圆周方向加工外模沟槽11；

②采用数控车床加工样模2，在样模本体24的端面加工锯齿形沟槽22，锯齿形沟槽22围绕设置在凸台23外侧，将样模2的定位块21插入中心孔12内，定位块21与中心孔12紧密配合，保证模具内部覆膜砂4的壁厚均匀一致；

③筛选覆膜砂4，烧结前需要对覆膜砂4进行筛选，采用70目的筛子进行过滤，将大于70目的覆膜砂4收集进行灌料烧结；

④将过滤出来的大于70目的覆膜砂4通过震动填充方式装入覆膜砂预留空间3内，保证覆膜砂4填装充实；采用中频加热方式，将填充好覆膜砂的钢外模1进行加热，使用20秒的时间将钢外模1加热到200度出炉，待自然冷却后，覆膜砂4中自带的融化结合剂就会固化，将覆膜砂4牢牢粘接为一体并成型附着在钢外模1内部，形成砂模；砂模的内径尺寸与需要制作的金刚石外径尺寸匹配，保证金刚石外径的尺寸准确性；

⑤在钢外模1冷却到常温状态时，就可以进行退模，将样模2推出钢外模1，样模2可以重复使用，可以保证同规格金刚石钻头外径的尺寸；

⑥将石墨纸5进行裁剪，然后将裁剪后的石墨纸5粘接在石墨墨芯6的上体61外表面，加工成模芯；

⑦将内部附着砂模的钢外模1和模芯组装好，即整体金刚石钻头新型模具加工完成。

本实施例中，包含如下具体工艺步骤：

1、钢外模1的设计加工：钢外模1材质选用浇铸铸件，采用数控车床加工。钢外模1的作用是将覆膜砂4牢固地覆膜在钢外模1内部，覆膜砂4在钢外模1内高温定型后成为砂模，钢外模1起到支撑砂模的作用。由于烧结金刚石钻头采用高温烧结，一般烧结温度在1000度左右，所以钢外模1的选材需要热稳定好，在高温烧结过程中形变量很小，并且需要好的导热性，将外部温度传到覆膜砂4和钻头原料内部。由于钢外模1的作用是支撑内部砂模，防止砂模脱落，所以钢外模1的尺寸大小并不影响金刚石外径尺寸，同口径的钻头都可以使用同种钢外模1，钢外模1是可以重复利用的部件，基本可以不用更换。

2、样模2的设计加工：样模2需要和钢外模1配合使用，样模2采用45#材质，采用数控车床进行加工。所述样模2的作用在于保证砂模的内径尺寸，最终确定金刚石钻头外径。金刚石钻头往往都附带钻头唇面，一般有锯齿、梯齿和阶梯等，种类繁多，常规生产都是用石墨当垫圈，一般都是一次性烧结完就报废。通过设计加工样模2结构，需要的锯齿、梯齿或阶梯等形状唇面通过车床加工样模2底面形状，将钻头唇面形状直接采用塑型的方式加工出来。由于样模2和钢外模1配套使用，需要有定位组装部件。样模2底部凸起的定位块21与钢外模1底部的中心孔12紧密配合，这样可以保证模具内部砂模的壁厚均匀一致。因为采用45#材质加工样模2，所以在冷却到常温时方便退模，在模具冷却到常温状态时，将样模2在钢外模1内退出，可以重复使用，保证同规格金刚石钻头外径的尺寸。

3、覆膜砂4的选择：由于钻头外径需要光洁度，所以砂子的选型不能过于粗糙，砂子温度要控制得当。覆膜砂4需要选取大于70目颗粒的砂子进行烧结，在烧结前需要对砂子进行筛选，采用70目的筛子进行过滤，将大于70目的砂子收集进行灌料烧结。

4、将样模2和钢外模1配合好后，将选择出来的覆膜砂4通过震动填充方式装入样模2和钢外模1配合好的覆膜砂预留空间3内。所装入的覆膜砂4必须填充饱满，覆膜砂预留空间3内不能有空洞出现，避免影响钻头的烧结，所以需要采用震动装料模式，来保证覆膜砂4填装充实。覆膜砂4在加热过程中会让自带的粘接剂融化，将附近的覆膜砂4粘接成型，所以采用中频加热方式，将填充好的模具进行加热。因为钢外模1采用是钢质材料，在20秒的时间将钢外模1加热到200度出炉，待自然冷却后，覆膜砂4的融化结合剂就会固化，将周围的砂子粒牢牢粘接为一体，一体成型后的覆膜砂就会附着在钢外模1内部，形成环状的砂模。覆膜砂4在金刚石钻头烧结过程中也会出现收缩，通过实验计算得出，一般在1000度左右覆膜砂4的收缩量在1.008系数。所以在烧结金刚石钻头前需要计算出砂模和样模2的尺寸。在自然冷却到常温时就可以就行退模，将样模2退出钢外模1。

