CN117381027A - 钻头刀片及钻头 - Google Patents

Abstract

一种钻头包括钻头刀片，所述钻头刀片具有沿X方向的旋转轴线、在Z方向上彼此相反的两个主表面、在Y方向上彼此相反的两个侧表面以及前端面和后端面；所述前端面上形成有刀刃，所述刀刃包括中央的凿刃和衔接于凿刃的两个末端的切削刃；其中，在刀刃的每个点处的基准平面中测量刀刃的切削角，该基准平面垂直于YZ平面、并且刀刃在YZ平面中的投影在该点处与该基准平面在YZ平面中的投影正交；整个刀刃上各处的切削角的差异小于20°，并且凿刃的切削角与切削刃的切削角之间平滑过渡。

Description

钻头刀片及钻头

技术领域

本申请涉及一种钻头刀片以及采用这种刀片的钻头，其尤其适合于钻削硬质材料。

背景技术

用于钻削硬质材料、例如岩石等的钻头通常要具有向前冲击能力和旋转切削能力。例如，图1示意性展示了一种用于钻削硬质材料的传统钻头，其包括硬质合金刀片1和夹持着刀片1的钻柄2。刀片1的前端面中部形成有凿刃5a，并且刀片1的两个主表面上形成一对切削刃5z，凿刃5a在两个主表面之间延伸并且连接在这两个切削刃5z的内端之间。凿刃5a主要用于向前冲击，两个切削刃5z主要用于旋转切削。凿刃5a和两个切削刃5z都是直线形的。直线形的凿刃5a与两个直线形的切削刃5z之间都形成明显的夹角，这导致凿刃5a处的切割角与切削刃5z处的切割角之间明显不同并且存在突变。凿刃5a处的切割角很大，例如通常为约110°。凿刃5a处的切割角太大，并且凿刃5a处的切割角与切削刃5z处的切割角差异太大，导致形成较钝的刀刃部分，影响钻头的切削能力。此外，在钻削过程中凿刃5a和两个切削刃5z之间的过渡部位应力集中而容易破损。

对于用于钻削硬质材料的钻头来说，一方面要保证其加工能力，另一方面要提高刀片的耐用性。现有技术的钻头刀片难以同时在这两方面都提供优异的表现。

发明内容

本申请旨在提供一种钻头刀片以及采用这种钻头刀片的钻头，其能够同时提高加工能力和耐用性。

根据本申请的一个方面，提供了一种用于钻削硬质材料的钻头刀片，其具有沿X方向的旋转轴线、在Z方向上彼此相反的两个主表面、在Y方向上彼此相反的两个侧表面以及前端面和后端面；所述前端面上形成有刀刃，所述刀刃包括中央的凿刃和衔接于凿刃的两个末端的切削刃；其中，在刀刃的每个点处的基准平面中测量刀刃的切削角，该基准平面垂直于YZ平面、并且刀刃在YZ平面中的投影在该点处(或者说刀刃5在YZ平面中的投影在该点处的切线)与该基准平面在YZ平面中的投影正交；所述刀刃被制造成使得整个刀刃上各处的切削角的差异小于20°、优选小于15°，并且凿刃的切削角与切削刃的切削角之间平滑过渡。

在一种实施方式中，凿刃末端与相衔接的切削刃起始端的切削角相等。

在一种实施方式中，刀刃各处的切削角在下述范围内选取：

凿刃上的切削角，在80°～95°的范围内；

切削刃上的切削角，在70°～85°的范围内。

在一种实施方式中，所述凿刃为沿轴向向前鼓出的曲线的形式，凿刃上的切削角是变化的，变化幅度不超过10°。

在一种实施方式中，每个切削刃上的切削角是变化的，变化幅度不超过15°、优选不超过10°。

在一种实施方式中，每个切削刃从凿刃的相应末端延伸到刀片的相应的侧表面；每个切削刃为直线的，其上的切削角的变化幅度不超过5°；或者，每个切削刃为曲线的，其上的切削角的变化幅度不超过10°。

在一种实施方式中，每个切削刃包括彼此连续的至少两段，其中至少一段的切削角是变化的；所述至少一段为直线段，其上切削角的变化幅度不超过5°；或者，所述至少一段为曲线段，其上切削角的变化幅度不超过15°。

在一种实施方式中，每个切削刃中有一段的切削角是大致恒定不变的。

在一种实施方式中，每个切削刃包括从凿刃的相应末端延伸到刀片的相应主表面的第一切削刃段以及由前端面的一部分与所述相应主表面之间的交线构成的第二切削刃段，第一切削刃段和第二切削刃段处的切削角在下述范围内选取：

