CN1500023A - 研磨工具插件及其制造 - Google Patents

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Abstract

一种形成在基体(10)上的研磨工具插件，其具有表面和连续研磨层，该研磨层具有中心(26)、形成切削边缘并整体形成在所述基体上而且在其中限定界面的周边。界面形成为从所述中心延伸到周边(28)的同心环(16、14、12)的锯齿图案。从中心延伸到该周边的径向向外倾斜的凹槽叠置在同心环上。界面的轮廓从中心向下倾斜到周边。有利的是研磨层是金刚石，基体是硬质合金。本发明还涉及形成研磨工具插件的方法。

Description

研磨工具插件及其制造
技术领域
本发明涉及研磨工具插件的领域，更特别的是涉及如下的插件，该插件具有支承件，该支承件具有锯齿形图案的同心环，该同心环具有叠置的并从支承件的中心径向向外倾斜到其周边的凹槽，并且其中该基体的轮廓从其中心到其周边向下倾斜。
背景技术
研磨坯块在切削、铣销、磨削、钻销和其他研磨操作中广泛使用。研磨颗粒坯块是例如金刚石和/或立方氮化硼(CBN)的多晶体的研磨颗粒，该颗粒粘接在一起以便形成整体、耐磨、高强度物体。这种部件可以颗粒和颗粒之间自粘接的关系通过布置在颗粒之间的粘接介质及其组合粘接在一起。研磨坯块的研磨颗粒含量很高并且存在大量直接的颗粒和颗粒之间的粘接。研磨坯块在升高的或高压和温度(HP/HT)的条件下制成，在该条件下颗粒、金刚石和CBN的晶体结构稳定。例如，见美国专利No.3,136,615，3,141,746和3,233,988。
受到支承的研磨颗粒坯块(这里称为合成坯块)是研磨颗粒坯块，该坯块粘接在例如烧结的碳化钨的基体材料上。
研磨坯块很脆，并在使用中经常通过粘接在硬质合金基体上来支承。这种受到支承的研磨坯块在现有技术中公知为合成研磨坯块。此类型的坯块例如描述在美国专利No.3,743,489，3,745,623和3,767,371中。粘接在支承件上可以在形成研磨颗粒坯块期间或之后形成。合成研磨坯块可用于研磨工具的工作表面中。
已经发现合成坯块作为钻头的切削元件时特别有用。用于岩石钻销、耐磨材料的加工和其他需要高耐磨操作的钻头通常包括多个固定在保持件上的多晶研磨切削元件。特别是，美国专利No.4,109,737和5,374,854描述带有碳化钨支承块(基体)的钻头，其中多晶金刚石坯块位于切削元件的外表面上。多个这种切削元件接着通过干涉配合安装在例如转动钻头的钻头头部的凹口内。这些钻头通常具有在钻销操作中提供冷却水或其他冷却流体到钻头头部和正在钻销的基体之间的界面上的装置。通常该切削元件包括由可以是烧结或粘合碳化物(例如碳化钨)的金属碳化物制成的细长销(栓)，在该销的一端有研磨颗粒坯块(例如多晶金刚石)以便形成合成坯块。
合成坯块的制造通常通过将硬质合金基体放置在压力机的容器中。金刚石颗粒或金刚石颗粒以及催化粘接剂的混合物放置在基体的顶部并在HP/HT条件下压缩。为此，金属粘接剂游离基体并穿过金刚石颗粒以有助于金刚石颗粒的烧结。因此，金刚石颗粒相互粘接以便形成金刚石层，该金刚石层沿传统平界面伴随地粘接在基体上。金属粘接剂可保持在金刚石层中，其中孔限定在金刚石颗粒之间。
以所述方式形成的合成坯块可存在许多缺点。例如，硬质合金和金刚石的热彭胀系数和弹性常数接近但不相同。因此在多晶金刚石坯块(PDC)加热和冷却时，在金刚石层和结合硬质合金基体之间的界面处出现热应力，这些应力的大小例如取决于热彭胀系数和弹性常数的不同。
应该考虑的另一潜在的缺点与金刚石层内的内应力的产生相关，该应力可导致该层的裂纹。这种应力还由硬质合金基体的存在造成，并按照硬质合金基体和多晶金刚石层的尺寸、几何形状和物理特性进行分布。
