CN117381029A - 钻头刀片及钻头 - Google Patents

Abstract

一种钻头刀片包括钻头刀片，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，所述刀刃至少包括由所述前端面上的一对刀面之间的交线限定的端面刀刃段；所述钻头刀片被制造成适用于以X方向的额定冲击速度和绕旋转轴线的额定转速执行钻孔操作，使得在刀刃上的每个点处，由所述额定冲击速度构成的冲击速度分量和由所述额定转速产生的切向速度分量合成为该点的合成速度；所述刀刃被构造成，在刀刃的整个范围内，刀刃的角平分线的指向的分布随从于所述合成速度的方向的分布。

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的前端具有刀刃5，刀刃5包括凿刃5a和一对切削刃5z。每个切削刃5z位于刀片1的一个相应的主表面上。凿刃5a和两个切削刃5z都是直线形的，因此刀片1可称作直刃钻头刀片。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。刀片1具有轴向X、横向Y和厚度方向Z。刀片1的旋转轴线O沿X方向。在钻削操作中，刀片1的运动为沿X方向的冲击运动和绕旋转轴线O的旋转运动。

参看图2，在钻头的额定旋转速度和额定冲击速度下，假定刀片1的冲击运动使得刀刃5上的某个点具有沿X方向的速度分量Vx，绕旋转轴线O的旋转运动导致该点具有速度分量Vr，速度分量Vr垂直于速度分量Vx并且垂直于该点到旋转轴线O的垂线。速度分量Vx和速度分量Vr合成该点的合成速度V，速度V与X方向形成夹角α。此外，在该点处，刀刃5的角平分线L与X方向形成夹角β。

刀刃5上个点的夹角α和β的分布见于图3。在凿刃5a处，从中点开始随着远离旋转轴线O，夹角α逐渐变大，在每个切削刃5z处，随着远离旋转轴线O，夹角α也是逐渐变大。在凿刃5a与每个切削刃5z过渡部位，夹角α走势存在突变。另一方面，在整个凿刃5a处夹角β为0，在每个切削刃5z处，夹角β维持一个恒定值。

刀刃5的角平分线L的指向与速度方向差别向越大，对材料的切削能力越弱。图3中所示夹角α和β的分布存在明显差异，因此可以认为现有技术这种直刃钻头刀片对材料的切削能力不是最佳。

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，其能够提高对材料的切削能力。

根据本申请的一个方面，提供了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，所述刀刃至少包括由所述前端面上的一对刀面之间的交线限定的端面刀刃段；所述钻头刀片被制造成适用于以X方向的额定冲击速度和绕旋转轴线的额定转速执行钻孔操作，使得在刀刃上的每个点处，由所述额定冲击速度构成的冲击速度分量和由所述额定转速产生的切向速度分量合成为该点的合成速度；所述刀刃被构造成，在刀刃的整个范围内，刀刃的角平分线的指向的分布随从于所述合成速度的方向的分布。

在一种实施方式中，对于刀刃上的每个点，在由所述冲击速度分量和切向速度分量限定的参考平面内，刀刃的角平分线的指向与所述合成速度的方向之间的夹角不超过10°，优选不超过5°。

在一种实施方式中，从刀刃的中点到刀刃的每个末端，刀刃的角平分线的指向连续且平滑地变化。

在一种实施方式中，从刀刃的中点到刀刃的每个末端，刀刃的角平分线与X方向的夹角连续且平滑地增大。

在一种实施方式中，从刀刃的中点到刀刃的每个末端，刀刃的角平分线与X方向的夹角以与所述合成速度的方向与X方向的夹角相同的趋势增大。

在一种实施方式中，所述刀刃中存在角平分线指向大致不变的一段或多段。

在一种实施方式中，所述端面刀刃段的末端位于所述两个侧表面上，所述刀刃仅包括所述端面刀刃段，所述端面刀刃段的中间部位构成凿刃，所述端面刀刃段的位于所述中间部位两侧的部位构成切削刃。

在一种实施方式中，所述端面刀刃段的末端位于所述两个主表面上，所述刀刃还包括衔接于所述端面刀刃段的每个末端的主表面刀刃段，每个主表面刀刃段由相应的刀面与沿旋转方向位于该刀面前侧的主表面之间的交线限定；所述端面刀刃段构成凿刃，所述主表面刀刃段构成切削刃；或者，所述端面刀刃段的中间部位构成凿刃，所述端面刀刃段的位于所述中间部位两侧的部位以及所述主表面刀刃段构成切削刃。