第一切削刃段上的切削角，在75°～85°的范围内；

第二切削刃段上的切削角，在70°～80°的范围内。

在一种实施方式中，所述凿刃在每个末端与相衔接的切削刃的起始端平滑过渡，使得在一包含旋转轴线或与旋转轴线平行的参考平面中的投影中，凿刃的每个末端与相衔接的切削刃的起始端之间的夹角都小于10°，优选小于5°，最优选具有相同的切线。

在一种实施方式中，所述参考平面为XY平面，或者是与YZ平面垂直且在凿刃的中心与凿刃相切的平面，并且在该参考平面中的投影中，所述凿刃为二次曲线。

本申请在其另一方面涉及一种钻头，其包括：钻柄和安装在钻柄上的钻头刀片，所述钻头刀片为前述钻头刀片，其中所述钻头刀片的刀刃优选是在所述钻头刀片被安装到钻柄上后被加工、例如磨削而形成的，以产生各种与刀刃相关的特征。

根据本申请，钻头刀片的刀刃具有相对于图1中的现有技术而言更为均匀的切割角，能够提高刀片的钻孔能力，并且刀片各部位的磨损较为均衡，能够提高刀片的耐用性。

附图说明

从后面的详细描述并结合下面的附图将能更全面地理解本申请的前述以及其它方面，在附图中：

图1是现有技术的一种钻头的局部示意图；

图2-图4分别是根据本申请一种实施方式的钻头刀片的正视图、俯视图和立体图；

图5、图6分别是解释图2-图4所示钻头刀片的切割角所用的俯视图和立体图；

图7是图2-图4所示实施方式的钻头的刀片的切割角的分布图；

图8是图1中的现有技术钻头的刀片的切割角的分布图；

图9是根据本申请另一种实施方式的钻头刀片的俯视图；

图10是图9所示实施方式的钻头的刀片的切割角的分布图。

具体实施方式

下面参照附图描述根据本申请的钻头及钻头刀片的各种可行实施方式。需要指出，此处附图是为了清楚地展现本申请的原理，因此一些细节被略去，附图不是按比例和实际形状绘制的。

本申请总体上涉及钻头及钻头刀片，其用于钻削硬质材料，尤其是石材。

根据本申请的一种实施方式的钻头在图2-图4中展示。

如图中所示，钻头包括刀片1。刀片1由硬质合金制成，是大致平板型的，固定安装(例如焊接等)在钻柄(未示出)上。

刀片1具有高度方向(轴向)X、宽度方向(横向)Y和厚度方向Z。刀片1的旋转轴线O沿X向。

刀片1为扁平状，具有彼此平行的两个主表面1a，和彼此平行的两个侧表面1b。侧表面1b可以如图中所示相对于主表面1a倾斜(非垂直)设置，也可以垂直于主表面1a。

刀片1的前端面(钻削时面向被钻削材料的那个面)在宽度方向中部沿轴向向前鼓出。刀片1的前端面上形成有刀刃5(主刃)。刀刃5具有大致180°旋转对称的形状。刀刃5上的每个点分别是刀片上距旋转轴线O相同宽度方向距离上的所有点中沿轴向最靠前的点。刀刃5从一个侧表面1b延伸到另一个侧表面1b。

刀刃5包括：中央的凿刃5a，以及分别从凿刃5a的末端延伸的切削刃5b。

凿刃5a为光滑的曲线段，其中心优选位于旋转轴线O上、并且构成整个刀片1的轴向最前点。沿轴向看，凿刃5a大体上相对于两个主表面1a倾斜。具体地讲，凿刃5a具有两个末端，沿轴向看，每个末端分别相对于凿刃5a的中心朝向相应的主表面1a和侧表面1b偏置。

每个切削刃5b起始于凿刃5a的相应末端，终止于相应侧表面1b。

切削刃5b优选为直线段，但也可以是曲线段。

每个切削刃5b的起始端与凿刃5a的相应末端之间形成光滑过渡，使得在一包含旋转轴线或与旋转轴线平行的参考平面中的投影中，切削刃5b的起始端与凿刃5a的相应末端具有相同的切线。这样，每个切削刃5b的起始端与凿刃5a的相应末端之间从任何方向看都没有形成任何角部。所述参考平面在与主表面平行的平面(XY面)与包含旋转轴线并且在凿刃中点与凿刃相切的平面之间选取。