近年来，已经提出不同的PDC结构，其中金刚石/硬质合金界面包括多个凸脊、凹槽或其他凹口，旨在降低金刚石/硬质合金界面对于机械和热应力的敏感性。在美国专利No.4,784,023中，PDC包括具有多个交替的凸脊和凹槽的界面，其顶部和底部大致平行于坯块表面，并且其侧部大致垂直于该坯块表面。
美国专利No.4,972,637提出一种PDC，其具有包括延伸到硬质合金层的离散隔开的凹口的界面，该凹口包括研磨材料(例如金刚石)并且布置层一排，每个凹口相对于相邻排的最临近的凹口成交错形式。’637专利声称当金刚石/硬质合金界面出现磨损时，填充金刚石的凹口的磨损比硬质合金慢，并该凹口实际上用作切削边缘或突出部。当PDC安装在柱形刀具上时，如’637专利的图5所示，磨损平面38暴露硬质合金区域42，该区域比凹口18内的金刚石材料更快磨损。因此，在填充金刚石的凹口之间的这些区域内出现下陷。’637专利声称暴露金刚石材料的另外边缘的这些下陷区域增加了PDC的切削作用。
美国专利No.5,007,207提出一种可选择的PDC结构，在碳化物层上具有多个凹口，每个凹口填充金刚石，该凹口形成螺旋或同心圆的图案(在盘形坯块处向下观看)。因此，’207结构不同于’637结构之处在于’207结构没有采用大量的离散凹口而是使用一个或几个形成螺旋或同心圆图案的细长凹口。’207专利的图5表示磨损平面，该平面在PDC安装和使用在柱形刀具上时形成。对于’637结构，磨损过程在’207结构在的填充金刚石的凹口之间的硬质合金材料中产生下陷。与’207专利类似，’637专利还声称在磨损过程中形成的这些下陷提高切削作用。
美国专利No.5,484,330提出一种研磨工具插件，其中硬质合金支承件形成锯齿形截面轮廓，并包括多个向该插件的切削边缘向外和向下倾斜的表面。
美国专利No.5,486,137提出一种研磨工具插件，该插件具有研磨颗粒层，该层具有上表面、外周边和整体形成在限定其中界面的基体上的下表面。该研磨颗粒层在其外周边处形成切削平面。研磨颗粒层在其外周边切削平面的厚度径向向内减少。因此，该界面可具有锯齿形截面轮廓，至少一从所述研磨颗粒层外周边径向向内延伸的细槽或根据本发明的思想的其他构形。同样，向外倾斜轮廓的角度可与当PDC使用时磨损形成的磨损平面的预定角度相配。
美国专利No.5,494,477提出一种研磨工具插件，该插件包括硬质合金基体和通过高压、高温工艺形成其上的多晶金刚石层。基体和金刚石层之间的界面包括至少一倾斜的轮廓，其中所述轮廓向该插件的周边向下并向外倾斜。
由此所述专利声称在切削岩石中可获得所需切削作用，还非常希望减少金刚石层对于部分由内部残留应力造成的裂纹和碎片的敏感程度。
因此，还非常希望提供一种多晶金刚石坯块，该坯块具有增加的抵抗金刚石碎片裂纹的能力。
发明内容
一种研磨工具插件，由基体形成，该基体具有表面和连续的研磨层，该研磨层具有中心和形成切削边缘的周边，切削边缘整体形成在基体上并限定其中的界面。该界面形成为从所述中心延伸到该周边的同心环的锯齿图案。从该中心延伸到周边的径向向外倾斜的凹槽叠置在该同心环上。该界面的轮廓从该中心到该周边向下倾斜。研磨层有利的是金刚石并且该基体有利的是金属硬质合金。
还披露一种形成研磨工具插件的方法，该方法由提供具有表面的基体开始。接着，该表面上形成从该中心延伸到该周边的同心环的锯齿图案，从该中心延伸到该周边的径向向外倾斜的凹槽叠置在该同心环上，界面的轮廓从该中心到该周边向下倾斜。最后，具有中心和形成切削边缘的周边的连续研磨层整体形成在基体上。
本发明的优点包括通过在碎片和裂纹通常出现的位置上降低研磨层内的残留拉伸应力来增加研磨工具插件的使用寿命。另一优点是能够增加金刚石切削层和硬质合金支承件之间机械互锁。另一优点是能够降低多晶刀具的切削边缘区域内的拉伸应力。这些和其他优点对于本领域技术人员便于理解。
附图说明
为了更完全理解表面的本质和优点，对于以下与附图结合的详细描述进行参考，附图中：
图1是本发明界面构形的一个实施例的透视图；