在一种实施方式中，整个刀刃上各处的切削角的差异小于20°、优选小于15°。

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，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的起始端之间平滑过渡。

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，钻头刀片的刀刃上尖角的角平分线的指向分布与速度方向分布相符，使得各处尖角的施力方向与速度方向大体一致，刀片对材料的切削能力相对于直刃钻头刀片而言显著提高。

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是图1中的钻头的刀片的刀刃角平分线指向与速度方向的示意图；

图3是图1中的钻头的刀片的刀刃角平分线指向与速度方向的分布图；

图4、图5分别是根据本申请一种实施方式的钻头刀片的正视图和俯视图；

图6、图7分别是解释图4、图5所示钻头刀片的速度方向的俯视图和立体图；

图8是解释图4、图5所示钻头刀片的刀刃角平分线指向的立体图；

图9-图11是图4、图5所示钻头刀片的刀刃角平分线指向与速度方向的分布图；

图12、图13是根据本申请其它实施方式的钻头刀片的俯视图。

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4、图5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方向。

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的前端面上形成有两个旋转对称的刀面4。每个刀面4至少部分是曲面。每个刀面4在宽度方向Y上的外边界位于相应的侧表面1b上，两个刀面4之间的交线限定出刀刃段5a，即每个刀面4在宽度方向Y上的内边界为刀刃段5a。

刀刃段5a为光滑的连续曲线。在本例中，刀刃段5a的两个末端A分别位于相应的主表面1a上。

在每个末端A沿宽度方向Y方向外，相应刀面4沿旋转方向的前部与相应主表面1a之间的交线限定出刀刃段5b。每个刀刃段5b分别从刀刃段5a的相应末端A延伸到相应的侧表面1b。

刀刃段5a和在宽度方向Y上衔接的两个刀刃段5b构成完整的刀刃5(主刃)。为了区分，刀刃段5a可以称作端面刀刃段，刀刃段5b可以称作主表面刀刃段。

由于刀刃段5a为光滑的连续曲线，因此，刀刃段5a上一般来说并不向图1中的现有技术那样能明确看出哪部分为凿刃。可以认为刀刃段5a在距旋转轴线O一定距离内的部位为凿刃，在该距离之外的部位为切削刃。

刀刃段5a的每个末端A处在YZ平面中的投影与相应主表面1a之间的夹角优选小于30度，最优选小于20度。

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。刀刃段5a与旋转轴线O的交点为整个刀片1在轴向X上的最前点。

每个刀面4沿旋转方向的后部与相应主表面1a之间的交线限定出后刃(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Z上面对着的刀刃5上的相应点的高度。

下面参照图6-图8考察本申请的刀片1的刀刃5的角平分线的指向与速度方向。

首先参看图6，在刀片1沿轴向所作俯视图中，对于刀刃5上的任意一个点B，取参考平面P，其中，旋转轴线O平行于该参考平面P或位于该参考平面P内，并且点B到旋转轴线O的垂线垂直于该参考平面P。参考平面P在刀片1上的截面以剖面线示出。点B距旋转轴线O的宽度方向距离为W。

刀片1工作中旋转(图6中为逆时针方向)在点B处产生的速度分量Vr(可称作切向速度分量)位于参考平面P与YZ平面交线上，垂直于点B到旋转轴线O的垂线。

此外，参看图7中的立体图，刀片1工作中沿轴向X方向前冲击在点B处产生沿X方向的速度分量Vx(可称作冲击速度分量)。速度分量Vx与速度分量Vr垂直。

速度分量Vr与速度分量Vx合成点B处的速度V，速度V与X方向形成夹角α。参考平面P也可以看作是速度分量Vx与速度分量Vr限定的平面。

参看图8中的立体图，在点B处，刀刃5的角平分线L与X方向形成夹角β。

对于本申请的钻头适用的额定旋转速度和额定冲击速度来说，刀刃5的速度V与X方向之间的夹角α的分布在图9中示意性表示。在图9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，表示为距离W相对于刀片1总宽度的百分比的形式；纵轴表示刀刃5上各点处的速度V与X方向之间的夹角α。

从图9中可以大致看出，从刀刃5的中点沿宽度方向向外，夹角α之间增加。由于刀刃段5a为光滑的连续曲线，因此，在刀刃段5a的范围内，夹角α平滑地变化，而没有任何突变。此外，由于刀刃段5a与每个刀刃段5b之间也是很平缓地过渡，不存在图1中那样明显的凿刃与切削刃之间的尖角过渡，因此，在刀刃段5a与每个刀刃段5b之间衔接的部分处，也不存在突变。