5、模芯的加工：通常模芯都是采用石墨加工，由于金刚石钻头在烧结过程冷却时，胎体会收缩抱紧石墨墨芯6，只能将石墨墨芯6破坏掏出，所以模芯也是一次性产品。并且在掏出石墨墨芯6的过程中，会产生大量的石墨粉尘，对生产车间和环境造成粉尘污染。通过实验研究，将石墨纸5和石墨墨芯6配合使用可以避免烧结后破坏石墨墨芯6。将0.1-0.5mm厚度的石墨纸5，进行裁剪，裁剪出和上体61外表面一致的长方形，通过双面胶或粘接材料将石墨纸5环绕粘接在上体61表面，在粘接过程注意石墨纸5要铺平铺匀，不能出现重复叠加现象，这样会影响钻头烧结内径。在烧结完冷却后通过外在压力，压力大小在2-3MPa，可以将石墨墨芯6顶出，顶出的石墨墨芯6由于外层有一层石墨纸5保护，并且石墨纸5也起到了润滑的作用，所以顶出的石墨墨芯6外观无损，可以重复使用，实验验证基本可以重复使用7-8次。

6、将内部附着砂模的钢外模1和模芯组装好，整体金刚石钻头新型模具就加工完成了。装入金属粉末进行烧结，烧结温度一般都在1000度左右。在烧结完后，出炉自然冷却模具。当模具冷却到常温状态时，烧结好的金刚石钻头可以轻易地从模具内拿出，覆膜砂4在1000度烧结，中间的粘合剂已经过性不再结实，所以金刚石钻头退模容易，并且钢外模1可以继续使用。

结合附图，具体如下：

参照附图1，本实施例中，钢外模1的原料采用铸件，铸件直径130-230mm，主要加工方式由车床加工完成。可以烧结50-150mm直径的金刚石钻头。图中外模沟槽11的作用是增加覆膜砂4的把持力，防止成型后的砂模发生位移。

参照附图2，本实施例中，样模2为钢制样模，主要是配合图1的钢外模1使用，钢制样模的材质为普通的45#钢材质，主要加工方式为数控车床完成，钢制样模的外径50-150mm。图中钢制样模的外径的尺寸控制金刚石钻头外径尺寸，随着金刚石钻头外径大小而变化，可以烧结多种尺寸，要求加工的精度小于0.1mm。锯齿形沟槽22的作用就是确定金刚石钻头的唇面形状，代替原有的石墨垫圈的功能，起到节约石墨垫圈成本的作用。

参照附图3，本实施例中，钢外模1和钢制样模的组装到位后，留出覆膜砂预留空间3，为放置覆膜砂4用。

参照附图4中，本实施例中，覆膜砂4采用70-140目的砂子，保证砂子表面的光洁度，使最终金刚石钻头烧结表面光滑。将70-140目的砂子通过震动填充覆膜砂预留空间3，将填充好的模具进行加热，在20秒的时间将钢外模1加热到200度出炉，不可低温，低温会造成覆膜砂4结晶不牢靠松散，也不可高温，高温会造成覆膜砂4粘接过性，烧结金刚石钻头的过程中会出现模具损坏的现象。待自然冷却覆膜砂预留空间3内的覆膜砂就会成型附着在钢外模1内部，形成砂模，因覆膜砂4加热后收缩，砂模与钢制样模之间留有空隙，可以通过外力施压退出样模2，最终形成图4所示的模具。

参照附图5，本实施例中，将高纯石墨通过车床进行加工成石墨墨芯6，作用就是控制金刚石钻头内径的尺寸。图中石墨墨芯6的上体61外层包装石墨纸5，形成模芯。

图6为最终成型的整体金刚石钻头新型模具，将图4所示模具和图5所示模芯进行组装，组装好的整体金刚石钻头新型模具就可以进行金刚石钻头烧结。

本发明将金刚石钻头烧结中使用的石墨模具和石墨垫圈全部用覆膜砂代替。由于石墨垫圈和石墨模具多是一次产品，烧结一次就报废，所以无形中增加制造成本。采用覆膜砂4代替高纯石墨制成的石墨模具和石墨垫圈，同时将石墨墨芯6的上体61外包裹石墨纸5制成模芯，达到可重复利用钢外模1和石墨墨芯6的目的，可以大幅度降低制造成本并且可以降低加工石墨产品对大气的粉尘污染，起到了保护环境目的。