图2是本发明界面构形的另一实施例的透视图；
图3是对于传统刀具元件和具有图2所示构形的刀具元件来说冲击能力对刀具类型的图表。
附图将在下面详细说明
具体实施方式
图1和2内的硬质合金支承件的形状独特之处在于它包括两个不同的叠置图案，该图案一起有助于改善切削性能。首先参考图1，透视图所示的刀具支承件10包括总体平的圆柱形状，其带有平的底部(图1中未看到)和环形直侧面。对于支承件10独特之处在于其上表面的图案，该图案形成与通过多晶或其他超硬材料制成的上切削表面的界面。特别是，所看到的界面表面包括同心环的锯齿图案(环形锯齿图案环)12、14和16。例如由环形环16的齿18为代表的齿形成不同的构形，其包括方形、凿子形、尖形等。图1表示齿的三个环形排，该排数可以更多或更少。
叠置在锯齿形环12、14和16并由形成在环16、14和12内的凹槽部段10、22和24表示的凹槽从支承件10的中心延伸到支承件10的周边。尽管可以设置更多或更少的这样的凹槽，图1中表示12个这样的凹槽。
最后，支承件10界面的轮廓从中心26向下倾斜到支承件10的侧表面28。这意味着从支承件10的中心到周边的每个连续的环形锯齿环低于其相邻的内环。在图1中，这意味着界面的轮廓在中心26最高，在环16最低，其中每个环14和16比其内侧的相邻环形环更低。向外倾斜的界面轮廓可以是直的或弧形的。
类似的图案表示在图2中。即，看到支承件30具有中心32；环形环34、35和38；环形侧面40；和例如由凹槽部段42、44和46形成的凹槽。再次，出于说明的目的表示出三个环形环，但不作为限制。同样，出于说明目的表示出12个凹槽，但不作为限制。同样，界面从中心32倾斜到外环38。
多晶上层最好是多晶金刚石(PCD)。但是，在本发明的范围内包括的其他材料是合成和天然金刚石、立方氮化硼(CBN)，纤维锌矿氮化硼及其组合和类似材料。但是多晶金刚石是优选的多晶层。硬质合金基体是传统的组分，并因此可包括任何的Group IVB，VB或VIB金属，该金属在钴、镍或铁、或其合金的粘接剂存在的情况下压制并烧结。优选的硬质合金是碳化钨。
另外，在本发明的实践中，金刚石层的外表面构形不重要，优选的是该层大致是半球形的。该金刚石层的表面构形还可以是平面、锥形、减小或增加半径、凿子形或非对称形状。通常，用于钻销工业中的碳化钨插件的所有形式可以通过添加金刚石层来强化，并通过本发明增加这里所述的凸脊图案来改善。
披露的研磨工具插件通过本领域公知的传统高压/高温(HP/HT)技术制造。这种技术特别披露在上面所述的现有技术中。
在本发明参考优选实施例描述的同时，本领域技术人员将理解可以进行不同的改变并以等同物代替其部件，而不超出本发明的范围。另外，可以进行许多变型以便按照本发明的教导适应特定的情况或材料，而不超出本发明的范围。因此，不打算将本发明限制在作为实施本发明的最佳模式进行披露的特定实施例中，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。在此应用中，除非特别指出，所有单位是米制系统，并且所有的量和百分比以重量为基础。同样，这里参考的所有引用结合于此作为参考。
实例
按照以下试验方法收集冲击阻力数据：
Parkson Mill参数
复合刀具-7°径向/12°轴向
红山花岗岩工件
350rpm切削速度
3”/min(7.62cm/min)进给速度
没有冷却剂
图2所示的本发明刀具与传统右旋滚刀(与GE Superabrasives，Worthington，OH，US的美国专利No.5,484,330，5,486,137和5,494,477类似)，其中金刚石层的厚度大致相同。进行两个相同的操作。记录以下数据。
表1
刀具类型 试验1操作次数(2080冲击/操作) 试验2冲击能量(2090冲击/操作)
现有技术 2600 2766
本发明 10400 15600