总体上讲，随着沿宽度方向距离刀刃5的中点越远，夹角α的数值基本上单调增加，并且不存在突变。

对于整个刀刃5，本申请希望将其角平分线L的指向设置成与速度方向尽可能一致。即，希望将刀刃5角平分线L与X方向之间的夹角β设计成尽量靠近夹角α，并且分布趋势与夹角α基本相同。

根据这一思路设计并制造的刀刃5角平分线L与X方向之间的夹角β的分布见于图10。在图10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，纵轴表示刀刃5上各点处夹角β。

总体上讲，随着沿宽度方向距离刀刃5的中点越远，夹角β的数值基本上单调增加，并且不存在突变。并且，在刀刃5的每个点处，夹角β的数值与夹角α的数值之间的差异不超过10°，优选不超过5°。

图11中展示了图8、图9合成后的夹角α、β的分布图，可以看出，在刀刃5的各个位置，夹角β与夹角α差别很小。

为了实现刀刃5各个点处角平分线L的预期指向，设计人员可以用各种成熟设计软件设计刀刃5上各点的角平分线L的指向，实现各部位的角平分线L的预期指向。

由于刀刃5的角平分线L的指向可以认为是刀刃5向材料切入的施力方向。刀刃5的尖角处的施力方向与速度方向一致，则对材料的切削能力最强。尖角处的施力方向与速度方向差别向越大，对材料的切削能力越弱。本申请设计并制造的刀刃5的角平分线L的指向使得夹角β的分布随从于夹角α的分布，因此可以认为这种刀片对材料的切削能力较佳。这里，夹角β的分布随从于夹角α的分布，是指夹角β的分布趋势与夹角α的分布趋势正相关，即在从宽度方向中心向宽度方向两侧的方向上，随着夹角α逐渐增大(无阶跃式增大)，夹角β也逐渐增大(无阶跃式增大)，并且在各位置处夹角β与夹角α的差值都小于前面描述的数值。

同图1所示的直刃钻头刀片相比，本申请的刀片在刀刃的各个位置的切削能力都被优化，因而刀片的综合切削能力被显著提高。此外，在刀刃的各个位置上，夹角α、β都是基本平滑地过渡，并且夹角β与夹角α之间都没有明显的差异，因此整个刀片没有明显的切削能力弱化部位。

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12所示的改型实施方式中，刀刃5仅包括限定在两个曲面形式的刀面4之间的光滑的连续曲线形式的刀刃段5a，其两个末端位于相应的侧表面1b上，不存在图4、图5中所示的刀刃段5b。刀刃段5a中部的位于距旋转轴线O一定距离内的部位为凿刃，该距离之外的部位为切削刃。

对于图12中所示的实施方式，同样，将其刀刃5各处的角平分线L的指向设置成与速度方向尽可能一致。图12所示的实施方式的其它方面与图4、图5所示的相同或相似，并且能取得同样的技术效果，不再重复描述。

又如，在图13所示的改型实施方式中，刀刃5包括中间的刀刃段5a和分别衔接于刀刃段5a相应末端的两个刀刃段5b。刀刃段5a限定在两个曲面形式的刀面4之间，为光滑的连续曲线，并且其两个末端位于相应的主表面1a上。刀刃段5a两末端都位于距旋转轴线O一定距离内，因此整个刀刃段5a构成凿刃。每个刀面4沿旋转方向的前部与相应主表面1a之间的交线限定出刀刃段5b。每个刀刃段5b分别从刀刃段5a的相应末端A延伸到相应的侧表面1b。这两个刀刃段5b为切削刃。

对于图13中所示的实施方式，同样，将其刀刃5各处的角平分线L的指向设置成与速度方向尽可能一致。图13所示的实施方式的其它方面与图4、图5所示的相同或相似，并且能取得同样的技术效果，不再重复描述。

可以理解，刀片1的刀刃5可以采用其它形式，例如多个曲线段相组合、或者与直线段组合的形式，以使得刀片1实现不同的功能。各段彼此之间优选平滑过渡。

对于各种刀刃形式，本申请的整个刀刃5上各处的角平分线指向设置成与速度方向尽可能一致。对于位于两个刀面4之间的刀刃段5a，其各处的角平分线指向可以通过刀刃段5a在旋转方向上前后侧的刀面4的角度组合实现，对于位于每个刀面4与相应主表面1a之间的刀刃段5b，其各处的角平分线指向可以通过刀刃段5b处的刀面4相对于主表面1a的角度实现。