所述覆膜砂4目前市场价2200元左右一吨，高纯石墨目前市场价42000元左右一吨，在单价中高纯石墨的价钱是覆膜砂4的19倍，所以本发明降低高纯石墨的使用量从而降低了模具的制作成本。

Claims (5)

1.一种金刚石钻头新型模具，其特征在于：包含钢外模（1），钢外模（1）内部设有变径槽（13）和中心孔（12），变径槽（13）和中心孔（12）相连通，变径槽（13）和中心孔（12）的中心线在同一直线上；变径槽（13）下部槽壁沿圆周方向设有外模沟槽（11）；变径槽（13）和中心孔（12）内设置样模（2）或模芯，样模（2）由依次连接的定位块（21）、凸台（23）和样模本体（24）组成，凸台（23）和样模本体（24）设置在变径槽（13）内，定位块（21）设置在中心孔（12）内；在位于凸台（23）外侧的样模本体（24）端面上沿圆周方向设置锯齿形沟槽（22）；所述凸台（23）和样模本体（24）与变径槽（13）下部槽壁之间的空间为覆膜砂预留空间（3），在覆膜砂预留空间（3）内放置覆膜砂（4）；所述模芯包含石墨墨芯（6）和石墨纸（5），石墨墨芯（6）由相连接的上体（61）和下体（62）组成，上体（61）和下体（62）分别设置在变径槽（13）和中心孔（12）内，上体（61）外包裹石墨纸（5），包覆在上体（61）下端的石墨纸（5）与覆膜砂（4）相接触。

2.根据权利要求1所述的一种金刚石钻头新型模具，其特征在于：所述变径槽（13）由相连通的槽一（131）、槽二（132）和槽三（133）组成，槽二（132）设置在槽一（131）和槽三（133）之间，槽一（131）和槽三（133）的截面为矩形，槽二（132）的截面为等腰梯形，槽一（131）的内径大于槽三（133）的内径，槽三（133）与中心孔（12）相连，槽三（133）的内径大于中心孔（12）的孔径，槽三（133）的槽壁上沿圆周方向设有外模沟槽（11），凸台（23）和样模本体（24）与槽三（133）之间的空间为覆膜砂预留空间（3）。

3.根据权利要求1或2所述的一种金刚石钻头新型模具，其特征在于：所述样模本体（24）的外径大于凸台（23）的外径，凸台（23）的外径大于中心孔（12）的孔径，定位块（21）的外径小于中心孔（12）的孔径。

4.根据权利要求1或2所述的一种金刚石钻头新型模具，其特征在于：所述上体（61）的外径大于下体（62）的外径，下体（62）的外径小于中心孔（12）的内径。

5.一种金刚石钻头新型模具的制造方法，其特征在于包含如下步骤：

①采用数控车床加工钢外模（1），钢外模（1）内部的变径槽（13）和中心孔（12）相连通，变径槽（13）和中心孔（12）的中心线在同一直线上，在变径槽（13）下部槽壁上沿圆周方向加工外模沟槽（11）；

②采用数控车床加工样模（2），在样模本体（24）的端面加工锯齿形沟槽（22），锯齿形沟槽（22）围绕设置在凸台（23）外侧，将样模（2）的定位块（21）插入中心孔（12）内，定位块（21）与中心孔（12）紧密配合；

③筛选覆膜砂（4），烧结前需要对覆膜砂（4）进行筛选，采用70目的筛子进行过滤，将大于70目的覆膜砂（4）收集进行灌料烧结；

④将过滤出来的大于70目的覆膜砂（4）通过震动填充方式装入覆膜砂预留空间（3）内，保证覆膜砂（4）填装充实；采用中频加热方式，将填充好覆膜砂（4）的钢外模（1）进行加热，使用20秒的时间将钢外模（1）加热到200度出炉，待自然冷却后，覆膜砂（4）中自带的融化结合剂就会固化，将覆膜砂（4）牢牢粘接为一体并成型附着在钢外模（1）内部，形成砂模；

⑤在钢外模（1）冷却到常温状态时，就可以进行退模，将样模（2）推出钢外模（1），样模（2）可以重复使用；

⑥将石墨纸（5）进行裁剪，然后将裁剪后的石墨纸（5）粘接在石墨墨芯（6）的上体（61）外表面，加工成模芯；

⑦将内部附着砂模的钢外模（1）和模芯组装好，即整体金刚石钻头新型模具加工完成。