刀刃5将前端面分成两个旋转对称的刀面7。相对于旋转方向而言，每个刀面7包括位于刀刃5前侧的前刀面7a和位于刀刃5后侧的后刀面7b。

每个后刀面7b与相邻的主表面1a之间的交线构成的后刃(副刃)6。

每个后刃6上的每个点在轴向上的高度都低于厚度方向上面对着的刀刃5上的相应点的高度。

可选地，在作为参考平面的XY面中的投影中(即主表面1a中的投影中)，凿刃5a的投影为二次曲线段，每个切削刃5b的投影为光滑衔接于该二次曲线段的直线段。

以另一种方式衡量，取一假想平面为参考平面，旋转轴线O位于该假想平面中，并且该假想平面在凿刃5a的中点与凿刃5a相切。在该假想平面中的投影中，凿刃5a的投影为二次曲线段，每个切削刃5b的投影为光滑衔接于该二次曲线段的直线段。

进一步考察刀刃5的切割角。刀刃5上某个点处的切割角是这样测量的，即在该点处取一基准平面，该基准平面与刀刃5上该点前后的前刀面7a与后刀面7b之间的交线之间的夹角即为该点处的切割角。

本申请中刀刃5上的任一点处的基准平面同时满足下述条件：

(1)该基准平面垂直于YZ平面，即旋转轴线O平行于该基准平面(该点不在旋转轴线O上)、或者旋转轴线O位于该基准平面内(该点在旋转轴线O上)；并且

(2)刀刃5在YZ平面中的投影在该点处(或者说刀刃5在YZ平面中的投影在该点处的切线)与该基准平面在YZ平面中的投影正交。

参看图5、图6，其中刀刃5上的点A处的基准平面P作为示例被示出。参看图6，点A处的基准平面P在刀片1上的截面以剖面表示。点A处的切削角θ在该剖面中测量，位于点A处基准平面P与前刀面7a的交线和基准平面P与后刀面7b之间的交线之间。以这种方式对刀刃5上的所有点测量切削角，可以得到整个刀片1的切削角分布。

图7中示出了本申请的一种示例性刀片1的切削角分布。图7中横轴表示刀刃5上的点距旋转轴线O的宽度方向距离W(见图5)，表示为距离W相对于刀片1总宽度的百分比的形式；纵轴表示各点处测量到的切削角；图中曲线表示刀刃5各处的切割角。

从图7中可以看到，切削角在凿刃5a的中心点处(被旋转轴线O穿过)最大，约为86°。随着凿刃5a上的点远离该中心点，切削角呈曲线逐渐减小。在凿刃5a的两侧末端，切削角减小到约81°。对于每个切削刃5b，其与凿刃5a的末端衔接的起始端处，切削角与凿刃5a末端处的切削角相同。随着切削刃5b上的点远离起始端，切削角线性减小，但减小的幅度很小。在每个切削刃5b的末端处，切削角减小到约80°。

用同样的方法对图1所示现有技术的刀片1测量切削角，得出的结果如图8所示。可以看到，在整个凿刃5a处，切割角保持约117°不变，在每个切削刃5z处，切割角保持约75°不变。凿刃5a处的切削角显著高于切削刃5b处的切削角，并且切削刃5b到凿刃5a之间存在阶跃式的切削角变化，不利于钻头的旋转切削能力。此外，刀刃上存在阶跃式切削角变容易导致刀刃各处的磨损不均匀，减小刀片的寿命。

从图7中可以看到，本申请的钻头的凿刃5a上各点的切削角呈曲线形式平稳地变化。凿刃5a的末端的切削角与每个切削刃5b的起始端处的切削角相等并且平滑过渡。并且，整个刀刃5各处的切削角在约80°到约86°的范围内，凿刃5a与切削刃5b之间切削角的变化较小。这样的切削角分布和变化，整个刀刃上不会产生很钝的部位，有利于提高钻头的旋转切削能力，尤其是钻孔时的硬质材料破碎能力。此外，本申请的均衡分布的切削角，使得整个刀刃各处的磨损更为均匀，能够延长刀片的使用寿命。

此外，根据本申请，凿刃与切削刃之间平滑过渡，因此凿刃与切削刃之间的过渡部位不存在明显的几何突变(夹角)，因此在钻削过程中所述过渡部位的应力集中现象得到缓解、甚至消除，所述过渡部位不容易破损，可以因此避免整个刀片的破裂，延长整个钻头的使用寿命。