图3表示的表内数据，其中长条48表示传统刀具两次操作的平均值，长条50表示具有图2所示界面的刀具的两次操作的平均值。
这些结果表示本发明的刀具显示了改进的冲击性能，这对产品质量很关键。另外，试验现场测试结果已经证实这些数据，并表示出与美国专利No.5,484,330，5,486,137和5,494,477相比，ROP(切入速度)提高3倍，WOB(刀头重量)减少50％。

Claims (15)

1.一种研磨工具插件，其包括：
(a)具有表面的基体；
(b)具有中心、形成切削边缘整体形成在所述基体上而且限定其中的界面的周边的连续研磨层，
其中所述界面包括从所述中心延伸到所述周边的同心环的锯齿图案，从所述中心延伸到所述周边的径向向外倾斜的凹槽叠置在所述同心环上，所述界面的轮廓从所述中心向下倾斜到所述周边。
2.如权利要求1所述的研磨工具插件，其特征在于，所述基体包括硬质合金。
3.如权利要求2所述的研磨工具插件，其特征在于，所述硬质合金从大致包括Group IVB，Group VB和Group VIB金属碳化物的组中选出。
4.如权利要求1所述的研磨工具插件，其特征在于，所述研磨层从大致包括金刚石、立方氮化硼、该纤维锌矿氮化硼及其组合的组中选出。
5.如权利要求3所述的研磨工具插件，其特征在于，所述研磨层从大致包括金刚石、立方氮化硼、该纤维锌矿氮化硼及其组合的组中选出。
6.一种形成研磨工具插件的方法，该方法包括以下步骤：
(a)设置具有表面的基体；
(b)在所述表面上形成从所述中心延伸到所述周边的同心环的锯齿图案，从所述中心延伸到所述周边的径向向外倾斜的凹槽叠置在所述同心环上，所述界面的轮廓从所述中心向下倾斜到所述周边；以及
(c)具有中心和形成切削边缘的连续研磨层整体形成在所述基体上。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基体包括硬质合金。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述硬质合金从大致包括Group IVB，Group VB和Group VIB金属碳化物的组中选出。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述研磨层从大致包括金刚石、立方氮化硼、该纤维锌矿氮化硼及其组合的组中选出。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述研磨层从大致包括金刚石、立方氮化硼、该纤维锌矿氮化硼及其组合的组中选出。
11.一种改进研磨工具插件的冲击性能的方法，该方法包括以下步骤：
(a)设置具有表面的基体；
(b)在所述表面上形成从所述中心延伸到所述周边的同心环的锯齿图案，从所述中心延伸到所述周边的径向向外倾斜的凹槽叠置在所述同心环上，所述界面的轮廓从所述中心向下倾斜到所述周边；以及
(c)具有中心和形成切削边缘的连续研磨层整体形成在所述基体上。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述基体包括硬质合金。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述硬质合金从大致包括Group IVB，Group VB和Group VIB金属碳化物的组中选出。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述研磨层从大致包括金刚石、立方氮化硼、该纤维锌矿氮化硼及其组合的组中选出。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述研磨层从大致包括金刚石、立方氮化硼、该纤维锌矿氮化硼及其组合的组中选出。
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