本申请的刀刃优选在各处的角平分线指向连续且平滑地变化，但是本申请也包含刀刃中存在一段或多段的角平分线指向大致恒定不变的情形。

此外，在根据本申请设计刀刃5上各处的角平分线指向的同时，还需要考虑刀刃5上各处的切削角。这里，切削角可以在前面描述的参考平面P中测量。对于刀刃5上的某个点，其旋转方向前侧的表面(刀面或主表面)与参考平面P的交线与旋转方向后侧的表面(刀面)与参考平面P的交线在该点处的夹角定义为该点处的切削角。对整个刀刃5的所有位置的切削角进行综合设计，使得整个刀刃上各处的切削角的差异小于一定角度(例如20°、优选小于15°)，并且凿刃末端与相衔接的切削刃起始端的切削角差异小于限定的角度(例如10°)、最好是相等，并且凿刃的切削角与切削刃的切削角之间优选平滑过渡而没有突变的分布。此外，还可以设计成使得凿刃末端与相衔接的切削刃的起始端之间平滑过渡。

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。

根据本申请，通过如此设置刀刃各处的角平分线指向，使得刀刃各处的角平分线指向的分布随从于钻头额定转速和冲击速度在刀刃各处产生的合成速度方向的分布，尽可能一致，使得刀片各个位置都具有较佳切削能力，从而整个刀片具有最优的钻削能力。

此外，刀刃不存在明显的几何突变(尖角)，因此不宜产生应力集中，刀刃不容易崩碎，使得刀片各部位的磨损较为均匀，延长刀片的寿命。

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)，所述刀刃至少包括由所述前端面上的一对刀面(4)之间的交线限定的端面刀刃段(5a)；

所述钻头刀片被制造成适用于以X方向的额定冲击速度和绕旋转轴线的额定转速执行钻孔操作，使得在刀刃上的每个点处，由所述额定冲击速度构成的冲击速度分量(Vx)和由所述额定转速产生的切向速度分量(Vr)合成为该点的合成速度(V)；

所述刀刃被构造成，在刀刃的整个范围内，刀刃的角平分线(L)的指向的分布随从于所述合成速度的方向的分布。

2.如权利要求1所述的钻头刀片，其中，对于刀刃上的每个点，在由所述冲击速度分量(Vx)和切向速度分量(Vr)限定的参考平面(P)内，刀刃的角平分线(L)的指向与所述合成速度的方向之间的夹角不超过10°，优选不超过5°。

3.如权利要求1或2所述的钻头刀片，其中，从刀刃的中点到刀刃的每个末端，刀刃的角平分线(L)的指向连续且平滑地变化。

4.如权利要求1-3中任一项所述的钻头刀片，其中，从刀刃的中点到刀刃的每个末端，刀刃的角平分线(L)与X方向的夹角(α)连续且平滑地增大。

5.如权利要求4所述的钻头刀片，其中，从刀刃的中点到刀刃的每个末端，刀刃的角平分线(L)与X方向的夹角(α)以与所述合成速度的方向与X方向的夹角(β)相同的趋势增大。

6.如权利要求4或5所述的钻头刀片，其中，所述刀刃中存在角平分线指向大致不变的一段或多段。

7.如权利要求1-6中任一项所述的钻头刀片，其中，所述端面刀刃段的末端位于所述两个侧表面上，所述刀刃仅包括所述端面刀刃段(5a)，所述端面刀刃段的中间部位构成凿刃，所述端面刀刃段的位于所述中间部位两侧的部位构成切削刃。

8.如权利要求1-6中任一项所述的钻头刀片，其中，所述端面刀刃段的末端位于所述两个主表面上，所述刀刃还包括衔接于所述端面刀刃段的每个末端的主表面刀刃段(5b)，每个主表面刀刃段由相应的刀面与沿旋转方向位于该刀面前侧的主表面之间的交线限定；

所述端面刀刃段构成凿刃，所述主表面刀刃段构成切削刃；或者，所述端面刀刃段的中间部位构成凿刃，所述端面刀刃段的位于所述中间部位两侧的部位以及所述主表面刀刃段构成切削刃。

9.如权利要求1-8中任一项所述的钻头刀片，其中，整个刀刃上各处的切削角的差异小于20°、优选小于15°；

优选地，凿刃末端与相衔接的切削刃起始端的切削角相等；

优选地，凿刃的切削角与切削刃的切削角之间平滑过渡。

10.如权利要求9所述的钻头刀片，其中，凿刃末端与相衔接的切削刃的起始端之间平滑过渡。

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。