此外，根据本申请，钻头刀片的凿刃呈向前鼓出的曲线形式，在开始钻削硬质材料时，凿刃与硬质材料表面之间形成点接触，这使得刀片施加到硬质材料上的压强可以增大，钻头向前的冲击破坏能力提高，钻削速度可以增大，并且曲线形凿刃使得刀片更容易在硬质材料上准确定心。

图2-图4中的实施方式中的刀刃各处的切削角可以在下述范围内选取：

凿刃5a上的切削角，在80°～95°的范围内；

切削刃5b上的切削角，在75°～85°的范围内。

如果切削刃5b为直线的，该切削刃5b上的切削角的变化幅度不超过5°。如果切削刃5b为曲线的，该切削刃5b上的切削角的变化幅度不超过10°。

本领域技术人员可以对前描述的刀片1的实施方式做出各种修改。例如，在图9所示的改型实施方式中，刀刃5包括中央的凿刃5a以及分别从凿刃5a的末端延伸的切削刃。每个切削刃包括从凿刃5a的相应末端倾斜延伸到相应的主表面1a的第一切削刃段5c和由相应的刀面7与主表面1a之间的交线构成的第二切削刃段5d。每个第一切削刃段5c衔接于凿刃5a的相应末端与第二切削刃段5d之间。第一切削刃段5c和第二切削刃段5d都优选为直线段，但也可以是曲线段。

每个第一切削刃段5c的起始端与凿刃5a的相应末端之间形成光滑过渡，使得在一包含旋转轴线或与旋转轴线平行的参考平面中的投影中，第一切削刃段5c的起始端与凿刃5a的相应末端具有相同的切线。所述参考平面如前所述选取。这样，每个第一切削刃段5c的起始端与凿刃5a的相应末端之间从任何方向看都没有形成任何角部。图9中的实施方式的其它方面与图2-图4所示的实施方式相同或相似，不再重复描述。

利用前面描述的方法对图9所示的刀片1测量切削角，得出的结果如图10所示。可以看到，切削角在凿刃5a的中心点处(被旋转轴线O穿过)最大，约为86°。随着凿刃5a上的点远离该中心点，切削角呈曲线逐渐减小。在凿刃5a的两侧末端，切削角减小到约81°。对于每个第一切削刃段5c，其与凿刃5a的末端衔接的起始端处，切削角与凿刃5a末端处的切削角相同。随着第一切削刃段5c上的点远离起始端，切削角线性减小。在每个第一切削刃段5c的末端处，切削角减小到约75°。在每个第二切削刃段5d处，切割角保持约75°不变。

图9中的实施方式能够获得前面参照图2-图4所示的实施方式描述的相同或相似的技术效果。

图9中的实施方式中的刀刃各处的切削角可以在下述范围内选取：

凿刃5a上的切削角，在80°～95°的范围内；

第一切削刃段5c上的切削角，在75°～85°的范围内；

第二切削刃段5d上的切削角，在70°～80°的范围内。

可以理解，刀片1的切削刃可以采用其它形式，例如三段或更多段，以使得刀片1实现不同的功能。刀片1的各切削刃优选为直线或具有大弯曲半径的曲线的形式，并且与凿刃5a之间形成平滑过渡，使得在一包含旋转轴线或与旋转轴线平行的参考平面中的投影中，各切削刃的起始端与凿刃5a的相应末端之间的夹角都小于10°，优选小于5°，最优选具有相同的切线。所述参考平面如前所述选取。这样，各切削与凿刃5a之间从任何方向看都没有形成明显的角部，甚至没有任何角部。刀片1的各切削刃彼此之间也优选平滑过渡。

对于各种切削刃形式，本申请的整个刀刃上各处的切削角的差异小于20°、优选小于15°。凿刃末端与相衔接的切削刃起始端的切削角相等，并且凿刃的切削角与切削刃的切削角之间平滑过渡。刀刃各处的切削角可以在下述范围内选取：

凿刃上的切削角，在80°～95°的范围内；

切削刃上的切削角，在70°～85°的范围内。

凿刃上的切削角是变化的，变化幅度不超过10°。

每个切削刃上的切削角是变化的，变化幅度不超过15°、优选不超过10°。

如果每个切削刃包含两段或更多段，则其中至少一段上的切削角是变化的，变化幅度不超过15°、优选不超过10°。对于直线段，其上的切削角的变化幅度不超过5°。对于曲线段，其上的切削角的变化幅度不超过15°、优选不超过10°。

每个切削刃中可以有一段的切削角是大致恒定不变的。

关于刀片上的刀刃和刀面，可以在刀片固定(例如焊接)在钻柄上之后加工(例如磨削)出刀刃和刀面；也可以先在刀片上加工(例如磨削)出刀刃和刀面，再将刀片固定在钻柄上。

通过如此设置刀刃各处的切削角，使得刀刃各处具有相对均衡的切削角，既能够提高钻孔时的钻削能力，又能使得刀片各部位的磨损较为均匀，延长刀片的寿命。

为了获得本申请中限定的切削角，设计人员可以用各种成熟设计软件设计刀片上的刀刃，通过刀刃前后的前刀面和后刀面的组合，实现各部位的切削角。

需要指出，尽管在图示的例子中，刀刃5在横截面中看为尖角的形式，但在实际应用中，无法形成绝对的尖角，而是形成圆角的形式。

虽然这里参考具体的示例性实施方式描述了本申请，但是本申请的范围并不局限于所示的细节。在不偏离本申请的基本原理的情况下，可针对这些细节做出各种修改。

Claims (11)

1.一种用于钻削硬质材料的钻头刀片，其具有沿X方向的旋转轴线(O)、在Z方向上彼此相反的两个主表面(1a)、在Y方向上彼此相反的两个侧表面(1b)以及前端面和后端面；

所述前端面上形成有刀刃(5)，所述刀刃包括中央的凿刃(5a)和衔接于凿刃的两个末端的切削刃；

其中，在刀刃的每个点处的基准平面中测量刀刃的切削角，该基准平面垂直于YZ平面、并且刀刃在YZ平面中的投影在该点处与该基准平面在YZ平面中的投影正交；

所述刀刃被制造成使得整个刀刃上各处的切削角的差异小于20°、优选小于15°，并且凿刃的切削角与切削刃的切削角之间平滑过渡。

2.如权利要求1所述的钻头刀片，其中，凿刃末端与相衔接的切削刃起始端的切削角相等。

3.如权利要求1或2所述的钻头刀片，其中，刀刃各处的切削角在下述范围内选取：

凿刃上的切削角，在80°～95°的范围内；

切削刃上的切削角，在70°～85°的范围内。

4.如权利要求1-3中任一项所述的钻头刀片，其中，所述凿刃为沿轴向向前鼓出的曲线的形式，凿刃上的切削角是变化的，变化幅度不超过10°。

5.如权利要求1-4中任一项所述的钻头刀片，其中，每个切削刃上的切削角是变化的，变化幅度不超过15°、优选不超过10°。

6.如权利要求1-5中任一项所述的钻头刀片，其中，每个切削刃从凿刃的相应末端延伸到刀片的相应的侧表面；

每个切削刃为直线的，其上的切削角的变化幅度不超过5°；或者，每个切削刃为曲线的，其上的切削角的变化幅度不超过10°。

7.如权利要求1-5中任一项所述的钻头刀片，其中，每个切削刃包括彼此连续的至少两段，其中至少一段的切削角是变化的；

所述至少一段为直线段，其上切削角的变化幅度不超过5°；或者，所述至少一段为曲线段，其上切削角的变化幅度不超过15°；

可选地，每个切削刃中有一段的切削角是大致恒定不变的。

8.如权利要求7所述的钻头刀片，其中，每个切削刃包括从凿刃的相应末端延伸到刀片的相应主表面的第一切削刃段以及由前端面的一部分与所述相应主表面之间的交线构成的第二切削刃段，第一切削刃段和第二切削刃段处的切削角在下述范围内选取：

第一切削刃段上的切削角，在75°～85°的范围内；

第二切削刃段上的切削角，在70°～80°的范围内。

9.如权利要求1-8中任一项所述的钻头刀片，其中，所述凿刃在每个末端与相衔接的切削刃的起始端平滑过渡，使得在一包含旋转轴线或与旋转轴线平行的参考平面中的投影中，凿刃的每个末端与相衔接的切削刃的起始端之间的夹角都小于10°，优选小于5°，最优选具有相同的切线。

10.如权利要求9所述的钻头刀片，其中，所述参考平面为XY平面，或者是与YZ平面垂直且在凿刃的中心与凿刃相切的平面，并且在该参考平面中的投影中，所述凿刃为二次曲线。

11.一种钻头，包括：

钻柄和安装在钻柄上的钻头刀片，所述钻头刀片为权利要求1-10中任一项所述的钻头刀片，其中所述钻头刀片的刀刃优选是在所述钻头刀片被安装到钻柄上后加工、例如磨削形成的。